ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ СВОБОДНОГО ОТ КРИОГЕНА МАГНИТА ДЛЯ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ (MRI)
HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGER FOR CRYOGEN-FREE MAGNET FOR MAGNETIC RESONANCE IMAGING (MRI)

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.