专利名称：带有芯吸结构的低温冷却系统的制作方法
带有芯吸结构的低温冷却系统技术领域
本发明总体上涉及一种用于成像系统的冷却系统，且更具体而言，涉及一种用于磁共振成像(MRI)装置中的低温冷却系统的芯吸(WiCking)结构。
背景技术：
诸如磁共振成像(MRI)装置之类的成像装置通常用于在医疗环境中诊断患者。所产生的磁共振图像是因受外部磁场的存在所影响的、源自身体组织中的原子核的弱磁化图谱(map)。通过检测这些影响，MRI装置产生患者的内部组织和器官的详细图像，由此实现对患者的疾病、创伤以及其它生理症状的诊断。
在传统MRI系统中，超导电磁体具有浸浴在诸如液氦之类的低温流体中的众多盘绕线环。该低温流体将盘绕线冷却至极低温度，从而将磁体维持在超导状态中。用于冷却成像装置构件的低温冷却系统利用足量的低温流体来提供局部冷却，由此提高了系统成本而且还增加了系统复杂性。通常，设置绝热材料和诸如真空区域之类的其它传热屏障以将磁体与低温流体隔离，从而阻碍磁体与环境之间的传热。
遗憾的是，诸如MRI系统之类的低温系统利用大量冷却剂例如约1000至2000升的氦来向超导线圈和低温容器壁提供局部冷却。常规低温系统中所需的冷却剂非常昂贵。 现有系统使用过量的氦来将磁体始终维持在其超导状态中。在现有机器中，超导磁体与内部低温容器壁之间的环形腔充填有液氦，该液氦通常完全或部分地淹没超导磁体。在操作期间，部分淹没的超导磁体线圈的表面处会产生少量热并且全部液氦体积的一部分汽化。 此外，即使容纳超导磁体的低温容器采用优良绝热，但来自外部的少量热仍将传入低温容器中而导致另外的液氦汽化。
一般而言，MRI装置在其制造工厂充满有液氦，然后被运往可能遍布全球的客户。 在这种运输过程中，通常损失了显著大量的液氦。在到达客户地点时，再次使机器充满有液氦。由于高纯度液氦在世界各地的可得性和稀缺性，这可能是非常昂贵的。因此，减小低温容 器的总液氦量是有益的。发明内容
通过使用芯吸结构，解决了减小低温系统中在操作期间所需冷却剂量的问题，该芯吸结构与待冷却的构件例如热经其进入系统的壁、低温容器壁、超导磁体或低温系统的单独超导线圈之一成热接触。这在待冷却的构件周围提供了局部冷却结构，以便仅在热进入系统的精确位置处需要液氦。除减小在操作期间所需冷却剂的量外，该芯吸系统改善了单独构件的温度均匀性和低温稳定性并且增强了超导磁体的骤冷稳定性裕度，因为相比于液氦浴仅可部分地淹没磁体的现状，超导磁体现在能够完全由液氦包围。
在本发明的一方面，一种低温冷却系统包括由外壁和内壁所限定的腔室，该腔室收容至少一个待冷却的构件；与腔室的外壁和内壁中的一者成热接触的芯吸结构；以及传输系统，其与腔室成间隔开的关系并流体地连接至芯吸结构以便往来于芯吸结构输送工作流体。
本发明的另一方面提供了一种磁共振成像系统。该磁共振成像系统包括用以使对象(或受体)成像的成像空间(volume);包围成像空间的超导线圈结构；以及低温冷却系统。该低温冷却系统包括由外壁和内壁所限定的腔室，该腔室收容至少一个待冷却的构件；与腔室的外壁和内壁中的一者成热接触的芯吸结构；以及传输系统，其与腔室成间隔开的关系并流体地连接至芯吸结构以便往来于芯吸结构输送工作流体。
当参考附图阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，全部附图中同样的附图标记始终表示同样的零件，其中图1示出了结合本发明的一个实施例的磁共振(MR)成像系统的框图；图2是根据本发明一个实施例的带有与腔室的内壁成热接触的芯吸结构的“顶部供料”低温冷却系统的端部截面图；图3是根据本发明一个实施例的带有与腔室的内壁成热接触的芯吸结构的“底部供料”低温冷却系统的端部截面图；以及图4是根据本发明一个实施例的带有与腔室的外壁成热接触的芯吸结构的“顶部供料”低温冷却系统的端部截面图。
具体实施方式
虽然文中仅示出和描述本发明的某些特征，但本领域技术人员将会想到许多修改和变更。因此，应理解，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精神内的所有此类修改和变更。在说明书和权利要求书中，将参照具有以下含义的多个用语。
单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，但在上下文中明确地不同指出除外。 如文中在说明书和权利要求书全文所用，近似语可适用于修饰准许改变而不会引起它所涉及的基本功能的变化的任何量化表示。因此，由诸如“约”之类的用语所修饰的值并不限于所指定的精确值。在一些例子中，近似语可对应于用于测量该值的仪器的精度。类似的是， “无”可与一用语相结合地使用，并且可包括微弱的数量，或者痕量，同时仍视为不存在所修饰的用语。
如文中所用，用语“可”和“可以”表示在一组情形内发生的可能性；具备指定性质、特性或功能；和/或可通过表达与所限定的动词相关的能力、性能或可能性来限定另一动词。因此，“可”和“可以”的使用表示所修饰的用语对于所指出的能力、功能或用途而言显然是适当的、可胜任的或合适的，同时考虑到在一些情形中所修饰的用语有时可能并非适当的、可胜任的或合适的。例如，在一些情形中，可预期一事件或能力，而在其它情形中， 该事件或能力不会发生一这种区别通过用语“可”和“可以”来获得。
“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情形可以发生，也可以不发生，并且该描述包括发生该事件的情况和不发生该事件的情况。用语“包含”、“包括”和“具有”旨在作为包括性的并且表示可能存在不同于所列元件的其它元件。此外，不论何时将本发明的特定特征描述为由一个群组的多个元件中的至少一个及其组合构成，都应理解，该特征可包括该群组中的任何元件或由该群组中的任何元件构成，要么是单独地要么是与该群组的任何其它元件相结合。
还应理解，诸如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等用语是为了方便的措词且不应解释为限制性用语。如文中所用，用语“布置在…上方”或“布置在…之间”指的是二者被固定或布置成直接接触和通过在二者之间设置有介入层而间接地固定或布置。
如前文所述，本发明的一个实施例提供了一种低温冷却系统。该低温冷却系统包括由外壁所限定的腔室；布置在该腔室内的至少一个热源；芯吸结构；传输系统；以及与热源成间隔开的关系布置在该腔室内的散热器(heat sink)。芯吸结构与热源成适形接触 (或共形接触)。传输系统布置成用以接收来自芯吸结构的液体的至少一部分。
参照图1，示出了根据本发明一个实施例的磁共振成像(MRI)系统10的主要构件。 该系统的操作从包括键盘或其它输入装置13、控制面板14和显示屏16的操作员控制台12 进行控制。控制台12通过链路18与单独的计算机系统20通信，该计算机系统使操作员能够控制图像的产生和在显示屏16上的显示。计算机系统20包括通过背板20a彼此连通 (或通信)的多个模块。这些模块包括图像处理器模块22、CPU模块24和用于存储图像数据阵列的本领域中称为帧缓冲器的储存器模块26。计算机系统20连结到用于存储图像数据和程序的磁盘存储器28和磁带驱动器上，并通过高速串行链路34与单独的系统控制装置32通信。输入装置13可包括鼠标、操纵杆、键盘、轨迹球、触摸活性屏、光棒、语音控制装置或任何类似和相当的输入装置，并且可用于交互式几何指示(geometry prescription)。
系统控制装置32包括通过背板32a连 接在一起的一组模块。这些模块包括CPU模块36和通过串行链路40连接到操作员控制台12上的脉冲发生器模块38。系统控制装置 32通过链路40接收来自操作员的命令，以指示待执行的扫描序列。脉冲发生器模块38操作系统构件以执行期望的扫描序列并产生指示所产生RF脉冲的时序(或定时，timing)、强度和形状以及数据采集窗口的时序和长度的数据。脉冲发生器模块38连接到一组梯度放大器42上，以指示在扫描期间产生的梯度脉冲的时序和形状。脉冲发生器模块38也可接收来自生理采集控制器44的患者数据，该生理采集控制器接收来自连接到患者上的多个不同传感器的信号，例如来自附于患者上的电极的ECG信号。最后，脉冲发生器模块38连接到扫描室接口电路46上，该接口电路46接收来自与患者的状况和磁体系统相关的各种传感器的信号。患者定位系统48也通过扫描室接口电路46接收命令，以使患者移动到用于扫描的期望位置。
由脉冲发生器模块38产生的梯度波形施加至具有Gx、Gy和Gz放大器的梯度放大器系统42。每个梯度放大器都激励总体上以50表示的梯度线圈组件中相应的物理梯度线圈，以产生用于空间编码获取信号的磁场梯度。梯度线圈组件50形成包括偏振磁体54和整体RF线圈56的磁体组件52的一部分。系统控制装置32中的收发器模块58产生由RF 放大器60放大并经由传送/接收开关62而与RF线圈56耦合的脉冲。由患者体内的受激核发射的最终产生的信号可由同一 RF线圈56感测并通过传送/接收开关62而与前置放大器64耦合。经放大的MR信号在收发器58的接收器部分中被解调、过滤和数字化。传送 /接收开关62由来自脉冲发生器模块38的信号控制，以在传送模式期间将RF放大器60与线圈56电性地连接并在接收模式期间将前置放大器64连接至线圈56。传送/接收开关 62也可使单独的RF线圈(例如，表面线圈)能够用于传送或接收模式中。
由RF线圈56拾取的MR信号由收发器模块58数字化并传递到系统控制装置32中的储存器模块66。当已在储存器模块66中获取原始k空间数据阵列时，完成扫描。该原始k空间数据经重新排列而成为用于每个待重新构成的图像的单独的k空间数据阵列，并且这些数据阵列中的每一个都输入到阵列处理器68，该处理器68操作以将数据傅里叶变换成图像数据阵列。该图像数据通过串行链路34传送到计算机系统20，其中图像数据被存储在诸如磁盘存储器28之类的储存器中。响应于从操作员控制台12接收的命令，可将该图像数据存放在长期存储器中，例如磁带驱动器30上，或者可将其由图像处理器22进一步处理并传送到操作员控制台12且在显示器16上显示。
在操作期间，MR设备10消耗大量电力。具体而言，梯度线圈54和RF线圈56消耗过量电力。这些发热构件尤其产生数量级通常为数十千瓦的大量热量。此外，来自内、外氦容器外壳的热辐射的热负荷、氦容器的悬置、由于梯度系统交互而引起的瞬时热负荷(当操作并获取图像时)、通往低温恒温器的室温接线以及管和其它通达件(penetration)都可能产生过量热量。如将预想的那样，过量热量会导致系统构件劣化或过早失效，并因此不利地影响可靠性。此外，温度的上升导致电阻增大，并且线圈电流和低线圈电流的减小影响信号的生成，从而引起不良的图像分辨率。此外，热量在成像过程中可能使患者不适，且如果过量的话则可能伤害患者。为此，存在制定患者支承台的最高温度的规定，这有效地限制了可用于任何MRI系统中的电量。
通过芯吸结构的使用，解决了减小低温系统中在操作期间所需的低温制冷剂量的问题，该芯吸结构与热经其进入低温系统的壁、低温容器壁、超导磁体或低温系统的单独超导线圈成热接触。这在待冷却的构件周围提供了局部冷却结构，使得仅在热进入系统的精确位置处需要液氦。除减小在操作期间所需冷却剂的量外，芯吸系统改善了单独构件的温度均匀性和低温稳定性并且增强了超导磁体的骤冷稳定性裕度，因为相比于液氦浴仅可部分地淹没磁体的现状，超导磁体现在能够完全由液氦包围。
图2示出了根据本发明一个实施例的低温冷却系统100的示意图。低温冷却系统 100包括由外壁104和内壁106所·限定的腔室102。腔室102维持在合适的压力下，并且可被气密地密封。腔室102收容至少一个待冷却的构件108，例如内部热源(在腔室102内) 或外部热源(在腔室102外部)。在另一实施例中，待冷却的构件108从超导电磁体54、低温容器壁104、106或任何其它超导磁体构件及其组合中选择。
本发明的一方面在于低温冷却系统100包括芯吸结构108。在图2中所示的实施例中，芯吸结构108与内壁106成热接触。如文中所用，用语“热接触”指的是与待冷却构件的表面直接或间接接触而不会引起由构件的固有粗糙度所形成的空隙。在一个实施例中， 芯吸结构108围绕内壁106的圆周以连续方式与内壁106成热接触(如图2中所示)。在一个实施例中，芯吸结构108围绕内壁106的圆周以间歇方式与内壁106成热接触。芯吸结构108可与内壁106成间接接触，即由通过芯吸结构108与内壁106之间的另一构件的热传导实现热接触。
在一个实施例中，芯吸结构108包括烧结粒子。芯吸结构108的非限制性实例包括不锈钢、铝、铜、二氧化硅、过渡金属的氧化物例如氧化铜、氧化铁、陶瓷例如AIN、BN等以及聚合物例如环氧化物、聚酰亚胺等。在另一实施例中，芯吸结构108包括至少一种从由氧化铝、二氧化硅、氧化铁、铝、铜和不锈钢、A1N、BN、环氧化物、聚酰亚胺或其任何组合所构成的群组中选择的材料。通常,芯吸结构108可为多孔材料。在一个实施例中，芯吸结构108具有小于约50微米的孔隙大小。在另一实施例中，芯吸结构108具有范围在约500纳米至约I微米内的孔隙大小。在又一实施例中，芯吸结构108具有范围在约100纳米至约500 纳米内的孔隙大小。芯吸结构108可包括具有诸如圆柱形、圆形、三角形、组合球形、网形、 椭球形等不同几何形状的孔隙。在一个实施例中，芯吸结构108可包括槽道结构。
在一些实施例中，芯吸结构108具有范围在约O. lff/m-K至约50W/m_K内的热导率。在另一实施例中，芯吸结构108具有范围在约200W/m-K内的热导率。为了实现高效传导，已研究了芯吸结构108的数种选择。一种选择是Tao Ih&Rg等)\电“Demonstration of liquid nitrogen wi eking using a mu I t1-layer metallic wire cloth，中手艮道的多层金属丝布，其全部内容通过引用并入本文中。使用开式低温腔室中的烧结多层多孔金属丝叠层结构(孔隙大小低至5微米)，已证实了有效的液氮芯吸流动。
在某些实施例中，芯吸结构108具有小于约5毫米的厚度。在一个实施例中，芯吸结构108具有范围在约300微米至约I毫米内的厚度。在另一实施例中，芯吸结构108具有范围在约I毫米至约2毫米内的厚度。
通常，低温冷却系统100包括传输系统110。传输系统110布置成用以接收来自芯吸结构108的工作流体112的至少一部分。工作流体112的非限制性实例包括低温流体， 例如液氧、液氮、液氩、液氖、液氪、液氙、液氢、液氦、液化天然气(LNG)/甲烷、液态二氧化碳等。在一个实施例中，工作流体112是低温制冷剂。如文中所用，用语“低温流体”指的是在一个大气压下具有小于约_90°C的沸点的制冷液化气体。在另一实施例中，工作流体 112可以是两种或更多种低温流体的混合物。在一个实施例中，工作流体112从由液氦、液氮和其混合物所组成的群组中选择。在另一实施例中，工作流体112是液氦。在一个实施例中，传输系统110包括体积百分比范围在约50至约90内的工作流体112。
传输系统110可充填有体积百分比范围在约10至约50内的工作流体112的气相 114。散热器118可设置用来使气相114冷凝成落入工作流体112中的液滴120。
在图2中所示的实施例中，传输系统110布置在相对于内壁106升高的位置处。 传输系统110包括用于将工作流体112从传输系统110输送到芯吸结构108的芯吸连接部 122。在操作期间，芯吸结构108在传输系统110中的工作流体112的液相上施加毛细压力并且工作流体112被向上吸收到芯吸结构108。在此种“顶部供料”实例中，单独的再冷凝容器128通过芯吸连接部122流体地连接。气相114可借助于返回蒸气管116从腔室102 返回至再冷凝容器128。加热器126可用于控制再冷凝容器128内的工作流体112的液位。 传输系统110还包括桥接结构124。在一个实施例中，桥接结构124是与芯吸结构108流体地联接的芯吸结构。
在图2的图示实施例中，芯吸结构108中存在的工作流体112越过芯吸结构108 而与内壁106成热接触。结果，越过芯吸结构108在内壁106与工作流体112之间发生热交换，由此使芯吸结构108中存在的工作流体112气化，同时冷却内壁106。由于芯吸结构 108的毛细作用和润湿性质，芯吸结构108提供对工作流体112的均匀分布，由此有助于在向上吸收的工作流体112与内壁106之间的良好传热。在一个实施例中，内壁106、传输系统110、芯吸结构108和腔室102中的工作流体112的气相114之间建立了热平衡。
在图2的图示实施例中，传输系统110布置在相对于内壁106升高的位置处(即 “顶部供料”实例)。然而，将应了解，本发明并不受限于传输系统110相对于待冷却的构件例如内壁106的位置。例如，传输系统110可定位在低于待冷却的构件(即内壁106)的高度处，如图3中所示。在此种“底部供料”实例中，再冷凝容器128借助于位于腔室102底部处的管道130而与腔室102流体地连接。表面张力足以将工作流体112沿芯吸结构108 向上吸引和围绕腔室102的内壁106吸引。加热器126可用于控制再冷凝容器128内的工作流体112的液位。
此外，将应了解，本发明并不受限于与腔室102的内壁106成热接触的芯吸结构 108，并且本发明可通过芯吸结构108与MR系统100中任何待冷却的构件成热接触来实施。 例如，芯吸结构108可与腔室102的外壁104成热接触，如图4中所示。将应了解，芯吸结构108可与内壁106和外壁104两者成热接触。还应了解，图4中所示的传输系统110可以是如图3中所示的“底部供料”系统，其中芯吸结构108与腔室102的外壁108成热接触。
在图示实施例中，本发明的低温冷却系统100是磁共振成像系统或核磁共振成像系统的构件。然而，将应了解，本发明的低温冷却系统可用于任何合适的系统中，例如光谱系统、磁共振成像系统、核磁共振成像系统、电力传输系统、核反应堆、生物冷却设施、光学传感器系统等。
在一个实施例中，本发明提供了一种冷却热源的方法。该方法包括提供布置在由外壁所限定的腔室中的至少一个热源；提供与该至少一个热源成适形热接触的芯吸结构， 其中该芯吸结构与容纳低温液体的传输系统成流体连通；可操作地联接散热器和传输系统，其中散热器在与热源成间隔开的关系而布置在腔室内；以及向该至少一个热源供电。在一个实施例中，本发明的方法有助于维持均匀的温度和消除发热构件中的热点，由此提高热源的可靠性。
在本发明的另一方面，低温容器的内周壁上的芯吸结构吸收进入系统的热量，从而有效地将内部结构维持在低温状态下。
在另一方面，本发明提供了一种冷却系统，该冷却系统用于从磁共振成像设备的诸如梯度线圈组件的发热构件散热，同时将内部温度和外部温度维持在低于最大操作极限，由此实现用于图像品质提高的更快成像的更高功率应用，并允许用于介入治疗的更长扫描时间。
在本发明的另一方面，本发明能够降低当系统到达客户地点时对液体再充填的需求，因为所使用的液氦总量 可减小到充填芯吸结构的所需量附近。
本书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明的一些实施例，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并且执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的同等结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种低温冷却系统,包括 由外壁和内壁所限定的腔室，所述腔室收容至少一个待冷却的构件； 芯吸结构，其与所述腔室的所述外壁和所述内壁中的一者成热接触；以及 传输系统，其与所述腔室成间隔开的关系并流体地连接至所述芯吸结构以便往来于所述芯吸结构输送工作流体。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构包括烧结粒子。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构具有小于约100纳米的孔隙大小。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构具有范围在约100纳米至约I微米内的孔隙大小。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构具有范围在约O.1ff/mK至约400w/mK内的热导率。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构包括至少一种从以下材料组成的群组中选择的材料不锈钢、铝、铜、二氧化硅、过渡金属的氧化物、陶瓷、聚合物，或它们的任何组合。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构包括至少一种从以下材料组成的群组中选择的材料不锈钢、铝、铜、A1N、BN、二氧化硅、聚合物，或它们的任何组合。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构具有范围在约200μ m至约5mm内的厚度。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低温冷却系统是磁共振成像系统的构件。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传输系统还包括联接至所述芯吸结构的桥接结构。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个待冷却的构件包括超导磁体。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工作流体是低温流体。
13.一种磁共振成像系统，包括 用于使对象成像的成像空间； 包围所述成像空间的超导线圈结构；以及 低温冷却系统，其包括 由外壁和内壁所限定的腔室，所述腔室收容至少一个待冷却的构件； 与所述腔室的所述外壁和所述内壁中的一者成热接触的芯吸结构；以及 传输系统，其与所述腔室成间隔开的关系并流体地连接至所述芯吸结构以便往来于所述芯吸结构输送工作流体。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构包括烧结粒子。
15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构具有小于约100纳米的孔隙大小。
16.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构具有范围在约100纳米至约I微米内的孔隙大小。
17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构具有范围在约O.1ff/mK至约400w/mK内的热导率。
18.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构包括至少一种从以下材料组成的群组中选择的材料不锈钢、铝、铜、二氧化硅、过渡金属的氧化物、陶瓷、聚合物，或它们的任何组合。
19.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构包括至少一种从以下材料组成的群组中选择的材料不锈钢、铝、铜、AIN、BN、二氧化硅、聚合物，或它们的任何组
20.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述芯吸结构具有范围在约200μ m至约5mm内的厚度。
全文摘要
本发明涉及带有芯吸结构的低温冷却系统。具体而言，一种低温冷却系统，包括由外壁和内壁所限定的腔室，该腔室收容至少一个待冷却的构件；与腔室的外壁和内壁中的一者成热接触的芯吸结构；以及传输系统，其与腔室成间隔开的关系并流体地连接至芯吸结构以便往来于芯吸结构输送工作流体。本发明还提供的是一种包括该低温冷却系统的磁共振成像系统。
文档编号G01R33/3815GK103021619SQ20121035397
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月21日 优先权日2011年9月23日
发明者H.P.雅各布斯德博克, J.H.齐亚, E.W.斯陶特纳, 邓涛, 江隆植, W.L.埃恩齐格, W.尚, Y.利沃斯基, K.M.阿姆, G.齐特弗, T.张 申请人:通用电气公司