技术领域
[0001] 本发明涉及电磁泵技术领域，特别涉及一种液态金属电磁泵。
相关背景技术
[0002] 液态金属电磁泵作为一种重要的液态金属输送设备，因其具有无介质接触、无运动部件、密封完全、维护简便等优点，在核电领域得到了广泛应用。反应堆工程核安全级应用场景的电磁泵介质温度普遍较高，而且可靠性要求较为严苛。目前，液态金属电磁泵的工作稳定性不高，尚不能满足反应堆工程核安全级应用要求。
具体实施方式
[0056] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057] 需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0058] 在本发明实施例的描述中“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0059] 参见图1至图10，本发明实施例的液态金属电磁泵100可包括：液流管道30和电磁驱动装置。液流管道30具有用于接收液态金属流入的液流入口和用于向外输送液态金属的液流出口。在一些实施例中，如图3至图4所示，液流管道30可包括沿液态金属流动方向依次相接的内径渐扩的入口导流段31、内径均匀的圆筒段33以及内径渐缩的出口导流段32。其中圆筒段33可为薄壁圆管，入口导流段31和出口导流段32可为厚壁管件。入口导流段31和出口导流段32远离圆筒段33一侧的端口内径较小，分别作为液流管道30的液流入口和液流出口。
[0060] 电磁驱动装置用于提供驱动液态金属从液流入口流向液流出口的电磁力。本申请实施例的液态金属电磁泵100，在使用过程中，通过电磁驱动装置驱动高温的液态金属从液流入口流入液态金属电磁泵100，并从液流出口向外流出，从而实现对液态金属的泵送作用。
[0061] 在一些实施例中，电磁驱动装置可包括：设置在液流管道30径向外侧的外部铁芯和多个线圈10。外部铁芯在液流管道30(例如圆筒段33)的径向外侧沿其轴向延伸。
[0062] 外部铁芯沿其长度方向设有多个绕组槽。线圈10套设于液流管道30(例如圆筒段33)的径向外侧。每个线圈10设置在外部铁芯的一个绕组槽内。
[0063] 由于流入液流管道30内的液态金属温度太高，液流管道30通常也具有较高的温度。参见图4，可在外部铁芯与液流管道30之间设置隔热层70，用于减少两者之间的热量传输，以免外部铁芯和线圈10的温度过高。在一些实施例中，隔热层70的材质可为无机物基质的纳米气凝胶毡，厚度可为2‑10mm。
[0064] 线圈10可由表面具有绝缘层的导线沿径向绕制而成。绕组槽和线圈10的数量可为3的整数倍，线圈10采用三角形电路接法，对线圈10通以相位相差120度的变化电流，利用产生的行波磁场作用于液态金属介质，推动液态金属在液流管道30中流动。
[0065] 在一些实施例中，参见图1和图3，外部铁芯包括沿轴向延伸的多个条形铁芯20，这些条形铁芯20在液流管道30的径向外侧沿其周向等间隔布置，每个条形铁芯20沿轴向或者说长度方向设有多个铁芯开槽21，各条形铁芯20在轴向相同位置处的铁芯开槽21共同组成外部铁芯的一个绕组槽。
[0066] 在现有技术中，液态金属电磁泵100在泵送高温液态金属的工作过程中，稳定性较差。本申请的发明人发现，作为外部铁芯的导磁体发生高温失磁会导致液态金属电磁泵100稳定性差，发生故障。为解决散热问题，在相关技术中，利用散热风扇对液态金属电磁泵100进行强制风冷散热。但反应堆内部环境较为恶劣，使用散热风扇，将大幅降低液态金属电磁泵100的可靠性。
[0067] 因此，本申请的发明人对外部铁芯的结构进行了改进。特别地，在一些实施例中，两个相邻的铁芯开槽21之间还开设有散热孔22。参见图3，也就是说，在条形铁芯20的长度方向交替设有铁芯开槽21和散热孔22。通过在外部铁芯的铁芯开槽21之间开设散热孔22，使每个线圈10的两侧均有供空气自由流通的流道，大幅增加了外部铁芯的散热面积并明显改善自然对流换热的空间条件。通过这样设计，可以在保证外部铁芯的导磁性能不受影响的前提下，利用散热孔22形成完整空气流通孔道，有利于对线圈10和外部铁芯进行较为有效的散热。
[0068] 进一步地，在一些实施例中，铁芯开槽21的径向深度大于线圈10的径向宽度，从而在线圈10径向外侧形成通道，以便于空气流通，进而降低线圈10和外部铁芯的温度。在一些实施例中，铁芯开槽21的径向深度可比线圈10的径向宽度多出0.5‑3cm。
[0069] 本申请实施例通过在条形铁芯20上设置散热孔22以及对铁芯开槽21的尺寸进行特别的设计，加强了线圈10周围的空气流通，减少了液态金属电磁泵100的故障率。
[0070] 在一些实施例中，条形铁芯20的数量可为偶数，偶数个条形铁芯20在液流管道30的径向外侧沿周向均匀分布，以便于形成对称的磁场。在图示的实施例中，条形铁芯20的数量为8个，8个条形铁芯20在液流管道30的径向外侧沿周向均匀分布。在其他实施例中，条形铁芯20的数量也可为4个、6个、10个等。
[0071] 在一些实施例中，外部铁芯可由无取向硅钢片叠制而成。需要说明的是，外部铁芯的具体形式不限于此。在其他实施例中，外部铁芯也可具有本领域常用的其他结构。
[0072] 在一些实施例中，电磁驱动装置还可包括：设置在液流管道30的径向内侧的壳体60和设置在壳体60内部的内部铁芯50。在一些实施例中，在壳体60的径向外侧设置有支撑件66，以将壳体60支承于液流管道30的径向内侧。
[0073] 与液流管道30的结构类似，壳体60也可包括沿液态金属流动方向依次相接的内径渐扩的第一导流段61、内径均匀的套管段62以及内径渐缩的第二导流段63。其中第一导流段61、套管段62以及第二导流段63彼此焊接，以在壳体60内部形成密闭腔室。内部铁芯50设置在壳体60内部的密闭腔室中。
[0074] 壳体60的外表面与液流管道30的内表面之间形成与液流入口和液流出口连通的供液态金属流通的环形流道。由壳体60和液流管道30共同构建的环形流道为带导向的渐变环形流道，该环形流道可以尽量减少液态金属的流动阻力，并提升流体空化振动现象对应的流量阈值，大幅提升液态金属电磁泵100驱动高温液态金属尤其是碱金属如钠、钾时的流体稳定性。
[0075] 参见图3至图5，可在壳体60的第一导流段61和第二导流段63的径向外侧分别设置一个支撑件66，以将壳体60与液流管道30同轴地支撑在液流管道30的径向内侧。支撑件66在壳体60与液流管道30之间的环形流道的周向形成通孔，从而既不影响液态金属在环形流道中流动，又可将壳体60稳固地保持在液流管道30内侧。
[0076] 在一些实施例中，电磁驱动装置还可包括：设置在壳体60的密闭腔室中的内支撑管64，内部铁芯50紧密地套设在内支撑管64的径向外侧。本领域技术人员容易理解，此处“紧密地套设”意味着内部铁芯50与内支撑管64之间不会发生相对位移，并且内部铁芯50的径向内侧表面与内支撑管64的径向外侧表面紧密接触，从而在内部铁芯50与内支撑管64之间形成良好的热接触。
[0077] 内支撑管64可以与第一导流段61和第二导流段63以间隙配合的方式连接，从而可有效降低由温差及材质差异产生的热应力，避免壳体60的热棘轮损伤及轴向高温屈曲，有利于提高液态金属电磁泵100的工作稳定性。具体地，内支撑管64与第一导流段61和第一导流段63之间的间隙宽度范围大致在0.05mm至0.2mm以内。
[0078] 对于设置在液流管道30内的内部铁芯50，由于其处于密封的壳体60内部，且壳体60位于高温液态金属的内部，难以对内部铁芯50进行有效散热。现有技术通常利用降低液态金属的温度的方式来防止内部铁芯50高温失磁。也就是说，现有技术并未考虑在结构上对内部铁芯50进行改进。而本申请的发明人发现，有时会由于内部铁芯50内部各处的温度不匀，内部热量未能有效导出，引起局部热积聚问题，从而引起内部铁芯50的部分结构高温失磁。
[0079] 因此，在本申请的一些实施例中，特别地将壳体60内部设置为真空腔室，内部铁芯50设置在真空腔室中，且内部铁芯50的至少部分外表面与壳体60的径向内表面紧密贴合。
通过这样设置，可保证壳体60和内部铁芯50在高温下紧密有效接触，提高热量在内部铁芯
50与壳体60之间的传导效率，有利于减少内部铁芯50发生高温失磁。
[0080] 在一些实施例中，内部铁芯50的所有外表面均与壳体60的径向内表面紧密贴合。也就是说，内部铁芯50的径向外表面和轴向外表面均与壳体60的径向内表面紧密贴合，进一步提高热量在内部铁芯50与壳体60之间的传导效率。
[0081] 在一些实施例中，壳体60的围绕在内部铁芯50径向外表面的周壁被配置成：能够在其内外两侧压力差的作用下向内发生形变，以与内部铁芯50的径向外表面紧密贴合，从而进一步提高热量在内部铁芯50与壳体60之间的传导效率。在这样的实施例中，可由套管段62形成围绕在内部铁芯50径向外表面的周壁。也就是说，套管段62的周壁能够在其内外两侧压力差的作用下向内发生形变，使其内表面与内部铁芯50的径向外表面紧密贴合。
[0082] 参见图5至图8，电磁驱动装置还包括多个环形导热件65，相应地，内部铁芯50的径向外表面沿轴向间隔设置有多个环形的容置槽51；每个环形导热件65设置在一个容置槽51中，以提高热量在内部铁芯50与壳体60之间的传导效率。本领域技术人员容易理解，在这样的实施例中，环形导热件65和内部铁芯50之间、环形导热件65和套管段62之间、内部铁芯50和套管段62之间均为紧配合。
[0083] 现有技术中液态金属电磁泵100的内部铁芯50通常由沿轴向延伸的硅钢片叠制而成，内部铁芯50在周向上的传热效果较差，本申请实施例进一步利用环形导热件65加强了不同硅钢片之间的热传导以及各硅钢片与壳体60之间的热传导，更加有利于内部铁芯50与壳体60在高温下紧密有效接触，解决了内部铁芯50热积聚问题，大大降低了内部铁芯的高温失磁风险。同时，环形导热件65的设计也避免壳体60的套管段62发生径向高温屈曲问题。
[0084] 在一些实施例中，环形导热件65的数量可为2个、3个、5个、6个等，所有环形导热件65在内部铁芯50上等间隔设置。
[0085] 在一些实施例中，内部铁芯50可由多个硅钢片在内支撑管64的径向外侧沿周向叠制而成。受加工工艺的限制，在一些实施例中，内部铁芯50可由围绕内支撑管64外侧的多个扇形铁芯组成。如图7、图8和图10所示，内部铁芯50由围绕内支撑管64外侧的6个扇形铁芯组成。每个扇形铁芯由多个硅钢片沿周向紧密叠制而成。
[0086] 需要说明的是，内部铁芯50的具体形式不限于此。在其他实施例中，内部铁芯50也可具有本领域常用的其他结构。
[0087] 参见图1至图4，在一些实施例中，液态金属电磁泵100还可包括：两个支承组件，用于支承液流管道30和电磁驱动装置。每个支承组件设置在液流管道30和电磁驱动装置的轴向一端。
[0088] 每个支承组件可包括：支座40和法兰80。支座40设置在液流管道30的轴向一侧，支座40上设有供液流管道30穿过的支座通孔41，外部铁芯的轴向一端与一个支座40热连接。液流管道30与支座40之间不直接接触，也就是说，液流管道30只是从支座40的通孔41穿过，但与通孔41的周壁并不接触，即液流管道30与通孔41之间有间隙，以防止热量从液流管道
30直接传导至支座40。
[0089] 法兰80设有供液流管道30穿过的通孔，法兰80与液流管道30固定连接，且在支座40的远离外部铁芯的一侧与支座40固定连接。
[0090] 具体地，液流管道30的入口导流段31和出口导流段32分别经由一个支座40的支座通孔41穿设至两个支座40的外侧，从而将液流管道30和电磁驱动装置整体架设于两个支座40之间。液流管道30的入口导流段31和出口导流段32可分别与一个法兰80紧配合，法兰80通过紧固件43与支座40固定连接。参见图3，外部铁芯的两端分别设置有一个安装件23，安装件23上开设有安装孔，通过第一紧固件42将外部铁芯的两端对应安装在两个支座40上。
由此，两个支承组件、液流管道30以及电磁驱动装置共同组装为一整体结构。
[0091] 在一些实施例中，参见图4，法兰80与支座40之间还设有隔热垫片90，用于减少两者之间的热量传输。
[0092] 参见图11和图12，在一些实施例中，法兰80面对支座40的一侧表面形成有朝支座40凸出的凸起部82，法兰80通过凸起部82与支座40接触；从而可尽量减少法兰80与支座40的接触面积，尽量减少从法兰80向支座40传递热量，以免较多的热量经由支座40向外部铁芯传递。
[0093] 在一些实施例中，凸起部82为形成在法兰80周缘的环形凸缘。在另一些实施例中，凸起部82为形成在法兰80上沿周向间隔设置的多个凸起。
[0094] 在一些实施例中，凸起部82与支座40的接触表面上设有多个肋条83，法兰80通过这些肋条83与支座40相接触，从而进一步减少了法兰80与支座40的接触面积。肋条83可沿周向延伸，相邻的两个肋条83之间可形成V型槽。
[0095] 在一些实施例中，法兰80的周向边缘开设有多个法兰开槽81，以弱化径向热梯度引起的热应力。每个支承组件还可包括：多个紧固件43，每个紧固件43穿过一个法兰开槽81将法兰80与支座40固定连接。本申请实施例通过对支承组件的法兰80进行特殊的设计，使得法兰80具备优异的热适应能力和隔热能力，既可以直接和高温液流管道30紧密配合且不产生大的热应力，从而保证对液流管道30的稳固支撑，又可以有效减轻高温液态金属向外部铁芯和线圈10的热传导。
[0096] 综上所述，本申请实施例通过提高壳体60与内部铁芯50的热传导，有利于减少内部铁芯50发生高温失磁；通过在条形铁芯20上设置散热孔22以及对铁芯开槽21的尺寸进行特别的设计，加强了线圈10周围的空气流通，避免了外部铁芯发生高温失磁；通过对支承组件的法兰80进行特殊的设计，可以有效减轻高温液态金属向外部铁芯和线圈的热传导。本申请实施例通过以上方案可显著降低液态金属电磁泵100的故障率，保障电磁驱动装置在高温液态金属中的长期稳定运行。由此可见，本发明的液态金属电磁泵100特别适用于同时具有高介质温度和高可靠性要求的特殊应用场景(如核电厂等严苛环境)。
[0097] 对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
[0098] 以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
