CN117410058A - 用于旋转机架的无液氦超导磁体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于旋转机架的无液氦超导磁体，涉及超导磁体技术领域，包括：超导线圈骨架，为圆环状结构，采用非金属G10材质；超导线圈组件，绕制在超导线圈骨架的表面；导冷组件，为环形传导冷却结构，与超导线圈骨架嵌套设置，被配置为将冷量传递至超导线圈组件的表面，对超导线圈组件进行冷却；导冷铜编织带，一端与导冷组件连接；二级导冷转换板，与导冷铜编织带的另一端连接；制冷机，与二级导冷转换板连接；其中，冷量通过制冷机的冷头传递到二级导冷转换板，再通过导冷铜编织带传递到导冷组件。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁体技术领域，尤其涉及一种用于旋转机架的无液氦超导磁体。
背景技术
将旋转机架小型化、轻量化是新一代离子放疗装置的发展方向。超导磁体具有体积小、重量轻，低功耗，高磁场强度的特点，可减小离子的偏转半径及旋转机架的尺寸。因此，将超导磁体技术应用到离子放射治疗装置是必然趋势。
超导磁体是利用超导材料在某一温度下电阻降低为零的特性制作而成的磁体。超导磁体一般工作在液氦温区，采用液氦浸泡进行冷却。然而，对于旋转机架而言，有液氦超导磁体不能保证稳定的运行。旋转机架通常采用无液氦超导磁体，依靠小型GM(Gifford-Mcmahon)低温制冷机降温，通过传导冷却方式使整个超导线圈降至超导态。
目前，连接低温制冷机与超导线圈(包含线圈骨架)的结构多采用高纯无氧铜，线圈骨架多采用铝合金或者不锈钢等金属材料。为保证降温达到设计要求，会采取一定的冗余设计，大量的无氧铜板及金属骨架，将大大增加磁体重量、体积和成本。更为严重的是，铜板和金属骨架在交变的磁场(脉冲运行)中会产生涡流，使得磁体总体的交流损耗增大，冷却难度增大。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种用于旋转机架的无液氦超导磁体，用于至少部分解决上述技术问题。
基于此，本发明实施例提供一种用于旋转机架的无液氦超导磁体，包括：超导线圈骨架，为圆环状结构，采用非金属G10材质；超导线圈组件，绕制在超导线圈骨架的表面；导冷组件，为环形传导冷却结构，与超导线圈骨架嵌套设置，被配置为将冷量传递至超导线圈组件的表面，对超导线圈组件进行冷却；导冷铜编织带，一端与导冷组件连接；二级导冷转换板，与导冷铜编织带的另一端连接；制冷机，与二级导冷转换板连接；其中，冷量通过制冷机的冷头传递到二级导冷转换板，再通过导冷铜编织带传递到导冷组件。
根据本公开的实施例，超导线圈骨架包括：超导四极线圈G10骨架、超导二极线圈G10骨架、骨架连接端板；其中，超导四极线圈G10骨架与超导二极线圈G10骨架嵌套后在端部两侧由骨架连接端板固定连接。
根据本公开的实施例，超导线圈骨架外表面设有线槽，超导线圈组件由超导线缆沿线槽绕制后进行环氧固化后形成。
根据本公开的实施例，导冷组件包括：端部导冷板、轴向导冷带和径向导冷环；轴向导冷带沿超导线圈骨架轴向方向分布，形成轴向冷却通道，端部导冷板按预定角度分布在超导线圈骨架的端部且与轴向导冷带连成一体，径向导冷环沿超导线圈骨架的径向缠绕且沿轴向间隔分布，形成径向冷却通道，轴向导冷带与径向导冷环在交叉位置贴合连接。
根据本公开的实施例，轴向导冷带由薄铜带构成，径向导冷环由多层薄铝带构成。
根据本公开的实施例，导冷组件还包括：中部导冷板，中部导冷板穿过超导线圈骨架与径向导冷环贴合连接。
根据本公开的实施例，中部导冷板由多层薄铜带叠设在一起组成。
根据本公开的实施例，轴向导冷带与径向导冷环被配置为通过调节尺寸参数来调节无液氦超导磁体的涡流损耗。
根据本公开的实施例，导冷铜编织带的一端与端部导冷带及中部导冷板连接。
根据本公开的实施例，无液氦超导磁体还包括：恒温器，制冷机固定在恒温器的维护塔上。
根据本发明实施例提供的用于旋转机架的无液氦超导磁体，至少包括以下有益效果：
由于超导线圈骨架采用非金属G10材质，非金属骨架在脉冲运行过程中不产生涡流，可以大大减小磁体总体的交流损耗。并且，非金属G10材质能够极大地减轻超导磁体的总量，从而满足旋转机架整体结构轻量化的使用要求。
由于导冷组件设计了轴向导冷带构成的轴向冷却通道，径向导冷环构成径向冷却通道，磁体端部和极头布置主冷却通路的传导冷却结构，不仅能够实现在无液氦情况下的高效冷却，还能够保证旋转机架超导磁体旋转过程中运行的稳定性。
径向导冷环在径向缠绕，沿轴向间隔分布，径向导冷环采用薄铝带，多层薄铝带间隔分布可有效减小交流损耗。中部导冷板从磁体极头位置穿过超导线圈骨架与径向导冷环贴合连接，中部导冷板由多层薄铜带叠在一起组成，可有效减小交流损耗。
由于骨架表面设有线槽，能够提高超导线缆定位精度，保证了磁场精度及磁体脉冲运行过程中线缆的稳定性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征图像和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了本发明实施例提供的用于旋转机架的无液氦超导磁体的整体结构图。
图2示意性示出了本发明实施例提供的超导磁体导冷组件轴测图。
图3示意性示出了本发明实施例提供的超导线圈骨架的整体结构图。
图4示意性示出了本发明实施例提供的无液氦超导磁体剖面图。
图5示意性示出了本发明实施例提供的超导线圈骨架及线圈组件剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例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。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征图像、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征图像、步骤、操作或部件。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统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。
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征图像有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征图像、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征图像、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征图像的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征图像可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征图像。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
为了实现旋转机架小型化、轻量化的应用场景需求，本公开的实施例提供一种新的无液氦超导磁体，在满足磁铁脉冲运行的条件下，尽可能的减小超导磁体重量、减小交流损耗，提高冷却效率。
图1示意性示出了本发明实施例提供的用于旋转机架的无液氦超导磁体的整体结构图。图2示意性示出了本发明实施例提供的超导磁体导冷组件轴测图。
如图1及图2所示，旋转机架的无液氦超导磁体主要结构有：超导线圈骨架1、超导线圈组件2、导冷组件3、二级导冷转换板4、导冷铜编织带5、制冷机6、恒温器7。
超导线圈骨架1为圆环状结构，采用非金属G10材质。
超导线圈组件2绕制在超导线圈骨架1的表面。
导冷组件3为环形传导冷却结构，与超导线圈骨架1嵌套设置，被配置为将冷量传递至超导线圈组件2的表面，对超导线圈组件2进行冷却。
导冷铜编织带5一端与所述导冷组件3连接，二级导冷转换板4与导冷铜编织带5的另一端连接，制冷机6与二级导冷转换板4连接。
其中，冷量通过制冷机6的冷头传递到二级导冷转换板4，再通过导冷铜编织带5传递到导冷组件3。
图3示意性示出了本发明实施例提供的超导线圈骨架的整体结构图，图4示意性示出了本发明实施例提供的无液氦超导磁体剖面图。
进一步地，如图3及图4所示，超导线圈骨架1包括：超导四极线圈G10骨架1-1、超导二极线圈G10骨架1-2、骨架连接端板1-3。其中，超导四极线圈G10骨架1-1与超导二极线圈G10骨架1-2嵌套后在端部两侧由骨架连接端板1-3固定连接。
由于超导线圈骨架1所用材质为非金属G10材质，骨架重量轻，且非金属骨架在脉冲运行过程中不产生涡流，可以大大减小磁体总体的交流损耗。骨架重量减轻使得整个超导磁体重量减轻，可满足旋转机架轻量化的使用要求。
图5示意性示出了本发明实施例提供的超导线圈骨架及线圈组件剖面图。
进一步地，如图5所示，超导线圈骨架1外表面设有线槽，超导线圈组件2由超导线缆沿线槽绕制后进行环氧固化后形成。
具体的，在超导线圈骨架1外表面通过数控加工线槽，超导线缆通过线槽的约束精确镶嵌在线槽内，此结构可提高超导线缆定位精度。超导线缆沿超导线圈骨架1表面线槽路径完成超导线圈组件2的绕制，绕制后进行环氧固化，超导线缆被精确固定在线槽内，可保证超导磁体脉冲运行过程中超导线缆不窜动。
继续参阅图2，导冷组件3包括：端部导冷板3-1、轴向导冷带3-2和径向导冷环3-3。
轴向导冷带3-2沿超导线圈骨架1轴向方向分布，形成轴向冷却通道，端部导冷板3-1按预定角度分布在超导线圈骨架1的端部且与轴向导冷带3-2连成一体。径向导冷环3-3沿超导线圈骨架1的径向缠绕且沿轴向间隔分布，形成径向冷却通道，轴向导冷带3-2与径向导冷环3-3在交叉位置贴合连接。
在一些实施例中，轴向导冷带3-2由薄铜带构成，径向导冷环3-3由多层薄铝带构成。通过多层薄铝带构建环向冷却通道，多层薄铝带间隔分布可有效减小交流损耗。
进一步地，导冷组件3还包括中部导冷板3-4，中部导冷板3-4穿过超导线圈骨架1与径向导冷环3-3贴合连接，中部导冷板3-4由多层薄铜带叠设在一起组成，可有效减小交流损耗。
端部导冷板3-1和中部导冷板3-4与低温制冷机6的二级冷头通过柔性的导冷铜编织带5连接构成冷却通路。
轴向导冷带3-2与径向导冷环3-3被配置为通过调节尺寸参数来调节无液氦超导磁体的涡流损耗。例如，可以通过对轴向导冷带3-2与径向导冷环3-3的尺寸参数(宽度、厚度)进行优化计算，可以降低涡流，将总体损耗控制在可接受的范围内。
在一些实施例中，制冷机6固定在恒温器7维护塔上，制冷机6冷头与二级导冷转换板4连接，导冷铜编织带5一端与二级导冷转换板4连接，另一端与端部导冷带3-1及中部导冷板3-4连接。导冷路径按如下所述，冷量通过制冷机6冷头传递到二级导冷转换板4，再通过导冷铜编织带5传递到端部导冷带3-1及中部导冷板3-4，最后通过轴向导冷带3-2及径向导冷环3-3传递到磁体线圈表面，完成冷量的传递及冷却。
综上所述，根据本公开实施例提供的用于旋转机架的无液氦超导磁体，采用薄铝带构建径向冷却通道，薄铜带构建轴向冷却通道，磁体端部和极头布置主冷却通路的传导冷却结构，实现1无液氦传导冷却的同时保证了旋转机架超导磁体旋转过程中运行的稳定性。线圈骨架采用G10材料加工成型，使得超导磁体重量减轻，保证了旋转机架整体结构的轻量化。G10线圈骨架极大的减小了磁体脉冲运行时的交流损耗。通过尺寸参数优化的方法减小各类冷却部件的涡流，使得总体涡流损耗控制在可接受的范围内。骨架线槽设计可提高超导线缆定位精度，保证了磁场精度及磁体脉冲运行过程中线缆的稳定性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于旋转机架的无液氦超导磁体，其特征在于，包括：
超导线圈骨架(1)，为圆环状结构，采用非金属G10材质；
超导线圈组件(2)，绕制在所述超导线圈骨架(1)的表面；
导冷组件(3)，为环形传导冷却结构，与所述超导线圈骨架(1)嵌套设置，被配置为将冷量传递至所述超导线圈组件(2)的表面，对所述超导线圈组件(2)进行冷却；
导冷铜编织带(5)，一端与所述导冷组件(3)连接；
二级导冷转换板(4)，与所述导冷铜编织带(5)的另一端连接；
制冷机(6)，与所述二级导冷转换板(4)连接；
其中，所述冷量通过所述制冷机(6)的冷头传递到所述二级导冷转换板(4)，再通过所述导冷铜编织带(5)传递到所述导冷组件(3)。
2.根据权利要求1所述的用于旋转机架的无液氦超导磁体，其特征在于，所述超导线圈骨架(1)包括：
超导四极线圈G10骨架(1-1)、超导二极线圈G10骨架(1-2)、骨架连接端板(1-3)；其中，所述超导四极线圈G10骨架(1-1)与所述超导二极线圈G10骨架(1-2)嵌套后在端部两侧由所述骨架连接端板(1-3)固定连接。
3.根据权利要求1所述的用于旋转机架的无液氦超导磁体，其特征在于，所述超导线圈骨架(1)外表面设有线槽，所述超导线圈组件(2)由超导线缆沿所述线槽绕制后进行环氧固化后形成。
4.根据权利要求1所述的用于旋转机架的无液氦超导磁体，其特征在于，所述导冷组件(3)包括：
端部导冷板(3-1)、轴向导冷带(3-2)和径向导冷环(3-3)；
所述轴向导冷带(3-2)沿超导线圈骨架(1)轴向方向分布，形成轴向冷却通道，所述端部导冷板(3-1)按预定角度分布在所述超导线圈骨架(1)的端部且与轴向导冷带(3-2)连成一体，所述径向导冷环(3-3)沿超导线圈骨架(1)的径向缠绕且沿轴向间隔分布，形成径向冷却通道，所述轴向导冷带(3-2)与所述径向导冷环(3-3)在交叉位置贴合连接。
5.根据权利要求4所述的用于旋转机架的无液氦超导磁体，其特征在于，所述轴向导冷带(3-2)由薄铜带构成，所述径向导冷环(3-3)由多层薄铝带构成。
6.根据权利要求4所述的用于旋转机架的无液氦超导磁体，其特征在于，所述导冷组件(3)还包括：
中部导冷板(3-4)，所述中部导冷板(3-4)穿过所述超导线圈骨架(1)与所述径向导冷环(3-3)贴合连接。
7.根据权利要求6所述的用于旋转机架的无液氦超导磁体，其特征在于，所述中部导冷板(3-4)由多层薄铜带叠设在一起组成。
8.根据权利要求4所述的用于旋转机架的无液氦超导磁体，其特征在于，所述轴向导冷带(3-2)与所述径向导冷环(3-3)被配置为通过调节尺寸参数来调节所述无液氦超导磁体的涡流损耗。
9.根据权利要求6所述的用于旋转机架的无液氦超导磁体，其特征在于，所述导冷铜编织带(5)的一端与所述端部导冷带(3-1)及所述中部导冷板(3-4)连接。
10.根据权利要求1所述的用于旋转机架的无液氦超导磁体，其特征在于，所述无液氦超导磁体还包括：
恒温器(7)，所述制冷机(6)固定在所述恒温器(7)的维护塔上。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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