CN114038645B - 一种气冷电流引线及超导磁体系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气冷电流引线及超导磁体系统，包括：装有液氦和超导线圈的4K容器、用于加热液氦的加热器、具有降温冷却功能的冷头装置、电流引线以及控制装置，电流引线的上端可通过励磁电缆分别与外接电源的接头正极、接头负极连接，电流引线的下端可通过4K内电缆分别与超导线圈的接头正极、接头负极连接，加热器、冷头装置以及外接电源均与控制装置连接；电流引线为管状结构、且顶部设有用于排出氦气的排气管，电流引线和冷头装置通过同一金属法兰固定在4K容器内，电流引线和金属法兰之间夹设有绝缘件，电流引线的位于金属法兰下方的管状结构内贴设有高温超导带材。本装置可在磁体稳态运行时降低电流引线漏热，简化励磁操作。

Description

一种气冷电流引线及超导磁体系统

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，更具体地说，涉及一种气冷电流引线及超导磁体系统。

背景技术

现有技术中，传统的MRI液氦浸泡零挥发超导磁体，结构如图1所示，包括有300K容器01、设于300K容器01上的4K冷头02、50K容器03、设于50K容器03上的冷头一级04、4K容器05、设于4K容器05上的冷头二级06和冷凝器07、设于4K容器05内的超导线圈08和液氦09、用于加热液氦09的加热器010以及电流引线011，电流引线011的上端通过励磁电缆012分别与外接电源013的接头正极、接头负极连接，电流引线011的下端通过4K内电缆014分别与超导线圈08的接头正极、接头负极连接，电流引线011的端部设有用于排出冷氦气018的排气口015，电流引线011的端部设有母头017，4K内电缆014的端部设有公头016。

磁体在进行励磁或退磁操作前，需要先将电流引线011的母头017插入4K内电缆014的公头016上，在插拔的过程中，磁体需要卸压排气，会损失液氦09。插拔时为了保证电流引线011的母头017与4K内电缆014的公头016的接触良好，需要利用工具轻敲电流引线011的顶部，待母头017与公头016接触良好后，再将电流引线011上端与正极电缆、负极电缆连接，以使励磁电源与超导线圈08形成回路。期间，可以通过对加热器010进行加热，以使液氦09变为冷氦气018，冷氦气018向上流经电流引线011的内腔，从而对电流引线011进行冷却降温，最后从排气口015排出。其中，常规磁体气冷电流引线011的示意图如图2所示，图中的箭头方向为冷氦气018的流动方向。因为电流引线011的材质通常为铜或黄铜，因此，励磁时生热较大，液氦09消耗较多。

而且，在插拔引线的过程中，若插拔操作不当，容易造成空气流入磁体4K容器05，使得磁体结冰，影响磁体正常运行，此时，需要对公头016吹热氦气化冰化霜。插拔后电流引线011与磁体内电接头的接触电阻要求高，不易控制，接触不良时需要拔出，导致需要反复插拔电流引线011，操作效率低，操作难度大。

综上所述，如何提高超导磁体的励磁操作效果，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种气冷电流引线及超导磁体系统，可有效提高超导磁体的励磁操作效果。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气冷电流引线及超导磁体系统，包括：装有液氦和超导线圈的4K容器、用于加热所述液氦的加热器、具有降温冷却功能的冷头装置、电流引线以及控制装置，所述电流引线的上端可通过励磁电缆分别与外接电源的接头正极、接头负极连接，所述电流引线的下端可通过4K内电缆分别与所述超导线圈的接头正极、接头负极连接，所述加热器、所述冷头装置以及所述外接电源均与所述控制装置连接；

所述电流引线为管状结构、且顶部设有用于排出氦气的排气管，所述电流引线和所述冷头装置通过同一金属法兰固定在所述4K容器内，所述电流引线和所述金属法兰之间夹设有绝缘件，所述电流引线的位于所述金属法兰下方的管状结构内贴设有高温超导带材。

优选的，所述电流引线包括两个对称分布的引线管，两个所述引线管的顶部连通，所述引线管的连通处顶部设有所述排气管，所述连通处的外周部套设有过渡环，所述过渡环为绝缘材质件。

优选的，与所述金属法兰连接的所述引线管为中段管路，位于所述金属法兰上方的所述引线管为上段管路，所述上段管路为不锈钢件、黄铜件或纯铜件，所述中段管路为纯铜件，所述上段管路与所述中段管路通过真空钎焊连接或锡焊连接。

优选的，位于所述金属法兰下方的所述引线管为下段管路，所述下段管路为环氧材质件或不锈钢材质件，所述下段管路与所述中段管路通过树脂固化连接或钎焊连接。

优选的，所述下段管路的内壁沿轴向设有至少一个用于安装所述高温超导带材的凹槽，所述高温超导带材和所述凹槽之间通过树脂固化连接。

优选的，所述下段管路的底部设有引线底座，所述引线底座为纯铜材质件。

优选的，所述引线底座和所述4K内电缆通过锡焊连接。

优选的，所述上段管路和所述下段管路的壁面均设有通气孔。

优选的，所述绝缘件包括夹设于所述中段管路和所述金属法兰之间的填充块，所述填充块为氮化铝材质件。

优选的，所述中段管路和所述金属法兰的连接处设有固体树脂件。

在使用本发明所提供的气冷电流引线及超导磁体系统时，电流引线整体通过绝缘件固定在金属法兰上，以使金属法兰对电流引线导冷不导电，电流引线的上端可通过励磁电缆分别与外接电源的接头正极、接头负极连接，电流引线的下端可通过4K内电缆分别与超导线圈的接头正极、接头负极连接，以形成外接电源、励磁电缆、电流引线、4K内电缆、超导线圈的流通回路。控制装置可通过控制外接电源是否通电，以实时进行励磁或退磁操作，无需对电流引线进行人工插拔操作。

当磁体稳态运行时，也即磁体不进行励磁或退磁操作时，冷头装置可将金属法兰降温至50K温区，通过金属法兰的导冷作用，可保证电流引线的中间段也处于50K温区，以降低磁体稳态运行时电流引线从上段高温区到下段4K温区的漏热现象。当磁体进行励磁或退磁操作时，由于高温超导带材的上端温度处于50K温区，使得高温超导带材整体处于超导状态，而且，在励磁或退磁时，可通过控制装置控制加热器加热液氦，生成足量的冷氦气，冷氦气向上流动将电流引线的内侧、外侧充分冷却，并从排气管排出。本装置既能保证磁体稳态运行时，可有效降低电流引线的漏热现象，又能使磁体的励磁操作更为简单，无需反复插拔引线，避免了插拔引线的各种风险，还可对磁体进行自动化励磁或退磁操作。

综上所述，本发明所提供的气冷电流引线及超导磁体系统，可有效提高超导磁体的励磁操作效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的MRI液氦浸泡零挥发超导磁体的结构示意图；

图2为常规磁体气冷电流引线的示意图；

图3为本发明所提供的气冷电流引线及超导磁体系统的结构示意图；

图4为电流引线的结构示意图；

图5为图4中A处的局部放大图；

图6为引线管的结构示意图；

图7为高温超导带材和下段管路的装配示意图。

图1和图2中：

01为300K容器、02为4K冷头、03为50K容器、04为冷头一级、05为4K容器、06为冷头二级、07为冷凝器、08为超导线圈、09为液氦、010为加热器、011为电流引线、012为励磁电缆、013为外接电源、014为4K内电缆、015为排气口、016为公头、017为母头、018为冷氦气；

图3-图7中：

1为液氦、2为超导线圈、3为4K容器、4为加热器、5为冷头装置、6为电流引线、7为控制装置、8为励磁电缆、9为外接电源、10为4K内电缆、11为排气管、12为金属法兰、13为绝缘体、14为高温超导带材、15为引线管、16为过渡环、17为中段管路、18为上段管路、19为下段管路、20为引线底座、21为通气孔、22为固体树脂件、23为氦气。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种气冷电流引线及超导磁体系统，可有效提高超导磁体的励磁操作效果。

请参考图3至图7，其中，图3为本发明所提供的气冷电流引线及超导磁体系统的结构示意图；图4为电流引线的结构示意图；图5为图4中A处的局部放大图；图6为引线管的结构示意图；图7为高温超导带材和下段管路的装配示意图。

本具体实施例提供了一种气冷电流引线及超导磁体系统，包括：装有液氦1和超导线圈2的4K容器3、用于加热液氦1的加热器4、具有降温冷却功能的冷头装置5、电流引线6以及控制装置7，电流引线6的上端可通过励磁电缆8分别与外接电源9的接头正极、接头负极连接，电流引线6的下端可通过4K内电缆10分别与超导线圈2的接头正极、接头负极连接，加热器4、冷头装置5以及外接电源9均与控制装置7连接；电流引线6为管状结构、且顶部设有用于排出氦气23的排气管11，电流引线6和冷头装置5通过同一金属法兰12固定在4K容器3内，电流引线6和金属法兰12之间夹设有绝缘件13，电流引线6的位于金属法兰12下方的管状结构内贴设有高温超导带材14。

需要说明的是，超导磁体系统通常包括有300K容器、设于300K容器上的4K冷头、50K容器、设于50K容器上的冷头一级、4K容器3以及设于4K容器3上的冷头二级和冷凝器，本装置的冷头装置5包括冷头一级和冷头二级，位于金属法兰12处的电流引线6处于50K的温区，位于金属法兰12上方的电流引线6处于50K~300K的温区，位于金属法兰12下方的电流引线6处于4K~50K的温区。其中，冷头一级的运行功率大、降温冷却效果较佳，冷头一级可将金属法兰12降温至50K温区，金属法兰12可对电流引线6导冷，使金属法兰12和电流引线6的连接处也处于50K温区。而冷头二级的运行功率小、降温冷却效果相对较差，故本装置在位于金属法兰12下方的管状结构内贴设有高温超导带材14，以减小磁体漏热现象。

可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对4K容器3、加热器4、冷头装置5、电流引线6、控制装置7、励磁电缆8、外接电源9、4K内电缆10、金属法兰12、绝缘件13以及高温超导带材14的形状、结构、尺寸、位置、材质等进行确定。

在使用本发明所提供的气冷电流引线及超导磁体系统时，电流引线6整体通过绝缘件13固定在金属法兰12上，以使金属法兰12对电流引线6导冷不导电，电流引线6的上端可通过励磁电缆8分别与外接电源9的接头正极、接头负极连接，电流引线6的下端可通过4K内电缆10分别与超导线圈2的接头正极、接头负极连接，以形成外接电源9、励磁电缆8、电流引线6、4K内电缆10、超导线圈2的流通回路。控制装置7可通过控制外接电源9是否通电，以实时进行励磁或退磁操作，无需对电流引线6进行人工插拔操作。

当磁体稳态运行时，也即磁体不进行励磁或退磁操作时，冷头一级可将金属法兰12降温至50K温区，通过金属法兰12的导冷作用，可保证电流引线6的中间段也处于50K温区，以降低磁体稳态运行时电流引线6从上段高温区到下段4K温区的漏热现象。当磁体进行励磁或退磁操作时，由于高温超导带材14的上端温度处于50K温区，使得高温超导带材14整体处于超导状态，而且，在励磁或退磁时，可通过控制装置7控制加热器4加热液氦1，生成足量的氦气23，氦气23向上流动将电流引线6的内侧、外侧充分冷却，并从排气管11排出。本装置既能保证磁体稳态运行时，可有效降低电流引线6的漏热现象，又能使磁体的励磁操作更为简单，无需反复插拔引线，避免了插拔引线的各种风险，还可对磁体进行自动化励磁或退磁操作。

综上所述，本发明所提供的气冷电流引线及超导磁体系统，可有效提高超导磁体的励磁操作效果。

在上述实施例的基础上，优选的，电流引线6包括两个对称分布的引线管15，两个引线管15的顶部连通，引线管15的连通处顶部设有排气管11，连通处的外周部套设有过渡环16，过渡环16为绝缘材质件。

需要说明的是，电流引线6的结构如图4所示，图4中的箭头方向为氦气23的流动方向。可以将左边的引线管15设置为正极电流引线6，将右边的引线管15设置为负极电流引线6。引线管15的连通处外周部套设有过渡环16，使引线管15被分隔为上下两部分，且上下两部分之间为电绝缘状态，例如，可以将过渡环16设置为固体树脂材质件，之后，可以将软铜线上端连接在外接电源9的接头上，软铜线下端连接在电流引线6的上段且位于过渡环16下方的位置，以保证电流回路的连通。

可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对过渡环16的形状、结构、位置等进行确定。

优选的，与金属法兰12连接的引线管15为中段管路17，位于金属法兰12上方的引线管15为上段管路18，上段管路18为不锈钢件、黄铜件或纯铜件，中段管路17为纯铜件，上段管路18与中段管路17通过真空钎焊连接或锡焊连接。可以根据磁体运行电流对上段管路18的材质进行选择。

优选的，位于金属法兰12下方的引线管15为下段管路19，下段管路19为环氧材质件或不锈钢材质件，下段管路19与中段管路17通过树脂固化连接或钎焊连接。

需要说明的是，中段管路17与下段管路19的连接方式取决于下段管路19的材质，可以将下段管路19设置为薄壁管，当薄壁管的材质为环氧时，可以利用液体树脂或固体树脂将薄壁管固化在中段管路17上。当薄壁管的材质为不锈钢时，既可以运用上述的树脂固化方式进行固定，又可以运用钎焊方式将薄壁管固定在中段管路17上。

优选的，下段管路19的内壁沿轴向设有至少一个用于安装高温超导带材14的凹槽，高温超导带材14和凹槽之间通过树脂固化连接。

需要说明的是，下段管路19和高温超导带材14之间可以通过环氧树脂固化连接，以使高温超导带材14与薄壁管成为整体，薄壁管对高温超导带材14具有机械保护作用。如图7所示，可以将高温超导带材14均布在薄壁管上，且高温超导带材14的数量不限于4个，高温超导带材14的实际数量取决于磁体运行的电流大小。也即可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对凹槽的形状、位置、个数等进行确定。

在上述实施例的基础上，优选的，下段管路19的底部设有引线底座20，引线底座20为纯铜材质件。引线底座20可有效固定电流引线6。而且，下段管路19与引线底座20的连接方式与下段管路19与中段管路17的连接方式相同，也即下段管路19与引线底座20的具体连接方式取决于薄壁管的材质。

优选的，引线底座20和4K内电缆10通过锡焊连接，以确保由外接电源9、励磁电缆8、电流引线6、4K内电缆10以及超导线圈2所构成的流通回路有效导通。

优选的，上段管路18和下段管路19的壁面均设有通气孔21，结构如图5所示。其中，在上段管路18和下段管路19的壁面均开设通气孔21，是因为通气孔21可以加强对流换热效果，以保证电流引线6在励磁或退磁时能够得到充分的冷却降温。可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对通气孔21的数量、大小以及位置等进行确定。

优选的，绝缘件13包括夹设于中段管路17和金属法兰12之间的填充块，填充块为氮化铝材质件。也即可以在中段管路17与金属法兰12之间利用氮化铝进行填塞，氮化铝具有绝缘导冷作用，以确保金属法兰12对电流引线6仅进行导冷、不进行导电。

优选的，中段管路17和金属法兰12的连接处设有固体树脂件22。可以将金属法兰12的材质设置为纯铜，并利用固体树脂件22将电流引线6的中段管路17固定在金属法兰12上，无需反复插拔电流引线6。

可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对填充块和固体树脂件22的形状、结构、位置等进行确定。

另外，还需要说明的是，本申请的“上下”、“左右”等指示的方位或位置关系，是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于简化描述和便于理解，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。

以上对本发明所提供的气冷电流引线及超导磁体系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种包含气冷电流引线的超导磁体系统，其特征在于，包括：装有液氦(1)和超导线圈(2)的4K容器(3)、用于加热所述液氦(1)的加热器(4)、具有降温冷却功能的冷头装置(5)、电流引线(6)以及控制装置(7)，所述电流引线(6)的上端可通过励磁电缆(8)分别与外接电源(9)的接头正极、接头负极连接，所述电流引线(6)的下端可通过4K内电缆(10)分别与所述超导线圈(2)的接头正极、接头负极连接，所述加热器(4)、所述冷头装置(5)以及所述外接电源(9)均与所述控制装置(7)连接；

所述电流引线(6)为管状结构、且顶部设有用于排出氦气(23)的排气管(11)，所述电流引线(6)和所述冷头装置(5)通过同一金属法兰(12)固定在所述4K容器(3)内，所述电流引线(6)和所述金属法兰(12)之间夹设有绝缘件(13)，所述电流引线(6)的位于所述金属法兰(12)下方的管状结构内贴设有高温超导带材(14)。

2.根据权利要求1所述的包含气冷电流引线的超导磁体系统，其特征在于，所述电流引线(6)包括两个对称分布的引线管(15)，两个所述引线管(15)的顶部连通，所述引线管(15)的连通处顶部设有所述排气管(11)，所述连通处的外周部套设有过渡环(16)，所述过渡环(16)为绝缘材质件。

3.根据权利要求2所述的包含气冷电流引线的超导磁体系统，其特征在于，与所述金属法兰(12)连接的所述引线管(15)为中段管路(17)，位于所述金属法兰(12)上方的所述引线管(15)为上段管路(18)，所述上段管路(18)为不锈钢件、黄铜件或纯铜件，所述中段管路(17)为纯铜件，所述上段管路(18)与所述中段管路(17)通过真空钎焊连接或锡焊连接。

4.根据权利要求3所述的包含气冷电流引线的超导磁体系统，其特征在于，位于所述金属法兰(12)下方的所述引线管(15)为下段管路(19)，所述下段管路(19)为环氧材质件或不锈钢材质件，所述下段管路(19)与所述中段管路(17)通过树脂固化连接或钎焊连接。

5.根据权利要求4所述的包含气冷电流引线的超导磁体系统，其特征在于，所述下段管路(19)的内壁沿轴向设有至少一个用于安装所述高温超导带材(14)的凹槽，所述高温超导带材(14)和所述凹槽之间通过树脂固化连接。

6.根据权利要求4所述的包含气冷电流引线的超导磁体系统，其特征在于，所述下段管路(19)的底部设有引线底座(20)，所述引线底座(20)为纯铜材质件。

7.根据权利要求6所述的包含气冷电流引线的超导磁体系统，其特征在于，所述引线底座(20)和所述4K内电缆(10)通过锡焊连接。

8.根据权利要求4至7任一项所述的包含气冷电流引线的超导磁体系统，其特征在于，所述上段管路(18)和所述下段管路(19)的壁面均设有通气孔(21)。

9.根据权利要求3至7任一项所述的包含气冷电流引线的超导磁体系统，其特征在于，所述绝缘件(13)包括夹设于所述中段管路(17)和所述金属法兰(12)之间的填充块，所述填充块为氮化铝材质件。

10.根据权利要求3至7任一项所述的包含气冷电流引线的超导磁体系统，其特征在于，所述中段管路(17)和所述金属法兰(12)的连接处设有固体树脂件(22)。

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