用于有序地停止超導(dǎo)磁體的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于維持結(jié)合承載DC電流的超導(dǎo)磁體（10）的輔助設(shè)備運(yùn)行的方法，該方法包含如下步驟：將DC電流引導(dǎo)流過(guò)DC至AC變換器（40）；使流過(guò)超導(dǎo)磁體的電流的幅值以受控的速率傾斜下降，由此產(chǎn)生在受控阻抗上的受控電壓；通過(guò)受控電壓和相關(guān)的電流來(lái)為輔助設(shè)備供電；以及控制所述傾斜速率以便維持所需的受控電壓。
【專利說(shuō)明】用于有序地停止超導(dǎo)磁體的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及超導(dǎo)磁體，并且尤其涉及用于在制冷機(jī)電源發(fā)生故障的情況下實(shí)現(xiàn)有序地停止磁體的方法和裝置。
[0002]特別地，本發(fā)明涉及這樣的方法和裝置，其實(shí)現(xiàn)將存儲(chǔ)在超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)中的能量用于繼續(xù)制冷機(jī)的運(yùn)行，將超導(dǎo)導(dǎo)線和上述超導(dǎo)磁體冷卻至低于其轉(zhuǎn)變溫度(transistion temperature)持續(xù)足夠長(zhǎng)時(shí)間以便確保受控地停止在磁體中的電流，避免失超(quench)并且在低溫恒溫器之外散失熱量。
【背景技術(shù)】
[0003]通常，將超導(dǎo)磁體封裝在低溫恒溫器中，其使得磁體保持在其轉(zhuǎn)變溫度之下。盡管曾經(jīng)通過(guò)提供液體制冷劑浴來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但是更新的設(shè)計(jì)將磁體置于真空中，通過(guò)與低溫制冷機(jī)連接傳導(dǎo)熱來(lái)冷卻。在這樣的布置中，已經(jīng)成為普遍的是，提供從磁體到可到達(dá)外部的終端的電導(dǎo)線，其至少部分是由高溫超導(dǎo)體(HTS)所形成。在這樣的布置中，制冷機(jī)必須保持連續(xù)運(yùn)行，原因在于，如果制冷停止，那么熱泄露到低溫恒溫器中會(huì)迅速地將磁體的部分和/或?qū)Ь€的HTS部分加熱到高于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此，在電源故障的情況下，(如典型的那樣的)電力供能的制冷機(jī)發(fā)生問(wèn)題。眾所周知的是，即使缺少外加電壓，在超導(dǎo)磁體中電流繼續(xù)流動(dòng)。本發(fā)明尋求一種在磁體中或在導(dǎo)線的HTS部分中開始失超之前降低該電流的有序的方式，該導(dǎo)線的HTS部分在下面稱為HTS導(dǎo)線。
[0005]一種替換的方法是，有意引起這樣的失超，其在磁體材料中擴(kuò)散，使得磁體的任何部分都沒(méi)有升高至足夠高以至于遭受損害的溫度。然而，該方法仍然引起磁體大的溫度上升，導(dǎo)致在再次冷卻磁體時(shí)的顯著的停機(jī)時(shí)間。失超也可以引起在磁體中的線或線圈的一些移動(dòng)，這可能意味著需要執(zhí)行費(fèi)時(shí)的再勻場(chǎng)(re-shimming)過(guò)程。
[0006]本發(fā)明相應(yīng)地提供了就像在權(quán)利要求中所闡述的方法和裝置。
[0007]本發(fā)明的方法和裝置提供了，使用在磁體的磁場(chǎng)內(nèi)所存儲(chǔ)的能量以便用于為制冷機(jī)供能，將磁體和HTS導(dǎo)線足夠長(zhǎng)時(shí)間地保持在低于其轉(zhuǎn)變溫度以便實(shí)現(xiàn)有序地停止在磁體中的電流。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]結(jié)合附圖，從下面對(duì)一些實(shí)施方式的解釋中，本發(fā)明上述的和更進(jìn)一步的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)會(huì)更為明顯，附圖中:
[0009]圖1示出了按照本發(fā)明所修改的低溫技術(shù)冷卻的超導(dǎo)磁體的示意圖；以及
[0010]圖2示意性示出了用于通過(guò)斷開超導(dǎo)開關(guān)來(lái)促使停止磁體所需要的控制。【具體實(shí)施方式】
[0011]按照本發(fā)明，提供這樣的控制方法和裝置，其檢測(cè)低溫制冷機(jī)的電源的故障、將能量從磁體引導(dǎo)至轉(zhuǎn)換器(所述轉(zhuǎn)換器將能量轉(zhuǎn)換成對(duì)于為低溫制冷機(jī)有用的形式)、并且使用所轉(zhuǎn)換的電力為低溫制冷機(jī)供能。以這種方式，制冷機(jī)繼續(xù)運(yùn)行直到所有存儲(chǔ)在磁體中的能量都已經(jīng)充分消散，使得能量消散在為制冷機(jī)自身供能中。因此，在磁體內(nèi)剩余不充足的能量從而不能對(duì)磁體或?qū)Ь€造成任何傷害，或者一旦制冷機(jī)停止工作則不能導(dǎo)致在磁體或?qū)Ь€中的明顯的溫度上升。
[0012]圖1示意性地示出了封裝在具有外部真空室(0VC)12的低溫恒溫器之內(nèi)的超導(dǎo)磁體10。在磁共振成像(MRI)設(shè)備中，磁體和OVC—般都是圓柱形的，盡管從圖1的示意性表述中不明顯。
[0013]導(dǎo)線14電連接至磁體，并且可以從0VC12外面到達(dá)。這可以通過(guò)將導(dǎo)線14穿過(guò)絕緣套管20來(lái)實(shí)現(xiàn),所述絕緣套管將導(dǎo)線14與OVC的材料之間進(jìn)行電絕緣,所述OVC的材料典型地是不銹鋼。典型地將OVC接地16，并且磁體10通常通過(guò)接地連接18被電氣接地到0VC。低溫制冷機(jī)21典型地具有兩個(gè)制冷級(jí)。第一制冷級(jí)22典型地冷卻到在50-80K范圍內(nèi)的溫度。第二制冷級(jí)24典型地冷卻到大約4K的溫度。在完整的系統(tǒng)中，在磁體和OVC之間提供了熱輻射屏蔽，盡管在圖1中沒(méi)有示出。這些屏蔽中的一個(gè)可以熱連接至第一級(jí)22并且冷卻到大約50K，而另一屏蔽可以熱連接到第二級(jí)24并且冷卻到大約4K。在磁體10和第二級(jí)24之間的熱連接26確保將磁體10冷卻到低于其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。通過(guò)壓縮氣體來(lái)運(yùn)行制冷機(jī)21，所述壓縮氣體例如是沿著氣流管線28被傳輸給制冷機(jī)并且從中收回的氦。壓縮機(jī)30通過(guò)電源32來(lái)運(yùn)行，所述電源例如是電力或?qū)Ｓ冒l(fā)電機(jī)。壓縮機(jī)30壓縮氣體并且將其提供給制冷機(jī)21。磁體供電單元34也通過(guò)電源32來(lái)運(yùn)行，所述電源例如是電力或?qū)Ｓ冒l(fā)電機(jī)。磁體供電單元34將所接收的電功率轉(zhuǎn)換成適于應(yīng)用到磁體的形式。例如，可以從電源32處接收415V的三相AC電能并且將其轉(zhuǎn)換成5V的DC電源，具有500A或更大的電流容量。
[0014]接地線33將接地連接18連接到0VC12的主體上。所述接地連接可以以類似于導(dǎo)線14的方式被構(gòu)造。不需要絕緣套管20，盡管接地連接必須以真空密封的方式相對(duì)于OVC進(jìn)行密封并且電連接33至OVC。
[0015]本領(lǐng)域公知的是，當(dāng)磁體10開始運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)30必須將壓縮氣體提供給制冷機(jī)21，所述制冷機(jī)必須冷卻磁體10直到該磁體低于由該磁體制造的線的轉(zhuǎn)變溫度。一旦磁體的溫度在該情況下已經(jīng)穩(wěn)定了，則提供來(lái)自供電單元34的電流。通過(guò)傾斜所供應(yīng)的電流的幅值(例如以IOA/分鐘的速率)來(lái)逐步地并且逐漸地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在該過(guò)程中，在電路的任何阻性部分、例如導(dǎo)線14中生成顯著量的熱量。接地連接18和至少部分導(dǎo)線14可以包含超導(dǎo)線，或者高溫超導(dǎo)(HTS)線，其會(huì)減少所生成的熱量。
[0016]一旦磁體在運(yùn)行狀態(tài)，具有流動(dòng)于其中的所要求的電流，超導(dǎo)開關(guān)36可以被閉合，并且流過(guò)供電單元34的電流可以被逐漸地傾斜下降至零。在磁體中的電流然后會(huì)在閉合超導(dǎo)電路中流過(guò)超導(dǎo)開關(guān)36并且在導(dǎo)體14中沒(méi)有電流。
[0017]在正常運(yùn)行狀態(tài)中，通過(guò)電源32和供電單元34來(lái)供電，壓縮機(jī)30和制冷機(jī)21必須連續(xù)運(yùn)行，以便避免流入到0VC12中的熱量將磁體加熱到高于其轉(zhuǎn)變溫度并且引起失超。如果壓縮機(jī)30和制冷機(jī)21連續(xù)運(yùn)行，磁體可以在該狀態(tài)保持?jǐn)U展的時(shí)間段，生成在諸如磁共振成像(MRI)這樣的應(yīng)用中使用的磁場(chǎng)。
[0018]如果出于任何原因，電源32可能發(fā)生故障，制冷機(jī)21會(huì)停止冷卻磁鐵。流經(jīng)OVC的熱量會(huì)導(dǎo)致磁體和HTS導(dǎo)線的溫度上升。典型地，大約在制冷機(jī)停止工作之后10分鐘，該溫度上升會(huì)達(dá)到失超磁體的點(diǎn)。
[0019]本發(fā)明意圖增加在電源32故障和磁體達(dá)到足夠高的引起失超的溫度之間的時(shí)間，以及傾斜下降在磁體中的電流，以便當(dāng)磁體達(dá)到足夠高的引起失超的溫度時(shí)在磁體中僅留下極小的或零值的電流。
[0020]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)要求，方法是，通過(guò)提供方法和裝置用于將存儲(chǔ)在磁體中的能量轉(zhuǎn)換成用于運(yùn)行制冷機(jī)21的能量。以這種方式，制冷機(jī)繼續(xù)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，并且存儲(chǔ)在磁體中的能量逐步地消散。當(dāng)在磁體中剩余的能量不足以繼續(xù)為制冷機(jī)供電時(shí)，制冷機(jī)將停止運(yùn)行并且磁體將變熱直到發(fā)生失超。然而，在此時(shí)，在磁體中將存在極少的能量，并且失超不會(huì)對(duì)磁體造成任何傷害，并且不會(huì)造成在磁體中的大的溫度上升。
[0021]磁體然后將保持在這種狀態(tài):沒(méi)有流動(dòng)的電流，并且高于超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度，直到電源32恢復(fù)。
[0022]一旦電源32恢復(fù)，壓縮機(jī)30會(huì)再次為制冷機(jī)提供壓縮氣體，所述制冷機(jī)會(huì)開始將磁體冷卻至其運(yùn)行溫度，并且如上描述的運(yùn)行可以再次開始。
[0023]在該發(fā)明中的挑戰(zhàn)是，將存儲(chǔ)在磁體中的能量轉(zhuǎn)換為適合為壓縮機(jī)30供電以便使制冷機(jī)21保持運(yùn)行的形式。存儲(chǔ)在磁體中的能量被存儲(chǔ)在由磁體生成的磁場(chǎng)中。該磁場(chǎng)與線圈的大電感L 一起抵抗在流過(guò)該電感的電流中的任何變化。就像公知的那樣，任何在電流中的變化將伴隨著與電流變化率成比例的電壓V=L.dl/dt。然而，在超導(dǎo)磁體中，在任何匝上的電壓必須為零，所以dl/dt也必須為零。
[0024]在正常運(yùn)行中，電流流經(jīng)磁體10并且流經(jīng)超導(dǎo)開關(guān)36。磁體監(jiān)控系統(tǒng)37用于檢測(cè)來(lái)自電源32的功率損耗并且斷開超導(dǎo)開關(guān)36，所述超導(dǎo)開關(guān)促使磁體停止。如果磁體監(jiān)控控制器37檢測(cè)到電源32的故障，那么控制器斷開超導(dǎo)開關(guān)36，并且在磁體中的電流然后流經(jīng)導(dǎo)體14、0VC12和接地連接18到達(dá)供電單元34。供電單元34然后接收來(lái)自于磁體的DC電流。供電單元34和控制器37包含DC至AC轉(zhuǎn)換器40，從其自身可知，用于將由磁體供應(yīng)的DC電流轉(zhuǎn)換成適合供應(yīng)給壓縮機(jī)30的形式。在其他實(shí)施方式中，根據(jù)由壓縮機(jī)30所要求的電源類型，可以提供不同的轉(zhuǎn)換器。依據(jù)在磁體中的電流的降低速率按照V=L.dl/dt，將會(huì)在供電單元34和電流路徑的阻性部分14、12、18上生成電壓。通過(guò)選擇在磁體中的電流的合適的降低速率，可以獲得合適的并且相對(duì)穩(wěn)定的用于運(yùn)行壓縮機(jī)30的功率。
[0025]存儲(chǔ)在磁體中的能量大小與I2成比例，并且由此，在一分鐘時(shí)間上將磁體中的電流從I1降低至I2的情況下，從磁體中獲取的能量大小與(Ii2-122)成比例，并且，通過(guò)這樣實(shí)施所獲得的平均功率與(1/-1/)/60瓦成比例。為了維持不變的來(lái)自磁體的功率輸出，當(dāng)電流的幅值降低時(shí)，磁體中電流的降低速率必須增加。
[0026]在示例中，壓縮機(jī)30可以要求6kW的電功率以便運(yùn)行制冷機(jī)21。假設(shè)轉(zhuǎn)換效率是75%，這意味著能量必須以SkW的速率從磁體中移除以便為制冷機(jī)供電。當(dāng)檢測(cè)到電源32故障時(shí)，在示例的以500A的電流運(yùn)行的3T磁體中，-1OA/分鐘的傾斜速率一直到磁體中的電流達(dá)到400A，這將持續(xù)10分鐘提供需要的8kW的平均功率。然而，在200A和100A之間的磁體電流將要求-30A/分鐘的傾斜速率，以便繼續(xù)持續(xù)3.33分鐘釋放8kW的功率。當(dāng)然，控制器40將典型地比此更頻繁地調(diào)整傾斜速率，以便使供應(yīng)該壓縮機(jī)30的功率保持相對(duì)不變。
[0027]這樣的示例3T磁體在運(yùn)行中存儲(chǔ)大約12MJ的能量。假設(shè)本發(fā)明的裝置完美地控制傾斜速率以便從磁體中得到不變的8KW，這些12MJ將保持壓縮機(jī)30運(yùn)行12000000/8000=1500秒，或者25分鐘。事實(shí)上，不完美的傾斜速率控制可能減少該時(shí)間。
[0028]在很多MRI磁體上，實(shí)際上也通過(guò)連接在磁導(dǎo)線上的二極管來(lái)限制恒定功率運(yùn)行。這些二極管將限制導(dǎo)線上的電壓并且由此限制磁體的最大傾斜速率。
[0029]相應(yīng)地，在理想化的示例中，盡管發(fā)生電功率中斷高達(dá)25分鐘，制冷機(jī)21仍然保持運(yùn)行。如果在那段時(shí)間內(nèi)電功率恢復(fù)，那么壓縮機(jī)繼續(xù)工作，并且磁電流可能會(huì)向上傾斜回到運(yùn)行電流，而無(wú)需任何中斷用于冷卻磁體。如果電功率的中斷持續(xù)得稍微比25分鐘長(zhǎng)，那么將磁體再次冷卻至運(yùn)行溫度所花的時(shí)間將已經(jīng)被減少了適度的時(shí)間。如果電功率的中斷持續(xù)得遠(yuǎn)超過(guò)25分鐘，那么再次冷卻磁體可能花費(fèi)與在常規(guī)布置中一樣長(zhǎng)的時(shí)間，但是本發(fā)明已經(jīng)提供了磁體的受控停止并且避免了磁體的加熱，所述加熱否則可能由失超引起。
[0030]在本發(fā)明的特別實(shí)施方式中，導(dǎo)體14包含高溫超導(dǎo)體(HTS)部分。這打算主要在持久模式運(yùn)行期間降低在制冷機(jī)上的熱負(fù)載，既然導(dǎo)體14的HTS部分的熱泄露是低的。典型地導(dǎo)體的HTS部分僅僅在制冷機(jī)的第一級(jí)22和第二級(jí)24之間延伸，典型地在制冷機(jī)第一級(jí)之上使用黃銅，并且在第二級(jí)之下使用磁體的超導(dǎo)材料。設(shè)計(jì)HTS部分以便具有比黃銅部分更大的熱阻抗，并且由此將對(duì)流過(guò)導(dǎo)體14的材料的熱流量大小進(jìn)行限制。
[0031]作為電路示意圖，圖2示出了上述控制電路的更多細(xì)節(jié)。磁體線圈10被超導(dǎo)開關(guān)36分流。超導(dǎo)開關(guān)36由磁體監(jiān)控控制器37來(lái)控制。磁體監(jiān)控控制器連接到磁體供電單元34和DC至AC轉(zhuǎn)換器40，以便檢測(cè)電源32的故障。磁體供電單元34被接地16，從電源32接收功率并且生成DC輸出42至磁體10的一側(cè)。磁體10的另一側(cè)被接地16。
[0032]在磁體的任何傾斜下降中，尤其當(dāng)制冷機(jī)是不工作時(shí)，存在這樣的危險(xiǎn):流過(guò)導(dǎo)體的電流將引起HTS部分加熱到高于其轉(zhuǎn)變溫度并且變成阻性的。一旦其變成了阻性，大量的熱量將消散在HTS導(dǎo)線中，所述HTS導(dǎo)線可能會(huì)被熱量損壞。
[0033]磁體的熱慣量將在一段時(shí)間內(nèi)保持在磁體線圈中的超導(dǎo)線低于轉(zhuǎn)變溫度。就像公知的那樣，材料在低溫溫度處具有低的熱容量，并且在示例中在功率損耗和磁體失超之間的時(shí)間段是大約10分鐘。該10分鐘的示例假設(shè)，銅比熱是0.2J/kg/K、銅磁體質(zhì)量是3000kg、容許的磁體線圈溫度上升是0.5K，并且在4K質(zhì)量中的熱輸入是0.5W。當(dāng)超導(dǎo)線超過(guò)了轉(zhuǎn)變溫度，則磁體將失超。
[0034]為了在這段時(shí)間內(nèi)使磁體中的電流完全傾斜下降，將會(huì)需要-50A/分鐘的傾斜速率，其可能是不可接受的，原因在于當(dāng)其快速下降能夠引起失超時(shí)在超導(dǎo)線圈中產(chǎn)生的高的熱負(fù)載。
[0035]通過(guò)磁體的熱慣量，將在某種程度上冷卻HTS導(dǎo)線的最接近磁體的一端。然而，就像上文中描述的那樣，磁體將僅僅為HTS導(dǎo)線提供足夠的冷卻，以便保持其超導(dǎo)直到磁體失超。
[0036]本發(fā)明另一方面允許制冷機(jī)在電源中斷之后的傾斜下降步驟期間繼續(xù)運(yùn)行，以便確保超導(dǎo)磁體和HTS導(dǎo)線足夠長(zhǎng)時(shí)間地保持超導(dǎo)以便使磁體傾斜至零。在上文中討論的示例中，在電源中斷開始之后，存儲(chǔ)在磁體中的能量可能保持冷卻機(jī)運(yùn)彳丁 25分鐘，在那之后，磁體的熱慣量使超導(dǎo)磁體和HTS導(dǎo)線保持超導(dǎo)持續(xù)另一個(gè)10分鐘。超導(dǎo)磁體和HTS導(dǎo)線相應(yīng)地保持在超導(dǎo)狀態(tài)足夠長(zhǎng)的時(shí)間以便允許在電源中斷之后有序地停止磁鐵。
【權(quán)利要求】
1.一種用于維持低溫制冷機(jī)運(yùn)行的方法，所述低溫制冷機(jī)由電源(32)來(lái)供電并且用于對(duì)承載DC電流的超導(dǎo)磁體(10)進(jìn)行冷卻，所述方法包含以下步驟: -檢測(cè)所述電源的故障，并且作為對(duì)檢測(cè)到電源故障的響應(yīng)，執(zhí)行下述步驟以便確保在可能的失超之前有序地停止超導(dǎo)磁體: -將所述DC電流弓I導(dǎo)通過(guò)DC至AC變換器(40); -以受控的傾斜速率使流經(jīng)所述超導(dǎo)磁體的電流的幅值傾斜下降，由此產(chǎn)生來(lái)自DC至AC轉(zhuǎn)換器的受控功率； -通過(guò)受控功率來(lái)為所述低溫制冷機(jī)供電；以及 -控制所述傾斜速率以便維持所要求的受控功率。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，控制所述傾斜速率的步驟包含:當(dāng)在磁體中的電流的幅值降低時(shí)，增加該傾斜速率。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，繼續(xù)為所述低溫制冷機(jī)供電的步驟直到所有存儲(chǔ)在磁體中的能量都已經(jīng)在制冷機(jī)運(yùn)行中充分消散。
4.一種用于維持低溫制冷機(jī)(21)運(yùn)行的裝置，其通過(guò)電源(32)供電并且用于對(duì)承載DC電流的超導(dǎo)磁體(10)進(jìn)行冷卻，所述裝置包括: -DC至AC變換器(40)； -部件，用于檢測(cè)所述電源的故障，并且運(yùn)行所述DC至AC變換器作為對(duì)檢測(cè)到電源故障的響應(yīng)； -受控阻抗；以及 -連接，將所述低溫制冷機(jī)(21)電連接至受控電壓， 其中，所述DC電流被引導(dǎo)通過(guò)所述受控阻抗以便使流過(guò)所述超導(dǎo)磁體的DC電流的幅值以受控的速率傾斜下降，由此產(chǎn)生在受控阻抗上的受控電壓并且由此確保在可能的失超之前有序地停止該超導(dǎo)磁體。
5.按照權(quán)利要求4所述的裝置，其中，當(dāng)磁體中的DC電流的幅值減小時(shí)，布置DC至AC變換器以便增加傾斜速率。
【文檔編號(hào)】H01F6/02GK103518309SQ201280021435
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月10日
【發(fā)明者】H.布拉克斯, A.P.約翰斯通 申請(qǐng)人:英國(guó)西門子公司