CN100468928C - 抽吸熔化金属的设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种电磁泵(10)，具有供给部分(40)和磁力抽吸部分(28)，其中在一些例子中，流过供给部分的导电材料的流动方向与磁力抽吸部分中的材料流动方向相反。多线圈(12a-121)缠绕在供给和磁力抽吸部分。磁性材料放置在供给和磁力抽吸部分之间。

Description

抽吸熔化金属的设备及其方法
相关申请交叉引用
本申请要求2003年4月21日申请的美国临时申请60/464,317的权益，特此通过引用组合于此。
技术领域
本发明涉及电磁泵，其通过与磁场相互作用移动导电流体。
背景技术
电磁泵可用于抽吸导电流体，例如导电的熔化的金属组合物。电磁泵的一个优点是流体能受磁感应从而沿管子或管道移动，而不需在管道内使用机械泵元件。
众所周知，电磁泵既可浸没在导电流体的源中，也可连接到导电流体的源，如金属熔炼和/或熔炼保温炉。这样的泵安装方式难于保养和维护。因此需要一种高效且易于维护的电磁泵，其不是整体地连接到导电流体的源。
发明内容
一方面，本发明是一种用于抽吸泵内的导电材料的装置和方法，该泵具有供给部分或空间，以及磁力抽吸部分或空间。在本发明的一个实例中，通过供给部分的材料的流动方向与通过磁力抽吸部分的材料的流动方向相反。多线圈缠绕供给和磁力抽吸部分。电流流过多线圈产生磁场，磁场与放置在供给和磁力抽吸部分之间的磁性材料磁耦合，使得磁场穿过磁力抽吸部分中的导电材料，导电材料实质上垂直于所期望的流动方向。该磁场方向最大化了作用于磁力抽吸部分中的导电材料的磁力大小。
本发明的这些和其他方面将在说明书中阐述。
附图简要说明
结合说明书和权利要求书，附图示出了本发明的一个或多个非限定性的实施方式。本发明不限于所示出的附图的设计和内容。
图1是本发明的电磁泵的一实施例的侧向透视图。
图2是本发明的电磁泵的一侧的正视图。
图3(a)是图2所示的本发明电磁泵通过线A-A的一侧断面图。
图3(b)是图2中所示的本发明电磁泵通过线B-B的顶部断面图。
图3(c)是用在本发明电磁泵的一实施例中的内管、中间管及外管和磁性材料的界面区的局部断面图。
图4(a)是与本发明电磁泵一起使用的感应线圈的电源及功率分配的简化示意图。
图4(b)是与本发明的电磁泵一起使用的感应线圈的电源输出的相分布矢量图。
图5是本发明电磁泵的另一实施例的一侧断面图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的数字代表相同的元件，图中所示是本发明电磁泵的一个实例10，其用于抽吸导电材料熔化的导电金属。在图1中，12个感应线圈(12a到121)，将在下面进一步描述，被多个垂直的磁分路14围绕，磁分路14由分路支撑16固定在适当位置，分路支撑16一端连接在底座18上，另一端连接在磁轭20上。底座18和磁轭20可随意地由磁性材料形成，以提供底部和顶部的磁场约束。本领域所公知的其他分路和外支撑布置可用于代替图1所示的分路和外支撑布置。在本发明的该非限制性实例中，泵入口24和泵出口22由合适的耐热材料加工而成圆筒形。
参考图3(a)，其是图2所示的电磁泵的一侧断面图，可选的绝热体26将感应线圈与泵的内部分隔开，并提供用于熔化的金属的热量保持的装置以使其在泵中保持熔化状态。在本发明的非限定性实例中，绝热体实际上被做成开口的圆筒形状，以底座18和磁轭20为界。在本发明的非限定性实例中，外管28实质上是圆柱形的管子，其具有封闭的圆形底端和开口的顶端，且顶端沿开口有凸缘。外管的凸缘位于磁轭20的顶端。第一封闭装置30位于磁轭20和外管凸缘的上方。第二封闭装置32位于第一封闭装置30的上方。出口22置于第一和第二封闭装置之间。在本发明的非限定性实例中，中间管34实质上是圆筒形的管子，其两端开口且上端沿开口具有凸缘。中间管的凸缘位于第二封闭装置32的凹口中。安排第一和第二封闭装置以形成出口环形空间42，其连接出口22到竖管环形空间44的内部通路，其中竖管环形空间位于中间管34的外壁和外管28的内壁之间。第三封闭装置36位于第二封闭装置32上方。在本发明的非限定性实例中，内管40实质上是底端开口且顶端封闭的圆筒形管子。从图3(c)易见，内管的开口底端的周边与中间管开口底端的周边形成流体密封。磁性材料46放置于内管40的外壁和中间管34的内壁之间的空间内，其将在下面进一步描述。第四封闭装置38位于第三封闭装置36和内管40封闭顶端的上方。入口24位于第三和第四封闭装置之间，其内部通路连接到内管40的内部通路。图3(b)以水平面方式示出了各元件的空间关系。
上述本发明的非限定性实例为泵10的装配和拆卸提供了方便的方法。移除第四封闭装置38即可从泵中取出入口24和内管40。进一步移除第三封闭装置36即可从泵中取出磁性材料46和中间管34。进一步移除第二封闭装置32即可从泵中移除出口22。进一步移除第一封闭装置30即可从泵中移除外管28。
上述本发明的实例为改变入口24和出口22间的角取向提供了一种方便的方法。在特定的安装中，分别连接到入口24和出口22的供给和引出导管(图中没有显示)，对于图1所示的泵10，不可能调整以在出口和入口之间接受180度的角取向(从泵的顶端向下看)。第一封闭装置30和第二封闭装置32可以旋转并被固定在不同于图1所示的位置，以改变入口24到出口22的角取向，这个出口包含在第一和第二封闭装置中。第三封闭装置36和第四封闭装置38可以旋转并被固定在不同于图1所示的位置，以改变出口22到入口24的角取向，这个入口包含在第三和第四封闭装置中。
熔化了的金属按图3(a)中的箭头所示方向流过泵10。熔化的金属通过入口24进入泵，并向下流到内管40的圆筒形内部通路。泵的这一部分称为供给部分。熔化的金属接着由磁力驱动，如下面将进一步描述的那样，上升到竖管环形空间44(磁力抽吸部分)，进入出口环形空间42，最终经过出口22流出泵。在本发明的另一实例中，出口22可直接连接到竖管环形空间44，而不是通过出口环形空间42连接，出口环形空间42形成于中间管34的内壁和第一与第二环形封闭装置的内环形壁之间。外管、中间管和内管均由合适的耐热材料制成，例如陶瓷组合物。一种既可用于浇铸外管、中间管和内管，又可用于浇铸入口24和出口22的非限定类型的陶瓷组合物是硅铝氧氮化物，通常称为硅铝氧氮陶瓷(sialon)。
如上述公开，所施加的磁力可使导电的熔化物流过泵10。图4(a)所示为向感应线圈供电以使熔化的金属借助于磁力而流过泵10。电源48是具有可变输出频率和输出电压的三相输出电源。适当类型的电源是具有脉宽调制输出的固态电源。图4(b)所示为从电源到线圈的六周期连接方案的矢量图，其用于产生磁力，该磁力作用于竖管环形空间44上以推动熔化物沿竖管环形空间向上并通过出口22，从而通过泵10从适当的熔化金属供给源吸出熔化的金属，该熔化金属供给源可以连接到入口24。如原理图和矢量图所示，六周期方案通过以交替的正和负相方向顺序连接三相的每一相而形成。相量+AB之后是相量-BC，相量-BC之后是相量+CA，相量+CA之后是相量-AB，相量-AB之后是相量+BC，相量+BC之后是相量-CA。用于感应线圈12a到12f的六周期连接方案可重复用于感应线圈12g到121。选择六周期连接方案并不是限制性的，但是六周期方案(相邻线圈上的电压有30度的电角度相角)提供较其他方式能更均衡的流动速率，其它方式如三周期方案(相邻线圈上的电压有60度的电角度相角)。由于电源48的输出电压大小直接正比于施加在熔化的金属上的磁力大小，改变电源的输出电压将改变磁提升力和熔化的金属通过泵的流动速率。
在竖管环形空间44中产生的磁力实质上垂直于向上的方向，因为每一个线圈周围产生的磁场与磁性材料46实质上形成磁路，且穿过竖管环形空间中的熔化金属的磁力线基本上是水平方向的。如果热的熔化金属被电磁泵10吸入，则磁性材料46必须具有比流过泵的熔化金属温度更高的居里温度(磁性材料失去其磁性的温度点)。对这些应用必须采用高居里温度的磁性材料。例如，熔化的铝通常可在680℃到800℃的温度范围流过泵。对这一应用磁性材料必须具有至少850℃的居里温度，其为铝熔化物的最高温度加上设计余量。对这一应用，合适类型的高居里温度磁性材料是一类铁钴合金，通常称为帕明杜尔铁钴系高磁导率合金(permendur)。
最好，但不是必需，每一个感应线圈由细线多匝(通常500或更多匝)构成，其通常称为线轴磁线圈，因为它是通过在线轴上绕制细线并在绕完后取出线轴而制成。由于磁场产生的磁力大小直接正比于通过线圈的电流和线圈的匝数，所以采用具有较多匝数的线圈可保证在给定的磁力大小下，要求电源48输出的电流电平较低。
如果流向泵的熔化金属供给源位于入口24的水平线之下，则泵10在初始情况下需要在内管40的内部通路中填充熔化的金属。达成这一目的的方法之一是在出口22加装一个真空泵，从而对泵10内的熔化金属流经通路抽真空，以从连接到入口24的熔化金属供给源吸入熔化的金属。在本发明的另一个例子中，内管40的顶端是开口的，并穿过第四封闭装置38，例如，一个漏斗形的开口，熔化的金属能够注入其中，实现通过填充内管而使泵准备启动。
如果泵10停止使用，泵内不动的熔化金属会在泵的内部流动通路中冷却和“冻结”。为了阻止这一现象发生，用熔化的金属循环清空和填充竖管环形空间44可以电磁方式实现。反转图4(b)中所有相位矢量的方向，将在竖管环形空间44中的熔化金属上产生磁力，其推动熔化的金属向下并通过入口24而回到连接到入口的熔化金属供给源。随后反转所有相位矢量回到如图4(b)所示的方向，将产生磁力，其使在竖管环形空间中的熔化金属上升。在泵停止使用时，熔化金属的这种微动运动将阻止其在泵中冻结。本发明的另一个例子中，如果使用三相电源，循环反向其中两相，例如使用固态开关交换，也能用于实现泵中的熔化物的电磁微动运动。在本发明的又一个实例中，可以在绝热体26和外管28的外壁之间的空间中提供加热介质，如循环的热气体或液体，或者电加热元件。
图5示出了本发明电磁泵的另一实例。在这个实例中，入口24a在泵的底端，熔化的金属直接被电磁泵向上吸入竖管环形空间44，如本发明前面的实例中所描述的那样。在这个特例中，由于熔化的金属不流过内管，内管可以是完全封闭的管或其他内部结构元件，其用作容纳内部结构元件与中间管34之间的磁性材料46的装置。
其他类型的电源和分布安排均包含在本发明的范围之内。例如，使用多个单相电源；每一线圈由单独的电源供电；或者各个电源各自向一组线圈供电。而且，虽然在本发明上述的例子中，内、中间和外管的纵轴是垂直方向的，但是它们的纵轴在不背离本发明范围的情况下，也可以是其他方向。
本发明的实例包括提及具体的电元件。本领域技术人员可以通过替换元件来实施本发明，这些元件不必是相同类型，但是可以产生本发明所希望的条件或实现本发明所希望的结果。例如，单个元件可以被多个元件替代，反之亦然。
前述的例子并不限制在此公开的本发明的范围。本发明的范围将在所附权利要求中进一步阐明。

Claims (14)

1.用于抽吸温度高于680℃的熔化金属的设备，该设备包括：
具有封闭底端的开口外管；
开口中间管布置在外管内以在外管的内壁与中间管的外壁之间形成了环形空间，环形空间的顶部连接出口，用于从设备排出熔化金属；
放置在中间管内的开口内管；
包括帕明杜尔合金的磁性材料，其放置在内管外壁和中间管内壁之间；
用于将熔化金属导入开口内管的入口，入口邻近于开口内管的顶端布置，且与内管的开口连通；
布置在外管的外部周围的多个感应线圈；和
用于向多个感应线圈中的每一个提供交流电流的装置，其使熔化金属借助于磁场施加给熔化金属的磁力而向上通过环形空间和出口，该磁场通过向多个感应线圈的每一个提供交流电流而产生。
2.根据权利要求1所述的设备，其中用于向多个感应线圈中的每一个提供交流电流的装置包括具有三相输出的电源，其中三相中的每两相交变正、负相位方向并顺序连接到多个感应线圈以产生六相周期的磁场，从而推动熔化金属向上通过环形空间和出口。
3.根据权利要求2所述的设备，其中电源具有可变输出电压或输出频率。
4.根据权利要求1所述的设备，其中多个感应线圈中的每一个包括线轴磁线圈。
5.抽吸导电材料的方法，包含步骤：
向开口内管的开口提供导电材料；
将开口中间管插在内管的外围；
将具有封闭底端的开口外管插在中间管的外围，以在中间管和外管之间形成环形空间，环形空间与开口内管中的导电材料连通；
在内管的外壁和中间管的内壁之间放置磁性材料；
用多个感应线圈包围外管的外围；和
对多个感应线圈中的每一个施加交流电流，以使导电材料借助于磁场施加给导电材料的磁力而向上通过环形空间和出口，该磁场由每一感应线圈中的交流电流产生。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括步骤：从三相电源提供交流电流给多个感应线圈中的每一个，其中三相中的每两相交变正、负相位方向并顺序连接到多个感应线圈。
7.抽吸温度高于680℃的熔化金属的方法，包含步骤：
向开口内管中形成的供给空间提供熔化金属；
将开口中间管插在内管的外围；
将具有封闭底端的开口外管插在中间管的外围，以在中间管和外管之间形成磁力抽吸空间，磁力抽吸空间与供给空间连通；
在内管和中间管之间放置磁性材料；
用多个感应线圈包围外管的外围；和
对多个感应线圈中的每一个施加交流电流，以借助于磁场施加给熔化金属的磁力而移动熔化金属通过磁力抽吸空间，其中磁场由每一感应线圈中的交流电流产生，从而驱动供给的熔化金属通过供给空间并进入磁力抽吸空间，且熔化金属在供给空间的流动方向和熔化金属在磁力抽吸空间的流动方向相反。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤：从三相电源提供交流电流给多个感应线圈中的每一个，其中三相中的每两相交变正、负相位方向并顺序连接到多个感应线圈。
9.用于抽吸温度高于680℃的熔化金属的设备，该设备包括：
开口外管，外管底端的开口与入口连通，该入口用于将熔化金属导入开口外管中；
开口中间管布置在外管内以在外管的内壁与中间管的外壁之间形成了环形空间，中间管具有封闭底端，环形空间的顶部连接出口，出口用于从设备排出熔化金属；
放置在中间管内的内管；
包括帕明杜尔合金的磁性材料，其放置在内管外壁和中间管内壁之间；
布置在外管的外部周围的多个感应线圈；和
用于向多个感应线圈中的每一个提供交流电流的装置，其使熔化金属借助于磁场施加给熔化金属的磁力而向上通过环形空间和出口，该磁场通过向多个感应线圈的每一个提供交流电流而产生。
10.根据权利要求9所述的设备，其中用于向多个感应线圈中的每一个提供交流电流的装置包括具有三相输出的电源，其中三相中的每两相交变正、负相位方向并顺序连接到多个感应线圈以产生六相周期的磁场，从而推动熔化金属向上通过环形空间和出口。
11.根据权利要求10所述的设备，其中电源具有可变输出电压或输出频率。
12.根据权利要求9所述的设备，其中多个感应线圈中的每一个包括线轴磁线圈。
13.抽吸温度高于680℃的熔化金属的方法，包含步骤：
向开口外管底部的开口提供熔化金属；
将外管的开口底部与中间管外壁和外管内壁之间形成的环形空间相连；
在内管外壁和中间管内壁之间放置帕明杜尔合金；
用多个感应线圈包围外管的外围；和
对多个感应线圈中的每一个施加交流电流，以使熔化金属借助于磁场施加给熔化金属的磁力而向上通过环形空间和出口，该磁场由每一感应线圈中的交流电流产生。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括步骤：从三相电源提供交流电流给多个感应线圈中的每一个，其中三相中的每两相交变正、负相位方向并顺序连接到多个感应线圈。
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