CN103309253A - 永久开关控制系统、超导磁体设备及控制永久开关的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永久开关控制系统、超导磁体设备及控制永久开关的方法。永久开关控制系统包括：永久开关，用于在超导线圈的断开状态和闭合状态之间切换；永久开关控制器，用于控制永久开关，其中，在充电模式下，永久开关的电阻状态被施加到永久开关的斜坡电压产生的斜坡热负荷保持。

Description

永久开关控制系统、超导磁体设备及控制永久开关的方法
本申请要求于2012年3月12日提交到韩国知识产权局的第10-2012-0025224号韩国专利申请的权益，其公开内容通过引用被全部包含于此。
技术领域
与示例性实施例一致的系统、设备和方法涉及一种永久开关(persistentswitch)控制系统、采用该系统的超导磁体设备及控制永久开关的方法。
背景技术
诸如磁共振成像(MRI)设备或者核磁共振(NMR)设备使用超导磁体。当将电流施加到冷却在超低温度(例如，4.2K)的超导线圈时，超导磁体工作，从而产生超导现象。超导磁体经常运行在永久模式(persistent mode)，并包括用于进入永久模式的永久开关。永久模式用于允许电流流动通过超导磁体中的闭环，永久开关用于阻断流动到低温的超导磁体与常温的磁体电源之间的电流引线的电流。这样的永久开关在诸如NMR设备和MRI设备的应用装置中提供高的场稳定性，并且可减小低温热负荷，以增加低温恒温器的液态氦的保留时间。
通常，永久开关包括超导线和开关加热器。随着热从开关加热器施加到超导线，超导线具有电阻率，这是因为超导线的温度上升到超导转变温度以上。当永久开关被适当地设计时，永久开关具有相对高的电阻。处于电阻状态的永久开关的高电阻使得超导磁体被充电。当充电完成时，导电的线被冷却并恢复超导性，因此，永久开关闭合。
发明内容
将热施加到永久开关以断开永久开关的操作在超导磁体设备的冷却系统上产生热负荷。例如，将热施加到永久开关以断开永久开关的操作产生液氦的消耗。此外，当超导磁体充电时，液氦的消耗由于由被施加到永久开关的斜坡电压产生的从永久开关弥散的热而额外地增加。
示例性实施例的一方面提供一种用于减小在超导磁体充电时产生的热负荷的永久开关控制系统。
示例性实施例的一方面还提供一种采用该永久开关控制系统的超导磁体设备。
示例性实施例的另一方面还提供一种控制永久开关的方法。
根据示例性实施例的一方面，提供一种永久开关控制系统，所述永久开关控制系统包括：永久开关，在超导线圈的断开状态和闭合状态之间切换；永久开关控制器，控制永久开关，其中，在充电模式期间，永久开关的电阻状态被施加到永久开关的斜坡电压产生的斜坡热负荷保持。
永久开关可包括：超导线，构成超导线圈的一部分；开关加热器，将热施加到超导线，其中，当充电模式开始时，永久开关控制器可将电源电压供应到开关加热器，且当电流被供应到超导线圈时，永久开关控制器可阻断供应到开关加热器的电源电压。
在充电模式下，被供应到超导线圈的电流的斜坡率可被设置为使得通过施加在超导线的两端之间的斜坡电压产生的斜坡热负荷保持超导线的电阻状态。
当供应到超导线圈的电流达到目标电流时，可停止对超导线圈的电流的供应。当供应到超导线圈的电流基本接近目标电流时，可调节供应到超导线圈的电流。在调节供应到超导线圈的电流之前，永久开关控制器可接通开关加热器，在调节供应到超导线圈的电流之后，永久开关控制器可关断开关加热器。
根据示例性实施例的另一方面，提供一种超导磁体设备，所述超导磁体设备包括：超导线圈；用于超导线圈的电源，将电流供应到超导线圈；永久开关控制系统，控制超导线圈的断开状态和闭合状态。永久开关控制系统包括：永久开关，在超导线圈的断开状态和闭合状态之间切换；永久开关控制器，控制永久开关，其中，在充电模式期间，永久开关的电阻状态被施加到永久开关的斜坡电压产生的斜坡热负荷保持。
超导磁体设备可以是磁共振成像(MRI)设备、核磁共振(NMR)设备或者用于磁悬浮汽车的超导磁体设备。
根据示例性实施例的另一方面，提供一种控制用于在超导线圈的断开状态和闭合状态之间切换的永久开关的方法，所述方法包括：在充电模式期间，通过由被施加到永久开关的斜坡电压产生的斜坡热负荷来保持永久开关的电阻状态。
永久开关控制系统、采用该永久开关控制系统的超导磁体设备及控制永久开关的方法可通过利用在充电模式下的永久开关自身的斜坡热负荷来减小从外部单独施加以操作永久开关的热负荷。
附图说明
示例性实施例的上述和其他的方面参照附图将变得更加明显，附图中：
图1示意性地示出了根据示例性实施例的采用永久开关控制系统的超导磁体设备；
图2是示出根据示例性实施例的控制永久开关的方法的流程图；
图3是示出在图2的方法中精细地调节电流的操作的示例的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述示例性实施例。附图中相同的标号表示相同的元件。在附图中，为清楚起见，夸大了层和区域的厚度。
图1示意性地示出了根据示例性实施例的永久开关控制系统120以及采用永久开关控制系统120的超导磁体设备100。
参照图1，超导磁体设备100包括：超导线圈110；电流引线150，将电流传输到超导线圈110；电源160，用于超导磁体，通过电流引线150将电流施加到超导线圈110；低温恒温器190，将超导线圈110的温度保持在超低温状态。另外，超导磁体设备100包括永久开关控制系统120。此外，虽然没有示出，但是超导磁体设备100还可包括冷却超导线圈110并保持低温恒温器190的超低温状态的冷却器。
永久开关控制系统120包括：永久开关121，设置在超导线圈110的一侧；永久开关控制器125，设置在低温恒温器190的外部并控制永久开关121。
永久开关121在超导线圈110的断开状态与超导线圈110的闭合状态之间切换。即，永久开关121的状态可变成电阻状态并因而允许超导线圈110处于断开状态，并且永久开关121的状态可变成超导状态，从而允许超导线圈110处于闭合状态。为此，永久开关121包括超导线122和开关加热器123，开关加热器123被设置为靠近超导线122并且可将热施加到超导线圈122。可以理解，在永久模式下，超导线122是超导线圈110的一部分。从用于超导磁体的电源160的角度看，超导线122和超导线圈110彼此并联。超导线122可以由无感线圈形成，以具有最小的电感。超导线122被设计为具有斜坡热负荷(ramp heat load)，斜坡热负荷可保持用于维持电阻状态(即，超导状态被破坏的状态)的温度。即，超导线122被设计成使得电阻状态下的超导线122的电阻值具有预定的斜坡热负荷。下面将描述斜坡热负荷。
永久开关控制器125可通过控制被施加到开关加热器123的电源来控制永久开关121。另外，在开关加热器123已经关闭的状态下，也可通过斜坡热负荷来控制永久开关121，可通过调节从用于超导磁体的电源160供应的电流的斜坡率(ramping rate)来控制斜坡热负荷。
超导线圈110可以通过电流引线150电连接到设置在低温恒温器190外部的用于超导磁体的电源160，并因此可在充电模式下接收来自电源160的电流。在超导磁体设备100中，供应到超导线圈110的电流在永久模式下被阻断，在一些情况下，电流引线150可具有可拆卸和可附着的结构。
图2是示出根据示例性实施例的控制超导磁体设备100中的永久开关的方法的流程图。将参照图1和图2来描述控制永久开关的方法。
在超导磁体设备100的操作期间，超导线圈110冷却在超导状态下。超导磁体设备100可具有充电模式和永久模式，在充电模式下，电流被供应到超导线圈110以对其供电，在永久模式下，电流在超导线圈110的闭合回路中流动。
在充电模式开始之前，设置目标电流和斜坡率(操作S10)。目标电流是用于确定充电是否已经完成的电流的量。斜坡率是电流随时间的改变，其中，电流逐渐地增加，直到达到目标电流。考虑通过超导线圈110的电感产生的负荷来设置斜坡率，且斜坡率被设置成使得在充电模式下，可通过使用超导线122的斜坡热负荷来使超导线122保持电阻状态。
接下来，当充电模式开始时，永久开关控制器125通过将电流施加到开关加热器123来将热施加到超导线122，以中断超导线122的超导状态，并将超导线122的状态从超导状态改变到电阻状态(操作S20)。例如，在开关加热器123中产生的每小时的热量Hr可根据下面的式1来获得。
Hr＝Ih 2·Rh      (1)
Ih表示施加到开关加热器123的电流，Rh表示开关加热器123的电阻值。例如，如果Rh是100Ω且Ih是30mA，则在开关加热器123中产生的每小时的热量Hr是90mW，产生的热通过加热超导线122可将超导线122的温度增加到超过10K的温度。因此，超导线122的状态可从超导状态改变为电阻状态。如果超导线122的状态从超导状态改变为电阻状态，则可以理解，永久开关121基本上断开，同时超导线圈110处于断开状态。
如果永久开关121的状态被改变为电阻状态，则用于超导磁体的电源160通过电流引线150将电流供应到超导线圈110(操作S30)。由于超导线122在充电模式下处于电阻状态，所以大多数电流流向基本没有电阻的超导线圈110，因此，超导线圈110被充电。在这种情况下，用于超导磁体的电源160考虑超导线圈110的电感而缓慢地增加供应到超导线圈110的电流(即，使得电流斜升)。如果从用于超导磁体的电源160通过电流引线150施加电压Vr，则供应到超导线圈110的电流的增加量dI/dt可通过下面的式2来获得。
dI dt = V r L - - - ( 2 )
L表示超导线圈110的电感。电流的增加量dI/dt被表示为斜坡率，被施加到超导线圈110的电压Vr被表示为斜坡电压。
参照式2，可以理解，如果斜坡电压Vr被施加到超导线圈110，则流动通过超导线圈110的电流以斜坡率Vr/L增加。
由于超导线122与超导线圈110并联，则从用于超导磁体的电源160供应的斜坡电压Vr也被施加在超导线122的两端之间。由于超导线122在充电模式中处于电阻状态，所以超导线122由于斜坡电压Vr产生焦耳热。由于斜坡电压Vr产生的超导线122的热负荷Hr(以下，称为斜坡热负荷)可根据下面的式3来获得。
H r = V r 2 R s - - - ( 3 )
Rs表示超导线122在电阻状态下的电阻。
参照图3，在电阻状态下，超导线122具有与斜坡电压Vr的平方成正比且与超导线122的电阻Rs成反比的斜坡热负荷Hr。传统的超导磁体设备通过增加在电阻状态下的永久开关的超导线的电阻来最小化热负荷。然而，由于根据当前的示例性实施例的超导磁体设备100使用在超导线122的电阻状态下产生的热，所以超导线122的电阻Rs被设置为小值，从而在开关加热器123已经关断的状态下，斜坡热负荷Hr具有使得超导线122可以保持在电阻状态的热负荷值。将超导线122保持在电阻状态的热负荷值可以根据超导线122的热环境而改变。例如，如果超导线122的电阻Rs是500Ω且斜坡电压Vr是4V，则斜坡热负荷Hr为32mW，且当开关加热器123已经关断时，32mW的斜坡热负荷Hr可将超导线122保持在电阻状态。
当在用于超导磁体的电源160将斜坡电压Vr施加到超导线圈110时或者紧接在用于超导磁体的电源160将斜坡电压Vr施加到超导线圈110之后，永久开关控制器125阻断被施加到开关加热器123的电流，以将开关加热器123的状态改变为关断状态(操作S40)。由于根据当前示例性实施例的超导线122的电阻和斜坡率(或者斜坡电压)被设计成具有斜坡热负荷Hr，从而在充电模式下，电阻状态可被保持，尽管开关加热器123的状态被改变为关断状态，但超导线122可由于通过超导线122自身产生的热而保持在电阻状态。因此，由于永久开关121仍然处于电阻状态，所以超导线圈110被从用于超导磁体的电源160供应的电流充电。
接下来，在预定时间已经过去之后，用于超导磁体的电源160确定超导线圈110的充电是否已经完成(操作S50)。例如，可以通过确定从用于超导磁体的电源160(即，用于超导线圈110的电源160)供应的电流是否已经达到目标电流来确定充电是否已经完成。充电状态和开关加热器123的关断状态被保持，直到从用于超导磁体的电源160供应的电流接近目标电流为止。在这种情况下，由于开关加热器123处于关断状态，所以在开关加热器123中产生的热负荷可以被最小化，因此可以减小施加到低温恒温器190的热负荷。
如果从用于超导磁体的电源160供应的电流达到目标电流，则用于超导磁体的电源160停止供应电流。当来自电源160的电流的供应停止时，在超导线122中产生的斜坡热负荷也减小，因此超导线122可以自动地冷却且然后可返回到超导状态。如果超导线122返回到超导状态，则永久开关121闭合，流动通过超导线圈110的电流转向构成闭合回路的永久开关121，因此充电模式结束。
在停止从用于超导磁体的电源160供应电流的操作中，可以进一步执行精细地调节电流的操作S60。图3示出了精细地调节电流的操作S60的示例。参照图3，如果从用于超导磁体的电源160供应的电流接近目标电流，则电源160精细地调节电流，以使电流达到目标电流，然后如果电流达到目标电流，则停止供应电流(操作S63)。由于在操作S63中电流的改变可以根据需要相对大或者相对小，因此超导线122的电阻状态可以不仅仅通过在超导线122中产生的斜坡热负荷被保持。因此，通过在精细地调节电流的操作S63之前进一步执行接通开关加热器123的操作S61以及在精细地调节电流的操作S63完成的情况下再次执行关断开关加热器125的操作S65，永久开关121在精细地调节电流的操作S63中可以稳定地保持电阻状态。如果来自用于超导磁体的电源160的电流的供应停止且开关加热器123再次关断时，永久开关121闭合且流动通过超导线圈110的电流转向构成闭合回路的永久开关121，因此充电模式结束。
如上所述，由于除了在充电过程和精细的电流调节过程之外，根据当前示例性实施例的超导磁体设备100将开关加热器123设置于关断状态，因此超导磁体设备100可以最小化在开关加热器123中产生的热负荷，可以减小施加到超导磁体设备100的冷却器的热负荷，并且可提高热效率。
根据当前示例性实施例的超导磁体设备100可以是磁共振成像(MRI)设备、核磁共振(NMR)设备、用于磁悬浮汽车的超导磁体设备等。例如，如果超导磁设备100是MRI设备，则超导磁设备100可进一步包括梯度线圈或者射频(RF)线圈。
虽然已经具体示出并描述了示例性实施例，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在这里做出形式和细节上的各种改变。

Claims (14)

1.一种永久开关控制系统，包括：
永久开关，在超导线圈的断开状态和闭合状态之间切换；
永久开关控制器，控制永久开关，
其中，在充电模式期间，永久开关的电阻状态由施加到永久开关的斜坡电压产生的斜坡热负荷保持。
2.根据权利要求1的永久开关控制系统，其中，永久开关包括：
超导线，构成超导线圈的一部分；
开关加热器，将热施加到超导线，
其中，当充电模式开始时，永久开关控制器将电源电压供应到开关加热器，当从用于超导线圈的电源将电流供应到超导线圈时，永久开关控制器阻断供应到开关加热器的电源电压。
3.根据权利要求2的永久开关控制系统，其中，在充电模式下，被供应到超导线圈的电流的斜坡率被设置为使得通过施加在超导线的两端之间的斜坡电压产生的斜坡热负荷保持超导线的电阻状态。
4.根据权利要求2的永久开关控制系统，其中，当供应到超导线圈的电流达到目标电流时，停止对超导线圈的电流的供应。
5.根据权利要求4的永久开关控制系统，其中，当供应到超导线圈的电流基本接近目标电流时，调节供应到超导线圈的电流。
6.根据权利要求5的永久开关控制系统，其中，在调节供应到超导线圈的电流之前，永久开关控制器接通开关加热器，在调节供应到超导线圈的电流之后，永久开关控制器关断开关加热器。
7.一种超导磁体设备，包括：
超导线圈；
用于超导线圈的电源，用于将电流供应到超导线圈；
如权利要求1到6中任一项所述的永久开关控制系统，制超导线圈的断开状态和闭合状态。
8.根据权利要求7的永久开关控制系统，其中，超导磁体设备是磁共振成像设备、核磁共振设备或者用于磁悬浮汽车的超导磁体设备。
9.一种控制用于在超导线圈的断开状态和闭合状态之间切换的永久开关的方法，所述方法包括：
在充电模式期间，通过由被施加到永久开关的斜坡电压产生的斜坡热负荷来保持永久开关的电阻状态。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，永久开关包括构成超导线圈的一部分的超导线以及用于将热施加到超导线的开关加热器，
所述方法还包括：当充电模式开始时，将电源电压供应到开关加热器，当从用于超导线圈的电源将电流供应到超导线圈时，阻断供应到开关加热器的电源电压。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：设置被供应到超导线圈的电流的斜坡率，
其中，斜坡率被设置为使得通过被施加在超导线的两端之间的斜坡电压产生的斜坡热负荷保持超导线的电阻状态。
12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括：当被供应到超导线圈的电流达到目标电流时，停止对超导线圈的电流的供应。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：在被供应到超导线圈的电流基本接近目标电流时，调节供应到超导线圈的电流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，调节电流的步骤包括：
在调节被供应到超导线圈的电流之前，接通开关加热器，
在调节被供应到超导线圈的电流之后，关断开关加热器。
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