CN1612270A - 用于液态氦冷却的磁体的零回流排气组件 - Google Patents

用于液态氦冷却的磁体的零回流排气组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种零回流排气组件(100)，其防止回流入磁体冷却剂容器(12)并且因此消除磁体冻结。通常，本发明采用在磁体排气塔(38)中的弹簧加载阀以在磁体断开事件后防止空气的流入。所述磁体排气塔(38)是磁体中液态氦容器(12)和大气(40)之间的连接体。通风竖管用于将任何冷却剂排放气体引导出房间，通常是排放到外界大气(40)。

Description

用于液态氦冷却的磁体的零回流排气组件
技术领域
本发明一般涉及超导磁体，并且更具体地涉及一种用于在继磁体断开或爆裂盘失效后防止外界空气回流到超导磁体的组件。
背景技术
众所周知，通过将一块磁体放置在非常冷的环境中，诸如将此磁体包罩在低温箱中或具有冷却剂的压力容器中，会使其呈现出超导现象。这种非常冷的环境有效地将电磁线圈中的电阻减小到忽略不计的程度，使得在将电源最初连接到该线圈以引入电流通过该线圈时，该电流即使在电源切断后仍继续流过该线圈，由此维持磁场。这种磁场在磁共振成像(MRI)领域中有着广泛的应用。最常用于MRI超导磁体的冷却剂是氦，其在大约4.2°K时以液态存在。该液态氦冷却超导线，使得磁体可以被励磁，或被“修整成”全操作场。一旦磁体被修整，其保持特定的磁场直至该磁体被解除励磁。该磁体的解除励磁或修整掉是有计划的操作，其发生在正常的操作过程中。该磁体也可以被断开，这是非有计划的事件。
在磁体的正常超导操作过程中，低温箱必须是封闭或密闭系统，从而防止氦液和氦气从该低温箱泄露，上述两者都会从低温箱储槽耗尽液态氦。然而，在不希望的磁体断开或磁体回复到非超导状态的情况下，低温箱中氦气的快速并且具有潜在危险的高压建立需要通过迅速将气体排放到磁体外部的大气中进行压力释放。当磁体断开时，磁场能量可以由方程P＝V*I来表示，其中V是线圈中的电压，I是线圈中的电流以及P是功率的大小，其可以被转换成热。该热又使液态氦沸腾。当液态氦加热并随后沸腾时，其迅速地膨胀。对于氦来说，液对气膨胀比大约是770∶1，在磁体容器中导致几乎瞬时的压力增加。明显的是，这对医务人员和患者来说这是潜在的危险状态。较不明显的是对系统的潜在破坏，而系统可能是非常昂贵的。
一种可替换的破裂盘或爆裂盘可以被设置在磁体排气组件中，所述盘设计用来在预设的压力下发生破裂，从而打开低温箱而通向大气通道。但是即使在正常操作中，该液态氦容器总是在稍高于大气压下操作。爆裂盘执行保持密封的功能，以维持液态氦容器的压力并防止空气流入。如果超过最大安全压力，所述爆裂盘开裂，从而允许磁体排气，通常是排出到外部。所述大气通道可以是排气竖管，其从建筑物的顶部或从汽车的顶部延伸出，该汽车被用来运送装在其内的便携MRI系统。
一旦破裂，爆裂盘必须进行更换。但更为紧急的是一旦低温箱中的压力消除时需要密封所述系统。即，在磁体断开的情况下，爆裂盘通过防止突然压力增加所导致的对磁体的破坏来执行它的功能。在磁体中的液态氦容器排气后，磁体容器中的压力返回到大气压水平，该液态氦容器保持打开，因此允许空气流入到磁体中。也就是说，一旦氦容器中的压力已经消除并且该氦容器压力达到与大气的平衡，该磁体停止排气。此时，该磁体开始作为抽气泵发挥作用，即它将空气抽入到氦容器的冷表面。该空气于是冷固到该冷表面上，导致称为磁体冻结的状态，这种状态持续到该磁体进一步变热或爆裂盘被替换。空气主要由氮和氧所组成，其凝固温度分别是63°K和54°K。当空气被允许流入到液态氦容器中时，空气凝固且磁体冻结发生。
因此，需要一种系统，其可防止在磁体断开或爆裂盘破裂后超导磁体中的磁体冻结。
发明内容
本发明的零回流排气系统防止回流入磁体液态氦容器中并且因此消除磁体冻结。本发明在磁体断开的情况下打开，而在压力被释放后关闭。通常，本发明采用磁体排气塔(magnet vent turret)。该磁体排气塔是磁体中的液态氦容器和大气之间的连接体。一个爆裂盘于排气塔中设置在氦容器的下游。排气竖管被用于将任何低温排出气体引导出房间，通常是排出到外界。
为了防止磁体冻结，本发明提供了一种零回流排气系统以在断开后防止周围空气进入氦容器。该零回流排气系统通常包括具有阀面的活塞组件，该阀面设计用来抵靠阀座形成密封。通常，一个加载弹簧提供关闭力以在正常操作期间保持一个密闭的系统。保持阀面密封靠合于阀座所需的加载力的大小可以使用加载调整螺钉以增加或减小长度以及从而通过加载弹簧施加的整体力来进行调整。
当磁体断开时，氦容器中的压力上升，随后增加作用在活塞面上的力的大小。在操作中，加载弹簧被调整，以便在断开期间允许磁体排气。因此，当由氦气膨胀的压力产生的力大于弹簧力时，活塞组件打开并且允许磁体排气。在短时段排气之后，磁体压力被释放，弹簧压力克服压力负载，并且活塞面又复位在阀座上，密封磁体防止冻结。
本发明的上述和其它特点将会在下面的详细说明中变得显而易见。
附图说明
图1是超导磁体和爆裂盘组件的简化剖面视图；
图2是处于关闭位置的结合有本发明实施例的超导磁体的简化剖面视图；
图3是处于打开位置的结合有本发明实施例的超导磁体的简化剖面视图。
具体实施方式
现在详细参照附图，其中在整个附图中带有相同附图标记的元件对应于相同的元件，图1示出再冷凝超导磁体系统(recondensing superconductingmagnet system)，总体以标记10示出。该系统10包括低温箱或氦压力容器12(当液态氦是冷却剂时)，其中容器12以减小的尺寸示意性地示出并且其封装有处于液态氦18中的多个电磁线圈14、16。氦压力容器12被包罩在外围真空容器20以及诸如热辐射屏蔽22等中间元件内。氦气21通过液态氦18的沸腾(boiling)向超导磁体系统10提供冷却温度而在液态氦18上方形成。以这种方式，在通电之后极低温保持电流流过电磁线圈14、16，电源最初连接于线圈14、16并由于低温电磁线圈14、16的电阻不存在而断开连接，因此在磁体的孔(bore)中保持强磁场。所形成的氦气21通过机械致冷机(未示出)可以被重新冷凝回液态氦18或者被排出到大气。
在这里所描述的系统的实施例中，操作塔28通过多个螺栓固定到凸缘30。该凸缘30通过第一段排气管35连接于氦容器12的内部，该第一段排气管35提供了电引线(未示出)外部入口并用于维修目的。第二段排气管34连接在磁体出口/操作塔28和爆裂盘组件36之间，爆裂盘组件36通往通过排出管41被连接到外界大气40的排气组件38。该爆裂盘组件36在超导磁体10的正常操作期间在排气管34和排气组件38之间提供一屏障。排气管35具有相对大的直径，例如大约是3英寸，排气管34段具有甚至更大的直径。
在超导磁体组件10的超导操作的不希望的断开或中断(quenching ordiscontinueance)期间，多至1800升的液态氦可以在少至20秒的时间内汽化。这会产生极大的压力，该压力必须被排出到容放超导磁体组件10的建筑物外面的大气40，从而防止对超导磁体组件10的损坏。氦气21迅速向大气40的排放因爆裂盘的存在而成为可能。该爆裂盘被设计成在超过正常超导磁体操作期间产生的压力的预定压力下破裂。
正如图1中所示，该爆裂盘被夹设在O形环面密封(磁体侧)和特富龙密封垫(排气侧)之间，所述O形环面密封和特富龙密封垫用来在正常操作期间适当地密封爆裂盘以防止氦气21的泄露。围绕爆裂盘圆周的螺栓49被用来紧固爆裂盘，尽管其它手段也可以用来紧固爆裂盘。
不幸地是，且正如上所述，虽然爆裂盘提供保护来防止由于液态氦18汽化导致的极大压力增加造成的对超导磁体组件10的破坏，但它无法防止磁体冻结。当爆裂盘已经破裂、液态氦18已经汽化并且氦容器12中的压力已经与大气40的压力均衡时，发生磁体冻结。于是氦容器12通向外界大气40，且因其极度冷的状态，而用作一个抽气泵，抽入空气直至该爆裂盘可以被替换。当与液态氦容器12中的超冷表面接触时，该空气凝结。
参考图2和图3，本发明提供了一种零回流排气组件(zero backflow ventassembly)，总体由附图标记10指示，通常包括阀座110、阀面120、活塞组件130、弹簧140和负载调整螺钉150。在现场，该零回流排气系统被设置在排气组件38中，稍处于爆裂盘的下游，即处于爆裂盘的大气侧40。
在操作中，该零回流排气系统100在继磁体断开(magnet quench)之后，在压力平衡后通过关闭排气组件38而简单地防止空气回流进入液态氦容器12。在磁体断开过程中，爆裂盘后面的压力会增加到该爆裂盘被破裂的程度。在这个程度，阀面120上的压力会很高，以便克服由负载弹簧140所施加的力且氦气21会被允许排出。在某一时刻，液态氦容器12中的压力会减小，并且因此作用在阀面120上的力会同样减小而阀门弹簧140会克服作用在阀面120上的力。该阀门弹簧140于是会将阀面120回复到关闭位置，从而防止空气进入液态氦容器12并凝结。
本发明的零回流排气系统100于爆裂盘的大气侧40设置在排气组件38内。本发明的排气组件38与先前排气组件的在不同于，弹簧凹进区域160与爆裂盘相对设置，但是位于排气组件38内。排气竖管(vent stack)41于是保持相同，而仅只增加了零回流排气组件100。通常，排气组件38会被设计成在爆裂盘的大气侧40具有阀座110。该阀座110便利地为阀面120提供了一密封座靠点。该阀面120抵靠阀座110，并且成为曝露于氦气21压力增加以及破裂的爆裂盘残余物的对象。
在阀面120后面的是封闭在活塞组件130中的负载弹簧140。该负载弹簧140设计用来提供足够的弹力以在液态氦容器12中的压力已经回复到安全水平时将阀面120推回到阀座110上。该阀面120于是防止空气从大气进入到液态氦容器12并且凝固。该负载弹簧140也进行校准，使得在液态氦容器12中的压力上升的情况下，将再次打开以允许液态氦18汽化。
为了防止爆裂盘的碎片缠结在负载弹簧140中，负载弹簧140被包罩在活塞组件130中。通常，该弹簧140被压缩在阀面121的后面和弹簧背板141之间。在周向上，所述弹簧140由活塞组件130所包罩。负载弹簧140的一部分和弹簧背板141被容纳在弹簧凹进区域160中。负载弹簧140的长度以及从而由其施加的力可利用负载调整螺钉150进行调整。该负载调整螺钉150在处于弹簧凹进区域160中的螺纹孔161中旋转，允许磁体工程师通过进一步旋紧负载调整螺钉150或旋松该螺钉来调整弹簧140的长度/力，从而允许使用者确保该阀面120总是牢靠地座靠于阀座110。
总之，本发明提供了一种零回流排气组件，用于低温箱压力释放排气系统110，该系统用于具有装接于低温箱并连接到排气通道41的冷却剂气体通道的冷却剂冷却的超导磁体10，所述冷却剂气体通道装设成用以在不希望的压力增加的情况下将冷却剂气体21从低温箱排放到大气，包括：位于冷却剂气体通道内中的弹簧凹进区域160；与弹簧凹进区域160相对的、与冷却剂气体通道形成一体的阀座；与冷却剂气体通道相对的、位于弹簧凹进区域160中的螺纹孔161；旋装于螺纹孔161中的螺杆150；处于螺杆150端部处弹簧背板141；具有连接到弹簧背板141的第一端和第二端142的弹簧140；以及装接于弹簧第二端142的阀面120。本发明的弹簧140可交替地在不希望的压力增加的情况下允许阀面120移向排气管，并且在低温箱中的压力降低到安全水平时抵靠于阀座110密封阀面120。本发明的弹簧还可以被包罩在活塞组件130中。本发明还可以确保一种可调整弹簧140，通过拧紧或拧松螺杆150将弹簧背板141移动使之或是靠近阀面120或是远离阀面120。通常，本发明的零回流排气系统100被设置在爆裂盘组件的下游。
因此，已经提出了一种用于防止空气回流到液态氦容器的改进装置。虽然申请者认为他们已经对本发明进行了充分和完整的公开，但本领域技术人员将会易于明了其他优势和修改。因此，在较宽方面本发明不限于所公开和所描述的特定细节。由此，在不背离由附加的权利要求和它们等同物所限定的总体发明概念的精神或范围而的情况下可以进行各种修改。
零部件表
10超导磁体系统
12氦压力容器
14电磁线圈
16电磁线圈
18液态氦
20真空容器
21氦气
22热幅射屏蔽
24排气管
28操作塔
30凸缘
32螺栓
34排气管
35管
36爆裂盘组件
38排气组件
40外部大气
41排气管
49螺栓
100零回流排气系统
110阀座
120阀面
121阀面的后部
130活塞组件
140负载弹簧
141弹簧背板
150负载调整螺钉
160弹簧凹进区域
161螺纹孔

Claims (10)

1、一种用于冷却剂冷却的超导磁体的零回流排气组件(100)，所述冷却剂冷却的超导磁体具有装接到氦压力容器(12)并连接于排气管的冷却剂气体通道，包括：
于冷却剂气体通道中夹设在氦压力容器(12)和排气管(38)之间的阀；
所述阀门在氦压力容器(12)中不希望的压力增加的情况下打开，而在氦压力容器(12)内的压力已经降到安全水平时关闭。
2、根据权利要求1所述的零回流排气组件，其中，所述阀包括与排气组件(38)形成一体的阀座(110)。
3、根据权利要求2所述的零回流排气组件，其中，所述阀门还包括：
阀面(120)；
用于交替地在不希望的压力增加的情况下允许所述阀面朝向排气管(38)移动而在氦压力容器内的压力已经降到安全水平时抵靠所述阀座(110)以密封阀面(120)的装置。
4、根据权利要求3所述的零回流排气组件，其中，弹簧(140)包括用于交替地在不希望的压力增加的情况下用于允许所述阀面(120)朝向排气管(38)移动而在氦压力容器(12)内的压力已经降到安全水平时抵靠阀座(110)密封阀面(120)的装置。
5、根据权利要求4所述的零回流排气组件，其中，所述弹簧(140)被包罩在一活塞组件(130)中。
6、一种零回流排气组件，用于冷却剂冷却的超导磁体的压力释放排气系统，所述冷却剂冷却的超导磁体具有装接到低温箱并连接于排气管的冷却剂气体通道，所述冷却剂气体通道装设用来在不希望的压力增加的情况下将冷却剂气体从低温箱排向大气，包括：
于冷却剂气体通道中夹设在压力容器(12)和排气管(38)之间的弹簧加载的阀；
所述阀门在压力容器中不希望的压力增加的情况下打开，而在压力容器内的压力已经降到安全水平时关闭。
7、根据权利要求6所述的零回流排气组件，其中，所述弹簧加载阀门还包括与冷却剂气体通道(38)形成一体的阀座(110)。
8、根据权利要求7所述的零回流排气组件，其中，所述阀门还包括：
阀面(120)，所述阀面(120)在磁体的正常操作期间压靠在阀座(110)上；
所述弹簧交替地在不希望的压力增加的情况下允许阀面(120)朝向排气管(38)移动而在压力容器内的压力已经降到安全水平时抵靠阀座(110)密封阀面(120)。
9、根据权利要求4所述的零回流排气组件，其中，所述弹簧(140)被包罩在一活塞组件(130)中。
10、根据权利要求5所述的零回流排气组件，其中，所述弹簧(140)夹设在弹簧背板(141)和阀面(121)的背面之间。
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