CN101105358A - 用于冷却的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于冷却被冷却设备的装置，包括：容纳被冷却设备的冷却剂容器(10)；充满冷却剂容器的气体冷却剂；制冷机(12)，其具有暴露在冷却剂容器(10)内部的冷却表面，用以冷却气体冷却剂；和气体流动发生装置，其布置用来使气体冷却剂在冷却剂容器内产生自由循环，以使得气体冷却剂被制冷机冷却，并被来自被冷却设备的热量加热，从而冷却被冷却设备。

Description

用于冷却的装置

技术领域

本发明涉及一种用于例如超导磁体的低温冷却结构的方法及装置。典型地，通过将这种结构至少部分地浸没在液体冷却剂槽中来冷却。对于超导结构，例如用于MRI(核磁共振成像)或NMR(核磁共振)扫描器等的超导磁体线圈，使用的液体冷却剂是液氦。典型的冷却剂槽以1000升数量级的容量容纳液体冷却剂。

背景技术

在制造的最后阶段，低温冷却的超导磁体经受训练周期。即，电流反复逐渐升高直到磁体保持电流不失超。因为在这些训练周期内可能发生一个或多个失超事件，所以会消耗大量的液体冷却剂。

词语“逐渐升高”指的是将电流逐渐导入超导磁体。一旦逐渐升高到达满电流，产生满磁场，那么超导磁体将会保持这种状态直到“逐渐降低”，即电流从磁体中移除并且产生的磁场降到零。

由于液氦不断增加的成本和全球性的短缺，就需要减少在将超导磁体冷却到低温所使用的和在训练周期中损失的液氦的量，以及储存在冷却剂槽中的氦的量。许多专利提出用隔离件来减少所需氦的容量，或提出各种类型的热连接，用于通过降低液面的氦来冷却磁体的超导部分(例如EP1522867)，以避免必需浸没在冷却剂槽中。在某些例子中，较少量的氦在冷却回路中循环：部分充满液氦并且与被冷却的设备热连接的热导管，与被安排来将氦保持在液体状态的低温制冷机连接(WO9508743)。

所有这些方案需要额外的昂贵部件。这增加了出故障的风险，例如冷却管的泄漏。万一失超，它们就是潜在的危险。例如，隔离件限制了气流通路，或因为冷却回路不能足够快地转移失超能量而导致线圈过热。由于能储存在磁体中的氦的最大量减少了，因此就需要特殊的方案来保持在运送过程中磁体冷却，例如copending联合王国的专利申请GB0515936.3所描述的带冷冻氮的容器。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供用于冷却物品的方法及装置，例如冷却超导磁体线圈，避免必需浸没在液体冷却剂槽中。

进一步地，本发明的目的在于提供用于冷却物品的方法及装置，例如冷却超导磁体线圈，避免必需设置冷却回路装置，使得能够使用具有大大减少的冷却剂储量的传统冷却剂容器。

因此，本发明提供了如所附的权利要求所限定的装置。

附图说明

理解下面对结合附图的若干实施例的描述之后，本发明的上述和进一步的目的、优点和特征将而变得更加显而易见，其中：

图1表示螺线管线圈低温恒温器的例子，其用于容纳螺线管磁体线圈，该线圈按照本发明被冷却。

具体实施方式

本发明不是提出将被冷却的设备浸没在液体冷却剂槽中，或通过热导管循环冷却剂，而是提出利用冷却的气体冷却剂，其在冷却剂容器内、环绕被冷却的设备自由地循环。

在本发明的某些实施例中，环绕被冷却设备的气体冷却剂循环通过强制通风产生，例如通过风扇。在其他实施例中，气体循环由环绕回路通道的自然热对流产生。已经发现这种实施例特别适合于冷却不对称设计的磁体。这种配置通常包括制冷机和/或加热器，其不对称地设置以产生充分的对流流动。在这种实施例中使用氦气作为气体冷却剂特别有益，因为氦的密度会随着温度而发生很大的变化。

当本发明保持在带有不对称设置的制冷机的传统冷却剂容器内，该制冷机包含气氦冷却剂而不是液氦时，通过成功地逐渐升高商用超导NMR磁体到满磁场并逐渐降低到零磁场，已经试验验证了本发明的运行。

一些已知的低温冷却系统设置有再冷凝制冷机。液体冷却剂通过气化来冷却被冷却的设备，从被冷却的设备中带走蒸发所需的潜热，保持其温度为液体冷却剂的沸点。再冷凝制冷机用于除去这些来自气化冷却剂的潜热，使它回到液态，以使系统中冷却剂的总蒸发是零，或实际上是零。液体冷却剂与气体冷却剂热平衡。这种零蒸发系统是最适于被改进的，以通过本发明提出的气体循环冷却进行冷却，因为除了用于再冷凝气化冷却剂的再冷凝制冷机，它们通常还具有用于蒸发剩余氦的加热器。加热器用于抵消氦可能出现的过冷却。如果再冷凝制冷机太有效了，那么冷却剂可能被冷却到几乎没有蒸发发生，被冷却的设备上部不再被气化冷却剂冷却，被冷却设备的下部可能达到比上部更低的温度。通过在被冷却设备的相对侧不对称地设置制冷机和加热器，可以产生充足的对流气流，以保持设备处于超导状态。

图1表示根据本发明实施例、通过制冷机和加热器产生对流气流的例子。在例子中，示出了环形圆柱体冷却剂容器10，其是通常用于安置MRI或NMR扫描器的螺线管线圈超导磁体的那类容器。容器10充满气体冷却剂，例如氦、氮、氩、氢或氖。正如通常在零蒸发低温恒温器中那样，设置有再冷凝制冷机12。该制冷机具有暴露在冷却剂容器10内部的再冷凝表面。再冷凝制冷机优选不对称地布置在容器一侧的弧形壁上。在所示的实施例中，加热器14设置在冷却剂容器中，并且位于适合于在气体冷却剂中建立热对流流动16的位置。加热器14的适当位置是正好相反地与再冷凝制冷机相对，如图1所示。

尽管不是必需的，优选地，加热器和制冷机应该布置在中心线AA的相对侧上，并且制冷机在竖直方向上应当比加热器位置更高，因为这有助于建立对流流动。在使用中，对本领域技术人员显而易见的是，制冷机12冷却冷却剂气体。冷却气体的密度将增加，在氦的例子中非常明显，并且冷却气体将倾向于沿循环16的方向下降离开制冷机。另一方面，加热器14将加热冷却剂使其膨胀，在氦的例子中非常明显。这将导致冷却剂气体沿循环16的方向上升。

气体的循环16通过制冷机12和加热器14的定位和运行来建立，根据本发明，该循环导致气体在冷却剂容器内、环绕任何可以被设置在容器内的被冷却设备自由地流动，例如用于MRI或NMR成像系统的螺线管线圈超导磁体。一定要确保制冷机12的冷却能力不被提供给系统的总热量超过，该总热量包括被冷却设备产生的热量、从外部流入的热量和加热器14的热输出。

实际上，少量液体冷却剂可以留在容器中，与气体冷却剂热平衡，以确保总是存在足够的冷却剂气体供应。这些液体冷却剂可以通过制冷机的再冷凝效应产生或保持。

因此，根据本发明的冷却配置需要极少的冷却剂，并可以配置成产生零蒸发和轻重量的系统。利用根据本发明的使用对流或强制气体循环的、具有较低或零液面的液体冷却剂的冷却具有如下优点。训练周期的成本降低，因为在每次失超中液体冷却剂的损失量大幅降低。失超消耗主要包括由失超产生的液体冷却剂损失的材料消耗，加上一旦失超结束、用来将被冷却设备冷却到回到运行温度的冷却剂消耗。在失超中损失的大部分冷却剂没有蒸发，而是被膨胀的气体冲出冷却剂容器。众所周知，失超之后留在磁体中的冷却剂的液面不是主要由最初的冷却剂液面决定的：以100％或50％的满磁体开始，在任一情况下你都以20％的充填结束。根据本发明，较少的冷却剂提供在容器中，因此在失超过程中损失较少的冷却剂。由于在装运之后需要较少的液体冷却剂或不需要液体冷却剂，因此现场安装的成本减少。

对于短途航线，系统可以装运有充有冷却剂气体的容器10，该冷却剂气体用于根据本发明冷却设备；对于长途航线，例如一个月长的海运，冷却剂容器可以充至它的满容量，通过运输过程中的冷却剂气化来保持被冷却的设备处于它的运行温度。这种配置不可能使用低容量系统，其在装运过程中需要冷量存储装置或制冷机。前者很昂贵；后者不允许装在飞机上，并且在公路或海运运输中的运行很昂贵。如本发明所提供的系统是很有吸引力的选择，该系统能够充满冷却剂用于运输，但在实际运行时是空的。

有利地，因为失超压力降低了，所以在失超的情况下损坏被冷却设备的风险降低了。大大减少的冷却剂出现在容器10中，所以在失超过程中容器内的气体压力大大减少，这是因为没有大量的液体冷却剂排出。此外，具有降低的最大气压的这一特征导致更廉价的冷却剂容器10设计，因为在失超过程中的最大气压低于已知的系统。

类似的，由于冷却剂容器中提供的液体冷却剂量大大减少，因此用于排出制冷剂冷却剂的排放通路、即所谓的失超管或入口塔，可以做成比传统系统小得多。这将会导致降低的制造成本，和减少的通过失超管的热流入。

在优选实施例中，如果制冷机和任何存在的加热器的不对称布置可以保证充足的对流气流，那么用于例如超导磁体的被冷却设备的零气化冷却剂容器能够不用、或使用非常少的液体冷却剂而成功地运行。在某些实施例中，不需要加热器。制冷机的位置偏离中心线AA，这足以保持循环流动。制冷机应该连续运行以保持对流流动的进行。

除减少冷却剂材料成本以外，例如本发明所提供的不用液体的磁体在失超情况下经受了更小的压力。在替换实施例中，冷却由制冷机提供，而气体冷却剂所需的循环由气体流动发生装置提供或协助，例如风扇。

Siemens MAGNETOM Avanto磁体被成功地向上提升并保持在满磁场，并且当通过根据本发明的冷却气体循环被冷却时，磁体降低到零磁场，本发明的冷却剂容器内没有液体冷却剂出现。磁体运行而不会失超。

尽管特别参照再冷凝制冷机进行了描述，但是本发明也可以应用于气体冷却剂，其在高于它们沸点的温度下使用，并且其中制冷机不是作为再冷凝制冷机运行。在这种实施例中，制冷机作为冷却制冷机运行，并且冷却剂容器内将没有液体冷却剂出现。这种实施例在使用所谓的高温超导(HTS)导线材料的系统中特别有效，该导线材料的临界温度大大超过氦的沸点，但低于氮的沸点，例如临界温度为39K的MgB₂。液体氖，一种用于这种材料的天然冷却剂，是昂贵的。本发明的使用温度大约为20K的气体氦的实施例能够有效地用于冷却这种使用高温超导导线的设备。10或20K的低温制冷机比再冷凝4.2K的冷头更便宜。

Claims (12)

1.一种用于冷却被冷却设备的装置，包括：

容纳被冷却设备的冷却剂容器(10)；

充满冷却剂容器的气体冷却剂；

制冷机(12)，其具有暴露在冷却剂容器(10)内部的冷却表面，用以冷却气体冷却剂；和

气体流动发生装置，其布置用来使气体冷却剂在冷却剂容器内产生自由循环，以使得气体冷却剂被制冷机冷却，并被来自被冷却设备的热量加热，从而冷却被冷却设备。

2.根据权利要求1所述的装置，其中气体流动发生装置包括风扇。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，气体流动发生装置包括冷却剂容器内的加热器(14)，其位于适合于在气体冷却剂中建立热对流流动(16)的位置。

4.根据权利要求3所述的装置，其中加热器(14)位于正好相反地与制冷机(12)相对的位置，加热器和制冷机布置在竖直中心线(AA)的相对侧，并且制冷机在竖直方向上位于比加热器更高的位置。

5.一种用于冷却被冷却设备的装置，包括：

容纳被冷却设备的冷却剂容器(10)；

充满冷却剂容器的气体冷却剂；

制冷机(12)，其具有暴露在冷却剂容器(10)内部的冷却表面，用以冷却气体冷却剂，并且不对称地设置在冷却剂容器中，用以通过冷却剂容器内的自由热对流(16)产生气体冷却剂的循环，以使得气体冷却剂被制冷机冷却，并被来自被冷却设备的热量加热，从而冷却被冷却设备。

6.根据权利要求5所述的装置，进一步包括冷却剂容器内的加热器(14)，其位于适合于辅助气体冷却剂中的热对流流动(16)循环的位置。

7.根据权利要求6所述的装置，其中加热器(14)位于正好相反地与制冷机(12)相对的位置，加热器和制冷机布置在竖直中心线(AA)的相对侧，并且制冷机在竖直方向上位于比加热器更高的位置。

8.根据前述任一权利要求所述的装置，其中气体冷却剂至少包括氦、氮、氩、氢和氖中的一种。

9.根据权利要求8所述的装置，其中气体冷却剂包括氦。

10.根据前述任一权利要求所述的装置，提供有一些液化的气体冷却剂，其与冷却剂容器中的气体冷却剂热平衡，足以确保有足够的气态冷却剂气体供应，所述液化的气体冷却剂不与被冷却设备接触。

11.根据前述任一权利要求所述的装置，其中冷却剂容器是环形圆柱体形状。

12.基本上如说明书描述和如图1所示的装置。