CN116110675A - 一种快速安装的无液氦mri超导磁体用励磁闭环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超导磁体用励磁闭环系统技术领域，公开了一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，包括低温传热板、底部温度平衡杆、通断开关、布线结构、接线盒和通电引线，所述低温传热板与低温制冷机连接，所述布线结构和接线盒均通过绝缘连接件固定在低温传热板上，所述底部温度平衡杆设置在低温传热板上，所述通断开关设置在底部温度平衡杆上；本发明提供的一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，解决了现有设计整体重量较大，闭合时间长及安装难度大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁体用励磁闭环系统技术领域，具体涉及一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统。
背景技术
目前MRI用超导磁体普遍采用液氦浸泡超导线圈方式为磁体提供维持超导的低温环境，而超导磁体装液氦的容器我们称低温容器，超导线圈位于低温容器内。超导线圈从常温降至超导状态即4.2K低温，即便采用液氮预冷方式，消耗的液氦也在1500升左右，按当前液氦单价计仅降温就需耗费近50万费用，而在后期向超导线圈通电使其产生磁场、防止在医院由于停电等故障引起的停机等均会损耗相当一部分液氦，每次液氦加注又是一笔不小的费用，这对于医院用户方、医院患者、生产厂家都是不小的成本。
近年来国际液氦价格持续走高，液氦使用成本持续上升，所以不需要使用液氦的超导磁体应运而生，即无液氦超导磁体，仅使用低温制冷机就能为超导线圈提供达到超导状态的低温环境。
现有的无液氦超导磁体存在以下问题：
1.现有无液氦磁体闭合系统使用了多芯铜镍基底超导线无感绕制的通断开关，通断开关进出线需要和超导线圈主通断开关进出线并联，通断开关引线部分为保证低温稳定性需使用锡焊焊接于无氧铜基板上或使用环氧粘接于铜基板上，其结构较为复杂，并且使用了锡焊和环氧粘接工艺，导致整体闭合系统测试流程长，制作复杂，且由于锡焊过程中的助焊剂流动，会引起整体结构绝缘降低，造成短路风险。因此，需要对闭合系统重新设计。
2.超导磁体在励磁后需要拆除外部电源线路，使电流在超导线圈内部闭环运行，这是超导磁体零电阻的优势所在。传统液氦浸泡超导磁体能引起系统回路闭环运行的结构所在低温环境较为稳定，其闭合过程由电流引起的热量很容易被蒸发的液氦带走而不致引起超导线圈局部温升过高导致失超，造成闭合过程失败。
为了保证超导线圈通电励磁后顺利实现闭合状态，现有的无液氦磁体闭合系统中整体通断开关电阻值较高，同时，为保证低温稳定性，需要做精细的低温结构设计，会导致整体重量较大。整个系统过大的重量进一步使通电结束后的闭合时间变得很长，接近一个小时，与通电时间相当，闭合过程的缓慢会影响低温系统的稳定性，不但降低效率，还会进一步引发闭合失败的风险。因此，由于没有液氦冷却剂，励磁过程超导线圈内部使用的引线回路也需要重新设计。
3.通断开关引线还需与超导磁体内部通电引线相连，传统方式是通电引线采用成品采购的高温超导电流引线，与闭合回路连接方式为高温锡焊，连接方式采用锡焊导致焊接后出现问题只能报废，无法回收，提升成本的同时也增加了磁体制作难度。
综上可知，传统无液氦超导磁体所采用的闭合结构笨重，安装制作麻烦，采用的锡焊工艺会导致绝缘性能下降，若采用环氧粘接方式虽能提高低温可靠性，但对于系统测试后及整机集成中出现问题调试过程很不友好，费时费力，难以拆卸。且传统闭合系统通电励磁后闭合时间久，集成难度高。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，用以解决现有技术中存在的至少一个上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，包括低温传热板、底部温度平衡杆、通断开关、布线结构、接线盒和通电引线，所述低温传热板与低温制冷机连接，所述布线结构和接线盒均通过绝缘连接件固定在低温传热板上，所述底部温度平衡杆设置在低温传热板上，所述通断开关设置在底部温度平衡杆上；
所述通断开关包括绕线轴、加热器、线圈和通断开关进出线，所述线圈使用铜镍基底单芯超导线采用无电感制作方法在绕线轴上绕制而成，所述线圈的外侧采用无电感制作方法均匀缠绕康铜丝作为加热器，所述通断开关进出线设置在布线结构内，自布线结构内引出的通断开关进出线进入接线盒内；
所述通电引线包括环氧支撑杆、第一接头、第二接头、高温超导带材和超导引线，所述第一接头和第二接头分别设置在环氧支撑杆上，所述高温超导带材通过固定树脂固定在环氧支撑杆上，所述高温超导带材的两端分别与第一接头和第二接头连接，所述超导引线的一端与第二接头连接，所述超导引线的另一端与接线盒内的通断开关进出线连接。
本技术方案中，由于线圈使用铜镍基底单芯超导线采用无电感制作方法在绕线轴上绕制而成，线圈的外侧采用无电感制作方法均匀缠绕一周0.5mm康铜丝作为加热器，采取铜镍基底单芯超导线无感绕制通断开关，大幅降低系统重量，提升闭合效率，保证闭合过程的低温性能。同时，闭合系统与超导磁体内部通电引线连接采取了快接方式，既保证接触电阻也降低了安装难度，同时上述方式避免了高温操作，可以保证系统绝缘性能完整无降低，通电引线与通断开关相连部分采用了快速连接方案，简化安装。结合第一接头、第二接头、高温超导带材、超导引线和接线盒的设置，可在快速完成测试后与超导线圈集成安装，同时，对于出现问题的闭合系统可以快速拆卸更换，也极大提升了超导磁体励磁后的闭合时间。
本设计可以实现超导磁体闭环运行过程闭合时间很短(1分钟左右)，集成方便，安装简易，出现任何问题易于更换，且系统中各零部件方便重复使用；通电引线及快速安装方式降低了成本及安装难度，同时提高了系统可靠性。综上，本励磁闭环系统具有可以快速励磁、简易安装、方便维护及更换的优势。
进一步的，所述底部温度平衡杆采用黄铜H62/H65材质加工制作，所述底部温度平衡杆与低温传热板之间锡焊焊接。
进一步的，所述通断开关通过螺钉固定安装在底部温度平衡杆上，所述通断开关与底部温度平衡杆之间的接触面均匀涂抹一层低温硅脂。
进一步的，所述超导引线使用WIC高场Ni-Ti超导线，每个接线盒共使用10～12根超导引线，单根超导引线长度为80～100mm，所述超导引线的下端与通断开关进出线一起在接线盒内完成超导接头焊接后使用伍德合金灌注固定，所述超导引线的上端与第二接头使用低温焊锡焊接固定。
进一步的，所述布线结构与低温传热板之间的接触面喷涂厚度约0.01mm的低温绝缘漆。
进一步的，所述布线结构包括进出线布线板、引线压线板、底部金属铟片和顶部金属铟片，所述进出线布线板内设有走线槽，所述引线压线板上设有压线凸起，所述底部金属铟片和顶部金属铟片对通断开关进出线进行包裹后，所述压线凸起将包裹后的通断开关进出线固定在走线槽内。
进一步的，所述通断开关进出线的材质为黄铜H62/H65。
进一步的，所述接线盒采用无氧铜加工而成，所述进出线布线板和引线压线板之间使用螺钉固定连接，所述进出线布线板采用无氧铜制作而成，所述引线压线板使用FR4材料制作而成，所述进出线布线板通过高强度绝缘螺钉与低温传热板固定连接。
进一步的，所述接线盒与低温传热板之间的接触面设有PTFE绝缘膜布。
进一步的，还包括第一连接块、第二连接块和铜编织带，所述第一连接块与第二接头连接，所述第二连接块与低温传热板连接，所述铜编织带的两端分别与第一连接块和第二连接块连接。
本发明的有益效果为：本技术方案中，由于线圈使用铜镍基底单芯超导线采用无电感制作方法在绕线轴上绕制而成，线圈的外侧采用无电感制作方法均匀缠绕一周0.5mm康铜丝作为加热器，采取铜镍基底单芯超导线无感绕制通断开关，大幅降低系统重量，提升闭合效率，保证闭合过程的低温性能。同时，闭合系统与超导磁体内部通电引线连接采取了快接方式，既保证接触电阻也降低了安装难度，同时上述方式避免了高温操作，可以保证系统绝缘性能完整无降低，通电引线与通断开关相连部分采用了快速连接方案，简化安装。结合第一接头、第二接头、高温超导带材、超导引线和接线盒的设置，可在快速完成测试后与超导线圈集成安装，同时，对于出现问题的闭合系统可以快速拆卸更换，也极大提升了超导磁体励磁后的闭合时间。
本设计可以实现超导磁体闭环运行过程闭合时间很短(1分钟左右)，集成方便，安装简易，出现任何问题易于更换，且系统中各零部件方便重复使用；通电引线及快速安装方式降低了成本及安装难度，同时提高了系统可靠性。综上，本励磁闭环系统具有可以快速励磁、简易安装、方便维护及更换的优势。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中布线结构的立体结构示意图；
图3为本发明中布线结构的主视结构示意图。
图中：低温传热板1；底部温度平衡杆2；通断开关3；绕线轴3.1；加热器3.2；线圈3.3；通断开关进出线3.4；布线结构4；出线布线板4.1；引线压线板4.2；底部金属铟片4.3；顶部金属铟片4.4；压线凸起4.5；走线槽4.6；接线盒5；通电引线6；环氧支撑杆6.1；第一接头6.2；第二接头6.3；高温超导带材6.4；超导引线6.5；固定树脂6.6；第一连接块7；第二连接块8；铜编织带9。
具体实施方式
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，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
实施例1：
如图1-图3所示，本实施例提供一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，包括低温传热板1、底部温度平衡杆2、通断开关3、布线结构4、接线盒5和通电引线6，低温传热板1与低温制冷机连接，低温传热板1为整个超导线圈提供均匀稳定的低温环境，也为闭合系统提供稳定的低温环境，布线结构4和接线盒5均通过绝缘连接件固定在低温传热板1上，较优的，绝缘连接件为绝缘螺钉，底部温度平衡杆2设置在低温传热板1上，通断开关3设置在底部温度平衡杆2上；
通断开关3包括绕线轴3.1、加热器3.2、线圈3.3和通断开关进出线3.4，线圈3.3使用铜镍基底单芯超导线采用无电感制作方法在绕线轴3.1上绕制而成，线圈3.3的外侧采用无电感制作方法均匀缠绕一周0.5mm康铜丝作为加热器3.2，通断开关进出线3.4设置在布线结构4内，自布线结构4内引出的通断开关进出线3.4进入接线盒5内；较优的，线圈3.3电阻与磁体通电励磁电压相关，通常取电阻值50～70欧姆，绕线轴3.1采用紫铜材质加工而成。加热器3.2电阻值通过计算及实验测试得到，一般取20～30欧姆，长度约5米。
通电引线6包括环氧支撑杆6.1、第一接头6.2、第二接头6.3、高温超导带材6.4和超导引线6.5，第一接头6.2和第二接头6.3分别设置在环氧支撑杆6.1上，高温超导带材6.4通过固定树脂6.6固定在环氧支撑杆6.1上，高温超导带材6.4的两端分别与第一接头6.2和第二接头6.3连接，超导引线6.5的一端与第二接头6.3连接，超导引线6.5的另一端与接线盒5内的通断开关进出线3.4连接。具体的，通电引线6分别为两根，一根在超导线圈通电励磁时将外部电源电流引入超导线圈，另一根将超导线圈流出的电流再引回外部电源。当通电励磁结束后闭合系统完成闭合，通电引线6内没有电流流过。
优选的，环氧支撑杆6.1由热导率很低的环氧树脂或FR4材料制成，连接超导磁体中的热辐射屏与超导线圈，引入热传导漏热很小。
优选的，第一接头6.2和第二接头6.3均为铜接头，通电时电流主要通过两个铜接头引入通电引线6中环氧支撑杆6.1表面固定的高温超导带材6.4，此高温超导带材6.4一直处于超导状态，电流流过时不会引其发热现象，保证了超导磁体在降温后的各个阶段的低温稳定性。
本技术方案中，由于线圈3.3使用铜镍基底单芯超导线采用无电感制作方法在绕线轴3.1上绕制而成，线圈3.3的外侧采用无电感制作方法均匀缠绕一周0.5mm康铜丝作为加热器3.2，采取铜镍基底单芯超导线无感绕制通断开关3，大幅降低系统重量，提升闭合效率，保证闭合过程的低温性能。同时，闭合系统与超导磁体内部通电引线6连接采取了快接方式，既保证接触电阻也降低了安装难度，同时上述方式避免了高温操作，可以保证系统绝缘性能完整无降低，通电引线6与通断开关3相连部分采用了快速连接方案，简化安装。结合第一接头6.2、第二接头6.3、高温超导带材6.4、超导引线6.5和接线盒5的设置，可在快速完成测试后与超导线圈集成安装，同时，对于出现问题的闭合系统可以快速拆卸更换，也极大提升了超导磁体励磁后的闭合时间。
本设计可以实现超导磁体闭环运行过程闭合时间很短(1分钟左右)，集成方便，安装简易，出现任何问题易于更换，且系统中各零部件方便重复使用；通电引线6及快速安装方式降低了成本及安装难度，同时提高了系统可靠性。综上，本励磁闭环系统具有可以快速励磁、简易安装、方便维护及更换的优势。
实施例2：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
底部温度平衡杆2采用黄铜H62/H65材质加工制作，能够达到更好的降温性能，底部温度平衡杆2与低温传热板1之间锡焊焊接，降低了传热路径中接触热阻。
实施例3：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
通断开关3通过螺钉固定安装在底部温度平衡杆2上，通断开关3与底部温度平衡杆2之间的接触面均匀涂抹一层低温硅脂，降低界面热阻。
实施例4：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
超导引线6.5使用WIC高场Ni-Ti超导线，每个接线盒5共使用10～12根超导引线6.5，单根超导引线6.5长度为80～100mm，超导引线6.5的下端与通断开关进出线3.4一起在接线盒5内完成超导接头焊接后使用伍德合金灌注固定，超导引线6.5的上端与第二接头6.3使用低温焊锡焊接固定。
实施例5：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
布线结构4与低温传热板1之间的接触面喷涂厚度约0.01mm的低温绝缘漆，在满足绝缘性能的情况下可以降低接触面热阻。
实施例6：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
布线结构4包括进出线布线板4.1、引线压线板4.2、底部金属铟片4.3和顶部金属铟片4.4，进出线布线板4.1内设有走线槽4.6，引线压线板4.2上设有压线凸起4.5，底部金属铟片4.3和顶部金属铟片4.4对通断开关进出线3.4进行包裹后，压线凸起4.5将包裹后的通断开关进出线3.4固定在走线槽4.6内。底部金属铟片4.3的设置为通断开关进出线3.4与走线槽4.6底部平面接触空隙提供密实填充，采用引线压线板4.2压接并以纯金属铟为填充介质，保证了通断开关进出线3.4低温稳定性，此外，通过此种结构实现了通断开关进出线3.4非常简易的固定方式，同时保证了绝缘、低温、超导性能。
实施例7：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
通断开关进出线3.4的材质为黄铜H62/H65。
实施例8：
本实施例是在上述实施例6的基础上进行优化。
接线盒5采用无氧铜加工而成，进出线布线板4.1和引线压线板4.2之间使用螺钉固定连接，进出线布线板4.1采用无氧铜制作而成，引线压线板4.2使用FR4材料制作而成，保证与金属铟片接触后的绝缘性能，进出线布线板4.1通过高强度绝缘螺钉与低温传热板1固定连接。
具体的，通断开关进出线3.4需布置在无氧铜制作而成的进出线布线板4.1上，通过引线压线板4.2并填充金属铟片固定。无氧铜制作的进出线布线板4.1，通断开关进出线3.4设置在其上表面加工的走线槽4.6内。在通断开关进出线3.4放置于进出线布线板4.1之前，走线槽4.6内需先铺设一层0.5mm厚度铟片并预先压紧使其紧密贴合于走线槽4.6表面，为通断开关进出线3.4与走线槽4.6底部平面接触空隙提供密实填充；随后将通断开关进出线3.4轻置于成型后的底部金属铟片4.3上，再放置一层顶部金属铟片4.4，预先挤压使其大致包裹通断开关进出线3.4；接下来安装引线压线板4.2，引线压线板4.2使用FR4材料制作，保证与顶部金属铟片4.4接触后的绝缘性能。引线压线板4.2使用螺钉与进出线布线板4.1固定，固定后底部金属铟片4.3和顶部金属铟片4.4会被引线压线板4.2的压线凸起4.5压紧在走线槽4.6内，同时引线压线板4.2的压线凸起4.5有圆角凹槽，保证顶部金属铟片4.4被压至平整与底部金属铟片4.3紧密贴合包裹通断开关进出线3.4的同时不会损伤通断开关进出线3.4的表面绝缘层。
实施例9：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
接线盒5与低温传热板1之间的接触面设有PTFE绝缘膜布。
实施例10：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
还包括第一连接块7、第二连接块8和铜编织带9，第一连接块7与第二接头6.3连接，第二连接块8与低温传热板1连接，铜编织带9的两端分别与第一连接块7和第二连接块8连接。
第一连接块7、第二连接块8和铜编织带9三个部件共同构成了通电引线6下端低温热沉，第一连接块7和第二连接块8分别连接第二接头6.3和低温传热板1，可以为超导引线6.5提供维持超导性能的低温环境，同时提高通电引线6的低温性能，并在超导线圈通电时为与接线盒5相连的超导接头提供散热，避免出现局部高温引起失超，造成闭合系统工作失败。
综上，本技术方案优势如下：
1、结构简单，易于安装、拆卸及维修，并且成本低廉，利于集成；
2、极大提升了闭合时间，提高了测试、维护、维修重启的效率；
3、自行设计通电引线6，代替了外购商品件，节省采购周期，提升生产效率；
4、简化了电气绝缘结构，采用喷涂低温绝缘漆的方式代替传统的PTFE绝缘膜，提高系统绝缘可靠性并提升生产效率。
5、现有的，使用铜编织带连接接线盒和通电引线，但通电流后整个闭合系统发热较大，很容易引起接线部分失超导致闭合系统工作失败；本技术方案中，接线盒5与通电引线6使用超导引线6.5连接结构，改变了传统技术使用铜编织带或铜棒的结构，提升了电流传输效率，并降低了闭合系统低温环境波动引发失超的风险；
6、现有设计中使用环氧或锡焊的方式固定通断开关引线，但工艺繁复且容易破坏系统电气绝缘性能，更容易导致低温性能降低；本技术方案中，使用顶部金属铟片4.4和底部金属铟片4.3致密压紧包裹进出通断开关进出线3.4的方式既提供了可靠的低温稳定性，又能使整体系统模块化，标准化，对于各种不同设计标准的超导磁体都具有很强的适用性。
需要说明的是，为避免通断开关3在线圈3.3通电初始温升过高引发系统失超风险，可采用非金属材料连接通断开关3与低温传热板1，但容易引起通断开关3降温性能不达标导致整体闭合系统无法工作。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，其特征在于：包括低温传热板、底部温度平衡杆、通断开关、布线结构、接线盒和通电引线，所述低温传热板与低温制冷机连接，所述布线结构和接线盒均通过绝缘连接件固定在低温传热板上，所述底部温度平衡杆设置在低温传热板上，所述通断开关设置在底部温度平衡杆上；
所述通断开关包括绕线轴、加热器、线圈和通断开关进出线，所述线圈使用铜镍基底单芯超导线采用无电感制作方法在绕线轴上绕制而成，所述线圈的外侧采用无电感制作方法均匀缠绕康铜丝作为加热器，所述通断开关进出线设置在布线结构内，自布线结构内引出的通断开关进出线进入接线盒内；
所述通电引线包括环氧支撑杆、第一接头、第二接头、高温超导带材和超导引线，所述第一接头和第二接头分别设置在环氧支撑杆上，所述高温超导带材通过固定树脂固定在环氧支撑杆上，所述高温超导带材的两端分别与第一接头和第二接头连接，所述超导引线的一端与第二接头连接，所述超导引线的另一端与接线盒内的通断开关进出线连接。
2.根据权利要求1所述的一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，其特征在于：所述底部温度平衡杆采用黄铜H62/H65材质加工制作，所述底部温度平衡杆与低温传热板之间锡焊焊接。
3.根据权利要求1所述的一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，其特征在于：所述通断开关通过螺钉固定安装在底部温度平衡杆上，所述通断开关与底部温度平衡杆之间的接触面均匀涂抹一层低温硅脂。
4.根据权利要求1所述的一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，其特征在于：所述超导引线使用WIC高场Ni-Ti超导线，每个接线盒共使用10～12根超导引线，单根超导引线长度为80～100mm，所述超导引线的下端与通断开关进出线一起在接线盒内完成超导接头焊接后使用伍德合金灌注固定，所述超导引线的上端与第二接头使用低温焊锡焊接固定。
5.根据权利要求1所述的一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，其特征在于：所述布线结构与低温传热板之间的接触面喷涂低温绝缘漆。
6.根据权利要求1所述的一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，其特征在于：所述布线结构包括进出线布线板、引线压线板、底部金属铟片和顶部金属铟片，所述进出线布线板内设有走线槽，所述引线压线板上设有压线凸起，所述底部金属铟片和顶部金属铟片对通断开关进出线进行包裹后，所述压线凸起将包裹后的通断开关进出线固定在走线槽内。
7.根据权利要求1所述的一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，其特征在于：所述通断开关进出线的材质为黄铜H62/H65。
8.根据权利要求6所述的一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，其特征在于：所述接线盒采用无氧铜加工而成，所述进出线布线板和引线压线板之间使用螺钉固定连接，所述进出线布线板采用无氧铜制作而成，所述引线压线板使用FR4材料制作而成，所述进出线布线板通过高强度绝缘螺钉与低温传热板固定连接。
9.根据权利要求1所述的一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，其特征在于：所述接线盒与低温传热板之间的接触面设有PTFE绝缘膜布。
10.根据权利要求1所述的一种快速安装的无液氦MRI超导磁体用励磁闭环系统，其特征在于：还包括第一连接块、第二连接块和铜编织带，所述第一连接块与第二接头连接，所述第二连接块与低温传热板连接，所述铜编织带的两端分别与第一连接块和第二连接块连接。
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