CN211860888U - 医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，包括：冷却水循环供给单元，至少两个功率开关单元，分别与各个功率开关单元导热连接的至少两个水冷器；每个水冷器与冷却水循环供给单元之间均连接有供水管和回水管；供水管与回水管之间连接一旁通水管，旁通水管内铰接的阀叶，回水管内设置一导热材质的封闭腔，封闭腔内布置热胀冷缩物以及压向热胀冷缩物的活塞，活塞与阀叶通过活塞杆相连接。本装置能够根据梯度功率放大器中各个功率开关单元不同工况，实时调节此功率开关单元的循环水流量，进而使各个功率开关单元的温度趋于相等。

Description

医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置

技术领域

本申请涉及一种医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置。

背景技术

磁共振成像系统内用于输出程序化梯度电流的装置称为梯度功率放大器，此放大器已全面步入开关型功率放大器时代，其包括多个功率开关单元。

开关型功率放大器相对于传统线性功率放大器，最大的优势在于能效比。新型开关型功率放大器的能效比是传统线性功放的近两倍(实际上新型开关型功放基本都能达到80％以上能效比，而线性功放很难达到40％以上)。

理论上，开关型功率放大器(以下简称功放)的运行能效比为100％。但是在实际使用中，组成功放系统中各个部件会产生一定的损耗，例如变压器铁损、线缆阻抗、功率器件导通/开关损耗、滤波电感损耗、电容正切损耗、地线漏电损耗等等，功放的整体能效比将低于理想值。能效比的下降，往往伴随着性能指标的妥协以及运行成本的上升，需要有对应措施。

功放运行过程中，产生的热量是能耗比降低的最直接原因。因此，提高能耗比的直接手段，就是降低(排除)产生的热量。在众多产生热量的来源中，最为显著的一项就是功率开关器件的热量功率。此热量功率是和功率开关器件所处在的工作环境温度以及工作负载量紧密相关的。

如图1所示，目前采取的方法是将热量功率较大的功率开关器件贴靠固定在热阻较低的水冷器上，再用冷却媒介(一般为水)经由水路将多余热量带出功放。

在图1中，一个梯度功放由三个功率开关单元组成。外部循环水在冷却器102的降温下经由外部水路送入分流器101，分为三份后，分别送入与待冷却功率开关单元2贴靠的三个水冷器3。在功率开关单元2和水冷器3带走循环水多余热量后，循环水被汇总在分流器101内，最后由外部水路送回冷却器102进行降温并作为新一轮冷循环水加入循环。

每个功率开关单元在设计时，均具有相同结构，所以对于循环水具有相同的流阻。这项特性会使流经三个功率开关单元的水流量相等，从而保证每个功率开关单元获得的冷却功率相等。

然而，现实加工制造中与使用中，梯度放大器会有与设计不同的表现。主要问题有以下三点：

1、功率开关单元加工制造中的公差问题导致每一个功率单元的流阻不同，从而使其获得的散热功率不同。

2、功率开关(最小发热单元)个体体质差异导致其组成的功率开关单元所需求的散热功率不同。

3、每一个功率开关单元实际使用中负载不尽相同；高负载的单元散热需求远远高于低负载的单元。

梯度功率放大器在工作时，其每个功率开关单元都会产生较大的工作热量而升温。故而在实际应用时，通常会设计吸收各个功率开关单元热量的散热结构。

图1所示的传统散热结构对于1、2两点问题并无对应方法(或者说并不关心)；对于第3点问题，则是加大外部水路总体的散热功率(加大流量、降低制冷温度或者两者兼备)。

这种粗放式的散热结构设计具有以下问题：

1、能效比低：只能设定一个较高的散热功率以满足最高散热需求。

2、瞬时响应差：无法针对个别发热突然增加的情况进行控制。

3、每个功率单元最佳工作温度无法调节：制造公差问题无法区别对待。

发明内容

本申请目的是：针对上述问题，提出一种医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，其能够根据梯度功率放大器中各个功率开关单元不同工况，实时调节此功率开关单元的循环水流量，进而使各个功率开关单元的温度趋于相等。

本申请的技术方案是：

一种医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，包括：

冷却水循环供给单元，

至少两个功率开关单元，以及

分别与各个所述功率开关单元导热连接的至少两个水冷器；

每个所述水冷器与所述冷却水循环供给单元之间均连接有将所述冷却水循环供给单元提供的冷却水输送至所述水冷器的供水管以及将所述水冷器中的冷却水回流至所述冷却水循环供给单元的回水管；

所述供水管与所述回水管之间连接一旁通水管，所述旁通水管内铰接用于调节该旁通水管流通面积的阀叶，所述回水管内设置一导热材质的封闭腔，所述封闭腔内布置热胀冷缩物以及将所述热胀冷缩物压于所述封闭腔中的活塞，所述活塞与所述阀叶通过活塞杆相连接。

本申请在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

所述旁通水管内的水流对所述阀叶施加有促使所述活塞压向所述热胀冷缩物的水流冲击力。

所述热胀冷缩物、所述活塞、所述活塞杆和所述阀叶自下而上依次布置。

所述封闭腔内设有连接于所述封闭腔腔壁和所述活塞之间的弹簧，所述弹簧对所述活塞施加促使该活塞压向所述热胀冷缩物的弹力。

当所述热胀冷缩物受热膨胀时，所述热胀冷缩物推动所述活塞向外移动，所述活塞通过所述活塞杆推动所述阀叶正向移动，进而使所述旁通水管的流通面积减小；当所述热胀冷缩物受冷收缩时，所述活塞向内移动，所述阀叶反向移动，进而使所述旁通水管的流通面积增大。

所述热胀冷缩物为石蜡。

所述封闭腔设置在所述旁通水管与所述回水管连接点的上游。

所述回水管内设有位于所述封闭腔下游的单向瓣膜阀，并且所述单向瓣膜阀也布置于所述旁通水管与所述回水管连接点的上游。

所述冷却水循环供给单元包括：分流器，与所述分流器液相连通的冷却器；

所述供水管的进水端与所述分流器相连，所述回水管的排水端与所述冷却器相连。

所述水冷器是与所述功率开关单元贴靠布置的水冷板或水冷盘管。

本申请的优点是：

1、本申请在温度调节装置中配置的阀叶等结构可根据温度连续调节旁路水流以及水冷器水流的大小，能够以设定值设定功率开关单元的工作温度，并且无电子元件，可靠性、抗干扰能力均极佳。

2、对于流阻、发热特性不同的功率开关单元均具有恒温调节能力。瞬时调节温度能力也可以通过选择相应膨胀介质来达到目的，膨胀介质的种类可根据不同使用场景、成本、可靠度需求差异抉择。

3、阀叶在旁通水管内的位置经过特别设计，从而使得旁通水管中的水流对阀叶施加有促使活塞压向热胀冷缩物的力，如此可保证活塞与热胀冷缩物始终紧贴，热胀冷缩物在膨胀和收缩时，阀叶也随之实时移动。

4、热胀冷缩物、活塞、活塞杆和阀叶自下而上依次布置，上方阀叶和活塞杆的重力施加于活塞上，促使活塞向下紧压下方的热胀冷缩物，提升活塞与热胀冷缩物的贴合性。

5、在封闭腔内设置连接于封闭腔腔壁和活塞之间的弹簧，弹簧对活塞施加促使其压向热胀冷缩物的弹力，同样提升活塞与热胀冷缩物的贴合性。

6、将封闭腔设置在旁通水管与回水管连接点的上游，与封闭腔内热胀冷缩物进行热交换的水流的温度与对应功率开关单元的温度更加接近。

7、在回水管内设置了位于封闭腔下游的单向瓣膜阀，并且该单向瓣膜阀也布置于旁通水管与回水管连接点的上游，从而可避免旁通水管中的水流流向封闭腔位置，而导致封闭腔附近水温与对应功率开关单元温度相差较大。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为传统温度调节装置的结构示意图；

图2为本申请实施例中温度调节装置的结构示意图；

图3为本申请实施例中旁通水管与回水管连接处的结构示意图；

其中：1-冷却水循环供给单元，2-功率开关单元，3-水冷器，4-供水管，5-回水管，6-旁通水管，7-阀叶，8-封闭腔，9-热胀冷缩物，10-活塞，11-活塞杆，12-单向瓣膜阀，101-分流器，102-冷却器，501-回水管的进水端，502-回水管的排水端，601-旁通水管的进水端。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解。例如，“连接”可以使固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以使直接相连，也可以是通过中介媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本申请的限制。

图2和图3示出了本申请这种温度调节装置的一个具体实施例，该装置用于医疗磁共振成像系统的梯度功率放大器，以对梯度功率放大器进行冷却降温。与以往用于医疗磁共振成像系统梯度功率放大器的温度调节装置相同的是，该温度调节装置也包括：冷却水循环供给单元1，多个功率开关单元2，分别与各个功率开关单元贴靠导热连接的多个水冷器3。每个水冷器3与冷却水循环供给单元1之间均连接有一根供水管4和一根回水管5，其中供水管4用于将冷却水循环供给单元提供的冷却水输送至水冷器3，水冷器3中流通的冷却水吸收与该水冷器贴靠的功率开关单元热量，回水管5用于将水冷器3中已吸热的冷却水回流至冷却水循环供给单元1，冷却水循环供给单元1用于将回流进来的冷却水再次降温并提供源源不断的冷却水给前述供水管4。

本实施例的关键改进在于，供水管4与回水管5之间还连接有一根旁通水管6，该旁通水管6内铰接有一个用于调节该旁通水管流通面积的阀叶7，回水管5内设置一导热材质的封闭腔8，封闭腔8内布置热胀冷缩物9以及将热胀冷缩物压于封闭腔中的活塞10，活塞10与阀叶7通过活塞杆11相连接。

参照图3所示，旁通水管6内自左向右流动的水流对阀叶7施加有水流冲击力，该水流冲击力可分解为水平向右的水平分力和竖直向下的分力，其中竖向分力依次作用于活塞杆11和活塞10，促使活塞10向内(也即向下)紧压封闭腔8中的热胀冷缩物9。

本实施例中的热胀冷缩物9具体为石蜡。因为导热材质(具体的，封闭腔的腔壁为导热材质)的封闭腔8和封闭腔内的石蜡都处于回水管5内，所以回水管5中的水流和石蜡会发生热交换，回水管5内水流温度决定着石蜡的胀缩程度。

若回水管5内水流温度较高，则表明对应功率开关单元2的温度也比较高，该功率开关单元2的热量没有被及时吸收。参照图3所示，此时，当石蜡吸收回水管内水流的热量而受热膨胀，膨胀的石蜡推动活塞10向外(也即图3中向上)移动，活塞10带动活塞杆11向上移动，活塞杆11推动阀叶7逆时针移动(摆动)，进而使旁通水管6的流通面积减小。因为冷却水循环供给单元1提供给供水管3的总水流量一定，而且前述水流分别分流至旁通水管6和回水管5，故旁通水管6内水流量与回水管5内水流量之和等于前述总水流量，当旁通水管6的流通面积减小后，旁通水管6内水流量也必然减小，所以回水管5内水流量变大，也即图2中向下进入水冷器3的水流量变大，提升对相应功率开关单元2的吸热速率。若回水管5内水流温度较低，则表明对应功率开关单元2的温度也比较低，此时石蜡受冷收缩，活塞10在上述竖向分力的作用下在图3中向下移动紧压石蜡上表面，阀叶7在图3中顺时针移动，进而使旁通水管6的流通面积增大。当旁通水管6的流通面积增大后，旁通水管6内水流量也必然增大，所以回水管5内水流量变小，也即图2中向下进入水冷器3的水流量减小，对相应功率开关单元2的吸热速率减小。

由上可见，基于封闭腔8内物质的热胀冷缩的物理特性，可控制阀叶7对旁通水管6的节开程度，进而控制旁通水管6和水冷器3内的水流大小。具体效果如下表总结：

回水水温	旁通水管水流大小	水冷器水流大小
			低	大	小
中	中	中
			高	小	大

回水水温几乎等于热源温度。当热源温度较低时，说明此单元需求散热功率较低，所以冷循环水未流经热源，直接回流至分流器，相当于剩下了这部分散热功率。

当热源开始发热后(意味着需求更对散热功率)，膨胀动作机构开始受热膨胀，并使比例阀开始关闭，旁路水流开始变小，通过热源的水流量增加。

当热源温度达到较高的值时(设计时针对此温度可以调整膨胀动作机构的行程)，比例阀完全关闭，所有的冷循环水均通过热源进行散热。此时功率开关单元获得了最大的散热功率。

参照图3所示，上述阀叶7的左端部与旁通水管6铰接，阀叶7的右端部为自由端。当阀叶7的右端部向上抬起时，阀叶7对旁通水管6的堵塞面积增大，旁通水管6的流通面积减小；当阀叶7的右端部向下落降时，阀叶7对旁通水管6的堵塞面积减小，旁通水管6的流通面积增大。

我们发现，单单依靠回水管5内水流冲击力的竖向向下分力，并不能完全保证活塞10与石蜡的始终挤压接触，时常出现活塞10上移而与石蜡分离的问题。对此，本实施例将上述热胀冷缩物9、活塞10、活塞杆11和阀叶7自下而上依次布置。如此一来，上方阀叶7和活塞杆11的重力施加于活塞10上，促使活塞10向下紧压下方的石蜡。

当然，我们也可以在封闭腔8内设置连接于封闭腔8腔壁和活塞10之间的弹簧，弹簧对活塞10施加向下的弹力，促使活塞10向内紧压热胀冷缩物9。

活塞杆11上端与阀叶7铰接。

前述弹簧优选布置于活塞10上方的压簧。

参照图2所示，旁管6与回水管5连接点可将回水管5分成位于该连接点下方的上游管段和位于该连接点上方的下游管段，回水管5下游管段的水流全部从水冷器3导出，而回水管5上游管段的水流一部分来自水冷器3，另一部分来自旁通水管6。所以回水管5上游管段的水流温度与水冷器3和对应功率开关单元2的温度基本相同，而回水管5下游管段的水流温度两路水流的混合温度，回水管5上游管段的水流温度更接近对应功率开关单元2的温度。据此，本实施例将上述封闭腔8设置在回水管5的上游管段，即封闭腔8设置在旁通水管6与回水管5连接点的上游。

显然，即便将封闭腔8设置在旁通水管6与回水管5连接点的下游，也是完全可行的，这是因为回水管下游管段的水流温度与对应功率开关单元2的温度具有正相关关系。

为了避免旁通水管6中的水流流向封闭腔8位置，而导致封闭腔8附近水温与对应功率开关单元2温度相差较大，本实施例在回水管6内设置了位于封闭腔8下游的单向瓣膜阀12，并且该单向瓣膜阀12也布置于旁通水管6与回水管5连接点的上游。

本实施例中，上述的水冷器3是与功率开关单元2贴靠布置的水冷板。当然该水冷器3也可以采用其他结构形式，比如：与功率开关单元2贴靠布置的水冷盘管。

上述已经介绍冷却水循环供给单元1用于将回流进来的冷却水再次降温并提供源源不断的冷却水给前述供水管4，具体地，本实施例的冷却水循环供给单元1包括分流器101以及与该分流器101液相连通的冷却器102，其中冷却器102用于吸收分流器中水的热量。上述各根供水管4的进水端与前述分流器101相连。分流器101将其内的冷却水等量分流给各根供水管4。

进一步地，分流器101包括相互隔离的供水内腔和回水内腔，供水管4的进水端分别与供水内腔相连，回水管5的出水端与回水内腔相连，供水内腔和回水内腔均与上述冷却器102相连通，可见，回水管5的出水端与冷却器102间接连接。工作时，回流至回水内腔中的水流向冷却器102，被冷却器102冷却后再流入供水内腔，供水内腔将其内的冷却水分流至各根各根供水管4。供水内腔具有多个出水口，各根供水管4的进水端分别与前述各个出水口相连接。

当然，我们也可以直接将回水管5的出水端与前述冷却器102相连接，无需在分流器101中设置上述回水内腔。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，包括：

冷却水循环供给单元(1)，

至少两个功率开关单元(2)，以及

分别与各个所述功率开关单元导热连接的至少两个水冷器(3)；

每个所述水冷器(3)与所述冷却水循环供给单元(1)之间均连接有将所述冷却水循环供给单元提供的冷却水输送至所述水冷器(3)的供水管(4)以及将所述水冷器(3)中的冷却水回流至所述冷却水循环供给单元(1)的回水管(5)；

其特征在于，

所述供水管(4)与所述回水管(5)之间连接一旁通水管(6)，所述旁通水管(6)内铰接用于调节该旁通水管流通面积的阀叶(7)，所述回水管(5)内设置一导热材质的封闭腔(8)，所述封闭腔(8)内布置热胀冷缩物(9)以及将所述热胀冷缩物压于所述封闭腔中的活塞(10)，所述活塞(10)与所述阀叶(7)通过活塞杆(11)相连接。

2.根据权利要求1所述的医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，其特征在于，所述旁通水管(6)内的水流对所述阀叶(7)施加有促使所述活塞(10)压向所述热胀冷缩物(9)的水流冲击力。

3.根据权利要求1所述的医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，其特征在于，所述热胀冷缩物(9)、所述活塞(10)、所述活塞杆(11)和所述阀叶(7)自下而上依次布置。

4.根据权利要求1所述的医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，其特征在于，所述封闭腔(8)内设有连接于所述封闭腔(8)腔壁和所述活塞(10)之间的弹簧，所述弹簧对所述活塞(10)施加促使该活塞压向所述热胀冷缩物(9)的弹力。

5.根据权利要求1所述的医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，其特征在于，当所述热胀冷缩物(9)受热膨胀时，所述热胀冷缩物(9)推动所述活塞(10)向外移动，所述活塞(10)通过所述活塞杆(11)推动所述阀叶(7)正向移动，进而使所述旁通水管(6)的流通面积减小；当所述热胀冷缩物(9)受冷收缩时，所述活塞(10)向内移动，所述阀叶(7)反向移动，进而使所述旁通水管(6)的流通面积增大。

6.根据权利要求1所述的医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，其特征在于，所述热胀冷缩物(9)为石蜡。

7.根据权利要求1所述的医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，其特征在于，所述封闭腔(8)设置在所述旁通水管(6)与所述回水管(5)连接点的上游。

8.根据权利要求7所述的医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，其特征在于，所述回水管(5)内设有位于所述封闭腔(8)下游的单向瓣膜阀(12)，并且所述单向瓣膜阀(12)也布置于所述旁通水管(6)与所述回水管(5)连接点的上游。

9.根据权利要求1所述的医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，其特征在于，所述冷却水循环供给单元(1)包括：

分流器(101)，以及

与所述分流器(101)液相连通的冷却器(102)；

所述供水管(4)的进水端与所述分流器(101)相连，所述回水管(5)的排水端与所述冷却器(102)相连。

10.根据权利要求1所述的医疗磁共振成像系统中梯度功率放大器的温度调节装置，其特征在于，所述水冷器(3)是与所述功率开关单元(2)贴靠布置的水冷板或水冷盘管。

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