一种基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵

1.本发明涉及电磁泵，尤其涉及一种基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵。

背景技术：

2.液态金属自身优越的热传导性能使其广泛应用于核电、航空、航天、微电子等散热领域。液态金属具有熔点低、沸点高、流动性好、导电性强、腐蚀性强等特点，针对其物性特点可利用电磁感应产生洛伦兹力的原理驱动流体于回路中循环流动(电磁泵原理)，具体参见《液态金属电磁泵[m].科学出版社,1978》。同时，电磁驱动流体回路中无机械运转部件，有效防止了传统机械泵叶片被流体腐蚀的发生，系统整体的可靠性及寿命均可增强。
[0003]
电磁泵简单原理示意如图1所示，导电流体处于方向垂直的电场与磁场中，利用磁场 (强度)和导电流体中电流(电流密度)的相互作用，使流体受电磁力(洛伦兹力) 作用而产生压力梯度，从而推动流体定向运动。
[0004]
其中施加在流体上的洛伦兹力为:
[0005][0006]
流动方向的总驱动力为：
[0007][0008]
若假定施加在图1中左右电极上的电流密度均匀忽略摩擦损失，式(2)积分有：
[0009][0010]
则电磁泵产生的压头为：
[0011][0012]
上述公式中，为洛伦兹力，为电流密度，为磁通密度，l、w、s分别为电磁泵流动方向长度、电极方向宽度以及磁场方向高度，i为电流大小。公式(4)表明，电磁泵的压头 p与磁场强度b成正比，与线电流密度i/s成正比。
[0013]
电磁泵依据电源的供给形式不同，可分为交流式电磁泵和直流式电磁泵；而按照液态金属中电流的馈给方式不同，可分为传导式电磁泵和感应式电磁泵，图2为传统直流传导式电磁泵示意图，其由永磁铁1-1、上下磁轭1-2、液态金属区域1-3、流体管道1-4四部分构成了简单磁场回路，上下磁轭为相对磁导率较高的固态金属，其起到引导永磁铁磁力线沿指定方向闭合的作用。现有研究表明，该传统结构电磁泵，管内流体区域最大磁感应强度不足永磁铁剩余磁通量的50％，存在严重的漏磁现象，而由公式(4)可知，流体区域磁感应强度减弱则电磁泵压头将减小，在满足相同运行工况情况下对电磁泵尺寸及功耗均
造成不利影响。
[0014]
传统直流传导式电磁泵磁场区域为矩形截面通道，而实际工程应用中流体循环管路一般均为圆形截面，将该电磁泵运行于系统循环中需将其与前后连接管路之间进行“圆管—矩形管”以及“矩形管—圆管”的通道转换，截面转换如图3所示，由流体力学知识可知，流体流动过程中截面形状或截面积的转变均会产生较大的局部阻力损失，此将减弱电磁泵的实际出力能力。而倘若在图2结构基础上直接将矩形截面管道替换为圆形截面管道，如图4所示，则截面积相同情况下，圆形截面直径必将大于矩形截面高度(此前为降低漏磁及获得较高的线电流密度，特意将矩形截面宽高比加大，做成较扁通道)，此时上下磁轭间距加大，漏磁现象将会更加严重，由式(4)可知此将会大幅减小电磁泵压头，在满足相同运行工况情况下对电磁泵尺寸及功耗均造成不利影响。

技术实现要素：

[0015]
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可提高液态金属区域磁场强度，无管道变截面所产生的局部阻力损失的新型电磁泵结构。
[0016]
本发明的一种基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵，包括底座，在所述底座上固定有一个支架，在所述支架上部连接有圆环形内卡扣，在所述圆环形内卡扣的内壁上等间距布置有多个向内突起的内定位销，在所述的圆环形内卡扣内设置有一个圆环形外卡扣，在所述的圆环形外卡扣外壁上等间距布置有多个向外突起的外定位销，所述的圆环形内卡扣和圆环形外卡扣的轴线重合，多个内定位销和多个外定位销均沿平行于圆环形内卡扣的轴线方向设置，在由多个梯形磁块组成的单极海尔贝克环形永磁阵列的外环壁上以及内环壁上分别开有多个外定位孔与多个内定位孔，所述的多个外定位孔与多个内定位孔分别由设置在相邻的两个梯形磁块的外壁转角处的倒角以及内壁转角处的倒角组合构成，单极海尔贝克环形永磁阵列设置在圆环形内卡扣和圆环形外卡扣之间且内定位销和外定位销分别一一对应的插入多个外定位孔、多个内定位孔，在所述圆环形外卡扣内部连接有流体管道，所述的流体管道采用非均匀壁厚，沿所述的流体管道的竖直轴线方向，所述流体管道与圆环形外卡扣之间的上下两侧分别通过耐高温绝缘胶粘合，在上下两个粘合点之间的所述流体管道的左壁以及右壁上分别焊接有一个金属电极，每个所述金属电极与电极引线的一端焊接相连，所述的电极引线的另一端穿过圆环形外卡扣与金属电极之间的空隙连接外部电源，在所述圆环形外卡扣与流体管道之间的空隙处填充有隔温材料以隔离流体管道与单极海尔贝克环形永磁阵列之间的热量传递，在所述流体管道内部为液态金属流体，所述单极海尔贝克环形永磁阵列与金属电极的宽度相等；所述流体管道的管道内壁水平弦长lb及与该管道内壁水平弦长lb同一水平位置处的管道壁厚db满足公式：2
·d·
γ
tub
+rc·
γ
liq
＝2
·
db·
γ
tub
+lb·
γ
liq
[0017]
式中γ
tub
为流体管道的管壁电阻率，γ
liq
为流体管道中液态金属流体的电阻率，rc为过流体管道圆心处的管道内壁水平弦长，d为最小管道壁厚，所述的最小管道壁厚为与过流体管道圆心处的管道内壁水平弦长同一水平位置处的管道壁厚。
[0018]
本发明的有益效果是：
[0019]
1.海尔贝克环永磁阵列聚磁效果优良，因此即使不加任何磁屏蔽措施腔体内部亦可形成高强度磁场，在满足相同磁场强度情况下可缩减电磁泵整体尺寸。
[0020]
2.在电极施加同等电流强度情况下海尔贝克环电磁泵中产生的洛伦兹力较大，泵所能提供的压头较高/流量较大。
[0021]
3.同等工况下电磁泵效率有所提升，可降低功耗。
[0022]
4.借助海尔贝克环形永磁体阵列内部腔体结构，液态金属流动管路可直接为圆形截面，消除了传统电磁泵由于管路变截面所带来的局部阻力损失，有利于增大电磁泵压头。
附图说明
[0023]
图1是电磁泵原理示意图；
[0024]
图2是传统电磁泵结构的示意图；
[0025]
图3是传统电磁泵管道圆形截面—矩形截面—圆形截面转换示意图；
[0026]
图4是“传统磁铁结构—圆形截面管道”电磁泵示意图；
[0027]
图5-1是本发明的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵结构正视图；
[0028]
图5-2是本发明的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵结构侧视图；
[0029]
图5-3是本发明的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵结构俯视图；
[0030]
图6是本发明的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵的外部固定支架结构图；
[0031]
图7-1是本发明的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵的海尔贝克环形永磁阵列结构示意图；
[0032]
图7-2是海尔贝克环形永磁阵列磁铁磁化方向示意图；
[0033]
图8是本发明的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵的带固定支架及定位销的液态金属流动管道结构示意图；
[0034]
图9是本发明的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵的非均匀壁厚管道截面示意图；
[0035]
图10-1是本发明的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵的管道附近集成结构正视图；
[0036]
图10-2是本发明的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵的管道附近集成结构侧视图；
[0037]
图10-3是本发明的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵的管道附近集成结构俯视图；
[0038]
图11是三种不同结构电磁泵于液态金属所在区域所形成磁场的磁感应强度对比图；
[0039]
图12是分别对三种电磁泵两端电极施加不同电流强度，管道中液态金属于流动方向所获得的平均洛伦兹力的对比图；
[0040]
图13是三种电磁泵不同工况下质量流量的对比图；
[0041]
图14是三种电磁泵的效率对比图。
[0042]
图中1底座、2支架、3圆环形内卡扣、4内定位销、5单极海尔贝克环形永磁阵列、6 外定位孔、7内定位孔、8圆环形外卡扣、9外定位销、10部件粘合点、11流体管道、12金属电极、13电极引线、14隔温材料、15液态金属流体。
具体实施方式
[0043]
为了更加清楚地介绍本发明的目的、技术方案和优势，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域其他技术人员在没有做出创造性劳动的前提下得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0044]
如图5-1、5-2以及5-3所示，本发明的一种基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵，包括底座1，在所述底座1上固定有一个支架2，在所述支架2上部连接有圆环形内卡扣 3，优选的所述底座1、支架2以及圆环形内卡扣3为一体结构，在所述圆环形内卡扣3的内壁上等间距布置有多个向内突起的内定位销4，在所述的圆环形内卡扣3内设置有一个圆环形外卡扣8，在所述的圆环形外卡扣8外壁上等间距布置有多个向外突起的外定位销9，所述的圆环形内卡扣3和圆环形外卡扣8的轴线重合，多个内定位销4和多个外定位销9均沿平行于圆环形内卡扣3的轴线方向设置。在由多个梯形磁块组成的单极海尔贝克环形永磁阵列5的外环壁上以及内环壁上分别开有多个外定位孔6与多个内定位孔7，所述的多个外定位孔6与多个内定位孔7分别由设置在相邻的两个梯形磁块的外壁转角处的倒角以及内壁转角处的倒角组合构成，单极海尔贝克环形永磁阵列5设置在圆环形内卡扣3和圆环形外卡扣8之间且内定位销4和外定位销9分别一一对应的插入多个外定位孔6、多个内定位孔 7，所述单极海尔贝克环形永磁阵列5与圆环形内卡扣3以及圆环形外卡扣8通过机械摩擦组合连接。
[0045]
在所述圆环形外卡扣8内部连接有流体管道11，所述的流体管道11采用非均匀壁厚，沿所述的非均匀壁厚流体管道11的竖直轴线方向，在所述流体管道11与圆环形外卡扣8之间的上下两侧的粘合点10处分别通过耐高温绝缘胶(如：有机硅树脂类胶、多功能焊接胶等)粘合，在所述粘合点10上下，因其由耐高温绝缘胶水粘合故为绝缘，在上下两个粘合点10之间的所述流体管道11的左壁以及右壁上分别焊接有一个金属电极12，每个所述金属电极12与电极引线13的一端焊接相连，所述的电极引线13的另一端穿过圆环形外卡扣 8与金属电极12之间的空隙连接外部电源，在所述圆环形外卡扣8与流体管道11之间的空隙处填充有隔温材料14以隔离流体管道11与单极海尔贝克环形永磁阵列5之间的热量传递，在所述流体管道11内部为液态金属流体15。所述单极海尔贝克环形永磁阵列5与金属电极12的宽度相等。
[0046]
所述海尔贝克环形永磁阵列5的磁块数量及磁化方向如图7-2所示，该图仅作为示意作用，为现有结构。海尔贝克环形永磁阵列1979年由美国加州大学的k.halbach研究员所提出，他通过将不同磁化方向的永磁体按照一定的规律进行排列，能够将永磁体的磁场聚集在一侧，于另一侧削弱磁场强度，获得理想的单边强磁场。其强磁场区域根据磁块的排布方式不同可形成均匀单极磁场或多极磁场，显然，只能将单极halbach环形永磁阵列应用于电磁泵领域。有关海尔贝克环形永磁阵列的磁块形状、磁块数量、磁块磁化方向以及所形成的磁场强度等更多规律，可详见《张一鸣,乔德治,高俊侠.halbach阵列永磁体的研究现状与应用 [j].分析仪器,2010(2):6.》、《乔德治.基于等效磁网络法改进halbach阵列的研究[d].北京工业大学,2010.》与《halbach k.design of permanent multipole magnets with oriented rare earthcobalt material[j].nuclear instruments&methods,1980,169(1):1-10.》(halbach k.定向稀土钴材料永磁多极磁体的设计[j].仪
器与方法，1988,169(1):1-10.)。
[0047]
为在所述液态金属流体区域15形成水平方向大小均匀的电流，所述流体管道11根据电阻率相同原理制作为非均匀壁厚形式，其径向截面示意如图9所示。原理为，过流体管道内壁圆心做垂线(如图虚线所示)，于所述垂线上任意一点b做水平线，所述水平线与流体管道内壁两侧相交线段即为管道内壁水平弦长lb，所述水平线与内外壁相交线段即为所求壁厚 db，当所述水平线过圆心c时，则管道内壁水平弦长为内壁直径，记为rc，由于液态金属电阻率一般小于管壁电阻率，则过圆心水平方向的水平内壁弦长(内壁直径)rc对应壁厚即为管道最小壁厚d，固定内壁直径rc及最小壁厚d，则不同点b处弦长lb及壁厚db满足公式(5)所示关系，式中γ
tub
为流体管道的管壁电阻率，γ
liq
为流体管道中液态金属流体的电阻率，rc为流体管道的内圆直径，d为最小壁厚；
[0048]2·d·
γ
tub
+rc·
γ
liq
＝2
·
db·
γ
tub
+lb·
γ
liq
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0049]
所述底座1、支架2、圆环形内卡扣3、内定位销4、圆环形外卡扣8、外定位销9以及非均匀壁厚流体管道11可选用不锈钢材料制作，所述单极海尔贝克环形永磁阵列5根据所述电磁泵应用温度范围的不同，采用的永磁铁材料可选用铷铁硼或钐钴制作，所述金属电极 12以及电极引线可选用铜材料制作，所述隔温材料14可选用石棉。
[0050]
工作原理
[0051]
如图5-1、5-2、5-3所示，所述单极海尔贝克环形永磁阵列5于其内部空间形成方向垂直向上或向下的高强度均匀磁场，向所述电极引线13两端通电，电流传递至金属电极12以及非均匀壁厚流体管道11内部，于液态金属流体15区域形成方向水平向左或向右的均匀电场，所述液态金属流体15在方向互相垂直的电场与磁场相互作用下感应出洛伦兹力，由洛伦兹力驱动其产生定向运动。
[0052]
本发明电磁泵与传统电磁泵效果对比实施例：
[0053]
为了比较所提出的海尔贝克环液态金属电磁泵的性能，利用comsol多物理场仿真软件分别对“传统电磁结构—矩形通道截面电磁泵”、“传统电磁结构—圆形通道截面电磁泵”、
ꢀ“
海尔贝克环电磁泵”进行了数值模拟分析，所模拟结构分别如图2、图4、图5所示，模拟工况相同(电极施加0.1—0.6a电流)，尺寸等参数分别如表1所示。(为方便描述，后文将上述传统结构电磁泵分别简称为“传统—矩形”与“传统—圆形”)
[0054]
表1所模拟对比电磁泵参数
[0055][0056][0057]
针对液态金属电磁泵的具体情况，所用到的具体计算方程如下(稳态研究，周期性边界条件)。
[0058]
磁场方程：
[0059][0060][0061]
磁铁材料的本构关系
[0062]
b＝μ0μrh+brꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0063]
其余材料本构关系
[0064]
b＝μ0μ
rhꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0065]
上式中h为磁场强度，vm为磁标势，b为磁感应强度，μ0真空磁导率，μr为相对磁导率，br为磁铁剩余磁通量。
[0066]
电场方程：
[0067][0068]
j＝σe+jeꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0069][0070]
上式中j为电流密度，q
j.v
为电荷量，σ为电导率，e为电场强度，je为外部电流密度，v为电势。
[0071]
流体力学方程：
[0072][0073][0074]
上式中vf为流速，ρ为密度，ν为粘度，j
×
b为洛伦兹力(计算时设定为附加体积力项)。
[0075]
图11所示为三种不同结构电磁泵于液态金属所在区域所形成磁场的磁感应强度对比，由图可知，海尔贝克环电磁泵所形成磁场的平均磁感应强度高于传统结构电磁泵2.5倍以上，海尔贝克环形永磁阵列聚磁效果优良；但为使磁场磁力线闭合，海尔贝克环形永磁阵列圆环两端存在磁力线外扩现象，此造成所模拟出的海尔贝克环腔内磁场磁感应强度出现部分不均匀现象。值得说明的是，加大磁铁宽度或适当改变磁铁形状，海尔贝克环形永磁阵列内部磁场的均匀度均可得到进一步改善。
[0076]
图12所示为分别对三种电磁泵两端电极施加不同电流强度，管道中液态金属于流动方向所获得的平均洛伦兹力的对比。由于洛伦兹力正比于磁场磁感应强度，新型海尔贝克环液态金属电磁泵流体驱动力(洛伦兹力)恒大于传统电磁泵。流体所获得驱动力的增加有利于增大电磁泵所泵送流体流量或压头，图13所示为三种电磁泵不同工况下质量流量的对比，可看出新型海尔贝克电磁泵具有明显优势。(与流动方向互相垂直的其余两方向平均洛伦兹力为流动方向的万分之一量级)
[0077]
定义电磁泵效率如公式(15)所示，式中p0为流体所获得流动功率，p为电磁泵所输入电功率，qv为电磁泵质量流量，δp为电磁泵磁铁区域进出口总压的增加，i为输入电流，u为端子电压。由图14可见，新型海尔贝克环电磁泵效率恒大于传统结构电磁泵，其中“传统
‑ꢀ
矩形”电磁泵由于电极两端宽度较大，在电极输入同等电流情况下，两端所形成电势差
较高，故效率较低。同时也值得说明的是，图中新型海尔贝克环电磁泵效率随输入电流的增加呈增长趋势，并不意味着海尔贝克环电磁泵最高效率仅局限于12％，仍有进一步的探索或优化空间。
[0078]

技术特征：

1.一种基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵，包括底座(1)，在所述底座上固定有一个支架(2)，其特征在于：在所述支架上部连接有圆环形内卡扣(3)，在所述圆环形内卡扣的内壁上等间距布置有多个向内突起的内定位销(4)，在所述的圆环形内卡扣内设置有一个圆环形外卡扣(8)，在所述的圆环形外卡扣外壁上等间距布置有多个向外突起的外定位销(9)，所述的圆环形内卡扣和圆环形外卡扣的轴线重合，多个内定位销和多个外定位销均沿平行于圆环形内卡扣的轴线方向设置，在由多个梯形磁块组成的单极海尔贝克环形永磁阵列(5)的外环壁上以及内环壁上分别开有多个外定位孔(6)与多个内定位孔(7)，所述的多个外定位孔与多个内定位孔分别由设置在相邻的两个梯形磁块的外壁转角处的倒角以及内壁转角处的倒角组合构成，单极海尔贝克环形永磁阵列设置在圆环形内卡扣和圆环形外卡扣(8)之间且内定位销和外定位销分别一一对应的插入多个外定位孔、多个内定位孔，在所述圆环形外卡扣内部连接有流体管道(11)，所述的流体管道采用非均匀壁厚，沿所述的流体管道的竖直轴线方向，所述流体管道与圆环形外卡扣之间的上下两侧分别通过耐高温绝缘胶粘合，在上下两个粘合点之间的所述流体管道的左壁以及右壁上分别焊接有一个金属电极(12)，每个所述金属电极与电极引线(13)的一端焊接相连，所述的电极引线的另一端穿过圆环形外卡扣与金属电极之间的空隙连接外部电源，在所述圆环形外卡扣与流体管道之间的空隙处填充有隔温材料(14)以隔离流体管道与单极海尔贝克环形永磁阵列之间的热量传递，在所述流体管道内部为液态金属流体(15)，所述单极海尔贝克环形永磁阵列与金属电极的宽度相等；所述流体管道的管道内壁水平弦长l
b
及与该管道内壁水平弦长l
b
同一水平位置处的管道壁厚d
b
满足公式：2
·
d
·
γ
tub
+r
c
·
γ
liq
＝2
·
d
b
·
γ
tub
+l
b
·
γ
liq
式中γ
tub
为流体管道的管壁电阻率，γ
liq
为流体管道中液态金属流体的电阻率，r
c
为过流体管道圆心处的管道内壁水平弦长，d为最小管道壁厚，所述的最小管道壁厚为与过流体管道圆心处的管道内壁水平弦长同一水平位置处的管道壁厚。2.根据权利要求1所述的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵，其特征在于：所述底座、支架、圆环形内卡扣、内定位销、圆环形外卡扣、外定位销以及流体管道选用不锈钢材料，所述单极海尔贝克环形永磁阵列采用的永磁铁材料选用铷铁硼或钐钴，所述金属电极以及电极引线选用铜材料，所述隔温材料选用石棉。3.根据权利要求1或者2所述的基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵，其特征在于：所述底座、支架以及圆环形内卡扣为一体结构。

技术总结

本发明公开了一种基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵，包括利用多个梯形结构磁块按磁化规律排列组合成单极海尔贝克环形永磁阵列，于永磁阵列环形内部形成单极强磁场；将液态金属流体管道布置于所述永磁阵列圆环内部，按照电阻率相同原理将流体管道设置为非均匀壁厚形式，于流体管道内部液态金属区域获得均匀电流密度；单极海尔贝克环形永磁阵列开有多个定位孔，利用带定位销的内外固定支架将海尔贝克环形永磁阵列与流体管道固定支撑。本发明的海尔贝克环形电磁泵具有聚磁效应，可在液态金属流体区域形成强磁场，为电磁流动提供高驱动力；流体管道内截面为圆形，可消除传统电磁泵管道变截面所引发的局部压力损失。泵管道变截面所引发的局部压力损失。泵管道变截面所引发的局部压力损失。