CN116489863B - 具有超薄壁和金属内衬的真空腔室结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有超薄壁和金属内衬的真空腔室结构，包括第一扣板、第二扣板以及若干个内衬结构；所述第一扣板和所述第二扣板扣合形成内置空腔的筒体结构；所述第一扣板和所述第二扣板形成的筒体结构的内壁上分别设置有若干组限位压条组件，若干组所述限位压条组件沿着所述筒体结构的长度方向间隔设置，且每组所述限位压条组件包括若干个限位压条单元，若干个所述限位压条单元绕所述筒体结构的内壁周向设置；若干个所述内衬结构设置于所述第一扣板和第二扣板形成的空腔内，若干个所述内衬结构与所述筒体结构内的若干组限位压条组件交替设置。本发明可抵抗大气压力、结构稳定、涡流效应小、阻抗小且不会产生形变。
Description
技术领域
本发明涉及真空腔室技术领域，具体是关于一种具有超薄壁和金属内衬的真空腔室结构。
背景技术
为瞄准国际上重离子科学研究的最前沿，现有技术中的强流重离子加速器(HIAF)，是具备全粒子加速能力的大科学工程装置，可以提供高达4.25GeV/u的脉冲重离子束流。
然而，束流寿命与真空腔室中的残余气体量、涡流效应及阻抗等相关。为了增加束流寿命，应减小系统真空度、降低涡流效应、减小阻抗。因此，BRing真空系统设计真空度须优于1×10-9Pa。同时，为了降低快速变化的磁场在对应真空腔室上产生的涡流效应，须对真空室的壁厚进一步降低。
当真空腔室的壁厚小于1mm时，进一步的，若为0.3mm、且真空腔室内真空度极高(10-9Pa)时，真空腔室内外压差相差15个量级，0.3mm超薄壁真空腔室由于其较差的结构刚性，会在大气压的作用下产生纵向及横向形变。为了抵消这种形变，亟需开发一种结构稳定的新型真空腔室结构。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有超薄壁和金属内衬的真空腔室结构，可抵抗大气压力、结构稳定、涡流效应小、阻抗小且不会产生形变。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明所述的具有超薄壁和金属内衬的真空腔室结构，包括第一扣板、第二扣板以及若干个内衬结构；所述第一扣板和所述第二扣板扣合形成内置空腔的筒体结构；所述第一扣板和所述第二扣板形成的筒体结构的内壁上分别设置有若干组限位压条组件，若干组所述限位压条组件沿着所述筒体结构的长度方向间隔设置，且每组所述限位压条组件包括若干个限位压条单元，若干个所述限位压条单元绕所述筒体结构的内壁周向设置；若干个所述内衬结构设置于所述第一扣板和第二扣板形成的空腔内，若干个所述内衬结构与所述筒体结构内的若干组限位压条组件交替设置。
所述的真空腔室结构，优选地，还包括第一法兰和第二法兰，所述第一法兰和所述第二法兰分别设置于所述筒体结构的两端。
所述的真空腔室结构，优选地，首端的所述内衬结构的两端分别与第一法兰和筒体结构的首端限位压条组件紧配合；末端的所述内衬结构的两端分别与筒体结构的末端限位压条组件和第二法兰紧配合；中间的所述内衬结构的两端分别与筒体结构中间的相邻两个限位压条组件紧配合。
所述的真空腔室结构，优选地，所述内衬结构包括若干个环形结构的骨架和若干个连接结构；若干个骨架间隔层叠设置，且若干个骨架通过所述连接结构连接在一起；若干个连接结构绕若干个骨架形成的整体周向设置。
所述的真空腔室结构，优选地，所述连接结构包括纵向加强筋和肋板，所述纵向加强筋用于将若干个骨架纵向串接起来；所述肋板设置于内衬结构的内壁且与纵向加强筋固定，所述肋板用于对若干个骨架起加强作用。
所述的真空腔室结构，优选地，所述筒体结构的形状为直段和弧形段交替设置，筒体结构的筒壁为0.1mm-1mm的薄壁结构。
所述的真空腔室结构，优选地，所述内衬结构的骨架的形状与筒体结构的内壁面相适应。
所述的真空腔室结构，优选地，所述限位压条单元是由筒体结构的外壁内凹变形而成，其内凹深度为0.1mm-0.7mm。
所述的真空腔室结构，优选地，所述内衬结构由金属或合金材料制成。
所述的真空腔室结构，优选地，所述内衬结构采用3D打印技术一体成型。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)与现有1mm壁厚、且在外壁加不锈钢加强筋结构相比，其壁厚降低至小于1mm。在满足加速器物理对好场区要求的基础上，大大减小了真空室的整体尺寸，进而大幅减小磁铁气隙，降低加速器制造成本；
(2)本发明内衬结构采用3D打印技术一体成型，修改结构时不用对模具进行修改，只需修改打印程序，加工成本更低；
(3)限位压条的形状为向筒体结构内壁凹陷状，此结构形式可以有效的限制在线烘烤时超薄壁与金属内衬因热膨胀系数不同而导致的纵向位移，同时也保证了整个装置在运输、安装过程中内衬结构的攒动；
(4)本发明可以实现大气压力下形变小、结构稳定、涡流效应小、阻抗小的功能，并且满足极高真空要求。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是图1的A部放大结构示意图；
图3是本发明的内衬结构的立体结构示意图。
附图中各标记表示如下：
1-第一扣板；2-第二扣板；3-内衬结构；301-骨架；302-第一连接结构；303-第二连接结构；4-限位压条单元；5-第一法兰；6-第二法兰。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提供一种具有超薄壁和金属内衬的真空腔室结构，通过在0.3mm的薄壁结构的筒体结构内部设置内衬结构，使得真空腔室结构可以实现大气压力下形变小、结构稳定、涡流效应小、阻抗小的功能，并且满足极高真空要求。
如图1和图2所示，本发明提供的具有超薄壁和金属内衬的真空腔室结构，包括第一扣板1、第二扣板2以及若干个内衬结构3；第一扣板1和第二扣板2扣合形成内置空腔的筒体结构；第一扣板1和第二扣板2形成的筒体结构的内壁上分别设置有若干组限位压条组件，若干组限位压条组件沿着筒体结构的长度方向间隔设置，且每组限位压条组件包括若干个限位压条单元4，若干个限位压条单元4绕筒体结构的内壁周向设置；其中，在图1和图2所示的实施例中，每组限位压条组件包括两个限位压条单元4，两个限位压条单元4分别设置于第一扣板1和第二扣板2的内壁上，且第一扣板1上的限位压条4和第二扣板上2的限位压条4一一对应设置；若干个内衬结构3设置于第一扣板1和第二扣板2形成的空腔内，若干个内衬结构3与筒体结构内的若干组限位压条组件交替设置。
在上述实施例中，优选地，本发明还包括第一法兰5和第二法兰6，第一法兰5和第二法兰6分别设置于筒体结构的两端。
在上述实施例中，优选地，首端的内衬结构3的两端分别与第一法兰5和筒体结构的首端限位压条组件紧配合；末端的内衬结构3的两端分别与筒体结构的末端限位压条组件和第二法兰6紧配合；中间的内衬结构3的两端分别与筒体结构中间的相邻两个限位压条组件紧配合。
在图1和图2所示的实施例中，首端的内衬结构3第一侧的两端分别与第一法兰5和第一扣板1上的首端限位压条单元4紧配合，其第二侧的两端分别与第一法兰5和第二扣板上2的首端限位压条单元4紧配合；末端的内衬结构3第一侧的两端分别与第一扣板1上的末端限位压条单元4和第二法兰6紧配合，其第二侧的两端分别与第二扣板2上的末端限位压条单元4和第二法兰6紧配合；中间的内衬结构3第一侧的两端分别与第一扣板1上中间的相邻两个限位压条单元4紧配合，其第二侧的两端分别与第二扣板2上中间的相邻两个限位压条单元4紧配合。由此，限位压条单元4用于保证若干个内衬结构之间的相对位置不随安装、运输、在线烘烤时由于热膨胀系数不同而发生变化。
在上述实施例中，优选地，内衬结构3包括若干个环形结构的骨架301和若干个连接结构；若干个骨架301间隔层叠设置，且若干个骨架301通过连接结构连接在一起；若干个连接结构绕若干个骨架301形成的整体周向设置。
其中，在图3所示的实施例中，内衬结构3包括若干个环形结构的骨架301和两个连接结构，两个连接结构分别为第一连接结构302和第二连接结构303；若干个骨架301间隔层叠设置，且若干个骨架通过第一连接结构302和第二连接结构303连接在一起；第一连接结构302位于若干个骨架301形成的整体的顶部，第二连接结构303位于若干个骨架301形成的整体的底部。
在上述实施例中，优选地，连接结构包括纵向加强筋和肋板，纵向加强筋用于将若干个骨架纵向串接起来；所述肋板设置于内衬结构的内壁且与纵向加强筋固定，所述肋板用于对若干个骨架起加强作用。当然连接结构不限于此类结构。
在图3所示的实施例中，第一连接结构302包括第一纵向加强筋和第一肋板，第一纵向加强筋设置于内衬结构3的顶部，用于在其顶部将若干个骨架301串接起来，第一肋板亦设置于内衬结构3的顶部且与第一纵向加强筋和若干个骨架301的顶部连接；第二连接结构303包括第二纵向加强筋和第二肋板，第二纵向加强筋设置于内衬结构3的底部，用于在其底部将若干个骨架301串接起来，第二肋板亦设置于内衬结构3的底部且与第二纵向加强筋和若干个骨架301的底部连接。
需要说明的是，内衬结构的设计首先要保证强度要求，即在大气压下，其形变不超过1mm。其次，为了满足束流对涡流和阻抗的要求，内衬结构的单根骨架宽度不超过5mm、厚度不超过4mm，进一步为了满足刚度和强度要求，每个骨架之间须通过加强筋相连，且间距应不小于15mm，这样既能保证了强度和刚度，也可以减小涡流效应；第一肋板和第二肋板，可以减小阻抗。其中，骨架截面形式可以为圆形、椭圆形、矩形、六边形、跑道形等。其中，骨架的宽度、厚度以及骨架与骨架之间的间距在加速器系统或者其他应用场景要求下，其值不限于上述，单个骨架宽度可以大于5mm，也可以小于5mm，单个骨架厚度可以是4mm，也可以为4mm以外的其他值。单个骨架之间的间距也不限于15mm，在不同应用场景下，可灵活设置。其中，第一连接结构和第二连接结构的结构形式也不限于加强筋与肋板的组合，也可以为宽度较宽的加强筋，连接结构的数量不限于两个，依据金属内衬结构形式的不同可以为两个及两个以上。
在上述实施例中，优选地，所述筒体结构的形状为直段和弧形段交替设置，筒体结构的筒壁为0.1mm-1mm的薄壁结构。在图1所示的实施例中，筒体结构的两端为直段，中间为7.5°弧形段，筒体结构的筒壁为0.3mm的薄壁结构，薄壁结构的材料为不锈钢板，其满足表面出气率、高温出气、在线烘烤的要求，且腔室内能达到极高真空水平。
在上述实施例中，优选地，内衬结构3的骨架301的形状与筒体结构的内壁面相适应。由于筒体结构的结构形式为直段加弧形段，因此若干个内衬结构的尺寸在纵向上有些许差异。
在上述实施例中，优选地，限位压条单元4是由筒体结构的外壁内凹变形而成，其内凹深度为0.1mm-0.7mm。具体地，加工限位压条成型模具，在0.3mm不锈钢超薄壁壁面上，向壁面内凹0.7mm，进而得到限位压条单元4。当然，其内凹尺寸不限于0.7mm，也可以为0.3mm或0.5mm，只要保证金属内衬在纵向上相对位置不变即可。
在上述实施例中，优选地，内衬结构3由金属或合金材料制成。具体地，可以为钛合金，钛合金有强度高、硬度高、韧性好的特点。
在上述实施例中，优选地，内衬结构3采用3D打印技术一体成型。
另外，需要说明的是，筒体结构的截面可以是圆形截面、跑道形截面、六边形截面、八边形截面或者其他异行截面。相应地，内衬结构3的截面也可以是圆形截面、跑道形截面、六边形截面、八边形截面或者其他异行截面。
与现有1mm壁厚，且在外壁加不锈钢加强筋结构相比，本发明壁厚降低至0.3mm，在满足加速器物理对好场区要求的基础上，大大减小了真空室的整体尺寸，进而大幅减小磁铁气隙，降低加速器制造成本；本发明内衬结构材料选用钛合金，钛合金因其强度高、刚性好、韧性好，被广泛用于航空、航天、医疗等领域。本发明钛合金内衬结构采用3D打印技术一体成型，修改结构时不用对模具进行修改，只需修改打印程序，加工成本更低；限位条的形状为向筒壁内壁凹陷状，此结构形式可以有效的限制在线烘烤时超薄壁与金属内衬因热膨胀系数不同而导致的纵向位移，同时也保证了超薄壁金属内衬真空腔室在运输、安装过程中金属内衬的攒动；经过测试，依据本实施例所加工具有超薄壁和金属内衬的真空腔室结构可以实现大气压力下变形小、结构稳定、涡流效应小、阻抗小的功能，并且满足极高真空要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种具有超薄壁和金属内衬的真空腔室结构，其特征在于，包括第一扣板、第二扣板以及若干个内衬结构；
所述第一扣板和所述第二扣板扣合形成内置空腔的筒体结构；
所述第一扣板和所述第二扣板形成的筒体结构的内壁上分别设置有若干组限位压条组件，若干组所述限位压条组件沿着所述筒体结构的长度方向间隔设置，且每组所述限位压条组件包括若干个限位压条单元，若干个所述限位压条单元绕所述筒体结构的内壁周向设置；
若干个所述内衬结构设置于所述第一扣板和第二扣板形成的空腔内，若干个所述内衬结构与所述筒体结构内的若干组限位压条组件交替设置；
所述内衬结构包括若干个环形结构的骨架和若干个连接结构；
若干个骨架间隔层叠设置，且若干个骨架通过所述连接结构连接在一起；
若干个连接结构绕若干个骨架形成的整体周向设置；
所述连接结构包括纵向加强筋和肋板，所述纵向加强筋用于将若干个骨架纵向串接起来；所述肋板设置于内衬结构的内壁且与纵向加强筋固定，所述肋板用于对若干个骨架起加强作用；
所述筒体结构的形状为直段和弧形段交替设置，筒体结构的筒壁为0.1mm-1mm的薄壁结构；
所述限位压条单元是由筒体结构的外壁内凹变形而成，其内凹深度为0.1mm-0.7mm。
2.根据权利要求1所述的真空腔室结构，其特征在于，还包括第一法兰和第二法兰，所述第一法兰和所述第二法兰分别设置于所述筒体结构的两端。
3.根据权利要求2所述的真空腔室结构，其特征在于，首端的所述内衬结构的两端分别与第一法兰和筒体结构的首端限位压条组件紧配合；
末端的所述内衬结构的两端分别与筒体结构的末端限位压条组件和第二法兰紧配合；
中间的所述内衬结构的两端分别与筒体结构中间的相邻两个限位压条组件紧配合。
4.根据权利要求1所述的真空腔室结构，其特征在于，所述内衬结构的骨架的形状与筒体结构的内壁面相适应。
5.根据权利要求1所述的真空腔室结构，其特征在于，所述内衬结构由金属或合金材料制成。
6.根据权利要求1所述的真空腔室结构，其特征在于，所述内衬结构采用3D打印技术一体成型。
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| Title |
|---|
| Study on Au coating of ceramic-lined thin-wall vacuum chamber for HIAF;C.C.Li、C.Luo、et al;《Vacuum》;正文第1-9页，附图1-14 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116489863A (zh) | 2023-07-25 |
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