RU2606036C2 - Высокоэффективный теплообменник для свободного от криогена магнита для магнитно-резонансной томографии (mri) - Google Patents
Высокоэффективный теплообменник для свободного от криогена магнита для магнитно-резонансной томографии (mri) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2606036C2 RU2606036C2 RU2014117016A RU2014117016A RU2606036C2 RU 2606036 C2 RU2606036 C2 RU 2606036C2 RU 2014117016 A RU2014117016 A RU 2014117016A RU 2014117016 A RU2014117016 A RU 2014117016A RU 2606036 C2 RU2606036 C2 RU 2606036C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- helium
- container
- heat exchanger
- conducting
- Prior art date
Links
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 title abstract 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims abstract description 125
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 125
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 125
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 78
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 35
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 4
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 4
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
- F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
- G01R33/3804—Additional hardware for cooling or heating of the magnet assembly, for housing a cooled or heated part of the magnet assembly or for temperature control of the magnet assembly
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
- G01R33/381—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using electromagnets
- G01R33/3815—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using electromagnets with superconducting coils, e.g. power supply therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
- H01F6/04—Cooling
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/10—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Abstract
Теплообменник (5) содержит теплопроводный цилиндрический контейнер (40), по меньшей мере одну теплопроводную трубку (30), охлаждающую колонну (90) и криогенную охлаждающую головку (100). Охлаждающая колонна и охлаждающая головка конденсируют газообразный гелий в жидкий гелий для поддержания запаса жидкого гелия в теплопроводном цилиндрическом контейнере (40). По меньшей мере одна теплопроводная трубка (30) обвита по периферии вокруг контейнера (40) и проходит по меньшей мере по одному теплообменнику (20) катушки сверхпроводящего магнита и обратно. Трубка формирует закрытый контур, который содержит газообразный гелий под давлением приблизительно от 104 бар (1500 фунт/кв. дюйм) при комнатной температуре до 0,75 бар при криогенных температурах. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Настоящая заявка имеет отношение к охлаждению сверхпроводящих магнитов и, в частности, к теплообменникам и т.п.
Магнитно-резонансные (MR) сканеры используют сверхпроводящие магниты, которые охлаждаются до температуры сверхпроводимости, например меньше 5,2 К. Традиционно для охлаждения сверхпроводящих магнитов использовался жидкий гелий благодаря его тепловым свойствам. Однако жидкий гелий дорог. Многие области мира не имеют готового запаса жидкого гелия или замены жидкого гелия.
Обычно сверхпроводящие магниты находятся в жидком гелии, который при охлаждении магнита преобразуется из жидкости в газ. Затем газ повторно конденсируется и/или охлаждается до жидкого состояния с помощью холодильника или теплообменника, прежде чем повторно циркулировать обратно к магниту. Альтернативы использованию жидкого гелия требуют эффективного способа теплообмена для поддержания температуры хладагента и, в свою очередь, магнита ниже критической. Физическое пространство также налагает ограничения на размер и размещение охлаждающего устройства.
Также существуют эксплуатационные сложности при запуске системы. Комнатная температура 21°C приблизительно составляет 294 K, в то время как нормальная рабочая температура сверхпроводящего магнита обычно ниже 4,8 K. Любое устройство или используемый способ должны обеспечивать запуск системы, начиная от нормальных комнатных температур до температур сверхпроводимости. Это изменение температуры может включать в себя изменение давления. Остановка магнита заставляет температуру магнита подняться выше 70 K. Во время остановки или другого получающегося в результате повышения температуры дорогостоящий хладагент может быть потерян, поскольку хладагент расширяется с увеличением температуры, прежде чем система сможет быть повторно охлаждена. Утечка гелия может заменить кислород в комнате с магнитом, что имеет потенциальный риск для здоровья людей, находящихся рядом с магнитом.
Настоящая заявка обеспечивает новый и улучшенный эффективный теплообменник для свободного от криогена MR-магнита, который преодолевает упомянутые выше и другие проблемы.
В соответствии с одним аспектом теплообменник содержит теплопроводный цилиндрический контейнер, по меньшей мере одну теплопроводную трубку, охлаждающую колонну и криогенную охлаждающую головку. Теплопроводный цилиндрический контейнер содержит гелий. По меньшей мере одна теплопроводная трубка (30) обмотана по периферии вокруг контейнера, соединена в замкнутом контуре по меньшей мере с одним теплообменником катушки сверхпроводящего магнита и содержит газообразный гелий. Охлаждающая колонна соединена с теплопроводным цилиндрическим контейнером для приема из него газообразного гелия и подачи в него жидкого гелия. Криогенная охлаждающая головка смонтирована на охлаждающей колонне и конденсирует газообразный гелий в охлаждающей колонне в холодный жидкий гелий.
В соответствии с другим аспектом способ охлаждения сверхпроводящего магнита содержит этапы, на которых выполняют циркуляцию газообразного гелия в замкнутом контуре теплопроводной трубки, который циркулирует посредством теплового сифона. Тепло передается от сверхпроводящего магнита циркулирующему газообразному гелию в нижней части замкнутого контура теплопроводной трубки. Тепло передается от циркулирующего газообразного гелия в верхней части замкнутого контура теплопроводной трубки через системный теплообменник жидкому гелию. Газообразный гелий повторно конденсируется из системного теплообменника в охлаждающей колонне с использованием криогенной охлаждающей головки, и конденсированный гелий возвращается в системный теплообменник.
Одно преимущество состоит в том, что гелий, который циркулирует к MR-магниту и между теплообменником катушки и системным теплообменником, находится в одной газообразной фазе.
Другое преимущество состоит в том, что гелий, циркулирующий к MR-магниту, находится в закрытой системе, что предотвращает потерю во время запуска или остановки.
Другое преимущество состоит в том, что система содержит гелий под высоким давлением при комнатной температуре.
Другое преимущество состоит в том, что система является полностью пассивной и не требует какого-либо внешнего вмешательства во время всех режимов: охлаждения, остановки и обычной эксплуатации.
Другое преимущество состоит в том, что система имеет низкие потери трения потока, что легко получается с помощью с герметично закрытых соединений.
Другое преимущество состоит в том, что теплообменник удовлетворяет простому процессу запуска, начиная от комнатной температуры.
Другое преимущество состоит в том, что теплообменник не имеет подвижных частей.
Другое преимущество состоит в том, что теплообменник является компактным и передает тепло очень эффективно.
Другое преимущество состоит в том, что система имеет большую площадь теплопередачи с помощью трубки, навитой на сильно проводящем элементе.
Дополнительные преимущества настоящего изобретения будут оценены специалистами в области техники после прочтения и понимания следующего подробного описания.
Изобретение может быть воплощено в различных компонентах и расстановках компонентов и в различных этапах и расстановках этапов. Чертежи представлены только в целях иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны рассматриваться как ограничение изобретения.
Фиг. 1 - схема одного варианта осуществления теплообменника в системе магнита.
Фиг. 2 - вид в перспективе одного варианта осуществления теплообменника.
Фиг. 3 - вид в перспективе одного варианта осуществления рукава теплообменника с использованием охлаждающих пластин.
Фиг. 4 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая работу системы.
На фиг. 1 показан один вариант осуществления теплообменника 5 в системе. Магнитная катушка 10 во время работы вырабатывает тепло. Тепло эффективно передается от магнитной катушки 10 циркулирующему пару гелия через эффективный теплообменник 20 катушки в цикле термосифона. Пар гелия циркулирует между теплообменником 20 катушки и системным теплообменником 5 в трубке 30. Трубка 30 представляет собой герметично закрытую систему с замкнутым контуром. На одном конце контура, предпочтительно на нижнем конце, трубка и газообразный гелий поглощают тепло от магнита 10 через теплообменник 20 катушки. На другом конце контура, предпочтительно на верхнем конце, газообразный гелий отдает тепло через системный теплообменник 5 содержащемуся в нем жидкому гелию. Трубка 30 обернута вокруг теплопроводного рукава или контейнера 40 теплообменника 5. В иллюстрированном варианте осуществления более плотный холодный газообразный гелий течет под действием силы тяжести от системного теплообменника к теплообменнику катушки, где он нагревается. Теплый газ, будучи менее плотным, поднимается к системному теплообменнику, где он охлаждается.
Теплопроводный контейнер 40 в контакте с навитой трубкой 30 обеспечивает достаточную площадь поверхности для передачи тепла от нагретого циркулирующего пара гелия жидкому гелию в контейнере 40. Передача охлаждает пар гелия, и он повторно циркулирует и охлаждает компоненты катушки. По мере нагревания гелия в контейнере 40 гелий поднимается выше перегородки или отражательной пластины 60. Отражательная пластина 60 делит рукав или цилиндрический контейнер 40. Верхняя часть рукава или контейнера 40 соединена с оттоком 70, и нижняя часть соединена с притоком 80. По мере нагревания гелия в контейнере 40 он поднимается и вытекает из оттока в охлаждающую колонну 90. В одном варианте осуществления охлаждающая колонна включает в себя охлаждающую головку первого каскада, жидкостный рукав и охлаждающую головку второго каскада. Когда теплый газообразный гелий поднимается в охлаждающей колонне 90, он встречается с криогенной охлаждающей головкой 100, жидкостным рукавом или охлаждающей головкой другого каскада, которые охлаждают гелий. По мере охлаждения гелий конденсируется в холодную более плотную жидкость. Холодная более плотная жидкость опускается к нижней части колонны. Холодная более плотная жидкость вытекает под действием силы тяжести из нижней части охлаждающей колонны 90 и возвращается к притоку 80 контейнера 40. Холодный жидкий гелий течет вокруг нижней части рукава или контейнера 40 и снова начинает процесс поглощения тепла от пара гелия, циркулирующего в трубке 30. Охлаждающая головка 100 охлаждает жидкий гелий приблизительно до 4,2 K.
Пар гелия герметизирован в трубке 30 под давлением. В варианте осуществления газообразный гелий при критической температуре оказывает давление 0,75-0,83 бар (11-12 фунт/кв. дюйм), в то время как этот же объем гелия при комнатной температуре оказывает давление 68-105 бар (1000-1500 фунт/кв. дюйм). Трубка 30, которая эффективно передает тепло, также поддерживает давление 68-102 атмосфер гелия при комнатной температуре, и при охлаждении до 4,5 K он течет под давлением 0,75-0,83 бар с перекачкой через сифон. Пар гелия течет в трубке к нижней части теплообменника 20 магнитной катушки, вокруг контейнера 40 системного теплообменника 50 (не определен) и обратно к магнитному компоненту 20. По мере охлаждения гелия он сжимается и создает перекачку через сифон. Не включены какие-либо подвижные части. Требуется минимальный перепад температур. Трубка 30 герметично закрывается на срок эксплуатации MR-магнита, когда пар гелия помещается в трубку 30. Нержавеющая сталь является иллюстративным материалом, используемым для трубки 30, который обеспечивает прочность под давлением и эффективную теплопередачу. Трубка может представлять собой одну часть или может начинаться как отдельные участки в системном теплообменнике, теплообменнике катушки и трубке соединения для простоты изготовления.
Контейнер или рукав 40 содержит гелий в газообразном и в жидком состоянии. Во время начального запуска магнитный сборочный блок может быть первоначально охлажден приблизительно до 70 K с помощью азотной системы охлаждения (не показана). Охлаждающая головка 100 герметично закрывается с помощью охлаждающей колонны 90. Охлаждающая колонна 90 и контейнер 40 первоначально содержат только газообразный гелий. По мере охлаждения газообразного гелия охлаждающей головкой 100 гелий сжимается и больше гелия вводится в систему от расширительной камеры 130 для гелия. По мере того как гелий охлаждается и становится более плотным, он опускается в нижнюю часть охлаждающей колонны 90 и течет в приток 80 контейнера 40 и в нижнюю часть контейнера 40. Когда более холодный и более плотный гелий входит в контейнер 40, он охлаждает контейнер 40 и начинает охлаждать пар в трубке 30. По мере охлаждения гелием теплообменника 5 гелий поглощает тепло, расширяется и поднимается наверх контейнера 40. Когда более теплый и менее плотный гелий поднимается до вершины контейнера 40, он вытекает из оттока 70 и течет обратно к охлаждающей колонне 90. В охлаждающей колонне 90 он поднимается, встречается с криогенной охлаждающей головкой 100 и начинает процесс снова. По мере того как гелий повторно циркулирует между контейнером 40 и охлаждающей колонной 90 и охлаждающей головкой 100, в конечном счете он достигает жидкого состояния в нижней части колонны и системного теплообменника 5. Когда температура магнитных компонентов 20 в свою очередь понижается ниже критической, магнит может работать.
Процесс перезапуска системы после остановки является аналогичным. Во время остановки рабочая температура магнита поднимается, например, выше 70 K. Нагревание газообразного гелия в теплообменнике катушки разрушает термосифон, замедляющий передачу тепла к системному теплообменнику. Перед повторным запуском система должна быть повторно охлаждена. Когда температура начинает повышаться и гелий расширяется в контейнере 40 и охлаждающей колонне 90, гелий передается в расширительную камеру 130, предотвращающую утечку. По мере того как система перезапускается и температура начинает падать, гелий возвращается из расширительной камеры 130 в охлаждающую колонну 90. Простой и упорядоченный процесс охлаждения поддерживается и во время запуска, и во время перезапуска.
На фиг.2 показан вариант осуществления теплообменника 5 с девятью замкнутыми контурами трубки 30, которые охлаждают разные магнитные компоненты. Шесть контуров охлаждают магнитные катушки 10, два контура охлаждают структурные компоненты, и один контур охлаждает электронные и другие магнитные компоненты. Для достижения площади поверхности для теплопередачи каждая трубка 30 навита вокруг контейнера 40 приблизительно 2,75 раза от верхнего соединителя 110 до нижнего соединителя 120. Трубка 30 соединена с возможностью теплопередачи с контейнером 40, например, посредством сварки. Верхний соединитель 110 обмотки трубки принимает входной поток более теплого газообразного гелия. Теплопроводный контейнер или рукав 40 изготовлены из теплопроводного материала, такого как нержавеющая сталь или медь. После соответствующего количества оборотов вокруг контейнера 40 для охлаждения газообразного гелия трубка 30 выходит из контакта с контейнером в нижнем соединителе 120 ниже начальной точки 110 или приблизительно в направлении 90° от нее в проиллюстрированном варианте осуществления.
На фиг.3 показан другой вариант осуществления системного теплообменника 5 с охлаждающими пластинами 200. Теплопроводные пластины 200 присоединены с помощью теплопроводного сцепления к контейнеру 40. Например, используется теплопроводная сварка, такая как припой. Круговые пластины 200 простираются от внешней части контейнера 40 перпендикулярно оси контейнера 40. Трубка 30 присоединена с помощью теплопроводного сцепления, например припаяна, к пластине 200. Чтобы достигнуть большей величины площади поверхности для теплопередачи, трубка 30 концентрически или по спирали обернута вокруг пластины 200. Трубка может быть припаяна или приварена сначала к пластине, и собранный блок может быть припаян к контейнеру или наоборот. Соединители 110 для притока тепла находятся на внешнем краю и проходят в виде меньших обмоток вокруг контейнера 40, причем наименьшая обмотка находится ближе всего к поверхности контейнера. Обратный 120 поток холода из трубки 30 выходит с плоским смещением от обмоток трубки вокруг контейнера 40. В проиллюстрированном варианте осуществления имеется одна пластина 200 для каждого охлаждающего цикла трубки 30. Пластины 200 изготовлены из эффективно передающего тепло материала, такого как медь или нержавеющая сталь. Распределитель 150 может использоваться для компенсации давления между циклами трубки 30.
Охлаждающая колонна 90 присоединена непосредственно к рукаву 40, предотвращающему отдельный приток и отток. Охлаждающая колонна 90 расположена в центре рукава или контейнера 40. Четыре цикла трубки 30, фиг. 1, расположены вокруг контейнера на той стороне, где охлаждающая колонна 90 соединяется с контейнером 40, и пять с другой стороны. Монтажный кронштейн 210 используется для крепления теплообменника 50 к соответствующим структурам.
Другой вариант осуществления развертывает контейнер 40 в вертикальной позиции. Когда контейнер находится в вертикальной позиции, пластины 200 смонтированы горизонтально и отражательные пластины не используются.
Эффективность теплообменника определена количеством единиц чистого теплообмена (NTU), и NTU=h A/M C, где h - коэффициент теплопередачи, A - площадь теплопередачи внутри трубок, M - массовый поток вследствие перекачки через сифон и C - теплоемкость пара гелия. Площадь A представляет собой функцию длины и диаметра трубки. Рассматриваются такие теплопроводные материалы, как нержавеющая сталь, медь, алюминий и т.п. Эти варианты осуществления теплообменника достигают высокого значения NTU в компактном пространстве.
На фиг. 4 блок-схема последовательности операций иллюстрирует способ охлаждения MR-магнита. Находясь сначала при комнатной температуре (этап 300), магнит охлаждается приблизительно до 70 K с помощью азотной или другой системы охлаждения, как описано в документе US 61/290,270 (WO/2011/080630). Криогенная охлаждающая головка охлаждает (этап 310) гелий в охлаждающей колонне. По мере охлаждения гелий конденсируется, и большее количество гелия добавляется (этап 320) в охлаждающую колонну. По мере конденсации гелия он течет в контейнер 40. Тепло передается (этап 330) от газообразного гелия в теплопроводной трубке 30 более холодному гелию в полости контейнера 40. По мере передачи тепла гелий в трубке сжимается и заставляет циркуляцию начаться в трубке 30. По мере продолжения циркуляции более холодный гелий достигает теплообменника катушки магнита. По мере циркуляции более холодного газообразного гелия вокруг магнита тепло передается от магнитной катушки газообразному гелию (этап 340) через теплообменник катушки. Этот процесс охлаждения магнита продолжается до тех пор, пока температура магнита не опустится ниже критической температуры.
Когда температура магнита опускается ниже критической, магнит работает как сверхпроводящий магнит 360. Гелий продолжает циркулировать (этап 370) в трубке посредством перекачки тепла через сифон. Тепло передается (этап 380) от магнитной катушки газообразному гелию. Газообразный гелий передает (этап 390) это тепло жидкому гелию через системный теплообменник. Жидкий гелий нагревается до газообразного состояния, поднимается в контейнере и течет в охлаждающую колонну. Криогенная охлаждающая головка охлаждает и повторно конденсирует гелий до жидкого состояния (этап 400). Жидкий гелий опускается в охлаждающей колонне и течет в полость контейнера, где цикл повторяется.
Во время остановки (этап 410) быстрое повышение температуры магнита вызывает увеличение теплопередачи к циркулирующему гелию. Циркулирующий гелий в свою очередь передает тепло жидкому гелию (этап 420). С быстрым повышением температуры гелий в охлаждающей колонне расширяется. Система перемещает (этап 430) расширяющийся гелий из охлаждающей колонны системного теплообменника в расширительную камеру для предотвращения утечки. Процесс повторного охлаждения магнита до сверхпроводимости является таким же, как процесс для запуска (этап 300) системы.
Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. Специалисты могут придумать модификации и изменения после прочтения и понимания предыдущего подробного описания. Предполагается, что изобретение создано как включающее в себя все такие модификации и изменения в той мере, в которой они находятся в пределах объема приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов.
Claims (35)
1. Теплообменник (5), содержащий:
теплопроводный цилиндрический контейнер (40), содержащий гелий;
по меньшей мере одну теплопроводную трубку (30), обвитую по периферии вокруг контейнера (40) и соединенную в замкнутом контуре по меньшей мере с одним теплообменником (20) сверхпроводящей катушки и содержащую газообразный гелий;
охлаждающую колонну (90), соединенную с теплопроводным цилиндрическим контейнером (40), для приема из нее газообразного гелия и подачи в нее жидкого гелия;
криогенную охлаждающую головку (100), смонтированную на охлаждающей колонне, которая конденсирует газообразный гелий в охлаждающей колонне (90) до холодного жидкого гелия.
2. Теплообменник (5) по п. 1, дополнительно включающий в себя:
множество теплопроводных контуров трубки (30), обвитых по периферии вокруг контейнера для передачи тепла от компонента, ассоциированного с работой сверхпроводящего магнита (10).
3. Теплообменник (5) по п. 1, дополнительно включающий в себя:
расширительную камеру (130), соединенную с криогенной охлаждающей головкой (100), которая подает гелий к охлаждающей головке и принимает гелий от нее.
4. Теплообменник (5) по п. 1, в котором теплопроводный цилиндрический контейнер (40) включает в себя:
отражательную пластину (60), расположенную горизонтально в контейнере (40), для разделения контейнера на нижнюю часть, которая принимает жидкий гелий от охлаждающей колонны (90), и верхнюю часть, которая подает газообразный гелий в охлаждающую колонну (90).
5. Теплообменник (5) по п. 1, в котором теплопроводная трубка (30) герметизирована для сохранения гелия при температуре от 4,5 K до 295 K и/или выдерживания внутреннего давления по меньшей мере до 102 атмосфер.
6. Теплообменник (5) по п. 1, в котором теплопроводная трубка (30), такая как трубка из нержавеющей стали, меди или алюминия, образует термосифон, который выполняет циркуляцию газообразного гелия с использованием тепловых градиентов без подвижных частей.
7. Теплообменник (5) по п. 1, в котором теплопроводный цилиндрический контейнер (40) ориентирован с простирающейся горизонтально продольной осью и гелий течет между теплопроводным цилиндрическим контейнером (40) и охлаждающей колонной (90) с использованием тепловых градиентов и/или силы тяжести без подвижных частей.
8. Теплообменник (5) по п. 7, дополнительно содержащий:
приток (80) к теплопроводному цилиндрическому контейнеру (40) из колонны (90), расположенный на нижнем конце контейнера (40), и отток (70) из теплопроводного цилиндрического контейнера, расположенный на верхнем конце контейнера, для подачи газообразного гелия к колонне (90).
9. Теплообменник (5) по п. 1, в котором гелий течет между теплопроводным цилиндрическим контейнером (40) и охлаждающей колонной (90) с использованием тепловых градиентов и/или силы тяжести без подвижных частей.
10. Теплообменник (5) по п. 1, в котором газообразный гелий входит в часть трубки (30), намотанной вокруг контейнера (40), выше того места, где газообразный гелий выходит из части трубки, намотанной вокруг контейнера (40).
11. Теплообменник (5) по любому из пп. 1-10, дополнительно включающий в себя:
множество теплопроводных пластин (200), каждая из которых соединена с возможностью передачи тепла с внешней частью контейнера (40), простирающихся от контейнера (40), и каждая расположена с промежутками с интервалами вдоль длины контейнера (40), трубка обвита вокруг контейнера с возможностью обмена теплом с пластинами.
12. Теплообменник (5) по любому из пп. 2-10, дополнительно включающий в себя:
распределитель (150), который соединяет охлаждение с контурами для обеспечения баланса давления между ними.
13. Магнитная система для магнитного резонанса, содержащая:
сверхпроводящий магнит (10) для магнитного резонанса;
теплообменник по любому из пп. 1-12.
14. Способ охлаждения сверхпроводящего магнита (10), содержащий этапы, на которых:
выполняют циркуляцию (370) газообразного гелия в замкнутом контуре теплопроводной трубки (30), обвитой по периферии вокруг теплопроводного контейнера гелия и соединенной в закрытом контуре по меньшей мере с одним теплообменником (20) сверхпроводящей катушки, которая передает тепло от сверхпроводящего магнита (10) циркулирующему газообразному гелию;
передают тепло (390) от циркулирующего газообразного гелия в замкнутом контуре теплопроводной трубки теплопроводному контейнеру гелия, соединенному с охлаждающей колонной, которая принимает газообразный гелий из него и подает в него жидкий гелий;
конденсируют (400) газообразный гелий посредством криогенной охлаждающей головки (100), смонтированной на охлаждающей колонне, в холодный жидкий гелий.
15. Способ охлаждения сверхпроводящего магнита (10) по п. 14, дополнительно включающий в себя этапы, на которых:
выполняют запуск (300) при комнатной температуре с газообразным гелием, герметизированным в замкнутом контуре теплопроводной трубки, при давлении 65-105 бар;
охлаждают (310) газообразный гелий, содержащийся в охлаждающей колонне (90), с помощью криогенной охлаждающей головки (100);
когда давление в охлаждающей колонне падает, добавляют (320) больше гелия из расширительной камеры (130) и заставляют гелий принять жидкое состояние в теплопроводном контейнере;
передают (330) тепло от газообразного гелия, герметизированного в замкнутом контуре теплопроводной трубки, жидкому гелию в теплопроводном контейнере;
передают (340) тепло от сверхпроводящего магнита газообразному гелию в теплопроводной трубке.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201161540114P | 2011-09-28 | 2011-09-28 | |
US61/540,114 | 2011-09-28 | ||
PCT/IB2012/055119 WO2013046129A2 (en) | 2011-09-28 | 2012-09-26 | Very efficient heat exchanger for cryogen free mri magnet |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014117016A RU2014117016A (ru) | 2015-11-10 |
RU2606036C2 true RU2606036C2 (ru) | 2017-01-10 |
Family
ID=47172834
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014117016A RU2606036C2 (ru) | 2011-09-28 | 2012-09-26 | Высокоэффективный теплообменник для свободного от криогена магнита для магнитно-резонансной томографии (mri) |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9683759B2 (ru) |
EP (1) | EP2761237B1 (ru) |
JP (1) | JP6267639B2 (ru) |
CN (1) | CN103842746B (ru) |
RU (1) | RU2606036C2 (ru) |
WO (1) | WO2013046129A2 (ru) |
Families Citing this family (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2734856B1 (en) * | 2011-07-20 | 2016-01-20 | Koninklijke Philips N.V. | Helium vapor magnetic resonance magnet |
WO2015071795A1 (en) | 2013-11-13 | 2015-05-21 | Koninklijke Philips N.V. | Superconducting magnet system including thermally efficient ride-through system and method of cooling superconducting magnet system |
GB2529897B (en) * | 2014-09-08 | 2018-04-25 | Siemens Healthcare Ltd | Arrangement for cryogenic cooling |
CN106158228B (zh) * | 2015-04-16 | 2020-03-24 | 通用电气公司 | 用于超导磁体的冷却***及磁体*** |
WO2018065458A1 (en) * | 2016-10-06 | 2018-04-12 | Koninklijke Philips N.V. | Passive flow direction biasing of cryogenic thermosiphon |
GB2566024B (en) * | 2017-08-30 | 2020-08-12 | Siemens Healthcare Ltd | A Fault-Tolerant Cryogenically Cooled System |
CN108630377B (zh) * | 2018-04-04 | 2023-09-19 | 杭州佩伟拓超导磁体技术有限公司 | 多箱式超导磁体低温容器***及方法 |
CN109243752B (zh) * | 2018-11-19 | 2024-01-19 | 广东电网有限责任公司 | 一种辅助冷却装置和冷却设备 |
CN109945596B (zh) * | 2019-03-05 | 2024-01-16 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 温度梯度型低温环境制备装置 |
CN213483505U (zh) * | 2020-09-30 | 2021-06-18 | 西门子医疗有限公司 | 用于超导磁体的制冷剂冷却*** |
EP3979271A1 (en) | 2020-09-30 | 2022-04-06 | Siemens Healthcare Limited | Methods and apparatus for pre-cooling and removing ice build-up from cryogenic cooling arrangements |
CN113948268A (zh) * | 2021-10-18 | 2022-01-18 | 上海电气(集团)总公司智惠医疗装备分公司 | 无液氦超导磁体*** |
CN115127247A (zh) * | 2022-05-27 | 2022-09-30 | 中科艾科米(北京)科技有限公司 | 制冷气体闭环降温装置 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060048522A1 (en) * | 2002-12-16 | 2006-03-09 | Shunji Yamada | Method and device for installing refrigerator |
CN1773632A (zh) * | 2004-09-29 | 2006-05-17 | 波克股份有限公司 | 备用低温制冷*** |
CN101194178A (zh) * | 2005-05-18 | 2008-06-04 | 西门子磁体技术有限公司 | 将冷却管道安装在冷却的成型件上的装置和方法 |
RU2372675C2 (ru) * | 2004-12-10 | 2009-11-10 | Дженерал Электрик Компани | Система и способ для охлаждения сверхпроводящей роторной машины |
WO2011080630A2 (en) * | 2009-12-28 | 2011-07-07 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Tubular thermal switch for the cryo-free magnet |
Family Cites Families (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2883591A (en) * | 1954-10-04 | 1959-04-21 | Westinghouse Electric Corp | Semiconductor rectifier device |
US3672181A (en) * | 1970-02-26 | 1972-06-27 | Lewis Tyree Jr | Method and apparatus for carbon dioxide cooling |
US3978681A (en) * | 1974-09-16 | 1976-09-07 | Research Corporation | Method and apparatus for the adiabatic expansion of liquid anhydrous ammonia |
JPH0296304A (ja) | 1989-08-07 | 1990-04-09 | Hitachi Ltd | 極低温容器 |
JP2758786B2 (ja) | 1992-07-30 | 1998-05-28 | 三菱電機株式会社 | 超電導マグネット |
US5918470A (en) * | 1998-07-22 | 1999-07-06 | General Electric Company | Thermal conductance gasket for zero boiloff superconducting magnet |
US6144274A (en) | 1999-11-16 | 2000-11-07 | General Electric Company | Magnetic resonance imaging cryocooler positioning mechanism |
DE10033410C1 (de) | 2000-07-08 | 2002-05-23 | Bruker Biospin Gmbh | Kreislaufkryostat |
JP2003336923A (ja) * | 2002-05-20 | 2003-11-28 | Central Japan Railway Co | 極低温冷凍装置 |
US6807812B2 (en) * | 2003-03-19 | 2004-10-26 | Ge Medical Systems Global Technology Company, Llc | Pulse tube cryocooler system for magnetic resonance superconducting magnets |
US7305845B2 (en) * | 2004-03-05 | 2007-12-11 | General Electric Company | System and method for de-icing recondensor for liquid cooled zero-boil-off MR magnet |
DE102004053972B3 (de) | 2004-11-09 | 2006-07-20 | Bruker Biospin Gmbh | NMR-Spektrometer mit gemeinsamen Refrigerator zum Kühlen von NMR-Probenkopf und Kryostat |
GB2433581B (en) * | 2005-12-22 | 2008-02-27 | Siemens Magnet Technology Ltd | Closed-loop precooling of cryogenically cooled equipment |
US20080209919A1 (en) * | 2007-03-01 | 2008-09-04 | Philips Medical Systems Mr, Inc. | System including a heat exchanger with different cryogenic fluids therein and method of using the same |
US20080289357A1 (en) * | 2007-05-22 | 2008-11-27 | Skobel Robert M | Liquid nitrogen cooled beverage dispenser |
US20090038318A1 (en) * | 2007-08-10 | 2009-02-12 | Telsa Engineering Ltd. | Cooling methods |
US9982935B2 (en) * | 2010-10-20 | 2018-05-29 | Hypres, Inc | Cryogenic system with rapid thermal cycling |
-
2012
- 2012-09-26 JP JP2014532531A patent/JP6267639B2/ja active Active
- 2012-09-26 US US14/347,526 patent/US9683759B2/en active Active
- 2012-09-26 EP EP12784334.0A patent/EP2761237B1/en active Active
- 2012-09-26 RU RU2014117016A patent/RU2606036C2/ru active
- 2012-09-26 WO PCT/IB2012/055119 patent/WO2013046129A2/en active Application Filing
- 2012-09-26 CN CN201280048682.2A patent/CN103842746B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060048522A1 (en) * | 2002-12-16 | 2006-03-09 | Shunji Yamada | Method and device for installing refrigerator |
CN1773632A (zh) * | 2004-09-29 | 2006-05-17 | 波克股份有限公司 | 备用低温制冷*** |
RU2372675C2 (ru) * | 2004-12-10 | 2009-11-10 | Дженерал Электрик Компани | Система и способ для охлаждения сверхпроводящей роторной машины |
CN101194178A (zh) * | 2005-05-18 | 2008-06-04 | 西门子磁体技术有限公司 | 将冷却管道安装在冷却的成型件上的装置和方法 |
WO2011080630A2 (en) * | 2009-12-28 | 2011-07-07 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Tubular thermal switch for the cryo-free magnet |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103842746A (zh) | 2014-06-04 |
EP2761237A2 (en) | 2014-08-06 |
EP2761237B1 (en) | 2019-05-08 |
WO2013046129A2 (en) | 2013-04-04 |
WO2013046129A3 (en) | 2013-06-13 |
US9683759B2 (en) | 2017-06-20 |
JP2014530060A (ja) | 2014-11-17 |
JP6267639B2 (ja) | 2018-01-24 |
US20140243205A1 (en) | 2014-08-28 |
CN103842746B (zh) | 2016-02-17 |
RU2014117016A (ru) | 2015-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2606036C2 (ru) | Высокоэффективный теплообменник для свободного от криогена магнита для магнитно-резонансной томографии (mri) | |
EP3523582B1 (en) | Passive flow direction biasing of cryogenic thermosiphon | |
RU2573545C2 (ru) | Трубчатый тепловой переключатель для магнита, не использующего криогенные среды | |
US5461873A (en) | Means and apparatus for convectively cooling a superconducting magnet | |
JP6165267B2 (ja) | Mri冷却装置 | |
CN111094870B (zh) | 容错低温冷却*** | |
JP6458031B2 (ja) | 熱効率的なライドスルーシステムを有する超電導磁石システム及び超電導磁石システムを冷却する方法 | |
US20090293504A1 (en) | Refrigeration installation having a warm and a cold connection element and having a heat pipe which is connected to the connection elements | |
JP6378039B2 (ja) | 超電導磁石およびmri装置、nmr装置 | |
JP2005043044A (ja) | 冷蔵装置を有する低温冷却システム及び方法 | |
CN101252822B (zh) | 一种ehd强化的微型散热装置 | |
GB2427672A (en) | A cryogenic cooling arrangement | |
JP2008116171A (ja) | ガス伝熱装置とこれを用いた超電導装置 | |
JP2007078310A (ja) | 極低温冷却装置 | |
CN221264335U (zh) | 制冷换热一体机组 | |
JP2005201604A (ja) | 低温冷却システム及び蓄熱装置 | |
CN117677149A (zh) | 制冷换热一体机组 |