利用高频行波磁场驱动和输运低电导率液体的方法和装置与流程

本发明涉及一种利用高频行波磁场驱动和输运低电导率液体的方法和装置，可以实现低电导率液体的非接触式搅拌，属于化学化工、流体力学、工程热物理、材料工程、资源环境等领域。

背景技术：

现有的搅拌低电导率液体的方法均为在容器中伸入搅拌桨或放入磁子等进行机械搅拌，机械搅拌是接触式的，不适用与高温、高压、强腐蚀性环境中。机械搅拌桨叶附近流体的应变速率非常大，搅拌强度分布不均匀，搅拌区域局限于搅拌桨叶附近。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有机械搅拌技术直接接触的不足，提供一种非接触式搅拌低电导率液体的装置和方法，搅拌低电导率液体的体积力是洛伦兹力，洛伦兹力来源于行波磁场与其在低电导率液体中感生的涡流的相互作用，行波磁场来源于，一个驱动电感线圈中通以的高频电流和两个感应电感线圈中感生的高频电流。所述行波磁场的示意图见图1。行波磁场的相速度c＝f×l，式中l为极距，f为频率，高频行波磁场频率f为几百千赫兹量级，远大于液态金属电磁搅拌的工频(50hz)。在相同极距情况下，高频行波磁场的相速度远大于液态金属电磁泵，行波磁场运动显著，可以在低电导率液体中形成可观的涡流。

本发明提出的高频行波磁场搅拌低电导率液体的装置包含三个特定顺序绕制、特定位置结构的电感线圈装置。在驱动相线圈中通以高频电流，驱动相线圈产生的感应磁场交链上下两个感应相线圈，感应相线圈中将产生感应电流。装置整体电路示意图如图2所示，电感线圈的绕制方法示意图如图3所示。放置方法示意图如图4所示，三角形符号代表驱动相，圆圈符号和正方形符号分别代表两个感应相。实心符号表示缠绕方向垂直纸面向外，中间有点的符号代表缠绕方向垂直直面向里。

电感线圈l1,与电阻r1、电容c1串联，高频电源并联在电容两端，这一个电感线圈为驱动相。

电感线圈l2,与电阻r2、电容c2串联，组成无源回路，该电感线圈为感应相；

电感线圈l3,与电阻r3、电容c3串联，组成无源回路，该电感线圈为感应相；

虚线圈1、虚线圈2、虚线圈3分别为驱动相、感应相1、感应相2在低电导率液体中的感生涡流，感生涡流的电阻值为rc,自感值为lc。

k1为驱动相与感应相1相互交链产生的互感，6个线圈两两交链，总共产生15个互感。

本发明提出的高频行波磁场非接触式搅拌低电导率液体的装置，高频电源频率为100khz～400khz，高频电源的具体工作频率由回路等效阻抗决定，高频电源工作于回路的谐振点。

本发明提出的高频行波磁场搅拌低电导率液体的装置，三个电感线圈要与所搅拌的液体同轴放置，电感线圈中心位置可调，且均缠绕在容器壁上。调整电感线圈位置将影响感应相和驱动相之间的互感值，进而影响感应相中电流的幅度和相位，进而影响整个回路的阻抗，系统的谐振点将发生改变，进而影响系统的工作频率，感应相和驱动相相位相差范围为45°～90°。

本发明提出的高频行波磁场非接触式搅拌低电导率液体的装置，所使用的容器半径应小于高频行波磁场在低电导率液体中的趋肤深度，使得行波磁场能够有效渗透到容器内的全部液体中。

本发明提出的高频行波磁场非接触式搅拌低电导率液体的装置，其优点是：能够实现非接触式搅拌，容器中无需搅拌桨等机械传动部件。搅拌力来源于变化的磁场与低电导率液体中感生的涡流相互作用产生的洛伦兹力，洛伦兹力作用于整个低电导率液体上，本方法的速度场梯度小，搅拌强度分布均匀，搅拌区域大。

附图说明

图1行波磁场的示意图

图2装置整体电路示意图。

图3电感线圈放置方法示意图

图4电感线圈的绕制方法示意图。

图5容器中液体流动图

具体实施方式

本发明提供了一种利用高频行波磁场搅拌低电导率液体的装置和方法。其装置连接方法见图1，电感线圈的缠绕方法和放置方法分别见图2和图3。

本发明装置中的线圈由铜管绕制而成，中间通水冷却，直径为1.5cm，也可扩充为1-3cm。线圈中空，壁厚2mm，也可根据实际情况调整壁厚。三个电感线圈绕制方法一致，自感值也大致相同。电容值可根据电感值灵活调整，电容值范围为

0.20μf～0.24μf。

线圈中可以通循环水冷却，循环水的温度不高于35℃。

本发明装置中三个线圈的中心位置可调，其中驱动相位于中间，两个感应相分别放置与上下两侧，两个感应相中心线与驱动相中心线距离相同。微调感应相位置，使得感应相与驱动相电流相位差相差范围为45°～90°,电流的相位差可用罗氏线圈测量。

本发明装置中的容器需使用绝缘材料，电阻率10¹⁰～10²²ω·m,一般为玻璃、有机玻璃、塑料等，高频行波磁场几乎可以无损耗透过。为便于观察流动，容器壁材料也可以使用透明介质。

本发明装置所搅拌的低电导率液体可以是盐水溶液、离子液体等。对于不导电的溶液，可以掺入导电离子，电导率范围为0.1～100s/m。(权利要求)

本发明装置线圈上部缠绕两圈，下部缠绕两匝。实际中可以根据电流大小和感生磁场的需要设置n圈，1≤n≤3。

本发明装置不仅可以用于搅拌，而且可以用于输运和驱动。本发明装置可以集成为一个输运单元，对于长管段运输场合，可以将本输运单元间隔一段距离均匀分布于管道上。

技术特征：

1.一种高频行波磁场驱动和输运低电导率液体的方法和装置，其特征在于，所述装置包括:目的是针对现有机械搅拌技术直接接触的不足，提供一种非接触式搅拌低电导率液体的装置和方法，驱动低电导率液体的是洛伦兹力，它是一种体积力，来源于高频行波磁场与其在低电导率液体中感生的涡流的相互作用。高频行波磁场来源于，一个驱动电感线圈中通以的高频电流和两个感应电感线圈中感生的高频电流。高频行波磁场，频率为100khz～400khz，在低电导率液体中，其趋肤深度可达分米级，相速度可达100km/s级，磁场运动速度显著。

2.按权利要求1所述的高频行波磁场搅拌低电导率液体的装置，其特征在于，容器中无搅拌桨等机械传动部分，能够实现非接触式搅拌，适合真空度高、高温、高压的应用场合。

3.按权利要求1所述的高频行波磁场搅拌低电导率液体的装置，其特征在于包含三个特定顺序绕制、特定位置结构的电感线圈装置。每个电感线圈包括绕制方向相反的上下两个部分，每个部分包含1-3匝线圈。三个电感线圈交错放置，环绕于容器外侧。装置整体电路示意图如图2所示，电感线圈的绕制方法示意图如图3所示，放置方法示意图如图4所示，所述装置包括：

s1、电感线圈l1,与电阻r1、电容c1串联，高频电源并联在电容两端；

s2、电感线圈l2,与电阻r2、电容c2串联，组成无源回路；

s3、电感线圈l3,与电阻r3、电容c3串联，组成无源回路；

s4、虚线圈1、虚线圈2、虚线圈3分别为驱动相、感应相1、感应相2在低电导率液体中的感生涡流，感生涡流的电阻值为rc,自感值为lc；

s5、k1为驱动相与感应相1相互交链产生的互感，6个线圈两两交链，总共产生15个互感。

4.按权利要求1所述的高频行波磁场搅拌低电导率液体的装置，其特征在于，所述电源为高频电源，频率为100khz～400khz,具体工作频点可根据外接电路等效阻抗值而改变。

5.按权利要求l所述的高频行波磁场搅拌低电导率液体的装置，其特征在于，三个电感线圈中心位置上下可调。调整电感线圈位置将影响感应相和驱动相之间的互感值，进而影响感应相中电流的幅度和相位，感应相和驱动相相位相差范围为45°～90°，幅度范围为0.5～2。

6.本发明装置中的线圈由铜管绕制而成，中间通水冷却，直径为1.5cm，也可扩充为1-3cm。线圈中空，壁厚2mm，也可根据实际情况调整壁厚。三个电感线圈绕制方法一致，自感值也大致相同。电容值可根据电感值灵活调整，电容值范围为0.20μf～0.24μf。

7.按权利要求1所述的高频行波磁场搅拌低电导率液体的装置，其特征在于，所搅拌的低电导率液体可以是盐水溶液、离子液体等。对于不导电的溶液，可以掺入导电液体，电导率范围为0.1～100s/m。

8.按权利要求1所述的高频行波磁场搅拌低电导率液体的装置，其特征在于，可实现cm/s级甚至更强的流动。

9.本发明装置不仅可以用于搅拌，而且可以用于输运和驱动。本发明装置可以集成为一个输运单元，对于长管段运输场合，可以将本输运单元间隔一段距离均匀分布于管道上。

技术总结
本发明公开了一种利用高频行波磁场驱动和输运低电导率液体的方法和装置。在低电导率液体容器壁周围按照特定方式绕制三个电感线圈，在其中一个电感线圈中通以高频电流，后两个电感线圈中将会感生高频电流。高频电流在电感线圈周围产生行波磁场，该变化的磁场与低电导率液体中感生的涡电流相互作用产生驱动低电导率液体的洛伦兹力。本发明提供了一种非接触式的搅拌方法，无需在容器中放置搅拌桨即可搅拌低电导率液体。

技术研发人员：李勇;王晓东
受保护的技术使用者：中国科学院大学
技术研发日：2018.11.07
技术公布日：2020.05.15