Теплообменник с горизонтальным оребрением для криогенного охлаждения с повторной конденсацией
Криогенная система содержит емкость для жидкого гелия, сверхпроводящие обмотки магнита, погруженные в жидкий гелий, конденсатор для повторного ожижения паров гелия, который имеет сужающуюся гладкую поверхность, на которой конденсируются пары гелия и которая периодически прерывается прерывающей конструкцией, которая вызывает вытекание жидкого гелия, который конденсируется на гладкой поверхности, из конденсатора для повторного ожижения. Конденсатор содержит охлаждаемый объект, который имеет сужающуюся гладкую поверхность, выполненную с возможностью ее установки по вертикальной оси, множество ребер, проходящих по периферии вокруг гладкой поверхности. Верхний край каждого ребра расположен заподлицо с участком гладкой поверхности, находящимся непосредственно выше, и периметр нижнего края каждого ребра больше, чем у его верхнего края. Между верхним и нижним краями каждого ребра образована гладкая наклонная поверхность. Способ изготовления конденсатора для повторного ожижения, при котором осуществляют механическую обработку металлического элемента для получения круговой гладкой поверхности конденсатора для повторного ожижения, прерываемую множеством проходящих по окружности или спирали ребер, которые выступают из гладкой круговой поверхности, или канавок, вырезанных в гладкой кольцевой поверхности. Использование данной группы изобретений обеспечивает повышение эффективности системы криогенного охлаждения. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к области криомагнетизма. Оно найдет конкретное применение совместно с системами магнитного резонанса, в которых используются сверхпроводящие магниты, и будет описано с конкретной ссылкой на них. Однако оно также будет полезным в других областях, включая повторную конденсацию паров гелия.
Во многих системах магнитного резонанса сверхпроводящие магниты используются для того, чтобы эффективным образом получать сильные магнитные поля, например, с индукцией 1,5 Тл, 3 Тл, 7 Тл и т.д. Температуру сверхпроводящих магнитов поддерживают на уровне, который ниже критической температуры для сверхпроводимости электрического тока, управляющего работой обмоток сверхпроводящего магнита. Так как температура сверхпроводимости, как правило, ниже 77К, при которой азот переходит в жидкое состояние, то для охлаждения сверхпроводящих магнитов обычно используется жидкий гелий.
В системе гелиевого охлаждения замкнутого типа гелиевый сосуд Дьюара с вакуумной рубашкой содержит сверхпроводящий магнит, погруженный в жидкий гелий. По мере того, как жидкий гелий медленно испаряется, его повторно конденсируют в жидкость с получением замкнутой системы. Пары гелия приводят в контакт с холодной головкой, также известной как конденсатор для повторного ожижения паров гелия, поверхность которого охлаждают до температуры, при которой происходит повторная конденсация гелия.
В некоторых конденсаторах для повторного ожижения поверхность повторной конденсации включает вертикально расположенную, гладкую металлическую конструкцию, например, цилиндр, на гладкой металлической поверхности которого гелий повторно конденсируется. Повторно сконденсированный жидкий гелий стекает вниз, в нижнюю часть поверхности конденсатора для повторного ожижения и падает обратно в резервуар с жидким гелием, находящийся внутри сосуда Дьюара. Хотя повторная конденсация на холодной поверхности может быть пленочной или капельной, доминирующей формой является пленочная конденсация, при которой жидкая пленка покрывает всю конденсирующую поверхность. Под действием силы тяжести пленка непрерывно стекает с поверхности. При этом жидкий гелий обладает достаточно высоким поверхностным натяжением, что позволяет удерживаться на вертикальной поверхности относительно толстой пленке из гелия.
В некоторых конденсаторах для повторного ожижения поверхность повторной конденсации имеет гладкие продольные (вертикальные) ребра, которые проходят вдоль этой поверхности в направлении потока. Хотя такие ребра увеличивают площадь поверхности, эти ребра приводят к возникновению вдоль них толстой пленки и препятствуют образованию капель жидкости на краю поверхности конденсатора для повторного ожижения.
Хотя такие конденсаторы для повторного ожижения криогенных веществ являются эффективными, авторы настоящего изобретения поняли, что пленка жидкого гелия на поверхности конденсатора для повторного ожижения работает как изолирующий слой между этой поверхностью и парами гелия, уменьшая эффективность системы криогенного охлаждения регенеративного типа.
Настоящим изобретением предлагается усовершенствованные система и способ, которые устраняют указанные выше и другие проблемы.
Согласно одному из аспектов, предлагается криогенная система. Емкость для жидкого гелия содержит жидкий гелий. Обмотки сверхпроводящего магнита погружены в жидкий гелий. Конденсатор для повторного ожижения паров гелия имеет гладкую поверхность, на которой повторно конденсируются пары гелия, причем поверхность конденсатора периодически прерывается прерывающей конструкцией, которая вызывает стекание жидкого гелия с поверхности конденсатора для повторного ожижения без перемещения по всей длине этого конденсатора и/или нарушает сплошность пленки жидкого гелия, образующейся на этой поверхности.
Согласно другому аспекту, предлагается способ поддержания сверхпроводящих магнитов в состоянии погружения в жидкий гелий. Пары гелия, которые выделяются из жидкого гелия, повторно конденсируют на гладкой поверхности конденсатора для повторного ожижения с получением пленки жидкого гелия на этой поверхности. Периодически нарушают сплошность пленки из жидкого гелия, расположенной на гладкой поверхности конденсатора для повторного ожижения.
Согласно другому аспекту этого способа, жидкий гелий заставляют покидать гладкую поверхность конденсатора для повторного ожижения без перемещения по всей вертикальной длине этой поверхности.
Согласно еще одному аспекту, конденсатор для повторного ожижения включает охлаждаемый объект, имеющий гладкую поверхность и выполненный с возможностью его установки вдоль вертикальной оси таким образом, чтобы жидкость, находящаяся на этой поверхности, под действием силы тяжести стекала в направлении нижнего края этой поверхности. По периферии гладкой поверхности проходит множество ребер, выполненных таким образом, что верхний край каждого ребра расположен заподлицо с участком гладкой поверхности, находящимся непосредственно выше, и периметр нижнего края каждого ребра больше, чем у его верхнего края. Между верхним и нижним краями каждого ребра создана гладкая наклонная поверхность.
Одно из преимуществ заключается в повышенной эффективности работы конденсатора для повторного ожижения.
Другое преимущество заключается в возможности создания систем повторной конденсации с меньшими габаритами и меньшим потреблением энергии.
Дополнительные преимущества и выгоды станут очевидными для специалистов обычной квалификации в данной области техники после прочтения и понимания приведенного далее подробного описания.
Изобретение может быть реализовано в виде различных элементов и совокупностей элементов, а также в виде различных этапов и последовательностей этапов. Чертежи служат только для иллюстрации примерных вариантов реализации изобретения и не должны восприниматься как ограничивающие это изобретение.
Фиг.1 - схематично показанный вид в разрезе системы магнитного резонанса, включающей емкость для гелия с устройством криогенного охлаждения регенеративного типа;
Фиг.2 - вид сбоку конденсатора для повторного ожижения с горизонтальными ребрами;
Фиг.3 - вид сбоку второго варианта конденсатора для повторного ожижения со спиральными канавками; и
Фиг.4 - вид сбоку конденсатора для повторного ожижения со спиральными канавками, имеющими противоположные направления прохождения.
Как показано на фиг.1, система 10 магнитного резонанса, относящаяся к типу с горизонтальным каналом, включает кольцевой корпус 12 с внутренней цилиндрической стенкой 14, окружающей и образующей в общем цилиндрический, горизонтально ориентированный канал 16. Хотя изображена система, относящаяся к типу с горизонтальным каналом, необходимо понимать, что представленные идеи также применимы к сверхпроводящим системам магнитного резонанса открытого типа, подковообразным магнитам и тому подобному.
Изображенная система 10 магнитного резонанса включает обмотки 20 сверхпроводящего магнита, установленные для создания постоянного (В0) магнитного поля, ориентированного соосно каналу 16, по меньшей мере, в области исследования, расположенной в основном в изоцентре канала 16 или поблизости от него. В изображенной системе обмотки 20 сверхпроводящего магнита имеют в общем форму соленоида, при которой они намотаны соосно каналу 16 вокруг него. Однако также возможны и другие конфигурации. Кроме того, могут также быть предусмотрены обмотки в виде активных пластин, пассивные стальные пластины и дополнительные компоненты (не показаны).
Чтобы сохранить температуру обмоток 20 сверхпроводящего магнита ниже критической температуры для сверхпроводимости, одновременно поддерживая электрический ток на уровне, достаточном для создания постоянного магнитного поля требуемой величины, сверхпроводящие магниты погружают в жидкий гелий LH, который находится в емкости для жидкого гелия, или сосуде Дьюара, имеющем в общем кольцевую форму, который образован внешней стенкой 22, внутренней кольцевой стенкой 24 и боковыми стенками 26. Чтобы обеспечить тепловую изоляцию, внешняя стенка 22 окружена вакуумной рубашкой 28.
Хотя для простоты иллюстрации это и не показано на схематичной фиг.1, вакуумная рубашка, как правило, также предусмотрена для боковых стенок 26. Также возможны дополнительные компоненты тепловой изоляции, такие как окружающая рубашка из жидкого азота или сосуд Дьюара в виде оболочки, которые на фиг.1 не изображены. Система магнитного резонанса включает дополнительные компоненты, такие как группа катушек, создающих градиент в магнитном поле, которые, как правило, установлены на одном или более цилиндрических каркасах, расположенных соосно внутри внутреннего цилиндра 14; необязательная полноразмерная, цилиндрическая радиочастотная катушка, которая и в этом случае, как правило, установлена на одном или более цилиндрических диэлектрических каркасах, расположенных соосно внутри цилиндрической стенки 14; необязательные одна или более локальных радиочастотных катушек или комплектов катушек, например, катушка для головы, катушка для суставов, катушка для торса, поверхностная катушка, комплект поверхностных катушек или тому подобное, которые, как правило, размещают в стратегических местах внутри канала в непосредственной близости от интересующей области человека; и тому подобное. Другие компоненты, не изображенные на фиг.1, включают электронику для работы с катушками, создающими градиент в магнитном поле, и радиочастотными передающими катушками, а также компоненты обработки данных, предназначенные для реконструкции изображения, полученного с использованием магнитного резонанса, выполнения магниторезонансной спектроскопии, либо иных обработки или анализа полученных данных магнитного резонанса.
Стенками 22, 24, 26, окружающей вакуумной рубашкой 28 и другими типами изоляции обеспечивается, по существу, полная тепловая изоляция жидкого гелия. Однако несовершенная тепловая изоляция вместе с действием других источников нагрева, в общем, приводят к медленному испарению жидкого гелия LH. Это схематично показано на фиг.1 областью паров VH гелия, которые накапливаются над поверхностью жидкого гелия LH. В жидкий гелий LH погружены обмотки 20 сверхпроводящего магнита.
Чтобы создать замкнутую систему криогенного охлаждения регенеративного типа, пары VH гелия повторно конденсируют в жидкий гелий на конденсаторе 30 для повторного ожижения, установленном снаружи емкости с жидким гелием, но связанном с этой емкостью посредством горловины 32. Температуру конденсатора для повторного ожижения поддерживают на уровне, достаточно низком для того, чтобы способствовать конденсации паров гелия, например, на уровне ниже приблизительно 4,2К, при помощи холодной головки 34, приводимой в действие мотором 36 криогенного охладителя. Так как мотор 36 криогенного охладителя имеет электропроводящие обмотки, в предпочтительном случае его устанавливают вне магнитного поля, создаваемого обмотками 20 сверхпроводящего магнита. Чтобы обеспечить виброизоляцию, мотор криогенного охладителя монтируют при помощи упругого соединительного элемента 40.
В процессе работы пары VH гелия проходят в горловину 32 и контактируют с конденсатором 30 для повторного ожижения, где они ожижаются с образованием сконденсированного жидкого гелия, в частности, пленки жидкого гелия. Так как поверхность повторной конденсации расположена выше емкости с жидким гелием, повторно сконденсированный жидкий гелий под действием силы тяжести падает обратно в емкость с жидким гелием, или сосуд Дьюара.
Как показано на фиг.1, а также на фиг.2, конденсатор 30 для повторного ожижения имеет гладкую, в общем, цилиндрическую поверхность 50, непрерывность которой периодически нарушается проходящими в радиальном направлении ребрами или конструкциями 52 с созданием множества участков поверхности или сегментов. В случае цилиндрической поверхности 50 конденсатора для повторного ожижения ребра 52 являются кольцевыми. Разумеется, поверхность 50 конденсатора для повторного ожижения и ребра 52 могут иметь другие формы в поперечном сечении. Таким образом, непрерывность гладкой поверхности 50 конденсатора для повторного ожижения периодически нарушается ребрами 52, которые создают гладкую коническую поверхность 54, оканчивающуюся острым краем 56.
Конденсация паров гелия на конденсаторе 30 для повторного ожижения может происходить в двух формах: капельная конденсация и пленочная конденсация. Доминирующей формой является пленочная конденсация, которая происходит, когда жидкая пленка покрывает всю холодную поверхность. Сила тяжести заставляет эту пленку постепенно стекать из верхней части вниз, в направлении к нижней части, что приводит к покрыванию поверхности конденсационным слоем. Толщина этого слоя увеличивается в направлении нижнего края конденсатора 30 для повторного ожижения. В изображенном варианте нижняя поверхность ребра выполнена горизонтальной, чтобы облегчить изготовление в ходе операции механической обработки. Разумеется, возможно также наличие нескольких составных частей. В изображенном варианте с тремя ребрами поверхность конденсатора для повторного ожижения разделена на четыре более коротких участка или сегмента. На более коротких сегментах поверхности будет иметься пленка меньшей толщины, чем на более длинной поверхности.
Ребра 52 выполняют две функции. Во-первых, они нарушают непрерывность пленки, которая образуется на гладкой поверхности 50 конденсатора для повторного ожижения между этими ребрами, что ограничивает высоту секции пленки и, следовательно, ее толщину. Во-вторых, острый край ребра 56 создает край для стекания капель, с которого капает повторно сконденсированный жидкий гелий, что приводит к его удалению с поверхности 30 конденсатора для повторного ожижения и возвращению в сосуд Дьюара.
Скорость охлаждения конденсатором 30 для повторного ожижения является функцией коэффициента теплопереноса между поверхностью и парами гелия, которая представлена следующей формулой: h=Kl/δ. Здесь скорость охлаждения h пропорциональна теплопроводности Kl, деленной на толщину δ пленки. Это охлаждение, разумеется, снижается при уменьшении теплопроводности Kl и увеличении толщины δ. Таким образом, чем толще покрытие из жидкого гелия, тем ниже скорость охлаждения, и тем менее эффективным становится устройство криогенного охлаждения регенеративного типа. Более эффективному охлаждению и повторной конденсации паров гелия способствуют как уменьшение толщины слоя жидкого гелия, так и удаление жидкого гелия с конденсатора 30 для повторного ожижения.
Как показано на фиг.3, конденсатор 30 для повторного ожижения может иметь поверхность 50', по форме отличающуюся от цилиндрической, например, в виде сужающегося, усеченного конуса. Кроме того, нарушение непрерывности гладкой поверхности может быть обеспечено при помощи выступающих буртиков или проходящих внутрь канавок 52'. Канавки 52' и в этом случае имеют острый край 56', который облегчает удаление жидкого гелия в промежуточных местах вдоль поверхности повторной конденсации, до достижения нижней части конденсатора для повторного ожижения. Помимо этого, разрывы в пленке жидкого гелия и в этом случае уменьшают толщину этой пленки. Каналы 52', аналогично ребрам 52, могут представлять собой последовательность кольцевых элементов. В качестве альтернативы, ребра или канавки могут быть в виде одной или более спиралей, как изображено на фиг.3. Спираль может включать одиночную канавку или ребро, либо множество параллельных канавок или ребер.
Как показано на фиг.4, спиральная структура из канавок или ребер может включать две или более спиральных канавок 52", проходящих, по существу, в противоположных направлениях, с получением перекрестной структуры на поверхности 50" конденсатора для повторного ожижения, в результате чего вдоль секций этой поверхности возникает короткий вертикальный путь между канавками.
Настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты его реализации. После прочтения и понимания приведенного выше подробного описания для специалистов в данной области техники могут стать очевидными различные модификации и изменения. Подразумевается, что настоящее изобретение должно восприниматься, как включающее все подобные модификации и изменения, пока они не выходят за пределы его объема, который определен в пунктах приложенной формулы изобретения или их эквивалентах.
1. Криогенная система, содержащая:
- емкость (22, 24, 26) для жидкого гелия, содержащую жидкий гелий (LH);
- сверхпроводящие обмотки (20) магнита, погруженные в жидкий гелий;
- конденсатор (30) для повторного ожижения паров гелия, имеющий сужающуюся гладкую поверхность (50') конденсатора, на которой повторно конденсируются пары гелия и которая периодически прерывается прерывающей конструкцией (52, 52', 52"), которая вызывает вытекание жидкого гелия, который конденсируется на гладкой поверхности, из конденсатора для повторного ожижения без прохождения по гладкой поверхности по всей вертикальной длине этого конденсатора для повторного ожижения и/или нарушает толщину пленки жидкого гелия, образующейся на поверхности конденсатора для повторного ожижения.
2. Криогенная система по п.1, в которой прерывающая конструкция включает в себя ребро (52) и/или канавку (52', 52").
3. Криогенная система по п.2, в которой гладкая поверхность (50') конденсатора (30) для повторного ожижения расположена вертикально, а упомянутые ребро (52) и/или канавка (52', 52") проходят по окружности вокруг поверхности конденсатора для повторного ожижения.
4. Криогенная система по п.2, в которой поверхность (50') конденсатора для повторного ожижения ориентирована вертикально, причем упомянутые ребро (52) и/или канавка (52', 52") выполнены проходящими по спирали вокруг упомянутой поверхности конденсатора для повторного ожижения.
5. Криогенная система по п.1, в которой конструкция, заставляющая жидкий гелий покидать поверхность конденсатора для повторного ожижения, включает множество канавок (52"), проходящих в виде спиралей, имеющих, по существу, противоположные направления, вокруг поверхности конденсатора для повторного ожижения.
6. Криогенная система по п.1, в которой прерывающая конструкция включает в себя, по меньшей мере, одно ребро (52), имеющее наклонную верхнюю поверхность (54), которая наклонена вниз от соседнего участка поверхности конденсатора для повторного ожижения и оканчивается краем (56) для стекания капель, с которого капли жидкого гелия покидают поверхность конденсатора для повторного ожижения без прохождения по всей длине поверхности конденсатора для повторного ожижения.
7. Криогенная система по п.6, в которой поверхность (50) конденсатора для повторного ожижения дополнительно включает в себя множество горизонтальных ребер (52), размещенных по вертикали одно над другим.
8. Криогенная система по п.1, в которой прерывающая конструкция включает в себя канавку (52', 52"), вырезанную в поверхности конденсатора для повторного ожижения, причем верхний край канавки выполнен с острым краем (56') на пересечении с гладкой поверхностью (52', 52") конденсатора для повторного ожижения.
9. Криогенная система по п.8, дополнительно содержащая множество канавок (52', 52"), выполненных проходящими по спирали на поверхности конденсатора для повторного ожижения.
10. Способ изготовления конденсатора (30) для повторного ожижения по п.1, согласно которому:
- осуществляют механическую обработку металлического элемента для получения круговой гладкой поверхности конденсатора (30) для повторного ожижения, прерываемую множеством проходящих по окружности или спирали ребер (52), выступающих из гладкой круговой поверхности, или канавок (52', 52"), вырезанных в гладкой кольцевой поверхности.
11. Способ поддержания сверхпроводящих обмоток (20) магнита в состоянии погружения в жидкий гелий (LH), согласно которому:
- осуществляют повторное ожижение паров (VH) гелия, выделяющихся из жидкого гелия, на гладкой поверхности (50') конденсатора для повторного ожижения, получая пленку жидкого гелия (LH) на поверхности конденсатора для повторного ожижения; и
- периодически нарушают сплошность пленки жидкого гелия, расположенной на сужающейся гладкой поверхности конденсатора для повторного ожижения.
12. Способ по п.11, согласно которому при нарушении сплошности пленки жидкого гелия вызывают вытекание жидкого гелия с гладкой поверхности конденсатора для повторного ожижения без прохождения по всей вертикальной длине этой поверхности.
13. Способ по п.11, согласно которому при нарушении сплошности пленки жидкого гелия используют кольцевые или спиральные ребра (52), выступающие из гладкой поверхности конденсатора для повторного ожижения, или канавки (52', 52"), вырезанные в гладкой поверхности конденсатора для повторного ожижения.
14. Способ по п.12, согласно которому ребра (52) или канавки (52', 52") имеют край (56, 56') для стекания капель, с которого жидкий гелий под действием силы тяжести стекает и возвращается в жидкий гелий, в который погружены сверхпроводящие обмотки (20) магнита.
15. Конденсатор (30) для повторного ожижения, содержащий:
- охлаждаемый объект, имеющий сужающуюся гладкую поверхность (50), которая выполнена с возможностью ее установки по вертикальной оси таким образом, чтобы жидкости на поверхности стекали под действием силы тяжести в направлении нижнего края этой поверхности; и
- множество ребер (52), проходящих по периферии вокруг гладкой поверхности, причем верхний край каждого ребра расположен заподлицо с участком гладкой поверхности, находящимся непосредственно выше, и периметр нижнего края каждого ребра больше, чем у его верхнего края, причем между верхним и нижним краями каждого ребра (52) образована гладкая наклонная поверхность (54).
