专利名称：用于冷却的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于例如超导磁体的低温冷却结构的方法及装置。典型
地，Mil将这种结构至少部分地浸没在液体冷却齐U槽中来冷却。对于超导结构，
例如用于MRI (核磁共振成像)或NMR (核磁共振)扫描器等的超导磁体线 圈，使用的液体7賴卩齐提液氦。典型的冷却剂槽以1000升数量级的容量容纳 液体^4口剂。
背景技术：
在制造的最后阶段，低温^4口的超导磁体经受训练周肌艮P，电流反复逐 渐升高直到磁体保持电流不失超。因为在这些训练周期内可能发生一个或多个 失超事件，所以会消耗大量的液体冷却剂。
词语"逐渐升高"指的是将电流逐渐导入超导磁体。 一旦逐渐升高到达满 电流，产生满磁场，那么超导磁体将会保持这种状态直到"逐渐降低"，即电 流从磁体中移除并且产生的磁场降到零。
由于液氦不断增加的成本和全球性的短缺，就需要减少在将超导磁体冷却 到低i^刑顿的和在训练周期中损失的液氦的量，以及储存在冷却齐i赠中的氦 的量。许多专利提出用隔离件来减少所需氦的容量，或提出各种类型的热连接， 用于通过降低液面的氦来冷却磁体的超导部分(例如EP1522867)，以避免必 需浸没在冷却剂槽中。在某些例子中，较少量的氦在冷却回路中循环部分充 满液氦并且与被冷却的设备热连接的热导管，与被安排来将氦保持在液体状态 的低温制冷机连接(WO9508743)。
所有这些方案需要额外的昂贵部件。这增加了出故障的风险，例如冷却管 的泄漏。万一失超，它们就是潜在的危险。例如，隔离件限制了气流通路，或 因为冷却回路不能足够快地转移失超能量而导致线圈过热。由于能储存在磁体 中的氦的最大量减少了，因此就需要特殊的方案来保持在运送过程中磁体冷 却，例如copending S^王国的专利申请GB0515936.3所描述的带冷冻氮的容 器。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供用于冷却物品的方法及装置，例如冷却超导 磁体线圈，避免必需浸没在液体7賴卩齐赠中。
进一步地，本发明的目的在于提供用于冷去卩物品的方法及装置，例如冷却 超导磁体线圈，避免必需设置冷却回路装置，使得能够使用具有大大减少的冷 却剂储量的传统冷却剂容器。
因此，本发明提供了如所附的权禾腰求所限定的装置。
理解下面对结合附图的若干实施例的描述之后，本发明的上述和进一步的 目的、优点和特征将而变得更加显而易见，其中-
图1表示螺线管线圈低温直温器的例子，其用于容纳螺线管磁体线圈，该 线圈按照本发明被7衬卩。
具体实施例方式
本发明不是提出将被冷却的设备浸没在液体冷却齐赠中，或通过热导管循 环冷却剂，而是提出利用冷却的气体冷却剂，其在冷却剂容器内、环绕被冷却 的设备自由地循环。
在本发明的某些实施例中，环绕被冷却设备的气体冷却齐U循环舰强制通 风产生，例如通过风扇。在其他实施例中，气体循环由环绕回路通道的自然热 对流产生。已经发现这种实施例特别适合于冷却不对称设计的磁体。这种配置 通常包括制冷机和/或加热器，其不对称地设置以产生充分的对流流动。在这禾中 实施例中4顿氦气作为气体冷却齐鹏另陏益，因为氦的密度会随着温度而发生 很大的变化。
当本发明保持在带有不对称设置的制冷机的传统7轴卩剂容器内，该制冷机
包含气氦冷却剂而不是液氦时，ffiil成功J&M渐升高商用超导NMR磁体到满 磁场并逐渐降低到 场，已经逸验验证了本发明的运行。
—些已知的低温^4卩系统设置有帮令凝制冷机。液体^4卩剂通过气化来冷 却被y賴啲设备，从被冷去啲设备中带走蒸发所需的潜热，保持其^it为液体 ^4口齐啲沸点。再冷凝制冷机用于除去这些来自气化冷却剂的潜热，使它回到 液态，以使系统中冷却剂的总蒸发是零，或实际上是零。液体冷却剂与气体冷 却剂热平衡。这种零蒸发系统是最适于被改进的，以通过本发明提出的气体循
环冷却进行冷却，因为除了用于再冷凝气化冷却剂的再冷;疑制冷机，它们通常 还具有用于蒸发剩綠的加热器。力卩热器用于抵消氦可能出现的过冷却。如果 再冷凝制冷机太有效了，那么冷却剂可能被冷却到几乎没有蒸发发生，被冷却 的设备上部不再被气化冷却剂冷却，被冷却设备的下部可能达到比上部更低的 温度。通过在被冷却设备的相对侧不对称地设置制冷机和加热器，可以产生充 足的对流气流，以保持设备处于超导状态。
图1表示根据本发明实施例、M制冷机和加热器产生对流气流的例子。
在例子中，示出了环形圆柱体7賴卩剂容器10，其是通常用于安置MRI或NMR 扫描器的螺线管线圈超导磁体的那类容器。容器10充满气体冷却剂，例如氦、 氮、氩、氢或氖。正如通常在零蒸发低温恒温器中那样，设置有再冷凝制冷机 12。该制冷机具有暴露在冷却剂容器10内部的再冷凝表面。再冷凝制冷机优 选不对称地布置在容器一侧的弧形壁上。在所示的实施例中，加热器14设置 在冷却剂容器中，并且位于适合于在气体冷却剂中建立热对流流动16的位置。 加热器14的适当位置是正好相反地与再冷凝制冷机相对，如图1所示。
尽管不是必需的，雌地，加热器和制冷机应该布置在中心线AA的相对 侧上，并且制冷机在竖直方向上应当比加热器位置更高，因为这有助于建立对 流流动。在使用中，对本领域技术人员显而易见的是，制冷机12冷却冷却剂 气体。冷却气体的密度将增加，在氦的例子中非常明显，并且冷却气爛每倾向 于沿循环16的方向下降离开制冷机。另一方面，加热器14将加热7賴卩剂使其 膨胀，在氦的例子中非常明显。这将导致y賴卩剂气体沿循环16的方向上升。
气体的循环16 ilil制冷机12和加热器14的定位和运行来建立，根据本 发明，该循环导致气体在7賴卩剂容器内、环绕任何可以被设置在容器内的被冷 却设备自由地流动，例如用于MRI或NMR成像系统的螺线管线圈超导磁体。 一定要确保制冷机12的冷却能力不被提供给系统的总热M过，该总热量包 括被冷却设备产生的热量、从外部流入的热量和加热器14的热输出。
实际上，少量液体冷却齐呵以留在容器中，与气体冷却剂热平衡，以确保 总是存在足够的冷却齐忾体供应。这些液体冷却剂可以舰制冷机的再冷凝效 应产生或保持。
因此，根据本发明的冷却配置需要极少的y賴卩剂，并可以配置成产生零蒸 发和轻重量的系统。禾拥根据本发明的i顿对流或强制气体循环的、具有较低
或零液面的液体冷却齐啲7賴P具有如下优点。训练周期的成本降低，因为在每 次失超中液体冷却齐啲损失量大幅降低。失超消耗主要包括由失超产生的液体
^4卩剂损失的材料消耗，加上一旦失超结束、用来将被^4卩设备冷却到回到运 行温度的7衬卩齐鹏耗。在失超中损失的大部分冷却剂没有蒸发，而是被膨胀的 气体冲出7賴卩剂容器。众所周知，失超之后留在磁体中的冷却剂的液面不是主 要由最初的冷却剂液面决定的以100%或50%的满磁体开始，在任」瞎况下 你都以20%的充填结束。根据本发明，较少的^4卿提供在容器中，因此在失 ^il程中损失较少的冷却剂。由于在装运之后需要较少的液体冷却剂或不需要 液体7賴卩剂，因此现场安装的成本减少。
对于短途航线，系统可以装运有充有冷却剂气体的容器10，该冷却剂气 体用于根据本发明冷却设备；对于长途航线，例如一个月长的海运，冷却剂容 器可以充至它的满容量，通过运输过程中的冷却剂气化来保持被冷却的设备处 于它的运行温度。这种配置不可能使用低容量系统，其在装iiil程中需要冷量 存储装置或制冷机。前者很昂贵；后者不允许装在飞机上，并且在公路或海运 运输中的运行很昂贵。如本发明所提供的系统是很有吸引力的选择，该系统能 够充满冷却齐,于运输，但在实际运行时是空的。
有利地，因为失超压力降低了，所以在失超的情况下损坏被冷却设备的风 险降低了。大大M^的冷却齐咄现在容器10中，所以在失超过程中容器内的 气体压力大大减少，这是因为没有大量的液体冷却剂排出。此外，具有降低的 最大气压的这一特征导致更廉价的冷却剂容器10设计，因为在失超过程中的 最大气压低于己知的系统。
對以的，由于冷去剛容器中提供的液体冷却剂量大大M^，因此用于排出 制冷剂冷却齐啲排方爐路、即所谓的失超管或入口塔，可以做成比传统系统小 得多。这将会导致降低的制造成本，和^]>的3151失超管的热流入。
在优选实施例中，如果制冷机和任何存在的加热器的不对称布置可以保证 充足的对流气流，那么用于例如超导磁体的被冷却设备的零气化冷却剂容器能 够不用、或使用非常少的液体7賴口齐,成功地运行。在某些实施例中，不需要 加热器。制冷机的位置偏离中心线AA，这足以保持循环流动。制冷机应该连 续运行以保持对流流动的进行。
除减少冷却齐附料成本以外，例如本发明所提供的不用液体的磁体在失超 换实施例中，冷却由制冷机提供，而气体冷却 剂所需的循环由气体流动发生装置提供或协助，例如风扇。
Siemens MAGNETOM Avanto磁体被成功地向上提升并保持在满磁场，并
且当itai根据本发明的冷却气体循环被冷却时，磁体降低到 场，本发明的
H嘲剂容器内没有液体冷却剂出现。磁体运行而不会失超。
尽管特别参照再冷凝制冷mit行了描述，但是本发明也可以应用于气体冷 却剂，其在高于它们沸点的温度下使用，并且其中制冷机不是作为再冷凝制冷 t腿行。在这种实施例中，制冷机作为7賴蹄j冷机运行，并且冷却剂容器内将 没有液体冷却剂出现。这种实施例在使用所谓的高温超导(HTS)导线材料的 系统中特别有孰该导线材料的临界纟鹏大大^i氦的沸点，倒氐于氮的沸点， 例如临界温度为39K的MgB2。液体氖， 一种用于这种材料的天然y转卩剂，是 昂贵的。本发明的^ffi^Jt大约为20K的气体氦的实施例旨滩有效地用于7賴卩 这种^ffi高^IS导导线的设备。10或20K的低温制冷机比再冷凝4.2K的冷头 更便宜。
权利要求
1、一种用于冷却被冷却设备的装置，包括容纳被冷却设备的冷却剂容器(10)；充满冷却剂容器的气体冷却剂；制冷机(12)，其具有暴露在冷却剂容器(10)内部的冷却表面，用以冷却气体冷却剂；和气体流动发生装置，其布置用来使气体冷却剂在冷却剂容器内产生自由循环，以使得气体冷却剂被制冷机冷却，并被来自被冷却设备的热量加热，从而冷却被冷却设备。
2、 根据权利要求1所述的装置，其中气体流动发生装置包括风扇。
3、 根据权利要求1或2所述的装置，其中，气体流动发生装置包括冷却剂容器内的加热器(14)，其位于适合于在气体冷却剂中建立热对流流动(16)的位置。
4、 根据权利要求3所述的装置，其中加热器(14)位于正好相反地与制 冷机(12)相对的位置，力B热器和制冷机布置在竖直中心线(AA)的相对侧， 并且制冷机在竖直方向上位于比加热器更高的位置。
5、 一种用于冷却被冷却设备的装置，包括容纳被冷却设备的冷却剂容器(10);充满y賴瞎谱器的气体^i,;制冷机(12)，其具有暴露在冷却剂容器(10)内部的冷却表面，用以冷 却气体冷却剂，并且不对称地设置在冷却剂容器中，用以通过冷却剂容器内的 自由热对流(16)产生气体冷却剂的循环，以使得气体7賴卩剂被制冷机冷却，并被来自被冷却设备的热量加热，从而冷却被冷却设备。
6、 根据权利要求5所述的装置，进一步包括7賴口剂容器内的加热器(14)，其位于适合于辅助气体冷却剂中的热对流流动(16)循环的位置。
7、 根据权利要求6所述的装置，其中加热器(14)位于正好相反地与制 冷机(12)相对的位置，加热器和制冷机布置在竖直中心线(AA)的相对侧， 并且制冷机在竖直方向上位于比加热器更高的位置。
8、 根据前述任一权利要求所述的装置，其中气体冷却剂至少包括氦、氮、 氩、氢和氖中的一种。
9、 根据权利要求8所述的装置，其中气体冷去卩剂包括氦。
10、 根据前述任一权利要求所述的装置，提供有一些液化的气体冷却剂，其与^4口齐瞎器中的气体^i,热平衡，足以确保有足够的气态冷却齐忾体供应，所述液化的气体冷却齐杯与被冷却设錢触。
11、 根据前述任一权利要求所述的装置，其中冷却剂容器是环形圆柱体形状。
12、 基本上如说明书描述和如图1所示的装置。
全文摘要
一种用于冷却被冷却设备的装置，包括容纳被冷却设备的冷却剂容器(10)；充满冷却剂容器的气体冷却剂；制冷机(12)，其具有暴露在冷却剂容器(10)内部的冷却表面，用以冷却气体冷却剂；和气体流动发生装置，其布置用来使气体冷却剂在冷却剂容器内产生自由循环，以使得气体冷却剂被制冷机冷却，并被来自被冷却设备的热量加热，从而冷却被冷却设备。
文档编号H01F6/04GK101105358SQ20071014210
公开日2008年1月16日 申请日期2007年3月19日 优先权日2006年3月17日
发明者E·阿斯特拉 申请人:西门子磁体技术有限公司