專利名稱：超導(dǎo)磁體及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)磁體及其制造方法。
背景技術(shù)：
在合適的低溫下，將超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)線圈與一電源設(shè)備連接，使其作為導(dǎo)體傳輸 電流，其上的電阻為零。在與電源設(shè)備的電連接斷開后，電流仍然能持續(xù)不斷地通過超導(dǎo)線 圈，從而維持一個穩(wěn)定的磁場。超導(dǎo)磁體的這種特性被用于諸如核磁共振成像(MRI)系統(tǒng)， 用于醫(yī)療檢測。超導(dǎo)磁體通常包括若干繞在筒管上的超導(dǎo)線圈、以及將超導(dǎo)線圈保持在超導(dǎo)溫度 的冷卻系統(tǒng)。當(dāng)向超導(dǎo)線圈通電時，超導(dǎo)線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場，并產(chǎn)生作用于超導(dǎo)線圈的磁力， 超導(dǎo)線圈在該磁力的作用可能發(fā)生位移和變形；當(dāng)停止向超導(dǎo)線圈通電，力的作用逐漸減 小，超導(dǎo)線圈回復(fù)到初始位置。超導(dǎo)線圈間較小的相對位移，可能對超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場的 質(zhì)量產(chǎn)生重大的影響。另外，作用于超導(dǎo)線圈的磁力過大，還可能導(dǎo)致超導(dǎo)線圈斷裂或者因 超導(dǎo)線圈之間的相對摩擦，使超導(dǎo)線圈的溫度上升，超過其超導(dǎo)溫度，從而無法保持一個穩(wěn) 定的磁性。因此，需要提供將超導(dǎo)線圈保持在適當(dāng)?shù)奈恢貌⒊惺芩龃帕Φ闹谓Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的支撐方法包括數(shù)個以使相應(yīng)的超導(dǎo)線圈位于筒管上的支撐構(gòu)件，但該支撐 構(gòu)件使得超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面在于提供一種超導(dǎo)磁體，該超導(dǎo)磁體包括一筒管、以及纏繞在 筒管外表面的超導(dǎo)線圈組。該超導(dǎo)線圈組包括纏繞在筒管之上的多個超導(dǎo)線圈層；若干個 支撐構(gòu)件層，每一支撐構(gòu)件層位于相應(yīng)的兩個相鄰超導(dǎo)線圈層之間；以及位于兩個超導(dǎo)線 圈層或者一超導(dǎo)線圈層和一相鄰支撐構(gòu)件層之間的導(dǎo)熱構(gòu)件。本發(fā)明的另一個方面在于提供一種超導(dǎo)磁體的制造方法，該制造方法包括在一筒 管上設(shè)置若干個超導(dǎo)線圈層；在兩相鄰超導(dǎo)線圈層之間設(shè)置一支撐構(gòu)件層；以及在兩相鄰 超導(dǎo)線圈層之間或一超導(dǎo)線圈層與一支撐構(gòu)件層之間設(shè)置一導(dǎo)熱構(gòu)件。


通過結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖 中圖1所示為本發(fā)明超導(dǎo)磁體一個實(shí)施方式的立體圖。圖2所示為沿圖1中2-2線的剖面圖的上半部，下半部因與該上半部對稱而在視 圖中省略。圖3所示為是根據(jù)一種實(shí)施方式所提供的圖二中超導(dǎo)磁體的導(dǎo)熱構(gòu)件的透視圖。圖4至圖8所示為根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方式制造超導(dǎo)磁體的步驟。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的若干個實(shí)施方式有關(guān)一種超導(dǎo)磁體，該超導(dǎo)磁體包括若干個超導(dǎo)線圈 層、若干個位于相應(yīng)的兩個相鄰超導(dǎo)線圈層之間的支撐構(gòu)件層、以及在兩個相鄰的超導(dǎo)線 圈層或者一個超導(dǎo)線圈層與其相鄰的支撐構(gòu)件層之間至少一個導(dǎo)熱構(gòu)件。本發(fā)明的實(shí)施方 式還涉及制造該超導(dǎo)磁體的方法。除非另作定義，此處使用的技術(shù)術(shù)語為本發(fā)明所屬領(lǐng)域內(nèi)具有一般技能的人士所 理解的通常意義。本發(fā)明專利申請說明書中使用的“首先” “第二”以及類似的詞語并不表 示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分。同樣，“一個”也不表示數(shù) 量限制，而是表示存在至少一個。除非另行指出，“前部” “后部” “下部”和/或“上部”只 是為了便于說明，而并非限于一個位置或者一種空間定向。如圖1所示，本發(fā)明一個實(shí)施方式的超導(dǎo)磁體10呈圓柱形，其包括一個貫穿其前、 后表面11、13的通孔12。通孔12有一個沿前、后方向(“縱向”)的軸線14。圖2所示為沿圖1中2-2線的超導(dǎo)磁體10上半部分的剖視圖。超導(dǎo)磁體10的下 半部分與上半部分相對于軸線14對稱，為了簡化視圖，在圖2中省略了下半部分視圖。在 圖2所示的實(shí)施方式中，超導(dǎo)磁體10包括一個圓筒形的筒管16、以及纏繞在筒管16上的超 導(dǎo)線圈組17，該筒管16內(nèi)設(shè)有所述的通孔12。在某些實(shí)施方式中，筒管16由電絕緣材料 制成，例如塑料、陶瓷等等。在另一些實(shí)施方式中，在超導(dǎo)線圈組17經(jīng)纏繞定型以后，筒管 16將從超導(dǎo)磁體10中去除。在所述的實(shí)施方式中，超導(dǎo)磁體10還包括圍繞在超導(dǎo)線圈組 17外層的保護(hù)層19，用來保護(hù)超導(dǎo)線圈組17。在一個實(shí)施方式中，保護(hù)層19由玻璃纖維、 不銹鋼、鋁、銅或其合金制成。在圖2所示的實(shí)施方式中，超導(dǎo)線圈組17包括多個層疊纏繞在筒管16外表面的 超導(dǎo)線圈層18、在兩個相鄰的超導(dǎo)線圈層18之間的至少一個支撐構(gòu)件層20、以及至少一個 導(dǎo)熱構(gòu)件22。在所示的實(shí)施方式中，導(dǎo)熱構(gòu)件22位于兩個相鄰的超導(dǎo)線圈層18之間。在 另一可選的實(shí)施方式中，導(dǎo)熱構(gòu)件22位于一超導(dǎo)線圈層18和一支撐構(gòu)件層20之間。在圖2所示的實(shí)施方式中，超導(dǎo)磁體10還進(jìn)一步包括與導(dǎo)熱構(gòu)件22熱耦合連接 的冷卻元件23。冷卻元件23經(jīng)由導(dǎo)熱構(gòu)件22與超導(dǎo)線圈層18熱耦合，進(jìn)而吸收超導(dǎo)線圈 層18的熱，而將超導(dǎo)線線圈層18保持在其超導(dǎo)溫度。在所示的實(shí)施方式中，冷卻元件23 包括傳導(dǎo)液態(tài)冷卻劑(例如液態(tài)氦)的冷卻管。在所示實(shí)施方式中，冷卻元件23設(shè)于超導(dǎo) 磁體10的前表面11。在一個實(shí)施方式中，導(dǎo)熱構(gòu)件22包括一個從所述前表面11延伸出 來與冷卻元件23熱耦合的連結(jié)部分24(參見圖1所示)。在一個實(shí)施方式中，連結(jié)部分M 彎曲成半環(huán)形，其環(huán)形的內(nèi)表面與冷卻構(gòu)件23的外表面大致貼合，從而在導(dǎo)熱構(gòu)件22和冷 卻元件23之間形成較大的熱接觸面積。在另一個實(shí)施方式中，冷卻元件23可能是一端與 導(dǎo)熱構(gòu)件22熱耦合，另一端與一制冷機(jī)熱耦合的熱傳導(dǎo)構(gòu)件。在一個實(shí)施方式中，每個超導(dǎo)線圈層18包括至少一個超導(dǎo)線，該超導(dǎo)線以螺旋纏 繞的方式在筒管16上形成若干個沿筒管16周向的線圈。該超導(dǎo)線圈層18可以進(jìn)一步包 括將所述若干線圈粘合在一起的粘合劑，如環(huán)氧樹脂等。在某些實(shí)施方式中，超導(dǎo)線包括鈮 鈦(NbTi)、釩三錫(Nb3Sn)或者二硼化鎂(MgB2)、或者鉍系或釔鋇銅氧等高溫超導(dǎo)材料。向超導(dǎo)線圈層18中的超導(dǎo)線通電時，在超導(dǎo)線圈層18內(nèi)產(chǎn)生電磁場，從而產(chǎn)生施 加在超導(dǎo)線上的電磁壓力。在一種實(shí)施方式中，支撐構(gòu)件層20含有剛度較高的材料，可以用來增強(qiáng)超導(dǎo)磁體10的剛度，并且承受施加在超導(dǎo)線圈17的壓力。在一種實(shí)施方式中，支 撐構(gòu)件層20含有玻璃纖維材料。因此，通過在超導(dǎo)線圈組17之間設(shè)置足夠的支撐構(gòu)件層 20，可以使超導(dǎo)線上因電磁力產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變限制在允許的范圍內(nèi)。
在一個實(shí)施方式中，超導(dǎo)線所受的沿超導(dǎo)磁體環(huán)向的應(yīng)力(S)和應(yīng)變(e)可通過 以下公式獲得 e = PXR/(EwXAw+EsXAs)，s = PXR/(Aw+AsXEs/Ew)，其中，“P”是作用于超導(dǎo)線的壓力；“R”是超導(dǎo)線的線圈的半徑；EW和艮分別是超 導(dǎo)線和支撐構(gòu)件層20的彈性模量，“Aw”and “As”分別是超導(dǎo)線和支撐構(gòu)件層20的截面積。 作用在超導(dǎo)線上的電磁力的方向指向支撐構(gòu)件層20，從而使得超導(dǎo)線圈層18與支撐構(gòu)件 層20結(jié)合成一個整體。因此，對于確定的超導(dǎo)線材料和線圈截面積，通過選擇適當(dāng)尺寸的 支撐構(gòu)件層20，可以使超導(dǎo)線圈組17的應(yīng)力和變形限制允許的范圍。在圖2所示的實(shí)施方式中，超導(dǎo)線圈組17 —個將超導(dǎo)線圈17沿徑向分成兩部分 的周向中心層沈，所述兩部分為與筒管16相鄰的內(nèi)部觀和距離筒管16較遠(yuǎn)的外部30，在 圖示的實(shí)施方式中，所述內(nèi)部觀和外部30沿超導(dǎo)磁體10徑向的尺寸大致相同。當(dāng)不同超 導(dǎo)線圈層18中的超導(dǎo)線傳輸相同的電流時，超導(dǎo)線圈組17在內(nèi)部觀與筒管16相鄰的超 導(dǎo)線圈層18里磁場強(qiáng)度最大。因?yàn)槌瑢?dǎo)線所承載電流的能力隨所處磁場強(qiáng)度的增加而減 小，因此相較于超導(dǎo)線圈組17的其他部分，鄰近筒管16的超導(dǎo)線圈層內(nèi)超導(dǎo)線的電流承載 能力最弱，從而影響整個超導(dǎo)線圈組17的電流承載能力。在所示的實(shí)施方式中，內(nèi)部觀中 支撐構(gòu)件20沿超導(dǎo)磁體10徑向的厚度大于外部30中支撐構(gòu)件20的厚度，從而減小內(nèi)部 28中的電流密度。因此，內(nèi)部觀中的磁場強(qiáng)度減小，而超導(dǎo)磁體10中超導(dǎo)線圈組17的整 體電流承載能力得到提高。在圖示的實(shí)施方式中，超導(dǎo)磁體10包括若干個支撐構(gòu)件層20，每個支撐構(gòu)件層 20沿超導(dǎo)磁體10徑向的厚度相同。超導(dǎo)線圈組17內(nèi)部觀比外部30含有更多的支撐構(gòu) 件層20。在所示的實(shí)施方式中，超導(dǎo)線圈組17包括離筒管16最近的第一和第二超導(dǎo)線 圈層40 (18)、41 (18)，并且在第一和第二超導(dǎo)線圈層40、41之間包括至少兩個支撐構(gòu)件層 42(20) ,44(20)。在另一未圖示的實(shí)施方式中，支撐構(gòu)件層20的厚度不一，內(nèi)部觀中的支 撐構(gòu)件層厚度之和大于外部30中的支撐構(gòu)件層20的厚度之和。在某些實(shí)施方式中，導(dǎo)熱構(gòu)件22由導(dǎo)熱性好的材料制成，例如銅或者鋁。在一個 實(shí)施方式中，導(dǎo)熱構(gòu)件22大體上與所述超導(dǎo)線圈組17的周向中心層大致重合，此時導(dǎo)熱構(gòu) 件22與超導(dǎo)線圈層18的熱傳導(dǎo)距離最短。圖3所示為一個示意性的還未組裝入超導(dǎo)磁體10的導(dǎo)熱構(gòu)件22。圖示實(shí)施方式 中導(dǎo)熱構(gòu)件22包括一導(dǎo)熱片，例如銅片，其在超導(dǎo)磁體10的圓周方向(圖1)具延展性。在 所示的實(shí)施方式中，導(dǎo)熱構(gòu)件22包括若干沿超導(dǎo)磁體10縱向延伸的導(dǎo)熱條32、以及位于相 鄰導(dǎo)熱條32之間的縫隙34，該縫隙34保證導(dǎo)熱條32在沿超導(dǎo)磁體10的圓周方向擴(kuò)張時 不致斷裂或受損。在另一實(shí)施方式中，導(dǎo)熱構(gòu)件22包括將所述若干導(dǎo)熱條32的端部連接 起來的連結(jié)部(未圖示)。在又一實(shí)施方式中，導(dǎo)熱構(gòu)件22包括一個超導(dǎo)磁體10圓周方向 延伸的蛇形的長條。在其他的實(shí)施方式中，導(dǎo)熱構(gòu)件22還可以包括若干沿超導(dǎo)磁體10縱 向延伸的銅或鋁的線纜，以及將該線纜與相鄰的超導(dǎo)線圈層18或者相鄰的支撐構(gòu)件層20粘結(jié)的環(huán)氧樹脂。在超導(dǎo)磁體10的使用過程中，超導(dǎo)線圈層18產(chǎn)生的熱量快速的傳遞至 導(dǎo)熱構(gòu)件22。導(dǎo)熱構(gòu)件22因在圓周方向具有延展性，因此，當(dāng)超導(dǎo)線圈層18中超導(dǎo)線圈在 電磁壓力作用下擴(kuò)張時，導(dǎo)熱構(gòu)件22會產(chǎn)生非常小的切應(yīng)力，不致發(fā)生導(dǎo)熱構(gòu)件22斷裂或 者產(chǎn)生熱干擾的情況。圖4到圖7所示為依據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方式制造超導(dǎo)磁體10的方法。參照圖4 所示，筒管16的前后兩端被固定在第一、第二法蘭36、38上。一超導(dǎo)線39螺旋形纏繞在筒 管16的外周上形成若干個線圈。用粘結(jié)劑將該若干線圈粘合在一起，以形成所述第一超導(dǎo) 線圈層40(18)。參照圖5所示，若干超導(dǎo)線圈層18和支撐構(gòu)件層20進(jìn)一步一層一層地纏繞在該 第一超導(dǎo)線圈層40之上。為了簡化視圖，在圖5至圖9中只顯示了制造過程中未完成超導(dǎo) 磁體的上部，其下部與所述上部相對于軸線14對稱，因此被省略。圖示并非按照實(shí)物的真 實(shí)比例繪制，僅為方便描述和說明。在圖5所示的實(shí)施方式中，第一支撐構(gòu)件層42緊鄰第一超導(dǎo)線圈層40，并纏繞在 該第一超導(dǎo)線圈層40上。作為一個實(shí)施方式，第一支撐構(gòu)件層42是一玻璃纖維層。在所 示的實(shí)施方式中，第二支撐構(gòu)件層44纏繞在第一支撐構(gòu)件層上方以加強(qiáng)超導(dǎo)組件10的強(qiáng) 度并降低第一超導(dǎo)線圈層40中的電流密度。在一個可選的實(shí)施方式中，第一超導(dǎo)線圈層40 設(shè)有兩個以上的支撐構(gòu)件層，以更進(jìn)一步的降低第一超導(dǎo)線圈層40中的電流密度。在所示 的實(shí)施方式中，更多的超導(dǎo)線圈層18和支撐構(gòu)件層20相互交替層疊纏繞。參照圖6所示，在一個實(shí)施方式中，如圖3所示導(dǎo)熱構(gòu)件22覆蓋在一超導(dǎo)線圈層 18上，導(dǎo)熱構(gòu)件22大體上超位于導(dǎo)線圈組17的周向中心層26。在所示的實(shí)施方式中，導(dǎo) 熱構(gòu)件22的環(huán)形連結(jié)部M從超導(dǎo)線圈層18的前端延伸出來。參照圖7所示，在一個實(shí)施方式中，冷卻元件23是一個與連接部件M連接的冷卻 管。該連結(jié)部分M沿著冷卻元件23的外表面折彎，并覆蓋在冷卻構(gòu)件23的外表面上。因 此，在導(dǎo)熱元件22和冷卻構(gòu)件23之間形成較大的導(dǎo)熱面積。在一種實(shí)施方式中，使用環(huán)氧 樹脂等粘結(jié)劑將冷卻構(gòu)件23的外表面與連結(jié)部分M的內(nèi)表面粘合在一起。在另一種實(shí)施 方式中，冷卻構(gòu)件23和所述連接部分M通過錫焊或者電焊而連接在一起。在所示的實(shí)施方式中，所述第一法蘭36上部設(shè)有一個支撐連結(jié)部分M下部的凹 面。在所示實(shí)施方式中，在冷卻元件23與連結(jié)部分M結(jié)合后，將一固持元件46在連結(jié)部 分M之上，用以保持冷卻元件23與連接部分M之的熱耦合。在所示的實(shí)施方式中，所述 固持元件46下部與第一法蘭36的上部相配合。第一法蘭36和固持元件46 —起構(gòu)成收容 和固持連結(jié)部分M和冷卻構(gòu)件23的槽。參照圖8所示，若干個超導(dǎo)線圈層18和支撐構(gòu)件層20層疊纏繞在導(dǎo)熱構(gòu)件22之 上。在所示的實(shí)施方式中，保護(hù)層19纏繞在超導(dǎo)線圈組17的最外層。在超導(dǎo)磁體10定型 完成以后，所述第一、第二法蘭36、38、固持元件46以及筒管16被移除，至此，超導(dǎo)磁體10 的制作完成。雖然結(jié)合特定的實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解， 對本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認(rèn)識到，權(quán)利要求書的意圖在于涵蓋在本發(fā)明 真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。
權(quán)利要求
1.一超導(dǎo)磁體包括一筒管，設(shè)有沿縱向的通孔；以及纏繞在筒管外表面的超導(dǎo)線圈組，該超導(dǎo)線圈組包括纏繞在筒管之上的多個超導(dǎo)線圈層；若干個支撐構(gòu)件層，每一支撐構(gòu)件層位于相應(yīng)的兩個相鄰超導(dǎo)線圈層之間；以及位于兩個超導(dǎo)線圈層或者一超導(dǎo)線圈層和一相鄰支撐構(gòu)件層之間的導(dǎo)熱構(gòu)件。
2.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體，其中支撐構(gòu)件層包括玻璃纖維。
3.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體，其中超導(dǎo)線圈組包括相對于其他超導(dǎo)線圈層離筒管 最近的第一和第二超導(dǎo)線圈層、以及位于該第一、第二超導(dǎo)線圈層之間的至少兩個支撐構(gòu) 件層。
4.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體，其中所述導(dǎo)熱構(gòu)件包括銅、鋁或者其合金。
5.如權(quán)利要求1至4中任何一項所述的超導(dǎo)磁體，其中所述導(dǎo)熱構(gòu)件在超導(dǎo)磁體的圓 周方向具有延展性。
6.如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)磁體，其中所述導(dǎo)熱構(gòu)件包括導(dǎo)熱片，該導(dǎo)熱片包括若干 由許多沿超導(dǎo)磁體縱向延伸的導(dǎo)熱條、以及位于相鄰導(dǎo)熱條之間的狹縫。
7.如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)磁體，其中導(dǎo)熱構(gòu)件由若干沿超導(dǎo)磁體縱向延伸的銅或者 鋁的線纜組成。
8.如權(quán)利要求1-5中任何一項所述的超導(dǎo)磁體，其中導(dǎo)熱構(gòu)件包括縱向伸出相鄰超導(dǎo) 線圈層的環(huán)形連結(jié)部分，其中該超導(dǎo)磁體還包括與導(dǎo)熱構(gòu)件的環(huán)形連結(jié)部分以熱的方式接 觸的冷卻管。
9.如權(quán)利要求1-5中任何一項所述的超導(dǎo)磁體，其中所述導(dǎo)熱構(gòu)件大致位于超導(dǎo)線圈 組徑向的中間。
10.一種超導(dǎo)磁體的制造方法，包括在一筒管上設(shè)置若干個超導(dǎo)線圈層；在兩相鄰超導(dǎo)線圈層之間設(shè)置一支撐構(gòu)件層；以及在兩相鄰超導(dǎo)線圈層之間或一超導(dǎo)線圈層與一支撐構(gòu)件層之間設(shè)置一導(dǎo)熱構(gòu)件。
11.如權(quán)利要求10所述的超導(dǎo)磁體的制造方法，其中在兩相鄰超導(dǎo)線圈層之間設(shè)置一 支撐構(gòu)件層包括在兩超導(dǎo)線圈層之間設(shè)置一玻璃纖維片。
12.如權(quán)利要求10所述的超導(dǎo)磁體的制造方法，其中所述纏繞數(shù)個超導(dǎo)線圈層包括纏 繞離筒管最近的第一、第二超導(dǎo)線圈層；其中所述在兩相鄰超導(dǎo)線圈層之間設(shè)置一導(dǎo)熱構(gòu) 件包括在所述第一、第二超導(dǎo)線圈層之間纏繞第一和第二支撐構(gòu)件層。
13.如權(quán)利要求10-12中任何一項所述的超導(dǎo)磁體的制造方法，還包括沿圓周方向?qū)?一個冷卻元件與導(dǎo)熱構(gòu)件熱耦合。
14.如權(quán)利要求13所述的超導(dǎo)磁體的制造方法，其中所述冷卻構(gòu)件是一個傳輸液態(tài)冷 卻劑的冷卻管。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種超導(dǎo)磁體及其制造方法，該超導(dǎo)磁體包括一筒管、以及纏繞在筒管外表面的超導(dǎo)線圈組。該超導(dǎo)線圈組包括纏繞在筒管之上的多個超導(dǎo)線圈層；若干個支撐構(gòu)件層，每一支撐構(gòu)件層位于相應(yīng)的兩個相鄰超導(dǎo)線圈層之間；以及位于兩個超導(dǎo)線圈層或者一超導(dǎo)線圈層和一相鄰支撐構(gòu)件層之間的導(dǎo)熱構(gòu)件。
文檔編號H01F6/00GK102142311SQ20101011536
公開日2011年8月3日 申請日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月2日
發(fā)明者伊萬格拉斯·T·拉斯卡里斯, 保爾·S·拖馬斯, 武安波, 趙燕, 黃先銳 申請人:通用電氣公司