CN203433928U

CN203433928U - 超导磁体组件

Info

Publication number: CN203433928U
Application number: CN201320542703.8U
Authority: CN
Inventors: 王相得
Original assignee: Shanghai United Imaging Healthcare Co Ltd
Current assignee: Shanghai United Imaging Healthcare Co Ltd
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2023-09-02

Abstract

本实用新型公开了一种超导磁体组件，包括冷冻剂容器、位于冷冻剂容器内的一个或多个相串联的磁体线圈、与磁体线圈相连的超导开关以及位于冷冻剂容器外部的释能器，所述释能器包括若干个释能单元，每个磁体线圈以及超导开关均并联有释能单元。本实用新型的超导磁体组件通过将每个磁体线圈以及超导开关均并联有释能单元，如此设置，在磁体失超时，可以安全方便的将能量释放到冷冻剂容器的外部。

Description

超导磁体组件

【技术领域】

本实用新型是有关一种超导磁体组件，尤其涉及一种带有释能单元的超导磁体组件。

【技术背景】

目前，超导磁体是提供高磁场的重要技术手段，其主要用于科学研究、医疗、航天、能源等领域。

目前，几乎所有的超导磁体都需要在低温环境下运行，低温是保证磁体线圈超导的必要条件。低温环境的提供主要是把磁体线圈浸泡在制冷剂中或者通过制冷机设备冷却磁体线圈。然而，目前绝大多数商业化的超导磁体(例如MRI(磁共振成像)超导磁体)主要是采用液氦做制冷剂。由于液氦价格昂贵，所以造成超导磁体的制造成本和维护成本很高。由于超导磁体本身的特点，失超是超导磁体在励磁或者闭环运行过程中无法完全避免的一种现象，一旦磁体失超将会蒸发大量的液氦，造成液氦的巨大损耗。

例如，对于MRI超导磁体，在励磁过程中失超一次一般会损耗20％-30％的液氦，在磁体闭环以后失超会损耗50％以上的液氦，这将造成很大的经济损失。由于要将液氦运送到医院，再把液氦输入超导磁体，以及再次励磁，这个时间至少会超过12小时，甚至达到两三天时间，所以还会耽误医院的MRI设备的使用。

中国专利申请第CN102610351A号揭示了一种于冷冻剂容器外侧设有释能单元的超导磁体组件，当失超发生时，将能量通过释能单元释放到冷冻剂容器的外部，如此能够实现容器中液氦的低损耗(甚至零损耗)。然而，此种超导磁体组件需要通过控制器来控制释能单元来释放能量。然而，当控制器出现故障时，就无法启动释能单元来释放能量，会导致磁体线圈的烧坏。

因此，确有必要提供一种改进的超导磁体组件，以克服上述超导磁体组件存在的缺陷。

【实用新型内容】

本实用新型的目的是提供一种安全可靠的将能量释放到冷冻剂容器的外部的超导磁体组件。

本实用新型的超导磁体组件是通过以下技术方案实现：一种超导磁体组件，包括冷冻剂容器、位于冷冻剂容器内的一个或多个相串联的磁体线圈、与磁体线圈相连的超导开关以及位于冷冻剂容器外部的释能器，所述释能器包括若干个释能单元，每个磁体线圈以及超导开关均并联有释能单元。

在优选的实施方式中，还包括与磁体线圈相并联且可对磁体线圈进行加热的加热电阻。

在优选的实施方式中，所述释能单元包括正接线板、负接线板、位于正接线板与负接线板之间的释能部件以及位于正接线板与负接线板之间的可对释能部件进行冷却的冷却部件。

在优选的实施方式中，所述释能部件为方向相反的两排电力二极管。

在优选的实施方式中，所述冷却部件包括进口、出口以及位于进口与出口之间的冷却腔，冷却部件还设有固定释能部件的若干凸部。

在优选的实施方式中，还包括将正接线板、负接线板、释能部件以及冷却部件固定起来的固定部件以及支撑正接线板、负接线板、释能部件以及冷却部件的绝缘垫板。

在优选的实施方式中，所述释能单元包括冷却块、位于冷却块中的释能部件以及设于冷却块内对释能部件进行冷却的冷却通道。

在优选的实施方式中，所述冷却块包括设有第一凹槽的第一半冷却块以及设有第二凹槽的第二半冷却块，所述第一半冷却块与第二半冷却块组装起来使第一凹槽与第二凹槽拼成收容释能部件的凹槽。

在优选的实施方式中，所述第一半冷却块、第二半冷却块内部均设有冷却通道。

在优选的实施方式中，所述释能部件为电阻丝，所述电阻丝为S形，电阻丝的自由端位于同一侧。

与现有技术相比，本实用新型的超导磁体组件通过将每个磁体线圈以及超导开关均并联有释能单元，如此设置，在磁体失超时，可以安全方便的将能量释放到冷冻剂容器的外部。

【附图说明】

图1是本实用新型超导磁体组件的示意图。

图2是本实用新型超导磁头组件的电路图。

图3是释能器的主视图。

图4是管释能单元D10的俯视图。

图5是冷却部件的立体图。

图6(a)是冷却部件的主视图。

图6(b)是图6(a)中A-A向的剖视图。

图7是释能单元D1的立体图。

图8是电阻丝释能单元的立体图。

图9是第一冷却部件的立体图。

图10是电阻丝的立体图。

图11是电流引线的立体图。

图12是图11中电流引线的主视图。

图13是线缆的剖面图。

图14是另一实施方式中电阻丝释能单元的立体图。

图15(a)是图14中电阻丝释能单元的主视图。

图15(b)是图15(a)中B-B向的剖视图。

【具体实施方式】

请参阅图1所示，本实用新型的超导磁体组件包括冷冻剂容器10、位于冷冻剂容器10内的磁体线圈20、与磁体线圈相连的超导开关(见图2)以及位于冷冻剂容器10外部的释能器30。该超导磁体组件还包括位于冷冻剂容器10外侧的防辐射层40、包围冷冻剂容器10和防辐射层40的真空层50以及电流引线60。电流引线60与释能器30通过线缆70相连接。在优选的实施方式中，释能器30位于真空层50的外侧。

本实用新型以MRI超导磁体为例，主体电路图如图2所示，每个释能单元由电力二极管组件释能单元D1-D9和电阻丝释能单元D10组成，电阻丝释能单元D10为仅由电力二极管组件组成的释能单元。

闸刀开关K1-K10由一总闸刀开关(未图示)控制。拉拔总闸刀开关可以同时切断或连接闸刀开关K1-K10，闸刀开关K1-K10分别控制对应线路上的通断。加热电阻R1-R9分别与磁体线圈L1-L9相贴近。本实用新型的一个优点是：当闸刀开关K1-K10都断开的情况下，磁体线圈L1-L9失超时会产生数千伏的高压，反向串联的高压限流二极管26可以保护加热器R1-R9能正常工作不会被烧毁。同样当闸刀开关K1-K10都闭合的情况下，反向串联的高压限流二极管26可以在几伏的电压下让加热器R1-R9能正常工作。

本实用新型的另一个优点在于，当磁体组件发生失超时(不管是磁体线圈失超还是超导开关失超)，在闸刀开关K1-K10闸刀开关闭合的情况下，磁体线圈储存的能量几乎全部释放在真空层50(磁体)外部的释能单元D1-D10内。其中，释能单元D1-D9由一组双向并联的电力二极管组件释能单元和电阻丝释能单元27组成；电力二极管释能单元D10两端的开启电压U10满足的条件为：U25>U10>U21，其中U25为低温电力二极管组件25的开启电压，U21为励磁时电源正负极两端的斜升电压。

当超导开关失超时，超导开关两端的电压只能开启电力二极管释能单元D10，磁体线圈储存的能量几乎全部释放在磁体外部电力二极管释能单元D10中。对于超导磁体内部低温环境而言，磁体线圈内部的局域失超点，该失超点的电阻极其微小，产生的热量也极其微小。为了便于描述，如下例所述：磁体运行电流I＝500A，当某磁体线圈局部出现了一个电阻区域，该区域通常是以某个点开始的，然后迅速扩散。该点失超之前的电阻为零，失超后从零变大，在本实施例中，设置的释能单元D1-D9中的二极管组件的开启电压为4V，当该区域电阻变到0.02欧姆时，该线圈两端的电压会出现5V的电压，此时，磁体外部的释能单元D1-D9会开启。电阻丝释能单元的电阻为10mΩ，那么这时磁体线两端的电压值就10V左右，这时磁体加热器R1-R9工作，加速磁体失超，使得失超区域继续扩大，直到整个磁体线圈完全失超。若整个线圈正常态电阻为25Ω，由于磁体线圈值的两端的电压为10V，线圈内的电流为0.4A，而499.6A的电流都耗散在磁体外部的释能单元D1-D9当中。失超区域的电阻值越大，耗散在磁体线圈内的能量越微小。磁体线圈储存的能量转移到磁体外面的就越多，经估算磁体能量从内转移到外面的效率达到99.92％以上。

本实用新型装置耗散在磁体内部的能量小于0.08％，若MRI超导磁体储存的能量约6MJ，释放在磁体内部的能量不足5KJ，而氦的蒸发热为20.73KJ／Kg，因此折算成液氦的体积为1.92L，这些液氦的的挥发完全可以被液氦容器包纳，并通过制冷机冷头再液化成液氦，达到了超导磁体失超零液氦损耗的目的。

请参阅图3所示，释能器30包括铝合金外壳31、释能单元D1-D10、循环冷却水管进水口32、循环冷却水管出水口33、陶瓷绝缘隔板34，固定支柱35和36、线缆走线入口37以及总闸刀开关38。为了便于描述本实用新型的释能器，图3为铝合金外壳去掉前面板的前视图，铝合金外壳38实际的结构为封闭的矩形盒子。为了显示图形的整洁直观，释能单元D1-D9以及释能单元D10和总闸刀开关之间的电气连接线缆未画出，连接的电路图可以参阅图2所示。磁体组件的外壳上还设有用于固定释能器的的安装支架39。

请参阅图4所示，电力二极管释能单元D10为循环水冷却电力二极管组合，在其他实施方式中，也可以用其他冷却液体对其进行冷却。电力二极管释能单元D10包括正接线板3011、负接线板3012、位于正接线板3011与负接线板3012之间的方向相反的两排电力二极管3013以及位于正接线板3011与负接线板3012之间的可对电力二极管3013进行冷却的冷却部件3014。电力二极管释能单元D10还包括将正接线板3011、负接线板3012、电力二极管3013以及冷却部件3014固定起来的固定部件3015以及支撑正接线板3011、负接线板3012、电力二极管3013以及冷却部件3014的绝缘垫板3016。当大电流通过电力二极管3013，二极管3013本身会发热，冷却部件3014会对电力二极管3013进行冷却，冷却部件3014为中间空腔的结构。绝缘垫板3016可以为电木板、环氧树脂板或者陶瓷板制成。固定部件3015为金属拉杆，可以为螺柱，金属拉杆的外面设有绝缘护套塑料管。正极接线板3011、负极接线板3012的材料为铜。

从该图可以看出，电力二极管释能单元D10是由两组反向并联的二极管构成，每一组均由7只电力二极管串联而成。本实用新型只是描述了该电力二极管释能单元的构造，电力二极管串联的数量并不限于7只。该电力二极管释能单元D10的优点是实现了电力二极管的水冷却功能。

请参阅图5及图6所示，冷却部件3014包括进口30141、出口30142以及位于进口30141与出口30142之间的冷却腔30143，冷却部件3014还设有位于冷却腔30143表面的中部用于固定电力二极管的凸部301431。每个冷却部件3014均包括两个冷却腔30143，每个冷却腔30143的两侧分别设有电力二级管。电力二极管散发的热量被冷却部件3014吸收，最终通过循环水把热量带走。这种循环水冷电力二极管释能单元的优点在于始终保持电力二极管的温度不会超过100℃，无噪音，不受超导磁体产生的强磁场影响，电力二极管寿命会极大延长。

请参阅图7所示，由于释能单元D1-D9的结构均是一样的，所以在此只用一个作说明。释能单元D1包括电力二极管释能单元3021以及与电力二极管释能单元3021串联的电阻丝释能单元3022，其中电力二极管释能单元3021与上述D10的结构一样。由于电力二极管释能单元3021与上述D10的结构一样，在此就不再作详细描述。

请参阅图8以及图9所示，电阻丝释能单元3022包括冷却块3023、位于冷却块3023中的电阻丝3024以及设于冷却块3023内对电阻丝3024进行冷却的冷却通道3025。冷却块3023包括设有第一凹槽30231的第一半冷却块30232以及设有第二凹槽30233的第二半冷却块30234，第一半冷却块30232与第二半冷却块30234组装起来使第一凹槽30231与第二凹槽30233拼成收容电阻丝3024的凹槽3026。第一半冷却块30232、第二半冷却块30234内部均设有冷却通道3025，用于对电阻丝3024进行冷却。由于第一半冷却块30232与第二半冷却块30234的结构相同，所以只画出了第一半冷却块30232的示图。请进一步参阅图10所示，电阻丝为S形，电阻丝的自由端位于同一侧。

冷却块3023为中间空腔的铝合金材料制成的矩形结构，其中第一凹槽30231、第二凹槽30233刚好能容纳电阻丝3024的一半体积，并且第一凹槽30231、第二凹槽30233内表面均喷涂有绝缘的陶瓷粉，目的是保持电阻丝3024不被冷却块3023短路而造成电阻值发生改变。电阻丝3024为Cr₂₀Ni₈₀材料的圆棒折弯而成，电阻丝阻值的选择要根据磁体失超能量耗散的快慢要求而定。

释能单元D1-D9工作时，整个系统的温度不会超过100℃，循环水的流量要求，优选的一般大于50L／min。D1-D9有电流经过时，产生的热量全部由循环水带走，系统不受磁场影响，并没有噪音，优势非常明显。

请参阅图11及图12所示，电流引线60是连接冷冻剂容器10和外部的通道，是电流从磁体线圈转移到外部的过渡区。电流引线60包括10pin的线缆母插头61以及位于线缆母插头61下部的10pin电流引线的公头62。其中，线缆母插头61的材料由酚醛树脂材料或者电木等绝缘材料加工而成。电流引线60的上端设有线缆母插头61的铜引线端63，在本实施方式中，一共有十个引线端，分别与线缆70的10芯软铜线缆相连。其中公头62包括与冷冻剂容器10的出口相焊接的法兰外壳621、用于电气绝缘和密封作用的第一陶瓷圆片622、作为线缆从低温到室温过渡的电流引线的石墨导电圆棒623、拉杆624、与石墨导电圆棒623相连的接线端子625以及第二陶瓷圆片626。法兰外壳621由不锈钢制作而成。石墨导电圆棒623为10根，由于石墨棒导电性优良，热传导能力差，所以可以很好地减少从外界向磁体内部的热传导。接线端子625由无氧铜制成。公头62在液氦容器内的低温区。利用该电流引线60可以实现超导磁体内外的电气连接，并且不会漏热和漏气。第一陶瓷圆片622和石墨导电圆棒623之间通过陶瓷的煅烧，有着很好的气密性。石墨导电圆棒623的电阻非常小，即使磁体中数百安培的电流流过，发热量很小。

请参阅图13所示，线缆70包括缆线71以及包裹缆线71的外层绝缘护套72。其中，缆线71为10股，每股为40mm2的编织无氧铜软线，每股之间外套尼龙编织护套绝缘，最外层也套编织护套绝缘。

图14及图15所示为电阻丝的另一种结构，电阻丝释能单元80包括电阻丝81、冷却金属圆桶82、冷却介质入口83以及冷却介质出口84。电阻丝81与金属圆筒82内部的接触部分涂有可耐高温的绝缘粉85，其中绝缘粉85可以为陶瓷粉或者其它介质。在其他实施方式中，不管是单根或是多根并联、弹簧形状卷曲或是带状盘曲的电阻丝，只要满足和有空腔的金属容器相接触，空腔内流动导热介质，均属于本实用新型保护之内。这里的导热介质包括水、油、酒精等导热介质。冷却块3023的形状也不局限于固定的形态。

本实用新型的超导磁体组件一旦发生失超，磁体线圈中储存的能量会迅速从磁体内部转移到磁体外部的释能器30中转化为内能，释能器30中通过循环水系统将这部门热量带走，实现了磁体失超时将大部分能量释放在冷冻剂容器10外部的效果，只有很少的能量蒸发微量的液氦，这部门氦气可以被与磁体相连的制冷设备，如冷头等再次液化成液态，实现液氦的零损耗。

本实用新型便于维护和更换外部释能器，只要将10闸刀开关K1-K10断开之后，可以方面拆取和更换释能单元，便于维护，易于操作。

本实用新型可以实现失超的无液氦损耗操作，在磁体制作完成以后，在励磁过程中一般会经历一次或者数次失超，或者闭环之后磁体受到其它影响也可能失超，采用本实用新型的超导磁体组件，可以不用担心失超造成的液氦损耗。磁体失超开始到结束采用本实用新型的超导磁体组件可以用较短的时间即可完成磁体能量的释放，大大节约了经济成本和提高了效率。

以上所述仅为本实用新型的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本实用新型说明书而对本实用新型技术方案采取的任何等效的变化，均为本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种超导磁体组件，包括冷冻剂容器、位于冷冻剂容器内的一个或多个相串联的磁体线圈、与磁体线圈相连的超导开关以及位于冷冻剂容器外部的释能器，其特征在于：所述释能器包括若干个释能单元，每个磁体线圈以及超导开关均并联有释能单元。

2.如权利要求1所述的超导磁体组件，其特征在于：还包括与磁体线圈相并联且可对磁体线圈进行加热的加热电阻。

3.如权利要求1所述的超导磁体组件，其特征在于：所述释能单元包括正接线板、负接线板、位于正接线板与负接线板之间的释能部件以及位于正接线板与负接线板之间的可对释能部件进行冷却的冷却部件。

4.如权利要求3所述的超导磁体组件，其特征在于：所述释能部件为方向相反的两排电力二极管。

5.如权利要求3或4所述的超导磁体组件，其特征在于：所述冷却部件包括进口、出口以及位于进口与出口之间的冷却腔，冷却部件还设有固定释能部件的若干凸部。

6.如权利要求3所述的超导磁体组件，其特征在于：还包括将正接线板、负接线板、释能部件以及冷却部件固定起来的固定部件以及支撑正接线板、负接线板、释能部件以及冷却部件的绝缘垫板。

7.如权利要求1所述的超导磁体组件，其特征在于：所述释能单元包括冷却块、位于冷却块中的释能部件以及设于冷却块内对释能部件进行冷却的冷却通道。

8.如权利要求7所述的超导磁体组件，其特征在于：所述冷却块包括设有第一凹槽的第一半冷却块以及设有第二凹槽的第二半冷却块，所述第一半冷却块与第二半冷却块组装起来使第一凹槽与第二凹槽拼成收容释能部件的凹槽。

9.如权利要求8所述的超导磁体组件，其特征在于：所述第一半冷却块、第二半冷却块内部均设有冷却通道。

10.如权利要求7所述的超导磁体组件，其特征在于：所述释能部件为电阻丝，所述电阻丝为S形，电阻丝的自由端位于同一侧。