CN109087773B - 一种超导磁体充放电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导磁体充放电装置，涉及超强磁场技术领域，包括：继电器J1、二极管D2、功率二极管D5、二极管散热风扇M1、继电器J2、继电器散热风扇M2组成放电单元；电阻R1、发光二极管D1、电阻R2、电阻R3、发光二极管D3、温控开关K1、电阻R4、发光二极管D4、电阻R5、发光二极管D6、限流保险管FU、电阻R9、二极管D7、电阻R7、发光二极管D8、温控开关K2，电阻R8、发光二极管D9、电阻R10、电阻R11组成弱点信号单元；二极管散热风扇M1、继电器扇热风扇M1、散热器组成散热单元；4U金属屏蔽壳屏蔽单元、散热风扇的金属网属于屏蔽单元。优点：热量耗散快，电路易于实现，大大减少了成本。
Description
技术领域
本发明涉及超强磁场技术领域，更具体涉及一种超导磁体充放电装置。
背景技术
目前，超导磁体技术已成功应用于科研、轨道交通、电力系统、生物医疗等众多领域。超导磁体的特点是可以在较大的空间内产生强磁场，而所需的励磁功率却很小，且在超导条件下，磁场保持恒定。医疗核磁共振技术，就是利用了不同原子核吸收和发散电磁波的频率不同，且频率还与核环境有关的原理，根据磁共振信号来分析物质的结构成分及其密度分布。但是，诸如磁通跳跃、导线振动等因素，依然可能导致超导磁体发生失超现象，并伴随一系列诸如过电压核发热的问题，前者会导致电缆绝缘材料的击穿，后者会导致接头被熔化，从而造成磁体不正常工作或损坏。因此，我们需要研究磁体放电技术，迅速将磁体内的能量转移出来，来提高磁体保护的可靠性。
国内的西南交通大学超导研究中心和美国的专利Pub.No.US2002/0030952“超导磁体放电方法及装置”均使用电容器，通过斩波器原理，将超导磁体的电流直接变成电压，如果直流电流较大，直流电压部分需要的电容器容量会非常大，从而磁体的励磁电压大，不利于磁体的稳定。目前，国内，对于超导磁体放电电路达500A的放电方法研究还没有比较正式的产品或专利出现。
医疗核磁共振超导磁体一般运行电流较大，这对超导磁体的放电技术提出了新的要求。放电电流大、电压低，放电过程稳定，这些都是用于医疗使用的基本要求。用普通的磁体放电设备，在0.5T的强磁场环境运行下，很容易导致散热风扇失效，从而使得设备都会导致核磁共振设备瘫痪。用普通的磁体放电设备，在40摄氏度环温下运行，内部温度无法完成散发，使得内部关键器件温度达80摄氏度，有损坏的风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于普通磁体充放电设备，电流过大，温度无法完成散发。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，具体技术方案如下：
一种超导磁体充放电装置，包括：电阻R1、发光二极管D1、电阻R2、第一继电器J1、二极管D2、电阻R3、发光二极管D3、发光二极管D4、电阻R4、第一温控开关K1、电阻R5、功率二极管D5、电阻R6、发光二极管D6、限流保险管FU、二极管散热风扇M1、第二继电器J2、二极管D7、电阻R7、发光二极管D8、继电器散热风扇M2、发光二极管D9、电阻R8、第二温控开关K2、电阻R9、电阻R10、电阻R11；
第一继电器J1与第二继电器J2串联形成主路，第一继电器J1的一端作为装置的输入端并与充电电源的输出端连接，第二继电器J2的一端作为装置的输出端并与超导磁体的输入端连接，其中，输入端包括第一输入端、第二输入端，输出端包括第一输出端、第二输出端；第一输入端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与发光二极管D1的正极连接，发光二极管D1的负极与第二输入端连接，并形成第一支路；
功率二极管D5的负极、电阻R6的一端、限流保险管FU的一端都连接于第一继电器J1与第二继电器J2的连接线上；功率二极管D5的正极连接于第二输入端与第二输出端的连接线上，并形成第二条支路；电阻R6的另一端与发光二极管D6的负极，发光二极管D6的正极连接于第二输入端与第二输出端的连接线上，并形成第三支路；限流保险管FU的另一端与二极管散热风扇M1的一端连接，二极管散热风扇M1的另一端连接于第二输入端与第二输出端的连接线上，形成第四条支路；将第二条支路、第三条支路、第四条支路并联在第一继电器J1、第二继电器J2之间；
电阻R3的一端与发光二极管D3的正极连接形成串联再与二极管D2并联，二极管D2的负极与电阻R3的另一端连接，二极管D2的正极与发光二极管D3的负极连接，二极管D2的负极、电阻R3的另一端与第一继电器J1的第一控制端连接，二极管D2的正极、发光二极管D3的负极与第一继电器J1的第二控制端连接，形成第五条支路；电阻R4的一端与发光二极管D4的正极连接形成串联再与第一温控开关K1并联，电阻R4的另一端与第一温控开关K1的一端连接，发光二极管D4的负极与第一温控开关K1的另一端连接后，再串联在第一继电器J1的第一控制端，第一温控开关K1的另一端连接第二输入端与第二输出端的连接线上，形成第六条支路；
电阻R7的一端与发光二极管D8的正极连接形成串联再与二极管D7、继电器散热风扇M2并联，二极管D7的负极、继电器散热风扇M2的一端与电阻R7的另一端连接，二极管D7的正极、继电器散热风扇M2的另一端与发光二极管D8的负极连接，二极管D7的负极、电阻R7的另一端、继电器散热风扇M2的一端与第二继电器J2的第一控制端连接，二极管D7的正极、发光二极管D8的负极、继电器散热风扇M2的另一端与第二继电器J2的第二控制端连接，形成第七条支路；电阻R8的一端与发光二极管D9的正极连接形成串联再与第二温控开关K2并联，电阻R8的另一端与第二温控开关K2的一端连接，发光二极管D9的负极与第二温控开关K2的另一端连接后，再串联在第二继电器J2的第一控制端，第二温控开关K2的另一端连接第二输入端与第二输出端的连接线上，形成第八条支路；
电阻R2的一端与装置的输入端连接，形成第九支路；电阻R5的一端连接于第一继电器J1与第二继电器J2的连接线上，形成第十支路；电阻R9的一端与第二继电器J2的第一控制端连接，形成第十一支路；电阻R10的一端、电阻R11的一端分别连接装置的第二输入端、第二输出端分别形成第十二、第十三支路；电阻R2、电阻R5、电阻R9、电阻R10、电阻R11的另一端都与DB9接口的输出端连接。
优选地，所述装置装载于4U金属屏蔽壳内。
优选地，所述功率二极管D5分布在散热器上。
优选地，所述散热器上所对应功率二极管D5位置会涂抹导热硅脂。
优选地，所述装置中至少包括一个功率二极管D5，当有多个功率二极管D5时，功率二极管D5成形成S型排布。
优选地，所述装置中至少包括一个二极管散热风扇M1。
优选地，所述装置中至少包括一个继电器散热风扇M2。
优选地，所述装置中至少包括一个第二温控开关K2。
优选地，所述二极管散热风扇M1、继电器散热风扇M2的外部均配有外部金属网。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明中继电器J1、继电器J2导通来控制充电输入，继电器J2导通来控制放电回路。通过发光二极管显示装置的充电状态、放电状态、过温以及散热情况，通过电阻R3、电阻R5、电阻R9、电阻R10、电阻R11将节点电压通过DB9接口传输给核磁共振系统，实现实时监测运行状态。设备安全可靠，优化的设计提高了设备的可行性和经济性。
装置装载于4U金属屏蔽壳内，以及二极管都分布在散热器上形成S型排布，使得散热风扇能够有效的通过风道抽吸空气，良好的导热硅脂涂抹工艺，提高了散热效果，增强电路稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例的超导磁体充放电装置的电路图。
图2为本发明实施例的超导磁体充放电装置的应用示意图。
图3(a)为本发明实施例的超导磁体充放电装置的内部功能的充电过程示意图。
图3(b)为本发明实施例的超导磁体充放电装置的内部功能的充电过程坐标图。
图4(a)为本发明实施例的超导磁体充放电装置的内部功能的放电过程示意图。
图4(b)为本发明实施例的超导磁体充放电装置的内部功能的充电过程坐标图。
图5为本发明实施例的超导磁体充放电装置的外观示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种超导磁体充放电装置，包括：电阻R1、发光二极管D1、电阻R2、继电器J1、二极管D2、电阻R3、发光二极管D3、发光二极管D4、电阻R4、温控开关K1、电阻R5、功率二极管D5、电阻R6、发光二极管D6、限流保险管FU、二极管散热风扇M1、继电器J2、二极管D7、电阻R7、发光二极管D8、继电器散热风扇M2、发光二极管D9、电阻R8、温控开关K2、电阻R9、电阻R10、电阻R11；
继电器J1与继电器J2串联形成主路，继电器J1的一端作为装置的输入端并与充电电源的输出端连接，继电器J2的一端作为装置的输出端并与超导磁体的输入端连接，其中，输入端包括输入端1、输入端2，输出端包括输出端3、输出端4；输入端1与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与发光二极管D1的正极连接，发光二极管D1的负极与输入端2连接，并形成第一支路；
功率二极管D5的负极、电阻R6的一端、限流保险管FU的一端都连接于继电器J1与继电器J2的连接线上；功率二极管D5的正极连接于输入端2与输出端4的连接线上，并形成第二条支路；电阻R6的另一端与发光二极管D6的负极，发光二极管D6的正极连接于输入端2与输出端4的连接线上，并形成第三支路；限流保险管FU的另一端与二极管散热风扇M1的一端连接，二极管散热风扇M1的另一端连接于输入端2与输出端4的连接线上，形成第四条支路；将第二条支路、第三条支路、第四条支路并联在第一继电器J1、第二继电器J2之间；
电阻R3的一端与发光二极管D3的正极连接形成串联再与二极管D2并联，二极管D2的负极与电阻R3的另一端连接，二极管D2的正极与发光二极管D3的负极连接，二极管D2的负极、电阻R3的另一端与继电器J1的控制端1连接，二极管D2的正极、发光二极管D3的负极与继电器J1的控制端2连接，形成第五条支路；电阻R4的一端与发光二极管D4的正极连接形成串联再与温控开关K1并联，电阻R4的另一端与温控开关K1的一端连接，发光二极管D4的负极与温控开关K1的另一端连接后，再串联在继电器J1的控制端1，温控开关K1的另一端连接输入端2与输出端4的连接线上，形成第六条支路；
电阻R7的一端与发光二极管D8的正极连接形成串联再与二极管D7、继电器散热风扇M2并联，二极管D7的负极、继电器散热风扇M2的一端与电阻R7的另一端连接，二极管D7的正极、继电器散热风扇M2的另一端与发光二极管D8的负极连接，二极管D7的负极、电阻R7的另一端、继电器散热风扇M2的一端与继电器J2的控制端1连接，二极管D7的正极、发光二极管D8的负极、继电器散热风扇M2的另一端与继电器J2的第二控制端连接，形成第七条支路；电阻R8的一端与发光二极管D9的正极连接形成串联再与温控开关K2并联，电阻R8的另一端与温控开关K2的一端连接，发光二极管D9的负极与温控开关K2的另一端连接后，再串联在继电器J2的控制端1，温控开关K2的另一端连接输入端2与输出端4的连接线上，形成第八条支路；
电阻R2的一端与装置的输入端连接，形成第九支路；电阻R5的一端连接于继电器J1与继电器J2的连接线上，形成第十支路；电阻R9的一端与继电器J2的控制端1连接，形成第十一支路；电阻R10的一端、电阻R11的一端分别连接装置的输入端2、输出端4分别形成第十二、第十三支路；电阻R2、电阻R5、电阻R9、电阻R10、电阻R11的另一端都与DB9接口的输出端连接。本实施例中选用6个功率二极管D5并串联进行连接，3个二极管散热风扇M1并串联进行连接，2个继电器散热风扇M2串联进行连接，3个温控开关K2进行串联。
具体的，本发明装置中输入端、继电器J1、二极管D2、功率二极管D5、二极管散热风扇M1、继电器J2、继电器散热风扇M2、输出端组成放电单元；电阻R1、发光二极管D1、电阻R2、电阻R3、发光二极管D3、温控开关K1、电阻R4、发光二极管D4、电阻R5、发光二极管D6、限流保险管FU、电阻R9、二极管D7、电阻R7、发光二极管D8、温控开关K2，电阻R8、发光二极管D9、电阻R10、电阻R11组成弱点信号单元；二极管散热风扇M1、继电器扇热风扇M1、散热器组成散热单元；4U金属屏蔽壳屏蔽单元、散热风扇的金属网属于屏蔽单元。继电器J1、继电器J2导通来控制充电输入，继电器J2导通来控制放电回路。其中，发光二极管D4、D9发红光，发光二极管D1、D6发绿光，发光二极管D3、D8发黄光来提供装置运行状况显示继电器J1、继电器J2的开启、装置的充电状态、放电状态，继电器J1、J2过温状态以及散热器过温状态。电阻R3、电阻R5、电阻R9、电阻R10、电阻R11都是采样电阻，并通过这些采样电阻将节点电压通过DB9接口传输给核磁共振系统，实现实时监测运行状态。其中，第六支路中温控开关K1的发光二极管D4
在放电过程中，电流在40min由500A降低为0A；在0.5T的磁场环境下，正常运行；设备安全可靠，优化的设计提高了设备的可行性和经济性。其中，超导磁体将自身内部能量转换为充放电装置中功率二极管D5的导通内阻热能，耗散出去。通过使用规范的刷子，将导热硅脂涂抹到功率二极管D5所对应的散热器上，通过尺子测量导热硅脂的厚度，大概介于50-70uM之间，此时，可以保证功率二极管D5与散热器良好的接触，保证设备在5-40℃的温度环境下运行，内部功率二极管最高温度不超过80℃。
如图2所示，充电电源的输出端与充放电装置的输入端连接，充放电装置的输出端与超导磁体的输入端连接，核磁共振系统中的超导磁体可以等效为电气中点电感，充电时，超导磁体充放电装置控制继电器J1和继电器J2来给超导磁体充电，超导磁体在较大的空间内产生强磁场，供医疗检测使用；放电时超导磁体中的线圈成感性，储存的能量经过超导磁体充放电装置中的功率二极管D5进行放电，同时，与磁体充电电源断开，迅速将磁体内的能量转移到充放电装置内部并热能释放出去，保护了超导磁体。
如图3(a)、图3(b)所示，超导磁体在充电过程中，充电电源流经继电器J1、继电器J2、超导磁体，并最终流回充电电源，其在40min内由0A升到500A，并保持500A充电160min；如图4(a)、图4(b)所示，超导磁体在放电过程中，电流从超导磁体流经功率二极管D5、经过继电器J2回到超导磁体，其在40min由500A降低为0A。
如图5所示，超导磁体充放电装置外观示意图，充放电装置位于4U金属模块中(盖板未显示)，所有的风扇均配由外部金属网，屏蔽部分磁场，保证内部电路正常工作。前面板6个风扇吹风，图1中6个功率二极管D5形成S型风道，由后面板的4个风扇抽风出去，保证充放电装置可以安全可靠的将超导磁体的能量转化为热能，并快速散发出去。继电器正常工作时，侧面板的两个风扇开始运行，为继电器提供风冷。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超导磁体充放电装置，其特征在于，包括：电阻R1、发光二极管D1、电阻R2、第一继电器J1、二极管D2、电阻R3、发光二极管D3、发光二极管D4、电阻R4、第一温控开关K1、电阻R5、功率二极管D5、电阻R6、发光二极管D6、限流保险管FU、二极管散热风扇M1、第二继电器J2、二极管D7、电阻R7、发光二极管D8、继电器散热风扇M2、发光二极管D9、电阻R8、第二温控开关K2、电阻R9、电阻R10、电阻R11；
第一继电器J1与第二继电器J2串联形成主路，第一继电器J1的一端作为装置的输入端并与充电电源的输出端连接，第二继电器J2的一端作为装置的输出端并与超导磁体的输入端连接，其中，输入端包括第一输入端、第二输入端，输出端包括第一输出端、第二输出端；第一输入端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与发光二极管D1的正极连接，发光二极管D1的负极与第二输入端连接，并形成第一支路；
功率二极管D5的负极、电阻R6的一端、限流保险管FU的一端都连接于第一继电器J1与第二继电器J2的连接线上；功率二极管D5的正极连接于第二输入端与第二输出端的连接线上，并形成第二条支路；电阻R6的另一端与发光二极管D6的负极，发光二极管D6的正极连接于第二输入端与第二输出端的连接线上，并形成第三支路；限流保险管FU的另一端与二极管散热风扇M1的一端连接，二极管散热风扇M1的另一端连接于第二输入端与第二输出端的连接线上，形成第四条支路；将第二条支路、第三条支路、第四条支路并联在第一继电器J1、第二继电器J2之间；
电阻R3的一端与发光二极管D3的正极连接形成串联再与二极管D2并联，二极管D2的负极与电阻R3的另一端连接，二极管D2的正极与发光二极管D3的负极连接，二极管D2的负极、电阻R3的另一端与第一继电器J1的第一控制端连接，二极管D2的正极、发光二极管D3的负极与第一继电器J1的第二控制端连接，形成第五条支路；电阻R4的一端与发光二极管D4的正极连接形成串联再与第一温控开关K1并联，电阻R4的另一端与第一温控开关K1的一端连接，发光二极管D4的负极与第一温控开关K1的另一端连接后，再串联在第一继电器J1的第一控制端，第一温控开关K1的另一端连接第二输入端与第二输出端的连接线上，形成第六条支路；
电阻R7的一端与发光二极管D8的正极连接形成串联再与二极管D7、继电器散热风扇M2并联，二极管D7的负极、继电器散热风扇M2的一端与电阻R7的另一端连接，二极管D7的正极、继电器散热风扇M2的另一端与发光二极管D8的负极连接，二极管D7的负极、电阻R7的另一端、继电器散热风扇M2的一端与第二继电器J2的第一控制端连接，二极管D7的正极、发光二极管D8的负极、继电器散热风扇M2的另一端与第二继电器J2的第二控制端连接，形成第七条支路；电阻R8的一端与发光二极管D9的正极连接形成串联再与第二温控开关K2并联，电阻R8的另一端与第二温控开关K2的一端连接，发光二极管D9的负极与第二温控开关K2的另一端连接后，再串联在第二继电器J2的第一控制端，第二温控开关K2的另一端连接第二输入端与第二输出端的连接线上，形成第八条支路；
电阻R2的一端与装置的输入端连接，形成第九支路；电阻R5的一端连接于第一继电器J1与第二继电器J2的连接线上，形成第十支路；电阻R9的一端与第二继电器J2的第一控制端连接，形成第十一支路；电阻R10的一端、电阻R11的一端分别连接装置的第二输入端、第二输出端分别形成第十二、第十三支路；电阻R2、电阻R5、电阻R9、电阻R10、电阻R11的另一端都与DB9接口的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种超导磁体充放电装置，其特征在于，所述装置装载于4U金属屏蔽壳内。
3.根据权利要求1所述的一种超导磁体充放电装置，其特征在于，所述功率二极管D5分布在散热器上。
4.根据权利要求3所述的一种超导磁体充放电装置，其特征在于，所述散热器上所对应功率二极管D5位置会涂抹导热硅脂。
5.根据权利要求1所述的一种超导磁体充放电装置，其特征在于，所述装置中至少包括一个功率二极管D5，当有多个功率二极管D5时，功率二极管D5成形成S型排布。
6.根据权利要求1所述的一种超导磁体充放电装置，其特征在于，所述装置中至少包括一个二极管散热风扇M1。
7.根据权利要求1所述的一种超导磁体充放电装置，其特征在于，所述装置中至少包括一个继电器散热风扇M2。
8.根据权利要求1所述的一种超导磁体充放电装置，其特征在于，所述装置中至少包括一个第二温控开关K2。
9.根据权利要求1所述的一种超导磁体充放电装置，其特征在于，所述二极管散热风扇M1、继电器散热风扇M2的外部均配有外部金属网。
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