專利名稱：具有熱界面的冷卻設(shè)備以及用于再冷凝低溫氣體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有熱界面的冷卻設(shè)備以及用于再冷凝低溫氣體的方法。
背景技術(shù)：
MRI(核磁共振成像)系統(tǒng)用于醫(yī)學(xué)診斷。MRI磁體的要求是提供穩(wěn)定、均勻的磁場。為了獲得穩(wěn)定性，通常使用在極低溫度下運(yùn)行的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，通常通過將超導(dǎo)體浸入如液態(tài)氦、液態(tài)氖、液態(tài)氫或液態(tài)氮之類的處于低溫下的低溫液體進(jìn)行冷卻，保持所述溫度。低溫液體費(fèi)用昂貴，并且期望按照使低溫液體的用量降低至最小值的方式對(duì)磁體系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行。
超導(dǎo)磁體系統(tǒng)通常包括一系列容納在低溫恒溫器內(nèi)的用于產(chǎn)生磁場的超導(dǎo)線圈。所述低溫恒溫器通常包括低溫液體容器，其容納有超導(dǎo)線圈、一個(gè)或多個(gè)完全包圍所述低溫液體容器的熱屏蔽件，以及完全包圍所述一個(gè)或多個(gè)熱屏蔽件的真空護(hù)套。為了降低低溫容器上的熱負(fù)荷，使用致冷器將熱屏蔽件冷卻至低溫是普遍做法。使用致冷器直接制冷低溫容器以降低或消除低溫液體的損耗也是公知的。
MRI磁體系統(tǒng)使用致冷器以降低低溫容器上的熱負(fù)荷，從而減少或消除低溫液體的消耗。所述致冷器必須與有待冷卻的物體形成良好熱接觸，同時(shí)易于取出和更換以便維護(hù)。
致冷器由于易于磨損因而必須在一定時(shí)間后對(duì)致冷器定期維護(hù)并予以更換并且保持適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)性能。因此，致冷器以可拆裝地插入磁體系統(tǒng)的方式安置。
在低溫下獲得良好的熱接觸是困難的，與此同時(shí)，在熱屏蔽件溫度下使用加壓觸點(diǎn)可獲得適當(dāng)?shù)臒峤佑|，一旦例如依據(jù)維護(hù)的需要取出和更換致冷器，則難以重制這些加壓觸點(diǎn)。所提供的熱接觸必須允許這樣的取出和更換而不導(dǎo)致所述熱接觸的熱傳導(dǎo)率的顯著劣化，否則在極低溫度下獲得理想的制冷效果將變得更為困難。
在例如美國專利US 5,782,095，US 5,613,367，US 5,918,470，以及歐洲專利申請(qǐng)EP 0720024A1中論述了已知的方案。
在每個(gè)上述方案中，均設(shè)置有可拆裝地安裝在套筒內(nèi)的低溫致冷器。在每種情況下，所述套筒都終止于散熱器，所述散熱器以某種方式熱連接到暴露于低溫容器的再冷凝面上。在美國專利US 5,613,367中，再冷凝面32直接暴露于所述低溫容器的內(nèi)部。在上述其他的每個(gè)方案中，都設(shè)置有與散熱器毗鄰的單獨(dú)的再冷凝室。設(shè)置有氣源和液體回流管用以連接所述再冷凝室和所述低溫容器。在每個(gè)所述方案中，需要在所述致冷器和所述散熱器之間提供有效熱界面。在美國專利US 5,918,470和歐洲專利申請(qǐng)EP 0720024中，此點(diǎn)是通過一銦墊圈實(shí)現(xiàn)的。在美國專利US 5,613,367中，相應(yīng)的熱界面依賴于機(jī)械接觸部件的有效清潔。
由于所述致冷器和所述散熱器之間的熱耦合可能劣化，或者至少是難以保持，在取出和更換致冷器時(shí)就會(huì)遇到問題。當(dāng)所述致冷器從其套筒中取出時(shí)，所述套筒的內(nèi)部就暴露在空氣中。熱交換器必將處在極低溫度下，其難以防止空氣氣體在所述套筒內(nèi)冷凝或凍結(jié)。這種冷凝物可以通過使所述套筒的溫度達(dá)到環(huán)境溫度而清除，但這將導(dǎo)致所述致冷器的取出和更換過程更加漫長，并可能導(dǎo)致不必要的低溫劑損耗。而且每次取出和更換致冷器都需要使用新的銦墊圈。銦墊圈會(huì)經(jīng)受蠕變，也就是說，用以提供所述致冷器和所述熱交換器之間的所述熱接觸的銦墊圈會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變形，結(jié)果將導(dǎo)致所述熱界面的劣化。此外，當(dāng)所述致冷器被取出以便維護(hù)時(shí)，在安裝新的銦墊圈之前難以清除舊的銦墊圈遺留下的所有痕跡。先前的墊圈的任何殘留物都將導(dǎo)致在后的墊圈的不均的壓縮，結(jié)果產(chǎn)生不合乎標(biāo)準(zhǔn)的熱界面。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供有效的熱界面，以便用于在可拆裝的致冷器與熱交換器之間傳導(dǎo)熱，從而使所述熱界面簡便地形成，且不會(huì)隨時(shí)間或所述致冷器的反復(fù)取出而劣化。
在一種應(yīng)用場合中，本發(fā)明的目的在于，在有待冷卻的低溫氣體與用于冷卻的致冷器之間提供適當(dāng)?shù)臒峤佑|，同時(shí)保證所述致冷器易于取出以便維護(hù)，并消除由于所述致冷器的取出而使空氣進(jìn)入所述低溫容器的可能性。
本發(fā)明相應(yīng)地提供了如所附權(quán)利要求所限定的方法和裝置。


考慮以下結(jié)合附圖對(duì)其中一些實(shí)施例所做的詳細(xì)說明，本發(fā)明上述的以及更進(jìn)一步的目的、優(yōu)點(diǎn)以及細(xì)節(jié)將顯而易見，其中圖1示出了MRI系統(tǒng)的示意性生剖視圖；以及圖2示出了安裝在致冷器套筒內(nèi)的致冷器，其中包括本發(fā)明實(shí)施例所述的熱界面。
具體實(shí)施例方式
如上所述，通過使致冷器作用于低溫氣體從而實(shí)現(xiàn)再冷凝的技術(shù)本身是已知的。例如，可以通過將致冷器的冷卻部件放置在低溫氣體內(nèi)實(shí)現(xiàn)用于冷卻低溫劑的致冷器與有待冷卻的氣體之間的有效的界面接觸。在致冷器的冷卻部件上發(fā)生冷凝，并且被再冷凝的低溫劑重新落回低溫容器內(nèi)。
圖1示出了安裝有致冷器4的已知MRI磁體系統(tǒng)的示意圖。致冷器包括盛有超導(dǎo)磁體(未示出)和液化低溫劑16的液體低溫劑容器1，致冷器由一個(gè)或多個(gè)熱屏蔽件2包圍，其中熱屏蔽件2又由真空護(hù)套3完全包圍。致冷器4可拆裝地安裝在磁體系統(tǒng)上，該致冷器通過界面接觸套筒5與低溫劑再冷凝室11以界面方式熱接觸，從而冷卻熱屏蔽件以及使低溫氣體再冷凝并通過管6將其送回低溫容器1。
參照附圖1所討論的MRI系統(tǒng)是使用需要處于液態(tài)氦溫度的超導(dǎo)體的典型MRI系統(tǒng)。在備選系統(tǒng)中，也可以使用所謂的高溫超導(dǎo)體。在這樣的系統(tǒng)中，低溫劑可以是液態(tài)氮。不再需要熱屏蔽件2，但是通常用多層絕熱層取而代之。單級(jí)致冷器4就足以使用。
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的熱界面，特別適用于可拆裝的致冷器和有待冷卻的物件之間，例如在圖1所示的MRI系統(tǒng)中界面接觸套筒5處。本發(fā)明的熱界面最好包括充注有氣體的再冷凝室，所述再冷凝室與致冷器的冷卻面以及有待冷卻的物件熱接觸。
根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，為了在低溫容器1內(nèi)進(jìn)行低溫氣體的再冷凝，冷凝過程在鄰接的室中進(jìn)行兩次，從而所述致冷器能夠與用于冷卻超導(dǎo)磁體的氣態(tài)或液態(tài)低溫劑隔離，同時(shí)提供不隨時(shí)間或致冷器的反復(fù)取出和更換而劣化的有效熱界面。
圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例所述的熱界面。所述界面接觸套筒5的底部以密封不泄漏的方式終止于熱傳導(dǎo)基座10，該基座10密封所述套筒，并使其與低溫容器1內(nèi)的低溫液體或氣體隔離。因此，基座10既構(gòu)造成低溫容器1的壁的一部分，也構(gòu)造成套筒5的壁的一部分?；?0最好也以密封不泄漏的方式連接以便形成所述再冷凝室11的壁的一部分。再冷凝室11環(huán)圍與所述基座10熱接觸的再冷凝器11a，并通過氣態(tài)低溫劑入口/液態(tài)低溫劑出口管6與低溫容器1連通。兩級(jí)致冷器4安置在致冷器界面接觸套筒5內(nèi)。所述致冷器4的第一級(jí)熱交換器12a與熱屏蔽件2熱接觸。該接觸可以是如圖所示的直接接觸或者通過如柔性銅編織物之類的已知介質(zhì)形成。致冷器4的第二級(jí)熱交換器7位于致冷器界面接觸套筒5的下部8中。第二級(jí)7終止于冷卻級(jí)9，該冷卻級(jí)由所述致冷器冷卻至低溫，例如大約4K。此段中所描述的特征是常規(guī)的，與美國專利5,918,470所示的裝置對(duì)應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，套筒5充注有低溫氣體。冷卻級(jí)9最好不與基座10形成機(jī)械接觸。冷卻級(jí)9工作，以將低溫氣體冷卻至其液化溫度。冷卻級(jí)9最好是有散熱片的，從而改善再冷凝的熱傳遞。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所能理解的，以及根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，套筒5的內(nèi)部設(shè)置為次級(jí)再冷凝室。
冷卻級(jí)9在所述套筒5內(nèi)液化所述氣體。因此，產(chǎn)生的液態(tài)低溫劑12部分充注至套筒5的底部并提供熱傳遞介質(zhì)，所述介質(zhì)通過在基座10處沸騰并在冷卻級(jí)9處再冷凝，用于將熱量從低溫容器1中的來自再冷凝室11的氣態(tài)低溫劑經(jīng)再冷凝器11a和基座10傳遞至次級(jí)再冷凝器9。
基座10最好由高導(dǎo)熱材料制成，通常用銅制成，并且提供從其與低溫液體12接觸的上表面10a至其下表面并至再冷凝器11a的良好的熱傳導(dǎo)。低溫液體12的上表面最好不與所述第二級(jí)冷凝器9接觸，這是由于會(huì)降低可用于再冷凝的面積，從而也降低熱傳遞率。液態(tài)低溫劑12及與其相對(duì)應(yīng)的氣態(tài)低溫劑在冷卻級(jí)9和基座10之間提供一非接觸式的(‘再冷凝器’)熱界面。
基座10的上表面10a可以是帶散熱片的或機(jī)加工或制備成增大用于沸騰的傳熱面積，但是所述表面的制備應(yīng)使其允許液體12的自由流通過基座10的上表面10a。
以下將詳細(xì)描述本發(fā)明的熱界面的操作。致冷器和套筒之間的第一級(jí)熱交換器12a設(shè)置有至少一個(gè)氣體通道13，從而氣體能夠在界面接觸套筒5的上部和下部之間通過，以便抽空所述套筒，用低溫氣體對(duì)其進(jìn)行再充注，并且在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候釋放低溫氣體。
在首次將所述致冷器放置在所述界面接觸套筒5內(nèi)時(shí)，在致冷器和磁體系統(tǒng)較熱的情況下，空氣通過進(jìn)出口14從接觸套筒5抽出，隨后通過進(jìn)出口14，該界面接觸套筒再次充注清潔的低溫氣體。所述過程可重復(fù)進(jìn)行多次以確保留存在所述接觸套筒內(nèi)的低溫劑的純度。
在將磁體系統(tǒng)和致冷器冷卻至運(yùn)行溫度的過程中，或者在磁體系統(tǒng)和致冷器已經(jīng)冷卻至運(yùn)行溫度時(shí)，可允許更多的低溫氣體緩慢地通過進(jìn)出口14進(jìn)入該界面接觸套筒。允許氣體緩慢進(jìn)入，從而致冷器能夠?qū)ζ溥m當(dāng)?shù)剡M(jìn)行冷卻和液化。測量被允許進(jìn)入的氣體數(shù)量，從而使適量的液體12在所述套筒的所述底部冷凝。
在隨后的取出、維護(hù)以及更換致冷器的的環(huán)節(jié)之后，如果所述磁體系統(tǒng)已經(jīng)冷卻，而所述致冷器仍然(相對(duì)于低溫容器1的溫度)較熱，則空氣通過進(jìn)出口14從界面接觸套筒5抽出，所述套筒隨后再次被充注進(jìn)清潔的低溫氣體。過程可重復(fù)進(jìn)行多次以確保留存在所述接觸套筒5內(nèi)的氣體的純度。隨后啟動(dòng)致冷器4，并允許其冷卻至運(yùn)行溫度。當(dāng)所述致冷器完全冷卻時(shí)，或在冷卻過程中，允許一定量的低溫氣體緩慢通過進(jìn)出口14進(jìn)入套筒。緩慢地允許氣體進(jìn)入，從而致冷器能夠?qū)ζ溥m當(dāng)?shù)剡M(jìn)行冷卻和液化。測量被允許進(jìn)入的氣體量，從而在所述套筒的所述底部冷凝適量的液體12。
當(dāng)關(guān)閉致冷器進(jìn)行維護(hù)時(shí)，或者如果無意中關(guān)閉或停止致冷器時(shí)，液態(tài)低溫劑12將沸騰并揮發(fā)。減壓閥15安裝在所述接觸套筒5上，以防止上述情況下在套筒內(nèi)產(chǎn)生過壓?；蛘撸捎谝簯B(tài)低溫劑12的量很小，所以允許其蒸發(fā)到儲(chǔ)存器中，然后當(dāng)所述致冷器再次啟動(dòng)時(shí)再冷凝。約2升的容量加壓至2巴(2×105Pa)左右將足以提供充足的氣體，用以冷凝成熱傳遞液體12。
本發(fā)明的所述界面接觸可用于致冷器4與再冷凝器11a的界面接觸。盡管任何適宜的氣體均可用于所述次級(jí)冷凝器9，5，但是次級(jí)冷凝器內(nèi)的氣體12的沸點(diǎn)應(yīng)不高于再冷凝室11和低溫容器1內(nèi)氣體的沸點(diǎn)。可在兩個(gè)冷凝器內(nèi)使用相同的氣體。如果使用了具有不同沸點(diǎn)的氣體，將在所述熱通道10中形成熱阻，從而提高所述再冷凝器11a的效率。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，封閉的再冷凝室提供了冷卻級(jí)9和有待冷卻的所述物體10之間的熱界面。當(dāng)取出致冷器進(jìn)行維護(hù)時(shí)，次級(jí)再冷凝室8開啟。然而，并未對(duì)所述再冷凝室11產(chǎn)生影響。
盡管結(jié)合有限的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可在本發(fā)明的范圍之內(nèi)做出各種更改和改變是顯而易見的。
例如，在特別描述的實(shí)施例中，所述冷卻物體10本身可構(gòu)造成再冷凝室的一部分。然而，本發(fā)明并不限于為再冷凝室提供熱界面。事實(shí)上，本發(fā)明有益地發(fā)現(xiàn)了其中致冷器可能需要毫無困難地定期取出并更換且不會(huì)導(dǎo)致所述致冷器與有待冷卻的所述物體之間的熱界面的劣化的任何一種情形下的應(yīng)用。由于本發(fā)明的熱界面是可預(yù)知的且易于建立，本發(fā)明也可有益地應(yīng)用于其中致冷器不必反復(fù)取出的情形。本發(fā)明對(duì)熱界面依賴于精確的機(jī)械接觸或者銦墊圈的插入的實(shí)例所需的機(jī)械精度沒有要求。
權(quán)利要求
1.一種冷卻設(shè)備，其包括可拆裝的低溫致冷器(4)以及在該可拆裝的低溫致冷器(4)和將由該低溫致冷器冷卻的物件(10)之間的熱界面，其中，該熱界面包括保持在再冷凝室(12)內(nèi)的氣體，該再冷凝室與低溫致冷器的冷卻面(9)及所述有待冷卻的物件(10)熱接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻設(shè)備，其特征在于，所述低溫致冷器安裝在套筒(5)內(nèi)，并且在所述套筒內(nèi)環(huán)繞所述低溫致冷器的空間形成所述再冷凝室。
3.根據(jù)在前述任一權(quán)利要求所述的冷卻設(shè)備，其特征在于，有待冷卻的物件(10)放置在所述再冷凝室的下端，以便氣體在所述冷卻面(9)上冷凝成液體(12)，并在重力作用下下落從而與所述有待冷卻的物件(10)接觸。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的冷卻設(shè)備，其特征在于，有待冷卻的物件(10)與另一再冷凝室(11)熱接觸，所述再冷凝室(11)設(shè)置用于與該界面的該再冷凝室隔離的低溫氣體本身的再冷凝。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的冷卻設(shè)備，其特征在于，所述冷卻面(9)設(shè)置有散熱片。
6.一種盛有液化低溫劑(16)的低溫恒溫器，其包括暴露于盛有液化低溫劑的低溫容器(1)內(nèi)部的再冷凝器(11a)，所述再冷凝器被連接成便于借助如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的冷卻設(shè)備進(jìn)行冷卻。
7.一種MRI系統(tǒng)，包括盛放在權(quán)利要求6所述的低溫恒溫器內(nèi)的超導(dǎo)線圈。
8.一種熱接觸，其包括環(huán)繞再冷凝致冷器(4)并與有待冷卻的部件(10)接觸的密封室(5)，所述密封室充注有氣體，所述氣體由所述再冷凝致冷器冷凝成液體(12)，使得該氣體的再冷凝提供再冷凝致冷器與該部件(10)之間的熱接觸。
9.一種用于再冷凝低溫恒溫器內(nèi)的低溫氣體的方法，包括以下步驟-提供一再冷凝面(11a)，所述再冷凝面(11a)暴露于低溫恒溫器內(nèi)的低溫氣體，并與權(quán)利要求8所述的部件熱接觸；及-通過借助如權(quán)利要求8所述的熱接觸來冷卻所述部件，從而對(duì)所述再冷凝面進(jìn)行冷卻。
10.一種大致如所述的和/或如附圖的圖2所示的設(shè)備。
全文摘要
一種可拆裝的致冷器(4)與有待由所述致冷器進(jìn)行冷卻的物件(10)之間的熱界面。所述熱界面包括充注有氣體(12)的再冷凝室，所述再冷凝室與所述致冷器的冷卻面(9)以及有待冷卻的物件(10)以界面方式熱接觸。
文檔編號(hào)H01F6/00GK1997851SQ200580016649
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2005年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月25日
發(fā)明者T·J·休格赫斯, K·懷特 申請(qǐng)人:西門子磁體技術(shù)有限公司