CN106960713A - 一种用于超导磁体的制冷机夹套结构及其安装、拆卸方法 - Google Patents

一种用于超导磁体的制冷机夹套结构及其安装、拆卸方法 Download PDF

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Abstract

一种用于超导磁体的制冷机夹套结构及其安装、拆卸方法，涉及低温工程以及超导磁体技术领域；从上往下依次包括制冷机法兰座（3）、一级波纹管（11）、与冷屏形成热连接的一级法兰座（12）、二级波纹管（21），以及与超导线圈形成热连接的二级法兰座（22）；制冷机法兰座（3）与一级法兰座（12）之间通过一级波纹管（11）连接，一级法兰座（12）与二级法兰座（22）之间通过二级波纹管（21）连接；具有传导漏热低，真空密闭性能高，热连接效率高，制冷机寿命长的特点。

Description

一种用于超导磁体的制冷机夹套结构及其安装、拆卸方法
技术领域
本发明涉及低温工程以及超导磁体技术领域，特别涉及一种用于超导磁体的制冷机夹套结构及其安装、拆卸方法。
背景技术
目前应用于临床的大部分磁共振成像系统（MRI）的超导磁体内充满了昂贵的液氦（LHe）来维持低温超导线所需的临界温度。但是，不断攀升的液氦价格和极有可能短缺的液氦资源，大幅增加了对无液氦磁体的需求。无液氦磁体与液氦磁体相比，无需液氦做制冷剂而仅由制冷机控制工作环境温度，但是目前的制冷机制冷功率有限，比如二级脉管制冷机，一级冷头制冷功率 50K时为35W，二级冷头的制冷功率10K时只有1.5W。所以对整体结构的密封性能和内部传热连接，外部漏热保护的要求更高。
由于超导磁体的制冷机在工作一段时间后需要更换维护，在安装和拆卸时，传统的制冷机夹套结构会破坏超导磁体的密闭结构，无液氦磁体需要一个良好的真空环境来满足与外界的隔热，这无法满足无液氦磁体对于密闭性能的要求。
传统夹套的管壁上端与室温相连,下端与超导磁体内部相连，对于漏热要求并不是很严格的液氦磁体而言，通过夹套管壁的传导漏热易由液氦汽化带走，但无液氦磁体对于漏热要求极高，传统的夹套结构无法满足。
传统的制冷机安装时，制冷机冷头的热连接效率不高，铟接触片无法与制冷机冷头充分接触，传热效率无法满足无液氦磁体的需要。所以，设计一种用于超导磁体的制冷机夹套结构及其安装、拆卸方法十分必要。
发明内容
本发明的目的是克服现有的制冷机夹套结构的不足，也保证了无液氦磁体整体真空密闭的需求，提出一种用于超导磁体的制冷机夹套结构及其安装、拆卸方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于超导磁体的制冷机夹套结构，从上往下依次包括制冷机法兰座、一级波纹管、与冷屏形成热连接的一级法兰座、二级波纹管，以及与超导线圈形成热连接的二级法兰座；所述的制冷机法兰座与一级法兰座之间通过一级波纹管连接，所述的一级法兰座与二级法兰座之间通过二级波纹管连接。
作为优选，所述的制冷机法兰座上端设有与待安装的制冷机实现密封安装的密封圈，制冷机法兰座下端外壁焊接有真空杜瓦上盖板，制冷机法兰座内壁与一级波纹管上端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接，制冷机法兰座侧壁开有供真空泵连接的真空通孔。
作为优选，所述的一级法兰座上端位于一级波纹管内侧处设有一个制冷机一级冷头，一级法兰座上端设有一个尺寸与制冷机一级冷头匹配、用于容置制冷机一级冷头的内凹限位锥槽；所述的制冷机一级冷头与一级法兰座之间设有一级铟接触片，制冷机一级冷头与一级法兰座之间通过一级铟接触片由压力实现高效地热连接；所述的一级法兰座上端外壁与一级波纹管下端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接，内部开有供制冷机穿过的通孔，下端外壁与二级波纹管上端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接，底部与一个一级导冷带焊接。
作为优选，所述的二级法兰座上端位于二级波纹管内侧处设有一个制冷机二级冷头，二级法兰座上端设有一个尺寸与制冷机二级冷头匹配、用于容置制冷机二级冷头的内凹限位锥槽；所述的制冷机二级冷头与二级法兰座之间设有二级铟接触片，制冷机二级冷头与二级法兰座之间通过二级铟接触片由压力实现高效地热连接；所述的二级法兰座上端外壁与二级波纹管下端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接，底部与一个二级导冷带焊接。
作为优选，所述的一级波纹管、二级波纹管、制冷机一级冷头和制冷机二级冷头四者同轴设置，延长了制冷级冷头压缩腔活塞的使用寿命；所述的一级波纹管的长度与制冷机一级冷头压缩腔的长度适配，所述的二级波纹管的长度与制冷机二级冷头压缩腔的长度适配。
本发明一种用于超导磁体的制冷机夹套结构的安装方法，包括以下步骤：
步骤一，将一级铟接触片安装在一级法兰座内凹限位锥槽底部，将一级波纹管下端与一级法兰座上端外壁熔接连接，将一级法兰座下端外壁与二级波纹管上端熔接连接，将二级铟接触片安装在二级法兰座内凹限位锥槽底部，将二级法兰座上端外壁与二级波纹管下端熔接连接，组成一个双波纹管夹套组件，将制冷机法兰座内壁与双波纹管夹套组件上端熔接连接，将制冷机法兰座下端外壁与真空杜瓦上盖板焊接连接，组成一个完整的制冷机夹套装置；
步骤二，将制冷机插入制冷机夹套装置中，将真空杜瓦抽成真空环境，双波纹管夹套组件外部为真空环境，双波纹管夹套组件内部为常压环境；由于存在气压差，故处于初始状态的双波纹管夹套组件受到大气压力而向下伸长至伸长状态；
步骤三，将制冷机用紧固螺栓和密封圈密封安装，且制冷机的两极冷头均位于内凹限位锥槽内；
步骤四，将真空通孔接上真空泵，将双波纹管夹套组件内部抽成真空环境；由于气压差消失，故双波纹管夹套组件受到自身回复力而向上收缩，使一级铟接触片与一级冷头和二级铟接触片与二级冷头紧密接触，实现高效地热连接。
本发明一种用于超导磁体的制冷机夹套结构的拆卸方法，包括以下步骤：
步骤一，将真空通孔打开，同时注入液氮制冷剂，双波纹管夹套组件内部的真空环境被破坏，由于双波纹管夹套组件外部为真空环境，双波纹管夹套组件内部为常压环境，存在气压差，故双波纹管夹套组件受到大气压力而向下伸长至伸长状态，其与制冷机的两极冷头分离；
步骤二，将紧固螺栓拧松，拔出制冷机。
本发明的有益效果：
本发明利用双波纹管夹套组件保持密封，保证杜瓦真空密闭性能，也大幅降低了冷头安装拆卸的传导漏热，防止磁体失超；本发明利用波纹管管壁较薄和长度较长等特点，大幅降低了传统的冷头夹套的传导漏热；本发明利用双波纹管夹套组件的回复力保证冷头与铟接触片接触紧密，实现了高效地热连接；本发明利用一级、二级法兰座的内凹限位锥槽保证制冷机安装精确性，使制冷机与双波纹管夹套组件制同轴设置，且制冷机冷头与铟接触片之间接触面积最大。
附图说明
图1 为制冷机与本发明一种用于超导磁体的制冷机夹套结构剖面图。
图2 为制冷机与本发明一种用于超导磁体的制冷机夹套结构示意图。
图3 为图1中Ⅰ的局部放大图。
图4 为图1中Ⅱ的局部放大图。
图5 为图1中Ⅲ的局部放大图。
图6 为一级法兰座示意图。
图7 为二级法兰座示意图。
图中，1 制冷机，2 真空杜瓦上盖板，3 制冷机法兰座，4 真空通孔，5 螺栓，6 密封圈，10 制冷机一级冷头，11 一级波纹管，12 一级法兰座，13 一级铟接触片，14 一级导冷带，15 内凹限位锥槽，20 制冷机二级冷头，21 二级波纹管，22 二级法兰座，23 二级铟接触片，24 二级导冷带，25内凹限位锥槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图 1 和图2所示，本发明一种用于超导磁体的制冷机夹套结构，其特征在于，从上往下依次包括制冷机法兰座3、一级波纹管11、与冷屏形成热连接的一级法兰座12、二级波纹管21，以及与超导线圈形成热连接的二级法兰座22；所述的制冷机法兰座3与一级法兰座12之间通过一级波纹管11连接，所述的一级法兰座12与二级法兰座22之间通过二级波纹管21连接。
如图 1 、图2和图3所示，本发明一种用于超导磁体的制冷机夹套结构，其特征在于，所述的制冷机法兰座3上端设有与待安装的制冷机1实现密封安装的密封圈6；制冷机法兰座3下端外壁焊接有真空杜瓦上盖板2；制冷机法兰座3内壁与一级波纹管11上端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接；制冷机法兰座3侧壁开有供真空泵连接的真空通孔4。
如图 1 、图4和图6所示，本发明一种用于超导磁体的制冷机夹套结构，其特征在于，所述的一级法兰座12上端位于一级波纹管11内侧处设有一个制冷机一级冷头10，一级法兰座12上端设有一个尺寸与制冷机一级冷头10匹配、用于容置制冷机一级冷头10的内凹限位锥槽15，其目的是保证制冷机位置的精确性，延长制冷机活塞的寿命；所述的制冷机一级冷头10与一级法兰座12之间设有一级铟接触片13，制冷机一级冷头10与一级法兰座12之间通过一级铟接触片13由压力实现高效地热连接，一级法兰座12与一级铟接触片13接触的表面还应有凹凸的纹理，保证导热效率最大化；所述的一级法兰座12上端外壁与一级波纹管11下端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接，内部开有供制冷机1穿过的通孔，下端外壁与二级波纹管21上端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接，底部与一个一级导冷带14焊接。
如图 1 、图5和图7所示，本发明一种用于超导磁体的制冷机夹套结构，其特征在于，所述的二级法兰座22上端位于二级波纹管21内侧处设有一个制冷机二级冷头20，二级法兰座22上端设有一个尺寸与制冷机二级冷头20匹配、用于容置制冷机二级冷头20的内凹限位锥槽25，其目的是保证制冷机位置的精确性，延长制冷机活塞的寿命；所述的制冷机二级冷头20与二级法兰座22之间设有二级铟接触片23，制冷机二级冷头20与二级法兰座22之间通过二级铟接触片23由压力实现高效地热连接，二级法兰座22与二级铟接触片23接触的表面还应有凹凸的纹理，保证导热效率最大化；所述的二级法兰座22上端外壁与二级波纹管21下端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接，底部与一个二级导冷带24焊接。
如图 1 和图2所示，本发明一种用于超导磁体的制冷机夹套结构，其特征在于，所述的一级波纹管11、二级波纹管21、制冷机一级冷头10和制冷机二级冷头20四者同轴设置，延长了制冷级冷头压缩腔活塞的使用寿命；所述的一级波纹管11的长度与制冷机一级冷头10压缩腔的长度适配，所述的二级波纹管21的长度与制冷机二级冷头20压缩腔的长度适配。
如图 1所示，本发明的一种用于超导磁体的制冷机夹套结构的安装方法，包括以下步骤：
步骤一，将一级铟接触片13安装在一级法兰座12内凹限位锥槽15底部，将一级波纹管11下端与一级法兰座12上端外壁熔接连接，将一级法兰座12下端外壁与二级波纹管21上端熔接连接，将二级铟接触片23安装在二级法兰座22内凹限位锥槽25底部，将二级法兰座22上端外壁与二级波纹管21下端熔接连接，组成一个双波纹管夹套组件，将制冷机法兰座3内壁与双波纹管夹套组件上端熔接连接，将制冷机法兰座3下端外壁与真空杜瓦上盖板2焊接连接，组成一个完整的制冷机夹套装置；
步骤二，将制冷机1插入制冷机夹套装置中，将真空杜瓦抽成真空环境，双波纹管夹套组件外部为真空环境，双波纹管夹套组件内部为常压环境；由于存在气压差，故处于初始状态的双波纹管夹套组件受到大气压力而向下伸长至伸长状态；
步骤三，将制冷机1用紧固螺栓5和密封圈6密封安装，且制冷机1的两极冷头均位于内凹限位锥槽内；
步骤四，将真空通孔4接上真空泵，将双波纹管夹套组件内部抽成真空环境；由于气压差消失，故双波纹管夹套组件受到自身回复力而向上收缩，使一级铟接触片13与一级冷头10和二级铟接触片23与二级冷头20紧密接触，实现高效地热连接。
如图 1所示，本发明的一种用于超导磁体的制冷机夹套结构的拆卸方法，包括以下步骤：
步骤一，将真空通孔4打开，同时注入液氮制冷剂，双波纹管夹套组件内部的真空环境被破坏，由于双波纹管夹套组件外部为真空环境，双波纹管夹套组件内部为常压环境，存在气压差，故双波纹管夹套组件受到大气压力而向下伸长至伸长状态，其与制冷机1的两极冷头分离；
步骤二，将紧固螺栓5拧松，拔出制冷机。
以上上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于超导磁体的制冷机夹套结构，其特征在于，从上往下依次包括制冷机法兰座（3）、一级波纹管（11）、与冷屏形成热连接的一级法兰座（12）、二级波纹管（21），以及与超导线圈形成热连接的二级法兰座（22）；所述的制冷机法兰座（3）与一级法兰座（12）之间通过一级波纹管（11）连接，所述的一级法兰座（12）与二级法兰座（22）之间通过二级波纹管（21）连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于超导磁体的制冷机夹套结构，其特征在于，所述的制冷机法兰座（3）上端设有与待安装的制冷机（1）实现密封安装的密封圈（6），制冷机法兰座（3）下端外壁焊接有真空杜瓦上盖板（2），制冷机法兰座（3）内壁与一级波纹管（11）上端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接，制冷机法兰座（3）侧壁开有供真空泵连接的真空通孔（4）。
3.根据权利要求1所述的一种用于超导磁体的制冷机夹套结构，其特征在于，所述的一级法兰座（12）上端位于一级波纹管（11）内侧处设有一个制冷机一级冷头（10），一级法兰座（12）上端设有一个尺寸与制冷机一级冷头（10）匹配、用于容置制冷机一级冷头（10）的内凹限位锥槽（15）；所述的制冷机一级冷头（10）与一级法兰座（12）之间设有一级铟接触片（13）；所述的一级法兰座（12）上端外壁与一级波纹管（11）下端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接，内部开有供制冷机（1）穿过的通孔，下端外壁与二级波纹管（21）上端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接，底部与一个一级导冷带（14）焊接。
4.根据权利要求1所述的一种用于超导磁体的制冷机夹套结构，其特征在于，所述的二级法兰座（22）上端位于二级波纹管（21）内侧处设有一个制冷机二级冷头（20），二级法兰座（22）上端设有一个尺寸与制冷机二级冷头（20）匹配、用于容置制冷机二级冷头（20）的内凹限位锥槽（25）；所述的制冷机二级冷头（20）与二级法兰座（22）之间设有二级铟接触片（23）；所述的二级法兰座（22）上端外壁与二级波纹管（21）下端通过铜-不锈钢钎焊法熔接连接，底部与一个二级导冷带（24）焊接。
5.根据上述权利要求所述的一种用于超导磁体的制冷机夹套结构，其特征在于，所述的一级波纹管（11）、二级波纹管（21）、制冷机一级冷头（10）和制冷机二级冷头（20）四者同轴设置；所述的一级波纹管（11）的长度与制冷机一级冷头（10）压缩腔的长度适配，所述的二级波纹管（21）的长度与制冷机二级冷头（20）压缩腔的长度适配。
6.一种用于超导磁体的制冷机夹套结构的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将一级铟接触片（13）安装在一级法兰座（12）内凹限位锥槽（15）底部，将一级波纹管（11）下端与一级法兰座（12）上端外壁熔接连接，将一级法兰座（12）下端外壁与二级波纹管（21）上端熔接连接，将二级铟接触片（23）安装在二级法兰座（22）内凹限位锥槽（25）底部，将二级法兰座（22）上端外壁与二级波纹管（21）下端熔接连接，组成一个双波纹管夹套组件，将制冷机法兰座（3）内壁与双波纹管夹套组件上端熔接连接，将制冷机法兰座（3）下端外壁与真空杜瓦上盖板（2）焊接连接，组成一个完整的制冷机夹套装置；
步骤二，将真空杜瓦抽成真空环境，双波纹管夹套组件外部为真空环境，双波纹管夹套组件内部为常压环境；由于存在气压差，故处于初始状态的双波纹管夹套组件受到大气压力而向下伸长至伸长状态；
步骤三，将制冷机（1）用紧固螺栓（5）和密封圈（6）密封安装，且制冷机（1）的两极冷头位于双波纹管夹套组件的初始状态与伸长状态之间；
步骤四，将真空通孔（4）接上真空泵，将双波纹管夹套组件内部抽成真空环境；由于气压差消失，故双波纹管夹套组件受到自身回复力而向上收缩，使一级铟接触片（13）与一级冷头（10）和二级铟接触片（23）与二级冷头（20）紧密接触，实现热连接。
7.一种用于超导磁体的制冷机夹套结构的拆卸方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将真空通孔（4）打开，同时注入液氮制冷剂，双波纹管夹套组件内部的真空环境被破坏，由于双波纹管夹套组件外部为真空环境，双波纹管夹套组件内部为常压环境，存在气压差，故双波纹管夹套组件受到大气压力而向下伸长至伸长状态，其与制冷机（1）的两极冷头分离；
步骤二，将紧固螺栓（5）拧松，拔出制冷机。
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