CN101793494A - 用于检测空气进入到制冷剂容器内的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于检测罩住超导磁体的制冷剂容器中的冻结的沉积物的积聚的传感器，包括张紧的金属丝、可变频率的交变电流源和电压传感器。张紧的金属丝定向为垂直于超导磁体产生的杂散磁场的方向。通过改变施加的电流的频率，张紧的金属丝的共振频率可以检测作为在金属丝两端的电压处于最大值时的频率。所述频率或者共振峰值大小的任何变化可以解释为指示冻结的沉积物妨碍张紧的金属丝的自由振动。

Description

用于检测空气进入到制冷剂容器内的方法和设备

技术领域

本发明涉及检测空气进入到制冷剂容器中的方法和设备。特别地，涉及检测空气进入到用于冷却超导磁体的制冷剂容器中，所述超导磁体用于成像系统例如磁共振成像、核磁共振成像和核磁能谱法。但是，本发明可以应用到检测空气进入到任何制冷剂容器中。

背景技术

图1示出包括制冷剂容器12的低温恒温器的传统安置。冷却的超导磁体10设置在制冷剂容器12内，其自身保持在外真空室(OVC)14内。一个或多个热辐射防护件16设置在制冷剂容器12和外真空室14之间的真空空间中。在一些已知的结构中，制冷器17为了该目的安装在位于塔18中的制冷器袜(refrigerator sock)15中，塔18在该情形示出为在低温恒温器的侧面上。制冷器17提供主动制冷以冷却制冷剂容器12中的制冷剂气体，在一些安置中，这是通过将制冷剂气体再凝结为液体而进行的。制冷器17还可用作冷却辐射防护件16。如图1所示，制冷器17可以为两级制冷器。第一冷却级热连接到辐射防护件16，并提供冷却到第一级温度，其典型地在50-100K区域。第二冷却级提供制冷剂气体的冷却到低很多的温度，典型地在4-10K区域，并可以再凝结气体为液体状态。

负电连接21a通常通过低温恒温器的主体提供到磁体10。正电连接21通常由穿过通风导管20的导体或者通过塔19的部件的导体提供。

对于固定的电流导引设计，单独的通风路径(辅助通风孔)(在图1中未示出)可以设置为在通风导管20阻塞的情形下的失效保护通风孔。

制冷剂15典型地为在大约4K温度下的液氦，尽管其它制冷剂也可以使用，例如液氢、液氖或者液氮。在服务间隔中，必须移除制冷器17，并打开通风导管20。当制冷器移除时，或者当通风导管20打开时，存在空气可能进入制冷剂容器的风险。而且，实验已经表明，空气通过传统地分别设置在制冷剂容器上的冷淬阀和通风阀持续地扩散到制冷剂容器中，尽管制冷剂容器保持在正压力。正压力意味着制冷剂容器内的气体压力大于环境压力，以使得任何泄漏将基本将制冷剂气体泄漏到制冷剂容器之外，而不是允许空气进入到制冷剂容器中。

如果空气进入制冷剂容器，其将冻结到最冷表面上。对于更高沸点的制冷剂，例如氮气，仅包含在空气中的水会冻结。这会阻塞制冷器和制冷剂容器之间的通路，或者使得制冷器的性能降级，从而导致制冷剂容器中的温度和压力升高，进而导致增大制冷剂的消耗量。冻结的沉积物同样会在通风导管20周围积聚。通风导管允许沸腾掉的制冷剂气体从制冷剂容器逃出，并且在磁体冷淬的情形下特别重要。在磁体冷淬过程中，超导磁体突然变为有电阻的，并将其存储的所有能量散失到制冷剂。这导致制冷剂非常快速的沸腾掉。如果通风导管收缩，或者甚至阻塞，那么危险的高压会在制冷剂容器中积聚。

从制冷剂容器的内部去除霜沉积物会要求去除所有的制冷剂并允许制冷剂容器和其中的磁体或者其他设备变暖到例如室温。这是耗时且昂贵的工艺，因为去除的制冷剂将需要被补充，并且在超导磁体的情形中，会需要执行磁场补偿操作(shimming)以校正由于磁体的变暖和再冷却已经产生的磁场均一性中的任何变化。在该整个工艺过程中，在制冷剂容器内冷却的设备及其形成的部分系统是不可用的，这会具有不仅不能为患者成像的后果，并且他们的疾病不能诊断。由于非常昂贵的成像系统在一段非常长的时间内不可用，可能引入进一步的成本消耗。因此，将制冷剂容器及其内容物变暖作为一预防性服务操作是不实际的。但是，通过不执行这样的预防性措施，将存在阻塞和过度的制冷剂压力的危险。

发明内容

本发明致力于提供用于检测制冷剂容器内部的霜的存在的设备和方法。霜的存在然后可以给用户或者服务技术人员信号，校正动作可以计划在方便的时间以为了通过使得制冷剂容器变暖而除霜。

相应地，本发明提供一种用于检测空气进入到制冷剂容器中的设备，包括：冻结沉积物传感器，其自身包括垂直于磁场保持的张紧的金属丝，交变电流通过该金属丝，以在所述金属丝中引起机械共振。

另外，本发明提供了一种用于检测空气进入制冷剂容器中的方法，包括以下步骤：

a)提供上述设备，所述冻结沉积物传感器定位在所述制冷剂容器内的关注位置；

b)将第一频率的交变电流施加到张紧的金属丝，并测量在所述金属丝两端产生的电压；

c)改变交变电流的频率通过所述金属丝的预期的共振频率，同时测量在金属丝两端产生的电压；

d)确定金属丝的共振频率作为施加的电流的频率，在该频率在金属丝两端的电压最大；

e)重复步骤(b)至(d)，响应确定的共振频率不同于初始确定的共振频率，发出存在冻结沉积物的信号，从而指示有空气进入到制冷剂容器中。

另外，本发明还提供了一种用于检测空气进入制冷剂容器内的方法，包括以下步骤：

a)提供上述设备，冻结沉积物传感器定位在制冷剂容器内的关注位置；

b)施加第一频率的交变电流到张紧的金属丝，并测量在金属丝两端产生的电压；

c)改变交变电流的频率通过金属丝的预期的共振频率，同时测量在金属丝两端产生的电压；

d)确定金属丝的共振频率作为施加的电流的频率，在该频率在金属丝两端的电压最大；

e)围绕初始确定的共振频率改变通过金属丝的交变电流的频率，同时测量在金属丝两端产生的电压，从而检测确定的共振频率从初始确定的共振频率的变化，并且响应于此，发出存在冻结沉积物的信号，从而指示空气进入到制冷剂容器中。

附图说明

本发明的上面的以及其它的目的和特征可以从其某些实施例的以下描述，连同下面的描述，而确定，其中：

图1示出包括制冷剂容器的低温恒温器的传统结构；

图2示出根据本发明的一方面的用于检测冻结的沉积物的电气示意图；

图3示意性地示出共振曲线，从而示出随着施加的电流的频率扫过金属丝的共振频率时在图2的振动金属丝两端的电压变动；

图4示出根据本发明的实施例的振动金属丝传感器的示例性布置；

图5示出根据本发明的实施例的振动金属丝传感器的另一示例性布置；

图6示出可用于本发明的一实施例的张紧金属丝传感器的例子；以及

图7示出用于布置张紧金属丝传感器的可能的位置。

具体实施方式

本发明提供用于检测制冷剂容器中的冻结的沉积物的存在的设备，其是通过利用这样的物理效应，即，当交变电流通过张紧的金属丝时，如果电流的频率与金属丝的自然频率匹配，在存在静态磁场的情形下，一定长度的张紧金属丝将共振。对于给定的金属丝材料，该频率将主要取决于金属丝的自由长度的倒数。

在背景磁场中振动的承载电流的金属丝的该原理已经广泛用于黏度计设计。本发明应用该效应以检测超导磁体的低温容器中的冻结的沉积物。在操作中，超导磁体的杂散磁场提供恒定的背景磁场用于振动的金属丝传感器。

图2示意性地示出本发明的实施例的电路。金属丝22在张力下保持在两固定点24之间。频率f的交变电流I(f)由电源26提供并通过金属丝22施加。由超导磁体提供的背景磁场垂直于绘图平面。在金属丝两端的电压V可以被监测以为了检测共振。响应交变电流和背景磁场的相互作用，金属丝将开始振动。振动的幅值d在图中大大地夸大了。

图3示出响应交变电流I(f)的频率f的典型电压V的例子。共振频率示出为f_r。如图所示，当施加电流I(f)的频率f接近张紧金属丝的自然(共振)频率f_r时，电压被由于金属丝在磁场内的运动所致的在金属丝中引起的电动势改变。如果施加的电流I(f)的频率f增大通过自然频率f_r，测量的峰值电压V发生在对应共振频率的频率f处。对于用于测量超导磁体的制冷剂容器内部的沉积物的设计类型和长度的金属丝，频率f_r将典型地在千赫兹范围内。

一旦共振频率已经确定，该共振频率中的任何变化会被检测出。这样的变化可以用于推知制冷剂容器中冻结沉积物的存在。例如，当金属丝被沉积物变得更重时，在金属丝上的冻结沉积物将降低其共振频率。另一方面，冻结沉积物会减小张紧的金属丝的自由长度，这将增大金属丝的共振频率。

图4示出根据本发明的实施例的张紧的金属丝的示例性传感器安置。金属丝22在张力下保持在固定点24之间，所述固定点保持间隔开固定距离。在与图2类似的电路中，电连接30被连接到电压检测器和电流源。传感器示出为安装在导管32的截面内，该截面由一临界孔表示，在该孔内传感器设计来监测冻结沉积物的积聚。来自超导磁体的磁场垂直于金属丝的长度方向。

当不存在冻结的沉积物时，或者冻结的沉积物存在于金属丝之下的高度水平(level)，例如水平a，金属丝22自由振动。振动的幅值d在图中大大地夸大了。在金属丝两端的电压V将在自然频率f_r处出现峰值，如图3所示。随着冻结的沉积物积聚并达到水平b，沉积物触及金属丝，并使得振动减弱并且共振频率变化。通过施加电流I(f)通过示例性的频谱，峰值电压的变化可以被检出。这可以解释为冻结的沉积物已经积聚的指示，并且这可以给操作者或者服务技术人员发出信号。当沉积物变得更多时，振动将最终停止，将不再观察到任何电压峰值。

图5示出根据本发明的张紧的金属丝传感器的另一示例性布置方式。再一次，来自超导磁体的磁场垂直于金属丝长度方向。金属丝22在张力下保持在固定点24之间，该固定点保持间隔开固定距离。在与图2类似的电路中，电连接30并连接到电压检测器和电源。该布置方式不同于图5的布置方式之处在于，张紧的金属丝竖直定向。

当冻结的沉积物不存在时，或者存在于金属丝之下的高度水平处，金属丝22自由振动。在金属丝两端的电压V将在自然频率f_r处出现峰值，如图3所示。随着冻结的沉积物积聚，例如达到高度水平a处，沉积物触及金属丝22，使得振动减弱。这结果导致张紧的金属丝的自由长度缩短，并且在其共振频率中发生变化。通过施加电流I(f)通过频谱，如图3所示，峰值电压V可以在更高的频率f处被检出。这可以解释为冻结的沉积物已经沿着张紧的金属丝的一部分长度积聚的指示，并且这可以给操作者或者服务技术人员发出信号。

张紧的金属丝的共振频率将随着沉积物的增长而持续增长。当沉积物变得更多时，振动将最终停止，将不再检测到电压峰值。当沉积物变得非常广泛时，例如抵达水平b处，振动会完全停止。

图5的实施例的优点是，金属丝的逐渐缩短提供共振频率的渐变，并提供冻结的沉积物厚度的指示，其可以容易地从张紧的金属丝的共振频率的累积变化推知。图4的实施例提供冻结的沉积物已经达到传感器金属丝的高度的更基本的指示。

本发明相应地提供用于检测罩住超导磁体的制冷剂容器中的冻结沉积物的积聚的传感器，包括张紧的金属丝、可变频率的交变电流源和电压传感器。张紧的金属丝定向为垂直于超导磁体产生的磁场方向。通过改变施加电流的频率，张紧的金属丝的共振频率可被检出作为在金属丝两端的电压达到峰值时的频率。频率或者共振峰值大小的任何变化可以解释为冻结的沉积物妨碍张紧的金属丝的自由振动的指示。

本发明的冻结的沉积物传感器提供冻结的沉积物的深度的主动测量。传感器自身非常小并且非常简单，仅为一根张紧的金属丝并利用超导磁体的背景场。传感器的电力消耗可以通过金属丝类型和尺寸以及施加的交变电流的大小的适当选择而变得非常小。

尽管已经通过施加交变电流通过金属丝并改变电流的频率通过某些频谱而描述本发明的传感器的操作，但是，所述操作的替代方法可以是如下的。对应金属丝的预期的大致共振频率的频率的交变电流可以施加。实际共振频率可以通过监测在金属丝两端的电压V进行确定，并且改变施加的交变电流的频率直到电压V的最大值被检测到。间断地，或者持续地，施加的交变电流可以在频率上可以稍微改变，以保证其频率跟随张紧的金属丝的共振频率。来自交流发电机输出的数据可以用于表明张紧金属丝的共振频率。

已经概括性地解释了本发明，将讨论可能的实施方式的一些更具体的例子。

图6示出用于本发明的实施例的张紧的金属丝传感器的例子，实心的大致U形的底座60具有由间隙64分隔开的两个上柱基62。金属丝66在张力下在两个柱基62之间延伸，并通过各自的夹持装置68固定到每个柱基。夹持装置可以是机械夹子，其还可以用以从柱基电隔离金属丝。在示例性的制造方法中，U形底座60通过足够刚性以保持金属丝处于张力下的非磁性金属挤压成型物形成。一定长度的金属丝66通过第一夹持装置连接到一个柱基，例如大约5N的张力施加到金属丝。第二夹持装置然后施加到金属丝以将其保持就位并处于张力下。金属丝然后可以切割到合适长度。在金属丝中实现期望且可重复的张力的方便的方法是将它和底座60竖直保持，并从其悬挂一定的质量块。例如，大约0.5kg的质量块将提供实现大约5N的张力的可重复且简单的方法。

电连接必须连接到张紧的金属丝。例如，这可以通过焊接或者卷曲连接金属丝30而直接实现到金属丝。或者，所述连接可以通过电连接到与金属丝接触的夹持装置的一部分而间接实现。

图7示意性地示出根据本发明的某实施例的在制冷剂容器中布置张紧的金属丝传感器的可能位置。图7示意性地示出容纳在如图1所示的塔19中的一部分通风导管20和一部分正电连接21。根据所示的布置方式，正电连接21是管状的，并且通过中空电连接的通路被安置作为通风路径70，以在冷淬情形下如果主通风路径76不能应付制冷剂外出所要求的速率的话允许制冷剂的外出。正电连接21通过支撑部72保持并支撑在通风导管20内。这可以是导热支撑部，并可以有助于正电连接21的冷却，尽管这并不形成本发明的一部分。至少一个通孔74设置通过支撑部，以不仅允许在充注制冷剂容器时，而且允许例如由于冷淬原因而制冷剂离开制冷剂容器时，制冷剂通过支撑部。形成在正电连接21和通风导管20之间的环形截面通道形成用于制冷剂外出的主通风路径。

为了安全，重要的是，至少一个通风路径70、76保持基本没有冻结的沉积物，以使得在冷淬情形中制冷剂可以容易地从制冷剂容器逃逸。如果两个通风路径都被阻塞，任何冷淬将导致在制冷剂容器内压力非常危险地积聚。

根据本发明的实施例，张紧的金属丝传感器78可以布置在主通气管路径76之内，和/或张紧的金属丝传感器80可以布置在通风路径70之内。如所示的，张紧的金属丝66可以水平定位在主通气管通道76中的竖直定向部分，并且张紧的金属丝66可以竖直定位在通风孔通道70的水平定向部分内。也就是，张紧的金属丝可以在冻结的沉积物预期的增长方向上定向。冻结的沉积物的示例性增长示出在82和84处的虚线中。这些布置方式都将以与参照图5讨论的布置方式类似的方式进行操作：也就是，冻结的沉积物的增长将逐渐地衰减张紧的金属丝的振动，从而提供冻结的沉积物厚度的指示。替代的是，张紧的金属丝传感器可以如所示地安置在78a和80a处，张紧的金属丝66垂直于冻结的沉积物的预期增长方向。这些布置方式将以与参照图4讨论的方式类似的方式进行操作：也就是，一旦冻结的沉积物达到足够机械地限制金属丝的振动的厚度，冻结的沉积物的附着将抑制张紧的金属丝的振动，从而提供冻结的沉积物的厚度是否达到金属丝的位置的指示。

当然，可以结合传感器的各种不同的可能的安置以及用于特定设备的其它特定布置方式，本发明延伸到所附权利要求的范围内的所有变型和等价物。

Claims (6)

1.一种用于检测空气进入到制冷剂容器中的设备，包括：

冻结沉积物传感器，其自身包括垂直于磁场保持的张紧的金属丝，交变电流通过该金属丝，以在所述金属丝中引起机械共振。

2.如权利要求1所述的设备，其中，该设备安装在罩住超导磁体的制冷剂容器中，其中，所述张紧的金属丝布置成垂直于所述超导磁体在使用时产生的磁场。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述金属丝垂直于所述冻结沉积物的预期的增长方向保持。

4.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述金属丝保持在所述冻结沉积物的预期的增长方向。

5.一种用于检测空气进入制冷剂容器中的方法，包括以下步骤：

a)提供如权利要求1-4中任一项所述的设备，所述冻结沉积物传感器定位在所述制冷剂容器内的关注位置；

b)将第一频率的交变电流施加到张紧的金属丝，并测量在所述金属丝两端产生的电压；

c)改变交变电流的频率通过所述金属丝的预期的共振频率，同时测量在金属丝两端产生的电压；

d)确定金属丝的共振频率作为施加的电流的频率，在该频率在金属丝两端的电压最大；

e)重复步骤(b)至(d)，响应确定的共振频率不同于初始确定的共振频率，发出存在冻结沉积物的信号，从而指示有空气进入到制冷剂容器中。

6.一种用于检测空气进入制冷剂容器内的方法，包括以下步骤：

a)提供如权利要求1-4中任一项所述的设备，冻结沉积物传感器定位在制冷剂容器内的关注位置；

b)施加第一频率的交变电流到张紧的金属丝，并测量在金属丝两端产生的电压；

c)改变交变电流的频率通过金属丝的预期的共振频率，同时测量在金属丝两端产生的电压；

d)确定金属丝的共振频率作为施加的电流的频率，在该频率在金属丝两端的电压最大；

e)围绕初始确定的共振频率改变通过金属丝的交变电流的频率，同时测量在金属丝两端产生的电压，从而检测确定的共振频率从初始确定的共振频率的变化，并且响应于此，发出存在冻结沉积物的信号，从而指示空气进入到制冷剂容器中。

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