КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ С ТЕМПЕРАТУРНО-ЗАВИСИМЫМ ТЕПЛОВЫМ ШУНТОМ Российский патент 2019 года по МПК F25B9/10 F25D19/00 F25B9/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к криогенной системе охлаждения с двухступенчатой охлаждающей головкой, и, в частности, включающей в себя сверхпроводящую магнитную катушку для применения в устройстве для исследований методом магнитного резонанса.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Двухступенчатые криогенные охладители часто используются в качестве источника холода для охлаждения устройств до криогенных температур. Типичными примерами имеющихся в продаже на рынке двухступенчатых криогенных охладителей с использованием газообразного гелия в качестве рабочей текучей среды являются холодильные системы Gifford-McMahon (GM) и холодильные системы на пульсирующих трубках (PT). Они позволяют охлаждать образцы, устройства и другое оборудование без неудобств и расхода применяемого жидкого гелия. В частности, такие устройства могут включать в себя сверхпроводящие материалы, которые проявляют свои свойства сверхпроводимости, будучи охлажденными ниже определенной конкретной температуры, которая известна как критическая температура. Типичным примером такого устройства является сверхпроводящая магнитная система, которая предназначена для генерирования статического магнитного поля, когда действует в постоянном режиме, как это хорошо известно в технологии.

Первая ступень двухступенчатого криогенного охладителя обычно поддерживается при температуре между 50К и 100К, и может быть термически связана с защитным экраном от теплового излучения, окружающим внутреннюю область, которая выполнена с возможностью размещения устройства, охлаждаемого до низкой температуры, например, до 4К. Устройство термически связано со второй ступенью двухступенчатого криогенного охладителя.

Как правило, охлаждающая способность первой ступени является гораздо более высокой, на один или два порядка величины, чем охлаждающая способность второй ступени. Вследствие этого время, необходимое для охлаждения внутренней области до номинальной температуры второй стадии, является гораздо более длительным, нежели время, требуемое для охлаждения внутренней области до номинальной температуры первой ступени, когда охлаждение начинается от комнатной температуры.

Патентный документ US 5,111,667 А описывает двухступенчатый крионасос, имеющий холодильник, который включает в себя первую ступень, вторую ступень, которая является более холодной, чем первая ступень, и конденсационный элемент, который имеет конденсирующую поверхность. Первый соединитель выполнен с возможностью сопряжения конденсационного элемента со второй ступенью в режиме теплопроводности. На определенном расстоянии от конденсационного элемента размещается адсорбционный элемент, включающий в себя адсорбирующую поверхность. Второй соединитель выполнен с возможностью сопряжения адсорбционного элемента со второй ступенью в режиме теплопроводности. Кроме того, предусматривается нагреватель для нагревания адсорбционного элемента во время периодов времени для регенерации адсорбционного элемента. Второй соединитель выполнен так, что он в достаточной степени термически изолирует адсорбционный элемент от второй ступени и от конденсационного элемента, по меньшей мере во время периодов нагревания адсорбционного элемента, для предотвращения нагревания конденсационного элемента нагревателем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Поэтому цель изобретения состоит в создании криогенной системы охлаждения с эффективной работой и сокращением времени охлаждения от температур окружающей среды до криогенных температур.

В одном аспекте настоящего изобретения цель достигается посредством криогенной системы охлаждения, включающей в себя криостат, имеющий наружный кожух и по меньшей мере один тепловой экран, размещенный внутри наружного кожуха. По меньшей мере один тепловой экран определяет внутреннюю область, и теплоизоляционная область определяется по меньшей мере одним тепловым экраном и наружным кожухом и между ними.

Кроме того, криогенная система охлаждения включает в себя криогенную охлаждающую головку, имеющую

элемент первой ступени, по меньшей мере частично размещенный в теплоизоляционной области, причем элемент первой ступени выполнен с возможностью работы в стационарном состоянии при первой криогенной температуре, и включает в себя теплопроводный соединительный элемент, который термически связан с по меньшей мере одним тепловым экраном,

по меньшей мере элемент второй ступени, по меньшей мере частично размещенный во внутренней области, причем элемент второй ступени выполнен с возможностью работы в стационарном состоянии при второй криогенной температуре, которая ниже, чем первая криогенная температура, и

по меньшей мере один термически связывающий элемент, который выполнен с возможностью обеспечения, в по меньшей мере одном рабочем состоянии криогенной системы охлаждения, по меньшей мере части теплопередающего тракта от элемента второй ступени к элементу первой ступени, причем теплопередающий тракт размещается снаружи охлаждающей головки, и тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта при второй криогенной температуре, больше, чем тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта при первой криогенной температуре.

Выражение «термически связан с элементом первой (второй) ступени», как применяемое в этой заявке, следует понимать в особенности как термически связанный с по меньшей мере одним из теплопроводного элемента, который, в свою очередь, термически связан с элементом первой (второй) ступени, и непосредственно соединен с элементом первой (второй) ступени.

Выражение «термически связанный», как используемое в этой заявке, следует понимать в особенности как механическое соединение, которое обеспечивает возможность теплопередачи путем теплопроводности.

Выражение «теплопередающий тракт», как применяемое в этой заявке, следует понимать в особенности как путь, вдоль которого тепло передается в результате теплопроводности, и путь теплопереноса излучением должен быть однозначно исключен.

Выражение «тепловое сопротивление», как используемое в этой заявке, следует понимать в особенности как отношение разности температур между двумя местоположениями вдоль теплопередающего тракта и тепловой мощности (количества тепловой энергии в единицу времени), передаваемой между двумя местоположениями.

Выражение «криогенная температура», как используемое в этой заявке, следует понимать в особенности как температуру, которая составляет ниже 100К.

Работа криогенных систем обычно основывается на замкнутом цикле расширения с использованием гелия в качестве рабочей текучей среды. Система криогенного охладителя в целом включает в себя два основных компонента: компрессорный блок, который сжимает рабочую текучую среду и отводит тепло из системы, и охлаждающую головку, которая выполнена с возможностью пропускания рабочей текучей среды через циклы расширения для охлаждения до криогенных температур. Термин «охлаждающая головка», как применяемый в этой заявке, следует понимать в особенности в этом смысле.

В связи с этим следует отметить, что термины «первый», «второй», и т.д., применяются только для целей различения, и никоим образом не подразумевают указание на последовательность или первенство.

Когда тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта при первой криогенной температуре больше, чем при второй криогенной температуре, вторая ступень может быть охлаждена посредством обеспечения по меньшей мере одного термически связывающего элемента быстрее и более эффективно, в то время как с элементом второй ступени при второй криогенной температуре тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта может быть рассчитано достаточно большим для предотвращения недопустимо высокой тепловой нагрузки на элемент второй ступени. Тем самым может быть использована более высокая эффективность охлаждения элемента первой ступени криогенной охлаждающей головки для отведения большого количества тепла от элемента второй ступени в начале процесса охлаждения. Может быть благоприятным образом сокращена продолжительность охлаждения внутренней области от температуры окружающей среды до криогенных температур.

В предпочтительном варианте исполнения тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта при второй криогенной температуре является по меньшей мере в 10 раз больше, чем тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта при первой криогенной температуре.

Более предпочтительно, тепловое сопротивление при второй криогенной температуре является по меньшей мере в 100 раз больше, и наиболее предпочтительно по меньшей мере в 1000 раз больше, чем тепловое сопротивление при первой криогенной температуре.

Тем самым может достигаться значительное сокращение времени на охлаждение внутренней области от температуры окружающей среды до криогенных температур.

В еще одном предпочтительном варианте исполнения по меньшей мере один термически связывающий элемент включает в себя множество углеродных волокон, причем каждое углеродное волокно имеет два конца, и причем один конец углеродных волокон из множества углеродных волокон термически связан с элементом первой ступени, и другой конец углеродных волокон из множества углеродных волокон термически связан с элементом второй ступени.

Выражение «множество», как используемое в этой заявке, должно, в частности, пониматься как в количестве по меньшей мере двух.

При температурах выше 50К углеродные волокна могут проявлять исключительно высокую теплопроводность. При комнатной температуре теплопроводность может быть настолько высокой, как 1000 Вт/(м·К), гораздо выше, чем у меди. Благодаря этому может быть достигнуто низкое тепловое сопротивление между обоими из элемента первой ступени и элемента второй ступени, и более мощный и более эффективный элемент первой ступени может непосредственно охлаждать элемент второй ступени, и его термическая нагрузка тем самым быстро снижает его температуру.

В отличие от других материалов с хорошей теплопроводностью, теплопроводность углеродных волокон очень быстро падает при более низких температурах. Теплопроводность графита, которая сравнима с теплопроводностью углеродных волокон в продольном направлении, показана в Фиг. 1 ниже пунктирной линией (из работы: Woodcraft и др., A low temperature thermal conductivity database («База данных низкотемпературной теплопроводности»), CP1185, Low Temperature Detectors LTD 13 («Низкотемпературные детекторы»), Proceedings of the 13th International Workshop, AIP 2009 («Труды 13-ого Международного симпозиума»)). В соответствующем диапазоне температур (от около 300К до 4К) теплопроводность снижается примерно на четыре порядка величины.

Когда в процессе охлаждения от температуры окружающей среды мгновенная температура по меньшей мере одного термически связывающего элемента снижается, его теплопроводность тем самым резко падает до того, что элемент первой ступени и элемент второй ступени по существу термически разобщаются. При температурах ниже первой криогенной температуры элемент второй ступени затем может охлаждать внутреннюю область далее до температур ниже первой криогенной температуры.

Углеродные волокна из множества углеродных волокон предпочтительно механически не соединены друг с другом, например, с использованием смолы, и не инкапсулированы, так что не допускается никакая дополнительная кондуктивная теплопередача через другие материалы. Тем самым может достигаться благоприятно высокая разность величин теплового сопротивления обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта при первой криогенной температуре и при второй криогенной температуре.

Чистые углеродные волокна имеются в продаже на рынке, например, в виде нитей, как правило, состоящих из 1000 («1К», 67 текс=67 г/1000 м) и 48000 («48К», 3200 текс) филаментов/нить, и в виде тканых материалов.

В одном варианте исполнения множество углеродных волокон термически связаны с по меньшей мере одним из элемента первой ступени и элемента второй ступени по меньшей мере одним соединением с принудительной фиксацией. Тем самым может обеспечиваться низкое тепловое сопротивление на поверхности раздела между множеством углеродных волокон и элементом соответственной ступени.

В некоторых вариантах исполнения это может быть благоприятным образом выполнено, когда множество углеродных волокон термически связаны с по меньшей мере одним из элемента первой ступени и элемента второй ступени посредством по меньшей мере одного клеевого соединения.

В еще одном предпочтительном варианте исполнения криогенной системы охлаждения по меньшей мере один термически связывающий элемент включает в себя биметаллический элемент. Биметаллический элемент имеет первый конец и второй конец. Первый конец жестко скреплен и термически связан с элементом второй ступени. Второй конец предназначен для приложения большего, чем нулевое, механического поверхностного давления по меньшей мере к одному из теплопроводного элемента, который термически связан с элементом первой ступени, и элемента первой ступени, если температура элемента второй ступени выше, чем первая криогенная температура. Если температура элемента второй ступени ниже, чем первая криогенная температура, второй конец предназначен для приложения нулевого механического поверхностного давления как к теплопроводному элементу, который термически связан с элементом первой ступени, так и к элементу первой ступени.

Тем самым тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта является бесконечным при второй криогенной температуре, и элемент первой ступени и элемент второй ступени могут быть термически разобщены при второй криогенной температуре, тогда как при первой криогенной температуре может быть обеспечена по меньшей мере часть теплопередающего тракта от элемента второй ступени к элементу первой ступени с низким тепловым сопротивлением. В температурном диапазоне между первой криогенной температурой и второй криогенной температурой тепловое сопротивление на поверхности раздела между вторым концом биметаллического элемента и элементом первой ступени благоприятным образом возрастает от заданного значения при первой криогенной температуре до бесконечной величины при второй криогенной температуре вследствие переменного поверхностного давления, оказываемого биметаллическим элементом на месте контакта по меньшей мере с одним из теплопроводного элемента, который термически связан с элементом первой ступени, и элемента первой ступени.

Многократно усиленное влияние на время, необходимое для охлаждения внутренней области от температуры окружающей среды до криогенных температур, может быть достигнуто, если криогенная система охлаждения включает в себя множество термически связывающих элементов. Каждый термически связывающий элемент включает в себя биметаллический элемент. Каждый биметаллический элемент имеет первый конец и второй конец. Первый конец жестко прикреплен к элементу второй ступени,

- второй конец предназначен для приложения большего, чем нулевое, механического поверхностного давления по меньшей мере к одному из теплопроводного элемента, термически связанного с элементом первой ступени, и элемента первой ступени, если температура элемента второй ступени выше, чем первая криогенная температура, и

- второй конец предназначен для приложения нулевого механического поверхностного давления как к теплопроводному элементу, термически связанному с элементом первой ступени, так и к элементу первой ступени, если температура элемента второй ступени ниже, чем первая криогенная температура.

В одном варианте исполнения по меньшей мере один термически связывающий элемент или по меньшей мере один из множества термически связывающих элементов, кроме биметаллического элемента, дополнительно включает в себя множество углеродных волокон. Каждое углеродное волокно имеет первый конец и второй конец. Первые концы углеродных волокон из множества углеродных волокон постоянно термически связаны с элементом второй ступени. Вторые концы углеродных волокон из множества углеродных волокон размещаются между вторым концом биметаллического элемента и одним из теплопроводного элемента, термически связанного с элементом первой ступени, и элемента первой ступени.

Тем самым каждый биметаллический элемент может благоприятным образом оказывать зависящее от температуры поверхностное давление на множество углеродных волокон в месте контакта множества углеродных волокон с одним из теплопроводного элемента, термически связанного с элементом первой ступени, и элемента первой ступени. Кроме того, могут быть сокращены требования по допускам для сборки по меньшей мере одного термически связывающего элемента или по меньшей мере одного из множества термически связывающих элементов.

Важно, чтобы множество углеродных волокон постоянно были термически связаны с элементом второй ступени, в то же время имея зависящее от давления биметаллического элемента сопряжение с элементом первой ступени. Когда элемент второй ступени находится при второй криогенной температуре, тепловое сопротивление на поверхности раздела между множеством углеродных волокон и элементом первой ступени больше, чем в теплом состоянии, то есть, при более высоких температурах, нежели криогенные температуры. Тем самым биметаллический элемент содействует удерживанию множества углеродных волокон при температуре, которая близка ко второй криогенной температуре, тем самым делая их по существу термически непроводящими по всей их длине.

В одном варианте исполнения по меньшей мере один термически связывающий элемент или по меньшей мере один из множества термически связывающих элементов, кроме биметаллического элемента, дополнительно включает в себя множество углеродных волокон. Каждое углеродное волокно имеет первый конец и второй конец. Первые концы углеродных волокон из множества углеродных волокон постоянно термически связаны с элементом второй ступени. Вторые концы углеродных волокон из множества углеродных волокон присоединены ко второму концу биметаллического элемента.

Тем самым множество углеродных волокон присоединены к биметаллическому элементу на его втором конце, который размещается вблизи элемента первой ступени. Теплопроводность поперек множества углеродных волокон, то есть, на дистанции от элемента первой ступени до биметаллического элемента, является относительно низкой, обусловливая низкую тепловую нагрузку на элемент второй ступени, находящийся при второй криогенной температуре.

Второй конец углеродных волокон из множества углеродных волокон предпочтительно присоединен ко второму концу биметаллического элемента с использованием клея.

В еще одном предпочтительном варианте исполнения по меньшей мере один термически связывающий элемент или по меньшей мере один из множества термически связывающих элементов включает в себя два биметаллических элемента, причем каждый биметаллический элемент имеет первый конец и второй конец, которые размещаются напротив друг друга.

Один из двух биметаллических элементов термически связан с первым концом элемента первой ступени. Другой из двух биметаллических элементов первым концом термически связан с элементом второй ступени. Вторые концы двух биметаллических элементов предназначены для совместного действия и приложения большего, чем нулевое, механического поверхностного давления друг к другу, если температура элемента второй ступени выше, чем первая криогенная температура. Вторые концы двух биметаллических элементов предназначены для приложения нулевого механического поверхностного давления друг к другу, если температура элемента второй ступени ниже, чем первая криогенная температура.

Тем самым может достигаться благоприятно большая площадь контакта между вторыми концами двух биметаллических элементов, если температура элемента второй ступени выше, чем первая криогенная температура, и могут быть снижены требования в отношении допусков при сборке по меньшей мере одного термически связывающего элемента или по меньшей мере одного из множества термически связывающих элементов.

Общая толщина по меньшей мере одного биметаллического элемента предпочтительно выбрана в диапазоне между 0,1 мм и 2 мм. Тем самым может быть обеспечено достаточно низкое тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта при первой криогенной температуре, чтобы создавать значительный эффект сокращения времени охлаждения внутренней области от температуры окружающей среды до криогенных температур. Кроме того, может быть достигнута достаточная степень изгибания биметаллического элемента для создания теплового сопротивления с бесконечной величиной на поверхности раздела между вторым концом биметаллического элемента и элементом первой ступени при второй криогенной температуре, и теплопередающий тракт от элемента второй ступени к элементу первой ступени с низким тепловым сопротивлением при первой криогенной температуре может быть выполнен для обширного круга обычно применяемых размеров криостатов.

Кроме того, сдвиговое усилие термомеханической деформации, которое присутствует между двумя металлами биметаллического элемента, и которое требуется для изгибания биметаллического элемента, поддерживается в допустимых пределах, так что может предотвращаться усталость материала или повреждение материала.

В еще одном аспекте изобретения криогенная система охлаждения дополнительно включает в себя сверхпроводящую магнитную катушку, которая выполнена с возможностью создания квазистатического магнитного поля, и которая пригодна для применения в устройстве для исследования методом магнитного резонанса. Сверхпроводящая магнитная катушка размещается внутри внутренней области и термически связана с элементом второй ступени, и вторая криогенная температура ниже, чем критическая температура сверхпроводящей магнитной катушки. Тем самым может быть создана сверхпроводящая магнитная катушка для исследования методом магнитного резонанса, которая может быть охлаждена от температуры окружающей среды до второй криогенной температуры быстрым и эффективным путем.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и разъяснены со ссылкой на описываемые здесь ниже варианты осуществления. Однако такие варианты осуществления не обязательно представляют весь объем изобретения, и поэтому приводится ссылка на пункты формулы изобретения, чтобы тем самым обозначить область изобретения.

В чертежах:

Фиг. 1 иллюстрирует характеристики теплопроводности графита в диапазоне криогенных температур, в сравнении с другими выбранными материалами,

Фиг. 2 показывает схематическую иллюстрацию криогенной системы охлаждения в соответствии с изобретением,

Фиг. 3 представляет схематическую иллюстрацию двухступенчатой охлаждающей головки, включающей в себя термически связывающий элемент, криогенной системы охлаждения согласно Фиг. 1,

Фиг. 4 представляет схематическую иллюстрацию альтернативного варианта исполнения термически связывающего элемента,

Фиг. 5 представляет схематическую иллюстрацию еще одного альтернативного варианта исполнения термически связывающего элемента, и

Фиг. 6 представляет схематическую иллюстрацию еще одного дополнительного альтернативного варианта исполнения термически связывающего элемента.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 представляет график, изображающий теплопроводность как функцию температуры.

Фиг. 2 показывает схематическую иллюстрацию криогенной системы 10 охлаждения в соответствии с изобретением. Криогенная система 10 охлаждения включает в себя криостат 12, имеющий наружный кожух 14 и тепловой экран 16, размещенный внутри наружного кожуха 14. Тепловой экран 16 определяет внутреннюю область 18, внутри которой размещена сверхпроводящая магнитная катушка 22 криогенной системы 10 охлаждения. Сверхпроводящая магнитная катушка 22 предназначена для создания квазистатического магнитного поля с напряженностью магнитного поля в несколько Тесла, и пригодна для применения в устройстве для исследований методом магнитного резонанса. Сверхпроводящая магнитная катушка 22 рассчитывается на номинальный режим работы при температуре 4К, которая является в достаточной мере более низкой, чем критическая температура 10К ниобий-титановой (NbTi) сверхпроводящей проволоки, образующей витки сверхпроводящей магнитной катушки 22.

Теплоизоляционная область 20 криостата 12 сформирована между тепловым экраном 16 и наружным кожухом 14. Теплоизоляционная область 20 может включать в себя теплоизоляционные материалы, такие как широко применяемая многослойная изоляция (MLI).

Кроме того, криогенная система 10 охлаждения включает в себя двухступенчатую криогенную охлаждающую головку 24. Криогенная охлаждающая головка 24 имеет элемент 26 первой ступени, который размещен в теплоизоляционной области 20. Элемент 26 первой ступени рассчитан на работу в стационарном состоянии при первой криогенной температуре 70К, и включает в себя теплопроводный соединительный элемент 28, сформированный соединительным металлическим фланцем, который термически связан с элементом 26 первой ступени и с тепловым экраном 16. Кроме того, криогенная охлаждающая головка 24 имеет элемент 30 второй ступени, который размещен во внутренней области 18. Элемент 24 второй ступени рассчитан на работу в стационарном состоянии при второй криогенной температуре 4К, которая ниже, чем первая криогенная температура, и которая соответствует температуре номинального режима работы сверхпроводящей магнитной катушки 22. Сверхпроводящая магнитная катушка 22 термически связана с элементом 30 второй ступени еще одним теплопроводным элементом, сформированным в виде металлического фланца 32, который изготовлен из меди.

Охлаждающая головка 24 может быть соединена с имеющим электрический привод компрессорным блоком 34, который предназначен для подачи сжатой рабочей текучей среды, образованной газообразным гелием, в охлаждающую головку 24 через газовые трубы. Эта часть технологии хорошо известна в технической области, и поэтому нет необходимости описывать ее в дополнительных подробностях. Охлаждающая головка 24 способна охлаждать сверхпроводящую магнитную катушку 22 от температуры окружающей среды около 300К до второй криогенной температуры 4К.

Фиг. 3 представляет схематическую иллюстрацию двухступенчатой криогенной охлаждающей головки 24 криогенной системы 10 охлаждения согласно Фиг. 2, и показывает термически связывающий элемент 136, который предназначен для создания, когда криогенная система 10 охлаждения находится в рабочем состоянии для охлаждения сверхпроводящей магнитной катушки 22 от температуры окружающей среды около 300К до второй криогенной температуры 4К, теплопередающего тракта 138, который размещается снаружи охлаждающей головки 24 от элемента 30 второй ступени к элементу 26 первой ступени.

Термически связывающий элемент 136 включает в себя множество углеродных волокон 140, сформированные в виде нити типа 12К. Каждое углеродное волокно имеет два конца 142, 144, и один конец 142 углеродных волокон 140 из множества углеродных волокон 140 термически связан с элементом 26 первой ступени через теплопроводный соединительный элемент 28 соединениями с принудительной фиксацией, такими как винтовые соединения, которыми концы 142 углеродных волокон 140 зажаты между металлической пластиной 58 и соединительным металлическим фланцем (нижняя левая сторона Фиг. 3). Другие концы 144 углеродных волокон 140 из множества углеродных волокон 140 термически связаны с элементом 30 второй ступени посредством соединительного медного фланца 32 с помощью клеевого соединения (нижняя правая сторона Фиг. 3). Для этой цели соединительный медный фланец 32 включает в себя конический вырез 148, заполненный эпоксидной смолой 150 с высокой теплопроводностью, в которую были введены концы 144 множества углеродных волокон 140 во время отверждения эпоксидной смолы 150. Коническая форма выреза 148 имеет увеличенную площадь поверхности, которая обеспечивает низкое контактное тепловое сопротивление между концами 142, 144 углеродных волокон 140 и соединительным медным фланцем 32.

Хотя в этом конкретном варианте исполнения концы 142, 144 множества углеродных волокон 140 термически связаны с элементом 26 первой ступени соединениями с принудительной фиксацией, и другие концы 144 множества углеродных волокон 140 термически связаны с элементом 30 второй ступени посредством клеевого соединения, также предусматривается создание клеевого соединения для термической связи множества углеродных волокон 140 с элементом 26 первой ступени и формирование соединений с принудительной фиксацией для термической связи концов множества углеродных волокон с элементом второй ступени, или создание соединений с принудительной фиксацией на обоих концах множества углеродных волокон, или создание клеевых соединений на обоих концах множества углеродных волокон.

Вследствие характеристик теплопроводности множества углеродных волокон 140 тепловое сопротивление обеспечиваемого теплопередающего тракта 138 больше при второй криогенной температуре, чем тепловое сопротивление обеспечиваемого теплопередающего тракта 138 при первой криогенной температуре.

По характеристикам теплопроводности углеродных волокон («графит AXM-5Q») при первой криогенной температуре 70К и второй криогенной температуре 4К, приведенных в Фиг. 1, можно оценить, что тепловое сопротивление обеспечиваемого теплопередающего тракта 138 при второй криогенной температуре является более чем в 2000 раз больше, чем тепловое сопротивление обеспечиваемого теплопередающего тракта 138 при первой криогенной температуре. Другими словами, при первой криогенной температуре обеспечивается эффективный теплопередающий тракт 138 от элемента 30 второй ступени к элементу 26 первой ступени, тогда как при второй криогенной температуре элемент 26 первой ступени и элемент 30 второй ступени с практической точки зрения термически разобщены.

Далее раскрыты некоторые альтернативные варианты исполнения термически связывающих элементов согласно изобретению. Индивидуальные альтернативные варианты исполнения описываются со ссылкой на конкретную фигуру и обозначены численным префиксом конкретного альтернативного варианта исполнения, начиная с «1». Признаки, функции которых являются такими же или в принципе такими же, к которым это относится, указаны номером признака. Если признак альтернативного варианта исполнения не описывается в соответствующем изображении в фигуре, следует ссылаться на описание предшествующего варианта исполнения.

Фиг. 4 представляет схематическую иллюстрацию альтернативного варианта исполнения термически связывающего элемента 236. Термически связывающий элемент 236 включает в себя биметаллический элемент 252, сформированный в виде прямоугольного листа, имеющего первый конец 254 и второй конец 256. Общая толщина биметаллического элемента 252 составляет 0,5 мм. В этом конкретном варианте исполнения биметаллический элемент 252 включает в себя лист одной стороны, изготовленный из меди, и лист противоположной стороны, изготовленный из нержавеющей стали. Однако также рассматриваются другие комбинации металлов, которые являются пригодными по представлениям квалифицированных специалистов в этой области технологии.

Первый конец 254 биметаллического элемента 252 жестко скреплен и термически связан с элементом 30 второй ступени через соединительный медный фланец 32. Теплопроводный элемент 46, сформированный в виде изготовленной из меди металлической пластинки, жестко скреплен и термически связан с элементом 26 первой ступени и выступает из теплопроводного соединительного элемента 28 в сторону второго конца 256 биметаллического элемента 252. Верхняя часть Фиг. 4 показывает термически связывающий элемент 236 при температуре, которая выше, чем первая криогенная температура. В этом состоянии второй конец 256 биметаллического элемента 252 медной стороной находится в механическом контакте с боковой стороной металлической пластинки, и прилагает зависящее от температуры, большее, чем нулевое, поверхностное давление к боковой стороне теплопроводного элемента 46. Тем самым создается теплопередающий тракт 238 с низким тепловым сопротивлением от элемента 30 второй ступени к элементу 26 первой ступени.

Когда в процессе охлаждения от температуры окружающей среды до второй криогенной температуры мгновенная температура элемента 30 второй ступени становится равной первой криогенной температуре, второй конец 256 биметаллического элемента 252 прилагает нулевое механическое поверхностное давление к теплопроводному элементу 46. Когда мгновенная температура элемента 30 второй ступени становится более низкой, чем первая криогенная температура, между медной стороной второго конца 256 биметаллического элемента 252 и теплопроводным элементом 46 возникает зазор, и тепловое сопротивление обеспечиваемого теплопередающего тракта 238 становится бесконечным. Это состояние иллюстрировано в нижней части Фиг. 4.

Квалифицированным специалистам в этой области технологии будет без дополнительного иллюстрирования легко понятно, что криогенная система 10 охлаждения может включать в себя множество термически связывающих элементов 236, причем некоторые из термически связывающих элементов 236 могут включать в себя биметаллический элемент 252 описанного выше типа. Тем самым множество теплопередающие тракты 238, которые размещаются параллельно, могут быть созданы от элемента 30 второй ступени к элементу 26 первой ступени, когда мгновенная температура элемента 30 второй ступени выше, чем первая криогенная температура. При мгновенной температуре элемента 30 второй ступени, которая ниже, чем первая криогенная температура, тепловое сопротивление размещенных параллельно теплопередающих трактов 238 будет бесконечным.

Фиг. 5 представляет схематическую иллюстрацию еще одного альтернативного варианта исполнения термически связывающего элемента 336. Альтернативный вариант исполнения термически связывающего элемента 336 будет в порядке примера описан на единственном образце. Однако, как было разъяснено выше, криогенная система 10 охлаждения может включать в себя один термически связывающий элемент 336 или множество термически связывающих элементов 336.

Термически связывающий элемент 336, кроме биметаллического элемента 352, имеющего первый конец 354 и второй конец 356, включает в себя множество углеродных волокон 340, сформированных в виде нити типа 24К. Первый конец 354 биметаллического элемента 352 жестко скреплен и термически связан с соединительным металлическим фланцем 32, изготовленным из меди, который, в свою очередь, термически связан с элементом 30 второй ступени. Второй конец 356 изогнутого биметаллического элемента 352 направлен в сторону теплопроводного соединительного элемента 28, сформированного в виде металлического фланца, который термически связан с элементом 26 первой ступени. Углеродные волокна 340 имеют первые концы 342 и вторые концы 344. Первые концы 342 углеродных волокон 340 из множества углеродных волокон 340 постоянно термически связан с соединительным металлическим фланцем 32, который, в свою очередь, термически связан с элементом 30 второй ступени. Например, эта термическая связь может быть установлена с помощью зажимного соединения (не показано). Вторые концы 344 углеродных волокон 340 из множества углеродных волокон 340 присоединены клеевым соединением ко второму концу 356 биметаллического элемента 352 и размещаются между вторым концом 356 биметаллического элемента 352 и теплопроводным соединительным элементом 28.

Фиг. 5 иллюстрирует ситуацию, в которой, в процессе охлаждения от температуры окружающей среды (300К) до второй криогенной температуры 4К, мгновенная температура элемента 30 второй ступени упала ниже первой криогенной температуры 70К. Биметаллический элемент 352 изогнулся достаточно далеко, чтобы отодвинуть множество углеродных волокон 340 от теплопроводного соединительного элемента 28 так, что тепловое сопротивление кондуктивных теплопередающих трактов 338₁, 338₂ между элементом 26 первой ступени и элементом 30 второй ступени становится бесконечным. Для мгновенных температур элемента 330 второй ступени между температурой окружающей среды и первой криогенной температурой биметаллический элемент 352 является более прямолинейным, и второй конец 356 биметаллического элемента 352 прилагает зависящее от температуры, большее, чем нулевое, механическое поверхностное давление к множеству углеродных волокон 340 и к теплопроводному соединительному элементу 28, обеспечивая теплопередающий тракт 338 от элемента 30 второй ступени к элементу 26 первой ступени с низким тепловым сопротивлением.

Фиг. 6 представляет схематическую иллюстрацию еще одного альтернативного варианта исполнения термически связывающего элемента 436, включающего в себя два биметаллических элемента 452, 452', сформированных в виде прямоугольных листов, причем каждый биметаллический элемент 452, 452' включает в себя лист одной стороны, изготовленный из меди, и лист противоположной стороны, изготовленный из нержавеющей стали. Опять же, криогенная система 10 охлаждения может содержать один термически связывающий элемент 436 или множество термически связывающих элементов 436.

Два биметаллических элемента 452, 452' размещены напротив друг друга. Первый конец 454 первого биметаллического элемента 452 жестко скреплен и термически связан с медным фланцем 32, который, в свою очередь, термически связан с элементом 30 второй ступени. Первый конец 454' второго биметаллического элемента 452' жестко скреплен и термически связан с теплопроводным соединительным элементом 28, образованным в виде металлического фланца, который, в свою очередь, термически связан с элементом 26 первой ступени.

Вторые концы 456, 456' двух биметаллических элементов 452, 452' предназначены для совместного действия их медных сторон и для приложения большего, чем нулевое, механического поверхностного давления друг к другу, если мгновенная температура элемента 30 второй ступени выше, чем первая криогенная температура. Создается теплопередающий тракт 438 с низким тепловым сопротивлением от элемента 30 второй ступени к элементу 26 первой ступени. Это состояние показано в Фиг. 6. При дальнейшем изгибании биметаллических элементов 452, 452' вторые концы 456, 456' двух биметаллических элементов 452, 452' рассчитаны на приложение нулевого механического поверхностного давления друг на друга, если температура элемента 30 второй ступени ниже, чем первая криогенная температура.

В то время как изобретение было иллюстрировано и подробно описано в чертежах и приведенном выше описании, такие иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, и не ограничивающие; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть понятны и выполнены квалифицированными специалистами в этой области технологии при практическом осуществлении заявленного изобретения, после изучения чертежей, описания и пунктов прилагаемой формулы изобретения. В пунктах формулы изобретения слово «включающий в себя» не исключает других элементов или стадий, и единственное число не исключает множественного числа. Лишь тот факт, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не подразумевает, что комбинация этих мер не может быть применена с пользой. Любые ссылочные обозначения в пунктах формулы изобретения не должны толковаться как ограничивающие его область.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

10 криогенная система охлаждения

12 криостат

14 наружный кожух

16 тепловой экран

18 внутренняя область

20 теплоизоляционная область

22 сверхпроводящая магнитная катушка

24 двухступенчатая криогенная охлаждающая головка

26 элемент первой ступени

28 теплопроводный соединительный элемент

30 элемент второй ступени

32 медный фланец

34 компрессорный блок

36 термически связывающий элемент

38 теплопередающий тракт

40 углеродные волокна

42 первые концы

44 вторые концы

46 теплопроводный элемент

48 вырез

50 эпоксидная смола

52 биметаллический элемент

54 первый конец

56 второй конец

58 металлическая пластинка

60 газовая труба.

Изобретение относится к холодильной технике. Криогенная система (10) охлаждения, включающая в себя криостат (12), двухступенчатую криогенную охлаждающую головку (24) и по меньшей мере один термически связывающий элемент (136; 236; 336; 436), который выполнен с возможностью обеспечения по меньшей мере части теплопередающего тракта (138; 238; 338; 438) от элемента (30) второй ступени к элементу (26) первой ступени двухступенчатой криогенной охлаждающей головки (24). Теплопередающий тракт (138; 238; 338; 438) размещен снаружи охлаждающей головки (24). Тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта (138; 238; 338; 438) при второй криогенной температуре выше, чем тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта (138; 238; 338; 438) при первой криогенной температуре. Техническим результатом является повышение эффективности и сокращение времени охлаждения от температур окружающей среды до криогенных температур. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Криогенная система (10) охлаждения, включающая в себя:

- криостат (12), имеющий наружный кожух (14) и по меньшей мере один тепловой экран (16), размещенный внутри наружного кожуха (14), причем упомянутый по меньшей мере один тепловой экран (16) ограничивает внутреннюю область (18),

причем упомянутым по меньшей мере одним тепловым экраном (16) и наружным кожухом (14) и между ними ограничена теплоизоляционная область (20),

- криогенную охлаждающую головку (24), имеющую

элемент (26) первой ступени, по меньшей мере частично размещенный в теплоизоляционной области (20), причем элемент (26) первой ступени выполнен с возможностью работы в стационарном состоянии при первой криогенной температуре и включает в себя теплопроводный соединительный элемент (28), который термически связан с упомянутым по меньшей мере одним тепловым экраном (16),

по меньшей мере элемент (30) второй ступени, по меньшей мере частично размещенный во внутренней области (18), причем элемент (30) второй ступени выполнен с возможностью работы в стационарном состоянии при второй криогенной температуре, которая ниже, чем первая криогенная температура,

отличающаяся тем, что криогенная охлаждающая головка также содержит:

по меньшей мере один термически связывающий элемент (136; 236; 336; 436), который выполнен с возможностью обеспечения в по меньшей мере одном рабочем состоянии криогенной системы (10) охлаждения по меньшей мере части теплопередающего тракта (138; 238; 338; 438) от элемента (30) второй ступени к элементу (26) первой ступени, причем теплопередающий тракт (138; 238; 338; 438) расположен снаружи охлаждающей головки (24), и тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта (138; 238; 338; 438) при второй криогенной температуре больше, чем тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта (138; 238; 338; 438) при первой криогенной температуре.

2. Криогенная система (10) охлаждения по п.1, в которой тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта (138; 238; 338; 438) при второй криогенной температуре является по меньшей мере в 10 раз большим, чем тепловое сопротивление обеспечиваемой по меньшей мере части теплопередающего тракта (138; 238; 338; 438) при первой криогенной температуре.

3. Криогенная система (10) охлаждения по п. 1 или 2, в которой упомянутый по меньшей мере один термически связывающий элемент (136) включает в себя множество углеродных волокон (140), причем каждое углеродное волокно (140) имеет два конца (142, 144), и причем один конец (142) углеродных волокон (140) из множества углеродных волокон (140) термически связан с элементом (26) первой ступени, и другой конец (144) углеродных волокон (140) из множества углеродных волокон (140) термически связан с элементом (30) второй ступени.

4. Криогенная система (10) охлаждения по п.3, в которой множество углеродных волокон (140) термически связано с по меньшей мере одним из элемента (26) первой ступени и элемента (30) второй ступени посредством по меньшей мере одного соединения с принудительной фиксацией.

5. Криогенная система (10) охлаждения по п. 3 или 4, в которой множество углеродных волокон (140) термически связано с по меньшей мере одним из элемента (26) первой ступени и элемента (30) второй ступени посредством по меньшей мере одного клеевого соединения.

6. Криогенная система (10) охлаждения по п.1, в которой упомянутый по меньшей мере один термически связывающий элемент (236; 336; 436) включает в себя биметаллический элемент (252; 352; 452), имеющий первый конец (254; 354; 454) и второй конец (256; 356; 456), причем

первый конец (254; 354; 454) жестко скреплен и термически связан с элементом (30) второй ступени,

второй конец (256; 356; 456) предназначен для приложения большего, чем нулевое, механического поверхностного давления к по меньшей мере одному из теплопроводного элемента (46), который термически связан с элементом (26) первой ступени, и элемента (26) первой ступени, если температура элемента (30) второй ступени выше, чем первая криогенная температура, и

второй конец (256; 356; 456) предназначен для приложения нулевого механического поверхностного давления как к теплопроводному элементу (46), который термически связан с элементом (26) первой ступени, так и к элементу (26) первой ступени, если температура элемента (30) второй ступени ниже, чем первая криогенная температура.

7. Криогенная система (10) охлаждения по п.6, включающая в себя множество термически связывающих элементов (236; 336; 436), причем каждый термически связывающий элемент (236; 336; 436) включает в себя биметаллический элемент (252; 352; 452), имеющий первый конец (254; 354; 454) и второй конец (256; 356; 456), при этом

первый конец (254; 354; 454) жестко скреплен и термически связан с элементом (30) второй ступени,

второй конец (256; 356; 456) предназначен для приложения большего, чем нулевое, механического поверхностного давления к по меньшей мере одному из теплопроводного элемента (46), термически связанного с элементом (26) первой ступени, и элемента (26) первой ступени, если температура элемента (30) второй ступени выше, чем первая криогенная температура,

второй конец (256; 356; 456) предназначен для приложения нулевого механического поверхностного давления как к теплопроводному элементу (46), который термически связан с элементом (26) первой ступени, так и к элементу (26) первой ступени, если температура элемента (30) второй ступени ниже, чем первая криогенная температура.

8. Криогенная система (10) охлаждения по п. 6 или 7, в которой упомянутый по меньшей мере один термически связывающий элемент (336) или по меньшей мере один из множества термически связывающих элементов (336) дополнительно включает в себя множество углеродных волокон (340), причем каждое углеродное волокно (340) имеет первый конец (342) и второй конец (344), при этом

первые концы (342) углеродных волокон (340) из множества углеродных волокон (340) постоянно термически связаны с элементом (30) второй ступени, и

вторые концы (344) углеродных волокон из множества углеродных волокон (340) размещены между вторым концом (356) биметаллического элемента (352) и одним из теплопроводного элемента (46), термически связанного с элементом (26) первой ступени, и элемента (26) первой ступени.

9. Криогенная система (10) охлаждения по любому из пп. 6-8, в которой упомянутый по меньшей мере один термически связывающий элемент (236; 336; 436) или по меньшей мере один из множества термически связывающих элементов (236; 336; 436) дополнительно включает в себя множество углеродных волокон (340), причем каждое углеродное волокно (340) имеет первый конец (342) и второй конец (344), при этом

первые концы (342) углеродных волокон (340) из множества углеродных волокон (340) постоянно термически связаны с элементом (30) второй ступени, и

вторые концы (344) углеродных волокон из множества углеродных волокон (340) прикреплены ко второму концу (356) биметаллического элемента (352).

10. Криогенная система (10) охлаждения по п. 6 или 7, где упомянутый по меньшей мере один термически связывающий элемент (236; 336; 436) или по меньшей мере один из множества термически связывающих элементов (236; 336; 436) включает в себя второй биметаллический элемент (452'), имеющий первый конец (454') и второй конец (456'), и два биметаллических элемента (452, 452') размещены напротив друг друга, при этом

второй биметаллический элемент (452') первым концом (454') термически связан с элементом (26) первой ступени,

вторые концы (456, 456') двух биметаллических элементов (452, 452') предназначены для совместного действия и приложения большего, чем нулевое, механического поверхностного давления друг к другу, если температура элемента (30) второй ступени выше, чем первая криогенная температура, и

вторые концы (456, 456') двух биметаллических элементов (452, 452') предназначены для приложения нулевого механического поверхностного давления друг к другу, если температура элемента (30) второй ступени ниже, чем первая криогенная температура.

11. Криогенная система (10) охлаждения по любому из пп. 6-10, в которой общая толщина упомянутого по меньшей мере одного биметаллического элемента (252; 352; 452) выбрана в диапазоне между 0,1 мм и 2 мм.

12. Криогенная система (10) охлаждения по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающая в себя сверхпроводящую магнитную катушку (22), которая выполнена с возможностью создания квазистатического магнитного поля и которая пригодна для применения в устройстве для исследования методом магнитного резонанса, причем сверхпроводящая магнитная катушка (22) размещена внутри внутренней области (18) и термически связана с элементом (30) второй ступени, и при этом вторая криогенная температура ниже, чем критическая температура сверхпроводящей магнитной катушки (22).