CN220290561U - 一种超导磁体组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于磁共振设备的超导磁体技术领域，具体涉及一种超导磁体组件，包括：热缓冲器，以及制冷器和超导磁体；导热连接件，安装在超导磁体上，导热连接件与制冷器可热传递设置，且导热连接件上还设有接口，用于安装热缓冲器；其中，热缓冲器包括：蓄冷介质，采用在低温、常压下具有高热容且为固态的材料制成；热传导介质，由高导热材料制成，热传导介质与蓄冷介质形成热传导配合，且热传导介质具有至少一个能够与外部器件进行换热的换热部。本实用新型基于磁性蓄冷材料设计一种热缓冲器，避免了传统氦气罐压力容器所带来的安全隐患，并在制冷器失效时依然维持一定时间的超导性，适用于少液氦超导磁体和无液氦超导磁体，具有较高的可靠性。

Description

一种超导磁体组件

技术领域

本实用新型属于磁共振设备的超导磁体技术领域，具体涉及一种超导磁体组件。

背景技术

在磁共振(Magnetic Resonance Imaging，简称MRI)设备中，主磁体是一个非常重要的部件，它的作用是产生磁场。根据磁场产生的方式，主磁体可以分为永磁体和电磁体，电磁体又可以分为常导磁体和超导磁体。超导磁体是目前应用比较多的一种主磁体。

超导磁体是指低温下用具有高转变温度和临界磁场特别高的第二类超导体制成线圈的一种电磁体。它的主要特点是无导线电阻产生的电损耗，也没有因铁芯存在而产生的磁损耗，具有很强的实用价值。

由于超导磁体需要在低温下才能正常工作，传统超导磁体的制冷装置由低温冷却器和液氦(LHe)组成，以保持超导线圈处于低温。低温冷却器作为超导磁体的冷源，液氦作为超导磁体的热缓冲器。当低温冷却器损坏不能制冷时，超导磁体将被加热，并蒸发液氦，而液氦蒸发过程中吸收超导磁体的热量，以使其保持在低温状态。后续由工作人员关闭超导磁体，并对低温冷却器进行维修，从而避免超导磁体工作异常。

然而，对于少液氦超导磁体，高压氦气作为冷却回路中的冷却介质。少量液氦作为超导磁体冷却后的热缓冲器。冷却过程中，多余的高压氦气将被液化并保存在氦气罐中，氦气罐通常与超导磁体线圈热联，从而在低温冷却器失效时对超导磁体进行保护。

由于氦气罐的限制，超导磁体线圈在低温冷却器关闭后短时间内会失去超导性，同时压力容器的设置也造成了监管审批和安全管理上的问题。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种超导磁体组件，包含一种的新型的热缓冲器，能够延长超导磁体线圈超导的保持时间，具有更强的蓄冷能力，并适用于少液氦超导磁体和无液氦超导磁体。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种超导磁体组件，包括：热缓冲器，以及制冷器和超导磁体；导热连接件，安装在所述超导磁体上，所述导热连接件与所述制冷器可热传递设置，且所述导热连接件上还设有接口，用于安装所述热缓冲器；其中，所述热缓冲器包括：蓄冷介质，采用在低温、常压下具有高热容且为固态的材料制成；热传导介质，由高导热材料制成，所述热传导介质与所述蓄冷介质形成热传导配合，且所述热传导介质具有至少一个能够与外部器件进行换热的换热部。

根据本实用新型一具体实施例，所述蓄冷介质采用磁性蓄冷材料制成。

根据本实用新型一具体实施例，所述磁性蓄冷材料包括GdVO₄化合物，GdAlO₃化合物，Gd₂O₂S化合物，以及HoCu₂化合物。

根据本实用新型一具体实施例，所述热传导介质包括：导热板，一侧设有凹槽，并于所述凹槽内放置所述蓄冷介质；导热盖板，一侧与所述导热板设有凹槽的一侧贴合固定，以密闭设置所述蓄冷介质；其中，所述导热板的另一侧或所述导热盖板的另一侧形成为换热部。

根据本实用新型一具体实施例，所述热传导介质包括：多层所述导热板堆叠设置，且每层所述导热板的凹槽内均放置有所述蓄冷介质；其中，所述导热板设有凹槽的一侧与其相邻的所述导热板未设有凹槽的一侧贴合固定，所述导热盖板的一侧与顶层/底层的所述导热板设有凹槽的一侧贴合固定，以密闭设置每层的所述蓄冷介质。

根据本实用新型一具体实施例，所述导热板和所述导热盖板之间，以及所述导热板之间通过螺栓固定。

根据本实用新型一具体实施例，所述蓄冷介质与所述凹槽的内壁之间填充有导热硅脂。

根据本实用新型一具体实施例，所述导热板和所述导热盖板采用薄铜板。

根据本实用新型一具体实施例，相邻所述导热板之间，以及所述导热板和所述导热盖板之间均通过导热胶粘连固定；或者所述导热板和所述导热盖板上设有相对应的螺栓孔，并通过螺栓固定。

根据本实用新型一具体实施例，所述导热连接件包括：热熔体，连接在所述超导磁体上，且所述热熔体上设有所述接口，接入所述热缓冲器的换热部，形成导热配合；铜编织线，连接所述制冷器和所述热熔体。

本实用新型提供了一种超导磁体组件，并基于磁性蓄冷材料设计一种热缓冲器，由于磁性蓄冷材料的特性具有更强的蓄冷能力，并且通过多层薄片设置弥补了磁性蓄冷材料导热能力有限的不足，避免了传统氦气罐压力容器所带来的安全隐患，并在制冷器失效时依然维持一定时间的超导性。同时本实用新型中的热缓冲器适用于少液氦超导磁体以及无液氦超导磁体，占用体积小，蓄冷能力高，结构简易，便于生产，具有更高的可靠性、兼容性以及实用性。

附图说明

图1为本实用新型所提供的一种超导磁体组件一具体实施例的结构示意图；

图2为本实用新型所提供的超导磁体组件中热缓冲器一具体实施例的结构示意图；

图3为本实用新型所提供的超导磁体组件中热缓冲器另一具体实施例的结构示意图；

图4为本实用新型所提供的超导磁体组件中热缓冲器再一具体实施例的结构示意图；

图5为本实用新型所提供的磁性蓄冷材料的热容随温度变换的折线图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

首先需要说明的是，为了使本技术领域的人员能够更好地理解本申请方案，对本申请实施例中一些专业词汇进行相应的解释。

磁性材料最显著的特征就是可以被磁铁吸引，而它的磁性来自于它内部规则排列的微小磁矩。当周围环境达到某一温度时，这些磁矩就会变为混乱、无规则的排列，使磁性材料内部稳定的磁结构被破坏，材料就会失去磁性。然而，也正是在这个过程中，磁性材料会产生一个很大的吸热和放热的过程，它吸热和放热的能力在这时出现高峰。

利用了磁性材料这种特性，研制出了磁性蓄冷材料。其中，稀土类磁性材料在传统蓄冷材料已经不能工作的低温下却正好拥有极强的吸热、放热能力。

因此，本实施例基于磁性蓄冷材料设计了一种新型的热缓冲器，根据不同的需求选取对应热容峰值的磁性蓄冷材料，极大提高了蓄冷能力。

请参见图1-5所示，一种超导磁体组件，包括热缓冲器100，以及制冷器200、超导磁体300和导热连接件400。其中，所述导热连接件400安装在超导磁体300上，且所述导热连接件400与制冷器200可热传递设置。所述导热连接件400上还设有接口，用于安装所述热缓冲器100。

具体的，在应用中，制冷器200输出冷功率以维持超导磁体300的低温环境，且制冷器200输出的多余冷功率则被冷却回路路径上的热缓冲器100所存储，待制冷器200出现问题停止工作时，热缓冲器100通过导热连接件400与超导磁体300进行换热，吸收超导磁体300散发的热量，保护超导磁体300。

在一具体实施例中，所述导热连接件400包括：热熔体410，连接在所述超导磁体300上，且所述热熔体410上设有所述接口，并接入所述热缓冲器100的换热部，形成导热配合。铜编织线420，由于其柔韧性机械连接所述制冷器200和所述热熔体410。

在本实施例中，如图2、3、4所示，所述热缓冲器100包括：蓄冷介质110，采用在低温和常压下具有高热容且为固态的材料制成，即磁性蓄冷材料。由于磁性蓄冷材料的特性使其在低温下具有更高的热容峰值，即能储存更多的冷能。同时磁性蓄冷材料于常压下即可发挥其特性，较于传统热缓冲器需要压力容器将氦气转换为液态氦储存冷能，避免设置压力容器带来的相关安全问题，且结构更加简易，减小了超导磁体整体组件的体积。

具体的，在应用中，所述蓄冷介质110例如可以采用GdVO₄化合物，GdAlO₃化合物，Gd₂O₂S化合物，HoCu₂化合物中的一种或多种混合制成。如图2所示，Pb为传统的蓄冷材料，且热容随温度降低呈线性变化，而GdVO₄、GdAlO₃、Gd₂O₂S、HoCu₂均为磁性蓄冷材料，热容在某一温度达到峰值，且远高于传统蓄冷材料Pb。由此可见，采用磁性蓄冷材料作为蓄冷介质具有更强的蓄冷能力，以在制冷器失效时吸收超导磁体的热量。

进一步，磁性蓄冷材料的热容峰值所对应的温度各不相同，如图5所示，HoCu₂于-7.8K温度时达到热容峰值，Gd₂O₂S于-5.2K温度时达到热容峰值，GdAlO₃于-3.9K温度时达到热容峰值，GdVO₄于-2.3K温度时达到热容峰值。因此，在实际应用中，为使得磁性蓄冷材料发挥更好的蓄冷能力，根据超导磁体实际的工作温度选取所述蓄冷介质10制备的材料。

具体的，不同的超导磁体之间，工作时所处的低温环境相应有所差异，例如当超导磁体需要在-7.8K温度下作用时，则选取HoCu₂来作为蓄冷介质的制作材料；例如当超导磁体需要在-2.3K温度作用时，则选取GdVO₄来作为蓄冷介质的制作材料。

需要说明的是，上述所述的磁性蓄冷材料仅为本实施例所提供的优选实施例，而磁性蓄冷材料不限于本实施例中所提供的，具体根据超导磁体工作温度选择任意一种磁性蓄冷材料，或多种磁性材料混合制作蓄冷介质，以适应配合所述超导磁体。

此外，由于磁性蓄冷材料的导热性不如常见的导热材料。为加快超导磁体和蓄冷介质10之间的热传递，如图2所示，所述热缓冲器100还包括热传导介质120，采用高导热材料制成，并与蓄冷介质110形成热传导配合。进一步，所述热传导介质120具有至少一个能与外部器件进行换热的换热部，作为蓄冷介质110和超导磁体之间的桥梁。

在一具体实施例中，如图3所示，所述热传导介质120包括：导热板121，一侧设有凹槽，用来放置所述蓄冷介质110。其中，所述凹槽的大小和深度具体根据所述蓄冷介质110的大小确定，而蓄冷介质110的大小即决定其蓄冷能力，因此，于实际应用中，根据超导磁体的状态进行调节。导热盖板122，一侧与所述导热板未设有凹槽的一侧贴合固定，以使导热板121上的凹槽形成密闭空腔，封闭其中的蓄冷介质110。

在本实施例中，由于所述热传导介质120为板状结构，优选的，所述导热板121的另一侧或所述导热盖板122的另一侧形成为换热部，与外部器件相贴合，或其他的导热连接方式。需要说明的是，于本实施例中，为简化热缓冲器100的结构，减小占用空间，将所述热传导介质120设置为板状。具体可根据实际需求将所述热传导介质120设置为各种形状，作用在于能存储蓄冷介质110，并与外部器件导热配合即可。

进一步，由于磁性蓄冷材料导热能力有限，为增强磁性蓄冷材料与超导磁体之间的导热效果，快速吸收制冷器损坏下超导磁体散发的热量。在本实施例中，将所述蓄冷介质110设置为薄片结构，且多层设置，以增大所述磁性蓄冷材料与热传导介质120的接触面，增强磁性蓄冷材料的导热效果。

因此，如图4所示，所述热传导介质120包括多层所述导热板121堆叠设置，且每层导热板121的凹槽内均放置有薄片状的磁性蓄冷材料。其中，所述导热板设有凹槽的一侧与其相邻的导热板未设有凹槽的一侧贴合固定，以形成密闭空腔封闭设置所述磁性蓄冷材料。而堆叠的导热板121中，底层或顶层的设有凹槽的一侧未封闭设置，因此导热盖板122的一侧则与该侧贴合固定，从而封闭每层所设置的蓄冷介质110。体积更大的蓄冷介质110拥有更强的蓄冷能力，而多层薄片结构且相邻薄片之间设有导热介质，弥补了磁性蓄冷材料导热能力有限的不足，因此，本实施例所提供的热缓冲器100具有更高的可靠性。

优选的，在本实施例，所述导热板121采用薄铜板，导热性强，体积小，加快磁性蓄冷材料与超导磁体之间的换热效率，且减小热缓冲器100的占用空间。此外，为进一步加强磁性蓄冷材料的导热效果，所述蓄冷介质110与其封闭的腔体之间填充有导热硅脂130，使蓄冷介质110与导热板121之间充分贴合。

在一具体实施例中，所述导热板与相邻导热板，以及导热板与导热盖板之间可以通过导热胶粘连固定。或者，所述导热板以及导热盖板上设有相对应的螺栓孔，并通过螺栓140固定连接。对此，不作过多限定，以使导热板之间，及导热盖板之间固定即可。

综上所述，本实用新型提供了一种超导磁体组件，并基于磁性蓄冷材料设计一种热缓冲器，由于磁性蓄冷材料的特性具有更强的蓄冷能力，并且通过多层薄片设置弥补了磁性蓄冷材料导热能力有限的不足，避免了传统氦气罐压力容器所带来的安全隐患，并在制冷器失效时依然维持一定时间的超导性。同时本实用新型中的热缓冲器适用于少液氦超导磁体以及无液氦超导磁体，占用体积小，蓄冷能力高，结构简易，便于生产，具有更高的可靠性、兼容性以及实用性。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

在本文的描述中，提供了许多特定细节，诸如部件和/或方法的实例，以提供对本实用新型实施例的完全理解。然而，本领域技术人员将认识到可以在没有一项或多项具体细节的情况下或通过其他设备、系统、组件、方法、部件、材料、零件等等来实践本实用新型的实施例。在其他情况下，未具体示出或详细描述公知的结构、材料或操作，以避免使本实用新型实施例的方面变模糊。

在整篇说明书中提到“一个实施例”、“实施例”或“具体实施例”意指与结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本实用新型的至少一个实施例中，并且不一定在所有实施例中。因而，在整篇说明书中不同地方的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”或“在具体实施例中”的各个表象不一定是指相同的实施例。此外，本实用新型的任何具体实施例的特定特征、结构或特性可以按任何合适的方式与一个或多个其他实施例结合。应当理解本文所述和所示的实用新型实施例的其他变型和修改可能是根据本文教导的，并将被视作本实用新型精神和范围的一部分。

还应当理解还可以以更分离或更整合的方式实施附图所示元件中的一个或多个，或者甚至因为在某些情况下不能操作而被移除或因为可以根据特定应用是有用的而被提供。

另外，除非另外明确指明，附图中的任何标志箭头应当仅被视为示例性的，而并非限制。此外，除非另外指明，本文所用的术语“或”一般意在表示“和/或”。在术语因提供分离或组合能力是不清楚的而被预见的情况下，部件或步骤的组合也将视为已被指明。

如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“一个”、和“该”包括复数参考物。同样，如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“在…中”的意思包括“在…中”和“在…上”。

本实用新型所示实施例的上述描述(包括在说明书摘要中所述的内容)并非意在详尽列举或将本实用新型限制到本文所公开的精确形式。尽管在本文仅为说明的目的而描述了本实用新型的具体实施例和本实用新型的实例，但是正如本领域技术人员将认识和理解的，各种等效修改是可以在本实用新型的精神和范围内的。如所指出的，可以按照本实用新型所述实施例的上述描述来对本实用新型进行这些修改，并且这些修改将在本实用新型的精神和范围内。

本文已经在总体上将系统和方法描述为有助于理解本实用新型的细节。此外，已经给出了各种具体细节以提供本实用新型实施例的总体理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到，本实用新型的实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下进行实践，或者利用其它装置、系统、配件、方法、组件、材料、部分等进行实践。在其它情况下，并未特别示出或详细描述公知结构、材料和/或操作以避免对本实用新型实施例的各方面造成混淆。

因而，尽管本实用新型在本文已参照其具体实施例进行描述，但是修改自由、各种改变和替换亦在上述公开内，并且应当理解，在某些情况下，在未背离所提出实用新型的范围和精神的前提下，在没有对应使用其他特征的情况下将采用本实用新型的一些特征。因此，可以进行许多修改，以使特定环境或材料适应本实用新型的实质范围和精神。本实用新型并非意在限制到在下面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本实用新型的最佳方式公开的具体实施例，但是本实用新型将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。因而，本实用新型的范围将只由所附的权利要求书进行确定。

Claims (10)

1.一种超导磁体组件，其特征在于，包括：热缓冲器，以及制冷器和超导磁体；

导热连接件，安装在所述超导磁体上，所述导热连接件与所述制冷器可热传递设置，且所述导热连接件上还设有接口，用于安装所述热缓冲器；

其中，所述热缓冲器包括：

蓄冷介质，采用在低温、常压下具有高热容且为固态的材料制成；

热传导介质，由高导热材料制成，所述热传导介质与所述蓄冷介质形成热传导配合，且所述热传导介质具有至少一个能够与外部器件进行换热的换热部。

2.根据权利要求1所述的超导磁体组件，其特征在于，所述蓄冷介质采用磁性蓄冷材料制成。

3.根据权利要求2所述的超导磁体组件，其特征在于，所述磁性蓄冷材料包括GdVO4化合物，GdAlO3化合物，Gd2O2S化合物，以及HoCu2化合物。

4.根据权利要求1所述的超导磁体组件，其特征在于，所述热传导介质包括：

导热板，一侧设有凹槽，并于所述凹槽内放置所述蓄冷介质；

导热盖板，一侧与所述导热板设有凹槽的一侧贴合固定，以密闭设置所述蓄冷介质；

其中，所述导热板的另一侧或所述导热盖板的另一侧形成为换热部。

5.根据权利要求4所述的超导磁体组件，其特征在于，所述热传导介质包括：

多层所述导热板堆叠设置，且每层所述导热板的凹槽内均放置有所述蓄冷介质；

其中，所述导热板设有凹槽的一侧与其相邻的所述导热板未设有凹槽的一侧贴合固定，所述导热盖板的一侧与顶层/底层的所述导热板设有凹槽的一侧贴合固定，以密闭设置每层的所述蓄冷介质。

6.根据权利要求5所述的超导磁体组件，其特征在于，所述导热板和所述导热盖板之间，以及所述导热板之间通过螺栓固定。

7.根据权利要求5所述的超导磁体组件，其特征在于，所述蓄冷介质与所述凹槽的内壁之间填充有导热硅脂。

8.根据权利要求5所述的超导磁体组件，其特征在于，所述导热板和所述导热盖板采用薄铜板。

9.根据权利要求5所述的超导磁体组件，其特征在于，所述蓄冷介质设置为薄片结构。

10.根据权利要求1所述的超导磁体组件，其特征在于，所述导热连接件包括：

热熔体，连接在所述超导磁体上，且所述热熔体上设有所述接口，接入所述热缓冲器的换热部，形成导热配合；

铜编织线，连接所述制冷器和所述热熔体。