用于以少量冷却剂进行低温恒温器的过冷运行的装置和方法制造方法及图纸

带有真空容器(2)和布置在真空容器内的冷却物体(4)的低温恒温器组件(V)，该真空容器具有引导至冷却物体的颈管(8)，冷头(11)的围绕其构造有封闭的空腔(9)的冷却臂(10)布置在所述颈管中，该颈管相对于冷却物体流体密封地被密封并且在正常运行中填充有低温流体，并且设有热耦合器件(15)，其适合用于在空腔中的低温流体与冷却物体的热耦合，其特征在于，低温恒温器组件包括泵装置(14)，空腔经由阀(13)联接到泵装置上并且空腔在冷头的冷却功能下降时可利用泵装置被泵吸，并且存在监控设备(17)，其监控冷头的冷却功能并且构造用于在冷头的冷却功能下降的情形中自动地如此激活泵装置，使得空腔被泵吸。因此，冷却物体在桥接时间段期间被自动保持在运行温度附近。

Device and method for undercooling operation of cryostat with a small amount of coolant

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于以少量冷却剂进行低温恒温器的过冷运行的装置和方法
本专利技术涉及一种带有真空容器和待冷却的物体、尤其是超导磁线圈系统或低温容器的低温恒温器组件，其中，待冷却的物体布置在真空容器内，其中，真空容器具有引导至待冷却的物体的颈管，其中，冷头的冷却臂至少部分布置在颈管中，其中，围绕冷却臂构造有封闭的空腔，其相对于待冷却的物体流体密封地被密封，其中，空腔在正常运行中至少部分填充有低温流体，并且设有热耦合器件，其适合用于在空腔中的低温流体与待冷却的物体的热耦合。由DE102014218773A1(＝参考文献[1])已知一种这样的低温恒温器组件。
技术介绍
核磁共振(＝NMR)器械、尤其是NMR谱仪和NMR断层成像装置需要较强磁场，强磁场经常借助于超导磁线圈来产生。超导磁线圈必须在低温温度下运行。为此，磁线圈典型地布置在低温恒温器中。低温恒温器具有抽成真空的容器(“真空容器”)，在该容器中布置有待冷却的物体，经常还被辐射屏蔽包围。待冷却的物体可以是磁线圈本身(“无液氦”-系统)，或也可以是低温容器，在其中布置有低温液体(例如液氦)和磁线圈。在低温技术中，为了冷却物体(例如超导磁线圈)大多使用冷却机，其借助于冷却头将热量从带有待冷却的物体的器械中排出。待冷却的物体一般而言以激活的(大多包括脉冲管冷却器或Gifford-MacMahon冷却器的)冷却系统来冷却。激活的冷却系统降低了昂贵的液氦的消耗，提高了NMR器械的可使用性并且同样可有助于降低结构高度。激活的冷却系统可单级或同样可多级地构造。在多级系统的情形中，大多数时候较热的冷级冷却热辐射屏蔽部，而较冷的冷级冷却待冷却的物体。已知的冷却机通常以氦气作为冷却剂来工作，其在压缩机中被压缩并且在低温恒温器的冷却头中被降低压力，如例如在脉冲管冷却器的情形中那样。冷却头和压缩机一般而言通过两个压力管路彼此相连接。冷却头与待冷却的构件直接机械地或通过接触介质(例如低温气体或低温液体)或通过两者相连接，以便于确保良好的热传递。然而如果压缩机(例如由于技术缺陷或电力故障)完全或部分失效，先前冷却的构件被加热。低温恒温器的冷却头在该情况中于是构成在待冷却的构件与外界之间的重要的热量桥。在超导磁体的情形中，在其持续的运行模式中超导电流可在极其长的时间段上实际无电阻地流动。与之相反，磁体的加热在一定的时间之后导致持续的运行模式的所谓的“失超”：磁体在任何时候达到通过超导材料被预定的临界的跳跃温度，变成正常传导的并且在此一般而言突然失去其高的磁场。当激活的冷却系统发生这样的失效时，超导的磁线圈系统应可至少一直保持在跳跃温度下方，直至可进行激活的冷却系统的温度或电力故障/水故障被克服。超导状态的失去使得超导磁线圈系统的重新冷却变得必要，这与可观的成本相联系。在带有激活的冷却装置的最常见结构形式的低温恒温器的情形中，如例如在US2007/089432A中所描述的那样，冷却头的冷却臂伸入到真空容器的颈管中。颈管朝向低温容器敞开，在其中布置有在液氦中的超导磁线圈。在冷却臂的最下面的冷却级处，氦再液化并且滴回到低温容器中。类似的低温恒温器由US2010/298148A、US2007/022761A、DE102004012416B4或US2007/051115A已知。为了尽可能长地设计在激活的冷却系统的失效与服务介入之间的可供使用的时间，在例如辐射屏蔽部或包含低温液体的低温容器中的低温恒温器中的热力学上的质量(也就是说质量乘以比热容)被选择为大的，然而这增大了低温恒温器的结构高度和总重量。同样地，在带有低温容器的低温恒温器的情形中外部获取的液氦可被再填充，以便于替代经蒸发的氦；然而这非常昂贵。由US8,950,194B2已知如下，在冷却器关闭的情形中例如在运输期间经蒸发的气体的一部分从低温容器中沿着冷却器传导，并且因此降低了冷却臂的热负荷。US8,729,894B2(＝参考文献[2])描述了一种用于MRI系统的磁系统，其包括与低温箱相连接的真空泵，致冷剂可利用该真空泵被泵出，以便于降低在低温箱中的压力，从而使得致冷剂在加载过程期间冷却，以便到达到大约2.5K-3K的温度水平。在该磁系统中，整个低温恒温器填充有致冷剂。用于泵的控制器根据US8,729,894B2可例如是压力或温度传感器。先前所引用的DE102014218773A1最后公开了一种用于运行低温恒温器的MCV(最小冷凝容量)系统。待冷却的物体(磁线圈)在此是干的、即不带有氦存储。低温液体(一般而言液氦)处于冷头与相对物体的接触面之间的颈管中的空心体积中，其中，取决于压力和温度构造成气氦和液氦的平衡。在正常情况中，低温恒温器在正常压力中来运行。然而该运行压力同样可处在200毫巴处，即在相对大气压力的负压范围中。带有在负压情形中的液氦的运行具有如下优点，即，运行温度处在4.2K之下，这引起超导体的明显更好的利用。在NbTi导体的情形中，当导体由4.2被冷却到2K时，Ic/B曲线例如以2至3特斯拉移至更高的场。一种在冷头失效的情形中以其自动引入冷却措施的安全设备在DE102014218773A1中未被描述。此外，在所有经讨论的根据现有技术的低温恒温器组件的情形中不利的是相对较高的设计温度，一般而言约为4.2K，待冷却的超导磁线圈须以该设计温度被设计用于其运行。由此于是得出相应较高的成本、较高的重量以及较大的尺寸和至少在电力故障或冷却水失效的情形中较小的可靠性。
技术实现思路
与此相对，本专利技术基于如下(具体来看相对高要求的并且复杂的)目的，在先前所描述的形式的低温恒温器组件的情形中(尤其是对于待冷却的物体在4.2K之下的过冷运行而言)，以不复杂的技术手段并且全自动地在没有操作人员干预的必要性的情形中在冷却机失效的情况中运行可靠地并且显著地进一步降低通过冷却头施加到待冷却的物体上的热负荷，其中，已存在的设备可尽可能简单地来改装。在此，待冷却的物体可在尽可能长的桥接时间段上以不同的方式被自动地继续保持在运行温度附近。该目的通过本专利技术以令人意外地简单的并且有效的方式如下实现，即，低温恒温器组件包括泵装置，空腔经由阀被联接到泵装置上并且空腔在冷头的冷却功能下降的情形中可利用泵装置被泵吸，并且存在监控设备，其监控冷头的冷却功能，并且监控设备构造用于在冷头的冷却功能下降的情形中自动地如此激活泵装置，使得空腔被泵吸。因此，(尤其是在大约3K的运行温度的情形中)在CF(＝无致冷剂)系统中在加载过程期间并且在冷却系统失效的情形中待冷却的物体的必要冷却至少在显著延长的桥接时间段期间被维持。由此能实现，显著降低待冷却的磁线圈的设计温度并且因此显著节省成本。通过本专利技术提供了一种用于低温恒温器的安全系统，利用该安全系统可实现，通过维持在其中存在液体致冷剂的低温恒温器的区域中的较低压力改善到气相中的转变并且因此利用蒸发热量，以便过冷地保持低温恒温器。优选地，该系统在MCV(＝最小冷凝容量)变型方案中使用，其中，在待冷却的物体与颈管区域之间的空腔中的致冷剂被泵出。通过热输入的与此相联系的降低，磁线圈在激活的冷却器失效时达到其临界的温度并且变成正常传导的时间显著增加。该时间间隔是超导磁体的重要规格。非常特别优选的是根据本专利技术的低温恒温器组件的一实施形式，其特征在于，压力传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.低温恒温器组件(1、1”、1”’、1””)，包括真空容器(2)和待冷却的物体(4)、尤其是超导磁线圈系统(5)或低温容器(20)，其中，所述待冷却的物体(4)布置在所述真空容器(2)内部，其中，所述真空容器(2)具有引导至所述待冷却的物体(4)的颈管(8)，其中，冷头(11)的冷却臂(10)至少部分布置在所述颈管(8)中，其中，围绕所述冷却臂(10)构造有封闭的空腔(9)，该空腔相对于待冷却的物体(4)流体密封地被密封，其中，所述空腔(9)在正常运行中至少部分填充有低温流体，并且所述低温恒温器组件设有热耦合器件(15)，该热耦合器件适合用于在所述空腔(9)中的低温流体与所述待冷却的物体(4)的热耦合，其特征在于，所述低温恒温器组件(1、1”、1”’、1””)包括泵装置(14)，所述空腔(9)经由可操控的阀(13)联接到泵装置上并且所述空腔(9)在所述冷头(11)的冷却功能下降的情形中能利用所述泵装置被泵吸，并且存在监控设备(17)，所述监控设备监控所述冷头(11)的冷却功能，并且所述监控设备构造用于在所述冷头(11)的冷却功能下降的情形中自动地如此激活所述泵装置(14)，使得所述空腔(9)被泵吸。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.20 DE 102016218000.21.低温恒温器组件(1、1”、1”’、1””)，包括真空容器(2)和待冷却的物体(4)、尤其是超导磁线圈系统(5)或低温容器(20)，其中，所述待冷却的物体(4)布置在所述真空容器(2)内部，其中，所述真空容器(2)具有引导至所述待冷却的物体(4)的颈管(8)，其中，冷头(11)的冷却臂(10)至少部分布置在所述颈管(8)中，其中，围绕所述冷却臂(10)构造有封闭的空腔(9)，该空腔相对于待冷却的物体(4)流体密封地被密封，其中，所述空腔(9)在正常运行中至少部分填充有低温流体，并且所述低温恒温器组件设有热耦合器件(15)，该热耦合器件适合用于在所述空腔(9)中的低温流体与所述待冷却的物体(4)的热耦合，其特征在于，所述低温恒温器组件(1、1”、1”’、1””)包括泵装置(14)，所述空腔(9)经由可操控的阀(13)联接到泵装置上并且所述空腔(9)在所述冷头(11)的冷却功能下降的情形中能利用所述泵装置被泵吸，并且存在监控设备(17)，所述监控设备监控所述冷头(11)的冷却功能，并且所述监控设备构造用于在所述冷头(11)的冷却功能下降的情形中自动地如此激活所述泵装置(14)，使得所述空腔(9)被泵吸。2.根据权利要求1所述的低温恒温器组件，其特征在于，压力传感器(30)与所述空腔(9)在流体技术上相连接，所述压力传感器尤其是布置在所述空腔(9)中，所述压力传感器的输出信号被输入到所述监控设备(17)中，并且一旦所述压力传感器(30)的输出信号超出预定的第一阈值Pmax，所述监控设备(17)就激活泵装置(14)以用于泵吸所述空腔(9)，其中，尤其是100毫巴≤Pmax≤500毫巴。3.根据权利要求2所述的低温恒温器组件，其特征在于，所述泵装置(14)在其由于超出第一阈值Pmax而被激活之后，仅泵吸所述空腔(9)直至所述压力传感器(30)的输出信号低于预定的第二阈值Pmin，其中，尤其是75毫巴≤Pmin≤300毫巴。4.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器组件，其特征在于，所述可操控的阀(13)实施为调节阀。5.根据权利要求4所述的低温恒温器组件，其特征在于，所述泵装置(14)设计成，使得所述泵装置以恒定的速度和/或泵功率来运行。6.根据权利要求1至4中任一项所述的低温恒温器组件，其特征在于，所述泵装置(14)设计成，使得所述泵装置能以可变的、优选可调整的速度和/或泵功率来运行。7.根据权利要求6所述的低温恒温器组件，其特征在于，所述可操控的阀(13)实施成开关阀。8.根据权利要求1至7中任一项所述的低温恒温器组件，其特征在于，所述泵装置(14)包括借助于自给自足的电源、优选借助...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·施特罗贝尔，P·维库斯，
申请(专利权)人：布鲁克碧奥斯平有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE