專利名稱：通過進出供汽頭的熱量流入的減少的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及低溫恒溫器，特別是包含液體致冷劑和由液體制冷劑汽化產(chǎn)生的氣體構(gòu)成的氣體氣氛的低溫恒溫器，所述低溫恒溫器包括非垂直的凹入式供汽頭(re-entrant turret)。通過完全或部分地浸入低溫流體中，這樣的低溫恒溫器被用以保持超導勵磁線圈處于超導溫度。通常，所述低溫流體是在大約4K的溫度下發(fā)生汽化并且保持浸入的勵磁線圈處于該溫度的液氦。這樣的超導勵磁線圈典型地被用以在磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)成像中產(chǎn)生非常強的磁場。
背景技術：
所需要的是將從供汽頭進入到低溫恒溫器中的熱量流入減至最少。熱量流入將會導致制冷劑發(fā)生汽化。該發(fā)生汽化的制冷劑必須或是通過活性制冷而重新冷凝，或是被排出并定期進行補充。這兩種可選方式成本均較高，并且必須在研發(fā)用以減少進入低溫容器中的熱量流入的裝置方面投入巨大的精力。本發(fā)明解決的是減少向低溫容器中的熱量流入這一問題。
通過使電流通過供汽頭部件而使勵磁線圈通電。這樣就在供汽頭中產(chǎn)生了明顯的熱量，由此暫時增大了進入低溫容器中的熱通量。通過這種方式產(chǎn)生的升溫氣體可能有助于磁體在通電過程中產(chǎn)生急冷的風險。
本發(fā)明將在通電過程中從供汽頭傳輸進入低溫容器中的熱量減至最少，由此降低磁體產(chǎn)生急冷的風險。
圖1示意性地示出了一種常規(guī)的低溫恒溫器。低溫容器10通常被保持在外部真空室內(nèi)，且隔熱罩和可能還有的固體絕熱體被設置在低溫容器與外部真空容器之間的真空空間內(nèi)。所述外部真空容器、隔熱罩和固體絕熱體本身是已公知的，并且在圖1中未示出。
為了將電流注入被罩在低溫容器內(nèi)的勵磁線圈(未示出)中以及為了其它一些可能的目的，傳統(tǒng)上設置供汽頭12，從而允許進入低溫容器用于進行制冷劑充注和排出。供汽頭12大體上為自低溫恒溫器外部延伸至低溫容器的連續(xù)管狀元件。這是一條最明顯的向低溫容器內(nèi)進行傳熱的通路。典型地可采用多種技術例如通過供汽頭的活性制冷和具有低熱導率的材料在供汽頭構(gòu)造中的應用，從而減少通過供汽頭的熱量流入。另外，已公知的是，在嚴格必要的范圍之外增加進入管的長度，以便進一步受益于供汽頭材料的低熱導率。為了避免低溫恒溫器整體高度增加過多，可將這些供汽頭布置成凹入式供汽頭，也就是，所述供汽頭的下端伸入到低溫容器中，而不是在低溫容器表面處終止。為了進一步降低低溫恒溫器的整體高度，所述供汽頭可相對于垂直方向傾斜一定角度。圖1中所示出的供汽頭12就是一種非垂直的凹入式供汽頭。
存在兩種可進行考慮的熱量流入情況。它們分別是靜態(tài)熱量流入和動態(tài)熱量流入。靜態(tài)熱量流入是一種系統(tǒng)正常運行所產(chǎn)生的狀態(tài)。動態(tài)熱量流入是一種在勵磁線圈通電(電流升高)過程中所產(chǎn)生的狀態(tài)。在動態(tài)情況下，電流被傳導通過供汽頭的材料，致使供汽頭受到加熱并產(chǎn)生升溫的汽化氣體。本發(fā)明對于動態(tài)熱量流入而言特別有用。
在磁體電流升高過程中，供汽頭是最重要的進入低溫容器中的熱量源。對于固定電流導線供汽頭來說，供汽頭表面變得相對較熱，例如溫度在150K左右，這是由于供汽頭的材料被用作電流導體所致。該熱量已公知通過供汽頭表面的輻射并且通過低溫容器中氣體內(nèi)的對流作用借助電流導線傳導和供汽頭中低溫氣體的對流作用而被傳輸至被罩在低溫恒溫器內(nèi)的超導勵磁線圈。這特別是對于僅部分浸入液體制冷劑中的超導勵磁線圈而言是有問題的。
本發(fā)明的發(fā)明人已認識到如圖1所示的從供汽頭向低溫容器中進行熱傳輸?shù)钠渌Ｊ健D1所示的低溫容器包括典型的剛好呈圓柱形的供汽頭12。該供汽頭是非垂直的和凹入式的。將凹入式供汽頭的下端17平面與水平面之間的角度標記為θ。對流環(huán)流14，16在供汽頭12的底部進行循環(huán)，輸送低溫氣體與供汽頭12的變熱表面相接觸，然后直接進入低溫容器10的氣體氣氛18中。該效應被叫作反向流動效應并且是由形成自然對流的氣體的熱密度發(fā)生變化所致。θ角越大，反向流動效應越強。即使是當?shù)蜏厝萜鲀?nèi)的壓力P2大于其外部的壓力P1時，也會發(fā)生這種反向流動對流。對于在低溫容器內(nèi)具有正壓的所有非垂直的固定電流導線的供汽頭12而言，來自供汽頭底部的反向流動14與由液體制冷劑22汽化所產(chǎn)生的主氣體流動20相反，并且將熱氣體注入到低溫容器中。

發(fā)明內(nèi)容
在不引入過多的低溫氣體、或勵磁線圈、不考慮反向流動加熱效應的溫度的條件下，可能沒有可能制造出固定電流導線的大電流供汽頭，例如那些被設計用以傳輸大于700安的電流的供汽頭。本發(fā)明解決了反向流動14問題并且提出對低溫恒溫器的改進用以減少反向流動14的產(chǎn)生和反向流動效應。
因此，本發(fā)明提供了一種包含液體致冷劑和由液體制冷劑汽化產(chǎn)生的氣體構(gòu)成的氣體氣氛的低溫恒溫器，所述低溫恒溫器包括非垂直的凹入式供汽頭。凹入式供汽頭的下端被構(gòu)造以便在凹入式供汽頭下端與低溫恒溫器內(nèi)的氣體氣氛之間的界面處形成大體上水平的表面?？赏ㄟ^在凹入式供汽頭的下端處提供合適的障體設置所述大體上水平的表面。


結(jié)合附圖，通過參照僅以實例方式給出的一些實施例對本發(fā)明的以上和其它目的、特征和優(yōu)點進行描述，在所述附圖中圖1示出了一種包括非垂直的凹入式供汽頭的常規(guī)低溫容器；和圖2示出了一種包括根據(jù)本發(fā)明的非垂直的凹入式供汽頭的低溫容器。
具體實施例方式
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的使反向流動最小化的一個實例。根據(jù)本發(fā)明，凹入式供汽頭的下端被構(gòu)造以便在供汽頭12與低溫容器10的氣體氣氛18之間的界面處形成大體上水平的表面32，從而將θ角減至最小。在圖示實施例中，這是通過在供汽頭12下端17處設置障體30而實現(xiàn)的。障體30被構(gòu)造以便在供汽頭12與低溫容器10的氣體氣氛18之間的界面處形成大體上水平的表面32，從而將θ角減至最小。
通過應用這樣一種供汽頭，可選地使用障體，使得供汽頭12能夠以除垂直方向以外的一定角度進入低溫容器10，從而與整個低溫恒溫器的設計相配。這對于不必垂直地裝配在頂部的供汽頭而言是潛在有用的，且對于使用裝配在側(cè)面的供汽頭的低溫恒溫器來說特別有用。
通過對用于保持超導磁體的常規(guī)低溫恒溫器裝置的電流升高狀態(tài)進行計算流體動力學建模，已對反向流動效應進行了預測。已示出反向流動效應14，16以解釋在容器10頂部處低溫氣體18的升溫，且所述預測在常規(guī)低溫恒溫器裝置上得到的氣體溫度測量結(jié)果接近一致。本發(fā)明已被示出用以相當大地減少反向流動，從而避免在低溫容器內(nèi)產(chǎn)生高溫。
本發(fā)明提供了以下優(yōu)點中的至少一些優(yōu)點。
借助位于供汽頭12下端17處的大體上水平的表面32使反向流動減至最少，由此減少了進入低溫氣體氣氛中的熱量流入。
降低了被裝在具有非垂直地裝配的供汽頭的低溫恒溫器中的磁體在通電過程中產(chǎn)生急冷的風險。
需要與非垂直的供汽頭相關的大電流的其它設計必須包括對反向流動的考慮并且將從本發(fā)明的應用中受益，從而使得在電流升高過程中氣體溫度可以保持足夠低，從而使產(chǎn)生急冷的風險降至最低并且使得磁體能夠進行工作。
原則上，通過在供汽頭12與低溫容器內(nèi)部容積18之間設置水平界面32，本發(fā)明可適用于整合了非垂直的工作頸部的所有低溫恒溫器，不僅是那些用于磁共振成像或核磁共振成像應用中的冷卻勵磁線圈的低溫恒溫器。本發(fā)明可特別是與在約4K的溫度下提供冷卻的液氦制冷劑結(jié)合使用，但是也可與其它流體制冷劑結(jié)合使用。
當使用障體時，障體材料優(yōu)選比凹入式供汽頭剩余部分的材料具有更低的電導率和熱導率。這是為了避免由于存在從其中通過的電流而使障體受到加熱并且減少了熱量從障體朝向磁體進行傳導，由此避免產(chǎn)生磁體急冷的風險。
因此，本發(fā)明提供了一種工作供汽頭下端的有利構(gòu)造，所述構(gòu)造通過減少自供汽頭流入低溫容器中的反向流動而將與變熱的低溫氣體相關的產(chǎn)生急冷的風險降至最低。
權利要求
1.一種包含液體致冷劑和由液體制冷劑汽化產(chǎn)生的氣體構(gòu)成的氣體氣氛的低溫恒溫器，所述低溫恒溫器包括非垂直的凹入式供汽頭，其特征在于，所述凹入式供汽頭的下端被構(gòu)造成在凹入式供汽頭下端與低溫恒溫器內(nèi)的氣體氣氛之間的界面處形成的大體上水平的表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的低溫恒溫器，其中所述凹入式供汽頭的下端包括被構(gòu)造以形成位于障體下端與低溫恒溫器的氣體氣氛之間的界面處的所述大體上水平的表面的障體。
3.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的低溫恒溫器，其中所述障體包含比凹入式供汽頭剩余部分具有更低的電導率和熱導率的材料。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的低溫恒溫器，其中所述液體制冷劑是液氨。
5.一種大體上如圖2所述和/或所示的低溫恒溫器。
6.一種包括根據(jù)前述權利要求中任一項所述的低溫恒溫器的磁共振成像(MRI)或核磁共振(NMR)成像系統(tǒng)。
全文摘要
一種包含液體致冷劑和由液體制冷劑汽化產(chǎn)生的氣體構(gòu)成的氣體氣氛的低溫恒溫器，所述低溫恒溫器包括非垂直的凹入式供汽頭。凹入式供汽頭的下端被構(gòu)造成位于凹入式供汽頭下端與低溫恒溫器的氣體氣氛之間的界面處的大體上水平的表面。這可以通過在凹入式供汽頭的下端處加入障體而得以實現(xiàn)，所述障體被構(gòu)造以便在障體的下端與低溫恒溫器內(nèi)的氣體氣氛之間的界面處形成大體上水平的表面。
文檔編號F17C13/00GK1971773SQ20061014334
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月6日 優(yōu)先權日2005年11月5日
發(fā)明者N·胡伯, H·潘, P·W·雷茨, S·P·特羅維爾 申請人:西門子磁體技術有限公司, 西門子公司