加速冷却的方法与流程

本发明涉及冷却低温系统的方法。特别地，本发明涉及利用多级冷却来冷却低温系统的方法。

背景技术：

低温系统，如mri(磁共振成像)系统，要求低温系统所包含的超导磁体被冷却而使得低温系统能运行。为使得超导磁体起作用，需要将这些超导磁体冷却至极低的温度。例如，该温度可能是小于20开尔文(k)。

可以利用诸如液态氮或液态氦等冷却剂冷却低温系统。然而，在一些情形下，不能使用或者不期望使用冷却剂。在这些情况下，可以使用更少使用冷却剂材料或者根本不使用冷却剂的其它方法或设备。例如，这可以通过使用如脉冲管制冷机(ptr)、gm制冷机、斯特林制冷机(sterlingrefrigerator)或其它类型的低温冷却器等低温冷却器来完成。

低温冷却器通过借助热传导直接冷却目标(例如超导磁体)来工作。为了冷却至要求温度，经常需要使用两级低温冷却器。这是因为，单级低温冷却器经常不能冷却至要求温度。

然而，因为低温冷却器(包括两级低温冷却器在内)仅能够进行“点冷却(spotcooling)”，所以可能会花费两天到三天来冷却目标部件，并且对于更大的目标系统，可能花费两周以上来将目标冷却至工作温度。这因此表明了有相当长的时间段低温系统不能运行。这意味着，为冷却至运行温度，必须在低温系统的测试或安装期间留出相当长的时间段。这既低效又成本高，因为在低温系统达到其运行温度之前不能使用低温系统且不能进行测试。因此，需要减少将低温系统冷却至运行温度而更快达到运行状态所花费的时间量。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供一种将低温系统的目标部件加速冷却至低温工作温度的方法，包括如下步骤：利用第一冷却装置来冷却低温系统的目标区域，第一冷却装置适于通过其与目标部件之间的热传导而将目标区域冷却至第一温度，并且所述第一冷却装置在第一温度具有第一冷却功率；利用低温冷却器将低温系统的目标部件从第一温度冷却至工作温度，其中第一冷却装置在第一温度的第一冷却功率大于低温冷却器在第一温度的冷却功率。第一温度可以高于第一冷却装置所能达到的平衡或可持续温度(即，基准温度)。在该情况下，随着温度接近基准温度，向基准温度的冷却放缓。

第一温度的确切温度将取决于所使用的冷却装置。例如，示例的第一冷却装置在30k可以具有大约65w的冷却功率，而在20k为0w，因此由于随着目标区域接近20k，冷却放缓，因此更高效的是在高于20k的温度开始利用低温冷却器冷却。开始冷却的最佳点可以是当目标区域已经冷却至下述的温度的时候：低温冷却器的冷却功率至少如第一冷却装置在该温度的冷却功率一样高(例如大于或等于)。

实际的考虑是，如果尝试第一冷却装置和低温冷却器的交换，则低于大约80k，空气将凝结在表面上。因此，有益的是在略高温度执行这样的交换从而降低污染的风险。

因为第一冷却装置在第一温度具有比低温冷却器大的冷却功率，所以这使得与仅使用低温冷却器相比初始冷却更快速。一旦初始冷却完成且目标部件达到第一温度，则低温冷却器随后用于从第一温度冷却至工作温度，在该工作温度，例如低温冷却器可以具有比第一冷却装置大的冷却功率或者第一冷却装置可能不能达到工作温度。已经发现，以此方式冷却极大地提高了冷却低温系统尤其是目标部件的速率。利用该方法，在很多情况下冷却低温系统所花费的时间能够至少减半。例如，如果系统使用常规方法冷却花费两周，则使用本发明的方法将(取决于确切的情形)花费大约一周。实质上，该方法允许低温系统的目标部件比使用常规方法时更快速地冷却。

低温系统的目标部件通常由一个或多个辐射屏蔽件封闭，一个或多个辐射屏蔽件又收容在低温系统的低温恒温器的主体内。因此，为使诸如低温冷却器等设备能够通过热传导来冷却目标部件，有必要使低温系统具有提供端口的接口，低温冷却器的冷却元件可以放置到该端口中。低温系统可以具有两个这样的接口，使得第一冷却装置和低温冷却器同时在单独的接口处附接到低温系统。这将允许无需移除一个冷却设备且用第二冷却设备取代该一个冷却设备就能进行全部冷却。然而，该方法包括当目标区域处于第一温度时用低温冷却器替换第一冷却装置的步骤。这意味着，低温系统无需专门进行适应处理来允许执行该方法，这意味着其可以与能够借助低温冷却器冷却的任何常规的低温系统一起使用。

常规地，低温系统可以具有至少一个辐射屏蔽件。每个辐射屏蔽件通过有效地拦截从可能处于室温的低温系统外部传递的一些热量来提供对其所保护的目标部件的绝缘。这放慢了低温系统所在的环境加热冷却目标的速率。为了使得辐射屏蔽件(一个或多个)有效，每个辐射屏蔽件需要被冷却从而将目标部件置于低热辐射环境中。每个辐射屏蔽件的冷却可独立于目标部件的冷却。实际上，当冷却目标部件时，优选的是，第一冷却装置也通过热传导来冷却至少一个辐射屏蔽件，至少一个辐射屏蔽件位于目标部件与低温系统外部之间。此外，第一冷却装置也通过热传导来冷却至少一个辐射屏蔽件。利用相同的装备同时冷却任何辐射屏蔽件，实现了更大的冷却效率并且减少了冷却整个系统以及目标部件所需的装备的数量。

低温冷却器可以是单级低温冷却器，但是典型地，低温冷却器是两级低温冷却器。这允许低温冷却器达到较低温度，并且允许在低温进行更高效的冷却。这是因为，低温冷却器的第二级将被优化而在诸如4k或4.2k的低温最高效地运转，这样允许在这种温度更快速冷却。

第一冷却装置可以是能够通过热传导而冷却至低温温度的任何设备，如通过该装置泵送液态氦的管道或换热器。典型地，第一冷却装置是单级低温冷却器。单级低温冷却器允许目标部件进行可预期冷却，并且是不需要大量低温流体的单个设备。使用单级低温冷却器且然后使用两级低温冷却器与仅使用两级低温冷却器相比的优点在于，两级低温冷却器的第二级在中间温度(例如在高于大约25k至40k的温度)具有有限的冷却功率，并且因此两级低温冷却器将目标部件从室温冷却至4k的低运行温度的能力非常有限。单级低温冷却器在冷却至该中间温度方面有效得多。这是因为，单级低温冷却器可经优化而在例如77k冷却。因此，这通过提高初始冷却(即，从环境温度到中间温度，中间温度充当“第一温度”)速率而提高了冷却目标部件的速度。

将单级低温冷却器与目标部件耦合而允许单级低温冷却器与目标部件之间的热传导。这可以通过例如铜条或另一种导热材料实现。

低温冷却器的冷却功率通常受其尺寸以及多种其它因素影响。“现成的”单级低温冷却器典型地短于两级低温冷却器。这意味着，为了尽可能高效地冷却目标区域，使用某种形式的热耦合来桥接单级低温冷却器与目标区域之间的间隙。

可能存在正在被冷却的两个部位，目标区域和目标区域周围的辐射屏蔽件。为冷却这两个部位，单级低温冷却器可放置成与辐射屏蔽件直接接触，而单级低温冷却器的底部与目标区域热耦合。因此，单级和两级低温冷却器的长度差意味着，当两级低温冷却器替换单级低温冷却器使用时，第一级可以放置成与辐射屏蔽件直接接触，而第二级放置成与目标区域直接接触。

可替代地，第一冷却装置包括导管和换热器，并且通过导管从外部冷却装置向换热器提供冷却流体。换热器和外部冷却装置提供了单级低温冷却器的替代选择，同时还提供了单级低温冷却器在第一温度的较大冷却功率方面的益处。

附图说明

下面参考附图详细说明实施例，在附图中：

图1示出了实施例的过程的流程图；

图2示出了与目标部件耦合的单级低温冷却器的剖视图；以及

图3示出了与目标部件耦合的两级低温冷却器的剖视图。

具体实施方式

在全世界范围内从低温系统的制造商到需要它们的任何地方运送诸如mri系统等低温系统。当制造该系统时，制造商需要测试系统以确保其按所期望地运转。在到达时，也需要使低温系统尽快运行而使其能够被使用。测试和操作均要求低温系统冷却至其工作温度。期望的是尽可能快速地将系统冷却而允许测试完成或者系统尽快投入工作。由于这种低温系统的运送所需的时间长度，并不是总能在运送之前将系统冷却而且不是总能在到达时使系统仍然冷却。然而，由于可能具有超过500kg的需要冷却的质量的这种低温系统的尺寸，利用所有已知的方法冷却该系统都花费相当长的时间段。

为了缩短冷却低温系统所花费的时间，使用依照图1所示的过程的方法。需要冷却的低温系统的壳体呈围绕一个或多个辐射屏蔽件的低温恒温器的形式，其中每个辐射屏蔽件将收容在该辐射屏蔽件内的体积与外部环境绝缘和隔离。辐射屏蔽件(一个或多个)封闭冷却目标(即，目标部件)，如超导磁体。

历史上，低温系统的目标部件先前是通过浸入如液态氦等冷冻剂池中而保持在其运行温度。然而，冷冻剂，尤其是液态氦，因为供应正在减少而变得越来越昂贵。此外，存在不期望使用冷冻剂的情形。因此，现在能够利用极少的低温流体或不使用低温流体来冷却低温系统。这是通过使用如低温冷却器等冷却装置来实现的。

为能够冷却低温系统，尤其是目标部件，当使用低温冷却器时，低温系统必须具有可以与该低温冷却器接合的接口。该接口包括端口，低温冷却器的冷却元件能够通过该端口来放置。端口从低温系统的外部延伸到目标部件。这允许低温冷却器与目标部件耦合，即，以导热关系与目标部件接合。该端口还允许低温冷却器与低温系统中的任何辐射屏蔽件耦合。

根据该实施例，将单级低温冷却器与低温系统的目标部件耦合(s101)。这通过将单级低温冷却器10放置在低温恒温器2中的端口20中来实现(参见图2)。为了将单级低温冷却器与目标部件30耦合，把可由例如高导热率的铜制成的导热元件40附接在单级低温冷却器10与目标部件30之间。除了与目标部件耦合之外，单级低温冷却器还可以与辐射屏蔽件50耦合，这允许单级低温冷却器在冷却目标部件30的同时冷却辐射屏蔽件50。

为了实现单级低温冷却器与目标部件之间的耦合，通常在低温冷却器的端部上的接触目标部件的铜垫与目标部件上的类似部分之间存在挤压接触。接触力通过由外部螺栓对整个单级低温冷却器施加压力来施加。还可通过将铜接触垫镀金或通过使用铟垫圈或散热膏改善低温冷却器与目标部件之间的接触。

一旦与目标部件耦合，单级低温冷却器10将目标部件30从初始温度冷却至第一温度(s102)。因为不大可能对目标部件进行预冷，初始温度通常是低温系统1周围的环境温度。因此，其与低温系统周围的环境处于热平衡。第一温度可以例如在20k与100k之间。这可以是大于80k的温度以使由于凝结的空气引起的污染风险最小，或者可以为大约25k至40k，在这种温度，两级低温冷却器的冷却功率通常超过单级低温冷却器的冷却功率。

可以直接监测目标部件30的温度，或者由于单级低温冷却器的冷却功率将是已知的，可以基于目标部件的特性(例如，热容量、质量和/或导热低温恒温器性能和冷却目标部件所花费的时间)来计算目标部件的温度。

在达到第一温度时，从低温系统去除单级低温冷却器(s103)。这通过从目标部件30拆卸单级低温冷却器10以及从低温系统10中的端口移除该单级低温冷却器来实现。如果单级低温冷却器也附接到辐射屏蔽件50，则也需要从辐射屏蔽件拆卸单级低温冷却器。

单级低温冷却器一旦停止冷却，目标部件(以及辐射屏蔽件)将开始变热。因此，一旦从低温系统移除单级低温冷却器，则需要尽可能快速地再次开始冷却。

在移除单级低温冷却器时，将两级低温冷却器与目标部件耦合(s104)。另外，两级低温冷却器的第一冷却级也可以与辐射屏蔽件50耦合。

为放缓升温速率，尽可能快速地进行单级低温冷却器与两级低温冷却器的交换。该交换可以在氦气氛内进行，例如，通过在交换期间将包含氦气的“手套袋”放置到设备上。可替代地，或者另外地，可以在低温系统内维持氦气正压，和/或可以在高于空气凝结温度的温度执行交换。

虽然两级低温冷却器的耦合类似于单级低温冷却器的耦合，但是这些耦合有一些差别。如图2和图3所示，端口20具有在低温系统1的外部与辐射屏蔽件50之间的较宽孔20a以及在辐射屏蔽件50与目标部件30之间的较窄孔20b。如图2所示，当位于端口中时，单级低温冷却器的冷却级10a位于端口的较宽孔20a中，并且不向下延伸进入辐射屏蔽件50与目标部件30之间的较窄孔20b中。导热元件40在单级低温冷却器10与目标部件30之间延伸。相比之下，如图3所示，当位于端口20中时，两级低温冷却器60具有位于端口的较宽孔20内的第一级60a以及位于端口的较窄孔20b内的第二级60b。第一级60a通常将具有30至60瓦(w)之间的冷却功率，并且第二级60b通常将具有1与2w之间的冷却功率。在50hz频率工作的不同的两级低温冷却器的示例的冷却功率将为在43k的40w以及在4.2k的1w、在50k的35w以及在4.2k的1.5w、在45k的45w以及在4.2k的1w和在45k的35w以及在4.2k的1w。

低温冷却器(或低温冷却器的特定级)的冷却功率是温度相关的，并且因此在特定的暂态或非基准温度下，低温冷却器(或低温冷却器的特定级)的冷却功率可以延伸出给定范围之外。例如，当在与第一级的基准温度相似的温度(例如，40k)工作时，两级低温冷却器的第二级很可能具有在上文给定的冷却功率范围之外的冷却功率。

通过设有两级低温冷却器，为了允许第二级具有足够的冷却功率，不得不牺牲第一级的冷却功率。因此，单级低温冷却器10可能具有大约三倍的两级低温冷却器60的第一级60a的冷却功率。据此，能够得出，单级低温冷却器在第一温度在给定期间内所提供的冷却将比两级低温冷却器的第一级在相同期间内所提供的冷却大得多。其构造在一定程度上使管理低温系统冷却的人员在冷却循环期间用第二低温冷却器替换第一低温冷却器，同时必须暂停冷却且必须花费时间将一个低温冷却器替换成另一低温冷却器。此外，仅使用单个低温冷却器来冷却低温系统的目标部件是较简单的且为操作员和低温系统带来较少的触碰问题的风险。尽管如此，我们已经实现了系统整体的冷却性能差异比这些因素重要。

如图2所示，两级低温冷却器60可以直接与目标部件30耦合。这可以通过第二级60b与目标部件30之间的直接接触来完成。可替代地，可以在第二级60b与目标部件30之间设置导热元件。

一旦与目标部件耦合，使用两级低温冷却器来将目标部件从其当前温度(即，从大约第一温度)冷却至工作温度(s105)。运行温度可在3k与20k之间，如4.2k。例如，当目标部件是由铌钛丝制成的超导磁体时，使用4.2k。然而，当将铌锡丝用于充当目标部件的超导磁体时，该温度可以更高。

如同单级低温冷却器，两级低温冷却器60也能够在冷却目标部件的同时冷却辐射屏蔽件50。这是由两级低温冷却器的第一级与辐射屏蔽件之间的热传导耦合实现的。当然，如果存在多于一个辐射屏蔽件，则单级低温冷却器和两级低温冷却器可仅冷却一个辐射屏蔽件，或者可以冷却多个辐射屏蔽件。

在达到运行温度时，使用两级低温冷却器将目标部件的温度维持在运行温度以下。因此，通常不从低温系统移除两级低温冷却器。然而，这可以根据需要或意愿来执行，例如，为了维修低温冷却器或在故障情况下进行更换。

作为可替代的实施例，替代使用导热元件40作为单级低温冷却器与目标部件30之间的链接，将冷指形件设置在单级低温冷却器与目标部件之间。冷指形件可以容纳液态氦，液态氦在与接触目标部件的冷指形件的下表面的内部接触时沸溶，并且在与单级低温冷却器相接触的冷指形件的上表面的内部上凝结。

作为另一替代选择，单级低温冷却器可替换成被馈送有来自外部氦储器的氦的冷指形件。这将从在冷指形件与目标部件之间直接接触的低温恒温器除热。通过以环路从将被冷却的外部储器和冷指形件泵送氦，目标部件可以如利用单级低温冷却器所实现的那样被冷却。还可将换热器附接到接口，换热器借助从外部冷却源被供应预冷的冷却流体而通过端口从目标部件中除热。