CN101093744B - 包含冷却层的树脂浸渍超导磁体线圈 - Google Patents

Abstract

一种树脂浸渍超导磁体线圈包括：被嵌入在树脂(16)中的多匝超导线(14)，该树脂(16)具有由树脂构成的填充有填充材料(20)的外部填充层(18)。该线圈进一步包括冷却层(22)，该冷却层被插入在该超导线(14)与该填充层(18)之间。

Description

包含冷却层的树脂浸渍超导磁体线圈

技术领域

本发明涉及超导磁体线圈，并且特别地涉及为没有被浸入冷却液槽中的超导线圈提供冷却装置。

背景技术

超导磁体典型地包含多个在液体冷却剂槽中的超导线圈。最近，“干式”低温箱已变得可用，其中使用冷却线圈的替代方法。这可以包括通过经由导热路径到致冷器的传导的线圈的致冷，或者可以包括冷却回路。典型地，冷却回路是运输少量液体冷却剂的导热管。来自被冷却的设备的热量通过导热管的壁被吸收到液体冷却剂中。冷却剂可以膨胀或沸腾，从而在冷却回路的液体冷却剂内产生对流。这些对流使冷却剂环绕冷却回路循环到致冷器，该致冷器使冷却剂再冷却。以这样的方式，冷却能力分布在设备周围。

日本专利申请JP61-271804描述了一种超导电磁体，该超导电磁体具有缠绕到线圈架上的线圈。导热材料被设置在线圈与线圈架之间和/或线圈的外表面上。导热支承板是传统的线圈架上的线圈绕组的特征，该导热支承板连接到该导热材料上，并且该支承板是通过在冷却管中循环的液氦来冷却的。

然而，该现有技术所提供的装置已被发现至少由于以下理由而是不理想的。JP61-271804的现有技术依赖于缠绕到线圈架上的线圈，该线圈架保持所使用的线圈。因此，线圈在它们的内部尺寸上被保持。优选的是不设置线圈架，使得线圈自身可以在直径上被减小，或者线圈的可用的孔应被增大。因此，希望线圈应在其外部直径上得到支承，虽然这可能在精确对准线圈时产生困难。还希望线圈应具有最高的可能的电流密度，即线圈横截面积的最大的可能的部分应被导体占据。这有助于降低线圈以及因此磁体的整体尺寸。它也可以有助于降低所需的超导线的总量，并且因此也有助于降低线圈的成本。也必须注意线圈内的圆周应力的控制以及在系统元件中流动的破坏性涡流的可能性。

GB1443780A描述了一种树脂浸渍线圈，该线圈具有轴向的冷却导管以及在线圈的由覆盖在导热材料中的纤维所隔开的层之间的编织物。在采用这种方法时，线圈电流密度被减小，因此将需要更大的线圈以便保持用于产生场的安培匝数。

EP0413571A1描述了用于致冷(传导冷却)MRI磁体的独立式(freestanding)环氧线圈，这些线圈通过间隔件和(构成卡盘的)终端套管这样被定位，以致是可拆卸的。铜箔回路和外包装被设置在线圈的外表面之内和之上。这提供机械加固，但是看来似乎不具备冷却功能。

JP6176349提出为了直接冷却而用两个板将线圈夹在轴向面之间，而JP10189328描述了用于直接冷却的类似的导热线圈推力面。

在传导冷却和冷却回路装置中通过导热线圈架来冷却线圈已经变成传统。该线圈架可以在线圈的内部或外部直径上定位线圈。线圈在它们的外部直径上的定位导致线圈内部直径减小，从而导致对超导线的减小的需求和较小的、不太昂贵的并且体积不太大的系统。由于相同的原因，还使线圈本身能够尽可能被定位在容许的孔附近。

在利用外部线圈架所构建的螺线管磁体中，由超导线构成的线圈本身用树脂来浸渍，以便形成坚固的线圈结构。这些线圈在它们的外和侧表面上被保持，以便提供所希望的螺线管线圈装置。为了实现每个线圈的正确的半径，还允许将所有的线圈安装到共同的外部线圈架上，已经发现有必要提供填充层，以便填充线圈的额定外半径与外部线圈架的表面之间的缝隙。典型地，该填充层包含与在线圈中所使用的浸渍树脂相同的、用例如玻璃纤维或玻璃珠的填充材料填充的浸渍树脂。树脂和填充材料的比例这样来选择，使得所得到的材料的热收缩率尽可能匹配于浸渍线圈的热收缩率。

在操作中，由螺线管磁体产生的磁场将产生朝一个方向或另一个方向推动线圈的效果。典型地，设置外部线圈架，以便提供固化步骤，以防止线圈在其被推动的方向上移动。线圈的另一侧典型地具有夹紧装置以便相对于线圈架内的该步骤将线圈保持在适当的位置上。

典型的干式低温箱中的线圈通过沿着与线圈接触或者接合的例如外部线圈架的材料到例如冷却回路或致冷器的冷却装置的热传导来冷却。当线圈配备有填充层时，通过经由外部线圈架的热传导来冷却线圈变得困难。为了通过外部线圈架从线圈中提取热量，热量将需要流经填充层。然而，填充层典型地是由具有低导热性的材料、例如树脂和玻璃构成的。因此，由于填充层的存在而阻碍了超导线圈的冷却。

发明内容

本发明的目的在于减轻现有技术的问题，并且提供用于有效地冷却安装在外部线圈架上的线圈的设备，其中这些线圈在它们的外表面上具有填充层。

附图说明

结合下述附图，在考虑仅仅通过实例所给出的某些实施例的以下说明时，本发明的上述的以及另外的目的、特征和优点都将变得更加显而易见，其中：

图1示出浸渍超导线圈的总图；

图2示出类似于图1中所示的线圈的、根据本发明所改进的线圈的横截面视图；

图3-4示出本发明的替代实施例的特征；以及

图5示出模具的一个部件。

具体实施方式

图1示出浸渍磁体线圈10的一般表示。该线圈是单个固体树脂件，具有多匝嵌入内部的超导线。如上所述，外表面12携带填充层，该填充层由填充有诸如玻璃纤维或玻璃珠的填充材料的树脂构成。

图2示出例如在图1中的II处所示的那样穿过根据本发明所改进的线圈的部分横截面。如图2中所示，线圈包含多匝嵌入在树脂16中的超导线14。典型地，除了结构的完整性以外，树脂还提供线圈的相邻匝之间的电绝缘。上部填充层18由填充有诸如玻璃纤维或玻璃珠的填充材料20的树脂构成。

根据本发明的一个方面，设置有冷却层22，该冷却层被插入在超导线14和填充层18之间。如果铝被用于冷却层，则该冷却层例如通过具有树脂、兼容的绝缘材料或受过阳极化处理的表面的层与超导线14电隔离。冷却层22是具有相对高的导热性的材料(比树脂16或填充层18的材料的导热性高得多)。设置有块部件24，该块部件附着于冷却层的一侧。优选地，这个块部件和被插入在超导线14和填充层18之间的冷却层集成在一起，但是这个块部件至少与被插入在超导线14和填充层18之间的冷却层处于良好的热接触。块部件24被布置成通过适当的装置来冷却。在图2中所示的实施例中，块部件被成形为容纳如上所述的冷却回路致冷装置的冷却管26。在典型实施例中，冷却层22和块部件24将是被成形为在块部件中所形成的沟槽中以干涉配合容纳冷却管26的单个铝型材(aluminium extrusion)。用于冷却层和块的特别优选的材料是受过阳极化处理的纯铝。可选地，沟槽的一个或两个侧壁都可以变形为朝向冷却管，以便提供对冷却管的更可靠的保持。

在操作中，由于感生的涡流，将在低温箱和线圈结构中产生热量。这些涡流是由于对磁体孔中的梯度线圈加以脉冲而产生的，这导致在围绕梯度线圈的导电表面中的时变磁通量。该线圈结构也将吸收从外部经由辐射或传导渗透到系统中的热能。如上所述，冷却管26将起冷却块部件24和冷却层22的作用。热量将从超导线14被传导到冷却层，然后被传导到块部件24以及冷却回路。因此，热量被有效地从线圈中移除，而无需使热量流经填充层18。

图3示出根据本发明的一种替代实施例的冷却层。该冷却层又被形成为单个型材、优选地铝型材。在这种情况下，块部件24形成有其自己的集成的沟槽28，该沟槽可被用作冷却回路管。这一实施例具有某些优于图2的实施例的优点：例如不需要执行将冷却回路26合并在块部件24中的装配步骤，并且在冷却回路26和块部件24之间的界面中不可能存在热阻。

冷却层的另一替代实施例在图4中被示出。该冷却层又被形成为单个型材、优选地铝型材。在这种情况下，块部件24被形成为固体件30，以便沿其长度具有最小的热阻。这一实施例特别适合于直接传导冷却。致冷器被布置成与冷却层的块部件热接触。通过致冷器从块部件移除热量，该致冷器又冷却该冷却从22以便冷却超导线14，而不需要热量行进穿过填充层18。

虽然本发明的冷却层应该被设置成围绕线圈的足够的范围以提供有效的冷却，但冷却层不需要被设置成围绕线圈的整个圆周。实际上，为了减少冷却层中的电涡流，可以优选不完整的冷却层。

虽然块24与任何相关的冷却管26在附图中被示出为位于线圈主体之外，但本发明的一些实施例可以具有部分地或完全地被嵌入在线圈自身的材料中、被嵌入在树脂16之中的块部件24与任何相关的冷却管26。

现在将参考图5来描述一种根据本发明的用于制造具有冷却层的线圈的方法。由超导线14构成的线圈被缠绕到模具中，该模具将在浸渍步骤中保持浸渍树脂。在图5中只示出了模具的一个部件32。然而，应当理解，所使用的模具包含足够多的部件，以便将多匝超导线14保持在适当的位置上并且以便形成可以发生树脂浸渍的基本上封闭的腔室。如所示的那样，模具部件32可以包括诸如螺纹孔34的用于安装其他模具部件的装配装置。模具可以随着该方法的进行而增大，最初只包括对于将多匝超导线14保持在适当的位置来说必要的那些部件，随后被增加以构成用于树脂浸渍的完整的腔室。在所示的实施例中在块部件24中承载冷却管26的冷却层22然后沿着线圈的部分或整个圆周被施加在超导线上。

如果冷却层由导电材料构成，必须注意使该冷却层与超导线14电隔离。这可以通过涂敷冷却层22、例如通过对铝冷却层进行阳极化处理、或者施加其他的电隔离层、或者在超导线14和冷却层22之间设置树脂层来实现。

然后通过在冷却层22上覆盖例如玻璃纤维席或者玻璃纤维织物的填充材料20而在存在于冷却层22的径向外表面上的空腔内、在用于树脂浸渍的腔室内形成填充层。然后所得到的整个结构在模具中用树脂16来浸渍，以形成最终的结构。

在优选的实施例中，(例如通过对铝冷却层进行阳极化处理)使冷却层的表面粗糙，以便提高树脂的附着力，和/或对冷却层的表面进行穿孔，以便在树脂浸渍过程中促进树脂通过整个结构并且保证在线圈中可靠地保持冷却层。

因此，根据本发明，提供了一种被冷却的线圈，该具有超导线匝本身的最小内径，因为在线匝内部在径向上不需要线圈架或导热层或类似物。填充层被设置在线圈的径向外表面上，该填充层使得能够精确地确定线圈的尺寸以及稳健地机械安装线圈。因此，该线圈被模制为用于在其外径上进行支承的尺寸。通过将冷却层定位在线匝与填充层之间，需要最小长度的超导线，并且获得线圈的最大电流密度，同时提供对线匝的有效冷却。在冷却层和线匝之间不需要厚的绝缘层，所以冷却是有效的。

所设想的特定类型的冷却层避免对单独的支承板、线圈架上绕组的传统特征的需求或对在原处将这种支承板铜焊或焊接到导热冷却层上的需求。

如可以从图5中看出的那样，冷却层的位置22优选地通过模具的各种不同部件来限定。这又允许将线圈本身精确地定位在模具中、通过冷却层保持在适当的位置。

冷却层的机械特性、例如其抗张强度也可以在使用时用于控制磁体中的圆周应力。可以典型地为导电的冷却层的电特性可以有助于淬火保护。

相信本发明为这种利用绝缘的导热回路来冷却线圈的螺线管设计(designwhist)提供了最经济的导体分布。如果使用受过阳极化处理的提供良好的树脂粘结强度和电绝缘特性的铝，它可以被设置为非常接近线圈的表面。导电层优选地是具有裂缝的，不形成电学上连续的环，以便减少其中的涡流循环。

虽然参考有限数量的特定实施例描述了本发明，但是本发明的各种改进和变化对于本领域技术人员来讲将是显而易见的。

Claims (18)

1.一种树脂浸渍超导磁体线圈，包括被嵌入在树脂中的多匝超导线，该树脂具有由树脂构成的填充有填充材料的外部填充层，其特征在于：该线圈进一步包括被插入在超导线匝的外表面与该填充层之间的冷却层以及与被插入在该超导线的外表面和该填充层之间的冷却层的一部分热接触的块部件，该冷却层包含导热性大于该树脂或该填充层的材料的导热性的材料层，该块部件被布置用于通过适当的装置冷却到该超导线的临界温度之下，其中该冷却层由受过阳极化处理的铝构成，并且其中该块部件被布置在被插入在该超导线的外表面和该填充层之间的冷却层的面积之外。

2.如权利要求1所述的树脂浸渍超导磁体线圈，其中，该块部件被成形为容纳冷却回路致冷装置的冷却管。

3.如权利要求2所述的树脂浸渍超导磁体线圈，其中，该冷却层和该块部件是被成形为在该块部件中所形成的沟槽中以干涉配合容纳冷却管的单个型材。

4.如权利要求1所述的树脂浸渍超导磁体线圈，其中，该冷却层和块部件是单个型材，该块部件包含用于用作冷却管的集成的沟槽。

5.如权利要求1所述的树脂浸渍超导磁体线圈，其中，该冷却层和块部件是单个型材，该块部件是固体件。

6.如权利要求1所述的树脂浸渍超导磁体线圈，其中，该块部件和任何相关的冷却管至少被嵌入在该树脂中。

7.如权利要求1所述的树脂浸渍超导磁体线圈，其中，该冷却层被穿孔。

8.一种螺线管磁体结构，包括如权利要求1所述的树脂浸渍超导磁体线圈。

9.一种磁共振成像(MRI)系统，包括如权利要求8所述的螺线管磁体结构。

10.一种核磁共振(NMR)系统，包括如权利要求8所述的螺线管磁体结构。

11.一种用于制造具有冷却层的线圈的方法，该方法包括以下步骤：

将超导线缠绕到模具中；

沿着线圈的圆周的至少一部分在该超导线上施加冷却层；

通过在该冷却层上覆盖填充材料而在该冷却层上施加填充层；

在该模具中用树脂来浸渍所得到的整个结构，以便形成最终的结构，

其中该冷却层的一部分被插入在该超导线的外表面和该填充层之间，并且块部件与被插入在该超导线的外表面和该填充层之间的冷却层的一部分热接触，该块部件被布置在被插入在该超导线的外表面和该填充层之间的冷却层的面积之外。

12.如权利要求11所述的方法，其中，该冷却层的位置通过该模具的各种不同部件来限定，从而允许该线圈本身被精确地定位在该模具中，通过该冷却层被保持在适当的位置上。

13.如权利要求11所述的方法，其中，施加填充层的步骤是通过缠绕玻璃纤维席来实现的。

14.如权利要求11所述的方法，其中，施加填充层的步骤是通过缠绕玻璃纤维织物来实现的。

15.如权利要求11所述的方法，其中，该冷却层由导电材料构成并且与该超导线电隔离。

16.如权利要求11所述的方法，其中，使该冷却层的表面粗糙，以提高树脂的附着力。

17.如权利要求11所述的方法，其中，该冷却层被穿孔，以便在树脂浸渍过程中促进树脂通过整个结构并且确保相对于该线圈可靠地保持该冷却层。

18.如权利要求13所述的方法，其中，该冷却层包含受过阳极化处理的铝，并且其中，受过阳极化处理的表面提供电绝缘和/或增进表面纹理的附着力。

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