專利名稱：熱輻射防護屏、低溫恒溫器和mri系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在低溫恒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(tǒng)中有用的、用于在一種容納冷卻的超導磁體的低溫恒溫器中使用的熱輻 射防護屏。
背景技術：
MRI系統(tǒng)通常采用大的超導磁體，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)。提供低溫恒溫器以封閉磁體并保持大體積的液態(tài)致冷劑(如，氦)以 提供冷卻。特定來說，液氦是非常昂貴的，低溫恒溫器經(jīng)設計以將來自MRI系統(tǒng)所處的環(huán)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 于氦冷卻布置中的應用。實際上，本發(fā)明可應用于采用任何合適致冷劑的低溫恒溫器。提供多層結構，其經(jīng)設計以將從周圍環(huán)境中通過傳導、對流和輻射而到達低溫恒 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(guī)低溫恒溫器的橫截面。圖2是圖1的低溫恒 溫器的某些組件的部分剖視圖，其特別圖示了本發(fā)明提出的熱輻射防護屏。圖1是包含一致冷劑室7的低溫恒溫器的常規(guī)布置。在致冷劑室7內(nèi)提供冷卻的 超導磁體10，超導磁體10部分浸在液態(tài)致冷劑9內(nèi)。磁體通過懸掛裝置(圖中未示出) 相對于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(nèi)。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)相對于致冷劑室7和 OVC 12保持于適當位置。通常提供若干個MYLAR 鋁化聚酯薄膜和絕緣網(wǎng)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 制造期間將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安裝在位于塔臺18中的出于保護目的而提供的 致冷器套筒15中(朝向低溫恒溫器側(cè)部)。或者，致冷器可位于入口塔臺19內(nèi)，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恒溫器的頂部。在一些布置中， 致冷器通過將致冷劑室7內(nèi)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(jīng)由熱鏈路8熱連接到輻射防護屏16，并提供冷卻到第一溫度(通常在80-100K 的區(qū)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(qū)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(fā)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(fā)明可應用于此類布置。
如圖2所示，MRI系統(tǒng)的輻射防護屏1通常形成為一種大體上圓柱形環(huán)形結構，其 具有兩個環(huán)形端面3 (其中僅一個端面在圖2中可見)、一個內(nèi)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(wǎng)格的 絕緣層6位于熱輻射防護屏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(qū)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。由于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(qū)域2到熱輻射防護屏1的其余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余部分傳導到冷卻區(qū)域2，冷卻區(qū)域2在本實例中圖示為在熱 輻射防護屏的頂部。熱量在內(nèi)部圓柱體4和外部圓柱體5上大致沿圓周流動到冷卻區(qū)域2， 在端面3上大致垂直地流動到冷卻區(qū)域2。熱輻射防護屏1常規(guī)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，并將從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(yōu)點是其高熱導率。關于此類熱輻射防護屏的問題在于其具有高電導率，因而準許 產(chǎn)生與在操作中由MRI系統(tǒng)中產(chǎn)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。減小用于熱輻射防護屏的材料的電導率將減輕渦電流產(chǎn)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(zhí)行其功 能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種材料的熱輻射防護屏，所述材料與常規(guī)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(zhí)行其功能。常規(guī)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(fā)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恒溫器的制造成本，并減少安裝 熱輻射防護屏的時間。本發(fā)明如下實現(xiàn)熱輻射防護屏的材料可經(jīng)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(chǎn)生減到最少。根據(jù)本發(fā)明，提供一種如所附權利要求書中定義的熱輻射防護屏、低溫恒溫器和 MRI系統(tǒng)。


從以下參考附圖僅以實例的方式給出的對本發(fā)明的特定實施例的描述，將更清楚本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點，附圖中圖1是穿過一種容納超導磁體的常規(guī)低溫恒溫器的橫截面；圖2是圖1的低溫恒溫器的某些組件的部分剖視圖，其包含根據(jù)本發(fā)明的輻射熱輻射防護屏；以及圖3是根據(jù)本發(fā)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?；蚪饘俜勰?，所述低熔點金屬合金 如具有400°C以下(優(yōu)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。這些材料通常用以制作電磁 屏蔽，或者在常規(guī)塑料模塑制品上或常規(guī)塑料模塑制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)工藝制成。此外，制品可通過注模成型 工藝由塑料_金屬混合材料制成。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。隨后可如常規(guī)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(wǎng)，所述低熔點合金嵌入塑料成分內(nèi)。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(wǎng)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(wǎng)，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(fā)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(zhì)兩者都提供效果顯著的優(yōu)點。根據(jù)本發(fā)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(yōu)選地，塑料成分是熱塑性的，雖然在本發(fā)明的一些實施例中可以使用熱固性塑 料。優(yōu)選地，本發(fā)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，允許從單個模具中制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(yōu)點在于，如用于懸掛致冷劑室的懸掛元件的入口孔等復 雜形狀可在模制工藝期間形成，無需在后期添加。用于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(guī)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(fā)現(xiàn)用較大的纖維會使注模成型 更加困難。在本發(fā)明的上下文中，優(yōu)選短切金屬纖維的平均長度是25mm以下，更優(yōu)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(jù)本發(fā)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(nèi)?？煽吹?，在此實例中呈短切金屬纖 維的形式的導電填充劑材料21涂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 點金屬合金如何涂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(nèi)。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(nèi)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(shù)量，其有 助于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?；蛭⒘Ｔ诤艽蟪潭?上彼此絕緣，從而提供相對少量的導體區(qū)，在這些導體區(qū)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于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，塑料可為聚酰胺或丙烯腈-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(fā)明的某些實施例中，將一種低發(fā)射率涂層24施加于熱輻射防護屏的外表 面。低發(fā)射率涂層向熱輻射防護屏提供反射表面以減少來自外部環(huán)境(通常為外部真空腔 0VC 12)的熱吸收。低發(fā)射率涂層可為鋁層，可經(jīng)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(fā)射率涂層施加到熱輻射防護屏的內(nèi)表面。此低發(fā)射率涂層減 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(guī)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占據(jù)空 間的導熱軌(如，銅線)?？尚纬蓪彳壱蕴峁﹤鲗窂?，其圍繞環(huán)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(yōu)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(nèi)部圓柱體4和外部圓柱 體5中每一者的一個軸向半部?？墒箖蓚€半部引入適當?shù)奈恢貌⑦B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，隨后將兩個半部防護屏壓在一起?？墒褂孟嗳莸臒峁绦哉澈蟿瑹峁绦运芰铣?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?？赏ㄟ^例如旋轉(zhuǎn)模制或吹塑模制等替代模制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(qū)段，隨后在磁體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(qū)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(jù)本發(fā)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(fā)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(jù)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(nèi)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濕(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(fā)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。關于由鋁片或類似物形成的常規(guī)熱輻射防護屏，必須將安裝特征連接到熱輻射防護屏， 隨后將電纜、連接器等連接到安裝特征。通過本發(fā)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。隨后，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(wěn)固地保持在適當位置。依據(jù)應用，合適的工具可為熱氣槍、烙鐵或噴燈。通過本發(fā)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(fā)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(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，此熱導率無需與鋁的熱導率(常規(guī)上用于熱輻射防護屏的 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(yōu)選顯著低于鋁(常規(guī)上用于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(fā)明的某些實施例中，可發(fā)現(xiàn)，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復雜連接的替代，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?？赏ㄟ^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?；蚶缤扛灿薪饘俚挠袡C纖維等替代物。在此材料中，填充劑的大多數(shù)短切纖維或微 ?；蝾w?？赡芡ㄟ^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，由于每一短切纖維或微?？赡芡ㄟ^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范圍內(nèi)仍然是高的?？赏ㄟ^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(nèi)的導電填充劑的比例來控制熱導率。由于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(nèi)形成渦電流的傾向?qū)@著減少。本發(fā)明的熱輻射防護屏的進一步優(yōu)點包括熱輻射防護屏的量減小，其可帶來運輸 的經(jīng)濟性并使制造期間更容易處置。本發(fā)明的熱輻射防護屏的制造可委托給專門進行塑料模制的機構。這將使磁體或 低溫恒溫器的制造商不必承擔制造熱輻射防護屏的責任。預計熱輻射防護屏在尺寸方面是 可重復性高的，熱輻射防護屏在低溫恒溫器中的組裝比常規(guī)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(fā)明，但在本發(fā)明的范圍內(nèi)，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。導電填充劑可為多于一種類型的金屬。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
一種用于低溫恒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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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)具有低于 400°C的熔點。
10.根據(jù)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(jù)前述任一權利要求所述的熱輻射防護屏，其具有施加在內(nèi)表面和/或外表面 上的低發(fā)射率層。
12.根據(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(nèi)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(nèi)部圓柱 體(4)和外部圓柱體(5)通過非塑料-金屬混合材料的復數(shù)個環(huán)形端面3進行連接。
16.根據(jù)權利要求15所述的熱輻射防護屏，其中所述環(huán)形端面中的至少一個是由包含 導熱軌的絕緣材料形成的。
17.一種用于容納超導磁體的低溫恒溫器，其包括一種根據(jù)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于一外部真空腔(12)的真空區(qū)內(nèi)。
18.—種容納超導磁體的低溫恒溫器，其包括一種根據(jù)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)并位于一外部真空腔(12)的真空區(qū) 內(nèi)。
19.根據(jù)權利要求18所述的容納超導磁體的低溫恒溫器，其中所述超導磁體(10)位于 由所述熱輻射防護屏(1)包圍的一致冷劑室(7)內(nèi)。
20.一種MRI系統(tǒng)，其包括根據(jù)權利要求18或19所述的一種容納超導磁體的低溫恒溫器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于低溫恒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(yōu)先權日2009年2月10日
發(fā)明者斯蒂芬·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