磁粒子磁热除冰方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种磁粒子磁热除冰方法及装置，针对飞机覆冰覆雪、道路覆冰覆雪和电力系统输变电设备覆冰覆雪，将磁性颗粒作为防除冰雪涂层或置于被覆冰雪物体表面，包括被覆冰物体表面和被覆雪物体表面，利用外加激励源激励线圈产生磁场，磁场作用于磁性颗粒，由于弛豫损耗、磁滞损耗或磁化能量积累效应，将磁能转换为热能，提高磁性颗粒所在位置的温度，去除冰雪层，包括冰层和雪层，实现融冰融雪和除冰除雪。应用本发明专利技术方法的磁粒子磁热除冰装置由多模式激励源、线圈、测试系统、控制及显示系统和磁性颗粒介质组成。和磁性颗粒介质组成。和磁性颗粒介质组成。

【技术实现步骤摘要】
磁粒子磁热除冰方法及装置


[0001]本专利技术属于融冰除冰
，具体涉及磁粒子磁热除冰方法及装置。

技术介绍

[0002]结冰覆冰一直是影响安全出行及生活生产用电的因素之一，包括飞机积冰、道路积冰和电力系统输电线路覆冰等。
[0003]飞机积冰是威胁飞机安全的重要因素之一，在遇到低气温、湿度大、降雨、降雪等寒冷天气时，机身表面易出现结冰现象，主要发生在机翼、发动机进气道、风挡玻璃和各种传感器头部等，飞机除冰不及时造成的冰层覆盖，使得飞机升阻特性恶化、改变空气动力性能、影响桨叶叶片转动及飞机传感器被冰层覆盖导致数据有误等，影响飞机的安全性和操作性，无法保证飞机的稳定运行，甚至导致飞行事故。
[0004]冬季路面积雪结冰一直是影响寒冷地区交通安全的重要因素。冰雪覆盖路面会导致路面抗滑性能大幅下降，行车制动困难，易引发大量交通安全事故。
[0005]我国西部和北方寒冷地区甚至于南方发生大范围恶劣低温降雨雪及冰冻天气，导致输电线路结冰造成的灾难时间时有发生，造成电力系统的巨大损失，并对其安全运行产生了巨大威胁。
[0006]如何去除机身、道路及电力系统输变电系统表面的冰层成为亟待解决的问题。
[0007]目前，传统的除冰方法包括机械法、化学法和加热法。机械法主要是通过震动、敲击、气囊膨胀或电脉冲除冰法等方式使冰层从物体表面脱落，如电脉冲法是通过脉冲大电流在线圈周围产生瞬态强磁场，进而产生幅值高、持续时间短的机械力，使冰发生破裂和脱落，机械法除冰简单，但容易损伤物体表面和难以评估除冰结构的疲劳寿命；化学法多为通过喷洒除冰液或除冰盐降低水的冰点，进行除冰；加热除冰法通过热量的产生和传递使冰层融化，主要有红外除冰法、电热除冰法、感应加热除冰法，红外除冰法效率较低且结构复杂，电热除冰法是通过控制系统对加热元件进行连续或间歇性加热来进行防除冰，电热除冰法和感应加热法相对具有高效、环保等优点，但仍需进一步提高除冰效率和除冰精度。
[0008]随着纳米科学与技术的快速发展以及其与其他学科的交叉融合，纳米技术在材料制备、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术、微电子和计算机技术方面的研究和应用都成为热点。近年来，磁性纳米材料用于医学成像的对比剂、多模式影像探针的研究，以实现精准成像。磁性纳米颗粒在梯度磁场或旋转磁场能产生力学效应，用于调控细胞功能。磁性纳米材料在外磁场刺激下，可产生磁、热、力等物理效应，磁性纳米颗粒的磁感应热效应在组织冷冻复苏、体调控胚胎干细胞治疗糖尿病、药物可控释放、产热效应灭杀肿瘤细胞等方面取得了突破性进展。

技术实现思路

[0009]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种磁粒子磁热除冰方法及装置，实现精准、高效融冰融雪、除冰除雪，它可以弥补现有除冰方法或损伤物体表面影响被除冰物体寿命、结
构复杂、效率低等问题，本专利技术提供了高效、精准控温及精准控制除冰区域的融冰融雪、除冰除雪新思路。
[0010]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0011]一种磁粒子磁热除冰方法，针对飞机覆冰覆雪、道路覆冰覆雪和电力系统输变电设备覆冰覆雪，所述磁粒子为磁性颗粒，作为防除冰雪涂层或置于被覆冰雪物体表面，所述被覆冰雪物体表面包括被覆冰物体表面和被覆雪物体表面，利用外加激励源激励线圈产生磁场，磁场作用于磁性颗粒，由于弛豫损耗、磁滞损耗或磁化能量积累效应，将磁能转换为热能，提高磁性颗粒所在位置的温度，去除冰雪层，所述冰雪层包括冰层和雪层，实现融冰融雪和除冰除雪。
[0012]进一步地，所述磁性颗粒的尺寸包括纳米或微米，所述磁性颗粒的材料包括Fe3O4、Fe2O3、钴铁
‑
锰铁或镍，所述磁性颗粒的形状包括球形或多面体；所述磁性颗粒制备成防除冰雪涂层，置于被覆冰雪物体表面；或所述磁性颗粒制备成磁性颗粒粉末或磁性颗粒溶液，置于覆冰雪层上；所述磁性颗粒的粒径、浓度特征对电磁激励磁性颗粒产生的热效应产生影响。
[0013]进一步地，所述激励源激励线圈产生磁场的激励方式包括交变磁场激励、调制交变磁场激励或具有一定重复频率的脉冲磁场激励。
[0014]进一步地，所述磁粒子磁热除冰方法在交变磁场激励或调制交变磁场激励下的产热机制包括弛豫损耗和磁滞损耗，弛豫损耗包括尼尔弛豫损耗和布朗弛豫损耗，两种弛豫机制的特性受磁性纳米颗粒粒径、流体的黏度的影响，弛豫时间τ
R
表示为：
[0015][0016]其中尼尔弛豫τ
N
表示为：
[0017][0018]式中，τ0为纳秒级时间常数，k为各向异性常数，V
M
为磁性纳米颗粒的体积，k
B
为玻尔兹曼常数，k
B
＝1.38
×
10
‑
23
，T为温度，exp表示以e为底的指数函数；
[0019]布朗弛豫τ
B
表示为：
[0020][0021]其中，η为液体的黏度系数，V
H
为磁性纳米颗粒的水动力体积；
[0022]当暴露在交变磁场中时，磁性纳米颗粒在尼尔弛豫和布朗弛豫下导致局部生热，磁性纳米颗粒单位体积单位时间下的功率损耗S表示为：
[0023][0024]其中，μ0为真空磁导率，H0为磁场强度的幅值，ω0为角频率；χ0为平衡磁化率，由朗之万函数确定：
[0025][0026]其中，χ
i
为初始磁化率，ξ为朗之万参数，coth表示双曲余切；
[0027]当磁性颗粒的尺寸超过磁滞效应产热和尼尔弛豫效应产热之间的临界尺寸，产热机制为磁滞效应，符合磁滞损耗模型；
[0028]磁粒子磁热除冰方法在具有一定重复频率的脉冲磁场激励下，在绝热条件下，将磁化能量积累S1表征为：
[0029][0030]其中，B0代表真空中磁感应强度，M代表磁化强度，考虑磁性颗粒的磁化过程，根据朗之万理论，将磁场能中的磁化强度表示为磁性颗粒浓度c和朗之万函数L(ξ)的表达式：
[0031][0032]其中，M0为单位体积磁性颗粒的最大磁矩，M
d
代表磁性颗粒磁畴磁化，ω
Fe
为磁性颗粒中铁的质量分数，ρ
M
为磁性颗粒的密度。
[0033]取则有
[0034][0035]本专利技术提供一种磁粒子磁热除冰装置，由多模式激励源、线圈、测试系统、控制及显示系统和磁性颗粒介质组成，磁性颗粒介质包括磁性颗粒粉末或磁性颗粒溶液；多模式激励源产生交变激励、调制交变激励或具有一定重复频率的脉冲激励，多模式激励源用于为线圈提供激励，产生相应的磁场，施加于位于被覆冰雪物体表面冰雪层上的磁性颗粒介质，测试系统用于实现对激励电流、电磁场、温度信息的检测和系统工作状态参数的采集，控制及显示系统用于采集控制及系统参数控制，并控制驱动信号参数及信息显示。
[0036]本专利技术还提供另一种磁粒子磁热除冰装置，由多模式激励源、线圈、测试系统、控制及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁粒子磁热除冰方法，其特征在于，针对飞机覆冰覆雪、道路覆冰覆雪和电力系统输变电设备覆冰覆雪，所述磁粒子为磁性颗粒，作为防除冰雪涂层或置于被覆冰雪物体表面，所述被覆冰雪物体表面包括被覆冰物体表面和被覆雪物体表面，利用外加激励源激励线圈产生磁场，磁场作用于磁性颗粒，由于弛豫损耗、磁滞损耗或磁化能量积累效应，将磁能转换为热能，提高磁性颗粒所在位置的温度，去除冰雪层，所述冰雪层包括冰层和雪层，实现融冰融雪和除冰除雪。2.如权利要求1所述的一种磁粒子磁热除冰方法，其特征在于，所述磁性颗粒的尺寸包括纳米或微米，所述磁性颗粒的材料包括Fe3O4、Fe2O3、钴铁
‑
锰铁或镍，所述磁性颗粒的形状包括球形或多面体；所述磁性颗粒制备成防除冰雪涂层，置于被覆冰雪物体表面；或所述磁性颗粒制备成磁性颗粒粉末或磁性颗粒溶液，置于覆冰雪层上；所述磁性颗粒的粒径、浓度特征对电磁激励磁性颗粒产生的热效应产生影响。3.如权利要求1所述的一种磁粒子磁热除冰方法，其特征在于，所述激励源激励线圈产生磁场的激励方式包括交变磁场激励、调制交变磁场激励或具有一定重复频率的脉冲磁场激励。4.如权利要求1所述的一种磁粒子磁热除冰方法，其特征在于，所述磁粒子磁热除冰方法在交变磁场激励或调制交变磁场激励下的产热机制包括弛豫损耗和磁滞损耗，弛豫损耗包括尼尔弛豫损耗和布朗弛豫损耗，两种弛豫机制的特性受磁性纳米颗粒粒径、流体的黏度的影响，弛豫时间τ
R
表示为：其中尼尔弛豫τ
N
表示为：式中，τ0为纳秒级时间常数，k为各向异性常数，V
M
为磁性纳米颗粒的体积，k
B
为玻尔兹曼常数，k
B
＝1.38
×
10
‑
23
，T为温度，exp表示以e为底的指数函数；布朗弛豫τ
B
表示为：其中，η为液体的黏度系数，V
H
为磁性纳米颗粒的水动力体积；当暴露在交变磁场中时，磁性纳米颗粒在尼尔弛豫和布朗弛豫下导致局部生热，磁性纳米颗粒单位体积单位时间下的功率损耗S表示为：其中，μ0为真空磁导率，H0为磁场强度的幅值，ω0为角频率；χ0为平衡磁化率，由朗之万函数确定：
其中，χ
i
为初始磁化率，ξ为朗之万参数，coth表示双曲余切；当磁性颗粒的尺寸超过磁滞效应产热和尼尔弛豫效应产热之间的临界尺寸，产热机制为磁滞效应，符合磁滞损耗模型；磁粒子磁热除冰方法在具有一定重复频率的脉冲磁场激励下，在绝热条件下，将磁化能量积累S1表征为：其中，B0代表真空中磁感应强度，M代表磁化强度，考虑磁性颗粒的磁化过程，根据朗之万理论，将磁场能中的磁化强度表示为磁性颗粒浓度c和朗之万函数L(ξ)的表达式：其中，M0为单位体积磁性颗粒的最大磁矩，M
d
代表磁性颗粒磁畴磁化，ω
Fe
为磁性颗粒中铁的质量分数，ρ
M
为磁性颗粒的密度。取ξ＜＜1，则有5.根据权利要求1
‑
4之一所述的一种磁粒子磁热除冰方法，其特征在于，被覆冰雪物体包括飞机覆冰雪、道路表面覆冰雪或电力系统输变电设备覆冰雪：针对飞机或道路表面覆冰雪，采用制备成磁性颗粒涂层的磁性颗粒介质置于飞机或道路表面，冰雪层覆盖磁性颗粒涂层后，通过线圈将电磁场作用于磁性颗粒介质，进行融冰融雪和除冰除雪；针对飞机或道路表面覆冰雪，采用磁性颗粒粉末或磁性颗粒溶液置于飞机或道路表面的冰雪层之上，通过线圈将电磁场作用于磁性颗粒粉末或磁性颗粒溶液进行融冰融雪和除冰除雪；针对电力系统输变电设备覆冰覆雪，将磁性颗粒介质置于冰雪层表面，将线圈套在电力系统输变电设备表面或直接放置于电力系统输变电设备表面，在线圈和电力系统输变电设备表面冰雪层上的磁性颗粒介质之间放置绝缘层，通过线圈将电磁场作用于磁性颗粒介质进行融冰融雪和除冰除雪。6.实现权利要求1
‑
4之一所述的一种磁粒子磁热除冰方法的磁粒子磁热除冰装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳红，刘国强，倪星生，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：