DE112014000403B4

DE112014000403B4 - MRI-Herunterkühlvorrichtung

Info

Publication number: DE112014000403B4
Application number: DE112014000403.0T
Authority: DE
Inventors: Ralph Longsworth
Original assignee: Sumitomo SHI Cryogenics of America Inc
Current assignee: Sumitomo SHI Cryogenics of America Inc
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2034-01-03
Also published as: JP6165267B2; GB2524185A; CN105008821B; WO2014109941A1; US9897350B2; KR101640359B1; GB201510022D0; KR20150100942A; GB2524185B; CN105008821A; DE112014000403T5; US20150354865A1; JP2016513978A

Abstract

Vorrichtung zur Herunterkühlung eines Objekts auf kryogene Temperaturen, umfassend: ein Brayton-Kreislauf-Kühlgerät, das einen ersten Strom kalten Heliums von einem Kühlgerätmotor (5) bei einem ersten Druck ausgibt, einen Kühlgeräte-Kryostaten (100), der die kalten Komponenten des Kühlgeräts beherbergt, einen Kopplungs-Wärmetauscher (31), der Wärme von einem zweiten Strom Helium in einem Objekt-Kryostaten (201; 202) bei einem zweiten Druck auf den ersten Strom überträgt, einen Zirkulator (30), der den zweiten Strom in dem Objekt-Kryostaten (201; 202) durch den Kopplungs-Wärmetauscher (31) zirkuliert, wobei der Kopplungs-Wärmetauscher (31) und der Zirkulator (30) entfernbar und benachbart zu dem Objekt-Kryostaten (201; 202) sind, wobei der Kopplungs-Wärmetauscher eine Wendel von einem oder mehreren Schichten einer Rippenrohrleitung ist, wobei der erste Strom innerhalb der Rohrleitung(en) strömt und der zweite Strom durch die Rippen axial in einer Gegenstrom-Wärmeübertragungs-Beziehung strömt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Herunterkühlen eines supraleitenden Magneten, der von einem Fluid bei geringem Druck umgeben ist, durch ein Kühlgerät, das ein Fluid bei höherem Druck zirkuliert.
2. Hintergrundinformation
Supraleitende Magneten, die in MRI-Kryostaten verwendet werden und die in einem Bad flüssigen Heliums arbeiten, werden in der Fabrik heruntergekühlt und getestet, bevor sie ausgeliefert werden. Es war eine übliche Vorgehensweise, genug Helium in dem Magneten zu belassen, so dass er während der drei bis fünf Wochen kühl bleibt, die es typischerweise dauert, von der Fabrik zur Einsatzstelle, an der er genutzt wird, zu gelangen. Ein großer Teil des Heliums verkocht während des Transports und muss an der Zielstation ersetzt werden. Die zunehmende Knappheit von Helium motiviert Hersteller zur Verwendung unterschiedlicher Strategien, um Helium zu erhalten. Eine Strategie ist es, das Helium von dem Magneten nach dessen Testlauf zurückzugewinnen und dem Magneten zu gestatten, sich zu erwärmen und warm verschifft zu werden. An der Einsatzstelle wird der Magnet dann wieder durch ein Kühlgerät heruntergekühlt, das aus einem extern zu einem Kühlgeräte-Kryostaten angeordneten Verdichter besteht, in dem Helium gekühlt und dann durch den Magnet-Kryostaten durch Vakuum ummantelte Transportleitungen zirkuliert wird. Ein Kühlgerät, das gemäß dem Brayton-Kreislauf betrieben wird, wurde zur Kühlung des Magneten an der Einsatzstelle entwickelt. Es besteht aus einem Verdichter, der Gas bei einem Ausgangsdruck von ca. 2 MPa zu einem Gegenstromwärmetauscher fördert, von dem Gas zu einem Expansionsraum durch ein Einlassventil eingelassen wird, Gas adiabat auf etwa 0,8 MPa expandiert, das expandierte Gas (das kälter ist) durch ein Auslassventil auslässt, das kalte Gas durch Vakuum ummantelte Transportleitungen zu den Magnet-Kryostaten zirkuliert, und dann das Gas durch den Gegenstromwärmetauscher zu dem Verdichter zurückführt. Ein MRI-Kryostat, der durch Helium bei Drücken in der Höhe von 1 MPa gekühlt werden kann, wurde kürzlich entwickelt. Die meisten der MRI-Magneten, die heutzutage gebaut sind, sind allerdings dazu ausgelegt, mit Helium bei Atmosphärendruck von 0,1 MPa zu arbeiten und einem Maximaldruck von etwa 0,2 MPa zu widerstehen. Die Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel zur Herunterkühlung eines Magneten bereitzustellen, der nur einen Druck von weniger als 0,2 MPa toleriert, wobei sich der Auslass von einem Brayton-Kreislauf-Kühlgerät bei etwa 0,8 MPa befindet.
Patentanmeldungsveröffentlichung US 2011/0219810, eingereicht am 3. März 2011 von R. C. Longsworth, beschreibt einen Expansionskolbenmotor, der basierend auf einem Brayton-Kreislauf arbeitet, wobei der Kolben eine Antriebsspindel an einem warmen Ende aufweist, die durch einen mechanischen Antrieb oder Gasdruck, der zwischen hohen und niedrigen Drücken alterniert, betrieben wird und wobei der Druck an dem warmen Ende des Kolbens in dem Bereich um die Antriebsspindel im Wesentlichen der gleiche ist wie der Druck an dem kalten Ende des Kolbens, während sich der Kolben bewegt. Patentanmeldeveröffentlichung US 2012/0085121 , eingereicht am 4. Oktober 2011 von R. C. Longsworth, beschreibt die Steuerung eines Expansionskolbenmotors, der basierend auf einem Brayton-Kreislauf arbeitet, wie in der vorangehenden Anmeldung beschrieben, der es ermöglicht, die Zeit zur Kühlung eines MRI-Magneten auf kryogene Temperaturen zu minimieren. Patentanmeldeveröffentlichung US 2012/0285181 , eingereicht am 12. Mai 2011 von S. Dunn et al., beschreibt Mittel zur Steuerung einer Gasströmung zu dem warmen Ende des Brayton-Kreislauf-Motors, beschrieben in der 2011/0219810-Anmeldung. Diese Motoren laufen basierend auf einem Brayton-Kreislauf, der bei höheren Drücken von 2 MPa und einem niedrigen Druck von 0,8 MPa ziemlich effizient arbeitet, aber nicht sehr effizient wäre, wenn der niedrige Druck 0,1 MPa betragen würde. Der beste Weg zur Nutzung dieses Typs Motor ist es, Helium in einen zweiten Kühlkreislauf bei etwa 0,1 MPa zirkulieren zu lassen, der Wärme von dem Magneten auf einen Wärmetauscher, der von einem Brayton-Kreislauf-Kühlgerät gekühlt ist, überträgt.
Eine Herangehensweise zur Herunterkühlung eines MRI-Magneten unter Verwendung von Helium bei etwa 0,1 MPa ist in US 6,923,009 von Kudaravalli beschrieben. Dieses System umfasst einen Zirkulator bei Raumtemperatur, einen Gegenstromwärmetauscher, der das Versorgungsgas mit dem Rückflussgas vorkühlt, einen Wärmetauscher, der von flüssigem Stickstoff gekühlt ist, und Leitungen, die es dem kalten Gas ermöglichen, durch den Magneten zu strömen. US 6,347,522 von J. F. Maguire et al. beschreibt ein System zur Kühlung einer entfernten thermischen Last, umfassend einen oder mehrere Kühlgeräte, die einen oder mehrere kalte Wärmetauscher kühlen, einen sekundären Kreislauf von Helium bei etwa 0,1 MPa, der in den kalten Wärmetauschern gekühlt wird, einen Zirkulator in dem sekundären Kreislauf, der sich in dem Kühlgerät-Kryostat befindet, und Leitungen, die es dem Kalten Gas ermöglichen, durch die entfernte thermische Last zu strömen, zum Beispiel ein Magnet. US 6,625,992 von J. F. Maguire et al. ist eine Weiterverfolgung eines vorangehenden Patents, das die Beschränkung aufhebt, dass der Zirkulator sich in dem Kühlgeräte-Kryostat befindet. Patentanmeldeveröffentlichung US 2007/0214821 , eingereicht am 16. März 2007 von E. Astra, beschreibt einen MRI-Magneten, der ein in dem verjüngten Rohr eines MRI-Kryostaten montiertes Kühlgerät aufweist, so dass sich das kalte Ende in Kontakt mit Heliumgas befindet, das den Magneten kühlt, wobei gekühltes Helium durch natürliche Konvektion oder durch einen von mehreren Gebläsetypen zirkuliert wird. US 5,461,873 von R. C. Longsworth beschreibt ein Kühlgerät, das in dem verjüngten Rohr an der Oberseite eines MRI-Kryostaten befestigt ist, in dem Rohre so angeordnet sind, dass der Magnet durch natürliche Konvektion gekühlt wird. US 4,484,458 von R. C. Longsworth beschreibt ein Kühlgerät, das in dem verjüngten Rohr an einer Oberseite eines MRI-Kryostaten montiert ist und einen Rippenrohr-Wärmetauscher an dem kalten Ende aufweist, der Helium durch dessen Kondensation und Heruntertropfen zirkuliert.
Kühlsysteme, die gasförmiges Helium nahe Atmosphärendruck zur Kühlung superleitfähiger MRI-Magneten oder anderer Objekte verwenden, können Temperaturen von 4,3 K oder höher bereitstellen. Die meisten MRI-Magneten werden heutzutage kühl belassen, nachdem sie durch ein Kühlgerät in dem verjüngten Rohr, oder parallel zu dem verjüngten Rohr, das eine Kühlung von etwa 40 W bei etwa 40 K plus etwa 1 W bei 4,2 K bereitstellt, heruntergekühlt wurden. Demgegenüber produziert das Kühlgerät, das ausgelegt ist, um einen MRI-Magneten, der einen Brayton-Kreislauf-Motor verwendet, wie in Patentanmeldeveröffentlichung US 2012/0285181 beschrieben, über 1500 W Kühlleistung bei 250 K und über 500 W bei 100 K. Dieses Kühlgerät ist zu groß, um in das verjüngte Rohr eines MRI-Kryostaten zu passen, jedoch kann anstelle der Zuleitung von kaltem Helium bei 0,8 MPa an den Magneten. das kalte Helium durch einen Wärmetauscher in dem verjüngten Rohr zirkuliert werden, der dann genutzt werden kann, um das Helium in dem Magneten bei etwa 0,1 MPa zu kühlen. Der Wärmetauscher wird vor dem Herunterkühlen in das verjüngte Rohr gesteckt und nachdem der MRI-Magnet auf etwa 50 K gekühlt wurde, entfernt. Wenn das verjüngte Rohr zu klein ist, um den Wärmetauscher aufzunehmen, dann kann er in einem separaten Wärmetauscher-Kryostaten untergebracht werden, der entfernbar in das kleinere verjüngte Rohr eingesetzt wird.
Die JP H08-222 429 beschreibt eine Helium-Kühlung, bei der zwei Wärmetauscher und ein Kühlgerät in einem gemeinsamen Kryostaten angeordnet sind.
Die US 2007/0245749 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Vorkühlen kryogenisch gekühlter Geräte, die in einem Gefäß angeordnet sind. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Kühlkreis mit einem Wärmeübertragungsfluid, einen Zirkulator zum Veranlassen, dass das Wärmeübertragungsfluid entlang dem Kühlkreis zirkuliert, und eine Wärmeabführvorrichtung, die so angeordnet ist, dass Wärme aus dem Wärmeübertragungsfluid extrahiert wird. Der Kühlkreis transportiert das Wärmeübertragungsfluid in ein inneres Volumen des Gefäßes und aus diesem heraus.
Aus der US 2005/0016187 A1 ist ein MRI-System bekannt. Das MRI-System enthält eine Magnetanordnung. Ein erstes kryogenes Kühlfluid wird verwendet, um die Magnetanordnung zu kühlen. Eine erste Versorgungsleitung führt das Kühlfluid zu der Magnetanordnung. Eine erste Rückführleitung führt das Kühlfluid von der Magnetanordnung weg. Eine Gebläseanordnung ist zwischen den Leitungen angeordnet. Ein regenerativer Wärmetauscher kommuniziert mit den Leitungen. Der regenerative Wärmetauscher überträgt thermische Energie von der ersten Versorgungsleitung zu der ersten Rückführleitung. Der regenerative Wärmetauscher ist zwischen der Gebläseanordnung und der Magnetanordnung positioniert. Eine zweite Versorgungsleitung transportiert ein zweites kryogenes Fluid durch eine Vorkühlungsanordnung. Die Vorkühlungsanordnung ist zwischen dem regenerativen Wärmetauscher und der Magnetanordnung positioniert. Die Vorkühlanordnung überträgt thermische Energie von der ersten Versorgungsleitung zu der zweiten Versorgungsleitung.
Die US 5,193,348 offenbart eine Vorrichtung zum Kühlen eines Messinstrumentes, das auf der Grundlage eines supraleitenden Quanteninterferometers (SQUID) arbeitet. Die Vorrichtung enthält einen Kryostaten, der ein Vakuum in einem inneren Volumen aufweist. In dem Vakuum sind ein supraleitendes Gradiometer und ein SQUID angeordnet. Wärmeleitende Verbindungen koppeln das Gradiometer und das SQUID mit einem Kryogen, das von außerhalb des Kryostaten zur Verfügung gestellt wird. Eine Trägerstruktur trägt den SQUID und das Gradiometer. Die Trägerstruktur hat Kühlkanäle, durch welche das Kryogen getrieben wird. Außerhalb des Kryostaten ist eine Kryogenversorgungseinheit angeordnet, wobei eine Kryogenübertragungsleitung die Kryogenversorgungsleitung mit den Kühlkanälen koppelt.
Aus der JP H01-269 874 A ist ein Kühlgerät bekannt. Zur Erzeugung sehr niedriger Temperaturen unter gleichzeitiger Miniaturisierung des Kühlgerätes wird ein Stirling-Kühlgerät genutzt. Dieses verwendet die Zustandsänderung des Kühlmittels gemäß einem Stirling-Zyklus.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung kombiniert die hohe Kapazität eines Brayton-Kreislauf-Kühlgeräts, das bei etwa 2/0,8 MPa arbeitet, mit einem Kopplungs-Wärmetauscher und einem Zirkulator zur Kühlung eines Magneten mit Helium bei etwa 0,1 MPa von Raumtemperatur auf etwa 50 K. Der Kopplungs-Wärmetauscher ist eine Wendel von Rippenrohren in einer Buchse, die so ausgebildet ist, dass das Helium in dem MRI-Kryostaten in einer Gegenstrom-Wärmeübertragungs-Beziehung mit dem Helium von dem Kühlgerät strömt. Helium wird durch den Wärmetauscher durch einen Variablen-Strom-Zirkulator gezwungen, der eine annähernd konstante Temperaturdifferenz zwischen dem Helium des Brayton-Kreislauf-Kühlgeräts und dem Helium, das den Magneten kühlt, beibehält. Die kalten Komponenten des Kühlgeräts sind in einem Kühlgeräte-Kryostaten enthalten, der durch Vakuum ummantelte Transportleitungen getrennt von dem MRI-Kryostaten angeordnet ist. Der Wärmetauscher und der Zirkulator sind an dem MRI-Kryostaten-Ende der Transportleitungen in einer entfernbaren Beziehung mit dem MRI-Kryostaten angeordnet.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt den Stand der Technik eines Brayton-Kreislauf-Kühlgeräts, das kaltes Helium von einem Motor durch Vakuum ummantelte Transportleitungen an einen MRI-Kryostaten zirkuliert, wo es durch Rohre bei etwa 0,8 MPa zur Herunterkühlung eines Magneten strömt.
2 zeigt ein Brayton-Kreislauf-Kühlgerät, das kaltes Helium von dem Motor bei etwa 0,8 MPa durch Vakuum ummantelte Transportleitungen an einen Kopplungs-Wärmetauscher in einem verjüngten Rohr eines MRI-Kryostaten zirkuliert. Ein Zirkulator, der auch in dem MRI-Kryostaten angeordnet ist, treibt Helium bei einem Druck von etwa 0,1 MPa durch den Wärmeübertrager und MRI-Kryostaten, wo es einen Magneten herunterkühlt.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Verjüngtes-Rohr-Wärmetauschers, der eine Zwei-Schichten-Wendel aus Rippenrohren ist.
4 zeigt ein Brayton-Kreislauf-Kühlgerät, das kaltes Helium von dem Motor bei etwa 0,8 MPa durch Vakuum ummantelte Transportleitungen an einen Wärmetauscher in einem Kryostaten zirkuliert, der eine Erweiterung aufweist, die in das verjüngte Rohr eines MRI-Kryostaten passt. Ein Zirkulator, der auch in dem Wärmetauscher-Kryostaten angeordnet ist, treibt Helium bei einem Druck von etwa 0,1 MPa durch den Wärmeübertrager und MRI-Kryostaten, wo es einen Magneten herunterkühlt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Komponenten, die in den 1–4 gezeigt sind, verwenden die gleiche Nummer und die gleichen schematischen Darstellungen um gleiche Teile zu identifizieren. Da kaltes Gas dichter als warmes Gas ist, sind die meisten Komponenten mit dem kalten Ende unten gezeichnet dargestellt. Komponenten, die bei kryogenen Temperaturen, < 125 K, liegen, sind von der Umgebung durch Vakuum, < 0,1 Pa, innerhalb des Gehäuses thermisch isoliert, wobei der Zusammenbau als Kryostat bezeichnet wird. Das vorliegende System weist einen Kryostaten für die kalten Kühlgerätekomponenten, einen Kryostaten für die kalten MRI-Komponenten, und eine Option eines Kryostaten für den kalten Kopplungs-Wärmeübertrager auf.
1 ist ein Schaltbild eines Mittels des Standes der Technik zur Herunterkühlung eines MRI-Magneten, bestehend aus einem Brayton-Kreislauf-Kühlgerät, der mit MRI-Kryostat 200 durch Vakuum ummantelte Übertragungsleitungen 10 und 11 verbunden ist. Helium bei niedrigem Druck, Pl, bei etwa 0,8 MPa fließt durch Leitung 2 zu Verdichter 1 zurück und wird bei hohem Druck, Ph, bei etwa 2 MPa in Leitung 3 abgelassen. Hochdruckgas fließt durch den Wärmetauscher, HX, 4, wo es durch von Leitung 15 zurückströmendes Niederdruckgas gekühlt wird, bevor es in den Expansionsmotor 5 durch Einlassventil, Vi, 6 und dann heraus durch Auslassventil, Vo, 7 in Leitung 14 strömt. Diese kalten Komponenten sind in Vakuumgehäuse 8 enthalten und umfassen Kühlgeräte-Kryostat 100. MRI-Kryostat 200 umfasst Vakuumgehäuse 23, Magnetbehälter 20, und Kühlleitungen 22. Kaltes Helium fließt von Leitung 14 zu Kühlleitungen 22 durch Vakuum ummantelte Transportleitung 10, die Bajonett-Kopplungen 12 an jedem Ende aufweist, und von Kühlleitungen 22 zu Leitung 15 durch Vakuum ummantelte Transportleitung 11, die ebenfalls Bajonett-Kopplungen 12 an jedem Ende aufweist. Kühlleitungen 22 können Drücken bis zu 1 MPa widerstehen, was mehr ist als der Ausgangsdruck aus dem Brayton-Motor 5.
2 ist ein Schaltbild des gleichen in 1 gezeigten Brayton-Kühlgeräts, aber das kalte Helium von etwa 0,8 MPa fließt von Transportleitung 10 durch Kopplungs-Wärmetauscher 31, der in dem verjüngten Rohr 21 angeordnet ist, und fließt dann zurück durch Transportleitung 11 zu Kühlgerät-Kryostat 100. Helium 26, nachdem es durch Wärmetauscher 31 gekühlt ist, bei einem Druck von etwa 0,1 MPa, wird in Magnetbehälter 20 durch Zirkulator 30 zirkuliert. Transportleitungen 10 und 11 können in separaten Vakuumummantelungen, wie in 1 gezeigt, oder in eine gemeinsame Vakuumummantelung 13, wie in 2 und 4 gezeigt, eingebettet sein. Kopplungs-Wärmetauscher 31, Buchse 34, und Zirkulator 30 sind alle an Transportleitungen 10 und 11 und ihr Gehäuse 13 angeschlossen, und können eingesteckt werden in und entfernt werden aus dem verjüngten Rohr 21.
Die Details einer möglichen Konfiguration des Kopplungs-Wärmetauschers 31 sind in 3 als Rippenrohr-Wärmetauscher 32 gezeigt. Zwei separate Wendeln in zwei Schichten von Rippenrohren sind als spiralförmig um Drehstift 33 herum angeordnet und innerhalb der Buchse 34 dargestellt. Kaltes Gas in Leitung 14 aus dem Brayton-Kreislauf-Kühlgerät tritt an dem unteren Ende jeder Wendel der Rippenrohre aus und fließt zu Leitung 15 von dem oberen Ende jeder Wendel zurück. Helium 26 wird durch Wärmetauscher 32 hindurch von Zirkulator 30 gesogen und wird in einer Gegenstrom-Wärmeübertragungs-Beziehung gekühlt. Dieses Helium zirkuliert um den MRI-Magneten herum und fließt zu dem verjüngten Rohr 21 wärmer zurück. Helium 27 fließt hoch durch den ringförmigen Spalt zwischen dem verjüngten Rohr 21 und der Buchse 34, um in das obere Ende von Wärmetauscher 32 einzutreten.

Tabelle 1 gibt ein Beispiel der Wärmeübertragungsbeziehungen für einen Rippenrohr-Wärmetauscher 32 an, der einen äußeren Durchmesser von 80 mm und eine Länge von 114 mm aufweist, der 5,5 g/s durch die Rohre des Brayton-Kreislauf-Kühlgeräts fließenden Heliums und 5,0 g/s bei 0,15 MPa um den MRI-Magneten zirkulierendes Helium aufweist. TABELLE 1 Beispiel einer Leistung eines Wärmetauschers bei zwei Kryostat-Temperaturen, berechnet

T des He von dem MRI-Magneten, 27 – K	300	93
T des He zu dem MRI-Magneten, 26 – K	246	76
T aus dem HX 32 in Leitung 15 – K	280	85
T in den HX 32 in Leitung 14 – K	231	70
Kühlung – W	1470	620
Zirkulator 30 Durchsatz – g/s	5,0	5,0
Druckabfall durch Rippen in HX 32 – kPa	8,1	1,8

Nachdem der Magnet heruntergekühlt wurde, werden Transportleitungen 10 und 11 sowie Wärmetauscher 32 von dem verjüngten Rohr 21 entfernt und durch einen Expander, der den Magneten kalt hält, ersetzt. Expander, die zur Zeit eingesetzt werden, arbeiten auf einem GM-Kreislauf und haben einen Erststufendurchmesser von etwa 100 mm. Der Durchmesser des verjüngten Rohrs ist etwas größer.
4 ist ein Schaltbild, das das gleiche wie in 1 und 2 gezeigte Brayton-Kreislauf-Kühlgerät zeigt, welches einen Magneten in MRI-Kryostat 202 herunterkühlt. Im stationären Zustand wird der MRI-Magnet durch Kühlgerät 25 gekühlt, das nicht in das verjüngte Rohr 21 eingesteckt ist, sondern direkt an dem Vakuumgehäuse 23 mit der an Wärmeschild 24 bei etwa 40 K befestigten ersten Stufe des Kühlgeräts und der an Magnetgehäuse 20 bei etwa 4,2 K befestigten zweiten Stufe. In dieser Ausgestaltung kann das verjüngte Rohr 21 einen Durchmesser aufweisen, der zu schmal ist um den Kopplungs-Wärmetauscher 31 aufzunehmen. Dieses Problem kann umgangen werden, indem Wärmetauscher 31 in einem separaten, über dem verjüngten Rohr 21 angeordneten Kopplungs-Wärmetauscher-Kryostat 202 angeordnet wird und kaltes Helium 26 runter durch Rohr 36 geströmt wird, das sich in den Magnetbehälter 20 erstreckt. Helium 27, das nach dem Kühlen des Magneten aufgewärmt wurde, strömt zum Oberteil des Wärmetauschers 31, durch den ringförmigen Spalt zwischen Rohr 36 und dem inneren Rohr des Bajonetts 37, dann zwischen der Außenseite der Buchse 30 und der Innenseite der Hülle 35. Das Vakuum zwischen der inneren und äußeren Wand des Bajonetts 37 erstreckt sich hoch um die Hülle 35 und wird als sich durch Rohr 13 zu dem Vakuum in dem Kühlgerät-Kryostat 100 erstreckend dargestellt. Alternativ können Transportleitungen 10 und 11 ihre eigenen Vakuumgehäuse aufweisen, wie in 1 gezeigt, und Kryostat 300 kann auch ein separates Vakuum aufweisen.
Während die oben angegebene Beschreibung einen MRI-Magneten und einen Kryostaten betrifft, wird sie als Beispiel für jedes Objekt verwendet, das in einem ähnlichen Kryostaten heruntergekühlt werden soll, wobei solch ein Kryostat als ein Objekt-Kryostat anstelle MRI-Kryostat bezeichnet wird. Andere Ausführungsformen des Kopplungs-Wärmetauschers, wie ein Rohr mit Stiftrippen, sind von dem Schutzbereich der folgenden Ansprüche umfasst.

Claims

Vorrichtung zur Herunterkühlung eines Objekts auf kryogene Temperaturen, umfassend: ein Brayton-Kreislauf-Kühlgerät, das einen ersten Strom kalten Heliums von einem Kühlgerätmotor (5) bei einem ersten Druck ausgibt, einen Kühlgeräte-Kryostaten (100), der die kalten Komponenten des Kühlgeräts beherbergt, einen Kopplungs-Wärmetauscher (31), der Wärme von einem zweiten Strom Helium in einem Objekt-Kryostaten (201; 202) bei einem zweiten Druck auf den ersten Strom überträgt, einen Zirkulator (30), der den zweiten Strom in dem Objekt-Kryostaten (201; 202) durch den Kopplungs-Wärmetauscher (31) zirkuliert, wobei der Kopplungs-Wärmetauscher (31) und der Zirkulator (30) entfernbar und benachbart zu dem Objekt-Kryostaten (201; 202) sind, wobei der Kopplungs-Wärmetauscher eine Wendel von einem oder mehreren Schichten einer Rippenrohrleitung ist, wobei der erste Strom innerhalb der Rohrleitung(en) strömt und der zweite Strom durch die Rippen axial in einer Gegenstrom-Wärmeübertragungs-Beziehung strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kopplungs-Wärmetauscher (31) entfernbar in einem verjüngten Rohr des Objekt-Kryostaten (201; 202) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Objekt-Kryostat (201; 202) ein MRI-Kryostat ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kopplungs-Wärmetauscher (31) in einem Kopplungs-Wärmetauscher-Kryostaten angeordnet ist, der entfernbar in den Objekt-Kryostaten (201; 202) eingefügt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Objekt-Kryostat (201; 202) ein MRI-Kryostat ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Druck mindestens dreimal größer ist als der zweite Druck.
Verfahren zur Herunterkühlung eines Objekts auf kryogene Temperaturen unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend: Ausgeben eines ersten Stroms kalten Heliums aus einem Brayton-Kreislauf-Kühlgerät bei einem ersten Druck an einen Kopplungs-Wärmetauscher (31), Übertragen von Wärme in dem Kopplungs-Wärmeübertrager von einem zweiten Strom Helium bei einem zweiten Druck auf den ersten Strom, Verwenden eines Zirkulators in dem zweiten Strom, um den zweiten Strom durch einen Objekt-Kryostaten (201; 202) zu strömen, der ein zu kühlendes Objekt enthält; wobei der Kopplungs-Wärmetauscher (31) und der Zirkulator entfernbar mit dem Objekt-Kryostaten (201; 202) verbunden sind.