專利名稱：具有熱傳遞不同的區(qū)域的超導電磁線圈的制作方法
具有熱傳遞不同的區(qū)域的超導電磁線圈本發(fā)明涉及一種超導電磁線圈和一種具有按本發(fā)明的超導電磁線圈的磁共振斷層成像設備。在磁共振斷層成像設備(MRT)中，為了產生數量級為多個特斯拉(例如3T)的主磁場，通常使用帶有超導線圈繞組的電磁線圈，其中，線圈繞組定位于線圈架之中和/或之上。電磁線圈為了進行冷卻而布置于通常利用液氦運行的低溫恒溫器中。低溫恒溫器通常至少部分填充有液氦。但這一方面出于成本原因以及另一方面由于長期情況下會耗盡氦的儲備而是不利的。按照冷卻超導電磁線圈的另一種方式，液氦在適當的管道中循環(huán)。但這種冷卻系統(tǒng)很耗費并且因此同樣成本昂貴。因此，本發(fā)明所要解決的技術問題在于，提供一種成本低廉并且節(jié)約資源的可能性來冷卻MRT設備的超導電磁線圈。該技術問題通過獨立權利要求所述的發(fā)明解決。有利的設計方案在從屬權利要求中給出。空間上的用語如下部、之下(下方)、上部、之上(上方)等在以下是參照垂直線 (即通過重力預先規(guī)定的方向)而言的。本發(fā)明所基于的認知由CFD(計算流體動力學或數字流體動力學)研究得出，其中對在低溫恒溫器中不同預先規(guī)定的氦填充高度或填充水平N下的氦氣流體性能進行了研究，該低溫恒溫器例如使用在MRT設備中。在此認為，只用液氦將低溫恒溫器填充至填充水平N，在液氦徹㈣之上形成氣相氦Hegas。在氣相氦中附加地形成溫度分層。氣相氦Hegas的溫度高于液態(tài)氦Helitl，因此例如對于安裝在低溫恒溫器中的電磁線圈來說，不能排除超導性消除即受到破壞的危險。這項研究帶來這樣的認知，即為了充分冷卻布置在低溫恒溫器中的、具有超導線圈繞組和線圈架的超導電磁線圈，低溫恒溫器實際上不必完全用液氦填充。電磁線圈的溫度也可以通過減少的液氦儲備，即在較低的氦填充水平N時保持在超導性的臨界閾值之下。CFD研究具體表明，在低溫恒溫器中的填充水平N較低時，在氣相氦中(即在液氦上方)，盡管存在對流循環(huán)，但還形成對于電磁線圈的冷卻產生影響的、具有不同溫度的區(qū)域。圖1以簡化圖示出剖切低溫恒溫器20和電磁線圈10的橫截面以及在低溫恒溫器20 中形成的具有不同溫度的區(qū)域A-D，該電磁線圈10帶有線圈繞組11和線圈架12。在此處所示的橫截面中，線圈繞組11嵌入線圈架12中-在低溫恒溫器20的區(qū)域A中具有液氦Helitl,也就是說在此線圈繞組得到理想的冷卻。線圈繞組和線圈架的溫度在氦的沸點范圍內G.2-4.3K)。由于重力原因區(qū)域A當然位于低溫恒溫器20的“下部”。-在低溫恒溫器20緊鄰區(qū)域A上方的區(qū)域B中，氦呈氣態(tài)(Hegas)。氦的氣態(tài)溫度 Tlfe低于電磁線圈10的線圈繞組和線圈架的溫度Trail,即Tlfe(B) < TraiJB)，因此在這里也還能進行有效冷卻。
-在低溫恒溫器20直接位于區(qū)域B上方的區(qū)域C中，氦也呈氣態(tài)Hegas。氦的氣態(tài)溫度Tlte和線圈繞組與線圈架的溫度Trail相等，即Tae(C) = Tc0il(C)o-在低溫恒溫器20直接位于區(qū)域C上方的區(qū)域D中，氦也呈氣態(tài)Hegas。氣體溫度 THe大于線圈繞組與線圈架的溫度Trail,即ΤΗε⑶> Trail⑶，因為熱尤其通過低溫恒溫器20 的壁21進入。這樣的結果是，線圈繞組在區(qū)域D中直接通過氦氣并且間接通過線圈架被加熱，因此在該區(qū)域中更可能發(fā)生超導性中斷。區(qū)域A-D沿垂直方向的尺寸取決于低溫恒溫器中液氦Helitl的填充水平N以及可能取決于從低溫恒溫器外部進入的熱。從這些認知出發(fā)建議，使電磁線圈與周圍冷卻介質間的熱傳遞分別與不同區(qū)域 A-D中局部存在的條件相匹配處于對電磁線圈進行冷卻(因為周圍冷卻介質的溫度低于電磁線圈的溫度)的區(qū)域內的電磁線圈局部區(qū)域設計成，使得可在電磁線圈和冷卻介質之間進行大量的熱傳遞。在此可在電磁線圈與周圍介質之間交換大量的熱量，使得可從電磁線圈導出大量熱量給氦。在上面的術語中這涉及低溫恒溫器的區(qū)域A和B。附加地或可選地，處于周圍介質溫度高于電磁線圈溫度的區(qū)域內的電磁線圈局部區(qū)域設計成，使得電磁線圈與周圍介質之間的熱量傳遞變得困難，從而理想地不將熱量從冷卻介質傳遞給電磁線圈。因此，電磁線圈在該區(qū)域中不被或者僅最少地被周圍介質加熱。 在上面的術語中這尤其涉及區(qū)域D。因此，按本發(fā)明建議了一種帶有至少一個第一和第二局部區(qū)域的超導電磁線圈， 其中，這些局部區(qū)域在空間上彼此分開，并且與冷卻介質熱接觸。在此，第一局部區(qū)域與冷卻介質之間的熱傳遞大于第二局部區(qū)域與冷卻介質之間的熱傳遞。這以有利的方式由此實現(xiàn)，S卩，將電磁線圈局部區(qū)域內的熱傳遞系數設計得不同。 第一局部區(qū)域中的熱傳遞系數大于第二局部區(qū)域中的熱傳遞系數。通過電磁線圈與周圍冷卻介質這樣相互匹配的性能使得在第一局部區(qū)域內能夠交換比在第二局部區(qū)域內更多的熱量。在有利的設計方案中，電磁線圈的局部區(qū)域具有不同的導熱系數，其中，第一局部區(qū)域的導熱系數大于第二局部區(qū)域的導熱系數。這樣優(yōu)化的電磁線圈性能使得電磁線圈的第一局部區(qū)域適合于將大量熱量排放給冷卻介質，而第二局部區(qū)域設計用于只從周圍冷卻介質吸收較少的熱量。電磁線圈有利地在第一局部區(qū)域內具有用于擴大電磁線圈表面的表面結構，尤其是凹槽、肋條和/或紋理。由此在第一局部區(qū)域與冷卻介質之間的分界面處實現(xiàn)了增大的熱傳遞。電磁線圈有利地在第二局部區(qū)域內具有使該電磁線圈與冷卻介質熱絕緣的絕熱層。由此減少了第二局部區(qū)域與冷卻介質之間的熱傳遞。電磁線圈為了進行熱絕緣在第二局部區(qū)域內配有涂層，尤其是人造樹脂涂層，或者被絕熱的材料包繞。由此減少了第二局部區(qū)域與冷卻介質之間的熱傳遞。在一種特殊的設計方案中，電磁線圈除了真正導電的線圈繞組外還具有線圈架。 線圈架在電磁線圈的第一局部區(qū)域中的熱傳遞系數大于該線圈架在電磁線圈的第二局部區(qū)域中的熱傳遞系數。在另一種設計方案中，線圈架在電磁線圈的第一局部區(qū)域中的導熱系數大于該線
4圈架在電磁線圈的第二局部區(qū)域中的導熱系數。電磁線圈有利地具有絕緣層，尤其是電絕緣層，其中，絕緣層在電磁線圈的第一局部區(qū)域中所具有的導熱系數高于該絕緣層在電磁線圈的第二局部區(qū)域中所具有的導熱系數。按本發(fā)明的磁共振斷層成像設備具有按本發(fā)明的超導電磁線圈和低溫恒溫器，在低溫恒溫器中具有冷卻介質。電磁線圈在此布置在低溫恒溫器內。低溫恒溫器內的冷卻介質有利地處于至少兩種聚集狀態(tài)中，尤其是處于氣態(tài)和液態(tài)中。在一種有利的設計方案中，電磁線圈這樣布置在低溫恒溫器中，使得該電磁線圈的第一局部區(qū)域至少部分被液態(tài)冷卻介質包圍，并且該電磁線圈的第二局部區(qū)域至少部分被氣態(tài)冷卻介質包圍。本發(fā)明的優(yōu)點、特征和細節(jié)由以下參照


的實施例得出。在附圖中圖1是剖切低溫恒溫器和位于其中的電磁線圈的橫截面，并且示出了形成的溫度區(qū)域；圖2是低溫恒溫器和電磁線圈的3維立體視圖；圖3是剖切低溫恒溫器和位于其中的電磁線圈的橫截面，并且示出了形成的溫度區(qū)域和電磁線圈的兩個局部區(qū)域；圖4是剖切低溫恒溫器和位于其中的電磁線圈的橫截面，并且示出了形成的溫度區(qū)域和在兩個不同時間點時電磁線圈的三個局部區(qū)域。附圖中相同或相應的區(qū)域、構件、組件或方法步驟用相同的附圖標記表示。管道中的流動方向用箭頭表示。圖2示例性示出了待冷卻的超導電磁線圈10的簡化直觀圖以及低溫恒溫器20。 在圖2中電磁線圈10和低溫恒溫器20彼此分開地示出。在組裝的狀態(tài)下(例如用于MRT 設備)，電磁線圈10裝入低溫恒溫器20中。在附圖中為了簡化只示出了一個電磁線圈10， 但實際上它通常包括一個由多個單獨的電磁線圈組成的系統(tǒng)。電磁線圈10具有帶圓柱形橫截面的厚壁空心圓柱體的形狀，并且通常(但在此未詳細示出)由線圈架和超導的線圈繞組構成，該線圈繞組自身由多匝超導導體構成。線圈繞組可以部分嵌入線圈架中并且另一部分從外側或內側安裝在線圈架上。此外，電磁線圈 10可由電絕緣層13包圍(圖3中示出)，以便防止可能的短路和電壓擊穿到相鄰線圈以及接地的構件。電絕緣層13可由不同的塑料和注塑樹脂構成，例如帶有氧化鋁粉末或玻璃球的環(huán)氧樹脂(例如“stycast”)。低溫恒溫器20原則上由兩個相互貼靠的、共軸設置且直徑不同的空心圓柱體21、 22構成。圓柱體21、22圓周表面之間的空間在圓柱體端側被封閉，從而可以在該空間內盛放冷卻介質，例如氦。外圓柱體21的直徑通常約為an，而內圓柱體22的直徑約為lm。圓柱體的長度約為2m。為了用MRT設備對病人進行檢查，該病人在內圓柱體22內部平躺于未示出的病人床上。為了確保電磁線圈10或線圈繞組的超導性，需要將它們冷卻到相應的溫度。為此，電磁線圈10在低溫恒溫器20內位于圓柱體21、22圓周表面之間的所述空間內。如上所述，在該處還具有為冷卻電磁線圈10并且尤其冷卻超導線圈繞組所需的冷卻劑(氦)。電磁線圈10與氦熱接觸，從而確保在電磁線圈10和氦之間進行熱傳遞。但所述空間沒有完全被液氦Helitl填充，而是僅部分地，由于重力在低溫恒溫器下部聚集在液氦池中。視填充量而定，液氦池的表面位于填充水平N。在填充水平N之下形成本文開頭稱為“區(qū)域A”的區(qū)域，在該區(qū)域中存在液氦Heli(1。緊鄰填充水平N之上與液氦Helitl相接的是氣相氦Hegas，其中形成區(qū)域B，在該區(qū)域B中氣體溫度THe低于電磁線圈溫度Trail。再緊鄰區(qū)域B上方，即在區(qū)域C中，氣體溫度Tlte等于電磁線圈溫度Trail,而在位于其上的區(qū)域D 中氣體溫度Tlfe高于電磁線圈溫度Τ。。η。由此形成的對電磁線圈10的冷卻的影響已在本文開頭進行了總結電磁線圈10的局部區(qū)域100能夠被冷卻，當電磁線圈10裝入低溫恒溫器 20中時，該局部區(qū)域100(參見圖2和圖3)有利地位于低溫恒溫器20的區(qū)域A以及可能也至少部分位于區(qū)域B中，而對于電磁線圈10位于區(qū)域D中的局部區(qū)域200來說，存在其被加熱的缺點。電磁線圈10按本發(fā)明設計成，使得該電磁線圈具有至少兩個導熱系數或熱傳遞系數不同的局部區(qū)域100、200。線圈繞組11和/或線圈架12也相應地劃分為兩個局部區(qū)域。導熱系數是材料參數并且單位是W/m/K。與導熱系數不同，熱傳遞系數是表征兩種固體之間或一種固體與一種流體之間的熱流的一個數，其單位是W/m2/K。換言之，熱傳遞系數表示在兩種介質之間的臨界面上交換的熱量或熱能的程度，即在給定的溫度差下從一種介質到另一種介質的熱傳遞的程度。在此，較大的熱傳遞系數表示在溫度差較小時就已經能將較多的熱量從一種介質傳遞給另一種介質。因此意思相同的是，當具有較大的熱傳遞系數時，物體如電磁線圈可在冷卻介質比物體更冷的前提下被冷卻介質有效地冷卻。熱傳遞系數一方面與材料有關。例如絕熱材料具有較小的熱傳遞系數。具體地說，熱傳遞系數取決于介質之間的溫度差和散熱介質以及放熱介質的比熱容、密度和導熱系數。此外熱傳遞當然還與介質之間的分界面或表面的大小有關。在電磁線圈10的第一局部區(qū)域100中存在較大的熱傳遞系數，當電磁線圈10裝入低溫恒溫器20中時，該第一局部區(qū)域100例如位于低溫恒溫器20的區(qū)域A、B中。較大的熱傳遞系數確保了冷卻介質30與電磁線圈10之間強烈的熱傳遞，因此可從電磁線圈10 導出較多的熱量給冷卻介質30，或在待導出的熱量給定的情況下，電磁線圈的溫度只略高于冷卻介質的溫度。在電磁線圈10裝入低溫恒溫器20的狀態(tài)下，電磁線圈10的第二局部區(qū)域200位于區(qū)域D中。在局部區(qū)域200中存在較小的熱傳遞系數，因此在電磁線圈10與冷卻介質30 之間僅能進行最小程度的熱交換。較小的熱傳遞系數使得電磁線圈10的溫度在局部區(qū)域 200內基本上保持恒定，因為在這個位置上電磁線圈10與冷卻介質30之間的熱傳遞是最小化的。線圈在區(qū)域D中吸收的熱量需要重新在區(qū)域A和B中被導出。也就是說區(qū)域D中較小的熱傳遞系數再次有利于使得線圈并沒有變得比區(qū)域A和B內的冷卻介質熱很多。通過適當選擇用于電磁線圈10尤其是線圈架12的材料，可以根據需求影響熱傳遞系數。此外，可以通過擴大介質之間(即電磁線圈10與冷卻介質30之間)的分界面來增大熱傳遞系數。為了能夠提高局部區(qū)域100內的熱傳遞，可以例如相比具有光滑表面的電磁線圈擴大電磁線圈10與冷卻介質30之間的分界面。為此，在電磁線圈10的表面內加入表面結構110，例如凹槽、肋條或其它紋理。附加地或可選地，為電磁線圈10的電絕緣層13選擇一種具有較高導熱性或較大導熱系數的材料，例如導熱能力明顯超過值0. 2ff/m/K的絕緣材料。此外，局部區(qū)域100內的線圈架12也可由一種具有較高導熱能力的材料制造。線圈架 12通常由鋁合金構成。但同樣合適的還有例如玻璃纖維強化的塑料(GFK)。為了使局部區(qū)域200內的熱傳遞最小化，在最簡單的情況下為局部區(qū)域200配備具有較小熱傳遞系數和導熱系數的絕熱層210。例如在將電磁線圈10裝入低溫恒溫器20 之前，該電磁線圈10的局部區(qū)域200可浸入人工樹脂池(Resine)中，使得局部區(qū)域200由一層絕緣的附加人工樹脂涂層210覆蓋?？蛇x地，絕緣涂層210例如也可以噴射或涂敷在局部區(qū)域200上。此外可以考慮，用一種絕緣材料210，例如聚四氟乙烯(Teflon)膠帶或薄膜或者Kapton (聚酰亞胺)膠帶或薄膜包裝或卷繞。用人工樹脂浸漬過的繞組也是合適的。同樣可以考慮的是，用一種具有較小導熱系數的材料制造局部區(qū)域200內的線圈架12，而局部區(qū)域100內的線圈架由一種具有較大導熱系數的材料構成。尤其對于填充高度N隨著時間逐漸下降的開放式系統(tǒng)來說，在確定并且設計電磁線圈10的局部區(qū)域100和200的尺寸時需要注意的是，液氦30的填充水平N在最初注入低溫恒溫器20之后在正常運行中隨時間逐漸下降。區(qū)域B和C也隨著填充水平N相對于電磁線圈10向下降，而區(qū)域D向下擴展。這會致使起初例如屬于區(qū)域B的區(qū)域在一段時間后屬于區(qū)域C。相應地，電磁線圈在該處起初還被冷卻(在區(qū)域B中Tlfe < Trail)，但之后當區(qū)域C下降到一定程度后不再被冷卻。在極端情況下，填充水平N以及區(qū)域B、C下降到使得區(qū)域D擴展到起初還對電磁線圈10進行冷卻的區(qū)域內。在另一種實施形式中，電磁線圈10可以具有另一個局部區(qū)域300，其設置在局部區(qū)域100和200之間。局部區(qū)域300內的熱傳遞系數值處于局部區(qū)域100和200的熱傳遞系數之間。理想地，局部區(qū)域100、200、300根據低溫恒溫器20中液氦的初始填充水平N設計尺寸。在此認為事先就已知通常將低溫恒溫器20填充到什么樣的填充水平。因為對于低溫恒溫器的正常運行來說已知填充水平N和區(qū)域A、B、C、D的位置和尺寸如何隨時間變化以及在什么樣的最低填充水平N時再補充液氦，所以鑒于這種變化可以優(yōu)化電磁線圈10的局部區(qū)域100、200、300的尺寸設計。例如可以如圖4所示進行尺寸設計。圖4A示出在剛剛將低溫恒溫器填充至填充水平N后的時間點t0時區(qū)域A、B、C、D的位置和尺寸。圖4B示出在之后的時間點tl時的區(qū)域A、B、C、D，在該時間點tl時通常再次用液氦填充低溫恒溫器20。電磁線圈10的局部區(qū)域100、200、300可以例如這樣設計尺寸，使得區(qū)域300在時間點tl時最大程度地被區(qū)域 C覆蓋。由此確保較熱的區(qū)域D不會進入到電磁線圈10的可在電磁線圈10與冷卻介質30 之間進行較大熱傳遞的局部區(qū)域100中。所建議的尺寸設計當然只是眾多可能性中的一種。同樣可以考慮用于設計局部區(qū)域100、200、300的尺寸的其它模型，但原則上需要注意， 區(qū)域A、B、C、D的位置和尺寸隨時間變化。更近一步的匹配可以這樣實現(xiàn)，即電磁線圈10配備有四個或更多局部區(qū)域。
權利要求
1.一種超導電磁線圈(10)，具有至少一個第一局部區(qū)域(100)和至少一個第二局部區(qū)域000)，其中，所述局部區(qū)域(100、200)在空間上彼此分開，并且與冷卻介質(30)熱接觸， 其特征在于，所述第一局部區(qū)域(100)與所述冷卻介質(30)之間的熱傳遞大于所述第二局部區(qū)域O00)與所述冷卻介質(30)之間的熱傳遞。
2.按權利要求1所述的超導電磁線圈(10)，其特征在于，所述電磁線圈(10)的局部區(qū)域(100、200)中的熱傳遞系數不同，其中，所述第一局部區(qū)域(100)中的熱傳遞系數大于所述第二局部區(qū)域O00)中的熱傳遞系數。
3.按權利要求1或2所述的超導電磁線圈(10)，其特征在于，所述電磁線圈(10)的局部區(qū)域(100、200)具有不同的導熱系數，其中，所述第一局部區(qū)域(100)的導熱系數大于所述第二局部區(qū)域O00)的導熱系數。
4.按權利要求1至3之一所述的超導電磁線圈(10)，其特征在于，所述電磁線圈(10) 在所述第一局部區(qū)域(100)內具有用于擴大所述電磁線圈(10)表面的表面結構(110)，尤其是凹槽、肋條和/或紋理。
5.按前述權利要求之一所述的超導電磁線圈(10)，其特征在于，所述電磁線圈(10)在所述第二局部區(qū)域O00)內具有使該電磁線圈(10)與所述冷卻介質(30)熱絕緣的絕熱層 (210)。
6.按前述權利要求之一所述的超導電磁線圈(10)，其特征在于，所述電磁線圈(10)為了進行熱絕緣在所述第二局部區(qū)域O00)內-配有涂層010)，尤其是人造樹脂涂層，或者-被絕熱的材料O10)包繞。
7.按前述權利要求之一所述的超導電磁線圈(10)，其特征在于，所述電磁線圈(10)具有線圈架(12)，其中，所述線圈架(12)在所述電磁線圈(10)的第一局部區(qū)域(100)中的熱傳遞系數大于該線圈架(12)在所述電磁線圈(10)的第二局部區(qū)域(200)中的熱傳遞系數。
8.按前述權利要求之一所述的超導電磁線圈(10)，其特征在于，所述電磁線圈(10)具有線圈架(12)，其中，所述線圈架(12)在所述電磁線圈(10)的第一局部區(qū)域(100)中的導熱系數大于該線圈架(12)在所述電磁線圈(10)的第二局部區(qū)域Q00)中的導熱系數。
9.按前述權利要求之一所述的超導電磁線圈(10)，其特征在于，所述電磁線圈(10)具有絕緣層(13)，尤其是電絕緣層，其中，所述絕緣層(1 在所述電磁線圈(10)的第一局部區(qū)域(100)中所具有的導熱系數高于該絕緣層(13)在所述電磁線圈(10)的第二局部區(qū)域 (200)中所具有的導熱系數。
10.一種磁共振斷層成像設備(MRT)，具有低溫恒溫器(20)，在所述低溫恒溫器00)中具有冷卻介質(30)，該磁共振斷層成像設備還具有按前述權利要求之一所述的超導電磁線圈(10)，其中，所述電磁線圈(10)布置在所述低溫恒溫器00)內。
11.按權利要求10所述的磁共振斷層成像設備(MRT)，其特征在于，所述低溫恒溫器內的冷卻介質處于至少兩種聚集狀態(tài)中，尤其是處于氣態(tài)和液態(tài)中。
12.按權利要求11所述的磁共振斷層成像設備(MRT)，其特征在于，所述電磁線圈(10) 這樣布置在所述低溫恒溫器中，使得該電磁線圈(10)的第一局部區(qū)域(100)至少部分被液態(tài)冷卻介質包圍，并且該電磁線圈(10)的第二局部區(qū)域(200)至少部分被氣態(tài)冷卻介質包圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超導電磁線圈。該電磁線圈為了進行冷卻而位于低溫恒溫器中，該低溫恒溫器只用液氦填充到一定填充水平。在液氦池上方形成具有溫度分層的氣相氦，該溫度分層中的部分溫度會導致超導性被破壞。因此，電磁線圈被劃分為至少兩個局部區(qū)域內，線圈與周圍冷卻介質之間的熱傳遞在這些區(qū)域中不同。在此，在線圈的第一局部區(qū)域中熱傳遞較大，該第一局部區(qū)域的冷卻介質溫度低到足以進行冷卻，而電磁線圈在第二局部區(qū)域中具有絕熱層，在該第二局部區(qū)域中冷卻介質的溫度高于臨界值。因此，在第二局部區(qū)域中在線圈與周圍冷卻介質之間不進行熱交換，而在第一局部區(qū)域中對線圈進行冷卻。
文檔編號H01F6/02GK102388318SQ201080015620
公開日2012年3月21日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權日2009年4月9日
發(fā)明者E.阿斯特拉, M.P.烏門, N.休伯 申請人:西門子公司