JP2006524300A - 電磁ポンプ - Google Patents

Abstract

供給源セクションと、磁力ポンピングセクションとを有する電磁ポンプが提供される。供給源セクションを通る導電性材料の流れ方向はポンピングセクションを通る導電性材料の流れ方向とは逆であり、供給源セクション及び磁力ポンピングセクションは多数のコイルにより取り巻かれ、これら多数のコイルを通して流れる電流が、供給源及び磁力ポンピングの各セクション間に配置した磁性材料と磁気的にカップリングする磁界を創出する。この磁界は磁力ポンピングセクション内の導電性材料の流れ方向に実質的に直交する方向において導電性材料に作用し、かくして導電性材料に付加される磁力の大きさが最大化される。

Description

本件出願は２００３年４月２１付けで提出された米国仮出願番号第６０／４６４，３１７号の利益を主張するものである。
本発明は、磁界と相互作用して導電性流体を移動させる電磁ポンプに関する。

電磁ポンプは、導電性の溶融金属配合物のような導電性流体をポンピングするために使用される。電磁ポンプには、流体がチューブ或いは導管を通して、そうしたチューブあるいは導管内で機械式ポンプを用いることなく、磁気的に誘導され得るという利点がある。
既知の電磁ポンプは導電性流体源、例えば金属溶融用の及びあるいは溶融金属保持用の炉内に沈められるか、或いは一体的に取り付けられる。従って、導電性流体源に一体取り付けしない、効率的で且つ保守の容易な電磁ポンプに対する需要がある。

導電性流体源に一体取り付けしない、効率的で且つ保守の容易な電磁ポンプを提供することである。

本発明の一様相において、供給源セクション或いは供給容積部分と、磁力ポンピングセクション或いは磁力ポンピング容積部分とを有するポンプ内で、導電性の流体材料をポンピングするための装置及び方法が提供される。本発明の１実施例において、供給源セクションを通る流体材料の流れ方向は磁力ポンピングセクションを通る流体材料の流れ方向とは反対である。供給源セクションと磁力ポンピングセクションとを多数のコイルが取り巻き、これらのコイルを通して流れる電流によって磁界が生じる。この磁界は供給源セクションと磁力ポンピングセクションとの間に配置した磁性材料と磁気カップリングする磁界を創出する。この磁界は磁力ポンピングセクション内での所望の流れ方向に対して実質的に直交する方向で導電性の流体材料を貫く。磁界がそうした方向で流体材料を貫くことにより、磁力ポンピングセクション内の流体材料に付加される磁力の強さは最大化される。

同じ要素が同じ参照番号で示される図面を参照するに、導電性材料、例えば導電性の溶融金属をポンピングするための、本発明の１実施例における電磁ポンプ１０が示される。図１には、以下に説明する１２の誘導コイル（１２ａ−１２ｌ）が、分路子支持体あるいはシャント支持体１６によって然るべく保持された垂直方向の複数の磁気分路子或いは磁気シャント１４によって包囲されている。シャント支持体１６はその一端がベース部１８に取り付けられ、他端がヨーク２０に取り付けられる。ベース部とヨークとは随意的には、底部及び上部の磁界収納部を提供するべく磁性材料から形成され得る。斯界に既知のその他のシャント及び外側支持配列構成を、図１に示すシャント及び支持配列構成に代えて用いることができる。本実施例ではポンプ入口２４及びポンプ出口２２は、好適な耐熱性材料を用いて円筒状に形成される。

図２の電磁ポンプ１０の側方断面図を示す図３ａを参照するに、誘導コイルが随意的な断熱体２６によりポンプの内側から分離され、ポンプ内で溶融金属（溶融物）の熱を保持するための手段を提供する。本発明のこの非限定的な実施例では、断熱体は実質的に、ベース部１８及びヨーク２０によって包囲された開放円筒状に形成される。また、本実施例の外側チューブ２８は実質的に円筒状のチューブであり、閉鎖した丸い底部と開放した上部とを有し、上部の開口周囲にはリップが突出される。前記開口部のリップはヨーク２０の上部に座着され、第１閉鎖手段３０がヨーク２０とリップとを覆って座着され、第１閉鎖手段３０を覆って第２閉鎖手段３２が座着される。第１閉鎖手段と第２閉鎖手段との間には出口２２が配置される。本実施例では中央チューブ３４は実質的に円筒形状を有し、両端が開放され、上端の開口周囲にはリップが突出される。この中央チューブのリップは第２閉鎖手段３２の凹所内に座着される。第１閉鎖手段と第２閉鎖手段とは、中央チューブ３４の外側壁と外側チューブ２８の内側壁との間に配置した環状のライザ容積部分４４に出口２２の内側通路を連結する環状の出口容積部分４２を形成するように配置される。第３閉鎖手段３６が第２閉鎖手段３２を覆って座着される。

本実施例の内側チューブ４０は開放した底部と閉鎖した上部とを有し、実質的に円筒形状を有している。図３ｃに最も良く示されるように、内側チューブの開放底部の周囲は、中央チューブの開放した底部の周囲と共に液密シールを形成する。内側チューブ４０の外側壁と中央チューブ３４の内側壁との間に形成される容積部分内には、以下に説明する磁性材料４６が配置される。第４閉鎖手段３８が、第３閉鎖手段３６と、内側チューブ４０の閉じた上部とを覆って座着される。第３閉鎖手段と第４閉鎖手段との間には入口２４が配置され、この入口２４の内側通路が内側チューブ４０の内側通路に連結される。図３ｂには各構成部品の水平方向の空間的関係が例示される。

本実施例によれば、ポンプ１０を組み立て或いは分解するための好都合な手段が提供される。第４閉鎖手段３８を取り外すと入口２４と内側チューブ４０とをポンプの外側に持ち上げることができる。更に第３閉鎖手段３６を取り外すと磁性材料４６と中央チューブ３４とをポンプの外側に持ち上げることができる。更に第１閉鎖手段３０を取り外すと外側チューブ２８を外せるようになる。

本発明の上記実施例によれば、入口２４と出口２２との間の角度方向を変化させるために好都合な手段が提供される。特定の組み立て構成において、入口２４及び出口２２に夫々連結する、図示されない供給導管及び出口導管は、ポンプ１０の入口と出口との角度方向が図１に示されるように（ポンプを上から見た場合に）１８０°となるようには配向されない。第１閉鎖手段３０と第２閉鎖手段３２とが図１で示す位置とは異なる位置に回転されて固定され、かくして、これら第１及び第２の各閉鎖手段に収納された出口２２に関する入口２４の角度方向が変化される。第３閉鎖手段３６と第４閉鎖手段３８とが、図１で示す位置とは異なる位置に回転されて固定され、かくして、これら第３及び第４の各閉鎖手段に収納された入口２４に関する出口２２の角度方向が変化される。

溶融金属は、ポンプ１０を通り、図３ａで矢印が示す方向に流動し、入口２４からポンプに入り、内側チューブ４０の円筒状の内側通路を下降する。次いで溶融金属は以下に詳しく説明するように磁力によって環状のライザ容積部分４４（磁力ポンピングセクション）を上昇して環状の出口容積部分４２に入り、最後に出口２２を通してポンプを出る。本発明の他の実施例では、出口２２は中央チューブ３４の内側壁と、第１閉鎖手段及び第２閉鎖手段の各内側環状壁との間に形成した環状の出口容積部分４２によってではなく、直接、環状のライザ容積部分４４に連結される。外側チューブ、中央チューブ、そして内側チューブはセラミック配合物のような好適な耐熱性材料から形成される。外側、中央、内側の各チューブを注型するために使用することのできる、非限定的なセラミック配合物の形式の一つは、サイアロンとして知られるシリコン−アルミニューム−窒素酸化物配合物である。

先に説明したように、導電性の溶融金属は付加された磁力によりポンプ１０を通して流動する。図４ａには、誘導コイルに電力を送り、その磁力で溶融金属をポンプ１０を通して流動させる構成例がダイヤグラム図で示されている。電源４８は、出力周波数及び出力電圧が共に可変の三相出力型の電源である。図４ｂには、電源からコイルへの、六相サイクル接続スキームを例示するベクトルダイヤグラム図が示される。この接続スキームは、環状のライザ容積部分４４内の溶融金属に作用して溶融金属を出口を通して押し出し、また入口２４に連結することのできる溶融金属の好適な供給源から溶融金属をポンプ１０を通して引き込む磁力を創出するために使用される。図４ａ及び図４ｂに示されるように、六相サイクル接続スキームは、Ａ、Ｂ、Ｃで示す各三相の正逆を交互させてシーケンス的に接続することにより創出される。つまり、＋ＡＢ、−ＢＣ、＋ＣＡ、−ＡＢ、＋ＢＣ、−ＣＡが順に連結される。誘導コイル１２ａ〜１２ｆのためのこの六相サイクル接続スキームが誘導コイル１２ｇ〜１２ｌに対しても反復される。六相サイクル接続スキームの選択は限定的なものではないが、六相サイクル接続スキーム（隣り合う各コイルの電圧間の電気的な位相角が３０°）の場合、例えば三相サイクル接続スキーム（同６０°）とした場合よりも流量はずっと一様化される。電源４８の出力電圧は溶融金属に付加される磁力の大きさに直接比例することから、電源の出力電圧を変化させるとポンプを通る溶融金属の磁気浮揚力及び流量が変化する。

環状のライザ容積部分４４内に生じる磁力は、各誘導コイルの周囲に発生する磁界が磁性材料４６と共に実質的に磁気回路を形成することから実質的に垂直に上昇する方向のものとなり、また環状のライザ容積部分内の溶融金属を貫く磁界の通路は実質的に水平方向のものとなる。高温の溶融金属をポンプ１０でポンピングした場合、磁性材料４６のキュリー温度（磁性材料の磁性が失われる温度）はポンプを通して流動する溶融金属の温度よりも高くなるべきである。例えば、代表的には６８０℃〜８００℃の範囲の温度下にポンプを通して溶融アルミニュームを流動する如き用途のためにはキュリー温度が高い磁性材料を使用するべきである。この用途のための磁性材料のキュリー温度は、アルミニュームの最大溶融温度に設計マージンを加えた、少なくとも８５０℃であるべきである。この用途のための高キュリー温度の磁性材料４６の好適な形式は、パーメンジュールとして知られる鉄−コバルト合金類のものである。

各誘導コイルは、必ずしもそうでなくとも良いが、一般にボビン磁気コイルと称される、細いワイヤーを多数回巻き付けた（代表的には５００回或いはそれ以上）ものとして形成される。ボビン磁気コイルは、ボビンの周囲に細いワイヤを巻き付けて形成することからそのように称される。ボビンはワイヤを巻き付けた後除去される。磁界の創出する磁力はコイルを通して流れる電流と、ボビン磁気コイルのワイヤの巻数との両方に直接比例することから、巻数の多いボビン磁気コイルを使用すれば、電源４８からの、一定の強さの磁力を発生させるために必要な電流出力は低レベルに維持される。

ポンプへの溶融金属源が入口２４よりも下方の水平方向位置に位置付けられた場合、ポンプ１０は内側チューブ４０の内側通路を溶融金属で満たすことにより初期プライミングを実施する必要がある。初期プライミングを実施するための１方法は、真空ポンプを出口２２に取付けてポンプ１０内の溶融金属流路を真空引きし、入口２４に連結した溶融金属源から溶融金属を吸引することである。本発明の別の実施例では内側チューブ４０の頂部が開放され、この開放頂部が、例えば、漏斗状に開口する状態下に第４閉鎖手段３８を貫いて差し込まれ得、内側チューブを充填するポンプの初期プライミングに際し、この漏斗状の開口を通して溶融金属を注入することができる。

ポンプ１０内の溶融金属は、ポンプが使用されないと冷えてポンプの通路内で“フリーズ”する恐れがある。これを防ぐために、環状のライザ容積部分４４への溶融金属の電磁的な充填及び抜き取りサイクルを実施することができる。図４ｂの各相のベクトル方向の全てを逆にすると、環状のライザ容積部分４４内には、溶融金属を入口２４を通して押し出し、入口２４に連結した溶融金属源に戻す磁力が創出される。その後、前記全ての相ベクトル方向を図４ｂに示す元の状態に戻すと、溶融金属を環状のライザ容積部分内を通して上昇させる磁力が生じる。溶融金属がこのように揺れ動くことで、ポンプ停止時の溶融金属のフリージングが防止され得る。本発明の他の実施例では、三相電源を用いた場合に、例えばソリッドステートスイッチによりその二相のベクトル方向を逆転させるサイクルを実施することによっても、ポンプ内で溶融金属を電磁的に揺動させることが可能である。本発明の他の実施例では、循環する高温のガス或いは液体のような加熱媒体、あるいは電熱要素が、断熱体２６と外側チューブ２８の外側壁との間の容積部分に設けられる。

図５には本発明の電磁式ポンプの他の実施例が示される。本実施例では入口２４ａがポンプの底部に位置付けられ、溶融金属は先の実施例で説明したように環状のライザ容積部分４４内を直接上昇する方向に電磁的にポンピングされる。この特定例では、溶融金属が内側チューブを通らないので内側チューブは全体的に包囲されたチューブ或いはその他の内側構造部分とされ、この内側構造部分が、中央チューブ３４との間で磁性材料４６を収納するための手段として作用する。

その他の形式の電源及び配分配列構成も本発明の範囲内に含まれるものとする。例えば、単層電源を多数使用し、各誘導コイルを個別に駆動する、あるいは個別の電源により誘導コイル群を個別に作動させ得る。また、各実施例では内側、中央、外側の各チューブは垂直方向の長手方向軸線を有するものとして説明したが、各長手方向軸線は本発明の範囲を逸脱することなく、その他の方向に伸延するものであり得る。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

本発明の電磁ポンプの１実施例の斜視図である。 本発明の電磁ポンプの他の実施例の側面図である。 図２を線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である。 図２を線Ｂ−Ｂに沿って切断した断面図である。 本発明の電磁ポンプの１実施例で使用する、内側、中央、外側の各チューブと、磁性材料とのインターフェース領域を示す部分断面図である。 本発明の電磁ポンプともに使用する電源と、誘導コイルへの電力配分を表す概略ダイヤグラム図である。 本発明の電磁ポンプと共に使用する、電源から誘導コイルへの配電相の１例を表すダイヤグラム図である。 本発明の電磁ポンプの他の実施例の側方断面図である。

符号の説明

１０ ポンプ
１２ａ−１２ｌ 誘導コイル
１４ 磁気シャント
１６ シャント支持体
１８ ベース部
２０ ヨーク
２２ ポンプ出口
２４ ポンプ入口
２６ 断熱体
２８ 外側チューブ
３０ 第１閉鎖手段
３２ 第２閉鎖手段
３４ 中央チューブ
３６ 第３閉鎖手段
３８ 第４閉鎖手段
４０ 内側チューブ
４２ 環状の出口容積部分
４４ 環状のライザ容積部分
４６ 磁性材料
４８ 電源

Claims (14)

1. 導電性材料をポンピングするための装置であって、
   開放端を有し且つ底部を閉鎖した外側チューブと、
   該外側チューブ内に配置した中央チューブにして、該中央チューブの外側壁と外側チューブの内側壁との間に環状の容積部分を形成し、該環状の容積部分の頂部が装置から導電性材料を取り出すための出口と連通する中央チューブと、
   該中央チューブ内に配設された開放された内側チューブと、
   内側チューブの外側壁と中央チューブの内側壁との間に配置した磁性材料と、
   前記内側チューブ内に導電性材料を取り入れる入口にして、内側チューブの上部付近に配置され且つ内側チューブの開口と連通する入口と、
   外側チューブの外側の周囲の高さ位置に配置した複数の誘導コイルと、
   複数の誘導コイルの各々に直流電流を供給して生じさせた磁界により前記導電性材料に磁力を付加し、かくして導電性材料を環状の容積部分と出口とを通して上昇せしめるための手段と、
   を含む装置。
2. 複数の誘導コイルの各々に交流電流を供給して生じさせた磁界により前記導電性材料に磁力を付加し、かくして導電性材料を環状の容積部分と出口とを通して上昇せしめるための手段が三相出力の電源であり、三相の内の各二相が複数の誘導コイルにシーケンス的に接続されることにより、導電性材料を環状の容積部分及び出口を通して押送する磁界の六相サイクルを創出する請求項１の装置。
3. 電源が可変電圧出力あるいは可変周波数出力を有する請求項２の装置。
4. 複数の誘導コイルがボビン磁気コイルを含んでいる請求項１の装置。
5. 導電性材料をポンピングするための方法であって、
   開放された内側チューブの開口内に導電性材料の供給源を提供すること、
   内側チューブの外側周囲に開放された中央チューブを挿通させること、
   中央チューブの周囲に、底部が閉鎖され且つ開口を有する外側チューブを挿通して中央チューブと外側チューブとの間に環状の容積部分を形成し、該環状の容積部分を、開放された前記内側チューブ内の導電性材料と連通させること、
   内側チューブの外側壁と中央チューブの内側壁との間に導電性材料を配置すること、
   外側チューブの外側を複数の誘導コイルで包囲させること、
   該複数の誘導コイルの各々に交流電流を印加して生じさせた磁界により導電性材料に磁力を付加し、かくして導電性材料を環状の容積部分と出口とを通して上昇せしめること、
   を含む方法。
6. 三相電源から複数の誘導コイルに交流電流を供給することを更に含み、前記三相の各二相がその正逆を交互させる状態下に複数の誘導コイルにシーケンス的に接続される請求項５の方法。
7. 導電性材料をポンピングするための方法であって、
   開放された内側チューブの開口内に形成した供給源容積部分内に導電性材料の供給源を提供すること、
   内側チューブの外側周囲に、開放された中央チューブを挿通させること、
   中央チューブの周囲に、底部が閉鎖され且つ開口を有する外側チューブを挿通して中央チューブと外側チューブとの間に磁力ポンピング容積部分を形成し、該磁力ポンピング容積部分を前記供給源容積部分と連通させること、
   内側チューブの外側壁と中央チューブの内側壁との間に導電性材料を配置すること、
   外側チューブの外側を複数の誘導コイルで包囲させること、
   該複数の誘導コイルの各々に交流電流を印加して生じさせた磁界により導電性材料に磁力を付加して導電性材料を磁力ポンピング容積部分を通して移動させ、かくして導電性材料の供給源を前記供給源容積部分を通して磁力ポンピング容積内に移動させ、該供給源容積部分内の導電性材料の流れ方向を磁力ポンピング容積部分内の導電性材料の流れ方向とは全体に反対の方向となるようにすること、
   を含む方法。
8. 三相電源から複数の誘導コイルに交流電流を供給することを更に含み、前記三相の各二相がその正逆を交互させる状態下に複数の誘導コイルにシーケンス的に接続される請求項７の方法。
9. 導電性材料をポンピングするための装置であって、
   開放された外側チューブにして、底部の開口が、該外側チューブ内に導電性材料を取り入れるための入口と連通する外側チューブと、
   外側チューブ内に配置した開放された中央チューブにして、外側チューブの内側壁と中央チューブの外側壁との間に環状の容積部分を形成し、閉鎖された底部を有し、前記環状の容積部分の上部が導電性材料を装置から取り出すための出口と連通する中央チューブと、
   中央チューブ内に配置した内側チューブと、
   内側チューブの外側壁と中央チューブの内側壁との間に配置した磁性材料と、
   外側チューブの外側の周囲部分の高さ位置に配置した複数の誘導コイルと、
   複数の誘導コイルの各々に直流電流を供給して生じさせた磁界により前記導電性材料に磁力を付加し、かくして導電性材料を環状の容積部分と出口とを通して上昇せしめるための手段と、
   を含む装置。
10. 複数の誘導コイルの各々に直流電流を供給して生じさせた磁界により前記導電性材料に磁力を付加し、かくして導電性材料を環状の容積部分と出口とを通して上昇せしめるための手段が三相出力の電源であり、三相の内の各二相が複数の誘導コイルにシーケンス的に接続されることにより、導電性材料を環状の容積部分及び出口を通して押送する、磁界の六相サイクルを創出する請求項９の装置。
11. 電源が可変電圧出力あるいは可変周波数出力を有する請求項１０の装置。
12. 複数の誘導コイルがボビン磁気コイルを含んでいる請求項９の装置。
13. 導電性材料をポンピングするための方法であって、
    開放された外側チューブの底部の開口内に導電性材料を供給すること、
    外側チューブの開放された底部を、中央チューブの外側壁と外側チューブの内側壁との間に形成した環状の容積部分と連結させること、
    内側チューブの外側壁と中央チューブの内側壁との間に磁性材料を配置すること、
    外側チューブの外側を複数の誘導コイルで取り巻かせること、
    複数の誘導コイルの各々に交流電流を印加して生じさせた磁力により導電性材料を環状の容積部分及び出口を通して押送させること、
    を含む方法。
14. 三相電源から複数の誘導コイルに交流電流を供給することを更に含み、前記三相の各二相がその正逆を交互させる状態下に複数の誘導コイルにシーケンス的に接続される請求項１３の方法。

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