[发明专利]具有热传递不同的区域的超导电磁线圈

说明书

本发明涉及一种超导电磁线圈和一种具有按本发明的超导电磁线圈的磁共振断层成像设备。

在磁共振断层成像设备(MRT)中，为了产生数量级为多个特斯拉(例如3T)的主磁场，通常使用带有超导线圈绕组的电磁线圈，其中，线圈绕组定位于线圈架之中和/或之上。电磁线圈为了进行冷却而布置于通常利用液氦运行的低温恒温器中。

低温恒温器通常至少部分填充有液氦。但这一方面出于成本原因以及另一方面由于长期情况下会耗尽氦的储备而是不利的。

按照冷却超导电磁线圈的另一种方式，液氦在适当的管道中循环。但这种冷却系统很耗费并且因此同样成本昂贵。

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种成本低廉并且节约资源的可能性来冷却MRT设备的超导电磁线圈。

该技术问题通过独立权利要求所述的发明解决。有利的设计方案在从属权利要求中给出。

空间上的用语如下部、之下(下方)、上部、之上(上方)等在以下是参照垂直线(即通过重力预先规定的方向)而言的。

本发明所基于的认知由CFD(计算流体动力学或数字流体动力学)研究得出，其中对在低温恒温器中不同预先规定的氦填充高度或填充水平N下的氦气流体性能进行了研究，该低温恒温器例如使用在MRT设备中。在此认为，只用液氦将低温恒温器填充至填充水平N，在液氦He_liq之上形成气相氦He_gas。在气相氦中附加地形成温度分层。气相氦He_gas的温度高于液态氦He_liq，因此例如对于安装在低温恒温器中的电磁线圈来说，不能排除超导性消除即受到破坏的危险。

这项研究带来这样的认知，即为了充分冷却布置在低温恒温器中的、具有超导线圈绕组和线圈架的超导电磁线圈，低温恒温器实际上不必完全用液氦填充。电磁线圈的温度也可以通过减少的液氦储备，即在较低的氦填充水平N时保持在超导性的临界阈值之下。

CFD研究具体表明，在低温恒温器中的填充水平N较低时，在气相氦中(即在液氦上方)，尽管存在对流循环，但还形成对于电磁线圈的冷却产生影响的、具有不同温度的区域。图1以简化图示出剖切低温恒温器20和电磁线圈10的横截面以及在低温恒温器20中形成的具有不同温度的区域A-D，该电磁线圈10带有线圈绕组11和线圈架12。在此处所示的横截面中，线圈绕组11嵌入线圈架12中：

-在低温恒温器20的区域A中具有液氦He_liq，也就是说在此线圈绕组得到理想的冷却。线圈绕组和线圈架的温度在氦的沸点范围内(4.2-4.3K)。由于重力原因区域A当然位于低温恒温器20的“下部”。

-在低温恒温器20紧邻区域A上方的区域B中，氦呈气态(He_gas)。氦的气态温度T_He低于电磁线圈10的线圈绕组和线圈架的温度T_coil，即T_He(B)＜T_coil(B)，因此在这里也还能进行有效冷却。

-在低温恒温器20直接位于区域B上方的区域C中，氦也呈气态He_gas。氦的气态温度T_He和线圈绕组与线圈架的温度T_coil相等，即T_He(C)＝T_coil(C)。

-在低温恒温器20直接位于区域C上方的区域D中，氦也呈气态He_gas。气体温度T_He大于线圈绕组与线圈架的温度T_coil，即T_He(D)＞T_coil(D)，因为热尤其通过低温恒温器20的壁21进入。这样的结果是，线圈绕组在区域D中直接通过氦气并且间接通过线圈架被加热，因此在该区域中更可能发生超导性中断。

区域A-D沿垂直方向的尺寸取决于低温恒温器中液氦He_liq的填充水平N以及可能取决于从低温恒温器外部进入的热。

从这些认知出发建议，使电磁线圈与周围冷却介质间的热传递分别与不同区域A-D中局部存在的条件相匹配：处于对电磁线圈进行冷却(因为周围冷却介质的温度低于电磁线圈的温度)的区域内的电磁线圈局部区域设计成，使得可在电磁线圈和冷却介质之间进行大量的热传递。在此可在电磁线圈与周围介质之间交换大量的热量，使得可从电磁线圈导出大量热量给氦。在上面的术语中这涉及低温恒温器的区域A和B。