一种空间核环境用液态金属电磁泵制造技术

本发明专利技术涉及一种液态金属电磁泵。为解决现有电磁泵难以满足空间核电源系统应用要求的问题，本发明专利技术提供了一种空间核环境用液态金属电磁泵。该电磁泵包括泵沟总成、电磁激励结构总成、气体密封外壳总成和电力传输总成。本发明专利技术的铁芯结构具有较好的导磁效率，有利于降低电磁泵的重量和体积；液态金属的环形流道能够有效提高电磁泵的工作效率；电磁泵结构紧凑、坚固，能够承受航天器发射至入轨阶段的振动和冲击；采用的气体密封外壳总成及惰性气体能够为电磁激励结构提供有效保护，极大的提高了寿命和可靠性；电磁泵采用了较为合理的设计结构，有利于温度分布的控制，使得该电磁泵在真空环境中能够长期稳定工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种液态金属电磁泵，特别涉及一种空间核环境用液态金属电磁泵。
技术介绍
深空探测航天器的发展迫切需要大功率、长寿命、全天候的空间电源系统，目前，只有采用热离子转换及斯特林循环的空间核电源系统才能满足上述负荷需求。空间核电源系统由核能产生热量，利用电磁泵将液态金属冷却剂汲送入核反应堆堆芯将热量导出。在通常情况下，为节约发射载荷，空间核电源系统仅能装备一台电磁泵。但由于电磁泵是空间核电源系统的核心设备，相当于其心脏，因此一旦发生非预期失效，将导致系统整体提前报废，造成航天任务的失败。目前，美、俄两国在空间核电源系统的研发上处于领先地位。但由于空间核电源系统具有高度技术敏感性，因此对于其重点技术并无公开资料可供参考，尤其是对于作为核心设备的电磁泵来说，国际上尚无可供参考的设计方案。而对于我国来说，由于空间核电源系统的研发起步较晚，目前也没有成熟的设计方案可供参考。作为输送设备，电磁泵在工业领域有着一定程度的应用，但如果将应用在其航天器上，则需要满足各种苛刻的特殊要求，因此普通电磁泵根本无法胜任。首先，电磁泵在航天器发射至入轨阶段需要承受巨大的振动和冲击而不应发生损坏；第二，在入轨后，电磁泵还需要在真空、高温以及强辐照环境下长期稳定运行；第三，在满足液态金属冷却剂输送性能要求的同时，还需要尽可能降低电磁泵的重量和体积，并提高可靠性。因此，若要实现电磁泵在空间核电源系统上的应用，就需要开发一种适用的电磁泵。
技术实现思路
为解决现有电磁泵难以满足空间核电源系统应用要求的问题，实现太空及强辐照环境下液态金属冷却剂的电磁泵输送，本专利技术提供了一种空间核环境用液态金属电磁泵。该空间核环境用液态金属电磁泵包括泵沟总成、电磁激励结构总成、气体密封外壳总成和电力传输总成；所述泵沟总成包括中央导磁体、承压外管；所述中央导磁体包括水力外壳和中央导磁铁芯，所述水力外壳的外形为鱼雷形，所述中央导磁铁芯由若干尺寸相同的条形铁芯构成，各条形铁芯在中央导磁体径向上呈放射状均匀排布；所述中央导磁体位于承压外管内部，中央导磁体的水力外壳通过若干固定件与承压外管内表面之间固定连接，中央导磁体与承压外管之间形成液态金属的环形流道；所述承压外管两端分别与中央导磁体的水力外壳前端和尾端对应处采用内径渐缩式设计，承压外管外表面上还固定连接有前安装盘和后安装盘；所述电磁激励结构总成位于所述承压外管外部，电磁激励结构总成与承压外管之间设有热屏蔽层和固定丝网；所述电磁激励结构总成由若干尺寸相同的纵向绕组构成，各纵向绕组在径向上呈放射状均匀排布；所述电磁激励结构总成各纵向绕组的铁芯两端分别与前安装盘和后安装盘固定连接；所述气体密封外壳总成位于电磁激励结构总成外部，由前壳体、中间段、后壳体构成，气体密封外壳总成内部充有惰性气体；所述电力传输总成由设置于气体密封外壳总成内的配电结构、穿过气体密封外壳总成壳体的密封电连接器以及外部供电电缆构成。所述中央导磁体还可以包括中央固定杆，所述中央固定杆位于水力外壳内部中央，其表面开有卡槽，两端设有垫圈及螺母；通过水力外壳、中央固定杆的卡槽、垫圈及螺母的限位作用将各条形铁芯限制在确定位置；所述中央固定杆与水力外壳前端之间设有缓冲弹簧，该缓冲弹簧在常态下呈压缩状态。采用此种固定机构能够使各条形铁芯获得较好的固定效果，并进一步提高中央导磁体的抗振动、冲击性能。所述水力外壳的尾端收缩部外表面上还可以设置若干定位件，这些定位件在常态下能够与承压外管内表面相接触。通过在水力外壳尾端设置定位件，当泵沟总成因电磁泵工况转换而使温度发生较大变化时，水力外壳尾端能够相对于承压外管自由的前后移动，并在定位件的限位作用下保持在较为稳定的位置，确保了泵沟总成的结构和所受应力稳定，有利于进一步提高电磁泵的可靠性。所述热屏蔽层和固定丝网分别采用无机热屏蔽材料和无磁金属丝网为优选。本专利技术采用热屏蔽层的目的为抑制泵沟热量向外传导，此处的优选结构结合了无机热屏蔽材料优良的高温稳定性，以及无磁金属丝网的小传导接触面积等优点，进一步提升了热屏蔽效果。所述电磁激励结构总成各纵向绕组的线圈与铁芯间的缝隙中分散填充有无机绝缘垫片为优选，有利于避免长时间的较强机械振动带来的线圈磨损。所述电磁激励结构总成各纵向绕组的铁芯采用梳状铁芯为优选，采用该构型的铁芯能够进一步提高导磁效果，进而提高泵沟利用效率。所述条形铁芯以及电磁激励结构总成各纵向绕组的铁芯采用硅钢片叠合而成的铁芯为优选。所述电磁激励结构总成的各纵向绕组中所采用线圈的线材优选为银或镀镍铜，以获得更优的导电性、高温热稳定性以及机械加工性能。所述电磁激励结构总成的各纵向绕组顶部与气体密封外壳总成密切接触为优选，以利于更好的散热。所述气体密封外壳总成为筒状且筒体两端封闭，所述承压外管两端分别穿出气体密封外壳总成两封闭端，且承压外管外表面与气体密封外壳总成之间密封连接为优选。所述承压外管所采用的材料优选为无磁奥氏体不锈钢；所述水力外壳、固定件和定位件所采用的材料优选为无磁奥氏体不锈钢；所述中央固定杆、垫圈及螺母所采用的材料优选为无磁奥氏体不锈钢。在本空间核环境用液态金属电磁泵中，上述部件优选采用的无磁奥氏体不锈钢兼具良好的液态金属兼容性、机械加工性能和焊接特性。所述气体密封外壳总成所采用的材料优选为无磁奥氏体不锈钢或钛合金。所述惰性气体优选为氩气。本专利技术的空间核环境用液态金属电磁泵是一种基于Д·哈勃行波场推进理论和A·爱因斯坦和Л·斯齐拉尔特结构的电磁泵，通过其电磁激励结构产生的行波磁场，令泵沟中的液态金属内产生感应电流，该感应电流再与磁场发生电磁作用，使得泵沟中的液态金属内部产生压强梯度，进而推动液态金属定向流动。本专利技术的主要有益效果如下：第一，中央导磁体和电磁激励结构总成采用了特殊的铁芯结构，具有较好的导磁效率，可以在满足要求的前提下使得铁芯结构轻量化，有利于降低电磁泵的重量和体积。第二，中央导磁体所选用的水力外形及其与承压外管之间形成的液态金属的环形流道非常有利于液态金属的流动，能够在最大程度上减少涡流的产生，有效降低了液态金属流动时所受的阻力，从而有效提高电磁泵的工作效率。第三，本专利技术的空间核环境用液态金属电磁泵结构紧凑、坚固，能够承受航天器发射至入轨阶段的振动和冲击，确保后续运行的可靠性。第四，采用了气体密封外壳总成容纳电磁激励结构，并在气体密封外壳总成内充入惰性气体对电磁激励结构进行保护，使得处于高温条件下的电磁激励结构能够避免高真空的影响而不会造成较快的材料损耗，极大的提高了电磁激励结构的寿命和可靠性。第五，本专利技术的空间核环境用液态金属电磁泵采用了较为合理的设计结构，有利于温度分布的控制，使得该电磁泵在真空环境中能够长期输送温度高达525℃的液态金属，并承受超过500℃的环境温度。同时，该电磁泵还能够在辐射条件达到3×106快中子/cm2·s，2×106热中子/cm2·s，1×104radγ射线/h的条件下长期稳定工作。附图说明图1本专利技术的空间核环境用液态金属电磁泵结构示意图。图2图1中A-A向截面示意图。图3本专利技术的空间核环境用液态金属电磁泵的泵沟总成示意图。附图标记：1.泵沟总成，2.电磁激励结构总成，3.气体密封外壳总成，4.电力传输总成，5.中央导磁体，6.承压外管，7.水力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间核环境用液态金属电磁泵，其特征在于：该空间核环境用液态金属电磁泵包括泵沟总成、电磁激励结构总成、气体密封外壳总成和电力传输总成；所述泵沟总成包括中央导磁体、承压外管；所述中央导磁体包括水力外壳和中央导磁铁芯，所述水力外壳的外形为鱼雷形，所述中央导磁铁芯由若干尺寸相同的条形铁芯构成，各条形铁芯在中央导磁体径向上呈放射状均匀排布；所述中央导磁体位于承压外管内部，中央导磁体的水力外壳通过若干固定件与承压外管内表面之间固定连接，中央导磁体与承压外管之间形成液态金属的环形流道；所述承压外管两端分别与中央导磁体的水力外壳前端和尾端对应处采用内径渐缩式设计，承压外管外表面上还固定连接有前安装盘和后安装盘；所述电磁激励结构总成位于所述承压外管外部，电磁激励结构总成与承压外管之间设有热屏蔽层和固定丝网；所述电磁激励结构总成由若干尺寸相同的纵向绕组构成，各纵向绕组在径向上呈放射状均匀排布；所述电磁激励结构总成各纵向绕组的铁芯两端分别与前安装盘和后安装盘固定连接；所述气体密封外壳总成位于电磁激励结构总成外部，由前壳体、中间段、后壳体构成，气体密封外壳总成内部充有惰性气体；所述电力传输总成由设置于气体密封外壳总成内的配电结构、穿过气体密封外壳总成壳体的密封电连接器以及外部供电电缆构成。...

【技术特征摘要】
1.一种空间核环境用液态金属电磁泵，其特征在于：该空间核环境用液态金属电磁泵包括泵沟总成、电磁激励结构总成、气体密封外壳总成和电力传输总成；所述泵沟总成包括中央导磁体、承压外管；所述中央导磁体包括水力外壳和中央导磁铁芯，所述水力外壳的外形为鱼雷形，所述中央导磁铁芯由若干尺寸相同的条形铁芯构成，各条形铁芯在中央导磁体径向上呈放射状均匀排布；所述中央导磁体位于承压外管内部，中央导磁体的水力外壳通过若干固定件与承压外管内表面之间固定连接，中央导磁体与承压外管之间形成液态金属的环形流道；所述承压外管两端分别与中央导磁体的水力外壳前端和尾端对应处采用内径渐缩式设计，承压外管外表面上还固定连接有前安装盘和后安装盘；所述电磁激励结构总成位于所述承压外管外部，电磁激励结构总成与承压外管之间设有热屏蔽层和固定丝网；所述电磁激励结构总成由若干尺寸相同的纵向绕组构成，各纵向绕组在径向上呈放射状均匀排布；所述电磁激励结构总成各纵向绕组的铁芯两端分别与前安装盘和后安装盘固定连接；所述气体密封外壳总成位于电磁激励结构总成外部，由前壳体、中间段、后壳体构成，气体密封外壳总成内部充有惰性气体；所述电力传输总成由设置于气体密封外壳总成内的配电结构、穿过气体密封外壳总成壳体的密封电连接器以及外部供电电缆构成。2.如权利要求1所述的空间核环境用液态金属电磁泵，其特征在于：所述中央导磁体还包括中央固定杆，所述中央固定杆位于水力外壳内部中央，其表面开有卡槽，两端设有垫圈及螺母；通过水力外壳、中央固定杆的卡槽、垫圈及螺母的限位作用将各条形铁芯限制在确定位置；所述中央固定杆与水力外壳前端之间设有缓冲弹簧，该缓冲弹簧在常态下呈压缩状态。3.如权利要求1或2所述的空间核环境用液态金属电磁泵，其特征在于：所述水力外壳的尾端收缩部外表面上设置若干定位件，这些定位件在常态下能够与承压外管内表面相接触。4.如权利要求1或2所述的空间核环境用液态金属电...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕可明，柴宝华，赵守智，杨夷，杜开文，魏国锋，龙俞伊，韩冶，卫光仁，冯波，薛松龄，邢丽娜，高山，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11