CN108028079B

CN108028079B - 气动马达组件，使用该气动马达组件的流动引发系统和操作气动马达组件的方法

Info

Publication number: CN108028079B
Application number: CN201680051407.4A
Authority: CN
Inventors: J·库奇; D·勒布朗
Original assignee: OTTAWA VALLEY RESEARCH ASSOCIATES Ltd
Current assignee: OTTAWA VALLEY RESEARCH ASSOCIATES Ltd
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2036-09-01
Also published as: US20180258829A1; CN108028079A; US11149623B2; JP2018532947A; PL3345189T3; EP3345189A4; WO2017035657A1; KR102635534B1; JP6898326B2; KR20180049021A; EP3345189B1; CA2997293C; CA2997293A1; EP3345189A1

Abstract

一种气动马达组件，其包括由压缩气体驱动的气动马达。气动马达组件具有将气动马达组件磁耦合到工具的磁性组件。在用于驱动气动马达之后，用已膨胀并变冷的气体冷却磁组件。气动马达组件因此能够在磁性组件以其他方式达到或超过磁组件的最大操作温度的温度下使用工具。包括气动马达组件的流动引发系统。一种操作气动马达组件的方法，所述气动马达组件还冷却作为气动马达组件一部分的磁性组件。

Description

气动马达组件，使用该气动马达组件的流动引发系统和操作气动马达组件的方法

技术领域

本发明涉及气动马达组件。更具体地，本发明涉及使用气动马达的流动引发系统(flow inductions system)以及涉及操作气动马达组件的方法。

发明背景

已知在马达和工具(implement)之间使用磁耦合的系统。当温度高于用于磁耦合的磁体的最大操作温度时，这种系统在高温环境下被禁止使用。这是因为在这样的温度下磁体的磁性大大降低。

允许磁体冷却的系统确实存在，但是很复杂并且容易失败。

因此，在马达和工具之间使用磁耦合系统的改进是需要的。

摘要

在一些实施方式中，本发明提供了一种气动马达组件，其包括气动马达和连接到气动马达的磁性组件。气动马达组件还包括与磁性组件热连接的冷却结构。气动马达由压缩气体驱动，在经过气动马达来驱动气动马达之后，压缩气体在冷却磁组件的冷却结构中循环。有利地，在压缩气体进入气动马达组件时，压缩气体将膨胀并经历温度降低，这使得磁性组件和气体之间热传递更好。其他实施方式中，本发明还提供了使用本发明气动马达组件的流动引发系统。这样，通过冷却磁性组件，本发明的气动马达组件和流动引发系统可以在这样的环境下操作，其中由于升高的温度达到包含在磁性组件中的磁体的最大操作温度而反过来被禁止。

在本发明的第一方面中，提供了一种气动马达组件，其包括：被配置为接收气体的气动马达，在气动马达处接收的气体是压缩气体，气体通过气动马达循环，并驱动所述气动马达旋转，所述气动马达还被配置成输出气体，随后气体驱动所述气动马达；连接到气动马达的磁性组件；所述气动马达被配置用于旋转所述磁性组件；以及与磁性组件热连接的冷却结构，该冷却结构被配置用于接收从气动马达输出的气体，在冷却结构处接收的气体通过冷却结构循环，当循环通过气动马达和冷却结构中的至少一个时气体膨胀，气体膨胀导致气体温度的降低以获得冷却的气体，冷却结构将热量从磁性组件传递到在冷却结构中循环的冷却气体。

在本发明的第二方面中，提供了一种感应液体流动的流动引发系统，该流动引发系统包括：配置成接收气体的气动马达，在气动马达处接收的气体是压缩气体，气体通过气动马达循环，并驱动所述气动马达旋转，所述气动马达还被配置用于输出气体，随后，气体驱动所述气动马达；连接到气动马达的磁性组件；所述气动马达被配置为用于旋转所述磁组件，所述轴组件与磁性组件磁耦合，其具有配置为用于浸入液体的流动引发组件，所述磁性组件被配置用于使所述轴组件和所述流动引发组件旋转以感应所述液体中的流动；与磁性组件热连接的冷却结构，该冷却结构被配置成用于接收从气动马达输出的气体；在冷却结构处接收的气体通过冷却结构循环，当循环通过至少一个气动马达和冷却结构，气体膨胀，气体的膨胀导致气体温度降低以获得冷却的气体，冷却结构将热量从磁性组件传递到在冷却结构中循环的冷却气体。

结合附图评述以下对具体实施方式的描述，本发明的其他方面和特征对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。

附图的简要说明

现在将参照附图仅以举例的方式描述本发明的实施方式。

图1A示出了本发明所述的流动引发系统的一种实施方式的正视剖视图(anelevation,cutaway view)。

图1B示出了图1A的流动引发系统的某些元件的底部剖视图。

图1C示出了图1A的流动引发系统的某些元件的侧视图。

图2示出了图1的流动引发系统的顶部剖面透视图。

图3示出了本发明的流动引发系统的另一实施方式的横截面剖视图。

图4示出了图1的流动引发系统的透视图，剖视图和分解图。

图5示出了与导电金属板间隔开的气动马达以及磁性组件的侧视图，其中轴和流动引发组件连接到导电金属板上。

图6示出了可以在本发明的流动引发系统中使用的冷却结构的示例。

图7示出了操作本发明的气动马达组件的方法的示例的流程图。

发明详述

通常，本发明提供了一种气动马达组件，其包括气动马达和连接到气动马达的磁体。这些磁体磁耦合到轴组件，该轴组件在气动马达通电时旋转。气动马达被配置成用于接收向气动马达供电的压缩气体(或更一般地，压缩流体)。气动马达还被配置成引导来自气动马达的压缩气体通过与磁体热接触的夹套(隔室)。夹套通向大气。由于压缩气体为气动马达供电，并通过夹套导入大气，其压力和温度下降。由于夹套与磁体热接触，并且当磁体处于比气体更高的温度时，热量从磁体传递到气体，这使得磁体冷却。本发明的气动马达组件在高温环境下是有利的，在所述高温环境中，磁体经受可达到其最大操作温度的温度，超过该温度磁体的磁力减小。通过冷却磁体，在高温环境下可以保持其磁性。本发明的气动马达组件可以磁耦合到任何合适的工具以旋转工具。该工具可以是如下所述的一种轴组件。

本发明还提供了使用本发明的气动马达组件的流动引发系统。流动引发系统被用于引发液体中的流动。作为例子，液体可以是存在于熔盐核反应堆中的熔盐。

在本发明的上下文中，气动马达应被理解为当由膨胀的压缩流体供电时，做机械功的任何类型的马达。同样在本发明的上下文中，热接触中的元件是可以通过热量过程交换能量的元件。

图1A示出了本发明的流动引发系统20的一个实施方式的正视剖视图。流动引发系统20包括气动马达组件，其包括气动马达22和固定到气动马达的套筒24。套筒24固定有磁体26，磁体26也是气动马达组件的一部分。这样，磁体26连接到气动马达22。如本领域技术人员将理解的，即使磁体26被示出为经由套筒24连接到气动马达22，但是在其他实施方式中它们可以直接连接到气动马达22，而不脱离本发明的范围。各种元件(气动马达、套筒、磁体)之间的连接可以通过任何合适的连接装置实现，比如，例如紧固件，焊料，由元件限定的互相连接的配合构件(interconnecting mating features)等。在其他实施方式中，可能由单独的连接组件，而不是套筒将磁体连接到气动马达。

另外，流动引发系统20包括壳体30和包含在壳体中的轴组件32。套筒24和磁体26围绕壳体30的一部分28(在该实施方式中为顶部)。流动引发系统20还具有围绕气动马达22，套筒24和磁体26的夹套42。夹套42与壳体30热接触。夹套42是冷却结构的一个例子。另一个例子是围绕壳体30的冷却线圈。本文中的其他地方提供了一个这种线圈的例子。夹套42或任何替代的冷却结构是气动马达组件的一部分。

轴组件32包括固定到板38的轴34，其被固定到磁体36，磁体36与磁体26磁耦合。如此，轴组件32与磁体26磁耦合。轴组件32和壳体30的部分28被配置成用来定义磁体36和壳体的部分28之间的间隙(间隔)。气动马达22，套筒24，磁体26和壳体的部分28被配置成用来定义磁体26和壳体的部分28之间的另一个间隙。流动引发系统20还包括流动引发组件52，该流动引发组件52连接到轴32并且被配置成用来泵送(移动，引起流动)放置在流动引发组件52中的流体。在本实施方式中，流动引发组件52包括边界层，盘式流动引发器54，其与轴34连接。

在本实施方式中，气动马达22是边界层盘流式涡轮机。压缩气体沿盘流式涡轮机切向进入圆盘流动轮涡边界层，并在其中心区域离开盘流式涡轮机边界层。在本实施方式中，气体在气动马达22的中央底部区域处离开气动马达22，在气动马达22与壳体30之间形成气垫。从那里，气体在壳体30和磁体26之间向下流动。在其他实施方式中，气动马达组件可被配置成使气体在气动马达的顶部中心区域处离开气动马达。在又一实施方式中，气动马达组件可以配置成使得在气动马达的顶部中心区域和底部中心区域的气体都离开气动马达。

图1B示出了固定到板38以及轴34的气动马达22，套筒24，磁体26，壳体30的部分28，板38，磁体36的底部剖视图。图1B中显示了间隙23。间隙23位于磁体26和部分28之间。图1B中示出了另一个间隙31。间隙31位于部分28和磁体36之间。图1C示出了图1B的气动马达22，套筒24和磁体26的侧视剖视图。

现在如图1A所示，气动马达22由从压缩流体源(未示出)接收的压缩流体(例如压缩气体)供能。当气动马达22通电时，它开始旋转，导致磁体26也旋转。当磁体26磁耦合到轴组件32的磁体36时，磁体36和整个轴组件32也将旋转，从而导致流动引发组件52引起放置在其中的液体的流动。

流动引发系统20包括流体入口40，压缩流体通过流体入口40被接收。压缩流体为气动马达22供能并且从其中流出到围绕壳体30的夹套42中。当压缩流体在其为气动马达22供能时失去压力时，流体的温度降低。夹套42具有出口44，现在处于比在流体入口40处更低的压力和更低的温度的流体被排出。这样，当夹套42中的流体的温度低于与夹套42热接触的泵系统的元件的温度时，这些元件的温度根据所述讨论的流体和元件之间的温差以及这些元件的热传导而降低。在离开出口44时，气体可以被返回到压缩机(未示出)并被重新使用。

在本实施方式中，壳体30还包括将轴组件32保持在壳体内的推力轴承磁体(thrust bearing magnets)。在本实施方式中，壳体30还包括将轴组件32保持在壳体30中央的定心磁体50。所述推力轴承磁体的一个实施例如图4所述并进一步如下所述。

如图1A所示，在本实施方式中，夹套42被配置成用于引导流体向下离开气动马达22(由箭头10表示)，在夹套42的隔板(partition)43和由夹套42围绕的元件之间，例如磁体26和壳体30，其与推力轴承磁体和定心磁体50连接。在隔板43的底端处，流体在隔板43和夹套42的外壁46之间向上(由箭头11表示)流向(流动)。流体随后在出口44处排出。

因此，在流体通过夹套42从气动马达22朝向出口44传播时，被夹套包围的流动引发系统的元件被冷却。例如，磁体26，推力轴承磁体和定心磁体50被冷却。磁体的冷却使得流动引发系统20在高温环境中使用，其中在没有冷却的情况下，各种磁体将看到它们的温度达到或超过它们各自的最大操作温度，从而失去了它们的大部分磁性和能够执行他们设计的功能。

如本领域技术人员将理解的，首先通过经过壳体30(其也可以被称为静电盾牌(static shield))的辐射和对流热传递，然后经过被夹套42冷却的外部磁体26，从而实现内部磁体36的冷却。

图2示出了图1A的流动引发系统20的顶部、剖面透视图。

图3示出了本发明的流动引发系统20的另一个实施方式的横截面剖视图。在该实施例中，流动引发系统20用于感应用作核反应堆堆芯(未示出)中燃料的熔融盐51中的流动。图3中的流动引发组件52浸没在熔融盐中，该熔融盐可以在约800℃的温度下或在任何其他合适的温度下。熔盐的水平在图3中显示为线53。核反应堆堆芯位于仅示出上板60的容器中。上板60上形成有绝热层62，以使容器外部与容器内产生的热量绝缘。图3还示出了气动马达22上方和下方的推力轴承磁体57以及作为流动引发组件52的一部分的流量碗状件(flow bowl)61。

流动引发系统20通过任何合适的手段例如螺栓，焊接等固定到容器上。轴组件32从容器外部延伸到容器内部，穿过流动引发系统的壳体30以及定义在上板60中的开口64。熔盐51的温度和熔盐51与上板60之间区域中的温度可以在约700℃。如果没有在冷却结构(例如，夹套42)中循环的上述冷却气体，整个开口64和壳体30的温度将基本上不低于熔融盐51的温度(约700℃)，对于许多类型的磁体，其高于磁体本身的最大操作温度。表I示出了具有最大操作温度(T_max)和居里温度(T_Curie)的磁性材料的列表，居里温度是材料中的基本磁矩随机化并且材料消磁的温度。

表I

为了防止磁体达到其最大操作温度，可以在50℃的温度下在流体入口40处将压缩气体(例如氮气(N₂))提供给流动引发组件20。膨胀和冷却的气体通过壳体30提取存在于磁体26中和壳体30中的热量，并且在一些实施例中，壳体中的温度可以保持低于300℃，其低于大多数磁体的最大操作温度。循环流动引发组件20的冷却气体在出口44处以例如约为25℃温度排出。如本领域技术人员将理解的，气动马达组件可以被配置成以任何合适的气体，在任何合适的压力下，以及在气动马达组件输入处的任何合适的气体温度下工作。

在一些实施例中，除了热连接到磁组件之外，本实施例的冷却夹套42还热连接到气动马达组件和流动引发系统的外部环境。这样夹套也为这种外部环境提供冷却。

除了氮气之外的压缩气体也可以用于给本发明的流动引发组件供电和冷却。例如，惰性气体例如氩气，氦气，CO 2，空气等，其可以相对便宜且丰富。

在其他实施例中，可以使用压缩液体代替使用压缩气体来驱动和冷却本发明的流动引发系统。这样的液体的例子包括乙二醇，矿物油，去离子水等。在这样的实施方式中，液体将流过液体夹套以从中除去热量。

在进一步的实施例中，相变流体可以用于驱动和冷却本发明的流动引发组件。这种相变流体的实例包括氨，卤烃产物例如二氯二氟甲烷(Freon-12^TM)和氢氟碳化物-它们在进入流体入口40时可以是液体并且迅速膨胀成用于供能和冷却流动引发系统的气体。

在其他实施例中，在使用非相变液体的情况下，将使用液体动力马达来代替气动马达。这种液体动力马达可以包括例如冲动式汽轮机，叶轮液压马达和边界层盘式涡轮机。

在进一步的实施例中，可以使用简单的流体来驱动本发明的流动引发组件。这样的流体还可以通过使流体穿过流动引发组件外部的冷却装置例如散热器中来提供冷却作用，例如在与高温区域热绝缘的相邻腔室中。这种简单流体的例子包括液体金属如铅或钠。其他实施例包括高温传热油，例如用于太阳能接收器或其他熔融盐，包括基于硝酸盐的盐，基于氟化物或氯化物的熔融盐。

图4示出了图3的实施例的透视图，剖视图和分解图。在一些实施例中，如图4所示，壳体30可以具有形成在其中的定心磁体50以及推力轴承磁体57。推力轴承磁体57被配置成与磁体36磁耦合以便将轴组件保持在壳体30中并且与磁体26磁耦合以保持气动马达22(其通过套筒24连接到磁体26)在壳体30上方。如本领域技术人员将理解的，壳体30和轴组件32之间的其他类型的耦合也在本发明的范围内。作为例子，可以使用任何合适的推力球轴承或流体推力轴承。

如本领域技术人员将理解的，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用由压缩流体驱动的任何合适类型的气动马达。这种泵马达可以包括例如盘式流动马达，叶轮液压马达，冲击式汽轮机，反作用涡轮机，特斯拉涡轮机等。

此外，即使气动马达22和轴组件32之间的耦合被示出为磁耦合，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他合适的基于电磁的耦合。这种电磁耦合可以包括具有旋转永磁体的平板的涡流系统，其在与泵轴相连的导电金属板中引起旋转。这样的系统将在两个旋转板之间具有平截面的静态屏蔽件，以提供与本发明类似的密封系统。图5示出了通过套筒24连接到磁组件90的图1C的气动马达22的侧视图。磁组件90邻近于轴94连接的导电金属板92。流动引发组件96连接到轴94。

图6示出了可以在本发明的流动引发系统中使用的冷却结构的另一个示例。图6的冷却结构是线圈110，其被配置用于围绕壳体30，该壳体在该图上与线圈分开示出。线圈110由盘管112制成，膨胀和冷却的气体(或更一般地说，冷却的流体)通过该盘管112循环。气体从线圈输入端114处的气动马达22(图1)输入并且在线圈输出端116输出并且从那里输出到出口44(图1)。盘管112可以由任何合适的材料制成，当被配置为与壳体30热接触时，可以从壳体30提取热量。

尽管图1和图2中所示的流动引发组件52包括边界层，盘流感应件，任何其他合适类型的流动引发件都可以使用，而不脱离本发明的范围。例如，可以使用任何合适的叶轮或螺旋桨。

本发明的泵系统可用于高温环境中，例如在熔融盐核反应堆中，其中泵系统被配置用于泵送熔融盐。

图7是操作本发明的气动马达组件的方法的示例的流程图。在作用200处，气体通过气动马达循环以驱动气动马达旋转。气动马达耦合到工具，使得为气动马达供电将扭矩传递到工具。在作用202处，驱动气动马达的气体被引导至冷却结构，冷却结构热连接至工具。在作用204处，气体通过冷却结构循环。当循环通过气动马达和冷却结构中的至少一个时，气体膨胀。气体的膨胀引起气体温度的降低，这导致气体冷却。在作用206处，热量从工具传递到冷却的气体。

这样，图7的方法涉及用气体为气动马达供电并且使用相同的气体来冷却由气动马达驱动的工具。

在本发明的流动引发系统的情况下，工具可以是图1所示的轴组件32，其连接到气动马达22。

在前面的描述中，为了解释的目的，阐述了许多细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，这些具体细节不是必需的。上述实施例仅意在作为示例。本领域技术人员可以对特定实施例进行改变，修改和变化。权利要求的范围不应受到本文阐述的特定实施例的限制，而是应该以与说明书作为整体来解释。

Claims

1.一种气动马达组件，包括：

气动马达，所述气动马达被配置用于接收气体，在所述气动马达处接收的气体是压缩气体，所述压缩气体通过所述气动马达循环以驱动所述气动马达旋转，所述气动马达进一步被配置在所述压缩气体驱动气动马达之后用于输出所述压缩气体；

连接到所述气动马达的磁性组件，所述气动马达被配置用于旋转所述磁性组件；和

冷却夹套，所述冷却夹套围绕所述气动马达和所述磁性组件，所述冷却夹套具有隔板，所述冷却夹套热连接至所述磁性组件，所述冷却夹套被配置用于接收所述气动马达输出的所述压缩气体，所述冷却夹套处接收的压缩气体通过所述冷却夹套循环，在所述磁性组件和隔板之间向下并且随后在所述隔板和所述冷却夹套的外壁之间向上，在循环通过气动马达和冷却夹套中的至少一个时，所述压缩气体膨胀，压缩气体膨胀引起气体温度降低以获得冷却气体，冷却夹套被配置为将从磁性组件的热量传递到在冷却夹套中循环的冷却气体。

2.根据权利要求1所述的气动马达组件，其中，所述磁性组件为第一磁性组件，所述第一磁性组件被配置用于磁耦合到第二磁性组件以旋转所述第二磁性组件。

3.根据权利要求2所述的气动马达组件，其中，所述第二磁性组件包括金属板，所述第一磁性组件被配置用于在金属板中产生涡流以将所述第一磁性组件磁耦合到所述第二磁性组件。

4.根据权利要求1所述的气动马达组件，其中，所述气动马达是盘流马达，涡轮机和特斯拉涡轮机中的一种。

5.一种引起液体流动的流动引发系统，其特征在于，所述流动引发系统包括：

与所述磁性组件磁耦合的轴组件，所述轴组件具有被配置浸没在液体中的流动引发组件，所述磁性组件被配置用于旋转所述轴组件和所述流动引发组件以引起所述液体中的流动；和

冷却夹套，所述冷却夹套围绕所述气动马达和所述磁性组件，所述冷却夹套具有隔板，所述冷却夹套热连接至所述磁性组件，所述冷却夹套被配置用于接收所述气动马达输出的所述压缩气体，所述冷却夹套处接收的压缩气体通过所述冷却夹套循环，在所述磁性组件和隔板之间向下并且随后在所述隔板和所述冷却夹套的外壁之间向上，在循环通过气动马达和冷却夹套中的至少一个时，所述压缩气体膨胀，压缩气体膨胀引起气体温度降低以获得冷却气体，冷却夹套将从磁性组件的热量传递到在冷却夹套中循环的冷却气体。

6.根据权利要求5所述的流动引发系统，其中，连接到所述气动马达的磁性组件是第一磁性组件，并且所述轴组件包括第二磁性组件，所述第二磁性组件磁耦合到所述第一磁性组件。

7.根据权利要求5所述的流动引发系统，其中，所述轴组件具有导电金属板，并且所述磁性组件被配置用于在所述导电金属板中产生涡流以将所述磁性组件磁耦合到所述轴组件。

8.根据权利要求5所述的流动引发系统，其中，所述气动马达是盘流马达，涡轮机和特斯拉涡轮机中的一种。

9.根据权利要求5所述的流动引发系统，其中所述流动引发组件包括叶轮，螺旋桨和流量板中的一种。

10.根据权利要求5所述的流动引发系统，还包括在所述磁性组件和所述轴组件之间形成的壳体，所述壳体被配置用于容纳至少一部分的所述轴组件。

11.根据权利要求10所述的流动引发系统，还包括固定到所述壳体的推力轴承磁体，所述推力轴承磁体配置为支撑所述轴组件。

12.根据权利要求10所述的流动引发系统，还包括固定到所述壳体的定心磁体，所述定心磁体将所述轴组件定心在所述壳体中。

13.一种操作如权利要求1至4中任一项所述的气动马达组件的方法，其特征在于，所述方法包括：

将气体循环通过气动马达以驱动气动马达旋转，所述气动马达被配置成将扭矩传递至连接至气动马达的工具;

将已驱动气动马达的气体引导至冷却夹套，所述冷却夹套围绕所述气动马达和所述工具，所述冷却夹套具有隔板，所述冷却夹套热连接至所述工具；

使气体循环通过冷却夹套，在所述工具和隔板之间向下并且随后在所述隔板和所述冷却夹套的外壁之间向上，气体在循环通过气动马达和冷却夹套中的至少一个时膨胀，气体膨胀导致气体温度降低以获得冷却气体；和

将热量从工具传递到在冷却夹套中循环的冷却气体。

14.根据权利要求13所述的方法，其中气体循环包括氮气循环。

15.根据权利要求13所述的方法，其中将热量从所述工具向所述冷却夹套中循环的冷却气体传递之后，排放所述冷却气体。