CN103219124B - 采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其中包括：固定的高温超导段和可拔式常导段，二者通过卡接接头相连，高温超导段的下端还可与备份卡接式接头连接；在万一高温超导段损坏情况下，为磁体励磁，由备份电流引线直接插接到下接头。常导段的下端与高温超导段相接后，在常导段内通入液氮，在常导段的内、外冷却通道之间设置有隔热层，常导段上端设有电源接头；备份电流引线穿过高温超导段内并卡接在备份接头上时，其下端通入冷氦气冷却，备份电流引线内也设置有冷却通道，其上部设有与之相通的氦集气管，并在上端设有电接头。

Description

采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线

技术领域

本发明涉及医用磁共振成像超导磁体系统的馈电和冷却技术，特指一种减少磁共振超导磁体励磁过程液氦消耗的、采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线。

背景技术

超导磁共振成像仪已在国内外大中型医院十分普及、人体医学检查的设备，它能提供人体软组织断面清晰的图像，对于诊断体内脏器和大脑的病变非常有效。现有这种超导磁体绝大部分是在磁体恒温器灌装液氦后一次性励磁完成，然后借助于超导开关的闭合使磁体在持续电流下运行，此后可断开磁体电源。由于连接电源和磁体的电流引线是引入液氦温区的最大热负荷，可高达90％。为有效地降低液氦蒸发，现有技术通常采用可拔式电流引线。这类电流引线由铜或铜合金制作，称为常规电流引线。

根据电流引线优化设计理论，传导冷却的常规电流引线，当它承载每千安电流时，冷端的热负荷至少是45W。一对290A电流引线的热负荷≧27W，会蒸发液氦39升/时。如果利用氦蒸汽冷却电流引线，则每千安的热负荷可下降至1.2W水平，或者说只消耗1.73升/时；对于一对290A气冷电流引线最少只需要1.04升/时，显然这是可容忍的消耗率。但问题在于可拔式电流引线的接头电阻的焦耳热。首先，接头的固定部分必须位于5K温度以下，否则与它连接的铌钛超导线容易失超，并由此引发整个磁体失超；因此，它整个或部分浸泡在液氦内。根据低温实验技术的数据和我们实测的结果，接头电阻大致在25微欧水平；2个接头通过290A电流产生的焦耳热为4.5W。显然，它比电流引线本体产生的热负荷高6倍多，它必须由液氦冷却；一对290A电流引线在满负荷通电时的液氦蒸发率为6.5升/时。所以，可拔式常规电流引线的性能好坏主要取决于接头电阻能否做得较小。

对于新开发的磁共振超导磁体，为了匀场等调试需要，常常得花费数小时至数十小时。而随着氦气资源消耗和市场需求的增加，其价格日益上升；因此，如何节省液氦的消耗已经是业内人士的共识。

发明内容

一、要解决的技术问题

现有可拔式常规电流引线必须通过蒸发液氦和冷氦气冷却，在磁共振超导磁体长时间调试过程将消耗大量液氦。现有高温超导电流引线的常导段通常由制冷机一级冷头供冷，这会导致磁体的冷屏温度大幅度上升；万一高温超导段失超损坏后磁体将无法励磁。本发明要解决的三个技术问题：采用高温超导段降低励磁时液氦消耗至零蒸发；借助于外供液氮、不依赖制冷机一级冷头冷却的常导段；添加备份常规电流引线及其接头作为高温超导段万一损坏时的备份。

二、技术方案

1、为解决上述技术问题，本发明采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其中，包括有可拔的常导段和固定的高温超导段，二者的端部通过超导段主接头相连，所述高温超导段的下端有备份接头，所述高温超导电流引线还包括有可穿过高温超导段并与备份接头相接的备份电流引线；

所述常导段的下端与高温超导段的上端相接时，在常导段内通入液氮，所述常导段设有内、外冷却通道，将液氮进入到内冷却通道中，然后自下而上冷却所述的常导段，所述内、外冷却通道之间设置有隔热层，所述常导段上端设有电源接头；

所述备份电流引线插接在高温超导段内并卡接在备份接头上时，所述备份电流引线内设置有冷却通道，在备份电流引线下端通入液氦，在上部设有与冷却通道相通的氦集气管，并在备份电流引线的上端设有电源接头。

作为优化，所述常导段包括有与高温超导段相接的可拔接头及与可拔接头相接的不锈钢外管，所述外管内同轴设置有不锈钢内管，该内管的下端钎焊在可拔接头上，所述外管与内管之间设置有导电的黄铜管A，该黄铜管A上端伸出外管并与其间隙配合，所述外管上端与黄铜管A之间通过堵头密封，所述黄铜管A的上端密封钎焊一波纹补偿管，所述内管穿过波纹补偿管，所述电源接头设置在黄铜管A上部的外壁上。

作为优化，所述内、外冷却通道包括有同轴设置的内管、可拔接头、黄铜管A及设置在黄铜管A下端的通孔A，所述通孔A与黄铜管A和外管之间的间隙相通，所述黄铜管A的外壁轴向开设有若干条通气槽，所述外管的上端开有排气孔。

作为优化，所述高温超导段包括有与超导段主接头及备份接头焊接的不锈钢支撑板条，所述超导段主接头下部钎焊固定一与备份接头相接的导引支撑不锈钢薄壁管，所述导引支撑不锈钢薄壁管与备份接头钎焊固定，所述支撑板条一侧设有与超导段主接头和备份接头锡焊的高温超导带叠。

作为优化，所述备份电流引线包括有与所述备份接头配合插接的备份电流引线接头，该备份电流引线接头钎焊固定在黄铜管B的下端，所述黄铜管B内插入一缠绕有钢丝的盲管，所述盲管的外壁与黄铜管B的内壁之间留有间隙，所述盲管与备份电流引线接头之间的空间为氦气进入腔，所述氦气进入腔一侧的黄铜管B的内壁上开有与外界相通的氦气入孔。

作为优化，所述超导段主接头中部轴向开有贯穿超导段主接头的通道，该通道的直径大于所述备份电流引线接头的外径，等于所述导引支撑不锈钢薄壁管的内径，所述备份电流引线穿过通道。

作为优化，所述备份接头上设有圆锥台接头，所述备份电流引线接头上设有与圆锥台接头相匹配的内圆锥台形凹槽，所述备份电流引线接头卡套在圆锥台接头上，所述圆锥台接头的顶面与圆锥台形凹槽的顶面留有空腔，该空腔与所述氦气进入腔连通，所述备份电流引线接头上开有与空腔连通的液氦入孔。

作为优化，所述冷却通道包括盲管的外壁与黄铜管B的内壁之间的冷却间隙、氦气进入腔及空腔，所述冷却间隙、氦气进入腔及空腔相互连通。

作为优化，所述备份接头的下端饶有铌钛-铜复合超导扁线，该复合超导扁线浸泡在液氦中冷却。

三、本发明的有益效果

高温超导材料在液氮或更低温度具有可无阻地承载电流，且只传导少量的热，因此是非常优秀的电流引线材料，可大幅度地节省致冷量。20世纪后期高温超导电流引线开始大量用于实验室规模小型超导磁体，使得冷却超导磁体的液氦零蒸发或传导冷却成为可能。所谓高温超导电流引线由处于低温的高温超导段和连接室温的常导段组成，故也称为二元电流引线，对常导段的冷却是主要致冷功耗。对于大电流气冷引线，此功耗是常规电流引线的1/3。由于4.2K热负荷可望下降至0.25W/kA的水平，一对290A电流引线的热负荷只有0.15W，它是制冷机二级冷头制冷量的10％。因为高温超导材料不要求液氦浸泡冷却，这样我们可以把可拔式接头设置在高温超导段的上端，而下端与铌钛超导线的连接可以采用锡焊的方法，接头电阻可望低于0.05微欧，两个锡焊接头电阻的焦耳热只有0.009W。上端可拔式接头电阻虽然会在25微欧水平，但4.5W的热负荷相对于一级冷头的制冷量35W只占13％，可以依靠制冷机的一级冷头来提供冷量。

对于液氦零蒸发超导磁体的电流引线，其常规段只能依靠传导冷却，通常由微型制冷机的一级冷头提供。对于优化设计的传导冷却电流引线至少是43-45W/kA，一对290A电流引线满负荷工作时的热负荷至少是26-27W；再加上两个可拔式接头的焦耳热4.5W，则合计值非常接近制冷机一级冷头的制冷量35W50K。如果要不影响一级冷头对磁体冷屏的供冷，此高温超导电流引线的可拔段最好采用外供的液氮冷却。在磁体励磁期间，优化设计的可拔段液氮消耗率至少是0.15g/s/kA；一对290A电流引线的液氮消耗率只有0.091g/s或0.41升/时(不包括液氮传输管线的损耗)，可见是十分节能的。

采用高温超导电流引线可使对液氦的热负荷大幅度降低，它不仅大幅度减小了传导热，也大幅度减小了4.2K温区电流引线接头的焦耳热，因为本发明将4.2K接头做成锡焊连接，将可拔式接头转移到78K温区。由于高温超导段上端的冷却不依靠微型制冷机的一级冷头提供冷量，而采用外供液氮冷却；因此高温超导段的上端不要求与冷屏或一级冷头有良好的热耦合；这不仅简化了结构设计，而且不会明显地影响冷屏温度。为了增加安全性，本发明还增加了备份的备份电流引线，在高温超导段的冷端增加一个备份电流引线；当高温超导元件损坏时，用一条氦气冷却的备份电流引线取代需液氮冷却的电流引线，从而保障磁体励磁万无一失。一旦超导磁体完成励磁、实现持续电流闭合运行后，将高温超导电流引线的常规段与高温超导段分离或者移走。高温超导段上端经低热导支撑板与制冷机第一级冷头有热耦合，这项传导热小于0.2W，远远低于制冷机二级冷头的制冷量。本发明可用于微型制冷机冷却的医学磁共振成像超导磁体系统，无论是一次性励磁或需经常励磁和退磁的磁体。

附图说明

图1是本发明高温超导段和常导段的装配结构示意图；

图2是图1的M-M处剖面图；

图3是图1的J-J处剖面图；

图4是图1的N-N处剖面图；

图5是本发明常导段的纵向剖面图；

图6是本发明高温超导段的纵向剖面图；

图7是图5的A处放大图；

图8是图6的B处放大图；

图9是本发明高温超导段和备份电流引线的装配结构示意图；

图10是本发明备份电流引线的剖面图。

图中，1超导段主接头，2备份接头，3隔热层，4电源接头，5内、外冷却通道，6冷却通道，7氦集气管，8可拔接头，9外管，10内管，11黄铜管A，12堵头，13波纹补偿管，14通孔A，15通气槽，16排气孔，17支撑板条，18导引支撑不锈钢薄壁管，19高温超导带叠，20备份电流引线接头，21黄铜管B，22钢丝，23盲管，24氦气进入腔，25氦气入孔，26通道，27圆锥台接头，28空腔，29液氦入孔，30复合超导扁线，31凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线作进一步说明：

实施方式一：如图1、5和6所示，本发明采用液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其中，包括有端部通过超导段主接头1相连的高温超导段和常导段，上述高温超导段的下端有备份接头2，上述高温超导电流引线还包括有备份电流引线，万一高温超导叠损坏情况下它可穿过高温超导段，并与备份接头2相接；

上述常导段的下端与高温超导段的上端相接时，在常导段内通入液氮，上述常导段设有内、外冷却通道5，将液氮通入到内冷却通道中，然后自下而上冷却所述的常导段，上述内、外冷却通道5间设置有隔热层3，上述常导段外侧设有电源接头4。

上述常导段包括有与高温超导段相接的可拔接头8，该可拔接头8的一端设有采用不锈钢制成的外管9，上述外管9内同轴设置有内管10，上述内管10同样也采用不锈钢制成，该内管10的一端钎焊在可拔接头8上，上述外管9与内管10之间设置有导电的黄铜管A 11，该黄铜管A 11一端伸出外管9，上述外管9一端与黄铜管A 11之间通过堵头12密封，并使其间隙均匀，上述黄铜管A11的上端密封钎焊一波纹补偿管13，上述内管10伸出波纹补偿管13，上述黄铜管A 11的上端外壁设有电源接头4。上述可拔接头8与超导段主接头1通过锥形面密封卡接。

在正常投入运行的情况下，液氮从内管10上部的管口进入，并流至可拔接头8，上述内管10采用不锈钢制成，与上述黄铜管A 11之间留有3mm的绝热间隙，即，隔热层3，上述隔热层3内充以CO₂气体或者保持真空。本实施例隔热层3内充入CO₂气体，当液氮进入内管10后，CO₂气体将被固化，从而使隔热层3具有真空绝热特性。

如图3、4和7所示，上述冷却通道A5包括有同轴设置的内管10、可拔接头8、黄铜管A 11及设置在黄铜管A 11下端的通孔A 14，该通孔A 14和黄铜管A 11与外管9之间的间隙相通，上述黄铜管A 11伸入在外管9内的部分的外壁上开设有若干条轴向通气槽15，上述外管9的上端开有排气孔16。

如图2所示，由于可拔接头8和黄铜管A 11的焦耳热使液氮气化，冷氮气从开有六条通气槽15的黄铜管A 11和外管9之间的间隙向上流，带走黄铜管A11的焦耳热和传导热，最终经开设在外管9上端的排气孔16进入大气。上述堵头12采用聚四氟乙烯制成，外管9采用不锈钢制成，堵头12能够使外管9与黄铜管A 11之间的间隙均匀化，保持良好的冷却状态；同时也容许外管9与黄铜管A 11之间的冷收缩有差异。上述外管9与可拔接头8之间采用真空钎焊，以保证焊缝具有真空气密，不容许液氮或氮气泄漏到氦气塔筒内。上述常导段的外管9大部分穿过绝缘密封套插入到氦气塔筒内，上述外管9与绝缘密封套之间借助于O形密封圈密封，此绝缘密封套必须在组装时套入。而上述内管10与黄铜管A 11之间的冷收缩差异则由波纹补偿管13来进行补偿，同时，波纹补偿管13的下端也是与黄铜管A 11通过真空钎焊进行固定。

来自与磁体直流电源的电缆接头与电源接头4可采用螺钉压紧连接固定，为降低接头电阻，可拔接头8和电源接头4的表面镀银或热镀锡。

上述超导段主接头1采用垫圈和螺母固定在玻纤加强的环氧支撑板上；考虑到万一在高温超导段损坏的情况下超导磁体仍然可以励磁，上述超导段主接头1中部轴向开有贯穿超导段主接头1的通道26，通道26的孔径可使备份电流引线轻松通过。

如图6所示，上述高温超导段包括与超导段主接头1及备份接头2钎焊的支撑板条17，上述超导段主接头1与备份接头2之间用导引支撑管钎焊连接，上述导引支撑管与备份接头2钎焊固定，上述支撑板条17一侧设有两端分别与超导段主接头1和备份接头2锡焊的高温超导带叠19。

上述导引支撑不锈钢薄壁管18具备两个作用：1)、导引备份电流引线与备份接头2连接，并支撑备份接头2；2)、支撑高温超导段，一旦高温超导段失超，它还作为分流器承载部分磁体电流。为减小传导热，上述导引支撑不锈钢薄壁管18的壁厚为0.3mm。

上述超导段主接头1采用高导无氧铜制成。上述支撑超导段主接头1的环氧支撑板不仅提供了高温超导段和常导段之间以及对地的电绝缘，也使高温超导段与冷屏之间有较大的热阻；当超导磁体完成励磁并将常导段移走后，通过高温超导段的传导热足够小。

上述支撑板条17厚度为0.5mm，由不锈钢制成，当高温超导带叠19失超时，它将起到分流器的作用，承载部分的磁体电流。上述高温超导带叠19采用三条Bi-2223/Ag-Au带和无铜稳定层的YBCO(钇钡铜氧)带，前者可靠性较高，后者热传导率低。上述支撑板条17的两端与超导段主接头1及备份接头2通过银铜钎焊固定。

上述备份接头2的下端绕有复合超导扁线30，该复合超导扁线30浸泡在液氦中。而上述复合超导扁线30的一端与备份接头2锡焊，其锡焊的长度不少于25～30cm，上述复合超导扁线30为铌钛-铜复合超导扁线30。

实施方式二：如图9和10所示，上述备份电流引线插入高温超导段内并卡套在备份接头2上时，在备份电流引线下端通入氦气或液氦，并在备份电流引线的上端设有电源接头4，上述备份电流引线内设置有冷却通道6，上述备份电流引线上部设有与冷却通道6相通的氦集气管7，而经冷却通道6后的氦气从氦集气管7排出。

万一高温超导段发生失超损坏情况时，拔出常导段，将备份电流引线穿过超导段主接头1卡接在备份接头2上，以保证在超导磁体仍然可以励磁。

上述备份电流引线包括有与上述备份接头2卡套的备份电流引线接头20，上述备份电流引线接头20可采用铍青铜制成，该备份电流引线接头20钎焊固定在黄铜管B 21的下端；为改善氦蒸汽与黄铜管B 21之间的换热，上述黄铜管B 21内插接一缠绕有钢丝22的盲管23，上述盲管23的外壁与黄铜管B 21的内壁之间留有间隙，上述盲管23与备份电流引线接头20之间的空间为氦气进入腔24，上述氦气进入腔24一侧的黄铜管B 21的壁上开有与外界相通的氦气入孔25。

上述通道26的直径大于备份电流引线接头20的外径，等于所述导引支撑管18的内径，上述备份电流引线可顺利的穿过通道26。

上述备份接头2上设有圆锥台接头27，上述备份电流引线接头20上设有与圆锥台接头27相匹配的内圆锥台形凹槽31，上述备份电流引线接头20插接在圆锥台接头27上，上述圆锥台接头27的顶面与圆锥台形凹槽31的顶面留有空腔28，该空腔28与上述氦气进入腔24连通，上述备份电流引线接头20上开有与空腔28连通的液氦入孔29。上述冷却通道6包括盲管23的外壁与黄铜管B21的内壁之间的冷却间隙、氦气进入腔24及空腔28，所述冷却间隙、氦气进入腔24及空腔28相互连通。

当备份电流引线连接后，通过氦气入孔25和液氦入孔29提供冷却，而通过液氦入孔29到空腔28内的氦气或液氦，对备份接头2和备份电流引线接头20进行冷却，然后流经空腔28连通的氦气进入腔24内，经冷却通道6从氦集气管7排出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其特征在于：包括有可拔的常导段和固定的高温超导段，二者的端部通过超导段主接头相连，所述高温超导段的下端有备份接头，所述高温超导电流引线还包括有可穿过高温超导段并与备份接头相接的备份电流引线；

所述常导段的下端与高温超导段的上端相接时，在常导段内通入液氮，所述常导段设有内、外冷却通道，将液氮进入到内冷却通道中，然后自下而上冷却所述的常导段，所述内、外冷却通道之间设置有隔热层，所述常导段上端设有电源接头；

所述备份电流引线插接在高温超导段内并卡接在备份接头上时，所述备份电流引线内设置有冷却通道，在备份电流引线下端通入液氦，在上部设有与冷却通道相通的氦集气管，并在备份电流引线的上端设有电源接头。

2.根据权利要求1所述的采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其特征在于：所述常导段包括有与高温超导段相接的可拔接头及与可拔接头相接的不锈钢外管，所述外管内同轴设置有不锈钢内管，该内管的下端钎焊在可拔接头上，所述外管与内管之间设置有导电的黄铜管A，该黄铜管A上端伸出外管并与其间隙配合，所述外管上端与黄铜管A之间通过堵头密封，所述黄铜管A的上端密封钎焊一波纹补偿管，所述内管穿过波纹补偿管，所述电源接头设置在黄铜管A上部的外壁上。

3.根据权利要求2所述的采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其特征在于：所述内、外冷却通道包括有同轴设置的内管、可拔接头、黄铜管A及设置在黄铜管A下端的通孔A，所述通孔A与黄铜管A和外管之间的间隙相通，所述黄铜管A的外壁轴向开设有若干条通气槽，所述外管的上端开有排气孔。

4.根据权利要求1所述的采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其特征在于：所述高温超导段包括有与超导段主接头及备份接头焊接的不锈钢支撑板条，所述超导段主接头下部钎焊固定一与备份接头相接的导引支撑不锈钢薄壁管，所述导引支撑不锈钢薄壁管与备份接头钎焊固定，所述支撑板条一侧设有与超导段主接头和备份接头锡焊的高温超导带叠。

5.根据权利要求4所述的采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其特征在于：所述备份电流引线包括有与所述备份接头配合插接的备份电流引线接头，该备份电流引线接头钎焊固定在黄铜管B的下端，所述黄铜管B内插入一缠绕有钢丝的盲管，所述盲管的外壁与黄铜管B的内壁之间留有间隙，所述盲管与备份电流引线接头之间的空间为氦气进入腔，所述氦气进入腔一侧的黄铜管B的内壁上开有与外界相通的氦气入孔。

6.根据权利要求5所述的采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其特征在于：所述超导段主接头中部轴向开有贯穿超导段主接头的通道，该通道的直径大于所述备份电流引线接头的外径，等于所述导引支撑不锈钢薄壁管的内径，所述备份电流引线穿过通道。

7.根据权利要求5所述的采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其特征在于：所述备份接头上设有圆锥台接头，所述备份电流引线接头上设有与圆锥台接头相匹配的内圆锥台形凹槽，所述备份电流引线接头卡套在圆锥台接头上，所述圆锥台接头的顶面与圆锥台形凹槽的顶面留有空腔，该空腔与所述氦气进入腔连通，所述备份电流引线接头上开有与空腔连通的液氦入孔。

8.根据权利要求7所述的采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其特征在于：所述冷却通道包括盲管的外壁与黄铜管B的内壁之间的冷却间隙、氦气进入腔及空腔，所述冷却间隙、氦气进入腔及空腔相互连通。

9.根据权利要求5至8任一项所述的采用外供液氮冷却可拔段的高温超导电流引线，其特征在于：所述备份接头的下端绕有铌钛-铜复合超导扁线，该复合超导扁线浸泡在液氦中冷却。