CN1232953A - 将被冷却物体浸入低温致冷液体之前的预冷方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于预冷物体的设备和方法,该物体将被浸没在低温致冷液体即液氦中冷却到最终的低温。低温致冷液体的气相通过与第二种低温致冷液体进行热交换而被冷却,该第二种低温致冷液体的沸点比用于浸没被冷却物体的低温致冷液体的沸点要高。被冷却的低温致冷液体的气相循环流经装有被冷却物体的容器,并被回收、再冷却、再循环直到被冷却物体及其容器均达到了指定的预冷温度。在这之后,低温致冷液体可以被引入所述的容器浸没被冷却的物体,继续进行冷却。

Description

将被冷却物体浸入低温致冷 液体之前的预冷方法和设备
本发明涉及将物体浸入致冷液体中从而对物体进行冷却，如氦冷却的超导磁体组件，这种组件可用于磁谐振成像过程(可简称为MRI)。本发明特别涉及一种改进并简化了的物体预冷方法，可以节省低温液体致冷剂，并且可以避免对被冷却的物体造成污染。
众所周知，将超导磁体放置在极冷的环境中可以达到超导状态，比如将其浸没在液体致冷剂液氦中即可实现，液氦盛装在低温恒温器或压力容器中。极冷的条件确保磁体线圈处于超导状态，这样当初始将磁铁线圈与电源接通(一段时间，比如一小时)使电流流经线圈后，由于超导线圈没有电阻，即使切断电源，电流还会继续流过线圈而保持着强磁场。超导磁体组件在MRI领域具有广泛的应用。
使用液氦来达到低温是广泛应用的，该法对于实现MRI的操作状态是完全符合要求的。但对MRI装置提供一个稳定的液氦源，这在全世界范围来说都是困难的，并且价格昂贵。因此相当多的研究和开发均致力于减少用于物体初冷过程的液氦类致冷剂的蒸发量，以及在后续过程中维持该致冷剂的低温。
一种用于减少液氦用量并有助于进行冷却的方法是在用液氦将物体冷却至最终的超导温度之前，采用一种初始的辅助冷却介质比如液氮等流经磁体来达到初始冷却温度，比如80-90K，然后吹扫氮气(避免氮气污染导致超导磁体不稳定)。
液氮的吹扫是使纯的、温的氦气流过磁体来实现的。该吹扫步骤结束后将液氦引入磁体，进一步将磁体冷却至超导温度(比如4K)。
尽管如此，用于预冷却目的而将液氮最初引入磁体，由于未加控制的快速冷却而引起的应力会冲击磁体，并且会影响氦的纯度。比如说如果在注入液氦之前，低温恒温器或密封容器内的氮气未完全除去，则氦气的净化设备应该能够分离氮气，这样就会导致氦的回收过程难度加大，并且减少了可以回收再利用的氦的量。
另外，在向装有超导磁体的低温恒温器或密封容器内注入液氦之前，向容器内引入液氮，然后吹扫液氮，这一过程也会耗费时间。使用氦气进行吹扫的过程也会使磁体升温，从液氮温度80K上升至高一些的温度110K，这将耗费更多的液氦及时间使磁体冷却至超导温度。而且将磁体冷却至超导温度的后续过程可能会导致在磁体内部形成氮冰，该氮冰可能会使磁体的超导状态不稳定，可能会导致“淬火”——在磁体内部由于氦气快速汽化、产生高压而导致其超导状态突然中断。
因此人们当然希望能够避免液氮对超导磁体的污染，减少达到超导状态所需要的氦量，并缩短将磁体冷却至超导温度所需要的时间。
本发明是一种液氮预冷系统及方法，该系统及方法同将物体浸没在液体致冷剂中——即将超导磁体浸没在液氦中进行冷却的系统联合使用。本发明是将液体致冷剂的气相与第二种低温致冷液体进行热交换实现液体致冷剂气相的冷却，该第二种低温致冷液体的正常沸点要高于用于浸没被冷却物体的液体致冷剂的正常沸点。比如说如果将氦用于超导磁体的冷却系统，将气态的氦经热交换冷却至液氮的温度后，可将该气态氦用于磁体预冷系统，并可以循环使用。使用冷的气态氦来预冷磁体装置，可以避免对氦和被冷却的物体的污染，减小热冲击，不会污染回收氦，并且可以消除引入氦气吹扫氮的过程的升温效应。
按照本发明，利用浸没物体的液体致冷剂的气相来预冷物体，可以控制冷却速率减小物体内部的热应力，并且可以缩短将物体冷却至最终使用温度的时间。
按照本发明的一个方面，冷却超导磁体的氦由液氮冷却系统提供，液氮冷却气态氦，气态氦在装有磁体的容器中循环流动，在磁体被浸入液氦冷却至超导温度之前将磁体冷却至一个初始的低温。因此将氦气与液氮进行热交换冷却至一个特定的温度后，再用冷的氦气对磁体进行初始的预冷，这样可以在超导磁体的初始冷却过程中避免液氮进入磁体。
在无氮污染的初始冷却过程完成后，可立即引入液氦进一步降低磁体温度至超导状态。
由于消除了液氮对超导磁体和氦气的污染，包括达到初始低温的阶段在内，所需要的氦量及所耗费的时间均减少。
附图简述
图1是按照本发明用于超导磁体的冷却系统的示意图。
本发明的详细说明
本发明的目的是利用气态氦将物体(如超导磁体)从初始的环境温度(295K)预冷至78K左右。为达到这一点，气态氦的温度应该接近(或低于)液氮的温度。在预冷之后，磁体将被浸入液氦进一步冷却。
现在工业上面临的问题是没有设备进行冷却和循环气态氦，所采用的方法是将液氮直接注入冷却设备。在这些系统中，氮是一种污染物，而且已经发现氮对于磁体的运行会产生负面影响。事实上氮会引起磁体的不利淬火(线圈返回到有电阻状态而不再是超导状态)，热量迅速、大量地释放，同时磁场消失。为了保证磁体内部氦的高纯度，在直接注入氮的操作之后，要用纯的(温热的)氦气对磁体进行吹扫。经验表明液氮会残存在磁体内部的死角内，这样就不会很彻底地从磁体内部清除残存的氮。温热的氦气的引入会导致磁体重新升温，这样就需要更多的液氦来完成后续的冷却过程。磁体的预冷过程应该是连续集中地进行的，以往的操作大约需要3天时间。
本发明的一种方法是纯的氦气流被液氮池中的环管式换热器冷却。该冷的氦气流不再循环，一旦它通过换热器(冷却氦气本身)和已经吹扫干净的磁体(对磁体进行冷却)，然后即被释放进入回收系统。采用这种方式冷却4000磅的磁体需要的氦量超过1100磅(500公斤)，这些氦的市场价值至少为8000美元。用这种方法来预冷磁体价格过高。
本发明的一个优选的方法和设备是将气态氦在换热器中冷却到接近液氮的温度(大约78K)，然后冷的氦气经由真空夹套管输送到被冷却的物体进行冷却，并且冷的氦气可以循环流动。利用这种方法氦气可以连续地重复冷却并重复用于预冷物体。
参照图1系统10包括被冷却的物体12。作为例子，物体12可以是用于MRI设备的超导磁体。如果被冷却的物体1 2是超导磁体，则该物体12通常被封装在压力容器13内，该压力容器13内部在超导磁体12的周围可以充入氦。内部容器13装配有一个泄压装置17来保护容器13和整个预冷系统，防止过压。外部容器15用于维持内部容器外部的真空条件，使内部容器与环境温度相隔离。这些设备一同被冷却到液氦的温度从而使磁体达到超导状态。正如本领域的技术人员所熟知的那样，经由液氦供应管路14可以将液氦引入压力容器或低温恒温器中。
在向装有磁体12的容器13中注入液氦之前，优选将磁体12和盛装物体或磁体12的内部容器预冷到接近液氮的温度即78K(-195℃)。为了在注入液氦之前预冷磁体12和内部容器13，氦气从氦气源(未画出)由管路18经氦气控制阀19及电机驱动的氦气循环鼓风机20到达换热器28。氦气循环鼓风机20可以是工业用的交流换热鼓风机，比如由EG&G Rotron所制造的鼓风机经改进后可以在液氮温度即接近80K(-193℃)下运行使用。工业鼓风机的改进之处包括：
a．所有用不适合低温条件的材料制造的零件均改换成适合低温条件的材料。
b．轴承柄应设计为更长、更细的轴，具有更大的轴承间距(bearing span)。
c．在不能使用球轴承(球为其滚动元件)时，冷端(最接近叶轮的一端)轴承的设计应改为装有支坐的滑动止推轴承。
d．从轴密封处泄漏到环境中的氦被用于吹扫冷端轴承和轴承柄。这样可以保护冷端轴承，避免轴承元件接触湿空气而被腐蚀或冻结，使轴承可正常旋转。而且这样可以进一步阻挡空气进入氦的体系，维持过程纯净。
e．用电加热器加热冷端轴承，防止其润滑油凝固，保证轴承能够在极低的使用温度下正常运转。
鼓风机的出口流量和压力依赖于被压缩的介质(可重复使用的气体介质)的密度。出口流量和压力均随着介质密度的上升而上升。介质密度随着被冷却物体的温度下降而上升，这样随着物体的冷却，气相介质的循环量上升。这样在冷却过程开始时，物体对热应力比较敏感，可以限制流量，而在冷却过程接近完成时，可以增大流量，从而有效地控制流量。
为了预冷磁体12和内部容器，气态氦循环流过容器13，将其冷却到接近液氮的温度即78K(-195℃)。如图1所示，来自管路18的氦气经鼓风机20加压，使系统压力保持在0.5-0.7磅/英寸2(表压)。流出鼓风机20的加压氦气被引入管路24，然后进入换热器28内部的换热管26。换热器28可以是工业装置，如ITT公司制造并出售的翅片式换热器。换热管26内的气态氦被换热管30内的逆向流动的液氮冷却，换热管30是换热器28内部的另一根换热管。液氮从液氮容器32经管路34、控制阀36、压力缓冲阀38及温度控制阀40引入换热管30。温度控制阀40对出自换热器28的液氮放空管路42与氦的入口管路24之间的温差进行响应。换热管路26、30装在隔热套29中，隔热套29形成换热器28的外套，避免了环境热量对管路26、30的热渗透。进入换热管30的液氮可能会含有大量的蒸气。管路30内的液氮流量主要由手动节流阀36和温差控制阀40进行控制，温差控制阀40要控制管路42排放的气态氮的温度比来自鼓风机20经由管路24进入换热管26内的气态氦的温度低5-10K。离开换热器的气氮流的一小部分被引入隔热套29，用于保持套内干燥。经真空夹套管路44离开换热器28的气态氦的温度在80K左右，这一温度稍微高于进入换热器28的液氮的温度。真空夹套管44可以将冷却后的气态氦直接引入到多个类似容器13的低温恒温器中。将压缩、冷却后的气态氦经真空绝热输送管44输送可以减少环境对氦的热传递。在被冷却的物体12的内部尽量使进入的冷的氦与经真空夹套管46离开的温的氦分开，这样就可以在氦气流离开容器13之前，尽量增大被冷却的物体与进入的气态氦之间的热交换量。经管路46离开容器13的氦以及经同样的管路46离开其他的冷却容器的氦均被导入循环鼓风机20，以维持通过换热器28的氦的循环量，在换热器28中氦可以重复被冷却并再次引入容器13中用于预冷物体12。另外需要的气体氦可以在任何时候经管路18及控制阀19引入系统。
表1给出了按照本发明预冷真空夹套内的物体所需要的过程参数值。
表1
流体     压力     温度     流量 组成
1．氦 0-15磅/英寸2(表压) 300-80K  50-100标准立方英尺/分 纯氦
2．氦 ＞0-18.5磅/英寸2(表压) 350-90K  50-100标准立方英尺/分 纯氦
3．氦 ＞0-18.5磅/英寸2(表压) 78-85K  50-100标准立方英尺/分 纯氦
4．氮 ＜1.0磅/英寸2(表压) 饱和液体78K  37-45标准立方英尺/分 纯氮
5．氦 ＞0-18.5磅/英寸3(表压) 78-86K  50-100标准立方英尺/分 纯氦
表1所给出的各数据的测量位置如下：1是流出内部容器的气体；2位于鼓风机出口；3位于换热管路26的冷端；4位于换热管路30的液氮入口处；5是内部容器13的液氦入口处。
如果同时有一个以上的物体被冷却，则其他的过程参数可以推知。由于多个被冷却的物体在同一时刻可能具有不同的温度，离开装有被冷却物体的容器的蒸气的温度大体位于上述温度范围之内。由于在容积较高时鼓风机所达到的压差减小，使得多个物件冷却时的物流量要略小于按单个物体冷却时的物流量加和得到的精确值。
迄今为止，还没有一种靠低温致冷循环压缩机维持的能够实现气态氦致冷剂闭路循环的工艺过程。这可能是由于这样的压缩机难于设计，或者购置这样的适合于低温运行的压缩机代价昂贵的缘故。就象前文所述，如果使氦流一次通过冷却过程即达到液氮温度，其代价是十分昂贵的。
本发明的价值还在于它消除了冷却过程的污染，从而避免了吹扫气体的使用，否则大约要有7％的氦用于吹扫、冷却及填充到类似MRI磁体的设备内的过程。另外本发明的流程和设备还避免了对被预冷的物体的再升温过程，当将液氮用作直接致冷剂并用温热的氦来置换、吹扫液氮时，就会发生这一再升温过程。这样就可以减少额外的液氮用量大约为用于完成冷却过程并注入系统的液氦用量的16％。在那些液氦价格较高的地区，对于准备及运行类似MRI磁体的设备来说，这一点可以节省相当大的一笔开支。
另外，如前文所述消除对致冷介质即氦的污染，对于防止类似MRI磁体的设备发生如前文所述的“淬火”现象也是极为重要的。
由于在流入换热器时，液氮和氦气是分开的，这样压力容器也不存在氮污染，也就不必在初始冷却之后吹扫压力容器。并且利用流量控制阀控制氮的流量来控制冷却速度，可以缩短冷却时间、减少氮的消耗量。
本发明的方法使用气体即氦气来循环运转，该气体与浸没被冷却物体即MRI磁体的低温致冷液体的组成完全相同。该气体可以由另一个独立的气源提供，也可以通过蒸发储罐内的低温致冷液体来获得。
按照本发明的方法，与低温致冷液体组成相同的气体通过与第二种低温致冷液体热交换进行预冷，第二种低温致冷液体具有一正常沸点，并将前述气体预冷至该正常沸点。第二种或用于热交换的低温致冷液体的正常沸点应等于或低于气体需要被冷却到的温度值，但有可能高于用于浸没被冷却物体的低温致冷液体的温度值。与第二种低温致冷液体热交换之后，气体被引入装有被预冷的物体的容器中。在与被预冷的物体接触后，被升温了的气体从容器中释放出来，并经再循环鼓风机重新进入换热器，与另外提供的第二种低温致冷液体进行热交换而被冷却。再循环鼓风机维持再循环气体与已经预冷的气体之间的压差，使循环气体流过管路、换热器及被冷却的物体。为了维持系统内再循环气体的体积和压力，一些多余的气体可以被引入再循环鼓风机的上游的鼓风机。针对整个系统操作运行的经济状况，第二种低温致冷液体可以回收再利用或者以任何一种方便可行的方式贮存起来。
比如说，如果被冷却的物体是MRI磁体，该MRI磁体是放置在隔离容器内，并且通常是浸没在液氦中进行冷却，则第二种低温致冷流体可以是液氮。
当物体被预冷到指定的温度后，就可以将低温致冷液体引入装有被冷却物体的容器内，物体可以被浸没在低温致冷液体中继续进行正常的操作。
尽管本文的描述和说明只是参照一些特定的、专门的设备及装置进行的，但本发明并不局限于上述细节。另外，落在本发明范围内的各种具体的改进型可以由下述权利要求来限定。

Claims (10)

1．一种将物体预冷至低于环境温度的方法，该方法包括下述步骤：
提供一个用于浸没该物体的低温致冷液体的气相源；
通过与第二种低温致冷液体进行热交换来冷却该气相致冷剂，第二种低温致冷液体在所需的预冷温度具有正常沸点；和
利用该冷却过的气相致冷剂与该物体接触，并将所述物体预冷至该气相致冷剂的温度。
2．权利要求1的方法，该气相致冷剂与所述物体接触后连续地被再冷却并再用于预冷所述物体。
3．权利要求2的方法，包括将另外的气相致冷剂加入到所述的再用的气相致冷剂中，以维持该气相致冷剂的预冷参数。
4．权利要求1的方法，包括在预冷到所需温度之后将该物体浸没于液体致冷剂中的步骤。
5．权利要求2的方法，包括通过减小所述再用的气相致冷剂的循环量来限制所述物体的初始冷却速度。
6．一种用于物体预冷的设备，该物体通过浸没在低温致冷液体中而被冷却到最终的低温，该设备包括：
一个容器，该容器内设有所述低温致冷液体和浸没其中的所述物体的一个池；
一个气源，该气源具有与所述低温致冷液体相同的组成；
换热装置，该换热装置适合于通过与第二种低温致冷液体热交换来预冷所述的气体，所述第二种低温致冷液体在等于或稍低于物体的预冷温度具有一正常沸点；
用于将所述预冷的气体引入到所述容器中以预冷所述容器和所述物体的装置；
用于在所述容器和所述物体冷却之后将所述预冷的气体从所述容器中取出的装置；和
用于将所述取出的气体再循环到所述容器中并且在再引入所述容器之前将所述的取出气体在所述的换热器中重新冷却的装置。
7．权利要求6的设备，包括一个循环鼓风机，用于再循环和维持所述的预冷气体及再循环的预冷气体。
8．权利要求6的设备，其中用于取出并再循环所述气体的所述装置包括位于所述的容器与所述的换热器之间的真空夹套输送管路。
9．权利要求6的设备，包括将所述的低温致冷液体引入到所述的容器中的装置。
10．权利要求7的设备，其中所述的循环鼓风机是改进的可在低温条件下操作的交流换热鼓风机，所述改进包括保持其轴承在适宜的温度，并且利用低温致冷液体的气相对轴承进行吹扫。
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