超导低温环境用超低温冷却系统

技术领域

本发明涉及一种核磁成像设备用超导冷却技术领域，尤其是涉及一种超导低温环境用超低温冷却系统。

背景技术

磁体是磁共振成像系统和磁共振波谱分析系统的核心部件。磁体可根据产生磁场的原理，分为永磁、电磁、超导。而超导磁体具有磁场强度高，重量轻，均匀性和稳定性好等众多优势。超导磁体利用超导材料在某一温度下电阻降低为零的现象制作而成的磁体，通常可以分为高温超导磁体和低温超导磁体。目前磁共振领域主流采用低温超导铌钛合金材料，超导磁体线圈置于温度一般在4K左右(4K温度为：零下-269摄氏度)的超导低温环境中。目前，低温超导技术主要采用两种技术方案，一种是采用液氦浸泡式，顾名思义，即将磁体浸泡于真空低温液氦杜瓦中。这种方式只要液氦不挥发就能维持磁体的稳定工作。然而自然界中氦资源含量极微，加之氦是重要的战略资源，价格呈逐年上升的趋势，目前价格已达20-30美元一升，一般一台磁共振成像磁体液氦用量在几百至几千升，这显著增大了磁体的成本，不利于磁共振系统设备和技术的推广和普及。另外一种是采用制冷机直接冷却的方式。利用4.2K 制冷机由热传导冷却方式冷却磁体，其最大的好处是使用方便，无需消耗液氦，但由于低温制冷机制冷效率较低，磁体和系统的设计必须优化传导冷却的要求，大型超导磁体制冷时间过长，采用制冷机直接冷却磁共振成像用超导磁体冷却周期往往需要几周甚至更长，且冷却效率低下。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足而设计的一种提升冷却效率和降低使用成本的超导低温环境用超低温冷却系统。

本发明所设计的超导低温环境用超低温冷却系统，包括超低温制冷机和常温箱体，其特征在于，还包括置于常温箱体内的第一低温真空箱和置于第一低温真空箱内腔的第二低温真空箱，超低温制冷机包括一级冷头和二级冷头，一级冷头与第一低温真空箱的外壁接触，二级冷头与第二低温真空箱的外壁接触；第一低温真空箱缠绕有第一热交换管，第二低温真空箱的内腔中设置有第二热交换管，常温箱体的内腔中设置有气体循环驱动装置；第二热交换管的一端贯穿第一低温真空箱和第二低温真空箱与第一热交换管连接，其另一端也贯穿第一低温真空箱和第二低温真空箱与气体循环驱动装置的进气口连接，气体循环驱动装置的出气口与第一热交换管连接。

作为优选，还包括置于第二低温真空箱内腔中的液氦存储罐，第二热交换管包括第一管体和第二管体；第一管体的一端和第二管体的一端均对接在液氦存储罐，第一管体的另一端贯穿第二低温真空箱下端和第一低温真空箱的上端后与第一热交换管连接，第二管体的另一端贯穿第二低温真空箱下端和第一低温真空箱的上端后与气体循环驱动装置的进气口连接，液氦存储罐与第二低温真空箱的内壁紧贴。

作为优选，气体循环驱动装置包括气流驱动机构和驱动气流驱动机构动作的驱动器，驱动器安装于常温箱体腔内，气流驱动机构安装于第一低温真空箱体内，驱动器包括置于常温箱体内的第一旋转磁盘，气流驱动机构包括气体流动驱动管道、置于气体流动驱动管道内的活塞、推拉机构和第二旋转磁盘，活塞和第二旋转磁盘均安装于推拉机构上；气体流动驱动管道的进气端与第二管体的另一端连接并连通，其出气端与与第一热交换管连接连接并连通；活塞上设置有通气口，通气口上位于出气方向的一端口处活动式安装有盖板；第一旋转磁盘与第二旋转磁盘相互对应且间隔设置，其两者磁力相互吸引；使第一旋转磁盘旋转带动第二旋转磁盘进行驱动推拉机构动作，而实现活塞在气体流动驱动管道内往复运动，活塞向进气方向运动时盖板在通气口出气的作用下向上翻起使活塞上的通气口打开；活塞向出气方向运动时盖板在反向气压的作用下封堵通气口，且反向气压大于通气口出气的气压，同时气体流动驱动管道出气部位的氦气快速流动，而进行快速热交换。

作为优选，气体流动驱动管道包括盒体和出气筒体，盒体上设置有第一出气通孔和进气通孔，且出气筒体的一端对应固定于第一出气通孔上，出气筒体的另一端设置有第二出气通孔，进气通孔与第二管体的另一端连接并连通，第二出气通孔与第一热交换管连接并连通，推拉机构包括联动杆，第二旋转磁盘旋转式安装于盒体的内壁上，活塞置于出气筒体内，且联动杆的两端分别与第二旋转磁盘的偏心部和活塞旋转式连接；第一热交换管、第一管体、第二管体或盒体上设置有氦气输入口；液氦存储罐上设置有补气口。

作为优选，还包括铰接块，活塞上位于出气方向的一端面上部设置有连接槽，铰接块上设置有铰接槽，盖板的上端设置有铰接板，铰接板销轴铰接在铰接槽内，且铰接块固定于连接槽内，铰接槽上位于出气方向的一内壁与铰接板之间存在间距。

作为优选，出气筒体包括圆筒和端盖，圆筒的一端口密封对接盒体的第一出气通孔上，端盖密封固定在圆筒的另一端口上，且端盖上设置第二出气通孔。

作为优选，还包括伺服步进电机和罩壳，伺服步进电机的转轴上套接固定于第一旋转磁盘，罩壳固定于伺服步进电机上具有转轴的端面上，并对第一旋转磁盘覆盖。

作为优选，第一旋转磁盘包括第一盘体，第一盘体上设置有多个环形阵列设置的第一安装槽，第一安装槽上安装有第一磁块，多个第一磁块的上端分别以S极和N极排列；第二旋转磁盘包括第二盘体，第二盘体上设置有多个分别与各第一安装槽位置对应的第二安装槽，第二安装槽上安装有第二磁块，多个第二磁块的下端分别以S极和N极排列；第一安装槽数量与第二安装槽数量对应一致，第一旋转磁盘上的S极与第二旋转磁盘的N极位置对应，第一旋转磁盘上的N极与第二旋转磁盘的S极位置对应。

作为优选，还包括控制器，补气口上对接有补气管，补气管上对接有外部储气罐(83)，外部储气罐上安装有压力传感器，压力传感器和超低温制冷机分别与控制器相连并受其控制。

本发明所设计的超导低温环境用超低温冷却系统，其第一低温真空箱上通过大功率制冷的一级冷头冷却至45K的温度，然后利用气体循环驱动装置和热交换管将45K温度氦气快速输送至第二低温真空箱内进行热交换，从而经不断的热交换以及小功率制冷的二级冷头对第二低温真空箱进行制冷使第二低温真空箱快速达到超低温(4K温度)效果，以进一步提升冷却效率，并且电能功率效果较低，节约能源，降低使用成本。

另外，对于液氦存储罐使得第二低温真空箱内的空间达到4K温度后，液氦存储罐的氦气演变成液氦，从而存储在液氦存储罐内作为蓄冷器作用，使得第二低温真空箱内的空间保持 4K温度，同时在制冷机停止工作后，也能在蓄冷器作用下保持一段时间的4K温度，从而提升使用性能。

附图说明

图1是整体结构示意图(一)；

图2是整体结构示意图(二)；

图3是气体循环驱动装置结构示意图；

图4是气体循环驱动装置爆炸结构示意图(一)；

图5是气体循环驱动装置爆炸结构示意图(二)；

图6是气体循环驱动装置爆炸结构示意图(三)；

图7是气体循环驱动装置爆炸结构示意图(四)；

图8是第一旋转磁盘的结构示意图；

图9是第二旋转磁盘的结构示意图；

图10是整体结构示意图(三)；。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1-7所示，本实施例所描述的超导低温环境用超低温冷却系统，包括超低温制冷机4和常温箱体1，还包括置于常温箱体1内的第一低温真空箱2和置于第一低温真空箱2内腔的第二低温真空箱3，超低温制冷机4包括一级冷头41和二级冷头42，一级冷头41与第一低温真空箱2的外壁接触，二级冷头42与第二低温真空箱3的外壁接触；第一低温真空箱2缠绕有第一热交换管5，第二低温真空箱3的内腔中设置有第二热交换管6，常温箱体1的内腔中设置有气体循环驱动装置7；第二热交换管6的一端贯穿第一低温真空箱2和第二低温真空箱3与第一热交换管5连接，其另一端也贯穿第一低温真空箱2和第二低温真空箱3与气体循环驱动装置7的进气口连接，气体循环驱动装置7的出气口与第一热交换管5连接。进一步地，还包括置于第二低温真空箱3内腔中的液氦存储罐8，第二热交换管6包括第一管体61和第二管体62；第一管体61的一端和第二管体62的一端均对接在液氦存储罐8，第一管体61的另一端贯穿第二低温真空箱3下端和第一低温真空箱2的上端后与第一热交换管 5连接，第二管体62的另一端贯穿第二低温真空箱3下端和第一低温真空箱2的上端后与气体循环驱动装置7的进气口连接，其中对于液氦存储罐使得第二低温真空箱内的空间达到4K 温度后，液氦存储罐8的氦气演变成液氦，从而存储在液氦存储罐内作为蓄冷器作用，使得第二低温真空箱内的空间保持4K温度，同时在制冷机停止工作后，也能在蓄冷器作用下保持一段时间的4K温度，从而提升使用性能，优选地，液氦存储罐与第二低温真空箱的内壁紧贴。

优选地，气体循环驱动装置7包括气流驱动机构71和驱动气流驱动机构71动作的驱动器72，驱动器72安装于常温箱体1腔内，气流驱动机构71安装于第一低温真空箱2体内，驱动器72包括置于常温箱体1内的第一旋转磁盘720，气流驱动机构71包括气体流动驱动管道710、置于气体流动驱动管道710内的活塞716、推拉机构717和第二旋转磁盘730，活塞716和第二旋转磁盘730均安装于推拉机构717上；气体流动驱动管道710的进气端与第二管体62的另一端连接并连通，其出气端与与第一热交换管5连接连接并连通；活塞716上设置有通气口723，通气口723上位于出气方向的一端口处活动式安装有盖板733；第一旋转磁盘720与第二旋转磁盘730相互对应且间隔设置，其两者磁力相互吸引；第一旋转磁盘720 与第二旋转磁盘730相互对应且间隔设置，其两者磁力相互吸引，具体地，一级冷头贯穿常温箱体的壁后与第一低温真空箱的外壁紧贴，且制冷机的法兰通过密封圈固定在常温箱体的壁上；二级冷头贯穿第一低温真空箱的壁后与第二低温真空箱的外壁紧贴。

还包括置于常温箱体1内的伺服步进电机721和罩壳722，伺服步进电机721的转轴上套接固定于第一旋转磁盘720，罩壳722固定于伺服步进电机721上具有转轴的端面上，并对第一旋转磁盘720覆盖；其将伺服步进电机721和第一旋转磁盘720置于常温箱体1中来达到电机的正常工作，通过两磁盘的吸引连接来驱动推拉机构717动作。伺服步进电机721 固定在常温箱体1的内壁上。

工作原理，对第一热交换管5和第二热交换管6中充入氦气，此时先通过40W制冷功率的一级冷头41对第一低温真空箱2冷却至45K温度45K温度为：零下-228摄氏度，此时第一热交换管5内的氦气将第一低温真空箱2上45K温度吸收，然后伺服步进电机721通电第一旋转磁盘720旋转带动第二旋转磁盘730进行驱动推拉机构717动作，而实现活塞716在气体流动驱动管道710内往复运动，活塞716向出气方向运动时盖板733在反向气压的作用下封堵通气口723，且反向气压大于通气口723出气的气压，从而进行吸气工作，在吸气的过程中吸收45K温度的氦气流经第一管体和第二管体后进行热交换，将第二低温真空箱内的热量带至气体流动驱动管道710进气部位，同时第二低温真空箱3上的1W制冷功率二级冷头 42工作对第二低温真空箱3进行制冷，然后活塞716向进气方向运动时盖板733在通气口723 出气的作用下向上翻起使活塞716上的通气口723打开，此时通气口723出气将带有热量的氦气排至气体流动驱动管道710的出气部位，并压入至第一热交换管5内进行吸收45K温度进行冷却，最后依上述操作方式进行不断循环制冷，以使得第二低温真空箱3快速达到4K温度，从而提升第二低温真空箱内的4K温度制冷效率，进一步实现减少冷却时间。第一低温真空箱2的45K超低温环境对第二低温真空箱3的4K超低温环境进行防护作用，使超低温环境温度稳定的作用，

优选地，气体流动驱动管道710包括盒体711和出气筒体712，盒体711上设置有第一出气通孔714和进气通孔713，且出气筒体712的一端对应固定于第一出气通孔714上，出气筒体712的另一端设置有第二出气通孔726，进气通孔713与第二管体62的另一端连接并连通，第二出气通孔726与第一热交换管5连接并连通，推拉机构717包括联动杆，第二旋转磁盘730旋转式安装于盒体711的内壁上，活塞716置于出气筒体712内，且联动杆的两端分别与第二旋转磁盘730的偏心部734和活塞716旋转式连接；第一热交换管5、第一管体61、第二管体62或盒体711上设置有氦气输入口715；液氦存储罐8上设置有补气口81；其结构设置是通过联动杆使得旋转运动转变为进行驱动活塞716的往复平移运动，从而来驱动氦气的循环流动，以进行热量交换，补气口可时常对液氦存储罐8进行补气，补气口81通过管道贯穿第二低温真空箱、第一低温真空箱和常温箱体后与氦气补充装置连接，从而保持液氦存储罐内的液氦存储量，达到制冷机不工作一段时间也可达到4K温度的保持。

优选地，第一热交换管5、第一管体61、第二管体62或盒体711上设置有氦气输入口715，其仅是氦气输入的不同方式，从而氦气输入口715可根据实际需求进行设置具体位置。

盖板733的具体地安装结构，还包括铰接块729，活塞716上位于出气方向的一端面上部设置有连接槽731，铰接块729上设置有铰接槽735，盖板733的上端设置有铰接板732，铰接板732销轴铰接在铰接槽735内，且铰接块729通过螺栓固定于连接槽731内，铰接槽735上位于出气方向的一内壁与铰接板732之间存在间距，其利用间距使得活塞716向进气方向运动时盖板733在通气口723出气的作用下可向上翻起使活塞716上的通气口723打开，并且结构设计合理，组装便捷。

优选地，出气筒体712包括圆筒724和端盖725，圆筒724的一端口密封对接盒体711的第一出气通孔714上，端盖725密封固定在圆筒724的另一端口上，且端盖725上设置第二出气通孔726，密封对接可采用密封圈进行连接，或者采用密封胶进行连接，以防止氦气循环流动过程中发生泄漏。

如图8和图9所示，在本实施例中，第一旋转磁盘720包括第一盘体718，第一盘体718 上设置有多个环形阵列设置的第一安装槽719，第一安装槽719上安装有第一磁块100，多个第一磁块100的上端分别以S极和N极排列；第二旋转磁盘730包括第二盘体727，第二盘体727上设置有多个分别与各第一安装槽719位置对应的第二安装槽728，第二安装槽728上安装有第二磁块100，多个第二磁块100的下端分别以S极和N极排列；第一安装槽719 数量与第二安装槽728数量对应一致，第一旋转磁盘上的S极与第二旋转磁盘的N极位置对应，第一旋转磁盘上的N极与第二旋转磁盘的S极位置对应。其结构设置的第一旋转磁盘720 带动第二旋转磁盘730旋转运动的效率更高，提升设备运行的稳定性能。

上述中，第一热交换管5、第一管体61和第二管体62均采用金属波纹管，且金属波纹管具有热传导的作用，从而对第二低温真空箱内的4K空间进行快速换热，以达到其快速制冷的效果，同时安装较为便捷。

如图10所示，在本实施例中，还包括控制器85，补气口81上对接有补气管82，补气管 82上对接有外部储气罐83，外部储气罐83上安装有压力传感器84，压力传感器84和超低温制冷机4分别与控制器85相连并受其控制，其中控制器85采用PLC控制器，因超低温制冷机4连续运作约1万小时就需要进行维护，影响医院经营，若能延长超低温制冷机4使用寿命，则能大大提高医院用户体验，本发明通过监控外部储气罐83(其内部氦气在常温下为气体状态，低温情况下转变为液氦)压力，控制制冷机启停；由于气体转换成液体，或者液体转换成气体，体积会急剧变化，如氦气体积约为液氦的700倍，当超低温制冷机4停止以后，储液罐中液氦会逐步转换成氦气(温度上升)，从而使外部储气罐83和氦气管路中压力上升，当压力上升到某一PLC控制器设定值时，启动超低温制冷机4，相反当超低温制冷机 4工作一段时间后，氦气又重新转换为液氦，PLC控制器控制超低温制冷机4可以停止工作，如此反复，大大降低制冷机工作时间，从而延长制冷机寿命。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。