[发明专利]低温液氢泵及其用途

说明书

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。