具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。全文中涉及“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上端”、“下端”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

目前应用于核电领域的液态金属电磁泵普遍采用卧式布局(即在泵送液态金属时，液态金属电磁泵的液流管道沿水平方向布置)的形式。液态金属电磁泵在泵送高温液态金属的工作过程中，时常会发生由于外部铁芯发生高温失磁而导致液态金属电磁泵稳定性差，发生故障。在相关技术中，利用散热风扇对液态金属电磁泵进行强制风冷散热。但反应堆内部环境较为恶劣，使用散热风扇将大幅降低液态金属电磁泵的可靠性。

本申请的发明人在针对上述技术问题对液态金属电磁泵进行改进的过程中发现，卧式布局的液态金属电磁泵通常较为低矮，纵向散热高度有限，很难通过纯自然对流的方式解决散热问题。并且，对于现有技术中卧式安装的液态金属电磁泵，其液流管道的外径通常大于外部与其相连的管道的外径。为匹配接口，需要在液流管道的两端加设渐缩变径管，使得现有技术中的液流管道具有中间粗两头细的结构，然而这种结构使得液流管道同时产生了局部高点和局部低点，因此液流管道底部的液态介质极难排空(积液)，流道顶部气体也容易堆积(积气)，存在积液与积气风险。此外，对于液流管道水平放置的液态金属电磁泵，即使液流管道两端的内径与中间段内径一致，即液流管道的内径均一，那么液流管道底部的液态介质也很难完全排空，流道顶部气体仍会有少量堆积，存在积液与积气风险。鉴于液态金属电磁泵驱动的液态金属通常存在易燃易爆(如钠、钾、铯)或有剧毒(如铅、汞)，积液问题将使液态金属电磁泵的维修更换变成高危作业，积气问题则严重妨害液态金属电磁泵的运行安全。

因此，为至少部分地解决液态金属电磁泵存在的上述问题，本申请的发明人对液态金属电磁泵的结构进行了如下改进。

参见图1至图5，本申请实施例的液态金属电磁泵100可包括：液流管道30和电磁驱动装置。液流管道30沿竖向(即竖直方向)延伸，其内部限定形成上下两端具有开口的通道。在一些实施例中，液流管道30的下端开口作为接收液态金属流入的液流入口，其上端开口作为向外输送液态金属的液流出口。在另一些实施例中，液流管道30的上端开口作为接收液态金属流入的液流入口，其下端开口作为向外输送液态金属的液流出口。

电磁驱动装置用于提供驱动液态金属从液流入口(液流管道30的一端开口)流向液流出口(液流管道30的另一端开口)的电磁力。本申请实施例的液态金属电磁泵100，在使用过程中，通过电磁驱动装置驱动高温的液态金属从液流入口流入液流管道30的通道，并从液流出口向外流出，从而实现对液态金属的泵送作用。

特别地，液流管道30内部通道的内径均匀设置。也就是说，液流管道30的内表面限定形成直径统一的圆筒形通道。本申请实施例通过将液流管道30布置成沿竖向延伸，使得液态金属电磁泵100整体使用立式布局结构，且进一步将液流管道30内的通道设置为内径均匀的直筒型通道，解决了卧式布局的液态金属电磁泵100的积液与积气问题，大幅提升了液态金属电磁泵100维修更换的安全性，提高了液态金属电磁泵100的工作稳定性及长期运行的可靠性。

在一些实施例中，参见图1，电磁驱动装置可包括：设置在液流管道30径向外侧的外部铁芯和多个线圈10。外部铁芯在液流管道30的径向外侧沿竖向(也就是液流管道30的长度方向，或者说轴向)延伸。

外部铁芯沿竖向(也就是外部铁芯的长度方向，或者说轴向)设有多个绕组槽。线圈10套设于液流管道30的径向外侧。每个线圈10设置在外部铁芯的一个绕组槽内。

由于流入液流管道30内的液态金属温度太高，液流管道30通常也具有较高的温度。参见图6和图7，可在外部铁芯与液流管道30之间设置隔热层70，用于减少两者之间的热量传输，以免外部铁芯和线圈10的温度过高。在一些实施例中，隔热层70的材质可为耐高温纳米隔热材料。

线圈10可由表面具有绝缘层的导线沿径向绕制成形状为中空的圆盘形结构。绕组槽和线圈10的数量可为3的整数倍，线圈10采用三角形电路接法，对线圈10通以相位相差120度的变化电流，利用产生的行波磁场作用于液态金属介质，推动液态金属在液流管道30中流动。

特别地，在一些实施例中，参见图1至图4，外部铁芯远离液流管道30的一侧(即径向外侧)设有散热结构22，以增大外部铁芯的散热面积。通过在外部铁芯的径向外侧设置利于热量散发到空气中的散热结构22，可改善自然对流换热的空间条件。

在一些实施例中，散热结构22为自外部铁芯的上端沿竖向向下延伸至外部铁芯的下端的多个散热翅片。也就是说，在外部铁芯整个长度方向上设置多个竖向延伸的散热翅片，从而可显著增加外部铁芯的散热面积并明显改善自然对流换热的空间条件，进一步减少液态金属电磁泵的故障率。通过这样设计，可以在保证外部铁芯的导磁性能不受影响的前提下，仅依靠自然对流即可对外部铁芯进行较为有效的散热。

在一些实施例中，参见图1至图3，外部铁芯包括沿竖向延伸的多个条形铁芯20，这些条形铁芯20在液流管道30的径向外侧沿其周向间隔布置，每个条形铁芯20沿竖向设有多个铁芯开槽21，各条形铁芯20在竖向相同位置处的铁芯开槽21共同组成外部铁芯的一个绕组槽。

在一些实施例中，条形铁芯20的数量可为偶数，偶数个条形铁芯20在液流管道30的径向外侧沿周向均匀分布(即条形铁芯20在液流管道30的径向外侧沿周向等间隔布置)，以便于形成对称的磁场。在图示的实施例中，条形铁芯20的数量为8个，8个条形铁芯20在液流管道30的径向外侧沿周向均匀分布。在其他实施例中，条形铁芯20的数量也可为4个、6个、10个等。

参见图1至图4，在一些实施例中，每个条形铁芯20远离液流管道30的一侧(或者说远离铁芯开槽21的一侧)设有散热结构22，以增大条形铁芯20的散热面积。也就是说，在条形铁芯20的径向外侧表面设有利于热量散发到空气中的散热结构22，由此，通过增加条形铁芯20的散热面积改善自然对流换热的空间条件。

在一些实施例中，条形铁芯20可由无取向硅钢片叠制而成。在一些实施例中，可由在竖向尺寸相同，但在径向上具有两种宽度的硅钢片叠置在一起组成具有散热翅片的条形铁芯20。硅钢片靠近液流管道30的一侧开设有铁芯开槽21，对侧(即远离铁芯开槽21的一侧)通过硅钢片的宽度差异叠制形成散热翅片。具体地，例如可先叠置第一数量的窄硅钢片，接着在这些窄硅钢片上再叠置第二数量的宽硅钢片，然后再叠置第一数量的窄硅钢片，以此类推，直至叠装成一个完整的条形铁芯20。这些窄硅钢片和宽硅钢片共同形成了具有前述散热翅片的条形铁芯20。其中第一数量和第二数量可以相同，也可以不同。在一些实施例中，第一数量和第二数量可在10至20中选取。

参见图5至图11，在一些实施例中，电磁驱动装置还包括：设置在液流管道30的径向内侧的壳体60和设置在壳体60内部的内部铁芯50。

壳体60设置有壳体安装部，以通过壳体安装部竖直地设置在液流管道30的通道内。壳体60内部形成密封腔室，壳体60的外表面与液流管道30的内表面之间形成与上端开口和下端开口连通的供液态金属流通的环形流道(参见图11)。

参见图8和图9，壳体60包括自下向上依次相接的内径渐扩的第一导流段61、内径均匀的套管段63以及内径渐缩的第二导流段62。第一导流段61、套管段63以及第二导流段62彼此焊接，以在壳体60内部形成密闭腔室。由此，使得由壳体60和液流管道30共同构建的环形流道为带导向的渐变环形流道，该环形流道可以尽量减少液态金属的流动阻力，并提升流体空化振动现象对应的流量阈值，大幅提升液态金属电磁泵100驱动高温液态金属尤其是碱金属如钠、钾时的流体稳定性。

参见图6和图8，在一些实施例中，壳体安装部包括多个焊接部65，以通过焊接的方式将壳体60安装在液流管道30的通道内。在一些实施例中，多个焊接部65设置在第二导流段62上。在一些实施例中，焊接部65自第二导流段62朝液流管道30倾斜向上延伸。在另一些实施例中，焊接部65可为沿径向朝液流管道30延伸的凸起。

在一些实施例中，壳体安装部还可包括多个支撑部66，设置在第一导流段61的径向外侧，与液流管道30的内表面滑动配合(或者说间隙配合)。在本申请实施例中，壳体60利用焊接部65与液流管道30的上部焊接固定，利用支撑部66与液流管道30的下部滑动配合，这样的连接方式可避免套管段63受重力及轴向压差载荷作用可能诱发的薄壳屈曲问题，保证了壳体60的运行可靠性。

在替代性实施例中，焊接部65可设置在壳体60的上部，而支撑部66设置在壳体60的中部或下部；或者，焊接部65可设置在壳体60的下部，而支撑部66设置在壳体60的上部或中部。

在一些实施例中，壳体60的密封腔室中还设有内支撑管64和弹性部67。内支撑管64竖向设置在壳体60的密闭腔室中，内部铁芯50紧密地套设在内支撑管64的径向外侧。本领域技术人员容易理解，此处“紧密地套设”意味着内部铁芯50与内支撑管64之间不会发生相对位移，并且内部铁芯50的径向内侧表面与内支撑管64的径向外侧表面紧密接触，从而在内部铁芯50与内支撑管64之间形成良好的热接触。

第一导流段61和第二导流段62可设置用于容纳内支撑管64的凹槽，内支撑管64在安装到第一导流段61和第二导流段62的凹槽中后，可以与第一导流段61和/或第二导流段62之间有一定的间隔。弹性部67设置在内支撑管64的底部，且位于第一导流段61的凹槽内，用于提供向上的弹性力以使内支撑管64的上端与壳体60在不同的温度下均能够接触。这里的接触，应该理解为支撑管64与壳体60能够进行有效的热传导。也就是说，在由温度变化引起壳体60与内支撑管64具有不同的伸缩量时，弹性部67可通过改变其压缩量使内支撑管64与第一导流段61之间一直为紧密接触。在一些实施例中，弹性部67为热补偿弹簧，通过保证内支撑管64与第一导流段61之间的无间隙紧密接触，实现了感应热的有效传递，进而避免了感应热积聚问题。

对于设置在液流管道30内的内部铁芯50，由于其处于密封的壳体60内部，且壳体60位于高温液态金属的内部，难以对内部铁芯50进行有效散热。现有技术通常利用降低液态金属的温度的方式来防止内部铁芯50高温失磁。也就是说，现有技术并未考虑在结构上对内部铁芯50进行改进。而本申请的发明人发现，有时会由于内部铁芯50内部各处的温度不匀，内部热量未能有效导出，引起局部热积聚问题，从而引起内部铁芯50的部分结构高温失磁。

因此，在本申请的一些实施例中，特别地将壳体60内部设置为真空腔室，内部铁芯50竖直地设置在真空腔室中，且内部铁芯50的至少部分外表面与壳体60的径向内表面紧密贴合。通过这样设置，可保证壳体60和内部铁芯50在高温下紧密有效接触，提高热量在内部铁芯50与壳体60之间的传导效率，有利于减少内部铁芯50发生高温失磁。

在一些实施例中，内部铁芯50的所有外表面均与壳体60的径向内表面紧密贴合。也就是说，内部铁芯50的径向外表面和轴向外表面均与壳体60的径向内表面紧密贴合，进一步提高热量在内部铁芯50与壳体60之间的传导效率。

在一些实施例中，内部铁芯50位于套管段63内部。套管段63被配置成：能够在其内外两侧压力差的作用下向内发生形变，以与内部铁芯50的径向外表面紧密贴合，从而提高热量在内部铁芯50与壳体60之间的传导效率。

在一些实施例中，内部铁芯50可由多个硅钢片在内支撑管64的径向外侧沿周向叠制而成。受加工工艺的限制，在一些实施例中，内部铁芯50可由围绕内支撑管64外侧的多个扇形铁芯组成。每个扇形铁芯由多个硅钢片沿周向紧密叠制而成。需要说明的是，内部铁芯50的具体形式不限于此。在其他实施例中，内部铁芯50也可具有本领域常用的其他结构。

参见图1，在一些实施例中，液态金属电磁泵100还可包括：上部安装组件和下部安装组件，分别设置在多个条形铁芯20的上下两端，用于将液流管道30和多个条形铁芯20安装在一起。

上部安装组件和下部安装组件均包括：第一安装部41和第二安装部42。在一些实施例中，第一安装部41和第二安装部42可均由奥氏体不锈钢材质制成。

第一安装部41设有供液流管道30穿过的第一中心孔413，每个条形铁芯20的轴向一端与第一安装部41连接。参见图5至图7，条形铁芯20的上下两端分别设置有一个安装件23，安装件23上开设有安装孔，通过第一紧固件44将条形铁芯20的两端对应安装在上下两个第一安装部41上。

第二安装部42设有供液流管道30穿过的第二中心孔，第二安装部42与液流管道30连接，且在第一安装部41的远离条形铁芯20的一侧与第一安装部41固定连接。

具体地，每个条形铁芯20的上下两端分别与上部安装组件的第一安装部41和下部安装组件的第一安装部41固定连接，从而使条形铁芯20、上下两个第一安装部41组装为一个整体。

对于上部安装组件，其第二安装部42在其第一安装部41的上方通过紧固件45与第一安装部41固定连接。对于下部安装组件，其第二安装部42在其第一安装部41的下方通过紧固件45与第一安装部41固定连接。从而，条形铁芯20、上下两个第一安装部41、上下两个第二安装部42组装为一个整体。

液流管道30的上端依次穿过上部安装组件的第一安装部41的第一中心孔413和第二安装部42的第二中心孔与第二安装部42连接；液流管道30的下端依次穿过下部安装组件的第一安装部41的第一中心孔413和第二安装部42的第二中心孔与第二安装部42连接；从而，液流管道30、条形铁芯20、上下两个第一安装部41、上下两个第二安装部42组装为一个整体。

液流管道30与第一安装部41之间不直接接触，也就是说，液流管道30只是从第一安装部41的第一中心孔413穿过，但与第一中心孔413的周壁并不接触，即液流管道30与第一中心孔413之间有间隙，以防止热量从液流管道30直接传导至第一安装部41，再经由第一安装部41传导至条形铁芯20。

参见图6、图7以及图12，液流管道30包括位于下端的入口段31、位于上端的出口段32以及连接入口段31和出口段32的中部连接段33，其中出口段32设有向外突出的卡持部321。在这样的实施例中，液流管道30的下端开口作为接收液态金属流入的液流入口，其上端开口作为向外输送液态金属的液流出口。

参见图6，当将液流管道30与条形铁芯20、上下两个第一安装部41、上下两个第二安装部42组装为一个整体时，卡持部321位于上部安装组件的第一安装部41的上方，且卡持部321的外径大于第一中心孔413的内径，以通过卡持部321与第一中心孔413的卡接由第一安装部41支承液流管道30。

在一些实施例中，卡持部321与上部安装组件的第二安装部42的第二中心孔相适配，其中卡持部321的径向外表面包括自上向下渐扩的第一斜面，第二中心孔的径向内表面包括自上向下渐缩的第二斜面，从而通过第二斜面和第一斜面的配合将卡持部321与上部安装组件固定。具体地，在利用紧固件45将第二安装部42与第一安装部41固定连接时，第二安装部42的第二斜面将卡持部321夹持在第二安装部42与第一安装部41之间(即与上部安装组件固定)。

在一些实施例中，参见图7和图12，入口段31设有外径大于中部连接段33的限位部311，液流管道30通过限位部311与下部安装组件的第二安装部42的第二中心孔滑动配合(或者说间隙配合)。在这些实施例中，在液流管道30的上部，液流管道30通过卡持部321与上部安装组件固定，在液流管道30的下部，液流管道30通过限位部311与下部安装组件滑动配合；这样的连接方式可避免液流管道30受重力及轴向压差载荷作用可能诱发的薄壳屈曲问题，保证了液流管道30的运行可靠性。

本领域技术人员容易理解，液流管道30的入口段31和出口段32的周壁较厚，分别设置有卡持部321和限位部311用于液流管道30的支撑固定；但入口段31、出口段32以及中部连接段33的内孔均为光滑圆孔且直径一致，无任何变径。

隔热层70被夹持在卡持部321与限位部311之间，由限位部311支撑，以防止隔热层70向下移动。

参见图13和图14，在一些实施例中，第一安装部41的径向外侧设有多个第一散热孔411，其中，每个条形铁芯20的散热结构22在第一安装部41上的投影位于一个第一散热孔411内部。也就是说，每个条形铁芯20的散热结构22的正上方和正下方分别对应第一安装部41的一个第一散热孔411，从而使得第一散热孔411与条形铁芯20的散热结构(如前文所述的散热翅片)共同构建出许多条非常理想的纵向空气流通路径，并且液态金属电磁泵100的立式布局又提供了足够的纵向流动发展空间，这进一步提升了空气自然对流换热的效率，从而极大地提升了液态金属电磁泵100的散热性能。实验表明，与卧式布局的液态金属电磁泵100相比，本申请实施例具有上述第一散热孔411和上述散热结构22的立式布局的液态金属电磁泵100可以使线圈10的温度降低50℃左右，从而可大幅延长液态金属电磁泵100的线圈10的使用寿命。

进一步地，还可在第一安装部41的径向外侧设有多个第二散热孔412，第二散热孔412与第一散热孔411间隔设置，从而进一步提高条形铁芯20的散热效果。如图13和图14所示，多个第一散热孔411在第一安装部41的径向外侧等间隔设置，每个第二散热孔412在两个第一散热孔411的中间设置，从而使第一安装部41和条形铁芯20散热更加均匀。

在一些实施例中，参见图4和图5，第一安装部41与第二安装部42之间还设有隔热垫片43，用于减少两者之间的热量传输。

参见图14，对于下部安装组件，还可在第一安装部41的底部设置多个支脚40，以将液态金属电磁泵100整体向上抬高，从而更有利于对线圈10和条形铁芯20进行散热。

参见图15和图16，在一些实施例中，第二安装部42面对第一安装部41的一侧表面形成有朝第一安装部41凸出的凸起部422，第二安装部42通过凸起部422与第一安装部41接触。从而可尽量减少第二安装部42与第一安装部41的接触面积，尽量减少从第二安装部42向第一安装部41传递热量，以免较多的热量经由第一安装部41向条形铁芯20传递。

在一些实施例中，凸起部422为形成在第二安装部42周缘的环形凸缘。在另一些实施例中，凸起部422为形成在第二安装部42上沿周向间隔设置的多个凸起。

在一些实施例中，凸起部422与第一安装部41的接触表面上设有多个肋条423。第二安装部42通过这些肋条423与第一安装部41相接触，从而进一步减少了第二安装部42与第一安装部41的接触面积。肋条423可沿周向延伸，相邻的两个肋条423之间可形成V型槽。

在一些实施例中，第二安装部42的周向边缘开设有多个安装部开槽421，以弱化径向热梯度引起的热应力。参见图13，第二安装部42利用穿过安装部开槽421的紧固件45与第一安装部41固定连接。本申请实施例通过对第二安装部42的结构进行特别的设计(如凸起部和安装部开槽)，使得第二安装部42具备优异的热适应能力和隔热能力，既可以直接和高温液流管道30紧密配合且不产生大的热应力，从而保证对液流管道30的稳固支撑，又可以有效减轻高温液态金属向外部铁芯和线圈10的热传导，进一步减少了液态金属电磁泵100的故障率。

本领域技术人员容易理解，为了避免第一安装部41与液流管道30发生接触，上部安装组件和下部安装组件的第一安装部41的第一中心孔413的内径大于中部连接段33的外径。上部安装组件和下部安装组件的第一安装部41可具有完全相同的结构。上部安装组件的第二安装部42的第二中心孔由于需要与卡持部321相配合，因此其和下部安装组件的第二安装部42的第二中心孔大小以及形状均不同，但其他结构如安装部开槽421、凸起部422、肋条423均相同。

在组装液态金属电磁泵100时，可先将内部铁芯50安装到外壳60，而后对外壳60抽真空，使其内部为真空环境。然后通过焊接部65将外壳60焊接在液流管道30的通道中。

将上部安装组件的第二安装部42从液流管道30的上端(即出口段32)套设至液流管道30的出口段，与卡持部321相配合，上部安装组件的第一安装部41从液流管道30下端(即入口段31)套设至液流管道30的卡持部321下方，通过紧固件45将第二安装部42和第一安装部41装配。

然后，将线圈10套设在液流管道30的中部连接段33，并通过第一紧固件44将条形铁芯20的上端与上部安装组件的第一安装部41连接。

而后，将下部安装组件的第一安装部41和第二安装部42依次从液流管道30下端套设至液流管道30的入口段31，通过第一紧固件44将第一安装部41与条形铁芯20的下端连接，通过紧固件45将第二安装部42和第一安装部41装配。由此，上部安装组件和下部安装组件、液流管道30(包含壳体60和内部铁芯50)以及条形铁芯20、线圈10共同组装为整体的液态金属电磁泵100。

本申请实施例通过以上方案可显著降低液态金属电磁泵100的故障率，特别适用于同时具有高介质温度和高可靠性要求的特殊应用场景(如核电厂等严苛环境)。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。