超导磁体设备的制作方法

本公开涉及一种包括能够保持超导磁体的低温状态的低温冷却器的超导磁体设备。

背景技术：

通常，超导磁体设备使用超导磁体产生高磁场。超导磁体设备的一个重要应用是用在磁共振成像(MRI)设备中。

在超导磁体设备中，低温容器一起容纳制冷剂和超导磁体。屏蔽容器容纳低温容器，并且抑制热从外部传递到内部。真空容器容纳屏蔽容器，并且保持其内部处于真空状态，以防止热因对流而传递。低温冷却器通过使制冷剂冷却来保持超导磁体的低温状态，冷却器室容纳低温冷却器。

技术实现要素：

本公开针对一种超导磁体设备，无论诸如由于真空压力导致的变形、由于冷却至非常低的(低温)温度时产生的热收缩导致的变形、根据长期运行的振动以及在维修或装配时工人的技术的因素如何，所述超导磁体设备可通过将低温冷却器更稳固地安装在冷却器室中能够保持所设计的热接触性能。

根据本公开的一方面，提供一种超导磁体设备，超导磁体设备包括：低温冷却器；冷却器室，被构造为容纳低温冷却器；突起，从低温冷却器的外表面和冷却器室的内表面中的任意一个表面突出；固持槽，设置在低温冷却器的外表面和冷却器室的内表面中的另一表面中以对应于突起，并且将低温冷却器引导到冷却器室的内部。

固持槽可包括：引导通道，沿低温冷却器的结合方向延伸；固持部，从引导通道沿周向延伸，以卡住突起。

引导通道可具有从引导通道的入口侧沿低温冷却器的进入方向逐渐减小的宽度。

突起可包括设置在低温冷却器的外表面和冷却器室的内表面中的任意一个表面的相对侧上的一对突起，固持槽可包括设置在低温冷却器的外表面和冷却器室的内表面中的另一表面的相对侧上的区域中的一对固持槽。

突起可形成为螺旋突起，螺旋固持槽可形成为对应于螺旋突起，以根据低温冷却器的旋转使螺旋突起螺纹结合到螺旋固持槽。冷却器室可包括再冷凝单元，制冷剂传输到再冷凝单元；低温冷却器可包括在低温冷却器的前端与低温冷却器一体地设置并设置在再冷凝单元中的热交换器；每个突起可设置在热交换器的外表面和再冷凝单元的内表面中的任意一个表面上；每个固持槽可设置在热交换器的外表面和再冷凝单元的内表面中的另一表面中。

所述超导磁体设备还可包括被构造为通过分隔件与第二容纳部分开的再冷凝室，低温冷却器的前端可与分隔件的第一表面接触。

所述超导磁体设备还可包括设置在再冷凝室中并设置在分隔件的与第一表面相对的第二表面上的热交换器。

低温冷却器可包括中间部分以及从中间部分延伸的前端，冷却器室可包括被构造为容纳所述中间部分的第一容纳部以及被构造为容纳所述前端的第二容纳部，每个突起可设置在所述中间部分的外表面和第一容纳部的内表面中的任意一个表面上，每个固持槽可设置在所述中间部分的外表面和第一容纳部的内表面中的另一个表面中。

低温冷却器可包括中间部分以及从中间部分延伸且在比中间部分低的温度下运行的前端，冷却器室可包括被构造为容纳所述中间部分的第一容纳部以及被构造为容纳所述前端的第二容纳部，突起可设置在前端的外表面和第二容纳部的内表面中的任意一个表面上，固持槽可设置在前端的外表面和第二容纳部的内表面中的另一表面中。

根据本公开的另一方面，提供一种超导磁体设备，超导磁体设备包括：低温冷却器；冷却器室，被构造为容纳低温冷却器；热交换器，在低温冷却器的前端与低温冷却器一体地设置；再冷凝单元，设置在冷却器室中，以容纳热交换器；突起，从热交换器的外表面和再冷凝单元的内表面中的任意一个表面突出；固持槽，设置在热交换器的外表面和再冷凝单元的内表面中的另一表面中。突起适配于固持槽，以使固持槽和突起一起引导低温冷却器相对于冷却器室的横向运动。

根据本公开的又一方面，提供一种超导磁体设备，超导磁体设备包括：低温冷却器；冷却器室，被构造为容纳低温冷却器；再冷凝室，使用分隔件与冷却器室分开；突起，从低温冷却器的外表面和冷却器室的内表面中的任意一个表面突出；固持槽，设置在低温冷却器的外表面和冷却器室的内表面中的另一表面中。突起适配于固持槽，以使固持槽和突起一起引导低温冷却器相对于冷却器室的横向运动。

低温冷却器的前端可与分隔件的第一表面紧密接触，超导磁体设备还可包括设置在再冷凝室中并设置在分隔件的与第一表面相对的第二表面上的热交换器。

根据本公开的又一方面，提供一种超导磁体设备，超导磁体设备包括：低温冷却器；冷却器室，被构造为容纳低温冷却器；突起，从低温冷却器的外表面和冷却器室的内表面中的任意一个表面突出；固持凸起，设置在低温冷却器的外表面和冷却器室的内表面中的另一表面中，以使突起被卡住从而被支撑。

固持凸起可包括沿周向分开设置的多个支撑凸起，固持凸起之间的空间形成为比突起的周向宽度大。

突起可形成为具有周向宽度的平面形状。

低温冷却器可包括第一端部(“中间部分”)以及从第一端部延伸的第二端部(“前端”)，冷却器室可包括被构造为容纳第一端部的第一容纳部以及被构造为容纳第二端部的第二容纳部，突起可设置在第二端部的外表面和第二容纳部的内表面中的任意一个表面上，固持凸起可设置在第二端部的外表面和第二容纳部的内表面中的另一表面上。

附图说明

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例进行的详细描述，本公开的以上和其它方面、特点以及优点对于本领域的普通技术人员将变得更明显，在附图中，相同的标号指示相同的元件或特征，其中：

图1是根据本公开的实施例的应用有低温冷却器的超导磁体设备的示意图；

图2是示出根据实施例的应用于超导磁体设备的低温冷却器的示例的安装状态的截面图；

图3是示出根据实施例的低温冷却器的热交换器安装在应用于超导磁体设备的低温冷却器中的再冷凝单元中的状态的分解透视图；

图4、图5和图6均是示出根据实施例的在超导磁体设备中安装低温冷却器的过程的示图；

图7是示出根据可选实施例的热交换器和低温冷却器的前端部安装在超导磁体设备中的分解透视图；

图8是图7的元件的装配的截面图，其示出了根据可选实施例的超导磁体设备中的热交换器安装在再冷凝单元中的状态；

图9是示出根据另一实施例的安装了应用于超导磁体设备的低温冷却器的状态的截面图；

图10是示出根据图9的另一实施例的超导磁体设备中的低温冷却器安装在第二容纳部中的状态的截面图；

图11是示出根据又一实施例的超导磁体设备中的低温冷却器的热交换器安装在再冷凝单元中的状态的分解透视图；

图12是示出根据实施例的图11中示出的低温冷却器的热交换器安装在超导磁体中的再冷凝单元中的状态的透视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图来描述根据本公开的各种实施例的超导磁体设备。

参照图1，根据第一实施例的超导磁体设备100可包括超导磁体10、低温容器20、真空容器40和低温冷却器50。低温容器20可容纳超导磁体10，并且使超导磁体10保持在非常低的(低温)温度。屏蔽容器30可使低温容器20与外部隔热。真空容器40可使用真空空间来密封屏蔽容器30。低温冷却器50可使低温容器20保持在低温温度。作为一个无限制的应用，超导磁体设备100可形成MRI设备的部件。

超导磁体10可由超导线圈形成，并且在低温温度下产生高磁场。

低温容器20可容纳超导磁体10和用于使超导磁体10冷却的制冷剂。超导磁体10在低温容器20中可保持浸在液态的制冷剂中。诸如氦的低温制冷剂可用作制冷剂。

屏蔽容器30可抑制热从屏蔽容器30的外部传递到内部，从而保持容纳在屏蔽容器30中的低温容器20处于低温温度。

真空容器40可将屏蔽容器30容纳在其中。真空容器40的内部可保持在高真空状态，以防止热通过对流从真空容器40的外部传递到内部。

如图2的示例所示，低温冷却器50可形成为两极低温冷却器，其中，低温冷却器50包括输入端51、从输入端51延伸且在第一温度范围内运行的中间部分52以及从中间部分52延伸且在第二温度范围(比第一温度范围低)内运行的第二端53。(第二端53也可被在此互换地称为低温冷却器的前端)。如图所示出，中间部分52和第二端53可均具有细长的管状构造，并且沿着低温冷却器50的主轴线彼此同轴对齐。输入端51可以为第一管状部分58与中间部分52同轴对齐、第二管状部分59与第一管状部分58近似垂直并结合到入口管47的形式。在实施例中，中间部分52可在30K至60K的温度范围内运行，第二端53可在大约4K的温度下运行。

如图1所示，输入端51设置在真空容器40的外部，而中间部分52设置在真空容器40与屏蔽容器30之间。此外，第二端53设置在屏蔽容器30与低温容器之间。

超导磁体设备100还可包括冷却器室60，以使低温冷却器50可被安装为其一些部分被冷却器室60围住且一些部分穿过屏蔽容器30和真空容器40。

真空容器40和屏蔽容器30可分别包括第一安装孔40a和第二安装孔30a，以安装低温冷却器50。此外，冷却器室60可包括第一容纳部61，第一容纳部61形成用于将第一安装孔40a与第二安装孔30a连接且将中间部分52容纳在其中的空间。冷却器室60的第二容纳部62可从第一容纳部61延伸，并且形成用于容纳低温冷却器50的前端53的空间。冷却器室60的连接部分可将第一容纳部61与第二容纳部62连接，并且可具有直径从第一容纳部61朝向第二容纳部62逐渐减小的中空的楔形。在该实施例中，第一容纳部61的中间部分可呈波纹管状，以对应于当冷却至低温温度时产生的热收缩。

冷却器室60还可包括再冷凝单元63，再冷凝单元63与第二容纳部62连接且从低温容器20接收蒸发的制冷剂，以使制冷剂再冷凝成液态。再冷凝单元63可与吸入通道63b连通，蒸发的制冷剂被吸入到吸入通道63b中。排放通道63c可与热交换器54连通并执行热交换，并且将液化的制冷剂引导回低温容器20。

低温冷却器50还可包括凸缘51a，凸缘51a从输入端51向外径向延伸，以形成近似于环形形状并且通过螺栓等固定到真空容器40的与第一安装孔40a相邻的部分。第一支撑凸起52a可从中间部分52向外径向延伸，以形成近似于环形形状并且可被支撑在与屏蔽容器30的第二安装孔30a相邻的部件57上。第二支撑凸起53a可从第二端部53向外径向延伸，以形成近似于环形形状并且可被支撑在与以下将描述的台阶部63d相邻的部件上。

同时，低温冷却器50可与热交换器54在第二端53的前部连接为一体。热交换器54增大与流经再冷凝单元63的制冷剂的热交换面积，以更容易从制冷剂吸热。在低温冷却器50安装在冷却器室60中的情况下，热交换器54设置在再冷凝单元63中。再冷凝单元63形成为其直径相对小于冷却器室60的直径，并且包括位于再冷凝单元63与冷却器室60之间的台阶部63d。

如上所述，第二支撑凸起53a可被支撑在台阶部63d上，密封构件55设置在第二支撑凸起53与第二容纳部62的前端表面(第二支撑凸起53a被支撑在前端表面上)之间。此外，密封构件56设置在第一支撑凸起52a和与屏蔽容器30的第二安装孔30a相邻的所述部件之间。在该示例中，密封构件55和56具有与第二支撑凸起53a相似的环形，并且由软金属制成，以适用于非常低的温度。

现在参照图3，冷却器室60可包括从冷却器室60的内表面突出的突起63a，以使安装在冷却器室60中的低温冷却器50可稳固地安装在冷却器室60中。低温冷却器50可包括固持槽54a，固持槽54a形成在热交换器54的外周表面并对应于突起63a，以使突起63a插入到其中而被卡住。

突起63a可形成为具有圆形截面，以容易进入固持槽54a。固持槽54a可包括：引导通道54a-1，沿低温制冷器50的插入方向延伸；固持部54a-2，从引导通道54a-1沿圆柱形状的热交换器54的周向延伸，以卡住突起63a。引导通道54a-1的入口侧可具有比突起63a的直径大的宽度，并且宽度从入口侧朝向固持部54a-2逐渐减小。因此，突起63a容易进入引导通道54a-1。

在示例中，一对突起63a设置在再冷凝单元63的内表面的相对侧上，固持槽54包括设置在热交换器54的外表面的相对侧中的一对固持槽54a。

因此，如图4所示，当低温冷却器50插入到冷却器室60中时，突起63a进入固持槽54a的引导通道54a-1。如图5所示，当突起63a完全进入到引导通道54a-1中且低温冷却器50旋转时，如图6所示，突起63a插入到固持槽54a的固持部54a-2中，以被支撑。也就是说，设置在低温冷却器50的前端侧的热交换器54通过突起63a被支撑在冷却器室60的再冷凝单元63上。

鉴于施加到低温冷却器50的各个部分的固定力，由于冷却器50通过凸缘部51a固定到真空容器40，因此指定部分越靠近输入端51，施加到所述部分的固定力越大。因此，仅相对小的力施加在与固定的凸缘部51a分开的第二支撑凸起53a与第二容纳部62的前端表面之间。

然而，如上所述，当位于低温冷却剂50的前端的热交换器54通过突起63a和固持槽54a被支撑在冷却器室60的再冷凝单元63的内表面上时，施加在第二支撑凸起53a与第二容纳部62的前端表面之间的压力会增大，因此可稳定地保持第二支撑凸起53a与第二容纳部62的前端表面之间的密封。

如上所述，由于安装有低温冷却器50的冷却器室60被安装为穿过真空容器40，因此通过施加到真空容器40的真空压力必然会产生变形，当通过低温冷却器50执行冷却时，低温冷却器50和冷却器室60中会产生热收缩。

然而，当低温冷却器50的前端通过突起63a和固持槽54a被支撑在冷却器室60的内表面上时，虽然冷却器室60和/或低温冷却器50由于真空压力和热收缩而变形，但是可稳定地保持低温冷却器50的前端侧安装在冷却器室60中的状态。此外，当进行装配或维修时，无论工人的技术如何，所述结构都有利于低温冷却器50的安装。

上述实施例使用具有圆形截面的突起63a和具有沿周向延伸的固持部54a-2的固持槽54a。然而，能够想到可选的诸如图7和图8中示出的固定机构。

图7是示出根据可选的实施例的热交换器和低温冷却器的前端安装在超导磁体设备中的分解透视图。图8是图7的元件的截面图，其示出了超导磁体设备中的热交换器安装在的再冷凝单元中的状态。在该实施例中，其包括冷却器室60和低温冷却器50的可选构造，冷却器室60的突起63e螺旋状地突出而形成。低温冷却器50的固持槽54b凹入地形成为螺旋形状，以使热交换器54可以与再冷凝单元63螺纹结合，由此稳定地固定低温冷却器的远端。

图9是示出根据本公开的又一实施例的低温冷却器在超导磁体设备内的安装状态的截面图。图10是图9的设备的局部示图，其示出了超导磁体设备的低温冷却器安装在冷却器室的第二容纳部中的状态。在该实施例中，超导磁体设备100′包括：低温冷却器250；冷却器室260，低温冷却器250安装在冷却器室260中；再冷凝室270，通过分隔件263与冷却器室260分开；热交换器280，设置在再冷凝室270中。(超导磁体设备100′还可包括图1中示出的其他元件，为了简洁，在此省略它们的描述)。

低温冷却器250包括输入端251、中间部分252和第二端253。第二端253的前表面通过分隔件263被支撑在分隔件263的第一表面上，以从流经再冷凝室270的制冷剂吸热。热交换器280设置在再冷凝室270中，抵靠着分隔件263的与第一表面相对的第二表面。

冷却器室260包括容纳中间部分252的第一容纳部261以及容纳第二端253的第二容纳部262。

第二容纳部262包括从其内表面突出的突起262a，以使第二端253稳定地安装在第二容纳部262中，第二端253包括对应于突起262a的固持槽253b。与图4的以上实施例相似，固持槽253b包括竖直方向的引导通道253b-1(沿着低温冷却器250的主轴线的方向定位)以及从引导通道253b-1沿周向延伸的固持部253b-2。所述结构由此如下引导并支撑突起262a：在低温冷却器250完全插入到冷却器室260之后稍微旋转。

因此，由于低温冷却器250的第二端253使用突起262a和固持槽253b被支撑在第二容纳部262中，因此可稳定地保持低温冷却器250安装在冷却器室260中的状态。具体地讲，虽然低温冷却器250和/或冷却器室260会由于真空压力或热收缩而变形，但第二端253的前部仍稳定地保持与分隔件263的第一表面接触，从而如设计的那样获得所设计的热接触性能。此外，当进行修理或装配时，无论工人的技术如何，都能如设计的那样获得所设计的热接触性能。

在以上示例中，虽然突起262a从第二容纳部262的内表面突出，固持槽253b设置在第二端253的外表面中，但能够想到可选的构造。例如，突起可从第一容纳部的内表面突出，固持槽可设置在中间部分252的外表面中。

此外，突起可以可选地分别从第一容纳部261和第二容纳部262的内表面突出，同时固持槽分别设置在中间部分252的外表面和第二端253的外表面上。

此外，在以上示例中，虽然突起设置在冷却器室260的内表面上，同时固持槽设置在低温冷却器250的外表面中，但是其他变型是可行的。相反，一个或更多个突起可设置在低温冷却器250的外表面上，固持槽可设置在冷却器室260的内表面中。

如上所述，虽然至少一个突起设置在低温冷却器50或250的外表面以及冷却器室60或260的内表面中的一个上，同时固持槽设置在另一相对的表面上，但其他替代方案是可用的。如图11所示，其示出了本公开的另一实施例的超导磁体设备100″，可形成以平面形状从冷却器室360的内表面突出的突起362a，通过突起362a而被卡住的固持凸起355可形成在低温冷却器350的外表面上，以被支撑。(超导磁体设备100″还可包括图1中示出的其他元件，为了简洁，在此省略它们的描述)

在超导磁体设备100″中，突起362a从冷却器室360的第二容纳部362的内表面的两侧突出，并且形成为具有周向宽度的平面形状，从而通过平面被支撑在固持凸起355上。

固持凸起355沿周向设置在低温冷却器350的第二端353的外周表面上。在该实施例中，两个固持凸起355形成为沿周向分开，两个固持凸起355之间的空间形成为大于突起362a的周向宽度，从而突起362a可穿过两个固持凸起355之间的空间。因此，当低温冷却器350安装在冷却器室360中，同时突起362a被布置为对应于固持凸起355之间的空间时，突起362a穿过固持凸起355之间的空间。在这种情况下，当低温冷却器350沿周向再旋转90°角时，如图12所示，突起362a被固持凸起355卡住以被支撑，因此低温冷却器350的前端被冷却器室360的内表面支撑。在以上示例中，突起362a形成为平面形状，但在可选的设计中，突起可具有多种其他形状，例如，杆状形状等。

在以上示例中，设置了两个突起362a和两个固持凸起355，但在其他情况下，可存在三个或更多个突起以及三个或更多个凸起。然而，即使在这种情况下，固持凸起之间的空间应大于穿过固持凸起之间的突起的周向宽度，以使每个突起穿过相应的空间。

在以上示出并描述的可选的实施例中，替代设置两个或更多个突起以及对应于突起的两个或更多个固持槽，可使用仅单个固持槽和单个突起来引导低温冷却器在冷却器室的内部中的安装并固定冷却器的前(第二)端。

如上所述，根据本公开的一个方面，在应用有低温冷却器的超导磁体设备中，容纳在冷却器室中的低温冷却器的前端侧通过至少一个突起和至少一个固持槽被冷却器室支撑，因此低温冷却器可更稳定地安装在冷却器室中。

此外，根据特定方面，虽然低温冷却器和/或冷却器室由于真空压力和/或热收缩会变形，但是可稳定地保持低温冷却器的前端侧被支撑在分隔件上的状态，因此可如设计的那样获得期望的热接触性能。

虽然本公开不限于以上描述的实施例，但是本领域的技术人员将认识到，在不脱离如由权利要求中公开的本发明的精神的情况下，各种修改和变型是可行的。因此，这些变型或修改也应被理解为属于权利要求的范围内。