CN101950959B - 超导磁体的便携式磁体电源和从超导磁体去除能量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于超导磁体的便携式磁体电源，包括用于存储从超导磁体(10)释放的能量的装置，所述装置本身包括：用于横跨超导磁体的电接线端连接的电停止运转负载(28)；和与所述停止运转负载热接触的热存储材料(40)。本发明还涉及一种用于此的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于超导磁体的便携式磁体电源，包括用于存储从超导磁体释放的能量的存储器，其在对从超导磁体释放的停止运转的能量(rundownenergy)的受控的管理中是有用的。具体地，本发明涉及在便携式磁体电源内部存储这样的能量以用于随后消散的装置。
背景技术
超导磁体是公知的，并且被应用于磁共振(MRI)系统、粒子加速器、核磁共振(NMR)光谱学、能量存储和其它应用中。在使用中，电流在闭合的超导电路中基本上无损耗地流动。在某些时候需要将电流从超导磁体中去除，例如，以使得能够维修操作。这样有目的的去除电流公知为斜降(ramping down)。
图1示出了超导磁体的示意性近似等效电路。在低温外壳10内部提供了超导导线的至少一个线圈12，具有可到达的电接头14、16。超导开关18与线圈12并联。超导开关包括超导导线的一段，典型地被覆盖于电阻性的金属外线(metalouter)18b中。典型地横跨该开关连接保护二极管(或二极管的组合)18c。与超导导线18a热接触地提供小的发热器18d。当需要时，电流通过发热器18d，该发热器充分加热超导导线以使得其失超(quench)，变成电阻性。于是，通过开关18的电流必须经过电阻覆盖层(sheathing)或经过失超的超导体。
通常地，通过将便携式磁体电源连接到横跨磁体的接线端上来进行斜降，并且断开在磁体内的超导开关以使得磁体电流流过磁体电源。典型地，在磁体电源内部提供了非常高功率的二极管装置，其产生在磁体电流路径内部的电压降。该电压降与流过其的磁体电流结合导致能量作为热消散。该热从二极管被传输到为此目的在磁体单元内部配备的散热器(heat sink)。由于热在二极管中消散，所以散热器变热，并且主要通过对流、但是也通过辐射和传导将热消散到周围环境。散热器必须大并且笨重，以便按照由二极管产生热的速率来消散热。该通常的装置要求大且重的二极管和散热器布置，以保证当消散存储在超导磁体中的能量时不会过热。在当前典型的例子中，1.5T超导磁体可以存储4MJ能量，磁体电源被设计为在大约30分钟内消散该能量。这代表了2.2kW的平均消散功率，但是尖峰消散功率要高得多。使用相同的停止运转负载(run-download)，3T磁体的能量可以花3倍长的时间。在某些已知的磁体电源中，二极管被电阻器替代。
图2示意性示出了常规的便携式磁体电源20的近似等效电路。电源20具有外部可达的接头24、26用于连接到磁体10的接头14、16。功率转换器22接收三相主功率24并且将其转换为低电压、高电流的DC输出。与大的散热器30热接触地提供停止运转负载28。散热器30典型地是金属块(mental block)，并且通常配备有散热片(fin)32和风扇34以辅助冷却。模式开关36允许用户在斜降模式(ramping mode)和停止运转模式(run down mode)之间切换，在斜降模式中功率转换器22被连接横跨磁体10，在停止运转模式中负载28被连接横跨磁体。
公知的便携式磁体电源又大又笨重，典型地重约85kg。维修技术人员将这些电源在世界范围运输以提供给包含超导磁体的系统，诸如MRI系统。期望减小这样的电源的尺寸和重量。使得磁体电源的尺寸和重量最小是重要的，因为运输成本代表了维修请求成本的一大部分。
在美国专利申请2002/0020174和日本专利申请JP60189021中描述了使用相变(phase-change)材料用于温度稳定的装置。对这样的应用的其它讨论可以在“Thermal Management Using“Dry”Phase Change Materials”，Proc.Fifteenth IEEESemiconductor Thermal Measurement and Management Symposium，March 9-11，1999，San Diego CA pp74-82IEEE No.99CH36306中找到。本发明不关心温度稳定，而是关心热存储和消散。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供用于超导体磁体的便携式磁体电源，该便携式包括用于存储从超导体磁体释放的能量的存储器，和用于从超导体磁体去除所存储的能量的方法和装置。
附图说明
本发明的上述和其它目的、特征和优点从以下结合附图对某些实施例的仅仅以非限制性例子方式的描述中变得清楚，其中，
图1示出了超导磁体的近似等效电路；
图2示出了常规的磁体电源的近似等效电路；
图3示出了按照本发明的便携式磁体电源的近似等效电路；
图4示出了按照本发明的实施例的特征的停止运转负载的示意图；并且
图5示出了按照本发明的另一个实施例的特征的停止运转负载的示意图。
具体实施方式
在当前的便携式磁体电源中，磁体电源的最大和最笨重的部分是用于去除和消散来自磁体的能量的装置。该装置(被称为停止运转负载)典型地包含大的金属散热器，冷却扇和电阻和/或半导体电路元件、诸如二极管。从磁体去除能量的速率由负载能够将热消散到周围环境的速率来确定。
期望在尽可能短的时间内从磁体提取能量，因为可能要求几个斜降(ramps)执行维修操作诸如补偿循环(shim iterations)。通常地，能量能够被提取的速率直接与停止运转负载能够通过散热器和风扇将热消散到周围的速率成比例，因为通常地磁体电源已经被设置来按照与在停止运转负载内部产生热的速率近似的速率消散热。
水冷却已经被提供给一些磁体电源，并且已经被发现缩小了停止运转负载和散热器的必要尺寸。然而，管道的必要配置、水溢出的可能性和现实性问题使得该方法是不合需要的。
本发明提供一种用于超导磁体的便携式磁体电源，特征是改进的停止运转负载装置，其允许以通常的速度或更快地提取能量，但是具有电源组件诸如散热器和风扇的减小得多的尺寸和重量。
本发明还提供一种用于从超导磁体去除能量的相应的方法。
具体地，本发明提供了一种用于超导磁体的便携式磁体电源，特征是停止运转负载不是按照近似于通过停止运转负载产生热的速率来消散热，而是存储产生的热的大部分用于随后的消散。在典型的停止运转情况中，期望将磁体尽可能快地停止运转。然后进行维修操作，并且在作为斜降公知的过程中将电流重新引入到磁体中。可能会再要求停止运转，但是在一个斜降操作和下一个之间通常有几个小时。
按照本发明的特征，在斜降期间产生的热能主要存储在热存储材料中，并且在主要在斜降过程结束之外延伸的时间段上消散，在该时间通过停止运转负载的电流终止。
图3示意性示出一种按照本发明的实施例的便携式磁体电源。与在图2中示出的特征相应的特征具有相应的附图标记。图3的磁体电源与图2的不同在于散热器30由与停止运转负载28热接触的热存储材料40替代。热存储材料可以配备有散热片42和/或冷却扇44，但是它们典型地明显小于在图2的通常的磁体电源中配备的那些32、34。
在本发明的一种实施例中，利用材料的固体到液体的相变的热特性来存储停止运转的能量，然后在磁体被停止运转之后慢慢释放能量。将能量用热的方法(thermally)存储在相变材料的化学键(chemical bond)中，而不是试图与从磁体提取能量一样快地消散能量。
在一种实施例中，合适数量的热存储材料(诸如在合适的温度进行固体-液体相变的固体石蜡)与停止运转负载保持热接触：正消散能量的电组件；可选地也可以是小的散热器；并且，可选地，也可以是小的风扇。
图4示意性示出了停止运转负载和按照本发明的实施例的热存储装置。停止运转负载28与一定数量的相变材料52热接触。停止运转负载28可以被包围在金属外壳中以便辅助将热传递到相变材料。金属外壳可以被装上散热片(befinned)以便进一步辅助将热传递到相变材料。相变材料被容纳于容器50之内，该容器能够不考虑方向地容纳按照其液态的相变材料。容器应该是热传导的材料并且可以配备有散热片42以辅助将热从相变材料传递到周围环境。可能需要封口54来允许电导体通过该容器。停止运转负载28典型地包括多个二极管。
在其它实施例中，停止运转负载28可以被附着到容纳了相变材料的热传导的容器的外侧。尽管在停止运转负载和相变材料之间的热接触可能会被减少，但是不需要提供封口54或将电导体通过该容器的壁。
已经发现：相变材料52、诸如固体石蜡的质量和体积需要吸收足够的热，以便允许在与本装置允许制造明显更小和更轻的磁体电源的时间类似的时间中磁体的停止运转。例如，固体石蜡在其相转变中可以存储400J.cm-3。因此，作为典型的能量存储在1.5T的超导磁体中的、前面讨论的4MJ的能量，可以被存储在10升重量小于10kg的这样的固体石蜡的相变能量中。这样的热存储材料的尺寸和重量与为此目的使用的常规的金属散热器的尺寸和重量相比极其有利。
该装置减小了元件的尺寸和重量，而没有减慢停止运转时间。由停止运转负载释放的能量主要被存储在相变材料中，并且被慢慢地消散。可以通过附加相对小的散热器和/或相对小的风扇来帮助该消散。
固体石蜡被认为是合适的相变材料，因为其具有非常高的热容量同时便宜、轻并且无毒。可以使用装入微胶囊的固体石蜡，并且在其液相中可以需要更简单的保持装置。存储热能的所述方法当应用于MRI磁体电源时将允许更小和更轻的磁体电源并且可以大大降低每年的运输开销。
在替换实施例中，通过停止运转负载产生的热可以被存储在固体热存储材料中，优选地在具有高的热容量的固体材料中。诸如那些被用于夜间存储电加热器(electric night storage heaters)中的陶瓷砖可以是合适的。在这些实施例中，电阻性的电线元件可以更合适地被用作停止运转负载，而不是二极管通常地被用作停止运转负载。
图5示意性地示出了停止运转负载和按照本发明的第二实施例的热存储装置。在该实施例中，将多个陶瓷砖56布置在停止运转负载28周围，并且与停止运转负载28热接触。在示例性实施例中，停止运转负载是电阻性元件，诸如电阻性导线的线圈。替换地，停止运转负载可以包括在合适地坚固的外壳中的多个二极管。陶瓷砖可以被保留在、或者以其它方式限制在容器58之内。可以配备冷却散热片以便辅助从砖到周围环境的热传递。停止运转负载可以被置于容器外部，而不是被置于砖之间。
尽管这样的固体热存储材料不具有在相变中存储能量的优点，但是不存在约束液体热存储材料的问题。在这样的实施例中，将停止运转负载简单地处于与固体热存储材料的热接触。可以提供适度尺寸的散热器、和/或冷却扇以辅助热消散，但是由停止运转负载产生的热主要被存储在固体热存储材料中。
当需要超导磁体的停止运转时，连接磁体电源通过磁体的接线端，并且磁体电源被设置为“停止运转”模式。在磁体中的超导开关断开，并且磁体电流通过在磁体电源内部的停止运转负载。该停止运转负载可以是多个二极管，这些二极管被附着到包含热存储材料、诸如相变材料或如上所述的固体热存储材料的金属散热器。替换地，停止运转负载可以是电阻性元件、诸如电阻性导线的线圈。
由流过停止运转负载的磁体电流所产生的电压降确定了能量在负载中被消散的速率，并且因此确定了磁体被停止运转的速率，和用来完全停止运转的时间。该消散的热能传递进入热存储材料，导致其温度上升。
在相变存储材料的情况下，当材料达到其熔点时，其进行固体到液体的相变，这吸收相当数量的能量而不引起温度上升。以这种方式存储的能量的数量比通常的金属材料、诸如常规的散热器的相等质量的热质量(thermal mass)大许多倍。在相变完成之后，随着由停止运转负载提供更多热能，热存储材料的温度又开始上升。
在固体热存储材料的情况下，随着其从停止运转负载吸收热，热存储材料的温度上升。贯穿整个停止运转期间热存储材料的温度上升，尽管在该阶段期间一些热会通过热存储材料被消散到周围环境中。
一旦停止运转完成，停止运转负载不再提供热。热存储材料的温度将变得稳定，并且存储在其中的热将消散到周围环境。
热存储材料可以配备有散热器，典型的是装有金属散热片的散热器，和/或冷却扇。热消散到周围环境中的速率根据在热存储材料和环境空气之间的温度差、热交换器(如果有的话)的特征、以及空气通过热交换材料或散热器的速率而改变。
热存储材料向着室温冷却。如果相变使用热存储材料，则材料将在其相保持温度直到材料恢复到其固态。一旦已经发生恢复到固态，材料将连续冷却到环境温度。
该热存储过程利用更小和更轻的磁体电源完成快速磁体去激励(de-energisation)。可以对磁体执行维修操作，诸如补偿(shimming)，并且磁体可以被斜降变(ramped)回场，同时热存储材料慢慢释放存储的能量。
本发明相应地提供了用于从超导磁体去除存储的能量的方法和装置，其中去除的能量被转换为热，该热被存储在热存储材料中用于逐渐消散，而不是如通常情况下那样通过大的散热器被立即消散。
Claims (10)
1.一种用于超导磁体的便携式磁体电源，包括用于存储从超导磁体(10)释放的能量的装置，所述装置本身包括：
用于横跨超导磁体的电接线端连接的电停止运转负载(28)；和
与所述停止运转负载热接触的热存储材料(40)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热存储材料(52)响应于由停止运转负载释放的能量进行相变。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述热存储材料(52)包括固体石蜡。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热存储材料(56)包括一个或多个陶瓷砖。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述停止运转负载(28)包括一个或多个二极管。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述停止运转负载(28)包括电阻元件。
7.一种使用根据权利要求1所述的便携式磁体电源来从超导磁体(10)去除能量的方法，包括以下步骤：
-将所述便携式磁体电源的停止运转负载(28)横跨超导磁体的电接线端连接；
-断开超导开关(18)以便将在磁体中流动的电流转移通过所述停止运转负载；
-将由该停止运转负载响应于流过其的电流所产生的热存储在便携式磁体电源的热存储材料(40)中；并且
-在电流已经终止流过所述停止运转负载之后允许所述热存储材料冷却。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过热存储材料从固体到液体的相变将所述热存储在所述热存储材料中；并且其中，所述热存储材料由于冷却转换为固态。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述热存储材料是固体石蜡。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述热存储材料是多个陶瓷砖。
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