專利名稱：用于冷卻設(shè)備的冷凍劑儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如用于將超導(dǎo)電磁線圈保持在低溫下的低溫恒溫器中的冷凍劑儲(chǔ)器(tank)。本發(fā)明還涉及減小這種低溫恒溫器的尺寸，降低液態(tài)冷凍劑的消耗，以及降低這種低溫恒溫器的成本。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)磁體是眾所周知的，并在例如磁共振成像(MRI)的應(yīng)用場(chǎng)合中用于產(chǎn)生極高強(qiáng)度的磁場(chǎng)。超導(dǎo)磁體通常由許多超導(dǎo)導(dǎo)線線圈組成，其在使用過(guò)程中必須保持在通常為大約4K、即液氦沸點(diǎn)的低溫下。其它所謂的高溫超導(dǎo)體也是可用的，并需要冷卻到例如氖的沸點(diǎn)(28K)、氮的沸點(diǎn)(77K)或氫的沸點(diǎn)溫度。本發(fā)明具體參考液氦進(jìn)行介紹，但也同樣適用于采用其它冷凍劑的裝置。
典型的裝置具有超導(dǎo)線圈，其浸漬在液態(tài)冷凍劑例如氦的浴槽中。液態(tài)冷凍劑可沸騰汽化，并將線圈保持在其穩(wěn)定的沸點(diǎn)溫度下，在氦的情形下為大約4K。提供了再冷凝式致冷器，用來(lái)冷卻整個(gè)系統(tǒng)，包括將汽化的冷凍劑蒸氣再冷凝回到液態(tài)。這樣，由于全部或大部分的汽化冷凍劑再冷凝回到冷凍劑容器中的液態(tài)形式，因此液態(tài)冷凍劑的整體消耗量就降低到較低的水平。當(dāng)然可使用除了氦以外的其它冷凍劑，這取決于所要求的低溫溫度。
圖1顯示了螺線管式磁體系統(tǒng)的軸向剖視圖，該系統(tǒng)包括上面安裝了超導(dǎo)線圈12的線圈架10。這種系統(tǒng)對(duì)于用于MRI或核磁共振(NMR)成像系統(tǒng)的螺線管超導(dǎo)磁體而言是具有代表性的。線圈架10和線圈12容納在冷凍劑容器14中。冷凍劑容器14通常部分地填裝了液氦，圖中沒(méi)有顯示出液氦。冷凍劑容器本身安置在外真空室16中，并且冷凍劑容器14和外真空室16之間的空間是抽空的。在冷凍劑容器和外真空容器之間的抽空空間內(nèi)通常還設(shè)置了隔熱罩18。這種隔熱罩降低了來(lái)自外真空室的輻射熱可能到達(dá)冷凍劑容器的入射。通常還包括維護(hù)頸20。在操作過(guò)程中，這種頸可容納再冷凝式致冷器。
冷凍劑容器14通常并不完全填滿液氦。相反，液氦被提供至大約充滿50％的液位。參看圖1中所示，線圈架10和電磁線圈12的下部分將通過(guò)與液態(tài)冷凍劑的接觸而被熱傳導(dǎo)式冷卻。這將導(dǎo)致一些液氦沸騰汽化，以便提供大約處在冷凍劑沸點(diǎn)溫度下的冷凍劑氣體。這種冷凍劑氣體將環(huán)繞冷凍劑容器14的上部分而循環(huán)，并通過(guò)對(duì)流來(lái)冷卻線圈架10和線圈12的上部分。以這些不同的方式進(jìn)行冷卻在效率上可能存在差異。這可能導(dǎo)致線圈架和線圈的不同部分之間的溫度差異。本發(fā)明的某些實(shí)施例目的旨在避免這種差異。
當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)輸?shù)却惭b的過(guò)程中時(shí)，會(huì)存在一些困難。通常，系統(tǒng)是在填裝了液態(tài)冷凍劑之后進(jìn)行運(yùn)輸?shù)模怯捎谌狈线m的電源，或者由于規(guī)章的限制，再冷凝式致冷器不能運(yùn)轉(zhuǎn)。在運(yùn)輸過(guò)程中，冷凍劑可汽化而將線圈保持在所需的溫度下。這樣，冷凍劑可用作熱電池。維護(hù)頸20為沸騰汽化的冷凍劑離開(kāi)冷凍劑容器14提供了逸出路徑。汽化的冷凍劑可排放到大氣中。可能要求這種系統(tǒng)在長(zhǎng)達(dá)大約30天的過(guò)程中能夠保持這種沸騰汽化的熱電池狀態(tài)。當(dāng)使用例如氦的冷凍劑時(shí)，因汽化導(dǎo)致冷凍劑損失的成本可能變得很高。
線圈需要保持在低溫下，否則系統(tǒng)在安裝之后的試運(yùn)行會(huì)比較困難而且成本高昂。如果系統(tǒng)已經(jīng)加熱到環(huán)境溫度，這種情況在液態(tài)冷凍劑沸騰汽化變干時(shí)將會(huì)發(fā)生，則系統(tǒng)在試運(yùn)行之前必須進(jìn)行冷卻，并重新填裝液態(tài)冷凍劑。在世界上的某些地區(qū)，如果不是提前作計(jì)劃，那么就很難獲得這種運(yùn)轉(zhuǎn)所需的液態(tài)冷凍劑的大量供應(yīng)。就現(xiàn)場(chǎng)工程師在安裝系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)所花費(fèi)的時(shí)間和所用冷凍劑的材料成本而言，這種再冷卻和重新填裝是很昂貴的。
在例如圖1中所示的磁體系統(tǒng)中，冷凍劑容器14的容積主要由所要求的可允許的最少運(yùn)輸時(shí)間來(lái)限定。為了允許再冷凝式致冷器不起作用的運(yùn)輸時(shí)間達(dá)到例如30天，必須在系統(tǒng)中容納大量的液態(tài)冷凍劑，以保證它在運(yùn)輸過(guò)程中不至于汽化變干。這種所要求的冷凍劑容器14的容積在確定整個(gè)系統(tǒng)的最終尺寸時(shí)起了很大作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于解決現(xiàn)有技術(shù)的某些問(wèn)題，以便提供與待冷卻設(shè)備保持熱接觸的冷凍劑儲(chǔ)器。這種接觸式冷凍劑儲(chǔ)器可減少將設(shè)備保持在所需溫度下所需的液態(tài)冷凍劑的量。本發(fā)明的儲(chǔ)器還可用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的更小外殼，同時(shí)仍可將設(shè)備保持在所需的操作溫度下。這種接觸式冷凍劑儲(chǔ)器在添加工作冷凍劑之前，可填裝消耗用冷凍劑，以便將系統(tǒng)預(yù)冷卻至第一低溫溫度。
因此，本發(fā)明提供了如本公開(kāi)中所述的裝置。


從參照附圖并結(jié)合某些僅通過(guò)示例給出的本發(fā)明實(shí)施例的以下描述中，可以更清楚本發(fā)明的上述和其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1顯示了安置在低溫恒溫器中的典型的螺線管式磁體結(jié)構(gòu)的軸向剖視圖；圖2顯示了圖1剖視圖的局部放大圖，顯示了線圈架和線圈；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例改進(jìn)的線圈架和線圈的斷面圖；圖3A顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的儲(chǔ)器的橫截面圖；圖4顯示了根據(jù)圖3或圖3A的實(shí)施例改進(jìn)的線圈架和線圈的透視圖；
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例改進(jìn)的線圈架和線圈的斷面圖；圖6A顯示了根據(jù)圖5實(shí)施例改進(jìn)的線圈架和線圈的側(cè)視圖；和圖6B顯示了圖5的線圈架和線圈的透視圖。為了清楚起見(jiàn)，線圈架的一部分被切掉。
具體實(shí)施例方式
在其最基本的形式中，本發(fā)明包括與待冷卻設(shè)備保持熱連接和機(jī)械連接的冷凍劑儲(chǔ)器。冷凍劑和設(shè)備之間的直接熱傳導(dǎo)提供了所需的冷卻。該儲(chǔ)器優(yōu)選設(shè)置成處于待冷卻設(shè)備的現(xiàn)有輪廓內(nèi)，與例如圖1所示的已知冷凍劑容器相比，該儲(chǔ)器相對(duì)較小。
圖2顯示了線圈12和線圈架10的截面一端的放大圖。如圖所示，線圈架10包括內(nèi)部分10a和外部分10b。該內(nèi)部分和外部分支撐各自的線圈12。許多輻板10c在線圈架的內(nèi)、外部分10a，10b之間提供了機(jī)械連接和熱連接。輻板10c例如可由13mm厚的鋁板構(gòu)成。這些輻板用于將線圈架的外部分10b和其上所攜帶的線圈12相對(duì)于內(nèi)部分10a的線圈而定位在正確的位置中。如參看圖1和2所理解的那樣，輻板所占的容積代表了一對(duì)大致環(huán)形的容積，其定位成朝向線圈架10的端部，并且與線圈架10及線圈12同軸。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，這個(gè)容積的至少一部分被接觸式冷凍劑儲(chǔ)器占據(jù)。這種接觸式冷凍劑儲(chǔ)器可以是大致環(huán)形的形狀，并可設(shè)置成與線圈架同軸。
在如圖所示的實(shí)施例中，螺線管式磁體是待冷卻的設(shè)備，優(yōu)選的是，在螺線管的末端附近對(duì)稱地設(shè)置同樣的接觸式冷凍劑儲(chǔ)器，以降低磁體磁場(chǎng)的任何畸變。
在線圈架包括具有第一直徑的內(nèi)部分10a和至少一個(gè)具有比第一直徑更大的第二直徑的外部分10b的情況下，可將接觸式冷凍劑儲(chǔ)器大致容納在大致環(huán)形的容積內(nèi)，這個(gè)容積與線圈架同軸，并具有與第二直徑相等的外徑以及與第一直徑相等的內(nèi)徑。
圖3中顯示了這樣一個(gè)實(shí)施例。與圖2類似，圖3顯示了線圈12和線圈架10的截面一端的放大圖，但根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行了改進(jìn)。在這個(gè)實(shí)施例中，大致環(huán)形的儲(chǔ)器30取代了輻板10c。該儲(chǔ)器的壁具有足夠的剛性，以便提供之前由輻板10c所提供的導(dǎo)熱性和機(jī)械保持力。該儲(chǔ)器在圖3中用叉形標(biāo)記出的界面處與線圈架10相結(jié)合。通過(guò)將接觸式冷凍劑儲(chǔ)器放置在這個(gè)位置，就可保證與線圈架10以及與線圈12的良好熱接觸。這種接觸式冷凍劑儲(chǔ)器并不需要任何進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)支撐，并可集成在線圈架10的結(jié)構(gòu)中，從而與內(nèi)外線圈都保持良好的周邊接觸。在圖3所示的實(shí)施例中，這種接觸式冷凍劑儲(chǔ)器還可用作環(huán)繞某些線圈12的熱分流器。如圖3所示，儲(chǔ)器30設(shè)置成與外屏蔽線圈12a、激勵(lì)線圈12b和近場(chǎng)整形線圈12c保持緊密的熱接觸。在儲(chǔ)器30的壁和各線圈12a，12b，12c之間，存在著穿過(guò)線圈架10材料的短的熱傳導(dǎo)路徑。這些線圈是在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生最多熱量的線圈，并最有可能出現(xiàn)失超。因此在圖3的實(shí)施例中對(duì)這些線圈進(jìn)行最有效的冷卻將是特別有利的。
接觸式冷凍劑儲(chǔ)器30可根據(jù)需要而填裝上工作冷凍劑、消耗用冷凍劑或不填裝任何冷凍劑，以獲得如下所述的相應(yīng)優(yōu)點(diǎn)。接觸式冷凍劑儲(chǔ)器30可由熱導(dǎo)材料如銅或鋁的適當(dāng)形狀的板材構(gòu)成，并通過(guò)焊接、釬焊或以其它機(jī)械方式和熱方式而連接在線圈架10上。或者，儲(chǔ)器30可由合適材料擠壓成形。在這種情況下，線圈架10的外部分10b可形成為擠壓型材的一部分。在其它的變型中，可將標(biāo)準(zhǔn)的擠壓型材如U形或H形斷面的擠壓型材焊接就位，以便提供這種接觸式冷凍劑儲(chǔ)器30。
本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例提供了儲(chǔ)器30中的熱傳導(dǎo)路徑。圖3A顯示了擠壓成形的儲(chǔ)器32的一個(gè)示例。例如，該儲(chǔ)器可由鋁的擠壓型材形成，彎曲成圓形形狀，以適合線圈架10。在這種情況下，圓形的彎曲擠壓型材優(yōu)選在其內(nèi)、外圓弧面上進(jìn)行機(jī)加工，以保證其與線圈架10和線圈12a的相應(yīng)表面形成良好的熱接觸。在一些實(shí)施例中，線圈架的外部分10b形成為同一擠壓型材的一體部分，或成形為單獨(dú)的圓形的彎曲擠壓型材。在任一種情形下，優(yōu)選的是，外部分10b在其外圓弧面上和其壁面上進(jìn)行機(jī)加工，以保證外部分10b能精確地與線圈12a匹配。儲(chǔ)器32包括位于儲(chǔ)器內(nèi)的傳熱結(jié)構(gòu)34。這些結(jié)構(gòu)成形為擠壓型材的一部分。優(yōu)選的是，這些結(jié)構(gòu)34具有相對(duì)較大的表面積，并朝著儲(chǔ)器的中間延伸一段較長(zhǎng)的距離。某些液態(tài)或固態(tài)形式的冷凍劑具有相對(duì)較低的熱傳導(dǎo)率。在缺乏這種傳熱結(jié)構(gòu)的情況下，靠近儲(chǔ)器壁的冷凍劑可能會(huì)融化或沸騰汽化，并逸出儲(chǔ)器32，而不能有效地將熱量傳遞給儲(chǔ)器中的相鄰冷凍劑。通過(guò)在冷凍劑的整個(gè)容積范圍內(nèi)傳遞熱量，使冷凍劑受熱更一致，就可實(shí)現(xiàn)更加有效的冷卻。作為圖3所示擠壓的傳熱結(jié)構(gòu)的備選，儲(chǔ)器30可填裝上導(dǎo)熱的多孔材料，例如銅絨線，以達(dá)到相同的效果。
如在圖4中最佳地所示，接觸式冷凍劑儲(chǔ)器30優(yōu)選不突出到線圈架10的現(xiàn)有輪廓之外。
圖5顯示了另一實(shí)施例。類似于圖3，圖5顯示了線圈12和線圈架10的截面一端的放大圖，但根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行了改進(jìn)。在這個(gè)實(shí)施例中，輻板10c成形成可容納大致環(huán)形的接觸式冷凍劑儲(chǔ)器40橫截面的至少一部分。大致環(huán)形的接觸式冷凍劑儲(chǔ)器40可具有大致圓形的橫截面。圖6A和6B分別顯示了本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖和透視圖，其中儲(chǔ)器40以虛線表示，以顯示出輻板10c的形狀和設(shè)置。圖6B顯示了儲(chǔ)器40就位時(shí)的這種設(shè)置的透視圖。
接觸式冷凍劑儲(chǔ)器40在圖5中以叉形標(biāo)記出的界面處與線圈架10相結(jié)合。這種接觸式冷凍劑儲(chǔ)器40可由熱傳導(dǎo)材料如銅或鋁的軋制和焊接成形的板材來(lái)形成?；蛘?，接觸式冷凍劑儲(chǔ)器40還可由合適材料擠壓成形。接觸式冷凍劑儲(chǔ)器40通過(guò)焊接、釬焊或其它方法而以導(dǎo)熱的方式連接在線圈架10上。選擇用于接觸式冷凍劑儲(chǔ)器的材料優(yōu)選具有相對(duì)較低的電導(dǎo)率，以避免在接觸式冷凍劑儲(chǔ)器材料中形成非所需的渦電流，因?yàn)檫@種渦電流會(huì)干擾磁體系統(tǒng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。在這種情況下，就可利用圖5中所示的成形輻板10c繼續(xù)正常地進(jìn)行線圈架10的裝配。然后，可將儲(chǔ)器焊接在或以其它熱方式和機(jī)械方式而連接在輻板上。
如圖6A中最佳地所示，接觸式冷凍劑儲(chǔ)器40未突出到線圈架10的現(xiàn)有輪廓之外。
根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例，本發(fā)明的這種接觸式冷凍劑儲(chǔ)器設(shè)在冷凍劑容器14中，并與待冷卻系統(tǒng)保持熱連接和機(jī)械連接。當(dāng)應(yīng)用于圖1中所示的磁體系統(tǒng)上時(shí)，冷凍劑儲(chǔ)器可設(shè)置成與線圈架10形成熱連接，并且通過(guò)經(jīng)由線圈架的熱傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)與線圈12的熱連接。
根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例，本發(fā)明的接觸式冷凍劑儲(chǔ)器可適用于在通過(guò)工作冷凍劑冷卻至工作溫度之前，利用消耗用冷凍劑來(lái)進(jìn)行預(yù)冷卻。例如，為了將系統(tǒng)從環(huán)境溫度冷卻到工作低溫溫度如大約4K，可采用如下程序?？蓪⒁欢康南挠美鋬鰟┤缫旱湃虢佑|式冷凍劑儲(chǔ)器中。這種消耗用冷凍劑將開(kāi)始沸騰汽化，并通過(guò)這種汽化而將相關(guān)設(shè)備、例如安裝在線圈架上的超導(dǎo)磁體冷卻到該消耗用冷凍劑的沸點(diǎn)溫度，在此示例中為大約77K。當(dāng)設(shè)備已經(jīng)被該消耗用冷凍劑冷卻時(shí)，將一定量的工作冷凍劑如液氦添加到工作冷凍劑容器14中。這種工作冷凍劑沸騰汽化，并通過(guò)汽化而將設(shè)備和任何剩余的消耗用冷凍劑冷卻到工作冷凍劑的沸點(diǎn)溫度，在此示例中通常為大約4K的工作溫度。一旦添加了工作冷凍劑，就可使再冷凝式致冷器運(yùn)轉(zhuǎn)，以減少工作冷凍劑的消耗。通過(guò)這種方式，就可實(shí)現(xiàn)有效的預(yù)冷卻，同時(shí)避免了消耗用冷凍劑污染工作冷凍劑。優(yōu)選的是，添加到本發(fā)明的接觸式儲(chǔ)器中的消耗用冷凍劑的量經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算，使得一旦完成預(yù)冷卻之后，儲(chǔ)器中即使殘留了消耗用冷凍劑，也只是殘留了很少的消耗用冷凍劑。當(dāng)使用消耗用冷凍劑氮時(shí)，尤其是這種情況。由于氮具有高的比熱容，并且存在固相-固相的氮的相變，因此必須從氮中排出更多的熱量方可將其從其沸點(diǎn)溫度冷卻到氦的沸點(diǎn)溫度，即大約4K。在預(yù)冷卻之后殘留在接觸式儲(chǔ)器中的任何體積的廉價(jià)液氮都將需要大量昂貴的液氦將其冷卻到工作溫度下。因此優(yōu)選僅使用剛好夠用的消耗用冷凍劑，使其剛好足以將設(shè)備冷卻到消耗用冷凍劑的沸點(diǎn)溫度。實(shí)際上，使用略少于所需量的消耗用冷凍劑是有利的，從而在儲(chǔ)器中沒(méi)有留下消耗用冷凍劑，并利用工作冷凍劑來(lái)完成預(yù)冷卻的結(jié)束階段。
在采用消耗用冷凍劑時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)增大接觸式儲(chǔ)器中的熱導(dǎo)體的表面積是有利的，這些熱導(dǎo)體例如為圖3A中所示的那些導(dǎo)體，或者為備選導(dǎo)體如銅絨線，或者任何導(dǎo)熱的多孔結(jié)構(gòu)。
在備選實(shí)施例中，本發(fā)明的接觸式冷凍劑儲(chǔ)器可用于保持工作冷凍劑，這種工作冷凍劑在傳統(tǒng)上是儲(chǔ)存在圖1的冷凍劑容器14中。這可代替將工作冷凍劑儲(chǔ)存在冷凍劑容器14中的方案，或作為該方案的附加。
在一備選例中，或在如上所述使用消耗用冷凍劑時(shí)，實(shí)際上并不填充本發(fā)明的接觸式冷凍劑儲(chǔ)器。通過(guò)使本發(fā)明的儲(chǔ)器保持騰空，就可減少將冷凍劑填充到所需深度時(shí)所要求的液態(tài)冷凍劑的體積。作為備選，相同體積的液態(tài)冷凍劑可將電磁線圈的更大部分浸漬在液體中，從而使電磁線圈的更大部分通過(guò)與液態(tài)冷凍劑的接觸而被冷卻，這又提供了對(duì)電磁線圈的更恒定的冷卻。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，無(wú)需如圖1所示的冷凍劑容器14，而只留下本發(fā)明的用于容納工作冷凍劑的接觸式冷凍劑儲(chǔ)器。通過(guò)省去冷凍劑容器14，就可提供整體尺寸更小的系統(tǒng)，或者可在給定的容積內(nèi)提供更大直徑的磁體。還要求減少液態(tài)冷凍劑的體積，從而進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的成本。例如，接觸式冷凍劑儲(chǔ)器30，40可各自具有300升的容積，而傳統(tǒng)設(shè)置的冷凍劑容器14具有大約1500升的容積。為了隔熱，優(yōu)選仍然提供外真空室16。應(yīng)優(yōu)選為每個(gè)接觸式冷凍劑容器提供再冷凝式致冷器，以便將冷凍劑保持為液態(tài)形式。在這些實(shí)施例中，通過(guò)穿過(guò)接觸式冷凍劑儲(chǔ)器壁的熱傳導(dǎo)，就可為線圈架的所有部分以及位于線圈架上的所有線圈提供一致的冷卻。這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖1中所示的傳統(tǒng)浸漬式冷凍劑容器14的顯著改進(jìn)，圖1所示設(shè)置的一部分通過(guò)與冷凍劑物理接觸形成熱傳導(dǎo)而被冷卻，而所述設(shè)置的另一部分通過(guò)沸騰汽化的冷凍劑氣體的對(duì)流來(lái)進(jìn)行冷卻。
圖3-圖6B的實(shí)施例中的接觸式冷凍劑儲(chǔ)器的形狀本質(zhì)上能夠承受高的壓力負(fù)荷，例如在失超期間，也就是說(shuō)，當(dāng)超導(dǎo)電磁線圈突然變得有電阻、從而散發(fā)大量熱量并且非?？焖俚仄吖ぷ骼鋬鰟r(shí)，這種高的壓力負(fù)荷就會(huì)出現(xiàn)。如圖3-圖6B中所示的大致環(huán)形的接觸式冷凍劑儲(chǔ)器為線圈架提供了機(jī)械穩(wěn)定性，并減少了稱為“瓣式作用(petaling)”的現(xiàn)象，即線圈架10的外部分10b在輻板10c之間的位置處的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或者線圈架10的外部分10b在輻板10c之間的位置處的變形。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，不需要提供冷凍劑容器14。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，不再需要冷凍劑容器14，而只是使用本發(fā)明的冷凍劑儲(chǔ)器即可。不提供冷凍劑容器14這一簡(jiǎn)單的事實(shí)可使整個(gè)系統(tǒng)制作成更短，并且可增大容納病人的孔徑。以下將更全面地討論這方面。不需要提供冷凍劑容器14的另一有利方面包括，節(jié)省了材料費(fèi)用和建造時(shí)間，并降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。已經(jīng)知道，可通過(guò)對(duì)冷凍劑儲(chǔ)器進(jìn)行表面處理來(lái)減小儲(chǔ)器材料的熱輻射系數(shù)。本發(fā)明還避免了這種表面處理。已知不銹鋼的冷凍劑儲(chǔ)器可包括大約500kg的不銹鋼。根據(jù)本發(fā)明的冷凍劑儲(chǔ)器可包括不超過(guò)100kg的不銹鋼。節(jié)省400kg的質(zhì)量本身是很重要的，但因不需要冷卻這額外400kg的不銹鋼，就可產(chǎn)生進(jìn)一步的有利效果。為了將冷凍劑儲(chǔ)器冷卻到工作溫度，使其包含液態(tài)冷凍劑，就需要極大量的液態(tài)冷凍劑汽化掉。這些冷凍劑通常排放到周圍大氣中損失掉。這意味著對(duì)液態(tài)冷凍劑的成本高昂且比較浪費(fèi)的使用。通過(guò)減少冷凍劑容器的質(zhì)量達(dá)80％(根據(jù)本發(fā)明，這是可能的)，就可相應(yīng)地減少在這一步驟中所消耗的液態(tài)冷凍劑的量。
本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)在于，對(duì)于給定尺寸的磁體而言，可減小最終磁體系統(tǒng)的長(zhǎng)度，并可增大容納病人的孔徑。為了減輕病人的壓力和被置于窄長(zhǎng)形孔內(nèi)時(shí)的幽閉恐怖癥，至少需要這兩種效果。容納病人的該孔越短且越寬，那么病人就會(huì)越放松。這會(huì)提高有效成像過(guò)程的可能性。更短且更寬的病人孔還將改善在成像過(guò)程中對(duì)病人進(jìn)行醫(yī)學(xué)干預(yù)的途徑。在現(xiàn)有技術(shù)中，冷凍劑容器14通常由5mm厚的不銹鋼制成。各種不銹鋼部件圍繞磁體結(jié)構(gòu)而焊接在一起，從而形成了冷凍劑儲(chǔ)器。為了保護(hù)磁體線圈免受焊接過(guò)程中所用熱量或材料所導(dǎo)致的任何損壞，在最近線圈12和冷凍劑容器14內(nèi)側(cè)之間留有大約40mm的最小間隙。根據(jù)本發(fā)明，如果不再需要冷凍劑儲(chǔ)器，那么就不再需要提供該間隙和儲(chǔ)器壁厚度。隔熱罩18和外真空室16可相應(yīng)地制作成更短，并具有更大的直徑。由于這種外尺寸上的改進(jìn)應(yīng)在磁體的每一端來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長(zhǎng)度在總體上減小了大約90mm，并且在所述孔徑上實(shí)現(xiàn)了類似的增大。
本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)在于，可顯著地減小所需液態(tài)冷凍劑的體積。雖然現(xiàn)有技術(shù)的冷凍劑容器14會(huì)需要1500升的液態(tài)冷凍劑來(lái)通過(guò)浸漬對(duì)磁體進(jìn)行冷卻，但是，本發(fā)明的儲(chǔ)器一般只需要大約100升的液態(tài)冷凍劑。這意味著極大地節(jié)省了材料成本。在其中本發(fā)明的儲(chǔ)器填裝了消耗用冷凍劑或未被填裝、并且被安置在傳統(tǒng)冷凍劑容器內(nèi)的實(shí)施例中，本發(fā)明的冷凍劑儲(chǔ)器就置換掉了對(duì)應(yīng)體積的工作冷凍劑，從而節(jié)省了相應(yīng)的材料成本。
盡管上面已經(jīng)結(jié)合有限數(shù)量的具體實(shí)施例來(lái)介紹了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域中的技術(shù)人員顯然清楚，在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行其它的修改和變化。例如，盡管特別參考對(duì)適用于MRI裝置的螺線管超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻來(lái)介紹了本發(fā)明，但是，本發(fā)明可適用于需要冷卻到低溫溫度的任何設(shè)備。以氦作為工作冷凍劑而且還可選擇性地以氮作為消耗用冷凍劑，而對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了特別介紹。當(dāng)然，也可使用其它冷凍劑。所選擇的任何消耗用冷凍劑應(yīng)具有高的潛熱容量，并且優(yōu)選還應(yīng)在其相變時(shí)具有高的潛熱容量。所選擇的消耗用冷凍劑應(yīng)在其凝固時(shí)不會(huì)膨脹。如果選擇了在凝固時(shí)會(huì)膨脹的消耗用冷凍劑，那么包含該冷凍劑的儲(chǔ)器必須可松弛以容納膨脹的內(nèi)容物，或者其強(qiáng)度必須足以承受膨脹的冷凍劑所施加于其上的壓力。在不脫離所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明的接觸式冷凍劑儲(chǔ)器的形式和設(shè)置可以與以上所述的不同。
權(quán)利要求
1.一種組合裝置，其包括用于螺線管式磁體的大致圓柱形線圈架以及用于容納對(duì)所述線圈架進(jìn)行冷卻的冷凍劑的冷凍劑儲(chǔ)器，所述冷凍劑儲(chǔ)器(30；40)通過(guò)其外表面以熱連接和機(jī)械連接的方式而與所述線圈架連接，所述線圈架包括具有第一直徑的內(nèi)部分(10a)和至少一個(gè)具有第二直徑的外部分(10b)，所述第二直徑大于所述第一直徑，其中，所述冷凍劑儲(chǔ)器具有大致環(huán)形或圓柱形的形狀，并與所述線圈架同軸，所述冷凍劑儲(chǔ)器基本上容納在大致環(huán)形的容積內(nèi)，所述容積與所述線圈架同軸，并且具有與所述第二直徑相等的外徑以及與所述第一直徑相等的內(nèi)徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合裝置，其特征在于，所述線圈架的內(nèi)部分和外部分通過(guò)許多輻板(10c)而機(jī)械式地相連，所述輻板成形成可容納所述儲(chǔ)器(40)的橫截面的至少一部分，所述冷凍劑儲(chǔ)器通過(guò)其外表面以熱連接和機(jī)械連接的方式而與所述輻板連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合裝置，其特征在于，所述線圈架的內(nèi)部分和外部分經(jīng)由所述冷凍劑儲(chǔ)器(30)而以機(jī)械連接和熱連接的方式連在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的組合裝置，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器定位成與外屏蔽線圈(12a)、激勵(lì)線圈(12b)和場(chǎng)整形線圈(12c)形成緊密的熱接觸。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組合裝置，其特征在于，所述組合裝置還包括許多安裝在所述線圈架(10)上的線圈(12)，其形成了螺線管式磁體。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組合裝置，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器(40)具有大致圓形的橫截面。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組合裝置，其特征在于，所述組合裝置還包括用于在所述冷凍劑儲(chǔ)器中保持一定冷凍劑液位的再冷凝式致冷器。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組合裝置，其特征在于，所述組合裝置設(shè)有對(duì)稱地定位在所述線圈架末端附近的位置中的冷凍劑儲(chǔ)器。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組合裝置，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器包含傳熱結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組合裝置，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器包含多孔的熱傳導(dǎo)材料。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組合裝置，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器或各個(gè)所述冷凍劑儲(chǔ)器由所述熱傳導(dǎo)材料的合適形狀的板材來(lái)形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一權(quán)項(xiàng)所述的組合裝置，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器或各個(gè)所述冷凍劑儲(chǔ)器由一個(gè)或多個(gè)合適形狀的擠壓型材來(lái)形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的組合裝置，其特征在于，所述線圈架的外部分形成為擠壓型材的一部分。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組合裝置，其特征在于，所述組合裝置安置在外冷凍劑儲(chǔ)器(14)中。
15.一種MRI系統(tǒng)，其包括根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的螺線管式磁體與冷凍劑儲(chǔ)器的組合裝置。
16.一種用于冷卻螺線管式磁體的方法，其包括如下步驟提供許多安裝在大致圓柱形線圈架上的線圈(12)，從而形成螺線管式磁體，所述線圈架包括具有第一直徑的內(nèi)部分(10a)和至少一個(gè)具有第二直徑的外部分(10b)，所述第二直徑大于所述第一直徑；提供冷凍劑儲(chǔ)器(30；40)，其通過(guò)其外表面以熱連接和機(jī)械連接的方式而與所述線圈架連接，其中，所述冷凍劑儲(chǔ)器為大致環(huán)形或圓柱形的形狀，并與所述線圈架同軸，所述冷凍劑儲(chǔ)器基本上容納在大致環(huán)形的容積內(nèi)，所述容積與所述線圈架同軸，并具有與所述第二直徑相等的外徑以及與所述第一直徑相等的內(nèi)徑；以及用冷凍劑來(lái)填充所述冷凍劑儲(chǔ)器，從而通過(guò)使熱量從所述線圈中經(jīng)由所述線圈架和所述儲(chǔ)器的材料而傳動(dòng)至所述冷凍劑，來(lái)冷卻所述螺線管式磁體。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器填裝了工作冷凍劑，用于將所述螺線管式磁體冷卻到工作溫度。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器首先填裝了一定量的消耗用冷凍劑，其完全地沸騰汽化掉以便將所述螺線管式磁體冷卻到高于工作溫度的第一溫度；之后，所述冷凍劑儲(chǔ)器填裝上工作冷凍劑，以便將所述螺線管式磁體冷卻到工作溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器填裝了消耗用冷凍劑，從而將所述螺線管式磁體冷卻到高于工作溫度的第一溫度；所述螺線管式磁體還通過(guò)浸漬在工作冷凍劑中而被進(jìn)一步冷卻，從而將所述螺線管式磁體冷卻到所述工作溫度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，當(dāng)將所述螺線管式磁體浸漬在工作冷凍劑中時(shí)，所述冷凍劑儲(chǔ)器至少基本上沒(méi)有消耗用冷凍劑。
21.根據(jù)權(quán)利要求16-20中任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述線圈架的內(nèi)部分和外部分通過(guò)許多輻板(10c)而機(jī)械式地連接，所述輻板成形成可容納所述儲(chǔ)器(40)的橫截面的至少一部分，所述冷凍劑儲(chǔ)器通過(guò)其外表面以熱連接和機(jī)械連接的方式而與所述輻板相連。
22.根據(jù)權(quán)利要求16-21中任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述線圈架的內(nèi)部分和外部分經(jīng)由所述冷凍劑儲(chǔ)器(30)而以機(jī)械連接和熱連接的方式連在一起。
23.根據(jù)權(quán)利要求16-22中任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器定位成與外屏蔽線圈(12a)、激勵(lì)線圈(12b)和場(chǎng)整形線圈(12c)形成緊密的熱接觸。
24.根據(jù)權(quán)利要求16-18中任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使從所述冷凍劑儲(chǔ)器中沸騰汽化的冷凍劑再冷凝、從而在所述冷凍劑儲(chǔ)器中保持一定冷凍劑液位的步驟。
25.根據(jù)權(quán)利要求16-24中任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器由熱傳導(dǎo)材料的合適形狀的板材來(lái)形成。
26.根據(jù)權(quán)利要求16-24中任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述冷凍劑儲(chǔ)器由一個(gè)或多個(gè)合適形狀的擠壓型材來(lái)形成。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述線圈架的外部分形成為擠壓型材的一部分。
28.基本上如附圖3-6B中所述和/或所示的用于螺線管式磁體的大致圓柱形線圈架與冷凍劑儲(chǔ)器的組合裝置，或者M(jìn)RI系統(tǒng)，或者用于冷卻螺線管式磁體的方法。
全文摘要
一種冷凍劑儲(chǔ)器，其以熱連接和機(jī)械連接的方式而連在待冷卻的設(shè)備上。冷凍劑和該設(shè)備之間的直接熱傳導(dǎo)提供了所需的冷卻。這種儲(chǔ)器優(yōu)選設(shè)置成處于該冷卻設(shè)備的現(xiàn)有輪廓內(nèi)，并且與已知的冷凍劑儲(chǔ)器相比而相對(duì)較小。
文檔編號(hào)G01R33/3815GK1838347SQ20061007189
公開(kāi)日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月23日
發(fā)明者A·F·阿特金斯, P·比斯利, A·J·格雷 申請(qǐng)人:西門(mén)子磁體技術(shù)有限公司