CN100498147C - 用于操作气态环境中低温设备的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于提供低温气态环境的装置(300)。用于容纳所述低温气态环境的腔室(320)被浸泡在液体冷却剂(306)中，从而有效地冷却腔室内部，在这期间允许从冷却剂沸腾出的气体泄出。然后，或者将气体注入腔室，或者允许气体在腔室中积聚，从而使得液体冷却剂在流体静压力下被压出腔室，要么通过腔室开放的下部端口(322)，要么通过竖管(324)。这样，腔室内部提供了处于低温温度下的气态环境。

Description

用于操作气态环境中低温设备的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2004年7月5日递交的临时专利申请No.2004903668的优先权，该申请的内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及操作气态环境中的低温设备，更具体地说，涉及提供等于或接近液体冷却剂温度的温度的气态环境的方法和设备。

背景技术

过去，通过将低温设备浸泡在诸如液氮或者液氦等液体冷却剂中来提供低温设备的低温冷却，从而将低温设备的温度保持为等于或者低于液体冷却剂的沸腾温度。使用液氮来提供等于或者低于77.3K的低温操作，而使用液氦来提供等于或者低于4.2K的低温操作。

最近，已经设计出依靠设备的运动来操作的低温设备。在由CSIRO和Tilbrook提出的国际专利申请No.WO2004/015435中给出了这样的设备，该申请的内容通过引用合并于此。该申请教导了旋转一或多个SQUID或者超导场传感器以获取关于磁场的信息。SQUID或者超导场传感器必须被保持低于超导材料的临界温度T_C，以达到正确的超导操作。然而，如果这些运动的低温设备被浸泡在液体冷却剂中，会在流体中产生显著的湍流，导致声学的、磁的以及电的噪声。进一步，粘滞阻力和/或机械振动会在这些通常非常精密的设备上施加机械应力。

在本说明书中，词语“包括”应该被理解为意指包含所宣称的元件、整体或步骤，或者元件组、整体组或步骤组，但是不排除其他任何元件、整体或步骤，或者元件组、整体组或步骤组。

本说明书所包含的对文献、动作、材料、设备、物品或类似物的讨论，仅仅是出于为本发明提供来龙去妙的目的。不应该被理解为承认了这些内容中的任何部分或者全部构成了现有技术基础的一部分，也不应该被理解为在本申请的各项权利要求的优先权日之前在与本发明相关的领域中已经存在的普通公知常识。

发明内容

根据第一方面，本发明为一种用于提供低温气态环境的装置，该装置包括：

腔室，用于容纳所述低温气态环境，以及用于排出外部液体冷却剂；

液体入口，用于选择性地以液体冷却剂充满所述腔室；和

腔室气体端口，用于在液体充满所述腔室期间选择性地允许气体从所述腔室泄出，以及用于选择性地将气体容纳在所述腔室内。

根据第二方面，本发明为一种提供低温气态环境的方法，该方法包括：

用液体冷却剂充满腔室；以及

使低温气体占据所述腔室，并且从所述腔室中置换液体冷却剂。

所述腔室气体端口可以包括一气体注入端口，其用于利用从所述腔室排空液体的气体来清空所述腔室。所述气体注入端口自身可以在液体充满所述腔室期间允许气体泄出。附加地或者可选地，所述腔室可以进一步包括气体流出端口，用于在液体充满所述腔室期间允许气体从所述腔室泄出。

所述腔室气体端口可以包括具有开启和关闭位置的通气口，使所述通气口在开启时在液体充满所述腔室期间允许气体从所述腔室泄出，且使所述通气口在关闭时将气体容纳在所述腔室内。

相应地，按照第三方面，本发明为一种用来提供操作低温设备用的气态环境的装置，该装置包括：

腔室，用于放置所述低温设备；

所述腔室内的端口，允许所述腔室被液体冷却剂充满；以及

通气口，用于允许气体从所述腔室泄出；

其中所述腔室被配置为，当所述通气口关闭时使所述腔室内的液体冷却剂沸腾出的气体在所述腔室内积聚并将液体冷却剂压出所述端口。

根据第四方面，本发明提供一种用来提供操作低温设备用的气态环境的方法，包括：

用液体冷却剂充满一腔室；以及

使从所述液体冷却剂沸腾出的气体在所述腔室内积聚，从而使得液体冷却剂被压出所述腔室。

本发明提供用液体冷却剂充满所述腔室，接下来排空所述液体冷却剂同时维持所述腔室内部处于低温温度。为了提供快速而彻底地冷却腔室内部和容纳物，充满所述腔室是有价值的。在这样的冷却阶段，允许从液体冷却剂沸腾出的气体退出腔室从而腔室保持被充满。

在本发明的第三和第四方面的实施例中，可以通过关闭腔室的通气口而启动从腔室中排空液体冷却剂。当关闭通气口时，从液体冷却剂沸腾出的气体将在腔室内积聚，并且通过端口从腔室中置换液体冷却剂。也就是说，腔室内气体的压力将等于或者超过腔室内液体冷却剂的流体静压力，从而置换液体冷却剂。一旦气体扩充到所述端口，气体将从底部端口以等于气体在腔室内积聚的速度泄出，这样就提供了静止状态，在该静止状态，向腔室内的设备提供大致为液体冷却剂温度的气态环境。

在使用时，所述腔室优选被布置在杜瓦瓶中，并且被部分地浸泡在或者更优选地充分浸泡在保持于杜瓦瓶中的液体冷却剂中，同时维持腔室内的气态环境。将腔室浸泡在液体冷却剂中基本上杜绝了向腔室传输热量，从而使腔室中气态环境的温度大致保持在所使用液体冷却剂的沸腾温度下。通过低温设备的运转和/或通过低温设备的运动操作所需要的任何运动部分的摩擦，当然会在腔室中产生热量。包围腔室的液体冷却剂作为针对这种热量的冷源，通过气态环境中的传导和/或对流，以及透过腔室壁和/或通向液体冷却剂的端口，这些热量被带离该设备和/或运动部分。相应地，所述腔室壁优选地由导热材料形成。

在使用时，腔室的端口优选地被布置为位于或者接近腔室的最底部，从而使在通气口关闭时腔室可以被基本上完全地排空。然而，将端口布置为离开腔室最底部从而在使用时提供腔室的部分排空，在某些实施例中可能就足够了。在腔室底部存在液体冷却剂可以帮助在腔室上部的气态环境中维持合适的低温。端口可以是穿过腔室壁的孔。端口可以包括阀来选择性地关闭或者密封所述端口。

在本发明的优选实施例中，腔室被密封以允许例如通过使用压力阀来控制腔室内的压力。这些实施例有利于在腔室中操作的设备具有压力依赖特性的场合。这样的实施例可以进一步包括一竖管，其具有在所述腔室内的入口，并且具有在所述腔室外并且高于外部液面的出口，该竖管用于允许液体冷却剂处于腔室内气体所产生的流体静压力下时从所述腔室流出。所述竖管的入口优选接近所述腔室的最底部。在这些实施例中，虽然所述竖管可以允许腔室内部和外部之间的压力平衡，不过为了对腔室内的气态环境提供压力控制，容纳外部液体冷却剂和腔室的杜瓦瓶仍然优选被密封。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实例，在附图中：

图1A至图1D示出根据本发明实施例的杜瓦瓶和腔室；

图2示出根据本发明第二实施例的腔室、通气口和驱动轴；

图3示出根据本发明第三实施例的用于提供低温气态环境的装置；

图4示出根据本发明第四实施例的用于提供低温气态环境的装置；以及

图5是示出图4中装置的腔室的冷却和排空过程的流程图。

具体实施方式

图1A至1D示出根据本发明实施例的杜瓦瓶100和腔室120。图1A示出了处于未使用状态的杜瓦瓶100和腔室120，从而示出腔室120的下部端口122和通气口124。

根据本发明的实施例，图1B给出了操作中的冷却模式。按照冷却模式，将液体冷却剂102引入到杜瓦瓶100中，并通过阀126将作为腔室气体端口的通气口124保持开启，这样就允许冷却剂102通过下部端口122进入到腔室120从而将腔室120注满。引入冷却剂102来注满腔室120允许腔室120的内部和容纳物被快速而彻底地冷却。来自腔室20的沸腾的冷却剂作为气体通过通气口124离开。

一旦腔室120的内部和容纳物被充分地冷却，则如图1C所示开始腔室排空步骤。通过监控从通气口124流过的气体，以及一旦气体速率降低到阈值速率以下就确定腔室120的内部和容纳物被充分冷却，可以估算腔室120的温度。为了从腔室120排空冷却剂102，通过使用阀126来关闭通气口124。当通气口124被关闭的时候，从冷却剂102沸腾出的气体104在腔室120中积聚，并且持续不断的沸腾产生足够的压力来抵消腔室120中冷却剂102的流体静压力，从而迫使冷却剂102通过下部端口122离开腔室120。

图1D示出了在腔室120中提供的用于操作气态环境104中一个或多个低温设备的静止状态。阀126保持通气口124关闭。液体冷却剂102被保持在杜瓦瓶100中。腔室120中的气压等于腔室120外液体的液压，从而将液体冷却剂保持在腔室120之外。当腔室120完全浸泡在液体冷却剂中的时候，只有非常少量的热量能够进入腔室120，从而腔室120的内部和容纳物基本上保持在液体冷却剂的沸腾温度。

应该承认在腔室120中产生的热量可以导致腔室120中的温度升高。相应地，需要让腔室120的尺寸紧密地匹配要在腔室120中操作的设备的尺寸，从而使得从腔室外热源向由杜瓦瓶100中冷却剂提供的冷源所进行的热传导变得有效，以便在腔室120中维持合适的低温温度。同样出于这个原因，腔室120优选地由导热材料制成。

图2示出了根据本发明第二实施例的杜瓦瓶插入物200，包括腔室220、作为腔室气体端口的通气口224、以及驱动链240、242。这样的实施例可提供了在气态环境中对运动的低温设备的操作。安装在弹性底层上的超导梯度计，例如在由CSIRO、Tilbrook和Leslie提出的国际专利公开No.WO2004/015435或者国际专利公开No.WO 2004/015788中陈述的那种类型的超导梯度计，可以被安装在由底部驱动轴240驱动的转子设备底座230的底部弯曲部分上。上述国际公开的内容通过引用并入于此。底部驱动轴240进一步被顶部驱动轴242驱动。当杜瓦瓶插入物200被放置于装有液体冷却剂的杜瓦瓶中时，顶部驱动轴242和通气口224被浸泡在液体冷却剂中，从而向腔室220传导非常少量的热量。与下部端口222一起提供了定子设备底座232，以使得来自杜瓦瓶的液体按照以上参考图1A至图1D所描述的方式充满、冷却并且退出腔室220。

如同可以看到的那样，在端口222下面外侧提供空腔226，从而在空腔226中创建更多的气态区域。改变空腔226的尺寸会使得杜瓦瓶插入物和杜瓦瓶能够被放置为使得驱动轴242偏离竖直的角度。在杜瓦瓶插入物被用作多个具有垂直布置的轴的旋转梯度计中一个时，这样的配置可能是所期望的。WO 2004/015435的图2中给出了这样的配置，并且本申请图2中的实施例可以连同该配置而得到应用。

图3示出了根据本发明第三实施例的用于提供低温气态环境的装置300。装置300包括杜瓦瓶302以及杜瓦瓶插入物304。杜瓦瓶插入物304包括腔室320、作为腔室气体端口的通气口324以及驱动链340、342。再一次，可以将安装于弹性底层上的超导梯度计安装在转子设备底座330的底部弯曲部分上，所述转子设备底座330由底部驱动轴340驱动。底部驱动轴340进一步被顶部驱动轴342驱动。当杜瓦瓶插入物304被放置于装有液体冷却剂306的杜瓦瓶302中时，顶部驱动轴342被浸泡在液体冷却剂中，从而向腔室320传导非常少量的热量。提供定子设备底座332，举例来说用以支撑固定式SQUID，所述SQUID被熔接到安装在转子330上的旋转梯度计上。腔室320进一步包括底部端口322，以使得来自杜瓦瓶302的液体306按照以上参照图1A至图1D所描述的方式充满、冷却并且退出腔室220。

进一步，在端口322下面外侧提供空腔326，从而在空腔326中创建更多的气态区域。改变空腔326的尺寸会使得杜瓦瓶插入物304和/或杜瓦瓶302能够被放置为使得驱动轴342偏离竖直的角度。在杜瓦瓶插入物304被用作多个具有垂直布置的轴的旋转梯度计中一个时，这样的配置可能是所期望的。WO 2004/015435的图2中给出了这样的配置，并且本实施例可以连同该配置而得到应用。

图4示出了根据本发明第四实施例的用于提供低温气态环境的装置400。装置400包括作为玻璃真空瓶替代物的杜瓦瓶402、腔室420、阀424以及驱动轴440。装置400可以装在PVC管(未示出)中，可以在所述PVC管的内表面和外表面都涂覆银色漆来实现RF干扰屏蔽，例如在要在腔室420中操作磁场检测设备的场合。可以在被驱动轴440驱动的转子设备底座430上安装超导设备。驱动轴440可以例如手动或者由马达驱动。杜瓦瓶402装有浸泡腔室420的液体冷却剂406。装置400进一步包括竖管428，其具有处于腔室420中并且接近腔室420最底部的入口，允许腔室420中的液体冷却剂被拉低到水平面452。竖管428的出口位于腔室420之外并且高于水平面450，而且水平面450是液体406最初填充杜瓦瓶402所达到的水平面。

可以开启和关闭阀462以选择性地允许液体流入或者流出腔室420。可以开启阀464以允许气体或者液体从杜瓦瓶402中排出。阀466和压力调节器468允许腔室420中的气压保持在等于或者低于由压力调节器468所限定的水平面。如果杜瓦瓶402中的压力超过爆破隔膜470的爆破压力，则爆破隔膜470提供故障机制。

提供定子设备底座432，例如用来支撑固定式SQUID，所述SQUID被熔接到安装在转子430上的旋转梯度计。为了最大化熔接，可能需要最小化转子430和定子432之间的间隙。在这种情况下，转子430和定子432优选由具有低热膨胀系数的材料构成，以使温度变化不会通过例如阻止转子430和定子432之间的接触来不受欢迎地影响转子430和定子432之间的物理间隙。

图5为举例说明对图4中设备400的腔室420进行冷却和排空的过程500的流程图。在步骤502，过程开始。在步骤504，开启阀464、462和424，关闭阀466。在步骤506，通过阀424注入在本例中为液氮的液体冷却剂。在这个步骤中，由于开启了阀462，液体冷却剂在腔室420和杜瓦瓶402之间自由地流动。通过阀424进入的液氮置换了腔室420和杜瓦瓶402中的空气，这些空气被允许通过阀464离开。继续注入液氮直到液面近似位于水平面450。可以在杜瓦瓶402中提供传感器(未示出)来确定液面。

这样用液氮来充满腔室420和杜瓦瓶402提供了对杜瓦瓶402和腔室420中所有部件的彻底而有效的冷却。随着杜瓦瓶402和腔室420中的温度接近液氮的温度，液氮将沸腾并产生氮气，所述氮气也被允许通过阀464离开。在这个阶段，优选地引入液氮以将液面大致维持在水平面450。在本阶段阀464向外气体的流速近似对应于腔室内液氮的沸腾速率，而所述沸腾速率又表示了腔室内容纳物的温度。这样，监控阀464向外的气体流速可以给出腔室420和杜瓦瓶402中部件温度的指示。

一旦认为腔室420中的温度处于恰当水平，可以在步骤508关闭阀462。在步骤510，通过阀424将氮气抽入腔室420。氮气优选处于接近氮沸腾温度的温度，从而避免将额外的热量引入腔室420。由于通过阀424进入的氮气，以及由腔室420中的液氮沸腾会产生氮气，并且由于关闭了阀462，迫使腔室420中的液氮在流体静压力下通过竖管428离开腔室420，这样杜瓦瓶402中的液面可以升高到水平面450之上，例如到达图4中所示的水平面。气体被注入并且在腔室420中积聚直到腔室420中的液面大致回落到水平面452。通过在腔室420中放置液面传感器，可以监控水平面452。或者换一种方式，水平面452可以被配置为处于竖管428的最底端，这样腔室420中气体的持续积聚将导致向上通过竖管428的是气体而不是液体。

一旦腔室420中的液体大致回落到水平面452，在步骤512关闭阀464和424，以提供杜瓦瓶402和腔室420的压力密封。开启阀466，使得腔室420中的气压被压力调节器468所调节。维持恒定的气压将改善可能在腔室420的气态环境中操作的、具有压力依赖特性的设备的灵敏度。在已经在腔室420中达到所期望的低温气态操作环境后，该过程在步骤514结束。已经证实，能够将这种气态环境中的合适的低温条件维持大约3个小时。

要在所述腔室120、220、320或者420中任意一个的气态环境中操作的设备可以是磁传感器。在这些实施例中，设备100、200、300和400的所有材料优选是非磁性的。进一步，图1至图4的实施例中的运动部分应该是在低温温度下自润滑的，并且通常应该具有相匹配的和/或低的热膨胀系数。例如，杜瓦瓶插入物200可以包括一定数目的部件，每个都由环氧树脂浸泡的编织玻璃纤维形成，每个部件具有与邻近部件紧密配合的重叠表面。如果使用不同的设备，这样的单元结构有利于允许部件之间的互换，例如腔室部件220的互换。尼龙螺钉将这些部件保持在一起，而出于容纳气体的目的，在所述面上施加少量的硅脂可以有效地将这些部件密封。

每个转子230、330和430可以由可加工陶瓷形成，而驱动轴240、340和440可以是磨砂的耐热玻璃杆。参考图3，耐热玻璃杆驱动轴340在石墨轴承344中运转，所述石墨轴承344被压入腔室320的壳体中，而玻璃纤维驱动夹头346被压到轴承344外侧上的杆340上。夹头346和轴承344之间的运行面支配转子330和定子332之间的垂直间隙，并且可以由转子330和轴承344之间的塑料弹簧来实施预装载。具有薄壁的铜镍合金管304通过长而细的毛耐热玻璃棒342将转动传输至滑动联轴节350，所述铜镍合金管304在其顶端承载石墨轴承348并且在其底端被压入到腔室320的顶部，所述滑动联轴节350与驱动夹头346啮合。以这种方式，由热效应引起的驱动主轴342纵向振动，不会影响转子330和定子332之间的间距，因此也就不会改变在安装设备SQUID于转子330和定子332上时带到SQUID(tape-to-SQUID)的距离。在驱动主轴342的顶端所处的室温环境中，使用桨轮型空气马达来通过单级行星式橡胶变速箱来驱动主轴342。由安装在该驱动主轴上的光束编码器监控旋转角。

可以在直接位于诸如SQUID的定子设备之下的模块上安装被构图的超导薄膜磁屏蔽，以削弱由SQUID所看到的竖直场分量。这种单元安装允许依靠三个差动螺钉来使得所述屏蔽具有良好的倾斜和定位，所述差动螺钉由伸出到室温环境中的细棒来调整。

本领域技术人员应该理解，可以对如具体实施例所示的本发明进行多种变化和/或修改，而不背离本发明所概括描述的精神和范围。因此，当前这些实施例应该在所有方面被视为说明性的而非限制性的。

Claims (26)

1、一种用于提供低温气态环境的装置，该装置包括：

腔室，用于容纳所述低温气态环境，以及用于排出外部的液体冷却剂；

液体入口，用于选择性地以液体冷却剂充满所述腔室；和

腔室气体端口，用于在液体充满所述腔室期间选择性地允许气体从所述腔室泄出，以及用于选择性地将气体容纳在所述腔室内。

2、根据权利要求1所述的装置，其中所述腔室气体端口包括气体注入端口，用于利用从所述腔室排空液体的气体来清空所述腔室。

3、根据权利要求2所述的装置，其中所述气体注入端口在液体充满所述腔室期间允许气体泄出。

4、根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括气体流出端口，用于在液体充满所述腔室期间允许气体从所述腔室泄出。

5、根据权利要求1到3中任意一项所述的装置，其中所述腔室气体端口包括具有开启和关闭位置的通气口，使所述通气口在开启时在液体充满所述腔室期间允许气体从所述腔室泄出，并且使所述通气口在关闭时将气体容纳在所述腔室内。

6、根据权利要求1到3中任意一项所述的装置，其中所述装置由非磁性材料形成。

7、根据权利要求1到3中任意一项所述的装置，其中所述腔室可以被压力密封。

8、根据权利要求7所述的装置，进一步包括用以调节腔室内压力的压力调节器。

9、根据权利要求1到3中任意一项所述的装置，进一步包括容纳所述腔室的杜瓦瓶，所述杜瓦瓶用于容纳用以浸泡所述腔室的液体冷却剂。

10、根据权利要求9所述的装置，其中所述腔室包括第二端口，其允许所述杜瓦瓶和所述腔室之间的液体交换。

11、根据权利要求10所述的装置，其中在使用时所述第二端口被布置在接近所述腔室的最底部。

12、根据权利要求9所述的装置，其中所述第二端口可被选择性地密封。

13、根据权利要求1到3中任意一项所述的装置，进一步包括一竖管，其具有在所述腔室内的入口，并且具有在所述腔室外的且在使用时高于外部液面的出口，该竖管用于允许液体冷却剂处于由腔室内气体所产生的流体静压力下时从所述腔室流出。

14、根据权利要求13的所述装置，其中在使用时所述竖管的入口接近所述腔室的最底部。

15、一种用于提供低温气态环境的方法，该方法包括：

用液体冷却剂充满腔室；以及

使低温气体占据所述腔室，并且从所述腔室中置换液体冷却剂。

16、根据权利要求15所述的方法，其中使低温气体占据所述腔室的步骤包括：将气体注入所述腔室以从所述腔室中排空液体。

17、根据权利要求15或16所述的方法，其中使低温气体占据所述腔室的步骤包括：在所述腔室内容纳从所述液体冷却剂沸腾出的气体。

18、根据权利要求15或16所述的方法，进一步包括：在充满所述腔室期间允许气体泄出。

19、根据权利要求15或16所述的方法，进一步包括：在使低温气体占据所述腔室后压力密封所述腔室。

20、根据权利要求19所述的方法，进一步包括：调节所述腔室内的压力。

21、根据权利要求15或16所述的方法，进一步包括：将所述腔室浸泡在液体冷却剂中。

22、根据权利要求15或16所述的方法，进一步包括：在充满期间允许所述腔室内部和外部之间的液体交换。

23、根据权利要求15或16所述的方法，进一步包括：在充满以后防止液体进入所述腔室。

24、根据权利要求15或16所述的方法，进一步包括：在充满以后允许液体在流体静压力下退出所述腔室。

25、一种用来提供操作低温设备用的气态环境的装置，该装置包括：

腔室，用于放置所述低温设备；

所述腔室内的端口，允许所述腔室被液体冷却剂充满；以及

通气口，用于允许气体从所述腔室泄出；

其中所述腔室被配置为，当所述通气口关闭时使所述腔室内的液体冷却剂沸腾出的气体在所述腔室内积聚并将液体冷却剂压出所述端口。

26、一种用来提供操作低温设备用的气态环境的方法，包括：

用液体冷却剂充满腔室；以及

使从所述液体冷却剂沸腾出的气体在所述腔室内积聚，从而使液体冷却剂被压出所述腔室。

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