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制造方法及图纸

一种低温冷却装置包括适于与压缩机连接的供气管路和回气管路。连接元件设置为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，从而连接元件以循环方式调节所供给的气体的压力。感测系统用于监测机械制冷机的工作状态，并且控制系统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。机械制冷机具有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。可选择性连接的热联接件设置为用于根据机械制冷机的工作状态来将机械制冷机的第一冷却区段与第二冷却区段热连接。还公开了一种使用低温冷却装置的方法。低温冷却装置及其使用方法在磁共振成像系统中具有特定的应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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
本专利技术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。本专利技术在磁共振成像(MRI)系统的冷却系统中获得了突出的优点。
技术介绍
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(coolingpower)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，本专利技术获得了应用并且提供了新的优点。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，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。本专利技术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％。本专利技术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。可选择性连接的热联接件可具有多种形式，这些形式包括热管、热开关(例如气隙热开关)或机械热联接件(机械联接件)。热联接件可选择性地热连接是就下述意义而言的，可响应于低温冷却装置的工作状态而建立热联接或断开热联接。热联接件的工作可就下述意义而言是自动的：热联接件处于控制系统的控制之下。在一些形式中，热联接件的工作可就其自身意义而言是自动的，在这种意义下，热联接件的工作直接响应于工作状态并且不需要任何具体的外部控制。应当预见到，可以设置一个或多个这样的热联接件，以便例如在公共的第一与第二冷却区段之间的不同的温度区域内工作，或者在使用具有多于两个的冷却区段的机械制冷机的情况下在不同的冷却区段对之间工作。在第一区段与被冷却部件之间的热学意义上的“短路”是违反直觉的，尽管如本申请的专利技术人所意识到的那样，这样能够可以获得显著而实用的优点。通常可在机械制冷机的稳态下接收其冷却功率，即当最低温度的区段处于其标称基准温度并且目标装置也被大致冷却至该温度时。在这种情况下，机械制冷机的冷却功率仅需要能够处理因目标装置的工作而引起的热负荷或来自外部环境的热负荷。因此，机械制冷机的限制是临时的，并且这些限制主要体现在目标装置尚未达到其标称基准温度并且机械制冷机尚未在稳态下工作的冷却降温期间。本专利技术最大的优点和应用体现在该冷却区域中。具体地说，本申请的专利技术人认识到，热联接件可被用于从第一区段(其冷却功率远高于第二区段的冷却功率)向第二区段提供冷却功率，并且由此向目标装置提供冷却功率。在高温(通常高于70K)下，机械制冷机的第一区段就冷却功率而言显著地强于第二区段。然而，由于实验有效载荷仅与第二区段热连接，在已知的系统中第一区段的冷却功率的大部分被浪费掉，这导致第二区段(以及目标装置)的冷却比第一区段的冷却慢得多。因此，除了通过控制机械制冷剂的工作频率来提高冷却功率以外，本专利技术还使得第一区段的冷却功率能够辅助第二区段的冷却。感测系统监测机械制冷机的工作状态。这种工作状态取决于机械制冷机内的条件，这些条件通常包括压力条件和温度条件。可以监测温度和压力中的一者或每一者，并且通过记录这些参数中温度和压力随时间的变化可以获得更加有益的数据。例如，感测系统可包括适于监测供气管路和回气管路中的至少一者的压力的压力感测装置。从而，当供气管路和回气管路中的一者或两者与工作的压缩机连接时，管路的压力可以用于提供关于机械制冷机的工作状态(其因该制冷机经历冷却循环而发生改变)的反馈。在知晓了机械制冷机的压力响应如何提供关于冷却循环的区段信息(例如，机械制冷机的特定区段内达到的温度)的情况下，关于压力的信息可以用于调节施加循环气体压力的频率。由于“最佳”频率随着机械制冷机的冷却而变化，因此能够在冷却循环期间将频率调节为接近或获得最佳频率(作为温度的函数)。可以存在多于一个的“最佳”频率，这具体取决于首要目的是不是向第一冷却区段或第二冷却区段提供最大冷却功率。压力感测装置可以包括用于监测供气管路或回气管路中的至少一者的压力的压力传感器(例如压力换能器)。通过在这些管路中的一个中使用单个传感器可以很容易地实现本专利技术，然而也可以设想在一个或两个管路中使用一个或多个传感器。为了对气体供给频率提供足够的控制，优选的是：在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温冷却装置，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，其与所述供气管路和所述回气管路气体连通，所述连接元件适于在使用时将气体供给至机械制冷机，并且所述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所述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所述连接元件供给的循环气体压力的频率，其中，所述机械制冷机包括：第一冷却区段和第二冷却区段，所述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，其用于根据所述机械制冷机的工作状态来将所述机械制冷机的所述第一冷却区段与所述第二冷却区段热连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.19 GB 1212800.51.一种低温冷却装置，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，其与所述供气管路和所述回气管路气体连通，所述连接元件适于在使用时将气体供给至机械制冷机，并且所述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所述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所述连接元件供给的循环气体压力的频率，其中，所述机械制冷机包括：第一冷却区段和第二冷却区段，所述第二冷却区段适于与待冷却的目标装置热连接；以及呈热管形式的可选择性连接的热联接件，其用于根据所述机械制冷机的工作状态来将所述机械制冷机的所述第一冷却区段与所述第二冷却区段热连接，其中，所述热管具有与所述机械制冷机的所述第一冷却区段热连接的第一部分和与所述机械制冷机的所述第二冷却区段热连接的第二部分，所述热管适于在使用时容纳可凝结的气态冷却剂，所述低温冷却装置适于在使用时在第一冷却模式下工作，在所述第一冷却模式中，被冷却部件的温度使所述热管的所述第二部分内的冷却剂呈气态，并且所述第一冷却区段的温度使所述热管的所述第一部分中的冷却剂凝结，从而通过凝结液体从所述热管的所述第一部分到所述第二部分的移动使所述被冷却部件冷却，并且其中，所述控制系统还适于在所述低温冷却装置处于所述第一冷却模式时控制所述热管中的环境以确保所述气态冷却剂能够凝结。2.根据权利要求1所述的低温冷却装置，所述感测系统包括适于监测所述供气管路和所述回气管路中的至少一者的压力的压力感测装置。3.根据前述权利要求中任一项所述的低温冷却装置，其中，所述低温冷却装置还包括用于监测所述机械制冷机的冷却区域内的温度的温度感测装置，并且所述控制系统适于根据由所述温度感测装置监测到的温度来控制所述循环气体压力的频率。4.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，其中，所述感测系统包括适于监测所述第一冷却区段、所述第二冷却区段和所述热联接件中的一者或多者的温度的温度感测装置。5.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，其中，所述热联接件设置为能够自动地进行工作。6.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，其中，所述热联接件设置为能够在所述控制系统的控制下进行工作。7.根据权利要求1所述的低温冷却装置，其中，所述低温冷却装置还适于在使用时在第二冷却模式下工作，在所述第二冷却模式中，所述机械制冷机的所述第一冷却区段的温度使所述冷却剂凝固，并且使所述第二冷却区段的温度低于所述第一冷却区段的温度。8.根据权利要求1所述的低温冷却装置，其中，所述控制系统用于调节所述循环气体压力的频率，以便控制所述热管中的环境。9.根据权利要求1所述的低温冷却装置，其中，所述控制系统包括与所述热管热连通的加热器，以便控制所述热管中的环境。10.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，还包括密封在所述热管内的气体冷却剂或气体冷却剂混合物。11.根据权利要求10所述的低温冷却装置，其中，所述冷却剂包括选自下述群组的一种或多种气体：氮气、氧气、氙气、氩气、氪气、二氧化碳、氢气。12.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，还包括与所述热管的内部流体连通的外部容腔。13.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，其中，所述热管包括用于容纳所述冷却剂的内部容腔，并且所述内部容腔容纳有彼此流体连通的所述第一部分和所述第二部分。14.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，其中，所述热管包括壁，在所述壁内设置有用作振动缓冲机构的波纹管。15.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，其中，所述热管还包括防辐射部件，所述防辐射部件用于减少电磁辐射在所述第一部分与所述第二部分之间的通过，所述防辐射部件被布置为允许液体从所述防辐射部件的一侧穿到所述一侧的相反侧。16.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，其中，所述机械制冷机包括附加冷却区段，所述附加冷却区段是所述第一冷却区段与所述第二冷却区段之间的中间冷却区段或者是第三冷却区段。17.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，还包括目标装置，所述目标装置与所述机械制冷机的能够获得最低工作温度的区段热连接，所述热连接是通过高导热率部件实现的。18.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，其中，所述连接元件包括回转阀。19.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，其中，所述连接元件由电动机驱动，并且所述控制系统适于控制所述电动机的转速。20.根据权利要求1或2所述的低温冷却装置，其中，所述机械制冷机选自由下述制冷机组成的群组：脉冲管制冷机、吉福德-麦克马洪制冷机和斯特林制冷机。21.一种将根据前述权利要求中任一项所述的低温冷却装置用于为磁共振系统提供冷却的用途。22.一种低温冷却系统，包括：根据权利要求1至20中任一项所述的低温冷却装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·加赛德，
申请(专利权)人：牛津仪器纳米技术工具有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB