CN107204226A - 一种超导磁体的低温容器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超导磁体的低温容器，包括内容器、外容器以及形成位于两者之间的空腔，所述低温容器包括数个第一类型的支撑元件及第二类型的支撑元件，且第一类型的支撑元件的强度大于第二类型的支撑元件的强度；第一类型的支撑元件的两个相对末端分别连接到内容器及外容器上，第二类型的支撑元件的两个相对末端分别连接到内容器及外容器上；所述空腔下半部分内的第一类型的支撑元件的数量与所述空腔上半部分内的第一类型的支撑元件的数量不相等；本发明设计的非对称的悬挂系统，在设计载荷条件不变的前提下，可以使用较少的强悬支撑件，降低成本；同时，可减少外界向内容器的传热，减少制冷剂的蒸发，提高系统稳定性。

Description

一种超导磁体的低温容器
【技术领域】
本发明涉及超导磁体技术，具体涉及一种超导磁体的低温容器。
【背景技术】
磁共振，也称磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)、自旋成像(sp in imaging)、核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging，NMRI)，是继CT后医学影像学的又一重大进步。自80年代应用以来，它以极快的速度得到发展。其基本原理是将人体置于特殊的磁场中，当被测对象置于磁场中后,其体内的氢原子可被极化。用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接收器收录，经电子计算机处理后获得图像。
MRI提供的信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像术，而且不同于已有的成像术，因此，它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。由于其可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像；且无电离辐射，对机体没有不良影响，因而在医学领域越来越多地被使用。
磁体是磁共振成像系统的重要部件，其用于产生一个稳定的静磁场。目前，超导磁体在磁共振成像系统中得到了广泛的应用，其基本原理是将一个或数个由超导材料绕制的线圈浸泡于达极低温度(约4K)液氦中，然后通电，产生一个所需的磁场。所述液氦及线圈被一个低温容器所容纳。液氦是一种昂贵的材料，且易蒸发；因此，需要防止外界的热量传递到低温容器的内部。
如图1所示，一种已知的低温保持器，其为多层容器，其中处于低温的内容器2盛装有低温介质，内容器2与外容器1之间的腔体中布置有至少一层用于反射热辐射的屏蔽层3，内容器及屏蔽层其完全由悬挂支撑件牢固地悬挂在外容器1上。而悬挂支撑件多采用沿径向布置的支撑件4和轴向布置的支撑件5的组合，它们除了要承受内容器2的重力载荷，还须能抵抗运输过程中可能出现的数倍于自重的大冲击载荷，以及为了防止支撑拉力在低温变化而额外增加的预紧力，即支撑件4和5的组合需承受X/Y/Z和RX/RY/RZ的多向载荷。这种悬挂系统的受力校核简单，但是通常悬挂件数量较多，一般为16件(支撑件4和5各8件)，故总体结构复杂，装配过程繁琐，成本较高；此外，过多的悬挂件，会引入较多的外部热量，导致系统的热稳定性差，进而会影响到成像的质量。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种超导磁体的低温容器，且该低温容器具有较小的热输入。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：一种超导磁体的低温容器，其包括内容器、外容器，所述内容器悬置于所述外容器中，并形成位于两者之间的空腔；所述低温容器包括数个第一类型的支撑元件及第二类型的支撑元件，且第一类型的支撑元件的强度大于第二类型的支撑元件的强度；第一类型的支撑元件的两个相对末端分别连接到内容器及外容器上，第二类型的支撑元件的两个相对末端分别连接到内容器及外容器上；所述空腔下半部分内的第一类型的支撑元件的数量多于所述空腔上半部分内的第一类型的支撑元件的数量或者所述空腔上半部分内的第一类型的支撑元件的数量多于所述空腔下半部分内的第一类型的支撑元件的数量。
优选的，所述第二类型的支撑元件被布置于所述收容腔的下半部分内的第一类型的支撑元件的相对末端所界定的平面之间或者被布置于所述收容腔的上半部分内的第一类型的支撑元件的相对末端所界定的平面之间。
优选的，所述第二类型的支撑元件仅布置于空腔下半部分或空腔上半部分，所述第一类型的支撑元件以所述第二类型的支撑元件所在的面对称分布。
优选的，所述第一类型的支撑元件的数量至少为六个，所述空腔下半部分内的第一类型的支撑元件的数量为四个，所述空腔上半部分内的第一类型的支撑元件的数量至少为两个。
优选的，所述第二类型的支撑元件的数量至少为两个。
优选的，所述第一类型的支撑元件为高强度合金或复合材料制成，包括玻璃纤维、碳纤维或芳纶。
优选的，所述第一类型的支撑元件为拉棒或拉带。
优选的，所述第二类型的支撑元件为拉棒。
优选的，所述第一类型的支撑元件的拉伸或压缩强度远高于所述第二类型的支撑元件的强度；
优选的，所述第一类型的支撑元件的横截面积大于第二类型的支撑元件的横截面积。
优选的，在以所述超导磁体低温容器筒体的轴线为Z轴、水平方向为X轴、竖直方向为Y轴的笛卡尔坐标系中：
所述第一类型的支撑元件以经过所述内容器中心的前视基准面XY和右视基准面YZ对称布置。
所述第二类型的支撑元件以经过所述内容器中心的前视基准面XY对称布置。
所述收容腔的上半部分内的第一类型的支撑元件与所述收容腔的下半部分内的第一类型的支撑元件相对于以经过所述内容器中心的水平基准面XZ为非对称布置。
所述收容腔的上半部分内的第一类型的支撑元件布置于以经过所述内容器中心的前视基准面XY上。
所述第二类型的支撑元件布置于以经过所述内容器中心的右视基准面YZ上。
优选的，所述第一类型的支撑件的长度为300-800mm，横截面积为50-300mm2。
优选的，所述第二类型的支撑件的长度为200-800mm，横截面积为10-100mm2。
优选的，所述内容器和外容器之间还设置用于反射热辐射的屏蔽层，所述第一类型的支撑元件、第二类型的支撑元件倾斜穿过所述屏蔽层。
优选的，所述第二类型的支撑元件的相对末端固定于内容器沿Z轴方向的端部。
优选的，所述第二类型的支撑元件的相对末端与内容器沿Z轴方向的端部的距离为50mm-100mm。
优选的，所述第二类型的支撑元件的相对末端与经过所述内容器中心的前视基准面XY的距离大于或等于四分之一的内容器的长度。
优选的，所述第一类型的支撑元件及第二类型的支撑元件处于预紧状态。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：一种超导磁体的低温容器，其包括内容器、外容器，所述内容器悬置于所述外容器中，并形成位于两者之间的空腔，所述低温容器包括数个第一类型的支撑元件及第二类型的支撑元件，且第一类型的支撑元件的强度大于第二类型的支撑元件的强度；第一类型的支撑元件的两个相对末端分别连接到内容器及外容器上，第二类型的支撑元件的两个相对末端分别连接到内容器及外容器上；所述空腔下半部分内的第一类型的支撑元件的数量与所述空腔上半部分内的第一类型的支撑元件的数量不相等；所述第二类型支撑元件与水平基准面的XZ夹角小于所述第一类型支撑元件与水平基准面XZ的夹角；所述空腔上半部分内的第一类型支撑元件与(Z轴垂直的)竖直基准面XY的夹角小于所述第二类型支撑元件与(Z轴垂直的)竖直基准面XY的夹角。
优选的，所述布置于收容腔上半部分的第一类型的支撑元件或所述布置于收容腔下半部分的第一类型的支撑元件以第二类型的支撑元件所在的面对称分布。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明设计的非对称的悬挂系统，在设计载荷条件不变的前提下，可以使用较少的“强悬支撑件”；而取而代之的“弱悬支撑件”，其价格便宜；同时，“弱悬支撑件”代替“强悬支撑件”，可减少外界向内容器的传热，减少制冷剂的蒸发，提高系统稳定性。
【附图说明】
图1为已知的一种超导磁体的低温容器；
图2为本发明实施例一中的超导磁体的低温容器；
图3为低温容器的内容器以及以内容器几何中心为原点的笛卡尔坐标系；
图4为实施例一中低温容器的内容器、外容器以及两者之间的悬挂支撑关系示意图；
图5为实例一中低温容器的内容器、外容器以及两者之间的悬挂支撑的空间方位和受力示意简图；
图6为实施例一中的第一类型的悬挂支撑件、第二类型的悬挂支撑件的Y向受力示意图；
图7为实施例一中的第一类型的悬挂支撑件、第二类型的悬挂支撑件的Z向受力示意图；
图8为实施例二中低温容器的内容器、外容器以及两者之间的悬挂支撑关系示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
请参阅图2-7，本发明实施例一的超导磁体的低温容器，包括其包括外容器1、内容器2，所述内容器悬置于所述外容器中，并形成位于两者之间的空腔12；所述低温容器还包括数个第一类型的支撑元件6、7及第二类型的支撑元件8，且第一类型的支撑元件的强度大于第二类型的支撑元件的强度；第一类型的支撑元件6、7的两个相对末端(图中黑色圆点示意)分别连接到内容器2及外容器1上，第二类型的支撑元件8的两个相对末端(图中黑色三角点示意)分别连接到内容器2及外容器上1；所述空腔下半部分内的第一类型的支撑元件7的数量多于所述空腔上半部分内的第一类型的支撑元件6的数量；所述第二类型的支撑元件8被布置于所述收容腔的下半部分内的第一类型的支撑元件7的相对末端所界定的平面之间或者被布置于所述收容腔的上半部分内的第一类型的支撑元件6的相对末端所界定的平面之间。所述第二类型的支撑元件8仅布置于空腔下半部分或空腔上半部分，所述第一类型的支撑元件6、7以所述第二类型的支撑元件8所在的面对称分布。所述内容器2用于容纳低温介质，例如液氦；内容器2与外容器1之间进一步设有热辐射屏蔽层(未图示)；所述内容器2、外容器1之间为真空状态。
请参阅图3，在笛卡尔坐标系中，选择前述内容器2的几何中心O为坐标原点，竖直方向为Y轴，水平方向为X轴，容器轴线为Z轴。则设计条件下，冲击载荷具体为X向+/-2g，Y向+/-5g，Z向+/-2g，而旋转载荷可认为是RX/RY/RZ旋转力矩作用。考虑自重，则在-Y向(竖直向下)冲击载荷最大为+6g，+Y向(竖直向上)冲击载荷次之，为+4g。
第一类型的支撑元件6、7为“强支撑件”，第二类型的支撑元件8为“弱支撑件”。
“强支撑件”，指用于承受大载荷，其强度较高，一般可以是纤维增强复合材料拉环，或大截面的高强度合金棒，典型地，采用纤维缠绕并由特殊树脂增强的FRP拉环，其承载能力在10～20吨，其截面积一般大于50mm2，但其制作工艺复杂，价格昂贵。
“弱支撑件”，则常布置在受力相对小位置，其强度略低，一般可以是小截面的拉棒；典型地，采用不锈钢加工的拉棒，加工简单，其承载能力在1～3吨，截面积一般小于20mm2。
由于“弱支撑件”相对“强支撑件”的截面积要小得多，根据热传导方程，采用相同材质时，其传热要小。由于目前制冷机技术的限制，更小的热输入可降低内容器内昂贵的低温介质的挥发，提高系统的热稳定性。
优选的，为承受最大载荷的-Y向6g载荷，本发明在容器下部，亦即空腔12的下部，布置四件“强支撑件”，即第一类型的支撑元件7；第一类型的支撑元件7分别相对前视基准面XY和右视基准面YZ对称。而在容器上部，亦即空腔12的上部，则仅布置2件“强支撑件”，即第一类型的支撑元件6。第一类型的支撑元件6布置在基准面XY上，同时关于基准面YZ对称。本发明同时布置有两件“弱支撑件”，即第二类型的支撑元件8。第二类型的支撑元件8布置在基准面YZ上，且关于前视基准面XY对称，且其相对水平基准面XZ的夹角较小。
各悬挂支撑应预先施加一定的预紧力，防止其在预冷过程或运输冲击状态下松弛。
针对本实施例，具体分析各支撑元件(悬挂件)的受力情况。
由于第二类型的支撑元件8相对水平基准面XZ的夹角较小，同时其刚度相对“强支撑件”较小，故内容器2的X向和Y向位移对第二类型的支撑元件8的受力影响很小，即X/Y向冲击载荷和RX/RZ旋转载荷主要由上下第一类型的支撑元件6、7承担。
前述设计条件下，Y向冲击载荷最大。在最大Y向冲击条件下，设内容器2的质量为m，第一类型的支撑元件7与水平基准面XZ夹角为a，第一类型的支撑元件6与水平面夹角为b，第一类型的支撑元件7数量为na，第一类型的支撑元件6数量为nb，第一类型的支撑件7的拉力为Fa,第一类型的支撑元件6拉力为Fb，其预紧力分别为Fa0和Fb0。
一般，按本实施例，从简化工艺的角度出发，有：
na＝4，nb＝2，a＝b，预紧力：Fa0＝Fb0＝F0。
a)正常工作状态下，第一类型的支撑元件7和第二类型的支撑元件6承受内容器1g的重力；
b)运输过程+5g向冲击时，-1g自重，合+4g冲击，第一类型的支撑元件6受力最大，第一类型的支撑元件7受力被部分抵消；可调整预紧力至理想值，使第一类型的支撑元件7力被完全抵消，则此时单个第一类型的支撑元件6承受冲击载荷为2mg/sin(b)。
c)运输过程-5g向冲击时，-1g自重，合-6g冲击，第一类型的支撑元件7受力最大，第一类型的支撑元件6受力被抵消；可调整预紧力至理想值，使得第一类型的支撑元件6力被完全抵消，则此时单个第一类型的支撑元件7承受冲击载荷为3mg/2sin(a)。此条件下第一类型的支撑元件7和第一类型的支撑元件6的预紧力F0要求最小为3mg/2sin(a)。但是综合b)，预紧力F0要求最小为2mg/sin(b)，故当a＝b时，单个第一类型的支撑元件7承受的载荷也为2mg/sin(a)。
再对比前述常规的悬挂支撑结构，其一般为上下对称结构，即nb＝na＝4，a＝b。在承受最大y向-5g冲击时，力方向向上的悬挂承受最大力为3mg/2s i n(a)。
从上述粗略计算结果看，nb从4减为2时，第一类型支撑元件6最大受力增加了25％。但实际上，支撑元件受力还与悬挂张角有关系，即本发明中的角度b。处于XY基准面上的第一类型的支撑元件6，其对XZ基准面的空间张角b可调整范围比第一类型的支撑元件7的张角a大，使得本设计中，Y向最大冲击条件下“强支撑件”上的拉力只略增加，一般在10％范围内。
同样，从材料力学的变形协调条件可计算，X/Y向冲击载荷和RX/RZ旋转载荷状态下，相对于常规悬挂设计，“强支撑件”的拉力略增加。
相反，在Z向冲击载荷或RX旋转载荷下，由于第一类型的支撑元件6处在垂直于Z向的基准面XY上，其对Z向冲击和RX旋转不敏感，此时，第二类型的支撑元件8的受力将改变，与下部第一类型的支撑元件7一起抵抗此载荷。
第二类型的支撑元件8在内容器2上的固定点优选在容器的外端部，且故其拉力绕中心X轴的力臂大；且其与水平基准面XZ的夹角d接近于0，其Z向分力为Fdcos(d)≈Fd。此时第一类型的支撑元件7的Z向分力为Facos(c)，其对旋转中心X轴的力臂也较第二类型的支撑元件8小很多。
故虽然“弱支撑件”的承载能力较，但在抵抗Z向冲击或载荷RX旋转载荷时，第二类型的支撑元件8的拉力并不会相对预紧力增加太多，一般在30％，其最大受力可以控制在许用范围内。
当然，上述结构中，在某些冲击载荷和旋转载荷条件下，内容器2会发生一定的空间转动和位移，但由于悬挂支撑的刚度一般都较大，这些转动的角度和位移量都较小，其影响可忽略。
综上，本发明设计的非对称的悬挂系统，在设计载荷条件不变的前提下，可以使用较少的“强悬支撑件”；取而代之的“弱悬支撑件”，其价格便宜；同时，“弱悬支撑件”代替“强悬支撑件”，可减少外界向内容器的传热，减少制冷剂的蒸发，提高系统稳定性。
本发明中的第一类型的支撑元件优选为复合材料拉环，第二类型的支撑元件则相应为不锈钢拉棒。
本发明中第一类型的支撑元件优选为六件，第二类型的支撑元件优选为两件。对于内容器较重的情况，可以对称地增加某一种或几种支撑件。
本发明中内容器2上部的第一类型的支撑元件6和下部的第二类型的支撑元件7优选为相同的“强悬支撑件”，但可以根据空间方位需求使用不同的“强悬支撑件”；例如，如果仅考虑正常工作状态的受力，可以将容器上部的第一类型的支撑元件6更换成“弱悬支撑件”。
本发明中内容器2上部的第一类型的支撑元件6和下部的第一类型的支撑元件7对水平基准面XZ的夹角可以一致，但也可以根据空间方位需求，优选使用不同的夹角。
本发明中的第二类型的支撑元件8可以使用“强悬支撑件”来代替。
本发明中的第二类型的支撑元件8在内容器2上的连接位置优选但不限于内容器的端部，其离中心基准面XY的距离一般不小于1/4内容器长度。
本发明的悬挂系统适用但不限于悬挂盛装制冷介质的低温容器，其可用于任何需要低温绝热的环境中。比如，本发明可用于悬挂超导磁体低温保持器的屏蔽层。
本发明中所述实例的“上”和“下”方位是针对最大受力为-Y向而定的，实际上，第一和第二类型的支撑件布置方位包括但不限于“上”和“下”型式，还可根据实际结构需要和受力方向进行调整,如“左”和“右”。
图8为本发明一种超导磁体的低温容器的第二实施例的示意图，第二类型支撑元件8布置在空腔12下方的实施例，四个第一类型的支撑元件7布置在空腔12的上部，两个第一类型的支撑元件6布置在空腔12的下部，第一类型的支撑元件6、7及第二类型的支撑元件8的空间分布与第一实施例大致相同，在此不再赘述。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种超导磁体的低温容器，其包括内容器、外容器，所述内容器悬置于所述外容器中，并形成位于两者之间的空腔，其特征在于：所述低温容器包括数个第一类型的支撑元件及第二类型的支撑元件，且第一类型的支撑元件的强度大于第二类型的支撑元件的强度；第一类型的支撑元件的两个相对末端分别连接到内容器及外容器上，第二类型的支撑元件的两个相对末端分别连接到内容器及外容器上；所述空腔下半部分内的第一类型的支撑元件的数量多于所述空腔上半部分内的第一类型的支撑元件的数量或者所述空腔上半部分内的第一类型的支撑元件的数量多于所述空腔下半部分内的第一类型的支撑元件的数量。
2.根据权利要求1所述的超导磁体的低温容器，其特征在于，所述空腔下半部分内的第一类型的支撑元件的数量为四个，所述空腔上半部分内的第一类型的支撑元件的数量至少为两个。
3.根据权利要求1所述的超导磁体的低温容器，其特征在于，所述第二类型的支撑元件的数量至少为两个。
4.根据权利要求1所述的超导磁体的低温容器，其特征在于，所述第一类型的支撑元件为高强度合金或复合材料制成，包括玻璃纤维、碳纤维或芳纶。
5.根据权利要求1所述的超导磁体的低温容器，其特征在于，所述第一类型的支撑元件为拉棒或拉带。
6.根据权利要求1所述的超导磁体的低温容器，其特征在于，所述第二类型的支撑元件为拉棒。
7.根据权利要求1所述的超导磁体的低温容器，其特征在于，所述第一类型的支撑元件的拉伸或压缩强度高于所述第二类型的支撑元件的拉伸或压缩强度。
8.根据权利要求1所述的超导磁体的低温容器，其特征在于，所述第一类型的支撑元件的横截面积大于第二类型的支撑元件的横截面积。
9.根据权利要求1所述的超导磁体的低温容器，其特征在于，所述第一类型的支撑元件的长度为300-800mm，横截面积为50-300mm2，所述第二类型的支撑元件的长度为200-800mm，横截面积为10-100mm2。
10.一种超导磁体的低温容器，其包括内容器、外容器，所述内容器悬置于所述外容器中，并形成位于两者之间的空腔，其特征在于：所述低温容器包括数个第一类型的支撑元件及第二类型的支撑元件，且第一类型的支撑元件的强度大于第二类型的支撑元件的强度；第一类型的支撑元件的两个相对末端分别连接到内容器及外容器上，第二类型的支撑元件的两个相对末端分别连接到内容器及外容器上；所述空腔下半部分内的第一类型的支撑元件的数量与所述空腔上半部分内的第一类型的支撑元件的数量不相等；所述第二类型支撑元件与水平基准面的夹角小于所述第一类型支撑元件与水平基准面的夹角；所述空腔上半部分内的第一类型支撑元件与竖直基准面的夹角小于所述第二类型支撑元件与竖直基准面的夹角。
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