使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法、多层绝热体制成体及包括其的超导磁体的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，其特征在于：将热辐射屏蔽件分割成若干基本形状单元；针对每一个基本形状单元，对平面的多层绝热体进行剪裁以使其能够比较贴合地包裹基本形状单元的外表面，其中，对于无法展开为平面的基本形状单元，根据预定的曲面与平面的映射规则，对平面的多层绝热体进行剪裁，以使得其拼接后基本贴合所对应的基本形状单元；将所有剪裁后的平面的多层绝热体进行拼接，使其包裹在热辐射屏蔽件的表面。本发明还提供一种上述方法制成的多层绝热体制成体及包括其的超导磁体。
【专利说明】使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法、多层绝热体制成体及包括其的超导磁体
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁共振成像【技术领域】，具体地涉及超导磁体中用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法。
【背景技术】
[0002]本部分中描述的方法能够被实行，但未必是已被预先构思或实行的方法。因此，除非在本文中另外指明，否则本部分中描述的方法对于本申请中的权利要求而言不是现有技术并且不通过包括在本部分中而被承认为现有技术。此外，本发明的所有实施例不必解决在本部分中提出的问题中的全部(或甚至任一个)。
[0003]现有技术中，需要被低温制冷的装置，如磁共振成像(magnetic resonanceimaging MRI)设备中的超导磁体的超导线圈，通常被放置在一个制冷剂容器(cryogenvessel)中，制冷剂通常是氦，超导线圈，制冷剂及其他一些处于制冷剂温区的部件统称为冷质(cold mass),制冷剂容器又被放置在一个外部真空腔(vacuum vessel)内，真空腔与制冷剂容器之间的空间被抽成真空，为制冷剂容器提供了有效的绝热。由于在冷却的电磁线圈中没有电阻，因此该线圈可以产生和保持强磁场。由于温度上升到一定值将导致超导线圈不再超导，从而电阻升高，电阻升高又产生热，并因此导致温度的进一步上升，因此必须将温度保持在预定的低温范围内。由于真空腔外面与制冷剂容器内部之间的温差较大，使得真空腔与制冷剂容器之间存在较大的辐射热，为了降低真空腔与制冷剂容器之间的辐射热，通常在真空腔与制冷剂容器之间设置一种热福射屏蔽件(Thermal shield),也称做冷屏。图1示出了超导磁体主体结构示意图，从外到内依次包括真空腔102、热辐射屏蔽件104、制冷剂容器106，最里面是常温区域108，被扫描的对象通常位于该区域。在热辐射屏蔽件的外部，通常采用柔性的多层绝热体进行包裹，以更好地阻隔热辐射，从而达到很好的低温隔热效果。
[0004]传统的热福射屏蔽件是中空的圆柱体,包括外筒(outer cylinder)和内筒(innercylinder)以及两端的平面法兰，然而为了使热辐射屏蔽件更紧凑轻巧，可以采用旋压法兰。旋压法兰是曲面结构，其承压能力强，因此可以减小壁厚，从而使得热辐射屏蔽件重量减轻。同时，在两端间距一定的前提下，曲面结构可以让磁体看起来更紧凑。而通常产生磁场的线圈靠近内筒，这种TS结构对系统总体性能影响也可以忽略。但是，这种形状的法兰，给多层绝热体的包裹带来困难，仍然采用传统的包裹方法不能与热辐射屏蔽件外表面很好地贴合，并造成真空腔和热辐射屏蔽件之间空间被浪费或者多层绝热体被挤压。然而我们知道，任何空间都很宝贵，同时，多层绝热体的各层在松散的情况下绝热性能是最好的，而其某些地方挤压之后会降低其绝热性能。
【发明内容】
[0005]根据本发明的一方面，提供一种使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，其特征在于:将热辐射屏蔽件分割成若干基本形状单元；针对每一个基本形状单元，对平面的多层绝热体进行剪裁以使其能够比较贴合地包裹基本形状单元的外表面，其中，对于无法展开为平面的基本形状单元，根据预定的曲面与平面的映射规则，对平面的多层绝热体进行剪裁，以使得其拼接后基本贴合所对应的基本形状单元；将所有剪裁后的平面的多层绝热体进行拼接，使其包裹在热辐射屏蔽件的表面。
[0006]根据本发明的一个实施例，其中至少一个基本形状单元是一段线围绕一个轴旋转而形成的面。
[0007]根据本发明的一个实施例，其中所述线是曲线。
[0008]根据本发明的一个实施例，其中所述线是直线并且不平行于所述轴。
[0009]根据本发明的一个实施例，针对所述的至少一个基本形状单元，将平面的多层绝热体剪裁成均匀的锯齿形状。
[0010]根据本发明的一个实施例，其中对于锯齿形状的每一个齿，其总的高度等于所述线的长再加上调整高度，其上任一点对应的齿的宽度等于该点绕所述轴旋转所得的曲线的周长除以所剪裁的锯齿形状的齿的个数再加上调整宽度。
[0011]根据本发明的一个实施例，其中该调整高度和宽度取决于多层绝热体的厚度和/或柔性，和/或该调整宽度取决于锯齿形状的齿的个数。
[0012]根据本发明的一个实施例，针对所述的至少一个基本形状单元，将平面的多层绝热体剪裁成螺旋状的长条。
[0013]根据本发明的一个实施例，针对所述的至少一个基本形状单元，将平面的多层绝热体剪裁成扇环形。
[0014]根据本发明的一个实施例，可以采取联合剪裁或独立剪裁的方式针对若干基本形状单元对平面的多层绝热体进行剪裁。
[0015]根据本发明的一个实施例，可以对剪裁后的多层绝热体分层后再包裹，并使得所分成的每一层的拼接处错开。
[0016]根据本发明的另一方面，提供一种用于包裹热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体，其特征在于，采用上述任一种的方法制成。
[0017]根据本发明的又一方面，提供一种超导磁体，包括热辐射屏蔽件，和上述的多层绝热体制成体。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]为了更透彻地理解本公开的内容，下面参考结合附图所进行的下列描述，在附图中:
[0019]图1示出了超导磁体主体结构示意图；
[0020]图2a示出了采用平面法兰的传统热辐射屏蔽件的示意图；
[0021]图2b示出了采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的示意图；
[0022]图3a示出了包裹采用平面法兰的传统热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体展开后的不意图；
[0023]图3b示出了根据本发明的包裹采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体展开后一部分的一个示意图；
[0024]图4示出了根据本发明的包裹采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体展开后一部分的细节示意图；
[0025]图5示出了根据本发明的包裹采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体展开后一部分的另一个示意图；
[0026]图6示出了根据本发明的包裹采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体展开后一部分的又一个示意图；
[0027]图7示出了根据本发明实施例的制作包裹采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的多层绝热体的流程图。
【具体实施方式】
[0028]下面将参考附图来详细描述用于实现本发明的具体实施例。但应当理解的是，本发明并不限于下述具体实施例。
[0029]图2a示出了采用平面法兰的传统热辐射屏蔽件的示意图，包括立体图和主要的正投影图。传统热辐射屏蔽件包括外筒、内筒以及两端的平面法兰，是一个中空的圆柱体表面。外筒和内筒均可展开为平面的长方形(或可能是正方形)，其中一边长为外筒或内筒的圆周长，另一边长为外筒或内筒的高。两端的平面法兰是两个相等的环形。
[0030]图3a示出了包裹采用平面法兰的传统热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体展开后的示意图。用于包裹内筒、外筒和平面法兰的多层绝热体可剪裁成相应的形状，考虑到多层绝热体的厚度，剪裁后的形状要比热辐射屏蔽件表面展开后的形状略大，即留出一定的调整宽度，以便能够完全包裹住热辐射屏蔽件。此后采用胶带或者其它方式接合接缝处。
[0031]图2b示出了采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的示意图。该热辐射屏蔽件包括外筒、内筒以及两端的旋压法兰，同样也中空。外筒和内筒均可展开为平面的长方形(或可能是正方形)，其中一边长为外筒或内筒的圆周长，另一边长为筒高。但旋压法兰的形状通常是圆、抛物线、椭圆等曲线的一部分或更复杂的曲线绕轴旋转而形成的旋转面，不能展开为平面。惯常做法仍然是用类似参考图3a所描述的方法去包裹，比如将包裹外筒和内筒的多层绝热体适当延长，以便能够与圆环形状的多层绝热体接合，或者将包裹法兰的多层绝热体圆环做得更宽，以便包裹旋压法兰并与包裹外筒和内筒的多层绝热体接合，但这样均不能贴合热辐射屏蔽件的外表面，使得制成后的多层绝热体制成体体积明显大于热辐射屏蔽件。
[0032]图3b示出了根据本发明的包裹采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体展开后一部分的一个示意图。图右侧是采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的正视图，左侧是针对该热辐射屏蔽件的外筒和两端的旋压法兰进行包裹的剪裁后的平面多层绝热体的示意图。优选地，针对外筒和两端的旋压法兰进行包裹的多层绝热体被联合剪裁，其优势在于可以减少接缝。可选地，针对外筒和两端的旋压法兰进行包裹的多层绝热体被独立地剪裁，然后用胶条或其它方式拼接在一起，其优势在于可以有效利用小面积的多层绝热体材料，从而节约材料。从图3b中可以看出，左侧图中锯齿形状的底宽X’、长方形的长X与右侧图中圆柱体的直径D的关系为:
[0033]V = X = Ji *D+n* Δ I (I) (I)
[0034]左侧图中长方形的宽Y与右侧图中圆柱体的高H的关系为:
[0035]Y = H+ Δ 2 (2)
[0036]其中Λ I和Λ 2为调整裕度，其取决于多层绝热体的厚度和/或柔性，Δ I还可以取决于锯齿形状的齿的个数等。在用该剪裁后的多层绝热体将外筒进行包裹、拼接之后，将锯齿形状贴合旋压法兰的外表面，并用胶带或其它方式接合相邻的齿，从而将外筒和两个旋压法兰整体包裹起来。齿的个数η的选取，主要基于几下几点的考虑:法兰大小、多层绝热体的厚度、制作的复杂性等。其是在贴合性和制作成本之间的权衡。在一个实施例中，夕卜筒直径D是1700_，内筒直径870_，旋压法兰的纵切面为椭圆形的一部分，其中椭圆的长轴与短轴的比值为2，采用的多层绝热体材料是双面镀铝薄膜和低导热间隔层交替叠加构成，共40层，其厚度是1.5cm, η取值为16，Λ I的取值范围可以是17_33mm，锯齿高度570mm。
[0037]根据磁体大小不同，TS外筒的直径可能但并不限于在500mm?2000mm之间变化。多层绝热材料通常采用双面镀铝薄膜和低导热间隔层交替叠加构成，通常的多层绝热由20?50层这样的组合构成，密度通常控制在28?32层/厘米。根据筒体的直径和加工精度，以及多层绝热的层数，Δ I和Λ 2的取值范围将不同，通常可以为测量长度的5%?10%，例如在上面的实施例中，留出*D或H值的5%?10%。
[0038]图4示出了根据本发明的包裹采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体展开后一部分的细节示意图。其是图3b中的每一个齿的细节图。由于旋压法兰的形状通常是圆、抛物线、椭圆等曲线的一部分或更复杂的曲线绕轴旋转而形成的旋转面，从图中可见，齿的总高度等于绕轴旋转以形成旋压法兰的所述一部分曲线的长度加上调整裕度Λ 3，这个长度可以测量得到，也可以根据对应曲线的公式及必要参数计算得到。其上任一点对应的齿的宽度w等于该点绕所述轴旋转所得的曲线的周长c除以所剪裁的锯齿形状的齿的个数η，再加上调整裕度△ 4，该调整裕度取决于多层绝热体的厚度、柔性和/或锯齿数量η等。它们的关系可以用公式表示为:
[0039]w = c-1-n+ Δ 4(3)
[0040]其中
[0041]c = 2 31 d(4)
[0042]其中d是该点到轴的距离，这一参数可以根据曲线形状及曲线与轴的位置关系计算而得。
[0043]在一个实施例中，旋压法兰的形状是椭圆上的一段曲线围绕椭圆的长轴或者短轴旋转而形成的旋转面，可选地，旋压法兰的形状是椭圆上的一段曲线围绕平行于椭圆的长轴或者短轴的轴旋转而形成的旋转面。在另一个实施例中，旋压法兰的形状是圆上的一段曲线围绕圆的直径旋转而形成的旋转面，可选地，旋压法兰的形状是圆上的一段曲线围绕该圆所在平面内的其他直线旋转而形成的旋转面。在又一个实施例中，旋压法兰的形状是抛物线上的一段曲线围绕该抛物线的中轴线旋转而形成的旋转面，可选地，旋压法兰的形状是抛物线上的一段曲线围绕该曲线所在平面内的轴旋转而形成的旋转面。在再一个实施例中，旋压法兰的形状是平面内的其它曲线围绕该平面内的轴旋转而形成的旋转面。不论是哪一种曲线，都可以根据上文参考图4所示的方法计算出齿的宽度和高度。
[0044]上面的实施例中我们将所述曲线和/或所述轴限制在一个平面内是为了简化法兰结构、降低计算的复杂度，事实上，本发明对于曲线不在平面内以及曲线和轴不在一个平面内的情况也是可行的，可以用相符和相近似的数学模型去分割曲线或其所形成的曲面，以便按照本申请中参考图4所示的方法计算包裹法兰的多层绝热体的相应参数。
[0045]图5示出了根据本发明的包裹采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体展开后一部分的另一个示意图。该图中所示出的剪裁方式只是采用螺旋状长条的形式剪裁的一个示例，其从内向外各个圆弧大致为同心圆，各同心圆之间的过度线具有随意性。当然，也可以采用非同心圆的圆弧来剪裁，长条可以等宽也可以采用变化的宽度等等。图示的平面上剪裁的螺旋状长条适合于包裹浅口的旋压法兰，所谓浅口，意即围绕平面内的轴旋转而形成旋转面的平面内的曲线的曲率较小。其中，长条的宽度需要在贴合性和接缝的量之间权衡。以胶条或其他方式接合长条缠绕法兰后相邻的边，使得制成的多层绝热体制成体大致贴合法兰的外表面。这种包裹方式在某些情况下产生的接缝可能会较少，从而降低装配的劳动力和时间成本。
[0046]图6示出了根据本发明的包裹采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体展开后一部分的又一个示意图。图示的平面上剪裁的扇环形适合于包裹圆锥台的侧面。相应地，扇环的弧度和环宽等参数取决于圆锥台的侧面。与传统的平面多层绝热体直接包裹相比，这种量体裁衣的包裹方式使得多层绝热体制成体更贴合热辐射屏蔽件的外表面，有利地节省了多层绝热体材料，也压缩了包裹后的体积。
[0047]图7示出了根据本发明实施例的制作包裹采用旋压法兰的热辐射屏蔽件的多层绝热体的流程图。首先在步骤702中确定热辐射屏蔽件可以分割成的基本形状单元。如图7中所示，内筒和外筒均对应长方形，旋压法兰对应旋转面，该旋转面可以是上文所述的任一种旋转面，可以具体到与椭圆、圆、抛物线等基本曲线相关联。如果是两种曲线相接后旋转而成的旋转面，则可以进一步分割成与两种曲线分别对应的旋转面，也即进一步分割成两个基本形状单元。基本单元的确定，是服务于后续步骤中多层绝热体的剪裁的，更具体地，是为了便于计算剪裁的尺寸。
[0048]其次在步骤704中，针对每一个基本形状单元，对平面的多层绝热体进行剪裁以使其能够贴合地包裹基本形状单元的外表面。
[0049]对于柱面、锥面和切线曲面这些基本形状单元，是可以经过连续的延展变形，不发生皱褶和撕裂地与平面相贴合的曲面。它们的特点是沿一条直母线具有同一个切平面，是单参数平面族的包络曲面。这些曲面上所有点的高斯曲率均为零。对于这一类基本形状单元，将平面的多层绝热体相应地剪裁为尺寸对应该平面的基本形状单元的一个，替代地，出于例如充分利用边角料或便于统一剪裁多层绝热体等原因考虑，优选地，可以使用多个统一尺寸规格的多层绝热体，可选地，可以使用多个零散尺寸的多层绝热体，以便拼接后能够贴合对应的基本形状单元。具体剪裁的方式以示例而非限制的方式在上文参考图3a、图6进行了描述。
[0050]而对于无法展开为平面的基本形状单元，诸如椭圆体表面、球的表面等，根据预定的曲面与平面的映射规则，对平面的多层绝热体进行剪裁，以使得其拼接后基本贴合对应的基本形状单元。
[0051 ] 所述预定的曲面与平面的映射规则，诸如将椭圆体表面、球的表面映射为均匀的锯齿形状或螺旋状的长条，具体剪裁的方式以示例而非限制的方式在上文参考图3b、图4和图5进行了描述。优选地，所述锯齿形状或螺旋状长条为一个整体；替换地，所述锯齿形状或螺旋状长条是若干个更小单元的拼接。
[0052]优选地，对于适于联合剪裁的若干基本形状单元，可以将覆盖热屏蔽辐射件的不同部分的多层绝热体作为一个整体剪裁，这样在包裹热辐射屏蔽件时可以减少接缝。
[0053]然后在步骤706中，将所有剪裁后的平面的多层绝热体进行拼接，使其包裹在热辐射屏蔽件的表面，拼接的方式可以是使用胶条，也可以使用其他方式。这样，多层绝热体制成体就制成了。
[0054]优选地，将多层绝热体进行分层，分成2组或2组以上，将每组之间的接合处错开。这样可以达到较好的绝热效果，避免热辐射穿过接缝处可能存在的间隙而减弱绝热效果。
[0055]虽然上述已经结合附图描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变、修改和等效替代。这些改变、修改和等效替代都意为落入随附的权利要求所限定的精神和范围之内。
【权利要求】
1.一种使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，其特征在于: 将热辐射屏蔽件分割成若干基本形状单元； 针对每一个基本形状单元，对平面的多层绝热体进行剪裁以使其能够比较贴合地包裹基本形状单元的外表面，其中，对于无法展开为平面的基本形状单元，根据预定的曲面与平面的映射规则，对平面的多层绝热体进行剪裁，以使得其拼接后基本贴合所对应的基本形状单元； 将所有剪裁后的平面的多层绝热体进行拼接，使其包裹在热辐射屏蔽件的表面。
2.如权利要求1所述的使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，其中至少一个基本形状单元是一段线围绕一个轴旋转而形成的面。
3.如权利要求2所述的使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，其中所述线是曲线。
4.如权利要求2所述的使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，其中所述线是直线并且不平行于所述轴。
5.如权利要求3所述的使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，针对所述的至少一个基本形状单元，根据所述映射规则，将平面的多层绝热体剪裁成均匀的锯齿形状。
6.如权利要求5所述的使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，其中对于锯齿形状的每一个齿，其总的高度等于所述线的长再加上调整高度，其上任一点对应的齿的宽度等于该点绕所述轴旋转所得的曲线的周长除以所剪裁的锯齿形状的齿的个数再加上调整宽度。
7.如权利要求6所述的使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，其中所述调整高度和调整宽度取决于多层绝热体厚度和/或柔性，和/或所述调整宽度取决于多层绝热体的锯齿形状的齿的个数。
8.如权利要求3所述的使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，针对所述的至少一个基本形状单元，根据所述映射规则，将平面的多层绝热体剪裁成螺旋状的长条。
9.如权利要求4所述的使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，针对所述的至少一个基本形状单元，将平面的多层绝热体剪裁成扇环形。
10.如权利要求1所述的使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，可以采取联合剪裁或独立剪裁的方式针对若干基本形状单元对平面的多层绝热体进行剪裁。
11.如权利要求1所述的使用多层绝热体包裹热辐射屏蔽件的方法，其中对剪裁后的多层绝热体分层后再包裹，并使得所分成的每一层的拼接处错开。
12.一种用于包裹热辐射屏蔽件的多层绝热体制成体，其特征在于，采用权利要求1-11中任一权利要求中的方法制成。
13.一种超导磁体，包括热辐射屏蔽件，和如权利要求11的多层绝热体制成体。
【文档编号】H01F6/00GK104252943SQ201310269793
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2013年6月28日
【发明者】席海霞, 李军, 江隆植, W.艾因齐格, J.斯卡图罗, D.戈格, W.陈 申请人:Ge医疗系统环球技术有限公司