JPH0681485B2 - 磁束収束型強磁場電磁ポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パイプの周囲から電磁
的に推力を加えてパイプ内の熔融金属を輸動する電磁ポ
ンプ、特に、多相交流励磁コイルにより、コイル層間の
金属板に発生した渦電流による誘起磁束およびコイル外
周の磁性枠体に誘起した磁束をともにパイプ内に収束し
て形成した進行磁界によって熔融金属を強力に輸動し得
る磁束収束型強磁場電磁ポンプに関し、特に金属板の中
心部に集中する渦電流を軸方向に分散させて局部的な過
熱を防ぎ、印加電圧、有効磁束および推進出力を増大さ
せ得るようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高温熔融金属の輸動に関しては、
各国で非常に力を入れており、特に次世代のエネルギー
源として注目されている高速増殖炉の冷却材としての熔
融ナトリウム循環用ポンプとするに適した大容量の電磁
誘導型ポンプの開発は、高速増殖炉の実用化を目前にし
て緊急な研究課題とされており、各先進国においては、
国家的事業としてその研究が進められている。

【０００３】しかしながら、従来方式によるリニア・イ
ンダクション型電磁ポンプは、輸動管内の進行磁界の磁
束密度が低く、吐出量が不十分であるために、大容量の
電磁ポンプとして使用することが困難であり、新たな方
式による電磁ポンプの開発が国際的に望まれていた。

【０００４】すなわち、熔融炉から流れ出た高温熔融金
属の輸送や、特に、高速増殖炉冷却材としての高温熔融
ナトリウム循環に用いるポンプとして、通常の回転羽根
式の機械式ポンプは、長期の連続使用の場合に安全性に
関してやや問題があり、現状ではリニア・インダクショ
ン型電磁ポンプが最も適しているとされ、種々の方式に
よるリニア・インダクション型電磁ポンプが開発され
て、小容量の電磁ポンプはすでに実用されている。しか
しながら、従来方式によるリニア・インダクション型電
磁ポンプは、輸動管内における進行磁界の磁束密度がや
や低く、最高でも3000ガスス程度であり、したがって、
十分な推力が得られず、吐出量が不足して、大容量の電
磁ポンプの製作が困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そのため、本発明者
は、先に、特願平２−５６３３１号明細書により「磁束
収束型電磁ポンプ」を提案し、従来方式の電磁ポンプに
比して熔融金属輸動の特性を飛躍的に向上させた電磁ポ
ンプを開発したが、この電磁ポンプも大容量用として使
用する場合に、特性上にやや問題があり、その問題を解
決して一層の特性改善をする必要があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、上述し
た従来の課題を解決し、先に開発した磁束収束型電磁ポ
ンプの特性を一層改善して十分に大容量の電磁ポンプを
提供することにある。

【０００７】本発明の他の目的は、構造が簡単で効率が
よく、吐出量の大きい強力な高温熔融金属輸動用電磁ポ
ンプ、例えば、熔融炉から取出した熔融金属、特に、高
速増殖炉中の多量の熱交換用ナトリウムの輸動・循環用
とするに好適な大容量の誘導型電磁ポンプを提供するこ
とにある。

【０００８】本発明のさらに他の目的は、従来開発さ
れ、使用されている電磁ポンプは、誘起した進行磁界の
磁束密度が低く、したがって、十分な推力および十分な
吐出量か得られず、比較的小容量の電磁ポンプとしての
み使用されていたのを飛躍的に改善した磁束収束型電磁
ポンプをさらに改良してその特徴を活かした高効率・大
容量の新たな大型電磁ポンプを提供することにある。

【０００９】本発明は、渦巻状励磁コイルと半径方向に
スリットを設けた導体円板とを交互に積層し、その周囲
を成層鉄心などの磁性枠体で囲み、導体円板の中心ホー
ル内を連通して非磁性材パイプを配設した構成の磁束収
束型電磁ポンプについて、導体円板の中心ホールの周辺
部を厚くし、その半径断面形状をＴ字形にするととも
に、中心ホールおよびこれを連通する非磁性材パイプの
直径を大きくしてその内部に別の直径の小さい非磁性材
パイプを配設して二重構造のパイプとし、その二重管構
造のギャップ内に輸動すべき熔融金属を導くとともに、
内側パイプの内部に誘起した進行磁界の磁束を高密度に
収束させるための部材、例えば棒状磁性材、あるいは、
外側パイプの周囲に位置した渦巻状コイル、中心部を厚
くして半径断面形状をＴ字形にした導体円板および磁性
体に対し、それぞれ対応させた渦巻状コイルおよび磁性
枠体などを配置したものであり、二重構造パイプのギャ
ップ内における磁束の局部集中を防いで磁束密度を均一
に増大させ得るようにしたものである。

【００１０】すなわち、本発明磁束収束型強磁場電磁ポ
ンプは、互いに同軸状に係合するとともに同一極性に巻
回した複数層の励磁コイルと、当該励磁コイルの各層間
に介在して外周縁に通ずる半径方向のスリットをそれぞ
れ具えるとともに中心部において前記スリットおよび相
互に同軸状に連通するホールを共有する複数層の導体円
板と、前記励磁コイルおよび前記導体円板の縦断面外周
を囲んで前記ホールを介し磁気閉回路をなすほぼＵ字形
の磁性枠体とを備えて単位の磁束発生素子を構成し、複
数単位の当該磁束発生素子を前記ホールの軸方向に密接
配置し、前記励磁コイルの多相交流通電に応じ、前記導
体円板に生ずる渦電流を前記スリットに沿い前記ホール
の周囲に集中させて順次に連通した当該ホール内に軸方
向に進行する進行磁束を発生させるとともに、前記磁性
枠体がなす磁気閉回路に発生した進行磁束を前記ホール
内の前記進行磁束に同相に重畳させ、順次に連通した前
記ホール内を貫通する非磁性材パイプ内に順次に前記磁
気閉回路の一部をなす磁束集中部材を同軸状に配設して
互いに同相に重畳した前記進行磁束を収束することによ
り、前記非磁性材パイプ内の熔融金属に軸方向の推力を
加える磁束収束形電磁ポンプにおいて、前記導体円板の
中心部の厚さを増大させて半径断面形状がほぼＴ字形を
なすようにしたことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】したがって、本発明によれば、スリットを設け
た導体円板と渦巻状コイルとを多数交互に積層して磁性
枠体で囲み、多相交流通電による渦電流の集中によって
導体円板の中心ホール内に高磁束密度の進行磁界を発生
させるようにして、従来方式のアニュアル・インダクシ
ョン型電磁ポンプに比して特性を飛躍的に改善した本発
明者の先の提案に係る磁束収束型電磁ポンプにおける導
体円板の中心部を厚くすることによって、集中した渦電
流を軸方向に分散させるので、局部的な過熱を防ぎ、印
加電圧、有効磁束、推進出力を増大させて熔融金属輸動
の効率および特性を一層向上させることができる。

【００１２】すなわち、本発明によれば、渦電流発生用
導体円板の高温熔融金属輸動用パイプに接する部分の半
径断面形状をＴ字形にすることにより、その部分に集中
して流れる渦電流による局部的な過熱を防ぎ、損失を軽
減し、印加電圧を高くして推進出力の増大を可能にする
ことができ、さらに、漏洩磁束を減少させて二重パイプ
のギャップ内における有効磁束、すなわち、半径方向の
磁束が増加して熔融金属に作用する軸方向の推力が増大
し、その結果、高温熔融金属輸動用、磁気鋳造用、高速
増殖炉冷却材ナトリウム循環用、磁気加速機用等とする
に好適な大型電磁ポンプを実現することができる。

【００１３】なお、かかる本発明の作用効果は、熔融金
属輸動パイプ内の磁束集中部材を棒状磁性体とした比較
的小容量のもののみならず、能動的に作用する磁束集中
部材を用いた大容量のものについても全く同様に得られ
る。

【００１４】

【実施例】以下に図面を参照して実施例につき本発明を
詳細に説明する。

【００１５】まず、本発明者が先に提案した本発明によ
る改良の対象とする「磁束収束型電磁ポンプ」の側断面
図を図１に示し、縦断面図を図２に示してその概略構成
を説明する。

【００１６】図１は、渦巻状励磁コイル１と導体円板２
との境界における軸に直角の側断面を示し、図２は軸を
含む縦断面を示すが、図示の構成においては、図３に示
すように渦巻状に巻回した励磁コイル１と、図４に示す
ように中心部のホール３から外周に達する半径方向のス
リット４を設けた渦電流発生用の導体円板２とを多数交
互に密着積層し、あるいは、図２に示すように導体円板
２を一対の励磁コイル１により挟んだ各組の単位素子を
離間配列し、その外周を成層鉄板などからなるＵ字形の
磁性枠体６により半径方向に軸対称に囲み、各導体円板
２の中心ホール３を連通して非磁性金属製のパイプ７を
配置し、そのパイプ７内に成層鉄心などからなる棒状磁
性体の磁心８を設け、パイプ７と棒状磁心８との間のギ
ャップ９に熔融金属を導くようにしてある。

【００１７】上述の構成において各単位素子をなす渦巻
状励磁コイル１を適切に同一極性に順次に接続して例え
ば３相交流電圧を印加すると、導体円板２に発生して中
心部に集中する渦電流により誘起した軸方向の進行磁界
がギャップ９内に生じ、その結果、ギャップ９内の熔融
金属中に渦電流が流れて推力が生じ、熔融金属に作用し
て軸方向に輸動し、電磁ポンプとして作用する。かかる
構成による従来提案の磁束収束型電磁ポンプの外観を一
部破断して図５に示す。

【００１８】本発明は、かかる構成の磁束収束型電磁ポ
ンプにおける導体円板の形状、特にその中心部の形状を
変えることによって特性を一層改善するとともに、熔融
金属輸動用非磁性材パイプを二重構造にし、内側パイプ
内に外側パイプの外周に沿って配置してある各単位素子
に対し、それぞれ対応させた同様の各単位素子を配置
し、内外両パイプ間のギャップ内に均一に分布した高磁
束密度の進行磁界が発生するようにしたものである。

【００１９】かかる本発明磁束収束型強磁場電磁ポンプ
の第１の構成例における導体円板２の正面図および断面
図を図６に示す。図示の導体円板２は、中心ホール３の
周辺部10の厚味を他の部分より格段に厚くし、半径断面
形状がほぼＴ字形をなすように構成したものてあり、か
かる形状の導体円板２の両側に図７に示すように中心部
の空所を上述の周辺部10よりやや大きくした渦巻状励磁
コイル１を、図８の縦断面図および図10の斜視外観図に
示すように組合わせて単位素子を構成する。

【００２０】なお、図９には、かかる構成の図１と同様
の側断面を示すが、これら各図から判るように、本発明
強磁場電磁ポンプの第１の構成例においては、上述した
単位素子を多数軸方向に配置し、その外周を図８に示す
ように歯部11と凹所12とを各単位素子毎に備えた成層鉄
心などからなる磁性枠体６によりそれぞれ半径方向に囲
み、各導体円板２の中心ホール３を連通して配置した非
磁性金属パイプ７の内部に強磁性材よりなる棒状磁心８
を同軸に配設し、パイプ７と棒状磁心８との間のギャッ
プ９に熔融金属を導く。

【００２１】かかる構成において、各単位素子をなす渦
巻状励磁コイル１を適切に縦続接続して両端に３相交流
電圧を印加すると、ギャップ９内に均一に分布した高磁
束密度の進行磁界が発生し、その結果、ギャップ９内の
熔融金属中に生じた渦電流と進行磁界との相互作用によ
り軸方向の強い推力が発生し、熔融金属を輸動する電磁
ポンプとして作用する。

【００２２】つぎに、本発明磁束収束型強磁場電磁ポン
プの第２の構成例について、図８と同様の縦断面図を図
11に示し、側面図および側断面図を組合わせて、単位素
子の断面図とともに図12に示す。図示の構成例は、本発
明強磁場電磁ポンプを大容量用に適用し得るようにした
ものであり、非磁性材パイプ７の直径を８図示の構成例
に比して格段に大きくするとともに、その中にパイプ７
より適切に小さくした直径の内側非磁性材パイプ13を同
軸に配設して二重管構造にし、両パイプ７，13間のギャ
ップ９に熔融金属を導くとともに、内側パイプ13の内側
に、外側パイプ７の外側に配設してある各単位素子にそ
れぞれ対応させて成層鉄心14によりそれぞれ半径方向に
囲んだ励磁コイル15を配置し、対応する外側励磁コイル
１とそれぞれ直列に接続し、双方の励磁コイル１，15に
より３相交流通電時に生ずる進行磁界がギャップ９内に
おいて同相に重畳し、均一な強い進行磁界が形成される
ようにしたものであり、前述した第１の構成例に比して
格段に大容量用とするに適した電磁ポンプを実現し得る
ようにしたものである。

【００２３】ついで、本発明電磁ポンプをさらに大容量
用に適用するに好適な第３の構成例について、第２の構
成例を示した図11並びに図12と同様の縦断面図、並び
に、側面図および側断面図の組合わせを図13並びに図14
にそれぞれ示し、第１の構成例を示した図10と同様に一
部破断した外観の斜視図を図15に示す。図示の構成例
は、第２の構成例におけると全く同様に構成した二重構
造の熔融金属輸動用パイプにおける内側パイプ13の内側
に、第２の構成例におけると全く同様に設けた成層鉄心
14の各凹所12内に、外側パイプ７の外側に配置してある
各単位素子に対し、それぞれ対称に対応させて同様に構
成した各単位素子、すなわち、内側パイプ13に接する外
周部の厚味を厚くして半径断面形状がＴ字形になるよう
にした導体円板17を挟んでそれぞれ一対の渦巻状励磁コ
イル16をそれぞれ配設し、互いに対応する外側の励磁コ
イル１と内側の励磁コイル16とをそれぞれ直列に接続
し、双方の励磁コイル１，16により３相交流通電時に生
ずる進行磁界がギャップ９内において同相に重畳し、さ
らに強力な均一の進行磁界が形成されるようにしたもの
である。

【００２４】以上に詳述した構成の本発明磁束収束型強
磁場電磁ポンプ、例えば第１の構成例において、各単位
素子を構成する励磁コイルを適切に接続して３相交流通
電すると、それらの励磁コイルが囲繞する非磁性材パイ
プ内に進行磁界が発生し、その結果、パイプ内の熔融金
属中に誘起する渦電流と進行磁界との相互作用により推
力が生じて熔融金属に加わり、強力な電磁ポンプが構成
される。その場合に、励磁コイルの間に挿入してある導
体円板には改めて渦電流が流れ、その結果、漏洩磁束が
減少して二重構造パイプのギャップ内の有効磁束が増加
し、熔融金属に作用する推力がさらに増大して電磁ポン
プの輸動特性が飛躍的に改善されることになる。

【００２５】その場合に導体円板２内には、図16に示す
ように分布した渦電流18が流れ、その渦電流18がスリッ
ト４の作用により中心ホール３の周辺部に集中するため
に漏洩磁束が遮断され、その結果、中心ホール３内に誘
起磁束が効率よく収束されることになる。

【００２６】かかる場合に、先に開発した磁束収束型電
磁ポンプにおけるように、導体円板の厚さが中心部まで
一定であると、中心ホール３の周辺部に集中して渦電流
が流れるために、局部的に過熱状態が生じて高温になる
欠点があった。かかる欠点を排除して軸方向に均一に分
布した高磁束密度の進行磁界が形成されるように、本発
明においては、図６、図８、図10あるいは図13に示した
ように、導体円板の中心ホール３の周辺部における厚味
を他の部分より格段に増大させて半径断面形状がＴ字形
をなすように改良し、その結果、二重構造パイプのギャ
ップ９内における半径方向の有効磁束が増加して電磁ポ
ンプの特性がよくなる特長がある。

【００２７】先に提案した磁束収束型電磁ポンプにおけ
る厚味が均一な渦電流用導体円板を用いた場合の単位素
子について計算した磁束分布が図17に示すようになるの
に対し、上述したように本発明強磁場電磁ポンプにおけ
る半径断面形状をＴ字形にした導体円板を用いた場合の
単位素子について同様に計算した磁束分布は図18に示す
ようになり、本発明による導体円板中心部の厚味の増大
が極めて有効であることが判る。

【００２８】さらに、本発明電磁ポンプの二重構造にし
たパイプの内側にも外側の単位素子にそれぞれ対向して
単位素子を設けた場合における導体円板による磁束の遮
蔽効果について同様に計算した磁束分布は、導体円板が
ない場合の磁束分布を示す図19に比して、導体円板があ
る場合には、図20に示すようになり、図17と図18とに示
した外側の単位素子におけると同様の磁束の遮蔽効果が
認められる。なお、図19、図20には内側単位素子の導体
円板を厚さ一定とした場合について示したものである。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の磁束収束型強磁場電磁ポンプにおいては、渦電流用導
体円板の半径断面形状を従来より格段に変更することの
みにより熔融金属輸動の効率および特性を著しく改善す
ることができ、その結果、吐出量の大きい大容量用の電
磁ポンプを実現することが容易となり、同様の原理を適
用した超大型電磁ポンプの実現も可能となる。

【００３０】すなわち、従来提案の磁束収束型電磁ポン
プの渦巻状励磁コイルと半径方向にスリットを設けた渦
電流用導体円板との交互反復積層における導体円板の中
心ホールの周辺部を厚くし、半径断面形状をＴ字形にし
た本発明の効果はつぎのとおりである。

【００３１】(1) 渦電流用導体円板において半径方向の
スリットの作用により中心ホール周辺部に集中的に流れ
る渦電流を軸方向に分散させて電流密度を減少させ、渦
電流の集中によって従来発生した局部的な過熱状態を排
除することができる。

【００３２】(2) 上述のように導体円板の半径断面形状
をＴ字形にしたことにより中心ホール周辺部の電流密度
を減少させ、渦電流の集中により発生する中心ホール周
辺部の局部的な過熱状態の発生を防ぎ、その結果、同じ
規模の電磁ポンプであっても印加電圧を高くすることが
でき、推進出力を増大させることができる。

【００３３】(3) 導体円板の半径断面形状をＴ字形にす
ると、集中的に流れる渦電流が中心ホール内の非磁性金
属パイプに沿って軸方向に分散するので、励磁コイルと
導体円板との積層からなる単位素子の前後に位置する磁
性枠体の歯部から中心ホール周辺部の導体円板を通る漏
洩磁束が減少し、その減少分だけ二重構造パイプのギャ
ップ内を半径方向に通過する有効磁束が増加することに
なり、その結果、熔融金属に作用する推力が増大し、吐
出量が増大して輸動効率が上昇する。

【００３４】(4) 本発明強磁場電磁ポンプにおいては導
体円板と交互に積層した渦巻状励磁コイルの内径が中心
ホールを連通する非磁性材パイプ内を流れる高温熔融金
属からの熱伝導を防ぐために導体円板中心ホールの内径
より大きくなり、したがって、導体円板中心ホール周辺
部を厚くし、半径断面形状をＴ字形にしても、寸法上他
に及ぼす影響は全く生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の磁束収束型電磁ポンプの側断面図であ
る。

【図２】同じくその電磁ポンプの縦断面図である。

【図３】同じくその電磁ポンプにおける励磁コイルの正
面図である。

【図４】同じくその電磁ポンプにおける導体円板の正面
図である。

【図５】同じくその電磁ポンプの外観を一部破断して示
す斜視図である。

【図６】本発明磁束収束型強磁場電磁ポンプにおける導
体円板の正面図、および側断面図である。

【図７】同じくその電磁ポンプにおける励磁コイルの表
面図および側断面図である。

【図８】同じくその電磁ポンプの第１構成例の縦断面図
である。

【図９】同じくその電磁ポンプの第１構成例の側断面図
である。

【図１０】同じくその電磁ポンプの第１構成例の外観を
一部破断して示す斜視図である。

【図１１】同じくその電磁ポンプの第２構成例の縦断面
図である。

【図１２】同じくその電磁ポンプの第２構成例の側面お
よび側断面を組合わせて単位素子の断面とともに示す線
図である。

【図１３】同じくその電磁ポンプの第３構成例の縦断面
図である。

【図１４】同じくその電磁ポンプの第３構成例の側面お
よび側断面を組合わせて単位素子の断面とともに示す線
図である。

【図１５】同じくその電磁ポンプの第３構成例の外観を
一部破断して示す斜視図である。

【図１６】同じくその電磁ポンプにおける導体円板に流
れる渦電流の分布を示す線図である。

【図１７】従来の磁束収束型電磁ポンプの単位素子にお
ける磁束分布の態様を示す線図である。

【図１８】本発明磁束収束型強磁場電磁ポンプの第１構
成例の単位素子における磁束分布の態様を示す線図であ
る。

【図１９】同じくその電磁ポンプの第３構成例の内側単
位素子における導体円板がない場合の磁束分布の態様を
示す線図である。

【図２０】同じくその電磁ポンプの第３構成例の内側単
位素子における導体円板がある場合の磁束分布の態様を
示す線図である。

【符号の説明】

１ 励磁コイル ２ 導体円板 ３ 中心ホール ４ スリット ５ 空所 ６ 磁性枠体 ７ （外側）非磁性材パイプ ８ 棒状磁性体 ９ ギャップ 10 中心ホール周辺部 11 歯部 12 凹所 13 内側非磁性体パイプ 14 内側磁性枠体 15, 16 内側励磁コイル 17 内側導体円板 18 渦電流

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに同軸状に係合するとともに同一極
   性に巻回した複数層の励磁コイルと、当該励磁コイルの
   各層間に介在して外周縁に通ずる半径方向のスリットを
   それぞれ具えるとともに中心部において前記スリットお
   よび相互に同軸状に連通するホールを共有する複数層の
   導体円板と、前記励磁コイルおよび前記導体円板の縦断
   面外周を囲んで前記ホールを介し磁気閉回路をなすほぼ
   Ｕ字形の磁性枠体とを備えて単位の磁束発生素子を構成
   し、複数単位の当該磁束発生素子を前記ホールの軸方向
   に密接配置し、前記励磁コイルの多相交流通電に応じ、
   前記導体円板に生ずる渦電流を前記スリットに沿い前記
   ホールの周囲に集中させて順次に連通した当該ホール内
   に軸方向に進行する進行磁束を発生させるとともに、前
   記磁性枠体がなす磁気閉回路に発生した進行磁束を前記
   ホール内の前記進行磁束に同相に重畳させ、順次に連通
   した前記ホール内を貫通する非磁性材パイプ内に順次に
   前記磁気閉回路の一部をなす磁束集中部材を同軸状に配
   設して互いに同相に重畳した前記進行磁束を収束するこ
   とにより、前記非磁性材パイプ内の熔融金属に軸方向の
   推力を加える磁束収束形電磁ポンプにおいて、前記導体
   円板の中心部の厚さを増大させて半径断面形状がほぼＴ
   字形をなすようにしたことを特徴とする磁束収束型強磁
   場電磁ポンプ。
2. 【請求項２】 前記磁束集中部材を棒状磁性体としたこ
   とを特徴とする請求項１記載の磁束収束型強磁場電磁ポ
   ンプ。
3. 【請求項３】 前記非磁性材パイプ内に他の非磁性材パ
   イプを同軸状に配設し、当該他の非磁性材パイプ内に前
   記単位の磁束発生素子にそれぞれ対応させて互いに同軸
   状に係合するとともに同一極性に巻回した複数層の他の
   励磁コイルを配置し、当該他の励磁コイルをそれぞれ囲
   んで前記ホールを介し磁気閉回路をなすＵ字形の磁性枠
   体をそれぞれ備え、前記複数層の他の励磁コイルの多相
   交流通電により前記ホール内に発生させた軸方向の他の
   進行磁束を前記進行磁束に同相に重畳させて前記磁束集
   中部材としたことを特徴とする請求項１記載の磁束収束
   型強磁場電磁ポンプ。
4. 【請求項４】 前記複数層の他の励磁コイルの各層間に
   外周部の厚さを増大させて半径断面形状がほぼＴ字形を
   なすようにした他の導体円板をそれぞれ介在させたこと
   を特徴とする請求項３記載の磁束収束型強磁場電磁ポン
   プ。