熱輻射防護屏、低溫恆溫器和mri系統的製作方法

2023-05-07 04:25:06

專利名稱：熱輻射防護屏、低溫恆溫器和mri系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在低溫恆溫器中使用的熱輻射防護屏，特別涉及一種在磁共 振成像(MRI)系統中有用的、用於在一種容納冷卻的超導磁體的低溫恆溫器中使用的熱輻 射防護屏。
背景技術：
MRI系統通常採用大的超導磁體，為成功操作超導磁體，需要將其冷卻到低溫溫度 (如，液氦的溫度)。提供低溫恆溫器以封閉磁體並保持大體積的液態致冷劑(如，氦)以 提供冷卻。特定來說，液氦是非常昂貴的，低溫恆溫器經設計以將來自MRI系統所處的環境 的加熱而引起的液氦損耗減到最少。在本描述中將把液氦用作實例致冷劑，但本申請不限 於氦冷卻布置中的應用。實際上，本發明可應用於採用任何合適致冷劑的低溫恆溫器。提供多層結構，其經設計以將從周圍環境中通過傳導、對流和輻射而到達低溫恆 溫器的熱量減到最少，參看圖1和2將作更詳細的解釋。圖1是穿過一種容納超導磁體的常規低溫恆溫器的橫截面。圖2是圖1的低溫恆 溫器的某些組件的部分剖視圖，其特別圖示了本發明提出的熱輻射防護屏。圖1是包含一致冷劑室7的低溫恆溫器的常規布置。在致冷劑室7內提供冷卻的 超導磁體10，超導磁體10部分浸在液態致冷劑9內。磁體通過懸掛裝置(圖中未示出) 相對於致冷劑室保持在適當位置。致冷劑室7本身通過懸掛裝置(圖中未示出)保持在一 外部真空腔室(OVC) 12內。在致冷劑室7與外部真空腔室12之間的真空空間中提供一個 以上熱輻射防護屏1。熱輻射防護屏1通過懸掛裝置(圖中未示出)相對於致冷劑室7和 OVC 12保持於適當位置。通常提供若干個MYLAR 鋁化聚酯薄膜和絕緣網格的層6，其 在熱輻射防護屏1與OVC 12之間包圍熱輻射防護屏。清楚起見，這些層在圖1中僅部分圖 示。熱輻射防護屏1和層6將通過輻射使從OVC 12到致冷劑室7的熱傳遞減到最少。在 製造期間將OVC 12與致冷劑室7之間的體積抽空以將通過對流從OVC到致冷劑室的熱傳 遞減到最少。在一些已知布置中，將致冷器17安裝在位於塔臺18中的出於保護目的而提供的 致冷器套筒15中(朝向低溫恆溫器側部)。或者，致冷器可位於入口塔臺19內，入口塔臺 19保留在入口頸部(通風管)20中，該入口頸部安裝在低溫恆溫器的頂部。在一些布置中， 致冷器通過將致冷劑室7內的致冷劑氣體再冷凝為液體來提供對冷卻致冷劑氣體的有效 冷凍。致冷器17也可用以冷卻輻射防護屏1。如圖1說明，致冷器17可為兩級致冷器。第 一冷卻級經由熱鏈路8熱連接到輻射防護屏16，並提供冷卻到第一溫度(通常在80-100K 的區間)。第二冷卻級提供對致冷劑氣體的冷卻到更低的溫度(通常在4-10K的區間)。向磁體提供電連接，但為了清楚起見而未說明，因其在本發明中不起作用。在替代布置中，不使用大體積的液體致冷劑，且沒有致冷劑室7。然而，仍提供熱輻 射防護屏1，本發明可應用於此類布置。
如圖2所示，MRI系統的輻射防護屏1通常形成為一種大體上圓柱形環形結構，其 具有兩個環形端面3 (其中僅一個端面在圖2中可見)、一個內部圓柱體4和一個外部圓柱 體5。如參看圖1描述，熱輻射防護屏1通常包圍致冷劑室7，致冷劑室7含有液體致冷 劑9(如，氦)以冷卻超導磁體10。若干反射MYLAH 材料(鋁化聚酯片)和絕緣網格的 絕緣層6位於熱輻射防護屏1的周圍。在熱輻射防護屏1周圍提供外部真空腔(0VC)12，其 也有大體上圓柱形結構。在良好熱接觸8下，將一種致冷器單元(如圖1中的致冷器17)提供給熱輻射熱 輻射防護屏1上的冷卻區域2。在操作中，該致冷器單元會使熱輻射防護屏1的溫度維持在 大約52開。由於輻射和沿著懸掛元件的傳導引起的熱流入將導致熱輻射防護屏1的加熱。從 冷卻區域2到熱輻射防護屏1的其餘部分的將存在溫度梯度。在圖2所示的箭頭的方向上 熱量將從熱輻射防護屏的其餘部分傳導到冷卻區域2，冷卻區域2在本實例中圖示為在熱 輻射防護屏的頂部。熱量在內部圓柱體4和外部圓柱體5上大致沿圓周流動到冷卻區域2， 在端面3上大致垂直地流動到冷卻區域2。熱輻射防護屏1常規上由高級鋁形成以提供強反射表面，以將進入致冷劑室7的 熱輻射減到最少，並將從0VC 12輻射的熱量的吸收減到最少。鋁作為熱輻射防護屏的材料 的又一優點是其高熱導率。關於此類熱輻射防護屏的問題在於其具有高電導率，因而準許 產生與在操作中由MRI系統中產生的磁場相對抗的渦電流，這會導致無效，特定來說，可能 更難解釋所得圖像，尤其在渦電流不均勻分布的情況下。減小用於熱輻射防護屏的材料的電導率將減輕渦電流產生的問題，但具有較低電 導率的材料往往也具有低的熱導率。必須維持充分的熱性能以便熱輻射防護屏執行其功 能。

發明內容
本發明旨在提供一種材料的熱輻射防護屏，所述材料與常規金屬片熱輻射防護屏 相比電導率減小，但其具有充分的熱導率使熱輻射防護屏執行其功能。常規熱輻射防護屏是由金屬片形成，需要熟練的組裝和安裝。需要進一步 熟練的操作以將輔助組件連接到熱輻射防護屏，例如電纜、連接器和阻熱件(thermal interc印ts)(如，層壓物(laminates)或銅織物)。本發明旨在提供一種熱輻射防護屏，其 可由非熟練工人來構造和安裝，這就有可能減少整個低溫恆溫器的製造成本，並減少安裝 熱輻射防護屏的時間。本發明如下實現熱輻射防護屏的材料可經裁定以提供所需的熱傳導特性，同時 通過提供減小的電導率而將渦電流的產生減到最少。根據本發明，提供一種如所附權利要求書中定義的熱輻射防護屏、低溫恆溫器和 MRI系統。


從以下參考附圖僅以實例的方式給出的對本發明的特定實施例的描述，將更清楚本發明的上述和其它目的、特徵和優點，附圖中圖1是穿過一種容納超導磁體的常規低溫恆溫器的橫截面；圖2是圖1的低溫恆溫器的某些組件的部分剖視圖，其包含根據本發明的輻射熱輻射防護屏；以及圖3是根據本發明的一個實施例的熱輻射防護屏的部分的放大橫截面圖。
具體實施例方式各種塑料-金屬混合材料是已知的。通常，這些材料由一種塑料、一種導電填充 劑材料和一種低熔點金屬合金組成，其中，所述塑料可以是熱塑性塑料或熱固性塑料，所述 導電填充劑材料如短切(chopped)金屬纖維、金屬顆粒或金屬粉末，所述低熔點金屬合金 如具有400°C以下(優選200°C以下)的熔點的焊料。這類材料EP1695358、US6274070、 JP2213002、EP0942436、US4882227和US4533685中都論述過。這些材料通常用以製作電磁 屏蔽，或者在常規塑料模塑製品上或常規塑料模塑製品中用以形成導電軌。此類塑料-金 屬混合材料可通過注模成型(injection moulding)工藝製成。此外，製品可通過注模成型 工藝由塑料_金屬混合材料製成。在注模成型工藝期間，在熱塑性成分的情況下，將材料加熱到塑料和合金均熔化 或至少軟化的溫度。隨後可如常規進行注模成型。在冷卻時，材料形成一個低熔點合金連 接的導電填充劑材料的互連網，所述低熔點合金嵌入塑料成分內。在包括熱固性成分的塑料-金屬混合材料的情況下，使用未凝固的樹脂實施注模 成型。如果包含低熔點金屬合金，應將塑料_金屬混合材料加熱到合金熔化或至少軟化的 溫度。由低熔點合金連接的導電填充劑網形成穿過材料的導熱和導電軌。低熔點金屬合 金和塑料的相應表面張力意味著合金引起形成導電軌網，而不是合金以不連在一起的小滴 的形式散布在塑料中。本發明關注這些塑料-金屬混合材料的新應用，其中材料的電特性 和熱性質兩者都提供效果顯著的優點。根據本發明的一方面，熱輻射防護屏1由包括一種塑料成分、一種導電填充劑材 料和一種低熔點金屬合金的塑料_金屬混合材料形成。優選地，塑料成分是熱塑性的，雖然在本發明的一些實施例中可以使用熱固性塑 料。優選地，本發明的熱輻射防護屏是通過注模成型形成的。注模成型的過程是快速 的，允許從單個模具中製造出許多熱輻射防護屏，在熱輻射防護屏的構造中不需要熟練的 工人。注模成型工藝的另一顯著優點在於，如用於懸掛致冷劑室的懸掛元件的入口孔等復 雜形狀可在模製工藝期間形成，無需在後期添加。用於懸掛熱輻射防護屏的懸掛元件的安 裝點也可在注模成型工藝期間形成，而不是如用金屬片熱輻射防護屏的常規做法那樣由熟 練的技工添加到防護屏。在使用短切金屬纖維作為導電填充劑的情況下，發現用較大的纖維會使注模成型 更加困難。在本發明的上下文中，優選短切金屬纖維的平均長度是25mm以下，更優選的是， 短切金屬纖維的平均長度應是IOmm以下。合適的塑料_金屬混合材料的實例在圖3中更詳細地示出，圖3是根據本發明的熱輻射防護屏的一部分的放大橫截面。圖3是通過注模成型技術形成的熱輻射防護屏1的 材料，其中大量導電和導熱軌嵌入絕緣塑料材料23內。可看到，在此實例中呈短切金屬纖 維的形式的導電填充劑材料21塗覆有低熔點金屬合金22。各個金屬纖維由充當焊料的低 熔點金屬合金以機械、電和熱方式連接。短切金屬纖維中的兩者以橫截面圖示，以說明低熔 點金屬合金如何塗覆和連接短切金屬纖維。連接的短切金屬纖維嵌入塑料23內。在替代實施例中，導電填充劑材料包括金屬粉末或金屬顆粒。在此類實施例中，將 形成類似的結構，其中導電和導熱軌由導電填充劑微粒組成，所述導電填充劑微粒由嵌入 絕緣塑料材料內的低熔點金屬合金連接。絕緣塑料材料23的使用減少了在熱輻射防護屏中使用的導電材料的數量，其有 助於減少熱輻射防護屏中的渦電流。導電填充劑材料的短切纖維、顆粒或微粒在很大程度 上彼此絕緣，從而提供相對少量的導體區，在這些導體區中將不會形成顯著的渦電流。在實例材料中，導電填充劑材料包括具有直徑小於0. 1mm和長度在1mm到10mm的 短切銅纖維。低熔點金屬合金可為鉛-錫(Pb-Sn)合金，塑料可為聚醯胺或丙烯腈-丁二 烯_苯乙烯共聚物(ABS)。完成的熱輻射防護屏可具有1到3mm的厚度。在本發明的某些實施例中，將一種低發射率塗層24施加於熱輻射防護屏的外表 面。低發射率塗層向熱輻射防護屏提供反射表面以減少來自外部環境(通常為外部真空腔 0VC 12)的熱吸收。低發射率塗層可為鋁層，可經噴射或作為膠帶施加或以其它方式施加。 或者或另外，可將類似的低發射率塗層施加到熱輻射防護屏的內表面。此低發射率塗層減 少了從防護屏朝向致冷劑室7的熱輻射。在某些實施例中，熱輻射防護屏的端面3可能不是從塑料_金屬混合材料形成的。 如，其可從高級鋁片形成，與在常規的熱輻射防護屏中一樣。在替代實施例中，這兩個端面 可由玻璃纖維增強的熱固性樹脂形成，所述玻璃纖維增強的熱固性樹脂含有在其中佔據空 間的導熱軌(如，銅線)。可形成導熱軌以提供傳導路徑，其圍繞環面大體上向上流動，如圖 2中端面3上描繪的流動箭頭所示。然而，優選的是整個熱輻射防護屏應通過塑料-金屬混合材料的注模成型形成。 如，可形成兩個半部防護屏，每個半部防護屏包括一個端面3以及內部圓柱體4和外部圓柱 體5中每一者的一個軸向半部。可使兩個半部引入適當的位置並連接在一起。在使用熱塑 性成分的實施例中，可加熱圓柱部分的邊緣，直到熱塑性材料和/或低熔點金屬合金軟化 為止，隨後將兩個半部防護屏壓在一起。可使用相容的熱固性粘合劑將包含熱固性塑料成 分的實施例連接在一起。當然，可形成其它布置，如可沿著穿過圓柱體4和5的軸線的平面 分割熱輻射防護屏。可通過例如旋轉模製或吹塑模製等替代模製技術形成熱輻射防護屏。 在一些實施例中，可將熱輻射防護屏形成為單件，切割為兩個以上區段，隨後在磁體10和 任一致冷劑室7周圍的適當位置接回到一起。為了輔助冷卻區域2處的有效冷卻，可提供一種阻熱件8，其通過如銅層壓物或銅 織物熱連接到致冷器17。根據本發明的實施例，呈固體成分或如銅層壓物或銅織物的形式 的阻熱件可以新的方式連接到熱輻射防護屏1。在本發明的包括熱塑性成分的實施例中，熱 輻射防護屏的材料可通過使用合適工具的局部加熱而軟化，且可將阻熱件壓制在熱輻射防 護屏的材料中。依據應用，合適的工具可為一種熱氣槍、一種烙鐵或一種噴燈。阻熱件將成 為熱連接到熱輻射防護屏的材料內的導電軌，尤其是在熱輻射防護屏的材料包含低熔點合金且選擇阻熱件的材料為容易被低熔點金屬合金弄溼(wetted)的情況下。在使用鉛-錫 合金作為低熔點金屬合金的實施例中，鍍錫銅將為合適的材料。通過本發明的熱輻射防護屏，連接例如電纜、連接器和阻熱件等輔助組件是簡單的。關於由鋁片或類似物形成的常規熱輻射防護屏，必須將安裝特徵連接到熱輻射防護屏， 隨後將電纜、連接器等連接到安裝特徵。通過本發明的包含熱塑性成分的熱輻射防護屏，所需的是使用合適的工具加熱熱 輻射防護屏的相關部分，直到熱輻射防護屏的材料軟化為止。隨後，可簡單地將電纜、連接 器等壓到熱輻射防護屏的材料中。隨著熱輻射防護屏的材料冷卻，輔助組件通過熱輻射防 護屏的材料穩固地保持在適當位置。依據應用，合適的工具可為熱氣槍、烙鐵或噴燈。通過本發明的包含熱固性塑料成分的熱輻射防護屏，所需的是使用相容的熱固性 粘合劑來連接電纜、連接器等等。為了使本發明的熱輻射防護屏有效地操作，熱輻射防護屏的材料需要具有相對高 的導熱率。然而，發明人已發現，此熱導率無需與鋁的熱導率(常規上用於熱輻射防護屏的 材料)一樣高。另一方面，為了減少在熱輻射防護屏的材料中形成的渦電流，電導率應相對 低，優選顯著低於鋁(常規上用於熱輻射防護屏的材料)的電導率。參看圖3在上文論述 的塑料-金屬混合材料中，由低熔點金屬合金連接導電填充劑材料以形成穿過塑料的導電 和導熱路徑。在本發明的某些實施例中，可發現，例如通過減少材料中的低熔點金屬合金的 比例來減少導電填充劑材料的互連是有益的。這將具有提供導電填充劑的部件之間的較少 互連的效果。作為由低熔點金屬合金進行複雜連接的替代，導電填充劑的若干部分將不連 接。這將顯著增加材料的電阻率。然而，材料的熱導率仍相對高。可通過增加導電填充劑 的比例來改善熱導率。在極端實施例中，可完全省略低熔點金屬合金，熱輻射防護屏可由含有導電填充 劑(通常以短切金屬纖維或金屬粉末的形式)的塑料組成的材料形成。填充劑可包括金屬 顆粒或例如塗覆有金屬的有機纖維等替代物。在此材料中，填充劑的大多數短切纖維或微 粒或顆粒可能通過熱塑性層與所有其它短切纖維、顆粒或微粒電隔離。這將提供高水平的 電阻率。然而，由於每一短切纖維或微粒可能通過僅一層薄塑料層與其相鄰者分離，因此材 料的熱導率可能在可接受範圍內仍然是高的。可通過改變用作導電填充劑的材料(例如， 銅、鋁、鋼)和所使用的顆粒或微粒的大小或所使用的短切纖維的直徑和長度來控制材料 的熱導率。也可通過改變材料內的導電填充劑的比例來控制熱導率。由於在此些實施例中導電微粒、顆粒或短切纖維不形成長的導電路徑，因此在熱 輻射防護屏的材料內形成渦電流的傾向將顯著減少。本發明的熱輻射防護屏的進一步優點包括熱輻射防護屏的量減小，其可帶來運輸 的經濟性並使製造期間更容易處置。本發明的熱輻射防護屏的製造可委託給專門進行塑料模製的機構。這將使磁體或 低溫恆溫器的製造商不必承擔製造熱輻射防護屏的責任。預計熱輻射防護屏在尺寸方面是 可重複性高的，熱輻射防護屏在低溫恆溫器中的組裝比常規熱輻射防護屏的情況會簡單得
^^ ο雖然已參考某些實施例描述了本發明，但在本發明的範圍內，所屬領域的技術人 員將明白許多修改和變化。如，塑料_金屬混合物可包括選自短切纖維、粉末和顆粒三種類型導電填充劑中的至少兩種的混合物。導電填充劑可為多於一種類型的金屬。也可包含例 如玻璃纖維或滑石等非導電填充劑材料以提供所需的機械特性。
權利要求
一種用於低溫恆溫器的熱輻射防護屏(1)，所述熱輻射防護屏(1)由一種塑料-金屬混合材料形成，所述塑料-金屬混合材料包括一種塑料成分(23)和一種包括金屬的導電填充劑材料(21)。
2.根據權利要求1所述的熱輻射防護屏，其中所述塑料_金屬混合材料的所述導電填 充劑成分(21)包括短切金屬纖維。
3.根據權利要求2所述的熱輻射防護屏，其中所述短切金屬纖維的平均長度是25mm以下。
4.根據權利要求3所述的熱輻射防護屏，其中所述短切金屬纖維的平均長度是10mm以下。
5.根據權利要求1所述的熱輻射防護屏，其中所述塑料_金屬混合材料的所述導電填 充劑成分(21)為金屬粉末。
6.根據權利要求1所述的熱輻射防護屏，其中所述塑料_金屬混合材料的所述導電填 充劑成分(21)為金屬顆粒。
7.根據前述任一權利要求所述的熱輻射防護屏，其中所述塑料_金屬混合材料的所述 塑料成分(23)包括一種熱塑性材料。
8.根據前述任一權利要求所述的熱輻射防護屏，其中所述塑料_金屬混合材料進一步 包括一種低熔點金屬合金(22)。
9.根據權利要求8所述的熱輻射防護屏，其中所述低熔點金屬合金(22)具有低於 400°C的熔點。
10.根據權利要求9所述的熱輻射防護屏，其中所述低熔點金屬合金(22)具有200°C 以下的熔點。
11.根據前述任一權利要求所述的熱輻射防護屏，其具有施加在內表面和/或外表面 上的低發射率層。
12.根據前述任一權利要求所述的熱輻射防護屏，其是通過對所述塑料-金屬混合材 料進行注模成型形成的。
13.根據前述任一權利要求所述的熱輻射防護屏，其中所述塑料_金屬混合物包括選 自短切纖維、粉末和顆粒三種導電填充劑中的至少兩種的混合物。
14.根據前述任一權利要求所述的熱輻射防護屏，其中所述塑料_金屬混合物包括一 種非導電填充劑材料。
15.根據權利要求1到11中任一權利要求所述的熱輻射防護屏，其包括一個塑料-金 屬混合材料的內部圓柱體(4)和一個塑料-金屬混合材料的外部圓柱體(5)，所述內部圓柱 體(4)和外部圓柱體(5)通過非塑料-金屬混合材料的複數個環形端面3進行連接。
16.根據權利要求15所述的熱輻射防護屏，其中所述環形端面中的至少一個是由包含 導熱軌的絕緣材料形成的。
17.一種用於容納超導磁體的低溫恆溫器，其包括一種根據前述任一權利要求所述的 熱輻射防護屏，所述熱輻射防護屏位於一外部真空腔(12)的真空區內。
18.—種容納超導磁體的低溫恆溫器，其包括一種根據前述任一權利要求所述的熱輻 射防護屏，所述熱輻射防護屏包圍所述超導磁體(10)並位於一外部真空腔(12)的真空區 內。
19.根據權利要求18所述的容納超導磁體的低溫恆溫器，其中所述超導磁體(10)位於 由所述熱輻射防護屏(1)包圍的一致冷劑室(7)內。
20.一種MRI系統，其包括根據權利要求18或19所述的一種容納超導磁體的低溫恆溫器。
全文摘要
本發明提供一種用於低溫恆溫器的熱輻射防護屏(1)，其由一種塑料-金屬混合材料形成，所述塑料-金屬混合材料包括一種塑料成分(23)和一種包括金屬的導電填充劑材料(21)。所述熱輻射防護屏可通過注模成型形成。
文檔編號C08K3/08GK101799522SQ201010000318
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月11日 優先權日2009年2月10日
發明者史蒂芬·保羅·特羅韋爾, 特雷弗·布賴恩·赫斯本德, 菲利浦·艾倫·查爾斯·沃爾頓 申請人:英國西門子公司