CN113217393A - 一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵及冷却方法 - Google Patents

Abstract

一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵及冷却方法，用于解决渣浆泵冷却效率低、冷却耗能高的问题。渣浆泵包括电机壳体、蜗壳、端盖、电机轴、叶轮和蜗壳连接座，电机轴设置在电机壳体的内侧，在电机轴末端固定有叶轮，其特征是，所述电机壳体为双层结构，在电机壳体侧壁内设有沿轴向设置的若干相变材料腔体，在相变材料腔体内设有相变材料、温度传感器和冷却管，冷却管上的冷却管进口和冷却管出口均伸出电机壳体，且冷却管进口和冷却管出口之间设有流道，在流道上设有流量泵、冷却箱、液开关阀和进液开关阀。本发明实现了渣浆泵电机精确区域控温、自适应冷却，降低了冷却能耗，提高冷却效率。

Description

一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵及冷却方法

技术领域

本发明涉及渣浆泵技术领域，具体地说是一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵及冷却方法。

背景技术

渣浆泵作为一种运输固液混合物的特殊离心泵，在煤矿、石化、冶金等行业领域应用广泛。目前，常用的渣浆泵是通过电机、联轴器或者皮带轮等中间传动装置进行驱动，结构复杂、体积庞大、效率低、能耗高。采用永磁同步电机直接驱动负载，避免了传统驱动方式的缺点，大幅提高了机械传动效率。在渣浆泵的运转过程中，驱动电机受时间、功率、负载等因素的影响，会在工作过程中产生大量的热量，进而会导致电机内部永磁体产生磁衰退，进而影响电机驱动性能。

相变蓄热是一种以相变储能材料为基础的高新储能技术，相变储热安全稳定、储热密度高，相变蓄热材料能随温度变化而改变形态并提供潜热，相变材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。

公开号为CN206917864U的中国专利公开了一种渣浆泵及其电机冷却装置，采用鼓风机连接冷却罩的方式对电机进行风冷，该方式增大了渣浆泵所需的工作空间和工作能耗。公开号为CN209228641U的中国专利公开了一种便于散热的渣浆泵，采用多级传动结构，利用风扇对冷却水降温，实现渣浆泵整体结构散热，该渣浆泵零件众多、结构复杂，且该方式只能实现电机和轴承箱的局部散热，冷却效果不佳。

目前渣浆泵冷却原理主要有风冷和水冷两种，冷却方式主要有内置散热孔道、外置散热器两种；水冷方式散热效果较好，但会带来泄露、振动等不利影响；风冷方式较稳定，但需要额外动力持续工作将热量带走，外置冷凝器、风扇散热效率较低，同样都需要额外动力持续工作将热量带走，增加了额外耗能，并且目前的冷却方式通常为循环式整体冷却，无法实现局部精确控温冷却，造成了冷却效率较低。因此，提供一种能实现高效率、低能耗冷却的渣浆泵是本发明所要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵及冷却方法，用于解决渣浆泵冷却效率低、冷却耗能高的问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵，它包括电机壳体、蜗壳、端盖、电机轴、叶轮和蜗壳连接座，端盖设置在电机壳体的第一端，蜗壳通过蜗壳连接座设置在电机壳体的第二端，电机轴设置在电机壳体的内侧，在电机轴末端固定有叶轮，其特征是，所述电机壳体为双层结构，在电机壳体侧壁内设有沿轴向设置的若干相变材料腔体，在相变材料腔体内设有相变材料、温度传感器和冷却管，冷却管上的冷却管进口和冷却管出口均伸出电机壳体，且冷却管进口和冷却管出口之间设有流道，在流道上设有流量泵、冷却箱、出液开关阀和进液开关阀。

进一步地，电机壳体上沿轴向设有至少五个相变材料腔体，相变材料腔体为环状腔体，相变材料腔体内径距电机壳体内径2mm至3mm，相变材料腔体内宽度10mm至15mm，相变材料腔体轴向距离150mm至180mm。

进一步地，相变材料腔体在电机定子轴向安装位置处紧凑设置，该处设置至少三个相变材料腔体，相邻相变材料腔体间距不超过20mm。

进一步地，相变材料采用三水醋酸钠、羟乙基纤维素与羟甲基纤维素钠混合配比，混合材料相变点为48度，密度为1.6g/cm³，潜热为300kJ/kg。

进一步地，冷却管包括冷却螺旋管、设置在冷却螺旋管第一端的冷却管进口、设置在冷却螺旋管第二端的冷却管出口，冷却螺旋管为螺旋形结构，螺距为10mm至15mm，圈数为10至18，螺旋管直径3mm至5mm，冷却螺旋管采用耐腐蚀柔性材质。

进一步地，温度传感器采用接触式温度传感器，量程选择-20℃至80℃，测量位置做耐腐蚀处理。

进一步地，还包括自适应温控系统，自适应温控系统包括温度控制模块和流量控制模块，温度控制模块采集每个相变材料腔体对应温度传感器采集的相变材料温度信息，流量控制模块控制每个相变材料腔体对应的进口流量阀、出口流量阀流量。

一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵的冷却方法，其特征是，它包括以下步骤:

(1)预设冷却温度，根据不同相变材料腔体位置设置不同冷却温度；

(2)通过温度控制模块判断不同相变材料腔体是否需要进行冷却；当所有相变材料腔体温度低于预设冷却温度时，回液开关阀、进液开关阀、流量泵关闭；反之，回液开关阀、进液开关阀、流量泵打开；

(3)流量控制模块根据不同相变材料腔体采用不同的冷却策略；冷却策略包括以下三种策略：

策略一，当温度传感器第一次检测到相变材料温度大于预设冷却温度时，开启进口流量阀、出口流量阀，并开始计时；当60s内相变材料温度小于预设冷却温度时，关闭对应相变材料腔体进口流量阀、出口流量阀，反之采取策略二；

策略二，当60s内相变材料温度大于预设冷却温度，计数器计数一次，流量泵、进口流量阀、出口流量阀流量加大，计时器重置并开始计时；当60s内相变材料温度小于预设冷却温度时，关闭对应相变材料腔体进口流量阀、出口流量阀，反之采取策略三；

策略三，当计数器计数小于等于2时，选择策略二；当计数器计数大于2时，流量泵、进口流量阀、出口流量阀流量全开。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵及冷却方法，(1)将相变材料设置于电机壳体内部，可对电机产热进行自然蓄热、散热，相变材料将电机热吸收转化成潜热过程中，温度保持在相变点不变，可有效控制电机温度，降低能耗，保证电机稳定工作，相变材料可满足该渣浆泵满载正常运行5h所释放的热量，大幅节省冷却消耗能源。

(2)电机壳体根据电机产热规律在电机壳体轴向不同位置分别设有多组相变材料腔体，提高产热源处的冷却能力。

(3)自适应温控系统通过温度控制模块、流量控制模块，针对电机壳体不同相变材料腔体选择不同冷却策略，针对同一相变材料腔体可根据冷却效果选择流量泵流量、流量阀流量，实现了渣浆泵电机精确区域控温、自适应冷却，降低了冷却能耗，提高冷却效率。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明相变材料腔体剖视图；

图3为本发明冷却管结构示意图；

图4为本发明自适应温控系统原理图；

图中：1端盖，2电机壳体，2-1相变材料腔体，2-2传感器安装孔，2-3进液孔，2-4出液孔，3流道，4进口流量阀，5温度传感器，6冷却管，6-1冷却管进口，6-2冷却管出口，6-3冷却螺旋管，7电机轴，8压盖，9蜗壳密封，10蜗壳，11叶轮，12蜗壳连接座，13螺栓，14出口流量阀，15电机绕组，16电机定子，17电机转子，18永磁体，19轴承，20冷却箱，21回液开关阀，22进液开关阀，23流量泵，24自适应温控系统，24-1温度控制模块，24-2流量控制模块。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明主要包括端盖1、电机壳体2、相变材料腔体2-1、流道3、进口流量阀4、温度传感器5、冷却管6、电机轴7、压盖8、蜗壳密9、蜗壳10、叶轮11、蜗壳连接座12、出口流量阀14、电机绕组15、电机定子16、电机转子17、永磁体18、冷却箱20、回液开关阀21、进液开关阀22、流量泵23、自适应温控系统24，下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1至图3所示，电机壳体2为本发明的主体部件，端盖1设置在电机壳体2的端部，电机壳体2为双层结构，电机壳体的侧壁内为相变材料腔体2-1，在电机壳体的外侧壁上设有传感器安装孔2-2、进液孔2-3和出液孔2-4。蜗壳连接座12通过螺栓13固定于电机壳体2上，并在蜗壳连接座与电机壳体之间设有压盖8。电机轴7通过轴承19安装于电机壳体2内部，叶轮11、蜗壳10通过螺栓13与蜗壳连接座12固定。电机轴7上设有电机转子17、永磁体18和电机绕组15，电机定子16设置在电机壳体2上。

冷却管6加工成螺旋状，冷却管包括冷却管进口6-1、冷却管出口6-2和冷却螺旋管6-3，冷却螺旋管为冷却管的主体，冷却管进口和冷却管出口分别位于冷却螺旋管的两端。冷却管设置有多个，且多个冷却管等间距设置在电机壳体内的相变材料腔体2-1内。冷却螺旋管呈螺旋状，螺旋直径为相变材料腔体中心位置直径，螺距为10mm至15mm，圈数为10至18，螺旋管直径3mm至5mm，冷却螺旋管采用耐腐蚀柔性材质。

相变材料置于电机壳体2上的相变材料腔体2-1内，在电机壳体2上沿电机壳体轴向分布有多个相变材料腔体2-1，每个相变材料腔体2-1沿周向中间位置均匀设有二至四个传感器安装孔2-2，顶部中间位置设有一个进液孔2-3，顶部中间位置设有一个进液孔2-3，每个传感器安装孔2-2内设有一个温度传感器5，每个相变材料腔体2-1内设有一个冷却管6，冷却管进口6-1与顶部中间位置进液孔2-3、冷却管出口6-2与低部中间位置进液孔2-4等轴同心设置。在电机壳体的外部设有流道3，每个冷却管进口6-1与流道3中间设有进口流量阀4，每个冷却管出口6-2与流道3中间设有出口流量阀14。冷却管进口6-1、冷却管出口6-2均与流道3连通，在流道上设有冷却箱20、回液开关阀21、进液开关阀22和流量泵23，流量泵抽取冷却箱内的冷却水，冷却水经流道流入冷却管内，进而对相变材料腔体进行降温。开启进液开关阀22、回液开关阀21后，可以使得整个流道打开。电机壳体沿轴向设有至少五个相变材料腔体，相变材料腔体为环状腔体，相变材料腔体内径距电机壳体内径2mm至3mm，相变材料腔体内宽度10mm至15mm，相变材料腔体轴向距离150mm至180mm。相变材料腔体在电机定子轴向安装位置处紧凑设置，该处设置至少三个相变材料腔体，相邻相变材料腔体间距不超过20mm，提高在电机产热源处的冷却效率。相变材料采用三水醋酸钠、羟乙基纤维素与羟甲基纤维素钠混合配比，混合材料相变点为48度，密度为1.6g/cm³，潜热为300kJ/kg。每个相变材料腔体设有一个冷却管。

端盖1设置在电机壳体的第一端，在电机壳体的第二端设有蜗壳10，在蜗壳与电机壳体之间设有蜗壳密封9，以实现两者之间的紧密连接。在蜗壳内侧、电机轴的末端固定有位于蜗壳内侧的叶轮11。

如图4所示，提供一种自适应温控系统24，自适应温控系统24包括温度控制模块24-1和流量控制模块24-2，目的实现电机壳体2不同位置相变材料腔体2-1的温度监控，根据温度传感器5采集的不同位置相变材料腔体2-1的温度信息，流量控制模块24-2针对不同相变材料腔体2-1采用不同的冷却策略。降低了冷却能耗，提高冷却效率。温度控制模块采集每个相变材料腔体对应温度传感器采集的相变材料温度信息，流量控制模块控制每个相变材料腔体对应进口流量阀、出口流量阀流量。温度传感器采用接触式温度传感器，量程选择-20℃至80℃，测量位置做耐腐蚀处理。

根据渣浆泵电机运行要求预设冷却温度，在系统运行时，分布在电机壳体2不同位置的相变材料腔体2-1内的温度传感器5采集对应相变材料腔体2-1内相变材料的温度，将温度信息传递给温度控制模块24-1，通过对比预设冷却温度确定不同相变材料腔体2-1是否需要进行冷却：当所有相变材料腔体2-1内相变材料的温度均小于预设冷却温度时，流量泵23、回液开关阀21、进液开关阀22均关闭；当有一个相变材料腔体2-1内相变材料的温度大于预设冷却温度时，回液开关阀21、进液开关阀22打开，流量泵23打开，流量控制模块24-2选择冷却策略。进液流量阀、出液流量阀采用电磁流量阀。

根据温度传感器5采集的对应相变材料腔体2-1的温度信息，流量控制模块24-2针对相变材料腔体2-1选择冷却策略。当温度传感器5第一次检测到某一相变材料腔体2-1相变材料温度大于预设温度时，选择冷却策略一，对应冷却管进口6-1与流道3中间进口流量阀4、冷却管出口6-2与流道3中间的出口流量阀14打开，对相变材料进行冷却，并且开始计时；当60s内相变材料温度小于预设冷却温度时，对应冷却管进口6-1与流道3中间进口流量阀4、冷却管出口6-2与流道3中间的出口流量阀14关闭；反之，当60s时相变材料温度仍大于预设冷却温度时，选择冷却策略二，计数器增加计数一次，计时器重置重新计时，流量泵增加流量，冷却管进口6-1与流道3中间进口流量阀4、冷却管出口6-2与流道3中间的出口流量阀14进一步打开；当60s内相变材料温度小于预设冷却温度时，对应冷却管进口6-1与流道3中间进口流量阀4、冷却管出口6-2与流道3中间的出口流量阀14关闭；反之，当60s内相变材料温度仍大于预设冷却温度时，选择冷却策略三。当计时器小于等于2时，选择策略二，当计时器大于2时，流量泵23全开，对应冷却管进口6-1与流道3中间进口流量阀4、冷却管出口6-2与流道3中间的出口流量阀14完全打开。自适应温控系统24针对电机壳体2不同相变材料腔体2-1选择不同冷却策略，针对同一相变材料腔体2-1可根据冷却效果选择流量泵23流量、流量阀流量，实现了渣浆泵电机精确区域控温、自适应冷却。

根据自适应温控系统预设冷却温度，对电机壳体内不同相变材料腔体采用不同的冷却方法，进行控温、控区域精确冷却。

步骤一，预设冷却温度，可根据不同相变材料腔体位置设置不同冷却温度。

步骤二，温度控制模块判断不同相变材料腔体是否需要进行冷却。当所有相变材料腔体温度低于预设冷却温度时，回液开关阀、进液开关阀、流量泵关闭；反之，回液开关阀、进液开关阀、流量泵打开。

步骤三，流量控制模块根据不同相变材料腔体采用不同的冷却策略；冷却策略包括以下三种策略：

策略一，当温度传感器第一次检测到相变材料温度大于预设冷却温度时，开启进口流量阀、出口流量阀，并开始计时；当60s内相变材料温度小于预设冷却温度时，关闭对应相变材料腔体进口流量阀、出口流量阀，反之采取策略二；

策略二，当60s内相变材料温度大于预设冷却温度，计数器计数一次，流量泵、进口流量阀、出口流量阀流量加大，计时器重置并开始计时；当60s内相变材料温度小于预设冷却温度时，关闭对应相变材料腔体进口流量阀、出口流量阀，反之采取策略三；

策略三，当计数器计数小于等于2时，选择策略二；当计数器计数大于2时，流量泵、进口流量阀、出口流量阀流量全开。

上述实施例仅仅是对发明的优选实施方式进行的描述，并非对发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩入本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵，它包括电机壳体、蜗壳、端盖、电机轴、叶轮和蜗壳连接座，端盖设置在电机壳体的第一端，蜗壳通过蜗壳连接座设置在电机壳体的第二端，电机轴设置在电机壳体的内侧，在电机轴末端固定有叶轮，其特征是，所述电机壳体为双层结构，在电机壳体侧壁内设有沿轴向设置的若干相变材料腔体，在相变材料腔体内设有相变材料、温度传感器和冷却管，冷却管上的冷却管进口和冷却管出口均伸出电机壳体，且冷却管进口和冷却管出口之间设有流道，在流道上设有流量泵、冷却箱、出液开关阀和进液开关阀。

2.根据权利要求1所述的一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵，其特征是，电机壳体上沿轴向设有至少五个相变材料腔体，相变材料腔体为环状腔体，相变材料腔体内径距电机壳体内径2mm至3mm，相变材料腔体内宽度10mm至15mm，相变材料腔体轴向距离150mm至180mm。

3.根据权利要求1所述的一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵，其特征是，相变材料腔体在电机定子轴向安装位置处紧凑设置，该处设置至少三个相变材料腔体，相邻相变材料腔体间距不超过20mm。

4.根据权利要求1所述的一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵，其特征是，相变材料采用三水醋酸钠、羟乙基纤维素与羟甲基纤维素钠混合配比，混合材料相变点为48度，密度为1.6g/cm³，潜热为300kJ/kg。

5.根据权利要求1所述的一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵，其特征是，冷却管包括冷却螺旋管、设置在冷却螺旋管第一端的冷却管进口、设置在冷却螺旋管第二端的冷却管出口，冷却螺旋管为螺旋形结构，螺距为10mm至15mm，圈数为10至18，螺旋管直径3mm至5mm，冷却螺旋管采用耐腐蚀柔性材质。

6.根据权利要求1所述的一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵，其特征是，温度传感器采用接触式温度传感器，量程选择-20℃至80℃，测量位置做耐腐蚀处理。

7.根据权利要求1所述的一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵，其特征是，还包括自适应温控系统，自适应温控系统包括温度控制模块和流量控制模块，温度控制模块采集每个相变材料腔体对应温度传感器采集的相变材料温度信息，流量控制模块控制每个相变材料腔体对应的进口流量阀、出口流量阀流量。

8.一种自适应相变冷却式永磁直驱渣浆泵的冷却方法，其特征是，它包括以下步骤:

(1)预设冷却温度，根据不同相变材料腔体位置设置不同冷却温度；

(2)通过温度控制模块判断不同相变材料腔体是否需要进行冷却；当所有相变材料腔体温度低于预设冷却温度时，回液开关阀、进液开关阀、流量泵关闭；反之，回液开关阀、进液开关阀、流量泵打开；

(3)流量控制模块根据不同相变材料腔体采用不同的冷却策略；冷却策略包括以下三种策略：

策略一，当温度传感器第一次检测到相变材料温度大于预设冷却温度时，开启进口流量阀、出口流量阀，并开始计时；当60s内相变材料温度小于预设冷却温度时，关闭对应相变材料腔体进口流量阀、出口流量阀，反之采取策略二；

策略二，当60s内相变材料温度大于预设冷却温度，计数器计数一次，流量泵、进口流量阀、出口流量阀流量加大，计时器重置并开始计时；当60s内相变材料温度小于预设冷却温度时，关闭对应相变材料腔体进口流量阀、出口流量阀，反之采取策略三；

策略三，当计数器计数小于等于2时，选择策略二；当计数器计数大于2时，流量泵、进口流量阀、出口流量阀流量全开。

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