致冷剂容器的被动过压和欠压保护.pdf

在包含一安装于致冷剂容器(12)内的超导磁体(10)的MRI成像所用磁体系统中，提供了用于控制致冷剂气体从所述致冷剂容器流出的设备。所述设备包括：一个受控阀(42)，该受控阀将所述致冷剂容器的内部连接到气体排出路径；以及一个控制器(30)，该控制器经布置以控制所述阀。所述阀经布置使得所述致冷剂容器中超过所述气体排出路径中气体压力的气体压力作用于所述阀上，以便打开所述阀，并允许排放致冷剂气体。所述阀还经布置使得所述致冷剂容器中低于所述气体排出路径中气体压力的气体压力作用于所述阀上，以迫使其关闭，由此限制气体流动到所述致冷剂容器中。

1.  一种用于控制致冷剂气体从一致冷剂容器流出的设备(42、30、32)，包括：
一个受控阀(42)，其将所述致冷剂容器的内部连接到一条气体排出路径；以及
一个控制器(30)，其经布置以从至少一个传感器(32、34)接收数据，并相应地控制所述阀，
其特征在于，所述阀经布置使得所述致冷剂容器中超过所述气体排出路径中气体压力的气体压力作用于所述阀上，以打开所述阀并允许排放致冷剂气体，以及经布置使得所述致冷剂容器中低于所述气体排出路径中气体压力的气体压力作用于所述阀上，以迫使其关闭，由此限制气体流动到所述致冷剂容器中。

2.  根据权利要求1所述的设备，其中所述受控阀是电磁阀，其在通电时打开，而在未通电时关闭。

3.  根据权利要求1所述的设备，其中所述受控阀是气动操作阀，其在通电时打开，而在未通电时关闭。

4.  根据权利要求2或3所述的设备，其中所述电磁阀包括一个致动线圈(44)；一个磁舌(46)，其承载或充当一个阀元件；以及一个弹簧(52)，其将所述阀元件迫向一个阀座(50)。

5.  根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述控制器经布置以接收指示所述致冷剂容器内气体压力的数据，且还经布置来控制所述受控阀以在所述致冷剂容器内提供所需范围内的气体压力。

6.  根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述控制器经布置以接收指示通过所述气体排出路径的气流速率的数据，且还经布置来控制所述受控阀以提供所需值范围内的穿过所述气体排出路径的气流速率。

7.  根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述控制器通过按一可变占空比循环地打开和关闭所述受控阀来控制所述阀。

8.  一种用于控制致冷剂气体从致冷剂容器流出的设备，所述设备大体上如附图的图2到5B所描述和/或说明的那样。

9.  一种用于MRI成像的磁体系统，包括一个安装在一致冷剂容器(12)内的超导磁体(10)，所述致冷剂容器具备根据任一前述权利要求所述的用于控制致冷剂气体从所述致冷剂容器流出的设备(42、30、32)。

致冷剂容器的被动过压和欠压保护
技术领域
本发明涉及用于调节容器内部的气体压力和来自容器的气流的设备。本发明尤其涉及通过适当选择和布置用于控制致冷剂容器(例如已知用于冷却MRI成像系统中的超导磁体线圈的致冷剂容器)中的气体压力和来自该致冷剂容器的气流的气流控制阀，而实现的被动过压和欠压保护。
背景技术
图1示意性地示出了容纳在低温恒温器内的MRI成像磁体的横截面。如此项技术中众所周知，此类布置通常包括一组超导线圈10，其安装在线圈架(未图示)上，悬挂在一个部分用液态致冷剂14填充的致冷剂容器12中。液态致冷剂经选择以使得其沸点低于线圈10中所使用的线的超导转变温度。一个外部真空容器OVC 16围绕致冷剂容器。OVC的内表面与致冷剂容器的外表面之间的空间18被抽空，以减少通过对流到达致冷剂容器的热流入量。可在该抽空空间中提供一个或多于一个的热辐射屏蔽物19，以减少通过辐射到达致冷剂容器的热流入量。也可在该抽空空间内安装例如镀铝聚脂薄片19a的固体隔热层，以进一步减少热流入量。支撑和悬挂部件20的谨慎设计减少通过传导到达致冷剂容器的热流入量。
通过穿过一个控制塔24导入致冷剂容器中的复数个电流导线22向线圈10提供电流。控制塔通常还提供一个排放路径25以供致冷剂气体逃逸。出于若干原因有必要允许致冷剂气体逃逸，这取决于包括线圈10的磁体的操作状态。本发明涉及经提供以允许排放致冷剂气体的装备。需要排放致冷剂气体的情形的一些实例如下。在操作期间，致冷剂容器12必须保持密封防止空气进入，而致冷剂容器内的气体压力必须被准确控制来为超导线圈维持合适的热环境。
可使用直接作用的机械阀来实现所有正常操作条件(致冷剂填充、斜线变化和现场操作)期间对致冷剂气体排放的控制。使用此类机械阀实现所需控制精度已证明较困难且昂贵。此不良控制的后果包含斜线变化期间不够理想的线圈温度，其因此增加了失超的风险，且增加了致冷剂损失。
机械排放阀依赖于气体压力和弹簧力的平衡来调整阀板的打开。此类型的阀中的操作力较小，因此性能对于弹簧力、摩擦力、操作温度和一定范围制造公差上的小变化较敏感。使用昂贵的校准和调节技术来减小这些效应，但尽管如此，压力控制性能刚够满足所述应用且可靠性不佳。
此类阀的实例包含简单的弹簧阀，其在致冷剂容器内部的压力超过阀的另一侧上的压力达足以克服弹簧所提供的偏置力的量时打开。由于致冷剂容器侧上的压力过大而打开所述阀，且通过抵制致冷剂容器的压力的弹簧来关闭所述阀。在致冷剂容器内过压的情况下，作用于阀上的压力抵制着弹簧以便从致冷剂容器排放致冷剂。如果致冷剂容器内的压力下降到低于阀的另一侧的压力(通常为大气压力)，则该压力将作用于阀上，以便支持弹簧使得阀保持紧闭且防止空气不合需要地进入致冷剂容器。因此提供了一种被动过压和欠压保护。
打开此类阀所需的内部致冷剂容器压力可根据外部影响而变化。举例而言，打开简单的弹簧阀所需的绝对致冷剂容器压力将随着作用于阀的“下游”侧的大气压力的变化而变化。尽管可能已设计并希望此类机械阀以操作来维持在致冷剂容器内的某一绝对压力，然而打开阀所需的绝对压力将发生变化。可通过提供略微不同版本的阀的选择来减小此效应，还可根据致冷剂容器在操作中将经历的预期大气压力和周围温度从一定范围的此类阀中选择精确的阀类型。这当然不方便，其需要多种阀类型和适当布置来选择用于安装的正确的阀。
总之，尽管过去进行了大量开发工作，现有的直接作用的排放阀(其中，阀板由容器内的压力或弹簧或类似物直接操作)仍不提供对用于MR成像的超导磁体和类似设备的致冷剂容器压力的准确或最优控制。由于苛刻的校准要求的缘故，此类阀制造起来也较昂贵，且操作上不可靠。
在已知的MRI成像系统和类似物中，且如图1所示，习惯提供一个磁体监控系统30，其从许多传感器32、34接收数据，控制磁体中的电流流动，且控制磁体系统的操作，以便一直(加电期间、稳定状态操作中，成像期间，和去电期间)保持最优性能。
已发现难以提供具备有效且可靠开/关操作的机械阀系统。即使阀元件或阀座上少量污染也可能导致阀在关闭位置的泄漏。另一方面，污染可能阻止阀完全打开。在任一情况下，阀均不能维持容器内所需的压力，也不能允许来自容器的所需气流速率。
因此，已提议通过装配有致动装置的阀40来控制排放，所述致动装置是使用例如磁体监控系统30的智能控制器来控制的，所述智能控制器能够访问界定致冷剂容器内的磁体操作状态和现有条件的数据。在图1中所说明的实例中，传感器32和34将指示致冷剂容器内的压力和来自致冷剂容器的气体排放的流动速率的数据提供到磁体监控系统30。利用此布置，有可能优化致冷剂容器中的操作压力和来自致冷剂容器的排放气体流动速率，以适合致冷剂容器内的磁体操作条件和/或现有条件，随之实现的优点包含失超风险减小且致冷剂损失减少。
可操作受控阀40，借此致冷剂容器内的压力可可靠地维持在所需值范围内，和/或当内部绝对压力或表计压力达到某一值时可操作气体的排放。可在需要时维持对来自致冷剂容器的排放气体流动速率的准确和可预测的控制。
为了避免致冷剂容器的空气/冰污染的风险，致冷剂容器12内的压力一般由磁体监控控制系统30维持在大气压以上，例如根据绝对或表计压力传感器32所提供的压力测量来控制相关联的低温致冷器。然而，在加电期间，必须严格限制致冷剂容器内的进一步压力升高，以便通过允许液态致冷剂增加蒸发而维持可接受的磁体温度。由于这些要求相互冲突，需要排放阀40和压力控制系统(通常包含在控制器30内)对致冷剂容器压力提供非常精确的控制和测量。
受控阀40可具有简单的循环开/关功能。通过改变阀的开/关状态的占空比来实现准确的压力控制，从而不需要对阀进行精确校准。在此类布置中，阀的确切流量不是特别重要，因为压力测量和占空比调节将补偿微小变化。举例而言，一种非常简单的控制方法可根据以下各项进行操作：
(1)设置致冷剂容器内的所需绝对压力＝x；
(2)从常规提供的传感器32检测致冷剂容器内的实际压力p；
(3)如果p＞x，那么增加阀操作占空比的“打开”比例；以及
(4)如果p＜x，那么减小阀操作占空比的“打开”比例。
在需要对气体流出的流动速率而非气体压力进行控制的情况下，所述控制方法可类似于：
(1)设置来自致冷剂容器的所需气体流出流动速率＝R；
(2)从常规提供的传感器34检测来自致冷剂容器的实际气体流出流动速率r；
(3)如果r＜R，那么增加阀操作占空比的“打开”比例；以及
(4)如果r＞R，那么减小阀操作占空比的“打开”比例。
所属领域的技术人员可容易地得到合适的控制信号和用于修改控制信号以提供所需操作的合适的布置。
对于所述阀，各种控制策略都是可能的，且可在控制单元的软件中定义。此类布置的一个优点是，可在磁体监控控制系统30的软件中补偿阀硬件中的缺陷。控制单元以常规方式从装配到致冷剂容器内的磁体和其它地方的各种传感器接收指示例如绝对致冷剂容器压力和液态致冷剂液位等参数的数据。如所属领域的技术人员将要了解的那样，可采用此类传感器所提供的数据来操作本发明的主动受控阀，以在若干操作情形和要求中的任一者需要时将致冷剂容器内部的绝对压力控制在所需值范围内。所需的阀控制可基于致冷剂容器压力的测量。此类压力测量可为绝对或表计的(即，相对于大气压力)，且可选择所使用的传感器的类型以便在需要时用于不同的操作条件中。通过提供大气压力传感器，可控制致冷剂容器的表计压力。或者，可操作主动受控阀以便将气体流出的流动速率维持在所需值范围内。
所属领域的技术人员可容易地得到由磁体监控控制系统30产生的用于由步进式马达操作的阀的控制信号。
对于当前MRI成像磁体系统，已发现在给定系统大小的情况下，操作频率低于1Hz的循环阀开/关功能完全足够。尤其对于小得多的致冷剂容器12，可发现较大频率的阀操作是必需的。
通常，阀元件由螺线管直接操作。图2示出了一种被提供来控制致冷剂容器压力或致冷剂气体流出的流动速率的电磁阀42的常规布置。在图2中，电磁阀42包括一个致动线圈44和一个承载或充当阀元件的磁舌46。根据通过导线48供应到致动线圈44的电流的量值和/或方向，磁舌46将移动以便使阀元件接触或远离阀座50。一个弱弹簧52将阀元件迫向阀座，以便当螺线管未被激活时关闭阀。虽然弹簧被示意性地说明为盘簧，但适当时可使用任何已知弹性部件，例如片簧、锥形弹簧、螺旋弹簧，或例如可变形橡胶部件的弹性部件。在图2中，阀被说明为处于中部位置，在完全打开位置与完全关闭位置之间。这仅出于说明的目的，且不表示电磁阀的稳定位置。
图3A示出了处于完全打开位置的阀42，其为电磁阀处于其“致动”位置的典型位置，其中致动电流在致动线圈44中流动。
图3B展示处于完全关闭位置的阀42，其为电磁阀处于其“静止”位置的典型位置，其中没有电流在致动线圈44中流动。弹簧52(也可能是重力)迫使阀元件与阀座50接触。
在例如图1中所说明的系统中，控制系统30通过控制器适当控制致动线圈44中的电流，来改变循环打开和关闭阀42的开-关时间比率(占空比)，以便控制所述的阀，从而把致冷剂容器12内的压力维持在所需值范围内或将气体流出的流动速率维持在所需值范围内。通过使用适当尺寸的阀和操作频率，可将压力的变化维持在窄范围内。
在致冷剂容器12内意外过压的情况下，当阀关闭时(图3B)，压力将作用于磁舌46和阀元件的“上游”表面上，以迫使阀紧密地进入其关闭位置中，其中阀元件在阀座上。这将阻止或妨碍从致冷剂容器排放蒸发的致冷剂气体，可能导致在致冷剂容器内不合需要地积累压力。这种压力上的增加可导致气体温度增加，且还升高线圈的温度，从而有失超的风险。
相反地，在致冷剂容器12内欠压的情况下，当阀关闭时(图3B)，使致冷剂容器内的压力低于致冷剂容器外部的压力，致冷剂容器外部的压力将作用于磁舌46和阀元件的表面上，以迫使阀打开。这可能允许空气或其它污染物不合需要地进入致冷剂容器12和/或排放路径25中。因为致冷剂容器通常处于充分低于空气的主要成分的凝固点的温度，此类泄漏将得以避免。空气或其它污染物的进入可能导致在致冷剂容器12和/或排放路径25内形成例如氮和水的凝固污染物的沉积物。这可导致阻塞，所述阻塞可阻止或妨碍稍后从致冷剂容器排放蒸发的致冷剂气体，可能导致随后在致冷剂容器内不合需要地积累压力以及相关温度的增加。这可导致失超，致冷剂由于阻塞而不能合意地排放，从而导致致冷剂容器内危险的高压。阀的固体污染还可使得压力控制更加困难，而磁体结构的污染可导致失超事件。
出于这些原因，现有技术中已避免使用例如上文论述以及图2到3B中所说明的受控电磁阀，且当前仍使用直接致动的机械阀，尽管其具有上文论述的缺点。
发明内容
本发明解决了这些限制受控电磁阀在维持致冷剂容器中的压力或来自致冷剂容器的气体流出的流动速率处于所需范围方面的适用性的问题。
因此，本发明提供如所附权利要求书中所界定的设备。
附图说明
结合附图，考虑以实例方式给出的某些实施例的以下描述，本发明的以上和进一步的目的、特性和优点将更加清楚，附图中：
图1为根据现有技术含有用于MRI系统的磁体的低温恒温器的示意剖面图；以及
图2为按现有技术的低温恒温器排放布置而布置的电磁阀的示意剖面图；
图3A和3B分别示出了处于完全打开和完全关闭位置的图2的电磁阀；
图4为按现有技术的低温恒温器排放布置而布置的电磁阀的示意剖面图；以及
图5A和5B分别示出了处于完全打开和完全关闭位置的图4的电磁阀。
具体实施方式
本发明提供如图4中所说明的用以控制致冷剂容器压力或致冷剂气体流动速率的电磁阀42的改进的布置。与图2的布置共同的特征拥有相应的附图标记。实质上，图2的电磁阀布置的入口和出口经颠倒，使得致动器46先前的“上游”和“下游”表面互换功能。图4中所说明的阀位置仅是出于说明的目的，且不表示电磁阀的稳定位置。
图5A示出了处于完全打开位置的图4的阀42，其为电磁阀处于电磁阀“致动”或通电位置的典型位置，其中致动电流在致动线圈44中流动。
图5B示出了处于完全关闭位置的图4的阀42，其为电磁阀处于电磁阀“静止”或未通电位置的典型位置，其中没有电流在致动线圈44中流动。弹簧52(也可能是重力)迫使阀元件与阀座50接触。
根据本发明的特定优点，图4到5B所示的阀布置有利地提供被动欠压和过压保护。
在致冷剂容器12内意外过压的情况下，当阀关闭时(图5B)，致冷剂容器内的压力将作用于磁舌(armature)46和阀元件上，以迫使阀元件远离阀座，从而打开阀。这将允许从致冷剂容器排放蒸发的致冷剂气体，从而防止在致冷剂容器内不合需要地积累压力。
相反地，在致冷剂容器12内欠压的情况下，当阀关闭时(图3B)，使致冷剂容器内的压力低于致冷剂容器外部的压力，致冷剂容器外部的压力将作用于磁舌46上，以迫使阀元件到达阀座上，借此更牢固地关闭阀。这将防止或至少进一步限制空气不合需要地进入致冷剂容器12和/或排放路径25中。
因此，本发明提供抵制致冷剂容器内的过压和欠压事件两者的有效被动保护。出于这些原因，使用例如上文所论述以及图4到5B中所说明的受控电磁阀可安全地用于提供对致冷剂容器(其例如用于冷却MRI系统所用磁体的超导线圈)中的压力和/或来自所述致冷剂容器的气体流出速率的主动控制。因此可在致冷剂容器中实现上文论述的主动阀控制的优点，而没有空气进入或不合需要的压力升高的风险。
必须合适地选择弹簧52负载和阀座50内孔的大小，以便允许致冷剂容器压力处于高压但安全的情况下从阀座50提升阀元件，因此提供被动过压安全阀功能。
虽然已参考特定实施例(明确地说，如图2到5B中所说明的电磁阀)描述了本发明，但可使用任何合适的受控阀实施本发明，所述受控阀经布置以使得致冷剂容器中的过压作用于阀上以打开阀并允许排放致冷剂气体，且经布置使得致冷剂容器中的欠压作用于阀上以迫使其关闭，因此限制气体的流动，尤其是限制空气进入到致冷剂容器中。阀必须是不将阀元件机械锁定在适当位置，而是允许阀元件响应阀上的压差而进行某些移动的类型。具体而言，受控阀可以是气动操作阀，通电时打开，而未通电时关闭。气动受控阀的优点是，其可完全由非磁性材料构成，且不承载电流。因此，其不会对冷却后磁体的磁场带来任何显著的干扰。可使用电受控阀(例如电磁阀)来操作气动致动，但这些电受控阀可能会布置在距磁体相对大的距离处，以避免干扰磁场。
致冷剂容器的特殊之处体现在其需要抵制过压和欠压两者的安全保护。据信，先前尚未提供抵制过压和欠压两者的如此简单的被动保护，而本发明以最小的额外成本提供了简单且有效的保护布置，其具有允许受控电磁阀用于控制致冷剂容器压力和气流速率、同时避免已知的受控电磁阀布置的缺点的附加益处。