CN106688059A - 用于低温冷却的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于低温冷却的装置，包括冷冻剂槽(14)、被布置为冷却热交换器的低温再冷凝制冷机(12)以及用于将热从受冷却件(10)传导到冷冻剂槽的装置(16、26)，热交换器被暴露于冷冻剂槽(14)的内部。另一冷冻剂槽(20)被提供在热交换器下方，并且被布置为接收在热交换器上再冷凝的冷冻剂液体。

Description

用于低温冷却的装置
技术领域
本发明涉及敏感设备的低温冷却，特别地涉及在用于MRI系统的超导磁体背景下的敏感设备的低温冷却。
背景技术
如本领域技术人员所熟知的，超导磁体包括超导线材的线圈，超导线材需要冷却到合适于超导线材材料的低温温度以维持其超导性能。这通常通过将超导线材的线圈至少部分地浸没在处于液态冷冻剂沸点的液态冷冻剂中来实现。
已知不同的超导材料，并且冷冻剂必须被选择为具有低于适当材料的超导转变温度的沸点。经常使用液态氦。液态氦在所有中具有约4K的最低的沸点，但是液态氦越来越稀少并且昂贵。
为了减少氦的消耗，管式冷却磁体系统已经变得可用。图1示意性地示出了管式冷却磁体的原理。管式冷却装置也可以被称为热虹吸管。
发明内容
将参考圆柱形超导磁体具体描述本发明，圆柱形超导磁体包括沿水平轴线A对齐的多个超导线圈10。这样的磁体也称为“螺线管”磁体，但是其结构不是真实意义上的螺线管。然而，本发明不限于这种磁体，并且延伸到对本领域技术人员将显而易见的其它类型的超导磁体。
在图1中，磁体结构10包括通过常规方式保持就位的轴向对齐的超导线材的线圈，例如，在机械支撑结构上的热固性树脂浸渍。制冷机12是低温再冷凝制冷机。制冷机12用于冷却热交换器13，热交换器13被暴露于冷冻剂槽14的内部。至少一个冷却管16环绕磁体结构10并与每个线圈热接触。冷却管16的入口端在其下末端附近连接到冷冻剂槽14，并且冷却管的出口端在更靠近其上末端处连接到冷冻剂槽14。
图1中所图示的装置将被封闭在排空的外部真空容器(OVC)(未示出)内。通常提供位于OVC内部的热辐射屏蔽件，热辐射屏蔽件围绕线圈10、管16和冷冻剂槽14。
在操作中，将处于沸点的液态制冷剂15引入冷冻剂槽14中。低温制冷机12将气化的冷冻剂蒸气冷却回液态并在冷冻剂容器内保持稳定的温度。在线圈10中生成的热或者从线圈去除的用于冷却线圈的热导致冷却管16内的冷冻剂气化。气化的冷冻剂蒸气在冷却管16中上升以通过出口端离开到冷冻剂槽中。冷冻剂蒸气由制冷机12再冷凝为液态冷冻剂15。冷冻剂因此循环到冷却管16的入口端，从冷却管的出口端流出并回到冷冻剂容器14中。以这种方式，制冷机12的冷却效果围绕线圈10的圆周分布。
发现具有相对小质量的冷冻剂15的相对小的冷冻剂槽14足以冷却磁体线圈10。然而，这种装置具有某些缺点。
虽然在图1的示意图中未示出，但是诸如超导接头、超导开关、电连接件和诊断传感器的各种电气部件在系统操作的各个阶段期间散发作为热的能量，并且需要由制冷机12冷却。在如图1所示的装置中，部件可能遭受不足的冷却。在一些装置中，部件可以被机械地和热地附接到冷冻剂槽14或冷却管16的外部，或者可以被附接到线圈10的表面。图1的管式冷却装置必须保持在真空中以实现有效的操作。然而，已经发现，与接触冷冻剂液体或气体的冷却相比，通过机械接触对部件的冷却在真空中效率低，因为没有冷冻剂来桥接任何小的接触间隙。
超导磁体线圈10具有高导热性，因此容易冷却并且甚至通过仅冷却其表面积的小部分来保持冷却，在该示例中，通过管16来保持冷却，管16包含冷的冷冻剂并且与每个线圈的表面的至少某些区域热接触。
当磁体通电时，线圈必须被冷却到相关线材的超导转变温度以下。相关的超导开关必须打开以允许磁体通电。这涉及将开关加热到相关线材的超导转变温度以上。如果线圈10没有充分冷却，则该开关加热可以到达磁体的线圈10并且防止它们实现超导状态。一旦磁体通电，开关必须快速冷却以恢复其超导特性，来使得磁体能够变得持久。
用于确保如图1所示的管式冷却磁体中的这种部件的有效冷却的一种可能的装置是，在冷冻剂槽14内部提供了与液态冷冻剂15接触以冷却这些部件的部件。虽然这确保了有效的冷却，但是这种装置确实具有一些缺点。例如，将这些部件放置在冷冻剂槽14内减少了可用于冷却磁体线圈10的液态冷冻剂的可用体积。
在由于任何原因过量的冷冻剂气化的情况下，液态冷冻剂15的液位可以下降到低于部件的液位。这可能使得部件加热到其超导转变温度以上，这进而可以导致磁体失超。
在失超期间，冷冻剂槽14中的液态冷冻剂15可被气化或排出冷冻剂槽14。这可使得部件加热到其超导转变温度以上。
当超导开关需要“打开”时，必须施加热。如果该开关以及因此热被包含在冷冻剂槽14内，则更多的液态冷冻剂15被蒸发。这可以中断冷冻剂通过一个或多个冷却管16的流动。
本发明还可以应用于其它类型的磁体，例如其中线圈10通过热链路(例如，金属编织物、层压板或热母线)的热传导来冷却。在这种装置中，液态冷冻剂15不循环，但用于保持冷冻剂槽14的恒定温度。
因此，本发明解决上述问题，提供了一种用于对在管式冷却或接触冷却的超导磁体系统中的部件有效冷却的装置，其避免或减少上述缺点的影响。
因此，本发明提供了如所附权利要求中限定的低温冷却装置。
附图说明
从以下结合附图的某些实施例的描述中，本发明的上述和进一步的目的、特征和优点将变得更加清楚，其中：
图1示意性地表示常规的管式冷却超导磁体；
图2-图5示意性地表示根据本发明实施例的管式冷却超导磁体；
图6示出了本发明的某些实施例的特征，以及
图7表示根据本发明的一个实施例的传导冷却超导磁体；以及
图8-图9示意性地表示包括如本发明的某些实施例中采用的收缩部的冷冻剂容器。
具体实施方式
如在常规装置中所认识到的，用于将物品冷却到稳定的低温温度的最有效的方法是将物品浸没在处于沸点的低温流体中。将冷冻剂在饱和温度和压力下保持在密闭容器中。当在物品中生成热时，最靠近热的冷冻剂通过蒸发吸收热。气态冷冻剂比其周围的液体密度小得多，因此被其它液态冷冻剂移动，从而热被去除。
上面关于将冷却的部件放置在冷冻剂槽14内讨论的困难出现是因为同一冷冻剂槽中的冷冻剂必须用于冷却电气部件并且为磁体线圈10提供冷却。冷冻剂可以在失超事件期间从冷冻剂槽14排出。
在本发明的一个实施例中，提供另一冷冻剂槽，用于将部件容纳在大量液态冷冻剂中。该大量液态冷冻剂和另一冷冻剂槽通过收缩部与冷冻剂槽14连通。冷冻剂槽14和液态冷冻剂15被用于冷却如上所讨论的磁体线圈10。这种装置允许通过与液态冷冻剂直接接触来良好地冷却部件，但避免了与使用单个冷冻剂体积来冷却磁体线圈和冷却所述部件相关联的任何困难。
本发明的装置不需要降低冷冻剂槽14的液态冷冻剂容量。
另一冷冻剂槽优选地布置在冷冻剂槽14下方，以确保即使当冷冻剂槽14内的液态冷冻剂15的液位低时，部件也将被完全覆盖在液态冷冻剂中。
图2示意性地示出了本发明的第一实施例。与图1共同的特征示出了共同的附图标记。在该实施例中，冷却管16被分为上游部分16a和下游部分16b。另一冷冻剂槽20容纳部件21。在部件21和磁体线圈10之间形成电连接件22。提供电馈通件23以允许到部件21的电通路延伸穿过另一冷冻剂槽20的壁。另一冷冻剂槽20形成冷却回路装置的一部分，因为冷冻剂的循环路径从冷冻剂容器14穿过管16的入口端，穿过另一冷冻剂槽20并穿过管16的出口端流动回到冷冻剂槽14。冷却管的下游部分16b在其上末端附近附接到另一冷冻剂槽20，并在其上末端附近附接到冷冻剂槽14。冷却管16的上游部分16a在下游部分16b的相应连接处的下方的位置处连接到冷冻剂槽14和另一冷冻剂槽20。另一冷冻剂槽20位于冷冻剂槽14下方，并且可以优选地位于冷却管16a/16b的下末端处。另一冷冻剂槽20因此通过由冷却管16限定的收缩部与冷冻剂槽14连通。
在操作中，另一冷冻剂槽20优选地填充有液态冷冻剂。在重力的影响下，液态冷冻剂15将首先填充另一冷冻剂槽20，并且只有当另一冷冻剂槽20填充满时，才对冷却管16和冷冻剂槽14填充液态冷冻剂。冷却回路本身将如参考图1所述地操作：来自线圈10的热将使冷冻剂气化成蒸气，蒸气将通过管16a/16b循环，通过下游部分16b进入冷冻剂槽14，以由制冷机12重新冷凝回液态冷冻剂15，用于通过管的上游部分16a的再循环。由部件21生成的任何热(例如，提供用于打开超导开关的热)可以引起液态冷冻剂的气化，并且所得到的冷冻剂蒸气将上升并且循环通过下游部分16b回到冷冻剂槽14。
在本发明的一些实施例中，可以提供多个另一冷冻剂容器20，各另一冷冻剂容器均容纳受冷却的部件21的子集，并且各另一冷冻剂容器均通过收缩部与冷冻剂槽14连通。类似地，可以提供多个管16，16a/16b，或者其中一个或多个管可以被连接到另一冷冻剂槽20。
图3示意性地表示本发明的另一个实施例。在该装置中，另一冷冻剂槽20位于冷冻剂槽14下方，而不是位于冷却管16的最低末端处。相对短的连接管24基本上竖直地延伸在冷冻剂槽14和另一冷冻剂槽20之间，连接管24限定收缩部，收缩部确保冷冻剂槽14和另一冷冻剂槽20之间的连通。该实施例的其余特征如参考图2所讨论的。
在这样的实施例中，在连接管24和接着连接的冷冻剂槽14之前，管16的下部将首先填充添加的液态冷冻剂15，然后另一冷冻剂槽20将填充。在另一冷冻剂槽20内生成的任何热可以导致冷冻剂气化，并且所得到的冷冻剂蒸气将通过收缩部向上升高到冷冻剂槽14，冷冻剂蒸气在冷冻剂槽14中将被制冷机12再冷凝。
图4示出了本发明的另一实施例。这里，另一冷冻剂槽20从管16中的T形管27供给。另一冷冻剂容器20通过由管16和T形管27限定的收缩部与冷冻剂容器14连通。虽然另一冷冻剂槽20将优先填充液态冷冻剂，但是在管16中循环的冷冻剂不一定通过另一冷冻剂槽20。优选地，另一冷冻剂槽20被定位使得在另一冷冻剂槽20中生成的冷冻剂蒸气将在管16中冷冻剂的正常循环方向通过收缩部朝向冷冻剂槽14上升。
可以找到其它装置，但是优选的是，另一冷冻剂槽20应当被定位在与其流体连通的冷冻剂槽10的下方。通过冷冻剂槽14和另一冷冻剂槽20之间的收缩部的流体连通不需要形成冷却回路(热虹吸)路径的一部分。
图5示出了一个实施例，其中另一冷冻剂槽20通过连接管24被连接到冷冻剂槽14，连接管24与管16的冷却回路路径分离，限定了在另一冷冻剂槽20和冷冻剂槽14之间提供流体连通的收缩部。如在其它实施例中，另一冷冻剂槽20将优选地在冷冻剂槽14之前填充。根据需要，可以提供挡板28，以确保管16或另一冷冻剂槽20在另一个之前填充。这可以简单地通过选择低温制冷机的热交换器相对于挡板的相对位置来布置。
在其它装置中，如图6所示，低温制冷机12可以将液态冷冻剂提供到再冷凝室30中，再冷凝室30流体连接到冷冻剂槽14和另一冷冻剂槽20。再冷凝室将液态冷冻剂在冷冻剂槽14和另一冷冻剂槽20之间分开。可以调节再冷凝室的几何结构以确定冷冻剂槽14和另一冷冻剂槽20中的哪一个将优先填充。这里，通过由将另一冷冻剂槽20和冷冻剂槽14连接到再冷凝室30的管来提供收缩部。
图7示意性地表示本发明的另一系列实施例。在图7中，没有提供冷却回路(热虹吸管)。代替在回路中携带冷冻剂以冷却线圈的管16，提供了与冷冻剂槽14和线圈10热接触的固体热导体26。固体热导体26可以是任何常规类型，例如高纯度铝的叠层、编织或热母线、其它合适材料的铜(例如，含有铝或铜的复合材料)。在使用中，热通过固体热导体26从线圈10传递到冷冻剂槽14。热将导致冷冻剂槽15中的液态冷冻剂15气化，并且冷冻剂蒸气将被低温制冷机12再冷凝。在示例性实施例中，另一冷冻剂槽20位于冷冻剂槽14下方，通过限定收缩部的连接管24连接，使得另一冷冻剂槽20优选地填充有液态冷冻剂。图7中的其余特征如参考较早的附图所描述的。在一些实施例中，除了固体热导体之外，可以提供冷却回路。
图6中所图示的变型可以应用于图7的装置，其中提供再冷凝室以在冷冻剂槽14和另一冷冻剂槽20之间分配液态冷冻剂。
图8和图9图示了本发明的另外的实施例的特征。在这些实施例中，冷冻剂槽14和另一冷冻剂槽20由单个容器的细分提供并且通过收缩部32连接。在图8的装置中，通过对单个容器34的成形来提供收缩部。在图9的装置中，由挡板装置来提供收缩部。
在如所附权利要求所限定的本发明的范围内，许多其它变型对于本领域技术人员将是显而易见的。虽然参考超导线圈10的冷却进行了描述，但是本发明可以被应用于其它类型的受冷却件的低温冷却中。虽然容纳在另一冷冻剂槽内的部件21已被描述为特定类型的电气部件，但是其它类型的电气部件以及实际上其它类型的部件可以通过放置在本发明的另一冷冻剂槽内而被冷却。
超导线圈10
制冷机12
热交换器13
冷冻剂槽14
液态冷冻剂15
冷却管16
上游部分16a
下游部分16b
另一冷冻剂槽20
部件21
电连接件22
电馈通件23
连接管24
固体热导体26
T形管27
挡板28
再冷凝室30
收缩部32
挡板34

Claims (14)

1.一种低温冷却装置，包括：
-冷冻剂槽(14)；
-暴露于所述冷冻剂槽(14)的内部的热交换器；
-与所述热交换器(13)热接触的低温再冷凝制冷机(12)；以及
-将热从受冷却件(10)传导到所述冷冻剂槽的装置(16；26)，
其特征在于，所述低温冷却装置包括通过收缩部连接到所述冷冻剂槽的另一冷冻剂槽(20)，所述另一冷冻剂槽被流体连接以接纳在所述热交换器上再冷凝的冷冻剂液体，所述另一冷冻剂槽(20)容纳部件(21)，由此所述部件被所述另一冷冻剂槽中接纳的冷冻剂液体冷却。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述另一冷冻剂槽被流体连接以优先于所述冷冻剂槽(14)来接纳冷冻剂液体。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中传导热的所述装置包括固体热导体(26)。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中传导热的所述装置包括冷却回路装置，所述冷却回路装置本身包括与所述受冷却件(10)热接触的管(16；16a/16b)，所述管的入口端在所述冷冻剂槽(14)的下末端附近开口至所述冷冻剂槽(14)，并且所述管的出口端在更接近所述冷冻剂槽(14)的上末端处连接到所述冷冻剂槽(14)。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述另一冷冻剂槽(20)在所述管(16)中的冷冻剂循环的正常方向上位于所述入口端的下游和所述出口端的上游。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述另一冷冻剂槽(20)被从所述管(16)中的T形管(27)供给。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述另一冷冻剂槽(14)形成所述冷却回路的一部分。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述另一冷冻剂槽(20)被设置在所述管(16)的所述下末端处。
9.根据权利要求4所述的装置，其中所述冷冻剂槽包括挡板(28)，所述挡板相对于所述热交换器被定位以确定所述管(16)和所述另一冷冻剂槽(20)中的哪一个在另一个之前填充。
10.根据权利要求1或2所述的装置，还包括再冷凝室(30)，所述再冷凝室用于接纳再冷凝的冷冻剂，并且被流体连接到所述冷冻剂槽(14)和所述另一冷冻剂槽(20)。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述再冷凝室(30)的几何结构被调整以确定所述冷冻剂槽(14)和所述另一冷冻剂槽(20)中的哪一个将在另一个之前填充。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述受冷却件、所述冷冻剂槽和用于传导热的所述装置(16、26)被容纳在外部真空容器内。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述受冷却件(10)包括超导磁体线圈。
14.一种基本上如附图中的图2-图9中所描述的/所图示的用于低温冷却的装置。
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