低温热虹吸的被动流动方向偏置的制作方法

下文总体上涉及冷却技术、低温冷却技术、超导磁体技术、超导磁体磁共振成像(mri)设备技术等等。

背景技术：

一些商业磁共振成像(mri)设备采用超导磁体绕组以提供对必要的高强度静(b0)磁场的高效生成。传统上，这种磁体被浸没在液氦中以使超导材料维持在其临界超导温度以下。然而，这种方法需要的液氦费用很高并且需要在磁体启动时有液氦可用。

另一种用于冷却超导磁体的已知方法采用热虹吸。超导磁体被设置在真空杜瓦瓶中，以在导热(例如，铜)基板上维持热隔离，该基板通过采用氦作为工作流体的低温制冷机(即，冷头)得到冷却。更具体地，冷头冷却流动通过主冷却回路的氦。次级冷却回路通过热交换器与主冷却回路热连接。次级冷却回路将冷却的氦气输送到与铜基板连接(例如，钎焊或焊接)的管道以便冷却超导绕组。有利地，能够仅用氦气进行启动。当主冷却剂回路冷却工作氦气时，工作氦气转变为气体氦和液体氦(lhe)的两相混合物，并且lhe收集在主冷却回路的氦罐中。在氦罐中建立lhe的储存器在操作阶段为主回路提供了增强的温度稳定性。在次级冷却回路中，氦的压力足够低，使得氦在次级冷却剂回路中保持为单相气体，从而促进次级冷却回路中的被动热虹吸流动。该方法优于较为传统的lhe浸没。热虹吸方法使得能够在没有大量lhe供应的情况下启动。

下文公开了解决上述问题和其他问题的新的且改进的系统和方法。

技术实现要素：

在一个公开的方面中，一种冷却设备包括：热交换器；第一流动回路，其连接冷散热器和所述热交换器；以及第二流动回路，其连接热散热器和所述热交换器。第一被动单向阀被设置在所述第一流动回路上并且被取向为允许在所述第一流动回路中在允许的流动方向上的流动并阻挡在所述第一流动回路中在相反的阻挡的流动方向上的流动。第二被动单向阀被设置在所述第二流动回路上并且被取向为允许在所述第二流动回路中在允许的流动方向上的流动并阻挡在所述第二流动回路中在相反的阻挡的流动方向上的流动。在所述第一流动回路中在所述允许的流动方向上的流动与在所述第二流动回路中在所述允许的流动方向上的流动的组合在所述热交换器中产生逆流。

在另一个公开的方面中，公开了一种冷却方法。第一冷却剂流体流动通过连接冷散热器和热交换器的第一流动回路，并且第二冷却剂流体流动通过连接热散热器和所述热交换器的第二流动回路。通过以下操作来限制所述第一冷却剂流体的流动和所述第二冷却剂流体的流动以在所述热交换器中产生逆流：使用第一被动单向阀以允许所述第一冷却剂流体在所述第一流动回路中在允许的方向上的流动，同时阻挡在相反的阻挡方向上的流动；并且使用第二被动单向阀以允许所述第二冷却剂流体在所述第二流动回路中在允许的方向上的流动，同时阻挡在相反的阻挡方向上的流动。

在另一个公开的方面中，一种低温磁体包括：热交换器、低温冷头，以及一个或多个超导磁体绕组。第一流动回路连接所述低温冷头和所述热交换器。第二流动回路连接所述一个或多个超导磁体绕组和所述热交换器。第一被动单向阀被设置在所述第一流动回路上并且被取向为允许在所述第一流动回路中在允许的流动方向上的流动并阻挡在所述第一流动回路中在相反的阻挡的流动方向上的流动。第二被动单向阀被设置在所述第二流动回路上并且被取向为允许在所述第二流动回路中在允许的流动方向上的流动并阻挡在所述第二流动回路中在相反的阻挡的流动方向上的流动。在所述第一流动回路中在所述允许的流动方向上的流动与在所述第二流动回路中在所述允许的流动方向上的流动的组合在所述热交换器中产生逆流。

在另一个公开的方面中，一种磁共振成像(mri)设备包括如前一段所述的低温磁体，所述低温磁体被布置为在检查区域中生成静磁场，并且所述mri设备还包括磁场梯度线圈，所述磁场梯度线圈被布置为将磁场梯度叠加在所述检查区域中的所述静磁场上。

一个优点在于提供了对热虹吸冷却系统的改进且更可靠的启动。

另一个优点在于提供了热虹吸冷却，其中，积极地控制主冷却剂回路中的流动方向和次级冷却剂回路中的流动方向以确保热交换器中的逆流，这促进了高效的热交换。这也允许在不能利用重力场中的几何放置时控制流动方向。

另一个优点在于提供了具有一个或多个前述优点的低温热虹吸冷却。

另一个优点在于提供了具有气密密封的主冷却回路和次级冷却回路的这种低温热虹吸冷却。

另一个优点在于提供了具有一个或多个前述优点并采用氦工作流体的低温热虹吸冷却。

另一个优点在于提供了通过使用氦工作流体进行低温热虹吸冷却而冷却的超导磁体，其中，冷却系统具有一个或多个前述优点。

另一个优点在于提供了一种磁共振成像(mri)设备，其包括通过使用氦工作流体进行低温热虹吸冷却而冷却的超导磁体，其中，冷却系统具有一个或多个前述优点。

给定的实施例可以提供前述优点中的零个、一个、两个、更多个或所有优点，并且/或者可以提供在本领域普通技术人员阅读和理解了本公开后变得明显的其他优点。

附图说明

本发明可以采用各种部件和各种部件的布置，以及各个步骤和各个步骤的安排的形式。附图仅出于说明优选实施例的目的，并且不应被解释为对本发明的限制。除非另有说明，否则附图是图解性的，且不应被解释为是按比例绘制的或图示不同部件的相对尺寸。

图1图解性地示出了一种磁共振成像(mri)设备，其包括通过使用氦工作流体的低温冷却设备冷却的超导磁体。插图示出了一个超导磁体线圈的部分的放大横截面视图。

图2图解性地示出了根据权利要求1所述的低温冷却设备。

图3图解性地示出了适合用作图1的低温冷却设备中的单向阀的特斯拉阀的顶视图。图3还图示了两个不锈钢块，其具有例如通过钎焊接头紧固在一起以进出特斯拉阀的铣削的特斯拉阀管道图案。

图4图解性地示出了备选的单向阀。

具体实施方式

在热交换器中，较热的冷却剂流体在靠近承载较冷的冷却剂流体的流动路径的流动路径中流动，并且热量从较热的冷却剂流体传递到较冷的冷却剂流体，从而降低较热的冷却剂流体的温度。在热交换器中，较热的冷却剂流体通过其流动路径的流动可以平行于较冷的冷却剂流体通过其流动路径的流动。备选地，较热的冷却剂流体通过其流动路径的流动可以反平行于较冷的冷却剂流体通过其流动路径的流动(即，在其相反方向上)。后一种布置被称为逆流布置，并且比平行流布置更有效，因为沿着平行流动路径的点处的平均温度差异更高。

本文认识到，采用通过热交换器连接的主冷却剂回路和次级冷却剂回路的现有热虹吸冷却设备的问题在于，这种冷却设备通常不能保证热交换器中的主冷却剂和次级冷却剂的逆流。这种逆流对于有效的热交换是最优的。如果在热交换器中存在平行流动(而不是期望的逆流)，则冷却设备仍然可以工作，但是与所需的逆流布置相比，热传递效率将会显著降低。

可以将该问题理解如下。对于相对于重力的任意取向的对称热虹吸设计，在主冷却剂回路和次级冷却剂回路中没有固有的优选流动方向。通常通过将回路的垂直支腿中的一个布置为热散热器或冷散热器来将这种优选方向设计到热虹吸中。然而，给定系统布局的几何结构可能不允许这样做。从更一般的角度来看，流动方向是在热虹吸作用的初始启动时通过在一个方向上的流动相对于另一个方向上的流动的总体阻力来确定的，使得垂直支腿或其他布局设计配置可能不足以可靠地在回路中灌输所需的流动方向。

另外的困难在于可能难以或不可能在外部确定冷却剂回路中的流动的方向。通过识别由于缺乏逆流而降低的冷却效率，可能会检测到不期望的平行流动。然而，这需要由熟悉实际可实现的冷却效率并具有用于测量该效率的工具和技能的专家进行性能分析。此外，即使识别出降低的冷却效率，众多因素(例如，冷却剂流体从一个或两个冷却回路泄漏，热绝缘受损等)中的任一个也可能会引起非最优效率，使得需要进一步研究以排除不期望的平行流作为罪魁祸首。此外，如果在启动热虹吸冷却设备时引入了不期望的平行流动，则直到冷却设备达到其最终运行状态时才能检测到这种情况。

在本文公开的实施例中，至少在次级冷却剂回路中包括被动单向阀，并且优选在主冷却剂回路中也包括被动单向阀，以便确保期望的流动方向以在热交换器中提供逆流。通常，任何类型的止回阀或止逆阀都可以用作被动单向阀。

在本文公开的一些说明性实施例中，在为磁共振成像(mri)设备的超导磁体提供冷却的背景下公开了一种热虹吸冷却设备。这些内容仅仅是说明性实施例，并且所公开的热虹吸冷却设备将应用于各种应用中。

参考图1，说明性磁共振成像(mri)设备8包括超导磁体10，该超导磁体在说明性实施例中是水平螺线管超导磁体10，其限定了水平膛12，患者或其他成像对象被插入该水平膛中以用于mri检查。可以提供卧榻或其他患者支撑物(未示出)以用于装载患者。除了超导磁体10之外，mri设备8还包括mri技术中已知的其他部件，例如，电阻性磁场梯度线圈14、全身射频(rf)线圈16(和/或一个或多个局部rf线圈，未示出)等。这些部件以已知方式用于采集mri图像。例如，在一个说明性成像序列中，工作中的超导磁体10在膛12内的检查区域中产生静(b0)磁场。在一些实施例中，该场的幅值|b0|可以是1.5特斯拉、3.0特斯拉、7.0特斯拉等。b0磁场(在统计学上)对核自旋进行取向，该核自旋由通过rf线圈16施加的rf脉冲所激励。通过由磁场梯度线圈14叠加在检查区域中的静(b0)磁场上的磁场梯度对激励的磁共振进行空间限制和/或相位和/或频率编码，并且由rf线圈16检测经如此操纵的激励的磁共振以生成mri成像数据。可以应用适合于所选择的空间编码的图像重建算法以根据所采集的mri成像数据来重建mri图像。

继续参考图1，在插图中更详细地示出了超导磁体10的一个线圈20的部分。超导绕组22(其被图解性地示为方框但其通常包括一个或多个绕组层)缠绕环形导热形成器24，该环形导热形成器例如为环绕膛12的铜或铜合金的箍或环。如果形成器24是导电的(其为铜/铜合金的情况)，那么可以提供导热但电绝缘的间隔件26(例如，一个或多个玻璃纤维板)以提供超导绕组22与形成器24的电隔离。同样，可以在铜合金基板回路24的内径(id)处提供内绝缘环(未示出)。任选地，可以将绝缘元件28、30提供在端部以用于定位或其他目的。将作为次级冷却剂回路(待描述)的部分的管线32与铜合金基板回路24钎焊、焊接或以其他方式紧固在一起，使得由次级冷却剂回路通过紧固管线32对基板24和支撑的超导导体绕组22进行散热。

返回参考图1的主附图，说明性的两个或(通常)更多个这样的磁体绕组线圈20被设置在真空杜瓦瓶34中，以对包括超导绕组22和导热基板箍24的得到冷却的组件提供热隔离。如本领域已知的，更常见的是，根据磁体设计对许多具有不同尺寸、数量的线圈绕组等的这种绕组线圈20进行定位，以产生在膛12内的检查区域中具有高度空间均匀性的静(b0)磁场。

继续参考图1并进一步参考图2，磁体绕组线圈20由低温冷却设备40冷却。图2以图解方式示出了冷却设备40。图解性指示的冷头42、44包括第一级氦冷却站42和第二级氦冷却站44。冷头42、44可以由任何能用于冷却氦工作流体的低温制冷机来实现。虽然示出了两个冷却站，但是冷却站的数量可以是一个或者可能多于两个。在典型配置中，第一冷却站42处于比第二冷却站44更高的温度，但是其他配置也是可能的。冷头42、44通常通过提供对工作流体(例如，氦)的循环压缩和膨胀的活塞等(未示出)来进行操作，以实施对工作流体进行冷却的热力学循环。在一些实施例中，冷头42、44的操作有效地液化氦气以生成液氦(lhe)或氦气与lhe的两相混合物。在图1的说明性实施例中就是这种情况，其中，氦罐46用作气液相分离器，其中，在氦罐46的底部收集lhe，并且氦罐46的体积的平衡由氦气填充。

低温冷却设备40还包括热交换器50。第一流动回路52将冷散热器与热交换器50相连接。第二流动回路54将热散热器与热交换器50相连接。在特定的说明性示例中，冷散热器包括冷头42、44和氦罐46，而热散热器包括一个或多个磁体线圈20。然而，更一般地，冷散热器和热散热器可以是通过相应的第一流动回路52和第二流动回路54与热交换器50连接的任何团块，其中，冷散热器处于比热散热器更低的温度。对于低温冷却设备，冷散热器也处于低于室温的温度。为了清楚地说明，在图1中，使用实线来绘制第一流动回路52，而使用虚线来绘制第二流动回路54。

热交换器50可以采用使得第一流动回路52中的流动与第二流动回路54中的流动充分接近的任何配置，以实现从在第二流动回路54中流动的较热的冷却剂流体到在第一流动回路52中流动的较冷的冷却剂流体的适当高效的热传递。例如，热交换器可以具有壳管配置(未示出)，其中，一个冷却剂流体在被包含在周围壳体中的管中流动，另一个冷却剂流体流动通过该周围壳体。为了获得最大的热传递效率，应当实施逆流布置，其中，管中的流动与壳体中的流动方向相反。更一般地，热交换器的特定布局限定了逆流布置，在图1的热交换器中用三角形流动方向指示符图解性地指示了这种逆流布置。

如前所述，能够通过对回路进行适当布局来建立第一流动回路52和第二流动回路54中的适当流动方向。然而，如本文其他地方所公开的，这种方法存在缺点。在本文公开的实施例中，提供被动单向阀62、64以确保适当的流动方向，从而实现热交换器50中的逆流。更具体地，第一被动单向阀62被设置在第一流动回路52上并被取向为允许在第一流动回路52中在允许的流动方向f1上的流动并阻挡在第一流动回路52中在相反的阻挡的流动方向上的流动。同样，第二被动单向阀64被设置在第二流动回路54上并被取向为允许在第二流动回路54中在允许的流动方向f2上的流动并阻挡在第二流动回路54中在相反的阻挡的流动方向上的流动。被动单向阀62、64的取向被选择为使得在第一流动回路52中在允许的流动方向f1上的流动与在第二流动回路54中在允许的流动方向f2上的流动的组合在热交换器50中产生逆流。两个被动单向阀62、64提供在两个流动回路52、54中建立的流动方向被正确地取向以在热交换器50中提供逆流的积极确保。

借助于涉及冷却超导磁体线圈20的更具体的示例，第一流动回路52包含氦流体作为工作流体(即，作为冷却剂流体)。将第一流动回路52中的氦流体维持在高压下，例如，在一些实施方案中，初始高压高于2000psi。最初，这种氦流体是单相氦气；然而，当冷头工作以冷却氦气时，较冷的站44最终达到在第一流动回路52的压力下氦开始液化的温度(例如，通常大约为3k至4k，取决于压力)，使得第一流动回路52中的氦流体转变为氦气与液氦(lhe)的两相混合物。氦罐46用作气液相分离器，其中，在罐46的底部收集lhe，并提供冷却剂储存器，以维持第一流动回路52中的氦流体处于低温并且在冷头42、44暂时断电的情况下延迟磁体淬火。第一流动回路52中的压力在冷却期间也减小到几psi的量级(例如，在一些实施例中大约为8psi)的压力，因为氦在最终操作状态下部分液化。

第二流动回路54还含有氦流体作为工作流体(即，冷却剂流体)；然而，第二流动回路54中的氦流体在整个冷却过程中保持处于气相(这确保了在整个冷却过程中维持热虹吸流动)并且因此在本文中被称为氦气。在典型的实施例中，第二流动回路54中的氦气最初处于几百psi，并且最终冷却至大约3k至4k的温度，即，与第一流动回路52中的氦流体的温度相当(但略高于该温度)。在一些说明性实施例中，在工作状态下，第二流动回路54中的氦气在最终操作状态下也处于几psi的压力下。

如上所述，第二流动回路54中的流动归因于热虹吸作用，并且没有机械泵被连接以驱动第二流动回路54中的流动。由于冷头42、44的冷却作用，第一流动回路52中的流动由自然循环驱动。被动单向阀62、64也优选是被动设备。因此，除了用于驱动冷头42、44的活塞或其他机构的机电输入之外，低温冷却设备40有利地是完全被动的。此外，由于由被动单向阀62、64提供的流动方向偏置，冷却设备40的部件和流动回路52、54的空间布局能够有利地以任何方式来布置，而不需要通过这些部件的明智布置和流动回路的布局来提供重力流动偏置。

参考图3，描述了被动单向阀62、64的说明性实施例。在该说明性实施例中，每个被动单向阀是特斯拉阀。参见例如nikolatesla的美国专利us1329559(1920年2月3日发布)。图3通过说明性示例图示了单向阀62，但是另一个单向阀64能够具有相同的构造。说明性特斯拉阀62包括具有铣削的特斯拉阀管道图案72的第一不锈钢块70以及具有铣削的特斯拉阀管道图案76的第二不锈钢块74。例如通过钎焊将第一不锈钢块70与第二不锈钢块74气密密封在一起以形成钎焊接头78，其中，第一不锈钢块70和第二不锈钢块74的特斯拉阀管道图案72、76限定了穿过形成单向阀62的气密密封的第一不锈钢块和第二不锈钢块的特斯拉阀管道80(在图3的组装的单向阀62中由虚线所示的隐藏特征)。

如在美国专利us1329559中更详细描述的(通过引用将其整体并入本文)，特斯拉阀管道在允许的流动方向(图3中从左到右的方向)上呈现相对无阻碍的流体流动路径，同时在阻挡的流动方向(图3中从右到左的方向)上呈现曲折流动的流体流动路径。本文公开的制造方法为特斯拉阀提供了具有大接触面积的钎焊接头78，以便提供特斯拉阀管道80的气密密封，即使对于低分子密度的氦工作流体，这种气密密封的泄露也是可忽略的。尽管对具有铣削特斯拉管道图案72、76的不锈钢块70、74进行钎焊是优选方法，但是其他加工技术也能够用于形成特斯拉管道图案72、76和/或将两个块70、74接合以形成接头78。

特斯拉阀非常适合用作低温冷却设备40的被动单向阀62、64，因为这些阀62、64不需要在允许的流动方向相对于阻挡的流动方向上具有非常高的差异阻力。如前所述，相应的第一流动回路52和第二流动回路54中的流动方向是在初始启动时通过在一个方向上的流动相对于另一个方向上的流动的总体阻力来确定的。因此，被动单向阀62只需要有足够的方向偏置以确保第一流动回路52在允许的方向f1上的总流动阻力低于在相反方向上的流动阻力。同样，被动单向阀64仅需要具有足够的方向偏置以确保第二流动回路54在允许的方向f2上的总流动阻力低于在相反方向上的流动阻力。特斯拉阀能够容易地提供这种水平的方向偏置。

参考图4，虽然特斯拉阀是低温冷却设备40的被动单向阀62、64的优选实施例，但是更一般地，也可以使用任何类型的单向阀。图4呈现了阀瓣式止回阀设计的备选被动单向阀实施例，其中，阀体90(例如，短长度的管或管道)限定通过阀瓣式止回阀的流动路径，并且铰接的阀瓣92配合阀座94使用，使得阀瓣92只能在一个方向上(图4中向右)移动远离阀座94，以允许在允许的方向上(图4中从左到右)流动；然而，在阻挡的方向上(图4中从右到左)的流动将阀瓣92牢固地压入阀座94以阻挡流动。虽然这种阀适合用作被动单向阀62、64，但是它也有某些缺点，例如，如果工作流体含有残余的水含量，则可能在低温下冻结铰链。

虽然在利用氦工作流体操作的低温冷却设备40的背景下进行了描述，但是将认识到，所公开的改进可以更一般地用于任何低温冷却设备中，例如，也用于采用液氮、空气、冷冻水或其他工作流体的低温冷却设备中。所公开的改进甚至可以更一般地包括任何包括热交换器和第一流动回路以及第二流动回路的热虹吸冷却设备，其中，被动单向阀被取向为确保在相应的第一流动回路和第二流动回路中在允许的方向上的流动的组合在热交换器中产生逆流。

在说明性实施例中，例如，在图2中，热交换器50是单级热交换器，其中，流f1、f2直接热耦合。在其他实施例中，预见到热交换器是多级热交换器，其中，至少一个中间流(fi，未示出)与流f1和流f2热耦合，以便在两级中间接地传递热(f2→fi→f1)。当采用这种多级热交换器时，单向阀62、64仍然有利地用于建立正确的流动方向，以在(多级)热交换器中建立流f1、f2的逆流；另外，优选包括第三单向阀(未示出)以为中间fi流动回路中的逆流建立正确的流动方向。

已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读和理解前面的具体描述的情况下可以想到修改和更改。本文旨在将本发明解释为包括所有这样的修改和更改，只要它们落入权利要求书及其等价方案的范围内。