本實用新型涉及磁共振系統(tǒng)的超導磁體預冷技術，具體涉及用于超導磁體預冷過程中的機械預冷裝置。

背景技術：

磁共振成像主要利用人體內所包含質子在磁場內發(fā)生的磁共振現象采集磁共振信號，再通過空間編碼獲取圖像，供醫(yī)生診斷的技術。由于其徹底擺脫了電離輻射對人體的傷害，可提供成像組織靈活多樣的對比度信息，同時對軟組織較高的分辨率等突出特點，目前已經成為廣泛應用的臨床診斷技術。

用于成像的主磁場主要是由鈮、鈦、銅等材料組成的超導線圈在超導溫度下通電流而產生的。理想狀態(tài)下，磁場一旦建立，只要維持超導線圈的超低溫環(huán)境，強磁場就長期存在。而建立超導環(huán)境的過程首先需要將超導磁體的真空絕熱層抽真空，然后將磁體預冷，直至液氦容器腔內溫度接近4.2K，最后在磁體液氦容器中灌滿液氦，使超導線圈浸泡在液氦中。傳統(tǒng)的超導磁體預冷方法主要通過如下過程實現：利用液氮等消耗性的制冷劑，將超導磁體冷卻至第一溫度(約80K)；將一定量的液氦制冷劑，加入到超導磁體中，將超導磁體冷卻到比第一溫度低的預定溫度(接近4.2K)。上述預冷過程不僅操作復雜，而且在80K-4.2K降溫過程會有大量液氦蒸發(fā)，極大提高了超導磁體冷卻的成本。另一方面，氦是一種稀缺戰(zhàn)略資源，且氦資源的輸出主要集中在北美和中東地區(qū)，隨著氦資源的使用量逐年增大和儲量逐年減少，近年來國際市場氦資源價格大幅飆升，經常出現供應緊張局面，一些發(fā)展中國家甚至經常出現斷供，導致磁體成本逐年提高，且受制于氦輸出國。由于氦氣的戰(zhàn)略意義，氣量與價格等問題的逐漸凸顯，傳統(tǒng)預冷方法帶來很大的經濟損耗，對于規(guī)?；a極為不利。

近年來，采用制冷機冷卻的機械預冷方式作為一項新技術逐漸應用于超導磁體的冷卻，其主要通過大型制冷機的冷頭冷卻氦氣，然后冷卻后的氦氣流入磁體與磁體完成熱交換，整個冷卻過程由循環(huán)泵提供動力，以保證較大的流量供應。然而，循環(huán)泵在提供動力的同時也產生可觀的熱負荷(約100W-1000W)，極大的減少制冷機供給到磁體的冷量，從而導致磁體降溫速度緩慢，甚至無法達到預定的超導溫度。鑒于此，有必要減小超導磁體預冷過程中循環(huán)泵引入的熱負荷。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是減小超導磁體預冷過程中循環(huán)泵引入的熱負荷。

為達到上述目的，本實用新型提出一種用于超導磁體的預冷裝置，與超導磁體熱耦合，包括循環(huán)泵、第一類型制冷機和第二類型制冷機，所述超導磁體和所述循環(huán)泵之間設置有換熱器，所述換熱器和所述循環(huán)泵通過第一冷卻管道連接，且所述換熱器通過熱耦合帶與所述第一類型制冷機熱耦合，所述第二類型制冷機和超導磁體通過第二冷卻管道連接。

可選地，所述第一類型制冷機、所述換熱器分別設置有過渡板，且所述熱耦合帶的一端連接所述第一類型制冷機的過渡板，另一端連接所述換熱器的過渡板。

可選地，所述熱耦合帶為柔性銅帶，且所述柔性銅帶通過數層銅片壓制得到。

可選地，所述第一類型制冷機為GM制冷機，所述第二類型制冷機為斯特林制冷機，所述超導磁體通過所述第二冷卻管道與所述斯特林制冷機的一級冷頭熱耦合或二級冷頭熱耦合。

可選地，所述過渡板為銅板，過渡板上設有數個裝配孔，在裝配孔位置采用軟釬焊接的方式實現熱耦合帶的一端與第一類型制冷機連接，熱耦合帶另一端與換熱器連接。

可選地，所述換熱器內部并排設置有若干個銅棒，且所述銅棒沿所述第一冷卻管道的徑向延伸。

可選地，所述換熱器的輸出端口位置連接變徑管。

可選地，所述超導磁體的兩端設置第一旁通路，所述第一旁通路包括設置在所述超導磁體兩端的第一低溫閥、與所述超導磁體并列設置的第二低溫閥。

可選地，還包括可與所述第二冷卻管道連通的第二旁通路，所述第二旁通路的一端連接所述超導磁體，另一端連接所述循環(huán)泵。

可選地，所述循環(huán)泵為由多個氦循環(huán)泵并聯設置的多級循環(huán)泵。

與現有技術相比，本實用新型的技術方案具有如下有益效果：換熱器通過熱耦合帶與GM制冷機連接，循環(huán)泵工作產生的熱量可通過熱耦合帶傳遞到GM制冷機，有效減小循環(huán)泵產生的熱負荷對氦氣冷卻的影響；GM制冷機和換熱器都連接有過渡板，過渡板可作為轉換器使用，方便熱耦合帶與GM制冷機和換熱器的連接；換熱器內部設置多個并排設置的銅棒，冷卻介質可與銅棒充分接觸，實現換熱器與冷卻介質之間充分換熱。

【附圖說明】

圖1為本實用新型一實施例的用于超導磁體的預冷裝置結構示意圖；

圖2為本實用新型一實施例的GM制冷機與換熱器連接示意圖；

圖3為本實用新型一實施例的過渡板結構示意圖；

圖4為本實用新型一實施例的換熱器結構示意圖。

【具體實施方式】

下面結合附圖和實施例對本的具體實施方式做進一步詳細的說明，但不應以此限制本的保護范圍。

本實用新型的實施例提出一種用于超導磁體的預冷裝置，與超導磁體熱耦合，包括循環(huán)泵、第一類型制冷機和第二類型制冷機，所述超導磁體和所述循環(huán)泵之間設置有換熱器，所述換熱器和所述循環(huán)泵通過第一冷卻管道連接，且所述換熱器通過熱耦合帶與所述第一類型制冷機熱耦合，所述第二類型制冷機和超導磁體通過第二冷卻管道連接。第一類型制冷可以是GM制冷機或脈管制冷機，其中GM(Gifford-McMahon)制冷機為吉福德一麥克馬洪循環(huán)制冷機。第二類型制冷可以是斯特林制冷，且斯特林制冷機包括一級冷頭和二級冷頭。

如圖1為本實用新型一實施例的用于超導磁體的預冷裝置結構示意圖。冷卻回路20中注入冷卻介質，冷卻介質可選擇氦氣等低溫介質(圖1中未示出，箭頭方向表示冷卻介質可能的流向)，且冷卻介質在循環(huán)過程中對超導磁體10進行冷卻。循環(huán)泵201為冷卻回路20的驅動力，驅動冷卻介質在冷卻回路20中循環(huán)工作；換熱器202可與外部制冷設備進行熱耦合，以實現冷卻回路20與外部制冷設備的熱量交換。需要說明的是，循環(huán)泵201是整個預冷裝置的心臟部件，通常情況下為增強超導磁體10內對流換熱程度(速度)，要盡量增加循環(huán)泵201的流量及壓頭，這也意味著循環(huán)泵201工作過程中為冷卻介質引入的熱負荷增加。因此，在滿足冷卻介質流量的情況下，要盡量減少循環(huán)泵201熱負荷的引入，這部分熱負荷也是整個系統(tǒng)的主要熱負荷，直接影響超導磁體的降溫時間。本實用新型在超導磁體10與循環(huán)泵201之間設置換熱器202，在靠近循環(huán)泵201的位置可設置第一類型制冷機30，換熱器202可與第一類型制冷機30熱耦合以抵消循環(huán)泵201工作產生的熱負荷對冷卻介質的熱效應，從而在保證冷卻效率的前提下，減小循環(huán)泵的熱負荷。為提高冷卻速度，還可設置與冷卻回路20熱耦合的第二類型制冷機40。

在此具體實施例中，超導磁體的預冷裝置可與超導磁體10熱耦合，包括第一冷卻回路20、第一類型制冷機30以及第二類型制冷機40。示例性地，第一類型制冷機30為GM制冷機，第二類型制冷機40為斯特林制冷機。冷卻回路包括循環(huán)泵201、換熱器202以及冷卻管道。冷卻管道包括多個部分：連接超導磁體10和第一類型制冷機30的第一部分L1；可連通第一部分L1且與第二類型制冷機40的一級冷頭401熱耦合的第二部分L2；可連通第一部分L1且與第二類型制冷機40的二級冷頭402熱耦合的第三部分L3；連接循環(huán)泵201和第二類型制冷機40的第四部分L4，且第四部分L4可與第二部分L2或第三部分L3相連通；連接循環(huán)泵201和換熱器202的第五部分L5；連接換熱器202和超導磁體10的第六部分L6。冷卻回路可包括并列設置的第一冷卻支路和第二冷卻支路，其中，第五部分L5稱之為第一冷卻管道，第二冷卻管道可由L1或者L1的一部分與L2的結合組成。第一冷卻支路可設置為(按照順時針順序)：第一部分L1、第三部分L3、第四部分L4、循環(huán)泵201、第五部分L5、換熱器202、第六部分L6；第二冷卻支路可設置為(按照順時針順序)：串聯設置的第一部分L1、第二部分L2、第四部分L4、循環(huán)泵201、第五部分L5、換熱器202、第六部分L6。

第一類型制冷機30可選擇GM制冷機；第二類型制冷機40可選擇體積小的斯特林制冷機，其配套簡單、方便拆裝和移動，也可滿足單臺磁體預冷的需求。通過上述設置，第一冷卻支路主要通過第三部分L3與斯特林制冷機的一級冷頭熱耦合，第二冷卻支路主要通過第二部分L2與斯特林制冷機的二級冷頭熱耦合?？蛇x地GM制冷機可包括一臺或串聯設置多臺，在循環(huán)泵101的出口位置，設置兩臺串聯方式連接的GM制冷機。斯特林制冷機可包括一級冷頭和二級冷頭，且一級冷頭或二級冷頭都可對冷卻介質進行冷卻。在本實用新型另一實施例中，為了增加冷卻介質的循環(huán)流量，還可并聯設置(分布)多級循環(huán)泵，以更好地實現系統(tǒng)可維護性。

需要說明的是，超導磁體10通常為設置在線圈骨架上的超導線圈，超導線圈通常設置在密閉低溫容器內部，第一冷卻回路20可環(huán)繞超導磁體10或密閉低溫容器設置。可選地，用于超導磁體的預冷裝置和超導磁體10之間可采用低溫傳輸線連接，且低溫傳輸線的母頭可盡量往超導磁體內部延伸。

在本實用新型又一實施例中，為方便不同超導磁體之間的切換，超導磁體的兩端(連通接口位置處)設置第一旁通路，該第一旁通路包括設置在超導磁體兩端的第一低溫閥S1、與超導磁體并列設置的第二低溫閥S2以及冷卻管道的第七部分L7。通過上述設置，當該系統(tǒng)可適用于不同超導磁體的冷卻：將第一低溫閥S1置于打開狀態(tài)，且將第二低溫閥S2置于閉合狀態(tài)，第七部分L7無冷卻介質通過，預冷系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，對連接的超導磁體進行冷卻；當超導磁體預冷完畢，將第一低溫閥S1置于閉合狀態(tài)，且將第二低溫閥S2置于打開狀態(tài)，冷卻介質從第七部分L7通過，切斷冷卻介質與超導磁體的耦合，預冷裝置處于待機狀態(tài)。

此外，在超導磁體的預冷過程中，預冷時間是重要的考慮因素，而預冷時間通常與冷卻介質的流量相關。而另一方面，通常情況下斯特林制冷機的管徑較細，壓損較大，調節(jié)冷卻介質合適的流量對延長制冷機的使用壽命顯得尤為重要。

為了提高超導磁體的預冷效率，本實用新型另一實施例中，可采用單通道低溫傳輸線與斯特林制冷機的冷頭連接，以方便拆卸。在冷卻管道的第一部分L1設置第三低溫閥門S3；設置與第二冷卻管道連通的第二旁通路，第二旁通路的一端連接超導磁體10，第二旁通路的另一端連接循環(huán)泵201。

更具體地，冷卻回路的第八部分L8可作為第二旁通路，且第八部分L8上設置第四低溫閥門S4。通過調節(jié)第三低溫閥S3和第四低溫閥S4，依次經過循環(huán)泵和超導磁體的冷卻介質一部分沿冷卻管道的第一部分L1流經到制冷機冷頭，另一部分沿冷卻管道的第八部分L8完成循環(huán)?？蛇x地，為了滿足循環(huán)泵201中風扇的效率，通過調節(jié)第四低溫閥S4，可分配流經斯特林冷頭的冷卻介質流量，從而在保證超導磁體內冷卻介質循環(huán)流量的情況下提高斯特林制冷機的換熱效率。通過上述設置可在保證冷卻介質流量或系統(tǒng)壓力的前提下，減小斯特林制冷機使用過程中的管徑壓力；較大流量的冷卻介質提高了循環(huán)泵的使用效率，有效減小循環(huán)泵的熱耗散；同時可有效增強超導磁體內的對流換熱，提高超導磁體降溫效率。需要說明的是，為了進一步增加斯特林制冷機中冷頭的循環(huán)流量，可在斯特林制冷機基礎上增加一臺小型氦循環(huán)泵。

如圖2為本實用新型一實施例換熱器202與第一類型制冷機30通過連接示意圖。第一類型制冷機30可選擇GM制冷機，換熱器202與第一類型制冷機30可通過熱耦合帶連接，示例性地，該連接過程包括：在磁共振系統(tǒng)的管路適當位置布置第一類型制冷機30以及換熱器202；其次，在第一類型制冷機30的一端、換熱器202的一端分別銑好裝配面，并設置好如圖3所示的安裝孔501，利用與安裝孔501相匹配的螺釘通過壓接方式連接過渡板50(過渡板的形狀可根據接觸面確定)，其中，連接的兩塊過渡板50起到轉換器的作用，可以使熱耦合帶601的安裝角度不受換熱器202、第一類型制冷機30的位置限制，過渡板50與第一類型制冷機30和換熱器202的連接面要求高精度加工，壓接時表面涂膠，并用螺釘擰緊；根據需要連接熱耦合帶601的數量，在保證安裝方便的前提下，開設定位槽和如圖3所示的裝配孔502；在裝配孔502位置采用軟釬焊接的方式實現熱耦合帶601的一端與第一類型制冷機30連接，(熱耦合帶)另一端與換熱器202連接。需要說明的是，熱耦合帶601與過渡板50之間使用釬焊的方式連接與采用壓接方式相比，其產生的接觸熱阻可以減少約100倍；而每個熱耦合帶601可作為單獨的連接件，根據安裝位置可靈活調整大小和數量，達到優(yōu)化導熱距離的目的；此外，采用具有過渡作用的過渡板50可靈活選擇熱耦合帶601連接的位置，方便安裝，且增加熱量傳遞效率。

如圖3為本實用新型一實施例的過渡板結構示意圖。過渡板50可選擇導熱性好的銅板，銅板表面開設有若干個定位孔501，且定位孔501的孔徑(直徑)略大于待裝配螺釘的直徑。開設的定位孔501的直徑尺寸可大于裝配螺釘的直徑尺寸，所銑的槽也可大于軟銅帶的連接面，以便于在安裝時可以進行微量調整。在將軟銅帶釬焊之前，使用螺釘固定銅板的位置，按照圖2的方式進行預裝。預裝時，可以對安裝位置進行微小的調整，減少銅帶的扭轉變形。在預裝完成后，將銅板和軟銅帶整體取下來，然后整體釬焊，釬焊時，需要不斷的補充釬料，然后同時擰緊螺釘，以確保良好的機械連接和熱連接。釬焊完成后，將用于固定的螺釘拆卸掉，整體安裝到第一類型制冷機30與換熱器202之間。

在本實用新型另一實施例中，熱耦合帶601可采用柔性銅帶以補償第一類型制冷機30的冷頭與換熱器202之間的位置誤差。柔性銅帶可包含若干層，具體可由多層銅片在兩端接頭位置處壓接而成。為減小柔性銅帶的重量并縮短導熱路徑，在可操作范圍內，可選長度較短的柔性銅帶。需要說明的是，柔性銅帶的長度可均勻設置，也可非均勻設置?？蛇x地，在不同的位置選擇不同長度的柔性銅帶，以達到最優(yōu)配置。

如圖4為本實用新型一實施例的換熱器結構示意圖。該換熱器202的一側設置有過渡板50，熱耦合帶601可連接在過渡板50上，第一類型制冷機30通過熱耦合帶601提取換熱器的熱量，以實現冷卻回路20與第一類型制冷機30之間的熱量交換。換熱器202的內部還設置有若干個銅棒602，且銅棒602與冷卻回路20中的冷卻介質(氦氣)直接接觸。更進一步地，若干個銅棒602可沿與冷卻介質循環(huán)方向垂直的方向延伸，即沿冷卻管道第五部分L5的徑向方向延伸。在本具體實施例中，換熱器202內部設置多組并列排布的銅棒602，且銅棒602的延伸方向與冷卻介質循環(huán)方向垂直，這種叉排式結構有利于銅棒602與冷卻介質之間充分換熱。更進一步地，冷卻回路20還包括變徑管，該變徑管具體可連接在換熱器202的輸出端口位置，以實現順滑的過渡，減少流動阻力。

采用上述用于超導磁體的預冷裝置對超導磁體冷卻的過程包括：在所述第一冷卻回路中加入冷卻介質，利用循環(huán)泵驅動冷卻介質在第一冷卻管道中循環(huán)工作，且冷卻介質在流經超導磁體時提取所述超導磁體的熱量，利用第一類型制冷機、第二類型制冷機從冷卻介質提取熱量，且第一類型制冷機從冷卻介質提取的熱量抵消所述循環(huán)泵產生的熱負荷。

上述超導磁體的冷卻方法，可大幅提高預冷效率；減少預冷過程中氦氣的揮發(fā)、有效節(jié)約液氮成本；同時，整個過程中均充入高純氦氣，不存在如傳統(tǒng)冷卻方法先通入液氮在通入液氦容易產生雜質氣體的缺陷，減小了氮氣等雜質氣體殘存對超導磁體造成的風險。

雖然本已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本，任何本領域技術人員，在不脫離本的精神和范圍內，當可作些許的修改和完善，因此本的保護范圍當以權利要求書所界定的為準。