CN102903473B - 超导磁体系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超导磁体系统，其包括线圈支撑结构，若干通过该线圈支撑结构支撑固定的超导线圈，及若干通过该线圈支撑结构支撑固定的具有导电性及导热性的绕组。每一绕组自身具有电气短路连接。该若干绕组分别与该若干超导线圈具有电磁耦合且具有热传导设置。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导磁体系统，特别涉及一种具有失超保护架构的超导磁体系统。
背景技术
随着超导技术和超导材料的蓬勃发展，超导磁体有着广阔的应用前景。由于超导磁体体积小、电流密度高、能耗低、磁场强度高等优点，在基础科学研究、医疗卫生、交通运输、国防工业等领域越来越多的被应用。例如，在磁共振成像(MagneticResonanceImaging，MRI)系统中，超导磁体就被应用来产生一个均匀磁场。
当工作中的超导磁体由超导状态回复到电阻状态时，称之为失超(Quench)。这可能是由于温度、外界磁场的强度或承载电流的密度等某个参数超出其临界值而引起的。超导磁体失超的部分将不再是超导的，而是进入电阻状态，任何流经该电阻部分的电流都会导致局部焦耳发热，由于超导磁体存储了大量的能量，此时该失超的部分会快速的变热，从而可能会烧坏该失超的部分，例如熔化该失超的部分上的超导线。
因此，需要提供一些保护措施来避免失超现象导致超导磁体损坏的情况发生，已知可以通过扩展失超过程来避免有害的热量集中，这就需要恰当地控制失超过程，也称为对超导磁体进行失超保护。该失超保护的作用主要是在超导磁体发生失超时，将超导线圈的热点温度控制在安全范围内。控制热点温度的实质就是控制储能在热点的沉积，通过扩展失超过程来避免有害的热量集中，以便在尽可能多的可用超导磁体上耗散所产生的热量，这将导致基本上涉及整个超导磁体的失超，这就意味着任一部分都不应达到危险的温度。
一般是为每个超导线圈配备发热器，该发热器与线圈有紧密地热接触，通过向启动发热器来实现主动的失超。但是，使用发热器实现整个超导磁体的失超有时不稳定或者失超速度仍不够快，这往往取决于发热器本身的品质和控制发热器电路的反应时间等因素决定，例如品质不够好的发热器可能会延长整体失超的时间，使失超不够及时。所以，需要提供一种新的超导磁体系统来解决上述问题。
发明内容
现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。
本发明的一个方面在于提供一种超导磁体系统。该超导磁体系统包括：
线圈支撑结构；
若干通过该线圈支撑结构支撑固定的超导线圈；及
若干通过该线圈支撑结构支撑固定的具有导电性及导热性的绕组，每一绕组自身具有电气短路连接；
该若干绕组分别与该若干超导线圈具有电磁耦合且具有热传导设置。
本发明的另一个方面在于提供另一种超导磁体系统。该超导磁体系统包括：
线圈支撑结构；
若干通过该线圈支撑结构支撑固定的超导线圈；及
若干通过该线圈支撑结构支撑固定的具有导电性及导热性的绕组，该若干绕组中的至少两个绕组与一超导开关串联成一闭合回路，其他绕组自身具有电气短路连接；
该若干绕组分别与该若干超导线圈具有电磁耦合且具有热传导设置。
本发明的超导磁体系统，通过增加所述与该若干超导线圈具有电磁耦合且具有热传导设置的若干绕组，可在该超导磁体系统失超时，使该若干绕组产生涡流电流，而这些涡流电流可以将失超的超导线圈的内部电流进行部分分流并且分担对应超导线圈在初始热点状态下所产生的部分焦尔热，以降低超导线圈的热点温度及负载压力。同时，由于该若干绕组与对应的超导线圈是具有热传导设置的，故在该若干绕组产生涡流电流而使其自身发热的同时，可将自身产生的热量又传递给了对应的超导线圈上，如此加速了所有超导线圈的失超过程。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1为本发明超导磁体系统第一实施方式沿中心线的切面示意图。
图2为图1超导磁体系统中电路的第一实施方式的示意图。
图3为图1超导磁体系统中电路的第二实施方式的示意图。
图4为图1超导磁体系统中电路的第三实施方式的示意图。
图5为本发明超导磁体系统第二实施方式沿中心线的切面示意图。
图6为本发明超导磁体系统第三实施方式沿中心线的切面示意图。
图7为图6超导磁体系统沿A-A线的局部切面示意图。
图8为本发明超导磁体系统第四实施方式沿中心线的切面示意图。
具体实施方式
以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。
请参考图1，为本发明超导磁体系统10的第一实施方式沿中心线的切面示意图。该第一实施方式中，该超导磁体系统10包括一个圆环状的真空容器12、一个同中心嵌套在该真空容器12内的圆环状的热屏蔽罩14及一个同中心嵌套在该热屏蔽罩14内的圆环状的冷却腔16。该真空容器12的中心形成了一个磁场区域11。若干超导线圈18缠绕在该冷却腔16的圆环状底壁162上，例如六个超导线圈。在该实施方式中，该冷却腔16的底壁162作为线圈支撑结构来将该超导线圈18稳固地支撑在该冷却腔16内部，例如结合环氧树脂等材料支撑固定该超导线圈18。在其他实施方式中，该超导线圈18也可以通过其他类型的线圈支撑结构来稳固地支撑在该冷却腔16的内部，下文将结合具体实施方式进行介绍。
在图1所示的实施方式中，该真空容器12还包括一个冷却器(refrigerator)122，该冷却器122连通至该热屏蔽罩14及该冷却腔16，以冷却该超导线圈18。例如，该冷却腔16大致被冷却至4.2开尔文，该冷却腔16与该热屏蔽罩14之间的区域大致被冷却至40-50开尔文。该真空容器12还包括一个端口介面123，用于提供该超导磁体系统10内部与外部之间的通信，例如包括多个电源线(Powerleads)124以实现外部电源与超导线圈18及内部电路之间的电气连接。
需要说明的是，图1所示的超导磁体系统10仅仅示意出了与本发明相关的部分元件，实际的超导磁体系统10可能还包括其他元件，例如用于冷却该冷却腔16的冷却装置(如冷却管)、用于储存冷却液的容器、加热器及其他的辅助电路等等，这里为了方便理解及说明，故未将这些元件示意在图中，其他的附图同样也省去了一些元件，后续不再赘述。该超导磁体系统10可以应用于任何需要适合使用超导磁体的系统中，例如可应用于磁共振成像系统中，来提供稳定的磁场(如在磁场区域11中形成)。其他实施方式中，可不使用该冷却腔16的冷却方式给超导线圈18进行制冷，而使用其他类型的制冷方式对该超导线圈18进行制冷，例如使用冷却管(thermosiphoncoolingpipe)来直接给超导线圈18进行制冷。
在图1的实施方式中，该超导磁体系统10进一步包括若干具有导电性及导热性的绕组19。每一个绕组19紧密热接触地缠绕在对应的一个超导线圈18的外径上。在一个非限定的实施方式中，该绕组19的材料为铜。在其他实施方式中，该绕组19的材料也可以选用其他适合的材料，如铜合金等。在图1所示的实施方式中，该绕组19在对应超导线圈18的外径上缠绕两层，这是由制造工艺、线路连接等方面考量而设计的，例如若将每一绕组19自身进行首尾电气短路连接，则设计成两层可方便电气短路连接(头尾可缠绕至一点)。其他实施方式中，也可将该绕组19缠绕为一层或两层以上，均可根据具体的实际需要来进行设计，不拘泥于图1给出的实施方式。
请继续参考图2，示意出了该绕组19与超导线圈18相应的电路示意图。该若干个超导线圈18串联连接，两个电流注入导线125(引自电源线124)分别连接至该超导线圈18形成的串联电路的两个端点A及B。一个主超导开关17连接在该两个端点A及B之间。若干串联的加热器15(未在图1中示出)串联后与该超导线圈18中的若干(如中间四个)并联，且分别与该若干超导线圈18实现热接触，以用于当该若干超导线圈18中的一个或多个发生失超时，同时给所有超导线圈18加热，以实现全部超导线圈18同时失超，进而实现失超保护，上述电路原理为现有失超电路原理，这里不再具体说明，若仅仅通过该若干加热器15进行失超保护，有时失超保护会不及时，不能达到较好的失超保护效果。
请继续参考图2，每一个绕组19自身具有电气短路连接，例如通过直接焊接其两端的方式实现。在加入该若干绕组19后，当该若干超导线圈18中的一个或多个发生失超时，由于该若干绕组19与对应超导线圈18具有电磁耦合，则与该若干绕组19相关联的磁场通量将随之变化。一方面，根据上述可知，该若干加热器15同时给所有超导线圈18加热，以实现全部超导线圈18同时失超。另一方面，由于与该若干绕组19相关联的磁场通量随之变化，则该若干绕组19自身将产生涡流电流(eddycurrent)，而这些涡流电流可以将失超的超导线圈18的内部电流进行部分分流并且分担对应超导线圈18在初始热点(hotspot)状态下所产生的部分焦尔热，以降低超导线圈18的热点温度及负载压力。同时，由于该若干绕组19与对应的超导线圈18具有良好的热接触，故在该若干绕组19产生涡流电流而使其自身发热的同时，将自身的产生的热量又传递给对应的超导线圈18上，如此则加速了所有超导线圈18的失超过程。
由此可知，由于设置了该若干绕组19，可有效降低该超导线圈18在失超时的热点温度及负载压力，同时还加速了超导系统整体的失超过程。除此之外，该若干绕组19是通过物理方式的配置实现的失超保护，而并非通过电路连接方式实现的失超保护。因此该若干绕组19的失超保护方式更稳定，因为物理配置方式更稳定。而如加热器15等电路连接方式有时就不稳定，其可能受到电路控制及加热器自身的不稳定等因素影响。在某些失超影响不是很严重的情况下，也可以仅仅使用该若干绕组19来达到失超保护的目的，而不需结合加热器15来实现，如此，可大大节约成本。当然，在失超影响严重的情况下，可使用两者结合的方式来提高失超保护的性能和稳定度。
请继续参考图3，其与图2所示意的实施方式的区别仅在于该若干绕组19的电路连接方式及材料。在图3的实施方式中，该若干绕组19与一个次超导开关13串联成一闭合回路。该若干绕组19的材料由具有高铜超比(如铜超比大于3)的超导材料构成。在非限定的实施方式中，该超导磁体系统10可应用于磁共振成像等系统中。一方面，在超导磁体系统10进入正常超导工作状态时，控制该次超导开关13闭合，例如与主超导开关17相同的控制方式。如此，该若干绕组19组成的闭合回路将形成一个磁场补偿电路(movingmetalcompensationcircuit或者driftcompensationcircuit)，以防止外界磁场干扰超导线圈18工作。而另一方面，当该若干超导线圈18中的一个或多个发生失超时，该若干绕组19同样具有图2所示绕组19相同的功能，可加快失超的速度并提高失超保护的稳定性。
需要说明的是，由于图2所示方式的绕组19是分别独自具有电气短路连接的，而图3所示方式的绕组19是整体具有电气短路连接的，因此，图2实施方式中绕组19吸收能量的效率要高于图3实施方式中绕组19吸收能量的效率，如此，若超导磁体系统10无需增加磁场补偿电路设计的话，该若干绕组19设计成独自具有电气短路连接方式为佳。另外，材料铜相比于超导材料也有较好的热传导性和电传导性，同理，若超导磁体系统10无需增加磁场补偿电路设计的话，该若干绕组19无须设计超导材料，使用如铜等热传导性和电传导性高的材料为佳。
为了获得性能与功能上的平衡或其他考量，在某些非限定的实施方式中，可将图2与图3中对于绕组19的连接方式及材料的设计进行组合设计。请继续参考图4，对比图2及图3，图4实施方式将两侧的两个绕组19设计成了图2的方式，即自身具有电气短路连接，而将中间的若干绕组19设计成了图3的方式，即整体串联次超导开关13设计，如此，该两侧的两个绕组19具有了图2中绕组19的功能，而中间若干绕组19则具有了图3中绕组19的功能，具体工作原理不再赘述。需要说明的是，图4也仅仅给出了一个实施方式，具体设计时还可根据不同的需要进行修改，例如最外侧的一个绕组19如图2进行设计，而其他绕组如图3进行设计，诸如此类，这里不一一列举，本领域的技术人员可以理解，对该若干绕组19的电路连接设计及材料选择可以作出许多修改和变型。
针对于该若干超导线圈18及绕组19的线圈支撑结构，图1示意的线圈支撑结构(冷却腔16的底壁162)仅是为了较容易说明本发明给出的一个实施方式，该若干超导线圈18及绕组19可根据实际应用的系统设计任意适合形式的线圈支撑结构，在下面的段落中，将给出另外三种线圈支撑结构，但本领域的技术人员可以理解，对该线圈支撑结构的设计可以根据不同的应用情况作出许多修改和变型。
请参考图5，相较于图1，图5实施方式的超导磁体系统10进一步包括一个金属支撑架20。该金属支撑架20为圆筒形设计且同中心地固定在该冷却腔16的内部。每一个绕组19紧密缠绕在对应超导线圈18上的同时支撑固定在了该金属支撑架20的内壁210上(例如结合环氧树脂等绝缘材料支撑固定该超导线圈18及绕组19)，且该绕组19还与该金属支撑架20的内壁210紧密热接触。此时，金属支撑架20作为该线圈支撑结构而并非图1中的冷却腔16的底壁162。一方面，应用金属支撑架20支撑超导线圈18及绕组19可提高物理结构上稳定性。另一方面，由于该若干绕组19与该金属支撑架20具有良好的热接触，故在失超过程中，该金属支撑架20可加快热量传导至超导线圈18上，因而进一步加快了系统整体失超的过程。在非限定的实施方式中，该金属支撑架20的材料为铝，其他实施方式中也可选用其他热传导性及稳固性较好的材料。
请继续参考图6及图7，相较于图5，图6及7实施方式的超导磁体系统10将图5中的金属支撑架20更换成了若干固定在该冷却腔10内以该冷却腔16的中心线为轴且平行于该冷却腔16底壁162的金属支撑杆21。在非限定的实施方式中，该金属支撑杆21的数量为8-12且均匀地分布在一圆周上。每一个金属支撑杆21对应该若干超导线圈18及绕组19在其内壁上开设若干容置槽212，每一个绕组19紧密缠绕在对应超导线圈18上的同时支撑固定在了该若干金属支撑杆21的内壁上，且该若干绕组19分别容置于该若干容置槽212内并与其内壁紧密热接触。此时，该若干金属支撑杆21作为该线圈支撑结构而并非图1中的冷却腔16的底壁162或图5中的金属支撑架20。同图5金属支撑架20相同，在失超过程中，该金属支撑杆21可加快热量传导至超导线圈18上，因而进一步加快了系统整体失超的过程。另外，由于该若干绕组19整体容置入了该若干容置槽212内，故增大了与金属支撑杆21的接触面积，可提高传热效率。并且，该若干金属支撑杆21所使用的材料大大少于该金属支撑架20所使用材料的数量，故也一定程度上降低了成本。
请继续参考图8，相较于图5，图8实施方式的超导磁体系统10将图5中的金属支撑架20的外壁开设了若干容置槽222，形成了新的金属支撑架22。每一个绕组19分别紧密缠绕在该若干容置槽222内，该若干超导线圈18对应该若干绕组19支撑固定在了该金属支撑架20的内壁上，且该绕组19与该容置槽222的内壁紧密热接触。同图5金属支撑架20相同，在失超过程中，该金属支撑架22可加快热量传导至超导线圈18上，因而进一步加快了系统整体失超的过程。另外，由于该若干绕组19整体容置入了该若干容置槽222内，故增大了与金属支撑架22的接触面积，可提高传热效率。图8实施方式中的绕组19并为紧密热接触对应的超导线圈18，但只要两者的距离满足绕组19可感应对应超导线圈18产生的磁场即可(亦即每一绕组19与对应的超导线圈18电磁耦合设置)，如此在失超时同样可产生涡流电流，即配合金属支撑架22同样具有图1中绕组19所产生的效果。
其他非限定的实施方式中，当该超导磁体系统10不是通过该冷却腔16的制冷方式对该超导线圈18进行制冷的，而是通过其他制冷方式，如将冷却管直接贴敷在该金属支撑架20或金属支撑杆21或金属支撑架22上为该超导线圈18进行制冷时，该冷却腔16可省略，对应地，该金属支撑架20或金属支撑杆21或金属支撑架22设置在该热屏蔽罩14内。
虽然结合特定的实施方式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 (17)
1.一种超导磁体系统，包括：
线圈支撑结构；
若干通过该线圈支撑结构支撑固定的超导线圈；及
若干通过该线圈支撑结构支撑固定的具有导电性及导热性的绕组，每一绕组自身具有电气短路连接；
该若干绕组分别与该若干超导线圈具有电磁耦合且具有热传导设置。
2.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中每一绕组紧密热接触对应的超导线圈或该线圈支撑结构，或者同时紧密热接触对应的超导线圈及该线圈支撑结构。
3.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该超导磁体系统还包括一个作为该线圈支撑结构的圆环状冷却腔，该若干超导线圈缠绕在该冷却腔的圆环状底壁上，每一个绕组紧密热接触地缠绕在对应的一个超导线圈上。
4.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该超导磁体系统还包括：
一个圆环状热屏蔽罩；及
一个作为该线圈支撑结构的圆筒形金属支撑架，该金属支撑架同中心地固定在该热屏蔽罩的内部，每一个绕组紧密缠绕在对应超导线圈上的同时支撑固定在该金属支撑架的内壁上，每一绕组还与该金属支撑架的内壁紧密热接触。
5.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该超导磁体系统还包括：
一个圆环状热屏蔽罩；及
若干固定在该热屏蔽罩内以该热屏蔽罩的中心线为轴且平行于该热屏蔽罩底壁的金属支撑杆，每一个金属支撑杆分别对应该若干超导线圈及绕组在其内壁上开设若干容置槽，每一个绕组紧密缠绕在对应超导线圈上的同时支撑固定在该若干金属支撑杆的内壁上，且该若干绕组分别容置于该若干容置槽内并与其内壁紧密热接触。
6.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该超导磁体系统还包括：
一个圆环状热屏蔽罩；及
一个作为该线圈支撑结构的圆筒形金属支撑架，该金属支撑架同中心地固定在该热屏蔽罩的内部，该金属支撑架的外壁开设若干容置槽，每一个绕组分别紧密缠绕在该若干容置槽内，该若干超导线圈对应该若干绕组支撑固定在该金属支撑架的内壁上，且该绕组与该容置槽的内壁紧密热接触。
7.如权利要求4或6所述的超导磁体系统，其中该金属支撑架的材料为铝。
8.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该若干绕组的材料为铜。
9.一种超导磁体系统，包括：
线圈支撑结构；
若干通过该线圈支撑结构支撑固定的超导线圈；及
若干通过该线圈支撑结构支撑固定的具有导电性及导热性的绕组，该若干绕组中的至少两个绕组与一超导开关串联成一闭合回路，其他绕组自身具有电气短路连接；
该若干绕组分别与该若干超导线圈具有电磁耦合且具有热传导设置。
10.如权利要求9所述的超导磁体系统，其中每一绕组紧密热接触对应的超导线圈或该线圈支撑结构，或者同时紧密热接触对应的超导线圈及该线圈支撑结构。
11.如权利要求9所述的超导磁体系统，其中该超导磁体系统还包括一个作为该线圈支撑结构的圆环状冷却腔，该若干超导线圈缠绕在该冷却腔的圆环状底壁上，每一个绕组紧密热接触地缠绕在对应的一个超导线圈上。
12.如权利要求9所述的超导磁体系统，其中该超导磁体系统还包括：
一个圆环状热屏蔽罩；及
一个作为该线圈支撑结构的圆筒形金属支撑架，该金属支撑架同中心地固定在该热屏蔽罩的内部，每一个绕组紧密缠绕在对应超导线圈上的同时支撑固定在该金属支撑架的内壁上，每一绕组还与该金属支撑架的内壁紧密热接触。
13.如权利要求9所述的超导磁体系统，其中该超导磁体系统还包括：
一个圆环状热屏蔽罩；及
若干固定在该热屏蔽罩内以该热屏蔽罩的中心线为轴且平行于该热屏蔽罩底壁的金属支撑杆，每一个金属支撑杆分别对应该若干超导线圈及绕组在其内壁上开设若干容置槽，每一个绕组紧密缠绕在对应超导线圈上的同时支撑固定在该若干金属支撑杆的内壁上，且该若干绕组分别容置于该若干容置槽内并与其内壁紧密热接触。
14.如权利要求9所述的超导磁体系统，其中该超导磁体系统还包括：
一个圆环状热屏蔽罩；及
一个作为该线圈支撑结构的圆筒形金属支撑架，该金属支撑架同中心地固定在该热屏蔽罩的内部，该金属支撑架的外壁开设若干容置槽，每一个绕组分别紧密缠绕在该若干容置槽内，该若干超导线圈对应该若干绕组支撑固定在该金属支撑架的内壁上，且该绕组与该容置槽的内壁紧密热接触。
15.如权利要求12或14所述的超导磁体系统，其中该金属支撑架的材料为铝。
16.如权利要求9所述的超导磁体系统，其中与超导开关串联的该至少两个绕组的材料为超导材料。
17.如权利要求9或16所述的超导磁体系统，其中自身具有电气短路连接的绕组的材料为铜。
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