专利名称：借助于填充液体或气体冷却剂的内部腔冷却的超导开关的制作方法
技术领域：
本发明具体应用于医疗成像系统中、特别是涉及磁共振成像(MRI)等的医疗成像系统中。然而，将意识到，所描述的技术还可以应用于其它成像系统、其它装置开关场景、其它开关装置等。
背景技术：
超导开关是期望其在一种工作模式中保持安全超导、同时在另一种(电阻)模式中提供高电阻的装置。已接受的解决方案之一包括使用与标准金属(例如，铜、铝、青铜) 部件相联接的超导材料，典型地以在标准金属基(metal matrix)中的线的形式缠绕开关； 这种类型的复合在流经开关的电流受控变化期间在超导状态中是比较稳定的。另一方面， 在电阻模式中时，标准金属基载流金属线易受过热影响；标准金属的阻抗随着温度而增大， 因此提供了所期望的高总开关阻抗。在一些结构中，可以使用该电阻模式作为安全电路的一部分，以便在猝熄冷却期间非常快速地从磁体中移除电流，从而防止对磁体或者对附近的人或设备的损害。对开关隔热的需求是矛盾因素；一方面，对超导绕组的更好冷却改善了其对抗猝熄的稳定性，特别是在电流斜变(ramp)期间。另一方面，在开关电阻工作模式中需要良好的隔热以便实现过热，并且因此实现高电阻抗。本申请提供了用于对超导开关的冷却条件进行管理的新的改进系统和方法，其克服了上述问题以及其它问题。
发明内容
根据一个方面，在电阻工作模式和超导工作模式之间切换的开关包括包含绕组组件的壳体，该绕组组件包括至少一个绕组、至少一个加热元件、以及至少一个围绕其放置绕组的可选线圈架；至少一个包括对至少一个绕组进行冷却的冷却剂的内部冷却腔；外部冷却剂贮存器；以及至少一个挡板，该至少一个挡板具有一个或多个小孔，其允许在内部冷却腔和外部冷却剂贮存器之间的预期的冷却剂流量。根据另一个方面，一种制造用于磁共振成像(MRI)装置中的磁体工作的双模式开关的方法包括围绕线圈架缠绕至少一根超导线，以便绕其形成至少一个绕组。包括至少一个加热元件。加热元件可以是 如本领域中已知的产生热量的任何元件。在一个实施例中， 绕组组件包括至少一个绕组、至少一个加热元件以及线圈架。在备选实施例中，丢弃一些或者所有线圈架，并且绕组组件包括至少一个绕组、至少一个加热元件以及线圈架的任何剩余部分。该方法还包括将绕组组件放置在大体上是管状的壳体中。所述壳体可以具有任何几何形状的横截面。该方法还包括把一个或多个挡板固定到壳体和绕组组件的至少一个公共端。在该方法的一个实施例中，把可选连接层固定到壳体和绕组组件的至少一个公共端。 可选连接层能够密封内部冷却腔的端部。可选连接层可以替换至少一个挡板。通过绕组和绕组组件的冷却表面、壳体的可选内表面以及至少一个挡板定义内部冷却剂腔。该一个或多个挡板包括允许在内部冷却剂贮存器和外部冷却剂贮存器之间的预期的冷却剂流量的一个或多个小孔。根据另一个方面，一种在超导工作模式和电阻工作模式之间对开关进行切换的方法包括将开关中的至少一个加热元件加热到足够将一个绕组的至少部分恢复到电阻状态、 并且使冷却腔中的液体冷却剂蒸发的温度，其中，冷却剂的蒸发使过量的冷却剂通过一个或多个挡板中的一个或多个小孔离开冷却腔。如本领域中已知的，冷却剂密度的降低阻止将热量从绕组移除到外部冷却剂贮存器，从而维持增加的温度。冷却剂增加的温度维持了温度增加，并且因此当在电阻模式中时维持了绕组组件中绕组的至少一部分的电阻。该方法还包括减小至少一个加热元件的功率，以便允许冷却腔中的冷却剂从蒸气状态液化，并且从外部冷却剂贮存器重新填充液体冷却剂以便将绕组冷却到绕组为超导状态的温度，从而返回超导模式。一个优点是提供了在电阻和超导两种模式中工作的双模式开关。另一个优点在于超导模式中改进的稳定性。另一个优点是开关电阻在电阻模式中的增加。一旦阅读并且理解了下列详细说明，本领域的普通技术人员将意识到本主题创新的更多优点。
本创新可以采用各种部件和组件布置、以及各种步骤和步骤布置的形式。附图仅仅是为了图示说明各个方面的目的，而不解释为限制本发明。图1图示说明了具有绕组组件的超导开关的横截面，该绕组组件由通过将超导线缠绕在可选线圈架周围得到的绕组组成。冷却腔位于绕组组件之外。图2图示说明了冷却腔位于绕组组件内部的开关。图3A-3C图示说明了具有通道或者孔的挡板的各种实施例，其中，将通道或者孔制成挡板中的孔洞或者挡板周边的切口。图3D示出了一备选实施例，其中，通道或者孔是自然出现在由毛毡、硬布、网眼或者本领域中已知的类似材料构成的挡板中的开口。
具体实施例方式图1图示说明了超导开关10的横截面，该超导开关10具有绕组组件和至少一个加热元件，该绕组组件由将超导线缠绕可选线圈架14得到的绕组12组成。经内部腔16冷却绕组组件。开关10采用在线轴或者线圈架14上、具有中空内部腔16的绕组12。通过具有一个或多个小孔22的挡板20使中空内部腔与外部冷却剂(例如，液氦(He))贮存器或者体积18分离。孔的最大尺寸与在超导磁体冷却系统的正常工作压力下液体冷却剂中的气态冷却剂的气泡尺寸是相当的。如果优选冷却剂是氦，孔的最大尺寸将在Imm数量级上。 在超导状态中，内部腔填充有液体冷却剂(例如，氦)，其吸收所产生的任何热量。为了使开关转到电阻状态，激活加热元件。为了返回超导状态，至少使加热元件失活，这允许膛中的气态冷却剂凝结，并且允许额外的液体冷却剂从外部贮存器流入膛内。来自内部腔中的液体冷却剂整体的冷却使绕组返回其超导状态。更具体地说，随着液体冷却剂开始冷却绕组和/或线圈架的冷却表面对，绕组电阻变得越来越失去电阻性，这允许到超导状态的跃迁更快进行。在一个实施例中，如所图示说明的，在一侧上通过壳体沈(例如，外部绝缘管)以及在另一侧上通过绕组组件的表面M限定内部腔16。在一端通过挡板20并且在另一端通过连接层观界定内部腔，该连接层观将线圈架耦合到壳体管，并且密封内部腔的一端。在另一个实施例中，采用挡板20界定内部腔的所有端。在另一个实施例中，由超导线缠绕成开关10的绕组12。通过由小孔22穿通、允许受限冷却剂流动的挡板20或者多个挡板将内部冷却腔16与填充有液体冷却剂的外部体积18分离，其中，由所期望的冷却剂和开关的工作模式确定小孔的总横截面积和它们的相对分布。腔16的尺寸使得在MRI所有工作模式、而开关在超导模式中期间在开关中生成的热量不足以蒸发腔16中的冷却剂。在一个实施例中，选择孔的尺寸和数目(横截面积)的下限，以便允许在超导状态中在开关内生成的气泡逃逸同时允许从外部体积中连续重新填充。在另一个实施例中，孔的横截面积的下限太低，以致在开关的超导工作模式期间产生的气泡基本上没有逃逸。然而，与腔16的体积相比较，气泡的体积不显著，使得对于大多数绕组表面保持被液体冷却剂浸润。在发生这些低水平热量生成时，包含在腔16内的冷却剂基本上在液态中。当绕组中的热量生成停止时，这些气泡凝结。与腔16的体积相比，蒸发的冷却剂的气泡在体积上不显著，或者被通过挡板中的孔22移除。因此，绕组组件的至少一个表面保持大部分被液体浸润，这提供了对绕组良好的冷却。然而，在开关的电阻工作模式中，绕组中的热量生成足够高，使得大多数冷却剂从内部腔16中蒸发，并且使内部腔基本上填充气态冷却剂。在一个实施例中，选择孔的尺寸和数目的上限，以便允许在电阻模式期间生成的气体逃逸，同时妨碍从外部体积重新填充。 确定孔22的尺寸和分布以允许逃逸气体基本上填充孔，并且最小化回流到内部腔16内的液体。结果，内部冷却表面M变成基本上干的，其妨碍了冷却，增强了热绝缘，并且因此进一步增加了绕组的温度，从而导致绕组的电阻如所期望的增加。在另一个实施例中，当开关中的热量生成停止时，在开关工作期间出现在内部腔中的气体凝结。选择开口的尺寸和数目的上限，使得允许以及时的方式重新填充内部腔。在图1中，内部腔(体积)16位于绕组组件的外直径周围。另外，可选内部腔16’位于超导开关绕组12的内直径上，在这里显示为在可选绕组线圈架14内部。如所示，冷却剂与绕组直接接触。在另一个实施例中，冷却剂不与绕组直接接触。然而，在该情况下，设计绕组组件，使得将绕组和冷却剂之间的材料设计为允许热量以及时的方式转移。在另一个实施例中，通过将热量施加到开关造成在绕组中出现正常区带并且使液体冷却剂(例如，氦)蒸发，来使开关成为电阻性的。为了使开关返回超导状态，至少关闭加热元件，造成绕组冷却，这允许来自外部体积18的液体冷却剂替换内部腔16中的冷却剂气体。虽然将内部腔16示出为一个腔，并且以绕组组件为中心，但是可以使用多个腔， 并且它们的位置仅受设计绕组和冷却剂之间的材料以便允许热量以及时的方式转移的标准限制。图2图示说明了具有位于绕组组件的内直径上的内部腔16’的开关40，该内部腔16’在可选绕组线圈架14内部示出。设计绕组组件使得将绕组和冷却剂之间的可选材料设计为允许以及时的方式转移热量。如关于图1所描述的，冷却剂在内部腔16’和外部贮存器18之间流动。具有小孔22的挡板20的存在使得能够在绕组中在低热量生成时对绕组组件冷却表面42的良好冷却，并且在高热量生成时限制冷却。通过可选的连接层观或者另外的挡板20将绕组组件耦合到壳体沈(例如，外绝缘管等)。虽然将内部腔16’示出为一个腔，并且以绕组组件为中心，但是可以使用多个腔， 并且它们的位置仅受设计绕组和冷却剂之间的材料以便允许热量以及时的方式转移的标准限制。另外，冷却腔可以由多个腔组成，该多个腔包括如图2中所示的至少一个内部腔 16’以及如图1中所示的至少一个内部腔16的组合。图3A-3D图示说明了具有通道或者孔22的挡板20的各种实施例，其中，将通道或者孔22制成挡板中的孔洞或者挡板周边的切口。只要与内部腔对准的小孔的尺寸和数目 (总横截面积)落入由在两种工作模式期间的热量生成所确定的下限和上限之间，对于孔的像椭圆、矩形、狭缝等的备选形状就是可接受的。在非常小毛细开口的情况下，通过在热量生成停止之后气泡凝结的期望速率确定毛细开口的数目和横截面积。图3A图示说明了一个实施例，其中，将小孔22切割成在挡板20周边中的槽。图;3B图示说明了一个实施例，其中，在接近挡板20的周边提供小孔22。图3C图示说明了一个实施例，其中，在挡板20的中心提供单一小孔22。图3D图示说明了一个实施例，其中，小孔22自然出现在由毛毡、硬布、网眼、金属网、泡沫、或者本领域中已知的任何类似可透气材料构成的挡板20中。如本领域的技术人员将能够理解的，将意识到，挡板20以及开关10不限于圆形横截面，而是可以具有任何合适或者期望的形状。参考若干实施例对本创新进行了描述。一旦阅读并且理解了前述详细描述，就可以进行许多修改和改变。旨在将本创新解释为包括所有这些修改和改变，只要它们在所附权利要求或者其等同替代的范围内。
权利要求
1.一种在电阻工作模式和超导工作模式之间进行切换的开关(10、40)，包括壳体(26)，其包含线圈架(14)，围绕所述线圈架(14)放置绕组(12)；内部冷却剂腔(16、16’)，其包括在绕组组件处进行冷却的冷却剂，所述绕组组件包括所述绕组(12)和所述线圈架(14)；外部冷却剂贮存器(18)；以及挡板(20)，其具有允许在所述内部冷却腔(16)和所述外部冷却剂贮存器(18)之间的冷却剂流量的一个或多个小孔02)。
2.如权利要求1所述的开关，其中，所述一个或多个小孔02)具有大约0.Imm到大约 Imm的直径。
3.如权利要求1所述的开关，其中，所述一个或多个小孔02)的尺寸与在超导磁体冷却系统的正常工作压力下液体冷却剂中的气态冷却剂的气泡尺寸是相当的。
4.如权利要求1所述的开关，其中，所述内部冷却剂腔(16)在所述壳体06)的内表面以及所述绕组(1 和所述线圈架(14)中的至少一个的冷却表面04)之间形成大体的环形圈，并且在第一端通过将所述壳体06)耦合到所述线圈架的密封层08)并且在第二端通过所述挡板00)界定轮廓。
5.如权利要求1所述的开关，其中，所述内部冷却剂腔(16)在所述壳体06)的内表面以及所述绕组(12)和所述线圈架(14)中的至少一个的冷却表面04)之间形成环形圈，并且在两端通过所述挡板00)界定轮廓。
6.如权利要求1所述的开关，还包括耦合到所述开关(10)的加热器，其中，将电流施加到所述加热器以使所述绕组(12)发热，并且使所述冷却剂在所述内部冷却剂腔(16、16’)中蒸发，从而使所述开关(10)离开超导模式并且进入电阻模式。
7.如权利要求1所述的开关，其中，减小提供给所述开关和所述加热器的电压和电流中的至少一个，以使所述内部冷却剂腔(16、16’ )中的所述冷却剂凝结到液态，同时利用来自所述外部贮存器(18)的所述液体冷却剂重新填充所述腔，从而使所述开关离开电阻模式并且进入超导模式。
8.如权利要求1所述的开关，其用在在磁成像装置中，以使所述磁成像装置中的至少一个磁体充电或者放电。
9.如权利要求1所述的开关，其中，所述挡板或者多个挡板OO)由织物材料形成，并且通过所述织物材料中的织物纤维之间的间隙限定所述小孔02)。
10.一种制造用于操作磁共振成像(MRI)装置中的磁体的双模式开关(10、40)的方法， 包括围绕线圈架(14)在标准金属基中缠绕超导线，以形成关于所述线圈架的绕组(12)；将所述线圈架(14)和绕组(1 放置在管状壳体06)中；利用连接层08)将所述线圈架(14)和所述绕组(1 中的至少一个的外部表面的至少一部分固定到所述壳体06)；以及将挡板OO)固定到所述壳体06)和所述线圈架(14)的至少一个公共端；其中，通过所述绕组(1 和线圈架(14)的冷却表面(M)、所述壳体06)的内表面、所述连接层08)以及所述挡板OO)限定内部冷却剂腔(16)；其中，所述挡板00)包括一个或多个小孔或者毛细孔(22)，其允许在所述内部冷却剂贮存器(16)和外部冷却剂贮存器(18)之间的冷却剂流量。
11.如权利要求10所述的方法，还包括将挡板00)固定到所述壳体06)和线圈架(14)的两个公共端； 其中，通过所述绕组(1 和线圈架(14)的冷却表面(M)、所述壳体06)的内表面以及所述挡板OO)限定所述内部冷却剂腔(16)。
12.如权利要求10所述的方法，还包括形成所述一个或多个小孔(22)，使其具有在液体冷却剂中由呈气态的冷却剂形成的气泡的平均直径大约两倍的直径。
13.如权利要求10所述的方法，还包括形成所述一个或多个孔0 ，使其具有大约0. 4mm的直径。
14.如权利要求10所述的方法，还包括将所述开关(10、40)安装在超导磁体的杜瓦瓶中。
15.一种在超导工作模式和电阻工作模式之间对开关(10、40)进行切换的方法，包括 将所述开关(10、40)中的绕组(1 加热到足够使对所述绕组(1 进行冷却的液体冷却剂蒸发的温度，其中，所述冷却剂的蒸发使所述绕组(1 中的温度和电阻率增加；并且减少输送给所述绕组的和在所述绕组(1 中生成的至少一种的功率，以便允许所述冷却剂从蒸气状态凝结，同时利用来自外部贮存器(18)的液体冷却剂重新填充内部冷却剂腔(16)。
16.如权利要求15所述的方法，其中，减少给所述绕组(12)的功率允许液体冷却剂从所述外部冷却剂贮存器(18)流经挡板OO)中的孔0 进入所述内部冷却剂贮存器(16) 中，所述内部冷却剂贮存器(16)接近所述绕组(1 并且所述内部冷却剂贮存器(16)的一侧由所述绕组(1 定义。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述孔02)具有大约0.Imm到大约1. Omm的直径。
全文摘要
提供了当对磁共振成像(MRI)装置中的磁体进行测试或者上电时，在电阻模式和超导模式之间切换绕组(12)的开关(10)。开关(10)包括包含围绕线圈架(14)的绕组(12)的壳体(26)、以及包含对绕组(12)进行冷却的冷却剂的内部冷却剂腔(16)。挡板(20)将内部冷却剂腔(16)与外部冷却剂贮存器(18)分离。挡板具有允许液体冷却剂流入内部腔(16)中以冷却绕组的小孔。在高温度时，内部腔(16)中的冷却剂蒸发，使绕组进一步增加其温度和电阻。一旦减少对绕组(12)的加热，绕组就充分冷却以便允许液体冷却剂流入，从而恢复绕组(12)的超导工作模式。
文档编号H01L39/20GK102265419SQ200980151922
公开日2011年11月30日 申请日期2009年11月23日 优先权日2008年12月22日
发明者A·A·艾哈迈托夫 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司