用于超导磁体组件的自支撑柔性热辐射屏蔽件的制作方法

1.本发明涉及用于超导磁体的热辐射屏蔽件，具体地涉及用于磁共振成像(mri)系统的超导磁体的热辐射屏蔽件。


背景技术：

2.图1示出了容纳在低温恒温器内的mri系统的超导磁体的一种常规布置，该低温恒温器包括制冷剂容器12。冷却的超导磁体10设置在制冷剂容器12内，制冷剂容器12自身被保持在外部真空室(ovc)14内。在制冷剂容器12与外部真空室14之间的真空空间中，设置有一个或多个热辐射屏蔽件16。在一些已知布置中，制冷器17安装在制冷器袜套15中，制冷器袜套15位于为此目的朝着低温恒温器的侧面而设置的转塔18中。出入转塔19将出入颈(通气管)20保持在低温恒温器的顶部。在一些布置中，通过将制冷剂气体再冷凝成液体，制冷器17提供主动制冷，以冷却制冷剂容器12内的制冷剂气体。制冷器17还可以用于冷却辐射屏蔽件16。如图1所示，制冷器17可以是两级制冷器。第一冷却级热链接到辐射屏蔽件16，并且提供至第一温度的冷却，第一温度通常在40
‑
100k的范围内。第二冷却级提供制冷剂气体到液态的冷却，该液态处于低得多的温度处，通常在4
‑
10k的范围内。


技术实现要素：

3.热辐射屏蔽件16用于防止来自外部真空室的热辐射到达制冷剂容器。在一些布置中，可以设置两个或更多热辐射屏蔽件，一个在另一个内部，以防止或至少阻碍来自相对较暖的表面的热辐射到达相对较冷的表面。在一些被称为“干”磁体的布置中，在磁体线圈10周围没有设置制冷剂容器12，并且磁体线圈暴露于热辐射屏蔽件16的内部表面。
4.热辐射屏蔽件16本身应当是导热的，从而由低温制冷器17在某一处对该屏蔽件的冷却用于去除辐射到热辐射屏蔽件16的表面的所有部分的热量。
5.所示的外部真空室ovc 14在制冷剂容器(如果存在的话)周围提供真空体积。该真空体积减少了从ovc 14的室温壳体到制冷剂容器12或磁体线圈10的传导和对流热负荷。热辐射屏蔽件16用于减少对应的辐射热负荷。辐射屏蔽件16是锚定在ovc的温度(大约300k)与磁体线圈的温度(例如，大约4k)之间的中间温度处的表面。该中间温度可以为20k
‑
80k，并且可以由低温冷却器提供，或由来自制冷剂容器的沸腾的制冷剂气体提供。在本说明书中，热辐射屏蔽件16将被视为处于约50k的温度处，而制冷剂容器或磁体结构将被视为处于大约4k的温度处。
6.作为参考，从温度t
h
处的大的相对较热表面到温度t
c
处的封闭的大的相对较冷表面的热辐射功率q可以表示为：
7.q＝σa(t
h4
‑
t
c4
)/(1/ε1+(1/ε2)
‑
1)
8.其中：
9.q是热辐射功率；
10.σ是斯特藩
‑
玻尔兹曼(stefan
‑
boltzmann)常数；
11.a是所讨论的两个表面中的每个表面的表面积；
12.t
h
是相对较热表面的温度；
13.t
c
是相对较冷表面的温度；
14.ε1是相对较热表面的比辐射率；以及
15.ε2是相对较冷表面的比辐射率。
16.因此，辐射热负荷与t
h4
‑
t
c4
成比例，其中t
h
是相对较热表面(这里是ovc的内表面)的温度，并且t
c
是相对较冷表面(这里是制冷剂容器的外部表面)的温度，这两者均以开尔文表示。通过引入在t
h
处的ovc 14与t
c
处的制冷剂容器12之间的中间温度t
i
(热辐射屏蔽件16的温度)，通过在相对升高的温度t
i
处提取热能，来减少到冷表面上的热辐射。
17.为了进一步降低热负荷，应当尽可能多地降低发射(热)表面和接收(冷)表面两者的热比辐射率，从而发射表面发出最少的辐射，接收表面吸收最少量的确实撞击在其上的任何辐射。通常，辐射屏蔽件16由铝或铜制成，因为它们具有低比辐射率。可以将高反射高纯度铝的薄箔应用于热辐射屏蔽件的表面，以提供低比辐射率表面。
18.在制冷剂容器与热辐射屏蔽件之间，和/或在ovc与热辐射屏蔽件之间，可以放置多层隔热(mli)毯。mli毯包括数层铝化聚酯片，该数层铝化聚酯片被保持在适当的位置，略微间隔开，成形和安装以反射热辐射并且尽可能消除视线路径。这种mli毯有助于减少表面之间的热辐射。
19.对于具有包围磁体线圈的制冷剂容器12的磁体系统，制冷剂容器12的外部表面是热辐射的接收表面。通常，这是不锈钢的，不锈钢具有高比辐射率。替代地，可以使用不纯净的合金铝，但是它也具有相对较高的比辐射率。可以将通常50μm厚度的高反射高纯度铝的薄箔应用于接收表面，以提供低比辐射率表面，在这种情况下，该低比辐射率表面倾向于从接收表面反射入射辐射。
20.这种箔包裹方法的缺点包括有效包裹制冷剂容器所花费的时间，这是由于需要覆盖的相对复杂的形状而造成的复杂性，以及组装复杂性，该组装复杂性是由于箔必须利用双面胶带粘住，并且利用小洞通气，以便当制冷剂容器周围的体积在ovc内抽空时，允许气体逸出。箔将是相对导电的，并且在mri系统中，该导电性可以引起梯度线圈相互作用，这可能增加系统的热负荷。
21.对于其中磁体线圈10未被包围在制冷剂容器内的磁体系统(常常称为“干磁体”)，磁体线圈和支撑结构通常提供接收表面。诸如在磁体线圈和支撑组件中使用的诸如不锈钢、grp、树脂的材料通常具有高比辐射率。已经采取了一些常规步骤，试图降低比辐射率。这样的表面可以包覆有如上面讨论的铝箔层，或者包覆有层压到塑料(诸如聚酯)的较薄的铝，以给出提高的抗撕裂性。一种示例材料是ruag space gmbh的coolcat 4k。它是双面铝化的12μm聚酯箔和6μm纯铝箔的层压材料。
22.为了方便起见，制冷剂容器(在设置的情况下)内的磁体结构和单独的磁体结构(在不设置制冷剂容器的情况下)可以称为“冷质量体”，即冷却到最低温度(例如，4k)的物品。
23.这样的方法也具有缺点，包括以下所花费的时间：围绕复杂形状包裹箔或层压材料、利用粘合胶带将箔或层压材料粘在适当地方、以及提供足够的洞以便当抽空ovc时气体逸出。一般使用的双面粘合胶带仅能良好地粘附到金属，而不能粘附到塑料、树脂或grp，可
能难以将箔或层压材料布置成充分附接。箔的导电性意味着必须小心电连接器以及周围的未绝缘接线，以免损害电隔离。箔将是相对导电的，并且在mri系统中，这种导电性可以引起梯度线圈相互作用，这可能增加系统的热负荷。依赖于金属层的厚度，这也可以应用于层压材料。如果在梯度场中的导电材料层非常薄，则其具有高的方块电阻，因此不会感应出涡电流并且存在很少的耗散；另一方面，如果导电材料非常厚并且导电，则会感应出涡电流，但电阻低，因此存在很少的欧姆加热并且耗散也低。如果材料的厚度介于两者之间，则可能生成显著的涡电流并且产生电阻损耗，这增加了系统的热负荷。
24.已经提出的一种替代解决方案是添加其他热辐射屏蔽件，该其他热辐射屏蔽件被冷却至大体上制冷剂容器或磁体结构的温度，并且位于制冷剂容器或磁体结构与常规热辐射屏蔽件之间。这种其他热辐射屏蔽件可以称为“4k屏蔽件”，并且它可以由数毫米厚的铝构成，并且在外部包覆有低比辐射率铝箔。然后，由于其低比辐射率覆层，外表面吸收非常少的辐射热量，并且内表面大体上处于制冷剂容器或磁体结构的温度处，并且因此不会朝着制冷剂容器或磁体结构辐射热量。
25.然而，由于所需要的材料的数量，这样的结构昂贵并且笨重。它必须连接到低温冷却装置(诸如制冷器17)，以将其保持在制冷剂容器12(如果有的话)或磁体结构10的温度处，这增加了复杂性。将4k屏蔽件的质量体冷却到所需温度所需要的时间和能量将增加启动时冷却下来的时间。4k屏蔽件需要在磁体线圈的孔中的空间，这转而增加了磁体线圈所需要的直径，并且因此还增加了所需要的接线量，从而增加了成本和重量。4k屏蔽件的外部表面需要包覆有箔，因此箔覆层仍然作为耗时的处理步骤而存在。依赖于用于4k屏蔽件的材料的厚度和电阻率，可能生成显著的涡电流并且产生电阻损耗，这增加了系统的热负荷。
26.gb2490478公开了4k屏蔽件的一个示例。
27.us7548000公开了一种发电系统，该发电系统包括热辐射屏蔽件，该热辐射屏蔽件使用薄的双铝化片，而部分地围绕超导转子线圈。
28.本发明解决了常规布置的缺点，并且提供了热辐射屏蔽，该热辐射屏蔽避免了利用箔或层压材料包覆制冷剂容器或磁体结构的表面的需要。
附图说明
29.结合附图，通过以下仅通过示例的方式而给出的、对本发明的某些示例的描述，本发明的上述以及其他的目的、特性和优点将变得更加明显，在附图中：
30.图1示意性地示出了低温恒温器中的湿磁体的一种常规布置，其示出了电连接和制冷装置；
31.图2示意性地示出了根据本发明的一种布置；
32.图3以横截面示出了根据本发明的一个实施例的柔性屏蔽件；
33.图4示出了根据本发明的一个实施例的用于在形成柔性屏蔽件的部分中使用的柔性材料的部分切割图案；
34.图5示出了根据本发明的折叠风帽；以及
35.图6示出了用于包围诸如开关的发热设备的、根据本发明的折叠盒。
具体实施方式
36.图2示意性地图示了本发明的一个实施例，其在制冷剂容器12(或者当未设置制冷剂容器12时，磁体结构10)之间提供柔性辐射屏蔽件30，该柔性辐射屏蔽件30代替参考现有技术描述的刚性铝4k屏蔽件或者箔或者层压覆层。提供了一种有点类似于帐篷的、低比辐射率柔性材料30的自支撑壳体，该自支撑壳体位于制冷剂容器12或磁体结构10与常规的热辐射屏蔽件16之间。然后，可以发现，不必提供在热辐射屏蔽件或者制冷剂容器或者磁体结构上的低比辐射率箔覆层。常规的热辐射屏蔽件16通常处于大约50k的温度处，并且经常在20k
‑
80k之间，并且制冷剂容器或磁体结构通常处于大约4k的温度处。然而，本发明可以应用于不同温度范围的部件之间。
37.被选择用于自支撑壳体的柔性材料优选地足够坚固，以使其可以折叠成自支撑形状，并且可以保持一定的张力，从而可以控制其形状。例如，合适的材料包括双铝化聚合物片，诸如聚对苯二甲酸乙二酯片(其也可以称为pet、聚酯膜)。pet可以具有在125
‑
500μm范围内的厚度，并且铝覆层可以具有在20
‑
100nm范围内的厚度并且可以通过物理气相沉积pvd来应用。铝覆层的厚度应当被选取为使得其足以反射预期热辐射，但不会太厚以至于其具有显著的平面内热导率，或者经受由梯度线圈相互作用所产生的涡电流。
38.柔性材料优选是在两个侧面上包覆的铝，以确保朝着较高温度表面和朝着较低温度表面两者的低比辐射率性质。
39.可以通过一种或多种组装方法将柔性材料形成为自支撑结构。这样的方法的示例包括：
40.‑
加热材料的真空成型，条件是维持表面的低比辐射率性质；
41.‑
用激光、刀、锯或其他手段切割，然后折叠成形状，通过用胶带粘贴或者通过使用在柔性材料中形成的槽和倒钩，将该形状保持在适当的位置。铝胶带或铝包覆的聚合物胶带可以用于柔性材料的组装中，以维持低比辐射率表面。
42.优选地使用非粘合固定件将柔性材料附接到制冷剂容器或磁体结构。所谓的尼龙“枞树”铆钉可以用于通过穿过柔性屏蔽件和支撑结构的材料中的对应洞，将柔性材料可拆卸地保持在适当的地方。可以替代地使用螺钉或其他类型的铆钉。还可以或可以替代地使用槽或洞和倒钩。
43.在某些实施例中，柔性材料的部分可以与制冷剂容器或磁体结构紧密接触，并且因此可以被局部冷却至该部件的温度。在使用中，这样的部分将起到与上述箔或层压覆层相似的作用。在其他位置，柔性材料将被定位为远离制冷剂容器12(如果有的话)或磁体结构10。该柔性材料旨在具有低的平面内热导率和导电性，因此入射的辐射热量将不容易平面内流走到磁体结构。到本发明的屏蔽件30的柔性材料上的入射辐射热量将使得柔性材料的相关部分的温度上浮到中间值，该中间值在磁体温度(例如，4k)与常规热辐射屏蔽件的温度(例如，50k)之间。由于本发明的屏蔽件的柔性材料在两个侧面上均具有低比辐射率，因此它反射由50k屏蔽件发射的大部分辐射，并且还朝着大约4k处的制冷剂容器或磁体非常少地发射。到制冷剂容器或磁体上的入射辐射通量将显著小于常规布置，该常规布置具有从50k屏蔽件到大约4k处的制冷剂容器或磁体上的热辐射。
44.使用上面讨论的公式，如果t
h
＝50k，t
c
＝4k，ε1＝0.1，ε2＝0.02，则到冷却器表面上的热辐射约为6mw/m2。当低比辐射率表面的常规50k屏蔽件包围被覆盖在低比辐射率层
中的制冷剂容器时，可能就是这种情况。
45.在采用如上所述的柔性屏蔽件的情况下，即使利用具有1.00的最坏情况的比辐射率值的制冷剂容器或磁体，该柔性屏蔽件浮动到诸如大约41k的中间温度，并且发射到制冷剂容器或磁体上的热辐射即使在这些最坏情况的条件下也只有大约3mw/m2。
46.在某些地方，柔性屏蔽件可能物理接触在50k屏蔽件的温度处的部件，并且因此局部升高到屏蔽件的温度。例如，这可能发生在悬架穿透周围。即使柔性屏蔽件在这样的位置加热到50k，柔性屏蔽件的低平面内热导率意味着柔性屏蔽件的其余部分将不会加热到50k。本发明的柔性屏蔽件的50k区域的作用与50k屏蔽件的利用低比辐射率覆层覆盖的区域的作用非常相似。
47.在这样的区域中，即使利用具有1.00的最坏情况的比辐射率值的制冷剂容器或磁体，并且利用在50k的温度处的柔性屏蔽件，针对这些区域，发射到制冷剂容器或磁体上的热辐射即使在这些最坏情况的条件下也大约为7mw/m2。
48.柔性屏蔽件的低平面内热导率意味着柔性屏蔽件的区域可以与50k热屏蔽件接触，而其他区域可以与在大约4k的温度处的制冷剂容器或磁体结构接触，而在这样的不同温度处的区域之间没有显著的热传导。这样的低平面内热导率通过使用非常薄的金属层来实现，以提供低比辐射率表面，而不提供可观的平面内热导率。
49.被选择用于柔性屏蔽件的材料应当具有足够的厚度，并且因此具有弹性，使其不需要以非常规则的间隔被支撑，并且能够跨越大间隙而无需支撑。因此，它可以从磁体结构或用于50k热辐射屏蔽件的安装结构在相对较少的地方进行安装。可以将安装点选择为远离电部件，这意味着可以使特殊措施最少化，该特殊措施用以提供柔性屏蔽件的电隔离。
50.在某些实施例中，发明人发现，在两个侧面上均铝化的250μm厚的pet片足够坚固，以便自支撑，并且能够形成为合适的形状。这样的材料可以合理的价格获取。
51.所提出的例如250μm的pet的柔性屏蔽件的质量轻，这意味着初始冷却下来的时间保持较短。
52.在其中屏蔽件是自支撑的区域中，发现本发明的柔性屏蔽件的热性能优于将低比辐射率层常规地应用到制冷剂容器或磁体的热性能。
53.与应用常规布置的低比辐射率箔相比，本发明的柔性屏蔽件组装起来更快。
54.本发明的柔性屏蔽件需要非常少的附加径向空间。屏蔽件的材料厚度远小于0.5mm。如上面讨论的，它能容忍与较高或较低温度的部件进行接触。因此，它不需要位于连续的环形区域中，并且可以酌情围绕磁体系统的其他部件装配。
55.不需要提供到屏蔽件的冷却路径，因为允许屏蔽件的温度浮动并且稳定在制冷剂容器的温度(例如，4k)与热辐射屏蔽件的温度(例如，50k)之间的值处。
56.冷质量体基本上由本发明的柔性屏蔽件包围。
57.除了位于冷质量体(包括制冷剂容器12(在存在的情况下)或磁体结构10)与热辐射屏蔽件16之间的中间柔性屏蔽件30，或作为该柔性屏蔽件30的部分，上述材料和技术可以用于盒中部件，以防止来自那些部件的热辐射到达诸如磁体10或制冷剂容器12的其他部件。例如，必须变暖以改变为断开状态的超导开关可以由盒式壳体围绕，该盒式壳体由上面讨论的用于柔性屏蔽件的材料制成，折叠成自支撑盒，以阻挡从超导开关到磁体线圈上的热辐射。这防止了热辐射到达磁体线圈，并且还减少了从开关的热损耗，从而需要输入较少
的总加热功率来断开超导开关，这对整个低温系统都有好处。
58.本发明提供了一种自支撑热浮动辐射屏蔽件。所选取的材料适当地坚固，以能够形成为形状，并且在相对较大的距离之上保持其位置不受帮助。柔性辐射屏蔽件可以是塑料层(诸如250μm的pet)的，其在两个侧面上均具有低比辐射率覆层。塑料层向屏蔽件给出足够的强度和刚度，而金属低比辐射率覆层(诸如20
‑
100nm的pvd铝)提供所需要的低比辐射率特性，同时保持低平面内热导率和导电性。这种低平面内热导率允许屏蔽件接触相对较低温度的表面和相对较高温度的表面两者，而不会引起热短路，热短路涉及去往或来自柔性屏蔽件的不想要的热量流。与将低比辐射率箔应用到制冷剂容器或磁体结构以及热辐射屏蔽件的表面相比较，本发明的柔性屏蔽件的装配降低了复杂性和装配时间。
59.优选地，柔性屏蔽件由塑料片形成，该塑料片通过在两个侧面上均应用低比辐射率层而被处理。特别地，柔性屏蔽件可以由足够厚度的双铝化pet片形成，以便自支撑并且能够形成为自支撑结构。
60.用于组装柔性屏蔽件的方法可以包括以下步骤，所有这些步骤都允许产生易于制造的重量轻并且基本上不透光的屏蔽件。
61.通过折叠、真空成型、使用倒钩突耳和槽，将柔性屏蔽件的材料形成为所需要的形状，以向所需要的形状给出结构强度，并且允许材料包围复杂的形状。这样形成的形状通过铆钉(诸如枞树铆钉)或倒钩，通过诸如附接的手段，被安装到支撑结构，以要求最少的胶带粘贴，从而减少组装时间以及在低温处对粘合结合的依赖。
62.本发明的柔性屏蔽件的材料可以被切割和折叠，以形成所需要的形状。槽、倒钩和突耳可以用于使得材料能够组装成所需要的形状，而无需使用粘合剂或固定件。这样的切割特征可以通过使用刀、热线切割、激光切割、冲模冲压等来形成。由于可以通过简单的组装过程来减少人工成本，因此这样的部件可以干净利索地且廉价地组装。通过减少对组装中的粘合剂的依赖，可以发现组件在低温处更可靠，并且相应地降低了粘合结合在使用中松动的可能性。
63.柔性屏蔽件的材料可以如所描述的那样用于形成屏蔽件，以包围加热部件，以减少由这样的部件通过辐射而产生的热量损耗。
64.图3示意性地表示了磁体系统，该磁体系统关于磁体轴线a
‑
a大体上旋转对称，其中磁体结构被包围在根据本发明的一个实施例的柔性屏蔽件中。图3所示的屏蔽件是通过以下方式制成的：围绕磁体包裹具有两个低比辐射率表面的柔性材料片(诸如双重铝化pet)，以形成壳件24。该壳件通过槽和倒钩固定件26附接到相应端件28，每个端件28也由具有两个低比辐射率表面的柔性材料片(诸如双重铝化pet)形成。这样的槽和倒钩固定件26可以围绕磁体系统的周边以一定间隔重复。同样由具有两个低比辐射率表面的柔性材料片(诸如双重铝化pet)制成的孔件30被放置在磁体的内孔周围，并且可以使用枞树铆钉32或某种其他合适的固定装置附接到磁体结构10(例如磁体形成器)。孔件30通过槽和倒钩固定件26附接到相应端件28。这样的槽和倒钩固定件26可以围绕磁体系统的周边以一定间隔重复。替代地或附加地，可以通过将材料的径向末端切割成翼部，并且将这些翼部与磁体轴线平行地弯曲，来形成端件28的径向末端34。然后，可以通过粘合胶带，或者(优选地)通过上面提到的互锁槽和倒钩突耳，将翼部保持在适当的地方。替代地或附加地，可以通过将材料的轴向末端切割成翼部，并且将这些翼部垂直于磁体轴线弯曲，来形成壳件24和孔件30的
轴向末端34。然后，可以通过粘合胶带，或者(优选地)通过上面提到的互锁槽和倒钩突耳，将翼部保持在适当的地方。
65.端件28、壳件24和孔件30全都可以通过枞树铆钉32或其他合适的固定件，附接到磁体线圈10或支撑结构。
66.图4示出了狭缝和倒钩突耳布置的一个示例，其用于在柔性屏蔽件材料中产生折叠结构。切割材料片61，以限定翼部62、63。
67.这些翼部中的标记为62的一个翼部具有切入其中的狭缝64。标记为63的另一翼部具有与其附接的倒钩突耳65。在组装步骤期间，柔性材料沿着折叠线66折叠，该折叠线66可以通过划痕或部分切穿柔性材料来限定。按压倒钩突耳65穿过狭缝64，使得倒钩67与狭缝64的端部接合，以将组件保持在一起。图4所示的结构可以组装成盒形。
68.图5示出了用于放置在必须穿透屏蔽件的部件周围的复杂的折叠风帽。在使用中，它将与约50k的温度处的部分机械接触。可以看到倒钩突耳65和翼部71。
69.图6示出了折叠盒盖42的一个示例，该折叠盒盖42如所描述的那样利用翼部、狭缝、倒钩突耳来组装。如这里所图示的，这样的折叠盒盖可以用于将诸如开关的发热部件38装入盒中，以防止来自那些部件的热辐射到达诸如磁体10或制冷剂容器12的其他部件。组装的盒42被示出为通过枞树铆钉32附接到支撑结构40。在使用中，该折叠盒盖附接到冷却至约4k温度的部分，该部分可以是支撑结构40。示出了槽和倒钩固定件26，在该处盒的一个侧面略微折叠在相邻侧面之上，以提高盒的光密性。
70.尽管已经特别参考超导磁体对本发明进行了描述，该超导磁体具有ovc和热辐射屏蔽件，热辐射屏蔽件放置在ovc与磁体结构或制冷剂容器(如果有的话)之间，但是本发明可以应用于其他冷却装备，并且因此一般地，本发明的热辐射屏蔽件可以位于暖表面与冷质量体之间，术语“暖”在这里是相对的，并且仅表示它处于比冷质量体更高的温度处。尽管根据低温冷却超导磁体进行了描述，但是本发明可以应用于处于不同温度的壳体内的任何冷却装备。