JP2013220442A

JP2013220442A - 液体金属用電磁ポンプ

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Publication number: JP2013220442A
Application number: JP2012093446A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Miura; 邦明三浦; Kazuhiko Hagitani; 和彦萩谷; Michihiro Tomita; 陸浩冨田
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2013-10-28
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: JP5926103B2

Abstract

【課題】液体金属の凝固・収縮後の再溶解時に液体金属槽１０の中の凝固金属が膨張することにより、特にポンプ側ダクト１の液体金属入口１７と液体金属槽１０の底面との間の部分で生じる熱応力、熱歪みを緩和し、電磁ポンプの破損を防止する。
【解決手段】液体金属を通す筒状のポンプ側ダクト１の外周に、ポンプ側ダクト１の中に移動磁界を発生させる誘導子５を設け、この誘導子５を保護ケース１１で覆って液体金属１２の中に浸漬している。そして、誘導子５の内側にポンプ側ダクト１を囲むように巻いたマイクロヒータ等のヒータ９を設ける。そして、液体金属１２が凝固し、収縮した後、再び加熱して溶解する時に、まず最初にこのヒータ９に電力を通電し発熱させることで、ポンプ側ダクト１の内部の凝固金属を最初に溶解する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力利用分野で使用されるナトリ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電磁ポンプとその運転を開始する方法に関し、特に誘導子を含む電磁ポンプ本体を液体金属に浸漬し、同液体金属を汲み出す方式のいわゆる浸漬型液体金属用電磁ポンプにおいて、誘導子を保護するケースやダクトの熱応力を緩和し、それらの破損を防止することが出来る浸漬型液体金属用電磁ポンプとその運転開始方法に関する。

例えば原子力利用分野で使用されるナトリウム等を搬送するために、電磁誘導作用により液体金属に推力を与えて搬送する液体金属用電磁ポンプが利用されている。このような液体金属用電磁ポンプは、磁性体製のヨークにコイルを巻いた誘導子により筒状のダクト内部に移動磁界を発生させて液体金属に推力を与え、供給する形式の誘導形電磁ポンプが主流である。

このような誘導形電磁ポンプは、例えば特開２００６−３４１２８１号公報に記載されている。液体金属が流れる管状のダクトの外周に、移動磁界を発生するためのヨークにコイルを巻いた誘導子を配置し、誘導子により発生した磁界の磁路となる磁性体のコアを管状のダクト内部に配置している。コアは耐熱性及び耐蝕性を有する筒状の保護管により覆われている。従って、液体金属の流路は管状のダクトと保護管との間に形成される環状部分となる。これによりこの種の電磁ポンプは環状流路形電磁ポンプと呼ばれている。このうち特に電磁ポンプの誘導子を含む本体を液体金属に浸漬し、同液体金属を汲み出す方式のものは、浸漬型液体金属用電磁ポンプと呼ばれている。

図２は、この浸漬型液体金属用電磁ポンプの従来例である。このタイプの液体金属用電磁ポンプ４は誘導子５をステンレス鋼等の耐熱性及び耐蝕性を有する材料からなる保護ケース１１の中に収納し、電磁ポンプ４のほぼ全体が液体金属槽１０の中の液体金属１２に浸漬している。保護ケース１１の下端中央に液体金属を導入する孔があり、この部分にポンプ側ダクト１の下端が密に接合し、液体金属入口１７が開口している。このポンプ側ダクト１の液体金属入口１７からポンプ側ダクト１内に液体金属槽１０の中の液体金属１２を汲み上げ、これを給湯側ダクト１’を通して目的の位置に供給する。給湯側ダクト１’の外周には保温のためのヒータ９’と保温材１８が設けられている。

ポンプ側ダクト１の誘導子５を設けた部分の内部には、この誘導子５で発生した磁界を通し、同誘導子５と共に磁路を形成するための磁性体製のコア２が収納されている。このコア２は、ステンレス鋼等の耐熱性及び耐蝕性を有する材料からなる保護管３の中に収納され、保護管３とコア２との間には、マグネシア粉末等の充填材８が充填されている。このコア２を収納した保護管３はその両端に放射状に設けられたスペーサ１５、１６によりポンプ側ダクト１の中に保持される。

このような浸漬型液体金属用電磁ポンプの課題としては、液体金属の凝固・収縮後の再溶解時に液体金属槽１０の中の液体金属１２が膨張し、浸漬型電磁ポンプが押し上げられ、液体金属槽１０や浸漬型電磁ポンプが破損してしまうことである。図２に示すように、液体金属槽１０の中の液体金属１２が膨張し、その液面が符合ｅで示すように押し上げられ、二点鎖線で示したような状態となる。

例えば、供給する液体金属が液体金属ナトリウムの場合、溶融金属槽１０にはオーステナイト系ステンレス鋼が使われ、ナトリウムの融点まで昇温した時にオーステナイト系ステンレス鋼に生じる室温２０℃からの熱ひずみεは、ナトリウムの融点が９８℃としたとき、次の計算式からε＝０．４１％となる。
ε＝（ρ_ｎａ−ρ_ｓｕｓ）×ΔT＝０．４１％
ρ_ｎａ＝Naの熱膨張係数＝７１×１０⁻⁶ （１／℃）
ρ_ｓｕｓ＝オーステナイト系ステンレス鋼の熱膨張係数＝１８×１０⁻⁶ （１／℃）
ΔT＝ナトリウムの融点と室温との温度差（℃）

一般的な金属の降伏ひずみ（塑性が始まるひずみ）は０．２％であり、単純計算では前記熱ひずみε＝０．４１％においてオーステナイト系ステンレス鋼は塑性域に入っており、強度上容器の破損が考えられる。例えば、０．２％の熱ひずみに対する応力σを計算してみると、ＪＩＳ等の圧力容器の構造規格が規定しているオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４ＴＰ）の許容応力＝１２９Ｎ／ｍｍ^２（４０℃）以上になってしまう。
σ＝ε×E＝３８６Ｎ／ｍｍ^２＞許容応力１２９Ｎ／ｍｍ^２
E＝ヤング率＝１．９３×１０^５Ｎ／ｍｍ^２（５０℃）

しかし、熱応力は、ひずみ制御型の応力なので多少許容応力の割増が認められている。熱応力に対する許容応力は、ＡＳＭＥｓｅｃｔｉｏｎIIIや発電用原子力設備に関する技術基準を定める省令５０１号等より簡単な計算式（ＡＮＳＩのＰｏｗｅｒＰｉｐｉｎｇ規格）で求められる許容応力Ｓ_Ａをも超えてしまう（米国規格は、ｐｓｉ単位系であるがＪＩＳ規格値を代入）。
Ｓ_Ａ＝ｆ×（１．２５Ｓ_ｃ＋０．２５Ｓ_ｈ）＝１．０×（１．２５×１２９＋０．２５×１２２）＝１９１．７５Ｎ／ｍｍ^２
Ｓ_ｃ＝常温時の許容応力＝１２９Ｎ／ｍｍ^２（４０℃）
Ｓ_ｈ＝高温時の許容応力＝１２２Ｎ／ｍｍ^２（１００℃）
ｆ＝熱サイクル数で決まる係数＝１．０（７０００回以下の場合）

特開２００９−６８８号公報特開２００９−６８９号公報特開２００２−３４６７３号公報特開平０６−３２８２２９号公報特開平０５−４２３５８号公報

本発明はこのような従来の浸漬型液体金属用電磁ポンプにおける課題に鑑み、液体金属の凝固・収縮後の再溶解時に液体金属槽１０の中の液体金属１２が膨張することにより、特にポンプ側ダクト１の液体金属入口１７と液体金属槽１０の底面との間の部分で生じる液体金属の膨張に伴う電磁ポンプに発生する熱応力、熱歪みを緩和し、電磁ポンプの破損を防止することを目的とする。

本発明では、前記目的を達成するため、誘導子５の内側に、ポンプ側ダクト１を囲むように巻いたマイクロヒータ等のヒータ９を設ける。そして液体金属１２が凝固し、収縮した後、再び加熱して溶解する時にまず最初にこのヒータ９に電力を通電し、発熱することで、ポンプ側ダクト１の内部の凝固金属を最初に溶解する。

すなわち、本発明による液体金属用電磁ポンプは、液体金属を通す筒状のポンプ側ダクト１の外周に同ポンプ側ダクト１の中に移動磁界を発生させる誘導子５を設け、この誘導子５を保護ケース１１で覆って液体金属１２の中に浸漬している。そして、誘導子５の内側に、ポンプ側ダクト１を囲むように巻いたマイクロヒータ等のヒータ９を設ける。そして液体金属１２が凝固し、収縮した後、再び加熱して溶解する時にまず最初にこのヒータ９に電力を通電し、発熱することで、ポンプ側ダクト１の内部の凝固金属を最初に溶解する。

アルカリ金属は、柔らかいこともあって完全弾塑性体（応力度−歪み関係において、歪み０．２％以下では弾性体として直線的な変化を示すが、それを越える歪みでは応力度が一定値で歪みだけが大きくなる性質を持つ材料）に近い特性を有する。このため歪み０．２％を越えると自らが変形し、伸びてしまう。従って、図２の様に液体金属槽１０の中に液体金属１２の熱膨張を吸収する空間、すなわち液面より上に空間があって、且つアルカリ金属の歪み０．２％の時の応力（耐力）に相当する圧力で押しても壊れない液体金属槽１０であれば、液体金属１２はその膨張時に図２で符合ｅ及び二点鎖線で示すように前記の熱膨張を吸収する空間へ膨らむ。この状態では電磁ポンプ４には過大な熱応力が掛からず、液体金属槽１０が壊れることはない。特に、摂氏単位で融点の４０％程度の温度以上になるとクリープ特性（荷重が掛かったままでいると伸びだす特性）が働き、少ない圧力（熱歪みが小さく相当圧力が小さい）で伸び出し、常温時よりも小さい圧力で伸び出し、より安全側になる。従って理論上液体金属槽１０がアルカリ金属の０．２％歪みの応力（耐力）に相当する圧力に耐えれば、液体金属は液体金属槽１０の中でその液面より上に盛り上がるだけで液体金属槽１０が壊れることはない。

しかしながら、液体金属槽１０に電磁ポンプ４を入れた場合、液体金属槽１０内の液体金属１２の均一な予熱が出来ず、温度むらが生じ易い（温度分布が付きやすい）。このため、液体金属１２の凝固・収縮後の再溶解時に液体金属１２を吸い上げる部分、すなわちダクト１の液体金属入口１７と液体金属槽１０の底面との隙間ｔの部分の凝固金属が最初に溶け出すと、電磁ポンプ４が押し上げられ、電磁ポンプ４やそのコア２の部分に過大な応力が発生し損傷する場合がある。

そこで、誘導子５の内側に、ポンプ側ダクト１を囲むように巻いたマイクロヒータ等のヒータ９を設ける。そして液体金属１２が凝固し、収縮した後、再び加熱して溶解する時にまず最初にこのヒータ９に電力を通電し、発熱することで、ポンプ側ダクト１の内部の凝固金属を最初に溶解させる。これにより液体金属槽１０の底面と電磁ポンプ４の下端との間にある液体金属１２が溶解し、膨張しても、電磁ポンプ４に加わる膨張力をポンプ側ダクト１の中の溶解した液体金属１２を通して上側に逃がすことが出来る。こうすることで電磁ポンプ４を構成する保護ケース１１、ポンプ側ダクト１、コア２やその保護管３に生じる熱応力、熱歪みを低減する。

以上説明した通り、本発明による液体金属用電磁ポンプとその運転開始方法では、液体金属１２の凝固・収縮後の再溶解時に液体金属１２を吸い上げる部分、すなわちポンプ側ダクト１の液体金属入口１７と液体金属槽１０の底面との間の部分の液体金属１２が溶け出しても、液体金属の溶解時の膨張力が予め先行して溶解したポンプ側ダクト１内の液体金属１２を通して逃がされ、電磁ポンプ４やそのコア２の部分に過大な応力が発生せず、それが損傷するのを防止する効果がある。

本発明による浸漬型の液体金属用電磁ポンプの一実施例を示す断面図である。浸漬型の液体金属用電磁ポンプの従来例を示す断面図である。

本発明では、誘導子５の内側に、ポンプ側ダクト１を囲むように巻いたマイクロヒータ等のヒータ９を設け、液体金属１２が凝固し、収縮した後、再び加熱して溶解する時にまず最初にこのヒータ９に電力を通電し、発熱することで、ポンプ側ダクト１の内部の凝固金属を最初に溶解させるようにした。
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。

図１は、本発明による浸漬型の液体金属用誘導電磁ポンプの一実施例である。この液体金属用誘導電磁ポンプの構成は基本的に図２により前述した従来の電磁ポンプと同じであり、同じ部分は同じ符号を付してある。
この浸漬型の液体金属用電磁ポンプは、電磁ポンプ４のほぼ全体を液体金属１２の中に浸漬して使用する。誘導子５に通電していない運転休止時は、ポンプ側ダクト１の中にある液体金属の液面が液体金属槽１０側の液体金属１２の液面と同じ高さである。

ポンプ側ダクト１は、ステンレス鋼等の耐熱性、耐蝕性のある材料で作られている。このポンプ側ダクト１の周囲には、液体金属槽１０の蓋となる部材から吊り下げられた磁性体製のヨーク６にコイル７を巻回した誘導子５が配置されている。この誘導子５と前記ポンプ側ダクト１の外周側は、ステンレス鋼等の耐熱性及び耐蝕性を有する材料からなる保護ケース１１の中に収納されている。この保護ケース１１の下端中央に孔があり、この孔にポンプ側ダクト１の下端が密に接合されている。ポンプ側ダクト１の下端が液体金属入口１７として液体金属槽１０の底面に向けて開口している。

誘導子５は、ポンプ側ダクト１を囲むように縦に設けられたヨーク６に３相電源と接続できるコイルを縦に配列して巻回したもので、縦型３相リニアモータ構造を有している。従ってコイルは３の倍数だけ巻回されている。この誘導子５の全体が前記保護ケース１１により覆われている。

さらに、この誘導子５の内側には、ポンプ側ダクト１を囲むように巻いたマイクロヒータ等のヒータ９が設けられている。液体金属１２が凝固し、収縮した後、再び加熱して溶解する時にまず最初にこのヒータ９に電力を通電し、発熱することで、ポンプ側ダクト１の内部の凝固金属を最初に溶解する。これにより液体金属槽１０の底面と電磁ポンプ４の下端との間にある凝固金属の膨張により電磁ポンプ４に加わる膨張力をポンプ側ダクト１の中の溶解した液体金属１２を通して上側に逃がし、電磁ポンプ４を構成する保護ケース１１、ポンプ側ダクト１、コア２やその保護管３に生じる熱応力、熱歪みを低減する。

この誘導子５の位置に対応して前記ポンプ側ダクト１の中には、磁性体製の円柱体からなるコア２が配置されている。このコア２は、上下両端が閉じられたステンレス鋼等の耐熱性、耐蝕性のある材料からなる円筒形の保護管３の中に収納されており、ポンプ側ダクト１内の液体金属と直接接触しない。この保護管３とコア２との間には、アルミナ、マグネシア等のセラミックからなる繊維状或いは粉末状の充填材８が充填されている。保護管３は、その上下両端に放射状に延びたスペーサ１５、１６によりポンプ側ダクト１の中に保持され、コア２がポンプ側ダクト１と中心軸が一致するように保持される。

ポンプ側ダクト１はその上端側において給湯側ダクト１’と接続されている。この給湯側ダクト１’の周囲にシーズヒータ等からなるヒータ線９’が巻回され、給湯側ダクト１’の内部が液体金属の融点以上の温度に加熱される。このヒータ線９’が巻回された給湯側ダクト１’の周囲が耐熱性と断熱性を有する保温材１８で囲まれている。

前記保護ケース１１の下端面は、その中心部である液体金属入口１７からその周辺部に向けて次第に高くなるようなテーパーが形成されている。この保護ケース１１の下端面のテーパーは、液体金属１２が凝固し、収縮した後、再び加熱して溶解する時に液体金属１２が保護ケース１１の下端面に沿って滑りやすくするためである。これにより、液体金属槽１０の底面と電磁ポンプ４の下端との間にある凝固金属の膨張により電磁ポンプ４に加わる力を保護ケース１１の外側に逃がし、電磁ポンプ４を構成する保護ケース１１、ポンプ側ダクト１、コア２やその保護管３に生じる熱応力、熱歪みを低減する。このような液体金属１２の滑り効果を有効にするために保護ケース１１の下端面のテーパー角θは１０゜以上とする。

アルカリ金属とオーステナイト系ステンレス鋼との熱膨張差で、０．２％の歪みが生じる温度は表１の通りになる。これ以上の温度になると、アルカリ金属は０．２％耐力に相当する内圧で容器を押し広げながら、自ら変形してゆき、さらに浸漬型電磁ポンプを押し上げようとする。従って、この内圧に耐える体金属槽であり、浸漬型電磁ポンプでなければならない。

浸漬型電磁ポンプが液体金属槽１０の中に収納されると、その液体金属入口１７と液体金属槽１０の底面との隙間ｔがフィン効果で温度が上がらなくなってしまい、常温の部分が生じてしまう。常温のアルカリ金属の０．２％耐力はほぼ２倍になり、更に強度が必要になる。これでは容器の板厚が２倍に厚くなってしまう。更に、浸漬型電磁ポンプを取り付ける上蓋も２倍に厚くするか、ベローズを入れて浸漬型電磁ポンプがアルカリ金属の熱膨張で浮き上がる量を吸収する等のコストの掛かる設計になってしまう。これらを避けるため、隙間ｔを適切な値にしてやる必要がある。

電磁ポンプ４の下端から液体金属槽１０の底面までの隙間（距離）ｔは、液体金属槽１０の呼び径ＤＡ（Ａ呼称）に対して次の通りとする。
ｔ≦０．０００６Ｄ^２＋０．６１１４Ｄ−４０（ｍｍ）
これは液体金属１２が凝固し、収縮した後、再び加熱して溶解する時に液体金属槽１０の底面と電磁ポンプ４の下端との間にある凝固金属の膨張により電磁ポンプ４を構成する保護ケース１１、ポンプ側ダクト１、コア２やその保護管３に生じる熱応力、熱歪みでそれらが破損しない限度として解析により決定された。具体的には、液体金属槽１０の呼び径ＤＡ（Ａ呼称）に対して前記隙間ｔを次の表２の値以下とする。

しかし、前記隙間ｔを小さくすればするほど、電磁ポンプ４で液体金属１２を汲み上げるとき、液体金属槽１０の底面に沈積している不純物も一緒に汲み上げてしまうことになる。そこで、液体金属槽１０の底面に邪魔板１３を設け、この邪魔板１３の上面と前記電磁ポンプ４の下端との間の隙間ｔを前述の値以下とする。邪魔板１３を支持脚１４により液体金属槽１０の底面から所要の高さに保持し、この邪魔板１３により液体金属槽１０の底面を実質上かさ上げしている。この邪魔板１３はポンプ側ダクト１から液体金属１２をドレンしたときに、ドレンと一緒に排出された不純物が邪魔板１３上に停滞しないように中心から周辺に向かって低くなるような笠形のテーパーをつけておく。

本発明は、例えば原子力利用技術分野、放射線利用技術等で使用されるナトリウム等の導電性液体の搬送手段として利用される導電性液体用誘導電磁ポンプに適用することが出来る。

１ポンプ側ダクト
１’ 給湯側ダクト
４電磁ポンプ
５誘導子
１０液体金属槽
１２液体金属
１７液体金属入口

Claims

液体金属を通す筒状のポンプ側ダクト（１）の外周に、同ポンプ側ダクト（１）の中に移動磁界を発生しさせて同ポンプ側ダクト（１）内の液体金属に推力を与える誘導子（５）を設け、この誘導子（５）を保護ケース１１で覆って液体金属（１２）の中に浸漬した液体金属用電磁ポンプにおいて、誘導子（５）の内側に、ポンプ側ダクト（１）を囲むように巻いたマイクロヒータ等のヒータ（９）を設けたことを特徴とする液体金属用電磁ポンプ。
液体金属を通す筒状のポンプ側ダクト（１）の外周に、同ポンプ側ダクト（１）の中に移動磁界を発生させて同ポンプ側ダクト（１）内の液体金属に推力を与える誘導子（５）を設け、この誘導子（５）を保護ケース１１で覆って液体金属（１２）の中に浸漬した液体金属用電磁ポンプを運転開始する方法において、誘導子（５）の内側に、ポンプ側ダクト（１）を囲むように巻いたマイクロヒータ等のヒータ（９）を設け、液体金属（１２）が凝固し、収縮した後、再び加熱して溶解する時にまず最初にこのヒータ（９）に電力を通電し、発熱することで、ポンプ側ダクト（１）の内部の凝固金属を最初に溶解することを特徴とする液体金属用電磁ポンプの運転開始方法。