CN102388318A - 具有热传递不同的区域的超导电磁线圈 - Google Patents

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CN102388318A CN2010800156202A CN201080015620A CN102388318A CN 102388318 A CN102388318 A CN 102388318A CN 2010800156202 A CN2010800156202 A CN 2010800156202A CN 201080015620 A CN201080015620 A CN 201080015620A CN 102388318 A CN102388318 A CN 102388318A
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Abstract

本发明涉及一种超导电磁线圈。该电磁线圈为了进行冷却而位于低温恒温器中，该低温恒温器只用液氦填充到一定填充水平。在液氦池上方形成具有温度分层的气相氦，该温度分层中的部分温度会导致超导性被破坏。因此，电磁线圈被划分为至少两个局部区域内，线圈与周围冷却介质之间的热传递在这些区域中不同。在此，在线圈的第一局部区域中热传递较大，该第一局部区域的冷却介质温度低到足以进行冷却，而电磁线圈在第二局部区域中具有绝热层，在该第二局部区域中冷却介质的温度高于临界值。因此，在第二局部区域中在线圈与周围冷却介质之间不进行热交换，而在第一局部区域中对线圈进行冷却。

Description

具有热传递不同的区域的超导电磁线圈
本发明涉及一种超导电磁线圈和一种具有按本发明的超导电磁线圈的磁共振断层成像设备。
在磁共振断层成像设备(MRT)中，为了产生数量级为多个特斯拉(例如3T)的主磁场，通常使用带有超导线圈绕组的电磁线圈，其中，线圈绕组定位于线圈架之中和/或之上。电磁线圈为了进行冷却而布置于通常利用液氦运行的低温恒温器中。
低温恒温器通常至少部分填充有液氦。但这一方面出于成本原因以及另一方面由于长期情况下会耗尽氦的储备而是不利的。
按照冷却超导电磁线圈的另一种方式，液氦在适当的管道中循环。但这种冷却系统很耗费并且因此同样成本昂贵。
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种成本低廉并且节约资源的可能性来冷却MRT设备的超导电磁线圈。
该技术问题通过独立权利要求所述的发明解决。有利的设计方案在从属权利要求中给出。
空间上的用语如下部、之下(下方)、上部、之上(上方)等在以下是参照垂直线(即通过重力预先规定的方向)而言的。
本发明所基于的认知由CFD(计算流体动力学或数字流体动力学)研究得出，其中对在低温恒温器中不同预先规定的氦填充高度或填充水平N下的氦气流体性能进行了研究，该低温恒温器例如使用在MRT设备中。在此认为，只用液氦将低温恒温器填充至填充水平N，在液氦Heliq之上形成气相氦Hegas。在气相氦中附加地形成温度分层。气相氦Hegas的温度高于液态氦Heliq，因此例如对于安装在低温恒温器中的电磁线圈来说，不能排除超导性消除即受到破坏的危险。
这项研究带来这样的认知，即为了充分冷却布置在低温恒温器中的、具有超导线圈绕组和线圈架的超导电磁线圈，低温恒温器实际上不必完全用液氦填充。电磁线圈的温度也可以通过减少的液氦储备，即在较低的氦填充水平N时保持在超导性的临界阈值之下。
CFD研究具体表明，在低温恒温器中的填充水平N较低时，在气相氦中(即在液氦上方)，尽管存在对流循环，但还形成对于电磁线圈的冷却产生影响的、具有不同温度的区域。图1以简化图示出剖切低温恒温器20和电磁线圈10的横截面以及在低温恒温器20中形成的具有不同温度的区域A-D，该电磁线圈10带有线圈绕组11和线圈架12。在此处所示的横截面中，线圈绕组11嵌入线圈架12中：
-在低温恒温器20的区域A中具有液氦Heliq，也就是说在此线圈绕组得到理想的冷却。线圈绕组和线圈架的温度在氦的沸点范围内(4.2-4.3K)。由于重力原因区域A当然位于低温恒温器20的“下部”。
-在低温恒温器20紧邻区域A上方的区域B中，氦呈气态(Hegas)。氦的气态温度THe低于电磁线圈10的线圈绕组和线圈架的温度Tcoil，即THe(B)＜Tcoil(B)，因此在这里也还能进行有效冷却。
-在低温恒温器20直接位于区域B上方的区域C中，氦也呈气态Hegas。氦的气态温度THe和线圈绕组与线圈架的温度Tcoil相等，即THe(C)＝Tcoil(C)。
-在低温恒温器20直接位于区域C上方的区域D中，氦也呈气态Hegas。气体温度THe大于线圈绕组与线圈架的温度Tcoil，即THe(D)＞Tcoil(D)，因为热尤其通过低温恒温器20的壁21进入。这样的结果是，线圈绕组在区域D中直接通过氦气并且间接通过线圈架被加热，因此在该区域中更可能发生超导性中断。
区域A-D沿垂直方向的尺寸取决于低温恒温器中液氦Heliq的填充水平N以及可能取决于从低温恒温器外部进入的热。
从这些认知出发建议，使电磁线圈与周围冷却介质间的热传递分别与不同区域A-D中局部存在的条件相匹配：处于对电磁线圈进行冷却(因为周围冷却介质的温度低于电磁线圈的温度)的区域内的电磁线圈局部区域设计成，使得可在电磁线圈和冷却介质之间进行大量的热传递。在此可在电磁线圈与周围介质之间交换大量的热量，使得可从电磁线圈导出大量热量给氦。在上面的术语中这涉及低温恒温器的区域A和B。
附加地或可选地，处于周围介质温度高于电磁线圈温度的区域内的电磁线圈局部区域设计成，使得电磁线圈与周围介质之间的热量传递变得困难，从而理想地不将热量从冷却介质传递给电磁线圈。因此，电磁线圈在该区域中不被或者仅最少地被周围介质加热。在上面的术语中这尤其涉及区域D。
因此，按本发明建议了一种带有至少一个第一和第二局部区域的超导电磁线圈，其中，这些局部区域在空间上彼此分开，并且与冷却介质热接触。在此，第一局部区域与冷却介质之间的热传递大于第二局部区域与冷却介质之间的热传递。
这以有利的方式由此实现，即，将电磁线圈局部区域内的热传递系数设计得不同。第一局部区域中的热传递系数大于第二局部区域中的热传递系数。通过电磁线圈与周围冷却介质这样相互匹配的性能使得在第一局部区域内能够交换比在第二局部区域内更多的热量。
在有利的设计方案中，电磁线圈的局部区域具有不同的导热系数，其中，第一局部区域的导热系数大于第二局部区域的导热系数。这样优化的电磁线圈性能使得电磁线圈的第一局部区域适合于将大量热量排放给冷却介质，而第二局部区域设计用于只从周围冷却介质吸收较少的热量。
电磁线圈有利地在第一局部区域内具有用于扩大电磁线圈表面的表面结构，尤其是凹槽、肋条和/或纹理。由此在第一局部区域与冷却介质之间的分界面处实现了增大的热传递。
电磁线圈有利地在第二局部区域内具有使该电磁线圈与冷却介质热绝缘的绝热层。由此减少了第二局部区域与冷却介质之间的热传递。
电磁线圈为了进行热绝缘在第二局部区域内配有涂层，尤其是人造树脂涂层，或者被绝热的材料包绕。由此减少了第二局部区域与冷却介质之间的热传递。
在一种特殊的设计方案中，电磁线圈除了真正导电的线圈绕组外还具有线圈架。线圈架在电磁线圈的第一局部区域中的热传递系数大于该线圈架在电磁线圈的第二局部区域中的热传递系数。
在另一种设计方案中，线圈架在电磁线圈的第一局部区域中的导热系数大于该线圈架在电磁线圈的第二局部区域中的导热系数。
电磁线圈有利地具有绝缘层，尤其是电绝缘层，其中，绝缘层在电磁线圈的第一局部区域中所具有的导热系数高于该绝缘层在电磁线圈的第二局部区域中所具有的导热系数。
按本发明的磁共振断层成像设备具有按本发明的超导电磁线圈和低温恒温器，在低温恒温器中具有冷却介质。电磁线圈在此布置在低温恒温器内。
低温恒温器内的冷却介质有利地处于至少两种聚集状态中，尤其是处于气态和液态中。
在一种有利的设计方案中，电磁线圈这样布置在低温恒温器中，使得该电磁线圈的第一局部区域至少部分被液态冷却介质包围，并且该电磁线圈的第二局部区域至少部分被气态冷却介质包围。
本发明的优点、特征和细节由以下参照附图说明的实施例得出。在附图中：
图1是剖切低温恒温器和位于其中的电磁线圈的横截面，并且示出了形成的温度区域；
图2是低温恒温器和电磁线圈的3维立体视图；
图3是剖切低温恒温器和位于其中的电磁线圈的横截面，并且示出了形成的温度区域和电磁线圈的两个局部区域；
图4是剖切低温恒温器和位于其中的电磁线圈的横截面，并且示出了形成的温度区域和在两个不同时间点时电磁线圈的三个局部区域。
附图中相同或相应的区域、构件、组件或方法步骤用相同的附图标记表示。管道中的流动方向用箭头表示。
图2示例性示出了待冷却的超导电磁线圈10的简化直观图以及低温恒温器20。在图2中电磁线圈10和低温恒温器20彼此分开地示出。在组装的状态下(例如用于MRT设备)，电磁线圈10装入低温恒温器20中。在附图中为了简化只示出了一个电磁线圈10，但实际上它通常包括一个由多个单独的电磁线圈组成的系统。
电磁线圈10具有带圆柱形横截面的厚壁空心圆柱体的形状，并且通常(但在此未详细示出)由线圈架和超导的线圈绕组构成，该线圈绕组自身由多匝超导导体构成。线圈绕组可以部分嵌入线圈架中并且另一部分从外侧或内侧安装在线圈架上。此外，电磁线圈10可由电绝缘层13包围(图3中示出)，以便防止可能的短路和电压击穿到相邻线圈以及接地的构件。电绝缘层13可由不同的塑料和注塑树脂构成，例如带有氧化铝粉末或玻璃球的环氧树脂(例如“stycast”)。
低温恒温器20原则上由两个相互贴靠的、共轴设置且直径不同的空心圆柱体21、22构成。圆柱体21、22圆周表面之间的空间在圆柱体端侧被封闭，从而可以在该空间内盛放冷却介质，例如氦。外圆柱体21的直径通常约为2m，而内圆柱体22的直径约为1m。圆柱体的长度约为2m。为了用MRT设备对病人进行检查，该病人在内圆柱体22内部平躺于未示出的病人床上。
为了确保电磁线圈10或线圈绕组的超导性，需要将它们冷却到相应的温度。为此，电磁线圈10在低温恒温器20内位于圆柱体21、22圆周表面之间的所述空间内。如上所述，在该处还具有为冷却电磁线圈10并且尤其冷却超导线圈绕组所需的冷却剂(氦)。电磁线圈10与氦热接触，从而确保在电磁线圈10和氦之间进行热传递。但所述空间没有完全被液氦Heliq填充，而是仅部分地，由于重力在低温恒温器下部聚集在液氦池中。
视填充量而定，液氦池的表面位于填充水平N。在填充水平N之下形成本文开头称为“区域A”的区域，在该区域中存在液氦Heliq。紧邻填充水平N之上与液氦Heliq相接的是气相氦Hegas，其中形成区域B，在该区域B中气体温度THe低于电磁线圈温度Tcoil。再紧邻区域B上方，即在区域C中，气体温度THe等于电磁线圈温度Tcoil，而在位于其上的区域D中气体温度THe高于电磁线圈温度Tcoil。由此形成的对电磁线圈10的冷却的影响已在本文开头进行了总结：电磁线圈10的局部区域100能够被冷却，当电磁线圈10装入低温恒温器20中时，该局部区域100(参见图2和图3)有利地位于低温恒温器20的区域A以及可能也至少部分位于区域B中，而对于电磁线圈10位于区域D中的局部区域200来说，存在其被加热的缺点。
电磁线圈10按本发明设计成，使得该电磁线圈具有至少两个导热系数或热传递系数不同的局部区域100、200。线圈绕组11和/或线圈架12也相应地划分为两个局部区域。
导热系数是材料参数并且单位是W/m/K。与导热系数不同，热传递系数是表征两种固体之间或一种固体与一种流体之间的热流的一个数，其单位是W/m2/K。换言之，热传递系数表示在两种介质之间的临界面上交换的热量或热能的程度，即在给定的温度差下从一种介质到另一种介质的热传递的程度。在此，较大的热传递系数表示在温度差较小时就已经能将较多的热量从一种介质传递给另一种介质。因此意思相同的是，当具有较大的热传递系数时，物体如电磁线圈可在冷却介质比物体更冷的前提下被冷却介质有效地冷却。
热传递系数一方面与材料有关。例如绝热材料具有较小的热传递系数。具体地说，热传递系数取决于介质之间的温度差和散热介质以及放热介质的比热容、密度和导热系数。此外热传递当然还与介质之间的分界面或表面的大小有关。
在电磁线圈10的第一局部区域100中存在较大的热传递系数，当电磁线圈10装入低温恒温器20中时，该第一局部区域100例如位于低温恒温器20的区域A、B中。较大的热传递系数确保了冷却介质30与电磁线圈10之间强烈的热传递，因此可从电磁线圈10导出较多的热量给冷却介质30，或在待导出的热量给定的情况下，电磁线圈的温度只略高于冷却介质的温度。
在电磁线圈10装入低温恒温器20的状态下，电磁线圈10的第二局部区域200位于区域D中。在局部区域200中存在较小的热传递系数，因此在电磁线圈10与冷却介质30之间仅能进行最小程度的热交换。较小的热传递系数使得电磁线圈10的温度在局部区域200内基本上保持恒定，因为在这个位置上电磁线圈10与冷却介质30之间的热传递是最小化的。线圈在区域D中吸收的热量需要重新在区域A和B中被导出。也就是说区域D中较小的热传递系数再次有利于使得线圈并没有变得比区域A和B内的冷却介质热很多。
通过适当选择用于电磁线圈10尤其是线圈架12的材料，可以根据需求影响热传递系数。此外，可以通过扩大介质之间(即电磁线圈10与冷却介质30之间)的分界面来增大热传递系数。
为了能够提高局部区域100内的热传递，可以例如相比具有光滑表面的电磁线圈扩大电磁线圈10与冷却介质30之间的分界面。为此，在电磁线圈10的表面内加入表面结构110，例如凹槽、肋条或其它纹理。附加地或可选地，为电磁线圈10的电绝缘层13选择一种具有较高导热性或较大导热系数的材料，例如导热能力明显超过值0.2W/m/K的绝缘材料。此外，局部区域100内的线圈架12也可由一种具有较高导热能力的材料制造。线圈架12通常由铝合金构成。但同样合适的还有例如玻璃纤维强化的塑料(GFK)。
为了使局部区域200内的热传递最小化，在最简单的情况下为局部区域200配备具有较小热传递系数和导热系数的绝热层210。例如在将电磁线圈10装入低温恒温器20之前，该电磁线圈10的局部区域200可浸入人工树脂池(Resine)中，使得局部区域200由一层绝缘的附加人工树脂涂层210覆盖。可选地，绝缘涂层210例如也可以喷射或涂敷在局部区域200上。此外可以考虑，用一种绝缘材料210，例如聚四氟乙烯(Teflon)胶带或薄膜或者Kapton(聚酰亚胺)胶带或薄膜包装或卷绕。用人工树脂浸渍过的绕组也是合适的。
同样可以考虑的是，用一种具有较小导热系数的材料制造局部区域200内的线圈架12，而局部区域100内的线圈架由一种具有较大导热系数的材料构成。
尤其对于填充高度N随着时间逐渐下降的开放式系统来说，在确定并且设计电磁线圈10的局部区域100和200的尺寸时需要注意的是，液氦30的填充水平N在最初注入低温恒温器20之后在正常运行中随时间逐渐下降。区域B和C也随着填充水平N相对于电磁线圈10向下降，而区域D向下扩展。这会致使起初例如属于区域B的区域在一段时间后属于区域C。相应地，电磁线圈在该处起初还被冷却(在区域B中THe＜Tcoil)，但之后当区域C下降到一定程度后不再被冷却。在极端情况下，填充水平N以及区域B、C下降到使得区域D扩展到起初还对电磁线圈10进行冷却的区域内。
在另一种实施形式中，电磁线圈10可以具有另一个局部区域300，其设置在局部区域100和200之间。局部区域300内的热传递系数值处于局部区域100和200的热传递系数之间。
理想地，局部区域100、200、300根据低温恒温器20中液氦的初始填充水平N设计尺寸。在此认为事先就已知通常将低温恒温器20填充到什么样的填充水平。因为对于低温恒温器的正常运行来说已知填充水平N和区域A、B、C、D的位置和尺寸如何随时间变化以及在什么样的最低填充水平N时再补充液氦，所以鉴于这种变化可以优化电磁线圈10的局部区域100、200、300的尺寸设计。
例如可以如图4所示进行尺寸设计。图4A示出在刚刚将低温恒温器填充至填充水平N后的时间点t0时区域A、B、C、D的位置和尺寸。图4B示出在之后的时间点t1时的区域A、B、C、D，在该时间点t1时通常再次用液氦填充低温恒温器20。电磁线圈10的局部区域100、200、300可以例如这样设计尺寸，使得区域300在时间点t1时最大程度地被区域C覆盖。由此确保较热的区域D不会进入到电磁线圈10的可在电磁线圈10与冷却介质30之间进行较大热传递的局部区域100中。所建议的尺寸设计当然只是众多可能性中的一种。同样可以考虑用于设计局部区域100、200、300的尺寸的其它模型，但原则上需要注意，区域A、B、C、D的位置和尺寸随时间变化。
更近一步的匹配可以这样实现，即电磁线圈10配备有四个或更多局部区域。

Claims (12)

1.一种超导电磁线圈(10)，具有至少一个第一局部区域(100)和至少一个第二局部区域(200)，其中，所述局部区域(100、200)在空间上彼此分开，并且与冷却介质(30)热接触，其特征在于，所述第一局部区域(100)与所述冷却介质(30)之间的热传递大于所述第二局部区域(200)与所述冷却介质(30)之间的热传递。
2.按权利要求1所述的超导电磁线圈(10)，其特征在于，所述电磁线圈(10)的局部区域(100、200)中的热传递系数不同，其中，所述第一局部区域(100)中的热传递系数大于所述第二局部区域(200)中的热传递系数。
3.按权利要求1或2所述的超导电磁线圈(10)，其特征在于，所述电磁线圈(10)的局部区域(100、200)具有不同的导热系数，其中，所述第一局部区域(100)的导热系数大于所述第二局部区域(200)的导热系数。
4.按权利要求1至3之一所述的超导电磁线圈(10)，其特征在于，所述电磁线圈(10)在所述第一局部区域(100)内具有用于扩大所述电磁线圈(10)表面的表面结构(110)，尤其是凹槽、肋条和/或纹理。
5.按前述权利要求之一所述的超导电磁线圈(10)，其特征在于，所述电磁线圈(10)在所述第二局部区域(200)内具有使该电磁线圈(10)与所述冷却介质(30)热绝缘的绝热层(210)。
6.按前述权利要求之一所述的超导电磁线圈(10)，其特征在于，所述电磁线圈(10)为了进行热绝缘在所述第二局部区域(200)内
-配有涂层(210)，尤其是人造树脂涂层，或者
-被绝热的材料(210)包绕。
7.按前述权利要求之一所述的超导电磁线圈(10)，其特征在于，所述电磁线圈(10)具有线圈架(12)，其中，所述线圈架(12)在所述电磁线圈(10)的第一局部区域(100)中的热传递系数大于该线圈架(12)在所述电磁线圈(10)的第二局部区域(200)中的热传递系数。
8.按前述权利要求之一所述的超导电磁线圈(10)，其特征在于，所述电磁线圈(10)具有线圈架(12)，其中，所述线圈架(12)在所述电磁线圈(10)的第一局部区域(100)中的导热系数大于该线圈架(12)在所述电磁线圈(10)的第二局部区域(200)中的导热系数。
9.按前述权利要求之一所述的超导电磁线圈(10)，其特征在于，所述电磁线圈(10)具有绝缘层(13)，尤其是电绝缘层，其中，所述绝缘层(13)在所述电磁线圈(10)的第一局部区域(100)中所具有的导热系数高于该绝缘层(13)在所述电磁线圈(10)的第二局部区域(200)中所具有的导热系数。
10.一种磁共振断层成像设备(MRT)，具有低温恒温器(20)，在所述低温恒温器(20)中具有冷却介质(30)，该磁共振断层成像设备还具有按前述权利要求之一所述的超导电磁线圈(10)，其中，所述电磁线圈(10)布置在所述低温恒温器(20)内。
11.按权利要求10所述的磁共振断层成像设备(MRT)，其特征在于，所述低温恒温器内的冷却介质处于至少两种聚集状态中，尤其是处于气态和液态中。
12.按权利要求11所述的磁共振断层成像设备(MRT)，其特征在于，所述电磁线圈(10)这样布置在所述低温恒温器中，使得该电磁线圈(10)的第一局部区域(100)至少部分被液态冷却介质包围，并且该电磁线圈(10)的第二局部区域(200)至少部分被气态冷却介质包围。
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