[发明专利]一种螺旋通道直流磁流体泵

说明书

一种螺旋通道直流磁流体泵，由圆柱形磁体和螺旋通道组成，螺旋通道穿过圆柱形磁体的磁孔。导电流体切向或轴向流入磁流体通道，在螺旋通道内受圆周方向电磁力作用、做均匀螺旋流动，切向流出磁流体通道。所述圆柱形磁体产生轴向磁场，可采用螺管超导磁体或圆柱形Halbach永磁磁体。所述直流磁流体泵的磁流体通道内部采用螺旋叶片导流结构，提高了流场均匀性、大大降低了磁流体通道内部流动损失；此外，所采用的螺管超导磁体或圆柱形Halbach永磁磁体，提高了磁场强度和磁场空间均匀性，进而大大提高了泵送能力。

技术领域

本发明涉及一种磁流体泵，特别是一种采用螺旋通道的直流磁流体泵。

背景技术

磁流体泵利用导电流体(如液体金属、血液、人体体液、海水等)中电场和磁场的相互作用产生电磁力(洛伦兹力)驱动导电流体运动，是一种导电流体的泵送装置。磁流体泵的电机和泵体合二为一，没有旋转机械部件和传动轴系，提高了可靠性、降低了机械噪声，广泛应用在海水、熔融态金属输送，生物微流体驱动和控制、血液泵等领域。直流磁流体泵主要由磁体和磁流体通道、电极等组成。磁体提供一种不随时间变化的恒定磁场；电极将外部直流电导入磁流体通道内的导电流体中、产生恒定电场；电场和磁场相互作用，产生电磁力，直接驱动导电流体沿受力方向流动。根据电场、磁场和电磁力(流场)的相互作用，直流磁流体泵主要存在两种结构方式—直线式和螺旋式。图1给出了直线式磁流体通道内电场、磁场和流场的方向，磁场B垂直纸面向里、电流密度J竖直向下，产生的电磁力F水平向右，导电流体水平向右流动、速度为v。图2为螺旋式磁流体通道内电场、磁场和流场的方向，圆柱面内、外电极间产生径向电场、电流密度为J，磁场B为垂直纸面向里的轴向磁场，产生的电磁力F为周向，导电流体沿受力方向呈螺旋状流动、流速为v。根据磁流体动力学，流量为0时，电磁力产生的压升P＝JBL，L为沿流动方向电磁力的有效作用长度；对于直线式，L等于有效磁场空间沿流动方向的几何尺寸，而对于螺旋式，L则大于有效磁场空间的轴向长度。所以，相同的有效磁场空间和相同的磁场强度B和电流密度J下，螺旋式直流磁流体泵具有更大的压升P(扬程)，具有更优的泵送能力。美国专利US2004/0234379A1提出了一种螺旋式直流磁流体泵，其磁流体通道由圆筒状内外电极组成，导电流体从轴向流入、切向流出，轴向磁场由螺线管电磁体或永磁体提供，并对永磁磁路进行了优化设计。然而，不管是螺线管电磁体或Halbach结构的永磁磁体，磁场强度的提高都非常有限。图3为美国专利US2004/0234379A1螺旋式直流磁流体泵内部流线图，箭头为流动方向。可以看出，磁流体通道入口和内电极之间没有导流结构，轴向流入的导电流体直接撞击内电极端面并强制转变为螺旋流动，流体窜动非常剧烈、出现漩涡，大大增大了局部流动损失；此外，整个电磁场作用区域、也就是内电极所对应的流动区域，流动仅靠电磁力和惯性力决定，没有导流结构，流场极度不均匀，增大了流动损失。因此，需对磁流体通道内部的流道结构进行优化设计，提高螺旋式直流磁流体泵的性能。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种具有螺旋通道的直流磁流体泵。本发明磁流体通道内部采用螺旋叶片导流结构，提高了流场均匀性、大大降低了磁流体通道内部流动损失；此外，本发明采用螺管超导磁体或圆柱形Halbach永磁磁体，提高了磁场强度和磁场空间均匀性，进而大大提高了泵送能力。

本发明的技术方案为：一种螺旋通道直流磁流体泵，所述直流磁流体泵由圆柱形磁体和螺旋通道组成，螺旋通道穿过圆柱形磁体的磁孔，圆柱形磁体的轴向长度小于螺旋通道的轴向长度；导电流体切向或轴向流入螺旋通道，在螺旋通道内受圆周方向电磁力作用做均匀螺旋流动，切向流出螺旋通道。所述圆柱形磁体产生轴向磁场，磁孔截面为圆形，可采用螺管超导磁体或圆柱形Halbach永磁磁体。