CN1288673C - 低温组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有通向超导磁体的检修颈部的低温恒温器。在许多低温应用场合中，例如用于核磁共振成像(MRI)、超导变压器、发电机、电子部件的超导线圈的部件通过与一定量的液化气体保持接触来进行冷却，整个低温组件称为低温恒温器。为了操作超导磁体，必须使其保持在超导转变温度之下。低温恒温器必须提供通向该包含液化氦气的容器的进入口，以便磁体初始冷却到其低操作温度，并且使得当氦气损失时对系统进行定期的重新充气。本发明旨在提供一种以最小的热负荷通向低温恒温器例如氦容器的检修颈部，并且由此提供一种低温恒温器组件，其中包括至少一个正电流引线和至少一个负电流引线的检修颈部如此布置，即，使得引线中的一个由颈部管壁形成，颈部管壁与第二电流引线之间的空间形成用于排气和/或充气或其它检修的通路。
Description
技术领域
本发明主要涉及低温组件，尤其涉及一种具有通向超导磁体的检修颈部的低温恒温器，但本发明不限于此。
背景技术
在许多低温应用场合中，例如用于核磁共振成像(MRI)、超导变压器、发电机、电子部件的超导线圈的部件通过将其保持与一定量的液化气体(例如氦气、氖气、氮气、氩气、甲烷)接触来进行冷却，整个低温组件称为低温恒温器。为了操作超导磁体，必须使其保持在超导转变温度之下。对于常规的低温超导体，该转变温度处于10K的范围内，并且该磁体通常在容器或包括液氦浴槽的容器(通称为氦容器)内在4.2K的温度下被冷却。为了简化，以下对于氦气来进行描述，但是这不能排除使用其它的气体。由于监控原因和激励磁体，检修工作需要在室温下从外界环境进入到氦容器中来进行。在部件中的任何功耗或热量进入到系统中将导致氦气蒸发。为了解决该损失，需要进行补充。这种维修和操作被使用者认为是有问题的，并且多年来对此制冷器作出了许多努力，以便降低蒸发率或者使得任何损失的液体重新冷凝返回到浴槽中。
在许多低温恒温器中，由于热量进入到该系统中，液态的气体缓慢地蒸发。对于离开该低温恒温器的气体而言必须使用适当的措施，而且该低温恒温器的一个功能是使得这种蒸发尽可能地降低到低数值，这是因为例如氦气的气体是昂贵的商品。在其它低温恒温器中，装备有制冷器，该制冷器使得蒸发后的气体重新冷凝，因此整体上氦气没有损失。在这些低温恒温器中，热负荷必须保持足够得低，以便该制冷器可实施该重新冷凝。低温恒温器必须提供通向该包含液化氦气的容器的进入口，以便磁体初始冷却到其低操作温度，并且使得当氦气损失时对系统进行定期的重新充气。而且，低温恒温器必须提供通向该氦容器的进入口，以便测量液化的氦气的液面，并且提供充分的进入口，以便进行磁体的操作和检修。该磁体通常包括一个或多个与超导开关串联的超导电磁线圈，以便磁场限定在磁体中。热量必须供应给该超导线圈，以便将其加热到其超导转变温度之上，以使其“接通”。电流必须供应给磁体，以便激励该磁体。
用于磁体的电流适当地流过可拆卸的电流引线，该引线穿过检修颈部插入并且提供了处于4.2K温度的磁体的电接线端子与处于室温的与电源连接的外部电缆之间的电接触。或者，可使用一组固定的永久地安装在检修颈部中的电流引线，以便该颈部不必向大气环境打开，以便插入可拆卸的电流引线。由于这种打开可能使得空气进入到颈部和氦容器中，应当避免向大气环境打开该颈部管。因为空气在(标准大气压下)低于0℃时将含有由水变成的冰，所以如果在颈部中存在冰，其将会聚集在颈部底部并且阻塞颈部或者阻止通向该磁体的电接线端子。固定的电流引线对该氦容器加入了热负荷。
一旦磁体被激励，如果出现需要磁场快速卸除的情况，磁体必须被“猝熄(quench)”。这涉及该磁体的一部分加热到其临界温度之上，以使其变成电阻性的。在该电阻部分中产生的热量加热了相邻的磁体部分，并且使其变成电阻性的。整个磁体以这种方式快速地变成电阻性的，并且磁场快速地减小到可忽略的程度。存储在磁体中的能量释放到液氦中，随后产生大量的氦气。在这种过程中该氦气的流量较高，并且检修颈部必须提供气体从氦容器离开的路径，以便不会产生氦容器内的过高压力。以上的和其它的检修通过该检修颈部来实施。
图1示出了现有技术的示例，其中包括常规的检修颈部：管10将处于室温的真空容器12与处于超导温度例如4.2K的氦容器14连接。在管10之外存在真空；氦气存在于管中。引导管16提供对于可拆卸的电流引线(未示出)的引导，以便使其接合在磁体连接器18上。该引导管装配有一个或多个辐射挡板20，以便减少从室温向氦容器的传递的辐射热量。在管10之外的热学连接器24连接到(未示出的)冷却装置上，以便阻断传导的热量。这种检修颈部结构存在多个缺点。首先，该颈部必须是开放的，以便插入可拆卸的电流引线，这存在着空气进入氦容器的可能性。其次，除了装配该可拆卸的电流引线，没有提供磁体的受控的去激励装置，这意味着需要受过训练的检修工程师。再者，由于使用了多个辐射挡板，因此在磁体“猝熄”过程中背压较高。而且，磁体连接器的热负荷在磁体激励的过程通常较高，这导致较高的氦损失。此外，热学连接器24仅连接到检修颈部管10的外侧，并且由于与该颈部管没有最佳的热接触因此这不是理想的。
图2示出了另一现有技术的示例。该另一检修颈部包括固定的电流引线30，该检修颈部包括具有适中的导热率材料例如黄铜制成的管，以便只将非常少的热量传导到系统中同时还具有适当的尺寸以便传导电流。这种结构是本领域普通技术人员公知的。该引线由至少一个环圈24以机械方式固定，该环圈还提供从该管到(未示出的)散热装置的传导热量的装置。部件32是使得该一个或多个环圈24与导体管30中的至少一个电绝缘的装置，同时提供在其间的良好的热接触。固定的电触点34提供了用于使得电缆36、38电连接到具有低电阻的磁体上的装置。
这种检修颈部的一些缺点在于，在“猝熄”过程中产生的背压较高，这是因为气体必须基本上向上通过固定引线排出，以便确保引线在磁体激励过程中充分地被冷却。因为蒸发的气体主要向上流经两个固定引线，所以该气体柱的冷却不是特别有效。由于其它的检修操作和装配也必须通过该颈部来进行，而且如果颈部直径增大则该热负荷将增大，因此该引线的直径不能制成较大。
此外，在气体上升经过颈部的三个路径中，两个路径处于电流引线内，一个路径穿过在颈部壁内侧的周围空间。为了在磁体激励的过程中实现电流引线的最佳冷却，气体应当只流经该引线，并且不流经该第三路径。然而，在通常的备用操作过程中为了实现最小的氦损失，没有电流流经该引线，优选的是，一部分蒸发的气体流经该第三路径，冷却该颈部和引线。这些彼此冲突的要求导致较多的气体蒸发是优选的。在颈部组件中平衡这三个并联的气体流需要对气体阻力精确的掌握，这难以预测，并且如果考虑到制造精度则这甚至更难以控制。
发明目的
本发明旨在提供一种改进的低温恒温器。本发明尤其提供一种通向低温恒温器例如氦容器的检修颈部，该检修颈部以最小的热负荷提供了所需的检修。
依据本发明的第一方面，提供一种低温组件，其在操作上支承浸在低温流体内的电气、电子、或磁性装置，该低温组件包括低温流体容器，其具有第一管，该管在操作上提供从周围大气环境至该低温流体容器的进入口，其中，该第一管的壁形成第一电流引线。优选的是，还设置有第二管，该第二管形成第二电流引线，以便提供用于气体排出和/或充入或者其它检修的通路。
本发明的具有多个优点：在颈部中降低了压力差，改善了部件与冷却流体之间的接触；提供了对于部件的较低的热负荷；提供了对于从颈部释放的流体的路径。
附图说明
通过结合本发明的详细描述并参照附图，可更好地理解本发明，在附图中：
图1示出了现有技术的低温恒温器的第一示例；
图2示出了现有技术的低温恒温器的第二示例；
图3示出了低温恒温器的示意图；
图4示出了依据本发明的低温恒温器的检修颈部；
图5示出了第二环圈；
图6示出了本发明的另一实施例的截面图；
图7示出了第二形式的环圈；
图8示出了图7所示的环圈的第二截面；
图9-13示出了依据本发明的另一实施例。
具体实施方式
本发明将参照发明人认为是最佳的实施方式来进行描述。在以下的描述中，描述了大量的具体细节，以便提供对本发明的完整理解。然而，对于本领域的普通技术人员而言，本发明可由这些细节的各种变型形式来实施。
图3示出了用于在超导温度下运行的整体核磁共振成像装置的低温恒温器的示意图。其中，液氦容器40封装超导磁体44。设置有检修颈部42，以便可触及到该磁体。
参照图4，其示出了本发明的第一实施例。检修颈部50设置在低温恒温器的外壁12与氦容器的壁14之间。电缆线56和58与(未示出的)磁体的接线端子连接。设置有两个经由该低温恒温器颈部50的不同的电流路径：
第一电流路径包括外接线端子54，其安装在低温恒温器的壁12上，连接到外检修颈部管52上的该低温恒温器的壁的支承件60又与氦容器的壁14电接触，该壁与电缆58电接触。
第二电流路径包括外接线端子66，其安装在低温恒温器的外壁12中的绝缘体70内，电缆72连接到内管16上，该内管16在氦容器内延伸并与电缆56连接。
电连接可通过气密的转塔/低温恒温器壁来实现。电流引线管52和16优选为由不锈钢或黄铜制成，但是可由其它任何适当的导电材料制成，确定特定尺寸的手段是本领域普通技术人员公知的。环圈74优选为由高传导率的材料例如铜制成，其用于以机械方式支承内管16并提供将两个管连接到(未示出的)散热装置上的装置，以便中断沿管从较高温向较低温的热传导、中断向包含在管内的气体的热传导、以及中断向在外管52的范围内的或在真空空间内的任何其它的导热体的热传导。依据低温恒温器的结构和可用的散热装置的数量，可设置一个或多个环圈74。绝缘体76提供第一和第二电流路径之间电绝缘，并提供向74的热传导件。该环圈可由许多形式的材料来制成，而且适当地由例如蓝宝石、氧化铝、或陶瓷的物质来制成，其中导热率高的特征是特别有利的。绝缘体76有助于从内管16传导热量，该绝缘体的尺寸确定成使其通过例如胶粘或焊接紧固地接合到环圈74上。
图5示出了环圈74沿径向平面的截面。设置一孔口以便用于该环状的绝缘体76，并且还设置有另一孔口78，来自氦容器的通常的蒸发气体和“磁体猝熄”产生的气体流经该另一孔口。孔78的面积确定成以便对于在猝熄过程中预计的质量流量而言提供低的压降，但是同时限制从相对于氦容器而言是高温部件中向氦容器辐射的热量，由此降低对于该氦容器的热负荷。
参照图6，为了将辐射负荷降低到最小程度，如果需要的话，可在一个或多个孔78上设置辐射挡板80，其与图1所示的挡板20相似。然而，应当注意，这会在猝熄过程中增加压降，如果需要保持最小的辐射负荷，则可设置额外的挡板。注意，管16偏心地设置在管52内，以便孔78具有最大的水力半径，并且在检修颈部的最小总直径内还提供了用于氦容器或磁体所需的其它检修的空间，这些检修例如为重新充氦。
图7示出了环圈74的变型。所述管此刻偏心地安装。该环圈82提供重叠的倾斜的连接片部分84，以便支承中心内管。
图8示出了经该环圈82的正割截面A-A。该环圈82提供对于猝熄气体的低压降路径，同时提供了大致完全的反射辐射热的特征。
总之，由于蒸发气体与两个管52和16的表面紧密接触，并且环圈74、82提供了与该管和容纳在柱体内的气体的紧密热接触，因此在正常运行和在磁体激励过程中可实现低的热负荷。
通过设置一个或多个传导挡板88，由管16封装的气体可更有效地被冷却，该挡板88设置在管内与管的壁紧密热接触。适当地，挡板的位置位于管的内侧上在形成绝缘环76的位置处，如图9所示。
在替代实施例中，如图10所示，如果孔21被阻塞或不足够大，则内管16可用作氦容器的紧急排气口。内管的高温部分以气密方式装接到绝缘管90上，该管90穿过气密转塔突伸到(未示出的)安全阀或爆破隔膜。
图11示出了结构的另一变型，其中管16的低温部分由高温超导引线92代替。这种形式的引线是公知的，并且其可用在通常低于70K的低温区域中，以便作为在磁体激励过程中没有电阻损失的电流引线。在该示例中，外管在低温区域中由高温超导引线94来进行分路分流，以便降低在磁体激励过程中给氦容器的负荷。引线92电连接到管16的上部上，而引线94经由热耦合环圈连接到包括管52的第一电流路径上。柔性连接部分56和58使得两个引线92、94与磁体电连接。
应当理解，尽管在图11所示的高温超导引线92、94适当地形成分开的部件，但是也可形成电流引线16和52的低温端部的一部分，如图12所示，由此使得在磁体激励的过程中在引线16和52的下部分中没有电阻损失，而且还增加了安全性，即引线16和52也在非超导温度下传导电流。
在图4所示的实施例中，应当注意，当激励磁体时，将氦容器连接到真空容器上的任何导电路径可用于与外管52并联传导电流的一部分，并且当设计第一电流路径时可考虑到这一点，以便热学管52的尺寸可按比例地减小。相似地，在图11所示的实施例中，当激励磁体时，将热学环圈74连接到外真空容器上的任何导电路径可用于与外管52的上部并联传导电流的一部分，以便该上部的尺寸可按比例地减小。这可用于减小管52的横截面，从而相应地减小对于氦容器和散热装置的热负荷。
图12示出了没有屏蔽件的组件，其中电流引线根本没有中断。这可用于液氦低温恒温器，并且在液氦中工作的电气装置可以是高温超导(HTS)线圈、HTS变压器、HTS故障限流器、冷电子装置、或需要使用电流引线的任何其它装置。
Claims (11)
1.一种低温组件，其在操作上支承浸在低温流体内的电气、电子、或磁性装置，
该低温组件包括低温流体容器(14)，其具有第一管(52)，该管在操作上提供从周围大气环境至该低温流体容器的进入口，该第一管(52)的壁形成第一电流引线。
2.如权利要求1所述的低温组件，其特征在于：该第一管(52)包括单级、双级、或无级检修颈部。
3.如权利要求1所述的低温组件，其特征在于：还包括在该第一管(52)内的第二管(16)，该第二管的壁形成管状的第二电流引线，并形成用于气体排出和/或对低温流体容器(14)进行充注的通路。
4.如权利要求3所述的低温组件，其特征在于：所述第一和第二电流引线布置成同心或偏心结构的管。
5.如权利要求3所述的低温组件，其特征在于：所述第一和第二管分别提供主排气路径和副排气路径。
6.如权利要求1-5中任一项所述的低温组件，其特征在于：所述管设置有辐射挡板。
7.如权利要求1-5中任一项所述的低温组件，其特征在于：所述管中的至少一个管在热学方面上被阻断，由此提供被低温冷却的冷却段。
8.如权利要求1-5中任一项所述的低温组件，其特征在于：高温超导体电流引线位于低温部分中。
9.如权利要求1-5中任一项所述的低温组件，其特征在于：对于通向任何需要大电流低热量渗入的低温设备的进入口由薄壁金属制成。
10.如权利要求9所述的低温组件，其特征在于：该薄壁金属是从一组包括不锈钢、钛、黄铜或磷青铜的材料中选择的。
11.如权利要求1-3中任一项所述的低温组件，其特征在于：该组件形成核磁共振成像组件的一部分。
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