CN101994903B - 用于包含超导磁体的冷冻剂容器的失超路径 - Google Patents

Abstract

一种预组装、预测试失超路径出口组件，用于提供来自冷冻剂容器的冷冻剂外出路径。失超阀(26)安装在凸缘(28)之内。冷冻剂外出导管(32)以密闭不泄漏的方式密封到凸缘，以限定延伸通过冷冻剂外出导管、凸缘和失超阀的冷冻剂外出路径(40)。冷冻剂外出路径由爆破盘(34)闭合。在使用中，预组装、预测试失超路径出口组件安装到冷冻剂容器上以使得在正常条件下在冷冻剂容器内的气体热分层导致冷冻剂外出导管的下端处于混合空气组分的冰点之下的温度处。

Description

用于包含超导磁体的冷冻剂容器的失超路径

技术领域

本发明涉及一种用于包含超导磁体的冷冻剂容器的失超路径。

背景技术

超导磁体是熟知的并用于若干场合，例如，仅举几个例子，磁共振成像(MRI)、核磁共振(NMR)光谱学、粒子加速和能量存储。一般地，磁体包括超导线的线圈，其在液体冷冻剂池中冷却。液氦和液氮是常用的冷冻剂，但还知道其它的一些。

超导磁体所承受的困难在于失超(quench)。在操作中，大电流(一般数百安培)围绕包括许多圈导线的闭合超导环循环。如果由于某些原因超导线的任何部分被加热，或者受到无法承受的强磁场，它将被失超，回复到电阻状态。通过所述电阻部分的电流将生热，并导致磁体相邻部分的失超。失超将传播，磁体产生的热量将使得液体冷冻剂沸腾掉。必须提供足够的防护系统以允许沸腾的冷冻剂逃离冷冻剂容器而不会达到危险的高压，并且不会有与周围人员接触的危险。接触冷冻剂的危险包括冻伤和窒息。

下面将描述传统的防护系统。它包括爆破盘和/或阀，其封闭通往大气或者冷冻剂回收系统的相对宽的孔道(bore path)。当冷冻剂容器内的压力超过某一极限时，阀将打开或爆破盘将破裂，从而允许冷冻剂从冷冻剂容器安全出来。

图1示出低温恒温器的常规配置，包括部分地充注有液体冷冻剂22的冷冻剂容器12。冷却的超导磁体10设置在冷冻剂容器12中，冷冻剂容器12自身保持在外真空室(OVC)14内。一个或多个热辐射防护件16设置在冷冻剂容器12和外真空室14之间的真空空间中。在一些已知的配置中，冷冻器17安装在冷冻器座15中，朝向低温恒温器侧，而冷冻器座15位于用于该目的而设置的转塔18中。或者，冷冻器17可以位于通道转塔19中，该通道转塔19保持通道颈部20，位于低温恒温器顶部。冷冻器17提供有效冷却以冷却冷冻剂容器12内的冷冻剂气体，在一些配置中通过将冷冻剂气体冷凝为液体而进行。冷冻器17还可用以冷却辐射防护件16。如图1所示，冷冻器17可以是两段式冷冻器。第一冷却段热连接到辐射防护件16，并提供冷却到第一温度，典型地在80-100K范围。第二冷却段提供冷却冷冻剂气体到低很多的温度，典型地在4-10K范围。

通道颈部20允许通向冷冻剂容器12，用于充注冷冻剂，并允许磁体的电连接从低温恒温器引出。转塔盖24围绕通道颈部20并提供冷冻剂容器与大气的密封。通道颈部20可以通过阀或者爆破盘封闭。

典型地，设置失超阀26，从而密封从转塔盖24出来的失超路径。在失超的情形下，冷冻剂容器12内不断增大的压力将使得封闭通道颈部20的任何阀或爆破盘打开。转塔盖24将充满冷冻剂气体，并且如果气体压力足够高，失超阀26将打开。冷冻剂气体，以及还可能的液体冷冻剂，将从失超阀26出来通向大气或冷冻剂回收设备。

重要的是，冷冻剂具有通畅的逃离路径，以使得在失超的情形下它能够从冷冻剂容器快速逃离。如果冷冻剂逃离路径被阻挡并发生失超，在冷冻剂容器内会建立起危险的高压，并可能导致爆炸。为了避免该危险，传统上，已经提供单独的辅助通风孔作为在通道颈部20阻塞的情形下作为防失效的冷冻剂外出路径。如果通往通道颈部20的主失超路径由于任何原因阻挡，冷冻剂仍能够逃离通过辅助通风孔，尽管比通过通道颈部20的压力高。

图2更详细地示出传统的失超路径配置。通道颈部20围绕中空流体导引件(current lead)21。设置热拦截件26，该热拦截件26热连接到热辐射防护部16，因此通过冷冻器17冷却。热拦截件26冷却，并机械地支撑流体导引件21。在热拦截件中设置孔，以允许失超外出路径28穿过热拦截件。通道颈部20可以向转塔盖24的内部开放，或者可以通过阀或爆破盘封闭。一般地，通道颈部是打开的。在一些已知配置中，流体引导件21是中空的，在其内部设置部分的辅助通风孔路径281。流体导引件21可经由接合到转塔的GRP导管或类似物282并由此经由肘状部和旋转导管(未示出)通过爆破隔片或等价物连接到失超回收线路。

转塔盖24大致处于环境温度，而通道颈部20下降到处于非常低温度的包含冷冻剂的冷冻剂容器中。如果使用氦冷冻剂，冷冻剂容器内部的氦气处于稍微高于其4.2K的沸点的温度。在通道颈部内在稳定状态条件下将发生热分层。如果转塔盖中有泄漏，将进入空气。空气组分例如水蒸汽和氮将循环，从而进入通道颈部20。当这样的空气组分在通道颈部内达到它们的冰点以下的点时，它们将冻结在通道颈部表面上。如果泄漏严重，或者长时间地发生泄漏，通道颈部20会变阻塞，或者至少严重收窄。为了消除该危险。流体导引件21可以形成为中空导管，其延伸到冷冻剂容器中直至其下末端位于温度在普通空气组分例如水蒸汽和氮的冰点以下的热分层中。重要的是，封闭通过流体引导件21的辅助通风孔路径的爆破盘或等效物应当有效对流体引导件密封，以防止任何空气进入流体引导件中。任何漏入通道颈部20的空气将在它到达流体引导件的下末端之前冻结，以使得空气组分不能进入流体引导件21的内部。

在失超的情形下，冷冻剂在冷冻剂容器中沸腾，压力增大。正常地，冷冻剂气体将通过通道颈部20逃离进入转塔盖24。转塔盖中的压力将积聚起来直到它足以打开失超阀26。一旦失超阀已经打开，冷冻剂就能够安全逃离到大气中或者冷冻剂回收设备中。传统地，失超阀26水平安置，如所示，并且90°肘状部设置在失超阀的下游以将冷冻剂气体的流动向上导向以使得失超回收导管与其它导管和电缆一起向上延伸到吊顶空间(ceiling void)内。失超阀的出口有时具有例如配合在移动系统上的水平导管并且在具有非常低的吊顶高度的位置。

但是，如果通道颈部20阻塞，或者严重缩窄，冷冻剂气体将不能逃离通过通道颈部。冷冻剂容器内的压力将增大，直到它达到将使得封闭辅助通风孔路径的爆破盘或等效物打开的压力。冷冻剂然后可以通过流体引导件21和辅助通风孔路径281逃离冷冻剂容器。冷冻剂将逃离进入大气或者冷冻剂回收设备中。通过流体引导件的外出路径281比通道颈部20缩窄，以使得冷冻剂容器内的压力将比通道颈部20用于冷冻剂外出的情形保持更高。

发明内容

相应地，期望提供一种在失超情形下用于冷冻剂的外出路径，其即使在转塔盖泄漏的情形下也不会有固体淀积物，其提供有效的密封并且其对后续的再次密封使用相对简单。

根据本发明，提供了一种允许冷冻剂气体从冷冻剂容器逃离的方法，包括以下步骤：

通过以下步骤组装失超路径出口组件：

在凸缘内安装失超阀；

以密闭不泄漏的方式将冷冻剂外出导管密封到所述凸缘上，从而限定延伸通过所述冷冻剂外出导管、所述凸缘和所述失超阀的冷冻剂外出路径；以及

通过在冷冻剂外出导管内和/或失超阀下游设置爆破盘(34)而封闭冷冻剂外出路径；

对预组装失超路径出口组件进行泄漏测试；

将预组装、预测试的失超路径出口组件安装到冷冻剂容器上以使得在正常条件下在冷冻剂容器内的气体的热分层导致冷冻剂外出导管的下端处于低于普通空气组分(common air component)的冰点之下的温度处；以及

响应冷冻剂容器内的压力增大，允许爆破盘破裂以及失超阀打开，从而提供开口，以允许冷冻剂气体从冷冻剂容器逃离。

优选的是，进一步包括步骤：用类似的预组装、预测试的失超路径出口组件来替换所述的预组装、预测试的失超路径出口组件，所述类似的预组装、预测试的失超路径出口组件已经被测试以保证它不会有泄漏。

优选的是，进一步包括步骤：在安装后对失超路径出口组件再次进行泄漏测试。

优选的是，冷冻剂容器设置有允许通向冷冻剂容器的通道颈部和穿过通道颈部的中空流体引导件，其中预组装、预测试的失超路径出口组件被安装以使得冷冻剂外出导管至少部分地通过中空流体引导件的内部。

优选的是，用另一预组装、预测试的失超路径出口组件来替换预组装、预测试的失超路径出口组件的步骤包括以下子步骤：

从使用过的失超路径出口组件的冷冻剂外出导管移除失超阀；

将移除的失超阀安装到替换冷冻剂外出导管；

对所形成的组件进行泄漏测试；以及

安装所述组件到冷冻剂容器上。

优选的是，移除失超阀和安装失超阀的步骤能够通过凸缘来实现，该凸缘形成为至少两个可分离件，以使得所述失超阀能够通过分离所述凸缘的可分离件而从冷冻剂外出导管移除。

根据本发明另一方面，提供了一种用于提供来自冷冻剂容器的冷冻剂外出路径的预组装、预测试失超路径出口组件，包括：

安装在凸缘之内的失超阀；

以密闭不泄漏的方式密封到凸缘上的冷冻剂外出导管，用于限定延伸通过冷冻剂外出导管、凸缘和失超阀的冷冻剂外出路径；

其中所述冷冻剂外出路径通过爆破盘封闭，并且在使用中，预组装、预测试的失超路径出口组件安装到冷冻剂容器上以使得在正常条件下在冷冻剂容器之内的气体的热分层导致冷冻剂外出导管的下端处于低于普通空气组分的冰点之下的温度处。

优选的是，其中，爆破盘位于所述凸缘内，在所述失超阀和所述冷冻剂外出导管之间，封闭所述冷冻剂外出路径。

优选的是，其中，爆破盘位于失超阀的与冷冻剂外出导管相对的一侧上，从而封闭冷冻剂外出路径。

优选的是，其中，凸缘设置有安装表面，用于连接到冷冻剂容器。

优选的是，其中，所述凸缘形成为至少两个可分离件，以使得所述失超阀能够从冷冻剂外出导管移除。

根据本发明又一方面，提供了一种冷冻剂容器，设置有允许通向冷冻剂容器的通风导管以及通过通风导管的中空流体引导件，所述冷冻剂容器进一步设置有根据本发明另一方面的预组装、预测试失超路径出口组件，该组件布置成以使得冷冻剂外出导管至少部分通过中空流体引导件的内部。

优选的是，其中，所述中空流体引导件延伸到冷冻剂容器中，直至其下端位于热分层中在普通空气组分的冰点以下的温度处。

附图说明

本发明的上面的以及其它目的、特征和优点将从下面结合附图对其某些实施例的描述的考虑变得更明显，在附图中：

图1示出具有失超路径配置的传统的冷冻剂容器；

图2更详细地示出图1的失超路径配置；

图3示出根据本发明的实施例的失超出口组件；以及

图4示出根据本发明的实施例的安装在冷冻剂容器之内的图3的失超出口组件。

具体实施方式

本发明提供预组装、预测试的失超出口组件，其可以在使用后替换并且其对由冻结的空气组分的淀积物所致的阻塞不敏感。

图3示出根据本发明的实施例的失超出口组件的示意性轴向截面。该部件独立于低温恒温器进行制造和泄漏测试。失超出口组件包括失超阀26，如关于图2所描述的。失超阀26自身安置在凸缘28内，凸缘28提供安装表面30并连接到冷冻剂外出导管32。设置爆破盘，要么是在失超阀上游，例如在位置34处，或者在失超阀下游，在位置36处。如果期望，爆破盘可以设置在位置34和36二者上。冷冻剂外出导管32密封到凸缘28和爆破盘以提供密闭不泄漏(leak-tight)组件，其在组装为低温恒温器之前进行泄漏测试。

图4示出根据本发明的实施例的安装在冷冻剂容器内的图3的失超出口组件。凸缘28的安装表面30连接到转塔盖24从而提供通过转塔盖的路径。冷冻剂外出导管32至少部分地通过中空流体引导件21的内部。通道颈部20可以开口到转塔盖24的内部，或者可以与其密封。

根据本发明的一方面，失超出口组件在组装到冷冻剂容器上之前进行测试，并知道不泄漏。如果空气会泄漏到转塔盖24中，它将不能达到冷冻剂外出导管32内部。由于冷冻剂外出导管已经在组装到冷冻剂容器之前进行测试，知道不泄漏。空气组分到达冷冻剂外出路径内部的唯一可能的线路是通过下降通过通道颈部20并进入冷冻剂外出导管32的下端。但是，冷冻剂外出导管设计为具有一定长度以使得在正常条件下冷冻剂容器装置内的气体热分层意味着进入通道颈部20的任何空气组分将在它们抵达冷冻剂外出导管32的下端之前在通道颈部表面上冷凝和固化。氮的冻结温度会在典型的热分层中出现在水平42处。因此，可以确定的一点是，冷冻剂外出导管32将不会被冻结的空气组分阻塞。由于增大了冷冻剂外出导管32不会变得阻塞的信心，因此没有必要提供第二冷冻剂外出路径。这节省空间和降低构建复杂性。

如所示的，失超出口组件可以安置为以使得逃离的冷冻剂气体沿着大致竖直的外出路径40行进，并且不需要肘状部来将逃离的冷冻剂指向竖直路径。这进一步简化构建，并减小冷冻剂外出路径中产生的背压。

失超出口组件被测试并组装到冷冻剂容器。优选地，失超出口组件在安装在冷冻剂容器中后再次进行泄漏测试，在失超发生前它必须保持绝对的密闭不泄漏。优选地，爆破盘是金属的，焊接到失超出口组件的凸缘28，以保证密闭不泄漏性。典型地，失超出口组件将在磁性测试之后准备装运低温恒温器之前进行安装。凸缘28例如可以是不锈钢的或铝的以简化焊接。冷冻剂外出路径32可以是复合材料的例如玻璃纤维加强塑料，或不锈钢。冷冻剂外出路径应当是具有低热导率的材料。

爆破盘用于在相当于冷冻剂容器内能承受的最大计量压力的压差时爆破。在爆破盘处于失超阀上游的配置中，失超阀自身可以设置在比爆破盘更低的压力时打开。这将保证爆破盘一打开失超阀就打开。在这样的配置中，一旦失超结束，失超阀将用以从大气密封冷冻剂容器。在这样的配置中，失超阀可以是简单、低成本的设计，因为它不需要提供有效的长期密封。

与现有解决方案相比，流体引导件21可以直径增大以提供更宽的冷冻剂外出路径40。通道颈部20可以直径减小，从而减小进入系统的热负荷。可以通过以下事实进行这些改变，即不必提供两个冷冻剂外出路径，一个通过流体引导件，一个通过通道颈部20。

在失超后，整个失超路径组件可以被移除和替换。移除的组件可以被修复或者丢弃。当失超路径组件移除时，流体引导件21的内部可以进行固体淀积物核查。

在本发明的变体中，失超阀26能够从失超路径组件其它部分移除。例如，如图4所示，凸缘28可以形成为两件，在44处结合。失超阀26部分可以移除并替换而不影响失超路径组件的密封完整性，防止空气进入。可以发现以这种方式移除失超阀对于允许磁体系统在禁闭空间内更容易地移动或者简化运输是有效的。使得失超阀可移除的另一益处在于它不需要在失超后替换。仅结合到爆破盘的那些部分的失超路径组件需要移除或者替换用于保养。失超阀可以在新的较低的失超路径组件上进行移除和替换。

相应地，本发明提供在失超情形下的用于冷冻剂外出的改进的冷冻剂外出路径，其中设置单一外出路径，其是密闭不泄漏的，其安装和替换相对简单。该改进的外出路径可以更直，从而减小失超情形下的背压。

Claims (13)

1.一种允许冷冻剂气体从冷冻剂容器逃离的方法，包括以下步骤：

通过以下步骤组装失超路径出口组件：

在凸缘(28)内安装失超阀(26)；

以密闭不泄漏的方式将冷冻剂外出导管(32)密封到所述凸缘上，从而限定延伸通过所述冷冻剂外出导管、所述凸缘和所述失超阀的冷冻剂外出路径(40)；以及

通过在冷冻剂外出导管内和／或失超阀下游设置爆破盘(34)而封闭冷冻剂外出路径：

对预组装失超路径出口组件进行泄漏测试；

将预组装、预测试的失超路径出口组件安装到冷冻剂容器上以使得在正常条件下在冷冻剂容器内的气体的热分层导致冷冻剂外出导管的下端处于低于普通空气组分的冰点之下的温度处；以及

响应冷冻剂容器内的压力增大，允许爆破盘破裂以及失超阀打开，从而提供开口，以允许冷冻剂气体从冷冻剂容器逃离。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：替换所述的预组装、预测试的失超路径出口组件。

3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括步骤：在安装后对失超路径出口组件再次进行泄漏测试。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，冷冻剂容器设置有允许通向冷冻剂容器的通道颈部(20)和穿过通道颈部的中空流体引导件(21)，其中预组装、预测试的失超路径出口组件被安装以使得冷冻剂外出导管至少部分地通过中空流体引导件的内部。

5.如权利要求2所述的方法，其中，用另一预组装、预测试的失超路径出口组件来替换预组装、预测试的失超路径出口组件的步骤包括以下子步骤：

从使用过的失超路径出口组件的冷冻剂外出导管移除失超阀；

将移除的失超阀安装到替换冷冻剂外出导管；

对所形成的组件进行泄漏测试：以及

安装所述组件到冷冻剂容器上。

6.如权利要求5所述的方法，其中，移除失超阀和安装失超阀的步骤能够通过凸缘来实现，该凸缘形成为至少两个可分离件，以使得所述失超阀能够通过分离所述凸缘的可分离件而从冷冻剂外出导管移除。

7.一种用于提供来自冷冻剂容器的冷冻剂外出路径的预组装、预测试失超路径出口组件，包括：

安装在凸缘(28)之内的失超阀(26)；

以密闭不泄漏的方式密封到凸缘上的冷冻剂外出导管(32)，用于限定延伸通过冷冻剂外出导管、凸缘和失超阀的冷冻剂外出路径(40)；

其中所述冷冻剂外出路径通过爆破盘(34)封闭，并且在使用中，预组装、预测试的失超路径出口组件安装到冷冻剂容器上以使得在正常条件下在冷冻剂容器之内的气体的热分层导致冷冻剂外出导管的下端处于低于普通空气组分的冰点之下的温度处。

8.如权利要求7所述的预组装、预测试失超路径出口组件，其中，爆破盘(34)位于所述凸缘内，在所述失超阀和所述冷冻剂外出导管之间，封闭所述冷冻剂外出路径。

9.如权利要求7或8所述的预组装、预测试失超路径出口组件，其中，爆破盘(36)位于失超阀的与冷冻剂外出导管相对的一侧上，从而封闭冷冻剂外出路径。

10.如权利要求7所述的预组装、预测试失超路径出口组件，其中，凸缘设置有安装表面(30、)，用于连接到冷冻剂容器。

11.如权利要求7所述的预组装、预测试失超路径出口组件，其中，所述凸缘形成为至少两个可分离件，以使得所述失超阀能够从冷冻剂外出导管移除。

12.一种冷冻剂容器，设置有允许通向冷冻剂容器的通风导管(20)以及通过通风导管的中空流体引导件(21)，所述冷冻剂容器进一步设置有如权利要求7所述的预组装、预测试失超路径出口组件，该组件布置成以使得冷冻剂外出导管至少部分通过中空流体引导件的内部。

13.如权利要求12所述的冷冻剂容器，其中，所述中空流体引导件延伸到冷冻剂容器中，直至其下端位于热分层中在普通空气组分的冰点以下的温度处。