专利名称：用于减少致冷剂消耗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，其包括用于保持诸如超导磁体线圈的冷却设备的致冷剂容器。特定来说，本发明涉及经提供以用于减少到达致冷剂容器的热量的真空腔室，以及涉及允许致冷剂气体逸出致冷剂容器的排放配置。
背景技术：
图I展示包括致冷剂容器12的低温恒温器的常规配置。在致冷剂容器12内提供冷却超导磁体10，致冷剂容器12自身保持在一个外部真空腔室(OVC) 14中。在致冷剂容器 12与外部真空腔室14之间的真空空间中提供一个或多于一个热辐射屏蔽件16。在一些已知配置中，一个致冷器17朝向低温恒温器的侧面安装在位于为此目的提供的一个塔18中的一个致冷器套管15中。或者，致冷器17可位于接入塔19内，接入塔19保持住安装在低温恒温器顶部的接入颈(排气管)20。致冷器17提供有效致冷以使致冷剂容器12内的致冷剂气体冷却，在一些配置中是通过使所述致冷剂气体重冷凝成液体。致冷器17还可用以冷却辐射屏蔽件16。如图I所说明，致冷器17可以是两级致冷器。第一冷却级热链接至辐射屏蔽件16，且提供达到第一温度的冷却。在具有单个屏蔽件的低温恒温器中，第一级通常将屏蔽件冷却至约50K。在具有两个屏蔽件的低温恒温器中，它们通常被冷却至约80K 及20K的温度。第二冷却级提供对致冷剂气体的向更低温度的冷却，通常在4至IOK的范围内。
通常通过低温恒温器的主体向磁体10提供负电连接21a。通常由一穿过排气管 20的导体来提供正电连接21。
针对固定电流引线(FCL)的设计，提供单独的排气路径(辅助排气口)(图I中未图示)以作为在排气管堵塞情况下的防故障排气口。发明内容
本发明解决了低温恒温器运输期间或致冷器17不运作的任何时候的致冷剂消耗。当致冷器17不运作时，来自约处于环境温度(250至315K)下的OVC 14的热量将通过任何可用机制流向致冷剂容器12。这可能是通过将致冷剂容器与辐射屏蔽件16固定在OVC 内适当位置上的支撑结构(未说明)的传导作用；通过气体(通常为氢气，其可存在于致冷剂容器12与OVC 14之间的容积内)的对流使用；或通过来自OVC的内表面的辐射。通常十分关注减少所有这些关于热流入的可能机制。支撑结构在机械上可行的程度内做的尽可能长而薄，且使用具有低热传导性的材料来构造，以减少通过传导发生的热流入。注意尽可能多的去除来自致冷剂容器与OVC之间的容积内的气体，虽然在使用诸如氦的极低温致冷剂的情况下许多气体将会在致冷剂容器表面上冻结成霜。也存在一些对制成低温恒温器的钢所释放的氢气进行的测量。任何此类被释放的氢气将使OVC真空度降级。然而，在氦致冷剂的情形中，氢气在正常运作期间为固态，且仅在致冷剂容器加热至约20K以上的情况下以气体形式释放。
提供一个或多于一个热辐射屏蔽件16以拦截来自OVC的热辐射。通过致冷器17 去除任何由此产生的对热辐射屏蔽件的加热。此外可提供隔热，诸如众所周知的“超绝热”: 镀铝聚酯片(常用为镀铝聚对苯二甲酸乙二醇酯片)的多层隔热，其置放在致冷剂容器与热屏蔽件16之间的层中；或在热屏蔽件16与OVC之间的层中；或两者兼有。
操作中，致冷剂容器12中的致冷剂液体蒸发，以将冷却设备10保持在恒定温度， 即为致冷剂的沸点。致冷器17去除来自致冷剂气体及热屏蔽件16的热量。只要致冷器的冷却功率足以去除冷却设备所产生的任何热量以及到达致冷剂容器的任何热流入，冷却设备10便将保持处于其稳定温度，且不会消耗致冷剂。
在低温恒温器运输过程中，当致冷器关闭时或致冷器17不运作的任何其它时候， 会出现问题。当致冷器不运作时，到达致冷剂容器的任何热量流入以及在致冷剂容器内产生的任何热量将导致致冷剂液体蒸发。当致冷器不运作时，蒸发的致冷剂不能重冷凝成液体，而将通过排气管20或辅助排气口排放至大气中。在超导磁体的情形中，例如，如在磁体共振成像(MRI)系统中所使用那样，通常使用液态氦作为致冷剂。液态氦非常昂贵，且在世界上一些地区很难获得。其也是一种有限的资源。出于这些原因，希望在运输期间或在致冷器17未运作的其它时候，减少对氦致冷剂的消耗。
当然可能在环境温度且没有致冷剂的情况下运输低温恒温器及设备10。这将避免运输期间的致冷剂消耗问题。然而，设备10及(确实)低温恒温器本身会需要在其抵达目的地时进行冷却。此冷却是一个需要技术的过程，且已发现现场冷却极为昂贵。此外，已发现，在到达安装现场时从环境温度冷却上述设备及低温恒温器所需的致冷剂数量远远超过目前在合理运输时间内的消耗率。典型的现有系统能够在无致冷器运作且液体致冷剂未沸腾变干的情况下移动至少30天。
目前已知的解决方案在运输时间的每一天内消耗大约2.5至3. 0%的致冷剂库存。按照目前的系统，这可能等同于每天消耗50升的液态氦。本发明旨在于降低此消耗水平，并由此增加最大运输时间，简化将冷却设备交付至目的地的物流和/或减少致冷剂消耗。
对解决此问题的已知尝试已遇到一些困难。将简要论述对解决此问题的已知尝试中的一些。
可提供与第一热屏蔽件16同心的第二热辐射屏蔽件。已发现此法在一定程度上有效地减少了到达致冷剂容器的热流入，但需要增加OVC的大小，且导致制造成本增加。
热传导管已布及热屏蔽件周围，其输送逸出的致冷剂气体。当气体正处在略高于其沸点(大约是4K)的温度时，此类配置用以冷却热屏蔽件。此法在一定程度上有效减少了到达致冷剂容器的热流入。此配置描述于(例如)美国专利7，170，377及英国专利申请 GB 2414536，但也必须需要增加OVC的大小以适应传导管的厚度。额外的组装工作以及增加OVC大小的材料和劳力成本也会导致制造成本增加。
因此本发明的目的在于提供一种改进的低温恒温器，其降低了运输期间或不存在有效致冷的任何时候的致冷剂消耗，且不会遭受现有技术中存在的问题。
本发明提供所附权利要求书中提出的设备。
本发明的以上及其他目的、优势及特征将通过结合附图考虑对其特定实施例的以下描述而变得更显而易见，其仅以非限定性实例的方式给出，其中
图I展示含有一超导磁体的低温恒温器的常规配置；
图2至图4各自展示适合应用于本发明的装载于托盘上的低温恒温器；且
图5展示根据本发明一实施例的用于冷却低温恒温器的OVC的配置。
具体实施方式
本发明通过冷却OVC来提供在运输期间或在有效致冷未运作的任何时候减少的致冷剂消耗。到致冷剂容器12的热流入通过多种机制发生，且这些机制中的大多数的运行依赖于外部真空腔室的温度。
举例而言，到致冷剂容器的热量传导取决于支撑结构以及机械连接在OVC与致冷剂容器之间的诸如排气管20、电连接21、21a的其他设备的热传导性。然而，沿这些导体中的每一者传入的热量取决于低温恒温器与OVC之间的温度差。通过降低OVC的温度，将减少通过热传导而到达致冷剂容器的热量的量。
热量还通过热辐射传输到致冷剂容器。来自OVC的热辐射通常被热屏蔽件16拦截且在运作时由致冷器从系统中除去。当致冷器不操作时，热屏蔽件的温度将升高，且将向致冷剂容器发射热辐射。如果OVC的温度降低，则对屏蔽件的辐射将减少；屏蔽件的温度将降低；从屏蔽件到致冷剂容器的辐射将减少，从而致冷剂消耗将减少。在当前低温恒温器中，热辐射是到致冷剂容器的热量流入的主要机制。将辐射功率定标为T4，其中T为发射表面与接收表面之间的温度差。通过降低最高温度(0VC的温度)，可实现显著的辐射功率减小。
一些热量可通过致冷剂容器与OVC之间的真空空间内的气体对流而到达致冷剂容器。此外，如果OVC的温度降低，则通过此机制产生的热量流入将减少。
本发明的发明人已进行模拟以证明适当降低OVC的温度的效果。
做出一些假设以使模拟变得简单。所模拟的几何形状为无限圆柱体，以避免复杂化OVC 14、致冷剂容器12及屏蔽件16的大体平坦的端盖。已使用与不锈钢0VC、铝制屏蔽件及涂覆铝箔的致冷剂容器一致的热辐射系数值，因为这些是在当前低温恒温器中常用的材料。假设OVC的质量为950kg，且环境温度为300K。
已考虑置于屏蔽件与OVC之间的超绝热层的效果。假设采用密度为15层/厘米的20个层，其具有0. 04的室温热辐射系数，以及通过屏蔽件与OVC温度的平均值来确定的平均温度。
已考虑通过屏蔽件支撑物的热量传导。传导功率随OVC及屏蔽件温度而变化。
已确定随着屏蔽件温度变化的蒸发率。假设对屏蔽件的冷却功率随蒸发率线性变化。
表I展示模拟的输出的概述。通过使OVC温度降低20K，可实现减少21%的致冷剂消耗(蒸发率)，而致冷器消耗的降低对应于持续时间的成类似比例的增加。
权利要求
1.一种低温恒温器，包括一个保持在一外部真空容器(OVC) (14)内的致冷剂容器 (12)，还包括一个围绕所述OVC且使所述OVC与环境温度隔绝的隔热封套，以及一用来有效冷却所述OVC的装置。
2.根据权利要求I所述的低温恒温器，其中提供一电动致冷器在隔热封套内冷却所述OVC。
3.—种低温恒温器，其包括一个保持在一外部真空容器(OVC) (14)内的致冷剂容器(12)以及一个围绕所述OVC且使所述OVC与环境温度隔绝的隔热封套，所述致冷剂容器设有一允许致冷剂气体逸出所述致冷剂容器的排放路径，其特征在于，一冷却管(32)经布置位于所述隔热封套和所述OVC之间以与所述OVC热接触，以便引导通过所述排放路径逸出的致冷剂气体通过所述冷却管，藉此冷却所述0VC。
4.根据权利要求3所述的低温恒温器，其中所述冷却管(32)插入于所述隔热封套与所述OVC之间。
5.根据权利要求4所述的低温恒温器，其中所述冷却管(32)可从所述OVC上拆除。
6.根据权利要求2至4中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述冷却管(32)环绕 OVC至少一周。
7.根据权利要求3至6中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述冷却管在所述 OVC的表面上采取盘旋式路径。
8.根据权利要求3至7中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述冷却管具有柔性， 且被布置在柔性包装材料内，所述柔性包装材料包裹在所述OVC周围且被所述封套覆盖。
9.根据权利要求3至8中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述冷却管被施加在所述OVC的圆柱形表面上。
10.根据权利要求3至9中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述冷却管机械结合至所述OVC上。
11.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述封套(30)机械结合至所述OVC。
12.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套集成有观看盖的功倉泛。
13.根据权利要求12所述的低温恒温器，其中所述封套包括具有用于容纳辅助设备的模制通道的固体材料。
14.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套包括柔性材料。
15.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套包括松散材料。
16.根据权利要求15所述的低温恒温器，其中所述松散材料容纳于柔性囊中。
17.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套提供阻尼，以抵抗系统在搬运期间所经受的机械震动。
18.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套保护所述OVC在搬运期间免受例如海水的污染物。
19.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套与用于运输所述低温恒温器的托盘集成在一起。
20.一种超导磁体，其容纳在根据前述任一权利要求所述的低温恒温器中。
21.—种包括一超导磁体的MRI系统，所述超导磁体容纳在根据权利要求I至20中任一权利要求所述的低温恒温器中。
全文摘要
一种低温恒温器，其包括一个保持在一外部真空容器(OVC)(14)内的致冷剂容器(12)，其进一步包括一个围绕所述OVC且使其与环境温度隔绝的隔热封套。
文档编号F25B19/00GK102538280SQ20121002877
公开日2012年7月4日 申请日期2008年10月23日 优先权日2007年11月2日
发明者埃德加.C.M.雷纳, 拉塞尔.P.戈尔, 斯蒂芬.P.特罗韦尔 申请人:英国西门子公司