專利名稱：利用磁力作用實現(xiàn)空氣中氧氣富集的層疊磁體陣列結構裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氣體分離技術領域，提出了一種利用磁力作用實現(xiàn)空氣中氧氣富集的層疊磁體陣列結構裝置及方法。
背景技術：
上個世紀80年代國外學者開始研究基于磁致氣流行為的氧氣富集技術，國內(nèi)在90年代中期開始有這方面研究的報道，但進展一直非常緩慢?？偨Y起來，把磁致氣流行為用于氧氣富集的方法主要有兩種一種是利用磁化后磁性金屬絲表面附近存在的高梯度磁場捕獲氧分子實現(xiàn)氧氣富集；另一種是通過在氣體流道中布置梯度磁場，依靠梯度磁場產(chǎn)生的磁化力使氧氮的行進軌跡發(fā)生分離實現(xiàn)氧氣富集。前者存在的問題是難以實現(xiàn)連續(xù)富集，后者存在的問題是氣體湍流以及分子擴散很容易造成氧氮的再混合，從而大大降低了氧氣的富集效率。2005年申請的一項國家發(fā)明專利提出了一種全新的利用磁致氣流行為富集氧氣的裝置與方法[吳平、王立、蔡軍等，利用磁力實現(xiàn)空氣中氧氣富集的裝置及方法。國家發(fā)明專利，申請?zhí)?00510086240.9。公告號CN1762792.2005]，提出利用2塊磁體構成的磁場空間邊界梯度磁場的攔截作用而非偏轉作用實現(xiàn)氧氣的富集，應用該方法所建立的小型實驗裝置已獲得了0.65％的氧氣富集率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用磁力作用實現(xiàn)空氣中氧氣富集的裝置及方法，實現(xiàn)空氣中氧氣的富集。該富氧裝置具有結構簡單，富氧效率較高，操作方便，造價低廉，能耗低，使用壽命長，適應性廣等特點。
本發(fā)明的裝置包括層疊磁體陣列1(磁體可以是永久磁體，也可是電磁鐵)，磁場空間7，磁場空間7開放邊界上的流動阻尼層2(由有機或無機多孔介質(zhì)材料制成)、空氣源3、緩沖器4、空氣輸送管5、入口過渡段6、出口過渡段8、富氧空氣輸送管9、閥門10，11、富氮空氣輸送管12、容器外殼13以及富氧氣體出口氣體電加熱器15。層疊磁體陣列由3～12000塊磁體構成，形成2～11999個磁場空間，各磁體之間的間距為0.1mm～1000mm，各磁體的厚度為0.3mm～1500mm。層疊磁體陣列1相鄰各磁體之間異極相對形成磁場空間7，在磁場空間的邊界處形成磁場梯度；入口過渡段6的一端連接空氣輸送管5，另一端與磁場空間入口相連，使空氣均勻流入磁場空間7；磁場空間7的出口通過出口過渡段8與富氧空氣輸送管9相連。富氮空氣輸送管12與容器14相連；閥門10，11分別安裝在富氧空氣輸送管9和富氮空氣輸送管12上，通過配合調(diào)節(jié)這兩個閥門，可以控制從富氧空氣輸送管9以及富氮空氣輸送管12流出氣體的流量和壓力?？諝饨?jīng)過緩沖器4，被送入磁場空間7，當空氣進入磁場空間7后，由于通過富氧空氣輸送管9流出的富氧空氣流量小于通過空氣輸送管5進入磁場空間的流量，將有部分空氣向流動方向的兩側從磁場空間7的邊界經(jīng)過流動阻尼層2流出，由于在磁場空間7的邊界處存在指向磁場空間內(nèi)部的磁場梯度，氧氣分子在磁場力的作用下其出流受到束縛，而氮氣分子和其它分子可以順利流出磁場空間7，被束縛在磁場空間內(nèi)的氧氣分子繼續(xù)隨主流氣體沿原來的方向流動，這樣就在磁場空間內(nèi)部，尤其是在遠離空氣注入口的地方氧分子得到富集。富氧空氣經(jīng)出口電加熱器15加熱后，經(jīng)出口過渡段8和富氧空氣輸送管9輸送到裝置外；富氮空氣流入容器14中，并最終會聚在一起，通過富氮空氣輸送管道12排出裝置之外。如果采用多級結構，從裝置中引出的富氧空氣可以作為下一級裝置的入口空氣。
本發(fā)明所述的磁體截面的形狀可以是方形、三角形、圓形，梯形或多邊形。與此相對應，由其形成的磁場空間的截面形狀可以是方形、三角形、圓形、梯形或多邊形。
本發(fā)明所示的氧氣富集裝置也可以為多級結構，前一級的富氧空氣出口作為后一級的空氣入口，前后級裝置具有相同的結構，因此所述裝置的串聯(lián)組合也屬本發(fā)明范圍之內(nèi)下面對本發(fā)明利用磁力來實現(xiàn)空氣中氧氣富集的原理及方法進行說明。
空氣的主要成分是氧氣和氮氣，還有少量的二氧化碳，水蒸汽以及其它微量的惰性氣體。在這些氣體當中，氧氣的體積磁化率為+146×10-6(“+”表示該氣體為順磁性氣體)，這類氣體在梯度磁場受到的磁力的方向與場強梯度方向一致。相反，氮氣的體積磁化率為-0.58×10-6，二氧化碳的為-0.84×10-6，水蒸汽的為-0.58×10-6(“-”表示該氣體為抗磁性氣體)，這類氣體在梯度磁場中受到的磁力的方向與場強梯度方向相反。由此可見，不但氧氣的體積磁化率比空氣中其它氣體的體積磁化率大很多，而且其磁性相反。氧氣的這一性質(zhì)使得利用梯度磁場來實現(xiàn)空氣中氧氣的富集成為可能。
本發(fā)明所述的利用磁力的攔截作用實現(xiàn)空氣中氧氣富集的方法，是使空氣流經(jīng)一個由層疊磁體陣列所形成的磁場空間，在由相鄰兩塊磁體所形成的磁場空間的邊界處會形成梯度方向指向磁場空間內(nèi)部的梯度磁場，利用梯度磁場對氧氣分子產(chǎn)生的作用力將流出磁場空間的空氣中的氧氣分子束縛在磁場空間內(nèi)，在磁場空間內(nèi)遠離空氣入口的地方形成氧的富集區(qū)，把該區(qū)域內(nèi)的氣體引出即可得到富氧空氣。當空氣從空氣入口進入磁場空間后，有部分氣體將從兩側開放邊界上流出。當空氣流出磁場空間時，由于邊界處存在梯度方向指向磁場空間內(nèi)部的磁場梯度，氧氣分子(順磁性分子)將受到指向磁場空間內(nèi)部的磁力，因此其出流受到阻礙而可能被攔截在磁場空間中；而氮氣分子與其它氣體分子(抗磁性分子)受到指向磁場空間外部的磁場力，因此可以順利流出磁場空間。這樣就在磁場空間內(nèi)部，尤其是在遠離空氣入口的地方氧分子得到富集。磁場空間邊界處的梯度磁場就像一個“磁篩”，對氧氣分子具有攔截作用，對氮氣分子放行。
本發(fā)明所述的磁場空間由多層磁體層疊所形成，相鄰兩磁體間的間距或磁場空間的厚度范圍為0.1mm～1000mm，磁體的厚度為0.3mm～1500mm。
本發(fā)明是利用層疊磁體陣列所形成的磁場空間邊界上的梯度磁場的“磁篩”作用，把空氣中的氧分子束縛在磁場空間內(nèi)從而實現(xiàn)氧氣的富集，它與依靠梯度磁場對氧氣產(chǎn)生的吸引力使流動空氣中的氧氣分子的流動方向產(chǎn)生偏移的氧氣富集方法不同，雖然兩者都是利用了氧氮氣分子在梯度磁場中會受到方向相反磁力作用的原理，但是前者(“磁篩”方法)可以有效避免氧氣富集過程中，氣體湍流，氣體分子的布朗運動以及濃度擴散等對氧氣富集的削弱作用。
本發(fā)明與申請?zhí)?00510086240.9，公告號CN1762792.2005]的專利申請相比有如下特點1、由于層疊磁體陣列中各磁體所產(chǎn)生的磁場在空間的相互疊加作用，使得每一磁場空間中的磁場強度得到增強。例如，用8塊厚度為3.5mm的釹鐵硼永久磁鐵所構成的層疊磁體陣列結構，在所形成的厚度為1mm的7個磁場空間中，磁場強度是由同樣大小的兩塊磁體所形成的磁場空間中的磁場強度的2.5～3.0倍。相應地，由于磁場空間內(nèi)磁場強度的提高，磁場空間開放邊界處的磁場梯度得到增強。由于梯度磁場攔截氧分子的能力正比于磁場強度與磁場梯度的乘積，層疊磁體陣列結構中的每一個磁場空間邊界處的梯度磁場攔截氧分子的能力都大大高于由相同尺寸2塊磁體所構成的單一磁場空間邊界處梯度磁場攔截氧分子的能力。
2、由于采用了層疊磁體陣列，對于相同氣體處理能力的裝置，磁體用量大大減少。例如。8塊磁體可以形成7個磁場空間。
3、在磁場空間開放周邊處設置流動阻尼層，能夠防止磁場空間外的氣體(尤其是氮氣)在遠離氣體入口段進入磁場空間。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.可以在常溫常壓下進行氧氣富集；2.層疊磁體陣列由永久磁體形成時，不需另外消耗能量；3.系統(tǒng)主要部件沒有機械運動和磨損問題，使用壽命長；4.可實現(xiàn)連續(xù)氧氣富集，隨制隨用，不需要高壓鋼瓶運輸與存儲，節(jié)省費用而且安全；5.結構簡單；6.由于利用的是層疊磁體陣列中各磁場空間開放邊界上梯度磁場的“磁篩”作用，加大了氧分子和梯度磁場的作用空間，并可有效避免氣體湍流，分子布朗運動以及濃度擴散對氧氣富集的削弱作用，提高了富集效率。
7.在磁場空間開放邊界上安裝了流動阻尼層，防止了外部氣流進入磁場空間，保證了富氧效果不被削弱。
8.應用范圍廣，從生活爐灶、工業(yè)鍋爐到內(nèi)燃機等均可以應用。


圖1為本發(fā)明實施例之一所采用的層疊磁體陣列結構及其磁極布置形式的三維示意圖。
圖2為圖1所示層疊磁體陣列中一個磁場空間內(nèi)的磁場分布示意3為圖1所示層疊磁體陣列富集空氣中氧氣的工作原理示意圖。
圖4為本發(fā)明裝置結構的主視圖。
圖5為本發(fā)明圖4所示裝置從中間水平剖開的俯視圖。
具體實施例方式
圖1～圖5為本發(fā)明的具體實施方式
。
如圖1所示，層疊磁體陣列各磁體之間所形成的縫隙就是所需的磁場空間，也是空氣通道。
由圖2可知，每層空氣通道(或磁場空間)內(nèi)部的磁場在磁體寬度方向上呈對稱分布，在磁場空間中心及附近區(qū)域內(nèi)，磁場幾乎是均勻的，在磁場空間的邊界附近急劇下降，因此，在磁場空間的邊界附近存在指向磁場空間內(nèi)部的磁場梯度，如圖3所示，氧分子在該梯度磁場區(qū)域內(nèi)受到的磁力指向磁場空間內(nèi)部，而氮氣分子與其它氣體分子受到的磁力指向磁場空間外。因此氧分子被束縛在磁場空間內(nèi)，而其它分子則可流出磁場空間。梯度磁場的作用類似一個具有選擇性的篩子，可稱之為“磁性分子篩”或“磁篩”。隨著空氣在磁場空間中的流動，越來越多的氧分子被“磁篩”束縛在磁場空間內(nèi)，而氮氣分子可以通過該“磁篩”流出磁場空間，在磁場空間內(nèi)遠離空氣注入口的區(qū)域內(nèi)氧濃度達到最大。
如圖4、圖5所示，層疊磁體陣列間的縫隙中形成磁場空間7，并且在磁場空間的邊界處形成梯度方向指向磁場空間內(nèi)部的磁場梯度；入口過渡段6的一端連接空氣輸送管5，另一端與磁場空間入口相連，使空氣均勻流入磁場空間7；磁場空間7的出口通過出口過渡段8與富氧空氣輸送管9相連。富氮空氣輸送管12與容器14相連；閥門10，11分別安裝在富氧空氣輸送管9和富氮空氣輸送管12上，通過配合調(diào)節(jié)這兩個閥門，可以控制從富氧空氣輸送管9以及富氮空氣輸送管12流出氣體的流量和壓力?？諝饨?jīng)緩沖器4送入磁場空間7，當空氣進入磁場空間7后，由于通過富氧空氣輸送管9流出的富氧空氣流量小于通過空氣輸送管5進入磁場空間的流量，將有部分空氣朝流動方向的兩側從磁場空間7的邊界經(jīng)過流動阻尼層2流出，由于在磁場空間7的邊界附近存在指向磁場空間內(nèi)部的磁場梯度，氧氣分子在磁場力的作用下其出流受到束縛，而氮氣分子和其它分子可以順利流出磁場空間7，被束縛在磁場空間內(nèi)的氧氣分子繼續(xù)隨主流氣體沿原來的方向流動，這樣就在磁場空間內(nèi)部，尤其是在遠離空氣注入口的地方氧分子得到富集。富氧空氣經(jīng)出口電加熱器15加熱后，經(jīng)出口過渡段8和富氧空氣輸送管9輸送到裝置外；富氮空氣流入容器14中，并最終會聚在一起，通過富氮空氣輸送管道12排出裝置之外。如果采用多級結構，從裝置中引出的富氧空氣可以作為下一級裝置的入口空氣。
權利要求
1.一種利用磁力作用實現(xiàn)空氣中氧氣富集的層疊磁體陣列結構裝置，包括層疊磁體陣列、流動阻尼層、空氣源、緩沖器、空氣輸送管、入口過渡段、磁場空間、出口過渡段、富氧空氣輸送管、閥門、富氮空氣輸送管、容器外殼、電加熱器；其特征在于，由磁體組成層疊磁體陣列(1)，各磁體之間的間距為0.1mm～1000mm，磁體的厚度為0.3mm～1500mm；層疊磁體陣列(1)各磁體之間異極相對形成磁場空間(7)，在磁場空間的邊界處形成磁場梯度；入口過渡段6的一端連接空氣輸送管(5)，另一端與磁場空間入口相連，使空氣均勻流入磁場空間(7)；磁場空間(7)的出口通過出口過渡段(8)與富氧空氣輸送管(9)相連，磁場空間(7)的開放邊界上設置流動阻尼層(2)，在磁場空間(7)的富氧空氣出口處設置電加熱器(15)；富氮空氣輸送管(12)與容器(14)相連；閥門(10，11)分別安裝在富氧空氣輸送管(9)和富氮空氣輸送管(12)上，通過配合調(diào)節(jié)這兩個閥門，可以控制從富氧空氣輸送管(9)以及富氮空氣輸送管(12)流出氣體的流量和壓力；空氣經(jīng)過緩沖器(4)被送入磁場空間(7)，當空氣進入磁場空間(7)后，由于通過富氧空氣輸送管(9)流出的富氧空氣流量小于通過空氣輸送管(5)進入磁場空間的流量，將有部分空氣向流動方向的兩側從磁場空間(7)的邊界經(jīng)過流動阻尼層(2)流出，富氧空氣經(jīng)出口電加熱器(15)加熱后，經(jīng)出口過渡段(8)和富氧空氣輸送管(9)輸送到裝置外；富氮空氣流入容器(14中)，并最終會聚在一起，通過富氮空氣輸送管道(12)排出裝置之外。
2.按照權利要求1所述的裝置，其特征在于層疊磁體陣列由3～12000塊磁體構成，形成2～11999個磁場空間。
3.一種采用權利要求1所述裝置實現(xiàn)空氣中氧氣富集的方法，其特征在于，使空氣流經(jīng)一個由層疊磁體陣列(1)所形成的磁場空間(7)，在每一個由相鄰兩塊磁體所形成的磁場空間的邊界處會形成梯度方向指向磁場空間內(nèi)部的梯度磁場，當空氣從空氣入口進入磁場空間后，有部分氣體將從磁場空間兩側開放邊界上流出，利用梯度磁場對氧氣分子產(chǎn)生的作用力將流出磁場空間的空氣中的氧氣分子束縛在磁場空間內(nèi)，在磁場空間內(nèi)遠離空氣入口的地方形成氧的富集區(qū)，把該區(qū)域內(nèi)的氣體引出，得到富氧空氣由于層疊磁體陣列(1)中各磁體所產(chǎn)生的磁場在空間的相互疊加作用，使得每一磁場空間(7)中的磁場強度得到增強，磁場空間開放邊界處的磁場梯度也相應得到增強；由于梯度磁場攔截氧分子的能力正比于磁場強度與磁場梯度的乘積，層疊磁體陣列中的每一個磁場空間(7)邊界處的梯度磁場攔截氧分子的能力都大大高于由相同尺寸兩塊磁體所構成的單一磁場空間邊界處梯度磁場攔截氧分子的能力。
全文摘要
一種利用磁力作用實現(xiàn)空氣中氧氣富集的層疊磁體陣列結構裝置及方法，屬于氣體分離技術領域。其裝置包括層疊磁體陣列、磁場空間、磁場空間開放邊界上的流動阻尼層、空氣源、緩沖器、空氣輸送管、入口過渡段、出口過渡段、富氧空氣輸送管、閥門、富氮空氣輸送管、容器外殼以及富氧氣體出口氣體電加熱器。方法是使空氣注入一個具有開放邊界、在邊界上存在梯度方向指向內(nèi)部的梯度磁場的磁場空間，在空氣從開放邊界流出時，利用梯度磁場對氧氣分子產(chǎn)生的作用力將空氣中的氧氣分子束縛在磁場空間內(nèi)，在磁場空間內(nèi)形成氧的富集區(qū)，把該區(qū)域內(nèi)的氣體引出得到富氧空氣。本發(fā)明的優(yōu)點在于結構簡單，處理空氣量大，能耗低，使用壽命長，適應性廣。
文檔編號B01D53/00GK101054164SQ20071006368
公開日2007年10月17日 申請日期2007年2月7日 優(yōu)先權日2007年2月7日
發(fā)明者王立, 吳平 申請人:北京科技大學