T超導(dǎo)磁共振的制冷系統(tǒng)工作原理及日常維護(hù)

1.5T超導(dǎo)磁共振的制冷系統(tǒng)工作原理及日常維護(hù)1.5T超導(dǎo)磁共振制冷系統(tǒng)的工作原理及日常維護(hù)1.醫(yī)用磁共振技術(shù)是當(dāng)代醫(yī)學(xué)影像診療技術(shù)的一種里程碑醫(yī)用磁共振設(shè)備重要由磁體、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等硬件構(gòu)成。這些硬件的不停改善和變革是多個(gè)成像技術(shù)得以發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。其中磁體的發(fā)展是從低場到高場，從永磁型磁體到超導(dǎo)型磁體。能夠說超導(dǎo)型高場磁共振機(jī)是現(xiàn)今醫(yī)學(xué)影像診療中的主力，它是當(dāng)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)傳導(dǎo)技術(shù)、低溫制冷技術(shù)、精密儀器制造技術(shù)、醫(yī)學(xué)物理和化學(xué)技術(shù)共同作用的結(jié)晶。超導(dǎo)是指某些金屬導(dǎo)體在溫度降到靠近絕對零度(-273℃)時(shí)，阻值靠近于零。電子流在這種金屬導(dǎo)體(即線圈)內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生高磁場。超導(dǎo)磁共振必須使用液氦作為制冷介質(zhì)，氦是已知全部物質(zhì)中沸點(diǎn)最低的，沸點(diǎn)是4.2K，并且只有氦在非?？拷^對零度時(shí)不會(huì)凝成固體，運(yùn)用液氦可獲得靠近絕對零度的低溫為超導(dǎo)線圈建立和保持超導(dǎo)環(huán)境(4.2K，-269℃)。磁體采用多層真空絕熱構(gòu)造，但由于構(gòu)造支撐等多個(gè)因素，不可能完全制止熱傳導(dǎo)，因此液氦會(huì)以蒸發(fā)的形式帶出導(dǎo)入的熱量，以維持4.2K的低溫。為減少液氦的蒸發(fā)，超導(dǎo)磁共振上普通都配有制冷系統(tǒng)，提供冷量減少液氦蒸發(fā)。我們能夠稱低溫致冷劑(液氦)的揮發(fā)為“自冷”而為磁體提供冷量的制冷系統(tǒng)可稱為“制冷”，正是自冷和制冷兩種機(jī)制的共同作用，才有效地維持著磁體的低溫環(huán)境，并反過來減少致冷劑的損耗，制冷系統(tǒng)直接關(guān)系到MR致冷劑(液氦)的損耗，只有確保制冷系統(tǒng)的正常工作才能夠使醫(yī)院獲得更高的效益，因此制冷系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)是醫(yī)院設(shè)備工程師的重要工作之一。2.磁共振制冷系統(tǒng)的構(gòu)成及關(guān)系2.1構(gòu)成:磁共振制冷系統(tǒng)由水冷機(jī)組、氦制冷機(jī)、冷頭三部分構(gòu)成。2.2關(guān)系圖1如圖1所示，事實(shí)上氦制冷機(jī)可看作水冷機(jī)組的部分負(fù)載(水冷機(jī)組還為CCA控制柜、GPA梯度放大器等提供冷量)而冷頭又是氦制冷機(jī)的負(fù)載，由此可見，整個(gè)磁體正冷系統(tǒng)是由三級聯(lián)冷來實(shí)現(xiàn)的，即水冷機(jī)提供一定溫度的冷水(10℃左右)使氦制冷機(jī)的高壓氦氣得以冷卻;氦制冷機(jī)又作為冷源，通過冷頭活塞膨脹氦氣使冷頭溫度驟降;冷頭的低溫在兩個(gè)冷屏上的傳輸最后使磁體得到預(yù)期的冷卻。上述三級中任何一環(huán)節(jié)故障都會(huì)使整個(gè)磁體冷卻系統(tǒng)癱瘓，從而使致冷劑的揮發(fā)成倍增加。3.制冷系統(tǒng)的工作原理3.1水冷機(jī)組工作原理水冷機(jī)組工作原理與空調(diào)類似，在此不再贅述。3.2氦制冷機(jī)工作原理氦制冷機(jī)的功效是在壓縮機(jī)內(nèi)壓縮氦氣，然后在冷頭處膨脹以使冷頭處在低溫環(huán)境。我院西門子SYMPHONY1.5T超導(dǎo)型磁共振是較為常見的機(jī)型，下面著重介紹該機(jī)配備的LEYBOLDRW6000型氦制冷機(jī)。圖2RW6000型氦制冷機(jī)工作原理圖為闡明問題，先從經(jīng)冷頭返回的低壓氦氣(約7bar)輸入端看起，該低壓氦氣進(jìn)入后被直接送往氦壓縮機(jī)。壓縮后的氦氣壓力升至22bar左右，同時(shí)溫度也變得非常高，緊接著該高溫高壓氦氣流被驅(qū)往熱交換器變?yōu)楦邏旱蜏睾猓摳邏旱蜏睾馔ㄟ^長達(dá)數(shù)米的密封保溫軟管直達(dá)位于磁體上的冷頭，并在那里節(jié)流，使氦氣快速膨脹而發(fā)生焦耳-湯姆孫效應(yīng)，其成果使氦氣溫度進(jìn)一步下降并向周邊吸熱從而使冷頭產(chǎn)生所需要的冷量，膨脹后的低壓氦氣又被送回制冷循環(huán)輸入端開始下一流程。值得注意的是，RW6000型氦氣制冷機(jī)內(nèi)部除了氦氣循環(huán)外還牽涉到油循環(huán)，氦氣壓縮機(jī)采用油介質(zhì)來密封、潤滑以及冷卻的，由上圖可看出，油介質(zhì)在熱交換裝置中與水發(fā)生熱交換，然后通過油氣分離裝置(油阱)和油吸附器與氦氣分離。3.3冷頭的工作原理如圖3所示:冷頭與氦制冷機(jī)構(gòu)成一種閉路氦氣循環(huán)，兩者通過絕熱柔性壓力管相連，充滿高純度氦氣。冷頭是一種二級膨脹機(jī)，通過壓縮的高純氦氣在這里膨脹帶走周邊的熱量，通過兩極缸套端面的銦墊圈將冷量傳輸?shù)酱殴舱竦倪@2個(gè)冷屏上，為其提供20K77K兩級低溫。冷頭由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)閥、配氣盤、活塞和氣缸構(gòu)成。其運(yùn)行方式是驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)閥在配氣盤上旋轉(zhuǎn)，控制活塞壓縮和膨脹氣體，形成高壓氣體腔和低壓氣體腔的交替循環(huán)，完畢吸入高壓低溫氦氣(22Bar，8℃)排出低壓高溫氦氣(7Bar，30℃)的過程，同時(shí)將冷頭中的熱量帶到氦制冷機(jī)中。圖34.制冷系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)前已言之，磁體制冷系統(tǒng)是采用三級聯(lián)冷來實(shí)現(xiàn)的，因此，制冷系統(tǒng)三個(gè)重要部分在日常工作中都是保養(yǎng)維護(hù)的范疇，下面將分開敘述三部分的維保工作。4.1水冷機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)由于水冷機(jī)組主機(jī)置于室外，針對其的維保規(guī)定嚴(yán)格，具體內(nèi)容以下:(1)前，我院采用啟動(dòng)式水循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)需定時(shí)觀察設(shè)備上的壓力表，如果數(shù)值低于規(guī)定值，需通過補(bǔ)水箱添加蒸餾水。后，我院針對水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改裝，改裝為封閉式系統(tǒng)，通過壓力感應(yīng)閥控制循環(huán)系統(tǒng)水量，因此，改裝后的循環(huán)系統(tǒng)不存在水量局限性問題。(2)定時(shí)檢查室外機(jī)組冷凝器及電扇上有無雜物，如果有的話應(yīng)及時(shí)清理，建議一種月進(jìn)行一次清理工作。(3)定時(shí)清洗室外機(jī)組冷凝翅片上的灰塵，可用毛刷清掃或用自來水沖洗，建議每三個(gè)月進(jìn)行一次清潔工作。(4)冬春季水冷機(jī)組特別闡明:由于我院地處廣東北部，冬春兩季很長時(shí)間處在陰冷潮濕時(shí)段，此時(shí)應(yīng)特別注意:①各溫度傳感器工作狀態(tài)，特別是注意出水傳感器，如果出現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)更換，由于傳感器故障容易造成水冷機(jī)組過冷化，冬季溫度低會(huì)如果過冷工作會(huì)造成水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)冰，并破壞壓縮機(jī)。②冬春季潮濕，室外機(jī)內(nèi)部各鐵制器件易發(fā)生銹蝕，如不及時(shí)解決將使水冷機(jī)組發(fā)生故障，普通在這些器件上涂抹黃油可避免生銹。4.2氦氣制冷機(jī)的維護(hù)LEYBOLD公司生產(chǎn)的RW6000型氦制冷機(jī)普通狀況下工作很穩(wěn)定，通過我院長達(dá)8年的工作統(tǒng)計(jì)看，其在構(gòu)造及原理上設(shè)計(jì)的相稱完美，唯一要注意的是其內(nèi)部的油吸附器(見圖4)要定時(shí)更換。圖4吸附器是過濾氦氣中油霧的重要部件，它的好壞與否關(guān)系到冷頭的使用壽命，這是由于氦氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，氣里面帶有油霧(壓縮需油潤滑)通過油阱過濾掉大部分，剩余的完全依靠吸附器吸附掉，而吸附器的重要成分是活性炭，一定時(shí)間后就會(huì)飽和，失去吸附作用這樣油就會(huì)跟隨氦氣污染管道，進(jìn)入冷頭中凍結(jié)，造成活塞急劇磨損。因此吸附器應(yīng)定時(shí)更換，普通建議1.5-2年更換一次(與冷頭活塞一同更換)。4.3冷頭的維護(hù)和保養(yǎng)冷頭和壓縮機(jī)一刻不停的運(yùn)行，額定工作壽命普通在(1.5～2)年。冷頭的的工作狀態(tài)直接影響液氦的揮發(fā)，同時(shí)冷頭價(jià)格比較昂貴。對冷頭的維護(hù)和保養(yǎng)應(yīng)做到下列幾點(diǎn):(1)值班人員做好日常監(jiān)測工作值班人員應(yīng)每天統(tǒng)計(jì)液氦面值，用以計(jì)算一段時(shí)期的液氦揮發(fā)率。如發(fā)現(xiàn)有上升趨勢應(yīng)及時(shí)采用對應(yīng)方法。工作人員注意監(jiān)聽冷頭工作鳴音與否正常。如發(fā)生意外停電，來電后應(yīng)及時(shí)人工恢復(fù)電力并啟動(dòng)氦制冷機(jī)。長時(shí)間停電，冷頭兩級要恢復(fù)正常溫度需要(1～2)天時(shí)間，因此要盡量避免夜間無人值班，避免遇瞬間停電時(shí)不能及時(shí)恢復(fù)電力。(2)定時(shí)更換冷頭活塞(見圖5)圖5為延長冷頭正常使用壽命，改善冷頭的工作狀態(tài)，應(yīng)定時(shí)(2年左右)對冷頭中的活塞進(jìn)行更換。活塞(displacer)是冷頭制冷的核心部件，材料是絲綢膠木(防磁不磨損缸筒)，以鉛丸為填料(蓄冷增重)。活塞長年以2Hz的頻率在缸筒內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，隨時(shí)間不停磨損，造成氣密不嚴(yán)、制冷效率下降。另外超期使用會(huì)使填料松漏，嚴(yán)重的會(huì)將活塞卡死在缸套中造成徹底報(bào)廢，也可引發(fā)磁體失超。更換冷頭活塞需要將冷頭停機(jī)，由于冷頭并不與液氦層相連而是與冷屏相連，更換時(shí)間不會(huì)超出三個(gè)小時(shí)，因此不會(huì)造成液氦的大量損失。另外，更換活塞后應(yīng)對冷頭內(nèi)部進(jìn)行純化。純化的目的是使系統(tǒng)內(nèi)充滿對應(yīng)壓力的高純度氦氣，而不能含有空氣，否則空氣中的某些成分(水蒸氣、二氧化碳)在冷頭的超低溫環(huán)境下形成結(jié)晶凍住活動(dòng)部件，造成冷頭在很短時(shí)間內(nèi)損壞。因此應(yīng)采用先抽真空，再充人純度為99.999%的氦氣，然后放掉氦氣重新抽真空的辦法，重復(fù)(4～5)次達(dá)成效果。5.小結(jié)維