JP2534997B2 - 高温電気的断縁として使用するに適した絶縁材を組み込んだ電気的装置、雲母の製造方法および融解金属を搬送するに適した電磁ポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は外部から冷却せずに700℃以上の温度が作動
でき10メーター以上の融解マグネシウムの如き融解金属
の流体静力学水頭を現出できる環状線形誘導ポンプに係
るものである。好ましい構造のポンプはポンプに今日使
用されている12個またはそれ以上の個数のコイルに比較
して僅か６個のコイルしか使用しない。

従来の技術 単一のダクトを磁石の極片間に配向し電流をダクト内
の導電流体内に誘導する電磁ポンプが考案された。誘導
された電流の流れは磁石からの磁束に対し垂直である。
磁束に対しこのように反応すると流体に電流と磁束とに
対し共に垂直に力をかけさせ従って、圧選作用が生じ
る。そのようなポンプは可動部品を有してなく従来のポ
ンプに見られる漏洩の如き漏洩が許容されない用途には
好適である。そのような用途の代表的なものは敏速な増
殖原子炉内に液状金属冷却材を圧送することである。

軸受、シールまたは機械的可動部品がなくしかも機械
的ポンプの機能を電磁ポンプが果せるという事実はこの
形式のポンプを融解金属の搬送用に非常に魅力的にす
る。電磁ポンプは対応する機械的ポンプから得られる値
の半分より僅かに低い比較的に低い効率（約45％）しか
有していないが、融解金属の搬送用に電磁ポンプを使用
することは原子炉およびそれに関係した要素の安全的作
動には必須である。

たとえば、らせん磁気ポンプ、平形線誘導ポンプ、遠
心電磁ポンプおよび環状線形誘導ポンプの如き種々の形
式の電磁ポンプがある。これら種々の型式の電磁ポンプ
はそれぞれ異なる形状と好ましい用途とを有している。

発明が解決しようとする問題点 融解ナトリウムより可成り高い温度で融解する融解金
属を圧送するため従来技術のポンプを使用する場合、こ
れらポンプは短絡し勝ちで、その結果、従来技術のポン
プは磁気コイルを不活性流体で冷却することに頼ってい
た。そのような冷却方法はポンプの寸法を大きくしたり
また封印装置を必要とした。

MHDポンプおよびヂェネレータで例証される従来の融
解金属処理ポンプは低温の閉ループシステムで作動する
よう設計されていた。これらポンプは寸法の制限がな
く、従って、12コイルポンプが標準となった。これらポ
ンプを使用して工業用途において融解金属を圧送する、
たとえば、電気化学的セルから融解マグネシウムを圧送
しようと試みた時その寸法と形成とによりポンプを下に
あるスラッジおよび塩帯域に対し融解金属帯域で作動す
るよう導入する必要があった。このことはある問題を生
じポンプにエルボーを加える必要がありポンプを融解金
属内にそう入する自由を制限した。更にまた、横に寝か
したポンプでは、融解金属のみを引くことができた（中
心の環状入口管に金属が満されている限り、さもないと
ポンプは作動しない）。たとえば、マグネシウムセルで
は、環状管に入る磁束、塩浴またはスラッジの堆積物が
入口管の内部の導電率を非常に減少しポンプは作動を停
止する。それ故、ポンプを垂直位置にする必要があると
思われた。従って、前記した６コイルポンプが建造され
た。

ポンプの入口ダクトすなわち管の好ましい配向は垂直
方向でありポンプを再び作動させるとまたポンプを取り
出すと自動呼び水また、ポンプを取り出すと塩ドレン利
点をそれぞれ達成すると共に融解金属用の下部吸込み入
口を形成する。工業的金属処理用途では、融解マグネシ
ウムの深さが30cm以上でハウジングが50cm以上の長さで
ある12コイルポンプがそれをもし垂直配向にして使用す
ると高すぎるという事態が生じた。23cm以下の長さのハ
ウジングに入れた６コイル形ポンプを入口ダクトを垂直
配向にして作動させるよう建造した。試験の結果浅いド
ラフト保持炉と多くのダイカスト作業に一般的な小形の
融解ポットすなわちるつぼに用途を拡げて６コイルポン
プの用途を拡げたところ意外にも12コイルポンプよりも
性能がすぐれていることが判った。この小形ポンプハウ
ジングの別の具体例は低い速度の融解金属の流れが水平
面に集中されて典型的には融解金属の下に出るスラッジ
の堆積物をかき乱したりまた、それから引かないように
する吸引入口である。

問題を解決するための手段 本発明に係るポンプはそのコイルとステータコアとに
改良された高温抵抗絶縁を使用する。絶縁材は融解金属
の高温範囲プロフィルでポンプが作動できるようにす
る。以下の説明では特にマグネシウムに言及するが、亜
鉛、リチウムおよびそれらの合金の如き他の金属もその
ような金属または金属合金がポンプの構成要素に使用し
た材料の融解温度を超えない限り本発明のポンプを使用
して圧送できる。

本発明の特定の１つの面は本発明のポンプが一般に銅
の融解温度すなわち900℃以下の温度で融解する金属の
温度作動できるようにする絶縁材にある。本発明のポン
プに使用する絶縁は熱で予処理した雲母であり雲母はそ
のような予処理後はポンプの作動中かけられる温度では
破損しない。

磁気コアとステータ要素とに本発明で使用するに好ま
しい金属組成物はコバルト／鉄合金である。融解マグネ
シウムを圧送する場合、中心管と、外部のハウジングと
はコロンビウムで安定にしたニッケル合金ステンレス鋼
で作る。マグネシウムをどのニッケルにも露出すること
が望ましくない場合には、AISIタイプ430ステンレス鋼
の如き鋼を含んでいるクロムモリブデンを使用すること
が好ましい。

実施例１ 特に添付図面を参照すると、この図には本発明のポン
プの内部がほぼ等角斜視断面図で示してある。ポンプは
総体的に符号10で示してあり、融解金属を搬送する内部
すなわち中心導管すなわち管12を備えている。内部管12
は電気化学的セル、融解ポットまたはるつぼから鋳造材
等に融解金属を搬送するため導管（図示せず）に接続さ
れている。内部管12には中心コア14が設けてあり、この
コアはその円周方向の間隔をあけた個所に装着した複数
の案内羽根16を有している。内部管12とコア14とは融解
金属用の環状流路17を形成している。内部管12には任意
にアルミナの如き非磁性材製のスリーブ18を設けるがス
リーブは熱処理した雲母で作ることが好ましい。シート
金属、薄板28と各対のシート金属、薄板間に位置決めし
た絶縁シート26とを重ね合わせたものから成る積層コア
要素20が複数設けてある。コア要素20は内部管12とスリ
ーブ18とのまわりに円周方向に間隔をあけた関係にして
位置決めされている。それぞれのコア要素20は複数の間
隔をあけた脚部21を有していて、各対の脚部間のスペー
スには導電性コイル22が位置し、このコイル22は熱で予
処理した雲母により互いに絶縁された複数の巻線32を有
している。本発明の好ましい具体例では、各コア要素は
７つの脚部を有し、従って脚部間に６つのスペースを形
成し、事実６つのコイル用に６つのレセップタクルを形
成する。ポンプのこれら要素を包囲する外部ハウジング
24は内部管12の端部に封印（図示せず）されている。

本発明によれば、ポンプのコア要素とコイルとはほぼ
不純物を含まない熱で予処理した雲母を使用している。
不純物は雲母を700℃以上の温度に加熱した時に放出さ
れることが判った。当業界で今日使用されている（36％
のNi、64％の鋼、および0.2％の炭素から成り1500℃の
融解点と8.0の密度とを有するフェローニッケル合金）
登録商標Invarで作ったコイルを本発明のポンプ用に脱
酸し銅のフラット導体に取り替えると好ましい。従来技
術に使用した従来の炭素鋼コア桿をコバルト／鉄合金に
取替えると好ましい。更にまた、融解マグネシウムまた
はマグネシウム合金を圧送する場合、融解金属と接触し
ている外部のハウジング要素を347ステンレス鋼（コロ
ンビウムで安定にしたニッケル合金）または430ステン
レス鋼（鋼を含んでいるコロンビウム／モリブテン）で
作る。

従来の電気的等級（grade）雲母を融解マグネシウム
を圧送する際に出会う高温にさらされると識別不明の不
純物を放出すると判った。電気的絶縁用に作られ後記す
る処理を施さなかった従来の雲母シートは約400℃以上
の温度で始まり黒色のすすの形態の不純物を放出した。
そのような不純物の残さいはコイル巻線または積層コア
もしくはその両方の短絡の一次的原因であると判った。

変圧器積層物ならびにその他の電気機器を絶縁するた
めに使用する雲母の通常の形態である、たとえば、シー
ト状の従来市販の雲母を酸化雰囲気たとえば、空気の下
に700℃以上、好ましいのは850℃以上の温度に加熱して
雲母から不純物を取り除くに十分な時間処理すると、こ
の熱予処理した雲母がその後使用した時積層したコアま
たはコイル巻線もしくはその両方に短絡を生じることな
く高温に耐えられると判った。予処理時間は雲母にかけ
る時間如何により１時間ないし24時間にわたり変化す
る。一般に、予処理温度が高ければ高い程、雲母から不
純物を取り除くに必要な時間は短かい。予処理時間は８
時間以上にすることが一層好ましい。コア積層物および
コイル絶縁として使用する従来の雲母はアルゴンを充填
して融解金属に浸漬しても雲母の表面に黒色のすすが生
じたが他方本発明により予処理しアルゴンを充填した雰
囲気で同様に使用した雲母はそのようなすすの生じる形
跡は見られなかった。融解マグネシウムを搬送するポン
プに未処理の雲母を絶縁として使用した場合いづれもコ
イルまたは積層ステータコアの短絡が生じた。多くの場
合、使用前の試験かポンプを融解金属に浸漬した直後に
短絡が生じた。

従って、本発明は従来の商業的に生産した琥珀雲母な
らびにその他の源泉からの雲母を酸化雰囲気中で加熱し
不純物を取り除くことにより高温での用途においてすぐ
れた性能を示す電気的絶縁材が得られるという創見にあ
る。琥珀雲母は700℃好ましいのは、850℃以上の温度で
処理すると長時間にわたり融解金属を圧送する電磁ポン
プにそのようなポンプに従来行っていた如き冷却を必要
とせずに使用できる。熱で予処理した雲母はポンプの構
造を小ぢんまりにしポンプを融解金属に浸漬する用途に
おいて耐用寿命を長くすることができる。この創見高温
にさらされ外部からの冷却が不可能か有利でない他の電
気機器にも応用できる。

今日のポンプの構成要素を、たとえば、コバルト／鉄
合金に取り替えることについて、キュリー点が最高815
℃までの作用温度を越えないので選択する。更にまた、
430ステンレス鋼をコロンビウムで安定にしたニッケル
鋼（347ステンレス鋼）に取り替えるとポンプの内部に
ポンプの建造および封印中アルゴンまたはヘリウムの如
き不活性ガスをポンプの内部に充填できるよう一層高温
度での強度特性を与える。

もし充填ガスの外部供給源を作用環境に位置させるこ
とが許される場合にはいづれの材料（430か347ステンレ
ス鋼）も使用できるが、ポンプを融解金属の温度にまで
加熱すると封印したガスにより上昇した圧力に耐えるた
め一層丈夫な金属を使用する必要がなく充填ガスを、正
圧に保つことも理解する必要がある。ワシントン州リッ
チランドのMHDポンプ・アンド・ヂェネレータ社製の従
来の12コイルポンプで試験を行った。ポンプを融解マグ
ネシウムを入れた電解生産セル内に導入した。12コイル
ポンプを収容するには出口パイプに直角のエルボーが取
り付けてポンプを横に寝かせる必要があった。作動させ
るとほとんど直ちに停まった。ポンプを分解した結果ポ
ンプの内部の構成要素にすすが堆積していることが判っ
た。ステータの羽根を取り除きステータの積層コアを分
解した。すべての表面を掃除して堆積した可視のすすを
取り除いた。ミッドウエスト・マイカ・アンド・インス
トレーション、カンパニー社がコード番号11−08−01の
下に販売している琥珀雲母のストリップを使用した。再
度組み立てたポンプを熱応力試験条件の下に作動させる
と短絡が生じた。ポンプを開き視覚により点検した結果
すすが再び堆積したのが見られた。ステータの積層コア
とコイルの羽根とを掃除して今回は16時間かけて酸化雰
囲気（空気）中で約850℃に加熱した琥珀雲母を使用し
て再び組み立てた。組み立てたポンプは熱応力試験に合
格したので融解マグネシウムの浴に入れた。恐らく水素
によるもろくする作用により銅のリード線がもろくなっ
た事実によりポンプはやがて停止した。銅のリード線を
ニッケルのリード線に取り替えコイルを脱酸した同（CD
A102）に取り替えた。内部管内の中心コアもまたコバル
ト鋼合金に取り替え熱で予処理した雲母を全体に使用し
た。このポンプは製造業者から先に購入して同じ用途の
使用したポンプより数倍も長い時間作動した。ポンプを
作動させる以前にポンプのハウジングを予熱した際にハ
ウジングの継目が破れたがためにのみポンプは最後に停
止した。

試験した際に市販の第２のポンプは作動前に停止し
た。ハウジングに２つの孔をあけポンプを約16時間約50
0℃の温度に加熱中空気をハウジングから取除いた。試
験の結果電気的熱応力試験で漏電が認められない程度に
絶縁が改善されたことを示しポンプを再び封印し作動さ
せた。ポンプはリード線の絶縁が不良のため停止した。
ポンプを予熱された雲母、コバルト合金のコアおよび脱
酸した銅のコイル巻線を使用して前記の例に説明した如
く再び作動させた。数日間は満足に作動したが予熱中と
使用前とに運転者の誤りによりコイルが破損し短絡した
がため最後にはポンプは停止した。

もちろん、ポンプを60ヘルツより低い給電が圧力作動
できることは理解する必要がある。また、既存のポンプ
におけるより低い周波数を得るためとまた既存のポンプ
の能力を制御するため（または電源制御可変抵抗器と併
用して）可変周波数の制御器を使用できることも理解す
る必要がある。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明に係るポンプの内部のほぼ等角の断面
斜視図である。 10…ポンプ、12…管状部材 14…コア部材、17…環状通路 20…コア要素、21…脚部 22…コイル、24…ハウジング 26…雲母、28…シートメタル積層材 34…巻線

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】約700℃の温度と装置の磁化可能な構成要
   素のキュリー温度との間の温度で使用するに適する電気
   的装置において、その装置は、雲母をアルゴン雰囲気中
   で500℃以上に加熱した時、その雲母が実質上肉眼で見
   えるすすの形成がなくなるまでその雲母から不純物を除
   去するため十分な時間酸化ガスの存在において700℃以
   上の温度で加熱された雲母を、構成要素の外部冷却しな
   い該構成要素内に唯一の電気的絶縁として組み込まれて
   いることを特徴とする電気的装置。
2. 【請求項２】前記雲母は天然の琥珀雲母または合成雲母
   から選択した雲母のシートから成る特許請求の範囲第１
   項記載の電気的装置。
3. 【請求項３】アルゴン雰囲気で500℃以上の温度までそ
   の電気的要素を加熱した時、識別できるすすが形成され
   なくなるまでその雲母から不純物を除去するまでの十分
   な時間雲母を酸化雰囲気のもとで700℃以上の温度まで
   熱的予備処理することからなる約700℃以上の温度と電
   気的要素のキュリー温度との間の温度で操作可能である
   電気的要素において電気的絶縁物質として使用に適する
   雲母を製造する方法。
4. 【請求項４】雲母が700℃以上の温度で１ないし24時間
   熱的予備処理され、そして雲母を電気的構成要素内で使
   用する時識別できるすすが形成されず、電気的構成要素
   をそれを700℃以上の温度の融解金属中に浸漬すること
   により加熱する特許請求の範囲第３項の方法。
5. 【請求項５】誘導でき電磁化可能な特性を有する融解金
   属の搬送に使用する電磁ポンプであり、該ポンプが非磁
   性の管状部材、管状部材内の磁化できるコア部材、管状
   部材の外面のまわりに互いに円周方向に間隔をあけた状
   態で配列された複数の電磁固定子コア要素、各固定子要
   素が間隔をあけた複数の脚部を有し、各対の脚部間空間
   に位置したコイルとを備え、雲母をアルゴン雰囲気中で
   500℃以上に加熱した時、その雲母が実質上肉眼で見え
   るすすの形成がなくなるまでその雲母から不純物を除去
   するため十分な時間酸化ガスの存在において700℃以上
   の温度で加熱して雲母を形成し、各固定子コア要素は、
   その雲母により互いに分離された複数のシート金属積層
   体から成り、前記コイルが前記雲母で巻線間を絶縁した
   脱酸素銅で作られ、ポンプが更にまた固定子コア要素と
   コイルとを取囲み、そして前記管状部材に封鎖されたハ
   ウジングを備えていることを特徴とする電磁ポンプ。
6. 【請求項６】固定子コア要素がコバルト／鉄合金で作ら
   れ、コア部材がコバルト合金で作られている特許請求の
   範囲第５項のポンプ。
7. 【請求項７】ハウジングを封印可能に貫通して延びそし
   てコイルに電気的に接続した３相電流搬送ワイヤを含
   み、コイルと電磁固定子コア要素とがワイヤの３相に交
   番に接続した６つのコイルから成る特許請求の範囲第５
   項または第６項のポンプ。
8. 【請求項８】誘導可能な電磁特性を有する融解金属を搬
   送するため使用する電磁ポンプであり、該ポンプが磁化
   できない材料の内部の管状部材を含むハウジング、その
   溶融金属用の環状通路を形成するために内部管状部材の
   内面から間隔をあけ、前記内部管状部材内の中央に位置
   したコア部材、内部の管状部材の外面のまわりに円周方
   向に間隔をあけて位置した複数の電磁固定子コア部材と
   を備え、各コア部材が複数の間隔をあけた脚部を有し、
   各対の脚部間のスペースを複数の巻きを有する導電性コ
   イルが占め、前記ハウジングがコア部材およびコイルを
   包囲し内部管状部材の延びている端部に封着され、コア
   部材が絶縁シート材により互いに分離された複数のシー
   ト金属積層体で構成され、絶縁材がポンプの使用以前に
   酸化ガスの存在下に700℃以上の温度で不純物を取り除
   くために十分な時間熱的予備処理された雲母から成り、
   各コイルの巻線と各コア要素のシート金属積層体とが熱
   的予備処理された雲母により互いに分離されていること
   を特徴とする電磁ポンプ。