CN1961178B - 低温恒温器的制冷机接口 - Google Patents

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Abstract

一种限定出轴向成像区域的大体上呈圆柱形的低温恒温器，所述低温恒温器罩住磁体，在使用中所述磁体在所述成像区域中提供大体上均匀的磁场，进一步包括被布置用以冷却低温恒温器的一些零件的制冷机，所述制冷机包括在使用中沿所述制冷机的轴线进行振动的磁性材料。布置所述低温恒温器，以使得所述制冷机的轴线大体上与以圆柱形低温恒温器的轴线为中心的圆相切。

Description

低温恒温器的制冷机接口
本发明涉及一种低温磁体组件。更具体而言，本发明涉及一种相对于所述***的剩余部分而言特别有利的制冷机布置。
磁共振成像(MRI)磁体***被用于进行医疗诊断。对MRI磁体的要求是存在稳定且均匀的磁场。典型地，应用低温冷却的超导磁体。为获得稳定性，普遍的做法是使用在极低温度下进行工作的超导磁体***，通过将超导磁体浸没在低温流体通常为液氦中而使超导磁体冷却，从而维持所述极低温度。低温流体，特别是氦，是昂贵的流体，并且所希望的是，应该以将低温液体的用量减至最少的方式设计和操作磁体***。
本发明特别涉及制冷机接口的结构和安置。所述接口用以将制冷机连接至低温冷却的超导磁体从而对一个或多个隔热装置进行制冷，或者连接至低温容器，或连接到上述两者上，同时确保在维修保养过程中制冷机能够更易于进行拆卸和更换。
图1示出了根据现有技术的适于罩住MRI***的超导磁体的低温恒温器10。该超导磁体***(图中未示出)典型地包括一组用于产生磁场的超导绕组、具有超导绕组的低温流体容器12、一个或多个完全围绕低温流体容器12的隔热装置23(图1中未示出)以及完全封闭所述一个或多个隔热装置和低温流体容器12的真空夹套14。在位于磁体穿孔13中的轴向成像区域中产生均匀的磁场。
普遍的做法是使用制冷机16将隔热装置23冷却至一定的低温，从而减少加到低温流体容器12上的热负荷，且由此减少通过蒸发汽化而产生的制冷剂例如液氦(图1中未示出)的损失。还已公知的是使用制冷机16直接对低温容器12进行制冷，由此减少或消除低温流体消耗。在这两种情况下，有必要使制冷机与要进行冷却的物体之间形成良好的热接触。在低温条件下实现良好的热接触是困难的，且虽然可利用隔热装置的压缩接触实现充分的热接触，但是在极低温度条件下使低温容器12内的制冷剂实现再冷凝所需的热接触更为困难。由于制冷机16在维修保养过程中需要是可拆卸的，因此所述热接触需要是可拆卸的并且制冷机必须能够利用同等有效的热接触而进行更换。
制冷剂冷凝提供了一种使制冷机与要进行冷却的制冷剂之间产生热接触的良好的手段。因此，如果要对低温容器12进行制冷，那么制冷机16上的容器冷却部件18可被安置在制冷剂气体容积内，如图1所示。这就意味着制冷机上的容器冷却部件18被制冷剂气体所环绕。这样非常易于有效地使制冷机冷却部件18与所述气体之间形成接触。然而，这种布置要求制冷机必须保持近乎垂直，从而使得制冷剂气体的对流不会将热量从温度更高的区域传导至温度更低的区域，由此将热负荷加到***的较冷部件上。
所希望的是，在低温容器12中保持一定量的液体制冷剂以充分冷却超导磁体并提供足够多的制冷剂储备，从而使得所述磁体***能够被输运至仍然含有液体制冷剂的工作部位，以使超导磁体保持处于其工作温度或至少接近其工作温度。由于若制冷机的冷却部件低于液体表面则冷凝不起作用，因此所希望的是，安装所述制冷机以使得相对于低温容器而言，冷凝部件尽可能地高。图2中示意性地示出了这种接口技术的一种实施方式。
图2示出了一种可拆卸地接入垂直的进入塔(access turret)20中的制冷机。欧洲专利公开文献EP 0260036对这种接口进行了描述。进入塔20还为包括主磁体电流连接装置22的磁体***的维修保养提供了方便，所述磁体***可部分是或可完全是常规导体或高温超导体。
如图2所示，在低温容器12与真空夹套14之间存在真空26。隔热装置23存在于真空中。制冷机16被安放在接口40内。在图示实施例中，该制冷机为两级制冷机。所述制冷机的第一级被罩在第一级管道42内，而第二级被罩在第一级管道48内。所述第一级的冷端借助连接凸缘46通过制冷机接口与隔热装置23相热连接。所述第二级的冷端18暴露于低温容器12内部中。
在磁体附近的任何磁性材料将会受到围绕磁体的磁场的磁化作用，并且其磁力将会影响位于磁体穿孔13内的轴向成像区域中的成像场Bi的均匀度和大小。对于静止不动的磁性材料而言，成像场Bi产生的任何扰动均可采用已公知为匀场的工艺而得到补偿，在所述匀场工艺中，在成像区域中形成抵消干扰场效应的附加场。如果在磁体附近存在移动的磁性材料，那么匀场工艺就不能进行补偿，并且成像场Bi受到扰动，从而导致MRI图像产生劣化。
明显所希望的是，将这种随时间而变化扰动减至最小。例如如图1所示的用于屏蔽磁体***的常规手段包括以下布置。磁体***10周围的法拉第笼能够将其与在所述笼外部产生的高频干扰屏蔽开来。软磁性钢制笼将会减小在所述笼外部产生的低频磁干扰效应。
一些类型的制冷机16中包括在制冷机的工作过程中产生振动的磁性材料如蓄热器材料。在已公知的***中，该振动是沿制冷机的轴线24进行的，即沿径向于圆柱形低温恒温器的方向进行，如图1所示。由于这些制冷机被用以冷却MRI***，因此它们与磁体紧密相邻，且常常位于低温恒温器10的真空夹套14上或部分地位于低温恒温器10的真空夹套14内部，且因此不能采用前文中所述地常规手段进行屏蔽。本发明针对于减弱这些制冷机对磁性成像场Bi的均匀度产生的不利影响。图1中的磁力线19表示具有相同磁场强度的表面。如在图1中可以看到，磁性材料沿轴线24进行的运动将会穿过多个具有相同磁场强度的表面。
制冷机16是一种机械装置且因此易于受到磨损。制冷机16必须定期进行维修保养且在一定时间后必须进行更换，以便保持足够强的性能。制冷机的重量可高达20公斤且必须被从接口塔20中提出来。根据现有技术的标准型制冷机接口使制冷机匹配朝向所述磁体***的顶部，如图1所示。这就意味着制冷机在拆卸进行维修方面显得十分笨重，这是由于工程技术人员必须到达低温恒温器主体上方以便从其接口上将制冷机拆下。MRI磁体工作部位通常在***顶部与罩住所述***的室的顶板之间不具有足够的间隙，因此在安全地拆卸和更换制冷机方面常常显得十分笨重。所希望的是，可由一个人在不使用工具的情况下实施该项操作。因此所希望的是，使得接口的位置例如有利于进行维修保养作业。
MRI磁体***利用制冷机16减少加到低温容器12上的热负荷，从而减少或消除通过低温液体例如液氦的消耗。制冷机必须是可从磁体***上拆除的从而能够进行维修保养和更换，并且典型地被***到护套20中，所述护套也被称作套筒，所述护套使制冷机以热传导的方式与磁体***接口。当前的实践使制冷机接口20朝向***10的顶部，且使制冷机的轴线24沿径向指向圆柱形磁体***的轴线。
美国专利5,782,095中描述了一种制冷剂重冷凝超导磁体***，其中制冷机几乎水平地进行放置，以便将磁干扰减至最小。制冷机的轴线24大体上平行于圆柱形磁体的轴线。然而，已发现绝大多数低温制冷机以垂直或近乎垂直的取向最有效地进行工作。
本发明克服了已公知***中存在的至少一些缺点，并且因此提供了如所附权利要求所限定出的设备和/或方法。
结合附图，通过对仅以实例方式给出本发明的一些实施例进行描述，本发明的以上和其它目的、特征和优点变得更加明显，在所述附图中：
图1示出了一种根据现有技术的包括被罩在接口套筒中的制冷机的低温恒温器；
图2示出了如图1所示的制冷机及其接口的更详细的视图；
图3示出了一种根据本发明的一个实施例进行改进的与图1所示相类似的低温恒温器；
图4示出了如图3所示的制冷机及其接口套筒的详图；
图5示出了进入到其套筒中的制冷机的上部机械组件的详图；
图6示出了进入到其套筒中的制冷机的下部机械组件的详图；和
图7示出了根据本发明的另一个实施例的进入到其套筒中的制冷机的下部机械组件的另一详图。
现有技术中提供了一种制冷机接口，所述制冷机接口保持住制冷机，从而使得其轴线指向径向于圆柱形磁体***的垂直方向。因此，该制冷机中的磁性材料沿与多条磁力线19相交叉的径向方向24进行移动且由此对成像场Bi具有较大的扰动影响。
根据本发明的一个方面，如图3所示，制冷机接口移动至磁体***30的侧部。在一个优选实施例中，制冷机16自垂直方向略微倾斜例如20°以内，从而使得轴线24和由此的磁性部件的移动大体上与垂直于且以圆柱形低温恒温器30的轴线A为中心的圆32相切。
如图3所示的制冷机和制冷机进入塔34在磁体***侧部的安放有助于在进行维修保养时拆除制冷机16，由此工程技术人员不再不得不在通常有限的进入空间内到达或甚至爬到所述***的顶部上面。
另外，如图3所示的制冷机和制冷机进入塔34在磁体***侧部的安放使活动的磁性部件进一步移动远离成像场Bi，由此减小其对成像场Bi的均匀度及最终影像的影响作用。磁性材料沿制冷机轴线24进行移动的大体上的切向方向意味着磁性活动部件的干扰进一步减弱，这是由于当前活动的磁性材料与成像场Bi之间的距离对于制冷机的所有工作位置而言是近乎恒定的。所述活动的磁性材料将不会与多条磁力线19相交叉，且干扰将会显著得到减弱。
图3示意性地示出了制冷机16和接口40的定位。所述接口的详图与图2所示相类似。所述接口的上端被附接到外部真空夹套14上。在一个优选实施例中，氦输送管道36将位于接口底部的冷凝室连接至低温容器12内部。由图3可明显看到：制冷机磁性部件的移动轴线24大体上与以圆柱形低温恒温器30的轴线A为中心的圆32相切。所述接口可以自垂直方向倾斜一个较小的角度如20°以内，从而使磁性部件的移动轴线24更接近切向。虽然制冷机的轴线可以倾斜达到真正的切向方向，但是优选这种倾斜的角度要小于20°。
根据本发明的一个方面，应该这样安放制冷机，从而使得在制冷机的长度范围内，制冷机的轴线大体上与以圆柱形低温恒温器的轴线A为中心的圆相切。制冷机的轴线大体上位于所述圆的平面内，且制冷机的轴线位于沿圆柱形低温恒温器轴线的大致中间位置的平面中。这种布置的好处如下面所述。如本发明所述的罩住磁体的圆柱形低温恒温器典型地包括靠近低温恒温器端部的屏蔽线圈，相对于主场励磁线圈而言，所述屏蔽线圈更接近低温恒温器的外表面。在这些屏蔽线圈附近，局部磁场相对较强且场梯度相对较大。通过将根据本发明的制冷机设置在沿圆柱形低温恒温器轴线的大致中间位置的平面中，制冷机关于低温恒温器被对称安放，且尽可能远离屏蔽线圈进行安放。通过将制冷机如此安放在的场梯度最小的最小场的区域中，在成像过程中制冷机的各种剩余干扰将会得到最小化。此外，通过将制冷机设置在最低可能磁场的区域中，作用在制冷机元件上的吸引力或推斥力减小。这样进而导致当如本发明所限定的那样进行安放时，磨损得到减轻和制冷机更高效地进行工作。优选地，如此布置制冷机，使得其轴线靠近垂直方向，或至少自垂直方向倾斜20°以内。制冷机的这种取向使得制冷机能够高效地工作并使得制冷机的活动部件免于产生磨损。虽然已公知可以其它角度，甚至是基本沿水平方向，安放制冷机，但是这些取向降低了制冷机的效率并增大了磨损。沿圆柱形低温恒温器位于大致中间的近乎垂直位置的制冷机的优选取向为制冷机的维修保养和更换提供了特别良好的接近性。
图4更详细地示出了接口40。接口的上部带有薄壁的管42连接在室温凸缘44与第一级连接凸缘46之间。下部带有薄壁的管48及其底座50提供了对制冷机的第二级的封闭，且在再冷凝器52周围具有足够大的用于进行气体循环的空间，从而使得能够有效地进行再冷凝。装配连接50至氦容器的管道36，从而使得其下边缘低于再冷凝器的底座，并且所述管道向下取向，从而使得液体将会流入氦容器中。管道36足够长且优选是柔性的，在一些实施例中，所述管道部分地或全部盘卷，从而增大柔性，进而在运输过程中适于在接口40与低温容器12之间产生移动。管道36足够大从而允许液体流入低温容器12中且同时允许蒸汽逆流进入再冷凝器中。室温凸缘44、上部管42和下部管48、连接凸缘46、底座50和连接至低温容器12的管道36联接在一起，从而相对于封闭在外部真空夹套14与低温容器外壳12之间的真空形成真空密封组件40。适当地可通过钎焊或焊接实现所述联接。
带有薄壁的管42和48优选由不锈钢制成从而具有低热导率。第一级连接凸缘46优选由传导性较强的铜制成从而具有较高的热导率。为了易于与氦容器相连，管道36优选由不锈钢制成。具有所需特性的其它材料可用在这些元件中。
带有薄壁的管42和48优选被制成与制冷机16的外部上部管和下部管紧密配合，以便减少通过被封闭在管与制冷机之间的气体且通过这些管本身而被传导至第一级和再冷凝器的热量。带有薄壁的管48的下部有可能扩张从而使再冷凝器形成更大的用于使气体更有利地进行再冷凝循环的间隙。
连接凸缘46通过柔性连接部54与隔热装置23相连，所述柔性连接部通过螺栓连接或焊接或其它适当的良好的热连接方式被热连接到连接凸缘46和隔热装置23上。隔热装置23a还与凸缘46相连，从而使接口40的低温区与高温辐射相隔离。
冷凝器52优选带有沟槽，以便增大其用于进行冷凝的表面积。所述沟槽优选沿垂直方向进行延伸，从而使得冷凝流动得到增强。
大电流电连接设备56从低温容器12连接至接口的底座50。在一些磁体***上使用的进入塔构造(例如如英国专利公开文献GB 2386676所述)中，磁体电流返回路径可通过低温恒温器，且在这种情况下，电流可能在柔性管36中流动，由此产生所不希望的加热。设置电连接设备56以在该点处提供可选的低电阻电通路以防止管36受到加热。
图5示出了制冷机与接口和连接部与连接凸缘46间的密封状况的更详细视图。室温凸缘44中包括环21。顶部凸缘28以真空密封的方式与外部真空夹套14相连，且顶部凸缘28包括与环21紧密配合的阶梯部60。“O”型环64被环66压靠在凸缘58和环21的机加工的光滑端面上并且形成真空密封。环66借助多个螺丝68被上紧贴靠在凸缘58上。制冷机16借助多个螺丝70被接口40中，所述螺丝上可具有张紧装置例如盘簧72。
凸缘28与外部真空夹套14之间的连接部还可包括如专利文献EP0260036中所披露的位于制冷机接口与室温凸缘44之间的振动隔离装置。
可采用多种方式在制冷机与连接凸缘46之间形成热连接，图5中就示出了其中一种方式。由传导性较强的材料典型如铜制成的锥形零件74被热附接到制冷机76的第一热级上并且与连接凸缘46中的配合锥体形成热接触，所述接触可通过施加到锥体触点上的轴向力而实现。选定锥体角度以在接触面之间给出高压，从而实现良好的热接触，但是所述接触不应如此浅，从而使得两个锥体锁定在一起且所述制冷机不能被拆下用以进行维修保养。形成可拆卸热连接的其它手段也是有可能的，特别是如专利文献EP 0260036中所披露的带有铟金属垫圈的平面间的加压接触，或者通过表面间适当的油脂而得到增强的平面或锥形表面间的加压接触，或者通过其它一些能够发生形变从而提供良好的热接触的软质材料而使加压表面得到增大。
图6示出了直径为带有薄壁的管48直径的具有扩张部78从而有利于气体流动再冷凝的接口的再冷凝器端部的视图。带有薄壁的管48的上部的紧密配合减小了通过被包含在管48与制冷机第二级管82之间的气体80的热传导。管直径的缩小减小了管的横截面，从而将热量传导至再冷凝器。然而，管48的内径必须足够大从而允许再冷凝器52通过，从而使得制冷机16能够被拆除以进行维修保养。
图7示出了将制冷机再冷凝器52连接至低温容器12的另一种手段变型。在该变型中，再冷凝器52被设置在低温容器12内。一根垂直的短管84被设置在低温容器12的侧部中。在该实施例中，带有薄壁的管48包括柔性部分86以适应低温容器12相对于真空夹套14可能存在的相对移动。
用于进行非常低温冷冻的制冷机中包括磁性材料。在制冷机的工作过程中这些磁性材料的移动使MRI图像劣化。将制冷机接口移动至所述***的侧部同时保持其高度允许制冷机进一步远离在磁体穿孔中形成的轴向成像区，同时使制冷机的轴线更接近于切向，从而使得对MRI图像的干扰得到减弱且允许更易于对制冷机进行维修保养作业。

Claims (2)

1.一种限定出轴向成像区域(13)的大体上呈圆柱形的低温恒温器(30)，所述低温恒温器罩住磁体，在使用中所述磁体在所述成像区域中提供大体上均匀的磁场，
进一步包括被布置用以冷却低温恒温器的一些零件的制冷机(16)，所述制冷机包括在使用中沿所述制冷机的轴线(24)进行振动的磁性材料，其中
在制冷机的长度范围内，所述制冷机(16)的轴线(24)大体上与垂直于且以圆柱形低温恒温器的轴线(A)为中心的圆(32)相切，
其特征在于，所述圆(32)位于沿圆柱形低温恒温器的轴线(A)的大致中间位置处，且所述制冷机(16)被安放在低温恒温器(30)的侧部，所述制冷机的轴线大体上位于所述圆的平面中，所述制冷机的轴线大体上是垂直的。
2.根据权利要求1所述的低温恒温器，其中所述制冷机的轴线处于与垂直偏转20°角的范围内。
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