专利名称：用于超导磁体的冷却系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种用于超导体的冷却系统，更加特别地，涉及一种具有回收回路的冷却系统，其用于将蒸发的冷却液保持在超导体的冷却系统内。
背景技术：
超导磁体通常使用液态冷冻剂来使其超导线圈在超导操作中保持冷却。封闭的低温冷却系统通常包括冷冻剂液罐和低温再冷凝单元。在正常的超导操作中，这种封闭的低温系统提供冷却来平衡超导磁体的热负荷，从而不会损失冷冻剂。然而，在停电或其它系统故障中损失冷却功率时，超导磁体热负荷容易增大冷冻剂的压力和温度。在尝试在典型的封闭的低温冷却系统内保持压力和温度的过程中，气态冷冻剂会通过减压阀被释放或者蒸发到大气中。因此，蒸发的冷冻剂就损失到大气中。
当校正系统故障时需要更换从系统排出的冷冻剂，然后系统回到正常操作。再填充封闭的低温冷却系统通常需要一个低温服务执行服务调用来重新填充系统。这种低温服务增加了系统的服务成本，特别是在没有建立低温服务网络的区域。此外，在诸如具有超导磁体的MRI扫描仪的系统中，等待低温服务以执行服务调用增大了扫描仪的停机时间。
因此期望的是具有一种系统，其能够在封闭的低温冷却系统内回收和存储蒸发的冷冻剂。
发明内容
本发明提供一种用于超导磁体的冷却系统，其克服了前述缺陷。一种封闭的低温冷却系统包括冷冻剂液罐、冷冻剂储罐和低温再冷凝单元。该低温再冷凝单元提供冷却以在正常操作中平衡磁体的热负荷。在低温再冷凝单元的停电或其他故障期间，蒸发的气体被回收到储罐中。当系统重新初始化时，存储的蒸发气体再次被引入到系统中用于冷却超导磁体。
因此，根据本发明的一个方面，磁体组件包括磁体和与该磁体热接触的冷却系统。一储罐与冷却系统流体连接，并配置成接收和存储从该冷却系统发出的蒸发流体。
根据本发明的另一个方面，超导体系统包括超导磁体和与该超导磁体热接触的冷却液，该冷却液配置成冷却该超导磁体。包括一冷却系统，其配置成将冷却液从气态冷凝成液态。一储罐与该冷却系统流体连接，并配置成存储从冷却系统排出的冷却液。
根据本发明的又一方面，MRI装置包括磁共振成像(MRI)系统，该系统具有多个围绕磁体的内孔(bore)定位以外加极化磁场的梯度线圈、RF收发器系统和由脉冲模快控制以向RF线圈组件发送RF信号来获取MR图像的RF开关。包括一低温冷却系统，其与磁体热接触。还包括低温再冷凝系统，其与低温冷却系统流体连接，并配置成存储由低温冷却系统释放的蒸发的冷冻剂。
附图示出了目前设计成实施本发明的一个优选实施例。
在附图中图1是根据本发明的闭环磁体冷却系统的示意图。
图2是和本发明一起使用的MR成像系统的示意性方框图。
以下参考标记分别表示10闭环磁体冷却系统12磁体14冷却系统16冷却液18集液器20冷却管道或立管22集气器24液化杯26低温再冷凝器或冷却头27底部28加热器30冷却液回收回路32气罐34气体连接线
36第一端部38弧形回路40第二端部42绝缘部44安全阀46附加填充阀48顶部50MR成像系统52操作员控制台53键盘或其他输入设备54控制面板56显示器58链路60独立的计算机系统62图像处理模块64CPU模块66存储器模块68磁盘存储器70磁带驱动器72独立的系统控制74高速串行链路76CPU模块78脉冲发生器模块80串行链路82一组梯度放大器84生理采集控制器86扫描室接口电路88对象定位系统90通常特指的梯度线圈组件92磁体组件94极化磁体96整体式RF线圈
98收发器模块60a底板72a底板100RF放大器102发送/接收开关104前置放大器106存储器模块108阵列处理器具体实施方式
参考图1，示出了根据本发明的优选的闭环磁体冷却系统10。通过具有多个与磁体12的线圈(未示出)热接触的冷却剂管道的冷却系统14主动冷却磁体12以支持超导操作。在这点上，在一个优选的实施例中，磁体12是具有线圈排列的超导磁体，当电流从所述线圈中流过时该线圈可产生磁场。冷却系统14使冷却液16如氦、氮、氖或类似物流过磁体12的线圈，使得磁体12的温度低于超导临界温度。优选地，冷却液16是冷冻剂。
冷却系统14包括集液器18，其定位成使得液态冷却液16由于重力而流入。优选地，集液器18定位在磁体12下方。冷却系统14包括围绕磁体12的冷却管道或立管20，其允许磁体12和冷却液16之间的热连通。立管20与集液器18流体连通。通过这种方式，冷却液16可以从集液器18流入立管20。
集气器22与立管20流体连接并收集气态冷却液。在正常操作条件下，冷却液16保持在恒定的沸点温度。通过这种方式，冷却液可分布到整个立管20中以冷却磁体12。当沸腾的冷却液流过立管20时，气态冷却液从立管20上升到集气器22中。
液化杯24与集气器22流体连接并接收气态冷却液。低温再冷凝器或冷却头26与液化杯24连接并将液化杯24内的气态冷却液冷凝成液态冷却液。液态冷却液下落到液化杯24的底部27，借助于重力，使液态冷却液流入集液器18。
一般地，低温再冷凝器26产生比磁体12的热负荷更多的冷量。加热器28与集液器18流体连接，并给冷却系统14增加热量以使冷却液16的压力和温度增大到正常的操作压力和温度。在一个优选的实施例中，加热器28是压力传感器控制的加热器。
在正常操作条件下，冷却系统14可保持系统中冷却液16的平衡。也就是说，从液态冷却液蒸发的气态冷却液被再冷凝回液态冷却液。然而，在发生故障的条件下，例如停电或低温再冷凝器发生故障，冷却系统14不能有效地将气态冷却液再冷凝成液态冷却液，并失去平衡。在这种条件下，磁体12的热负荷使液态冷却液蒸发成气态冷却液，然后冷却系统内的压力开始升高。冷却系统14具有足够量的液态冷却液以持续所需的跨越(ride-through)时间，从而允许冷却系统14从故障状态恢复。该跨越时间允许冷却系统14使用液态冷却液继续冷却磁体12，液态冷却液保持在系统中直到液态冷却液的供给耗尽。跨越时间例如可以允许液态冷却液从半天到全天地继续冷却磁体12。
在跨越时间中，气态冷却液不会再冷凝成液态冷却液，冷却液16保持在其饱和线上，其中气体和液体共存。因低温再冷凝器发生故障而再冷凝气态冷却液进而在系统内增大压力，这会导致冷却液16的温度升高。为了延长冷却系统14在故障条件下的超导操作的时间，使冷却系统14内部的压力保持较低。
仍然参考图1，冷却液回收回路30与冷却系统14连接，以便当期望回收冷却液时允许冷却系统14中的气态冷却液在故障条件或其他操作条件下从冷却系统中释放。储气罐32与冷却系统14流体连接，并存储流入其中的气态冷却液。气体连接线34与储气罐32在第一端部36流体连接，与弧形回路38如U形回路在第二端部40流体连接。绝缘部42与储气罐32和气体连接线34连接。通过这种方式，从冷却系统14蒸发的气态冷却液保持低温，并且减缓了总体的压力升高。储气罐32具有足够的尺寸，并且增强为足以在环境温度或室温和压力的情况下容纳气态冷却液。然而，一安全阀44可以与储气罐32连接，从而如果储气罐32内的压力升高超过期望水平如30巴，则允许储气罐32内的压力将气态冷却液排出到外部。安全阀44或附加的填充阀46(以假想线示出)可以用来使闭环磁体冷却系统10充满冷却液。在设计或维修闭环磁体冷却系统10之后或者在通过安全阀44降压时，该闭环磁体冷却系统10可以充满气态冷却液。
弧形环路38与液化杯24的顶部48流体连接，使得气态冷却液在弧形回路38和液化杯24之间连通。该弧形回路38可在正常操作条件下减小冷却系统14和储气罐32之间的自然对流。然而，在故障条件下，冷却系统14内的压力升高会使气态冷却液从液化杯24中流出并通过弧形回路38和气体连接线34流入储气罐32。延长的故障条件周期将导致所有的液态冷却液转变成其气体状态。
在一个可替换的实施例中，流量阀组件可以用于减小冷却系统14和储气罐32之间的自然对流。例如，可以使用一对反平行的阀来控制冷却系统14和储气罐32之间的对流和流动。
当将冷却系统14恢复和初始化到操作条件时，低温再冷凝器26开始冷凝存在于冷却系统14中的气态冷却液。当气态冷却液冷凝成液态冷却液时，冷却系统14内的温度和压力开始下降。当液化杯24内的压力减小时，回收回路30中较高的压力将使存储于其中的气态冷却液通过弧形回路38和气体连接线34从储气罐32流到液化杯24。存储于储气罐32中的气态冷却液继续流到液化杯24中，直到在冷却系统14和回收回路30之间建立了压力平衡。之后，冷却系统14用于保持如上所述的冷却系统14内的冷却液16的平衡。
现在参考图2，可以设想闭环磁体冷却系统10可以特别地应用于、但不限于主动冷却MR成像系统50的超导线圈。众所周知，MR成像系统50的操作可从操作员控制台52进行控制，该控制台包括键盘或其他输入设备53、控制面板54和显示器56或显示屏。控制台52通过链路58与独立的计算机系统通信，该计算机系统可使操作员控制图像在显示屏56上的产生和显示。计算机系统60包括多个通过底板60a彼此连通的模块。这些模块包括图像处理器模块62、CPU模块64、和存储器模块66，该存储器模块在本领域中是已知的一种用于存储图像数据阵列的帧缓存器。计算机系统60与用于存储图像数据和程序的磁盘存储器68和磁带驱动器70连接，并通过高速串行链路74与独立的系统控制72连通。输入设备53可以包括鼠标、控制杆、键盘、跟踪球、触摸屏、光棒、音频控制、或者任何相似或等同的输入设备，并且可用于交互式的几何命令。
系统控制72包括一组通过底板72a连接在一起的模块。这些模块包括CPU模块76和脉冲发生器模块78，该脉冲发生器模块通过串行链路80与操作员控制台52连接。系统控制72就是通过链路80接收来自操作员的指令，从而指出待执行的扫描顺序。脉冲发生器模块78操作系统元件以执行期望的扫描顺序和产生数据，所述数据表示产生的RF脉冲的定时、强度和形状以及数据采集窗口的定时和长度。脉冲发生器模块78与一组梯度放大器82相连，以知识在扫描期间所产生的梯度脉冲的定时和形状。脉冲发生器模块78还可以接收来自生理采集控制器84的对象数据，所述生理采集控制器可接收来自多个与对象连接的不同传感器的信号，例如来自与对象连接的电极的ECG信号。最后，脉冲发生器模块78与扫描室接口电路86连接，该接口电路可接收来自与对象和磁体系统的状态相关的各个传感器的信号。对象定位系统88也可以通过扫描室接口电路86接收指令从而使对象移动到用于扫描的期望位置。
由脉冲发生器模块78产生的梯度波形可应用于具有Gx、Gy和Gz放大器的梯度放大器系统82。每个梯度放大器可激励一般用90表示的梯度线圈组件中相应的物理梯度线圈，从而产生一磁场梯度，其用于空间编码所获得的信号。该梯度线圈组件90构成磁体组件92的一部分，该磁体组件包括极化的磁体94和整体的RF线圈96。系统控制72中的收发器模块98可产生通过RF放大器100放大以及通过发送/接收开关102与RF线圈96耦合的脉冲。通过对象中受激的原子核发出而得到信号可以由同一RF线圈96感测并通过发送/接收开关102与前置放大器104耦合。在收发器98的接收部中对放大的MR信号解调、过滤和数字化。发送/接收开关102由来自脉冲发生器模块78的信号控制，从而在发送模式中使RF放大器100与线圈96电连接，而在接收模式中使前置放大器104与线圈96连接。发送/接收开关102也可以是一个在发送或接收模式中使用的单独的RF线圈(例如，表面线圈)。
通过RF线圈96获得的MR信号由收发器模块98数字化并发送给系统控制72中的存储器模块106。当在存储器模块中获得原始的k空间数据的阵列时进行扫描。对于每个待重建的图像来说，该原始的k空间数据重新排列成独立的k空间数据阵列，然后将每个阵列输入阵列处理器18，该阵列处理器操作成使数据傅立叶变形成图像数据阵列。该图像数据通过串行链路74传输到计算机系统60，并在此存储于存储器如磁盘存储设备68中。响应于从操作员控制台52接收的指令，该图像数据例如可以在诸如磁带驱动器70的长期存储设备中归档，或者通过图像处理器62进一步处理，然后传输到操作员控制台52并显示在显示器56上。
本发明的闭环磁体冷却系统不仅可以用于如上所述的MR成像系统，而且可以用于冷却MR成像系统的其他线圈，对于这些线圈可使用主动冷却。此外，本发明不限于主动冷却在MR成像系统中使用的超导磁性线圈。可以设想闭环磁体冷却系统10可以用于任何主动冷却的超导磁性线圈系统。附加地，本发明可以体现在任何线圈冷却系统中，只要其期望回收蒸发的冷却液而不是将冷却液释放到大气中。
根据本发明的闭环磁体冷却系统具有的优点是，当发生故障时可减小与冷冻剂再填充服务相关的服务成本。代替将气态冷却液释放到系统外部，本发明包括存储所释放的气态冷却液。通过这种方式，当可以操作系统时使用存储的冷却液。这样，可以减少冷冻剂的再填充服务调用。此外，在没有建立冷冻剂的再填充服务网络的地方，例如在发展中国家，根据本发明的闭环磁体冷却系统允许系统更快地重启。
因此，根据本发明的一个实施例，磁体组件包括磁体和与该磁体热接触的冷却系统。一储罐与冷却系统流体连接，并配置成接收和存储从冷却系统排出的蒸发流体。
根据本发明的另一个实施例，超导系统包括超导磁体和与该超导磁体热接触的冷却液，该冷却液配置成冷却该超导磁体。包括一冷却系统，其配置成将冷却液从气态冷凝成液态。一储罐与该冷却系统流体连接，并配置成存储从冷却系统排出的冷却液。
根据本发明的又一个实施例，MRI装置包括磁共振成像(MRI)系统，该系统具有多个围绕磁体的内孔定位以外加极化磁场的梯度线圈、RF收发器系统和由脉冲模快控制以向RF线圈组件发送RF信号来获取MR图像的RF开关。包括一低温冷却系统，其与磁体热接触。包括一低温回收回路，其与低温冷却系统流体连接，并配置成存储由低温冷却系统释放的蒸发的冷冻剂。
已经在优选实施例方面描述了本发明，应该认识到，除了清楚描述的那些内容，其等同物、替换物以及修改都是可能的，并且都属于随附的权利要求的范围。
权利要求
1.一种磁体组件，包括磁体(12)；与该磁体(12)热接触的冷却系统(14)；以及与冷却系统(14)流体连接的储罐(32)，该储罐配置成接收和存储从该冷却系统(14)流出的蒸发流体。
2.如权利要求1所述的组件，还包括弧形回路(38)，其将冷却系统(14)与储罐(32)流体连接，并配置成在正常的操作条件下减小冷却系统(14)和储罐(32)之间的自然对流。
3.如权利要求2所述的组件，其中冷却系统(14)还包括冷冻剂(16)；配置成保持液态冷冻剂(16)的集液器(18)；配置成保持气态冷冻剂(16)的集气器(22)；与集液器(18)和集气器(22)流体连接的液化容器(24)；以及与液化容器(24)连接的低温再冷凝单元(26)，其配置成将气态冷冻剂(16)冷凝成液态冷冻剂(16)。
4.如权利要求3所述的组件，其中弧形回路(38)配置成在冷却系统初始化期间允许气态冷冻剂从储罐(32)流动到液化容器(24)中。
5.如权利要求3所述的组件，其中冷冻剂(16)包括氦、氢、氖和氮之一。
6.如权利要求1所述的组件，还包括配置成给冷却系统增加热量的加热器(28)。
7.如权利要求6所述的组件，其中加热器(28)是压力传感器控制的加热器。
8.如权利要求1所述的组件，其中储罐(32)是热绝缘的。
9.如权利要求1所述的组件，其中储罐(32)配置成存储室温的蒸发气体。
10.如权利要求1所述的组件，还包括与储罐(32)连接的安全阀(44)，其配置成当储罐(32)内的压力超过预定值时将存储的蒸发气体排出到大气中。
全文摘要
冷却系统(14)与磁体(12)热接触，并向其提供冷却。储罐(32)与该冷却系统(14)流体连接以存储由冷却系统(14)释放的气体。然后当需要时将所存储的气体释放回冷却系统(14)。
文档编号H01F6/04GK1971774SQ20061014632
公开日2007年5月30日 申请日期2006年11月10日 优先权日2005年11月10日
发明者E·T·拉斯卡里斯, 黄先锐, P·S·汤普森, E·W·斯陶特纳 申请人:通用电气公司