CN209747269U - 包括柱形结构的组件 - Google Patents

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M·甘布林
G·希森
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Abstract

公开了一种包括柱形结构的组件，柱形结构由支撑结构支撑。该组件包括由支撑结构支撑的柱形结构(12)，支撑结构自身包括至少一个支撑元件(110)，支撑结构是托架形状的，使得垂直负载和水平负载大部分作为剪切力而由相应的接口表面(16a、16b)承受，接口表面(16a、16b)基本上平行于相应负载的方向，使得承受垂直负载的方向基本上与柱形结构的柱形表面(44)相切。

Description

包括柱形结构的组件
技术领域
本实用新型涉及超导磁体，并且具体涉及用于将超导磁体结构保持在真空容器内就位的装置。
背景技术
常规上，超导磁体线圈装置利用例如钢或铝的刚性成形体被保持就位，被安装在例如由不锈钢制成的包封性致冷剂容器内。现代设计可以不包括这种包封性致冷剂容器。本实用新型为这种超导磁体结构提供了可行的支撑装置。
虽然传统上超导磁体结构已通过部分浸入液态致冷剂中被冷却，而液态制冷剂被包含在封装性致冷剂容器内，但最近的进展意味着：封装性致冷剂容器可能不再被需要。
在不提供封装性致冷剂容器的情况下，超导磁体结构直接受到来自支撑装置的热量和机械负载的影响，该支撑装置被用于承载超导磁体结构的重量。当不使用封装性致冷剂容器时，常规上使用负载隔离结构来保护磁体免受集中负载的影响，该集中负载由常规悬挂元件引起。已经发现，这样的装置是昂贵的，并且组装复杂，具有相对高的部件计数。昂贵的接口特征需要被安装在真空容器上，以及磁体结构或封装性致冷剂容器(如果被提供)。这个问题出现在不使用包装性致冷剂容器的超导磁体组件的现代设计中。超导磁体结构必须被适当地支撑而不引起屈曲。因此期望提供一种更加经济的支撑系统，使超导磁体结构上的负载最小化。
多个张力悬挂元件被单个管状悬挂元件代替的备选概念已经例如在GB2441795A“Tubular Support System for Superconducting Magnet”和GB2469203A“A SupportedSuperconducting Magnet”中进行了描述。这些文献各自描述了大体上为管状的支撑结构，主要旨在与大体上为柱形的封装性致冷剂容器接合。这些文献中描述的装置具有以下优点：将超导磁体的重量传送到诸如地板的外部支撑结构，而不必重量首先由真空容器承受。这消除了在真空容器上提供接口特征的一些必要性，并且可以使得更薄的材料被用于真空容器，从而降低重量和材料成本。所描述的装置仍然要求在大体上为管状的支撑件的每个端部处的相对较强的连接点，通常连接到封装性致冷剂容器。因此，它们难以与没有封装性致冷剂容器的超导磁体结构接合。为了处理不存在封装性致冷剂容器的情况，要求在真空容器和大体上为管状的支撑件之间的接口处的可能较昂贵的特征。
实用新型内容
根据本实用新型，新的支撑结构被提供，用于被封装在真空容器内的超导磁体结构。该支撑结构特别适用于不具有封装性致冷剂容器的超导磁体。该支撑结构也可以被应用于其他柱形结构的支撑。
相应地，本实用新型提供了所附权利要求所限定的结构。
根据本实用新型的一个方面提供：一种包括柱形结构的组件，柱形结构由支撑结构支撑，支撑结构自身包括至少一个支撑元件，支撑结构是托架形状的，使得垂直负载和水平负载大部分作为多个剪切力而由相应的接口表面承受，接口表面基本上平行于相应负载的方向，使得承受垂直负载的方向基本上与柱形结构的柱形表面相切。
本实用新型的支撑结构适于最小化对超导磁体结构的不良影响，并有利于简化真空容器。
附图说明
结合附图，通过参考本实用新型的某些实施例的以下描述，本实用新型的优点、特性和特征将更清楚地被理解，在附图中：
图1示出了在本实用新型的实施例中使用的支撑结构的示例实施例；
图2示出了本实用新型的示例实施例；
图3示出了本实用新型的示例实施例的部分轴向示意性径向正视图；以及
图4示出了本实用新型的示例实施例的示意性轴向正视图。
具体实施方式
本实用新型提供了一种组件，包括由支撑结构支撑的柱形结构，更具体地，该支撑结构用于支撑真空容器内的超导磁体结构。备选地，真空容器可以被称为外部真空室或OVC。
本实用新型的支撑结构适于最小化对超导磁体结构的不良影响，并有利于简化真空容器。
根据本实用新型的一个特征，一种支撑件被提供，该支撑件被成形为托住超导磁体结构，同时最小化从真空容器到超导磁体结构的热量流动。特别地，垂直负载和水平负载大部分作为剪切力而由内部表面承受，该内部表面基本上平行于负载的方向。承受垂直负载的方向与超导磁体组件的柱形表面基本上相切。
多个支撑元件，而不是仅一个支撑元件，可以被提供用于单个超导磁体结构。
每个支撑元件可以整体上是托架形状的，用于向柔性磁体结构提供支撑。
每个支撑元件可以具有定制的刚度，以适应支撑元件、超导磁体结构和热辐射屏蔽件(如果存在的话)之间的不同的热膨胀，热辐射屏蔽件通常由铝制成。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屈曲最小化的机械支撑。
每个支撑元件可以包括单个模制表面，以促进简单的制造过程，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为热辐射屏蔽件提供支撑的特征。这些特征可以包含热拦截件。这些特征可以具有受控刚度，以确保与热辐射屏蔽件的适当接合。热拦截件的目的是减少从OVC到磁体的热量流动。这是通过强制使得支撑结构的一部分的温度与热屏蔽件的温度相同来实现的，热屏蔽件又被连接到冷凝装置的第一级。这可以通过提供用于热屏蔽件的支撑托架来实现，该热屏蔽件在选定位置热连接到支撑结构，并且热连接到热辐射屏蔽件。
在一些实施例中，支撑结构的部分可以由玻璃增强塑料(GRP)制成，而另一部分可以由碳纤维增强塑料(CFRP)制成。在特定实施例中，托架表面部分可以是以CFRP，而管状支撑管可以是以GRP。这样的装置受益于这些材料在不同温度下的热导率变化。
本实用新型的支撑结构可以与不具有封装性致冷剂容器的超导磁体结构一起使用。本实用新型的支撑结构具有与超导磁体结构的托架接口，降低了点负载到超导磁体结构上的影响。
图1示出了本实用新型的支撑结构的示例实施例。在所示的实施例中，支撑结构被设置为两个分离的部分的组合，该分离的部分在本文被称为支撑元件110。
在图1的实施例中，每个支撑元件110的托架接口被提供三个分离的部分托架表面16a、16b中。在其他实施例中(未示出)，托架接口可以被分成两个或多于三个的分离的部分托架表面。
在图1所示的实施例中，两个分离的支撑元件110被提供，每个支撑元件包括三个部分托架表面16a、16b，部分托架表面通过相应的支撑支柱112a、112b连接。在该实施例中，每个外部部分托架表面16a由单个支撑支柱112a支撑，而内部部分托架表面16b由两个支撑支柱112b支撑。由于其整体构造，每个支撑元件110可以被描述为“W形框架”支撑结构，但是在本实用新型的范围内支撑支柱112a、112b的其他构造可以被采用。
W形框架支撑件110的优选制造方法确保了仅一个表面被模制，以简化制造方法，并且实现低成本的制造方法。然而，W形框架支撑件110可以通过其他商业上可用的复合制造工艺来制造，诸如树脂浸渍、从块体机械加工或增材制造。选择合适的制造方法将部分地取决于制造量。
模具可以具有对应于部分托架表面16a、16b、脚部区域118的表面120以及将这些表面连接在一起的表面124的表面。树脂浸渍纤维(诸如，玻璃纤维布或碳纤维布)被放置在模具表面上至合适的厚度，并且树脂被导致或允许固化。一旦固化，所得的支撑结构从模具表面被移除。以这种方式，这些需要被精确形成的表面，即部分托架表面16a、16b和脚部区域118的表面120被精确形成，而不需要不必要地复杂的模制工艺。
通过选择玻璃纤维布或碳纤维布中的纤维定向以及任何给定区域中的层数，每个W形框架支撑结构110的不同区域的刚度可以被定制，以适应其功能，并向支撑结构提供期望的机械特性，该支撑结构用于支撑真空容器内的超导磁体结构。
在本实用新型的优选实施例中，每个W形框架支撑结构110被形成为单个模制件，其可以是以GRP或CFRP或合适的组合，或者可以是复合材料的其他合适的材料。
在本实用新型的某些实施例中，热辐射屏蔽件26被插入在超导磁体结构12和真空容器14之间。特征可以在每个W形框架支撑结构110上被提供，以支撑热辐射屏蔽件。这样的特征可以优选地提供热辐射屏蔽件和支撑结构之间的热传导，从而提供如上所述的热截断。
将托架接口分离成部分托架表面16a、16b使得能够在更宽的周向弧上支撑超导磁体结构12的径向外表面44(图2)，同时最小化归因于超导磁体结构12和(多个)W形框架支撑件110的不同热膨胀和收缩而引起的任何应力。如图2所示，部分托架表面16a的周向末端在柱形超导磁体结构12的柱轴A-A处朝向角度β。该角度优选在90°至150°的范围内，但可以在60至180°之间。
如图2所示，两个W形框架支撑件110优选地被提供，被如下定位：在超导磁体结构的轴向中点处，关于垂直于轴线A的平面反射对称。W形框架支撑结构110可以不同地被定位，但是所示的撞置是机械稳定的。
图2还示出了热辐射屏蔽件26，其被插入在超导磁体结构12和真空容器14之间。如图2所示，但在图1中更清晰可见，支撑元件126被设置在热辐射屏蔽件26和真空容器14之间。这些支撑元件126可以是GRP管的形式，而W形框架支撑结构110可以是由CFRP制成。通过制造CFRP的W形框架支撑件110，并将GRP管126定位在热辐射屏蔽件26与真空容器14之间，可以在真空容器的周围环境温度(通常约300K)与热辐射屏蔽件的低温温度之间获得最小的热传导。
例如如图3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处承载在致冷剂容器14的内表面上，硬点200由与真空容器支撑件50的接触来限定。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，但是它们可以被其他形状和材料的结构代替，只要这种结构满足机械强度和导热性的相关要求。
部分托架表面16a、16b优选通过粘结、螺栓连接或其他合适的方法被结合到超导磁体结构126的径向外表面44，但可以简单地在摩擦接口处被结合。
图3与图4分别示出了根据本实用新型的示例性实施例的组件的示意性径向和轴向正视图，并且示出了W形框架支撑件110和支撑元件126的进一步细节，该组件包括由支撑结构支撑的超导磁体结构12。为了表示的清楚性，在图3中仅柱轴A-A下方的下部被示出。
在某些实施例中，超导磁体结构12包括线圈，该线圈通过其他部件(诸如成形器)被机械地限制在所要求的相对位置中。屏蔽线圈21也被示出。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。屏蔽线圈21不直接在本实用新型中被涉及。支架130是屏蔽支撑支架，向热辐射屏蔽件26提供机械支撑。支架130还可以用作热拦截件，热拦截件是导热的，并且与支撑结构和热辐射屏蔽件二者热连接，以便将热量从支撑结构递送到热辐射屏蔽件，并且以此类推，到相关联的致冷剂冷凝装置。支架被示出结合到支撑结构，该支撑结构在支撑元件126和W形框架支撑件110之间，支撑元件126可以是GRP管。当超导磁体结构被组装到真空容器14中时，支架130可以被形成为单独的件，并且被组装到热辐射屏蔽件的其余部分。GRP和CFRP组件之间的热接触优选地发生在热辐射屏蔽件的温度处，即大约50K，这大约是GRP和CFRP的热导率相等的温度。该温度由支架130的热拦截功能提供。
优选地，如图3所示，每个W形框架支撑件110的内部部分托架表面16b接触超导磁体结构12的外表面44的一部分，内部部分托架表面16b从超导磁体结构的外表面44的一部分轴向地位移，超导磁体结构的外表面44被W形框架支撑件的外部部分托架表面16a接触。该装置将针对超导磁体结构12的重量的负载承受扩展到超导磁体结构12的多于一个轴向区域，并且使得在轴向方向上实现稳固的机械支撑。
在本实用新型的特别有利的特征中，W形框架支撑件110被构造为使得支持外部部分托架表面16a的外部支撑件112a相对刚性，在垂直(基本上切向)方向上具有高刚度，但是在水平(轴向)方向上相对柔性。另一方面，支持周向内部部分托架表面16b的支撑件112b在垂直(径向)方向上相对柔性，但在水平(轴向)方向上相对刚性。
优选地，外部支撑件112a在径向方向上也相对柔性，以承担W形框架支撑件110和超导磁体结构12之间热膨胀上的任何差异。
术语“相对刚性”和“相对柔性”因此可以被解释为：当在支撑件被认为是“相对柔性”的方向上向支撑件施加给定的力时，则所引起的位移比在相同的支撑件被认为是“相对刚性”的方向上向支撑件施加相同的给定的力而引起的位移大x倍。根据本实用新型，x至少为2，优选在5-20的范围内，更优选为8-15。
例如在运输过程中或在地震过程中遇到的水平负载主要由内部托架表面16b承受，该内部托架表面16b由在水平方向上相对刚性的内支撑件112b支撑。内部托架表面16b与超导磁体结构的外表面44之间的接口表面平行于水平力：受约束的轴向力是在该接口处的剪切力。支撑外部部分托架表面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，并且出现在接口表面上的力是在该接口处的旋转剪切力，接口表面在外部托架表面16a与超导磁体结构的外表面44之间。
垂直静态负载本质上是超导磁体结构12的重量，基本上由外部部分托架表面16a承受。支撑内部部分托架表面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负载(即，磁体结构的重量)贡献很小。以这种方式，大部分垂直负载大致与超导磁体结构的外表面44相切而被承受，这使超导磁体结构变形的趋势最小化。重量被基本上切向地传送，在该方向上超导磁体组件12自身非常刚性。如果超导磁体组件的重量的大部分由内部部分托架表面16b承受，则所得的点负载将由超导磁体组件12径向地承受，在该方向上超导磁体组件本身相对较柔性。点负载将导致超导磁体结构内的高应力区域，其又会影响磁场的均匀性并增加淬火趋势。
通过调整W形托架的形状和结构以及材料在特定区域内的数目和铺设，以下可以被布置：大部分垂直负载基本上切向地由外部托架表面16a承受，而大部分水平负载由内部托架表面16b承受，其中非常小的垂直负载由内部托架表面16b承受。所要求的厚度、柔性等的确切比例将根据所使用的确切设计和材料而变化，并且所要求的特性将根据所使用的超导磁体组件12的大小和质量而变化。然而，所有这些特性都可以从计算机模拟中被导出，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。
W形托架110应该优选地仅由最小厚度的材料构成，来提供合适的机械强度，使得从真空容器的周围环境温度到超导磁体结构的低温工作温度，每个W形框架支撑件提供的热传导路径保持最小。最小化W形框架支撑件110的材料的厚度将意味着在超导磁体结构的运输期间支撑件将屈曲一定量。
支撑元件126优选被机械附接到W形框架支撑件110。这可以是通过粘接、螺栓连接或其他合适的方法。
尽管W形框架支撑件在上文中被描述为作为单个物品来生产，但是W形框架支撑件可以作为两个分离的件或者多于两件而被制造，其可以一起被组装成W形框架支撑件，或者如上所述，执行W形框架支撑件的功能。
例如，每个所描述的W形框架可以有效地被分成两个“V形框架”，每个“V形框架”包括单个外部部分托架表面16a、对应的单个支撑支柱112a、单个内部部分托架表面16b和对应的单个支撑支柱112B。
在这样的实施例中，每个“V形框架”支撑件可以在外部位置处的单个外部部分托架表面16a处接触真空容器，并且单个内部部分托架表面16b在内部位置处接触超导磁体结构。表面16b和16a各自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。
在另一个备选实施例中，所述实施例中示出的两个W形框架支撑件110可以被组合成单个“双W形框架”支撑件，其在单个步骤中被制造，该单个步骤优选地包括上述单表面模制操作。
本实用新型因此提供一种柔性支撑结构，以支撑相对柔性的超导磁体组件，其中支撑结构被布置为使得超导磁体组件和支撑结构当被组装时提供刚性整体。这个问题出现在不使用包装性致冷剂容器的超导磁体组件的现代设计中。超导磁体结构必须被适当地支撑而不引起屈曲。
尽管本实用新型的支撑结构参考超导磁体组件的支撑而被特定地描述，但是本实用新型可以被应用于向其他柔性柱形结构提供支撑装置。

Claims (19)

1.一种包括柱形结构(12)的组件，其特征在于，所述柱形结构(12)由支撑结构支撑，所述支撑结构自身包括至少一个支撑元件(110)，所述支撑结构是托架形状的，使得垂直负载和水平负载大部分作为多个剪切力而由相应的接口表面(16a、16b)承受，所述接口表面(16a、16b)基本上平行于相应负载的方向，使得承受垂直负载的方向基本上与所述柱形结构的径向外表面(44)相切。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，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，其特征在于，每个支撑元件(110)整体上是托架形状的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，每个支撑元件(110)包括由对应的多个支撑支柱(112a、112b)连接的两个外部部分托架表面(16a)和内部部分托架表面(16b)。
5.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，每个外部部分托架表面(16a)由单个支撑支柱支撑，所述内部部分托架表面(16b)由两个支撑支柱支撑。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的组件，其特征在于，多个部分托架表面(16a)的多个周向末端在柱形结构(12)的轴线处朝向角度β，所述角度β位于60°-180°范围内。
7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述角度β位于90°-150°的范围内。
8.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，每个支撑元件(110)的所述内部部分托架表面(16b)接触所述柱形结构(12)的径向外表面(44)的一部分，所述内部部分托架表面(16b)从所述柱形结构(12)的所述径向外表面(44)的一部分轴向位移，所述柱形结构(12)的所述径向外表面(44)被多个所述外部部分托架表面(16a)接触。
9.根据权利要求4至权利要求8中任一项所述的组件，其特征在于，支持多个所述外部部分托架表面(16a)的多个外部支撑支柱在垂直的、基本上切向的方向上相对刚性，但在水平的、轴向的方向上相对柔性。
10.根据权利要求4至权利要求9中任一项所述的组件，其特征在于，支持多个所述内部部分托架表面(16b)的多个内部支撑支柱在垂直的、径向的方向上相对柔性，但在水平的、轴向的方向上相对刚性。
11.根据权利要求4至权利要求10中任一项所述的组件，其特征在于，支持多个所述外部部分托架表面(16a)的所述多个外部支撑支柱在径向方向上相对柔性。
12.根据权利要求9至权利要求11中任一项所述的组件，其特征在于，响应于在一个支撑件的相对柔性的方向上向所述支撑件施加一个给定力，所引起的位移比在相同支撑件的相对刚性的方向上向所述支撑件施加相同的给定力而引起的位移大x倍，并且其中x至少为2。
13.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，x在5-20的范围内。
14.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，x在8-15的范围内。
15.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，每个支撑元件(110)包括单模制表面，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，其特征在于，所述柱形结构是超导磁体组件，所述组件被封装在真空容器(14)内。
17.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，每个支撑元件(110)支撑一个支架(130)，所述支架(130)为热辐射屏蔽件(26)提供机械支撑。
18.根据权利要求17所述的组件，其特征在于，每个支架(130)与对应的支撑元件(110)和所述热辐射屏蔽件(26)热连接，使得每个支架向所述支撑元件提供一个热拦截件。
19.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，所述支撑结构的部分由玻璃增强塑料(GRP)制成，另一部分由碳纤维增强塑料(CFRP)制成。
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