Электромагнитный насос
Устройство предназначено для использования в области перекачивания электропроводящей жидкости, например, такой как жидкий электропроводящий сплав металлов. Электромагнитный насос имеет секцию подачи и насосную секцию, функционирующую под воздействием сил магнитного поля, при этом поток электропроводящего материала, проходящего через секцию подачи, направлен в противоположную сторону по отношению к направлению потока материала, проходящего через насосную секцию. Секция подачи и насосная секция, функционирующая под воздействием силы магнитного поля, окружены множеством катушек. Под воздействием тока, пропускаемого через указанное множество катушек, создаются магнитные поля, которые образуют магнитную связь с магнетиком, расположенным между секцией подачи и насосной секцией, благодаря которой эти магнитные поля проникают через электропроводящий материал, находящийся в насосной секции, в основном перпендикулярно по отношению к заданному направлению потока, что обеспечивает получение максимальной величины магнитных сил, прикладываемых к электропроводящему материалу. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящая заявка претендует на привилегию по предварительной заявке США №60/464,317, поданной 21 апреля 2003 г., содержание которой включается в данное описание настоящего изобретения посредством ссылки на нее.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электромагнитным насосам, перемещающим электропроводящую жидкость посредством взаимодействия с магнитными полями.
Уровень техники
Электромагнитные насосы могут использоваться для перекачки электропроводящей жидкости, например, такой как жидкий электропроводящий сплав металлов. Преимуществом электромагнитного насоса является то, что жидкость перемещается по трубе или трубопроводу под воздействием магнитных сил без использования каких-либо элементов механического насоса, располагаемых внутри трубопровода.
Известные электромагнитные насосы либо погружаются в электропроводящую жидкость, либо крепятся к источнику электропроводящей жидкости, например, к такому как плавильная печь для металлов и (или) раздаточная печь для расплава. Такие насосные установки сложно обслуживать и ремонтировать. В связи с этим существует необходимость в эффективном и легко ремонтируемом электромагнитном насосе, который не присоединяется непосредственно к источнику электропроводящей жидкости.
Раскрытие изобретения
С одной стороны, настоящее изобретение касается устройства и способа перекачки электропроводящего материала насосом, имеющим секцию или полость подачи и насосную секцию, или полость, функционирующую под воздействием силы магнитного поля. В одном из примеров осуществления настоящего изобретения поток материала, проходящего через секцию подачи, направлен в противоположную сторону по отношению к потоку материала, проходящего через насосную секцию, функционирующую под воздействием сил магнитного поля. Секция подачи и насосная секция, функционирующая под воздействием сил магнитного поля, окружены множеством катушек. Под воздействием тока, пропускаемого через указанное множество катушек, создаются магнитные поля, которые имеют магнитную связь с магнитным материалом, расположенным между секцией подачи и насосной секцией, функционирующей под воздействием сил магнитного поля, благодаря которой эти магнитные поля проникают через электропроводящий материал, находящийся в насосной секции в основном перпендикулярно по отношению к заданному направлению потока. При такой ориентации магнитного поля обеспечивается получение максимальной величины магнитных сил, прикладываемых к указанному электропроводящему материалу в насосной секции.
Эти и другие особенности настоящего изобретения изложены в описании изобретения.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи совместно с описанием и формулой изобретения иллюстрируют несколько различных способов практического использования настоящего изобретения, которые не накладывают на это изобретение каких-либо ограничений. При этом настоящее изобретение не ограничивается приведенной общей схемой, а также содержанием прилагаемых чертежей.
На фиг.1 представлен один из примеров исполнения электромагнитного насоса в соответствии с настоящим изобретением, вид в перспективе;
фиг.2 - вид сбоку одного из примеров исполнения электромагнитного насоса в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3(а) - разрез по линии А-А на фиг.2;
фиг.3(b) - разрез по линии В-В на фиг.2;
фиг.3(с) - частичный разрез по поверхности раздела между внутренней, средней и наружной трубами и магнитным материалом, используемым в одном из примеров исполнения электромагнитного насоса в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.4(а) - упрощенная принципиальная схема подачи энергии и распределения ее по индукционным катушкам, используемым совместно с электромагнитным насосом в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.4(b) - векторная диаграмма, иллюстрирующая один из примеров осуществления стадии распределения подаваемой электроэнергии на выходе из источника питания по индукционным катушкам, используемым совместно с электромагнитным насосом в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 - вид сбоку в вертикальном разрезе для другого примера исполнения электромагнитного насоса в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
На прилагаемых чертежах, на которых каждая деталь обозначена определенным номером позиции, приведен один из примеров исполнения электромагнитного насоса 10 в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для перекачивания электропроводящего материала, к примеру, такого как электропроводящий жидкий металл. На фиг.1 показаны двенадцать индукционных катушек (12а-12l), вокруг которых расположено некоторое множество вертикальных магнитных шунтов 14, удерживаемых на своем месте параллельными опорами 16 для шунтов, которые с одного конца прикреплены к основанию 18, а с противоположного своего конца прикреплены к ярму 20. Для того чтобы обеспечить ограничение магнитных полей сверху или снизу, указанные основание и ярмо могут быть изготовлены из магнитного материала. Как известно в этой области техники, вместо шунтов и опорных конструкций, показанных на фиг.1, могут использоваться другие шунты и наружные опорные конструкции. Входной патрубок 24 насоса и его выходной патрубок 22 в данном примере осуществления настоящего изобретения, который не накладывает на это изобретение каких-либо ограничений, имеют форму цилиндра и изготавливаются из соответствующего термостойкого материала.
Как видно из фиг.3(а), на котором представлен разрез электромагнитного насоса 10, показанного на фиг.2, предусматривается, но не в обязательном порядке, наличие соответствующей теплоизоляционной детали 26, с помощью которой индукционные катушки отделяются от внутренней части насоса и которая представляет собой соответствующее средство для сохранения тепла, содержащегося в жидком металле (расплаве), который находится внутри рассматриваемого насоса. В данном примере осуществления настоящего изобретения указанная теплоизоляционная деталь имеет форму цилиндра, ограниченного основанием 18 и ярмом 20. Наружная труба 28 представляет собой трубу цилиндрической формы со скругленным дном и открытой верхней частью с выступающей наружу кромкой по периметру верхнего отверстия. Выступающая кромка наружной трубы опирается на верхнюю часть ярма 20. Первый замыкающий элемент 30 расположен поверх ярма 20 и выступающей кромки наружной трубы. Над первым замыкающим элементом 30 находится второй замыкающий элемент 32. Выходной патрубок 22 располагается между первым и вторым замыкающими элементами. Средняя труба 34 имеет цилиндрическую форму и открыта с обоих ее концов. На верхнем краю трубы 34 имеется выдающаяся наружу кромка по периметру верхнего отверстия. Выступающая кромка средней трубы находится в соответствующем углублении второго замыкающего элемента 32. Первый и второй замыкающие элементы расположены таким образом, чтобы образовалась соответствующая выпускная кольцеобразная полость 42, которая связывает внутреннее проходное отверстие выходного патрубка 22 с кольцеобразной полостью вертикальной трубы 44, расположенной между наружной стенкой средней трубы 34 и внутренней стенкой наружной трубы 28. Третий замыкающий элемент 36 находится над вторым замыкающим устройством 32. Внутренняя труба 40 цилиндрической формы имеет открытую нижнюю часть и закрытую верхнюю часть. На фиг.3(с) хорошо видно, что между периметром открытого нижнего края внутренней трубы и периметром открытого нижнего края средней трубы образуется герметичное уплотнение, не пропускающее жидкость. Магнетик - материал 46 находится в полости, образовавшейся между наружной стенкой внутренней трубы 40 и внутренней стенкой средней трубы 34, что более подробно будет описано ниже. Четвертый замыкающий элемент 38 расположен над третьим замыкающим элементом 36 и закрытой верхней частью внутренней трубы 40. Входной патрубок 24 располагается между третьим и четвертым замыкающими элементами, а его внутреннее проходное отверстие соединяется с внутренней частью внутренней трубы 40. Фиг.3(b) иллюстрирует пространственное соотношение между отдельными деталями, находящимися в горизонтальной плоскости насоса.
Приведенные примеры осуществления настоящего изобретения представляют собой наиболее удобные способы монтажа и демонтажа насоса 10. При удалении четвертого замыкающего элемента 38 можно поднять входной патрубок 24 и внутреннюю трубу 40 вверх и вынуть их из насоса. При последующем удалении третьего замыкающего элемента 36 можно поднять магнетик 46 и среднюю трубу 34 вверх и вынуть их из насоса. При последующем удалении второго замыкающего устройства 32 можно снять выходной патрубок 22. При последующем удалении первого замыкающего устройства 30 можно снять наружную трубу 28.
Приведенные выше примеры осуществления настоящего изобретения представляют собой удобные способы изменения угловой ориентации между входным патрубком 24 и выходным патрубком 22. В частном случае исполнения такой установки при осуществлении ее сборки подводящая труба и выпускная труба (не показаны), которые должны быть соединены соответственно с входным патрубком 24 и выходным патрубком 22, не всегда могут быть расположены таким образом, чтобы иметь относительную угловую ориентацию, соответствующую углу в 180 градусов (если смотреть вниз на верхнюю часть насоса), который образуется между входным и выходным патрубками насоса 10, как это показано на фиг.1. Для изменения угловой ориентации входного патрубка 24 и выходного патрубка 22, который находится между первым и вторым замыкающими элементами, первый замыкающий элемент 30 и второй замыкающий элемент 32 могут быть соответственно повернуты и закреплены в позиции, отличающейся от позиции, показанной на фиг.1. Для изменения угловой ориентации выходного патрубка 22 и входного патрубка 24, который находится между третьим и четвертым замыкающими элементами, третий замыкающий элемент 36 и четвертый замыкающий элемент 38 могут быть соответственно повернуты и закреплены в позиции, отличающейся от позиции, показанной на фиг.1.
Поток жидкого металла проходит через насос 10 в направлении, указанном стрелками на фиг.3(а). Расплавленный металл поступает в насос через входной патрубок 24 и проходит вниз по внутренней цилиндрической части внутренней трубы 40. Эта секция насоса рассматривается здесь в качестве секции подачи металла. Затем расплавленный металл перемещается под воздействием сил, создаваемых магнитными полями вверх по направлению к кольцеобразной полости вертикальной трубы 44 (насосная секция, функционирующая под воздействием сил магнитного поля), в выпускную кольцеобразную полость 42 и, наконец, выходит из насоса сквозь выходной патрубок 22. В других примерах осуществления настоящего изобретения выходной патрубок 22 может быть напрямую соединен с кольцеобразной полостью вертикальной трубы 44 без помощи выпускной кольцеобразной полости 42, образованной между внутренней стенкой средней трубы 34 и внутренними кольцевыми стенками первого и второго кольцеобразных замыкающих элементов. Наружная, средняя и внутренняя трубы изготавливаются из соответствующего термостойкого материала, например, такого как композиционный керамический материал. Одним из таких композиционных керамических материалов, которые могут быть использованы при отливке наружной, средней и внутренней труб, а также входного патрубка 24 и выходного патрубка 22, является композиционный материал на основе кремния и оксинитрида алюминия, известный под названием сиалон.
В соответствии с вышеуказанным, сила, создаваемая магнитным полем, обеспечивает перемещение электропроводящего расплавленного металла через насос 10. На фиг.4(а) схематично показан один из примеров, иллюстрирующий осуществление перемещения потока жидкого металла через насос 10, происходящего под воздействием силы, создаваемой магнитным полем, в результате подачи электроэнергии, поступающей в индукционные катушки. Источник питания 48 представляет собой источник трехфазного тока, выходные частота и напряжение которого могут регулироваться. Одним из источников питания, пригодных к использованию в этих целях, является полупроводниковый источник питания с широтно-частотной модуляцией тока на выходе. На фиг.4(b) показана векторная диаграмма, демонстрирующая шестицикловую схему соединения источника питания с индукционными катушками, которая применяется для того чтобы обеспечить возникновение соответствующих магнитных сил, воздействующих на жидкий металл, находящийся в кольцеобразной полости 44 вертикальной трубы, и заставляющих его подниматься по кольцеобразной полости, откуда металл выходит через выходной патрубок 22; и, таким образом, обеспечивается перекачивание жидкого металла насосом 10 из соответствующего источника жидкого металла, который может быть подсоединен к входному патрубку насоса 24. Как показано на принципиальной схеме и на векторной диаграмме, при последовательном соединении трех фаз между собой с чередующейся положительной и отрицательной фазовой ориентацией образуется соответствующая шестицикловая схема. За фазой +АВ следует фаза -ВС, за которой следует фаза +СА, за которой следует фаза -АВ, за которой следует фаза +ВС и за которой следует фаза -СА. Для индукционных катушек 12g-12l повторяется шестицикловая схема соединения, примененная для индукционных катушек 12а-12f. Выбор шестицикловой схемы соединений в данном случае не накладывает на настоящее изобретение каких-либо ограничений, однако следует отметить, что шестицикловая схема (обеспечивающая угол сдвига фаз переменного электрического тока, равный 30 градусам для напряжения в смежных катушках) обеспечивает более равномерную скорость движения потока металла, чем, например, трехцикловая схема соединений (обеспечивающая угол сдвига фаз переменного электрического тока, равный 60 градусам для напряжения в смежных катушках). Поскольку значение выходного напряжения источника питания 48 прямо пропорционально значению магнитной силы, воздействующей на жидкий металл, изменение выходного напряжения источника питания будет приводить к соответствующему изменению подъемной силы, создаваемой магнитным полем, а также скорости прохождения потока жидкого металла через насос.
Магнитные силы, создаваемые под воздействием магнитного поля в кольцеобразной полости 44 вертикальной трубы, представляют собой в основном вертикальные силы, направленные вверх, поскольку магнитное поле, возникающее вокруг каждой из катушек, образует соответствующую магнитную цепь с магнетиком 46, а линии магнитной индукции этого поля, проходящие через жидкий металл, находящийся в кольцеобразной полости вертикальной трубы, в основном ориентированы в горизонтальном направлении. В случае, если электромагнитным насосом 10 перекачивается жидкий металл, точка Кюри (температура, при которой магнитный материал теряет свои магнитные свойства) для магнетика 46 должна быть выше температуры жидкого металла, проходящего через насос. В таких случаях должен использоваться магнитный материал с высоким значением точки Кюри. Например, обычно расплавленный алюминий может перекачиваться насосом при нагревании до температуры в пределах от 680 до 800°С. В данном случае применения настоящего изобретения магнетик должен иметь точку Кюри, по меньшей мере, равную 850°С, что соответствует максимальной температуре для расплавленного алюминия с учетом расчетного запаса. Одним из типов магнетика 46, имеющего высокое значение точки Кюри и пригодного для применения его в этих целях, является железокобальтовый сплав, известный под названием пермендюр.
Предпочтительно, но совсем не обязательно, чтобы каждая индукционная катушка была изготовлена из тонкой проволоки в виде многовитковой (содержащей в типичном случае 500 или более витков) катушки, обычно именуемой намагничивающей катушкой на каркасе, образующейся путем наматывания тонкой проволоки вокруг каркаса, который после наматывания удаляется. Поскольку величина магнитной силы, создаваемой магнитным полем, прямо пропорциональна как силе тока, проходящего через катушку, так и числу витков катушки, то, применяя катушку с большим числом витков, обеспечивают получение заданной величины силы, создаваемой магнитным полем, при сохранении значения выходного тока источника питания 48 на низком уровне.
В случае, если источник жидкого металла, поступающего в насос, находится ниже горизонтального уровня расположения входного патрубка 24, то тогда необходимо сначала заправить насос 10, заполнив внутреннюю часть внутренней трубы 40 расплавленным металлом. Одним из способов осуществления этого является подсоединение вакуумного насоса к выходному патрубку 22 и втягивание потока расплавленного металла под воздействием вакуума внутрь насоса 10 из соответствующего источника жидкого металла, подсоединенного к входному патрубку 24 насоса. В других примерах осуществления настоящего изобретения верхний край внутренней трубы 40 может быть открытым и проходить сквозь четвертый, замыкающий элемент 38, и, например, иметь форму воронкообразного отверстия, через которое жидкий металл может заливаться в насос, заполняя внутреннюю трубу.
Когда насос 10 выключен, жидкий металл, находящийся в насосе в неподвижном состоянии, может остыть и затвердеть во внутренних каналах насоса. Для предотвращения этого можно дополнительно предусмотреть электромагнитное циклическое опорожнение и заполнение жидким металлом кольцеобразной полости 44 вертикальной трубы. Изменяя тем самым направление всех фазовых векторов, показанных на фиг.4(b), на обратное, обеспечивают возникновение магнитной силы, воздействующей на жидкий металл в кольцеобразной полости 44 вертикальной трубы и вытесняющей жидкий металл из насоса вниз через входной патрубок 24 назад в источник жидкого металла, подсоединенный к входному отверстию. Затем, снова изменив направление всех фазовых векторов на направление, показанное на фиг.4(b), обеспечивают возникновение магнитной силы, вызывающей перемещение жидкого металла вверх по кольцеобразной полости вертикальной трубы. Такое возвратно-поступательное движение жидкого металла позволяет предотвратить затвердевание жидкого металла внутри насоса в то время, когда насос не используется. В других примерах осуществления изобретения, в которых используется трехфазный источник питания, для осуществления возвратно-поступательного движения жидкого металла в насосе под воздействием электромагнитных сил может использоваться циклическое реверсирование двух фаз, осуществляемое, например, с помощью соответствующих полупроводниковых переключателей. А еще в других примерах осуществления изобретения может также в пространстве между соответствующей теплоизоляционной деталью 26 и наружной стенкой наружной трубы 28 предусматриваться наличие соответствующего теплоносителя, например, такого как циркулирующие газы или жидкости, либо электрических нагревательных элементов.
На фиг.5 показан еще один пример исполнения электромагнитного насоса в соответствии с настоящим изобретением. В данном примере входной патрубок 24а находится внизу насоса, а жидкий металл перекачивается под воздействием соответствующего электромагнитного поля непосредственно в кольцеобразную полость 44 вертикальной трубы, как указано в общих чертах в предыдущих примерах осуществления настоящего изобретения, рассмотренных в приведенном выше описании. В настоящем конкретном примере в связи с тем, что по внутренней трубе поток жидкого металла не проходит, эта внутренняя труба может быть выполнена в виде трубы, полностью заключенной в соответствующую оболочку, либо в виде иного структурного внутреннего элемента, служащего в качестве средства, предназначенного для содержания в нем магнетика 46 и находящегося между указанным структурным внутренним элементом и средней трубой 34.
Настоящим изобретением предусматривается также возможность применения других типов источника питания и схем распределения. Например, может использоваться несколько однофазных источников питания; каждая катушка может питаться электроэнергией от отдельного источника питания; либо отдельные группы катушек могут питаться электроэнергией от соответствующих обособленных источников питания. Кроме того, несмотря на то что в рассмотренных выше примерах осуществления настоящего изобретения продольные оси внутренней, средней и наружной труб расположены в вертикальном направлении, тем не менее, возможно также и такое расположение этих труб, при котором продольные их оси будут ориентированы в каком-либо другом направлении.
Примеры осуществления настоящего изобретения включают в себя ссылки на соответствующие электрические элементы. Специалист в данной области техники может при практическом применении настоящего изобретения заменять те или иные элементы аналогичными элементами других типов при условии, что при этом будут соблюдены условия, требуемые данным изобретением, и получены желаемые результаты. Например, отдельные элементы могут быть заменены каждый несколькими элементами и наоборот.
Приведенные выше примеры не ограничивают объема раскрытого изобретения. Объем описанного изобретения излагается далее в приложенной формуле изобретения.
1. Устройство для перекачки электропроводящего материала, содержащее открытую наружную трубу, имеющую закрытую нижнюю часть, расположенную внутри наружной трубы, открытую среднюю трубу, образующую кольцевую полость между внутренней стенкой наружной трубы и наружной стенкой средней трубы и сообщенную с выходным патрубком, предназначенным для выхода электропроводящего материала из указанного устройства, открытую внутреннюю трубу, расположенную внутри средней трубы, магнетик, находящийся между наружной стенкой внутренней трубы и внутренней стенкой средней трубы, входной патрубок для приема электропроводящего материала во внутреннюю трубу, расположенный вблизи верхней части внутренней трубы и сообщающийся с ее отверстием, множество индукционных катушек, расположенных вокруг наружной трубы по всей ее высоте, а также средство для подвода переменного тока на каждую из индукционных катушек для обеспечения принудительного продвижения электропроводящего материала вверх по кольцевой полости на выход под воздействием магнитных сил, действующих на электропроводящий материал и создаваемых соответствующими магнитными полями, возникающими при пропускании переменного тока через каждую индукционную катушку.
2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что средство для подачи переменного тока на каждую из множества индукционных катушек представляет собой источник питания трехфазного тока, каждые две из трех фаз которого с чередующейся положительной и отрицательной фазовой ориентацией имеют возможность последовательного соединения с множеством индукционных катушек, обеспечивающих получение соответствующего шестифазного цикла возникновения магнитных полей, побуждающих электропроводящий материал принудительно продвигаться вверх по указанной кольцевой полости на выход.
3. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что источник питания выполнен с возможностью регулировки выходного напряжения и выходной частоты.
4. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что каждая из указанного множества индукционных катушек представляет собой намагничивающую катушку на каркасе.
