带有储热器的无致冷剂高温超导磁体.pdf

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一种无致冷剂超导磁体组件，具有高Tc超导磁体和与高Tc超导磁体进行热接触的储热器。一种冷却无致冷剂超导磁体组件的方法和具有无致冷剂超导磁体组件的MRI系统。。

摘要
申请专利号：	CN200410075280.9	申请日：	2004.09.24
公开号：	CN1601662A	公开日：	2005.03.30
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):H01F 6/00公开日:20050330\|\|\|实质审查的生效\|\|\|公开
IPC分类号：	H01F6/00; H01F41/00; A61B5/055; G01R33/3815	主分类号：	H01F6/00; H01F41/00; A61B5/055; G01R33/3815
申请人：	通用电气公司;
发明人：	D·T·瑞安; E·T·拉斯卡里斯; X·黄
地址：	美国纽约州
优先权：	2003.09.24 US 10/671146
专利代理机构：	中国专利代理(香港)有限公司	代理人：	傅康;梁永
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内容摘要

一种无致冷剂超导磁体组件，具有高Tc超导磁体和与高Tc超导磁体进行热接触的储热器。一种冷却无致冷剂超导磁体组件的方法和具有无致冷剂超导磁体组件的MRI系统。

权利要求书

1.  一种无致冷剂超导磁体组件(110)，包括：
一个高T_c超导磁体(114)；和
一个与高T_c超导磁体(114)进行热接触的储热器(112)，
其中储热器(112)包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料。

2.  如权利要求2所述的组件，其中储热器材料包括冰、环氧、异丁烯酸盐、聚亚安酯、合成橡胶、天然橡胶、塑料、树脂或铅。

3.  如权利要求1所述的组件，进一步包括一个低温冷却器(120)。

4.  如权利要求1所述的组件，其中储热器(112)具有大于约9×10⁵J的热容量。

5.  如权利要求4所述的组件，其中储热器(112)具有提供至少10小时的跳脱期的充足质量。

6.  一种冷却无致冷剂超导磁体组件(110)的方法，包括：
提供与储热器(112)热接触的高T_c超导磁体(114)，所述储热器(112)包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料；
提供与高T_c超导磁体(114)热连接的低温冷却器(120)；和在不使用致冷剂的情况下将来自高T_c超导磁体(114)的热量转移。

7.  一种MRI系统(100)，包括：
元致冷剂超导磁体组件(110)，具有高T_c超导磁体(114)，和与高T_c超导磁体(114)进行热接触的储热器(112)，储热器(112)包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料，其中在超导磁体(114)组件内形成有成像空间；和
热连接到储热器(112)的低温冷却器(120)。

8.  根据权利要求7所述的MRI系统(100)，其中储热器(112)基本上环绕高T_c超导磁体(114)。

9.  一种MRT系统(100)，包括：
第一无致冷剂超导磁体组件(110)，具有第一高T_c超导磁体(114)，和与第一高T_c超导磁体(114)进行热接触的第一储热器(112)，第一储热器(112)包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料；和
第二元致冷剂超导磁体组件(110)，具有第二高T_c超导磁体(114)，和与第二高T_c超导磁体(114)进行热接触的第二储热器(112)，第二储热器(112)包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料，从而在第一和第二组件之间形成有成像空间。

10.  一种MRI系统(100)，包括：
第一无致冷剂超导磁体组件(110)，具有第一高T_c超导磁体(114)；和
第二无致冷剂超导磁体组件(110)，具有第二高T_c超导磁体(114)；和
与第一和第二高T_c超导磁体(114)进行热接触的储热器(112)，储热器(112)包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料，
从而在第一和第二组件(110)之间形成有成像空间。

说明书

带有储热器的无致冷剂高温超导磁体
技术领域
本发明总体上涉及用于冷却超导磁体的方法和装置，更加具体地讲，涉及对用在磁共振成像(MRI)系统中的磁体进行冷却。
背景技术
存在各种使用超导磁体的磁成像系统。成像系统的一个例子是磁共振成像(MRI)系统。MRI系统用于对病人身体的一部分进行成像。
超导MRI系统典型地使用一个超导磁体，该磁体通常带有多个线圈。在磁体内部设置有成像空间。将人或者物质置于成像空间内，并且检测图像或信号，然后由处理器(例如计算机)进行处理。
现有的超导MRI磁体多数都是由通过液态氦冷却至4.2K的温度的铌-钛材料制成。其具有这样的缺点：需要供应昂贵的液态氦，而液态氦在不发达国家是得不到的。另外，万一冷却系统发生电源故障或机械故障，由于MRI系统中的材料具有较小的热容量，所以只有氦储备的潜伏热可用于提供“跳脱期(ride-through)”(从冷却机构发生故障到由于温度上升到超导材料的临界温度以上引起的超导电性的丧失的时间周期)。
发明内容
根据本发明的一个优选方面，提供有一种无致冷剂的超导磁体组件，其包括：高T_c超导磁体和与高T_c超导磁体进行热接触的储热器，其中储热器包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料。
根据本发明的一个优选方面，提供有一种冷却无致冷剂超导磁体组件的方法，包括：提供与储热器热连接的高T_c超导磁体，所述储热器包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料；提供与高T_c超导磁体热连接的低温冷却器，和在不使用致冷剂的情况下将来自高T_c超导磁体的热量转移。
根据本发明的一个优选方面，提供有一种MRI系统，包括：无致冷剂超导磁体组件，其具有高T_c超导磁体，和与高T_c超导磁体进行热接触的储热器，所述储热器包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料，其中在超导磁体组件内形成有成像空间，和热连接到储热器的低温冷却器。
根据本发明的一个优选方面，提供有一种MRI系统，其包括：第一无致冷剂超导磁体组件，具有第一高T_c超导磁体，和与第一高T_c超导磁体进行热接触的第一储热器，第一储热器包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料；和第二无致冷剂超导磁体组件，具有第二高T_c超导磁体，和与第二高T_c超导磁体进行热接触的第二储热器，第二储热器包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料，从而在第一和第二组件之间形成有成像空间。
根据本发明的一个优选方面，提供有一种MRI系统，其包括：第一无致冷剂超导磁体组件，具有第一高T_c超导磁体；和第二无致冷剂超导磁体组件，具有第二高T_c超导磁体；和与第一和第二高T_c超导磁体进行热接触的储热器，该储热器包括具有在25K时至少约0.065J/gK的热容量的材料，从而在第一和第二组件之间形成有成像空间。
附图说明
所述附图为根据本发明第一优选实施例的MRI的示意图。
具体实施方式
本发明的发明人已经实现：当由高热容量材料制成的热量储存器环绕由低温冷却器冷却的超导磁体或安置成与所述超导磁体进行热接触时，在保持跳脱期容量的同时，可从超导系统除去液态致冷剂。通过使用具有热容量的材料，并且优选地使用适当数量的材料，在发生电源故障的情况下可得到足够的热质量来提供足够的跳脱期。这对于在不发达国家或边远地区中的操作具有特殊的优点，在这些国家或地区中致冷剂通常是昂贵的或者是得不到的。
现在将说明根据本发明一个优选实施例的无致冷剂的超导磁体组件。在该实施例中，能够在20k以上的温度运行的高T_c超导线圈与储热器进行热接触，所述储热器由具有高热容量的材料制成。优选地，高T_c超导线圈由储热器环绕。高T_c超导材料的例子包括，但不局限于：DBCO(镝钡铜氧化物)、YBCO(钇钡铜氧化物)、BSCCO(铋锶钙铜氧化物)和MgB₂(二硼化镁)。
在传统意义上，超导体的临界温度指的是超导材料丧失超导电性的温度。然而，为了说明的目的，所述临界温度是磁体无法再以其额定磁场进行工作的温度。额定磁场对于每个设计可以是唯一的，并且一般是磁体尺寸、形状和工作温度的函数。
优选地，储热器材料在25K下具有至少约0.065J/gK地热容量。更好的情况是，储热器材料在25K下具有至少约0.10J/gK的热容量。另外，储热器材料在20K和30K之间可具有至少约0.65J/g的最小热函变化。优选地，储热器材料在20K和30K之间具有至少约1.55J/g的最小热函变化。
储热器的热容量优选地大于约9×10⁵J。为提供该热容量的储热器的热质量将根据储热器材料的热容量变化。然而，热质量典型地大于约525kg。优选地，在发生电源故障的情况下，储热器具有足够的热质量来提供至少5小时的跳脱期。更加优选地，储热器具有足够的热质量来提供至少10小时的跳脱期。
用于本实施例的储热器的适当材料包括冰、环氧、异丁烯酸盐、聚亚安酯、合成橡胶、天然橡胶、塑料、树脂和铅。优选的材料包括冰、Araldite(环氧树脂粘合剂(注册商标))和Glyptal(甘酞树脂(注册商标))。Araldite是跨越了环氧树脂、异丁烯酸盐和聚亚安酯的一族材料。Glyptal是基于树脂的塑料。这些材料的热容量和热函变化数据被总结在下表中。

材料特定热度(J/g-K)热函(J/g)ΔH(J/g)质量(kg)(10小时跳脱期20K 25K 30K 20K 25K 30K 20-30K 冰0.114 0.17 0.22 9 0.61 5 2.33 1.715 525 Araldite0.081 0.13 5 0.60 8 1.688 1.080 833 石墨0.05 0.06 8 0.07 9 0.36 8 0.67 2 1.042 0.674 1335 橡胶0.113 0.15 5 0.19 6 0.77 1.44 2.32 1.55 581 Glyptal 0.67 1.3 2.2 1.53 588

所述附图表示根据本发明第二实施例的圆柱形MRI系统100的剖面图。在该图中，圆柱体的轴在纸平面的水平方向中。该MRI系统100包括根据本发明第一优选实施例的无致冷剂的超导磁体组件110。无致冷剂超导磁体组件110包括至少一个超导磁体114。不过，无致冷剂超导磁体组件110一般包括多个超导磁体114。在本发明的优选实施例中，超导磁体114基本上由储热器112完全包围。也就是，为了确保至少5个小时和优选的10个小时的跳脱期，所述超导磁体114从所有侧壁(包括顶面和底面)上进行了围绕，仅具有用于导引和支撑的开口。不过，超导磁体114并不必要被整体包围。超导磁体114与储热器112进行热连接即可。
为了消除在使用超导磁体114的过程中产生的热量，低温冷却器120可热连接到储热器112。根据需要，低温冷却器120也可以热连接到超导磁体114。优选地，使用由高导热材料制成的热连接器170来实现低温冷却器120和储热器112之间的热连接。典型地，热连接器170由铜制成。然而，具有充足的导热性以防止超导磁体114过热的任何材料都可被使用。
按照本发明的另一个方面，低温冷却器120和储热器112之间的热连接是使用热导管实现的。热导管是由具有高传导率的材料制成的封闭容器，且在内部具有少量的液体致冷剂。热导管构成使得致冷剂集中在与储热器112热连接的末端。其另一端与低温致冷器120相连。因为致冷剂吸收热量，所以它将蒸发，结果将热量带到了与低温冷却器120热连接的那一端。随着热量的转移，致冷剂蒸汽凝结并沉积在热导管的侧面，可用于再次开始所述循环。如果需要，热导管可与铜棒结合使用以形成一复合热连接器。
根据本发明优选实施例的MRI系统100包括一个无致冷剂的超导磁体组件110。将无致冷剂的超导磁体组件110组装成使得在其中形成成像空间150。而且在MRI系统100中还优选地包括梯度线圈140和无源铁屏蔽130，梯度线圈140能够实现对特定体积的物体进行成像，无源铁屏蔽130减少了附近磁化目标的扰动影响。在本发明的一个实施例中，储热器112在真空室160内位于梯度线圈140和无源铁屏蔽130之间。另外，无致冷剂超导磁体组件110密闭在真空室160中。真空室160将储热器112从MRI系统100的其余部分和周围环境分离开，因此实现了绝缘。
在本发明的另一个优选实施例中，储热器112位于无源铁屏蔽130的外侧，但仍在真空室160内。也就是，特殊的超导MRI设计要求无源铁屏蔽130和超导磁体114之间的间隔相对较小，使得它对于储热器112的有效热质量来说太小。因此，在该实施例中，储热器112被定位得超出无源铁屏蔽130，但经过热连接器170与超导磁体114进行热接触。
热连接器170可以是具有充足导热率的材料棒或块和/或热导管。另外，热连接器170可以穿过无源铁屏蔽130或者绕过它与超导磁体114进行接触。在本发明的一个方面中，一个热连接器170可用于将低温冷却器120连接至储热器112和超导磁体114。在本发明的另一个方面中，单独的热连接器170可用于将低温冷却器120连接至储热器112和将低温冷却器120连接至超导磁体114。
在本发明的另一个优选实施例中，MRI系统100包括两个无致冷剂超导磁体组件110。在本发明的该实施例中，每个无致冷剂超导磁体组件110都包括超导磁体114。在该实施例的一个方面中，每个无致冷剂超导磁体组件100包括一各自的储热器112。在该实施例的另一个方面中，两个无致冷剂超导磁体组件110都被热连接到单个储热器112。
除了上述的MRI系统之外，所述超导磁体组件110可用在其它磁系统中。例如，本发明另外的实施例包括磁力分离器、发动机和发电机。
为了说明的目的这里已经对优选的实施例进行了说明。然而，该说明不认为是对本发明范围的限制。因此，对于本领域技术人员来说，在不脱离所要求的发明原理的范围情况下，可产生各种修改、修正和替换。