專利名稱：用于液態(tài)氦冷卻的磁體的零回流排氣組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及超導(dǎo)磁體，并且更具體地涉及一種用于在繼磁體斷開或爆裂盤失效后防止外界空氣回流到超導(dǎo)磁體的組件。
背景技術(shù)：
眾所周知，通過將一塊磁體放置在非常冷的環(huán)境中，諸如將此磁體包罩在低溫箱中或具有冷卻劑的壓力容器中，會使其呈現(xiàn)出超導(dǎo)現(xiàn)象。這種非常冷的環(huán)境有效地將電磁線圈中的電阻減小到忽略不計的程度，使得在將電源最初連接到該線圈以引入電流通過該線圈時，該電流即使在電源切斷后仍繼續(xù)流過該線圈，由此維持磁場。這種磁場在磁共振成像(MRI)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。最常用于MRI超導(dǎo)磁體的冷卻劑是氦，其在大約4.2°K時以液態(tài)存在。該液態(tài)氦冷卻超導(dǎo)線，使得磁體可以被勵磁，或被“修整成”全操作場。一旦磁體被修整，其保持特定的磁場直至該磁體被解除勵磁。該磁體的解除勵磁或修整掉是有計劃的操作，其發(fā)生在正常的操作過程中。該磁體也可以被斷開，這是非有計劃的事件。
在磁體的正常超導(dǎo)操作過程中，低溫箱必須是封閉或密閉系統(tǒng)，從而防止氦液和氦氣從該低溫箱泄露，上述兩者都會從低溫箱儲槽耗盡液態(tài)氦。然而，在不希望的磁體斷開或磁體回復(fù)到非超導(dǎo)狀態(tài)的情況下，低溫箱中氦氣的快速并且具有潛在危險的高壓建立需要通過迅速將氣體排放到磁體外部的大氣中進(jìn)行壓力釋放。當(dāng)磁體斷開時，磁場能量可以由方程P＝V*I來表示，其中V是線圈中的電壓，I是線圈中的電流以及P是功率的大小，其可以被轉(zhuǎn)換成熱。該熱又使液態(tài)氦沸騰。當(dāng)液態(tài)氦加熱并隨后沸騰時，其迅速地膨脹。對于氦來說，液對氣膨脹比大約是770∶1，在磁體容器中導(dǎo)致幾乎瞬時的壓力增加。明顯的是，這對醫(yī)務(wù)人員和患者來說這是潛在的危險狀態(tài)。較不明顯的是對系統(tǒng)的潛在破壞，而系統(tǒng)可能是非常昂貴的。
一種可替換的破裂盤或爆裂盤可以被設(shè)置在磁體排氣組件中，所述盤設(shè)計用來在預(yù)設(shè)的壓力下發(fā)生破裂，從而打開低溫箱而通向大氣通道。但是即使在正常操作中，該液態(tài)氦容器總是在稍高于大氣壓下操作。爆裂盤執(zhí)行保持密封的功能，以維持液態(tài)氦容器的壓力并防止空氣流入。如果超過最大安全壓力，所述爆裂盤開裂，從而允許磁體排氣，通常是排出到外部。所述大氣通道可以是排氣豎管，其從建筑物的頂部或從汽車的頂部延伸出，該汽車被用來運(yùn)送裝在其內(nèi)的便攜MRI系統(tǒng)。
一旦破裂，爆裂盤必須進(jìn)行更換。但更為緊急的是一旦低溫箱中的壓力消除時需要密封所述系統(tǒng)。即，在磁體斷開的情況下，爆裂盤通過防止突然壓力增加所導(dǎo)致的對磁體的破壞來執(zhí)行它的功能。在磁體中的液態(tài)氦容器排氣后，磁體容器中的壓力返回到大氣壓水平，該液態(tài)氦容器保持打開，因此允許空氣流入到磁體中。也就是說，一旦氦容器中的壓力已經(jīng)消除并且該氦容器壓力達(dá)到與大氣的平衡，該磁體停止排氣。此時，該磁體開始作為抽氣泵發(fā)揮作用，即它將空氣抽入到氦容器的冷表面。該空氣于是冷固到該冷表面上，導(dǎo)致稱為磁體凍結(jié)的狀態(tài)，這種狀態(tài)持續(xù)到該磁體進(jìn)一步變熱或爆裂盤被替換?？諝庵饕傻脱跛M成，其凝固溫度分別是63°K和54°K。當(dāng)空氣被允許流入到液態(tài)氦容器中時，空氣凝固且磁體凍結(jié)發(fā)生。
因此，需要一種系統(tǒng)，其可防止在磁體斷開或爆裂盤破裂后超導(dǎo)磁體中的磁體凍結(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的零回流排氣系統(tǒng)防止回流入磁體液態(tài)氦容器中并且因此消除磁體凍結(jié)。本發(fā)明在磁體斷開的情況下打開，而在壓力被釋放后關(guān)閉。通常，本發(fā)明采用磁體排氣塔(magnet vent turret)。該磁體排氣塔是磁體中的液態(tài)氦容器和大氣之間的連接體。一個爆裂盤于排氣塔中設(shè)置在氦容器的下游。排氣豎管被用于將任何低溫排出氣體引導(dǎo)出房間，通常是排出到外界。
為了防止磁體凍結(jié)，本發(fā)明提供了一種零回流排氣系統(tǒng)以在斷開后防止周圍空氣進(jìn)入氦容器。該零回流排氣系統(tǒng)通常包括具有閥面的活塞組件，該閥面設(shè)計用來抵靠閥座形成密封。通常，一個加載彈簧提供關(guān)閉力以在正常操作期間保持一個密閉的系統(tǒng)。保持閥面密封靠合于閥座所需的加載力的大小可以使用加載調(diào)整螺釘以增加或減小長度以及從而通過加載彈簧施加的整體力來進(jìn)行調(diào)整。
當(dāng)磁體斷開時，氦容器中的壓力上升，隨后增加作用在活塞面上的力的大小。在操作中，加載彈簧被調(diào)整，以便在斷開期間允許磁體排氣。因此，當(dāng)由氦氣膨脹的壓力產(chǎn)生的力大于彈簧力時，活塞組件打開并且允許磁體排氣。在短時段排氣之后，磁體壓力被釋放，彈簧壓力克服壓力負(fù)載，并且活塞面又復(fù)位在閥座上，密封磁體防止凍結(jié)。
本發(fā)明的上述和其它特點(diǎn)將會在下面的詳細(xì)說明中變得顯而易見。


圖1是超導(dǎo)磁體和爆裂盤組件的簡化剖面視圖；圖2是處于關(guān)閉位置的結(jié)合有本發(fā)明實(shí)施例的超導(dǎo)磁體的簡化剖面視圖；圖3是處于打開位置的結(jié)合有本發(fā)明實(shí)施例的超導(dǎo)磁體的簡化剖面視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在詳細(xì)參照附圖，其中在整個附圖中帶有相同附圖標(biāo)記的元件對應(yīng)于相同的元件，圖1示出再冷凝超導(dǎo)磁體系統(tǒng)(recondensing superconductingmagnet system)，總體以標(biāo)記10示出。該系統(tǒng)10包括低溫箱或氦壓力容器12(當(dāng)液態(tài)氦是冷卻劑時)，其中容器12以減小的尺寸示意性地示出并且其封裝有處于液態(tài)氦18中的多個電磁線圈14、16。氦壓力容器12被包罩在外圍真空容器20以及諸如熱輻射屏蔽22等中間元件內(nèi)。氦氣21通過液態(tài)氦18的沸騰(boiling)向超導(dǎo)磁體系統(tǒng)10提供冷卻溫度而在液態(tài)氦18上方形成。以這種方式，在通電之后極低溫保持電流流過電磁線圈14、16，電源最初連接于線圈14、16并由于低溫電磁線圈14、16的電阻不存在而斷開連接，因此在磁體的孔(bore)中保持強(qiáng)磁場。所形成的氦氣21通過機(jī)械致冷機(jī)(未示出)可以被重新冷凝回液態(tài)氦18或者被排出到大氣。
在這里所描述的系統(tǒng)的實(shí)施例中，操作塔28通過多個螺栓固定到凸緣30。該凸緣30通過第一段排氣管35連接于氦容器12的內(nèi)部，該第一段排氣管35提供了電引線(未示出)外部入口并用于維修目的。第二段排氣管34連接在磁體出口/操作塔28和爆裂盤組件36之間，爆裂盤組件36通往通過排出管41被連接到外界大氣40的排氣組件38。該爆裂盤組件36在超導(dǎo)磁體10的正常操作期間在排氣管34和排氣組件38之間提供一屏障。排氣管35具有相對大的直徑，例如大約是3英寸，排氣管34段具有甚至更大的直徑。
在超導(dǎo)磁體組件10的超導(dǎo)操作的不希望的斷開或中斷(quenching ordiscontinueance)期間，多至1800升的液態(tài)氦可以在少至20秒的時間內(nèi)汽化。這會產(chǎn)生極大的壓力，該壓力必須被排出到容放超導(dǎo)磁體組件10的建筑物外面的大氣40，從而防止對超導(dǎo)磁體組件10的損壞。氦氣21迅速向大氣40的排放因爆裂盤的存在而成為可能。該爆裂盤被設(shè)計成在超過正常超導(dǎo)磁體操作期間產(chǎn)生的壓力的預(yù)定壓力下破裂。
正如圖1中所示，該爆裂盤被夾設(shè)在O形環(huán)面密封(磁體側(cè))和特富龍密封墊(排氣側(cè))之間，所述O形環(huán)面密封和特富龍密封墊用來在正常操作期間適當(dāng)?shù)孛芊獗驯P以防止氦氣21的泄露。圍繞爆裂盤圓周的螺栓49被用來緊固爆裂盤，盡管其它手段也可以用來緊固爆裂盤。
不幸地是，且正如上所述，雖然爆裂盤提供保護(hù)來防止由于液態(tài)氦18汽化導(dǎo)致的極大壓力增加造成的對超導(dǎo)磁體組件10的破壞，但它無法防止磁體凍結(jié)。當(dāng)爆裂盤已經(jīng)破裂、液態(tài)氦18已經(jīng)汽化并且氦容器12中的壓力已經(jīng)與大氣40的壓力均衡時，發(fā)生磁體凍結(jié)。于是氦容器12通向外界大氣40，且因其極度冷的狀態(tài)，而用作一個抽氣泵，抽入空氣直至該爆裂盤可以被替換。當(dāng)與液態(tài)氦容器12中的超冷表面接觸時，該空氣凝結(jié)。
參考圖2和圖3，本發(fā)明提供了一種零回流排氣組件(zero backflow ventassembly)，總體由附圖標(biāo)記10指示，通常包括閥座110、閥面120、活塞組件130、彈簧140和負(fù)載調(diào)整螺釘150。在現(xiàn)場，該零回流排氣系統(tǒng)被設(shè)置在排氣組件38中，稍處于爆裂盤的下游，即處于爆裂盤的大氣側(cè)40。
在操作中，該零回流排氣系統(tǒng)100在繼磁體斷開(magnet quench)之后，在壓力平衡后通過關(guān)閉排氣組件38而簡單地防止空氣回流進(jìn)入液態(tài)氦容器12。在磁體斷開過程中，爆裂盤后面的壓力會增加到該爆裂盤被破裂的程度。在這個程度，閥面120上的壓力會很高，以便克服由負(fù)載彈簧140所施加的力且氦氣21會被允許排出。在某一時刻，液態(tài)氦容器12中的壓力會減小，并且因此作用在閥面120上的力會同樣減小而閥門彈簧140會克服作用在閥面120上的力。該閥門彈簧140于是會將閥面120回復(fù)到關(guān)閉位置，從而防止空氣進(jìn)入液態(tài)氦容器12并凝結(jié)。
本發(fā)明的零回流排氣系統(tǒng)100于爆裂盤的大氣側(cè)40設(shè)置在排氣組件38內(nèi)。本發(fā)明的排氣組件38與先前排氣組件的在不同于，彈簧凹進(jìn)區(qū)域160與爆裂盤相對設(shè)置，但是位于排氣組件38內(nèi)。排氣豎管(vent stack)41于是保持相同，而僅只增加了零回流排氣組件100。通常，排氣組件38會被設(shè)計成在爆裂盤的大氣側(cè)40具有閥座110。該閥座110便利地為閥面120提供了一密封座靠點(diǎn)。該閥面120抵靠閥座110，并且成為曝露于氦氣21壓力增加以及破裂的爆裂盤殘余物的對象。
在閥面120后面的是封閉在活塞組件130中的負(fù)載彈簧140。該負(fù)載彈簧140設(shè)計用來提供足夠的彈力以在液態(tài)氦容器12中的壓力已經(jīng)回復(fù)到安全水平時將閥面120推回到閥座110上。該閥面120于是防止空氣從大氣進(jìn)入到液態(tài)氦容器12并且凝固。該負(fù)載彈簧140也進(jìn)行校準(zhǔn)，使得在液態(tài)氦容器12中的壓力上升的情況下，將再次打開以允許液態(tài)氦18汽化。
為了防止爆裂盤的碎片纏結(jié)在負(fù)載彈簧140中，負(fù)載彈簧140被包罩在活塞組件130中。通常，該彈簧140被壓縮在閥面121的后面和彈簧背板141之間。在周向上，所述彈簧140由活塞組件130所包罩。負(fù)載彈簧140的一部分和彈簧背板141被容納在彈簧凹進(jìn)區(qū)域160中。負(fù)載彈簧140的長度以及從而由其施加的力可利用負(fù)載調(diào)整螺釘150進(jìn)行調(diào)整。該負(fù)載調(diào)整螺釘150在處于彈簧凹進(jìn)區(qū)域160中的螺紋孔161中旋轉(zhuǎn)，允許磁體工程師通過進(jìn)一步旋緊負(fù)載調(diào)整螺釘150或旋松該螺釘來調(diào)整彈簧140的長度/力，從而允許使用者確保該閥面120總是牢靠地座靠于閥座110。
總之，本發(fā)明提供了一種零回流排氣組件，用于低溫箱壓力釋放排氣系統(tǒng)110，該系統(tǒng)用于具有裝接于低溫箱并連接到排氣通道41的冷卻劑氣體通道的冷卻劑冷卻的超導(dǎo)磁體10，所述冷卻劑氣體通道裝設(shè)成用以在不希望的壓力增加的情況下將冷卻劑氣體21從低溫箱排放到大氣，包括位于冷卻劑氣體通道內(nèi)中的彈簧凹進(jìn)區(qū)域160；與彈簧凹進(jìn)區(qū)域160相對的、與冷卻劑氣體通道形成一體的閥座；與冷卻劑氣體通道相對的、位于彈簧凹進(jìn)區(qū)域160中的螺紋孔161；旋裝于螺紋孔161中的螺桿150；處于螺桿150端部處彈簧背板141；具有連接到彈簧背板141的第一端和第二端142的彈簧140；以及裝接于彈簧第二端142的閥面120。本發(fā)明的彈簧140可交替地在不希望的壓力增加的情況下允許閥面120移向排氣管，并且在低溫箱中的壓力降低到安全水平時抵靠于閥座110密封閥面120。本發(fā)明的彈簧還可以被包罩在活塞組件130中。本發(fā)明還可以確保一種可調(diào)整彈簧140，通過擰緊或擰松螺桿150將彈簧背板141移動使之或是靠近閥面120或是遠(yuǎn)離閥面120。通常，本發(fā)明的零回流排氣系統(tǒng)100被設(shè)置在爆裂盤組件的下游。
因此，已經(jīng)提出了一種用于防止空氣回流到液態(tài)氦容器的改進(jìn)裝置。雖然申請者認(rèn)為他們已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了充分和完整的公開，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會易于明了其他優(yōu)勢和修改。因此，在較寬方面本發(fā)明不限于所公開和所描述的特定細(xì)節(jié)。由此，在不背離由附加的權(quán)利要求和它們等同物所限定的總體發(fā)明概念的精神或范圍而的情況下可以進(jìn)行各種修改。
零部件表10超導(dǎo)磁體系統(tǒng)12氦壓力容器14電磁線圈16電磁線圈18液態(tài)氦20真空容器21氦氣22熱幅射屏蔽24排氣管28操作塔30凸緣32螺栓34排氣管35管36爆裂盤組件38排氣組件40外部大氣41排氣管49螺栓100零回流排氣系統(tǒng)110閥座120閥面121閥面的后部
130活塞組件140負(fù)載彈簧141彈簧背板150負(fù)載調(diào)整螺釘160彈簧凹進(jìn)區(qū)域161螺紋孔
權(quán)利要求
1.一種用于冷卻劑冷卻的超導(dǎo)磁體的零回流排氣組件(100)，所述冷卻劑冷卻的超導(dǎo)磁體具有裝接到氦壓力容器(12)并連接于排氣管的冷卻劑氣體通道，包括于冷卻劑氣體通道中夾設(shè)在氦壓力容器(12)和排氣管(38)之間的閥；所述閥門在氦壓力容器(12)中不希望的壓力增加的情況下打開，而在氦壓力容器(12)內(nèi)的壓力已經(jīng)降到安全水平時關(guān)閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零回流排氣組件，其中，所述閥包括與排氣組件(38)形成一體的閥座(110)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的零回流排氣組件，其中，所述閥門還包括閥面(120)；用于交替地在不希望的壓力增加的情況下允許所述閥面朝向排氣管(38)移動而在氦壓力容器內(nèi)的壓力已經(jīng)降到安全水平時抵靠所述閥座(110)以密封閥面(120)的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的零回流排氣組件，其中，彈簧(140)包括用于交替地在不希望的壓力增加的情況下用于允許所述閥面(120)朝向排氣管(38)移動而在氦壓力容器(12)內(nèi)的壓力已經(jīng)降到安全水平時抵靠閥座(110)密封閥面(120)的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的零回流排氣組件，其中，所述彈簧(140)被包罩在一活塞組件(130)中。
6.一種零回流排氣組件，用于冷卻劑冷卻的超導(dǎo)磁體的壓力釋放排氣系統(tǒng)，所述冷卻劑冷卻的超導(dǎo)磁體具有裝接到低溫箱并連接于排氣管的冷卻劑氣體通道，所述冷卻劑氣體通道裝設(shè)用來在不希望的壓力增加的情況下將冷卻劑氣體從低溫箱排向大氣，包括于冷卻劑氣體通道中夾設(shè)在壓力容器(12)和排氣管(38)之間的彈簧加載的閥；所述閥門在壓力容器中不希望的壓力增加的情況下打開，而在壓力容器內(nèi)的壓力已經(jīng)降到安全水平時關(guān)閉。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的零回流排氣組件，其中，所述彈簧加載閥門還包括與冷卻劑氣體通道(38)形成一體的閥座(110)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的零回流排氣組件，其中，所述閥門還包括閥面(120)，所述閥面(120)在磁體的正常操作期間壓靠在閥座(110)上；所述彈簧交替地在不希望的壓力增加的情況下允許閥面(120)朝向排氣管(38)移動而在壓力容器內(nèi)的壓力已經(jīng)降到安全水平時抵靠閥座(110)密封閥面(120)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的零回流排氣組件，其中，所述彈簧(140)被包罩在一活塞組件(130)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的零回流排氣組件，其中，所述彈簧(140)夾設(shè)在彈簧背板(141)和閥面(121)的背面之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種零回流排氣組件(100)，其防止回流入磁體冷卻劑容器(12)并且因此消除磁體凍結(jié)。通常，本發(fā)明采用在磁體排氣塔(38)中的彈簧加載閥以在磁體斷開事件后防止空氣的流入。所述磁體排氣塔(38)是磁體中液態(tài)氦容器(12)和大氣(40)之間的連接體。通風(fēng)豎管用于將任何冷卻劑排放氣體引導(dǎo)出房間，通常是排放到外界大氣(40)。
文檔編號H01F27/00GK1612270SQ20041008960
公開日2005年5月4日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月28日
發(fā)明者羅伊·A·曼加諾, 凱瑟琳·W·麥吉尼斯, 張利民 申請人:Ge醫(yī)藥系統(tǒng)環(huán)球科技公司