KR20170053691A - 극저온 냉각용 배열체 - Google Patents

극저온 냉각용 배열체 Download PDF

Info

Publication number
KR20170053691A
KR20170053691A KR1020177009535A KR20177009535A KR20170053691A KR 20170053691 A KR20170053691 A KR 20170053691A KR 1020177009535 A KR1020177009535 A KR 1020177009535A KR 20177009535 A KR20177009535 A KR 20177009535A KR 20170053691 A KR20170053691 A KR 20170053691A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cryogenic fluid
fluid tank
cryogenic
arrangement
additional
Prior art date
Application number
KR1020177009535A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102426500B1 (ko
Inventor
아담 폴 존스톤
조나단 노이스
마이클 심킨스
존 안토니 로버트 티아
Original Assignee
지멘스 헬스케어 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 지멘스 헬스케어 리미티드 filed Critical 지멘스 헬스케어 리미티드
Publication of KR20170053691A publication Critical patent/KR20170053691A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102426500B1 publication Critical patent/KR102426500B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/3804—Additional hardware for cooling or heating of the magnet assembly, for housing a cooled or heated part of the magnet assembly or for temperature control of the magnet assembly
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C13/00—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C13/00—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
    • F17C13/005—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels for medium-size and small storage vessels not under pressure
    • F17C13/006—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels for medium-size and small storage vessels not under pressure for Dewar vessels or cryostats
    • F17C13/007—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels for medium-size and small storage vessels not under pressure for Dewar vessels or cryostats used for superconducting phenomena
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
    • F25B23/006—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect boiling cooling systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/381—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using electromagnets
    • G01R33/3815—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using electromagnets with superconducting coils, e.g. power supply therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/17—Re-condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0033—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cryogenic applications

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

본 발명은 극저온유체 탱크(cryogen tank)(14), 극저온유체 탱크(14)의 내부에 노출된 열 교환기(heat exchanger)를 냉각하도록 배열되는 극저온 재응축 냉동기(recondensing refrigerator)(12), 및 냉각된 물품(article)(10)으로부터 극저온유체 탱크로 열을 전도하기 위한 배열체(16; 26)를 포함하는 극저온 냉각용 배열체에 관한 것이다. 추가의 극저온유체 탱크(20)가 열 교환기 아래에 제공되고 열 교환기 상에서 재응축되는 극저온유체 액체(cryogen liquid)를 수용하도록 배열된다.

Description

극저온 냉각용 배열체 {ARRANGEMENT FOR CRYOGENIC COOLING}
본 발명은 특히, MRI 시스템들(systems)을 위한 초전도 자석들(superconducting magnets)의 맥락에서 민감한 장비의 극저온 냉각(cryogenic cooling)에 관한 것이다.
당업자에게 주지된 바와 같이, 초전도 자석들은 초전도 와이어(superconductive wire)의 코일들(coils)을 포함하며, 이 코일들은 이 코일들의 초전도 특징들을 유지하기 위해 초전도 와이어(wire)의 재료에 적절한 극저온 온도로의 냉각을 필요로 한다. 이는 보편적으로 액체 극저온유체(liquid cryogen)의 비등점(boiling point)에서 액체 극저온유체에 초전도 와이어의 코일들을 적어도 부분적으로 침지시킴으로써 성취된다.
상이한 초전도 재료들이 공지되어 있으며, 극저온유체는 적절한 재료의 초전도 전이 온도(superconducting transition temperature) 미만의 비등점을 갖도록 선택되어야 한다. 액체 헬륨(helium)이 종종 사용된다. 액체 헬륨은 모두 약 4K의 가장 낮은 비등점을 가지고 있지만, 점점 더 희귀해지며(scarce) 고가이다.
헬륨의 소모를 감소시키기 위해서, 파이프 냉각식 자석 시스템들(pipe cooled magnet systems)이 이용가능해지고 있다. 도 1은 파이프 냉각식 자석의 원리를 개략적으로 예시한다. 파이프 냉각식 배열체는 열 사이펀(thermosiphon)으로서 또한 지칭될 수 있다.
본 발명은 특히 수평축(A)을 따라 정렬된 다수의 초전도 코일들(10)을 포함하는 원통형 초전도 자석들을 참조하여 설명될 것이다. 이러한 자석들은 또한 이들의 구성이 그의 실제 견지에서 솔레노이드(solenoid)가 아닐지라도 "솔레노이달(solenoidal)" 자석들로서 지칭된다. 그러나, 본 발명은 이러한 자석들로 제한되지 않으며, 당업자에게 명백한 바와 같이 다른 유형들의 초전도 자석들로 확장된다.
도 1에서, 자석 구조(10)는 기계적 지지 구조 상에 열경화성 수지 함침(thermosetting resin impregnation)과 같은 통상적인 수단에 의해 제 위치에(in position) 유지되는 초전도 와이어의 축 방향으로 정렬된 코일들을 포함한다. 냉동기(12)는 극저온 재응축 냉동기(cryogenic recondensing refrigerator)이다. 이는 극저온유체 탱크(tank)(14)의 내부에 노출되는 열 교환기(heat exchanger)(13)를 냉각시키는 역할을 한다. 적어도 하나의 냉각 파이프(16)가 자석 구조(10)를 둘러싸고 각각의 코일과 열 접촉한다. 냉각 파이프(16)의 입구 단부는 극저온유체 탱크(14)의 하부 말단(lower extremity) 가까이에 연결되고, 냉각 파이프의 출구 단부는 극저온유체 탱크(14)의 상부 말단에 더 가까이에서 극저온유체 탱크(14)에 연결된다.
도 1에 예시된 장치는 진공 배기된 외부 진공 콘테이너(evacuated outer vacuum container)(OVC)(예시생략) 내에 밀폐될 것이다. 전형적으로, 열 복사 실드들(radiation shields)이 코일들(10), 파이프(16) 및 극저온유체 탱크(14)를 둘러싸는 OVC 내부에 로케이팅된(located) 채 제공된다.
작동시, 액체 극저온유체(15)가 그의 비등점에서 극저온유체 탱크(14)로 도입된다. 극저온 냉동기(12)는 보일드-오프(boiled-off) 극저온유체 증기를 액체로 다시 냉각시키고 극저온유체 용기(vessel) 내에서 안정적인 온도를 유지한다. 코일들(10)에서 발생된 열 또는 코일들을 냉각하기 위해서 코일들로부터 제거된 열은 냉각 파이프(16) 내의 극저온유체의 보일링(boiling)을 유발한다. 보일드 오프 극저온유체 증기는 냉각 파이프(16)에서 상승하여 출구 단부(outlet end)를 통해 극저온유체 탱크 내에 남는다. 극저온유체 증기는 냉동기(12)에 의해 액체 극저온유체(15)로 재응축된다. 극저온유체는 그에 의해 냉각 파이프(16)의 입구 단부 내로, 냉각 파이프의 출구 단부 밖으로 그리고 극저온유체 탱크(14) 내로 다시 순환한다. 이렇게 하여, 냉동기(12)의 냉각 효과는 코일들(10)의 원주 둘레에 분포된다.
비교적 작은 질량의 극저온유체(15)를 갖는 비교적 작은 극저온유체 탱크(14)가 자석 코일들(10)을 냉각하기에 충분한 것으로 밝혀져 있다. 그러나, 이러한 배치는 소정의 단점들을 갖는다.
도 1의 개략적 예시에는 나타내지 않았지만, 초전도 조인트들(joints), 초전도 스위치(switch), 전기 연결부들(connections) 및 진단 센서들(diagnostic sensors)과 같은 다양한 전기 컴포넌트들(components)은 시스템들 작동의 다양한 단계들 동안 에너지(energy)를 열(heat)로 소멸시키고 냉동기(12)에 의해 냉각될 필요가 있다. 도 1에 나타낸 바와 같은 배열체들(arrangements)에서, 컴포넌트들은 불충분한 냉각을 겪을 수 있다. 일부 배열체들에서, 컴포넌트들은 극저온유체 탱크(14) 또는 냉각 파이프(16)의 외부에 기계적으로 그리고 열적으로 부착될 수 있거나 코일들(10)의 표면에 부착될 수 있다. 도 1의 파이프 냉각 배열체는 효과적인 작동을 가능케 하기 위해서는 진공으로 유지되어야 한다. 그러나, 기계적 접촉을 통한 컴포넌트들의 냉각은 임의의 작은 접촉 갭들(gaps)을 브리지(bridge)하는데 극저온유체가 없기 때문에 극저온유체 액체 또는 가스(gas)와의 접촉 냉각과 비교하여 진공에 있어서 비효율적인 것으로 밝혀져 있다.
초전도 자석 코일들(10)은 높은 열전도율(high thermal conductivity)을 가지며, 그리고 따라서, 이 실시예에서, 저온 극저온유체들을 포함하고 각 코일의 표면의 적어도 특정 영역들과 열 접촉하는 파이프들(16)에 의해, 초전도 자석 코일들의 표면적의 단지 작은 백분율(percentage)만큼 냉각시킴으로써 냉각되고 그리고 냉각을 유지하기 쉽다.
자석이 통전될(energised) 때, 코일들은 해당 와이어의 초전도 전이 온도 미만으로 냉각되어야 한다. 연관된 초전도 스위치들은 자석의 통전(energisation)을 허용하도록 개방되어야 한다. 이는 해당 와이어의 초전도 전이 온도를 초과하여 스위치를 가열하는 것을 포함한다. 코일들(10)이 충분히 냉각되지 않는다면, 이 스위치 가열은 자석의 코일들(10)에 도달하여 코일들이 초전도 상태를 달성하는 것을 방지할 수 있다. 일단 자석이 통전되면, 스위치들은 자석을 영구적으로 유지할 수 있도록 스위치들의 초전도 특징들을 회복하기 위해 빠르게 냉각되어야 한다.
도 1에 나타내는 바와 같은 파이프 냉각식 자석에서 이러한 컴포넌트들의 효과적인 냉각을 보장하기 위한 하나의 가능한 배열체는 컴포넌트들을 냉각하기 위해서 액체 극저온유체(15)와 접촉하여 극저온유체 탱크(14) 내부에 컴포넌트들을 제공한다. 이는 효과적인 냉각을 보장하지만, 이러한 배열체는 일부 단점들을 갖는다. 예컨대, 극저온유체 탱크(14) 내에 그러한 컴포넌트들을 배치하는 것은 자석 코일들(10)을 냉각시키기 위해 이용 가능한 액체 극저온유체의 이용 가능한 부피(volume)를 감소시킨다.
어떤 이유로든 극저온유체 보일 오프가 과도한 경우, 액체 극저온유체(15)의 수준은 컴포넌트들의 수준 아래로 떨어질 수 있다. 이로 인해 컴포넌트들이 컴포넌트들의 초전도 전이 온도를 초과하여 가열되는 것을 허용할 수 있으며, 이는 결국 자석의 급냉(quench)을 유발할 수 있다.
급냉 동안, 극저온유체 탱크(14) 내의 액체 극저온유체(15)는 극저온유체 탱크(14)로부터 보일 오프되거나 배출될 수 있다. 이로 인해 컴포넌트들이 컴포넌트들의 초전도 전이 온도를 초과하여 가열되는 것을 허용할 수 있다.
초전도 스위치가 "개방될" 필요가 있을 때, 열이 가해져야 한다. 이러한 스위치 그리고 그에 따라, 또한 열이 극저온유체 탱크(14) 내에 포함된다면, 더 많은 액체 극저온유체(15)가 증발된다. 이는 냉각 파이프(들)(16)를 통한 극저온유체의 흐름을 차단할 수 있다.
본 발명은 또한 다른 유형들의 자석에 적용될 수 있는데, 예컨대 코일들(10)이 금속 브레이드(metal braid), 라미네이트(laminate) 또는 열 부스바(thermal busbar)와 같은 열 링크(thermal link)를 통한 열 전도에 의해 냉각되는 경우에도 적용될 수 있다. 그러한 배열체들에서, 액체 극저온유체(15)는 순환하는 것이 아니라, 극저온유체 탱크(14)의 일정한 온도를 유지하는 역할을 한다.
따라서, 본 발명은 전술한 단점들의 영향들을 회피하거나 감소시키는 파이프 냉각식 또는 접촉 냉각식 초전도 자석 시스템의 컴포넌트들의 효과적인 냉각을 위한 배열체를 제공하기 위해 상기 문제점들을 해결한다.
이에 따라, 본 발명은 첨부된 청구항들에서 규정된 극저온 냉각을 위한 배열체들을 제공한다.
본 발명의 상기 및 추가의 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면들과 관련하여 그 소정 실시예들의 다음의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 종래의 파이프 냉각식 초전도 자석을 개략적으로 나타낸다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 파이프 냉각식 초전도 자석들을 개략적으로 나타낸다.
도 6은 본 발명의 소정의 실시예들의 특징을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전도 냉각식 초전도 자석을 나타낸다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 소정의 실시예들에 채용되는 바와 같은 수축부(constriction)를 포함하는 극저온유체 용기들(vessels)을 개략적으로 나타낸다.
종래의 배열체들에서 인식되는 바와 같이, 아이템(item)을 안정적인 극저온 온도로 냉각시키는 가장 효과적인 방법은 극저온 유체의 비등점에서 극저온 유체에 아이템을 담그는(submerge) 것이다. 극저온유체는 포화(saturation) 온도 및 압력에서 폐쇄된 용기에 유지된다. 아이템에서 열이 발생될 때, 열에 가장 가까운 극저온유체가 기화(vaporising)에 의해 열을 흡수한다. 기체 극저온유체는 그 주위의 액체보다 훨씬 덜 치밀하며(dense), 따라서 다른 액체 극저온유체에 의해 변위되어서 열이 제거된다.
극저온유체 탱크(14) 내에 냉각된 컴포넌트들을 배치하는 것과 관련하여 상기 논의된 어려움들은, 동일한 극저온유체 탱크 내의 극저온유체가 전기 컴포넌트들을 냉각시키고 자석 코일들(10)에 냉각을 제공하도록 기능해야 하기 때문에 발생한다. 극저온유체는 급냉 이벤트(quench event) 동안 극저온유체 탱크(14)로부터 배출될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 추가의 극저온유체 탱크가 액체 극저온유체의 양 내에서 컴포넌트들을 수용하기 위해 제공된다. 이 액체 극저온유체의 양 및 추가의 극저온유체 탱크는 수축부를 통해 극저온유체 탱크(14)와 연통한다. 극저온유체 탱크(14) 및 액체 극저온유체(15)는 상기 논의된 바와 같이 자석 코일들(10)을 냉각시키는데 사용된다. 이러한 배열체는 액체 극저온유체와의 직접적인 접촉에 의한 컴포넌트들의 탁월한 냉각을 허용하지만, 자석 코일들의 냉각 및 컴포넌트들의 냉각 양자 모두를 위한 단일 극저온유체 부피의 사용과 관련된 어떠한 어려움들도 회피한다.
본 발명의 배열체는 극저온유체 탱크(14)의 액체 극저온유체 용량(capacity)의 감소를 필요로 하지 않는다.
추가의 극저온유체 탱크는 바람직하게는 극저온유체 탱크(14) 아래에 배열되어, 극저온유체 탱크(14) 내의 액체 극저온유체(15)의 수준이 낮을 때조차도 컴포넌트들이 액체 극저온유체로 완전히 덮히는 것을 보장한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예를 개략적으로 예시한다. 도 1과 공통인 특징들은 공통 참조 번호들을 나타낸다. 이 실시예에서, 냉각 파이프(16)는 상류 부분(16a)과 하류 부분(16b)으로 분할된다. 추가의 극저온유체 탱크(20)는 컴포넌트들(21)을 수용한다. 전기 연결부들(22)이 컴포넌트들(21)과 자석 코일들(10) 사이에 형성된다. 전기 피드-스루들(feed-throughs)(23)이 컴포넌트들(21)에 대한 전기 경로(electrical path)가 추가의 극저온유체 탱크(20)의 벽을 통해 연장하는 것을 허용하도록 제공된다. 추가의 극저온유체 탱크(20)는, 극저온유체의 순환 경로가 극저온 유체 탱크(14)로부터, 파이프(16)의 입구 단부를 통해, 추가의 극저온유체 탱크(20)를 통해, 그리고 파이프(16)의 출구 단부를 통해, 극저온유체 탱크(14)로 다시 유동한다는 점에서 냉각 루프(cooling loop) 배열체의 일부를 형성한다. 냉각 파이프의 하류 부분(16b)은 그의 상부 말단(extremity) 근처의 추가의 극저온유체 탱크(20) 및 그의 상부 말단 근처의 극저온유체 탱크(14)에 부착된다. 냉각 파이프(16)의 상류 부분(16a)은 하류 부분(16b)의 각각의 연결부 아래의 로케이션들(locations)에서 극저온유체 탱크(14) 및 추가의 극저온유체 탱크(20)에 연결된다. 추가의 극저온유체 탱크(20)는 극저온유체 탱크(14) 아래에 로케이팅되고(located) 바람직하게는 냉각 파이프(16a/16b)의 하부 말단에 로케이팅될 수 있다. 따라서, 추가의 극저온유체 탱크(20)는 냉각 파이프(16)에 의해 규정되는 수축부를 통해 극저온유체 탱크(14)와 연통한다.
작동시, 추가의 극저온유체 탱크(20)가 액체 극저온유체로 우선적으로 채워진다. 중력의 영향 하에서, 액체 극저온유체(15)는 추가의 극저온유체 탱크(20)를 먼저 채울 것이며, 그리고 단지, 극저온유체 탱크(20)가 채워진다면, 냉각 파이프(16) 및 극저온유체 탱크(14)가 액체 극저온유체로 채워질 것이다. 냉각 루프 자체는 도 1을 참조하여 설명되는 바와 같이 작동할 것이며: 코일들(10)로부터의 열은 극저온 유체의 증기로의 보일링을 유발할 것이며, 이 증기는 파이프(16a/16b)를 통해 순환하고, 파이프의 상류 부분(16a)을 통한 재순환을 위해서 액체 극저온유체(15) 내로 다시 냉동기(12)에 의해 재응축되도록 하류 부분(16b)을 통해 극저온유체 탱크(14)로 진입한다. 초전도 스위치를 개방하도록 제공되는 열과 같은 컴포넌트들(21)에 의해 발생된 임의의 열이 액체 극저온유체의 보일 오프(boiloff)를 유발할 수 있으며, 결과적인 극저온유체 증기는 상승하여 하류 부분(16b)을 통해 극저온유체 탱크(14)로 다시 순환할 것이다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 다수의 추가의 극저온유체 탱크들(20)이 제공될 수 있으며, 냉각될 컴포넌트들(21)의 서브세트들(subsets)을 각각 수용하고 수축부를 통해 극저온유체 탱크(14)와 각각 연통한다. 유사하게, 다수의 파이프들(16, 16a / 16b)이 제공될 수 있거나, 이들중 하나 또는 그 초과의 파이프가 추가의 극저온유체 탱크(20)에 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸다. 이러한 배열체에서, 추가의 극저온유체 탱크(20)는 냉각 파이프(16)의 최하부 말단이 아닌 극저온유체 탱크(14) 아래에 로케이팅된다. 비교적 짧은 연결 파이프(24)가 극저온유체 탱크(14)와 추가의 극저온유체 탱크(20) 사이에서 본질적으로 수직으로 연장하여, 극저온유체 탱크(14)와 추가의 극저온유체 탱크(20) 사이의 연통을 보장하는 수축부를 규정한다. 이 실시예의 나머지 특징들은 도 2를 참조하여 논의된 바와 같다.
이러한 실시예들에서, 파이프(16)의 하부 부분이 첨가된 액체 극저온유체(15)로 먼저 채워질 것이고, 그 다음에 추가의 극저온유체 탱크(20)가 연결 파이프(24) 이전에 그리고 그 다음에 극저온유체 탱크(14)를 채울 것이다. 추가의 극저온유체 탱크(20) 내에서 발생된 임의의 열은 극저온유체의 보일(boil)을 유발할 수 있고, 결과적인 극저온유체 증기는 수축부를 통해 극저온유체 탱크(14)로 상방으로 상승하며, 이 탱크에서 냉동기(12)에 의해 재응축될 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 여기서, 추가의 극저온유체 탱크(20)는 파이프(16) 내의 티(tee)(27)로부터 공급된다. 추가의 극저온유체 탱크(20)는 파이프(16) 및 티(27)에 의해 규정된 수축부를 통해 극저온유체 탱크(14)와 연통된다. 추가의 극저온유체 탱크(20)가 우선적으로 액체 극저온유체로 채워질 것이지만, 파이프(16)에서 순환하는 극저온유체는 반드시 추가의 극저온유체 탱크(20)를 통과할 필요는 없을 것이다. 바람직하게는, 추가의 극저온유체 탱크(20)는 추가의 극저온유체 탱크(20)에서 발생된 극저온유체 증기가 수축부를 통해 파이프(16)의 극저온유체의 정상 순환 방향으로 극저온유체 탱크(14)를 향해 상승하도록 로케이팅된다.
다른 배열체들이 발견될 수 있지만, 추가의 극저온유체 탱크(20)가 극저온유체 탱크(10) 아래에서 그와 유체 연통하도록 포지셔닝되는(positioned) 것이 바람직하다. 극저온유체 탱크(14)와 추가의 극저온유체 탱크(20) 사이의 수축부를 통한 유체 연통은 냉각 루프(열 사이펀) 경로의 일부를 형성할 필요가 없다.
도 5는 파이프(16)의 냉각 루프 경로와 별도로 연결 파이프(24)에 의해 극저온유체 탱크(20)가 극저온유체 탱크(14)에 연결되어, 추가의 극저온유체 탱크(20)와 극저온유체 탱크(14) 사이의 유체 연통을 제공하는 수축부를 규정하는, 실시예를 예시한다. 다른 실시예들에서와 같이, 추가의 극저온유체 탱크(20)는 극저온유체 탱크(14) 이전에 우선적으로 채워질 것이다. 파이프(16) 또는 추가의 극저온유체 탱크(20)가 다른 것보다 앞서 채워지는 것을 보장하기 위해, 원하는 바와 같이, 배플(baffle)(28)이 제공될 수 있다. 이것은 배플에 대한 극저온 냉동기의 열 교환기의 상대 포지션(relative position)을 선택함으로써 단순 배열될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같은 또 다른 배열체들에서, 극저온 냉동기(12)는 액체 극저온유체를 극저온유체 탱크(14) 및 추가의 극저온유체 탱크(20) 양자 모두에 유체 연결되는 재응축 챔버(recondensing chamber)(30)에 제공할 수 있다. 재응축 챔버는 액체 극저온유체를 극저온유체 탱크(14)와 추가의 극저온유체 탱크(20) 사이에서 분할한다. 재응축 챔버의 기하학적 형상은 극저온유체 탱크(14) 및 추가의 극저온유체 탱크(20) 중 어느 것이 우선적으로 채워질지를 결정하도록 조정될 수 있다. 여기서, 수축부들은 추가의 극저온유체 탱크(20) 및 극저온유체 탱크(14)를 재응축 챔버(30)에 링크하는(linking) 파이프들에 의해 제공된다.
도 7은 본 발명의 추가의 일련의 실시예들을 개략적으로 나타낸다. 도 7에는 냉각 루프(열 사이펀)가 제공되지 않는다. 코일들을 냉각시키기 위해 회로에서 극저온유체를 담지하는(carrying) 파이프(16) 대신에, 솔리드 열 전도체(solid thermal conductor)(26)가 극저온유체 탱크(14) 및 코일들(10)과 열 접촉하여 제공된다. 솔리드 열 전도체(26)는 고순도 알루미늄(aluminium), 구리(copper) 또는 알루미늄 또는 구리를 포함하는 복합재(composite)와 같은 다른 적절한 재료의 라미네이트, 브레이드 또는 열 부스바와 같은 임의의 종래의 유형일 수 있다. 사용시, 열은 코일들(10)로부터 솔리드 열 전도체(26)를 통해 극저온유체 탱크(14)로 전달된다. 열은 극저온유체 탱크(15)의 액체 극저온유체(15)의 보일(boil)을 유발할 것이며, 극저온유체 증기는 극저온 냉동기(12)에 의해 재응축될 것이다. 예시된 실시예에서, 추가의 극저온유체 탱크(20)는 극저온유체 탱크(14) 아래에 로케이팅되고 수축부를 규정하는 연결 파이프(24)에 의해 연결되어, 추가의 극저온유체 탱크(20)가 우선적으로 액체 극저온유체로 채워진다. 도 7의 나머지 특징들은 앞선 도면들을 참조하여 설명된 바와 같다. 일부 실시예들에서, 솔리드 열 전도체 이외에 냉각 루프가 제공될 수 있다.
극저온유체 탱크(14)와 추가의 극저온유체 탱크(20) 사이에 액체 극저온유체를 분배하기 위해 재응축 챔버가 제공되는 도 6에 예시된 변형이 도 7의 배열체에 적용될 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 추가의 실시예들의 특징들을 예시한다. 이들 실시예들에서, 극저온유체 탱크(14) 및 추가의 극저온유체 탱크(20)는 단일 용기의 세분화들(subdivisions)에 의해 제공되고, 수축부(32)에 의해 링크된다. 도 8의 배열체에서, 수축부는 단일 용기(34)의 성형(shaping)에 의해 제공된다. 도 9의 배열체에서, 수축부는 배플 배열체에 의해 제공된다.
다수의 다른 변형들이 첨부된 청구항들에서 규정된 바와 같은 본 발명의 범주 내에서 당업자에게 명백해질 것이다. 초전도 코일들(10)의 냉각과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 다른 유형들의 냉각된 물품의 극저온 냉각의 적용을 찾을 수 있다. 추가의 극저온유체 탱크 내에 수용된 컴포넌트들(21)이 특정 유형들의 전기 컴포넌트로서 설명되고 있지만, 다른 유형들의 전기 컴포넌트 및 실제로 다른 유형들의 컴포넌트가 본 발명의 추가의 극저온유체 탱크 내의 배치에 의해 냉각될 수 있다.
10 초전도 코일들(superconducting coils)
12 냉동기
13 열 교환기
14 극저온유체 탱크(cryogen tank)
15 액체 극저온유체(liquid cryogen)
16 냉각 파이프
16a 상류 부분
16b 하류 부분
20 추가의 극저온유체 탱크
21 컴포넌트들(components)
22 전기 연결부들(electrical connections)
23 전기 피드 스루들(electrical feed-throughs)
24 연결 파이프
26 솔리드 열 전도체(solid thermal conductor)
27 티(tee)
28 배플(baffle)
30 재응축 챔버(recondensing chamber)
32 수축부(constriction)
34 배플

Claims (14)

  1. 극저온 냉각 배열체(cryogenic cooling arrangement)로서,
    - 극저온유체 탱크(cryogen tank)(14);
    - 상기 극저온유체 탱크(14)의 내부에 노출된 열 교환기(heat exchanger);
    - 상기 열 교환기(13)와 열 접촉하는 극저온 재응축 냉동기(recondensing refrigerator)(12); 및
    - 냉각된 물품(article)(10)으로부터 상기 극저온유체 탱크로 열을 전도시키기 위한 배열체(16; 26)를 포함하는 극저온 냉각 배열체에 있어서,
    상기 극저온 냉각 배열체는 수축부(constriction)를 통해 상기 극저온유체 탱크에 링크된(linked) 추가의 극저온유체 탱크(20)를 포함하고, 상기 추가의 극저온유체 탱크는 상기 열 교환기 상에서 재응축되는 극저온유체 액체(cryogen liquid)를 수용하도록 유체 연결되고, 상기 추가의 극저온유체 탱크(20)는 컴포넌트들(components)(21)을 수용하며, 이에 의해 상기 컴포넌트들은 상기 추가의 극저온유체 탱크에 수용된 극저온유체 액체에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 추가의 극저온유체 탱크는 상기 극저온유체 탱크(14)에 우선하여 극저온유체 액체를 수용하도록 유체 연결되는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    열 전도 배열체는 솔리드 열 전도체(solid thermal conductor)(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    열 전도 배열체는 상기 냉각된 물품(10)과 열 접촉하는 파이프(pipe)(16; 16a/16b)를 자체적으로 포함하는 냉각 루프(cooling loop) 배열체, 상기 극저온유체 탱크의 하부 말단에 가까이에서 상기 극저온유체 탱크(14)로 개방되는 상기 파이프의 입구 단부, 및 상기 극저온유체 탱크의 상부 말단에 더 가까이에서 상기 극저온유체 탱크(14)에 연결되는 상기 파이프의 출구 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 추가의 극저온유체 탱크(20)는 상기 입구 단부의 하류 및 상기 출구 단부의 상류에서 상기 파이프(16)의 극저온유체의 정상 순환 방향으로 로케이팅되는(located) 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 추가의 극저온유체 탱크(20)는 상기 파이프(16) 내의 티(tee)(27)로부터 공급되는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 추가의 극저온유체 탱크(14)는 상기 냉각 루프의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 추가의 극저온유체 탱크(20)는 상기 파이프(16)의 하부 말단에 제공되는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 극저온유체 탱크는 상기 파이프(16) 및 상기 추가의 극저온유체 탱크(20) 중 어느 것이 다른 것보다 먼저 채워지는지를 결정하기 위해 상기 열 교환기에 대해 포지셔닝되는(positioned) 배플(baffle)(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    재응축된 극저온유체를 수용하고 극저온유체 탱크(14) 및 추가의 극저온유체 탱크(20) 양자 모두에 유체 연결되는 재응축 챔버(recondensing chamber)(30)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 재응축 챔버(30)의 기하학적 형상은 상기 극저온유체 탱크(14)와 상기 추가의 극저온유체 탱크(20) 중 어느 것이 다른 것보다 먼저 채워지는지를 결정하기 위해서 조정되는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각된 제품, 상기 극저온유체 탱크 및 상기 열 전도 배열체(16; 26)는 외부 진공 콘테이너(container) 내에 수용되는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각된 물품(10)은 초전도 자석 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극저온 냉각 배열체.
  14. 설명된 바와 같이 그리고/또는 첨부 도면들 중 도 2 내지 도 9에 예시된 바와 같은 실질적 극저온 냉각을 위한 배열체.
KR1020177009535A 2014-09-08 2015-08-17 극저온 냉각용 배열체 KR102426500B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1415826.5 2014-09-08
GB1415826.5A GB2529897B (en) 2014-09-08 2014-09-08 Arrangement for cryogenic cooling
PCT/EP2015/068846 WO2016037802A1 (en) 2014-09-08 2015-08-17 Arrangement for cryogenic cooling

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170053691A true KR20170053691A (ko) 2017-05-16
KR102426500B1 KR102426500B1 (ko) 2022-07-27

Family

ID=51796335

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177009535A KR102426500B1 (ko) 2014-09-08 2015-08-17 극저온 냉각용 배열체

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10712077B2 (ko)
EP (1) EP3191777B1 (ko)
JP (2) JP2017530328A (ko)
KR (1) KR102426500B1 (ko)
CN (1) CN106688059B (ko)
GB (1) GB2529897B (ko)
WO (1) WO2016037802A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016100750A1 (de) * 2016-01-18 2017-07-20 Airbus Operations Gmbh Fahrzeugrumpf und Verfahren zur Montage eines Fahrzeugrumpfs
US11187381B2 (en) * 2017-09-29 2021-11-30 Shanghai United Imaging Healthcare Co., Ltd. Cryostat devices for magnetic resonance imaging and methods for making
US12027309B2 (en) * 2020-04-20 2024-07-02 Canon Medical Systems Corporation Superconducting electromagnet device

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060242968A1 (en) * 2001-08-31 2006-11-02 Hideo Mita Cooling device
JP2013118228A (ja) * 2011-12-01 2013-06-13 Hitachi Ltd 超電導電磁石装置、その冷却方法、および磁気共鳴イメージング装置

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5856272B2 (ja) 1978-04-21 1983-12-14 三菱電機株式会社 超電導装置
JPS59151479A (ja) 1983-02-17 1984-08-29 Toshiba Corp 超電導磁石装置
DE3344046A1 (de) 1983-12-06 1985-06-20 Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim Kuehlsystem fuer indirekt gekuehlte supraleitende magnete
JPS61214588A (ja) 1985-03-20 1986-09-24 Hitachi Ltd 超電導装置
US4680936A (en) * 1985-12-24 1987-07-21 Ga Technologies Inc. Cryogenic magnet systems
JPH0656808B2 (ja) * 1987-04-17 1994-07-27 株式会社日立製作所 超電導装置
JPH0311774A (ja) * 1989-06-09 1991-01-21 Toshiba Corp 熱式永久電流スイッチ
JPH09205016A (ja) 1995-04-27 1997-08-05 Hitachi Ltd 超電導マグネットシステム
JPH10135028A (ja) 1996-10-31 1998-05-22 Central Japan Railway Co 極低温装置
JP2000058316A (ja) 1998-08-05 2000-02-25 Toshiba Transport Eng Inc 超電導磁石装置
JP4068265B2 (ja) * 1998-10-07 2008-03-26 株式会社東芝 超電導マグネット及びその予冷方法
JP2006352150A (ja) * 1998-10-07 2006-12-28 Toshiba Corp 超電導マグネット
JP4065747B2 (ja) 2001-09-12 2008-03-26 株式会社日立製作所 超電導磁石及びそれを用いた磁気共鳴イメージング装置
DE102004057204B4 (de) 2004-11-26 2012-06-14 Siemens Ag Supraleitungseinrichtung mit Kryosystem und supraleitendem Schalter
DE102004058006B3 (de) 2004-12-01 2006-06-08 Siemens Ag Supraleitungseinrichtung mit Kryosystem und supraleitendem Schalter
JP4866001B2 (ja) * 2004-12-10 2012-02-01 大陽日酸株式会社 超電導コイル冷却保持装置
DE102005029151B4 (de) * 2005-06-23 2008-08-07 Bruker Biospin Ag Kryostatanordnung mit Kryokühler
GB0605353D0 (en) * 2006-03-17 2006-04-26 Siemens Magnet Technology Ltd Apparatus For Cooling
US8134434B2 (en) * 2007-01-05 2012-03-13 Quantum Design, Inc. Superconducting quick switch
JP4886552B2 (ja) * 2007-02-28 2012-02-29 株式会社Ｉｈｉ 超電導コイルの冷却装置およびこれに用いる通気板
US20080209919A1 (en) * 2007-03-01 2008-09-04 Philips Medical Systems Mr, Inc. System including a heat exchanger with different cryogenic fluids therein and method of using the same
JP5155603B2 (ja) 2007-06-25 2013-03-06 株式会社日立製作所 超伝導磁石装置および磁気共鳴撮像装置
US8671698B2 (en) * 2007-10-10 2014-03-18 Cryomech, Inc. Gas liquifier
GB0721572D0 (en) * 2007-11-02 2007-12-12 Siemens Magnet Technology Ltd Cryostat for reduced cryogen consumption
GB2458265B (en) * 2008-03-10 2010-05-26 Siemens Magnet Technology Ltd Low field, cryogenic, termination reservoir
CN102054554B (zh) * 2009-10-30 2015-07-08 通用电气公司 超导磁体的制冷系统和制冷方法
JP2012178485A (ja) 2011-02-28 2012-09-13 Hitachi Ltd 超電導電磁石装置
CN202275681U (zh) 2011-08-15 2012-06-13 南京丰盛超导技术有限公司 液氦零挥发超导磁体低温容器
US9683759B2 (en) 2011-09-28 2017-06-20 Koninklijke Philips N.V. Very efficient heat exchanger for cryogen free MRI magnet
US9958519B2 (en) * 2011-12-22 2018-05-01 General Electric Company Thermosiphon cooling for a magnet imaging system
CN103413645B (zh) 2013-08-09 2015-10-14 中国科学院电工研究所 一种分离式一级电流引线装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060242968A1 (en) * 2001-08-31 2006-11-02 Hideo Mita Cooling device
JP2013118228A (ja) * 2011-12-01 2013-06-13 Hitachi Ltd 超電導電磁石装置、その冷却方法、および磁気共鳴イメージング装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3191777B1 (en) 2021-10-06
WO2016037802A1 (en) 2016-03-17
US20170284726A1 (en) 2017-10-05
US10712077B2 (en) 2020-07-14
JP2017530328A (ja) 2017-10-12
JP6887538B2 (ja) 2021-06-16
JP2020092278A (ja) 2020-06-11
CN106688059B (zh) 2019-01-18
GB201415826D0 (en) 2014-10-22
GB2529897B (en) 2018-04-25
KR102426500B1 (ko) 2022-07-27
EP3191777A1 (en) 2017-07-19
GB2529897A (en) 2016-03-09
CN106688059A (zh) 2017-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8525023B2 (en) Cooled current leads for cooled equipment
US7559205B2 (en) Cryogen tank for cooling equipment
JP6450459B2 (ja) 少なくとも下層部分において互いに液密に分割された第１のヘリウム槽と第２のヘリウム槽とを有するクライオスタット
JP6887538B2 (ja) 極低温冷却用の装置
US7464558B2 (en) Low eddy current cryogen circuit for superconducting magnets
JP2010245523A (ja) 超伝導マグネット冷却の装置及び方法
US10082549B2 (en) System and method for cooling a magnetic resonance imaging device
US20160187435A1 (en) Cooling system and method for a magnetic resonance imaging device
US8922308B2 (en) Systems and methods for alternatingly switching a persistent current switch between a first mode and a second mode
CN106575559B (zh) 用于mri系统的超导磁体结构的冷却装置
US20090224862A1 (en) Magnetic apparatus and method
JP5833284B2 (ja) 冷却装置
JPH11248326A (ja) 冷凍機
CN106158228A (zh) 用于超导磁体的冷却系统及磁体系统
GB2436136A (en) Apparatus for cooling utilising the free circulation of a gaseous cryogen
US20160071638A1 (en) Superconducting magnet device including a cryogenic cooling bath and cooling pipes
GB2431982A (en) Cryostat Heat Influx Reduction

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant