低温发动机的磁冷凝系统技术方案

提供一种方法和设备，依靠等温磁化一个顺磁流体和去除磁场，为一个低温冷凝器（３２）产生一个低于室温的人工热沉，由此依靠磁热效应在流体中建立一个温降。开始把流体放在具有门（７６）的密封腔（８０）内，门对一个管道（７０）开启，把流体导入一个超导电磁线圈（７２）的孔内，由此把磁化热转换为机械功。当电磁线圈（７２）充电时，它建立一个强的轴向磁场，对流体施加磁引力。当开启门（７６）释放流体时，流体向着超导电磁线圈加速通过管道（７０），在那里被增加的磁场强度所磁化。由于在电磁线圈和腔之间的管道内安装了一个无磁涡轮（１２０），与磁化热相等的加速流的动能被转换为机械功，由此达到了等温磁化。在流体进入电磁线圈的孔之后去除磁场，达到了一个温降，由此使流体能够在低温冷凝器中吸收热量。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
已经熟知用一个低温发动机把室温环境中的自然热能转换为有用机械功的技术。基本上，发动机的工作是在77°K下压缩如液氮的低温工作流体，使它通过一个与自然环境保持热接触的热交换器，由此把低温流体蒸发为室温下的压缩气体，并且通过一个膨胀器膨胀压缩气体，由此把一部分被吸收的自然热能转换为机械功。遗憾的是，由于在低温下没有自然热沉，膨胀的气体不能在低温下再冷凝成流体，并且再循环通过发动机在一个循环过程中产生更多的机械功。相反，膨胀的气体不得不排入敞开的大气中而不能回收。由于液化低温流体的成本很高，与诸如内燃机和电机的其他方法相比，这种产生机械功的技术非常昂贵。也已经熟知利用磁场来降低顺磁物质温度的技术，称为“磁热效应”或“绝热退磁”。该技术包括在强大电磁体的磁极之间装有固体顺磁物质(通常为顺磁盐粒)并且接通磁场。产生的磁化热被转移到一个液氦槽。然后磁化物质与液氦隔热，并且断开磁场。退磁效应(它在去除磁场时发生)降低了物质的温度，由此建立了一个低于液氦温度的人工低温热沉。遗憾的是，用外部液氦槽吸收磁化热是一个非常昂贵的过程。在1989年，申请人发现了在低温下如何利用磁热效应来建立和保持一个人工低温热沉，不需采用任何外部液氦而能够使低温发动机循环地工作。系统包括采用发动机中的低温工作流体，它是如液氧的顺磁物质。使得为气体而不是固体的已膨胀顺磁物质，依靠一个无磁管道自由地移入和移出由超导电磁线圈产生的磁场，可以机械地去除磁化热，利用装在管道内的一个无磁涡轮把它转换为机械功。该专利技术已取得专利，为1991年8月20日发布的美国专利号5,040,373“冷凝系统和操作方法”。遗憾的是，系统需要一个极高的磁场(量级为50T)，并且冷凝比非常低(约3％)。虽然发动机能工作，可以把室温环境下的自然热能转换为机械功，但与其尺寸相比，其功率输出非常小，并且需要非常昂贵的超导电磁线圈。诸如太阳电池和风力发电机的其他系统更为实用。但是，已经发现了一个全新的设计，它代表了本专利技术的基础。该设计包括采用两种分开的低温流体来替代原始设计中的一种流体。第一种低温流体为顺磁流体，如液氧，与串联而不是单个工作的多个超导电磁线圈一起，用于低温冷凝系统。第二种低温流体为非顺磁流体，如液氮，它单独用于低温发动机中。最终的系统能够有效得多地工作，获得了性能的显著提高，同时采用了弱得多的磁场。虽然本专利技术也与先前专利技术中一样，利用磁热效应来使发动机循环地工作，但该效应不依靠用于发动机中的工作流体。在本专利技术中，顺磁物质不是工作流体，也不是气体。它是液体，并且保持液态而无相变。这使得从低温发动机排出的膨胀工作流体100％再液化，而不再仅为3％。另外采用仅为30T的磁场就达到了这一点，这完全在工程适用的范围内。因此，与本人原始专利技术相比，本专利技术代表了一种用于低温发动机的有重大改进的磁冷凝系统。看起来，本专利技术以及本人先前1989年的专利技术似乎根本不能工作，因为它们均违背了热力学第二定律，但实际并非如此。称为磁热效应或绝热退磁的现象涉及到经典热力学领域之外的电磁场中的原理和过程。当采用如磁热效应的电磁过程与热力学过程结合时，不再能够在经典热力学的理论基础范围内预计其结果。例如，当使顺磁物质经受一个磁场时，物质的温度增加，但由于磁自旋对准，它的熵保持不变。这在热力学上是不可能的。按照热力学，任何被加热的物质总是造成熵的增加。这说明了热力学定律不适用于非热力学的过程(参见R.Feynman，“Classical Physics Gives Neither Diamagnetism norParamagnetism，”Section 34-6，page 34-8，inThe Feynman LecturesOn Physics，Addison-Wesley Pub.Co.，1964)。专利技术简述利用磁热效应产生一个低于室温的人工低温热沉，为低温发动机提供了一个磁冷凝系统。系统设计成建立多个磁场，并且使如液氧的液化顺磁流体在低温下经受这些磁场。对隔热的、分开的、具有中心孔的偶数电磁线圈充电和放电来产生磁场。在优选实施例中，电磁线圈被一个六边形的无磁金属管道连接，管道通过具有高热导率的每个孔，如铜或铝。电磁线圈装在每个顶点和每个边的中间截面上，给出总共12个电磁线圈。无磁的单向门装在孔的每一侧，设计成在每个电磁线圈内提供了密封腔。多个细长的无磁涡轮以规则的间距装在相邻电磁线圈之间的管道内。代表了热沉的顺磁流体为饱和的液氧，它在低温下为高度顺磁。在开始时它依靠磁引力保持在位置交替的电磁线圈腔内而门被关闭，而相邻的电磁线圈为无任何电流的空闲状态，因而不产生磁场。每个腔中的液体被磁场所磁化，具有初始温度56°K，初始熵2.148J/g°K，以及总初始焓83.44J/gm。通电电磁线圈在其密封腔中作用在顺磁液氧上的磁场具有最大磁场强度30T。转移电流到空闲的上游相邻电磁线圈，同时断开包含液氧的通电电磁线圈磁场。由于断开了包含顺磁液氧的每个电磁线圈中的磁场，密封腔中的液体经受了退磁(产生磁热效应)，由此产生了到54.61°K的约2度的温降以及到83.44J/gm的焓降，而熵保持不变。在6个电磁线圈中的这个温降造成了环绕液体的整个管道长度上的温降，由此建立了人工低温热沉。在把电流转移到上游相邻的空闲电磁线圈来断开作用在液体上的磁场之后，同时开启相邻电磁线圈之间的门。顺磁液化气体立刻被在前面的上游相邻通电电磁线圈的磁引力拉出电磁线圈，由此产生了通过管道向着空闲通电电磁线圈的顺磁液体的加速流动。每个电磁线圈的磁场梯度设计成沿顺时针方向绕中心管道拉动液体。被磁性拉向相邻空闲电磁线圈的流体，其增加的定向动能代表了由相邻空闲电磁线圈磁场产生的磁化热。这个能量(磁化热)从流体中提取，并且由装在相邻电磁线圈之间流动路径中的无磁涡轮转换成机械功。结果是，液体进入每个电磁线圈，并且以非常小的定向动能达到最大磁化，因而具有可忽略的温度增加。这个过程代表了等温磁化。忽略可以由设计做得很小的摩擦损失，基本上进入相邻空闲电磁线圈磁场的顺磁液体的所有磁化热均转换成相当数量的转动涡轮的机械功。这些涡轮与发电机连接，用于产生电流。在充电过程中把这些电流送到每个通电的相邻电磁线圈中，以补充由于进入每个电磁线圈的磁化液体因感应耦合而造成的小电流降。由于与磁场的偶极自旋对准，等温磁化的液体经受一个熵降。在磁场把液体拉入相关电磁线圈的腔中之后，关闭所有的门，重复一个新的退磁循环，以造成整个主传热管道中的新温降。由重复地作用在顺磁液化流体上的退磁效应引起的中心主传热管道的温降被转移到缠绕在中心主管道上并与之热接触的一个铜螺旋管(次传热管道)。依靠次管道的较高温度，设计使得在主管道中产生的磁冷却效应转移到次管道。因此，把从低温发动机的最后一个膨胀器排出的部分压缩的未冷凝低温蒸气输送通过次管道(冷凝管)，蒸气热被由循环顺磁液氧保持的温度差所提取，蒸气被液化。进入次螺旋管道的所有未冷凝蒸气作为低温冷凝液体离开管道。在优选实施例中，用于低温发动机的低温工作流体为氮。氮略有逆磁性，不受磁场影响。在把液氮送回低温发动机之前，利用它作为低温冷却剂，冷却由高温超导线构成的超导电磁线圈。附图从公开的内容，包括以上和以下描述的说明内容、权利本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生低温热沉的方法，用于在低于室温下吸收热能，包括的步骤为：使一个顺磁流体经受一个磁场，从而在低于室温的一个初始温度下磁化该顺磁流体；把该顺磁流体磁化热转换为机械功；以及断开磁场，由此依靠低于室温下吸收热量的磁热 效应，达到了在低于室温下顺磁流体中的一个温降。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔A米诺维奇，
申请(专利权)人：迈克尔A米诺维奇，
类型：发明
国别省市：US[美国]