專利名稱：具有熱連接元件、冷連接元件和與這些連接元件相連的熱管的制冷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制冷系統(tǒng)，其具有
一至少一個熱連接元件，與一個設(shè)備的待冷卻部件熱連接， 一至少一個冷連接元件，與冷源熱連接，
一至少一個由導(dǎo)熱性能不良的材料構(gòu)成的熱管，在第一末端與所述熱 連接元件相連，在第二末端與所述冷連接元件相連，其內(nèi)腔至少部分灌注有 可利用熱虹吸效應(yīng)進行循環(huán)的液體。
背景技術(shù)：
具有上述特征的制冷系統(tǒng)例如公開自DE 102 11 568 B4。
冷卻系統(tǒng)，例如用于超導(dǎo)磁體的冷卻系統(tǒng)，通常采用所謂的浴冷 (Badkiihlung)方式。這種浴冷可使用溫度通常為4.2K的液態(tài)制冷劑，例如 氦。DE 10 2004 060 832 B3中所揭示的NMR分光計的超導(dǎo)電磁線圈系統(tǒng)采 用浴冷。NMR分光計的冷卻系統(tǒng)設(shè)計為，循環(huán)制冷劑在其循環(huán)路徑上蓋沒 著NMR分光計的不同元件。通過這種制冷劑循環(huán)可借助單獨一個制冷器對 大量溫度水平各不相同的NMR分光計元件進行冷卻。
但浴冷需要大量使用制冷劑。涉及超導(dǎo)磁體時還存在這樣一種可能性， 即當(dāng)相應(yīng)超導(dǎo)材料的臨界電流或臨界磁場被超過時，超導(dǎo)磁體會喪失其超導(dǎo) 性能。在此情況下，超導(dǎo)材料上會發(fā)生短時的劇烈發(fā)熱現(xiàn)象。所產(chǎn)生的熱量 會使浴冷所用的制冷劑在低溫恒溫器內(nèi)蒸發(fā)。大量產(chǎn)生的氣態(tài)制冷劑會使低 溫恒溫器內(nèi)的壓力急劇上升。
為解決這一問題，同時也為達到削減制冷劑成本的目的，人們設(shè)計出不帶制冷劑槽的冷卻系統(tǒng)。這類冷卻系統(tǒng)無需使用任何一種制冷劑。在此情況 下，制冷能量僅由固體傳熱系統(tǒng)導(dǎo)入待冷卻區(qū)內(nèi)。在這種冷卻系統(tǒng)中，待冷
卻區(qū)例如可通過銅制固體低溫線(Festk6rper-Kryobus)與制冷機相連。另一 種方法是使待冷卻區(qū)和制冷機與一封閉管道系統(tǒng)相連，少量制冷劑在這個管 道系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)。這類不帶制冷劑槽的冷卻系統(tǒng)的另一優(yōu)點在于，與具有制 冷劑槽的冷卻系統(tǒng)相比，這類冷卻系統(tǒng)與可動的待冷卻負載之間的匹配更為 簡單。因此，不帶制冷劑槽的冷卻系統(tǒng)特別適用于例如離子束治癌所用的機 架的超導(dǎo)磁體。在上述冷卻系統(tǒng)中，制冷能量通?？捎删哂欣漕^(尤其是斯 特林制冷器)的制冷機提供。
冷頭的第二級直接與超導(dǎo)磁體繞組的支承結(jié)構(gòu)機械地?zé)徇B接的超導(dǎo)磁 體例如公開自US 5,396,206。在這種超導(dǎo)磁體中，所需制冷能量直接由固體 傳熱系統(tǒng)導(dǎo)入超導(dǎo)磁體繞組。但若是出于維護目的必須對冷頭進行更換時， 上述用于超導(dǎo)磁體的冷卻裝置就會產(chǎn)生極大的技術(shù)問題。在更換過程中，空 氣或其它氣體會凍結(jié)在低溫接觸面(在此情況下為超導(dǎo)繞組的支承結(jié)構(gòu))上。 形成在這些位置上的冰會破壞再次投入使用的冷頭與繞組支承結(jié)構(gòu)之間的 熱連接。
為避免低溫接觸面上發(fā)生氣體凍結(jié)，可將這些接觸面加熱至接近于室溫 的溫度。其結(jié)果往往是，只有將所有待冷卻設(shè)備部件(例如一個磁體的全部 超導(dǎo)繞組)全部加熱至室溫后，才能進行冷頭更換。特別對于大型系統(tǒng)而言， 這種加熱階段和隨后進行的冷卻階段需要持續(xù)較長時間。這會導(dǎo)致系統(tǒng)的停 機時間較長。此外，加熱和冷卻階段的能耗也很大。
作為替代方案，通過下述方式也可避免周圍氣體在低溫接觸面上發(fā)生凍 結(jié)，即特意地在這些接觸面周圍的區(qū)域內(nèi)灌注氣體。但這種措施較為復(fù)雜， 需要耗用大量沖洗氣體或蒸發(fā)制冷劑。
EP 0 696 380 Bl揭示了一種帶有免制冷劑的制冷系統(tǒng)的超導(dǎo)磁體。所揭 示的制冷系統(tǒng)具有由導(dǎo)熱性能良好的材料(例如銅)制成的傳熱線，這個傳熱線與超導(dǎo)磁體相連。傳熱線還可與兩個冷頭相連。這兩個冷頭相對于傳熱 線對稱布置。它們可分別自相對的兩側(cè)移向傳熱條。通過這種方式可使一個 或兩個冷頭與傳熱條熱接觸。制冷能量則相應(yīng)由一個或兩個冷頭導(dǎo)入傳熱
對這種已知制冷系統(tǒng)的其中一個冷頭進行更換時，可使這個冷頭從傳熱 線機械地移開，借此使冷頭與傳熱線熱分離。在此情況下，制冷能量僅由剩 下的冷頭提供。這樣就可對從傳熱條移開的冷頭進行更換，而無需將超導(dǎo)磁
體加熱。但EP 0 696 380 Bl所揭示的制冷系統(tǒng)的冷頭必須采取機械可動的實 施方式，這需要設(shè)置大量低溫用組件和一個相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)，這個機構(gòu)可能 極易受到干擾。
JP 2000-146333 A揭示了一種用于維護低溫冷卻器的裝置和方法。在更 換低溫冷卻器或冷頭之前，先在液氮槽內(nèi)對一個結(jié)構(gòu)相同的相應(yīng)冷頭進行預(yù) 冷。通過對這個結(jié)構(gòu)相同的冷頭進行預(yù)冷，可使該冷頭的組件具有與相應(yīng)待 更換的組件相似的溫度。通過這種方式可使需要更換冷頭的制冷系統(tǒng)內(nèi)部的 低溫情況基本保持不變。
DE 102 11 568 B4揭示了一種具有兩個冷頭的制冷系統(tǒng)，這兩個冷頭通 過管道系統(tǒng)與設(shè)備的待冷卻組件相連，制冷劑可在管道系統(tǒng)內(nèi)部利用熱虹吸 效應(yīng)進行循環(huán)。管道系統(tǒng)具有一個分支部分。支路的末端分別存在一個制冷 劑腔，這些制冷劑腔分別與一個冷頭相連。液態(tài)制冷劑在重力作用下從其中 -個制冷劑腔下沉到設(shè)備的待冷卻部件上，在此進行傳熱過程。氣態(tài)制冷劑 通過管道系統(tǒng)再上升到兩個冷頭上，在此被重新液化。管道系統(tǒng)內(nèi)的這種制 冷劑循環(huán)既可在只有一個冷頭工作的情況下，又可在兩個冷頭都工作的情況 下進行。如果將制冷系統(tǒng)設(shè)計為，單獨一個冷頭也能為設(shè)備的待冷卻部件提 供所需的制冷能量，就可在制冷系統(tǒng)的工作過程中對另一個冷頭進行更換。 為能最大程度地減少熱損失，分支部分和制冷劑腔(分別與一個冷頭相連) 之間的管道系統(tǒng)用導(dǎo)熱性能不良的材料制成。借此可對固體傳熱系統(tǒng)所引起的損失加以限制。但氣體制冷劑仍會上升到不存在冷頭或已斷開的冷頭的位 置上。在此情況下，雖可對固體傳熱系統(tǒng)所引起的損失進行限制，卻無法限 制循環(huán)制冷劑所引起的損失。
DE 101 04 653 Al揭示了一種機械熱敏開關(guān)，其包括第一盆形金屬體，
第一盆形金屬體可以形狀配合的方式包圍第二金屬體。為此，第一金屬體具 有一個可與第二金屬體的外套形狀配合的自由端。第一盆形金屬體內(nèi)有第四
金屬體，第三金屬體從外部環(huán)行包圍盆形的第一金屬體。第四金屬體受熱膨 脹時壓緊第一金屬體的盆形體內(nèi)壁，借此驅(qū)動第一金屬體的自由端，從而斷 開第一金屬體與第二金屬體之間的連接。通過這種方式可以解除第一金屬體 與第二金屬體之間的熱接觸。第一金屬體冷卻時，包圍第一金屬體的環(huán)形第 三金屬體發(fā)生收縮，將第一金屬體的自由端壓向第二金屬體。通過這種方式 可將熱敏開關(guān)接通。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制冷系統(tǒng)，其中，設(shè)備的待冷卻部件通過熱管 與冷源相連，液體可在所述熱管內(nèi)利用熱虹吸效應(yīng)進行循環(huán)，其中，所述設(shè) 備的待冷卻部件無需與所述冷源機械分離即可基本與所述冷源熱分離。
這個目的通過權(quán)利要求l所述的措施而達成。其中，本發(fā)明的構(gòu)思是 冷源與設(shè)備的待冷卻部件之間的熱交換基本上通過可利用熱虹吸效應(yīng)在熱 管中進行循環(huán)的液體而實現(xiàn)。為實現(xiàn)冷源與設(shè)備的待冷卻部件的熱分離，可 通過與熱管內(nèi)腔相連的管道抽空熱管。與此同時，熱管應(yīng)該是用導(dǎo)熱性能不 良的材料制成。通過這些措施將冷源與設(shè)備的待冷卻部件之間的熱連接降低 至由熱管的固體傳熱能力定義的較低程度。本發(fā)明的制冷系統(tǒng)包括至少一個 與設(shè)備的待冷卻部件熱連接的熱連接元件和至少一個與冷源熱連接的冷連 接元件。由導(dǎo)熱性能不良的材料構(gòu)成的熱管在第一末端與熱連接元件相連， 在第二末端與冷連接元件相連，且與冷連接元件的連接為可分離的機械連 接。熱管的內(nèi)腔至少部分灌注有可利用熱虹吸效應(yīng)進行循環(huán)的液體。所述制冷系統(tǒng)還包括管道，所述管道通過第一末端與熱管的內(nèi)腔相連，并設(shè)計為， 所述管道的至少部分區(qū)段在測地學(xué)意義上高于液位。根據(jù)本發(fā)明，為能對連 接元件進行熱分離，可以通過所述管道從熱管中抽出液體。
具有上述特征的制冷系統(tǒng)的優(yōu)點主要在于，通過從熱管內(nèi)部抽出液體， 可顯著減弱熱管的傳熱能力。通過這種方式可使設(shè)備的待冷卻部件基本與冷 源熱分離，而無需設(shè)置第二冷源，也無需使一個或多個冷源進行機械運動。 如果從制冷系統(tǒng)中移除與冷連接元件可分離地機械相連的冷源，冷連接元件 就可在短時間內(nèi)升溫，使得空氣或周圍環(huán)境中所包含的氣體在冷連接元件表 面只發(fā)生較小程度的凍結(jié)。通過這種方式可在最大程度上避免冷連接元件與 冷源之間的接觸面上發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。在結(jié)冰程度有所減輕的情況下，重新使 用冷源時所實現(xiàn)的熱接觸明顯好于接觸面上有明顯結(jié)冰現(xiàn)象時的熱接觸。此 外，這種熱分離可防止設(shè)備的待冷卻部件所在的低溫區(qū)受到進入這一區(qū)域的 熱流的影響。通過這種方式，即便在更換冷源時也能使設(shè)備的待冷卻部件保 持預(yù)期的低溫。借助上述措施可實現(xiàn)這樣一種制冷系統(tǒng)，在這種制冷系統(tǒng)中， 即便在使用單獨一個冷源的情況下，也能對這個冷源進行更換、維護或?qū)⑵?暫時移除，而無需對待冷卻部件進行加熱。本發(fā)明的制冷系統(tǒng)特別適用于超 導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)備。
本發(fā)明的制冷系統(tǒng)的有利改進方案可從權(quán)利要求l的從屬權(quán)利要求中獲 得。其中，根據(jù)權(quán)利要求l所述的實施方式可與其中一個或優(yōu)選多個從屬權(quán) 利要求的特征相結(jié)合。據(jù)此，本發(fā)明的制冷系統(tǒng)還可具有下列特征
一設(shè)備的待冷卻部件可布置在可抽成真空的低溫恒溫器中，管道的第二 末端可位于低溫恒溫器外部。借助可抽成真空的低溫恒溫器可以特別有利地 將設(shè)備的低溫部件與其周圍環(huán)境熱隔離。這種熱隔離對于設(shè)備的低溫部件而 言是特別有效的隔離。這種設(shè)備低溫部件要求冷連接元件的接觸面上避免出 現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。因此，采用上述實施例的制冷系統(tǒng)特別適用于帶有低溫部件的 裝置。一可以存在具有第一級和第二級的多級制冷機，其中，冷源可由第二級 構(gòu)成，第一級可與布置在低溫恒溫器內(nèi)的隔熱板可分離地機械相連。多級制 冷機特別適用于需要冷卻至非常低的溫度的設(shè)備部件。特別有利的是使用隔 熱板來作為進一步的隔熱措施。本發(fā)明使設(shè)備的待冷卻部件與制冷機第二級 熱分離的措施特別有利，因為無需可動部件即可實現(xiàn)熱分離，這一點對于機 械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)而言是有利的。
一制冷機至少部分地以可更換的方式安裝在可抽成真空的維護腔中，所 述維護腔與可抽成真空的低溫恒溫器彼此分離。借助于與可抽成真空的低溫 恒溫器分離的同樣也可抽成真空的維護腔，可在不破壞低溫恒溫器的真空的 情況下實施制冷機的更換過程。在此情況下，維護過程特別簡單和有效。
一所述液體可以兩相混合物的形式存在。如果熱管中的液體以兩相形式 存在，就可在熱管中實現(xiàn)液體循環(huán)，其中，氣相液體在熱管的冷端上冷凝， 液相液體在熱管的熱端上蒸發(fā)。通過這種方式可將相變的潛熱用于傳熱過 程。但也可以在基于密度差的自然對流基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的單相液體循環(huán)。
一制冷系統(tǒng)可繞軸旋轉(zhuǎn)，這個軸基本平行于熱管的對稱軸。此外，熱管 的與熱連接元件相連的第一區(qū)段的截面可以大于與冷連接元件相連的第二 區(qū)段的截面。熱管的用于連接第一區(qū)段和第二區(qū)段的部分可設(shè)計為，在第二 區(qū)段中冷凝的制冷劑可在重力作用下不受阻礙地到達第一區(qū)段。具有上述特 征的制冷系統(tǒng)特別適用于可動的、在此情況下采取可旋轉(zhuǎn)布置方式的設(shè)備的 待冷卻部件。通過為熱管采用這種專門設(shè)計，即便在待冷卻設(shè)備部件進行旋 轉(zhuǎn)的情況下，也能確保制冷機與設(shè)備的待冷卻部件之間隨時存在熱接觸。
一所述管道可在其靠近熱管對稱軸的末端處與熱管和低溫恒溫器外部 相連。此外，所述管道還可在其延伸方向上具有至少一個靠近所述軸的中間 區(qū)段。通過為管道采用上述設(shè)計，可在設(shè)備的待冷卻部件發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下， 防止制冷劑通過管道到達管道的固定在低溫恒溫器外部的熱端。通過這種方 式可避免管道中位于熱管內(nèi)部的低溫區(qū)和安裝在低溫恒溫器外部的管道末端之間出現(xiàn)制冷劑循環(huán)。特別有利的是，通過為管道采用上述設(shè)計，可以抑 制上述制冷劑循環(huán)所引起的熱損失。
一所述管道的中間區(qū)段可具有一個向軸A方向延伸的V形延伸段。彎 曲成V形的管道是所述管道的一種特別簡單、特別有效的設(shè)計方式。
一熱管可設(shè)計為基本呈截錐體形。通過將熱管設(shè)計成截錐體形，可使熱 管具有特別簡單、成本低廉和有效的形狀。
一所述制冷系統(tǒng)可包括附加冷卻系統(tǒng)，這個附加冷卻系統(tǒng)至少具有下列 特征與冷連接元件相連的制冷劑腔；輸送管，通過這個輸送管可從低溫恒
溫器外部一個測地學(xué)上較高的位置為制冷劑腔灌注第二制冷劑；與設(shè)備的待
冷卻部件大面積地?zé)徇B接的管道系統(tǒng)，第二制冷劑可利用熱虹吸效應(yīng)在管道
系統(tǒng)中進行循環(huán)；排氣管，氣態(tài)的第二制冷劑通過排氣管可從管道系統(tǒng)中逸 出。在待冷卻質(zhì)量較大的情況下，通過具有上述特征的附加冷卻系統(tǒng)可加快 冷卻階段的速度。通過借助輸送管從低溫恒溫器外部一個測地學(xué)上較高的位 置向制冷劑腔內(nèi)灌注第二制冷劑，可為設(shè)備的待冷卻部件提供額外的制冷能 量。任何發(fā)生蒸發(fā)的第二制冷劑可以通過排氣管從管道系統(tǒng)中逸出。借此可 避免管道系統(tǒng)中產(chǎn)生過壓。第二制冷劑可利用熱虹吸效應(yīng)在管道系統(tǒng)內(nèi)部進 行循環(huán)，從而實現(xiàn)有效冷卻。
—連接元件可由導(dǎo)熱性能良好的材料構(gòu)成，優(yōu)選由銅構(gòu)成。熱管可由熱 導(dǎo)率低于銅的材料構(gòu)成，優(yōu)選由不銹鋼構(gòu)成。通過用導(dǎo)熱性能良好的材料(例 如銅)構(gòu)建連接元件，既可在連接元件與冷源之間，又可在連接元件與設(shè)備 的待冷卻部件之間實現(xiàn)特別有效的熱耦合。熱管的導(dǎo)熱能力主要取決于在熱 管內(nèi)部循環(huán)的制冷劑。如果熱管自身是用導(dǎo)熱性能不良的材料(例如不銹鋼) 制成，通過抽出其內(nèi)部的制冷劑，就可極大地減弱熱管的導(dǎo)熱能力。
一所述設(shè)備可以是用于放射療法的機架裝置，待冷卻部件可以是機架的 用于使粒子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)的磁體。本發(fā)明的制冷系統(tǒng)特別適用于機架，因為待 冷卻磁體需要繞機架的對稱軸進行旋轉(zhuǎn)。


本發(fā)明的制冷系統(tǒng)的其它有利設(shè)計方案可從上文未提及的權(quán)利要求和 下文將要加以說明的附圖中獲得。附圖顯示的是本發(fā)明制冷系統(tǒng)的優(yōu)選設(shè)計 方案的示意圖，其中
圖1為制冷系統(tǒng)的截面圖2為可旋轉(zhuǎn)制冷系統(tǒng)的截面圖；以及
圖3為帶有附加冷卻系統(tǒng)的可旋轉(zhuǎn)制冷系統(tǒng)的截面圖。
具體實施例方式
相同部件在各附圖中用相同參考符號表示。未詳細說明的部件屬于一般 的現(xiàn)有技術(shù)。
圖1顯示的是一個實施例的制冷系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)備的待冷卻 部件102位于低溫恒溫器108內(nèi)。舉例而言，設(shè)備的待冷卻部件102可以是 超導(dǎo)磁體的磁體繞組或超導(dǎo)技術(shù)的其它部件。為改善隔熱效果，低溫恒溫器 108內(nèi)安裝有隔熱板112。用于設(shè)備的待冷卻部件102的制冷能量由制冷機 109 (例如冷頭或斯特林致冷器)提供。優(yōu)選可使用根據(jù)Gifford-McMahon (吉福德-麥克馬洪)原理進行工作的冷頭。根據(jù)本實施例，這種兩級制冷機 可通過其第一級111與隔熱板112熱連接。制冷機109的第一級111與隔熱 板112之間的連接優(yōu)選可以是可分離的機械連接，例如螺旋連接或夾緊連接， 這種連接同時能夠確保組件之間良好的熱接觸。制冷機109的第二級110構(gòu) 成制冷系統(tǒng)100真正意義上的冷源104。制冷機109的第二級110與冷連接 元件103處于熱連接。這種連接優(yōu)選可以是螺旋連接。也就是說，制冷機109 通過其第二級110可拆卸地旋接在冷連接元件103中。任何一種其它類型的 機械連接，只要是可分離的連接，同時又能確保制冷機109的第二級110與 冷連接元件103之間良好的熱接觸，也都適用于圖l所示的實施例。其中， 連接元件101和103可以是設(shè)備的待冷卻部件102或冷源104的組成部分。 此外，連接元件101和103還可整合在相應(yīng)的組件中，或者永久地與這些組件固定相連。
制冷機109部分地位于一個單獨的可抽成真空的維護腔113內(nèi)。這個維
護腔113與低溫恒溫器108其余的可抽成真空的腔室彼此分離。冷連接元件 103與熱管105良好地傳熱連接，優(yōu)選還機械相連。熱管105的相對一端與 熱連接元件101相連。這個連接同樣具有良好的傳熱性能，優(yōu)選也可以是機 械連接。熱連接元件101又與設(shè)備的待冷卻部件102良好地傳熱連接。熱管 105內(nèi)部存在液體106，這種液體可利用熱虹吸效應(yīng)在熱管105中進行循環(huán)。 熱管105自身則由導(dǎo)熱性能不良的材料構(gòu)成。
如果熱管105內(nèi)充滿了這種液體，由于溫度關(guān)系，熱管105上部的冷區(qū) 內(nèi)的液體密度就會比熱管105下部的溫度較高區(qū)段內(nèi)的液體密度大。液體 106的密度差會使熱管105內(nèi)出現(xiàn)上述熱虹吸循環(huán)現(xiàn)象，這種熱虹吸循環(huán)引 起從設(shè)備的待冷卻部件102到冷源104的傳熱過程。
熱管105內(nèi)也可以只是部分灌注液體106。在此情況下，液體106可進 行兩相循環(huán)，例如液-氣相。據(jù)此，氣相液體106在熱管105與冷連接元件 103熱接觸的區(qū)段內(nèi)被液化。冷凝液體106在重力作用下運動到熱管105如 圖1所示的下部區(qū)段內(nèi)，即與熱連接元件101熱接觸的區(qū)段。液體106在熱 管105的這個區(qū)段內(nèi)將制冷能量釋放到熱連接元件101上，進而施加到設(shè)備 的待冷卻部件102上，隨后，氣相液體106重新上升到熱管的上部區(qū)段內(nèi)。 在此情況下，冷連接元件103用作冷凝器，熱連接元件用作蒸發(fā)器。通過這 種方式可在制冷機109或是說其第二級IIO與設(shè)備的待冷卻部件102之間建
、y-良好的熱連接。
在制冷系統(tǒng)100的工作過程中，可能出于維護工作的需要或者由于出現(xiàn) 故障而需要對制冷機109進行更換。在從制冷系統(tǒng)100中移除制冷機109之 前，應(yīng)先借助通向外部的管道107抽出熱管105內(nèi)部的液體106。很多情況 下，只需從熱管105中抽出絕大部分液體106即可達到目的；但也可以抽空 熱管105中的全部液體。從熱管105中抽出液體106后，熱管105的導(dǎo)熱能力會明顯減弱。此后，冷連接元件103與熱連接元件101之間只能通過熱管
105的材料進行固體傳熱。如果熱管105是用導(dǎo)熱性能不良的材料(例如不 銹鋼)制成，就可將連接元件101、 103之間的傳熱降低至最小程度。除不 銹鋼外，也可將各種塑料、陶瓷或其它低溫用材料用作熱管105的材料。另 一種可將傳熱程度最小化的措施是，將熱管105的壁制得特別薄，以及/或者 為熱管105采用較小的幾何尺寸。
通過管道107從熱管105中抽出液體106后，可對維護腔113進行通風(fēng)。 由于周圍空氣流入維護腔113內(nèi)，冷連接元件113和制冷機109之前保持較 低溫度的部件開始升溫。也可在維護腔113中灌注專用的沖洗氣體，例如干 燥空氣、氮氣或氦氣。對維護腔113進行過通風(fēng)處理后，就可從制冷系統(tǒng)100 中移除制冷機109。之前為低溫的連接元件103與其余的仍保持低溫的部件 (特別是熱連接元件101和設(shè)備的待冷卻部件102)熱分離，從而迅速升溫至 接近于室溫的溫度。在冷連接元件103如上文所述發(fā)生升溫的情況下，基本 上可避免冷凝氣體(如環(huán)境空氣)所引起的結(jié)冰現(xiàn)象。這樣就可在再次使用 制冷機109時，確保制冷機第二級110與冷連接元件103之間良好的熱接觸
超導(dǎo)磁體繞組主要適用于癌癥粒子療法所用的照射系統(tǒng)。這類超導(dǎo)磁體 繞組優(yōu)選安裝在可繞確定軸線旋轉(zhuǎn)的機架中。
圖2顯示的是整體用IOO表示的制冷系統(tǒng)的另一實施例，其中，包括待 冷卻部件102在內(nèi)的整個制冷系統(tǒng)100以可繞軸A旋轉(zhuǎn)的方式進行布置。根 據(jù)制冷系統(tǒng)100如圖2所示的實施方式，待冷卻部件102位于低溫恒溫器108 內(nèi)，低溫恒溫器108具有隔熱板112。制冷機109優(yōu)選采取相對于另一個軸 B旋轉(zhuǎn)對稱的設(shè)計。制冷機109安置在維護腔113中，維護腔113可獨立于 低溫恒溫器108地抽成真空。制冷機109的第一級111與隔熱板112相連， 制冷機109的第二級104與冷連接元件103相連。熱管105通過第一區(qū)段202 與冷連接元件103熱連接，優(yōu)選也機械相連。熱管105的另一區(qū)段201與熱連接元件101熱接觸，優(yōu)選還機械接觸。熱管105的第一區(qū)段202比熱管105 的第二區(qū)段201的截面小。熱管105的區(qū)段203連接熱管105的第一區(qū)段202 和第二區(qū)段201，其所采取的設(shè)計使得冷凝液體106在重力作用下可以通過 這個區(qū)段203不受阻礙地從第一區(qū)段202到達第二區(qū)段201。整個熱管105 優(yōu)選可具有兩端封閉的截錐體的形狀。此外，這種熱管105還可以某種方式 與制冷機109相連，使得截錐體的對稱軸與軸B重合。
熱管105在軸B區(qū)域內(nèi)與管道107相連。通過這個管道可從熱管105 中抽出液體106。管道107所具有的形狀使得從熱管105流入管道107的液 體106無法不受阻礙地到達管道107與低溫恒溫器108相連的外部區(qū)段。為 此，管道107具有一個向軸A方向彎曲的區(qū)段204。通過為管道107采用這 種設(shè)計，即使在整個制冷系統(tǒng)100繞軸A進行旋轉(zhuǎn)的情況下，也能避免液體 106通過管道107與管道107的外部區(qū)段發(fā)生持續(xù)接觸。
如上文聯(lián)系圖1所說明的那樣，通過管道107可從熱管105中抽出液體 106。通過這種方式可使設(shè)備的待冷卻部件102與冷源104熱分離。為了在 這種可繞軸A進行旋轉(zhuǎn)的制冷系統(tǒng)100中也能出于維護目的對制冷機109 進行更換，應(yīng)在抽出液體106后對工作腔113進行通風(fēng)。在隔熱板112與低 溫恒溫器108處于剛性連接的情況下，可為工作腔113位于固定法蘭(用于 將制冷機的第一級111和隔熱板112固定在一起)與冷凝器103之間的區(qū)段 采用柔性設(shè)計。這種柔性設(shè)計例如可通過波紋管而實現(xiàn)。為實現(xiàn)制冷機109 的第二級110與冷凝器103之間的分離，冷凝器103可通過熱管105的柔性 設(shè)計沿軸B進行運動。為此，熱管105同樣可具有一個波紋管。
圖3顯示的是整體用IOO表示的制冷系統(tǒng)的另一實施例。與圖2所示的 制冷系統(tǒng)相比，圖3所示的制冷系統(tǒng)100增加了一個附加冷卻系統(tǒng)。制冷劑 腔301與冷連接元件103熱接觸，優(yōu)選還機械接觸。通過輸送管302可從一 個測地學(xué)上較高的位置向制冷劑腔301內(nèi)灌注制冷劑。可以使用與熱管105 所用相同或相似的制冷劑。舉例而言，可以使用氦、氖或氮。制冷劑腔301上連接有一個管道系統(tǒng)303，這個管道系統(tǒng)與設(shè)備的待冷卻部件102大面積
地相連。通過這種方式可為設(shè)備的待冷卻部件102提供額外的制冷能量。借 此可大幅縮短例如用于超導(dǎo)磁體的冷卻時間。任何在管道系統(tǒng)303中發(fā)生蒸 發(fā)的制冷劑可以通過排氣管304從管道系統(tǒng)303中逸出。
在借助制冷機109將待冷卻部件102進一步冷卻至更低溫度之前，可以 先用上述附加冷卻設(shè)備借助價格低廉而又易于購得的氮對設(shè)備的待冷卻部 件102進行預(yù)冷。使用附加冷卻設(shè)備的技術(shù)要求是使制冷系統(tǒng)IOO停止繞軸 A的旋轉(zhuǎn)，或至少減緩其運動速度，使得管道系統(tǒng)303內(nèi)在重力作用下出現(xiàn) 基于熱虹吸效應(yīng)的制冷劑循環(huán)。
權(quán)利要求
1. 一種制冷系統(tǒng)(100)，具有a. 至少一個熱連接元件(101)，與一設(shè)備的待冷卻部件(102)熱連接，b. 至少一個冷連接元件(103)，與冷源(104)熱連接，c. 至少一個由不良導(dǎo)熱性能材料構(gòu)成的熱管(105)，在第一末端與所述熱連接元件(101)相連，在第二末端與所述冷連接元件(103)可分離地機械相連，所述熱管的內(nèi)腔至少部分灌注有可利用熱虹吸效應(yīng)進行循環(huán)的液體(106)，以及d. 至少一個管道(107)，所述管道在第一末端與所述熱管(105)的內(nèi)腔相連，并設(shè)計為，所述管道(107)的至少部分區(qū)段在測地學(xué)意義上高于液位，e. 其中，為能對所述連接元件(101，103)進行熱分離，可通過所述管道(107)抽出所述液體(106)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征在于， 所述設(shè)備的待冷卻部件(102)布置在一可抽成真空的低溫恒溫器(108)中，所述管道(107)的第二末端位于所述低溫恒溫器(108)外部。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征在于， 具有第一級(111)和第二級(110)的多級制冷機(109)，其中，所述冷源(104)由所述第二級(110)構(gòu)成，所述第一級(111)與一布置在所 述低溫恒溫器(108)內(nèi)的隔熱板(112)可分離地機械相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征在于， 所述制冷機(109)至少部分地以可更換的方式安裝在一可抽成真空的維護腔(113)中，所述維護腔與所述可抽成真空的低溫恒溫器(108)彼此 分離。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征 在于，所述液體(106)以兩相混合物的形式存在。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征 在于，a. 所述制冷系統(tǒng)可繞軸(A)旋轉(zhuǎn)，所述軸基本平行于所述熱管(105) 的對稱軸(B)，b. 所述熱管(105)的與所述熱連接元件(101)相連的第一區(qū)段(201) 的截面大于與所述冷連接元件(103)相連的第二區(qū)段(202)的截面，所述 熱管的用于連接所述第一區(qū)段(201)和所述第二區(qū)段(202)的區(qū)段(203) 設(shè)計為，在所述第二區(qū)段(202)中冷凝的制冷劑(106)可在重力作用下不 受阻礙地到達所述第一區(qū)段(201)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述管道(107)在其靠近所述熱管(105)的對稱軸(B)的末端處與 所述熱管(105)和所述低溫恒溫器(108)外部相連，所述管道(107)在 其延伸方向上具有至少一個靠近所述軸(A)的中間區(qū)段(204)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述管道(107)的延伸方向上的中間區(qū)段(204)具有一個向所述軸(A) 方向彎曲的V形彎曲部。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項權(quán)利要求所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特 征在于，所述熱管(105)設(shè)計為基本呈截錐體形。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征 在于一附加冷卻系統(tǒng)，所述附加冷卻系統(tǒng)包括a. —制冷劑腔(301)，與所述冷連接元件(103)相連，b. —輸送管(302)，通過所述輸送管可從所述低溫恒溫器(108)外部 一個測地學(xué)意義上較高的位置為所述制冷劑腔(301)灌注第二制冷劑，c. 一管道系統(tǒng)(303)，與所述設(shè)備的待冷卻部件(102)大面積地?zé)徇B接，所述第二制冷劑可利用熱虹吸效應(yīng)在所述管道系統(tǒng)中進行循環(huán)，以及 d. —排氣管(304)，氣態(tài)的第二制冷劑通過所述排氣管可從所述管道系統(tǒng)(303)中逸出。
11. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征 在于，所述連接元件(101， 103)由導(dǎo)熱性能良好的材料構(gòu)成，優(yōu)選由銅構(gòu)成。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征 在于，所述熱管(105)由熱導(dǎo)率低于銅的材料構(gòu)成，優(yōu)選由不銹鋼構(gòu)成。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征 在于，所述設(shè)備包括超導(dǎo)部件。
14. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征 在于，所述設(shè)備是用于放射療法的機架裝置。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的制冷系統(tǒng)(100)，其特征在于， 所述待冷卻部件(102)是用于使粒子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)的磁體，優(yōu)選是超導(dǎo)磁體。
全文摘要
一種制冷系統(tǒng)(100)，包括熱連接元件(101)、冷連接元件(103)和布置在所述連接元件(101，103)之間的熱管(105)。所述熱管(105)中至少部分灌注有可利用熱虹吸效應(yīng)在所述熱管(105)內(nèi)進行循環(huán)的液體(106)。所述熱連接元件(101)與待冷卻設(shè)備部件(102)(尤其是超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域的待冷卻設(shè)備部件)相連，所述冷連接元件(103)與冷源(104)相連。為能對所述連接元件(101，103)進行熱分離，可通過管道(107)抽出所述液體(106)，所述管道與所述熱管(105)的內(nèi)腔相連。
文檔編號F25D19/00GK101523136SQ200780036454
公開日2009年9月2日 申請日期2007年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者彼得·范·哈塞爾特, 馬賴南·彼得·奧姆 申請人:西門子公司