Сверхпроводящий переключатель, охлаждаемый посредством внутренней полости, заполненной жидким или газообразным хладагентом
Изобретение относится к сверхпроводящим переключателям. Сущность изобретения: переключатель, осуществляющий переключение обмотки между резистивным и сверхпроводящим режимами работы, содержит корпус, который включает в себя обмотку, навитую вокруг бобины, и внутреннюю полость с хладагентом, охлаждающим обмотку. Перегородка отделяет внутреннюю полость с хладагентом от наружного резервуара с хладагентом. Перегородка имеет малые отверстия, позволяющие потоку жидкого хладагента поступать во внутреннюю полоть для охлаждения обмотки. Размер одного или нескольких малых отверстий сопоставим с размером пузырьков газообразного хладагента в жидком хладагенте при нормальных рабочих уровнях давления в системе охлаждения сверхпроводящего магнита. Изобретение позволяет усовершенствовать управление условиями охлаждения сверхпроводящего переключателя. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение найдет конкретное применение в медицинских системах визуализации, в частности магнитно-резонансной визуализации (MRI) и т.п. Однако следует понимать, что описанная технология может также найти применение в других системах визуализации, других вариантах переключения устройств, других переключающих устройствах и т.п.
Сверхпроводящий переключатель представляет собой устройство, которое должно надежно сохранять сверхпроводимость в одном режиме работы и при этом создавать высокое электрическое сопротивление в другом (резистивном) режиме. Одно из принятых решений предполагает использование сверхпроводящего материала в сочетании с компонентом из нормального металла (например, меди, алюминия, бронзы), обычно в виде проволоки в матрице из нормального металла, для намотки переключателя; такой тип композита имеет сравнительно стабильные характеристики в сверхпроводящем состоянии в процессе управляемого изменения тока, протекающего через переключатель. С другой стороны, токонесущая проволока в матрице из нормального металла подвержена перегреву в резистивном режиме работы; сопротивление нормального металла увеличивается с температурой, обеспечивая, таким образом, требуемое высокое полное сопротивление переключателя. В некоторых конструктивных решениях такой резистивный режим работы может использоваться как часть схемы защиты для очень быстрого устранения тока в магните в процессе быстрого охлаждения, что предотвратит повреждение магнита, нанесение ущерба находящимся поблизости людям или оборудованию.
Требования к термоизоляции переключателя противоречивы. С одной стороны, более качественное охлаждение сверхпроводящей обмотки улучшает ее стабильность при быстром охлаждении, в особенности в процессе быстрого линейного изменения тока. С другой стороны, высокая термоизоляция требуется в резистивном режиме работы переключателя для достижения перегрева, а значит высокого электрического сопротивления.
В настоящем описании предложены новые усовершенствованные системы и способы для управления условиями охлаждения сверхпроводящего переключателя, которые решают вышеперечисленные проблемы и другие задачи.
Согласно одному аспекту переключатель, осуществляющий переключение между резистивным и сверхпроводящим режимами работы, включает в себя корпус, который содержит узел обмотки, содержащий, по меньшей мере, одну обмотку, по меньшей мере, один нагревательный элемент, а также, по меньшей мере, одну добавочную бобину, вокруг которой расположена обмотка; по меньшей мере, одну внутреннюю охлаждающую полость, содержащую хладагент, охлаждающий, по меньшей мере, одну обмотку; наружный резервуар с хладагентом; а также, по меньшей мере, одну перегородку с одним или несколькими малыми отверстиями, позволяющими создать заданный поток хладагента между внутренней охлаждающей полостью и наружным резервуаром с хладагентом.
Согласно другому аспекту способ изготовления двухрежимного переключателя для управления магнитом в устройстве для магнитно-резонансной визуализации (MRI) включает в себя намотку, по меньшей мере, одной сверхпроводящей проволоки вокруг бобины для образования, по меньшей мере, одной обмотки вокруг нее. В состав включен, по меньшей мере, один нагревательный элемент. Нагревательный элемент может представлять собой любой элемент для образования тепла, известный на данном уровне техники. В одном варианте осуществления узел обмотки содержит, по меньшей мере, одну обмотку, по меньшей мере, один нагревательный элемент, а также бобину. В альтернативном варианте осуществления некоторая часть бобины или вся бобина целиком отсутствует, при этом узел обмотки содержит, по меньшей мере, одну обмотку, по меньшей мере, один нагревательный элемент, а также любые оставшиеся участки бобины. Способ дополнительно содержит позиционирование узла обмотки по существу в трубчатом корпусе. Упомянутый корпус может иметь любое геометрическое сечение. Способ дополнительно содержит закрепление одной или нескольких перегородок, по меньшей мере, на одном общем конце корпуса и узла обмотки. В одном варианте осуществления способа добавочный соединительный слой крепится, по меньшей мере, к одному общему концу корпуса и узла обмотки. Добавочный соединительный слой может уплотнять конец внутренней охлаждающей полости. Добавочный соединительный слой может заменить, по меньшей мере, одну перегородку. Внутренняя полость с хладагентом определяется охлаждающей поверхностью обмотки и узлом обмотки, добавочной внутренней поверхностью корпуса и, по меньшей мере, одной перегородкой. Одна или несколько перегородок включают в себя одно или несколько малых отверстий, позволяющих создать заданный поток хладагента между внутренним резервуаром с хладагентом и наружным резервуаром с хладагентом.
Согласно еще одному аспекту способ переключения переключателя между сверхпроводящим и резистивным режимами работы включает в себя нагревание, по меньшей мере, одного нагревательного элемента в переключателе до температуры, достаточной для перевода, по меньшей мере, части одной обмотки в резистивное состояние и приведения к испарению жидкого хладагента в охлаждающей полости, при этом испарение хладагента приводит к тому, что лишний хладагент покидает охлаждающую полость через одно или несколько малых отверстий в одной или нескольких перегородках. Как известно на данном уровне техники, уменьшение плотности хладагента препятствует отводу тепла от обмотки в наружный резервуар с хладагентом, поддерживая тем самым повышенную температуру. Повышенная температура хладагента поддерживает увеличение температуры, а значит удельного сопротивления, по меньшей мере, одного участка обмотки в узле обмотки, пребывающем в резистивном режиме работы. Способ дополнительно включает в себя уменьшение подачи мощности, по меньшей мере, на один нагревательный элемент, чтобы позволить хладагенту в охлаждающей полости сконденсироваться из парообразного состояния и произвести повторное заполнение жидким хладагентом из наружного резервуара с хладагентом с целью охлаждения обмотки до температуры, при которой она обладает сверхпроводимостью, тем самым возвращая к сверхпроводящему режиму работы.
Одно из преимуществ заключается в том, что создан двухрежимный переключатель, работающий как в резистивном, так и в сверхпроводящем режиме.
Другое преимущество заключается в повышенной устойчивости в сверхпроводящем режиме работы.
Следующее преимущество заключается в увеличении сопротивления переключателя в резистивном режиме работы.
Дополнительные преимущества объекта инновации станут понятны средним специалистам в данной области техники после прочтения и уяснения последующего подробного описания.
Изобретение может быть выполнено с использованием различных компонентов и схем расположения компонентов, а также с использованием различных этапов и порядков следования этапов. Чертежи предназначены лишь для иллюстрации различных аспектов и их не следует толковать как ограничивающие изобретение.
На Фиг.1 показано сечение сверхпроводящего переключателя с узлом обмотки, состоящим из обмоток, навитых вокруг добавочной бобины, выполненных из сверхпроводящей проволоки. Охлаждающая полость расположена вне узла обмотки.
На Фиг.2 - переключатель, в котором охлаждающая полость расположена внутри узла обмотки.
На Фиг.3A-3C - различные варианты осуществления перегородок с каналами или отверстиями, выполненными в виде отверстий в перегородках, либо в виде прорезей по периметру перегородок.
На Фиг.3D - альтернативный вариант осуществления, в котором каналы или отверстия представляют собой естественным образом полученные отверстия в перегородке, выполненной из жесткого войлочного сукна, сетки или аналогичного материала, известного на данном уровне техники.
На Фиг.1 показано сечение сверхпроводящего переключателя 10 с узлом обмотки, состоящим из обмоток 12, навитых вокруг добавочной бобины 14 и выполненных из сверхпроводящей проволоки, а также, по меньшей мере, одного нагревательного элемента. Узел обмотки охлаждается посредством внутренней полости 16. В переключателе 10 используется обмотка 12 на барабане или бобине 14 с пустотелой внутренней полостью 16. Пустотелая внутренняя полость отделена от наружного резервуара или емкости 18 с хладагентом (например, жидким гелием (He)) с помощью перегородки 20, имеющей одно или несколько малых отверстий 22. Максимальный размер отверстий сопоставим с размером пузырьков газообразного хладагента в жидком хладагенте при нормальном рабочем давлении в системе охлаждения сверхпроводящего магнита. Если предпочтительным хладагентом является гелий, максимальный размер отверстий составит величину порядка 1 мм. В режиме сверхпроводимости внутренняя полость заполнена жидким хладагентом (например, гелием), который поглощает все генерируемое тепло. Для перевода переключателя в резистивный режим активируется нагревательный элемент. Чтобы вернуться в режим сверхпроводимости, по меньшей мере, деактивируется нагревательный элемент, что позволяет газообразному хладагенту в канале конденсироваться и позволить дополнительному жидкому хладагенту затечь в канал из наружного резервуара. Охлаждение, осуществляемое всем жидким хладагентом во внутренней полости, возвращает обмотку в ее сверхпроводящее состояние. Конкретнее, как только жидкий хладагент начинает охлаждать охлаждающую поверхность 24 обмотки и/или бобины, удельное сопротивление обмотки становится все меньше и меньше, что ускоряет переход к состоянию сверхпроводимости.
В одном варианте осуществления внутренняя полость 16 ограничивается с одной стороны корпусом 26 (например, наружной изолирующей трубкой), а с другой стороны - поверхностью 24 узла обмотки, как показано на чертеже. На одном конце границей внутренней полости служит перегородка 20, а на другом конце - соединительный слой 28, который соединяет бобину с трубкой корпуса и уплотняет один конец внутренней полости. В другом варианте осуществления внутренняя полость со всех сторон ограничивается перегородками 20.
В другом варианте осуществления обмотки 12 переключателя 10 навиты из сверхпроводящей проволоки. Внутренняя охлаждающая полость 16 отделена от наружной емкости 18, заполненной жидким хладагентом, с помощью перегородки 20 или перегородок, прошитых малыми отверстиями 22, что обеспечивает ограниченный ток хладагента, при этом как общая площадь сечения малых отверстий, так и их относительное распределение определяются требуемым хладагентом и требуемыми режимами работы переключателя.
Полость 16 по размеру выполнена так, что образование тепла в переключателе во всех рабочих режимах MRI, когда переключатель пребывает в состоянии сверхпроводимости, недостаточно для испарения хладагента в полости 16. В одном варианте осуществления нижний предел размера и число (площадь сечения) отверстий выбираются так, чтобы позволить пузырькам, образованным в переключателе, когда тот находится в состоянии сверхпроводимости, улетучиться, обеспечивая при этом непрерывное пополнение из наружной емкости. В другом варианте осуществления нижний предел площади сечения отверстий столь мал, что пузырьки, образованные в сверхпроводящих режимах работы переключателя, по существу не улетучиваются. Однако их объем существенен в сравнении с объемом полости 16, так что наибольшая часть поверхности обмотки остается увлажненной жидким хладагентом. На этих низких уровнях генерирования тепла хладагент, содержащийся в полости 16, пребывает по существу в жидком состоянии. Когда генерирование тепла в обмотке прекращается, происходит конденсация пузырьков. Пузырьки испарившегося хладагента либо значительны по объему, в сравнении с объемом полости 16, либо устраняются через отверстия 22 в перегородках. Следовательно, по меньшей мере, одна поверхность узла обмотки остается преимущественно смоченной жидкостью, что обеспечивает качественное охлаждение обмотки.
Однако в резистивном режиме работы переключателя генерирование тепла в обмотке довольно велико, так что наибольшая часть хладагента испаряется из внутренней полости 16 и внутренняя полость по существу заполнена газообразным хладагентом. В одном варианте осуществления верхний предел размера и число отверстий выбираются так, чтобы позволить газу, сгенерированному в резистивном режиме работы, улетучиться, при этом препятствуя пополнению из наружной емкости. Отверстия 22 по размеру и распределению выполнены так, чтобы улетучивающийся газ мог по существу заполнить отверстия и минимизировать обратный ток жидкости во внутреннюю полость 16. В результате внутренняя охлаждающая поверхность 24 становится по существу сухой, что препятствует охлаждению, увеличивает тепловую изоляцию, а значит дополнительно увеличивает температуру обмотки, вызывая тем самым требуемое увеличение сопротивления обмотки. В другом варианте осуществления газ, оказавшийся во внутренней емкости в процессе работы переключателя, конденсируется, когда генерирование тепла в переключателе прекращается. Верхний предел размера и число отверстий выбираются так, чтобы обеспечить пополнение внутренней полости в некотором временном режиме. На Фиг.1 внутренняя полость (емкость) 16 расположена по наружному диаметру узла обмотки. Кроме того, дополнительная внутренняя полость 16' расположена по внутреннему диаметру сверхпроводящих обмоток 12, которые здесь показаны внутри добавочной бобины 14 обмотки. Как можно видеть, хладагент непосредственно контактирует с обмоткой. В другом варианте осуществления хладагент напрямую не соприкасается с обмоткой. Однако в этом случае узел обмотки сконструирован так, что материал между обмоткой и хладагентом выполнен с возможностью обеспечения теплопередачи во временном режиме.
В другом варианте осуществления переключатель приобретает резистивные свойства путем приложения тепла к переключателю с целью появления «нормальной» зоны в обмотке и с целью испарения жидкого хладагента (например, гелия). Чтобы заставить переключатель вернуться в состояние сверхпроводимости, по меньшей мере, отключают нагревательный элемент, вызывая охлаждение обмоток, что позволяет жидкому хладагенту из наружной емкости 18 заместить газ-хладагент во внутренней полости 16.
Хотя внутренняя полость 16 представлена в виде одной полости, отцентрованной вокруг узла обмотки, может использоваться множество полостей, при этом их расположение должно отвечать лишь требованиям того, что материал между обмоткой и хладагентом должен быть выполнен с возможностью обеспечения теплопередачи во временном режиме.
На Фиг.2 показан переключатель 40 с внутренней полостью 16', расположенной по внутреннему диаметру узла обмотки, показанного внутри добавочной бобины 14 обмотки. Узел обмотки сконструирован так, что добавочный материал между обмоткой и хладагентом выполнен с возможностью обеспечения теплопередачи во временном режиме. Хладагент перетекает между внутренней полостью 16' и наружным резервуаром 18, как описано в отношении Фиг.1. Наличие перегородок 20 с малыми отверстиями 22 обеспечивает качественное охлаждение охлаждающей поверхности 42 узла обмотки при низком уровне генерирования тепла и препятствует охлаждению при высоком уровне генерирования тепла в обмотке. Узел обмотки соединен с корпусом 26 (например, наружной изолирующей трубкой и т.п.) с помощью добавочного соединительного слоя 28 либо дополнительной перегородки 20.
Хотя внутренняя полость 16' представлена в виде одной полости, отцентрованной внутри узла обмотки, может использоваться множество полостей, при этом их расположение должно отвечать лишь требованиям того, что материал между обмоткой и хладагентом должен быть выполнен с возможностью обеспечения теплопередачи во временном режиме. Кроме того, охлаждающая полость может состоять из множества полостей, содержащего сочетание, по меньшей мере, одной внутренней полости 16', показанной на Фиг.2, и, по меньшей мере, одной внутренней полости 16, показанной на Фиг.1.
На Фиг.3A-3D показаны различные варианты осуществления перегородок 20 с каналами или отверстиями 22, выполненными либо в виде отверстий в перегородках, либо в виде прорезей по периметру перегородок. Альтернативные формы отверстий, такие как овальные, прямоугольные, в виде пазов и т.п., также приемлемы, если только размер и число (общая площадь сечения) малых отверстий, расположенных соосно с внутренней полостью, лежат в диапазоне между нижним и верхним пределами, определяемыми генерированием тепла в двух режимах работы. В случае очень малых капиллярных отверстий их число и их площадь сечения определяются требуемой скоростью конденсации пузырьков после прекращения генерирования тепла.
На Фиг.3A показан вариант осуществления, в котором малые отверстия 22 выполнены в виде прорезей по периметру перегородки 20.
На Фиг.3В показан вариант осуществления, в котором единственное малое отверстие 22 создано в центре перегородки.
На Фиг.3С показан вариант осуществления, в котором малые отверстия 22 созданы рядом с внешней границей перегородки 20.
На Фиг.3D показан вариант осуществления, в котором малые отверстия 22 естественным образом получены в перегородке 20, выполненной из войлока, жесткого войлочного сукна, сетки, цельнорешетчатого металла, пены или любого сопоставимого газопроницаемого материла, известного в данном уровне техники.
Следует понимать, что перегородка 20, как и переключатель 10, не обязательно должны быть круглого сечения, а могут иметь любую подходящую или желаемую форму, как ясно специалистам в данной области техники.
Изобретение описано со ссылкой на несколько вариантов осуществления. После рассмотрения и осмысления предшествующего подробного описания могут быть предложены модификации и альтернативные решения. Подразумевается, что изобретение включает в себя все подобные модификации и альтернативные решения в той степени, в которой они входят в объем притязаний прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.
1. Переключатель (10, 40), осуществляющий переключение между резистивным и сверхпроводящим режимами работы, включающий в себя:
корпус (26), содержащий бобину (14), вокруг которой располагается обмотка (12);
внутреннюю охлаждающую полость (16, 16′), содержащую хладагент, охлаждающий в узле обмотки, содержащем обмотку (12) и бобину (14);
наружный резервуар (18) с хладагентом; а также
перегородку (20) с одним или несколькими малыми отверстиями (22), позволяющими создать поток хладагента между внутренней охлаждающей полостью (16) и наружным резервуаром (18) с хладагентом;
при этом одно или несколько малых отверстий (22) сопоставимы по размеру с размером пузырьков газообразного хладагента в жидком хладагенте при нормальных рабочих уровнях давления в системе охлаждения сверхпроводящего магнита.
2. Переключатель по п.1, в котором одно или несколько малых отверстий (22) имеют диаметр примерно от 0,1 мм примерно до 1 мм.
3. Переключатель по любому из предшествующих пунктов, в котором внутренняя полость (16) с хладагентом образует по существу круговое кольцо между внутренней поверхностью корпуса (26) и охлаждающей поверхностью (24), по меньшей мере, одной обмотки (12) или бобины (14), при этом ее граница определяется на одном конце уплотненным слоем (28), который соединяет корпус (26) с бобиной (14), а на втором конце - перегородкой (20).
4. Переключатель по п.1, в котором внутренняя полость (16) с хладагентом образует по существу круговое кольцо между внутренней поверхностью корпуса (26) и охлаждающей поверхностью (24), по меньшей мере, одной обмотки (12) или бобины (14), при этом ее граница на обоих концах определяется перегородками (20).
5. Переключатель по п.1, дополнительно содержащий
нагреватель, который соединен с переключателем (10), при этом к нагревателю прикладывается ток с целью вызвать нагрев обмотки (12) и привести к испарению хладагента во внутренней полости (16, 16′) с хладагентом, что приводит к переходу переключателя (10) из сверхпроводящего режима в резистивный режим работы.
6. Переключатель по п.1, в котором, по меньшей мере, напряжение или ток, поданные на переключатель и нагреватель, снижаются, чтобы вызвать конденсацию хладагента во внутренней полости (16, 16′) с хладагентом с переходом в жидкое состояние одновременно с пополнением полости жидким хладагентом из наружного резервуара (18), что приводит к переходу переключателя (10) из резистивного режима в сверхпроводящий режим работы.
7. Переключатель по п.1, применяемый в магнитном устройстве визуализации, чтобы вызвать зарядку или разрядку, по меньшей мере, одного из магнитов.
8. Переключатель по п.1, в котором перегородка или перегородки (20) выполнены из тканого материала, при этом малые отверстия (22) определяются пространством между переплетенными волокнами тканого материала.
9. Способ изготовления двухрежимного переключателя (10, 40) для управления магнитом в устройстве для магнитно-резонансной визуализации (MRI), включающий в себя:
намотку сверхпроводящей проволоки в матрице из нормального металла вокруг бобины (14) для образования вокруг нее обмотки (12);
позиционирование бобины (14) и обмотки (12) в трубчатом корпусе (26);
крепление, по меньшей мере, участка наружной поверхности, по меньшей мере, бобины (14) или обмотки (12) к корпусу (26) с помощью соединительного слоя (28); а также
крепление перегородки (20), по меньшей мере, к одному общему концу корпуса (26) и бобины (14);
при этом внутренняя полость (16) с хладагентом определяется охлаждающей поверхностью (24) обмотки (12) и бобины (14), внутренней поверхностью корпуса (26), соединительным слоем (28) и перегородкой (20);
при этом перегородка (20) включает в себя одно или несколько малых или капиллярных отверстий (22), позволяющих создать поток хладагента между внутренней полостью (16) с хладагентом и наружным резервуаром (18) с хладагентом.
10. Способ по п.9, дополнительно включающий в себя:
крепление перегородок (20) к обоим общим концам корпуса (26) и бобины (14);
при этом внутренняя полость (16) с хладагентом определяется охлаждающей поверхностью (24) обмотки (12) и бобины (14), внутренней поверхностью корпуса (26) и перегородками (20).
11. Способ по любому из пп.9 или 10, дополнительно включающий в себя
образование одного или нескольких малых отверстий (22), диаметр которых примерно вдвое превышает средний диаметр пузырьков, образованных хладагентом, будучи в газообразном состоянии в жидком хладагенте.
12. Способ по п.9 или 10, дополнительно включающий в себя
образование одного или нескольких малых отверстий (22), диаметр которых составляет примерно 0,4 мм.
13. Способ по п.9 или 10, дополнительно включающий в себя
установку переключателя (10, 40) в дьюаре сверхпроводящего магнита.
14. Способ переключения переключателя (10, 40) между сверхпроводящим и резистивным режимами работы, включающий в себя:
нагрев обмотки (12) в переключателе (10, 40) до температуры, достаточной для того, чтобы вызвать испарение жидкого хладагента, охлаждающего обмотку (12), при этом испарение хладагента приводит к повышению температуры и удельного сопротивления обмотки (12); а также
снижение мощности, которая, по меньшей мере, подается на обмотку или генерируется в обмотке (12), чтобы позволить хладагенту конденсироваться из парообразного состояния одновременно с пополнением внутренней полости (16) с хладагентом жидким хладагентом из наружного резервуара (18);
при этом снижение мощности, подаваемой на обмотку (12), позволяет жидкому хладагенту перетекать через отверстия (22) в перегородке (20) из наружного резервуара (18) с хладагентом во внутренний резервуар (16) с хладагентом, который примыкает к одной стороне обмотки (12) и образован на ней;
при этом отверстия (22) сопоставимы по размеру с размером пузырьков газообразного хладагента в жидком хладагенте при нормальных рабочих уровнях давления в переключателе.
15. Способ по п.14, в котором отверстия (22) имеют диаметр примерно от 0,1 мм примерно до 1,0 мм.
