Результат интеллектуальной деятельности: ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛОВОЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ДЛЯ МАГНИТА, НЕ ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО КРИОГЕННЫЕ СРЕДЫ

Настоящая заявка находит конкретное полезное применение в процедурах и системах охлаждения для охлаждения сверхпроводников ниже их критической температуры, например сверхпроводящих магнитов для магнитно-резонансной томографии или спектроскопии. Однако должно быть очевидно, что описанная методика (методики) может также находить применение в медицинских системах других типов, других системах охлаждения и/или других областях, где применяется охлаждение.

Обычные системы охлаждения для охлаждения сверхпроводящего MRI-магнита используют большой сосуд Дьюара, заполненный жидкой криогенной текучей средой (например, жидкий гелий или т.п.), который является дорогим и занимает значительное пространство.

Во время начального охлаждения газообразный гелий и магнит типично охлаждаются до около 25 К посредством охлаждающего устройства первой ступени. Охлаждающее устройство второй ступени охлаждает гелий от 25 К до 4,2 К температуры конденсации.

Как только достигаются температуры ниже 25 К, первая ступень, которая теплее 25 К, термически отключается от второй ступени. Эффективное тепловое переключение при температуре около 25 К может быть неудобным и сложным.

Имеется нереализованная потребность в системах и способах, которые способствуют тепловому переключению первой ступени двухступенчатой регенеративной системы криогенного охлаждения для MRI-магнита.

Согласно одному аспекту система криогенного охлаждения, которая способствует пассивному переключению между первой и второй ступенями охлаждения для охлаждения сверхпроводника, включает в себя охлаждающее устройство первой ступени, первый теплообменник, термически соединенный с охлаждающим устройством первой ступени, охлаждающее устройство второй ступени и второй теплообменник, термически соединенный с охлаждающим устройством второй ступени. Система дополнительно включает в себя трубку нисходящего потока, через которую более плотный охлажденный газ течет из первого теплообменника вниз ко второму теплообменнику, и трубку восходящего потока, через которую менее плотный и более теплый газ течет от второго теплообменника вверх к первому теплообменнику, когда второй теплообменник теплее теплообменника первой ступени. Дополнительно система включает в себя сверхпроводник, термически соединенный со вторым теплообменником.

Согласно другому аспекту способ охлаждения сверхпроводника до температуры сверхпроводимости включает в себя охлаждение рабочего газа до температуры первой ступени, используя охлаждающее устройство первой ступени, обеспечение возможности охлажденному рабочему газу течь вниз от первого теплообменника ко второму теплообменнику, находящемуся в термическом контакте со сверхпроводником, и поглощать тепло от него, и обеспечение возможности нагретому рабочему газу течь вверх от второго теплообменника к первому теплообменнику. Способ дополнительно включает в себя рассеивание тепла от нагретого рабочего газа и повторное охлаждение рабочего газа до температуры первой ступени, и, как только температура второго теплообменника достигает приблизительно температуры первой ступени, использование охлаждающего устройства второй ступени, термически соединенного со сверхпроводником, для охлаждения сверхпроводника до температуры сверхпроводимости.

Согласно другому аспекту устройство для охлаждения сверхпроводящего магнита до температуры функционирования включает в себя средство для охлаждения рабочего газа до приблизительно 25 К и средство для обеспечения возможности рабочему газу циркулировать и отводить тепло от сверхпроводящего магнита посредством конвекции до тех пор, пока сверхпроводящий магнит не достигнет температуры около 25 К. Устройство дополнительно включает в себя средство для охлаждения сверхпроводящего магнита от приблизительно 25 К до приблизительно 4 К и поддержания сверхпроводящего магнита при приблизительно 4 К во время функционирования.

Одно преимущество заключается в том, что операция переключения является пассивной и не требует использования механических или подвижных частей.

Другое преимущество заключается в том, что теплоизоляция между первой ступенью устройства криогенного охлаждения и магнитом при приблизительно 4 К максимизирована.

Другое преимущество заключается в функционировании плотного газа под высоким давлением во всем диапазоне температур.

Дополнительные преимущества объекта изобретения станут очевидны специалистам в данной области техники после прочтения и понимания последующего подробного описания.

Чертежи предназначены только в целях иллюстрации различных аспектов и не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение.

Фиг.1 иллюстрирует систему магнитного резонанса (MR), включающую в себя двухступенчатую систему криогенного охлаждения, которая показана в частичном разрезе, чтобы схематично показать выбранные внутренние компоненты.

Фиг.2 иллюстрирует двухступенчатую систему криогенного охлаждения с трубчатым тепловым переключателем согласно различным вариантам осуществления, описанным здесь.

Фиг.3 иллюстрирует последовательность процессов пассивного регулирования тепловым переключателем, используемым для управления функционированием двухступенчатого устройства криогенного охлаждения для охлаждения MRI-магнита от комнатной температуры до приблизительно 4 К, согласно одному или более аспектам, описанным здесь.

Здесь описываются системы и способы для охлаждения MRI-магнита или другого сверхпроводника до его температуры сверхпроводимости, такой как приблизительно 4 К, используя двухступенчатое устройство криогенного охлаждения с трубчатым тепловым переключателем, который пассивно термически отключает первую ступень системы и активирует вторую ступень системы при выбранной температуре, например, приблизительно 25 К. Обратимся к фиг.1, система магнитного резонанса (MR) включает в себя MR-сканер 10, содержащий в целом цилиндрический или тороидальный корпус 12, который показан на фиг.1 в частичном разрезе, чтобы схематично показать выбранные внутренние компоненты. Корпус 12 образует туннель 14, концентричный относительно оси 16 цилиндра или тора корпуса 12. Объект принимается в туннель 14 для выполнения томографии. Теплозащищенный основной магнит 20, образованный соленоидными проводящими обмотками, генерирует статическое магнитное поле (В₀), причем направление магнитного поля в целом параллельно оси цилиндра или тора по меньшей мере внутри зоны исследования туннеля 14. Обмотки основного магнита 20 являются сверхпроводящими и теплоизолированными, например, посредством вакуумной камеры или сосуда Дьюара, содержащего газообразный гелий или другой рабочий газ (например, теплообменный газ), и других видов теплоизоляции для уменьшения до минимума нагрева.

Корпус 12 дополнительно содержит или поддерживает множество обмоток 22 градиента магнитного поля для наложения градиентов магнитного поля в выбранных направлениях внутри зоны исследования туннеля 14. Градиенты магнитного поля являются, как правило, изменяющимися по времени. В качестве иллюстративного примера, градиент выбора среза может быть приложен вдоль оси 16 туннеля во время возбуждения магнитного резонанса для выбора осевого среза, после чего наступает период покоя, во время которого градиент фазового кодирования магнитного поля прикладывается поперечно осевому срезу, после чего наступает период считывания, во время которого градиент частотного кодирования магнитного поля прикладывается в направлении, поперечном как оси 16, так и направлению фазового кодирования. В более сложных последовательностях, таких как эхо-планарная визуализация (EPI), синусоидальные или другие, быстро изменяющиеся по времени градиенты магнитного поля могут прикладываться путем выборочной активации градиентных обмоток 22.

Возбуждение магнитного резонанса генерируется путем приложения радиочастотного импульса (B₁) на частоте магнитного резонанса (например, 128 МГц для ¹H возбуждения в поле 3,0 Т) к одной или более радиочастотных катушек 24. В иллюстрируемом варианте осуществления радиочастотная катушка представляет собой объемную катушку, «охватывающую все тело», такую как катушка типа «птичья клетка» или поперечная электромагнитная катушка (TEM), размещенная на или в корпусе 12 концентрично оси 16. В более общем случае локальная катушка или группа катушек, таких как катушка для головы, катушка для конечностей, поверхностная катушка и т.д., используются для возбуждения MR. Считывание MR может осуществляться с использованием той же катушки или катушек 24, которые используются для возбуждения, или считывание MR может осуществляться другой радиочастотной катушкой или катушками (не показаны).

В иллюстрируемом варианте осуществления система загрузки пациента включает в себя стол 30 пациента, расположенный на конце корпуса 12, так что пациент на ложе 32 может быть перемещен в туннель 14 MR-сканера 10. MR-система дополнительно включает в себя подходящие электронные MR модули 34 для управления MR-сканером 10 для получения MR-данных и обработки полученных MR-данных. Например, электронные MR модули 34 могут включать в себя модуль реконструкции изображений, модуль спектроскопии или т.п. Компьютер или графический пользовательский интерфейс 36 обеспечивают взаимодействие пользователя с MR-системой и могут также осуществлять некоторые или все из электронных MR модулей 34 в виде программного обеспечения, исполняемого на компьютере 36. Таким образом, MR-сканер 10 генерирует изображения интересующей объемной области (VOI) 40, расположенной внутри зоны исследования туннеля 14.

MR-система также включает в себя систему охлаждения магнита или устройство 42 криогенного охлаждения, которое может функционировать без жидкого гелия. Для достижения низких (например, порядка 4 К) температур, используемых для приведения сверхпроводящих магнитов 20 к их температуре сверхпроводимости, система 42 охлаждения включает в себя первую ступень 52, которая охлаждает до около 25 К (или другой выбранной температуры), и вторую ступень 54, которая охлаждает до около 4 К (или некоторой другой предварительно заданной температуры). Во время начального охлаждения магнита предпочтительно использовать охлаждающее устройство первой ступени для охлаждения магнита до порядка 25 К и затем переключиться на охлаждающее устройство второй ступени для приведения магнита к около 4 К. Система 42 охлаждения соединяет первую и вторую ступени таким образом, что она пассивно переключает термическую связь с первой ступенью - включает и выключает, как описано более подробно по отношению к фиг.2.

Иллюстрируемый MR-сканер 10 является примером. Раскрываемые здесь подходы для охлаждения магнитов, не использующих криогенные среды, в системах MR-сканера могут быть применимы к любым типам MR-сканеров, включая иллюстрируемый сканер 10 с горизонтальным цилиндрическим туннелем, или открытый MR-сканер, MR-сканер с вертикальным магнитом и т.д., а также с другими сканерами, которые функционируют при криогенных температурах.

Фиг.2 иллюстрирует вариант осуществления системы 42 охлаждения. Система представляет собой двухступенчатое регенеративное устройство криогенного охлаждения, в котором охлаждающее устройство 52 первой ступени охлаждает рабочий газ (и тем самым магнит 20) до первой температуры (например, приблизительно 25 К), и охлаждающее устройство 54 второй ступени, которое включается, когда магнит достигает первой температуры, и продолжает охлаждать рабочий газ и магнит до второй температуры (например, приблизительно 4 К). Первая ступень включает в себя теплообменник 56 (например, сформированный из меди или т.п.), имеющий «верхнюю» сторону 58 и «нижнюю» сторону 60. Трубка 62, намотанная по спирали или винтообразно, охватывает теплообменник первой ступени от верхнего отверстия 64 на верхней стороне 58 до нижнего отверстия 66 на нижней стороне. Вокруг теплообменника 70 второй ступени также намотана по спирали или винтообразно трубка.

Трубка 72 восходящего потока подключает верхнее отверстие 74 второго теплообменника с верхним отверстием 64 первого теплообменника 56. Трубка 76 нисходящего потока соединена с нижним отверстием 66 на нижней стороне 60 теплообменника 56 первой ступени и с нижним отверстием 78 на нижней стороне теплообменника 70 второй ступени. Питающая трубка 80, снабженная клапаном, присоединена к этой замкнутой системе, например к трубке 76 нисходящего потока. Когда клапан открыт, теплообменный газ под давлением (например, «рабочий» газ), такой как гелий, вводится в систему 42 охлаждения для подготовки системы 42 к функционированию. Во время функционирования теплообменный газ течет между охлаждающим устройством 52 первой ступени и вторым теплообменником 70. Нижний конец 84 теплообменника 70 второй ступени термически соединен (например, напрямую или косвенно) с магнитом 20 и отводит тепло от магнита.

Когда второй теплообменник 70 теплее, чем первый теплообменник 56, охлажденный более плотный теплообменный газ (или сконденсировавшаяся жидкость) течет через трубку 76 нисходящего потока к нижнему концу второго, более теплого теплообменника. Когда теплообменный газ отбирает тепло от второго теплообменника, он нагревается и становится менее плотным. Менее плотный теплообменный газ поднимается к верхнему отверстию 74 на самом верхнем конце теплообменника второй ступени и через трубку восходящего потока к самому верхнему отверстию 64 первого теплообменника. Когда теплообменный газ охлаждается первой ступенью 52, он становится более плотным и течет вниз к самому нижнему отверстию 66 первого теплообменника и вниз по трубке 76 нисходящего потока. Таким образом, градиент температуры между первым и вторым теплообменниками заставляет теплообменный газ циркулировать.

Как только первый и второй теплообменники достигают состояния равновесия, плотность теплообменного газа не изменяется, и циркуляция останавливается. Вторая ступень 54 затем начинает охлаждение второго теплообменника 70 до более низких температур. Так как теплообменный газ во втором теплообменнике является самым холодным, он является самым плотным и не поднимается к первому теплообменнику, т.е. циркуляция остается остановленной. Вторая ступень 54 продолжает охлаждать второй теплообменник до сверхпроводимости или критической температуры. Второй теплообменник может быть термически подключен к магниту посредством теплопроводных твердотельных элементов или материалов и отводить тепло от магнита. Когда рабочий газ нагревается, он поднимается ко второму теплообменнику для повторного охлаждения. Эта циркуляция продолжается для поддержания температуры магнита при или ниже критической температуры.

В одном варианте осуществления первая ступень охлаждает первый теплообменник до около 25 К, и система трубок заполнена теплообменным газом, который остается в газообразном состоянии до по меньшей мере около 25 К и герметична. Когда температура магнита 20 выше 25 К, газ, охлажденный охлаждающим устройством 52 первой ступени, течет под действием силы тяжести через трубку нисходящего потока к трубчатым змеевикам рядом со второй ступенью и MRI-магнитом. Газ в змеевиках, соединенных с теплообменником 70 второй ступени, нагревается магнитом, когда температура магнита составляет около 25 К. Нагретый газ течет от теплообменника 70 второй ступени и поднимается через трубку 62 восходящего потока за счет разности плотности между теплым и холодным газом обратно к теплообменнику 56 первой ступени, где он снова охлаждается. Таким образом, теплообменный газ продолжает проходить цикл до тех пор, пока MRI-магнит не будет охлажден до около 25 К, при этой температуре циркуляция теплообменного газа останавливается. Вторая ступень затем охлаждает магнит ниже 25 К до около 4 К.

Тепло переносится от второго теплообменника через трубку восходящего потока к первому теплообменнику посредством естественной конвекции газа в трубке восходящего потока, так как первая ступень располагается выше второй ступени. Эта ориентация обеспечивает циркуляцию под действием силы тяжести холодного плотного газа от верхнего теплообменника к нижнему, и обратно, теплого газа, нагретого в нижнем конце. Циркуляция останавливается, если нижний конец трубки становится холоднее, чем верхний конец. Адаптация этого явления к первой и второй ступеням устройства криогенного охлаждения обеспечивает возможность наиболее эффективного использования устройства криогенного охлаждения во всем диапазоне охлаждения от комнатной температуры до температуры около 4,2 К.

Характеристики охлаждения двухступенчатого регенеративного устройства криогенного охлаждения пригодны для использования такого теплового переключателя. Охлаждающее устройство 52 первой ступени выполнено, чтобы обеспечивать большую холодопроизводительность, чем охлаждающее устройство 54 второй ступени в диапазоне температур от около 300 К до около 25 К. Вторая ступень 54 устройства криогенного охлаждения обеспечивает большую холодопроизводительность от около 25 К до около 4 К. Поэтому для обеспечения максимального охлаждения магнита 20 во всем диапазоне от около 300 К до около 4 К магнит термически прикреплен к охлаждающему устройству 52 первой ступени во время начального охлаждения от 300 К и затем изолируется от охлаждающего устройства 52 первой ступени, после чего магнит охлаждается ниже чем около 25 К.

Система трубок с газом обеспечивает эту возможность, когда трубка заполнена газом с низкой температурой точки кипения. Это включает в себя такие газы, как гелий, водород, неон и азот. Водород и гелий являются эффективными за счет их превосходных свойств теплопередачи и низких температур точки кипения. Дополнительно для достижения максимальной тепловой эффективности от пассивного переключателя теплопередача на верхнем и нижнем концах системы трубок максимизирована. То есть раскрываемая здесь трубная конструкция обеспечивает возможность оптимальной тепловой производительности в теплообменниках со спиральной (например, винтовой) намоткой, установленных на первой и второй ступенях устройства криогенного охлаждения.

Кроме того, должно быть очевидно, что первая и вторая температуры, описанные здесь (например, 25 К и 4 К, соответственно), являются, по существу, иллюстративными, и описанные системы и способы не ограничиваются этими температурами. Напротив, охлаждающее устройство первой ступени может охлаждать теплообменный газ до другой выбранной температуры. То есть первая и вторая температуры ограничиваются только точкой кипения используемого в частном случае газа или газов. Пока выбранный газ остается в газообразном состоянии при первой температуре и при предварительно определенном давлении (например, 500 фунтов на квадратный дюйм (приблизительно 3,45 МПа) или другом предварительно заданном давлении), он подходит для использования в описанных системах и способах. Например, если в качестве теплообменного газа используется газообразный азот, первая температура составляет приблизительно 60 К, ниже которой останавливается циркуляция потока газа N₂, и охлаждающее устройство второй ступени осуществляет охлаждение магнита до конечной температуры функционирования (например, второй температуры).

Фиг.2, таким образом, иллюстрирует идею конструкции трубчатого пассивного теплового переключателя. Переключатель содержит два теплообменника 56, 70, соответственно установленные на первой ступени 52 устройства криогенного охлаждения и второй ступени 54 устройства криогенного охлаждения, которая термически соединена с MRI-магнитом 20. Трубка 76 нисходящего потока и трубка 62 восходящего потока подключены к двум теплообменникам, обеспечивая циркуляционный контур для газа, содержащегося в трубках. В одном варианте осуществления теплообменники изготовлены посредством намотки по спирали трубок на медные охлаждающие пластины, прикрепленные к охлаждающим устройствам и магниту и/или второй ступени. Эта конструкция образует эффективный тепловой переключатель, который охлаждает магнит 20 посредством тепловой конвекции под действием силы тяжести, когда первая ступень устройства криогенного охлаждения холоднее, чем магнит, и изолирует магнит посредством остановки потока, как только магнит и вторая ступень становятся холоднее, чем первая ступень устройства криогенного охлаждения. Трубчатая конструкция проще, чем обычные подходы, и позволяет использовать плотный газ под высоким давлением с минимальными конструкционными ограничениями. Пассивное функционирование системы не требует механического взаимодействия для регулирования переключения между передачей и прекращением передачи тепла.

Фиг.3 иллюстрирует последовательность процессов пассивного регулирования тепловым переключателем, используемым для управления функционированием двухступенчатого устройства криогенного охлаждения для охлаждения MRI-магнита или другого низкотемпературного сверхпроводника от комнатной температуры до, например, около 4 К, согласно одному или более аспектам, описанным здесь. На этапе 100 система трубок устройства криогенного охлаждения заполняется рабочим газом (например, водородом, гелием, азотом, неоном или т.п.). На этапе 102 охлаждающее устройство первой ступени охлаждает газ, проходящий через него или рядом с ним, до температуры первой ступени, например, 25 К. На этапе 104 холодный газ падает вниз через трубку нисходящего потока к теплообменнику второй ступени, где газ поглощает тепло от MRI-магнита. На этапе 106 нагретый газ поднимается через трубку восходящего потока обратно к теплообменнику первой ступени, где тепло рассеивается, и охлаждающее устройство первой ступени повторно охлаждает газ. Этот процесс продолжается до тех пор, пока магнит и теплообменник второй ступени не достигнут температуры первой ступени.

На этапе 108, как только магнит и теплообменник второй ступени достигнут температуры на уровне или ниже температуры первой ступени, поток через трубки останавливается. Так как температура охлаждающего устройства и теплообменника первой ступени равна или больше температуры компонентов второй ступени и MRI-магнита, газ перестает поглощать тепло от теплообменника второй ступени и подниматься к первой ступени. Охлаждающее устройство второй ступени включается на этапе 110 и охлаждает магнит до его температуры сверхпроводимости, например, приблизительно 4 К. Охлаждающее устройство второй ступени поддерживает температуру сверхпроводимости во время функционирования MR устройства, в котором используется магнит, на этапе 112.

Изобретение было описано со ссылкой на несколько вариантов осуществления. Специалистами в этой области техники могут быть обнаружены модификации и изменения при прочтении и понимании приведенного выше подробного описания. Изобретение подлежит рассмотрению как включающее в себя все такие модификации и изменения до тех пор, пока они находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.