CN208889405U - 超导线圈组件、超导磁体系统及医疗设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种超导线圈组件，所述超导线圈组件包括线圈，所述超导线圈组件还包括粘结层以及镶埋于所述粘结层内的传热管，所述粘结层粘结所述线圈与所述传热管，所述传热管用于交换所述线圈在不同部位的热量。本实用新型还提供一种应用上述超导线圈组件的超导磁体系统以及一种应用上述超导磁体系统的医疗设备。本实用新型提供的所述超导线圈组件能够降低所述线圈的温度梯度，提高所述线圈在工作时的可靠性与稳定性。本实用新型提供的应用上述超导线圈组件的超导磁体系统，不仅提高了超导磁体的可靠性与稳定性，还减少了液氦的使用量。本实用新型提供的应用上述超导磁体系统的医疗设备，整机可靠性与稳定性提升，具有广泛的应用前景。

Description

超导线圈组件、超导磁体系统及医疗设备

技术领域

本实用新型涉及超导磁体技术领域，特别是涉及一种超导线圈组件、超导磁体系统及医疗设备。

背景技术

如图1所示，传统的超导磁体中一般包括低温保持器以及安装在低温保持器内的超导线圈组件，低温保持器一般为高真空多层容器，从外向内包括外容器、至少一层热屏蔽容器和内容器；每层容器又分别包括外筒1、内筒2以及连接在两者轴向两侧之间的封头3a和封头3b；外筒1、内筒2以及两封头之间形成环筒状的容纳腔。

在内容器的容纳腔中，内线圈保持架4环布在内容器内筒2外壁，外线圈保持架5环布在内容器外筒1的内壁，内线圈保持架4、外线圈保持架5与容纳腔同轴线布置，内线圈保持架4和外线圈保持架5上分别设置有线槽，内线圈6和外线圈7分别缠绕或装配在内、外线圈保持架的线槽内。可以理解的，本实用新型中的“线圈保持架”也可称之为“线圈骨架”、“线圈架”或者“支撑架”等一种或多种起支撑作用的结构。

由于液氦价格昂贵，且资源匮乏，如何减少液氦的用量同时保证超导磁体的热稳定性是先进超导磁体设计的难题。现有技术通常采用占位的方式提高液面高度，但这种方法同时也会减少低温保持器中的液氦容积，使得超导磁体“冷”运输的时间减少，即超导磁体运输至较远的场地时，液氦会全部消耗完，导致超导磁体升温至较高温度，需要重新对超导磁体进行预冷，代价非常昂贵。

另外一些超导磁体则采用制冷机直接冷却或者管路冷却的方案，这些方案往往需要非常复杂的结构，成本较高，且由于线圈的热接触面积有限，制冷效果不佳。

实用新型内容

基于此，有必要针对保证冷却效果以及减少制冷剂损耗的问题，提供一种超导线圈组件、超导磁体系统及医疗设备。

本实用新型提供一种超导线圈组件，所述超导线圈组件包括线圈，所述超导线圈组件还包括粘结层以及镶埋于所述粘结层内的传热管，所述粘结层粘结所述线圈与所述传热管，所述传热管用于交换所述线圈在不同部位的热量。

进一步地，所述线圈安装于外部线圈保持架上开设的线槽内，所述线槽具有底壁以及两个相对侧壁，所述传热管设置于所述线槽的底壁及两个相对侧壁中的至少一个壁面处。

进一步地，所述线槽两个相对侧壁中的一个承受所述线圈的电磁力作用，为受力侧壁；所述线槽两个相对侧壁中的另一个不承受所述线圈的电磁力作用，为非受力侧壁；所述传热管设置于所述线槽的底壁及非受力侧壁中的至少一个壁面处。

进一步地，所述传热管仅设置于所述线槽的底壁上；

或者，所述传热管仅设置于所述线槽的非受力侧壁上；

或者，所述传热管同时设置于所述线槽的底壁及非受力侧壁处。

进一步地，所述粘结层至少包覆所述传热管所在的壁面。

进一步地，所述粘结层与所述线圈保持架之间设置有绝缘层，所述绝缘层用于隔绝所述线圈与所述线圈保持架之间的电气传输。

进一步地，所述传热管为热管、翅片管或螺纹槽管中的一种，且所述传热管的横截面为圆形或矩形。

进一步地，所述粘结层由环氧树脂制成。

本实用新型还提供一种超导磁体系统，包括低温容器、设置在所述低温容器内部的线圈保持架和设置在所述线圈保持架上的超导磁体组件，所述超导线圈组件为上述任意一项所述的超导线圈组件。

本实用新型还提供一种医疗设备，包括超导磁体系统，所述超导磁体系统为上述的超导磁体系统。

本实用新型提供的所述超导线圈组件能够降低所述线圈的温度梯度，提高所述线圈在工作时的可靠性与稳定性。本实用新型提供的应用上述超导线圈组件的超导磁体系统，不仅提高了超导磁体的可靠性与稳定性，还减少了液氦的使用量。本实用新型提供的应用上述超导磁体的医疗设备，整机可靠性与稳定性提升，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为常规超导磁体中，低温保持器以及部分内部构件的结构示意图；

图2为本实用新型一个实施方式中超导线圈组件的结构示意图；

图3为正常工作的超导磁体在工作时的受力分析示意图；

图4为图2所示传热管采用热管时的结构示意图。

主要元件符号说明

内容器外筒	1
		内容器内筒	2
封头	3a、3b
		内线圈保持架	4
外线圈保持架	5
		内线圈	6
外线圈	7
		超导线圈组件	100
线圈	10
		线槽	11
底壁	12
		侧壁	13
受力侧壁	131
		非受力侧壁	132
传热管	20
		粘结层	30
绝缘层	40

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图2，图2为本实用新型一个实施方式中超导线圈组件100的结构示意图。超导线圈组件100包括线圈10以及与线圈10热耦合的传热管20，传热管20用于交换线圈10中不同部位的热量以降低线圈10的温度梯度，从而提高线圈10的可靠性与稳定性。

本实施方式中，超导线圈组件100应用于超导磁体中，其用于提高超导磁体工作稳定性与可靠性。当然，本实用新型并不限定超导线圈组件100仅能够应用于超导磁体中，在其他的实施方式中，超导线圈组件100还可以应用于除超导磁体之外的其他使用环境中。

在使用状态下，线圈10处于线圈保持架的线槽11中，就线圈10本身的结构而言，其可采用常规技术。本实施方式中，线圈10的截面为矩形。可以理解，在其他的实施方式中，线圈10的截面还可以采用圆形等除矩形之外的其他形状。线圈10在至少一个外侧面上布置有传热管20，以实现两者之间的换热。

为了实现换热，传热管20布置在线圈10的至少一部分外周区域，即传热管20至少可以与线圈10的一部分外周区域换热，传热管20能够交换线圈10在不同部位的热量以降低线圈10的温度梯度，从而提高线圈10的可靠性与稳定性。

本实施方式中，传热管20相对于线圈10的外侧面由近及远地布设为一层，多根传热管20沿线圈10周向布置，一层布设的传热管20规则分布。可以理解，在其他的实施方式中，传热管20还可以间隔布置为多层，在一层或间隔布置的多层中，传热管20还可以不规则分布。

进一步地，若采用多层布置，则相邻层的传热管20可以交错布置，即相对于线圈10的外侧面由近及远的方向上相邻层的传热管20并非相互对正，这样可以减少层间距，布置数量更多的传热管20，提高换热效果。

可以理解，传热管20与线圈10之间，以及多根传热管20之间可以采用多种方式相互间隔，例如至少一传热管20与线圈10外侧面之间为间隔布置，或各传热管20与线圈10外侧面之间均为间隔布置；至少两根传热管20之间为间隔布置，或各传热管12之间均为间隔布置。

本实施方式中，传热管20采用单根多匝包饶的方式绕置线圈10，各匝传热管20排布在线圈10的外周，每一匝与线圈10具有相同的延伸方向，也即传热管20连续地环向缠绕在线圈保持架上。

可以理解，本实用新型并不限定传热管20的包饶方式，在其他的实施方式中，传热管20还可以采用除上述之外的其他包饶方式，例如，传热管20可以采用单根单匝、多根单匝或者多根多匝包饶的方式绕设线圈10，多匝的传热管2也可以采用不同延伸方向交错地设置在线圈保持架上，此外，传热管20还可以以线圈10为芯，采用螺旋方式绕置在线圈10外周。

本实施方式中，所述传热管20的横截面为圆形，采用环形的传热管20具有相对较佳的换热效果。可以理解，在其他的实施方式中，传热管20还可以采用矩形等其他的形状。

请一并参阅图3，图3为正常工作的超导磁体在工作时的受力分析示意图。正常工作的超导磁体，由于多个线圈10内部会通入方向相同或不同的电流以激发磁场，若产生的磁场同向，那么两个线圈10之间会相互吸引；若产生的磁场异向，那么两个线圈10之间会相互排斥。无论多个线圈10之间是相互吸引还是相互排斥，线圈10上都要承受非常大的相互电磁力作用，电磁力可达几十吨，正常工况下的电磁力方向如图3所示。

为了保证超导线圈组件100在使用时的可靠性与稳定性，本实施方式中的传热管20仅布置在线圈10的非受力面上，此时传热管20在工作中不会受电磁力的影响，也不会产生变形，也可避免线圈10由于受力过大引起失超。

具体地，用于安装线圈10的线槽11具有底壁12以及相对的两个侧壁13，两个侧壁13中的一个承受电磁力作用，命名为受力侧壁131，两个侧壁13中的另一个不承受电磁力作用，命名为非受力侧壁132，底壁12与非受力侧壁132均不承受线圈电磁力，而受力侧壁131承受线圈的电磁力作用；为此，传热管20设置于线槽11的底壁12以及非受力侧壁132上的至少一个上，也即传热管20可以设置在底壁12处，也可以设置在非受力侧壁132上，还可以同时设置在非受力侧壁132和底壁12上。此时传热管20在实现自身传热功能的基础上，并不会受到电磁力的挤压作用，不发生变形，稳定性与可靠性提高。

当然，传热管20也可以设置在受力侧壁131上，也即传热管20可以仅设置在受力侧壁131上，可以同时设置在底壁12与受力侧壁131上，还可以同时设置在底壁12、受力侧壁131与非受力侧壁132上。此时，需要对传热管20的强度进行校核，以避免传热管20因过度变形而损坏。

本实施方式中，传热管20优选为热管，请一并参阅图4，图4为图2所示传热管20采用热管时的结构示意图。热管采用封闭管式结构，内部抽一定的负压并冲以适量的工作介质，热管内紧贴有吸液的毛细多空材料。此时，工作介质在热管的上部蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向热管的下部，由于下部被液氦浸泡，温度较低，可将工作介质蒸汽冷凝；而冷凝后的液态介质，又会沿管壁的多孔材料依靠毛细作用爬上上部的蒸发段。如此循环，即可实现热量由上部传向下部，从而实现快速热交换。

可以理解，在其他的实施方式中，传热管20还可以采用翅片管、螺纹槽管等其他类型的传热管，只要该类型的传热管能够实现对线圈10的导热即可。

本实施方式中，为了保持结构的稳定，传热管20与线圈10之间设置有粘结层30，传热管20镶埋于所述粘结层30内，传热管20与线圈10的热耦合部位通过粘结层30粘结固定。粘结层30的设置位置与传热管20的布置位置相对应，也即当传热管20布置于线槽11的非受力面(底壁12与非受力侧壁132)上时，粘结层30也对应设置于线槽11的非受力面上；当传热管20设置于或延伸至线槽11的受力面(受力侧壁131)上时，粘结层30也对应设置于或延伸至线槽11的受力面上。当粘结层30设置或延伸至线槽11的受力面上时，也需要对固化后的粘结层30进行强度校核，从而避免粘结层30在工作时损坏。

进一步地，传热管20与线圈10的热耦合部位可相互贴靠或相互间隔布置。相互贴靠更加便于热交换，而间隔布置的方式则有利于加工，间隔布置时，为了保证换热效果，可以在间隔部位填充导热材料。

优选地，粘结层30采用具有导热性能的粘结材料粘结而成，粘结层30作为粘结剂或固定连接件，在实现传热管20与线圈10固定在线槽11内的基础上还可以起到导热层的作用，提高传热管20与线圈10之间的热耦合效率，从而进一步降低线圈的温度梯度。

作为进一步的优选，粘结层30采用环氧树脂材料制成，此时粘结层30具有较佳的粘结性能和导热性能。当然，粘结层30还可以由环氧树脂之外的其他材料制成。

可以理解，传热管20与线圈10之间并不限于仅能够采用粘结的方式相互固定，在其他的实施方式中，传热管20与线圈10之间还可以通过连接件、填充物等其他方式相互固定。

在本实施方式中，粘结层30与线槽11的内壁之间还设置有绝缘层40，绝缘层40用于隔绝线圈10与线圈保持架之间的电气传输，进一步提高超导线圈组件100的工作稳定性。

绝缘层40的布设位置可以与传热管20的布设位置对应，也即当传热管20布置于线槽11的非受力面(底壁12与非受力侧壁132)上时，绝缘层40也对应设置于线槽11的非受力面上；当传热管20设置于或延伸至线槽11的受力面(受力侧壁131)上时，绝缘层40也对应设置于或延伸至线槽11的受力面上。

当然，在其他的实施方式中，绝缘层40的布设位置也可以与传热管20的布设位置不对应，例如绝缘层40可以设置在所有线槽11的内壁处以包覆传热管20所有可能的位置，还可以仅仅设置在线槽11的部分壁面处，从而包覆传热管20的部分安装位置。

优选地，绝缘层40至少包覆传热管20所在的壁面，从而保证绝缘的有效性与可靠性。当然，若不考虑绝缘的有效性与可靠性，绝缘层40也可以部分包覆传热管20。

可选地，当上述粘结层30具有较好的绝缘性能时，可以直接作为绝缘层使用，即可不用额外布置上述绝缘层40。

下面再简单阐释上述超导线圈组件100的一个制作方法，该制作方法包括：

在线圈保持架上加工线槽，然后布置传热管以及绝缘层，通常是将传热管连续环向缠绕在线槽内，然后对此线圈保持架进行整体灌胶或涂胶；待胶固化完成后，在此灌胶结构上再次加工线槽；而后再绕制线圈；最后再进行整体灌胶封闭或不灌胶，得到上述超导线圈组件。

在另一实施方式中，不同的制作方法是，将上述传热管布置在环向模具上，同样进行灌胶、加工和绕线圈，后再次灌胶，脱模后可得到上述超导线圈组件。

本实用新型还提供一种应用上述超导线圈组件100的超导磁体系统(图未示)，该超导磁体系统包括低温容器、设置在该低温容器内部的线圈保持架以及设置在该线圈保持架上的上述超导磁体组件100，通过设置上述的超导线圈组件100，能够均匀超导磁体在液氦液面上方与下方的温差，提高了超导磁体的稳定性，也节约了液氦的使用量。

本实用新型还提供一种应用上述超导磁体的医疗设备(图未示)，该医疗设备通过该超导磁体发射磁场，稳定性与可靠性提升，具有广泛的应用前景。

本实用新型提供的超导线圈组件100能够降低所述线圈的温度梯度，提高线圈10在工作时的可靠性与稳定性。本实用新型提供的应用上述超导线圈组件100的超导磁体，不仅提高了超导磁体的可靠性与稳定性，还减少了液氦的使用量。本实用新型提供的应用上述超导磁体的医疗设备，整机可靠性与稳定性提升，具有广泛的应用前景。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本实用新型要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种超导线圈组件，所述超导线圈组件包括线圈，其特征在于，所述超导线圈组件还包括粘结层以及镶埋于所述粘结层内的传热管，所述粘结层粘结所述线圈与所述传热管，所述传热管用于交换所述线圈在不同部位的热量。

2.如权利要求1所述的超导线圈组件，其特征在于，所述线圈安装于外部线圈保持架上开设的线槽内，所述线槽具有底壁以及两个相对侧壁，所述传热管设置于所述线槽的底壁及两个相对侧壁中的至少一个壁面处。

3.如权利要求2所述的超导线圈组件，其特征在于，所述线槽两个相对侧壁中的一个承受所述线圈的电磁力作用，为受力侧壁；所述线槽两个相对侧壁中的另一个不承受所述线圈的电磁力作用，为非受力侧壁；所述传热管设置于所述线槽的底壁及非受力侧壁中的至少一个壁面处。

4.如权利要求2所述的超导线圈组件，其特征在于，所述传热管仅设置于所述线槽的底壁上；

或者，所述传热管仅设置于所述线槽的非受力侧壁上；

或者，所述传热管同时设置于所述线槽的底壁及非受力侧壁处。

5.如权利要求2所述的超导线圈组件，其特征在于，所述粘结层至少包覆所述传热管所在的壁面。

6.如权利要求2所述的超导线圈组件，其特征在于，所述粘结层与所述线圈保持架之间设置有绝缘层，所述绝缘层用于隔绝所述线圈与所述线圈保持架之间的电气传输。

7.如权利要求1所述的超导线圈组件，其特征在于，所述传热管为热管、翅片管或螺纹槽管中的一种，且所述传热管的横截面为圆形或矩形。

8.如权利要求1所述的超导线圈组件，其特征在于，所述粘结层由环氧树脂制成。

9.一种超导磁体系统，包括低温容器、设置在所述低温容器内部的线圈保持架和设置在所述线圈保持架上的超导磁体组件，其特征在于，所述超导线圈组件为权利要求1-8任意一项所述的超导线圈组件。

10.一种医疗设备，包括超导磁体系统，其特征在于，所述超导磁体系统为权利要求9所述的超导磁体系统。