超導(dǎo)磁性線圈裝置的制造方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]在用于MRI應(yīng)用的超導(dǎo)磁體組件中，液體致冷劑，如氦通常提供在致冷劑容器內(nèi)，其還包含支撐在機(jī)械保持結(jié)構(gòu)上的超導(dǎo)線圈，如線圈架。在失超期間，如眾所周知，存儲(chǔ)在超導(dǎo)線圈中的能量作為熱量被耗散，使該致冷劑沸騰。該致冷劑的沸騰增加了致冷劑容器內(nèi)的壓力，稱為失超壓力，直到壓力限制裝置如閥門或爆破片在某一失超壓力下打開以提供氣體出口通道。
[0002]磁性設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)方法是使失超期間的線圈溫度的增加最小，并設(shè)計(jì)一種大支撐的線圈架，其機(jī)械地支撐和保持線圈，并且還用作磁性線圈的散熱器。在失超期間，來自線圈的熱量被傳導(dǎo)到線圈架中，其通常由鋁或不銹鋼制成。這限制了線圈表面溫度的升高，而線圈架與致冷劑接觸。
[0003]傳統(tǒng)的超導(dǎo)磁體使用液氦冷卻到大約4K，以產(chǎn)生超導(dǎo)狀態(tài)。磁性線圈被賦予規(guī)定的電流，其具有相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)的能量。當(dāng)超導(dǎo)磁體經(jīng)歷了從超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到正常/電阻狀態(tài)，如在失超中，任何存儲(chǔ)的電流從超導(dǎo)體絲轉(zhuǎn)變?yōu)殂~包層，其通常提供在超導(dǎo)體絲周圍。一定量的熱量由磁性線圈的歐姆加熱產(chǎn)生。然后，來自磁性線圈的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到線圈架和液氦中，兩者都與線圈熱接觸和機(jī)械接觸。
[0004]散失的能量的數(shù)量和儲(chǔ)存的能量從磁性線圈傳遞到液氦中的速率，以及氦的體積和容納磁體和氦的壓力容器的幾何形狀決定了氦容器內(nèi)的失超壓力。例如，氦容器的設(shè)計(jì)和可用轉(zhuǎn)動(dòng)架排氣通道的橫截面將影響排出的致冷劑氣體所經(jīng)歷的流體阻抗。高失超壓力是不希望的，因?yàn)樾枰黾訅毫θ萜鞯谋诘暮穸葋響?yīng)付這種壓力，因此增加成本和重量，并需要增加轉(zhuǎn)動(dòng)架的橫截面積以減輕失超壓力。
[0005]增加的轉(zhuǎn)動(dòng)架面積將增加其熱負(fù)載到氦容器中，這導(dǎo)致需要增加從相關(guān)聯(lián)的低溫致冷器所需的冷卻功率。優(yōu)選最小化所需的冷卻功率，出于成本的原因。
[0006]目前的超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)使用操作電流和匝數(shù)的參數(shù)(其確定存儲(chǔ)在磁性線圈中的能量)、失超傳播電路性能、排氣路徑面積和容器強(qiáng)度來改造一種解決方案，用于管理失超壓力。
[0007]圖2示意性地表示常規(guī)的圓柱形磁體結(jié)構(gòu)，其具有卷繞到鋁制線圈架22上的超導(dǎo)線圈20，線圈架22用作散熱器。超導(dǎo)線圈20的徑向外表面26直接接觸液態(tài)致冷劑，并形成了熱量從線圈傳遞到液體致冷劑以冷卻線圈的主界面。
[0008]通常，在失超期間，徑向外表面26處于溫度T。，典型約80K，而線圈架22的徑向內(nèi)表面28處于溫度T1，典型約20K。熱流如Ql，Q2所示，其中Ql代表從線圈20到線圈架22的熱通量，而Q2代表從線圈20到相鄰致冷劑的熱通量。一些常規(guī)裝置不需要線圈架，由此提供線圈徑向內(nèi)表面的更有效的冷卻，因?yàn)榫€圈和致冷劑之間的增大的接觸表面區(qū)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種超導(dǎo)磁體，其中磁性線圈結(jié)構(gòu)包括電阻元件，其將控制磁性線圈結(jié)構(gòu)的表面溫度，因此控制熱量散發(fā)到液態(tài)致冷劑中的速率。在優(yōu)選的實(shí)施例中，超導(dǎo)磁體不具有傳統(tǒng)的線圈架，其用作散熱器。
[0010]電阻元件被提供為機(jī)械連接到超導(dǎo)線圈表面的絕緣電阻線的次級(jí)線圈，其將控制失超引起的致冷劑蒸發(fā)的速率，進(jìn)而確定給定的致冷劑容器和失超路徑出口的壓力，這又確定了致冷劑容器的所要求的強(qiáng)度。通過減小傳遞到冷卻劑的熱量的速率，所需的致冷劑體積可以減小，峰值失超壓力可以降低，因此致冷劑容器可以由更薄的材料制成，和/或失超路徑出口的尺寸可以被減小，這又減少了流入致冷劑容器的熱量的來源。
[0011]本發(fā)明提供了一種方法和裝置以有意地增加與液態(tài)致冷劑接觸的線圈表面的溫度，因此從線圈傳遞到液態(tài)致冷劑中的熱量被減少。
[0012]這是通過在線圈表面引起致冷劑的薄膜沸騰階段實(shí)現(xiàn)的，這減少了失超時(shí)的致冷劑蒸發(fā)的速率，因此減小了失超壓力。減小的失超壓力可以以這種方式實(shí)現(xiàn)而無需增加從致冷劑容器的排氣路徑的橫截面面積，并降低了對(duì)抵御失超壓力的致冷劑容器強(qiáng)度的需要。本發(fā)明提供了線圈結(jié)構(gòu)，其限制了失超壓力顯著小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此可以減小壓力容器厚度，而且失超通道出口，也稱為排氣通道，或轉(zhuǎn)動(dòng)架，可以減小橫截面積。該截面面積在下文可以被簡稱為“直徑”，但應(yīng)注意的是，排氣路徑的橫截面可以是任何形狀，并且不需要是圓形的。
[0013]美國專利4，223，723建議通過提供冷藏物品中的孔，在冷藏物品的表面除去液態(tài)致冷劑的任何薄膜沸騰，并因此增加從物品傳遞到液態(tài)致冷劑中的熱量，以便增加致冷劑的有效性。本發(fā)明與該現(xiàn)有技術(shù)的教導(dǎo)相反，并且增加了表面溫度，從而促進(jìn)了薄膜沸騰方式，因此違反直覺地減少傳遞到液態(tài)致冷劑中的熱量。這降低了失超期間致冷劑冷卻的有效性，從而降低了失超壓力。
[0014]設(shè)計(jì)者的一個(gè)任務(wù)是在設(shè)計(jì)超導(dǎo)磁體時(shí)采用本發(fā)明來選擇合適的線圈結(jié)構(gòu)、致冷劑容器設(shè)計(jì)、排氣通道或轉(zhuǎn)動(dòng)架直徑、致冷劑容量，以承受失超時(shí)致冷劑氣體的壓力，從而在可能的情況下限制系統(tǒng)的重量、尺寸和成本。本發(fā)明能夠改進(jìn)這些參數(shù)中的至少一些，如可由設(shè)計(jì)者應(yīng)用。
【附圖說明】
[0015]根據(jù)具體實(shí)施例的下列描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述和進(jìn)一步的目的、特性和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加明顯，其中:
[0016]圖1A示出了在液態(tài)致冷劑和整體線圈溫度之間溫度差的范圍內(nèi)的相對(duì)熱通量；
[0017]圖1B示出了在液態(tài)致冷劑和線圈表面溫度之間溫度差的范圍內(nèi)的相對(duì)熱通量；
[0018]圖2示出了纏繞到線圈架中的超導(dǎo)線圈的傳統(tǒng)構(gòu)造；
[0019]圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，其中沒有提供線圈架，但是提供其它裝置來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明；
[0020]圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，其中線圈結(jié)構(gòu)包括在超導(dǎo)線圈的徑向外表面上的電阻次級(jí)線圈；以及
[0021]圖4示出了例如圖2所示的傳統(tǒng)裝置和根據(jù)本發(fā)明的裝置的失超壓力隨時(shí)間的演變圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]失超壓力與失超期間熱量從磁性線圈傳遞到液態(tài)致冷劑中的速率有關(guān)。從磁性線圈傳遞到液態(tài)致冷劑中的速率又與液態(tài)致冷劑和線圈表面之間的相互作用有關(guān)。
[0023]當(dāng)加熱時(shí)，液態(tài)致冷劑與線圈沸騰的表面接觸。這種沸騰減少了與液態(tài)致冷劑接觸的線圈的表面積，并且因此減小了從線圈傳遞到致冷劑的傳熱系數(shù)。以下將進(jìn)一步論述的沸騰狀態(tài)，，以及傳熱系數(shù)，隨線圈的冷卻表面的溫度而改變。
[0024]因此，通過改變沸騰狀態(tài)，失超壓力可由線圈表面溫度影響。
[0025]圖1A示出了在一定溫度范圍內(nèi)與冷卻物品接觸的液氦的各種沸騰狀態(tài)。在本例中，它示出了作為線圈整體溫度t的函數(shù)的壁熱通量Φ的變化，溫度t表示為整體線圈和液態(tài)致冷劑之間的溫度差。
[0026]在約4K到約16K之間，發(fā)生氣泡沸騰。熱通量Φ隨著液氦和線圈本體之間的溫差t增加而增加。從約16K以上，發(fā)生混合沸騰，其中產(chǎn)生一些氣泡，并且發(fā)生一些薄膜沸騰。這導(dǎo)致液態(tài)致冷劑和冷卻表面之間的不穩(wěn)定的接觸表面積。例如，這是在Ti觀察到的，其中溫度差是20K。
[0027]隨著在該區(qū)域溫差t上升，薄膜沸騰的比例增加，而且盡管溫差t增加，由于與冷卻表面接觸的液態(tài)致冷劑的表面積減小，熱通量Φ降低。
[0028]氦的這種沸騰狀態(tài)是違反直觀的，在一定溫差范圍內(nèi)，通過提高表面溫度，可以減小傳遞到氦中的熱量的速率，因此失超壓力也減小。這只是對(duì)于特定結(jié)構(gòu)和特定致冷劑的溫度-壓力組合的某一范圍內(nèi)起作用。在示出的實(shí)例中，對(duì)于所考慮的示例性結(jié)構(gòu)，該范圍約為 Tl = 20K，T2 = 80K。
[0029]圖1B類似于圖1A，但不同之處在于溫度表示為液氦和冷卻物品表面溫度之間的溫差。標(biāo)記的溫差T1、T2、T3具有與參照圖1A所論述的相同重要性。
[0030]在傳統(tǒng)的磁體設(shè)計(jì)中，如圖2所示，超導(dǎo)線圈20被纏繞在線圈架22中，而且失超期間的線圈溫度由失超傳播電路限制，失超傳播電路通過響應(yīng)于開始在一