超导磁体是众所周知的，并在例如磁共振成像(MRI)的应用场合 中用于产生极高强度的磁场。超导磁体通常由许多超导导线线圈组 成，其在使用过程中必须保持在通常为大约4K、即液氦沸点的低温 下。其它所谓的高温超导体也是可用的，并需要冷却到例如氖的沸 点(28K)、氮的沸点(77K)或氢的沸点温度。本发明具体参考液氦进行 介绍，但也同样适用于采用其它冷冻剂的装置。
典型的装置具有超导线圈，其浸渍在液态冷冻剂例如氦的浴槽 中。液态冷冻剂可沸腾汽化，并将线圈保持在其稳定的沸点温度下， 在氦的情形下为大约4K。提供了再冷凝式致冷器，用来冷却整个系 统，包括将汽化的冷冻剂蒸气再冷凝回到液态。这样，由于全部或 大部分的汽化冷冻剂再冷凝回到冷冻剂容器中的液态形式，因此液 态冷冻剂的整体消耗量就降低到较低的水平。当然可使用除了氦以 外的其它冷冻剂，这取决于所要求的低温温度。
图1显示了螺线管式磁体系统的轴向剖视图，该系统包括上面 安装了超导线圈12的线圈架10。这种系统对于用于MRI或核磁共 振(NMR)成像系统的螺线管超导磁体而言是具有代表性的。线圈架10 和线圈12容纳在冷冻剂容器14中。冷冻剂容器14通常部分地填装 了液氦，图中没有显示出液氦。冷冻剂容器本身安置在外真空室16 中，并且冷冻剂容器14和外真空室16之间的空间是抽空的。在冷 冻剂容器和外真空容器之间的抽空空间内通常还设置了隔热罩18。 这种隔热罩降低了来自外真空室的辐射热可能到达冷冻剂容器的入 射。通常还包括维护颈20。在操作过程中，这种颈可容纳再冷凝式 致冷器。
冷冻剂容器14通常并不完全填满液氦。相反，液氦被提供至大 约充满50％的液位。参看图1中所示，线圈架10和电磁线圈12的 下部分将通过与液态冷冻剂的接触而被热传导式冷却。这将导致一 些液氦沸腾汽化，以便提供大约处在冷冻剂沸点温度下的冷冻剂气 体。这种冷冻剂气体将环绕冷冻剂容器14的上部分而循环，并通过 对流来冷却线圈架10和线圈12的上部分。以这些不同的方式进行 冷却在效率上可能存在差异。这可能导致线圈架和线圈的不同部分 之间的温度差异。本发明的某些实施例目的旨在避免这种差异。
当系统处于运输等待安装的过程中时，会存在一些困难。通常， 系统是在填装了液态冷冻剂之后进行运输的，但是由于缺乏合适的 电源，或者由于规章的限制，再冷凝式致冷器不能运转。在运输过 程中，冷冻剂可汽化而将线圈保持在所需的温度下。这样，冷冻剂 可用作热电池。维护颈20为沸腾汽化的冷冻剂离开冷冻剂容器14 提供了逸出路径。汽化的冷冻剂可排放到大气中。可能要求这种系 统在长达大约30天的过程中能够保持这种沸腾汽化的热电池状态。 当使用例如氦的冷冻剂时，因汽化导致冷冻剂损失的成本可能变得 很高。
线圈需要保持在低温下，否则系统在安装之后的试运行会比较 困难而且成本高昂。如果系统已经加热到环境温度，这种情况在液 态冷冻剂沸腾汽化变干时将会发生，则系统在试运行之前必须进行 冷却，并重新填装液态冷冻剂。在世界上的某些地区，如果不是提 前作计划，那么就很难获得这种运转所需的液态冷冻剂的大量供应。 就现场工程师在安装系统现场所花费的时间和所用冷冻剂的材料成 本而言，这种再冷却和重新填装是很昂贵的。
在例如图1中所示的磁体系统中，冷冻剂容器14的容积主要由 所要求的可允许的最少运输时间来限定。为了允许再冷凝式致冷器 不起作用的运输时间达到例如30天，必须在系统中容纳大量的液态 冷冻剂，以保证它在运输过程中不至于汽化变干。这种所要求的冷 冻剂容器14的容积在确定整个系统的最终尺寸时起了很大作用。

本发明致力于解决现有技术的某些问题，以便提供与待冷却设 备保持热接触的冷冻剂储器。这种接触式冷冻剂储器可减少将设备 保持在所需温度下所需的液态冷冻剂的量。本发明的储器还可用于 实现设备的更小外壳，同时仍可将设备保持在所需的操作温度下。 这种接触式冷冻剂储器在添加工作冷冻剂之前，可填装消耗用冷冻 剂，以便将系统预冷却至第一低温温度。
因此，本发明提供了如本公开中所述的装置。
附图说明
从参照附图并结合某些仅通过示例给出的本发明实施例的以下 描述中，可以更清楚本发明的上述和其它的目的、特征和优点，其 中：
图1显示了安置在低温恒温器中的典型的螺线管式磁体结构的 轴向剖视图；
图2显示了图1剖视图的局部放大图，显示了线圈架和线圈；
图3显示了根据本发明一个实施例改进的线圈架和线圈的断面 图；
图3A显示了根据本发明的一个实施例的储器的横截面图；
图4显示了根据图3或图3A的实施例改进的线圈架和线圈的透 视图；
图5显示了根据本发明的另一实施例改进的线圈架和线圈的断 面图；
图6A显示了根据图5实施例改进的线圈架和线圈的侧视图；和
图6B显示了图5的线圈架和线圈的透视图。为了清楚起见，线 圈架的一部分被切掉。

在其最基本的形式中，本发明包括与待冷却设备保持热连接和 机械连接的冷冻剂储器。冷冻剂和设备之间的直接热传导提供了所 需的冷却。该储器优选设置成处于待冷却设备的现有轮廓内，与例 如图1所示的已知冷冻剂容器相比，该储器相对较小。
图2显示了线圈12和线圈架10的截面一端的放大图。如图所 示，线圈架10包括内部分10a和外部分10b。该内部分和外部分支 撑各自的线圈12。许多辐板10c在线圈架的内、外部分10a，10b之间 提供了机械连接和热连接。辐板10c例如可由13mm厚的铝板构成。 这些辐板用于将线圈架的外部分10b和其上所携带的线圈12相对于 内部分10a的线圈而定位在正确的位置中。如参看图1和2所理解的 那样，辐板所占的容积代表了一对大致环形的容积，其定位成朝向 线圈架10的端部，并且与线圈架10及线圈12同轴。
根据本发明的优选实施例，这个容积的至少一部分被接触式冷 冻剂储器占据。这种接触式冷冻剂储器可以是大致环形的形状，并 可设置成与线圈架同轴。
在如图所示的实施例中，螺线管式磁体是待冷却的设备，优选 的是，在螺线管的末端附近对称地设置同样的接触式冷冻剂储器， 以降低磁体磁场的任何畸变。
在线圈架包括具有第一直径的内部分10a和至少一个具有比第一 直径更大的第二直径的外部分10b的情况下，可将接触式冷冻剂储 器大致容纳在大致环形的容积内，这个容积与线圈架同轴，并具有 与第二直径相等的外径以及与第一直径相等的内径。
图3中显示了这样一个实施例。与图2类似，图3显示了线圈12 和线圈架10的截面一端的放大图，但根据本发明进行了改进。在这 个实施例中，大致环形的储器30取代了辐板10c。该储器的壁具有 足够的刚性，以便提供之前由辐板10c所提供的导热性和机械保持 力。该储器在图3中用叉形标记出的界面处与线圈架10相结合。通 过将接触式冷冻剂储器放置在这个位置，就可保证与线圈架10以及 与线圈12的良好热接触。这种接触式冷冻剂储器并不需要任何进一 步的结构支撑，并可集成在线圈架10的结构中，从而与内外线圈都 保持良好的周边接触。在图3所示的实施例中，这种接触式冷冻剂 储器还可用作环绕某些线圈12的热分流器。如图3所示，储器30 设置成与外屏蔽线圈12a、激励线圈12b和近场整形线圈12c保持紧 密的热接触。在储器30的壁和各线圈12a，12b，12c之间，存在着穿过 线圈架10材料的短的热传导路径。这些线圈是在运转过程中产生最 多热量的线圈，并最有可能出现失超。因此在图3的实施例中对这 些线圈进行最有效的冷却将是特别有利的。
接触式冷冻剂储器30可根据需要而填装上工作冷冻剂、消耗用 冷冻剂或不填装任何冷冻剂，以获得如下所述的相应优点。接触式 冷冻剂储器30可由热导材料如铜或铝的适当形状的板材构成，并通 过焊接、钎焊或以其它机械方式和热方式而连接在线圈架10上。或 者，储器30可由合适材料挤压成形。在这种情况下，线圈架10的 外部分10b可形成为挤压型材的一部分。在其它的变型中，可将标 准的挤压型材如U形或H形断面的挤压型材焊接就位，以便提供这 种接触式冷冻剂储器30。
本发明的某些优选实施例提供了储器30中的热传导路径。图3A 显示了挤压成形的储器32的一个示例。例如，该储器可由铝的挤压 型材形成，弯曲成圆形形状，以适合线圈架10。在这种情况下，圆 形的弯曲挤压型材优选在其内、外圆弧面上进行机加工，以保证其 与线圈架10和线圈12a的相应表面形成良好的热接触。在一些实施 例中，线圈架的外部分10b形成为同一挤压型材的一体部分，或成 形为单独的圆形的弯曲挤压型材。在任一种情形下，优选的是，外 部分10b在其外圆弧面上和其壁面上进行机加工，以保证外部分10b 能精确地与线圈12a匹配。储器32包括位于储器内的传热结构34。 这些结构成形为挤压型材的一部分。优选的是，这些结构34具有相 对较大的表面积，并朝着储器的中间延伸一段较长的距离。某些液 态或固态形式的冷冻剂具有相对较低的热传导率。在缺乏这种传热 结构的情况下，靠近储器壁的冷冻剂可能会融化或沸腾汽化，并逸 出储器32，而不能有效地将热量传递给储器中的相邻冷冻剂。通过 在冷冻剂的整个容积范围内传递热量，使冷冻剂受热更一致，就可 实现更加有效的冷却。作为图3所示挤压的传热结构的备选，储器30 可填装上导热的多孔材料，例如铜绒线，以达到相同的效果。
如在图4中最佳地所示，接触式冷冻剂储器30优选不突出到线 圈架10的现有轮廓之外。
图5显示了另一实施例。类似于图3，图5显示了线圈12和线 圈架10的截面一端的放大图，但根据本发明进行了改进。在这个实 施例中，辐板10c成形成可容纳大致环形的接触式冷冻剂储器40横 截面的至少一部分。大致环形的接触式冷冻剂储器40可具有大致圆 形的横截面。图6A和6B分别显示了本发明的这个实施例的侧视图 和透视图，其中储器40以虚线表示，以显示出辐板10c的形状和设 置。图6B显示了储器40就位时的这种设置的透视图。
接触式冷冻剂储器40在图5中以叉形标记出的界面处与线圈架 10相结合。这种接触式冷冻剂储器40可由热传导材料如铜或铝的轧 制和焊接成形的板材来形成。或者，接触式冷冻剂储器40还可由合 适材料挤压成形。接触式冷冻剂储器40通过焊接、钎焊或其它方法 而以导热的方式连接在线圈架10上。选择用于接触式冷冻剂储器的 材料优选具有相对较低的电导率，以避免在接触式冷冻剂储器材料 中形成非所需的涡电流，因为这种涡电流会干扰磁体系统所产生的 磁场。在这种情况下，就可利用图5中所示的成形辐板10c继续正常 地进行线圈架10的装配。然后，可将储器焊接在或以其它热方式和 机械方式而连接在辐板上。
如图6A中最佳地所示，接触式冷冻剂储器40未突出到线圈架10 的现有轮廓之外。
根据本发明的某些实施例，本发明的这种接触式冷冻剂储器设 在冷冻剂容器14中，并与待冷却系统保持热连接和机械连接。当应 用于图1中所示的磁体系统上时，冷冻剂储器可设置成与线圈架10 形成热连接，并且通过经由线圈架的热传导来实现与线圈12的热连 接。
根据本发明的某些实施例，本发明的接触式冷冻剂储器可适用 于在通过工作冷冻剂冷却至工作温度之前，利用消耗用冷冻剂来进 行预冷却。例如，为了将系统从环境温度冷却到工作低温温度如大 约4K，可采用如下程序。可将一定量的消耗用冷冻剂如液氮放入接 触式冷冻剂储器中。这种消耗用冷冻剂将开始沸腾汽化，并通过这 种汽化而将相关设备、例如安装在线圈架上的超导磁体冷却到该消 耗用冷冻剂的沸点温度，在此示例中为大约77K。当设备已经被该 消耗用冷冻剂冷却时，将一定量的工作冷冻剂如液氦添加到工作冷 冻剂容器14中。这种工作冷冻剂沸腾汽化，并通过汽化而将设备和 任何剩余的消耗用冷冻剂冷却到工作冷冻剂的沸点温度，在此示例 中通常为大约4K的工作温度。一旦添加了工作冷冻剂，就可使再冷 凝式致冷器运转，以减少工作冷冻剂的消耗。通过这种方式，就可 实现有效的预冷却，同时避免了消耗用冷冻剂污染工作冷冻剂。优 选的是，添加到本发明的接触式储器中的消耗用冷冻剂的量经过仔 细计算，使得一旦完成预冷却之后，储器中即使残留了消耗用冷冻 剂，也只是残留了很少的消耗用冷冻剂。当使用消耗用冷冻剂氮时， 尤其是这种情况。由于氮具有高的比热容，并且存在固相-固相的氮 的相变，因此必须从氮中排出更多的热量方可将其从其沸点温度冷 却到氦的沸点温度，即大约4K。在预冷却之后残留在接触式储器中 的任何体积的廉价液氮都将需要大量昂贵的液氦将其冷却到工作温 度下。因此优选仅使用刚好够用的消耗用冷冻剂，使其刚好足以将 设备冷却到消耗用冷冻剂的沸点温度。实际上，使用略少于所需量 的消耗用冷冻剂是有利的，从而在储器中没有留下消耗用冷冻剂， 并利用工作冷冻剂来完成预冷却的结束阶段。
在采用消耗用冷冻剂时，会发现增大接触式储器中的热导体的 表面积是有利的，这些热导体例如为图3A中所示的那些导体，或者 为备选导体如铜绒线，或者任何导热的多孔结构。
在备选实施例中，本发明的接触式冷冻剂储器可用于保持工作 冷冻剂，这种工作冷冻剂在传统上是储存在图1的冷冻剂容器14中。 这可代替将工作冷冻剂储存在冷冻剂容器14中的方案，或作为该方 案的附加。
在一备选例中，或在如上所述使用消耗用冷冻剂时，实际上并 不填充本发明的接触式冷冻剂储器。通过使本发明的储器保持腾空， 就可减少将冷冻剂填充到所需深度时所要求的液态冷冻剂的体积。 作为备选，相同体积的液态冷冻剂可将电磁线圈的更大部分浸渍在 液体中，从而使电磁线圈的更大部分通过与液态冷冻剂的接触而被 冷却，这又提供了对电磁线圈的更恒定的冷却。
在本发明的又一实施例中，无需如图1所示的冷冻剂容器14， 而只留下本发明的用于容纳工作冷冻剂的接触式冷冻剂储器。通过 省去冷冻剂容器14，就可提供整体尺寸更小的系统，或者可在给定 的容积内提供更大直径的磁体。还要求减少液态冷冻剂的体积，从 而进一步降低了系统的成本。例如，接触式冷冻剂储器30，40可各自 具有300升的容积，而传统设置的冷冻剂容器14具有大约1500升 的容积。为了隔热，优选仍然提供外真空室16。应优选为每个接触 式冷冻剂容器提供再冷凝式致冷器，以便将冷冻剂保持为液态形式。 在这些实施例中，通过穿过接触式冷冻剂储器壁的热传导，就可为 线圈架的所有部分以及位于线圈架上的所有线圈提供一致的冷却。 这就实现了对图1中所示的传统浸渍式冷冻剂容器14的显著改进， 图1所示设置的一部分通过与冷冻剂物理接触形成热传导而被冷却， 而所述设置的另一部分通过沸腾汽化的冷冻剂气体的对流来进行冷 却。
图3-图6B的实施例中的接触式冷冻剂储器的形状本质上能够承 受高的压力负荷，例如在失超期间，也就是说，当超导电磁线圈突 然变得有电阻、从而散发大量热量并且非常快速地汽化走工作冷冻 剂时，这种高的压力负荷就会出现。如图3-图6B中所示的大致环形 的接触式冷冻剂储器为线圈架提供了机械稳定性，并减少了称为“瓣 式作用(petaling)”的现象，即：线圈架10的外部分10b在辐板10c 之间的位置处的相对运动，或者线圈架10的外部分10b在辐板10c 之间的位置处的变形。
本发明的一个优势在于，不需要提供冷冻剂容器14。在本发明 的某些实施例中，不再需要冷冻剂容器14，而只是使用本发明的冷 冻剂储器即可。不提供冷冻剂容器14这一简单的事实可使整个系统 制作成更短，并且可增大容纳病人的孔径。以下将更全面地讨论这 方面。不需要提供冷冻剂容器14的另一有利方面包括，节省了材料 费用和建造时间，并降低了系统的复杂性。已经知道，可通过对冷 冻剂储器进行表面处理来减小储器材料的热辐射系数。本发明还避 免了这种表面处理。已知不锈钢的冷冻剂储器可包括大约500kg的 不锈钢。根据本发明的冷冻剂储器可包括不超过100kg的不锈钢。 节省400kg的质量本身是很重要的，但因不需要冷却这额外400kg 的不锈钢，就可产生进一步的有利效果。为了将冷冻剂储器冷却到 工作温度，使其包含液态冷冻剂，就需要极大量的液态冷冻剂汽化 掉。这些冷冻剂通常排放到周围大气中损失掉。这意味着对液态冷 冻剂的成本高昂且比较浪费的使用。通过减少冷冻剂容器的质量达 80％(根据本发明，这是可能的)，就可相应地减少在这一步骤中所 消耗的液态冷冻剂的量。
本发明的另一优势在于，对于给定尺寸的磁体而言，可减小最 终磁体系统的长度，并可增大容纳病人的孔径。为了减轻病人的压 力和被置于窄长形孔内时的幽闭恐怖症，至少需要这两种效果。容 纳病人的该孔越短且越宽，那么病人就会越放松。这会提高有效成 像过程的可能性。更短且更宽的病人孔还将改善在成像过程中对病 人进行医学干预的途径。在现有技术中，冷冻剂容器14通常由5mm 厚的不锈钢制成。各种不锈钢部件围绕磁体结构而焊接在一起，从 而形成了冷冻剂储器。为了保护磁体线圈免受焊接过程中所用热量 或材料所导致的任何损坏，在最近线圈12和冷冻剂容器14内侧之 间留有大约40mm的最小间隙。根据本发明，如果不再需要冷冻剂 储器，那么就不再需要提供该间隙和储器壁厚度。隔热罩18和外真 空室16可相应地制作成更短，并具有更大的直径。由于这种外尺寸 上的改进应在磁体的每一端来实现，因此就可实现系统长度在总体 上减小了大约90mm，并且在所述孔径上实现了类似的增大。
本发明的另一优势在于，可显著地减小所需液态冷冻剂的体积。 虽然现有技术的冷冻剂容器14会需要1500升的液态冷冻剂来通过 浸渍对磁体进行冷却，但是，本发明的储器一般只需要大约100升 的液态冷冻剂。这意味着极大地节省了材料成本。在其中本发明的 储器填装了消耗用冷冻剂或未被填装、并且被安置在传统冷冻剂容 器内的实施例中，本发明的冷冻剂储器就置换掉了对应体积的工作 冷冻剂，从而节省了相应的材料成本。
尽管上面已经结合有限数量的具体实施例来介绍了本发明，然 而本领域中的技术人员显然清楚，在所附权利要求所限定的本发明 的范围内可对本发明进行其它的修改和变化。例如，尽管特别参考 对适用于MRI装置的螺线管超导磁体结构进行冷却来介绍了本发 明，但是，本发明可适用于需要冷却到低温温度的任何设备。以氦 作为工作冷冻剂而且还可选择性地以氮作为消耗用冷冻剂，而对本 发明进行了特别介绍。当然，也可使用其它冷冻剂。所选择的任何 消耗用冷冻剂应具有高的潜热容量，并且优选还应在其相变时具有 高的潜热容量。所选择的消耗用冷冻剂应在其凝固时不会膨胀。如 果选择了在凝固时会膨胀的消耗用冷冻剂，那么包含该冷冻剂的储 器必须可松弛以容纳膨胀的内容物，或者其强度必须足以承受膨胀 的冷冻剂所施加于其上的压力。在不脱离所附权利要求的范围内， 本发明的接触式冷冻剂储器的形式和设置可以与以上所述的不同。