超導(dǎo)磁體冷卻的設(shè)備和方法
【專利說(shuō)明】超導(dǎo)磁體冷卻的設(shè)備和方法
[0001 ]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年3月31日(優(yōu)先權(quán)日為2009年3月31日)提交的中國(guó)專利申請(qǐng)N0.201010157068.2(發(fā)明名稱“超導(dǎo)磁體冷卻的設(shè)備和方法”)的分案申請(qǐng)。
[0002]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)?jiān)谝恍┓矫嫔婕懊Q為“apparatus and method for cooling aSUPERCONDUCTING MAGNETIC ASSEMBLY” ( “用于冷卻超導(dǎo)磁體組件的設(shè)備和方法”)、指定代理人檔案號(hào)為226913-1的共同擁有的序列號(hào)為12/415,357的美國(guó)專利申請(qǐng)，該專利申請(qǐng)與本申請(qǐng)同時(shí)提交，且其整體內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明大致涉及超導(dǎo)磁體的冷卻，且更具體地說(shuō)，涉及超導(dǎo)磁體組件和用于冷卻超導(dǎo)磁體組件的工藝。
【背景技術(shù)】
[0004]各種系統(tǒng)利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)的、均勻的磁場(chǎng)，對(duì)象或者在MRI系統(tǒng)的情況下的病人置于該磁場(chǎng)中。然后，磁梯度線圈和射頻傳送及接收線圈影響對(duì)象的旋磁材料，以激起可用于形成有用的圖像的信號(hào)。使用這種線圈的系統(tǒng)包括MRI系統(tǒng)、波譜學(xué)系統(tǒng)、磁能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)和超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。
[0005]超導(dǎo)磁體典型地包含在低溫恒溫器中，低溫恒溫器包括在操作期間使磁體與環(huán)境隔離的熱屏蔽和真空容器。超導(dǎo)磁體還具有用以支撐線圈繞組的線圈支撐結(jié)構(gòu)，其嵌入在冷物質(zhì)和氦容器中，用于冷卻。氦容器為位于真空容器內(nèi)的壓力容器以進(jìn)行熱隔離，并典型地包含液態(tài)氦，以便為超導(dǎo)磁體提供冷卻，而將維持用于超導(dǎo)操作的大約4.2開的溫度。
[0006]利用超導(dǎo)磁體的所有系統(tǒng)的大量成本在于提供氦冷凍劑。超導(dǎo)磁體的最初啟動(dòng)和操作、以及將磁體保持在池沸騰狀態(tài)均需要氦或者類似的冷凍劑(例如氖)。盡管在熱力學(xué)上是有效率的，但當(dāng)利用于超導(dǎo)磁體組件時(shí)，完整的氦浴需要大約1500升至2000升的較大體積的氦。每單位體積的氦是昂貴的，并非總是容易獲得的，而且其成本在增加。
[0007]因此，一直需要減少超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的制造和操作成本和/或簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明通過(guò)提供超導(dǎo)磁體組件和冷卻超導(dǎo)磁體組件的方法克服前述缺點(diǎn)中的至少一些，其減少用于冷卻超導(dǎo)磁體所需的冷凍劑的量。更具體地，本發(fā)明旨在提供超導(dǎo)磁體組件，其利用脈動(dòng)熱管，并由此簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和組裝，且僅需要非常少量的冷凍劑。
[0009]因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，冷卻超導(dǎo)磁體組件的方法包括將脈動(dòng)熱管與超導(dǎo)磁體組件熱連接和將液態(tài)冷凍劑添加至脈動(dòng)熱管。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，超導(dǎo)磁體組件包括:線圈架;包括繞線圈架纏繞并構(gòu)造成產(chǎn)生磁場(chǎng)的至少一個(gè)超導(dǎo)繞組的至少一個(gè)超導(dǎo)螺管式磁體;和熱連接在至少一個(gè)超導(dǎo)螺管式磁體上的至少一個(gè)兩相熱傳遞裝置。
[0011]在隨后詳細(xì)描述和附圖中，本發(fā)明的各種其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚。
【附圖說(shuō)明】
[0012]附圖圖示了目前構(gòu)想成用于實(shí)施本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例。
[0013]圖1為結(jié)合本發(fā)明的方面的超導(dǎo)磁體組件的示意圖。
[0014]圖2為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的局部剖切的超導(dǎo)磁體組件的透視圖。
[0015]圖3為圖2的超導(dǎo)磁體組件的配管的一部分的頂橫截面視圖。
[0016]圖4為圖2的超導(dǎo)磁體組件的冷凝器區(qū)域的側(cè)橫截面視圖。
[0017]圖5為圖2的超導(dǎo)磁體組件的線圈架的側(cè)橫截面視圖。
[0018]標(biāo)號(hào)列表
10 兩相熱傳遞裝置/脈動(dòng)熱管
20 蒸發(fā)器部分
30 冷凝器部分
32 帶有翅片的熱交換翅片
40 配管
42 彎曲
44 液態(tài)冷凍劑
46 冷凍劑泡
100超導(dǎo)磁體組件
102線圈架。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明的方面已經(jīng)顯示為提供好于以前的冷卻超導(dǎo)磁體的方法的優(yōu)點(diǎn)。在冷卻超導(dǎo)磁體時(shí)，本發(fā)明的設(shè)備和方法不需要機(jī)械移動(dòng)的部件(例如，不需要栗，不需要供給外部壓力的供應(yīng)系統(tǒng)，不需要用于冷凍劑供應(yīng)的制冷“冷箱”，不需要氦的罐供給流等)。所述冷卻方法是與定向無(wú)關(guān)的，其有益于超導(dǎo)磁體組件的設(shè)計(jì)、最終物理體積和占地面積。簡(jiǎn)化了在現(xiàn)有超導(dǎo)磁體幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)的配管的設(shè)計(jì)集成。而且，通過(guò)本發(fā)明的方面中采用的脈動(dòng)熱管提供的脈動(dòng)段塞流，可立即糾正可能產(chǎn)生的任何過(guò)熱點(diǎn)。所述設(shè)計(jì)提供的其它優(yōu)點(diǎn)是不需要昂貴的氦浴冷卻，而且在冷卻(quench)期間不損失任何冷凍劑。所提出的毛細(xì)配管可承受幾百巴的高壓。結(jié)果，不需要氦存儲(chǔ)裝置。沒有氦存儲(chǔ)裝置和其冷凍殼體是主要的簡(jiǎn)化，其原因是，在需要附加的所有安全方面大量減少。而且，由于沒有典型用于標(biāo)準(zhǔn)氦容器的傳統(tǒng)垂直頸部或者穿透性幾何結(jié)構(gòu)，所以磁體的熱負(fù)荷大量降低和減小。公知的是，穿透或進(jìn)入口引起磁體的高溫泄漏。所希望的改進(jìn)設(shè)計(jì)的結(jié)果是能夠增加磁體的可用室溫孔寬度。此外，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了在真空容器中保持氦容器漂浮所需的懸浮系統(tǒng)，并減少了熱泄漏。最終，大大簡(jiǎn)化了超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)。
[0020]參照?qǐng)D1和2，顯示了結(jié)合本發(fā)明的方面的超導(dǎo)磁體組件100的主要構(gòu)件。超導(dǎo)磁體組件100可包括線圈架102(圖2)和繞線圈架102纏繞的超導(dǎo)繞組，從而包括構(gòu)成為產(chǎn)生磁場(chǎng)的超導(dǎo)磁體。兩相熱傳遞裝置(例如脈動(dòng)熱管HO與超導(dǎo)磁體熱連接。脈動(dòng)熱管10設(shè)計(jì)和構(gòu)造成提供超導(dǎo)磁體組件100的充分冷卻。脈動(dòng)熱管10可包括任何現(xiàn)在公知或者以后將開發(fā)出來(lái)的脈動(dòng)熱管系統(tǒng)10。例如，脈動(dòng)熱管10可包括配管40、冷凝器部分30和蒸發(fā)器部分20。
[0021]超導(dǎo)磁體組件100可包括卷繞在一個(gè)或者若干磁體架凹處的螺管。磁體架或者線圈架可由任何適當(dāng)材料制成，諸如玻璃纖維增強(qiáng)塑料、合成材料、金屬(例如鋼、招、鎂等)、陶瓷或其組合。
[0022]通過(guò)先將磁體冷卻至接近熱屏蔽溫度，對(duì)脈動(dòng)熱管10(例如配管40)部分地填充液態(tài)冷凍劑。然后對(duì)配管40裝填室溫下的高壓氣體。磁體低溫冷卻器對(duì)流地液化進(jìn)入配管40的氣體，由此顯著降低配管40內(nèi)的氣體壓力，并產(chǎn)生冷凍劑液滴。為了使配管40和其它系統(tǒng)構(gòu)件用作脈動(dòng)熱管10，少于配管40全部體積的體積被填充冷凍劑。因此，盡管配管40體積的一部分填充有液態(tài)冷凍劑44，但是其余部分中仍具有蒸汽冷凍劑(例如冷凍劑泡46)。液態(tài)冷凍劑可包括氦4、氦3、氫、氖、氮、氧、氬、氪及其組合中的一種。在其它實(shí)施例中，依據(jù)用于磁體的超導(dǎo)體類型，可使用其它適當(dāng)?shù)睦鋬鰟?。已?jīng)發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)熱管10的配管40部分內(nèi)的液態(tài)冷凍劑44和蒸汽冷凍劑46的各種混合對(duì)于消散由超導(dǎo)磁體組件100產(chǎn)生的熱是有效的。例如，在某些實(shí)施例中，液態(tài)冷凍劑對(duì)配管40的總體積的比率可在約10%至約90%的范圍內(nèi)。類似地，在其它實(shí)施例中，液態(tài)冷凍劑對(duì)配管40的總體積的比率可在約30%至約70%的范圍內(nèi)。配管40的總體積的剩余部分(即未填充液態(tài)冷凍劑的部分)填充有蒸汽冷凍劑(例如冷凍劑泡46)。因此，蒸汽冷凍劑可填充配管40的總體積的百分比在約90%至約10%的范圍內(nèi)。在其它實(shí)施例中，蒸汽冷凍劑對(duì)配管40的總體積的比率可在約70%至約30%的范圍內(nèi)。以該方式，液態(tài)冷凍劑和蒸汽冷凍劑的混合能夠冷卻超導(dǎo)磁體組件100。
[0023]可使用各種構(gòu)造的冷凝器部分30。冷凝器部分30可為交叉流式熱交換器，如在圖2中所描繪的那樣，其上具有帶有翅片的熱交換翅片32。熱交換器可由銅或者其它適當(dāng)材料制成。在冷凝器部分30和配管40之間可存在直接的熱接觸。圖4顯示了閉環(huán)脈動(dòng)熱管10和其上具有翅片32的冷凝器30之間的接合處的細(xì)節(jié)視圖。顯然，對(duì)于冷凝器部分30，可利用其它的幾何結(jié)構(gòu)和定向，以充分地提供對(duì)超導(dǎo)磁體組件100的冷卻。
[0024]類似地，可使用各種構(gòu)造的蒸發(fā)器部分20。如圖2所示，蒸發(fā)器部分20可僅需要簡(jiǎn)單的環(huán)氧樹脂線圈架。結(jié)果，不需要使用在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)中使用的填充物來(lái)增加架的熱傳導(dǎo)性。盡管在過(guò)去的30年內(nèi)在發(fā)展環(huán)氧樹脂材料、合成物等上付出了相當(dāng)大的努力，但對(duì)于高熱傳導(dǎo)性填充物，在增加線圈架的熱傳播性能上僅獲得了有限的成功。最近，熱沉材料可嵌入磁體架。盡管所有的這些方法增加系統(tǒng)的成本，但更加重要的是，它們?cè)黾釉诖朋w架上感應(yīng)出應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。磁體架可能破裂，且裂紋在磁體迅速冷卻下來(lái)或者升溫后可能進(jìn)一步傳播。由于環(huán)氧樹脂破裂而導(dǎo)致超導(dǎo)磁體失效不是沒有出現(xiàn)過(guò)。在本發(fā)明的方面下，避免了對(duì)于任何熱傳播機(jī)構(gòu)的需要。
[0025]盡管在圖1和2中配管40顯示為分隔的蛇形、封閉的系統(tǒng)圖案，但是在本發(fā)明的實(shí)施例中配管40可以以多種構(gòu)造布置。配管40可布置成閉環(huán)或者開