專利名稱：超導磁體的低渦流致冷劑回路的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及超導磁體的冷卻方法和裝置，具體地說，涉及冷卻用于磁共振成像(MRI)系統的磁體。
背景技術：
有各種各樣的使用超導磁體的磁成像系統。成像系統的一個實例就是磁共振成像(MRI)系統。MRI系統用來使患者身體的一部分成像。
超導MRI系統通常利用一個通常具有多個線圈的超導磁體。在磁體內部提供成像容積。將人體或材料置于成像容積內，檢測圖像或信號，然后所述圖像或信號由處理器(例如計算機)處理。
大部分現有的超導MRI磁體由鈮鈦材料制成，利用致冷器冷卻到4.2K的溫度。典型的超導磁體致冷器包括液氦容器、一個或兩個隔熱屏以及真空容器。隔熱屏阻止環境大氣對液氦容器的輻射。使來自這種輻射的熱負載與向致冷器提供冷卻的冷凍機(例如低溫冷卻器)平衡。
但是，除了來自環境大氣的熱量之外，還有其它的熱源。例如，當致冷器組件暴露在磁場中，例如來自MRI梯度線圈的邊緣磁場時，就會產生渦流。這些渦流產生焦耳熱，增加了制冷器需去除的熱負載。而且，這些渦流在圖像容積中產生的磁場對系統的成像質量有負面的影響。解決此問題的現有方法包括降低超導線圈和致冷組件區域內的AC場強。但這通常導致對系統性能的不利影響。
發明內容
按照本發明的一個優選方面，提供一種用于超導磁體的低渦流致冷劑回路，它包括至少一個包括電導材料的第一冷卻線圈；以及至少一個包括在所述第一冷卻線圈中的電絕緣體，電絕緣體設置成抑制由于第一冷卻線圈和渦流感應場源之間的電感耦合而在致冷劑回路中的感應的渦流環路。
按照本發明的一個優選方面，提供一種冷卻超導磁體的方法，速方法包括提供至少與第一冷卻線圈熱接觸的超導磁體，所述第一冷卻線圈包括至少一個電絕緣體，所述電絕緣體設置成抑制由于第一冷卻線圈和渦流感應場源之間的電感耦合而感應的渦流環路并且使致冷劑通過第一冷卻線圈。
按照本發明的一個優選方面，提供一種MRI系統，它包括超導磁體和低渦流致冷劑回路，所述低渦流致冷劑回路至少具有與超導磁體熱接觸的第一冷卻線圈。
按照本發明的一個優選方面，提供一種形成冷卻帶的方法，所述方法包括提供第一冷卻線圈和第二冷卻線圈，所述第一和第二冷卻線圈具有基本上半圓的部分；以及把所述第一和第二冷卻線圈固定到柔性支架上，使得所述第一和第二冷卻線圈形成基本上圓形的形狀。
圖1為低渦流致冷劑回路的示意圖，示出本發明的若干實施例。
圖2A為按照本發明實施例的冷卻帶示意圖。
圖2B為按照本發明另一實施例的冷卻帶示意圖。
圖3A為按照本發明另一實施例的冷卻帶截面圖。
圖3B為按照本發明另一實施例的冷卻帶截面圖。
圖4A為按照本發明實施例形成冷卻帶的方法的示意圖。
圖4B為圖4A的冷卻帶的詳細視圖。
圖4C為圖4A的冷卻帶的另一詳細視圖。
圖5示出按照本發明實施例的MRI的示意圖。
零件表100低渦流致冷劑回路102第一冷卻線圈104第一電絕緣體106輸入部分108輸出部分110半圓部分112彎道114填充片116柔性支架118第二冷卻線圈120第二電絕緣體122冷卻帶123多支管124液態致冷劑儲存器126致冷劑儲存器中的加熱器128隔熱屏130隔熱屏冷卻線圈131A隔熱屏冷卻線圈的輸入部分131B隔熱屏冷卻線圈的輸出部分132隔熱屏冷卻線圈電絕緣體134低溫冷卻器135A低溫冷卻器的第一級135B低溫冷卻器的第二級136冷凝器138第一壓力安全閥
140第二壓力安全閥142單向閥200線圈冷卻支回路202隔熱屏支回路300MRI系統302超導磁體304孔306梯度線圈308RF線圈310RF屏蔽312MRI機殼具體實施方式
本發明已經實現可以減少從超導磁體系統(例如MRI系統)的渦流環路產生的熱量而不降低超導線圈和冷卻器組件區域中的AC場強。可以通過利用低渦流致冷劑回路冷卻超導磁體來實現這一點。具體地說，其作法是提供一些冷卻線圈，所述冷卻線圈具有包括在其中的至少一個電絕緣體，以便抑制由所述冷卻線圈和渦流感應場源的電感耦合引起的感應磁場。
圖1示出本發明低渦流致冷劑回路100的實施例的幾個方面。在本發明的優選實施例中，低渦流致冷劑回路100包括至少一個冷卻線圈102。通常，冷卻線圈由不銹鋼或銅制成，以便于構建適合在致冷劑溫度下工作的密封回路。但具有合適的導熱率的任何材料都可使用。
通常，用作密封冷卻管的材料也是導電的。由于這些材料導電，所以由于冷卻線圈102和各種電磁場源(例如磁場源和AC場源)的電感耦合的緣故，可能在冷卻線圈102中感應渦流。為抑制這些感應的渦流環路，至少將一個電絕緣體104包括在冷卻線圈102中。就是說，制造冷卻線圈102時冷卻線圈102的一部分用一種非導電材料制作。例如，冷卻線圈102的一部分用陶瓷管制造。通過使用陶瓷管，冷卻線圈102中的電流通路被中斷，阻止了感應渦流的產生。
在圖2B的本發明一個實施例中，冷卻線圈102具有輸入部分106、輸出部分108和半圓部分110。通常，液態致冷劑通過冷卻線圈102底部的輸入部分106引入冷卻線圈102，隨著熱量被冷卻線圈102吸收，部分液態致冷劑蒸發。致冷劑蒸汽和任何剩余的液態致冷劑通過冷卻線圈102上部的輸出部分108逸出冷卻線圈102。
在一個優選實施例中，半圓形部分110用來冷卻MRI 300的超導磁體(圖5)。但是，半圓形部分也可設計來冷卻其它應用中的超導磁體，例如磁分離器、電機或發電機等。
圖2A示出另一實施例的冷卻線圈102。在此實施例中，冷卻線圈102包括多個彎道112，形成垂直于半圓形部分110的弧線的蛇形線。此實施例的冷卻線圈102可對軸向長度較長的線圈提供冷卻，而同時又保持線圈內部的導熱通路較短，從而使熱量能從這種線圈中去除而線圈末端不會有不可接受的溫度升高。
圖4A-4C示出基于圖2A所示實施例的附加特征。最好，冷卻線圈102中的彎道112是成角度的，使得這樣冷卻管102內液態致冷劑中的氣泡在重力作用下向上流動(圖4C)。通常，彎道112的角度ρ大于0度。但是，只要角度至少為0度，即，不是負數，氣泡就不會陷在冷卻線圈102中。這樣，冷卻線圈102就不會被蒸汽阻塞。
或者，在冷卻線圈102中的彎道112之間可以包括一些填充片114。最好，填充片的高度大致等于冷卻線圈102的厚度。通常，填充片用聚合材料制成，最好是酚醛聚合物。而且，在一個優選實施例中，冷卻線圈102的直徑小于7mm。更好的是，冷卻線圈102的直徑大于3mm，小于7mm。
當按照上述實施例制造低渦流冷卻器線圈100時，首先將冷卻線圈102做成半圓形并固定到支架116上，帶有或不帶有填充片114均可。或者，將冷卻線圈102和填充片固定到柔性支架116上，再彎曲成半圓形。然后使具有填充片114和冷卻線圈102的支架116與超導線圈熱接觸。
本發明以前的實施例涉及使用單個冷卻線圈102。在另一個優選實施例中(示于圖4A)，在附加第二冷卻線圈118的情況下形成冷卻帶122，第二冷卻線圈118至少具有包括在其中的第二電絕緣體120。和第一冷卻線圈102一樣，第二電絕緣體120設置成抑制由第二冷卻線圈118與渦流感應場源的電感耦合引起的感應磁場。而且，第一和第二冷卻線圈102和118都具有基本上半圓形的部分110。最好，把第一和第二冷卻線圈102和118設置成彼此相對，以便形成具有基本上為圓形的冷卻帶122。
可以將冷卻帶122包裹在超導線圈302的周圍，以便對超導線圈302的整個外圍提供冷卻(圖3)。而且，如果超導線圈的軸向長度較長，可以提供多個冷卻帶122。如果提供多個冷卻帶122，那么，也可以提供多支管123(圖1)以便在多個冷卻帶122之間分配致冷劑。
在圖3B所示的本發明又一實施例中，在多個冷卻帶122中至少有一部分是組合在超導線圈302的繞組內。這種實施例可以用在粗的超導線圈302中，不然超導線圈302中就會有過熱點。而且，這種實施例可以和前一個實施例相組合。亦即，多個冷卻帶122可以包括在超導線圈302的繞組內以及沿超導線圈302的軸向上。
在本發明的優選實施例中，低渦流致冷劑回路100包括液態致冷劑儲存器124，其中的液體可流到冷卻帶122的第一和第二冷卻線圈102、118(圖1)。最好，液態致冷劑儲存器124位于第一和第二冷卻線圈102、118之上，其中液體可流到位于第一和第二冷卻線圈102、118底部的輸入部分106。在這種結構的情況下，液態致冷劑通過冷卻帶122向上流動。這種配置有助于液態致冷劑所形成的任何蒸汽通過冷卻帶122的流動，因而阻止冷卻帶122中形成蒸汽阻塞。
在另一優選實施例中，低渦流致冷劑回路100包括至少一個隔熱屏128。隔熱屏128阻止環境大氣對超導磁性裝置(例如MRI)中超導磁體的輻射。最好，隔熱屏128包括至少一個圍繞在隔熱屏128周圍的隔熱屏冷卻線圈130。將某一溫度的致冷劑通過輸入部分131A引入隔熱屏冷卻線圈130，并在消除隔熱屏128的熱量后以較高溫度通過輸出部分131B輸出。最好，和冷卻帶122中的冷卻線圈102、118一樣，隔熱屏冷卻線圈130包括至少一個電絕緣體132，以便抑制由隔熱屏冷卻線圈和渦流感應場源之間的電感耦合引起的感應磁場。
在另一實施例中，隔熱屏128周圍可以有多個隔熱屏冷卻線圈130。如果配有多個隔熱屏冷卻線圈130，也可配有多支管123，以便在多個隔熱屏冷卻線圈130之間分配致冷劑。
最好，低渦流致冷劑回路100包括低溫冷卻器134以及以熱力方式與低溫冷卻器134連接的冷凝器136。更好的是，冷卻線圈102、118上部的輸出部分液體連接到冷凝器136。在此實施例中，可以將汽化的致冷劑導入冷凝器136中，液化，然后送到液體致冷劑儲存器124中再次使用。
在本發明的另一實施例中，低溫冷卻器134具有兩級135A、135B。在此實施例中，冷凝器136A以熱力方式連接到低溫冷卻器134的第二級135B，而隔熱屏冷卻線圈130以熱力方式連接到低溫冷卻器134的第一級135A。而且，在此實施例中，低渦流致冷劑回路100可以描述為包括兩個支回路(線圈冷卻支回路200和隔熱屏支回路202)。線圈冷卻支回路200包括液態致冷劑儲存器124、冷卻帶122和冷凝器136。隔熱屏支回路202包括隔熱屏冷卻線圈130、低溫冷卻器134的第一級135A。
在本實施例的優選方面，線圈冷卻支回路200和隔熱屏支回路202可以用第一壓力安全閥138連接。如果線圈冷卻支回路200中的壓力超過預置壓力，來自線圈冷卻支回路200的致冷劑蒸汽可以釋放到隔熱屏支回路202中。這樣，預置壓力使低溫冷卻器的第二級135B的冷卻容量與來自冷卻帶122的熱負載平衡。
或者，可以包括第二壓力安全閥140，以便將隔熱屏支回路202排放到大氣。如果隔熱屏支回路202中的壓力超過預置壓力，那么，隔熱屏支回路202中的致冷劑蒸汽就可排放到大氣，以降低隔熱屏支回路202中的壓力，從而降低低渦流致冷劑回路100中的壓力。最好，在工作時低渦流致冷劑回路100中的壓力總是高于大氣壓力。這樣，大氣壓力就不會由于空氣從低渦流致冷劑回路100的外部進入的緣故而阻礙低渦流致冷劑回路100的工作。
此外，可以在低溫冷卻器的第一級135A和隔熱屏冷卻線圈的饋入部分之間包括單向閥142。單向閥142對隔熱屏支回路202中蒸汽壓力提供附加的控制。亦即，在冷卻過程中和在冷卻系統因停電或冷卻系統中的機械故障而失效時，單向閥可確保冷的致冷劑向下流到隔熱屏冷卻線圈130中并從隔熱屏128中去除熱量。
為了對低渦流致冷劑回路100中的壓力提供更進一步的控制，在本發明的另一實施例中，將加熱器126置于致冷劑儲存器124內。只要致冷劑儲存器124內的壓力降低到預置壓力以下，加熱器126就接通。這樣，可以使低溫冷卻器134的冷卻容量與來自冷卻帶122的熱負載平衡。
圖5示出包括低渦流致冷劑回路100的MRI系統300。MRI系統300包括設置在機殼312中的若干超導磁體302、隔熱屏128、梯度線圈306、RF線圈3 08以及RF屏蔽310。機殼312包括患者用的中心孔304。在此實施例中，冷卻帶122位于超導磁體302的線圈的外表面上。而且，隔熱屏線圈130位于兩個隔熱屏128的外表面上。
在此實施例中，冷卻帶122可以包括如圖2B所示的具有簡單半圓形狀的冷卻線圈102、118，或如圖2A所示的蛇形線彎道112。而且，和要求機殼312中有致冷劑容器的先有技術的MRI系統不同，本發明的MRI系統300不需要內部致冷劑容器。在按照本發明的MRI系統中，液態致冷劑儲存器124可以位于機殼312之外，通過管道進行連接(未示出)。
而且，如果停電或冷卻系統中有機械故障，液態致冷劑儲存器124中致冷劑的潛熱可以用來提供ride through(從冷卻機件失效到因溫度升高到超過超導材料的臨界溫度而失去超導性的時限)。在ridethrough期間，低渦流致冷劑回路100中的壓力升高，兩個壓力安全閥138和140都開啟。從冷卻帶122蒸發出來的致冷劑流入隔熱屏支回路，經過隔熱屏冷卻線圈130，排到大氣。最好，如果低溫冷卻器124失效，那么液態致冷劑儲存器124中的致冷劑為ride through提供至少4小時的潛在冷卻。更好的是，液態致冷劑儲存器124中的致冷劑為ride through提供至少12小時的潛在冷卻。
此處提出的優選實施例是為了說明。但所述說明不應被認為是對本發明范圍的限制。所以，本專業技術人員可以想到各種修改、改編和替代方案而不背離要求保護的發明概念的范圍。
權利要求
1.一種用于超導磁體的低渦流致冷劑回路(100)，它包括包括導電材料的至少第一冷卻線圈(102)；以及包括在所述第一冷卻線圈(102)中的至少一個電絕緣體(104)，所述電絕緣體設置成阻止由所述第一冷卻線圈(102)和渦流感應場源之間的電感耦合在所述致冷劑回路(100)中引起的感應渦流環路。
2.如權利要求1所述的致冷劑回路(100)，其特征在于還包括第二冷卻線圈(118)，所述第二冷卻線圈(118)具有被包括在其中的至少一個第二電絕緣體(120)，所述第二電絕緣體(120)設置成抑制由所述第二冷卻線圈(118)和渦流感應場源之間的電感耦合引起的感應磁場，其中，所述第一和第二冷卻線圈(102)、(118)具有基本上半圓的部分(110)，并且所述第一和第二冷卻線圈(102)、(118)彼此相關地設置成形成基本上圓形的冷卻帶(122)。
3.如權利要求2所述的致冷劑回路(100)，其特征在于還包括多個冷卻帶(122)和多支管(123)，其中，所述多支管(123)適合于在所述多個冷卻帶(122)之間分配致冷劑。
4.一種冷卻超導磁體(302)的方法，所述方法包括提供與包括至少一個電絕緣體(104)的至少一個第一冷卻線圈熱接觸的超導磁體(302)，所述電絕緣體(104)設置成阻止由所述第一冷卻線圈(102)和渦流感應場源之間的電感耦合引起的感應渦流環路；以及使致冷劑通過所述第一冷卻線圈(102)。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于還包括提供與所述超導磁體(302)熱接觸的第二冷卻線圈(118)，所述第二冷卻線圈(118)包括至少一個第二電絕緣體(120)，所述第二電絕緣體(120)設置成抑制由所述第二冷卻線圈(118)和渦流感應場源之間的電感耦合引起的感應磁場，其中，所述第一和第二冷卻線圈(102)、(118)具有基本上半圓的部分(110)，并且所述第一和第二冷卻線圈(102)、(118)彼此相關地設置成形成基本上圓形的冷卻帶(122)。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于所述使致冷劑通過的步驟包括將位于所述冷卻帶上方的致冷劑儲存器中的致冷劑饋入所述第一和第二冷卻線圈(102)、(118)，并且所述一和第二冷卻線圈(102)、(118)都具有上部(108)和底部(106)，所述致冷劑饋入底部(106)并從上部(108)退出。
7.一種磁共振成像系統(300)，它包括超導磁體(302)；以及低渦流致冷劑回路(100)，所述低渦流致冷劑回路(100)具有與所述超導磁體(302)熱接觸的至少一個第一冷卻線圈(102)。
8.如權利要求7所述的磁共振成像系統(300)，其特征在于所述第一冷卻線圈(102)包括導電材料和至少一個包括在該第一冷卻線圈(102)中的電絕緣體(104)，所述電絕緣體(104)設置成抑制由所述第一冷卻線圈(102)和渦流感應場源之間的電感耦合引起的感應磁場。
9.一種形成冷卻帶(122)的方法，所述方法包括提供第一冷卻線圈(102)和第二冷卻線圈(118)，所述第一和第二冷卻線圈(102)、(118)具有基本上半圓的部分(110)；以及將所述第一和第二冷卻線圈(102)、(118)這樣固定到柔性支架(116)上，使得所述第一和第二冷卻線圈(102)、(118)形成基本上圓形的形狀。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于所述第一和第二冷卻線圈(102)、(118)具有形成蛇形線形狀的多個彎道(112)。
全文摘要
一種用于超導磁體(302)的低渦流致冷劑回路(100)，它包括用導電材料制成的至少一個第一冷卻線圈(102)和至少一個包括在第一冷卻線圈(102)中的電絕緣體(104)。電絕緣體(104)設置成阻止由第一冷卻線圈(102)和渦流感應場源之間的電感耦合引起的感應渦流環路。
文檔編號H01F6/04GK1619720SQ20041009576
公開日2005年5月25日 申請日期2004年11月19日 優先權日2003年11月19日
發明者X·黃, P·S·湯普森, D·T·瑞安, G·A·萊曼, T·J·哈文斯 申請人:通用電氣公司