CN111094870B - 容错低温冷却系统 - Google Patents
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Abstract
一种容错低温冷却系统包括：‑外真空腔室(14)，在其内部体积中限定真空区域；‑低温制冷机(17)；‑要被冷却的设备，要被冷却的设备被容纳在真空区域内；‑自由体积，自由体积被界定在真空区域内并且包含冷冻剂(46)；‑冷板(40)，冷板(40)暴露于自由体积并且热链接到要被冷却的设备；‑热交换器，热交换器热链接到制冷机的最冷级(26)并且暴露于自由体积；‑冷冻剂缓冲容器(30)，冷冻剂缓冲容器(30)界定缓冲体积(34)；以及‑通道(32)，通道(32)将缓冲体积(34)与自由体积链接。
Description
技术领域
本发明涉及一种被处于其沸点的冷冻剂冷却的冷却设备。
特别地，本发明涉及通过主动被冷却的少量冷冻剂而维持在低温温度的冷却设备。在优选的实施例中，冷却设备是用于MRI系统的超导磁体。
背景技术
本文档中的以下术语可以被解释如下：
运行时间：对最终用户而言，冷却设备处于操作状态的时间段。
停机时间：对最终用户而言，冷却设备未处于运行状态的时间段。
穿越(ride-through)：主动冷却故障但冷却系统维持其冷却状态的时段。在超导磁体的上下文中，电流在穿越期间继续在超导线圈中流动。可以通过液体冷冻剂的沸腾将磁体维持在冷却状态。
在已经在超导磁体中维持了磁体电流的情况下，在恢复主动冷却时，停机时间结束，并且运行时间开始。优选地保持停机时间尽可能短，优选少于一小时。
当磁体电流停止或磁体淬火或显著升温时，穿越结束。在淬火或显著升温的情况下，所导致的停机时间将远大于一小时。需要避免停机时间，因为它最终会影响客户的财务绩效。
图1示出了包括冷冻剂容器12的低温恒温器的常规布置。用于MRI系统的冷却超导磁体10被提供在冷冻剂容器12内，冷冻剂容器12自身被保持在外真空腔室(OVC)14内，该外真空腔室14在其外部体积中限定真空区域。在冷冻剂容器12与外真空腔室14之间的真空空间中提供一个或多个热辐射屏蔽件16。在一些已知的布置中，制冷机17被安装在制冷机套15中，制冷机套15位于为此目的而提供的转台(turret)18中，朝向低温恒温器的侧面。备选地，制冷机17可以位于入口转台19内，入口转台19保持被安装在低温恒温器的顶部上的入口颈部(排气管)20。在一些布置中，通过将冷冻剂气体再冷凝成液体，制冷机17提供主动制冷以冷却冷冻剂容器12内的冷冻剂气体。制冷机17还可以用于冷却辐射屏蔽件16。如图1中所图示的，制冷机17可以是两级制冷机。第一冷却级热链接到辐射屏蔽件16，并且提供到第一温度的冷却，该第一温度通常在25K-100K的范围内。第二冷却级提供对冷冻剂气体的到更低温度的冷却，该更低温度通常在2.5K-10K的范围内。
在通风管20阻塞的情况下，可以提供单独的通风路径(“辅助通风口”，图1中未示出)作为故障保护通风口。
近来，在减少这种低温恒温器中所需的冷冻剂的数量上已经取得了进展。对于氦冷冻剂来说尤其如此，因为氦稀缺并且昂贵。已经提出了一些低温恒温器，其在冷冻剂容器12中包含相对少量的冷冻剂，同时已经提出了其他的一些低温恒温器，其完全省去了冷冻剂容器，并且不依赖于冷冻剂与冷却设备之间的直接接触。这种布置可以被称为“干式”低温恒温器或“干式”磁体，尽管在相关联的冷却布置中可能涉及一些冷冻剂液体。
减少低温恒温器中的冷冻剂材料的量(称为“冷冻剂库存”)的结果是降低了冷却设备的热惯性。例如，在冷冻剂容器中提供大量的液体冷冻剂并且向冷却设备提供冷却的情况下，即使在主动冷却布置(诸如制冷机17)例如由于制冷机本身中的故障、电源的故障或其他服务(诸如由制冷机所需的到压缩机的冷却水)的故障而已经发生故障的情况下，冷却设备也将保持在冷冻剂的沸点的温度，直到所有的冷冻剂沸腾过为止。另一方面，在仅提供少量的液体冷冻剂的情况下，冷却设备将仅在短时间内保持在冷冻剂的沸点的温度，直到所有的冷冻剂已经沸腾过为止。
这种热惯性的降低导致“运行时间”的减少-冷却设备供使用的可用性的减少，因为对主动冷却布置(诸如制冷机17)的任何中断都更有可能持续到所有冷冻剂沸腾为止，从而导致冷却设备的温度升高。如所描述的，减少的冷冻剂库存将引起冷却设备承受主动制冷的短期故障而不会将冷却设备加热到冷冻剂的沸点以上的能力降低。常规地，在冷冻剂容器中已经采用大量冷冻剂的情况下，冷却设备对应地具有非常大的热惯性。在系统具有大的热惯性的情况下，可以容忍诸如制冷机17的主动冷却布置中的任何不可靠性，但是在具有较小热惯性的系统的情况下，将不可接受地冒着对冷却设备加热的风险。
通过提供大量的冷冻剂来提供大的热惯性的缺点是，通过冷冻剂的沸腾而实现的冷却可能意味着冷冻剂的损失，这将必须以相当大的成本来替代。
常规地，低热惯性的布置已经以各种方式处理了主动制冷的故障，现在将描述其中的一些。可以允许系统安全地发生故障。例如，用于MRI的小型超导磁体可以淬火并且随后重新冷却，但这会导致明显的停机时间。从明显升高的温度(例如，～60K)重新冷却磁体可能需要超过24小时才能实现。电流将必须被重新引入到磁体中，并且在磁体可以重新进入服务之前还将需要执行各种操作检查，因此不应当轻易采取这种选项。冷却设备可以被自动地置于安全模式。例如，当冷却故障出现时，较大的MRI磁体可以以受控的方式自动解除激励。这导致明显的停机时间，因为磁体可能必须被提供新鲜量的冷冻剂，并从某个升高的高温冷却。然而，在这种情况下的磁体停机时间应当比前面描述的选项短，因为以受控方式对磁体解除激励允许所存储的能量被提取，而不是被耗散在加热磁体上。磁体可以停留在比先前示例低的温度，但如果不冷却，则可能在许多天内缓慢升温。在允许磁体淬火的情况下，存储在磁体能量中的能量作为热量被释放到磁体中，并且必须通过冷却来提取。可以提供备用站点基础设施，例如冗余的低温制冷机、备用水和电源，以在其他主动冷却布置故障的情况下提供主动冷却。另外的或备选的布置是在结构内包括高热容量材料以增加热惯性，这对于给定的热流入而言起到降低温度上升速率的作用。
迄今为止所提出的解决方案实现起来昂贵，或者仍然引起长时段的停机时间，或者两者。
本发明通过提供一种自足式的容错系统来解决在低热惯性的冷却设备的主动冷却中的容错问题，该系统能够承受相关联的主动冷却布置(诸如低温制冷机)的短期故障。
以下现有技术文献为本发明提供了一些技术背景：US6807812、US2008/0216486、US2015/0233609、US2017/0038100、CN106683821-A、“Cool-down acceleration of G-Mcryocoolers with thermal oscillations passively damped by helium”，RJ Webber和J Delmas，loP Conf.Series：Materials Science and Engineering 101(2015)012137doi:10.1088/1757-899X/101/l/012137。
发明内容
相应地，本发明提供了如所附权利要求中限定的容错低温冷却系统。
附图说明
从以下结合附图对本发明的某些实施例的描述，本发明的上述以及另外的目的、优点和特征将变得更加明显，其中：
图1示出了通过部分浸入液体冷冻剂中而被冷却的超导磁体的常规布置；
图2示出了本发明的第一示例性实施例；
图3示出了本发明的第二示例性实施例；以及
图4示出了本发明的第三示例性实施例。
具体实施方式
在图2中图示了本发明的第一示例性实施例。如关于图1所讨论的，低温制冷机17位于制冷机套15中，制冷机套15在外真空腔室14内，并且在该实施例中在转台18内。在该实施例中，本身是常规的低温制冷机17是两级制冷机，其具有被冷却到可以在25K-80K范围内的第一低温温度的第一级24。尽管未在图2中示出，但是第一冷却级24可以热链接到如图1中所表示的热辐射屏蔽件16。低温制冷机还具有第二级26，其冷却至低于所使用的冷冻剂的沸点的温度。在本说明书中，氦将被用作示例冷冻剂，以提供在适于被冷却的设备的沸点处的温度调节，然而尽管也可以采用其他冷冻剂。用于MRI系统的超导磁体通常使用具有与氦的沸点接近的转变温度的超导体制造，因此氦是适于在这种情况下使用的冷冻剂。具有更高的超导转变温度的其他类型的超导体是已知的。对于包含这种其他超导体的设备，其他冷冻剂可能更合适，例如氢或氖。
在图示的实施例中，制冷机套15包括与制冷机的第一级24热接触的第一级热拦截器28。制冷机套15在概念上可以被分成在第一级热拦截器28上方的上腔室15a和在第一级热拦截器28下方的下腔室15b。上腔室15a和下腔室15b流体连通。
根据本发明的该实施例的特征，提供了冷冻剂缓冲容器30，该冷冻剂缓冲容器30在制冷机套15的外部并且在外真空腔室(OVC)14的外部。通道32将冷冻剂缓冲容器30内的缓冲体积34链接到制冷机套15的内部。可以向通道32提供阀36，以允许冷冻剂被引入到缓冲体积34和制冷机套15中或被从缓冲体积34和制冷机套15中去除。也可以提供爆破片38，以在冷冻剂气体过压的情况下，允许冷冻剂从缓冲体积34和制冷机套15中流出。缓冲容器30的提供需要添加通道32，通道32可以被选择为在适当的温度下具有低的热导率以最小化相关联的热传导。通道32可以由不同材料的两个或更多个段构成，每个段在该段的相关关注温度下具有较低的热导率。
根据本发明的该实施例的另外的特征，下腔室15b被提供有冷板40和冷冻剂气体热交换器42。一定数量的液体冷冻剂46存在于冷板40上，并且更普遍地存在于下腔室15b中。冷冻剂气体热交换器42与冷板40热接触，并且深入到在液体冷冻剂46上方的下腔室15b中的冷冻剂气体中。
在某些实施例中，优选在与冷冻剂接触的表面上向冷板提供纹理化的表面。已经发现这种纹理化可以提高沸腾性能，以在减少的温度下降的情况下，支持从冷板到冷冻剂的热能q的相同的传递速率。这意味着可以提取更多的热量，同时将被冷却的设备保持在其操作温度范围内。“纹理化”的表面可以具有任意的表面处理，该表面处理增加与液体冷冻剂接触的表面积。示例包括施加在表面上的表面粗糙度、突起和凹陷、鳍、缝或孔。
气体热交换器42被附接到冷板40，但是突出到液体冷冻剂的最大水平上方。这使能冷板40和冷冻剂气体之间的热交换，从而提高冷却速率，特别是当系统以单相气态的冷冻剂操作时，这将通常是在冷板40和低温制冷机17尚未冷却到冷冻剂46的沸点时的初始冷却期间的情况。
提供了诸如铝或铜的导热材料的热总线(bus)48，其与冷板40热接触并且与要被冷却的项热接触，该要被冷却的项未被图示，但可以例如是超导磁体。热能q的流从该要被冷却的项前进到冷板，其中通过液体冷冻剂46的沸腾去除热能q。沸腾过的冷冻剂气体在下腔室15b中循环并且由低温制冷机17的第二级26冷却。低温制冷机17的第二级26优选地包括大表面积的热交换器。例如，热交换器可以是带鳍的。低温制冷机17的第二级26被冷却到低于冷冻剂的沸点的温度，并且冷冻剂气体在第二级26的热交换器的表面上被再冷凝回到液体。冷凝的冷冻剂形成滴落回到冷板上的液滴。
除了液体冷冻剂的沸腾之外，热能q中的一些可以通过气体热交换器42从冷板40直接传递给气态冷冻剂，气体热交换器42可以采用附接到冷板的鳍状件的形式，该鳍状件在液体冷冻剂的水平上方延伸。
在正常操作中，氦46的沸腾和再冷凝将热能q从冷板40传递到低温制冷机17的第二级26。以这种方式，从要被冷却的项中汲取热能q，并且在要被冷却的项处维持大约为冷冻剂的沸点的温度。
然而，在低温制冷机17故障(例如由于电源故障)的情况下，氦的再冷凝将停止。液体氦46将沸腾，从要被冷却的项中汲取热能q。由于液体氦沸腾，随着所存在的总量的氦在形式上变成气态，下腔室15b内的冷冻剂气体的压力将增加。随着冷冻剂气体压力增加，一些量的冷冻剂将移动到上腔室15a中。类似地，一些量的冷冻剂将穿过通道32流到冷冻剂缓冲容器30的缓冲体积34中。冷冻剂气体热交换器42将促进热能从冷板40传递到冷冻剂气体，从而在一定程度上允许冷却设备的继续冷却。
当主动制冷发生故障时，制冷机17由于其组件的导热性而开始变暖，这又使制冷机套15中的冷冻剂气体变暖。这引起套15中的冷冻剂气体的热分层，并且使得制冷机17与冷板40之间的对流质量流停止。
选择被提供在缓冲体积34、通道32和制冷机套15内的自由体积中的冷冻剂的量，以便通过沸腾提供有用量的冷却，其将持续比通常的电源故障长的时间，例如，持续约十分钟至一个小时。当然，实现这种冷却所需的冷冻剂的量将取决于到低温恒温器的热量。冷冻剂缓冲容器30内的冷冻剂气体的压力将取决于该容器、通道32和制冷机套15中的自由体积的尺寸，以及存在于冷冻剂缓冲容器30、通道32和制冷机套15中的冷冻剂46的量。爆破片38(在提供的情况下)对冷冻剂缓冲体积30、通道32和制冷机套15内的冷冻剂压力施加安全限制。
氦具有特别大的热膨胀，因此氦的分层效应特别强。由于氦的大的热膨胀，在操作期间，在室温下，缓冲体积中将存在相对小量的氦，而显著大部分量的氦将保留在制冷机套15的自由体积内。
图3示出了本发明的第二实施例。在本发明中，提供了远程沸腾腔室50。远程沸腾腔室50包括包含冷冻剂的容器，并且包括图2的实施例的冷板40和冷冻剂气体热交换器42。冷板40以与图2描述的相同方式附接到热总线48。远程沸腾腔室50通过至少一个导管与制冷机套15的下腔室15b流体连通，至少一个导管优选地为上管道52和下管道54。在操作中，冷冻剂气体在低温制冷机17的第二级26处被冷凝成液体，并且朝向下腔室15b的底部向下滴落。液体冷冻剂然后通过下管道54向下流动到远程沸腾腔室50中。在那里，液体冷冻剂进入与冷板40的接触。以参考图2描述的方式，通过液体冷冻剂的沸腾从热总线48中提取热量q。然后，沸腾过的冷冻剂上升并且通过上管道52从远程沸腾腔室50的上部区域流到制冷机套15的下腔室15b中。在那里，沸腾过的冷冻剂被低温制冷机17的第二级26冷却成液体冷冻剂，该液体冷冻剂通过下管道54返回到远程沸腾腔室50。冷冻剂在下腔室15b与远程沸腾腔室50之间以这种方式的循环提供了热量q从热总线48到低温制冷机17的传递。
在诸如图3所示的实施例中，包括冷板40的远程沸腾腔室50和再冷凝器26利用分离的馈送和返回管道(上管道52和下管道54)而分离。这通过减少正在被低温制冷机17冷却的冷冻剂和正在被冷板40加热的冷冻剂的混合来提高系统效率。当主动冷却不可用时，例如在到低温制冷机17的电源的故障期间，在沸腾腔室20中的沸腾与在低温制冷机17的第二级26处的再冷凝的这种分离增强了热交换效果，因为热分层将出现：较冷的冷冻剂将收集在远程沸腾腔室50中，而较温的冷冻剂将积聚在制冷机套15的下腔室15b中。上管道52和下管道54限制了这两个组件之间的冷冻剂流动。当主动冷却不可用时，这种热分层减少了变暖的低温制冷机17与热总线48之间的热传导，并且从而减少了与要被冷却的设备之间的热传导。热传导的这种减少有助于趋向穿越。包括冷板40的远程沸腾腔室50与再冷凝器26之间的分离允许具有冷板40的沸腾腔室50位于用于所需冷却的最佳点，而不受制冷机套15的位置的约束。发现这种布置可以提供更高效的冷却，因为从冷却设备到第二级26的热传输优先地通过冷冻剂气体的质量流动发生，而不是通过热总线的传导发生。在备选实施例中，热总线48可以由冷冻剂回路代替，因为可以提供馈送和返回冷冻剂管以使冷冻剂往返于要被冷却的物品而循环，即，远程沸腾腔室50可以位于磁体处，这允许缩短热总线48。
图4图示了本发明的第三实施例。在该实施例中，低温制冷机17没有位于制冷机套内。而是，其部分地位于外真空腔室14内的真空空间内。提供了沸腾单元56，其与低温制冷机17的第二级26热接触。连接件32将冷冻剂缓冲容器30内的缓冲体积34与沸腾单元56的内部体积58链接。沸腾单元56通过热接头60而热接合到低温制冷机17的第二级26。热接头60可以被实施成在低温制冷机17的第二级26与沸腾单元56的外表面之间导热膏、铟垫圈、焊接、钎焊或直接机械接触。在沸腾单元内，优选地邻近与低温制冷机17的第二级26热接触的表面的是冷凝器热交换器62，冷凝器热交换器62与制冷机的第二级26热连接。冷凝器热交换器62是高表面积的导热结构，例如铜或铝的带鳍的板。
沸腾单元56还包括：热链接到热总线48的冷板40；以及热链接到冷板40的冷冻剂气体热交换器42，所有都如以上参考图2和图3的实施例描述的那样。在该实施例中，在沸腾单元52内的冷冻剂气体不在低温制冷机17的第二级26上冷凝，而是在冷凝器热交换器58上冷凝，该冷凝器热交换器58通过与低温制冷机17的第二级26的热接触而被冷却。
在其他方面，图4的实施例的操作类似于其他描述的实施例的操作。与冷板40接触的液体冷冻剂46通过从热总线48汲取的热量q而沸腾。由于浮力而产生的沸腾过的冷冻剂在沸腾单元52内上升，以与冷凝器热交换器62接触。沸腾过的冷冻剂再冷凝成液体，并且滴回到冷板40上。此外，冷板40的冷却可以通过气态冷冻剂的热对流来实现，该气态冷冻剂从冷冻剂气体热交换器42汲取热量、由于浮力而在沸腾单元56中上升、与冷凝器热交换器62接触。冷冻剂可以再冷凝成液体，或可以仅被冷却。具有增加的密度的冷却气体将下降回到冷冻剂气体热交换器42的附近，并且循环重复。
可以注意到，图2和图3的实施例不需要在低温制冷机17的第二级26与沸腾单元56的外表面之间形成热接头60。通过将低温制冷机定位在气体填充的套中，可以在需要的情况下相对容易移除并更换低温制冷机，而无需在制冷机与沸腾单元56之间进行热连接。
在图4的布置中，提供了独立于低温制冷机的沸腾单元56。由于低温制冷机只能容忍有限的压力，可以发现，与在将低温制冷机围在相同的冷冻剂体积中的情况下所允许的情况相比，提供有沸腾单元56的本发明的实施例可以在沸腾单元56内被提供更高压力的冷冻剂。没有制冷机套15的低温制冷机17的放置去除了原本由制冷机套15提供的寄生热路径，并且还可以降低系统的组件成本。
在每个实施例中，将一定量的冷冻剂密封到一定体积中，该体积与低温制冷机的最冷级(26)和要被冷却的设备热接触，其可以通过热总线而链接。冷冻剂的沸腾和再冷凝(或气态形式的冷冻剂的加热和再冷却)的用于在操作中将热能从要被冷却的物品或热总线传递到低温制冷机。在低温制冷机故障的情况下，提供足够的冷冻剂量和足够的体积，以使所产生的冷冻剂气体的沸腾和加热足以将物品维持在一定的操作温度达一时间段，该时间段足以覆盖通常的故障模式(被称为穿越)，诸如市电电力故障。通常，低温制冷机由市电电力供电，市电电力的故障往往持续不到十分钟。
在本发明的所有实施例中，在设计时要小心以确保被包括在由冷冻剂缓冲容器30、通道32限定的可用体积中，以及由制冷机套15限定的自由体积或制冷机套15加上远程沸腾腔室50的内部体积中的冷冻剂的量足以提供将冷却设备维持在操作温度所需的持续时间。该持续时间可以称为“穿越”。所需的冷冻剂的量由可用体积和处于预定温度的冷冻剂的充气压力的组合限定。
通常，由冷冻剂缓冲容器30、通道32、以及套15或套加上远程沸腾腔室50；或沸腾单元52包括的自由体积在20升-100升的范围内，并且在室温氦的充气压力在4BAR-20BAR(0.4MPa-2.0MPa)的范围内。通过调整体积，特别是通过提供冷冻剂缓冲容器30，可以在不增加设计压力的情况下调节冷冻剂的量，使得系统仍与只能承受有限压力范围的组件兼容，这可能特别适用于低温制冷机17。在诸如图4所示的实施例中，由于低温制冷机不暴露于冷冻剂压力，因此处于室温的氦的充气压力可以在4BAR-300BAR(0.4MPa-30.0MPa)的范围内。因为缓冲容器30处于室温，所以在低温制冷机17操作时，由于诸如氦的冷冻剂的大的热膨胀，它保留了非常少量的冷冻剂。
在备选实施例中，缓冲容器可以位于其他地方。缓冲容器可以位于OVC内部，在OVC处它也可以处于室温，但是具有防止被损坏或干扰的优点；备选地，缓冲容器可以位于热辐射屏蔽件16上，在热辐射屏蔽件16处它将被冷却到中间温度。这种布置的缺点是，由于降低了缓冲容器的温度，冷冻剂的使用效率较低，但是一旦主动制冷重新开始，则恢复时间更快，因为它不必从室温重新冷却。
在每个实施例中，冷板40被定位在低温制冷机的下方。这种布置在低温制冷机17故障的情况下支持气体分层，从而在低温制冷机17故障的情况下减少了进入到冷却装置中的热负荷。图2的实施例示出了单个腔室，其中在冷板20与低温制冷机的第二级26之间设置了竖直分隔。具有通过管道52、54而接合到制冷机套15的远程沸腾腔室50的图3的实施例，使得竖直分隔能够在不增加可用体积的情况下增加。
优选地，可用的冷体积被优化以给出最大的工作温度范围和热惯性。“冷体积”是制冷机套15的下腔室15b的体积，以及在该下腔室下方的链接的冷冻剂填充的体积。在低温制冷机故障的情况下，某个量的处于气态的冷冻剂不会像相同量的液体冷冻剂那样贡献那么多的热惯性，但是将随着朝向室温升温而膨胀，并且因此在升温到室温时，将需要大的缓冲体积34和/或将在缓冲体积内产生高压。在使用中，本发明的布置优选地包含适当量的液体冷冻剂46，以提供适当的“穿越”(即在没有主动制冷的情况下维持冷却物品的操作温度的持续时间)，具有最小体积的气态冷冻剂，因为其不能吸收蒸发的潜热来提供冷却，因此提供少得多的热惯性。气态冷冻剂的体积的最小化可以通过使制冷机套15成形为与低温制冷机17的形状紧密吻合而有助于诸如图2和图3中所示的实施例。在图3的实施例中，上管道52和下管道54的使用提供了对自由体积的一些控制。最小化自由体积被认为在低温制冷机17的第二级26所位于的下腔室15b中特别重要。这是因为下腔室中的气体密度更大，并且下腔室中的气体将在制冷机故障时膨胀而需要较大的缓冲体积，或者在升温到室温时将在缓冲体积中产生高压。
本发明的布置的完全密封的性质允许它在正常条件下在低于大气压的压力下操作，这在冷却故障时进一步增加了穿越。尽管一些常规布置在4.22K-4.38K的绝对温度以101kPa-120kPa的冷冻剂压力操作，但本发明的布置可以在3.15K-4.22K的绝对温度下在24kPa-101kPa的范围内的压力下运行，这提供了改善的穿越。缓冲体积34以及通道32、制冷机套15或沸腾单元52、或制冷机套15和远程沸腾腔室20内的自由体积被优化，使得本发明作为密封单元来操作，其中提供了正确质量密度的冷冻剂，使得在寒冷时形成液体，使得可以采用两相操作来提供较高的热传输效率，并且使得形成了足够的液体冷冻剂以提供有用的穿越持续时间，该穿越持续时间可以在主动制冷故障的情况，通过液体冷冻剂的沸腾而将冷却设备维持在操作温度。
在某些实施例中，通过如图2中那样延伸腔室或如图3中那样利用管道连接分离成两个腔室，而在冷板40处的沸腾位置与第二级26处的再冷凝位置之间提供额外的竖直分离，以最小化主动制冷故障情况下的热量流入。可以发现这种布置将热量流入从约2W-5W减少到小于0.2W。然后，这有助于增加穿越。
因此，本发明提供了一种如上所述且如所附权利要求所述的容错低温冷却系统，其中一定量的冷冻剂被密封到一体积中，并由低温制冷机冷却，并且通过沸腾和再冷凝起作用以从冷却设备向低温制冷机17的第二级26传递热能。
用于增加低温冷却系统的穿越的其他部分解决方案是已知的。通常，可以结合本发明的布置来应用这种其他的部分解决方案。例如，可以采取措施使进入低温恒温器的热负荷最小化，以便在穿越期间使冷却设备的温度上升的速率最小化。除了本发明之外，还可以采用这样的措施。当主动制冷不可用时，将热量引入低温恒温器中的热路径被中断，例如通过使用热开关、通过将到冷却设备的电流引线断开连接、通过去除低温制冷机或至少使其脱离与冷却设备的热接触。可以有用地结合本发明来采用这些措施。
已知的用于增加低温恒温器对主动制冷的电源故障的容忍度的另一种类型的布置是提供备用发电机或电池，在主电源故障的情况下，该备用发电机或电池投入服务以为低温制冷机供电。当然可以结合本发明采用这种布置，使得本发明的布置仅在这种备用发电机或电池发生故障或耗尽的情况下才进入操作。
贯穿本说明书，对低温制冷机的“第二级”的引用应当被理解为意指热链接到制冷机的最冷的冷却级的热交换器。低温制冷机当前通常具有两级，但是本发明可以适用于具有多于或少于两级的制冷机，并且本文中所使用的术语“第二级”应当被理解为意指低温制冷机的最冷级。
Claims (13)
1.一种容错低温冷却系统，包括：
-外真空腔室(14)，在所述外真空腔室的内部体积中限定真空区域；
-低温制冷机(17)；
-要被冷却的设备，所述要被冷却的设备被容纳在所述真空区域内；
-自由体积，所述自由体积被界定在所述真空区域内，并且包含冷冻剂(46)；
-冷板(40)，所述冷板暴露于所述自由体积，并且热链接到所述要被冷却的设备；
-热交换器，所述热交换器热链接到所述低温制冷机(17)的最冷级(26)，并且暴露于所述自由体积；
-冷冻剂缓冲容器(30)，所述冷冻剂缓冲容器(30)界定缓冲体积(34)；以及
-通道(32)，所述通道(32)将所述缓冲体积(34)与所述自由体积链接，
所述冷冻剂缓冲容器(30)和所述通道(32)被布置以使得：在所述低温制冷机(17)的故障期间，一些量的冷冻剂将通过所述通道(32)流到所述冷冻剂缓冲容器(30)的所述缓冲体积(34)中。
2.根据权利要求1所述的容错低温冷却系统，其中所述冷冻剂缓冲容器(30)在所述外真空腔室(14)的外部。
3.根据权利要求1所述的容错低温冷却系统，其中所述冷冻剂缓冲容器(30)在所述外真空腔室(14)的内部。
4.根据权利要求1所述的容错低温冷却系统，其中所述冷冻剂缓冲容器(30)在所述外真空腔室(14)的内部，所述冷冻剂缓冲容器(30)热链接到热辐射屏蔽件(16)，所述热辐射屏蔽件(16)被提供在冷冻剂容器(12)与所述外真空腔室(14)之间的真空空间中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的容错低温冷却系统，其中所述冷板(40)的上表面是纹理化的。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的容错低温冷却系统，其中所述冷板(40)被设置有与所述冷板(40)热接触的冷冻剂气体热交换器(42)。
7.根据权利要求6所述的容错低温冷却系统，其中所述冷冻剂气体热交换器(42)包括附接到所述冷板(40)的鳍状件。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的容错低温冷却系统，其中导热的热总线(48)被设置成与所述冷板(40)热接触，并且与要被冷却的设备热接触。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的容错低温冷却系统，其中所述低温制冷机是两级制冷机，并且由所述低温制冷机的第二级对所述热交换器进行冷却。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的容错低温冷却系统，其中所述低温制冷机(17)被部分地容纳在制冷机套(15)内，所述制冷机套(15)处于所述真空区域内，所述制冷机套的内部与所述冷板(40)相结合地限定了所述自由体积。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的容错低温冷却系统，其中所述低温制冷机(17)被部分地容纳在制冷机套(15)内，所述制冷机套(15)处于所述真空区域内，所述制冷机套的内部与远程沸腾腔室(50)的内部之间流体连通，所述远程沸腾腔室(50)本身包括包含冷冻剂的容器和所述冷板(40)，所述自由体积包括所述制冷机套的所述内部、所述远程沸腾腔室的所述内部，以及所述制冷机套和所述远程沸腾腔室之间的所述流体连通的内部。
12.根据权利要求10所述的容错低温冷却系统，其中所述低温制冷机(17)被部分地容纳在所述真空区域内，所述制冷机套的所述最冷级(26)与热交换器(62)热连接，所述热交换器(62)暴露于沸腾单元(56)的内部体积，所述沸腾单元(56)本身包括包含冷冻剂的容器和所述冷板(40)，所述自由体积包括所述沸腾单元(56)的内部体积。
13.根据权利要求11所述的容错低温冷却系统，其中所述低温制冷机(17)被部分地容纳在所述真空区域内，所述制冷机套的所述最冷级(26)与热交换器(62)热连接，所述热交换器(62)暴露于沸腾单元(56)的内部体积，所述沸腾单元(56)本身包括包含冷冻剂的容器和所述冷板(40)，所述自由体积包括所述沸腾单元(56)的内部体积。
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