专利名称：用作分离或过滤的磁装置的制作方法
技术领域：
本发明专利属一种分离(或过滤)装置。
磁分离始于美国，1936年佛兰兹(Frantz)发明了“磁分离的方法与手段”(美国专利2056425)，接着(1937年)发明“磁分离器”(美国专利2074085)，这种技术广泛应用于采矿业，也应用于金属杂质分选，工业废料的处理等领域。直到科姆(Kolm)1971年提出高梯度磁分离(美国专利3，567，026或1971Conf.onMagnetismandMagneticsMaterials，Am.Inst.ofPhysics，ConferenceProceedingNo.5)才打破了自磁分离发明以来的狭窄应用范围，使磁分离在环境保护，矿物精制、稀有金属开采与回收和生物医学工程等领域的应用获得了飞速进展，本世纪七十年代曾在世界范围内出现研究热潮。自那以后磁分离技术一直没有获得突破性进展。但许多人对磁分离技术作了大量的新探索。帕克(Parker)(IEEETrans.onMagnetics，Vol.MAG-19，No.5，Sept.1983)研究了一个通以直流电流的导线周围所形成的磁场梯度对粒子的作用力以及用这种原理作成的过滤装置，同时，古德拉克(Goodluck)在“交流场中的磁分离”(IEEETrans.onMagneticsVol.MAG-23，No.3May1987p1909)一文中说明了交变磁场在滤线周围形成的高梯度磁场也能产生对粒子的单方向的吸引力。但没有考虑到滤线构成回路时，交变磁场在滤线中感应的电流对磁分离效果的影响。
本发明采用了一个巧妙的结构，利用交变磁场的感应原理，同时利用了磁性细线在背景磁场作用下所产生的高梯度磁场产生的力和细线在通电情况下所产生的梯度磁场产生的力。其基本原理是在一个交变磁场中置一个导电磁性线环，首先，作为一种导磁细线，其周围会形成高梯度磁场;其次，作为一种导电回路，会产生感生电势而形成电流，从而形成电流梯度磁场。
特别该提及的是美国专利3，567，026，该专利叙述了这样一个磁装置，在一个线圈中通入直流电流，这个电流产生一个背景磁场，在这个磁场中放入一些防腐蚀的磁性滤线，在其周围产生高梯度磁场，从而对磁性微粒产生较大磁力。该装置还加有一个交流振动线圈和一个交流退磁线圈，以便更容易反冲掉滞留物。
本发明的目的是提供一个对顺磁粒子或铁磁粒子或导电粒子磁吸附力大的，能得到比现有磁分离器更高品位分离物的磁分离装置。
本发明的另一个目的是提供一个具备磁化、过滤功能的电加热装置。
本专利的作用原理论述如下背景磁场为了分析的清楚简便，作出高梯度感应磁分离器的等效电路图，如图三。图中标明了同名端和各量的参考方向。
设线圈中的电流i＝ImSinωt (1)其复数形式
(2)(1)式中ω为电源频率。
设线圈的匝数为W，线圈的总励磁安匝为Wi，假定铁磁物质的磁导率为无穷大，则磁轭及磁极上的磁压降为零，磁路中空气隙的磁阻为(忽略滤线的导磁作用)Rma＝ (L)/(μ·S) (3)式中μ.-真空中的磁导率。
L-空气隙的长度。
S-空气隙的横截面积。
所以，线圈产生的总磁通φ= (Wi)/(Rma) = (μ·s)/(L) wi (4)可求出背景磁场B＝ (φ)/(S) ＝ (μ.)/(L) WImSinωt (5)复数形式
(6)背景磁场强度H= (WIm)/(L) Sinωt(7)
(8)
背景磁场对粒子的磁力此时可求出背景磁场及其在滤线周围形成的磁场梯度对磁性粒子所产生的力Fmb.由粒子在磁场中的受力公式
式中Xp-粒子的磁化率.
Vp-粒子的体积。
因为将被捕获的粒子距滤线较近，可认为滤线的曲率半径很大，并近似为一无限长的直线，据(9)式，可得出磁力公式为(坐标(γ，θ)及坐标原点如图四所示)Fmrb=- (XPVpMa2)/(r3) (Ma2/2μ·r2+HCOS2θ) (10)Fmθb=- (XPVpMa2)/(r3) HSin2θ)(11)式中M＝ (μ-μ.)/(μ+μ.) 2μ·H (12)μ-滤线的磁导率。
a-滤线的半径。
滤线回路中的电流滤床由很多个滤线回路组成，它们之间都通过互感相互影响，为了计及这个因素，而又能方便地列出数学表达式，仅考虑两个滤线回路的相互影响(图七)。
背景磁场在滤线回路f1中的感应电势eb1eb1=- (dψb1)/(dt) =-BmS1ωCOSωt(13)式中S1为滤线回路f1向与磁场方向垂直的面的投影面积。
由(5)式可知Bm＝ (μ.)/(L) WIm，得eb1=- (μ·S1)/(L) =WImωCOSωt(14)写成复数形式
因此滤线回路f1和线圈之间的互感Mc1=2μ ·S1WL(16)]]>所以,
(17)同理，在滤线回路f2中(如图二)的感应电势Eb2为
(18)式中Mc 2=2μ ·S2WL(19)]]>Mc2为滤线回路f2和线圈的互感。
S2为滤线回路f2向磁场垂直面的投影的面积。
设滤线回路f1和f2之间的互感为M，则滤线回路f2在f1中的互感电势
滤线回路f1在f2中的互感电势
(21)滤线回路的自感分别为L1、L2，两个滤环中的自感电势分别为
两个滤线回路中的电势平衡方程写出如下滤线回路
滤线回路
代入电势表达式(17)、(18)、(20)、(21)、(22)、(23)，式(24)、(25)变为
定义滤线回路f1的自阻抗Z1＝R1+jωL1(28)滤线回路f2的自阻抗Z2＝R2+jωL2(29)由(26)～(29)式得
线圈对滤线回路的转移电流比为Y1＝－ (jωMciZ2+ω2Mc1M)/(Z1Z2+ω2M2) (32)Y2＝－ (jωMc2Z1+ω2Mc2M)/(Z1Z2+ω2M2) (33)转移电流比Y1的幅值决定了滤线回路f1中的电流对线圈中电流的增益，其幅角(用θc表示)，表示了滤线回路f1的电流与线圈电流的相位差，也就是它们相应磁场的相角差。θc角是滤环电流产生的梯度磁场和背景磁场产生的梯度磁场叠加关系的关键。当R1＜＜ωL1，R2＜＜ωL2时，θc接近于-π，它们将同时达到最大，但相位相反。当R1＞＞ωL1，R2＞＞ωL2时，θc接近于- (π)/2 。它们在一个达到最大时，正好另一个达到最小。这两个结论可令式(32)中的M为零(即忽略滤线回路之间的相互影响，因为这种影响是很小的)，同时令R1(或R2)都为零或趋于无穷大得到。所以滤线回路电阻和电抗的大小及比例关系对高梯度感应磁分离装置有重大影响。
滤线回路中的电流产生的磁场对粒子的作用力根据安培环路定律∮Hi1dl＝i (34)在滤线回路曲率半径较大的情况下，可近似认为在滤线周围滤线回路电流所形成的磁场是均匀的，考虑一个环绕滤线的圆形回路，(34)式积分得Hi1= (r1)/(2πr) (35)滤线周围的磁场的梯度为
代式(35)(36)(37)入磁力公式(9)变为
=-μ·xpvp( (i1)/(2π) )21/(r3) (38)FMθil＝0 (39)式(34)-(39)中的下标il表示滤线回路f1的电流所引起的量。
由式(30)和(32)，电流il产生的磁力Fmril=-μ·xpvp( (｜Y1｜ImSin(ωt+θc))/(2π) )21/(r3) (40)代(8)式入(40)式得Fmril=-μ·xpvp( (｜Y1｜LHmSin(ωt+θc))/(2πw) )21/(r3) (41)作用在粒子上的总磁力假设粒子的磁化率是一常数，即不随场量而变化，因此可用叠加原理。总磁力为背景磁场对粒子的磁力与滤线电流产生的磁场对粒子的磁力之和，公式如下Fmr＝Fmrb+Fmril(42)Fmθ＝Fmθb+Fmθil(43)将式(38)(39)和式(10)(11)代入(42)(43)得Fmr=- (xpvpMa2)/(r3) ( (Ma2)/(2μ·r2) +HCOS2θ)-μ·xpvp( (｜Y1｜ImSin(ωt+θc))/(2π) )21/(r3) (44)Fmθ=- (xpvpMa2)/(r3) HSin2θ(45)
由此(44)可看出，滤线吸引粒子的磁力是两项之和，从而增强了磁分离的效果。为下述方便，上述原理称为高梯度感应磁分离原理。
高梯度感应磁分离原理的物理意义如图五所示，一磁性粒子处于交变背景磁场之中，根据法拉第的解释，粒子的表面张力等于 1/2 HB。现考查A′、B′点，其A′点表面张力为 1/2 HA′BA′，B′点表面张力为 1/2 HB′BB′，很显然，当磁场方向发生改变时，A′、B′两点H和B同时改变，因此A′、B′两点的表面张力的方向是不会改变的，所以粒子所受力将取决于粒子所受表面张力的合力，这个合力将与磁场梯度方向有关，对顺磁、铁磁物质粒子所受磁力与磁场强度的模的梯度方向相反，对反磁粒子与梯度方向一致。同理可解释滤线电流梯度磁场对粒子所产生的磁力。
从公式(44)和(45)也可看出，粒子将受到单方向的磁力，因为力与电流、磁场分别成平方关系。
θc角的选择考虑滤线周围吸收磁性粒子的两个场-背景磁场(如图五)和滤线电流产生的磁场。背景磁场在滤线周围对顺、反磁粒子有不同的排斥或吸引区。如图五，对顺磁或铁磁粒子A、C区为吸引区，B、D区为排斥区。对反磁粒子正好相反，A、C区为排斥区，B、D区为吸引区。滤线电流产生的磁场对顺磁或铁磁粒子总是吸引，对反磁粒子总是排斥。
一般分离顺磁(或铁磁)粒子混合物时，宜尽量使当一个磁场达到最大时，另一个磁场接近于零(即θc＝- (π)/2 )。当分离反磁物质和顺磁(或铁磁)粒子混合物时，宜采用两个磁场幅值的绝对值同时达最大(即θc＝-π)。这是因为，当分离顺磁粒子或铁磁粒子混合物时，要求对磁性粒子吸引最好恒定，当背景磁场减小时，滤线电流产生的磁场应增大。当分离反磁粒子和顺磁(或铁磁)粒子时，为使反磁粒子不被吸附在滤线上，应尽量使背景磁场所产生的吸引力(区域B或D)和滤线电流产生磁场所产生的排斥力同时出现。因此，本发明特别适用于分离顺磁粒子和反磁粒子的混合物，是其它原理的磁分离方法所不能比拟的。
滤线回路由上面基本原理的分析，滤线回路的电抗和电阻的匹配关系及大小对分离的效果致关主要。一般选择导电及导磁性能都较好的材料来作滤线回路。也可采用复合结构，例在导磁钢毛上镀铜的方法，以及在铜线上包导磁材料的方法来调节其电阻和电抗的匹配关系。前一种方法的电抗较后一种方法为小。在频率较高时，后一种方法集肤效应更明显。滤线回路的最外层可涂绝缘潻。很多个滤线回路构成滤床。
频率ω
电源频率ω是一个很重要的量，它对滤线回路的电阻和电抗的匹配关系有重要影响，并且感应电流的大小与频率密切相关，频率越高感应效果越强。
滤线发热滤线发热是高梯度感应磁分离的一个显著特点，可利用该特点对被处理液进行加热。一个滤线回路单位时间内所产生的热量为Q＝R1I21＝R1｜Y1｜2I2(46)滤线回路之间的放电如果滤线回路之间不是由良导体连接起来的，而是靠接触连接，这种连接处在接触不良时就可能有放电现象产生。这是因为高梯度感应磁分离是一复杂的电磁过程，相邻滤线回路之间在接触点处就可能形成压差，从而产生放电现象。如果需杀死被处理液中的病菌，就应加以利用，否则应竭力避免，此时只要将滤线表面涂漆即可。
如前所述本发明的一个目的是提供一个对顺磁粒子或铁磁粒子或导电粒子磁吸附力大的，能得到比现有磁分离器更高品位分离物的磁分离装置。此时，本发明-用作分离或过滤的磁装置，有下述两种结构即圆筒式结构和C型结构圆筒式结构它由磁轭(1)、磁极(2)、滤线回路(3)、线圈(4)、过滤腔(5)所组成，线圈(4)绕在过滤腔(5)上，滤线回路(3)位于过滤腔(5)中，磁轭(1)包围着线圈(4)，滤线回路(3)的两边用磁极(2)挡住。
C型结构它由磁轭(1)、磁极(2)、滤线回路(3)、线圈(4)、过滤腔(5)组成，线圈(4)绕在磁轭(1)上，在两个磁极(2)之间放置过滤腔，其滤线回路置于过滤腔中。
线圈(4)提供一个背景磁场和滤线回路所需电流。滤线就是用来过滤的一根线或棒，所谓滤线回路是指由滤线所构成的封闭路径，它主要起发热和捕获粒子的作用，过滤腔(5)构成被处理物的通道。为了提高背景磁场，最好加由磁极和磁轭构成的磁路，磁路由铁磁叠片组成，其叠片方向应与磁场方向一致，C型结构叠片较为容易。圆筒式叠片有直接卷着的卷筒式和沿周向叠压的辐射型叠片，如图六所示叠片为辐射型叠片，并经常采用直线或渐开线向外延伸。
圆筒式结构的优点是紧凑，漏磁小，适于工业应用。
C型结构的优点是捕获效率高，结构简单，叠片容易，便于观察，但漏磁较大，适于试验室及工业应用。
应用高梯度感应磁分离的磁分离装置具有明显的优点(1)在相同背景磁场下，粒子受磁场作用的吸引力比传统高梯度磁分离大。
(2)由于背景磁场在滤环周围对反磁粒子有吸引区，传统的高梯度磁分离对提高品位不利，感应电流产生的磁场因其对反磁粒子始终排斥，对提高品位有利。
(3)由背景磁场和感应电流的作用力使滤线回路振动，使滤线回路的非磁力捕获(例如机械捕获等)减少，可明显提高品位。
(4)该装置直接接在交流电源上，不需整流电源及整流变压器，使成本低，可靠性提高，从而可能使系统效率所提高。
高梯度感应磁分离具有如下缺点(1)由于振动，有噪声产生。
(2)由于使用交流电源带来铁心损耗及导体的集肤效应，装置发热增多。
(3)叠片工艺较复杂。
同时高梯度感应磁分离具有如下特点(1)滤线的发热。
(2)不连接的滤线回路之间的相互放电。
这两个特点在某些应用场合应加以利用，有些场合应竭力避免或尽量降低它的作用。
如前所述本发明的另一个目的是提供一种具备磁化、过滤功能的电热水器。此时，本发明-用作分离或过滤的磁装置，由磁路(1)、导磁挡板(2)、滤线(3)、线圈(4)、过滤腔(5)、绝缘垫(6)、端盖接头(7)、密封垫圈(8)、外壳(9)等所组成。如附图
八所示，线圈(4)绕于过滤腔(5)之上，为了更好地绝缘，可在线圈(4)与过滤腔(5)之间加一层绝缘垫片(6)。滤线(3)置于过滤腔(5)之中，两端用导磁挡板(2)挡住。磁路(1)包围在线圈(4)外面由过滤腔(5)支撑，同时在过滤腔(5)上方加一端盖(7)，其上攻有螺蚊以便于连接。外壳(9)加于磁路(1)之外以过滤腔(5)作支撑，外壳也可以兼作磁路。在端盖接头(7)和过滤腔(5)之间加上密封垫圈(8)以防止过滤腔(5)内热水漏出。
由于线圈的发热可能使热效率降低，为了降低成本，提高效率，线圈最好采用水冷，并将出水通入过滤腔进行加热，冷却方式有水内冷和外加冷却管两种方式。为了防止对外散热，外壳内表面最好装层保温材料。
本发明所提滤线是过滤和加热水的关键部件，当用作电热水器时，本发明的滤线应作广义理解，在水质比较干净而不需要磁化的场合滤线可以是任意形状的金属体，只要能产生大量的热即可，此时应尽量利用涡流。
现有文献还公开报道有各式热水器。如中国专利8520Ⅱ32所公开的热水器，是利用埋于水中的电极以水为发热体进行加热。此热水器使用时，水中的电极会因电解而腐蚀，寿命短，且在一些水质不好的地方使用，还可能产生一些有害物质影响人体健康。如接地不良，水将带电而带来安全问题，且功能单一，仅能将水加热。以及很多现有的市场上销售的电热水器，如埋于水中的电热丝加热的电热水器，由于电热丝易于损坏，绝缘不便处理，有寿命短，安全性能低，功能单一等缺点。储热式热水器，使用不方便，不能很快得到热水，冷热调节也不便，且热水供应量有限。
利用高梯度感应磁分离原理制成的电热水器，同时实现了原来需要电加热器、过滤器、磁水器三个装置才能实现的功能，在操作运行及成本处理效果上，均优于现有的这三个装置。因本发明吸附粒子的能力比一般磁过滤器强，并将吸附着的细菌在滤线的高温下杀死。实验证明，它几乎能清除水中的所有大肠杆菌、杆菌等病菌，并过滤掉水中的大部分有害物质，使不合格的自来水达到国家饭用水标准。本发明用作电热水器，水电完全隔离，杜绝了水带电危及人身安全的问题，它抛弃了易氧化烧断的电热丝，使寿命大为增长。
以下结合附图对本发明作进一步说明图一、图二为本发明的结构示意图，(分离磁装置)，其中(1)为磁轭，(2)为磁极，(3)为滤线回路，(4)为线圈，(5)为过滤腔。
图三为本发明应用的原理-高梯度感应磁分离原理等效电路图。
图四为本发明滤线捕获粒子时的尘标图，其中(3)为滤线，(11)为磁性粒子。
图五为本发明滤线周围的磁场分布图，其中(3)为滤线，(11)为磁性粒子，(12)为磁力线。
图六为本发明圆筒式结构磁路叠片方式示意图。
图七为本发明线圈、滤线相互感应电流的原理示意图，其中(4)为线圈，(3)为滤线回路，(12)为磁力线。
图八为本发明的结构示意图(电加热磁装置)，其中(1)为磁路，(2)为导磁挡板，(3)为滤线，(4)为线圈，(5)为过滤腔，(6)为绝缘垫，(7)为端盖接头，(8)为密封垫圈，(9)为外壳，(10)为水冷线圈。
权利要求
1.一种用来分离(或过滤)微粒的磁分离(或过滤)装置，并由线圈(4)、滤线(3)、过滤腔(5)所组成，本发明的特征是滤线构成回路，在线圈中通入交流电流，使滤线回路产生感应电流，此时线圈电流将产生一个背景磁场，这个磁场在磁性滤线周围形成高梯度磁场，同时滤线电流在滤线周围将形成一种梯度磁场，这两个磁场都会对微粒产生力，公式表述为Fmr=- (XPVPMa2)/(r3) (Ma2/2μ·r2+HCOS2θ)-μ·xpvp( (｜Y1｜Imsin(ωt+θc))/(2π) )21/(r3)Fmθ=- (XpVpMa2)/(r3) HSin2θ
2.按照权利要求1所述的磁分离(或过滤)装置，其特征是采用线圈外部有铁磁路的圆筒式结构(如图一)，其线圈绕在过滤腔上，滤线位于过滤腔中。
3.按照权利要求1所述的磁分离(或过滤)装置，其特征是采用线圈绕在一根铁磁路上的C型结构(如图二)，其过滤腔位于两个磁极之间，滤线位于过滤腔之中。
4.按照权利要求1所述的磁分离(或过滤)装置，其特征是滤线既高导电又高导磁，实现方法A、滤线采用高导磁高导电物质的方法;B、滤线采用在铁磁线外镀铜、银方法;C、滤线采用在铜线外包(或镀)铁磁材料的方法。
5.按照权利要求2所述的圆筒式磁分离装置，其特征是铁磁磁路部分的叠片采用辐射型叠片。
6.一种电热水器，其特征是由线圈(4)、滤线(3)、过滤腔(5)所组成。
7.按照权利要求6所述的电热水器，其特征是滤线构成回路，在线圈中通入交流电流，使滤线产生感应电流，此时线圈电流将产生一个背景磁场，这个磁场在磁性滤线周围形成高梯度，同时感应的电流在滤线周围将形成一种梯度磁场并使滤线发热而使水加热，背景磁场和感应电流在磁性滤线周围形成的梯度磁场都会对微粒产生力，从而将水中的悬浮粒子吸附在滤线上，并对水产生磁化作用。
8.按照权利要求6或权利要求7所述的电热水器，其特征是在线圈外面加一铁磁磁路，铁磁磁路的叠片采用辐射型结构。
9.按照权利要求8所述的电热水器，其特征是外壳内面有一层保温的绝热材料。
10.按照权利要求9所述的电热水器，其特征在于线圈采用水冷却结构，冷却方式有用空心导线线圈内冷和外加冷却管两种方式。并将冷却后的水通入导管。
全文摘要
磁分离或过滤装置，这种装置应用了交变磁场的电磁感应原理，使滤线回路产生电流，同时利用了交流背景磁场在磁性滤线周围所形成的高梯度磁场所产生的磁力以及滤线回路中电流在它周围所形成的梯度磁场所产生的磁力，并使这两个力相加，从而加强了磁分离的效果。由于对不同性质的磁性粒子这两个力在一定区域相互叠加或抵消以及振动的原因，可得品位很高的分离物。同时该装置的滤线具有发热和放电这两个特点，利用发热这个特点可将它作成电热水器。因该装置不用直流电源，使可靠性提高，成本降低。
文档编号C02F1/48GK1035252SQ88105889
公开日1989年9月6日 申请日期1988年4月22日 优先权日1988年4月22日
发明者谭言毅 申请人:谭言毅