CN104334985A - 用于冷却超导磁体的封闭制冷剂冷却系统和方法 - Google Patents

用于冷却超导磁体的封闭制冷剂冷却系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于冷却超导磁体的制冷剂冷却系统，包括：制冷剂容器(15)，该制冷剂容器连接到与所述超导磁体热接触的冷却回路结构(13)；再冷凝腔(16)，该再冷凝腔布置成使得所述制冷剂容器的下部末端处于所述再冷凝腔(16)的下部末端之上；再冷凝致冷设备(20)，该再冷凝致冷设备布置成再冷凝所述再冷凝腔(16)之内的制冷剂气体；以及加热器(24)，该加热器定位成加热所述再冷凝腔(16)之内的气态制冷剂。再冷凝腔(16)通过制冷剂供给管(18)液力连接到所述制冷剂容器(15)。制冷剂供给管(18)的上端部暴露于制冷剂容器(15)内的制冷剂气体，而所述管(18)的下端部暴露于所述再冷凝腔(16)的内部、朝向其下部末端或在其下部末端处。

Description

用于冷却超导磁体的封闭制冷剂冷却系统和方法
背景技术
用于MRI系统的早期超导磁体是通过局部浸渍在液态制冷剂中而冷却的。但是，更近期的设计已经减少了所需要的液态制冷剂的量，这典型地是通过使用冷却回路结构来实现的。这种系统通常具有相对小的制冷剂容器，该容器定位在冷却回路的顶部且在再冷凝致冷设备(recondensingrefrigerator)之下，以提供液态制冷剂，该液态制冷剂在重力的作用下被供给以与磁体热接触。热的或沸腾的制冷剂通过冷却回路返回到制冷剂容器，以用于再次冷却。但是，这种结构趋于具有比典型安装房间内的可利用高度更大的高度。再冷凝致冷设备在磁体顶部的定位对于再冷凝致冷设备的维护和更换来说是不方便的。
一些传统的结构提供减小高度的再冷凝致冷设备，其通过固体的热汇流排热连接到制冷剂容器。但是，在需要重新冷凝制冷剂，如氦的温度下，仅1W的冷却功率是共用的。固体的汇流排需要具有大约1m的长度并需要高度导热的。这种汇流排通常由高纯度退火的铜或者高纯度退火的铝以非常大的横截面积制造，以便将冷却功率从再冷凝致冷设备传递到制冷剂容器，而没有显著损失。它们的生产是非常昂贵的。例如，传统的50cm的汇流排会导致0.1K或更大的温度升高。这使得汇流排结构笨重并且制造昂贵。已经发现难于生产完美的平坦接触表面，用于汇流排和冷凝设备之间的热连接。这趋于导致只是点接触，这种点接触可以通过用铟或润滑脂填充接头或者通过机械压缩接头而得以改善。但是，这样的接头难于制造。现场更换再冷凝致冷设备意味着需要在现场重新形成接触，已经发现这是不可靠的。不完美的连接导致冷却功率的损失并且会导致制冷剂的损失。
发明内容
本发明涉及一种用于制冷剂冷却的超导磁体，如在MRI系统中使用的超导磁体的冷却结构。尤其是，本发明涉及用于控制紧凑磁体系统的制冷剂容器中的液态制冷剂的液面高度的结构。
于是，本发明旨在提供一种结构，其中，制冷剂容器被布置成不高于容纳超导磁体的恒温器的顶部，这也允许制冷剂气体重新冷凝并且供给到超导磁体的顶部附近的制冷剂容器，以被供给到冷却回路。
传统的MRI冷却系统具有再冷凝致冷设备，该再冷凝致冷设备布置成液化制冷剂容器内的制冷剂气体。液化的制冷剂气体然后在重力的作用下被供给到冷却回路。在本发明中，再冷凝致冷设备不放置在磁体之上，而是设置成与分离的冷凝腔相关联，定位成比连接到冷却回路的制冷剂容器低很多。
这种结构尤其可用于MRI系统要安装在可利用高度受到限制的地方。
关于传统结构的背景信息在美国专利US4,464,904、US5,335,503、US5,549,142、US5,937,655、US6,996,994和日本专利公布JP2004033260中提供。
本发明于是提供了一种如在所附权利要求中阐述的方法和设备。
附图说明
本发明的上述和进一步目的特征和优点将在考虑结合附图仅借助于示例给出的特定实施方式的如下描述的同时变得更清楚，图中：
图1至4示意性示出本发明的示例性冷却结构。
具体实施方式
本发明提供了一种制冷剂冷却系统，其包括两个液力连接的储池。系统运行着包括液化和蒸发在内的封闭制冷剂循环。
在图1中，超导磁体10容纳在抽真空的低温恒温器12中并且设置有冷却回路结构13，该冷却回路结构被供给来自制冷剂容器15的液态制冷剂14，该制冷剂容器15定位在磁体10的顶部附近。制冷剂可以是氦，但是本领域技术人员已知其他适当的制冷剂。液态制冷剂22从再冷凝腔16通过制冷剂供给管18提供，该制冷剂供给管18在一端连接到再冷凝腔16的下部末端附近，而在另一端连接到制冷剂容器15的上部末端附近。在氦的情况下，再冷凝致冷设备20布置成将再冷凝腔16之内的制冷剂蒸汽在大约4.3K的温度下再次冷凝为液态制冷剂22。根据本发明的一个方面，制冷剂容器15的下部末端处于再冷凝腔16的下部末端之上。如图所示，来自再冷凝腔16的液态制冷剂必须升高高度H以到达制冷剂容器15。所述高度H可以典型地在0.5到1.0m之间。加热器24定位在再冷凝腔16之内或至少与再冷凝腔16热接触。在图1中，这个加热器24被示出安装到再冷凝致冷设备20的再冷凝表面26上，但是在与再冷凝腔16热接触的范围内可以定位在其他地方。它可以整合到再冷凝致冷设备20中。它可以放置到再冷凝腔16的外表面上。再冷凝腔通过真空空间与制冷剂容器15隔热。
根据本发明的一个方面，来自再冷凝腔16的液态氦通过再冷凝腔16之内的制冷剂气体的压力受控变化而被驱动通过管18而到达制冷剂容器15。
本发明的操作的一个示例性方法可以如下进行。在稳定状态下，再冷凝致冷设备20在4.2K的工作温度下操作，在再冷凝腔16之内的14.5psi(100kPa)的绝对压力下与氦气体接触。再冷凝致冷设备可以在4.2K下可以具有1W的有效冷却功率。在制冷剂容器15之内的氦气体处于绝对15.3psi(105.5kPa)的标准压力下。这个压力大于再冷凝腔16之内的气体压力，将氦气体从制冷剂容器15驱动到再冷凝腔16内。在再冷凝腔16中，氦气体被液化，并保持低于制冷剂容器15内的气体压力。于是，制冷剂气体趋于从制冷剂容器15流动到再冷凝腔16。一旦预定量的液态氦已经积累在再冷凝腔16中，再冷凝致冷设备20的工作可以停止，然后加热器24被供能，并且加热再冷凝腔16内的制冷剂气体。再冷凝停止，并且再冷凝腔16内的制冷剂气体的压力升高。一旦再冷凝腔16内的制冷剂气体的压力升高到比制冷剂容器15内的制冷剂气体的压力高足够的量，液态制冷剂22就会被迫使从再冷凝腔16通过管18进入制冷剂容器15。一旦再冷凝腔16之内的液态制冷剂的液面高度达到预定的最小液面高度(该最小液面高度可以是空)，加热器24被去能，并且氦气体的再冷凝将开始。这个操作将循环地继续，以通过从再冷凝腔16给制冷剂容器15周期性补充液态制冷剂，来确保液态制冷剂的供给一直在制冷剂容器15中提供。
在这个示例中，本发明利用相对低密度液态氦以及相对大热膨胀系数的气态氦。大气压对应于大约10米高水或80米高液态氦。这意味着需要相对低的压力差。仅大约10mbar或者1％的大气压应该足以将液态氦升高超过800mm。
在再冷凝腔16的液态制冷剂和制冷剂容器15内的液态制冷剂之间仅存在非常小的温度差，并且液态氦的导热性相对低，因此由于管18而施加在再冷凝腔上的任何热负载似乎并不显著。
管18的上端暴露于制冷剂容器15内的制冷剂气体。管18的下端暴露于再冷凝腔16的内部、朝向或者处于其下部末端处。一旦少量的液态制冷剂在再冷凝腔16中被再冷凝，管18的下端将浸入到液态制冷剂中，形成液力闭锁。当再冷凝致冷设备20操作时，制冷剂容器15和再冷凝腔16之间的气态制冷剂中的压力差足以将气态制冷剂从制冷剂容器15通过管18拉到再冷凝腔16。气态制冷剂在再冷凝腔16内的再冷凝将保持再冷凝腔16内的气体压力低于制冷剂容器15内的气体压力。
如果再冷凝腔16内的气体压力是足够的，并且再冷凝致冷设备20的冷却功率是已知的，则可以计算出制冷剂冷凝的速率，并且补充制冷剂容器15的周期可以被简单地定时。例如，在4.2K下以1W的功率冷却氦将导致大约1升的液态氦在一个小时内再冷凝。以预定时间间隔，对应于再冷凝的制冷剂的期望量，可以停止再冷凝致冷设备20的操作，并且加热器24可以被供能。所产生的气态制冷剂的加热将导致气体膨胀且再冷凝腔16内的气体压力增加。一旦气体压力充分超过制冷剂容器15内的气体压力，液态制冷剂22将从再冷凝腔16被推到制冷剂容器15。加热可以继续固定的时间段，该时间段被认为足以将全部或者预计量的液态制冷剂从再冷凝腔16推到制冷剂容器15。可替代的是，可以提供传感器，以探测再冷凝腔16内的液态制冷剂22的最小液面高度，或者在制冷剂容器15内的液态制冷剂的最大液面高度，并且一旦这些传感器指示这些条件中的一个已经达到，则加热器24可以被立即去能。类似地，可以提供传感器来探测再冷凝腔16内的液态制冷剂的最大液面高度或者制冷剂容器15内的液态制冷剂的最小液面高度，并且一旦这个最大液面高度被达到则立即给加热器24供能。
在氦制冷剂的情况下，在大约4k下的膨胀系数如此大以至于在10mK量级的非常小的温度升高被认为足以产生大约10mbar的压力升高并驱动液态氦升高大约800mm的高度H。
如果加热器24保持供能足够长时间，再冷凝腔16内的全部液态制冷剂将被驱动到制冷剂容器15内。此时，再冷凝腔16和制冷剂容器15内的气体压力将均衡。加热器24然后被去能并且该次序反复。在可替代结构中，在加热器24被供能的同时，再冷凝致冷设备20可以保持操作，再冷凝致冷设备20的冷却功率轻易被简单的电加热器24的加热效力所克服。
加热器可以是简单的电阻线的线圈，其通过整合到再冷凝致冷设备20内的电连接而被提供电流。加热器本身可整合到再冷凝致冷设备中，例如安装到外表面上。可替代的是，加热器可以放置在再冷凝腔16的外表面上、与其热接触。
液态氦在再冷凝腔16之内的深度可以通过放置在或在再冷凝腔16的外表面上或之内的适当位置处的温度传感器来监视。温度传感器可以是电阻器，或者任何其他已知的液面高度计，如那些依赖于电容、超导等的液面高度计，它们适当地连接到控制系统。控制系统可以使用传感器提供的测量结果来控制加热器24的操作并且驱动液态制冷剂从再冷凝腔16内液力提升到制冷剂容器15之内。
再冷凝腔16不需要紧邻制冷剂容器15定位，而是可以定位在具有MRI系统的房间内的其他地方。但是，必须围绕将再冷凝腔16与制冷剂容器15相连接的管18设置适当的隔热。这种隔热将典型地包括真空隔热。
图2示出了本发明的替代实施方式。在这个实施方式中，管18在制冷剂容器15的下部末端附近进入该制冷剂容器15，并且在制冷剂容器15内持续向上到达再冷凝腔16内的最大液态制冷剂液面高度之上的最大高度H’，这可以明显小于图1的实施方式中的相应高度H。在这个结构中，通过比图1的实施方式的情况小得多的气体压力差，液态制冷剂可以从再冷凝腔16升高到制冷剂容器15。虽然不是必须的，所示的实施方式示出了管18的向上指向的上端部，从该上端部，液态制冷剂可以作为喷泉30排出。伞状件31可以设置在管18的上端部之上。这种伞状件的目的如下。如果制冷剂容器15包含相对低液面高度的液态制冷剂，那么其上表面可以相对暖和。伞状件防止与进入的液态制冷剂之间的直接接触，以确保液态氦不会被制冷剂容器的上表面加热，使得制冷剂容器的上表面通过较暖的制冷剂气体在制冷剂容器之内循环而冷却。
图3示出了图2的实施方式的改进。在此，提供了阀门32，以控制液态制冷剂22从再冷凝腔16流入制冷剂容器15，以及制冷剂气体从制冷剂容器15流入再冷凝腔16。阀门32可以通过磁控系统或以其他方式手动或自动控制。如果需要维护操作，该维护操作需要拆卸再冷凝致冷设备20，阀门32应该在再冷凝致冷设备被拆卸之前关闭，以防止空气侵入到制冷剂容器15内。
还示出了可选的另一个阀门34，该阀门也可以或替代地用于防止在再冷凝腔之内的维护操作期间，如更换再冷凝致冷设备20期间，空气侵入制冷剂容器15。
在图1至3中，最大液态制冷剂液面高度传感器36被示出处于再冷凝腔16之内。这个传感器用于探测再冷凝腔16被填充到预定最大液面高度，并且从这个传感器的输出可以被提供到控制器，且作为响应，控制器可以触发加热器24，以开始驱动液态制冷剂22从再冷凝腔16到制冷剂容器15中。图2和3中还示出再冷凝腔26之内的最小液态制冷剂液面高度传感器38。这个传感器用于指示加热器24应该被去能以停止液态制冷剂22从再冷凝腔16流入到制冷剂容器15中。在图1的实施方式中，没有提供最小液态制冷剂液面高度传感器。相反，加热器24可以简单地被供能预定的时间段，该预定时间段足以驱动预计量的液态制冷剂22进入到制冷剂容器15中。可替代地，如果需要，加热器24可以被供能足以将全部液态制冷剂从再冷凝腔16驱动到制冷剂容器15内的时间。温度传感器36、38可以可替代地定位在再冷凝腔16的外表面上。
优选地是，管18的开口端部应该非常靠近制冷剂容器的上表面，使得较靠近制冷剂容器的顶部的较暖的制冷剂气体被获取以用于再冷凝。这被认为导致制冷剂容器的热稳定性改善。
在再冷凝腔16和制冷剂容器15之内的制冷剂的总量优选地被确定成使得管18的上端部总是保持在制冷剂容器15内的液体液面高度之上。
于是本发明提供了一种用于补充布置用来冷却超导磁体的制冷剂容器的设备和方法，其中，再冷凝致冷设备设置在明显低于传统结构的高度处，本发明的结构简单并且紧凑。本发明的结构的制造成本明显低于传统结构的。再冷凝腔和制冷剂容器的相对定位非常灵活并且使得再冷凝致冷设备在需要时容易更换。使用可选的阀门允许在保持制冷剂容器内的低温温度的同时将再冷凝腔加热到室温。
图4示出了根据本发明的可替代结构，其中提供了两根管40、42，所述两根管连接再冷凝腔16和制冷剂容器15。第一管40连接再冷凝腔16的上部和制冷剂容器15的上部，并作用为将制冷剂气体从制冷剂容器15带到再冷凝腔16。单向阀44设置在这个管内，以防止在加热器24工作时制冷剂气体沿相反方向流动。第二管42将再冷凝腔16的下部和制冷剂容器15的下部连接，并且提供用于使液态制冷剂从再冷凝腔流动到制冷剂容器15的通道。

Claims (21)

1.一种用于冷却超导磁体的制冷剂冷却系统，包括：
制冷剂容器(15)，该制冷剂容器连接到与所述超导磁体热接触的冷却回路结构(13)；
再冷凝腔(16)，该再冷凝腔布置成使得所述制冷剂容器的下部末端处于所述再冷凝腔(16)的下部末端之上；
再冷凝致冷设备(20)，该再冷凝致冷设备布置成再冷凝所述再冷凝腔(16)之内的制冷剂气体；以及
加热器(24)，该加热器定位成加热所述再冷凝腔(16)之内的气态制冷剂，
其中，所述再冷凝腔(16)通过制冷剂供给管(18)液力连接到所述制冷剂容器(15)，所述制冷剂供给管(18)的上端部暴露于制冷剂容器(15)内的制冷剂气体，而所述管(18)的下端部暴露于所述再冷凝腔(16)的内部、朝向其下部末端或在其下部末端处。
2.一种用于冷却超导磁体的制冷剂冷却系统，包括：
制冷剂容器(15)，该制冷剂容器连接到与所述超导磁体热接触的冷却回路结构(13)；
再冷凝腔(16)，该再冷凝腔布置成使得所述制冷剂容器的下部末端处于所述再冷凝腔(16)的下部末端之上；
再冷凝致冷设备(20)，该再冷凝致冷设备布置成再冷凝所述再冷凝腔(16)之内的制冷剂气体；以及
加热器(24)，该加热器定位成加热所述再冷凝腔(16)之内的气态制冷剂，
其中，所述再冷凝腔(16)通过第一管(40)和第二管(42)液力连接到所述制冷剂容器(15)，所述第一管(40)将所述再冷凝腔的上部与所述制冷剂容器的上部连接，以提供用于制冷剂气体从制冷剂容器通过单向阀(44)流动到再冷凝腔的通道；所述第二管(42)将再冷凝腔和制冷剂容器的下部连接，以提供用于液态制冷剂从所述再冷凝腔向所述制冷剂容器流动的通道。
3.如权利要求1或权利要求2所述的制冷剂冷却系统，还包括传感器(38)，所述传感器用于探测所述再冷凝腔(16)内的液态制冷剂(22)的最小液面高度。
4.如前述权利要求中任一项所述的制冷剂冷却系统，还包括传感器(36)，所述传感器用于探测所述再冷凝腔(16)内的液态制冷剂(22)的最大液面高度。
5.如前述权利要求中任一项所述的制冷剂冷却系统，还包括传感器(36)，所述传感器用于探测所述制冷剂容器(15)内的液态制冷剂(14)的最大液面高度。
6.如权利要求3至5中任一项所述的制冷剂冷却系统，还包括控制器，所述控制器布置成响应于所述传感器或所述传感器中的一个提供的信号为所述加热器(24)供能和去能。
7.如前述权利要求中任一项所述的制冷剂冷却系统，还包括阀门(32)，所述阀门设置成控制通过制冷剂供给管(18)的流动。
8.如前述权利要求中任一项所述的制冷剂冷却系统，还包括可去除的塞子(34)，用于封闭所述制冷剂供给管(18)的下端部。
9.如前述权利要求中任一项所述的制冷剂冷却系统，其中，所述加热器(24)整合在所述再冷凝致冷设备(20)中。
10.如前述权利要求中任一项所述的制冷剂冷却系统，其中，所述加热器(24)安装到所述再冷凝腔(16)的外表面上、与所述再冷凝腔(16)热接触。
11.如权利要求1所述的制冷剂冷却系统，其中，所述制冷剂供给管(18)的上端部位于所述制冷剂容器的上部末端处或其附近。
12.如权利要求11所述的制冷剂冷却系统，其中，在所述制冷剂供给管(18)的上端部之上设置有伞状件(31)。
13.一种用液态制冷剂(14)补充如前述权利要求中任一项所述的制冷剂冷却系统的制冷剂容器(15)的方法，包括如下步骤：
(a)在包括再冷凝腔(16)、制冷剂供给管(18)、制冷剂容器(15)和冷却回路的封闭体积内提供制冷剂；
(b)操作再冷凝致冷设备(20)，以液化再冷凝腔(16)之内的制冷剂气体，由此将所述再冷凝腔(16)之内的气体压力减小到低于所述制冷剂容器之内的气体压力；
(c)将制冷剂气体从制冷剂容器(15)通过制冷剂供给管(18)供给到所述再冷凝腔(16)；
(d)继续液化再冷凝腔(16)之内的制冷剂气体以在所述再冷凝腔(16)之内提供一定体积的液态制冷剂(22)；
(e)为加热器(24)供能，以加热所述制冷剂容器内的制冷剂气体，由此将再冷凝腔(16)内的气体压力升高到所述制冷剂容器之内的气体压力之上；
(f)利用再冷凝腔(16)和制冷剂容器内的气体压力的差，将所述一定体积的液态制冷剂(22)中的至少一部分从再冷凝腔(16)通过制冷剂供给管驱动到制冷剂容器；以及
(g)将所述加热器去能。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：
周期重复步骤(b)-(g)。
15.如权利要求14所述的方法，其中步骤(e)以预定时间间隔开始，所述预定时间间隔对应于在所述再冷凝腔(16)之内的液态制冷剂(22)的量的期待累积。
16.如权利要求13至14中任一项所述的方法，其中，所述步骤(e)响应于传感器(36)的输出而开始，所述传感器(36)的输出指示最大液面高度的液态制冷剂(22)存在于所述再冷凝腔(16)中。
17.如权利要求13、14或16中任一项所述的方法，其中，步骤(g)响应于传感器(38)的输出而开始，所述传感器(38)的输出指示最小液面高度的液态制冷剂(22)存在于所述再冷凝腔(16)内。
18.如权利要求13至17中任一项所述的方法，其中，所述步骤(e)响应于传感器的输出而开始，所述传感器的输出指示最小液面高度的液态制冷剂(22)存在于制冷剂容器中。
19.如权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，所述步骤(g)响应于传感器的输出而开始，所述传感器的输出指示最大液面高度的液态制冷剂(22)存在于所述制冷剂容器中。
20.如权利要求13至14中任一项所述的方法，其中，所述步骤(e)和(f)持续固定的时间段。
21.如权利要求13至20中任一项所述的方法，其中，所述再冷凝致冷设备(20)的操作在步骤(e)和(f)期间暂停。
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