专利名称：利用磁力作用实现空气中氧气富集的层叠磁体阵列结构装置及方法
技术领域：
本发明属于气体分离技术领域，提出了一种利用磁力作用实现空气中氧气富集的层叠磁体阵列结构装置及方法。
背景技术：
上个世纪80年代国外学者开始研究基于磁致气流行为的氧气富集技术，国内在90年代中期开始有这方面研究的报道，但进展一直非常缓慢。总结起来，把磁致气流行为用于氧气富集的方法主要有两种一种是利用磁化后磁性金属丝表面附近存在的高梯度磁场捕获氧分子实现氧气富集；另一种是通过在气体流道中布置梯度磁场，依靠梯度磁场产生的磁化力使氧氮的行进轨迹发生分离实现氧气富集。前者存在的问题是难以实现连续富集，后者存在的问题是气体湍流以及分子扩散很容易造成氧氮的再混合，从而大大降低了氧气的富集效率。2005年申请的一项国家发明专利提出了一种全新的利用磁致气流行为富集氧气的装置与方法[吴平、王立、蔡军等，利用磁力实现空气中氧气富集的装置及方法。国家发明专利，申请号200510086240.9。公告号CN1762792.2005]，提出利用2块磁体构成的磁场空间边界梯度磁场的拦截作用而非偏转作用实现氧气的富集，应用该方法所建立的小型实验装置已获得了0.65％的氧气富集率。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用磁力作用实现空气中氧气富集的装置及方法，实现空气中氧气的富集。该富氧装置具有结构简单，富氧效率较高，操作方便，造价低廉，能耗低，使用寿命长，适应性广等特点。
本发明的装置包括层叠磁体阵列1(磁体可以是永久磁体，也可是电磁铁)，磁场空间7，磁场空间7开放边界上的流动阻尼层2(由有机或无机多孔介质材料制成)、空气源3、缓冲器4、空气输送管5、入口过渡段6、出口过渡段8、富氧空气输送管9、阀门10，11、富氮空气输送管12、容器外壳13以及富氧气体出口气体电加热器15。层叠磁体阵列由3～12000块磁体构成，形成2～11999个磁场空间，各磁体之间的间距为0.1mm～1000mm，各磁体的厚度为0.3mm～1500mm。层叠磁体阵列1相邻各磁体之间异极相对形成磁场空间7，在磁场空间的边界处形成磁场梯度；入口过渡段6的一端连接空气输送管5，另一端与磁场空间入口相连，使空气均匀流入磁场空间7；磁场空间7的出口通过出口过渡段8与富氧空气输送管9相连。富氮空气输送管12与容器14相连；阀门10，11分别安装在富氧空气输送管9和富氮空气输送管12上，通过配合调节这两个阀门，可以控制从富氧空气输送管9以及富氮空气输送管12流出气体的流量和压力。空气经过缓冲器4，被送入磁场空间7，当空气进入磁场空间7后，由于通过富氧空气输送管9流出的富氧空气流量小于通过空气输送管5进入磁场空间的流量，将有部分空气向流动方向的两侧从磁场空间7的边界经过流动阻尼层2流出，由于在磁场空间7的边界处存在指向磁场空间内部的磁场梯度，氧气分子在磁场力的作用下其出流受到束缚，而氮气分子和其它分子可以顺利流出磁场空间7，被束缚在磁场空间内的氧气分子继续随主流气体沿原来的方向流动，这样就在磁场空间内部，尤其是在远离空气注入口的地方氧分子得到富集。富氧空气经出口电加热器15加热后，经出口过渡段8和富氧空气输送管9输送到装置外；富氮空气流入容器14中，并最终会聚在一起，通过富氮空气输送管道12排出装置之外。如果采用多级结构，从装置中引出的富氧空气可以作为下一级装置的入口空气。
本发明所述的磁体截面的形状可以是方形、三角形、圆形，梯形或多边形。与此相对应，由其形成的磁场空间的截面形状可以是方形、三角形、圆形、梯形或多边形。
本发明所示的氧气富集装置也可以为多级结构，前一级的富氧空气出口作为后一级的空气入口，前后级装置具有相同的结构，因此所述装置的串联组合也属本发明范围之内下面对本发明利用磁力来实现空气中氧气富集的原理及方法进行说明。
空气的主要成分是氧气和氮气，还有少量的二氧化碳，水蒸汽以及其它微量的惰性气体。在这些气体当中，氧气的体积磁化率为+146×10-6(“+”表示该气体为顺磁性气体)，这类气体在梯度磁场受到的磁力的方向与场强梯度方向一致。相反，氮气的体积磁化率为-0.58×10-6，二氧化碳的为-0.84×10-6，水蒸汽的为-0.58×10-6(“-”表示该气体为抗磁性气体)，这类气体在梯度磁场中受到的磁力的方向与场强梯度方向相反。由此可见，不但氧气的体积磁化率比空气中其它气体的体积磁化率大很多，而且其磁性相反。氧气的这一性质使得利用梯度磁场来实现空气中氧气的富集成为可能。
本发明所述的利用磁力的拦截作用实现空气中氧气富集的方法，是使空气流经一个由层叠磁体阵列所形成的磁场空间，在由相邻两块磁体所形成的磁场空间的边界处会形成梯度方向指向磁场空间内部的梯度磁场，利用梯度磁场对氧气分子产生的作用力将流出磁场空间的空气中的氧气分子束缚在磁场空间内，在磁场空间内远离空气入口的地方形成氧的富集区，把该区域内的气体引出即可得到富氧空气。当空气从空气入口进入磁场空间后，有部分气体将从两侧开放边界上流出。当空气流出磁场空间时，由于边界处存在梯度方向指向磁场空间内部的磁场梯度，氧气分子(顺磁性分子)将受到指向磁场空间内部的磁力，因此其出流受到阻碍而可能被拦截在磁场空间中；而氮气分子与其它气体分子(抗磁性分子)受到指向磁场空间外部的磁场力，因此可以顺利流出磁场空间。这样就在磁场空间内部，尤其是在远离空气入口的地方氧分子得到富集。磁场空间边界处的梯度磁场就像一个“磁筛”，对氧气分子具有拦截作用，对氮气分子放行。
本发明所述的磁场空间由多层磁体层叠所形成，相邻两磁体间的间距或磁场空间的厚度范围为0.1mm～1000mm，磁体的厚度为0.3mm～1500mm。
本发明是利用层叠磁体阵列所形成的磁场空间边界上的梯度磁场的“磁筛”作用，把空气中的氧分子束缚在磁场空间内从而实现氧气的富集，它与依靠梯度磁场对氧气产生的吸引力使流动空气中的氧气分子的流动方向产生偏移的氧气富集方法不同，虽然两者都是利用了氧氮气分子在梯度磁场中会受到方向相反磁力作用的原理，但是前者(“磁筛”方法)可以有效避免氧气富集过程中，气体湍流，气体分子的布朗运动以及浓度扩散等对氧气富集的削弱作用。
本发明与申请号200510086240.9，公告号CN1762792.2005]的专利申请相比有如下特点1、由于层叠磁体阵列中各磁体所产生的磁场在空间的相互叠加作用，使得每一磁场空间中的磁场强度得到增强。例如，用8块厚度为3.5mm的钕铁硼永久磁铁所构成的层叠磁体阵列结构，在所形成的厚度为1mm的7个磁场空间中，磁场强度是由同样大小的两块磁体所形成的磁场空间中的磁场强度的2.5～3.0倍。相应地，由于磁场空间内磁场强度的提高，磁场空间开放边界处的磁场梯度得到增强。由于梯度磁场拦截氧分子的能力正比于磁场强度与磁场梯度的乘积，层叠磁体阵列结构中的每一个磁场空间边界处的梯度磁场拦截氧分子的能力都大大高于由相同尺寸2块磁体所构成的单一磁场空间边界处梯度磁场拦截氧分子的能力。
2、由于采用了层叠磁体阵列，对于相同气体处理能力的装置，磁体用量大大减少。例如。8块磁体可以形成7个磁场空间。
3、在磁场空间开放周边处设置流动阻尼层，能够防止磁场空间外的气体(尤其是氮气)在远离气体入口段进入磁场空间。
本发明具有以下优点1.可以在常温常压下进行氧气富集；2.层叠磁体阵列由永久磁体形成时，不需另外消耗能量；3.系统主要部件没有机械运动和磨损问题，使用寿命长；4.可实现连续氧气富集，随制随用，不需要高压钢瓶运输与存储，节省费用而且安全；5.结构简单；6.由于利用的是层叠磁体阵列中各磁场空间开放边界上梯度磁场的“磁筛”作用，加大了氧分子和梯度磁场的作用空间，并可有效避免气体湍流，分子布朗运动以及浓度扩散对氧气富集的削弱作用，提高了富集效率。
7.在磁场空间开放边界上安装了流动阻尼层，防止了外部气流进入磁场空间，保证了富氧效果不被削弱。
8.应用范围广，从生活炉灶、工业锅炉到内燃机等均可以应用。
图1为本发明实施例之一所采用的层叠磁体阵列结构及其磁极布置形式的三维示意图。
图2为图1所示层叠磁体阵列中一个磁场空间内的磁场分布示意3为图1所示层叠磁体阵列富集空气中氧气的工作原理示意图。
图4为本发明装置结构的主视图。
图5为本发明图4所示装置从中间水平剖开的俯视图。
具体实施例方式
图1～图5为本发明的具体实施方式
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如图1所示，层叠磁体阵列各磁体之间所形成的缝隙就是所需的磁场空间，也是空气通道。
由图2可知，每层空气通道(或磁场空间)内部的磁场在磁体宽度方向上呈对称分布，在磁场空间中心及附近区域内，磁场几乎是均匀的，在磁场空间的边界附近急剧下降，因此，在磁场空间的边界附近存在指向磁场空间内部的磁场梯度，如图3所示，氧分子在该梯度磁场区域内受到的磁力指向磁场空间内部，而氮气分子与其它气体分子受到的磁力指向磁场空间外。因此氧分子被束缚在磁场空间内，而其它分子则可流出磁场空间。梯度磁场的作用类似一个具有选择性的筛子，可称之为“磁性分子筛”或“磁筛”。随着空气在磁场空间中的流动，越来越多的氧分子被“磁筛”束缚在磁场空间内，而氮气分子可以通过该“磁筛”流出磁场空间，在磁场空间内远离空气注入口的区域内氧浓度达到最大。
如图4、图5所示，层叠磁体阵列间的缝隙中形成磁场空间7，并且在磁场空间的边界处形成梯度方向指向磁场空间内部的磁场梯度；入口过渡段6的一端连接空气输送管5，另一端与磁场空间入口相连，使空气均匀流入磁场空间7；磁场空间7的出口通过出口过渡段8与富氧空气输送管9相连。富氮空气输送管12与容器14相连；阀门10，11分别安装在富氧空气输送管9和富氮空气输送管12上，通过配合调节这两个阀门，可以控制从富氧空气输送管9以及富氮空气输送管12流出气体的流量和压力。空气经缓冲器4送入磁场空间7，当空气进入磁场空间7后，由于通过富氧空气输送管9流出的富氧空气流量小于通过空气输送管5进入磁场空间的流量，将有部分空气朝流动方向的两侧从磁场空间7的边界经过流动阻尼层2流出，由于在磁场空间7的边界附近存在指向磁场空间内部的磁场梯度，氧气分子在磁场力的作用下其出流受到束缚，而氮气分子和其它分子可以顺利流出磁场空间7，被束缚在磁场空间内的氧气分子继续随主流气体沿原来的方向流动，这样就在磁场空间内部，尤其是在远离空气注入口的地方氧分子得到富集。富氧空气经出口电加热器15加热后，经出口过渡段8和富氧空气输送管9输送到装置外；富氮空气流入容器14中，并最终会聚在一起，通过富氮空气输送管道12排出装置之外。如果采用多级结构，从装置中引出的富氧空气可以作为下一级装置的入口空气。
权利要求
1.一种利用磁力作用实现空气中氧气富集的层叠磁体阵列结构装置，包括层叠磁体阵列、流动阻尼层、空气源、缓冲器、空气输送管、入口过渡段、磁场空间、出口过渡段、富氧空气输送管、阀门、富氮空气输送管、容器外壳、电加热器；其特征在于，由磁体组成层叠磁体阵列(1)，各磁体之间的间距为0.1mm～1000mm，磁体的厚度为0.3mm～1500mm；层叠磁体阵列(1)各磁体之间异极相对形成磁场空间(7)，在磁场空间的边界处形成磁场梯度；入口过渡段6的一端连接空气输送管(5)，另一端与磁场空间入口相连，使空气均匀流入磁场空间(7)；磁场空间(7)的出口通过出口过渡段(8)与富氧空气输送管(9)相连，磁场空间(7)的开放边界上设置流动阻尼层(2)，在磁场空间(7)的富氧空气出口处设置电加热器(15)；富氮空气输送管(12)与容器(14)相连；阀门(10，11)分别安装在富氧空气输送管(9)和富氮空气输送管(12)上，通过配合调节这两个阀门，可以控制从富氧空气输送管(9)以及富氮空气输送管(12)流出气体的流量和压力；空气经过缓冲器(4)被送入磁场空间(7)，当空气进入磁场空间(7)后，由于通过富氧空气输送管(9)流出的富氧空气流量小于通过空气输送管(5)进入磁场空间的流量，将有部分空气向流动方向的两侧从磁场空间(7)的边界经过流动阻尼层(2)流出，富氧空气经出口电加热器(15)加热后，经出口过渡段(8)和富氧空气输送管(9)输送到装置外；富氮空气流入容器(14中)，并最终会聚在一起，通过富氮空气输送管道(12)排出装置之外。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于层叠磁体阵列由3～12000块磁体构成，形成2～11999个磁场空间。
3.一种采用权利要求1所述装置实现空气中氧气富集的方法，其特征在于，使空气流经一个由层叠磁体阵列(1)所形成的磁场空间(7)，在每一个由相邻两块磁体所形成的磁场空间的边界处会形成梯度方向指向磁场空间内部的梯度磁场，当空气从空气入口进入磁场空间后，有部分气体将从磁场空间两侧开放边界上流出，利用梯度磁场对氧气分子产生的作用力将流出磁场空间的空气中的氧气分子束缚在磁场空间内，在磁场空间内远离空气入口的地方形成氧的富集区，把该区域内的气体引出，得到富氧空气由于层叠磁体阵列(1)中各磁体所产生的磁场在空间的相互叠加作用，使得每一磁场空间(7)中的磁场强度得到增强，磁场空间开放边界处的磁场梯度也相应得到增强；由于梯度磁场拦截氧分子的能力正比于磁场强度与磁场梯度的乘积，层叠磁体阵列中的每一个磁场空间(7)边界处的梯度磁场拦截氧分子的能力都大大高于由相同尺寸两块磁体所构成的单一磁场空间边界处梯度磁场拦截氧分子的能力。
全文摘要
一种利用磁力作用实现空气中氧气富集的层叠磁体阵列结构装置及方法，属于气体分离技术领域。其装置包括层叠磁体阵列、磁场空间、磁场空间开放边界上的流动阻尼层、空气源、缓冲器、空气输送管、入口过渡段、出口过渡段、富氧空气输送管、阀门、富氮空气输送管、容器外壳以及富氧气体出口气体电加热器。方法是使空气注入一个具有开放边界、在边界上存在梯度方向指向内部的梯度磁场的磁场空间，在空气从开放边界流出时，利用梯度磁场对氧气分子产生的作用力将空气中的氧气分子束缚在磁场空间内，在磁场空间内形成氧的富集区，把该区域内的气体引出得到富氧空气。本发明的优点在于结构简单，处理空气量大，能耗低，使用寿命长，适应性广。
文档编号B01D53/00GK101054164SQ20071006368
公开日2007年10月17日 申请日期2007年2月7日 优先权日2007年2月7日
发明者王立, 吴平 申请人:北京科技大学