具有传热装置的低损耗持续电流开关的制作方法
【专利说明】具有传热装置的低损耗持续电流开关
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年12月17日递交的美国临时申请号61/737939的权益，通过引用特此将其并入本文。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及一种低损耗持续电流开关，并且具体涉及一种用于在低温环境下与超导永磁体一起使用的低损耗持续电流开关。
【背景技术】
[0004]超导磁体被使用在多种情境中，包括核磁共振(NMR)分析和磁共振成像(MRI)。为了实现超导性，磁体被维持在处于接近绝对零的温度的低温环境中。典型地，磁体包括一个或多个被设置在低温恒温器中并被低温流体(例如，液态氦)冷却的导电线圈。
[0005]许多超导磁体以“持续模式”操作。在持续模式下，形成超导磁体的一个或多个超导导电线圈最初利用来自外部电源的电流来激励，以启动其磁场。一旦获得期望的磁场，电源就与磁体断开，并且磁体维持电流和归因于其超导性的磁场。
[0006]为了以持续模式操作，持续电流开关典型地被提供在向磁体供应激励电流的电引线两端。在磁体激励时期期间(例如，在启动时)，持续电流开关被置于电阻状态中，使得其允许超导导电线圈被来自电源的电流激励。一旦磁体已经被激励，持续电流开关就被切换到用于超导磁体的正常持续模式操作的超导状态。
[0007]持续模式开关能够通过热的施加而在超导状态与电阻状态之间被切换。当持续电流开关处于低温温度(例如，大约4° K)时，所述持续电流开关处于超导状态中，并且具有接近零的电阻。然而，当持续电流开关被加热到典型地大于超导温度的电阻模式温度时，所述持续电流开关处于电阻状态中。在电阻状态中，持续电流开关不像典型的电气开关一样“接通”，而是具有典型地在几欧姆与几十欧姆之间的电阻。
[0008]在超导磁体的充电期间，持续电流开关被加热到电阻模式温度，并且电压被施加所述开关两端以给磁体充电。这典型地在持续电流开关中消耗能量。典型地，持续电流开关被定位在非常低的温度(低温)环境中，并且在所述开关中消耗的能量典型地以热负荷的形式转移到该环境中。该热量可以使用低温度制冷系统或通过使制冷剂沸腾而被去除。制冷系统典型地在非常低的温度(低温)环境中去除热时效率低。作为结果，这典型地要求采用非常大的、昂贵的电阻式持续电流开关，或允许昂贵的制冷剂被汽化，其中在磁体已经被充电之后更换所述昂贵的制冷剂。这两种情况都不是期望的。
【发明内容】
[0009]本发明的一个方面能够提供一种装置，所述装置包括:低温恒温器，其具有壳体和被设置在所述壳体之内的热屏蔽，所述热屏蔽定义内部区域，并且进一步定义被设置在所述热屏蔽与所述壳体之间的绝热区域；冷头，其具有第一级元件和第二级元件，所述第一级元件被设置在所述绝热区域中，所述第二级元件被设置在所述内部区域中并被配置为在比所述第一级元件的温度更低的温度下操作；第一热交换元件，其被热耦合到所述冷头的所述第一级元件；第二热交换元件，其被热耦合到所述冷头的所述第二级元件；导电线圈，其被设置在所述壳体之内，并且被配置为当电流经过所述导电线圈时产生磁场；持续电流开关，其被设置在所述壳体之内，并且被连接在所述导电线圈两端，其中，所述持续电流开关包括在超导温度下超导电而在大于所述超导温度的电阻模式温度下阻电的超导材料；持续电流开关加热器，其被配置为被选择性地激活和停用，以便将所述持续电流开关加热到所述电阻模式温度；以及导热链，其将所述持续电流开关热耦合到所述第二热交换元件，其中，所述持续电流开关经由对流散热回路被热耦合到所述第一热交换元件，并且其中，所述导热链包括在所述超导温度下具有第一导热系数而在大于所述超导温度的第二温度下具有第二导热系数的材料，其中，所述第一导热系数大于所述第二导热系数。
[0010]在一些实施例中，所述装置还能够包括超导对流冷却回路，所述超导对流冷却回路被设置在所述壳体之内，并且被连接到所述第二热交换元件，所述超导对流冷却回路具有被设置在所述超导对流冷却回路中的低温流体，并且被配置为将所述导电线圈冷却到所述超导温度。
[0011 ] 在一些实施例中，所述装置还能够包括控制器，所述控制器被配置为在磁体激励时期期间激活所述持续电流开关加热器，其中，使所述导电线圈达到所述超导温度并且对所述导电线圈进行充电，以产生具有特定强度的磁场，所述控制器还被配置为，一旦所述导电线圈被充电以产生具有所述特定强度的所述磁场，就在继所述磁体激励时期后的操作时期期间停用所述持续电流开关加热器。
[0012]在一些实施例中，在磁体激励时期期间，经由所述对流散热回路从所述持续电流开关转移到所述第一热交换元件的热比经由所述导热链从所述持续电流开关转移到所述第二热交换元件的热更多。
[0013]在一些实施例中，所述超导温度为大约4° K，而所述第一热交换元件处于大约40° K的温度。
[0014]本发明的另一方面能够提供一种操作设备的方法，所述设备包括导电线圈、被连接在所述导电线圈两端的持续电流开关、持续电流开关加热器、以及经由对流散热回路被热耦合到所述持续电流开关的第一热交换元件，其中，所述持续电流开关包括在超导温度下超导电而在大于所述超导温度的电阻模式温度下阻电的超导材料。所述方法包括，在磁体激励时期期间:将所述导电线圈冷却到所述超导温度；加热所述电流开关加热器，以便使所述持续电流开关的温度升高到所述电阻模式温度；将能量施加于所述导电线圈，以便给所述导电线圈充电以产生具有期望的强度的磁场；并且当将所述能量施加于所述导电线圈时，经由所述对流散热回路将热从所述持续电流开关消散到所述第一热交换元件。
[0015]在一些实施例中，所述方法还能够包括将所述第一热交换元件设置在所述持续电流开关上方，并且其中，在所述磁体激励时期期间，所述第一热交换元件处于大于所述超导温度的第一温度。
[0016]在一些实施例中，所述第一温度为大约40° K，而所述超导温度为大约4° Ko
[0017]在一些实施例中，所述方法还能够包括，在继所述磁体激励时期后的操作时期期间，经由导热链将热从所述持续电流开关消散到第二热交换元件，其中，所述第二热交换元件在所述操作时期期间处于所述超导温度。
[0018]在一些实施例中，所述导热链能够包括，在所述超导温度下具有第一导热系数而在大于所述超导温度的第二温度下具有第二导热系数的材料，其中，所述第一导热系数大于所述第二导热系数。
[0019]在一些实施例中，在所述磁体激励时期期间以及在所述操作时期期间，所述第一热交换元件能够处于相当多地大于所述超导温度的第一温度。
[0020]这些实施例的一些变体中，所述超导温度为大约4° K，而所述第一温度为大约40。Ko
[0021]本发明的又另一方面能够提供一种装置，所述装置包括:持续电流开关，其包括在超导温度下超导电而在大于所述超导温度的电阻模式温度下阻电的超导材料；对流散热回路，其将所述持续电流开关热耦合到所述第一热交换元件；第二热交换元件，其与所述第一热交换元件间隔开；以及导热链，其将所述持续电流开关热耦合到所述第二热交换元件。
[0022]在一些实施例中，所述对流散热回路能够包括两相热管。
[0023]在一些实施例中，所述导热链能够包括在所述超导温度下具有第一导热系数而在大于所述超导温度的第二温度下具有第二导热系数的材料，其中，所述第一导热系数大于所述第二导热系数。
[0024]在一些实施例中，所述装置还能够包括低温恒温器，所述低温恒温器具有:壳体；以及热屏蔽，其被设置在所述壳体之内，并且定义被设置在所述热屏蔽与所述壳体之间的绝热区域。
[0025]在一些实施例中，所述第一热交换元件能够包括所述热屏蔽。
[0026]在一些实施例中，所述绝热区域能够包括真空。
[0027]在一些实施例中，能够提供被配置为被选择性地激活和停用的持续电流开关加热器，其中，当所述持续电流开关加热器被激活时，所述持续电