專利名稱：熱虹吸冷卻系統和方法
熱虹吸冷卻系統和方法
背景技術：
該發明公開一般涉及磁共振成像(MRI)系統，并且更確切地來說涉及用于將MRI系統中的超導磁體冷卻的熱虹吸(thermosiphon)冷卻系統和方法。超導磁體用于在MRI系統中產生磁場。在一些方法中，恒定地將來自電源的電流應用到超導磁體以產生磁場。但是，產生此類強磁場需要恒定地提供數百安培范圍的電流。這種向超導磁體恒定地提供電流增加了 MRI系統的運行成本。再者，在某些其他技術中，超導磁體可能承受MRI系統中的不同熱負荷。期望將這些熱負荷從超導單元轉移走以便將超導磁體保持在制冷溫度處并使超導磁體在超導狀態中工作。再者，還期望以最優方式將熱從超導磁體消散以將超導磁體從常態過渡到超導狀態而不會有MRI系統中制冷劑的高蒸發。在常規系統中，超導磁體/線圈被封裝在氦容器中，此氦容器包含約1500至約2000升液氦(He)以提供超導磁體/線圈的沉浸冷卻。因為此布置采用具有數千升液態He的大容器，所以此布置不僅制造昂貴，而且對于運輸和安裝在期望位置處(如診斷中心)也顯得笨重。此外，輸送至遠距離位置的數千升液態He的再填充可能是不方便的。而且，這些系統中的液態He有時可能在猝熄(quench)事件期間蒸發。蒸發的氦從沉浸磁體線圈的制冷劑缸中逃逸。因此，每次猝熄事件之后，要再填充液態He并進行磁體的重新斜變(re-ramp)，這是成本高昂且耗時的情況。此外，在常規磁裝置中，需要復雜的外部排氣系統以在磁體和/或開關猝熄之后經由排氣管組將如蒸發的He的氣體排出。但是，這些排氣管難以安裝。而且，在一些情況中，He的排氣可能存在環境或管理問題。因此，常規MRI磁體設計及其冷卻布置可能造成特殊安裝要求、某些區域中無法安裝這些系統以及高維護成本。
發明內容
簡要來說，根據本技術的一個方面，提出一種熱虹吸冷卻系統。該熱虹吸冷卻系統包括貯存器，該貯存器具有配置成存儲液態冷卻劑的第一部分。該熱虹吸冷卻系統還包括管道單元，該管道單元耦合到貯存器且設置成與要冷卻的至少一個超導單元相鄰，并且配置成從貯存器的第一部分接收液態冷卻劑，并使接收的液態冷卻劑在管道單元內循環以消散至少一個超導單元產生的熱。通過改變管道單元的不同部分處的接收的液態冷卻劑的密度來使接收的液態冷卻劑在管道單元內循環。根據本技術的又一些方面，提出一種用于將超導單元冷卻的方法。該方法包括將液態冷卻劑存儲在貯存器的第一部分中。該方法還包括將管道單元的一端耦合到至少一個超導單元并將管道的另一端耦合到貯存器。該方法還包括由管道單元從貯存器的第一部分接收液態冷卻劑。此外，該方法包括使得接收的液態冷卻劑在管道單元內循環以消散至少一個超導單元產生的熱。通過改變管道單元的不同部分處的接收的液態冷卻劑的密度來使接收的液態冷卻劑在管道單元內循環。根據本技術的另一個方面，提出一種系統。該系統包括配置成產生磁場的至少一個超導單元。該系統還包括熱虹吸冷卻子系統，該熱虹吸冷卻子系統耦合到超導單元且配置成消散在超導單元產生磁場的同時產生的熱。該熱虹吸冷卻子系統包括貯存器，該貯存器具有配置成存儲液態冷卻劑的第一部分。該熱虹吸冷卻子系統還包括管道單元，該管道單元耦合到貯存器且設置成與要冷卻的至少一個超導單元相鄰，并且配置成從貯存器的第一部分接收液態冷卻劑，并使接收的液態冷卻劑在管道單元內循環以消散至少一個超導單元產生的熱。通過改變管道單元的不同部分處的接收的液態冷卻劑的密度來使接收的液態冷卻劑在管道單元內循環。根據本技術的又一個方面，提出一種用于對至少一個超導單元冷卻的熱虹吸冷卻套件。該套件包括貯存器，該貯存器具有配置成存儲液態冷卻劑的第一部分。該套件還包括管道單元，該管道單元耦合到貯存器且設置成與要冷卻的至少一個超導單元相鄰，并且配置成從貯存器的第一部分接收液態冷卻劑，并使接收的液態冷卻劑在管道單元內循環以消散至少一個超導單元產生的熱。通過改變管道單元的不同部分處的接收的液態冷卻劑的密度來使接收的液態冷卻劑在管道單元內循環。
當參考附圖閱讀下文詳細描述時，將更好地理解本發明的這些和其他特征、方面和優點，在所有附圖中，相似的符號表示相似部件，其中:
圖1是根據本技術的多個方面的熱虹吸冷卻系統的剖面 圖2是根據本技術的其他多個方面的熱虹吸冷卻系統的另一個實施例的剖面 圖3是根據本技術的多個方面的、具有歧管和熱交換器的圖2的熱虹吸冷卻系統的剖面 圖4是根據本技術的多個方面的、圖1的熱虹吸冷卻系統的一部分的一個實施例的剖面 圖5是根據本技術的多個方面的、圖1的熱虹吸冷卻系統的一部分的另一個實施例的剖面 圖6是說明根據本技術的多個方面的、使用熱虹吸冷卻系統將超導單元冷卻的方法的流程圖；以及
圖7是示出包括圖1的熱虹吸冷卻系統的MRI成像系統的側視圖。
具體實施例方式正如下文將詳細描述的，提出用于將超導磁體/線圈冷卻的示范熱虹吸冷卻系統和方法的多種實施例。通過采用下文描述熱虹吸冷卻系統的多種實施例和方法，可以實質性地減小液態冷卻劑的容積、磁裝置的尺寸、磁裝置(諸如磁共振成像(MRI)系統)的制造成本、安裝成本和運行成本。現在轉到附圖，參考圖1，圖示根據本技術的多個方面的熱虹吸冷卻系統100的剖面圖。熱虹吸冷卻系統100可以配置成將超導單元102的溫度保持在制冷溫度處或以下。超導單元102可以包括超導磁鐵和/或線圈、梯度系統及保持在MRI系統內的它們的支承結構。具體來說，熱虹吸冷卻系統100配置成將超導單元102冷卻或消散來自超導單元102的熱，以使與超導單元102關聯的溫度保持在制冷溫度處或以下。術語制冷溫度用于指代這樣的溫度，在該溫度處或以下，超導單元102設計成在超導狀態中工作。在一個實施例中，制冷溫度可以是在約4.2 K至約4.8 K的范圍中。在目前設想的配置中，熱虹吸冷卻系統100可以包括貯存器104、管道單元106和冷凝單元108。貯存器104配置成存儲液態冷卻劑，而管道單元106配置成吸收超導單元102產生的熱。冷凝單元108配置成將從貯存器104接收的已蒸發冷卻劑冷凝。在一個實施例中，可以將熱虹吸冷卻系統100設置在MRI系統的真空室中(參見圖7)。可以注意，熱虹吸冷卻系統100的實現不限于MRI系統，并且可以在如超導電機器、超導磁體儲能系統(SMES)、SC加速器等的其他裝置中實現。再者，在一個實施例中，貯存器104耦合到管道單元106和冷凝單元108。貯存器104可以配置成從冷凝單元108接收液態冷卻劑并將接收的液態的一部分提供到管道單元106。液態冷卻劑可以包括液態氦(LHe)、液態氫(LH2)、液態氖(LNe)、液態氮(LN2)或其組合。在一個實施例中，超導單元102可以是低溫超導體、中溫超導體或高溫超導體。而且，液態冷卻劑可以基于超導單元102中使用的超導體的類型來選擇。例如，具有低溫超導體的超導單元102可以采用LHe作為冷卻劑。相似地，對于中溫超導體，可以使用LHe、LNe或LH2作為冷卻劑。再者，對于高溫超導體，可以使用LHe、LH2, LNe或LN2作為冷卻劑。而且，在一個示例中，貯存器104包括第一部分110和第二部分112。而且，在一個實施例中，第一部分Iio可以位于貯存器104的底部，而第二部分112可以設在貯存器104的第一部分112的上方。貯存器104的第一部分110用于存儲從冷凝單元108接收的液態冷卻劑，而貯存器104的第二部分用于收集從貯存器104的第一部分110蒸發的冷卻劑。可以注意到貯存器104的第二部分112還可以稱為缺量空間。為了易于理解，貯存器104的第一部分110中的冷卻劑可以稱為液態冷卻劑以及貯存器104的第二部分112中的冷卻劑可以稱為蒸發的冷卻劑。此外，貯存器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。冷凝單元108也可以包括入口 120和出口 124。貯存器104的第一出口 113經由第一通道122耦合到冷凝單元108的入口 120，而貯存器104的第一入口 118經由第二通道126耦合到冷凝單元108的出口 124。而且，貯存器104的第一出口 113配置成將蒸發的冷卻劑從貯存器104的第二部分112輸送到冷凝單元108。例如，當貯存器104中的第一部分110中的液態冷卻劑從管道單元106吸收熱時，液態冷卻劑的一部分蒸發并停留在貯存器104的第二部分112中。然后此蒸發的冷卻劑經由貯存器104的第一出口 113輸送到冷凝單元108。再者，貯存器104的第一出口 118配置成從冷凝單元108接收凝結的液態冷卻劑。管道單元106還可以包括入口 128。再者，貯存器104的第二出口 114經由第三通道130耦合到管道單元106的入口 128。貯存器104的第二出口 114配置成將存儲在貯存器104的第一部分110中的液態冷卻劑的一部分輸送到管道單元106。例如，最初以經由第三通道130從貯存器104接收的液態冷卻劑填充管道單元106。再者，貯存器104的第三出口 116可以經由第四通道134耦合到釋放閥132。釋放閥132配置成釋放貯存器104中的任何內生壓力。在一個實施例中，可以將第三出口 116直接耦合到釋放閥132而不采用第四通道134。根據本技術的一些方面，管道單元106可以耦合到貯存器104并設置成與需要冷卻的超導單元102的至少一部分相鄰/接近。可以注意，在某些實施例中，管道單元106可以設置在超導單元102的至少一部分上。在一個示范實施例中，管道單元106的一端可以耦合到貯存器104，以及管道單元106的另一端可以耦合到至少一個超導單元102。管道單元106配置成吸收超導單元102中生成的熱。例如，當使超導單元102在常規狀態中工作時，可能對超導單元102施加瞬態熱負荷。該瞬態熱負荷可能是高EPI梯度切換序列所致。除了梯度系統產生的熱以外，超導單元102也可能接收到來自真空空間的熱輻射和磁體懸掛系統所致的熱傳導的其他熱負荷。這些瞬態熱負荷被管道單元106吸收以將超導單元102的溫度降低到制冷溫度或低于制冷溫度。再者，在一個實施例中，管道單元106可以是在管道106的一端處具有入口 128的循環管道回路，如圖1所示。可以采用入口 128來連續地對管道單元106填充經由第三通道130從貯存器104的第一部分110接收的液態冷卻劑。在一個實施例中，管道單元106還可以使用不銹鋼、鋁、銅等來形成。如此形成的管道單元106配置成使得液態冷卻劑能夠僅經由入口 128流入管道單元106。此外，管道單元106還協助將熱從超導單元102傳輸到管道單元106內的液態冷卻劑。再者，管道單元106內的液態冷卻劑配置成將此吸收的熱傳輸到貯存器104的第一部分110中的液態冷卻劑。此外，在一個實施例中，可以將管道單元106的一部分136耦合到貯存器104。但是，在某些其他實施例中，可以將管道單元106的一部分136設置在貯存器104內。例如，可以將管道單元106的一部分136熔接、銅焊、焊接或其他方式接合到貯存器104的底部，以使管道單元106的一部分136與貯存器104彼此熱耦合。在另一個示例中，貯存器104可以設有在貯存器104的底部按確定的距離間隔開的兩個開孔。在本實施例中，可以通過使用這兩個開孔將管道單元136的該部分設置在貯存器104內。由此，僅管道單元106的部分136設置在貯存器104內，而管道單元106的其余部分位于貯存器104外側。在一個實施例中，可以將管道單元106的該部分136耦合到熱交換器(圖1中未示出)。該熱交換器可以配置成將管道單元106中的冷卻劑吸收的熱分布到貯存器104的第一部分110中的液態冷卻劑。下文參考圖4更詳細地解釋該實施例。在另一個實施例中，可以將管道單元106的該部分136耦合到穿孔管(圖1中未示出)以便將氣泡從管道單元106傳輸或釋放到貯存器104。下文參考圖5更詳細地解釋該實施例。在備選實施例中，可以將管道單元106的該部分136與貯存器104基底成約5度的角度傾斜，以消除管道單元106中的氣泡累積，也稱為溫氣袋。例如，從管道單元106的第一支管142接收冷卻劑的部分136的一端設置在貯存器104的基底上，而將冷卻劑輸送到第二支管146的部分136的另一端設成遠離貯存器104的基底。在一個實施例中，管道單元106可以具有范圍從約0.58 mm至約5 mm的通道直徑，以使氣泡能夠行進到管道單元106的部分136。根據本技術的一些方面，冷凝單元108耦合到貯存器104，并且配置成將從貯存器104的第二部分112接收到的蒸發的冷卻劑冷凝。然后，將凝結的冷卻劑輸送回貯存器104的第一部分110。在一個實施例中，冷凝單元108包括入口 120、冷凝器138和出口 124。冷凝單元108的入口 120配置成從貯存器104的第二部分112接收蒸發的冷卻劑。然后，將接收的蒸發的冷卻劑輸送到冷凝器138。冷凝器138配置成使接收的蒸發的冷卻劑凝結以形成凝結的液態冷卻劑。此后，出口 124配置成將凝結的液態冷卻劑輸送到貯存器104的第一部分110。圖1中將此輸送的液態冷卻劑示出為液態微滴140。在一個實施例中，冷凝單元108可以設置在貯存器104內，具體為貯存器104的第二部分112中，以將貯存器104的第二部分112中收集的蒸發的冷卻劑凝結。為了理解熱虹吸冷卻系統的機能，可以假定最初以液態冷卻劑填充管道單元106和貯存器104的第一部分110。再者，使管道單元106內的液態冷卻劑循環以消散至少一個超導單元102產生的熱。根據本技術的示范方面，通過改變管道單元106的不同部分處的液態冷卻劑的密度來使液態冷卻劑循環。具體來說，設置在超導單元102上方的管道單元106配置成吸收超導單元102產生的熱以將超導單元102的溫度降低到制冷溫度處或以下的溫度。此吸收的熱傳遞到管道單元106內的液態冷卻劑，這又降低了管道單元106內的液態冷卻劑的密度。更確切地來說，在吸收超導單元102產生的熱時，管道單元106內的液態冷卻劑變得更輕。然后，密度減小的冷卻劑沿著管道單元106的第一支管142行進到耦合到貯存器104或設置在貯存器104內的管道單元106的部分136。圖1中以參考數字144大致描繪冷卻劑在第一支管142中的移動方向。下文中，在管道單元106的部分136處，通過將吸收的熱從管道單元106內的冷卻劑傳遞到貯存器104的第一部分110中的液態冷卻劑來使密度降低的冷卻劑降溫。此外，在貯存器104處，熱從管道單元106的部分136中的冷卻劑傳遞到貯存器104的第一部分110中的液態冷卻劑使得貯存器104的第一部分110中的液態冷卻劑的一部分蒸發。此蒸發的冷卻劑被收集在貯存器104的第二部分112中，并經由第一通道122輸送到冷凝單元108。在冷凝單元108處，將蒸發的冷卻劑凝結，并以液態冷卻劑的形式經由第二通道126輸送回貯存器104。再次參考管道單元106，在將吸收的熱傳遞到貯存器104的第一部分110中的液態冷卻劑之后，管道單元106的部分136中的冷卻劑的密度增加。此密度的增加可以導致管道單元106中產生的氣泡破裂和/或尺寸和/或數量減小。此液態冷卻劑然后沿著管道單元106的第二支管146行進到超導單元102。圖1中以參考數字148大致描繪凝結的液態冷卻劑在第二支管146中的移動方向。隨著液態冷卻劑沿著第二支管146行進，液態冷卻劑持續吸收超導單元102產生的熱。此循環重復進行，引起液態冷卻劑在管道單元106內的循環，如圖1所示。正如前文提到的，在常規缸冷卻的MRI系統中，超導單元通常沉浸在包含液態He的冷卻劑容器中。當使超導單元冷卻時，液態He蒸發，并從MRI系統泄漏到外部環境。再者，為了補償此泄漏的液態He，對冷卻劑容器再填充液態He，這是成本高昂且耗時的事情。此外，此布置需要幾百升液態He再填充冷卻劑容器。通過使用與示范熱虹吸冷卻系統100相符的實施例可以避開目前可用的持續電流開關的這些缺點的一些或全部。根據本技術的多個方面，對貯存器104和管道單元106填充以約10升液態冷卻劑以將超導單元102冷卻。通過使冷卻劑在管道單元106內循環以高效地利用此減小的量的液態冷卻劑。具體來說，通過改變管道單元106的不同部分處的液態冷卻劑的密度來使冷卻劑循環。液態冷卻劑在管道單元106中的這種循環增強了熱從超導單元102的傳遞，從而又將液態冷卻劑的蒸發減到最小。蒸發的這種減小有利地將MRI系統中冷卻劑的再填充減到最小。而且，因為冷卻劑在管道單元106中再凝結和再利用，可以避免MRI系統中使用數百升冷卻劑。這又降低MRI系統的制造成本和重量。
參考圖2，其說明根據本技術的其他多個方面的熱虹吸冷卻系統200的另一個實施例的剖面圖。熱虹吸冷卻系統200可以配置成將一個或多個超導單元202的溫度保持在制冷溫度處或以下。一個或多個超導單元202可以包括MRI系統內保持的超導磁體和/或線圈及其支承結構，如持續電流開關。在目前設想到的配置中，熱虹吸冷卻系統200包括貯存器204、管道單元206和冷凝單元208。貯存器204配置成將從管道單元206接收的蒸發的冷卻劑冷卻或凝結。管道單元206配置成吸收超導單元202消散的熱，而冷凝單元208配置成將從貯存器204接收的蒸發的冷卻劑凝結。在一個示范實施例中，貯存器204耦合到管道單元206和冷凝單元208。貯存器204包括第一部分210和第二部分212。貯存器204的第一部分210配置成存儲液態冷卻劑，而貯存器204的第二部分212配置成收集從貯存器204的第一部分210蒸發的冷卻劑。再者，貯存器204包括第一出口 213、第二出口 214和第三出口 216。第一出口 213經由第一通道220耦合到冷凝單元208的入口 218。而且，貯存器204的第一出口213配置成將蒸發的冷卻劑從貯存器204輸送到冷凝單元208。相似地，第二出口 214耦合到管道單元206，并且配置成將液態冷卻劑從貯存器204的第一部分210輸送到管道單元206。再者，第三出口 216經由第二通道226耦合到釋放閥224。采用釋放閥224來釋放貯存器204的任何內生壓力。根據本技術的多個方面，管道單元206配置成將熱從一個或多個超導單元202消散。在一個示范實施例中，管道單元206耦合到貯存器204和冷凝單元208。具體來說，與貯存器204組合的管道單元206形成用于液態冷卻劑的密度驅動循環的循環回路。在一個實施例中，管道單元206包括入口 228、基底支管230、垂直支管232和兩個或兩個以上循環回路234、236，如圖2所示。入口 228經由第三通道240耦合到冷凝單元208的出口 238。再者，管道單元206的入口 228配置成從冷凝單元208接收凝結的液態冷卻劑。例如，最初可以通過入口 228對管道單元206填充液態冷卻劑。此外，垂直支管232的一端耦合到貯存器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，如圖2所示。垂直支管232配置成從貯存器204接收液態冷卻齊U，并經由基底支管230將接收的液態冷卻劑輸送到兩個循環回路234、236。而且，這兩個循環回路234、236的每一個設置在基底支管230與貯存器204之間。而且，在某些其他實施例中，這些循環回路234、236可以設置在一個或多個超導單元202周圍以從一個或多個超導單元202消散熱。在一個示范實施例中，冷凝單元208可以耦合到貯存器204和管道單元206。冷凝單元208配置成將從貯存器204的第二部分212接收的蒸發的冷卻劑凝結或冷卻。冷凝單元208包括入口 218、冷凝器242和出口 238。冷凝單元208的入口 218配置成從貯存器204的第二部分212接收的蒸發的冷卻劑。然后，將接收的蒸發的冷卻劑輸送到冷凝器242。冷凝器242配置成將接收的蒸發的冷卻劑凝結以形成冷凝的液態冷卻劑。在將蒸發的冷卻劑凝結時，冷凝單元208經由出口 238和第三通道240將液態冷卻劑輸送到管道單元206。可以假定最初對管道單元206和貯存器204的第一部分210填充以液態冷卻劑。再者，根據本技術的多個示范方面，通過改變管道單元206中液態冷卻劑的密度來使液態冷卻劑在貯存器204和管道單元206之間循環。具體來說，設置在一個或多個超導單元202上方的兩個循環回路234、236配置成吸收一個或多個超導單元202產生的熱。在由其中循環的液態冷卻劑吸收熱之后，循環回路234、236內的液態冷卻劑的密度減小。然后，循環回路234、236的每一個中的密度減小的冷卻劑沿著如圖2所示的方向244向貯存器204行進。此后，最初存儲在貯存器204的第一部分210中的液態冷卻劑用于將從循環回路234、236接收的冷卻劑凝結。具體來說，接收的冷卻劑中吸收的熱被傳遞到貯存器204中存儲的液態冷卻劑。通過傳遞吸收的熱，可以將接收的冷卻劑凝結，并且可以增加該冷卻劑的密度，從而形成液態冷卻劑。此凝結的液態冷卻劑沿著管道單元206的垂直支管232行進。圖2中以參考數字246大致描繪凝結的液態冷卻劑在垂直支管232中的向下移動。此后，凝結的液態冷卻劑經由基底支管230輸送到循環回路234、236，其中凝結的液態冷卻劑繼續吸收一個或多個超導單元202產生的熱。此循環可以重復以使液態冷卻劑在管道單元206內循環,如圖2所示。此外，在貯存器204處，當使來自管道單元206的循環回路234、236接收的冷卻劑冷卻時，貯存器204的第一部分210中的液態冷卻劑的一部分蒸發并存儲在貯存器204的第二部分212中。此蒸發的冷卻劑經由第一通道220被輸送到冷凝單元208。在冷凝單元208處，將蒸發的冷卻劑凝結，并經由第三通道240將此凝結的液態冷卻劑輸送回管道單元206。由此，通過使用最小量的液態冷卻劑將一個或多個超導單元202冷卻或保持在制冷溫度處。例如，可以在熱虹吸冷卻系統200中使用約10升液態冷卻劑將超導單元202冷卻。現在轉到圖3，其圖示熱虹吸冷卻系統300的另一個實施例的剖面圖。在本示例中，根據本技術的多個方面，熱虹吸冷卻系統300包括歧管和熱交換器。圖3的實施例與圖2的實施例相似，所例外的是圖3的管道單元302包括一個或多個歧管304、306和熱交換器308。在當前設想的配置中，管道單元302包括第一歧管304和第二歧管306。第一歧管304耦合到管道單元302的基底支管310，并且配置成平衡管道單元302的每個支管中液態冷卻劑流量分布。例如，將液態冷卻劑輸送到循環回路312、314可能導致一個循環回路312具有比另一個循環回路314多的液態冷卻劑流量。液態冷卻劑的未平衡的流量可能進一步影響管道單元302內液態冷卻劑的循環。由此，為了克服這兩個循環回路312、314中冷卻劑流量的未平衡的循環，管道單元302包括第一歧管304，第一歧管304將平衡從基底支管310到每個循環回路312、314的液態冷卻劑的流量，如圖3所示。以相似的方式，第二歧管306耦合到貯存器318的第一部分316，并且配置成平衡從貯存器318到管道單元302的液態冷卻劑流的流量分布。此外，管道單元302包括熱交換器308，熱交換器308耦合到貯存器318的第一部分316。熱交換器308配置成分散液態冷卻劑吸收的熱。具體來說，貯存器318從循環回路312、314接收液態冷卻劑，其中超導單元340產生的熱已將該液態冷卻劑加熱。通過采用熱交換器308將此熱均勻地傳遞或分散到遍及貯存器318。通過分散熱，可以減少或消除貯存器318和/或管道單元302中的氣泡的數量，這又進一步增強液態冷卻劑在貯存器318中和/或管道單元302中的流動。在一個實施例中，熱交換器308可以包括有翼的熱交換器。圖4是根據本技術的多個方面的、圖1的熱虹吸冷卻系統的部分400的剖面圖。圖4的實施例與圖1的實施例相似，所例外的是設置在貯存器內的管道單元404的部分402耦合到熱交換器408。在圖4的示范實施例中，熱交換器408配置成減少管道單元404內循環的液態冷卻劑中的氣泡。具體來說，熱交換器408將管道單元404的液態冷卻劑中吸收的熱分散到遍及貯存器406中的液態冷卻劑。這種熱分散進一步幫助減少管道單元404內的氣泡的數量或氣泡的大小。例如，在吸收超導單元410產生的熱之后，管道單元404中的液態冷卻劑的一部分可能蒸發。此蒸發的液態冷卻劑可能向設置在貯存器406內的管道單元404的部分402行進。然后，一旦此蒸發的冷卻劑凝結，則該冷卻劑的一部分可能在管道單元404內形成氣泡。這些氣泡可能組合在一起，并阻塞液態冷卻劑在管道單元404內的循環。為了克服這些問題，采用熱交換器408將熱從管道單元404內的液態冷卻劑傳遞并分散到貯存器406中的液態冷卻劑。這種熱的傳遞和分散防止了管道單元404中氣泡的形成。現在參考圖5，其說明根據本技術的多個方面的、圖1的熱虹吸冷卻系統100的部分500的剖面圖。圖5的實施例與圖1的實施例相似，所例外的是設置在貯存器506內的管道單元504的部分502包括穿孔管508。穿孔管508配置成釋放管道單元504內形成的氣泡。例如，當管道單元504吸收超導單元510產生的熱時，管道單元504內的液態冷卻劑蒸發并向貯存器506內設置的管道單元504的部分502行進。此蒸發的冷卻劑可能具有一個或多個氣泡，并且這些氣泡可能組合在一起以形成擴大的氣泡。然后，擴大的氣泡可能阻塞液態冷卻劑在管道單元504內的流動。因此，為了減少或消除管道單元504中的氣泡，管道單元504包括穿孔管508,穿孔管508使氣泡能夠從管道單元504釋放。具體來說，忙存器506內的管道單元504的部分502包括穿孔管508，穿孔管508幫助氣泡集體從管道單元504釋放出去。可以注意，氣泡集體還可以稱為溫氣袋。在一個實施例中，管道單元504的部分502可以與貯存器506的基底成約5度的角度傾斜，以消除管道單元504中的氣泡/溫氣袋的累積。圖6是說明根據本技術的多個方面的、使用熱虹吸冷卻系統將超導單元冷卻的方法的流程圖600。為了易于理解本技術，參考圖1的組件來描述該方法。雖然該方法是參考圖1的組件來描述的，但是可以注意，根據所經受的最大熱負荷或設計目標，該方法還可以使用圖2-5所不的熱虹吸冷卻系統中的任一個熱虹吸冷卻系統來描述。例如,該方法可以使用圖5的熱虹吸冷卻系統500來冷卻具有高瞬態熱負荷的超導單元，熱虹吸冷卻系統500具有穿孔管508。該方法開始于步驟602，其中在貯存器104的第一部分110中，對圖1的貯存器104填充以液態冷卻劑。同樣，貯存器104的第二部分112配置成收集從中貯存器104的第一部分蒸發的任何冷卻劑。貯存器110的第一部分110從凝結的冷卻單元108接收液態冷卻劑。然后，在步驟604處，將管道單元(如圖1的管道單元106)的一端耦合到貯存器104，并且將管道單元106的另一端耦合到超導單元102。具體來說，在一個實施例中，管道單元106可以設置在超導單元102的上方并配置成消散超導單元102產生的熱以將超導單元102的溫度降低到制冷溫度或以下。同時，管道106的部分136可以耦合到貯存器104或設置在貯存器104內以將吸收的熱傳遞到貯存器104中的液態冷卻劑。此外，在步驟606處，管道單元106配置成從貯存器104的第一部分110接收液態冷卻劑。具體來說，管道單元106包括入口，如圖1的入口 128，其耦合到貯存器104的出口，如圖1的出口 114。管道單元106的此入口 128配置成經由通道(如圖1的第三通道130)從貯存器104的出口 114接收液態冷卻劑。
再者，在步驟608處，管道單元106配置成使得接收的液態冷卻劑在管道單元106內循環以消散至少一個超導單元102產生的熱。根據本技術的多個示范方面，通過改變管道單元106的不同部分處的接收的液態冷卻劑的密度來使接收的液態冷卻劑在管道單元106內循環。具體來說，管道單元106內的液態冷卻劑配置成吸收超導單元102產生的熱。此熱吸收減小了管道單元106中的液態冷卻劑的密度。密度減小的液態冷卻劑沿著第一支管142向管道單元106的部分136行進，部分136設置在貯存器104內，如圖1中方向144所描繪的那樣。在一個實施例中，管道單元106可以具有范圍從約0.58 mm至約5 mm的通道直徑以使氣泡能夠向管道單元106的部分136行進。管道單元106的部分136還可以與貯存器104的基底成約5度的角度傾斜，以消除氣泡的累積并保持管道單元106中冷卻劑流的速度。此后，在管道單元106的部分136處，通過將吸收的熱傳遞到貯存器104的第一部分Iio中的液態冷卻劑來使密度減小的液態冷卻劑冷卻或凝結。通過傳遞吸收的熱，將管道單元106的部分136中的冷卻劑凝結，這又增加了該液態冷卻劑的密度。此凝結的液態冷卻劑然后沿著管道單元106的第二支管148向超導單元102行進。圖1中以方向148示出凝結的液態冷卻劑在第二支管146中的移動。然后使得凝結的液態冷卻劑在管道單元106內循環以吸收超導單元102產生的熱。此循環可以重復以使冷卻劑在管道單元106內循環，如圖1所示。圖7是根據本技術的多個方面的、包括熱虹吸冷卻系統100 (參見圖1)的MRI系統700的剖面圖。圖7的MRI磁體系統700是提供低溫冷藏的低制冷劑MRI磁體布置。在本實施例中，MRI磁體系統700包括超導MRI磁體702，超導MRI磁體702由同心超導主線圈704和補償線圈706形成，同心超導主線圈704和補償線圈706被支承在高熱傳導性的圓柱形殼體(線圈支承殼體708和線圈支承殼體710)內，并且由低溫致冷器718通過氦熱虹吸系統(如圖1的熱虹吸冷卻系統100)來進行冷卻。由此，超導主線圈704與補償線圈706之間存在徑向間距，超導主線圈704與補償線圈706分別被支承在不同的線圈支承殼體708和710上。線圈支承殼體708、710作為具有熱耦合(例如，接合)到線圈支承殼體708的外表面的冷卻管714的圓柱形殼體來形成。例如，線圈支承殼體708、710可以具有在其中限定腔體的環向延伸的固體金屬壁。此外，MRI系統700包括用于將超導主線圈704和/或補償線圈706的溫度保持在制冷溫度處的熱虹吸冷卻系統，如參考圖1-6所描述的那樣。再者，低溫致冷機718和He存儲容器(圖示為形成液態He存儲系統720的罐體)可以代表圖1的冷凝單元108和/或貯存器104。超導線圈704和/或補償線圈706以環氧塑脂模制而成。例如，以濕的環氧樹脂繞著模制的線圈，并將其固化以形成自支承的結構。然后可以將超導線圈704與補償線圈706分別接合到線圈支承殼體708和710。將形成的超導線圈704與補償線圈706的尺寸設為限定穿過其中的腔體726，腔體726用于對對象(例如患者)成像。例如，可以限定視場(FOV) 728來為對象的特定部位成像。而且，氦熱虹吸布置包括具有熱附連到線圈支承殼體708和/或710的多個冷卻管714的蒸發器系統，熱附連到低溫致冷器718的再冷凝器730，以及He存儲容器720、722，這些部件全部包含在磁體真空容器732內。在一個實施例中，熱虹吸冷卻系統(如圖1的熱虹吸冷卻系統100)經由冷卻管714在操作上耦合到超導單元。可以注意，圖7示出熱虹吸冷卻系統(如圖1的熱虹吸冷卻系統100)在低制冷劑磁體或MRI系統700中的一個或多個可能位置和布置。此外，該氦熱虹吸系統包括兩個環形He氣存儲罐722，其中包含約200至300升He氣，這基于所需或所期望的冷卻量而有所變化。在多種實施例中，液態He存儲系統720從再冷凝器730接收液態He，并將液態He提供到耦合到冷團(mass)支承結構(即線圈支承殼體708和/或710)的冷卻管714。而且，歧管738從冷卻管714接收蒸氣He (He氣體)并將He氣體返回到再冷凝器730。最初在室溫下對He氣體存儲罐722填充以介于30與40 atm之間的He氣體。工作中，當對低溫致冷器718賦能或開機時，再冷凝器730從He氣體存儲罐722抽取He，并建立自由對流循環回路，該自由對流循環回路將線圈704和706以及支承團結構(線圈支承殼體708和/或710)降溫到制冷溫度，以及以介于約8與10升之間的液態He填充液態He存儲罐720。工作中，使用液態He存儲罐720中的液態He以例如在低溫致冷器718關機或電源中斷期間對磁體702和持續電流開關716提供冷卻，例如服務長達10-12小時。在多種實施例中，一旦熱虹吸系統開啟，則系統自行冷卻，從而形成自由對流循環系統。可以注意，MRI磁體系統700還包括接線盒740、用于對線圈704和706供電的接收電源線742以及MRI磁體系統700的其他組件。由此，多種實施例提供具有模制的超導線圈和持續電流開關的MRI磁體系統700，這些模制的超導線圈和持續電流開關通過能夠在4.2 K的溫度下工作的高熱傳導性圓柱形殼體來實現傳導冷卻和結構支承。而且，通過排除典型情況下用于將超導磁體冷卻的大液態He存儲容器以及通過由鋁制成線圈支承組件，減小了磁體重量。在多種實施例中，無需處理或添加制冷劑，并且系統總重量介于約2000磅與2500磅之間。上文描述的系統和方法還可以用于改進用于對MRI系統中的至少一個超導單元冷卻的熱虹吸冷卻系統，如圖1的熱虹吸冷卻系統100。更具體地來說，貯存器104和管道單元106 (參見圖1)可以是對MRI系統的現有基礎結構的改進。再者，在某些實施例中，貯存器104包括第一部分110，第一部分110配置成存儲液態冷卻劑，而管道單元106耦合到貯存器104且設置成與要冷卻的至少一個超導單元102相鄰。管道單元106可以配置成從貯存器104的第一部分110接收液態冷卻劑，并使得接收的液態冷卻劑在管道單元106內循環以消散至少一個超導單元102產生的熱。具體來說，通過改變管道單元106的不同部分處的接收的液態冷卻劑的密度來使接收的液態冷卻劑在管道單元106內循環。上文描述的用于將超導單元冷卻的示范熱虹吸冷卻系統和方法的多種實施例幫助降低了如MRI系統的磁裝置的制造成本和重量。而且，因為再凝結蒸發的冷卻劑并使其在管道單元內循環，所以可以顯著地減少貯存器或存儲容器中數千升冷卻劑或液態He的使用。而且，冷卻劑在管道單元內循環，無需使用附加/外部泵送裝置。再者，管道單元(稱為熱虹吸冷卻回路沖循環的冷卻劑是高效熱對流回路，其在MRI系統中提供非常穩定且增強的冷卻性能，即使是在瞬態工作狀況下。而且，該熱虹吸冷卻回路對于瞬態熱負荷是自適應的。例如，管道單元中冷卻劑的循環是基于施于超導單元的熱負荷自動地控制的。此外，這些系統和方法以對MRI系統中的現有冷卻布置進行最小配置更改來提供最大冷卻效率。再者，該系統的這種更高的冷卻效率幫助將超導線圈/導線的性能推向更高水平以及同時增加超導線圈/導線的致冷穩定性。雖然本文僅圖示并描述本發明的某些特征，但是本領域技術人員將設想到許多修改和更改。因此，要理解，所附權利要求應涵蓋落在本發明的真實精神內的所有此類修改和更改。
權利要求
1.一種熱虹吸冷卻系統，其包括: 貯存器，其具有配置成存儲液態冷卻劑的第一部分； 管道單元，其耦合到所述貯存器并設置成與要冷卻的至少一個超導單元相鄰，并且配置成: 從所述貯存器的所述第一部分接收液態冷卻劑；以及 使得接收的液態冷卻劑在所述管道單元內循環以消散所述至少一個超導單元產生的熱，其中通過改變所述管道單元的不同部分處的所接收的液態冷卻劑的密度來使所接收的液態冷卻劑在所述管道單元內循環。
2.如權利要求1所述的熱虹吸冷卻系統，還包括冷凝單元，其耦合到所述貯存器并且配置成將從所述貯存器蒸發的液態冷卻劑凝結。
3.如權利要求2所述的熱虹吸冷卻系統，其中所述冷凝單元包括: 入口，其經由第一通道耦合到所述貯存器并且配置成從所述貯存器接收蒸發的冷卻劑； 冷凝器，其配置成將接收的蒸發的冷卻劑凝結以形成液態冷卻劑；以及 出口，其經由第二通道耦合到所述貯存器并且配置成將所述液態冷卻劑輸送到所述貯存器。
4.如權利要 求1所述的熱虹吸冷卻系統，其中所述貯存器還包括第二部分，所述第二部分配置成存儲從所述貯存器的所述第一部分蒸發的液態冷卻劑。
5.如權利要求1所述的熱虹吸冷卻系統，其中所述管道單元配置成通過在所述管道單元一端處吸收所述至少一個超導單元產生的熱并在所述管道單元另一端處將所吸收的熱傳遞到所述貯存器的所述第一部分中來改變所接收的液態冷卻劑的密度。
6.如權利要求5所述的熱虹吸冷卻系統，其中所述管道單元配置成: 當所接收的液態冷卻劑吸收所述至少一個超導單元產生的熱時減小所接收的液態冷卻劑的密度；以及 當所吸收的熱從所述管道單元內的所接收的液態冷卻劑傳遞到所述貯存器的所述第一部分中的液態冷卻劑時，增加所接收的液態冷卻劑的密度。
7.如權利要求1所述的熱虹吸冷卻系統，其中所述管道單元配置成使得所接收的液態冷卻劑在所述管道單元內循環而不使用泵送裝置。
8.如權利要求1所述的熱虹吸冷卻系統，其中所述管道單元包括入口，所述入口配置成經由第三通道從所述貯存器的所述第一部分接收液態冷卻劑。
9.如權利要求1所述的熱虹吸冷卻系統，其中所述管道單元包括穿孔管，所述穿孔管配置成將所述液態冷卻劑中的氣泡輸送到所述管道單元外。
10.如權利要求1所述的熱虹吸冷卻系統，其中所述管道單元包括至少一個歧管，所述至少一個歧管配置成將所述液態冷卻劑流分散在所述管道單元中。
11.如權利要求1所述的熱虹吸冷卻系統，其中所述管道單元包括: 第一支管，其耦合到所述貯存器的所述第一部分并且配置成從所述貯存器的所述第一部分接收液態冷卻劑； 至少一個循環回路，其設置在所述至少一個超導單元上方并且配置成: 從所述管道單元的所述第一支管接收液態冷卻劑；通過吸收所述至少一個超導單元產生的熱，減小所述液態冷卻劑的密度；以及在減小所述液態冷卻劑的密度之后將所述液態冷卻劑輸送到所述貯存器的所述第一部分。
12.如權利要求1所述的熱虹吸冷卻系統，還包括熱交換器，其熱耦合到所述管道單元并且配置成減少在所述管道單元中循環的接收的液態冷卻劑中的氣泡。
13.如權利要求1所述的熱虹吸冷卻系統，還包括釋放閥，其耦合到所述貯存器并且配置成釋放所述貯存器的內生壓力。
14.一種方法，其包括: 將液態冷卻劑存儲在貯存器的第一部分中； 將管道單元的一端耦合到至少一個超導單元并將所述管道的另一端耦合到所述貯存器； 通過所述管道單元從所述貯存器的所述第一部分接收液態冷卻劑；以及使得接收的液態冷卻劑在所述管道單元內循環以消散所述至少一個超導單元產生的熱，其中通過改變所述管道單元的不 同部分處的所接收的液態冷卻劑的密度來使所接收的液態冷卻劑在所述管道單元內循環。
15.如權利要求14所述的方法，還包括由冷凝單元將所述貯存器的第二部分中存儲的蒸發的冷卻劑凝結。
16.如權利要求14所述的方法，其中改變所接收的液態冷卻劑的密度包括: 通過吸收所述至少一個超導單元產生的熱，減小所述管道單元的一端處的所述液態冷卻劑的密度；以及 通過將所吸收的熱傳遞到所述貯存器的所述第一部分中的液態冷卻劑，增加所述管道單元的另一端處的所述液態冷卻劑的密度。
17.—種系統,包括: 至少一個超導單元，其配置成產生磁場； 熱虹吸冷卻子系統，其耦合到所述超導單元且配置成消散在所述超導單元產生磁場的同時產生的熱，其中所述熱虹吸冷卻子系統包括: 貯存器，其具有配置成存儲液態冷卻劑的第一部分； 管道單元，其耦合到所述貯存器并設置成與要冷卻的至少一個超導單元相鄰，并且配置成: 從所述貯存器的所述第一部分接收液態冷卻劑；以及 使得接收的液態冷卻劑在所述管道單元內循環以消散所述至少一個超導單元產生的熱，其中通過改變所述管道單元的不同部分處的所接收的液態冷卻劑的密度來使所接收的液態冷卻劑在所述管道單元內循環。
18.如權利要求17所述的系統，其中所述管道單元配置成通過在所述管道單元一端處吸收所述至少一個超導單元產生的熱并在所述管道單元另一端處將所吸收的熱傳遞到所述貯存器的所述第一部分中來改變所接收的液態冷卻劑的密度。
19.如權利要求17所述的系統，其中所述熱虹吸冷卻子系統配置成將所述至少一個超導單元的溫度保持在制冷溫度處或以下。
20.一種用于冷卻至少一個超導單元的熱虹吸冷卻套件，其包括:貯存器，其具有配置成存儲液態冷卻劑的第一部分； 管道單元，其耦合到所述貯存器并設置成與要冷卻的所述至少一個超導單元相鄰，并且配置成: 從所述貯存器的所述第一部分接收液態冷卻劑；以及 使得接收的液態冷卻劑在所述管道單元內循環以消散所述至少一個超導單元產生的熱，其中通過改變所述管道單元的不同部分處的所接收的液態冷卻劑的密度來使所接收的液態冷卻劑在所述管道單元內循環。
全文摘要
本發明的名稱為“熱虹吸冷卻系統和方法”。提出一種熱虹吸冷卻系統。該熱虹吸冷卻系統的一個實施例包括貯存器，該貯存器具有配置成存儲液態冷卻劑的第一部分。該熱虹吸冷卻系統還包括管道單元，該管道單元耦合到貯存器且設置成與要冷卻的至少一個超導單元相鄰，并且配置成從貯存器的第一部分接收液態冷卻劑，并使接收的液態冷卻劑在管道單元內循環以消散至少一個超導單元產生的熱。通過改變管道單元的不同部分處的接收液態冷卻劑的密度來使接收的液態冷卻劑在管道單元內循環。
文檔編號H01F6/04GK103177840SQ20121056523
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月24日 優先權日2011年12月22日
發明者E.W.施陶特納 申請人:通用電氣公司