CN117690689A - 一种用于超导磁体的导冷组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导磁体导冷技术领域，尤其涉及一种用于超导磁体的导冷组件，包括导冷体、第二铜辫和快装铜辫，导冷体上连接有多个第一铜辫，第一铜辫的端部和第二铜辫的一端均设有导热块，快装铜辫的两端均设有导热块；快装铜辫一端的导热块与第一铜辫端部的导热块通过连接件压接连接；快装铜辫另一端的导热块与第二铜辫端部的导热块通过连接件压接连接。通过连接件压接连接的两个导热块间设有接触导热填料。接触导热填料为铟片或导热硅脂。还包括多通导冷体，压接连接的两个导热块间通过多通导冷体能外接快装铜辫。本发明的用于超导磁体的导冷组件，热阻较小，能实现快速安装，标准化的铜辫连接结构；具有结构简单、拆装方便、适于实用等优点。

Description

一种用于超导磁体的导冷组件

技术领域

本发明涉及超导磁体导冷技术领域，尤其涉及一种用于超导磁体的导冷组件。

背景技术

超导型磁共振系统是指磁体为超导磁体的磁共振成像设备，具有磁场强度高，磁场均匀度好，耗能低，信噪比高，扫描速度快等优点，广泛的应用于医疗及科研检测。超导磁体是超导型磁共振系统的核心部件。

传统的超导磁体是将超导线圈浸泡在液氦(一个大气压下的沸点4.2K)制冷剂内，为超导线圈提供稳定、低温的超导环境。磁体外部环境的热辐射、磁体支撑部件的传导漏热会使部分液氦出现气化。磁体安装有GM制冷机，制冷机能将气化的氦气重新凝结为液氦，从而维持磁体内部环境的温度，保证超导线圈始终处于超导态。虽然现有的超导磁体大部分实现了氦气的零挥发工艺，但磁体在励磁，退磁，失超的过程中还是会消耗大量的、不可回收的氦资源。液氦是一种稀缺资源，价格十分昂贵，而且绝大数需要从美国获取，资源安全性无法保障。因此，现在越来越多超导磁体开始使用无液氦的技术方案。

无液氦超导磁体需要把超导线圈放入一个真空的环境中，线圈外部使用多层绝热的方式减小外部热辐射的导热量，对流传热也因为真空环境变的极小。同时线圈使用热阻很大的拉杆，将线圈悬挂空中，最大限度减少线圈与其他零件的接触，减小热传导的导热量。采用制冷机对超导线圈进行制冷。无液氦超导磁体即使出现失超现象，也不会发生液氦大量挥发的情况，对新生儿的磁共振检测特别友好。

现有技术中，无液氦超导磁体的导冷方案是将一根根热阻很小的铜辫，通过焊接的方式将磁体的超导线圈和GM制冷机的冷头进行连接，以降低超导线圈的温度。超导磁体包括多个不同位置的超导线圈组件。为了保证每个超导线圈组件的温度保持相同。连接超导线圈组件与导冷块之间通常要使用不同长度和横截面积的铜辫，以保证铜辫对线圈的导冷量满足线圈超导态的需求。此时在计算所需铜辫的规格时要进行多方面的考虑，如应考虑线圈的大小、位置，冷头位置和铜辫的情况等。

由于铜辫是通过焊接的方式进行连接的，而超导线圈组件并不是一个整体，需要组装连接，因此铜辫的安装和焊接需要在磁体的组装现场进行。此时，磁体的很多组件已经组装完成，焊接空间比较狭小、焊接难度高；一旦焊接失败，补救难度非常高；如果焊接造成其他零部件的损伤，会造成大大延长工期。另外，焊接中产生的火花和烟尘会对磁体的内部环境造成污染和损坏，影响超导磁体使用时的真空度和热辐射。

发明内容

本发明拟解决的技术问题是针对以上不足，提供一种用于超导磁体的导冷组件，热阻较小，能实现快速安装，标准化的铜辫连接结构；具有结构简单、拆装方便、适于实用等优点。

为解决以上问题，本发明采用的技术方案如下：

一种用于超导磁体的导冷组件，包括导冷体、第二铜辫和快装铜辫，所述导冷体上连接有多个第一铜辫，第一铜辫的端部和第二铜辫的一端均设有导热块，快装铜辫的两端均设有所述导热块；快装铜辫一端的导热块与第一铜辫端部的导热块通过连接件压接连接；快装铜辫另一端的导热块与第二铜辫端部的导热块通过连接件压接连接。

作为一种改进，通过连接件压接连接的两个所述导热块间设有接触导热填料。

作为一种改进，所述接触导热填料为铟片或导热硅脂。

作为一种改进，所述导热块的一端设有导热法兰，导热法兰的端部为第一导热端面；导热块的另一端设有与铜辫横截面相适配的第一腔室，铜辫的端部固定在第一腔室内。

作为一种改进，所述导热块的外侧套装有防护板；导热法兰的外部设有法兰锥面；防护板外形如喇叭状，防护板包括外锥面、内锥面、第二腔室；内锥面与法兰锥面相适配；导热法兰位于第二腔室内。

作为一种改进，还包括多通导冷体，多通导冷体的每个端部均设有导热连接部，两个所述导热块间通过多通导冷体能外接快装铜辫。

作为一种改进，所述连接件为抱箍，抱箍由两个半圆环扣合而成；抱箍上设有环形的第三腔室，第三腔室设置在两个半圆环上；第三腔室的两个侧壁上均设有第一内斜面。

作为一种改进，两个所述半圆环一端铰接，另一端均设有连接部，连接部上设有贯穿的连接孔；两个连接部通过连接孔、螺栓和螺母可拆卸的固定连接；通过旋转螺母能控制两个半圆环之间的距离。

作为一种改进，所述连接件为可拆卸的螺纹组件，螺纹组件包括通过螺纹连接在一起的内螺纹件和外螺纹件。

作为一种改进，所述内螺纹件的外圆周上加工有外螺纹段，内螺纹件的内侧设有贯穿的第四腔室，第四腔室用于容置导热块；第四腔室的底部设有第二内斜面；所述外螺纹件的内侧设有贯穿的第五腔室，第五腔室与内螺纹件相适配；第五腔室内设有与外螺纹段相适配的内螺纹段；第五腔室用于容置导热块和内螺纹件；第五腔室的底部设有第三内斜面。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明一种用于超导磁体的导冷组件，各个部件间拆装方便、快捷，在磁体组装时不需要进行铜辫的现场焊接，能有效防止焊接引发的意外情况和损失；

2、由于导冷组件中都是独立的零部件，有利于成批量的加工制作，且更有利对零部件的质量管控。相对于现有技术中，在磁体组装现场焊接铜辫，本发明的技术方案更有利及时发现导冷组件制作中的问题，保证每个零部件的质量，导冷组件的导冷性能更加接近设计值，保证导冷效率；且能够很方便地计算出磁体所需要的铜辫的长度和横截面积；

3、由于使用了卡箍或螺纹组件的连接方式，使得导冷组件的拆装方便、快捷，易操作；

4、由于在两个压接的导热块之间或导热块与导热连接部之间，使用了接触导热填料，极大的降低了零部件之间的接触热阻；保证导冷方案能满足磁体使用要求。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为实施例1中超导线圈的结构示意图；

图2为图1中导冷体的结构示意图；

图3为图1中第二铜辫的结构示意图；

图4为图1中快装铜辫的结构示意图；

图5为导热块的结构示意图；

图6为防护板的结构示意图；

图7为导冷体的立体示意图；

图8为导冷体的结构示意图；

图9为图1中的A处放大图；

图10为图1中抱箍的立体示意图；

图11为图1中抱箍的结构示意图；

图12为图11中B-B剖视示意图；

图13为实施例2中螺纹组件的结构示意图；

图14为图13中外螺纹件的结构示意图；

图15为图13中内螺纹件的结构示意图；

其中：1-常温层，2-低温层，3-真空区，4-超导线圈，5-制冷机，6-冷头，7-导冷体，8-第一铜辫，9-第二铜辫，10-导热块，11-快装铜辫，12-第一导热端面，13-第一腔室，14-多通导冷体，15-导热连接部，16-导热法兰，17-抱箍，18-防护板，19-外锥面，20-内锥面，21-第二腔室，22-法兰锥面，23-第二导热端面。24-半圆环，25-转轴，26-连接板，27-螺栓，28-螺母，29-连接部，31-第三腔室，32-第一内斜面，33-内螺纹件，34-外螺纹件，35-第四腔室，36-外螺纹段，37-第二内斜面，38-第五腔室，39-内螺纹段，40-第三内斜面。

具体实施方式

相关术语解释：

超导态：某一物质在某一温度（通常为极低温度）下失去电阻特性的状态。

超导导线：指在某一温度下，电阻为零的导线。

超导磁体：用超导导线作励磁线圈的磁体。

无液氦磁共振：不使用液氦或使用极少液氦的磁共振磁体。其通过热传导的方式将磁体超导线温度降低到超导态温度以下。

热阻：热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值，可与电阻进行类比。在较稳定的环境下，可认为物体的热阻是定值。类似于导线的电阻，热阻与热导率，截面积成反比，与长度成正比。

接触热阻：当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻。接触热阻与接触面积、两固体的热导率、接触面之间的空隙、压力有关，接触面积越大，两固体的热导率越高，两固体之间的压力越大，则其接触热阻越小。

GM制冷机：一种可以产生极低温度的制冷设备。

冷头：制冷机的一部分，与冷却材料和热屏热接触并冷却它们。

铜辫：由极细的无氧铜铜丝编织而成，柔韧性特别好，能弯折，其热阻特别小。

冷量：制冷设备或导热设施在单位时间通过制冷所消耗掉目标空间热量的总能量值或通过从目标空间所导出热量的总能量值。

实施例1

如图1所示，超导磁体包括常温层1和设置在常温层1内部的低温层2，常温层1与低温层2间设有真空区3。低温层2的内部设有多组固定设置的超导线圈4。超导磁体上固定安装有制冷机5，制冷机5的冷头6延伸至低温层2的内部，用于向超导线圈4输送冷量。

如图1、图2、图3和图4共同所示，一种用于超导磁体的导冷组件，包括导冷体7、第二铜辫9和快装铜辫11。导冷体7上连接有多个第一铜辫8，第一铜辫8的端部和第二铜辫9的一端均设有导热块10，快装铜辫11的两端均设有导热块10。快装铜辫11一端的导热块10与第一铜辫8端部的导热块10通过连接件压接连接；快装铜辫11另一端的导热块10与第二铜辫9端部的导热块10通过连接件压接连接。通过连接件压接连接的两个导热块10间设有接触导热填料。

如图1、图4、图5和图6共同所示，快装铜辫11由防护板18、导热块10和铜辫组成。铜辫的两端均固定有导热块10，导热块10的外侧套装有防护板18。

如图5所示，导热块10由高导热率的材料制成，优选无氧铜，其外形为旋转体。所述导热块10的一端设有导热法兰16，导热法兰16的端部为第一导热端面12；导热块10的另一端设有与铜辫横截面相适配的第一腔室13，铜辫的端部固定在第一腔室13内。导热法兰16的外部设有法兰锥面22。第一导热端面12加工精度高，平面度和粗糙度好，有利于第一导热端面12与其他零件的相互配合和热传导。

如图6所示，防护板18由质地较硬的材料制成，优选304不锈钢，其外形如喇叭状。防护板18包括外锥面19、内锥面20、第二腔室21；内锥面20与法兰锥面22相适配。外锥面19与防护板18的端面夹角、内锥面20与防护板18的端面夹角均为α。优选的，α=15°。第二腔室21贯穿防护板18的两个端面，第二腔室21用于安装导热块10。值得注意的是，防护板18和导热块10安装配合后，导热块10的第一导热端面12应凸出防护板18外部。

高导热率的材料通常材质都比较软，防护板18与导热块10组装后，防护板18能够从外侧有效保护导热块10。制作时，快装铜辫11的铜辫两端分别固定一个导热块10。将铜辫端部插入第一腔室13中，并通过焊接的方式将铜辫与导热块10固定连接。

根据热阻的公式可以知道，在确定的材料下，快装铜辫11的热阻主要由铜辫的横截面积和长度，以及导热块10和导热块10与铜辫的焊接工艺所决定。导热块10与焊接工艺确定的条件下，其热阻大小就取决于铜辫的横截面积和长度，而热阻大小与铜辫的长度成正比，与铜辫的横截面积成反比。所以，当热阻大小及铜辫的长度确定的情况下，能够计算出铜辫的横截面积。因此，实际应用中我们可以将快装铜辫11制作成不同热阻的标准件，将快装铜辫11的规格系列化、标准化，以满足不同工况下的导冷需求。

如图1、图2、图5和图6共同所示，导冷体7上连接有多个第一铜辫8，第一铜辫8的端部均设有导热块10，导热块10的外侧套装有防护板18。使用时，将导冷体7固定安装在制冷机5的冷头6上。冷头6的冷量通过导冷体7及其上安装的第一铜辫8传导至导热块10上。由于，导冷体7上连接有多个第一铜辫8，冷量被传导至多个地方。导冷体7上的第一铜辫8、导热块10和防护板18之间的连接关系同快装铜辫11中的相同，这里不再赘述。

如图1、图3、图5和图6共同所示，第二铜辫9的一端设有导热块10，导热块10的外侧套装有防护板18。第二铜辫9上的铜辫、导热块10和防护板18之间的连接关系同快装铜辫11中的相同，这里不再赘述。使用时，第二铜辫9的另一端缠绕在超导线圈4上，用于向超导线圈4传导冷量。

如图1、图7和图8共同所示，用于超导磁体的导冷组件还包括多通导冷体14，多通导冷体14通常为三通或四通。多通导冷体14的每个端部均设有导热连接部15。如图1所示，两个导热块10间通过多通导冷体14能外接快装铜辫11。多通导冷体14的端部通过连接件与导热块10压接。导热连接部15的外侧套装有防护板18。多通导冷体14由高导热率的材料制成，优选无氧铜，其外形酷似多通管，多通导冷体14为实心结构。导热连接部15的端部设有第二导热端面23。

第二导热端面23加工精度高，平面度和粗糙度好，有利于多通导冷体14与其他零件的相互配合和热传导。防护板18和导热连接部15安装配合后，导热连接部15的第二导热端面23应凸出防护板18外部。本实施例中优选的，导热连接部15的外形尺寸与导热块10的外形尺寸相同。

接触导热填料主要选择厚度0.2mm左右的铟片或者是涂抹导热硅脂。金属铟的材质特别软，导热硅脂为流体，受压后都能很好的与第一导热端面12或第二导热端面23接触，大大减小接触热阻。当接触导热填料受到压力达到30PSI后，再增大压力，其接触热阻的变化就极小。接触导热填料的面积与第一导热端面12或第二导热端面23相当，则当压力大于30PSI后，其热阻值变化数极小，可以看成为定值。

本实施例中优选的，连接件为抱箍17。如图1、图9、图10、图11和图12共同所示，抱箍17由两个半圆环24扣合而成。两个半圆环24的端部均通过转轴25铰接在连接板26上。两个半圆环24的另一端均设有连接部29，连接部29上设有贯穿的连接孔。两个连接部29通过连接孔、螺栓27和螺母28可拆卸的固定连接。通过旋转螺母28能控制两个半圆环24之间的距离。本实施例中优选的，螺母28为元宝螺母。

如图12所示，抱箍17上设有环形的第三腔室31，第三腔室31设置在两个半圆环24上。第三腔室31的侧壁上设有第一内斜面32。第一内斜面与抱箍17的横截面的夹角为β，β＜α。当拧紧螺母28时，第一内斜面32将与防护板18接触，并不断压迫两个防护板18并使两个防护板18逐渐靠近。此时防护板18内侧的导热块10与接触导热填料之间会出现较大的压力，以减小两个导热块10之间的热阻或导热块10与导热连接部15之间的热阻。本实施例中优选的，β=10°。

实施例2

如图13、图14和图15共同所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，连接件为可拆卸的螺纹组件。螺纹组件包括通过螺纹连接在一起的内螺纹件33和外螺纹件34。

如图15所示，内螺纹件33为旋转体，内螺纹件33的外圆周上加工有外螺纹段36。内螺纹件33的内侧设有贯穿其两端的第四腔室35，第四腔室35用于容置导热块10。第四腔室35的底部设有第二内斜面37。第二内斜面37与内螺纹件33的横断面的夹角为ω，ω＜α。

如图14所示，外螺纹件34为旋转体，外螺纹件34的内侧设有贯穿其两端的第五腔室38，第五腔室38与内螺纹件33相适配。第五腔室38内设有与外螺纹段36相适配的内螺纹段39。第五腔室38用于容置导热块10和内螺纹件33。第五腔室38的底部也设有第三内斜面40，第三内斜面40与外螺纹件34的横断面的夹角为θ，θ＜α。

本实施例中优选的，ω=θ=10°。

如图13所示，制作时，预先将内螺纹件33或外螺纹件34套装在第一铜辫8上、第二铜辫9上，以及多通导冷体14的导热连接部15上。将内螺纹件33或外螺纹件34分别套装在快装铜辫11的两端。使用时，通过相互配对的内螺纹件33和外螺纹件34即可实现导冷组件中各部件之间的快速拆装。

本发明的导冷组件使用时各个零部件均处于真空中，热对流可以忽略不计，温差较小，辐射传热也可以不用考虑。因此，该技术方案的热阻主要来源于接触热阻，两个压接的导热块之间的传导热阻、导热块与导热连接部之间的传导热阻，以及铜辫本身的传导热阻。铜辫的热阻与其长度、截面积和材料的本身性质相关。冷头的温度和超导线圈组要求的温度都是确定的，为稳态传热，所以只要得出每个超导线圈组件在单位时间里吸收的热量，就能够计算铜辫的热阻。不同超导线圈组件距离冷头位置不同但每一个都是固定的，所以其需要的各个铜辫的长度也是固定。这样，我们能够很方便地计算出超导磁体所需要的各个铜辫的长度和横截面积，方便铜辫的参数设计。

综上所述，本发明的该用于超导磁体的导冷组件，热阻较小，能实现快速安装，标准化的铜辫连接结构；具有结构简单、拆装方便、适于实用等优点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)

1.一种用于超导磁体的导冷组件，其特征在于：包括导冷体（7）、第二铜辫（9）和快装铜辫（11），所述导冷体（7）上连接有多个第一铜辫（8），第一铜辫（8）的端部和第二铜辫（9）的一端均设有导热块（10），快装铜辫（11）的两端均设有所述导热块（10）；

快装铜辫（11）一端的导热块（10）与第一铜辫（8）端部的导热块（10）通过连接件压接连接；快装铜辫（11）另一端的导热块（10）与第二铜辫（9）端部的导热块（10）通过连接件压接连接。

2.如权利要求1所述的用于超导磁体的导冷组件，其特征在于：通过连接件压接连接的两个所述导热块（10）间设有接触导热填料。

3.如权利要求2所述的用于超导磁体的导冷组件，其特征在于：所述接触导热填料为铟片或导热硅脂。

4.如权利要求1所述的用于超导磁体的导冷组件，其特征在于：所述导热块（10）的一端设有导热法兰（16），导热法兰（16）的端部为第一导热端面（12）；导热块（10）的另一端设有与铜辫横截面相适配的第一腔室（13），铜辫的端部固定在第一腔室（13）内。

5.如权利要求4所述的用于超导磁体的导冷组件，其特征在于：所述导热块（10）的外侧套装有防护板（18）；导热法兰（16）的外部设有法兰锥面（22）；

防护板（18）形如喇叭状，防护板（18）包括外锥面（19）、内锥面（20）、第二腔室（21）；内锥面（20）与法兰锥面（22）相适配；

导热法兰（16）位于第二腔室（21）内。

6.如权利要求1所述的用于超导磁体的导冷组件，其特征在于：还包括多通导冷体（14），多通导冷体（14）的每个端部均设有导热连接部（15），两个所述导热块（10）间通过多通导冷体（14）能外接快装铜辫（11）。

7.如权利要求1至6中任一项所述的用于超导磁体的导冷组件，其特征在于：所述连接件为抱箍（17），抱箍（17）由两个半圆环（24）扣合而成；抱箍（17）上设有环形的第三腔室（31），第三腔室（31）设置在两个半圆环（24）上；第三腔室（31）的两个侧壁上均设有第一内斜面（32）。

8.如权利要求7所述的用于超导磁体的导冷组件，其特征在于：两个所述半圆环（24）一端铰接，另一端均设有连接部（29），连接部（29）上设有贯穿的连接孔；两个连接部（29）通过连接孔、螺栓（27）和螺母（28）可拆卸的固定连接；通过旋转螺母（28）能控制两个半圆环（24）之间的距离。

9.如权利要求1至6中任一项所述的用于超导磁体的导冷组件，其特征在于：所述连接件为可拆卸的螺纹组件，螺纹组件包括通过螺纹连接在一起的内螺纹件（33）和外螺纹件（34）。

10.如权利要求9所述的用于超导磁体的导冷组件，其特征在于：所述内螺纹件（33）的外圆周上加工有外螺纹段（36），内螺纹件（33）的内侧设有贯穿的第四腔室（35），第四腔室（35）用于容置导热块（10）；第四腔室（35）的底部设有第二内斜面（37）；

所述外螺纹件（34）的内侧设有贯穿的第五腔室（38），第五腔室（38）与内螺纹件（33）相适配；第五腔室（38）内设有与外螺纹段（36）相适配的内螺纹段（39）；第五腔室（38）用于容置导热块（10）和内螺纹件（33）；第五腔室（38）的底部设有第三内斜面（40）。