CN1816270A - 提供与热连接件热接触但电绝缘的管状导电体的组件 - Google Patents
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Abstract
本发明在用于低温恒温器的角塔中在热连接件和管状导电体之间提供了一种改进的接头。该接头导热但电绝缘，成本低，生产简单，并且可提供优越的电绝缘性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种提供与热连接件(thermal link)热接触但电绝缘的管状导电体的组件。
背景技术
图1显示了例如可用于保持核磁共振成像(MRI)系统的磁性线圈的低温恒温器。致冷剂容器1容纳液态致冷剂2。致冷剂容器内处于液态致冷剂液面上方的空间3可被挥发性的致冷剂填充。致冷剂容器容纳在真空套筒4内，该真空套筒4用于通过减小致冷剂容器1的传导或对流加热的可能性，来减小从环境温度流入致冷剂2中的热量。在致冷剂容器1和真空套筒4之间的真空空间内可设有一个或多个隔热罩5。这些隔热罩用于减小从外部到达致冷剂容器1的辐射热量。设置有允许从外部进入致冷剂容器内的入口颈6。该入口颈用于填充致冷剂容器，以提供通往电流引线及其它容纳在致冷剂容器内的超导线圈接线的入口，并且提供了沸腾挥发出的气态致冷剂的逸出路径。
为了将电流引入到电磁线圈中，必须在线圈上形成两个电连接。通常存在正极和负极DC连接。如图1所示，通常穿过低温恒温器主体来形成负极连接，而正极连接形成为穿过管状导电体10，其一般被称作正极管(positive tube)。该正极管必须与低温恒温器正极管10的导电部分电绝缘，致冷剂正极管10通常为通入致冷剂容器内的薄壁不锈钢导电管。电引线9将正极管连接到设备上，例如用于NMR或MRI磁体的超导线圈(未示出)上。正极管10还可以连接到致冷剂外部的电流源上，以便将电流引入到致冷剂内的设备中。正极管10通常连接至电流源的正极端子上，同时提供穿过低温恒温器结构的负极电流回路。由于正极管10经入口颈6从致冷剂容器1延伸到外部，因此它就提供了进入致冷剂容器的热流路径。通常通过将正极管10热连接到冷却部分、例如连接到隔热罩5上来解决这一问题。在所示的低温恒温器中，通过提供正极管以处于热连接但电绝缘的方式穿过其中的热连接件18，来实现这一点。热连接件在正极管10与隔热罩5之间提供了热传导。在热连接18内设置通道，以便为其他连接提供入口，用于填充致冷剂，以及允许气态制冷剂在急冷情况下逸出。
正极管10通常容纳在角塔(turret)12内，角塔12通常是另一种薄壁不锈钢管。角塔12的下部本身容纳在波纹管14内。在适当的位置，波纹管形成致冷剂容器1的一部分。波纹管14通常是一种直径比正极管10和角塔12都要大的薄壁不锈钢管。波纹管容纳了向下延伸到致冷剂容器1内的正极管10和角塔12的一部分长度。波纹管14所允许的正极管10和角塔12的延伸长度增加了它们的热路径长度，并因而有助于减少进入致冷剂容器的热通量。波纹管结构可用于调节在致冷剂容器1、隔热罩5和外真空腔4之间的热膨胀及其它相对运动的差异。
图2显示了根据现有技术的固定式正极管的入口颈6。正极管10通常包括用作用于将电流引入致冷剂容器1内设备中的导电体的薄壁不锈钢管。这种设备通常可以是用于MRI系统的超导磁线圈。由于电流回路一般要穿过低温恒温器结构，因此正极管必须与其它导电部件绝缘。
比较理想的是，通常可通过致冷机将正极管10冷却到大约50K的温度。通过在热量到达致冷剂容器1之前消除从外界沿正极管10的材料而进入致冷剂容器1的热量，这就可用于减少进入致冷剂容器1的热流。
如图2所示，提供了与角塔12机械接触并热接触的热截断体(thermal intercept)16。在一个优选实施例中，角塔12的分段结合在热截断体16内的合适形状的通道内，以使单件传热材料、通常为铜从角塔12的外部延伸到其内部。通过沿传导路径到达致冷机的热传导，来对该热截断体16进行冷却。所讨论的致冷机通常是两级致冷机中的第一级，该致冷机将热截断体16冷却到大约50K。
为了给正极管10提供所需的热学冷却和电绝缘，设置了热连接件18，其将角塔12的内表面连接到正极管10的外表面上。热连接件18和热截断体16通常是单个铜块，其中角塔12的分段结合在热截断体16内的合适形状的通道内。在这种实施例中，热连接件18简单地指热截断体的位于角塔12内的那一部分。热连接件18还必须在正极管10和角塔12之间提供电绝缘。热连接件18优选还为正极管10提供机械支撑。通过经由角塔12的材料而至热截断体16的热传导，来对热连接件18进行冷却。
根据现有技术，通过以下工艺来满足这些要求。
至少在预定与热连接件18接触的区域中围绕管10的带内，利用氧化铝对通常为不锈钢管的正极管10进行等离子喷涂。然后，至少在预定与热连接件18接触的区域中围绕管10的带内，在已利用氧化铝进行了喷涂的区域中的至少一部分内，利用铜对正极管进行等离子喷涂。因此，至少在预定与热连接件18接触的区域内围绕管的带内，所形成的结构包括涂覆有氧化铝电绝缘层的不锈钢管，该氧化铝层又被涂覆上铜导电层。这些层强机械结合强度好，并且具有导热性。然而，正极管10的不锈钢以及铜覆层被电绝缘隔开。
热连接件18的内径通常略大于涂覆上铜和氧化铝的正极管的外径。尽管在图2不清楚，但是设置了穿过热连接件18的肾形通路，以允许用于其它维护、致冷剂填充以及在急冷情况下供致冷剂气体逸出的通路。
热连接件18在正极管10上滑动到适当位置。随后，至少在适当区域内对热连接件18和正极管10进行充分的加热，以允许这二者之间接缝的软钎焊。热连接件10软钎焊在正极管上的铜涂覆层上。所得电绝缘在100V下测得为低于10MΩ。
这种方法至少具有以下缺点：等离子喷涂工艺很难实施并且成本高。用于等离子喷涂的氧化铝以及在正极管上所形成的氧化铝层是吸潮的，因此需要进行仔细的干燥、处理以及储存。氧化铝内的潮气能够引起电击穿，从而导致正极管和低温恒温器结构之间的电短路，这会导致该部分无用，因为该部分将不可能再向致冷剂容器1内部的设备提供电流。为了进行钎焊，必须将热连接接头及正极管加热到焊料的熔点以上。这是一个费时的步骤，并且需要适当的工艺设备。在涂敷焊料之前，必须涂敷焊剂，以清洁并准备好正极管和热连接件的表面。焊剂的化学特性意味着它会损坏周围的金属。通常用水洗掉焊剂所留下的任何残留物，这会弄湿氧化铝层，因此必须随后进行仔细干燥。
发明内容
因而，本发明的目的是解决现有技术的至少某些缺陷，同时形成可提供足够的电、热及机械性能的结构。
因而，本发明提供了如下所述的根据本发明的方法和装置。
附图说明
通过下文中仅以实例方式给出的结合附图的某些实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征及优点将更加显而易见，其中：
图1显示了典型低温恒温器的截面，例如用于容纳MRI应用中的超导磁体并且受益于本发明的低温恒温器；
图2显示了根据现有技术的容纳在角塔内并热连接到热截断体上的正极管；
图3显示了根据本发明一实施例的固定式正极管维护角塔的放大细节。图3所示部分对应于图2中描绘出的区域III。
具体实施方式
根据本发明，热连接件18未焊接到正极管10上。相反，根据本发明，利用例如为环氧树脂的粘合剂，在正极管10和热连接件18之间形成导热但电绝缘的机械接头20。所用的粘合剂必须是导热但电绝缘的。
在本发明的某些实施例中，所使用的粘合剂是ECCOBOND285环氧树脂或STYCAST2850FT环氧树脂，这两者都可以从美国Billerica MA的Manning路46号的Emerson&Cuming公司购得。可以通过掺入催化剂Catalyst 9或Catalyst 11使环氧树脂固化，这两种催化剂都可从EMERSON&Cuming公司购得。所使用的环氧树脂优选填充有高导热性但电绝缘的填料。在某些实施例中，填料可以是细粒度的氧化铝(Al2O3)粉末。
ECCOBOND285环氧树脂和Catalyst 9的混合物已知可以在大约300K的温度下提供1.3Wm-1K-1的热导率，以及1015Ωcm的体电阻率。在该应用中，ECCOBOND285环氧树脂的另一有用性能是其相对较低的热膨胀系数，制造商所提供的数据是10-6K-1。本发明人已经发现，这种环氧树脂粘合剂可耐受大约50K的工作温度，这种工作温度是将本发明应用在通过液态氦致冷剂进行冷却的MRI系统中所需的。
在备选实施例中，可以使用除环氧树脂以外的其它粘合剂。例如，可以使用硅树脂或聚氨酯粘合剂，优选带有导热但电绝缘的填料，例如氧化铝粉末。无论使用哪种粘合剂，它必须具有的所需性能包括，高导热性、高电阻，并且能够耐受所关注范围内的温度，例如大约50K。
ECCOBOND及STYCAST是National Starch and ChemicalCompany公司的注册商标。
为了在正极管和热连接件18之间形成本发明的粘合接头20，可以采用以下方法。
将一定量的所选粘合剂涂敷在正极管周围，至少覆盖在与热连接件相连的接头20处在正极管周围的带部位。随后，将热连接件18在正极管上滑动到适当位置。将粘合剂挤压在正极管的外表面和热连接件的内表面之间。已经发现，粘合剂有效地涂覆在这两个表面上。如果有必要，可以通常方式来清除多余的粘合剂，例如用布擦拭掉。可以发现更有效的是，在热连接件于粘合剂层上滑动时，使正极管围绕热连接件旋转。这样会有助于将正极管10居中在热连接件18内。这种工艺可以在一般的室温下实施。
由于粘合剂对所连接的表面是保形的，因此，根据本发明的接头20就比在现有技术钎焊接头的情形能够耐受正极管更大程度的形变。
在本发明的方法中，不需要在待连接表面上涂敷焊剂，从而避免了该焊剂对周围材料化学损坏的可能性。不需要象现有技术钎焊接头的情形那样对正极管和热连接件进行加热。
根据本发明的在正极管10和热连接件18之间形成粘合接头20的成本仅为现有技术的形成钎焊接头的成本的大约10-20％。
根据本发明的用于形成接头20的粘合剂不会显著地吸水。在300K温度下经24小时后的吸湿通常为0.1％。另一方面，氧化铝可以吸收高达50％的潮气，而“干燥”氧化铝的相应指标在10％的范围内。
本发明的接头20在正极管和热连接件之间所形成的电绝缘在250V下测得为150MΩ以上，这与现有技术的钎焊接头的绝缘性能相比是非常好的，现有技术钎焊接头的电绝缘在100V下测得为低于10MΩ。
本发明的接头20的导热率可小于现有技术钎焊接头的导热率。例如，采用STYCAST2850FT的本发明的接头20所测得的导热率为0.46Wm-1K-1，而根据现有技术的接头所测得的导热率为2.6Wm- 1K-1。导热率减小的效果预期为接头20的区域内温度升高为大约1K。本发明人认为这种导热率下降程度是为本发明接头20提供其它优点所付出的可接受的代价。本发明人希望通过例行方法以及误差方法或其它方法，将确定可提供更好热性能的被填充的粘合剂材料。所引用的填充有氧化铝的STYCAST2850FT环氧树脂粘合剂的实例以前已用于低温冷冻应用中，例如用于将测温设备连接在低温恒温器内。因而可以知道，在本申请所考虑的温度下，这种粘合剂是可靠的。
尽管参照有限数量的具体实施例对本申请进行了描述，然而，在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的前提下，可以进行各种修改和变化。
Claims (8)
1.一种用于结合在角塔(12)内以提供通往低温恒温器的致冷剂容器(1)的入口的组件，所述组件包括：
管状导电体(10)；以及
在所述管状导电体的外表面和所述角塔(12)的内表面之间处于热接触的可导热的热连接件(18)，所述导热热连接件(18)通过导热但电绝缘的粘合剂层(20)而机械结合在所述管状导电体上，所述粘合剂层(20)形成于所述管状导电体和所述热连接件的相应相配表面之间。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述粘合剂包括含有导热但电绝缘的填料的固化环氧树脂。
3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述填料包括氧化铝Al2O3的颗粒。
4.根据上述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，所述管状导电体为大致圆柱形，所述热连接件为环状，其围绕所述管状导电体外表面的一部分而形成结合。
5.一种低温恒温器，所述低温恒温器包括：冷冻剂容器(1)，其用于容纳液态冷冻剂(2)以及用于对从所述液态冷冻剂中沸腾逸出的气态致冷剂进行再冷凝的两级致冷机；角塔(12)，其为所述致冷剂容器提供入口并且容纳了根据权利要求1-4中任一项所述组件，其中，所述两级致冷机的第一级热连接在所述热连接件(18)上。
6.一种用于将管状导电体(10)装配在角塔(12)内、使得所述管状导电体通过热连接件(18)而与所述角塔机械连接且热连接但电绝缘的方法，所述方法包括以下步骤：
通过粘合剂层(20)将所述热连接件结合到所述管状导电体外表面的一部分上。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过粘合剂层(20)将所述热连接件结合到所述管状导电体外表面的一部分上的所述步骤本身包括以下步骤：
围绕所述管状导电体(10)涂敷上粘合剂层，以便在形成与所述热连接件结合的位置处至少覆盖围绕所述管状导电体的带；
将所述热连接件(18)在所述管状导电体上滑动到适当位置，将所述粘合剂挤压在所述管状导电体的外表面和所述热连接件的内表面之间；以及
使所述粘合剂固化。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述管状导电体为大致圆柱形，所述热连接件为大致环状，在所述热连接件在所述粘合剂层上滑动时，使所述热连接件围绕所述管状导电体旋转。
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