專利名稱：超導磁體的便攜式磁體電源和從超導磁體去除能量的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于超導磁體的便攜式磁體電源，包括用于存儲從超導磁體釋放 的能量的存儲器，其在對從超導磁體釋放的停止運轉的能量(rimdownenergy)的受控的管 理中是有用的。具體地，本發明涉及在便攜式磁體電源內部存儲這樣的能量以用于隨后消 散的裝置。
背景技術：
超導磁體是公知的，并且被應用于磁共振(MRI)系統、粒子加速器、核磁共振 (NMR)光譜學、能量存儲和其它應用中。在使用中，電流在閉合的超導電路中基本上無損耗 地流動。在某些時候需要將電流從超導磁體中去除，例如，以使得能夠維修操作。這樣有目 的的去除電流公知為斜降(ramping down) 0圖1示出了超導磁體的示意性近似等效電路。在低溫外殼10內部提供了超導導線 的至少一個線圈12，具有可到達的電接頭14、16。超導開關18與線圈12并聯。超導開關包 括超導導線的一段，典型地被覆蓋于電阻性的金屬外線(metalouterUSb中。典型地橫跨 該開關連接保護二極管(或二極管的組合)18c。與超導導線18a熱接觸地提供小的發熱器 ISd0當需要時，電流通過發熱器18d，該發熱器充分加熱超導導線以使得其失超(quench)， 變成電阻性。于是，通過開關18的電流必須經過電阻覆蓋層(sheathing)或經過失超的超 導體。通常地，通過將便攜式磁體電源連接到橫跨磁體的接線端上來進行斜降，并且斷 開在磁體內的超導開關以使得磁體電流流過磁體電源。典型地，在磁體電源內部提供了非 常高功率的二極管裝置，其產生在磁體電流路徑內部的電壓降。該電壓降與流過其的磁體 電流結合導致能量作為熱消散。該熱從二極管被傳輸到為此目的在磁體單元內部配備的散 熱器(heat sink)。由于熱在二極管中消散，所以散熱器變熱，并且主要通過對流、但是也通 過輻射和傳導將熱消散到周圍環境。散熱器必須大并且笨重，以便按照由二極管產生熱的 速率來消散熱。該通常的裝置要求大且重的二極管和散熱器布置，以保證當消散存儲在超 導磁體中的能量時不會過熱。在當前典型的例子中，1. 5T超導磁體可以存儲4MJ能量，磁體 電源被設計為在大約30分鐘內消散該能量。這代表了 2. 2kff的平均消散功率，但是尖峰消 散功率要高得多。使用相同的停止運轉負載(rim-download)，3T磁體的能量可以花3倍長 的時間。在某些已知的磁體電源中，二極管被電阻器替代。圖2示意性示出了常規的便攜式磁體電源20的近似等效電路。電源20具有外部 可達的接頭24、26用于連接到磁體10的接頭14、16。功率轉換器22接收三相主功率24并 且將其轉換為低電壓、高電流的DC輸出。與大的散熱器30熱接觸地提供停止運轉負載28。 散熱器30典型地是金屬塊(mental block)，并且通常配備有散熱片(fin) 32和風扇34以 輔助冷卻。模式開關36允許用戶在斜降模式(ramping mode)和停止運轉模式(rim down mode)之間切換，在斜降模式中功率轉換器22被連接橫跨磁體10，在停止運轉模式中負載 28被連接橫跨磁體。
公知的便攜式磁體電源又大又笨重，典型地重約85kg。維修技術人員將這些電源 在世界范圍運輸以提供給包含超導磁體的系統，諸如MRI系統。期望減小這樣的電源的尺 寸和重量。使得磁體電源的尺寸和重量最小是重要的，因為運輸成本代表了維修請求成本 的一大部分。在美國專利申請2002/0020174和日本專利申請JP60189021中描述了使用相變 (phase-change)材料用于溫度穩定的裝置。對這樣的應用的其它討論可以在“Thermal Management Using "Dry "Phase Change Materials，，, Proc. Fifteenth IEEESemiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, March 9—11,1999, San Diego CA PP74-82IEEE No. 99CH36306中找到。本發明不關心溫度穩定，而是關心熱存儲和消散。
發明內容
因此，本發明要解決的技術問題是，提供用于超導體磁體的便攜式磁體電源，該便 攜式包括用于存儲從超導體磁體釋放的能量的存儲器，和用于從超導體磁體去除所存儲的 能量的方法和裝置。
本發明的上述和其它目的、特征和優點從以下結合附圖對某些實施例的僅僅以非 限制性例子方式的描述中變得清楚，其中，圖1示出了超導磁體的近似等效電路；圖2示出了常規的磁體電源的近似等效電路；圖3示出了按照本發明的便攜式磁體電源的近似等效電路；圖4示出了按照本發明的實施例的特征的停止運轉負載的示意圖；并且圖5示出了按照本發明的另一個實施例的特征的停止運轉負載的示意圖。
具體實施例方式在當前的便攜式磁體電源中，磁體電源的最大和最笨重的部分是用于去除和消散 來自磁體的能量的裝置。該裝置(被稱為停止運轉負載)典型地包含大的金屬散熱器，冷 卻扇和電阻和/或半導體電路元件、諸如二極管。從磁體去除能量的速率由負載能夠將熱 消散到周圍環境的速率來確定。期望在盡可能短的時間內從磁體提取能量，因為可能要求幾個斜降(ramps)執行 維修操作諸如補償循環(shim iterations)。通常地，能量能夠被提取的速率直接與停止運 轉負載能夠通過散熱器和風扇將熱消散到周圍的速率成比例，因為通常地磁體電源已經被 設置來按照與在停止運轉負載內部產生熱的速率近似的速率消散熱。水冷卻已經被提供給一些磁體電源，并且已經被發現縮小了停止運轉負載和散熱 器的必要尺寸。然而，管道的必要配置、水溢出的可能性和現實性問題使得該方法是不合需 要的。本發明提供一種用于超導磁體的便攜式磁體電源，特征是改進的停止運轉負載裝 置，其允許以通常的速度或更快地提取能量，但是具有電源組件諸如散熱器和風扇的減小 得多的尺寸和重量。
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本發明還提供一種用于從超導磁體去除能量的相應的方法。具體地，本發明提供了一種用于超導磁體的便攜式磁體電源，特征是停止運轉負 載不是按照近似于通過停止運轉負載產生熱的速率來消散熱，而是存儲產生的熱的大部分 用于隨后的消散。在典型的停止運轉情況中，期望將磁體盡可能快地停止運轉。然后進行 維修操作，并且在作為斜降公知的過程中將電流重新引入到磁體中。可能會再要求停止運 轉，但是在一個斜降操作和下一個之間通常有幾個小時。按照本發明的特征，在斜降期間產生的熱能主要存儲在熱存儲材料中，并且在主 要在斜降過程結束之外延伸的時間段上消散，在該時間通過停止運轉負載的電流終止。圖3示意性示出一種按照本發明的實施例的便攜式磁體電源。與在圖2中示出的 特征相應的特征具有相應的附圖標記。圖3的磁體電源與圖2的不同在于散熱器30由與 停止運轉負載28熱接觸的熱存儲材料40替代。熱存儲材料可以配備有散熱片42和/或 冷卻扇44，但是它們典型地明顯小于在圖2的通常的磁體電源中配備的那些32、34。在本發明的一種實施例中，利用材料的固體到液體的相變的熱特性來存儲停止運 轉的能量，然后在磁體被停止運轉之后慢慢釋放能量。將能量用熱的方法(thermally)存 儲在相變材料的化學鍵(chemical bond)中，而不是試圖與從磁體提取能量一樣快地消散 能量°在一種實施例中，合適數量的熱存儲材料(諸如在合適的溫度進行固體_液體相 變的固體石蠟)與停止運轉負載保持熱接觸正消散能量的電組件；可選地也可以是小的 散熱器；并且，可選地，也可以是小的風扇。圖4示意性示出了停止運轉負載和按照本發明的實施例的熱存儲裝置。停止運轉 負載28與一定數量的相變材料52熱接觸。停止運轉負載28可以被包圍在金屬外殼中以 便輔助將熱傳遞到相變材料。金屬外殼可以被裝上散熱片(befirmed)以便進一步輔助將 熱傳遞到相變材料。相變材料被容納于容器50之內，該容器能夠不考慮方向地容納按照其 液態的相變材料。容器應該是熱傳導的材料并且可以配備有散熱片42以輔助將熱從相變 材料傳遞到周圍環境。可能需要封口 54來允許電導體通過該容器。停止運轉負載28典型 地包括多個二極管。在其它實施例中，停止運轉負載28可以被附著到容納了相變材料的熱傳導的容 器的外側。盡管在停止運轉負載和相變材料之間的熱接觸可能會被減少，但是不需要提供 封口 54或將電導體通過該容器的壁。已經發現相變材料52、諸如固體石蠟的質量和體積需要吸收足夠的熱，以便允 許在與本裝置允許制造明顯更小和更輕的磁體電源的時間類似的時間中磁體的停止運轉。 例如，固體石蠟在其相轉變中可以存儲400J. cm—3。因此，作為典型的能量存儲在1. 5T的超 導磁體中的、前面討論的4MJ的能量，可以被存儲在10升重量小于IOkg的這樣的固體石蠟 的相變能量中。這樣的熱存儲材料的尺寸和重量與為此目的使用的常規的金屬散熱器的尺 寸和重量相比極其有利。該裝置減小了元件的尺寸和重量，而沒有減慢停止運轉時間。由停止運轉負載釋 放的能量主要被存儲在相變材料中，并且被慢慢地消散。可以通過附加相對小的散熱器和 /或相對小的風扇來幫助該消散。固體石蠟被認為是合適的相變材料，因為其具有非常高的熱容量同時便宜、輕并且無毒。可以使用裝入微膠囊的固體石蠟，并且在其液相中可以需要更簡單的保持裝置。存 儲熱能的所述方法當應用于MRI磁體電源時將允許更小和更輕的磁體電源并且可以大大 降低每年的運輸開銷。在替換實施例中，通過停止運轉負載產生的熱可以被存儲在固體熱存儲材料中， 優選地在具有高的熱容量的固體材料中。諸如那些被用于夜間存儲電加熱器(electric night storage heaters)中的陶瓷磚可以是合適的。在這些實施例中，電阻性的電線元件 可以更合適地被用作停止運轉負載，而不是二極管通常地被用作停止運轉負載。圖5示意性地示出了停止運轉負載和按照本發明的第二實施例的熱存儲裝置。在 該實施例中，將多個陶瓷磚56布置在停止運轉負載28周圍，并且與停止運轉負載28熱接 觸。在示例性實施例中，停止運轉負載是電阻性元件，諸如電阻性導線的線圈。替換地，停止 運轉負載可以包括在合適地堅固的外殼中的多個二極管。陶瓷磚可以被保留在、或者以其 它方式限制在容器58之內。可以配備冷卻散熱片以便輔助從磚到周圍環境的熱傳遞。停 止運轉負載可以被置于容器外部，而不是被置于磚之間。盡管這樣的固體熱存儲材料不具有在相變中存儲能量的優點，但是不存在約束液 體熱存儲材料的問題。在這樣的實施例中，將停止運轉負載簡單地處于與固體熱存儲材料 的熱接觸。可以提供適度尺寸的散熱器、和/或冷卻扇以輔助熱消散，但是由停止運轉負載 產生的熱主要被存儲在固體熱存儲材料中。當需要超導磁體的停止運轉時，連接磁體電源通過磁體的接線端，并且磁體電源 被設置為“停止運轉”模式。在磁體中的超導開關斷開，并且磁體電流通過在磁體電源內部 的停止運轉負載。該停止運轉負載可以是多個二極管，這些二極管被附著到包含熱存儲材 料、諸如相變材料或如上所述的固體熱存儲材料的金屬散熱器。替換地，停止運轉負載可以 是電阻性元件、諸如電阻性導線的線圈。由流過停止運轉負載的磁體電流所產生的電壓降確定了能量在負載中被消散的 速率，并且因此確定了磁體被停止運轉的速率，和用來完全停止運轉的時間。該消散的熱能 傳遞進入熱存儲材料，導致其溫度上升。在相變存儲材料的情況下，當材料達到其熔點時，其進行固體到液體的相變，這吸 收相當數量的能量而不引起溫度上升。以這種方式存儲的能量的數量比通常的金屬材料、 諸如常規的散熱器的相等質量的熱質量(thermal mass)大許多倍。在相變完成之后，隨著 由停止運轉負載提供更多熱能，熱存儲材料的溫度又開始上升。在固體熱存儲材料的情況下，隨著其從停止運轉負載吸收熱，熱存儲材料的溫度 上升。貫穿整個停止運轉期間熱存儲材料的溫度上升，盡管在該階段期間一些熱會通過熱 存儲材料被消散到周圍環境中。—旦停止運轉完成，停止運轉負載不再提供熱。熱存儲材料的溫度將變得穩定，并 且存儲在其中的熱將消散到周圍環境。熱存儲材料可以配備有散熱器，典型的是裝有金屬散熱片的散熱器，和/或冷卻 扇。熱消散到周圍環境中的速率根據在熱存儲材料和環境空氣之間的溫度差、熱交換器 (如果有的話)的特征、以及空氣通過熱交換材料或散熱器的速率而改變。熱存儲材料向著室溫冷卻。如果相變使用熱存儲材料，則材料將在其相保持溫度 直到材料恢復到其固態。一旦已經發生恢復到固態，材料將連續冷卻到環境溫度。
該熱存儲過程利用更小和更輕的磁體電源完成快速磁體去激勵 (de-energisation)。可以對磁體執行維修操作，諸如補償(shimming)，并且磁體可以被斜 降變(ramped)回場，同時熱存儲材料慢慢釋放存儲的能量。本發明相應地提供了用于從超導磁體去除存儲的能量的方法和裝置，其中去除的 能量被轉換為熱，該熱被存儲在熱存儲材料中用于逐漸消散，而不是如通常情況下那樣通 過大的散熱器被立即消散。
權利要求
一種用于超導磁體的便攜式磁體電源，包括用于存儲從超導磁體(10)釋放的能量的裝置，所述裝置本身包括用于橫跨超導磁體的電接線端連接的電停止運轉負載(28)；和與所述停止運轉負載熱接觸的熱存儲材料(40)。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述熱存儲材料(52)響應于由停止運轉負載釋 放的能量進行相變。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中，所述熱存儲材料(52)包括固體石蠟。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述熱存儲材料(56)包括一個或多個陶瓷磚。
5.根據上述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述停止運轉負載(28)包括一個或 多個二極管。
6.根據上述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述停止運轉負載(28)包括電阻元件。
7.一種使用根據上述權利要求中任一項所述的便攜式磁體電源來從超導磁體(10)去 除能量的方法，包括以下步驟-將所述便攜式磁體電源的停止運轉負載(28)橫跨超導磁體的電接線端連接； _斷開超導開關(18)以便將在磁體中流動的電流轉移通過所述停止運轉負載； -將由該停止運轉負載響應于流過其的電流所產生的熱存儲在便攜式磁體電源的熱存 儲材料(40)中；并且-在電流已經終止流過所述停止運轉負載之后允許所述熱存儲材料冷卻。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，通過熱存儲材料從固體到液體的相變將所述熱 存儲在所述熱存儲材料中；并且其中，所述熱存儲材料由于冷卻轉換為固態。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述熱存儲材料是固體石蠟。
10.根據權利要求7所述的方法，其中，所述熱存儲材料是多個陶瓷磚。
全文摘要
本發明涉及一種用于超導磁體的便攜式磁體電源，包括用于存儲從超導磁體(10)釋放的能量的裝置，所述裝置本身包括用于橫跨超導磁體的電接線端連接的電停止運轉負載(28)；和與所述停止運轉負載熱接觸的熱存儲材料(40)。本發明還涉及一種用于此的方法。
文檔編號H02J1/00GK101950959SQ20101022798
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月8日 優先權日2009年7月9日
發明者休·A·布萊克斯 申請人:英國西門子公司