[发明专利]用于在低温下输送冷却的设备的低温恒温器

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温恒温器

背景技术

如本领域公知，通常在至少部分填充有工作冷冻剂的低温恒温器中输送低温冷却装置，例如用于磁共振成像(MRI)系统的超导磁体结构。在输送过程中，冷冻剂沸腾，从而将该冷却装置保持在工作冷冻剂的沸点。

在输送过程中，该冷却装置的升温速率取决于进入该装置的热流量。这又由三个主要的原因来确定。首先，辐射热从相对温暖的表面发射至冷却器的相邻表面上。这种情况的典型示例是相对温暖的外部真空腔室将热量辐射至装有该冷却设备的冷冻剂容器上。其次，热量可以通过机械支承结构来传导，该机械支承结构将该冷却装置保持就位，或者该机械支承结构使冷冻剂容器在外部真空腔室中保持就位。第三，可以通过残余真空污染气体的对流而产生对流热流，该残余真空污染气体处于相对温暖与相对较冷的表面之间(例如低温恒温器的冷冻剂容器和外部真空容器之间)的标称真空层中。进入该冷却装置中的辐射和传导热流都非常依赖于该低温恒温器的各部件之间的温度差，还将受到低温恒温器的结构的影响。另一方面，对流热流入量并不是只与低温恒温器的各部分之间的温度或温度差相关。这是因为标称真空层中的真空质量(残余真空污染物气体的比例)并不相对于温度而恒定。在正常工作时，该低温恒温器将通过工作冷冻剂的沸腾而保持在其工作温度——工作冷冻剂的沸点。真空污染物冻结在低温恒温器的最冷部分上——通常为包含该冷却装置的冷冻剂容器或布置成与该冷却设备接触并包含液体冷冻剂的冷却管。高质量的或“高度”的真空由该低温来保持，该低温将真空污染物保持在固体形式。

不过，在输送过程中，低温恒温器开始是通过工作冷冻剂的沸腾而保持在工作冷冻剂的沸点温度。不过，一旦工作冷冻剂已经沸腾完，低温恒温器将升温。一些冻结的真空污染物将返回气体状态，从而降低真空的质量。在各污染物的沸点处，对流热流入量将急剧增加。

在由本发明解决的特定情况中，由液氦将冷却设备保持在工作温度。一定量的液氦布置在低温恒温器中，以便通过氦的沸腾而在一定时期内将该装置保持在工作温度。如果液氦在输送过程中沸腾变干，该装置将在输送过程中变热。到达时，该设备需要被冷却返回至液氦温度(大约4K)。这通常将需要消耗一定量的氦，当该系统已经加热至环境温度(大约290K)时，所消耗的氦量将非常大。

氢的沸点为大约20K。当低温恒温器从4K变热时，标称真空层中的任何固化氢将在大约20K处蒸发，并能够在该标称真空层中形成热对流，从而增大到达该冷却设备的对流热流入量。

图1表示了冷却设备变热的试验结果，从氦工作冷冻剂沸腾变干的一瞬间开始。曲线20表示该冷却设备的温度。在本示例中，在该标称真空空间中设置有热屏蔽件。该屏蔽件的温度表示为曲线22。可以看见，该冷却设备的温度20以第一稳定速率升高，该第一稳定速率由辐射和传导热流入来确定。当温度升高至具有最低沸点的真空污染物的沸点时——通常为氢在大约20K——出现温度增加速率的急剧升高。然后，该温度升高速率成为第二稳定速率，该第二稳定速率比第一稳定速率更快，由辐射、传导和对流热流入来确定。屏蔽件的温度22一开始以第一稳定速率升高，该第一稳定速率由辐射和传导热流入来确定。当温度升高至具有该最低沸点的真空污染物的沸点时——通常为氢在大约20K——出现实际温度的急剧降低，随后温度以第二稳定速率升高，该第二稳定速率比第一稳定速率更快，由辐射、传导和对流热流入来确定。屏蔽件的温度急剧降低由对流的开始而引起，该对流通过向冷冻剂容器传热而冷却该屏蔽件。

发明内容

本发明的目的是通过降低该绝热真空层中的真空污染物的对流效果来消除或至少降低向更高热流入速率的转变。这通过所附权利要求中所述的方法和装置来获得。

附图说明

通过下面对特定实施例的说明并结合附图，将更清楚本发明的上述和其它目的、特征和优点，附图中：

图1表示了当工作冷冻剂的冷却库存沸腾变干时，低温冷却系统的典型温度变化；以及

图2表示了根据本发明实施例修改了的常规低温恒温器。

具体实施方式

尽管很多已知的低温冷却设备(例如用于磁共振成像(MRI)系统的磁体)在液氦温度(大约4K)下工作，但是在液氦温度下输送该系统将很难和很昂贵，因为液氦的成本高且可用性有限。因此，可能只为该冷却设备提供有限量的液氦来用于输送，该液氦可能在该冷却设备到达其目的地之前耗尽。然后，该冷却设备可能由于热流入而变热，如上所述。