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CN101300457B - 用于运输被低温冷却的货物或装置的设备和方法 - Google Patents

用于运输被低温冷却的货物或装置的设备和方法 Download PDF

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CN101300457B CN2006800408404A CN200680040840A CN101300457B CN 101300457 B CN101300457 B CN 101300457B CN 2006800408404 A CN2006800408404 A CN 2006800408404A CN 200680040840 A CN200680040840 A CN 200680040840A CN 101300457 B CN101300457 B CN 101300457B
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Abstract

本发明提供一种用于运输被低温冷却的货物或装置(12)的设备，其包括低温恒温器(10)，所述低温恒温器(10)含有所述被低温冷却的货物或装置(12)且部分填充有液态冷冻剂(11)，所述低温恒温器(10)具有用于主动冷却的低温致冷器(14)；和辅助装置(22、24、26)，其足以使所述低温致冷器(14)维持操作，所有都安装在可运输承载器(40)上，使得无需将所述低温恒温器(10)、致冷器(14)和辅助装置(22、24、26)中的任一者连接到任何位置远离所述可运输承载器(40)的补给的情况下便可运输所述可运输承载器和所述低温致冷器(14)。本发明也提供一种用于将所述设备运输到目的地的方法，其中所述低温致冷器(14)在运输期间处于操作中。

Description

用于运输被低温冷却的货物或装置的设备和方法 
技术领域
本发明涉及用于运输被低温冷却的货物或装置的方法和设备，所述货物或装置例如为用于磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)或核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)成像系统的超导磁体。具体来说，本发明涉及所述用于确保所述装置到达其目的地仍被低温冷却的方法和设备，其中冷冻剂物质在途中的消耗有限。 
背景技术
当例如用于磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)成像系统的超导磁体的低温系统到达其安装地点时，其到达方式应使其得以尽可能快速地部署。现行方法是启程之前将磁体放在填充有液态冷冻剂的冷冻剂容器中。在低温超导体(low tempera ture superconductor，LTS)的情况下，这一液态冷冻剂通常为液氦。对使用高温超导体(high temperature superconductor，HTS)的布置来说，可使用液氖、液氮或液氢。转运期间，液态冷冻剂可发生汽化，从而确保恒温，同时存在液态冷冻剂。将汽化的气态冷冻剂排放到大气中，这是一种经济损失和资源浪费。界定系统中最初提供的冷冻剂的体积，使得存在足够的流体来确保在某段时期结束时剩余一些流体，界定这段时期涵盖预期的转运时间。所述时期通常设定为30天。一旦系统到达其安装地点，可向低温恒温器中加满额外的液态冷冻剂至其操作填充液面。然而，所述加满并不是出于冷却系统的目的，因为在汽化的冷冻剂的持续存在下，低温恒温器将仍保持其操作温度。 
所述方法中所采用的液态冷冻剂越来越昂贵，且在一些情况下，是由不可再生资源产生的(例如氦，源自石油)。举例来说，液氦目前差不多每升要花费2英磅(3欧元，3美元)。用于磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)成像系统的已知超导磁体的转运期间，运输期间通常损失高达100升的液态冷冻剂。然而，在约1750升冷冻剂中运载的现有低温恒温器的情况下，冷冻剂损耗的可能大得多。大得多的成本风险与可能汽化全部体积的冷冻剂的可能性相关联：低温恒温器将汽化到干且被冷却的装置将被加热到周围温度，例如300K。为将装置重新冷却到其所需的操作温度，例如4K，将需要添加大量的液态冷冻剂，大部分液态冷冻剂将在冷却设备的过程中汽化到大气中。
发明内容
本发明旨在提供运送所述被冷却的装置的方法，该方法减少液态冷冻剂消耗的体积。 
所提出的替代解决方案包括以下内容。系统可在环境温度下清空运送且到达时进行冷却。然而，这将导致工作冷冻剂在安装地点处的极大消耗，因为工作冷冻剂被用于将系统冷却到操作温度。安装地点的成本、复杂性和延迟使这一方案变得不切实际。可用廉价的可再生无污染冷冻剂(例如液氮)填充冷冻剂容器。然而，所述系统将需要就地净化，然后再通过应用工作冷冻剂进行冷却。这一方案在安装地点处也是成本较高且较复杂。 
本发明旨在避免所述冷冻剂损耗，同时确保被冷却的装置在整个旅程中维持冷却状态，即使旅程本身可能延长超出正常的最大运送时间(目前为约30天)。 
因此，本发明提供了用于运输被低温冷却的货物或装置的方法和设备。 
附图说明
通过参考本发明的仅以实例的方式给出的某些实施例的以下描述，参考附图，将明白本发明的上述和其它目标、优点和特征，其中： 
图1展示根据本发明的一实施例的系统的示意图；以及 
图2展示本发明的一实施例的示意性透视图。 
具体实施方式
现行运送方法包括最初用冷冻剂将低温恒温器填充到足以使操作温度维持30天的液面水平。本发明旨在将这一最初填充液面降低到足以使操作温度维持短得多的时间，例如三天。这应足以使系统在由航空转运到世界任何地方期间维持在操作温度下。转运系统中放置的冷冻剂液体的体积可减小高达90％。
根据本发明的一方面，含有待冷却的装置的低温恒温器具有用于在转运期间主动致冷的构件。所述构件在大部分或所有转运时间内都是主动的。当低温恒温器以某些运输模式(例如空运、铁路运输或海运)运载时，可能不准操作主动致冷构件。出于这个原因，必须提供足够体积的液态冷冻剂以使被冷却的装置在所述运载的最大预测持续时间内维持在操作温度下，从而包括了清关的时间，直到可再次触及低温恒温器以重新开始主动致冷为止。 
图1展示根据本发明的一实施例的系统的示意图。低温恒温器10含有用于MRI或NMR成像的超导磁体且部分填充有液态冷冻剂11，所述低温恒温器10具有用于主动冷却的致冷器14。所述致冷器可为低温致冷器的已知类型中的任一种，例如脉管致冷器、吉福特-麦克马洪致冷器(Gifford-McMahon refrigerator)或斯特林循环致冷器(Stirling cyclerefrigerator)。为使致冷器能够操作，必须提供压缩冷冻剂气体供应16和气体回路18。这一气体通常为氦气，但可使用其它气体，这取决于低温恒温器的操作温度。依据所采用的致冷器类型，致冷器也可能需要电源20。因此，提供辅助装置使致冷器装备有其所需的补给。提供发电机22。这可方便地是用柴油机发电的三相发电机，其提供高达20kW的50HZ的400V AC。连接发电机以向冷却器24和冷冻剂压缩机26供应电力。冷却器24冷却且提供用于冷却冷冻剂压缩机26的冷却流体供应。冷却器24可为具有9kW冷却功率的ICS TAE-020型，其消耗约3kW电力。提供前向冷却流体路径30和回馈冷却流体路径31。在某一实施例中，提供阀门27和流量计28以将流经冷却器的水冷却流体流的流量限制到每分钟8升。冷却器通常可操作以将流过其的水冷却流体冷却到10-20℃的温度。虽然可方便地采用水作为冷却流体，但适当时可使用其它冷却流体。 
冷冻剂压缩机26从冷却器24接收冷却的冷却流体且从发电机22接收电力20。其提供去往/来自低温致冷器14的压缩冷冻剂气体供应16和气体回路18。冷却的冷却流体电路用于保持压缩机26冷却。可将集装箱的材料用作散热器来提供其它或替代的冷却。也可提供冷却流体储槽和气体储槽(图1中未展示)以维持冷却器和压缩机的气体和冷却流体的供应。在储槽32中为发电机22提供燃料33(例如柴油)供应。 
将图1中所说明的整个系统以及其冷却流体储槽和气体储槽安装在可运输承载器上。在尤其优选的实施例中，可运输承载器采用标准货运集装箱形式，经修改从而为汽化逸出低温恒温器的气体和由发电机产生的排气提供排气口。也可能需要提供外部可触及开关(图2中38处所示)，其可锁定以在运输必要时关掉发电机。 
图2说明根据本发明的一实施例而修改的标准运送集装箱40的透视图。在集装箱内也将提供冷却流体储槽34、气体储槽36和燃料储槽32以分别供应冷却器24、气体压缩机26和发电机22。虽然图2仅提供非常概略的表示，但所属领域的技术人员应能轻松地设计和集成适当的设备以装配在所述集装箱中。供应路径和回馈路径(例如电源20、冷却流体路径30、31、压缩气体16、18)优选沿集装箱40的壁和顶板铺设以免阻碍操作者进入。 
如所说明，收纳例如超导磁体的被冷却的装置的低温恒温器10被置于减振座架41上，其用于限制施加在低温恒温器上的水平加速度。提供所述减振座架以限制侧向振荡。也可为系统的其它组件提供减振座架。所述减振座架用于减小在转运中损坏系统的可能性，且确保多个组件在转运期间有效操作。其也用于减小传输到运送集装箱40的主体的机械振动的和噪声的水平。 
在运送集装箱的壁或顶盖中提供排气孔42以为来自发电机22的排气提供排出路径。也提供另一排气孔44以使汽化的冷冻剂气体能够逸出集装箱。 应提供合适的屏蔽或防护以阻止外来物体通过这些排气孔42、44侵入。 
或者，两条气体排放路径可在集装箱内组合，且提供单个排气孔。 
将标准运送集装箱用作可运输承载器简化了用于将系统转移进和转移出货车、火车、船和飞机的提升和装载和卸载操作。所述运送集装箱在全世界都较易见，且为所有样式的货物提供方便的储藏和运输容器。集装箱可单个地运载于货车或铁路货车上，或大量地运载于货船上。对于航空运输来说，其可装载于飞机货舱中。提供的集装箱通常为20英尺(6.1米)或40英尺(12.2米)的标准长度。集装箱通常由安装于钢构件框架上的波形钢板形成。本发明中所采用的运送集装箱可为一个所述典型集装箱，或可为符合外部尺寸标准和所述标准运送集装箱的其它所需特征的特别设计和构造的集装箱。冷却器、发电机和冷冻剂压缩机将在集装箱内产生显著量的热量。必须注意要提供足够的通风来冷却集装箱内部。为此可采用在集装箱中带数个开口的形式，优选伴有有助于热空气排放的风扇。 
在一替代实施例中，可采用敞开的“板架式”集装箱，优选具有环绕框架。板架式集装箱实质上为具有运送集装箱的尺寸的开放框架，且具有易于提升和运输的所有优点，但不具有封闭的侧面或末端盖板。使用环绕框架可能尤其适用于空运。使用这种类型的运送集装箱可使系统能够在飞机的货舱中运输。 
在根据本发明的一方法中，将低温恒温器10装载在所述可运输的集装箱中。启动发电机22，且在转运期间主动冷却操作直到低温恒温器到达其安装地点。从可运输集装箱中移出低温恒温器且使其与其安装地点处的相应补给连接。必要时可加满液态冷冻剂11的液面。冷却的装置12和低温恒温器10可非常快速地安装且开始服务。 
在根据本发明的另一方法中，将低温恒温器10装载于所述可运输的集装箱中。启动发电机22且进行主动冷却操作，直到需要将低温恒温器装载到飞机、船或转运中不允许主动致冷操作的其它运输工具中为止。例如使用开关38关掉发电机，且将可运输集装箱放置在运输工具上。当发电机22不在操作中时，液态冷冻剂11将开始汽化，以将冷却的装置12维持在液体沸点下。低温恒温器10将保持在这一条件下直到其从运输工具中移出为止。然后可将可运输承载器放置在允许主动致冷的地方，例如在货车上。可重新启动发电机22且将提供主动致冷直到冷却的装置12到达其安装地点。从可运输集装箱中移出低温恒温器10且使其与其安装地点处的相应补给连接。必要时可加满液态冷冻剂11的液面。冷却的装置12和低温恒温器10可非常快速地被安装且开始服务。因为汽化冷冻剂的冷却持续时间很可能至多持续3天，所以汽化逸出的冷冻剂的体积和成本比在转运持续期间通过汽化冷冻剂进行冷却的常规方法小得多。
在根据本发明的另一方法中，需要两个所描述的可运输集装箱。将低温恒温器10装载到第一可运输集装箱中。启动发电机且进行主动冷却操作，直到需要将低温恒温器装载到飞机、船或在转运中不允许操作主动致冷的其它运输工具中为止。关掉发电机，且从可运输集装箱中移出收纳冷却的装置12的低温恒温器10且放置在运输工具上。液态冷冻剂将开始汽化，以在液体沸点下冷却冷却的装置。低温恒温器10将保持在这一条件下直到其从运输工具中移出为止。然后将低温恒温器放置在第二可运输集装箱中且放置在准许主动致冷的地方，例如货车上。然后启动第二可运输承载器的发电机22，且将提供主动致冷直到冷却的装置到达其安装地点为止。从第二可运输集装箱移出低温恒温器且使其与其安装地点处的相应补给连接。必要时可加满液态冷冻剂11的液面。冷却的装置12和低温恒温器10可非常快速被安装且开始服务。因为汽化冷冻剂的冷却持续时间很可能至多持续3天，所以汽化逸出的冷冻剂的体积和成本比在转运持续期间通过汽化冷冻剂进行冷却的常规方法小得多。 
在上述实施例中，将汽化逸出的冷冻剂排放到大气中，同时由例如柴油机槽32的燃料源向发电机供能。在冷冻剂易燃的情况下，可采用本发明的 一优选实施例。举例来说，如果所使用的冷冻剂为液氢，那么可使用汽化逸出的氢为发电机供能。所述布置可能有用地提供负反馈布置：当冷冻剂相对快速地汽化时，发电机可得到大量燃料供应，从而确保有效的主动冷却。如果冷冻剂相对缓慢地汽化，那么发电机将可得到减少的燃料供应，在此情况下，可能需要较少的主动冷却，从而节约了燃料消耗。所述实施例具有减小或消除易燃气体释放到大气中的额外优点。燃烧氢以为发电机提供燃料具有不产生污染物的另一优点。所产生的水蒸汽可安全地排放到大气中，或通过再冷凝器进行再冷凝，该再冷凝器由冷却器的回馈冷却流体供应馈送。可在燃气轮机中燃烧氢或另一燃料以为发电机提供旋转动力。作为燃烧燃料的替代，可通过供应氢给燃料电池供能，在不燃烧的情况下直接产生电来提供所需的电力。对含有液氢或其它易燃气体的系统的运输在某些运输模式上可能是禁止的。对释放易燃气体的系统的运输将受到更严格的控制。 
实验期间，如上所述布置含有超导磁体的低温恒温器的运输。在4天内将低温恒温器从英国(England)牛津(Oxford)运输到德国(Germany)埃尔兰根(Erlangen)且返回。在出国旅程中，在火车穿过海峡隧道的运输期间停止发电机。返回旅程中，低温恒温器通过海渡运输，且发电机保持运行。启程时，将磁体用液氦冷冻剂填充到74％的容量。到达德国(Germany)埃尔兰根(Erlangen)时，冷冻剂汽化逸出使低温恒温器内的压力升高到高于大气压约2.5psi(17kPa)。使低温恒温器排气以将这一压力释放到大气压。此时损失了一些冷冻剂气体，从而使冷冻剂填充液面降低到73％。返回旅程结束时，到达英国(England)牛津(Oxford)，冷冻剂的汽化逸出再次使低温恒温器内的压力上升到高于大气压约2.5psi(17kPa)。再次使低温恒温器排气以将这一压力释放到大气压。此时损失了一些冷冻剂气体，从而使冷冻剂填充液面降低到71％。 
这一实验展示当在低温恒温器稳定的情况下使致冷器保持运行时，低温恒温器内的压力增加得没有预期的那么多。各段旅程的氦损失为约1％。与相同旅程内6-7％的正常平均损耗相比，这是非常有利的。5％的冷冻剂消耗的净减少表示1750升容量低温恒温器可节约87.5升冷冻剂。安装系统时实现了相应的成本节约，其中加满低温恒温器将需要减小体积的冷冻剂。或者，可指定到达时的最低冷冻剂液面。这可(例如)为60％。如果转运中冷冻剂的消耗可可靠地限制到1％，那么最初可将低温恒温器填充到仅61％的容量。考虑到意外延迟和复杂情况，将低温恒温器填充到例如64％可能更谨慎。这将表示启程时冷冻剂填充的减少等效于10％的冷冻剂填充，或对于1750升容量低温恒温器来说有175升冷冻剂。运行发电机的额外成本和可运输承载器和其装置的折旧与所述节约相比是微乎其微的，假设经常进行所述运送。 
如果可接受到达时低温恒温器中仅存极小量的冷冻剂，那么可在低温恒温器中仅提供小量供应(假定足够用于3天汽化的量)。这使得出发时成本大大降低，而到达时加满成本相应地增加。 
到达目的地时低温恒温器的状态的可预测性的增加补充了关于冷冻剂消耗的财务节约。就填充冷冻剂且转运期间使其汽化逸出的常规布置来说，存在转运中的延迟可能引起低温恒温器汽化到干，从而使冷却的装置升温到环境温度的风险。这随后在到达时需要昂贵的、不方便的且耗时的重新冷却。在安装地点处可能不易获得足够体积的冷冻剂。就本发明来说，转运中的延迟不会引起显著的冷冻剂损耗，假设使发电机保持运行。使用柴油发电机在这方面尤其方便，因为柴油燃料可在世界的大部分地区容易获得且低温恒温器可几乎无限期地维持在可接受的填充液面，假设使发电机保持运行。 
虽然已特定参考用于磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)成像的超导磁体的运输而描述了本发明，但本发明可有用地应用于任何被低温冷却的货物或装置的运输。在一些实施例中，可能优选的是每个集装箱运输一个以上低温恒温器，从而使运送成本进一步降低。 

Claims (17)

1.一种用于运输被低温冷却的货物或装置的设备，包括：
低温恒温器(10)，其含有所述被低温冷却的货物或装置且部分填充有液态冷冻剂(11)，所述低温恒温器(10)具有用于主动冷却的低温致冷器(14)；以及
辅助装置，其足以使所述低温致冷器维持操作，
所有均安装在可运输承载器上，使得无需将所述低温恒温器、致冷器和辅助装置中的任一者连接到任何位置远离所述可运输承载器的补给的情况下便可运输所述可运输承载器和所述低温致冷器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述辅助装置包括发电机(22)、所述发电机的燃料供应和所述低温致冷器操作所需的压缩气体源。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述发电机的燃料供应由汽化到气态且允许逸出所述低温恒温器的所述液态冷冻剂提供。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其中所述压缩气体源包括通过冷却流体路径(30、31)冷却的压缩机(26)。
5.根据权利要求4所述的设备，进一步包括用于冷却冷却流体的冷却器(24)。
6.根据权利要求2所述的设备，其中所述可运输承载器包括至少一个用于排放由所述发电机产生的气体的排气孔(44)。
7.根据权利要求2所述的设备，其中所述可运输承载器具有用于关掉所述发电机的外部可触及开关(38)。
8.根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于限制施加到低温恒温器的水平加速度的减振座架(41)，所述低温恒温器放置在所述减振座架(41)上。
9.根据权利要求1、6或7所述的设备，其中所述可运输承载器采用标准运送集装箱的形式。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述被低温冷却的货物或装置包括用于磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)成像系统的超导磁体。
11.一种用于运输被低温冷却的货物或装置的方法，包括：
提供根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，运载所述冷却的货物或装置；
在所述设备内操作所述低温致冷器；以及
将所述设备运输到第一目的地，其中所述低温致冷器在运输期间处于操作中。
12.根据权利要求11所述的方法，在通过第一运输工具将所述被低温冷却的货物或装置运输到第一目的地之后，进一步包括：
停止操作所述低温致冷器；
在运输期间不操作所述低温致冷器的情况下，将所述设备运输到第二目的地，通过在所述低温恒温器内使所述液态冷冻剂汽化而将所述冷却的货物或装置维持在低温下。
13.根据权利要求12所述的方法，在将所述被低温冷却的货物或装置运输到第二目的地之后，进一步包括：
重新开始操作所述低温致冷器；
在所述运输期间操作所述低温致冷器的情况下，通过第三运输工具将所述设备运输到第三目的地。
14.根据权利要求11所述的方法，在将所述被低温冷却的货物或装置朝第一目的地运输之后，进一步包括：
在所述第一目的地处，从设备中移出含有所述被低温冷却的货物或装置且部分填充有液态冷冻剂(11)的低温恒温器(10)；
通过第二运输工具将所述低温恒温器朝第二目的地运输，其中通过在所述低温恒温器内使所述液态冷冻剂汽化而将所述冷却的货物或装置维持在低温下；
在所述第二目的地处，将所述低温恒温器放置在可运输承载器上，以形成根据权利要求1-10中任一权利要求所述的第二设备；以及
根据权利要求11所述的方法，通过第三运输工具将所述被低温冷却的货物朝第三目的地运输。
15.根据权利要求11-14中任一权利要求所述的方法，进一步包括以下步骤：
在所述被低温冷却的货物或装置到达目的地后，从可运输集装箱中移出所述低温恒温器且将所述低温恒温器连接到目的地处的相应补给，使得能够由所述目的地处的所述补给补给所述低温致冷器。
16.根据权利要求11-14中任一权利要求所述的方法，其中所述辅助装置包括发电机且所述冷冻剂易燃，且其中使用汽化逸出的冷冻剂给所述发电机供能。
17.根据权利要求11-14中任一权利要求所述的方法，其中所述被低温冷却的货物或装置包括用于磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)成像的超导磁体。
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