專利名稱：用于電氣設備的包括電流引線的低溫保持器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低溫冷卻設備，以及特別涉及如何將電流從低溫保持器中
的電氣設備中導ASl導出的設計。
背景技術：
圖i顯示的是一個傳統(tǒng)的低溫保持器，其中有一，導磁鐵io。磁鐵10
是螺線型，圍繞軸A呈對稱分布。磁鐵IMg在一個7賴口槽12中，槽中至少 裝有一種液體冷卻劑14。液體^4卩齊贓 鵬超唭沸點時沸騰，并釋放出蒸汽 16至贈12的剩余^f只中。電^Mil電流源18弓l入到磁鐵10中。通常敝去， 電流源的負l腿過冷卻槽表面，通常是用不銹鋼制成，與磁鐵10相連接。正 向電流引線20經過電氣絕緣體24和一個塔狀的入口 22進A^ij冷卻槽中，從 而向磁鐵提供電流。圖l中部分顯示的外部真空容器26，其熱絕真空可以減少 周圍環(huán)境的熱流量。同樣圖l中一個部分顯示的熱罩28,可以有效減少在外部 真空容器26和y襯卩槽12之間由M射弓胞的熱量轉移。 一個制冷機30用來 4條卩槽12中的冷卻劑冷卻。 一個靴的入口 30,作為外部真空容器和冷卻 槽之間的一個通路。這個入口與冷卻槽中的空氣是流通的，因此也充滿了冷卻 蒸汽。制冷機30可以是任何已知的 ,像脈管制冷機(PTR)。制冷機作用 于y令卻其冷端子34，低于冷卻劑14的沸點。這個將使冷端子上的蒸汽16回到 液態(tài)形式，滴落到7襯卩槽中。再制冷器36可以加大制冷機30冷端子的表面積， 瓶高其的制冷效率。制冷機30的熱端可以與外部真空容器26熱連接。圖示 的制冷機30，是一個兩級的制冷機，第一級37冷卻與熱罩28熱連接的第一個 冷級38,第二級39 7賴卩其第二個冷級，也就是與蒸汽16熱連接的冷端子34。 另一種設計中，套駄口 32可以對^iP槽12關閉，這時在制冷機30和7飪卩 蒸汽16之間的熱傳導就通過固體的^M進行。
圖1中，，入口32和制冷機30的相對尺寸，為明晰起見都做了一定的 放大。
正向電流引線20提供了一個多余的熱通路到低溫保持器中，逸就可能導
致外部環(huán)境的熱量傳入低溫保持器中，輪流導致冷卻劑14的氣化，而這正是 制冷機30功能的反作用。當電流上升期間，有電流流入或流出磁鐵10的時候, 熱量就會以歐姆熱(焦耳)的形式在電流引線20中產生。如果通過電流導體 的熱通量可以屏蔽，我們就可以換一個更小功率、更小體積更便宜的制冷機30。
圖2詳細顯示了一個傳統(tǒng)的脈管制冷機。 一級脈沖管42在其熱端44和第 一冷級38之間貫穿。二級脈沖管46在其熱端44和第二冷級34之間貫穿。一 級熱交換交換管48在熱端44和第一冷級38之間貫穿，二級熱交換交換管50 在第一冷級38和第二冷級34之間貫穿。制冷IRJ:部52的閥門以熟知的方式 連接高壓氣體、氣體回路到脈沖制冷管，從而^4口第一、第二冷級38和34。
圖3顯示的如圖2所示的一種傳統(tǒng)的脈沖管制冷機，被^S在干式低溫保 持器的套狀入口 32中，里面還有一個超導磁鐵10。這種設計中，CT有一個 ^f只比磁鐵10小很多的冷卻齊喊化杯54，還設置了一些與磁鐵10熱連接的熱 導 62。冷卻劑液化杯54中包括了小量的冷卻劑，并與熱導通路62相連接。 庫U冷機30與7辨卩劑液化杯54之間是密封的，aai—個7結卩界面52來7襯卩再 制冷器36，并^4(] 54中的7襯口劑^t保持在液態(tài)形式。這種設計相比于圖1 是有優(yōu)點的，至少不需要大體積的冷卻劑，減少了消耗。而且，既然磁鐵和冷 卻劑液化杯54可以直接放在外部真空容器26中，就不需要一個大的冷卻槽。 正向導線20的連接方式與圖1類似。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是要掛共一種電流引線，在容許電流流經低溫冷卻設備的同時 不產生多余的熱通路。這項發(fā)明可以應用于"干式"低溫保持器，像圖3所示， 也可以是圖1中所示的"槽式"型低溫保持器。
本發(fā)明可以應用至咖附后權禾腰求書中所說明的低溫保持器中。


對上述和接下來的對象，發(fā)明的優(yōu)點和憐性將從下述特定實施例的描述中 得到明顯體現，同時配有插圖解釋
圖1所示為一個傳統(tǒng)的內置超導磁體的低溫保持器； 圖2所示為一個傳統(tǒng)的脈沖管制冷機；
圖3顯示了如圖2所示的一種傳統(tǒng)的脈管制冷機，被放置在干式低溫保持 器的套狀入口32中；
圖4所示為發(fā)明中載流導體的情況； 圖5所示為根據發(fā)明采用的一種電氣導體的替代型設計； 圖6所示為在一個脈沖偉嶺機的脈沖和制JtW周圍的^^真空管，這些真 空管可以用作電流導體；
圖7所示為如圖1中的一1M氏溫md磁鐵，應用本發(fā)明后的情況；以及
圖8所示為如圖3中的一"tf氏溫7^卩磁鐵，應用本發(fā)明后的情況。
圖9示出了電接觸點。
圖10示出了本發(fā)明中用同軸電纜的示例。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種在制冷機的真空管中裝載超導磁鐵的設計，不需要一個 ^f蟲的電流通路到真空管中。根據發(fā)明，能實現這樣的要求，是因為具備了一 個電流通路，該通路與一個脈沖管制冷機的一個或多個脈沖管在熱量和物理上 相連接。這種設計的優(yōu)點是，沒有額外的熱通路到低溫保持器中，而電流引線 本身由于與脈管的鍵梯度相連，也會被冷卻。電氣導體應有一個電氣絕緣但 熱導的層，插入在電氣導體和相應的脈管之間。
A^f周知，當電流被引入超導磁鐵后，電流引線僅僅在磁場M期間需要。 一旦磁鐵工作在要求的工作電流下，就不再有電 過本發(fā)明中的電流弓i線。 因此， 一旦電流導入完成，就可以把電流弓戰(zhàn)從熱量和物理連接中去除，這是 有優(yōu)勢的。下面將討論幾種情況使這點更加清楚。
已知的電流引線冷卻系統(tǒng)依靠的是導體冷卻或氣體冷卻。本發(fā)明提供了一 種新型的7^4卩電流弓l線的設計，在一個脈沖管制冷機的脈沖管里，氣流通過管 子的熱導壁冷卻相連的電流引線。由于氣體并不暴露于電流引線，所以脈管制 冷豐/lS氣體的電氣性能衰減可以避免。
發(fā)明中的電流引線設計特別在50K到300K之間的溫度范圍內都是有用 的。這個設計當應用在低溫或高、M導系統(tǒng)中，同樣具有優(yōu)勢，特別是磁共振 影像系統(tǒng)。這個設計也可應用于干系纟^"~此時，磁鐵沒有被置入一槽的液體 y賴卩劑，是靠其他方式實現冷卻。例如，微明可以應用到圖3中的"干式" 低溫保持器中，它比圖l中的"槽式"型低溫保持器需要更少的液體^4P劑。
發(fā)明的一個優(yōu)點在于，相比于己知的電流引線設計，電流引線工作時和穩(wěn) 態(tài)下的熱載都減輕了。因為穿過熱交換器管和電流引線的溫度將沿熱交換器管
的縱軸呈均勻分布。
本發(fā)明的電流引線結合了氣體冷卻和傳導^4卩電流引線兩種方法的優(yōu)點。
典型地，脈沖管制冷機的再生器管就是由壁厚0.2到0.7mm的不銹鋼形成。 如果需要的話，在規(guī)定的工作溫度范圍內，通常在30K到80K之間，管壁厚 度可以增加，而不顯著陶氐制冷機的^4卩性能。
本發(fā)明的一種實施例，載流導體與脈沖管制冷機的再生器管壁通過機械連 接或夾住。更好的情況是，載流導體是兩個半圓的金屬外殼形式，并同再生器 管的材料電氣絕緣。一種特定的例子就是，載流導體包括兩個半圓形的黃銅， 靠自粘性的聚酰亞胺薄膜排在一起，薄膜是電氣絕緣的，例如E.I血Pont de Nemours公司出產的KAPTONW牌產品。
當磁鐵線圈通入電流后，磁場勵磁，發(fā)明中的載流導體就會以熱傳導的形 式間接將其熱能通過脈管棘令機的再生器管壁傳導出去，從而和再生器管中循 環(huán)的^4卩氣體發(fā)生熱交換，例如氦。既然熱流在沿著再生器管縱軸表面的每個 點上都是均勻的，因此等溫面只會發(fā)生很小的變動。結果是，只有很小部分的 熱流能傳到制冷機30的冷端子34。
對工作電^g311000A的大功率應用，兩級冷卻器的第一級脈沖管的性能 可以iW已知的方法暫時提高，例如功率轉移。功率轉移技術指的是，對于脈 沖管律蛉機吸收氣體和釋放氣體的閥門，其時序可以有個變化，從而使制冷機 第一級有更好的冷卻性能。這種情況下，縱軸等溫面發(fā)生變化，再生器管沿著 縱軸方向的溫度得到降低。當磁鐵線圈的電流到了它的工作值后，磁場勵磁完 成，脈沖管制冷機繼續(xù)正常狀態(tài)下的操作頻率和時序，通常這個頻率低于2Hz。
磁鐵10在穩(wěn)態(tài)600A電流的條件下，勵磁狀態(tài)下的熱載可以近似計算為 25W， 12W和小于3W。在勵磁時(這個狀態(tài)通常持續(xù)30 45秒)，罩^S會 有一個小的增長，從而弓胞一個附加的熱載加至幅射罩上，不腿個是可以接 受的，它是由發(fā)明中電流弓踐的歐姆熱弓胞的。
特定情況下，冷卻劑的氣流是可以冷卻電流引線的外表面的，例如氦。這 種冷卻效應可以小于1W,仍然可有效將前述的12W負載減少到1.5W。這個操 作通過打開套狀入口頂部的閥門來實現。出口路徑可以允許氣,過電流引線 的外表面。正常操作下這個是不采用的。在氣體和電流引線之間的熱轉移性能 51提高電流引線的表面積得到改進，例如改成肋骨型或者其他已知的形式。進一步，脈沖管制冷機的脈沖管部分可以作為一種載流排列，與再生器管 上的電流引線并聯。
美國專利號4,876,413描述了一個將GM y轉卩^t表面用作電流引線的 設計。
然而，由于GM冷卻器的結構設計是不同的，GM冷卻器的等溫面并不會 對熱載減少有所貢獻。而且，等溫面是剤艮大不同的，等溫面也是非常小的， 并不延伸到整個管長。本發(fā)明中熱載減少到第一級是通過脈沖管制冷機的等溫 面在縱軸方向均勻分布得到實現的。
根據一個簡單、外部激活的絕緣因素機理或其他分離方法，電氣導體的外 殼可以與脈沖管制J7令機的脈沖管達到分離。這種情況下，由于電氣導體的存在， 就不會有明顯的熱載傳到冷卻器的第一級。
圖4所示為發(fā)明中載流導體的情況。它由一對導體元件64形成，每個元 件都覆蓋一電氣絕緣和熱導體層66。另外， 一個導熱的、電氣絕緣的層可以應 用于脈沖管或熱交換器的外表面上。這種用途下，兩個元件64與脈沖冷卻器 的熱交換器管，^E沖管在機槲卩熱力上連在一起。導體元件的形狀被制造成 與再生器管或脈沖管外表面的皿相符。這個例子中，導體元件的半圓形就近 似于再生器管或脈沖管圓柱型外表面的正視形狀。特定情況下，導體元件是兩 ^H^J以半圓的金屬外殼。導體元件可能不是整半圓的，ii^或許不完整。
實際上，某些瞎況下，不完整可能更好些。元件64的熱能，或者任何由 元件64產生的歐姆熱，都被傳入到再生器管中，并被脈沖管制冷機的操作所 吸收。一旦電流引入完成，可改變機械布置，將元件64從再生器管中取走， 使之不干擾脈沖管制冷機的穩(wěn)態(tài)工作。
圖5所示為根據發(fā)明釆用的一種電氣導體的替代型設計。其中有一個中空 的電氣導體元件68， 一liU:延伸至脈沖管帶jy令機的一對再生器管70的高度。 導體元件68的表面72，它兩邊的皿被塑成管70外表面的相同。圖5所示的 導體元件68,有近乎于半圓的表面72，與熱交換^^沖管70的圓柱型外表面 相一致。這些表面至少都覆蓋有一個導熱的、電氣絕緣的層66，就像自粘性的 聚酰亞胺薄膜，或者是復合材料，例如填充有玻璃纖維或氧化鋁的環(huán)氧樹脂。 另外，這個導熱的和電氣絕緣的層也可應用于熱交換或脈沖管70的外表面。 元件68的材料更期望有一個比較大的熱膨脹系數。當作為一個電流引入導體
{頓時，歐姆熱就會使得元件68膨脹，壓縮表面72到管70，使雜機術聰 力上連在一起。 一旦磁場勵磁完成，元件68通過的電流和因此產生的歐姆熱 就會停止。這就使得周圍設備的溫度冷卻下來，從而將表面72在機械和熱力 上和管70分離出來。另一種情況下，元件68可在每一端閉合，形成一個充滿 氣體的室。元件68的歐姆M使里面氣體膨脹，從而幫助表面72和管70密 合在一起；相反地歐姆熱停止導致的氣體收縮，會幫助表面72和管70實現分 離。
繼續(xù)考慮圖2—3中傳統(tǒng)脈沖管制冷機的管子排列，對脈沖管而言，發(fā)明 中定位載流引線的最有效位置是管子上能提供最大冷卻性能的點。載流導懶各 !^f連接的管子所冷卻，這些管子具有相應的溫度梯度。從周圍通過熱導產生
的熱量，禾n在導體中自己產生的熱量，都會ma從管材料到脈沖管制冷機內氣
體的熱傳導散發(fā)走。這種方式傳導的熱SX會M:脈沖管制冷機的工作從系統(tǒng)
中移走。
圖2中，電導體穿過冷級38的地方，傳^Lh有一個陶瓷絕緣，引入導體70 的接線端子接到冷級的材料中。同樣如果適當的話，這個接線端子70可以連 接M:制冷ah板44和入口壁的電流。 一個柔韌的導體72,例如銅絲或編織 帶，可以M陶瓷絕緣且引入導體70的接線端子與導體相連接。更好的條件 下，高溫超導的引線可以用作導體72。另外，在冷級周圍方JO—個柔韌導體是 可能的，該導體與發(fā)明中的導體在電氣和機械上相連接。這些柔韌導體可以是 編織狀或絲狀銅，或者是高、鵬導材料。相比于銅，高M導材料有鵬優(yōu)勢: 即高的電導率和低的熱導率。
皿一步，本發(fā)明提供了來路和回路的電流導體，而不是通過磁鐵和低溫 保持器設計電流回路。例如，用圖4中的導體， 一個導電元件可以被放在電流 源的正極，而另外一個半圓型的元件可以連接導電流源的負極。另外，這個發(fā)
明可擴展到兩個或更多的導體，導體被各自的脈沖管制冷機的管子所;t4卩，而
且各自分別連接到電流源的正極和負極。在特定的情況，連接到磁鐵10的正 極穿過根據本發(fā)明的導體，該導體由脈沖管46冷卻，而同時正極可并聯一個 由脈沖管42冷卻的導體。這就有額外的優(yōu)點，可以把熱負載散發(fā)到脈沖管制 冷機上，減少了正常狀態(tài)下的中斷。回路也可由一些串連的回路連接形成，分 別被再生器管50、 48所冷卻。
在已知的系統(tǒng)中，正向電流引線是由一，出的冷卻氣流所冷卻。這個
發(fā)明設計了M制冷機的傳到冷卻電流引線的方法。反過來也就實現了冷卻劑 消耗的減少。
在發(fā)明的一些特定情況下，采用這樣一些導體是有優(yōu)勢的，這些導體的材 料當電流M31時膨脹，而電流停止時收縮。如果需要的話，這將改善導體和再 生器管之間的熱導率，而且當電流爬升或下降時，即使沒有要求導體冷卻的其 他瞎況下，仍然會M^再生器管上的熱載。
發(fā)明的另外情況是，真空管與脈沖管制冷機的單個脈沖或再生器管同軸排 列。如圖6所示的單個真空管60， ^^沖管審嶺機的齢脈沖和再生器管周圍。 這些真空管可以用作載流導體，電流爬升或下降時在磁鐵10中導入和導出電 流。當這樣使用的時候，真空管60或者ffiil^^真空管到冷級38、 34的長度 方向進行熱傳導而冷卻，或者M相應脈沖或再生器管材料的熱輻射實現被脈 沖管纏靡口。
如圖7所示，圖l中的一個被低溫冷卻的磁鐵，采用了發(fā)明中的設計，電 流導體20被發(fā)明中的電流導體64所代替，電流導體64通過脈沖管制冷機30 的管子所冷卻。同樣，如圖8所示，3中一個被低溫冷卻的磁鐵，采用了發(fā)明 中的設計，電流導體20被發(fā)明中的電流導體64所代替，電流導體64通a^ 沖管制冷機30的管子所冷卻。
發(fā)明的某些特定情況下，電接觸可以通過"套子"的形式進行，正如發(fā)明 中的導體在制冷機插入的時候，與磁鐵產生電接觸，而且需要的時候不會影響 庫lj冷棚艮務的撤退。圖9所示為這種接觸的一個可能實現，適合在"套子"里 提供。如圖9所示，傳統(tǒng)設計中，有一個躍出的電接觸點90,在機械上已經安 好在套子Hb但JM過絕緣材料92實現電氣絕緣。電氣導體72與接觸點90 相連接。電接觸90由這樣一些材料和^t構成，使得制冷mX作時90能彈回 發(fā)明中導體的電接觸點，而且能被制冷機改變狀態(tài)，允許其在服務操作時撤出 或被代替。
圖10所示為發(fā)明中用同軸電纜的例子。脈沖管制冷機100的低端有一個 同軸連接器的排列。一個外部連接器102作為一個電氣連接器，同時一個同心 內部連接器104作為另一個電氣連接器。典型地，外部連接器102同低溫保持 器的實體相連作為回路，而內部連接器104同磁鐵的正極電流端相連麟電流。
如圖所示，*接線端102， 104都是由彈性撤蟲元件106形成。工作時，圖IO 的同心連接器會接上一個相應的套子，接觸元件106因此轉變?yōu)榭煽康?，也?被移除的同相應套子間的電氣連接。
雖然本文對發(fā)明的一，定應用作了細致描述，但是在發(fā)明的范圍之內， 還可以產生各種不同的變化和,。
權利要求
1、一種通過脈沖管制冷機致冷的低溫保持器，本身包括至少一個脈沖管和至少一個再生器管，并包括電氣設備，其中電氣設備具有電導體，所述電氣設備的電導體與脈沖管制冷機的一個或多個管子保持熱力和機械接觸，而且電導體與一個或多個管子外表面的形狀相符。
2、 如權利要求1所述的低溫保持器，其中， 一個或多個管子的外表面是圓柱形的。
3、 如權禾腰求1或2所述的低溫保持器，當不需要電流導通時，其中 電氣導體可以從與脈沖管制冷機的管子的熱力和機械連接中移除。
4、 一種通過脈沖管制冷機致冷的低溫保持器，本身包括至少一個脈沖 管和至少一個再生器管，并包括電氣設備，其中電氣設備具有電導體，所述電 導體與脈沖管制冷機的一個或多個管子保持熱力和機械接觸，并且當不需要電 流導通時，其中電氣導體可以從與脈沖管制冷機的管子的熱力和機械連接中移 除。
5、 如權利要求1或4所述的低溫保持器，其中，設置有一電氣絕緣的 熱導層，插入在電氣導體和相應的管子之間。
6、 根據前述的任意一個權利要求的低溫保持器，其中電氣導體是由兩 個幾乎半圓的金屬外殼，其和脈沖管制冷機的管子材料保持電氣絕緣。
7、 權利要求6中的低溫保持器，其中電氣導體包括兩個近乎半圓的黃 銅外殼，并靠自粘性的聚酰亞胺薄膜排在一起，保持電氣絕緣。
8、 權利要求6中的低溫保持器，其中電氣導體包括兩個近乎半圓的黃 銅外殼，靠填充有玻璃和/或氧化鋁的環(huán)輸脂排在一起。
9、 根據前述的任意一個權利要求的低溫保持器，其中可以用冷卻氣體 流來冷卻電氣導體的外表面。
10、 權利要求1或4中的低溫保持器，其中電氣導體包括中空的電氣導 體元件，其沿脈沖管制冷機的一對熱交換或脈沖管的長度方向延伸；導體元件 的兩邊被塑形為管子表面的形狀，有一個電氣絕緣的熱導層在中空的電氣導體 元件和相應的管子之間。
11、 權利要求10中的低溫保持器，其中電氣絕緣的熱導層由一個自粘性的聚酰亞胺薄膜、復合材料或特別填充有玻璃纖維或者氧化鋁的環(huán)氧樹脂構造 成。
12、 權利要求10中的低溫保持器，如果4頓電氣導體，歐姆熱會弓胞電 氣導體元件膨脹、擠壓使其表面與管子產生熱力和機械接觸，如果不用電氣導 體，電氣導體元件就會收縮，使其表面與管子(70)的熱力和機械接觸相分離。
13、 權利要求10中的低溫保持器，其中電氣導體元件在每一端閉合，形 成一個充滿氣體的室，以致于當導體元件被用作一個電氣導體時，歐姆熱就會 引起里面氣體的膨脹，從而幫助導體表面與管子產生接觸；相反當歐姆熱消失 時，氣體的收縮則會幫助導體表面與管子分離。
14、 權利要求6中的低溫保持器，其中一個近乎半圓形的外殼與電流源 的正極相連，同時另一個近乎半圓形的外殼與電流源的負極相連。
15、 權利要求1和4中的低溫保持器，其中電氣設備上有兩個電氣導體，針電氣導體都和脈沖管制冷mj:響應的管子保持熱力和機械接觸，齡都和電流源正、負端子中的對應一個相連接。
16、 一種由脈沖管制冷機致冷且包括電氣設備的低溫保持器，其中電氣 設備有一電氣導體，該導體與脈沖管制冷機的單個脈沖管或再生器管同軸排 列，并且和真空區(qū)域保持電氣絕緣。
17、 權利要求1或4或16中的低溫保持器，其中當制冷機處于工作態(tài)時， 和電氣導體之間的電接觸是可彈回電接觸點的，但是當制冷機被移走或被取代 的時候電接觸又可被制冷機彈性變形。
全文摘要
一種通過脈沖管制冷機致冷且包括電氣設備的低溫保持器，其中電氣設備有一電氣導體，所述電氣導體與脈沖管制冷機的一個或多個管子保持熱力接觸和機械接觸。
文檔編號H01F6/04GK101109583SQ20071014210
公開日2008年1月23日 申請日期2007年2月16日 優(yōu)先權日2006年2月17日
發(fā)明者D·M·克勞利, G·吉爾格拉斯, W·施陶特納 申請人:西門子磁體技術有限公司