專利名稱：一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置的制作方法
一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明提出了一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，特別涉及一種能產(chǎn)生均勻度比較高，強(qiáng)度達(dá)到數(shù)百高斯數(shù)量級的單軸磁場發(fā)生裝置，同時(shí)保持均勻磁場空間內(nèi)溫度恒定，可用于生物醫(yī)學(xué)，電子設(shè)備，化學(xué)和功能材料的磁場實(shí)驗(yàn)中。
背景技術(shù)：
典型的單軸均勻磁場發(fā)生裝置是由具有相同線圈匝數(shù)，相同線圈繞制方式，線圈半徑等于線圈間距的兩個(gè)線圈組成的，是一種制造小范圍區(qū)域均勻磁場的裝置文獻(xiàn)1.王森，羅成.亥姆霍茲線圈磁場的均勻性分析.大學(xué)物理.vol. 17，pp. 17-19，1998.。 由于這種結(jié)構(gòu)空間開放，便于將其它儀器置入或移出，方便進(jìn)行試驗(yàn)觀察，是物理實(shí)驗(yàn)常使用的裝置。
根據(jù)焦耳定律，W=/2/ ，金屬繞成的線圈發(fā)熱功率與通過的電流強(qiáng)度平方成正比， 但在一些特殊的使用場合，如生物醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)2.陳照章，徐軍，徐曉斌，黃涌紅.一種用于生物效應(yīng)研究的電磁場發(fā)生裝置.微計(jì)算機(jī)信息.vol. 22，2006.、電磁傳感領(lǐng)域， 系統(tǒng)需要恒溫環(huán)境才可正常工作，故普通的磁場線圈都無法在這種環(huán)境下使用。
通常采用一對完全相同的圓形導(dǎo)體線圈來產(chǎn)生水平方向的均勻磁場。若采用直角坐標(biāo)系，當(dāng)兩個(gè)圓形線圈的半徑與其中心距相等時(shí)，并且兩個(gè)導(dǎo)體線圈通過大小方向相同的電流/時(shí)，產(chǎn)生的磁場在其幾何中心附近是均勻的文獻(xiàn)3.彭中漢.亥姆霍茲線圈的均勻磁場區(qū)·大學(xué)物理· vol. 4, pp. 13-16, 1985.。
目前的這種均勻磁場發(fā)生裝置大都只能產(chǎn)生強(qiáng)度為幾十至一百多高斯的磁場文獻(xiàn)4.鄒志純.亥姆霍茲線圈空間的磁場分布.西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào).vol. 9，pp. 89-91，2004.，其主要制約因素為溫度控制，當(dāng)線圈通過大電流時(shí)，發(fā)熱情況會很嚴(yán)重，如果這些熱量聚集，過高的溫度會破壞導(dǎo)線外層保護(hù)漆，使線圈短路，從而降低磁場均勻度， 直至無法工作。
在此前提下，本發(fā)明提出了一種全新的線圈結(jié)構(gòu)及冷卻方式，提高了磁場發(fā)生裝置的最大工作電流及最大工作磁場，同時(shí)保證系統(tǒng)的溫度恒定。發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明克服了目前已有均勻磁場發(fā)生裝置無法工作在較高磁場強(qiáng)度下的問題，使其均勻磁場范圍內(nèi)的溫度恒定，且線圈溫度不會過高，可長時(shí)間工作在較大電流下，保證了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
(二)技術(shù)方案 本發(fā)明裝置由兩個(gè)尺寸，結(jié)構(gòu)完全相同的模塊一和模塊二組成，模塊一由內(nèi)筒110,外筒111，線圈112，右密封塊106，左密封塊107，以及上擋板109和下?lián)醢?08組成，其特征在于內(nèi)筒110與外筒111之間形成內(nèi)循環(huán)空間113 ;線圈112，右密封塊106，左密封塊107之間形成外循環(huán)空間114 ;兩側(cè)別由上擋板109和下?lián)醢?08密封；內(nèi)循環(huán)冷卻液從入口 101進(jìn)入，在內(nèi)循環(huán)空間內(nèi)高速流動，并由出口 102流出；同時(shí)外循環(huán)的變壓器油是由入口 103流入，并由出口 104流出；模塊二結(jié)構(gòu)與模塊一完全相同。
上述裝置中兩個(gè)模塊之間的間距等于線圈112的半徑，模塊一和模塊二中導(dǎo)電線圈均采用耐高溫漆包線繞制，耐溫220°C，線徑1. 4mm，繞制750圈。
上述裝置中冷卻液的入口、出口方向與循環(huán)空間相切，冷卻液在其中螺旋狀單向流動。
上述裝置中內(nèi)循環(huán)空間113中使用水冷液作為冷卻液，水冷液由蒸餾水和丙二醇按1:1比例混合而成，并加入少量緩蝕劑和硫酸銅；外循環(huán)空間114中使用10#變壓器油作為冷卻液。
上述裝置中除線圈112和外筒111之外，其他所有部件之間的連接均采用鋁焊， 入口 101和出口 102與外部水冷液循環(huán)系統(tǒng)連接，入口 103和出口 104則連接至外部油路循環(huán)中，入口 101、出口 102、入口 103和出口 104均使用G1/4管接口標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在入口 101 下方和出口 102上方設(shè)置了一個(gè)G1/4接頭的預(yù)留孔，用于安裝溫度傳感器。
上述裝置中所述的兩個(gè)模塊通電線圈之間串聯(lián)連接，且通電線圈被密封在外循環(huán)空間(114)的油路中。
(三)有益效果本發(fā)明從以下幾個(gè)方面改善了均勻磁場發(fā)生裝置1.與普通均勻磁場發(fā)生裝置相比，該裝置可產(chǎn)生強(qiáng)度更大的均勻磁場；2.溫度恒定，在雙回路冷卻系統(tǒng)工作的情況下，長時(shí)間使用不會對周圍的溫度場產(chǎn)生太大影響，且能進(jìn)入最終溫度的穩(wěn)定狀態(tài)(變化范圍小于2°C);3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，雙回路分內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)獨(dú)立工作，出口入口均為G1/4規(guī)格的管接頭，便于連接與拆卸；4.本發(fā)明優(yōu)化了線圈結(jié)構(gòu)，使液體在流動過程中與線圈接觸面積增大。在此特定的結(jié)構(gòu)中，冷卻液(包括水冷液和變壓器油)不會產(chǎn)生多余的紊流和湍流，因而流速流量更大，散熱效率更高；5.采用鋁焊使整個(gè)系統(tǒng)有效散熱面積更大，尤其是上擋板109和下?lián)醢?08與外筒 111的接觸面積更大，提高了散熱效率；6.與線圈直接接觸的外循環(huán)使用變壓器油作為冷卻液，變壓器油具有比空氣高得多的絕緣強(qiáng)度，導(dǎo)線浸在油中，不僅可提高絕緣強(qiáng)度，還可防止銹蝕，同時(shí)變壓器油的比熱容在液體中相對較大，散熱效率高。


圖1為磁場發(fā)生裝置的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖，圖中兩個(gè)模塊中線圈的半徑與其中心距相坐寸ο
圖2為磁場發(fā)生裝置的組裝圖。
圖3為單個(gè)磁場發(fā)生裝置的X-Z平面中心剖面圖，斜線陰影處為鋁合金，方形陰影為銅線圈。
圖4 (a)為單個(gè) 磁場發(fā)生裝置的A-A剖面圖的側(cè)視圖，用于配合圖4 (b)，更清晰的表示出剖面位置。
圖4 (b)為單個(gè)磁場發(fā)生裝置的A-A剖面圖，圖中實(shí)線箭頭為液壓油的入口，虛線箭頭為其出口，液壓油在其中形成旋轉(zhuǎn)回路。
圖5 (a)為單個(gè)磁場發(fā)生裝置的B-B剖面圖的側(cè)視圖，用于配合圖5 (b)，更清晰的表示出剖面位置。
圖5 (b)為單個(gè)磁場發(fā)生裝置的B-B剖面圖，圖中實(shí)線箭頭為水冷液的入口，虛線箭頭為其出口，水冷液在其中形成旋轉(zhuǎn)回路。
圖6 (a)為磁場發(fā)生裝置工作時(shí)其X-Z平面空間磁場分布的仿真結(jié)果圖。
圖6 (b)為磁場發(fā)生裝置工作時(shí)其X-Y平面空間磁場分布的仿真結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明提出并設(shè)計(jì)了一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，為了產(chǎn)生水平方向的均勻磁場，如圖1所示，需要一對完全相同的線圈同軸放置，其中心間距等于線圈的半徑。將兩個(gè)線圈通以同向電流時(shí)，磁場疊加增強(qiáng)，并在一定區(qū)域形成近似均勻的磁場； 其總磁場在X-軸的中點(diǎn)附近可以由下式給出其中，是真空磁導(dǎo)率，/7為線圈匝數(shù)，/為線圈中電流，W是線圈半徑，由(I)式可以看出，在兩線圈中點(diǎn)附近較大范圍內(nèi)磁場可以看做近似均勻。
如圖1為磁場發(fā)生裝置的立體結(jié)構(gòu)圖(圖中省略了兩個(gè)液冷回路的管線以及磁場線圈的接線)。該磁場發(fā)生裝置由左右兩個(gè)相同的模塊一和模塊二組成，首先內(nèi)循環(huán)水冷液從入口 101進(jìn)入，在內(nèi)循環(huán)空間內(nèi)高速流動，增加熱交換量，同時(shí)由出口 102流出。循環(huán)空間為環(huán)形結(jié)構(gòu)，因而在液體流動過程中不存在90°以上轉(zhuǎn)角，根據(jù)流體力學(xué)原理，該結(jié)構(gòu)最大限度的避免了湍流，紊流的產(chǎn)生，而當(dāng)流體形成湍流時(shí)，阻力大流量小，能量耗損增加。因而該裝置在不增加能耗的前提下，提高了水冷液的流動速度，也就是換熱效率，是系統(tǒng)的散熱功率進(jìn)一步增大。出口 102與入口 103相連，經(jīng)過一個(gè)同樣的換熱過程后從出口 104流出，再與外部水泵及散熱設(shè)備相連，達(dá)到降溫的目的。
外循環(huán)的變壓器油是由入口 103流入，出口 104流出，使用的流動方式與內(nèi)循環(huán)一致，也是在外循環(huán)空間中旋轉(zhuǎn)流動，同時(shí)直接與發(fā)熱線圈相接觸。其流動時(shí)產(chǎn)生的湍流，紊流取決于線圈繞制的平滑程度。
該裝置在出口 102上方及入水口 101下方設(shè)置了一個(gè)G1/4接頭的預(yù)留孔，用于安裝溫度傳感器，使用時(shí)只需將水堵頭105擰下，安裝上溫度傳感器即可對內(nèi)循環(huán)中的溫度進(jìn)行檢測，達(dá)到最終的控溫目的。
線圈112繞制在 外筒111之上，內(nèi)筒110從上部進(jìn)入直接與外筒111配合，如圖2 所示，這兩個(gè)筒之間形成了內(nèi)循環(huán)空間。線圈繞制完成后，右密封塊106，左密封塊107，以及上擋板109和下?lián)醢?08均通過鋁焊安裝在線圈周圍，進(jìn)行密封的同時(shí)增加了熱傳導(dǎo)效率。為了保證裝置的密封性良好且便于制作，線圈的兩段接頭由入口 103和出口 104引出。
根據(jù)該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用Comsol軟件進(jìn)行仿真，得到如圖6 (a) (b)的磁場分布圖，圖中在9A/mm2的電流密度下，磁場中心區(qū)域的強(qiáng)度達(dá)到了 500高斯以上，且均勻度良好。實(shí)際制作過程參數(shù)如表I所示。
實(shí)際裝置使用中，在雙回路冷卻的情況下，通電線圈采用9A恒流工作，中心產(chǎn)生均勻磁場超過500高斯。連續(xù)使用2小時(shí)之后，線圈溫度達(dá)到平衡溫度約60°C，線圈允許最高溫度180°C。
表I線圈參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，由兩個(gè)尺寸，結(jié)構(gòu)完全相同的模塊一和模塊二組成，模塊一由內(nèi)筒(110)，外筒(111)，線圈(112)，右密封塊(106)，左密封塊 (107)，以及上擋板(109)和下?lián)醢?108)組成，其特征在于內(nèi)筒(110)與外筒(111)之間形成內(nèi)循環(huán)空間(113);線圈(112)，右密封塊(106)，左密封塊(107)之間形成外循環(huán)空間 (114);兩側(cè)別由上擋板(109)和下?lián)醢?108)密封；內(nèi)循環(huán)冷卻液從入口 (101)進(jìn)入，在內(nèi)循環(huán)空間內(nèi)高速流動，并由出口(102)流出；同時(shí)外循環(huán)的變壓器油是由入口(103)流入， 并由出口(104)流出；模塊二結(jié)構(gòu)與模塊一完全相同。
2.如權(quán)利要求1所述的一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，其特征在于 兩個(gè)模塊之間的間距等于線圈(112)的半徑，且兩個(gè)模塊內(nèi)導(dǎo)電線圈中電流方向相同。
3.如權(quán)利要求1所述的一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，其特征在于 模塊一和模塊二中導(dǎo)電線圈均采用耐高溫漆包線繞制，耐溫220°C，線徑1. 4mm，繞制750 圈。
4.如權(quán)利要求1所述的一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，其特征在于 內(nèi)循環(huán)空間(113)和外循環(huán)空間(114)的入口、出口方向與循環(huán)空間相切，冷卻液在其中螺旋狀單向流動。
5.如權(quán)利要求1所述的一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，其特征在于 內(nèi)循環(huán)空間(113)中使用水冷液作為冷卻液，水冷液由蒸餾水和丙二醇按1:1比例混合而成，并加入少量緩蝕劑和硫酸銅。
6.如權(quán)利要求1所述的一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，其特征在于 外循環(huán)空間(114)中使用10#變壓器油作為冷卻液。
7.如權(quán)利要求1所述的一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，其特征在于 除線圈(112)和外筒(111)之外，其他所有部件之間的連接均采用鋁焊，入口(101)和出口 (102)與外部水冷液循環(huán)系統(tǒng)連接，入口(103)和出口(104)則連接至外部油路循環(huán)中，入口 (101)、出口 (102)、入口 (103)和出口 (104)均使用G1/4管接口標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在入口 (101) 下方和出口(102)上方設(shè)置了一個(gè)G1/4接頭的預(yù)留孔，用于安裝溫度傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，其特征是 所述的兩個(gè)模塊通電線圈之間串聯(lián)連接，且通電線圈被密封在外循環(huán)空間(114)的油路中。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種使用雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，特別涉及一種能產(chǎn)生均勻度比較高，強(qiáng)度達(dá)到數(shù)百高斯數(shù)量級的單軸磁場發(fā)生裝置，同時(shí)保持均勻磁場空間內(nèi)溫度恒定，可用于生物醫(yī)學(xué)，電子設(shè)備，化學(xué)和功能材料的磁場實(shí)驗(yàn)中。相比于普通均勻磁場發(fā)生裝置，提高了其最大工作磁場，使均勻磁場強(qiáng)度達(dá)到500高斯以上，并且在長時(shí)間使用時(shí)溫度恒定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，雙回路分內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)獨(dú)立工作，出口入口均為G1/4規(guī)格的管接頭，便于連接與拆卸。
文檔編號H01F41/02GK103050215SQ20131002517
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者趙勇, 徐寧, 呂日清 申請人:東北大學(xué)