CN105103247B - 超导磁性线圈装置 - Google Patents

Abstract

一种超导磁体线圈装置包括多个超导线圈(30)。超导线圈(30)中的至少一个设置有机械附接到超导线圈表面的绝缘电阻线的次级线圈(34)。

Description

超导磁性线圈装置

背景技术

在用于MRI应用的超导磁体组件中，液体致冷剂，如氦通常提供在致冷剂容器内，其还包含支撑在机械保持结构上的超导线圈，如线圈架。在失超期间，如众所周知，存储在超导线圈中的能量作为热量被耗散，使该致冷剂沸腾。该致冷剂的沸腾增加了致冷剂容器内的压力，称为失超压力，直到压力限制装置如阀门或爆破片在某一失超压力下打开以提供气体出口通道。

磁性设计的标准方法是使失超期间的线圈温度的增加最小，并设计一种大支撑的线圈架，其机械地支撑和保持线圈，并且还用作磁性线圈的散热器。在失超期间，来自线圈的热量被传导到线圈架中，其通常由铝或不锈钢制成。这限制了线圈表面温度的升高，而线圈架与致冷剂接触。

传统的超导磁体使用液氦冷却到大约4K，以产生超导状态。磁性线圈被赋予规定的电流，其具有相关联的存储的能量。当超导磁体经历了从超导状态转变到正常/电阻状态，如在失超中，任何存储的电流从超导体丝转变为铜包层，其通常提供在超导体丝周围。一定量的热量由磁性线圈的欧姆加热产生。然后，来自磁性线圈的热量通过热传导传递到线圈架和液氦中，两者都与线圈热接触和机械接触。

散失的能量的数量和储存的能量从磁性线圈传递到液氦中的速率，以及氦的体积和容纳磁体和氦的压力容器的几何形状决定了氦容器内的失超压力。例如，氦容器的设计和可用转动架排气通道的横截面将影响排出的致冷剂气体所经历的流体阻抗。高失超压力是不希望的，因为需要增加压力容器的壁的厚度来应付这种压力，因此增加成本和重量，并需要增加转动架的横截面积以减轻失超压力。

增加的转动架面积将增加其热负载到氦容器中，这导致需要增加从相关联的低温致冷器所需的冷却功率。优选最小化所需的冷却功率，出于成本的原因。

目前的超导磁体设计使用操作电流和匝数的参数(其确定存储在磁性线圈中的能量)、失超传播电路性能、排气路径面积和容器强度来改造一种解决方案，用于管理失超压力。

图2示意性地表示常规的圆柱形磁体结构，其具有卷绕到铝制线圈架22上的超导线圈20，线圈架22用作散热器。超导线圈20的径向外表面26直接接触液态致冷剂，并形成了热量从线圈传递到液体致冷剂以冷却线圈的主界面。

通常，在失超期间，径向外表面26处于温度T₀，典型约80K，而线圈架22的径向内表面28处于温度T_i，典型约20K。热流如Q1,Q2所示，其中Q1代表从线圈20到线圈架22的热通量，而Q2代表从线圈20到相邻致冷剂的热通量。一些常规装置不需要线圈架，由此提供线圈径向内表面的更有效的冷却，因为线圈和致冷剂之间的增大的接触表面区域。

发明内容

本发明提供了一种超导磁体，其中磁性线圈结构包括电阻元件，其将控制磁性线圈结构的表面温度，因此控制热量散发到液态致冷剂中的速率。在优选的实施例中，超导磁体不具有传统的线圈架，其用作散热器。

电阻元件被提供为机械连接到超导线圈表面的绝缘电阻线的次级线圈，其将控制失超引起的致冷剂蒸发的速率，进而确定给定的致冷剂容器和失超路径出口的压力，这又确定了致冷剂容器的所要求的强度。通过减小传递到冷却剂的热量的速率，所需的致冷剂体积可以减小，峰值失超压力可以降低，因此致冷剂容器可以由更薄的材料制成，和/或失超路径出口的尺寸可以被减小，这又减少了流入致冷剂容器的热量的来源。

本发明提供了一种方法和装置以有意地增加与液态致冷剂接触的线圈表面的温度，因此从线圈传递到液态致冷剂中的热量被减少。

这是通过在线圈表面引起致冷剂的薄膜沸腾阶段实现的，这减少了失超时的致冷剂蒸发的速率，因此减小了失超压力。减小的失超压力可以以这种方式实现而无需增加从致冷剂容器的排气路径的横截面面积，并降低了对抵御失超压力的致冷剂容器强度的需要。本发明提供了线圈结构，其限制了失超压力显著小于传统结构。因此可以减小压力容器厚度，而且失超通道出口，也称为排气通道，或转动架，可以减小横截面积。该截面面积在下文可以被简称为“直径”，但应注意的是，排气路径的横截面可以是任何形状，并且不需要是圆形的。

美国专利4,223,723建议通过提供冷藏物品中的孔，在冷藏物品的表面除去液态致冷剂的任何薄膜沸腾，并因此增加从物品传递到液态致冷剂中的热量，以便增加致冷剂的有效性。本发明与该现有技术的教导相反，并且增加了表面温度，从而促进了薄膜沸腾方式，因此违反直觉地减少传递到液态致冷剂中的热量。这降低了失超期间致冷剂冷却的有效性，从而降低了失超压力。

设计者的一个任务是在设计超导磁体时采用本发明来选择合适的线圈结构、致冷剂容器设计、排气通道或转动架直径、致冷剂容量，以承受失超时致冷剂气体的压力，从而在可能的情况下限制系统的重量、尺寸和成本。本发明能够改进这些参数中的至少一些，如可由设计者应用。

附图说明

根据具体实施例的下列描述并结合附图，本发明的上述和进一步的目的、特性和优点将会变得更加明显，其中：

图1A示出了在液态致冷剂和整体线圈温度之间温度差的范围内的相对热通量；

图1B示出了在液态致冷剂和线圈表面温度之间温度差的范围内的相对热通量；

图2示出了缠绕到线圈架中的超导线圈的传统构造；

图3A示出了根据本发明实施例的结构，其中没有提供线圈架，但是提供其它装置来实现本发明；

图3B示出了根据本发明实施例的结构，其中线圈结构包括在超导线圈的径向外表面上的电阻次级线圈；以及

图4示出了例如图2所示的传统装置和根据本发明的装置的失超压力随时间的演变图。

图5示出了根据本发明相关实施例的示例结构。

图6A-6C示出了衬垫捆缚复合物的示例轴向截面图，并示出了衬垫捆缚线的不同卷绕图案。

具体实施方式

失超压力与失超期间热量从磁性线圈传递到液态致冷剂中的速率有关。从磁性线圈传递到液态致冷剂中的速率又与液态致冷剂和线圈表面之间的相互作用有关。

当加热时，液态致冷剂与线圈沸腾的表面接触。这种沸腾减少了与液态致冷剂接触的线圈的表面积，并且因此减小了从线圈传递到致冷剂的传热系数。以下将进一步论述的沸腾状态，，以及传热系数，随线圈的冷却表面的温度而改变。

因此，通过改变沸腾状态，失超压力可由线圈表面温度影响。

图1A示出了在一定温度范围内与冷却物品接触的液氦的各种沸腾状态。在本例中，它示出了作为线圈整体温度t的函数的壁热通量φ的变化，温度t表示为整体线圈和液态致冷剂之间的温度差。

在约4K到约16K之间，发生气泡沸腾。热通量φ随着液氦和线圈本体之间的温差t增加而增加。从约16K以上，发生混合沸腾，其中产生一些气泡，并且发生一些薄膜沸腾。这导致液态致冷剂和冷却表面之间的不稳定的接触表面积。例如，这是在Ti观察到的，其中温度差是20K。

随着在该区域温差t上升，薄膜沸腾的比例增加，而且尽管温差t增加，由于与冷却表面接触的液态致冷剂的表面积减小，热通量φ降低。

氦的这种沸腾状态是违反直观的，在一定温差范围内，通过提高表面温度，可以减小传递到氦中的热量的速率，因此失超压力也减小。这只是对于特定结构和特定致冷剂的温度-压力组合的某一范围内起作用。在示出的实例中，对于所考虑的示例性结构，该范围约为T1＝20K，T2＝80K。

图1B类似于图1A，但不同之处在于温度表示为液氦和冷却物品表面温度之间的温差。标记的温差T1、T2、T3具有与参照图1A所论述的相同重要性。

在传统的磁体设计中，如图2所示，超导线圈20被缠绕在线圈架22中，而且失超期间的线圈温度由失超传播电路限制，失超传播电路通过响应于开始在一个线圈中失超，引起所有线圈失超，因此存储的能量在线圈之间被相对均匀地分散。在这样的磁体设计中，失超期间的线圈表面温度是由失超传播电路与线圈架结构和材料确定的。该线圈架22的结构用作大的散热器，能量从线圈20传递到散热器中，因而限制了线圈和线圈架表面的温度上升。在标准磁体设计中，液态致冷剂在线圈和线圈架结构表面的沸腾状态主要是气泡沸腾，其提供了传递到致冷剂的高能量传递速率，从而形成当液态致冷剂迅速沸腾时的较高的失超压力。

根据本发明的一个方面，提出了一种结构，其中线圈的表面温度在失超期间有意地上升。优选地，液态致冷剂伴随的沸腾留在混合沸腾状态中，在图1B中示出为在约T1和T3之间，或可以达到薄膜沸腾范围的较低温度极限，例如在约T3到T2的表面温度范围内。因此，通过提高此区域T1-T2内的线圈表面温度，热通量φ-热能传递到致冷剂的速率-实际减小。由于这种热能传递速率的降低，致冷剂气体的产生速率，以及失超压力，相比于常规值降低。接着，失超气体出口路径的所需直径减小。从图1B可以看出，当线圈本体和液体致冷剂之间的温差t为约T3时，为混合沸腾的上限范围，仅当薄膜沸腾开始，达到热量从线圈传递到液态致冷剂的最小速率φ。

通过薄膜沸腾，线圈表面和液态致冷剂(图1B)之间的温差t如此大，使得一层汽化的致冷剂气体连续存在于线圈表面和液态致冷剂之间。这减小了线圈表面和液态致冷剂之间的热传导多至百分之五十的因子。当该气体层就位时，传热率φ为最小，但线圈和致冷剂之间的温差对于薄膜沸腾是最小的，如图1B的T3所示，约75K。

根据本发明，装置被提供以优化磁性线圈的表面温度，在本发明的优选实施例中，没有提供线圈架22。

在图3A的超导磁性线圈装置中，没有提供线圈架。相反，线圈30是用树脂浸渍并通过间隔物32粘合在一起，间隔物提供机械支撑和保持，同时确保线圈的适当相对定位。这些间隔物32可以是多孔结构，例如金属泡沫或玻璃纤维，它们用树脂浸渍或粘结地结合，因此制作出线圈和间隔物的自支撑结构。在一些实施例中，单个浸渍步骤用于浸渍线圈30和间隔物32，从而形成整体结构。不设置传统线圈架使得大的散热器或热护罩被移除，它们通常限制了与线圈架接触的线圈表面的温升，并减小了与液态致冷剂接触的线圈表面的温升。

在不设置线圈架的情况下，图2中所示的热通量Q1不能产生。由于线圈30的径向外表面36和径向内表面38暴露于致冷剂，类似的热通量Q2从这些表面中的每一个流到液态致冷剂。

图3B示出了根据本发明实施例的超导磁体结构。提供了一种不设置传统线圈架的结构。电阻性的又相对导电的次级线圈34被缠绕在至少一个但优选所有的超导线圈30的径向外表面上，作为衬垫捆缚。次级线圈34可以是高纯度的铝丝。它们的每一个可电连接成短路，或者几个或所有的次级线圈34可以在一个闭合电路中串联连接。

如图所示，次级线圈34可以作为衬垫捆缚提供在超导线圈30上。该次级线圈34与超导线圈30电绝缘，但与它们感应地耦合。

该次级线圈34在超导磁体的正常操作中不起作用。然而，在失超期间，超导线圈30产生的磁场的减小在每个次级线圈中感应出电流，由于次级线圈的欧姆加热，提供与致冷剂接触的次级线圈34的加热径向外表面36。在优选装置中，液氦被用作致冷剂，而且与氦接触的次级线圈的表面被加热到超过100K的温度。可替换地，可以提供失超传播电路。在这种情况下，次级线圈34不连接成闭合回路，而被连接到电路，当通过任何合适的已知装置检测到失超开始时，该电路使电流流经它们。

如图3B所示，热通量Q2可以从如图3A的装置中的径向内表面38流出。然而，由于次级线圈34的欧姆加热效应，不同的热通量Q3将会从径向外表面36流出。对于用作电阻加热器，次级线圈34的线匝必须彼此电绝缘，例如使用玻璃纤维的编织物，以减少或防止次级线圈中的线匝短路。在类似结构中，其中衬垫捆缚的丝仅用于机械的目的，不需要提供线匝之间的电绝缘。次级线圈34优选是浸渍树脂的，与超导线圈相同的方式。这种浸渍可以实现在与超导线圈30浸渍的同一浸渍步骤中。

该衬垫捆缚优选地布置成具有与超导线圈相似的热膨胀，以最小化温度变化时超导线圈和衬垫捆缚之间的热诱导应力。用于机械强度的传统衬垫捆缚通常由不锈钢丝制成，并且不是电绝缘或连接为电路。本发明的衬垫捆缚形成一个或多个闭合的电路，并且优选为具有较高导电性的丝，例如铝。

类似的次级线圈可替换地或者附加地提供在一个或多个超导线圈30的径向内表面38上。然而，在MRI系统的圆柱形超导磁体中，例如所示的，对于给定数量的超导导线，通常需要保持磁体结构的内径尽可能大。因此可优选将次级线圈34仅放置在超导线圈的径向外表面上，如图所示。

本发明提供的液态致冷剂的蒸发速率减小，意味着超导磁体在失超后将保留较多的它的致冷剂，延长了它在失超期间及之后保持冷却的时间。为致冷剂蒸发提供大直径排气路径的要求将降低。液态致冷剂的所需数量可相应地减小，节省材料成本。

流到致冷剂的减小的热量降低了每个超导线圈的轴向横截面上的温度梯度，以提供线圈材料上更均匀的温度分布，降低了失超期间对线圈损害的可能性。

在其它实施例中，可以使用例如铝的热传导材料的线圈架，并且可以作为一种有效的散热器，从失超超导线圈能够比从线圈到致冷剂的热传递更有效地抽取热量。然后热量被从线圈架传送到致冷剂。在其它装置中，可以使用抗热材料的线圈架或其它保持结构，如树脂浸渍复合材料。几乎没有热量将被传送穿过线圈架的材料，而且本发明的次级线圈被提供在线圈的暴露表面上，以提供到液态致冷剂中的降低的热通量。

复合形成次级线圈的特性可以用于失超电流的优化过程中。

尽管超导磁体在现场是使用在正常持续模式，优选的是，表面沸腾状态提供了从线圈到液态致冷剂中的高速热传递，因此最大化了冷却效率。这通常在图1B所示的气泡沸腾阶段获得，线圈表面和液态致冷剂之间的温差t高达约16K。

根据本发明的特征，在失超期间从线圈传递到致冷剂中的热传递速率φ减小，因此减小了致冷剂气体产生的速率、致冷剂容器内的失超压力、以及必要的失超气体出口路径的直径。

图4示出了标准磁体设计的混合沸腾阶段的计算的失超压力，以及薄膜沸腾阶段的计算的失超压力，这是通过根据本发明实施例的优化线圈表面温度并移除线圈架实现的。下部曲线表示薄膜沸腾期间根据本发明实施例的磁体结构随时间的失超压力演变，而上部曲线表示类似于图2所示的常规磁体结构中的混合沸腾随时间的失超压力演变。

通常采用与超导线圈热接触的小加热器以在超导磁体结构的多个线圈中传播失超。这种加热器可固定到线圈的径向外表面，或可以嵌入线圈的结构中。

在可选实施例中，实心单匝导电带可以被提供为单匝次级线圈36，以便在失超期间提供线圈表面的电阻加热。

在提供线圈架的实施例中，可提供装置来响应于失超加热线圈架，促进线圈架和液态致冷剂之间界面的薄膜沸腾，并减小由于线圈和线圈架之间的温差引起的热应力。

在另一个实施例中，常规的“移能”电阻器，用来消散低温恒温器外部的能量，可以替代为连接到失超电路中的线圈上的电阻线，并且将加热线圈的表面，以促进根据本发明的薄膜沸腾。电阻性衬垫捆缚可以被电连接至电路，并被设置为接收电流，用于调节线圈表面温度，而不是简单地承载由于失超时超导线圈电流变化引起的在其内感应的电流。

其它负载元件，诸如二极管可以被放置为以便加热超导线圈和/或相关的线圈架的表面，以提供根据本发明的薄膜沸腾。电阻线或薄片可以放置在线圈架上或线圈架内，例如复合材料的线圈架，而不是作为衬垫捆缚，以提供与液态致冷剂接触的线圈架的表面的加热，以便在界面处产生薄膜沸腾。

本发明的某些实施例解决了如图3A、3B所示的超导磁体结构可能遇到的其它问题。

超导磁体的性能通常受限于超导线的机械强度，其通常为铜，含有超导细丝。在使用中，超导线受到电磁洛伦兹力引起的机械应力，电磁洛伦兹力由超导线承载的电流与磁体产生的强磁场之间的相互作用产生。

在环形线圈中的应力状态可以通过轴向、径向和环向应力分量描述。典型地，环向应力是超导线圈的一个主要影响性能。

磁体设计中的超导线的使用效率可以通过减小给定线圈几何形状和给定工作电流的应力水平而增加，而不增加超导线的使用量。

这个问题已经通过复合地结合超导线圈与高强度材料而解决，高强度材料例如是用热固性树脂浸渍的不锈钢丝。这种复合结合约束了超导线圈的变形并且保持在低压力水平。

本发明解决了与在超导磁体中的超导线圈上使用复合结合相关联的问题。

复合结合的线，例如不锈钢，在张力下缠绕以提供预先加载的拉伸周向应力。这径向地压缩了超导线圈，以减小超导线圈使用中的环向应力。

复合结合所使用的线材通常不同于用于卷绕超导线圈的超导线，这意味着超导线圈和复合结合是不热匹配的。在不锈钢丝用于复合结合的情况下，它具有比超导导线更低的热膨胀系数。超导线通常主要由铜组成，并因此具有基本上相应于铜的热膨胀系数。衬垫捆缚34必须能够承受失超中膨胀的超导线圈30引起的环向应力增加。这个问题通过使用不锈钢作为衬垫捆缚材料而解决，因为它具有极高的屈服强度。

在如图3B所示的超导磁体结构中，其可被称作“连续结合磁体”或“SBM”结构，衬垫捆缚34与超导线圈30和间隔物32的这种热不匹配可特别地在结合界面处或附近产生热应力。这些热应力，结合到由于磁力的超导线圈30中的高应力，就会引起磁体的机械故障。

在冷却时，如果环向方向上的衬垫捆缚的热收缩小于相关的超导线圈，如不锈钢复合结合到具有高的铜含量的超导导线上的情况，衬垫捆缚施加的预应力会降低。因此，当卷绕衬垫捆缚34以确保当二者均冷却到工作温度时衬垫捆缚仍施加压力到超导线圈30，需要大的卷绕张力。

优选地，衬垫捆缚34的热膨胀不大于超导线圈30。超导线圈30和衬垫捆缚34的树脂浸渍通常在单个步骤中同时执行。在树脂浸渍过程中，该结构由固化树脂加热。如果在该步骤期间衬垫捆缚膨胀超过超导线圈，将在衬垫捆缚34和超导线圈30之间打开一小间隙。一旦浸渍完成，富含树脂的区域将导致形成这种间隙。该区域在冷却、通电和失超期间容易裂开。裂缝可能发生在通电的富含树脂的区域，这可能引起失超。

传统的衬垫捆缚34在轴向方向Z上不与超导线圈热匹配。在冷却和磁体失超期间，这种不匹配引起结合到超导线圈30的衬垫捆缚34的严重问题，因为超导线圈和相关联的衬垫捆缚34之间的不同热膨胀引入了在每个超导线圈30和相关联的衬垫捆缚34上的显著轴向应力，以及在超导线圈和相关联的衬垫捆缚上的剪切应力。

在SBM结构中，如图3B所示，衬垫捆缚34在径向R上不与间隔物32热匹配。在冷却和失超期间，该径向的热不匹配引入了衬垫捆缚34和间隔物32之间的显著界面应力，这可能导致结构的机械损伤。

通常与不锈钢复合结合的线一起使用的高卷绕张力可以引入在制造过程中去除加工的问题，因为在加工时会导致超导线圈30的高接触压力。此外，当使用不锈钢衬垫捆缚时所需的高卷绕张力要求合适的缠绕机能够提供所要求的张力。可替换地，具有有限卷绕张力能力的缠绕机可与相对较小的线材横截面的不锈钢线一起使用。这导致高数量的绕组匝数和大长度的复合结合的线，这可能对于可行的制造工艺太过严格。

本发明的某些实施例提供一种超导磁体结构，该磁体结构包括超导线圈30上的衬垫捆缚材料。该复合材料的结构设置为在浸渍期间；冷却期间；当冷却和通电时；以及磁体失超期间，管理超导线圈中的应力水平，并保持结构安全。

该衬垫捆缚材料包括通过编织绝缘的铝或铜线，如玻璃或聚酯编织物。该绝缘线缠绕在超导线圈30上，并且衬垫捆缚和超导线圈用热固性树脂浸渍在一起。

根据本发明的某些实施例的特征，复合结合的线的材料和尺寸，以及绝缘材料，被选择成使得衬垫捆缚的热膨胀和收缩在环向、轴向和径向上是不同的；并且分别被设计为匹配于相邻部件的对应的热膨胀和收缩；超导线圈30，或间隔物32，视情况而定。

可以选择以实现该目的的复合结合的线的参数包括：

线的材料(铝和铜是合适的)；

线材的纯度，可以将其表示为剩余电阻率比率(RRR)，其将决定失超过程中在衬垫捆缚中实现的欧姆加热；

横截面面积，它又可确定所需的匝数，因此确定所需的线的长度；

纵横比-在径向R方向上的尺寸与轴向Z方向上的尺寸的比值，假定大致矩形的横截面；

编织的材料；

编织的厚度；以及

一次缠绕的编织的体积分数。

虽然线的相邻匝之间的分离是由编织的厚度和体积分数确定的，但是很大程度上是由热固性树脂材料确定的，且确定了编织所限定的体积的热膨胀和收缩。

尽管上面列出的参数假定了基本上呈矩形横截面的复合结合的线，但是可以使用合适的

其它横截面的线，例如圆形或椭圆形。

因此，衬垫捆缚材料将包括线、编织和热固性树脂，并且相对径向、轴向和环向的热收缩将由线的材料及相对尺寸以及热固性树脂确定，当缠绕时受到编织的材料、厚度和体积分数的影响。

在一些实施例中，编织的径向R尺寸可以通过间隔物材料层补充，例如布置在衬垫捆缚的绝缘线层之间的玻璃纤维布。

图5示出了根据本发明相关实施例的示例结构。在图5中，衬垫捆缚34示出为位于间隔物32之间的超导线圈30上。放大插图更详细地示出了衬垫捆缚材料的结构。放大图示出的是超导线和衬垫捆缚线的轴向Z的尺寸W0，包括热固性树脂的绝缘层的轴向尺寸I0，如果合适的话，是绝缘编织物；以及相邻匝的轴向节距U0，其中U0＝W0+I0，类似尺寸可以识别在径向R上。

衬垫捆缚线和编织的尺寸和材料选择为使得衬垫捆缚复合物34的环向热收缩大于超导线圈30。当冷却时，衬垫捆缚复合物34将施加增大的环向压力在超导线圈20上，并因此在通电时减小线圈环向应力。这允许使用衬垫捆缚线的减小的卷绕张力，因为与收缩得比铜基超导线圈30少的基于不锈钢线的衬垫捆缚相比，基于铝或铜线的衬垫捆缚复合物34将收缩得比铜基超导线圈30多。减小的卷绕张力必须足以确保当在浸渍过程期间被加热时，衬垫捆缚线和超导线圈之间不出现间隙。衬垫捆缚的应力本身由超导线圈上的衬垫捆缚复合物的厚度控制。

衬垫捆缚线和编织的尺寸和材料选择为使得衬垫捆缚复合物的轴向Z的热收缩与超导线圈的轴向Z的热收缩相匹配。在本发明的上下文中，“匹配”表示相同或非常接近。

衬垫捆缚线和编织的尺寸和材料选择为使得衬垫捆缚复合物的径向R的热收缩与间隔物32的径向热收缩相匹配。

这些匹配的热收缩确保了在操作和失超期间超导线圈30、间隔物32和衬垫捆缚34之间的热应力处于低水平。

衬垫捆缚线是相对导电的电阻线，例如铝或铜，并与超导线圈感应耦合。在失超期间，超导线圈下降的磁场在欧姆加热的衬垫捆缚线中产生了感应电流。优选地，这使得衬垫捆缚34热膨胀，与超导线圈30的热膨胀匹配。这将通过在整个失超期间衬垫捆缚提供超导线圈的相对恒定的压缩，限制磁体失超期间超导线圈和衬垫捆缚中的热应力。

因此，本发明的某些实施例采用优化的衬垫捆缚，其具有环向的高热收缩、高导电性和电绝缘匝的组合特征。轴向方向和径向方向上的衬垫捆缚的热收缩被调谐，以分别匹配相关联的线圈以及相邻间隔物的轴向和径向热收缩。衬垫捆缚线材的相对较高的环向热收缩使得衬垫捆缚以降低的卷绕张力缠绕，因为在冷却时实现了增加的环向压缩应力，虽然降低的卷绕张力必须足以确保当在浸渍过程期间加热时，衬垫捆缚34和超导线圈30之间不出现间隙。减小的卷绕张力能够使增加的横截面积的线被使用，从而导致较短的线的长度，而且较少匝数被缠绕。衬垫捆缚复合物的径向厚度可被控制，以确保将衬垫捆缚复合物的应力小于其屈服强度。磁体失超期间的衬垫捆缚复合物的过应力是通过衬垫捆缚的线的感应欧姆加热避免的，以类似于超导线圈的速率加热衬垫捆缚复合物。

图6A-6C示出了衬垫捆缚复合物的示例轴向截面图，并示出了衬垫捆缚线的不同卷绕图案，其可以被选择，以实现径向R、轴向Z和环向热膨胀/收缩的所需组合。在图6A的卷绕图案中，线40的轴向Z尺寸大于其径向R的尺寸，而且一层的匝与下一层的匝对齐。在图6B的卷绕图案中，线40的轴向Z尺寸小于其径向R的尺寸，而且一层的匝与下一层的匝对齐。在图6C的卷绕图案中，一层的匝与下一层的匝偏离，但对齐于再下一层的匝。这样的装置可以优选具有圆形或椭圆形横截面的导线40。

铝或铜衬垫捆缚线不会干扰超导线圈产生的磁场。由于其铁含量，传统的不锈钢衬垫捆缚线具有磁性部件，还会影响超导线圈的磁场的均匀性。

相比于不锈钢衬垫捆缚线，由于较低的环向热收缩，其导致冷却后环向应力的减小，铝或铜的衬垫捆缚线只需要较低的卷绕张力，但冷却后提供较高的环向拉伸应力。由于感应欧姆加热，绝缘的铝或铜衬垫捆缚线在失超期间提供减小的环向应力。

衬垫捆缚的感应耦合导致能量从超导线圈传递到衬垫捆缚。超导线圈的峰值失超温度和电压因此降低。

在本发明的某些实施例中，在多个超导线圈30上的衬垫捆缚线40被电连接在一起以形成电路。通过选择衬垫捆缚线40的电阻率和/或将一个或多个电阻元件与一个或多个超导线圈30上的衬垫捆缚线串联，衬垫捆缚线的感应热加热可被调谐，使得失超期间的衬垫捆缚复合物34的热膨胀与超导线圈30相匹配。

Claims (24)

1.一种超导磁体线圈装置，包括多个超导线圈（30），

所述超导线圈（30）中的至少一个超导线圈设置有机械附接到所述超导线圈的表面的次级线圈（34），

其中所述次级线圈（34）被提供作为在相关联的超导线圈上的衬垫捆缚，

其中所述超导线圈（30）和所述次级线圈（34）被用热固性树脂浸渍在一起，

其特征在于所述衬垫捆缚由一种衬垫捆缚复合物材料构成，所述衬垫捆缚复合物材料包括：

绝缘电阻线，在所述绝缘电阻线上的玻璃或聚合物编织的绝缘，

和热固性树脂，

并且所述衬垫捆缚复合物材料的环向热膨胀系数大于所述超导线圈（30）的环向热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，其中所述超导线圈被浸渍，并通过间隔物（32）结合在一起。

3.根据权利要求2所述的超导磁体线圈装置，其中所述间隔物是多孔结构，其利用用于浸渍所述线圈的相同树脂进行浸渍。

4.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，其中所述电阻线包括铝线。

5.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，其中所述电阻线包括铜线。

6.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，其中衬垫捆缚复合物的所述线（40）是圆形或椭圆形的横截面。

7.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，其中绝缘材料的径向尺寸由布置在衬垫捆缚复合物的所述绝缘电阻线的层之间的间隔物材料层补充。

8.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，包括多个超导线圈（30），每一个超导线圈（30）都设置有在径向外表面上的衬垫捆缚复合物（34）的层，并且通过间隔物（32）连接在一起。

9.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，其中衬垫捆缚复合物的轴向热膨胀系数匹配于所述超导线圈（30）的轴向热膨胀系数。

10.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，其中所述衬垫捆缚复合物的径向热膨胀系数匹配于间隔物（32）的径向热膨胀系数。

11.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，其中所述绝缘电阻线被电感性地耦合到所述超导线圈。

12.根据权利要求11所述的超导磁体线圈装置，其中在多个超导线圈上的绝缘电阻线电连接在一起以形成电路。

13.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，其中所述绝缘电阻线的轴向横截面具有大于其径向R尺寸的轴向Z尺寸。

14.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，其中所述绝缘电阻线的轴向横截面具有小于其径向R尺寸的轴向Z尺寸。

15.根据权利要求13所述的超导磁体线圈装置，其中所述绝缘电阻线的一层的匝与其下面的层的匝对齐。

16.根据权利要求13所述的超导磁体线圈装置，其中所述绝缘电阻线的一层的匝相对于其下面的层的匝偏移，但与再下一层的匝对齐。

17.根据权利要求1所述的超导磁体线圈装置，还包括与所述绝缘电阻线串联的一个或多个电阻元件。

18.一种超导磁体组件，包括根据权利要求1-3中任一项所述的超导磁体线圈装置，所述超导磁体组件容纳在致冷剂容器内并设置为通过与液态致冷剂接触而冷却，使得绝缘电阻线的所述次级线圈（34）被设置为通过与所述液态致冷剂接触而冷却。

19.根据权利要求18所述的超导磁体组件，其中所述次级线圈（34）被电感性地耦合到相关联的所述超导线圈（30），并且所述次级线圈形成一个或多个闭合电路。

20.根据权利要求18所述的超导磁体组件，其中所述次级线圈（34）被电连接到电路中，并设置成接收电流，用于调节线圈表面温度。

21.一种用于减小容纳根据权利要求18-20中任一项所述的超导磁体组件的致冷剂容器内的失超压力的方法，其中，在失超的情况下，所述次级线圈的表面被加热到足以使与所述次级线圈的所述表面接触的液态致冷剂薄膜沸腾的温度，

其中使用液氦作为所述致冷剂，并且与所述氦接触的所述次级线圈的表面被加热到超过100K的温度。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述次级线圈的所述表面通过在所述次级线圈中通过失超期间所述超导线圈产生的磁场变化感应的电流来加热。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述次级线圈的所述表面由失超传播电路提供的电流来加热。

24.一种超导磁体线圈装置，包括多个超导线圈（30），

其中所述超导线圈（30）中的至少一个超导线圈设置有机械附接到所述超导线圈的表面的绝缘电阻线的次级线圈（34），其中所述次级线圈（34）被提供作为在相关联的超导线圈上的衬垫捆缚，

容纳在致冷剂容器内并设置为通过与液态致冷剂接触而冷却，使得绝缘电阻线的所述次级线圈（34）被设置为通过与所述液态致冷剂接触而冷却，其中，

在失超的情况下，所述次级线圈的表面被加热到足以使与所述次级线圈的所述表面接触的液态致冷剂薄膜沸腾的温度，其中使用液氦作为所述致冷剂，并且与所述氦接触的所述次级线圈的表面被加热到超过100K的温度。