CN111465869A - 包括由支撑结构支撑的柱状结构的组件 - Google Patents

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Abstract

一种组件，该组件包括由支撑结构支撑的柱状结构(12)，该支撑结构本身包括至少一个支撑元件(110)，该支撑结构是托架形状的，使得竖直和水平载荷大部分被与相应载荷的方向基本上平行的相应的接口表面(16a、16b)作为剪切力承受，使得竖直载荷在与柱状结构的柱状表面(44)基本上相切的方向上被承受。

Description

包括由支撑结构支撑的柱状结构的组件
本发明涉及超导磁体，并且更特别地涉及用于将超导磁体结构保持在真空容器内的适当位置的装置。
常规地，超导磁体线圈装置通过刚性线圈架而被保持在适当位置，刚性线圈架例如由钢或铝制成、被安装在例如由不锈钢制成的包围的制冷剂容器内。现代设计可能不包括这样的包围的制冷剂容器。本发明提供了用于这样的超导磁体结构的可实施的支撑装置。
虽然超导磁体结构常规地已经通过部分浸入在包封的制冷剂容器内容纳的液态制冷剂中而被冷却，但是最近的进展意味着可能不再需要包封的制冷剂容器。在提供没有包封的制冷剂容器的情况下，超导磁体结构直接受到来自被用来承载超导磁体结构的重量的支撑装置的热和机械载荷的影响。当不使用包封的制冷剂容器时，常规上使用载荷隔离结构来保护磁体免受常规悬挂元件引起的集中载荷。已经发现这样的装置昂贵且组装复杂，并且部件数量相对较高。昂贵的接口特征需要被安装在真空容器上，并且如果提供了磁体结构或包封的制冷剂容器，则接口特征需要被安装在磁体结构或包封的制冷剂容器上。在没有采用包围的制冷剂容器的超导磁体组件的现代设计中会出现此问题。超导磁体结构必须被适当的支撑，而不引起挠曲。因此，期望提供一种成本有效的支撑系统，该支撑系统使超导磁体结构上的载荷最小化。
例如在GB2441795A“Tubular Support System for Superconducting Magnet(用于超导磁体的管状支撑系统)”和GB2469203A“A Supported Superconducting Magnet(被支撑的超导磁体)”中，已经描述了其中多个张力悬挂元件被单个管状悬挂元件代替的备选概念。这些文档各自描述了总体上管状的支撑结构，其主要旨在与总体上柱状的包封的制冷剂容器对接。这些文档中描述的装置具有将超导磁体的重量传递到诸如地板的外部支撑结构的优点，而该重量不必首先由真空容器承载。这消除了在真空容器上提供接口特征的某些必要性，并且可以使得较薄的材料能够被用于真空容器，从而减轻重量和材料成本。所描述的装置仍然需要位于总体上管状的支撑件的每个端部处的相对牢固的连接点，通常是连接到包封的制冷剂容器。因此，其难以与没有包封的制冷剂容器的超导磁体结构相对接。为了应付包封的制冷剂容器的缺乏，在总体上管状的支撑件和真空容器之间的接口处需要潜在昂贵的特征。
根据本发明，提供了一种用于被包围在真空容器内的超导磁体结构的新的支撑结构。其特别适用于不具有包封的制冷剂容器的超导磁体。其也可以被应用于其他柱状结构的支撑。
因此，本发明提供了如所附权利要求书中所限定的结构。
结合附图，通过参考对某些实施例的以下描述，将更清楚地理解本发明的优点、特性和特征，其中：
图1示出了本发明的实施例中使用的支撑结构的示例实施例；
图2示出了本发明的示例实施例；
图3示出了本发明的示例实施例的局部轴向示意性径向正视图；以及
图4示出了本发明的示例实施例的示意性轴向正视图。
本发明提供了一种组件，该组件包括由支撑结构支撑的柱状结构，并且更特别地提供了一种用于将超导磁体结构支撑在真空容器内的支撑结构。真空容器可以备选地被称为外部真空室或OVC。
本发明的支撑结构适于使对超导磁体结构的不期望的影响最小化，并且有利于真空容器的简化。
根据本发明的特征，提供了一种支撑件，该支撑件被成形以托住超导磁体结构，同时使从真空容器到超导磁体结构的热流最小化。特别地，竖直和水平载荷大部分被与载荷方向基本上平行的接口表面作为剪切力所承受。竖直载荷在与超导磁体组件的柱状表面基本上相切的方向上被承受。
可以为单个超导磁体结构提供多个支撑元件，而不仅仅是一个支撑元件。
每个支撑元件可以总体上是托架形状的，以提供对柔性磁体结构的支撑。
每个支撑元件可以具有定制的刚度，以适应支撑元件、超导磁体结构和通常由铝制成的热辐射屏蔽件(如果存在的话)之间的差异热膨胀。定制的刚度提供了在不同方向上具有不同刚度的元件，以实现使超导磁体组件的挠曲最小化的机械支撑件。
每个支撑元件可以包括单个模制表面，以有利于简单的制造过程，因为支撑元件的其他表面不需要被模制。
每个支撑元件可以包括用以为热辐射屏蔽件提供支撑的特征。这样的特征可以并入热拦截。这样的特征可以具有受控的刚度以确保与热辐射屏蔽件的适当接口。热拦截的目的是减少从OVC到磁体的热流。这可以通过迫使支撑结构的一部分的温度处于与热屏蔽件相同的温度来做到，热屏蔽件又连接到致冷器的第一级。这可以通过提供用于热屏蔽件的支撑支架来实现，该热屏蔽件在选定位置处热连接到支撑结构，以及热连接到热屏蔽件。
在一些实施例中，支撑结构的一部分可以是玻璃增强塑料(GRP)的，而另一部分可以是碳纤维增强塑料(CFRP)。在特定实施例中，托架表面部分可以处于CFRP中，而管状支撑管可以处于GRP中。这样的装置受益于这些材料在不同温度下的导热率的变化。
本发明的支撑结构可以与不具有包封的制冷剂容器的超导磁体结构一起使用。本发明的支撑结构具有与超导磁体结构的托架接口，从而减小点载荷到超导磁体结构上的影响。
图1示出了本发明的支撑结构的示例实施例。在所图示的实施例中，支撑结构被提供为两个分开的部件的组合，这两个分开的部件在本文中被称为支撑元件110。
在图1的实施例中，每个支撑元件110的托架接口被提供在三个分开的部分托架表面16a、16b中。在其他实施例(未被示出)中，托架接口可以被划分成两个或多于三个的分开的部分托架表面。
在图1中所示的实施例中，提供了两个分开的支撑元件110，每个支撑元件包括通过对应的支撑柱112a、112b接合的三个部分托架表面16a、16b。在该实施例中，每个外部分托架表面16a由单个支撑柱112a支撑，而内部分托架表面16b由两个支撑柱112b支撑。由于其整体构造，每个支撑元件110可以被描述为“W框架”支撑结构，但是在本发明的范围内可以采用其他构造的支撑柱112a、112b。
W框架支撑件110的优选制造方法确保仅一个表面被模制，以简化制造方法并实现低成本的制造方法。然而，W框架支撑件110可以通过其他商业可获得的复合制造工艺来制造，诸如树脂灌注、从块材进行机械加工或增材制造。合适的制造方法的选择将部分地取决于制造量。
模具可以具有与部分托架表面16a、16b、足区域118的表面120以及将那些表面接合在一起的表面124相对应的表面。树脂浸渍的纤维，诸如玻璃纤维布或碳纤维布，被铺在模具表面上方至合适的厚度，然后使得或允许树脂固化。一旦被固化，所得到的支撑结构就从模具表面被移除。以这种方式，无需不必要的复杂模制过程就可以准确地形成需要被准确形成的表面，即，部分托架表面16a、16b和足区域118的表面120。
通过选择玻璃纤维布或碳纤维布中的纤维的取向以及任何给定区域中的层数，可以定制每个W框架支撑结构110的不同区域的刚度以适合其功能，并将所期望的机械特性提供给支撑结构以用于将超导磁体结构支撑在真空容器内。
在本发明的优选实施例中，每个W框架支撑结构110被形成为单个模制件，其可以是GRP或CFRP或者可以是合适的组合，或者其他合适的材料，其他合适的材料可以是复合材料。
在本发明的某些实施例中，在超导磁体结构12和真空容器14之间插入热辐射屏蔽件26。可以在每个W框架支撑结构110上提供特征以支撑热辐射屏蔽件。这样的特征可以优选地在热辐射屏蔽件和支撑结构之间提供导热，从而提供如上所述的热拦截。
托架接口分离成部分托架表面16a、16b使得能够在超导磁体结构12的径向外表面44的更宽的周向弧上进行支撑(图2)，同时使由于超导磁体结构12和(多个)W框架支撑件110的不同热膨胀和收缩所引起的任何应力最小化。如图2中所图示，部分托架表面16a的周向末端在柱状超导磁体结构12的柱轴A-A处成对向角度β。优选地，该角度的范围为90°-150°，但可以为60和180°之间。
如图2中所图示，优选地在超导磁体结构的轴向中点处提供两个W框架支撑件110，其围绕竖直于轴A的平面被定位成反射对称。W框架支撑结构110可以被不同地定位，但是所示的装置在机械上是稳定的。
图2还示出了被插入在超导磁体结构12和真空容器14之间的热辐射屏蔽件26。如图2中所示，但是在图1中更清楚可见，在热辐射屏蔽件26和真空容器14之间提供支撑元件126。这些支撑元件126可以是GRP管的形式，而W框架支撑结构110可以是CFRP的。通过制作CFRP的W框架支撑件110并将GRP管126定位在热辐射屏蔽件26和真空容器14之间，可以在通常为约300K的真空容器的环境温度和热辐射屏蔽件的制冷温度之间获得最小的导热。
例如，如图6中所示，真空容器14自身将被支撑在真空容器支撑件50上，并且支撑元件126将在硬点200处承载在制冷剂容器14的内表面上，该硬点通过与真空容器支撑件50接触来限定。真空容器支撑件50可以采取不同的形式。在优选实施例中，真空容器支撑件50与OVC集成。
尽管支撑元件126已经被描述为GRP管，但是其可以被其他形状和材料的结构所代替，只要这样的结构满足对机械强度和导热率的相关要求。
优选地，部分托架表面16a、16b通过粘结、螺栓连接或其他合适的方法而被接合至超导磁体结构126的径向外表面44，但是可以只在摩擦接口处被接合。
图3-图4分别示出了根据本发明的示例实施例的包括由支撑结构支撑的超导磁体结构12的组件的示意性径向和轴向正视图，并且示出了W框架支撑件110和支撑元件126的更多细节。在图3中，为了表示的清楚性，仅示出了在柱轴A-A下方的下部。
在某些实施例中，超导磁体结构12包括被诸如线圈架之类的其他部件机械地限制在所要求的相对位置中的线圈。还示出了屏蔽线圈21。屏蔽线圈是超导磁体的常规部件，并且包括半径大于超导磁体结构12的线圈。在本发明中不直接涉及屏蔽线圈21。支架130是屏蔽支撑支架，其向热辐射屏蔽件26提供机械支撑。支架130还可以用作热拦截，其是导热的并且热链接到支撑结构和热辐射屏蔽件两者，以将热量从支撑结构携带到热辐射屏蔽件，然后携带到相关联的制冷剂致冷器。所示出的支架被接合到支撑元件126和W框架支撑件110之间的支撑结构，支撑元件126可以是GRP管。支架130可以被形成为单独的工件，并在超导磁体结构被组装到真空容器14中时将支架130组装到热辐射屏蔽件的其余部分。GRP和CFRP部件之间的热接触优选地发生在热辐射屏蔽件的温度，即大约50K，该温度大约是GRP和CFRP的导热率相等时的温度。该温度由支架130的热拦截功能提供。
优选地，如图3中所图示，每个W框架支撑件110的内部分托架表面16b接触超导磁体结构12的外表面44的一部分，该一部分从超导磁体结构的外表面44的与W框架支撑件的外部分托架表面16a接触的部分轴向地移位。这将承载超导磁体结构12的重量的载荷扩散到超导磁体结构12的多于一个的轴向区域，并且使得能够在轴向方向上进行稳健的机械支撑。
在本发明的特别有利的特征中，W框架支撑件110被构造成使得保持外部分托架表面16a的外支撑件112a相对刚性，其在竖直(基本切向)方向上具有高刚度，但是在水平(轴向)方向上相对柔性。在另一方面，保持周向内部分托架表面16b的支撑件112b在竖直(径向)方向上相对柔性，但是在水平(轴向)方向上相对刚性。
优选地，外支撑件112a在径向方向上也相对柔性，以承载W框架支撑件110和超导磁体结构12之间的热膨胀的任何差异。
术语“相对刚性”和“相对柔性”可以因此被解释：当给定的力在支撑件被称为“相对柔性”的方向上被施加到支撑件时，那么所得到的位移比由相同的给定的力在被支撑件称为“相对刚性”的方向上被施加到相同的支撑件而得到的位移大x倍。根据本发明，x至少为2，优选的范围为5-20，并且更优选的范围为8-15。
在运输期间或在地震期间可能遇到的水平载荷例如大部分由内托架表面16b承受，该内托架表面16b由在水平方向上相对刚性的内部支撑件112b支撑。内托架表面16b和超导磁体结构的外表面44之间的接口表面与水平力平行：受限制的轴向力是在该接口处的剪切力。支撑外部分托架表面16a的支撑件112a在水平方向上相对柔性。它们对限制轴向或径向水平力的贡献很小，并且出现在外托架表面16a与超导磁体结构的外表面44之间的接口表面处的力是在该接口处的旋转剪切力。
竖直的静态载荷基本上是超导磁体结构12的重量，其基本上由外部分托架表面16a承受。支撑内部分托架表面16b的支撑件112b在竖直方向上相对柔性，并且对支撑竖直静态载荷即磁体结构的重量的贡献很小。以这种方式，大部分的竖直载荷与超导磁体结构的外表面44近似相切地被承受，这使超导磁体结构变形的趋势最小化。重量大致切向地被传递，其中超导磁体组件12本身在该方向上非常刚性。如果超导磁体组件的重量的很大一部分由内部分托架表面16b承受，则所得到的点载荷将由超导磁体组件12径向地承受，其中超导磁体组件本身在该方向上相对柔性。点载荷将导致超导磁体结构内的高应力区域，这又会影响磁场的均匀性并增加淬火的趋势。
通过调整W框架支撑件的形状和结构，以及材料在某些区域中的数量和铺放，可以被布置成：外托架表面16a基本上切向地承受了大部分竖直载荷，而内托架表面16b承受了大部分水平载荷，其中内托架表面16b承受很少的竖直载荷。厚度的准确比率、所需的柔性等等将取决于所使用的准确设计和材料而变化，并且所需的特性将根据所使用的超导磁体组件12的尺寸和质量而变化。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，所有这样的特性都可以从计算机仿真中得出。
W框架支撑件110优选地应该仅由最小厚度的材料来构造以提供适当的机械强度，从而使每个W框架支撑件提供的从真空容器的环境温度到超导磁体结构的制冷操作温度的导热路径保持最小。使W框架支撑件110的材料的厚度最小化将意味着支撑件在超导磁体结构的运输期间将弯曲一定量。
支撑元件126优选地机械附接到W框架支撑件110。这可以通过粘结、螺栓连接或其他合适的方法来进行。
尽管上面被描述为单件生产，但W框架支撑件可以被制造成两个分开的工件，或者多于两个的工件，其可以被组装在一起成为W框架支撑件或者执行如上所述的W-框架的功能。
例如，每个所描述的W框架可以有效地被分成两个“V框架”，每个“V框架”包括单个外部分托架表面16a、对应的单个支撑柱112a、单个内部分托架表面16b和对应的单个支撑柱112b。
在这样的实施例中，每个“V框架”支撑件可以在外位置处的单个外部分托架表面16a处接触真空容器，并且在内位置处的单个内部分托架表面16b接触超导磁体结构。每一个都将被粘结或螺栓连接或以其他方式附接到超导磁体结构和真空容器。
在另一备选实施例中，在所描述的实施例中示出的两个W框架支撑件110可以被组合成在单个步骤中制造的单个“双W框架”支撑件，其优选地包括上述的单表面模制操作。
因此，本发明提供了一种用以支撑相对柔性的超导磁体组件的柔性支撑结构，其中该支撑结构被布置成使得：在被组装时，超导磁体组件和支撑结构提供刚性整体。在没有采用包围的制冷剂容器的超导磁体组件的现代设计中会出现此问题。超导磁体结构必须被适当的支撑，而不引起挠曲。
尽管参考超导磁体组件的支撑件具体描述了本发明的支撑结构，但是本发明可以被应用来为其他柔性柱状结构提供支撑装置。

Claims (19)

1.一种组件，所述组件包括由支撑结构支撑的柱状结构(12)，所述支撑结构本身包括至少一个支撑元件(110)，所述支撑结构是托架形状的，使得竖直和水平载荷大部分被相应的接口表面(16a、16b)作为剪切力承受，其中所述相应接口表面(16a、16b)与相应载荷的方向基本上平行，使得竖直载荷在与所述柱状结构的所述柱状表面(44)基本上相切的方向上被承受。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述支撑结构包括多个支撑元件(110)。
3.根据权利要求2所述的组件，其中每个支撑元件(110)总体上是托架形状的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中每个支撑元件(110)包括由对应的支撑柱(112a、112b)接合的两个外部分托架表面(16a)和一个内部分托架表面(16b)。
5.根据权利要求4所述的组件，其中每个外部分托架表面(16a)由单个支撑柱(112a)支撑，而所述内部分托架表面(16b)由两个支撑柱(112b)支撑。
6.根据权利要求4或5所述的组件，其中部分托架表面16a的周向末端在所述柱状超导磁体结构(12)的轴处成对向角度β，所述角度β的范围为60°-180°。
7.根据权利要求6所述的组件，其中所述角度β的范围为90°-150°。
8.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中每个支撑元件(110)的所述内部分托架表面(16b)接触所述柱状结构(12)的所述径向外表面(44)的一部分，所述柱状结构(12)的所述径向外表面(44)的一部分从所述柱状结构(12)的所述径向外表面(44)的被所述外部分托架表面(16a)接触的部分轴向地移位。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的组件，其中保持所述外部分托架表面(16a)的所述外支撑件(112a)在竖直的基本上切向方向上相对刚性，而在水平的轴向方向上相对柔性。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的组件，其中保持所述内部分托架表面(16b)的所述内部支撑件(112b)在竖直的径向方向上相对柔性，而在水平的轴向方向上相对刚性。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的组件，其中保持所述外部分托架表面(16a)的所述外支撑件(112a)在径向方向上相对柔性。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的组件，其中响应于在支撑件相对柔性的方向上被施加于所述支撑件的给定力，得到的位移比由相同的所述给定力在相同的所述支撑件相对刚性的方向上被施加于相同的所述支撑件而得到的位移大x倍，并且其中x至少为2。
13.根据权利要求12所述的组件，其中x的范围为5-20。
14.根据权利要求13所述的组件，其中x的范围为8-15。
15.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中每个支撑元件(110)包括单个模制表面，所述支撑元件的其他表面未被模制。
16.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述柱状结构是超导磁体组件，所述组件被包围在真空容器(14)内。
17.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中每个支撑元件(110)支撑支架(130)，所述支架提供针对热辐射屏蔽件(26)的机械支撑。
18.根据权利要求17所述的组件，其中每个支架(130)热链接到对应的支撑元件(110)和所述热辐射屏蔽件(26)，使得每个支架向所述支撑元件提供热拦截。
19.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述支撑结构的一部分由玻璃增强塑料(GRP)制成，而另一部分由碳纤维增强塑料(CFRP)制成。
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