專利名稱：脈沖管致冷器套的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于再冷凝低溫液體的脈沖管致冷器。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及磁共振成像系統(tǒng)的脈沖管致冷器。
背景技術(shù)：
眾多的低溫應(yīng)用的部件中，例如用于磁共振成像(MRI)的超導(dǎo)線圈、超導(dǎo)變壓器、發(fā)電機(jī)與電子器件中的，是通過(guò)使它們與一定量的液化氣體(如氦、氖、氮、氬、甲烷)接觸而保持冷卻。這些部件中的任何熱耗損或是進(jìn)入這些部件所在系統(tǒng)中的熱都會(huì)使這一定量的液化氣體部分蒸發(fā)?？紤]到這種損耗，需要加以補(bǔ)充。多年來(lái)，許許多多的用戶和花費(fèi)大量的勞力來(lái)引入的致冷器以將任何損耗的液體重新冷凝回到液浴中，這樣的保養(yǎng)作業(yè)看來(lái)是個(gè)問(wèn)題。
作為已有技術(shù)的例子，圖1中示明了MRI磁鐵的兩級(jí)GiffordMcMahon(GM)冷頭再冷凝器。為了能使統(tǒng)一由10標(biāo)明的GM冷頭在保養(yǎng)或檢修中可以卸下，將此冷頭插入一插座中，此插座將真空容器16(在室溫下)的外側(cè)面連接到4K下的氦浴18上。MRI磁體示明于20處。此插座包括由薄壁不銹鋼管形成的第一級(jí)套12和用于使從室溫下傳導(dǎo)到在低溫下工作的此插座冷端的熱為最少的第二級(jí)套14。插座中充填氦氣30，冷端約4.2K，熱端為室溫。此冷頭的第一級(jí)套12連接到插座22的中間熱段，用以提取中間溫度例如40K～80K的熱，而在此中間熱段上還連接著套14。冷頭24的第二級(jí)與氦氣再冷凝器26連接，熱會(huì)由于以下種種方面產(chǎn)生通過(guò)頸部向下傳導(dǎo)的熱、從熱輻射屏蔽件42輻射的熱，以及從任何其它熱源例如從磁鐵(未圖示)的機(jī)械懸掛系統(tǒng)、從用于以液體充填液浴所用的供應(yīng)管頸(也未圖示)來(lái)的熱、來(lái)自儀表布線入口與氣體逸散通道等的熱。在氦浴與外部真空容器中間設(shè)有輻射屏蔽件42。
上述冷頭的第二級(jí)用作約4.2K下的再冷凝，由于它比周圍的He氣冷，氦氣便冷凝于表面上(此表面可以裝備上散熱片以增大表面積)并回滴入液體儲(chǔ)器中。冷凝將局部降壓，將更多的氣體吸引向第二級(jí)。已計(jì)算出幾乎沒(méi)有因氦的自然對(duì)流造成損失，這在假定冷頭與插座作垂直取向(在溫端指向上方時(shí))時(shí)業(yè)已由試驗(yàn)證明。Gifford McMahon冷卻器與壁部的溫度分布方面的任何小的差別，由于氣體的密度隨溫度有顯著變化(例如在4.2K時(shí)此密度為16Kg/m3；在300K時(shí)此密度為0.16Kg/m3)，將形成重力支持的氣體對(duì)流。對(duì)流導(dǎo)致插座壁與致冷器的溫度分布平衡。殘余的熱損耗很小。圖1A所示為未安裝冷頭32、34時(shí)對(duì)應(yīng)的情形。更詳細(xì)地說(shuō)，中間段22示明了一條能讓氦氣從套14所圍的空間中流出的通道38。上述所圍的空間也與其中設(shè)有磁鐵20的主浴36形成流體通連。如圖所示，與套12相關(guān)聯(lián)的凸緣40幫助將此插座接附到真空容器16上。
當(dāng)此系統(tǒng)的裝置傾斜時(shí)，自然對(duì)流會(huì)造成巨大損失。解決這一問(wèn)題的技術(shù)方案已描述在授予Mitsubishi的美國(guó)專利No.5583472中。但在此不擬對(duì)它再作討論，因?yàn)樵搶＠墨I(xiàn)涉及到的裝置是按垂直取向或是與垂向成小的角度(＜30°)的情形。
業(yè)已證明，脈沖管致冷器(PTR)能夠在4.2K(液氦在常溫下的沸點(diǎn))及其以下進(jìn)行有效的冷卻(C.Wong and P.E.Gifford，Advancesin Cryogenic Engineering，45，Edited by shuetal.，KlUwerAcademic/Plenum Pablishers，2000，pp.1-7)。脈沖管致冷器是有吸引力的，因?yàn)樵诖酥吕淦鞯睦鋮s部件中不需任何可動(dòng)部件，這樣就減少了致冷器的振動(dòng)與磨損，現(xiàn)在參看圖2，其中所示的PTR50包括由分開的管于熱段結(jié)合到一起的裝置。每個(gè)級(jí)各有一個(gè)致冷器管52、54，它們充填的不同形式(例如網(wǎng)狀件、疊層式的球、粉末)的固體材料，起到熱障和與PTR的工作流體(通常是在1.5～2.5MPa壓力下的He氣)交換熱的作用。每個(gè)級(jí)有一個(gè)脈沖管56、58，它們是空心的，用來(lái)使工作流體膨脹與壓縮。在兩級(jí)PTR中，第二級(jí)脈沖管56常以室溫下的溫端62與第二級(jí)60連接，第一級(jí)脈沖管58則以此溫端與第一級(jí)64連接。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在最優(yōu)條件下于真空中工作的PTR常常形成這樣的溫度分布，它顯著不同于這些管上的溫度分布，也不同于插座中成為穩(wěn)態(tài)的溫度分布。這種情形示于圖3中。
另一種先有技術(shù)脈沖管致冷器裝置示于圖4中，此脈沖管插入插座內(nèi)且暴露在于第一和第二級(jí)中形成了由重力導(dǎo)致的對(duì)流70、72的氦氣氛中。PTR單元50配備有冷級(jí)31、33，它們?cè)O(shè)于外真空容器16的凹座內(nèi)。設(shè)置有與第一套端22作熱接觸的輻射屏蔽件42。第二級(jí)33的端壁上示有一再冷凝器26。若是在一定的高度下，不同部件的溫度不同，則較熱的部件將加熱周圍的氦氣，給予其上升的浮力，同時(shí)在較冷的部件處，此氦氣冷卻并下降。結(jié)果形成了很大的熱損耗，這是由于氦氣的密度差在4.2K與300K之間1bar壓力變化的密度約為100倍。PTR的凈冷卻功率可以是例如在50K時(shí)為40W而在4.2K時(shí)為0.5～1W。計(jì)算出的損耗約為5～20W。脈沖管的內(nèi)部工作過(guò)程一般會(huì)受到影響，但在GM致冷器中未遇到這種情形。在PTR中，管中的最佳溫度分布乃是最佳性能的基礎(chǔ)，而這是通過(guò)平衡許多參數(shù)例如所有管子的幾何結(jié)構(gòu)、流阻率、速度、熱傳輸系數(shù)、閥門裝置等參數(shù)的細(xì)致處理實(shí)現(xiàn)的。有關(guān)說(shuō)明可參看“Ray Radebaugh，proceedings of the 6thInternational Cryogenic Engineering Conference，Kitakkyushu，Japan，20～24 May，1996，pp 22～44”。
因此，在氦氣氛中，PTR不必要達(dá)到4K的溫度，盡管PTR在真空中能做到這點(diǎn)。但要是將PTR插入通過(guò)實(shí)心壁對(duì)4K作熱接觸的真空插座中，則它將正常地工作。這樣一種技術(shù)方案業(yè)已對(duì)GM致冷器描述過(guò)(授予William E.Chen，GE的美國(guó)專利No.5613367)，雖然使用PTR是可以的而且是直接的。但其缺點(diǎn)是冷頭在4K下的熱接觸將產(chǎn)生熱阻，這將減少致冷過(guò)程中可資利用的功率。舉例來(lái)說(shuō)，在當(dāng)前工藝水平下用銦金屬墊圈所形成的熱接頭，可以在4K下實(shí)現(xiàn)0.5K/W的熱接觸電阻(參看例如授予GE的美國(guó)專利No.5918470)。要是一低溫致冷器能夠在4.2K下吸收1W(例如住友重工的RPK408型)，則再冷凝器的溫度將上升到4.7K，而這將顯著降低超導(dǎo)電線的載流量?；蛘邞?yīng)要求用初始時(shí)能在3.7K下產(chǎn)生1W的較強(qiáng)低溫致冷器，得以在上述接頭的遠(yuǎn)側(cè)形成可資利用的冷卻功率。
圖5例示了這樣一種PTR裝置76。它的部件特征與圖4所示的基本相同。在PTR冷頭的第二級(jí)與帶散熱片的降溫裝置80之間設(shè)有熱墊圈78。同時(shí)在此熱墊圈與降溫裝置之間設(shè)有不透氦的壁。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明試圖提供一種改進(jìn)了的脈沖管致冷器。
依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了在低溫設(shè)備中的脈沖管致冷器PTR裝置，其中PTR可在一與此低溫設(shè)備的機(jī)殼相連的插座中工作，以將此PTR定位成使得第一端暴露于室溫下而讓第二端與低溫流體相關(guān)，其中的PTR的管是由一絕緣套包圍。此絕緣套最好分成第一與第二部分，此第一部分覆蓋著從暖端到第一級(jí)的區(qū)域，而此第二部分最好具有較小的直徑且在此第一級(jí)與冷端的第二級(jí)之間延伸。為方便起見，此插座包括一在PTR裝置的外真空壁中的出入口，形成一種周知的插座，而上述第二部分則包括一內(nèi)套(內(nèi)插座)，包圍著脈沖管的所有的管，只在此套與插座壁之間留下小的環(huán)隙。上述這些套可由相同或不同的材料制成，如小規(guī)格的不銹鋼管或其他的合適材料例如鈦，復(fù)合材料，如GRP、CFRP制成，最好能帶有金屬襯里，使之可防擴(kuò)散，制止氦的泄漏。第二部分與PTR管之間的空間最好在內(nèi)部被抽空，以減少對(duì)流傳熱。所用常規(guī)技術(shù)如焊接或釬接將套連接到凸緣上。
由與增設(shè)的壁部有關(guān)的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致增加的熱負(fù)載可以通過(guò)減少靜態(tài)的氦氣柱引起的熱傳導(dǎo)而部分地被補(bǔ)償。這種氦氣柱在不計(jì)及任何對(duì)流的情況下會(huì)導(dǎo)致1～2W的熱損耗。在兩級(jí)拼合式組件中，此第一套與第二套通常能由第一級(jí)中的通道連接成單個(gè)空間便于抽空。
這樣，本發(fā)明通過(guò)引入熱觸點(diǎn)或周知的類似裝置來(lái)抑制熱傳輸，能顯著地減少或是解決PTR中因?qū)α髟斐傻姆N種問(wèn)題。


通過(guò)下面結(jié)合附圖所作的描述，可更直接地理解本發(fā)明以及其他種種方面與其他種種特點(diǎn)，附圖中圖1示明MRI磁鐵中的雙級(jí)Gifford MoMahon冷頭再冷凝器；圖1A示明圖1的無(wú)再冷凝器管的再冷凝器；圖2示明雙級(jí)PTR；圖3示明插座內(nèi)各器件的溫度分布；圖4示明插入插座內(nèi)的脈沖管；圖5示明具有可卸除的熱觸點(diǎn)的脈沖管的已有技術(shù)的例子；圖6示明本發(fā)明的PTR；圖6A示明圖6的無(wú)外殼的PTR；圖7示明通過(guò)圖6中所示裝置第一級(jí)中間的水平剖面；圖8示明管壁；圖9A、B、C、D示明真空套的不同機(jī)械形式；圖10A示明封閉于絕熱材料的集成套內(nèi)的脈沖管與換熱器管；
圖10B示明的蓬松絕熱材料充填的大氣壓套或低真空套。
具體實(shí)施形式下面用例子說(shuō)明本發(fā)明人等用于實(shí)施此發(fā)明的最佳方式。在以下的描述中，為便于全面地理解本發(fā)明，列出了眾多的具體細(xì)節(jié)、但應(yīng)認(rèn)識(shí)到，內(nèi)行的人是可以根據(jù)這些具體細(xì)節(jié)以種種變型來(lái)實(shí)施本發(fā)明的。
現(xiàn)在參看圖6，圖中示明了本發(fā)明的第一實(shí)施例設(shè)有PTR90，它具有的各個(gè)PTR管由雙套組件12，112；14，114圍繞著這些PTR管，在PTR冷頭62的暖端與第一級(jí)34之間同時(shí)在第一級(jí)34與第二級(jí)24之間絕熱。
此第二級(jí)套的直徑可以比第一級(jí)套的小。套壁12、14、112、114可以是雙層壁式的，可以在其制造過(guò)程中經(jīng)真空處理將其結(jié)合而被抽空，例如通過(guò)真空釬焊成電子來(lái)焊接。在這種情形下無(wú)需獨(dú)立的抽真空工藝，不需提供孔口，可以使部件的復(fù)雜性減至最小?；蛘呷×硪环N形式，通過(guò)設(shè)置獨(dú)立的抽空口(未圖示)于制造后進(jìn)行泵抽。上述的套包圍著此裝置中的所有管，只于其間留下小的環(huán)隙。此磁鐵設(shè)備的真空容器的外壁以標(biāo)號(hào)16指明；磁鐵則以在具有壁部74的氦浴中的標(biāo)號(hào)20指明。輻射屏蔽件42則借助熱觸點(diǎn)22接附到第一級(jí)34上。如前面提及的，提供有帶散熱片的氦再冷凝器76。圖6A是沒(méi)有外殼和在外殼之外的部件的所示圖6的裝置。
圖7示明通過(guò)此裝置中間在冷頭(也稱作溫端)和第一級(jí)之間的水平剖面。脈沖管與換熱器管的標(biāo)號(hào)52、56、58表明。套壁可由小規(guī)格的不銹鋼管(或其他適當(dāng)?shù)牟牧先玮?；?fù)合材料如GRP、CFRP，最好有金屬襯里，使之能抗擴(kuò)散防止氦泄漏)。內(nèi)插座112中的空間經(jīng)抽真空，避免了任何熱對(duì)流損耗。脈沖管由常規(guī)的結(jié)合技術(shù)如焊接或釬接84連接到與冷頭以及第一和第二級(jí)相關(guān)的凸緣上。圖8示明通過(guò)第二級(jí)脈沖與換熱器管54、56下端的剖面。焊接或釬接的真空密封接頭標(biāo)明于96處。
可以通過(guò)最好是在冷端插入除氣材料(如活性碳、可卷繞到管上的復(fù)寫紙以及沸石等)來(lái)提高套112、114內(nèi)的真空度。為了改進(jìn)絕熱質(zhì)量可以將商品名為Superinsulation的超絕熱箔91置于真空空間中，如圖9A所示。
各管之間的絕熱空間在制造中不抽真空而將有空氣存在。在冷卻時(shí)，此空氣將冷凝，最后將趨向冷頭的冷端(4.2K)凍結(jié)。除氣材料可以置放于此環(huán)境中，特別有助于降低此絕熱空間內(nèi)的大氣壓力。盡管此絕熱的質(zhì)量會(huì)受到某種程度的損害，但這會(huì)由于不需要真空生產(chǎn)線或真空處理過(guò)程而降低了生產(chǎn)費(fèi)用的事實(shí)而得到抵償。
圖9B、C、D示明了真空套的不同機(jī)械形式。為醒目起見，這些圖只示明了第一級(jí)與第二級(jí)間的套。套的壁厚應(yīng)保持到最薄程度以減少熱傳導(dǎo)。為避免在外部氦壓力(在工作方式下通常為1～3bar)下癟縮，可以有幾種方法增強(qiáng)，通常如圖9B與C所示，使壁93、94波紋化。當(dāng)然還可由圖9D所提供的增強(qiáng)方式。
可以在與上述真空套相同的幾何結(jié)構(gòu)中，在管之間添加非真空式絕熱材料，當(dāng)然這不會(huì)給出相同的絕熱水平。置放這類填料能夠形成較大的抗癟縮能力。如圖10A所示，脈沖管與換熱器管可以包圍在絕熱材料中，這類材料例如是泡沫塑料102，購(gòu)自Cryo-lite公司的“Cryofoam”、聚氨酯泡沫塑料、玻璃纖維絕熱材料、毛氈等某些泡沫材料能在現(xiàn)場(chǎng)繞管的結(jié)構(gòu)膨脹。如圖10B所示的大氣式套或低真空套充填有松散的絕緣材料，如珍珠巖或空心玻璃球之類的粉狀絕熱材料，它們可以是內(nèi)部抽真空的，甚至涂以反射膜如濺射成的鋁箔膜，以減少熱輻射。
各個(gè)管的絕熱形式可以不同，可以采用絕熱與部分絕熱的任意組合形式。例如第一級(jí)可采用真空絕熱而第二級(jí)則可采用獨(dú)立式的泡沫塑料絕熱。此外，在某些應(yīng)用中，只需使第一級(jí)或是第二級(jí)絕熱即可。
盡管絕大多數(shù)在4K下的應(yīng)用是以兩級(jí)冷卻器運(yùn)行的，但相同的工藝技術(shù)也可適用于單級(jí)冷卻器或是三級(jí)與三級(jí)以上的冷卻器。
權(quán)利要求
1.低溫設(shè)備中的脈沖管致冷器PTR裝置，其中一PTR可在用于置放此PTR的與此低溫裝置機(jī)罩相關(guān)的插座內(nèi)工作，使其第一端暴露于室溫下，而使其第二端與低溫流體相聯(lián)，且PTR的所有管則被絕熱管包圍。
2.權(quán)利要求1所述的PTR再冷凝器，其中此再冷凝器是雙級(jí)式再冷凝器，而所述套分成兩部分，由此使各級(jí)分別絕熱。
3.權(quán)利要求1或2所述的PTR，其中所述的套包圍著脈沖管的所有管，而只在此套與一插座壁之間留下小的環(huán)隙。
4.權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的PTR，其中所述的套是由薄壁不銹鋼管、鈦或例如GRP、CFRP之類的復(fù)合材料制成。
5.權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的PTR，其中所述的套是由GRP、CFRP之類復(fù)合材料制成并以金屬材料襯里。
6.權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的PTR，其中所述套內(nèi)的空間為真空態(tài)。
7.權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的PTR，其中所述套內(nèi)的空間為真空態(tài)以及脈沖管/換熱器管間是以絕熱材料充填。
8.權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所述的PTR，其中所述的套包括雙層壁的套。
9.權(quán)利要求8所述的PTR，其中所述雙層壁之間的空間內(nèi)被抽真空。
10.權(quán)利要求8所述的PTR，其中所述雙層壁之間的空間內(nèi)被充填以絕熱材料。
11.權(quán)利要求1～10中任一項(xiàng)所述的PTR，其中所述套的壁呈波紋狀。
12.權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的PTR，其中所述采用的材料選自超絕熱材料，薄絕熱材料、泡沫塑料等，而所述的套是圍繞一剛性管設(shè)置的。
13.權(quán)利要求1～12中任一項(xiàng)所述的脈沖管致冷器PTR，其中此PTR是與磁共振成像設(shè)備相聯(lián)。
14.低溫設(shè)備中的脈沖管致冷器PTR裝置的應(yīng)用方法，其中PTR可在一用于置放此PTR的與此低溫裝置機(jī)罩相聯(lián)的插座內(nèi)工作，使其第一端暴露于室溫下，而使其第二端與低溫流體相聯(lián)，此PTR的所有管則為絕熱套包圍，所述方法包括使此PTR組件的各部件絕熱的步驟，由此來(lái)減少因PTR的管引起的熱損耗。
15.權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的套分成兩個(gè)部分。
16.權(quán)利要求14或15所述的方法，其中所述的套包圍脈沖管的所有管，而只在此套與插座壁之間留下環(huán)隙。
17.權(quán)利要求14～16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述再冷凝器與磁共振成像設(shè)備相聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于再冷凝低溫液體的脈沖管致冷器，具體涉及磁共振成像系統(tǒng)的脈沖管致冷器。眾多的低溫應(yīng)用部件如用于磁共振成像(MRI)的超導(dǎo)線圈、超導(dǎo)變壓器、發(fā)電機(jī)與電子器件，是通過(guò)使它們與一定量的液化氣體(如氦、氖、氮、氬、甲烷)接觸而保持冷卻。這些部件中的任何熱損耗或是進(jìn)入此系統(tǒng)中的熱都會(huì)使此液化氣體部分蒸發(fā)。考慮到這種損耗，需加以補(bǔ)充。多年來(lái)眾多用戶和花費(fèi)了大量勞力來(lái)引入致冷器使任何損耗的液體重新冷凝回到液浴中。本發(fā)明在于解決因脈沖管致冷器發(fā)生對(duì)流導(dǎo)致的問(wèn)題。本發(fā)明在其第一方面提供在低溫設(shè)備中的脈沖管致冷器PTR裝置，其中一PTR可在一用于置放此PTR的與此低溫裝置機(jī)罩相關(guān)的插座內(nèi)工作。使其一端暴露于室溫下而使其第二端與低溫流體關(guān)聯(lián)，其中此PTR的所有管被絕熱套包圍，此種結(jié)構(gòu)已證明能減少對(duì)流并解決與此有關(guān)的問(wèn)題。
文檔編號(hào)F25B9/14GK1606680SQ02825468
公開日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2002年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月19日
發(fā)明者W·施陶特納, F·施泰因邁爾 申請(qǐng)人:牛津磁體技術(shù)有限公司