专利名称：通过进出供汽头的热量流入的减少的制作方法
技术领域：
本发明涉及低温恒温器，特别是包含液体致冷剂和由液体制冷剂汽化产生的气体构成的气体气氛的低温恒温器，所述低温恒温器包括非垂直的凹入式供汽头(re-entrant turret)。通过完全或部分地浸入低温流体中，这样的低温恒温器被用以保持超导励磁线圈处于超导温度。通常，所述低温流体是在大约4K的温度下发生汽化并且保持浸入的励磁线圈处于该温度的液氦。这样的超导励磁线圈典型地被用以在磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)成像中产生非常强的磁场。
背景技术：
所需要的是将从供汽头进入到低温恒温器中的热量流入减至最少。热量流入将会导致制冷剂发生汽化。该发生汽化的制冷剂必须或是通过活性制冷而重新冷凝，或是被排出并定期进行补充。这两种可选方式成本均较高，并且必须在研发用以减少进入低温容器中的热量流入的装置方面投入巨大的精力。本发明解决的是减少向低温容器中的热量流入这一问题。
通过使电流通过供汽头部件而使励磁线圈通电。这样就在供汽头中产生了明显的热量，由此暂时增大了进入低温容器中的热通量。通过这种方式产生的升温气体可能有助于磁体在通电过程中产生急冷的风险。
本发明将在通电过程中从供汽头传输进入低温容器中的热量减至最少，由此降低磁体产生急冷的风险。
图1示意性地示出了一种常规的低温恒温器。低温容器10通常被保持在外部真空室内，且隔热罩和可能还有的固体绝热体被设置在低温容器与外部真空容器之间的真空空间内。所述外部真空容器、隔热罩和固体绝热体本身是已公知的，并且在图1中未示出。
为了将电流注入被罩在低温容器内的励磁线圈(未示出)中以及为了其它一些可能的目的，传统上设置供汽头12，从而允许进入低温容器用于进行制冷剂充注和排出。供汽头12大体上为自低温恒温器外部延伸至低温容器的连续管状元件。这是一条最明显的向低温容器内进行传热的通路。典型地可采用多种技术例如通过供汽头的活性制冷和具有低热导率的材料在供汽头构造中的应用，从而减少通过供汽头的热量流入。另外，已公知的是，在严格必要的范围之外增加进入管的长度，以便进一步受益于供汽头材料的低热导率。为了避免低温恒温器整体高度增加过多，可将这些供汽头布置成凹入式供汽头，也就是，所述供汽头的下端伸入到低温容器中，而不是在低温容器表面处终止。为了进一步降低低温恒温器的整体高度，所述供汽头可相对于垂直方向倾斜一定角度。图1中所示出的供汽头12就是一种非垂直的凹入式供汽头。
存在两种可进行考虑的热量流入情况。它们分别是静态热量流入和动态热量流入。静态热量流入是一种系统正常运行所产生的状态。动态热量流入是一种在励磁线圈通电(电流升高)过程中所产生的状态。在动态情况下，电流被传导通过供汽头的材料，致使供汽头受到加热并产生升温的汽化气体。本发明对于动态热量流入而言特别有用。
在磁体电流升高过程中，供汽头是最重要的进入低温容器中的热量源。对于固定电流导线供汽头来说，供汽头表面变得相对较热，例如温度在150K左右，这是由于供汽头的材料被用作电流导体所致。该热量已公知通过供汽头表面的辐射并且通过低温容器中气体内的对流作用借助电流导线传导和供汽头中低温气体的对流作用而被传输至被罩在低温恒温器内的超导励磁线圈。这特别是对于仅部分浸入液体制冷剂中的超导励磁线圈而言是有问题的。
本发明的发明人已认识到如图1所示的从供汽头向低温容器中进行热传输的其它模式。图1所示的低温容器包括典型的刚好呈圆柱形的供汽头12。该供汽头是非垂直的和凹入式的。将凹入式供汽头的下端17平面与水平面之间的角度标记为θ。对流环流14，16在供汽头12的底部进行循环，输送低温气体与供汽头12的变热表面相接触，然后直接进入低温容器10的气体气氛18中。该效应被叫作反向流动效应并且是由形成自然对流的气体的热密度发生变化所致。θ角越大，反向流动效应越强。即使是当低温容器内的压力P2大于其外部的压力P1时，也会发生这种反向流动对流。对于在低温容器内具有正压的所有非垂直的固定电流导线的供汽头12而言，来自供汽头底部的反向流动14与由液体制冷剂22汽化所产生的主气体流动20相反，并且将热气体注入到低温容器中。
发明内容
在不引入过多的低温气体、或励磁线圈、不考虑反向流动加热效应的温度的条件下，可能没有可能制造出固定电流导线的大电流供汽头，例如那些被设计用以传输大于700安的电流的供汽头。本发明解决了反向流动14问题并且提出对低温恒温器的改进用以减少反向流动14的产生和反向流动效应。
因此，本发明提供了一种包含液体致冷剂和由液体制冷剂汽化产生的气体构成的气体气氛的低温恒温器，所述低温恒温器包括非垂直的凹入式供汽头。凹入式供汽头的下端被构造以便在凹入式供汽头下端与低温恒温器内的气体气氛之间的界面处形成大体上水平的表面。可通过在凹入式供汽头的下端处提供合适的障体设置所述大体上水平的表面。
结合附图，通过参照仅以实例方式给出的一些实施例对本发明的以上和其它目的、特征和优点进行描述，在所述附图中图1示出了一种包括非垂直的凹入式供汽头的常规低温容器；和图2示出了一种包括根据本发明的非垂直的凹入式供汽头的低温容器。
具体实施例方式
图2示出了根据本发明的一个实施例的使反向流动最小化的一个实例。根据本发明，凹入式供汽头的下端被构造以便在供汽头12与低温容器10的气体气氛18之间的界面处形成大体上水平的表面32，从而将θ角减至最小。在图示实施例中，这是通过在供汽头12下端17处设置障体30而实现的。障体30被构造以便在供汽头12与低温容器10的气体气氛18之间的界面处形成大体上水平的表面32，从而将θ角减至最小。
通过应用这样一种供汽头，可选地使用障体，使得供汽头12能够以除垂直方向以外的一定角度进入低温容器10，从而与整个低温恒温器的设计相配。这对于不必垂直地装配在顶部的供汽头而言是潜在有用的，且对于使用装配在侧面的供汽头的低温恒温器来说特别有用。
通过对用于保持超导磁体的常规低温恒温器装置的电流升高状态进行计算流体动力学建模，已对反向流动效应进行了预测。已示出反向流动效应14，16以解释在容器10顶部处低温气体18的升温，且所述预测在常规低温恒温器装置上得到的气体温度测量结果接近一致。本发明已被示出用以相当大地减少反向流动，从而避免在低温容器内产生高温。
本发明提供了以下优点中的至少一些优点。
借助位于供汽头12下端17处的大体上水平的表面32使反向流动减至最少，由此减少了进入低温气体气氛中的热量流入。
降低了被装在具有非垂直地装配的供汽头的低温恒温器中的磁体在通电过程中产生急冷的风险。
需要与非垂直的供汽头相关的大电流的其它设计必须包括对反向流动的考虑并且将从本发明的应用中受益，从而使得在电流升高过程中气体温度可以保持足够低，从而使产生急冷的风险降至最低并且使得磁体能够进行工作。
原则上，通过在供汽头12与低温容器内部容积18之间设置水平界面32，本发明可适用于整合了非垂直的工作颈部的所有低温恒温器，不仅是那些用于磁共振成像或核磁共振成像应用中的冷却励磁线圈的低温恒温器。本发明可特别是与在约4K的温度下提供冷却的液氦制冷剂结合使用，但是也可与其它流体制冷剂结合使用。
当使用障体时，障体材料优选比凹入式供汽头剩余部分的材料具有更低的电导率和热导率。这是为了避免由于存在从其中通过的电流而使障体受到加热并且减少了热量从障体朝向磁体进行传导，由此避免产生磁体急冷的风险。
因此，本发明提供了一种工作供汽头下端的有利构造，所述构造通过减少自供汽头流入低温容器中的反向流动而将与变热的低温气体相关的产生急冷的风险降至最低。
权利要求
1.一种包含液体致冷剂和由液体制冷剂汽化产生的气体构成的气体气氛的低温恒温器，所述低温恒温器包括非垂直的凹入式供汽头，其特征在于，所述凹入式供汽头的下端被构造成在凹入式供汽头下端与低温恒温器内的气体气氛之间的界面处形成的大体上水平的表面。
2.根据权利要求1所述的低温恒温器，其中所述凹入式供汽头的下端包括被构造以形成位于障体下端与低温恒温器的气体气氛之间的界面处的所述大体上水平的表面的障体。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的低温恒温器，其中所述障体包含比凹入式供汽头剩余部分具有更低的电导率和热导率的材料。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的低温恒温器，其中所述液体制冷剂是液氨。
5.一种大体上如图2所述和/或所示的低温恒温器。
6.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器的磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)成像系统。
全文摘要
一种包含液体致冷剂和由液体制冷剂汽化产生的气体构成的气体气氛的低温恒温器，所述低温恒温器包括非垂直的凹入式供汽头。凹入式供汽头的下端被构造成位于凹入式供汽头下端与低温恒温器的气体气氛之间的界面处的大体上水平的表面。这可以通过在凹入式供汽头的下端处加入障体而得以实现，所述障体被构造以便在障体的下端与低温恒温器内的气体气氛之间的界面处形成大体上水平的表面。
文档编号F17C13/00GK1971773SQ20061014334
公开日2007年5月30日 申请日期2006年11月6日 优先权日2005年11月5日
发明者N·胡伯, H·潘, P·W·雷茨, S·P·特罗维尔 申请人:西门子磁体技术有限公司, 西门子公司