Pompe électromagnétique à fluide conducteur La présente invention concerne une pompe élec tromagnétique à fluide conducteur.
On utilise une pompe électromagnétique à fluide conducteur pour déplacer des métaux fluides con ducteurs qui sont fortement corrosifs. On peut la construire sans le presse-étoupe d'étanchéité qui existe normalement dans les dispositifs de pompage classiques. En outre, la pompe électromagnétique à fluide conducteur ne présente pas de pièces mobiles, et est par conséquent appropriée pour être utilisée avec des fluides corrosifs et à des températures éle vées.
Il existe de façon générale deux types de pompes électromagnétiques à fluide conducteur, et elles sont désignées par pompes du type à conduction et pom pes du type à induction. La pompe qui va être décrite est du type à conduction. Une pompe électromagné tique à fluide conducteur du type à conduction fonc tionne de façon à provoquer un écoulement du fluide conducteur en faisant passer un courant électrique à travers le fluide perpendiculairement à un champ magnétique. Le courant électrique et le champ magnétique créent une force de pompage qui est mutuellement perpendiculaire au champ et au cou rant.
Cette force agissant sur le fluide pour engendrer la pression de pompage est analogue à la force élec tromagnétique agissant sur les conducteurs d'induit des machines électriques rotatives pour engendrer un couple. De ce fait, il est habituel d'appliquer les raisonnements faits à propos des machines électriques du type rotatif par analogie au fonctionnement de la pompe électromagnétique.
Au cours du fonctionnement d'une pompe élec tromagnétique du type à conduction, il se produit un champ magnétique indésirable. Ce champ magné tique est engendré par le courant électrique qui cir cule à travers le fluide conducteur perpendiculaire- ment au champ magnétique destiné à assurer la fonction de pompage. Dans certaines pompes, le champ magnétique indésirable engendré autour du trajet du courant électrique à travers le dispositif est négligé, et ce type de pompe est désigné par pompe non compensée.
Le manque de compensation dans une pompe diminue sévèrement son rendement, et par conséquent, les pompes fabriquées généralement à des fins industrielles nécessitent une certaine forme de compensation.
On a prévu divers moyens pour compenser le champ magnétique engendré autour du courant cir culant à travers le fluide conducteur. Un procédé de compensation consiste à prévoir un second trajet de courant de façon que le courant de pompage passe à travers la conduite contenant un fluide conducteur et soit ramené à travers le circuit magnétique au moyen d'un conducteur extérieur à la conduite de pompage.
Le courant est ramené dans un conduc teur qui est parallèle au courant circulant dans le fluide conducteur et au voisinage de ce dernier, et cette circulation de courant électrique engendre un champ magnétique qui compense le champ magnéti que engendré dans le fluide conducteur adjacent. Cet agencement est assez satisfaisant dans les pompes de grandes dimensions lorsqu'on désire un débit d'un grand nombre de litres par minute, et que l'espace pour le conducteur de retour est disponible.
Toute fois, un inconvénient de ce procédé de compensation réside dans le fait que des ampères-tours d'excitation supplémentaires sont exigés par le plus grand inter valle nécessaire entre les pôles pour recevoir le con ducteur compensateur. Dans le cas des pompes à courant alternatif, l'utilisation d'un conducteur com pensateur implique d'autres complications nécessaires pour éviter une perte excessive en courants de Fou cault. Il existe divers autres procédés de compensa- tion du champ magnétique indésirable, mais ils sont très complexes, coûteux et prennent beaucoup d'es pace.
La théorie du fonctionnement de la pompe telle qu'elle est développée en fonction de la théorie d'une machine électrique rotative, nécessite habituellement qu'aucune partie du circuit magnétique ne soit satu rée. Cette théorie souligne en outre que la pression maximum disponible dans toute pompe à fluide con ducteur à courant continu non compensé est de 10,5 kg/cm2 environ. La même théorie mentionne que la pression disponible dans une pompe du type à conduction à courant alternatif non compensé cor respond sensiblement à la moitié de la pression dis ponible dans une pompe à courant continu.
Cette théorie a été développée par l'un des plus grands experts des pompes à fluide conducteur électroma gnétiques, et a été couramment acceptée comme étant correcte. Toutefois, l'acceptation de cette théorie est devenue contestable, étant donné qu'une petite pompe à fluide conducteur électromagnétique à cou rant alternatif peut fonctionner à des pressions supé rieures à 28 kg/cm2 sans le procédé habituel de com pensation.
La présente invention a pour but de fournir une pompe présentant des moyens de compensation amé liorés. La pompe électromagnétique à fluide conduc teur suivant la présente invention, dans laquelle une conduite à fluide s'étend entre une paire de pôles d'un noyau magnétique, et un fluide conducteur de l'électricité est contraint à s'écouler le long de ladite conduite par le passage d'un courant électrique à tra vers ce fluide dans un sens perpendiculaire à la fois au sens d'écoulement du fluide et au sens du champ magnétique entre les pôles, est caractérisée en ce que,
par rapport au reste du noyau magnétique et au flux qui y règne, les pôles sont tels que, pendant le fonctionnement de la pompe, ils sont à peu près saturés magnétiquement pendant que le reste du noyau magnétique est au-dessous de la saturation.
Des pompes connues et une forme d'exécution de la présente invention, donnée à titre d'exemple, vont être décrites ci-après en regard des dessins an nexés dans lesquels La fig. 1 est une vue en perspective d'une pompe électromagnétique classique à fluide conducteur. La fig. 2 est une coupe transversale schématique suivant la ligne 2-2 de la fig. 1, et représente les trajets du fluide, du champ magnétique, et du cou rant.
La fig. 3 est un graphique de la variation de l'induction à travers le canal de pompage d'une pompe classique à courant continu.
La fig. 4 est un schéma d'une pompe connue dans laquelle les pièces polaires à faible réluctance sont reliées par une culasse saturée.
La fig. 5 est un schéma de la répartition du cou rant et du flux magnétique dans une pompe du type représenté sur la fig. 4. La fig. 6 est un graphique de la variation de l'induction dans le cas de la répartition représentée sur la fig. 5.
La fig. 7 est un graphique de l'induction d'une pompe théorique.
La fig. 8 est un graphique de l'induction d'une pompe classique dont le circuit magnétique s'appro che de l'état théorique.
La fig. 9 est une vue schématique d'une pompe constituant ladite forme d'exécution de la présente invention ; et la fig. 10 est un graphique de l'induction magné tique dans l'entrefer du circuit magnétique de la pompe représentée sur la fig. 9.
Pour débuter, une courte description d'une pompe classique à fluide conducteur représentée sur la fig. 1 aidera à comprendre les principes développés ci-après. La pompe électromagnétique à fluide con ducteur représentée sur la fig. 1 peut être utilisée pour déplacer des fluides tels que du sodium liquide, des mélanges de sodium et de potassium liquides, du potassium liquide, du mercure, et même des fluides moins conducteurs tels que de l'eau salée et des gaz ionisés. Le fluide le plus couramment utilisé est un mélange de sodium et de potassium désigné souvent par NaK.
Cette pompe présente un noyau magnétique 10 en forme de C qui comporte une ouverture ou entre- fer 11. Une bobine d'excitation 12 entoure une partie du noyau magnétique 10 en forme de C et engendre un flux magnétique comme représenté en 13 et désigné par le symbole<B>0.</B> Le flux 13 existe chaque fois qu'un courant<B>If</B> circule dans la bobine 12. Dans l'entrefer 11 se trouve un tube 14.
Ce der nier est constitué maintenant habituellement en un acier de grande résistance, mais dans les construc tions antérieures le tube 14 a été construit en une matière complètement électriquement isolante, telle que de la matière plastique ou du verre. Dans le tube 14 circule un courant 15 de fluide conducteur d'une entrée 16 à une sortie 17. Le tube 14 remplit sensi blement l'entrefer 11 du noyau magnétique 10.
Sur les côtés opposés du tube 14 se trouvent deux électrodes 20. Ces dernières sont fixées exté rieurement aux côtés du tube ou pénètrent dans le tube jusqu'à sa surface interne. Les dimensions de ces électrodes correspondent à la hauteur du tube 14, et à la longueur de l'entrefer 11. On fait passer un courant Ia entre les électrodes 20 de façon qu'il cir cule transversalement à travers le fluide conduc teur contenu dans le tube 14.
A mesure que le courant électrique passe à tra vers le fluide conducteur perpendiculairement au flux magnétique, la combinaison du courant et du flux crée une force dans le fluide conducteur et déplace le fluide le long du tube 14 dans le sens d'écoule ment 15.
Attendu que chaque fois qu'un courant électrique circule, il engendre un flux magnétique qui est sen siblement concentrique au sens de circulation du courant, le courant Ia engendre un flux magnétique qui gêne le flux 13. L'effet produit par ce flux est désigné par réaction d'induit, étant donné qu'il est assez comparable à la réaction d'induit normale qui se produit dans une machine électrique rotative clas sique. Afin d'obtenir une pompe efficace, il est néces saire de prévoir un moyen pour éliminer ou com penser la réaction d'induit engendrée par la circula tion du courant la .
Sur la fig. 2, on a représenté une coupe transver sale horizontale de la pompe de la fig. 1, dans la quelle les électrodes 20 sont représentées comme lon geant les côtés du tube 14. Le flux 0 est représenté de façon classique par des cercles munis d'une croix. On va décrire maintenant l'analogie avec une ma chine électrique, le fluide conducteur contenu dans le tube 14 constituant l'induit de la machine. Le cir cuit magnétique, passant à travers l'entrefer, est com plété par une culasse très perméable.
Cette culasse correspond au noyau magnétique 10 en forme de G, et, aux fins de la présente description, peut être con sidérée comme présentant une perméabilité infinie. La longueur du trajet magnétique à travers l'entrefer perpendiculairement au plan du dessin est désignée par 1B. Le courant d'induit Ia peut être considéré comme étant uniformément réparti le long de la face des électrodes 20, et est représenté par un ensemble de courants partiels la. La somme de la totalité des courants partiels Id est égale au courant d'induit la.
Sur tout trajet magnétique passant à travers un entrefer et autour d'une culasse infiniment perméable, la force magnétomotrice
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résultant d'un courant I passant par ce trajet est égale à la chute de poten tiel magnétique le long du trajet à l'endroit où il croise l'entrefer. Cette chute de potentiel est dési gnée par HIB où H est l'intensité du champ magné tique dans l'entrefer.
Si l'on utilise des formules classiques pour un circuit magnétique, et si la per méabilité de l'air est considérée comme étant sen siblement égale à celle du vide, on obtient la formule suivante pour l'induction B
EMI0003.0021
En considérant les trajets magnétiques passant à travers l'entrefer aux extrémités d'admission et d'évacuation du fluide, il est possible d'écrire l'induc tion magnétique à ces extrémités comme étant res pectivement BI (induction magnétique à l'entrée) et Bo (induction magnétique à la sortie).
Ainsi
EMI0003.0023
Dans une pompe à courant continu, le courant est réparti uniformément le long de l'entrefer et la fig. 3 représente la variation linéaire de l'induction magnétique B sur toute la longueur de l'entrefer. L'augmentation de pression dans une pompe théori que est exprimée normalement
EMI0003.0026
où Bav est l'induction magnétique moyenne le long de l'entrefer.
A partir des équations (2) et (3), on obtient la formule suivante
EMI0003.0028
D'autre part, attendu que B varie linéairement le long de l'entrefer, on a
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En combinant les formules mentionnées ci-dessus, il est possible d'écrire une expression pour la pres sion qui est
EMI0003.0034
On se rend compte que, pour une valeur arbi traire de BI, la pression est la plus grande pour Bo = 0. Ceci est dû au fait que BI-Bo est une mesure du courant d'induit comme représenté par l'équation (4).
On doit noter en outre que pour avoir Bo = 0, il est nécessaire que If = 0 par l'équa tion (3), en d'autres termes, il est nécessaire qu'il n'existe pas d'excitation de champ. Sur la base de l'équation (6) et de la limite arbitraire de 16 000 gauss environ pour BI, on a
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On notera que l'équation (6) dépend de l'équa tion (4), ce qui signifie que le courant d'induit est strictement limité par l'induction maximum admise. Mais ceci n'est vrai que pour le cas théorique d'un trajet de retour infiniment perméable pour le flux de l'entrefer.
Lorsqu'il se produit une saturation sur un trajet de retour ferromagnétique, sa perméabilité diminue, et une partie de la force magnétomotrice régnant autour d'un trajet quelconque à travers l'en- trefer est absorbée par la chute de potentiel magné tique dans la portion ferromagnétique du trajet. L'in duction B ne peut plus être exprimée en fonction de l'entrefer 1B seul comme dans l'équation (1). L'équa tion (4) n'est plus valable, et l'équation (6) perd par conséquent toute signification. En particulier, il n'y a maintenant pas de raison de supprimer l'excitation de champ.
Pour éviter la limitation supposée du rendement qui est basée sur l'interprétation erronée de l'équation (6), il est de pratique courante de neutraliser la réaction de l'induit sur le champ d'ex citation en prévoyant dans l'entrefer des conducteurs compensateurs à travers lesquels le courant d'induit passe en sens inverse et revient au générateur sans former une boucle induisant un champ magnétique dans le circuit magnétique de la pompe. On a décrit les inconvénients de ces moyens, et on va les com parer avec les moyens de compensation qui sont décrits ci-après.
Lorsqu'on tient compte de la saturation du trajet de retour ferromagnétique, les répartitions de flux éventuelles sont beaucoup plus difficiles à analyser. L'approximation la plus facile consiste à examiner deux cas extrêmes, selon celles des parties du trajet de retour qui peuvent se saturer. Dans le premier cas, les pièces polaires à faible réluctance sont reliées par une culasse saturée. Dans le second cas, la satu ration est limitée aux pièces polaires au voisinage immédiat de l'entrefer, reliées par une culasse à faible réluctance.
Le premier cas représente l'utilisation erronée de la saturation, mais sera décrit afin de mieux faire ressortir les particularités essentielles du circuit magnétique correct. Egalement, il se peut que l'examen des effets de saturation de cette façon ait contribué de façon générale à éliminer la saturation.
Le premier cas extrême considéré est représenté par le circuit magnétique de la fig. 4. Ce circuit comprend des pièces polaires à faible réluctance 25 reliées par une culasse étroite saturée 26. Une source de tension E,,. fournit le courant d'induit Id au moyen des conducteurs 27. Le courant Ia est réparti uniformément le long de l'entrefer en cou rants partiels 1,', représentés par des cercles munis de croix 28.
On va considérer d'abord une forme particulière de cette disposition dans laquelle la culasse 26 est entièrement enlevée. Dans ce cas, les seuls trajets de flux disponibles doivent croiser deux fois l'entre- fer comme représenté sur la fig. 5.
Les lignes de flux 29 forment un spectre autour des lignes de cou rant I,,'. Dans le cas particulier où la culasse 26 est enlevée, l'induction magnétique résultante est repré sentée par la fig. 6. Dans ce cas, l'induction varie de l'induction d'admission BI à l'induction de sortie Bo qui présente une valeur égale et opposée à BI. Il en résulte une induction présentant une valeur moyenne égale à 0. Avec une valeur moyenne de 0 pour l'in duction magnétique dans le dispositif de pompage, on n'obtient pas de débit.
On obtient, pour l'induction, la limite opposée à celle de la disposition de la fig. 4 en augmentant la section transversale ou la perméabilité de la culasse, de façon à parvenir à une réluctance prati quement nulle. Tous les trajets passant à travers l'en- trefer trouvent maintenant un court-circuit de retour par l'intermédiaire de la culasse. Chacun de ces tra jets est couplé avec une fraction du courant d'induit Ia qui est proportionnelle à sa distance à partir de de l'extrémité de droite de l'entrefer.
Attendu que le trajet d'extrême gauche qui est couplé avec la totalité du courant Id ne croise maintenant l'entrefer qu'une fois au lieu de deux fois comme sur la fig. 5, l'induc tion à l'extrémité de gauche ou d'entrée BI est double de la valeur représentée sur la fig. 6. Bo à l'extrémité de droite est nul attendu qu'un trajet ne rencontre dans ce cas pas de courant. La fig. 7 représente graphiquement la répartition de l'induction dans l'en- trefer en l'absence du champ d'excitation.
L'induc tion magnétique dans ce cas présente une valeur moyenne correspondant à la moitié de BI. On remar quera que la fig. 7 est la même que la portion de la fig. 3 qui est due à la réaction d'induit.
En revenant au circuit magnétique représenté sur la fig. 4, il est évident que la culasse saturée ne permet qu'à une partie du flux de suivre les trajets qui croisent l'entrefer une fois seulement. La réparti tion ainsi obtenue de l'induction dans l'entrefer est donc intermédiaire entre celles représentées sur les fig. 6 et 7 qui correspondent à des culasses présen tant une réluctance infinie et nulle respectivement. La fig. 8 représente une telle répartition intermédiaire pour le cas d'une réluctance déterminée de la culasse avec des pièces polaires à faible réluctance.
La droite théorique de la fig. 7 peut être suppo sée comme étant la résultante de deux composantes. L'une est la droite symétrique de la fig. 6, qui ne réalise pas le pompage. L'autre est la composante moyenne utile B,,,, que l'on peut supposer être exci tée par une demi-spire du courant d'induit. Il est évident que la saturation d'une culasse telle que celle représentée sur la fig. 4 réalise justement ce qu'il ne faut pas. La composante de flux symétrique qui n'a pas d'effet de pompage n'est pas altérée, mais le flux utile excité par la demi-spire du courant d'induit et par les ampères-tours d'excitation est altéré.
Le second cas extrême de la configuration du flux dans le circuit magnétique de la pompe est le cas de pièces polaires saturées, reliées par une culasse à faible réluctance. Dans cet agencement, les effets de saturation, comme représenté sur les fig. 4 à 8, sont en grande partie inversés. Ceci constitue en fait la base de l'agencement de la forme d'exécution de l'invention qui est représentée sur la fig. 9. Le cir cuit magnétique de cette pompe comprend des pièces polaires effilées 30 situées aux extrémités d'un noyau magnétique 10' en forme de C qui correspond au noyau magnétique de la fig. 1.
On doit noter qu'il n'est pas essentiel en fait d'effiler les pièces polaires 30 comme représenté sur la fig. 9, mais il suffit de prévoir les pièces polaires 30 d'un type qui peut être saturé pendant que le reste du circuit magnétique 10' n'est pas saturé. L'agencement le plus simple con siste à utiliser des pièces polaires effilées, mais on pourrait parvenir au résultat voulu en utilisant pour les pièces polaires une matière différente du reste du circuit magnétique 10', ainsi que par d'autres moyens.
Une induction magnétique qui s'élève au-delà du coude de la courbe de saturation classique peut être obtenue dans les pièces polaires au moyen du courant d'excitation I f seulement. Sur la fig. 9, si un courant I f est appliqué à l'enroulement 12, on obtient un flux magnétique 13 qui saturera plus facilement les pièces polaires 30 que le reste du noyau en fer en raison de la section transversale réduite de ces pièces polaires. Ainsi, si le courant I f est accru au point de saturer les pièces polaires 30, le flux 13 dans le reste du noyau en fer peut être maintenu au voisinage, mais au-dessous, du niveau de saturation de la matière magnétique.
Si on réalise cette condi tion, le courant d'induit Ia, appliqué par l'intermé diaire des électrodes 20 ne peut exciter qu'un faible flux supplémentaire dans les pièces polaires 30, attendu qu'elles -sont déjà sensiblement à saturation. Par suite, la réaction d'induit est en grande partie éliminée, et en outre la plus grande partie de l'effet résiduel est dérivée de la composante utile qui est représentée à la fig. 7 pour le cas d'une culasse à faible réluctance.
Ainsi, le présent agencement fournit une com pensation pour une pompe électromagnétique à fluide conducteur grâce à une construction correcte du circuit magnétique, cette compensation étant supé rieure à celle obtenue avec des moyens de compen sation externes. Par conséquent, il est possible de construire une pompe ramassée dont les dimensions ne sont pas plus grandes que celles d'une pompe complètement non compensée, et il est en outre pos sible de faire fonctionner la pompe dans une large gamme de courants d'induit sans que l'efficacité de la compensation soit sensiblement réduite.
La culasse à faible réluctance fournit des trajets de flux qui ne croisent l'entrefer qu'une fois, comme expliqué en se référant aux fig. 4 et 7. Maintenant, toutefois, la force magnétomotrice du courant d'in duit est en grande partie absorbée par le fer des pièces polaires, qui devient fortement saturé, excepté près de l'extrémité de sortie du fluide conducteur où les lignes de flux ne rencontrent pas de courant d'in duit. On peut se rendre compte de l'induction ainsi obtenue, comme sur la fig. 10, où Bf est l'induction produite par les spires de l'enroulement d'excitation seules parcourues par le courant If.
La courbe ainsi obtenue représente l'induction magnétique résultant de l'effet combiné des courants d'induit et d'excita tion. En supposant une réluctance nulle de la culasse, la courbe Ba -f- B f ne parviendrait jamais au-dessous de la composante Bf, mais en pratique, la courbe Ba -h B f passe légèrement au-dessous de ce niveau attendu que la réluctance de la culasse principale du circuit ne peut pas être entièrement négligée.
La pompe décrite a de nombreux avantages, parmi lesquels celui qu'aucun conducteur de compen sation n'est nécessaire. Ceci facilite les problèmes de construction du canal à fluide qui sont excessivement difficiles dans des pompes de petites dimensions. Ega- lement, attendu que la largeur 1B de l'entrefer ne doit pas être augmentée pour recevoir un conducteur de neutralisation, un moins grand nombre d'ampères- tours d'excitation est nécessaire.
Dans des pompes compensées de façon classique, l'excitation due au courant d'induit est perdue au lieu de donner une induction moyenne utile comme sur les fig. 9 et 10. Le présent agencement est également avantageux en ce sens que les pertes en courants de Foucault qui se produisent dans les conducteurs compensateurs d'une pompe à courant alternatif classique sont évitées.