专利名称：氧气磁致压力波发生方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用脉动高梯度磁场使含一定浓度氧气的气体产生压力波动的方法和装置，属于低温制冷技术领域。
背景技术：
在航天领域，近年来在国际上迅速发展起来一种新型的空间低温制冷技术，并提出了一种脉管制冷机，它与传统的机械式低温制冷机相比，没有冷腔运动部件，结构大大简化，可靠性和工作寿命也从根本上得到显著提高。但它采用的压力波发生器为机械压缩式，仍然存在机械磨损和振动，降低了整机的可靠性和工作寿命。
压力波发生器除了传统的机械压缩式，在很多领域还存在其他压力驱动的方式，如利用薄膜振动、热声振荡等产生压力波。但它们或者存在疲劳效应，或者效率很低，都存在一些不利的因素限制它们的应用。
发明内容
本发明的目的是要解决现有压力波发生器的机械磨损和振动问题，提供一种新的氧气磁致压力波发生方法。本发明的另一目的是提供一种可靠性高，工作寿命长的氧气磁致压力波发生装置。
本发明公开了一种氧气磁致压力波发生方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)在外磁场中布置高导磁细金属丝，获得高梯度磁场；2)将含氧气体充入所述外磁场中，利用磁场力驱动气体分子向磁场梯度大的金属丝表面聚集，使金属丝表面气体局部压力升高，气体整体压力降低；3)令外磁场脉动，使气体整体压力随之发生波动，从而产生压力波。
本发明所述含氧气体中氧气的体积浓度yo2的范围为21%≤yo2≤100%.]]>本发明还公开了一种氧气磁致压力波发生装置，其特征在于该装置包括脉动磁场发生装置、获得高梯度磁场的高导磁细金属丝、充满含氧气体的压力波发生腔，以及与所述压力波发生腔连通的压力波输出管；所述的高导磁细金属丝布置在压力波发生腔内，所述的压力波发生腔布置在脉动磁场发生装置产生的外磁场中。
本发明所述高导磁细金属丝的磁化率χm≥100，半径a≤100μm。
本发明所述高导磁细金属丝布置方向与外磁场方向垂直。
本发明根据含氧气体在高梯度磁场中受到磁场力吸引的原理，利用高导磁细金属丝获得高梯度磁场，利用电磁铁获得脉动磁场，形成气体整体压力的波动。与其它压力波发生器相比，没有压力腔运动部件，具有可靠性高，工作寿命长的特点；而且磁场容易控制，便于对压力波的参数进行控制。
图1为氧气磁致压力波发生装置的结构示意图。
图2a为高导磁细金属丝表面附近的磁场强度分布图。
图2b为高导磁细金属丝表面附近的磁场梯度分布图。
图3为气体整体压降与氧气浓度及初始压力的关系图。
具体实施例方式
下面结合附图来进一步说明本发明。
图1为本发明提供的氧气磁致压力波发生装置的结构示意图。该装置包括脉动磁场发生装置1，充满含氧气体的压力波发生腔2，获得高磁场梯度的高导磁细金属丝3，以及与所述压力波发生腔2连通的压力波输出管4。脉动磁场发生装置1采用电磁铁来提供本发明所需要的外磁场，并选配相应的控制系统和冷却系统，脉动磁场发生装置提供的磁场脉动参数可以根据需要调节。压力波发生腔2布置在脉动磁场发生装置1产生的外磁场中。高导磁细金属丝3布置于压力波发生腔3中，方向与磁场方向成一定角度，本实施例为布置方向和磁场方向垂直的方案。压力波输出管4与压力波发生腔2连通，用来将产生的压力波引出。含氧气体中氧气的体积浓度yo2任意，优选方案为21%≤yo2≤100%,]]>最佳方案采用纯氧。
本发明利用的原理如下处于梯度磁场中的气体，将会被磁化，而且受到如下所示磁场力的作用f=12μ0χ▿H2----(1)]]>其中，μ0为真空磁导率(4π×10-7H/m)，H为磁场强度，χ为气体磁化率，对含氧气体(例如空气)，其磁化率满足χ＝∑yiχi(2)式中，yi为气体组分i的体积百分比，χi为组分i的磁化率。由于氧气磁化率远大于空气中其它组分的磁化率，因此混合气体的磁化率可近似表示为χ=yo2χo2-----(3)]]>yo2和χo2分别为氧气的体积百分比和磁化率。将(3)式代入(1)式，得到含氧混合气体受到的磁场力为f=12μ0yo2χo2▿H2=μ0yo2χo2H·▿H----(4)]]>从(4)式可以看到，含氧浓度一定的混合气体，受到的磁场力的大小和H·H成正比，其方向与磁场梯度的方向一致，即磁场力朝向磁场强度增加的方向。
本发明采用的高导磁细金属丝的磁化率χm≥100，半径a≤100μm。外磁场强度为H0时，在高导磁细金属丝的表面附近(离丝中心的距离r≈a)，磁场强度H和磁场梯度H可以表示为H=H0+2πχmH0a2r2-----(5)]]>▿H=-4πχmH0a2r3-----(6)]]>磁场强度H和磁场梯度H在高导磁细金属丝表面都大幅增加，含氧混合气体受到的磁场力f由于H·H的增加也大幅提高。磁场力的吸附作用使高导磁细金属丝表面的局部气体压力升高，腔内气体整体压力p则降低。当磁场发生脉动时，气体整体压力p也随之发生波动。
本发明人对无外磁场和施加H0＝0.1T的稳定外磁场两种条件下的稳态气体整体压力的变化进行了数值模拟。其中高导磁细金属丝的半径a＝10μm，磁化率χm＝100，饱和磁化强度为Jm＝2T，体积填充率η＝25％；环境温度保持300K不变。高导磁细金属丝表面附近的磁场强度和磁场梯度如图2a和图2b所示。选取不同的氧气浓度和初始压力进行模拟，氧气浓度分别取21％，40％，60％，80％，100％，初始压力分别取1atm，3atm，5atm。腔内气体整体压力的降低量与氧气浓度及初始压力的关系如图3所示。结果表明气体整体压降随氧气浓度的增加而增加，而且初始压力越大，压降的幅度越大。在初始压力为5atm，采用纯氧的情况下，整体压降能达到107Pa，效果非常明显。
权利要求
1.一种氧气磁致压力波发生方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)在外磁场中布置高导磁细金属丝，获得高梯度磁场；2)将含氧气体充入所述外磁场中，利用磁场力驱动气体分子向磁场梯度大的金属丝表面聚集，使金属丝表面气体局部压力升高，气体整体压力降低；3)令外磁场脉动，使气体整体压力随之发生波动，从而产生压力波。
2.根据权利要求1所述的氧气磁致压力波发生方法，其特征在于所述含氧气体中氧气的体积浓度yO2的范围为21％≤yO2≤100％。
3.一种氧气磁致压力波发生装置，其特征在于该装置包括脉动磁场发生装置、获得高梯度磁场的高导磁细金属丝、充满含氧气体的压力波发生腔，以及与所述压力波发生腔连通的压力波输出管；所述的高导磁细金属丝布置在压力波发生腔内，所述的压力波发生腔布置在脉动磁场发生装置产生的外磁场中。
4.根据权利要求3所述的氧气磁致压力波发生装置，其特征在于所述高导磁细金属丝的磁化率χm≥100，半径a≤100μm。
5.按照权利要求3或4所述的氧气磁致压力波发生装置，其特征在于所述高导磁细金属丝布置方向与外磁场方向垂直。
全文摘要
氧气磁致压力波发生方法及装置，属于低温制冷技术领域。本发明公开了一种氧气磁致压力波发生方法，包括如下步骤在外磁场中布置高导磁细金属丝，获得高梯度磁场；将含氧气体充入所述外磁场中，利用磁场力驱动气体分子向磁场梯度大的金属丝表面聚集，使金属丝表面气体局部压力升高，气体整体压力降低；令外磁场脉动，使气体整体压力随之发生波动，从而产生压力波。本发明还公开了一种氧气磁致压力波发生装置，包括脉动磁场发生装置、获得高梯度磁场的高导磁细金属丝、充满含氧气体的压力波发生腔，以及与压力波发生腔连通的压力波输出管。本发明所述装置具有可靠性高，工作寿命长的特点；而且磁场容易控制，便于对压力波的参数进行控制。
文档编号B06B1/08GK1562504SQ20041003079
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月9日 优先权日2004年4月9日
发明者任建勋, 周冬, 杨立军, 宋耀祖 申请人:清华大学