CN111627640A - 用于使用双冷却路径来冷却超导开关的系统和方法 - Google Patents

用于使用双冷却路径来冷却超导开关的系统和方法 Download PDF

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白烨
武安波
徐民风
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Abstract

本发明涉及用于使用双冷却路径来冷却超导开关的系统和方法。提出了一种持续电流开关系统。持续电流开关系统的一个实施例包括具有绕组单元和双冷却路径的真空室。双冷却路径构造成使冷却剂流循环。双冷却路径由第一冷却路径和第二冷却路径限定。第一冷却路径包括设置成与绕组单元直接接触的固体热构件，并且第二冷却路径包括冷却管，该冷却管设置成与绕组单元直接接触并且构造成使冷却剂在冷却管中循环。双冷却路径将绕组单元的温度冷却成低于阈值温度，以使持续电流开关系统从第一模式转换到第二模式。还公开了一种用于冷却持续电流开关系统中的绕组单元的方法和一种包括双冷却路径的切换系统。

Description

用于使用双冷却路径来冷却超导开关的系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及超导系统，且更具体地涉及用于当在低温环境中在电阻模式与超导模式之间操作时冷却持续电流开关的系统和方法。
背景技术
超导磁体用于诸如但不限于超导发电机和电动机、用于医疗诊断的磁共振成像(MRI)系统、用于火车运输和核聚变的磁悬浮装置的多种设备中。
超导磁体用于在超导设备中产生磁场。在一些方法中，来自电源的电流持续地施加到超导磁体以产生磁场。然而，这样的强磁场的产生需要持续供应在数百安培的范围中的电流。电流向超导磁体的这种持续供应增加了超导设备的运行成本。
另一方面，在某些其它技术中，超导磁体被激励以在持续电流模式下操作，在该模式下，电流在没有来自电源的任何电流供应的情况下在超导回路中持续地流动。最初，外部供电装置用于激励一个或多个超导导电线圈的磁场。在获得期望的磁场并且供电装置与磁体断开之后，磁体通过持续电流开关而维持电流和磁场，该持续电流开关并联联接到超导磁体和电源。持续电流开关从正常状态交替地切换到超导状态，以使超导磁体在持续电流模式下操作。这些技术广泛用于诸如超导发电机、电动机和MRI系统的磁性装置中。然而，当使持续电流开关在正常状态下操作时，在持续电流开关处产生一定量的热。合乎期望的是，使这种热从持续电流开关最佳地耗散，以在超导系统中的致冷剂不会高度汽化的情况下使开关从正常状态转换到超导状态。
在常规的系统中，超导磁体容纳在氦容器中，该氦容器包含大约2000升液态氦(He)。此外，持续电流开关配合在超导磁体周围，其中持续电流开关浸没在这种氦容器中。由于这种布置采用具有数千升液态He的大型容器，故该布置不仅制造起来昂贵，而且运输起来且在期望的位置(例如诊断中心)处安装起来笨重。另外，在完成一直到客户的行进(ride)之后，再填充数千升液态He以用于递送到远程位置可为不方便的。
此外，这些系统中的液态He可有时在骤冷(quench)事件期间汽化。汽化的氦从磁性线圈浸没在其中的致冷剂浴逸出。因此，各个骤冷事件之后是液态He的再填充和磁体的再倾斜，这是昂贵且耗时的事件。
另一方面，传导冷却磁体系统需要比常规系统更少的氦库存。然而，当持续电流开关主体处于关断状态(正常状态)时，设计温度高，且因此从关断状态到接通状态(超导状态)的冷却时间变得更长。这种长的冷却时间对于系统操作而言并不是优选的。为了减少冷却下来的时间，人们可增加热传导路径的传导率，然而，这将在开关处于关断状态(和更高的温度)以用于超导线圈倾斜时将过量的热传导至低温罐。在超导线圈的斜升期间，来自持续电流开关的过量的热传导可在完成斜升之前消耗所有存储的液态致冷剂(例如，液态氦)。
因此，需要一种超导开关和冷却方法，其提供增加的开关冷却速率、增加的系统可靠性和减小的系统热不稳定性。
发明内容
本公开的方面和优点下面在以下描述中得到阐述，或可根据描述而为显然的，或可通过实践本公开而了解。
简要地，根据本技术的一个方面，提出了一种持续电流开关系统。该持续电流开关包括真空室、设置在真空室中的绕组单元、第一冷却路径和第二冷却路径。绕组单元构造成当与绕组单元相关联的温度低于阈值温度时使持续电流开关系统从第一模式切换到第二模式。第一冷却路径包括与绕组单元直接接触的固体热构件。第二冷却路径包括冷却管，该冷却管设置成与绕组单元直接接触，并且构造成使冷却剂在冷却管中循环。第一冷却路径和第二冷却路径限定双冷却路径，以将绕组单元的温度冷却成低于阈值温度，以使持续电流开关系统从第一模式转换到第二模式。
根据本技术的另外的方面，一种用于冷却持续电流开关中的绕组单元的方法。该方法包括：将绕组单元和双冷却路径设置在真空室内；通过将绕组单元的温度降低成低于阈值温度而使持续电流开关系统从第一模式切换到第二模式；以及通过停止冷却剂在冷却管中的循环因此将绕组单元的温度升高成高于阈值温度而使持续电流开关系统从第二模式转换到第一模式。绕组单元热耦合到双冷却路径。双冷却路径包括第一冷却路径和第二冷却路径。第一冷却路径包括直接连接到绕组单元的固体热构件。第二冷却路径包括冷却管，该冷却管直接连接到绕组单元并具有设置在冷却管中的冷却剂。通过使冷却剂在冷却管中循环并通过利用固体热构件直接冷却以从绕组单元移除热而使温度降低成低于阈值温度。
根据本技术的另一方面，提出了一种切换系统。该切换系统包括：持续电流开关，其包括持续电流开关系统；以及超导磁体，其联接到持续电流开关系统，其中超导磁体构造成基于切换而生成磁场。持续电流开关设置在低磁场区域中，并构造成在第一模式与第二模式之间交替地切换。持续电流开关包括真空室、设置在真空室中的绕组单元、第一冷却路径和第二冷却路径。绕组单元构造成当与绕组单元相关联的温度低于阈值温度时使持续电流开关系统从第一模式切换到第二模式。第一冷却路径包括设置成与绕组单元直接接触的固体热构件。第二冷却路径包括冷却管，该冷却管设置成与绕组单元直接接触，并且构造成使冷却剂在冷却管中循环。第一冷却路径和第二冷却路径限定双冷却路径，以将绕组单元的温度冷却成低于阈值温度，以使持续电流开关系统从第一模式转换到第二模式。
技术方案1. 一种持续电流开关系统，包括：
真空室；
绕组单元，其设置在所述真空室中，并且构造成当与所述绕组单元相关联的温度低于阈值温度时使所述持续电流开关系统从第一模式切换到第二模式；
第一冷却路径和第二冷却路径，所述第一冷却路径包括与所述绕组单元直接接触的固体热构件，所述第二冷却路径包括冷却管，所述冷却管设置成与所述绕组单元直接接触，并且构造成使冷却剂在所述冷却管中循环，所述第一冷却路径和所述第二冷却路径限定双冷却路径，以将所述绕组单元的所述温度冷却成低于所述阈值温度，以使所述持续电流开关系统从所述第一模式转换到所述第二模式。
技术方案2. 根据技术方案1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述持续电流开关系统进一步包括流控制构件，所述流控制构件设置成控制所述冷却剂在所述冷却管中的流。
技术方案3. 根据技术方案2所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述流控制构件是低温阀。
技术方案4. 根据技术方案3所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述低温阀是闭锁阀。
技术方案5. 根据技术方案2所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述流控制构件是孔口流限制器。
技术方案6. 根据技术方案1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述持续电流开关系统进一步包括设置成吸收所述冷却剂中的热的缓冲团块和蒸发气体缓冲罐中的至少一个。
技术方案7. 根据技术方案1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述冷却管使所述冷却剂在所述冷却管中循环以吸收由所述绕组单元生成的热。
技术方案8. 根据技术方案1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述固体热构件包括导热金属杆、导热金属板和导热金属棒中的一个，其与所述绕组单元和所述冷却管中的各个直接接触。
技术方案9. 根据技术方案1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述持续电流开关系统进一步包括额外的冷却管，所述额外的冷却管设置成与所述固体热构件直接接触，并且构造成使冷却剂在所述额外的冷却管中循环。
技术方案10. 根据技术方案1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述冷却管包括：
入口，其联接到冷却剂贮存器并且构造成从所述冷却剂贮存器接收所述冷却剂；以及
出口，其联接到所述冷却剂贮存器并且构造成将蒸发的冷却剂从所述冷却管输送到所述冷却剂贮存器。
技术方案11. 根据技术方案1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述入口构造成当所述绕组单元高于所述阈值温度时从所述冷却剂贮存器接收所述冷却剂，并且其中，所述出口构造成将所述蒸发的冷却剂输送到所述冷却剂贮存器。
技术方案12. 根据技术方案1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述冷却剂包括液态氦(LHe)、液态氢(LH2)、液态氖(LNe)和液态氮(LN2)中的至少一种。
技术方案13. 一种用于冷却持续电流开关系统中的绕组单元的方法，所述方法包括：
将绕组单元和双冷却路径设置在真空室内，所述绕组单元热耦合到所述双冷却路径，所述双冷却路径包括第一冷却路径和第二冷却路径，其中，所述第一冷却路径包括直接连接到所述绕组单元的固体热构件，并且所述第二冷却路径包括冷却管，所述冷却管直接连接到所述绕组单元并具有设置在所述冷却管中的冷却剂；
通过将所述绕组单元的温度降低成低于阈值温度而使所述持续电流开关系统从第一模式切换到第二模式，其中，通过使所述冷却剂在所述冷却管中循环并通过利用所述固体热构件直接冷却以从所述绕组单元移除热而使所述温度降低成低于所述阈值温度；以及
通过停止所述冷却剂在所述冷却管中的所述循环因此将所述绕组单元的所述温度升高成高于所述阈值温度而使所述持续电流开关系统从所述第二模式转换到所述第一模式。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，使所述冷却剂在所述冷却管中循环包括使所述冷却剂循环以将所述绕组单元的所述温度降低成低于所述阈值温度。
技术方案15. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述冷却剂构造成吸收由所述绕组单元生成的热以将所述绕组单元的所述温度降低成低于所述阈值温度。
技术方案16. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括从冷却剂贮存器接收所述冷却剂以使所述持续电流开关系统从第一模式切换到第二模式。
技术方案17. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括经由再冷凝器而将蒸发的所述冷却剂从所述冷却管输送到所述冷却剂贮存器。
技术方案18. 一种切换系统，包括：
持续电流开关系统，其设置在低磁场区域中并且构造成在第一模式与第二模式之间交替地切换，其中，所述持续电流开关系统包括：
真空室；
绕组单元，其设置在所述真空室中，并且构造成当与所述绕组单元相关联的温度低于阈值温度时使所述持续电流开关系统从第一模式切换到第二模式；
第一冷却路径和第二冷却路径，所述第一冷却路径包括设置成与所述绕组单元直接接触的固体热构件，所述第二冷却路径包括冷却管，所述冷却管设置成与所述绕组单元直接接触，并且构造成使冷却剂在所述冷却管中循环，所述第一冷却路径和所述第二冷却路径限定双冷却路径，以将所述绕组单元的所述温度冷却成低于所述阈值温度，以使所述持续电流开关系统从所述第一模式转换到所述第二模式；以及
超导磁体，其联接到所述持续电流开关系统，其中，所述超导磁体构造成基于所述持续电流开关系统在所述第一模式与所述第二模式之间的所述切换而生成磁场。
技术方案19. 根据技术方案18所述的切换系统，其特征在于，所述切换系统进一步包括流控制构件，所述流控制构件设置成控制所述冷却剂在所述冷却管中的流。
技术方案20. 根据技术方案18所述的切换系统，其特征在于，所述固体热构件和所述绕组单元各自与所述冷却剂热连通以吸收由所述绕组单元生成的热。
参考以下描述和所附权利要求书，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成本说明书的部分的附图例示了本公开的实施例，并与描述一起用于阐释本公开的原理。
附图说明
在说明书的剩余部分(包括对附图的参考)中更特别地阐述了针对本领域技术人员的本公开的完整且可行的公开(包括其最佳模式)，在附图中：
图1是根据本公开的一个或多个实施例的包括双冷却路径的持续电流开关系统的示意性横截面侧视图；
图2是根据本公开的一个或多个实施例的包括双冷却路径的持续电流开关系统的示意性横截面侧视图；
图3是根据本公开的一个或多个实施例的包括双冷却路径的持续电流开关系统的示意性横截面侧视图；
图4是根据本公开的一个或多个实施例的利用固体冷却路径的持续电流开关冷却系统与利用双冷却路径的持续电流开关系统的图形比较；以及
图5是例示根据本公开的一个或多个实施例的用于使包括双冷却路径的持续电流开关在第一模式或正常状态与第二模式或超导状态之间交替地切换的方法的流程图。
遍及附图中的若干视图，对应的参考字符指示对应的部分。
具体实施方式
下面将描述本公开的一个或多个具体实施例。在提供这些实施例的简明描述的努力中，在说明书中可未描述实际实施方式的所有特征。应当认识到，在任何这样的实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须作出许多特定于实施方式的决定以实现开发者的特定目标，诸如顺从与系统相关和与商业相关的约束，这可从一个实施方式到另一实施方式而变化。此外，应当认识到，这样的开发努力可为复杂且耗时的，但对于受益于本公开的普通技术人员而言，这将仍然是设计、制备和制造的常规任务。
当介绍本发明的多种实施例的元件时，冠词“一”、“一种”、“该”和“所述”旨在意味着存在元件中的一个或多个。用语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且意味着除了列出的元件之外，还可存在额外的元件。
本公开的实施例提供了一种具有增加的冷却速率的超导开关。特别地，本公开的实施例提供了一种超导开关系统，并且更特别地提供了一种持续电流开关，其利用双冷却路径来提供持续电流开关的增加的冷却速率。
各个示例通过对本公开的阐释而非对本公开的限制的方式来提供。事实上，对于本领域技术人员而言将为明显的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可在本公开中作出修改和变型。例如，作为一个实施例的部分而例示或描述的特征可用于另一实施例上以产生另外的其它实施例。因此，本公开旨在涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。尽管出于例示的目的，总体上将在超导发电机和电动机的背景下描述本公开的示例性实施例，但本领域普通技术人员将容易认识到，本公开的实施例可与用于加热和/或冷却的任何构件(诸如与CT扫描仪、MRI系统等相关联的构件)组合来使用，并且不旨在限于具有超导构件的冷却实施方式。
如将在下文中详细地描述的，提出了包括双冷却路径的示例性持续电流开关系统的多种实施例和用于冷却持续电流开关以在第一模式与第二模式之间交替地切换的方法。通过采用下文中所描述的方法以及持续电流开关和开关系统的多种实施例，可显著地减小磁性装置的尺寸、制造成本、安装成本、实现切换的冷却时间和运行磁性装置的成本。
现在转到附图并参考图1，描绘了根据本技术的方面的持续电流开关系统10的横截面侧视图。持续电流开关系统10可构造成在第一模式与第二模式之间交替地切换。第一模式可表示正常状态，其中持续电流开关绕组单元(目前所描述的)提供高电阻。类似地，第二模式可表示超导状态，其中持续电流开关绕组单元提供零电阻。可注意到，用语“正常状态”、“电阻状态”和“第一模式”可互换地使用，并且用语“超导状态”和“第二模式”可互换地使用。持续电流开关系统10典型地用于使超导磁体98在持续电流模式下操作。
在目前设想的构造中，持续电流开关系统10包括真空室12、绕组单元14(在本文中也被称为“开关”)、双冷却路径16和贮存器18。真空室12可作为单元而设置在诸如超导发电机或电动机的磁性装置中。真空室12已在其中限定真空空间13。可注意到，持续电流开关系统10的实施方式不限于该实施方式，并且可在其它装置(诸如其它类型的超导电机、超导磁体能量存储系统、MRI系统等)中实施。在一个实施例中，真空室/环境可已经存在于系统中，并且磁体和持续电流开关系统可在现有的真空环境中实施。
在操作期间，并且可选地借助于加热器(未示出)，绕组单元14的温度被加热成高于阈值温度。阈值温度可表示为绕组单元14的临界设计温度，高于该温度，绕组单元14从超导状态转换到正常或电阻状态。
在目前设想的构造中，持续电流开关系统10构造成使绕组单元14在正常状态与超导状态之间交替地切换。在示例性实施例中，绕组单元14可为缠绕在线轴等的外圆周上的线状结构。在一个实施例中，绕组单元14可双线缠绕在线轴上，以使绕组单元14的电感最小。
绕组单元14和双冷却路径设置在真空室12中，并且更特别地设置在真空空间13内。双冷却路径16构造成将绕组单元14冷却成低于阈值温度。为了提供这样的冷却，双冷却路径16热耦合到绕组单元14，并且构造成将绕组单元14的温度冷却成低于阈值温度(Tc)，以使绕组单元14从第一模式转换到第二模式。双冷却路径16由第一冷却路径20和第二冷却路径22构成。第一冷却路径20构造为固体冷却路径，其中固体热构件24热耦合到绕组单元14和冷却管26两者。更特别地，固体热构件24与绕组单元14和冷却管26两者直接接触。在实施例中，固体热构件24的第一端部23与绕组单元14直接接触，并且固体热构件24的相反的第二端部25与冷却管26直接接触。与第一冷却路径20形成对比，第二冷却路径22不采用固体热构件，并且构造为管冷却路径，该管冷却路径将冷却管26设置成热耦合到绕组单元14，并且更特别地，将冷却管26设置成与绕组单元14直接接触。
在开关冷却过程(目前所描述的)期间，冷却管26构造成使冷却剂28在冷却管26中循环。冷却剂28可包括液态氦LHe、液态氢(LH2)、液态氖(LNe)或液态氮(LN2)。在一个实施例中，绕组单元14可为低温超导体、中温超导体或高温超导体。并且，可基于用于绕组单元14的超导体的类型来选择冷却剂。例如，具有低温超导体的持续电流开关系统可采用液态氦(LHe)来作为冷却剂。类似地，对于中温超导体而言，LHe、液态氖(LNe)或液态氢(LH2)可用作冷却剂。此外，对于高温超导体而言，LNe或液态氮(LN2)可在系统中用作冷却剂。
如先前所指示的，在示例性实施例中，双冷却路径16构造成以加速的速度来将绕组单元14的温度降低成低于阈值温度，该加速的速度比通过仅使用单个冷却路径而实现冷却的速度更快。根据实施例，第一冷却路径20的固体热构件24可为任何导热构件，诸如金属板、杆或棒。在实施例中，固体热构件24可为例如黄铜、铝和/或铜板、杆或棒。如先前所描述的，固体热构件24与绕组单元14和冷却管26直接接触。固体热构件25提供热从绕组单元14到冷却管26中的冷却剂28的传导。如先前所描述的，绕组单元14与冷却管26直接接触，并提供热从绕组单元14到冷却管26中的冷却剂28的传导。
冷却管26可包括在冷却管26的一个端部处的入口30和在另一个端部处的出口32。此外，入口30操作性地联接到贮存器18的出口34。可注意到，用语“贮存器”和“冷却剂贮存器”可以可互换地使用。入口30构造成从贮存器18接收冷却剂28。冷却管26在其中限定通道36，通道36操作性地联接冷却管26和贮存器18，以将冷却剂28从贮存器18输送通过冷却管26，以用于冷却绕组单元14。流控制构件38沿着冷却管26设置，以调节冷却剂28从贮存器18通过冷却管26的流。在一个实施例中，流控制构件40是低温阀40(诸如闭锁阀)，其能够控制冷却剂28在冷却管26内的流，并且因此控制从绕组单元14移除热的速率。在实施例中，低温阀40除了在阀状态在打开与关闭状态之间(且反之亦然)改变期间的瞬时热之外不生成热。在一个实施例中，冷却管26的入口30构造成当绕组单元14接通(超导状态)时从贮存器18接收冷却剂28。贮存器18也可被称为用于存储冷却剂28和/或使冷却剂28冷凝的存储单元。在某些实施例中，贮存器18可包括释放阀(未示出)。释放阀可构造成帮助控制贮存器18内的任何压力积聚。释放阀可构造成自动地和/或人工地释放贮存器18内的任何压力积聚。
以类似的方式，冷却管26操作性地联接到再冷凝器46的入口44，并且构造成将蒸发的冷却剂28从冷却管26输送到贮存器18。在所例示的实施例中，再冷凝器46联接到低温冷却器48。再冷凝器的出口52联接到贮存器18。冷却管26的出口32构造成当绕组单元14关断(正常状态)时经由再冷凝器46而将蒸发的冷却剂28从冷却管26输送到贮存器18。
超导(SC)开关(且更特别地，绕组单元14)典型地在磁体倾斜过程期间在电阻状态下在远高于临界温度的温度(例如50K – 60K)下操作。在磁体通电至全电流并打开流控制构件38之后，绕组单元14被冷却(至超导状态)。在该冷却过程期间，冷却剂28在其返回到低温冷却器贮存器18之前将汽化并被加热。为了使被加热的冷却剂28对冷却管26和绕组单元14的潜在影响最小，可选的缓冲团块(mass)(诸如铜块、铜和环氧树脂复合材料等)50和/或可选的蒸发气体缓冲罐56热附接到冷却管26的返回路径，以冷却蒸发的冷却剂28并降低其对总体冷却系统的影响。在图1的实施例中，可选的缓冲团块50设置在绕组单元14与再冷凝器46之间，以避免当流控制构件38打开以用于开关冷却时过于迅速地对再冷凝器46进行加热。在另一实施例中，返回气体(且更特别地，蒸发的冷却剂28)可进入设置在绕组单元14与再冷凝器46之间的蒸发气体缓冲罐56。
如先前所注意到的，在常规的浴冷却系统中，持续电流开关典型地浸没在包含液态He的冷却剂容器中。当冷却开关时，液态He蒸发，并可从系统排出到外部环境。此外，为了补偿这种排出的液态He，利用新的液态He来再填充冷却剂容器，这是昂贵且耗时的事件。另外，这种布置需要数升液态He来再填充冷却剂容器。当前可用的持续电流开关的这些缺点中的一些或所有可经由使用与示例持续电流开关系统10一致的实施例来避免，该示例持续电流开关系统10结合所公开的双冷却路径16。
根据本技术的方面，来自冷却管26的蒸发的冷却剂28被输送到再冷凝器46，在再冷凝器46中，蒸发的冷却剂28再冷凝，并被输送回到贮存器18，并最终被输送回到冷却管26。蒸发的冷却剂28的这种再冷凝或再循环基本上使针对再填充冷却剂贮存器18的需要最少或在一些情况下消除针对再填充冷却剂贮存器18的需要，这继而减小了贮存器18的尺寸和重量。并且，由于冷却剂再冷凝并在冷却管26中再次使用，故可避免在系统中使用数升的冷却剂。这继而减小了系统的制造成本和重量。
可注意到，假定持续电流开关系统10在开始时在正常状态下操作。正常状态表示绕组单元14向超导磁体提供高电阻的状态。并且，为了使持续电流开关系统10在正常状态下操作，绕组单元14的温度维持高于阈值温度。
为了使持续电流开关系统10从正常状态切换到超导状态，绕组单元14(且更特别地，可选的相关联的加热单元(未示出))断电或关断，并且冷却管26利用从贮存器18接收的冷却剂28来填充。冷却剂28在冷却管26中循环，以经由第一冷却路径20和第二冷却路径22而将绕组单元14的温度维持和/或降低成低于阈值温度或临界温度。在冷却过程期间，冷却管26与固体热构件24和绕组单元14直接热接触，并且经由双冷却路径16而提供从绕组单元14进行的热吸收。如果绕组单元14的温度低于阈值温度，则绕组单元14从正常状态切换到超导状态。如先前所注意到的，超导状态可表示绕组单元14向超导磁体提供零电阻的状态。绕组单元14的这种零电阻有助于形成持续的回路，其中在没有来自电源(图1中未示出)的任何另外的电流供应的情况下，电流在绕组单元14与超导磁体之间循环。在一个实施例中，当持续电流开关系统10在超导状态下操作时，可注意到，持续电流开关系统10上的外部热负荷相对小。外部热负荷的来源可包括热辐射。可在持续电流开关系统10的周围使用MLI-扩展多层绝缘来进一步减小这种小的热负荷。在另一实施例中，持续电流开关系统10可为具有其自身贮存器的独立实体，并且可在真空空间13中放置在超导磁体周围的任何地方。
典型地，如果绕组单元14的温度低于阈值温度，则持续电流开关系统10在超导状态下操作。否则，持续电流开关系统10在正常状态下操作。为了使持续电流开关系统10从超导状态切换到正常状态，关闭流通地设置在冷却管26中的流控制构件38。流控制构件38被设计成阻挡或阻塞冷却剂28从贮存器18通过冷却管26的流，并且还防止冷却剂28从冷却管26到贮存器18的回流。在绕组单元14的操作或加热期间，绕组单元14的温度提高或升高成高于阈值温度。绕组单元14的这种升高的温度使持续电流开关系统10从超导状态转换到正常状态。
在持续电流开关系统10(且更特别地，绕组单元14)到正常状态的转换期间，蒸发的冷却剂28经由冷却管出口32而从冷却管26被输送出，以经由再冷凝器46的入口44和出口52以及贮存器的入口54而到达贮存器18。在一个实施例中，致冷剂(诸如冷却剂28)的密度差可用于将蒸发的冷却剂28从冷却管26驱动出，以经由再冷凝器46而到达贮存器18。在再冷凝器48中再冷凝之后，再冷凝的冷却剂28存储在贮存器18中。在持续电流开关系统10(且更特别地，绕组单元14)从正常状态到超导状态的切换期间，这种再冷凝的冷却剂循环回到冷却管26。
因此，通过采用图1的持续电流开关系统10，冷却管26中的冷却剂28在用于在真空环境中具有低致冷剂体积的系统中时被高效地利用，并且提供超过仅利用单个冷却路径(诸如固体热构件)的系统的额外的冷却。另外，由于持续电流开关系统10具有其自身的低温环境或双路径冷却系统，故持续电流开关系统10可用作独立实体。更具体地，持续电流开关系统10可靠近于超导磁体而放置，或可方便地在低磁场区域中设置成距超导磁体一定的距离。示例性持续电流开关系统10允许在交替地在正常状态与超导状态之间切换的同时相对于已知系统而改进响应时间。持续电流开关系统10构造成在处于大约1分钟至大约15分钟的范围中的时间段内从正常状态切换到超导状态(参见图4)。在一个实施例中，持续电流开关系统10(且更特别地，绕组单元14)可设置在超导磁体上的水平位置、竖直位置或倾斜位置。
参考图2，描绘了根据本技术的另一实施例的持续电流开关系统60的横截面视图。图2的实施例类似于图1的实施例，不同的是，流控制装置38构造为孔口流限制器62，孔口流限制器62设置成与冷却管26流体连通，以调节冷却剂28从贮存器18通过冷却管26的流。另外，流控制装置38在绕组单元14与再冷凝器46之间设置在冷却管26中。另外，如先前所提及的，贮存器还可包括释放阀64，释放阀64用于释放在贮存器18内积聚的任何压力。在图2中所描绘的实施例中，孔口流限制器62用作冷却管26内的针对流过冷却管26的冷却剂28的流限制器。应当理解，本文中预期除了低温闭锁阀和孔口流限制器之外的备选类型的流控制构件，诸如但不限于长杆低温阀。
在目前设想的构造中，持续电流开关系统60包括真空室12、绕组单元14、贮存器18和双冷却路径16。如先前所描述的，由第一冷却路径20和第二冷却路径22构成的双冷却路径16构造成将绕组单元14的温度降低成低于阈值温度。冷却管26包括入口30和出口32。入口30构造成经由限定在冷却管26内的通道36而从贮存器18接收冷却剂28，并且出口32构造成将蒸发的冷却剂从冷却管26输送到贮存器18。另外，流控制构件38设置成与通道36流体连通，以调节冷却剂28从贮存器18通过冷却管26的流。
根据本技术的方面，持续电流开关系统60(且更特别地，绕组单元14)构造成在正常状态与超导状态之间交替地切换。如先前参考图1而描述的，通过采用图2的持续电流开关系统60，冷却管26中的冷却剂28在用于在真空环境中具有低致冷剂体积的系统中时被高效地利用，并且提供超过仅利用单个冷却路径(诸如固体热构件)的系统的额外的冷却。
现在转到图3，描绘了根据本技术的又一实施例的持续电流开关系统70的横截面侧视图。图3的实施例类似于图1的实施例，不同的是，虽然图1的双冷却路径16采用联接到第二冷却路径22的同一冷却管26的第一冷却路径20的固体热构件24，但在图3的实施例中，第一冷却管72与固体热构件24直接接触，以用于从绕组单元14移除热，并且第二冷却管74定位成与绕组单元14直接接触，并且提供从绕组单元14进行的热移除。冷却剂28流过形成在第一冷却管72和第二冷却管74中的各个中的通道。应当注意，在图3的实施例中，第一冷却管72中的冷却剂28在到达再冷凝器46之前在出口78处输出到第二冷却管74中。在备选实施例中，第一冷却管72中的冷却剂28可从出口78直接输出到再冷凝器46的入口(未示出)中。
此外，持续电流开关系统70还包括绕组单元14和贮存器18，它们以基本上类似于图1的持续电流开关系统10的方式来布置和操作。
类似于先前所公开的实施例，双冷却路径16构造成在比使用单个冷却路径更短的量的时间内将绕组单元14的温度降低成低于阈值温度。根据实施例，第一冷却路径20的固体热构件24可为任何导热构件，诸如金属板、杆或棒。固体热构件24可为例如黄铜、铝和/或铜板、杆或棒。固体热构件24与绕组单元14和第一冷却管72直接接触。固体热构件25提供热从绕组单元14到第一冷却管72中的冷却剂28的传导。
第一冷却管72可包括在冷却管72的一个端部处的入口76和在另一个端部处的出口78。此外，入口76操作性地联接到贮存器18的出口80。入口76构造成从贮存器18接收冷却剂28。第一冷却管72在其中限定通道82，通道82操作性地联接第一冷却管72和贮存器18，以将冷却剂28从贮存器18输送通过第一冷却管72，以用于经由固体热构件24而冷却绕组单元14。
第二冷却管74定位成与绕组单元14直接接触，并且提供从绕组单元14进行的热移除。第二冷却管74可包括在第二冷却管74的一个端部处的入口84和在另一个端部处的出口86。此外，入口84操作性地联接到贮存器18的出口88。入口84构造成从贮存器18接收冷却剂28。第二冷却管74在其中限定通道90，通道90操作性地联接第二冷却管74和贮存器18，以将冷却剂28从贮存器18输送通过第二冷却管74，以用于冷却绕组单元14。
流控制构件38沿着第二冷却管74设置，以调节冷却剂28从贮存器18通过第二冷却管74的流。在一个实施例中，流控制构件38是低温阀40，其能够控制冷却剂28在第二冷却管74内的流，并且因此控制从绕组单元14移除热的速率。在备选实施例中，一个或多个额外的流控制构件可设置成与第一冷却管72流体连通，以控制冷却剂28通过第一冷却管72的流。
在一个实施例中，第一冷却管72和第二冷却管74相应的入口76、84构造成当持续电流开关系统70断电或关断(超导状态)时从贮存器18接收冷却剂28。
第一冷却管72和第二冷却管74操作性地联接到再冷凝器46的入口44，并且构造成将蒸发的冷却剂28从第一冷却管72和第二冷却管74输送到贮存器18。在所例示的实施例中，再冷凝器46联接到低温冷却器48。第一冷却管72和第二冷却管74相应的出口78、86构造成当持续电流开关系统70(且更特别地，绕组单元14)通电或接通时将蒸发的冷却剂28从相应的冷却管72、74输送到贮存器18。
此外，根据本技术的方面，绕组单元14构造成使持续电流开关系统70在正常状态与超导状态之间交替地切换。第一冷却管72和第二冷却管74中的冷却剂28吸收由绕组单元14生成的热。由于热被冷却剂28吸收，故绕组单元14被冷却，并且绕组单元14的温度下降成低于阈值温度。这种温度下降帮助使绕组单元14从正常状态切换到超导状态。如先前参考图1而描述的，通过采用图3的持续电流开关系统70，第一冷却管72和第二冷却管74中的冷却剂28在用于在真空环境中具有低致冷剂体积的系统中时被高效地利用，并且提供超过仅利用单个冷却路径(诸如固体热构件)的系统的更快且额外的冷却。
此外，为了使持续电流开关系统70(且更特别地，绕组单元14)从正常状态切换到超导状态，加热单元(未示出)断电或关断，并且第一冷却管72和第二冷却管74利用从贮存器18接收的冷却剂28来填充。冷却剂28在第一冷却管72和第二冷却管74中循环，以将绕组单元14的温度维持或降低成低于阈值温度或临界温度。如果绕组单元14的温度低于阈值温度，则绕组单元14从正常状态切换到超导状态。超导状态表示绕组单元14向超导磁体提供零电阻的状态。绕组单元14的这种零电阻有助于形成持续的回路，其中在没有来自电源(图3中未示出)的任何电流供应的情况下，电流在绕组单元14与超导磁体之间循环。
典型地，如果绕组单元14的温度低于阈值温度，则图1-3的持续电流开关系统10、60、70将在超导状态下操作。在某些情况下，持续电流开关系统10、60、70切换到正常状态。例如，在必须斜降磁体的事件的情况下，使持续电流开关系统10、60、70切换到正常状态可为合乎期望的。为了使绕组单元14从超导状态切换到正常状态，关闭设置成与冷却管流体连通的流控制构件38。特别地，关闭流控制构件38以阻塞或减少冷却剂28从贮存器18到(一个或多个)冷却管的流入，并且还防止冷却剂28从(一个或多个)冷却管到贮存器18的回流。另外，可选的加热单元(未示出)通电或接通以对绕组单元14进行加热。通过对绕组单元14进行加热，绕组单元14的温度提高或升高成高于阈值温度，这使绕组单元14从超导状态转换到正常状态。持续电流开关系统10、60、70到正常状态的这种转换使磁性装置(诸如磁性线圈)切换以用于使磁体断电。
蒸发的冷却剂从(一个或多个)冷却管被输送出以经由再冷凝器46而到达贮存器18。此外，蒸发的冷却剂再冷凝并存储在贮存器18中。在持续电流开关系统10、60、70(且更特别地，绕组单元14)从正常状态到超导状态的切换期间，这种再冷凝的冷却剂循环回到(一个或多个)冷却管26、72、74。持续电流开关616操作性地联接到超导MRI磁体602。
现在参考图4，在总体上标注为100的示例性图形表示中例示了在使用固体热构件来进行直接冷却的已知的持续开关系统与根据示例性实施例的包括双冷却路径的持续电流开关系统之间实现的比较冷却时间。更具体地，图表100例示了与如本文中所公开的利用双冷却路径(且更特别地，包括直接连接到绕组单元以限定固体冷却路径的固体热构件的第一冷却路径和包括直接连接到绕组单元的液态氦的冷却管的第二冷却路径)的持续电流开关系统(由标绘线108示出)相比，利用由在60K下2W的热分流器作为固体冷却路径来冷却的已知的持续电流开关系统(由标绘线106示出)的温度(K)(以y轴102标绘)与时间(以x轴104标绘)的关系。
如用图形证明的，开关冷却时间可从针对常规的持续电流开关系统的大致300分钟减少到针对如本文中所公开的包括双冷却路径的新颖的持续电流开关系统的大致20分钟。通过使用双冷却路径而实现了针对开关冷却的时间的减少。
参考图5，描绘了流程图110，流程图110例示了根据本技术的方面的用于使用双冷却路径(诸如图1的持续电流开关系统10)来使绕组单元在第一模式或正常状态与第二模式或超导状态之间交替地切换的方法。为了容易地理解本技术，参考图1的构件来描述该方法。可注意到，第一模式表示持续电流开关的正常状态，而第二模式表示超导状态。并且，在正常状态下，持续电流开关向在相关联的磁性装置中流动的电流提供高电阻。然而，在超导状态下，持续电流开关绕组单元14向在磁性装置中流动的电流提供零电阻。
该方法在步骤112处开始，在步骤112处，将双冷却路径(诸如图1的双冷却路径16，且更特别地，图1的第一冷却路径20和第二冷却路径22)和绕组单元(诸如图1的绕组单元14)设置在真空室(诸如图1的真空室12)内。特别地，将双冷却路径以如下的方式设置在真空室内：将第一冷却路径(且更特别地，固体热构件，诸如图1的固体热构件24)设置成与绕组单元和冷却管(诸如图1的冷却管26)直接接触，并将第二冷却路径(且更特别地，冷却管)设置成与绕组单元直接接触。在一个实施例中，第一冷却路径和第二冷却路径利用单个冷却管。冷却管包括入口和出口，诸如图1的入口30和出口32。入口经由限定在冷却管中的通道(诸如图1的通道36)而操作性地联接到贮存器的出口，诸如图1的贮存器18的出口34。类似地，冷却管的出口经由再冷凝器(诸如图1的再冷凝器46)而操作性地联接到贮存器的入口，诸如图1的入口54。在另一实施例中，第一冷却路径和第二冷却路径分别利用分开的冷却管(且更特别地，第一冷却管(诸如图3的第一冷却管72)和第二冷却管(诸如图3的第二冷却管74))。
随后，冷却管使冷却剂(诸如图1的冷却剂28)循环，以通过由固体热构件吸收而从绕组单元移除热且直接从绕组单元移除热。由于冷却管联接到贮存器，故冷却剂最初从贮存器被接收并在冷却管中循环以吸收由绕组单元生成的热，这继而降低了绕组单元的温度。在一个实施例中，当加热单元断电或关断并且冷却剂的至少部分蒸发时，从贮存器接收冷却剂。
此外，在步骤114处，通过将绕组单元的温度降低成低于阈值温度而使持续电流开关(且更特别地，绕组单元)从第一模式或正常状态切换到第二模式或超导状态。通过使冷却剂在与绕组单元接触的冷却管中循环并通过利用固体热构件直接冷却绕组单元而使绕组单元的温度降低成低于阈值温度。特别地，在冷却管中循环的冷却剂可用于经由双冷却路径而吸收由绕组单元生成的热，从而冷却绕组单元。由冷却剂进行的热吸收造成使绕组单元的温度下降成低于阈值温度。由于温度下降成低于阈值温度，故持续电流开关从正常状态或第一模式切换到超导状态或第二模式。另外，在冷却绕组单元的温度的过程期间，冷却管中的冷却剂的部分可蒸发。更具体地，由绕组单元生成的热被冷却管中的冷却剂吸收，这继而使冷却剂蒸发。蒸发的冷却剂然后经由冷却管的出口而从冷却管被输送出。此外，蒸发的冷却剂经由再冷凝器而被输送到贮存器。在再冷凝器处，蒸发的冷却剂再冷凝成液态冷却剂，并被输送回到贮存器。
另外，在步骤116处，停止冷却剂在冷却管中的循环，因此将绕组单元的温度升高至高于阈值温度的温度。通过将温度升高成高于阈值温度，持续电流开关系统从第二模式转换到第一模式。最初，当使持续电流开关系统在超导状态或第二模式下操作时，利用双冷却路径(且更特别地，第一冷却路径和第二冷却路径)来使绕组单元的温度维持低于阈值温度。随后，为了使持续电流开关系统从超导状态转换到正常状态，允许绕组单元的温度升高成高于阈值温度。为了提高或升高温度，可选的加热单元可用于对绕组单元进行加热。因此，通过采用上述方法，持续电流开关系统以相对于典型地采用单个固体热构件的单个冷却路径的方式而减少开关冷却时间的方式在第一模式与第二模式之间交替地切换。
因此，多种实施例提供了一种持续电流开关，且更特别地提供了一种持续电流开关系统，其利用双冷却路径来冷却，由此在第一端部处直接连接到绕组单元且在第二端部处直接连接到冷却管的固体热构件沿着第一冷却路径提供冷却，并且直接连接到绕组单元的冷却管沿着第二冷却路径提供冷却。此外，通过消除典型地用于超导磁体中的大型液态He存储容器并使液态He作为冷却剂而再循环，在超导系统中的实施提供了将绕组单元冷却成低于阈值温度所需的时间的减少和磁体重量的减小。在多种实施例中，不需要维护或添加致冷剂，并且可减小总体系统重量。
上文中所描述的用于利用双冷却路径来使系统(且更特别地，绕组单元)交替地切换的系统和方法帮助减少所需的切换时间以及减小磁性装置的制造成本和重量。另外，可实现用于系统的运行的准备/前置时间的减少和系统的热不稳定性的减小。结果，可减少用于准备和系统维护的劳动，可增加系统的操作速率，并且可增加系统可靠性。并且，由于蒸发的冷却剂再冷凝并循环回到持续电流开关系统的冷却单元，故可防止使用贮存器或存储容器中的数千升的冷却剂或液态He。此外，本技术的布置为持续电流开关提供了非常迅速的响应时间，诸如迅速的冷却下来的时间。
虽然本文中仅例示和描述了本公开的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，将理解，所附权利要求书旨在涵盖如落入本公开的真实精神内的所有这样的修改和改变。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种持续电流开关系统，包括：
真空室；
绕组单元，其设置在所述真空室中，并且构造成当与所述绕组单元相关联的温度低于阈值温度时使所述持续电流开关系统从第一模式切换到第二模式；
第一冷却路径和第二冷却路径，所述第一冷却路径包括与所述绕组单元直接接触的固体热构件，所述第二冷却路径包括冷却管，所述冷却管设置成与所述绕组单元直接接触，并且构造成使冷却剂在所述冷却管中循环，所述第一冷却路径和所述第二冷却路径限定双冷却路径，以将所述绕组单元的所述温度冷却成低于所述阈值温度，以使所述持续电流开关系统从所述第一模式转换到所述第二模式。
2.根据权利要求1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述持续电流开关系统进一步包括流控制构件，所述流控制构件设置成控制所述冷却剂在所述冷却管中的流。
3.根据权利要求2所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述流控制构件是低温阀。
4.根据权利要求3所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述低温阀是闭锁阀。
5.根据权利要求2所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述流控制构件是孔口流限制器。
6.根据权利要求1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述持续电流开关系统进一步包括设置成吸收所述冷却剂中的热的缓冲团块和蒸发气体缓冲罐中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述冷却管使所述冷却剂在所述冷却管中循环以吸收由所述绕组单元生成的热。
8.根据权利要求1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述固体热构件包括导热金属杆、导热金属板和导热金属棒中的一个，其与所述绕组单元和所述冷却管中的各个直接接触。
9.根据权利要求1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述持续电流开关系统进一步包括额外的冷却管，所述额外的冷却管设置成与所述固体热构件直接接触，并且构造成使冷却剂在所述额外的冷却管中循环。
10.根据权利要求1所述的持续电流开关系统，其特征在于，所述冷却管包括：
入口，其联接到冷却剂贮存器并且构造成从所述冷却剂贮存器接收所述冷却剂；以及
出口，其联接到所述冷却剂贮存器并且构造成将蒸发的冷却剂从所述冷却管输送到所述冷却剂贮存器。
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