藉助於填充液體或氣體冷卻劑的內部腔冷卻的超導開關的製作方法

2023-06-09 04:32:06 2

專利名稱：藉助於填充液體或氣體冷卻劑的內部腔冷卻的超導開關的製作方法
技術領域：
本發明具體應用於醫療成像系統中、特別是涉及磁共振成像(MRI)等的醫療成像系統中。然而，將意識到，所描述的技術還可以應用於其它成像系統、其它裝置開關場景、其它開關裝置等。
背景技術：
超導開關是期望其在一種工作模式中保持安全超導、同時在另一種(電阻)模式中提供高電阻的裝置。已接受的解決方案之一包括使用與標準金屬(例如，銅、鋁、青銅) 部件相聯接的超導材料，典型地以在標準金屬基(metal matrix)中的線的形式纏繞開關； 這種類型的複合在流經開關的電流受控變化期間在超導狀態中是比較穩定的。另一方面， 在電阻模式中時，標準金屬基載流金屬線易受過熱影響；標準金屬的阻抗隨著溫度而增大， 因此提供了所期望的高總開關阻抗。在一些結構中，可以使用該電阻模式作為安全電路的一部分，以便在猝熄冷卻期間非常快速地從磁體中移除電流，從而防止對磁體或者對附近的人或設備的損害。對開關隔熱的需求是矛盾因素；一方面，對超導繞組的更好冷卻改善了其對抗猝熄的穩定性，特別是在電流斜變(ramp)期間。另一方面，在開關電阻工作模式中需要良好的隔熱以便實現過熱，並且因此實現高電阻抗。本申請提供了用於對超導開關的冷卻條件進行管理的新的改進系統和方法，其克服了上述問題以及其它問題。

發明內容
根據一個方面，在電阻工作模式和超導工作模式之間切換的開關包括包含繞組組件的殼體，該繞組組件包括至少一個繞組、至少一個加熱元件、以及至少一個圍繞其放置繞組的可選線圈架；至少一個包括對至少一個繞組進行冷卻的冷卻劑的內部冷卻腔；外部冷卻劑貯存器；以及至少一個擋板，該至少一個擋板具有一個或多個小孔，其允許在內部冷卻腔和外部冷卻劑貯存器之間的預期的冷卻劑流量。根據另一個方面，一種製造用於磁共振成像(MRI)裝置中的磁體工作的雙模式開關的方法包括圍繞線圈架纏繞至少一根超導線，以便繞其形成至少一個繞組。包括至少一個加熱元件。加熱元件可以是 如本領域中已知的產生熱量的任何元件。在一個實施例中， 繞組組件包括至少一個繞組、至少一個加熱元件以及線圈架。在備選實施例中，丟棄一些或者所有線圈架，並且繞組組件包括至少一個繞組、至少一個加熱元件以及線圈架的任何剩餘部分。該方法還包括將繞組組件放置在大體上是管狀的殼體中。所述殼體可以具有任何幾何形狀的橫截面。該方法還包括把一個或多個擋板固定到殼體和繞組組件的至少一個公共端。在該方法的一個實施例中，把可選連接層固定到殼體和繞組組件的至少一個公共端。 可選連接層能夠密封內部冷卻腔的端部。可選連接層可以替換至少一個擋板。通過繞組和繞組組件的冷卻表面、殼體的可選內表面以及至少一個擋板定義內部冷卻劑腔。該一個或多個擋板包括允許在內部冷卻劑貯存器和外部冷卻劑貯存器之間的預期的冷卻劑流量的一個或多個小孔。根據另一個方面，一種在超導工作模式和電阻工作模式之間對開關進行切換的方法包括將開關中的至少一個加熱元件加熱到足夠將一個繞組的至少部分恢復到電阻狀態、 並且使冷卻腔中的液體冷卻劑蒸發的溫度，其中，冷卻劑的蒸發使過量的冷卻劑通過一個或多個擋板中的一個或多個小孔離開冷卻腔。如本領域中已知的，冷卻劑密度的降低阻止將熱量從繞組移除到外部冷卻劑貯存器，從而維持增加的溫度。冷卻劑增加的溫度維持了溫度增加，並且因此當在電阻模式中時維持了繞組組件中繞組的至少一部分的電阻。該方法還包括減小至少一個加熱元件的功率，以便允許冷卻腔中的冷卻劑從蒸氣狀態液化，並且從外部冷卻劑貯存器重新填充液體冷卻劑以便將繞組冷卻到繞組為超導狀態的溫度，從而返回超導模式。一個優點是提供了在電阻和超導兩種模式中工作的雙模式開關。另一個優點在於超導模式中改進的穩定性。另一個優點是開關電阻在電阻模式中的增加。一旦閱讀並且理解了下列詳細說明，本領域的普通技術人員將意識到本主題創新的更多優點。


本創新可以採用各種部件和組件布置、以及各種步驟和步驟布置的形式。附圖僅僅是為了圖示說明各個方面的目的，而不解釋為限制本發明。圖1圖示說明了具有繞組組件的超導開關的橫截面，該繞組組件由通過將超導線纏繞在可選線圈架周圍得到的繞組組成。冷卻腔位於繞組組件之外。圖2圖示說明了冷卻腔位於繞組組件內部的開關。圖3A-3C圖示說明了具有通道或者孔的擋板的各種實施例，其中，將通道或者孔製成擋板中的孔洞或者擋板周邊的切口。圖3D示出了一備選實施例，其中，通道或者孔是自然出現在由毛氈、硬布、網眼或者本領域中已知的類似材料構成的擋板中的開口。
具體實施例方式圖1圖示說明了超導開關10的橫截面，該超導開關10具有繞組組件和至少一個加熱元件，該繞組組件由將超導線纏繞可選線圈架14得到的繞組12組成。經內部腔16冷卻繞組組件。開關10採用在線軸或者線圈架14上、具有中空內部腔16的繞組12。通過具有一個或多個小孔22的擋板20使中空內部腔與外部冷卻劑(例如，液氦(He))貯存器或者體積18分離。孔的最大尺寸與在超導磁體冷卻系統的正常工作壓力下液體冷卻劑中的氣態冷卻劑的氣泡尺寸是相當的。如果優選冷卻劑是氦，孔的最大尺寸將在Imm數量級上。 在超導狀態中，內部腔填充有液體冷卻劑(例如，氦)，其吸收所產生的任何熱量。為了使開關轉到電阻狀態，激活加熱元件。為了返回超導狀態，至少使加熱元件失活，這允許膛中的氣態冷卻劑凝結，並且允許額外的液體冷卻劑從外部貯存器流入膛內。來自內部腔中的液體冷卻劑整體的冷卻使繞組返回其超導狀態。更具體地說，隨著液體冷卻劑開始冷卻繞組和/或線圈架的冷卻表面對，繞組電阻變得越來越失去電阻性，這允許到超導狀態的躍遷更快進行。在一個實施例中，如所圖示說明的，在一側上通過殼體沈(例如，外部絕緣管)以及在另一側上通過繞組組件的表面M限定內部腔16。在一端通過擋板20並且在另一端通過連接層觀界定內部腔，該連接層觀將線圈架耦合到殼體管，並且密封內部腔的一端。在另一個實施例中，採用擋板20界定內部腔的所有端。在另一個實施例中，由超導線纏繞成開關10的繞組12。通過由小孔22穿通、允許受限冷卻劑流動的擋板20或者多個擋板將內部冷卻腔16與填充有液體冷卻劑的外部體積18分離，其中，由所期望的冷卻劑和開關的工作模式確定小孔的總橫截面積和它們的相對分布。腔16的尺寸使得在MRI所有工作模式、而開關在超導模式中期間在開關中生成的熱量不足以蒸發腔16中的冷卻劑。在一個實施例中，選擇孔的尺寸和數目(橫截面積)的下限，以便允許在超導狀態中在開關內生成的氣泡逃逸同時允許從外部體積中連續重新填充。在另一個實施例中，孔的橫截面積的下限太低，以致在開關的超導工作模式期間產生的氣泡基本上沒有逃逸。然而，與腔16的體積相比較，氣泡的體積不顯著，使得對於大多數繞組表面保持被液體冷卻劑浸潤。在發生這些低水平熱量生成時，包含在腔16內的冷卻劑基本上在液態中。當繞組中的熱量生成停止時，這些氣泡凝結。與腔16的體積相比，蒸發的冷卻劑的氣泡在體積上不顯著，或者被通過擋板中的孔22移除。因此，繞組組件的至少一個表面保持大部分被液體浸潤，這提供了對繞組良好的冷卻。然而，在開關的電阻工作模式中，繞組中的熱量生成足夠高，使得大多數冷卻劑從內部腔16中蒸發，並且使內部腔基本上填充氣態冷卻劑。在一個實施例中，選擇孔的尺寸和數目的上限，以便允許在電阻模式期間生成的氣體逃逸，同時妨礙從外部體積重新填充。 確定孔22的尺寸和分布以允許逃逸氣體基本上填充孔，並且最小化回流到內部腔16內的液體。結果，內部冷卻表面M變成基本上幹的，其妨礙了冷卻，增強了熱絕緣，並且因此進一步增加了繞組的溫度，從而導致繞組的電阻如所期望的增加。在另一個實施例中，當開關中的熱量生成停止時，在開關工作期間出現在內部腔中的氣體凝結。選擇開口的尺寸和數目的上限，使得允許以及時的方式重新填充內部腔。在圖1中，內部腔(體積)16位於繞組組件的外直徑周圍。另外，可選內部腔16』位於超導開關繞組12的內直徑上，在這裡顯示為在可選繞組線圈架14內部。如所示，冷卻劑與繞組直接接觸。在另一個實施例中，冷卻劑不與繞組直接接觸。然而，在該情況下，設計繞組組件，使得將繞組和冷卻劑之間的材料設計為允許熱量以及時的方式轉移。在另一個實施例中，通過將熱量施加到開關造成在繞組中出現正常區帶並且使液體冷卻劑(例如，氦)蒸發，來使開關成為電阻性的。為了使開關返回超導狀態，至少關閉加熱元件，造成繞組冷卻，這允許來自外部體積18的液體冷卻劑替換內部腔16中的冷卻劑氣體。雖然將內部腔16示出為一個腔，並且以繞組組件為中心，但是可以使用多個腔， 並且它們的位置僅受設計繞組和冷卻劑之間的材料以便允許熱量以及時的方式轉移的標準限制。圖2圖示說明了具有位於繞組組件的內直徑上的內部腔16』的開關40，該內部腔16』在可選繞組線圈架14內部示出。設計繞組組件使得將繞組和冷卻劑之間的可選材料設計為允許以及時的方式轉移熱量。如關於圖1所描述的，冷卻劑在內部腔16』和外部貯存器18之間流動。具有小孔22的擋板20的存在使得能夠在繞組中在低熱量生成時對繞組組件冷卻表面42的良好冷卻，並且在高熱量生成時限制冷卻。通過可選的連接層觀或者另外的擋板20將繞組組件耦合到殼體沈(例如，外絕緣管等)。雖然將內部腔16』示出為一個腔，並且以繞組組件為中心，但是可以使用多個腔， 並且它們的位置僅受設計繞組和冷卻劑之間的材料以便允許熱量以及時的方式轉移的標準限制。另外，冷卻腔可以由多個腔組成，該多個腔包括如圖2中所示的至少一個內部腔 16』以及如圖1中所示的至少一個內部腔16的組合。圖3A-3D圖示說明了具有通道或者孔22的擋板20的各種實施例，其中，將通道或者孔22製成擋板中的孔洞或者擋板周邊的切口。只要與內部腔對準的小孔的尺寸和數目 (總橫截面積)落入由在兩種工作模式期間的熱量生成所確定的下限和上限之間，對於孔的像橢圓、矩形、狹縫等的備選形狀就是可接受的。在非常小毛細開口的情況下，通過在熱量生成停止之後氣泡凝結的期望速率確定毛細開口的數目和橫截面積。圖3A圖示說明了一個實施例，其中，將小孔22切割成在擋板20周邊中的槽。圖;3B圖示說明了一個實施例，其中，在接近擋板20的周邊提供小孔22。圖3C圖示說明了一個實施例，其中，在擋板20的中心提供單一小孔22。圖3D圖示說明了一個實施例，其中，小孔22自然出現在由毛氈、硬布、網眼、金屬網、泡沫、或者本領域中已知的任何類似可透氣材料構成的擋板20中。如本領域的技術人員將能夠理解的，將意識到，擋板20以及開關10不限於圓形橫截面，而是可以具有任何合適或者期望的形狀。參考若干實施例對本創新進行了描述。一旦閱讀並且理解了前述詳細描述，就可以進行許多修改和改變。旨在將本創新解釋為包括所有這些修改和改變，只要它們在所附權利要求或者其等同替代的範圍內。
權利要求
1.一種在電阻工作模式和超導工作模式之間進行切換的開關(10、40)，包括殼體(26)，其包含線圈架(14)，圍繞所述線圈架(14)放置繞組(12)；內部冷卻劑腔(16、16』)，其包括在繞組組件處進行冷卻的冷卻劑，所述繞組組件包括所述繞組(12)和所述線圈架(14)；外部冷卻劑貯存器(18)；以及擋板(20)，其具有允許在所述內部冷卻腔(16)和所述外部冷卻劑貯存器(18)之間的冷卻劑流量的一個或多個小孔02)。
2.如權利要求1所述的開關，其中，所述一個或多個小孔02)具有大約0.Imm到大約 Imm的直徑。
3.如權利要求1所述的開關，其中，所述一個或多個小孔02)的尺寸與在超導磁體冷卻系統的正常工作壓力下液體冷卻劑中的氣態冷卻劑的氣泡尺寸是相當的。
4.如權利要求1所述的開關，其中，所述內部冷卻劑腔(16)在所述殼體06)的內表面以及所述繞組(1 和所述線圈架(14)中的至少一個的冷卻表面04)之間形成大體的環形圈，並且在第一端通過將所述殼體06)耦合到所述線圈架的密封層08)並且在第二端通過所述擋板00)界定輪廓。
5.如權利要求1所述的開關，其中，所述內部冷卻劑腔(16)在所述殼體06)的內表面以及所述繞組(12)和所述線圈架(14)中的至少一個的冷卻表面04)之間形成環形圈，並且在兩端通過所述擋板00)界定輪廓。
6.如權利要求1所述的開關，還包括耦合到所述開關(10)的加熱器，其中，將電流施加到所述加熱器以使所述繞組(12)發熱，並且使所述冷卻劑在所述內部冷卻劑腔(16、16』)中蒸發，從而使所述開關(10)離開超導模式並且進入電阻模式。
7.如權利要求1所述的開關，其中，減小提供給所述開關和所述加熱器的電壓和電流中的至少一個，以使所述內部冷卻劑腔(16、16』 )中的所述冷卻劑凝結到液態，同時利用來自所述外部貯存器(18)的所述液體冷卻劑重新填充所述腔，從而使所述開關離開電阻模式並且進入超導模式。
8.如權利要求1所述的開關，其用在在磁成像裝置中，以使所述磁成像裝置中的至少一個磁體充電或者放電。
9.如權利要求1所述的開關，其中，所述擋板或者多個擋板OO)由織物材料形成，並且通過所述織物材料中的織物纖維之間的間隙限定所述小孔02)。
10.一種製造用於操作磁共振成像(MRI)裝置中的磁體的雙模式開關(10、40)的方法， 包括圍繞線圈架(14)在標準金屬基中纏繞超導線，以形成關於所述線圈架的繞組(12)；將所述線圈架(14)和繞組(1 放置在管狀殼體06)中；利用連接層08)將所述線圈架(14)和所述繞組(1 中的至少一個的外部表面的至少一部分固定到所述殼體06)；以及將擋板OO)固定到所述殼體06)和所述線圈架(14)的至少一個公共端；其中，通過所述繞組(1 和線圈架(14)的冷卻表面(M)、所述殼體06)的內表面、所述連接層08)以及所述擋板OO)限定內部冷卻劑腔(16)；其中，所述擋板00)包括一個或多個小孔或者毛細孔(22)，其允許在所述內部冷卻劑貯存器(16)和外部冷卻劑貯存器(18)之間的冷卻劑流量。
11.如權利要求10所述的方法，還包括將擋板00)固定到所述殼體06)和線圈架(14)的兩個公共端； 其中，通過所述繞組(1 和線圈架(14)的冷卻表面(M)、所述殼體06)的內表面以及所述擋板OO)限定所述內部冷卻劑腔(16)。
12.如權利要求10所述的方法，還包括形成所述一個或多個小孔(22)，使其具有在液體冷卻劑中由呈氣態的冷卻劑形成的氣泡的平均直徑大約兩倍的直徑。
13.如權利要求10所述的方法，還包括形成所述一個或多個孔0 ，使其具有大約0. 4mm的直徑。
14.如權利要求10所述的方法，還包括將所述開關(10、40)安裝在超導磁體的杜瓦瓶中。
15.一種在超導工作模式和電阻工作模式之間對開關(10、40)進行切換的方法，包括 將所述開關(10、40)中的繞組(1 加熱到足夠使對所述繞組(1 進行冷卻的液體冷卻劑蒸發的溫度，其中，所述冷卻劑的蒸發使所述繞組(1 中的溫度和電阻率增加；並且減少輸送給所述繞組的和在所述繞組(1 中生成的至少一種的功率，以便允許所述冷卻劑從蒸氣狀態凝結，同時利用來自外部貯存器(18)的液體冷卻劑重新填充內部冷卻劑腔(16)。
16.如權利要求15所述的方法，其中，減少給所述繞組(12)的功率允許液體冷卻劑從所述外部冷卻劑貯存器(18)流經擋板OO)中的孔0 進入所述內部冷卻劑貯存器(16) 中，所述內部冷卻劑貯存器(16)接近所述繞組(1 並且所述內部冷卻劑貯存器(16)的一側由所述繞組(1 定義。
17.如權利要求15所述的方法，其中，所述孔02)具有大約0.Imm到大約1. Omm的直徑。
全文摘要
提供了當對磁共振成像(MRI)裝置中的磁體進行測試或者上電時，在電阻模式和超導模式之間切換繞組(12)的開關(10)。開關(10)包括包含圍繞線圈架(14)的繞組(12)的殼體(26)、以及包含對繞組(12)進行冷卻的冷卻劑的內部冷卻劑腔(16)。擋板(20)將內部冷卻劑腔(16)與外部冷卻劑貯存器(18)分離。擋板具有允許液體冷卻劑流入內部腔(16)中以冷卻繞組的小孔。在高溫度時，內部腔(16)中的冷卻劑蒸發，使繞組進一步增加其溫度和電阻。一旦減少對繞組(12)的加熱，繞組就充分冷卻以便允許液體冷卻劑流入，從而恢復繞組(12)的超導工作模式。
文檔編號H01L39/20GK102265419SQ200980151922
公開日2011年11月30日 申請日期2009年11月23日 優先權日2008年12月22日
發明者A·A·艾哈邁託夫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司