CN103050215B - 一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，特别涉及一种能产生均匀度比较高，强度达到数百高斯数量级的单轴磁场发生装置，同时保持均匀磁场空间内温度恒定，可用于生物医学，电子设备，化学和功能材料的磁场实验中。相比于普通均匀磁场发生装置，提高了其最大工作磁场，使均匀磁场强度达到500高斯以上，并且在长时间使用时温度恒定。系统结构较为简单，双回路分内循环和外循环独立工作，出口入口均为G1/4规格的管接头，便于连接与拆卸。

Description

一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置
技术领域
本发明提出了一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，特别涉及一种能产生均匀度比较高，强度达到数百高斯数量级的单轴磁场发生装置，同时保持均匀磁场空间内温度恒定，可用于生物医学，电子设备，化学和功能材料的磁场实验中。
背景技术
典型的单轴均匀磁场发生装置是由具有相同线圈匝数，相同线圈绕制方式，线圈半径等于线圈间距的两个线圈组成的，是一种制造小范围区域均匀磁场的装置【文献1. 王森，罗成.  亥姆霍兹线圈磁场的均匀性分析. 大学物理. vol. 17, pp. 17-19, 1998.】。由于这种结构空间开放，便于将其它仪器置入或移出，方便进行试验观察，是物理实验常使用的装置。
根据焦耳定律，W=I 2 R，金属绕成的线圈发热功率与通过的电流强度平方成正比，但在一些特殊的使用场合，如生物医学【文献2. 陈照章, 徐军, 徐晓斌, 黄涌红. 一种用于生物效应研究的电磁场发生装置. 微计算机信息. vol. 22, 2006.】、电磁传感领域，系统需要恒温环境才可正常工作，故普通的磁场线圈都无法在这种环境下使用。
通常采用一对完全相同的圆形导体线圈来产生水平方向的均匀磁场。若采用直角坐标系，当两个圆形线圈的半径与其中心距相等时，并且两个导体线圈通过大小方向相同的电流I时，产生的磁场在其几何中心附近是均匀的【文献3. 彭中汉. 亥姆霍兹线圈的均匀磁场区. 大学物理. vol. 4, pp. 13-16, 1985.】。
目前的这种均匀磁场发生装置大都只能产生强度为几十至一百多高斯的磁场【文献4. 邹志纯. 亥姆霍兹线圈空间的磁场分布. 西安邮电学院学报. vol. 9, pp. 89-91, 2004.】，其主要制约因素为温度控制，当线圈通过大电流时，发热情况会很严重，如果这些热量聚集，过高的温度会破坏导线外层保护漆，使线圈短路，从而降低磁场均匀度，直至无法工作。
在此前提下，本发明提出了一种全新的线圈结构及冷却方式，提高了磁场发生装置的最大工作电流及最大工作磁场，同时保证系统的温度恒定。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明克服了目前已有均匀磁场发生装置无法工作在较高磁场强度下的问题，使其均匀磁场范围内的温度恒定，且线圈温度不会过高，可长时间工作在较大电流下，保证了整个系统的正常运行。
（二）技术方案
本发明装置由两个尺寸，结构完全相同的模块一和模块二组成，模块一由内筒110，外筒111，线圈112，右密封块106，左密封块107，以及上挡板109和下挡板108组成，其特征在于：内筒110与外筒111之间形成内循环空间113；线圈112，右密封块106，左密封块107之间形成外循环空间114；两侧别由上挡板109和下挡板108密封；内循环冷却液从入口101进入，在内循环空间内高速流动，并由出口102流出；同时外循环的变压器油是由入口103流入，并由出口104流出；模块二结构与模块一完全相同。
上述装置中：两个模块之间的间距等于线圈112的半径，模块一和模块二中导电线圈均采用耐高温漆包线绕制，耐温220℃，线径1.4mm，绕制750圈。
上述装置中：冷却液的入口、出口方向与循环空间相切，冷却液在其中螺旋状单向流动。
上述装置中：内循环空间113中使用水冷液作为冷却液，水冷液由蒸馏水和丙二醇按1:1比例混合而成，并加入少量缓蚀剂和硫酸铜；外循环空间114中使用10#变压器油作为冷却液。
上述装置中：除线圈112和外筒111之外，其他所有部件之间的连接均采用铝焊，入口101和出口102与外部水冷液循环系统连接，入口103和出口104则连接至外部油路循环中，入口101、出口102、入口103和出口104均使用G1/4管接口标准，同时在入口101下方和出口102上方设置了一个G1/4接头的预留孔，用于安装温度传感器。
上述装置中：所述的两个模块通电线圈之间串联连接，且通电线圈被密封在外循环空间(114)的油路中。
（三）  有益效果
本发明从以下几个方面改善了均匀磁场发生装置：
1. 与普通均匀磁场发生装置相比，该装置可产生强度更大的均匀磁场；
2. 温度恒定，在双回路冷却系统工作的情况下，长时间使用不会对周围的温度场产生太大影响，且能进入最终温度的稳定状态（变化范围小于2℃）；
3. 系统结构简单，双回路分内循环和外循环独立工作，出口入口均为G1/4规格的管接头，便于连接与拆卸；
4.本发明优化了线圈结构，使液体在流动过程中与线圈接触面积增大。在此特定的结构中，冷却液（包括水冷液和变压器油）不会产生多余的紊流和湍流，因而流速流量更大，散热效率更高；
5. 采用铝焊使整个系统有效散热面积更大，尤其是上挡板109和下挡板108与外筒111的接触面积更大，提高了散热效率；
6. 与线圈直接接触的外循环使用变压器油作为冷却液，变压器油具有比空气高得多的绝缘强度，导线浸在油中，不仅可提高绝缘强度，还可防止锈蚀，同时变压器油的比热容在液体中相对较大，散热效率高。
附图说明
图1为磁场发生装置的实际结构图，图中两个模块中线圈的半径与其中心距相等。
图2为磁场发生装置的组装图。
图3为单个磁场发生装置的X-Z平面中心剖面图，斜线阴影处为铝合金，方形阴影为铜线圈。
图4 (a)为单个磁场发生装置的A-A剖面图的侧视图，用于配合图4 (b)，更清晰的表示出剖面位置。
图4 (b)为单个磁场发生装置的A-A剖面图，图中实线箭头为液压油的入口，虚线箭头为其出口，液压油在其中形成旋转回路。
图5 (a)为单个磁场发生装置的B-B剖面图的侧视图，用于配合图5 (b)，更清晰的表示出剖面位置。
图5 (b)为单个磁场发生装置的B-B剖面图，图中实线箭头为水冷液的入口，虚线箭头为其出口，水冷液在其中形成旋转回路。
图6 (a)为磁场发生装置工作时其X-Z平面空间磁场分布的仿真结果图。
图6 (b)为磁场发生装置工作时其X-Y平面空间磁场分布的仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及结构优化过程作进一步的详细说明。
本发明提出并设计了一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，为了产生水平方向的均匀磁场，如图1所示，需要一对完全相同的线圈同轴放置，其中心间距等于线圈的半径。将两个线圈通以同向电流时，磁场叠加增强，并在一定区域形成近似均匀的磁场；其总磁场在X-轴的中点附近可以由下式给出：
     （1）
其中，μ 0 是真空磁导率，n为线圈匝数，I为线圈中电流，R是线圈半径，由（1）式可以看出，在两线圈中点附近较大范围内磁场可以看做近似均匀。
如图1为磁场发生装置的立体结构图（图中省略了两个液冷回路的管线以及磁场线圈的接线）。该磁场发生装置由左右两个相同的模块一和模块二组成，首先内循环水冷液从入口101进入，在内循环空间内高速流动，增加热交换量，同时由出口102流出。循环空间为环形结构，因而在液体流动过程中不存在90°以上转角，根据流体力学原理，该结构最大限度的避免了湍流，紊流的产生，而当流体形成湍流时，阻力大流量小，能量耗损增加。因而该装置在不增加能耗的前提下，提高了水冷液的流动速度，也就是换热效率，是系统的散热功率进一步增大。出口102与入口103相连，经过一个同样的换热过程后从出口104流出，再与外部水泵及散热设备相连，达到降温的目的。
外循环的变压器油是由入口103流入，出口104流出，使用的流动方式与内循环一致，也是在外循环空间中旋转流动，同时直接与发热线圈相接触。其流动时产生的湍流，紊流取决于线圈绕制的平滑程度。
该装置在出口102上方及入水口101下方设置了一个G1/4接头的预留孔，用于安装温度传感器，使用时只需将水堵头105拧下，安装上温度传感器即可对内循环中的温度进行检测，达到最终的控温目的。
线圈112绕制在外筒111之上，内筒110从上部进入直接与外筒111配合，如图2所示，这两个筒之间形成了内循环空间。线圈绕制完成后，右密封块106，左密封块107，以及上挡板109和下挡板108均通过铝焊安装在线圈周围，进行密封的同时增加了热传导效率。为了保证装置的密封性良好且便于制作，线圈的两段接头由入口103和出口104引出。
根据该装置的结构设计，使用Comsol软件进行仿真，得到如图6 (a) (b)的磁场分布图，图中在9A/mm2的电流密度下，磁场中心区域的强度达到了500高斯以上，且均匀度良好。实际制作过程参数如表1所示。
实际装置使用中，在双回路冷却的情况下，通电线圈采用9A恒流工作，中心产生均匀磁场超过500高斯。连续使用2小时之后，线圈温度达到平衡温度约60℃，线圈允许最高温度180℃。
表1 线圈参数

Claims (7)

1.一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，由两个尺寸，结构完全相同的模块一和模块二组成，模块一由内筒(110)，外筒(111)，线圈(112)，右密封块(106)，左密封块(107)，以及上挡板(109)和下挡板(108)组成，其特征在于：内筒(110)与外筒(111)之间形成内循环空间；线圈(112)，右密封块(106)，左密封块(107)之间形成外循环空间；两侧分别由上挡板(109)和下挡板(108)密封；内循环冷却液从水冷液入口(101)进入，在内循环空间内高速流动，并由水冷液出口(102)流出；同时外循环的变压器油是由变压器油入口(103)流入，并由变压器油出口(104)流出；模块二结构与模块一完全相同。
2.如权利要求1所述的一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，其特征在于：两个模块之间的间距等于线圈(112)的半径，且两个模块内导电线圈中电流方向相同。
3.如权利要求1所述的一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，其特征在于：模块一和模块二中导电线圈均采用耐高温漆包线绕制，耐温180℃，线径1.4mm，绕制750圈。
4.如权利要求1所述的一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，其特征在于：内循环空间和外循环空间的入口、出口方向与环形空间相切，冷却液在其中螺旋状单向流动。
5.如权利要求1所述的一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，其特征在于：外循环空间中使用10号变压器油作为冷却液。
6.如权利要求1所述的一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，其特征在于：除线圈(112)和外筒(111)之外，其他所有部件之间的连接均采用铝焊，水冷液入口(101)和水冷液出口(102)与外部水冷液循环系统连接，变压器油入口(103)和变压器油出口(104)则连接至外部油路循环中，水冷液入口(101)、水冷液出口(102)、变压器油入口(103)和变压器油出口(104)均使用G1/4管接口标准，同时在水冷液入口(101)下方和水冷液出口(102)上方设置了一个G1/4接头的预留孔，用于安装温度传感器。
7.根据权利要求1所述的一种使用双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，其特征是：所述的两个模块通电线圈之间串联连接，且通电线圈被密封在外循环空间的油路中。
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