CN109243754B - 电流引线结构及超导磁体 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种电流引线结构及超导磁体，电流引线结构包括固定接头、移动接头以及形变密封组件，密封连接于移动接头与超导磁体外壳之间；形变密封组件在外力作用下产生弹性形变，移动接头在形变力作用下相对超导磁体外壳于与固定接头接触的连接位置、和与固定接头分离的断开位置之间往复。本申请提供的电流引线结构及超导磁体，在励磁和降场时，移动接头移动至与固定接头接通，导通超导线圈与外部回路；在超导线圈闭环完成后，移动接头移动至与固定接头断开，但此时移动接头依旧通过形变密封组件连接于超导磁体外壳上；电流引线结构同时兼顾永久电流引线操作的便捷性和临时电流引线拔出后不会产生额外热传导的优势。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁体技术领域，特别涉及一种电流引线结构及超导磁体。
背景技术
超导是指某些物质在一定温度条件下(一般为较低温度)电阻降为零的性质，利用材料的超导性可制作超导磁体。其中，超导磁体中超导线圈借由电流引线与外部回路导通，以产生磁场并储能。
然而，常见的电流引线有永久电流引线和临时电流引线两种。其中，永久电流引线不论在励磁或降场过程中还是完成任何操作之后，一直保持在磁体内部，因此易产生额外的热传导；而临时电流引线在励磁和降场期间与磁体连接，但在完成后被拔出，如此在使用过程中需要频繁插拔，操作复杂。
发明内容
基于此，提供一种兼顾永久电流引线操作的便捷性和临时电流引线拔出后不会产生额外热传导的电流引线结构及超导磁体。
一种电流引线结构，装配于超导磁体上，所述电流引线结构包括：
固定设置于所述超导磁体中冷屏内部结构和冷屏中一者上的固定接头；
活动设置于所述超导磁体中超导磁体外壳上的移动接头；以及
形变密封组件，密封连接于所述移动接头与超导磁体外壳之间；
其中，所述形变密封组件在外力作用下产生弹性形变，所述移动接头在形变力作用下相对所述超导磁体外壳于与所述固定接头接触的连接位置、和与所述固定接头分离的断开位置之间往复。
在其中一个实施例中，所述移动接头内部开设有用于通入液氮的液氮腔。
在其中一个实施例中，所述移动接头包括伸入所述超导磁体外壳内的连接端及外露所述超导磁体外壳的操作端，所述液氮腔构造为由所述操作端延伸至所述连接端。
在其中一个实施例中，所述液氮腔包括液氮输入通道、冷却腔以及氮气输出通道，所述冷却腔布置于所述连接端与所述固定接头接触的一端，所述液氮输入通道与所述氮气输出通道均连通于外界与所述冷却腔之间。
在其中一个实施例中，所述形变密封组件包括绝缘件及形变件，所述绝缘件密封且绝缘套设于所述移动接头的外周，所述形变件连接于所述绝缘件与所述超导磁体外壳上供所述移动接头伸出的装配孔的孔壁之间。
在其中一个实施例中，所述绝缘件由陶瓷或树脂制成。
在其中一个实施例中，所述形变件包括弹性薄膜及支撑部，所述弹性薄膜连接于所述绝缘件的外缘，所述支撑部连接于所述弹性薄膜与所述超导磁体外壳上所述装配孔的孔壁之间。
在其中一个实施例中，所述弹性薄膜采用具有形变能力的金属不锈钢材料制成。
在其中一个实施例中，所述电流引线结构包括装配于所述超导磁体外壳的辅助连接机构，所述移动接头包括伸入所述超导磁体外壳内的连接端及外露所述超导磁体外壳的操作端；所述操作端沿往复方向可移动地穿设于所述辅助连接机构内。
一种超导磁体，包括超导线圈、用于为所述超导线圈提供超导温度的低温冷却单元以及用于实现所述超导线圈与外部回路导通的电流引线结构；所述低温冷却单元包括超导磁体外壳、冷屏内部结构以及冷屏，所述冷屏设置于所述超导磁体外壳与所述冷屏内部结构之间；所述电流引线结构为上述所述的电流引线结构。
本申请提供的电流引线结构及超导磁体，固定接头和移动接头这两部分的连通或断开是受控的，在励磁和降场时，移动接头移动至与固定接头接通，导通超导线圈与外部回路，类似永久电流引线；在超导线圈闭环完成后，移动接头移动至与固定接头断开，类似临时电流引线，但此时移动接头依旧通过形变密封组件连接于超导磁体外壳上；也就是说，电流引线结构同时兼顾永久电流引线操作的便捷性和临时电流引线拔出后不会产生额外热传导的优势。
附图说明
图1为本发明一实施例中超导磁体的电流引线结构的示意图；
图2a为图1所示超导磁体的一实施例中形变密封组件与移动接头的配合示意图；
图2b为图1所示超导磁体的另一实施例中形变密封组件与移动接头的配合示意图；
图2c为图1所示超导磁体的又一实施例中形变密封组件与移动接头的配合示意图；
图3为本发明另一实施例中超导磁体的电流引线结构的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在两者之间的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在两者之间的元件。
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。
随着科学技术的发展，超导技术在工业和科研中得到更为广泛的应用。具体地，利用超导材料制作的超导磁体可应用于电机、磁悬浮运输、磁共振成像(Magnetic ResonanceImaging，简称：MRI)、核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，简称：NMR)等技术领域。其中，以医用超导磁体为代表，医用超导磁体已成为现代高场MRI系统的重要组成部分，主要作用是为MRI的工作提供高强度、高稳定性的背景磁场，便于实现快速、高对比度和高清晰度的成像。
超导磁体主要由超导线圈、超导开关、低温单元、辅助电路以及电流引线组成。其中，超导线圈通电流产生磁场，为主要储存能量的元件；超导开关保证超导线圈稳定工作于闭环和开环状态，低温单元保证所有需要超导态工作的部件处于超导温度，辅助电路主要完成超导磁体的失超保护等功能，使得超导磁体在失超过程中不会出现高电压或者高温损坏线圈；电流引线用于将超导线圈与外部回路导通，实现超导线圈的励磁及降场。
其中，临时电流引线只在对超导磁体进行操作时使用，如励磁或降场时提供电流通道；当完成既定操作后，会将电流引线与超导磁体分离并拿出。而临时电流引线在与超导磁体内部接头连接过程中(由于从300K环境进入4K环境)，会出现结合处接触不紧密导致结合处电阻大于安全值，从而加大励磁和降场过程中超导磁体失超的风险；同时在临时电流引线与超导磁体内部接头结合过程中还会带入少量空气，尤其是经过多次的操作后，超导磁体内部与电流引线结合处产生结霜甚者结冰，直接引起临时电流引线与超导磁体内部接头结合处电阻值增大，从而加大励磁和降场过程超导磁体失超的风险。
永久电流引线不论在励磁或降场过程中还是完成任何操作之后，是一直保持在超导磁体内部，其一端与超导磁体内部电路相连，另一端在超导磁体外部用以和电源电缆相连。即永久电流引线会一直与超导磁体内部电路相连，与外部电路连接时不存在从300K进入4K这一过程，可以避免临时电流引线带来的不利因素，便于随时对超导磁体进行励磁及降场等操作。永久电流引线既要保证低电阻避免通电流后发热过大，又要保证小的热传导率避免漏热过大。
为解决上述临时电流引线与永久电流引线存在的上述问题，本发明提供一种半永久式的电流引线结构，以解决上述问题。
为了便于理解，首先就超导磁体的结构进行简单介绍。由于低温超导磁体必须运行在4K(-269℃)左右的低温温区。因此，为维持低温超导磁体的工作环境，通常将低温超导磁体设计成一个高真空、高绝热性能的杜瓦容器。
其中，杜瓦容器包括冷屏内部结构、超导磁体外壳以及冷屏。冷屏内部结构内充满氦气及液氦，超导磁体中超导线圈浸于液氦内。超导磁体外壳设置在冷屏内部结构外部，并与冷屏内部结构之间形成双层壁结构。同时，在壁间抽成高真空以减小气体的传热，双层壁相对的两个表面镀银或抛光以降低辐射率，从而使辐射传热尽可能地减小。冷屏(50K环境)设置于冷屏内部结构与超导磁体外壳之间，并在冷屏外缠绕多层高分子绝热膜，用于尽量减少超导磁体外壳(外部为室温300K)向冷屏内部结构(4K环境)的热辐射(即漏热)。
图1示出了本发明一实施例中的电流引线结构的结构示意图；为便于描述，附图仅示出了与本发明实施例相关的结构。
请参看图1，本发明一实施例中，电流引线结构100装配于超导磁体上，用于将超导线圈与外部回路导通，以产生磁场，实现超导线圈的储能。电流引线结构100包括固定接头10、移动接头30以及形变密封组件50。
其中，固定接头10固定设置于超导磁体中冷屏内部结构200和冷屏中一者上，移动接头30活动设置于超导磁体中超导磁体外壳400上，形变密封组件50密封连接于移动接头30与超导磁体外壳400之间。形变密封组件50在外力作用下产生弹性形变，移动接头30在形变力作用下相对超导磁体外壳400于与固定接头10接触的连接位置、和与固定接头10分离的断开位置之间往复。
也就是说，电流引线结构100被分为两个部分，一部分固定设置于超导磁体内部(即固定接头10)，另一部分通过形变密封组件50可活动但始终连接于超导磁体上(即移动接头30)。如此，移动接头30通过形变密封组件50在不从超导磁体上拔出来的情况下，亦可与固定接头10可分离的接触，从而实现移动接头30在对超导磁体进行操作时与固定接头10电导通，如励磁或降场时；而当完成既定操作后，将移动接头30与固定接头10分离而不从超导磁体上拔出即可。
本申请中电流引线结构100同时兼顾永久电流引线操作的便捷性和临时电流引线拔出后不会产生额外热传导的优势，相当于半永久式。固定接头10和移动接头30这两部分的连通或断开是受控的，在励磁和降场时，移动接头30移动至与固定接头10接通(连接位置)，导通超导线圈与外部回路，类似永久电流引线；在超导线圈闭环完成后，移动接头30移动至与固定接头10断开(断开位置)，类似临时电流引线，但此时移动接头30依旧通过形变密封组件50连接于超导磁体外壳400上。
相较于传统永久电流引线，本申请中半永久的电流引线结构100在操作结束后，移动接头30会在超导磁体内部与固定接头分隔，即处于真空环境下的非接触状态，切断了电流引线结构100这一从300K环境向4K环境的热量传输通道，避免漏热。而相较于传统临时电流引线，本申请中半永久的电流引线结构100在操作过程中无需反复插拔(即无需每次由于从300K环境进入4K环境)，因此不存在临时电流引线插拔过程中的结霜现象，同样保证了接触电阻低于设计的安全值，确保发热在可控范围内。
在本具体实施例中，固定接头10设置于冷屏(50K环境)上，移动接头30设置于超导磁体外壳400(300K环境)上，且两者在超导磁体外壳400(300K组件)与冷屏(50K组件)之间的真空环境下离合，设计的接触面积可以远远大于通常使用的临时电流引线接头的接触面积，有效的保证了接触电阻低于安全电阻值。
具体地，移动接头30包括连接端31及操作端33。超导磁体外壳400上开设装配孔401，连接端31经装配孔401伸入超导磁体外壳400内部，用于与固定接头10可分离地接触。而操作端33经装配孔401外露超导磁体外壳400外部，用于供用户或外部设备进行施力控制，以带动连接端31与固定接头10接触或分离。
形变密封组件50包括绝缘件51及形变件53。绝缘件51密封且绝缘套设于移动接头30的外周，形变件53连接于绝缘件51与超导磁体外壳400上供移动接头30伸出的装配孔401的孔壁之间，用于为移动接头30的移动提供形变空间。在本具体实施例中，为了形成真空环境，绝缘件51由陶瓷或树脂制成。
请参看图2a-图2c，形变件53包括弹性薄膜530及支撑部532，弹性薄膜530连接于绝缘件51的外缘，支撑部532连接于弹性薄膜530与超导磁体外壳400上装配孔401的孔壁之间。
其中，形变件53的设计、选料、厚度以及尺寸均与其自身形状有关。当对移动接头30施加力使其和固定接头10连接时，形变件53既要在力的作用下完成有效位移变形确保移动接头30与固定接头10的有效连接，同时要保证形变件53的变形是处在其安全的弹性变形内。而形变件53结构位移响应可通过有限元方法求解结构总体刚度矩阵平衡方程(1)得出。
K·q＝P (1)
其中：K是结构总体单元刚度矩阵
q是结构总体节点位移矢量
P是结构总体等效外载荷矢量。
在考虑给不同结构设置相同的材料、几何参数、施加相同的载荷以及边界条件，用其基于有限元分析结果进行优化，找到满足该应用的参数。下面以三种不同结构的形变件53为例进行说明，但形变件53的形状及结构包括但不限于上述三种中的示例，凡使用类似该结构的应用，均属于此发明的范畴。
请参看图2a，在其中一个实施例中，形变件53大体呈环形圆盘结构，弹性薄膜530与支撑部532在未发生形变时，位于同一平面内。其中，弹性薄膜530位于圆盘结构内周并与绝缘件51的外缘连接，而支撑部532连接于弹性薄膜530的外周。
请参看图2b，在其中另一个实施例中，形变件53大体呈开口朝向冷屏的倒碗结构，弹性薄膜530位于倒碗结构内周并与绝缘件51的外缘连接，而支撑部532连接于弹性薄膜530的外周。
请参看图2c，在其中又一个实施例中，形变件53大体呈开口朝向超导磁体外壳400的碗结构，弹性薄膜530位于碗结构内周并与绝缘件51的外缘连接，而支撑部532连接于弹性薄膜530的外周。
在上述三个实施例中，绝缘件51可选用具有焊接边的大电流功率馈通元件，弹性薄膜530可通过真空密封胶、陶瓷密封或焊接等方式与绝缘件51的焊接边连接。同时，弹性薄膜530与支撑部532两者可采用同一材质一体或分体设置，亦可采用两种不同材质一体或分体设置，在此不作限定。在本具体实施例中，弹性薄膜530采用具有形变能力的无磁性材料制成，例如铝合金、钛合金等。对应的，支撑部532可采用与弹性薄膜530相同的，具有形变能力的金属不锈钢材料制成；亦可采用具有形变能力，但又与弹性薄膜530不同的材料制成，甚至支撑部532还可采用钢性(不具形变能力)的材料制成，只需实现移动接头30至少可在弹性薄膜530的形变力作用下移动即可，在此均不作限定。此外，为了便于工艺成型与制作，形变件53优选采用与超导磁体外壳400机同的材料制成。
请重新参看图1，电流引线结构100还包括装配于超导磁体外壳400的辅助连接机构70，移动接头30中操作端33沿往复方向可移动地穿设于辅助连接机构70内。其中，辅助连接机构70用于为移动接头30的装配提供支撑，且同时为移动接头30的往复运动提供导向。同时，辅助连接机构70的结构可以为装配于超导磁体外壳400上位于装配孔401外周的套筒，亦可为其它支撑导向结构，在此不作限定。
请参看图3，在其中另一个实施例中，移动接头30内部开设有用于通入液氮的液氮腔，用于对移动接头30进行冷却，降低电流引线结构100在通电过程中的发热。
具体地，液氮腔构造为由操作端33延伸至连接端31，从而通过液氮的输入对整个移动接头30进行降温。在本具体实施例中，液氮腔包括液氮输入通道350、冷却腔352以及氮气输出通道354，冷却腔352布置于连接端31与固定接头10接触的一端，液氮输入通道350与氮气输出通道354均连通于外界与冷却腔352之间。也就是说，由液氮输入通道350输入的液氮进行冷却腔352后，对移动接头30进行冷却降温；受热后形成的氮气经氮气输出通道354排出，从而使液氮在移动接头30内部循环，以达到降温冷却的效果。
本申请中提供的电流引线结构100，具有以下有益效果：
1、操作便捷，本申请中半永久电流引线结构100兼顾永久电流引线的便捷性，需要连通时只需要简单连接操作便可以使用，不存在临时电流引线的反复插拔的问题；
2、使用过程发热低，本申请中半永久电流引线结构100的移动接头30与固定接头10的结合处可以通过扩大接触面积来降低接触电阻，减少发热；同时不存在临时电流引线插拔过程中的结霜现象，同样有效保证接触电阻低于设计的安全值，控制发热；
3、通过在电流引线结构100内部充入液氮降温，降低电流引线结构100在通电过程中发热引起的温度上升；
4、降低使用过程的热传导，本申请中半永久电流引线结构100在励磁及降场过程完成后，电流引线结构100中移动接头30与固定接头10会在超导磁体真空腔内部断开，切断了热传导通道，大大减少了从300K环境向4K环境的热传导。
本发明实施例一提供的超导磁体，因其具有上述电流引线结构100全部的技术特征，故具有与上述电流引线结构100相同的技术效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种电流引线结构，装配于超导磁体上，其特征在于，所述电流引线结构包括：
固定设置于所述超导磁体中冷屏内部结构和冷屏中一者上的固定接头；
活动设置于所述超导磁体中超导磁体外壳上的移动接头；所述移动接头内部开设有用于通入液氮的液氮腔；以及
形变密封组件，密封连接于所述移动接头与超导磁体外壳之间；
其中，所述形变密封组件在外力作用下产生弹性形变，所述移动接头在形变力作用下相对所述超导磁体外壳于与所述固定接头接触的连接位置、和与所述固定接头分离的断开位置之间往复；
所述形变密封组件包括绝缘件及形变件，所述绝缘件密封且绝缘套设于所述移动接头的外周，所述形变件连接于所述绝缘件与所述超导磁体外壳上供所述移动接头伸出的装配孔的孔壁之间。
2.根据权利要求1所述的电流引线结构，其特征在于，所述移动接头包括伸入所述超导磁体外壳内的连接端及外露所述超导磁体外壳的操作端，所述液氮腔构造为由所述操作端延伸至所述连接端。
3.根据权利要求2所述的电流引线结构，其特征在于，所述液氮腔包括液氮输入通道、冷却腔以及氮气输出通道，所述冷却腔布置于所述连接端与所述固定接头接触的一端，所述液氮输入通道与所述氮气输出通道均连通于外界与所述冷却腔之间。
4.根据权利要求1所述的电流引线结构，其特征在于，所述绝缘件由陶瓷或树脂制成。
5.根据权利要求1所述的电流引线结构，其特征在于，所述形变件包括弹性薄膜及支撑部，所述弹性薄膜连接于所述绝缘件的外缘，所述支撑部连接于所述弹性薄膜与所述超导磁体外壳上所述装配孔的孔壁之间。
6.根据权利要求5所述的电流引线结构，其特征在于，所述弹性薄膜采用具有形变能力的无磁性金属材料。
7.根据权利要求1所述的电流引线结构，其特征在于，所述电流引线结构包括装配于所述超导磁体外壳的辅助连接机构，所述移动接头包括伸入所述超导磁体外壳内的连接端及外露所述超导磁体外壳的操作端；所述操作端沿往复方向可移动地穿设于所述辅助连接机构内。
8.一种超导磁体，其特征在于，包括超导线圈、用于为所述超导线圈提供超导温度的低温冷却单元以及用于实现所述超导线圈与外部回路导通的电流引线结构；所述低温冷却单元包括超导磁体外壳、冷屏内部结构以及冷屏，所述冷屏设置于所述超导磁体外壳与所述冷屏内部结构之间；所述电流引线结构为上述权利要求1-7任意一项所述的电流引线结构。
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