JP2007074837A - 液体金属用誘導型電磁ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 放射線が放出される環境下でも問題なく運用出来る液体金属用誘導型電磁ポンプを得る。
【解決手段】 液体金属用誘導型電磁ポンプは、液体金属を移動させる筒状のダクト２と、このダクト２の液体金属が移動すべき方向に沿って移動磁界を発生させるロータ１、８とを有し、ロータ１、８をそれから離れたモータ５により回転駆動される円柱状または円筒状のものとし、このロータ１、８の外周または内周に同ロータ１、８の円周方向に液体金属を移動させるようダクト２を配置したものである。ロータ１、８は永久磁石１２、１６を円周方向に並べて配置したものからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水銀や液体インジウム等の液体金属を搬送するために使用される液体金属用誘導型電磁ポンプに関し、特に液体金属に推力を与える部分のダクトを螺旋状或いは円形状とした電磁ポンプにおいて、円周方向に移動磁界を発生する誘導子をモータにより回転させるようにした液体金属用誘導型電磁ポンプに関する。

液体金属を搬送するためのポンプは機械方式と電磁方式とがある。
機械方式の液体金属用ポンプは、液体金属を入れるケーシングの中に羽根車を設け、この羽根車をケーシングの外に配置したモータで回転駆動して液体金属に推力を与える方式である。この機械方式は、ケーシングにモータの軸が貫通する部分にパッキンを備えた軸受けが必要となり、この軸受け部分で液漏れがしやすいという欠点がある。液漏れは水銀等のような毒性の強い液体では安全上大きな問題を引き起こすことになる。また、融点が常温より高い液体金属の場合は、漏れた液体金属が軸受け部で固化し、軸の回転を阻害することになる。

電磁方式の液体金属用ポンプは、シール性に欠点がある軸受けが無いので、液漏れの問題は少なくなり、安全性が高く、そのため、液体金属ナトリウムを使用する高速増殖炉等に使用され、その種類も多い。電磁方式の液体金属ポンプの多くは高速増殖炉の開発に伴って開発されたものが多く、ファラデー方式と誘導方式とがある。図６はこれら電磁方式の液体金属用ポンプの代表例の構造を示すものである。

図６（ａ）は、直流型のファラデー方式の液体金属用ポンプの例である。ダクト２１を挟むようにしてその径方向に対向した一対の電極２２、２２の間に直流電流ｉを流すと共に、ダクト２１を挟んで一対の永久磁石または電磁石の磁極２３、２３を配置し、ダクト２１内に前記電流ｉの流れと交差する方向に磁界Ｂを形成する。こうすることにより、導体である液体金属に電磁力による推力Ｆが生じる。図６（ａ）に示すように、電磁石の磁極２３、２３を近接して配置し、磁界の強度がダクト２１の磁極全体にわたって極端に弱くならないように、ダクト２１を断面扁平にして壁面間隔を一部狭くし、そこに磁極２３、２３を配置している。

図６（ｂ）は、交流型のファラデー方式の液体金属用ポンプの例である。コイル２９を有するヨーク２７と導体２７とにより、低圧トランス２６を構成し、コイル２９に交流を流すことにより、導体２７の両端にダクト２１を挟むようにしてその径方向に対向して配置した一対の電極２５、２５の間に交流電流を誘導する。また、コイル３２を有するヨーク３１の両端の磁極３０、３０を、ダクト２１を挟んで対向するように配置する。そして、前記コイル３２にコイル２９と同期する同じ周波数の電流を流し、前記磁極３０、３０の間に前記電極２５、２５の間に流れる交流電流と交差する方向に交番磁界を形成する。こうすることにより、導体である液体金属に電磁力による一定方向の推力が生じる。ダクト２１を断面扁平にして壁面の間隔を一部狭くし、そこに磁極３０、３０を配置している点は前記のものと同じである。

図６（ｃ）は、矩形流路形のリニア誘導方式液体金属用ポンプの例である。コアに複数のコイルを巻いて直列に配列した誘導子２４、２４をダクト２１の回りに配置し、ダクト２１内にその長手方向に移動する磁界を発生させる。この移動磁界により、ダクト２１内の液体金属に推力を与え、搬送する。ダクト２１を断面扁平にして壁面間隔を一部狭くし、そこにステータ２４、２４を配置している点は前記のものと同じである。

図６（ｄ）は、環状流路形のリニア誘導方式の液体金属用ポンプの例である。コアに複数のコイルを巻いて直列に配列したステータ３３、３３をダクト２１の回りに配置し、ダクト２１内にその長手方向に移動する磁界を発生させる点は前記のものと同じである。この環状流路形では、ダクト２１の内部に、前記ステータ３３、３３で発生した移動磁界の磁路となるコア３４を配置している。これにより、ダクト２１内の移動磁界の磁気分布を均一にする。コア３４は磁性体をセラミックや金属等の保護管で覆ったものである。このコア３４はスペーサ３５によりダクト２１の中心に保持されており、このコア３４とダクト２１との間が環状の液体金属の流路となる。

既に述べた通り、ファラデー方式の液体金属用ポンプでは、ダクト２１を扁平にして磁極２３、３０を取り付けやすくすると共に、ダクト内での磁界の強度を確保し、十分な推力が得られるようにしている。また、誘導方式の液体金属用ポンプでも、矩形流路型のものでは、ダクト２１を扁平にしている。

しかしながら、このようにダクト２１を扁平にしたものでは、圧力に対して弱く、高温配管系に接続すると、接続配管からの反力により曲げられることになり、強度的な問題が生じる。このため、ダクト２１のポンプ部分の入口と出口にダクトの軸力や曲げ力がかからないようにサポートが必要となる等、高温配管設計には難しい熱応力緩和対策が必要となる。

このような理由から、ファラデー方式や誘導方式の矩形流路型の液体金属用ポンプは、メンテナンス性に優れている一方で、熱応力緩和対策が難しい高温配管となるような高速増殖炉には使うことは困難が伴う。これに対し、図６（ｄ）に示す環状流路型リニア誘導電磁ポンプは、ダクトのポンプ部分が強度を得やすい円管状であり、接続する高温配管と共に熱応力解析や耐震設計が容易なので、高速増殖炉に多く利用されている。

ところが、環状流路型リニア誘導電磁ポンプはもちろんのこと、矩形流路型リニア誘導電磁ポンプは、小流量でも高出力（高吐出圧力）を得るためには、誘導コイルの長さを長くし、且つステータの部分の流路ギャップを狭くする必要がある。ステータ２４、３３の長さが２ｍ程度までならともかく、吐出圧力をさらに大きくするため、ステータ２４、３３の長さをそれ以上、例えば４ｍ程度までにすると、ダクト２１の撓み等により、その長さにわたってダクト２１とステータ２４、３３の隙間を均一にすることが難しい。他方、流路ギャップを狭くすることは、粒体金属中の酸化物等の異物が流路ギャップの狭い部分に詰まりやすくなるため、小流量で高吐出圧力が必要な電磁ポンプには適さない。

直流或いは交流型のファラデー方式の電磁ポンプでも、高吐出圧力を得るためには、ダクト２１の長手方向の電極２２、２５と磁極２３、３０の長さを長く取らなければならず、特に電極２２、２５はダクト２１に接続しなければならない。そうすると、電極２２、２５とダクト２１との材質の違いから、温度変化に伴い大きな熱応力が生じる原因となる。このような理由から、高吐出圧力を得ることが出来るファラデー方式の電磁ポンプは実現が不可能である。

このような観点から、小流量でも高吐出圧力を得ることが出来る電磁ポンプとして開発されたのが図７に示すようなヘリカルダクト誘導型電磁ポンプである。この電磁ポンプは、矩形流路型リニア誘導電磁ポンプを改良したもので、ダクト２１の中心にコア３３を配置し、このコア３３とダクト２１との間に隔壁３７により螺旋状流路３８を形成したものである。コア３３は鉄等の磁性体を保護管で覆ったもので、その周囲とダクト２１の内周との間に螺旋状の隔壁３７を設け、ダクト２１の入口２１ａから出口２１ｂに通じる螺旋状流路３８を形成している。ダクト２１の外周に配置された誘導子３６は、一般の誘導モータの誘導ステータと同じ構造であり、三相交流の通電によりダクト２１の内部に回転磁界を発生させる。前記コア３３はこの回転磁界の磁路となり、螺旋状流路３８内の磁界強度を維持し、この螺旋状流路３８内の液体金属に円周方向の推力を発生させる。これにより、液体金属は前記螺旋状流路３８に沿って推力が与えられる。単にダクトを螺旋状に巻いただけでは内圧に対する強度が弱いので、円筒形のダクト２１の中心にコア３３を配置し、コア３３とダクト２１との間に螺旋状の隔壁３７を設けて螺旋状流路３８を形成し、ダクト２１のコンパクト化と強度の強化を図っている。

このような高強度且つコンパクト化を図ったヘリカルダクト誘導型電磁ポンプでも、昇温・降温時のコア３３とダクト２１との温度差により、隔壁３７に大きな熱応力が生じるため、５００〜６００℃の高温になる高速増殖炉やその実験装置には殆ど使用されることは無かった。

しかしながら、近年の中性子科学用の重金属液体ターゲットでは、水銀が利用されようとしている。「中性子科学」とは、ステンレス等の配管の中にある重金属に陽子を当てて重金属から中性子を飛び出させてその中の中性子を利用する科学で、陽子を当てる重金属液体を「重金属液体ターゲット」と呼んでいる。水銀は常温で液体であり、陽子が当たって加熱された水銀は冷却液として水を使った熱交換機で容易に常温に冷却出来るので、前記のようなヘリカルダクト誘導型電磁ポンプの利用が実現可能となった。

ところが、中性子科学で使用される重金属液体ターゲット自体が陽子の照射により放射化し、同ターゲットから破壊力の強い放射線である中性子が放出される。このため、電磁ポンプを陽子の照射個所から離れた個所に設置しても、重金属液体ターゲットから強いγ線が放射される。このことから、電磁ポンプのコイル線の絶縁材である有機物のエナメル絶縁被覆が強い放射線に耐えられず、絶縁破壊を起こし、電磁ポンプとしての機能が成り立たない。放射線に耐えることが出来るアルミナやシリカ系等のセラミック繊維で被覆した導線は、線材の径が大きくなるため、コイル巻数を多くすることが出来ず、大きな出力が得られない。また、コアのスロットを大きくして巻数を多くすると、スロットの中にセラミック繊維が占める体積が大きくなるため、スロット内の断熱性が高まり、放熱性が悪くなるので、誘導子が導線の耐熱温度以上に高温化してしまう。
特開平７−２０３６６８号公報 特公平４−５２７０８号公報

本発明は、このような放射線が放出される環境下で使用される従来の液体金属用誘導型電磁ポンプにおける課題に鑑み、そのような環境下でも問題なく運用出来る電磁ポンプ、特に液体金属用誘導型電磁ポンプを提供することを目的とする。

本発明では、ダクト２を螺旋状または円環状に形成すると共に、このダクト２の螺旋の中または外にロータ１、８を配置し、このロータ１、８をモータ５で回転するようにし、このモータ５の回転を軸６を介してロータ１、８に伝達することで、モータ５を放射線が及ばない位置に配置出来るようにした。

すなわち、本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプは、液体金属を移動させる筒状のダクト２と、このダクト２の液体金属が移動すべき方向に沿って移動磁界を発生させるロータ１、８とを有し、ロータ１、８をそれから離れたモータ５により回転駆動される円柱状または円筒状のものとし、このロータ１、８の外周または内周に同ロータ１、８の円周方向に液体金属を移動させるようダクト２を配置したものである。

より具体的には、ロータ１、８は永久磁石１２、１６を円周方向に並べて配置したものからなる。また、ダクト２はロータ１、８の外周または内周に螺旋状に配置されている。或いは、複数の円環状または螺旋状のダクト２がロータ１の外周に配置され、それらダクト２の流入部３が分配ダクト９に接続され、それらダクト２の流出部４が合流ダクト１０に接続されている。

このような本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプでは、ロータ１、８がモータ５により回転されることで、ロータ１、８の円周方向に移動する移動磁界を発生させることが出来る。これにより、円環状または螺旋状のダクト２の中にある液体金属に推力を発生させることが出来る。ロータ１、８は、永久磁石１２、１６を使用することで、中性子等の放射線の照射に耐えるものとすることが出来る。他方、このロータ１、８を回転させるモータ５は、軸６を介して前記ロータ１、８に回転を伝達して、放射線の影響の無い個所あるいはその影響の小さい個所に配置することが可能である。これにより、モータ５の電機子巻線について、放射線に弱い導線やその絶縁被覆を保護することが可能となる。

以上説明した通り、本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプでは、ロータ１、８の回転により円環状または螺旋状のダクト２の中にある液体金属に推力を発生させることが出来ると共に、中性子線等の放射線の照射による破壊の無い構造とすることが可能であるため、中性子科学で使用される重金属液体ターゲットの搬送に使用出来るものが得られる。

本発明では、ダクト２を螺旋状または円環状に形成すると共に、このダクト２の螺旋の中または外に配置したロータ１、８を軸６により離れたモータ５により回転して移動磁界を発生させるようにし、その目的を達成するものである。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

まず各実施例の概略を述べると、図１〜３に示す実施例では、内側のロータ１が回転し、外側のステータ８’は非回転の円筒状の磁性材である。これらの図１〜３に示した実施例おいて、ロータ１は図５（ａ）に示すように、永久磁石１２を円周方向に並べて配置したものからなる。また、ダクト２は回転するロータ１の外周に配置されている。

これに対し図４に示した実施例では、外側のロータ８が回転し、内側のステータ１’が非回転となる。従って、この場合ダクト２は、図５（ｂ）の様な永久磁石１６の配置になっている。ダクト２はロータ８の内側に螺旋状に配置され、磁界は非回転のステータ１’に向かって内側に発生する。
以下順次これらの実施例について具体的に説明する。

図１は、本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプの第一の実施例である。ロータ１を円柱形または円筒形とし、その周囲に管体をコイル状に曲げたダクト２を巻いている。ダクト２の両端は流入部３と流出部４となっており、コイル状のダクト２の両端からロータ１の側方に延びている。ロータ１の中心に軸６が貫通して固定されており、それら軸６の両端側はそれぞれ軸受７、７に回転自在に支持されている。さらに軸６の一端には誘導モータ５が連結されており、ロータ１はこの誘導モータ５により回転される。さらに、コイル状のダクト２の外周側は円筒形のステータ８’で覆われている。このステータ８’は磁性体からなる。ロータ１そのものの構造については後述する。

図２は、本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプの第二の実施例である。ロータ１を円柱形または円筒形とし、１周弱のリング状の複数の管をロータ１に嵌め込んで長手方向に並べ、それら各管の両端をそれぞれ分配ダクト９と合流ダクト１０とに接続し、ダクト２を構成している。分配ダクト９と合流ダクト１０は共に両端を閉じた円筒形の管体であり、前記ダクト２を構成する１周弱のリング状の複数の管の両端を互いに連絡している。こられ分配ダクト９と合流ダクト１０には、それぞれダクトの流入部３と流出部４が接続されている。
その他の構成は図１により前述した実施例と同じであり、同じ部分は同じ符号で示している。

図３は、本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプの第三の実施例である。ロータ１を円柱形または円筒形とし、２周弱の螺旋状の複数の管をロータ１に嵌め込んで長手方向に並べ、それら各管の両端をそれぞれ分配ダクト９と合流ダクト１０とに接続している。図３ではダクトの構造を分かりやすくする都合上、２周弱の螺旋状の管の１本分のみを示しているが、実際は複数本の２周弱の螺旋状の管がロータ１に長手方向に並べて嵌め込んである。
その他の構成は図２により前述した実施例と同じであり、同じ部分は同じ符号で示している。

図４は、本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプの第四の実施例である。この実施例では、図１のステータ８’に代えて、螺旋状のダクト２の外側に円筒形のロータ８を配置し、これをモータ５で回転するようにしている。また、図１のロータ１に代えて、磁性体の円筒形状のステータ１’をロータ８の中心に配置し、その周囲にコイル状に曲げたダクト２を巻いている。ダクト２の両端の流入部３と流出部４は、ロータ８の円筒形とした一端側の中空軸を通してロータ８の外に引き出しいる。流出部４は、ステータ１’の中心を貫通している。
その他の構成は図１により前述した実施例と同じであり、同じ部分は同じ符号で示している。

図５（ａ）は、図１〜図３により前述した第一〜第三の実施例に使用するロータ１の例を示す断面図である。円筒形の鉄材等の磁性体からなる内部コア１４の周囲に複数の永久磁石１２が等角度間隔で配置されている。これら永久磁石１２は、ロータ１の放射方向に磁極が交互に異なる方向に向くように配置されている。すなわち、内部コア１４の外周側には放射方向にわたってＮ極とＳ極とが交互に配置され、外枠１５の内周側には放射方向にわたってＳ極とＮ極とが交互に配置されている。永久磁石１２の間は、耐放射線性に優れた樹脂材料や無機材料等からなる充填材１３が充填されている。さらにこれら永久磁石１２と充填剤１３の外周には、オーステナイト系ステンレス等の非磁性金属からなる管状の外枠１５が嵌め込まれ、全体が円筒形になるように固定されている。すなわち、磁界は、内部コア１４が磁性体で、外枠１５が非磁性体になっているため、永久磁石１２によって外向きに放射状に発生し、ステータ８’によってさらに強められる構造と成っている。また、前述したモータ５に連結される軸６は、このロータ１の両端に固定された状態で同ロータ１の中心を貫通している。

図１〜図３により前述した液体金属用誘導型電磁ポンプにおいて、モータ５により図５（ａ）に示すロータ１が回転することにより、その円周方向に回転磁界が発生し、同ロータ１の周囲に巻いたダクト２の中の液体金属には同ダクト２の円周方向に推力が発生する。これにより、ダクト２内では、流入ダクト３側から流出ダクト４へ向けて液体金属が強制搬送される。

ロータ１には巻線が無いので、これを中性子線等の放射線が及ぶ場所に配置する。その一方で軸６を介してロータ１を回転するモータ５は、中性子線等の放射線が及ばない或いはその影響の少ない場所に配置する。これにより、モータ５の電機子巻線に放射線照射に弱い樹脂絶縁被覆電線を使用することが可能となる。

図５（ｂ）は、図４により前述した第四の実施例に使用するロータ８の例を示す断面図である。オーステナイト系ステンレス等の非磁性金属からなる管状の内枠１９の周囲に複数の永久磁石１６が等角度間隔で配置されている。これら永久磁石１６は、ロータ８の放射方向に磁極が交互に異なる方向に向くように配置されている。この点は、図５（ａ）により前述したロータ８と基本的に同じである。永久磁石１６の間は、耐放射線性に優れた樹脂材料や無機材料等からなる充填材１７が充填されている。さらにこれら永久磁石１６と充填剤１７の外周には、円筒形の鉄材等の磁性体からなる外部コア１８が嵌め込まれ、全体が円筒形になるように固定されている。すなわち、磁界は、外部コア１８が磁性体で、内枠１９が非磁性体になっているため、永久磁石１６によって内向きに放射状に発生し、ステータ１’によってさらに強められる構造と成っている。また、前述したモータ５に連結される軸６は、このロータ８の両端に固定されている。

図４により前述した液体金属用誘導型電磁ポンプにおいて、モータ５により図５（ｂ）に示すロータ８が回転することにより、その円周方向に回転磁界が発生し、同ロータ８の内周側に巻いたダクト２の中の液体金属には同ダクト２の放射方向に推力が発生する。これにより、ダクト２内では、流入ダクト３側から流出ダクト４へ向けて液体金属が強制搬送される。この点は、図１〜図３により前述した実施例と同じである。また、ロータ８とそれを回転するモータ５の放射線に対する位置関係も図１〜図３により前述した実施例と同じにする。

本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプの第一の実施例を外コアを判断面して示した斜視図である。 本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプの第二の実施例を外コアを判断面して示した斜視図である。 本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプの第三の実施例を外コアを判断面して示した斜視図である。 本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプの第四の実施例を外コアを判断面して示した斜視図である。 本発明による液体金属用誘導型電磁ポンプの前記第一〜第三の実施例と第四の実施例に使用するロータを示す縦断正面図である。 従来のリニアダクト構造の液体金属用誘導型電磁ポンプの各例を示す判断面斜視図である。 従来のヘリカルダクト構造の液体金属用誘導型電磁ポンプの各例を示す判断面斜視図である。

符号の説明

１ ロータ
２ ダクト
５ モータ
８ ロータ
９ 分配ダクト
１０ 合流ダクト
１２ 永久磁石
１６ 永久磁石

Claims (4)

1. 液体金属を移動させる筒状のダクト（２）と、このダクト（２）の液体金属が移動すべき方向に沿って移動磁界を発生させるロータ（１）、（８）とを有する液体金属用誘導型電磁ポンプにおいて、ロータ（１）、（８）をそれから離れたモータ（５）により回転駆動される円柱状または円筒状のものとし、このロータ（１）、（８）の外周または内周に同ロータ（１）、（８）の円周方向に液体金属を移動させるようダクト（２）を配置したことを特徴とする液体金属用誘導型電磁ポンプ。
2. ロータ（１）、（８）は、永久磁石（１２）、（１６）を円周方向に並べて配置したことを特徴とする請求項１に記載の液体金属用誘導型電磁ポンプ。
3. ダクト（２）がロータ（１）、（８）の外周または内周に螺旋状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体金属用誘導型電磁ポンプ。
4. 複数の円環状または螺旋状のダクト（２）がロータ（１）の外周に配置され、それらダクト（２）の流入部（３）が分配ダクト（９）に接続され、それらダクト（２）の流出部（４）が合流ダクト（１０）に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体金属用誘導型電磁ポンプ。

Images