超导核磁共振水冷系统的原理与故障维护

于同萧

超导核磁共振是临床医学影像检查设备之一，其结构复杂，价格高昂，对使用环境要求较高[1]。目前，医疗使用超导核磁共振的超导磁体均由液氦作为制冷剂，液氦作为一种战略物资，其价格不菲，资源贫乏，且主要依赖于进口，使用中的液氦损耗和稳定程度主要取决于到达液氦容器的热量，因此通过一套稳定可靠的冷却系统24 h不停运转，来维持超导核磁共振设备的超导能力，从而尽可能减少液氦的挥发[2]。此外，超导核磁共振的梯度线圈系统和射频系统在工作时会产生大量热能，同样需要冷却系统将热量及时导出[3]。以北京中医药大学第三附属医院使用的Achieva 1.5T型超导核磁共振系统(荷兰飞利浦公司)为基础，结合水冷系统的故障案例，对其原理、故障维修和维护进行研究与探讨，供同行参考。

1 冷却系统构成及水冷系统分析

1.1 冷却系统构成

医用超导核磁共振均采用三级联冷设计，即冷头、氦冷和水冷。冷头直接连接超导磁体的冷屏，通过冷屏将超导磁体线圈降至一个超低温，目前主流的4 K冷头能将磁体降温至-269.15 ℃，从而实现超导。冷头的工作原理即热力学第二定律，使经过冷头的液氦膨胀不断带走热量；氦冷主要利用氦压机使氦气实现循环，将冷头导出的热量交换给水冷系统；水冷系统工作流程与家用空调类似，只多出一套水循环，此循环同时给超导核磁共振的梯度线圈系统和射频系统降温，以保证其高效、稳定工作；最后所有热量通过水冷系统的氟利昂循环导入至室外大自然中，核磁共振冷却系统工作流程如图1所示。

图1 核磁共振冷却系统工作流程图

1.2 水冷系统构成

CSRAT型水冷机组(意大利克莱门特公司)是一套典型的双系统风冷式水冷系统，其工作流程及原理与空调系统相似。核磁共振系统产生的热量由冷水循环系统通过热交换器3带到热交换器1和2，而机组1和2分别由冷凝器、压缩机以及热交换器等构成两个独立制冷循环系统，此系统将交换的热量通过冷凝器和风机散发到自然界中，从而保证核磁共振系统始终处于良好的低温工作环境中[4](如图2所示)。

图2 水冷系统工作流程图

水冷系统中有一个长期关闭的自来水接入口，此接口为应急设计，当水冷机组损坏停止工作时，可手动紧急切换至大量自来水冲刷模式，最大可能保证氦压机正常工作，从而减少液氦挥发与氦压机损伤[5]。

为满足核磁共振系统工作要求，水冷系统应具备的品质主要有以下8个方面：①双独立制冷系统，平时交替运行，当一套系统发生故障时，可自动切换至另一套系统，从而保证24 h不间断运行；②双水循环泵，日常一用一备，可自动切换；③可自动检测水温或回水温度，通过控制压缩机容量调节滑阀，自动调节机组制冷量；④水箱具备液位开关，低水位报警功能可防止水泵干转；⑤设有流量监测及调节装置，保障正常工作时的水流量达到要求；⑥自动记录至少前10次故障，以方便维修人员及时判断与维修；⑦按照工业标准设计，安装方便、易于维护、噪音低、震动小、适合24 h不间断运行；⑧使用环保制冷剂，如R405A、R411B、R411C等。

2 水冷系统故障维修案例

2.1 故障案例一

(1)故障现象。BO-502F型水冷机(北京博昊宇机电设备有限公司)出现TC1报警，复位后工作正常，数分钟后又出现E2,A1报警。

(2)故障分析与处理。根据A1,E2冻结报警及冻结传感器报警提示，判断为水冷机水箱缺水或温度传感器损坏。先检查水冷机水箱，在水冷机不关机情况下拧开盖子，并用手按下中间按针查看是否有水流出，若无水流出，则表明水箱缺水，需要利用自来水循环装置加水。在切换自来水循环后，发现无水流出，观察水管左侧水压表读数较低，排查发现自来水管被泥沙堵塞，且短时间内找不到疏通办法，因此，通知科室将核磁共振关机并关闭水冷机组，用扳手拧开水箱顶部接头，直接用水管加水后再拧紧水盖，将配件损坏的机器关闭，启用另一组未损坏机组。交流接触器在吸合工作中发生不间断刺耳声响，判断此声响由交流接触器吸合不良导致，需要立即更换，如长时间吸合不良会导致机器电路短路，损坏其他配件而发生严重后果。若无新配件，可临时将红线标注位置电线并在一起处理，待配件到位后及时更换，应注意不要接错线，避免压缩机齿轮反向旋转导致损坏。

处理完后开启压缩机和水泵，若报警并未消除，则考虑温度传感器损坏。温度传感器位置在机器正中间，可直接拔出，将拔出的温度控制器与另一个交换测试使用，确定温度传感器损坏，需直接更换，更换完成之后水冷机恢复正常，故障排除。

2.2 故障案例二

(1)故障现象。CSRAT型水冷机组报警提示管路压力过低，缺制冷剂。

(2)故障分析与处理。设备运行6年制冷剂正常损耗，按照说明补充了制冷剂，启动设备运转正常，15 d后报警再次出现，因此怀疑有泄漏现象。补充制冷剂后，用肥皂水顺管道慢慢刷涂，在管道上未发现有砂眼，打开室外机冷凝器发现翅片里有压缩机油渗出，判断表冷器焊点有砂眼，根据压缩机油渗出位置和形状，破坏了约10 cm2翅片，并找到了一处砂眼。联系专业人员排放制冷剂，焊接砂眼，抽真空再补充制冷剂及压缩机油等，调整参数，开机，设备正常。30 d后故障再次出现，进一步检查表冷器依旧有压缩机油渗出，仔细检查发现表冷器内层铜管同样存在砂眼泄漏情况，由于此位置无法进行焊接作业，只能更换整个水冷机组或者更换表冷器，但更换水冷机组工程大，影响时间长，且花费较高，联系厂商得知此款水冷机已停产，而表冷器需要单独定做，且花费昂贵。经技术分析决定利用原有压缩机与控制系统，更换同等功率DHT型V型冷凝机组(东莞东华制冷设备有限公司)，当冷凝机组到位后，先安装固定，再连线焊接管道，完成后将原水冷机组停机断电，完成新冷凝器与原设备压缩机连接以及控制系统的连接后，抽真空，加制冷剂等。开机检测，系统正常工作再无出现此故障。

2.3 故障案例三

(1)故障现象。CSRAT型水冷机水循环系统缺水导致核磁共振高温报警。

(2)故障分析与处理。先检查水冷系统进水温度和压力，均在正常范围内，再检查进水量发现进水量偏少，进一步检查发现三级过滤的第一级滤芯已变黑色，第二级滤芯已变黑褐色，因此，停机更换滤芯，再加水重新启动，排空气，系统正常工作，故障排除。

3 水冷系统的维护

因水冷系统需要24 h不间断进行水循环与制冷循环，当室外机组在工作环境相对恶劣情况下，更容易发生故障。

(1)室外机杂物灰尘清理。室外机表冷器的工作原理决定其必须与自然环境开放式接触，而其片状的密集格栅式结构又极易吸附灰尘和细小杂物等，尤其是北方飘杨柳絮的季节，需要每周清理1次，否则其散热效率会大幅降低，导致水温过高报警，严重时冷头停止工作。此外，在东北地区，冬天室外机还会发生冻结现象，同样需要格外注意。

(2)检查水压、水流量、水质和跑冒滴漏等情况。核磁装机前在水循环管道内可能存在部分空气，后期使用过程中会逐渐排出，如有跑冒滴漏就会造成管道水压下降现象，严重时会导致水泵停机。水冷系统连接管道多，接头多，长期使用可能会出现松动和渗水现象，需要及时更换相关部件并补充水。

(3)定期检查清洗水循环过滤装置。因水本身携带杂质，在长期使用过程中难免存在水垢脱落、管道腐蚀以及碎屑脱落等现象，这些杂质会在过滤装置处堆积，从而影响正常水循环，导致水流量不足等问题。

(4)定期检查传感器及各部分电路锈蚀问题。南方梅雨季以及春冬季雨雪天，气候阴冷潮湿，持续时间较长，各种传感器极易发生故障，线路板也会出现锈蚀，影响设备工作，需要及时排查，必要时要进行防腐处理。

4 小结

水冷系统是核磁共振系统最重要的辅助系统，通过了解水冷系统工作原理，对可能出现的故障原因和故障表现进行归类，结合相关设备典型实例分析，对水冷系统在不同环境下的维护保养进行了总结，以达到降低使用成本，提高工作效率。