DE1088353B

DE1088353B - Electromagnetic pump for an electrically conductive liquid

Info

Publication number: DE1088353B
Application number: DEG24736A
Authority: DE
Inventors: John Thomas Cochran; Gordon Dent Collins
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1957-06-19
Filing date: 1958-06-11
Publication date: 1960-09-01
Also published as: FR1210762A

Description

Elektromagnetische Pumpe für eine elektrisch leitende Flüssigkeit Die Erfindung betrifft elektromagnetische Pumpen zur Förderung elektrisch leitender Flüssigkeiten von der Art, bei denen der Pumpvorgang durch die direkte Wechselwirkung eines magnetischen Flusses und eines durch die zu fördernde elektrisch leitende Flüssigkeit hindurchfließenden elektrischen Stromes bewirkt wird.Electromagnetic pump for an electrically conductive liquid The invention relates to electromagnetic pumps for conveying electrically conductive pumps Liquids of the kind in which the pumping process is due to the direct interaction one magnetic flux and one through the electrically conductive one to be conveyed Liquid flowing through electrical current is caused.

Das mit einem stromführenden Leiter verbundene Magnetfeld verursacht eine stromaufwärts gerichtete Verschiebung im Magnetfeld gegen den Pumpen= oder Kanaleinlaß hin. Auch führt die strömende, einen Leiter darstellende leitende Flüssigkeit dazu, daß der elektrische Strom stromabwärts gegen den Pumpenausgang hin konzentriert wird. Dies zerstört weiterhin die gewünschte gleichmäßige Verteilung des magnetischen Flusses und des elektrischen Stromes, die aufeinander einwirken. Dieser als Ankerrückwirkung bekannte Effekt führt zu einer starken Schwächung der Pumpwirkung. Auch ist der mit einer solchen Einwegpumpe zu erhaltende Druck begrenzt.The magnetic field associated with a live conductor causes an upstream shift in the magnetic field against the pumps = or Duct inlet. Also carries the flowing conductive liquid constituting a conductor causes the electrical current to concentrate downstream towards the pump outlet will. This further destroys the desired uniform distribution of the magnetic River and electric current interacting. This as an anchor reaction known effect leads to a strong weakening of the pumping action. Also is that pressure to be obtained with such a disposable pump is limited.

Um den Pumpenwirkungsgrad zu verbessern und höhere Drücke zu erhalten, wurden Zentrifugalpumpen entwickelt. Bei einer bekannten Pumpe dieser Art strömt eine leitende Flüssigkeit spiralenförmig zwischen dem Zentrum und dem Umfang einer scheibenförmigen Kammer, wobei ein Magnetfeld die Kammer senkrecht durchsetzt und ein elektrischer Strom in radialer Richtung durch die Kammer und die in ihr befindliche leitende Flüssigkeit fließt. Bei dieser Pumpe ist bei Vorhandensein eines gleichmäßigen magnetischen Feldes die Ankerrückwirkung infolge der tangentialen Bewegung der Flüssigkeit gering. Die Ankerrückwirkung infolge der radialen Bewegung der Flüssigkeit ist jedoch immer noch vorhanden.To improve pump efficiency and maintain higher pressures, Centrifugal pumps were developed. In a known pump of this type flows a conductive liquid spiraling between the center and the periphery of a disk-shaped chamber, whereby a magnetic field penetrates the chamber perpendicularly and an electric current in the radial direction through the chamber and the one in it conductive liquid flows. This pump is in the presence of a uniform magnetic field the armature reaction due to the tangential movement of the liquid small amount. However, the anchor reaction due to the radial movement of the liquid is still available.

Die Dynamik oder Geschwindigkeit, die der leitenden Flüssigkeit in einer solchen Zentrifugalpumpe erteilt wird, wird durchZentrifugalkräfte hervorgerufen. Deshalb sind, um einen hohen Druck bei der Umwandlung von hoher Geschwindigkeit in hohen Druck zu erhalten, eine Kammer mit relativ großem Radius und eine große Dreh- und Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit erforderlich. Eine hohe Drehgeschwindigkeit hat einen Leistungsverlust zur Folge, da die Reibung der schnellen Flüssigkeitsströmung entlang der Wände der Pumpenkammer überwunden werden muß. Auch erfordert der große Radius der Pumpenkammer eine wirkungslose Verwendung von Material.The momentum or speed that the conductive fluid moves in such a centrifugal pump is caused by centrifugal forces. Therefore are to high pressure when converting high speed in high pressure to get a chamber with a relatively large radius and a large one Rotation and flow speed of the liquid required. A high speed of rotation results in a loss of power because of the friction caused by the rapid flow of fluid must be overcome along the walls of the pump chamber. Also requires the great Radius of the pump chamber an ineffective use of material.

Es ist ferner eine elektromagnetische Pumpe bekannt, welche in elektrischer Hinsicht die Eigenschaft eines Synchronmotors mit einem Drehfeld aufweist. Dies bedingt eine komplizierte elektrische Anordnung. Außerdem ist die Leistungsfähigkeit begrenzt.It is also an electromagnetic pump known which in electrical Respect has the property of a synchronous motor with a rotating field. this requires a complicated electrical arrangement. Besides, the efficiency is limited.

Das Ziel der Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte elektromagnetische Mehrwegpumpe zu schaffen, welche einen hohen Wirkungsgrad bei der Erzengung eines großen Drucks mit kleiner Strömungsgeschwindigkeit besitzt.The aim of the invention is now to provide an improved electromagnetic To create reusable pumps, which are highly efficient in generating a has high pressure with low flow velocity.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei einer Zentrifugalpumpe der erstgenannten Art der die Kammer durchsetzende magnetische Fluß im Mittelbereich der Kammer eine größere Dichte aufweist als an ihrem Umfang.This aim is achieved according to the invention in that in a centrifugal pump of the first-mentioned type of magnetic flux penetrating the chamber in the central region the chamber has a greater density than at its periphery.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines ungleichförmigen Magnetfeldes, das in der Mitte der Pumpenkammer am größten ist und radial gegen den Umfang der Kammer hin abnimmt, wird die Ankerrückwirkung infolge der radialen Bewegung des in der Pumpe strömenden Mediums beseitigt. Dies schafft eine hochwirksame Pumpe, die einen großen Druck bei kleiner Strömungsgeschwindigkeit zu liefern imstande ist.The inventive use of a non-uniform magnetic field, which is largest in the center of the pump chamber and radially towards the circumference of the Decreases towards the chamber, the armature reaction is due to the radial movement of the medium flowing in the pump eliminated. This creates a highly effective pump, capable of delivering a high pressure at a low flow velocity is.

Beispielsweise Ausführungen der Erfindung zeigt die Zeichnung. Darin ist Fig. 1 ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe, Fig. 1 a ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der elektromagnetischen Pumpe gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ein Schnitt durch einen Teil der Pumpe gemäß Fig. 1 entlang der Linie 2-2 der Fig. 1.Examples of embodiments of the invention are shown in the drawing. In this Fig. 1 is a cross section through a pump according to the invention, Fig. 1a is a diagram to explain the operation of the electromagnetic pump according to FIGS. 1 and FIG. 2 shows a section through part of the pump according to FIG. 1 along the line 2-2 of Fig. 1.

Fig.1 zeigt eine elektromagnetische Pumpe im Querschnitt, die einen magnetischen Kern 10 und eine scheibenförmige Kammer 11 umfaßt. Der Magnetkern 10 enthält einen oberen Pol 12 und einen unteren Pol 13, die an oberen bzw. unteren Scheiben 14 bzw. 15 befestigt sind, wobei alle von ihnen aus passendem magnetischem Material, wie beispielsweise weichem Eisen, gefertigt sind. Die Pole 12 und 13 tragen die flachen Wände der Kammer 11, und sie nehmen die Kraft des inneren Pumpendruckes auf und machen dadurch die Notwendigkeit von schweren Versteifungsteilen an der Kammer 11 unnötig.1 shows an electromagnetic pump in cross section, which comprises a magnetic core 10 and a disk-shaped chamber 11. The magnetic core 10 includes an upper pole 12 and a lower pole 13 attached to upper and lower disks 14 and 15, respectively, all of which are made of suitable magnetic material such as soft iron. Poles 12 and 13 support the flat walls of chamber 11 and take the force of internal pump pressure, thereby eliminating the need for heavy stiffeners on chamber 11.

Eine Wicklung 16 aus spiralförmig gewickeltem Magnetmaterial, welches einen passenden, allseitig wirksamen Isolationsüberzug trägt, liegt zwischen den Endplatten 14 und 15 und ist von ihnen mittels isolierender Abstandshalter 17 und 18 isoliert. Eine in Serie zur Wicklung 16 geschaltete Wicklung 16' ruft ein Zusammenlaufen des Magnetflußfeldes in derWeise hervor, daß der Fluß im Zentrum am größten ist und gegen den Umfang der Kammer 11 hin abnimmt. Dieses spitz zulaufende magnetische Feld kompensiert wirksam die Ankerrückwirkung, welche von der radialen Geschwindigkeit der geförderten Flüssigkeit herrührt.A winding 16 of spirally wound magnetic material, which wears a suitable, all-round insulating cover, lies between the End plates 14 and 15 and is separated from them by means of insulating spacers 17 and 18 isolated. A winding 16 'connected in series with winding 16 causes a convergence of the magnetic flux field in such a way that the flux is greatest in the center and decreases towards the circumference of the chamber 11. This pointed magnetic The field effectively compensates for the armature reaction caused by the radial velocity originates from the pumped liquid.

Metallstreifen 19 und 20 an der Wicklung 16 und isolierte Abgriffe 19' und 20' schaffen einen Zugang für elektrische Verbindungsleitungen, damit ein magnetisierender Strom durch die Wicklungen 16 und 16' geschickt werden kann. Folglich gestatten die Wicklungen 16 und 16' das Fließen eines magnetisierenden Stromes, und sie schließen den magnetischen Kreis, welcher aus den Wicklungen 16 und 16', der Platte 14, den Polen 12 und 13 und der Platte 15 besteht. Die Richtung des magnetischen Flusses durch den magnetischen Kreis und die Kammer 11 wird durch die gestrichelten Pfeile 21 angezeigt.Metal strips 19 and 20 on winding 16 and insulated taps 19 'and 20' provide access for electrical connection lines, thus a magnetizing current can be sent through windings 16 and 16 '. Consequently the windings 16 and 16 'allow the flow of a magnetizing current, and they close the magnetic circuit, which consists of the windings 16 and 16 ', the plate 14, the poles 12 and 13 and the plate 15 consists. The direction of the magnetic Flux through the magnetic circuit and the chamber 11 is indicated by the dashed line Arrows 21 displayed.

Die Pumpenkammer 11 steht mit einer Pumpeneinlaßanordnung 22 und einer Pumpenauslaßanordnung 44 (Fig. 2) in Verbindung. Eine spiralförmig gewundene, elektrisch leitende Rippe 41 ist mit der Kammer 11 verbunden und bildet mit dieser einen spiralförmigen, in radialer Richtung fortschreitenden Strömungsweg für das strömungsfähige Medium.The pump chamber 11 is provided with a pump inlet assembly 22 and one Pump outlet assembly 44 (Fig. 2) in connection. A spiral wound, electric conductive rib 41 is connected to the chamber 11 and forms with this a spiral-shaped, in the radial direction progressing flow path for the flowable medium.

Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, tritt die elektrisch leitende Flüssigkeit durch die Pumpeneinlaßvorrichtung 22 ein und fließt infolge der gegenseitigen Einwirkung des elektrischen Stromes und des magnetischen Flusses, wie durch die Pfeile 43 angezeigt, gegen den Uhrzeigersinn durch den durch die Rippe 41 und die Kammer 11 gebildeten Flüssigkeitsströmungsweg nach außen zu der Peripherie der Kammer, wo die leitende Flüssigkeit durch den Auslaß 44 abgeleitet wird. Der Querschnitt des Flüssigkeitsströmungsweges nimmt in der Nähe des Auslasses 44 zu, um eine teilweise Umwandlung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit in Druck zu bewirken.As can be seen from the drawing, the electrically conductive occurs Liquid enters through the pump inlet device 22 and flows due to the mutual Effect of electric current and magnetic flux, as by the Arrows 43 indicated, counterclockwise through the through the rib 41 and the Chamber 11 defined fluid flow path outward to the periphery of the chamber, where the conductive liquid is drained through outlet 44. The cross section the liquid flow path increases, by one in part, near outlet 44 To effect conversion of the fluid velocity into pressure.

In Fig. 1 sind durch Isolatoren 33 und 34 getragene Elektroden 31 bzw. 32 gezeigt, wobei die erstere an der Einlaßanordnung 22 befestigt ist und die letztere mit dem Abgriff 20' der Wicklung 16' in Verbindung steht. Die Elektrode 31 ist mit einem elektrisch nichtleitenden Überzug 35 versehen oder mit einem Überzug, welcher durch die geförderte leitende Flüssigkeit nicht durchnäßt wird. Der Überzug erstreckt sich über die ganze Länge der Elektrode ausschließlich des kurzen Stückes der Elektrode, welches in den Mittelbereich der Pumpenkammer 11 hineinragt. Die elektrische Leistung, die. den magnetischen Fluß und den elektrischen Stromfluß durch das zu pumpende, elektrisch leitende Medium hervorruft, wird durch irgendeine geeignete Quelle, beispielsweise die Gleichstromquelle 37, geliefert. Elektrische Leitungen 38 und 40 schließen den Serienkreis von der Energiequelle 37 durch die Elektrode 31, das zu pumpende, elektrisch leitende Medium, die Elektroden 42 und 32, die Wicklungen 16 und 16' und zurück zur Energiequelle 37 durch die elektrische Leitung 40.In Fig. 1, electrodes 31 supported by insulators 33 and 34 are and 32, respectively, the former being attached to the inlet assembly 22 and the the latter is connected to the tap 20 'of the winding 16'. The electrode 31 is provided with an electrically non-conductive coating 35 or with a coating, which is not soaked by the conveyed conductive liquid. The coating extends over the entire length of the electrode excluding the short piece the electrode, which protrudes into the central area of the pump chamber 11. the electrical power that. the magnetic flux and the electric current flow caused by the electrically conductive medium to be pumped is caused by any suitable source, for example DC power source 37, is supplied. Electric Lines 38 and 40 close the series circuit from the energy source 37 through the Electrode 31, the electrically conductive medium to be pumped, electrodes 42 and 32, windings 16 and 16 'and back to power source 37 by the electrical Line 40.

Im Betrieb füllt das elektrisch leitende Medium die Pumpe vom Einlaß 22 bis zum Auslaß 44. Der elektrische Strom fließt von dem nicht isolierten Endteil der Elektrode 31 zum elektrisch leitenden Medium, welches gepumpt wird, und weiter radial nach außen durch das leitende Medium und durch die schmalen Abmessungen der leitenden Rippe 41 zum Umfang der Pumpenkammer 11 und dann nach außen durch den Auslaß 44.In operation, the electrically conductive medium fills the pump from the inlet 22 to outlet 44. The electric current flows from the uninsulated end part the electrode 31 to the electrically conductive medium, which is pumped, and further radially outwards through the conductive medium and through the narrow dimensions of the conductive rib 41 to the periphery of the pump chamber 11 and then out through the Outlet 44.

Die Beziehung zwischen dem Magnetfeld B, dem elektrischen Strom I und der auf das leitende Medium ausgeübten Kraft F im oberen linken Teil des Querschnittes der in Fig. 1 dargestellten Pumpe ist aus der schaubildartigen Darstellung der Fig. 1 a zu ersehen. Das magnetische Feld, der Strom und die resultierende Kraft auf die leitende Flüssigkeit stehen gemäß der Regel, die gebräuchlicherweise als »linke Handregel« bezeichnet wird, aufeinander senkrecht, d. h. daß die Wechselwirkung des elektrischen Stromes und des magnetischen Feldes cineKraft auf die elektrisch leitende Flüssigkeit erzeugt, die, wie in Fig.1 durch den Pfeil 43 und in Fig. 1 a durch den Vektor F dargestellt, aus der Papierebene heraus gerichtet ist. Daher strömt die durch die Einlaßvorrichtung 22 eingeführte elektrisch leitende Flüssigkeit (Pfeil 22') bei Betrachtung von der Oberseite der Pumpe her infolge der Wechselwirkung des elektrischen Stromes und des magnetischen Flusses gegen den Uhrzeigersinn spiralenförmig nach außen zu der Peripherie der Kammer 11, und sie tritt durch die Auslaßvorrichtung 44 aus.The relationship between the magnetic field B, the electric current I. and the force F exerted on the conductive medium in the upper left part of the cross section the pump shown in Fig. 1 is from the diagrammatic representation of Fig. 1 a can be seen. The magnetic field, the current and the resulting force the conductive liquid stand according to the rule, which is commonly referred to as »left Hand rule "is designated, perpendicular to each other, d. H. that the interaction of the electric current and the magnetic field cine force on the electric Conductive liquid is generated, which, as in Fig. 1 by the arrow 43 and in Fig. 1 a represented by the vector F, is directed out of the plane of the paper. Therefore the electrically conductive liquid introduced through the inlet device 22 flows (Arrow 22 ') when viewed from the top of the pump as a result of the interaction of the electric current and the magnetic flux in a counter-clockwise spiral out to the periphery of the chamber 11 and it passes through the outlet device 44 off.

Die erwünschten Eigenschaften der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Pumpe sind leicht aus der folgenden Tabelle zu ersehen, in der ein Vergleich zwischen einer erfindungsgemäßen elektrischen Pumpe und einer typischen elektromagnetischen Zentrifugalpumpe gemäß der bekannten Art gezogen wird. Erfindungs- Pumpe Eigenschaften gemäße Pumpe gemäß der bekannten Art Abmessungen ....... 30 cm Durch- 38 cm Durch- messer bei messec bei 33 cm Höhe 30 cm Höhe Flüssigkeits- strömungsgeschwin- digkeit .......... 1,181/sec 1,181/sec Ausgangsdruck ...... 7,73 kg/em2 7,73 kg/cm2 Leistungsverbrauch .. 2480 Watt 5600 Watt Wirkungsgrad (am Fludenausgang ab- gegebene Leistung/ aufgenommene elek- trische Leistung) .. 36°/o 16% Wie bereits bemerkt, kann der Kern aus irgendeinem passenden magnetischen Material, wie beispielsweise weichem Eisen, hergestellt werden, und er kann durch andere Mittel wie die kombinierte Kern- und Wicklungsanordnung 16, 16' magnetisiert werden. Es kann beispielsweise ein Permanentmagnet für die Herstellung des magnetischen Flusses einer mit Gleichstrom arbeitenden-Pumpe verwendet werden. Obwohl in diesem speziellen Beispiel die Pumpe mit Gleichstrom arbeitet, ist leicht zu ersehen, daß sie mit dem lamellierten Kern auch mit Wechselstrom betrieben werden kann. Auch können der magnetische Kreis und der Stromkreis durch die leitende Flüssigkeit parallel geschaltet werden und nicht, wie in Fig. 1 dieses Beispiels gezeigt, in Serie.The desired properties of the electromagnetic pump according to the invention can easily be seen from the following table, in which a comparison is made between an electric pump according to the invention and a typical electromagnetic centrifugal pump according to the known type. Invention pump Properties according to the pump according to the known species Dimensions ....... 30 cm dia- 38 cm dia- Messer at messec 33 cm high 30 cm high liquid flow velocity speed .......... 1.181 / sec 1.181 / sec Outlet pressure ...... 7.73 kg / em2 7.73 kg / cm2 Power consumption .. 2480 watts 5600 watts Efficiency (am Fluid outlet given performance / recorded elec- tric power) .. 36 ° / o 16% As noted earlier, the core can be made of any suitable magnetic material, such as soft iron, and can be magnetized by other means such as the combined core and coil assembly 16, 16 '. For example, a permanent magnet can be used to produce the magnetic flux of a pump operating with direct current. Although in this particular example the pump operates on direct current, it is easy to see that it can also operate on alternating current with the laminated core. The magnetic circuit and the electrical circuit through the conductive liquid can also be connected in parallel and not, as shown in FIG. 1 of this example, in series.

Es ist wünschenswert, die Wände der Kammer 11 und die leitenden Rippen, durch die der Strom hindurchfließen muß, entlang deren jedoch ein Minimum an Stromfluß erwünscht ist, so dünn wie möglich und mit der notwendigen baulichen Festigkeit vereinbar auszuführen. Die Kammer 11 und die zugehörige Einlaß- und Auslaßvorrichtung können aus elektrisch nichtleitendem Material hergestellt werden oder aus irgendeinem leitenden Material, das einen hinreichend hohen elektrischen Widerstand in bezug auf den Widerstand der leitenden Flüssigkeit, die gefördert wird, aufweist.It is desirable to have the walls of the chamber 11 and the conductive ribs, through which the current must flow, but along which there is a minimum of current flow it is desirable to be as thin as possible and with the necessary structural strength compatible to execute. The chamber 11 and the associated inlet and outlet devices can be made of electrically non-conductive material or any conductive material that has a sufficiently high electrical resistance in relation to on the resistance of the conductive liquid that is being conveyed.

Beispielsweise kann die Kammer 11 einschließlich der Einlaß- und Auslaßvorrichtungen aus rostfreien Stahl- oder Nickellegierungen hergestellt werden, die einen spezifischen Widerstand von annähernd 101,6 bis 127 Mikroohm pro Zentimeter aufweisen. Dieser elektrische Widerstand ist genügend groß im Vergleich zu dem spezifischen Widerstand eines flüssigen Metalls, wie beispielsweise Natrium, das einen spezifischen Widerstand von annähernd 25,4 Mikroohm pro Zentimeter aufweist, so daß ein Minimum an Stromverlust durch die Wände der Kammer 11 auftritt und eine wirksame Pumptätigkeit zu erhalten ist. Die Rippe 41 kann aus dünnem Blechmaterial, beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt werden. Die Flüssigkeit kann natürlich auch am Boden der in Fig. 1 und 2 gezeigten Pumpe eintreten, während der stromführende Leiter 31 am oberen Ende der Pumpe eintritt.For example, the chamber 11 including the inlet and outlet devices made of stainless steel or nickel alloys that have a specific Have a resistance of approximately 101.6 to 127 microohms per centimeter. This electrical resistance is sufficiently large compared to the specific resistance a liquid metal, such as sodium, that has a specific resistance of approximately 25.4 microohms per centimeter so that there is a minimum of current loss occurs through the walls of the chamber 11 and to obtain an effective pumping action is. The rib 41 can be made of thin sheet material, for example stainless steel, getting produced. The liquid can of course also at the bottom of the in Fig. 1 and 2 enter the pump shown, while the current-carrying conductor 31 at the upper end the pump enters.

Die elektromagnetische Pumpe nach der Erfindung eignet sich zum Pumpen elektrisch leitender Fluden, z. B. flüssiger Metalle, wie Natrium, Quecksilber und Wismut, und zum Pumpen von strömungsfähigen Medien mit elektrisch leitendem Material in Lösung oder in Suspension.The electromagnetic pump according to the invention is suitable for pumping electrically conductive fluids, e.g. B. liquid metals such as sodium, mercury and Bismuth, and for pumping flowable media with electrically conductive material in solution or in suspension.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Electromagnetic pump in which a conductive Liquid spiraling between the center and the periphery of a disc-shaped Chamber flows, whereby a magnetic field perpendicularly penetrates the chamber and an electric one Current in the radial direction through the chamber and the conductive one located in it Liquid flows, characterized in that the magnetic Flow in the central area of the chamber has a greater density than at its periphery.

2. Electromagnetic pump according to claim 1, characterized in that part of the magnetic core is designed so that it simultaneously forms the excitation winding for generating the magnetic field . Documents considered: Swiss Patent No. 239 816; British Patent No. 528 091.