专利名称：用于低温恒温器的再冷凝检修颈部的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于容纳有液体致冷剂的低温恒温器的检修颈部。特别地，本发明提出了一种再冷凝检修颈部，其包括与检修颈部结合的制冷机，该制冷机用于使得致冷剂气体再冷凝(此后称为“再冷凝制冷机”)。
背景技术：
已知的容纳液体致冷剂的低温恒温器，例如用来容纳用于磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)成像系统的超导磁体的低温恒温器，典型地包括位于检修转塔内的检修颈部，检修转塔设置成朝向低温恒温器顶部，以便允许电流引线穿进低温恒温器中；以便提供用于充注液体致冷剂的入口通道，并且提供用于汽化的致冷剂的出口通道。低温恒温器还典型地设置有再冷凝制冷机，该再冷凝制冷机通过使汽化的致冷剂重新冷凝而回到其液体状态，来降低或消除由于汽化带来的致冷剂的消耗。典型地，检修颈部位于其转塔内且位于低温恒温器的顶部或顶部附近，而再冷凝制冷机位于第二转塔中的容置套筒(也称为套管)中，第二转塔位于低温恒温器的顶部附近或者其侧面。
将检修颈部设置在位于低温恒温器顶部附近的转塔中带来了以下问题。为了检修低温恒温器和位于低温恒温器内的任何设备，需要定期地进入检修颈部。为了在由汽化导致的液体致冷剂的量减少的情况下对液体致冷剂容器进行再充注，同样需要进入其中。如果检修颈部位于非常大件的设备顶部，那么这种进入就会变得很困难。在诸如MRI或NMR成像系统的应用场合中，安装低温恒温器的环境可能有十分限制的高度，这意味着检修颈部出现在设备顶部可能会减少设备其它部件的可用高度。此外，由于这样的系统所应用的环境，通常在设备的功能性部件上方提供“外观”盖，以更加适合病人视线内的病房环境。需要将检修颈部容纳在外观盖内，但是这破坏了组合结构的外观效果，同时使这种盖的制造、安装和拆卸更加困难。
将再冷凝制冷机设置在低温恒温器的顶部导致了问题出现，例如上述的将检修颈部设置在该结构的顶部上所产生的那些问题。
用单独的转塔来容纳检修颈部和再冷凝制冷机，带来了以下问题。必须提供两个进入液体致冷剂容器的入口点。这导致相对复杂和昂贵的制造过程，具有通过有缺陷的焊接部分而泄漏以及其它的热负荷进入液体致冷剂容器的危险。减少进入液体致冷剂容器的入口点的数量将是有利的。在这样的结构中，再冷凝制冷机被布置在远离检修颈部的某个距离处，但是在冷却检修颈部的方面可能无效，这导致更高的热负荷进入液体致冷剂容器和因此产生更多的汽化。
本发明致力于解决这些问题中的至少一些问题，并且提出了一种组合式的检修颈部和再冷凝制冷机。
西门子磁体技术有限公司的欧洲专利EP 0 905 524描述了一种组合的检修颈部和再冷凝制冷机，其中使用了脉冲管制冷机，该脉冲管制冷机是围绕颈部管的环形形式。本发明提出了一种布置，借助于该布置，普通的制冷机可以在单个入口通道转塔内与检修颈部组合。
英国专利申请GB 2 395 545也提出了一种组合式的检修颈部和脉冲管制冷机。
通过关注下面结合附图对某些实施例的描述，本发明上述和更多的目标、特点和优势将变得更加清楚，其中图1示出了根据本发明一个实施例的组合的检修颈部和再冷凝器的横截面；以及图2示出了根据本发明的组合的检修颈部和再冷凝器的另一实施例，其使用了两个-再冷凝制冷机。
具体实施例方式
参照图1，低温恒温器包括容纳有液体致冷剂12的液体致冷剂容器10。还设置有外真空室14，其包围着液体致冷剂容器10。位于液体致冷剂容器10和外真空室14之间的空间16被抽真空。诸如镀金属聚酯薄膜18的、通常被称为“超绝缘体”的固体绝热体可以设置在空间16的内部。热屏蔽罩20可以设置在空间16内，位于液体致冷剂容器10和外真空室14之间。这种热屏蔽罩20用来保护液体致冷剂容器10，使其不受来自外真空室的热辐射，外真空室典型地处于室温——大约300K。液体致冷剂12可以是液氦，液氦保持在大约4K的温度下。
如在现有系统中那样，设置有检修颈部22，为例如通常被称为闸流管(positive tube)23的电连接器这样的结构进入液体致冷剂容器10提供了进入通道。这种进入通道可以借助于波纹管装置38。闸流管23将电能输送到低温恒温器中，例如将电流引入超导磁体线圈中，该超导磁体线圈被致冷剂容器10内的液体致冷剂12保持在超导温度。典型地设置有电缆58，用来将闸流管23连接到该线圈上。返回的电通道典型地设置成穿过低温恒温器的结构。这种检修颈部优选朝着外真空室14侧设置，远离检修颈部通常所在的顶部位置。
根据本发明的特征，检修颈部22的一部分44借助换热器24热连接到制冷机30的冷端54。制冷机30优选容纳在套筒31内(也称作套管)。这使得制冷机可以被拆卸下来进行检修或更换，而不破坏区域16内的真空。该套筒优选被抽真空，以消除由套筒内气体对流导致热量流入的可能性。由于制冷机可以从套筒中拆卸，因此必须在制冷机的加热站32、54和从套筒伸出的换热器36、24之间设置有效但可拆除的热连接。本领域的技术人员熟知这种热连接的例子，包括紧密的机械配合、铟丝垫圈等等。在附图所示的实施例中，再冷凝制冷机30是一种两级制冷机。这样的制冷机典型地将第一冷端32冷却到大约50K，并将第二冷端54冷却到大约4K。
套筒31和检修颈部22优选由真空铜焊到铜部件上的薄壁管制成。该管应当是具有高结构强度、但相对较低的热传导率的材料，例如不锈钢。
如图1所示，根据本发明的一个实施例，24将冷端54热连接到检修颈部22上。该冷端54也优选热连接到闸流管23上，但是与之电绝缘。冷端32也可连接到热屏蔽罩20上，例如借助于如铜编织带或金属薄片的弹性热连接件40。优选地，如示出的那样，制冷机和检修颈部位于低温恒温器侧面的单个转塔14’内。
在工作中，液体致冷剂12被来自周围环境的流入热量和低温恒温器内部产生的任何热量汽化，例如电阻线中的电流产生的热量。流入热量的相当一部分穿过检修颈部22的材料和其例如闸流管23的相关设备而到达。汽化的致冷剂试图通过沿着出口通道42流入检修颈部22中而离开低温恒温器。根据本发明的一方面，检修颈部的部分44被制冷机30冷却到致冷剂12的沸点之下。冷量通过例如连续铜件的热量通道24直接传递给检修颈部，该热量通道优选暴露在检修颈部内部，以形成再冷凝表面。冷端也优选热连接到闸流管23上，但是与之电绝缘。来自液体致冷剂容器10的汽化致冷剂蒸气在检修颈部42的冷却部44的表面再冷凝，并流回到液体致冷剂容器10中。制冷机30和检修颈部22之间的直接热连接件24形成了位于检修颈部内部的非常有效的再冷凝表面。这种热连接件也用来阻止沿检修颈部和像闸流管23这样的设备的壁面流动的任何流入热量。这种流入的热量通常占进入这种系统的全部热负荷的1/3。
在本发明的优选实施例中，制冷机和检修颈部之间的热量通道24优选由铜板或热导率高的其它材料构成。该板优选暴露在检修颈部的内部。更优选地，暴露于检修颈部内部的板24的表面是呈肋状的，以增加可用于再冷凝的表面积。这种肋状物优选由板24中的许多垂直凹槽构成，以帮助再冷凝的液体致冷剂落回到液体致冷剂容器10中。
在如1所示的采用两级制冷机的实施例中，除了像上文讨论那样的将制冷机的第二端54热连接到再冷凝表面44上之外，制冷机的第一端32优选由36热连接到检修颈部22的上部。热量通道36设置在制冷机的第一端和检修颈部的上部之间，并优选由铜板、铜编织带或热导率高的其它材料构成。第一冷端也优选热连接到闸流管23上，但是与之电绝缘。另外，没有必要将该热量通道36暴露在检修颈部的内部，也没有必要提供呈肋状的表面，因为再冷凝不会发生在这里。用这种方式冷却检修颈部的上部的优点在于，阻止来自周围的热量沿着入口转塔22的材料而侵入。而这将导致汽化的致冷剂在部分44处进行更加有效的再冷凝。
当低温恒温器用来容纳MRI或NMR成像系统的磁体时，制冷机30内部的磁性材料的振动会在磁性成像场中产生干扰。优选地，电磁遮蔽罩50设置在制冷机30第二端的周围，以减少这样的干扰。
图2示出了本发明的另一个实施例，其中制冷机30通过再冷凝界面而热连接到热量通道24上。这样的再冷凝界面自身在英国的专利申请0423895.2中有描述。
制冷机套筒31与主致冷剂容器10隔开。在图2的实施例中，套筒31中充满诸如氦的致冷剂。该套筒可以在当制冷机不运行的低温恒温器过渡期间被抽真空，以减少传导进入致冷剂容器10中的热负荷。制冷机30中设置有冷端换热器54，其暴露在套筒中的致冷剂中。在运行中，套筒内的气态致冷剂在换热器54上再冷凝，回到液体状态。在区域34，液体致冷剂滴落到热量通道24上。热量通道24的区域34可以带有翅片，或者以其它方式被加工或准备，以增加传热的表面积，但仍然允许液体跨过该表面的自由流动。该热量通道被冷却到液体致冷剂的温度。热量从检修颈部22中被吸走，将检修颈部内的暴露表面44冷却到液体致冷剂的温度。这将导致来自液体致冷剂容器10的汽化致冷剂在位于检修颈部22内的表面44上冷凝。这种冷凝向热量通道24释放潜热。该热量沿着热量通道行进，并导致套筒/套管内的液体致冷剂的汽化。而制冷机30使该汽化的致冷剂冷却，导致热量的高效去除，该热量来自致冷剂容器10中的汽化致冷剂。当检修颈部内的汽化致冷剂冷凝成液体时，在该空间内的汽化致冷剂的压力降低，将更多的致冷剂蒸气吸入到检修颈部中，将其再冷凝。
该界面布置成使得套筒31内的致冷剂具有比容器10内的致冷剂更低的沸点。这是为了被冷却到套筒31中致冷剂沸点的热量通道24被充分冷却，以导致表面44上的再冷凝。这可以通过将套筒31内的气压保持低于容器10中的气压而实现。
因此，本发明提出了一种用于低温恒温器的改进检修颈部。本发明在低温性能、可维修性、材料成本、生产时间、改良的美观等方面提供了优势，例如如下面描述的那样。
进入液体致冷剂容器只需要单个的入口点。与需要两个或者更多入口点的系统相比，这降低了生产时间，并降低了通过有缺陷的焊接而泄漏的危险。检修颈部和再冷凝制冷机共用单个的转塔，意味着外真空室14更简单的制造和降低了的材料成本。检修颈部的转塔和制冷机套筒组合体充分地合并，导致在空间和材料成本方面的节省。在绝热体18和热遮蔽罩20中也需要更少的切削。
由于再冷凝制冷机和检修转塔可以位于低温恒温器的侧面，它们可以设置在比已有系统中的情形更低的高度上，在已有系统中检修颈部和域再冷凝制冷机位于低温恒温器的顶上。这使得系统的总高度降低，能够满足严格的高度限制，而且也可能允许更大的低温恒温器使用在现有高度限制内。检修颈部和再冷凝制冷机在侧面的布置使得所有的检修功能能在系统的一侧实现，而不需要到达系统的顶部。结果系统的美学外观改善了，因为外部“外观”盖将不必容纳庞大的顶部检修颈部进口室和通风口，或位于系统顶部的再冷凝制冷机。
与已有技术的系统相比，通过将单个的转塔布置在低温恒温器的侧面，汽化的致冷剂气体42可以保持在远离位于低温恒温器内的任何超导线圈更远的距离，降低了由被加热的致冷剂气体引起的猝熄的危险；在已有技术的系统中，转塔设置在低温恒温器的顶部，直接位于该线圈的上方。
此外，通过将单个的转塔布置在低温恒温器的侧面，诸如检修颈部22、套筒31和闸流管23的管的长度可以增加，而不会增加低温恒温器系统的总长度。与已有技术中的系统相比，这可以有助于降低进入系统的热量流入；在已有技术的系统中，转塔设置在低温恒温器的顶部。
根据本发明的再冷凝检修颈部的组合体可以像下面这样进行。在液体致冷剂容器中制造有一个进口孔。波纹管38在高于进口孔的位置焊接。例如电缆58的各种必需的设备穿过波纹管。波纹管用来容纳在各种部件的热膨胀上的任何不同，并增加热量通道的长度，该热量通道用于使热量侵入液体致冷剂容器10。转塔的上表面可以通过使外真空室14的一部分变形而形成。该组合体通过设置在转塔上表面上的孔而落入，该组合体由检修颈部22、热连接件36、24和套筒31组成，而且在波纹管内的设备和检修颈部内的设备之间安排合适的连接。检修颈部22焊接到波纹管上，例如通过自动管道焊接机。任何剩余的使外真空室完整的辐射屏、固体绝热体18和板14’被连接，以完成该组合体。
本发明提出了在单个的转塔内的再冷凝制冷机和检修颈部。这具有这样的优势，即为了将罩20连接到检修颈部和再冷凝制冷机上，本发明比现有系统中的情形需要更少的弹性热连接件；在现有系统中，具有用于制冷机和用于的检修颈部的分开的转塔。
尽管已参照有限数量的特定实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员显然明白，在附加权利要求的范围内，可能有许多更改和变形。
举例来说，如图1所示，典型地设置在套筒(套管)内的制冷机30可以设置成比检修颈部22离液体致冷剂容器10更远，或者它们的相对位置可以互换。
如果要检修颈部和再冷凝制冷机的转塔组合体方便用于与液体致冷剂容器接合，它们可以远离垂直而倾斜，例如为了避免违反系统总宽度的限制。以这种方式倾斜转塔组合体将具有低温损失，但是这可以通过增加检修颈部的总长度、以抵御沿着检修颈部的热量侵入而弥补。
在本发明的某些实施例中，可以提供可拆卸的闸流管23。这会提供更好的热性能，因为通过在磁体运行时取下闸流管23，可以避免沿着电流引线材料的热量流入。这样的实施例的可能缺点在于，可拆卸的管子就其本性而言不能永久地密封，因此当闸流管被拆走时，会在再冷凝表面44上结冰。
权利要求
1.一种用于低温恒温器的检修颈部和制冷机组合体，包括检修颈部管(22)，其用来提供进入低温恒温器内部(10)的通道；再冷凝表面(44)，其用来使得由低温恒温器内的液体致冷剂(12)汽化的液体致冷剂再冷凝；制冷机(30)，其用来将再冷凝表面冷却到该致冷剂的沸点之下；热连接件(24)，其设置在制冷机的冷却表面(54)和检修颈部管的一部分之间；其特征在于，该检修颈部管的所述部分的内表面由此被限定成再冷凝表面。
2.如权利要求1所述的检修颈部和制冷机组合体，其特征在于，该热连接件(24)的表面(44)在检修颈部管内暴露，所述表面是再冷凝表面。
3.如权利要求1或2所述的检修颈部和制冷机组合体，其特征在于，再冷凝表面是呈肋状的。
4.如前述任何一项权利要求所述的检修颈部和制冷机组合体，其特征在于，再冷凝制冷机是两级制冷机，并且再冷凝制冷机的第一级冷却表面(32)热连接到检修颈部管的上部，而第二级冷却表面(54)热连接到该热连接件上。
5.如前述任何一项权利要求所述的检修颈部和制冷机组合体，其特征在于，冷却表面(54)借助再冷凝界面从而热连接到热连接件上，所述再冷凝界面自身包括容纳有致冷剂的封闭再冷凝室(31)，该致冷剂暴露于制冷机的冷却表面，并且也暴露于热连接件，由此借助致冷剂在该封闭的再冷凝室中的重复蒸发和再冷凝，热量从热连接件传递给冷却表面。
6.一种低温恒温器，其包括如前述任何一项权利要求所述的位于单个的转塔结构(14’)中的检修颈部和制冷机组合体。
7.如权利要求6所述的低温恒温器，其特征在于，转塔结构基本上位于低温恒温器的侧面。
8.一种检修颈部和制冷机组合体，或包含检修颈部和制冷机组合体的低温恒温器，基本上如所描述的和/或附图所图示的那样。
全文摘要
本发明提出了一种用于低温恒温器的再冷凝检修颈部。检修颈部管(22)提供了进入低温恒温器内部(10)的通道。设置有再冷凝表面(44)，以用于将由低温恒温器内液体致冷剂(12)汽化的液体致冷剂再冷凝；并且提供有再冷凝制冷机(30)，其用于将再冷凝表面冷却到致冷剂的沸点之下。
文档编号F17C5/04GK1847716SQ20061006734
公开日2006年10月18日 申请日期2006年2月5日 优先权日2005年2月5日
发明者G·S·佩特里克 申请人:西门子磁体技术有限公司