[发明专利]例如用于磁共振成像系统的低温冷却装置和低温冷却方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制低温冷却系统的装置和方法，特别是使用某些类型的气体压缩机驱动机械制冷机的装置和方法。本发明在磁共振成像(MRI)系统的冷却系统中获得了突出的优点。

背景技术

当今例如超导性和超流性等低温特性在一系列不同的应用(包括磁共振成像(MRI)、超导磁体、传感器和基础研究)中被广泛地使用。过去为了达到此类应用所需的低温，使用例如氮或氦等低温液体的蒸发作为冷却机制。低温液体相关的缺点在于：由于它们容易在例如“原位”液化器或储存容器内泄漏，因此它们往往是“消耗品”。此外，用于储存或以其他方式处理低温液体的这种装置往往比较笨重并且需要特殊的搬运过程。这些装置或过程不太适合于病人护理环境。

近来，闭循环制冷机(CCR)被用于替代低温液体，以提供可选的制冷机制。与低温液体的蒸发相反，闭循环制冷机不依赖于冷却剂内的相变。事实上，闭循环制冷机根据使用与工作气体冷却剂的收缩和膨胀相关联的冷却的原理进行工作。因此，对于例如MRI等用于医学应用的冷却装置而言，闭循环制冷机的使用尤其值得关注。在本文中，术语“机械制冷机”用于描述这种装置，但本领域的普通技术人员应当认识到，术语“低温冷却机”与该术语是同义的。

机械制冷机使用例如氦气等工作气体以相对适中的冷却功率(cooling power)提供2K(开尔文)至20K的冷却。由于机械制冷机是封闭的系统，使得它们具有很少的活动部件并且对于工作气体而言几乎没有损失，因此机械制冷机特别有利。出于这些原因，机械制冷机在技术上和商业上都具有非常大的吸引力，因此存在持续提高此类机械制冷机的性能的需求。

尽管迄今为止已经在与机械制冷机相关的技术上取得了进步，但此类机械制冷机的热力性能系数(COP)和相关的冷却效率仍然不是特别理想。作为实例，为了在4.2K的液氦温度下提供约1瓦的冷却功率，需要高达大约8千瓦的输入电功率。存在例如对超导磁体的冷却或对较高热质量的冷却等许多应用，在这些应用中，从室温冷却到低温区域所需的冷却时间是重要的参数。应认识到，优选的是尽量缩短这种冷却时间的长度。这对于在不能接受长的冷却降温时间的病人护理环境中的磁共振成像应用而言是尤为渴求的。

由本申请人所发展的一项缩短冷却时间的技术包括在机械制冷机的两个冷却区段(冷却级)之间引入热管。该技术在本申请人的英国专利申请No.1119846.2中进行了充分的阐述，该申请的全部内容以引入的方式并入本文。

本申请为了对上述系统中的冷却时间进行改进而对上述技术进行了进一步的发展，并且正是在这样的背景下，本发明获得了应用并且提供了新的优点。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种低温冷却装置，该低温冷却装置包括：

供气管路和回气管路，它们适于在使用时与压缩机连接；

连接元件，其与供气管路和回气管路气体连通，连接元件适于在使用时将气体供给至机械制冷机，并且连接元件以循环方式调节所供给的气体的压力；

感测系统，其适于在使用时监测机械制冷机的工作状态；以及

控制系统，其适于根据监测到的工作状态来调节由连接元件供给的循环气体压力的频率；其中，机械制冷机包括：

第一冷却区段和第二冷却区段，第二冷却区段适于与待冷却的目标装置热连接；以及

可选择性连接的热联接件，其用于根据机械制冷机的工作状态将机械制冷机的第一冷却区段与第二冷却区段热连接。

本发明将机械制冷机中可选择性连接的热联接件的优点以及依赖工作状态的可变定时的优点相结合，从而同时提供在较高温度下提高的冷却功率和在较高温度下第一区段与后续区段之间增强的热连通，且这两个作用在较低温度下均可被受控地关闭。通过在单个装置中结合这些技术，理论上可以将低温设备的冷却降温时间缩短多达50％至75％。本发明适用于众多不同类型的机械制冷机，这些机械制冷机包括脉冲管制冷机、吉福德-麦克马洪制冷机和斯特林冷却机。第一冷却区段的典型的工作基准温度在20K至80K之间，同时第二冷却区段的典型的工作基准温度低于10K。