專利名稱：用于冷卻的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于例如超導(dǎo)磁體的低溫冷卻結(jié)構(gòu)的方法及裝置。典型
地，Mil將這種結(jié)構(gòu)至少部分地浸沒在液體冷卻齊U槽中來冷卻。對于超導(dǎo)結(jié)構(gòu)，
例如用于MRI (核磁共振成像)或NMR (核磁共振)掃描器等的超導(dǎo)磁體線 圈，使用的液體7賴卩齊提液氦。典型的冷卻劑槽以1000升數(shù)量級的容量容納 液體^4口劑。
背景技術(shù)：
在制造的最后階段，低溫^4口的超導(dǎo)磁體經(jīng)受訓(xùn)練周肌艮P，電流反復(fù)逐 漸升高直到磁體保持電流不失超。因?yàn)樵谶@些訓(xùn)練周期內(nèi)可能發(fā)生一個(gè)或多個(gè) 失超事件，所以會(huì)消耗大量的液體冷卻劑。
詞語"逐漸升高"指的是將電流逐漸導(dǎo)入超導(dǎo)磁體。 一旦逐漸升高到達(dá)滿 電流，產(chǎn)生滿磁場，那么超導(dǎo)磁體將會(huì)保持這種狀態(tài)直到"逐漸降低"，即電 流從磁體中移除并且產(chǎn)生的磁場降到零。
由于液氦不斷增加的成本和全球性的短缺，就需要減少在將超導(dǎo)磁體冷卻 到低i^刑頓的和在訓(xùn)練周期中損失的液氦的量，以及儲存在冷卻齊i贈(zèng)中的氦 的量。許多專利提出用隔離件來減少所需氦的容量，或提出各種類型的熱連接， 用于通過降低液面的氦來冷卻磁體的超導(dǎo)部分(例如EP1522867)，以避免必 需浸沒在冷卻劑槽中。在某些例子中，較少量的氦在冷卻回路中循環(huán)部分充 滿液氦并且與被冷卻的設(shè)備熱連接的熱導(dǎo)管，與被安排來將氦保持在液體狀態(tài) 的低溫制冷機(jī)連接(WO9508743)。
所有這些方案需要額外的昂貴部件。這增加了出故障的風(fēng)險(xiǎn)，例如冷卻管 的泄漏。萬一失超，它們就是潛在的危險(xiǎn)。例如，隔離件限制了氣流通路，或 因?yàn)槔鋮s回路不能足夠快地轉(zhuǎn)移失超能量而導(dǎo)致線圈過熱。由于能儲存在磁體 中的氦的最大量減少了，因此就需要特殊的方案來保持在運(yùn)送過程中磁體冷 卻，例如copending S^王國的專利申請GB0515936.3所描述的帶冷凍氮的容 器。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供用于冷卻物品的方法及裝置，例如冷卻超導(dǎo) 磁體線圈，避免必需浸沒在液體7賴卩齊贈(zèng)中。
進(jìn)一步地，本發(fā)明的目的在于提供用于冷去卩物品的方法及裝置，例如冷卻 超導(dǎo)磁體線圈，避免必需設(shè)置冷卻回路裝置，使得能夠使用具有大大減少的冷 卻劑儲量的傳統(tǒng)冷卻劑容器。
因此，本發(fā)明提供了如所附的權(quán)禾腰求所限定的裝置。


理解下面對結(jié)合附圖的若干實(shí)施例的描述之后，本發(fā)明的上述和進(jìn)一步的 目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將而變得更加顯而易見，其中-
圖1表示螺線管線圈低溫直溫器的例子，其用于容納螺線管磁體線圈，該 線圈按照本發(fā)明被7襯卩。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明不是提出將被冷卻的設(shè)備浸沒在液體冷卻齊贈(zèng)中，或通過熱導(dǎo)管循 環(huán)冷卻劑，而是提出利用冷卻的氣體冷卻劑，其在冷卻劑容器內(nèi)、環(huán)繞被冷卻 的設(shè)備自由地循環(huán)。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，環(huán)繞被冷卻設(shè)備的氣體冷卻齊U循環(huán)艦強(qiáng)制通 風(fēng)產(chǎn)生，例如通過風(fēng)扇。在其他實(shí)施例中，氣體循環(huán)由環(huán)繞回路通道的自然熱 對流產(chǎn)生。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種實(shí)施例特別適合于冷卻不對稱設(shè)計(jì)的磁體。這種配置 通常包括制冷機(jī)和/或加熱器，其不對稱地設(shè)置以產(chǎn)生充分的對流流動(dòng)。在這禾中 實(shí)施例中4頓氦氣作為氣體冷卻齊鵬另陏益，因?yàn)楹さ拿芏葧?huì)隨著溫度而發(fā)生 很大的變化。
當(dāng)本發(fā)明保持在帶有不對稱設(shè)置的制冷機(jī)的傳統(tǒng)7軸卩劑容器內(nèi)，該制冷機(jī)
包含氣氦冷卻劑而不是液氦時(shí)，ffiil成功J&M漸升高商用超導(dǎo)NMR磁體到滿 磁場并逐漸降低到 場，已經(jīng)逸驗(yàn)驗(yàn)證了本發(fā)明的運(yùn)行。
—些已知的低溫^4卩系統(tǒng)設(shè)置有幫令凝制冷機(jī)。液體^4卩劑通過氣化來冷 卻被y賴啲設(shè)備，從被冷去啲設(shè)備中帶走蒸發(fā)所需的潛熱，保持其^it為液體 ^4口齊啲沸點(diǎn)。再冷凝制冷機(jī)用于除去這些來自氣化冷卻劑的潛熱，使它回到 液態(tài)，以使系統(tǒng)中冷卻劑的總蒸發(fā)是零，或?qū)嶋H上是零。液體冷卻劑與氣體冷 卻劑熱平衡。這種零蒸發(fā)系統(tǒng)是最適于被改進(jìn)的，以通過本發(fā)明提出的氣體循
環(huán)冷卻進(jìn)行冷卻，因?yàn)槌擞糜谠倮淠龤饣鋮s劑的再冷;疑制冷機(jī)，它們通常 還具有用于蒸發(fā)剩綠的加熱器。力卩熱器用于抵消氦可能出現(xiàn)的過冷卻。如果 再冷凝制冷機(jī)太有效了，那么冷卻劑可能被冷卻到幾乎沒有蒸發(fā)發(fā)生，被冷卻 的設(shè)備上部不再被氣化冷卻劑冷卻，被冷卻設(shè)備的下部可能達(dá)到比上部更低的 溫度。通過在被冷卻設(shè)備的相對側(cè)不對稱地設(shè)置制冷機(jī)和加熱器，可以產(chǎn)生充 足的對流氣流，以保持設(shè)備處于超導(dǎo)狀態(tài)。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例、M制冷機(jī)和加熱器產(chǎn)生對流氣流的例子。
在例子中，示出了環(huán)形圓柱體7賴卩劑容器10，其是通常用于安置MRI或NMR 掃描器的螺線管線圈超導(dǎo)磁體的那類容器。容器10充滿氣體冷卻劑，例如氦、 氮、氬、氫或氖。正如通常在零蒸發(fā)低溫恒溫器中那樣，設(shè)置有再冷凝制冷機(jī) 12。該制冷機(jī)具有暴露在冷卻劑容器10內(nèi)部的再冷凝表面。再冷凝制冷機(jī)優(yōu) 選不對稱地布置在容器一側(cè)的弧形壁上。在所示的實(shí)施例中，加熱器14設(shè)置 在冷卻劑容器中，并且位于適合于在氣體冷卻劑中建立熱對流流動(dòng)16的位置。 加熱器14的適當(dāng)位置是正好相反地與再冷凝制冷機(jī)相對，如圖1所示。
盡管不是必需的，雌地，加熱器和制冷機(jī)應(yīng)該布置在中心線AA的相對 側(cè)上，并且制冷機(jī)在豎直方向上應(yīng)當(dāng)比加熱器位置更高，因?yàn)檫@有助于建立對 流流動(dòng)。在使用中，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，制冷機(jī)12冷卻冷卻劑 氣體。冷卻氣體的密度將增加，在氦的例子中非常明顯，并且冷卻氣爛每傾向 于沿循環(huán)16的方向下降離開制冷機(jī)。另一方面，加熱器14將加熱7賴卩劑使其 膨脹，在氦的例子中非常明顯。這將導(dǎo)致y賴卩劑氣體沿循環(huán)16的方向上升。
氣體的循環(huán)16 ilil制冷機(jī)12和加熱器14的定位和運(yùn)行來建立，根據(jù)本 發(fā)明，該循環(huán)導(dǎo)致氣體在7賴卩劑容器內(nèi)、環(huán)繞任何可以被設(shè)置在容器內(nèi)的被冷 卻設(shè)備自由地流動(dòng)，例如用于MRI或NMR成像系統(tǒng)的螺線管線圈超導(dǎo)磁體。 一定要確保制冷機(jī)12的冷卻能力不被提供給系統(tǒng)的總熱M過，該總熱量包 括被冷卻設(shè)備產(chǎn)生的熱量、從外部流入的熱量和加熱器14的熱輸出。
實(shí)際上，少量液體冷卻齊呵以留在容器中，與氣體冷卻劑熱平衡，以確保 總是存在足夠的冷卻齊愾體供應(yīng)。這些液體冷卻劑可以艦制冷機(jī)的再冷凝效 應(yīng)產(chǎn)生或保持。
因此，根據(jù)本發(fā)明的冷卻配置需要極少的y賴卩劑，并可以配置成產(chǎn)生零蒸 發(fā)和輕重量的系統(tǒng)。禾擁根據(jù)本發(fā)明的i頓對流或強(qiáng)制氣體循環(huán)的、具有較低
或零液面的液體冷卻齊啲7賴P具有如下優(yōu)點(diǎn)。訓(xùn)練周期的成本降低，因?yàn)樵诿?次失超中液體冷卻齊啲損失量大幅降低。失超消耗主要包括由失超產(chǎn)生的液體
^4卩劑損失的材料消耗，加上一旦失超結(jié)束、用來將被^4卩設(shè)備冷卻到回到運(yùn) 行溫度的7襯卩齊鵬耗。在失超中損失的大部分冷卻劑沒有蒸發(fā)，而是被膨脹的 氣體沖出7賴卩劑容器。眾所周知，失超之后留在磁體中的冷卻劑的液面不是主 要由最初的冷卻劑液面決定的以100%或50%的滿磁體開始，在任」瞎況下 你都以20%的充填結(jié)束。根據(jù)本發(fā)明，較少的^4卿提供在容器中，因此在失 ^il程中損失較少的冷卻劑。由于在裝運(yùn)之后需要較少的液體冷卻劑或不需要 液體7賴卩劑，因此現(xiàn)場安裝的成本減少。
對于短途航線，系統(tǒng)可以裝運(yùn)有充有冷卻劑氣體的容器10，該冷卻劑氣 體用于根據(jù)本發(fā)明冷卻設(shè)備；對于長途航線，例如一個(gè)月長的海運(yùn)，冷卻劑容 器可以充至它的滿容量，通過運(yùn)輸過程中的冷卻劑氣化來保持被冷卻的設(shè)備處 于它的運(yùn)行溫度。這種配置不可能使用低容量系統(tǒng)，其在裝iiil程中需要冷量 存儲裝置或制冷機(jī)。前者很昂貴；后者不允許裝在飛機(jī)上，并且在公路或海運(yùn) 運(yùn)輸中的運(yùn)行很昂貴。如本發(fā)明所提供的系統(tǒng)是很有吸引力的選擇，該系統(tǒng)能 夠充滿冷卻齊,于運(yùn)輸，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)是空的。
有利地，因?yàn)槭С瑝毫档土?，所以在失超的情況下?lián)p壞被冷卻設(shè)備的風(fēng) 險(xiǎn)降低了。大大M^的冷卻齊咄現(xiàn)在容器10中，所以在失超過程中容器內(nèi)的 氣體壓力大大減少，這是因?yàn)闆]有大量的液體冷卻劑排出。此外，具有降低的 最大氣壓的這一特征導(dǎo)致更廉價(jià)的冷卻劑容器10設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谑С^程中的 最大氣壓低于己知的系統(tǒng)。
對以的，由于冷去剛?cè)萜髦刑峁┑囊后w冷卻劑量大大M^，因此用于排出 制冷劑冷卻齊啲排方爐路、即所謂的失超管或入口塔，可以做成比傳統(tǒng)系統(tǒng)小 得多。這將會(huì)導(dǎo)致降低的制造成本，和^]>的3151失超管的熱流入。
在優(yōu)選實(shí)施例中，如果制冷機(jī)和任何存在的加熱器的不對稱布置可以保證 充足的對流氣流，那么用于例如超導(dǎo)磁體的被冷卻設(shè)備的零氣化冷卻劑容器能 夠不用、或使用非常少的液體7賴口齊,成功地運(yùn)行。在某些實(shí)施例中，不需要 加熱器。制冷機(jī)的位置偏離中心線AA，這足以保持循環(huán)流動(dòng)。制冷機(jī)應(yīng)該連 續(xù)運(yùn)行以保持對流流動(dòng)的進(jìn)行。
除減少冷卻齊附料成本以外，例如本發(fā)明所提供的不用液體的磁體在失超 換實(shí)施例中，冷卻由制冷機(jī)提供，而氣體冷卻 劑所需的循環(huán)由氣體流動(dòng)發(fā)生裝置提供或協(xié)助，例如風(fēng)扇。
Siemens MAGNETOM Avanto磁體被成功地向上提升并保持在滿磁場，并
且當(dāng)itai根據(jù)本發(fā)明的冷卻氣體循環(huán)被冷卻時(shí)，磁體降低到 場，本發(fā)明的
H嘲劑容器內(nèi)沒有液體冷卻劑出現(xiàn)。磁體運(yùn)行而不會(huì)失超。
盡管特別參照再冷凝制冷mit行了描述，但是本發(fā)明也可以應(yīng)用于氣體冷 卻劑，其在高于它們沸點(diǎn)的溫度下使用，并且其中制冷機(jī)不是作為再冷凝制冷 t腿行。在這種實(shí)施例中，制冷機(jī)作為7賴蹄j冷機(jī)運(yùn)行，并且冷卻劑容器內(nèi)將 沒有液體冷卻劑出現(xiàn)。這種實(shí)施例在使用所謂的高溫超導(dǎo)(HTS)導(dǎo)線材料的 系統(tǒng)中特別有孰該導(dǎo)線材料的臨界纟鵬大大^i氦的沸點(diǎn)，倒氐于氮的沸點(diǎn)， 例如臨界溫度為39K的MgB2。液體氖， 一種用于這種材料的天然y轉(zhuǎn)卩劑，是 昂貴的。本發(fā)明的^ffi^Jt大約為20K的氣體氦的實(shí)施例旨灘有效地用于7賴卩 這種^ffi高^IS導(dǎo)導(dǎo)線的設(shè)備。10或20K的低溫制冷機(jī)比再冷凝4.2K的冷頭 更便宜。
權(quán)利要求
1、一種用于冷卻被冷卻設(shè)備的裝置，包括容納被冷卻設(shè)備的冷卻劑容器(10)；充滿冷卻劑容器的氣體冷卻劑；制冷機(jī)(12)，其具有暴露在冷卻劑容器(10)內(nèi)部的冷卻表面，用以冷卻氣體冷卻劑；和氣體流動(dòng)發(fā)生裝置，其布置用來使氣體冷卻劑在冷卻劑容器內(nèi)產(chǎn)生自由循環(huán)，以使得氣體冷卻劑被制冷機(jī)冷卻，并被來自被冷卻設(shè)備的熱量加熱，從而冷卻被冷卻設(shè)備。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中氣體流動(dòng)發(fā)生裝置包括風(fēng)扇。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，氣體流動(dòng)發(fā)生裝置包括冷卻劑容器內(nèi)的加熱器(14)，其位于適合于在氣體冷卻劑中建立熱對流流動(dòng)(16)的位置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中加熱器(14)位于正好相反地與制 冷機(jī)(12)相對的位置，力B熱器和制冷機(jī)布置在豎直中心線(AA)的相對側(cè)， 并且制冷機(jī)在豎直方向上位于比加熱器更高的位置。
5、 一種用于冷卻被冷卻設(shè)備的裝置，包括容納被冷卻設(shè)備的冷卻劑容器(10);充滿y賴瞎譜器的氣體^i,;制冷機(jī)(12)，其具有暴露在冷卻劑容器(10)內(nèi)部的冷卻表面，用以冷 卻氣體冷卻劑，并且不對稱地設(shè)置在冷卻劑容器中，用以通過冷卻劑容器內(nèi)的 自由熱對流(16)產(chǎn)生氣體冷卻劑的循環(huán)，以使得氣體7賴卩劑被制冷機(jī)冷卻，并被來自被冷卻設(shè)備的熱量加熱，從而冷卻被冷卻設(shè)備。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，進(jìn)一步包括7賴口劑容器內(nèi)的加熱器(14)，其位于適合于輔助氣體冷卻劑中的熱對流流動(dòng)(16)循環(huán)的位置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中加熱器(14)位于正好相反地與制 冷機(jī)(12)相對的位置，加熱器和制冷機(jī)布置在豎直中心線(AA)的相對側(cè)， 并且制冷機(jī)在豎直方向上位于比加熱器更高的位置。
8、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中氣體冷卻劑至少包括氦、氮、 氬、氫和氖中的一種。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中氣體冷去卩劑包括氦。
10、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，提供有一些液化的氣體冷卻劑，其與^4口齊瞎器中的氣體^i,熱平衡，足以確保有足夠的氣態(tài)冷卻齊愾體供應(yīng)，所述液化的氣體冷卻齊杯與被冷卻設(shè)錢觸。
11、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中冷卻劑容器是環(huán)形圓柱體形狀。
12、 基本上如說明書描述和如圖1所示的裝置。
全文摘要
一種用于冷卻被冷卻設(shè)備的裝置，包括容納被冷卻設(shè)備的冷卻劑容器(10)；充滿冷卻劑容器的氣體冷卻劑；制冷機(jī)(12)，其具有暴露在冷卻劑容器(10)內(nèi)部的冷卻表面，用以冷卻氣體冷卻劑；和氣體流動(dòng)發(fā)生裝置，其布置用來使氣體冷卻劑在冷卻劑容器內(nèi)產(chǎn)生自由循環(huán)，以使得氣體冷卻劑被制冷機(jī)冷卻，并被來自被冷卻設(shè)備的熱量加熱，從而冷卻被冷卻設(shè)備。
文檔編號H01F6/04GK101105358SQ20071014210
公開日2008年1月16日 申請日期2007年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者E·阿斯特拉 申請人:西門子磁體技術(shù)有限公司