專利名稱：超導(dǎo)磁體的制冷系統(tǒng)和制冷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)超導(dǎo)磁體的制冷系統(tǒng)和方法，尤其是用以將超導(dǎo)磁體從一較高溫度冷 卻到其超導(dǎo)溫度的制冷系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)超導(dǎo)磁體被冷卻到合適的低溫時，將其作為導(dǎo)體傳輸電流，其上的電阻為零，該 合適的低溫被稱為超導(dǎo)磁體的“超導(dǎo)溫度”。因此，當(dāng)將超導(dǎo)磁體與電源設(shè)備連通，使其上流 經(jīng)一電流，即便之后將其與電源設(shè)備的電連接斷開，因其電阻為零，其上仍保持著電流，從 而能夠保持一個強的磁場。超導(dǎo)磁體通常都配有冷卻系統(tǒng)，為以將超導(dǎo)磁體保持在其超導(dǎo)溫度或其超導(dǎo)溫度 之下。一種現(xiàn)有的超導(dǎo)磁體冷卻系統(tǒng)包括一個裝有液氦等液體制冷劑的儲液池，超導(dǎo)磁體 浸在儲液池的液氦內(nèi)。在將超導(dǎo)磁體從一較高溫度(如室溫)冷卻到超導(dǎo)溫度的初始冷卻 過程中，使用這種現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)，需要持續(xù)地向儲液池內(nèi)填充液氦，超導(dǎo)磁體的熱通過不斷 的將儲液池內(nèi)的液氦汽化成液汽的汽化過程帶走，在這個過程中，這些汽化形成的氦汽通 常散發(fā)到空氣中，無法回收利用。另外，將液氦傳送進(jìn)儲液池需要配置體積龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜 的傳送機(jī)構(gòu)以及專門的設(shè)備維護(hù)人員。因此需要提供一種簡單的超導(dǎo)磁體冷卻系統(tǒng)和制冷 方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面在于提供一種超導(dǎo)磁體的制冷方法，該超導(dǎo)磁體應(yīng)用于核磁共 振成像系統(tǒng)，且置于一低溫恒溫器內(nèi)。該制冷方法包括從低溫恒溫器外將一氣體引入低溫 恒溫器內(nèi)的一冷卻路徑，通過一低溫恒溫器外的制冷機(jī)將低溫恒溫器內(nèi)的一熱交換器冷卻 至低溫，將引入的氣體在熱交換器冷卻成為冷的氣體或者液體冷卻劑，使所述冷的氣體或 液體冷卻劑流至一與超導(dǎo)磁體熱耦合的冷卻管。所述冷的氣體或液體冷卻劑吸收超導(dǎo)磁體 的熱，且所述冷的氣體升溫成溫度稍高的氣體或者液體冷卻劑氣化成為氣體，將所述溫度 稍高的氣體或者由液體冷卻劑氣化而成的氣體回到熱交換器，并被重新冷卻為冷的氣體或 液體冷卻劑，冷的氣體或液體冷卻劑再流進(jìn)冷卻管以進(jìn)一步冷卻超導(dǎo)磁體，直至將超導(dǎo)磁 體冷卻到其超導(dǎo)溫度以下，停止向冷卻路徑內(nèi)引入氣體，使得冷卻路徑變成一封閉冷卻路 徑。本發(fā)明的另一個方面在于提供一種超導(dǎo)磁體的制冷系統(tǒng)，該制冷系統(tǒng)包括一第一 子系統(tǒng)和一第二子系統(tǒng)。所述第一子系統(tǒng)包括一第一入口部、一與所述第一入口部連通的 第一級熱交換器、一與所述第一級熱交換器連通的冷卻液容器、在第一子系統(tǒng)內(nèi)的第一種 冷卻劑、以及該導(dǎo)熱帶的一端與所述冷卻液容器熱耦合，另一端與超導(dǎo)磁體熱耦合的導(dǎo)熱 帶。所述第二子系統(tǒng)包括一第二入口部、一與所述第二入口部連通的第二級熱交換器、一與 超導(dǎo)磁體熱耦合的冷卻管、以及一流到冷卻管內(nèi)的第二種冷卻劑。所述冷卻管包括有冷卻 劑通道以及至少一個與所述第二級熱交換器連通的開口，所述第一、第二冷卻劑不相同。


通過結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實施例進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖 中圖1所示為依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的核磁共振成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，該核磁 共振成像系統(tǒng)包括一個超導(dǎo)磁體以及超導(dǎo)磁體的冷卻系統(tǒng)；圖2所示為本發(fā)明圖1中冷卻系統(tǒng)的一個實施方式的截面圖；圖3所示為圖2中冷卻系統(tǒng)的冷卻管一個實施方式的截面圖，該冷卻管與超導(dǎo)磁 體耦合；圖4所示為圖2中冷卻系統(tǒng)的冷卻管另一個實施方式的截面圖；圖5所示為圖1中冷卻系統(tǒng)的一個實施方式的截面圖；圖6所示為圖1中冷卻系統(tǒng)的另一個實施方式的截面圖；圖7所示為圖1中冷卻系統(tǒng)的又一個實施方式的截面圖；圖8所示為圖1中冷卻系統(tǒng)的再一個實施方式的截面圖。
具體實施例方式本發(fā)明的若干個實施方式有關(guān)超導(dǎo)磁體的冷卻系統(tǒng)，該超導(dǎo)磁體及其冷卻系統(tǒng)可 應(yīng)用于磁共振技術(shù)，如磁共振成像或核磁共振光譜。本發(fā)明的若干個實施例涉及將超導(dǎo)磁 體冷卻到超導(dǎo)溫度的制冷方法。圖1所示為依據(jù)本發(fā)明的一實施方式的一核磁共振系統(tǒng)10( "MRI系統(tǒng)10”)。在 圖示的實施方式中，該MRI系統(tǒng)10的操作由操作員控制臺12進(jìn)行控制，該控制臺包括鍵盤 或者其他輸入設(shè)備13、控制面板14和顯示屏16。該控制臺12通過鏈路18與單獨的計算 機(jī)系統(tǒng)20進(jìn)行通信，使操作員能夠控制顯示屏16上圖像的生成和顯示。該計算機(jī)系統(tǒng)20 包括多個模塊，它們之間通過底板20a進(jìn)行通信。這些包括圖像處理器模塊22、CPU模塊 24和本領(lǐng)域已知的作為用來存儲圖像數(shù)據(jù)陣列的楨緩沖器的存儲模塊26。該計算機(jī)系統(tǒng) 20與磁盤存儲器觀和磁帶驅(qū)動器30相連，用于存儲圖像數(shù)據(jù)和程序，并通過高速串行鏈 路34與單獨的系統(tǒng)控制32進(jìn)行通信。該輸入設(shè)備13可包括鼠標(biāo)、操縱桿、鍵盤、跟蹤球、 觸摸屏、光棒、聲控，或者任何類似或等效的輸入設(shè)備，并可用于交互式結(jié)構(gòu)指令。該系統(tǒng)控制32包括一組與背板3 連接在一起的模塊。這些包括CPU模塊36和 脈沖發(fā)生器模塊38，該脈沖發(fā)生器模塊通過串行鏈路40與該操作員控制臺12相連。通過 鏈路40，該系統(tǒng)控制32接受來自操作員的命令，并指示要執(zhí)行的掃描序列。該脈沖發(fā)生器 模塊38操作該系統(tǒng)部件執(zhí)行所希望的掃描序列，并生成數(shù)據(jù)，其表示生成的射頻脈沖的時 刻、強度和形狀、以及數(shù)據(jù)采集窗口的時刻和長度。該脈沖發(fā)生器模塊38與一組梯度放大器42相連，以指示在掃描過程中生成的梯 度脈沖的時刻和形狀。該脈沖發(fā)生器模塊38還能夠接收來自生理采集控制器44的病人數(shù) 據(jù)，該生理采集控制器接收來自與病人相連的多個不同的傳感器的信號，比如來自與病人 接觸的電極的ECG信號。最后，該脈沖發(fā)生器模塊38連接至掃描室接口電路46，其接收與 病人狀況以及該磁體系統(tǒng)相關(guān)的不同傳感器的信號。還通過掃描室接口電路46，病人定位 系統(tǒng)48接收命令，將病人移到所希望的掃描位置。由該脈沖發(fā)生器模塊38生成的梯度波形提供給具有Gx、Gy和( 放大器的梯度放大器系統(tǒng)42。磁體組件50包括梯度線圈組件52、極化磁體M以及整體射頻線圈56。每個梯度 放大器激勵相應(yīng)的通常設(shè)計成梯度線圈組件52內(nèi)的物理梯度線圈，以生成磁場梯度，用于 對采集的信號進(jìn)行局部編碼。該梯度線圈組件52構(gòu)成磁體組件50的一部分，該磁體組件 50包括極化磁體M和整體射頻線圈56。系統(tǒng)控制32中的收發(fā)模塊58產(chǎn)生脈沖，該脈沖 由射頻放大器60放大，并通過發(fā)射/接收開關(guān)62連接至射頻線圈56。由病人體內(nèi)受激發(fā) 的核發(fā)出的結(jié)果信號可被同一個射頻線圈56檢測到，并通過該發(fā)射/接收開關(guān)62連接至 前置放大器64。經(jīng)過放大的MR信號在收發(fā)機(jī)58的接收機(jī)部分被解調(diào)，濾波和數(shù)字化。該 發(fā)射/接收開關(guān)62由來自脈沖發(fā)生器模塊38的信號控制，以在發(fā)射模式期間將射頻放大 器60電連接至線圈56，以及在接收模式期間將該前置放大器64連接至線圈56。該發(fā)射/ 接收開關(guān)62還能使單獨的射頻線圈(比如表面線圈)用于該發(fā)射或者接收模式。由該射頻線圈56獲取的MR信號通過收發(fā)模塊58進(jìn)行數(shù)字化，并傳送給系統(tǒng)控制 32中的存儲器模塊66。當(dāng)在存儲器模塊66中采集了一個原始K空間(Space)數(shù)據(jù)矩陣時， 掃描結(jié)束。這個原始K空間數(shù)據(jù)為每個要重構(gòu)的圖像重新排列成各自的K空間數(shù)據(jù)陣列， 這些陣列的每個都被輸入到陣列處理器68中，其對這些數(shù)據(jù)執(zhí)行傅立葉交換，成為圖像數(shù) 據(jù)陣列。這個圖像數(shù)據(jù)通過串行鏈路34傳送給計算機(jī)系統(tǒng)20，在那里它被保存在存儲器 中，比如磁盤存儲器觀中。作為對來自操作員控制臺12的命令的響應(yīng)，這個圖像數(shù)據(jù)可能 被存檔在長期存儲器中，比如存儲在磁帶驅(qū)動器30中，或者它可進(jìn)一步被圖像處理器22處 理并傳送給操作員控制臺12，顯示在顯示器16上。
在圖示的實施方式中，磁體組件50包括一個真空容器72，該真空容器72有個容納 受檢測體的孔74。MRI系統(tǒng)10包括一個位于真空容器72內(nèi)的冷屏76，超導(dǎo)磁體78機(jī)械支持結(jié)構(gòu) (未圖示)固持在冷屏76內(nèi)。冷屏76將超導(dǎo)磁體78與環(huán)境溫度熱隔離開來。作為一個 實施方式，超導(dǎo)磁體78包括一個圓筒形的軸80以及若干繞在軸80外表面的超導(dǎo)線圈82。 在一些實施方式中，所述軸80可以由電絕緣材料，如塑料等制成。超導(dǎo)線圈82可以由超導(dǎo) 線如以鈮鈦(NbTi)、鈮三錫(Nb3Sn)等超導(dǎo)線、或者是BSCCO或TOCO系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)線制 成。當(dāng)超導(dǎo)磁體被保持在某個合適的低溫值以下時，將其作為導(dǎo)體傳輸電流，其上的 電阻為零，該合適的低溫值被稱為該超導(dǎo)磁體的“超導(dǎo)溫度”。因此，MRI系統(tǒng)10進(jìn)一步包 括一個將超導(dǎo)磁體78從一較高溫度比如室溫冷卻到其超導(dǎo)溫度以下的冷卻系統(tǒng)84。所述 真空容器72和冷屏76 —起助于維持超導(dǎo)磁體78的低溫環(huán)境，以下合稱為低溫恒溫器75。 其他的實施方式中，超導(dǎo)磁體78的低溫恒溫器75可能有不同的結(jié)構(gòu)或配置，而并不僅限于 圖示的實施方式。在圖1所示的實施方式中，冷卻系統(tǒng)84包括一個位于冷屏76外的制冷機(jī)86，該制 冷機(jī)為冷卻系統(tǒng)84提供制冷。冷卻系統(tǒng)84包括一個位于冷屏76內(nèi)且與制冷機(jī)86熱耦合 的冷卻路徑88，該冷卻路徑88用以在其中傳輸制冷劑。冷卻系統(tǒng)84進(jìn)一步包括穿過低溫 恒溫器75延伸到冷屏76內(nèi)的入口部90，用以將一氣體注入冷卻路徑88，以將超導(dǎo)磁體78 由一較高溫度冷卻到其超導(dǎo)溫度以下。在圖示的實施方式中，制冷機(jī)86安裝在低溫恒溫器 75的外表面的上部。在圖示的實施方式中，入口部分90也位于低溫恒溫器75的外表面的6上部，由一個閥門92控制其位于開放狀態(tài)，用以向冷卻路徑88注入氣體；或者關(guān)閉狀態(tài)，以 停止向冷卻路徑88引入氣體。作為一個實施方式，所述入口部90同時也是冷卻路徑88的 出口部，當(dāng)冷卻路徑88內(nèi)的氣壓過高時，經(jīng)由該出口部將部分氣體釋放出去。依據(jù)本發(fā)明 冷卻路徑88的若干個實施方式分別如圖2和5-8所示。圖2所示為本發(fā)明冷卻路徑88 —個實施例的截面圖。需要說明的是，該示圖并非 按照實際的比例繪制的，僅用于輔助說明。在圖示的實施方式中，冷卻路徑88包括一個與 超導(dǎo)磁體78熱耦合的冷卻管96。該冷卻管96可以由不銹鋼、鋁、銅、或者黃銅等材料制成， 其包括一個制冷劑通道98以及用于將制冷劑導(dǎo)入/導(dǎo)出制劑通道的第一、第二口部100、 102。在圖示的實施方式中，冷卻路徑88包括一個與制冷機(jī)86熱耦合的熱交換器104，熱 交換器104經(jīng)由一連接管106以及所述第一開口部100與冷卻管96連通。在圖示的實施 方式中，換交換器104位于冷卻管96以上，所述連接管106大致沿上、下垂直方向。制冷機(jī) 86向下穿過低溫恒溫器75延伸到其內(nèi)。在圖示的實施方式中，熱交換器104通過一連接管108與所述入口部90連通。在 將超導(dǎo)磁體76從較高溫度冷卻到其超導(dǎo)溫度的初始冷卻過程中，熱交換器104接受從入口 部90輸入的氣體。在圖示的實施方式中，熱交換器104位于所述入口部90以下，所述連接 管108大致沿上、下方向。在圖示的實施方式中，連接管108大致呈“L”形。在其他的實施 方式中，該連接管108可以是曲線形或者傾斜的連接位于上部的入口部90和下部的熱交換 器 104。在一些實施方式中，冷卻管96的第二開口部102與熱交換器104相連通。在圖示 的實施方式中，冷卻路徑88包括一個連通第二開口部102和連接管108的連接管110，從而 將冷卻管96和熱交換器104連通，同時也將冷卻管與開口部90連通。在一些實施方式中， 連接管106、108、110可以由不銹鋼、鋁、銅或黃銅等導(dǎo)熱材料制成。在初始冷卻過程中，氣體最初由所述入口部90和連接管108注入冷卻路徑88。在 某些實施方式中，該氣體可以是氮、氖、氫、氦或其結(jié)合、或者其他合適的足夠帶走超導(dǎo)磁體 熱量的氣體。在一個實施方式中，該氣體是氣壓在大約100帕斯卡到450帕斯卡的高壓氣 體。在一個實施方式中，所述氣體是氣壓為約250帕斯卡的氦氣。在一個實施方式中，氣體 經(jīng)由泵加壓添加到冷卻路徑88內(nèi)。在某些實施方式中，在初始冷卻過程中，制冷機(jī)86開始制冷并將熱交換器104冷 卻到一個很低的溫度。經(jīng)由連接管108注入的氣體至少部分與熱交換器104接觸，并被熱 交換器104冷卻成冷氣體。在重力作用下，該冷氣體通過連接管106和第一開口 100流進(jìn) 冷卻管96里。經(jīng)過冷卻管96，冷氣體與超導(dǎo)磁體78進(jìn)行熱交換，冷氣體吸收超導(dǎo)磁體78 的熱，溫度升高。在浮力作用下，溫度升高的氣體流經(jīng)第二開口部102和連接管110、108與 熱交換器104接觸。熱交換器104將該溫度升高的氣體冷卻回冷氣體，并重新流回冷卻管 96。隨著這一進(jìn)程的持續(xù)進(jìn)行，連接管106、110、冷卻管96以及超導(dǎo)磁體78的溫度被冷卻 到接近所述氣體的液化溫度。在某些實施方式中，隨著該初始冷卻過程的繼續(xù)，氣體在熱交換器104內(nèi)液化成 為液體制冷劑。在重力作用下，液體制冷劑經(jīng)由連接管106和第一開口部100流入冷卻管 96的制冷劑通道。所述液體制冷劑吸收超導(dǎo)磁體78的熱并汽化成為氣體，以進(jìn)一步冷卻 超導(dǎo)磁體78，汽化的氣體經(jīng)由冷卻管96和連接管110返回到熱交換器104，并被熱交換器104重新冷凝成液體制冷劑。所述汽化-冷凝的過程循環(huán)進(jìn)行，直至超導(dǎo)磁體78被冷卻到 其超導(dǎo)溫度以下，該初始冷卻過程結(jié)束，超導(dǎo)磁體78可以開始其正常操作。在一個實施方 式中，當(dāng)所述初始冷卻過程結(jié)束后，通過初始冷卻過程中注入冷卻路徑內(nèi)的制冷劑(包括 所述氣體和液體制冷劑)的汽化-冷凝過程，將超導(dǎo)磁體78保持所述超導(dǎo)溫度以下。在一 個實施方式中，所述注入冷卻通道的氣體足夠多，在超導(dǎo)磁體78被冷卻到其超導(dǎo)溫度以下 以后，所述冷卻管96內(nèi)充滿液體冷卻劑。因此，當(dāng)發(fā)生制冷機(jī)86失效或維護(hù)等情況(下稱 “ride-through”情況)時，超導(dǎo)磁體78可以保持更長時間的超導(dǎo)工作狀態(tài)。在一個實施方式中，在向冷卻路徑88注入足夠的氣體后，所述入口部90關(guān)閉，冷 卻路徑成為一個封閉冷卻路徑。超導(dǎo)磁體被持續(xù)的冷凝和汽化過程保持在其超導(dǎo)溫度以 下。圖3和圖4所示為冷卻管96與超導(dǎo)磁體78熱耦合的兩個實施方式。在圖3所示 的實施方式中，超導(dǎo)磁體78外表面設(shè)有一個熱交換板112，該熱交換板112通過粘結(jié)劑回 定在超導(dǎo)磁體78外表面，并與超導(dǎo)磁體78熱耦合。在一些實施方式中，熱交換板112由如 銅、鋁等強導(dǎo)熱材料制成。在某些實施方式中，所述將熱交換板112粘結(jié)在超導(dǎo)磁體78外 表面的粘結(jié)劑含有氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)等強導(dǎo)熱的填充材料。在圖示的實施方 式中，冷卻管96沿超導(dǎo)磁體78的圓周方固定在熱交換板112上，冷卻管96與熱交換板112 間通過粘結(jié)劑粘合在一起。圖3所示實施方式中的冷卻管96的截面呈圓環(huán)形。在其他的 實施方式中，冷卻管96截面可以是多邊形，如長方形、三角形等，從而增加了其與熱交換板 112的接觸面積。在圖4所示的實施方式中，冷卻系統(tǒng)84包括固定在熱交換板112上的熱傳導(dǎo)元件 114，該熱傳導(dǎo)元件114的內(nèi)表面與冷卻管96外表面的一部分接觸，以增強冷卻管96與超 導(dǎo)磁體78之間的熱交換。在一個實施方式中，熱交換板112與熱傳導(dǎo)元件114均由柔性好 的漆包絞線(Litz Wire)制成，便于彎折，且漆包絞線因其內(nèi)每根線都很細(xì)，所以在交流磁 場中有較低的渦流損耗。圖5所示為本發(fā)明冷卻路徑116的另一個實施方式。如圖5所示，冷卻路徑116包 括一個位于熱交換器104與冷卻管96的第一或第二開口 100、102之間的冷卻液容器118。 在圖示的實施方式中，冷卻液容器118與冷卻管96的第二開口 102通過一連接管120連通， 冷卻液容器118與熱交換器104之間通過連接管108、122連接通。從而，在初始冷卻過程 中，在冷卻管96中的高壓氣體在吸收超導(dǎo)磁體78的熱后溫度升高，該升溫后的高壓氣體經(jīng) 冷卻管96的第二開口 102、連接管120、冷卻液容器118、以及連接管122、108到達(dá)熱交換器 104，并被熱交換器104重新冷卻成冷的氣體。該冷的氣體進(jìn)一步經(jīng)連接管106流進(jìn)冷卻管 96，以進(jìn)一步冷卻超導(dǎo)磁體78。當(dāng)超導(dǎo)磁體78的溫度接近該氣體的液化溫度，當(dāng)溫度進(jìn)一 步降低，氣體在熱交換器被冷凝成液體冷卻劑。該液體冷卻劑首先充滿冷卻管96，然后再逐 漸注入冷卻液容器118，此時該初始冷卻過程結(jié)束，該儲存有液體冷卻劑的冷卻液容器118 使得超導(dǎo)磁體78能夠承受更長時間的ride-through過程。在一個實施方式中，冷卻路徑 可能包括兩個或兩個以上的冷卻液容器118。圖6所示為本發(fā)明冷卻路徑(標(biāo)示為“冷卻路徑123”)又一個實施方式的截面圖。 在圖6的實施方式中，冷卻路徑123的冷卻液容器118位于冷卻管96與熱交換器104之間 且與冷卻管96的第一、第二開口 100、102均經(jīng)連接管連通。冷氣體從熱交換器104經(jīng)由冷卻液容器118流入冷卻管，而吸收超導(dǎo)磁體78熱量后升溫的氣體也經(jīng)由冷卻液容器118流 回?zé)峤粨Q器104。圖7所示為本發(fā)明冷卻系統(tǒng)84另一個實施方式的示意圖，在這個實施方式中，冷 卻系統(tǒng)84包括第一子系統(tǒng)1 和第二子系統(tǒng)128，所述第一、第二子系統(tǒng)1沈、1 均與超導(dǎo) 磁體76熱耦合，用以冷卻超導(dǎo)磁體76。在圖示的實施方式中，所述第一、第二子系統(tǒng)126、 128分別包括第一級熱交換器130和第二級熱交換器132，所述第一、第二級熱交換器130、 132的工作溫度不同。在一個實施方式中，第一級熱交換器130通常維持在一個相對于第 二級熱交換器較高的溫度，如50開爾文(開氏溫度單位，下簡稱“開”)，而第二級熱交換器 132通常保持在比如大約4. 2開或更低的溫度。因此，在初始冷卻過程中超導(dǎo)磁體78首先 被冷卻到所述第一級熱交換器130的溫度，接下來再被第二子系統(tǒng)1 進(jìn)一步冷卻到所述 第二級熱交換器132的更低的溫度。在圖示的實施方式中，所述第二子系統(tǒng)1 包括一冷 卻路徑，該冷卻路徑包括與超導(dǎo)磁體78熱耦合的冷卻管96、與冷卻管96相連通的第二級熱 交換器132、以及通過連接管與冷卻管96及第二級熱交換器132勻連通的冷卻液容器118。 圖7中所示的第二子系統(tǒng)128的冷卻路徑與圖6中所示近似。在其他的實施方式中，第二 子系統(tǒng)128的冷卻路徑也可以是圖2或圖5中冷卻路徑88或116相似的結(jié)構(gòu)、配置。在圖7所示實施方式中，第一子系統(tǒng)1 包括位于低溫恒溫器75外的第一入口部 134，該第一入口部用134由一閥門控制，以將一氣體注入第一子系統(tǒng)126。所述氣體從連接 管138流至第一級熱交換器130，并被第一級熱交換器130冷卻成冷的氣體或者冷凝成液體 冷卻劑。所述第一子系統(tǒng)126還包括一經(jīng)連接管140與第一級熱交換器130連通的冷卻液 容器142，該冷卻液容器142存儲經(jīng)第一級熱交換器130冷卻形成的冷氣體或液體冷卻劑。 該第一子系統(tǒng)126還包括一個導(dǎo)熱帶146，該導(dǎo)熱帶146 —端與冷卻液容器142熱偶合，另 一端與超導(dǎo)磁體78熱耦合。作為一個實施方式，所述導(dǎo)熱帶146的另一端纏繞在超導(dǎo)磁體 78外表面上。在另一個供選擇的實施方式中，所述導(dǎo)熱帶146的另一端可以是內(nèi)置于超導(dǎo) 磁體78內(nèi)。在圖示的實施方式中，引入第一、第二子系統(tǒng)126、128的氣體為兩種不同的氣體， 該兩種不同的氣體具有不同的液化溫度和固化溫度。在某些實施方式中，引入第一個子系 統(tǒng)126的氣體具有較高的液化溫度和較高的固化溫度。在某些實施方式中，在初始冷卻階段，第一種氣體，比如氮氣，被從第一入口中部 134注入第一子系統(tǒng)126，并被熱交換器130冷凝成液態(tài)氮，液態(tài)氮經(jīng)過連接管140流入冷 卻液容器142。冷卻液容器142和連接管140被冷卻到液氮的溫度，大約是77開。進(jìn)而，超 導(dǎo)磁體76經(jīng)由導(dǎo)熱帶146也被冷卻到接近77開左右的溫度。在一個實施方式中，另一種氣體，如氖氣，被從第二入口部90引入到第二子系統(tǒng) 128，并在所述第二級熱交換器132被冷凝成液態(tài)氖。液態(tài)氖經(jīng)由連接管流到冷卻管96內(nèi)， 吸收超導(dǎo)磁體78的熱后升變又轉(zhuǎn)化成氖氣，氖氣再進(jìn)一步經(jīng)由第二級熱交換器132冷凝成 液態(tài)氖。從而，超導(dǎo)磁體96被進(jìn)一步冷卻到接近的液態(tài)氖的溫度，大約是25開。作為本發(fā) 明的另一種實施方式，可以向第二子系統(tǒng)1 引入另外一種氣體，如氦氣，以超導(dǎo)磁體78冷 卻到液氦的溫度，大約4. 2開。向所述第二子系統(tǒng)128引入氖氣或氦氣的過程可以發(fā)生在超導(dǎo)磁體78被第一子 系統(tǒng)1 冷卻到接近第一級熱交換器溫度(約77開)之前或者之后。入口部134關(guān)閉后，9不再向進(jìn)入第一子系統(tǒng)126引入氮氣。在某些實施方式中，當(dāng)超導(dǎo)磁體78被第二子系統(tǒng) 128冷卻到氮的固化溫度(大約是63開)時，冷卻液容器142和其中的液氮都降到了氮的 固化溫度。因此，冷卻液容器142中的氮變成固態(tài)，而不再有液氮流向連接管140，該位于冷 卻液容器142與導(dǎo)熱帶146間的連接管變成一真空管，以確保第一級熱交換器130和超導(dǎo) 磁體78間只有極小的熱交換。當(dāng)超導(dǎo)磁體78進(jìn)一步降溫到液態(tài)氖或液態(tài)氦的溫度時，初 始冷卻過程結(jié)束，磁體可以開始起正常工作過程。在磁體正常工作過程中，依靠在初始冷卻 過程中注入到第二子系統(tǒng)中氖或氦的循環(huán)冷凝和氣化過程，而將超導(dǎo)磁體76保持在其超 導(dǎo)溫度以下。在圖8所示的實施方式中，冷卻系統(tǒng)84進(jìn)一步包括一第三子系統(tǒng)148，該第三子系 統(tǒng)148包括一入口部150，用以向該第三子系統(tǒng)148中引入一第三種氣體。第三子系統(tǒng)148 包括一第三熱交換器152。在圖示的實施方式中，該第三熱交換器152與第二級熱交換器 132熱耦合而具有同樣的低溫。第三熱交換器152與入口部150經(jīng)由連接管(未標(biāo)示)連 通，以將從入口部150引入的第三種氣體冷卻成冷的氣體或冷凝成液態(tài)。第三子系統(tǒng)148 還包括一冷卻液容器154，該冷卻液容器巧4與第三熱交換器152連通，以存儲從第三熱交 換器152冷卻形成的冷的氣體或者液態(tài)冷卻劑。所述第三子系統(tǒng)進(jìn)一步包括一導(dǎo)熱帶156， 該導(dǎo)熱帶156 —端與冷卻液容器IM熱耦合，另一端與超導(dǎo)磁體78熱耦合。在一個實施方 式中，所述引入第三子系統(tǒng)148的第三種氣體是氖氣或氫氣。因此，在初始冷卻過程中，超 導(dǎo)磁體78首先被第一子系統(tǒng)1 冷卻到液氮的溫度(大約77開)，再進(jìn)一步被第三子系統(tǒng) 148冷卻到液態(tài)氖的溫度(約觀開)或者液態(tài)氫的溫度(約14開)，并最終被第二子系統(tǒng) 128冷卻到液氦的溫度(約4. 2開)。這種多級制冷系統(tǒng)充分利用低溫制冷機(jī)各級的制冷 能力，而能夠更快的將超導(dǎo)磁體冷卻到其超導(dǎo)溫度以下。雖然結(jié)合特定的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對 本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認(rèn)識到，權(quán)利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明真 正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)磁體的制冷方法，該超導(dǎo)磁體應(yīng)用于核磁共振成像系統(tǒng)，且置于一低溫恒 溫器內(nèi)，該方法包括從低溫恒溫器外將一氣體引入低溫恒溫器內(nèi)的一冷卻路徑； 通過一低溫恒溫器外的制冷機(jī)將低溫恒溫器內(nèi)的一熱交換器冷卻至低溫； 將引入的氣體在熱交換器冷卻成為冷的氣體或者液體冷卻劑； 使所述冷的氣體或液體冷卻劑流至一與超導(dǎo)磁體熱耦合的冷卻管； 所述冷的氣體或液體冷卻劑吸收超導(dǎo)磁體的熱，且所述冷的氣體升溫成溫度稍高的氣 體或者液體冷卻劑氣化成為氣體；將所述溫度稍高的氣體或者由液體冷卻劑氣化而成的氣體回到熱交換器，并被重新 冷卻為冷的氣體或液體冷卻劑，冷的氣體或液體冷卻劑再流進(jìn)冷卻管以進(jìn)一步冷卻超導(dǎo)磁 體，直至將超導(dǎo)磁體冷卻到其超導(dǎo)溫度以下；以及停止向冷卻路徑內(nèi)引入氣體，使得冷卻路徑變成一封閉冷卻路徑。
2.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體的制冷方法，其中所述引入冷卻路徑的氣體可以選自 氮、氖、氫、氦、或以上的任何組合。
3.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體的制冷方法，其中所述冷的氣體或液體冷卻劑經(jīng)一第 一連接管從冷卻管的一第一開口流入冷卻管；而由所述冷的氣體吸熱升溫成的溫度稍高的 氣體或者液體冷卻劑氣化成的氣體經(jīng)由冷卻管的一第二開口流出冷卻管，再經(jīng)由一第二連 接管流到熱交換器。
4.如權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)磁體的制冷方法，其中所述冷的氣體吸熱升溫成的溫度稍 高的氣體或者液體冷卻劑氣化成為的氣體經(jīng)由所述冷卻管的第二開口、第二連接管以及一 冷卻液容器流到熱交換器。
5.如權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)磁體的制冷方法，其中所述冷的氣體或液體冷卻劑流經(jīng)一 冷卻液容器后流入冷卻管。
6.如權(quán)利要求1至5中任何一項所述的超導(dǎo)磁體的制冷方法，其進(jìn)一步包括 通過低溫恒溫器外的制冷機(jī)將低溫恒溫器內(nèi)的另一熱交換器冷卻至低溫；從低溫恒溫器外將另一氣體引入低溫恒溫器內(nèi)的另一冷卻路徑，該另一氣體的液化溫 度比所述氣體的液化溫度高；將引入的另一氣體在所述另一熱交換器冷卻成為冷的氣體或者液體冷卻劑，并使經(jīng)一 連接管流入到一冷卻液容器；以及通過一端與該冷卻液容器熱耦合，另一端與超導(dǎo)磁體熱耦合的導(dǎo)熱帶將熱從超導(dǎo)磁體 傳給冷卻液容器內(nèi)的冷的氣體或液體冷卻劑以冷卻超導(dǎo)磁體。
7.如權(quán)利要求6所述的超導(dǎo)磁體的制冷方法，其中所述另一種氣體選自氮、氖、氫或以 上任何兩種或多種的組合。
8.一種超導(dǎo)磁體冷卻系統(tǒng)，包括 一第一子系統(tǒng)，包括一第一入口部；一與所述第一入口部連通的第一級熱交換器； 一與所述第一級熱交換器連通的冷卻液容器； 在第一子系統(tǒng)內(nèi)的第一種冷卻劑；以及一導(dǎo)熱帶，該導(dǎo)熱帶的一端與所述冷卻液容器熱耦合，另一端與超導(dǎo)磁體熱耦合；以及 一第二子系統(tǒng)，包括 一第二入口部；一與所述第二入口部連通的第二級熱交換器；一與超導(dǎo)磁體熱耦合的冷卻管，該冷卻管包括有冷卻劑通道以及至少一個與所述第二 級熱交換器連通的開口 ；以及一流到冷卻管內(nèi)的第二種冷卻劑，所述第一、第二冷卻劑不相同。
9.如權(quán)利要求8所述的超導(dǎo)磁體冷卻系統(tǒng)，其中所述第二種冷卻劑的液化溫度低于所 述第一種冷卻劑的液化溫度。
10.如權(quán)利要求8所述的超導(dǎo)磁體冷卻系統(tǒng)，其中所述第二子系統(tǒng)進(jìn)一步包括一與第 二級熱交換器及冷卻管均連通的冷卻液容器。
11.如權(quán)利要求8至10中任何一項所述的超導(dǎo)磁體冷卻系統(tǒng)，其中所述第一、第二級熱 交換器的溫度不同。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種超導(dǎo)磁體的制冷方法，該超導(dǎo)磁體應(yīng)用于核磁共振成像系統(tǒng)，且置于一低溫恒溫器內(nèi)。該方法包括從低溫恒溫器外將一氣體引入低溫恒溫器內(nèi)的一冷卻路徑，通過一低溫恒溫器外的制冷機(jī)將低溫恒溫器內(nèi)的一熱交換器冷卻至低溫，將引入的氣體在熱交換器冷卻成為冷的氣體或者液體冷卻劑，使所述冷的氣體或液體冷卻劑流至一與超導(dǎo)磁體熱耦合的冷卻管。所述冷的氣體或液體冷卻劑吸收超導(dǎo)磁體的熱，且所述冷的氣體升溫成溫度稍高的氣體或者液體冷卻劑氣化成為氣體，將所述溫度稍高的氣體或者由液體冷卻劑氣化而成的氣體回到熱交換器，并被重新冷卻為冷的氣體或液體冷卻劑，冷的氣體或液體冷卻劑再流進(jìn)冷卻管以進(jìn)一步冷卻超導(dǎo)磁體，直至將超導(dǎo)磁體冷卻到其超導(dǎo)溫度以下，停止向冷卻路徑內(nèi)引入氣體，使得冷卻路徑變成一封閉冷卻路徑。
文檔編號H01F6/04GK102054554SQ20091020970
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者伊萬格拉斯·T·拉斯卡里斯, 保爾·S·拖馬斯, 張濤, 趙燕, 黃先銳 申請人:通用電氣公司