超导磁性线圈装置的制造方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]在用于MRI应用的超导磁体组件中，液体致冷剂，如氦通常提供在致冷剂容器内，其还包含支撑在机械保持结构上的超导线圈，如线圈架。在失超期间，如众所周知，存储在超导线圈中的能量作为热量被耗散，使该致冷剂沸腾。该致冷剂的沸腾增加了致冷剂容器内的压力，称为失超压力，直到压力限制装置如阀门或爆破片在某一失超压力下打开以提供气体出口通道。
[0002]磁性设计的标准方法是使失超期间的线圈温度的增加最小，并设计一种大支撑的线圈架，其机械地支撑和保持线圈，并且还用作磁性线圈的散热器。在失超期间，来自线圈的热量被传导到线圈架中，其通常由铝或不锈钢制成。这限制了线圈表面温度的升高，而线圈架与致冷剂接触。
[0003]传统的超导磁体使用液氦冷却到大约4K，以产生超导状态。磁性线圈被赋予规定的电流，其具有相关联的存储的能量。当超导磁体经历了从超导状态转变到正常/电阻状态，如在失超中，任何存储的电流从超导体丝转变为铜包层，其通常提供在超导体丝周围。一定量的热量由磁性线圈的欧姆加热产生。然后，来自磁性线圈的热量通过热传导传递到线圈架和液氦中，两者都与线圈热接触和机械接触。
[0004]散失的能量的数量和储存的能量从磁性线圈传递到液氦中的速率，以及氦的体积和容纳磁体和氦的压力容器的几何形状决定了氦容器内的失超压力。例如，氦容器的设计和可用转动架排气通道的横截面将影响排出的致冷剂气体所经历的流体阻抗。高失超压力是不希望的，因为需要增加压力容器的壁的厚度来应付这种压力，因此增加成本和重量，并需要增加转动架的横截面积以减轻失超压力。
[0005]增加的转动架面积将增加其热负载到氦容器中，这导致需要增加从相关联的低温致冷器所需的冷却功率。优选最小化所需的冷却功率，出于成本的原因。
[0006]目前的超导磁体设计使用操作电流和匝数的参数(其确定存储在磁性线圈中的能量)、失超传播电路性能、排气路径面积和容器强度来改造一种解决方案，用于管理失超压力。
[0007]图2示意性地表示常规的圆柱形磁体结构，其具有卷绕到铝制线圈架22上的超导线圈20，线圈架22用作散热器。超导线圈20的径向外表面26直接接触液态致冷剂，并形成了热量从线圈传递到液体致冷剂以冷却线圈的主界面。
[0008]通常，在失超期间，径向外表面26处于温度T。，典型约80K，而线圈架22的径向内表面28处于温度T1，典型约20K。热流如Ql，Q2所示，其中Ql代表从线圈20到线圈架22的热通量，而Q2代表从线圈20到相邻致冷剂的热通量。一些常规装置不需要线圈架，由此提供线圈径向内表面的更有效的冷却，因为线圈和致冷剂之间的增大的接触表面区域。
【发明内容】
[0009]本发明提供了一种超导磁体，其中磁性线圈结构包括电阻元件，其将控制磁性线圈结构的表面温度，因此控制热量散发到液态致冷剂中的速率。在优选的实施例中，超导磁体不具有传统的线圈架，其用作散热器。
[0010]电阻元件被提供为机械连接到超导线圈表面的绝缘电阻线的次级线圈，其将控制失超引起的致冷剂蒸发的速率，进而确定给定的致冷剂容器和失超路径出口的压力，这又确定了致冷剂容器的所要求的强度。通过减小传递到冷却剂的热量的速率，所需的致冷剂体积可以减小，峰值失超压力可以降低，因此致冷剂容器可以由更薄的材料制成，和/或失超路径出口的尺寸可以被减小，这又减少了流入致冷剂容器的热量的来源。
[0011]本发明提供了一种方法和装置以有意地增加与液态致冷剂接触的线圈表面的温度，因此从线圈传递到液态致冷剂中的热量被减少。
[0012]这是通过在线圈表面引起致冷剂的薄膜沸腾阶段实现的，这减少了失超时的致冷剂蒸发的速率，因此减小了失超压力。减小的失超压力可以以这种方式实现而无需增加从致冷剂容器的排气路径的横截面面积，并降低了对抵御失超压力的致冷剂容器强度的需要。本发明提供了线圈结构，其限制了失超压力显著小于传统结构。因此可以减小压力容器厚度，而且失超通道出口，也称为排气通道，或转动架，可以减小横截面积。该截面面积在下文可以被简称为“直径”，但应注意的是，排气路径的横截面可以是任何形状，并且不需要是圆形的。
[0013]美国专利4，223，723建议通过提供冷藏物品中的孔，在冷藏物品的表面除去液态致冷剂的任何薄膜沸腾，并因此增加从物品传递到液态致冷剂中的热量，以便增加致冷剂的有效性。本发明与该现有技术的教导相反，并且增加了表面温度，从而促进了薄膜沸腾方式，因此违反直觉地减少传递到液态致冷剂中的热量。这降低了失超期间致冷剂冷却的有效性，从而降低了失超压力。
[0014]设计者的一个任务是在设计超导磁体时采用本发明来选择合适的线圈结构、致冷剂容器设计、排气通道或转动架直径、致冷剂容量，以承受失超时致冷剂气体的压力，从而在可能的情况下限制系统的重量、尺寸和成本。本发明能够改进这些参数中的至少一些，如可由设计者应用。
【附图说明】
[0015]根据具体实施例的下列描述并结合附图，本发明的上述和进一步的目的、特性和优点将会变得更加明显，其中:
[0016]图1A示出了在液态致冷剂和整体线圈温度之间温度差的范围内的相对热通量；
[0017]图1B示出了在液态致冷剂和线圈表面温度之间温度差的范围内的相对热通量；
[0018]图2示出了缠绕到线圈架中的超导线圈的传统构造；
[0019]图3A示出了根据本发明实施例的结构，其中没有提供线圈架，但是提供其它装置来实现本发明；
[0020]图3B示出了根据本发明实施例的结构，其中线圈结构包括在超导线圈的径向外表面上的电阻次级线圈；以及
[0021]图4示出了例如图2所示的传统装置和根据本发明的装置的失超压力随时间的演变图。
【具体实施方式】
[0022]失超压力与失超期间热量从磁性线圈传递到液态致冷剂中的速率有关。从磁性线圈传递到液态致冷剂中的速率又与液态致冷剂和线圈表面之间的相互作用有关。
[0023]当加热时，液态致冷剂与线圈沸腾的表面接触。这种沸腾减少了与液态致冷剂接触的线圈的表面积，并且因此减小了从线圈传递到致冷剂的传热系数。以下将进一步论述的沸腾状态，，以及传热系数，随线圈的冷却表面的温度而改变。
[0024]因此，通过改变沸腾状态，失超压力可由线圈表面温度影响。
[0025]图1A示出了在一定温度范围内与冷却物品接触的液氦的各种沸腾状态。在本例中，它示出了作为线圈整体温度t的函数的壁热通量Φ的变化，温度t表示为整体线圈和液态致冷剂之间的温度差。
[0026]在约4K到约16K之间，发生气泡沸腾。热通量Φ随着液氦和线圈本体之间的温差t增加而增加。从约16K以上，发生混合沸腾，其中产生一些气泡，并且发生一些薄膜沸腾。这导致液态致冷剂和冷却表面之间的不稳定的接触表面积。例如，这是在Ti观察到的，其中温度差是20K。
[0027]随着在该区域温差t上升，薄膜沸腾的比例增加，而且尽管温差t增加，由于与冷却表面接触的液态致冷剂的表面积减小，热通量Φ降低。
[0028]氦的这种沸腾状态是违反直观的，在一定温差范围内，通过提高表面温度，可以减小传递到氦中的热量的速率，因此失超压力也减小。这只是对于特定结构和特定致冷剂的温度-压力组合的某一范围内起作用。在示出的实例中，对于所考虑的示例性结构，该范围约为 Tl = 20K，T2 = 80K。
[0029]图1B类似于图1A，但不同之处在于温度表示为液氦和冷却物品表面温度之间的温差。标记的温差T1、T2、T3具有与参照图1A所论述的相同重要性。
[0030]在传统的磁体设计中，如图2所示，超导线圈20被缠绕在线圈架22中，而且失超期间的线圈温度由失超传播电路限制，失超传播电路通过响应于开始在一