用于以少量冷却剂进行低温恒温器的过冷运行的装置和方法与流程

本发明涉及一种带有真空容器和待冷却的物体、尤其是超导磁线圈系统或低温容器的低温恒温器组件，其中，待冷却的物体布置在真空容器内，其中，真空容器具有引导至待冷却的物体的颈管，其中，冷头的冷却臂至少部分布置在颈管中，其中，围绕冷却臂构造有封闭的空腔，其相对于待冷却的物体流体密封地被密封，其中，空腔在正常运行中至少部分填充有低温流体，并且设有热耦合器件，其适合用于在空腔中的低温流体与待冷却的物体的热耦合。

由de102014218773a1(＝参考文献[1])已知一种这样的低温恒温器组件。

背景技术：

核磁共振(＝nmr)器械、尤其是nmr谱仪和nmr断层成像装置需要较强磁场，强磁场经常借助于超导磁线圈来产生。超导磁线圈必须在低温温度下运行。为此，磁线圈典型地布置在低温恒温器中。低温恒温器具有抽成真空的容器(“真空容器”)，在该容器中布置有待冷却的物体，经常还被辐射屏蔽包围。待冷却的物体可以是磁线圈本身(“无液氦”-系统)，或也可以是低温容器，在其中布置有低温液体(例如液氦)和磁线圈。

在低温技术中，为了冷却物体(例如超导磁线圈)大多使用冷却机，其借助于冷却头将热量从带有待冷却的物体的器械中排出。待冷却的物体一般而言以激活的(大多包括脉冲管冷却器或gifford-macmahon冷却器的)冷却系统来冷却。激活的冷却系统降低了昂贵的液氦的消耗，提高了nmr器械的可使用性并且同样可有助于降低结构高度。激活的冷却系统可单级或同样可多级地构造。在多级系统的情形中，大多数时候较热的冷级冷却热辐射屏蔽部，而较冷的冷级冷却待冷却的物体。已知的冷却机通常以氦气作为冷却剂来工作，其在压缩机中被压缩并且在低温恒温器的冷却头中被降低压力，如例如在脉冲管冷却器的情形中那样。冷却头和压缩机一般而言通过两个压力管路彼此相连接。冷却头与待冷却的构件直接机械地或通过接触介质(例如低温气体或低温液体)或通过两者相连接，以便于确保良好的热传递。

然而如果压缩机(例如由于技术缺陷或电力故障)完全或部分失效，先前冷却的构件被加热。低温恒温器的冷却头在该情况中于是构成在待冷却的构件与外界之间的重要的热量桥。在超导磁体的情形中，在其持续的运行模式中超导电流可在极其长的时间段上实际无电阻地流动。与之相反，磁体的加热在一定的时间之后导致持续的运行模式的所谓的“失超”：磁体在任何时候达到通过超导材料被预定的临界的跳跃温度，变成正常传导的并且在此一般而言突然失去其高的磁场。

当激活的冷却系统发生这样的失效时，超导的磁线圈系统应可至少一直保持在跳跃温度下方，直至可进行激活的冷却系统的温度或电力故障/水故障被克服。超导状态的失去使得超导磁线圈系统的重新冷却变得必要，这与可观的成本相联系。

在带有激活的冷却装置的最常见结构形式的低温恒温器的情形中，如例如在us2007/089432a中所描述的那样，冷却头的冷却臂伸入到真空容器的颈管中。颈管朝向低温容器敞开，在其中布置有在液氦中的超导磁线圈。在冷却臂的最下面的冷却级处，氦再液化并且滴回到低温容器中。类似的低温恒温器由us2010/298148a、us2007/022761a、de102004012416b4或us2007/051115a已知。

为了尽可能长地设计在激活的冷却系统的失效与服务介入之间的可供使用的时间，在例如辐射屏蔽部或包含低温液体的低温容器中的低温恒温器中的热力学上的质量(也就是说质量乘以比热容)被选择为大的，然而这增大了低温恒温器的结构高度和总重量。同样地，在带有低温容器的低温恒温器的情形中外部获取的液氦可被再填充，以便于替代经蒸发的氦；然而这非常昂贵。

由us8,950,194b2已知如下，在冷却器关闭的情形中例如在运输期间经蒸发的气体的一部分从低温容器中沿着冷却器传导，并且因此降低了冷却臂的热负荷。

us8,729,894b2(＝参考文献[2])描述了一种用于mri系统的磁系统，其包括与低温箱相连接的真空泵，致冷剂可利用该真空泵被泵出，以便于降低在低温箱中的压力，从而使得致冷剂在加载过程期间冷却，以便到达到大约2.5k-3k的温度水平。在该磁系统中，整个低温恒温器填充有致冷剂。用于泵的控制器根据us8,729,894b2可例如是压力或温度传感器。

先前所引用的de102014218773a1最后公开了一种用于运行低温恒温器的mcv(最小冷凝容量)系统。待冷却的物体(磁线圈)在此是干的、即不带有氦存储。低温液体(一般而言液氦)处于冷头与相对物体的接触面之间的颈管中的空心体积中，其中，取决于压力和温度构造成气氦和液氦的平衡。在正常情况中，低温恒温器在正常压力中来运行。然而该运行压力同样可处在200毫巴处，即在相对大气压力的负压范围中。

带有在负压情形中的液氦的运行具有如下优点，即，运行温度处在4.2k之下，这引起超导体的明显更好的利用。在nbti导体的情形中，当导体由4.2被冷却到2k时，ic/b曲线例如以2至3特斯拉移至更高的场。

一种在冷头失效的情形中以其自动引入冷却措施的安全设备在de102014218773a1中未被描述。

此外，在所有经讨论的根据现有技术的低温恒温器组件的情形中不利的是相对较高的设计温度，一般而言约为4.2k，待冷却的超导磁线圈须以该设计温度被设计用于其运行。由此于是得出相应较高的成本、较高的重量以及较大的尺寸和至少在电力故障或冷却水失效的情形中较小的可靠性。

技术实现要素：

与此相对，本发明基于如下(具体来看相对高要求的并且复杂的)目的，在先前所描述的形式的低温恒温器组件的情形中(尤其是对于待冷却的物体在4.2k之下的过冷运行而言)，以不复杂的技术手段并且全自动地在没有操作人员干预的必要性的情形中在冷却机失效的情况中运行可靠地并且显著地进一步降低通过冷却头施加到待冷却的物体上的热负荷，其中，已存在的设备可尽可能简单地来改装。在此，待冷却的物体可在尽可能长的桥接时间段上以不同的方式被自动地继续保持在运行温度附近。

该目的通过本发明以令人意外地简单的并且有效的方式如下实现，即，低温恒温器组件包括泵装置，空腔经由阀被联接到泵装置上并且空腔在冷头的冷却功能下降的情形中可利用泵装置被泵吸，并且存在监控设备，其监控冷头的冷却功能，并且监控设备构造用于在冷头的冷却功能下降的情形中自动地如此激活泵装置，使得空腔被泵吸。

因此，(尤其是在大约3k的运行温度的情形中)在cf(＝无致冷剂)系统中在加载过程期间并且在冷却系统失效的情形中待冷却的物体的必要冷却至少在显著延长的桥接时间段期间被维持。由此能实现，显著降低待冷却的磁线圈的设计温度并且因此显著节省成本。通过本发明提供了一种用于低温恒温器的安全系统，利用该安全系统可实现，通过维持在其中存在液体致冷剂的低温恒温器的区域中的较低压力改善到气相中的转变并且因此利用蒸发热量，以便过冷地保持低温恒温器。优选地，该系统在mcv(＝最小冷凝容量)变型方案中使用，其中，在待冷却的物体与颈管区域之间的空腔中的致冷剂被泵出。

通过热输入的与此相联系的降低，磁线圈在激活的冷却器失效时达到其临界的温度并且变成正常传导的时间显著增加。该时间间隔是超导磁体的重要规格。

非常特别优选的是根据本发明的低温恒温器组件的一实施形式，其特征在于，压力传感器与空腔在流体技术上彼此相连接，所述压力传感器尤其是布置在空腔中，其输出信号被输入到监控设备中，并且一旦压力传感器的输出信号超出预定的第一阈值pmax，监控设备激活泵装置以用于泵吸空腔，其中，尤其是100毫巴≤pmax≤500毫巴。由此防止，在非常短的失效(<15min)的情形中低温流体被泵出，因为压力由运行温度上升到阈值上要持续一定的时间。

该压力直接与在空腔中的期望温度相关。当该压力被降低到所说明的范围上时，在空腔中的温度相应降低。如果例如由作为低温流体的氦的p/t图出发，则可辨认出，240毫巴的压力与大约3k的温度相对应并且在100毫巴压力的情形中得到大约2.5k的温度。

此外，压力传感器是低成本的并且可在持续运行中被可靠地使用。

在该类实施形式的有利的改进方案中，泵装置在其由于超出第一阈值pmax而激活之后仅泵吸空腔直至压力传感器的输出信号低于预定的第二阈值pmin，其中，尤其是75毫巴≤pmin≤300毫巴。

对于该两点调节而言适用pmin<pmax。以该形式的关闭装置确保，低温流体不被进一步泵出并且因此冷却过程的持续时间通过对空腔的泵吸在冷却功能失效的情形中不再比必要的缩短更多地缩短。当冷却功能被再次使用时，也需要停用泵装置的关闭装置。

在根据本发明的低温恒温器组件的另一有利的实施形式中，可操控的阀实施成调节阀。

由此，在空腔中的压力可被精确地调节。泵吸过程可被如此地优化，使得期望的目标温度被精确维持。由此一方面避免，可供使用的氦存储被太快速地泵出(这将降低保持时间)，另一方面同样确保，线圈不会不允许地被加热。

在该实施形式的特别简单的改进方案中，泵装置如此来设计，即，其能以恒定的速度和/或泵功率来运行。

这样的泵被广泛应用并且特别便宜且可靠。

在本发明的另一种优选的实施形式中，泵装置如此来设计，即，其能以可变的、优选可调整的速度和/或泵功率来运行。这样的解决方案被选择与开关阀(或者也许完全不带有自动阀)组合。调整泵的速度在能量上是特别有利的，因为其不产生在半开的调节阀中的节流损失。此外，流量通过改变泵速度的调节相比借助于调节阀的调节更精确。

该实施形式在非常简单设计的改进方案中可装备有作为可操控的阀的开关阀。

这样的阀被广泛应用并且特别低价格并且可靠。

为了尽可能自给自足地设计通过本发明所提供的安全系统，从而使得其在电源故障的情形中同样可开始运转，在根据本发明的低温恒温器组件的特别优选的实施形式中，泵装置包括借助于自给自足的电源、优选借助于电池来缓冲的电运行的抽吸泵。

备选地，替代机械泵，也可使用低温冷却的抽吸泵，该低温冷却的抽吸泵在运行中完全不需要电流并且完全被动式起作用。这样的低温泵优选被集成到低温恒温器组件中，以便于实现尽可能紧凑的结构。

在使用低温泵作为泵装置的情况中，该低温泵无须被单独地激活，因为其是永久激活的。打开阀就足以激活低温泵。

低温泵的泵送的冷表面优选在热力学上被耦合到待冷却的物体上，尤其是其中，从空腔到泵送的冷表面的连接管路完全你在真空容器内部延伸。

低温泵不具有可移动的部分，因此其特别可靠。此外，低温泵在不带有电能供应的情形中起作用，也就是说可弃用电池。

为了尽可能自给自足地设计根据本发明的低温恒温器组件，如下是适宜的，当在冷却功能失效之后存在如下可能性，即，再次补足在低温流体上的损失时。优选地因此低温恒温器组件包括联接到空腔上的输送管路，从而在冷却功能再次投入运行的情形中在低温流体上的损失可被再次填充。

有利的是，输送管路装备有减压器。一方面，填充过程可受控制地执行，而不形成过压，因为通常低温流体在气态状态中被引入，其中，低温流体在冷头上可液化。当低温流体被从外部区域输送时，所述低温流体可能具有比在低温恒温器中所期望的温度明显更高的温度，因此受控制的供应是有利的。

在本发明的范围中同样包括一种用于运行低温恒温器组件、尤其是根据本发明的上面所描述的低温恒温器组件的方法，该低温恒温器组件包括真空容器和待冷却的物体，尤其是超导的磁线圈系统或低温容器，其中，待冷却的物体布置在真空容器内，其中，真空容器具有引导至待冷却的物体的颈管，冷头的冷却臂至少部分布置在颈管中，其中，围绕冷却臂构造有封闭的空腔，所述空腔相对于待冷却的物体流体密封地被密封，其中，空腔在正常运行中至少部分填充有低温流体，并且其中，设有热耦合器件，所述热耦合器件适合用于在空腔中的低温流体与待冷却的物体的热耦合，在冷头的冷却功能失效的情形中空腔经由泵装置被如此地泵吸，使得在空腔中的压力不超出预定的第一阈值pmax。

非常特别优选的是根据本发明的方法的一种变型方案，其中，空腔经由泵装置被如此地泵吸，使得在空腔中的压力不低于预定的第二阈值pmin<pmax。

根据本发明的方法的改进方案是同样有利的，其中，使用氦作为低温流体，并且泵装置如此来运行，使得在正常运行中在空腔中的压力在100毫巴与500毫巴之间、尤其是在150毫巴与350毫巴之间、优选地在200毫巴与300毫巴之间。

用于运行带有可操控的泵装置的低温恒温器组件的一种备选的方法变型方案提供了较高的运行可靠性，空腔经由可操控的阀联接到泵装置上，并且所述低温恒温器组件带有监控设备，该监控设备监控冷头的冷却功能和/或在空腔中的压力，其特征在于，监控设备在冷头的冷却功能下降的情形中和/或在在空腔中的压力超出预定的第一阈值pmax的情形中如此地激活泵装置，使得空腔被泵吸到在阈值pmax之下的压力上。

本发明的其他优点由说明书和附图得出。同样地，上述的和还将进一步说明的特征根据本发明可分别单独自身或多个任意组合地使用。所示出和描述的实施形式不应被理解为穷举，而是具有对于本发明的说明示例性的特征。

附图说明

本发明在附图中被示出并且借助实施例作进一步说明。其中：

图1示出了带有直接在真空中作为待冷却物体的超导磁线圈的根据本发明的低温恒温器组件的第一实施形式的示意性横截面，

图2示出了带有作为待冷却物体的低温容器的根据本发明的低温恒温器组件的第二实施形式的示意性横截面，其中，在低温容器中包含有超导磁线圈；

图3示出了在带有在流体技术上联接到空腔上的压力传感器的颈管的区域中的根据本发明的低温恒温器组件的第三实施形式的示意性横截面；

图4示出了带有低温泵的根据本发明的低温恒温器组件的第四实施形式的示意性局部；并且

图5示出了根据本发明的低温恒温器组件相比根据本发明的低温恒温器组件由3k的起始运行温度出发在冷却设备失效之后的加热的示意性的时间线图。

具体实施方式

图1和2相应地以示意性的竖直剖视图形式示出了根据本发明的低温恒温器组件1、1”、1”’、1””的实施形式，该低温恒温器组件包括真空容器2和待冷却的物体4(尤其是在nmr、mri或ftms器械中的可超导的磁线圈系统5)，其中，待冷却的物体4布置在真空容器2内部，其中，真空容器2具有引导至待冷却的物体4的颈管8，其中，冷头11的冷却臂10至少部分布置在颈管8中，其中，围绕冷却臂10构造有封闭的空腔9，该空腔相对于待冷却的物体4流体密封地被密封，其中，空腔9在正常运行中至少部分填充有低温流体，并且其中，设有热耦合器件15，该热耦合器件适合用于在空腔9中的低温流体与待冷却物体4的热耦合。

根据本发明的低温恒温器组件1、1”、1”’、1””的特征在于，其包括可操控的泵装置14，空腔9经由可操控的阀13联接到泵装置上并且空腔9在冷头11的冷却功能下降的情形中可利用泵装置被泵吸，并且存在监控设备17，该监控设备监控冷头11的冷却功能，并且监控设备构造用于在冷头11的冷却功能下降的情形中自动地如此激活泵装置14，使得空腔9被泵吸。

图1示意性示出了根据本发明的低温恒温器组件1’的第一实施形式，低温恒温器组件包括真空容器2，在真空容器内部设有真空。在此在真空容器2中布置有热辐射屏蔽部3(虚线示出)，该热辐射屏蔽部在此包围作为待冷却的物体4的超导磁线圈系统5。磁线圈系统5此处直接布置在真空容器2的真空中。

低温恒温器组件1’设有室温孔6，通过该室温孔样本容量7在磁线圈系统5的中心可接近。在样本容量7中存在强大的、静态的、近似均匀的磁场b0，其可被用于在样本容量7中的试样利用未进一步示出的nmr共振器的nmr测量。

通过真空容器2，颈管8引导至待冷却的物体4。在所示出的实施形式中，颈管8同时构成空腔9的边框，该空腔直接包围低温恒温器组件1’的激活的冷却系统的冷却头11的冷却臂10。

空腔9经由泵管路12和阀13、尤其是截止阀联接到泵装置14上，空腔9利用该泵装置可被抽真空。为了操控阀13和泵装置14设置有监控设备17，其同样获得冷却头11的(直接或隐含的)温度信息，并且在此在超出极限温度的情形中阀13自动打开并且泵装置14激活。

在低温恒温器组件1’的正常运行期间，空腔9至少部分填充有低温流体(在附图中未进一步示出)，低温流体将冷却臂10与待冷却的物体4经由热耦合器件15耦合。热耦合器件15在此是待冷却的物体4的顶面，该顶面同时构成空腔9的边框的部分。在冷却臂10的激活的冷却的故障情况中，空腔9利用泵装置14被泵吸并且进而在空腔9中的低温流体被冷却。

图2示出了根据本发明的低温恒温器组件1”的第二实施形式，其很大程度上与图1的第一实施形式相对应；因此仅说明主要的区别。

在第二实施形式中，待冷却的物体4构造成低温容器20，在低温容器内部布置有超导磁线圈系统5。此外，在低温容器20中布置有第二低温流体、此处部分液体的并且部分气态的氦(在附图中再次不进一步示出)。超导磁线圈系统5通常至少部分浸入液氦中。热耦合设备15此处通过低温容器壁的顶面的部分构造，其同时限定空腔9。

图3示出了在颈管8的区域中的根据本发明的低温恒温器组件1”的第三实施形式。在该优选的实施形式中，压力传感器30与空腔9在流体技术上相连接。在附图中未单独示出的改进方案中，压力传感器尤其是直接布置在空腔9中。压力传感器30的输出信号被输入到监控设备17中，一旦压力传感器30的输出信号超出预定的第一阈值pmax，监控设备就激活泵装置14以用于泵吸空腔9，其中，尤其是100毫巴≤pmax≤500毫巴。在由于超出第一阈值pmax而激活之后，泵装置14仅泵吸空腔9直至压力传感器30的输出信号低于预定的第二阈值pmin，其中，尤其是75毫巴≤pmin≤300毫巴。

在根据本发明的低温恒温器组件1”’的该实施形式中，泵装置14包括借助于自给自足的电源、优选借助于电池31来缓冲的电运行的抽吸泵。

此外，根据本发明的低温恒温器组件的该实施形式包括一种用于以低温流体再次填充空腔9的装置。该装置包括带有低温流体的存储容器32以及连接容器32与空腔的输送管路33。利用该装置，在冷却装置失效之后同样可确保尽可能自给自足的运行，因为存在如下可能性，即，再次补足在低温流体上的损失。有利的是，输送管路33装备有减压器34。因此，填充过程可受控制地执行，而不形成过压。

图4示出了根据本发明的低温恒温器组件1””的第四实施形式。此处，泵装置(作为电运行的泵的替代)包括低温泵40，该低温泵优选被集成到低温恒温器组件1””中。低温泵40的优点在于，该低温泵可实施为完全被动的并且因此非常可靠。

在低温泵中，合适的吸附材料41(例如活性炭)被冷却。在4.2k温度的情形中，氦可自行被泵出。如在图4中所示出的那样，低温泵40可被直接集成到电磁低温恒温器中。泵以较少量的液氦来运行，其在图中在吸附材料41下方被示出。氦因为其具有4.2k的温度可被蒸发到大气(1000毫巴)中。低温泵40不能良好地热耦合到冷头上，因为在利用低温泵40泵送氦时释放热量，该热量否则将有助于加热磁线圈系统5。

本发明的主要目的是提供低温磁体，该低温磁体相对于在4.2k(与在正常压力的情形中he的沸点相对应)下的常规运行例如在3k(与大约240毫巴的压力相对应)下来运行。通过温度的这样略微的降低，在超导体、例如nbti中导电能力提高，从而能实现明显更紧凑的磁体的设计。根据此处未示出的模拟，因此带有9.4t磁流密度的磁体可由大约900kg被降低到600kg超导体上，因为该超导体可以较高的电流密度加载。

在此不利的是，超导体对于热输入更敏感，并且其在较低温度(大约4-5k)的情形中已产生失超。于是需要安全设备，利用该安全设备可确保，在冷却头失效的情形中低温恒温器的温度可尽可能长地被保持在3k处。

在图5中所示出的线图中示例地可见he的温度曲线在冷却头失效的情形中作为时间函数如何发展。作为实例可使用来自先前所引用的现有技术(de102014218773a1)的mcv低温恒温器(带有菱形符号的线)。在失效之后，温度上升直到在正常压力下的沸点，此处温度具有平台阶段，直至he的液体部分转变到气相中。其后，温度连续地进一步上升直至失超。

基于本发明(带有方形符号的线)，温度仅上升直至达到极限压力(300毫巴/3.2k)。紧接着，泵开始泵出气体，以便于将池子通过蒸发保持在该温度上。如果所有氦被蒸发，当冷却头还更长地失效时，温度上升并且失超变得不可避免。

为了将温度以该方式保持在示例性提及的3k处，压力传感器30是必要的，如其在图3中示出的那样。该压力传感器30在温度上升的情形中测量在空腔9中的与此相联系的压力增加，在此存在致冷剂(he)，并且将测量值转交给监控设备17，该监控设备在超出阈值pmax的情形中操控泵装置14，泵装置然后从空腔9中将致冷剂从气相中移除直至期望的(负)压力。在负压的精确调节的情形中，调节阀13(或具有可变速度的泵)是有利的。

在加载期间或在pt失效之后，在超过在颈管8中的可调整的压力阈值pmax时，电池缓冲的泵装置14接通并且借助于调节装置、压力传感器30和调节阀13通过氦的泵出将压力保持稳定。该压力处在正常运行中的压力略上方。例如正常运行是180毫巴。调节压力是300毫巴(与3.2k相对应)。

附图标记列表

1’、1”、1”’、1””低温恒温器组件

2真空容器

3热辐射屏蔽部

4待冷却的物体

5超导磁线圈系统

6室温孔

7样本容量

8颈管

9空腔

10冷却臂

11冷头(＝冷却头)

12泵管路

13阀

14泵装置

15热耦合器件

17监控设备

20低温容器

30压力传感器

31电池

32存储容器

33输送管路

34减压器

40低温泵

41吸附材料

参考文献列表：

为评价专利性参考以下公开文献：

[1]de102014218773a1

[2]us8,729,894b2

[3]us2007/089432a

[4]us2010/298148a

[5]us2007/02276a

[6]de102004012416b4

[7]us2007/05115a

[8]us8,950,194b2