CN104078188A - 超导磁体系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超导磁体系统，其包括电性传导且自身短路连接的金属支撑架及若干通过该金属支撑架支撑固定的超导线圈。该金属支撑架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：

电性传导且自身短路连接的金属支撑架；及

若干通过该金属支撑架支撑固定的超导线圈；

该金属支撑架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金属支撑架，且金属支撑架具有电性传导性能且自身短路连接；及

若干通过该金属支撑架支撑固定的超导线圈；

该金属支撑架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再一种超导磁体系统。该超导磁体系统包括：

电性传导且自身短路连接的金属支撑架；及

若干通过该金属支撑架支撑固定的超导线圈；

该金属支撑架在一个或多个超导线圈发生失超时自身产生涡流电流。

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的金属支撑架，除了给该若干超导线圈提供支撑作用之外,还可在该超导磁体系统失超时，使该金属支撑架自身产生涡流电流，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。

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超导磁体系统沿X-X线的局部切面示意图。

图3为图1超导磁体系统中电路的实施方式的示意图。

图4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5为图4超导磁体系统沿Y-Y线的局部切面示意图。

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8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9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10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。

图11为本发明超导磁体系统第八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、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。在图1的实施方式中，该金属支撑架19紧贴在该冷却腔16上，在其他实施方式中，该金属支撑架19与该冷却腔16之间可设置一段空隙。若干超导线圈18紧密缠绕在该金属支撑架19的外表面上，例如六个超导线圈。图2示意出了图1超导磁体系统10沿X-X线的局部切面示意图，该金属支撑架19首先作为金属支撑架来将该超导线圈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(Power leads)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(thermosiphon cooling pipe)来直接给超导线圈18进行制冷。

请继续参考图3，示意出了该超导磁体系统10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。

为了提高失超保护效果，本实施方式中该金属支撑架19所应用的材料为电性高传导材料，例如纯铝或铝合金（如铝合金1100）。在其他实施方式中，该金属支撑架19也可选用其他电性高传导材料，如铜等。另外，由于该金属支撑架19为圆筒形结构，因此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，当与该金属支撑架19相关联的磁场通量发生变化时，该金属支撑架19自身将产生涡流电流(eddy current)。在一些实施方式中，该金属支撑架19的电阻系数非常小，例如当超导线圈18处于超导状态下该金属支撑架19的电阻系数小于6纳欧姆-米。在其他实施方式中，基于不同的超导线圈设计及超导状态下的温度，该金属支撑架19的电阻系统可以选用其它不同的值，只要能产生适当大小的涡流电流即可。

具体地，当超导线圈18处于超导状态下，若该超导线圈18中的一个或多个发生失超时，由于该若干超导线圈18与该金属支撑架19具有电磁耦合，则与该金属支撑架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，由于与该金属支撑架19相关联的磁场通量随之变化，则该金属支撑架19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，由于该金属支撑架19与对应的超导线圈18具有良好的热接触，故在该金属支撑架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，由于设置了该金属支撑架19，除了起到良好的支撑作用外，还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。

该金属支撑架19的安装位置、形状及与该超导线圈18之间的位置关系也可进行调整，以进一步提高失超保护的性能或其他方面的性能，下面将再给出七种不同的实施方式，但需要说明的是，这些实施方式仅仅是列举而非穷举，本领域一般技术人员可根据此作适当的变化或修改。

请参考图4，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5为图4超导磁体系统沿Y-Y线的局部切面示意图。与图1的实施方式相比较，图4的实施方式中，将该金属支撑架19的直径增大了，并且该超导线圈18不是缠绕在该金属支撑架19的外表面上的，而是将该超导线圈18组装后安装在该金属支撑架19的内表面上，由于具体的安装过程并不是本发明的重点，故此处不作具体说明。同理，由于该金属支撑架19仍具有电性高传导性能，故可在超导线圈18失超时自身产生涡流电流，进而起到上述失超保护作用，此处及后面段落不再赘述。

请参考图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。与图1的实施方式相比较，图6的实施方式中，将该金属支撑架19的外表面上开设了若干开槽192，这些开槽192分别容纳一个对应的超导线圈18一部分，因此相较于图1实施方式可提高金属支撑架19与超导线圈18之间的接触面积，还可进一步提高金属支撑架19对超导线圈18的支撑的稳定度。在上述失超保护的基础上，由于提高了金属支撑架19与超导线圈18之间的接触面积，故可进一步在失超时加速热量的传导，提高所有超导线圈18的失超速度。

请参考图7，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。与图6的实施方式相比较，图7的实施方式中，进一步加大了开槽192的深度，以使超导线圈18刚好完全容纳至对应的开槽192内，从而进一步提高了两者之间的接触面积。请参考图8，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。与图7的实施方式相比较，图8的实施方式中，进一步加大了开槽192的深度，以使超导线圈18完全容纳至对应的开槽192内后该开槽192还留有部分空间。

请参考图9，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。与图4的实施方式相比较，图9的实施方式中，将该金属支撑架19的内表面上开设了若干开槽192，这些开槽192分别容纳一个对应的超导线圈18一部分。请参考图10，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。与图9的实施方式相比较，图10的实施方式中，进一步加大了开槽192的深度，以使超导线圈18刚好完全容纳至对应的开槽192内。请参考图11，为本发明超导磁体系统第八实施方式沿中心线的切面示意图。与图10的实施方式相比较，图11的实施方式中，进一步加大了开槽192的深度，以使超导线圈18完全容纳至对应的开槽192内后该开槽192还留有部分空间。

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 (18)

1.一种超导磁体系统，其特征在于：该超导磁体系统包括：

电性传导且自身短路连接的金属支撑架；及

若干通过该金属支撑架支撑固定的超导线圈；

该金属支撑架与该若干超导线圈具有电磁耦合设置。

2.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该金属支撑架与该若干超导线圈之间具有良好的热接触。

3.如权利要求1或2所述的超导磁体系统，其中该若干超导线圈缠绕在该金属支撑架的外表面上，或者安装在该金属支撑架的内表面上。

4.如权利要求3所述的超导磁体系统，其中该金属支撑架开设若干开槽，分别用于容纳该若干超导线圈。

5.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中当该若干超导线圈处于超导状态下时，该金属支撑架的电阻系数小于6纳欧姆-米。

6.如权利要求5所述的超导磁体系统，其中该金属支撑架的材料包括铝或铝合金。

7.如权利要求1所述的超导磁体系统，其中该金属支撑架为圆筒形结构。

8.一种超导磁体系统，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金属支撑架，且金属支撑架具有电性传导性能且自身短路连接；及

若干通过该金属支撑架支撑固定的超导线圈；

该金属支撑架与该若干超导线圈具有电磁耦合设置。

9.如权利要求8所述的超导磁体系统，其中该金属支撑架与该若干超导线圈之间具有良好的热接触。

10.如权利要求8或9所述的超导磁体系统，其中该若干超导线圈缠绕在该金属支撑架的外表面上，或者安装在该金属支撑架的内表面上。

11.如权利要求10所述的超导磁体系统，其中该金属支撑架开设若干开槽，分别用于容纳该若干超导线圈。

12.如权利要求8所述的超导磁体系统，其中当该若干超导线圈处于超导状态下时，该金属支撑架的电阻系数小于6纳欧姆-米。

13.如权利要求12所述的超导磁体系统，其中该冷却腔在该若干超导线前处于超导状态下控制温度在大约4开尔文。

14.如权利要求12所述的超导磁体系统，其中该金属支撑架的材料包括铝或铝合金。

15.如权利要求8所述的超导磁体系统，其中该真空容器、热屏蔽罩、冷却腔均为圆环状结构。

16.如权利要求15所述的超导磁体系统，其中该金属支撑架为圆筒形结构。

17.一种超导磁体系统，其特征在于：该超导磁体系统包括：

电性传导且自身短路连接的金属支撑架；及

若干通过该金属支撑架支撑固定的超导线圈；

该金属支撑架在一个或多个超导线圈发生失超时自身产生涡流电流。

18.如权利要求17所述的超导磁体系统，其中该金属支撑架与该若干超导线圈之间具有良好的热接触。