[发明专利]用于减小低温恒温器热负荷的穿透管组件

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及低温恒温器(cryostat)，并且更特定而言涉及用于低温恒温器中的穿透管组件的设计，其中，穿透管组件构造成减小由穿透管组件引起的对低温恒温器的热负荷。

背景技术

已知的低温恒温器包含液体致冷剂，例如用于容纳用于磁共振成像(MRI)系统或核磁共振(NMR)成像系统的超导磁体。通常，低温恒温器包括内低温恒温器容器和包围磁管(magnetic cartridge)的氦容器，其中，磁管包括多个超导线圈。而且，包围磁管的氦容器通常填充有用于冷却磁体的液氦。另外，热辐射屏蔽件包围氦容器。此外，外低温恒温器容器、真空容器包围高温热辐射屏蔽件。另外，外低温恒温器容器通常被抽空。

低温恒温器大体上还包括穿过容器壁的至少一个穿透件，其中，穿透件构造成便于到氦容器的各种连接。可以注意到，这些穿透件被设计成减小在真空容器与氦容器之间的热传导，同时维持真空容器与氦容器之间的真空。此外，期望穿透件还补偿真空容器和氦容器的有差别的热膨胀和缩小。另外，在磁体急冷(quench)的情况下，穿透件还为氦气提供流动路径。

任何穿透件均有可能增加从室温到致冷剂温度的对低温恒温器的热负荷。热负荷机制通常包括热传导、宏观和微观热对流、热辐射以及热微对流。另外，热负荷机制还包括材料的热传导、到冷头的热联系、氦柱的热传导、从低温恒温器的一侧到顶部的热辐射和到低温恒温器的热接触联系。不同于对大气开放且由逸出的氦气流冷却的低温恒温器穿透件，低温恒温器上的封闭或气密密封的穿透件是低温恒温器的热输入的主要源头。另外，穿透件通常装备有安全装置，以在能量突然切断或磁体急冷或真空失效或冰封的情况下确保低温气体的快速且安全的释放。

传统上，早期的NMR和MRI系统已经使用了来自低温恒温器的氦浴的汽化并路由汽化气体围绕或通过穿透件，用于热交换。穿透件内的热交换气体的存在可用于高效的冷却。特别地，如果恰当地设计，热交换气体的存在显著地减小对致冷系统的热负荷。然而，由于成本原因，NMR和MRI磁体系统以及其它致冷应用不再允许气体通过穿透件释放到大气。另外，由于氦的成本的相当大的增加，致冷系统完全再凝结汽化气体。

不幸的是，因为气体流的冷却不再是可行的，所以穿透件对整体热负荷预算添加了相当大的一部分。此外，穿透件的寄生热负荷可以高达对低温恒温器的总热负荷的20％至40％。该热负荷不利地导致了低温冷却器的不方便且昂贵的过早替换和整修。低温冷却器替换继而增加了例如MRI磁体的寿命周期成本。

另外，用于减小由穿透管组件引起的低温恒温器热负荷的某些其它当前可用技术需要使用热站(heat station)来冷却穿透管组件，该热站联接至充当散热器的冷头冷却级。不幸的是，这些技术的使用减小了冷头的冷却功率。此外，其它技术致力于通过减小穿透管组件的物理尺寸而减小由穿透管组件引起的低温恒温器热负荷的问题。然而，减小穿透管组件的尺寸可能通过导致显著高于设计压力的内部压力的增加而不利地影响处于高急冷率的低温恒温器。此外，传统上已使用波纹管(bellow)作为穿透管，其中，波纹管的卷绕提供了额外的热长度。然而，即时带有额外的热长度，从波纹管到氦容器的热传导负荷也可以是非常大的。

因此，可能期望开发一种有利地减小由穿透管组件引起的对低温恒温器的热负荷同时增加低温冷却器的寿命范围的穿透管组件的鲁棒性设计。

发明内容

根据本技术的方面，介绍了用于低温恒温器的穿透管组件。该穿透管组件包括壁部件，其具有第一端和第二端并构造成改变壁部件的有效热长度，其中，壁部件的第一端连通地联接至高温区域，并且壁部件的第二端连通地联接至设置在低温恒温器的致冷剂容器内的致冷剂。

根据本技术的方面，介绍了用于低温恒温器的穿透管组件的另一实施例。该穿透管组件包括壁部件，其具有第一端和第二端并构造成改变壁部件的有效热长度，其中，壁部件包括彼此相套的多个管，其中，多个管中的每个管以串联的方式操作地联接到至少一个其它管，并且其中，多个管构造成在不使用波形管的情况下改变壁部件的有效热长度。