用于将两级低温制冷机安装到低温恒温器内的装置的制作方法

本实用新型涉及用于提供低温制冷机和冷却部件之间的热连接的改进的装置，其中制冷机是可移除的，并且热连接必须能够被断开并重新建立，而没有可辨别的热阻增加。

背景技术：

本实用新型在冷却到温度约为4.2K的低温制冷机的背景下进行描述，该低温制冷机用于在低温恒温器中重新冷凝氦，以用来冷却用于核磁共振成像(MRI)系统的超导磁体。

图1示出了包括致冷剂容器12的低温恒温器的传统布置。冷却的超导磁铁10被设置在致冷剂容器12内，所述容器12本身被保持在外部真空室(OVC)14内。一个或多个热辐射屏蔽件16被设置在致冷剂容器12和外部真空室14之间的真空空间内。在一些已知的布置中，制冷机17被安装在制冷机的真空套15内，所述制冷机的真空套15位于为此目的而设的转塔(turret)18内，朝向低温恒温器的一侧。可替代地，制冷机17可以位于访问转塔19内，其保持访问颈部(通风管)20被安装在低温恒温器的顶部。制冷机17提供主动制冷以在一些装置中通过将致冷剂容器12内的致冷剂气体再冷凝成液体来冷却该致冷剂气体。制冷机17还可以用于冷却辐射屏蔽件16。如图1所示，制冷机17可以是两级制冷机。第一冷却级22被热链接到辐射屏蔽件16，并提供冷却至典型地在80至100K的范围内的第一温度。第二冷却级24提供冷却致冷剂气体至低得多的温度，典型地在4至10K的范围内的温度。

负电连接21a通常通过低温恒温器的主体被提供到磁体10。正电连接21通常由穿过通风管20的导体提供。

通常，低温制冷机将是两级制冷机，其提供高功率冷却至第一低温温度和低功率冷却至低得多的低温温度，如图1所示。在当前的低温制冷机中，第一级可提供冷却至50K的大约44W，以及在大约4K冷却的大约1W。通常，第一级热交换器与热辐射屏蔽件16热接触，如图1所示。

在一些常规系统中，第二级热交换器暴露于气态致冷剂的环境中-在本实施例中，气态致冷剂。第二级被冷却到低于致冷剂的沸点的温度，该致冷剂冷凝到第二级热交换器上。这种装置提供致冷剂和第二级热交换器之间的直接接触，但在移除和替换制冷机时必须小心，因为空气将趋向于被吸入致冷剂容器内，在那里空气会冻结在表面上，并可能会导致危险的堵塞。在现场移除和更换具有磁铁的制冷机的维修操作也是一个危险的操作，因为在制冷机不存在时可能会发生淬火，将技术服务人员置于暴露于液态和气态致冷剂的风险中。

图2示意性示出了传统装置，其中低温制冷机被容纳在外壳15内，该外壳俗称为“真空套”，从致冷剂容器12的内部被密封。在这种情况下，第二级热交换器24通过真空套15的壁的一部分26与致冷剂容器12内的气态致冷剂热接触。热交换器表面28可被设置在该壁的该部分26的致冷剂容器侧上，以增强热传递，例如具有翅片表面和/或网纹表面。通过穿过真空套的壁的传导，以这种方式的冷却引入制冷机的第二级24和致冷剂气体之间的热阻，但提供的优点是该低温制冷机17可以被移除和更换，而不将致冷剂容器12的内部暴露于空气。空气可进入真空套15，但当制冷机正在使用中时，这将在真空套内固化，而不会造成危险的堵塞的风险。第一冷却级22和热辐射屏蔽件16之间的热连接可以由锥形冷却级和锥形界面块30来提供。

当然，重要的是确保在制冷机17的第一冷却级22和热辐射屏蔽件16之间的有效热传递。如图所示，这是可以利用锥形第一冷却级22以及热且机械接合到热辐射屏蔽件16的锥形界面块30实现。第一冷却级22和界面块30通常分别是铜的，并且锥角被选择为足够窄， 以确保第一冷却级22的表面和界面块30之间的足够高的压力，从而确保良好的导热性，但角度不会太窄以使制冷机17变得难以移除。在制冷机17的上端，凸缘32用螺栓34连接到低温恒温器OVC 14的周围表面。各种部件的尺寸被仔细计算，使得第一冷却级22和界面块30被用适当的力一起驱动，因为制冷机被螺栓34紧固到位。在界面块30的安装中，一定的灵活性将最大的力限制到适当的水平，并且允许各尺寸的一定公差。

热连接也必须从第二冷却级24穿过真空套15的壁被提供。通常，壁26的接触第二级24的一部分26将是诸如铜之类的导热材料的，并且可以被成型以为在暴露于致冷剂容器的内部的一侧的热交换提供增强的表面28。例如，表面可以具有翅片和/或纹理。在某些已知的装置中，各个部件被确定尺寸成，使得第二冷却级24以适当的力压入壁部26，并且锥形第一冷却级22以适当的力接触锥形界面块30，当凸缘32用螺栓34连接到低温恒温器OVC14的周围表面上时。按照惯例，柔顺的界面材料，典型地是铟垫圈，可以被放置在壁部26和第二冷却级24的配合表面之间，以允许有效的热连接，同时允许在机械位置的一定公差。使用这样的装置的困难在于，当制冷机被移除时，铟垫圈被破坏，并且难以从真空套15内除去旧的铟垫圈的所有痕迹。旧的铟垫圈的任何剩余痕迹都会使由更换的铟垫圈提供的热界面降级。

在如上面所讨论的现有技术装置中，制冷机和冷却部件之间有效的热界面依赖于精确的机械尺寸。当在适当的位置用螺栓34连接制冷机17的凸缘32时，所施加的机械力在密封制冷机到低温恒温器OVC 14的周围表面，与第一冷却级22和界面块30之间的界面力之间共享；在一些实施例中，在第二冷却级24与真空套的壁的部分26之间的界面力之间共享。这种力的共享意味着相应尺寸的任何机械公差将改变施加于每个界面的力的比例，从而导致各界面的不可预知的热阻。这通常通过添加具有编织物(braid)的附加热链接和轴向弹簧机构，以允许以由增加的热接头的数量引起的不太有效的热传递为代 价建立公差来在第一级克服。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于通过为低温制冷机提供安装装置来解决这些问题，其中界面力在垂直于制冷机17的插入方向的方向上被施加到第一冷却级22。施加到第一冷却级22的界面力由此独立于用于安装制冷机的机械装置。因此，安装力和界面力可以关于它们各自的功能独立地被优化。其中第二冷却级24也经受界面力，施加到第一热界面的界面力是在垂直于施加到第二冷却级的界面力的方向上的。第一级热界面力独立于第二级热界面力。增加一个热界面力对另一个热界面力没有影响。

本实用新型的一个实施例公开了一种用于将两级低温制冷机安装到低温恒温器内的装置，所述装置包括：

真空套，用于容纳所述制冷机的至少一部分；

附连工具，用于将所述制冷机的上部附连至所述低温恒温器的围绕所述真空套的开口的表面；

所述真空套的壁的导热部，所述导热部在使用中与所述制冷机的第二冷却级热和机械接触；以及

装置被提供用于将所述制冷机的第一级热连接到所述低温恒温器的热辐射屏蔽件，

所述装置包括波纹管，当所述真空套处于大气压力时，所述波纹管处于缩回位置，并且当所述真空套在真空下时，所述波纹管处于伸长位置，其中，在其伸长位置，所述波纹管将导热接触件挤压成与所述制冷机的第一冷却级热和机械接触,其中所述真空套和所述制冷机在轴向方向上是细长的，并且所述波纹管在垂直于所述轴向方向A-A的径向方向上缩回和延伸，并且其中当所述真空套在真空下时，所述第二冷却级通过作用于所述制冷机的所述上部的大气压力在所述轴向方向上被挤压成与所述真空套的所述壁的所述导热部接触。

在一个实施例中导热油脂被设置在所述接触件与所述第一冷却级的配合表面上。

在一个实施例中，中铟被设置在所述接触件与所述第一冷却级的配合表面中的一个或两个配合表面上。

在另一个实施例中，所述波纹管是导热材料的，并且所述波纹管的材料提供所述第一冷却级和所述热辐射屏蔽件之间的热路径的一部分。在另一个实施例中，所述波纹管带有界面件，所述界面件本身通过包括柔性热导体的热路径被热链接到所述热辐射屏蔽件。

在另一个实施例中，所述柔性热导体穿过所述波纹管。

本实用新型还公开了另一种用于将两级低温制冷机安装到低温恒温器内的装置，所述装置包括：

真空套，用于容纳所述制冷机的至少一部分；

附连工具，用于将所述制冷机的上部附连至所述低温恒温器的围绕所述真空套的开口的表面；

所述真空套的壁的导热部，所述导热部在使用中与所述制冷机的第二冷却级热和机械接触；以及

装置被提供用于将所述制冷机的第一级热连接到所述低温恒温器的热辐射屏蔽件，

所述装置包括在所述真空套内的波纹管，所述波纹管包含密封的质量的致冷剂气体，由此所述波纹管当所述真空套处于大气压力时，处于缩回位置，并且当所述真空套在真空下时，处于伸长位置，其中，在其伸长位置，所述波纹管将导热接触件挤压成与所述制冷机的第一冷却级热和机械接触,其中所述导热接触件被设置成响应于波纹管当所述真空套处于大气压力时，处于缩回位置，并且当所述真空套在真空下时，处于伸长位置而围绕轴旋转。

在一个实施例中，支承表面被设置，其相对于所述真空套机械地被限制在适当位置，所述波纹管被设置成压在所述接触件和所述支承表面上。

附图说明

结合附图考虑本实用新型的某些实施力，本实用新型的以上以及其它目的、特征和优点将更加清楚地被理解，其中：

图1示出了穿过用于MRI成像的常规低温冷却磁体的横截面；

图2示出了用于低温恒温器中的制冷机的传统安装装置；

图3示出了根据本实用新型的一个实施例，用于低温恒温器中的制冷机的安装装置；

图4示出了根据本实用新型的一个实施例，用于低温恒温器中的制冷机的另一安装装置的细节；

图5示出了本实用新型的另一实施例的某些特征的轴向视图；

图6示出了本实用新型的另一实施例的某些特征的轴向视图；

图7示出了根据本实用新型的一个实施例，用于低温恒温器中的制冷机的安装装置的细节；

图8示出了根据本实用新型的一个实施例，用于低温恒温器中的制冷机的安装装置；

图9示出了在本实用新型的一个实施例中使用的波纹管装置的细节；

图10示出了在本实用新型的另一实施例中使用的替代波纹管装置的细节；

图11示出了根据本实用新型的某些实施例可与波纹管装置一起采用的可选特征；

图12示意性示出了制冷机的第一冷却级22的径向外表面的轴向视图，图12A、图12B和图12C示出了替代实施例；

图13示意性地示出了另一类型的实施例，其中接触件以类似于一对钳子的方式被组装，图13A示出了图13的变体；

图14和图15示出了其中管70被提供以从各波纹管引进或除去致冷剂气体的实施例；

图16在图12所示的方向XVI上示出了邻接轴74的接触件72的可能装置；以及

图17示出了其中管70被提供以从各波纹管引进或除去致冷剂气体的实施例。

具体实施方式

根据本实用新型的一个方面，当制冷机17被插入或移除时，热辐射屏蔽件和低温制冷机17的第一冷却级22之间的热链路被缩回，并且在操作时，通过垂直于施加到制冷机的力起作用的力，热链路被压成与第一冷却级22接触以将它密封到低温恒温器。

图3示出了本实用新型的第一实施例的一般图示。真空套15被设置，并且第二冷却级24与所述真空套15壁的一部分26热和机械接触。在使用中，制冷机17被插入真空套15并被密封且在适当位置被安装到低温恒温器OVC14的周围表面。真空套15的内部容积可以通过阀36被排空或在操作时通过低温泵送被有效地被排空：因为制冷机冷却，真空套内的任何空气成分将冻结到第二冷却级24上。制冷机上的真空负荷：即作用在制冷机的暴露表面上的大气压力，起作用以在第二冷却级24和真空套15的壁的一部分26之间形成牢固接合。该负荷毫不用于在第一冷却级22和热辐射屏蔽件16之间形成热接触。由于相对高的力可用于在第二冷却级24和真空套15的壁的一部分26之间形成接合，已经发现，在第二冷却级24与壁的一部分26之间可以形成有效的热接合而没有使用铟垫圈或类似物。在制冷机顶部的整个真空负荷可用于在第二冷却级24与壁的部分26之间形成接合。该制冷机可通过螺栓34连接或类似地附连到低温恒温器OVC14的周围表面。通过螺栓34或类似紧固件施加到制冷机的力将增加真空负荷，并且可以有助于在第二冷却级24和真空套15的壁的部分26之间的接触表面处的压力。如果真空力和通过螺栓施加的力对于第二热界面太高，它可以通过在凸缘32下方，例如在螺栓34周围增加弹簧被降低。

根据本实用新型的这个实施例的一个特征，波纹管40被设置，其含有一定量在第一冷却级22的运行温度下保持气态的致冷剂。致冷剂可以是氦。波纹管40本身是诸如铜或黄铜之类的导热材料的， 并在最接近制冷机17的末端附带有铜或黄铜的接触件42。在另一末端，该波纹管借助通过附连到真空套的壁(如图所示)的热板43，或通过在真空套的壁内的由波纹管封闭的孔的热传导和/或将波纹管热链接到热辐射屏蔽件的装置，来被热链接到热辐射屏蔽件16。优选地，围绕第一冷却级22等距隔开的多组波纹管被设置。图2的界面块30可以不需要，从而代表了在成本和重量上的有价值的节省。

当真空套15向大气开放时，波纹管40被大气压力驱动到缩回位置，如图所示。制冷机17可以被安装或移除，而不与波纹管40发生干涉。当真空套借助通过阀36泵出或通过使用中的制冷机低温泵送被排空时，在真空套15内的压力将下降，并且波纹管40内的致冷剂气体的压力将导致波纹管膨胀，从而按压接触件42以与制冷机的第一冷却级22接触。热辐射屏蔽件16与第一冷却级22之间的导热路径由此建立。由波纹管40施加到第一冷却级22上的压力是由波纹管的特性和被密封到波纹管内的致冷剂气体的数量和性质决定的。作用在制冷机顶部的真空负荷对确定接触件42和第一冷却级22之间的压力没有任何作用。由于第一冷却级热界面压力独立于第二冷却级的热界面压力，两者都易于控制。这是有利的，因为受控热界面压力能够进行精确计算并提供通过由压力和表面积得出的有效热接触。

图4示出了替代波纹管装置的详细视图。在此，接触件42由诸如铝或铜编织物或层压板之类的柔性导热接头44连接到所述块46，被热链接到热辐射屏蔽件16。在这样的实施例中，没有热传导需要通过波纹管40的材料发生。波纹管然后可以由具有合适的机械特性的任何材料制成，而不被限制为高导热性材料。

如果需要，接触件42和第一冷却级22的配合表面可具有导热油脂的薄涂层或铟触点，以减少两部件之间的热阻。

图5示出了一个示例实施例，在沿方向V观看时，其可以是如图3所示的实施例，或如图4所示的实施例。

如图所示，制冷机的第一冷却级22与常规一样平面图为圆形。接触件42设置有相应的凹面50以增加与第一冷却级22的接触表面 积。如图所示，多个接触件和对应的多个波纹管可以被提供以增加与第一级的接触面积，并通过提供多个并联的热路径来减小第一冷却级22和热辐射屏蔽件16之间的热阻。52表示通孔，导热编织物例如通过焊接可以被附连到该通孔中，在诸如图4所示的实施例中。

图6示出了替代实施例的类似于图5所示的视图。在这里，替代使用被成形为匹配第一冷却级22的表面的接触件，导热块54，例如铜或铝的导热块，例如通过螺栓连接或类似方式被附连到第一冷却级。导热块54分别设有用于与由波纹管40所携带的相应接触件42挤压接触的平坦配合表面56。可以发现，这样的装置比图5中所示的成型的接触块更容易制造。

图7示出了本实用新型的另一种版式。这里，第一冷却级22和热连接到热辐射屏蔽件16的第一级界面块30之间的热接触，通过热汇流条58提供，所述汇流条58设置有柔性部，在这里显示为汇流条58的轮廓中的接榫(joggle)60。如图所示，真空套15处于大气压力，波纹管被缩回，并且汇流条58不与第一冷却级接触。制冷机17可被插入或移除，而不干涉汇流条58、波纹管40或任何到热辐射屏蔽件16的热路径。在使用中，真空套15将被排空。封闭在波纹管40内的致冷剂的压力将使波纹管伸长。波纹管40和接触件42将压在汇流条58上并使其关于柔性部60弯曲，使得汇流条进入与第一冷却级22热接触。这样的实施例的优点在于，无需对制冷机17本身作出修改：在波纹管的材料选择上有完全的自由度，因为不需要通过波纹管发生热传导。通过包括其柔性部60的汇流条58的热路径的材料横截面面积可以显著大于在上面讨论的其他实施例中用来进行导热的波纹管、编织物或层压板44的材料横截面面积。

图8示出本实用新型的另一个实施例。这里，第一级热界面块30围绕制冷机17的第一冷却级22相对紧密的配合。第一级热界面块30的上表面62优选是锥形的，以有助于制冷机17的安装。当被正确对齐时，第一冷却级22畅通地通过第一级热界面块30。如图所示，一个或多个凹口或端口64被设置在第一热界面块30的材料中。波纹管 40被设置在每个凹口或端口64内。各波纹管40均可根据任何上述实施例，或任何类似装置被设置。在图8示意性地表示的实施例中，波纹管可对应于图3的实施例：该波纹管是导热材料的，并且第一冷却级22通过穿过接触件42、波纹管40和界面块30至屏蔽16的传导来冷却热辐射屏蔽件16。在其他实施例所描述的情况下，与第一冷却级22热接触的界面力被径向引导到制冷机的延长轴A-A，并垂直于与第二冷却级热接触的界面力，该界面里平行于制冷机的延长轴A-A被引导。

图9示出了本实用新型的特定实施例的波纹管装置的详细表示。这里，柔性热导体64被设置，例如铜或铝编织物。柔性导体的一端64固定到设置在波纹管40的径向内端部的界面件42。柔性导体使波纹管40的长度延伸到配件(未示出)，与热辐射屏蔽件16热接触。波纹管在其“静止”状态被自然延伸，当真空套处于大气压力时，其被迫进入缩回位置。

图10示出了本实用新型的另一种波纹管装置的详细表示。这种装置有些类似于图9的装置，在于柔性热导体64延伸通过波纹管40，并且在波纹管40内的表面处被接合到界面件42。在波纹管的径向外端，类似的界面件68被设置并被密封到具有端板66的真空套15的壁。另一热链路(未示出)将在界面件68与热辐射屏蔽件16之间被提供。通过波纹管施加在第一热界面处的力和压力可通过波纹管和界面件42的设计进行改变。增大波纹管的横截面面积将增加界面力，如同将在径向方向上增加波纹管的长度。减小界面件42的表面积将不会改变界面力，但将提高界面压力。

图11示意性地表示了本实用新型的一个改进的实施例。这里，小口径管70被示出，其与各波纹管40的内部容积连通。管70的另一端穿过低温恒温器的壁到达气体的供给部。不是简单地依赖真空套15的内部和包含固定质量的致冷剂气体的波纹管40的内部之间的压力差，该实施例允许一旦真空套处于真空，通过添加气体，诸如氖气、氩气或氦气，在波纹管40内提供增加的压力。这可以允许通过增大 界面件42和第一冷却级之间的接触压力来改进界面件42和第一冷却级22之间的导热性。一些热传递也通过波纹管内的气体发生。优选地，当制冷机17待被移除时，气体通过管70从波纹管40中被除去，从而允许波纹管远离第一冷却级缩回，为移除制冷机提供间隙。

图12至图16表示了一系列的另外的实施例，其中当制冷机处于适当位置并在真空套15内处于真空时，热界面件被设置成围绕某些轴旋转以与制冷机机第一级22接触；并在维修操作期间当所述真空套15的内部处于大气压时，旋转成不接触制冷机第一级22。在一些实施例中，一个或多个波纹管被使用，其包含密封的质量的致冷剂气体，使得在所述真空套15处于真空时，该波纹管将伸长，并且当所述套的内部处于大气压力时将缩回。在其他实施例中，一个或多个波纹管设置有管70，如参照图11所描述，其可以使各波纹管内的压力随意控制。

图12示意性示出了制冷机第一级22的径向外表面的轴向视图，其具有处于适当位置的夹紧接触件72，与制冷机第一级接触。夹紧接触件72绕轴74枢转。在它们的闭合位置，如图所示，夹紧接触件72的径向内表面76被按压成接触制冷机第一级22的径向外表面78。夹紧接触件72的径向内表面76被成形为在夹紧接触件与制冷机第一级22之间提供大的接触表面积。真空套15的壁的部分被示意性示出。根据本实用新型的这个实施例，密封的波纹管单元40被提供，每一个单元均位于附连至每个夹紧接触件72或形成夹紧接触件的一部分的致动器80和相对于所述真空套15被机械地限制在固定位置的支承表面82之间。轴74优选地也相对于所述真空套15被限制在适当位置以承载夹紧接触件72的部分重量。图12示出了在所述真空套15被排空的情况下的组件。预定质量的致冷剂气体被密封到每个波纹管40内。当所述套被排空时，波纹管内的致冷剂的压力使其伸长，并压靠在相应的致动器80和支承表面82上。波纹管相应地挤压接触件72以与该制冷机第一级热和机械接触。热链路，例如以上参考其它实施例所述的那些中的任一个可被用于提供从接触件72到套的第一级， 以及因此到热辐射屏蔽件的冷却路径。波纹管在长度和直径上可以调节，以提供适当的力以抵靠制冷机的第一级夹紧接触件72。

当所述套处于大气压力时，所述套和波纹管之间的压力差将降低，甚至可能有标记反向。这将导致波纹管压缩。波纹管40的端部被分别附连到致动器80和支承表面82，并且收缩的波纹管使接触件72的表面76从制冷机第一级22脱离。接触件72被成形在轴74的区域中，以确保当波纹管被压缩时在制冷机的第一级周围提供不间断的间隙空间：当套处于大气压时。这允许制冷机被畅通地移除和更换。

图16在图12所示的方向XVI上示出了邻接轴74的接触件72的可能装置。接触件的端部互锁并且轴74穿过两个端部。热连接器84可在轴74处方便地附连到接触件。

在替代实施例中，少于或多于两个接触件可以被提供，每一个接触件均与波纹管40、轴74和支承表面82相关联。在其它实施例中，致动器80可以被省去，波纹管40被基本上径向地装置以优选远离相应的轴74压靠各接触件的一部分。图12A，12B和12C示意性地示出了这样的实施例。

图13示意性地示出了另一类型的实施例，其中接触件以类似于一对钳子的方式被组装，接触件的接触制冷机第一级22的部分被设置在轴74的一侧，而延伸件88在轴的相对侧上延伸并用于致动所述装置。在所示实施例中，每个接触件均使用相应的波纹管40被致动。当真空套15处于大气压力时，各波纹管40均被压缩，并且各接触件的表面76被从制冷机22的第一级的表面78被拉离。弹簧(未示出)可以被提供以将接触件从制冷机的第一级22推开。当所述套处于真空时，各波纹管内的致冷剂气体导致波纹管伸长，并且接触件72被挤压成与制冷机的第一级22接触。在图13中所示的其他特征对应于图12的特征。

在图13的实施例的变体中，多于或少于两个接触件可以被提供，每个都有自己的轴。图13A示出了这些变体中的一个。

图14、15、17示出了其中管70被提供以从各波纹管引进或除去 致冷剂气体的实施例。这种装置已在上面参考图11被讨论。在这种装置中，当所述套处于大气压力时，致冷剂气体被引入波纹管40，并驱动接触件72脱离与制冷机的第一级22的接触。当所述套处于真空时，致冷剂气体从波纹管排出，将接触件72拉成与制冷机的第一级22接触。在本实用新型的范围内，众多这样的实施例的变化是可能的，如对于本领域技术人员，以类似于图12-13A所示的变体的方式将是显而易见的。