具有依赖于温度的热分流器的低温冷却系统技术方案

一种低温冷却系统(10)包括低温恒温器(12)、两级低温冷头(24)和至少一个热连接构件(136；236；336；436)，该至少一个热连接构件被构造成提供热传递路径(138；238；338；438)的从两级低温冷头(24)的第二级构件(30)到第一级构件(26)的至少一部分。该热传递路径(138；238；338；438)被布置在冷头(24)的外部。热传递路径(138；238；338；438)的所提供的至少一部分在第二低温温度下的热阻大于热传递路径(138；238；338；438)的所提供的至少一部分在第一低温温度下的热阻。

Cryogenic cooling system with a temperature dependent thermal shunt

A low temperature cooling system (10) includes a cryogenic thermostat (12), a two stage cold head (24), and at least one hot connecting member (136; 236; 336; 436), and the at least one heat connection member is constructed to provide a heating transfer path (138; 238; 338; 438) from the two level low temperature cold head (24) to the first stage component. A little less. The heat transfer path (138; 238; 338; 438) is arranged outside the cold head (24). The thermal resistance of at least part of the heat transfer path (138; 238; 338; 438) at at least part of the heat transfer path (138; 238; 338; 438) provided by at least part of the heat transfer path at the first low temperature temperature.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有依赖于温度的热分流器的低温冷却系统
本专利技术涉及一种具有两级冷头的低温冷却系统，并且特别地包括一种用于在磁共振检查设备中使用的超导磁线圈。
技术介绍
两级低温冷却器被频繁地用作用于将装置冷却到低温温度的冷却源。使用氦气作为工作流体的市售两级低温冷却器的代表示例为Gifford-McMahon(GM)制冷系统和脉冲管(PT)制冷系统。它们允许对样品、装置和其它设备进行冷却，而没有使用液氦的不便之处和费用。特别地，这种装置可包括超导材料，当被冷却成低于被称为临界温度的特定温度时，该超导材料呈现出它们的超导特性。这种装置的代表示例是一种意在于持久模式中操作时产生静态磁场的超导磁体系统，如本领域中众所周知的那样。两级低温冷却器的第一级通常被保持于介于50K和100K之间的温度，并且可被热连接到环绕内部区域的热辐射屏蔽件，该内部区域被构造成接收待被冷却到较低温度(例如冷却到4K)的装置。该装置被热联接到该两级低温冷却器的第二级。通常，第一级的冷却能力与第二级的冷却能力相比大一个或两个数量级。因此，当从室温开始冷却时，将该内部区域冷却到第二级的额定温度所需的时间比将该内部区域冷却到第一级的额定温度所需的时间长得多。专利文献US5,111,667A描述了一种具有制冷器的两级低温泵，该制冷器包括第一级、与第一级相比更冷的第二级以及具有冷凝表面的冷凝构件。第一联接器被构造成用于以导热的方式将冷凝构件连接到第二级。包括吸附表面的吸附构件与冷凝构件间隔开。第二联接器被构造成用于以导热的方式将吸附构件连接到第二级。还设置有一种用于在再生该吸附构件的时段期间对该吸附构件进行加热的加热器。第二联接器被设计成，使得它至少在该吸附构件的加热周期期间使吸附构件与第二级以及与冷凝构件充分地隔热，用于防止通过该加热器对该冷凝构件进行加热。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种具有有效操作和用于将环境温度冷却到低温温度的缩短时间的低温冷却系统。在本专利技术的一个方面中，该目的通过低温冷却系统来实现，该低温冷却系统包括低温恒温器，该低温恒温器具有外罩和被设置在该外罩内的至少一个热屏蔽件。至少一个热屏蔽件限定内部区域，并且隔热区域由至少一个热屏蔽件和外罩限定并且被限定在至少一个热屏蔽件和外罩之间。低温冷却系统进一步包括低温冷头，该低温冷头具有：被至少部分地设置在隔热区域中的第一级构件，其中，第一级构件被构造成在静止状态中在第一低温温度下操作，并包括被热连接到至少一个热屏蔽件的导热连杆构件，被至少部分地设置在内部区域中的至少第二级构件，其中，该第二级构件被构造成在静止状态下在低于第一低温温度的第二低温温度下操作，和至少一个热连接构件，其被构造成在低温冷却系统的至少一个操作状态中提供热传递路径的从第二级构件到第一级构件的至少一部分，其中，热传递路径被布置在冷头的外侧，并且热传递路径的所提供的至少一部分在第二低温温度下的热阻大于热传递路径的所提供的至少一部分在第一低温温度下的热阻。如本申请中所使用的术语“被热连接到第一(第二)级构件”应具体地理解为被热连接到导热构件中的至少一个，该导热构件进而被热连接到第一(第二)级构件，并且被直接地连接到第一(第二)级构件。如本申请中所使用的术语“热连接”应具体地理解为能够通过导热进行热传递的机械连接。如本申请中所使用的术语“热传递路径”应具体地理解为一种路径，热量被沿着该路径经由导热进行传递，并且应该明确地排除通过辐射进行的热传递路径。如本申请中所使用的术语“热阻”应具体地理解为在沿热传递路径的两个位置之间的温差与正在这两个位置之间传递的热功率(每次的热能量)的比率。如本申请中所使用的术语“低温温度”应具体地理解为低于100K的温度。低温恒温器系统的操作通常基于一种使用氦气作为工作流体的闭环膨胀循环。一种完整的低温恒温器系统包括两个主要部件：压缩工作流体并从该系统中移除热量的压缩机单元，以及被构造成通过膨胀循环获得工作流体以将其冷却到低温温度的冷头。如本申请中所使用的术语“冷头”应该具体地在这种意义上加以理解。这里需要指出的是，术语“第一”、“第二”等仅出于区分的目的加以使用，且并不意在用于以任何方式表示顺序或优先级。由于热传递路径的所提供的至少一部分在第一低温温度下的热阻与在第二低温温度下的相比较低，因此第二级可被经由所提供的至少一个热连接构件更快地且以更为高效的方式进行冷却，在第二级构件处于第二低温温度下的情况下，热传递路径的所提供的至少一部分的热阻可被设计成是足够大的，以防止在第二级构件上的不可接受地高的热负荷。以这种方式，低温冷却头的第一级构件的较高冷却效率可被用于在冷却过程的开始时从第二级构件移除大量的热。可有利地缩短用于将内部区域从环境温度冷却到低温温度的时间。在一种优选实施例中，热传递路径的所提供的至少一部分在第二低温温度下的热阻比热传递路径的所提供的至少一部分在第一低温温度下的热阻大至少10倍。更为优选地，在第二低温温度下的热阻比在第一低温温度下的热阻大至少100倍，并且最为优选地大至少1000倍。以这种方式，可实现用于将内部区域从环境温度冷却到低温温度的时间的大幅缩短。在另一优选实施例中，至少一个热连接构件包括多个碳纤维，每个碳纤维具有两个端部，并且其中，这多个碳纤维中的碳纤维的一端被热连接到第一级构件，并且这多个碳纤维中的碳纤维的另一端被热连接到第二级构件。如本申请中所使用的术语“多个”应该被具有理解为数量为至少两个。在高于50K的温度下，碳纤维可呈现出异常高的导热率。在室温下，导热率可高达1000W/(m*K)，远高于铜的导热率。由此，可以实现介于两个第一级构件和第二级构件之间的低热阻，并且更为强大且更为有效的第一级构件可直接冷却第二级构件及其热负荷，从而快速地降低其温度。与其它良好的导热材料相比，碳纤维的导热率在较低温度下迅速地下降。可与碳纤维在纵向方向上的导热率相比的石墨的导热率在下面的图1中示出为虚线(来自：Woodcraft等人的低温导热率数据库(Alowtemperaturethermalconductivitydatabase)，CP1185，低温探测器LTD13，第13届国际研讨会会议记录，AIP2009)。在用于低温冷却器的相关温度范围(从约300K到4K)中，导热率降低了约四个数量级。当从环境温度冷却的过程中，至少一个热连接构件的瞬时温度正被降低时，其导热率因此急剧地下降，直到第一级构件和第二级构件几乎被断开热连接。在低于第一低温温度的温度下，第二级构件可随后将内部区域进一步冷却到低于第一低温温度的温度。优选地，多个碳纤维中的碳纤维并不例如通过使用树脂相互机械地连接，并且也不被封装，使得并不进行通过其它材料的附加传导热传递。由此，可以实现热传递路径的所提供的至少一部分在第一低温温度下和在第二低温温度下的热阻的有益的巨大差异。纯碳纤维是市售的，例如作为通常包括介于1000(“1K”，67特＝67g/1,000m)和48000(“48K”，3200特)细丝/纱线之间的纱线以及作为织物组织。在一个实施例中，多个碳纤维被通过至少一个力锁定连接热连接到第一级构件和第二级构件中的至少一个。以这种方式，可以实现介于多个碳纤维与相应级构件之间的界面的低热阻。在一些实施例中，当本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温冷却系统(10)，包括：‑低温恒温器(12)，所述低温恒温器具有外罩(14)以及被设置在所述外罩(14)内的至少一个热屏蔽件(16)，所述至少一个热屏蔽件(16)限定内部区域(18)；其中，隔热区域(20)由所述至少一个热屏蔽件(16)和所述外罩(14)限定并且被限定在所述至少一个热屏蔽件(16)和所述外罩(14)之间，‑低温冷头(24)，所述低温冷头具有被至少部分地布置在所述隔热区域(20)中的第一级构件(26)，其中，所述第一级构件(26)被构造成在静止状态中在第一低温温度下操作，并包括被热连接到所述至少一个热屏蔽件(16)的导热连杆构件(28)，被至少部分地布置在所述内部区域(18)中的至少第二级构件(30)，其中，所述第二级构件(30)被构造成在静止状态中在低于所述第一低温温度的第二低温温度下操作，以及至少一个热连接构件(136；236；336；436)，所述至少一个热连接构件被构造成在所述低温冷却系统(10)的至少一个操作状态中提供热传递路径(138；238；338；438)的从所述第二级构件(30)到所述第一级构件(26)的至少一部分，其中，所述热传递路径(138；238；338；438)被布置在所述冷头(24)的外侧，并且所述热传递路径(138；238；338；438)的所提供的至少一部分在所述第二低温温度下的热阻大于所述热传递路径(138；238；338；438)的所述所提供的至少一部分在所述第一低温温度下的热阻。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.08 EP 16159189.6;2015.12.04 US 62/263,3631.一种低温冷却系统(10)，包括：-低温恒温器(12)，所述低温恒温器具有外罩(14)以及被设置在所述外罩(14)内的至少一个热屏蔽件(16)，所述至少一个热屏蔽件(16)限定内部区域(18)；其中，隔热区域(20)由所述至少一个热屏蔽件(16)和所述外罩(14)限定并且被限定在所述至少一个热屏蔽件(16)和所述外罩(14)之间，-低温冷头(24)，所述低温冷头具有被至少部分地布置在所述隔热区域(20)中的第一级构件(26)，其中，所述第一级构件(26)被构造成在静止状态中在第一低温温度下操作，并包括被热连接到所述至少一个热屏蔽件(16)的导热连杆构件(28)，被至少部分地布置在所述内部区域(18)中的至少第二级构件(30)，其中，所述第二级构件(30)被构造成在静止状态中在低于所述第一低温温度的第二低温温度下操作，以及至少一个热连接构件(136；236；336；436)，所述至少一个热连接构件被构造成在所述低温冷却系统(10)的至少一个操作状态中提供热传递路径(138；238；338；438)的从所述第二级构件(30)到所述第一级构件(26)的至少一部分，其中，所述热传递路径(138；238；338；438)被布置在所述冷头(24)的外侧，并且所述热传递路径(138；238；338；438)的所提供的至少一部分在所述第二低温温度下的热阻大于所述热传递路径(138；238；338；438)的所述所提供的至少一部分在所述第一低温温度下的热阻。2.根据权利要求1所述的低温冷却系统(10)，其中，所述热传递路径(138；238；338；438)的所述所提供的至少一部分在所述第二低温温度下的热阻比所述热传递路径(138；238；338；438)的所述所提供的至少一部分在所述第一低温温度下的热阻大至少10倍。3.根据权利要求1或2所述的低温冷却系统(10)，其中，所述至少一个热连接构件(136)包括多个碳纤维(140)，每个碳纤维(140)具有两个端部(142、144)，并且所述多个碳纤维(140)中的所述碳纤维(140)的一端(142)被热连接到所述第一级构件(26)，并且所述多个碳纤维(140)中的所述碳纤维(140)的另一端(144)被热连接到所述第二级构件(30)。4.根据权利要求3所述的低温冷却系统(10)，其中，所述多个碳纤维(140)被通过至少一个力锁定连接热连接到所述第一级构件(26)和所述第二级构件(30)中的至少一个。5.根据权利要求3或4所述的低温冷却系统(10)，其中，所述多个碳纤维(140)被通过至少一个粘接接头热连接到所述第一级构件(26)和所述第二级构件(30)中的至少一个。6.根据权利要求1所述的低温冷却系统(10)，其中，所述至少一个热连接构件(236；336；436)包括具有第一端(254；354；454)和第二端(256；356；456)的双金属构件(252；352；452)，其中，所述第一端(254；354；454)被固定地附接且热连接到所述第二级构件(30)，所述第二端(256；356；456)被构造成，如果所述第二级构件(30)的温度高于所述第一低温温度，则朝向被热连接到所述第一级构件(26)的导热构件(46)和所述第一级构件(26)中的至少一个施加大于零的机械表面压力，并且所述第二端(256；356；456)被构造成，如果所述第二级构件(30)的温度低于所述第一低温温度，则朝向被热连接到所述第一级构件(26)的导热构件(46)和所述第一级...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·E·阿姆托尔，M·富德勒，G·B·J·米尔德，C·洛斯勒，P·福斯曼，P·A·门特乌尔，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL