CN102538280A - 用于减少致冷剂消耗的低温恒温器 - Google Patents

Abstract

一种低温恒温器，其包括一个保持在一外部真空容器(OVC)(14)内的致冷剂容器(12)，其进一步包括一个围绕所述OVC且使其与环境温度隔绝的隔热封套。

Description

用于减少致冷剂消耗的低温恒温器

本申请是申请日为2008年10月23日、申请号为200810171377.8、名称为“用于减少致冷剂消耗的低温恒温器”的申请之分案申请。

技术领域

本发明涉及一种低温恒温器，其包括用于保持诸如超导磁体线圈的冷却设备的致冷剂容器。特定来说，本发明涉及经提供以用于减少到达致冷剂容器的热量的真空腔室，以及涉及允许致冷剂气体逸出致冷剂容器的排放配置。

背景技术

图1展示包括致冷剂容器12的低温恒温器的常规配置。在致冷剂容器12内提供冷却超导磁体10，致冷剂容器12自身保持在一个外部真空腔室(OVC)14中。在致冷剂容器12与外部真空腔室14之间的真空空间中提供一个或多于一个热辐射屏蔽件16。在一些已知配置中，一个致冷器17朝向低温恒温器的侧面安装在位于为此目的提供的一个塔18中的一个致冷器套管15中。或者，致冷器17可位于接入塔19内，接入塔19保持住安装在低温恒温器顶部的接入颈(排气管)20。致冷器17提供有效致冷以使致冷剂容器12内的致冷剂气体冷却，在一些配置中是通过使所述致冷剂气体重冷凝成液体。致冷器17还可用以冷却辐射屏蔽件16。如图1所说明，致冷器17可以是两级致冷器。第一冷却级热链接至辐射屏蔽件16，且提供达到第一温度的冷却。在具有单个屏蔽件的低温恒温器中，第一级通常将屏蔽件冷却至约50K。在具有两个屏蔽件的低温恒温器中，它们通常被冷却至约80K及20K的温度。第二冷却级提供对致冷剂气体的向更低温度的冷却，通常在4至10K的范围内。

通常通过低温恒温器的主体向磁体10提供负电连接21a。通常由一穿过排气管20的导体来提供正电连接21。

针对固定电流引线(FCL)的设计，提供单独的排气路径(辅助排气口)(图1中未图示)以作为在排气管堵塞情况下的防故障排气口。

发明内容

本发明解决了低温恒温器运输期间或致冷器17不运作的任何时候的致冷剂消耗。当致冷器17不运作时，来自约处于环境温度(250至315K)下的OVC 14的热量将通过任何可用机制流向致冷剂容器12。这可能是通过将致冷剂容器与辐射屏蔽件16固定在OVC内适当位置上的支撑结构(未说明)的传导作用；通过气体(通常为氢气，其可存在于致冷剂容器12与OVC 14之间的容积内)的对流使用；或通过来自OVC的内表面的辐射。通常十分关注减少所有这些关于热流入的可能机制。支撑结构在机械上可行的程度内做的尽可能长而薄，且使用具有低热传导性的材料来构造，以减少通过传导发生的热流入。注意尽可能多的去除来自致冷剂容器与OVC之间的容积内的气体，虽然在使用诸如氦的极低温致冷剂的情况下许多气体将会在致冷剂容器表面上冻结成霜。也存在一些对制成低温恒温器的钢所释放的氢气进行的测量。任何此类被释放的氢气将使OVC真空度降级。然而，在氦致冷剂的情形中，氢气在正常运作期间为固态，且仅在致冷剂容器加热至约20K以上的情况下以气体形式释放。

提供一个或多于一个热辐射屏蔽件16以拦截来自OVC的热辐射。通过致冷器17去除任何由此产生的对热辐射屏蔽件的加热。此外可提供隔热，诸如众所周知的“超绝热”：镀铝聚酯片(常用为镀铝聚对苯二甲酸乙二醇酯片)的多层隔热，其置放在致冷剂容器与热屏蔽件16之间的层中；或在热屏蔽件16与OVC之间的层中；或两者兼有。

操作中，致冷剂容器12中的致冷剂液体蒸发，以将冷却设备10保持在恒定温度，即为致冷剂的沸点。致冷器17去除来自致冷剂气体及热屏蔽件16的热量。只要致冷器的冷却功率足以去除冷却设备所产生的任何热量以及到达致冷剂容器的任何热流入，冷却设备10便将保持处于其稳定温度，且不会消耗致冷剂。

在低温恒温器运输过程中，当致冷器关闭时或致冷器17不运作的任何其它时候，会出现问题。当致冷器不运作时，到达致冷剂容器的任何热量流入以及在致冷剂容器内产生的任何热量将导致致冷剂液体蒸发。当致冷器不运作时，蒸发的致冷剂不能重冷凝成液体，而将通过排气管20或辅助排气口排放至大气中。在超导磁体的情形中，例如，如在磁体共振成像(MRI)系统中所使用那样，通常使用液态氦作为致冷剂。液态氦非常昂贵，且在世界上一些地区很难获得。其也是一种有限的资源。出于这些原因，希望在运输期间或在致冷器17未运作的其它时候，减少对氦致冷剂的消耗。

当然可能在环境温度且没有致冷剂的情况下运输低温恒温器及设备10。这将避免运输期间的致冷剂消耗问题。然而，设备10及(确实)低温恒温器本身会需要在其抵达目的地时进行冷却。此冷却是一个需要技术的过程，且已发现现场冷却极为昂贵。此外，已发现，在到达安装现场时从环境温度冷却上述设备及低温恒温器所需的致冷剂数量远远超过目前在合理运输时间内的消耗率。典型的现有系统能够在无致冷器运作且液体致冷剂未沸腾变干的情况下移动至少30天。

目前已知的解决方案在运输时间的每一天内消耗大约2.5至3.0％的致冷剂库存。按照目前的系统，这可能等同于每天消耗50升的液态氦。本发明旨在于降低此消耗水平，并由此增加最大运输时间，简化将冷却设备交付至目的地的物流和/或减少致冷剂消耗。

对解决此问题的已知尝试已遇到一些困难。将简要论述对解决此问题的已知尝试中的一些。

可提供与第一热屏蔽件16同心的第二热辐射屏蔽件。已发现此法在一定程度上有效地减少了到达致冷剂容器的热流入，但需要增加OVC的大小，且导致制造成本增加。

热传导管已布及热屏蔽件周围，其输送逸出的致冷剂气体。当气体正处在略高于其沸点(大约是4K)的温度时，此类配置用以冷却热屏蔽件。此法在一定程度上有效减少了到达致冷剂容器的热流入。此配置描述于(例如)美国专利7,170,377及英国专利申请GB 2414536，但也必须需要增加OVC的大小以适应传导管的厚度。额外的组装工作以及增加OVC大小的材料和劳力成本也会导致制造成本增加。

因此本发明的目的在于提供一种改进的低温恒温器，其降低了运输期间或不存在有效致冷的任何时候的致冷剂消耗，且不会遭受现有技术中存在的问题。

本发明提供所附权利要求书中提出的设备。

附图说明

本发明的以上及其他目的、优势及特征将通过结合附图考虑对其特定实施例的以下描述而变得更显而易见，其仅以非限定性实例的方式给出，其中：

图1展示含有一超导磁体的低温恒温器的常规配置；

图2至图4各自展示适合应用于本发明的装载于托盘上的低温恒温器；且

图5展示根据本发明一实施例的用于冷却低温恒温器的OVC的配置。

具体实施方式

本发明通过冷却OVC来提供在运输期间或在有效致冷未运作的任何时候减少的致冷剂消耗。到致冷剂容器12的热流入通过多种机制发生，且这些机制中的大多数的运行依赖于外部真空腔室的温度。

举例而言，到致冷剂容器的热量传导取决于支撑结构以及机械连接在OVC与致冷剂容器之间的诸如排气管20、电连接21、21a的其他设备的热传导性。然而，沿这些导体中的每一者传入的热量取决于低温恒温器与OVC之间的温度差。通过降低OVC的温度，将减少通过热传导而到达致冷剂容器的热量的量。

热量还通过热辐射传输到致冷剂容器。来自OVC的热辐射通常被热屏蔽件16拦截且在运作时由致冷器从系统中除去。当致冷器不操作时，热屏蔽件的温度将升高，且将向致冷剂容器发射热辐射。如果OVC的温度降低，则对屏蔽件的辐射将减少；屏蔽件的温度将降低；从屏蔽件到致冷剂容器的辐射将减少，从而致冷剂消耗将减少。在当前低温恒温器中，热辐射是到致冷剂容器的热量流入的主要机制。将辐射功率定标为T⁴，其中T为发射表面与接收表面之间的温度差。通过降低最高温度(OVC的温度)，可实现显著的辐射功率减小。

一些热量可通过致冷剂容器与OVC之间的真空空间内的气体对流而到达致冷剂容器。此外，如果OVC的温度降低，则通过此机制产生的热量流入将减少。

本发明的发明人已进行模拟以证明适当降低OVC的温度的效果。

做出一些假设以使模拟变得简单。所模拟的几何形状为无限圆柱体，以避免复杂化OVC 14、致冷剂容器12及屏蔽件16的大体平坦的端盖。已使用与不锈钢OVC、铝制屏蔽件及涂覆铝箔的致冷剂容器一致的热辐射系数值，因为这些是在当前低温恒温器中常用的材料。假设OVC的质量为950kg，且环境温度为300K。

已考虑置于屏蔽件与OVC之间的超绝热层的效果。假设采用密度为15层/厘米的20个层，其具有0.04的室温热辐射系数，以及通过屏蔽件与OVC温度的平均值来确定的平均温度。

已考虑通过屏蔽件支撑物的热量传导。传导功率随OVC及屏蔽件温度而变化。

已确定随着屏蔽件温度变化的蒸发率。假设对屏蔽件的冷却功率随蒸发率线性变化。

表1展示模拟的输出的概述。通过使OVC温度降低20K，可实现减少21％的致冷剂消耗(蒸发率)，而致冷器消耗的降低对应于持续时间的成类似比例的增加。

OVC温度	屏蔽件温度	传导负载	辐射负载	总冷却	蒸发	持续时间增加
							[K]	[K]	[W]	[W]	[W]	[升/日]	％
300	110	1.64	9.27	10.91	40.16
							290	107	1.54	8.10	9.64	35.49	11.6
280	104	1.47	7.09	8.56	31.51	21.5

在图2图解说明的示例性托盘中，在运输期间于OVC 14周围提供一隔热封套30。封套30可能由膨胀的聚苯乙稀泡沫或小球、玻璃纤维、石棉、棉绒、气泡包装、喷涂式聚氨酯泡沫、织物、超绝热或任何合适用于隔热的已知材料构成。在运输期间，从OVC 14到屏蔽件16及因此到致冷剂容器12的热辐射将导致OVC 14自身冷却，因为辐射的热量能量将不会被来自环境温度的能量所取代。随着时间流逝，OVC 14的温度将下降，且到致冷剂容器12的热流入的速率将减慢，从而减慢致冷剂消耗，且延长持续时间。

在本发明的一实施例中，将封套30添加至OVC上。以常见方式在托盘上载运OVC。图2展示一个容纳冷却设备(未图示)的OVC 14，其通过橡胶或类似弹性聚合物的弹性安装块28而安装在托盘26(通常为侧壁敞开式金属框架)内。托盘保护OVC及冷却设备免受机械损坏，而弹性安装块保护OVC及冷却设备免受机械震动。封套30可具有经配置以允许安装块28穿过的孔，从而不会干扰OVC的机械安装。在此配置中，封套用于保持OVC在运输期间为冷却的，且可在到达目的地时弃用。可将托盘运回供应商处以重新使用，或可在认为经济上可行或出于其他原因而希望的情况下循环利用。类似地，可将封套运回供应商处以重新使用或循环利用。通过增加在不进行有效冷却的情况下OVC及冷却设备仍将保持冷却的时间长度，在运输期间通过提供封套30而获得的致冷剂消耗的减少简化了运输物流。构成托盘的金属框架可以是可折叠的，以使得一旦OVC到达其目的地，便可拆除或折叠托盘以降低回程运输的成本。弹性安装块28可形成托盘的一部分且可以连同托盘运回供应商处以重新使用，或可单独运回，或可在到达目的地之后被弃用。类似地，封套30可形成托盘的一部分且可连同托盘运回供应商处以重新使用，或可单独运回，或可在到达目的地之后被弃用。

在如图3所说明的适合本发明应用的另一托盘中，封套30具有诸如合成泡沫的弹性隔热材料。通过适当地选择泡沫的材料、厚度及密度，OVC可通过封套搁在托盘的框架上，以消除对弹性支撑物的需要。或者，可将弹性支撑物集成至封套材料中。在这些配置中，优选地将封套连同托盘运回供应商处以重新使用。封套可以是可移除的，以使得托盘可被拆除，而有助于回程运输。或者，封套是不可移除的。可能希望在安装后封套与OVC保持在一起。或者，封套可能是诸如喷涂式泡沫的材料，提供其的费用不高，且一旦OVC及其冷却设备到达其目的地，所述材料便被折断并弃用。

在图4中以横截面展示的特定实例中，托盘可大体上填有隔热材料31，其中留有一足够的空穴来容纳OVC。OVC将在运输期间以机械方式保持在空穴内，且在到达目的地时被移除。在此配置中，隔热材料提供机械保护、抗机械震动的保护及隔热。托盘的金属框架可能较轻，因为隔热材料提供了所需机械强度中的一部分。可能发现将此托盘运回供应商处以重新使用是相对昂贵的，但是降低了对金属框架的结构要求，可使得单次使用此类型的可弃托盘在经济上是可行的。

OVC及其冷却设备可安装在托盘内且设有热封套。可在将OVC及其冷却设备运输至最终的终端用户目的地之前，在托盘中将其运输至又一制造场所，在此对OVC及冷却设备实行进一步组装步骤，并始终不离开隔热托盘。

在本发明的一实施例(未图示)中，进行一配置以有效地在隔热封套内冷却OVC。举例而言，可提供并使用一电动致冷器以在隔热封套内冷却OVC。可将此种配置建成为上述托盘中的任一者，只要在运输期间可得到诸如电源的合适能量源或将能量源建置在托盘内即可。

在图5所说明的又一优选实施例中，引导逸出致冷剂容器的致冷剂气体通过位于OVC 14与热封套30之间的管道32。响应于流向致冷剂容器12的热流入，液体致冷剂蒸发成为致冷剂气体，其通过排气管20或辅助排气口逸出致冷剂容器。在氦致冷剂的情形中，逸出的致冷剂气体通常具有约70至100K的温度。在OVC 14与隔热封套30之间提供与OVC 14热接触的热传导管32(例如，铜制)。通过引导逸出致冷剂气体中的至少一些通过热传导管32，则OVC 14得到冷却。图5说明此实施例的一个示例，其中热传导管32与OVC 14热接触，且OVC 14及管道32通过隔热封套30而与环境温度隔绝。可执行计算或反复试验，以确定管道的最佳长度及孔口。优选地，OVC 14应具有大体恒定的温度，且因此预计热传导管32应足够长以环绕OVC 14至少一周。热传导管可以盘旋方式配置在OVC 14的内表面或外表面上，其可配置在OVC 14的外圆柱表面或内圆柱表面周围，或配置成提供与OVC 14热接触所需长度的管道32的任意配置。

必须进行配置以确保逸出致冷剂容器12的致冷剂气体中的至少一些流动通过冷却管32。所属领域的技术人员将显见，这可通过排气管或辅助排气口上的临时配件来配置。

此配置可建置在上述托盘中的任一者内，或可永久附接至OVC上。

假设氦气与OVC之间存在完美的热接触、无环境热量负载且氦致冷剂气体在屏蔽件温度(70至100K)传到OVC，则参照上文的模拟证明：通过仅使用蒸发气体焓，可在2.4天内实现OVC温度降低20K。

通常，OVC冷却管将蒸发的致冷剂气体排放至大气中。

在一些实施例中，冷却管32可为永久固定设备，在此情形中，可通过以焊接方式或使用热传导粘合剂将管道32结合至OVC 14，来改进管道32与OVC 14之间的热量转移。可能发现在这些实施例中，提供永久性隔热封套(例如，由膨胀的聚氨酯泡沫制成)是有利的。

通过使冷却管及隔热封套30成为永久性特征，即使在低温恒温器操作时仍可享有本发明的优势，例如，含有磁共振成像(MRI)系统的超导磁体。通过使OVC 14与大气隔热，由于从OVC 14到被致冷器17冷却的热屏蔽件16的热辐射的效应，OVC 14的温度将低于环境。由于OVC 14温度降低而减少的热流入意味着可通过较不强力的致冷器17在低温恒温器内实现所要的温度。如果致冷剂气体在操作期间逸出且被引导通过本发明的冷却管32，那么所述效应将更为显著，且可进一步降低致冷器17所需的功率。

或者或此外，可进行配置以用于在封套内有效地冷却OVC。举例而言，可提供并使用一电动致冷器在隔热封套内冷却OVC。可通过类似于家用致冷器或冷冻箱中所用冷却回路的冷却回路来提供此有效致冷。

一些含有诸如MRI系统中的磁体的低温恒温器的设备常规上设有“观看”盖(“looks”cover)以改进低温恒温器的美学外观且提供声阻尼。这些通常包括玻璃纤维加固型塑料模制件，其被夹在低温恒温器的OVC 14的表面的适当位置。根据本发明的一实施例，这些观看盖可在OVC的表面与“观看”盖自身之间设有诸如膨胀的聚苯乙稀或聚氨酯泡沫、或棉绒、或玻璃纤维棉、或石棉的隔热材料。继而，此隔热可能为所使用的低温恒温器的永久特征，且也可提供声阻尼。为提供用于冷却管32的空间，可在固体隔热件中提供模制通道，诸如膨胀的聚苯乙稀或聚氨酯泡沫。对于诸如玻璃纤维面、或棉绒、或石棉的柔性隔热件，隔热件可简单地围着管道变形。其他实施例可包括诸如膨胀的聚苯乙稀小球的松散材料。优选地，此材料被容纳在诸如聚乙烯袋子的柔性囊中，以避免洒落。此隔热件也应围着OVC冷却管变形。

在安装低温恒温器时，可将冷却管32置于适当位置上，以可能通过为致冷剂气体提供逸出路径而在操作低温恒温器期间使用，或可移除冷却管。可使用仍处于模制隔热件中的模制通道来容纳诸如电缆的其他组件。

可能优选地在运输时移除冷却管32。在这些配置中，可能发现盘旋式铜制管道配置是最具有优势的，因为其具有足够柔性以包裹在OVC 14周围。特定来说，可将盘旋式冷却管32包裹在OVC 14的外圆柱表面周围、使用诸如常规行李带的合适条带捆扎在适当位置上，且可将一柔性隔热封套30包裹并固定在冷却管32上。隔热封套30可以是封闭于合适的外罩中的玻璃纤维、棉绒或石棉。或者，可将盘旋式OVC冷却管保持在诸如薄玻璃纤维毯状物的柔性包装材料中，其可包裹在OVC 14周围，且经紧固以在冷却管32与OVC 14之间提供足够的热接触。可接着将柔性隔热封套30包裹并固定在所述毯状物上。

通过使OVC冷却管及隔热封套仅成为临时固定设备，可降低每一系统的成本，因为可在安装时从低温恒温器上移除OVC冷却管及隔热封套且在其他低温恒温器上重新使用多次。

构隔热封套可构建成提供机械阻尼，从而在整体上保护OVC及低温恒温器免受在运输期间遭遇的机械震动。

隔热封套可建构成在整体上保护OVC及低温恒温器免受在运输期间可能遭遇的有害污染物，诸如海水。

可将隔热封套与用于运输系统的托盘相集成。

在本发明的所有实施例中，通过降低OVC温度，来减少流向致冷剂容器的热流入，从而能够延长持续时间。在冷却管32及隔热封套30可被移除的实施例中，在使用本发明时存在很少的制造成本代价，因为可多次重新使用冷却管32及隔热封套30。在提供永久性冷却管32及隔热封套30的实施例中，通过不断确保降低的OVC 14温度，即使在操作低温恒温器期间仍可享有本发明的益处。可通过提供永久性隔热封套来避免或简化对稍后装配的“观看”盖的要求。

虽然已特定参照有限数目的特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将显见多种修改及改变，且所述修改及改变在本发明的范围内。举例来说，可在保持冷却设备的低温恒温器中提供根据本发明的外部真空腔室而不是MRI系统的磁体，其适用于任何低温储存杜瓦瓶(Dewar)。类似地，根据本发明的隔热外部真空腔室适用于含有任何液态致冷剂的低温恒温器，且本发明不限于氦冷却的低温恒温器。虽然本发明的冷却管32被描述为接触OVC的外表面，但本发明也包括在OVC的内表面上并在OVC与致冷剂容器之间的真空区域中提供冷却管的配置。

Claims (21)

1.一种低温恒温器，包括一个保持在一外部真空容器(OVC)(14)内的致冷剂容器(12)，还包括：一个围绕所述OVC且使所述OVC与环境温度隔绝的隔热封套，以及一用来有效冷却所述OVC的装置。

2.根据权利要求1所述的低温恒温器，其中提供一电动致冷器在隔热封套内冷却所述OVC。

3.一种低温恒温器，其包括一个保持在一外部真空容器(OVC)(14)内的致冷剂容器(12)以及一个围绕所述OVC且使所述OVC与环境温度隔绝的隔热封套，所述致冷剂容器设有一允许致冷剂气体逸出所述致冷剂容器的排放路径，其特征在于，一冷却管(32)经布置位于所述隔热封套和所述OVC之间以与所述OVC热接触，以便引导通过所述排放路径逸出的致冷剂气体通过所述冷却管，藉此冷却所述OVC。

4.根据权利要求3所述的低温恒温器，其中所述冷却管(32)插入于所述隔热封套与所述OVC之间。

5.根据权利要求4所述的低温恒温器，其中所述冷却管(32)可从所述OVC上拆除。

6.根据权利要求2至4中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述冷却管(32)环绕OVC至少一周。

7.根据权利要求3至6中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述冷却管在所述OVC的表面上采取盘旋式路径。

8.根据权利要求3至7中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述冷却管具有柔性，且被布置在柔性包装材料内，所述柔性包装材料包裹在所述OVC周围且被所述封套覆盖。

9.根据权利要求3至8中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述冷却管被施加在所述OVC的圆柱形表面上。

10.根据权利要求3至9中任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述冷却管机械结合至所述OVC上。

11.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述封套(30)机械结合至所述OVC。

12.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套集成有观看盖的功能。

13.根据权利要求12所述的低温恒温器，其中所述封套包括：具有用于容纳辅助设备的模制通道的固体材料。

14.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套包括柔性材料。

15.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套包括松散材料。

16.根据权利要求15所述的低温恒温器，其中所述松散材料容纳于柔性囊中。

17.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套提供阻尼，以抵抗系统在搬运期间所经受的机械震动。

18.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套保护所述OVC在搬运期间免受例如海水的污染物。

19.根据前述任一权利要求所述的低温恒温器，其中所述隔热封套与用于运输所述低温恒温器的托盘集成在一起。

20.一种超导磁体，其容纳在根据前述任一权利要求所述的低温恒温器中。

21.一种包括一超导磁体的MRI系统，所述超导磁体容纳在根据权利要求1至20中任一权利要求所述的低温恒温器中。

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