CN106298148A - 超导磁体系统及冷却件 - Google Patents

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；及与所述线圈架热接触的冷却件，所述冷却件包括冷却管，用来接收冷却剂在其内流动，所述冷却件可拆卸地安装在所述线圈架上并形成至少一个冷却路径，所述冷却件具有贴附在所述线圈架表面的平面。本发明还揭示一种超导磁体系统，其冷却件与所述线圈架机械干涉固定且具有贴附于所述线圈架表面的平面来形成两者间的热传导。本发明也提供了一种超导磁体系统的制造方法。

Description

超导磁体系统及冷却件

技术领域

本发明有关一种超导磁体系统和冷却件，尤其涉及具有冷却件的超导磁体系统。

背景技术

超导磁体系统拥有相对较大的能量，其现今有着广阔的应用前景。例如，磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)系统中，超导磁体系统被构造以存储高达15M焦耳的能量，磁共振成像系统现今大量应用于临床环境的医学成像。部分磁共振成像系统为超导磁体系统，用来产生均匀磁场。超导磁体系统也可用于其它系统中，例如核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)系统，加速器，变压器，发电机，电动机，超导磁体能源存储系统(Superconducting Magnet Energy Storages,SMES)等。

只要维持在适当低温下，超导磁体可无阻导电，在下文称之为“超导温度”。因此，冷却系统用来保证超导磁体工作在超导温度下。热传递效率对于超导磁体的影响较大。冷却系统包括若干冷却管，其接收冷却剂在其内循环流动来冷却线圈架。在利用热虹吸管冷却的超导磁体系统中，多个冷却管焊接在线圈架上且在线圈架上将冷却管互相焊接在一起。冷却管和线圈架之间的焊缝里的焊接材料，在焊接过程中从液态转变到固态，其导致线圈架变形。而且一般大约有12个或更多个相邻冷却管之间的节点需要在线圈架上焊接。此焊接的工程较大且难度也较大。焊接后，所有节点逐一在线圈架上经氦气密测试以确保所有节点是氦气密的，并且也要对冷却管进行耐压密闭测试。另外，测试中发现的泄露点很难修复。

因此，有必要提供一种解决方案来解决至少一个上面提及的问题。

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；及与所述线圈架热接触的冷却件，所述冷却件包括冷却管，用来接收冷却剂在其内流动，所述冷却件可拆卸地安装在所述线圈架上并形成至少一个冷却路径，所述冷却件具有贴附在所述线圈架表面的平面。

本发明的另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；及与所述线圈架和所述超导线圈热接触的冷却件，所述冷却件与所述线圈架机械干涉固定且具有贴附于所述线圈架表面的平面来形成两者间的热传导。

本发明的再一个方面在于提供一种用于冷却线圈架的冷却件。该冷却件包括：多个相互连接的冷却管，用来接收冷却剂在其内流动，并形成至少一个冷却路径；及多个连接于所述冷却管的固定元件，用来可拆卸地将所述冷却管安装于所述线圈架。

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所示为本发明超导磁体系统的一个实施例的立体图；

图2所示为图1所示的超导磁体系统的一部分的沿图1中A-A线的剖视图；

图3所示为图1所示的超导磁体系统的冷却件的立体图；

图4所示为图3所示的冷却件的一部分的横断面视图；

图5所示为本发明的冷却件的冷却管的另一实施例的立体图；

图6所示为本发明的超导磁体系统的另一实施例的立体图；

图7所示为图6所示的超导磁体系统的冷却件的立体图；

图8所示为图7所示的冷却件沿图7中B-B线的剖视图；

图9所示为本发明超导磁体系统的一部分的另一个实施例的剖视图；

图10所示为本发明超导磁体系统的一部分的再一个实施例的剖视图；

图11所示为本发明超导磁体系统的一部分的又一个实施例的剖视图；

图12所示为本发明超导磁体系统制造方法的一个实施例的流程图；

图13所示为本发明超导磁体系统制造方法的另一个实施例的流程图；及

图14所示为本发明超导磁体系统制造方法的再一个实施例的流程图。

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。另外，“连接”或者“相连”等类似的词语并非用来区分两个元件之间的直接或间接连接。当然，除非另行说明，此元件间可以直接或间接连接。

图1所示为一个实施例的超导磁体系统10的示意图。超导磁体系统10可应用在很多领域，例如，磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)系统、核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)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 EnergyStorage,SMES)等。超导磁体系统10包括线圈架12、若干通过线圈架12支撑的超导线圈14以及与线圈架12热接触的冷却件16。线圈架12为圆筒状，也可以是其它形状。线圈架12可以是立体的、导热的机械架体，例如由铝制成。在本实施例中，超导线圈14缠绕或安装在线圈架12的内表面上。在其它实施例中，超导线圈14可缠绕或安装于线圈架12的外表面上。

冷却件16用来接收冷却剂(未图示)在其内流动来冷却线圈架12。冷却剂可以是液氦、液氢、液氮、液氖等。冷却剂的温度低于超导线圈中超导体的临界温度，其由电流密度和超导状态下的磁场共同确定。本实施例中，超导磁体系统10具有两个分别连接于冷却剂容器18的冷却件16。另一实施例中，可使用一个或多个冷却件16。冷却剂容器18用来容纳冷却剂。本实施例中，提供了两个冷却剂容器18。另一实施例中，可使用一个冷却剂容器18。在一实施例中，冷却剂容器18可由金属材料制成，例如不锈钢等。冷却剂容器18中的冷却剂由与之相连的冷冻机(未图示)来冷却。

冷却件16可拆卸地安装在线圈架12上。在此实施例中，超导磁体系统10包含多个固定元件20，其将冷却件16固定在线圈架12上。在此实施例中，每一固定元件20包含一个夹紧垫22和多个螺栓或螺钉24。夹紧垫22抵靠冷却件16，螺栓或螺钉24穿过夹紧垫22紧紧地固定在线圈架12上，以用来将冷却件16紧紧地固定在线圈架12上。冷却件16可通过卸下固定元件20从线圈架12上拆下。另一实施例中，其它结构的固定元件20可用来将冷却件16固定在线圈架12上。从而，较易将冷却件16安装在线圈架12上或从上拆下。当冷却件16泄露或损坏时，冷却件16可方便修理或替换。并且，由于焊接冷却件16到线圈架12上所引起的线圈架12的变形得以避免。本实施例中，冷却件16作为导热元件，其与线圈架12和超导线圈14热连接以冷却线圈架12和超导线圈14。冷却件16通过固定元件20与线圈架12机械连接。

图2所示为图1所示的超导磁体系统10的一部分沿图1中A-A线的剖视图。冷却件16具有贴附于线圈架12的表面121的平面161来形成两者间的热传导，从而冷却件16与线圈架12之间的接触面积较大。本实施例中，冷却件16包括矩形截面的冷却管31，其具有平面161。

在此实施例中，超导磁体系统10包括填充材料26，填充于冷却件16和线圈架12之间。填充材料26与线圈架12和冷却件16热接触。填充材料26能在真空下填充冷却件16的平面161和线圈架12的表面121之间的微小缝隙，以在真空下进一步增大两者间的接触区域，使得冷却件16的平面161和线圈架12的表面121充分接触，从而减小热阻来进一步提升两者间的热传导。固定元件20的夹紧垫22将冷却件16抵压至线圈架12。由此，填充材料26因为夹紧垫22的压力在冷却件16和线圈架12间形成薄层，从而提升热传导。在一实例中，薄层厚度约为0.13mm到0.20mm。在一个实施例中，填充材料26包括环氧树脂和/或真空脂。另一实例中，填充材料26包括任一其它高导热材料，其能在真空下填充细缝。一实例中，冷却件16包括具有高导热性的金属材料，例如铝、铜和不锈钢。由此，即使粘性环氧树脂被用作填充材料26时，冷却件16也可无损坏地可从线圈架12上拆下。

图3所示为图1所示超导磁体系统10的冷却件16的透视图。冷却件16包括多个彼此连通的冷却管30和31，以于其中形成至少一个冷却路径。每一个冷却管31为匹配线圈架12的拱形状，以使得该冷却管31与线圈架12的表面贴合。冷却件16以半圆或小于半圆环绕线圈架12，从而在不使冷却件16变形的情况下，很容易地将冷却件16装配到线圈架12上。每一个冷却管31均为扁平管，其具有如图2所示的平面161。本实施例中，冷却管30与冷却管31连接，在一实例中，冷却管31可为圆管。冷却件16进一步包括一个输入/输出管33，其连接于图1所示的冷却剂容器18。

图4所示为图3所示冷却件16的一部分35的横断面视图。本实施例中，每一个冷却管31均为口琴管，其中包括若干管道37，用来允许冷却剂在其内流动。管道37彼此连通，以提高冷却效率。本实施例中，冷却件16进一步包括与口琴管31相连的连接块39。连接块39包括槽41，其与口琴管31的管道37连通，从而使得所有的管道37连通。同时，冷却管30也与连接块39的槽41连通，从而与口琴管31连通。

图3所示实施例中，冷却件16包括四个连接块39，其连接相对应的冷却管30和31。冷却管30、31和连接块39紧密连接，例如，通过焊接来保证冷却件的氦气密闭和耐压密闭。在安装冷却件16于线圈架12之前，先装配冷却管30、31和连接块39，并且冷却件16经氦气密测试和耐压密闭测试。在冷却件16满足耐压容器规范后，将冷却件16加紧到线圈架12上。因此，易于焊接冷却件16。另一实施例中，冷却件16可有其他结构。例如，冷却件16具有一个口琴管31，口琴管31与冷却剂容器18相连。

图5所示为本发明另一实施例的冷却件16的冷却管31的透视图。相比于图3所示冷却管31，图5所示的冷却管31包括多个固定孔43，用以收容螺栓或螺钉，从而将冷却管31固定在线圈架12上。本实施例中的冷却管31比图3所示冷却管31宽。冷却管31足够宽以给固定孔43提供空间。本实施例中的冷却管31也为口琴管。冷却管31的固定孔43没有穿透到管道37。

图6所示为本发明另一实施例的超导磁体系统60的透视图。该超导磁体系统60与图1所示超导磁体系统10相似。相较于图1所示实施例，图6所示冷却件16包括冷却管62以及与冷却管62连接的导热块64。导热块64与线圈架12热接触。图2中的填充材料26可用来填充于导热块64和线圈架12间，以提高两者之间的热传导。导热块64可安置于线圈架12上高热负载所在的位置，从而降低冷却件16的成本。例如，导热块64可靠近悬挂系统(未图示)和电源线(未图示)等。另外，导热块64的数量、形状和尺寸可根据具体应用来设定，来平衡冷却性能和成本。在一实施例中，导热块64可根据超导磁体系统的布局设定。

图7所示为图6的冷却件16的透视图。本实施例中，导热块64包括与线圈架12相匹配的拱形。在一实施例中，导热块64含有铝、铜或其组合，以保证导热块64和线圈架12之间的良好的导热性。另一实施例中，导热块64可含有其他任何导热金属。本实施例中的冷却管62为圆管。一实施例中，冷却管62含有不锈钢，从而使得冷却管62易于焊接在冷却剂容器18上。在装到线圈架上之前，导热块64和冷却管62进行装配和测试。

图8所示为图7的冷却件16沿图7中B-B线的剖视图。本实施例中，导热块64具有容纳冷却管62穿过的孔641，且孔641中的冷却管62与导热块64热接触。冷却管62紧固于导热块64内。另一实施例中，冷却管62不穿过导热块64，与导热块64的孔641连通，以接收冷却剂。导热块64具有贴附于线圈架12用来导热的平面643。本实施例中，导热块64具有固定孔645，用来接收图6所示的固定元件66(例如螺栓或螺钉)穿过其中，来将冷却件16固定到线圈架12上。

图9所示为另一个实施例的超导磁体系统70的一部分的剖视图。图9所示超导磁体系统70与图2所示超导磁体系统10相似。相比于图2所示实施例，超导磁体系统70进一步包括电屏蔽件72。本实施例中，电屏蔽件72作为冷却装置，与线圈架12和超导线圈14热连接。电屏蔽件72固定在线圈架12表面上，并且包括贴附在线圈架12表面上的平面73，以形成两者间的热传导。超导线圈14位于线圈架12和电屏蔽件72的同一侧。在此实施例中，电屏蔽件72位于线圈架12和超导线圈14之间。在一实施例中，电屏蔽件72和超导线圈14位于线圈架12的内表面上。另一实施例中，电屏蔽件72和超导线圈14位于线圈架12的外表面。

电屏蔽件72为导电导热材料，例如低温下导热性良好的铜或高纯度铝。电屏蔽件72的导电性优于线圈架12的导电性。电屏蔽件72与线圈架12机械干涉固定。在一实施例中，电屏蔽件72为紧箍在线圈架12上的环，以屏蔽梯度脉冲产生的电场，从而降低线圈架12的焦耳热。梯度脉冲产生于超导磁体系统70运行的过程中，其导致变化的磁场和变化的电场的产生。如果不使用电屏蔽件72，该电场会产生流经金属元件(如线圈架12)的电涡流，涡流进一步导致金属元件产生焦耳热。电屏蔽件72导电性良好，因此涡流仅存在于电屏蔽件72的表面。电屏蔽件72屏蔽电场和磁场，以防止线圈架12和其他金属元件产生涡流和焦耳热。

电屏蔽件72覆盖了整个超导线圈14。根据实际应用，可使用一个或多个电屏蔽件72。对于超导线圈14，当一部分超导线圈14失超时，该部分的超导线圈14温度升高。热传递给电屏蔽件72，进一步迅速地从电屏蔽件72传递给超导线圈14的其他部分，使得其他部分失超。由此，电屏蔽件72分散热量，防止超导线圈14局部过热。另外，当超导线圈14失超时会产生涡流，电屏蔽件72局部会因为涡流而升温。同样地，电屏蔽件72也迅速分散其局部的热量。电屏蔽件72提供快速的热传递路径。在超导磁体系统70正常运行时，电屏蔽件72也可快速地将线圈架12或其它元件的热量传递给冷却管。

在一实施例中，真空脂可以用来填充在线圈架12和电屏蔽件72之间，和/或电屏蔽件72和超导线圈14之间。本实施例中使用图1所示的冷却件16。另一实施例中可使用图6所示的冷却件16。在又一实施例中，可用任意其他的冷却件来冷却线圈架12。

图10所示为另一个实施例的超导磁体系统74的局部剖视图。图10所示的超导磁体系统74与图9所示的超导磁体系统70相似。相较于图9所示实施例，超导磁体系统74的电屏蔽件72和超导线圈14分别位于线圈架12的相对面。本实施例中，电屏蔽件72位于线圈架12的内表面，而超导线圈14位于线圈架12的外表面。另一实施例中，电屏蔽件72位于线圈架12的外表面，而超导线圈14位于线圈架12的内表面。

图11所示为另一个实施例的超导磁体系统80的局部剖视图。本实施例中的冷却件16包括冷却管82和类似于图9的电屏蔽件72。冷却管82位于电屏蔽件72上，如此提供冷却路径。电屏蔽件72可迅速散热，故而在每一冷却件16中仅使用一个或两个冷却管82及可实现良好的冷却性能。由此，冷却件16的结构得以简化。另一实施例中，每一冷却件16包括两个或更多的冷却管82。本实施例中，冷却管82为扁平管，其具有平面，贴附于电屏蔽件72，用来提供良好的导热性。冷却管82通过焊接等方式固定在电屏蔽件72上。另一实施例中，可使用图4和5所示的口琴管31。一实施例中，在安装到线圈架12上之前，冷却管82和电屏蔽件72先进行装配。

图12所示为本发明一个实施例的超导磁体系统的制造方法90的流程图。模块91中，提供线圈架和超导线圈。在一实施例中，线圈架由铝合金制成。模块93中，将超导线圈安装在线圈架上，超导线圈环绕线圈架。在一实施例中，超导线圈安装在线圈架的内表面。另一实施例中，超导线圈安装在线圈架的外表面。超导线圈可通过热收缩配合法安装在线圈架上。

模块95中，提供冷却件。冷却件包括冷却管，并在其中形成至少一个冷却路径。冷却件事先经装配、氦气密测试和耐压密闭测试。在一实施例中，使用口琴管作为冷却管，其具有多个彼此连通的管道。口琴管接收冷却剂来冷却线圈架。在一实施例中，提供与口琴管相连接的连接块。连接块包括与口琴管管道连通的槽，用来使得所有的管道连通。

模块97中，将冷却件可拆卸地安装在线圈架上。冷却件与线圈架热接触以冷却线圈架。冷却件包括固定在线圈架上的平面，如此冷却间与线圈架之间的接触面较大。冷却件在不损坏的情况下易于从线圈架上拆卸。一实施例中，冷却件通过多个固定元件固定在线圈架上。固定元件将冷却件夹紧到线圈架上。另一实施例中，一个或多个导热块与一个或多个冷却管相连接，且导热块固定在线圈架上。导热块与线圈架热接触。导热块和冷却块装配成冷却件。

在本实施例的模块99中，将填充材料填充在冷却件和线圈架之间，以促进良好的热传导。填充材料分别与线圈架和冷却件热接触。一实施例中，在固定冷却件至线圈之前，填充材料(如环氧树脂和真空脂)先涂抹于冷却件的表面上。另一实施例中，填充材料事先涂抹在线圈架表面上。

图13所示为本发明另一实施例的超导磁体系统的制造方法100的流程图。相比于图12所示的方法90，方法100进一步包括，将电屏蔽件安装于线圈架和超导线圈之间。电屏蔽件包括导电导热材料。模块92中，将电屏蔽件安装于线圈架上。之后，如模块93所示，将超导线圈安装在电屏蔽件上。

图14所示为本发明又一实施例的超导磁体系统的制造方法200的流程图。相较于图13所示的方法100，方法200包括，在将电屏蔽件安装在线圈架和超导线圈间之前，先将冷却管安装在电屏蔽件上，如模块94所示。冷却管和电屏蔽件经装配组成冷却件，然后，将电屏蔽件和冷却管安装在线圈架上。于此之后，将超导线圈安装在电屏蔽件上。在一实施例中，冷却管通过电屏蔽件与线圈架热接触。本实施例中的填充材料(如环氧树脂)可用于电屏蔽件和线圈架之间，与/或电屏蔽件和超导线圈之间。

方法90、100和200的动作以功能模块的形式图示，图12-14所示的模块的先后顺序和模块中动作的划分并非限于图示的实施例。例如，模块可以按照不同的顺序进行；一个模块中的动作可以与另一个或多个模块中的动作组合，或拆分为多个模块。

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 (20)

1.一种超导磁体系统，其特征在于，所述超导磁体系统包括：

线圈架；

若干通过所述线圈架支撑固定的超导线圈；及

与所述线圈架热接触的冷却件，所述冷却件包括冷却管，用来接收冷却剂在其内流动，所述冷却件可拆卸地安装在所述线圈架上并形成至少一个冷却路径，所述冷却件具有贴附在所述线圈架表面的平面。

2.如权利要求1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多个固定元件，其将所述冷却件固定在所述线圈架上。

3.如权利要求1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填充材料，所述填充材料填充于所述冷却件和所述线圈架之间，其中所述填充材料与所述线圈架和所述冷却件热接触。

4.如权利要求1所述的超导磁体系统，其特征在于：所述冷却管包括设有多个管道的口琴管，用来允许所述冷却剂从其中流过，所述多个管道彼此连通。

5.如权利要求4所述的超导磁体系统，其特征在于：所述冷却件包括与所述口琴管连接的连接块，其包括与所述口琴管中的所述多个管道连通的槽。

6.如权利要求1所述的超导磁体系统，其特征在于：所述冷却件包括连接于所述冷却管并与所述线圈架热接触的导热块。

7.如权利要求6所述的超导磁体系统，其特征在于：所述导热块包括容纳所述冷却管穿过的孔，穿过所述孔的所述冷却管与所述导热块热接触。

8.如权利要求1所述的超导磁体系统，其特征在于：所述冷却件包括固定在所述线圈架表面的电屏蔽件，其包括导电导热材料，所述超导线圈位于所述线圈架和所述电屏蔽件的同一侧。

9.如权利要求8所述的超导磁体系统，其特征在于：所述电屏蔽件位于所述线圈架和所述超导线圈之间。

10.如权利要求8所述的超导磁体系统，其特征在于：所述电屏蔽件和所述超导线圈分别位于所述线圈架的相对的表面。

11.一种超导磁体系统，其特征在于，所述超导磁体系统包括：

线圈架；

若干通过所述线圈架支撑固定的超导线圈；及

与所述线圈架和所述超导线圈热接触的冷却件，所述冷却件与所述线圈架机械干涉固定且具有贴附于所述线圈架表面的平面来形成两者间的热传导。

12.如权利要求11所述的超导磁体系统，其特征在于：所述冷却件包括固定在所述线圈架表面的电屏蔽件，其包括导电导热材料，所述超导线圈位于所述线圈管和所述电屏蔽件的同一侧。

13.如权利要求12所述的超导磁体系统，其特征在于：所述电屏蔽件位于所述冷却管和所述超导线圈之间。

14.如权利要求12所述的超导磁体系统，其特征在于：所述电屏蔽件和所述超导线圈分别位于所述线圈架的相对的表面。

15.如权利要求12所述的超导磁体系统，其特征在于：所述冷却件包括位于所述电屏蔽件上的冷却管来接收冷却剂在其内流动。

16.如权利要求11所述的超导磁体系统，其特征在于：所述冷却件包括冷却管以及多个固定元件，所述冷却管可拆卸地安装于所述线圈架，所述固定元件将所述冷却管固定在所述线圈架上。

17.如权利要求16所述的超导磁体系统，其特征在于：所述冷却件包括连接于所述冷却管并与所述线圈架热接触的导热块。

18.一种用于冷却线圈架的冷却件，其特征在于，所述冷却件包括：

多个相互连接的冷却管，用来接收冷却剂在其内流动，并形成至少一个冷却路径；及

多个连接于所述冷却管的固定元件，用来可拆卸地将所述冷却管安装于所述线圈架。

19.如权利要求18所述的冷却件，其特征在于：所述冷却管包括设有多个管道的口琴管，用来允许所述冷却剂从其中流过，所述管道彼此连通。

20.如权利要求18所述的冷却件，其特征在于：所述冷却件进一步包括连接于所述冷却管且为导热材料的导热块。