Магнитогазодинамический насос Российский патент 2025 года по МПК H02K44/02 

Область техники

Изобретение может применяться в химической промышленности и других отраслях для откачивания и нагнетания газов и газовых смесей.

Уровень техники

Из уровня техники известен воздушно-газоструйный аппарат (патент RU 153604), содержащий цилиндрический корпус, связанный с впускным и выпускным патрубками и всасывающей линией пожарного насоса. В корпусе установлено сопло с осевым отверстием, имеющее участок с конусной наружной поверхностью, сужающейся в сторону выпускного патрубка с образованием вакуумной камеры. На наружной поверхности корпуса наклонно выполнен всасывающий патрубок с отверстием, сообщающимся с всасывающей линией пожарного насоса и вакуумной камерой. При этом диаметр осевого отверстия сопла не превышает половины диаметра выпускного патрубка и одной пятой диаметра корпуса.

Недостатком существующего решения является то, что данный насос может работать только как вакуумметр. Он обеспечивает откачку газов до давлений ниже атмосферного.

Раскрытие сущности

Задача изобретения заключается в том, чтобы совместить в одном устройстве две функции - откачивание газов и их нагнетание.

Технический результат заключается в увеличении производительности изобретения при откачке газов.

Магнитогазодинамический насос для прокачки газа содержит патрубок для откачивания газа и патрубок для нагнетания газа, а также канал для потока предварительно ионизованного рабочего газа, в полости которого расположены патрубки для откачивания и нагнетания газов и магнитный модуль.

Взаимное перпендикулярное расположение патрубков для откачивания и нагнетания газов и магнитного модуля обеспечивают возможность направления движения ионизованного рабочего газа перпендикулярно направлению магнитного поля магнитного модуля в канале. При этом направление (расположение) от патрубка для откачивания газа к патрубку для нагнетания газа перпендикулярно направлению потока ионизованного рабочего газа и направлению магнитного поля в канале.

Конструктивное расположение частей устройства относительно магнитного модуля позволяет увеличить производительность при откачке газа.

Насос содержит внутренний канал 2. В канал 2 выходят четыре патрубка: патрубок подачи вспомогательного потока газа в канал 5, патрубок выпуска вспомогательного потока газа из канала 8, патрубок высокого давления 6 и патрубок низкого давления 9. В канале содержится область ионизации рабочего газа 4, создаваемая устройством для ионизации газа 3, и область с магнитным полем 7 от магнитного модуля 1, которые располагаются последовательно слева направо от патрубка 5: сначала область ионизации 4, затем область с магнитным полем 7, затем патрубки 6 и 9, затем патрубок выпуска вспомогательного потока газа из канала 8. Магнитный модуль 1, создающий магнитное поле в канале, может включать постоянные магниты, электромагниты или сверхпроводящие индукторы.

Насос работает при взаимодействии заряженных частиц движущегося ионизованного газа с магнитным полем, поперечным направлению движения газа. Используется эффект разного взаимодействия электронов и ионов с частицами газа.

Электроны и ионы, по-разному передают свой импульс другим частицам газа, в зависимости от массы. Если для передачи импульса другим частицам газа, имеющим примерно такую же массу, иону требуется от одного до нескольких столкновений, то электрону, имеющему на 3-4 порядка меньшую массу, потребуется в соответствующее количество раз больше столкновений для передачи своего импульса другим частицам газа.

В магнитном поле движущиеся электроны и ионы испытывают электромагнитную силу Лоренца, стремящуюся придать им круговое движение с Ларморовским радиусом , где - масса заряженной частицы, и - ее электрический заряд и скорость, - компонента индукции магнитного поля, перпендикулярная скорости частицы.

Для объяснения эффекта важна длина свободного пробега , где - концентрация частиц в газе, - сечение столкновения рассматриваемой частицы с другими частицами газа. Для нейтральных частиц сечение столкновений примерно равно площади сечения самой частицы и составляет около 10^-16 см². Заряженные частицы имеют существенно большее сечение столкновений 10^-14 см², здесь индексом i обозначается наличие у частицы заряда.

В зависимости от соотношения между Ларморовским радиусом и длиной свободного пробега можно выделить две области. Если , траектория заряженной частицы представляет собой окружность. Ее столкновение с другими частицами газа может происходить в любой точке окружности. Суммарное воздействие таких частиц на другие частицы газа не имеет выраженного направления. Если , заряженная частица испытывает множество столкновений в самом начале своего движения по окружности и импульс, имеющийся у нее в связи с действием на нее силы Лоренца, она полностью передает другим частицам газа.

Для этого можно создать направленное движение всего газа, т.е. создать поток газа в поперечном магнитном поле. Частицы газа, в том числе и заряженные, в неподвижном газе имеют Больцмановское распределение по скоростям и равномерно распределены по всем направлениям так, что суммарная скорость всех частиц равна нулю. Но в потоке газа есть выделенная скорость . Поскольку на заряженные частицы в газе действует сила Лоренца, то в потоке газа на заряженные частицы одного знака будет действовать некомпенсированная суммарная сила , здесь - концентрация заряженных частиц, электронов или ионов. Для областей концентраций частиц выше верхнего и ниже нижнего порога между передачей импульса от электронов и ионов другим частицам газа нет никакой разницы, и действующая на них электромагнитная сила компенсируется ввиду разных знаков заряда. Но в диапазоне между этими порогами электрон не может передавать действующую на него силу, поскольку его Ларморовский радиус все еще сравним с длиной свободного пробега. Тогда как ионы в этом диапазоне в среднем передают действующую на них электромагнитную силу частицам газа.

Таким образом, создавая поток ионизованного газа в поперечном магнитном поле, можно получить перепад давления в направлении, перпендикулярном скорости потока и направлению магнитного поля.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Схема магнитогазодинамического насоса.

1 - магнитный модуль, 2 - внутренний канал, 3 - устройство для ионизации вспомогательного потока газа, 4 - область ионизации вспомогательного потока газа, 5 - патрубок подачи вспомогательного потока газа во внутренний канал, 6 - патрубок высокого давления, 7 - область с магнитным полем от магнитного модуля, 8 - патрубок выпуска вспомогательного потока газа из канала, 9 - патрубок низкого давления.

Осуществление изобретения

Функции откачивания и нагнетания газов реализуются в одном устройстве и могут использоваться как одновременно, так и раздельно. Т.е. насос может работать как вакуумный насос, обеспечивая перепад давлений между входным и выходным патрубками . Также он может работать как компрессор, обеспечивая перепад давлений между входным и выходным патрубками . Также он может работать одновременно как компрессор и как вакуумный насос, обеспечивая перепад давлений между входным и выходным патрубками .

Магнитогазодинамический насос для прокачки газа содержит канал для вспомогательного потока предварительно ионизованного газа, в полость которого выходят патрубки для откачивания и нагнетания газа, и магнитный модуль, создающий магнитное поле в канале, направление которого перпендикулярно направлению вспомогательного потока ионизованного газа.

Направление от патрубка для откачивания газа к патрубку для нагнетания газа перпендикулярно направлению потока рабочего газа и направлению силовых линий магнитного поля в канале.

Для оценки работоспособности магнитогазодинамического насоса приводится следующий расчет.

После прохождения области ионизации (рис. 1) поток ионизуется со степенью ионизации . Если давление газа в области , возникает электромагнитная сила, действующая в направлении игрек, которая приводит к изменению концентрации газа в этом направлении . Отсюда получаем дифференциальное уравнение , которое можно проинтегрировать. , откуда . Подставляя пределы интегрирования по игрек от нуля до , получаем . Для , , , получаем , что соответствует перепаду давления в четыре порядка, т.е. в соответствии с приведенной выше оценкой .

При работе устройства в канал 2 через патрубок 5 подается вспомогательный поток газа. Направление потока газа на рис. 1 совпадает с пунктирной линией от патрубка 5 к патрубку 8. В области ионизации 4 вспомогательный поток газа ионизуется до степени ионизации . Проходя через область с магнитным полем 7 во вспомогательном потоке газа, создается перепад давления, перпендикулярно направлениям скорости вспомогательного потока газа и направлению магнитного поля, в соответствии с приведенным выше теоретическим выводом. На рис.1 направление перепада давления от патрубка 9 к патрубку 6 показано пунктирной линией. Направление перепада давления определяется взаимным направлением скорости газа и магнитного поля в канале. Изменив направление магнитного поля в канале 2 на противоположное, направление перепада давления также сменится на противоположное. Создаваемый в канале 2 перепад давления между патрубками 6 и 9 используется для перекачивания газа из емкости, подключаемой к патрубку 9 (на рис. 1 не показана), в емкость, подключаемую к патрубку 6 (на рис. 1 не показана). Изменением направления перепада давления на противоположное, за счет изменения направления магнитного поля в канале 2, можно перекачивать газ в обратном направлении, от патрубка 6 к патрубку 9. Пределы давлений, достигаемые в патрубках 9 и 6, составляют .

Такое устройство может использоваться, например, в химическом производстве технических газов, где требуются последовательные процедуры по вакуумированию газовых баллонов и последующему заполнению баллонов чистыми газами до давлений 100 и более атм. Если в существующих технологиях для этих целей используются разные насосы, одни для вакуумирования, другие - для компрессирования газов, то предлагаемое устройство одно выполняет обе эти функции. При этом существенно снижаются капитальные (вместо двух насосов один, экономия на трубопроводной системе и вентилях) и эксплуатационные затраты.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в увеличении производительности при откачке газов. Магнитогазодинамический насос для прокачки газа содержит патрубок для откачивания газа и патрубок для нагнетания газа. Также содержит патрубок подачи вспомогательного потока газа во внутренний канал, патрубок выпуска вспомогательного потока газа из канала, патрубки высокого и низкого давления, канал для потока предварительно ионизованного рабочего газа, в полости которого расположены патрубки для откачивания и нагнетания газов и магнитный модуль, которые взаимно расположены с возможностью направления движения ионизованного рабочего газа перпендикулярно направлению магнитного поля магнитного модуля в канале. Магнитный модуль выполнен с возможностью создания области магнитного поля. Устройство для ионизации газа выполнено с возможностью создания области ионизации рабочего газа. Устройство выполнено с возможностью создания перепада давления между патрубками высокого и низкого давления во внутреннем канале. Направление от патрубка для откачивания газа к патрубку для нагнетания газа перпендикулярно направлению потока ионизованного рабочего газа и направлению магнитного поля в канале. 1 ил.

Магнитогазодинамический насос для прокачки газа, содержащий патрубок для откачивания газа и патрубок для нагнетания газа, отличающийся тем, что содержит патрубок подачи вспомогательного потока газа во внутренний канал, патрубок выпуска вспомогательного потока газа из канала, патрубки высокого и низкого давления, канал для потока предварительно ионизованного рабочего газа, в полости которого расположены патрубки для откачивания и нагнетания газов и магнитный модуль, которые взаимно расположены с возможностью направления движения ионизованного рабочего газа перпендикулярно направлению магнитного поля магнитного модуля в канале, при этом магнитный модуль выполнен с возможностью создания области магнитного поля, устройство для ионизации газа выполнено с возможностью создания области ионизации рабочего газа, устройство выполнено с возможностью создания перепада давления между патрубками высокого и низкого давления во внутреннем канале, направление от патрубка для откачивания газа к патрубку для нагнетания газа перпендикулярно направлению потока ионизованного рабочего газа и направлению магнитного поля в канале.