氧氣磁致壓力波發生方法及裝置的製作方法

2023-05-23 04:25:46

專利名稱：氧氣磁致壓力波發生方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用脈動高梯度磁場使含一定濃度氧氣的氣體產生壓力波動的方法和裝置，屬於低溫製冷技術領域。
背景技術：
在航天領域，近年來在國際上迅速發展起來一種新型的空間低溫製冷技術，並提出了一種脈管制冷機，它與傳統的機械式低溫制冷機相比，沒有冷腔運動部件，結構大大簡化，可靠性和工作壽命也從根本上得到顯著提高。但它採用的壓力波發生器為機械壓縮式，仍然存在機械磨損和振動，降低了整機的可靠性和工作壽命。
壓力波發生器除了傳統的機械壓縮式，在很多領域還存在其他壓力驅動的方式，如利用薄膜振動、熱聲振蕩等產生壓力波。但它們或者存在疲勞效應，或者效率很低，都存在一些不利的因素限制它們的應用。

發明內容
本發明的目的是要解決現有壓力波發生器的機械磨損和振動問題，提供一種新的氧氣磁致壓力波發生方法。本發明的另一目的是提供一種可靠性高，工作壽命長的氧氣磁致壓力波發生裝置。
本發明公開了一種氧氣磁致壓力波發生方法，其特徵在於該方法包括如下步驟1)在外磁場中布置高導磁細金屬絲，獲得高梯度磁場；2)將含氧氣體充入所述外磁場中，利用磁場力驅動氣體分子向磁場梯度大的金屬絲表面聚集，使金屬絲表面氣體局部壓力升高，氣體整體壓力降低；3)令外磁場脈動，使氣體整體壓力隨之發生波動，從而產生壓力波。
本發明所述含氧氣體中氧氣的體積濃度yo2的範圍為21%yo2100%.]]>本發明還公開了一種氧氣磁致壓力波發生裝置，其特徵在於該裝置包括脈動磁場發生裝置、獲得高梯度磁場的高導磁細金屬絲、充滿含氧氣體的壓力波發生腔，以及與所述壓力波發生腔連通的壓力波輸出管；所述的高導磁細金屬絲布置在壓力波發生腔內，所述的壓力波發生腔布置在脈動磁場發生裝置產生的外磁場中。
本發明所述高導磁細金屬絲的磁化率χm≥100，半徑a≤100μm。
本發明所述高導磁細金屬絲布置方向與外磁場方向垂直。
本發明根據含氧氣體在高梯度磁場中受到磁場力吸引的原理，利用高導磁細金屬絲獲得高梯度磁場，利用電磁鐵獲得脈動磁場，形成氣體整體壓力的波動。與其它壓力波發生器相比，沒有壓力腔運動部件，具有可靠性高，工作壽命長的特點；而且磁場容易控制，便於對壓力波的參數進行控制。


圖1為氧氣磁致壓力波發生裝置的結構示意圖。
圖2a為高導磁細金屬絲表面附近的磁場強度分布圖。
圖2b為高導磁細金屬絲表面附近的磁場梯度分布圖。
圖3為氣體整體壓降與氧氣濃度及初始壓力的關係圖。
具體實施例方式
下面結合附圖來進一步說明本發明。
圖1為本發明提供的氧氣磁致壓力波發生裝置的結構示意圖。該裝置包括脈動磁場發生裝置1，充滿含氧氣體的壓力波發生腔2，獲得高磁場梯度的高導磁細金屬絲3，以及與所述壓力波發生腔2連通的壓力波輸出管4。脈動磁場發生裝置1採用電磁鐵來提供本發明所需要的外磁場，並選配相應的控制系統和冷卻系統，脈動磁場發生裝置提供的磁場脈動參數可以根據需要調節。壓力波發生腔2布置在脈動磁場發生裝置1產生的外磁場中。高導磁細金屬絲3布置於壓力波發生腔3中，方向與磁場方向成一定角度，本實施例為布置方向和磁場方向垂直的方案。壓力波輸出管4與壓力波發生腔2連通，用來將產生的壓力波引出。含氧氣體中氧氣的體積濃度yo2任意，優選方案為21%yo2100%,]]>最佳方案採用純氧。
本發明利用的原理如下處於梯度磁場中的氣體，將會被磁化，而且受到如下所示磁場力的作用f=120H2----(1)]]>其中，μ0為真空磁導率(4π×10-7H/m)，H為磁場強度，χ為氣體磁化率，對含氧氣體(例如空氣)，其磁化率滿足χ＝∑yiχi(2)式中，yi為氣體組分i的體積百分比，χi為組分i的磁化率。由於氧氣磁化率遠大於空氣中其它組分的磁化率，因此混合氣體的磁化率可近似表示為=yo2o2-----(3)]]>yo2和χo2分別為氧氣的體積百分比和磁化率。將(3)式代入(1)式，得到含氧混合氣體受到的磁場力為f=120yo2o2H2=0yo2o2HH----(4)]]>從(4)式可以看到，含氧濃度一定的混合氣體，受到的磁場力的大小和H·H成正比，其方向與磁場梯度的方向一致，即磁場力朝向磁場強度增加的方向。
本發明採用的高導磁細金屬絲的磁化率χm≥100，半徑a≤100μm。外磁場強度為H0時，在高導磁細金屬絲的表面附近(離絲中心的距離r≈a)，磁場強度H和磁場梯度H可以表示為H=H0+2mH0a2r2-----(5)]]>H=-4mH0a2r3-----(6)]]>磁場強度H和磁場梯度H在高導磁細金屬絲表面都大幅增加，含氧混合氣體受到的磁場力f由於H·H的增加也大幅提高。磁場力的吸附作用使高導磁細金屬絲表面的局部氣體壓力升高，腔內氣體整體壓力p則降低。當磁場發生脈動時，氣體整體壓力p也隨之發生波動。
本發明人對無外磁場和施加H0＝0.1T的穩定外磁場兩種條件下的穩態氣體整體壓力的變化進行了數值模擬。其中高導磁細金屬絲的半徑a＝10μm，磁化率χm＝100，飽和磁化強度為Jm＝2T，體積填充率η＝25％；環境溫度保持300K不變。高導磁細金屬絲表面附近的磁場強度和磁場梯度如圖2a和圖2b所示。選取不同的氧氣濃度和初始壓力進行模擬，氧氣濃度分別取21％，40％，60％，80％，100％，初始壓力分別取1atm，3atm，5atm。腔內氣體整體壓力的降低量與氧氣濃度及初始壓力的關係如圖3所示。結果表明氣體整體壓降隨氧氣濃度的增加而增加，而且初始壓力越大，壓降的幅度越大。在初始壓力為5atm，採用純氧的情況下，整體壓降能達到107Pa，效果非常明顯。
權利要求
1.一種氧氣磁致壓力波發生方法，其特徵在於該方法包括如下步驟1)在外磁場中布置高導磁細金屬絲，獲得高梯度磁場；2)將含氧氣體充入所述外磁場中，利用磁場力驅動氣體分子向磁場梯度大的金屬絲表面聚集，使金屬絲表面氣體局部壓力升高，氣體整體壓力降低；3)令外磁場脈動，使氣體整體壓力隨之發生波動，從而產生壓力波。
2.根據權利要求1所述的氧氣磁致壓力波發生方法，其特徵在於所述含氧氣體中氧氣的體積濃度yO2的範圍為21％≤yO2≤100％。
3.一種氧氣磁致壓力波發生裝置，其特徵在於該裝置包括脈動磁場發生裝置、獲得高梯度磁場的高導磁細金屬絲、充滿含氧氣體的壓力波發生腔，以及與所述壓力波發生腔連通的壓力波輸出管；所述的高導磁細金屬絲布置在壓力波發生腔內，所述的壓力波發生腔布置在脈動磁場發生裝置產生的外磁場中。
4.根據權利要求3所述的氧氣磁致壓力波發生裝置，其特徵在於所述高導磁細金屬絲的磁化率χm≥100，半徑a≤100μm。
5.按照權利要求3或4所述的氧氣磁致壓力波發生裝置，其特徵在於所述高導磁細金屬絲布置方向與外磁場方向垂直。
全文摘要
氧氣磁致壓力波發生方法及裝置，屬於低溫製冷技術領域。本發明公開了一種氧氣磁致壓力波發生方法，包括如下步驟在外磁場中布置高導磁細金屬絲，獲得高梯度磁場；將含氧氣體充入所述外磁場中，利用磁場力驅動氣體分子向磁場梯度大的金屬絲表面聚集，使金屬絲表面氣體局部壓力升高，氣體整體壓力降低；令外磁場脈動，使氣體整體壓力隨之發生波動，從而產生壓力波。本發明還公開了一種氧氣磁致壓力波發生裝置，包括脈動磁場發生裝置、獲得高梯度磁場的高導磁細金屬絲、充滿含氧氣體的壓力波發生腔，以及與壓力波發生腔連通的壓力波輸出管。本發明所述裝置具有可靠性高，工作壽命長的特點；而且磁場容易控制，便於對壓力波的參數進行控制。
文檔編號B06B1/08GK1562504SQ20041003079
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月9日 優先權日2004年4月9日
發明者任建勳, 周冬, 楊立軍, 宋耀祖 申請人:清華大學