CN116490940A - 无冷冻剂超导磁体系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无冷冻剂超导磁体系统，具有：超导线圈(1)，其用于生成磁场；真空室(2)，其具有将所述真空室限制到外部的真空室壁(3)；以及，低温冷却器(4)，其用于冷却所述超导线圈(1)，所述低温冷却器包括具有第一级(21)和第二级(22)的冷冻机，所述第一级适于被冷却到第一温度，所述第二级适于被冷却到第二温度，所述第二温度低于所述第一温度，其中，所述超导线圈(1)被布置在所述真空室(2)内部与所述真空室壁(3)相距一定距离，所述超导线圈(1)配备有两个超导线圈连接器(18)，其被电连接到两个电流导联(5)，所述电流导联(5)被馈送通过真空室壁(3)，以从所述真空室(2)的外部向所述超导线圈(1)提供电流，每个电流导联(5)包括第一部分(6)和第二部分(7)，其中，所述第一部分(6)的横截面面积小于所述第二部分(7)的横截面面积，所述电流导联(5)被电连接到所述超导线圈连接器(18)，并且利用它们各自的第二部分(7)被热连接到所述冷冻机的所述第一级(21)，并且，每个所述电流导联(5)的所述第一部分(6)都包括冷却装置(8)，用于冷却所述电流导联(5)的所述第一部分(6)。以这种方式，提供一种无冷冻剂的超导磁体系统，其中，在没有热逃逸风险的情况下消除电流导联(5)中在零电流处的过量热负载。
Description
技术领域
本发明涉及无冷冻剂超导磁体领域，具体地，涉及一种无冷冻剂超导磁体系统，其具有：超导线圈，其用于生成磁场；真空室，其具有将真空室限制在外部的真空室壁；以及，低温冷却器，其用于冷却超导线圈，其中，超导线圈被布置在真空室内部与真空室壁相距一定距离，并且超导线圈配备有两个电流导联，所述电流导联被馈送通过真空室壁，以从真空室外部向线圈提供电流。
背景技术
通常，无冷冻剂超导磁体系统可以被机械冷却到4.2K，从而消除对液体冷冻剂的需要，避免与处理液体冷冻剂相关的问题。然而，当高温超导体用于超导磁体时，系统的工作温度也可能具有在10到30K之间的值。因此，无冷冻剂超导磁体是有利的，因为它们提供更容易的处理，因为没有液体冷冻剂要被转移，并且因此可以避免购买昂贵的液氦。此外，无冷冻剂系统操作的处理更容易，并且需要更少的维护。
无冷冻剂磁体，也被称为无氦磁体，其中，线圈被放置在需要永久安装电流导联的低温恒温器的绝缘真空中，所述电流导联不能通过从液氦容器中排出气体来冷却。因此，这些导联在系统的冷冻机上引起相对较大的热负载。对于大多数时间在恒定场上以持续模式工作的磁体，如磁共振成像(MRI)磁体，电流导联中在零电流处的热负载是最有问题的。
US 5 302 928描述了用于由两级构成的类型的超导磁体系统的电流导联。这种类型的此种结构总体上从环境温度工作到热屏蔽的温度，并且从热屏蔽的温度工作到磁体的温度，从而降低欧姆损耗。
尽管现有技术设法解决将热负载减少到传导冷却的超导磁体，但没有提供用于解决无冷冻剂超导磁体系统中的电流导联中在零电流处的热负载问题的解决方案。
美国专利申请US2019/1908932公开了一种磁体系统，其具有永久安装的具有可变横截面积的电流导联。电流导联可以额外地经由被耦合到主动冷却设备的上部冷却级的辐射屏蔽来冷却。此外，电流导联例如以金属块的形式被耦合到冷却容器。
发明内容
本发明的目的是提供一种无冷冻剂超导磁体系统，其中，移除在电流导联中在零电流处的过量热负载而没有热逃逸的风险。
根据本发明，该目的通过独立权利要求的主题来解决。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。
因此，根据本发明，提供一种无冷冻剂超导磁体系统，所述系统包括超导线圈，其用于生成磁场，
真空室，其具有将真空室限制在外部的真空室壁，以及
低温冷却器，其用于冷却超导线圈，所述低温冷却器包括具有适于被冷却到第一温度的第一级和适于被冷却到第二温度的第二级的冷冻机，所述第二温度低于所述第一温度，其中
超导线圈被布置在与真空室壁相距一定的距离的真空室内部，
超导线圈配备有被电连接到两个电流导联的两个超导线圈连接器，所述两个电流导联被馈送通过真空室壁，以从真空室的外部向超导线圈提供电流，
每个电流导联包括第一部分和第二部分，其中，第一部分的横截面面积小于第二部分的横截面面积，
电流导联流被电附接到超导线圈连接器，并且用它们各自的第二部分被热连接到冷冻机的第一级，并且
每个电流导联的第一部分均包括冷却装置，用于在环境温度(例如，室温)下通过热传递到外部来冷却电流导联的第一部分。
因此，本发明的一个重要方面是，每个电流导联均包括具有不同横截面的至少两个不同部分，其中，电流导联利用其包括更大横截面的部分被附接到超导线圈连接器。以这种方式，通过电流导联的热传递由于其具有较小横截面的部分而减少。此外，重要的是，电流导联的第一部分通过冷却装置来冷却。以这种方式，对于导联中的电流较小或为零的情况，可以减少向冷冻机的第一级的热泄漏。电流导联的第二部分的端部被热锚定到冷冻机的第一级，这提供的优点是高温超导连接总是保持在其超导状态。
总体上，用于无冷冻剂磁体的电流导联的合适形状是一条导电材料(例如铜)棒，在其整个长度上具有恒定的横截面。根据本发明，在导联的一定长度上，与线圈相距一定距离的电流导联的部分中的横截面面积在导联的特定长度上减小。在没有冷却的情况下，当为线圈传导电流时，导联的这个薄的部分将迅速加热到高于其材料熔点的温度。为了防止这种热逃逸，导联的薄的部分配备有冷却装置。
总体上，至少在沿着电流导联长度的某处减小电流导联的横截面面积已经适合于降低热负载。然而，根据本发明的优选实施例，电流导联被馈送通过具有其第一部分的真空室的壁。以这种方式，沿着电流导联的热传递被进一步减少。此外，根据本发明的优选实施例，电流导联的第一部分的横截面面积小于第二部分的横截面面积的25％，优选地小于20％，最优选地小于15％。此外，根据本发明的优选实施例，电流导联的第二部分的横截面面积以在不冷却的情况下热耐受被馈送到超导线圈的预定最大电流的方式来确定尺寸，而电流导联的第一部分的横截面面积在不冷却的情况下以不适于热耐受被馈送到超导线圈的预定最大电流的方式来确定尺寸。优选地，预定最大电流为400A，更优选地为450A。
总体上，电流导联可以沿着其长度由不同的材料制成。然而，根据本发明的优选实施例，电流导联在其第一部分和第二部分中包括相同的材料。优选地，电流导联完全由铜制成。
当电流导联通过真空室壁与馈电槽(feed-trough)永久安装时，它们将构成泄漏到磁体中的额外的不需要的热，磁体保持非常小，以避免冷冻机上的额外热负载。在零电流的情况下，即，当磁体以持续模式操作时，每个电流导联的窄的第一部分在电流导联中形成增加的热阻，在持续模式下，电流在零电阻处以其超导状态在超导线圈中流动。当使磁体向上或向下倾斜时，电流经由电流导联被馈送到超导线圈或从超导线圈收回，那么在具有相对高电阻的窄的第一部分中，散热增加(相差I2R)，并且窄的第一部分中的温度将增加。为了避免所谓的电流导联的热逃逸，其中，在窄的第一部分处增加的散热可能引起对电流导联的损坏，在其室温端从窄的第一部分提取热量。优选地，例如通过使用安装在电流导联外部的散热片，通过提供足够的冷却表面的环境空气的自由对流来进行热量提取。可以通过流体冷却的方式，或者优选地通过使用针对电流导联的窄的部分的热管的方式，当窄的部分在斜坡上升/下降期间承载电流时，增强来自窄的部分的热量传输。在室温下向外部的有效热传递实现能够连续提取来自窄的部分的热量，而对窄的部分的冷却持续时间没有上限，因为外部的热容量(实际上)相对于由增加的耗散生成的热量的量是无限的。这与通过提供(有限的)量的流体或固体冷物质(例如来自缓冲或冷(He)气体)的传统焓驱动冷却有本质上的不同。由于热量提取(例如通过流体冷却或通过热管)，在室温下从窄的第一部分到外部的热传输远高于沿着(较大横截面的)第二部分的热传输。在零电流状态下，电流导联的窄的上部的热阻远高于较厚的下部的热阻。这大大减少了通过馈电槽的不想要的热量泄漏。当使用热管时，这是以被动的方式实现的，因为热管的工作流体将在其下端冻结，并且热管的其余部分的内部基本上是真空的。当热管的上部通过强制的流体流动冷却时，停止这种流动将导致冷却剂的冻结，而冷却剂在其冻结状态下具有低导热率。
本发明允许电流导联在其相应的不同部分中的不同设计。但是，根据本发明的优选实施例，电流导联的第一部分的长度是电流导联的第二部分的长度的至少60％，优选地至少80％，最优选地超过100％。通过这种方式，可以进一步减少通过电流导联的不期望的热传递。
不同类型的冷却装置可以用于本发明。根据本发明的优选实施例，每个用于冷却电流导联的第一部分的冷却装置均包括相应电流导联的第一部分内部的用于传导冷却剂的冷却通道。在这方面，根据本发明的优选实施例，两个电流导联均包括公共冷却通道。这允许对冷却装置进行简单而有效的设计。根据本发明的优选实施例，该公共冷却通道包括在电流导联的第一部分中的相应冷却通道和将相应电流导联的第一部分中的冷却通道互连的电绝缘耦合器。以这种方式，两个导联被热连接，即，用于冷却的目的，而它们仍然彼此电隔离。
多余的热量可以通过不同的方式耗散。根据本发明的优选实施例，每个用于冷却电流导联的第一部分的冷却装置均包括热管，电流导联利用所述热管被馈送通过真空室的壁，所述热管延伸到真空室的内部，并且所述热管被连接到真空室外部的散热器。在这方面，根据本发明的优选实施例，热管分别由电流导联的第一部分形成。
本发明还涉及如上所述的具有无冷冻剂超导磁体系统的MRI系统，以及如上所述的无冷冻剂超导磁体系统的使用方法。
附图说明
本发明的这些和其他方面将从下文所述的实施例中显而易见并参考下文所述实施例进行阐述。然而，这样的实施例不一定代表本发明的全部范围，因此参考权利要求和本文来解释本发明的范围。
在附图中：
图1示意性描绘了根据本发明优选实施例的MRI系统；
图2更详细地示意性描绘了电流导联和冷却装置的第一实施例；以及
图3更详细地示意性描绘了电流导联和冷却装置的第二实施例。
具体实施方式
从图1结合图2能够看出，MRI系统包括无冷冻剂超导磁体系统，其具有：超导线圈1，其用于生成磁场；真空室2，其具有将真空室2限制在外部的真空室壁3；以及，低温冷却器4，其具有用于冷却超导线圈1的冷冻机。此外，超导磁体系统包括辐射屏23，所述辐射屏23围绕被布置在真空室2内部的无冷冻剂超导磁体系统的大部分部件。超导磁体系统以持续模式操作；超导线圈1的导联不携带任何电流，除非由于超导线圈1引起的磁场必须改变。
低温冷却器4的冷冻机具有吸收热量的至少两个热界面，即通常具有40K的温度并且主要用于通过热链路24冷却超导磁体系统的辐射屏23的第一级21，以及通常达到3-5K的温度并且主要通过热链路26冷却超导线圈1的第二级22。超导线圈1被布置在真空室2的内部，并且内部不接触辐射屏23。超导线圈1配备有两个超导线圈连接器18，其被电连接到两个电流导联5，所述两个电流导联5被馈送通过真空室壁3，以从真空室2的外部向超导线圈1提供电流。
超导线圈连接器18由高温超导(HTS)材料制成，并且通过热链路25被热锚定到冷冻机的第一级21，以这种方式，使得超导线圈连接器18的温度基本上低于HTS材料的临界温度。此外，如图2和图3中所描绘的，每个电流导联5均包括用于与各自的电流线连接的电连接器15。每个电流导联5均包括第一部分6和第二部分7。第二部分7被热锚定到冷冻机的第一级21。第一部分6、第二部分7和超导线圈连接器18总是电连接和热连接的，而与它们是否承载任何电流无关。第一部分6、第二部分7和超导线圈连接器18总是电连接和热连接的，而与它们是否承载任何电流无关。电流导联的第一部分的横截面面积以在不冷却的情况下不适于热耐受被馈送到超导线圈的预定最大电流的方式确定尺寸。相反，它们的横截面面积选择为使得能够通过热管或强制的流动冷却，安全地将通过最大磁体电流耗散的热量从这些部件中去除。假设导联的上端在操作状态下处于室温或略高于室温，则使用公认的方法确定导联的较厚的下部的尺寸，以在最大操作电流下向其下端提供最小的热量输入。
从图2中能够详细看出，第一部分6的横截面面积小于第二部分7的横截面面积，并且电流导联5利用其各自的第二部分7被附接到超导线圈连接器18。以这种方式，由于具有较小横截面面积的第一部分6，电流导联5中在零电流处到冷冻机21的第一级的热量传递减少。当最大磁体电流流过电流导联5时，为了防止电流导联5在具有较小的横截面面积的第一部分6中损坏，每个电流导联5的第一部分6均包括用于冷却电流导联5的第一部分6的冷却装置8。如前所述，该冷却装置被设计为仅在电流流过电流导联5时才起作用，并且在电流导联5不承载任何电流时不生成额外的热泄漏。如图2和图3中所描绘的，电流导联5利用其第一部分6被馈送通过真空室的壁。这些电流导联5在其第一部分和第二部分中由相同的材料制成，即由铜制成。
根据图2所示的本发明的优选实施例，每个用于冷却电流导联5的第一部分6的冷却装置8均包括在相应的电流导联5的第一部分6内部的冷却通道10，用于传导冷却剂。这些冷却通道10一起形成用于两个电流导联5的公共冷却通道9。在这方面，公共冷却通道9包括在电流导联5的第一部分6中的相应冷却通道10以及将相应电流导联5的第一部分6中的冷却通道相互连接的电绝缘耦合器11。以这种方式，两个电流导联5被热连接，即，为了冷却的目的，而它们仍然彼此电隔离。备选地，每个电流导联5能够具有其自己的用于冷却剂流动的供应和返回通道；在这种情况下，不需要绝缘耦合器。
根据图3所示的本发明的优选实施例，每个用于冷却电流导联5的第一部分6的冷却装置8均形成热管12，电流导联5利用所述热管12被馈送通过真空室壁3。因此，这些热管12分别形成电流导联5的第一部分6，它们都延伸到真空室2的内部，并且都连接到真空室2外部的相应散热器13，所述散热器13是电流导联5的室温端的冷凝器。在这种情况下，系统的操作是完全被动和自动的：在零电流状态下，热管12的介质(可能是水、甲醇或一些其他合适的液体)将在下端冻结，并且剩余的热传递将是通过导联材料的热传导。
根据本发明的优选实施例，使用外径为10mm并且长度为400mm的“成品的”铜热管。它具有烧结的铜芯，并且热传输介质是水蒸气。在两端焊接铜块，小的一块在下端，用于电流导联5的未冷却的第一部分6的电连接，并且较大的一块在顶部，用于其他电连接并附接散热器12、13。
如前所述，重要的是，每个电流导联5均包括具有不同横截面的至少两个不同部分6、7。以这种方式，由于其具有较小横截面的部分，通过电流导联的热传递减少。在没有冷却的情况下，当为线圈传导电流时，电流导联的该较薄的第一部分6将迅速加热到高于其材料熔点的温度。为了防止这种热逃逸，电流导联5的薄的部分6配备有冷却装置8。在这方面，电流导联5的第二部分7的横截面面积以在不冷却的情况下热耐受被馈送到超导线圈1的预定最大电流的方式来确定尺寸，而电流导联5的第一部分6的横截面面积以在不冷却的情况下不适于热耐受被馈送到超导线圈1的预定最大电流的方式来确定尺寸。
如前所述，在不冷却的情况下，用于无冷冻剂磁体的电流导联的合适的形状是在其整个长度上具有恒定的横截面的一条导电材料(例如铜)棒。根据本文描述的本发明的优选实施例，在导联长度的大约40-60％上，横截面面积减小到该合适的值的大约15-20％。在不冷却的情况下，电流导联5的这个薄的第一部分6将迅速加热到高于铜的熔点的温度，铜在这里用作电流导联5的材料。为了防止这种热逃逸，电流导联的较薄的第一部分5配备有冷却装置8。对于额定最大电流为450A的范例电流导联，每个最佳冷却后的导联由具有大约12mm2的横截面的300mm长的冷却后的铜部件与具有55mm2的横截面的400mm长的未冷却的铜部件串联构成。这些导联中的每一个向冷端传输大约3.5W。相同长度的等效未冷却电流导联将具有75mm2的横截面，并且每个将在冷端产生约12W的热负载。
尽管已经在附图和前述描述中对本发明进行了详细说明和描述，但这种说明和描述应当被认为是说明性的或范例性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过对附图、本公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除复数。仅有在相互不同的从属权利要求中列举了某些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制保护范围。此外，为了清楚起见，并不是附图中的所有元件都提供了附图标记。
附图标记列表
超导线圈 1
真空室 2
真空室壁 3
低温冷却器 4
电流导联 5
第一部分 6
第二部分 7
冷却装置 8
公共冷却通道 9
电流导联的第一部分中的冷却通道 10
电绝缘耦合器 11
热管 12
散热器 13
MRI系统 14
电连接器 15
冷却入口 16
冷却出口 17
超导线圈连接器 18
冷冻机的第一级 21
冷冻机的第二级 22
辐射屏 23
热链接 24
热链接 25
热链接 26
Claims (14)
1.一种无冷冻剂超导磁体系统，具有
超导线圈(1)，其用于生成磁场，
真空室(2)，其具有将所述真空室限制到外部的真空室壁(3)，以及
低温冷却器(4)，用于冷却所述超导线圈(1)，所述低温冷却器包括具有第一级(21)和第二级(22)的冷冻机，所述第一级适于被冷却到第一温度，所述第二级适于被冷却到第二温度，所述第二温度低于所述第一温度，其中
所述超导线圈(1)被布置在所述真空室(2)内部与所述真空室壁(3)相距一定距离，
所述超导线圈(1)配备有被电连接到两个电流导联(5)的两个超导线圈连接器(18)，所述两个电流导联被馈送通过真空室壁(3)，以从所述真空室(2)的外部向所述超导线圈(1)提供电流，
每个电流导联(5)包括第一部分(6)和第二部分(7)，其中，所述第一部分(6)的横截面面积小于所述第二部分(7)的横截面面积，
所述电流导联(5)被电附接到所述超导线圈连接器(18)，并且利用它们各自的第二部分(7)被热连接到所述冷冻机的所述第一级(21)，并且
每个所述电流导联(5)的所述第一部分(6)都包括冷却装置(8)，所述冷却装置用于在环境温度下通过向所述外部的热传递来冷却所述电流导联(5)的所述第一部分(6)。
2.根据权利要求1所述的无冷冻剂超导磁体系统，其中，所述电流导联(5)利用其第一部分(6)被馈送通过所述真空室壁(3)。
3.根据权利要求1或2所述的无冷冻剂超导磁体系统，其中，所述电流导联(5)的所述第一部分(6)的所述横截面面积小于所述第二部分(7)的所述横截面面积的25％，优选地小于20％，最优选地小于15％。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的无冷冻剂超导磁体系统，其中，所述电流导联(5)的所述第二部分(7)的所述横截面面积在不冷却的情况下以热耐受被馈送到所述超导线圈(1)的预定最大电流的方式来确定尺寸，而所述电流导联(5)的所述第一部分(6)的所述横截面面积在不冷却的情况下以不适于热耐受被馈送到所述超导线圈(1)的所述预定最大电流的方式来确定尺寸。
5.根据权利要求4所述的无冷冻剂超导磁体系统，其中，预定最大电流为450A。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的无冷冻剂超导磁体系统，其中，所述电流导联(5)在其第一部分(6)和第二部分(7)中包括相同的材料，优选为铜。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的无冷冻剂超导磁体系统，其中，所述电流导联(5)的所述第一部分(6)的长度为所述电流导联(5)的所述第二部分(7)的长度的至少60％，优选至少80％，最优选大于100％。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的无冷冻剂超导磁体系统，其中，每个用于冷却所述电流导联(5)的所述第一部分(6)的所述冷却装置(8)均包括在相应的电流导联(5)的所述第一部分(6)内的用于传导冷却剂的冷却通道(10)。
9.根据权利要求8所述的无冷冻剂超导磁体系统，其中，两个电流导联(5)都包括公共冷却通道(9)。
10.根据权利要求9所述的无冷冻剂超导磁体系统，其中，所述公共冷却通道(9)包括在所述电流导联(5)的所述第一部分(6)中的相应冷却通道(10)以及将相应电流导联(5)的所述第一部分(6)中的所述冷却通道(10)相互连接的电绝缘耦合器(11)。
11.根据权利要求1至7中的任一项所述的无冷冻剂超导磁体系统，其中，每个用于冷却所述电流导联(5)的所述第一部分(6)的所述冷却装置(8)均包括热管(12)，利用所述热管，所述电流导联(5)被馈送通过所述真空室壁(3)，其中，所述热管(12)延伸到所述真空室(2)的所述内部，并且被连接到所述真空室(2)外部的散热器(13)。
12.根据权利要求11所述的无冷冻剂超导磁体系统，其中，所述热管(12)分别由所述电流导联(5)的所述第一部分(6)形成。
13.一种MRI系统，其具有根据前述权利要求中的任一项所述的无冷冻剂超导磁体系统。
14.一种根据权利要求1至12中的任一项所述的无冷冻剂超导磁体系统用于MRI系统的方法。
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