脉冲管制冷器 【技术领域】
本发明涉及一种用于再冷凝低温液体的脉冲管制冷器。本发明尤其涉及用于核磁共振成像系统的脉冲管制冷器。
背景技术
在许多低温应用场合中，通过保持例如为用于核磁共振成像(MRI)的超导线圈、超导互感器、电子器件的部件与大量的液化气体(例如氦、氖、氮、氩、甲烷)接触来冷却这些部件。在这些部件中的任何热排散或热量进入该系统中将导致一部分发生气化。为了弥补该损失，需要重新补充。该工作操作被使用者认为是有问题的，并且多年来已经作出许多努力以便引入制冷器，该制冷器使任何损失液体再冷凝以返回到浴槽中。
在图1中示出了MRI(核磁共振成像)磁体的两级GiffordMcMahon(GM)冷头再冷凝器，以作为现有技术的一个示例。为了使由附图标记10总体上表示的GM冷头可拆卸以便维护或维修，插入了一个保护套，其使得(室温的)真空容器16的外端面连接到处于4K的氦浴槽18。MRI磁体由附图标记20来表示。该保护套由薄壁不锈钢管制成，以形成第一级套筒12和第二级套筒14，以便使在室温与在深冷温度下工作的保护套的冷端之间地热传导最小化。该保护套充注有氦气30，该氦气在冷端处于4.2K，而在暖端处于室温。冷头的第一级套筒12连接到保护套的中间热工位22，以便在例如为40-80K的中间温度下排出热量，第二级套筒14也连接到其上。冷头的第二级24连接到氦气的再冷凝器26。热量由经过颈部的热传导、从热辐射屏蔽件42的热辐射、以及其它热源产生，其它热源例如为用于磁体的机械悬架系统(未示出)、以及用于浴槽充注液体的检修用颈部(未示出)、仪器的接线开口、气体逃逸路径等。中间部段22示出了通道38，其使得氦气从由套筒14围绕的腔体中流出。多个通道可环形地分布在该中间部段周围。该腔体氦与主浴槽36流体连通，磁体20设置在该主浴槽中。所示的凸缘40与套筒12相关，以便有助于该保护套装接到真空容器16上。热辐射屏蔽件42设置在氦浴槽和外真空容器的壁的中间。
冷头的第二级用作处于4.2K的再冷凝器。因为其比周围的氦气(He)稍冷，所以气体在表面上冷凝并且成滴以便返回到储液器中，(该表面可设置有翅片以增大表面面积)。冷凝在局部降低了压力，这使得更多的气体被拉向第二级。已经计算出，几乎没有由于氦的自然对流引起的任何损失，这通过实验得到证实，在该实验中冷头和保护套垂直取向(以限定成暖端朝上)。在Gifford McMahon(GM)式冷却器和壁的温度分布曲线中的任何差别形成重力辅助的气体对流，其中气体的密度随温度的改变是非常大的，(例如在4.2K时密度为16kg/m3；在300K时密度为0.1616kg/m3)。对流使得保护套壁和制冷器的温度分布曲线平衡。剩余的热损失是较小的。
当该装置倾斜时，自然对流形成非常大的损失。该问题的解决方案在授权给Mitsubishi的美国专利US-A-5583472中进行了描述。在此不进行详细描述，该专利文件涉及垂直取向或与垂直方向成小角度(＜30度)。
已经表明，脉冲管制冷器(PTR)可实现在温度为4.2K(液体氦在常压下的沸点)或以下时的有用冷却，(C.Wang and P.E.Gifford，Advances in Cryogenic pressure，45，Shu等人编辑，KluwerAcademic/Plenum出版社，2000年，第1-7页)。脉冲管制冷器是具有吸引力的，这是因为其避免在制冷器的冷部分中设置任何移动的部件，由此降低了制冷器的振动和磨损。现参照图2，示出了包括独立管结构的脉冲管制冷器50，该独立管与热工位连接。每一级具有一个再生器管52、54，其中填充有不同形式的固体材料(例如筛孔、填充球、粉末)。该材料用作与脉冲管制冷器的工作流体的热缓冲和热交换部分，(通常氦气处于1.5-2.5Mpa的压力下)。每一级具有一个脉冲管56、58，该脉冲管是中空的并且用于该工作流体的膨胀和压缩。在两级的脉冲管制冷器中，第二级脉冲管56通常使第二级60与处于室温的暖端62联接，第一级脉冲管58使得第一级64与暖端联接。
已经发现，在优化状况下以真空工作的脉冲管制冷器通常沿脉冲管的长度形成这样一种温度分布曲线，该温度分布曲线与在相同温度范围内的另一脉冲管的温度分布曲线显著不同，并且在保护套中形成稳态的温度分布曲线部分，如图3所示。
另一现有技术的脉冲管制冷器在图4中示出，其中保护套插入脉冲管中，并且该脉冲管暴露在氦环境中，重力导致的对流流动70、72在第一级和第二级中形成。脉冲管制冷器单元50设置有冷级31、33，其在外真空容器16中设定在凹部中。设置有一与第一套筒端22接触的热辐射屏蔽件42。所示的再冷凝器26在第二级33的端壁上。如果在给定高度处不同部件的温度不相同，则温度较高的部件将加热周围的氦，对其施加浮力使其上升，在较冷的部件周围，气体被冷却并向下降。所获得的热损失是非常大的，这是因为氦气在1巴压力下在4.2-300K之间密度改变100倍。脉冲管制冷器的净冷却功率在50K时例如为40W，在4.2K时为0.5-1W。计算出的损失为5-20W的数量级。脉冲管的内部工作过程通常将受到影响，尽管在GM制冷器中没有出现这种影响。在脉冲管制冷器中，在脉冲管中的优化的温度分布曲线作为优化性能的基础，该温度分布曲线通过许多参数的影响的精确过程平衡而获得，这些参数例如为所有管的几何形状、流动阻力、速率、传热系数、阀机构等。(在Ray Radebaugh所著的，在1996年5月20-24日在日本Kitakkyushu举办的International CryogenicEngineering Conference会议的论文集中，第22-24页中进行了描述)。
因此，在氦气的环境中，脉冲管制冷器不必达到4K，尽管它们可在真空状态下达到该温度。然而，如果脉冲管制冷器插入到真空保护套中，通过实心壁与4K温度热接触，这通常起作用。这种解决方案对于GM制冷器在(授权给William E.Chen，GE的美国专利US-A-5613367)中进行了描述，尽管使用脉冲管制冷器是可行的并且直接了当。然而，缺点是处于4K的冷端的热接触产生了热阻，该热阻有效第降低了用于制冷的功率。例如在由铟垫片制成的现有技术的热接点部分的状况下，在4K时接触热阻达到0.5K/W(例如见GE的US-A-5918470)。如果低温冷却器可在4.2K时吸收1W(例如由SumitomoHeavy Industries提供的型号RDK408)，随后再冷凝器的温度将升高到4.7K，这导致超导线圈的电流承载能力剧烈下降。或者，功率更大的低温冷却器需要在3.7K时产生1W，以便首先使得在该接点的远侧上获得冷却功率。
图5示出了这种脉冲管制冷器装置76的示例。部件与图4所示的大致相同。热垫片78设置在脉冲管制冷器冷头的第二级与带翅片的散热装置26之间。密封氦的壁设置在热垫片与散热装置之间。
【发明内容】
依据本发明的第一方面，提供了一种在低温设备中的脉冲管制冷器装置，其中，该脉冲管制冷器的再生器管设置有翅片。理想的是，具有多个翅片。该翅片适当地包括环形盘，并沿再生器管的长度间隔开。或者，该翅片包括向外延伸的指形件或刺。该翅片可包括单个螺旋结构。相关的保护套适当地包围脉冲管的所有的管，仅留出在再生器管和脉冲管与保护套的壁之间的小的环形间隙。该管的壁由例如薄间距的不锈钢或合金的材料制成。
本发明提供了一种用于脉冲管制冷器的再生器，该再生器用作分配冷却器，也就是说沿再生器的长度具有制冷功率。这意味着再生器可截获(吸收)一部分向下传递给制冷器保护套(颈管、氦气柱、再加上其它部件)的热量。尽管该热量的吸收使得第二级的性能恶化，在某种程度上，该恶化不及由再生器吸取(截获)的热量，因此在冷却功率方面获得净增益。由于沿再生器设置翅片，通过强化了氦气柱(和颈管等)的传热(即通过增大可用于传热的表面面积)，从而增加了该再生器的分配冷却功率，也就是说，该翅片或阻挡装置增大了用于从氦气环境向再生器分配传热的表面面积。
【附图说明】
参照附图和以下的详细描述，可更容易地理解本发明以及本发明的各个方面和特征，在附图中：
图1示出了在MRI(核磁共振成像)磁体中的两级的GiffordMcMahon(GM)冷头再冷凝器；
图2示出了包括独立管的结构的脉冲管制冷器，该管在热工位处连接；
图3示出了保护套的温度分布曲线；
图4示出了插入保护套的脉冲管；
图5示出了现有技术的带有可拆卸热触部的脉冲管的示例；
图6示出了本发明的第一实施例；
图6A示出了第一实施例的再生器管的截面图；
图7A-G示出了再生器管的各种形式；和
图8-10示出了本发明的另一变型。
【具体实施方式】
结合示例来描述本发明人构想出的用于实施本发明的最佳形式。在以下描述中，进行了大量的详细描述，以便完全理解本发明。然而对于本领域的普通技术人员来说，明显的是，本发明可由特定实施例所述的各种变型来实施。
参照图6，其示出了本发明的第一实施例，其中示出了两级的脉冲管制冷器装置。再生器管92、94和脉冲管96、98在图中示出，其中再生器管94带有翅片。
图6A示出了经再生器管94的截面图，其示出了围绕管94的环形盘形式的环形翅片104。该再生器管壁与该翅片以适当方式同时制成，优选地由具有中等导热率的相同材料制成，该材料例如为奥氏体不锈钢。可使用包括黄铜和铝合金的其它材料。然而，如果翅片和管的成分材料是不同的，则优选的是该翅片由高导热率的材料制成，而该管由中等导热率的材料制成。对于低压的脉冲管制冷器来说，可使用复合材料，该材料具有中等的导热率，并且该管设置有由铜或其它的高导热率的材料制成的翅片。应当注意到，纯金属在低温下具有高导热率。
该翅片应当具有性能非常好的与该再生器的热接触部分，这可通过例如软焊、焊接、或钎焊来实现。该翅片截获在颈部内向下传递给氦气柱、颈管、和其它部件的热量。公认的是，热量的吸收可使得第二级的性能恶化，但是认为这种在功率方面的恶化不及由再生器吸取的热量，并且因此在可用于的冷却功率和氦气的再冷凝率方面获得净增益。翅片的设置由于增大可用的表面面积使得与氦气柱的传热得到强化因此增大了分配的冷量。这些翅片可用于第一级再生器，以便使得从温度300K的级到第一级的热负荷最小化。这种构形的另一优点在于，这些翅片可防止高温和低温水平面之间的自由对流的阻挡装置。因此，可降低该自然对流及其对第二级的热负荷。
在图7A-F中，示出了不同机械形式的翅片管94。在图7A中，翅片结构包括环形盘120围绕直管布置。该管壁足够厚，以便在抽真空过程中承受周围氦气压力，以防止破裂。翅片以等间距的间隔适当地设置并且优选具有相同的尺寸。
在图7B中，翅片包括固定到再生器管94”上的螺旋带122。在图7C中，翅片包括围绕管94的销钉126，这种结构类似于刺猬的刺。然而，该结构不能降低围绕管的对流流动，但是这可容易地使得气流通过，这种情况是例如在骤冷过程中所需的。
在图7D中，管128具有类似于可折叠的波纹管的波纹结构。在图7E中，板130围绕管94设置；该板如此装接，即，使得它们与管的轴线平行。管132具有波纹结构，其中波纹的轴线平行管的轴线。
图7F所示的管具有波纹结构，其中折皱布置成平行管的轴线。在图7G中，翅片包括仅覆盖管的长度的一部分的环形翅片。这种形式的管优选用于上部分，这是因为参照图3所示颈管的温度对应于第一再生器的温度。也就是说，沿第一再生管的长度在该管上完全地设置翅片将会对于高效工作具有反作用。
用于单独管的翅片可彼此不同。在一些应用场合中，必需在第一级和第二级再生器上设置翅片。本发明的教示可应用于公开的PCT专利申请PCT/EP02/11882。换言之，除了再生管具有翅片以便有助于经过管壁的热传导之外，脉冲管可进行隔热处理，以降低经过管壁的热传导。
图8示出了带有隔热套筒的脉冲管101、103以及带有翅片104的再生管94。图9仅示出了带有隔热套筒的脉冲管101和带有翅片104的再生管94。图10示出了与图8相似的结构，除了再生管92也设置有翅片。
尽管大多数应用为低温，例如处于或大约4K的温度以便MRI设备使用两级冷却器来工作，但是相同的技术可应用于单级冷却器或三级或多级冷却器。