CN104143405B - 一种连接结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁共振成像***超导磁体的连接结构及其制造方法。所述连接结构包括正极管和冷却块，所述冷却块设置有容纳所述正极管穿过的通孔，所述正极管的外壁和所述通孔内表面之间的空隙填充有绝缘导热胶体材料。本发明提出的连接结构相比现有的连接结构，结构更紧凑，节省空间；制作方法简单，制作成本也大为降低；力学性能优于现有的连接结构，能够减少由于受力导致结构损坏的情况，避免高额的维修费用，并且一旦损坏也易于更换。

Description

一种连接结构及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及磁共振成像(MRI，Magnetic Resonance Imaging)技术领域，尤其涉及一种用于磁共振成像***超导磁体的连接结构及其制造方法。

【背景技术】

超导磁体是磁共振成像***中的一个重要部件，图1示出了磁共振成像***的超导磁体的结构示意图，超导磁体为中间设有空腔的圆环体形状，包括低温保持器4和磁体10，磁体10位于制冷剂容器5内，并被浸入液态制冷剂8中冷却至超导状态；真空腔9位于所述低温保持器4与空气接触的两侧最外层，制冷剂容器5位于所述低温保持器4的中间层；在制冷剂容器5和外部真空腔9之间的真空空间中设有一个或多个热辐射屏蔽7；制冷机12位于角塔11中，制冷机12通常具有两个或更多制冷级；第一制冷级连接至辐射屏蔽7，并且将该屏蔽冷却至50-100K范围内的温度；第二制冷级将制冷剂容器5中的制冷剂气体6冷却至4-10K区域内的温度，通过再凝结将制冷剂气体6变成液态制冷剂8。

到磁体10的负电连接通常通过低温保持器4主体和阴性电缆14提供到磁体10；正电连接通常通过阳极电缆15提供，为了将外部电源连接至阳极电缆15，正电连接件必须穿过角塔11外部的壁，并且需要与制冷剂容器5电绝缘，这样的正电连接件2通常被称作正极管2。

正极管2必须电连接到外部电源，所以外部的热量会通过正极管2传递到磁体10中，所以要用冷却块3对正极管2进行冷却，冷却块3通过导热线缆13与制冷机12的一级冷头相连接，因此需要使正极管2与冷却块3之间导热。

在平时工作时，正极管2靠近制冷剂容器5的一端被冷却至大约氦的沸点温度4.2K，同时正极管2靠近周围环境的一端可能达到300K或更高。此时，冷却块的温度约为60K，为高效地阻止环境端的热量传入到制冷剂容器端，正极管2与冷却块3之间必须具有较高的导热性能。

若要用冷却块3同时对正极管2及负极管1冷却，必须防止正极管2及负极管1间形成短路，因此需要使正极管2或负极管1与冷却块3之间绝缘。

在正常运行时，进入磁体5的感应电流，或者从磁体5中引入的输出电流，横跨磁体5从而横跨正极管2及冷却块3间绝缘体的电压将不大于20V，在这样的电压下提供有效的电绝缘是相对容易的。然而，在超导磁体突然发生失超的情况下，超导磁体突然变为阻抗性的，在磁体5的磁体线圈的两端会产生很大的电压。在这种情况下，高达约5kv的电压可能出现并横跨正极管2与冷却块3间绝缘体。任何这样的连接中都需要提供足以耐受千伏电压的电绝缘。

在平时安装时，一般冷却块3固定，正极管2由于两端分别需要和阳极电缆15及电流贯穿引线连接，所以会受较大的力，必须保证正极管2与冷却块3间的连接能在受一定力时不致损坏。

综上所述，正极管2和冷却块3之间的连接结构需要有良好的绝缘导热性能，并且在受到较大剪切力时不易被损坏。

图2是一种现有的正极管与冷却块的连接结构。如图2所示，在正极管2上用高温等离子喷涂法喷涂一层陶瓷粉层19，在陶瓷粉层19上再喷涂一层无氧铜粉层20，冷却块3与无氧铜粉层20通过钎焊连接。陶瓷粉层19起到了绝缘作用，将陶瓷粉层19做的非常薄，使其满足高导热的需求。

这种连接结构能够提供满意的绝缘性能和导热性能。但是，连接结构中的陶瓷粉层19在一定的机械或热压力下会破碎，极容易损坏。陶瓷粉层19的破碎可导致其绝缘性能的丧失，并且会导致制冷剂容器5被陶瓷粉碎片污染。技术人员可以通过操作时减少正极管2的受力来防止陶瓷粉层19的破裂，但并没有在本质上解决这一缺点。

并且，这种连接结构的制造方法复杂，需要高温等离子喷涂工艺和钎焊工艺，制造成本也较高。

一旦陶瓷粉层19破碎，则需要切除整个角塔11与外真空室壁的焊接来对其进行更换。如果用户处的陶瓷粉层的损毁导致被冷却设备和低温保持器的召回，可能会有更高的花费。总之，现有的连接结构一旦损坏，不易维修、更换。

还有其他一些方法能够连接正极管与冷却块，例如用螺栓连接，然后在他们之间放置陶瓷片等绝缘介质，这种连接结构在低温下不稳定，陶瓷片的导热率较低，若陶瓷片较厚则冷却效果不理想，若较薄则非常容易破碎，在温差较大时，陶瓷片自身容易受热应力而破碎，因此这种连接结构不能在磁共振成像***的超导磁体中稳定使用。

因此，需要提出一种不易损坏，制造工艺简单，制造成本较低，在损坏后易于更换，并且满足导热绝缘要求的连接结构。

【发明内容】

本发明解决的是现有技术中连接结构的力学性能较差，容易损坏；制造工艺复杂，制造成本较高；并且损坏后不易更换的问题。

为了解决上述问题，本发明提出一种连接结构，包括正极管和冷却块，所述冷却块设置有容纳所述正极管穿过的通孔，所述正极管的外壁和所述通孔之间的空隙填充有绝缘导热胶体材料。

可选地，所述绝缘导热胶体材料为纳米ALN复合材料。

可选地，所述正极管的外壁和所述通孔之间的空隙填充的绝缘导热胶体材料的厚度为0.3mm～0.8mm。

可选地，所述绝缘导热胶体材料沿所述正极管外壁的周向不连续分布。

可选地，所述绝缘导热胶体材料沿所述正极管外壁的周向连续分布。

可选地，所述空隙中的绝缘导热胶体材料部分暴露出冷却块外面或全部收容于冷却块里面。

可选地，所述正极管为不锈钢管，所述冷却块为无氧铜制成。

本发明还提出一种连接结构的制造方法，用于制造如上述任一项所述的连接结构，包括以下步骤：

(1)将正极管穿过冷却块的通孔，使用夹具将所述正极管和冷却块分别固定，使所述通孔的内表面和所述正极管的外壁之间留有空隙；

(2)将所述液态的绝缘导热胶体材料填充入所述空隙中；

(3)烘烤所述连接结构，使得液态的绝缘导热胶体材料固化。

可选地，在所述空隙中放入栅栏工装，将所述液态的绝缘导热胶体材料填充入所述正极管和冷却块之间被所述栅栏工装隔断的空隙中，使得所述绝缘导热胶体材料沿所述正极管外壁的周向不连续分布。

可选地，在将所述液态的绝缘导热胶体材料填充入所述空隙中后，将所述连接结构放入真空室，排除所述液态的绝缘导热胶体材料中残余的空气。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：

1)制造方法简单，无需制造现有的连接结构需要的高温等离子喷涂以及钎焊等复杂的工艺，制造成本也大为降低；

2)使用绝缘导热胶体材料取代了现有的陶瓷粉层，力学性能有显著的提高，可避免在安装时由于受力导致连接结构损坏的情况，并且一旦损坏也易于更换受损部件；

3)相比现有的连接结构，本发明的连接结构更紧凑，因此能节约空间。

【附图说明】

图1是磁共振成像***的超导磁体的结构示意图；

图2是现有的正极管与冷却块的连接结构的示意图；

图3是本发明的实施例一的正极管与冷却块的连接结构的示意图；

图4是本发明的实施例一的连接结构及栅栏工装的结构图；

图5是本发明的实施例一的正极管与冷却块的连接结构的制造方法流程图；

图6是本发明的实施例一的正极管与冷却块的连接结构的导热性能测试结果的示意图；

图7是本发明的实施例一的正极管与冷却的连接结构的剪切力性能测试结果的示意图；

图8是本发明的实施例二的正极管与冷却块的连接结构的示意图；

图9是本发明的实施例三的正极管与冷却块的连接结构的示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

图3是本发明的实施例一的正极管与冷却块的连接结构的示意图，图3示出了用于磁共振成像***的超导磁体的正极管2，上负极管17，下负极管18，冷却块3，上负极管17和下负极管18通过高温真空钎焊与冷却块3连接固定，正极管2位于所述上负极管17和下负极管18形成的圆管内，正极管2穿过冷却块3的一个通孔，正极管2的外壁和通孔之间留有空隙，以填充用于连接固定正极管2与冷却块3的绝缘导热胶体材料16。正极管3的上端连接室温下的贯穿引线21，下端连接通向制冷剂容器4的导线22。

冷却块3可以是任何高导热性材料制成，如银、铝等金属，也可以是氮化錋陶瓷、碳纤维复合材料等等，本发明对此不作限制。

优选地，冷却块3为无氧铜材料制成，所述正极管2，上负极管17，下负极管18为不锈钢材料制成。

本发明不限制所述绝缘导热胶体材料16的类型，只要其能耐受最低4K的低温，并在低温下具有良好的绝缘性，导热性，力学性能，且和金属有较好的粘结性均在本发明的保护范围内。

优选地，所述绝缘导热胶体材料16为纳米ALN复合材料。

纳米ALN复合材料16沿正极管2的外壁周向不连续分布，厚度为0.3mm～0.8mm。将纳米ALN复合材料16设置成沿所述正极管2的外壁周向不连续分布是为了防止其在温度变化时由于正极管2及纳米ALN复合材料16自身的热胀冷缩效应而受挤压破裂。

图4是本发明的实施例一的连接结构及栅栏工装的结构图

图5是本发明的实施例一的连接结构的制造方法流程图。

如图5所示，本实施例的连接结构的制造方法包括以下步骤：

执行步骤S01，将正极管2穿过冷却块3的通孔，使用夹具将所述正极管2和冷却块3分别固定，使所述通孔的和所述正极管2的外壁之间留有空隙。

具体地，正极管2可以用不锈钢管切割得到，冷却块3可以通过切削无氧铜块得到，在冷却块3的中间加工一个容纳正极管2穿过的通孔，并使得所述通孔和所述正极管2的外壁之间的空隙为0.3mm～0.8mm。

执行步骤S02，将所述液态的绝缘导热胶体材料16填充入所述空隙中。在本实施例中，步骤S02具体包括以下步骤：

执行步骤S021，在所述空隙之间放入如图4所示的栅栏工装23，所述栅栏工装23必须为表面光滑不易粘结的材料；

执行步骤S022，把液态的绝缘导热胶体材料16导入到被所述栅栏工装23隔断的空隙中，使所述绝缘导热胶体材料16沿正极管2的外壁周向不连续分布，为使其充分浸润空隙，可以使用真空导入；

执行步骤S023，将连接结构(包括正极管2，冷却块3，绝缘导热胶体材料16以及栅栏工装23)放入真空室中，以排除液态的绝缘导热胶体材料16中残余的空气。

执行步骤S03，将连接结构(包括正极管2，冷却块3，绝缘导热胶体材料16以及栅栏工装23)从真空室中取出，放入烘烤箱中烘烤，使液态的绝缘导热胶体材料16固化后拿出。

添加制作过程中栅栏工装23主要有三个作用：1.硬性填充正极管2和冷却块3中的间隙，提高正极管2与冷却块3的同心度；2.使导热绝缘材料16在间隙中固化后成不连续状；3.最终可保留栅栏工装23在连接中，这样可以提高正极管与冷却块间的绝缘性，当然，前提是，栅栏工装23本身的材料为绝缘材料，且可以承受4.2K～500K的温差，并有一定弹性，能吸收导热绝缘材料热胀冷缩时的形变。

本实施例的连接结构的制造方法相比现有的连接结构的制造方法更简单，无需使用复杂的制造工艺，且制造成本也大为降低。

对本实施例的连接结构进行如下的性能测试：

性能测试一是测试高压情况下连接结构的绝缘性能，如表1所示，本实施例的连接结构在室温及低温下，在高压情况下均有良好的绝缘性能；

表1

性能测试二是测试连接结构在高温情况下是否有破裂或脱落现象，在室温下对本实施例的正极管2通入530A的电流，电压0.65V保持10分钟，进行加热，10分钟后正极管2温度为150℃(423K)，冷却块3的温度为120℃(393K)，纳米ALN复合材料16的温度为120℃(393K)，在此条件下，所述纳米ALN复合材料16没有发生脱落现象，电阻没有下降；

性能测试三是测试连接结构在低温情况下的导热性能，图6是本实施例的连接结构的导热性能测试的结果示意图，图6中的纵轴为测温二级管的电压，电压越高，代表的温度越低。如图6所示，在低温下，现有的使用陶瓷粉层喷涂的连接结构的连接结构在经过加热后正极管两端的温度差为54K，本实施例的连接结构在经过加热后正极管两端的温度差为70K。测试结果表明，本实施例的连接结构的导热性略好于现有的连接结构，说明本实施例的连接结构的导热性能满足要求。

性能测试四是测试连接结构的力学性能，图7是本实施例的连接结构的抗剪切力测试的结果示意图，如图7所示，本实施例的连接结构能承受的最大剪切力达到7KN，其抗剪切性能比现有的连接结构强很多。

上述性能测试表明，本发明的连接结构的绝缘和导热性能能够满足要求，并且抗剪切力性能有较大提高，不易损坏。

此外，本发明的连接结构更紧凑，能够节省空间；并且一旦损坏也易于更换、维修。

实施例二

图8是本发明的实施例二的连接结构的示意图，如图8所示，绝缘导热胶体材料16’连续地充满所述正极管2和冷却块3之间的空隙，绝缘导热胶体材料16’部分暴露出冷却块3外面。

实施例三

图9是本发明的实施例三的连接结构的示意图，如图9所示，绝缘导热胶体材料16”连续地充满所述正极管2和冷却块3之间的空隙，所述空隙中的绝缘导热胶体材料16”全部收容于冷却块3里面。

本发明中，各实施例采用递进式写法，重点描述与前述实施例的不同之处，各实施例中的相同方法或结构参照前述实施例的相同部分。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种连接结构，包括正极管和冷却块，所述冷却块设置有容纳所述正极管穿过的通孔，其特征在于，所述正极管的外壁和所述通孔之间的空隙填充有绝缘导热胶体材料，所述绝缘导热胶体材料为纳米ALN复合材料，所述绝缘导热胶体材料围绕于所述正极管上并沿所述正极管的轴向方向延伸出所述正极管与冷却块之间的间隙外，所述正极管的外壁和所述通孔之间的空隙中具有栅栏工装，所述栅栏工装包括端环以及自端环一侧沿所述正极管的轴向同向延伸的数个间隔条，且所述数个间隔条沿所述正极管的周向排布，且所述绝缘导热胶体材料导入被栅栏工装隔断的间隙后沿所述正极管外壁的周向不连续分布，所述栅栏工装的材料为绝缘材料且具有弹性。

2.如权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述正极管的外壁和所述通孔之间的空隙填充的绝缘导热胶体材料的厚度为0.3mm～0.8mm。

3.如权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述正极管为不锈钢管，所述冷却块为无氧铜制成。

4.一种连接结构的制造方法，其特征在于，用于制造如权利要求1～3任一项所述的连接结构，包括以下步骤：

(1)将正极管穿过冷却块的通孔，使用夹具将所述正极管和冷却块分别固定，使所述通孔的内表面和所述正极管的外壁之间留有空隙；

(2)在所述通孔的内表面和所述正极管的外壁之间的空隙中放入栅栏工装，所述栅栏工装包括端环以及自端环一侧沿所述正极管的轴向同向延伸的数个间隔条，且所述数个间隔条沿所述正极管的周向排布，将液态的绝缘导热胶体材料填充入所述正极管和冷却块之间被所述栅栏工装隔断的空隙中，使得所述绝缘导热胶体材料沿所述正极管外壁的周向不连续分布，所述栅栏工装的材料为绝缘材料且具有弹性，所述绝缘导热胶体材料为纳米ALN复合材料，所述绝缘导热胶体材料围绕于所述正极管上并沿所述正极管的轴向方向延伸出所述正极管与冷却块之间的间隙外；

(3)烘烤所述连接结构，使得液态的绝缘导热胶体材料固化。

5.如权利要求4所述的连接结构的制造方法，其特征在于，在将所述液态的绝缘导热胶体材料填充入所述空隙中后，将所述连接结构放入真空室，排除所述液态的绝缘导热胶体材料中残余的空气。