用于低温容器的冷却装置的制作方法

1.本公开涉及用于低温容器的冷却装置，诸如用于将超导磁体冷却到工作温度的冷却装置。特别地，本公开涉及通过容纳在凹部内的多级低温制冷机进行冷却，该凹部形成在低温恒温器的外壁中。外壁通常称为“外部真空容器”(ovc)，并且凹部通常称为“套件(sock)”。多级低温制冷机可以称为“冷却头”(ch)。


背景技术：

2.图1示出了用于制冷剂容器的常规装置，诸如用于将超导磁体冷却到工作温度的装置。ovc的外壁的一部分以10示意性表示。该部分(非常靠近ch 11的安装位置)可以称为套件凸缘。腔体(套件)12从套件凸缘向内延伸到ovc中。在该示例中，ch具有两个冷却级。第一冷却级14冷却到第一低温温度，第二级16冷却到更低的第二低温温度。在 ch冷却超导磁体的情况下，第二低温温度足够冷以至于超导磁体可以被冷却到其发生超导的温度。
3.套件具有与ch的多个级相对应的多个级。
4.在低温系统中使用的冷却头(ch)11通常安装在套件12中，该套件12将ch与真空环境隔离。由于隔热要求，套件的壁通常被设计为尽可能薄，以使从套件凸缘10处的室温通过套件的壁的材料到第一级22 的热传导热负荷最小化。螺栓18用于将冷却头11附接到套件凸缘10。当然，螺栓18可以替换为其他等效固定装置。弹性密封件20通常位于冷却头11的本体与套件凸缘10之间。在拧紧螺栓18时，机械压力从 ch 11的第一冷却级14被施加到套件12的第一级22上。套件12由套件凸缘10支撑，但未被保持在第一级22处。热辐射屏蔽件30附接到第一级22。套件12的第二级24和ch 11的第二级16限定冷凝室，并且在ch 11的第二级16与套件12的第二级24之间不需要机械接触。


技术实现要素：

5.已知的解决方案在冷却装置的热传导和机械接触的可靠性方面仍然可以被改进。因此，需要一种用于低温容器的冷却装置至少部分地解决上述问题。
6.根据本公开的第一方面，提供了一种用于低温容器的冷却装置。该冷却装置包括：低温制冷机，具有至少第一冷却级和第二冷却级；套件，具有对应的至少第一级和第二级，至少第一级和第二级分别与低温制冷机的至少第一冷却级和第二冷却级热接触；套件包括在套件的第一级与套件的开口之间延伸的基本柱形上壁，其特征在于，套件的基本柱形上壁包括至少一个隆起部。
7.在一个实施例中，套件的基本柱形上壁还包括至少一个凹部。
8.在一个实施例中，套件的基本柱形上壁包括多个交替的凹部和凸部，以形成波纹管结构，装置还包括多个加强杆，多个加强杆与套件的柱形上壁平行地在套件的开口与套件的第一级之间延伸。
9.根据本公开的第二方面，提供了一种用于低温容器的冷却装置。该冷却装置包括：低温制冷机，具有至少第一冷却级和第二冷却级；套件，具有对应的至少第一级和第二级，
至少第一级和第二级分别与低温制冷机的至少第一冷却级和第二冷却级热接触；套件包括在套件的第一级与套件的开口之间延伸的基本柱形上壁，其特征在于，低温制冷机的第一级与套件的第一级之间的热接触由具有柔性指状件的接触环提供，接触环位于低温制冷机的第一级与套件的第一级之间，以在套件的第一级与低温制冷机的第一级之间形成热接触。
10.本公开的实施例可以使得用于低温容器的冷却装置更加可靠。
附图说明
11.通过以下结合附图对仅通过示例的方式给出的某些实施例的描述，本公开的上述和另外的目的、特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
12.图1表示安装到外部真空容器的套件内的冷却头的常规装置；
13.图2(a)至2(d)表示本公开的相应示例实施例；并且
14.图3示出了可以在诸如图2(d)所示的实施例中采用的示例组件。
具体实施方式
15.在这种装置中，套件12的上壁26是受力部件。由螺栓18施加的、用于在ch 11的第一冷却级14与套件12的第一级22之间提供紧密机械接触的机械力被完全加载到套件12的上壁26上，该套件12是薄壁管。为了承受这种轴向张力，上壁26的材料必须至少足够厚以使其在来自螺栓18的压力的施加时不会明显变形。但是，使用较厚材料表示上壁26 可能具有比优选热导率更高的热导率。上壁26的材料必须不渗透可能存在于套件内的任何气体，诸如氦气。这样，这些气体不会从套件内扩散到由ovc提供的真空绝缘体中。虽然可以使用低导热率的承重材料来制造上壁26，但是这种材料可能会渗透套件12中发现的氦气或其他气体。
16.因此，本公开提供了改进的套件，特别是套件12的改进的上壁26，这使得能够通过拧紧冷却头11与套件凸缘10之间的螺栓18，在ch的第一冷却级14与套件的第一级22之间提供机械压力，并且在ch 11的第一冷却级14与套件12的第一级22之间提供有效的热接触，而无需导热率过大的厚的上壁26。附件(在该示例中包括螺栓18、套件凸缘10、弹性密封件20)在室温时在套件凸缘10与ch 11之间提供有限的移动范围。
17.在诸如用于冷却mri系统中的超导磁体的用于低温容器的冷却装置中，通常采用零蒸发(zero-boil off)装置。例如，在基于氦的低温冷却装置中，通常使用两级冷却头ch 11。冷却头ch 11的第一冷却级14 通常被装置为冷却低温系统结构，诸如热屏蔽件30、悬挂装置(在附图中未示出)。ch 11的第一冷却级14还从ch的第二级16移除热量。 ch的第二级16通常将诸如氦等制冷剂冷却到其沸点以下并且将其冷凝为液体。
18.如图1所示，ch 11容纳在套件12中，套件12包括上薄壁管26、第一级22、下薄壁管32、和位于套件底部处的第二级24。热辐射屏蔽件30热连接到套件的第一级22，在此处热辐射屏蔽件30被ch 11的第一冷却级14冷却。在基于氦的系统中，该第一冷却级14在操作期间可以冷却到约30-40k的温度。因此，在ch的第一冷却级14与套件的第一级22之间需要良好的热接触，这可以通过在拧紧螺栓18时施加压力来提供。通过拧紧螺栓18而施加的力由上壁管26中的张力来承载。制冷剂(诸如氦气)通常直接接触ch的第二级16。因此，套件12必须
防止这种制冷剂逃逸到由ovc提供的作为绝热装置的真空区域中。因此，在外部为真空的环境下，套件12必须承受相对较高的内部气压。
19.由螺栓18施加的力和内部气体压力在上薄壁管26中产生很大的机械应力。作为示例，上薄壁管26可以基本上是柱形的。由螺栓18施加的轴向力将导致上薄壁管26在轴向方向上的张紧，而套件内的气体压力将导致上薄壁管26在径向方向上的张紧。由于ch 11和套件12的热收缩不同，随着ch在操作中冷却，这个应力将改变并且可能会增加。
20.在一些装置中，可以使用活塞密封件o形圈装置。这样的装置可以提供公差，以给出制冷机的第一级与套件的第一级之间的所需要的接触力。在一些其他装置中，可以使用其他活塞密封件，并且其他密封装置也是可能的，诸如被称为面密封的密封装置。
21.在某些情况下，已经发现，套件内的制冷剂气体过压、或在螺栓18 过度拧紧的情况下，上薄壁管26内的机械应力可能超过上薄壁管的屈服极限，然后，塑性变形会发生以减小套件的第一级22与ch的第一冷却级14之间的接触力。因此，所需要的热接触可能变得不足。上壁管的材料的疲劳可能会导致套件的泄漏，从而使制冷剂气体从套件逃逸到ovc 内的真空中，从而破坏由ovc提供的隔热效果。可以发现，在上薄壁管 26的相应端部处的真空密封接头很容易因过大的负荷而失效。例如，这样的接头可能包括焊接件或真空钎焊件。当然，也可以使用其他类型的接头。
22.通过本公开的相应实施例，提供了一种改进的套件装置，其中限制了由诸如螺栓18等附接装置施加的力。
23.图2(a)-(d)示出了根据本公开的相应实施例的概念的示意图。在每种情况下，本公开试图消除上薄壁管26中的过大的张力引起的塑性变形，并且确保ch第一冷却级14与套件的第一级22之间的良好的热接触。与图1所示的特征一样的特征具有对应附图标记。
24.首先参考图2(a)的实施例，代替图1的上薄壁管26，提供了上薄壁管36。上薄壁管36是基本柱形的，并且关于纵轴旋转对称，如该示例中的ch 11一样。
25.特别地，在图2(a)的实施例中，上薄壁管设置有单个隆起部38。在上薄壁管上设置有隆起部(bulge)38，该隆起部38的形状具有加宽的中央部分和在其上下末端处较窄的端部。当通过拧紧螺栓18来装配 ch 11时，上薄壁管36内的张力可以引起隆起部38通过弹性变形轴向扩展，隆起部的这种弹性扩展限制了上薄壁管36的材料中的应力。这种扩展将提供足够的弹性变形以限制上薄壁管26内的应力并且避免其塑性变形。
26.随着螺栓18被拧紧，达到了一个极限，即无法再将冷却头ch 11 驱动到更靠近套件凸缘10处。此时，可以说冷却头ch 11相对于套件凸缘10“见底(bottom out)”，使得没有另外的力可以被施加到上薄壁管36上。这将限制必须由上薄壁管36支撑的最大力。上薄壁管36内的柔性限制了套件12中的最大机械负荷。
27.在图2(b)中示出了第二实施例。在该实施例中，图2(a)的带有隆起部38的上薄壁管36被替换为不同的上薄壁管46。上薄壁管46关于纵轴基本旋转对称，如该示例中的ch 11一样。与图2(a)的实施例的上薄壁管46中设置有单个隆起部不同，上薄壁管46设置有多个卷绕 (convolution)48、49。以类似于图2(a)的实施例的方式，卷绕48、 49允许上薄壁管46的弹性变形，以适应由螺栓18施加的任何过大的张力并且防止上薄壁管46的塑性变形。更多的卷绕48、49也可以减少ch 11的室温端与ch 11的第一冷却级14之间的热导率，因为由上薄壁管 46提供的热路径实际上更长。
28.薄壁管卷绕48、49的弹性变形吸收了栓接ch时ch 11的第一冷却级14的位移，同时确保来有足够的力以实现ch 11的第一冷却级14与套件的第一级22之间的良好的热接触。图2(b)的实施例与图2(a) 的实施例的不同之处在于设置在套件12的上薄壁管中的卷绕48、49的数目。与图2(a)的上壁薄壁管36相比，诸如图2(b)所示的具有多个卷绕48、49的实施例可以使上壁薄壁管46更柔性(flexible)。
29.在图2(a)和2(b)的实施例中，上薄壁管设置有单个或若干卷绕 38、48。由于螺栓18施加轴向力而产生的卷绕的形状变化会限制上薄壁管中的应力，并且避免直管的直接伸长(如常规装置中)。常规装置中直管的直接伸长可能会导致上薄壁管的永久性塑性变形。图2(a)和2 (b)的卷绕的弹性变形可以保持足够的力以确保ch 11的第一冷却级 14与套件12的第一级22之间的良好的热接触。
30.可以发现，上薄壁管46的永久塑性变形在第一组件上是有益的。这将允许上薄壁管46的形状改变来补偿套件的制造公差。第一组件上的上薄壁管46到冷却头ch 11上的塑性变形将改善上薄壁管46与冷却头ch 11之间的配合。替代地，不同于在第一组件上与冷却头ch 11发生这种塑性变形，可以作为零件制造的一部分来故意进行这种永久塑性变形。这种塑性变形步骤还可以通过在卷绕中引入有利的残余应力来改善弹性性能。
31.然而，已经发现，过多的卷绕48、49可能导致薄壁管变得过分柔性。在这样的实施例中，过度柔性的薄壁管可能不能在套件12的第一级22 与ch 11的第一冷却级14之间维持足够的力。
32.图2(c)的实施例处理了这个问题。图2(c)的实施例设置了上薄壁管56来代替图1的上薄壁管26。上薄壁管56关于纵轴旋转对称，如该示例中的ch 11一样。
33.上薄壁管56具有多个卷绕，使得其可以被认为是波纹管。波纹管在轴向方向上具有显著的柔性，并且因此可能无法对套件的第一级22保持足够的力以与ch的第一冷却级14进行有效的热接触。上薄壁管56提供了从ovc 10处的室温到套件的第一级22的长的导热路径。因此，通过上薄壁管56中的波纹管减小了这两个部件之间的热负荷。然而，在该示例中，波纹管太柔性而不能保持足够的力以确保套件的第一级22与制冷机的第一冷却级14之间的良好的热接触。
34.在本公开的该实施例中，围绕套件12的上薄壁管56设置有加强杆 60。至少两个加强杆、但优选地是至少三个加强杆被设置成围绕套件12 的上薄壁管56分布以将套件12的第一级22相对于ovc套件凸缘10 保持在固定位置。可以设置多于三个的加强杆。如图2(c)所示，加强杆60可以位于套件外部，或者可以位于套件内部，在套件的第一级22 与ovc套件凸缘10之间延伸。加强杆60将套件12的第一级22保持在相对于ovc套件凸缘10的固定位置。加强杆60从而将套件的第一级 22限制在相对于ovc套件凸缘10的固定位置，使得可以在套件12的第一级22与ch 11的第一冷却级14之间建立合适的界面力。加强杆由具有良好机械弹性但导热率较低的材料制成。例如，树脂浸渍的碳纤维或树脂浸渍的玻璃纤维可以提供合适的材料。加强杆60的上端可以通过任何合适的方式(诸如螺栓或树脂键合)附接到套件凸缘10的下表面。例如，示出了将加强杆60附接到套件12的第一级22的螺栓62。当然，也可以改为使用诸如树脂键合或过盈配合等其他方式。当ch安装到套件凸缘10时，拧紧螺栓18，并且在ch 11的本体与套件凸缘10之间压缩密封件20。加强杆60将套件的第一级22保持在相对于套件凸缘10 的固定位置，并且当螺栓18拧紧时，在套件的第一级22与ch的第一冷却
级14之间产生界面力，以建立有效的热接触。具有波纹管结构的上薄壁管56没有参与建立该界面力。应当设置至少两个加强杆60，但是优选地设置至少三个加强杆。界面力由加强杆60中的张力建立。
35.在图2(c)的实施例中，上薄壁管56不需要承受来自拧紧螺栓18 而引起的任何螺栓力。上薄壁管56也不需要支撑轴向压力负荷。因此，相比其他方式可以用更薄的材料来构造上薄壁管56。多个加强杆60用于固定套件的第一级22相对于ovc的套件凸缘10的相对位置。由螺栓 18的拧紧产生的螺栓力被传递到加强杆60。然后，薄壁管56可以有用地体现为具有优异的柔性和长的导热路径的波纹管。
36.图2(d)示出了本公开的另一实施例。在图2(d)的实施例中，提供了具有柔性指状件的接触环64，从而在套件的第一级22与ch的第一冷却级14之间形成热接触。在该实施例中，没有在上薄壁管66中设置卷绕。当然，也可以设置卷绕。在该实施例中，当拧紧螺栓18以压缩 ch 11的本体与套件凸缘10之间的密封件20时，套件12的第一级22 超出ch的第一冷却级14，并且不与其直接机械接触或热接触。相反，提供了具有柔性指状件的接触环64，该接触环64位于套件12的第一级 22与ch的第一冷却级14之间。接触环64应当是柔性导热材料，诸如铜。
37.当将ch 11插入套件12中并且拧紧螺栓18以压缩密封件20时，具有柔性指状件的接触环64被压成与套件12的第一级22和ch 11的第一冷却级14热接触。接触环64的指状件的柔性确保在套件的第一级 22与ch的第一冷却级14之间提供热接触，而不会对上薄壁管66施加过大的力。
38.诸如图2(d)所示的实施例的另一好处是，与本公开的一些其他实施例中的情况相比，由于柔性指状件在套件的第一级22与ch的第一冷却级14之间形成热接触而引起的接触压力将显著地较少受到套件中的气体压力的影响。在一些其他描述的实施例中，冷却头ch 11的第一级与套件的第一级22之间的接触压力随着套件中的气体压力的变化而变化。
39.图3示出了可以在图2(d)的实施例中使用的接触环的一些示例。也可以提供其他等效结构，但是这些结构需要是导热和柔性的，以便它们在套件的第一级22与ch的第一冷却级14之间被压缩。
40.根据本公开，通过增加套件12的上薄壁管的弹性变形，或者通过提供具有柔性指状件的接触环64或等效结构，以在套件12的第一级22 与ch的第一冷却级14之间提供热接触，减小或消除了由于套件12的上薄壁管的塑性变形而导致失效的风险。
41.在图2(a)和2(b)的实施例中，通过拧紧螺栓18而向下推动的 ch的位移通过上薄壁管的弹性变形或者图2(d)的实施例中的接触环 64的柔性指状件或等效结构的弹性变形而得到补偿。在图2(c)的实施例中，通过拧紧螺栓18向下推动的ch的位移由附加加强杆60补偿。
42.上薄壁管或热接触件(诸如接触环64)的弹性变形意味着：与诸如图1所示的常规装置相比，薄壁管中的张紧应力显著降低。这降低了由于在如图1所示的常规装置中可以观察到的塑性变形而导致的该部分失效的风险。由于这种张紧应力减小，因此可以使用较薄的壁作为上薄壁管。这因此降低了上薄壁管的热导率。此外，在采用隆起部38、卷绕48、 49或波纹管的实施例中，由于这些特征，由上薄壁管提供的从ovc套件凸缘10到套件12的第一级22的热路径被拉长。这进一步减小了上薄壁管的热导率。上薄壁管的这种减小的热导率
减小了到ch 11的第一冷却级14上的传导热负荷。
43.因此，本公开降低了由于机械过载而引起的上薄壁管失效的风险。通常，这种机械过载可能导致套件泄漏。与图1的装置相比，还可以改善套件12的第一级22与ch的第一冷却级14之间的热接触。所有这些改进使得低温系统更加可靠。