CN101414742B - 超导接头的冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁共振成像系统，尤其涉及一种在提供超导接头的电压隔离的情况下冷却超导接头的方法，所述方法包括以下步骤：提供一个容器(10)以接纳所述接头；通过插入一电隔离层(32)来将所述容器附接到一冷却的表面(20)；以及将所述接头嵌入所述容器内的接合材料(70)中。本发明还提供一种用于在提供超导接头的电压隔离的情况下冷却超导接头的布置。采用本发明的方法和布置能有效地冷却超导接头。

Description

超导接头的冷却方法
技术领域
本发明涉及(例如)在磁共振成像(MRI)系统磁体中所使用的超导电缆之间的接头的冷却方法。通常通过以下步骤来制造此类接头：暴露超导电缆内的超导细丝，清洁所述细丝，接着将所述细丝编织在一起并用诸如铅铋合金PbBi的超导合金来浸渍所述细丝。通常，将接头放置在充满PbBi合金的金属杯中，以形成超导接头。此动作可称为“罐封(potting)”接头。为了使这种接头保持超导，必须使所述接头保持冷却到细丝和接合合金PbBi的临界温度以下。
背景技术
当与常规的浸泡冷却式磁体系统一起使用时，维持所需要的低操作温度是简单的，因为接头浸没在沸腾的液态氦中，从而维持在约4.2开尔文(K)。然而，在通过传导来冷却磁体的其它系统中，确保接头不呈现高于超导电缆临界温度的温度显著更加困难，因为接头不能浸没在液态氦浴中或包含在冷的氦气氛中。此外，接头在失超事件期间经受极其高的对地电压(约5kV)。因此，有必要提供一种允许有效地传导冷却所述接头的布置，还提供接头与系统其它部分的充分电压隔离。
发明内容
本发明设法处理上述困难，且本发明因此提供如所下的方法和设备。
一种在提供超导接头的电压隔离的情况下冷却超导接头的方法，所述方法包括以下步骤：a)提供一个容器(10)以接纳所述接头；b)通过插入一电隔离层(32)来将所述容器附接到一冷却的表面(20)；以及c)将所述接头嵌入所述容器内的接合材料(70)中。
其中所述容器为杯状形式，其具有一个基座(12)、一个侧壁(14)和一个开口(16)以接纳所述接头，并且所述容器通过其基座附接到所述冷却的表面。
其中所述容器为管状形式，其具有一个侧壁(14)和一个开口(16)以接纳所述接头，并且所述容器通过其侧壁附接到所述冷却的表面。
其中所述冷却的表面包括一个柱形空腔(72)，所述管状容器纳入所述柱形空腔中，所述电隔离层被插入在所述管状容器的所述侧壁与所述柱形空腔的壁之间。
其中步骤(b)包括：通过粘合剂(32)将所述容器附接到所述冷却的表面，所述粘合剂形成所述电隔离层(30)。
其中通过利用充分量的粘合剂(32)来建立预定厚度的所述电隔离层(30)，以确保所需程度的电绝缘。
其中步骤(b)中所述将所述容器附接到一冷却的表面的步骤包括以下子步骤：通过插入一电隔离层(30)来将所述容器附接到一夹持器装置(20)；将所述夹持器装置附接到一冷却装置(40)。
其中所述容器通过粘合剂(32)附接到所述夹持器装置，所述粘合剂形成所述电隔离层。
其中通过利用充分量的粘合剂来建立预定厚度的所述电隔离层，以确保所需程度的电绝缘。
其中所述夹持器装置(20)由金属形成。
其中所述夹持器装置由铝制成，或包括大部分铝。
优选地，所述方法包括：在所述夹持器装置(20)与所述冷却装置(40)之间施加用于增强其间的热接触的介质(52)。
其中所述介质(52)包括烃油脂。
其中所述容器由导热材料形成。
其中所述导热材料为黄铜或红铜。
一种用于在提供超导接头的电压隔离的情况下冷却超导接头的布置，所述布置包括一个容器(10)，所述容器容纳嵌入所述容器内接合材料(70)中的所述接头；所述容器通过电隔离层(30)的插入而附接到一冷却的表面(20)。
其中所述容器为杯状形式，其具有一个基座(12)、一个侧壁(14)和一个开口(16)以接纳所述接头，并且所述容器通过其基座附接到所述冷却的表面。
其中所述容器为管状形式，其具有一个侧壁(14)和一个开口(16)以接纳所述接头，并且所述容器通过其侧壁附接到所述冷却的表面。
其中所述冷却的表面包括一个柱形空腔(72)，所述管状容器位于所述柱形空腔中，所述电隔离层被插入在所述管状容器的所述侧壁与所述柱形空腔的壁之间。
其中所述容器通过粘合剂(32)附接到所述冷却的表面，所述粘合剂形成所述电隔离层(30)。
其中所述电隔离层被提供为预定厚度。
其中所述容器通过一电隔离层(30)的插入而附接到一夹持器装置(20)；所述夹持器装置附接到一冷却装置(40)。
其中所述容器通过粘合剂附接到所述夹持器装置，所述粘合剂形成所述电隔离层。
其中所述电隔离层被提供为预定厚度。
其中所述夹持器装置(20)由金属形成。
其中所述夹持器装置由铝制成，或包括大部分铝。
优选地，所述布置包括施加于所述夹持器装置与所述冷却装置之间的用于增强热接触的介质(52)。
其中所述介质(52)包括烃油脂。
其中所述容器由导热材料形成。
其中所述导热材料为黄铜或红铜。
附图说明
为了使本发明可被清楚地理解且容易实施，现将参看附图仅以示例的方式来描述本发明的某些实施例，在附图中：
图1以分解横截面图的形式展示通过根据本发明一个实施例的方法而制造的接头冷却组合件的零部件；
图2以侧视图的形式再次展示设置图1的一些零部件的过程中的中间阶段；
图3以透视图的形式展示通过如图1所说明的根据本发明实施例的方法而制造的接头冷却组合件；
图4以透视图的形式展示通过根据本发明另一实施例的方法而制造的接头冷却组合件；
图5展示沿着线V-V截取图4中所示接头冷却组合件的一部分的横截面图；
图6以横截面图的形式展示通过根据本发明另一实施例的方法而制造的接头；以及
图7展示根据本发明优选实施例的接头冷却组合件的详细剖视图。
具体实施方式
图1展示本发明的例示性实施例。在此实施例中，超导接头被形成且容纳于一容器10内，在此实施例中，容器10为杯状容器10，其由例如黄铜或红铜等导热材料形成。杯状容器具有一个基座12、一个侧壁14和一个开口16。
这种杯状容器本身是已知的，且用于容纳常规浸泡冷却式磁体系统中的超导接头。在这种布置中，维持所需要的低操作温度是简单的，因为接头浸没在沸腾的液态氦中，且因此维持在约4.2K。然而，在通过传导来冷却磁体的其它系统中，确保接头不呈现高于超导电缆临界温度的温度显著更加困难。此外，接头在失超事件期间经受极其高的对地电压(约5kV)。因此有必要提供一种允许传导冷却所述接头的布置，还提供接头与系统其它部分的充分电压隔离。因此将了解，对于传导冷却式磁体系统，有必要采取适当的步骤来确保接头被良好地冷却(即，使其维持在6K以下，优选地较接近4K)，且稳固地绝缘，以防在高压下电击穿。
因此，本发明的此实施例利用杯状容器10(其由例如黄铜或红铜等导热材料制成)，且其基座12通过一电隔离层30的插入而附接到一冷却的表面20。为了提供所需要的冷却和电隔离，选择电隔离层30的材料以呈现出所需程度的热传导和电阻抗。可优选在冷却的表面中提供一个阱22，以容纳电隔离层30的材料。冷却的表面20可呈一夹持器装置的形式，由例如铝的导热材料制成。在此实施例中，杯状容器10可通过电隔离层30的插入而附接到夹持器装置，且夹持器装置接着附接到一个冷却装置40(例如一个低温冷却式磁体)。因此接头在操作中维持在低于超导电缆临界温度的温度，例如6K或更低。可在杯状容器10附接到冷却的表面20之前或之后，制造超导接头且将其罐封到杯状容器10中。
在一个实施例中，夹持器装置20通过任何适当的机械固定构件附接到冷却装置40，所述机械固定构件例如是以下构件中的一者或一者以上：螺丝、螺栓、铆钉、夹片或夹钳。此外，在夹持器装置20与冷却装置40之间施加能够增强夹持器装置20与冷却装置40之间的热界面50上热接触的介质52。介质52方便地包括一层烃油脂层。合适的油脂可购自阿皮松制品M&L材料公司(英国曼彻斯特M320ZD特拉福德公园海伯尼亚路)的注册商标为“APEZION”的产品(见http://www.apiezon.com/greasetable.htm)。此油脂通过分子蒸馏产生，且除其它属性之外尤其还展现出良好的热稳定性。
在特定实施例中，电隔离层30由树脂粘合剂32形成；合适的是商业上被称为“斯达卡斯特(Stycast)树脂2850FT”，其与“9号”催化剂两者均可购自爱玛森康明(Emerson&Cuming)(美国马萨诸塞州比尔里卡曼宁路46号，01821)。与“9号”催化剂一起利用的“Stycast树脂2850FT”具有1.25W/mK的热导率和14.4kV/mm的介电强度，其均被认为是用作本发明中的电隔离层30的热导率和介电强度的合适值。在一典型安装中，待结合的所有零部件区域在最终清洁之前均应(例如)通过珠光处理使其表面被制备成所需要的状态。
电隔离层30优选地在杯状容器10的基座12与冷却的表面20之间提供结合。在其它实施例中，可提供一单独的电隔离层，其通过其它构件结合到容器10和冷却的表面20。在一典型的安装中，通过利用足够量的粘合剂32来建立预定厚度的电隔离层30，以确保杯状容器10与冷却的表面20之间所需程度的电隔离。电绝缘的典型要求是在杯状容器10与冷却的表面20之间隔离至少5kV的电位差。
图2说明用于确保电隔离层30被提供到所需厚度的特定布置。现在参看图2描述用于组装如图1和图3所说明的结构的根据本发明一个实施例的方法。准备用以产生所需厚度电隔离层30的所需量的粘合剂32(在此情况下是Stycast树脂2850FT和催化剂9)，且将杯状容器10放置到间隙设置夹具60中，容器10中的任何孔都可在需要的情况下使用雕塑粘土或某种其它适当的介质来临时堵塞。间隙设置夹具60可由聚四氟乙烯PTFE制成。通常优选将间隙设置夹具60设计成大礼帽形状，并设计间隙设置夹具60的尺寸，使得杯状容器10通过在夹具的下边缘62上方预定高度处的干涉配合而保持。可提供一上唇部64，且容器10与所述唇部成邻接关系而保持。夹具的上表面66可充分打开，如所说明。
将所需量的粘合剂32放置在冷却的表面20上，且放置在阱22中(如果提供阱22的话)。接着将带有容器10的间隙设置夹具60放置在粘合剂上，使得容器被夹持在冷却的表面20上方预定高度处，从而限定一个厚度等于所述预定高度的电隔离层30。在此阶段移除任何过量的粘合剂32，且允许粘合剂32凝固和干燥。通常，此凝固和干燥阶段花费8到10个小时。或者，容器10可调整地布置在间隙设置夹具60内，以允许提供不同厚度的电隔离层30。
接下来，从容器10移除间隙设置夹具60，容器10现在稳固地结合到冷却的表面20。
在冷却的表面20是一个夹持器装置的实施例中，夹持器装置20接着(例如)通过螺丝附接到冷却装置40，冷却装置40可为低温冷却的表面；出于上述目的，一层烃油脂层52优选提供在夹持器装置20与冷却装置40之间的热界面50处。
图3说明完成的结构，其具有通过粘合剂32结合到夹持器装置20的三个杯状容器10。其中一个容器被展示为容纳一个包括多个超导电缆68的接头，所述多个超导电缆68接合在一起，且嵌入在诸如PbBi合金的接合材料70内。
图4展示本发明的另一实施例。
图5展示沿着线V-V的穿过图4所示结构的局部截面。
与图1和图3的实施例共用的特征带有对应的附图标记。在图4的实施例中，容器10具有管状形式，其具有一个侧壁14和一个开口16。管状容器可具有一个基座12，尽管这可以是不存在的。如同图1和图3的实施例一样，超导电缆68之间的超导接头罐封在容器内的诸如PbBi合金的接合材料70中。冷却的表面20包括一个柱形空腔72，管状容器10纳入柱形空腔72中。而且，在容器10与冷却的表面20之间提供一个电隔离层30，以在维持充分热导率的情况下提供所需程度的电隔离。在这种实施例中，电隔离层30的厚度由管状容器10的外径与柱形空腔72的内径之间的差异限定。在组装期间，将所需量的粘合剂32纳入管状容器10的外表面与柱形空腔72的内表面之间，且通过任何适当的常规方法将容器10同心地夹持在空腔72内，例如通过将隔离材料(例如玻璃纤维布)缠绕在容器周围或使用机械夹具。如果在形成电隔离层30之后将超导接头罐封在容器10中，那么上述操作将较容易实现。这种实施例可提供改进的热性能，因为电隔离层30可具有较大的表面面积。可提供孔73以允许螺丝或类似物从中穿过，以便以机械方式使夹持器装置20与冷却装置40保持热接触。如在图5中更清楚地说明那样，柱形空腔72可具备倒角端(chamfered end)75。在没有此空腔的情况下，在空腔72的末端处将存在直角拐角。这将在拐角处导致电场强度的强峰值。在容器10与夹持器装置20之间的电压高达5kV的情况下，穿过容器10与夹持器装置20之间的电隔离层30的材料或在所述电隔离层的表面上存在电击穿的危险。通过提供倒角端，直角拐角被移除，这降低了峰值电场强度。电隔离层在空腔72的末端处的厚度得以增加。这两种效应均降低了穿过容器10与夹持器装置20之间的电隔离层30的材料或在所述电隔离层的表面上存在电击穿的危险。
图6展示另一系列实施例的实例，其中冷却的表面20不是夹持器装置，而是冷却布置的主要部分。在图6所示的特定实例中，冷却的表面20是液态致冷剂导管80的一部分。此特定实施例的杯状容器10通过电隔离层30而结合到致冷剂导管80的壁。还可提供使用如图4和图5所说明的容器和空腔的类似实施例，其中在冷却布置的主要部分(例如液态致冷剂导管的壁、磁体模型等等)中提供空腔。这种实施例提供改进的热性能，因为图1和图3所示实施例中热界面50所表示的热阻抗被避免。
图7展示本发明某一优选实施例的详细剖视图。对应于其它图中所示特征的特征带有对应的附图标记。在所说明的实施例中，将杯状容器10放置在一个形成于夹持器装置20表面中的阱22中，夹持器装置20优选由铝或红铜制成。可在需要的情况下使用其它导热材料。容器10通常由黄铜或红铜制成，但同样可在需要的情况下使用其它导热材料。在例如图7中所示的布置中，如果接头以及接头的接合材料与电隔离层30热接触，那么容器的热导率可能不太重要。阱22可形成有倒角上边缘80。在没有此空腔的情况下，在阱22的上边缘处将存在直角拐角。这会在所述拐角处产生电场强度的强峰值。在容器10与冷却的表面20之间的电压高达5kV的情况下，穿过容器10与冷却的表面20之间电隔离层30的材料或在所述电隔离层的表面上存在电击穿的危险。通过提供倒角端，直角拐角被移除，这降低了峰值电场强度。电隔离层在阱22的上边缘处的厚度得以增加。这两种效应均降低了穿过容器10与夹持器装置20之间的电隔离层30的材料或在电隔离层的表面上存在电击穿的危险。如图所说明，容器10可在其侧壁14中包括一个或一个以上孔74。特别地，容器可在其基座中包括一个孔76。可优选允许一些粘合剂32穿透容器10的基座12中的孔76。这可有助于容器的机械保持，且改进从容器10到冷却的表面20的热路径。如果选择此布置，那么超导接头应优选地在其结合到冷却的表面之后罐封到容器10中。如图所说明那样，冷却的表面20是一个夹持器装置，其通过热界面50附接到一个冷却装置40。在一优选实施例中，如上文所述，通过在夹持器装置20与冷却装置40之间插入一层“APEZION”
Figure GSB00000337383800091
油脂52来改进热界面。通过旋拧到冷却装置中的带螺纹孔中的贯穿螺栓78来提供夹持器装置到冷却装置的机械连接。
尽管本文已用一些特殊性描述了本发明的某些实施例，以便促进对本发明的理解，但并不希望将本申请的权利要求书的范围解释为限于特定实施例。

Claims (30)

1.一种在提供超导接头的电压隔离的情况下冷却超导接头的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供一个容器(10)以接纳所述接头；
b)通过插入一电隔离层(32)来将所述容器附接到一冷却的表面(20)；以及
c)将所述接头嵌入所述容器内的接合材料(70)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述容器为杯状形式，其具有一个基座(12)、一个侧壁(14)和一个开口(16)以接纳所述接头，并且所述容器通过其基座附接到所述冷却的表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述容器为管状形式，其具有一个侧壁(14)和一个开口(16)以接纳所述接头，并且所述容器通过其侧壁附接到所述冷却的表面。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述冷却的表面包括一个柱形空腔(72)，所述管状容器纳入所述柱形空腔中，所述电隔离层被插入在所述管状容器的所述侧壁与所述柱形空腔的壁之间。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中步骤(b)包括：通过粘合剂(32)将所述容器附接到所述冷却的表面，所述粘合剂形成所述电隔离层(30)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中通过利用充分量的粘合剂(32)来建立预定厚度的所述电隔离层(30)，以确保所需程度的电绝缘。
7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)中所述将所述容器附接到一冷却的表面的步骤包括以下子步骤：
通过插入一电隔离层(30)来将所述容器附接到一夹持器装置(20)；
将所述夹持器装置附接到一冷却装置(40)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述容器通过粘合剂(32)附接到所述夹持器装置，所述粘合剂形成所述电隔离层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中通过利用充分量的粘合剂来建立预定厚度的所述电隔离层，以确保所需程度的电绝缘。
10.根据权利要求7到9中任一权利要求所述的方法，其中所述夹持器装置(20)由金属形成。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述夹持器装置由铝制成，或包括大部分铝。
12.根据权利要求7所述的方法，其包括：在所述夹持器装置(20)与所述冷却装置(40)之间施加用于增强其间的热接触的介质(52)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述介质(52)包括烃油脂。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述容器由导热材料形成。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述导热材料为黄铜或红铜。
16.一种用于在提供超导接头的电压隔离的情况下冷却超导接头的布置，所述布置包括一个容器(10)，所述容器容纳嵌入所述容器内接合材料(70)中的所述接头；所述容器通过电隔离层(30)的插入而附接到一冷却的表面(20)。
17.根据权利要求16所述的布置，其中所述容器为杯状形式，其具有一个基座(12)、一个侧壁(14)和一个开口(16)以接纳所述接头，并且所述容器通过其基座附接到所述冷却的表面。
18.根据权利要求16所述的布置，其中所述容器为管状形式，其具有一个侧壁(14)和一个开口(16)以接纳所述接头，并且所述容器通过其侧壁附接到所述冷却的表面。
19.根据权利要求18所述的布置，其中所述冷却的表面包括一个柱形空腔(72)，所述管状容器位于所述柱形空腔中，所述电隔离层被插入在所述管状容器的所述侧壁与所述柱形空腔的壁之间。
20.根据权利要求16到19中任一权利要求所述的布置，其中所述容器通过粘合剂(32)附接到所述冷却的表面，所述粘合剂形成所述电隔离层(30)。
21.根据权利要求20所述的布置，其中所述电隔离层被提供为预定厚度。
22.根据权利要求16所述的布置，其中所述容器通过一电隔离层(30)的插入而附接到一夹持器装置(20)；所述夹持器装置附接到一冷却装置(40)。
23.根据权利要求22所述的布置，其中所述容器通过粘合剂附接到所述夹持器装置，所述粘合剂形成所述电隔离层。
24.根据权利要求23所述的布置，其中所述电隔离层被提供为预定厚度。
25.根据权利要求22到24中任一权利要求所述的布置，其中所述夹持器装置(20)由金属形成。
26.根据权利要求25所述的布置，其中所述夹持器装置由铝制成，或包括大部分铝。
27.根据权利要求22所述的布置，其包括施加于所述夹持器装置与所述冷却装置之间的用于增强热接触的介质(52)。
28.根据权利要求27所述的布置，其中所述介质(52)包括烃油脂。
29.根据权利要求16所述的布置，其中所述容器由导热材料形成。
30.根据权利要求29所述的布置，其中所述导热材料为黄铜或红铜。
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