用于在低温下输送冷却的设备的低温恒温器的制作方法

专利名称：用于在低温下输送冷却的设备的低温恒温器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低温恒温器背景技术如本领域公知，通常在至少部分填充有工作冷冻剂的低温恒温器中输送低温冷却装置，例如用于磁共振成像(MRI)系统的超导磁体结 构。在输送过程中，冷冻剂沸腾，从而将该冷却装置保持在工作冷冻 剂的沸点。在输送过程中，该冷却装置的升温速率取决于进入该装置的热流 量。这又由三个主要的原因来确定。首先，辐射热从相对温暖的表面 发射至冷却器的相邻表面上。这种情况的典型示例是相对温暖的外部 真空腔室将热量辐射至装有该冷却设备的冷冻剂容器上。其次，热量 可以通过机械支承结构来传导，该机械支承结构将该冷却装置保持就 位，或者该机械支承结构使冷冻剂容器在外部真空腔室中保持就位。 第三，可以通过残余真空污染气体的对流而产生对流热流，该残余真 空污染气体处于相对温暖与相对较冷的表面之间(例如低温恒温器的 冷冻剂容器和外部真空容器之间)的标称真空层中。进入该冷却装置 中的辐射和传导热流都非常依赖于该低温恒温器的各部件之间的温度 差，还将受到低温恒温器的结构的影响。另一方面，对流热流入量并 不是只与低温恒温器的各部分之间的温度或温度差相关。这是因为标 称真空层中的真空质量(残余真空污染物气体的比例)并不相对于温 度而恒定。在正常工作时，该低温恒温器将通过工作冷冻剂的沸腾而 保持在其工作温度——工作冷冻剂的沸点。真空污染物冻结在低温恒 温器的最冷部分上——通常为包含该冷却装置的冷冻剂容器或布置成 与该冷却设备接触并包含液体冷冻剂的冷却管。高质量的或"高度" 的真空由该低温来保持，该低温将真空污染物保持在固体形式。不过，在输送过程中，低温恒温器开始是通过工作冷冻剂的沸腾 而保持在工作冷冻剂的沸点温度。不过， 一旦工作冷冻剂已经沸腾完， 低温恒温器将升温。 一些冻结的真空污染物将返回气体状态，从而降低真空的质量。在各污染物的沸点处，对流热流入量将急剧增加。在由本发明解决的特定情况中，由液氦将冷却设备保持在工作温 度。
一定量的液氦布置在低温恒温器中，以便通过氦的沸腾而在一定 时期内将该装置保持在工作温度。如果液氦在输送过程中沸腾变干， 该装置将在输送过程中变热。到达时，该设备需要被冷却返回至液氦温度(大约4K)。这通常将需要消耗一定量的氦，当该系统已经加热 至环境温度(大约290K)时，所消耗的氦量将非常大。氢的沸点为大约20K。当低温恒温器从4K变热时，标称真空层中的 任何固化氢将在大约20K处蒸发，并能够在该标称真空层中形成热对 流，从而增大到达该冷却设备的对流热流入量。图l表示了冷却设备变热的试验结果，从氦工作冷冻剂沸腾变干的 一瞬间开始。曲线20表示该冷却设备的温度。在本示例中，在该标称 真空空间中设置有热屏蔽件。该屏蔽件的温度表示为曲线22。可以看 见，该冷却设备的温度20以第一稳定速率升高，该第一稳定速率由辐 射和传导热流入来确定。当温度升高至具有最低沸点的真空污染物的 沸点时一一通常为氩在大约20K — 一出现温度增加速率的急剧升高。然 后，该温度升高速率成为第二稳定速率，该第二稳定速率比第一稳定 速率更快，由辐射、传导和对流热流入来确定。屏蔽件的温度22—开 始以第一稳定速率升高，该第一稳定速率由辐射和传导热流入来确定。 当温度升高至具有该最低沸点的真空污染物的沸点时——通常为氢在 大约2OK——出现实际温度的急剧降低，随后温度以第二稳定速率升 高，该第二稳定速率比第一稳定速率更快，由辐射、传导和对流热流 入来确定。屏蔽件的温度急剧降低由对流的开始而引起，该对流通过 向冷冻剂容器传热而冷却该屏蔽件。发明内容本发明的目的是通过降低该绝热真空层中的真空污染物的对流效 果来消除或至少降低向更高热流入速率的转变。这通过所附权利要求 中所述的方法和装置来获得。


通过下面对特定实施例的说明并结合附图，将更清楚本发明的上述和其它目的、特征和优点，附图中图l表示了当工作冷冻剂的冷却库存沸腾变千时，低温冷却系统的 典型温度变化；以及图2表示了根据本发明实施例修改了的常M^低温恒温器。
具体实施方式
尽管很多已知的低温冷却设备(例如用于磁共振成像(MRI)系统 的磁体)在液氦温度(大约4K)下工作，但是在液氦温度下输送该系 统将很难和很昂贵，因为液氦的成本高且可用性有限。因此，可能只 为该冷却设备提供有限量的液氦来用于输送，该液氦可能在该冷却设 备到达其目的地之前耗尽。然后，该冷却设备可能由于热流入而变热， 如上所述。如上所述，真空绝热层的绝热效果由于存在真空污染物而降低。 很多这些污染物在液氦温度下为固体，但是当该设备变热时会蒸发。 这又意味着进入该冷却设备中的热流入量在真空污染物的沸点温度下 快速增加。通常，该真空污染物是氢，氢在20K下沸腾。最终增加的热 流入量有效减少了可用于输送该冷却设备的时间，除非花费较大量的 冷冻剂或使机器冷却的时间较长。本发明的目的是通过防止真空污染物蒸发至绝热真空空间中而降 低真空污染物的影响，从而提高绝热真空的质量，降低在该装置输送 温度下的热流入速率，并因此增加可用的输送时间。图2表示了 一种常规的低温恒温器，正如为了容纳MRI系统的磁体 所使用的那样。冷冻剂容器1部分地填充有液体冷冻剂2。外部真空容 器4包围该冷冻剂容器，并确定了位于这两个容器之间的真空层。将该 真空层抽空，以便提供绝热来防止热传导和对流。热屏蔽件5可以布置 在该真空层中，以便防止冷冻剂容器l受到来自该外部真空容器的热辐 射。在低温恒温器的输送过程中，冷冻剂2将会沸腾进入冷冻剂容器的 上部部分3中，并将通过颈管装置12、 14而逸出。当氦冷冻剂2沸腾时， 冷冻剂容器^皮冷却至如此低的温度，以至大部分真空污染物(包括氢) 将作为霜而固化在冷冻剂容器的表面上。在它们的固体状态下，这些 污染物不会降低真空质量，且几乎没有热量由于该真空空间中的热对 流而进入该冷冻剂容器。特别是由本发明提出的低温恒温器具有有限的工作冷冻剂(通常 为氦)储量，它们在有限时间内保持它们的沸点温度。当储存的工作 冷冻剂沸腾变干时，低温恒温器由于传导和辐射造成的热流入而变热。 在这样的温度升高过程中， 一些固化的真空污染物(通常为氢)蒸发 至真空层中，并由于热对流而造成有更多的热流入量进入该冷冻剂容 器内。根据本发明，多件吸气材料20布置在该真空层中。该吸气材料具 有截留目标材料分子的特性。在本例中，该目标材料是驻留在真空层 中的真空污染物。对于氩来说，已知有效且市场上可获得的吸气材料是以薄"箔，， 的形式来提供的，并由铝载片构成，在本发明中，该铝载片优选具有 粘性背衬、涂覆有钛-钒合金，且上面覆盖有钯层。钛-钒合金是活性 吸气材料，而钯层用作氲专用过滤器。该箔形式相对便宜。市场上SAES getters (www. saesgetters, com)的REL-HyTM品牌是一种为半导体除气 而开发的合适吸气材料。SAESgetters还生产称为LOTHARTM的材料，它从冷冻剂管、杜瓦瓶和液氧储罐中的真空护套中吸收氢。该材料用于在高于氢的沸点的温 度下工作的装置中获得高度真空，其主要是从真空空间中除去氢，以便获得有效的真空护套，并避免在工作状态下由于真空护套中存在氢而对沫u:換热。而本发明解决的是不同的问题。由本发明提出的真空护套的工作 温度明显低于氢的沸点(或升华点)。吸气材料并不能够用于在工作 过程中在该设备中产生高度真空一一该高度真空由工作冷冻剂的非常 低的温度来保证的。而且，本发明提出了在比设备的工作温度更高的 温度下输送该设备的方法，其中，需要吸气材料来保证在该相对高温 输送时期提供足够高的真空。 一旦由本发明提出的设备开始工作，则 该设备返回工作冷冻剂的温度，且真空污染物冻结，从而除去对流换 热源。当真空污染物(例如氢)处于它的气体状态时(例如在工作冷冻 剂填充该冷冻剂容器l之前)，污染物的分子通过真空层而随机运动。 在一些点，各分子很可能将与吸气材料形成接触。吸气材料将捕获至 少一些与其接触的分子。 一旦污染物分子被吸气材料捕获，它们不再参与热对流，并且，在污染物的沸点(或升华点)处以及高于该沸点 (或升华点)下的热流入率的增大被消除了或者至少被降低了 。在本发明的某个实施例中，该吸气材料的粘性背衬条(各条为大约7cmxl5cm)在装配低温恒温器之前粘在真空容器4的内表面上。通 过将这些条近似均匀地环绕真空容器4的内表面布置，氢分子到达吸气 材料的平均路途将减小。通过减小到达吸气材料的平均路途，吸气材 料捕获污染物分子所需的密度差将减小。当只需要抽吸目标气体的分子时，该吸气材料必须涂覆有合适的 过滤材料。在上述示例中， 一层钯用作氢专用过滤器。其它过滤层也 可以用于形成专用于其它气体的吸气材料。对于大气中自然为低浓度 的气体(例如氢)，覆盖在该活性吸气材料上的过滤层增加了可用处 理时间，即在吸气材料充满了来自空气中的分子以至于其不再有用地 布置在低温恒温器的真空层中之前的时间。所述的平面"箔"形式能够很容易地安装且很容易地分布在该真 空层中。多件吸气材料可以布置在真空容器4的内表面上。也可选择或 者另外地，多件吸气材料可以布置在冷冻剂容器l的外表面上。也可选 择或者另外地，多件吸气材料可以布置在真空层内的任何热屏蔽件5的 表面上。因为至少 一 些真空污染物分子由吸气材料捕获，因此至少降低了 真空层中的热对流效果。这又降低了通向冷冻剂容器的热流入，从而 降低了牺牲冷冻剂的沸腾速率，并增加了可用的输送时间。该外部真空容器通常由不锈钢构成。在钢的退火中使用了氢，从而导致以后钢会放出氢，例如当受到极度真空时，诸如在如本发明提 出的低温恒温器的真空绝热层中所使用的那样。尽管已经参考低温恒温器(该低温恒溫器将冷却设备装入工作冷 冻剂浴槽中)介绍了本发明，但是本发明也适用于用冷却回路结构来 冷却该冷却设备的装置导热管与要被冷却的设备进行热接触，并载 有相对较少量的工作冷冻剂。尽管本发明提供了对真空层中的真空质量的改进，但是它并不代 替有效的初始抽空。本发明已经参考氢真空污染物进行具体介绍。不过，本发明也可 以用于其它真空污染物。不过，氢是特别相关的，因为它的沸点在氦和氮的沸点之间，氦和氮是目前通常使用的冷冻剂。尽管本发明已经 对在由氦工作冷冻剂冷却的真空腔室中的氢污染物进行介绍，但是本 发明也可以用于^f吏用其它冷冻剂的冷冻剂冷却系统，以便克服不同污染物的难题。本发明还可以应用于这样的低温恒温器，即，该低温恒温器由在 第一温度下沸腾的工作冷冻剂来冷却，并且进一步由在第二温度下沸腾的牺牲冷冻剂来保持在低温温度下，其中该第二温度高于第 一温度； 这样的系统易受到由于在第二温度下在真空层内存在真空污染物气体 而引起的对流所造成的热流入，但是该污染物在第一温度下保持液体 或固体形式。在本文中，本发明可有利地应用于使用一定量氮的低温 恒温器，该低温恒温器首先被冷却至较低沸点的工作冷冻剂(例如氦) 的温度，其中，氮用于增加较温下的总热容。
权利要求
1.一种低温恒温器，用于在较高低温下输送冷却设备，该低温恒温器布置成由在较低低温下沸腾的工作冷冻剂来冷却该冷却设备，该低温恒温器包括真空容器，该真空容器包围该冷却设备，并在该真空容器与该冷却设备之间确定了一标称真空层，其特征在于，吸气材料布置在该该标称真空层中，以便吸收真空污染物的分子，该真空污染物在该较高低温下以气体形式存在于该真空层中，但是在该较低低温下保持为液体或固体形式。
2. 根据权利要求l所述的低温恒温器，还包括冷冻剂容器，该冷 冻剂容器装有该冷却设备。
3. 根据权利要求l所述的低温恒温器，其中，该冷却设备由冷却 回路装置来冷却。
4. 根据前述任意一项权利要求所述的低温恒温器，其中，该吸气 材料为扁平箔的形式。
5. 根据前述任意一项权利要求所述的低温恒温器，其中，该吸气材料安装于该真空容器的内表面。
6. 根据权利要求2或从属于该权利要求2的任意权利要求所述的低温恒温器，其中，该吸气材料安装于该冷冻剂容器的外表面。
7. 根据前述任意一项权利要求所述的低温恒温器，其中，该吸气 材料安装至位于该标称真空层中的热屏蔽件。
8. —种用于在较高低温下输送低温冷却设备的方法，该方法包括 以下步骤提供真空容器，该真空容器装有该冷却设备，并确定了环绕该冷 却设备的标称真空层；提供工作冷冻剂源，该工作冷冻剂源与该冷却装置成热接触，使 得该工作冷冻剂可以沸腾，并将该冷却装置保持在较低低温下，该较 低低温为该工作冷冻剂的沸点;其特征在于，该方法还包括在该真空层中设置吸气材料，使得真 空污染物气体的分子被捕获于该吸气材料中，该真空污染物气体分子 在该较高低温下存在于该标称真空层中，但是在该较低低温下保持为 液体或固体形式。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，该吸气材料对沸点或升华点在该较低低温与该较高低温之间的污染物气体具有选择性。
10. —种低温恒温器，基本上如本文所述和/或如图2所示。
11. 一种用于输送低温冷却设备的方法，基本上如本文所述。
12. —种吸气材料的用途，用于在冷冻剂沸腾变干时提高环绕冷 冻剂容器的绝热真空区域的质量，当存在液体冷冻剂时该p及气材津+不起作用，该冷冻剂在比真空污染物进入气体状态时的温度更低的温度
13. —种吸气材料在输送由沸腾的液体冷冻剂低温冷却的设备时 的用途，用于在液体冷冻剂沸腾变干时提高环绕该低温冷却设备的绝 热真空区域的质量，当存在液体冷冻剂时该吸气材料不起作用，该冷 冻剂在比真空污染物进入气体状态时的温度更低的温度下沸腾。
全文摘要
一种低温恒温器，用于在较高低温下输送冷却设备，该低温恒温器布置成通过在较低低温下沸腾的工作冷冻剂来冷却该冷却设备，该低温恒温器包括真空容器，该真空容器包围该冷却设备，并确定了在真空容器和冷却的设备之间的标称真空层。还提供了用于减少该标称真空层受到真空污染物的污染的装置，该真空污染物在该较高低温下以气体形式存在于真空层中，但是在该较低低温下保持为液体或固体形式。
文档编号F25B19/00GK101221000SQ200810002908
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月11日 优先权日2007年1月11日
发明者A·F·阿特金斯, M·J·M·克瑞普 申请人:西门子磁体技术有限公司