DE8522934U1 - Electromagnetic screw channel pump for liquid metals with internal multiphase coils - Google Patents
Electromagnetic screw channel pump for liquid metals with internal multiphase coilsInfo
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Description
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Interatom GmbH 24.811*Interatom GmbH 24,811*
5060 Bergisch Gladbach 15060 Bergisch-Gladbach 1
' Elektromagnetisch^' Bbhraubenkanal-p^uimpe·Z metalle^ mitJinfttenllegehden Meh'rphasenfrpuTen 'Electromagnetic^' Screw channel pumps Z metals^ with integrated multi-phase pumps
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Schraubenkanalpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs Schraubenkanalpumpen sind in einer Vielzahl von Aus-The present invention relates to an electromagnetic screw channel pump according to the preamble of the claim Screw channel pumps are available in a variety of designs
Flüssigmetallen mit Temperaturen von einigen hundert Grad Celsius eingesetzt. Sie sind insbesondere geeignet, einen hohen Förderdruck zu erzeugen.Liquid metals with temperatures of several hundred degrees Celsius. They are particularly suitable for generating high delivery pressure.
AUS11NASA CONTRACTOR REPORT11, NASA CR-1571, Juni 1970, Washington D. C. (US), J. W. Gahan u. a.: "Primary loop electromagnetic pump design" sind verschiedene Ausführungsformen solcher Pumpen zu entnehmen. Auch aus der FR-A-1 344 696 ist der prinzipielle Aufbau von Schraubenkanalpumpen bekannt.Various designs of such pumps can be found in 11 NASA CONTRACTOR REPORT 11 , NASA CR-1571, June 1970, Washington DC (US), JW Gahan et al.: "Primary loop electromagnetic pump design". The basic design of screw channel pumps is also known from FR-A-1 344 696.
Die bekannten Pumpentypen benötigen wegen ihrer äußerhalb des Schraubenkanals liegenden Magnetspulen ein verhältismäßig großen Bauvolumen und können nur in begrenztem umfang als Tauchpumen in relativ kleinen Schmelzenbehältern eingesetzt werden. Auch benötigten die außenliegenden Spulen sehr große Magnetkerne aus Magnetblechen, wodurch das Gewicht solcher Pumpen relativ hoch wurde.The known pump types require a relatively large construction volume because of their magnetic coils located outside the screw channel and can only be used to a limited extent as submersible pumps in relatively small melt containers. The external coils also require very large magnetic cores made of magnetic sheets, which makes the weight of such pumps relatively high.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ist eine möglichst kompakte elektromagnetische Schraubenkanalpumpe, welche insbesondere einen möglichst geringen Außendurchmesser bei möglichst großem Produkt aus Fördermenge undThe object of the present invention is to provide a compact electromagnetic screw channel pump, which in particular has the smallest possible external diameter with the largest possible product of flow rate and
Khf/Bt 01.08.85Kf/Bt 01.08.85
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Förderdruck aufweist. Gleichzeitig soll die Herstellung und Handhabung der Pumpe möglichst einfach und kostengünstig
sein.
5discharge pressure. At the same time, the manufacture and handling of the pump should be as simple and cost-effective as possible.
5
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß dem Hauptanspruch vorgeschlagen, daß die Mehrphasenspulen im zylindrischen Innenteil des schraubenförmigen Förderkanals angeordnet sind, während der magnetische Rückschluß den Förderkanal außen umgibt. Da der magnetische Rückschluß nur eine geringe Dicke haben muß, kann der Durchmesser des Schraubenkanals näherungsweise so groß gemacht werden, wie der Außendurchmesser der gesamten Pumpe, was sich sehr günstig auf den Wirkungsgrad und die übrigen Eigenschaften der Pumpe auswirkt.To solve this problem, it is proposed according to the main claim that the multiphase coils are arranged in the cylindrical inner part of the screw-shaped conveying channel, while the magnetic return path surrounds the conveying channel on the outside. Since the magnetic return path only has to be very thin, the diameter of the screw channel can be made approximately as large as the outer diameter of the entire pump, which has a very positive effect on the efficiency and the other properties of the pump.
Wie in Anspruch 2 vorgeschlagen wird, kann das Außengehäuse der Pumpe gleichzeitig zumindest teilweise den magnetischen Rückschluß bilden, sofern ein magnetisch leitendes Material zur Verfügung steht, welches gleichzeitig gegen das zu fördernden Flüssigmetall resistent ist. Diese Ausführungsform führt zu einem besonders einfachen und wirtschaftlichen Aufbau der Pumpe.As proposed in claim 2, the outer casing of the pump can simultaneously form at least partially the magnetic return path, provided that a magnetically conductive material is available which is at the same time resistant to the liquid metal to be pumped. This embodiment leads to a particularly simple and economical construction of the pump.
Sollte eine Verstärkung des magnetischen Rückschlusses nötig sein, so kann diese gemäß dem Anspruch 3 durch einen Wickel aus magnetisch gut leitendem Material innerhalb des Außengehäuses und außerhalb des Schraubenkanals erreicht werden.If it is necessary to strengthen the magnetic return path, this can be achieved according to claim 3 by a winding of magnetically highly conductive material inside the outer housing and outside the screw channel.
In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 4 vorgeschlagen, daß die Pumpe als. Tauchpumpe for Temperaturen. von 400 - 600 °C ausgelegt ist. Dies bedeutet, daß die Pumpe außer, einem geeigneten Außenmantel entsprechend temperaturfeste Spulen und Magnetbleche mit genügend hohem Curie-Punkt aufweisen muß.In a special embodiment of the invention, claim 4 proposes that the pump is designed as a submersible pump for temperatures of 400 - 600 °C. This means that the pump must have, in addition to a suitable outer casing, appropriately temperature-resistant coils and magnetic sheets with a sufficiently high Curie point.
85 P 6 7 3 1 OE85 P 6 7 3 1 OE
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Im Anspruch. 5 wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Pumpe an der eingetauchten Seite einen ringförmjgen Einlaßquerschnitt konzentrisch zum zylindrischen Innenteil aufweist, der in den Schraübenkanal mündet. Diese sehr einfache Ausführungsform ist für Tauchpumpen geeignet und erübrigt eine komplizierte Strömungsführung am Einlaß der Pumpe.In claim 5 it is further proposed that the pump has an annular inlet cross-section on the submerged side, concentric to the cylindrical inner part, which opens into the screw channel. This very simple embodiment is suitable for submersible pumps and eliminates the need for complicated flow guidance at the inlet of the pump.
In Anspruch 6 wird ferner vorgeschlagen, daß der Schraubenkanal an der Oberseite in einen Ringkanal mündet, welcher einen seitlichen Auslaß aufweist. Diese Ausführungsform entspricht im allgemeinen den Anforderungen beim Einsatz solcher Pumpen und ermöglicht zusätzlich einen Zugang von oben zu den Spulen, bzw. das Auswechseln der Spulen. 15In claim 6 it is further proposed that the screw channel opens into an annular channel at the top, which has a side outlet. This embodiment generally meets the requirements when using such pumps and also allows access to the coils from above, or the replacement of the coils. 15
In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 7 vorgeschlagen, daß die elektrischen Zuleitungen der Mehrphasenspulen von oben in den zylindrischen Innenteil eingeführt sind. Im allgemeinen wird die Pumpe ohnehin ein Halterohr zur Aufhängung aufweisen, in dessen"Inneren die Zuleitungen dann verlegt sein können. Dieser Aufbau stellt in jedem Fall sicher, daß die elektrischen Leitungen nicht mit dem Flüssigmetall in Berührung kommen können.In a special embodiment of the invention, claim 7 proposes that the electrical supply lines of the multi-phase coils are introduced into the cylindrical inner part from above. In general, the pump will have a support tube for suspension, inside of which the supply lines can then be laid. This structure ensures in any case that the electrical lines cannot come into contact with the liquid metal.
In den Ansprüchen 8, 9 und 10 sind vorteilhafte Äuggestaltungen der Mehrphasenspulen im Inneren der Pumpe angegeben, welche anhand der Zeichnung noch näher erläutert werden. Eine möglichst optimale Ausnutzung des zylindrischen Innenteiles durch Spulen bzw. einen geeignet geformten.Magnetkern ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad der Pumpe.Claims 8, 9 and 10 specify advantageous designs of the multiphase coils inside the pump, which are explained in more detail using the drawing. The best possible use of the cylindrical inner part by coils or a suitably shaped magnetic core enables the pump to be highly efficient.
Schließlich wird im Anspruch 11 eine Maßnahme vorgeschlagen, wie sie für manche Flüssigmetalle, insbesondere Blei, vorteilhaft sein kann. Da der Wirkungsgrad der Pumpe auch vonFinally, claim 11 proposes a measure that can be advantageous for some liquid metals, especially lead. Since the efficiency of the pump also depends on
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dem übergangswiderstand zwischen dem geförderten Flüssig- $t metall und den Stegen des Schraubenkanals abhängt, ist es wichtig, daß diese Stege möglichst gut von dem Metall benetzt werden, um kleine Übergangswiderstände zu erreichen. Dies kann durch entsprechende Materialauswahl oder durch eine geeignete Innenbeschichtung der Stege erreicht werden.the contact resistance between the liquid metal being pumped and the webs of the screw channel, it is important that these webs are wetted as well as possible by the metal in order to achieve low contact resistances. This can be achieved by selecting the appropriate material or by a suitable internal coating of the webs.
Eine besonders wichtige Ausgestaltung für Schraubenkanalpumpen wird im Anspruch 12 vorgeschlagen. Diese Ausgestaltung ist in Verbindung mit den bisher beschriebenen Merkmalen oder aber auch für anders aufgebaute Schraubenkanalpumpen von Bedeutung. Für den Wirkungsgrad einer Schraübenkanalpumpe ist es, wie sich herausgestellt hat, entscheidend, daß ein möglichst großer Strom durch das Flüssigmetall und die Stege des Schraubenkanals, und zwar etwa senkrecht zur Strömungsrichtung, fließt. Ströme, die durch die Wände des Schraubenkanals fließen, verringern den Wirkungsgrad, da diese Ströme nicht zum Antrieb des Flüssigmetalls beitragen. Es ist daher besonders vorteilhaft, die Stege aus möglichst gut elektrisch leitendem « Material und die Wände aus einem möglichst schlecht elek- * trisch leitendem Material herzustellen, um den bestmögliehen Wirkungsgrad zu erreichen.. Natürlich muß die fügetechnische Verblndbarkeit der beiden Materialien -gewährleistet sein, und auch die Benetzbarkeit des Stegmaterials durch das zu fördernde Flüssigmetall spielt, wie oben erläutert, eine Rolle. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren lassen sich jedoch für die meisten zu fördernden FlüsstgmetaULe geeignete Materialkombinationen finden.A particularly important design for screw channel pumps is proposed in claim 12. This design is important in conjunction with the features described so far or for screw channel pumps of a different design. It has been found that the efficiency of a screw channel pump depends on the flow of as much current as possible through the liquid metal and the webs of the screw channel, and more or less perpendicular to the direction of flow. Currents that flow through the walls of the screw channel reduce the efficiency, as these currents do not contribute to driving the liquid metal. It is therefore particularly advantageous to make the webs from a material that is as electrically conductive as possible and the walls from a material that is as poorly electrically conductive as possible in order to achieve the best possible efficiency. Of course, the joining capability of the two materials must be guaranteed, and the wettability of the web material by the liquid metal to be pumped also plays a role, as explained above. However, taking these factors into account, suitable material combinations can be found for most of the liquid metals to be pumped.
In Fällen, wo keine verschiedenen Materialien für Stege und Wände zur Verfügung stehen, oder zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades wird gemäß Anspruch 13 vorgeschlagen, daß die Stege des Schrauberikanäls jmögllchst hochIn cases where no different materials are available for webs and walls, or to further improve the efficiency, it is proposed according to claim 13 that the webs of the screw channel are as high as possible
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und die Wände möglichst dünn sein sollen. In diesem Falle ist der für den nutzbaren Strom zur Verfügung stehende Querschnitt sehr viel größer als der für die unerwünschten Wandströme, was sich ebenfalls günstig auf den Wirkungsgrad auswirkt, sofern die Spaltbreite des Magnetkreises nicht zu groß wird.and the walls should be as thin as possible. In this case, the cross-section available for the usable current is much larger than that for the undesirable wall currents, which also has a positive effect on the efficiency, provided that the gap width of the magnetic circuit is not too large.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und zwar zeigen
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäßeAn embodiment of the invention is shown in the drawing, which shows
Figure 1 shows a longitudinal section through an inventive
Pumpe,Pump,
Figur 2 einen Querschnitt entlang der Linie U-II und Figur 3 zur Veranschaulichung die Form eines Magnetbleches des Magnetkerns.Figure 2 shows a cross section along the line U-II and Figure 3 shows the shape of a magnetic sheet of the magnetic core to illustrate this.
Figur 1 zeigt den Längsschnitt einer erfindungsgemäß ausgeführten Schraubenkanalpumpe. Der Schraubenkanal 1 ist in an sich bekannter Weise ausgeführt, d. h. ä&e einzelnen Windungen des Schraubenkanals 1 werden durch Stege 2 voneinander getrennt, wobei die Stege 2 entweder an einem zylindrischen Innenteil 3 oder an einem zylindrischen Außengehäuse 4 befestigt sind. Der Schraubenkanal 1 kann auch aus einer mehrgängigen Schraube bestehen,und seine Steigung sowie die Windungszahl beeinflußt den Förderdruck und die Fördermenge. Generell gilt: je größer die Anzahl der Windungen, desto höher der Förderdruck und desto kleiner die Fördermenge.Figure 1 shows the longitudinal section of a screw channel pump designed according to the invention. The screw channel 1 is designed in a manner known per se, ie the individual turns of the screw channel 1 are separated from one another by webs 2, the webs 2 being attached either to a cylindrical inner part 3 or to a cylindrical outer housing 4. The screw channel 1 can also consist of a multi-start screw, and its pitch and the number of turns influence the delivery pressure and the delivery rate. In general, the greater the number of turns, the higher the delivery pressure and the smaller the delivery rate.
Anders als bei bisherigen Ausführungsformen weist die vorliegende Pumpe Magnetspulen 11, 12,. 13 im Inneren des zylindrischen Innenteils 3 auf. Diese Spulen .11, 12, 13 sind so angeordnet, daß sie ein in Umfanggriehtung des ,i^fifSrälfkartaTB ^1 * * ,wandernäes^fadiales Magnetfeld; ei?zeugen können.Unlike previous embodiments, the present pump has magnetic coils 11, 12, 13 inside the cylindrical inner part 3. These coils 11, 12, 13 are arranged in such a way that they can generate a magnetic field which moves around the circumference of the cylindrical inner part 3.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei Spulen, 11, 12,, 13 symmetrisch, sternförmig übereinander gewickelt, wobei die Mittelebenen der Spulen 11, 12, 13 sich jeweils in der Mittellinie 17 des zylindrischen Innenteils 3 unter gleichen Winkeln schneiden. Dabei sind die Spulen 11, 12, 13 auf einen aus Magnetblechen geschichteten Kern 10 gewickelt, welcher den nicht von den Spulen 11, 12,. 13 benötigten Raum weitestgehend ausfüllt. Die Figur 3 zeigt die Form eines Magnetbleches aü-T denen der Kern 10 geschichtet wird. Ein aus solchen Blechen geschichteter Kern wird durch die Schrauben 14 zusammengehalten und kann nacheinander mit den Spulen 11, 12, 13 gewickelt werden. Dabei ist die Spule. 11, welche zuerst gewickelt wird an beiden Enden di-s Kerns 10 kurzer als die nächstgewickelte Spule 12 und diese wiederum als die dann folgende Spule 13. Andere Formen, die Spulen übereinander zu wickeln sind natürlich möglich, jedoch im allgemeinen nicht so einfach zu bewerkstelligen. Grundsätzlich ist auch die Verwendung von sechs Spulen mit einem entsprechenden Wicklungsschema möglich, jedoch im allgemeinen nicht nötig. Die Spulen können z. B. mit einem einfachen Dreiphasen-Wechselstrom angesteuert werden. Bei Verwendung der Pumpe als Tauchpumpe, wie dm vorliegenden Fall, sollte der zylindrische Innenteil 3 am unteren Ende flüssigmetalldicht verschweißt sein, damit die Spulen geschützt sind. Die Ausbildung des oberen Endes der Pumpe hängt von den Gegebenheiten im einzelnen ab« Im allgemeinen ist es sinnvoll , daß die Oberseite zwecks Entnähme der Spulen oder zu anderen Wartungsarbeiten geöffnet werden kann. Ferner muß- eine geeignete Aufhängung 8 für eine Handhabung der Pumpe vorgesehen werden, diese Aufhängung 8 kann beispielsweise aus einem Rohr bestehen, in welchem die elektrischen Zuleitungen der Pumpen verlegt sind. Ein entsprechender Anschlußkasten 9 kannIn the present embodiment, three coils 11, 12, 13 are wound symmetrically in a star shape on top of one another, with the center planes of the coils 11, 12, 13 intersecting at the same angle in the center line 17 of the cylindrical inner part 3. The coils 11, 12, 13 are wound on a core 10 made of magnetic sheets, which largely fills the space not required by the coils 11, 12, 13. Figure 3 shows the shape of a magnetic sheet on which the core 10 is layered. A core made of such sheets is held together by the screws 14 and can be wound one after the other with the coils 11, 12, 13. The coil is... 11, which is wound first at both ends of the core 10, shorter than the next wound coil 12 and this in turn than the following coil 13. Other ways of winding the coils on top of each other are of course possible, but generally not so easy to accomplish. In principle, the use of six coils with a corresponding winding pattern is also possible, but generally not necessary. The coils can be controlled with a simple three-phase alternating current, for example. When using the pump as a submersible pump, as in the present case, the cylindrical inner part 3 should be welded liquid-metal-tight at the lower end so that the coils are protected. The design of the upper end of the pump depends on the specific circumstances. In general, it is sensible for the top to be able to be opened in order to remove the coils or for other maintenance work. Furthermore, a suitable suspension 8 must be provided for handling the pump. This suspension 8 can, for example, consist of a pipe in which the electrical supply lines of the pumps are laid. A corresponding connection box 9 can
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ebenfalls an der Halterung angebracht sein. Wegen der innenUegenden Spulen 11, 12, 13 ist es sinnvoll, den Aaslaß 7 der Pumpe zur Seite zu führen. Daher geht der Schraubenkanal 1 im oberen Bereich in einen Ringkanal über, weicher einen seitlichen Auslaß 7 aufweist. Da der Bereich oben und unten in der Pumpe, in welchem die Spulen 11, 12, 13 unterschiedliche Längen aufweisen, für eine Förderung nicht genutzt werden kann, steht genügend Platz für die Ausbildung eines geeigneten Einlasses 5 und Auslasses 6,7 zur Verfügung.also be attached to the bracket. Because of the internal coils 11, 12, 13, it is sensible to lead the pump's outlet 7 to the side. Therefore, the screw channel 1 in the upper area changes into an annular channel, which has a side outlet 7. Since the area at the top and bottom of the pump, in which the coils 11, 12, 13 have different lengths, cannot be used for pumping, there is enough space to create a suitable inlet 5 and outlet 6,7.
Die genaue Form der Spulen 11, 12, 13 und die Querschnitte der Wicklungen hängen von den räumlichen Gegebenheiten ab.The exact shape of the coils 11, 12, 13 and the cross-sections of the windings depend on the spatial conditions.
Als besonders günstig hat sich für die Wicklungen ein Querschnitt von der Form eines an einer Seite abgeschnittenen Ovals 16 erwiesen- Bei dieser Form erhalten die den Kern 10 bildenden Magnetbleche eine für den magnetischen Fluß günstige Form und ausreichende mechanische Stabilität, trotz der notwendigen Bohrungen 15 zur Aufnahme der. Befestigungsschrauben 14.A cross-section in the form of an oval 16 cut off on one side has proven to be particularly advantageous for the windings. With this shape, the magnetic sheets forming the core 10 have a shape that is favorable for the magnetic flux and sufficient mechanical stability, despite the necessary holes 15 for receiving the fastening screws 14.
Die Verwendung-von innenliegenden Spulen (11, 12, 13) mit einem außenliegenden magnetischen Rückschluß (4) hat außerdem einen weiteren Vorteil. Ferritische Materialien dehnen ,ßich bei Temperaturerhöhung weniger als z. B. austenitische. Sind daher der zylindrische Innenteil 3 und evtl. <2ie Stege 2 aus austenitischem Material, so entsteht bei Aufheizung der Pumpe kein Spalt zwischen Außenmantel 4 und Stegen 2, der zu Wirkungsgradverlusten führen würde.The use of internal coils (11, 12, 13) with an external magnetic return path (4) also has another advantage. Ferritic materials expand less when the temperature increases than, for example, austenitic materials. Therefore, if the cylindrical inner part 3 and possibly the webs 2 are made of austenitic material, no gap is formed between the outer casing 4 and the webs 2 when the pump heats up, which would lead to a loss of efficiency.
Die erfindungsgemäße Pumpe e»iyi.st sich unter anderem besonders gut zur Förderung von Blei oder anderen Flüssigraetallen mit hohem spezifischem Gewicht und für Drücke von z. B. etwa 1-10 bar, so daß statt des bisherigen Schwerkraftgießens auch beim Bleigießen geschlossene Druckgußsysteme eingesetzt werden können, welche das Risiko einer Freisetzung von Blei in die linweit vermindern.The pump according to the invention is particularly suitable for pumping lead or other liquid metals with a high specific weight and for pressures of, for example, about 1-10 bar, so that instead of the previous gravity casting, closed pressure casting systems can also be used for lead casting, which reduce the risk of lead being released into the fluid.
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Claims (13)
5Magnetic sheets are wound on a core (1.0) which is layered and which largely fills the space not required by the coils (1.1, 12, 13).
5
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