專利名稱：低溫組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及低溫組件，尤其涉及一種具有通向超導(dǎo)磁體的檢修頸部的低溫恒溫器，但本發(fā)明不限于此。
背景技術(shù)：
在許多低溫應(yīng)用場(chǎng)合中，例如用于核磁共振成像(MRI)、超導(dǎo)變壓器、發(fā)電機(jī)、電子部件的超導(dǎo)線圈的部件通過(guò)將其保持與一定量的液化氣體(例如氦氣、氖氣、氮?dú)?、氬氣、甲?接觸來(lái)進(jìn)行冷卻，整個(gè)低溫組件稱為低溫恒溫器。為了操作超導(dǎo)磁體，必須使其保持在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之下。對(duì)于常規(guī)的低溫超導(dǎo)體，該轉(zhuǎn)變溫度處于10K的范圍內(nèi)，并且該磁體通常在容器或包括液氦浴槽的容器(通稱為氦容器)內(nèi)在4.2K的溫度下被冷卻。為了簡(jiǎn)化，以下對(duì)于氦氣來(lái)進(jìn)行描述，但是這不能排除使用其它的氣體。由于監(jiān)控原因和激勵(lì)磁體，檢修工作需要在室溫下從外界環(huán)境進(jìn)入到氦容器中來(lái)進(jìn)行。在部件中的任何功耗或熱量進(jìn)入到系統(tǒng)中將導(dǎo)致氦氣蒸發(fā)。為了解決該損失，需要進(jìn)行補(bǔ)充。這種修和操作被使用者認(rèn)為是有問(wèn)題的，并且多年來(lái)對(duì)此制冷器作出了許多努力，以便降低蒸發(fā)率或者使得任何損失的液體重新冷凝返回到浴槽中。
在許多低溫恒溫器中，由于熱量進(jìn)入到該系統(tǒng)中，液態(tài)的氣體緩慢地蒸發(fā)。對(duì)于離開該低溫恒溫器的氣體而言必須使用適當(dāng)?shù)拇胧?，而且該低溫恒溫器的一個(gè)功能是使得這種蒸發(fā)盡可能地降低到低數(shù)值，這是因?yàn)槔绾獾臍怏w是昂貴的商品。在其它低溫恒溫器中，裝備有制冷器，該制冷器使得蒸發(fā)后的氣體重新冷凝，因此整體上氦氣沒(méi)有損失。在這些低溫恒溫器中，熱負(fù)荷必須保持足夠得低，以便該制冷器可實(shí)施該重新冷凝。低溫恒溫器必須提供通向該包含液化氦氣的容器的進(jìn)入口，以便磁體初始冷卻到其低操作溫度，并且使得當(dāng)氦氣損失時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定期的重新充氣。而且，低溫恒溫器必須提供通向該氦容器的進(jìn)入口，以便測(cè)量液化的氦氣的液面，并且提供充分的進(jìn)入口，以便進(jìn)行磁體的操作和檢修。該磁體通常包括一個(gè)或多個(gè)與超導(dǎo)開關(guān)串聯(lián)的超導(dǎo)電磁線圈，以便磁場(chǎng)限定在磁體中。熱量必須供應(yīng)給該超導(dǎo)線圈，以便將其加熱到其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上，以使其“接通”。電流必須供應(yīng)給磁體，以便激勵(lì)該磁體。
用于磁體的電流適當(dāng)?shù)亓鬟^(guò)可拆卸的電流引線，該引線穿過(guò)檢修頸部插入并且提供了處于4.2K溫度的磁體的電接線端子與處于室溫的與電源連接的外部電纜之間的電接觸?；蛘?，可使用一組固定的永久地安裝在檢修頸部中的電流引線，以便該頸部不必向大氣環(huán)境打開，以便插入可拆卸的電流引線。可避免向大氣環(huán)境打開該頸部管，這種打開可能使得空氣進(jìn)入到頸部和氦容器中。因?yàn)榭諝庠?標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下)低于0℃時(shí)將含有由水變成的冰，所以如果在頸部中存在冰，其將會(huì)聚集在頸部底部并且阻塞頸部或者阻止通向該磁體的電接線端子。固定的電流引線對(duì)該氦容器加入了熱負(fù)荷。
一旦磁體被激勵(lì)，如果出現(xiàn)需要磁場(chǎng)快速卸除的情況，磁體必須被“猝熄(quench)”。這涉及該磁體的一部分加熱到其臨界溫度之上，以使其變成電阻性的。在該電阻部分中產(chǎn)生的熱量加熱了相鄰的磁體部分，并且使其變成電阻性的。整個(gè)磁體以這種方式快速地變成電阻性的，并且磁場(chǎng)快速地減小到可忽略的程度。存儲(chǔ)在磁體中的能量釋放到液氦中，隨后產(chǎn)生大量的氦氣。在這種過(guò)程中該氦氣的流量較高，并且檢修頸部必須提供氣體從氦容器離開的路徑，以便不會(huì)產(chǎn)生氦容器內(nèi)的過(guò)高壓力。以上的和其它的檢修通過(guò)該檢修頸部來(lái)實(shí)施。
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的示例，其中包括常規(guī)的檢修頸部管10將處于室溫的真空容器12與處于超導(dǎo)溫度例如4.2K的氦容器14連接。在管10之外存在真空；氦氣存在于管中。引導(dǎo)管16提供對(duì)于可拆卸的電流引線(未示出)的引導(dǎo)，以便使其接合在磁體連接器18上。該引導(dǎo)管裝配有一個(gè)或多個(gè)輻射擋板20，以便減少?gòu)氖覝叵蚝と萜鞯膫鬟f的輻射熱量。在管10之外的熱學(xué)連接器24連接到(未示出的)冷卻裝置上，以便切斷傳導(dǎo)的熱量。這種檢修頸部結(jié)構(gòu)存在多個(gè)缺點(diǎn)。首先，該頸部必須是開放的，以便插入可拆卸的電流引線，這存在著空氣進(jìn)入氦容器的可能性。其次，除了裝配該可拆卸的電流引線，沒(méi)有提供磁體的受控的去激勵(lì)裝置，這意味著需要受過(guò)訓(xùn)練的檢修工程師。再者，由于使用了多個(gè)輻射擋板，因此在磁體“猝熄”過(guò)程中背壓較高。而且，磁體連接器的熱負(fù)荷在磁體激勵(lì)的過(guò)程通常較高，這導(dǎo)致較高的氦損失。此外，熱學(xué)連接器24僅連接到檢修頸部管10的外側(cè)，并且由于與該頸部管沒(méi)有最佳的熱接觸因此這不是理想的。
圖2示出了另一現(xiàn)有技術(shù)的示例。該另一檢修頸部包括固定的電流引線30，該檢修頸部包括具有適中的導(dǎo)熱率材料例如黃銅制成的管，以便只將非常少的熱量傳導(dǎo)到系統(tǒng)中同時(shí)還具有適當(dāng)?shù)某叽缫员銈鲗?dǎo)電流。這種結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的。該引線由至少一個(gè)環(huán)圈24以機(jī)械方式固定，該環(huán)圈還提供從該管到(未示出的)散熱裝置的傳導(dǎo)熱量的裝置。部件32是使得該一個(gè)或多個(gè)環(huán)圈24與導(dǎo)體管30中的至少一個(gè)電絕緣的裝置，同時(shí)提供在其間的良好的熱接觸。固定的電觸點(diǎn)34提供了用于使得電纜36、38電連接到具有低電阻的磁體上的裝置。
這種檢修頸部的一些缺點(diǎn)在于，在“猝熄”過(guò)程中產(chǎn)生的背壓較高，這是因?yàn)闅怏w必須基本上向上通過(guò)固定引線排出，以便確保引線在磁體激勵(lì)過(guò)程中充分地被冷卻。因?yàn)檎舭l(fā)的氣體主要向上流經(jīng)兩個(gè)固定引線，所以該氣體柱的冷卻不是特別有效。由于其它的檢修操作和裝配也必須通過(guò)該頸部來(lái)進(jìn)行，而且如果頸部直徑增大則該熱負(fù)荷將增大，因此該引線的直徑不能制成較大。
此外，在氣體上升經(jīng)過(guò)頸部的三個(gè)路徑中，兩個(gè)路徑處于電流引線內(nèi)，一個(gè)路徑穿過(guò)在頸部壁內(nèi)側(cè)的周圍空間。為了在磁體激勵(lì)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電流引線的最佳冷卻，氣體應(yīng)當(dāng)只流經(jīng)該引線，并且不流經(jīng)該第三路徑。然而，在通常的備用操作過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)最小的氦損失，沒(méi)有電流流經(jīng)該引線，優(yōu)選的是，一部分蒸發(fā)的氣體流經(jīng)該第三路徑，冷卻該頸部和引線。這些彼此沖突的要求導(dǎo)致較多的氣體蒸發(fā)是優(yōu)選的。在頸部組件中平衡這三個(gè)并聯(lián)的氣體流需要對(duì)氣體阻力精確的掌握，這難以預(yù)測(cè)，并且如果考慮到制造精度則這甚至更難以控制。
發(fā)明目的本發(fā)明旨在提供一種改進(jìn)的低溫恒溫器。本發(fā)明尤其提供一種通向低溫恒溫器例如氦容器的檢修頸部，該檢修頸部以最小的熱負(fù)荷提供了所需的檢修。
發(fā)明簡(jiǎn)述依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種低溫恒溫器組件，其在操作上支承浸在低溫流體內(nèi)的電氣、電子、或磁性裝置，該低溫組件包括低溫流體容器，其具有至少一個(gè)管，該管在操作上提供從周圍大氣環(huán)境至該低溫流體容器的進(jìn)入口，其中，管包括電流引線，由此所述電流引線由該管的壁形成。優(yōu)選的是，第二電流引線形成用于氣體排出和/或充入或者其它檢修的通路。
本發(fā)明的具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)在頸部中降低了壓力差，改善了部件與冷卻流體之間的接觸；提供了對(duì)于部件的較低的熱負(fù)荷；提供了對(duì)于頸部釋放的流體的路徑。


通過(guò)結(jié)合本發(fā)明的詳細(xì)描述并參照附圖，可更好地理解本發(fā)明，在附圖中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的低溫恒溫器的第一示例；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的低溫恒溫器的第二示例；圖3示出了低溫恒溫器的示意圖；圖4示出了依據(jù)本發(fā)明的低溫恒溫器的檢修頸部；圖5示出了第二環(huán)圈；圖6示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例的截面圖；圖7示出了第二形式的環(huán)圈；圖8示出了圖7所示的環(huán)圈的第二截面；圖9-13示出了依據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明將參照發(fā)明人認(rèn)為是最佳的實(shí)施方式來(lái)進(jìn)行描述。在以下的描述中，描述了大量的具體細(xì)節(jié)，以便提供對(duì)本發(fā)明的完整理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，本發(fā)明可由這些細(xì)節(jié)的各種變型形式來(lái)實(shí)施。
圖3示出了用于在超導(dǎo)溫度下運(yùn)行的整體核磁共振成像裝置的低溫恒溫器的示意圖。其中，液氦容器40封裝超導(dǎo)磁體44。設(shè)置有檢修頸部42，以便可觸及到該磁體。
參照?qǐng)D4，其示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例。檢修頸部50設(shè)置在低溫恒溫器的外壁12與氦容器的壁14之間。電纜線56和58與(未示出的)磁體的接線端子連接。設(shè)置有兩個(gè)經(jīng)由該低溫恒溫器頸部50的不同的電流路徑第一電流路徑包括外接線端子54，其安裝在低溫恒溫器的壁12上，連接到外檢修頸部管52上的該低溫恒溫器的壁的支承件60又與氦容器的壁14電接觸，該壁與電纜58電接觸。
第二電流路徑包括外接線端子66，其安裝在低溫恒溫器的外壁12中的絕緣體70內(nèi)，電纜72連接到內(nèi)管16上，該內(nèi)管16在氦容器內(nèi)延伸并與電纜56連接。
電連接可通過(guò)氣密的轉(zhuǎn)塔/低溫恒溫器壁來(lái)實(shí)現(xiàn)。電流引線管52和16優(yōu)選為又不銹鋼或黃銅制成，但是可由其它任何適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料制成，確定特定尺寸的手段是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的。環(huán)圈74優(yōu)選為由高傳導(dǎo)率的材料例如銅制成，其用于以機(jī)械方式支承內(nèi)管16并提供將兩個(gè)管連接到(未示出的)散熱裝置上的裝置，以便中斷沿管從較高溫向較低溫的熱傳導(dǎo)、中斷向包含在管內(nèi)的氣體的熱傳導(dǎo)、以及中斷向在外管52的范圍內(nèi)的或在真空空間內(nèi)的任何其它的導(dǎo)熱體的熱傳導(dǎo)。依據(jù)低溫恒溫器的結(jié)構(gòu)和可用的散熱裝置的數(shù)量，可設(shè)置一個(gè)或多個(gè)環(huán)圈74。絕緣體76提供第一和第二電流路徑之間電絕緣，并提供向74的熱傳導(dǎo)件。該環(huán)圈可由許多形式的材料來(lái)制成，而且適當(dāng)?shù)赜衫缢{(lán)寶石、氧化鋁、或陶瓷的物質(zhì)來(lái)制成，其中導(dǎo)熱率高的特征是特別有利的。絕緣體76有助于從內(nèi)管16傳導(dǎo)熱量，該絕緣體的尺寸確定成使其通過(guò)例如膠粘或焊接緊固地接合到環(huán)圈74上。
圖5示出了環(huán)圈74沿徑向平面的截面。設(shè)置一孔口以便用于該環(huán)狀的絕緣體76，并且還設(shè)置有另一孔口78，來(lái)自氦容器的通常的蒸發(fā)氣體和“磁體猝熄”產(chǎn)生的氣體流經(jīng)該另一孔口?？?8的面積確定成以便對(duì)于在猝熄過(guò)程中預(yù)計(jì)的質(zhì)量流量而言提供低的壓降，但是同時(shí)限制從相對(duì)于氦容器而言是高溫部件中向氦容器輻射的熱量，由此降低對(duì)于該氦容器的熱負(fù)荷。
參照?qǐng)D6，為了將輻射負(fù)荷降低到最小程度，如果需要的話，可在一個(gè)或多個(gè)孔78上設(shè)置輻射擋板，其與圖1所示的擋板20相似。然而，應(yīng)當(dāng)注意，這會(huì)在猝熄過(guò)程中增加壓降，如果需要保持最小的輻射負(fù)荷，則可設(shè)置額外的擋板。注意，管16偏心地設(shè)置在管52內(nèi)，以便孔78具有最大的水力半徑，并且在檢修頸部的最小總直徑內(nèi)還提供了用于氦容器或磁體所需的其它檢修的空間，這些檢修例如為重新充氦。
圖7示出了環(huán)圈74的變型。管52和16此刻偏心地安裝。該環(huán)圈82提供重疊的傾斜的連接片部分84，以便支承中心內(nèi)管。
圖8示出了經(jīng)該環(huán)圈82的正割截面A-A。該環(huán)圈82提供對(duì)于猝熄氣體的低壓降路徑，同時(shí)提供了大致完全的反射輻射熱的特征。
總之，由于蒸發(fā)氣體與兩個(gè)管52和16的表面緊密接觸，并且環(huán)圈74、82提供了與該管和容納在柱體內(nèi)的氣體的緊密熱接觸，因此在正常運(yùn)行和在磁體激勵(lì)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)低的熱負(fù)荷。
通過(guò)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)傳導(dǎo)擋板88，由管16封裝的氣體可更有效地被冷卻，該擋板88設(shè)置在管內(nèi)與管的壁緊密熱接觸。適當(dāng)?shù)?，擋板的位置位于管的?nèi)側(cè)上在形成絕緣環(huán)76的位置處，如圖9所示。
在替代實(shí)施例中，如圖10所示，如果孔21被阻塞或不足夠大，則內(nèi)管16可用作氦容器的緊急排氣口。內(nèi)管的高溫部分以氣密方式裝接到絕緣管90上，該管90穿過(guò)氣密轉(zhuǎn)塔突伸到(未示出的)安全閥或爆破隔膜。
圖11示出了結(jié)構(gòu)的另一變型，其中管16的低溫部分由高溫超導(dǎo)引線92代替。這種形式的引線是公知的，并且其可用在通常低于70K的低溫區(qū)域中，以便作為在磁體激勵(lì)過(guò)程中沒(méi)有電阻損失的電流引線。在該示例中，外管在低溫區(qū)域中由高溫超導(dǎo)引線94來(lái)進(jìn)行分路分流，以便降低在磁體激勵(lì)過(guò)程中給氦容器的負(fù)荷。引線92電連接到管16的上部上，而引線94經(jīng)由熱耦合環(huán)圈連接到包括管52的第一電流路徑上。柔性連接部分56和58使得兩個(gè)引線92、94與磁體電連接。
應(yīng)當(dāng)理解，盡管在圖11所示的高溫超導(dǎo)引線92、94適當(dāng)?shù)匦纬煞珠_的部件，但是也可形成電流引線16和52的低溫端部的一部分，如圖12所示，由此使得在磁體激勵(lì)的過(guò)程中在引線16和52的下部分中沒(méi)有電阻損失，而且還增加了安全性，即引線16和52也在非超導(dǎo)溫度下傳導(dǎo)電流。
在圖4所示的實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)激勵(lì)磁體時(shí)，將氦容器連接到真空容器上的任何導(dǎo)電路徑可用于與外管52并聯(lián)傳導(dǎo)電流的一部分，并且當(dāng)設(shè)計(jì)第一電流路徑時(shí)可考慮到這一點(diǎn)，以便熱學(xué)管52的尺寸可按比例地減小。相似地，在圖11所示的實(shí)施例中，當(dāng)激勵(lì)磁體時(shí)，將熱學(xué)環(huán)圈74連接到外真空容器上的任何導(dǎo)電路徑可用于與外管52的上部并聯(lián)傳導(dǎo)電流的一部分，以便該上部的尺寸可按比例地減小。這可用于減小管52的橫截面，從而相應(yīng)地減小對(duì)于氦容器和散熱裝置的熱負(fù)荷。
圖12示出了沒(méi)有屏蔽件的組件，其中電流引線根本沒(méi)有中斷。這可用于液氦低溫恒溫器，并且在液氦中工作的電氣裝置可以是高溫超導(dǎo)(HTS)線圈、HTS變壓器、HTS故障限流器、冷電子裝置、或需要使用電流引線的任何其它裝置。
權(quán)利要求
1.一種低溫組件，其在操作上支承浸在低溫流體內(nèi)的電氣、電子、或磁性裝置，該低溫組件包括低溫流體容器，其具有至少一個(gè)管，該管在操作上提供從周圍大氣環(huán)境至該低溫流體容器的進(jìn)入口，其中，管包括電流引線，以便所述電流引線由該管的壁形成。
2.如權(quán)利要求1所述的低溫組件，其特征在于第二電流引線形成用于氣體排出和/或充入或者其它檢修的通路。
3.如權(quán)利要求1或2所述的低溫組件，其特征在于檢修頸部包括單級(jí)、雙級(jí)、或無(wú)級(jí)頸部。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的低溫組件，其特征在于該組件包括核磁共振成像組件的一部分。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的低溫組件，其特征在于該電流引線布置成同心或偏心結(jié)構(gòu)的管。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的低溫組件，其特征在于該管設(shè)置有輻射擋板。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的低溫組件，其特征在于中心電流引線提供第二排氣路徑。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的低溫組件，其特征在于該電流引線中的至少一個(gè)和該檢修頸部在熱學(xué)方面上被切斷，由此提供被低溫冷卻的冷卻段。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的低溫組件，其特征在于高溫超導(dǎo)體電流引線位于低溫部分中。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的低溫組件，其特征在于對(duì)于通向任何需要大電流低熱量滲入的低溫設(shè)備的進(jìn)入口由薄壁金屬制成，該金屬例如不銹鋼或鈦或黃銅或磷青銅。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有通向超導(dǎo)磁體的檢修頸部的低溫恒溫器。在許多低溫應(yīng)用場(chǎng)合中，例如用于核磁共振成像(MRI)、超導(dǎo)變壓器、發(fā)電機(jī)、電子部件的超導(dǎo)線圈的部件通過(guò)與一定量的液化氣體保持接觸來(lái)進(jìn)行冷卻，整個(gè)低溫組件稱為低溫恒溫器。為了操作超導(dǎo)磁體，必須使其保持在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之下。低溫恒溫器必須提供通向該包含液化氦氣的容器的進(jìn)入口，以便磁體初始冷卻到其低操作溫度，并且使得當(dāng)氦氣損失時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定期的重新充氣。本發(fā)明旨在提供一種以最小的熱負(fù)荷通向低溫恒溫器例如氦容器的檢修頸部，并且由此提供一種低溫恒溫器組件，其中包括至少一個(gè)正電流引線和至少一個(gè)負(fù)電流引線的檢修頸部如此布置，即，使得引線中的一個(gè)由頸部管壁形成，頸部管壁與第二電流引線之間的空間形成用于排氣和/或充氣或其它檢修的通路。
文檔編號(hào)F17C13/00GK1589486SQ02823162
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月21日
發(fā)明者K·懷特, F·施泰因邁爾 申請(qǐng)人:牛津磁體技術(shù)有限公司, 西門子公司