CN102042188A - 低温液氢泵及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低温液氢泵，包括电动机(1)、传动机构(2)、工作缸(3)以及布置在该工作缸(3)内的第一活塞(4)，其特征是，所述电动机(1)为无铁心电动机，所述电动机的定子绕组由环氧材料和铜线圈灌注成形，所述环氧材料在液氢中的收缩率为0.3％至0.5％，使得液氢泵能浸泡在液氢中工作。另外，本发明还提供用低温液氢泵输送液氢的用途。
Description
技术领域
本发明涉及液氢输送技术领域的低温液氢泵，尤其涉及一种能浸没在液氢中工作的一体化低温液氢泵。
背景技术
当前，氢能源作为一种新的能源体系越来越受到人们的关注，贮存、运输与携带氢源是氢能源系统最基本的功能。现在，实现氢能贮运有三种基本的方式，即压缩氢气、贮氢材料吸附氢气、液氢。作为能源体系规模使用氢能源，贮氢密度成为实用化的关键，液氢是目前唯一可以满足未来贮运密度需求的方法。然而，作为氢能源系统，与早期只在航天等领域内使用不同，在使用的过程中对安全性提出了极高的要求。
对于所有的液体系统，液体的传输分配是管理的基本操作，液氢燃料系统中的液氢输运是最基本的操作，最关键的部件是液氢泵。现有技术中，已经研制和使用的液氢泵分为两类，一类是采用气体驱动动力透平，然后再通过动力传动轴连接到泵，从而驱动低温泵工作；另一类是采用电动机驱动的泵。当前采用电动机驱动的泵已十分成熟，不仅性能稳定，并且控制方便。但是，对于带铁心的电动机来说，发热量较大，若直接放置到低温液氢中工作，会导致低温液氢大量蒸发。另外，无铁心电动机的定子绕组需要通过灌注成形，现有技术中的材料的收缩率和铜线的收缩率差异较大，放置在液氢中工作时会使绕组的变形较大，导致电动机不能正常工作。因此，传统的电动机不能直接浸泡在液氢里面工作。
当前，低温液体泵通常配置成驱动部件在室温区，泵本体在低温区，二者之间必须采用密封结构，通常采用的是充气迷宫密封，即利用迷宫形式的结构，在其中通入密封用气体，以防止低温液体沿低温泵的泵轴泄漏到外界环境中。当密封气压力过低时，就会出现液体泄漏；而当密封气压力过高时，将有气体通过迷宫密封泄漏到泵内，引起气蚀。在实际应用中，密封气压力的调节很难保证恰好合适，因此要么压力过低引起泄漏，要么压力过高引起气蚀。对于液氢泵来说，氢的泄漏将引起严重的安全问题，这是传统低温泵的致命弱点。另外，由于传动轴需要附加密封装置，因此传动轴直径较大，并且传统的电机不能在过低的温度下工作，为了保证电机在正常温度下工作，传动轴需要做得很长。因此传统低温泵结构笨重。并且热量会通过传动轴传递给低温液体，漏热损失大。
对于氢系统来说，当前研究和使用的液氢泵均是采用驱动部件放在室温区，泵的本体放置在低温区，它们之间通过动力传动轴连接。但是，这种结构的泵存在两个致命弱点，一是传动轴的动密封结构不能保证氢与外界环境之间的密封，二是动力传动轴必须做得很大，造成结构较大及漏热损失大的缺点。使得这种泵在安全性和效率这两个关键问题上都有着不可逾越的障碍。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足而提供结构紧凑、安全性高并且效率高的液氢泵。
为了实现上述目的，本发明提供一种能浸没在液氢中工作的低温液氢泵，其包括电动机、传动机构、工作缸及布置在工作缸内的第一活塞。为了避免出现涡流损失和磁滞损失并解决发热量较大的问题，本发明的电动机配置成无铁心电动机，这种电动机的定子内无铁磁物质，防止了旋转磁场的磁化损失和涡流损失，并且发热量较小。由于没有铁心槽，电动机的定子绕组由环氧材料和铜线圈灌注成形，其中，该环氧材料在液氢中的收缩率为0.3％至0.5％，该收缩率与铜线圈在液氢中的收缩率非常接近。因此，当电动机浸泡在液氢中时，绕组中的环氧材料和铜线圈在液氢中时不会发生较大的相对变形而卡死电机，结果，这种低温液氢泵能浸没在液氢中工作。
有利的是，电动机在低温环境下运行比室温下运行具有更好的冷却条件，定子绕组所用铜材的电阻率在低温下要比常温下低很多，例如在液氮温度下为常温下的1/10，液氢温度下为常温下的1/100，使得定子绕组的能耗大大降低，提高了电动机的效率。
根据本发明的一个方案，电动机为旋转式电动机，传动机构包括导向缸和与第一活塞相连接的第二活塞，第二活塞通过曲柄连杆机构由电动机驱动。在这里，第二活塞在曲柄连杆机构的带动下在导向缸内进行往复运动，承受侧向力。有利的是，第一活塞和第二活塞通过细长的活塞杆相连接，活塞杆直径为活塞直径的1/10至1/4，优选为活塞直径的1/6，并且两个活塞的中心轴线均被设置成与活塞杆的中心轴线重合。因此，在带动第一活塞在工作缸内往复移动时，第一活塞不承受侧向力，减少了活塞与工作缸壁的磨损，增加了泵的工作寿命。在本发明中，活塞杆的这种小直径设计不仅节省了材料，并且减小了液氢泄漏到外界环境的泄漏量。
根据本发明的另一个方案，电动机为直线电动机，传动机构为与第一活塞相连的活塞杆，电动机驱动活塞杆以带动第一活塞在工作缸内往复运动。
另外，本发明还涉及将上述低温液氢泵用于输送液氢的用途，其中所述低温液氢泵的电动机被浸泡在盛放于一个容器中的液氢中工作。
由于根据本发明的低温液氢泵采用了能够直接浸没在液氢中工作的低温电动机，因此不仅能够避免常规液氢泵的漏热、结构笨重的缺点，并且还能避免发生氢泄露引起的安全问题。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1为根据本发明的一个实施例的低温液氢泵的示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的低温液氢泵的局部剖视图，示出了工作缸和导向缸的配置关系。
具体实施方式
图1为根据本发明的一个实施例的低温液氢泵的整体示意图。从图中可以看出，低温液氢泵包括电动机1、工作缸3、和例如作为传动机构一部分地布置在两者之间的导向缸5，在工作缸3和导向缸5中分别设有第一活塞4和第二活塞6，在两个活塞4、6之间还设有用于连接两者的活塞杆7，其中电动机1通过由曲轴8a和连杆8b构成的曲柄连杆机构8与第二活塞6相连。另外，在工作缸3上设有出口阀9和入口阀10。
有利的是，在本发明中，所采用的电动机1为无铁心电动机，这种电动机的最大特点是定子内无铁磁物质，防止了旋转磁场的磁化损失和涡流损失，并且发热量较小，因此在浸泡于液氢中工作时不会导致大量液氢蒸发。另外，在这类无铁心电动机1中，由于不设置铁心槽，定子绕组需要灌注成形。在现有技术中常用的灌注材料在浸泡于液氢中时会发生收缩，其收缩率远远大于绕组所用铜线的收缩率，结果使定子绕组产生严重的相对变形，电动机不能正常工作，甚至出现卡死。
在根据本发明的低温液氢泵的电动机1中，定子绕组通过一种环氧材料与铜线圈灌注成形，然后以本领域技术人员所熟知的方式被固定在电动机本体上。在本实施例中，所采用的环氧材料为商标名为
的环氧材料，该环氧材料在液氢中的收缩率为0.3％至0.5％，而铜线圈在液氢中的收缩率大约为0.4％，两者在液氢中的收缩率接近，结果，用这种环氧材料和铜线圈灌注而成的定子绕组在浸泡于液氢中时不会发生相对变形，因而可以使电动机1在浸泡于液氢中的状态下工作。电动机和泵本体(如工作缸3等)均能浸没在液氢中的状态下工作，这使得该液氢泵的结构紧凑，并且避免了传统液氢泵密封不严造成的泄漏问题。有利的是，这种环氧材料也适用于银、铝等线圈材料，它们在液氢中的收缩率也很接近铜。
另外，由于根据本发明的电动机1不存在磁滞和涡流损耗且发热量较低，因此可达到较高的效率，这点对于直接浸没在低温液体内工作的低温电动机来说尤其重要，这是因为液氢潜热很小，电动机发热会使液氢大量蒸发。本发明的低温电动机解决了这样的问题。
有利的是，因为是将电动机1布置在液氢低温环境中运行，和传统液氢泵在电动机布置在室温环境中时的运行相比，获得更好的冷却条件。并且电动机1中的铜线圈的电阻率在低温下比常温下低很多，例如液氮温度下约为常温的1/10，液氢温度下约为常温的1/100，使得铜耗大大降低，效率提高。
根据本发明的一个方案，电动机1优选为旋转式电动机。在低温液氢泵运行时，电动机1带动曲轴8a旋转，在连杆8b和第二活塞6通过销11连接(如图2所示)的情况下，曲轴带动连杆8a，驱动第二活塞6在导向缸5中往复运动，承受曲柄连杆机构的侧向力。第一活塞4的运动方向与活塞杆7的轴向平行，第一活塞4不承受侧向力的作用，因此减少了第一活塞与工作缸3侧壁的磨损，进而延长泵的寿命。在运行过程中，第一活塞4在活塞杆7的带动下在工作缸3内往复运动，使入口阀10和出口阀9在压差作用下交替开启和关闭，完成吸液和排液的过程。在这里，活塞杆7采用细长杆，在这里，活塞杆的直径约为活塞直径的1/6，因此大大减少了缸内液氢的泄露量，提高了泵的工作效率。
另外，为了解决侧向力造成的磨损问题，本领域技术人员可以想到用直线电动机代替本实施例中的旋转式电动机，这样可以不设置导向缸，而是直接将直线电动机的主轴与活塞杆7相连接，从而进一步简化液氢泵的结构。
在本发明中，由于电动机1可浸泡于盛装在一个容器中的低温液氢中工作，因此可以将电动机和泵本体(如工作缸3等)集成为一体，整体浸没于低温液氢里工作，仅通过电线与容器外的电源连接，使得低温液氢泵的结构紧凑。另外，由于电线的密封为静密封，和传统的传动轴密封相比，非常容易做到完全密封。
应该理解，以上描述是示范性而非限制性的。对于阅读了以上描述的本领域技术人员而言，除了所给出的例子之外的许多实施例和应用将是显而易见的。本发明的保护范围的确定不应局限于以上描述，而是应该参照后续的权利要求以及应给予这样的权利要求的全部等同、可以预见和想到的全部方案来确定。
Claims (7)
1.一种低温液氢泵，包括电动机(1)、传动机构(2)、工作缸(3)及布置在该工作缸(3)内的第一活塞(4)，其特征是，所述电动机(1)为无铁心电动机，所述电动机的定子绕组由环氧材料和铜线圈灌注成形，所述环氧材料在液氢中的收缩率为0.3％至0.5％。
2.根据权利要求1所述的低温液氢泵，其特征是，所述电动机(1)为旋转式电动机。
3.根据权利要求2所述的低温液氢泵，其特征是，所述传动机构(2)包括导向缸(5)和与所述第一活塞(4)相连接且可移动地设置在该导向缸内的第二活塞(6)、以及用于通过所述电动机(1)驱动该第二活塞的曲柄连杆机构(8)。
4.根据权利要3所述的低温液氢泵，其特征是，第一活塞(4)和第二活塞(6)通过活塞杆(7)相连接，所述活塞杆的直径为所述第一活塞或第二活塞的直径的1/10至1/4。
5.根据权利要求4所述的低温液氢泵，其特征是，第一活塞(4)和第二活塞(6)的中心轴线均与该活塞杆(7)的中心轴线重合。
6.根据权利要求1所述的低温液氢泵，其特征是，所述电动机(1)为直线电动机，所述传动机构(2)包括与第一活塞(4)相连接的活塞杆，该电动机(1)驱动该活塞杆，由此带动第一活塞在所述工作缸(3)内往复运动。
7.一种将根据权利要求1至6之一所述的低温液氢泵用于输送液氢的用途，其特征是，所述低温液氢泵的电动机(1)在浸泡于盛放在一个容器中的液氢中的状态下工作。
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