CN209169193U - 超导开关结构及超导开关组合 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超导开关结构及超导开关组合，所述超导开关结构包括：具有容纳腔的骨架，绕设于所述骨架外部的开关线圈，以及用于对所述开关线圈加热的加热器；所述骨架上还设有与所述容纳腔连通的入口部和出口部。本实用新型在超导开关的内部设置容纳腔，可达到液氦浸泡的效果，不仅满足超导开关的降温速度要求，同时可防止特殊情况下超导开关温度过高而损坏。

Description

超导开关结构及超导开关组合

技术领域

本实用新型涉及超导技术领域，特别是涉及超导开关结构及超导开关组合。

背景技术

超导磁体是现代超导技术应用的重要方向，而高场的超导磁体是高场磁共振成像系统(Magnetic Resonance Imaging，MRI)的重要组成部分，主要作用是为MRI的工作提供高强度、高稳定性的背景磁场，便于实现快速、高对比度和高清晰度的成像。超导开关是超导磁体的核心部件，其工作的稳定性和可靠性直接影响着超导磁体线圈回路能否顺利开环和闭环，直接决定着超导磁体的质量。为了保证在关闭超导开关加热器后超导开关能够迅速闭合，需要足够的液氦在超导开关周围，通常超导开关是浸泡在液氦里，以达到超导开关迅速冷却到超导温度闭合开关的目的。传统的超导开关对外部液氦环境依赖性强，且无液氦超导磁体中常采用制冷机直接制冷方式，通过热传导将开关冷却到超导温度，通常这种方式需要更长的时间闭合超导开关，效率低下。

实用新型内容

基于此，有必要针对传统的超导开关对外部液氦环境的依赖及无液氦超导磁体中超导开关闭合时间长的问题，提供一种超导开关结构及超导开关组合。

一种超导开关结构，包括：具有容纳腔的骨架，绕设于所述骨架外部的开关线圈，以及用于对所述开关线圈加热的加热器；所述骨架上还设有与所述容纳腔连通的入口部和出口部。

本技术方案在超导开关的内部设置冷却腔，可达到液氦浸泡的效果，不仅满足超导开关的降温速度要求，同时可防止特殊情况下超导开关因温度过高而损坏。具体地，本技术方案中用于固定开关线圈的骨架具有用于存储冷却剂即液氦的容纳腔，从而当加热器关闭后，容纳腔内的液氦可对绕设于骨架上的开关线圈进行快速冷却，实现开关线圈闭环。同时，传统的超导开关在使用过程中加热会引起液氦挥发至磁体外，形成损失，本技术方案所述骨架上还设有与所述容纳腔连通的入口部和出口部，所述入口部与所述出口部均用于与冷凝组件连接，保证被开关线圈加热后的氦气具有挥发路径和液氦回流路径，达到冷却剂循环使用的效果。本技术方案具有独立封闭的容纳腔以及循环回路，开关线圈温度变化仅引起所述容纳腔中液氦和氦气相互转化，但不会有氦分子逸出，节约成本。

另外，如果超导磁体线圈在某一过程中失超，将会产生大量的热，进而将液氦加热变成氦气，在此过程中，如果容纳腔内液氦没有被完全挥发，则一直有液氦挥发为开关线圈降温，不会出现开关线圈温度过高的情况，保护了超导开关。即使容纳腔中的液氦在失超过程中全部挥发，也最大限度地延长了液氦冷却开关线圈的时间，保证开关线圈不会出现温度过高等极端情况，保护了超导开关，同时也减少了开关线圈的恢复时间。

本技术方案特别适用于少液氦超导磁体，也可运用于常规的超导磁体中。本技术方案内冷却的方式冷却开关线圈，摆脱了超导开关对外部液氦环境的依赖，同时具有内部容纳腔，可达到与外部液氦浸泡方式相同的超导开关闭合时间。

进一步地，所述加热器设于所述开关线圈的表层。

进一步地，所述骨架为导热耐低温骨架。

进一步地，所述入口部为与所述容纳腔连通的入口管；所述出口部为与所述容纳腔连通的出口管。

本技术方案还提供一种超导开关组合，所述超导开关组合包括如上述任一项所述的超导开关结构，以及与所述超导开关结构连接的冷凝组件。本技术方案在超导开关的内部设置冷却腔，可达到液氦浸泡的效果，不仅满足超导开关的降温速度要求，同时可防止特殊情况下超导开关温度过高而损坏。本技术方案具有独立封闭的容纳腔以及循环回路，开关线圈温度变化仅引起所述容纳腔中液氦和氦气相互转化，但不会有氦分子逸出，节约成本。

进一步地，所述冷凝组件与所述入口部、出口部分别连接。

进一步地，所述冷凝组件包括冷凝腔以及用于对所述冷凝腔内部进行冷凝的冷凝器；所述冷凝腔与所述入口部、出口部分别连接。

进一步地，所述入口部与所述冷凝腔的底部连接，所述出口部与所述冷凝腔的上部或顶部连接。

进一步地，所述冷凝组件与所述入口部、出口部分别通过连接管连接。

进一步地，所述连接管为耐低温管。

附图说明

图1为本实用新型的实施方式所述的超导开关结构的结构示意图；

图2为本实用新型的实施方式所述的超导开关组合的结构示意图。

10、骨架；11、容纳腔；12、入口部；13、出口部；20、开关线圈；30、加热器；40、冷凝组件；41、冷凝腔；42、冷凝器；50、连接管；60、二级冷头。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型的保护范围。

如图1所示一种超导开关结构，包括：具有容纳腔11的骨架10，绕设于所述骨架10外部的开关线圈20，以及用于对所述开关线圈20加热的加热器30；所述骨架10上还设有与所述容纳腔11连通的入口部12和出口部13。

本实施方式在超导开关的内部设置冷却腔，可达到液氦浸泡的效果，不仅满足超导开关的降温速度要求，同时可防止特殊情况下超导开关因温度过高而损坏。具体地，本实施方式中用于固定开关线圈20的骨架10具有用于存储冷却剂即液氦的容纳腔11，从而当加热器30关闭后，容纳腔11内的液氦可对绕设于骨架10上的开关线圈20进行快速冷却，实现开关线圈20闭环。同时，传统的超导开关在使用过程中加热会引起液氦挥发至磁体外，形成损失，本实施方式所述骨架10上还设有与所述容纳腔11连通的入口部12和出口部13，所述入口部12与所述出口部13均用于与冷凝组件连接，保证被开关线圈20加热后的氦气具有挥发路径和液氦回流路径，达到冷却剂循环使用的效果。即容纳腔11内的液氦受热挥发后，在热循环的作用下，通过出口部13进入冷凝组件，经冷凝组件冷凝为液氦后，由入口部12将液氦回流至容纳腔11内。本实施方式具有独立封闭的容纳腔11以及循环回路，开关线圈20温度变化仅引起所述容纳腔11中液氦和氦气相互转化，但不会有氦分子逸出，节约成本。另外，如果超导磁体线圈(图中未示出)在某一过程中失超，将会产生大量的热，进而将液氦加热变成氦气，在此过程中，如果容纳腔11内液氦没有被完全挥发，则一直有液氦挥发为开关线圈20降温，不会出现开关线圈20温度过高的情况，保护了超导开关。即使容纳腔11中的液氦在失超过程中全部挥发，也最大限度地延长了液氦冷却开关线圈20的时间，保证开关线圈20不会出现温度过高等极端情况，保护了超导开关，同时也减少了开关线圈20的恢复时间。本实施方式中，使用前在所述容纳腔11内通入足够多的液氦，保证整个励磁过程中，液氦不会完全挥发，从而保证励磁完成时，超导开关可以快速恢复超导态，顺利完成超导磁体线圈的闭环；即使在发生失超的情况下，开关线圈20也不会因温度过高等原因而损坏。

本实施方式特别适用于少液氦超导磁体，也可运用于常规的超导磁体中。本技术方案内冷却的方式冷却开关线圈20，摆脱了超导开关对外部液氦环境的依赖，同时具有内部容纳腔11，可达到与外部液氦浸泡方式相同的超导开关闭合时间。

所述加热器30设于所述开关线圈20的表层，既可对开关线圈20进行加热，且方便加热器30的安装。

为了保证容纳腔11内的液氦对开关线圈20的冷却效果，所述骨架10为导热耐低温骨架10，满足超导开关结构在温度4.2K下应用。

由于所述入口部12与所述出口部13需与冷凝组件对接，为了提高连接的稳定性、密封性和便利性，所述入口部12为与所述容纳腔11连通的入口管；所述出口部13为与所述容纳腔11连通的出口管。

如图2所示，本实施方式还提供一种超导开关组合，所述超导开关组合包括如上述任一项所述的超导开关结构，以及与所述超导开关结构连接的冷凝组件40。具体地，所述冷凝组件与所述入口部12、出口部13分别连接，从而实现液氦的循环回流。

所述冷凝组件40包括冷凝腔41以及用于对所述冷凝腔41内部进行冷凝的冷凝器42；所述冷凝腔41与所述入口部12、出口部13分别连接。

具体地，所述入口部12与所述冷凝腔41的底部连接，所述出口部13与所述冷凝腔41的上部或顶部连接，保证冷凝腔41内一旦产生液氦，会快速流出至入口部12回流至容纳腔11，保证超导开关可靠工作。且本实施方式中所述冷凝组件40与所述入口部12、出口部13分别通过连接管50连接，考虑到本实施方式的工作环境为低温、高压、真空等较为严苛的环境，故本实施方式采用焊接连接的方式更为可靠。且所述连接管50为耐低温管，满足超导开关组合在温度4.2K下应用

在超导磁体预冷过程中，氦气在冷凝腔41中被冷凝器42冷凝，产生的液氦在容纳腔11中聚集，冷却开关线圈20使其处于超导状态。

在进行励磁操作时，给加热器30加电流，开关线圈20被加热，由超导进入常导态，超导开关打开，可以给超导磁体线圈励磁。在励磁过程中，超导开关保持打开状态，容纳腔11内有一部分液氦受热挥发为氦气，经过出口部12进入冷凝腔41，氦气经过冷凝后又变为液氦，通过入口部12回流至容纳腔11内，保持容纳腔11中存在液氦，直到励磁完成。此时关闭加热器30，开关线圈20被容纳腔11内的液氦快速冷却到超导状态，连通超导磁体线圈，实现闭环。

当进行降场操作时，给加热器30加电流，开关线圈20被加热，由超导态进入常导态，超导开关打开，通过外部的泄能模块(图中未示出)消耗掉超导此题线圈中的储能，实现超导磁体安全降场。

如果超导磁体线圈在某一过程中失超，将会产生大量的热，进而将液氦加热变成氦气，在此过程中，如果容纳腔11内的液氦没有被完全挥发，则一直有液氦挥发为开关线圈20降温，不会出现开关线圈20温度过高的情况，保护了超导开关。即使容纳腔11中的液氦在失超过程中全部挥发，容纳腔11内的液氦也是最后挥发的那部分，这种设计最大限度地延长了液氦冷却超导开关的时间，保证超导开关不会出现温度过高等极端情况，保护了超导开关，同时也减少了开关线圈20的恢复时间。

可见，在超导磁体的所有工作过程中，本实施方式的超导开关结构及超导开关组合具有更大的灵活性和安全性，满足各种情况下使用并具有更强的防止开关线圈20过热的能力。

本实施方式所述冷凝器42与制冷机的的二级冷头60连接，所述二级冷头60经过一次过冷后，制冷效率高，提高冷凝器42的冷凝效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种超导开关结构，其特征在于，包括：具有容纳腔的骨架，绕设于所述骨架外部的开关线圈，以及用于对所述开关线圈加热的加热器；所述骨架上还设有与所述容纳腔连通的入口部和出口部。

2.根据权利要求1所述的超导开关结构，其特征在于，所述加热器设于所述开关线圈的表层。

3.根据权利要求1所述的超导开关结构，其特征在于，所述骨架为导热耐低温骨架。

4.根据权利要求1-3任一项所述的超导开关结构，其特征在于，所述入口部为与所述容纳腔连通的入口管；所述出口部为与所述容纳腔连通的出口管。

5.一种超导开关组合，其特征在于，所述超导开关组合包括如权利要求1-4任一项所述的超导开关结构，以及与所述超导开关结构连接的冷凝组件。

6.根据权利要求5所述的超导开关组合，其特征在于，所述冷凝组件与所述入口部、出口部分别连接。

7.根据权利要求6所述的超导开关组合，其特征在于，所述冷凝组件包括冷凝腔以及用于对所述冷凝腔内部进行冷凝的冷凝器；所述冷凝腔与所述入口部、出口部分别连接。

8.根据权利要求7所述的超导开关组合，其特征在于，所述入口部与所述冷凝腔的底部连接，所述出口部与所述冷凝腔的上部或顶部连接。

9.根据权利要求5-8任一项所述的超导开关组合，其特征在于，所述冷凝组件与所述入口部、出口部分别通过连接管连接。

10.根据权利要求9所述的超导开关组合，其特征在于，所述连接管为耐低温管。