脉冲管致冷器套.pdf

本发明涉及用于再冷凝低温液体的脉冲管致冷器，具体涉及磁共振成像系统的脉冲管致冷器。众多的低温应用部件如用于磁共振成像(MRI)的超导线圈、超导变压器、发电机与电子器件，是通过使它们与一定量的液化气体(如氦、氖、氮、氩、甲烷)接触而保持冷却。这些部件中的任何热损耗或是进入此系统中的热都会使此液化气体部分蒸发。考虑到这种损耗，需加以补充。多年来众多用户和花费了大量劳力来引入致冷器使任何损耗的液体重新冷凝回到液浴中。本发明在于解决因脉冲管致冷器发生对流导致的问题。本发明在其第一方面提供在低温设备中的脉冲管致冷器PTR装置，其中一PTR可在一用于置放此PTR的与此低温装置机罩相关的插座内工作。使其一端暴露于室温下而使其第二端与低温流体关联，其中此PTR的所有管被绝热套包围，此种结构已证明能减少对流并解决与此有关的问题。

1.  低温设备中的脉冲管致冷器PTR装置，其中一PTR可在用于置放此PTR的与此低温装置机罩相关的插座内工作，使其第一端暴露于室温下，而使其第二端与低温流体相联，且PTR的所有管则被绝热管包围。

2.  权利要求1所述的PTR再冷凝器，其中此再冷凝器是双级式再冷凝器，而所述套分成两部分，由此使各级分别绝热。

3.  权利要求1或2所述的PTR，其中所述的套包围着脉冲管的所有管，而只在此套与一插座壁之间留下小的环隙。

4.  权利要求1～3中任一项所述的PTR，其中所述的套是由薄壁不锈钢管、钛或例如GRP、CFRP之类的复合材料制成。

5.  权利要求1～3中任一项所述的PTR，其中所述的套是由GRP、CFRP之类复合材料制成并以金属材料衬里。

6.  权利要求1～5中任一项所述的PTR，其中所述套内的空间为真空态。

7.  权利要求1～5中任一项所述的PTR，其中所述套内的空间为真空态以及脉冲管/换热器管间是以绝热材料充填。

8.  权利要求1～7中任一项所述的PTR，其中所述的套包括双层壁的套。

9.  权利要求8所述的PTR，其中所述双层壁之间的空间内被抽真空。

10.  权利要求8所述的PTR，其中所述双层壁之间的空间内被充填以绝热材料。

11.  权利要求1～10中任一项所述的PTR，其中所述套的壁呈波纹状。

12.  权利要求1～3中任一项所述的PTR，其中所述采用的材料选自超绝热材料，薄绝热材料、泡沫塑料等，而所述的套是围绕一刚性管设置的。

13.  权利要求1～12中任一项所述的脉冲管致冷器PTR，其中此PTR是与磁共振成像设备相联。

14.  低温设备中的脉冲管致冷器PTR装置的应用方法，其中PTR可在一用于置放此PTR的与此低温装置机罩相联的插座内工作，使其第一端暴露于室温下，而使其第二端与低温流体相联，此PTR的所有管则为绝热套包围，所述方法包括使此PTR组件的各部件绝热的步骤，由此来减少因PTR的管引起的热损耗。

15.  权利要求14所述的方法，其中所述的套分成两个部分。

16.  权利要求14或15所述的方法，其中所述的套包围脉冲管的所有管，而只在此套与插座壁之间留下环隙。

17.  权利要求14～16中任一项所述的方法，其中所述再冷凝器与磁共振成像设备相联。

脉冲管致冷器套
技术领域
本发明涉及用于再冷凝低温液体的脉冲管致冷器。具体地说，本发明涉及磁共振成像系统的脉冲管致冷器。
背景技术
众多的低温应用的部件中，例如用于磁共振成像(MRI)的超导线圈、超导变压器、发电机与电子器件中的，是通过使它们与一定量的液化气体(如氦、氖、氮、氩、甲烷)接触而保持冷却。这些部件中的任何热耗损或是进入这些部件所在系统中的热都会使这一定量的液化气体部分蒸发。考虑到这种损耗，需要加以补充。多年来，许许多多的用户和花费大量的劳力来引入的致冷器以将任何损耗的液体重新冷凝回到液浴中，这样的保养作业看来是个问题。
作为已有技术的例子，图1中示明了MRI磁铁的两级GiffordMcMahon(GM)冷头再冷凝器。为了能使统一由10标明的GM冷头在保养或检修中可以卸下，将此冷头插入一插座中，此插座将真空容器16(在室温下)的外侧面连接到4K下的氦浴18上。MRI磁体示明于20处。此插座包括由薄壁不锈钢管形成的第一级套12和用于使从室温下传导到在低温下工作的此插座冷端的热为最少的第二级套14。插座中充填氦气30，冷端约4.2K，热端为室温。此冷头的第一级套12连接到插座22的中间热段，用以提取中间温度例如40K～80K的热，而在此中间热段上还连接着套14。冷头24的第二级与氦气再冷凝器26连接，热会由于以下种种方面产生：通过颈部向下传导的热、从热辐射屏蔽件42辐射的热，以及从任何其它热源例如从磁铁(未图示)的机械悬挂系统、从用于以液体充填液浴所用的供应管颈(也未图示)来的热、来自仪表布线入口与气体逸散通道等的热。在氦浴与外部真空容器中间设有辐射屏蔽件42。
上述冷头的第二级用作约4.2K下的再冷凝，由于它比周围的He气冷，氦气便冷凝于表面上(此表面可以装备上散热片以增大表面积)并回滴入液体储器中。冷凝将局部降压，将更多的气体吸引向第二级。已计算出几乎没有因氦的自然对流造成损失，这在假定冷头与插座作垂直取向(在温端指向上方时)时业已由试验证明。Gifford McMahon冷却器与壁部的温度分布方面的任何小的差别，由于气体的密度随温度有显著变化(例如在4.2K时此密度为16Kg/m³；在300K时此密度为0.16Kg/m³)，将形成重力支持的气体对流。对流导致插座壁与致冷器的温度分布平衡。残余的热损耗很小。图1A所示为未安装冷头32、34时对应的情形。更详细地说，中间段22示明了一条能让氦气从套14所围的空间中流出的通道38。上述所围的空间也与其中设有磁铁20的主浴36形成流体通连。如图所示，与套12相关联的凸缘40帮助将此插座接附到真空容器16上。
当此系统的装置倾斜时，自然对流会造成巨大损失。解决这一问题的技术方案已描述在授予Mitsubishi的美国专利No.5583472中。但在此不拟对它再作讨论，因为该专利文献涉及到的装置是按垂直取向或是与垂向成小的角度(＜30°)的情形。
业已证明，脉冲管致冷器(PTR)能够在4.2K(液氦在常温下的沸点)及其以下进行有效的冷却(C.Wong and P.E.Gifford，Advancesin Cryogenic Engineering，45，Edited by shuetal.，KlUwerAcademic/Plenum Pablishers，2000，pp.1-7)。脉冲管致冷器是有吸引力的，因为在此致冷器的冷却部件中不需任何可动部件，这样就减少了致冷器的振动与磨损，现在参看图2，其中所示的PTR50包括由分开的管于热段结合到一起的装置。每个级各有一个致冷器管52、54，它们充填的不同形式(例如网状件、叠层式的球、粉末)的固体材料，起到热障和与PTR的工作流体(通常是在1.5～2.5MPa压力下的He气)交换热的作用。每个级有一个脉冲管56、58，它们是空心的，用来使工作流体膨胀与压缩。在两级PTR中，第二级脉冲管56常以室温下的温端62与第二级60连接，第一级脉冲管58则以此温端与第一级64连接。
业已发现，在最优条件下于真空中工作地PTR常常形成这样的温度分布，它显著不同于这些管上的温度分布，也不同于插座中成为稳态的温度分布。这种情形示于图3中。
另一种先有技术脉冲管致冷器装置示于图4中，此脉冲管插入插座内且暴露在于第一和第二级中形成了由重力导致的对流70、72的氦气氛中。PTR单元50配备有冷级31、33，它们设于外真空容器16的凹座内。设置有与第一套端22作热接触的辐射屏蔽件42。第二级33的端壁上示有一再冷凝器26。若是在一定的高度下，不同部件的温度不同，则较热的部件将加热周围的氦气，给予其上升的浮力，同时在较冷的部件处，此氦气冷却并下降。结果形成了很大的热损耗，这是由于氦气的密度差在4.2K与300K之间1bar压力变化的密度约为100倍。PTR的净冷却功率可以是例如在50K时为40W而在4.2K时为0.5～1W。计算出的损耗约为5～20W。脉冲管的内部工作过程一般会受到影响，但在GM致冷器中未遇到这种情形。在PTR中，管中的最佳温度分布乃是最佳性能的基础，而这是通过平衡许多参数例如所有管子的几何结构、流阻率、速度、热传输系数、阀门装置等参数的细致处理实现的。有关说明可参看“Ray Radebaugh，proceedings of the 6thInternational Cryogenic Engineering Conference，Kitakkyushu，Japan，20～24 May，1996，pp 22～44”。
因此，在氦气氛中，PTR不必要达到4K的温度，尽管PTR在真空中能做到这点。但要是将PTR插入通过实心壁对4K作热接触的真空插座中，则它将正常地工作。这样一种技术方案业已对GM致冷器描述过(授予William E.Chen，GE的美国专利No.5613367)，虽然使用PTR是可以的而且是直接的。但其缺点是冷头在4K下的热接触将产生热阻，这将减少致冷过程中可资利用的功率。举例来说，在当前工艺水平下用铟金属垫圈所形成的热接头，可以在4K下实现0.5K/W的热接触电阻(参看例如授予GE的美国专利No.5918470)。要是一低温致冷器能够在4.2K下吸收1W(例如住友重工的RPK408型)，则再冷凝器的温度将上升到4.7K，而这将显著降低超导电线的载流量。或者应要求用初始时能在3.7K下产生1W的较强低温致冷器，得以在上述接头的远侧形成可资利用的冷却功率。
图5例示了这样一种PTR装置76。它的部件特征与图4所示的基本相同。在PTR冷头的第二级与带散热片的降温装置80之间设有热垫圈78。同时在此热垫圈与降温装置之间设有不透氦的壁。
发明内容
本发明试图提供一种改进了的脉冲管致冷器。
依据本发明的第一方面，提供了在低温设备中的脉冲管致冷器PTR装置，其中PTR可在一与此低温设备的机壳相连的插座中工作，以将此PTR定位成使得第一端暴露于室温下而让第二端与低温流体相关，其中的PTR的管是由一绝缘套包围。此绝缘套最好分成第一与第二部分，此第一部分覆盖着从暖端到第一级的区域，而此第二部分最好具有较小的直径且在此第一级与冷端的第二级之间延伸。为方便起见，此插座包括一在PTR装置的外真空壁中的出入口，形成一种周知的插座，而上述第二部分则包括一内套(内插座)，包围着脉冲管的所有的管，只在此套与插座壁之间留下小的环隙。上述这些套可由相同或不同的材料制成，如小规格的不锈钢管或其他的合适材料例如钛，复合材料，如GRP、CFRP制成，最好能带有金属衬里，使之可防扩散，制止氦的泄漏。第二部分与PTR管之间的空间最好在内部被抽空，以减少对流传热。所用常规技术如焊接或钎接将套连接到凸缘上。
由与增设的壁部有关的热传导导致增加的热负载可以通过减少静态的氦气柱引起的热传导而部分地被补偿。这种氦气柱在不计及任何对流的情况下会导致1～2W的热损耗。在两级拼合式组件中，此第一套与第二套通常能由第一级中的通道连接成单个空间便于抽空。
这样，本发明通过引入热触点或周知的类似装置来抑制热传输，能显著地减少或是解决PTR中因对流造成的种种问题。
通过下面结合附图所作的描述，可更直接地理解本发明以及其他种种方面与其他种种特点，附图中：
图1示明MRI磁铁中的双级Gifford MoMahon冷头再冷凝器；
图1A示明图1的无再冷凝器管的再冷凝器；
图2示明双级PTR；
图3示明插座内各器件的温度分布；
图4示明插入插座内的脉冲管；
图5示明具有可卸除的热触点的脉冲管的已有技术的例子；
图6示明本发明的PTR；
图6A示明图6的无外壳的PTR；
图7示明通过图6中所示装置第一级中间的水平剖面；
图8示明管壁；
图9A、B、C、D示明真空套的不同机械形式；
图10A示明封闭于绝热材料的集成套内的脉冲管与换热器管；
图10B示明的蓬松绝热材料充填的大气压套或低真空套。
下面用例子说明本发明人等用于实施此发明的最佳方式。在以下的描述中，为便于全面地理解本发明，列出了众多的具体细节、但应认识到，内行的人是可以根据这些具体细节以种种变型来实施本发明的。
现在参看图6，图中示明了本发明的第一实施例：设有PTR90，它具有的各个PTR管由双套组件12，112；14，114围绕着这些PTR管，在PTR冷头62的暖端与第一级34之间同时在第一级34与第二级24之间绝热。
此第二级套的直径可以比第一级套的小。套壁12、14、112、114可以是双层壁式的，可以在其制造过程中经真空处理将其结合而被抽空，例如通过真空钎焊成电子来焊接。在这种情形下无需独立的抽真空工艺，不需提供孔口，可以使部件的复杂性减至最小。或者取另一种形式，通过设置独立的抽空口(未图示)于制造后进行泵抽。上述的套包围着此装置中的所有管，只于其间留下小的环隙。此磁铁设备的真空容器的外壁以标号16指明；磁铁则以在具有壁部74的氦浴中的标号20指明。辐射屏蔽件42则借助热触点22接附到第一级34上。如前面提及的，提供有带散热片的氦再冷凝器76。图6A是没有外壳和在外壳之外的部件的所示图6的装置。
图7示明通过此装置中间在冷头(也称作温端)和第一级之间的水平剖面。脉冲管与换热器管的标号52、56、58表明。套壁可由小规格的不锈钢管(或其他适当的材料如钛；复合材料如GRP、CFRP，最好有金属衬里，使之能抗扩散防止氦泄漏)。内插座112中的空间经抽真空，避免了任何热对流损耗。脉冲管由常规的结合技术如焊接或钎接84连接到与冷头以及第一和第二级相关的凸缘上。图8示明通过第二级脉冲与换热器管54、56下端的剖面。焊接或钎接的真空密封接头标明于96处。
可以通过最好是在冷端插入除气材料(如活性碳、可卷绕到管上的复写纸以及沸石等)来提高套112、114内的真空度。为了改进绝热质量可以将商品名为Superinsulation的超绝热箔91置于真空空间中，如图9A所示。
各管之间的绝热空间在制造中不抽真空而将有空气存在。在冷却时，此空气将冷凝，最后将趋向冷头的冷端(4.2K)冻结。除气材料可以置放于此环境中，特别有助于降低此绝热空间内的大气压力。尽管此绝热的质量会受到某种程度的损害，但这会由于不需要真空生产线或真空处理过程而降低了生产费用的事实而得到抵偿。
图9B、C、D示明了真空套的不同机械形式。为醒目起见，这些图只示明了第一级与第二级间的套。套的壁厚应保持到最薄程度以减少热传导。为避免在外部氦压力(在工作方式下通常为1～3bar)下瘪缩，可以有几种方法增强，通常如图9B与C所示，使壁93、94波纹化。当然还可由图9D所提供的增强方式。
可以在与上述真空套相同的几何结构中，在管之间添加非真空式绝热材料，当然这不会给出相同的绝热水平。置放这类填料能够形成较大的抗瘪缩能力。如图10A所示，脉冲管与换热器管可以包围在绝热材料中，这类材料例如是泡沫塑料102，购自Cryo-lite公司的“Cryofoam”、聚氨酯泡沫塑料、玻璃纤维绝热材料、毛毡等某些泡沫材料能在现场绕管的结构膨胀。如图10B所示的大气式套或低真空套充填有松散的绝缘材料，如珍珠岩或空心玻璃球之类的粉状绝热材料，它们可以是内部抽真空的，甚至涂以反射膜如溅射成的铝箔膜，以减少热辐射。
各个管的绝热形式可以不同，可以采用绝热与部分绝热的任意组合形式。例如第一级可采用真空绝热而第二级则可采用独立式的泡沫塑料绝热。此外，在某些应用中，只需使第一级或是第二级绝热即可。
尽管绝大多数在4K下的应用是以两级冷却器运行的，但相同的工艺技术也可适用于单级冷却器或是三级与三级以上的冷却器。