水冷磁体装置

本发明涉及一种稳态强磁场装置，尤其涉及的是一种水冷磁体装置。

背景技术：

1、强磁场是一种重要的极端条件，为科学研究提供了特殊的环境，处在其中的物质结构及其转变过程都可能发生变化，这为物理、化学、材料和生物等学科的研究提供了新的途径，开辟了新的空间。正因为磁场强度越高，对于物质系统的电子能态改变就越大，从而导致更多的奇特现象出现，给科学创新提供更多的机遇。因此，作为获得高磁场有效方法的强磁场实验装置已成为当今开展凝聚态物理、磁学、材料科学、化学、生命科学、医学等领域前沿基础研究不可替代的重要手段。

2、水冷磁体是强磁场实验室的主体实验装置，由于其磁场强度高、升场速率快等特点，是备受关注的极端条件实验平台。水冷磁体磁场强度高，最高可达40t以上，消耗功率为数十兆瓦量级，水冷磁体通过高速去离子冷却水带走大量的焦耳热，保证磁体温度正常。

3、水冷磁体是由多个水冷磁体线圈并联或串联结构，通过一定电流产生磁场的装置。在运行过程中，线圈处于极端工作状态，产生超大功率热量和强大的电磁力，若不及时有效冷却线圈，会导致线圈瞬间融为金属块；若不有效、牢靠承受电磁力，会导致线圈在容器内旋转，破坏线圈及线圈间的连接、支撑件，导致装置无法运行。

4、bitter型水冷磁体，其结构和传统的螺线管完全不同。制作bitter型水冷磁体，先需要将铜片扎很多孔，再将成百上千的铜片叠加起来，组成一个完整的磁体，这种磁体的优势在于，采用高压去离子水从冷却孔中快速流动，很快能将磁体通电时产生的热量带走，因而冷却效果很好；同时，由于磁体是一个整体结构，因而具有很强的机械性能，正因为此，采用这种原理的水冷磁体可以实现了10万高斯的磁场。

5、目前的水冷磁体实验口径有32mm、50mm等，口径较小，为了满足一些材料的制备，如晶体生产系统、液相合成装置，或者超导材料的研究，如高温超导电缆研究等，实验口径达到200mm、磁场强度达到20t，电流达到4万安培，功率是兆瓦级别，热量很大。因此，线圈处于极端工作状态，产生最大功率热量很大，若不及时有效冷却线圈，会导致线圈瞬间融为金属块；若不有效、牢靠承受电磁力，会导致线圈在容器内旋转，破坏线圈及线圈间的连接、支撑件，导致装置无法运行。面对尺寸增大的内部线圈，外部容器尺寸也随之变大，外部容器的装配问题也日益凸显。

6、随着目前对于实验口径越来越大的需求，磁体强度的增大，磁体线圈数量的增加，导致目前的冷却水流量较小、冷却效果差、稳定性差的问题日益凸显。

7、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息已构成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：如何解决目前随着实验口径的变大，线圈冷却效果不佳的问题。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、水冷磁体装置，包括容器总成、磁体线圈总成、中心管；所述磁体线圈总成位于所述容器总成的内部、并与所述容器总成相通，所述中心管位于所述磁体线圈总成的内部，所述中心管的两端与容器总成密封连接；

4、所述磁体线圈总成包括多个径向套接的线圈，相邻线圈之间、以及中心管与最内侧的线圈之间以及最外侧线圈与容器总成之间绝缘；相邻所述线圈串联/和并联；所述线圈的顶端和底端通过绝缘止动件与所述容器总成内部的顶端与底端连接；所述绝缘止动件具有冷却水通孔；

5、所述容器总成包括筒壁组件、容器顶盖组件以及容器底盖组件，所述容器顶盖组件的外圈与所述筒壁组件的顶端连接、内圈与所述中心管的顶端连接，所述容器底盖组件的外圈与所述筒壁组件的底端连接、内圈与所述中心管的底端连接；所述容器顶盖组件的截面呈下沉式结构，所述容器底盖组件的截面呈上凸型结构；

6、所述筒壁组件为双层结构，所述筒壁组件包括高压入水腔、低压出水腔，所述高压水入口由高压入水腔进入，高压水流经磁体总成后由低压出水腔流出。

7、本发明通过将筒壁组件设置呈双层结构以及上部设置高压入水腔，下部设置低压出水腔，高压冷却水由两侧对称的高压入水口高压入水腔、进入容器总成的内部，磁体线圈总成的上方空间，进而进入磁体线圈总成，向下流入各线圈，进入磁体线圈总成的下方空间，后进而低压出水腔，并流出；本发明通过将所述容器顶盖组件的设置呈下沉式结构，所述容器底盖组件的设置呈上凸型结构，同时将筒壁组件的顶部和底部较常规的向上和向下延伸后与容器顶盖组件以及容器底盖组件连接，扩大了容器总成内部的顶部空间和底部空间，提高了冷却水的水量，以适应目前大尺寸的实验口径散热需求；再者，冷却水具有一定的工作压力，更大的水量会产生更高的工作压力，容器顶盖组件的设置呈下沉式结构，以及容器底盖组件的设置呈上凸型结构，可以扩大容器顶盖组件与容器底盖组件与冷却水的接触面，提高容器总成的耐强度能力。

8、优选的，所述筒壁组件包括内筒、外筒、第一连接板、第二连接板、隔板，所述内筒与所述外筒间隔布置，所述内筒与所述外筒的顶端通过所述第一连接板连接、底端通过所述第二连接板连接，所述隔板连接所述内筒与所述外筒之间的中部，所述第一连接板、所述内筒、所述外筒、所述隔板形成高压入水腔，所述第二连接板、所述内筒、所述外筒、所述隔板形成低压出水腔。

9、优选的，所述外筒的上部包括多个高压入水管、多个电连接管，多个所述高压入水管、多个所述电连接管均匀分布，所述外筒的下部包括多个低压出水管、多个电连接管，多个所述低压出水管、多个所述电连接管均匀分布；所述内筒的上部设有多个沿圆周阵列的入水口，所述内筒的下部设有多个沿圆周阵列的出水口。

10、优选的，所述容器顶盖组件包括第一容器上盖、第二容器上盖、第三容器上盖，所述第一容器上盖呈台阶状环形板，所述第一容器上盖的边缘处与所述第一连接板的顶面连接，所述第一容器上盖的内圈处与所述第二容器上盖的外圈处密封连接，所述第二容器上盖呈台阶状的环形板，所述第二容器上盖的内圈与所述中心管的顶端外部密封连接，所述第三容器上盖压接所述中心管并与所述第二容器上盖的内圈顶面密封连接；

11、所述容器底盖组件包括第一容器底盖、第二容器底盖、第三容器底盖，所述第一容器底盖呈台阶状环形板，所述第一容器底盖的边缘处与所述第二连接板的底面连接，所述第一容器底盖的内圈处与所述第二容器底盖的外圈处密封连接，所述第二容器底盖呈台阶状的环形板，所述第二容器底盖的内圈与所述中心管的底端外部密封连接，所述第三容器底盖压接所述中心管并与所述第二容器底盖的内圈底面密封连接；

12、所述第一连接板与所述第一容器上盖、第一容器上盖与所述第二容器上盖、所述第二连接板与所述第一容器底盖、所述第一容器底盖与所述第二容器底盖之间通过定位销、螺栓固定连接。

13、因实验口径的增大，整个容器总成的尺寸增大、重量增大，且所述容器顶盖组件与容器底盖组件均由多个零件组成而成，单个零件重量较大，本发明通过定位销便于容器顶盖组件与容器底盖组件的组装以及保证安装精度。

14、优选的，所述筒壁组件还包括支撑环、地基支撑连接板，所述支撑环连接所述内筒的底部，所述地基支撑连接板圆周阵列连接所述外筒的底部，所述容器顶盖组件以及所述容器底盖组件还包括多个信号线孔，所述筒壁组件还包括多个排气孔、排污孔。

15、优选的，所述磁体线圈总成包括四个径向依次套接的a线圈、b线圈、c线圈、d线圈，所述a线圈、所述b线圈、所述c线圈、所述d线圈通过电连接件进行电连接；所述a线圈、所述b线圈、所述c线圈、所述d线圈的上端/和下端通过绝缘支撑件连接所述容器总成。

16、优选的，还包括电连接件，所述电连接件包括第一电连接头、第一电连接板、a2上端电连接环、d线圈电连接板、第二电连接板、第二电连接头、ab端板电连接件、bc电连接棒、bc电连接柱、cd电连接板；所述第一电连接头与所述第二电连接头与所述容器总成密封连接，所述第一电连接头依次连接所述第一电连接板、所述a2上端电连接环，所述a2上端电连接环连接所述a线圈的顶端，所述a线圈的底端与所述b线圈的底端通过ab端板电连接件连接，所述b线圈的顶端与所述c线圈的顶端均连接bc电连接柱，所述bc电连接棒连接所述bc电连接柱，所述c线圈的底端与所述d线圈的底端通过cd电连接板连接，所述d线圈的顶端连接所述d线圈电连接板，所述d线圈电连接板与所述第二电连接板连接，所述第二电连接板与所述第二电连接头连接；

17、所述ab端板电连接件与所述cd电连接板具有冷却水通道。

18、电连接件设有冷却水通道，保持水的畅通。

19、优选的，所述电连接件还包括电极口绝缘筒、电接口法兰，所述第一电连接头与所述第二电连接头由所述筒壁组件的外部穿过筒壁组件进入筒壁组件内部，所述第一电连接头与所述第二电连接头通过电接口法兰固定连接所述筒壁组件，所述电极口绝缘筒位于所述第一电连接头以及第二电连接头与筒壁组件之间，所述电极口绝缘筒的端部连接所述电接口法兰。

20、优选的，还包括绝缘止动件，所述绝缘止动件包括a线圈上端止动筒、b线圈底端止动筒、b线圈上端止动筒、c下端绝缘支撑筒，所述a线圈的顶端通过所述a线圈上端止动筒与所述容器顶盖组件连接，所述a线圈的底端与所述b线圈的底端均连接所述b线圈底端止动筒，所述b线圈底端止动筒与所述容器底盖组件连接，所述b线圈的顶端与所述c线圈的顶端均与所述b线圈上端止动筒连接，所述b线圈上端止动筒与所述容器顶盖组件连接，所述c线圈的底端与所述c下端绝缘支撑筒连接，所述c下端绝缘支撑筒与所述容器底盖组件连接；

21、所述a线圈上端止动筒、所述b线圈底端止动筒、所述b线圈上端止动筒、所述c下端绝缘支撑筒均具有冷却水通道。

22、对于各个水冷磁体线圈，防止它们在通电运行过程中旋转，需要在其上、下端分别采取防旋措施，同时，水冷磁体线圈上部是高压去离子冷却水、下部是低压去离子冷却水，从而对线圈及相关部件产生水压力；本发明通过绝缘止动件将线圈产生的旋转里传输至容器总成，容器总成通过与地基连接，将旋转力传输至地基，提高整个装置的稳定性。同时绝缘支撑件均具有冷却水通道，保持冷却水的畅通。

23、优选的，所述d线圈包括包括多个d线圈外周螺杆、d线圈锁紧螺母，多个d线圈外周螺杆沿轴向贯穿整个d线圈，d线圈外周螺杆的顶端通过d线圈锁紧螺母锁紧，所述d线圈外周螺杆的底端与所述筒壁组件的底部连接。

24、d线圈顶端有很大的水压力，故上端不分布防旋转结构，且上端不设置防旋转结构，可以降低防旋转结构带来的水流动的减缓，保持水通路畅通。

25、本发明的优点在于：

26、(1)本发明通过将筒壁组件设置呈双层结构以及上部设置高压入水腔，下部设置低压出水腔，高压冷却水由两侧对称的高压入水口高压入水腔、进入容器总成的内部，磁体线圈总成的上方空间，进而进入磁体线圈总成，向下流入各线圈，进入磁体线圈总成的下方空间，后进而低压出水腔，并流出；本发明通过将所述容器顶盖组件的设置呈下沉式结构，所述容器底盖组件的设置呈上凸型结构，同时将筒壁组件的顶部和底部较常规的向上和向下延伸后与容器顶盖组件以及容器底盖组件连接，扩大了容器总成内部的顶部空间和底部空间，提高了冷却水的水量，以适应目前大尺寸的实验口径散热需求；再者，冷却水具有一定的工作压力，更大的水量会产生更高的工作压力，容器顶盖组件的设置呈下沉式结构，以及容器底盖组件的设置呈上凸型结构，可以扩大容器顶盖组件与容器底盖组件与冷却水的接触面，提高容器总成的耐强度能力；

27、(2)因实验口径的增大，整个容器总成的尺寸增大、重量增大，且所述容器顶盖组件与容器底盖组件均由多个零件组成而成，单个零件重量较大，本发明通过定位销便于容器顶盖组件与容器底盖组件的组装以及保证安装精度；

28、(3)对于各个水冷磁体线圈，防止它们在通电运行过程中旋转，需要在其上、下端分别采取防旋措施，同时，水冷磁体线圈上部是高压去离子冷却水、下部是低压去离子冷却水，从而对线圈及相关部件产生水压力；本发明通过绝缘止动件将线圈产生的旋转里传输至容器总成，容器总成通过与地基连接，将旋转力传输至地基，提高整个装置的稳定性；

29、(4)电连接件、绝缘止动件均设有冷却水通道，保持水的畅通；

30、(5)d线圈顶端有很大的水压力，故上端不分布防旋转结构，且上端不设置防旋转结构，可以降低防旋转结构带来的水流动的减缓，保持水通路畅通。