CN101106006B - 低温冷却的设备的闭环预冷 - Google Patents

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Abstract

一种用于对位于低温容器(26)内的低温冷却的设备(20)进行预冷的装置，该装置具有第一闭环冷却回路(30)，该第一闭环冷却回路包含传热流体、用于使该传热流体绕该封闭回路循环的循环器(32)、以及热量提取器(34)，该热量提取器布置成用于提取来自该传热流体的热量，其中，所述循环回路使该传热流体流入该低温容器(26)内并从中流出。

Description

低温冷却的设备的闭环预冷
技术领域
本发明涉及一种预冷低温冷却设备的装置及方法。特别是涉及一种利用封闭循环制冷系统进行预冷的装置和方法。本发明尤其适用于MRI(核磁共振成像)系统中超导磁体的预冷，也同样适用于其它低温冷却设备。
背景技术
在典型的现有技术中，需要被低温冷却的装置通常被放置在一低温容器(cryogen vessel)中。低温容器又被放置在一外部真空腔内，真空腔与低温容器之间的空间被抽成真空，为低温容器提供了有效的绝热。对该装置进行预冷通常是通过简单地向低温容器中加入液体深冷剂，使其蒸发带走热量。就有效性而言，这样的装置存在一定的缺陷。
如果在预冷步骤中使用制冷深冷剂工质，例如液氦，这部分蒸发并泄漏到大气中的氦代价是很高的，在某些区域很难得到足够的补充。同时，由于液氦是不可再生的资源，应当尽可能地减少液氦的消耗。
某些特定的装置结构中，一种牺牲性的深冷剂，例如液氮，在一开始被用于将装置冷却到第一温度，这一温度高于深冷剂工质的温度。一旦该装置被牺牲性深冷剂冷却到第一温度，一定量的深冷剂工质就被加入将该装置冷却到预定的温度。这种装置的优点在于大量的廉价的牺牲性深冷剂，例如液氮，被用作牺牲性深冷剂；深冷剂工质的损耗相对于仅使用一种深冷剂作为深冷剂工质的装置显著地减少。然而，这种方法的缺点在于深冷剂工质有可能被残留的部分牺牲性深冷剂所污染。如果一部分液氮在液氦被加入时仍然留在制冷机腔内，很大一部分液氦将被用于使液氮冷却到液氦的温度，抵消了减小液氦用量的优势。
现有技术中冷却低温冷却装置的方法的流程图如图1所示。
下面将参照用于MRI成像装置的超导磁体来详细描述，但是应当理解的是本发明可用于任何具有低温容器的低温冷却装置的预冷。
在第一步骤10中，低温容器被抽成真空，然后被常温常压的氦气充满。这是为了检查低温容器是否存在泄漏。任何泄漏到低温容器和外部真空腔之间的真空部分的氦气都会很容易地被检测出来，所述的真空部分环绕着低温容器形成，并为低温容器提供绝热。
在第二步骤12中，氦气被冲吹出低温容器，预冷过程开始，液氮被加入。液氮在低温容器中冷却磁体结构的同时蒸发到大气环境中。液氮具有相对较高的热容量，因此它是一种非常有效的深冷剂。液氮也很廉价，所以它可以快速而廉价地将磁体结构冷却到第一低温温度。
在步骤14中，液氮被持续加入，直到低温容器中的液氮达到预定的量。
在步骤16中，磁体被浸没在液氮中一定时间，并且使磁体结构整体达到一稳定的温度，也就是氮气的沸点。一旦这一过程结束，液氮将被冲吹出低温容器。通过众所周知的虹吸作用，常温下的氦气被引入低温容器中。低温容器中的气体压力将会挤出液体深冷剂。注意一定要除去全部氮气，或者尽可能多地除去低温容器中的氮气。低温容器再被抽成真空以除去尽可能多的氮气。
在下一步骤18中，液氦或其它需要的深冷剂工质被引入低温容器中。深冷剂工质通过蒸发将磁体冷却到工作温度。深冷剂工质被持续加入，直到低温容器内的深冷剂工质达到预定量。
在最后一步骤20中，磁体结构达到预定温度，并且充入了预定量的深冷剂工质。
就有效性而言，这种方法仍旧消耗了大量的牺牲性深冷剂和深冷剂工质。在一种已知的系统中，使用液氮作为牺牲性深冷剂将磁体冷却到70K，还需要1200升液氦将其从70K冷却到4K。如果其中的氮没有被完全除去，还会进一步增大氦的用量，因为剩余的液氮也必须被冷冻并且冷却到液氦的温度。如果有任何的深冷剂残留在低温容器中，它的作用就相当于“毒药”，这部分残留的深冷剂将会在超导磁体的线圈周围形成“冰晶”，这将可能导致超导磁体线圈在运转过程中的失超现象。
有关现有技术的预冷装置，例如在EP 1586833，US 5187938，US2005/016187和GB 1324402中都有所描述。在US 2005/016187和US 5187938所披露的预冷装置中采用了闭环冷却回路，其中循环的传热材料被一储罐的液体深冷剂如液氮所冷却，在传热材料通过循环器之前被加热达到室温。该加热消耗了残留在传热材料中的任何冷却能力并且导致系统中明显地效率低下。在US 5187938中，传热材料被加压为略微超过大气压力从而防止外部污染物渗入。
发明内容
本发明提供一种冷却装置，在所述冷却装置中，不必在传热材料通过循环器之前加热传热材料使其达到室温。这样就明显地提高了本发明系统的效率。在优选实施例中，本发明还提供了一种加压传热材料，所述传热材料被加压达到明显高于大气压力的压力，从而改进了传热效能。在本发明特别优选的实施例中，循环器在从其热量提取器直至要被冷却的设备的范围内对冷却的传热材料起作用。
本发明的目的在于消除现有技术中的至少一些缺点。例如，希望减少氦的用量，并消除由于在低温容器中引入氮而造成的风险。本发明的目的还在于简化预冷程序。在低温容器中仅使用一种深冷剂，重复排空的过程即可避免。
因此，本发明提供如所附权利要求中所述的方法和装置。
附图说明
上文所述的以及更进一步的本发明的目的、特性以及优点通过下面对于具体实施例的描述将更加显而易见，这些实施例是参照附图仅以举例形式给出的。其中：
图1示出了现有的将装置冷却到液氦温度的预冷方法；
图2为本发明第一实施例的原理图；
图3为本发明第二实施例的原理图。
具体实施方式
在本发明中，现有的开环式循环制冷方法，即借助液化深冷剂与被冷却装置接触蒸发的制冷方法，被一种闭环式循环预冷方法所替代。深冷剂在磁体或者其它需要被适当冷却的装置与冷源之间循环。冷源可以是有源的制冷机，也可以是一液体深冷剂的蒸发腔，一被冷却的液体深冷剂容器，或者一块冻结的固体深冷剂。
图2是本发明第一实施例的原理图。在图2中，超导磁体结构20包括一由超导导线形成的盘绕在线圈架24上的线圈22，图中示出上述结构位于低温容器26的内部，低温容器26又位于一个外部的真空容器28内部。这种布置完全与现有技术相同，并且可以根据应用的需要，被替换成任何其它的低温冷却设备。
本发明提供了一种闭环式循环制冷系统30。这一制冷循环是具有传热流的体封闭回路的循环，其中，循环器32如压缩机或风扇用于使传热流体沿封闭循环流动，还包括一热量提取器34用于从传热流体中提取热量。在附图所示的实施例中，循环中的氦气进入并流出低温容器26。进入低温容器后，氦从磁体结构中吸收热量并被加热。压缩机作为循环器32压缩氦气至一个预定的压力，一般是在绝对压力100-300kPa的范围内。必须要特别注意的是，不要将氦气的压力加至超过低温容器26所能承受的压力范围。压缩机使氦气在循环回路内流动，并增大氦气的密度，从而增大氦气的传热能力。压缩的气体从压缩机中流出，经过封闭的管路36流至低温容器26中。氦从磁体中吸收热量，并进入通向提取器34的管道。热量提取器可以是有源低温制冷机，例如机械式制冷机。举例说明，机械式制冷机可以是基于斯特林循环的制冷机。热量提取器34也可以是无源制冷机，例如液体深冷剂容器，或者大量固态、冷冻的、与输送传热流体的管道36热接触的深冷剂。
在一优选实施例中，无源冷却装置采用了液体深冷剂容器，或者大量的固态深冷剂用来冷却磁体，直到磁体的温度达到第一温度，这一温度不低于液体或固体深冷剂的温度，随着传热流体的流动，无源冷却装置从液态或固态的深冷剂切换为有源制冷机，继续降温至预定的预冷温度，这一温度低于仅使用无源冷却装置所能达到的温度。
随着磁体结构被冷却，特定压力下传热流体氦的密度将会上升，传热效率也随之上升。如果热量提取器的功率足够大，寄生的热流将保持在最小值，磁体将最终被冷却到接近其运行温度。或者是，如果装置的功率不够大或者效率不够高，磁体的温度将会保持稳定。在管道36和压缩机32中的气体甚至会液化。这时，低温容器中将会充满深冷剂工质。由于预冷过程中最好也使用同一深冷剂工质，因此低温容器不存在被牺牲性深冷剂污染的危险。在这一过程中，消耗的深冷剂工质相对较少，由于深冷剂的蒸发过程仅仅存在于从一低温温度降温到运行温度的过程中，而不是存在于从常温下降温到运行温度的整个过程中。
制冷作用可以通过有源深冷剂的电能消耗来实现，也可以通过液体深冷剂的蒸发，或者固态深冷剂的融解，又或者加热其它深冷剂以及使其它深冷剂发生相变。
仅使用电力驱动的有源制冷机的实施例是最容易实现的。
虽然在这里我们主要介绍了以氦作为深冷剂工质的情况，但是其它的深冷剂对于被冷却装置的材料而言也是适用的。
在图2所示的实施例中，可以以4K每小时的速度冷却已知的MRI系统中的磁体，也就是说磁体可以在74小时内从常温冷却到4K。将热量从磁体中移出的传热系统的效率受到传热流体的质量流量所限制。有两种方法可以增大质量流量。首先可以通过增大气体的压力来增大流体的密度；或者通过增大体积流量。在本实施例中，传热流体的压力被施加在低温容器的内部。通常，低温容器只能够承受大约300kPa的绝对压力。这就限制了能够加给传热流体的压力。因此，如果需要通过增大流过低温恒温器的质量流量来增大冷却率，就必须增大体积流量：也就是必须增大流过管道36的传热流体的速度。这一质量流量由压缩机32决定。可以通过一风扇来辅助提供需要的体积流量。在一优选实施例中，用风扇代替了压缩机。流体将在较低的压力下循环，但是当流体冷却后它的热容量将会增大，从而使冷却装置的效率增大。
图3是本发明另一实施例的示意图。这一发明具有两个闭环的冷却循环回路。第一封闭冷却循环回路50用于通过与图2中描述的方法类似的方式冷却磁体20，区别在于热量提取器在一热交换器42中。循环器52用于保证循环流动的第一传热流体的体积流量。第一传热流体进入并流出低温容器26，也可以选择同样的流体作为低温容器里的深冷剂工质。目前通常选用氦。在这一实施例中，第二封闭冷却循环回路40通过在热交换器42和热量提取器44之间循环的第二传热流体来冷却热交换器42。热量提取器可以包括有源制冷机，例如一种电力驱动的低温制冷机，例如基于斯特林循环的制冷机，或者一种无源的热量提取装置例如液体深冷剂容器，或者大量的固态深冷剂。在一个优选实施例中，如图所示，深冷剂容器46与机械式制冷机44同时使用，这种布置的运行将在下文详细描述。第二传热流体不需要与第一封闭冷却循环回路50中的传热流体相同。更优选的，第二传热流体也不需要与低温容器中的深冷剂工质相同。
如图3所示的实施例的一个优点在于，第二封闭冷却循环回路40中的第二传热流体的压力不受低温容器26耐受压力的限制。在运行中，在磁体本身投入工作之前，第二封闭冷却循环回路40先开始运行，以便冷却热交换器42。在一个优选实施例中，在第一封闭冷却循环回路50开始运行之前，热交换器42可先被冷却到大约20K的温度。既然第二封闭循环40的运行不受低温容器耐受压力的限制，有源制冷机44就可以在其最佳的压力和效率下运行。在这种方法中，当第一冷却循环50开始运行冷却磁体，第一传热流体立即被热交换器42冷却。这将会使最初流向磁体的传热流体的密度增加，增大传热流体的质量流量，并增大磁体20和热交换器42之间的温差。上述的每一项结果都会增加冷却磁体的最初的效率，并使有效地冷却磁体这一过程能够在较短的时间内实现。热交换器42应当被设计成具有非常大的热容量，使磁体的冷却开始时，热交换器仅仅是缓慢的升温，使磁体的冷却率相对较高并基本稳定。
在这一实施例中，与图2所示的实施例相同，热量提取器可以使用机械式制冷机44。作为替代的是，第二封闭冷却循环回路也可被布置成在通过一低温热堆的同时与其热接触。例如，第二封闭冷却循环回路的管路可以放置成与液氮池接触，可将其冷却到大约70K。在另一实施例中，第二封闭冷却循环回路的管路被放置成与一冷冻氮接触，可将其冷却到明显低于70K的温度。在这种实施例更为高级的变型例中，输送传热流体的不锈钢管被浸入铝块中，再将整个设备浸入到液态或固态的牺牲性深冷剂中。为了有效地冷却磁体，冷却过程应当从第二传热流体沿着第二封闭冷却循环回路40流动开始，通过一无源制冷机，例如液体深冷剂容器40或固态块深冷剂。一旦热交换器42被冷却到液态或固态深冷剂的温度，传热流体的流动将被切换到有源机械制冷机44，以便用来对热交换器42进一步降温，使温度低于液体深冷剂容器46内的温度或者固态深冷剂的温度。当热交换器42的温度再次上升到高于液体深冷剂容器46或固体深冷剂块的温度，例如温度的上升可能是由于磁体20中热量的再次流入，这时第二传热流体将再次流过液体深冷剂容器46或固体深冷剂块，再次冷却热交换器。
当然，热交换器42、制冷机44、液体深冷剂容器46以及连接这些部件的管路都必须进行有效的绝热以防止环境热流的进入。在图2所示的实施例中也需要考虑同样的问题。
尽管本发明中仅仅对几种有限的特殊的实施例进行了描述，但本领域技术人员知道，在本发明所附的权利要求限定的范围内，本发明可进行多种多样的变形以及改进。
例如，在本发明的上下文中可以看出，基于斯特林循环且由电力驱动的制冷机效率很高而且功率很大。(这种制冷机被证明是非常紧凑、功率很大且可运输的)。然而，其它已知形式的低温制冷机也可以应用到本发明中。本发明重点描述了以氦作为深冷剂工质的情况。而对于传统的低温超导磁体来说，其它的深冷剂工质在本发明限定的范围内也可以根据低温冷却装置的特性而被选用。例如，对于已知的所谓高温超导体就可以使用液氮来将其冷却到超导状态。
参考图3描述的热交换器相当于一个热学电池：“冷量”被储存在热交换器中，“冷量”可由一种被适当冷却的深冷剂材料提供或是由第二封闭冷却循环回路的运行来提供。这些存储下来的“冷量”之后又被“供应”给冷却装置。热交换器由适当的材料制成。所选择的材料必须在所需的运行温度下具有很高的热扩散系数以及热容量。热交换器的材料必须依据预定的运行温度来选择。运行温度为20K时，冻结的氮就非常适用。当运行温度在80K时，水结成的冰非常适用。所有这些材料都是非常充裕、廉价并且没有污染的。
本发明的某些特点带来了一些特殊的优点。通过使用冻结的深冷剂块作为第二冷源，或者热交换器，将能够获得低于所用深冷剂沸点的温度。例如，氮作为深冷剂使用是非常经济的。不需要进一步冷却，只使用液氮就可以冷却达到70K，只需让液氮在一固定温度下蒸发。通过对深冷剂进行最初的冷却，冷却温度将可以达到20K，这将会显著地减少用于在运行温度下冷却磁体或其它设备的深冷剂工质的用量。举例说明，使用氦作为深冷剂工质，用于将冷却传热流体的沸腾的氮从80K冷却到4K需要消耗液氦，而如果磁体或其它设备可以被冷却到20K，液氦仅仅需要将温度从20K降至4K，其用量将大大减少。
由于第二冷却循环并未暴露在低温容器的内部，第二传热流体的压力也就不受到低温容器可以承受的最大压力的限制。举例说明，通常使用的低温容器能够承受的最大绝对压力大约为300kPa。第二封闭冷却循环回路中的气体深冷剂的压力将显著高于第一封闭冷却循环回路中的传热流体的压力。这种压力的增大将显著地增加流体的传热能力，因为流体的密度被增大了。因此，第二冷却循环的传热能力相对于第一封闭冷却循环回路被大大地改善了，增大了热交换器42的冷却率，因此磁体或者其它设备的冷却率也就被增大了。

Claims (32)

1.一种用于对位于低温容器(26)内的低温冷却的设备(20)进行预冷的装置，该装置具有第一闭环冷却回路(30)，该第一闭环冷却回路包含传热流体、用于使该传热流体绕该第一闭环冷却回路循环的循环器(32)、以及热量提取器(34)，该热量提取器布置成用于提取来自该传热流体的热量，其中，所述第一闭环冷却回路使该传热流体流入该低温容器(26)内并从中流出，其特征在于，所述热量提取器既包括有源低温制冷机(44)，还包括无源低温制冷机(46)，并且布置成将无源冷却施加到所述传热流体，直至将所述低温冷却的设备(20)冷却到第一温度，然后借助切换该传热流体流动到有源制冷机来提供进一步的冷却，以便继续冷却到所希望的温度，所述所希望的温度低于仅使用无源制冷机所能达到的温度。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的循环器(32)包括压缩机，所述压缩机用于将气态传热流体压缩至100-300kPa的绝对压力的范围内。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述无源低温制冷机包括能够与该第一闭环冷却回路热接触的深冷剂储存器，所述深冷剂储存器中具有大量的固态深冷剂。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述深冷剂储存器提供低于70K的冷却温度。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述循环器包括风扇。
6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，从传热流体中提取热量的所述热量提取器(34)是热交换器(42)，所述热交换器本身被第二闭环冷却回路(40)冷却，该第二闭环冷却回路包含第二传热流体、用于使第二传热流体绕第二闭环冷却回路循环的第二循环器、以及第二热量提取器(44，46)，该第二热量提取器布置成用于从第二传热流体中提取热量。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，第一和第二传热流体都是气体，第二闭环冷却回路中的第二传热流体的压力高于第一闭环冷却回路中传热流体的压力。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，第二闭环冷却回路中的第二传热流体与第一闭环冷却回路中的传热流体是不同的物质。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，第二热量提取器是外部的机械式有源低温制冷机。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，第二热量提取器是无源低温制冷机，其包括一能够与载有在第二闭环冷却回路中循环的第二传热流体的管道(36)热接触的深冷剂储存器。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述深冷剂储存器具有大量的固态深冷剂。
12.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二热量提取器既包括有源低温制冷机(44)，还包括无源低温制冷机(46)，并且布置成对第二传热流体施加无源冷却，直到将所述低温冷却的设备(20)冷却到第一温度，然后借助切换第二传热流体的流动到有源制冷机从而提供进一步的冷却，以便继续冷却到所希望的温度，所述所希望的温度低于仅使用无源制冷机所能达到的温度。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述深冷剂储存器提供低于70K的冷却温度。
14.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二循环器包括风扇。
15.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述热交换器包括大量的液态或固体氮；或者水结成的冰。
16.一种用于对位于低温容器内的低温冷却的设备进行预冷的方法，其包括借助使得传热流体在第一闭环冷却回路中循环的循环器(32)的工作，从而使所述传热流体循环经过该第一闭环冷却回路(30)，并且借助一与第一闭环冷却回路热接触的热量提取器，将热量从传热流体中提取出来，其中，使所述传热流体进入低温容器(26)内并从中流出，其特征在于，如此提取热量，即，开始借助使用深冷剂储存器的无源冷却方式提取热量，直到所述被低温冷却的设备冷却到第一温度，所述第一温度不低于牺牲性深冷剂的温度，然后再借助有源制冷机提取热量，以便将所述被低温冷却的设备继续冷却到所希望的预冷温度。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述循环器包括压缩机，所述压缩机用于将气态传热流体压缩至100-300kPa的绝对压力的范围内。
18.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述热量提取器包括外部的机械式有源低温制冷机。
19.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述热量提取器包括无源低温制冷机，其是一能够与第一闭环冷却回路热接触的深冷剂储存器。
20.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述热量提取器是热交换器(42)，所述热交换器本身被第二闭环冷却回路(40)冷却，该第二闭环冷却回路如此来冷却所述热交换器：通过使引起第二传热流体绕第二闭环冷却回路循环的循环器(32)运行而使第二传热流体循环，并且通过使用与第二闭环冷却回路进行热连接的第二热量提取器(44，46)而从所述第二传热流体中提取热量。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第二闭环冷却回路在第一闭环冷却回路运行之前运行，以冷却所述热交换器。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第二热量提取器是外部的机械式有源低温制冷机。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第二热量提取器包括无源低温制冷机，其是一能够与第一闭环冷却回路热接触的深冷剂储存器。
24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，借助第二闭环冷却回路如此提取热量，即，开始借助使用深冷剂储存器的无源冷却方式提取热量，直到所述被低温冷却的设备冷却达到第一温度，所述第一温度不低于深冷剂储存器的温度，然后再借助有源制冷机提取热量，以便将所述被低温冷却的设备继续冷却到所希望的预冷温度，所述预冷温度低于仅使用深冷剂储存器所能达到的温度。
25.如权利要求20所述的方法，其特征在于，第二循环器包括风扇。
26.如权利要求20所述的方法，其特征在于，第一和第二传热流体都是气体，第二闭环冷却回路中的第二传热流体的压力高于第一闭环冷却回路中的传热流体的压力。
27.如权利要求20所述的方法，其特征在于，第二闭环冷却回路中的第二传热流体与第一闭环冷却回路中的传热流体是不同的物质。
28.如权利要求20所述的方法，其特征在于，借助外部机械式有源低温制冷机从第二闭环冷却回路中提取热量。
29.如权利要求20所述的方法，其特征在于，借助无源低温制冷机从第二闭环冷却回路中提取热量，所述无源低温制冷机具有一与第二闭环冷却回路(36)相热接触的深冷剂储存器。
30.如权利要求20所述的方法，其特征在于，借助有源低温制冷机和无源低温制冷机从第二闭环冷却回路中提取热量，布置成对第二传热流体施加无源冷却，直到使所述被低温冷却的设备冷却达到第一温度，然后将第二传热流体流动切换到有源制冷机以提供进一步的冷却，以便继续冷却到所希望的预冷温度。
31.如权利要求20所述的方法，其特征在于，热交换器(42)由大量的液体或固体氮形成；或由水结成的冰形成。
32.如权利要求20所述的方法，其特征在于，在第一闭环冷却回路运行之前热交换器先被冷却到一特定的低温温度。
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