CN103700461B - 超导磁体系统 - Google Patents

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内嵌在该线圈支撑结构内部的具有导电性及导热性的导电环。每一导电环自身在圆周方向上形成闭合回路的短路连接结构，该若干导电环与该若干超导线圈具有电磁耦合设置。

Description

超导磁体系统

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(Magnetic Resonance Imaging,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

若干内嵌在该线圈支撑结构内部的具有导电性及导热性的导电环，每一导电环自身在圆周方向上形成闭合回路的短路连接结构，该若干导电环与该若干超导线圈具有电磁耦合设置。

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：

真空容器；

同中心嵌套在该真空容器内的热屏蔽罩；

同中心嵌套在该热屏蔽罩内的冷却腔；

同中心嵌套在该冷却腔内的线圈支撑结构；

若干通过该线圈支撑结构支撑固定的超导线圈；及

若干内嵌在该线圈支撑结构内部的具有导电性及导热性的导电环，每一导电环自身在圆周方向上形成闭合回路的短路连接结构，该若干导电环与该若干超导线圈具有电磁耦合设置。

本发明的超导磁体系统，通过在该若干超导线圈的支撑结构中内嵌入具有电磁耦合且具有热传导设置的导电环，可在该超导磁体系统失超时，使该若干导电环产生涡流电流，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，由于该若干导电环与支撑结构具有热传导设置并可传导至超导线圈，故在该若干导电环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超导线圈，如此加速了超导线圈的整体失超过程。

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一种实施方式方式的示意图。

图3为图1超导磁体系统沿X-X线的局部切面示意图。

图4为图1超导磁体系统中一个导电环的第一较佳实施方式的示意图。

图5为图1超导磁体系统中一个导电环的第二较佳实施方式的示意图。

图6为图1超导磁体系统中一个导电环的第三较佳实施方式的示意图。

图7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8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9为图8超导磁体系统中导电绕组的第一较佳实施方式的示意图。

图10为图8超导磁体系统中导电绕组的第二较佳实施方式的示意图。

图11为图8超导磁体系统中导电绕组的第三较佳实施方式的示意图。

图12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。

图13为本发明超导磁体系统第五实施方式沿中心线的切面示意图。

图14为本发明超导磁体系统第六实施方式沿中心线的切面示意图。

图15为本发明超导磁体系统第七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及一个同中心嵌套在该冷却腔16内的圆筒形的金属支撑架19。该真空容器12的中心形成了一个磁场区域11。作为一个例子，在图1的实施方式中，该金属支撑架19直接安装在该冷却腔16的底部，在其他实施方式中，该金属支撑架19与该冷却腔16的底部之间也可设有一定的缝隙。该超导磁体系统10还包括若干超导线圈18，例如六个超导线圈，且该若干超导线圈18缠绕或安装在该金属支撑架19的外表面上，在其他实施方式中，该超导线圈18也可安装在该金属支撑架19的内表面上。在该实施方式中，该金属支撑架19至少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，该金属支撑架19除了支撑功能以外的其他功能将在后面的段落中详细说明。

作为一个例子，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，该热屏蔽罩14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，例如包括多个电源引线(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、磁选机、粒子加速器等系统中，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，例如使用热虹吸冷却管(thermosiphon cooling pipe)来直接给超导线圈18进行制冷。

请继续参考图2，示意出了该超导磁体系统10的一种电路示意图。该若干个超导线圈18串联连接，两个电流注入导线125(引自图1的电源线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)串联后分别与该超导线圈18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，有时失超保护可能会不及时，不能达到较好的失超保护效果。

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导电环192，且该若干导电环192内嵌在该金属支撑架19内部并对应该若干超导线圈18。在图1的实施方式中，每一个超导线圈18均对应设置一个内嵌在金属支撑架19的导电环192，而在其他实施方式中，也可仅在个别易发生失超的超导线圈18对应金属支撑架19的部分内嵌入导电环192，例如最外侧的两个超导线圈18对应金属支撑架19的部分内嵌入导电环192。参考图3，为图1超导磁体系统10沿X-X线的局部切面示意图。参考图4，为图1超导磁体系统10中一个导电环192的第一较佳实施方式的示意图。每一个导电环192为圆筒形结构，其自身在圆周方向上形成了闭合回路，即为自身短路结构。因此，当与该导电环192相关联的磁场通量发生变化时，该导电环192自身将产生涡流电流(eddy current)。

在非限定的实施方式中，该金属支撑架19的材料为铝或铝合金，该导电环192的材料为铜。由于铝或铝合金的金属支撑架19与铜的导电环192之间具有不同的热膨胀系数，即铝的热膨胀系数大于铜的热膨胀系数，因此在该导电环192上会产生热压力，并且在超导磁体失超过程中由于感应了涡流电流及处于强磁场区域，还会在该导电环192上产生较大的磁场力。因为该导电环192设计成被嵌入在该金属支撑架19的内部，故该金属支撑架19则具有一个很稳固的结构来支撑固定该导电环192并且适应于所有的工作状态（例如组装、降温、励磁、以及潜在的失超过程），此金属支撑架19内嵌该导电环192的结构可提高结构稳定性并且由于不需要其他的装置来支撑导电环192，故还可节省成本。在非限定实施方式中，该导电环192（及后面段落描述的导电线圈194）是通过浇铸的方式内嵌在该金属支撑架19内的，例如通过重力浇铸或低压浇铸等方式，其他实施方式中也可通过其他的制造工艺来实现将导电环192内嵌入该金属支撑架19内。另外，在其他的实施方式中，该金属支撑架19也可选用其他金属材料，该导电环192也可选用其他电性高传导材料。

在该金属支撑架19内嵌入该导电环192后，当该若干超导线圈18中的一个或多个发生失超时，由于该若干导电环192与对应超导线圈18具有电磁耦合，则与该若干导电环192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，由于与该若干导电环192相关联的磁场通量随之变化，则该若干导电环192自身将产生涡流电流(eddy current)，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(hot spot)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，在一些实施方式中，由于该金属支撑架19与超导线圈18之间具有良好的紧密热接触，故在该若干导电环192产生涡流电流而使其自身发热的同时，将自身产生的热量又通过该金属支撑架19再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，由于在该金属支撑架19内嵌入了该若干导电环192，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，该金属支撑架19结合内嵌的导电环192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。因此该金属支撑架19结合内嵌的导电环192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，也可以仅仅使用该金属支撑架19结合内嵌的导电环192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。

在其他实施方式中，该导电环192在金属支撑架19中设置的数量、位置、形状均可根据实际需要进行调整，不局限于上述的实施方式。例如，图5示意了该导电环192的另一个实施方式，与图4的实施方式相比，该导电环192上进一步开设了若干个开槽1922。图6示意了该导电环192的另一个实施方式，与图4的实施方式相比，该导电环192上进一步开设了若干个开孔1924。上述开槽1922及开孔1924的设置至少可提高该导电环192与金属支撑架19之间矩阵结构结合的稳定度。在其他实施方式中，该开槽1922及开孔1924也可以设置成其他形状，如三角形或方形。

请参考图7，为本发明超导磁体系统10第二实施方式沿中心线的切面示意图。与图1的第一实施方式相比，该超导磁体系统10中的金属支撑架19仅内嵌了一个完整的导电环192来代替之前若干个导电环192，如此可简化制造工艺。

请参考图8，为本发明超导磁体系统10第三实施方式沿中心线的切面示意图。与图1的第一实施方式相比，将该超导磁体系统10中的金属支撑架19内嵌的每一导电环192变换为若干个导电线圈194。请继续参考图9至图11，分别示意出了该若干导电线圈194三个不同的结构，其中图9中为一个完整的螺旋状的导电线圈194且导电线圈194的两端1941及1943电性连接（如焊接）在一起；图10中为若干个平行且独立的导电线圈1942，且每一导电线圈1942自身在圆周方向上形成闭合回路的短路连接结构；图11中为在图10的基础上在每两个相邻的导电线圈1942之间设置有连接柱1944，以此来进一步提高该导电线圈1942的稳定度及简化内嵌至金属支撑架19内的制造工艺过程，该连接柱1944可以为铜材料或其他材料制成。

请参考图12，为本发明超导磁体系统10第四实施方式沿中心线的切面示意图。相较于图1的第一实施方式，该超导磁体系统10中的超导线圈18安装在该金属支撑架19的内表面上。其他实施方式中，也可将一部分超导线圈18安装在该金属支撑架19的外表面上，而将另一部分超导线圈18安装在该金属支撑架19的内表面上。

请参考图13，为本发明超导磁体系统10第五实施方式沿中心线的切面示意图。相较于图12的第四实施方式，该超导磁体系统10的金属支撑架19进一步对应该若干超导线圈18设置若干突出部195，并且该若干导电环192分别内嵌在该若干突出部195内设置，而非内嵌在该金属支撑架19的本体内部，由此可提高该金属支撑架19的刚度，进而提高其支撑性能。

请参考图14，为本发明超导磁体系统10第六实施方式沿中心线的切面示意图。相较于图13的第五实施方式，该超导磁体系统10将上述若干突出部195脱离于金属支撑架19的本体单独制造然后再安装至金属支撑架19的本体上，由于该独立的突出部195与金属支撑架19的本体分别单独成型后再在组装一起，如此可简化制造工艺，如简化浇铸过程。

请参考图15，为本发明超导磁体系统10第七实施方式沿中心线的切面示意图。相较于图12的第四实施方式，该超导磁体系统10的金属支撑架19进一步在若干两相邻的超导线圈18之间设置若干突出部195，并且增加若干导电环192分别内嵌在该若干突出部195内，由此可进一步提高失超保护能力。

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 (19)

1.一种超导磁体系统，其特征在于，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

若干内嵌在该线圈支撑结构内部的具有导电性及导热性的导电环，每一导电环自身在圆周方向上形成闭合回路的短路连接结构，该若干导电环与该若干超导线圈具有电磁耦合设置，其中，所述导电环通过浇铸的方式内嵌在所述线圈支撑结构内。

2.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该若干超导线圈与该线圈支撑结构之间紧密热接触。

3.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该线圈支撑结构由金属材料制成。

4.如权利要求3所述的超导磁体系统，其中该金属材料为铝或铝合金。

5.如权利要求1或4所述的超导磁体系统，其中该导电环的材料为铜。

6.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该线圈支撑结构为圆筒形结构的支撑架。

7.如权利要求6所述的超导磁体系统，其中每一个导电环的结构均为圆筒形结构。

8.如权利要求7所述的超导磁体系统，其中每一个导电环上均开设若干开槽或开孔。

9.如权利要求7所述的超导磁体系统，其中每一个导电环包括一个完整的螺旋状的导电线圈。

10.如权利要求7所述的超导磁体系统，其中每一个导电环包括若干个独立的导电线圈，且每一个导电线圈自身在圆周方向上形成闭合回路的短路连接结构。

11.如权利要求10所述的超导磁体系统，其中每两个相邻的导电线圈之间设置若干连接柱。

12.如权利要求6所述的超导磁体系统，其中该超导线圈安装在该支撑架的外表面或内表面上，或一部分超导线圈安装在该支撑架的外表面上而另一部分超导线圈安装在该支撑架的内表面上。

13.如权利要求6所述的超导磁体系统，其中该支撑架进一步凸设若干突出部，且该若干导电环分别内嵌在该若干突出部内。

14.如权利要求13所述的超导磁体系统，其中该若干突出部脱离于该支撑架的本体单独安装至该支撑架的本体上。

15.如权利要求6所述的超导磁体系统，其中该支撑架在若干两相邻的超导线圈之间进一步设置若干突出部，且每一突出部内部嵌入一个与该超导线圈具有电磁耦合设置的导电环。

16.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该若干导电环整合为一个完整的导电环。

17.一种超导磁体系统，其特征在于，该超导磁体系统包括：

真空容器；

同中心嵌套在该真空容器内的热屏蔽罩；

同中心嵌套在该热屏蔽罩内的冷却腔；

同中心嵌套在该冷却腔内的线圈支撑结构；

若干通过该线圈支撑结构支撑固定的超导线圈；及

若干内嵌在该线圈支撑结构内部的具有导电性及导热性的导电环，每一导电环自身在圆周方向上形成闭合回路的短路连接结构，该若干导电环与该若干超导线圈具有电磁耦合设置，其中，所述导电环通过浇铸的方式内嵌在所述线圈支撑结构内。

18.如权利要求17所述的超导磁体系统，其中该若干超导线圈与该线圈支撑结构之间紧密热接触。

19.如权利要求17所述的超导磁体系统，其中该线圈支撑结构与该导电环均为圆筒形结构。