CN101012982B - 回热类型的膨胀机 - Google Patents

Abstract

一种磁屏蔽件安装在回热类型膨胀机中的它自己的真空外壳中，包括真空外壳、位于冷回热器中的磁性材料以及磁屏蔽件，其中磁屏蔽件围绕磁性材料。

Description

回热类型的膨胀机

技术领域

本发明涉及一种制冷机，并且更具体的是涉及一种回热类型的膨胀机。

背景技术

在MRI低温恒温器中操作的吉福德-麦克马洪(GM)、GM类型脉管、斯特林和斯特林型脉管制冷机用于通过下面的方法冷却超导磁体，即通过膨胀机(expander)的冷端与磁体的直接联结的传导，或者通过在MRI低温恒温器的填充有氦的颈管中操作，其中制冷机将正在冷却MRI磁体的氦再冷凝。Nagao的美国专利US 5,447,033中所描述的传统类型的GM膨胀机以及Gao的美国专利US6,256,998中所描述的脉管类型在制冷机的冷端中使用稀土材料以提供4K的冷却。

稀土材料具有磁性，磁性使得它们与MRI磁体的孔中的磁场相互作用，并且导致在成像信号中重叠有噪声。对于传统的GM制冷机，其中稀土材料容纳在往复运动的第二级置换器中，这个问题在Nagao于1988年12月13日提交的日本专利JP 2600869中进行了描述。这个专利描述了多种不同的磁屏蔽件的设计，能够防止稀土材料向MRI信号中引入噪声。膨胀机被描述为在MRI低温恒温器中的真空中操作；因此磁屏蔽件可以连接到膨胀机的热站(heat station)，并且被冷却到均匀的温度，同时在屏蔽件和膨胀机缸之间没有热传递。

Bogner于1968年4月21日提交的美国专利US 3,331,041以及Saji于1987年12月29日提交的美国专利US 4,803,452中描述了用于构造超导屏蔽件的方法。最近，已经开发出高温超导体(HTS)，所述高温超导体在80K的范围的温度操作。虽然早期的屏蔽件设计用于在4K附近的温度操作，但现在可以利用HTS材料构造屏蔽件，并且在两级GM类型的制冷机的第一级冷却它们。

Eckels的于1997年12月30日授权的美国专利US 5,701,744描述了一种传统的两级4K GM膨胀机，所述膨胀机安装在MRI低温恒温器的颈管中，其中它被氦气包围。膨胀机插入颈管中，并且可以方便地被拆除以进行维修，而不会使磁体升温。它与颈管中的第一级热站热接触，颈管连接到大约40K的热屏蔽件，并且与第二级4K热站热接触，所述4K热站连接到氦再冷凝器和磁屏蔽件。

磁屏蔽件位于颈管的真空侧上，从而它与颈管和膨胀机缸热隔离。导热带上覆有超导屏蔽材料以将组件保持在4K附近。

相比于传统的两级GM膨胀机，在4K操作的两级GM类型脉管向MRI信号中引入更少的噪声，因为容纳稀土材料的冷回热器是静止的。然而，由于来自压力循环脉管的小的运动，或者由于蓄冷材料的热循环，噪声继续被引入。

最普通的GM膨胀机具有封装在置换器主体的内部的回热器，因此它们与置换器往复运动。这种设置提供了具有单个阶梯状缸的紧凑的设计。当安装在MRI低温恒温器的颈管中时，颈管中的氦气通过颈管和膨胀机缸之间的对流来传递热量。通过将颈管安装成几乎竖直定向，热损失被最小化。膨胀机缸和颈管具有几乎相同的温度梯度。

脉管膨胀机通常在管中具有回热器，所述回热器与脉管紧密间隔，并且平行于它们。当安装在被氦气包围的MRI颈管中时，除了由于与颈管的热交换造成的热损失，回热器和脉管之间的温度差导致它们之间的对流热损失。

2005年2月4日提交的名为“Multi-stage Pulse Tube with Matched Temperature Profiles”的美国专利USSN 60/650,286描述了用于使热损失最小化的装置，所述热损失由于填充有氦的颈管中的对流造成，该专利在此引为参考并且作为本发明的一部分。如日本专利JP 2600869中所描述的，在颈管内增设磁屏蔽件是不实用的，因为使用低温超导材料的屏蔽件必须被保持在4K附近，因此传导损失将非常大。如果磁屏蔽件被设置在颈管外部的真空中，如美国专利US 5,701,744中所描述的，它将变大并且变得昂贵。

最近，斯特林类型脉管已经构造成在回热器中具有磁性材料，并且已经达到4K。因为它们相对高的操作速度，因此这是难以实现的。

在现有技术中，磁屏蔽件连接在缸的外侧，这需要大尺寸的屏蔽件。通常，屏蔽件由超导材料制成，这在脉管制冷机中尤其昂贵，其中第二级热站比GM制冷机的第二级热站大很多。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种磁屏蔽件，所述屏蔽件有效地将MRI设备从膨胀机中的磁性材料屏蔽。

本发明的一个目的是提供一种磁屏蔽件，所述屏蔽件在真空外壳中，所述真空外壳是膨胀机组件的一部分，并且独立于低温恒温器中的真空。

本发明的另一个目的是提供一种磁屏蔽件，所述屏蔽件有效地将MRI设备从膨胀机中的磁性材料屏蔽，同时将热损失最小化。

本发明的另一个目的是提供一种磁屏蔽件，所述屏蔽件可用于斯特林制冷机和斯特林型脉管。

本发明的另一个目的是提供一种回热类型膨胀机，其中磁性材料被磁屏蔽件包围，所述磁屏蔽件可固定或者可拆除，用于方便地维修。

根据下面的描述，这些和目的将变得显而易见。

本发明的本质特征是安装在它自己的真空外壳中的磁屏蔽件。当这样安装时，它可以包围脉管、GM或其它回热类型膨胀机中的冷磁蓄冷材料，并且外壳可以与膨胀机中或者膨胀机周围的空间中的氦气相接触。

在任一种不同应用中，具有磁屏蔽件的脉管或者GM膨胀机可用于将超导MRI磁体冷却到大约4K。具有磁屏蔽件的脉管或GM膨胀机的主要应用是将超导MRI磁体冷却到大约4K。根据本发明的膨胀机可以安装在MRI低温恒温器真空空间中，或者安装在低温恒温器中的填充有氦的颈管中。

通过容纳磁屏蔽件的真空外壳，MRI低温恒温器的填充有氦的颈管中的多级4K脉管膨胀机的对流热损失被最小化。具有屏蔽件的真空外壳是膨胀机组件的一部分，并且当它被维修时，它与膨胀机一起被拆除。取决于屏蔽件中使用的超导材料的类型，他可以通过膨胀机的第一级或者第二级被冷却。

屏蔽件为环形形状，并且围绕回热类型膨胀机中的磁蓄冷材料。根据本发明的膨胀机可以安装在MRI低温恒温器的颈管中，或者安装在低温恒温器的真空空间中。当安装在颈管中时，它可以被气体例如氦包围。在脉管膨胀机的情况中，回热器、磁屏蔽件、脉管和颈管之间的热损失通过容纳屏蔽件的真空外壳被最小化。

附图说明

在下面的附图中，相同的附图标记代表相同的部件。

图1是在环形真空外壳中的环形磁屏蔽件的剖视图。

图2是具有图1的磁屏蔽件的两级脉管膨胀机的示意图，所述磁屏蔽件示为冷回热器套筒中的插入件。

图3是本发明的第二实施例的示意图。其示出了具有磁屏蔽件的两级脉管膨胀机，所述磁屏蔽件位于环形真空外壳中，其中冷回热器套筒是真空外壳的外壁。

图4是本发明的示意图，示出了安装在MRI低温恒温器的颈管中的图2的两级脉管，其中它被氦气围绕。

图5是本发明的第三实施例的示意图，示出了具有环形磁屏蔽件的两级脉管，所述磁屏蔽件容纳在环形真空外壳中，所述外壳在第二级回热器套筒的外部。

图6是本发明的第四实施例的示意图，其示出了具有位于冷回热器周围的环形磁屏蔽件的两级脉管，它们都容纳在真空外壳中，所述真空外壳同样容纳第二级脉管的冷段。

图7是本发明的第五实施例的示意图。其示出了具有图1的磁屏蔽件的两级GM膨胀机，所述磁屏蔽件作为第二级缸中的插入件。

具体实施方式

本发明提供一种将磁屏蔽件设置在磁性材料周围的装置，所述磁性材料位于4K的脉管或者GM膨胀机或者其它类型的膨胀机的冷端中。如果在制冷机技术方面有进步，本发明的磁屏蔽件可用于斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机的膨胀机中。通常，本发明可用于任何类型的换热式制冷装置。

这通过如下的方式实现，即使得磁屏蔽件位于真空外壳内，所述真空外壳是膨胀机的一部分。在一个优选实施例中，在脉管的情况中，环形真空外壳位于冷回热器套筒内，或者在GM膨胀机的情况中位于冷缸内。对于脉管，磁性蓄冷材料被封装在真空外壳的孔中，而对于GM膨胀机，在其中具有磁性蓄冷材料的冷置换器在真空外壳的孔中往复运动。

脉管膨胀机通常安装成几乎竖直定向，从而脉管的顶部与热端是相同的，并且脉管的底部与冷端是相同的。两级膨胀机用于示出本发明的原理，但是本发明同样可应用到容纳磁性材料的任何级的膨胀机。这种材料通常仅用在冷回热器中，所述冷回热器在3K和40K之间操作。下面的实例都示出了被膨胀机的第二级冷却的磁屏蔽件，但是如果磁屏蔽件由HTS材料制成，那么它可以被膨胀机的第一级冷却。

图1是磁屏蔽插入件70的剖视图，所述插入件70包括位于环形真空外壳40中的环形磁屏蔽件31。磁屏蔽件31与真空外壳40热隔离，除了在热基座32将热量传导到磁屏蔽件31的端部的外部的一端处。磁屏蔽件31通常利用充分导热的材料设计，以将它保持在热基座32的温度附近，大约为4K，同时真空外壳40在顶端处可具有温度梯度和大约40K的温度。

图2是两级脉管膨胀机71的示意图，其中磁屏蔽插入件70位于冷回热器套筒23内。第二级回热器24包括位于热端的非磁性材料26、位于中间的类型I的磁性材料27、以及位于冷端的类型II的磁性材料28，所有都封装在磁屏蔽插入件70的孔中。

两级脉管膨胀机组件71包括第一级脉管10、第一级回热器14、第二级脉管20(示为具有热端20a和冷端20b)、第二级回热器24、热凸缘4、热流平流器11和21、冷流平流器12和22、第一级热站15、第二级热站25和阀门/孔口/缓冲组件5。在美国专利US 6,256,998中可以找到这些部件和脉管的操作的详细描述，该专利在此引为参考并且做为本发明的一部分。管6从压缩机(未示出)向阀门5输送高压氦气，并且管7将低压的氦气返回到压缩机。

第一级回热器14通常封装在可拆套筒中。热站15具有可拆的流动分配器16，分配器16允许屏蔽插入件70从脉管的热端被安装，所述插入件70在其中具有回热器24。通过密封件29防止气体在插入件70的外侧和回热器套筒23之间流动。这种设计使得插入件70的冷端与热站25热接触。通常利用薄壁SS管构造所述脉管10、20以及用于回热器14、24的壳体，以使轴向传导损失最小化。

图3示出了具有磁屏蔽件31的两级脉管膨胀机72，所述屏蔽件31位于环形真空外壳41中，其中冷回热器套筒23是真空外壳的外壁。磁屏蔽件31和真空外壳41因此是脉管的整体部分。外壳41的内孔容纳回热器24。磁屏蔽件相对昂贵。膨胀机71和72都具有小的磁屏蔽件，并且因此相对于现有的设计来说生产成本相对低廉。

图4是本发明的最常用的应用的示意图。具有填充有氦气的颈管的MRI低温恒温器60示为具有插入其中的两级脉管71。MRI低温恒温器组件60包括外壳50，外壳50由颈管连接到内部容器55，所述颈管包括热端颈管51a、热站58和冷端颈管51b。容器55容纳液态氦56和超导MRI磁体57。它被真空53围绕。通常MRI低温恒温器具有辐射屏蔽件54，屏蔽件54被脉管膨胀机71的第一级热站15冷却到大约40K到58K。具有用于磁屏蔽件的整体真空外壳的脉管72功能上与膨胀机71等价。热站15示为被形成为锥形，以与颈管热站58配合。径向的O形环8使得脉管71能够插入颈管中，直到颈管热站15与颈管热站58热接合。

这种设置允许脉管膨胀机71或72方便地从MRI低温恒温器组件60移除用于检修。氦气52占用膨胀机71和组件60中的颈管之间的空间。在操作中，从顶部处大约为290K的室温到底部处的4K具有温度梯度。脉管膨胀机具有大约为40K的第一级热站15，第一级热站15用于冷却磁低温恒温器中的屏蔽件，并且脉管膨胀机具有在第二级的氦再冷凝器25，再冷凝器25将超导MRI磁体保持在4K附近。

当颈管中存在氦52时，磁屏蔽件30周围的真空外壳40或41提供回热器套筒23、脉管20b以及颈管套筒51b之间的热隔离，所述外壳具有磁蓄冷材料。

第二级脉管20示为没有与热站15物理接触。通常，当两级脉管在真空中操作时，具有没有热接触的优点。在这种情况中，当氦围绕脉管时，是较为不利的，但它是设计者的一种选择。于2005年2月4日提交的名为“Multi-stage Pulse Tube with Matched Temperature Profiles”的美国专利USSN 60/650,286提供了用于解决上述设计问题的选择的扩展讨论，该专利在此引为参考，并且作为本发明的一部分。

图5示出了两级脉管组件73，组件73具有环形真空外壳42，其中真空空间43围绕磁屏蔽件31。具有稀土材料的第二级回热器24在外壳42的环形空间内。真空外壳42和屏蔽件31连接到第二级热站25，但是没有延伸到第一级热站15。当安装在MRI低温恒温器60的颈管中时，氦气填充回热器套筒23和真空外壳42之间的环形空间。这将会使得二者中的温度分布图类似。与此相联系的热损失很小。在制造真空外壳42中节省的成本会抵消所述小的热损失，所述外壳42具有屏蔽件31作为它的子配件。

图6是两级脉管74的示意图，脉管74具有位于冷回热器周围的环形磁屏蔽件，它们都在真空外壳中，所述真空外壳同样容纳第二级脉管20b的冷段。磁屏蔽件31物理并且热连接到第二级热站25。真空外壳44从第二级热站25延伸到第一级热站15。第二级脉管20被钎焊到热站15以保持套筒44内的真空43。当安装在填充有氦的颈管中时，通过气体的传导将导致在两个管中的温度分布图类似，所述气体填充套筒44和低温恒温器60中的颈管之间的环形空间。由于对流造成的热损失将很小。在外壳44内，消除了对流损失。

图7是两级GM膨胀机80的下部的示意图，膨胀机80具有图1的磁屏蔽件70，作为第二级缸84中的插入件。第一级置换器81联结到第二级置换器主体86。置换器81在缸81中往复运动，并且在冷端处的空间中产生制冷，所述空间接受来自第一级热站83的热量。蓄冷材料26、27和28封装在置换器主体86中，主体86在真空外壳70的孔中往复运动。在冷端处的空间中产生制冷，并且来自热站85的热量被接收。静止的密封件29防止气体越过插入件70的外壁和缸84的内壁之间。置换器主体86上的密封件87防止气体越过冷回热器。应当注意，如美国专利US 5,481,897中所述，具有凹槽的置换器主体避免了对密封件87的需要，该专利在此引为参考并且作为本发明的一部分。

虽然图7描述了可拆的插入件70的使用，但是与图3所示的真空外壳41类似的具有磁屏蔽件的整体的真空外壳是一种可能的选择。

对于磁屏蔽件来说通常可以被组装到套筒中，该套筒然后被抽空，但也可以留下剩余气体，例如氮气，当屏蔽件被冷却时，所述剩余气体通过非常低的温度或者使用吸收剂例如木炭被降低到非常低的压力。

应当理解，虽然讨论集中在本发明在MRI低温恒温器中的使用上，所述低温恒温器具有在4K的液态氦池中操作的超导磁体，但也可以使用具有在较高的温度操作的材料的超导磁体，因此可以使用20K的液态氢或者30K的液态氖来代替液态氦。气态氦也可以在4K以上使用，并且依赖于对流以冷却磁体。磁体和其它装置也可以通过与膨胀机的传导被冷却，膨胀机安装在低温恒温器真空空间中。例如可以使用单级膨胀机，所述单级膨胀机具有磁性蓄冷材料和根据本发明的屏蔽件，所述膨胀机在大约20K操作以冷却超导磁体，所述磁体在大约30K操作。热传导带可以从磁体向膨胀机传递热量。

两级膨胀机已经进行了描述，但是可以使用一级或多级。最冷的级称为冷级。本发明可应用到回热类型膨胀机中的任何来源的电磁噪声。回热类型的膨胀机包括GM、GM类型脉管、斯特林和斯特林类型脉管。取决于在磁屏蔽件中使用的材料，它可以通过膨胀机的第一或第二级被冷却。

在一种实施本发明的特别优选的方法中，超导体屏蔽件被双壁筒封闭，并且所述筒插入缸中。所述筒可以紧密配合到缸中或者可拆。

在一个实施例中，在4K的脉管制冷机中，双壁筒用于第二回热器。

在GM制冷机中，双壁置换器可以制成第二置换器。双壁筒可以手动抽空，并且可以使用例如木炭，可以联结在壁上以保持真空。即使它没有被抽空，在冷却后，由于温度在冷端接近4K，因此空气中的大部分成分已经被固化，类似地作用以进行热交换。

在4K脉管中的一个现有技术实施例中，如果屏蔽件连接到第二级热站，则需要Φ90毫米的屏蔽件。利用根据本发明的屏蔽件，仅需要Φ35毫米的屏蔽件。

Claims (17)

1.一种回热类型的膨胀机，包括真空外壳、位于冷回热器中的磁性材料、以及磁屏蔽件，其中磁屏蔽件位于真空外壳内，并且磁屏蔽件包围磁性材料，所述真空外壳是膨胀机的一部分，所述冷回热器在所述真空外壳的孔中。

2.如权利要求1所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，真空外壳具有环形孔。

3.如权利要求2所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，磁性材料位于环形孔内。

4.如权利要求3所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，磁屏蔽件是回热膨胀机的冷回热器套筒中的可拆的插入件，所述冷回热器套筒(23)是所述真空外壳(41)的外壁。

5.如权利要求3所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，磁屏蔽件固定在所述回热膨胀机的冷回热器套筒中，所述冷回热器套筒(23)是所述真空外壳(41)的外壁。

6.如权利要求2所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，磁屏蔽件位于容纳冷回热器的套筒外部，所述冷回热器的套筒(23)设置在所述真空外壳(42)的孔的内部。

7.如权利要求1所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，所述膨胀机是GM、GM类型脉管、斯特林和斯特林类型脉管中的一种。

8.如权利要求7所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，所述膨胀机是GM或GM类型脉管中的一种。

9.如权利要求1所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，所述膨胀机安装在低温恒温器中的真空空间以及容纳氦、氢和氖中的一种的低温恒温器中的颈管中的一个中。

10.如权利要求1所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，所述膨胀机安装在MRI低温恒温器的颈管中，并且被氦、氢和氖中的一种包围。

11.如权利要求10所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，真空外壳具有环形孔。

12.如权利要求11所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，磁性材料位于环形孔的内部。

13.如权利要求11所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，磁屏蔽件是回热膨胀机的冷回热器套筒中的可拆的插入件，所述冷回热器套筒(23)是所述真空外壳(41)的外壁。

14.如权利要求11所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，磁屏蔽件固定在所述回热膨胀机的冷回热器套筒中，所述冷回热器套筒(23)是所述真空外壳(41)的外壁。

15.如权利要求11所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，磁屏蔽件在容纳冷回热器的套筒的外部，所述冷回热器的套筒(23)设置在所述真空外壳(42)的孔的内部。

16.如权利要求10所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，所述膨胀机是GM、GM类型脉管、斯特林和斯特林类型脉管中的一种。

17.如权利要求10所述的回热类型的膨胀机，其特征在于，所述膨胀机是GM或GM类型脉管中的一种。

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