用于无致冷剂mri磁体的高效热交换器的制造方法
【专利摘要】一种热交换器（5），其包括导热圆柱形容器（40），至少一根导热管道（30），冷却柱（90），以及致冷剂冷头（100）。所述冷却柱和冷头冷凝气态氦至液态氦，以维持液态氦储存在所述导热圆柱形容器（40）中。所述至少一根导热管道（30）圆周地缠绕所述容器（40），并延伸至至少一个超导磁体绕组热交换器（20），并且返回。所述管道形成选定环路，所述环路以在室温下的约104bar（1500PSI）之上到在低温下的约0.75bar的压强保持气态氦。
【专利说明】用于无致冷剂MRI磁体的高效热交换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及超导磁体的冷却，并且特别地涉及热交换器及其类似物。
【背景技术】
[0002]磁共振(MR)扫描仪使用超导磁体，所述超导磁体被冷却至超导温度，举例来说低于5.2° Kelvin0传统地，液态氦因其热特性而被用于冷却超导磁体。然而，液态氦是昂贵的。世界上的许多地方并不具有液态氦或液态氦替代品的稳定供应。
[0003]通常超导磁体被浸置在液态氦中，所述液态氦随着其冷却磁体而从液体转变为气体。然后，在再次循环回所述磁体前，所述气体利用致冷器或热交换器再冷凝和/或冷却至液体状态。使用液态氦之外的其他选择是需要有效的热交换方法来保持冷却剂并且再保持所述磁体在临界温度以下。物理空间也对冷却设备的尺寸和布置施加了限制。
[0004]在系统的启动中还存在操作性的复杂性。21°C的室温大约是294° K，尽管超导磁体的正常操作温度通常是4.8° K以下。采用的任何装置或方法都必须适应所述系统从正常室温降低至超导温度的启动。温度的这种变化会涉及压力的变化。磁体失超(magnetquench)促使磁体温度升高70° K以上。在失超或其他导致温度升高的过程期间，在所述系统能够被再冷却之前，随着冷却剂因温度的升高而膨胀，昂贵的冷却剂会损失。逸出的氦能够替换磁体室中的氧，从而引发对临近所述磁体的人员的潜在健康风险。
【发明内容】
[0005]本申请提供了一种用于无致冷剂MR磁体的新的且提高效率的热交换器，所述热交换器克服了上文所提及的问题及其他问题。
[0006]根据一个方面，热交换器包括导热圆柱形容器，至少一根导热管道，冷却柱，以及致冷剂冷头(cryogen coldhead)。所述导热圆柱形容器包含氦。所述至少一根导热管道30圆周地盘绕在所述容器周围，以封闭环路的形式连接至至少一个超导磁体绕组热交换器，并且包含气态氦。所述冷却柱连接至所述导热圆柱形容器，以从那里接收氦气并向那里供应液态氦。所述致冷剂冷头被安装至所述冷却柱并将在所述冷却柱中的氦气冷凝为冷的液
。
[0007]根据另一方面，冷却超导磁体的方法使气态氦在导热管道的封闭环路中循环，其通过热虹吸作用而循环。热量从所述超导磁体传递至在导热管道的所述封闭环路的下部部分中的循环的气态氦。热量通过系统热交换器从在导热管道的所述封闭环路的上部部分中的循环的气态氦传递至液态氦。气态氦使用致冷剂冷头从冷却柱中的所述系统热交换器处再冷凝，并将冷凝的氦返回至所述系统热交换器。
[0008]一个优点是被循环至所述MR磁体且位于所述绕组热交换器和系统热交换器之间的氦处于单一气相。
[0009]另一个优点是循环至所述MR磁体的氦处于封闭系统中，这将防止在启动或失超期间的损失。[0010]另一个优点是所述系统在室温下保持处于高压的氦。
[0011]另一个优点是所述系统在所有冷却模式:冷却、失超和正常操作期间完全是被动地，不需要外部干涉。
[0012]另一个优点是所述系统具有低流动摩擦损耗，这容易通过不透气地密封的接头制造。
[0013]另一个优点是所述热交换器适应从室温开始的简单启动程序。
[0014]另一个优点是所述热交换器不具有可移动部分。
[0015]另一个优点是所述热交换器紧凑且非常高效地传递热量。
[0016]另一个优点是所述系统具有大的热传递面积，带有位于高传导性元件上的缠绕管。
[0017]本发明更进一步的优点对于那些在本领域具有普通技术的人员而言，在阅读并理解了下文详细的说明书之后将被领会。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]本发明可采用各种构件和构件的布置的形式，以及采用各种步骤和步骤的布置的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，并且不应被解释为对本发明的限制。
[0019]图1是在磁体系统中热交换器的一个实施例的示意图；
[0020]图2是热交换器的一个实施例的透视图；
[0021]图3是使用散热板的热交换器套筒的一个实施例的透视图；以及
[0022]图4是图示系统操作的流程图。
【具体实施方式】
[0023]参考图1，系统中的热交换器5的一个实施例被示出。磁体绕组10在操作期间生成热量。所述热量通过热虹吸作用回路(thermosiphon circuit)中的高效绕组热交换器20有效地从所述磁体绕组10处离开而被传递至循环的氦蒸汽。所述氦蒸汽在管道30中于所述绕组热交换器20和系统热交换器5之间循环。管道30是不透气地密封的封闭环路系统。在所述环路的一个端部，有利地是下端，所述管道和所述气态氦通过绕组热交换器20从磁体10处吸收热量。在所述环路的另一个端部，有利地是上端，所述气态氦通过系统热交换器5损失热量至包含于其中的液态氦。管道30盘绕着热交换器5的导热套筒或容器40。在图示的实施例中，稠密的冷氦气利用重力从系统热交换器流动至绕组热交换器，在所述绕组热交换器处所述气体被加热。较不稠密的温暖气体上升至所述系统热交换器，在所述系统热交换器处，所述气体被冷却。
[0024]与缠绕的管道30相接触的导热容器40提供了足够的表面积用以从温暖的循环氦蒸汽处传递热量至所述容器40内的液态氦。所述传递将所述氦蒸汽冷却以再循环至所述绕组构件并冷却所述绕组构件。随着氦在所述容器40内部变暖，所述氦上升到隔膜或隔板60的上方。所述隔板60分隔套筒或圆柱形容器40。套筒或容器40的上部部分被连接至流出部70，并且下部部分被连接至流入部80。随着氦在容器40中变暖，氦上升并流出所述流出部进入冷却柱90。在一个实施例中，冷却柱包括第一级冷头、湿袋(wetsock),以及第二级冷头。随着所述温暖的氦气上升到冷却柱90中，氦气遇到致冷剂冷头100、湿袋，或者冷却所述氦的其它级冷头。随着氦的变冷，其冷凝为冷的稠密液体。所述冷的稠密液体下沉至所述柱的底部。所述冷的稠密液体利用重力流出所述冷却柱90的底部并回到所述容器40的所述流入部80。所述冷的液态氦围绕所述套筒或容器40的底部流动并开始再次从在所述管道30中循环的所述氦蒸汽处吸收热量的过程。所述冷头100将冷却液态氦至大约 4.2° K。
[0025]氦蒸汽在压力下被封闭在所述管道30中。在所述实施例中，处于临界温度的氦气施加0.75-0.83bar (11-12PSI)的压强，而相同体积的在室温下的氦施加68_105bar(1000-1500PSI)的压强。在热传递上具有高热效率的管道30还在室温下保持压力为68-102个大气压的氦，这样使得当冷却至4.5° K时，氦气通过虹吸作用在.75- 83bar的压强下流动。氦蒸汽在所述管道中，围绕着未限定的系统热交换器50的容器40，流动至磁体绕组热交换器20的底部，并且返回所述磁体构件20。随着氦的冷却，所述氦收缩并产生虹吸作用。不涉及移动部分。最小的温差被需要。一旦氦蒸汽被置于所述管道30中，为了MR磁体的有用寿命，管道30被不透气地密封。提供压力下的强度和有效热传递的不锈钢是被用于所述管道30的实例材料。在系统热交换器、绕组热交换器和用于简化制造的连接管道中，管道能够是整体的或能够作为分开的部分开始。
[0026]容器或套筒40包含同时是气态的和液态的氦。在初始启动期间，磁体组件能够通过氮冷却系统(未示出)被初始地冷却至大约70° K。冷头100通过冷却柱90被不透气地密封。冷却柱90和容器30初始地仅包含气态氦。随着冷头100冷却所述气态氦，所述氦收缩，且更多的氦从氦膨胀罐130被引入到系统内。随着氦冷却且变得稠密，氦下沉至冷却柱90的底部并流入容器40的流入部80内并进入容器40的底部。一旦较冷较稠密的氦进入容器40，那么氦将容器40冷却并开始冷却管道30中的蒸汽。随着氦冷却热交换器5，氦吸收热量，膨胀并上升至容器40的顶部。一旦较温暖的较不稠密的氦上升至容器40的顶部，那么氦流出流出部70并返回冷却柱90。一旦在冷却柱90中，氦上升并遇到致冷剂冷头100并重新开始所述程序。随着氦在容器40、冷却柱90和冷头100之间的重复循环，氦在所述柱的下部部分和系统热交换器5中最终成为液态。当磁体构件20的温度继而降低至临界温度以下时，所述磁体能够被操作。
[0027]在失超之后用于重启系统的程序是类似的。在失超期间，磁体的操作温度上升，举例来说高于70° K。氦气在绕组热交换器中的加热使热虹吸作用中断，从而减慢了热量到系统热交换器的传递。系统必须在重启操作之前被重新冷却。当温度开始上升，且氦在容器40和冷却柱90中膨胀时，氦传送至膨胀罐130，从而防止损失。随着系统被重启且温度开始下降，氦被从膨胀罐130传送回并进入冷却柱90内。简单而有序的冷却过程在启动期间和当重启发生时被保持。
[0028]参考图2，热交换器5的实施例被示出，其具有冷却各种磁体构件的管道30的九个闭环。六个环来冷却磁体绕组10，两个环来冷却结构构件，以及一个环冷却电子设备和其他磁体构件。为了达到用于热传递的表面积，每个管道30从顶部连接器110至底部连接器120缠绕着容器40约2.75次。管道30与容器40热连接，例如通过铜焊。顶部管道绕组连接器110接收较温暖的气态氦的流入。导热容器或套筒40由导热材料，诸如不锈钢或铜，制成。在围绕容器40的适当数量的圈数以冷却气态氦之后，管道30在下部连接器120处与容器脱离接触，在图示实施例中下部连接器比开始点110低或大约是3点钟的方向。[0029]参考图3，具有冷却板200的系统热交换器5的另一个实施例被示出。导热板200利用导热结合而被附接至容器40。例如导热焊接，诸如铜焊被使用。圆形板200从容器40的外部与所述容器40的轴相垂直地延伸出来。管道30通过导热结合被固定例如铜焊至所述板200。为了达到更多用于热传递的表面积，管道30同心地螺旋地缠绕在所述板200上。管道能够首先被铜焊或软焊至所述板，而组件能够被铜焊至所述容器，或者反之亦然。温暖流入连接器110位于最外部边缘处且以更小的线圈围绕所述容器40前伸，其中最小的线圈最接近于所述容器的表面。管道30的冷回流管120在偏离围绕所述容器40的管道的线圈的平面中离开。在图示的实施例中，对于管道30的每个冷却回路具有一个板200。所述板200由高效热材料，诸如铜或不锈钢，制成。歧管(manifold)150能被用于平衡管道回路30之间的压力。
[0030]冷却柱90被直接固定至套筒，从而消除了用于单独流入及流出的管子。冷却柱90位于套筒或容器40的中心。四个管道30回路(图1)围绕着容器位于所述冷却柱90与所述容器40相结合的一侧，并且五个位于另一侧。安装支架210被用于安装热交换器50至相关联的结构。
[0031]另一个实施例配置了处于垂直位置的容器40。当容器处于垂直位置时，板200被水平地安装，且没有隔板被使用。
[0032]热交换器的效率由净热交换单元(NTU)的数量决定，并且NTU=h A/MC，其中h是传热系数，A是管道内的传热面积，M是归因于虹吸作用的质量流量，并且C是氦蒸汽的热容。A是管道的长度和直径的函数。导热材料，例如不锈钢、铜、铝等都被预期。这些热交换器实施例在紧凑的空间中实现高NTU。
[0033]参考图4，流程图示出了冷却MR磁体的方法。以室温300开始，所述磁体通过氮气或其它冷却系统冷却至大约70° K，如US61/290，270 (W0/2011/080630)中所描述的那样。致冷剂冷头310冷却在冷却柱中的氦。氦随着其冷却而冷凝且更多的氦被加入320到冷却柱中。随着氦的冷凝，其流入容器40内。热量从导热管道30中的氦气传送至容器40的腔室中的较冷的氦。管道中的氦随着热量被传递而收缩并导致管道30中的循环开始。随着循环的继续，较冷的氦到达磁体的绕组热交换器。随着较冷的氦气围绕磁体循环，热量从磁体绕组通过绕组热交换器被传递至氦气340。冷却磁体的过程持续进行直到磁体的温度下降至临界温度以下。
[0034]一旦磁体下降至临界温度以下，磁体就作为超导磁体360被操作。氦继续通过热虹吸作用在管道中循环370。热量从磁体绕组处传递380至气态氦。气态氦通过系统热交换器传递390热量至液态氦。液态氦变暖至气体状态并在容器中上升且流入冷却柱内。致冷剂冷头冷却并再冷凝氦至液体状态400。液态氦在冷却柱中下降并流入发生重复循环的容器腔室内。
[0035]在失超410期间，磁体的急剧温度升高促使至循环的氦热传递提高。循环氦又将传递热量至液态氦420。随着温度的急剧升高，在冷却柱中的氦将膨胀。系统将膨胀的氦从系统热交换器的冷却柱移动430至膨胀罐内，以防止损失。再冷却磁体至超导电性的过程与用于系统启动300的过程相同。本发明已经参考优选实施例进行了描述。在其他人阅读和理解了之前的详细描述时，修改和改造会发生。本发明意图被构造成为包括落入在所附权利要求或其等价物的范围内的所有这些修改和改造。
【权利要求】
1.一种热交换器(5),包括: 导热圆柱形容器(40)，所述导热圆柱形容器包含氦； 至少一根导热管道(30)，所述导热管道圆周地盘绕在所述导热圆柱形容器(40)周围，并以封闭环路的形式连接至至少一个超导绕组热交换器(20)，且包含气态氦； 冷却柱(90)，所述冷却柱连接至所述导热圆柱形容器(40)，以从所述导热圆柱形容器接收氦气并将液态氦供应至所述导热圆柱形容器； 致冷剂冷头(100)，所述致冷剂冷头被安装至所述冷却柱，所述致冷剂冷头将所述冷却柱(90)中的氦气冷凝为冷的液态氦。
2.根据权利要求1所述的热交换器(5)，其特征在于所述热交换器还包括: 多个导热管道环路(30)，所述导热管道环路圆周地盘绕在所述导热圆柱形容器周围，以从与操作超导磁体(10)相关联的构件处传递热量。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于所述热交换器还包括: 膨胀罐(130)，所述膨胀罐连接至所述致冷剂冷头(100)，所述膨胀罐将氦供应至所述致冷剂冷头并从所述致冷剂冷头处接收氦。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于所述导热圆柱形容器(40)还包括: 隔板(60)，所述隔板水平布置在所述导热圆柱形容器(40)中，以将所述导热圆柱形容器分为从所述冷却柱(90)接收液态氦的下部部分和将气态氦供应至所述冷却柱(90)的上部部分。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于所述导热管道(30)包括不锈钢、铜和铝中的至少一种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于所述导热管道(30)被密封以将氦保持在4.5° K至295° K。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于所述导热管道(30)被构造成能够抵抗高达至少102个大气压的内部压力。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于所述导热管道(30)形成热虹吸，所述热虹吸在不使用移动部件的情况下利用热梯度来使气态氦循环。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于所述导热圆柱形容器(40)被定向为具有水平延伸的纵向轴线。
10.根据权利要求9所述的热交换器(5)，其特征在于所述热交换器还包括: 从所述冷却柱至所述导热圆柱形容器(40)的流入部(80)，所述流入部布置在所述导热圆柱形容器(40)的下端处；以及从所述导热圆柱形容器起的流出部(90)，所述流出部布置在所述导热圆柱形容器的上端处以将气态氦供应至所述冷却柱(90)。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于氦在不使用移动部件的情况下利用热梯度和/或重力而在所述导热圆柱形容器(40)和所述冷却柱(90)之间流动。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于所述气态氦进入所述导热管道(30)的缠绕在所述导热圆柱形容器(40)周围的一部分的位置比所述气态氦离开所述导热管道(30)的缠绕在所述导热圆柱形容器(40)周围的所述部分的位置高。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于所述热交换器进一步包括: 多个导热板(200)，每一个导热板都热连接至所述导热圆柱形容器(40)的外部，从所述导热圆柱形容器(40)处延伸，并且每一个都沿着所述导热圆柱形容器(40)的长度以一定间隔隔开，所述导热管道与所述导热板热连通地盘绕在所述导热圆柱形容器周围。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于所述导热管道(30)是不锈钢管道且所述气态氦永久地密封在所述导热管道中。
15.根据权利要求2-14中任一项所述的热交换器(5)，其特征在于所述热交换器进一步包括: 歧管(150)，所述歧管将冷却连接至环路，以在它们之间提供压力平衡。
16.—种磁共振磁体系统,包括: 超导磁共振磁体(10)； 根据权利要求1-15中任一项所述的热交换器。
17.—种冷却超导磁体(10)的方法,包括: 使在导热管道(30)的封闭环路中的气态氦循环(370)，这通过热虹吸作用来进行循环； 将热量从所述超导磁体(10)传递(380)至在所述导热管道的封闭环路的下部部分中的循环的气态氦； 经由系统热交换器(5)将热量从在所述导热管道的封闭环路的上部部分中的循环的气态氦传递(390)至液态氦； 将来自所述系统热交换器的气态氦再冷凝(400)并将冷凝的氦返回至所述系统热交换器(5)。
18.根据权利要求17所述的冷却超导磁体(10)的方法，其特征在于所述方法进一步包括: 在室温下启动(300)，其中气态氦在65-105bar下被密封在所述导热管道的封闭环路中； 利用致冷剂冷头(100 )来冷却(310 )包含在所述系统热交换器的冷却柱(90 )中的气态氦； 随着所述冷却柱中的压力下降，从膨胀罐(130)添加(320)更多的氦并促使处于液体状态的氦形成在所述系统热交换器中； 将热量从密封在所述导热管道的封闭环路中的气态氦传递(330 )至在所述系统热交换器中的液态氦； 将热量从所述超导磁体传递(340 )至在所述导热管道中的气态氦。
19.根据权利要求17和18中任一项所述的冷却超导磁体(10)的方法，其特征在于所述方法进一步包括: 当气态氦的压强达到约0.65 - 1.4bar (11-20PSI)时，启动(360)所述超导磁体。
20.根据权利要求18和19中任一项所述的冷却超导磁体的方法，其特征在于所述方法进一步包括:在失超(410)期 间，被密封在所述导热管道中的气态氦的压力和温度升高(420)；将所述系统热交换器中的氦移动到膨胀罐中。
【文档编号】F25B25/00GK103842746SQ201280048682
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年9月26日 优先权日:2011年9月28日
【发明者】R·A·阿克曼, P·门特乌尔, M·达尔 申请人:皇家飞利浦有限公司