专利名称：用于在第一模式和第二模式之间交替切换持续电流开关的系统和方法
技术领域：
本公开大体上涉及超导系统，并且更具体地涉及用于在磁共振成像(MRI)系统中使持续电流开关在电阻模式和超导模式之间交替切换的系统和方法。
背景技术：
超导磁体用于在MRI系统中产生磁场。在一些方法中，来自电源的电流不断地施加到超导磁体来产生磁场。然而，这样的强磁场的产生需要几百安培范围的恒定电流供应。到超导磁体的该恒定电流供应使MRI系统的运行成本增加。此外，在某些其他技术中，超导磁体被激励以采用持续电流模式操作，其中电流持续地在超导回路中流动而没有来自电源的任何电流供应。特别地，持续电流开关并联耦合于超导磁体和电源。此外，该持续电流开关交替地从正常态切换到超导态以采用持续电流模式操作超导磁体。这些技术广泛地在例如MRI系统等磁性装置中使用。然而，尽管采用正常态操作，但由持续电流开关产生大量的热量。最佳地耗散来自持续电流开关的热量以将开关从正常态转变到超导态而在MRI系统中没有高的冷却剂汽化，这是期望的。在常规的系统中，超导磁体容置在包含大约2000升液氦(He)的氦容器中。此外，持续电流开关装配在超导磁体周围，其中持续电流开关浸在该氦容器中。因为该设置采用具有数千升液He的大容器，所以该设置不仅制造昂贵，而且对于运输和安装在期望位置(例如，诊断中心)是笨重的。另外，在完成行程直到客户后重新注满几千升液He对于到远程位置的输送可能是不便利的。此外，这些系统中的液He有时可以在淬火事件期间汽化。汽化的氦从冷却剂池逃逸,磁性线圈浸入该冷却剂池中。从而,每个淬火事件之后是液He的重新注满和磁体的重新斜升斜降(re-ramp)，这是昂贵且耗时的事件。另外，在常规的磁性装置中，需要复杂的外部排放系统以在磁体和/或开关淬火之后通过排放管栈(pipe stack)而排放例如汽化氦的气体。然而，难以安装这些排放管。而且，在一些情形下，氦的排放可能具有环境或监管关注。从而，常规的MRI磁体设计和它们的冷却设置可能需要特定安装要求、在某些区域中不能安装这些系统、和高的维护成本。
发明内容
简短地根据本技术的一个方面，呈现用于在第一模式和第二模式之间交替切换的持续电流开关。该持续电流开关包括真空室。该持续电流开关还包括冷却单元，其设置在该真空室内并且配置成使冷却剂在冷却单元的第一层和第二层之间循环。此外，该持续电流开关包括绕组单元，其设置在冷却单元的该第一层和该第二层中的至少一个上并且配置成当与绕组单元关联的温度在阈值温度以下时使持续电流开关从第一模式切换到第二模式。另外，该持续电流开关包括加热单元，其热耦合于绕组单元并且配置成使绕组单元的温度提高到阈值温度以上来将持续电流开关从第二模式转变到第一模式。
根据本技术的另外的方面，呈现用于在第一模式和第二模式之间交替切换持续电流开关的方法。该方法包括至少将冷却单元和绕组单元设置在真空室内。该方法进一步包括通过使绕组单元的温度降到阈值温度以下而使持续电流开关从第一模式切换到第二模式，其中通过使冷却剂在冷却单元的第一层和第二层之间循环而将温度降到阈值温度以下。该方法还包括通过使绕组单元的温度提高到阈值温度以上而使持续电流开关从第二模式转变到第一模式。根据本技术的另一个方面，呈现切换系统。该切换系统包括持续电流开关，其设置在低磁场区域中并且配置成在第一模式和第二模式之间交替切换。该持续电流开关包括真空室和冷却单元，该冷却单元设置在该真空室内并且配置成将冷却剂至少存储在冷却单元的第一层和第二层之间。该持续电流开关还包括绕组单元，其设置在冷却单元的该第一层和该第二层中的至少一个上并且配置成当与绕组单元关联的温度在阈值温度以下时使持续电流开关从第一模式切换到第二模式。另外，该持续电流开关包括加热单元，其热耦合于绕组单元并且配置成使绕组单元的温度提高到阈值温度以上来将持续电流开关从第二模式转变到第一模式。此外，该切换系统包括超导磁体，其耦合于持续电流开关，其中该超导磁体配置成基于持续电流开关在第一模式和第二模式之间的切换而产生磁场。
当下列详细描述参照附图(其中所有图中相似的符号代表相似的部件)阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中:
图1是根据本技术的方面的持续电流开关的截面侧视 图2是根据本技术的其他方面的持续电流开关的截面侧视 图3是根据本技术的又一个方面的持续电流开关的截面侧视 图4是根据本技术的方面的持续电流开关的截面侧视 图5是图示根据本技术的方面的用于在第一模式和第二模式之间交替切换持续电流开关的方法的流程图；以及
图6是包括图1的持续电流开关的MRI磁体系统的侧面示意图。
具体实施例方式如将在下文详细描述的，呈现用于在第一模式和第二模式之间交替切换的示范性持续电流开关和方法的多种实施例。通过采用在下文描述的方法和持续电流开关的多种实施例，磁性装置的大小、制造成本、安装成本、和运行磁性装置(例如MRI系统)的成本可极大减少。现在转向图，并且参考图1，描绘根据本技术的方面的持续电流开关100的截面侧视图。该持续电流开关100可配置成在第一模式和第二模式之间交替切换。该第一模式可代表持续电流开关100提供高的电阻的正常态。相似地，该第二模式可代表持续电流开关100提供零电阻的超导态。可注意术语“正常态”和“第一模式”可互换地使用并且术语“超导态”和“第二模式”可互换地使用。典型地采用持续电流开关100以采用持续电流模式操作超导磁体。在目前预想的配置中，持续电流开关100包括真空室102、冷却单元104、绕组单元106、加热单元108、和贮存器110。该真空室102可设置为例如MRI系统(在图6中示出)的磁性装置中的单元。可注意持续电流开关100的实现不限于MRI系统，并且可在例如超导电机、超导磁体能量存储等的其他装置中实现。在一个实施例中，真空室/环境可已经在MRI系统中存在并且磁体和持续电流开关可在现有的真空环境中实现。例如，持续电流开关可共享图6的MRI系统的真空。此外，冷却单元104设置在真空室102内并且配置成使持续电流开关100冷却。更具体地，冷却单元104配置成使冷却剂107在冷却单元104的第一层112和第二层114之间循环。冷却剂107可包括液氦LHe、液氢(LH2)、液氖(LNe)、液氮(LN2)或其组合。在一个实施例中，持续电流开关100可以是低温超导体、中温超导体、或高温超导体。而且，可基于用于持续电流开关100的超导体的类型选择冷却剂。例如，具有低温超导体的持续电流开关可采用液氦(LHe)作为冷却剂。相似地，对于中温超导体，LHe、液氖(LNe)、或液氢(LH2)可用作冷却剂。此外，对于高温超导体，LNe或液氮(LN2)可用作系统中的冷却剂。此外，在示范性实施例中，冷却单元104配置成使绕组单元106的温度降到阈值温度以下。如在图1中描绘的，冷却单元104可通过将一个金属管插入另一个金属管中而形成。例如，第一金属管112可形成冷却单元104的第一层112，而第二金属可形成冷却单元104的第二层114。第二层114可以是例如黄铜、铝、和/或铜的厚层。在一个实施例中，第一金属管112可配置成环绕和/或包围第二金属管114使得在第一金属管112和第二金属管114之间形成中空空间144。该中空空间114用于将冷却剂107存储在冷却单元104中或使冷却剂107在冷却单元104中循环。可注意术语“外层”和“第一层”可互换地使用。相似地，术语“内层”和“第二层”可在下面的描述中可互换地使用。此外，冷却单元104的第一层112和第二层114之间的中空空间144中的冷却剂107用于使绕组单元106的温度降低。根据另一个实施例，冷却单元104可以是圆柱形金属杆。该圆柱形金属杆可以是例如黄铜、铝、和/或铜杆。此外，该圆柱形金属杆可包括由金属部分环绕的第一腔，其进一步由第二腔环绕。该第一腔用填充物材料填充来使热量跨金属部分分散，并且该第二腔用冷却剂填充来从金属部分吸收热量。此外，该圆柱形金属杆可包括实现与周围冷却剂的提高的热交换的类似鳍(fin)的结构。另外，可在冷却单元104的一端提供入口 116并且在冷却单元104的另一端提供出口 118。然而，在某些实施例中，可在冷却单元104的相同端提供入口 116和出口 118。此夕卜，入口 116操作地耦合于贮存器110的出口 120。可注意术语“贮存器”和“冷却剂贮存器”可互换地使用。入口 116配置成从贮存器110接收冷却剂。在一个示例中，可采用使冷却单元104的入口 116和贮存器110的出口 120操作地耦合的第一通道122来将冷却剂从贮存器110运送到冷却单元104。另外，孔口或阀124沿第一通道122设置来调节冷却剂从贮存器110到冷却单元104的流量。在一个实施例中，冷却单元104的入口 116配置成在将加热单元108断电或关闭并且冷却单元104中的冷却剂107中的至少一部分被蒸发时从贮存器110接收冷却剂。贮存器110还可称作存储单元，用于存储和/或冷凝冷却剂。在某些实施例中，贮存器110可包括释放阀142。该释放阀142可配置成帮助控制贮存器110内积聚的任何压力。该释放阀142可配置成自动和/或手动释放贮存器110内积聚的任何压力。
采用相似的方式，冷却单元104的出口 118操作地耦合于贮存器110的入口 126并且配置成将蒸发的冷却剂从冷却单元104运送到贮存器110。特别地，冷却单元104的出口 118配置成当将加热单元108通电或打开时将蒸发的冷却剂从冷却单元104运送到贮存器110。在图1的示范性实施例中，使冷却单元104的出口 118与贮存器110的入口 126操作地耦合的第二通道128可配置成将蒸发的冷却剂从冷却单元104运送到贮存器110。在一个实施例中，蒸发的冷却剂由贮存器110再冷凝。此外，再冷凝的冷却剂可再循环到冷却单元104。在某些其他实施例中，第二通道128耦合于贮存器110是可选的并且可不在持续电流开关100中使用。如之前指出的，在常规的池冷却MRI系统中，持续电流开关典型地浸在包含液He的冷却剂容器中。当使开关冷却时，液He被蒸发并且从MRI系统排放到外部环境。此外，为了补偿该排放的液He，用新的液He再填充冷却剂容器，这是昂贵且耗时的事件。另外，该设置需要几百升液He来再填充冷却剂容器。当前可用的持续电流开关的这些缺点中的一些或全部可经由使用与示例持续电流开关100 —致的实施例而避免。根据本技术的方面，来自冷却单元104的蒸发的冷却剂被运送到贮存器110，其中蒸发的冷却剂被再冷凝并且运送回到冷却单元104。蒸发的冷却剂的该再冷凝或再循环使对冷却剂再填充的需要大致上最小化或在一些情形下消除对冷却剂再填充的需要，这进而使贮存器110的尺寸和重量减小。而且，由于在冷却单元104中再冷凝和再次使用冷却剂，因此可以避免在MRI系统中使用数百升的冷却剂。这进而降低MRI系统的重量和制造成本。另外，根据本技术的另外的方面，加热单元108配置成使绕组单元106的温度提高到阈值温度以上。阈值温度可表示为绕组单元106的临界设计温度，持续电流开关100在高于该临界设计温度时从超导态转变到正常态。而且，在一个实施例中，加热单元108可设置在冷却单元104的第一层112上。在一个示例中，加热单元108可直接缠绕在第一层112的外周边的一部分上。在一个实施例中，加热单元108可包括第一加热段130和第二加热段132，其在冷却单元104上隔开确定距离。例如，第一加热段130可在冷却单元104的第一端处缠绕在第一层112的外周边上，而第二加热段132可在冷却单元104的第二端处缠绕在第一层112的外周边上，如在图1中描绘的。如在本文上面指出的，加热单元108配置成加热绕组单元106使得绕组单元106的温度提高到阈值温度或临界温度以上。更具体地，加热单元108配置成使绕组单元106的温度提高到超出阈值温度来将持续电流开关100从超导态转变到正常态。在目前预想的配置中，绕组单元106配置成在正常态和超导态之间交替切换持续电流开关100。在一个实施例中，绕组单元106可设置在加热单元108上。在示范性实施例中，绕组单元106可以是缠绕在加热单元108的外周边上的类似线的结构，如在图1中描绘的。在一个实施例中，绕组单元106可双股缠绕在加热单元108上以最小化绕组单元106的电感。此外，在一个示例中，绕组单元106包括第一绕组段134和第二绕组段136。在一个示例中，该第一绕组段134可缠绕在第一加热段130上，而该第二绕组段136可缠绕在第二加热段132上。另外，在一个实施例中，采用第一绕组段134和第一加热段130的组合以在正常态和超导态之间交替切换持续电流开关100。此外，第二绕组段136和第二加热段132的组合可用作后备单元，用于在正常态和超导态之间交替切换持续电流开关100。更具体地，第二绕组段136和第二加热段132只在第一绕组段134和第一加热段130的组合未能切换持续电流开关100时使用。在一个实施例中，绕组段134、136两者连同它们对应的加热段130、132可同时用于操作持续电流开关100。另外，在图1中图示的实施例中，冷却单元104可包括一个或多个填充物材料138，其设置在冷却单元104的第二层114的内周边内。在某些实施例中，填充物材料138填充在第二金属管或冷却单元104的第二层114内部。例如，填充物材料138可包括低热容量(cp)材料，用于减小持续电流开关100中的热滞。在一个实施例中，填充物材料138用于填充死角或使冷却单元104中的死角减少。此外，在某些实施例中，持续电流开关100可包括一个或多个超导接头146，其用于使持续电流开关100电耦合于MRI系统的超导磁体。这些超导接头146靠近持续电流开关100设置使得超导接头146连同持续电流开关100被冷却。可注意持续电流开关100初始假设为采用正常态操作。正常态代表绕组单元106对超导磁体(在图6中示出)提供高的电阻的状态。而且，为了采用正常态操作持续电流开关100，绕组单元106的温度维持在阈值温度以上。此外，为了使持续电流开关100从正常态切换到超导态，将加热单元108断电或关闭并且用从贮存器Iio接收的冷却剂107填充冷却单元104。冷却剂107在冷却单元104中循环以使绕组单元106的温度维持在和/或降到阈值温度或临界温度以下。如果绕组单元106的温度在阈值温度以下，持续电流开关100从正常态切换到超导态。如之前指出的，超导态可代表绕组单元106对超导磁体提供零电阻的状态。绕组单元106的该零电阻有助于形成持续回路，其中电流在持续电流开关100和超导磁体之间循环，而没有来自电源(未在图1中示出)的任何另外的电流供应。在一个实施例中，当持续电流开关100采用超导态操作时，可注意持续电流开关100上的外部热负荷是相对小的。外部热负荷的源可包括热辐射。该小的热负荷可以在持续电流开关100周围使用MLI扩展的多层绝缘而进一步减小。在另一个实施例中，持续电流开关100可以是具有其自身的贮存器110的独立实体并且可在真空空间102中放置在超导磁体周围的任何地方。典型地，如果绕组单元106的温度在阈值温度以下，持续电流开关100采用超导态操作。否则，持续电流开关100采用正常态操作。为了使持续电流开关100从超导态切换到正常态，冷却单元104的入口 116处的孔口或阀124被关闭。特别地，孔口 124设置成阻挡或阻碍冷却剂从贮存器110流入到冷却单元104，并且也防止冷却剂从冷却单元104的入口 116回流到贮存器110。另外，将加热单元108通电或打开来加热绕组单元106。通过加热绕组单元106，绕组单元106的温度被提高或增加到阈值温度以上。绕组单元106的该增加的温度使持续电流开关100从超导态转变到正常态。持续电流开关100到正常态的该转变使例如磁性线圈(参见图6)的磁性装置切换到正常态。另外，因为加热单元108设置在冷却单元104上，由加热单元108产生的热量的一部分被冷却单元104中的冷却剂107吸收。该吸收的热量进一步使冷却单元104中的冷却齐U 107蒸发。蒸发的冷却剂然后经由冷却单元104的出口 118运送到冷却单元104外、经由第二通道128到贮存器110。在一个实施例中，可采用例如冷却剂107等制冷剂的密度差来驱动蒸发的冷却剂到冷却单元104外、经由第二通道128到贮存器110。此外，蒸发的冷却剂被再冷凝并且存储在贮存器110中。在持续电流开关100从正常态切换到超导态期间，该再冷凝的冷却剂循环回到冷却单元104。
从而，通过采用图1的持续电流开关100，冷却单元104中的冷却剂107当在具有真空环境中的低制冷剂体积的MRI系统中使用时被高效利用。另外，因为持续电流开关100具有其自身的低温环境或冷却设置，持续电流开关100可用作独立实体。更具体地，持续电流开关100可靠近超导磁体放置或可在低磁场区域中方便地设置在离超导磁体一定距离处。而且，示范性持续电流开关100允许在正常态和超导态之间交替切换时相对快的响应时间。例如，图1的持续电流开关100具有开关100的相对小的预热时间和冷却时间。而且，持续电流开关100配置成在第一时间期间内从超导态切换到正常态。该第一时间期间可以在大约I分钟至大约15分钟的范围，其取决于PCS设计约束和磁体设计。相似地，持续电流开关100配置成在第二时间期间内从正常态切换到超导态。该第二时间期间可以在大约15分钟至大约I分钟的范围。在一个实施例中，持续电流开关100可设置在超导磁体上的水平位置、垂直位置、或倾斜位置。参考图2，描绘根据本技术的另一个实施例的持续电流开关200的截面视图。图2的实施例与图1的实施例相似，除了图1的实施例中的绕组单元106和加热单元108设置在冷却单元104外部而图2的实施例中的绕组单元206和加热单元208设置冷却单元204内之外。在图2中描绘的实施例中，绕组单元206和加热单元208浸在存储在冷却单元204中的冷却剂中。在目前预想的配置中，持续电流开关200包括真空室202、冷却单元204、绕组单元206、加热单元208、和贮存器210。冷却单元204配置成使绕组单元206的温度降到阈值温度以下。冷却单元204包括入口 216和出口 218。该入口 216配置成经由第一通道222从贮存器210接收冷却剂，并且该出口 218配置成经由第二通道228将蒸发的冷却剂从冷却单元204运送到贮存器210。在某些其他实施例中，该第二通道228可未连接到贮存器110。另外，孔口或阀224设置在第一通道222上来调节冷却剂从贮存器210到冷却单元204的流量。贮存器还可包括释放阀238，其用于释放贮存器210内积聚的任何压力。在一个实施例中，冷却单元204可包括一个或多个填充物材料240，其设置在冷却单元204的第二层214的内周边内。此外，根据本技术的方面，绕组单元206配置成在正常态和超导态之间交替切换持续电流开关200。绕组单元206缠绕在冷却单元204的第二层214上使得绕组单元206浸在冷却剂207中。在一个实施例中，绕组单元206可缠绕在冷却单元204的第二层214的外周边的一部分上。而且，绕组单元206可包括第一绕组段234和第二绕组段236，其在冷却单元204的第二层214上隔开确定距离。例如，第一绕组段234在冷却单元204的第一端处缠绕在第二层214的外周边上，而第二加热段236在冷却单元204的第二端处缠绕在第二层214的外周边上，如在图2中描绘的。此外，在目前预想的配置中，加热单元208设置在绕组单元206上。加热单元208配置成加热绕组单元206使得绕组单元206的温度被提高或增加到阈值温度以上。在图2的实施例中，加热单元208包括第一加热段230和第二加热段232。该第一加热段230缠绕在第一绕组段234上，而该第二加热段232缠绕在第二绕组段236上。如之前参考图1描述的，可采用第一绕组段234和第一加热段230的组合来在正常态和超导态之间交替切换持续电流开关200。而且，第二绕组段236和第二加热段232的组合可用作后备单元，用于在正常态和超导态之间交替切换持续电流开关200。更具体地，第二绕组段236和第二加热段232只在第一绕组段234和第一加热段230的组合未能切换持续电流开关200时使用。现在转向图3，描绘根据本技术的又一个实施例的持续电流开关300的截面侧视图。图3的实施例与图1的实施例相似，除了图1的实施例中的冷却单元104用填充物材料138填充而图3的实施例中的冷却单元304未用任何填充物材料填充之外。冷却单元304由两个插入彼此的金属管形成。第二金属管314插入第一金属管312,其具有在该第一金属管312和该第二金属管314之间的中空空间316。该中空空间316用于使冷却剂307在冷却单元304中循环。另外，冷却单元304包括在第二金属管314的内周边内的第二中空空间318。可注意该第二中空空间318没有任何填充物材料。在一个实施例中，冷却单元304可以是中空圆柱形金属杆，例如，铜杆。持续电流开关300的该实施例可具有最快接通和切断时间。特别地，持续电流开关300可具有在超导态和正常态之间很小的切换时间。此外，持续电流开关300还包括绕组单元306、加热单元308、和具有释放阀320的贮存器310，其采用与图1的持续电流开关100的冷却单元104、绕组单元106、加热单元108、和贮存器110大致上相似的方式设置和操作。图4是根据本技术的更多一个的实施例的持续电流开关400的截面侧视图。该持续电流开关400包括真空室402、冷却单元404、绕组单元406、加热单元408、和贮存器410。在图4的示范性实施例中，至少冷却单元404、绕组单元406、和加热单元408设置在真空室402 内。在目前预想的配置中，冷却单元404配置成使绕组单元406的温度降到阈值温度以下。冷却单元404可用单个金属管形成，如在图4中描绘的。这样形成的管可称为开关管。例如，在中间具有中空空间414的单个圆柱形层412可视为冷却单元404。该中空空间414用于将冷却剂407存储在冷却单元404内的冷却剂407或使冷却剂407在冷却单元404内循环。此外，入口 416可在冷却单元404的第一端409处形成并且出口 418可在冷却单元404的第二端411处形成。此外，冷却单元404的第一端409可用第一金属帽413封闭，该第一金属帽413具有入口 416，用于经由第一通道422从贮存器410接收冷却剂。相似地，冷却单元404的第二端411可用第二金属帽415封闭，该第二金属帽415具有出口418，用于经由第二通道428将蒸发的冷却剂从冷却单元404运送到贮存器410。另外，孔口或阀424设置在第一通道422上来调节冷却剂从贮存器410到冷却单元404的流量。贮存器410可具有释放阀420，用于控制在贮存器410内积聚的任何压力。此外，如之前指出的，释放阀420可配置成自动和/或手动释放在贮存器410内积聚的任何压力。根据本技术的方面，冷却单元404中的冷却剂407吸收由绕组单元406产生的热量。继由冷却剂407吸收热量之后，绕组单元406被冷却并且绕组单元406的温度下降到阈值温度以下。温度的该下降有助于使持续电流开关400从正常态切换到超导态。根据一个实施例，加热单元408配置成使绕组单元406的温度提高到阈值温度以上。加热单元408设置在冷却单元404的层412上。特别地，冷却单元404的外周边上的层412的一部分被蚀刻或去除，如在图4中描绘的。此外，加热单元408缠绕在冷却单元404上来覆盖或填充冷却单元404的蚀刻部分。在图4的实施例中，加热单元408可包括第一加热段430和第二加热段432，其在冷却单元404上隔开确定距离。例如，第一加热段430在冷却单元404的第二端411处缠绕在层412的第一蚀刻部分上，而第二加热段432在冷却单元404的第一端409处缠绕在第一层412的第二蚀刻部分上，如在图4中描绘的。此夕卜，采用加热单元408来加热绕组单元406使得绕组单元406的温度被提高或增加到超出阈值温度。更具体地，绕组单元406的温度被提高到阈值温度以上来使持续电流开关400从超导态转变到正常态。而且，如之前指出的，绕组单元406配置成在正常态和超导态之间交替切换持续电流开关400。在目前预想的配置中，绕组单元406可设置在加热单元408上。绕组单元406可以是缠绕在加热单元408的外周边上的类似线的结构，如在图4中描绘的。此外，在一个示例中，绕组单元406包括第一绕组段434和第二绕组段436。该第一绕组段434缠绕在第一加热段430上，而该第二绕组段436缠绕在第二加热段432上。在一个实施例中，采用第一绕组段434和第一加热段430的组合以在正常态和超导态之间交替切换持续电流开关400。另外，第二绕组段436和第二加热段432的组合可用作后备单元，用于在正常态和超导态之间交替切换持续电流开关400。可注意第二绕组段436和第二加热段432只在第一绕组段434和第一加热段430的组合未能切换持续电流开关400时使用。持续电流开关400典型地假设为采用正常态操作。正常态大体上代表绕组单元406对超导磁体(在图6中示出)提供高电阻的状态。而且，为了采用正常态操作持续电流开关400，绕组单元406的温度维持在阈值温度以上。此外，为了使持续电流开关400从正常态切换到超导态，将加热单元408断电或关闭并且用从贮存器410接收的冷却剂407填充冷却单元404。冷却剂407在冷却单元404中循环来使绕组单元406的温度维持在或降到阈值温度或临界温度以下。如果绕组单元406的温度在阈值温度以下，持续电流开关400从正常态切换到超导态。超导态代表绕组单元406对超导磁体提供零电阻的状态。绕组单元406的该零电阻有助于形成持续回路，其中电流在持续电流开关400和超导磁体之间循环，而没有来自电源(未在图4中示出)的任何电流供应。可注意在图1-4中示出的持续电流开关的多种实施例可具有不同的设计参数，例如孔口或阀的大小、使用的热质量或填充物材料、以及绕组单元在冷却单元周围的设置，来引入冷却单元的多种热阻。这进而有助于精调期望的切换特性，例如持续电流开关的切换时间。典型地，如果绕组单元106的温度在阈值温度以下，持续电流开关100采用超导态操作。在某些情形下，持续电流开关100切换到正常态。例如，使持续电流开关100在必须使磁体斜降的事件的情况下切换到正常态。为了使持续电流开关400从超导态切换到正常态，在冷却单元404的入口 416处的孔口或阀424被关闭。特别地，关闭孔口 424来阻碍或减少冷却剂从贮存器410流入冷却单元404，并且还防止冷却剂经由冷却单元404的入口416从冷却单元404回流到贮存器410。另外，将加热单元408通电或打开来加热绕组单元406。通过加热绕组单元406，绕组单元406的温度被提高或增加到阈值温度以上，这使持续电流开关400从超导态转变到正常态。持续电流开关400到正常态的该转变使例如磁性线圈(参见图6)的磁性装置切换到正常态用于使磁体断电。另外，因为加热单元408设置在冷却单元404上，由加热单元408产生的热量的一部分被冷却单元404中的冷却剂407吸收。该吸收的热量进一步使冷却剂在冷却单元404中蒸发。蒸发的冷却剂然后经由冷却单元404的出口 418运送到冷却单元404外、经由第二通道428到贮存器410。此外，蒸发的冷却剂被再冷凝并且存储在贮存器410中。在持续电流开关400从正常态切换到超导态期间，该再冷凝的冷却剂循环回到冷却单元404。从而，通过采用图4的持续电流开关400，冷却单元404中的冷却剂407被高效利用来减少热负荷到小的贮存器410的转移。另外，因为持续电流开关400具有其自身的低温环境或冷却设置，持续电流开关400可用作独立实体。此外，持续电流开关400可在高磁场区域中靠近超导磁体放置或可在低磁场区域中设置在离超导磁体一定距离处。参考图5,描绘根据本技术的方面、图不用于在第一模式和第二模式之间交替切换例如图1的持续电流开关100的持续电流开关的方法的流程图500。为了便于理解本技术，该方法参考图1的部件描述。可注意第一模式代表正常态，而第二模式代表持续电流开关100的超导态。而且，在正常态中，持续电流开关100对磁性装置(参见图6)中流动的电流提供高电阻。然而，在超导态中，持续电流开关100对在磁性装置中流动的电流提供零电阻。方法在步骤502开始，其中冷却单元(例如图1的冷却单元104)和绕组单元(例如图1的绕组单元106)设置在真空室(例如图1的真空室102)内。特别地，冷却单元104设置在真空室102内并且绕组单元106设置在冷却单元104的第一层112和第二层114中的至少一个上。在一个实施例中，加热单元(例如图1的加热单元108)缠绕在冷却单元104上，并且绕组单元106设置在加热单元108上。在另一个实施例中，绕组单元106缠绕在冷却单元104上并且加热单元108设置在绕组单元106上。冷却单元104包括入口 116和出口 118。入口 116经由第一通道122操作地耦合于贮存器110的出口 120。相似地，出口 118经由第二通道128操作地耦合于贮存器110的入口 126。随后，冷却单元104使冷却剂107在冷却单元104的第一层112和第二层114之间循环。因为冷却单元104耦合于贮存器110，冷却剂107初始从贮存器110接收并且存储在冷却单元104的第一层112和第二层114之间。此外，冷却剂107在冷却单元104中循环来吸收由绕组单元106产生的热量，这进而使绕组单元106的温度降低。在一个实施例中，当将加热单元108断电或关闭并且冷却剂107的至少一部分被蒸发时从贮存器110接收冷却剂。此外，在步骤504，通过使绕组单元106的温度降到阈值温度以下而使持续电流开关100从第一模式或正常态切换到第二模式或超导态。使用在冷却单元104的第一层112和第二层114之间的冷却剂107使绕组单元106的温度降到阈值温度以下。特别地，可采用在冷却单元104中循环的冷却剂107来吸收由绕组单元106产生的热量，由此使绕组单元106冷却。由冷却剂107吸收热量导致绕组单元106的温度下降到阈值温度以下。继温度下降到阈值温度以下之后，持续电流开关100从正常态或第一模式切换到超导态或第二模式。另外，在使绕组单元106的温度冷却的过程期间，冷却单元104中的冷却剂的一部分可蒸发。更具体地，由绕组单元106产生的热量被冷却单元104中的冷却剂107吸收，这进而使冷却剂107蒸发。蒸发的冷却剂然后经由冷却单元104的出口 118运送到冷却单元104夕卜。此外，蒸发的冷却剂经由第二通道128运送到贮存器110。在贮存器110处，蒸发的冷却剂被再冷凝到液体冷却剂并且运送回到冷却单元104。另外，在步骤506，采用加热单元108来加热绕组单元106以使绕组单元106的温度提高到阈值温度以上的温度。通过使温度提高到阈值温度以上，持续电流开关100从第二模式转变到第一模式。初始，当采用超导态或第二模式操作持续电流开关100时，绕组单元106的温度通过使冷却剂107在冷却单元104中循环而维持在阈值温度以下。随后，为了使持续电流开关100从超导态转变到正常态，绕组单元106的温度被提高到阈值温度以上。为了提高或增加温度，采用加热单元108来加热绕组单元106。从而，通过采用上面的方法，持续电流开关在第一模式和第二模式之间交替切换。图6是根据本技术的方面、包括持续电流开关100 (参见图1)的MRI系统600的截面视图。图6的MRI磁体系统600是提供低温冷冻(cryorefrigeration)的低制冷剂MRI磁体设置。在该实施例中，MRI磁体系统600包括:超导MRI磁体602，其由在高导热性的圆柱形壳(线圈支撑壳608和线圈支撑壳610)内部被支撑的同心超导主线圈604和补偿线圈606形成，并且通过氦热虹吸系统而由低温冷冻器618冷却。从而，在超导主线圈604和补偿线圈606之间存在径向间距，其中超导主线圈604和补偿线圈606的每个分别靠不同的线圈支撑壳608和610支撑。线圈支撑壳608、610形成为圆柱形壳,其中冷却管614热率禹合(例如，结合)于线圈支撑壳608的外表面。例如,线圈支撑壳608、610可具有周向延伸的固体金属壁，其限定在其中的孔。另外，MRI系统600包括一个或多个持续电流开关616，例如图1的持续电流开关100。持续电流开关616操作地耦合于超导MRI磁体602。特别地，持续电流开关616电耦合于超导主线圈604和/或补偿线圈606。持续电流开关616用于米用如参考图1_5描述的持续电流模式操作超导主线圈604。此外，低温冷冻器618和He存储容器(图示为形成液He存储系统620的罐)可代表图1的贮存器110。用环氧树脂模制超导线圈604和/或补偿线圈606。例如，模制的线圈可用湿环氧树脂缠绕并且被固化来形成自支撑结构。超导线圈604和/或补偿线圈606然后可分别结合到线圈支撑壳608和610。形成的超导线圈604和/或补偿线圈606大小适于限定通过其处的孔626，其用于对对象(例如，患者)成像。例如，视场(FOV) 628可限定成对对象的特定部位成像。此外，氦热虹吸设置包括:蒸发器系统，其具有热附连于线圈支撑壳608和/或610的多个冷却管614 ;热附连到低温冷冻器618的再冷凝器630 ;和He存储容器620、622，这些全部包含在磁体真空容器632内部。在一个实施例中，容置持续电流开关616的冷却单元(例如冷却单元104)经由冷却管614操作地耦合于氦热虹吸设置。可注意图6示出低制冷剂磁体或MRI系统600中的持续电流开关616的一个或多个可能的位置和设置。另外，氦热虹吸系统包括两个环形He气存储罐622，其包含大约200至300升He气，其基于需要或期望的冷却量而变化。在多种实施例中，液He存储罐620从再冷凝器630接收液He并且向耦合于冷质量支撑结构(即线圈支撑壳608和/或610)的冷却管614供应液He。此外，歧管638从冷却管614接收蒸汽He (He气)并且使He气返回到再冷凝器630。He气存储罐622初始装有处于环境温度的30至40大气压的He气。在操作中，当将低温冷冻器618通电或打开时，再冷凝器630从He气存储罐622抽取He，并且建立自然对流循环回路，其使线圈604和606以及支撑质量(线圈支撑壳608和/或610)冷却到低温温度，以及用大约8至10升之间的液He填充液He存储罐620。在操作中，液He存储罐620中的液He用于在例如电力中断期间提供对磁体602和持续电流开关616的冷却，或提供低温冷冻器618的多达10-12小时的关闭,例如用于服务。在多种实施例中，一旦热虹吸系统打开，则系统冷却自身，从而形成自然对流循环系统。可注意MRI系统600还包括服务箱640、用于对线圈604和606供电的接收电力引入线642、以及MRI磁体系统600的其他部件。从而，多种实施例提供MRI磁体系统，该MRI磁体系统具有模制的超导线圈和持续电流开关，其被传导冷却并且在结构上由高导热性的圆柱形壳(其可以在4.2K的温度操作)支撑。此外，磁体重量通过消除典型地在超导磁体中使用的大的液He存储容器、并且通过用铝制造线圈支撑部件而减小。在多种实施例中，不需要维修或添加制冷剂并且整个系统重量在大约2000磅至2500磅之间。用于交替切换上文描述的持续电流开关的系统和方法帮助降低例如MRI系统的磁性装置的重量和制造成本。而且，因为蒸发的冷却剂被再冷凝并且循环回到持续电流开关的冷却单元，可防止在贮存器或存储容器中使用数千升的冷却剂或液He。此外，本技术的设置对持续电流开关提供非�？焖俚南煊κ奔洌缈焖僭と仁奔浜屠淙词奔洹＞」茉诒疚慕鐾际竞兔枋霰痉⒚鞯哪承┨卣鳎玖煊蚰诩际跞嗽苯氲叫矶嘈薷暮透谋�。因此，要理解附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。
权利要求
1.一种用于在第一模式和第二模式之间交替切换的持续电流开关，包括: 真空室； 冷却单元，其设置在所述真空室内并且配置成使冷却剂在所述冷却单元的第一层和第二层之间循环； 绕组单元，其设置在所述冷却单元的所述第一层和所述第二层中的至少一个上并且配置成当与所述绕组单元关联的温度在阈值温度以下时使所述持续电流开关从所述第一模式切换到所述第二模式；以及 加热单元，其热耦合于所述绕组单元并且配置成使所述绕组单元的所述温度提高到所述阈值温度以上来将所述持续电流开关从所述第二模式转变到所述第一模式。
2.按权利要求1所述的持续电流开关，其中，所述冷却单元使所述冷却剂在所述冷却单元的所述第一层和所述第二层之间循环来吸收由所述绕组单元产生的热量。
3.按权利要求2所述的持续电流开关，其中，所述冷却单元配置成使所述绕组单元的所述温度降到所述阈值温度以下。
4.按权利要求3所述的持续电流开关，其中，所述冷却单元包括: 入口，其耦合于冷却剂贮存器并且配置成从所述冷却剂贮存器接收所述冷却剂；以及 出口，其耦合于所述冷却剂贮存器并且配置成将蒸发的冷却剂从所述冷却单元运送到所述冷却剂贮存器。
5.按权利要求4所述的持续电流开关，其中，所述入口配置成当将所述加热单元断电并且所述冷却剂中的至少一部分被蒸发时从所述冷却剂贮存器接收所述冷却剂，并且其中所述出口配置成当将所述加热单元通电时将所蒸发的冷却剂运送到所述冷却剂贮存器。
6.按权利要求1所述的持续电流开关，进一步包括填充物材料，其设置在所述冷却单元的所述第二层的内周边内，其中所述填充物材料配置成稳定所述绕组单元的所述温度。
7.按权利要求1所述的持续电流开关，其中，所述加热单元设置在所述冷却单元的所述第一层上并且所述绕组单元设置在所述加热单元上。
8.按权利要求1所述的持续电流开关，其中，所述绕组单元设置在所述冷却单元的所述第二层与所述加热单元之间。
9.按权利要求1所述的持续电流开关，其中，所述加热单元的至少一部分设置在所述冷却单元的所述第一层内。
10.按权利要求1所述的持续电流开关，其中，所述冷却剂在所述冷却单元的所述第二层内的中空空间中循环。
11.按权利要求1所述的持续电流开关，其中，所述冷却剂包括液氦(LHe)、液氢(LH2)、液氖(LNe)、和液氮(LN2)中的至少一个。
12.一种用于在第一模式和第二模式之间交替切换持续电流开关的方法，所述方法包括: 至少将冷却单元和绕组单元设置在真空室内； 通过使所述绕组单元的温度降到所述阈值温度以下而使所述持续电流开关从所述第一模式切换到所述第二模式，其中通过使冷却剂在所述冷却单元的第一层和第二层之间循环而将所述温度降到所述阈值温度以下；以及 通过使所述绕组单元的所述温度提高到所述阈值温度以上而使所述持续电流开关从所述第二模式转变到所述第一模式。
13.按权利要求12所述的方法，其中，使所述冷却剂在所述第一层和所述第二层之间循环包括使所述冷却剂循环来使所述绕组单元的所述温度降到所述阈值温度以下。
14.按权利要求13所述的方法，其中，所述冷却剂配置成吸收由所述绕组单元产生的热量来使所述绕组单元的所述温度降到所述阈值温度以下。
15.按权利要求14所述的方法，进一步包括当将所述加热单元断电并且所述冷却剂中的至少一部分被蒸发时从所述冷却剂贮存器接收所述冷却剂。
16.按权利要求15所述的方法，进一步包括当将所述加热单元通电时将所蒸发的冷却剂从所述冷却单元运送到所述冷却剂贮存器。
17.按权利要求12所述的方法，进一步包括将填充物材料设置在所述冷却单元的所述第二层的内周边内来稳定所述绕组单元的所述温度。
18.一种切换系统,包括: 持续电流开关，其设置在低磁场区域中并且配置成在第一模式和第二模式之间交替切换，其中所述持续电流开关包括: 真空室； 冷却单元，其设置在所述真空室内并且配置成将冷却剂至少存储在所述冷却单元的第一层和第二层之间； 绕组单元，其设置在所述冷却单元的所述第一层和所述第二层中的至少一个上并且配置成当与所述绕组单元关联的温度在阈值温度以下时使所述持续电流开关从所述第一模式切换到所述第二模式； 加热单元，其热耦合于所述绕组单元并且配置成使所述绕组单元的所述温度提高到所述阈值温度以上来将所述持续电流开关从所述第二模式转变到所述第一模式；以及 超导磁体，其耦合于所述持续电流开关，其中所述超导磁体配置成基于所述持续电流开关在所述第一模式和所述第二模式之间的所述切换而产生磁场。
19.按权利要求18所述的切换系统，其中，所述持续电流开关配置成在第一时间期间内从所述第一模式切换到所述第二模式。
20.按权利要求18所 述的切换系统，其中，所述持续电流开关配置成在第二时间期间内从所述第二模式切换到所述第一模式。
全文摘要
本发明名称为“用于在第一模式和第二模式之间交替切换持续电流开关的系统和方法”。呈现持续电流开关。该持续电流开关的一个实施例包括真空室。该持续电流开关还包括冷却单元，其设置在该真空室内并且配置成使冷却剂在冷却单元的第一层和第二层之间循环。此外，该持续电流开关包括绕组单元，其设置在冷却单元的该第一层和该第二层中的至少一个上并且配置成当与绕组单元关联的温度在阈值温度以下时使持续电流开关从第一模式切换到第二模式。另外，该持续电流开关包括加热单元，其热耦合于绕组单元并且配置成使绕组单元的温度提高到阈值温度以上来将持续电流开关从第二模式转变到第一模式。
文档编号G01R33/3815GK103091653SQ20121042647
公开日2013年5月8日 申请日期2012年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者E.W.斯陶特纳 申请人:通用电气公司
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