CN113948268A - 无液氦超导磁体系统 - Google Patents

Abstract

本发明的无液氦超导磁体系统，利用传导链路实现传导制冷使超导磁体整体温度均匀，温差极小，且可靠性高；还可利用快速冷却通道可外接流体对超导磁体进行快速冷却，冷却效率高；传导冷却和快速冷却相对独立，可同时对需要冷却的部件进行冷却，可实现快速、稳定可靠的冷却效果，并且在超导磁体生产、测试、运行期间仅消耗电力资源，不需要消耗氦。

Description

无液氦超导磁体系统

技术领域

本发明涉及超导磁体领域，特别是涉及一种无液氦超导磁体系统。

背景技术

超导磁体产生磁共振系统所需的均匀强磁场，但是需要极低温的工作条件以满足超导体临界温度的要求，商业磁共振成像超导磁体临界温度一般小于7K，高于这一临界温度，超导磁体便不能正常工作。为了产生并维持超导磁体所需的极低温工作条件，传统的方法是将超导磁体浸泡在液氦(一个大气压下的沸点4.2K)制冷剂内，从而将磁体外部环境的热辐射、磁体支撑部件的传导漏热以及及磁体接头电阻等部分的欧姆热从磁体内导走，以维持磁体正常运行所需的极低温条件。然而，在使用液氦浸泡超导磁体过程中，会不断的消耗液氦，从而需要定期为磁体补充液氦，操作过程十分繁琐，需要专业人员维护；此外，液氦是一种稀缺资源，价格十分昂贵，而且其获取受限于国外(主要为美国)，资源安全性无法保障。为了克服液氦浸泡磁体过程中的液氦损耗，采用制冷机冷凝挥发的液氦并返回到磁体中，该技术得到越来越普遍的应用，尤其对液氦供给困难的地区有较大的需求。然而该技术仍然需要使用大量液氦作为制冷剂，在磁体发生失超以及励磁及退磁过程中仍然会消耗大量液氦。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无液氦超导磁体系统，用于解决现有技术中需要使用大量液氦作为制冷剂，在磁体发生失超以及励磁及退磁过程中仍然会消耗大量液氦等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无液氦超导磁体系统，所述系统包括：室温真空容器、具有超导部件的超导磁体以及用于对所述超导磁体冷却的制冷系统；其中，所述制冷系统设于所述室温真空容器内，其包括：由内至外依次设置的防辐射屏以及冷屏；一级换热器以及二级换热器；设于所述防辐射屏内的主导冷板，其与所述二级换热器连接；至少两个与一级换热器以及所述二级换热器连通的流体管路，其具有可与所述室温真空容器外接通的流体口；并且其中，置于所述防辐射屏内的超导磁体可通过将主导冷板与所述超导磁体连接的一或多个传导链路制冷；和/或，所述超导磁体可通过由接通冷却流体的一级换热器以及二级换热器构成的快速冷却通道制冷。

于本发明的一实施例中，所述传导链路的类型包括：主导冷链路，用于将主导冷板与一或多个超导部件直接连接，以将主导冷板冷量直接传递给对应连接的超导部件。

于本发明的一实施例中，所述传导链路的类型还包括：次级导冷链路，用于将所述主导冷链路中连接的超导部件与另外未连接的一或多个超导部件连接，以将所述主导冷板冷量间接传递给对应连接的超导部件。

于本发明的一实施例中，补偿导冷链路，用于将所述主导冷链路中连接的超导部件与另外未连接的一或多个超导部件连接，以将所述主导冷板冷量间接传递给对应连接的超导部件。

于本发明的一实施例中，所述超导部件还包括：超导开关，其处于所述主导冷链路或次级导冷链路上。

于本发明的一实施例中，所述超导部件包括：主线圈、辅助线圈、用于支撑所述主线圈的内骨架以及用于支撑所述辅助线圈的外骨架。

于本发明的一实施例中，所述一级换热器连接冷屏，用于对冷屏快速制冷；所述二级换热器连接所述内骨架以及外骨架，用于内骨架以及外骨架的快速冷却。

于本发明的一实施例中，所述流体管路包括：可与用于接通冷却流体的的流体接口以及用于封闭所述流体管路的真空接口。

于本发明的一实施例中，所述流体管路从所述二级换热器通过所述一级换热器向所述室温真空容器外方向延伸设置；所述流体管路包括：对应所述一级换热器向所述室温真空容器外方向延伸的上端波纹管段以及对应从二级换热器向一级换热器方向延伸的下端波纹管段。

于本发明的一实施例中，所述主导冷链路连接采用的导热金属的RRR值大于所述次级导冷链路和/或补偿导冷链路采用的导热金属的RRR值。

如上所述，本发明是一种无液氦超导磁体系统，具有以下有益效果：本发明利用传导链路实现传导制冷使超导磁体整体温度均匀，温差极小，且可靠性高；还可利用快速冷却通道可外接流体对超导磁体进行快速冷却冷却效率高；传导冷却和快速冷却相对独立，可同时对需要冷却的部件进行冷却，可实现快速、稳定可靠的冷却效果，并且在超导磁体生产、测试、运行期间仅消耗电力资源，不需要消耗氦。

附图说明

图1显示为本发明一实施例中的无液氦超导磁体系统的结构示意图。

图2显示为本发明一实施例中的传导链路示意图。

图3显示为本发明一实施例中的流体管路的结构示意图。

图4显示为本发明一实施例中的无液氦超导磁体系统的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本发明的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、““下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本发明范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

本发明提供一种无液氦超导磁体系统，利用传导链路实现传导制冷使超导磁体整体温度均匀，温差极小，且可靠性高；还可利用快速冷却通道可外接流体对超导磁体进行快速冷却冷却效率高；传导冷却和快速冷却相对独立，可同时对需要冷却的部件进行冷却，可实现快速、稳定可靠的冷却效果，并且在超导磁体生产、测试、运行期间仅消耗电力资源，不需要消耗氦。

下面以附图为参考，针对本发明的实施例进行详细说明，以便本发明所述技术领域的技术人员能够容易地实施。本发明可以以多种不同形态体现，并不限于此处说明的实施例。

为了更好的描述无液氦超导磁体系统，提供具体实施例；

如图1展示本发明实施例中的一种无液氦超导磁体系统的结构示意图。

所述无液氦超导磁体系统包括：室温真空容器1、具有超导部件的超导磁体2以及用于对所述超导磁体冷却的制冷系统；其中，室温真空容器1容纳所有超导磁体2的部件，提供真空环境；所述制冷系统设于所述室温真空容器1内，其包括：由内至外依次设置的的防辐射屏31以及冷屏32；所述冷屏32用于降低防辐射屏31内的辐射漏热，所述防辐射31屏用于降低超导磁体2各部件向冷屏32的热辐射；一级换热器33以及二级换热器34；设于所述防辐射屏内的主导冷板35，其与所述二级换热器34连接；至少两个与一级换热器33以及所述二级换热器34连通的流体管路36，其具有可与所述室温真空容器外接通的流体口；并且其中，置于所述防辐射屏内的超导磁体2可通过将所述主导冷板35与所述超导磁体2连接的一或多个传导链路制冷；和/或，所述超导磁体2可通过由接通冷却流体的一级换热器33以及二级换热器34构成的快速冷却通道制冷。

需要说明的是，利用传导链路进行传导冷却和利用快速冷却通道进行快速冷却的方式相对独立，可使用一种方式进行制冷，也可同时使用两种方式对需要冷却的部件进行冷却。且超导磁体2及其超导部件设置的位置可以为防辐射屏31内任一位置，并不仅限于图1中位置。

对于利用传导链路进行传导冷却的方式来说，具有以下几种实施方式：

在一实施例中，如图2所示，所述传导链路的类型包括：主导冷链路①，用于将主导冷板与一或多个超导部件直接连接，以将主导冷板冷量直接传递给对应连接的超导部件。

在一实施例中，如图2所示，所述传导链路的类型还包括：次级导冷链路②，用于从主导冷链路的末端出发，连接到需要冷却的部件，即将所述主导冷链路中连接的超导部件与另外未连接的一或多个超导部件连接，以将所述主导冷板冷量间接传递给对应连接的超导部件。

在一实施例中，如图2所示，补偿导冷链路③，用于将所述主导冷链路中连接的至少两个超导部件进行连接以补偿主导冷链路未达到制冷效果的情况，或者将所述次级导冷链路中连接的至少两个超导部件进行连接以补偿次级冷链路未达到制冷效果的情况，来平衡所述超导磁体中部件之间的温差。

需要说明的是，所述主导冷链路，次级导冷链路以及补偿导冷链路的个数可以为一个或多个。

在一实施例中，各种类型的导冷链路采用不同RRR值的导热金属；所述主导冷链路采用的导热金属的RRR值大于所述次级导冷链路和/或补偿导冷链路采用的导热金属的RRR值；具体的，所述主导冷链路采用RRR值高的导热金属，保证冷量从主导冷板无损传输，优选的，如高纯铜。次级导冷链路和补偿导冷链路可以采用RRR值稍低的导热金属。

根据以上几种实施例，本发明通过设置主导冷链路，次级导冷链路，补偿导冷链路等多级链路使超导磁体整体温度均匀，温差极小，且可靠性高。

对于利用快速冷却通道进行快速冷却的方式来说，具有以下几种实施方式：

在一实施例中，如图3所示，所述流体管路30的个数为至少两个，其包括：至少一流入流体管路，用于流入外部冷却流体；至少一流出流体管路，用于流出流体；每个流体管路包括：可与用于接通冷却流体的的流体接口301以及用于封闭所述流体管路的真空接口302。

当进行快速通道制冷时，将流体接口连接到外部冷却流体，以利用一级换热器100以及二级换热器200对超导磁体进行制冷。当防辐射屏内部的温度等于外部流体温度时，关闭流入流体管路的流体接口301和真空接口302，对流出流体管路的流体接口301对流体管路抽真空，待真空度小于一定值时，关闭流出流体管路真空接口302。当超导磁体需要复温时，可关闭制冷机，同时打开流体管路的流体接口301和真空接口302，将室温气体通入流体接口301即可实现快速复温。

举例来说，所述一级换热器以及二级换热器进口端一侧设置有一流体管路，其出口端一侧设置有一流体管路，将进口端一侧的流体管路的流体接口连接到外部液氮回路或者冷氦气回路，液氮或冷氦气将通过流体管路进入一级换热器以及二级换热器对超导磁体快速冷却，当防辐射屏的温度等于外部流体温度时，关闭进口端一侧流体接口和真空接口，从出口端一侧流体接口对流体管路抽真空，待真空度小于一定值时(1E-4Pa)，关闭另一侧的真空接口。

在一实施例中，如图3所示，所述流体管路30从所述二级换热器200通过所述一级换热器100向所述室温真空容器外方向延伸设置；所述流体管路包括：对应所述一级换热器100向所述室温真空容器外方向延伸的上端波纹管段303以及对应从二级换热器200向一级换热器100方向延伸的下端波纹管段304；其中上端波纹管段303以及下端波纹管段304用于调整安装误差，降低结构应力。

根据以上几种实施例，本发明通过可外接流体对超导磁体进行快速冷却，冷却速度快并且效率高。

在一实施例中，如图1所示，所述二级换热器34的数量可为多个。

在一实施例中，所述流体管路36是薄壁管路，材质为奥氏体不锈钢。

在一实施例中，所述一级换热器33以及二级换热器34为高导热金属，优选的，为高纯铜。

在一实施例中，所述防辐射屏31为4K辐射屏。

在一实施例中，所述冷屏32位于300K和4K之间，用于降低4K部分的辐射漏热。

为了更好说明无液氦超导磁体系统，提供以下实施例。

如图4所示，为本发明实施例中的一种无液氦超导磁体系统的结构示意图。

所述无液氦超导磁体系统包括：室温容器1、超导磁体以及制冷系统；所述制冷系统包括：冷屏2，防辐射屏3，主导冷板4，一级换热器6，二级换热器7；两个流体管路8连通所述一级换热器6以及二级换热器7的两侧，其分别具有的第一流体口81以及第二流体口82；主导冷板4设于所述防辐射屏内，并与所述二级换热器7连接；所述超导磁体的超导部件包括：用于产生均匀磁场的主线圈51以及屏蔽线圈52，用于支撑所述主线圈51的内骨架53以及用于支撑所述屏蔽线圈52的外骨架54。其中，置于所述防辐射屏3内的超导磁体可通过由主导冷板4与所述超导磁体各部件连接构成的一或多个传导链路制冷；和/或，所述超导磁体可通过由一级换热器6以及与接通冷却流体的二级换热器7构成的快速冷却通道制冷。

需要说明的是，所述主线圈51以及屏蔽线圈52为一或多个，且各主线圈51可以由一个内骨架53支撑，也可以由多个内骨架53支撑；各屏蔽线圈52可以由一个外骨架54支撑也可以由多个外骨架54支撑。图4仅为一实施例，不以此图所显示的个数为限制。且超导部件不仅限于以上几种部件，还可包括任一种超导部件，对此不作限定。

在一实施例中，所述超导部件还包括：超导开关55和/或一或多个4K部件56。

在一实施例中，所述传导链路包括：至少一主导冷链路91，用于将所述主导冷板4与一或多个超导部件直接连接，以将主导冷板冷量直接传递给对应连接的超导部件。优选的，所述内骨架53、主线圈51、外骨架54以及屏蔽线圈52都处于主导冷链路上。

在一实施例中，超导开关55和/或一或多个4K部件56处于主导冷链路上。

在一实施例中，所述传导链路还包括：至少一次级导冷链路92，用于将所述主导冷链路90中连接的超导部件与另外未连接的一或多个超导部件连接，以将所述主导冷板4冷量间接传递给对应连接的超导部件；举例来说，如图4所示，将处于主导冷链路上的所述内骨架53连接未处于主导冷链路上的所述超导开关55，以构成次级导冷链路。

在一实施例中，所述传导链路还包括：补偿导冷链路93，用于将所述主导冷链路91中或所述次级导冷链路中连接的至少两个超导部件进行连接，以平衡所述超导磁体中部件之间的温差。举例来说，如图4，两个4K部件56均处于主导冷链路上，则将两个4K部件56相连，构成补偿导冷链路。

在一实施例中，所述一级换热器6连接冷屏2，用于在一侧的流体管路通入冷却流体对冷屏快速制冷；所述二级换热器6连接所述内骨架53以及外骨架54，用于在一侧的流体管路通入冷却流体对内骨架53以及外骨架54的快速冷却，以达到对主线圈51以及屏蔽线圈52的冷却。

所述无液氦超导磁体系统利用传导链路进行传导冷却和利用快速冷却通道进行快速冷却的方式相对独立，可使用一种方式进行制冷，也可同时使用两种方式对需要冷却的部件进行冷却；因此，可以采用以下几种冷却流程：

第一种：同时使用传导冷却方式以及快速冷却方式进行制冷：

1)打开制冷机，二级换热器7的冷量将通过主导冷链路、次级导冷链路以及末级导冷链路对各部件进行冷却；

2)与此同时，将一侧的流体管路的流体接口连接到外部液氮回路或者冷氦气回路，液氮或冷氦气将通过流体管路进入一级换热器6对冷屏2快速冷却，进入二级换热器7对内骨架53和外骨架54快速冷却，内骨架53和外骨架54又可通过次级导冷链路进行冷量传递；

3)当防辐射屏3的温度等于外部流体温度时，关闭一侧流体接口和真空接口，从另一侧流体接口对流体管路抽真空，待真空度小于一定值时(1E-4Pa)，关闭另一侧真空接口。

当需要复温时，可关闭制冷机，同时打开流体接口和真空接口，将室温气体通入流体接口即可实现快速复温。

第二种：仅使用传导冷却方式进行制冷；

打开制冷机，二级换热器7的冷量将通过主导冷链路、次级导冷链路以及末级导冷链路对各部件进行冷却。

第三种：仅使用快速冷却方式进行制冷；

将一侧的流体管路的流体接口连接到外部液氮回路或者冷氦气回路，液氮或冷氦气将通过流体管路进入一级换热器6对冷屏2快速冷却，进入二级换热器7对内骨架53和外骨架54快速冷却。

以上三种方式都是依靠制冷机直接冷却超导线圈，使超导线圈维持在低温超导状态，进而在超导磁体生产、测试、运行期间仅消耗电力资源，不需要消耗氦。无液氦超导技术中的冷却方式有依靠高热导率金属(如铜)直接连接制冷机和超导线圈，来冷却超导磁体，实现无液氦消耗。

综上所述，本发明的无液氦超导磁体系统，本发明利用传导链路实现传导制冷使超导磁体整体温度均匀，温差极小，且可靠性高；还可利用快速冷却通道可外接流体对超导磁体进行快速冷却冷却效率高；传导冷却和快速冷却相对独立，可同时对需要冷却的部件进行冷却，可实现快速、稳定可靠的冷却效果，并且在超导磁体生产、测试、运行期间仅消耗电力资源，不需要消耗氦。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种无液氦超导磁体系统，其特征在于，所述系统包括：室温真空容器、具有超导部件的超导磁体以及用于对所述超导磁体冷却的制冷系统；

其中，所述制冷系统设于所述室温真空容器内，其包括：

由内至外依次设置的防辐射屏以及冷屏；

一级换热器以及二级换热器；

设于所述防辐射屏内的主导冷板，其与所述二级换热器连接；

至少两个与一级换热器以及所述二级换热器连通的流体管路，其具有可与所述室温真空容器外接通的流体口；

并且其中，置于所述防辐射屏内的超导磁体可通过将主导冷板与所述超导磁体连接的一或多个传导链路制冷；和/或，所述超导磁体可通过由接通冷却流体的一级换热器以及二级换热器构成的快速冷却通道制冷。

2.根据权利要求1中所述的无液氦超导磁体系统，其特征在于，所述传导链路的类型包括：

主导冷链路，用于将主导冷板与一或多个超导部件直接连接，以将主导冷板冷量直接传递给对应连接的超导部件。

3.根据权利要求2中所述的无液氦超导磁体系统，其特征在于，所述传导链路的类型还包括：

次级导冷链路，用于将所述主导冷链路中连接的超导部件与另外未连接的一或多个超导部件连接，以将所述主导冷板冷量间接传递给对应连接的超导部件。

4.根据权利要求3中所述的无液氦超导磁体系统，其特征在于，所述传导链路的类型还包括：补偿导冷链路，用于将所述主导冷链路中或所述次级导冷链路中连接的至少两个超导部件进行连接，以平衡所述超导磁体中部件之间的温差。

5.根据权利要求4中所述的无液氦超导磁体系统，其特征在于，所述超导部件还包括：超导开关，其处于所述主导冷链路或次级导冷链路上。

6.根据权利要求1中所述的无液氦超导磁体系统，其特征在于，所述超导部件包括：主线圈、辅助线圈、用于支撑所述主线圈的内骨架以及用于支撑所述辅助线圈的外骨架。

7.根据权利要求6中所述的无液氦超导磁体系统，其特征在于，所述一级换热器连接冷屏，用于对冷屏快速制冷；所述二级换热器连接所述内骨架以及外骨架，用于内骨架以及外骨架的快速冷却。

8.根据权利要求1中所述的无液氦超导磁体系统，其特征在于，所述流体管路包括：可与用于接通冷却流体的的流体接口以及用于封闭所述流体管路的真空接口。

9.根据权利要求1或8中所述的无液氦超导磁体系统，其特征在于，所述流体管路从所述二级换热器通过所述一级换热器向所述室温真空容器外方向延伸设置；所述流体管路包括：对应所述一级换热器向所述室温真空容器外方向延伸的上端波纹管段以及对应从二级换热器向一级换热器方向延伸的下端波纹管段。

10.根据权利要求4中所述的无液氦超导磁体系统，其特征在于，所述主导冷链路连接采用的导热金属的RRR值大于所述次级导冷链路和/或补偿导冷链路采用的导热金属的RRR值。

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