CN219526261U - 一种利用月球钛铁矿原位提氦装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种利用月球钛铁矿原位提氦装置，包括旋转加速器和矿物加工室，所述旋转加速器为旋转电机、柔性辐条和圆筒形旋转框架组成的磨砂球加速装置，所述矿物加工室为进料仓、矿物破碎仓和矿粉储存仓构成的提氦装置主体结构，所述矿物破碎仓与圆筒形转动框架内部相通，磨砂球可在圆筒形旋转框架内部加速后进入矿物加工室，对矿物破碎仓的待加工矿物进行冲击破碎提取氦气，矿物加工室内还包括微波加热装置和氦气收集装置，能够进行微波加热辅助破碎和氦气冷凝收集。本实用新型利用微波加热配合冲击破碎的方式，能够在月球钛铁矿在月球原位环境下提取氦气，克服现有钛铁矿加工技术在月球特殊环境下利用存在的效率低下问题。
Description
技术领域
本实用新型属于月球资源原位加工领域，具体而言，涉及一种利用月球钛铁矿原位提氦装置。
背景技术
月球矿产资源的开发利用是月球探索的重要一步，由于月球没有大气和磁场存在，表面长期受太阳风直接照射，使得月球储藏有大量的氦3资源，预计储量大于100万吨，作为一种安全、清洁、高效的核聚变发电材料，月球氦气可供人类长期开采使用。
月球上的氦气主要存在于钛铁矿中，部分氦气以气泡的形式存在于钛铁矿颗粒表面的玻璃层结构，可以通过矿物磨粉的方式加工获取，另外部分则存在于晶体缺陷中或以固溶体的形式存在，需要通过热处理的方式使其释放。地球重力条件下，能够采用球磨的方式对矿物进行磨粉加工处理，通过球磨机内大质量钢球的抛掷下落对矿物产生冲击，将较大的矿物颗粒加工为矿粉。而在月球微重力环境中，钢球受到的重力作用仅为地球上的六分之一，原本的球磨方式加工效率明显降低，故有必要设计一种利用月球钛铁矿原位提氦方法及装置，在月球环境下实现钛铁矿中氦气的提取，对月球矿产资源进行合理开发利用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于为克服现有技术的缺陷，而提供一种利用月球钛铁矿原位提氦装置。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案，一种利用月球钛铁矿原位提氦装置，其特征在于，包括旋转加速器和矿物加工室，所述旋转加速器为旋转电机、柔性辐条和转动框架组成的磨砂球加速装置；所述矿物加工室为进料仓、矿物破碎仓和矿粉储存仓构成的提氦装置主体结构；所述旋转加速器内部包含1台旋转电机、4根柔性辐条和1个转动框架，所述旋转电机固定在装置外框架上，旋转电机的输出轴通过柔性辐条与转动框架连接，转动框架与装置外框架铰接，也即通过转动副连接；所述转动框架中心为一中空圆筒，中空圆筒外部固定有多个推板，在旋转电机带动下，转动框架加速转动，利用推板推进磨砂球加速；所述矿物破碎仓外壁与转动框架外壁为一体式结构，内部相连通，磨砂球可经转动框架推动加速后进入矿物加工室，对矿物破碎仓的待加工矿物进行冲击破碎。
优选地，所述进料仓和矿物破碎仓左右相邻布置，所述进料仓上方设有进料仓门，内部设有装料推板；所述进料仓门和装料推板两侧均固定有驱动轮，驱动轮安装在移动导轨内部；所述驱动轮内有电机，可带动进料仓门和装料推板沿移动导轨往复运动；所述矿物破碎仓为长条形仓室，外壁两侧设有电磁线圈，所述电磁线圈内部通电后可在矿物破碎仓内部产生与磨砂球运动方向一致或相反的磁场，控制仓内磨砂球运动；所述矿粉储存仓和矿物破碎仓上下相邻设置，二者通过矿物筛网隔开。
优选地，所述矿物加工室中还包括微波加热装置，所述微波加热装置由进料仓微波搅拌器、波导管、矿粉储存仓微波搅拌器、微波磁控管、微波变压器组成；所述波导管有2个，分别与进料仓微波搅拌器和矿粉储存仓微波搅拌器相连接；所述进料仓微波搅拌器紧贴进料仓固定在进料仓的底板位置处，矿粉储存仓微波搅拌器固定在矿粉储存仓的侧壁位置处；进料仓微波搅拌器和矿粉储存仓微波搅拌器可以分别引导微波对进料仓和矿粉储存仓内矿物进行微波辐射。
优选地，所述矿物加工室中还包括氦气收集装置；所述氦气收集装置包括螺杆式气体压缩机、气体冷凝器、膨胀机和液氦收集装置；所述螺杆式气体压缩机通过氦气运输管和矿粉储存仓相连，可吸入矿粉储存仓内的氦气，压缩后输入气体冷凝器中；所述气体冷凝器中装有液氦，可利用液氦对氦气气体进行冷凝。
优选地，所述膨胀机外壁为绝热构造，内部包括第一降温室和第二降温室；所述第一降温室通过高压进气管路和气体冷凝器相连，第二降温室通过液氦输出管路与液氦收集装置相连；所述第一降温室与第二降温室通过气体通道1和气体通道2连通，第二降温室通过排气管路1和排气管路2与装置外部真空环境相连；所述第一降温室内部设有膨胀转子，由膨胀机电机驱动，可旋转带动氦气膨胀；所述第二降温室利用高压氦气与真空环境之间压力差使氦气自发膨胀冷凝。
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。
附图说明
图1为本发明优选实施例剖视结构示意图；
图2为图1中A-A截面结构示意图；
图3为图1中B-B截面结构示意图；
图4为电磁线圈产生磁场方向示意图；
图5为驱动轮和移动导轨示意图；
图6为膨胀机剖面结构示意图；
图7为图6中A-A截面结构示意图；
图中：1外框架、2旋转电机、3柔性辐条、4转动框架、5磨砂球、6进料仓、7进料仓门、8装料推板、9矿物破碎仓、10电磁线圈、11矿物筛网、12矿粉储存仓、13进料仓微波搅拌器、14波导管、15矿粉储存仓微波搅拌器、16微波磁控管、17微波变压器、18气体节流阀、19氦气运输管、20螺杆式气体压缩机、21气体冷凝器、22膨胀机、23液氦输运管路、24液氦储存装置；
6-1驱动轮、6-2移动导轨；
22-1膨胀机电机、22-2高压进气管路、22-3第一降温室、22-4膨胀转子、22-5气体管路1、22-6气体管路2、22-7第二降温室、22-8液氦输出管路、22-7膨胀活塞、22-10排气管路1、22-11排气管路2。
具体实施方式
为了更充分理解本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例对本实用新型的技术方案进一步介绍和说明。
如图1所示，为本发明优选实施例的剖视结构示意图，一种利用月球钛铁矿原位提氦装置，包括旋转加速器和矿物加工室，旋转加速器为旋转电机(2)、柔性辐条(3)和转动框架(4)组成的磨砂球加速装置，矿物加工室为进料仓(6)、矿物破碎仓(9)和矿粉储存仓(12)构成的提氦装置主体结构。所述旋转加速器内部包含1台旋转电机(2)、4根柔性辐条(3)和1个转动框架(4)，旋转电机(2)固定在装置外框架(1)上，旋转电机(2)的输出轴通过柔性辐条(3)与转动框架(4)连接，转动框架(4)与装置外框架(1)铰接，也即通过转动副连接。转动框架(4)中心为一中空圆筒，中空圆筒外部固定有多个推板，在旋转电机(2)带动下，转动框架(4)加速转动，利用推板推进磨砂球(5)加速。如图2所示，矿物破碎仓(9)外壁与转动框架(4)外壁为一体式结构，内部相连通，磨砂球(5)可经转动框架(4)推动加速后进入矿物加工室，对矿物破碎仓(9)的待加工矿物进行冲击破碎。
在上述月球钛铁矿原位提氦装置中，进料仓(6)和矿物破碎仓(9)左右相邻布置，进料仓(6)上方设有进料仓门(7)，内部设有装料推板(8)，进料仓门(7)和装料推板(8)两侧均固定有驱动轮(6-1)。所述驱动轮(6-1)安装在移动导轨(6-2)内部，驱动轮(6-1)内有电机，如图5所示，可带动进料仓门(7)和装料推板(8)沿移动导轨(6-2)往复运动。所述矿物破碎仓(9)为长条形仓室，外壁两侧设有电磁线圈(10)，电磁线圈(10)和矿物破碎仓(9)的相对位置如图2和图3所示。电磁线圈(10)内部通电后可在矿物破碎仓(9)内部产生与磨砂球运动方向一致或相反的磁场，磁场中的磁感线方向如图4所示。矿物加工过程中改变电磁线圈内电流方向可调整磁场方向，破碎矿物时，矿物破碎仓(9)内磁感线方向为旋转加速器指向矿物破碎仓方向，即磨砂球运动方向一致，依靠磁力作用可实现仓内磨砂球(5)的二次提速；矿物破碎完成后，向电磁线圈内通入相反方向的电流，矿物破碎仓(9)内磁感线方向变为矿物破碎仓指向旋转加速器方向，可驱动磨砂球(5)向旋转加速器运动，回收至旋转加速器中用于下次破碎矿物。
另外，矿粉储存仓(12)和矿物破碎仓(9)上下布置，矿物破碎仓(9)在上，矿粉储存仓(12)在下，二者通过矿物筛网(10)隔开，钛铁矿矿物在矿物破碎仓(9)内冲击破碎后为矿粉后可以经过筛网进入矿粉储存仓(12)，而将磨砂球(5)留在矿物破碎仓(9)内。
在上述矿物加工室中，靠近矿物破碎仓(9)和矿粉储存仓(12)位置处设有微波加热装置，由进料仓微波搅拌器(13)、波导管(14)、矿粉储存仓微波搅拌器(15)、微波磁控管(16)、微波变压器(17)组成。其中，波导管(14)有2个，分别与进料仓微波搅拌器(13)和矿粉储存仓微波搅拌器(15)相连接，进料仓微波搅拌器(13)紧贴进料仓设置在进料仓底板位置处，矿粉储存仓微波搅拌器(15)设置在矿粉储存仓(12)侧壁位置处，微波变压器(17)通电后内部输出高压电流，在微波磁控管(16)中转化为微波，微波经由波导管(14)传播至进料仓微波搅拌器(13)和矿粉储存仓微波搅拌器(15)，可以分别引导微波对进料仓(6)和矿粉储存仓(12)内矿物进行微波辐射。对于进料仓(6)内的矿物，微波加热采用9～20kw功率加热1～3min，使钛铁矿内部产生热应力，形成裂纹辅助破碎；对于矿粉储存仓(12)内的矿物，微波加热采用30～40kw功率，持续加热保持矿物温度在650～750℃，辅助提取晶体缺陷中的氦。
在上述微波加热装置下方，还设置有氦气收集装置，氦气收集装置包括螺杆式气体压缩机(20)、气体冷凝器(21)、膨胀机(22)和液氦收集装置，螺杆式气体压缩机(20)通过氦气运输管(19)和矿粉储存仓(12)相连，在加热提取晶体缺陷中的氦气之后，螺杆式气体压缩机(20)可吸入矿粉储存仓(12)内氦气，将其压缩为压力2.5～5MPa的高压气体输入气体冷凝器(21)，气体冷凝器(21)中装有液氦，能够将氦气气体降温至温度-250～-255℃输入膨胀机(22)，膨胀机(22)结构如图6和图7所示。氦气气体进入膨胀机(22)后，在膨胀机(22)内部绝热环境下，首先在第一降温室(22-3)中膨胀转子(22-4)旋转带动作用下膨胀降温，然后经由气体管路1(22-5)进入第二降温室(22-7)中，第二降温室(22-7)与通过排气管路2(22-11)与外部月球真空环境相通，氦气气体进入第二降温室(22-7)后，膨胀活塞(22-7)一侧为高压气体，另一侧为真空环境，在压力差作用下膨胀活塞(22-7)向真空环境侧移动，氦气气体再次发生等熵膨胀，在压力0.5～1MPa条件下温度降低至267.9℃以下，进而转化为液氦，经由氦气输出管路(22-8)流入液氦储存装置(24)中储存。
以上所述仅以实施例来进一步说明本实用新型的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本实用新型的实施方式仅限于此，任何依本实用新型所做的技术延伸或再创造，均受本实用新型的保护。
Claims (5)
1.一种利用月球钛铁矿原位提氦装置，其特征在于，包括旋转加速器和矿物加工室，所述旋转加速器为旋转电机(2)、柔性辐条(3)和转动框架(4)组成的磨砂球加速装置；所述矿物加工室为进料仓(6)、矿物破碎仓(9)和矿粉储存仓(12)构成的提氦装置主体结构；所述旋转加速器内部包含1台旋转电机(2)、4根柔性辐条(3)和1个转动框架(4)，所述旋转电机(2)固定在装置外框架(1)上，旋转电机(2)的输出轴通过柔性辐条(3)与转动框架(4)连接，转动框架(4)与装置外框架(1)铰接，也即通过转动副连接；所述转动框架(4)中心为一中空圆筒，中空圆筒外部固定有多个推板，在旋转电机(2)带动下，转动框架(4)加速转动，利用推板推进磨砂球(5)加速；所述矿物破碎仓(9)外壁与转动框架(4)外壁为一体式结构，内部相连通，磨砂球(5)可经转动框架(4)推动加速后进入矿物加工室，对矿物破碎仓(9)的待加工矿物进行冲击破碎。
2.根据权利要求1所述的利用月球钛铁矿原位提氦装置，其特征在于，所述进料仓(6)和矿物破碎仓(9)左右相邻布置，所述进料仓(6)上方设有进料仓门(7)，内部设有装料推板(8)；所述进料仓门(7)和装料推板(8)两侧均固定有驱动轮(6-1)，驱动轮(6-1)安装在移动导轨(6-2)内部；所述驱动轮(6-1)内有电机，可带动进料仓门(7)和装料推板(8)沿移动导轨(6-2)往复运动；所述矿物破碎仓(9)为长条形仓室，外壁两侧设有电磁线圈(10)，所述电磁线圈(10)内部通电后可在矿物破碎仓(9)内部产生与磨砂球运动方向一致或相反的磁场，控制仓内磨砂球(5)运动；所述矿粉储存仓(12)和矿物破碎仓(9)上下相邻设置，二者通过矿物筛网(11)隔开。
3.根据权利要求2所述的利用月球钛铁矿原位提氦装置，其特征在于，所述矿物加工室中还包括微波加热装置，所述微波加热装置由进料仓微波搅拌器(13)、波导管(14)、矿粉储存仓微波搅拌器(15)、微波磁控管(16)、微波变压器(17)组成；所述波导管(14)有2个，分别与进料仓微波搅拌器(13)和矿粉储存仓微波搅拌器(15)相连接；所述进料仓微波搅拌器(13)紧贴进料仓(6)固定在进料仓(6)的底板位置处，矿粉储存仓微波搅拌器(15)固定在矿粉储存仓(12)的侧壁位置处；进料仓微波搅拌器(13)和矿粉储存仓微波搅拌器(15)可以分别引导微波对进料仓(6)和矿粉储存仓(12)内矿物进行微波辐射。
4.根据权利要求2所述的利用月球钛铁矿原位提氦装置，其特征在于，所述矿物加工室中还包括氦气收集装置；所述氦气收集装置包括螺杆式气体压缩机(20)、气体冷凝器(21)、膨胀机(22)和液氦收集装置；所述螺杆式气体压缩机(20)通过氦气运输管(19)和矿粉储存仓(12)相连，可吸入矿粉储存仓(12)内的氦气，压缩后输入气体冷凝器(21)中；所述气体冷凝器(21)中装有液氦，可利用液氦对氦气气体进行冷凝。
5.根据权利要求4所述的利用月球钛铁矿原位提氦装置，其特征在于，所述膨胀机(22)外壁为绝热构造，内部包括第一降温室(22-3)和第二降温室(22-7)；所述第一降温室(22-3)通过高压进气管路(22-2)和气体冷凝器(21)相连，第二降温室(22-7)通过液氦输出管路(22-8)与液氦收集装置(24)相连；所述第一降温室(22-3)与第二降温室(22-7)通过气体通道1(22-5)和气体通道2(22-6)连通，第二降温室(22-7)通过排气管路1(22-10)和排气管路2(22-11)与装置外部真空环境相连；所述第一降温室(22-3)内部设有膨胀转子(22-4)，由膨胀机电机(22-1)驱动，可旋转带动氦气膨胀；所述第二降温室(22-7)利用高压氦气与真空环境之间压力差使氦气自发膨胀冷凝。
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| CN116281898A (zh) * | 2023-04-07 | 2023-06-23 | 中国矿业大学(北京) | 一种利用月球钛铁矿原位提氦方法及装置 |
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| CN116281898B (zh) * | 2023-04-07 | 2024-04-26 | 中国矿业大学(北京) | 一种利用月球钛铁矿原位提氦方法及装置 |
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