CN102314988A - 磁体组件及其温控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括有被动温度控制的磁体组件。该磁体组件包括磁体、铁轭及正温度系数加热装置。所述磁体用于产生磁场。所述铁轭用于屏蔽至少一部分所述磁体。所述正温度系数加热装置设置于所述铁轭上用来稳定该铁轭的温度。此外，本发明还涉及一种铁轭组件和一种提供磁体组件温度控制的方法。

Description

磁体组件及其温控方法
技术领域
本发明涉及一种磁体组件及控制该磁体组件温度的方法，尤其涉及一种在其磁轭上设置有温度控制元件的磁体组件及控制该磁体组件温度的方法。
背景技术
磁体，比如超导磁体(Superconducting Magnet)、永久磁体(PermanentMagnet)及/或常导磁体(Resistive Magnet)已经被广泛的使用在不同的应用中，比如应用在核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)中。通常，磁体被磁性屏蔽从而来避免该磁体所产生的磁场对靠近该磁体的电子设备造成不利的影响。目前，用来屏蔽磁体的方法有主动屏蔽和被动屏蔽。
相较于主动屏蔽，被动屏蔽的成本效益较高，从而被动屏蔽的磁体，比如被动屏蔽的超导磁体被使用在不同的应用中。通常，被动屏蔽采用铁轭(IronShield or Iron Yoke)来对磁体进行屏蔽。然而，铁轭的磁性(Magnetic Property)会随着其温度的变化而变化。这种变化反过来会对磁体产生的磁场产生不利的影响，从而导致磁场不稳定产生波动。
目前，已有多种方法尝试来控制被动屏蔽的磁体的温度，比如主动温度控制装置。该主动温度控制装置设置有用来监控铁轭温度的温度传感器和控制器。该控制器根据一定的运算法则，如比例、积分和微分运算法则并利用温度传感器的数据来控制加热装置从而使系统维持在一定的温度区间。然而，该主动温度控制装置增加了温度控制系统的复杂度和成本。
所以，需要提供一种新的磁体组件和控制该磁体组件温度的方法。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种包括有被动温度控制的磁体组件。该磁体组件包括磁体、铁轭及正温度系数加热装置。所述磁体用于产生磁场。所述铁轭用于屏蔽至少一部分所述磁体。所述正温度系数加热装置设置于所述铁轭上用来稳定该铁轭的温度。
本发明另一个实施例提供了一种铁轭组件。该铁轭组件包括铁轭及正温度系数加热装置。所述铁轭用于屏蔽至少一部分磁体来限制该磁体产生的漏磁。所述正温度系数加热装置设置于所述铁轭上用来稳定该铁轭的温度。其中所述铁轭组件提供不包括温度传感器或温度控制器的被动温度控制。
本发明的实施例进一步提供了一种提供磁体组件温度控制的方法。该方法包括设置磁体，该磁体用来产生磁场；设置铁轭，该铁轭用来屏蔽至少一部分所述磁体；于所述铁轭上设置正温度系数加热装置；及被动的控制所述铁轭的温度。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1为本发明磁体组件的一个实施例的立体示意图；
图2为图1所示的本发明磁体组件的一个实施例的轴对称的剖面平面示意图；
图3为本发明中电源和正温度系数加热装置的电路的一个实施例示意图；
图4-5为本发明包括有相变元件的磁体组件的一个实施例的轴对称的剖面平面示意图；
图6为本发明磁体组件的另一个实施例的示意图；及
图7为发明中电源、正温度系数加热装置和电加热器的电路的一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1所示为本发明磁体组件10的一个实施例的示意图。如图1所示，磁体组件10包括磁体11和铁轭(Iron Shield或Iron Yoke)12。在一些实施例中，磁体11作为磁场源来产生磁场以应用在与健康及安全和检测相关的成像中。铁轭12包围着至少一部分磁体并作为一个被动屏蔽体把磁体11所产生的磁场限制在其内，从而避免磁场对磁体11附近的电子设备造成不利的影响。
在图1所示的实施例中，磁体11包括螺线管装的缠绕线圈。铁轭12具有圆柱状结构且开设有腔室(未标注)用来收容磁体11。在一个示例中，铁轭12和磁体11同轴。在一些应用中，铁轭12可包含有一个或多个磁性材料并且由复数个单独设置的板状元件组合而成。在一些示例中，铁轭的一个或多个磁性材料可包括铁酸盐(Ferrites)材料、钢材料、磁性合金或其他合适的磁性材料。根据不同的设计要求，铁轭12可围绕磁体11的一部分或整体，且可具有不同的形状和设计。
在一些非限定性的示例中，螺线管线圈11可包括超导线圈。该超导线圈可由铌-钛合金、铌三锡、二硼化镁、铋锶钙铜的氧化物(BSCCO)、钇钡铜氧(YBCO)等超导材料制成。此外，如图1所示，磁体组件11可进一步包括设置在线圈11和铁轭12间的热屏蔽13。线圈11设置在热屏蔽13内。
在本发明的一些实施例中，磁体组件10可包括有冷却元件(RefrigeratingElement)或其他冷却装置，比如低温保持器(Cryostat)或包含有液态氮的容器来制冷超导线圈11。另外，磁体组件10还可包括设置在铁轭12外围的真空装置，这些业界技术人员都可以容易实施。
在一些应用中，真空装置可用来收容热屏蔽13、制冷装置和超导线圈11从而在外围环境和内部低温环境间提供热绝缘。热屏蔽13可用来减少外围环境和低温环境间辐射热和对流热的传导。在图1所示的实施例中，制冷装置和真空装置均未图示。在一定的实施例中，磁体组件10根据不同的应用从而可包括其他元件来与超导线圈相配合。
在本发明的实施例中，铁轭12包括有磁性材料且在一定的温度范围内运作，其不仅用来限制漏磁场(Stray Field)而且可用来促进磁体11所产生的磁场稳定和均匀。在一些例子中，铁轭的磁性可随着其温度的变化而变化，这可导致磁体11产生的磁场的波动。
因此，如图1和图2所示，磁体组件10可进一步包括复数个与铁轭12热接触的正温度系数加热装置14，从而形成用于稳定铁轭12温度的被动温度控制以维持一个稳定的磁场。在一些实施例中，正温度系数加热装置是指其电阻可随其温度的增加而增加的装置，从而其可作为保护装置以防止过流(Over-current)及过热(Over-heating)。在一定的应用中，被动温度控制可指不包括主动控制器及/或温度传感器的控制。在本发明实施例中，铁轭12的温度可通过正温度系数加热装置14本身的特性来控制，而不需要其他主动控制器及/或温度传感器。
在一些示例中，正温度系数加热装置可包括有陶瓷材料，其并不局限于任何特定的正温度系数加热装置，比如钛酸钡陶瓷(Barium Titanate Ceramics)加热器。正温度系数加热装置的材料可根据不同的应用进行确定，从而使其具有不同的保护温度。在一定的应用中，正温度系数加热装置的保护温度可根据其材料的特性、封装要求及/或输入其上的电压来确定。在一些非限定示例中，正温度系数加热装置的保护温度可在30℃和70℃之间。在一个示例中，正温度系数加热装置的保护温度可在30℃和40℃之间，比如在核磁共振成像应用中。
图1和图2所示的实施例仅是示意性的。在一些应用中，磁体组件10可包括一个或多个正温度系数加热装置，其数量、尺寸和位置可根据不同的应用来确定。在一定的应用中，磁体组件10也可包括一个或多个线圈11。
在图1和图2所示的实施例中，铁轭12包括有主体15和设置在主体15两端的端部(Flanges)16从而形成了用来收容线圈11的腔室。主体15具有圆柱形结构，端部16具有环形结构。主体15和端部16可以具有其他形状，比如多边形结构。
如图2所示，端部16分别设置有与线圈11的中心孔(未标注)连通的开口(未标注)，比如来收容在核磁共振成像中进行扫描的物体。正温度系数加热装置14设置在铁轭12的主体15和端部16的外表面上从而与铁轭12热接触。
在一些实施例中，一个或多个正温度系数加热装置14可设置在主体15和端部16中的至少一个上，而且可设置在主体15和端部16中的至少一个的内表面上(未标注)。在一定的示例中，一个或多个正温度系数加热装置14可延伸进主体15及/或端部16上，比如主体15及/或端部16上设置有凹口来收容正温度系数加热装置14。此外，正温度系数加热装置14也可具有延伸的带状形状从而以首尾相连、圆周或其他形式设置在主体15及/或端部16上。
在本发明实施例中，正温度系数加热装置14可通过不同的技术设置在铁轭12上。在一个实施例中，导热型粘合材料(未图示)可用来使正温度系数加热装置14设置在铁轭12上。该导热型粘合材料可包括热固树脂，比如环氧树脂及其他适合的导热型粘合材料。
这样，在操作中，磁体11产生磁场。同时，如图3所示，正温度系数加热装置14与电源17电连接，从而产生热来加热铁轭12到期望的温度或温度范围(区间)，且其可作为保护装置以防止铁轭过热或电路中的电流过大(过流)。在一定的示例中，电源17可包括直流电源或交流电源。在一个实施例中，电源17包括市电电源(Utility Power Supply)。在本发明实施例中，磁体组件10也可包括多个电源17。一个电源17可与多个正温度系数加热装置14相连。其中，电源可输出，比如100瓦到500瓦的功率。此外，磁体组件10也可使用电池来作为电源。
在加热过程中，当铁轭12达到一定的温度，比如达到正温度系数加热装置14的保护温度时，正温度系数加热装置14的电阻便会在很短时间内快速增加，比如从几欧姆增加到几万欧姆。电源17的电压是不变的，由于正温度系数加热装置14的电阻的增加，向正温度系数加热装置14的输入的功率就会减少。这样，正温度系数加热装置14产生的热也会减少，从而铁轭12的温度就会被控制以维持在正温度系数加热装置14的保护温度附近，这样，铁轭12就可被控制在稳定的温度或温度区间。可见，本发明实施例中的温度控制方式不需要主动控制电路或温度传感器。
在一个实施例中，当正温度系数加热装置14的温度达到其保护温度时，其可具有很高的电阻，比如1e5欧姆。这样，从电源17向正温度系数加热装置14的输入就会很少，从而铁轭的温度可维持稳定。
在其他实施例中，当铁轭12的温度低于其稳定温度或正温度系数加热装置14的保护温度时，正温度系数加热装置14的电阻比较小便可继续加热铁轭12以使铁轭12的温度大致稳定在正温度系数加热装置14的保护温度。在一个非限定的实施例中，正温度系数加热装置14的保护温度大致为30℃。这样，由于铁轭12的温度的稳定，磁体11产生的磁场便会维持稳定。
在一定的应用中，交流电压峰值损耗(Peak AC Losses)可发生在铁轭12中。为了吸收额外产生的热，如图1、图4和图5所示，磁体组件10可进一步包括一个或多个相变元件18。该相变元件18可导热的设置在铁轭12上或与铁轭12集成设置来作为热缓冲以吸收热量从而促使铁轭12温度的稳定。在本发明所示的实施例中，相变元件18嵌入在铁轭12中。在其他实施例中，相变元件18可设置在主体15和/或端部16的内表面和/或外边面上。
在一些实施例中，交流电压峰值损耗可导致铁轭12受热不均，此时，相变元件18可相应的设置在具有更多热量的位置。在一些设置中，相变元件18的尺寸和布置可根据设计标准而进行变化。在一个实施例中，相变元件18可组合的设置在铁轭12上，或全部或部分的集成或嵌入的设置在铁轭12上。相变元件18设置的数量、尺寸和位置可根据不同的应用来确定。
在本发明的实施例中，相变元件18可包括一个或多个相变材料。该一个或多个相变材料可包括一个或多个有机材料，比如固体石蜡(Paraffin Wax)及/或一个或多个无机材料，比如十水硫酸钠(sodium sulphate decahydrate，Na2SO4·10H2O)。该相变材料可被分成一段或多段，其中一段或多段可设置在铁轭12内。
这样，在操作中，至少一部分相变元件可从固相转变为液相或固相和液相的混合相来吸收产生在铁轭12中的热量，其与正温度系数加热装置14配合来促使铁轭12维持在期望的温度。
图1到图6所示的实施例仅是示意性的。在一定的应用中，磁体11及/或铁轭12均可具有其他形状，比如矩形形状。另外，磁体11也可包括其他适合的磁体，比如永久磁体和常导磁体。当使用永久磁体和/或常导磁体时，图1所示的热屏蔽12，制冷装置和真空装置可不设置。
图6所示为本发明磁体组件10的另一个实施例的示意图。如图6所示，磁体组件10包括铁轭12、磁体19和正温度系数加热装置14。磁体19包括一对磁体部(未标注)相互配合来产生磁场。
在图6所示的实施例中，铁轭12包括主体部20和一对设置在主体部20两端的端部21来形成C形状的架构。磁体19设置在端部21上。正温度系数加热装置14设置在主体20和端部21的外表面上。相似的，在一些应用中，一个或多个正温度系数加热装置14也可设置在主体20和/或端部21的内表面上或延伸进主体20和/或端部21内以维持铁轭12在期望的温度。此外，磁体组件10也可设置有多个主体20以和端部21相连。一个或多个相变元件18也可设置来与正温度系数加热装置14配合来稳定铁轭12的温度。
在一定的应用中，磁体19可包括永久磁体、常导磁体或与图1所示的线圈11相似的超导磁体。该超导磁体可包括有与线圈11相似的磁体材料。永久磁体可包括钕铁硼(Neodymium-Iron-Boron)磁体材料、钐钴(Samarium-Cobalt)磁性材料、铝镍钴合金(Alnico)和铁氧体(Hard Ferrite)磁性材料。常导磁体可包括铜或铝材料。
这样，在操作中，正温度系数加热装置14控制和稳定铁轭12的稳定从来来促使磁体19产生的磁场的稳定。相似的，相变材料18可作为热缓冲以与正温度系数加热装置14相配合来稳定铁轭12的温度。
图7所示为电源17、正温度系数加热装置14和电加热器22的电路的一个实施例的示意图。如图7所示，正温度系数加热装置14与电加热器22串联并与电源17相连来加热并稳定铁轭12的温度。在一些实施例中，可设置多个电源、多个正温度系数加热装置14和多个电加热器22。
在一些实施例中，正温度系数加热装置14和电加热器22可热接触的设置在铁轭12上。电加热器22可包括传统的电加热装置，比如电热丝或其他合适的电加热装置来提供主要的加热功能。当正温度系数加热装置14的温度达到其保护温度时，其具有很高的电阻来限制通过电加热器22的电流，从而作为保护装置以防止过热及/或过流。图7所示的实施例仅是示意性的。在一定的应用中，电加热器22也可不设置。
在本发明的实施例中，磁体组件可设置正温度系数加热装置来稳定铁轭的温度，其为被动温度控制方式的一种。与现有的主动温控方式，比如比例、积分和微分运算法则相比，本发明实施例提供了一种不使用主动控制器或温度传感器的被动温度控制，其更加可靠、简单和节省成本。此外，磁体组件可设置相变元件与正温度系数加热装置相配合来确保铁轭温度的稳定。当铁轭维持在稳定的温度时，便可进行匀场(Magnet Shimming)。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (16)

1.一种包括有被动温度控制的磁体组件，包括：
磁体，其用于产生磁场；
铁轭，其用于屏蔽至少一部分所述磁体；及
正温度系数加热装置，其设置于所述铁轭上用来稳定该铁轭的温度。
2.如权利要求1所述的磁体组件，其中所述被动温度控制不包括主动控制器或温度传感器。
3.如权利要求1所述的磁体组件，其中所述正温度系数加热装置具有预先确定的保护温度。
4.如权利要求1所述的磁体组件，其中所述磁体包括超导磁体，该超导磁体包括一个或多个超导线圈。
5.如权利要求1所述的磁体组件，其中所述超导线圈具有螺线管形状，所述铁轭具有圆柱形状且可收容所述磁体。
6.如权利要求1所述的磁体组件，其中所述铁轭包括主体和设置在主体两端的一对端部，所述正温度系数加热装置设置在主体和一对端部中至少一个上。
7.如权利要求1所述的磁体组件，其中所述正温度系数加热装置设置在所述铁轭的至少一个外表面上。
8.如权利要求1所述的磁体组件，其进一步包括相变材料，该相变材料设置在铁轭上或嵌入到铁轭中以和所述正温度系数加热装置相配合。
9.如权利要求8所述的磁体组件，其中所述相变材料包括十水硫酸钠。
10.一种铁轭组件，包括：
铁轭，其用于屏蔽至少一部分磁体来限制该磁体产生的漏磁；及
正温度系数加热装置，其设置于所述铁轭上用来稳定该铁轭的温度；其中
所述铁轭组件提供不包括温度传感器或温度控制器的被动温度控制。
11.如权利要求10所述的铁轭组件，其进一步包括相变元件，该相变元件设置在所述铁轭上以和所述正温度系数加热装置相配合。
12.如权利要求10所述的铁轭组件，其进一步包括电源，该电源和所述正温度系数加热装置间建立电气连接。
13.一种提供磁体组件温度控制的方法，包括：
设置磁体，该磁体用来产生磁场；
设置铁轭，该铁轭用来屏蔽至少一部分所述磁体；
于所述铁轭上设置正温度系数加热装置；及
被动的控制所述铁轭的温度。
14.如权利要求13所述的方法，其进一步包括确定所述正温度系数加热装置的保护温度。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述铁轭的被动的温度控制不包括主动控制器或温度传感器。
16.如权利要求13所述的方法，其进一步包括于所述铁轭上设置相变元件。
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