DE69929402T2

DE69929402T2 - Thermisch leitfähige Dichtung für einen supraleitenden Magneten ohne Verdampfungsverluste

Info

Publication number: DE69929402T2
Application number: DE69929402T
Authority: DE
Inventors: In-Hua Florence Xu; Daniel Christian Florence Woods; William Stephen Florence Stogner
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: JP4301351B2; JP2000049010A; EP0974849A2; EP0974849B1; US5918470A; DE69929402D1; EP0974849A3

Description

Diese Erfindung betrifft eine zur (hierin nachstehend als "MRI" bezeichneten) Magnetresonanzbildgebung geeignete heliumgekühlte, supraleitende Magnetanordnung, die einen mechanischen Tieftemperaturkühler und eine Rückkondensationseinrichtung zum Rückkondensieren des sich ergebenden Heliumgases zu flüssigem Helium enthält, und insbesondere im Wirkungsgrad verbesserte und vereinfachte Zwischenlagen bzw. Dichtungen zum thermischen Verbinden des Tieftemperaturkühlers mit der Rückkondensationseinrichtung des supraleitenden Magneten.
Wie es allgemein bekannt ist, kann ein supraleitender Magnet erzeugt werden, indem er in einer extrem kalten Umgebung, wie zum Beispiel durch Einschließen in einem Kryostat oder Druckgefäß, das eine Kryoflüssigkeit, wie zum Beispiel flüssiges Helium enthält, platziert wird. Die extreme Kälte hält den Stromfluss durch die Magnetspulen, nachdem eine anfänglich mit den Spulen (für eine relativ kurze Dauer) verbundene Energiequelle abgetrennt wurde, aufgrund des fehlenden elektrischen Widerstandes in den kalten Magnetspulen aufrecht und hält dadurch ein starkes Magnetfeld aufrecht. Supraleitende Magnetanordnungen finden auf dem Gebiet der MRI breite Anwendung.
Die Bereitstellung und Lagerung eines ständigen Vorrates an flüssigen Helium für MRI-Installationen hat sich weltweit als schwierig und teuer erwiesen, was zu erheblichen Forschungs- und Entwicklungsbemühungen führte, die auf die Minimierung der Notwendigkeit der Nachfüllung von siedendem flüssigen Helium, wie zum Beispiel durch Rückkondensation des sich ergebenden Heliumgases gerichtet sind.
Supraleitende Magnete, welche das Heliumgas wieder zu flüssigen Helium kondensieren, werden oft als verdampfungsverlustlose (ZBO - zero boiloff)-Magnete bezeichnet. Das durch Sieden von flüssigem Helium in dem Heliumdruckgefäß des supraleitenden Magneten erzeugte Heliumgas wird durch Kanäle in der Rückkondensationseinrichtung durch den Tieftemperaturkühler gekühlt, um das Heliumgas wieder zu flüssigem Helium zur Rückführung in das Flüssigheliumbad in dem Druckbehälter zu kondensieren. Die effiziente thermische Kopplung der mechanischen Kühleinrichtung oder des Tieftemperaturkühlers mit der Rückkondensationseinrichtung ist extrem wichtig, da die Kühlkapazität und Betriebsgrenzen eines Tieftemperaturkühler in einem supraleitenden ZBO-Magneten oft erreicht werden, was die thermische Fähigkeit des Systems strapaziert, die notwendige Kühlung für die Rückkondensation des Heliumgases bereitzustellen. Zusätzlich ist es erforderlich, dieses zu erreichen, während gleichzeitig die Einführung in die und Einstellung des Tieftemperaturkühlers in der supraleitenden Magnetanordnung ermöglicht wird, ohne den Tieftemperaturkühler durch Ausüben eines übermäßigen Druckes auf den Tieftemperaturkühler zum Erzielen der in einem derartigen System erforderlich effizienten thermischen Kopplung zu beschädigen
Das am 30. Dezember 1997 erteilte und dem Rechtsnachfolger des vorliegenden Patentes übereignete US Patent 5,701,742 offenbart die Verwendung einer verformbaren Indiumdichtung für die Wärmekopplungsübergangsstelle, um den erforderlichen Kopplungsdruck zu verringern. Es hat sich jedoch als notwendig erwiesen in einen supraleitenden ZBO-Magneten den thermischen Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, um eine angemessene Kühlung aufgrund der marginalen Kühlfähigkeit einiger ZBO-Magnetanordnungen sicherzustellen, während gleichzeitig der Kopplungsdruck vermindert wird, um eine mögliche Beschädigung des Tieftemperaturkühlers zu vermeiden. Diese Erfindung stellt somit eine Verbesserung gegenüber der vorstehend erwähnten 5,701,742 Erfindung dar.
Indium hat sich, obwohl es bei Raumtemperatur weich und nachgiebig ist, als extrem hart und schwierig einwandfrei zu komprimieren erwiesen, wenn er sich bei supraleitenden Temperaturen befindet. Leichte Unvollkommenheiten und Schwankungen in der Dicke haben so viel mehr Druck auf die Dichtung für eine gute Wärmeleitung erfordert, dass die Gewindegänge von Einstellschrauben abgeschert oder das Tieftemperaturkühlergehäuse beschädigt wurde. Das Erzielen einer gleichmäßigen optimalen Wärmeleitung über der gesamten Übergangsstellendichtung mit minimal aufgebrachtem Druck hat sich oft als schwierig oder schwer erreichbar erwiesen.
Demzufolge wird es extrem wichtig, eine verbesserte und trotzdem unkomplizierte effiziente Wärmekopplung zwischen dem Tieftemperaturkühler und der Rückkondensationseinrichtung bereitzustellen, um eine effiziente Rückkondensation des Heliumgases in einem Supraleitenden ZBO-Magneten zu ermöglichen.
Somit liegt ein besonderer Bedarf für ein verbessertes Tieftemperaturkühlersystem zum Kühlen der Heliumrückkondensationseinrichtung vor, welches in effizienter Weise die vorstehend genannten Probleme überwindet und die thermisch effiziente Kopplung zwischen dem Tieftemperaturkühler und der Rekondensationseinrichtung ohne Beschädigung des Tieftemperaturkühlers aufgrund des erforderlichen thermischen Kopplungsdruckes bereitstellt.
Gemäß der Erfindung wird dieses mit einer verdampfungsverlustlosen, mit Flüssighelium gekühlten rückkondensierenden supraleitenden Magnetanordnung gemäß Definition in Anspruch 1 erreicht. Eine Anordnung mit den in dem Oberbegriff dieses Anspruches beschriebenen Merkmalen ist beispielsweise aus EP-A-0 720 024 bekannt.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Querschnittsansicht eines Abschnittes eines MRI-Supraleitermagneten ist, der in einer die vorliegende Erfindung verkörpernden vereinfachten Form dargestellt ist.
2 eine vergrößerte Ansicht der in 1 dargestellten Wärmedichtung ist.
3 eine Ansicht eines Endes in 2 ist.
Gemäß 1 enthält das MRI-Magnetsystem 10 einen Heliumdruckbehälter 4 mit einer Kryoflüssigkeit, wie zum Beispiel Helium 5. Ein thermisch isolierender Strahlungsschild 6 ist zwischen dem Heliumbehälter 4 und dem umgebenden Vakuumbehälter 2 angeordnet. Ein zweistufiger Tieftemperaturkühler 12, welcher ein Gifford-McMahon-Tieftemperaturkühler sein kann, erstreckt sich durch den Vakuumbehälter 2 innerhalb einer Hülse 8, so dass das kalte Ende des Tieftemperaturkühlers selektiv innerhalb der Hülse positioniert werden kann, um die Wärmeübergangsstellen-Dichtung 29 ohne Unterbrechung des Vakuums innerhalb des Vakuumbehälters zu berühren. Die von einem Motor 9 des Tieftemperaturkühlers 12 erzeugte Wärme bleibt auf der Außenseite 37 des Vakuumbehälters 2. Ein äuße rer Tieftemperaturkühler-Hülsenring 14 erstreckt sich außerhalb des Vakuumbehälters 2 und ein Bund 19 und Hülsenflansch 15 ermöglichen die Befestigung der äußeren Tieftemperaturkühlerhülse 13 an dem Vakuumbehälter 2. Der Tieftemperaturkühler 12 ist im Inneren 31 der Tieftemperaturkühlerhülsenanordnung 8, 18, 23 mit einem passenden Übergangsflansch 21 eingebaut und in seiner Lage mit Schrauben 82 und zugeordneten (nicht dargestellten) Dichtungsscheiben, welche durch den Flansch 21 zu dem Hülsenflansch 15 ohne Unterbrechung des Vakuums im Vakuumbehälter 2 hindurchtreten, befestigt.
Die Wärmestation 16 der ersten Stufe des Tieftemperaturkühlers 12 erstreckt sich in den Hohlraum 32 der Hülseanordnung 8, 18, 23 und berührt die Kupferwärmehülse der ersten Stufe oder Wärmesenke 18 über die Wärmedichtung 7. Die Wärmesenke 18 ist thermisch über flexible geflochtene Kupferwärmekupplungen 22 und 24 und Kupferwärmeblöcke 26 und 28 mit einem isolierenden Strahlungsschild 6 verbunden, um den Strahlungsschild auf eine Temperatur von angenähert 55K zu kühlen, was eine thermische Isolation zwischen dem Heliumbehälter 4 und Vakuumbehälter 2 schafft. Die flexiblen Kupplungen 22 und 24 erbringen auch eine mechanische oder Schwingungsisolation zwischen dem Tieftemperaturkühler 12 und dem Strahlungsschild 6.
Zusätzlich zum Kühlen des Strahlungsschildes 6 durch die erste Stufe 16 des Tieftemperaturkühlers 12 ist eine Superisolation 34 und 35 vorgesehen, um den Heliumbehälter 4 von dem Vakuumbehälter 2 weiter thermisch zu isolieren.
Die untere Oberfläche der Wärmestation der zweiten Stufe oder der kalte Kopf 30 des Tieftemperaturkühlers 12 berührt die Indiumdichtung 29, um den Tieftemperaturkühler thermisch mit der Wärmesenke 11 der Rekondensationseinrichtung 39 zu verbinden, die auf der gegenüber liegenden Seite der Indiumdichtung positioniert ist.
Sich nach unten erstreckend und thermisch mit der Wärmesenke 11 verbunden ist eine Heliumrekondensationskammer 38 angeordnet, die aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Kupfer besteht, welche mehrere, im Wesentlichen parallele Wärmeübertragungsplatten oder Oberflächen 42 in thermischen Kontakt mit der Wärmesenke 11 enthält, und Kanäle zwischen den Oberflächen der Platten für den Strom des Heliumgases aus dem Heliumdruckbehälter 4 ausbildet.
Heliumgas 40 bildet sich über dem Oberflächenpegel 44 des flüssigen Heliums des Heliumvorrats 46 durch das Sieden des flüssigen Heliums bei der Erzeugung von Tieftemperaturen an dem MRI-Magnetsystem 10. Das Heliumgas 40 verläuft durch Gaskanäle 52, durch die Wand 53 des Heliumbehälters 4 und durch den Heliumgaskanal 50 zu dem Innenraum des oberen Abschnittes 41 der Heliumrekondensationskammer oder der Dose 38. Wärmeübertragungsplatten 42 innerhalb der Rekondensationseinrichtung 39 werden durch die zweite Stufe 30 des Tieftemperaturkühlers 12 auf 4K abgekühlt, so dass zwischen den Platten hindurch tretendes Helium 40 wieder zu flüssigem Helium kondensiert, um sich im Bodenbereich 48 der Heliumrekondensationskammer 38 zu sammeln. Das rückkondensierte Flüssighelium fließt dann durch Schwerkraft durch die Heliumrücklaufleitung 54 und Flüssigheliumkanal 58 im Heliumbehälter 4 zurück zu dem Flüssigheliumvorrat 46.
Während des Betrieb des MRI-Magnetsystems oder der Anordnung 10 kühlt flüssiges Helium 46 die (insgesamt als 60 dargestellte) supraleitende Magnetspulenanordnung auf eine Sup raleitungstemperatur mit der insgesamt durch den Pfeil 62 angezeigten Kühlung in der auf dem Gebiet der MRI-Technik bekannten Weise ohne Heliumverlust aufgrund der rückkondensierenden ZBO. Heliumgas 40 strömt, anstelle einer Abgabe an die umgebenden Atmosphäre 37, wie es in vielen MRI-Geräten üblich ist, wie vorstehend beschrieben aus dem Heliumdruckbehälter 4 in das Innere der Heliumrekondensationskammer 38, um durch die von dem Tieftemperaturkühler gekühlten Wärmeübertragungsplatten 42 zur Rückkondensation zu flüssigem Helium hindurch zu treten, welches aufgrund von Schwerkraft strömt, und somit das rückkondensierte Heliumgas als flüssiges Helium in den Flüssigheliumvorrat in einem geschlossenen Kreislauf zurückführt.
Gemäß 2 enthält die Drahtwärmedichtung 29 beispielsweise 13 im Abstand angeordnete zylindrische Drähte 88, wovon jeder aus 99,99% Indium besteht, mit einem Durchmesser von 1,52 mm (0,060 inches) und welche an ihren Enden mit ebenen Verbindungssegmenten oder Stegelementen gegenüberliegender radialer Bögen 90 und 92 verbunden sind. Die radialen Bögen 90 und 92 haben einen Außendurchmesser von 50,3 mm (1,98 inches), welcher zur Verwendung mit einem Tieftemperaturkühler 12 mit einem Bodendurchmesser der zweiten Stufe 30 von 52,1 mm (2,05 inches) geeignet ist. Die Zwischenräume oder Öffnungen 89 zwischen den Drähten 88 sind angenähert das 1,5-fache des Durchmessers der Drähte, das heißt die Zwischenräume zwischen den Drähten sind breiter als die Drähte.
Die gekrümmten Verbindungssegmente 90 und 92 sind 1,78 mm (0,07 inches) dick, wie auch sich im Allgemeinen radial erstreckende diametral gegenüberliegende Laschen 96 und 97. Die Laschen 96 und 97 sind in axiale Nuten 98 in dem kalten Kopf oder der Wärmestation der zweiten Stufe des Tieftempera turkühlers 12 (siehe 1) hinein gebogen, um das Festhalten des Tieftemperaturkühlerkaltkopfes oder zweiten Stufe 30 zu ermöglichen. Die Laschen 96 und 97 können in zweckmäßiger Weise in axiale Nuten 98 eingelötet sein, um die Dichtung 98 während des Einbaus und der Entfernung des Tieftemperaturkühlers auf dem Tieftemperaturkühler 12 festzuhalten. Eine verformte Dichtung kann vor dem Wiedereinbau des Tieftemperaturkühlers 12 nach einer Wartung des Tieftemperaturkühlers durch eine Ersatzdichtung 96 ersetzt werden.
Gemäß nochmaligem Bezug auf 1 werden nach dem Einbau des Tieftemperaturkühlers 12 in die Tieftemperaturkühlerhülsenanordnung 8, 18, 23 Schrauben 82 selektiv angezogen, um den Tieftemperaturkühler 12 gegen die Indiumdichtung 29 mit einem ausreichenden Druck zu drücken, um die Dichtung 29 durch ein Kaltflussverformung der Indiumdrähte 88 in die dazwischen liegenden Räume 89 zu verformen. Dieses stellt einen guten thermischen Kontakt gemäß Detektion durch eine Temperaturdifferenz, falls überhaupt vorhanden, die von Temperatursensoren 80 und 84 auf gegenüber liegenden Seiten der Wärmeübergangsstelle 29 ohne übermäßiges Anziehen und möglicherweise Beschädigen des Tieftemperaturkühlers 12 oder der Dichtung 29 gemessen werden.
Bezug nehmend auf 3 sei angemerkt, dass die Gitterdrähte 88 der Dichtung 29 einen größeren Durchmesser als die Dicke der ebenen gekrümmten Segmente 92 haben und das die gekrümmten Segmente die mittigen Bereiche der benachbarten Drähte verbinden. Dieses erleichtert die Verformung der Drähte 88 unter Druck bei dem Anziehen der Schrauben 82, was ein Fließen des Dichtungsmaterials in die Räume 89 zwischen den Drähten bewirkt. Alle zwischen den Gitterdrähten 88 eingeschlossenen Gase können leicht über oder unten den dazwischen liegenden gekrümmten Segmenten 92 hindurch treten, da die Kontaktbereiche zwischen den Drähten 88 mit dem kalten Kopf 24 und der Wärmesenke 11 allmählich mit der Bewegung des Tieftemperaturkühlers 12 zu der Rückkondensationseinrichtung 39 bei dem Anziehen der Schrauben 82 und mit der Verformung oder Abflachung der die Räume 89 dazwischen füllenden Drähte zunehmen.
Nach dem Anziehen mit einem minimalen Druck auf den und ohne Beschädigung an dem Tieftemperaturkühler 12 ist der Temperaturabfall oder Verlust über der Wärmekopplung 30, 29, 11 in dem gewünschten und akzeptablen Bereich von 0,15 bis 0,30K erzielbar. Es hat sich herausgestellt, dass der Tieftemperaturkühler 12, wenn er in einem ZBO-Rekondensationsmagnet verwendet wird, nicht in der Lage ist, die zum Aufrechterhalten der verdampfungsverlustlose Bedingungen ausreichende Kühlung zu liefern, selbst wenn ein Temperaturabfall über der thermischen Kopplung 30, 29, 11 nur 1K beträgt. Dieses ist der Grund, warum die Erhöhung des Wärmewirkungsgrades der thermischen Kupplung 30, 29, 11 so wichtig ist.
Obwohl übliche Kenntnisse nahe legen könnten, dass eine Dichtung mit flachen Gitterdrähten (wie sie in US-A-570172 dargestellt ist) und/oder ohne Stege mit einer geringeren Dicke als die der Drähte eine bessere Leitfähigkeitsverbindung bereitstellen sollte, hat sich die Dichtung 29 als betriebssicher und leicht anpassbar für eine optimierte Wärmeleitfähigkeit mit minimalem Druck auf die Drähte zum Vermeiden einer möglichen Beschädigung an dem Tieftemperaturkühler 12 oder der thermischen Kupplung erwiesen.

Claims

Verdampfungsverlustlose mit Flüssighelium gekühlte rückkondensierende supraleitende Magnetanordnung mit zur Magnetresonanzbildgebung geeigneten supraleitenden Magnetspulen (60), aufweisend: ein Heliumdruckgefäß (4) zur Aufnahme eines Flüssigheliumvorrats, um an den Magnetspulen (60) Tieftemperaturen für einen Supraleitungsbetrieb bereitzustellen; eine Rückkondensationseinrichtung (39) und einen Tieftemperaturkühler (12) zum Kühlen der Rückkondensationseinrichtung, um in dem Druckbehälter gebildetes Heliumgas wieder zu flüssigem Helium zu kondensieren; eine Wärmeübergangsstelle zwischen der Rückkondensationseinrichtung (39) und dem Tieftemperaturkühler (12); wobei die Wärmeübergangsstelle eine verformbare Dichtung (29) und eine Einrichtung (62) zum selektiven Anpressen des Tieftemperaturkühlers an die Rückkondensationseinrichtung (39) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (29) mehrere in Abstand angeordnete Gitterdrähte (88) enthält, die sich quer zu der Dichtung (29) erstrecken und an ihren Enden über Stegelemente (90, 92) verbunden sind, welche die Zwischenräume zwischen den Drähten (88) überspannen und eine kleinere Dicke als die Dicke der Drähte (88) aufweisen.
Verdampfungsverlustlose supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 1, wobei die Gitterdrähte (88) zylindrisch und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und wobei die Zwischenräume zwischen den Drähten breiter als der Durchmesser der Drähte sind, um die Kompression der Drähte bei dem Anpressen des Tieftemperaturkühlers (12) an die Rückkondensationseinrichtung (39) aufzunehmen.
Verdampfungsverlustlose supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 2, wobei die Zwischenräume zwischen den Gitterdrähten (88) angenähert 1,5-mal breiter als der Durchmesser der Drähte sind.
Verdampfungsverlustlose supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 3, wobei die Dichtung (29) im Wesentlichen aus reinem Indium besteht.
Verdampfungsverlustlose supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 4, wobei sich mehreren Laschen (96, 97) im Wesentlichen diagonal aus den Stegelementen erstrecken, um die Befestigung der Dichtung (29) an dem Tieftemperaturkühler (12) zu erleichtern.
Verdampfungsverlustlose supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 2, wobei die Stegelemente (90, 92) gekrümmte Segmente sind, die einen gekrümmten Umfang mit einem kleineren Durchmesser als dem des Tieftemperaturkühlers (12) an der Wärmeübergangsstelle ausbilden.
Verdampfungsverlustlose supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 6, wobei die gekrümmten Segmente (90, 92) im Wesentlichen eben sind, und die Mittenabschnitte der Enden benachbarter Gitterdrähte (88) miteinander verbinden.
Verdampfungsverlustlose supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 7, wobei die Rückkondensationseinrichtung (39) eine Heliumrückkondensationskammer (38) enthält, die thermisch mit einer Wärmesenke (11) verbunden ist, und wobei der Tieftemperaturkühler (12) einen kalten Kopf enthält, und die Dichtung (29) im Wesentlichen aus reinem Indium besteht, und zwischen dem kalten Kopf des Tieftemperaturkühlers (12) und der Wärmesenke (11) positioniert und zusammenpressbar ist.
Verdampfungsverlustlose supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 8, die einen den Heliumdruckbehälter (4) umgebenden Vakuumbehälter (12) und eine Hülse (8) in dem Vakuumbehälter enthält, um die Einführung des Tieftemperaturkühlers ohne Unterbrechung des Vakuums des Vakuumbehälters zu ermöglichen, um dem Tieftemperaturkühler die Berührung der Dichtung (29) zu ermöglichen, wobei die Wärmeübergangsstelle eine Wärmesenke (11) auf der Innenseite der Hülse (8) aufweist, die die Dichtung berührt und thermisch mit der Rückkondensationseinrichtung (39) verbunden ist.
Verdampfungsverlustlose supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 5, wobei der Tieftemperaturkühler (12) einen kalten Kopf enthält und der kalte Kopf Nuten (98) enthält, um die Laschen der Dichtung (29) aufzunehmen, um die Einführung und Entfernung der Dichtung mit dem Tieftemperaturkühler zu ermöglichen.
Verdampfungsverlustlose supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung zum selektiven Anpressen des Tieftemperaturkühlers (12) an die Rückkondensationseinrichtung (39) die Dichtung (29) zusammenpresst, um eine Wärmeübergangsstelle zwischen dem Tieftemperaturkühler und dem Rückkondensationseinrichtung mit einem Temperaturabfall von weniger als etwa 0,30K über die Wärmeübergangsstelle zu schaffen.
Verdampfungsverlustlose supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 11, wobei Temperaturdetektoren (80, 84) an gegenüberliegenden Seiten der Wärmeübergangsstelle angeordnet sind, um den Temperaturabfall als ein Maß eines thermischen Wirkungsgrades anzuzeigen.