CN101859624A - 超导磁体冷却的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超导磁体组件(100)和冷却超导磁体组件(100)的方法，所述方法包括将脉动热管(10)与超导磁体组件(100)热连接和将液态冷冻剂(44)添加至脉动热管(10)。超导磁体组件(100)包括线圈架(102)；包括绕线圈架(102)缠绕并构造成产生磁场的至少一个超导绕组的至少一个超导螺管式磁体，和热连接在至少一个超导螺管式磁体上的至少一个脉动热管(10)。

Description

超导磁体冷却的设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请在一些方面涉及名称为“APPARATUS AND METHODFOR COOLING A SUPERCONDUCTING MAGNETIC AS SEMBLY”(“用于冷却超导磁体组件的设备和方法”)、指定代理人档案号为226913-1的共同拥有的序列号为12/415,357的美国专利申请，该专利申请与本申请同时提交，且其整体内容通过引用结合于本文中。
技术领域
本发明大致涉及超导磁体的冷却，且更具体地说，涉及超导磁体组件和用于冷却超导磁体组件的工艺。
背景技术
各种系统利用超导磁体产生强的、均匀的磁场，对象或者在MRI系统的情况下的病人置于该磁场中。然后，磁梯度线圈和射频传送及接收线圈影响对象的旋磁材料，以激起可用于形成有用的图像的信号。使用这种线圈的系统包括MRI系统、波谱学系统、磁能量储存系统和超导发电机。
超导磁体典型地包含在低温恒温器中，低温恒温器包括在操作期间使磁体与环境隔离的热屏蔽和真空容器。超导磁体还具有用以支撑线圈绕组的线圈支撑结构，其嵌入在冷物质和氦容器中，用于冷却。氦容器为位于真空容器内的压力容器以进行热隔离，并典型地包含液态氦，以便为超导磁体提供冷却，而将维持用于超导操作的大约4.2开的温度。
利用超导磁体的所有系统的大量成本在于提供氦冷冻剂。超导磁体的最初启动和操作、以及将磁体保持在池沸腾状态均需要氦或者类似的冷冻剂(例如氖)。尽管在热力学上是有效率的，但当利用于超导磁体组件时，完整的氦浴需要大约1500升至2000升的较大体积的氦。每单位体积的氦是昂贵的，并非总是容易获得的，而且其成本在增加。
因此，一直需要减少超导磁体系统的制造和操作成本和/或简化其设计。
发明内容
本发明通过提供超导磁体组件和冷却超导磁体组件的方法克服前述缺点中的至少一些，其减少用于冷却超导磁体所需的冷冻剂的量。更具体地，本发明旨在提供超导磁体组件，其利用脉动热管，并由此简化设计和组装，且仅需要非常少量的冷冻剂。
因此，根据本发明的一个方面，冷却超导磁体组件的方法包括将脉动热管与超导磁体组件热连接和将液态冷冻剂添加至脉动热管。
根据本发明的另一方面，超导磁体组件包括：线圈架；包括绕线圈架缠绕并构造成产生磁场的至少一个超导绕组的至少一个超导螺管式磁体；和热连接在至少一个超导螺管式磁体上的至少一个两相热传递装置。
在随后详细描述和附图中，本发明的各种其它特征和优点将变得清楚。
附图说明
附图图示了目前构想成用于实施本发明一个实施例。
图1为结合本发明的方面的超导磁体组件的示意图。
图2为根据本发明的实施例的局部剖切的超导磁体组件的透视图。
图3为图2的超导磁体组件的配管的一部分的顶横截面视图。
图4为图2的超导磁体组件的冷凝器区域的侧横截面视图。
图5为图2的超导磁体组件的线圈架的侧横截面视图。
标号列表
10    两相热传递装置/脉动热管
20    蒸发器部分
30    冷凝器部分
32    带有翅片的热交换翅片
40    配管
42    弯曲
44    液态冷冻剂
46    冷冻剂泡
100   超导磁体组件
102   线圈架
具体实施方式
本发明的方面已经显示为提供好于以前的冷却超导磁体的方法的优点。在冷却超导磁体时，本发明的设备和方法不需要机械移动的部件(例如，不需要泵，不需要供给外部压力的供应系统，不需要用于冷冻剂供应的制冷“冷箱”，不需要氦的罐供给流等)。所述冷却方法是与定向无关的，其有益于超导磁体组件的设计、最终物理体积和占地面积。简化了在现有超导磁体几何结构内的配管的设计集成。而且，通过本发明的方面中采用的脉动热管提供的脉动段塞流，可立即纠正可能产生的任何过热点。所述设计提供的其它优点是不需要昂贵的氦浴冷却，而且在冷却(quench)期间不损失任何冷冻剂。所提出的毛细配管可承受几百巴的高压。结果，不需要氦存储装置。没有氦存储装置和其冷冻壳体是主要的简化，其原因是，在需要附加的所有安全方面大量减少。而且，由于没有典型用于标准氦容器的传统垂直颈部或者穿透性几何结构，所以磁体的热负荷大量降低和减小。公知的是，穿透或进入口引起磁体的高温泄漏。所希望的改进设计的结果是能够增加磁体的可用室温孔宽度。此外，进一步简化了在真空容器中保持氦容器漂浮所需的悬浮系统，并减少了热泄漏。最终，大大简化了超导磁体系统的冷却系统。
参照图1和2，显示了结合本发明的方面的超导磁体组件100的主要构件。超导磁体组件100可包括线圈架102(图2)和绕线圈架102缠绕的超导绕组，从而包括构成为产生磁场的超导磁体。两相热传递装置(例如脉动热管)10与超导磁体热连接。脉动热管10设计和构造成提供超导磁体组件100的充分冷却。脉动热管10可包括任何现在公知或者以后将开发出来的脉动热管系统10。例如，脉动热管10可包括配管40、冷凝器部分30和蒸发器部分20。
超导磁体组件100可包括卷绕在一个或者若干磁体架凹处的螺管。磁体架或者线圈架可由任何适当材料制成，诸如玻璃纤维增强塑料、合成材料、金属(例如钢、铝、镁等)、陶瓷或其组合。
通过先将磁体冷却至接近热屏蔽温度，对脉动热管10(例如配管40)部分地填充液态冷冻剂。然后对配管40装填室温下的高压气体。磁体低温冷却器对流地液化进入配管40的气体，由此显著降低配管40内的气体压力，并产生冷冻剂液滴。为了使配管40和其它系统构件用作脉动热管10，少于配管40全部体积的体积被填充冷冻剂。因此，尽管配管40体积的一部分填充有液态冷冻剂44，但是其余部分中仍具有蒸汽冷冻剂(例如冷冻剂泡46)。液态冷冻剂可包括氦4、氦3、氢、氖、氮、氧、氩、氪及其组合中的一种。在其它实施例中，依据用于磁体的超导体类型，可使用其它适当的冷冻剂。已经发现，脉动热管10的配管40部分内的液态冷冻剂44和蒸汽冷冻剂46的各种混合对于消散由超导磁体组件100产生的热是有效的。例如，在某些实施例中，液态冷冻剂对配管40的总体积的比率可在约10％至约90％的范围内。类似地，在其它实施例中，液态冷冻剂对配管40的总体积的比率可在约30％至约70％的范围内。配管40的总体积的剩余部分(即未填充液态冷冻剂的部分)填充有蒸汽冷冻剂(例如冷冻剂泡46)。因此，蒸汽冷冻剂可填充配管40的总体积的百分比在约90％至约10％的范围内。在其它实施例中，蒸汽冷冻剂对配管40的总体积的比率可在约70％至约30％的范围内。以该方式，液态冷冻剂和蒸汽冷冻剂的混合能够冷却超导磁体组件100。
可使用各种构造的冷凝器部分30。冷凝器部分30可为交叉流式热交换器，如在图2中所描绘的那样，其上具有带有翅片的热交换翅片32。热交换器可由铜或者其它适当材料制成。在冷凝器部分30和配管40之间可存在直接的热接触。图4显示了闭环脉动热管10和其上具有翅片32的冷凝器30之间的接合处的细节视图。显然，对于冷凝器部分30，可利用其它的几何结构和定向，以充分地提供对超导磁体组件100的冷却。
类似地，可使用各种构造的蒸发器部分20。如图2所示，蒸发器部分20可仅需要简单的环氧树脂线圈架。结果，不需要使用在现有技术设计中使用的填充物来增加架的热传导性。尽管在过去的30年内在发展环氧树脂材料、合成物等上付出了相当大的努力，但对于高热传导性填充物，在增加线圈架的热传播性能上仅获得了有限的成功。最近，热沉材料可嵌入磁体架。尽管所有的这些方法增加系统的成本，但更加重要的是，它们增加在磁体架上感应出应力的风险。磁体架可能破裂，且裂纹在磁体迅速冷却下来或者升温后可能进一步传播。由于环氧树脂破裂而导致超导磁体失效不是没有出现过。在本发明的方面下，避免了对于任何热传播机构的需要。
尽管在图1和2中配管40显示为分隔的蛇形、封闭的系统图案，但是在本发明的实施例中配管40可以以多种构造布置。配管40可布置成闭环或者开环系统。配管40在图2中显示为两个分隔的闭环系统。第一脉动热管10可构造在线圈架20的外围或靠近线圈架20的外围，而第二脉动热管10构造在线圈架20的内孔处或靠近线圈架20的内孔。配管40可为任何数量的单独管40(即毛细管)，从单个管40到接近无限数量的分隔的管40。各管40的几何结构还可从由蒸发器延伸到冷凝器的直管40变化到其中具有多次弯曲42的配管40。配管40可布置成有组织的、蛇形的和水平(或稍微倾斜)的图案，如图1和图2所示。与此形成对比，配管40可布置成非重复性的、非对称的和/或非平面的布置，并仍然提供对超导磁体组件100的充足冷却装置。本发明的方面的优点在于，配管40的几何结构和布置可完全地独立于重力和定向。换言之，脉动热管10和配管40的重力和定向基本上不影响脉动热管10中的液态和蒸汽冷冻剂的流动和冷却性能。例如，配管40可基本上水平、垂直或其组合。在任何情况下，配管40的几何结构可调整和布置成与配管40热连接的超导磁体组件100的绕线架102或者其它元件配合和匹配。这允许增加整体超导磁体组件100的制造尺寸和布置的灵活性，其原因是，冷却机构将不会典型地需要附加的和/或大量的设计空间。
在图5中显示了超导磁体组件100的端截面。多个配管40显示为基本上围绕线圈架的外围。类似地，多个配管40基本上围绕线圈架的内芯。以该方式，脉动热管10能够总体上有效地冷却线圈架和超导磁体组件100。尽管图5显示了配管40沿线圈架的轴线基本上纵向延伸，但明显的是，在本发明的方面下，配管40的其它构造是可能的。例如，对于显示的线圈架，配管40可绕线圈架的外围延伸(例如垂直于配管40在图5中延伸的方向)。
依据超导磁体组件100的尺寸和应用，脉动热管10的所有配管40的总体积可在大约10毫升至大约2升的范围内。配管40可由诸如铜和其合金、铝和其合金、钢等任何适当的材料制成。或者，配管40可为内部包层的毛细管或者成形的配管40。配管40的内径可在大约1mm至大约8mm范围内。类似地，配管40的直径不需要在配管40的整个长度的范围上统一，而是可以在其长度范围上变化。例如，在冷凝部分的配管40的直径可比在脉动热管10的其它部分小，以便减缓冷冻剂的流速。类似地，配管40的横截面可为其它形状，诸如方形、矩形、椭圆形状等。
冷却超导磁体组件100的方法包括将脉动热管10与超导磁体组件100热连接。首先抽空配管40，然后部分地填充在高压下的冷冻剂，如本文中讨论的那样。部分地填充包括将配管40的总体积的约10％至约90％的范围内填充液态冷冻剂44。配管40的剩余体积可包括蒸汽冷冻剂(即泡46)。以这种方式，工作流体(即冷冻剂)在配管40的长度范围内自然地分布成截然不同的液态冷冻剂44和蒸汽泡46。以这种方式，在脉动热管10的配管40的各种管部分具有不同的体积流体/蒸汽分布。在脉动热管10操作时，在蒸发器部分20处的各配管40部分因其邻接超导磁体组件100而被加热。类似地，在冷凝器部分30处的各配管40部分被冷却。结果，蒸汽冷冻剂泡46在蒸发器区域产生和/或增加，并在冷凝器部分30萎缩和/或收缩。蒸汽泡46的尺寸的这种改变由于泡的抽吸作用而伴随地引起液态冷冻剂44的传输，最终在脉动热管10内引起明显的热传递。热诱导的自激励振动开始。
冷却设备10可根据本发明的方面进行设计，使得蒸汽泡46有机会在冷凝器部分30失去它们的所有的潜在的热，由此在尺寸上萎缩。这要求蒸汽泡46在冷凝器部分30的驻留时间应当充足，以便蒸汽泡46完全凝结。各蒸汽泡46携带相对少量的焓，越来越多的蒸汽泡46应当有机会在冷凝器部分30释放它们的潜在的热，使得它们的综合效果超出可能因它们存在于配管40而导致的冲突性缺点。在脉动热管10中应当存在足够的液态冷冻剂44，以便进行充分明显的热传递。
本发明的一方面包括脉动热管10的低热阻和良好的热传递。已经发现，在本发明的方面下，随着蒸发器部分20上热负荷的增加，脉动热管10的效率相应地增加。典型地，对于一般的(即非冷冻剂)脉动热管，30％的填充装填(即总体积的30％填充有非冷冻剂的液态冷却剂)，是出于效率目的的最佳填充装填。
尽管本发明的示范性实施例能够将超导磁体组件冷却至用于超导操作的约4.2开，但是可在不脱离本发明的范围的情况下，利用除4.2开之外的其它操作温度。例如，在本发明的方面下，可冷却具有更高转变温度的超导体(例如HTS型或者MgB2型)。
尽管本文图示和描述的实施例可与磁共振成像(MRI)系统的一部分的超导磁体组件100一起使用，但是在不脱离本发明的范围的情况下，其它超导磁体系统可利用本发明的方面。例如，冷却设备和冷却的方法可与其它超导磁体一起使用，例如核磁共振波谱学系统、磁能量储存系统、超导发电机、超导故障电流限制器、超导粒子加速器、磁分离系统、运输系统、超导线缆、变压器、超导超级计算机、航天和航空应用等。
因此，根据本发明的一个实施例，冷却超导磁体组件的方法包括将脉动热管与超导磁体组件热连接和将液态冷冻剂添加至脉动热管。
根据本发明的另一实施例，超导磁体组件包括：线圈架；包括绕线圈架缠绕并构造成产生磁场的至少一个超导绕组的至少一个超导螺管式磁体；和热连接在至少一个超导螺管式磁体上的至少一个两相热传递装置。
已经通过优选实施例描述了本发明，且应认识到的是，除这些明示地陈述的之外，等价物、备选物和变型是可能的，且它们在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.冷却超导磁体组件(100)的方法，包括：
将至少一个脉动热管(10)与所述超导磁体组件(100)热连接；和
将液态冷冻剂(44)添加至所述至少一个脉动热管(10)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液态冷冻剂(44)包括氦4、氦3、氢、氖、氮、氧、氩、氪及其组合中的一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液态冷冻剂(44)填充所述至少一个脉动热管(10)的总体积的百分比在约10％至约90％的范围内。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述液态冷冻剂(44)填充所述至少一个脉动热管(10)的总体积的百分比在约30％至约70％的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超导磁体组件(100)构造成与核磁共振波谱学系统、磁能量储存系统、超导发电机、超导故障电流限制器、超导粒子加速器、磁分离系统、运输系统、超导线缆、变压器和超导超级计算机中的一个一起使用。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个脉动热管(10)嵌入在所述超导磁体组件(100)的环氧树脂结构(102)中。
7.超导磁体组件(100)，包括：
线圈架(102)；
包括绕所述线圈架(102)缠绕并构造成产生磁场的至少一个超导绕组的至少一个超导螺管式磁体；和
热连接在所述至少一个超导螺管式磁体上的至少一个两相热传递装置(10)。
8.根据权利要求7所述的超导磁体组件(100)，其特征在于，所述线圈架(102)由热传导材料构成。
9.根据权利要求7所述的超导磁体组件(100)，其特征在于，所述至少一个两相热传递装置(10)包括至少一个脉动热管(10)，所述至少一个脉动热管(10)包括配管(40)和冷凝器(30)。
10.根据权利要求7所述的超导磁体组件(100)，其特征在于，在所述至少一个两相热传递装置(10)内的冷冻剂(44，46)的总体积在大约10毫升至大约2升的范围内。
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