CN103811145A - 超导磁体系统 - Google Patents

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李广洲
赵奇
张涛
P.S.汤普森
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F5/02—Coils wound on non-magnetic supports, e.g. formers

Abstract

本发明揭示一种超导磁体系统。该超导磁体系统包括：线圈架；若干通过所述线圈架支撑固定的超导线圈；及内嵌在所述线圈架内的热传导管，所述热传导管与所述线圈架热接触，用来接收冷却剂。本发明的热传导管内嵌于线圈架内，热传导管与线圈架热接触面积较大，可以高效地冷却线圈架。

Description

超导磁体系统
技术领域
本发明有关一种超导磁体系统，尤其涉及一种具有热传导管的超导磁体系统。
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。
超导磁体在超低温下处于超导状态，冷却系统用来保证超导磁体工作在超低温下，而且冷却系统的热传递效率对于超导磁体的影响较大。传统的一种热虹吸冷却系统包括若干冷却管，冷却管与支撑超导线圈的线圈架热接触。冷却管接收冷却剂（例如，液氦）在其内循环流动来冷却超导线圈，使超导磁体保持在超低温下。冷却管固定于线圈架的外表面，冷却管的表面与线圈架的外表面部分接触，冷却剂通过冷却管与线圈架之间的接触面来冷却线圈架和超导线圈。此种结构的冷却管与线圈架的热接触面积较小，从而冷却效率较低，往往不能有效地冷却线圈架使超导磁体处于超导状态。
因此，有必要提供一种超导磁体系统来解决上面提及的技术问题。
发明内容
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：线圈架；若干通过所述线圈架支撑固定的超导线圈；及内嵌在所述线圈架内的热传导管，所述热传导管与所述线圈架热接触，用来接收冷却剂。
本发明的热传导管内嵌于线圈架内，热传导管与线圈架热接触面积较大，可以高效地冷却线圈架。
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所示为本发明一个实施例的超导磁体系统沿中心线的切面示意图；
图2所示为本发明另一个实施例的超导磁体系统沿中心线的切面示意图；
图3所示为本发明超导磁体系统的冷却回路的一个实施例的示意图；
图4所示为本发明超导磁体系统的线圈架和热传导管的一个实施例的示意图；
图5所示为图4所示的线圈架沿图4中A-A线的剖视图；
图6所示为热传导管的一个实施例的横截面示意图；
图7所示为线圈架和热传导管的另一个实施例的剖视图。
具体实施方式
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属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。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，“前部”“后部”“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“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，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，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
图1所示为一个实施例的超导磁体系统10沿中心线的切面示意图。超导磁体系统10可应用在很多领域，例如，磁共振成像(Magnetic ResonanceImaging,MRI)系统、加速器、变压器、发电机、发动机及超导磁体能源存储系统（Superconducting Magnet Energy Storage,SMES）等。超导磁体系统10包括真空容器12、一个同中心嵌套在该真空容器12内的热屏蔽罩14、一个同中心嵌套在该热屏蔽罩14内的线圈架16、通过线圈架16支撑固定的超导线圈18、及内嵌在线圈架16内的热传导管19。真空容器12的中心形成了一个磁场区域11。真空容器12、热屏蔽罩14及线圈架16可以是圆筒状，也可是其他形状。
真空容器12包括一个端口介面123，用于提供超导磁体系统10内部与外部之间的通信，例如包括多个电源引线124以实现外部电源（未图示）与超导线圈18及内部电路（未图示）之间的电气连接。在此实施例中，超导线圈18缠绕或安装在线圈架16的内表面。在其他实施例中，超导线圈18也可缠绕或安装在线圈架16的外表面。热传导管19与线圈架16热接触。热传导管19用来接收冷却剂（未图示）在其内循环流动来冷却线圈架16。冷却剂可以是液氦、液氢、液氮、液氖等。
图2所示为另一个实施例的超导磁体系统10沿中心线的切面示意图。相比于图1所示的实施例，本实施例的线圈架16设有突出部162，热传导管19内嵌在突出部162内，由此可提高线圈架16的刚度，进而提高其支撑性能。
图3所示为超导磁体系统10的冷却回路20的一个实施例的示意图。冷却回路20包括热传导管19、冷却剂储罐22及冷却器24。冷却剂储罐22与热传导管19连接，用来容纳冷却剂。在图示实施例中，冷却剂储罐22包括两个与热传导管19连接的引出管221。冷却剂在冷却剂储罐22和热传导管19内循环。在一些实施例中，冷却回路20包括两个冷却剂储罐22。两个冷却剂储罐22分别连接热传导管19。在一些实施例中，冷却剂储罐22可以由金属材料制成，例如，不锈钢等材料。在一些实施例中，冷却剂储罐22位于热屏蔽罩14内。在本实施例中，冷却器24与冷却剂储罐22连接，用来冷却冷却剂储罐22里的冷却剂。在其他一些实施例中，冷却器24与热传导管19连接，用来冷却热传导管19内的冷却剂。冷却剂通过在热传导管19内流动来带走线圈架16的热量，冷却器24将蒸发的冷却剂冷却冷凝后继续在热传导管19内流动。在一些实施例中，冷却器24位于真空容器12的外面。
在图3所示的实施例中，热传导管19包括至少一个主管191和若干并联连接于主管191的支管193。主管191与冷却剂储罐22连接，冷却剂可以通过主管191在冷却剂储罐22和支管193之间流动。支管193大体环绕线圈架16，使得冷却剂环绕线圈架16流动。冷却剂从冷却剂储罐22通过其中一个主管191分散流入支管193，并通过另一个主管191流回冷却剂储罐22内，如此提高冷却效率。在另一实施例中，热传导管19可以是其他的结构。例如，支管193串联连接。
在一实施例中，热传导管19与冷却剂储罐22通过焊接方式连接。为了高效且高品质地焊接热传导管19与冷却剂储罐22，热传导管19与冷却剂储罐22包括相同的材料，如此可直接焊接热传导管19和冷却剂储罐22。例如，热传导管19与冷却剂储罐22由不锈钢制成。当然，热传导管19与冷却剂储罐22也可由其他一些材料制成，例如，纯铜和黄铜。在一些实施例中，至少热传导管19与冷却剂储罐22连接处为相同的材料。在其他一些实施例中，热传导管19与冷却剂储罐22可以通过其他方法连接。
图4所示为线圈架16和热传导管19的一个实施例的示意图。图5所示为图4所示的线圈架16沿图4中A-A线的剖视图。参考图4和图5，热传导管19内嵌在线圈架16内，从而热传导管19与线圈架16充分接触，热接触面积较大，提高热传递效率。在图示实施例中，热传导管19的支管193内嵌在线圈架16内且环绕线圈架16。在本实施例中，支管193内嵌在突出部162内，主管191位于线圈架16外。
热传导管19由导热且非磁性材料制成。线圈架16由导热材料制成，在此实施例中包括金属材料，例如，铝、铝合金等。在一些实施例中，热传导管19可以通过重力铸造法或低压力铸造法浇铸在线圈架16内，浇铸成型的加工方法较简单，且热传导管19和线圈架16可紧密接触，从而提高制造效率和散热效率。热传导管19的材料的熔点高于线圈架16的材料的熔点，从而热传导管19可浇铸在线圈架16内。例如，当线圈架16的材料为铝时，热传导管19的材料可以是纯铜、不锈钢、黄铜或其他熔点高于铝的导热且非磁性材料。线圈架16和热传导管19也可由其他材料制成。
在一个实施例中，热传导管19与线圈架16物理接触。热传导管19的材料的熔点高于线圈架16的材料的熔点，且在浇铸过程中热传导管19的材料与线圈架16的材料不发生反应，如此热传导管19的材料不会流失，从而热传导管19不会软化，可保持理想的尺寸和位置。例如，当线圈架16的材料为铝时，热传导管19的材料可以是不锈钢或其他具有上述特征的材料。线圈架16和热传导管19也可由其他具有上述特征的材料制成。
图6所示为热传导管的一个实施例的横截面示意图。在此实施例中，热传导管19包括内层195和外层197，外层197与内层195物理接触。外层197的材料的热膨胀系数大于内层195的材料的热膨胀系数，如此在超导磁体工作的超低温下外层197比内层195收缩得厉害，从而外层197更紧地包裹内层195，内层195和外层197贴合得更好。内层195和外层197的材料的熔点都高于线圈架16的材料的熔点，且内层195的材料的熔点高于外层197的材料的熔点。
外层197与线圈架16冶金结合。在浇铸过程中，外层197的材料能够与熔化的线圈架16的材料发生反应。在浇铸过程中，至少部分外层197的材料与熔化的线圈架16的材料发生合金反应。热传导管19与线圈架16之间形成合金层，如此热传导管19与线圈架16结合得更紧密，两者之间的热阻较小，从而更有利于冷却线圈架16。在浇铸过程中，内层195的材料与熔化的线圈架16的材料不发生反应，从而保证热传导管19不破裂。例如，当线圈架16的材料为铝时，内层195的材料为不锈钢或其他具有上述特征的材料，外层197的材料为纯铜、黄铜或其他具有上述特征的材料。线圈架16、内层195和外层197也可由其他具有上述特征的材料制成。
图7所示为线圈架16和热传导管19的另一个实施例的剖视图。相比于图4和图5所示的实施例，本实施例的热传导管19的主管191内嵌在线圈架16内，从而冷却剂也可通过主管191来冷却线圈架16。在图7所示实施例中，主管191内嵌在突起部162内，从而提高线圈架16的刚度。
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涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (11)

1.一种超导磁体系统，其特征在于，该超导磁体系统包括：
线圈架；
若干通过所述线圈架支撑固定的超导线圈；及
内嵌在所述线圈架内的热传导管，所述热传导管与所述线圈架热接触，用来接收冷却剂。
2.如权利要求1所述的超导磁体系统，其特征在于：所述热传导管的材料的熔点高于所述线圈架的材料的熔点。
3.如权利要求1或2所述的超导磁体系统，其特征在于：所述热传导管与所述线圈架物理接触。
4.如权利要求1或2所述的超导磁体系统，其特征在于：所述热传导管包括内层和外层，所述外层与所述内层物理接触，所述外层与所述线圈架冶金结合。
5.如权利要求4所述的超导磁体系统，其特征在于：所述内层的材料的熔点高于所述外层的材料的熔点。
6.如权利要求4所述的超导磁体系统，其特征在于：所述外层的材料的热膨胀系数大于所述内层的材料的热膨胀系数。
7.如权利要求4所述的超导磁体系统，其特征在于：所述线圈架的材料为铝，所述内层的材料为不锈钢，所述外层的材料为纯铜或者黄铜。
8.如权利要求1或2所述的超导磁体系统，其特征在于：所述线圈架设有突出部，所述热传导管内嵌在所述突出部内。
9.如权利要求1或2所述的超导磁体系统，其特征在于：所述超导磁体系统进一步包括冷却剂储罐，所述冷却剂储罐与所述热传导管连接，用来容纳冷却剂，所述热传导管与所述冷却剂储罐包括相同的材料。
10.如权利要求1或2所述的超导磁体系统，其特征在于：所述热传导管包括至少一个主管和若干并联连接于所述主管的支管，所述支管内嵌在所述线圈架内。
11.如权利要求10所述的超导磁体系统，其特征在于：所述主管内嵌在所述线圈架内。
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