用于液氦杜瓦的温度补偿支撑结构及具有其的低温容器

技术领域

本发明涉及深冷环境下工作构件设计及制造技术领域，尤其涉及一种用于液氦杜瓦的温度补偿支撑结构及具有其的低温容器。

背景技术

低温容器广泛应用于生产和生活中。为了满足其使用期间的安全性及可靠性需求，现有的低温容器一般采用双层结构，包括内杜瓦和外杜瓦，并设置有用于保温隔热的夹层空间，故在内杜瓦和外杜瓦之间需要设置固定支撑结构，对于用于支撑结构的部件要求极高，要求其在低温环境下能够有良好的承载能力和较高的安全系数，因此对于支撑结构的设计、制造工艺有极高的要求。

如申请号201921541028.0的专利，提出了一种液氦杜瓦支撑结构，采用了上下托板安装支撑柱及导向轮，杜瓦底部安装橡胶环的结构形式，在杜瓦周向采用导向轮和托板辅助支撑的方案。

该种形式支撑件较多，安装杜瓦时工序较多，且不适用于需要反复冷却-回温的液氦杜瓦，在冷却-回温的过程中，内杜瓦由于温度变化，产生收缩变形，现有支撑结构无法有效的做到补偿温度引起的变形。

发明内容

本发明提供了一种用于液氦杜瓦的温度补偿支撑结构及具有其的低温容器，能够解决现有技术中支撑结构结构复杂且无法有效补偿温度引起的形变的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种用于液氦杜瓦的温度补偿支撑结构，温度补偿支撑结构包括：第一支撑组件，第一支撑组件分别与内杜瓦的一侧和外杜瓦的一侧连接，第一支撑组件包括第一内杜瓦连接元件、第一外杜瓦连接元件、第一缓冲元件、第二缓冲元件、第一固定件、第二固定件和第一承力元件，第一内杜瓦连接元件设置在内杜瓦的一侧，第一内杜瓦连接元件具有相连通的第一容纳腔和第一通孔，第一承力元件的一端穿过第一通孔设置在第一容纳腔内，第一缓冲元件套设在第一承力元件的一端，第一固定件与第一承力元件的一端相配合以实现第一承力元件与内杜瓦的连接；第一外杜瓦连接元件设置在外杜瓦的一侧，第一外杜瓦连接元件具有相连通的第二容纳腔和第二通孔，第一承力元件的另一端穿过第二通孔设置在第二容纳腔内，第二缓冲元件套设在第一承力元件的另一端，第二固定件与第一承力元件的另一端相配合以实现第一承力元件与外杜瓦的连接；第二支撑组件，第二支撑组件分别与内杜瓦的另一侧和外杜瓦的另一侧连接，第二支撑组件包括第二内杜瓦连接元件、第二外杜瓦连接元件、第三缓冲元件、第四缓冲元件、第三固定件、第四固定件和第二承力元件，第二内杜瓦连接元件设置在内杜瓦的另一侧，第二内杜瓦连接元件具有相连通的第三容纳腔和第三通孔，第二承力元件的一端穿过第三通孔设置在第三容纳腔内，第三缓冲元件套设在第二承力元件的一端，第三固定件与第二承力元件的一端相配合以实现第二承力元件与内杜瓦的连接；第二外杜瓦连接元件设置在外杜瓦的另一侧，第二外杜瓦连接元件具有相连通的第四容纳腔和第四通孔，第二承力元件的另一端穿过第四通孔设置在第四容纳腔内，第四缓冲元件套设在第二承力元件的另一端，第四固定件与第二承力元件的另一端相配合以实现第二承力元件与外杜瓦的连接。

进一步地，温度补偿支撑结构包括多个第一支撑组件和多个第二支撑组件，多个第一支撑组件和多个第二支撑组件一一对应设置，多个第一支撑组件均匀间隔地设置在内杜瓦和外杜瓦之间，多个第一支撑组件均分别与内杜瓦的一侧和外杜瓦的一侧连接；多个第二支撑组件均匀间隔地设置在内杜瓦和外杜瓦之间，多个第二支撑组件均分别与内杜瓦的另一侧和外杜瓦的另一侧连接。

进一步地，第一缓冲元件、第二缓冲元件、第三缓冲元件和第四缓冲元件包括蝶形垫片或圆柱弹簧。

进一步地，第一缓冲元件、第二缓冲元件、第三缓冲元件和第四缓冲元件的结构均相同，任一缓冲元件均由两个蝶形垫片组成。

进一步地，第一承力元件和第二承力元件均包括连接螺柱。

进一步地，第一固定件、第二固定件、第三固定件和第四固定件均包括螺母。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于深冷环境的低温容器，其特征在于，低温容器包括内杜瓦、外杜瓦和温度补偿支撑结构，温度补偿支撑结构设置在内杜瓦和外杜瓦之间，温度补偿支撑结构为如上所述的温度补偿支撑结构。

应用本发明的技术方案，提供了一种温度补偿支撑结构，该温度补偿支撑结构与现有技术相比，能够适用于300K至4.2K的温度范围，且稳定性好，结构简单，力学性能满足设计要求，在300K至4.2K的温度循环过程中，能够补偿内杜瓦温度变形，保证支撑稳定的支撑结构，在高速运动时能承受瞬时加速度、振动冲击载荷、温度载荷和循环载荷。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的用于液氦杜瓦的温度补偿支撑结构的结构示意图；

图2示出了图1中示出的用于液氦杜瓦的温度补偿支撑结构的A处的局部放大图；

图3示出了示出了图1中示出的用于液氦杜瓦的温度补偿支撑结构的B处的局部放大图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、第一支撑组件；11、第一内杜瓦连接元件；11a、第一容纳腔；11b、第一通孔；12、第一外杜瓦连接元件；12a、第二容纳腔；12b、第二通孔；13、第一缓冲元件；14、第二缓冲元件；15、第一固定件；16、第二固定件；17、第一承力元件；20、第二支撑组件；21、第二内杜瓦连接元件；21a、第三容纳腔；21b、第三通孔；22、第二外杜瓦连接元件；22a、第四容纳腔；22b、第四通孔；23、第三缓冲元件；24、第四缓冲元件；25、第三固定件；26、第四固定件；27、第二承力元件；100、内杜瓦；200、外杜瓦。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图3所示，根据本发明的具体实施例提供了一种用于液氦杜瓦的温度补偿支撑结构，该温度补偿支撑结构包括第一支撑组件10和第二支撑组件20，第一支撑组件10分别与内杜瓦的一侧和外杜瓦的一侧连接，第一支撑组件10包括第一内杜瓦连接元件11、第一外杜瓦连接元件12、第一缓冲元件13、第二缓冲元件14、第一固定件15、第二固定件16和第一承力元件17，第一内杜瓦连接元件11设置在内杜瓦的一侧，第一内杜瓦连接元件11具有相连通的第一容纳腔11a和第一通孔11b，第一承力元件17的一端穿过第一通孔11b设置在第一容纳腔11a内，第一缓冲元件13套设在第一承力元件17的一端，第一固定件15与第一承力元件17的一端相配合以实现第一承力元件17与内杜瓦的连接；第一外杜瓦连接元件12设置在外杜瓦的一侧，第一外杜瓦连接元件12具有相连通的第二容纳腔12a和第二通孔12b，第一承力元件17的另一端穿过第二通孔12b设置在第二容纳腔12a内，第二缓冲元件14套设在第一承力元件17的另一端，第二固定件16与第一承力元件17的另一端相配合以实现第一承力元件17与外杜瓦的连接；第二支撑组件20分别与内杜瓦的另一侧和外杜瓦的另一侧连接，第二支撑组件20包括第二内杜瓦连接元件21、第二外杜瓦连接元件22、第三缓冲元件23、第四缓冲元件24、第三固定件25、第四固定件26和第二承力元件27，第二内杜瓦连接元件21设置在内杜瓦的另一侧，第二内杜瓦连接元件21具有相连通的第三容纳腔21a和第三通孔21b，第二承力元件27的一端穿过第三通孔21b设置在第三容纳腔21a内，第三缓冲元件23套设在第二承力元件27的一端，第三固定件25与第二承力元件27的一端相配合以实现第二承力元件27与内杜瓦的连接；第二外杜瓦连接元件22设置在外杜瓦的另一侧，第二外杜瓦连接元件22具有相连通的第四容纳腔22a和第四通孔22b，第二承力元件27的另一端穿过第四通孔22b设置在第四容纳腔22a内，第四缓冲元件24套设在第二承力元件27的另一端，第四固定件26与第二承力元件27的另一端相配合以实现第二承力元件27与外杜瓦的连接。

应用此种配置方式，提供了一种用于液氦杜瓦的温度补偿支撑结构，该温度补偿支撑结构通过设置第一支撑组件和第二支撑组件，第一支撑组件和第二支撑组件的承力元件的两端均设置有缓冲元件，当内杜瓦灌注液氦后，内杜瓦存在冷缩变形，此时，两侧安装缓冲元件被压紧变形，保证内杜瓦收缩变形后，承力元件保持拉紧，此时连接可靠；当内杜瓦承受前进方向载荷时，内杜瓦向一侧移动，此时，前进方向一端的外杜瓦连接元件处缓冲元件的变形量减小，前进方向一端的内杜瓦连接元件处缓冲元件的变形量减小，另一侧外杜瓦连接元件处缓冲元件的压缩变形量增大，内杜瓦连接元件处缓冲元件的压缩变形量增大，给固定件的防松力更大；当内杜瓦承受振动冲击时，由于承力元件两端的缓冲元件始终处于压缩状态，承力元件处于拉伸状态，此时连接安全可靠。因此，本发明所提供的温度补偿支撑结构与现有技术相比，能够适用于300K至4.2K的温度范围，且稳定性好，结构简单，力学性能满足设计要求，在300K至4.2K的温度循环过程中，能够补偿内杜瓦温度变形，保证支撑稳定的支撑结构，在高速运动时能承受瞬时加速度、振动冲击载荷、温度载荷和循环载荷。

进一步地，在本发明中，为了进一步地提高支撑结构的支撑稳定性，可将温度补偿支撑结构配置为包括多个第一支撑组件10和多个第二支撑组件20，多个第一支撑组件10和多个第二支撑组件20一一对应设置，多个第一支撑组件10均匀间隔地设置在内杜瓦和外杜瓦之间，多个第一支撑组件10均分别与内杜瓦的一侧和外杜瓦的一侧连接；多个第二支撑组件20均匀间隔地设置在内杜瓦和外杜瓦之间，多个第二支撑组件20均分别与内杜瓦的另一侧和外杜瓦的另一侧连接。

作为本发明的一个具体实施例，如图1所示，温度补偿支撑结构配置为包括两个第一支撑组件10和两个第二支撑组件20，两个第一支撑组件10和两个第二支撑组件20一一对应设置，两个第一支撑组件10均匀间隔地设置在内杜瓦和外杜瓦之间且位于内杜瓦的一侧的两个端面，两个第一支撑组件10均分别与内杜瓦的一侧和外杜瓦的一侧连接；两个第二支撑组件20均匀间隔地设置在内杜瓦和外杜瓦之间且位于内杜瓦的另一侧的两个端面，两个第二支撑组件20均分别与内杜瓦的另一侧和外杜瓦的另一侧连接。

进一步地，在本发明中，为了补偿内杜瓦温度变形，保证支撑结构的支撑稳定性，可将第一缓冲元件13、第二缓冲元件14、第三缓冲元件23和第四缓冲元件24均配置为包括蝶形垫片或圆柱弹簧。作为本发明的一个优选实施例，采用蝶形垫片作为缓冲元件，采用蝶形垫片调整，装配过程简单，紧固力调整便捷，由于蝶形垫片刚度差异很小，在装配空间狭小的情况下，可通过测量变形量方便的计算紧固力。

如图2和图3所示，为了进一步地提高支撑结构的支撑稳定性，可将第一缓冲元件13、第二缓冲元件14、第三缓冲元件23和第四缓冲元件24的结构均配置为相同，任一缓冲元件均由两个蝶形垫片组成。

在本发明中，为了简化结构，节省空间，可将第一承力元件17和第二承力元件27均配置为包括连接螺柱，第一固定件15、第二固定件16、第三固定件25和第四固定件26均包括螺母。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于深冷环境的低温容器，该低温容器包括内杜瓦、外杜瓦和温度补偿支撑结构，温度补偿支撑结构设置在内杜瓦和外杜瓦之间，温度补偿支撑结构为如上所述的温度补偿支撑结构。

应用此种配置方式，提供了一种用于深冷环境的低温容器，该低温容器使用本发明所提供的温度补偿支撑结构对内杜瓦和外杜瓦进行支撑，由于本发明所提供的温度补偿支撑结构能够适用于300K至4.2K的温度范围，且稳定性好，结构简单，力学性能满足设计要求，在300K至4.2K的温度循环过程中，能够补偿内杜瓦温度变形，保证支撑稳定的支撑结构，在高速运动时能承受瞬时加速度、振动冲击载荷、温度载荷和循环载荷，因此将其运用到低温容器中，能够有效提高低温容器的工作性能。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图3对本发明所提供的温度补偿支撑结构进行详细说明。

如图1至图3所示，根据本发明的具体实施例提供了一种温度补偿支撑结构，该温度补偿支撑结构包括两个第一支撑组件10和两个第二支撑组件20，两个第一支撑组件10和两个第二支撑组件20一一对应设置，两个第一支撑组件10均匀间隔地设置在内杜瓦和外杜瓦之间且位于内杜瓦的一侧的两个端面，两个第一支撑组件10均分别与内杜瓦的一侧和外杜瓦的一侧连接；两个第二支撑组件20均匀间隔地设置在内杜瓦和外杜瓦之间且位于内杜瓦的另一侧的两个端面，两个第二支撑组件20均分别与内杜瓦的另一侧和外杜瓦的另一侧连接。

第一支撑组件10包括第一内杜瓦连接元件11、第一外杜瓦连接元件12、第一缓冲元件13、第二缓冲元件14、第一固定件15、第二固定件16和第一承力元件17，第一内杜瓦连接元件11设置在内杜瓦的一侧，第一内杜瓦连接元件11具有相连通的第一容纳腔11a和第一通孔11b，第一承力元件17的一端穿过第一通孔11b设置在第一容纳腔11a内，第一缓冲元件13套设在第一承力元件17的一端，第一固定件15与第一承力元件17的一端相配合以实现第一承力元件17与内杜瓦的连接；第一外杜瓦连接元件12设置在外杜瓦的一侧，第一外杜瓦连接元件12具有相连通的第二容纳腔12a和第二通孔12b，第一承力元件17的另一端穿过第二通孔12b设置在第二容纳腔12a内，第二缓冲元件14套设在第一承力元件17的另一端，第二固定件16与第一承力元件17的另一端相配合以实现第一承力元件17与外杜瓦的连接。

第二支撑组件20包括第二内杜瓦连接元件21、第二外杜瓦连接元件22、第三缓冲元件23、第四缓冲元件24、第三固定件25、第四固定件26和第二承力元件27，第二内杜瓦连接元件21设置在内杜瓦的另一侧，第二内杜瓦连接元件21具有相连通的第三容纳腔21a和第三通孔21b，第二承力元件27的一端穿过第三通孔21b设置在第三容纳腔21a内，第三缓冲元件23套设在第二承力元件27的一端，第三固定件25与第二承力元件27的一端相配合以实现第二承力元件27与内杜瓦的连接；第二外杜瓦连接元件22设置在外杜瓦的另一侧，第二外杜瓦连接元件22具有相连通的第四容纳腔22a和第四通孔22b，第二承力元件27的另一端穿过第四通孔22b设置在第四容纳腔22a内，第四缓冲元件24套设在第二承力元件27的另一端，第四固定件26与第二承力元件27的另一端相配合以实现第二承力元件27与外杜瓦的连接。

在本实施例中，内杜瓦采用方箱式设计，第一内杜瓦连接元件11和第二内杜瓦连接元件21均采用内杜瓦连接耳片，第一外杜瓦连接元件12和第二外杜瓦连接元件22均采用外杜瓦连接耳片，内杜瓦连接耳片和外杜瓦连接耳片上均开设有方形躲避孔和通孔，方形躲避孔作为容纳腔以用于安装缓冲元件及承力元件。第一承力元件17和第二承力元件27均采用连接螺柱，第一固定件15、第二固定件16、第三固定件25和第四固定件26均采用螺母，第一缓冲元件13、第二缓冲元件14、第三缓冲元件23和第四缓冲元件24均采用蝶形弹簧垫片。内杜瓦连接耳片焊接在内杜瓦上，左右对称安装，共四处连接耳片，连接耳片上钻有通孔，用于安装连接螺柱，外杜瓦连接耳片焊接在外杜瓦上，对称安装，共四处，外杜瓦连接耳片上钻有螺纹孔，用于安装连接螺柱，连接螺柱为主要承力构件，一端连接外杜瓦连接耳片，一端与内杜瓦连接耳片相连，连接螺柱通过螺母与两侧连接耳片固定，每侧螺母下串联安装2个蝶形弹簧垫片，用于调节变形和拧紧力矩。

安装时，所有构件均处于常温状态，先将连接螺柱安装到内杜瓦连接耳片通孔处，一侧串联安装2个蝶形弹簧垫片，通过螺母将蝶形垫片及螺柱固定在内杜瓦连接耳片处，并调整与外杜瓦之间的距离。螺柱与内杜瓦固定后，安装到外杜瓦连接耳片中，外杜瓦连接耳片内侧串联安装2个蝶形垫片，并用螺母锁紧，保证两侧的蝶形垫片处于压缩状态。

内杜瓦灌注液氦后，温度降低至-269℃，与初始温度温差超过300℃，内杜瓦存在冷缩变形，由于内杜瓦为对称结构，冷缩变形为从四周向中心均匀收缩，此时，两侧安装螺柱处蝶形垫片被压紧变形，保证内杜瓦收缩变形后，螺柱保持拉紧，此时连接可靠。

当内杜瓦承受前进方向载荷时，内杜瓦向一侧移动，此时，前进方向一端的外杜瓦连接耳片处蝶形垫片变形量减小，前进方向一端的内杜瓦连接耳片处蝶形垫片变形量减小，另一侧外杜瓦连接耳片处蝶形垫片压缩变形量增大，内杜瓦连接耳片处蝶形垫片压缩变形量增大，给螺母的防松力更大。承受相反方向载荷时，原理相同。

当内杜瓦承受振动冲击时，由于螺柱两端的串联安装蝶形螺母始终处于压缩状态，螺栓处于拉伸状态，此时连接安全可靠。

综上所述，本发明提供了一种用于液氦杜瓦的温度补偿支撑结构，该温度补偿支撑结构能够适用于300K至4.2K的温度范围，且稳定性好，结构简单，力学性能满足设计要求，在300K至4.2K的温度循环过程中，能够补偿内杜瓦温度变形，保证支撑稳定的支撑结构，在高速运动时能承受瞬时加速度、振动冲击载荷、温度载荷和循环载荷。因此，本发明所提供的温度补偿支撑结构与现有技术相比，结构简单，操作方便，稳定性能好，结构简单，方便安装液氦杜瓦本体，同时能够有效的对横向放置的液氦杜瓦本体进行稳定支撑。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。