低温恒温器布置和用于低温恒温器的安装布置的制作方法

本发明涉及低温恒温器布置(cryostatarrangement)、用于低温恒温器的安装布置以及包括这样的低温恒温器布置或安装布置的磁体布置。

背景技术：

虽然除此之外可更广泛地应用，但是当前的想法对提供超导磁体布置(特别是用于在mri(磁共振成像)中使用的超导磁体布置)特别感兴趣。众所周知，在这样的磁体中，通常必需将超导磁体冷却到低温才可实现超导行为。因此，在这样的磁体布置中，将超导磁体容纳在低温恒温器中，且设置冷却布置用于将磁体冷却到操作温度且在操作期间将磁体维持在超导温度。

通常使用某种形式的低温冷却器(cryocooler)以将磁体降低到其操作温度且将其维持在其操作温度。有时，这两个操作可以使用相同的低温冷却器。然而，在其他情况下，在初始冷却中使用的低温冷却器将与正在进行的操作(ongoingoperation)中使用的低温冷却器不同。即使在不期望在低温恒温器的寿命内在低温冷却器之间切换以用于不同级的情况下，通常要求安装低温冷却器，且如果发生某种问题或故障，则会不时地要求执行维修和/或更换低温冷却器。

因此，通常期望提供低温冷却器的方便安装和移除。此外，如果可以发生这样的安装和移除，同时低温恒温器仍处于低温(比如说，其操作温度或接近于其操作温度)，则是期望的。

同时，重要的是，在低温冷却器的冷却操作期间，在低温冷却器的冷头(coldhead)和低温恒温器的内部之间维持良好的热接触。也就是说，应理解，除了需要此良好热接触的位置之外，通常期望使从低温恒温器的内部到外部的热传导路径最小化。

技术实现要素：

因此，通过此问题背景和优选特征开发了本系统。

根据本发明的一方面，提供了一种用于将低温冷却器的冷头安装在低温恒温器中以用于允许由该低温冷却器从该低温恒温器的内部提取热量的低温冷却器安装布置，该安装布置包括一个用于安装在该冷头上的冷头接口部分(interfaceportion)和一个用于安装在该低温恒温器中且被布置成用于接收该冷头的护套部分(sockportion)，该护套部分包括一个用于接收该冷头接口部分的接收接口部分，以便在其之间提供热接触，且因此在该冷头和该低温恒温器的内部之间提供热接触，其中该冷头接口部分和该接收接口部分中的一个包括多个柔性指状物部分(figureportion)，且该冷头接口部分和该接收接口部分中的另一个包括一个支承表面，所述指状物部分被布置成抵靠该支承表面安置，且该安装布置还包括一个夹紧环，用于可释放地夹紧抵靠该支承表面的所述指状物部分，以确保冷头接口和接收接口之间的热接触。

根据本发明的另一方面，提供了一种低温恒温器布置，包括一个低温恒温器和一个低温冷却器，该低温冷却器具有一个用于安装在该低温恒温器中用于允许由该低温冷却器从该低温恒温器的内部提取热量的冷头，该低温恒温器布置包括一个设置在该冷头上的冷头接口部分和一个安装在该低温恒温器中且被布置成用于接收该冷头的护套部分，该护套部分包括一个用于接收该冷头接口部分的接收接口部分，以便在其之间提供热接触，且因此在该冷头和该低温恒温器的内部之间提供热接触，其中该冷头接口部分和该接收接口部分中的一个包括多个柔性指状物部分，且该冷头接口部分和该接收接口部分中的另一个包括一个支承表面，所述指状物部分被布置成抵靠该支承表面安置，且该安装布置还包括一个夹紧环，用于可释放地夹紧抵靠该支承表面的所述指状物部分，以确保冷头接口和接收接口之间的热接触。

此布置允许将低温冷却器容易地引入到低温恒温器内和从低温恒温器移除低温冷却器，同时在冷头和低温恒温器的内部之间提供良好的热接触。这意味着，例如可以在不同时间容易地使用不同的低温冷却器，例如在与正在进行的操作相比的初始冷却时，且便于初始设置和维护。

该夹紧环可以被布置成响应于低温恒温器中的环境操作温度而收缩，以提供夹紧作用。该夹紧环可以是ptfe(聚四氟乙烯)。

可以设置加热装置用于加热夹紧环以使其膨胀，以帮助所述指状物部分在该支承表面上的释放和/或定位。该加热装置可以包括由该夹紧环承载的加热丝(heatingwire)。

该接收接口部分、该冷头接口部分和该夹紧环可以被布置成使得，在室温下，所述接口部分可以自由地接合和脱离而不受夹紧环的干扰，而在低温恒温器中的环境操作温度下，所述夹紧环夹紧所述指状物抵靠该支承表面。

可以设置保持装置用于将该夹紧环保持在位以用于作用在所述指状物上。最初提出的形式的保持装置包括夹子(clip)，所述夹子被设置在相应的接口部分上且在环之上和周围突出以将它保持在位。然而，已经发现，这样的形式的保持装置具有的缺点在于:它增加了接口部分处的外部直径，这可以导致较大的总体设计和增加的热量泄漏。因此，一个替代方案是优选的。

优选地，该夹紧环被承载在包括多个指状物的接口部分上，且通过设置在所述多个指状物中的至少一个(优选地至少两个)上的相应的保持台肩部分而被保持在位。可以设置相应的台肩部分以抵抗该夹紧环在一个轴向方向或两个轴向方向上的移动。所述多个指状物中的至少一个(或优选地至少两个)可以包括相应的凹处，该夹紧环被定位在该凹处中，用于将该夹紧环保持在位。可以在每个指状物中设置相应的凹处。

这可以提供特别紧凑的设计。

包括所述多个指状物的接口部分可以包括一个杯形部分，该杯形部分具有第一径向延伸部分和一个自此悬垂的扩口圆柱形部分，该扩口圆柱形部分包括所述多个指状物。

此布置可以在适当的情况下将接口部分容易地装配到冷头或护套，和/或可以帮助促进在冷头和护套之间提供间隔以使其间的不期望的热量传递最小化。它还可以导致能够更好地承受指状物部分的多次夹紧和松开的更鲁棒的设计。

该杯形部分可以是由单件材料制成。

该支承表面可以是圆锥形的，且所述指状物可以布置成位于互补的锥形表面上，以使得在接合接口时，所述指状物在该支承表面之上滑动。这可以有助于接口的接合且允许调节制造公差和热膨胀和收缩，同时保持良好热接触。

该冷头接口可以包括所述多个指状物，且该接收接口可以包括该支承表面。

所述多个指状物可以被布置成围绕该支承表面。

可以设置一对冷头接口，且可以设置对应的一对接收接口，其中所述冷头接口中的第一个用于与所述接收接口中的第一个接合，且所述冷头接口中的第二个用于与所述接收接口中的第二个接合。

该低温恒温器可以是多级低温恒温器，且所述接收接口中的第一个可以与该低温恒温器的用于从第一级提取热量的第一级相关联，且所述接收接口中的第二个可以与该低温恒温器的用于从第二级提取热量的第二级相关联。

该安装布置或低温恒温器布置可以包括一个用于在低温冷却器和低温恒温器的外壁之间定位的环状外部接口布置，该环形外部接口布置被布置成围绕该低温恒温器的该外壁中的一个孔径(aperture)定位，当被定位到该护套内时，该冷头穿过该孔径。

该外部接口布置可以包括一个电缆通路，用于提供电力电缆从外部进入该护套内部的路径。

该外部接口布置可以包括一个活塞密封部分，该活塞密封部分具有至少一个密封件，该密封件被布置成用于对该外部接口布置、该低温恒温器的壁和该护套中的至少一个的轴向表面密封，用于创建真空密封，同时允许密封件和所述轴向表面的相对轴向位置的公差。

这可以允许将低温冷却器和接口布置夹紧到低温恒温器，以便提供真空密封，同时容许建造变化/误差。

根据本发明的另一方面，提供一种磁体布置，包括一个如上文所限定的低温恒温器布置，且包括一个容纳在低温恒温器中的超导磁体。应理解，在这样的情况下，该磁体可以起待被低温冷却器冷却的冷质量(coldmass)的作用。

该磁体布置可以是mri(磁共振成像)磁体布置。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于将低温冷却器的冷头安装在低温恒温器中以用于允许由该低温冷却器从该低温恒温器的内部提取热量的低温冷却器安装方法，该方法包括以下步骤：

在该冷头上设置一个冷头接口部分；

在该低温恒温器内设置一个护套部分，该护套部分被布置成用于接收该冷头，该护套部分包括一个用于接收该冷头接口部分的接收接口部分，以便在其间提供热接触，且因此在该冷头和该低温恒温器的内部之间提供热接触；

其中该冷头接口部分和该接收接口部分中的一个包括多个柔性指状物部分，且该冷头接口部分和该接收接口部分中的另一个包括一个支承表面，所述指状物部分被布置成抵靠该支承表面安置，且该方法包括另一些步骤：

将所述指状物部分定位在该支承表面上；以及

使用一个夹紧环来可释放地夹紧抵靠该支承表面的指状物部分，以确保冷头接口和接收接口之间的热接触。

附图说明

将参考附图仅通过实施例的方式描述本发明的实施方案，在附图中：

图1示出了包括刚好将被插入低温恒温器中的位置的低温冷却器的磁体布置的一部分；

图2示出了被示出为将被插入图1中的低温恒温器内但是孤立的低温冷却器；

图3是示出了在原位图1和图2的低温冷却器的截面，该低温冷却器的低温恒温器-部分和该低温恒温器的一部分是可见的，但由于比例二者表现为简化形式；

图4示出了在低温恒温器中定位在设置于该低温恒温器中的护套中的适当位置的图1和图2的低温冷却器，其中该护套和该低温冷却器的一部分被切掉，以便更好地示出该布置的多个特征；

图5a和图5b示出了图4中示出的低温冷却器和护套的一部分的相应的放大部分，各自更好地示出该低温冷却器的冷头和该护套之间的相应的接口；以及

图6示出了图4中示出的布置的另一个放大部分，更清楚地示出了该低温冷却器的冷头和该低温恒温器的外部真空室壁之间的外部接口布置。

具体实施方式

图1示出了超导磁体布置，该超导磁体布置在此情况下是mri超导磁体布置。该磁体布置包括低温恒温器1，在该低温恒温器1中容纳超导磁体m(参见图3)作为冷质量以被维持在零下温度。众所周知，将磁体维持到的温度将取决于特定磁体设计以及例如其中使用的材料。在目前情况下，超导磁体将被维持在液氦温度，也就是说在大约4开尔文(kelvin)。

该磁体布置还包括至少一个低温冷却器2，在此情况下，设置两个这样的低温冷却器2。低温恒温器1和低温冷却器2可以被一起考虑，以构成低温恒温器布置。

在图1中，低温冷却器2中的一个被示出为刚好在插入低温恒温器1内之前的位置中。另一个低温冷却器2被示出为定位在低温恒温器1内的适当位置。

应理解，可以使用不同类型的低温冷却器。因此，例如可以使用gifford-mcmahon(gm)低温冷却器，或可以使用脉冲管(pt)低温冷却器。在申请人当前感兴趣的一个特定实施方式中，低温冷却器的这些类型中的一种类型将在初始冷却级中使用，而另一种类型将用于低温恒温器的正在进行的操作。在其他情况下，可以类似地使用属于相同类型但具有不同性能特性的两个不同低温冷却器。如下面将更详细解释的，本磁体布置/低温恒温器布置促进此类型的低温冷却器互换。此外，当可以将低温恒温器1维持在冷温度(即操作温度)时且对应地维持低温恒温器中的隔热真空时，这可以被促进。

图2孤立地示出了图1的低温冷却器2中的一个，而图3和图4示出了当插入设置在低温恒温器1内的护套3中的适当位置时的低温冷却器2。低温冷却器2包括冷头21，该冷头21被布置成用于插入护套3内，且还被布置成用于从与该冷头热接触的元件提取热量。这样的低温冷却器的设计和操作是众所周知的，且商业可得的低温冷却器可以用在本发明的设备中。因此，对低温冷却器的结构和操作的任何进一步描述不是必需的，且因此为了简洁起见，将其从此说明书省略。

在目前情况下，低温冷却器2是具有用于提供冷却到第一温度的第一级21a和用于提供冷却到第二冷却器温度的第二级21b的两级低温冷却器。第一冷头接口部分22a被设置在第一级21a上，第二冷头接口部分22b被设置在第二级21b上。

参考图3至图5a和图5b，第一级冷头接口部分22a被布置成用于与第一级护套接口部分32a热接触，且第二级冷头接口部分22b被布置成用于与第二级护套接口部分32b热接触。

这些相应的接口部分对(一方面22a、32a，且另一方面22b、32b)提供冷头21和低温恒温器1的相应的级之间的热传导路径。

该低温恒温器包括外部真空室壁11，且在外部真空室壁内嵌套有辐射屏蔽12。冷质量——磁体m——被容纳在辐射屏蔽12内。护套3突出穿过外部真空室壁11且穿过辐射屏蔽12。

第一级护套接口部分32a经由第一热链接13a联接到辐射屏蔽12。第二级护套接口部分32b经由第二热链接13b和热接口13c联接到冷质量m。热链接13a、13b二者是柔性的，以允许热膨胀和收缩以及建造公差。

本实施方案涉及一种具有传导冷却磁体的系统，即无冷冻剂的系统。在具有含有氦的布置的替代方案中，柔性将由波纹管的布置提供，且低温冷却器的适当级的接口将是通过提取热量来将冷冻剂蒸气转变成液体的“冷凝器”。

护套3包括从低温恒温器的外部真空室壁11向下延伸到低温恒温器的主体内的薄壁圆柱形壳体部分31。该圆柱形护套壁31被密封到低温恒温器的外部真空室壁11。这些弯曲的壁部分31保持尽可能薄，以使从低温恒温器的内部到外部的传导路径最小化。同时，它们在低温恒温器中设置一个真空室，冷头21驻留在该真空室内。护套3终止于第二级接口部分32b，使得护套3的内部与低温恒温器的内部密封。

在图5a和图5b中以较大比例示出了冷头接口部分22a、22b和护套接口部分32a、32b。第一级冷头接口部分22a和第一级护套接口部分32a分别具有与第二级冷头接口部分22b和第二级护套接口部分32b类似的形式。

通过考虑图2至图5a和图5b可以看到，冷头接口部分22a、22b中的每个是大致杯形的。它们各自具有第一径向延伸部分221a、221b和在每种情况下自此悬垂的相应的扩口圆筒部分221b、222b。扩口圆筒部分221b、222b中的每个包括相应的多个柔性指状物部分23a、23b。每个杯形部分中存在一个轴向孔径。冷头21穿过第一级冷头接口部分22a中的孔径。第二级冷头接口部分22b中的孔径使冷头21的、接口部分22b所安装到的端暴露。

在每种情况下，包括径向延伸部分221a、221b和悬垂的圆柱形部分222a、222b的冷头接口部分22a、22b由单片材料形成。因此，多个指状物23a、23b中的每个与相应的径向延伸部分221a、221b一体形成，且这导致特别鲁棒的设计。

第一级接口部分22a被安装到设置在冷头21上的凸缘24。第二级接口部分22b被安装到冷头21的端25。注意，此特定构造由于以下事实造成：在附图中示出的实施例中，冷头21是已添加了所述接口部分的商业可得的部件。在一个替代方案中，可以提供专门生产的冷头21(或整个低温冷却器2)，在此情况下，如果需要，接口部分22a、22b可以与冷头的壳体一体形成。

第一和第二级护套接口部分32a、32b分别包括一个环形凹处321a、321b，相应的冷头接口22a、22b的柔性指状物23a、23b可以延伸到所述环形凹处内。此外，第一和第二级护套接口32a、32b包括支承表面322a、322b，当相应的接口部分22a和32a、22b和32b接合时，相应的一组柔性指状物23a、23b支承抵靠所述支承表面322a、322b。每个支承表面322a、322b对应于相应的环形凹处的一个侧壁。

支承表面322a、322b是锥形的，也就是说，它们位于圆锥形表面上。相应的柔性指状物23a、23b的内部接合壁限定互补的锥形，也就是说，它们位于互补的圆锥表面上。所述表面使得接口之间的接合被促进，且即使在一方面冷头接口22a、22b和另一方面相应的护套接口32a、32b之间存在位置的轴向变化，也可以获得接口部分之间良好的机械接触和热接触。应理解，由于热膨胀和收缩，可能倾向于发生一些这样的轴向变化。此外，此布置还可以允许相同类型的低温冷却器之间的制造公差以及不同类型的低温冷却器之间的尺度差异。

设置夹紧环4a用于将第一级冷头接口22a的指状物23a夹紧到第一级护套接口32a的相应的支承表面322a，且类似地设置夹紧环4b用于将第二级冷头接口22b的指状物23b夹紧到第二级护套接口32b的相应的支承表面322b。

每个夹紧环4a、4b包括一个材料环，所述材料环被布置成在低温恒温器布置的冷操作温度下收缩，以使指状物23a、23b在相应的护套接口32a、32b上被夹紧在位。在本实施方案中，每个夹紧环为ptfe。此外，每个夹紧环4a、4b承载相应的加热丝41a、41b，所述加热丝41a、41b可以用于局部加热夹紧环4a、4b，从而使其膨胀，且因此减小其对相应的指状物23a、23b的夹紧力。应理解，这可以促进相应的接口部分的接合并允许脱离。

因此，总体而言，这提供了一种特别方便的机构，用于在需要时允许快速且容易地实现冷头21和低温恒温器1的内部之间的热接触，且类似地在需要时允许快速且容易地断开这样的接触，且因此促进将冷头21和低温冷却器2作为一个整体移除。

在本设计中，每个夹紧环4a、4b由于被保持在设置于柔性指状物的外部壁上的相应的凹处231a、231b中而在相应组的柔性指状物23a、23b上被保持在位。此凹处在凹处的每端处产生对应的台肩部分，其作用在相应的夹紧环4a、4b上，以将其保持在位以抵抗轴向移动。这提供了一种特别紧凑的设计，尤其超过最初提出的布置——其中用延伸超过夹紧环的夹持部分将夹紧环保持在位。进而，这允许产生更紧凑的设计——其中护套3的直径可以被最小化。

应注意，在本布置中，第二级冷头接口部分22b以及其对应的夹紧部分4b需要穿过第一级护套接口部分32a的内部直径。因此，如果第二级冷头接口部分22b以及其夹紧部分4b的总体外部直径较大，则这会要求第一级护套接口部分32a的内部直径不成比例地大。通过避免此情况，可以实现有助于减少低温恒温器的内部和外部之间的热泄漏路径的较小的总体护套设计，这是因为尺寸减小且因此护套3材料减少。

如图6中最清楚地看到的，而且也例如在图4中示出，设置外部接口布置5用于将低温冷却器2安装到低温恒温器1的外部真空室壁11。

外部接口布置5包括环状接口凸缘51，所述接口凸缘通过螺栓在外部真空室11上保持在位。外部接口布置5还包括活塞密封部分52，所述活塞密封部分52又是环状的且被布置成被部署在低温冷却器2的安装凸缘26和接口凸缘51之间。活塞密封部分52包括径向延伸部分52a和轴向延伸部分52b，所述轴向延伸部分52b承载至少一个密封件52c，所述密封件52c支承在轴向表面上，用于使护套部分3的内部与外部密封。所述轴向表面在本实施方案中是接合凸缘51的轴向表面，但在其它情况下，它可以是护套3或外部真空室壁11的轴向表面。使活塞密封部分52对轴向表面密封具有的优点是：可以获得有效密封，同时存在关于活塞密封部分52相对于其他部件的轴向位置的相当大程度的公差。因此，再次地，这可以允许热膨胀和收缩以及允许标称尺度的差异，无论这些差异是由于存在不同的低温冷却器，还是由于制造公差/误差造成。

具体地，应注意，借助于活塞密封部分52，可以为护套3提供真空密封，其中冷头21被定位在一系列相对于护套的轴向位置中。在申请人的当前的设计中，可以提供+/-2毫米的公差。这是重要的，因为它允许将低温冷却器2夹紧在位，同时认识到在冷头2和护套3之间的相应的接口部分22a、32a和22b、32b之间的准确且完全的接合是最终目的。

还应理解，可以在接口凸缘51未被夹紧在位的情况下使用这样的活塞密封部分52。也就是说，在活塞密封部分52对外部真空室壁11的轴向表面或护套壁31的轴向表面密封的情况下，可以省掉环状接合凸缘51。

外部接口布置5还包括贯穿通路53，以允许将电力电缆从外部引入护套3的内部。这允许将仪器永久地附接到冷头21。此外，它通过移除冷头21允许这样的仪器可供使用，且避免在护套3内的服务操作期间必须进行的连接。此外，接口布置5还包括真空端口54(参见图4)，用于允许从护套3的内部引入或提取气体。

为了完成真空密封，在外部接口布置5的部件彼此之间以及部件和护套/外部真空壁和冷头之间提供其它密封件，但是轴向表面上的密封件52c在安装冷头时提供轴向公差。

活塞密封部分52包括多个扇形部分(scallopedportion)，所述扇形部分被布置成与设置在环状接口部分51中的螺栓配准(register)，以使得即使当低温冷却器2且因此活塞密封部分52被保持在位时也允许访问这些螺栓。