[发明专利]低温冷却的设备的闭环预冷

说明书

技术领域

本发明涉及一种预冷低温冷却设备的装置及方法。特别是涉及一种利用封闭循环制冷系统进预冷的装置和方法。本发明尤其适用于MRI(核磁共振成像)系统中超导磁体的预冷，也同样适用于其它低温冷却设备。

背景技术

在典型的现有技术中，需要被低温冷却的装置通常被放置在一低温容器(cryogen vessel)中。低温容器又被放置在一外部真空腔内，真空腔与低温容器之间的空间被抽成真空，为低温容器提供了有效的绝热。对该装置进行预冷通常是通过简单地向低温容器中加入液体深冷剂，使其蒸发带走热量。就有效性而言，这样的装置存在一定的缺陷。

如果在预冷步骤中使用制冷深冷剂工质，例如液氦，这部分蒸发并泄漏到大气中的氦代价是很高的，在某些区域很难得到足够的补充。同时，由于液氦是不可再生的资源，应当尽可能地减少液氦的消耗。

某些特定的装置结构中，一种牺牲性的深冷剂，例如液氮，在一开始被用于将装置冷却到第一温度，这一温度高于深冷剂工质的温度。一旦该装置被牺牲性深冷剂冷却到第一温度，一定量的深冷剂工质就被加入将该装置冷却到预定的温度。这种装置的优点在于大量的廉价的牺牲性深冷剂，例如液氮，被用作牺牲性深冷剂；深冷剂工质的损耗相对于仅使用一种深冷剂作为深冷剂工质的装置显著地减少。然而，这种方法的缺点在于深冷剂工质有可能被残留的部分牺牲性深冷剂所污染。如果一部分液氮在液氦被加入时仍然留在制冷机腔内，很大一部分液氦将被用于使液氮冷却到液氦的温度，抵消了减小液氦用量的优势。

现有技术中冷却低温冷却装置的方法的流程图如图1所示。

下面将参照用于MRI成像装置的超导磁体来详细描述，但是应当理解的是本发明可用于任何具有低温容器的低温冷却装置的预冷。

在第一步骤10中，低温容器被抽成真空，然后被常温常压的氦气充满。这是为了检查低温容器是否存在泄漏。任何泄漏到低温容器和外部真空腔之间的真空部分的氦气都会很容易地被检测出来，所述的真空部分环绕着低温容器形成，并为低温容器提供绝热。

在第二步骤12中，氦气被冲吹出低温容器，预冷过程开始，液氮被加入。液氮在低温容器中冷却磁体结构的同时蒸发到大气环境中。液氮具有相对较高的热容量，因此它是一种非常有效的深冷剂。液氮也很廉价，所以它可以快速而廉价地将磁体结构冷却到第一低温温度。

在步骤14中，液氮被持续加入，直到低温容器中的液氮达到预定的量。

在步骤16中，磁体被浸没在液氮中一定时间，并且使磁体结构整体达到一稳定的温度，也就是氮气的沸点。一旦这一过程结束，液氮将被冲吹出低温容器。通过众所周知的虹吸作用，常温下的氦气被引入低温容器中。低温容器中的气体压力将会挤出液体深冷剂。注意一定要除去全部氮气，或者尽可能多地除去低温容器中的氮气。低温容器再被抽成真空以除去尽可能多的氮气。

在下一步骤18中，液氦或其它需要的深冷剂工质被引入低温容器中。深冷剂工质通过蒸发将磁体冷却到工作温度。深冷剂工质被持续加入，直到低温容器内的深冷剂工质达到预定量。

在最后一步骤20中，磁体结构达到预定温度，并且充入了预定量的深冷剂工质。

就有效性而言，这种方法仍旧消耗了大量的牺牲性深冷剂和深冷剂工质。在一种已知的系统中，使用液氮作为牺牲性深冷剂将磁体冷却到70K，还需要1200升液氦将其从70K冷却到4K。如果其中的氮没有被完全除去，还会进一步增大氦的用量，因为剩余的液氮也必须被冷冻并且冷却到液氦的温度。如果有任何的深冷剂残留在低温容器中，它的作用就相当于“毒药”，这部分残留的深冷剂将会在超导磁体的线圈周围形成“冰晶”，这将可能导致超导磁体线圈在运转过程中的失超现象。

有关现有的预冷装置，在E P1586833，US 5187938，US 2005/016187和GB 1324402中都有所描述。

发明内容

本发明的目的在于消除现有技术中的至少一些缺点。例如，希望减少氦的用量，并消除由于在低温容器中引入氮而造成的风险。本发明的目的还在于简化预冷程序。在低温容器中仅使用一种深冷剂，重复排空的过程即可避免。

因此，本发明提供如所附权利要求中所述的方法和装置。

附图说明

上文所述的以及更进一步的本发明的目的、特性以及优点通过下面对于具体实施例的描述将更加显而易见，这些实施例是参照附图仅以举例形式给出的。其中：

图1示出了现有的将装置冷却到液氦温度的预冷方法；

图2为本发明第一实施例的原理图；