专利名称：热辐射防护屏、低温恒温器和mri系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在低温恒温器中使用的热辐射防护屏，特别涉及一种在磁共 振成像(MRI)系统中有用的、用于在一种容纳冷却的超导磁体的低温恒温器中使用的热辐 射防护屏。
背景技术：
MRI系统通常采用大的超导磁体，为成功操作超导磁体，需要将其冷却到低温温度 (如，液氦的温度)。提供低温恒温器以封闭磁体并保持大体积的液态致冷剂(如，氦)以 提供冷却。特定来说，液氦是非常昂贵的，低温恒温器经设计以将来自MRI系统所处的环境 的加热而引起的液氦损耗减到最少。在本描述中将把液氦用作实例致冷剂，但本申请不限 于氦冷却布置中的应用。实际上，本发明可应用于采用任何合适致冷剂的低温恒温器。提供多层结构，其经设计以将从周围环境中通过传导、对流和辐射而到达低温恒 温器的热量减到最少，参看图1和2将作更详细的解释。图1是穿过一种容纳超导磁体的常规低温恒温器的横截面。图2是图1的低温恒 温器的某些组件的部分剖视图，其特别图示了本发明提出的热辐射防护屏。图1是包含一致冷剂室7的低温恒温器的常规布置。在致冷剂室7内提供冷却的 超导磁体10，超导磁体10部分浸在液态致冷剂9内。磁体通过悬挂装置(图中未示出) 相对于致冷剂室保持在适当位置。致冷剂室7本身通过悬挂装置(图中未示出)保持在一 外部真空腔室(OVC) 12内。在致冷剂室7与外部真空腔室12之间的真空空间中提供一个 以上热辐射防护屏1。热辐射防护屏1通过悬挂装置(图中未示出)相对于致冷剂室7和 OVC 12保持于适当位置。通常提供若干个MYLAR 铝化聚酯薄膜和绝缘网格的层6，其 在热辐射防护屏1与OVC 12之间包围热辐射防护屏。清楚起见，这些层在图1中仅部分图 示。热辐射防护屏1和层6将通过辐射使从OVC 12到致冷剂室7的热传递减到最少。在 制造期间将OVC 12与致冷剂室7之间的体积抽空以将通过对流从OVC到致冷剂室的热传 递减到最少。在一些已知布置中，将致冷器17安装在位于塔台18中的出于保护目的而提供的 致冷器套筒15中(朝向低温恒温器侧部)。或者，致冷器可位于入口塔台19内，入口塔台 19保留在入口颈部(通风管)20中，该入口颈部安装在低温恒温器的顶部。在一些布置中， 致冷器通过将致冷剂室7内的致冷剂气体再冷凝为液体来提供对冷却致冷剂气体的有效 冷冻。致冷器17也可用以冷却辐射防护屏1。如图1说明，致冷器17可为两级致冷器。第 一冷却级经由热链路8热连接到辐射防护屏16，并提供冷却到第一温度(通常在80-100K 的区间)。第二冷却级提供对致冷剂气体的冷却到更低的温度(通常在4-10K的区间)。向磁体提供电连接，但为了清楚起见而未说明，因其在本发明中不起作用。在替代布置中，不使用大体积的液体致冷剂，且没有致冷剂室7。然而，仍提供热辐 射防护屏1，本发明可应用于此类布置。
如图2所示，MRI系统的辐射防护屏1通常形成为一种大体上圆柱形环形结构，其 具有两个环形端面3 (其中仅一个端面在图2中可见)、一个内部圆柱体4和一个外部圆柱 体5。如参看图1描述，热辐射防护屏1通常包围致冷剂室7，致冷剂室7含有液体致冷 剂9(如，氦)以冷却超导磁体10。若干反射MYLAH 材料(铝化聚酯片)和绝缘网格的 绝缘层6位于热辐射防护屏1的周围。在热辐射防护屏1周围提供外部真空腔(0VC)12，其 也有大体上圆柱形结构。在良好热接触8下，将一种致冷器单元(如图1中的致冷器17)提供给热辐射热 辐射防护屏1上的冷却区域2。在操作中，该致冷器单元会使热辐射防护屏1的温度维持在 大约52开。由于辐射和沿着悬挂元件的传导引起的热流入将导致热辐射防护屏1的加热。从 冷却区域2到热辐射防护屏1的其余部分的将存在温度梯度。在图2所示的箭头的方向上 热量将从热辐射防护屏的其余部分传导到冷却区域2，冷却区域2在本实例中图示为在热 辐射防护屏的顶部。热量在内部圆柱体4和外部圆柱体5上大致沿圆周流动到冷却区域2， 在端面3上大致垂直地流动到冷却区域2。热辐射防护屏1常规上由高级铝形成以提供强反射表面，以将进入致冷剂室7的 热辐射减到最少，并将从0VC 12辐射的热量的吸收减到最少。铝作为热辐射防护屏的材料 的又一优点是其高热导率。关于此类热辐射防护屏的问题在于其具有高电导率，因而准许 产生与在操作中由MRI系统中产生的磁场相对抗的涡电流，这会导致无效，特定来说，可能 更难解释所得图像，尤其在涡电流不均勻分布的情况下。减小用于热辐射防护屏的材料的电导率将减轻涡电流产生的问题，但具有较低电 导率的材料往往也具有低的热导率。必须维持充分的热性能以便热辐射防护屏执行其功 能。
发明内容
本发明旨在提供一种材料的热辐射防护屏，所述材料与常规金属片热辐射防护屏 相比电导率减小，但其具有充分的热导率使热辐射防护屏执行其功能。常规热辐射防护屏是由金属片形成，需要熟练的组装和安装。需要进一步 熟练的操作以将辅助组件连接到热辐射防护屏，例如电缆、连接器和阻热件(thermal interc印ts)(如，层压物(laminates)或铜织物)。本发明旨在提供一种热辐射防护屏，其 可由非熟练工人来构造和安装，这就有可能减少整个低温恒温器的制造成本，并减少安装 热辐射防护屏的时间。本发明如下实现热辐射防护屏的材料可经裁定以提供所需的热传导特性，同时 通过提供减小的电导率而将涡电流的产生减到最少。根据本发明，提供一种如所附权利要求书中定义的热辐射防护屏、低温恒温器和 MRI系统。
从以下参考附图仅以实例的方式给出的对本发明的特定实施例的描述，将更清楚本发明的上述和其它目的、特征和优点，附图中图1是穿过一种容纳超导磁体的常规低温恒温器的横截面；图2是图1的低温恒温器的某些组件的部分剖视图，其包含根据本发明的辐射热辐射防护屏；以及图3是根据本发明的一个实施例的热辐射防护屏的部分的放大横截面图。
具体实施例方式各种塑料-金属混合材料是已知的。通常，这些材料由一种塑料、一种导电填充 剂材料和一种低熔点金属合金组成，其中，所述塑料可以是热塑性塑料或热固性塑料，所述 导电填充剂材料如短切(chopped)金属纤维、金属颗粒或金属粉末，所述低熔点金属合金 如具有400°C以下(优选200°C以下)的熔点的焊料。这类材料EP1695358、US6274070、 JP2213002、EP0942436、US4882227和US4533685中都论述过。这些材料通常用以制作电磁 屏蔽，或者在常规塑料模塑制品上或常规塑料模塑制品中用以形成导电轨。此类塑料-金 属混合材料可通过注模成型(injection moulding)工艺制成。此外，制品可通过注模成型 工艺由塑料_金属混合材料制成。在注模成型工艺期间，在热塑性成分的情况下，将材料加热到塑料和合金均熔化 或至少软化的温度。随后可如常规进行注模成型。在冷却时，材料形成一个低熔点合金连 接的导电填充剂材料的互连网，所述低熔点合金嵌入塑料成分内。在包括热固性成分的塑料-金属混合材料的情况下，使用未凝固的树脂实施注模 成型。如果包含低熔点金属合金，应将塑料_金属混合材料加热到合金熔化或至少软化的 温度。由低熔点合金连接的导电填充剂网形成穿过材料的导热和导电轨。低熔点金属合 金和塑料的相应表面张力意味着合金引起形成导电轨网，而不是合金以不连在一起的小滴 的形式散布在塑料中。本发明关注这些塑料-金属混合材料的新应用，其中材料的电特性 和热性质两者都提供效果显著的优点。根据本发明的一方面，热辐射防护屏1由包括一种塑料成分、一种导电填充剂材 料和一种低熔点金属合金的塑料_金属混合材料形成。优选地，塑料成分是热塑性的，虽然在本发明的一些实施例中可以使用热固性塑 料。优选地，本发明的热辐射防护屏是通过注模成型形成的。注模成型的过程是快速 的，允许从单个模具中制造出许多热辐射防护屏，在热辐射防护屏的构造中不需要熟练的 工人。注模成型工艺的另一显著优点在于，如用于悬挂致冷剂室的悬挂元件的入口孔等复 杂形状可在模制工艺期间形成，无需在后期添加。用于悬挂热辐射防护屏的悬挂元件的安 装点也可在注模成型工艺期间形成，而不是如用金属片热辐射防护屏的常规做法那样由熟 练的技工添加到防护屏。在使用短切金属纤维作为导电填充剂的情况下，发现用较大的纤维会使注模成型 更加困难。在本发明的上下文中，优选短切金属纤维的平均长度是25mm以下，更优选的是， 短切金属纤维的平均长度应是IOmm以下。合适的塑料_金属混合材料的实例在图3中更详细地示出，图3是根据本发明的热辐射防护屏的一部分的放大横截面。图3是通过注模成型技术形成的热辐射防护屏1的 材料，其中大量导电和导热轨嵌入绝缘塑料材料23内。可看到，在此实例中呈短切金属纤 维的形式的导电填充剂材料21涂覆有低熔点金属合金22。各个金属纤维由充当焊料的低 熔点金属合金以机械、电和热方式连接。短切金属纤维中的两者以横截面图示，以说明低熔 点金属合金如何涂覆和连接短切金属纤维。连接的短切金属纤维嵌入塑料23内。在替代实施例中，导电填充剂材料包括金属粉末或金属颗粒。在此类实施例中，将 形成类似的结构，其中导电和导热轨由导电填充剂微粒组成，所述导电填充剂微粒由嵌入 绝缘塑料材料内的低熔点金属合金连接。绝缘塑料材料23的使用减少了在热辐射防护屏中使用的导电材料的数量，其有 助于减少热辐射防护屏中的涡电流。导电填充剂材料的短切纤维、颗粒或微粒在很大程度 上彼此绝缘，从而提供相对少量的导体区，在这些导体区中将不会形成显著的涡电流。在实例材料中，导电填充剂材料包括具有直径小于0. 1mm和长度在1mm到10mm的 短切铜纤维。低熔点金属合金可为铅-锡(Pb-Sn)合金，塑料可为聚酰胺或丙烯腈-丁二 烯_苯乙烯共聚物(ABS)。完成的热辐射防护屏可具有1到3mm的厚度。在本发明的某些实施例中，将一种低发射率涂层24施加于热辐射防护屏的外表 面。低发射率涂层向热辐射防护屏提供反射表面以减少来自外部环境(通常为外部真空腔 0VC 12)的热吸收。低发射率涂层可为铝层，可经喷射或作为胶带施加或以其它方式施加。 或者或另外，可将类似的低发射率涂层施加到热辐射防护屏的内表面。此低发射率涂层减 少了从防护屏朝向致冷剂室7的热辐射。在某些实施例中，热辐射防护屏的端面3可能不是从塑料_金属混合材料形成的。 如，其可从高级铝片形成，与在常规的热辐射防护屏中一样。在替代实施例中，这两个端面 可由玻璃纤维增强的热固性树脂形成，所述玻璃纤维增强的热固性树脂含有在其中占据空 间的导热轨(如，铜线)。可形成导热轨以提供传导路径，其围绕环面大体上向上流动，如图 2中端面3上描绘的流动箭头所示。然而，优选的是整个热辐射防护屏应通过塑料-金属混合材料的注模成型形成。 如，可形成两个半部防护屏，每个半部防护屏包括一个端面3以及内部圆柱体4和外部圆柱 体5中每一者的一个轴向半部。可使两个半部引入适当的位置并连接在一起。在使用热塑 性成分的实施例中，可加热圆柱部分的边缘，直到热塑性材料和/或低熔点金属合金软化 为止，随后将两个半部防护屏压在一起。可使用相容的热固性粘合剂将包含热固性塑料成 分的实施例连接在一起。当然，可形成其它布置，如可沿着穿过圆柱体4和5的轴线的平面 分割热辐射防护屏。可通过例如旋转模制或吹塑模制等替代模制技术形成热辐射防护屏。 在一些实施例中，可将热辐射防护屏形成为单件，切割为两个以上区段，随后在磁体10和 任一致冷剂室7周围的适当位置接回到一起。为了辅助冷却区域2处的有效冷却，可提供一种阻热件8，其通过如铜层压物或铜 织物热连接到致冷器17。根据本发明的实施例，呈固体成分或如铜层压物或铜织物的形式 的阻热件可以新的方式连接到热辐射防护屏1。在本发明的包括热塑性成分的实施例中，热 辐射防护屏的材料可通过使用合适工具的局部加热而软化，且可将阻热件压制在热辐射防 护屏的材料中。依据应用，合适的工具可为一种热气枪、一种烙铁或一种喷灯。阻热件将成 为热连接到热辐射防护屏的材料内的导电轨，尤其是在热辐射防护屏的材料包含低熔点合金且选择阻热件的材料为容易被低熔点金属合金弄湿(wetted)的情况下。在使用铅-锡 合金作为低熔点金属合金的实施例中，镀锡铜将为合适的材料。通过本发明的热辐射防护屏，连接例如电缆、连接器和阻热件等辅助组件是简单的。关于由铝片或类似物形成的常规热辐射防护屏，必须将安装特征连接到热辐射防护屏， 随后将电缆、连接器等连接到安装特征。通过本发明的包含热塑性成分的热辐射防护屏，所需的是使用合适的工具加热热 辐射防护屏的相关部分，直到热辐射防护屏的材料软化为止。随后，可简单地将电缆、连接 器等压到热辐射防护屏的材料中。随着热辐射防护屏的材料冷却，辅助组件通过热辐射防 护屏的材料稳固地保持在适当位置。依据应用，合适的工具可为热气枪、烙铁或喷灯。通过本发明的包含热固性塑料成分的热辐射防护屏，所需的是使用相容的热固性 粘合剂来连接电缆、连接器等等。为了使本发明的热辐射防护屏有效地操作，热辐射防护屏的材料需要具有相对高 的导热率。然而，发明人已发现，此热导率无需与铝的热导率(常规上用于热辐射防护屏的 材料)一样高。另一方面，为了减少在热辐射防护屏的材料中形成的涡电流，电导率应相对 低，优选显著低于铝(常规上用于热辐射防护屏的材料)的电导率。参看图3在上文论述 的塑料-金属混合材料中，由低熔点金属合金连接导电填充剂材料以形成穿过塑料的导电 和导热路径。在本发明的某些实施例中，可发现，例如通过减少材料中的低熔点金属合金的 比例来减少导电填充剂材料的互连是有益的。这将具有提供导电填充剂的部件之间的较少 互连的效果。作为由低熔点金属合金进行复杂连接的替代，导电填充剂的若干部分将不连 接。这将显著增加材料的电阻率。然而，材料的热导率仍相对高。可通过增加导电填充剂 的比例来改善热导率。在极端实施例中，可完全省略低熔点金属合金，热辐射防护屏可由含有导电填充 剂(通常以短切金属纤维或金属粉末的形式)的塑料组成的材料形成。填充剂可包括金属 颗粒或例如涂覆有金属的有机纤维等替代物。在此材料中，填充剂的大多数短切纤维或微 粒或颗粒可能通过热塑性层与所有其它短切纤维、颗粒或微粒电隔离。这将提供高水平的 电阻率。然而，由于每一短切纤维或微粒可能通过仅一层薄塑料层与其相邻者分离，因此材 料的热导率可能在可接受范围内仍然是高的。可通过改变用作导电填充剂的材料(例如， 铜、铝、钢)和所使用的颗粒或微粒的大小或所使用的短切纤维的直径和长度来控制材料 的热导率。也可通过改变材料内的导电填充剂的比例来控制热导率。由于在此些实施例中导电微粒、颗粒或短切纤维不形成长的导电路径，因此在热 辐射防护屏的材料内形成涡电流的倾向将显著减少。本发明的热辐射防护屏的进一步优点包括热辐射防护屏的量减小，其可带来运输 的经济性并使制造期间更容易处置。本发明的热辐射防护屏的制造可委托给专门进行塑料模制的机构。这将使磁体或 低温恒温器的制造商不必承担制造热辐射防护屏的责任。预计热辐射防护屏在尺寸方面是 可重复性高的，热辐射防护屏在低温恒温器中的组装比常规热辐射防护屏的情况会简单得
^^ ο虽然已参考某些实施例描述了本发明，但在本发明的范围内，所属领域的技术人 员将明白许多修改和变化。如，塑料_金属混合物可包括选自短切纤维、粉末和颗粒三种类型导电填充剂中的至少两种的混合物。导电填充剂可为多于一种类型的金属。也可包含例 如玻璃纤维或滑石等非导电填充剂材料以提供所需的机械特性。
权利要求
一种用于低温恒温器的热辐射防护屏(1)，所述热辐射防护屏(1)由一种塑料-金属混合材料形成，所述塑料-金属混合材料包括一种塑料成分(23)和一种包括金属的导电填充剂材料(21)。
2.根据权利要求1所述的热辐射防护屏，其中所述塑料_金属混合材料的所述导电填 充剂成分(21)包括短切金属纤维。
3.根据权利要求2所述的热辐射防护屏，其中所述短切金属纤维的平均长度是25mm以下。
4.根据权利要求3所述的热辐射防护屏，其中所述短切金属纤维的平均长度是10mm以下。
5.根据权利要求1所述的热辐射防护屏，其中所述塑料_金属混合材料的所述导电填 充剂成分(21)为金属粉末。
6.根据权利要求1所述的热辐射防护屏，其中所述塑料_金属混合材料的所述导电填 充剂成分(21)为金属颗粒。
7.根据前述任一权利要求所述的热辐射防护屏，其中所述塑料_金属混合材料的所述 塑料成分(23)包括一种热塑性材料。
8.根据前述任一权利要求所述的热辐射防护屏，其中所述塑料_金属混合材料进一步 包括一种低熔点金属合金(22)。
9.根据权利要求8所述的热辐射防护屏，其中所述低熔点金属合金(22)具有低于 400°C的熔点。
10.根据权利要求9所述的热辐射防护屏，其中所述低熔点金属合金(22)具有200°C 以下的熔点。
11.根据前述任一权利要求所述的热辐射防护屏，其具有施加在内表面和/或外表面 上的低发射率层。
12.根据前述任一权利要求所述的热辐射防护屏，其是通过对所述塑料-金属混合材 料进行注模成型形成的。
13.根据前述任一权利要求所述的热辐射防护屏，其中所述塑料_金属混合物包括选 自短切纤维、粉末和颗粒三种导电填充剂中的至少两种的混合物。
14.根据前述任一权利要求所述的热辐射防护屏，其中所述塑料_金属混合物包括一 种非导电填充剂材料。
15.根据权利要求1到11中任一权利要求所述的热辐射防护屏，其包括一个塑料-金 属混合材料的内部圆柱体(4)和一个塑料-金属混合材料的外部圆柱体(5)，所述内部圆柱 体(4)和外部圆柱体(5)通过非塑料-金属混合材料的复数个环形端面3进行连接。
16.根据权利要求15所述的热辐射防护屏，其中所述环形端面中的至少一个是由包含 导热轨的绝缘材料形成的。
17.一种用于容纳超导磁体的低温恒温器，其包括一种根据前述任一权利要求所述的 热辐射防护屏，所述热辐射防护屏位于一外部真空腔(12)的真空区内。
18.—种容纳超导磁体的低温恒温器，其包括一种根据前述任一权利要求所述的热辐 射防护屏，所述热辐射防护屏包围所述超导磁体(10)并位于一外部真空腔(12)的真空区 内。
19.根据权利要求18所述的容纳超导磁体的低温恒温器，其中所述超导磁体(10)位于 由所述热辐射防护屏(1)包围的一致冷剂室(7)内。
20.一种MRI系统，其包括根据权利要求18或19所述的一种容纳超导磁体的低温恒温器。
全文摘要
本发明提供一种用于低温恒温器的热辐射防护屏(1)，其由一种塑料-金属混合材料形成，所述塑料-金属混合材料包括一种塑料成分(23)和一种包括金属的导电填充剂材料(21)。所述热辐射防护屏可通过注模成型形成。
文档编号C08K3/08GK101799522SQ201010000318
公开日2010年8月11日 申请日期2010年1月11日 优先权日2009年2月10日
发明者斯蒂芬·保罗·特罗韦尔, 特雷弗·布赖恩·赫斯本德, 菲利浦·艾伦·查尔斯·沃尔顿 申请人:英国西门子公司