CN213483505U - 用于超导磁体的制冷剂冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于超导磁体的制冷剂冷却系统，所述制冷剂冷却系统包括：制冷剂腔(20)，所述制冷剂腔与围绕所述超导磁体(10)的冷却组件(12)连接；再冷凝腔(30)，所述再冷凝腔设置成在竖向方向上高于所述制冷剂腔；致冷设备(40)，所述致冷设备设置在所述再冷凝腔(30)中并用于冷却所述再冷凝腔(30)中的制冷剂；所述再冷凝腔(30)与所述制冷剂腔(20)通过单管管路(18)连通。所述制冷剂冷却系统采用单管管路连接实现了一种简单而紧凑的设计，其能够显著地节省制冷剂冷却回路中的结构空间，降低连接复杂度，降低了管路泄漏的风险，从而实现了更加稳定的制冷剂冷却系统。

Description

用于超导磁体的制冷剂冷却系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于超导磁体的制冷剂冷却系统。

背景技术

全球氦气市场使得干磁体(也称为密封磁体、无制冷剂磁体或非浸泡式磁体)技术成为未来的超导磁体平台。在这种磁体中，在致冷设备和冷却物质之间存在制冷剂循环回路。在氦气的情况下通过该制冷剂循环回路可实现从冷却物质到致冷设备的高效的单向传热。

在现有技术中，参见图2，在致冷设备和冷却物质之间的制冷剂循环回路通常包括再冷凝腔和制冷剂腔以及分别与再冷凝腔和制冷剂腔连接的分开的两条单独的管路。其中一条液体管路用于将在再冷凝腔中借助致冷设备冷却的制冷剂从再冷凝腔提供给制冷剂腔，并且另一条热蒸气管路用于将在制冷剂腔中吸收了来自磁体的热量的热蒸气从制冷剂腔输送回到再冷凝腔中。由于在此设置了两条独立的管路，防止了两个管路之间的干扰。该循环回路通常由软管构成，其长度通常比制冷剂腔与再冷凝腔的距离更长以允许制冷剂腔与再冷凝腔的相对运动并且满足磁体结构设计的要求。在现有技术中液体管路与热蒸气管路这种两条单独的管路的布置使得占用了大量的结构空间。尤其在制冷剂回路中设有多个制冷剂腔的情况下，这将需要双倍的管路连接到再冷凝腔。管路过多会导致成本增加且零件或系统以及安装复杂，这会给制冷剂冷却系统带来更多的风险，例如泄漏、意外的热振荡、涡流等。

在有些情况下磁体需要通过致冷设备冷却。在高于冷却剂液化温度的温度范围占用了大部分的冷却时间，在此期间，传热模式是自然对流。热蒸汽在再冷凝腔中被冷却并且密度增大。而在制冷剂腔中吸收热量而变热。因此，制冷剂通过重力和浮力的驱动通过液体管路和热蒸气管路进行循环。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于超导磁体的制冷剂冷却系统，该制冷剂冷却系统采用单管管路连接，从而实现了一种简单而紧凑的设计，其能够显著地节省制冷剂冷却回路中的结构空间，降低连接复杂度，降低了管路泄漏的风险，从而实现了更加稳定的制冷剂冷却系统。

该目的通过根据本实用新型的用于超导磁体的制冷剂冷却系统实现，所述制冷剂冷却系统包括：制冷剂腔，所述制冷剂腔与围绕所述超导磁体的冷却组件连接；再冷凝腔，所述再冷凝腔设置成在竖向方向上高于所述制冷剂腔；致冷设备，所述致冷设备设置在所述再冷凝腔中并用于冷却所述再冷凝腔中的制冷剂；所述再冷凝腔与所述制冷剂腔通过单管管路连通。

相比于现有技术中的两个单独的管路的设置方式，通过在再冷凝腔与制冷剂腔之间设置单管管路使得在单根管路中同时发生向上和向下的流动，由此制冷剂冷却系统中的管路减少了一半并进而降低了制造成本。此外，单管管路所占用的空间较小，因此比双管布置方式更加紧凑，从而使得制冷剂冷却系统中有更多空间用于其他部件，因此制冷剂冷却系统的设计更加灵活并且结构更加简单。由于管路数量减小，使得这种简单紧凑型的制冷剂冷却系统的制造、运输和组装都更加简单，并且降低这些方面的成本以及人工成本。再者，由于在MRI扫描中，这种管路会发生振动，管路数量的减少同样会降低管路振动对磁场和 RF信号的干扰。此外，单管管路的设计使得再冷凝腔和制冷剂腔之间的连接路径最短，从而制冷剂流动阻力也最小，这在自然对流的情况下尤其重要。再者，单管管路的简单结构设计使得能够更加灵活地添加更多制冷剂腔，而无需使系统设计复杂化，只需要为每个制冷剂腔增加一根管路即可。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述单管管路的一端连接在所述再冷凝腔的底端上，所述单管管路的另一端连接在所述制冷剂腔的顶端附近，使得所述单管管路与所述制冷剂腔的连接部位高于所述制冷剂腔中的制冷剂液位。

通过将单管管路的一端连接在所述再冷凝腔的底端上使得再冷凝腔中的液态制冷剂或冷的致密蒸气能够简单地通过自身重力驱动从再冷凝腔的底端通过单管管路流到制冷剂腔中。此外，使单管管路与制冷剂腔的连接部位高于所述制冷剂腔中的制冷剂液位能够使得在制冷剂腔中产生的热蒸气可以自由进出单管管路，从而不会使热蒸气阻塞在制冷剂腔中。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述单管管路的一端连接在所述再冷凝腔的底端上并且另一端连接在所述制冷剂腔的顶端上。由此进一步确保单管管路与制冷剂腔的连接部位高于所述制冷剂腔中的制冷剂液位，由此在制冷剂腔中产生的热蒸气能够更轻松地通过浮力进入到单管管路流向再冷凝腔。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述再冷凝腔的底端的底壁厚度构造成使得所述单管管路的与所述再冷凝腔连接的端部能够焊接在所述再冷凝腔的底端的底壁上。再冷凝腔的较厚的底端使得能够焊接单管管路的一端，确保不会发生泄漏。而且单管管路降低了在再冷凝腔和制冷剂腔上的连接端口数量，由此降低成本和发生泄漏的可能性并且实现了更加稳定的低温系统。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述再冷凝腔的侧壁构造得比所述再冷凝腔的底端的底壁更薄。相比于现有技术，在本实用新型中再冷凝腔的侧壁无需用于焊接单管管路，因此侧壁可构造得相对薄，从而使得致冷设备中的热传导最低，进而热负荷最低，还可降低成本。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述单管管路为柔性软管。柔性软管允许再冷凝腔和制冷剂腔之间相对运动。此外，柔性软管价格昂贵，使用单管管路可大大降低成本。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述单管管路为金属的柔性软管。金属的柔性软管也允许再冷凝腔和制冷剂腔之间的相对运动。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述单管管路为刚性管。刚性管提高了单管管路的强度。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述单管管路至少部分由波纹管构成。由于波纹管的薄且弯曲的壁，在再冷凝腔和制冷剂腔中提供了很好的导热阻力。这尤其在致冷设备关闭的情况下能够最大程度地降低超导磁体的热负荷，从而延长超导磁体的变热时间。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述冷却组件为由金属或高导热率的复合材料制成的导热部件。由此更好地将超导磁体的热量导走。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述冷却组件为由铜编织层、铜板制成的导热部件。铜能够更好地导走超导磁体的热量。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述冷却组件为冷却管路或冷却线圈。由此通过简单的方式实现了冷却回路。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述制冷剂冷却系统还包括在所述超导磁体升温或失超时容纳气态制冷剂的气体缓冲器。由此确保制冷剂冷却系统在所述超导磁体升温或失超时的安全性。

根据本实用新型的一种优选的实施方式，所述制冷剂冷却系统还包括安全/操作设备。该安全/操作设备简化了对制冷剂冷却系统的操作并且确保了安全性。

本实用新型的用于超导磁体的制冷剂冷却系统尤其能够应用在西门子MRI磁体中，通过这种制冷剂冷却系统能够减少系统内部发生泄漏的风险，使得冷却系统更加可靠。由于降低了金属部件的热传导，使得在致冷设备断电的情况下能够延长磁体变热的时间，从而延长了系统的运行时间。此外还降低了材料、制造、组装和运输成本以及人工成本。

附图说明

为了更好地理解本实用新型的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本实用新型的优选实施方式，对本实用新型的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

图1示出了根据本实用新型的用于超导磁体的制冷剂冷却系统；

图2示出了现有技术中的用于超导磁体的制冷剂冷却系统。

附图标记列表

超导磁体10

真空腔100

冷却组件12

液体管路14

热蒸气管路16

单管管路18

制冷剂腔20

再冷凝腔30

致冷设备40

气体缓冲器50

安全/操作设备60

具体实施方式

接下来将参照附图详细描述本实用新型的实用新型构思。这里所描述的仅仅是根据本实用新型的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本实用新型的其他方式，所述其他方式同样落入本实用新型的范围。在以下的具体描述中，例如“上”、“下”、“内”、“外”等方向性的术语，参考附图中描述的方向使用。本实用新型的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

图1示出了根据本实用新型的用于超导磁体的制冷剂冷却系统。待冷却物质、例如超导磁体10、尤其超导线圈容纳在真空腔100中并且通过冷却组件12环绕，冷却组件12与制冷剂腔20连接并且将从超导磁体10吸收的热量传递到制冷剂腔20中。冷却组件12例如可为冷却管路或冷却线圈，冷却管路或冷却线圈的两端与制冷剂腔20连接。优选地，制冷剂腔20定位在超导磁体10的附近。制冷剂可以是氮，但是本领域技术人员已知其他适当的制冷剂。

在图1中可见，再冷凝腔30设置成在竖向方向上高于制冷剂腔20，即沿竖向方向至少再冷凝腔30的底端高于制冷剂腔20的底端。再冷凝腔30与制冷剂腔20沿竖向方向可错开地布置。在制冷剂腔20和再冷凝腔30之间仅设置一根单管管路18，而不是如现有技术中的两个单独的管路。单管管路18的一端连接在再冷凝腔30的底端并且与再冷凝腔30 连通，而单管管路18的另一端连接在制冷剂腔20的顶端并且与制冷剂腔20连通。

在再冷凝腔30中设有致冷设备40，致冷设备也称为冷头。致冷设备40设置成能够使再冷凝腔30中的制冷剂冷却或使其冷凝为液态制冷剂或相对于热蒸气密度较高的冷的致密蒸气并且吸收由相对更热的制冷剂蒸气带来的热量。由此，根据本实用新型的制冷剂回路包括制冷剂腔20、再冷凝腔30、单管管路18和致冷设备40。

在图1中，通过布置在再冷凝腔30中的致冷设备40将在再冷凝腔30中的制冷剂冷凝为液态制冷剂或冷的致密蒸气，液态制冷剂或冷的致密蒸气通过其重力驱动从再冷凝腔30的底端向下通过单管管路18流到制冷剂腔20中。在例如氮的情况下液态氮从再冷凝腔30的底端通过单管管路18向下流到制冷剂腔20中。

流到制冷剂腔20中的液态制冷剂或冷的致密蒸气通过冷却组件12从超导磁体10吸收的热量被蒸发成热蒸气，该热蒸气由于浮力再通过单管管路18再次从制冷剂腔20向上流回到再冷凝腔30中。

回到再冷凝腔30中的热蒸气通过再冷凝腔30中的致冷设备40再次冷凝为液态制冷剂或冷的致密蒸气。该液态制冷剂或冷的致密蒸气又通过单管管路18流入制冷剂腔20中。这个操作将循环地继续，以通过从再冷凝腔30给制冷剂腔20补充液体制冷剂或冷的致密蒸气以冷却超导磁体10。

在单管管路18中由于热蒸气相对于来自再冷凝腔30的液态制冷剂或冷的致密蒸气更热，使得热蒸气浮至上部并且向上流动，而来自再冷凝腔30的液态制冷剂或冷的致密蒸气由于重力而向下流动，流入制冷剂腔20中。由此可在单管管路18中实现同时发生向上和向下的流动，在此这种流动也可称为逆流。在降温或正常运行条件下，液态制冷剂或冷的致密蒸气和热蒸气可在单管管路18中实现稳定的自组织逆流，由此也可实现再冷凝腔 30和制冷剂腔20之间的高效传热。在此，即使单管管路18完全竖直地设置，基于冷热流之间的密度差异也可以形成稳定的逆流。由于逆流可能引入额外的流动阻力，但是单管管路对流动路径的简化能带来更大的好处。

此外在制冷剂腔20和再冷凝腔30之间的制冷剂回路实现了从超导磁体到致冷设备的高效的传热，并最大程度地减少了从致冷设备和较热的零件到制冷剂腔的反向热负荷。

此外在图1中还可看出，再冷凝腔30的底端的底壁构造得较厚，该底端的底壁用于与单管管路18连接，例如通过焊接与单管管路18连接，因此需要构造得相对厚。而再冷凝腔30的侧壁可构造得相对薄，以使致冷设备的热负荷最低。由此也可降低构件重量。

而在现有技术中，如图2，两条管路中的液体管路14的一端连接在再冷凝腔30的底端或底端附近并且与再冷凝腔30连通，而液体管路14的另一端连接在制冷剂腔20的底端附近并且与制冷剂腔20连通。热蒸气管路16的一端连接在制冷剂腔20的顶端或顶端附近并且与制冷剂腔20连通，而热蒸气管路16的另一端连接在再冷凝腔30的侧壁上并且与再冷凝腔30连通。这导致现有技术中的再冷凝腔的侧壁也需要构造得较厚，因为侧壁也用于与热蒸气管路16连接，例如焊接。相比于现有技术中的双管设置，本实用新型中的单管管路18还节省了一半的连接端口数量。

在图1中，单管管路18的一端与制冷剂腔20的顶端连通。但是也可使单管管路18的该端在制冷剂腔20的其他部位处与制冷剂腔20连接，只要该连接部位高于制冷剂腔20中的制冷剂液位。由此使得制冷剂腔中的热蒸气能够更好地自由进入单管管路18中。单管管路18的另一端在再冷凝腔30的底部与其连接，由此可使液态制冷剂或冷的致密蒸气通过重力驱动轻松地流入单管管路18中。

单管管路18可以采用挠性软管来实现，例如可采用金属软管、刚性管等。还可部分地或全部地采用波纹管来构造单管管路18。由于波纹管的薄且弯曲的壁，在再冷凝腔30 和制冷剂腔20中提供了很好的导热阻力。这尤其在致冷设备40关闭的情况下能够最大程度地降低超导磁体的热负荷，从而延长超导磁体的变热时间。

根据本实用新型的用于超导磁体的制冷剂回路还设有气体缓冲器50，该气体缓冲器 50与致冷设备40连接。在此气体缓冲器50布置在真空腔100之外，如图1所述制冷剂腔20、再冷凝腔30、单管管路18、超导磁体10以及致冷设备40布置在真空腔100中。气体缓冲器50用于在超导磁体升温或失超时容纳气态制冷剂。

根据本实用新型的用于超导磁体的制冷剂回路还设有安全/操作设备60，该安全/操作设备也布置在真空腔100之外并且通过外部管路与致冷设备40和气体缓冲器50连接。该安全/操作设备可构造成安全阀、爆破片、压力表、制冷剂加注口等。

冷却组件12、尤其冷却管路或冷却线圈可为由各种类型的金属和高导热率的复合材料，例如铜编织层、铜板或不同形状的材料制成的导热部件。优选地，冷却组件12与超导磁体10和制冷剂腔20紧密地热接触，从超导磁体10上吸收热负荷并且热负荷传导至制冷剂腔20中，然后通过制冷剂回路进行循环利用。

本实用新型的保护范围仅由权利要求限定。得益于本实用新型的教导，本领域技术人员容易认识到可将本实用新型所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本实用新型所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。

Claims (14)

1.一种用于超导磁体的制冷剂冷却系统，所述制冷剂冷却系统包括：

制冷剂腔(20)，所述制冷剂腔与围绕所述超导磁体(10)的冷却组件(12)连接；

再冷凝腔(30)，所述再冷凝腔设置成在竖向方向上高于所述制冷剂腔；

致冷设备(40)，所述致冷设备设置在所述再冷凝腔(30)中并用于冷却所述再冷凝腔(30)中的制冷剂；

其特征在于，所述再冷凝腔(30)与所述制冷剂腔(20)通过单管管路(18)连通。

2.根据权利要求1所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述单管管路(18)的一端连接在所述再冷凝腔(30)的底端上，所述单管管路(18)的另一端连接在所述制冷剂腔(20)的顶端附近，使得所述单管管路(18)与所述制冷剂腔(20)的连接部位高于所述制冷剂腔(20)中的制冷剂液位。

3.根据权利要求1或2所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述单管管路(18)的一端连接在所述再冷凝腔(30)的底端上并且另一端连接在所述制冷剂腔(20)的顶端上。

4.根据权利要求3所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述再冷凝腔(30)的底端的底壁厚度构造成使得所述单管管路(18)的与所述再冷凝腔(30)连接的端部能够焊接在所述再冷凝腔(30)的底端的底壁上。

5.根据权利要求4所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述再冷凝腔(30)的侧壁构造得比所述再冷凝腔(30)的底端的底壁更薄。

6.根据权利要求1或2所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述单管管路(18)为柔性软管。

7.根据权利要求6所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述单管管路(18)为金属的柔性软管。

8.根据权利要求1或2所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述单管管路(18)为刚性管。

9.根据权利要求1或2所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述单管管路(18)至少部分由波纹管构成。

10.根据权利要求1或2所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述冷却组件为由金属或高导热率的复合材料制成的导热部件。

11.根据权利要求10所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述冷却组件为铜编织层、铜板制成的导热部件。

12.根据权利要求10所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述冷却组件为冷却管路或冷却线圈。

13.根据权利要求1或2所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述制冷剂冷却系统还包括在所述超导磁体(10)升温或失超时容纳气态制冷剂的气体缓冲器(50)。

14.根据权利要求1或2所述的用于超导磁体的制冷剂冷却系统，其特征在于，所述制冷剂冷却系统还包括安全/操作设备(60)。

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