CN105745553A - 包括热学有效的跨越系统的超导磁体系统以及用于冷却超导磁体系统的方法 - Google Patents

包括热学有效的跨越系统的超导磁体系统以及用于冷却超导磁体系统的方法 Download PDF

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Abstract

一种超导磁体系统，包括低温恒温器以及用于所述超导磁体系统的跨跃系统，所述跨跃系统包括：一个或多个重力馈送冷却管，其被配置为在其中具有低温流体；第一热交换器，其被配置为将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管转移到低温冷却器；储存设备，其具有连接到所述第一热交换器的输入部并且被配置为接收和储存来自所述第一热交换器的沸腾的气体；以及热再生器，其具有连接到所述储存设备的输出部的输入部。

Description

包括热学有效的跨越系统的超导磁体系统以及用于冷却超导磁体系统的方法
技术领域
本发明总体上涉及超导磁体系统和用于所述超导磁体系统的低温恒温器。具体地，本发明涉及用于冷却超导磁体系统的跨越系统、包括这样的跨越系统的超导磁体系统，以及用于冷却超导磁体系统的方法。
背景技术
超导磁体被使用在各种背景中，包括磁共振(NMR)分析，以及磁共振成像(MRI)。为了实现超导性，超导磁体在低温环境中被维持在绝对零度附近的温度处。通常，超导磁体包括一个或多个导电线圈，所述一个或多个导电线圈被设置在包含一实质体积的低温流体(例如，液氦)的低温恒温器中。许多这样的超导磁体以“持续模式”操作。以持续模式操作的超导磁体最初被来自外部电源的电流激励以启动其磁场，并且然后电源被从超导磁体断开并且超导磁体由于其超导性而维持电流和磁场。
尽管超导磁体通常不要求连续的电力供应以保持磁场，但是电力(例如，AC主电力)仍被供应给驱动冷却单元或“冷头”(在本文中被称为“低温冷却器”)的压缩机，以便将超导磁体的温度维持在绝对零度附近，使得磁体的超导性持续。
遗憾的是，低温冷却器可能失去电力，例如，在由于暴风雨的电力中断期间。此外，时不时地，低温冷却器可能经历一些故障或者需要被关闭以执行维护。
当低温冷却器中止操作时，低温恒温器内的状态能够劣化并且超导磁体的温度可能开始上升。在特定点处，如果低温冷却器的操作未被重新建立以恢复对超导磁体的环境的冷却，则超导磁体的温度将上升以达到临界温度，在此处超声磁体将“淬火”并且将其磁性能量转换为热能，从而加热低温恒温器内的低温流体。这将造成一些或全部的低温流体气化和流失。此外，热可能损坏磁体和/或装置的其他部件。
在该情况中，一旦低温冷却器的操作被重新建立，要将磁体返回到超导操作可以要求替换低温恒温器内的流失的低温流体，将将磁体向下冷却到临界温度之下，将引线连接到磁体以重新从外部电源向所述磁体施加电流以便再生磁场，并且再次针对外部电源断开磁体。此外，如果来自淬火的热量造成磁体或其他部件被损坏，则他们可能需要被修理或替换。
该恢复过程能够是昂贵和耗时的。通常，受过训练的技术人员必须被派遣到超声磁体被定位在其中的设施(例如，医学中心或医院)并且新的低温流体(例如，液氦，其可能是非常昂贵的)必须被供应到低温恒温器。另外，氦的供应变得越来越受限并且因此损失氦的花费能够是显著的。
尽管在用于MRI装置的典型的超导磁体中这能够是显著的问题，但是由于以上事实而使该问题至少能够有所改善：这样的超导磁体系统通常采用相对大体积的低温流体(例如，1000升的液氦)。大体积的低温流体具有大的热质量，这可能意味着在磁体的温度达到临界温度并产生淬火之前必须在相对长的时间内失去电力，可能甚至几天。此外，这样的系统通常具有进入模块，通过所述进入模块，用户可以时不时地向低温恒温器添加低温流体以替换气化的低温材料的流失。
然而，一直在发展和布署一些更新的MRI装置，其采用所谓的“自由低温(cryofree)”超导磁体系统，所述“自由低温”超导磁体系统是封闭或密封的并且可能不包括用于用户向系统添加新的低温材料的模块。此外，这样的封闭系统与以上描述的常规系统相比通常在他们的低温恒温器中具有小得多的体积的低温材料(例如，仅一升或几升的液氦)。
因此，自由低温或密封超导磁体系统中的淬火可能在低温冷却器遭受电力失去或某种故障或经历维护之后仅30分钟或更短内发生，这阻止其恰当操作和将低温恒温器中的温度维持到绝对零度附近。此外，由于通常不提供用于用户向系统添加新的低温材料的模块，因此如果低温流体由于淬火而退化或蒸发，则恢复可能要求几天或几周。
发明内容
本发明的一个方法能够提供一种装置，所述装置包括：一个或多个重力馈送冷却管，其被配置为在其中具有用于冷却超导磁体的第一低温流体；第一热交换器，其被配置为将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管转移到低温冷却器的第二级元件；其中，所述第一热交换器被配置为在其中储存一体积的第二低温流体；储存设备，其具有连接到所述第一热交换器的输入部并且被配置为在所述低温冷却器停止操作时接收和储存来自所述第一热交换器的沸腾的气体；以及第二热交换器，其被配置为将热量从所述储存设备转移到所述低温冷却器的第一级元件。
在一些实施例中，所述装置还包括壳体以及被设置在所述壳体内的热屏蔽，所述热屏蔽限定内部区域，并且还限定所述热屏蔽与所述壳体的壁之间的真空空间，其中，所述一个或多个重力馈送冷却管、所述第一热交换器、所述储存设备以及所述第二热交换器被设置在所述内部区域内。
在这些实施例的一些版本中，所述装置还包括热再生器，所述热再生器具有连接到所述储存设备的输出部的输入部并且具有连接到所述壳体之外的输出部。
在这些实施例的一些版本中，所述热生成器至少部分地被设置在所述热屏蔽与所述壳体的壁之间的真空空间中。
在这些实施例的一些版本中，所述装置还包括第二储存设备，所述第二储存设备被设置在所述壳体的外部并且连接到所述热再生器的所述输出部。
在一些实施例中，所述装置还包括冷盘，所述冷盘被配置为将热量从所述第二热交换器转移到所述低温冷却器的所述第一级元件。
在这些实施例的一些版本中，所述装置还包括：连接在所述超导磁体两端的持续电流开关；以及至少一个高温超导电引线，所述至少一个高温超导电引线具有连接到所述超导磁体的第一端并且具有连接到所述冷盘的第二端。
在一些实施例中，所述储存设备具有储存至少3升的沸腾的气体的容量。
在一些实施例中，所述低温冷却器的所述第一级元件被配置为在第一温度操作并且所述低温冷却器的所述第二级元件被配置为在第二温度操作，所述第二温度低于所述第一温度，并且所述装置还包括热开关，所述热开关被配置为当所述第一热交换器具有高于所述第一温度的温度时将热量从所述第一热交换器转移到所述低温冷却器的所述第一级元件，并且所述热开关被配置为当所述第一热交换器的温度低于所述第一温度时，防止热量从所述低温冷却器的所述第一级元件转移到所述第一热交换器。
本发明的另一方面能够提供一种装置，所述装置包括：一个或多个重力馈送冷却管，其被配置为具有被设置在其中的用于冷却超导磁体的第一低温流体；以及热交换器，其被配置为在其中储存包括低温流体的一体积的第二低温流体，其中，所述热交换器被配置为将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管转移到低温冷却器。
在一些实施例中，所述装置还包括储存设备，所述储存设备具有连接到所述热交换器的输入部并且被配置为接收和储存来自所述热交换器的沸腾的气体。
在这些实施例的一些版本中，所述装置还包括热再生器，所述热再生器具有连接到所述储存设备的输出部的输入部。
在这些实施例的一些版本中，所述重力馈送冷却管、所述热交换器，以及所述储存设务被设置在壳体内，并且所述热再生器具有连接到所述壳体之外的输出部。
在这些实施例的一些版本中，所述装置还包括第二储存设备，所述第二储存设备被设置在所述壳体的外部并且连接到所述热再生器的所述输出部。
在这些实施例的一些版本中，所述低温冷却器至少具有第一级元件和第二级元件，其中，所述第一级元件被配置为在第一温度操作，所述第二级元件被配置为在低于所述第一温度的第二温度操作。并且所述装置还包括第二热交换器，所述第二热交换器被配置为将热量从所述储存设备转移到所述低温冷却器的所述第一级元件，其中，所述热交换器被配置为将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管转移到所述低温冷却器的所述第二级元件。
在一些实施例中，所述低温冷却器至少具有第一级元件，所述第一级元件被配置为在第一温度操作，并且所述装置还包括热开关，所述热开关被配置为当所述热交换器具有高于所述第一温度的温度时将热量从所述热交换器转移到所述低温冷却器的所述第一级元件，并且所述热开关被配置为当所述热交换器的温度低于所述第一温度时，防止热量从所述低温冷却器的所述第一级元件转移到所述热交换器。
本发明的又一方面能够提供一种方法，所述方法包括：将热量从超导磁体转移到被设置在一个或多个重力馈送冷却管内的第一低温流体；并且经由热交换器将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管中的所述第一低温流体转移到低温冷却器，所述热交换器具有被设置在其中的包括低温流体的第二低温流体。
在一些实施例中，所述方法还包括将来自所述热交换器的沸腾的气体提供到储存设备，所述储存设备被配置为在其中储存所述沸腾的气体中的至少一些。
在这些实施例的一些版本中，所述低温冷却器至少具有第一级元件和第二级元件，其中，所述第一级元件被配置为在第一温度操作，所述第二级元件被配置为在低于所述第一温度的第二温度操作，并且所述热交换器将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管转移到所述低温冷却器的所述第二级元件；并且所述方法还包括将热量从所述储存设备转移到所述低温冷却器的所述第一级元件。
在这些实施例的一些版本中，所述方法还包括将来自所述储存设备的沸腾的气体中的至少一些供应到热再生器。
附图说明
结合附图考虑对以下呈现的示范性实施例的详细描述，本发明将更容易理解。
图1图示了磁共振(MR)成像器的示范性实施例。
图2图示了包括跨越系统的超导磁体系统的一个实施例，所述跨越系统用于在延长的时期内跨越低温冷却器故障而没有由超导磁体生成的磁场的淬火。
图3图示了冷却超导磁体的方法的范例实施例的一些操作。
具体实施方式
在下文中将参考附图更加全面地描述本发明，其中，示出了本发明的实施例。然而，本发明可以被实施为不同的形式并且不应被解释为限于在本文中阐述的实施例。而是，这些实施例被提供为对本发明的教导范例。在本公开内容和权利要求内，当某物被叙述为具有接近特定值时，则其意味着其在该值10％的范围内，并且当某物被叙述为具有约为特定值时，则其意味着其在该值25％的范围内。当某物被叙述为基本大于时，则其意味着其至少大10％，并且当某物被叙述为基本小于时，则其意味着其至少小10％。
图1图示了磁共振成像(MRI)装置100的示范性实施例。MRI装置100可以包括：磁体102；患者台104，其被配置为支持患者10；梯度线圈106，其被配置为至少部分地环绕患者10的至少部分，针对所述患者，MRI装置100生成图像；射频线圈108，其被配置为将射频信号施加到正被成像的患者10的至少部分，并且所述射频线圈108被配置为更改磁场的对齐；以及扫描器110，其被配置为检测由所述射频信号引起的磁场的变化。
MRI装置的一般操作是公知的并且因此在此将不进行重复。
图2图示了包括跨越系统的超导磁体系统200的一个实施例，所述跨越系统用于在延长的时期内跨越低温冷却器故障而没有由超导磁体生成的磁场的淬火。尤其地，超导磁体系统200可以是MRI装置100中的磁体102的一个实施例。
超导磁体系统200包括低温冷却器210和限定低温恒温器的外壳或壳体220。
在一些实施例中，低温冷却器210可以包括Gifford-McMahon(GM)冷却器。如图2中所图示的，在一些实施例中，低温冷却器可以被配置为连接到主AC以接收电力供其操作。在其他实施例中，外部电源或电力调节单元可以代替地向低温冷却器210供应电力。
低温冷却器210能够包括第一级元件212和第二级元件214。在图2中图示的实施例中，低温冷却器210包括二级，但是在其他实施例中，可能的是，低温冷却器210具有除了二之外的不同数目的级。
超导磁体系统200还包括一个或多个重力馈送冷却管230，第一热交换器240，第一储存设备250，第二热交换器260，热再生器270，热开关280，以及第二储存设备290。超导磁体系统200还包括：超导磁体235，所述超导磁体235包括一个或多个导电线圈；冷却回路245；持续电流开关255；一个或多个高温超导电引线265；冷盘275；以及热屏蔽285。
(一个或多个)重力馈送冷却回路230被配置为在操作中具有被设置在其中并且在其中循环的第一低温流体(例如，冷的气态氦)。(一个或多个)重力馈送冷却回路230在其下端被(直接或间接地)热连接到超导磁体系统235的一个或多个导电线圈，并且在其上端被连接到第一热交换器240。
第一热交换器240被配置为具有被设置在其中的第二低温流体。在一些实施例中，所述第二低温流体包括一体积的液氦，并且还可以包括一体积的氦或冷的气态氦。第一热交换器240经由冷却回路245热连接到低温冷却器210的第二级元件214。
第一储存设备(或储存罐)250具有连接到第一热交换器240的入口/输入部，并且如以下更加详细地解释的，第一储存设备(或储存罐)250被配置为在低温冷却器210停止操作时接收和储存来自第一热交换器240的沸腾的气体。在一些实施例中，第一储存设备250具有储存来自第一热交换器240的至少3升的沸腾的气体(例如，氦气)的容量。在一些实施例中，第一储存设备250具有储存来自第一热交换器240的至少5升的沸腾的气体的容量。在一些实施例中，第一储存设备250可以具有用于储存来自第一热交换器240的高达30升的沸腾的气体的容量。
热屏蔽285基本上包围壳体220内的内部区域222，并且还限定了被设置在壳体220与热屏蔽285之间的外部区域224。内部区域222和外部区域224中的每个可以包括真空区域。
在超导磁体系统200中，一个或多个重力馈送冷却管230、第一热交换器240、第一储存设备250、第二热交换器260、热开关280、超导磁体235、冷却回路245、持续电流开关255、以及冷盘275被设置在内部区域222中。热再生器270中的一些或全部可以被设置在外部区域224中。
持续电流开关225可以包括连接在超导磁体235的(一个或多个)导电线圈的相对端两端并且附接到小的持续电流开关加热器的一块超导体导线。
如以下更加详细地解释的，(一条或多条)高温超导电引线265在超导磁体235的启动操作期间将外部电源(在图2中未示出)连接到持续电流开关255和超导磁体235。(一条或多条)高温超导电引线265可以由在相对高的温度经历超导性的材料制成，例如，在高于40°K的温度，并且尤其是在77°K或其附近。(一条或多条)高温超导电引线265中的每条可以包括下部265a和上部265b。(一条或多条)电引线265的上部可以包括诸如铜的非超导材料。尤其地，下部265a被设置在内部区域222内，并且上部265b中的一些或全部被设置在外部区域224内。
第二热交换器260被设置在第一储存设备250的顶部和出口/输出部处或其附近。第二热交换器260被配置为将热量从第一储存设备250转移到低温冷却器210的第一级元件212。在图示的实施例中，第二热交换器260经由冷盘275将热量从第一储存设备250传递到低温冷却器210的第一级元件212，第二热交换器260例如在正常操作期间可以处于约40开氏度的温度。同样，在图示的实施例中，第二热交换器260经由冷盘275将热量从(一条或多条)高温超导电引线265传递到低温冷却器210第一级元件212，以便将(一条或多条)高温超导电引线265的温度维持在其临界温度之前，例如，在60开氏度之下。
热再生器270具有高的体积热容并且在纵向(流)方向上具有从其输入部(底部)到其输出部(顶部)的低的导热性。在一些实施例中，热再生器270可以由这样的母体材料构建：所述母体材料具有快速转移和储存来自通过的气体的热的能力，但其也对沿其纵向方向流动的热具有高的抵抗。在一些实施例中，当与反向流动的热交换器相比时，热生成器270不要求两个物理地分开的流体的同时连续的流，而是代替地通过每次气体方向周期性地反转时与再生器材料的中间热量转移的动作将热量转移到或转移出相同的气体(例如，氦气)。为完成该动作，可以使较热的气体与热再生器270的热储存介质或母体接触，然后较暖的气体被较冷的气体代替，所述较冷的气体吸收热量。热再生器270具有输入部和输出部，其中，所述输入部连接到第一储存设备250的输出部，所述输出部连接到壳体220的外部。在图示的实施例中，热再生器270整体地或部分地被设置在热屏蔽285与壳体220之间的第二区域224中。
热开关280连接在其下端处的第一热交换器240与其上端处的低温冷却器210的第一级元件212和冷盘285之间。在一些实施例中，热开关280是对流冷却回路，所述对流冷却回路被配置为允许热量从其下端流动到其上端，并且防止热量从其上端流动到其下端。
在图示的实施例中，第二储存设备290被设置在在壳体220之外或在其外部上。因此，第二储存设备290可以假设超导磁体系统200被安装于其中的房间或设施是室温(例如，300开氏度)。在一些实施例中，第二储存设备290具有用于储存经由第一储存设备250和热再生器270接收到的、来自第一热交换器240的约40升或更多的沸腾的气体(例如，氦气)的容量。在一些实施例中，第二储存设备290具有储存来自第一热交换器240的至少100升的沸腾的气体的容量。在一些实施例中，第二储存设备290具有储存来自第一热交换器240的至少300升的沸腾的气体的容量。在一些实施例中，第二储存设备290可以具有储存来自第一热交换器240的高达500升的沸腾的气体的容量。
现在将描述超导磁体系统200的示范性操作。
在超导磁体系统200的启动操作期间，持续电流开关255中的电线被小的持续电流开关加热器加热到其转变温度之上，使得其变为阻抗性的。(一条或多条)高温超导引线265在超导磁体235的启动操作期间将外部电源(在图2中未示出)连接到持续电流开关255和超导磁体235。超导磁体235的(一个或多个)导电线圈初始由经过其的电流的外部电源激励。由于持续电流开关255中的电线在启动操作期间被加热，因而其阻抗基本上大于超导磁体的235的(一个或多个)导电线圈的阻抗，因此来自外部电源的电流经过超导磁体的235的(一个或多个)导电线圈。
同时，低温冷却器210的第一级元件212在第一温度(例如，约40开氏度)操作并且第二级元件214在第二温度(例如，约4开氏度)操作，所述第二温度低于所述第一温度。所述一个或多个重力馈送冷却管230在其中包含第一低温流体，例如，在约4至5开氏度的过冷的气态氦。第一热交换器240储存一体积(例如，一升)的第二低温流体，包括，例如在约4开氏度的液氦。
因此，低温冷却器210能够借助于一个或多个重力馈送冷却管230和第一热交换器240来提供制冷以将超导磁体235的导电线圈冷却到他们的超导温度之下(例如，在4.2开氏度或其下)。低温冷却器210还能够经由冷盘275和第二热交换器260提供制冷(例如，在约40度开氏度)以将(一条或多条)高温超导引线265维持在其转变温度(例如，约60开氏度)之下。
在一个或多个重力馈送冷却管230中循环的过冷的氦气被第二低温流体(例如，液氦)的气化所冷却，所述第二低温流体被容纳在第一热交换器240中。继而，来自第一热交换器240的蒸发的氦蒸气被低温冷却器的第二级元件214凝结并且液氦经由冷却回路245被返回到第一热交换器240。
由于，如以上所描述的，超导磁体235的(一个或多个)导电线圈由重力馈送冷却管230冷却到其临界温度之下，因此超导磁体235的(一个或多个)导电线圈是超导的。
为进入持续模式，通过超导磁体235的(一个或多个)导电线圈的电流被调节直到获得期望的磁场，然后持续电流开关255中的加热器被关闭。在加热器被关闭之后，持续电流开关255中的超导体电线冷却到其超导温度，使超导磁体235的(一个或多个)导电线圈短路，所述超导磁体235的(一个或多个)导电线圈如以上所提及的也是超导的。在一些实施例中，在该点处，(一条或多条)高温超导引线265可以被从持续电流开关255和超导磁体235的(一个或多个)导电线圈断开连接。在该点处，超导磁体235可以以持续模式操作。
在正常操作期间，低温冷却器210经由第二级元件214和重力馈送冷却管230继续冷却超导磁体235的导电线圈以维持他们的超导性(例如，在约4开氏度的温度)，并且也经由第一级元件212、冷盘275，以及第二热交换器260冷却(一条或多条)高温超导电引线265以维持他们的超导性(例如，在约40开氏度的温度)。也在正常操作期间，第一热交换器240的温度(例如，约4开氏度)实质上低于第一级元件212和冷盘275的操作温度(例如，约40开氏度)，但是由于第一热交换器240被定位在第一级元件212和冷盘275之下，因此热开关280防止热量从低温冷却器210的第一级元件212转移到第一热交换器240。
如果低温冷却器以任何原因停止操作，例如，失去电力，故障，或因例行维护停止操作，则将发生冷却的损失，并且如果不提供额外的制冷，则超导磁体235的导电线圈以及(一条或多条)高温超导电引线265两者都将开始变暖，具有使磁体淬火的可能。
为了防止淬火，超导磁体系统200包括跨越系统。超导磁体系统200的跨越系统可以被认为包括第一热交换器240、第一储存设备250、第二热交换器260、热再生器270，以及第二储存设备290。然而，在其他实施例中，可以省略这些元件中的一个或多个，例如，第一储存设备250、第二热交换器260、热再生器270，和/或第二储存设备290，可能伴随着损失一些益处和/或降低性能。
如果低温冷却器210不恰当地操作以冷却第二级元件214，则储存在第一热交换器240中的低温流体(例如，液氦)中的一些可能会沸腾。在该情况中，第一储存设备250将其输入部连接到第一热交换器240并且被配置为在低温冷却器210停止操作时接收和储存来自第一热交换器240的沸腾的气体。第一储存设备250填充有沸腾的气体，并且随着沸腾的气体的温度升高，沸腾的气体中的一些可以从其输出部退出第一储存设备250，所述输出部经由第二热交换器260热连接到冷盘285，所述冷盘285通常在约40开氏度操作。脱离第一储存设备250的冷气体被提供到热再生器270，其操作己在上文中解释过。较温的气体离开热再生器270并且退出壳体220以被提供到第二储存设备290。同时，如果第一热交换器240的温度要开始上升到低温冷却器210的第一级元件212和冷盘285的温度之上(例如，约60开氏度)，则热开关280允许热量从第一热交换器240到低温冷却器210的第一级元件212和冷盘285转移。
跨越系统可以包括图2中示出的储存体积中的一个或多个，以提供足够的跨越时间同时限制超导磁体系统200的部件内的压力上升。超导磁体系统200包括三个储存体积，包括在4开氏度的第一热交换器240中的第一储存体积，在40开氏度的第一储存设备250中的第二或中间储存体积，以及被设置在壳体220外部的在室温(例如，在300°K)的第二储存设备290中的第三储存体积。被设置为在40开氏度的第一储存设备250与在室温(例如，在300°K)的第二储存设备290之间的热再生器270可以允许在低温冷却器210的恰当操作恢复之后冷却从退出壳体220的冷的气体流(例如，氦)转移到重新进入壳体220的暖的气体。多个体积给予跨越系统这样的灵活性：在其初始被填充有在室温的气体(例如，氦)时，收集跨越气体而不超过超导磁体系统200的部件的安全工作压力。这也实现了这样的目的：具有隔绝密封的系统并且不要求额外的低温材料(例如，氦)被添加到所述系统。然而，如以上所解释的，在一些实施例中，可以省略这些储存体积中的一个或多个，可能伴随着损失一些益处和/或降低性能。
在一些实施例中，这些体积可以被定尺寸为将超导磁体235的导电线圈的温度上升限制为低于他们的临界淬火温度，例如，通过限制体积中的氦蒸汽的压力上升。在一些实施例中，只要第一热交换器240中的压力不上升到压力阈值之上(例如，在4.8开氏度时为1.64atm)，并且(一条或多条)高温超导电引线265的上部265b不超过60开氏度，则超导磁体235的导电线圈和(一条或多条)高温超导电引线265将不淬火并且系统将正常地操作。
超导磁体系统200的跨越系统可以在正常操作期间储存足够的低温流体(例如，氦流体和/或过冷的氦气)，以在低温冷却器210不操作时在延长的时间段内提供对超导磁体235的导电线圈和(一条或多条)高温超导电引线265两者的冷却。跨越系统也可以使得在低温冷却器210恢复正常操作后超导磁体系统200能够相对快地还原冷却以及相对快地复原到其正常操作模式。
在一些实施例中，在低温冷却器210终止恰当操作时，跨越系统能够在延长的时间段(例如，多于两个小时并且有益地，至少四个小时)内将超导磁体235的导电线圈维持在4.9开氏度之下并且将(一条或多条)高温超导电引线265的上部265b维持在60开氏度之下。
在各种实施例中，超导磁体系统200及其跨越系统可以在日常低温冷却器维护或低温冷却器210故障期间防止或延迟磁体淬火的发生。此外，具有在不同温度的低温流体的多个体积可以维持系统的安全工作压力同时使体积的尺寸最小化。在一些实施例中，(一条或多条)高温超导引线265附近的第二热交换器260的存在允许使用经由储存设备250离开第一热交换器240的冷的氦蒸汽来保持(一条或多条)超导引线265在其临界温度之下。此外，在一些实施例中，热再生器270能够使得气化的低温流体(例如，冷氦气)中的制冷中的大部分或全部能够被储存并且在低温冷却器220的正常操作被重新建立时高效地返回到气体。在热再生器270中储存制冷，而不是令其消散，可以使得液氦能够在低温冷却器220的正常操作被重新建立时以来自低温冷却器220的最小的冷却要求返回到第一热交换器240。在一些情况中，热再生器270可以允许超导磁体系统200的正常操作在低温冷却器220的正常操作被重新建立之后在数小时的时间内恢复，而在没有热再生器270时，可能要求数日来使超导磁体系统返回到其正常操作模式。
图3图示了冷却超导磁体的方法300的范例实施例的一些操作。在一些实施例中，方法300的操作可以由图2中的超导磁体系统200来执行。
方法300能够包括将热量从超导磁体(例如，图2中的元件235)转移到被设置在一个或多个重力馈送冷却管(例如，图2中的元件230)中的第一低温流体以便冷却超导磁体的操作310。在一些实施例中，第一低温流体是气态状态，例如，冷的气态氦。冷的氦气被提供给被设置在(一个或多个)重力馈送冷却管的底部处的超导磁体，并且随着热量从超导磁体被转移到冷的氦气，冷的氦气的温度升高。“较温”的氦气引起对较温的氦气进行循环的(一个或多个)冷却管中的压力的增加，所述较温的氦气被超导磁体加热到(一个或多个)重力馈送冷却管的顶部，并且继而将较冷的氦气发送到(一个或多个)重力馈送冷却管的底部，在底部较冷的氦气可以从超导磁体吸收热量。
方法300也能够包括经由热交换器(例如，图2中的元件240)将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管中的第一低温流体转移到低温冷却器(例如，图2中的元件210)的操作320，所述热交换器具有被设置在其中的一体积的第二低温流体，包括低温流体(例如，液氦)。在一些实施例中，热交换器被设置在(一个或多个)重力馈送冷却管的顶部处，并且被超导磁体加热的较温的氦气循环到(一个或多个)重力馈送冷却管的顶部处，在顶部处，较温的氦气与被设置在热交换器中的第二低温流体交换热量。热量从气态氦到热交换器中的第二低温流体的体积的转移降低了气态氦的温度和压力，所述气态氦然后循环回到(一个或多个)重力馈送冷却管的底部以从超声磁体吸收更多的热量，如以上在操作310中所描述的。
第二低温流体(其由(一个或多个)重力馈送冷却管的气态氦加热)继而将其热量转移到低温冷却器。在一些实施例中，低温冷却器具有至少第一级元件(例如，图2中的元件212)和第二级元件(例如，图2中的元件214)，其中，所述第一级元件被配置为在第一温度(例如，约40°K)操作，所述第二级元件被配置为在低于所述第一温度的第二温度(例如，约4°K)操作，并且热交换器将热量从一个或多个重力馈送冷却管转移到低温冷却器的第二级元件。在一些实施例中，热量经由冷却回路(例如，图2中的元件245)从热交换器转移到低温冷却器的第二级元件。
如以上所提及的，在一些情况中，低温冷却器210可能由于多种原因中的任一种而恰当地停止操作，例如，失去电力、故障、或者由于日常维护而恰当地停止操作。在该情况中，然后被储存在热交换器中的低温流体(例如，液氦)中的一些会沸腾。
因此，方法300能够包括将来自热交换器的沸腾的气体提供到储存设备(例如，图2中元件250)的操作330，所述储存设备被配置为在其中储存沸腾的气体中的至少一些。这可以增加超导磁体系统能够跨越失去由低温冷却器进行的冷却而不经历磁体淬火的时间段。
为了进一延迟或防止磁淬火，方法300还能够包括将热量从储存设备转移到低温冷却器的第一级的操作340，如以上关于图2的超导磁体系统200所描述的。
此外，为了缩短在低温冷却器终止操作之后重新建立超导磁体系统的正常操作所要求的时间段，方法300能够包括将来自储存设备的沸腾的气体中的至少一些供应到热再生器的操作350，如以上关于图2的超导磁体系统200所描述的。
在其他实施例中，一种冷却超导磁体的方法可以包括以上关于超导磁体系统200和图2所描述的一个或多个各种其他操作。
尽管在本文中公开了优选的实施例，但是保持在本发明的概念和范围内的各种变型是可能的。对本领域普通技术人员而言，在研究了本文的说明书、附图和权利要求之后，这样的变型将变得清楚。因此，除了权利要求的范围内以外，本发明不被限制。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
一个或多个重力馈送冷却管，其被配置为在其中具有用于冷却超导磁体的第一低温流体；
第一热交换器，其被配置为将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管转移到低温冷却器的第二级元件，其中，所述第一热交换器被配置为在其中储存一体积的第二低温流体；
储存设备，其具有连接到所述第一热交换器的输入部并且被配置为在所述低温冷却器停止操作时接收和储存来自所述第一热交换器的沸腾的气体；以及
第二热交换器，其被配置为将热量从所述储存设备转移到所述低温冷却器的第一级元件。
2.如权利要求1所述的装置，还包括：
壳体；以及
被设置在所述壳体内的热屏蔽，所述热屏蔽限定内部区域，并且还限定所述热屏蔽与所述壳体的壁之间的真空空间，其中，所述一个或多个重力馈送冷却管、所述第一热交换器、所述储存设备以及所述第二热交换器被设置在所述内部区域内。
3.如权利要求2所述的装置，还包括热再生器，所述热再生器具有连接到所述储存设备的输出部的输入部并且具有连接到所述壳体的外部的输出部。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述热再生器至少部分地被设置在所述热屏蔽与所述壳体的所述壁之间的所述真空空间中。
5.如权利要求3所述的装置，还包括第二储存设备，所述第二储存设备被设置在所述壳体的外部并且连接到所述热再生器的所述输出部。
6.如权利要求1所述的装置，还包括冷盘，所述冷盘被配置为将热量从所述第二热交换器转移到所述低温冷却器的所述第一级元件。
7.如权利要求6所述的装置，还包括：
持续电流开关，其连接到所述超导磁体的两端；以及
至少一条高温超导电引线，其具有连接到所述超导磁体的第一端并且具有连接到所述冷盘的第二端。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述储存设备具有储存至少3升的沸腾的气体的容量。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述低温冷却器的所述第一级元件被配置为在第一温度操作并且所述低温冷却器的所述第二级元件被配置为在低于所述第一温度的第二温度操作，所述装置还包括热开关，所述热开关被配置为当所述第一热交换器具有高于所述第一温度的温度时将热量从所述第一热交换器转移到所述低温冷却器的所述第一级元件，并且所述热开关被配置为当所述第一热交换器的温度低于所述第一温度时防止热量从所述低温冷却器的所述第一级元件转移到所述第一热交换器。
10.一种装置，包括：
一个或多个重力馈送冷却管，其被配置为具有被设置在其中的用于冷却超导磁体的第一低温流体；以及
热交换器，其被配置为在其中储存一体积的包括低温流体的第二低温流体，其中，所述热交换器被配置为将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管转移到低温冷却器。
11.如权利要求10所述的装置，还包括储存设备，所述储存设备具有连接到所述热交换器的输入部并且被配置为接收和储存来自所述热交换器的沸腾的气体。
12.如权利要求11所述的装置，还包括热再生器，所述热再生器具有连接到所述储存设备的输出部的输入部。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述重力馈送冷却管、所述热交换器以及所述储存设备被设置在壳体内，并且其中，所述热再生器具有连接到所述壳体之外的输出部。
14.如权利要求13所述的装置，还包括第二储存设备，所述第二储存设备被设置在所述壳体的外部并且连接到所述热再生器的所述输出部。
15.如权利要求11所述的装置，其中，所述低温冷却器至少具有第一级元件和第二级元件，其中，所述第一级元件被配置为在第一温度操作，所述第二级元件被配置为在低于所述第一温度的第二温度操作，所述装置还包括第二热交换器，所述第二热交换器被配置为将热量从所述储存设备转移到所述低温冷却器的所述第一级元件，其中，所述热交换器被配置为将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管转移到所述低温冷却器的所述第二级元件。
16.如权利要求10所述的装置，其中，所述低温冷却器至少具有第一级元件，所述第一级元件被配置为在第一温度操作，所述装置还包括热开关，所述热开关被配置为当所述热交换器具有高于所述第一温度的温度时将热量从所述热交换器转移到所述低温冷却器的所述第一级元件，并且所述热开关被配置为当所述热交换器的温度低于所述第一温度时防止热量从所述低温冷却器的所述第一级元件转移到所述热交换器。
17.一种方法，包括：
将热量从超导磁体转移到被设置在一个或多个重力馈送冷却管内的第一低温流体；并且
经由热交换器将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管中的所述第一低温流体转移到低温冷却器，所述热交换器具有被设置在其中的包括低温流体的第二低温流体。
18.如权利要求17所述的方法，还包括：将来自所述热交换器的沸腾的气体提供到储存设备，所述储存设备被配置为在其中储存所述沸腾的气体中的至少一些。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述低温冷却器至少具有第一级元件和第二级元件，其中，所述第一级元件被配置为在第一温度操作，所述第二级元件被配置为在低于所述第一温度的第二温度操作，其中，所述热交换器将热量从所述一个或多个重力馈送冷却管转移到所述低温冷却器的所述第二级元件，所述方法还包括将热量从所述储存设备转移到所述低温冷却器的所述第一级元件。
20.如权利要求18所述的方法，还包括将来自所述储存设备的所述沸腾的气体中的至少一些供应到热再生器。
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