专利名称：低温恒温器传输过程中冷却剂损失的减小的制作方法
超导磁系统用于医学诊断，例如，用在核磁共振成像系统。MRI磁体的要求是它产生稳定、均匀的磁场。为了实现所需的稳定性，使用在超低温下操作的超导磁系统是常见的。通常通过浸入在低温流体(例如液氦)中对超导体进行冷却来保持温度。
超导磁系统通常包括一组用于产生磁场的超导绕组，其在容纳该超导绕组的低温流体容器内浸入到低温流体中以便将绕组保持在超导温度下。低温流体容器通常被一个或多个热屏蔽以及完全封闭该屏蔽和低温容器的真空套包围。
访问颈通常从外部通过真空套进入低温容器中。这种访问颈用于用低温液体填充低温容器并且用于在低温容器内进行维护以保证磁体系统的正常操作。
低温流体，特别是氦，是昂贵的并且希望以某种方式设计并操作磁体系统以便将所消耗的低温液体量减到最小。低温液体可以由进入低温容器内的热泄漏引起的蒸发而损失。真空套减少通过传导和对流泄漏到低温容器的热量。热屏蔽减少通过辐射泄漏到低温容器的热量。为了进一步减少热负载-泄漏到低温流体容器的热，并因此减少液体损失，使用制冷机将热屏蔽冷却到低温是常见的实际方法。使用这种制冷机直接冷冻冷却剂容器从而减少制冷流体的消耗也是公知的。其中使用第一级来冷却热屏蔽而第二级来冷却低温容器的二级制冷机也是公知的。
希望将包含冷却液体的这种超导磁系统从制造地运输到操作地，以便使它们能尽可能快地操作。在运输期间，冷却一个或多个屏蔽和/或冷却剂容器的制冷机是不工作的，并且不能从冷却剂容器转移热负载。当然，制冷机自身向外界热量提供了到达低温容器的低热阻路径。这转而意味着在运输过程中相对高的蒸发水平，导致冷却剂液体的损失。在这样的环境下，蒸发的冷却剂通常排放到大气。由于冷却剂是昂贵的并且为了延长可用于递送的时间(系统能够与未操作的制冷机保持在一起但仍包含一些冷却剂液体的时间)，将冷却剂的损失减少到可能的最小值是希望的。
在先前的构造中，从冷却剂液体蒸发的气体单独经访问颈离开冷却剂容器。众所周知，通过使用气体的冷却功率冷却冷却剂容器的访问颈并且通过与冷排气进行热交换为热屏蔽提供冷却，可以采用来自沸腾的低温液体的冷气减少输入到冷却剂容器的热量。
当为了运输关闭超导磁系统的制冷机时，外界热量沿无源的制冷机传导到热屏蔽和/或冷却剂容器。制冷机通常通过制冷机界面可拆卸地连接到热屏蔽和低温容器。已经证明，将制冷机从制冷机界面移除可以显著地减少系统内部的热负载，并且从而减少低温液体的损失。然而，这个解决方案的缺点多于其优点当MRI系统进入操作时必须将制冷机还原，而保持这种在后操作尽可能简单是希望的。将制冷机还原可能涉及困难并熟练的操作。它还需要在磁体系统就位后，并且甚至在系统完全装配之前尽可能快地允许制冷机进行操作，以防止冷却剂的进一步损失。
因此本发明解决未操作的超导磁系统的冷却剂损失的问题，尤其是解决未操作的制冷机呈现在磁系统上的导致低温液体损失的热负载的问题。
因而，本发明提供如附加权利要求所限定的方法和装置。
根据本发明的一方面，为了在超导磁系统的运输过程中，或者甚至在制冷机关闭的任何时候将冷却剂的损失最小化，部分蒸发气体定向为从冷却剂容器经制冷机表面并且通过制冷机以冷却制冷机。沿制冷机传导到系统内的某些热量被部分蒸发气体拦截并移除。由此减小低温容器上的热负载，这转而减小了低温容器的冷却剂的蒸发。该部分蒸发气体随后连同蒸发气体的剩余部分从系统排出，例如经由访问颈离开低温液体容器。
结合附图并参考仅作为实例的多个具体实施例对本发明的上述及进一步目的、特性以及优点进行描述，其中
图1显示了根据本发明一实施例用于MRI系统的超导磁系统的截面；图2更加详细地显示了部分图1的超导磁系统的截面；图3显示了图2所示的本发明实施例的特定细节；图4显示了根据本发明另一实施例与图3对应的视图；以及图5显示了适于屏蔽冷却的本发明的实施例。
图1显示了根据本发明一实施例用于MRI系统的超导磁系统3的截面。二级低温制冷机1通过界面套管(也称为界面套筒)2可拆卸连接，以使其第一级冷却屏蔽20并且其第二级冷却低温容器5。制冷机优选配置为再凝结制冷机。由制冷机的第二级冷却的热交换器暴露于低温容器5的内部，例如通过管4。因此在操作时，制冷机能够通过将已蒸发的冷却剂的再凝结回其液态而减少低温液体的消耗。
超导磁线圈(图未示)设置在低温容器5内。界面套管是从低温恒温器3的外部延伸为与冷却剂容器5热连接的腔室。在某些实施例中，冷却剂容器的内部可以暴露在套管的内部。套管优选由相对低导热性材料的薄壁组成，例如特定等级的不锈钢。线圈浸入在低温液体5a内。在低温容器周围提供热屏蔽20。真空套22将低温容器和屏蔽封闭在真空中。提供中孔24以便容纳患者进行检查。提供访问颈7以允许访问低温容器5。
根据本发明的一实施例，管道6提供了从界面套管2的顶部到访问颈7顶部的气体导管。来自冷却剂5a的蒸发气体可以从冷却剂容器5经管4、界面套管2并沿管道6流到访问颈7。
管道6的存在所提供的优点在于，在运输过程中，来自沸腾的冷却剂的一部分蒸发气体经界面套管2向上传递，通过制冷机1。这样冷却了制冷机1并且减小由未操作的制冷机1传导至超导磁系统内的外界热量。优选地，当超导磁系统操作时，管道6由一个或多个阀关闭。
图2显示了制冷机界面套管2和管道6的更详细的示意图。在运输过程中，以及甚至在制冷机1未操作的任何时候，冷却剂5a的蒸发物将出现，并且蒸发气体将在略高于冷却剂的沸点的温度下产生。液态氦普遍使用于许多超导磁系统。在这种系统中，蒸发气体的温度在4K范围内。制冷机1将暴露于大约300K的外界温度。由于制冷机1是未操作的，将沿制冷机的长度建立温度梯度。本发明主要目的在于调整温度梯度线形。
在低温容器5内产生的蒸发气体可以通过访问颈7或者根据本发明的另一方面经管4、界面套管2、通过制冷机并随后经管道6离开容器。这两个路径优选刚好在排气阀26(图1)的上游汇合。流经制冷机的蒸发气体首先进入到制冷机第二级和界面套管的下部之间的空间8内，然后进入制冷机第一级和界面套管的上部之间的空间9内。为了在界套管的下部和上部之间行进，气体必须横越将制冷机第一级热连结到热屏蔽20的热连接15、30。将在下文参考图3对这个结构进一步描述。蒸发气体随后流入附着在制冷机的上凸缘11的连接管道10内，并然后流入管道6内。管道6优选为与阀12配合，阀12在运输过程中是打开的，但当制冷机操作时的磁系统的正常操作过程中是关闭的。此外，管道6可以与手段13配合以控制通过制冷机的气流，手段13可以通过使用适合尺寸的节流孔方便地实现。节流孔可以是固定尺寸或者是可调的。
图3显示了在界面套管内的，尤其是制冷机第一级到屏蔽20的热连接15、30内的制冷机的进一步细节。在本实例中，在第一级热交换器28及其接触凸缘15与连结到屏蔽20的热触点30之间的热连接通过使用压制锥形实现，虽然可以备选采用本领域公知的其他手段。热连接可以采用金属铟以改进接触凸缘15和热触点30之间的热接触。
如上所述，流经套管2下部、通过制冷机的第二级的蒸发气体必须横越将制冷机第一级热连结到热屏蔽20的热连接15、30。图3显示了用于蒸发气体穿过热连接的路径的特定备选配置。
蒸发气体可以经由提供通过或经过接触凸缘15的通路的通道穿过热连接。在图3所示的一个实施例中，通道14切入到接触凸缘的外接触面。在另一实施例中，通道16a切入到接触凸缘的内表面而连接的径向通道16切入到接触凸缘的上表面。在图3的主图上，通道14显示为在右手侧的适当位置，而通道16、16a显示为在左手侧的适当位置。在又一备选实施例中，倾斜孔17可以钻孔或其他方式形成为贯穿接触凸缘15，以提供用于气体在下套管部分8和上套管部分9之间流动的通路。虽然备选方案14、16和16a是较容易制造的，但它们的缺点是在制冷机第一级热交换器和接触凸缘之间的接触面积和在接触凸缘与热触点30之间的接触面积分别减小。倾斜孔17不具有这个缺点，但较难制造。利用这些实施例中的任何一个，穿过或通过接触凸缘15的蒸发气体与凸缘，并因此与热触点30处于良好的热接触，并且有助于通过热连接19冷却与制冷机的第一冷却级热连接的热屏蔽，热连接19可以是任何适当的公知形式，例如柔性铜穿线。
在备选实施例中，例如以14、16、16a和17显示的通路可以备选地或者附加地设置在热触点30内，而不是仅设置在接触凸缘15内。
随着蒸发气体流过制冷机，初始在大约4K的温度下，对制冷机进行冷却。由蒸发气体移除的热量随着气体向上穿过套管而对其进行加热。尽管蒸发气体已被加热，但它保持在非常低的温度下。因而在其经过或通过接触凸缘15和/或热界面30的过程中，蒸发气体将十分有效地沿其全部长度对制冷机进行冷却并通过冷却热界面30冷却屏蔽20。
除了经热连接19冷却屏蔽20，如图5所示，冷却剂蒸发气体可以以用于冷却制冷机大致相同的方式用来直接冷却屏蔽20。冷气可以经管道31从氦容器5提取，管道31优选为低导热性的并且通过与屏蔽紧密热接触的管32。在图5中显示了这个原理的一实施例。该管将经优选为低导热性的管道33从真空套22离开，经管道34进入排风系统。以如下文针对制冷机冷却所描述的相同的方式，通过使用阀和节流孔对气流进行控制。通过这个方式，可以平衡气流以便优化系统的冷却性能。
这个构造将最大化气体焓的使用以冷却屏蔽，并且可以用于最小化在系统运输过程中冷却剂的损耗。液体冷却剂还可以通过这个热交换管以减少将系统从室温进行初始冷却所需的时间。
制冷机1可以是任何公知类型，例如Gifford-McMahon或脉冲管制冷机。尤其是制冷机的上部可以包含相对精密的机械部件。存在通过如本发明所提供的制冷机的蒸发气体流可能会通过将制冷机的某些部件冷却到远低于它们的正常工作温度的温度而损坏这些部件的风险。因此，在本发明的特定实施例中，必须采取一些步骤以保证制冷机没有被蒸发气体过分地冷却到引起制冷机损害的范围内。
根据本发明的一方面，节流孔13可以设置在管道6上。这可以是固定的节流孔或可调的节流孔。通过限制管6内的气流速率，可以控制经过制冷机的蒸发气体的质量流量，并且因此控制蒸发气体在制冷机的不同部件上的冷却效果。例如通过热连接15、30的通路14、16、16a以及17也作为气流流速调节。通过适当地控制通过热连接和节流孔13的通道的尺寸，可以控制由选出蒸发气体对制冷机1的不同部件的冷却。节流孔13还可以进行适当的尺寸限定以限制经过管道6的气流以平衡经过管道6的气流以及经过访问颈7的蒸发气流。出于后一目的。可以测量管6以及访问颈7内的气流以保证制冷机的适当冷却。还可以出于其他目的对气流进行测量，例如为了监视剩余在冷却剂容器内的冷却剂数量。
还发现节流孔13的存在有利于防止蒸发气体的对流，否则蒸发气体将在经套管2、管10以及访问颈7的路径内流回到低温容器内，或者反之亦然。
在一备选实施例中，如图4所示，连接管道10的低端可以延伸到套管的上部。这个管道可以是热绝缘的10a。这一实施例的优点是蒸发气体不会流过制冷机的上部，并且可以以这种方式限制对制冷机的更敏感部件的冷却效果。
在测试中，已经发现根据本发明的低温磁系统的冷却剂损失减少到没有依据本发明改进的相同系统的损失的大约50％。
尽管已经参考数量有限的仅作为范例给出的实施例对本发明进行描述，但本发明可以以不同的方式改进，这对于相关领域内的普通技术人员来说是显而易见的。例如，尽管上述实例已经描述了安装有用于再凝结冷却剂气体以便在正常工作时不损失冷却剂的超低温制冷机的MRI磁系统，但本发明可以适用于更有效地去除由未操作的制冷机传导到用在其中仅对屏蔽进行冷冻以便在正常工作过程中减少但不消除冷却剂消耗的磁系统的热屏蔽的热量。
本发明还可以适用于减少任何设有未操作时在冷却剂容器上提供热负载的制冷机的低温容器的冷却剂损失。
权利要求
1.一种低温恒温器(3)，其包括设有访问颈(7)的低温容器(5)以及定位在界面套管(2)内的制冷机(1)，所述界面套管是从所述低温恒温器外部延伸成与所述冷却剂容器热连接的腔室，其特征在于提供从所述低温容器的内部经所述界面套管到达大气的通路(4，8，14，9，10，6)，以使从所述低温容器逸出的冷却剂气体的一部分流经所述通路，由此冷却所述制冷机。
2.根据权利要求1所述的低温恒温器，其特征在于所述通路包括到达所述冷却剂容器的入口(4)；限定在所述界面套管(2)的表面和所述制冷机(1)之间的腔(8，9)；以及从所述界面套管通向大气的出口管(10)。
3.根据权利要求2所述的低温恒温器，其特征在于所述通路进一步包括将所述出口管(10)连结到所述访问颈(7)的管道(6)。
4.根据上述权利要求任意一项所述的低温恒温器，其特征在于进一步包括包围所述低温容器的真空套(22)，其中所述访问颈和所述界面套管均横越所述真空套以便与所述低温容器和外界温度接触。
5.根据上述权利要求任意一项所述的低温恒温器，其特征在于进一步包括包围所述低温容器(5)的热屏蔽(20)，其中所述制冷机通过所述界面套管与所述热屏蔽热接触，由此从所述冷却剂容器逸出的冷却剂气体流经所述通路，由此冷却所述热屏蔽。
6.根据上述权利要求任意一项所述的低温恒温器，其特征在于所述通路从所述低温容器(15)经所述界面套管(2)延伸为接合所述访问颈(7)的出口。
7.根据权利要求6所述的低温恒温器，其特征在于从所述通路和所述访问颈之间的接合处的正下游提供排气阀(26)。
8.根据权利要求6或7所述的低温恒温器，其特征在于进一步包括用于调节经过所述通路的气流的装置(13)，从而调节由逸出冷却剂气体对所述制冷机的冷却。
9.根据权利要求5或从属于权利要求5任意一项权利要求所述的低温恒温器，其特征在于所述制冷机是二级制冷机，所述制冷机的第一级通过热连接(15，36)热连接为冷却所述热屏蔽，所述制冷机的第二级配置为冷却所述低温容器的内部，并且其中提供通道(14，16，16a，17)以便允许从所述冷却剂容器逸出的冷却剂气体沿所述通路流经或通过所述热连接。
10.根据权利要求9所述的低温恒温器，其特征在于所述热连接包括与所述制冷机的第一级热接触的接触凸缘(15)以及自身与所述屏蔽热接触的热触点(30)，所述接触凸缘和所述热触点是通过相应的接触面热接触和机械接触。
11.根据权利要求10所述的低温恒温器，其特征在于所述通道(14)包括切入到所述接触凸缘和所述热接触中的一个的接触面内的通道，所述通道在所述接触凸缘和所述热接触的对应一个的上表面和下表面之间延伸。
12.根据权利要求10所述的低温恒温器，其特征在于所述通道(17)包括穿过所述接触凸缘和所述热接触中的一个的主体的通路。
13.根据权利要求10所述的低温恒温器，其特征在于所述接触凸缘是大致环形，并且所述通道包括切入所述接触凸缘的内表面和上表面的通路。
14.根据上述权利要求任意一项所述的低温恒温器，其特征在于在所述通路内提供用于在需要时关闭所述通路的阀(12)。
15.根据上述权利要求任意一项所述的低温恒温器，其特征在于所述通路包括突入所述界面套管的上部内的出口管(10)，从而防止所述制冷机的相邻部分被逸出冷却剂气体过分冷却。
16.根据上述权利要求任意一项所述的低温恒温器，其特征在于进一步包括从所述低温容器(5)的内部到大气的第二通路(31，32，33，34)，所述通路与包围所述低温容器的热屏蔽(20)热接触，以便从所述低温容器逸出的冷却剂气体的一部分流经所述通路，由此冷却所述热屏蔽。
17.一种低温恒温器(3)，包括设有热屏蔽(20)的低温容器(5)，其特征在于提供从所述低温容器(5)的内部到达大气的通路(31，32，33，34)，所述通路与包围所述低温容器的热屏蔽(20)热接触，以使从所述低温容器逸出的冷却剂气体的一部分流经所述通路，由此冷却所述热屏蔽。
18.根据权利要求16或17所述的低温恒温器，其特征在于所述与热屏蔽热接触的通路包括从所述冷却剂容器导向与所述屏蔽紧密热接触的管(32)的管道(31)，所述通路从所述真空套(22)经另一管道(33)离开，其中所述管的导热性大于任一管道的导热性。
19.一种包括收容在根据上述权利要求任意一项所述的低温容器中的超导体磁绕组的MRI系统。
20.一种基本如所附附图描述和/或显示的低温恒温器或MRI系统。
全文摘要
为了最小化超导磁系统的运输过程中或者甚至在制冷机关闭的任何时间的冷却剂损失，部分蒸发气体从冷却容器导引成经过制冷机表面并且通过制冷机以冷却制冷机。沿制冷机传导到系统中的一些热量被部分蒸发气体拦截并移除。从而减小低温容器上的热负载，转而减小低温容器的冷却剂的蒸发。这部分蒸发气体随后连同剩余的蒸发气体从系统排出，例如经由访问颈离开低温液体容器。
文档编号H01F6/00GK1989370SQ200580024597
公开日2007年6月27日 申请日期2005年5月12日 优先权日2004年5月25日
发明者T·J·休斯, S·P·特罗维尔, K·怀特 申请人:西门子磁体技术有限公司