專(zhuān)利名稱(chēng)：帶有儲(chǔ)熱器的無(wú)致冷劑高溫超導(dǎo)磁體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于冷卻超導(dǎo)磁體的方法和裝置，更加具體地講，涉及對(duì)用在磁共振成像(MRI)系統(tǒng)中的磁體進(jìn)行冷卻。
背景技術(shù)：
存在各種使用超導(dǎo)磁體的磁成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)的一個(gè)例子是磁共振成像(MRI)系統(tǒng)。MRI系統(tǒng)用于對(duì)病人身體的一部分進(jìn)行成像。
超導(dǎo)MRI系統(tǒng)典型地使用一個(gè)超導(dǎo)磁體，該磁體通常帶有多個(gè)線圈。在磁體內(nèi)部設(shè)置有成像空間。將人或者物質(zhì)置于成像空間內(nèi)，并且檢測(cè)圖像或信號(hào)，然后由處理器(例如計(jì)算機(jī))進(jìn)行處理。
現(xiàn)有的超導(dǎo)MRI磁體多數(shù)都是由通過(guò)液態(tài)氦冷卻至4.2K的溫度的鈮-鈦材料制成。其具有這樣的缺點(diǎn)需要供應(yīng)昂貴的液態(tài)氦，而液態(tài)氦在不發(fā)達(dá)國(guó)家是得不到的。另外，萬(wàn)一冷卻系統(tǒng)發(fā)生電源故障或機(jī)械故障，由于MRI系統(tǒng)中的材料具有較小的熱容量，所以只有氦儲(chǔ)備的潛伏熱可用于提供“跳脫期(ride-through)”(從冷卻機(jī)構(gòu)發(fā)生故障到由于溫度上升到超導(dǎo)材料的臨界溫度以上引起的超導(dǎo)電性的喪失的時(shí)間周期)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面，提供有一種無(wú)致冷劑的超導(dǎo)磁體組件，其包括高Tc超導(dǎo)磁體和與高Tc超導(dǎo)磁體進(jìn)行熱接觸的儲(chǔ)熱器，其中儲(chǔ)熱器包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面，提供有一種冷卻無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件的方法，包括提供與儲(chǔ)熱器熱連接的高Tc超導(dǎo)磁體，所述儲(chǔ)熱器包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料；提供與高Tc超導(dǎo)磁體熱連接的低溫冷卻器，和在不使用致冷劑的情況下將來(lái)自高Tc超導(dǎo)磁體的熱量轉(zhuǎn)移。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面，提供有一種MRI系統(tǒng)，包括無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件，其具有高Tc超導(dǎo)磁體，和與高Tc超導(dǎo)磁體進(jìn)行熱接觸的儲(chǔ)熱器，所述儲(chǔ)熱器包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料，其中在超導(dǎo)磁體組件內(nèi)形成有成像空間，和熱連接到儲(chǔ)熱器的低溫冷卻器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面，提供有一種MRI系統(tǒng)，其包括第一無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件，具有第一高Tc超導(dǎo)磁體，和與第一高Tc超導(dǎo)磁體進(jìn)行熱接觸的第一儲(chǔ)熱器，第一儲(chǔ)熱器包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料；和第二無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件，具有第二高Tc超導(dǎo)磁體，和與第二高Tc超導(dǎo)磁體進(jìn)行熱接觸的第二儲(chǔ)熱器，第二儲(chǔ)熱器包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料，從而在第一和第二組件之間形成有成像空間。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面，提供有一種MRI系統(tǒng)，其包括第一無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件，具有第一高Tc超導(dǎo)磁體；和第二無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件，具有第二高Tc超導(dǎo)磁體；和與第一和第二高Tc超導(dǎo)磁體進(jìn)行熱接觸的儲(chǔ)熱器，該儲(chǔ)熱器包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料，從而在第一和第二組件之間形成有成像空間。


所述附圖為根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的MRI的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)當(dāng)由高熱容量材料制成的熱量?jī)?chǔ)存器環(huán)繞由低溫冷卻器冷卻的超導(dǎo)磁體或安置成與所述超導(dǎo)磁體進(jìn)行熱接觸時(shí)，在保持跳脫期容量的同時(shí)，可從超導(dǎo)系統(tǒng)除去液態(tài)致冷劑。通過(guò)使用具有熱容量的材料，并且優(yōu)選地使用適當(dāng)數(shù)量的材料，在發(fā)生電源故障的情況下可得到足夠的熱質(zhì)量來(lái)提供足夠的跳脫期。這對(duì)于在不發(fā)達(dá)國(guó)家或邊遠(yuǎn)地區(qū)中的操作具有特殊的優(yōu)點(diǎn)，在這些國(guó)家或地區(qū)中致冷劑通常是昂貴的或者是得不到的。
現(xiàn)在將說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的無(wú)致冷劑的超導(dǎo)磁體組件。在該實(shí)施例中，能夠在20k以上的溫度運(yùn)行的高Tc超導(dǎo)線圈與儲(chǔ)熱器進(jìn)行熱接觸，所述儲(chǔ)熱器由具有高熱容量的材料制成。優(yōu)選地，高Tc超導(dǎo)線圈由儲(chǔ)熱器環(huán)繞。高Tc超導(dǎo)材料的例子包括，但不局限于DBCO(鏑鋇銅氧化物)、YBCO(釔鋇銅氧化物)、BSCCO(鉍鍶鈣銅氧化物)和MgB2(二硼化鎂)。
在傳統(tǒng)意義上，超導(dǎo)體的臨界溫度指的是超導(dǎo)材料喪失超導(dǎo)電性的溫度。然而，為了說(shuō)明的目的，所述臨界溫度是磁體無(wú)法再以其額定磁場(chǎng)進(jìn)行工作的溫度。額定磁場(chǎng)對(duì)于每個(gè)設(shè)計(jì)可以是唯一的，并且一般是磁體尺寸、形狀和工作溫度的函數(shù)。
優(yōu)選地，儲(chǔ)熱器材料在25K下具有至少約0.065J/gK的熱容量。更好的情況是，儲(chǔ)熱器材料在25K下具有至少約0.10J/gK的熱容量。另外，儲(chǔ)熱器材料在20K和30K之間可具有至少約0.65J/g的最小熱函變化。優(yōu)選地，儲(chǔ)熱器材料在20K和30K之間具有至少約1.55J/g的最小熱函變化。
儲(chǔ)熱器的熱容量?jī)?yōu)選地大于約9×105J。為提供該熱容量的儲(chǔ)熱器的熱質(zhì)量將根據(jù)儲(chǔ)熱器材料的熱容量變化。然而，熱質(zhì)量典型地大于約525kg。優(yōu)選地，在發(fā)生電源故障的情況下，儲(chǔ)熱器具有足夠的熱質(zhì)量來(lái)提供至少5小時(shí)的跳脫期。更加優(yōu)選地，儲(chǔ)熱器具有足夠的熱質(zhì)量來(lái)提供至少10小時(shí)的跳脫期。
用于本實(shí)施例的儲(chǔ)熱器的適當(dāng)材料包括冰、環(huán)氧、異丁烯酸鹽、聚亞安酯、合成橡膠、天然橡膠、塑料、樹(shù)脂和鉛。優(yōu)選的材料包括冰、Araldite(環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑(注冊(cè)商標(biāo)))和Glyptal(甘酞樹(shù)脂(注冊(cè)商標(biāo)))。Araldite是跨越了環(huán)氧樹(shù)脂、異丁烯酸鹽和聚亞安酯的一族材料。Glyptal是基于樹(shù)脂的塑料。這些材料的熱容量和熱函變化數(shù)據(jù)被總結(jié)在下表中。

所述附圖表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的圓柱形MRI系統(tǒng)100的剖面圖。在該圖中，圓柱體的軸在紙平面的水平方向中。該MRI系統(tǒng)100包括根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的無(wú)致冷劑的超導(dǎo)磁體組件110。無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件110包括至少一個(gè)超導(dǎo)磁體114。不過(guò)，無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件110一般包括多個(gè)超導(dǎo)磁體114。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，超導(dǎo)磁體114基本上由儲(chǔ)熱器112完全包圍。也就是，為了確保至少5個(gè)小時(shí)和優(yōu)選的10個(gè)小時(shí)的跳脫期，所述超導(dǎo)磁體114從所有側(cè)壁(包括頂面和底面)上進(jìn)行了圍繞，僅具有用于導(dǎo)引和支撐的開(kāi)口。不過(guò)，超導(dǎo)磁體114并不必要被整體包圍。超導(dǎo)磁體114與儲(chǔ)熱器112進(jìn)行熱連接即可。
為了消除在使用超導(dǎo)磁體114的過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，低溫冷卻器120可熱連接到儲(chǔ)熱器112。根據(jù)需要，低溫冷卻器120也可以熱連接到超導(dǎo)磁體114。優(yōu)選地，使用由高導(dǎo)熱材料制成的熱連接器170來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫冷卻器120和儲(chǔ)熱器112之間的熱連接。典型地，熱連接器170由銅制成。然而，具有充足的導(dǎo)熱性以防止超導(dǎo)磁體114過(guò)熱的任何材料都可被使用。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，低溫冷卻器120和儲(chǔ)熱器112之間的熱連接是使用熱導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)的。熱導(dǎo)管是由具有高傳導(dǎo)率的材料制成的封閉容器，且在內(nèi)部具有少量的液體致冷劑。熱導(dǎo)管構(gòu)成使得致冷劑集中在與儲(chǔ)熱器112熱連接的末端。其另一端與低溫致冷器120相連。因?yàn)橹吕鋭┪諢崃?，所以它將蒸發(fā)，結(jié)果將熱量帶到了與低溫冷卻器120熱連接的那一端。隨著熱量的轉(zhuǎn)移，致冷劑蒸汽凝結(jié)并沉積在熱導(dǎo)管的側(cè)面，可用于再次開(kāi)始所述循環(huán)。如果需要，熱導(dǎo)管可與銅棒結(jié)合使用以形成一復(fù)合熱連接器。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的MRI系統(tǒng)100包括一個(gè)無(wú)致冷劑的超導(dǎo)磁體組件110。將無(wú)致冷劑的超導(dǎo)磁體組件110組裝成使得在其中形成成像空間150。而且在MRI系統(tǒng)100中還優(yōu)選地包括梯度線圈140和無(wú)源鐵屏蔽130，梯度線圈140能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定體積的物體進(jìn)行成像，無(wú)源鐵屏蔽130減少了附近磁化目標(biāo)的擾動(dòng)影響。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，儲(chǔ)熱器112在真空室160內(nèi)位于梯度線圈140和無(wú)源鐵屏蔽130之間。另外，無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件110密閉在真空室160中。真空室160將儲(chǔ)熱器112從MRI系統(tǒng)100的其余部分和周?chē)h(huán)境分離開(kāi)，因此實(shí)現(xiàn)了絕緣。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，儲(chǔ)熱器112位于無(wú)源鐵屏蔽130的外側(cè)，但仍在真空室160內(nèi)。也就是，特殊的超導(dǎo)MRI設(shè)計(jì)要求無(wú)源鐵屏蔽130和超導(dǎo)磁體114之間的間隔相對(duì)較小，使得它對(duì)于儲(chǔ)熱器112的有效熱質(zhì)量來(lái)說(shuō)太小。因此，在該實(shí)施例中，儲(chǔ)熱器112被定位得超出無(wú)源鐵屏蔽130，但經(jīng)過(guò)熱連接器170與超導(dǎo)磁體114進(jìn)行熱接觸。
熱連接器170可以是具有充足導(dǎo)熱率的材料棒或塊和/或熱導(dǎo)管。另外，熱連接器170可以穿過(guò)無(wú)源鐵屏蔽130或者繞過(guò)它與超導(dǎo)磁體114進(jìn)行接觸。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，一個(gè)熱連接器170可用于將低溫冷卻器120連接至儲(chǔ)熱器112和超導(dǎo)磁體114。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，單獨(dú)的熱連接器170可用于將低溫冷卻器120連接至儲(chǔ)熱器112和將低溫冷卻器120連接至超導(dǎo)磁體114。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，MRI系統(tǒng)100包括兩個(gè)無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件110。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，每個(gè)無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件110都包括超導(dǎo)磁體114。在該實(shí)施例的一個(gè)方面中，每個(gè)無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件100包括一各自的儲(chǔ)熱器112。在該實(shí)施例的另一個(gè)方面中，兩個(gè)無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件110都被熱連接到單個(gè)儲(chǔ)熱器112。
除了上述的MRI系統(tǒng)之外，所述超導(dǎo)磁體組件110可用在其它磁系統(tǒng)中。例如，本發(fā)明另外的實(shí)施例包括磁力分離器、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。
為了說(shuō)明的目的這里已經(jīng)對(duì)優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明。然而，該說(shuō)明不認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。因此，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離所要求的發(fā)明原理的范圍情況下，可產(chǎn)生各種修改、修正和替換。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件(110)，包括一個(gè)高Tc超導(dǎo)磁體(114)；和一個(gè)與高Tc超導(dǎo)磁體(114)進(jìn)行熱接觸的儲(chǔ)熱器(112)，其中儲(chǔ)熱器(112)包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料。
2.如權(quán)利要求2所述的組件，其中儲(chǔ)熱器材料包括冰、環(huán)氧、異丁烯酸鹽、聚亞安酯、合成橡膠、天然橡膠、塑料、樹(shù)脂或鉛。
3.如權(quán)利要求1所述的組件，進(jìn)一步包括一個(gè)低溫冷卻器(120)。
4.如權(quán)利要求1所述的組件，其中儲(chǔ)熱器(112)具有大于約9×105J的熱容量。
5.如權(quán)利要求4所述的組件，其中儲(chǔ)熱器(112)具有提供至少10小時(shí)的跳脫期的充足質(zhì)量。
6.一種冷卻無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件(110)的方法，包括提供與儲(chǔ)熱器(112)熱接觸的高Tc超導(dǎo)磁體(114)，所述儲(chǔ)熱器(112)包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料；提供與高Tc超導(dǎo)磁體(114)熱連接的低溫冷卻器(120)；和在不使用致冷劑的情況下將來(lái)自高Tc超導(dǎo)磁體(114)的熱量轉(zhuǎn)移。
7.一種MRI系統(tǒng)(100)，包括元致冷劑超導(dǎo)磁體組件(110)，具有高Tc超導(dǎo)磁體(114)，和與高Tc超導(dǎo)磁體(114)進(jìn)行熱接觸的儲(chǔ)熱器(112)，儲(chǔ)熱器(112)包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料，其中在超導(dǎo)磁體(114)組件內(nèi)形成有成像空間；和熱連接到儲(chǔ)熱器(112)的低溫冷卻器(120)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的MRI系統(tǒng)(100)，其中儲(chǔ)熱器(112)基本上環(huán)繞高Tc超導(dǎo)磁體(114)。
9.一種MRT系統(tǒng)(100)，包括第一無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件(110)，具有第一高Tc超導(dǎo)磁體(114)，和與第一高Tc超導(dǎo)磁體(114)進(jìn)行熱接觸的第一儲(chǔ)熱器(112)，第一儲(chǔ)熱器(112)包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料；和第二元致冷劑超導(dǎo)磁體組件(110)，具有第二高Tc超導(dǎo)磁體(114)，和與第二高Tc超導(dǎo)磁體(114)進(jìn)行熱接觸的第二儲(chǔ)熱器(112)，第二儲(chǔ)熱器(112)包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料，從而在第一和第二組件之間形成有成像空間。
10.一種MRI系統(tǒng)(100)，包括第一無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件(110)，具有第一高Tc超導(dǎo)磁體(114)；和第二無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件(110)，具有第二高Tc超導(dǎo)磁體(114)；和與第一和第二高Tc超導(dǎo)磁體(114)進(jìn)行熱接觸的儲(chǔ)熱器(112)，儲(chǔ)熱器(112)包括具有在25K時(shí)至少約0.065J/gK的熱容量的材料，從而在第一和第二組件(110)之間形成有成像空間。
全文摘要
一種無(wú)致冷劑超導(dǎo)磁體組件，具有高T
文檔編號(hào)H01F6/00GK1601662SQ200410075280
公開(kāi)日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月24日
發(fā)明者D·T·瑞安, E·T·拉斯卡里斯, X·黃 申請(qǐng)人:通用電氣公司