CN1794004A - 超导技术装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超导技术装置，包括一块具有至少一个超导性绕组(50、50A、50B、50C、50D)的磁铁(2、2A、2B)和一个有至少一个冷头(26)的制冷单元(16)。此装置还包括一个管线系统，它有至少一根用于一种在其中按温差环流效率循环的冷却剂的管道(6)，冷却剂用于所述至少一个绕组(50、50A、50B、50C、50D)与所述至少一个冷头(26)间接热耦合。冷头(26)设在所述至少一个绕组(50、50A、50B、50C、50D)最高点的下方。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导技术装置，包括
-一块磁铁，它含有至少一个超导性的绕组，
-一个制冷单元，它有至少一个冷头，以及
-一个管线系统，它有至少一根用于一种在其中按温差环流效应循环的冷却剂的管道，冷却剂用于所述至少一个绕组与所述至少一个冷头间接热耦合。
背景技术
为了在磁共振仪中冷却超导性磁铁通常使用液态氦。在这种情况下超导性的磁铁处于液氦池内(见US 6246308B1)。可使用有制冷单元的磁铁，蒸发的氦在制冷单元内冷凝，从而基本上避免氦的损失。磁铁被也盛液态氦的压力容器围绕。当磁铁发生工作故障时可导致从磁铁原先的超导性部分无意中转换为普通导电状态，因此磁铁如雪崩状地变热，由此将大部分氦蒸发掉。这也称骤冷(Quench)。为避免损坏，各自的压力容器必须针对在若干巴(Bar)范围内的高压设计，这种高压可在骤冷时出现。为此，压力容器必须有稳定的结构，这例如可以通过若干毫米的壁厚实现。此外，压力容器为了相对于周围环境隔热被一真空罐包围。这造成高的生产成本，以及在磁共振仪的情况下有另一个缺点，即增大了磁铁与患者之间的距离。此外，池冷或浴冷的缺点是，为冷却磁铁需要好些个100升的液态氦，它们在骤冷的情况下损失掉。这导致磁共振仪运行时高的费用。
已知多种用于池冷的不同制冷单元，它们部分使用不同的方案。
在US 4578962中介绍了一种间接冷却超导性磁铁的冷却系统。磁铁的超导性绕组含有一些通道，它们被液氦流过。通过一个设计在这些通道下方的输入通道，氦从一个位于磁铁上方的储罐通过这些通道流向一个设在绕组下方的回流通道。被蒸发的氦通过回流通道返回储罐，在那里设一冷头用于冷凝。这种冷却系统按所谓的温差环流效应(Thermosiphon-Effekt)工作，以及与池冷相比所需的液态氦少得多。在骤冷的情况下因而造成较低的运行费用。此外，不需要大容积的压力容器，因为氦完全处于通道和储罐的内部。
与之类似的冷却系统还由M.A.Green介绍在“Cryogenics”中(Vol.32，1992，ICEC Supplement，126至129页)或由US 4020275、EP 0392771和DE3621562A1已知。
同样类似的冷却系统由J.C.Lottin等人介绍在Proc.12th Int.Cryog.Engng.Conf.[ICEC12]″，Southampton，UK，12-15 July 1988，VerlagButterworth & Co(UK)，117至121页中。在那里所介绍的制冷单元类似于上述按温差环流效应工作。不过在储罐与液氦通道之间安装压力阀，它们在骤冷的情况下防上氦在储罐内被加热。处于磁铁内部通道中以及在骤冷时蒸发的氦经由带有相应的压力阀的旁路管在储罐旁流过。因此在骤冷时仅一小部分在系统内存在的氦蒸发。
由US 5461873已知一种制冷单元，借助它氦气在压力下通过冷却通道压入超导性的绕组内。氦气通过制冷单元冷却并在压力下通过通道抽送。一条回流管处于通道上方，与上例类似它将氦气回授给制冷单元。
然而，所介绍的磁铁基于设在磁铁上方的制冷单元与借助池冷的磁铁相比有比较高的结构高度。这尤其在磁铁用于磁共振仪的情况下是不利的，因为它们通常安装在有传统结构高度(2.5至3米)的室内。因此磁铁的直径必须选择得比在使用池冷时所需的小。这又对磁通量密度并因而对磁共振仪的成像特性造成不利的影响。这原则上可以通过增大绕组数或提高超导材料在相应的线材中的份额补偿，然而这出自于成本的原因是不恰当的。
还已知一些冷却方法，它们不用液态氦。在这里优选地使用形式上为所谓具有闭式氦-压缩气体循环的低温冷却器的制冷单元。它们的优点是，制冷能力或产冷量似乎是一按按钮就可提供出以及使用者省去操作低温的液体。在采用这种制冷单元时，超导性的绕组只通过与制冷器冷头的热传导间接地冷却，亦即无冷却剂(见Proc.16th Int.Cryog.Engng.Conf.[ICEC16]″，Kitakyushu，JP，20.-24.05.1996，Verlag Elsevier Science，1997，1109至1132页)。
在超导性磁铁中已经实现制冷器冷却，其中在相应的制冷单元的冷头与磁铁的超导性绕组之间采用形式上例如为必要时还设计为柔性的铜条或铜带的良好导热的连接装置(见ICEC16中已提及的文献，尤其1113至1116页)。但是，取决于冷头与要冷却的对象之间的距离，为了充分有效地热耦合所需要的大的横截面，导致大大增加冷却质量。尤其对于在磁共振仪中普通的空间尺寸的磁铁系统，这由于延长了冷却时间因而是不利的。
取代这种至少一个绕组通过导热固体与至少一个冷头的热耦合，也可以采用氦气流在其中循环的管线系统(例如见US 5485730)。
上面所介绍的用于超导性磁铁的制冷单元的工作令人相当满意。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是要提供一种进一步改进的尤其适合在磁共振仪中使用的磁铁系统。
上述技术问题通过这样一种超导技术装置来解决。该装置包括一带有至少一个超导性绕组的磁铁、一具有至少一个冷头的制冷单元以及一个有至少一根用于在其中按温差环流效应循环的冷却剂的管道的管线系统，冷却剂用于所述至少一个绕组与所述至少一个冷头间接热耦合。在这里冷头设在所述至少一个绕组最高点的下方。这样做避免在先有技术中已知的温差环流冷却方案的缺点，在那里制冷单元安排在绕组上方。因此，与这种方案相比磁铁可以设计得较大。对于磁共振仪通常安装在其中的在2.5至3m范围内的房间高度而言，这意味着，通过在侧面安置制冷单元，与已知的具有温差环流冷却的方案相比，可供磁铁的直径使用的位置大约多40至50cm。全部房间高度可供用于安置磁铁或作为磁共振仪最大部件的磁铁处于其中的隔离容器。
按温差环流效应循环的冷却剂，例如氦，在冷头内冷凝并经管线系统输送给至少一个绕组。因为冷头设在绕组旁，所以管道不可能完全用液态氦充填。其结果是，一部分绕组仅仅与气态的并因而较热的氦接触。然而为了磁铁的工作要求整个绕组有均匀的温度分布。因此按本发明的一种特别有利的设计，绕组包括一种材料，它有比一种在绕组内采用的超导性材料更高的热导率。通过这种材料，绕组不直接与液态氦接触的部分可以借助此有高热导率的材料与液态氦热耦合。在冷却时或在出现温度波动时，热量可以通过高热导率的材料传给氦池。
附图说明
借助在下面介绍的实施方式并结合附图说明本发明的其他优点。在示意图中：
图1表示具有温差环流冷却的磁铁的已知现有设计；
图2表示按照本发明的一优选的实施形式；
图3表示一种磁共振仪的剖面，它有按图3所示本发明的实施形式的磁铁；
图4表示超导性绕组的局部剖面；
图5表示另一种实施形式的超导性绕组的局部剖面；
图6表示按本发明的另一种实施形式的磁共振仪的剖面；
图7表示一种磁共振仪的剖面，该磁共振仪有一块按本发明又一种实施形式的磁铁；
图8表示本发明另一种实施形式的磁共振仪的剖面；
图9表示本发明再一种实施形式的磁共振仪的剖面；
图10表示一种磁共振仪的纵向剖面，该磁共振仪有一块按图9所示本发明实施形式的磁铁；
图11表示所述管道的剖面；以及
图12表示另一种实施形式的管道的剖面。
具体实施方式
图1用示意透视图表示有一冷却系统的超导性磁铁2。图示类型的装置例如由DE 3344046C2已知。磁铁2设计为圆柱形以及包括一定数量超导性绕组，它们在这里没有表示。绕组按已知的方式绕线圈管4卷绕，例如卷绕在凹槽内部。在线圈管4多个横截面内埋入用于容纳冷却剂例如液态氦的管道6。管道6设计为铜管。它们也可以不是埋入而是在另一些凹槽内绕线圈管4延伸以及与线圈管4有良好的热接触。所述的热接触可例如通过已知的技术，如焊接、压入、铸入或粘结实现。作为另一些用于管道6的材料，也可以使用不锈钢或铝。通过处于管道6内部的液态氦，实现线圈管4和超导性绕组的冷却。
在线圈管4下方设一轴向定向的分配管8，它与所有的管道6连接。分配管8通过输入管10与一个盛放液氦的储罐14的底部出口12连接。储罐14是设在磁铁2上方的制冷单元16的一部分。在线圈管3上方设一轴向定向的汇流管18，它与所有的管道6连接。此外，它通过管道20与储罐14的上部连接。储罐14的氦液位22处于管道20进口24的下方。制冷单元16包括一个冷头26，它的温度足够低，以冷凝气态氦。通过处于储罐14下方的输入管10，在利用重力的情况下，在整个管线系统内调整为与在储罐14内一样的同一个氦液位22。在图1所示的设计中，在线圈管3的内部的管道6完全充填液态氦，所以整个线圈管3均匀冷却。蒸发的氦通过汇流管18和回流管20供入储罐14并通过冷头26冷凝。
图2在与图1类似的图中表示按本发明优选的实施形式的超导性磁铁2A。磁铁2A的内部结构与图1所示的磁铁2类似。管道6埋入线圈管4和/或超导性绕组内，它们通过分配管8和输入管10或通过汇流管18和回流管20与制冷单元16的储罐14连接。储罐14与在图1中表示的设计不同被安置在磁铁2A旁。因此氦液位22A在管线系统内相应地比在图1的设计中的低。因此，在线圈管4内部的管道6没有完全充满液态氦。蒸发的氦类似于上面已表示的实施方案通过回流管20回流到储罐14，在那里通过冷头26冷凝。基于低的氦液位22A所造成制冷能力的不均匀分配，通过线圈管4和超导性绕组本身补偿。类似于已知的绕组与低温冷却器耦合的原理，线圈管4和超导性绕组不直接与液氦接触的部分通过热传导与液氦耦合。这借助图3详细说明。
图3表示通过部分磁共振仪40的剖面，它有一个停放在支座41上的真空罐43和一个患者进口45。磁共振仪40包括一块图2所示结构方式的磁铁2A。这种磁铁2A的优点是，不需要冷却用的氦池。因此显著减少氦的需要量。磁共振仪40包括一个辐射屏42，用于隔离磁铁2A免受热辐射。磁共振仪40安装在房间44内部。磁共振仪42用双箭头46象征性表示的高度，仅略小于房间44用双箭头48象征性表示的高度。通过将制冷单元16设在磁铁2A旁，磁共振仪40并因而磁铁2A可以在房间高度48相同时设计得比在使用一种具有按图1在上方定位制冷单元16的磁铁2时可能的大。或者磁铁可以安装在高度减小的房间内。与通过池冷的磁共振仪相比，不再需要压力容器。此外，明显降低对液氦的需求。
磁铁2A包括多个超导性绕组50，它们卷绕在线圈管4上，在图中只表示了其中之一。在绕组50内部设计管道6，它通过输入管10和分配管8与储罐14连接。在超导性绕组50的上方，汇流管18通过回流管20同样与储罐14连接。氦液位22A在管道6和在储管14内一样高。在氦液位22A下方，绕组50与液态氦直接接触，由此冷却绕组。在绕组50与液氦之间的耦合通过绕组材料的热传导进行。在这里要跨越的用箭头52表示的距离比较小。通过绕组50与线圈管4之间的直接接触使线圈管4同样被冷却。按另一种方案，管道6也可以仅仅处于线圈管4内，因此线圈管必须与绕组50处于良好的热接触状态。这例如可以通过将构成绕组的线材在拉力状态卷绕在线圈管4上来保证。
反之，在氦液位22A上方仅有气态氦处于管道6内。绕组50和线圈管4处于氦液位22A上方的部分因此只与氦气直接接触。为了将热从上部排出，需要使这些热量沿绕组50一直导引到液态氦，这通过箭头54表示。为了沿此比较长的距离传送热量，要求线圈管4或绕组50有高的热导率。通过使用良好热导率的材料，如高纯度的铜、铝，可以使整个绕组50与液态氦耦合，并因而使磁铁2A在温度为4.2k时工作。
图4和5分别表示横向于绕组50通过线圈管4的局部剖面。在图4中，在线圈管4内成形一个槽102，槽内卷绕复合线。在这里复合线绕线圈管4卷绕多重以及图中只表示为线包104。复合线是已知的以及例如包括许多细丝，它们用一种超导性材料例如NbTi、Nb3Sn、MgB2或一种高温超导体制造。细丝例如埋入铜母体内，在这里铜母体是电绝缘的。
线包104按已知的制造工艺在卷绕期间或卷绕后用环氧树脂粘结并机械稳定。槽102用于在卷绕过程中线包104成形，并与此同时使线包104与线圈管4热耦合。管道6埋入线圈管4内用于容纳氦。线包104与处于管道6内的氦的耦合，通过在线包104内的环氧树脂和线圈管4的材料借助热传导进行。若线圈管4的热导率不够大，则可以在线圈管4内附加地置入高热导率的材料，例如高纯度的铝或铜。通过这种高的热导率，在图3中所表示的处于氦液位上方的绕组50的部分可以通过线圈管4和环氧树脂的热传导与液态氦热耦合并由此被冷却。
图5表示在线圈管4的槽102内线包104结构的另一种实施方式。在这里，管道6也埋入线包104内并通过浇铸环氧树脂良好热耦合。除此之外的结构与已在图4中表示的相同。
图6表示图3中表示的绕组50另一种实施形式。围绕的真空容器在这里没有表示。除了已经说明的结构外，储罐14在底部出口12处包括一个压力接头152。它可与外部的输入管154连接，通过输入管154可将冷却剂在压力下加入输入管10内。这尤其对于磁铁2B从室温到工作温度为4.2k的冷却过程是有益的，以提高制冷能力。作为冷却剂为此目的可例如考虑液氮，它比氦要便宜得多。在用液氮的冷却过程中，系统内不存在氦。
通过提高压力，可以用液氮冲洗在绕组50内部延伸的管道6，使磁铁2B快速冷却。热量要跨越的距离小并用箭头52表示。氮通过回流管20回流到储罐14内，在那里汽化的氮通过高压阀156选出。通过液氮可达到的温度为77k，为了进一步冷却到工作温度，在从系统中排除氮后在储罐内充填液态氦。
图7表示图3中表示的磁共振仪40的另一种实施形式。在这里设计多个(在本例中两个)有不同直径的绕组50A和50B。在每个绕组内成形一根管道6，它分别与分配管8和汇流管18连接。工作方式与已结合图3说明的一致。按另一种方案，不同的管道6通过不同的分配管和汇流管与储罐14连接，这在图中没有表示出。
图8表示本发明的另一种实施形式。在这里气态氦的回流并不如在图3中那样通过单独的回流管20，而是通过液态氦的输入管10进行。在本设计中，管道6只设计在绕组50c圆周的四分之一内。在几乎完全充满氦的管道6内部，在液态氦内部蒸发的氦回流到储罐14内并在那里被冷头26冷凝。与图3所示的实施方式不同，超导性绕组50e离液态氦最远的部分的距离进一步加大，也就是说，热量必须经更长的路程向液氦传输，这通过箭头170表示。这可以通过增大绕组50e的槽102或通过使用有更高热导率的材料实现。
图9表示本发明的再一种实施形式。在这里沿磁铁2C绕组50D周向没有设管道。确切地说，超导性绕组50D直接与储罐14热耦合。储罐14恰当地沿磁铁垂直于图纸平面的全长延伸。这由图10可以看出，图10表示相应的磁共振仪的一个侧视图。在这里与在图3和8中表示的设计相比需要更高的热导率。按另一种方案，为了传热，线圈管4也可以有更大的横截面。
图10表示通过磁共振仪40A的纵向剖面，它有一块按图9所示设计的磁铁2C。磁共振仪40A的真空容器43剖切后表示。同样剖切表示的辐射屏42处于真空罐43内部，辐射屏围绕着线圈管3，在线圈管上卷绕多个直径不同的超导性绕组50D。储罐14A充填液氦直至氦液位22B。储罐14A成形为细长的并与绕组50D处于良好的热接触状态。在此设计中，绕组50D或线圈管4的热导率，与图3所示的设计相比必须更高。通过冷头26冷凝蒸发的氦。为了改善线圈管4与储罐的热耦合，可附加地安置绕线圈管4的冷却环180。它们例如设计为铜或铝卷，以及不仅与储罐14A而且与线圈管3处于良好的热接触状态。除此之外，这种冷却环180可以围绕绕组50D卷绕，以改善绕组50D与储罐14A之间的热接触。这作为举例借助一个绕组50D′表示。
图11表示通过管道6A一种优选的实施形式的剖面。在至此所介绍的设计中，管道6采用普通的金属表面。在图11中表示的管道6A内侧与一不锈钢网190连接，后者起芯子的作用。这种结构方式也称热管。通过不锈钢网190，液态氦逆重力输送，所以也到达管道6A处于氦液位上方的部分。由此改善冷却效果。
与在图11中表示的设计不同，也可以通过许多凹槽200增大管道6B表面，这在图12中示意表示。通过凹槽200，液态氦类似于不锈钢网190的效果逆重力传输，并因而也润湿管道6B处于氦液位上方的部分。
按本发明设计的具有制冷单元的磁铁给磁共振仪带来一种结构紧凑的优点。因为，与池冷相比，不再需要用于液态氦的稳定的压力容器。这除了降低制造成本外还节省空间位置，空间位置可例如利用来安装更大的磁铁。因此，在相同的结构尺寸时可以改善相应的磁共振仪的成像特性。除此之外，在骤冷的情况下明显地减少氦的损失。
Claims (23)
1.一种超导技术装置，其包括
-一磁铁(2A、2B)，该磁铁含有至少一个超导性的绕组(50、50A、50B、50C、50D)，
-一制冷单元(16)，该制冷单元具有至少一个冷头(26)，以及
-一管线系统，该管线系统有至少一根用于一种在其中按温差环流效应循环的冷却剂的管道(6)，冷却剂用于所述至少一个绕组(50、50A、50B、50C、50D)与所述至少一个冷头(26)间接热耦合，
其特征为：所述制冷单元(16)包括一个设在所述至少一个绕组(50、50A、50B、50C、50D)最高点下方的用于冷却剂的储罐(14、14A)。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征为：所述绕组(50、50A、50B、50C、50D)包括一种热导率比在所述至少一个绕组(50、50A、50B、50C、50D)中采用的超导性材料的热导率高的材料。
3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征为：该装置还包括一个线圈管(4)，所述至少一个超导性绕组(50、50A、50B、50C、50D)绕该线圈管(4)卷绕。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征为：所述线圈管(4)有至少一个槽，用于容纳所述至少一个超导性绕组(50、50A、50B、50C、50D)。
5.按照权利要求3或4所述的装置，其特征为：所述较高热导率的材料成形为围绕所述线圈管(4)的冷却环(180)。
6.按照权利要求3或4所述的装置，其特征为：所述较高热导率的材料被埋入所述线圈管(4)内。
7.按照权利要求2至6之一所述的装置，其特征为：所述较高热导率的材料是铜。
8.按照权利要求2至6之一所述的装置，其特征为：所述较高热导率的材料是铜合金。
9.按照权利要求2至6之一所述的装置，其特征为：所述较高热导率的材料是铝。
10.按照权利要求2至6之一所述的装置，其特征为：所述较高热导率的材料是铝合金。
11.按照上述任一项权利要求所述的装置，其特征为：所述至少一根管道(6)至少部分平行于所述至少一个绕组(50、50A、50B、50C)地被导引。
12.按照权利要求2至11之一所述的装置，其特征为：所述至少一根管道(6)至少部分在所述至少一个绕组(50、50A、50B、50C、50D)内部延伸。
13.按照权利要求2至11之一所述的装置，其特征为：所述至少一根管道(6)至少部分成形在所述较高热导率的材料的内部。
14.按照权利要求2至11之一所述的装置，其特征为：所述至少一根管道(6)至少部分在所述线圈管(4)内部延伸。
15.按照上述任一项权利要求所述的装置，其特征为：所述管道(6)包括一个芯子，它设计为使冷却剂可以在它里面逆重力传送。
16.按照权利要求15所述的装置，其特征为：所述芯子设计为不锈钢网(190)。
17.按照上述任一项权利要求所述的装置，其特征为：所述至少一根管道(6)的内表面有许多凹槽(200)。
18.按照上述任一项权利要求所述的装置，其特征为：所述制冷单元(16)有一个压力接头(152)，所述冷却剂可通过它在压力下被加入所述至少一根管道(6)内。
19.按照权利要求2至18之一所述的装置，其特征为：所述超导性材料是NbTi。
20.按照权利要求2至18之一所述的装置，其特征为：所述超导性材料是Nb3Sn。
21.按照权利要求2至18之一所述的装置，其特征为：所述超导性材料是MgB2。
22.按照权利要求2至18之一所述的装置，其特征为：所述超导性材料是一种高温超导体。
23.一种磁共振仪，其具有按照上述任一项权利要求所述的装置。
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