CN108695037B - 用于在超导磁体中支撑结构的线圈连接 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在超导磁体中支撑结构的线圈连接。一种柱形超导磁体线圈结构(10)包括线圈(100)和间隔件(102)，线圈(100)和间隔件(102)在接头(106)处结合在一起以形成自支撑结构。提供了一层附加材料(110)，其覆盖接头(106)并延伸到间隔件(102)和线圈(100)的相邻区域上。

Description

用于在超导磁体中支撑结构的线圈连接

技术领域

本发明提供例如用于磁共振成像(MRI)系统中的柱形超导磁体线圈结构。这样的磁体必须被冷却到所用超导线的转变温度以下，这需要将超导磁体线圈结构放置在低温恒温器中，以将其与环境温度隔离。

背景技术

图1示出了包括制冷剂容器12的低温恒温器的示例性常规布置。超导磁体包括制冷剂容器12内的线圈结构10，制冷剂容器12本身保持在外真空室(OVC)14内。在制冷剂容器12与外真空室14之间的真空空间中提供有一个或多个热辐射屏蔽件16。在一些已知的布置中，致冷器17被安装在位于转台18中的致冷器套15中，并朝向低温恒温器那侧，转台18是为此目的而设置的。备选地，致冷器17可以位于入口转台19内，该入口转台19保持入口颈部(通气管)20被安装在低温恒温器的顶部处。致冷器17提供主动致冷以冷却制冷剂容器12内的制冷剂气体，在一些布置中，通过将制冷剂气体冷凝成液体来实现。致冷器17也可以用于冷却辐射屏蔽件16。如图1所示，致冷器17可以是两级致冷器。第一冷却级被热链接到辐射屏蔽件16，并提供到第一温度(通常在80-100K的区域内)的冷却。第二冷却级提供制冷剂气体到低得多的温度(通常在4-10K的区域内)的冷却。本发明提供了诸如如上所述的超导磁体线圈结构10，其可以被放置在制冷剂容器12内或通过其他手段进行冷却。

在常规超导磁体结构的示例中，多个线圈被缠绕到腔体中，该腔体被限定在柱形成型件(例如由铝制成)的径向外表面。然后用热固性树脂浸渍线圈。

多个超导线圈因此通过摩擦界面由成型件所支撑。摩擦界面是引起淬火的原因，并且可以通过将超导线圈直接接合到支撑结构来消除这些摩擦界面。可以在所谓“串联结合(serially bonded)”磁体布置中找到这样的布置，诸如例如在WO2016020205 A1中所描述的。在这样的布置中，线圈通过间隔件接合以将线圈保持在期望的轴向间隔和轴向对齐上。线圈和间隔件被结合在一起以形成自支撑结构。图2示意性地示出了可以应用本发明的串联结合线圈组件的半横截面。该结构关于轴线A-A旋转对称。

这种解决方案的问题在于，超导线圈100与相邻支撑结构102之间的每个接头是复杂的，并且需要特别注意以确保接合不被损坏，因为损坏的接头可能导致MRI磁体的性能降低。本发明实现了以成本高效的方式管理在每个接头处可能产生的应力集中。

摩擦界面已经发展为包含许多不同材料以减少线圈与支撑结构之间的摩擦，其目的是减少淬火。这样的发展已经取得了一些好处，但是由于线圈与支撑结构之间的界面处的摩擦能量释放，许多磁体仍然出现淬火。

为了减少线圈与支撑结构之间的相对移动，线圈和支撑结构的热收缩可以被紧密匹配。然而，由于环向应变，磁体的通电将引起相对线圈膨胀，并且将导致摩擦能量的释放。线圈可以在高张力下被缠绕和/或利用高强度线被过紧缠绕，以减少环向膨胀。

在超导磁体内，有时会在线圈之间或线圈与支撑结构之间创建大的电压差，例如在淬火的情况下。为了保护线圈免受损坏，可以优选地使得线圈电绝缘。本发明提供了对此的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种超导磁体线圈结构，其解决上述常规结构的一些缺点。

本发明尤其是针对所谓“串联结合”构造的超导线圈组件。在这样的布置中，线圈通过间隔件被接合以使得线圈保持在期望的轴向间隔和轴向对齐上。线圈和间隔件被结合在一起以形成自支撑结构。

本发明相应地提供了如所附权利要求中限定的结构和方法。

附图说明

根据以下结合附图进行的对本发明某些实施例的描述，本发明的上述和其他目的、特点和优点将变得更加显而易见，附图中：

图1示意性地示出了低温恒温器内的超导磁体的常规布置；

图2示意性地示出了可以应用本发明的串联结合线圈组件的径向半横截面；

图3-图5示出了根据现有技术的、与图2所示类似的串联结合线圈组件的局部径向半横截面；以及

图6-图13示出了根据本发明实施例的、与图2所示类似的串联结合线圈组件的局部径向半横截面。

具体实施方式

本发明涉及串联结合线圈结构。也就是说，线圈结构包括由间隔件接合的线圈；线圈和间隔件被结合在一起以形成自支撑结构。

在图2中，串联结合线圈结构10的示例被示出为示意性径向半横截面。该结构基本上关于轴线A-A旋转对称。术语“径向”和“轴向”以及类似术语在本文中将用于表示方向和尺寸，这些方向和尺寸分别为：“垂直于轴线A-A并且在包含轴线A-A的平面中延伸”；以及“与轴线A-A平行或重合”。类似地，诸如“外”和“内”的术语是指与轴线A-A的中点的相对接近度。对于MRI磁体而言，尺寸r通常约为50cm，尺寸z通常约为150cm，对于典型的NMR磁体而言具有跟小的尺寸。提供了超导线的多个线圈100，每个线圈均浸渍有诸如热固性树脂的材料，线圈本身常规上就是这样。线圈100被间隔件102分开。间隔件可以由诸如电阻式铜线之类的线组成，该线被缠绕到线圈中并且浸渍有诸如热固性树脂的浸渍材料；或者间隔件可以由诸如玻璃纤维布或玻璃纤维丝的惰性材料组成，该惰性材料被缠绕并且浸渍有类似的浸渍材料。用于间隔件的其他可能的组成包括：散装材料形成物，其为填充有颗粒或纤维的环氧树脂；或者塑料预成型间隔件。线圈的轴向和径向尺寸被确定，以实现其作为磁场源的功能，并允许坚固且不过度麻烦的制造，这对于本领域技术人员而言将是显而易见的。对于本领域技术人员而言还显而易见的是，磁场强度、场均匀性和均匀区域尺寸的给定目标可以通过线圈的多个不同布置来实现，这些线圈具有不同尺寸、间隔和数目。设计者将基于特定于所涉及设计的其他约束来选择合适的布置。

在制造这样的串联结合线圈结构10的示例方法中，线圈组件10可以由分离的线圈100和间隔件102形成，这些线圈100和间隔件102通过热固性树脂或类似物结合在一起。

本发明提供了改进的“串联结合”磁体结构，其中提供了到线圈支撑结构接头的超导线圈，其寻求使超导线中的应力最小化，由此来：维持线的性能；将接头处的应力和压缩的峰值最小化；以及保护接头免受机械损坏，并且使接头不包含可能在接头处产生高应力集中的缺陷。

为了实现这些目的，本发明的实施例在线圈与间隔件之间的接头的径向内表面和/或径向外表面处放置附加材料。该材料具有合适的预定模量和强度。

本发明的实施例通过将附加材料放置在接头上方来保护接头。附加材料提供了针对损坏的机械屏障，并且限制了在线圈与支撑结构之间的接头的创建和寿命期间创建机械缺陷。

本发明的实施例在线圈与支撑结构之间的接头的形成期间增加了连接的坚固性。添加的材料提供了更坚固的接头。

在制造过程期间，接头可能会损坏或在接头处引入缺陷。在损坏或缺陷部位处，出现应力集中，并且所产生的高应力可能导致结构失效或者至少导致微观裂纹，其在磁体被使用时可能会引发淬火。本发明的实施例降低了在接头处形成缺陷的倾向，并且倾向于减小线圈中的应力。当选择合适的材料时，可以成本有效地实现这样的结果。

图3提供了与图2的视图相同的平面中的、线圈结构10的局部横截面图，该线圈结构10包括线圈100、间隔件102以及线圈100与间隔件102之间的接头106。该接头可以在线圈间隔件组装期间通过预成型线圈100和预成型间隔件102的粘合而形成；或者线可以被缠绕以形成线圈100，并且填充材料可以被提供以形成间隔件102，然后线圈和间隔件在单个浸渍步骤中被浸渍在一起。

材料边界(诸如接头106)是由于材料性质转变而导致应力集中较高的部位，材料性质转变为：施加的载荷、弹性模量的改变、热收缩的改变、横截面的改变等。接头106的特性是本发明的主题。

高应力区域中的表面缺陷由于其对应力增加的影响而成为结构失效的重要原因。图4示意性地图示了表面缺陷部位108，其出现在线圈100与间隔件102之间的接头106处的高应力区域中。缺陷部位108在相邻材料中引起应力峰值。该峰值应力可能使相邻材料的性质退化，并且可能引起缺陷108的传播。

图5示出了诸如图3所示的线圈-接头-间隔件结构内的建模的应力等高线图。径向向内偏转被施加于间隔件102，为了清楚起见，其在图5中被放大。峰值应力被显示在MX处，在MN处具有对应的压缩峰值。由于热膨胀差异或线圈中的环向应力，这样的应力发生在使用中的磁体组件10内。磁体组件10的径向外表面和径向内表面上的不同应力可能促使线圈100与间隔件102之间的接头失效。由于应力集中而可能使得该接头附近的任何缺陷被放大，并且线圈100的超导性质可能受到应力集中的不利影响。

图6图示了本发明实施例的与图5的视图相对应的横截面图。如图所示，一层附加材料110被定位在接头106的径向外表面上，其覆盖到线圈100和间隔件102两者上。

与图5的图示一样，图6示出了施加于间隔件102的径向向内偏转，为了清楚期间其被放大。附加材料110的存在用于抑制该偏转，并且减少峰值应力MX和峰值压缩MN的大小。在图示的示例情况下，材料110被置于张力下，并且用于抑制间隔件102和线圈100的相对偏转。

在其他情况下，应力可以反向，其中线圈100趋向于参考间隔件102的大小而收缩。峰值应力MX将出现在间隔件102的径向外表面处，并靠近接头106，而峰值压缩MN将出现在线圈100的径向内表面处，并靠近接头。材料110被再次置于张力下，并且用于抑制间隔件102和线圈100的相对偏转，并减少峰值应力MX和峰值压缩MN的大小。

可能出现的情况是：线圈100或间隔件102趋于相对于相邻部件(间隔件102或线圈100)而膨胀。在这样的情况下，材料110将被置于压缩下。取决于选作材料110的材料，在压缩中可能不太有效。为了迎合这样的情况，本发明的某些实施例在接头106的径向内表面上提供附加材料，其覆盖在线圈100和间隔件102两者上。接头106的径向内表面上的材料将处于张力下，并且将用作抑制任何偏转，并减少接头附件的峰值应力和峰值压缩的大小。

在本发明的某些实施例中，附加材料110可以包括浸渍有环氧树脂的玻璃纤维布。通常，超导线圈100包括浸渍有环氧树脂的超导线的匝，并且间隔件102可以包括用环氧树脂浸渍的玻璃纤维布或玻璃纤维预制件。在本发明的一些实施例中，附加材料110可以包括玻璃纤维布，其被包在线圈100与间隔件102之间的接头周围，之后用环氧树脂对它们进行浸渍。然后可以执行单个浸渍步骤以将线圈100、间隔件102和附加材料110浸渍成单体浸渍物。备选地，在本发明的其他实施例中，线圈100和间隔件102可以在单个步骤中被浸渍以形成线圈和间隔件的单体浸渍物，而附加材料110可以稍后被添加，例如作为环氧树脂浸渍的玻璃纤维布的湿缠绕带。在另外的实施例中，线圈100可以与间隔件102分开地被浸渍，并且线圈100和间隔件102可以在结合步骤中结合在一起，该结合步骤可以是通过浸渍而形成间隔件的步骤的一部分。附加材料110可以被湿缠绕在接头上方，或者可以在浸渍间隔件102之前作为玻璃纤维布的干带被缠绕在接头上方。

备选地，附加材料110可以形成为单独的环，例如由环氧树脂浸渍的玻璃纤维布组成，然后，该环被放置在接头106上方，随后在结合步骤中被结合到线圈100和间隔件102，该结合步骤可以涉及将环氧树脂引入到环与线圈100和间隔件102之间的间隙中。

现在将参考图7-图13讨论本发明更具体的示例实施例。

在图7示出的示例实施例中，线圈100位于间隔件102之间并且在接头106处被结合到间隔件。提供了附加材料110的径向外层，其覆盖线圈100、接头106并且延伸到间隔件102的相邻区域上。

图8图示了改进的实施例。在该实施例中，间隔件102在接头106附近在其径向外表面上形成有环形凹部112。附加材料110延伸到该环形凹部中，并且对附加材料110中的轴向方向张力提供改进的楔和弹性。这样的布置提供了对于附加材料110与间隔件102和线圈100分层的改进阻力。

图9图示了不同的改进实施例。在该实施例中，附加材料110包括位于接头106的径向外表面上方的增厚区域114。由于增厚区域114的存在引起对于接头106处变形的阻力的增加，因此这样的布置为接头提供了改进的强度。

在图10的实施例中，一个间隔件102具有与线圈100的内半径和外半径相同的内半径和外半径。另一个间隔件102'具有与线圈100的外半径相同的外半径，但是具有比线圈100的内半径小的内半径。附加材料的层110覆盖接头106的径向外表面，覆盖线圈100的径向外表面并且在间隔件102、102'的径向外表面的相邻部分上方延伸。

在线圈100和间隔件102的径向内表面上设置有附加材料的内层120，其在接头106的径向内表面、线圈100的径向内表面上方延伸，并且在间隔件102的径向内表面的相邻部分上方延伸。附加材料的内层120凹部中，该凹部在与线圈100的内半径相对应的径向位置处被形成在间隔件102'中。

附加材料的内层120是可选的，并且可以在建模期间被发现是有利的，这取决于应力状态和所采用的制造方法。

图11图示了本发明的另一种类型的实施例的局部径向横截面。在这种类型的实施例中，线圈200和间隔件202被轮廓化，以使得它们之间的接头206不是简单径向平面的形式。通过避免简单的、径向的平面接头，由于线圈和间隔件的不同性质而引起的、接合区域中的应力被分布在间隔件和线圈材料的较宽体积上方，使得应力和压缩的峰值得以减少，并且对材料(尤其是线圈200的材料)的物理性质的伴随影响得以减少。在图示的实施例中，线圈200形成有椭圆形轮廓，并且间隔件202形成有互补的凹部。其他形状当然也是可能的，但是寻求将接头106的位置分布在轴向范围216上。

图12图示了本发明的另一种类型的实施例的局部径向横截面。在该实施例中，间隔件102在接头106附近设置有围绕间隔件的径向外周的环形凹部112。该凹部112与参考图8所述的凹部112类似。然而，在该实施例中，凹部112未被填充，而是通过在间隔件的材料内实现弯曲来用于增加线圈组件的柔性。图12示出了间隔件102径向向内的被放大的偏转，其引起间隔件102变形。通过允许并且实际上促进间隔件102内的弯曲，该实施例降低了接头106附近的应力和压缩的峰值，并且使得应力和压缩的峰值位置远离接头106的位置。附加材料层110可以位于线圈的径向外表面以及间隔件102的相邻部分的上方，覆盖接头106，而凹部112被定位成更远离该接头。类似于参考图7所讨论的附加材料层，这种附加材料层的提供用于减少应力和压缩的峰值。

图13示出了图12的实施例的变体。在该变体中，附加材料层110位于线圈的径向外表面以及间隔件102的相邻部分上方，并且覆盖接头106。类似于参考图7所讨论的附加材料层，这种附加材料层的提供用于减少应力和压缩的峰值。凹部112被定位在间隔件的径向内表面上，在接头106附近，但与从接头106偏离了距离的dZ。在图示的示例中dZ＝2mm，但是在其他实施例中该值当然可以变化。在图示的实施例中，凹部112可以具有以下轮廓：所述轮廓形如轴向尺寸5mm且径向尺寸2.5mm的矩形在顶部具有一个半径为2.5mm的半圆形区域。该实施例用于通过附加材料110中的张力来约束接头106的径向外表面，并且通过设置凹部112来促进间隔件102中朝向间隔件102的径向内表面的弯曲。当然可以设置凹部的其他位置、形状和尺寸，并且它们的效果可以通过数字建模的过程来确定，这对于本领域技术人员来说是熟悉的。

根据本发明，在串联结合磁体结构中，通过将附加材料策略性地定位在线圈与间隔件之间的接头处，可以调整应力峰值和压缩峰值的位置和大小。通过将附加材料定位在接头的径向外末端和/或径向内末端上方，线圈结构材料中的应力和压缩的峰值幅度得以减少，并且它们的位置可以被移动远离接头。计算机建模可以用来模拟附加材料的特定定位的效果。合适的建模软件对于本领域技术人员来说将是熟悉的。

覆盖接头的材料还用于在制造线圈结构或将线圈结构组装到低温恒温器期间保护接头免受可能的损坏。

在本发明的某些实施例中提供的附加材料可以是树脂浸渍的玻璃纤维布。备选地，它可以是树脂浸渍的碳纤维布，或者

布。其他可能的材料组合包括其他树脂浸渍的填料，诸如棉纤维、聚酯纤维、木材、或者实际上与复合材料生产相兼容以提供强度和/或裂纹传播阻力的任何纤维材料。

如果使用的附加材料是电绝缘的，那么它提供了为超导磁体的其他部分提供电绝缘屏障的辅助功能。

尽管上面已经根据有限数目的具体实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，在由所附权利要求限定的本发明的范围内可以进行许多修改和变化。

Claims (5)

1.一种柱形超导磁体线圈结构(10)，包括多个线圈(100)和多个间隔件(102)，所述多个线圈(100)和所述多个间隔件(102)在多个接头(106)处结合在一起以形成一个自支撑结构，其特征在于，附加材料(110)的一个径向外层被提供，所述径向外层覆盖一个接头(106)并延伸到一个间隔件(102)和一个线圈(100)的多个相邻区域上，其中一个线圈(100)在多个相应接头处被接合到两个相邻间隔件(102)，每个间隔件被形成为具有位于一个径向外表面上的一个环形凹部(112)，所述环形凹部(112)在所述相应接头(106)附近；并且其中所述附加材料(110)延伸到多个所述环形凹部中，并且所述附加材料包括一种树脂浸渍填充材料。

2.根据权利要求1所述的柱形超导磁体线圈结构(10)，还包括：覆盖所述接头(106)的一个径向内表面并且延伸到一个间隔件(102)和一个线圈(100)的多个相邻区域上的附加材料。

3.根据权利要求1所述的柱形超导磁体线圈结构(10)，其中所述附加材料(110)包括在多个接头(106)的多个所述径向外表面上方的多个增厚区域(114)。

4.根据权利要求1所述的柱形超导磁体线圈结构(10)，其中一个线圈(100)在多个相应接头(106)处被接合到两个相邻间隔件(102，102')，第一间隔件(102)具有与所述线圈(100)的内半径和外半径相同的内半径和外半径；并且第二间隔件(102')具有与线圈(100)的外半径相同的外半径、但是具有比线圈(100)的内半径小的内半径，其中

附加材料的一个径向外层覆盖多个接头(106)，在所述线圈(100)的一个径向外表面上方延伸，并且延伸到第一间隔件(102)和第二间隔件(102')的多个相邻区域上；

并且其中，在所述线圈(100)和第一间隔件(102)的多个径向内表面上提供附加材料的一个内层(120)，所述内层(120)在所述多个接头(106)的所述径向内表面、所述线圈(100)的所述径向内表面上方延伸，并且在第一间隔件(102)的所述径向内表面的一个相邻部分上方延伸，附加材料的所述内层(120)还延伸到一个凹部中，所述凹部在与所述线圈(100)的所述内半径相对应的一个径向位置处被形成在第二间隔件(102')中。

5.一种柱形超导磁体线圈结构(10)，包括一个线圈(100)和一个间隔件(102)，所述线圈(100)和所述间隔件(102)在多个接头(106)处结合在一起以形成一个自支撑结构，其特征在于，所述间隔件(102)被提供有一个环形凹部(112)，所述环形凹部(112)围绕所述间隔件的径向内周，所述环形凹部(112)在一个接头(106)附近，其中附加材料(110)的一个层位于所述线圈的径向内表面以及所述间隔件(102)的一个相邻部分的上方，所述层遮盖所述接头(106)并且延伸到所述环形凹部中；所述附加材料包括一种树脂浸渍填充材料。

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