CN108648895A - 一种可快速冷却的重频磁体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可快速冷却的重频磁体结构，包括导线和绝缘层，绝缘层设置于相邻的导线之间；所述导线包括双导线体和设置在所述双导线体之间的连接支撑架，所述双导线体并行设置，所述双导线体通过所述连接支撑架间隔形成导线孔隙；所述导线的双导线体外侧与所述绝缘层贴合设置并使得所述导线绕中心轴线在周向和高度方向绕线，并在高度方向上由每层导线的导线孔隙形成贯通的冷却通道。该结构可增大冷却液与线圈的接触面积，实现磁体的快速冷却。
Description
技术领域
本发明涉及强磁场重频磁体线圈冷却技术领域，尤其涉及一种可快速冷却的重频磁体结构。
背景技术
重频磁体是一种脉冲式磁场产生装置，其核心结构为特殊结构的电磁线圈构成，专业称为重频磁体结构。
在使用时，单次通电加载，重频磁体可产生10T以上强磁场，目前已有重频磁体可达到45T磁场强度。强磁场重频磁体可应用领域较多，包括军事领域电磁武器、科研领域质谱分析，医疗领域核磁成像和质子医疗等，重频磁体磁场越强，对相应领域应用越有益处。然而，由于电磁线圈电阻的存在，产生强磁场就需要其强大的电流和密集的绕线，因此电磁线圈在产生强磁场的同时也会产生大量焦耳热，热量如不及时排出，将会使线圈温度升高，增加线圈的电阻，在下一次加载时，会产生更多的热量，降低磁场强度，所以这些热量必须排出。但是排出速度影响磁体的使用频率，现实中希望提高磁体使用频率，以提高使用效率，降低使用时间成本，因此需要高效的散热手段，将磁体内产生的焦耳热快速排出磁体，为下次加载准备好。
目前，重频磁体的冷却结构有以下两种：
一种是在磁体绕线层间设置冷却通道。如图1所示，这种磁体结构是目前主流的磁体散热结构，主要应用在将磁体浸没在液氮中进行冷却的场景，在磁体层间设置冷却通道1’，有利于液氮进入磁体接头内部，对磁体进行快速冷却，减小内部导热热阻。
这种冷却结构相对于不设冷却通道的磁体结构的冷却速度有了大幅提高，可将磁体冷却时间从2小时缩短到10分钟左右，但是由于磁体绕线周围存在低导热系数的应力强化结构，而层间留通道的数量有限，所以整体冷却时间无法继续降低。
另一种是在导线中心开孔设置冷却通道。如图2所示，在导线截面中心开孔，沿导线长度方向开孔，形成冷却通道2’，将冷媒通入导线中心开孔，与磁体线圈直接对流换热，冷媒将磁体热量携带到磁体外部换热器进行换热，冷媒被冷却后，重新通入磁体线圈，如此不断循环实现对磁体的不间断快速冷却。
这种冷却结构是在在磁体导线中间开孔的磁体结构，将冷媒通入磁体导线中心，进行强制对流换热，理论上可以将磁体冷却时间降低到30s之内，这种结构缺点是磁体绕线截面较小，导线长度过长，经过分段后，最长导线仍然达到8米长，而孔径最大只能加工到2mm，这种工况导致冷却通道过于狭长，将冷媒通入磁体的代价较大，而且通道太长，磁体冷却温度均匀性得不到有效控制，对冷却时间的降低也是不利因素。
综上，现有的重频磁体的冷却结构在层间通道数量不够和通道长度太长等问题导致散热效果和散热均匀性的不到有效控制。急需一种可解决上述问题的降低影响使用频率又提高冷却效能的冷却结构。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可快速冷却的重频磁体结构，其能解决散热效率不高的问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种可快速冷却的重频磁体结构，包括导线和绝缘层，所述绝缘层设置于相邻的导线之间；所述导线包括双导线体和设置在所述双导线体之间的连接支撑架，所述双导线体并行设置，所述双导线体通过所述连接支撑架间隔形成导线孔隙；所述导线孔隙形成冷却通道。
进一步的，所述导线的双导线体外侧与所述绝缘层贴合设置并使得所述导线绕中心轴线在周向和高度方向绕线，并在高度方向上由每层的导线的导线孔隙形成贯通的冷却通道。
进一步的，所述双导线体内侧连接的连接支撑架间的间距不同，所述间距分段的减小，以使得磁体的冷却通道由内层向外层逐渐减小。
进一步的，所述导线的连接支撑架间的间隔距离相同。
进一步的，所述导线的双导线体为铜质双导线体，所述连接支撑架为铜质支撑架，所述双导线体与所述连接支撑架一体加工成型。
进一步的，所述导线的双导线体为铜质双导线体，所述连接支撑架为铌钛合金支撑架。
进一步的，在高度方向上形成的贯通的冷却通道的长度不超过40cm。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：①、结构上既增加冷层间通道的数量，又缩短了通道长度，结构简单易实施；②、冷却方式采用浸泡和喷淋相变换热皆可实现磁体的快速冷却，利于磁体的快速冷却。
附图说明
图1为现有重频磁体绕线层间设置冷却通道的冷却方式；
图2为现有重频磁体在导线中心开孔作为冷却通道的冷却方式；
图3为本发明一种可快速冷却的重频磁体结构采用的导线结构示意图；
图4为本发明一种可快速冷却的重频磁体结构的示意图。
图中：1’、冷却通道；2’、冷却通道；1、导线；2、绝缘层；11、连接支撑架；12、双导线体；13、导线孔隙。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
重频磁体结构的导线结构，即采用两根并行的导线体，代替原来的一根完整导线，两根并行的导线体之间通过支撑连接件隔出孔隙或间隙，并用支撑结构连接固定两根导线体形成一根带孔隙或间隙的导线，并行的导线体之间的支撑连接材料可选用高强度铌钛合金、也可使用与导线相同的材料，一体加工成型；用这种导线代替单根导线，完成磁体的绕制；在垂直于导线方向上会形成贯通的冷却通道，冷却通道长度不超过40cm，相对于8m的通道长度大大缩短。如果将这样的磁体浸泡到液氮中，会大大提升液氮与线圈的接触面积，实现磁体的快速冷却，可达到秒级冷却；亦可向通道中通入冷却工质，实现磁体的快速冷却。
具体方案如图3-4所示：一种可快速冷却的重频磁体结构，包括由导线1和绝缘层2，绝缘层2设置于相邻的导线1之间。
如图3所示，导线1为单根的双导线结构，其包括双导线体12和设置在所述双导线体12之间的连接支撑架11，所述双导线体12并行设置，所述双导线体12通过所述连接支撑架11间隔形成导线孔隙13；导线1的双导线体的外侧与绝缘层2贴合设置并使得导线1绕中心轴线在周向和高度方向绕线，并在高度方向上由每层的导线1的导线孔隙13形成贯通的冷却通道。
导线1由连接支撑架11隔成的分段间隔、即导线孔隙13的大小为根据不同型号的磁场产生装置的磁体结构，内孔的直径以及层数和所需的冷却效能。间隔长度可相同，以降低导线的制作成本；间隔长度也可不同，对应的冷却通道由内而外分别逐渐减小，或其它各类可想到的间隔或冷却通道孔径的大小。
具体实施例中，导线1的双导线体12内侧连接的连接支撑架11间的间距不同，间距分段的减小，以使得在磁体绕线时由导线1形成的导线孔隙13由内层向外层逐渐减小(图未示)。
可替代的，导线1的双导线体12内侧连接的连接支撑架11间的间距相同。
导线1的双导线体12为铜质双导线体，连接支撑架11为铜质支撑架，双导线体12与连接支撑架11为一体加工成型。
可替代的，连接支撑架11为铌钛合金支撑架。
对于冷却通道，在高度方向上形成的贯通的冷却通道的长度不超过40cm。
通过采用上述所示双导线的重频磁体结构，可有效提高磁体冷却速度，而且结构简单易实现，有利于磁体的快速冷却。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种可快速冷却的重频磁体结构，包括导线和绝缘层，所述绝缘层设置于相邻的导线之间；其特征在于：
所述导线包括双导线体和设置在所述双导线体之间的连接支撑架，所述双导线体并行设置，所述双导线体通过所述连接支撑架间隔形成导线孔隙；所述导线孔隙形成冷却通道。
2.根据权利要求1所述的重频磁体结构，所述导线的双导线体外侧与所述绝缘层贴合设置并使得所述导线绕中心轴线在周向和高度方向绕线，并在高度方向上由每层的导线的导线孔隙形成贯通的冷却通道。
3.根据权利要求1所述的重频磁体结构，其特征在于：所述双导线体内侧连接的连接支撑架间的间距不同，所述间距分段的减小，以使得磁体的冷却通道由内层向外层逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的重频磁体结构，其特征在于：所述导线的连接支撑架间的间隔距离相同。
5.根据权利要求1-4任一项所述的重频磁体结构，其特征在于：所述导线的双导线体为铜质双导线体，所述连接支撑架为铜质支撑架，所述双导线体与所述连接支撑架一体加工成型。
6.根据权利要求1-4任一项所述的重频磁体结构，其特征在于：所述导线的双导线体为铜质双导线体，所述连接支撑架为铌钛合金支撑架。
7.根据权利要求1所述的重频磁体结构，其特征在于：在高度方向上形成的贯通的冷却通道的长度不超过40cm。
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