CN106876087A - 一种紧凑式强磁场发生装置 - Google Patents

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张旭东
刘静
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Abstract

本发明属于电磁技术领域，尤其涉及一种紧凑式强磁场发生装置。该装置包括通过管道顺次串联连接的储能模块、开关、液态金属螺旋线圈、液态金属驱动模块和远端散热模块，所述远端散热模块再通过所述管道与储能模块连接；所述管道内部充满液态金属，所述液态金属螺旋线圈由所述充满液态金属的管道缠绕而成。本发明所述的液态金属螺旋线圈内流动有液态金属，不但使得液态金属螺旋线圈的导电性增强，磁场增强，而且能够及时将螺旋线圈产生的焦耳热散失到外界环境中，不需要使用去离子水或者液氮、液氦冷却螺旋线圈，从而使该装置更加简单和紧凑，操作更加便捷，在电磁领域具有较大的应用推广价值。

Description

一种紧凑式强磁场发生装置
技术领域
本发明属于电磁技术领域，尤其涉及一种紧凑式强磁场发生装置。
背景技术
强磁场作为一种特殊的、极端的科学研究条件，对科学研究取得突破性进展有着强大的推动力，而脉冲强磁场比稳态强磁场更容易获得高强度的磁场。所以，世界各发达国家都建立了自己的脉冲强磁场实验室，用来产生脉冲强磁场，为各领域科学研究提供强磁场。强磁场通常指几特斯拉以上的磁场。
强磁场有稳态式和脉冲式两种，产生稳态强磁场的磁体通常是用导体绕成的螺旋管，它可分为三种:普通磁体、超导磁体、由普通磁体和超导磁体结合绕扭成的混合磁体。普通磁体所能达到的场强一般为20T，由于导体的焦耳热，需要大量的冷却水，装置复杂笨重。产生脉冲强磁场要依赖脉冲强磁体的使用，脉冲磁体主要包括螺线形导体绕组、绝缘层和加固层几大部分，在结构上与我们熟悉的螺线管电磁铁相同，对螺线管通入大的电流，就可以得到几十甚至上百特斯拉的强磁场，由于这个过程产生的热量很大，所以在通入电流的时候采取间断的方法，每次通入持续时间很短，通常只有几毫秒甚至1微秒，就可以得到脉冲强磁场。
稳态强磁场和脉冲强磁场的产生都是依靠对固体螺旋线圈通入交流电，根据变化的电流产生磁场的原理进行工作，但是由于固体螺旋线圈存在很大的电阻，并通过上兆安培的电流，必然会产生巨大的焦耳热，需要将热量及时散出去。现有的散热技术有去离子水冷却技术、液氦、液氮冷却技术等，但这些冷却技术装置庞大复杂、能耗很高，并且存在较高危险性，操作难度大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种紧凑式强磁场发生装置，以提高强磁场发生装置的散热能力，且使强磁场发生装置的结构更加简单和紧凑。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紧凑式强磁场发生装置，其包括通过管道顺次串联连接的储能模块、开关、液态金属螺旋线圈、液态金属驱动模块和远端散热模块，所述远端散热模块再通过所述管道与储能模块连接，进而形成闭合回路；所述管道内部充满液态金属，所述液态金属螺旋线圈由所述充满液态金属的管道缠绕而成；
所述管道发挥导线的作用，并使该闭合回路中充满流动的液态金属，所述储能模块通过提供变化的电流为磁场的发生提供能量，所述开关控制整个电路中电流的通断，所述液态金属螺旋线圈用于产生强磁场，所述液态金属驱动模块用于为液态金属的流动提供动力，所述远端散热模块用于将液态金属螺旋线圈的产生的热量散失到外界空气中。
进一步地，所述管道外表绝缘，为钢管(优选为不锈钢管)或柔性塑料管。
进一步地，所述液态金属为熔点低于60℃的金属。
具体的，所述液态金属为镓、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金或铋基合金中的任一种。
优选的，所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金中的任一种。
优选的，所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌铋合金。
进一步地，所述液态金属螺旋线圈外围缠绕有碳纤维布，所述碳纤维布的外围套接有(同轴)钢管。
进一步地，所述储能模块为电容器、电感器(即电感储能器)、(电网)整流器或脉冲发电机中的任一种。
进一步地，所述液态金属驱动模块为电磁泵或蠕动泵，优选为直流电磁泵。
进一步地，所述远端散热模块为液态金属散热器，所述液态金属散热器选用本领域常规的或现有的液态金属散热器，优选为铜材翅片式散热器。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明所述的液态金属螺旋线圈内流动有液态金属，不但使得液态金属螺旋线圈的导电性增强，磁场增强，而且能够及时将螺旋线圈产生的焦耳热散失到外界环境中，不需要使用去离子水或者液氮、液氦冷却螺旋线圈，从而使该装置更加简单和紧凑，操作更加便捷。
(2)本发明所述的液态金属充满管道和整个闭合回路，即便在强磁场下管道也不易被应力拉断；而且液态金属在管道内流动，能够及时将整个装置中产生的焦耳热散失到环境中，提高了整套装置的散热性能。
附图说明
图1为本发明实施例所述紧凑式强磁场发生装置的结构示意图；
其中，1、液态金属螺旋线圈；2、开关；3、储能模块；4、远端散热模块；5、液态金属驱动模块；6、管道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供了一种紧凑式强磁场发生装置，其包括通过管道6顺次串联连接的储能模块3、开关2、液态金属螺旋线圈1、液态金属驱动模块5和远端散热模块4，所述远端散热模块4再通过所述管道6与储能模块3连接，进而形成闭合回路。
所述管道6外表绝缘，内部充满液态金属，其可为钢管或柔性塑料管等，本实施例选用不锈钢管，外径为8mm，内径为4mm。
所述液态金属为熔点低于60℃的金属，可以选用镓、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金或铋基合金中的任一种，本实施例中选用熔点为16℃的GaIn20。
所述储能模块3通过提供变化的电流为磁场的发生提供能量，其可选用电容器、电感储能器、电网整流器或脉冲发电机中的任一种，本实施例的储能模块3通过采用常规技术由电容器串并联而成，以产生脉冲磁场。
所述开关2控制整个电路中电流的通断。
所述液态金属螺旋线圈1由所述充满液态金属的管道6缠绕在非金属线圈骨架上制成，所述管道6可以螺旋缠绕数层，以增强磁场；制作时，先将管道6(即不锈钢管)加热到蠕化温度，然后缠绕在非金属骨架上，即得。所述液态金属螺旋线圈1的最外面还缠绕有碳纤维布，所述碳纤维布的外面还套接有同轴钢管作为加固材料。
所述液态金属驱动模块5用于为液态金属的流动提供动力，其可选用电磁泵或蠕动泵，本实施例采用直流电磁泵。
所述远端散热模块4用于将液态金属螺旋线圈1的产生的热量散失到外界空气中，其为液态金属散热器，所述液态金属散热器选用本领域常规的或现有的液态金属散热器，本实施例选用铜材翅片式散热器。
工作时，打开开关，利用液态金属驱动模块驱动液态金属在该闭合回路中流动，然后通过储能模块提供变化的电流，使液态金属螺旋线圈产生强磁场；工作过程中产生的热量通过远端散热模块散失到外界空气中，另外，液态金属在管道内流动过程中也将部分热量散失到外界环境中。
综上所述，本实施例所述的紧凑式强磁场发送装置，不但使得液态金属螺旋线圈的导电性增强，磁场增强，而且能够及时将螺旋线圈产生的焦耳热散失到外界环境中，不需要使用去离子水或者液氮、液氦冷却螺旋线圈，不但提高了散热性能，而且整套装置方便制造和布置，不需要外部固定，更加简单和紧凑，操作也更加便捷。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种紧凑式强磁场发生装置，其特征在于，包括通过管道(6)顺次串联连接的储能模块(3)、开关(2)、液态金属螺旋线圈(1)、液态金属驱动模块(5)和远端散热模块(4)，所述远端散热模块(4)再通过所述管道(6)与储能模块(3)连接；所述管道(6)内部充满液态金属，所述液态金属螺旋线圈(1)由所述充满液态金属的管道(6)缠绕而成。
2.根据权利要求1所述的紧凑式强磁场发生装置，其特征在于，所述管道(6)外表绝缘，为钢管或柔性塑料管。
3.根据权利要求1所述的紧凑式强磁场发生装置，其特征在于，所述液态金属为熔点低于60℃的金属。
4.根据权利要求3所述的紧凑式强磁场发生装置，其特征在于，所述液态金属为镓、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金或铋基合金中的任一种。
5.根据权利要求4所述的紧凑式强磁场发生装置，其特征在于，所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金中的任一种。
6.根据权利要求4所述的紧凑式强磁场发生装置，其特征在于，所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌铋合金。
7.根据权利要求1所述的紧凑式强磁场发生装置，其特征在于，所述液态金属螺旋线圈(1)外围缠绕有碳纤维布，所述碳纤维布的外围套接有钢管。
8.根据权利要求1所述的紧凑式强磁场发生装置，其特征在于，所述储能模块(3)为电容器、电感器、整流器或脉冲发电机中的任一种。
9.根据权利要求1所述的紧凑式强磁场发生装置，其特征在于，所述液态金属驱动模块(5)为电磁泵或蠕动泵。
10.根据权利要求1所述的紧凑式强磁场发生装置，其特征在于，所述远端散热模块(4)为液态金属散热器。
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