CN101498537B - 用于控制所传递到致冷剂容器的冷却功率的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低温恒温器，其包括一个致冷剂容器(1)、一个热辐射屏蔽层(2)以及一个用于容纳低温致冷器的套管(5)。还提供用于将低温致冷器的第一级热和机械连接到所述辐射屏蔽层以用于其冷却的第一热接触件。提供一个用于容纳一低温致冷器第二级的二级再冷凝腔室(8)，以及提供用于将所述二级再冷凝腔室热连接到暴露于所述致冷剂容器内部的再冷凝表面(11a、44)的构件(10、24)。所述低温恒温器进一步包括一个用于控制所述二级再冷凝腔室内气体的压力的压力控制布置(100)。
Description
技术领域
本发明涉及低温致冷器，尤其涉及用于控制低温致冷器传递到致冷剂容器的冷却功率的方法和设备。
背景技术
MRI(磁共振成像)系统用于医学诊断。MRI磁体的要求是其提供稳定匀质的磁场。为了实现稳定性，通常使用在非常低的温度下操作的超导磁体系统，通常通过浸入一低温流体(例如液氦、液氖、液氢或液氮)中冷却超导体来维持所述温度。
图1展示如英国专利GB2414538中论述的配备有一致冷器4的已知MRI磁体系统的示意横截面。在说明的实施例中，圆柱形低温恒温器包括一个含有圆柱形超导体磁体(未图示)和液化致冷剂16的致冷剂容器1，所述致冷剂容器1由一个或一个以上热屏蔽层2围绕，所述热屏蔽层2又由一真空夹套3完全围绕。致冷器4可移除地配合到磁体系统，其通过界面套管5热连接到一致冷剂再冷凝腔室11以便冷却热屏蔽层，并再冷凝致冷剂气体且通过管子6将液体致冷剂传递回到致冷剂容器1。
图2更详细展示此布置中的热界面。界面套管5的底部以防泄漏的方式终止于热传导基底10，所述基底密封套管并使其与致冷剂容器1中的致冷剂液体和气体隔离。基底10因此形成致冷剂容器1的壁的一部分，并且形成套管5的壁的一部分。基底10也是再冷凝腔室11的壁的一部分。再冷凝腔室11包围一个与基底10热接触的再冷凝器11a，且通过气体致冷剂入口/液体致冷剂出口管子6与致冷剂容器1连通。一个两级致冷器4放置在致冷器界面套管5内。致冷器4的第一级热交换器12a与屏蔽层2热接触。此接触可为如图示的直接接触或通过例如柔性铜编织物等已知中间物来接触。致冷器4的第二级7位于致冷器界面套管5的下部8中。第二级7终止于冷却级9中，所述冷却级9由致冷器冷却到例如大约4K的低温。
套管5填充有致冷剂气体。冷却级9不与基底10机械接触。冷却级9操作以将致冷剂气体冷却到其液化温度。冷却级9优选带有鳍片，以改进再冷凝热传递。套管5的下部8布置为二级再冷凝腔室。
冷却级9液化套管5内的气体，且更特定来说，液化二级再冷凝腔室8内的气体。所得的液体致冷剂12因此部分填充套管5的底部，且提供用于传递热的热传递媒介，这里的传递热是指：通过在基底10处沸腾并在冷却级9处再冷凝，从再冷凝腔室11中的气态致冷剂经由再冷凝器11a和基底10向二级再冷凝器9传递热。
基底10优选由高度热传导材料(通常为铜)制成，且提供从与液体12接触的(基底的)上表面10a到(基底的)下表面并到达再冷凝器11a的良好热传导。致冷剂液体12的上表面应优选不接触冷却级9，因为这将减小可用于再冷凝的表面积，还减小热传递的速率。液体致冷剂12及其气态对应物提供位于冷却级9与基底10之间的非接触(“再冷凝器”)热界面。
致冷器与套管之间的第一级热交换器12a具备至少一个气体路径13，使得在适当时气体可在界面套管5的上部与下部之间通过，从而抽空套管、用致冷剂气体再填充、以及释放致冷剂气体。
在将磁体系统和致冷器冷却到操作温度期间，或当磁体系统和致冷器已被冷却到操作温度时，可准许更多致冷剂气体缓慢通过端口14进入界面套管5中。缓慢地准许气体进入以使得致冷器4能够适当冷却和液化气体。测量准许的气体的量，以使得适当量的液体12冷凝于二级再冷凝腔室8中。
当关闭致冷器进行维护时，或如果致冷器应被关闭或无意中停止时，液体致冷剂12将沸腾并蒸发。压力释放阀15配合到界面套管5，以防止在这些情况下在套管中形成过高压力。
界面提供致冷器4与再冷凝器11a之间的热连接。尽管任何合适的气体12可用于二级再冷凝腔室8中，但二级再冷凝腔室8中气体12的沸点不应大于再冷凝腔室11中气体的沸点。两个再冷凝腔室中可使用相同气体。如果使用具有不同沸点的气体，那么可在热路径10中放置热阻，以改进再冷凝器11a的效率。腔室11内气体的再冷凝将仅在二级再冷凝腔室8中液体致冷剂12的沸点低于再冷凝腔室11中致冷剂的沸点的情况下发生。如果在两个再冷凝腔室中使用相同致冷剂，那么这是通过确保二级再冷凝腔室8中气态致冷剂的压力低于再冷凝腔室11中气态致冷剂的压力来确保的。
图3展示采用双再冷凝热界面的另一布置。美国专利申请2006207265和英国专利GB2431462中描述了此布置。
在此布置中，图2的再冷凝腔室11被替换为一个到达一再冷凝表面44的热路径24，再冷凝表面44位于一暴露于致冷剂容器1内部的维护颈部22内。致冷器套管5与主致冷剂容器1隔离。套管5填充有例如氦的致冷剂。致冷器4具备一个第一级热交换器32，其通过热链接40来冷却热屏蔽层2。致冷器4还具备一个暴露于套管中致冷剂的第二冷级热交换器9。操作中，套管中的气态致冷剂在热交换器9上再冷凝成液体状态。液体致冷剂滴下至区域34中的热路径24。热路径24经冷却到液体致冷剂的温度。从维护颈部22将热吸离，从而将在维护颈部内暴露的再冷凝表面44冷却到二级再冷凝腔室8中液体致冷剂的温度。这引起从致冷剂容器1蒸发的致冷剂在维护颈部22内的再冷凝表面44上冷凝。此冷凝将潜热释放到热路径24。此热沿着热路径24行进，并导致二级再冷凝腔室8中的液体致冷剂的沸腾。热路径24的区域34可带有鳍片或另外加工或制备，以便增加用于热传递的表面积，但仍允许液体在表面上的自由流动。致冷器4又冷却这些蒸发的致冷剂，导致从致冷剂容器1中的蒸发致冷剂有效移除热。在维护颈部中的蒸发致冷剂冷凝为液体时，此体积中的蒸发致冷剂的压力减小，从而吸取更多致冷剂蒸汽进入维护颈部22进行再冷凝。
界面经布置以使得套管5中的致冷剂具有低于容器10中致冷剂的沸点。这是为了使(冷却到套管5中致冷剂沸点的)热路径24足够冷以引起表面44上的再冷凝。这可通过维持套管5中的气体压力低于致冷剂容器1中的气体压力来实现。
在常规操作中，致冷剂容器1内致冷剂气体的压力被维持在高于大气压。这期望来用以防止或至少减小污染物进入致冷剂容器1的趋势。在致冷剂容器的温度下，空气将冻结且进入致冷剂容器的任何空气将形成引起麻烦的冰沉积。还习惯以全功率操作致冷器4。此做法的一个原因是，确保热屏蔽层2保持冷却，从而减小到致冷剂容器1的热流入。然而，通过保持致冷器4以全功率运行，可发现第二级9处的冷却在再冷凝致冷剂容器1中的气态致冷剂方面过于有效，而使得致冷剂容器内的气态致冷剂的压力可能下降到所需压力以下，并且确实可能下降到大气压以下。这当然是非所需的，因为致冷剂容器内小于大气压的压力(可描述为负表压)将趋于增加空气进入致冷剂容器，并形成引起麻烦的冰沉积。在特定操作期间，例如在成像操作期间，热产生于致冷剂容器1内，且此热需要通过以全功率操作致冷器4来移除。在其它时间，例如当MRI系统处于备用状态时，以减小的功率操作致冷器4会是足够的，这具有将致冷剂容器1中的压力维持大于大气压(可描述为正表压)的益处。
此问题出现在具有上述二级再冷凝腔室的低温恒温器中、以及其中通常为致冷器的第二级热交换器的再冷凝表面暴露于致冷剂容器内部的其它布置中，其还出现于其中致冷器的冷热交换器通过固体热传导链接热链接到致冷剂容器中的再冷凝表面的其它布置中。
可尝试通过改变致冷器本身传递的冷却功率来解决此问题。然而，此类布置将减小可用于冷却热辐射屏蔽层2的冷却功率。这是非所需的，至少因为热辐射屏蔽层具有相对长的用于再冷却屏蔽层的热时间常数(假如其由于冷却功率的中断或减小而升温)。
对于解决上述问题将有利的是，将致冷器的第一和第二致冷级断开，使得第一级可以全功率连续操作以冷却热辐射屏蔽层，同时可根据冷却致冷剂容器中致冷剂气体的需要启用和停用第二致冷级。然而，常规低温致冷器未经布置以提供第二级的断开。
发明内容
本发明允许通过允许控制第二冷却级9与致冷剂容器1之间的热界面的有效性来有效断开致冷器的第二级，从而允许致冷器4一直以全功率操作来提供对热辐射屏蔽层2的有效冷却，但避免了过度冷却致冷剂容器1以使得致冷剂容器中气态致冷剂的压力不会下降到所需水平以下的可能性。
本发明提供用于控制对致冷剂容器1和致冷剂容器1的热屏蔽层2的冷却的方法和设备，其使得热屏蔽层2能够以全功率冷却，还允许控制施加于致冷剂容器1中气态致冷剂的冷却。此做法的优点在于，可有效冷却热辐射屏蔽层2，从而限制对致冷剂容器1的热流入，同时避免了过度冷却致冷剂容器1中气态致冷剂的问题，所述问题原本将导致致冷剂容器1内非期望的低压。
因此，本发明提供如所附权利要求书中界定的设备和方法。
附图说明
通过结合附图考虑以下仅借助于实例给出的对本发明特定实施例的描述，将更了解本发明的上述和其它目的、优点和特性，附图中：
图1展示已知MRI磁体系统的示意横截面；
图2展示例如图1所示的布置中的双再冷凝热界面；
图3展示采用双再冷凝热界面的另一布置；
图4和图5展示应用于图2和3所示布置的本发明实施例；
图6说明本发明的另一实施例；
图7展示集成到常规MRI系统中的根据本发明的一布置的功能图；以及
图8展示使用本发明一实施例完成的实验的测试数据。
具体实施方式
根据本发明，提供一种方法，通过受控热传导率来改变致冷器的冷级(通常是第二冷却级)之间的热耦合，同时维持中间级(通常是第一冷却级)的完全热耦合。
在一优选实施例中，采用双再冷凝布置，例如图2或图3所说明。然而，根据本发明，提供一种布置以用于改变二级再冷凝腔室8内气态致冷剂的压力，所述二级再冷凝腔室8暴露于致冷器4的再冷凝表面9。如上文论述，双再冷凝布置仅有效地用于在二级再冷凝腔室8中液体致冷剂的沸点低于致冷剂容器1中致冷剂的沸点的情况下再冷凝致冷剂容器1中的气态致冷剂。在二级再冷凝腔室8和致冷剂容器1中使用相同致冷剂的情况下，气态致冷剂在二级再冷凝腔室8中的压力必须低于在致冷剂容器1中的压力，以确保较低的沸点。
根据本发明的一方面，二级再冷凝腔室8中的压力根据致冷剂容器1中检测到的压力或根据MRI系统的操作而变化，使得当需要对致冷剂容器的有效冷却时，在致冷器4与致冷剂容器1之间提供有效热连接，而当需要对致冷剂容器的较不有效冷却时，在致冷器4与致冷剂容器1之间提供较不有效的热连接。这允许致冷器4以全功率操作，从而确保对热辐射屏蔽层2的有效冷却，但避免了致冷剂容器1中可能为负表压的低压问题。
本发明可在二级再冷凝腔室8和致冷剂容器1中致冷剂相同或不同的情况下实施。在一些实施例中，二级再冷凝腔室8中的致冷剂可能实际上没有再冷凝，而是仅被致冷器4冷却到某一温度。这将起作用，条件是再冷凝表面11a或44足够冷以液化致冷剂容器1中的气体。再冷凝表面11a或44必须冷却到比致冷剂容器1中气体的沸点低的温度，所述沸点本身是由致冷剂容器1中气体的压力决定的。举例来说，可在二级再冷凝腔室8中提供气态氦致冷剂，而致冷剂容器1含有氮致冷剂。氦可通过合适的致冷器冷却到76K左右的温度，而二级再冷凝腔室8内氦的压力可变化以改变致冷器4与致冷剂容器1之间的热传导率。在此布置中，应注意不可过度冷却致冷剂容器1中的再冷凝表面，因为这可能导致固态致冷剂的沉积。
根据本发明的一方面，通过控制二级再冷凝腔室8中的压力，可控制致冷器4传递到致冷剂容器1内的冷却功率。以此方式，可控制致冷剂容器1内的压力。二级再冷凝腔室8内气体压力的变化将不会明显影响第一冷却级与热辐射屏蔽层之间的热耦合(其是通过机械连接的热耦合)。
通过控制二级再冷凝腔室8中致冷剂气体的压力，致冷器4的第二级9与致冷剂容器1之间的热传导率可在从最大冷却功率到零冷却功率的范围内变化。不希望受到任何特定理论的约束，发明人相信此操作结果是由于在控制压力时二级再冷凝腔室8中气体的热传导率的改变。在小于5K的温度下氦气的密度随压力(在15psi(103466Pa)绝对值下-7％/psi(-1％/kPa))快速改变，从而导致在15psi(103466Pa)绝对值下大约2.5％/psi(-0.3％/kPa)的热传导率改变。其中，单位psi表示镑每平方英寸(Pounds perSquare Inch)。当二级再冷凝腔室被抽空时，将传递零冷却功率。当二级再冷凝腔室中的气态致冷剂处于最高可能压力时，将传递最大冷却功率，在所述最高可能压力下二级再冷凝腔室8中液体致冷剂的沸点充分地低于致冷剂容器1中致冷剂的沸点，从而提供有效的再冷凝。
通过改变二级再冷凝腔室8中致冷剂气体的压力，气体的热传导率发生变化。此热传导率的变化影响了从第二致冷器级9到达暴露于致冷剂容器1的再冷凝表面的冷却功率的量。
在以较低或零冷却功率到达致冷剂容器1的情况下，自然的热流入以及所导致的致冷器容器1内液体致冷剂的蒸发将确保致冷剂容器1内气态致冷剂的压力保持高于大气压。
图4和5展示应用于图2和3所示的且在上文描述的布置的本发明实施例。
在图4和图5每一者中，二级再冷凝腔室8通过形成于第一冷却级热交换器的气体通道13，与致冷器套管5的其余部分连通。提供一气体入口/出口布置100，以通过一管子102向致冷器套管5内引入和从致冷器套管5移除致冷剂气体，所述管子102进入致冷器套管5的内部。管子102连接到两个分立的受控阀104、106。在优选实施例中，这些是电磁阀，但在适当时可采用其它类型的受控阀。第一受控阀104导向一排气布置，该排气布置可包含对所排出致冷剂气体的回收，或者可以是简单的去往大气的排气口。第二受控阀106连接到处于比套管5中所需压力高的压力的致冷剂气体外部源108。传感器110提供于致冷剂容器1内，以测量致冷剂容器1内致冷剂气体的压力或温度。传感器连接112到一个控制器114。控制器114可以是为该目的而提供的一个专用控制器，或可以是较大的系统控制器的一个部件。控制器114与传感器110之间的连接112可通过导线实现，其通过合适的接入塔导入致冷剂容器中。或者，可提供无线通信布置，只要注意避免干扰相关系统。
操作中，传感器110向控制器114发送一信号，指示致冷剂容器1内气体的温度或压力。如果传感器指示低于所需最小值的压力，那么控制器114可通过暂时打开排气阀104做出响应。这将减小套管5内气体的压力，且因此也减小二级再冷凝腔室8内的压力。因此，二级再冷凝腔室8内的气态致冷剂的热传导率将减小。这将导致暴露于致冷剂容器1的再冷凝表面11a、44处的冷却功率减小，其又将允许致冷剂容器1内的致冷剂气体通过寄生热流入(parasitic heat influx)或通过致冷剂容器本身内产生的热而升温。这将引起致冷剂容器1中致冷剂气体的温度和压力升高。这将由传感器110检测。如果需要致冷剂容器1中气态致冷剂压力的进一步增加，那么控制器114可通过再次暂时打开排气阀104而做出响应。或者，控制器可确定对二级再冷凝腔室8内气体压力做出的改变已足够，而不需要进一步改变。
另一方面，传感器110可向控制器114发送信号，指示高于所需最大值的压力。在此情况下，控制器114可通过暂时打开进气阀106而做出响应。这将增加套管5内气体的压力，且因此也增加二级再冷凝腔室8内的压力。因此，二级再冷凝腔室8内致冷剂气体的热传导率将升高。这将导致暴露于致冷剂容器1的再冷凝表面11a、44处的冷却功率增加，可能导致致冷剂气体再冷凝为液体。这将引起致冷剂容器1中致冷剂气体的温度和压力下降。这将由传感器110检测。如果需要致冷剂容器中气态致冷剂的压力进一步下降，那么控制器114可通过再次暂时打开进气阀106而做出响应。或者，控制器可确定对二级再冷凝腔室内气体压力做出的改变已足够，而不需要进一步改变。
在另一实施例中，对进气阀106和排气阀104的控制可替代地或另外基于相关联MRI系统或类似物的操作，特定来说，基于位于致冷剂容器1内的设备的操作。举例来说，控制器114可经连接以检测MRI成像周期的开始。在此周期期间，例如通过梯度线圈的操作在致冷剂容器内产生一定量的热是正常的。响应于检测到MRI成像周期的开始，本发明的布置可增加二级再冷凝腔室8内致冷剂气体的压力，因此增加二级再冷凝腔室8的热传导率，引起对致冷剂容器1内的致冷剂气体的增加冷却，并持续成像周期的持续时间。这将确保致冷剂容器1内的致冷剂气体在成像周期期间被充分冷却。类似地，控制器114可经连接以检测相关联的MRI成像系统进入备用模式。当系统处于备用模式时，将不执行成像。对致冷剂容器1的热流入将有效地限于从环境温度的寄生热流入。在此状态下，减小程度的冷却足以将致冷剂容器1中气态致冷剂维持在所需的正表压。响应于检测到备用模式，本发明的布置可减小二级再冷凝腔室8内气体的压力，从而减小二级再冷凝腔室8的热传导率，引起对致冷剂容器1内的致冷剂气体的减少冷却。这将确保致冷剂容器1内的致冷剂气体不会过度冷却(否则可能导致负表压)，同时允许致冷器4以全功率操作以冷却热辐射屏蔽层2。
根据本发明的一方面，致冷器的第二级所提供的冷却由二级再冷凝腔室内的气体压力控制，而通过与热辐射屏蔽层的机械接触而由致冷器的第一级提供的冷却则不受二级再冷凝腔室内的气体压力影响。
典型的排气系统接收处于大约大气压的蒸发的致冷剂气体。导向大气的排气当然将处于大气压，且致冷剂气体回收布置通常操作在处于大约大气压下的致冷剂气体入口。尽管在多数情况下本发明的操作期望充分低的压力，但在需要时真空泵可连接到排气阀104以将二级再冷凝腔室8内致冷剂气体的压力减小到低于大气压。二级再冷凝腔室内致冷剂气体的非常低的亚大气压将导致二级再冷凝腔室的非常低的热传导率，从而导致向暴露于致冷剂容器的再冷凝表面传递的低冷却功率。
通过控制致冷剂容器1内的冷却和再冷凝，可减小或消除致冷剂的消耗。在经由排气阀104进行排气而改变二级再冷凝腔室8内的压力的过程中可能消耗非常少量的致冷剂，但这可通过已知在其本身内的致冷剂回收布置而重新获得。
上述外部气体源108可以是一处于相对较高压力的外部气体瓶。在替代布置中，外部气体源108可由一根从致冷剂容器1提供致冷剂气体的管子代替，因为套管5内气体的压力应处于不高于致冷剂容器1内部压力的压力。通过此类布置从致冷剂容器1向二级再冷凝腔室8提供致冷剂气体，可有用地提供一定程度的自调节。当致冷剂容器内的气体压力相对高时，应通过增加二级再冷凝腔室内气体的压力来增加二级再冷凝腔室的热传导率。另一方面，当致冷剂容器内的气体压力相对低时，应通过减小二级再冷凝腔室内气体的压力来减小二级再冷凝腔室的热传导率。
图6说明另一替代布置，其中一根与二级再冷凝腔室8连通的含气体波纹管120的体积由一机械驱动器122的操作控制。操作中，控制器114接收来自传感器110的数据，如参看图4和图5所述。并非如图4和图5所示实施例中控制进气和排气阀以控制二级再冷凝腔室内的压力，而是控制器114控制机械驱动器122以增加或减小波纹管的体积，由此分别减小或增加二级再冷凝腔室8内的压力。
在所说明的实施例中，机械驱动器122包括一个具有齿轮传动装置的步进马达，所述齿轮传动装置操作一根适应所附接波纹管120体积的轴124的线性运动。然而，可提供其它机械传动布置。波纹管可由活塞布置代替。轴的线性运动可由一根通过一旋转曲柄驱动的活塞杆代替。对轴操作的齿轮传动装置可由一个作用于轴表面的旋转凸轮代替。
这些布置中的任一者可通过一个由来自控制器114的信号驱动的步进马达操作。
图7展示集成到常规MRI系统中的根据本发明的布置的功能图。绝对压力传感器702测量致冷剂容器1内的绝对压力。绝对压力传感器704测量二级再冷凝腔室8内的绝对压力。将这些压力测量值供应到控制器114。在706处表示大气压。控制器114操作机械驱动器122以相应地驱动波纹管120。视需要，控制器114可将波纹管的位置报告给一个远程记录设施708。压力开关714向压缩机710指示致冷剂容器1内的表压，即致冷剂容器1中的绝对压力与大气压706之间的差，并且将发信号通知致冷剂容器内表压的任何显著改变。可响应于此指示而布置压缩机710以改变操作频率或气体排放，且因此改变传递的冷却功率，但此类布置并不形成本发明的部分。
在特定实施例中，当二级再冷凝腔室8内压力的可得到的变化不足以用于到达致冷剂容器的冷却功率的所需变化范围时，可改变压缩机710的操作频率或气体排放。举例来说，二级再冷凝腔室8内压力的可得到的变化可受到波纹管120的移位极限的限制。假定压缩机710的标称操作频率为50Hz，那么在40Hz到60Hz范围内的压缩机710的操作频率的变化将允许致冷器4的传递功率整体上进一步变化。控制器114与压缩机710之间的信号路径712允许对压缩机操作频率的此控制。当然，通过改变压缩机710的操作频率，传递到热辐射屏蔽层的冷却功率将变化，这一般不是所期望的。
本发明布置的进一步优点允许抽空套管5以用于装运，且随后在到达现场时再填充致冷剂气体。当不操作时，致冷器4是去往系统的热流入的主要来源，且较大地影响蒸发速率。用致冷剂气体再填充套管可使用外部气体源来布置。然而优选的是，以不同功能使用现有的致冷器传送线路/阀(图2中的14)以从致冷剂容器1回填套管。通过排空套管5以用于装运，去往致冷剂容器的热流入显著减小，从而减小致冷剂蒸发速率，且因此增加致冷剂容器在液体致冷剂蒸发干之前保持由液体致冷剂进行冷却的时间长度。这增加了允许用于装运的时间长度，其可能通过允许更灵活的物流布置而节省成本。
图8展示使用本发明一实施例完成的实验的测试数据，其中套管5和二级再冷凝腔室8中的氦致冷剂的压力发生变化，且从15.3psi(105500Pa)绝对值下大约400mW的余量开始测量再冷凝余量。图8中，单位psia表示镑每平方英寸绝对值(Pounds per Square Inch Absolute)。
可参考实例解释术语“再冷凝余量”。假定总热流入和致冷剂容器1内产生的热是500mW，且二级再冷凝腔室8中具有高压力，致冷器4传递1200mW冷却功率进入致冷剂容器1，那么此情形下的再冷凝余量是700mW：所传递的冷却功率超过克服总热流入和所产生热所需的冷却功率。在此实例中，致冷剂容器内的致冷剂将以700mW的速率冷却。
现在，假设二级再冷凝腔室8中存在中间压力，那么致冷器4可仅传递800mW冷却功率进入致冷剂容器1。再冷凝余量现在是300mW。致冷剂容器内的致冷剂将以300mW的速率冷却。最终，假设二级再冷凝腔室8中存在相对低的压力，那么致冷器4可仅传递400mW冷却功率进入致冷剂容器1。再冷凝余量现在是-100mW。致冷剂容器内的致冷剂将以100mW的速率升温。
将图8的曲线近似为线性响应，得到80mW/psi(11.6mW/kPa)或每1psi(6897Pa)变化通常为20％余量改变的再冷凝余量上升。此效应有助于气体的热传导率根据压力而改变。在小于5K的温度下氦气的密度随压力(在15psi(103466Pa)绝对值下-7％/psi(-1％/kPa))快速改变，从而导致在15psi(103466Pa)绝对值下大约2.5％/psi(-0.3％/kPa)的热传导率变化。这足以导致再冷凝功率相对于压力的可测量的差。从图8的数据清楚可见，二级再冷凝腔室8内的压力变化对致冷剂容器中致冷器的总体再冷凝余量具有显著且可控的影响。
尽管已特定参考MRI成像系统描述了本发明，但其可同样适用于其它低温冷却布置可变温度插入件。这些是可在温度范围(4.2K＜T＜300K)中进行冷却实验的研究型低温恒温器。此外，尽管已特定参考氦作为致冷剂而描述本发明，但其可应用于采用例如氢、氖或氮的其它致冷剂的系统。
Claims (23)
1.一种低温恒温器，包括：一个致冷剂容器(1)；一个热辐射屏蔽层(2)；一个用于容纳低温致冷器的套管(5)；一个第一热接触件，用于将低温致冷器的第一级热和机械连接到所述辐射屏蔽层以用于冷却所述辐射屏蔽层；一个二级再冷凝腔室(8)，用于容纳低温致冷器的第二级；以及构件(10、24)，用于将所述二级再冷凝腔室热连接到一暴露于所述致冷剂容器内部的再冷凝表面(11a、44)，
其特征在于，所述低温恒温器进一步包括一压力控制布置(100)，用于控制所述二级再冷凝腔室内的气体的压力。
2.根据权利要求1所述的低温恒温器，其中所述压力控制布置(100)经布置以将所述二级再冷凝腔室内所述气体的压力控制在一压力范围内，所述压力范围位于从真空到所述致冷剂容器内气体的压力的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的低温恒温器，其中所述二级再冷凝腔室内的气体与所述致冷剂容器内的气体是相同的气体。
4.根据权利要求1所述的低温恒温器，其中所述压力控制布置包括：
一进气阀(106)，其用以准许气体进入所述二级再冷凝腔室，借此增加所述二级再冷凝腔室内所述气体的压力；以及
一排气阀(104)，其用以从所述二级再冷凝腔室释放气体，借此减小所述二级再冷凝腔室内所述气体的压力。
5.根据权利要求4所述的低温恒温器，其进一步包括一控制器(114)，所述控制器经布置以控制所述进气阀(106)和所述排气阀(104)的操作。
6.根据权利要求5所述的低温恒温器，其中所述控制器经布置以根据所述致冷剂容器内的气体压力来控制所述进气阀(106)和所述排气阀(104)的操作。
7.根据权利要求5所述的低温恒温器，其中所述控制器经布置以根据位于所述致冷剂容器(1)内的一设备的操作状态来控制所述进气阀(106)和所述排气阀(104)的操作。
8.根据权利要求4-7中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述进气阀(106)经连接以从一外部气体供应源(108)接收气体。
9.根据权利要求4-7中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述进气阀(106)经连接以从所述致冷剂容器(1)接收气体。
10.根据权利要求4所述的低温恒温器，其中所述排气阀(106)连接到一真空泵，以抽空所述二级再冷凝腔室(8)。
11.根据权利要求1所述的低温恒温器，其中所述压力控制布置包括：
一个波纹管(120)，其与所述二级再冷凝腔室连通，所述波纹管的体积可控制，以便准许气体进入所述二级再冷凝腔室，借此增加所述二级再冷凝腔室内所述气体的压力，以及以便从所述二级再冷凝腔室释放气体，借此减小所述二级再冷凝腔室内所述气体的压力。
12.根据权利要求11所述的低温恒温器，其进一步包括一个经布置以控制所述波纹管的操作的控制器(114)。
13.一种根据任一前述权利要求所述的低温恒温器与一容纳在套管(5)内的低温致冷器(4)的组合，所述低温致冷器具有一第一级(12a、32)和一第二冷却级(9)，所述第一级(12a、32)操作以冷却到第一低温温度且与热辐射屏蔽层(2)热和机械接触，所述第二冷却级(9)操作以冷却到低于所述第一低温温度的第二低温温度，其操作以冷却二级再冷凝腔室(8)内的气体。
14.根据权利要求13所述的组合，其中所述第二冷却级(9)与暴露于所述致冷剂容器内部的再冷凝表面(11a、44)之间的热传导率是通过所述二级再冷凝腔室(8)内的气体提供的。
15.一种用于在以全功率操作一低温致冷器(4)时控制所述低温致冷器传递到致冷剂容器(1)的冷却功率的方法，包括以下步骤：
在一个包括一致冷剂容器(1)的低温恒温器中，一个套管(5)容纳所述低温致冷器，其中第一热接触件将所述低温致冷器的第一级热和机械连接到辐射屏蔽层以用于冷却辐射屏蔽层，一个二级再冷凝腔室(8)容纳低温致冷器的第二级，且所述二级再冷凝腔室热连接(10、24)到一暴露于所述致冷剂容器内部的再冷凝表面(11a、44)，
控制(100)所述二级再冷凝腔室内的气体的压力。
16.根据权利要求15所述的方法，其中将所述二级再冷凝腔室内所述气体的压力控制在一压力范围内，所述压力范围位于从真空到所述致冷剂容器内气体的压力的范围内。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述二级再冷凝腔室内的气体与所述致冷剂容器内的气体是相同的气体。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述压力控制方法包括：
控制与所述二级再冷凝腔室连通的一波纹管(120)的体积，以便准许气体进入所述二级再冷凝腔室，借此增加所述二级再冷凝腔室内所述气体的压力，以及以便从所述二级再冷凝腔室释放气体，借此减小所述二级再冷凝腔室内所述气体的压力。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述压力控制方法包括：
操作一进气阀(106)以便准许气体进入所述二级再冷凝腔室，借此增加所述二级再冷凝腔室内所述气体的压力；以及
操作一排气阀(104)以便从所述二级再冷凝腔室释放气体，借此减小所述二级再冷凝腔室内所述气体的压力。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述操作的步骤由一个经布置以控制所述进气阀(106)和所述排气阀(104)的操作的控制器(114)控制。
21.根据权利要求19或20所述的方法，进一步包括以下步骤：确定所述致冷剂容器内气体的压力，以及根据所确定的气体压力来控制所述进气阀(106)和所述排气阀(104)的操作。
22.根据权利要求19所述的方法，进一步包括以下步骤：确定一位于所述致冷剂容器(1)内的设备的操作状态，以及根据所确定的操作状态来控制所述进气阀(106)和所述排气阀(104)的操作。
23.根据权利要求19所述的方法，在根据权利要求4-9中任一权利要求所述的低温恒温器中，其中所述排气阀(106)连接到一真空泵，以抽空所述二级再冷凝腔室(8)。
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