专利名称：热虹吸冷却系统和方法
热虹吸冷却系统和方法
背景技术：
该发明公开一般涉及磁共振成像(MRI)系统，并且更确切地来说涉及用于将MRI系统中的超导磁体冷却的热虹吸(thermosiphon)冷却系统和方法。超导磁体用于在MRI系统中产生磁场。在一些方法中，恒定地将来自电源的电流应用到超导磁体以产生磁场。但是，产生此类强磁场需要恒定地提供数百安培范围的电流。这种向超导磁体恒定地提供电流增加了 MRI系统的运行成本。再者，在某些其他技术中，超导磁体可能承受MRI系统中的不同热负荷。期望将这些热负荷从超导单元转移走以便将超导磁体保持在制冷温度处并使超导磁体在超导状态中工作。再者，还期望以最优方式将热从超导磁体消散以将超导磁体从常态过渡到超导状态而不会有MRI系统中制冷剂的高蒸发。在常规系统中，超导磁体/线圈被封装在氦容器中，此氦容器包含约1500至约2000升液氦(He)以提供超导磁体/线圈的沉浸冷却。因为此布置采用具有数千升液态He的大容器，所以此布置不仅制造昂贵，而且对于运输和安装在期望位置处(如诊断中心)也显得笨重。此外，输送至远距离位置的数千升液态He的再填充可能是不方便的。而且，这些系统中的液态He有时可能在猝熄(quench)事件期间蒸发。蒸发的氦从沉浸磁体线圈的制冷剂缸中逃逸。因此，每次猝熄事件之后，要再填充液态He并进行磁体的重新斜变(re-ramp)，这是成本高昂且耗时的情况。此外，在常规磁装置中，需要复杂的外部排气系统以在磁体和/或开关猝熄之后经由排气管组将如蒸发的He的气体排出。但是，这些排气管难以安装。而且，在一些情况中，He的排气可能存在环境或管理问题。因此，常规MRI磁体设计及其冷却布置可能造成特殊安装要求、某些区域中无法安装这些系统以及高维护成本。
发明内容
简要来说，根据本技术的一个方面，提出一种热虹吸冷却系统。该热虹吸冷却系统包括贮存器，该贮存器具有配置成存储液态冷却剂的第一部分。该热虹吸冷却系统还包括管道单元，该管道单元耦合到贮存器且设置成与要冷却的至少一个超导单元相邻，并且配置成从贮存器的第一部分接收液态冷却剂，并使接收的液态冷却剂在管道单元内循环以消散至少一个超导单元产生的热。通过改变管道单元的不同部分处的接收的液态冷却剂的密度来使接收的液态冷却剂在管道单元内循环。根据本技术的又一些方面，提出一种用于将超导单元冷却的方法。该方法包括将液态冷却剂存储在贮存器的第一部分中。该方法还包括将管道单元的一端耦合到至少一个超导单元并将管道的另一端耦合到贮存器。该方法还包括由管道单元从贮存器的第一部分接收液态冷却剂。此外，该方法包括使得接收的液态冷却剂在管道单元内循环以消散至少一个超导单元产生的热。通过改变管道单元的不同部分处的接收的液态冷却剂的密度来使接收的液态冷却剂在管道单元内循环。根据本技术的另一个方面，提出一种系统。该系统包括配置成产生磁场的至少一个超导单元。该系统还包括热虹吸冷却子系统，该热虹吸冷却子系统耦合到超导单元且配置成消散在超导单元产生磁场的同时产生的热。该热虹吸冷却子系统包括贮存器，该贮存器具有配置成存储液态冷却剂的第一部分。该热虹吸冷却子系统还包括管道单元，该管道单元耦合到贮存器且设置成与要冷却的至少一个超导单元相邻，并且配置成从贮存器的第一部分接收液态冷却剂，并使接收的液态冷却剂在管道单元内循环以消散至少一个超导单元产生的热。通过改变管道单元的不同部分处的接收的液态冷却剂的密度来使接收的液态冷却剂在管道单元内循环。根据本技术的又一个方面，提出一种用于对至少一个超导单元冷却的热虹吸冷却套件。该套件包括贮存器，该贮存器具有配置成存储液态冷却剂的第一部分。该套件还包括管道单元，该管道单元耦合到贮存器且设置成与要冷却的至少一个超导单元相邻，并且配置成从贮存器的第一部分接收液态冷却剂，并使接收的液态冷却剂在管道单元内循环以消散至少一个超导单元产生的热。通过改变管道单元的不同部分处的接收的液态冷却剂的密度来使接收的液态冷却剂在管道单元内循环。
当参考附图阅读下文详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相似的符号表示相似部件，其中:
图1是根据本技术的多个方面的热虹吸冷却系统的剖面 图2是根据本技术的其他多个方面的热虹吸冷却系统的另一个实施例的剖面 图3是根据本技术的多个方面的、具有歧管和热交换器的图2的热虹吸冷却系统的剖面 图4是根据本技术的多个方面的、图1的热虹吸冷却系统的一部分的一个实施例的剖面 图5是根据本技术的多个方面的、图1的热虹吸冷却系统的一部分的另一个实施例的剖面 图6是说明根据本技术的多个方面的、使用热虹吸冷却系统将超导单元冷却的方法的流程图；以及
图7是示出包括图1的热虹吸冷却系统的MRI成像系统的侧视图。
具体实施例方式正如下文将详细描述的，提出用于将超导磁体/线圈冷却的示范热虹吸冷却系统和方法的多种实施例。通过采用下文描述热虹吸冷却系统的多种实施例和方法，可以实质性地减小液态冷却剂的容积、磁装置的尺寸、磁装置(诸如磁共振成像(MRI)系统)的制造成本、安装成本和运行成本。现在转到附图，参考图1，图示根据本技术的多个方面的热虹吸冷却系统100的剖面图。热虹吸冷却系统100可以配置成将超导单元102的温度保持在制冷温度处或以下。超导单元102可以包括超导磁铁和/或线圈、梯度系统及保持在MRI系统内的它们的支承结构。具体来说，热虹吸冷却系统100配置成将超导单元102冷却或消散来自超导单元102的热，以使与超导单元102关联的温度保持在制冷温度处或以下。术语制冷温度用于指代这样的温度，在该温度处或以下，超导单元102设计成在超导状态中工作。在一个实施例中，制冷温度可以是在约4.2 K至约4.8 K的范围中。在目前设想的配置中，热虹吸冷却系统100可以包括贮存器104、管道单元106和冷凝单元108。贮存器104配置成存储液态冷却剂，而管道单元106配置成吸收超导单元102产生的热。冷凝单元108配置成将从贮存器104接收的已蒸发冷却剂冷凝。在一个实施例中，可以将热虹吸冷却系统100设置在MRI系统的真空室中(参见图7)。可以注意，热虹吸冷却系统100的实现不限于MRI系统，并且可以在如超导电机器、超导磁体储能系统(SMES)、SC加速器等的其他装置中实现。再者，在一个实施例中，贮存器104耦合到管道单元106和冷凝单元108。贮存器104可以配置成从冷凝单元108接收液态冷却剂并将接收的液态的一部分提供到管道单元106。液态冷却剂可以包括液态氦(LHe)、液态氢(LH2)、液态氖(LNe)、液态氮(LN2)或其组合。在一个实施例中，超导单元102可以是低温超导体、中温超导体或高温超导体。而且，液态冷却剂可以基于超导单元102中使用的超导体的类型来选择。例如，具有低温超导体的超导单元102可以采用LHe作为冷却剂。相似地，对于中温超导体，可以使用LHe、LNe或LH2作为冷却剂。再者，对于高温超导体，可以使用LHe、LH2, LNe或LN2作为冷却剂。而且，在一个示例中，贮存器104包括第一部分110和第二部分112。而且，在一个实施例中，第一部分Iio可以位于贮存器104的底部，而第二部分112可以设在贮存器104的第一部分112的上方。贮存器104的第一部分110用于存储从冷凝单元108接收的液态冷却剂，而贮存器104的第二部分用于收集从贮存器104的第一部分110蒸发的冷却剂。可以注意到贮存器104的第二部分112还可以称为缺量空间。为了易于理解，贮存器104的第一部分110中的冷却剂可以称为液态冷却剂以及贮存器104的第二部分112中的冷却剂可以称为蒸发的冷却剂。此外，贮存器104可以包括第一出口 113、第二出口 114、第三出口 116和第一入口118。冷凝单元108也可以包括入口 120和出口 124。贮存器104的第一出口 113经由第一通道122耦合到冷凝单元108的入口 120，而贮存器104的第一入口 118经由第二通道126耦合到冷凝单元108的出口 124。而且，贮存器104的第一出口 113配置成将蒸发的冷却剂从贮存器104的第二部分112输送到冷凝单元108。例如，当贮存器104中的第一部分110中的液态冷却剂从管道单元106吸收热时，液态冷却剂的一部分蒸发并停留在贮存器104的第二部分112中。然后此蒸发的冷却剂经由贮存器104的第一出口 113输送到冷凝单元108。再者，贮存器104的第一出口 118配置成从冷凝单元108接收凝结的液态冷却剂。管道单元106还可以包括入口 128。再者，贮存器104的第二出口 114经由第三通道130耦合到管道单元106的入口 128。贮存器104的第二出口 114配置成将存储在贮存器104的第一部分110中的液态冷却剂的一部分输送到管道单元106。例如，最初以经由第三通道130从贮存器104接收的液态冷却剂填充管道单元106。再者，贮存器104的第三出口 116可以经由第四通道134耦合到释放阀132。释放阀132配置成释放贮存器104中的任何内生压力。在一个实施例中，可以将第三出口 116直接耦合到释放阀132而不采用第四通道134。根据本技术的一些方面，管道单元106可以耦合到贮存器104并设置成与需要冷却的超导单元102的至少一部分相邻/接近。可以注意，在某些实施例中，管道单元106可以设置在超导单元102的至少一部分上。在一个示范实施例中，管道单元106的一端可以耦合到贮存器104，以及管道单元106的另一端可以耦合到至少一个超导单元102。管道单元106配置成吸收超导单元102中生成的热。例如，当使超导单元102在常规状态中工作时，可能对超导单元102施加瞬态热负荷。该瞬态热负荷可能是高EPI梯度切换序列所致。除了梯度系统产生的热以外，超导单元102也可能接收到来自真空空间的热辐射和磁体悬挂系统所致的热传导的其他热负荷。这些瞬态热负荷被管道单元106吸收以将超导单元102的温度降低到制冷温度或低于制冷温度。再者，在一个实施例中，管道单元106可以是在管道106的一端处具有入口 128的循环管道回路，如图1所示。可以采用入口 128来连续地对管道单元106填充经由第三通道130从贮存器104的第一部分110接收的液态冷却剂。在一个实施例中，管道单元106还可以使用不锈钢、铝、铜等来形成。如此形成的管道单元106配置成使得液态冷却剂能够仅经由入口 128流入管道单元106。此外，管道单元106还协助将热从超导单元102传输到管道单元106内的液态冷却剂。再者，管道单元106内的液态冷却剂配置成将此吸收的热传输到贮存器104的第一部分110中的液态冷却剂。此外，在一个实施例中，可以将管道单元106的一部分136耦合到贮存器104。但是，在某些其他实施例中，可以将管道单元106的一部分136设置在贮存器104内。例如，可以将管道单元106的一部分136熔接、铜焊、焊接或其他方式接合到贮存器104的底部，以使管道单元106的一部分136与贮存器104彼此热耦合。在另一个示例中，贮存器104可以设有在贮存器104的底部按确定的距离间隔开的两个开孔。在本实施例中，可以通过使用这两个开孔将管道单元136的该部分设置在贮存器104内。由此，仅管道单元106的部分136设置在贮存器104内，而管道单元106的其余部分位于贮存器104外侧。在一个实施例中，可以将管道单元106的该部分136耦合到热交换器(图1中未示出)。该热交换器可以配置成将管道单元106中的冷却剂吸收的热分布到贮存器104的第一部分110中的液态冷却剂。下文参考图4更详细地解释该实施例。在另一个实施例中，可以将管道单元106的该部分136耦合到穿孔管(图1中未示出)以便将气泡从管道单元106传输或释放到贮存器104。下文参考图5更详细地解释该实施例。在备选实施例中，可以将管道单元106的该部分136与贮存器104基底成约5度的角度倾斜，以消除管道单元106中的气泡累积，也称为温气袋。例如，从管道单元106的第一支管142接收冷却剂的部分136的一端设置在贮存器104的基底上，而将冷却剂输送到第二支管146的部分136的另一端设成远离贮存器104的基底。在一个实施例中，管道单元106可以具有范围从约0.58 mm至约5 mm的通道直径，以使气泡能够行进到管道单元106的部分136。根据本技术的一些方面，冷凝单元108耦合到贮存器104，并且配置成将从贮存器104的第二部分112接收到的蒸发的冷却剂冷凝。然后，将凝结的冷却剂输送回贮存器104的第一部分110。在一个实施例中，冷凝单元108包括入口 120、冷凝器138和出口 124。冷凝单元108的入口 120配置成从贮存器104的第二部分112接收蒸发的冷却剂。然后，将接收的蒸发的冷却剂输送到冷凝器138。冷凝器138配置成使接收的蒸发的冷却剂凝结以形成凝结的液态冷却剂。此后，出口 124配置成将凝结的液态冷却剂输送到贮存器104的第一部分110。图1中将此输送的液态冷却剂示出为液态微滴140。在一个实施例中，冷凝单元108可以设置在贮存器104内，具体为贮存器104的第二部分112中，以将贮存器104的第二部分112中收集的蒸发的冷却剂凝结。为了理解热虹吸冷却系统的机能，可以假定最初以液态冷却剂填充管道单元106和贮存器104的第一部分110。再者，使管道单元106内的液态冷却剂循环以消散至少一个超导单元102产生的热。根据本技术的示范方面，通过改变管道单元106的不同部分处的液态冷却剂的密度来使液态冷却剂循环。具体来说，设置在超导单元102上方的管道单元106配置成吸收超导单元102产生的热以将超导单元102的温度降低到制冷温度处或以下的温度。此吸收的热传递到管道单元106内的液态冷却剂，这又降低了管道单元106内的液态冷却剂的密度。更确切地来说，在吸收超导单元102产生的热时，管道单元106内的液态冷却剂变得更轻。然后，密度减小的冷却剂沿着管道单元106的第一支管142行进到耦合到贮存器104或设置在贮存器104内的管道单元106的部分136。图1中以参考数字144大致描绘冷却剂在第一支管142中的移动方向。下文中，在管道单元106的部分136处，通过将吸收的热从管道单元106内的冷却剂传递到贮存器104的第一部分110中的液态冷却剂来使密度降低的冷却剂降温。此外，在贮存器104处，热从管道单元106的部分136中的冷却剂传递到贮存器104的第一部分110中的液态冷却剂使得贮存器104的第一部分110中的液态冷却剂的一部分蒸发。此蒸发的冷却剂被收集在贮存器104的第二部分112中，并经由第一通道122输送到冷凝单元108。在冷凝单元108处，将蒸发的冷却剂凝结，并以液态冷却剂的形式经由第二通道126输送回贮存器104。再次参考管道单元106，在将吸收的热传递到贮存器104的第一部分110中的液态冷却剂之后，管道单元106的部分136中的冷却剂的密度增加。此密度的增加可以导致管道单元106中产生的气泡破裂和/或尺寸和/或数量减小。此液态冷却剂然后沿着管道单元106的第二支管146行进到超导单元102。图1中以参考数字148大致描绘凝结的液态冷却剂在第二支管146中的移动方向。随着液态冷却剂沿着第二支管146行进，液态冷却剂持续吸收超导单元102产生的热。此循环重复进行，引起液态冷却剂在管道单元106内的循环，如图1所示。正如前文提到的，在常规缸冷却的MRI系统中，超导单元通常沉浸在包含液态He的冷却剂容器中。当使超导单元冷却时，液态He蒸发，并从MRI系统泄漏到外部环境。再者，为了补偿此泄漏的液态He，对冷却剂容器再填充液态He，这是成本高昂且耗时的事情。此外，此布置需要几百升液态He再填充冷却剂容器。通过使用与示范热虹吸冷却系统100相符的实施例可以避开目前可用的持续电流开关的这些缺点的一些或全部。根据本技术的多个方面，对贮存器104和管道单元106填充以约10升液态冷却剂以将超导单元102冷却。通过使冷却剂在管道单元106内循环以高效地利用此减小的量的液态冷却剂。具体来说，通过改变管道单元106的不同部分处的液态冷却剂的密度来使冷却剂循环。液态冷却剂在管道单元106中的这种循环增强了热从超导单元102的传递，从而又将液态冷却剂的蒸发减到最小。蒸发的这种减小有利地将MRI系统中冷却剂的再填充减到最小。而且，因为冷却剂在管道单元106中再凝结和再利用，可以避免MRI系统中使用数百升冷却剂。这又降低MRI系统的制造成本和重量。
参考图2，其说明根据本技术的其他多个方面的热虹吸冷却系统200的另一个实施例的剖面图。热虹吸冷却系统200可以配置成将一个或多个超导单元202的温度保持在制冷温度处或以下。一个或多个超导单元202可以包括MRI系统内保持的超导磁体和/或线圈及其支承结构，如持续电流开关。在目前设想到的配置中，热虹吸冷却系统200包括贮存器204、管道单元206和冷凝单元208。贮存器204配置成将从管道单元206接收的蒸发的冷却剂冷却或凝结。管道单元206配置成吸收超导单元202消散的热，而冷凝单元208配置成将从贮存器204接收的蒸发的冷却剂凝结。在一个示范实施例中，贮存器204耦合到管道单元206和冷凝单元208。贮存器204包括第一部分210和第二部分212。贮存器204的第一部分210配置成存储液态冷却剂，而贮存器204的第二部分212配置成收集从贮存器204的第一部分210蒸发的冷却剂。再者，贮存器204包括第一出口 213、第二出口 214和第三出口 216。第一出口 213经由第一通道220耦合到冷凝单元208的入口 218。而且，贮存器204的第一出口213配置成将蒸发的冷却剂从贮存器204输送到冷凝单元208。相似地，第二出口 214耦合到管道单元206，并且配置成将液态冷却剂从贮存器204的第一部分210输送到管道单元206。再者，第三出口 216经由第二通道226耦合到释放阀224。采用释放阀224来释放贮存器204的任何内生压力。根据本技术的多个方面，管道单元206配置成将热从一个或多个超导单元202消散。在一个示范实施例中，管道单元206耦合到贮存器204和冷凝单元208。具体来说，与贮存器204组合的管道单元206形成用于液态冷却剂的密度驱动循环的循环回路。在一个实施例中，管道单元206包括入口 228、基底支管230、垂直支管232和两个或两个以上循环回路234、236，如图2所示。入口 228经由第三通道240耦合到冷凝单元208的出口 238。再者，管道单元206的入口 228配置成从冷凝单元208接收凝结的液态冷却剂。例如，最初可以通过入口 228对管道单元206填充液态冷却剂。此外，垂直支管232的一端耦合到贮存器204的第二出口 214，而垂直支管232的另一端耦合到基底支管230，如图2所示。垂直支管232配置成从贮存器204接收液态冷却齐U，并经由基底支管230将接收的液态冷却剂输送到两个循环回路234、236。而且，这两个循环回路234、236的每一个设置在基底支管230与贮存器204之间。而且，在某些其他实施例中，这些循环回路234、236可以设置在一个或多个超导单元202周围以从一个或多个超导单元202消散热。在一个示范实施例中，冷凝单元208可以耦合到贮存器204和管道单元206。冷凝单元208配置成将从贮存器204的第二部分212接收的蒸发的冷却剂凝结或冷却。冷凝单元208包括入口 218、冷凝器242和出口 238。冷凝单元208的入口 218配置成从贮存器204的第二部分212接收的蒸发的冷却剂。然后，将接收的蒸发的冷却剂输送到冷凝器242。冷凝器242配置成将接收的蒸发的冷却剂凝结以形成冷凝的液态冷却剂。在将蒸发的冷却剂凝结时，冷凝单元208经由出口 238和第三通道240将液态冷却剂输送到管道单元206。可以假定最初对管道单元206和贮存器204的第一部分210填充以液态冷却剂。再者，根据本技术的多个示范方面，通过改变管道单元206中液态冷却剂的密度来使液态冷却剂在贮存器204和管道单元206之间循环。具体来说，设置在一个或多个超导单元202上方的两个循环回路234、236配置成吸收一个或多个超导单元202产生的热。在由其中循环的液态冷却剂吸收热之后，循环回路234、236内的液态冷却剂的密度减小。然后，循环回路234、236的每一个中的密度减小的冷却剂沿着如图2所示的方向244向贮存器204行进。此后，最初存储在贮存器204的第一部分210中的液态冷却剂用于将从循环回路234、236接收的冷却剂凝结。具体来说，接收的冷却剂中吸收的热被传递到贮存器204中存储的液态冷却剂。通过传递吸收的热，可以将接收的冷却剂凝结，并且可以增加该冷却剂的密度，从而形成液态冷却剂。此凝结的液态冷却剂沿着管道单元206的垂直支管232行进。图2中以参考数字246大致描绘凝结的液态冷却剂在垂直支管232中的向下移动。此后，凝结的液态冷却剂经由基底支管230输送到循环回路234、236，其中凝结的液态冷却剂继续吸收一个或多个超导单元202产生的热。此循环可以重复以使液态冷却剂在管道单元206内循环,如图2所示。此外，在贮存器204处，当使来自管道单元206的循环回路234、236接收的冷却剂冷却时，贮存器204的第一部分210中的液态冷却剂的一部分蒸发并存储在贮存器204的第二部分212中。此蒸发的冷却剂经由第一通道220被输送到冷凝单元208。在冷凝单元208处，将蒸发的冷却剂凝结，并经由第三通道240将此凝结的液态冷却剂输送回管道单元206。由此，通过使用最小量的液态冷却剂将一个或多个超导单元202冷却或保持在制冷温度处。例如，可以在热虹吸冷却系统200中使用约10升液态冷却剂将超导单元202冷却。现在转到图3，其图示热虹吸冷却系统300的另一个实施例的剖面图。在本示例中，根据本技术的多个方面，热虹吸冷却系统300包括歧管和热交换器。图3的实施例与图2的实施例相似，所例外的是图3的管道单元302包括一个或多个歧管304、306和热交换器308。在当前设想的配置中，管道单元302包括第一歧管304和第二歧管306。第一歧管304耦合到管道单元302的基底支管310，并且配置成平衡管道单元302的每个支管中液态冷却剂流量分布。例如，将液态冷却剂输送到循环回路312、314可能导致一个循环回路312具有比另一个循环回路314多的液态冷却剂流量。液态冷却剂的未平衡的流量可能进一步影响管道单元302内液态冷却剂的循环。由此，为了克服这两个循环回路312、314中冷却剂流量的未平衡的循环，管道单元302包括第一歧管304，第一歧管304将平衡从基底支管310到每个循环回路312、314的液态冷却剂的流量，如图3所示。以相似的方式，第二歧管306耦合到贮存器318的第一部分316，并且配置成平衡从贮存器318到管道单元302的液态冷却剂流的流量分布。此外，管道单元302包括热交换器308，热交换器308耦合到贮存器318的第一部分316。热交换器308配置成分散液态冷却剂吸收的热。具体来说，贮存器318从循环回路312、314接收液态冷却剂，其中超导单元340产生的热已将该液态冷却剂加热。通过采用热交换器308将此热均匀地传递或分散到遍及贮存器318。通过分散热，可以减少或消除贮存器318和/或管道单元302中的气泡的数量，这又进一步增强液态冷却剂在贮存器318中和/或管道单元302中的流动。在一个实施例中，热交换器308可以包括有翼的热交换器。图4是根据本技术的多个方面的、图1的热虹吸冷却系统的部分400的剖面图。图4的实施例与图1的实施例相似，所例外的是设置在贮存器内的管道单元404的部分402耦合到热交换器408。在图4的示范实施例中，热交换器408配置成减少管道单元404内循环的液态冷却剂中的气泡。具体来说，热交换器408将管道单元404的液态冷却剂中吸收的热分散到遍及贮存器406中的液态冷却剂。这种热分散进一步帮助减少管道单元404内的气泡的数量或气泡的大小。例如，在吸收超导单元410产生的热之后，管道单元404中的液态冷却剂的一部分可能蒸发。此蒸发的液态冷却剂可能向设置在贮存器406内的管道单元404的部分402行进。然后，一旦此蒸发的冷却剂凝结，则该冷却剂的一部分可能在管道单元404内形成气泡。这些气泡可能组合在一起，并阻塞液态冷却剂在管道单元404内的循环。为了克服这些问题，采用热交换器408将热从管道单元404内的液态冷却剂传递并分散到贮存器406中的液态冷却剂。这种热的传递和分散防止了管道单元404中气泡的形成。现在参考图5，其说明根据本技术的多个方面的、图1的热虹吸冷却系统100的部分500的剖面图。图5的实施例与图1的实施例相似，所例外的是设置在贮存器506内的管道单元504的部分502包括穿孔管508。穿孔管508配置成释放管道单元504内形成的气泡。例如，当管道单元504吸收超导单元510产生的热时，管道单元504内的液态冷却剂蒸发并向贮存器506内设置的管道单元504的部分502行进。此蒸发的冷却剂可能具有一个或多个气泡，并且这些气泡可能组合在一起以形成扩大的气泡。然后，扩大的气泡可能阻塞液态冷却剂在管道单元504内的流动。因此，为了减少或消除管道单元504中的气泡，管道单元504包括穿孔管508,穿孔管508使气泡能够从管道单元504释放。具体来说，忙存器506内的管道单元504的部分502包括穿孔管508，穿孔管508帮助气泡集体从管道单元504释放出去。可以注意，气泡集体还可以称为温气袋。在一个实施例中，管道单元504的部分502可以与贮存器506的基底成约5度的角度倾斜，以消除管道单元504中的气泡/温气袋的累积。图6是说明根据本技术的多个方面的、使用热虹吸冷却系统将超导单元冷却的方法的流程图600。为了易于理解本技术，参考图1的组件来描述该方法。虽然该方法是参考图1的组件来描述的，但是可以注意，根据所经受的最大热负荷或设计目标，该方法还可以使用图2-5所不的热虹吸冷却系统中的任一个热虹吸冷却系统来描述。例如,该方法可以使用图5的热虹吸冷却系统500来冷却具有高瞬态热负荷的超导单元，热虹吸冷却系统500具有穿孔管508。该方法开始于步骤602，其中在贮存器104的第一部分110中，对图1的贮存器104填充以液态冷却剂。同样，贮存器104的第二部分112配置成收集从中贮存器104的第一部分蒸发的任何冷却剂。贮存器110的第一部分110从凝结的冷却单元108接收液态冷却剂。然后，在步骤604处，将管道单元(如图1的管道单元106)的一端耦合到贮存器104，并且将管道单元106的另一端耦合到超导单元102。具体来说，在一个实施例中，管道单元106可以设置在超导单元102的上方并配置成消散超导单元102产生的热以将超导单元102的温度降低到制冷温度或以下。同时，管道106的部分136可以耦合到贮存器104或设置在贮存器104内以将吸收的热传递到贮存器104中的液态冷却剂。此外，在步骤606处，管道单元106配置成从贮存器104的第一部分110接收液态冷却剂。具体来说，管道单元106包括入口，如图1的入口 128，其耦合到贮存器104的出口，如图1的出口 114。管道单元106的此入口 128配置成经由通道(如图1的第三通道130)从贮存器104的出口 114接收液态冷却剂。
再者，在步骤608处，管道单元106配置成使得接收的液态冷却剂在管道单元106内循环以消散至少一个超导单元102产生的热。根据本技术的多个示范方面，通过改变管道单元106的不同部分处的接收的液态冷却剂的密度来使接收的液态冷却剂在管道单元106内循环。具体来说，管道单元106内的液态冷却剂配置成吸收超导单元102产生的热。此热吸收减小了管道单元106中的液态冷却剂的密度。密度减小的液态冷却剂沿着第一支管142向管道单元106的部分136行进，部分136设置在贮存器104内，如图1中方向144所描绘的那样。在一个实施例中，管道单元106可以具有范围从约0.58 mm至约5 mm的通道直径以使气泡能够向管道单元106的部分136行进。管道单元106的部分136还可以与贮存器104的基底成约5度的角度倾斜，以消除气泡的累积并保持管道单元106中冷却剂流的速度。此后，在管道单元106的部分136处，通过将吸收的热传递到贮存器104的第一部分Iio中的液态冷却剂来使密度减小的液态冷却剂冷却或凝结。通过传递吸收的热，将管道单元106的部分136中的冷却剂凝结，这又增加了该液态冷却剂的密度。此凝结的液态冷却剂然后沿着管道单元106的第二支管148向超导单元102行进。图1中以方向148示出凝结的液态冷却剂在第二支管146中的移动。然后使得凝结的液态冷却剂在管道单元106内循环以吸收超导单元102产生的热。此循环可以重复以使冷却剂在管道单元106内循环，如图1所示。图7是根据本技术的多个方面的、包括热虹吸冷却系统100 (参见图1)的MRI系统700的剖面图。图7的MRI磁体系统700是提供低温冷藏的低制冷剂MRI磁体布置。在本实施例中，MRI磁体系统700包括超导MRI磁体702，超导MRI磁体702由同心超导主线圈704和补偿线圈706形成，同心超导主线圈704和补偿线圈706被支承在高热传导性的圆柱形壳体(线圈支承壳体708和线圈支承壳体710)内，并且由低温致冷器718通过氦热虹吸系统(如图1的热虹吸冷却系统100)来进行冷却。由此，超导主线圈704与补偿线圈706之间存在径向间距，超导主线圈704与补偿线圈706分别被支承在不同的线圈支承壳体708和710上。线圈支承壳体708、710作为具有热耦合(例如，接合)到线圈支承壳体708的外表面的冷却管714的圆柱形壳体来形成。例如，线圈支承壳体708、710可以具有在其中限定腔体的环向延伸的固体金属壁。此外，MRI系统700包括用于将超导主线圈704和/或补偿线圈706的温度保持在制冷温度处的热虹吸冷却系统，如参考图1-6所描述的那样。再者，低温致冷机718和He存储容器(图示为形成液态He存储系统720的罐体)可以代表图1的冷凝单元108和/或贮存器104。超导线圈704和/或补偿线圈706以环氧塑脂模制而成。例如，以湿的环氧树脂绕着模制的线圈，并将其固化以形成自支承的结构。然后可以将超导线圈704与补偿线圈706分别接合到线圈支承壳体708和710。将形成的超导线圈704与补偿线圈706的尺寸设为限定穿过其中的腔体726，腔体726用于对对象(例如患者)成像。例如，可以限定视场(FOV) 728来为对象的特定部位成像。而且，氦热虹吸布置包括具有热附连到线圈支承壳体708和/或710的多个冷却管714的蒸发器系统，热附连到低温致冷器718的再冷凝器730，以及He存储容器720、722，这些部件全部包含在磁体真空容器732内。在一个实施例中，热虹吸冷却系统(如图1的热虹吸冷却系统100)经由冷却管714在操作上耦合到超导单元。可以注意，图7示出热虹吸冷却系统(如图1的热虹吸冷却系统100)在低制冷剂磁体或MRI系统700中的一个或多个可能位置和布置。此外，该氦热虹吸系统包括两个环形He气存储罐722，其中包含约200至300升He气，这基于所需或所期望的冷却量而有所变化。在多种实施例中，液态He存储系统720从再冷凝器730接收液态He，并将液态He提供到耦合到冷团(mass)支承结构(即线圈支承壳体708和/或710)的冷却管714。而且，歧管738从冷却管714接收蒸气He (He气体)并将He气体返回到再冷凝器730。最初在室温下对He气体存储罐722填充以介于30与40 atm之间的He气体。工作中，当对低温致冷器718赋能或开机时，再冷凝器730从He气体存储罐722抽取He，并建立自由对流循环回路，该自由对流循环回路将线圈704和706以及支承团结构(线圈支承壳体708和/或710)降温到制冷温度，以及以介于约8与10升之间的液态He填充液态He存储罐720。工作中，使用液态He存储罐720中的液态He以例如在低温致冷器718关机或电源中断期间对磁体702和持续电流开关716提供冷却，例如服务长达10-12小时。在多种实施例中，一旦热虹吸系统开启，则系统自行冷却，从而形成自由对流循环系统。可以注意，MRI磁体系统700还包括接线盒740、用于对线圈704和706供电的接收电源线742以及MRI磁体系统700的其他组件。由此，多种实施例提供具有模制的超导线圈和持续电流开关的MRI磁体系统700，这些模制的超导线圈和持续电流开关通过能够在4.2 K的温度下工作的高热传导性圆柱形壳体来实现传导冷却和结构支承。而且，通过排除典型情况下用于将超导磁体冷却的大液态He存储容器以及通过由铝制成线圈支承组件，减小了磁体重量。在多种实施例中，无需处理或添加制冷剂，并且系统总重量介于约2000磅与2500磅之间。上文描述的系统和方法还可以用于改进用于对MRI系统中的至少一个超导单元冷却的热虹吸冷却系统，如图1的热虹吸冷却系统100。更具体地来说，贮存器104和管道单元106 (参见图1)可以是对MRI系统的现有基础结构的改进。再者，在某些实施例中，贮存器104包括第一部分110，第一部分110配置成存储液态冷却剂，而管道单元106耦合到贮存器104且设置成与要冷却的至少一个超导单元102相邻。管道单元106可以配置成从贮存器104的第一部分110接收液态冷却剂，并使得接收的液态冷却剂在管道单元106内循环以消散至少一个超导单元102产生的热。具体来说，通过改变管道单元106的不同部分处的接收的液态冷却剂的密度来使接收的液态冷却剂在管道单元106内循环。上文描述的用于将超导单元冷却的示范热虹吸冷却系统和方法的多种实施例帮助降低了如MRI系统的磁装置的制造成本和重量。而且，因为再凝结蒸发的冷却剂并使其在管道单元内循环，所以可以显著地减少贮存器或存储容器中数千升冷却剂或液态He的使用。而且，冷却剂在管道单元内循环，无需使用附加/外部泵送装置。再者，管道单元(称为热虹吸冷却回路冲循环的冷却剂是高效热对流回路，其在MRI系统中提供非常稳定且增强的冷却性能，即使是在瞬态工作状况下。而且，该热虹吸冷却回路对于瞬态热负荷是自适应的。例如，管道单元中冷却剂的循环是基于施于超导单元的热负荷自动地控制的。此外，这些系统和方法以对MRI系统中的现有冷却布置进行最小配置更改来提供最大冷却效率。再者，该系统的这种更高的冷却效率帮助将超导线圈/导线的性能推向更高水平以及同时增加超导线圈/导线的致冷稳定性。虽然本文仅图示并描述本发明的某些特征，但是本领域技术人员将设想到许多修改和更改。因此，要理解，所附权利要求应涵盖落在本发明的真实精神内的所有此类修改和更改。
权利要求
1.一种热虹吸冷却系统，其包括: 贮存器，其具有配置成存储液态冷却剂的第一部分； 管道单元，其耦合到所述贮存器并设置成与要冷却的至少一个超导单元相邻，并且配置成: 从所述贮存器的所述第一部分接收液态冷却剂；以及 使得接收的液态冷却剂在所述管道单元内循环以消散所述至少一个超导单元产生的热，其中通过改变所述管道单元的不同部分处的所接收的液态冷却剂的密度来使所接收的液态冷却剂在所述管道单元内循环。
2.如权利要求1所述的热虹吸冷却系统，还包括冷凝单元，其耦合到所述贮存器并且配置成将从所述贮存器蒸发的液态冷却剂凝结。
3.如权利要求2所述的热虹吸冷却系统，其中所述冷凝单元包括: 入口，其经由第一通道耦合到所述贮存器并且配置成从所述贮存器接收蒸发的冷却剂； 冷凝器，其配置成将接收的蒸发的冷却剂凝结以形成液态冷却剂；以及 出口，其经由第二通道耦合到所述贮存器并且配置成将所述液态冷却剂输送到所述贮存器。
4.如权利要 求1所述的热虹吸冷却系统，其中所述贮存器还包括第二部分，所述第二部分配置成存储从所述贮存器的所述第一部分蒸发的液态冷却剂。
5.如权利要求1所述的热虹吸冷却系统，其中所述管道单元配置成通过在所述管道单元一端处吸收所述至少一个超导单元产生的热并在所述管道单元另一端处将所吸收的热传递到所述贮存器的所述第一部分中来改变所接收的液态冷却剂的密度。
6.如权利要求5所述的热虹吸冷却系统，其中所述管道单元配置成: 当所接收的液态冷却剂吸收所述至少一个超导单元产生的热时减小所接收的液态冷却剂的密度；以及 当所吸收的热从所述管道单元内的所接收的液态冷却剂传递到所述贮存器的所述第一部分中的液态冷却剂时，增加所接收的液态冷却剂的密度。
7.如权利要求1所述的热虹吸冷却系统，其中所述管道单元配置成使得所接收的液态冷却剂在所述管道单元内循环而不使用泵送装置。
8.如权利要求1所述的热虹吸冷却系统，其中所述管道单元包括入口，所述入口配置成经由第三通道从所述贮存器的所述第一部分接收液态冷却剂。
9.如权利要求1所述的热虹吸冷却系统，其中所述管道单元包括穿孔管，所述穿孔管配置成将所述液态冷却剂中的气泡输送到所述管道单元外。
10.如权利要求1所述的热虹吸冷却系统，其中所述管道单元包括至少一个歧管，所述至少一个歧管配置成将所述液态冷却剂流分散在所述管道单元中。
11.如权利要求1所述的热虹吸冷却系统，其中所述管道单元包括: 第一支管，其耦合到所述贮存器的所述第一部分并且配置成从所述贮存器的所述第一部分接收液态冷却剂； 至少一个循环回路，其设置在所述至少一个超导单元上方并且配置成: 从所述管道单元的所述第一支管接收液态冷却剂；通过吸收所述至少一个超导单元产生的热，减小所述液态冷却剂的密度；以及在减小所述液态冷却剂的密度之后将所述液态冷却剂输送到所述贮存器的所述第一部分。
12.如权利要求1所述的热虹吸冷却系统，还包括热交换器，其热耦合到所述管道单元并且配置成减少在所述管道单元中循环的接收的液态冷却剂中的气泡。
13.如权利要求1所述的热虹吸冷却系统，还包括释放阀，其耦合到所述贮存器并且配置成释放所述贮存器的内生压力。
14.一种方法，其包括: 将液态冷却剂存储在贮存器的第一部分中； 将管道单元的一端耦合到至少一个超导单元并将所述管道的另一端耦合到所述贮存器； 通过所述管道单元从所述贮存器的所述第一部分接收液态冷却剂；以及使得接收的液态冷却剂在所述管道单元内循环以消散所述至少一个超导单元产生的热，其中通过改变所述管道单元的不 同部分处的所接收的液态冷却剂的密度来使所接收的液态冷却剂在所述管道单元内循环。
15.如权利要求14所述的方法，还包括由冷凝单元将所述贮存器的第二部分中存储的蒸发的冷却剂凝结。
16.如权利要求14所述的方法，其中改变所接收的液态冷却剂的密度包括: 通过吸收所述至少一个超导单元产生的热，减小所述管道单元的一端处的所述液态冷却剂的密度；以及 通过将所吸收的热传递到所述贮存器的所述第一部分中的液态冷却剂，增加所述管道单元的另一端处的所述液态冷却剂的密度。
17.—种系统,包括: 至少一个超导单元，其配置成产生磁场； 热虹吸冷却子系统，其耦合到所述超导单元且配置成消散在所述超导单元产生磁场的同时产生的热，其中所述热虹吸冷却子系统包括: 贮存器，其具有配置成存储液态冷却剂的第一部分； 管道单元，其耦合到所述贮存器并设置成与要冷却的至少一个超导单元相邻，并且配置成: 从所述贮存器的所述第一部分接收液态冷却剂；以及 使得接收的液态冷却剂在所述管道单元内循环以消散所述至少一个超导单元产生的热，其中通过改变所述管道单元的不同部分处的所接收的液态冷却剂的密度来使所接收的液态冷却剂在所述管道单元内循环。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述管道单元配置成通过在所述管道单元一端处吸收所述至少一个超导单元产生的热并在所述管道单元另一端处将所吸收的热传递到所述贮存器的所述第一部分中来改变所接收的液态冷却剂的密度。
19.如权利要求17所述的系统，其中所述热虹吸冷却子系统配置成将所述至少一个超导单元的温度保持在制冷温度处或以下。
20.一种用于冷却至少一个超导单元的热虹吸冷却套件，其包括:贮存器，其具有配置成存储液态冷却剂的第一部分； 管道单元，其耦合到所述贮存器并设置成与要冷却的所述至少一个超导单元相邻，并且配置成: 从所述贮存器的所述第一部分接收液态冷却剂；以及 使得接收的液态冷却剂在所述管道单元内循环以消散所述至少一个超导单元产生的热，其中通过改变所述管道单元的不同部分处的所接收的液态冷却剂的密度来使所接收的液态冷却剂在所述管道单元内循环。
全文摘要
本发明的名称为“热虹吸冷却系统和方法”。提出一种热虹吸冷却系统。该热虹吸冷却系统的一个实施例包括贮存器，该贮存器具有配置成存储液态冷却剂的第一部分。该热虹吸冷却系统还包括管道单元，该管道单元耦合到贮存器且设置成与要冷却的至少一个超导单元相邻，并且配置成从贮存器的第一部分接收液态冷却剂，并使接收的液态冷却剂在管道单元内循环以消散至少一个超导单元产生的热。通过改变管道单元的不同部分处的接收液态冷却剂的密度来使接收的液态冷却剂在管道单元内循环。
文档编号H01F6/04GK103177840SQ20121056523
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月24日 优先权日2011年12月22日
发明者E.W.施陶特纳 申请人:通用电气公司