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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

阅读：404发布：2020-12-25

专利汇可以提供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专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且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。，下面是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专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种低温冷却装置，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。
2.根据权利要求1所述的低温冷却装置，其中，所述可选择性连接的热联接件选自由热管、热开关和机械热联接件组成的群组。
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。
4.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。
5.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。
6.根据前述权利要求中任一项所述的低温冷却装置，其中，所述热联接件设置为能够自动地进行工作。
7.根据权利要求1至5中任一项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。
8.根据前述权利要求中任一项在从属于权利要求2时所述的低温冷却装置，其中，所述热联接件是热管，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，并且
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。
9.根据权利要求8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。
10.根据权利要求8或9所述的低温冷却装置，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。
11.根据权利要求10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。
12.根据权利要求10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。
13.根据权利要求8至12中任一项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。
14.根据权利要求13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。
15.根据权利要求8至14中任一项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。
16.根据权利要求8至15中任一项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。
17.根据权利要求8至16中任一项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。
18.根据权利要求8至17中任一项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件之间的通过，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。
19.根据前述权利要求中任一项在从属于权利要求2时的低温冷却装置，其中，所述热管是气隙热开关，所述气隙热开关包括：
第一导热部件和第二导热部件，所述第一导热部件与所述第一冷却区段热连通，所述第二导热部件与所述第二冷却区段热连通，所述第一导热部件和所述第二导热部件被间隙区域隔开，热开关气体能够选择性地提供给所述间隙区域；以及
气体源，其用于选择性地执行下述操作：以第一压力向所述间隙区域提供所述热开关气体，以便通过所述热开关气体实现所述第一导热部件与所述第二导热部件之间的热连通，或者以低于所述第一压力的第二压力向所述间隙区域提供所述热开关气体，以便使所述第一导热部件和所述第二导热部件彼此热隔离。
20.根据权利要求19所述的低温冷却装置，其中，所述气体源是对所述热开关气体表现出依赖温度的吸附特性的吸附剂材料。
21.根据权利要求19或20所述的低温冷却装置，其中，所述第一导热部件和所述第二导热部件被容纳在气密性腔室内，所述气密性腔室在所述第一冷却区段与所述第二冷却区段之间延伸。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述气体源位于所述气密性腔室内。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的低温冷却装置，其中，所述气体源适于受所述控制系统的控制。
24.根据前述权利要求中任一项在从属于权利要求2时所述的低温冷却装置，其中，所述热联接件是机械热联接件，所述机械热联接件包括与所述第一冷却区段热连通的第一导热部件和与所述第二冷却区段热连通的第二导热部件，所述第一导热部件和所述第二导热部件中的至少一者包括导热弹簧元件，所述导热弹簧元件设置为在所述低温冷却装置的冷却期间扩张，从而当所述第一导热部件和所述第二导热部件处于预定温度范围内时，所述导热弹簧元件在所述第一导热部件与所述第二导热部件之间导热。
25.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。
26.根据前述权利要求中任一项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。
27.根据前述权利要求中任一项所述的低温冷却装置，其中，所述连接元件包括回转阀。
28.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。
29.根据前述任一项权利要求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。
30.一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。
31.一种低温冷却系统，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的低温冷却装置；以及
压缩机，其与所述供气管路和所述回气管路气体连通。
32.根据权利要求30所述的低温冷却系统，其中，所述压缩机选自由下述压缩机组成的群组：涡旋式压缩机、回转螺杆式压缩机、回转叶片式压缩机、回转润滑式压缩机和膜式压缩机。
33.一种将根据权利要求31或32所述的低温冷却系统用于为磁共振系统提供冷却的用途。
34.一种磁共振系统，包括：
磁体系统，其包括用于产生适于从目标区域获得磁共振信号的磁场的多个磁体；
射频系统，其用于从所述目标区域获得射频信号；
控制系统，其用于根据所述磁体系统和所述射频系统来控制在所述目标区域的不同部分内体验到的磁场；
处理系统，其用于根据所述射频信号形成图像；以及
冷却系统，其适于在使用时使用根据权利要求1至29中任一项所述的低温冷却装置来冷却所述磁体系统和所述射频系统中的一者或两者。
35.根据权利要求34所述的磁共振系统，其中，所述磁体系统包括超导磁体，所述低温冷却系统还包括设置为用作所述超导磁体的散热器的传热介质，并且所述低温冷却装置用于在使用时从所述传热介质吸取热量。
36.一种控制根据权利要求1至29中任一项所述的低温冷却装置的方法，所述方法包括：
使用所述感测系统监测所述机械制冷机的工作状态；以及，
根据监测到的工作状态来调节由所述连接元件供给的所述循环气体压力的频率。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述监测步骤包括监测下述参数中的一个或每一个：所述供气管路和所述回气管路中的至少一者的压力、所述机械制冷机内的温度。
38.根据权利要求36或37所述的方法，其中，所述连接元件能够以回转方式运动，并且通过使所述连接元件以相应回转速度运动来实现所述频率。
39.根据权利要求37或38所述的方法，其中，根据预定关系来调节所述频率。
40.根据权利要求37至39中任一项所述的方法，其中，调节所述频率，以便将所监测到的压力保持在预定压力范围内。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，根据所述低温冷却装置的最大工作压力来设定所述预定压力范围。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，如果根据所述预定关系所述频率低于最小阈值频率，则将所述频率设定为所述最小阈值频率。
43.根据权利要求37至42中任一项所述的方法，其中，如果根据所述预定关系所述频率高于最大阈值频率，则将所述频率设定为所述最大阈值频率。
44.根据权利要求37至43中任一项所述的方法，其中，所述频率在1Hz至5Hz的范围内。
45.根据权利要求37至44中任一项所述的方法，其中，所监测到的压力在1MPa至
40MPa的范围内。
46.根据权利要求37至45中任一项所述的方法，其中，所述连接元件由电动机驱动，并且所述方法包括控制所述电动机的转速以便控制所述频率。
47.根据权利要求37至46中任一项所述的方法，其中，所供给的气体是氦气。
48.一种根据权利要求37至47中任一项所述的方法，还包括使用所述感测系统来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，并且通过降低施加于所述第一冷却区段的冷却功率或者通过局部加热所述热联接件和所述第一冷却区段中的一者或两者来保持所述热联接件的工作。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，当通过降低施加于所述第一冷却区段的冷却功率来保持所述热联接件的工作时，所述方法包括用所述系统控制器修正由所述连接元件供给的所述循环气体压力的频率。
50.根据权利要求49所述的方法，其中，修正后的频率是恒定频率。
51.根据权利要求48至50中任一项所述的方法，其中，保持所述热联接件的工作的步骤取决于所监测到的温度是否落入预定温度范围内。
52.根据权利要求48至51中任一项所述的方法，其中，所述感测装置适于通过监测所述机械制冷机内的一个或多个压力来间接地感测所述温度。
53.根据权利要求36至52中任一项在从属于权利要求8时所述的方法，其中，当所述热联接件包括热管时，所述方法包括：
i)向所述热管的内部提供预定量的冷却剂；
ii)使所述第二冷却区段具有足以确保所述热管的所述第二部分内的冷却剂处于气相的温度；
iii)操作所述机械制冷机，以使所述机械制冷机的所述第一冷却区段具有使所述热管的所述第一部分内的冷却剂凝结的温度；以及
iv)通过使凝结的冷却剂从所述热管的所述第一部分移动到所述第二部分来冷却所述第二冷却区段。
54.根据权利要求53所述的方法，还包括：
v)在步骤(iv)之后操作所述机械制冷机，以使所述机械制冷机的所述第一冷却区段具有使所述热管的所述第一部分内的冷却剂凝固的温度；以及
vi)进一步操作所述机械制冷机，从而将所述第二冷却区段冷却至比所述第一冷却区段低的工作温度，以便冷却所述目标装置。
55.根据权利要求36至52中任一项在从属于权利要求19时所述的方法，其中，当所述热联接件包括气隙热开关时，所述方法包括用所述控制系统操作所述气体源，以便向所述间隙区域施加工作气体或从所述间隙区域去除工作气体。
56.根据权利要求55所述的方法，其中，操作所述气体源包括操作与所述气体源热连通的加热器。
57.一种控制根据权利要求34或35所述的磁共振系统的方法，所述方法包括：
控制所述低温冷装置以便将所述磁体系统和所述射频系统中的一者或两者冷却至工作温度；
提供至少一个射频信号以便从所述目标区域获得射频信号；
根据所述目标区域的需要成像部位来控制由所述磁体系统产生的磁场；以及处理所获得的射频信号以便形成所述目标区域的所述需要成像部位的图像。

说明书全文

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

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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

[0008] 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：

[0009] 供气管路和回气管路，它们适于在使用时与压缩机连接；

[0010] 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；

[0011] 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

[0012] 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：

[0013] 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

[0014] 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。

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 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，尽管如本申请的发明人所意识到的那样，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。

[0018] 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。本发明最大的优点和应用体现在该冷却区域中。具体地说，本申请的发明人认识到，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。

[0019] 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。

[0020] 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，本发明还使得第一区段的冷却功率能够辅助第二区段的冷却。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 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发明，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：在压力感测装置中将应用所需的最小装置设置为提供关于机械制冷机的状态的足够信息。

[0024] 使用气体管路中的一者内的监测压力一个优点是可提供关于冷却循环的信息而无需直接感测机械制冷机的冷却部分内的环境。应理解的是，在这种情况下，传感器并非设置在机械制冷机的冷却部分内。

[0025] 作为监测工作状态的可选或附加的方法，低温冷却装置还可以包括用于监测机械制冷机的冷却区域内的温度的温度感测装置。这里，与压力监测的情况类似地，控制系统适于根据由温度感测装置监测到的温度(或者根据监测温度和压力信息的位置处的温度和压力中的每一者)来控制循环气体压力的频率。尽管原则上可以在机械制冷机内的许多不同位置处监测温度，但优选地，感测系统包括适于监测第一冷却区段、第二冷却区段和热联接件中的一者或多者的温度的温度感测装置。为此，可以使用一个或多个热电偶。

[0026] 通过连接元件来实现机械制冷机的工作频率。本发明并不受用于将机械制冷机与压缩机连接的特定连接元件的限制。这种连接元件通常可以包括一个或多个阀，这些阀典型地为循环阀。尽管在本发明中回转阀特别有利，但也可以使用各种类型的阀。连接元件通常由例如步进电动机、三相异步电动机或直线直流电动机(其由可变直流电源驱动)驱动。通常由控制系统控制这种电动机驱动器的转速以传递所需的工作频率。

[0027] 继续论述热联接件，热联接件的一个实例是热管。在这种情况下，热管具有与机械制冷机的第一冷却区段热连接的第一部分和与机械制冷机的第二冷却区段热连接的第二部分，热管适于在使用时容纳可凝结(冷凝)的气态冷却剂，并且，低温冷却装置适于在使用时在第一冷却模式下工作，在第一冷却模式中，被冷却部件的温度使得热管的第二部分内的冷却剂呈气态，并且第一冷却区段的温度使得热管的第一部分中的冷却剂凝结，从而通过已凝结液体从热管的第一部分到热管的第二部分的移动来冷却被冷却部件。

[0028] 热管通常为温度驱动的气体热管(如在本文中所描述的)，或者为其他任意类型的热管。因此，热管在使用时收纳能够被凝结成装置中的液体冷却剂的气态冷却剂。液体凝结物的产生为将机械制冷机的第一区段的冷却功率传递至接卸制冷剂的第二区段提供了载体。这通常为“重力驱动”的过程，或者可以使用例如气化冷却剂的膨胀等可选的过程来驱动流体流动。

[0029] 在本发明的低温冷却装置适于在第一冷却模式下工作且本发明从中获得了特定优点的同时，该低温冷却装置还优选地适于在使用时在第二冷却模式下工作，在第二冷却模式中，机械制冷机的第一冷却区段的温度使得冷却剂凝固，并且使得第二冷却区段的温度低于第一冷却区段的温度。因此，当例如从环境温度起进行冷却时，低温冷却装置将在进入第二冷却模式之前进入第一冷却模式。因此，优选的是使用在机械制冷机的各个区段所能够获得的温度下，能够呈现气态、液态和固态的冷却剂。

[0030] 应认识到，对冷却剂的类型以及其被供应至热管的压力取决于具体的应用。使用机械制冷机所遇到一个难题是难以控制机械制冷机的各个区段在并未处于稳态时所获得的实际温度。由于热管仅在其第一部分能够被冷却至使气态冷却剂凝结的温度而其第二部分的温度使得冷凝剂蒸发的情况下才能有效地起作用，这导致了问题。

[0031] 在操作机械制冷机时，第一区段的温度可迅速地降低到冷却剂可保持为液体的温度以下，因此，冷却剂可能固化，这继而阻止了热管的工作。为了延长这一区域从而将低温冷却装置在如所期望那样长的时间里保持在第一冷却模式中，优选的是低温冷却装置的控制系统还适于在低温冷却装置处于第一冷却模式时控制热管的第一部分中的环境，以便确保气态冷却剂能够凝结但不能够凝固。

[0032] 控制系统可通过调节循环气体压力的频率从而控制热管中的环境来实现这一目的。具体地说，这可以包括：当热管(或热管的一部分)处于特定温度范围内时，将工作频率保持在一恒定值，或者反过来例如根据温度在该范围内的函数来改变工作频率。作为可选的或附加的方式，低温冷却装置可以包括与热管热连通的加热器，以便控制热管中的环境。

[0033] 热管可包含密封在热管内的单一的气体冷却剂或气体混合物。典型的气体可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。

[0034] 低温冷却装置还可以包括布置为与热管的内部流体连通的外部容腔。该容腔可具有储槽或储罐的形式，并且该容腔不仅可用于初始向热管供应热管冷却剂，而且可用于在低温冷却装置的操作的各个阶段期间控制热管内的气体的压力。因此，可通过控制系统来使用这种外部容腔，作为压力控制功能的一部分。

[0035] 应认识到，热管的内部通常包括用于容纳冷却剂的内部容腔，并且该内部容腔容纳有彼此流体连通的第一部分和第二部分。因此，容腔的几何形状可以是非常简单的；事实上其可具有简单的圆柱形容腔的形式。第一部分和第二部分通常对应于热管的第一端部和第二端部(或端部区域)，尤其是在采用大致圆柱形容腔的情况下。无论确切的几何形状如何，第一部分和第二部分通常彼此热隔离(热绝缘)。还应当注意，热管的部件可容纳有、安装至或被包含于机械制冷机的其他部件。例如，具体地说，热管的部件可容纳用于形成第二冷却区段的管。

[0036] 上述说明论述了具有第一区段和第二区段的机械制冷机。然而，已知的是某些机械制冷机也可以包括三个或更多个区段。应认识到，本发明可以与这种具有三个或更多个区段的机械制冷机一起使用，理论上，可以使用热联接件来提供所选择的任何一对这种区段之间的冷却。事实上，可以使用两个热联接件的实例在第一区段与中间区段之间(使用第一实例)以及在中间区段与第二区段之间(使用第二实例)进行冷却。这例如可以是使用中间区段来冷却其他装置(例如辐射屏蔽器)的情况。还应当预见到，热联接件可用于在第一区段与第三区段之间提供冷却功率，其次在第二区段与第三区段之间提供冷却功率。在每一种情况下，可根据所期望实现的特定冷却来调节低温冷却装置的工作频率。

[0037] 尽管当目标装置的热质量为高时能够提供极大的优点，但本发明不限于使用任何特定类型的目标装置。目标装置包括实验装置，或者例如可以是用于极低温度实验的稀释制冷机的蒸馏室或混合室。机械制冷机与目标装置之间的热连接可以是例如借助物理夹具等的刚性连接，或者是经由例如抗振连接件等柔性连接件的连接。这种抗振连接件的实例可以是高导热率铜带，这些铜带用于在保持目标装置与最低温度的区段之间的振动最小化的同时将冷却作用最大化。

[0038] 已知振动是使用机械制冷机冷却的装置中特有的问题，因此当热管包括内部设置有波纹管的壁时，可提供进一步的优点，这些波纹管具有振动缓冲的作用。

[0039] 应记得，本发明的主要优点是在装置的冷却期间获得的。在目标装置特别敏感的情况下，热联接件的设置可能会潜在地降低目标装置在机械制冷机的稳态工作期间的工作效率。这可能是由于热联接件为热在机械制冷机的各区段之间的行进提供了弱的路径而造成的。因此，在这种情况下优选的是为热管提供防辐射部件，该防辐射部件用于减少电磁辐射在第一部分与第二部件之间的通过。防辐射部件以这种方式布置：其仍然允许热管工作从而允许液体从防辐射部件的一侧穿到该侧的相反侧。因此，冷却剂可以在防辐射部件的边缘周围经过，或者穿过防辐射部件中的一个或多个小孔。防辐射部件可以选择性地是形成在热管中的一个或多个弯管，以便确保在热管的两端之间不存在径直贯穿的视线。

[0040] 热联接件的可选实例是气隙热开关。通常，这种气隙热开关包括：第一导热部件和第二导热部件，第一导热部件与第一冷却区段热连通，第二导热部件与第二冷却区段热连通，第一导热部件和第二导热部件被间隙区域隔开，热开关气体能够选择性地提供给间隙区域；以及气体源，其用于选择性地执行下述操作：以第一压力向间隙区域提供热开关气体，以便通过热开关气体实现第一导热部件与第二导热部件之间的热连通，或者以低于第一压力的第二压力向间隙区域提供热开关气体，以便使第一导热部件和第二导热部件彼此热隔离。

[0041] 优选地，气体源可包括对热开关气体表现出依赖温度的吸附特性的吸附剂材料。活性炭是实现此目的的多种适当材料的一个实例。优选地，第一导热部件和第二导热部件被容纳在气密性腔室内，该气密性腔室在第一冷却区段与第二冷却区段之间延伸。这为热开关气体提供了储存容器，并且有助于在第一区段与第二区段之间提供一些进一步的机械稳定性。当气体源具有吸附剂材料的形式时，其可设置为靠近第二导热部件，并优选地设置在气密性腔室内。这提供了紧凑的自完备式(self-contained)操作。

[0042] 然而，由于吸附剂材料的特性可能随后取决于第二冷却区段的温度，另一有利的结构是将吸附剂材料设置在允许吸附剂材料的温度独立于第二冷却区段地受到控制的单独的容器中。优选地，气体源适于受控制系统的控制，例如，使用加热器，通过例如弱的热连接件来控制吸附剂材料的温度以及由机械制冷机提供的冷却功率。

[0043] 作为另一个实例，热联接件可具有机械热联接件的形式。可设想出各种机械热联接件，通常可利用材料的热膨胀系数来操作这些机械热联接件，以促使两个部件之间因由此引起的两部件的一部分的相对移动而发生的热接触或热隔离。双金属片结构是这种热联接件的实例。然而优选地，机械热联接件包括与第一冷却区段热连通的第一导热部件和与第二冷却区段热连通的第二导热部件，其中第一导热部件和第二导热部件中的至少一者包括导热弹簧元件，导热弹簧元件设置为在低温冷却装置的冷却期间扩张(伸长)，从而当第一导热部件和第二导热部件处于预定温度范围内时，导热弹簧元件在第一导热部件与第二导热部件之间导热。应注意的是，在这种情况下，其中一个导热部件可以是冷却区段之一的表面。虽然与不提供导热弹簧元件的情况相比，提供导热弹簧元件有利的是可使得热联接件在更大的温度范围内工作，但提供导热弹簧元件并非在所有应用中都是必需的。弹簧本身可以由高导热率材料形成，或者，在材料不具有足够大的热膨胀系数的情况下，可以将高导热率材料的层覆在具有较大热膨胀系数的第二材料上。

[0044] 热联接件可以以多种不同的结构来布置。例如，热联接件可被设置在通向第二冷却区段的脉冲管的周围或内部，并且位于第一冷却区段与第二冷却区段之间。热联接件可设置在第一冷却区段与第二冷却区段之间的回热器管的一部分的周围或内部。在采用吉福德-麦克马洪低温冷却机的情况下，热联接件可位于吉福德-麦克马洪低温冷却机的第二冷却区段管的周围。无论采用何种机械制冷机，均可以设置不同种类或类似种类的多个热联接件。

[0045] 根据本发明的第二方面，提供一种低温冷却系统，该低温冷却系统包括：

[0046] 根据本发明的第一方面的低温冷却装置；以及

[0047] 压缩机，其与供气管路和回气管路气体连通。

[0048] 根据应用可以使用众多不同类型的压缩机，这些压缩机包括涡旋式压缩机、回转螺杆式压缩机、回转叶片式压缩机、回转润滑式压缩机和膜式压缩机。这些压缩机中的每一种均共享用于压缩机气体的供给管路和回气管路的共同特征。对于本发明的使用而言，供给管路可以被视为相对高压管路，而回气管路可以被视为相对低压管路。

[0049] 在上文所论述的根据本发明的低温冷却装置和低温冷却系统在磁共振(具体地说，磁共振成像)领域具有特别有利的应用和用途。

[0050] 根据本发明的第三方面，提供一种磁共振系统，该磁共振系统包括：磁体系统，其包括用于产生适于从目标区域获得磁共振信号的磁场的多个磁体；射频系统，其用于从目标区域获得射频信号；控制系统，其用于根据磁体系统和射频系统来控制在目标区域的不同部分内经历的磁场；处理系统，其用于根据射频信号形成图像；以及冷却系统，其适于在使用时使用根据上述第一方面的低温冷却装置来冷却磁体系统和射频系统中的一者或两者。

[0051] 该磁体系统通常包括超导磁体，低温冷却系统还包括设置为用作超导磁体的散热器的传热介质，并且脉冲管制冷机在使用时有效地从传热介质吸取热量。这种介质可具有液态冷却剂、气态冷却剂或例如高纯度铜等固态高导热率材料的形式。

[0052] 根据本发明的第四方面，提供一种控制根据本发明的第一方面的低温冷却装置的方法，该方法包括：

[0053] 使用感测系统监测机械制冷机的工作状态；以及

[0054] 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。

[0055] 如随本发明的第一方面的论述所认识到的那样，监测步骤优选地包括监测下述参数中的一个或每一个：供气管路和回气管路中的至少一者的压力、机械制冷机内的温度。对于机械制冷机的频率控制而言，通常连接元件能够以回转方式运动，并且通过使连接元件以相应回转速度运动来实现该频率。在实践中，在连接元件由电动机驱动的情况下，可以通过所需电动机电流或电动机转速来实现提供所需频率。

[0056] 通常，循环气体压力的调节的频率被设定为按照预定关系。这种关系可以包括例如线性函数或多项式函数等函数，或者其他数学关系。还可以根据所提供的压力和频率之间的分段关系提供频率。还可以通过使用查找表而非直接计算来实现。在每种情况下，可以通过循环分区段过程实现方法实施过程中的关系应用，例如这种关系应用体现在由适当软件执行的算法中。可以采样和处理表示工作状态的压力或温度数据，以便算法的每次循环都可以对相应频率进行评估，这样允许立即、“实时”地响应压力的变化。

[0057] 在至少某些温度区域内，优选的是，调节频率以便将所监测的压力保持在预定压力范围内。在机械制冷机的工作期间，这种范围可以变窄为预期压力变化的一小部分。在实践中，这种范围可以趋向于单个压力值。范围的大小可能取决于装置的许多参数，这些参数包括随机械制冷机的冷却在压力方面可以实现的控制程度。通常根据装置的最大工作压力设定预定压力范围。例如，机械制冷机或压缩机可以确定这种最大压力。可以将预定压力范围设定为接近于安全参数内实用的最大压力。在热管工作的情况下或者当在机械制冷机内实现了低温时，可以撤销该条件。

[0058] 通常还控制工作频率范围以便给预定关系提供边界条件。例如，如果根据预定关系频率低于最小阈值频率，则将频率设定为最小阈值频率。在实践中，这通常发生在如下情况下：当机械制冷机高于基准温度时，发现根据预定关系可以实现用于在基准温度操作机械制冷机的最佳频率。作为实例，即使基准温度是约4K，也可以在约60K的温度实现最小阈值频率。

[0059] 类似地，如果根据预定关系频率高于最大阈值频率，则将频率设定为最大阈值频率。

[0060] 优选地，方法中所使用的工作频率在1Hz至5Hz的范围内。通常，工作压力在1MPa至40MPa的范围内。

[0061] 尽管气体冷却剂优选为氦气，但本发明并不限于任何特定类型的气体冷却剂。对于通过机械制冷机获得大约2K至4K的极低温的低温应用而言，氦气是优选的冷却剂。

[0062] 在热联接件包括热管的情况下，该方法通常包括：

[0063] i)向热管的内部提供预定量的冷却剂；

[0064] ii)使第二冷却区段具有足以确保热管的第二部分内的冷却剂处于气相的温度；

[0065] iii)操作机械制冷机以使得机械制冷机的第一冷却区段具有使热管的第一部分内的冷却剂凝结的温度；以及，

[0066] iv)通过使凝结的冷却剂从热管的第一部分移动到第二部分来冷却第二冷却区段。

[0067] 此外，在这种情况下，该方法优选地还包括：

[0068] v)在步骤(iv)之后操作机械制冷机，以使得机械制冷机的第一冷却区段具有使热管的第一部分内的冷却剂凝固的温度；以及，

[0069] vi)进一步操作机械制冷机，从而将第二冷却区段冷却至比第一冷却区段低的工作温度，以便冷却目标装置。

[0070] 在热连接件包括气隙热开关的情况下，该方法包括用控制系统操作气体源以便向间隙区域施加工作气体或从间隙区域去除工作气体。为了实现此目的，操作气体源可以包括操作与气体源热连通的加热器。

[0071] 因此，热联接件的工作可被设置成与频率控制相独立。然而，为了提供更高的冷却性能，可根据检测到的热联接件的工作来调节机械制冷机的工作频率。因此，该方法还可包括使用感测系统来监测第一冷却区段、第二冷却区段和热联接件中的一者或多者的温度，并且通过降低施加于第一冷却区段的冷却功率或者通过局部加热热联接件和第一冷却区段中的一者或两者来保持热联接件工作。通常，当通过降低施加于第一冷却区段的冷却功率来保持热联接件工作时，该方法包括用系统控制器修正由连接元件供给的循环气体压力的频率。修正后的频率可以是恒定的频率或者是基于热联接件的工作温度的频率。在每种情况下，可根据检测到的温度是否落入预定温度范围内来保持或延长热联接件的工作。这里应注意，感测系统可以直接使用热电偶或其他温度感测装置来监测温度，或者可以通过对另外的间接参数(例如机械制冷机内的一个或多个压力)的监测来监测温度，这类参数相对于温度具有预定关系。

[0072] 虽然该方法的主要效用是在机械制冷机的冷却循环期间，但还应认识到，通常可以在从基准温度开始加热工作的机械制冷机的同时应用该方法。

[0073] 根据本发明的第五方面，提供一种控制根据本发明的第三方面的磁共振系统的方法，该方法包括：控制低温冷装置以便将磁体系统和射频系统中的一者或两者冷却至工作温度；提供至少一个射频信号以便从目标区域获得射频信号；根据目标区域的需要成像部位来控制由磁体系统产生的磁场；以及处理所获得的射频信号以便形成目标区域的需要成像部位的图像。

[0074] 当磁体系统包括超导磁体时，工作温度低于磁体的临界温度，以使得磁体处于超导区域中(典型的工作温度为4.2K)。如众所周知的，磁场被控制为使得最终的图像包括穿过目标区域(例如病人)的一系列“切片”，通过由磁体系统产生的磁场来确定切片的空间位置。附图说明

[0075] 现在参考附图对低温冷却装置及方法的一些实例进行描述，其中：

[0076] 图1是根据实例的冷却装置的主要部件的示意性总视图；

[0077] 图2示出根据第一实例的具有呈热管形式的热联接件的脉冲管制冷机的细节；

[0078] 图3是阐述实例的实施方法的基本流程图；

[0079] 图4是示出根据实例的机械制冷机的第一冷却区段和第二冷却区段的冷却的示意性温度-时间曲线图；

[0080] 图5是阐述冷却装置的操作的流程图；

[0081] 图6示出包含热管的第二示例性装置；

[0082] 图7A示出包含热开关的第三示例性装置；

[0083] 图7B示出包含机械热联接件的第四示例性装置；

[0084] 图8示出具有抗振特征的示例性热管；

[0085] 图9示出设置在作为另一实例的热管内的防辐射部件；

[0086] 图10是已知的冷却装置的主要部件的示意性总视图；

[0087] 图11示出已知的热管的工作原理；以及

[0088] 图12是包含根据实例的低温冷却装置的磁共振系统的示意图。

具体实施方式

[0089] 为了实现对本发明的充分理解，我们首先参照图10对已知的闭循环制冷机(CCR)系统进行描述。所描述的系统使用呈脉冲管制冷机(PTR)形式的机械制冷机。然而，如从下文的描述中更清楚地认识的那样，根据本发明的系统也可使用例如吉福德-麦克马洪(GM)冷却机等其他类型的冷却机。

[0090] 系统100’包括涡旋式压缩机1’和脉冲管制冷机(PTR)2’。两个气体管路3A’和3B’将涡旋式压缩机1’与脉冲管制冷机2’连接。气体管路3A’和3B’实质上是能够承受高压的气体管路。气体管路3A’是使用时容纳高压的气体冷却剂的供给管路。管路3B’是呈低压管路形式的回气管路。应注意的是，上述高压和低压中的每一个都显著地高于大气压，例如，高压为23至28个大气压，并且低压为3至10个大气压。在本实例中呈回转阀4’形式的连接元件示出为脉冲管制冷机2’的组成部分。回转阀4’由系统控制器5’驱动，并且电动机的工作转速固定以确保回转阀具有由以“Foptimum”表示的频率所给定的恒定回转频率。将该频率设计为脉冲管制冷机在处于其“冷”态或稳态工作温度时所使用的最佳频率。

[0091] 可选地，可以将压力传感器6’设置在压缩机内，以便检测高压管路3A’内的异常压力。涡旋式压缩机1’还设置有旁路系统7’，当检测到高压管路内的压力的临界值时，旁路系统7’受驱使而工作。在已知系统中，总是在冷却降温过程开始时达到高压管路3A’内的临界压力，并且在冷却降温过程中保持较长的时间。根据机械制冷机的类型，该时间可以是达到低温区域所需完全冷却时间的至少三分之一直到二分之一。

[0092] 虽然存在压力的临界值，但旁路系统7’可以保持打开并且允许气体冷却剂在高压供给管路和低压回气管路之间通过。在这种情况下，气体冷却剂是氦气，并且旁路系统7’的操作确保没有氦气散失到外界大气中。由于氦气是一种昂贵的气体，因此上述这点比较重要。

[0093] 上述实例给出了现有技术的标准闭循环制冷机系统，在该系统中，机械制冷机(低温冷却机)由压缩机驱动。已知的机械制冷机可以采取各种形式，这些形式包括吉福德-麦克马洪冷却机、斯特林冷却机、脉冲管制冷机、冷头和低温泵。在这些类型的制冷机中的每一种中，回转阀或其他连接元件调节在压缩机和机械制冷机之间传送的气体冷却剂的质量流量。为了最大限度地利用低温时的冷却功率，机械制冷机设计为：当处于稳态或冷态时，脉冲管制冷机(或等同物)的氦气质量流量与压缩机的最佳工作点匹配。因此，在每个机械制冷机中，存在用于回转阀或其他类型的连接元件的最佳频率值Foptimum，以使冷却功率最大化。

[0094] 然而，应注意的是，氦气和其他气体的重要物理特性在于气体的密度随着温度的下降而增大。在具有机械制冷机的低温系统中，室温和工作温度之间的温度差是约290K，这是非常大的温度差。在约2K至4K的工作温度下，氦气气体冷却剂的密度显著高于室温下的密度。当工作压力为几个大气压时，4K温度下的氦气的密度值比氦气在室温(300K)下的等效密度高100倍。

[0095] 在上述常规闭循环制冷机系统中，在冷却降温过程开始时，由压缩机输送的气体冷却剂的质量流量不能经由回转阀完全传送到脉冲管制冷机。这是因为压缩机的工作频率太低(几赫兹)。结果，压力集聚在压缩机的高压侧。根据系统的初始充气压力值，这时的压力可能会超过临界极限值。通常会设置安全阀，安全阀在这种压力的临界值下工作并且被设置在高压管路中。已知的是，将过剩压力排放到外界大气中，或者如图10所示将安全阀设置为旁路7’形式以使旁路7’有效地将氦气排放到压缩机的低压侧。

[0096] 来自压缩机的电动机8’的动力提供高压供给管路3A’和低压回气管路3B’中的气体冷却剂的压力。因此，旁路可以采取过压阀的形式，并且与将氦气排放到大气中的阀相比过压阀是优选的，这是因为如果压力达到临界值，氦气不会从系统中散失。尽管如此，在最初的冷却降温期间，总是在冷却降温过程开始时达到临界值。

[0097] 之后，随着低温稳态区域的临近，压力降低并且旁路关闭。一旦低压降至稳态下的工作压力，则回转阀的频率和由频率控制的压力(具有Foptimum的频率)对工作温度而言达到最佳状态。

[0098] 下面对根据本发明的闭循环制冷机系统的一些实例进行描述。

[0099] 首先对基本参照图1的装置以及该装置与根据图10所描述的现有系统的比较进行论述。在上述系统与下面要论述的根据本发明的各个实例中的装置之间存在两个主要区别。首先，本发明的示例性装置包括用于监测机械制冷机的例如冷却状态等工作状态的系统，并且根据监测到的工作状态来控制机械制冷机的工作频率。其次，可选择性地连接(接合)的热联接件设置为将至少两个冷却区段热连接，从而能够使用来自较高温度的区段的冷却功率来实现最冷区段的更快的冷却降温。

[0100] 在图1中，具有与图10所示装置相似特征的装置以类似但不带撇号的附图标记表示。

[0101] 在图1中，根据本发明的闭循环制冷机系统示出为系统100。涡旋式压缩机1经由高压管路(3A)和低压管路(3B)与脉冲管制冷机2连接，在这些管路中具有与图10所示的管路类似的工作压力范围。呈回转阀4形式的连接元件同样控制脉冲管制冷机2。在本实例中，回转阀4能够以可变频率F进行工作。在这种情况下，改型的系统控制器是更常规的系统控制器5并且该系统控制器接收来自压力换能器6的信号。该换能器是提供监测信号的压力传感器，该监测信号可与由换能器感测到的压力大小相关。该信号被提供至系统控制器5。系统控制器5包括处理器和相关的可编程存储器。处理器对来自压力换能器6的信号进行采样，并且使用适当的算法或查找表将信号转换为输出到回转阀4的适当的控制信号。这在图1中通过将压力换能器6与系统控制器5连接的线条和将系统控制器5与回转阀4连接的线条示出。因此，系统控制器5提供用于操作闭循环制冷机100的控制机制。应认识到，图1所示的部件为示意性示出的部件，然而还可以存在例如安全阀、油分离器、过滤器、热交换器、传感器等未具体示出的其他常用部件。

[0102] 因此，在呈脉冲管制冷机2形式的机械制冷机的稳态低温工作期间，图1所示的示例性装置具有与图10所示装置相同的优点。然而，在冷却降温过程中，图1所示示例性装置还能够实现更高的效率。这是通过改变回转阀机构的频率以便动态地适应在脉冲管制冷机2和压缩机1之间交换的氦气质量流量来实现的。在例如接近室温的高温下，回转阀4在相应的频率区域内进行工作，该频率区域显著高于与稳态低温下的脉冲管制冷机2相关的最佳设计频率Foptimum。由于存在高频区域，因此与现有技术的系统相比，降低了压缩机的高压侧内的压力，因而机械制冷机能够在初始高温下以不损失效率的方式进行工作。之后，当脉冲管制冷机冷却时，可以降低频率区域，以便在达到稳态温度时接近然后达到Foptimum。

[0103] 因此，与例如图10中的系统100’等已知系统的整体效率相比，显著提高了闭循环制冷机100的整体效率。在该具体实例中，根据由系统控制器5调节的自动反馈机制，按照来自压力换能器的信号来对频率F进行电子控制。应注意的是，在该具体实例中，没有使用温度传感器且没有使用多于一个的压力换能器6。关键参数是系统所允许的最大压力，因为最大压力通常是压缩机的设计限制并且最大压力会决定机械制冷机的可能的冷却效率。

[0104] 因此，使脉冲管制冷机2的效率最大化。应认识到，通过计算或者通过实验测量可以得到用于优化作为所经历的压力的函数的频率F的算法。在推导出这个算法(或等同物)时需要考虑的另一个变量是考虑确保减少整体振动。

[0105] 示例性装置的实际好处在于：闭循环制冷机系统100能够比图10所示的等效闭循环制冷机系统100’更迅速地达到低温区域。还显著增强了高温时可用的冷却功率，从而即使不采用将在下文中描述的热联接件，也可以观察到系统的关键参数整体上提高了至少35％。

[0106] 通过精心控制回转阀的频率，即使不存在热联接件，也能够获得可观的优点。然而，申请人已经发现，对连接元件的频率控制可有利地与机械制冷机的冷却区段之间的可选择性连接的热联接件的应用一起使用。在本实例中，使用设置在脉冲管制冷机的第一区段与第二区段之间的“热管”来提供这种热联接件。现在对热管进行更详细的描述。

[0107] 图11示出了从侧面观察到的热管500’的局部剖视示意图。热管可被视为中空圆筒，该中空圆筒具有沿圆筒轴线延伸的壁501’。热管的每个端部由对应的端件所密封。由于热管500’通常采用大致竖直的取向，因此端件被定义为上端件502’和下端件503’。在图11中，应注意到，上端件502’具有以截锥(或双曲线锥形)方式形成的内表面，从而提供设置在圆筒内的大致中央(有利地，在圆筒的轴线上)的端点504’。热管壁501’通常由薄的不锈钢形成。另外，端件502’、503’通常由例如高纯度铜等高导热率材料形成。热管(例如图1所示的热管)在低温领域是已知的，并且可以填充有例如氦-4等工作流体。

[0108] 热管的工作原理如下：在热管的内部密封有固定量的冷却剂。基于下述工作温度和工作压力来计算所使用的冷却剂的量：热管被设计为在该工作温度和工作压力下工作。

[0109] 由热管内的冷却剂的沸点和熔点来限定热管的适用的温度范围。当热管的上端部的温度为使得气态的冷却剂凝结在热管上端部的表面上的温度时，在上端件502’与下端件503’之间实现了强的热联接件。然后，重力驱使液态凝结物下降到上端件502’的最下端点
504’，然后使液态凝结物从该最下端点504’直接下落到下端件503’上。该下落过程由箭头505’示出。到达热管的下端部的液态冷却剂从热管的下端部吸收热量，如果所吸收的热量足够多，则导致冷却剂蒸发然后沿着热管的长度向上穿过热管以到达上端件502’。气体的向上流动由箭头506’示出。一但接触上端件502’，冷却剂气体就再次凝结并且移动到端点504’，并从此处再次作为液体而下落到热管的下端部。从而，建立起由重力驱使的循环。

[0110] 在上表面上的凝结和在下表面上的蒸发这一连续的过程在热管的两端之间制造出了强的热联接件。如果热管的上端部达到对于热管内的气体在给定的工作压力下凝结而言过高的温度，则该热联接件(的热联接能力)被大幅弱化。由于尽管可能发生气体对流，但与气体和液体之间的状态改变相关联的焓(enthalpy)不再适用，因此热联接件被显著弱化。相反地，如果热管的上端部(或者甚至下端部)的温度足够低以至于导致冷却剂的凝固，则热循环作用停止，并且每一端部变得与另一端部热隔离。

[0111] 图11还示出了呈容器507’形式的室温膨胀容腔。这可以由位于装置外部的周围环境中的罐来实际实现。管508’连接容器507’的内部与热管500’的内部。通常，管与阀门(未示出)相配合。容器507’可用于降低热管内的压力，并且是否使用该容器部分地取决于热管的准确尺寸及其部件的压力额定值。

[0112] 图2示出了根据本发明的本实例的热联接件装置相对于图1所示的机械制冷机的示意性布置。在本实例中，脉冲管制冷机(PTR2)是具有以附图标记101示出的第一区段和以附图标记102示出的第二区段的两区段式脉冲管制冷机。如已知的那样，在稳态工作期间，脉冲管制冷机2的第二区段102达到低温(例如几K)。可以使用达到低温的第二区段102来冷却各种类型的目标装置，包括磁体系统的一部分、实验用传感器的一部分、或用于实验用途的其他装置的一部分，或者例如用于预冷却稀释制冷机的蒸馏室。这种目标装置
103示出为直接附接在PTR的第二区段102上，这样可确保良好的热传递，从而使脉冲管制冷机2的第二区段的冷却功率最大化。

[0113] 图2还示出了位于脉冲管制冷机2的第一区段101与第二区段102之间的热管110。热管110具有上端部111和下端部112，上端部111经由高导热率联接件与第一区段
101连接。类似地，下端部112也经由高导热率联接件与脉冲管制冷机2的第二区段102连接。在每种情况下，可经由中间部件来设置这种联接件，或者可简单地通过大表面积的直接连接(直接接触)来设置这种联接件以便使跨过各端部与对应区段之间的界面的热传导性最大化。在本实例中，没有示出容器形式的外部容腔，尽管根据具体应用也很可能存在这样的外部容腔。上端部111包含内截锥形表面114。在热管110的内部容腔中填充有作为冷却剂115的氪气。

[0114] 尽管热管110示出为与脉冲管制冷机的各个区段101、102连接，但应理解的是，这只是示意图。在实践中，可有利的是将热管110设置在脉冲管制冷机2的“占地轮廓”(即，几何包迹)以内，因为这样允许在现有设备上加装装置，作为对现有脉冲管制冷机的升级。

[0115] 尽管在图2中示出了脉冲管制冷机2，但应认识到，通过使用具有该特定示例性布置的其他机械制冷机，可以获得类似的本发明的优点。由于脉冲管制冷机在低温区域中不包含移动部分，因此脉冲管制冷机是特别有利的并且特别适用于低温下的相对低振动的工作。

[0116] 热管110的工作原理为：使脉冲管制冷机2的第一区段和第二区段在装置的冷却期间热联接。在环境温度下，脉冲管制冷机的第一区段具有大约300瓦的冷却功率，而第二冷却区段的冷却功率为大约100瓦。随着各区段的温度降低，每个区段的冷却功率降低，尽管如此，第二区段的冷却功率的降低比第一区段的冷却功率的降低更多，由此提供了温度降低时两个区段的热冷却功率的提高的比例差异。应认识到，在图2中目标装置103与第二区段102直接连接，因此在不存在热管110的情况下(更确切地说，在热管不工作的情况下，因为此时各个端部彼此基本上热隔离)，目标装置103将仅接受第二区段102的冷却功率。热管110使得能够以第一区段的冷却功率来辅助目标装置103的冷却。至关重要地，这仅发生在装置的冷却期间，并且因此发生在在各区段的标称基准工作温度(稳态)达到之前。另外，仅在装置的冷却降温期间提供从第一区段到第二区段的冷却功率的有利的转移，并且重要的是该作用在装置达到用于稳态工作的基准温度之前停止。因此，第一区段优选地辅助第二区段的冷却，直到第二区段已达到或接近第一区段的基准温度为止。在向第二区段提供第一区段的冷却功率时，这一冷却功率的提供是通过在热管110内建立温度循环而实现的。

[0117] 该循环是与参考图11所描述的循环相同的循环，也就是说，气相的氪的在热管的上端部111发生凝结，液体滴落到下端部112，并且在下端部112加热该液体以导致液体蒸发。然后，已蒸发的氪气在热管110中向上行进而在上端部111的表面上再次凝结。

[0118] 借助这一设计，热管内的凝结将在预定温度下停止，从而使第二区段102与第一区段101热隔离。然后，该热隔离允许第二区段102继续进行冷却，直到第二区段102达到其用于稳态工作的标称基准温度。

[0119] 如已参考图1所具体论述的那样，可以根据机械制冷机(在本实例中为脉冲管制冷机)的工作状态来调节机械制冷机的工作频率，机械制冷机的工作状态具体涉及第一脉冲管制冷机和第二脉冲管制冷机中的每一个所达到的温度以及呈热管形式的热联接件是否有效地提供了两个脉冲管制冷机的区段之间的热“短路”。通过仔细地控制机械制冷机的工作频率，冷却功率可以得到优化，并且冷却功率可以指向适当时间的适当区段，并且因此可以显著地改善系统的整个冷却降温时间。

[0120] 下面参考图3，图3是图1和图2所示的装置的工作方法的流程图。另外，还参考图4，其中第一区段101的温度(以“PT1”示出)和第二区段102的温度(以“PT2”示出)示意性地绘制为温度-时间曲线图。如上面所注意到的，本实例中的冷却剂是氪气，尽管其他气体或气体混合物也是可行的且应被认为是希望实际实施本发明所用的气体。图3所描述的方法涉及装置从环境温度到实现稳态工作的工作标称基准温度的冷却降温。

[0121] 参考图3，首先，通过在步骤200中填充氪气来准备热联接件(在本实例中为热管110)。在本实例中，使用大致三个大气压的压力。应注意，氪气在大气压(一个大气压)下具有120K的沸点和116K的熔点。

[0122] 在步骤201中，脉冲管制冷机的冷却开始。在该阶段，脉冲管制冷机的各区段处于环境温度下并且脉冲管制冷机系统内的气压处于其最高气压。出于这个原因，系统控制器5开始以最大转速操作回转阀4(步骤202)。参考图4，步骤202在温度-时间曲线图上出现在点A。如本领域技术人员所了解的那样，当脉冲管制冷机(例如被设置在低温恒温器内的脉冲管制冷机2)工作时，第一区段101以显著快于第二区段102的速度进行冷却，尤其是在仅第二区段上附接有显著的热质量的情况下。这在图4中以示出第一区段和第二区段的温度的曲线的相对负梯度示出。例如，在大约3.5小时的时长之后，第二区段(“PT2”)相对于环境温度仅被冷却大约10至20K。与之对比，第一区段(“PT1”)已被冷却至120K，应记得，该温度为氪气的沸点。还应记得，脉冲管制冷机100的第一区段101与热管110的上端部111处于强的热连通。因此，上端部与第一区段基本上具有相同的温度。因此，在第一区段达到120K的温度之前，尽管可能存在某些由对流引起的对第二区段的相对小的冷却作用，但热管有效地断开并且不作为热联接件而工作。

[0123] 同时，当脉冲管制冷机内的氦气进行冷却时，系统控制器5确实地使回转阀4在此期间减速，尽管大得多的热质量可与第二区段进行热连通，但系统的冷却功率在此期间主要用于冷却脉冲管制冷机的第一区段，并且几乎不用于冷却第二区段。本申请的发明人注意到，一般来说，在整个冷却过程中，希望所监测到的高压管路中的压力尽可能地接近其最大工作压力，以便使脉冲管制冷机的冷却作用的效率最大化。系统控制器5根据从压力传感器6读出的压力来作用于此。

[0124] 在图4中的点B，第一区段101达到了120K的温度。热管在该温度下开始工作，并且有效地将闭合的热联接件置于第一区段与第二区段之间(见图3中的步骤203)。在此温度下，热管110内的氪气开始在表面114上凝结。因此，凝结过程开始，并且借助冷液体从热管110的上端部111到下端部112的滴落，向第二区段提供了显著提高的冷却功率。冷却功率从第一区段到第二区段的转移导致了图4的第二区段冷却曲线中的变陡的负梯度，并且继而导致了第一区段的梯度的增大(负值变小)。

[0125] 如参考图5所进一步说明的那样，系统控制器5使用来自热管区域中的一个或多个热电偶的温度测量值来监测热管何时处于其工作温度。可以使用压力测量来间接地进行温度测量，对于使用脉冲管制冷机的不同应用系统，可能需要对压力测量值进行校准。假设它们始终遵循相同的冷却降温曲线，则压力是当热管起作用时的有效的测量值。热管工作期间的目标是使传递到与脉冲管制冷机的第二区段相连的热质量的冷却功率(冷却能量)最大化。在实践中，如果在热管的工作期间使用与在较高温度中(在点B之前)所使用的受控冷却区域相同的受控冷却区域，则可以观察到脉冲管制冷机的第一区段比预期更快地冷却到氪气的凝固点以下。这是因为，随着第二区段进一步地冷却，第一区段上的热负荷将减小。氪的冻结导致热联接件因热管的工作停止而“断开”。因此，有利的是对热管工作期间所采用的脉冲管制冷机的冷却区域进行调整，以便使热管的工作延长，并且因此延迟氪发生凝固的时刻。

[0126] 在图3的步骤204中实施冷却区域的调整。在本实例中，在测量出的温度处于预定范围内的情况下，将回转阀的转速修正为预定的调节值，该调节值以脉冲管制冷机的第一区段的冷却功率为代价，使脉冲管制冷机的第二区段的冷却功率最大化。本领域技术人员可基本上理解脉冲管制冷机以及其他机械制冷机的调节的一般概念。例如，通常在最初设定脉冲管制冷机时首次进行调节。在脉冲管制冷机中，施加于脉冲管制冷机的高气压和低气压的大小、频率和相位与它们对第一区段和第二区段所能获得的冷却功率的作用之间存在复杂的关系。同时，在脉冲管制冷机初始设定时的调节可包括对某些气体管路中的气体阻抗进行设定，在本实例中，步骤203中的“调节”仅涉及脉冲管制冷机的工作频率。在热管的工作期间，频率(回转阀的转速)被保持在预定恒定值(其为调节实验的结果)，该频率加强了第二区段的冷却作用并且削弱了第一区段的冷却功率，从而使热管的工作延长。这示出为图4中的C，此处第一区段的温度由于热量被热管从第一区段转移到第二区段而停止降低并且保持大致恒定。

[0127] 如可从图4中看出，在热管工作期间，第二区段的温度超过120K，因此到达热管的下端部的液体被加热并且蒸发，然后移动回上端以便进一步凝结。如图4所示，第二区段因此经历加速冷却(温度-时间曲线的梯度的负值更大)而第一区段的温度保持大致恒定。应注意，作为在步骤C中使脉冲管制冷机以恒定的频率工作的替代方式，可以使用安装在热管的上端部111处的加热器来实现类似的作用。这在图2中示意性地示出为116。然而，使用加热器并不是优选的，因为其向系统整体地引入了额外的热负荷。应理解的是，使用恒定的操作频率或使用加热器是有利的，尽管其不是必需的从而在某些实际应用中可能不被采用。为了在整个上述过程中进行精确控制，采用如图2所示的系统控制器5，该系统控制器5与脉冲管制冷机2和加热器116(如果存在)连接。初始控制基于第一区段的温度。同时还测量第二区段的温度以允许点E(如下所述)被检测到可能是有利的，在这种情况下，设置热电偶(在图2中未示出)以测量热管的与下端部112相邻的腔室的下部分中的氪的温度。这也向系统控制器5供应信号。

[0128] 返回参考图3和图4以及对方法的描述，脉冲管制冷机在步骤204期间持续以恒定频率工作，同时所测量出的热管的温度在预定范围内。在该过程期间，第二区段的温度降低，这反过来导致第一区段的热负荷减小。然后，一旦热管的下部分的温度落到范围以外，冷却即返回到前述依赖频率的控制，并且系统控制器5逐渐地使回转阀4的转速变慢。在图3所示的实例中，回转阀的转速随后在步骤205中达到预定的最小值，该值为将第二区段冷却至其最低温度的最佳转速值。这示出为图4中的点D。在这种情况下，在热管在步骤206中落到其最小工作温度以下(热管在此点处变为断开的热联接件)之前，回转阀达到其最小转速。一旦第一区段在点E处达到116K，液态氪将在热管的上端部处固化，并且热联接件变得断开。应认识到，取决于系统设计，在图4中，点D可能出现在点E之后。

[0129] 然后，第一区段和第二区段中的每一个在步骤207中继续冷却(示出为图4中的F)。在仅9个小时之后，第一区段在步骤208中达到其工作标称基准温度(图4中的G)，这显著地早于第二区段达到其基准温度的时刻。第一区段的标称基准温度的实例为50K。如图4所示，第二区段在大概12小时之后的点H处最终达到其标称基准温度，例如4.2K或更低(步骤209)。最终，一旦第二区段被冷却至其基准温度，则目标装置达到其工作温度，然后，装置做好了步骤210所示的稳态工作的准备。

[0130] 如将从下文中所认识到的，热管将仅在图4所示的曲线中的点B和点E之间对冷却进行加速。具体地说，在这些点以上或以下的温度中，热管将不提供该功能(除了在升高温度下管道中的气体自然对流之外)。出于这个原因，可为有利的是在热管200内使用具有不同熔点和沸点的气体的混合物(或者使用等价的多个热管，每个热管具有其自己的冷却剂)，这将有助于在更高和/或更低的温度下进行冷却，并因而提供更大的工作温度范围。

[0131] 在理想的情况下，第一区段在点B处的全部冷却功率将被添加给第二区段的冷却功率。在与脉冲管制冷机成一体的热管中使用例如氪等冷却剂的情况下，这将等效于增加150W的冷却功率。与之对比，在无热管且对脉冲管制冷机的回转阀不进行频率控制的情况下，点B与点E之间的平均冷却功率将小于75W。因此，本发明在实际应用中在热管的工作范围内提供了大于两倍的冷却功率。应认识到，在热管容纳多种气体且每种气体在不同的温度范围里工作的情况下，或者在多个热管相平行且每个热管在不同的温度范围里工作的情况下，如在图3和图4中那样，可以可选地对每个热管气体在其最佳冷却温度下重现点B到点E的过程。

[0132] 下面参考图5，参照工作压力控制和回转阀转速对图2所示的系统的工作进行更详细的描述。

[0133] 在步骤300中，启动压缩机1并且压缩机的电动机8开启。在步骤301中，系统控制器5使回转阀4以所讨论的脉冲管制冷机2的最大转速(“SL”)转动。在图5中该值被表示为“Qmax”。在步骤302中，对来自压力换能器6’的信号进行采样和噪声滤波和/或通过算法取平均值，其中采样是以几毫秒的采样率来进行的。在步骤303中，通过将若干计数值的平均压力信号/经噪声滤波的压力信号转换成压力读数来求出第一压力读数(标示为“Pactual”)。在步骤304中，将Pactual与预定的设定点值(标示为“SPmax”)进行比较。如果压力Pactual大于SPmax(其通常可能为410psi或2.83MPa)，则在步骤305中压缩机自动停止并且显示故障代码。当高压管路未与回转阀4连接或者高压管路堵塞或者回转阀未回转时，这种故障通常会发生。

[0134] 然而，如果压力低于410psi(2.83MPa)的设定点压力，则在步骤306中使用第二算法，在第二算法中，系统控制器5开始以预定采样率获取监测的压力读数。取回转阀的至少一个完整循环中的压力测量值的平均值，以便生成平均压力测量值。这是因为，当阀门打开和关闭时，压力循环地上升和下降。算法转换来自压力换能器6的压力值的滚动平均数并且将该求出的值赋予Pactual。

[0135] 在步骤307中，从热管热电偶(热管用作热联接件)提取温度测量值(“Tlink”)。在步骤308中，评估温度测量值是否落入最低温度(“最小值”)与最高温度(“最大值”)之间的预定温度范围内。如果步骤308的评估结果是测量出的温度确实落入该范围内，那么转速被设定为预定恒定值(“Qlink”)。这影响到图3中的步骤204。如果评估结果是温度并未落入该范围内，则方法转入步骤310。

[0136] 在步骤310中，将Pactual与设定点压力SP1进行比较。在冷却期间，SP1可基于最近的压力历史或基于例如直接温度等另一测量值来可选地发生改变。算法可确定SP1。然而，在这种情况下，SP1是略微低于压缩机设计所允许的最大压力(SPmax)的单一压力(SP1例如是400psi、2.76MPa)。在可能的情况下，优选的是：以可以被视为SP1的最高安全压力来操作脉冲管制冷机，从而实现脉冲管制冷机2的最大冷却功率。随着脉冲管制冷机2的冷却，保持接近于SP1的高压所需的回转阀4的转速逐渐降低。出于这个原因，优选的是使回转阀4逐渐减慢。这通过监测压力Pactual来实现。

[0137] 如果平均压力Pactual小于设定点压力(SP1)，则需要进行步骤311，即优选地降低回转阀4的转速。在步骤308中，计算评估转速Ev。转速Ev被计算为从当前转速(SL)减去量“Δf”(Δf表示转速的递减变化)。在步骤312中，将该评估转速与转速Qmin进行比较。Qmin是脉冲管制冷机2在“冷态”下的最佳转速(即在基准温度下所使用的转速)。如果评估转速Ev不小于Qmin，则在步骤313中，将降低的转速指定为新转速SL。转速降低后，算法返回到步骤303并且重复。

[0138] 如果在步骤308中计算出的评估转速Ev小于Qmin，则在步骤314中将转速SL设定为Qmin并且算法返回到步骤303。

[0139] 步骤310中的另一种选择是：压力Pactual不小于SP1。在这种情况下，优选的是增大回转阀4的转速。然后，在步骤315中进行与在步骤308中进行的计算相似的计算，即计算评估转速Ev。然后在步骤316中，将该评估转速与转速Qmax进行比较。Qmax是回转阀4的最大工作转速，而Qmax又由脉冲管制冷机2的最大工作转速设定。

[0140] 在步骤317中，如果评估转速Ev不大于Qmax，则将转速(SL)增大至Ev。然后算法返回到步骤303。

[0141] 如果评估转速Ev大于Qmax，则在步骤318中将转速SL设定为Qmax并且算法同样返回到步骤303。

[0142] 虽然本实例的重点在于例如脉冲管制冷机2等闭循环制冷机的冷却循环，但还应注意的是，上述过程同样可以在从基准温度开始升温的过程中实施。这种情况示出在图3中，其中步骤211示出如何采用临时时间段的热源能够导致系统的加热，并且系统返回到图4中的状态A至H中的一个状态。此外，虽然在使用提供来自热联接件的温度信息的热电偶的情况下论述了图5，但在实践中，“Tlink”的值可以选择性地由间接校准的压力测量值来代替。

[0143] 存在许多不同的实践手段，通过这些手段可以实现决定图5的过程的算法。在图5中，可以通过等式f＝c(Pactual–SP1)(c是常量)计算“f”值。这确保在每个过程循环期间可以实现的转速的变化幅度与实际压力(Pactual)和所需压力(SP1)之间的差值成比例。

[0144] 应认识到，可以借助于查找表容易地实现图5的示例性实例。当然可以设想出有效地具有温度-压力区域的连续性的更高级系统，并且借助于查找表中相应数量的表格条目或者借助于根据例如线性逼近或多项式逼近的计算来实现该系统。这可能包括用于优化系统的性能(例如减少振动)的额外考虑因素的使用。

[0145] 参考图6以示出第二示例性装置。在该实例中，两区段(两级)吉福德-麦克马洪低温冷却机20实现机械制冷机的功能。这里，与根据第一实例所论述的脉冲管制冷机类似地，设置第一冷却区段21和第二冷却区段22，每个冷却区段设置有与其他部件热连接的厚的高导热率铜板。与第一实例的脉冲管制冷机2类似地，最终在稳态工作时，第一区段21被冷却至比第二区段22的温度高的温度。如图6所示，薄的不锈钢管24同轴地围绕冷却机的包含相对应的管23的第二区段。在使用时，该同轴管用作热管并且通过填充管路25经由阀门26填充氖气(或其他任何适当的气体)。同轴管的每一端通过气密性密封件被密封至第一冷却区段和第二冷却区段的各个铜板。因此，该同轴管连同其所围绕的第二区段的管一起形成了容器，该容器围绕第二区段的管并与第二区段的管良好地热接触。

[0146] 如将认识到的那样，以与脉冲管制冷机差不多的方式，通过施加循环气体压力以迫使活塞(有时被称为移位器)沿着冷却机进行往复运动来操作吉福德-麦克马洪低温冷却机。以与使用连接元件来控制脉冲管制冷机的工作频率相类似的方式，也可以在可控频率下类似地驱动该活塞。图6示意性地示出了吉福德-麦克马洪低温冷却机的每个区段怎样配置热电偶(27、28)。控制系统(在图6中未示出)来监测来自这些热电偶的信号，以便控制吉福德-麦克马洪低温冷却机的工作频率。

[0147] 热管用于将第一冷却区段21与第二冷却区段22热联接。具体地说，由于可传递到第一区段的冷却功率大于可传递到第二区段的冷却功率，因此需要将第一区段与第二区段热联接或使第一区段与第二区段“短路”，从而可以利用第一区段的更大冷却功率来冷却与第二区段热连通的任何热质量。

[0148] 因此，热管可在初始冷却阶段期间工作，在初始冷却阶段中，对第一区段和第二区段进行从室温向第一区段的稳态温度的冷却降温。本申请的发明人注意到，取决于所使用的气体的类型、所使用的气体的工作压力以及所需的稳态温度，第一区段21的稳态温度可能低于热管内的气体的凝固点。每个区段可设置有辅助加热源(使用以附图标记29、30示意性地示出的加热器)以防止热管内的气体的任何凝固，在这种情况下，图5中的步骤307至309相应地进行变型。再者，作为替代方式，可以采用对低温冷却机的工作频率的修正来延长热管的作用。在该阶段里，吉福德-麦克马洪低温冷却机的频率被驱动为最大限度地共同冷却第一区段和第二区段。因此，在该冷却区域中，吉福德-麦克马洪低温冷却机在有利于将第一区段的冷却功率最大化的频率下进行工作。即使因热管所提供的热联接件而使更多的冷却功率被传递至第二区段22，在热管的工作期间也持续采用该冷却区域。

[0149] 随着每个区段进行冷却，在第二区段的温度最初高于第一区段的温度的情况下，通常在热管的工作已结束(因冷却剂的固化而结束)一定时间之后，随着第一区段21达到其基准温度，第二区段22最终达到与第一区段21的温度相近的温度。此时，采用不同的冷却区域，由此降低吉福德-麦克马洪低温冷却机的工作频率以优化第二区段的最终温度。在图4中热管进行工作的区域B至区域E中，对第二区段进行冷却功率的优化，以降低第一区段的冷却功率并使保持热管工作所需的热量最小化。在点E之后，将频率调节至给予最低基准温度的频率，该频率可以与在100K的温度下使第二区段的冷却最大化的频率不同。
通过用计算机控制器作用在来自吉福德-麦克马洪低温冷却机的冷却区段的温度反馈或吉福德-麦克马洪低温冷却机的一部分中的压力上，可以容易地实现这一目的。

[0150] 在图7A中示出了第三实例。与利用热管的前述实例不同，在本实例中，通过使用“气隙热开关”来提供热联接件。气隙热开关利用特定气体的传热性质(尤其是跨过非常短的距离的传热性质)来影响可接合的热联接件。在气隙热开关的最简单的形式里，气隙热开关包括在工作条件下彼此非常接近但并不物理接触的高导热率表面。除了跨过表面之间的间隙而传递的相对小的热辐射以外，如果两表面之间的环境是排空的，则几乎没有热量跨过两表面之间的间隙而传递。在这种情况下，气隙热开关可被认为是“关断(OFF)”或“断开”的，并且如果两表面之间的气体具有足够低的压力而处于所谓的“分子(molecular)”区域中，则发生气隙热开关的闭合。如果在此之后气体被引入表面之间，则实现了使气体处于“粘性(viscous)”区域的适当的压力区域，于是可实现跨过间隙的相对大的热量传递。可以使用用于低温应用的包括氖气、氙气、氦气(包括氦-3和氦-4)在内的不同气体来实现这一作用。可通过适当的泵送系统将气体引入表面之间的间隙或者将气体从表面之间的间隙排空。然而，在低温应用的情况下，有利的是使用吸附剂材料与适当的加热和冷却系统的组合来调节气体压力。由于这样能够使气隙热开关在不借助任何机械移动部分的情况下进行操作，因此是有利的。

[0151] 图7A示出了在本实例中如何利用气隙热开关来实现热联接件。在这种情况下，脉冲管制冷机30在位于第一冷却区段31与第二冷却区段32之间的位置设置处有气隙热开关40。以与前述实例有些类似的方式，气隙热开关实例化为不锈钢管41，不锈钢管41位于脉冲管制冷机30的第一区段与第二区段之间并且通过气密性密封件被密封到相应区段的高导热率铜板上。由高导热率铜形成的第一杆42设置在不锈钢管内并且从第一冷却区段朝向第二冷却区段突伸。类似地，第二高导热率铜杆43从第二区段朝向第一区段突伸。两杆的相应端部形成为以对置的方式彼此对准且彼此分隔一小的间隙的面。优选地，对置端形成为具有大的表面积，例如在对置端设置彼此吻合的城堡形结构来增大杆间对置表面的面积。在实践中，各表面可在环境温度下彼此接触，而仅在低温下在各表面之间形成间隙。这应当是有利的，因为其可以通过提供杆间的物理传导性接触来将高温下的冷却作用最大化。设置填充管路44，以便能够经由阀门45以通常超过一个大气压的压力开始向气隙热开关40填充预定量的气体。在本实例中，选择氖气作为合适的气体。也可以使用氖气与氙气的混合气以获得有益效果。

[0152] 在气隙热开关内、不锈钢管的端部处设置有用作吸附剂材料的一定量的活性炭46，活性炭46设置为紧靠第二区段的铜板且围绕朝向第一区段向上突伸的杆43。活性炭具有以温度为函数来吸附氖气的性质。在例如150K的相对高的温度下，几乎不发生吸附，并且气体压力为：使杆表面之间能够形成高传热的“粘性”区域。在例如低于40K的低温下，活性炭的吸附能力显著提高，并且使得氖气或氖/氙混合气的压力减小至“分子”区域。

[0153] 因此，通过调节活性炭的温度，可以使气隙热开关40选择性地处于“导通(ON)”或“关断(OFF)”状态。在本实例中，基于在气体回路的高压侧监测到的压力来选择系统控制器所采用的冷却“模式”，并且该压力表示脉冲管制冷机回路中的平均温度。如在前述实例中那样，当炭吸附剂相对温暖且氖气压力为高从而使气隙热开关“导通”时，第一区段与第二区段被热短路，并且控制器以相对高的频率操作脉冲管制冷机，以便向热联接的第一区段和第二区段提供快速冷却。氖交换气体在气隙热开关40内保持为气体状态，直到第二区段冷却至足够低的温度从而气体被强力地吸附到活性炭吸附剂46内并且降低了气隙热开关内的气体的压力时为止，由此移除了杆间的热流路。随后，在跟随解除由气隙热开关提供的两个区段之间的热联接的阶段里，控制器降低脉冲管制冷机的工作频率，从而采用使第二区段的冷却得到优化的冷却区域，并且第二区段冷却至大致比第一区段更冷的基准温度。

[0154] 气隙热开关内的吸附剂材料46的存在提供了以作为温度函数的可预测方式进行工作的自备式自动系统。为了提供提高的工作灵活性，吸附剂材料可以设置在单独的腔室50内，而非设置在不锈钢管的范围内。在这种可选的情况下，如图7A中的虚线所表示的那样，单独的腔室可设置为通过弱的热联接件51与第二冷却区段弱地热连通(以便提供促进吸附所必需的冷却作用)。优选地，腔室50可设置有(处于控制器的控制下的)小型加热器52，小型加热器52可用于在第二区段的温度降低至交换气体的有效吸附温度以下时保持气隙热开关处于“导通”状态。从而，加热器52用于使热开关保持工作，不管第二区段的温度是否降低至使气隙热开关保持为“导通”的温度以下。一种实际的限制可发生在气体凝结在气隙热开关的表面上时。本申请的发明人注意到，加热器52自身可响应于第一区段或第二区段(或第一区段和第二区段中的每个区段)的基准温度而受到控制，或根据脉冲管制冷机的监测到的压力(如用于控制脉冲管制冷机的频率时那样)而受到控制。

[0155] 图7B示出了与图7A有些类似的另一个实例，在图7B中，气隙热开关被可热膨胀的联接件所代替。这里，位于第一冷却区段与第二冷却区段之间不锈钢管55包围着从第二冷却区段朝向第一冷却区段突伸的高导热率杆56。也由例如铜等高导热率材料制成的短杆57从第一区段朝向杆56的端部突伸。预加载的高导热率弹簧58安装在杆56的端部，并且桥接杆56与57的对置端部之间的间隙以使杆56与57之间形成良好的热接触。弹簧被预加载，使得当各区段冷却并且各杆轴向接触时，弹簧58扩张以便保持一定温度范围内的热连接。由此，在室温下，各杆经由预加载的弹簧而热接触。随着各区段的温度降低并且各杆发生收缩，杆56的端部远离与之相对的杆57的端部而移动，弹簧58因卸载荷而扩张，从而保持上述热接触。然而，当继续冷却时，弹簧被完全卸载荷，并且在更低的温度下，热联接件因弹簧脱离与杆57的接触而断开。通过仔细地选择弹簧和预载荷力，热联接件可以在从室温直到所需预定温度的范围内生效。作为其他实例，可以监测系统的各部分的温度或者监测压力响应以便估计联接件何时断开，并且可以相应地调整冷却机的冷却模式。应认识到，作为热联接件的其他实例，该机械热联接件同样适用于脉冲管制冷机、吉福德-麦克马洪低温冷却机以及其他低温冷却机。

[0156] 图8示出了可以与脉冲管制冷机、吉福德-麦克马洪低温冷却机或其他低温冷却机一起使用的另一示例性布置。在本实例中，脉冲管制冷机的第一区段61具有与热管65的上端62直接连接的下表面。此外，目标装置70通过适当的安装件与热管65的下端部63直接连接。本实例包括抗振特征。抗振特征的第一方面示出为66，其中抗振连接件使目标装置70(在本实例中为实验有效载荷)与第二区段64分离。连接件66可具有铜带的形式。当目标装置70的实验有效载荷是例如超导磁体等感测装置时，这种机构是有用的。这对于有效载荷是用于磁共振成像系统的超导磁体的情况而言是尤为重要的，在这种情况下，除了改进图像分辨率之外，还需要减少振动和噪声，这是由于业已证明，许多磁共振成像过程因振动和噪声使病人在这一过程中产生痛苦而被病人中止。

[0157] 通常由铜形成的高导热率带防止了向实验有效载荷传递振动。抗振实例的另一个方面是设置在热管65的壁内的边缘焊接的波纹管67。这使得热管能够与脉冲管制冷机的第一区段直接连接，而不会使目标装置70受到不可接受的振动。如将认识到的那样，当不存在边缘焊接的波纹管67时，振动将能够相对容易地沿着热管传播，从而绕开第二区段与目标装置70的实验有效载荷之间的抗振连接件66。在本实例中，在冷却期间使用热管的热效益更加突出，这是由于在使用中跨过连接件而形成的温度梯度所造成的至多两个因素使得抗振连接件基本上减少了第二区段可获得的冷却功率。因此，更值得注意的是从第一区段提供至少150瓦的附加功率(在脉冲管制冷机的情况下)。

[0158] 图9示出热管装置的另一个实例。热管80具有上端部81和下端部82。然而，在上端部与下端部之间直接布置有防辐射部件83。防辐射部件83具有盘形的一般形式，在采用直圆筒形热管80的情况下，防辐射部件83呈圆盘形的形式，并且具有与热管80大致相等的半径。盘设置有小的中央孔口，并且盘的厚度朝向其中央孔口的位置而大致线性地减小。防辐射部件83设置在热管80内，使得热管的轴线穿过孔口，并且防辐射部件83与限定了盘的平面大致平行。渐缩的厚度确保了防辐射部件80的接收来自上方的上端部81的液体凝结物的上表面使液体朝向孔口流动并且穿过孔口。该孔口在图9中示意性地示出为84。

[0159] 防辐射部件83的至少一部分(周围部分)布置为穿过热管80的壁，从而能够在附图标记85所示的点处与脉冲管制冷机的第二区段热连接。具有相关联的小孔口的防辐射部件的目的是减小来自热管的上端部的热辐射。这在目标装置的实验有效载荷由例如稀释制冷机或氦-3制冷机等对热辐射非常敏感的二级制冷机系统构成的应用中尤为有用。孔口的直径通常为几毫米，其足够小以便防止绝大部分辐射在热管的端部之间通过，但并非小到限制液体或气体的流动。第二区段与防辐射部件的热联接允许目标装置具有比第二区段更低的温度。这导致冷却循环期间对第二区段的冷却以及对目标装置的冷却。

[0160] 在磁共振成像系统中的应用

[0161] 图12示出了使用具有前面已论述过的形式的脉冲管制冷机向磁共振成像系统提供冷却功率的示例性布置。然而，本领域技术人员将认识到，也可使用上文中论述的吉福德-麦克马洪低温冷却机或其他低温冷却机来提供这种冷却功率。磁共振成像系统600包括主磁体系统601。主磁体系统601包括以超导线圈形式布置的主磁场磁体，该超导线圈以螺线管结构卷绕在线圈架上。应理解的是：在本系统中存在包括匀场磁体的其他磁体以确保磁场的校正，从而确保在位于螺线管结构的中心的所关注的目标区域602内产生的磁场具有充分高的均匀度，以便产生高空间分辨率的信号。在医疗环境中，病人身体的待检查部分被设置在该目标区域602内。在使用时，通过将超导线圈布置为与某种形式的散热器热接触，并且确保将超导线圈保持在提供高绝热环境的低温恒温器603中，可以使超导线圈保持在其超导转变温度以下。

[0162] 根据磁共振成像的原理，当目标区域存在磁场梯度时，通过分析从目标区域内的材料接收到的射频(RF)信号来获得目标区域内的空间信息。梯度磁场线圈604在磁体控制器605的控制下形成磁场梯度，磁控制器605对梯度场线圈604和主磁场系统601进行控制。由于所需要的磁场强度低得多，因此梯度线圈使用常导磁体沿三个正交的方向形成磁场梯度。有利的是将梯度磁场线圈604布置为接近目标区域并且因此位于螺线管孔内。类似地，发射和接收来自目标区域的射频信号的射频发射器/接收器606也有利地布置为接近目标区域602，并且同样如图12所示位于螺线管孔内。使用射频控制器607来控制发射器/接收器606。冷却系统控制器608控制磁共振成像系统600的例如主磁场系统等各个冷却部件的冷却。磁体控制器605、射频控制器607和冷却系统控制器608转而又各自作为系统控制器609的一部分来进行操作。

[0163] 本领域普通技术人员应当理解的是：根据从相应梯度条件下的目标区域接收到的射频信号形成有意义的成像数据需要先进且大量的计算资源。在本示例性系统中由图像获取和处理系统611来提供这些计算资源。实践中，示例性系统将包括其他部件和装置，例如包括病人监测、安全监测、数据存储等方面的部件和装置。尽管未在图12中示出上述各个部件和装置，然而应理解为它们是存在的。磁共振成像系统的熟练操作员通过用户界面612控制该系统。应理解的是，通常使用计算机软件和电子器件来实现上述控制器和其他装置。

[0164] 下面转向在图12中以附图标记613示出的冷却系统本身，该冷却系统处于冷却系统控制器608的操作控制之下。作为冷却系统613的实施方式的实例，超导主磁体系统601的磁场线圈布置为通过被例如氦-4等液态冷却剂包围而与散热器接触。在用于主磁体绕组的高温超导体的实际实施方式中，冷却剂可以是不同的液体，例如氮。在本实施例中，低温超导线圈浸没在形成冷却系统613的一部分的储存器内。液体冷却剂随着时间的推移吸收热量，这导致气化物进入冷却系统613的上部区域内的头部空间。冷却系统613通过使用前面所论述的形式的脉冲管制冷机(即具有适于调节循环气体压力的频率的控制系统并具有热管的脉冲管制冷机)来提供冷却功率。然而，也可以使用吉福德-麦克马洪低温冷却机或其他低温冷却机，并且可以使用例如热开关或机械热联接件等其他热联接件。脉冲管制冷机基本上示出为614。在这种情况下，使用两区段脉冲管制冷机并且第一(较高温度)区段615a与低温恒温器内的辐射屏蔽器连接。以615b示出的第二区段被设置在上述头部空间内的储存器内。因此，气态的气化氦被脉冲管制冷机的第二区段再凝结(因为其工作温度低于液氦的凝结点)，并且液氦返回到储存器以提供进一步的冷却。以这种方式，可以在“无损”状态下使用本系统，从而有效地实现在工作期间系统不会损失氦，因为所有被气化的氦最终都被脉冲管制冷机再凝结。热管示出为616，通过上文所述的各个高热联接件与脉冲管制冷机的第一区段和第二区段连接。

[0165] 对于例如脉冲管制冷机等低温冷却机随时间而改进其冷却功率而言，这样可以使得减少为确保超导磁体的可靠工作所需要的冷却剂的量成为可能。例如，与将材料浸没在有效静止流体池中不同，可以设想使用外部抽吸回路来提供流动的冷却剂以便冷却超导体。这会在例如向磁体的所有部分提供充分散热的流路等工程方面造成技术挑战。此外，虽然液体冷却剂是优选的，但特别是对于高温超导体而言，可以考虑气体冷却(因为超导转变温度高于液体冷却剂的沸点)。在实现这种抽吸流路的冷却系统中，使用低温冷却机冷却流路的一部分，可以设想这种冷却系统作为可选的示例性冷却系统613。

[0166] 此类发展的前沿是通过固态高导热率材料利用传导冷却将冷却功率从低温冷却机直接传递至磁体线圈而不使用低温冷却流体。一些这样的设计已被提出，并且在这些情况下，尤其重要的是提供低温冷却机的冷却区段(例如脉冲管制冷机的第二区段615b)与超导材料之间的靠近方法。原则上，这也可以使用冷却系统613来实现。实际上，在上述实例中需要提供例如脉冲管制冷机614的低温冷却机的多个示例，特别是在这里的传导冷却的情况下。

[0167] 在向超导材料提供冷却功率的上述各个实例中，具有缩短冷却时间从而缩短磁共振成像处理之间的“停机时间”的优点。这对于例如医院等繁忙环境而言是尤为重要的。因此，应当理解的是，通过使用根据本发明的冷却速度提高的脉冲管制冷机，当在磁共振系统中应用时获得了明显的优点。

[0168] 虽然上文集中于对冷却主磁体系统601的论述，但已经提出了低温冷却机制冷也可用于冷却磁共振成像系统的其他部分。例如，已经提出了可以使用被冷却的线圈来实现射频发射器/接收器系统。这些可以被实现为超导线圈，在这种情况下，它们需要被冷却到其超导转变温度以下。例如，通过冷却可以处于低温的循环冷却剂的流路，还可以使用本文所讨论的改进的脉冲管制冷机系统来改善对此类(常导或超导)线圈的冷却。

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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

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