專利名稱:將被冷卻物體浸入低溫致冷液體之前的預(yù)冷方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及將物體浸入致冷液體中從而對物體進行冷卻,如氦冷卻的超導(dǎo)磁體組件,這種組件可用于磁諧振成像過程(可簡稱為MRI)。本發(fā)明特別涉及一種改進并簡化了的物體預(yù)冷方法,可以節(jié)省低溫液體致冷劑,并且可以避免對被冷卻的物體造成污染。
眾所周知,將超導(dǎo)磁體放置在極冷的環(huán)境中可以達到超導(dǎo)狀態(tài),比如將其浸沒在液體致冷劑液氦中即可實現(xiàn),液氦盛裝在低溫恒溫器或壓力容器中。極冷的條件確保磁體線圈處于超導(dǎo)狀態(tài),這樣當初始將磁鐵線圈與電源接通(一段時間,比如一小時)使電流流經(jīng)線圈后,由于超導(dǎo)線圈沒有電阻,即使切斷電源,電流還會繼續(xù)流過線圈而保持著強磁場。超導(dǎo)磁體組件在MRI領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
使用液氦來達到低溫是廣泛應(yīng)用的,該法對于實現(xiàn)MRI的操作狀態(tài)是完全符合要求的。但對MRI裝置提供一個穩(wěn)定的液氦源,這在全世界范圍來說都是困難的,并且價格昂貴。因此相當多的研究和開發(fā)均致力于減少用于物體初冷過程的液氦類致冷劑的蒸發(fā)量,以及在后續(xù)過程中維持該致冷劑的低溫。
一種用于減少液氦用量并有助于進行冷卻的方法是在用液氦將物體冷卻至最終的超導(dǎo)溫度之前,采用一種初始的輔助冷卻介質(zhì)比如液氮等流經(jīng)磁體來達到初始冷卻溫度,比如80-90K,然后吹掃氮氣(避免氮氣污染導(dǎo)致超導(dǎo)磁體不穩(wěn)定)。
液氮的吹掃是使純的、溫的氦氣流過磁體來實現(xiàn)的。該吹掃步驟結(jié)束后將液氦引入磁體,進一步將磁體冷卻至超導(dǎo)溫度(比如4K)。
盡管如此,用于預(yù)冷卻目的而將液氮最初引入磁體,由于未加控制的快速冷卻而引起的應(yīng)力會沖擊磁體,并且會影響氦的純度。比如說如果在注入液氦之前,低溫恒溫器或密封容器內(nèi)的氮氣未完全除去,則氦氣的凈化設(shè)備應(yīng)該能夠分離氮氣,這樣就會導(dǎo)致氦的回收過程難度加大,并且減少了可以回收再利用的氦的量。
另外,在向裝有超導(dǎo)磁體的低溫恒溫器或密封容器內(nèi)注入液氦之前,向容器內(nèi)引入液氮,然后吹掃液氮,這一過程也會耗費時間。使用氦氣進行吹掃的過程也會使磁體升溫,從液氮溫度80K上升至高一些的溫度110K,這將耗費更多的液氦及時間使磁體冷卻至超導(dǎo)溫度。而且將磁體冷卻至超導(dǎo)溫度的后續(xù)過程可能會導(dǎo)致在磁體內(nèi)部形成氮冰,該氮冰可能會使磁體的超導(dǎo)狀態(tài)不穩(wěn)定,可能會導(dǎo)致“淬火”——在磁體內(nèi)部由于氦氣快速汽化、產(chǎn)生高壓而導(dǎo)致其超導(dǎo)狀態(tài)突然中斷。
因此人們當然希望能夠避免液氮對超導(dǎo)磁體的污染,減少達到超導(dǎo)狀態(tài)所需要的氦量,并縮短將磁體冷卻至超導(dǎo)溫度所需要的時間。
本發(fā)明是一種液氮預(yù)冷系統(tǒng)及方法,該系統(tǒng)及方法同將物體浸沒在液體致冷劑中——即將超導(dǎo)磁體浸沒在液氦中進行冷卻的系統(tǒng)聯(lián)合使用。本發(fā)明是將液體致冷劑的氣相與第二種低溫致冷液體進行熱交換實現(xiàn)液體致冷劑氣相的冷卻,該第二種低溫致冷液體的正常沸點要高于用于浸沒被冷卻物體的液體致冷劑的正常沸點。比如說如果將氦用于超導(dǎo)磁體的冷卻系統(tǒng),將氣態(tài)的氦經(jīng)熱交換冷卻至液氮的溫度后,可將該氣態(tài)氦用于磁體預(yù)冷系統(tǒng),并可以循環(huán)使用。使用冷的氣態(tài)氦來預(yù)冷磁體裝置,可以避免對氦和被冷卻的物體的污染,減小熱沖擊,不會污染回收氦,并且可以消除引入氦氣吹掃氮的過程的升溫效應(yīng)。
按照本發(fā)明,利用浸沒物體的液體致冷劑的氣相來預(yù)冷物體,可以控制冷卻速率減小物體內(nèi)部的熱應(yīng)力,并且可以縮短將物體冷卻至最終使用溫度的時間。
按照本發(fā)明的一個方面,冷卻超導(dǎo)磁體的氦由液氮冷卻系統(tǒng)提供,液氮冷卻氣態(tài)氦,氣態(tài)氦在裝有磁體的容器中循環(huán)流動,在磁體被浸入液氦冷卻至超導(dǎo)溫度之前將磁體冷卻至一個初始的低溫。因此將氦氣與液氮進行熱交換冷卻至一個特定的溫度后,再用冷的氦氣對磁體進行初始的預(yù)冷,這樣可以在超導(dǎo)磁體的初始冷卻過程中避免液氮進入磁體。
在無氮污染的初始冷卻過程完成后,可立即引入液氦進一步降低磁體溫度至超導(dǎo)狀態(tài)。
由于消除了液氮對超導(dǎo)磁體和氦氣的污染,包括達到初始低溫的階段在內(nèi),所需要的氦量及所耗費的時間均減少。
附圖簡述
圖1是按照本發(fā)明用于超導(dǎo)磁體的冷卻系統(tǒng)的示意圖。
本發(fā)明的詳細說明本發(fā)明的目的是利用氣態(tài)氦將物體(如超導(dǎo)磁體)從初始的環(huán)境溫度(295K)預(yù)冷至78K左右。為達到這一點,氣態(tài)氦的溫度應(yīng)該接近(或低于)液氮的溫度。在預(yù)冷之后,磁體將被浸入液氦進一步冷卻。
現(xiàn)在工業(yè)上面臨的問題是沒有設(shè)備進行冷卻和循環(huán)氣態(tài)氦,所采用的方法是將液氮直接注入冷卻設(shè)備。在這些系統(tǒng)中,氮是一種污染物,而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氮對于磁體的運行會產(chǎn)生負面影響。事實上氮會引起磁體的不利淬火(線圈返回到有電阻狀態(tài)而不再是超導(dǎo)狀態(tài)),熱量迅速、大量地釋放,同時磁場消失。為了保證磁體內(nèi)部氦的高純度,在直接注入氮的操作之后,要用純的(溫熱的)氦氣對磁體進行吹掃。經(jīng)驗表明液氮會殘存在磁體內(nèi)部的死角內(nèi),這樣就不會很徹底地從磁體內(nèi)部清除殘存的氮。溫熱的氦氣的引入會導(dǎo)致磁體重新升溫,這樣就需要更多的液氦來完成后續(xù)的冷卻過程。磁體的預(yù)冷過程應(yīng)該是連續(xù)集中地進行的,以往的操作大約需要3天時間。
本發(fā)明的一種方法是純的氦氣流被液氮池中的環(huán)管式換熱器冷卻。該冷的氦氣流不再循環(huán),一旦它通過換熱器(冷卻氦氣本身)和已經(jīng)吹掃干凈的磁體(對磁體進行冷卻),然后即被釋放進入回收系統(tǒng)。采用這種方式冷卻4000磅的磁體需要的氦量超過1100磅(500公斤),這些氦的市場價值至少為8000美元。用這種方法來預(yù)冷磁體價格過高。
本發(fā)明的一個優(yōu)選的方法和設(shè)備是將氣態(tài)氦在換熱器中冷卻到接近液氮的溫度(大約78K),然后冷的氦氣經(jīng)由真空夾套管輸送到被冷卻的物體進行冷卻,并且冷的氦氣可以循環(huán)流動。利用這種方法氦氣可以連續(xù)地重復(fù)冷卻并重復(fù)用于預(yù)冷物體。
參照圖1系統(tǒng)10包括被冷卻的物體12。作為例子,物體12可以是用于MRI設(shè)備的超導(dǎo)磁體。如果被冷卻的物體1 2是超導(dǎo)磁體,則該物體12通常被封裝在壓力容器13內(nèi),該壓力容器13內(nèi)部在超導(dǎo)磁體12的周圍可以充入氦。內(nèi)部容器13裝配有一個泄壓裝置17來保護容器13和整個預(yù)冷系統(tǒng),防止過壓。外部容器15用于維持內(nèi)部容器外部的真空條件,使內(nèi)部容器與環(huán)境溫度相隔離。這些設(shè)備一同被冷卻到液氦的溫度從而使磁體達到超導(dǎo)狀態(tài)。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的那樣,經(jīng)由液氦供應(yīng)管路14可以將液氦引入壓力容器或低溫恒溫器中。
在向裝有磁體12的容器13中注入液氦之前,優(yōu)選將磁體12和盛裝物體或磁體12的內(nèi)部容器預(yù)冷到接近液氮的溫度即78K(-195℃)。為了在注入液氦之前預(yù)冷磁體12和內(nèi)部容器13,氦氣從氦氣源(未畫出)由管路18經(jīng)氦氣控制閥19及電機驅(qū)動的氦氣循環(huán)鼓風機20到達換熱器28。氦氣循環(huán)鼓風機20可以是工業(yè)用的交流換熱鼓風機,比如由EG&G Rotron所制造的鼓風機經(jīng)改進后可以在液氮溫度即接近80K(-193℃)下運行使用。工業(yè)鼓風機的改進之處包括a.所有用不適合低溫條件的材料制造的零件均改換成適合低溫條件的材料。
b.軸承柄應(yīng)設(shè)計為更長、更細的軸,具有更大的軸承間距(bearing span)。
c.在不能使用球軸承(球為其滾動元件)時,冷端(最接近葉輪的一端)軸承的設(shè)計應(yīng)改為裝有支坐的滑動止推軸承。
d.從軸密封處泄漏到環(huán)境中的氦被用于吹掃冷端軸承和軸承柄。這樣可以保護冷端軸承,避免軸承元件接觸濕空氣而被腐蝕或凍結(jié),使軸承可正常旋轉(zhuǎn)。而且這樣可以進一步阻擋空氣進入氦的體系,維持過程純凈。
e.用電加熱器加熱冷端軸承,防止其潤滑油凝固,保證軸承能夠在極低的使用溫度下正常運轉(zhuǎn)。
鼓風機的出口流量和壓力依賴于被壓縮的介質(zhì)(可重復(fù)使用的氣體介質(zhì))的密度。出口流量和壓力均隨著介質(zhì)密度的上升而上升。介質(zhì)密度隨著被冷卻物體的溫度下降而上升,這樣隨著物體的冷卻,氣相介質(zhì)的循環(huán)量上升。這樣在冷卻過程開始時,物體對熱應(yīng)力比較敏感,可以限制流量,而在冷卻過程接近完成時,可以增大流量,從而有效地控制流量。
為了預(yù)冷磁體12和內(nèi)部容器,氣態(tài)氦循環(huán)流過容器13,將其冷卻到接近液氮的溫度即78K(-195℃)。如圖1所示,來自管路18的氦氣經(jīng)鼓風機20加壓,使系統(tǒng)壓力保持在0.5-0.7磅/英寸2(表壓)。流出鼓風機20的加壓氦氣被引入管路24,然后進入換熱器28內(nèi)部的換熱管26。換熱器28可以是工業(yè)裝置,如ITT公司制造并出售的翅片式換熱器。換熱管26內(nèi)的氣態(tài)氦被換熱管30內(nèi)的逆向流動的液氮冷卻,換熱管30是換熱器28內(nèi)部的另一根換熱管。液氮從液氮容器32經(jīng)管路34、控制閥36、壓力緩沖閥38及溫度控制閥40引入換熱管30。溫度控制閥40對出自換熱器28的液氮放空管路42與氦的入口管路24之間的溫差進行響應(yīng)。換熱管路26、30裝在隔熱套29中,隔熱套29形成換熱器28的外套,避免了環(huán)境熱量對管路26、30的熱滲透。進入換熱管30的液氮可能會含有大量的蒸氣。管路30內(nèi)的液氮流量主要由手動節(jié)流閥36和溫差控制閥40進行控制,溫差控制閥40要控制管路42排放的氣態(tài)氮的溫度比來自鼓風機20經(jīng)由管路24進入換熱管26內(nèi)的氣態(tài)氦的溫度低5-10K。離開換熱器的氣氮流的一小部分被引入隔熱套29,用于保持套內(nèi)干燥。經(jīng)真空夾套管路44離開換熱器28的氣態(tài)氦的溫度在80K左右,這一溫度稍微高于進入換熱器28的液氮的溫度。真空夾套管44可以將冷卻后的氣態(tài)氦直接引入到多個類似容器13的低溫恒溫器中。將壓縮、冷卻后的氣態(tài)氦經(jīng)真空絕熱輸送管44輸送可以減少環(huán)境對氦的熱傳遞。在被冷卻的物體12的內(nèi)部盡量使進入的冷的氦與經(jīng)真空夾套管46離開的溫的氦分開,這樣就可以在氦氣流離開容器13之前,盡量增大被冷卻的物體與進入的氣態(tài)氦之間的熱交換量。經(jīng)管路46離開容器13的氦以及經(jīng)同樣的管路46離開其他的冷卻容器的氦均被導(dǎo)入循環(huán)鼓風機20,以維持通過換熱器28的氦的循環(huán)量,在換熱器28中氦可以重復(fù)被冷卻并再次引入容器13中用于預(yù)冷物體12。另外需要的氣體氦可以在任何時候經(jīng)管路18及控制閥19引入系統(tǒng)。
表1給出了按照本發(fā)明預(yù)冷真空夾套內(nèi)的物體所需要的過程參數(shù)值。
表1
表1所給出的各數(shù)據(jù)的測量位置如下1是流出內(nèi)部容器的氣體;2位于鼓風機出口;3位于換熱管路26的冷端;4位于換熱管路30的液氮入口處;5是內(nèi)部容器13的液氦入口處。
如果同時有一個以上的物體被冷卻,則其他的過程參數(shù)可以推知。由于多個被冷卻的物體在同一時刻可能具有不同的溫度,離開裝有被冷卻物體的容器的蒸氣的溫度大體位于上述溫度范圍之內(nèi)。由于在容積較高時鼓風機所達到的壓差減小,使得多個物件冷卻時的物流量要略小于按單個物體冷卻時的物流量加和得到的精確值。
迄今為止,還沒有一種靠低溫致冷循環(huán)壓縮機維持的能夠?qū)崿F(xiàn)氣態(tài)氦致冷劑閉路循環(huán)的工藝過程。這可能是由于這樣的壓縮機難于設(shè)計,或者購置這樣的適合于低溫運行的壓縮機代價昂貴的緣故。就象前文所述,如果使氦流一次通過冷卻過程即達到液氮溫度,其代價是十分昂貴的。
本發(fā)明的價值還在于它消除了冷卻過程的污染,從而避免了吹掃氣體的使用,否則大約要有7%的氦用于吹掃、冷卻及填充到類似MRI磁體的設(shè)備內(nèi)的過程。另外本發(fā)明的流程和設(shè)備還避免了對被預(yù)冷的物體的再升溫過程,當將液氮用作直接致冷劑并用溫熱的氦來置換、吹掃液氮時,就會發(fā)生這一再升溫過程。這樣就可以減少額外的液氮用量大約為用于完成冷卻過程并注入系統(tǒng)的液氦用量的16%。在那些液氦價格較高的地區(qū),對于準備及運行類似MRI磁體的設(shè)備來說,這一點可以節(jié)省相當大的一筆開支。
另外,如前文所述消除對致冷介質(zhì)即氦的污染,對于防止類似MRI磁體的設(shè)備發(fā)生如前文所述的“淬火”現(xiàn)象也是極為重要的。
由于在流入換熱器時,液氮和氦氣是分開的,這樣壓力容器也不存在氮污染,也就不必在初始冷卻之后吹掃壓力容器。并且利用流量控制閥控制氮的流量來控制冷卻速度,可以縮短冷卻時間、減少氮的消耗量。
本發(fā)明的方法使用氣體即氦氣來循環(huán)運轉(zhuǎn),該氣體與浸沒被冷卻物體即MRI磁體的低溫致冷液體的組成完全相同。該氣體可以由另一個獨立的氣源提供,也可以通過蒸發(fā)儲罐內(nèi)的低溫致冷液體來獲得。
按照本發(fā)明的方法,與低溫致冷液體組成相同的氣體通過與第二種低溫致冷液體熱交換進行預(yù)冷,第二種低溫致冷液體具有一正常沸點,并將前述氣體預(yù)冷至該正常沸點。第二種或用于熱交換的低溫致冷液體的正常沸點應(yīng)等于或低于氣體需要被冷卻到的溫度值,但有可能高于用于浸沒被冷卻物體的低溫致冷液體的溫度值。與第二種低溫致冷液體熱交換之后,氣體被引入裝有被預(yù)冷的物體的容器中。在與被預(yù)冷的物體接觸后,被升溫了的氣體從容器中釋放出來,并經(jīng)再循環(huán)鼓風機重新進入換熱器,與另外提供的第二種低溫致冷液體進行熱交換而被冷卻。再循環(huán)鼓風機維持再循環(huán)氣體與已經(jīng)預(yù)冷的氣體之間的壓差,使循環(huán)氣體流過管路、換熱器及被冷卻的物體。為了維持系統(tǒng)內(nèi)再循環(huán)氣體的體積和壓力,一些多余的氣體可以被引入再循環(huán)鼓風機的上游的鼓風機。針對整個系統(tǒng)操作運行的經(jīng)濟狀況,第二種低溫致冷液體可以回收再利用或者以任何一種方便可行的方式貯存起來。
比如說,如果被冷卻的物體是MRI磁體,該MRI磁體是放置在隔離容器內(nèi),并且通常是浸沒在液氦中進行冷卻,則第二種低溫致冷流體可以是液氮。
當物體被預(yù)冷到指定的溫度后,就可以將低溫致冷液體引入裝有被冷卻物體的容器內(nèi),物體可以被浸沒在低溫致冷液體中繼續(xù)進行正常的操作。
盡管本文的描述和說明只是參照一些特定的、專門的設(shè)備及裝置進行的,但本發(fā)明并不局限于上述細節(jié)。另外,落在本發(fā)明范圍內(nèi)的各種具體的改進型可以由下述權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種將物體預(yù)冷至低于環(huán)境溫度的方法,該方法包括下述步驟提供一個用于浸沒該物體的低溫致冷液體的氣相源;通過與第二種低溫致冷液體進行熱交換來冷卻該氣相致冷劑,第二種低溫致冷液體在所需的預(yù)冷溫度具有正常沸點;和利用該冷卻過的氣相致冷劑與該物體接觸,并將所述物體預(yù)冷至該氣相致冷劑的溫度。
2.權(quán)利要求1的方法,該氣相致冷劑與所述物體接觸后連續(xù)地被再冷卻并再用于預(yù)冷所述物體。
3.權(quán)利要求2的方法,包括將另外的氣相致冷劑加入到所述的再用的氣相致冷劑中,以維持該氣相致冷劑的預(yù)冷參數(shù)。
4.權(quán)利要求1的方法,包括在預(yù)冷到所需溫度之后將該物體浸沒于液體致冷劑中的步驟。
5.權(quán)利要求2的方法,包括通過減小所述再用的氣相致冷劑的循環(huán)量來限制所述物體的初始冷卻速度。
6.一種用于物體預(yù)冷的設(shè)備,該物體通過浸沒在低溫致冷液體中而被冷卻到最終的低溫,該設(shè)備包括一個容器,該容器內(nèi)設(shè)有所述低溫致冷液體和浸沒其中的所述物體的一個池;一個氣源,該氣源具有與所述低溫致冷液體相同的組成;換熱裝置,該換熱裝置適合于通過與第二種低溫致冷液體熱交換來預(yù)冷所述的氣體,所述第二種低溫致冷液體在等于或稍低于物體的預(yù)冷溫度具有一正常沸點;用于將所述預(yù)冷的氣體引入到所述容器中以預(yù)冷所述容器和所述物體的裝置;用于在所述容器和所述物體冷卻之后將所述預(yù)冷的氣體從所述容器中取出的裝置;和用于將所述取出的氣體再循環(huán)到所述容器中并且在再引入所述容器之前將所述的取出氣體在所述的換熱器中重新冷卻的裝置。
7.權(quán)利要求6的設(shè)備,包括一個循環(huán)鼓風機,用于再循環(huán)和維持所述的預(yù)冷氣體及再循環(huán)的預(yù)冷氣體。
8.權(quán)利要求6的設(shè)備,其中用于取出并再循環(huán)所述氣體的所述裝置包括位于所述的容器與所述的換熱器之間的真空夾套輸送管路。
9.權(quán)利要求6的設(shè)備,包括將所述的低溫致冷液體引入到所述的容器中的裝置。
10.權(quán)利要求7的設(shè)備,其中所述的循環(huán)鼓風機是改進的可在低溫條件下操作的交流換熱鼓風機,所述改進包括保持其軸承在適宜的溫度,并且利用低溫致冷液體的氣相對軸承進行吹掃。
全文摘要
一種用于預(yù)冷物體的設(shè)備和方法,該物體將被浸沒在低溫致冷液體即液氦中冷卻到最終的低溫。低溫致冷液體的氣相通過與第二種低溫致冷液體進行熱交換而被冷卻,該第二種低溫致冷液體的沸點比用于浸沒被冷卻物體的低溫致冷液體的沸點要高。被冷卻的低溫致冷液體的氣相循環(huán)流經(jīng)裝有被冷卻物體的容器,并被回收、再冷卻、再循環(huán)直到被冷卻物體及其容器均達到了指定的預(yù)冷溫度。在這之后,低溫致冷液體可以被引入所述的容器浸沒被冷卻的物體,繼續(xù)進行冷卻。
文檔編號F25D3/10GK1232953SQ98123130
公開日1999年10月27日 申請日期1998年11月14日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月14日
發(fā)明者S·L·摩頓, 黃先銳, T·W·許克, L·V·比斯科, D·J·沙克, S·P·奧斯希 申請人:氣體產(chǎn)品與化學公司