GE HDi 1.5T MR 冷头系统的工作原理及故障维修

王辉林，范恒全，酒晓林

（联勤保障部队第980 医院放射诊断科，石家庄 050082）

0 引言

MR 检查具有无辐射、信息丰富等多种优势，尤其是在神经系统、肌肉、软组织、肿瘤等方面成像优势明显，在临床诊疗工作中发挥着十分重要的作用[1]。临床常用的MR 检查设备均为超导MR 设备，主磁场线圈需要在超导状态下通电产生并维持主磁场。目前无论低温超导材料还是所谓高温超导材料仍需要在零下269 ℃才能达到超导临界点，因此主磁场线圈需要冷却系统保持低温以维持线圈的超导状态。冷头系统作为超导MR 设备重要的组成部分，是维持主磁场线圈超导状态的关键部件，其通过控制氦气的气-液转换保证主磁场线圈的低温环境，维持超导状态，进而保障MR 设备正常运行[2]。

我院于2017 年12 月引进GE HDi 1.5T MR 设备，目前处于满负荷工作状态，其故障以长时间连续运行的冷头系统为主。本文详细介绍MR 设备冷头系统的组成及工作原理，并选取GE HDi 1.5T MR 在运行过程中遇到的4 例冷头系统故障，分析故障原因，给出具体排除过程，以供同业人员参考。

1 MR 冷头系统的组成及工作原理

超导MR 设备的冷头系统包括冷头、液氦压缩机、水冷机及其连接管路4 个部分，工作原理及实物图如图1 所示。冷头系统的核心部件为冷头，标准名称为低温制冷机，其制冷温度普遍可达120 K 以下。在超导MR 设备中主要使用以液氦为冷媒的低温制冷机。常用低温制冷机主要包括斯特林制冷机、GM制冷机、脉管制冷机等类型，其中GM 制冷机技术成熟，成为国际上唯一大批量生产的低温制冷机。1995 年，日本住友公司首次将商业4K 冷头投放市场，推动超导MR 设备进入液氦零挥发（zero-boiloff）时代。目前，住友4K 冷头是全世界所有主流超导MR 设备厂家的标配，例如GE 的MR 设备采用408A/412A 制冷机，西门子和部分佳能的MR 设备采用408L/412L 制冷机，联影、日立的MR 设备采用408D/412D 制冷机。我院GE HDi 1.5T MR 冷头系统采用的是RDK-408A3 制冷机。

图1 冷头系统工作原理及实物图

冷头既是二级膨胀机又是制冷部件，高压氦气在此吸热、膨胀带走热量，低温氦气则通过两级缸套端面的钢垫圈将冷量传导至超导磁体的两级冷屏上，从而维持液氦中超导线圈的环境温度。液氦压缩机主要通过软管与冷头相连，回收从冷头返回的高温氦气并为冷头提供低温氦气，同时将冷头制冷过程中吸收的热量通过氦气压缩传导至水冷机，水冷机则冷却高温氦气，最终将热量经过水循环发散至室外。冷头系统通过水冷机组、液氦压缩机和冷头协同工作维持主磁体的超导状态，有效减少了液氦的挥发[3]。

2 维修案例

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

冷头监测系统报警，检查后发现是阿尔西水冷机（型号：10.0 P6 R407C）故障，故障信息为“compressor alarm！！！”。

2.1.2 故障分析及排除

根据故障现象和故障代码的提示，初步判断为阿尔西水冷机的压缩机相关电路故障。具体操作如下：

（1）重启水冷机。因故障发生在夏季，室外温度过高，压缩机可能因长时间工作触发过热保护[4]。因此将压缩机彻底断电停机10 min 后重新开机，约5 min后故障再次出现。

（2）检查压缩机。压缩机重启后无异响。测量压缩机绕组三相电压、电流分别为401 V/6.7 A、398 V/6.8 A 和390 V/7.2 A，电压、电流示数均正常，可暂时排除压缩机自身故障[5-6]。

（3）从压缩机电源端依次排查过流保护器、相序保护器[6]、热继电器、交流接触器等电路元件。通过外观检查及插拔测试排除明显故障元器件后，采用逐个更换元器件的方式定位故障元件。具体操作步骤：先更换过流保护器，重启测试发现故障依旧；随后更换相序保护器并再次重启测试，故障未排除；最后更换与原件同规格的施耐德品牌的热继电器和交流接触器（两者为一体化元件，如图2 所示），重启开机，故障排除，机组恢复正常运行。

图2 热继电器和交流接触器更换前后对比图

2.2 故障二

2.2.1 故障现象

磁体监测器示数为1.25 psi（1 psi=6.895 kPa），压力值偏高（正常压力范围为0.9～1.1 psi）。

2.2.2 故障分析及排除

磁体压力偏高通常由冷头系统故障导致，因此对冷头系统部件逐个进行排查：

（1）冷头。工作状态下冷头无异常杂音[7]，且由于该冷头为保修期内更换的原厂配件，使用时间较短，出现故障的概率较低。

（2）冷头水冷机。水冷机操作面板温度显示为“InletTemp.22.7℃/OutletTemp.19.2℃”，温度在正常范围内，水冷机工作正常。

（3）液氦压缩机。经观察，发现液氦压缩机工作指示灯显示正常，但SUPPLY PRESSURE（供气压力）偏低（示数为1.95 MPa，正常值范围为2.2～2.3 MPa），RETURN PRESSURE（回气压力）正常（示数为0.5～0.6 MPa）[8]。考虑是液氦压缩机欠压，导致冷头制冷效率减低，进而导致磁体压力升高。因此请专业人员灌注氦气使氦压恢复至2.3 MPa，24 h 后磁体压力降到1.005 psi，磁体压力恢复正常，故障排除。

2.3 故障三

2.3.1 故障现象

冷头监测系统报警，检查后确认阿尔西水冷机故障，水冷机操作面板显示“InletTemp.30.7℃/Outlet－Temp.28.2℃”，表明水冷机温度过高，正常应为“InletTemp.22℃/OutletTemp.19℃”。

2.3.2 故障分析及排除

根据故障现象和报错代码“Low Pressure”（欠压），初步判断为阿尔西水冷机管路压力不足，提示R407C 制冷剂不足，采用以下步骤进行故障排除：

（1）排查整个制冷剂回路。经检测，发现制冷系统管路的压力为0。为排查漏点，使用1.5 MPa 氮气对管路进行分段加压，具体分段为冷凝器及高压区、蒸发板区、R407C 制冷剂压缩机及低压区。加压检测后发现冷凝器高压管路有3 处漏点、高压电磁阀有漏点，更换冷凝器部分高压管路及电磁阀后，制冷系统管路压力恢复正常（高压为14 MPa，低压为4 MPa），故障排除。

（2）清理杂质。制冷系统内可能存在氧化物以及其他杂质，因此使用化学药物对整个管路进行清洗，并更换系统干燥过滤器。

（3）排出管路内空气确保其呈负压真空状态后，加注杜邦R407C 制冷剂，重启机器，故障信息消失，系统正常运行。

2.4 故障四

2.4.1 故障现象

冷头监测系统报警，检查后确认阿尔西水冷机故障，故障信息为“water high”。

2.4.2 故障分析及排除

根据报错信息提示，初步判断为水冷机水路故障。经检查，发现丙二醇液位不足。排查整个丙二醇回路，发现水泵连接处压力表内有黄色丙二醇溢出[9]，因此考虑压力表故障。更换全新的压力表，定量加注丙二醇防冻液后[10]，故障排除。

3 冷头系统的日常维护

3.1 外观检查

定期检查冷头、液氦压缩机、水冷机的各个循环管路及相连设备的外观，观察是否存在破损、泄漏；每天观察并记录磁体的压力、液氦压缩机、冷头和水冷机的运行参数等[11-12]。

3.2 通风检查

定期冲洗水冷机组室外机的散热器，尤其是在春天杨絮漫天飞的季节，很容易造成水冷机高压报警[13]。

3.3 部件使用时间登记

冷头和压缩机等运行时间长、负荷重，使用达到设计寿命后应及时更换配件[14]。冷头各核心部件的使用寿命如下：旋转阀为3 a，摩擦密封为1～3 a，液氦压缩机为5 a，吸附筒为1 a。

4 小结

冷头系统是MR 设备重要的组成部分，一旦出现故障会造成设备直接停机，直接影响医院正常的诊疗工作[15]。冷头系统的检测与维修价格昂贵，通常单次检测服务费就高达3 万元，且在未购买全保的情况下，受限于各单位的大型设备维修流程及财务规章制度，维修周期偏长。而冷头长期故障会导致液氦大量挥发，甚至导致MR 设备失超，造成更大的经济损失及安全隐患[16]。因此，临床维修工程师应具备过硬的维修能力，熟练掌握所修设备的工作原理、组成结构以及设备的详细运行状态，以对关键部件故障进行初步的分析及处理，保证人员及设备的安全。同时应做好设备日常管理及维护工作，储备简易的易损零配件及常用耗材，对设备故障具备一定的处理能力，最大程度地保障设备正常运行，支持临床工作，降低维保成本。