JP5258903B2 - 磁気誘導ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、概して溶融金属用のポンプに関し、より詳しくは溶融金属と直接接触する必要がない溶融金属ポンピング用磁気誘導ロータを有する磁気誘導ポンプに関する。

通常、溶融金属は、電磁ポンプにより鋳造機にくみ取られる。これらのポンプの多くは、電気エネルギーが機械エネルギーに変換されるというファラデー−ローレンツ原理を利用している。強力なネオジム磁石を用いる電磁ポンプの例が、本明細書に引用文献の全てが組み込まれる、特許文献１に記載されている。理解されるであろうように、そのようなポンプは、一般に溶融金属のポンピング、ブレーキングおよびメータリングにおいて極めて効果的である。

公知の電磁ポンプは、通常、電極を介して溶融金属と接触する直流電流に依存する。電流を送るために、電極は溶融金属と直接接触する。このことに関して、電極は、通常、溶融金属が通過するポンプ導管内に延びる。公知のポンプにおいて、電極は、溶融金属導管の反対側に機械で加工された長孔内に嵌まる。電極は、冷却液が通過する管を含む冷却装置を収容する通路を含む。この電極は、効果的であるが、電極やポンプの他の部分が溶融金属と接触しないポンプを用いることが望ましい。また、ポンプの導管のみと接触する溶融金属を有することが望ましい。

米国特許第６７３２８９０号明細書

上述の事項を考慮して、主な目的は、溶融金属ポンピング用ポンプを提供することにある。詳しくは、本発明は、ポンプの構成要素と溶融金属とが直接機械的または電気的に接触する必要がない溶融金属ポンピング用磁気誘導ロータを有する磁気誘導ポンプを提供する。

本発明の目的は、磁気誘導ポンプを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、溶融金属ポンピング用磁気誘導ポンプを提供することにある。

本発明のまたさらなる目的は、電極や他のポンプ構成要素が溶融金属と直接機械的または電気的に接触しない溶融金属ポンピング用磁気誘導ポンプを提供することにある。

本発明の目的は、溶融金属が溶融金属を含む導管のみに接触する溶融金属ポンピング用磁気誘導ポンプを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、磁気誘導ロータを用いる溶融金属ポンピング用磁気誘導ポンプを提供することにある。

本発明の他の目的は、ネオジム磁石（ｎｅｏ−ｍａｇｎｅｔ）を含む磁気誘導ロータを用いる溶融金属のポンピング、ブレーキングおよびメータリング用磁気誘導ポンプを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、溶融金属のフローレートが磁気誘導ロータの回転速度に比例する溶融金属ポンピング用磁気誘導ポンプを提供することにある。

本発明の目的は、溶融金属を含む固定容器に取り付けられ得て、容器から溶融金属を移送する磁気誘導ポンプを提供することにある。

本発明の他の目的は、容器から連続金属鋳造機への溶融金属ポンピング用磁気誘導ポンプを提供することにある。

本発明のまたさらなる目的は、固定容器から他の容器への溶融金属ポンピング用磁気誘導ポンプを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、溶融金属の流れ方向を磁気誘導ロータの回転方向を逆にすることにより逆にし得る溶融金属ポンピング用磁気誘導ポンプを提供することにある。

本発明の形態は、溶融金属ポンピング用磁気誘導ポンプである。ポンプは、モータと、モータに作動可能に連結されたシャフトとを含む。ポンプは、シャフトに作動可能に連結された少なくとも１つの双極永久磁石と、溶融金属の経路用の導管とをさらに含む。モータは、シャフトおよび磁石を、導管内の溶融金属に電流を誘導する導管の周囲で回転させ、これらの電流は移動磁場と相互作用して導管のみと接触する金属を伴う導管を介して金属をくみ取る力を作り出す。

本発明のこれらの目的および他の目的と、それらの好ましい実施の形態は、明細書、特許請求の範囲および図面の検討により全体として考えると明らかになるであろう。

図１は、本発明の一実施の形態による磁気誘導ポンプを備えた連続ベルト金属鋳造機の簡略立面図である。 図２は、溶解炉に作動可能に取付けられた図１の磁気誘導ポンプの斜視図である。 図３は、図２の磁気誘導ポンプおよび溶解炉の斜視断面図である。 図４は、図２の磁気誘導ポンプおよび溶解炉の立断面図である。 図５は、図２の磁気誘導ポンプの斜視図である。 図６は、図５の磁気誘導ポンプの端断面図である。 図７は、本発明の磁気誘導ポンプの他の実施の形態の簡略断面図である。

図１は、公知のベルト型連続鋳造機２０とともに使用される本発明の磁気誘導ポンプ１０の好ましい実施の形態を描いている。当該鋳造機２０は、移動モールドキャビティの壁としての１または２以上の可撓性鋳造ベルト２２，２４を利用する。鋳造ベルトは、薄く、可撓性があり、熱伝導性で、通常、水により液体が冷却される。２つのベルトを用いている機械において、上側鋳造ベルト２２が上側キャリッジＵの周囲を回動するとともに、下側鋳造ベルト２４が下側キャリッジＬの周囲を回動する。２つのベルトは、矢印３４で示される長円形の経路に沿って回動しつつ、溶融金属が２つの回動する鋳造ベルトの間に形成された移動モールドキャビティＣにおけるベルト間に溶融金属が凍結して新たな鋳造生成物を形成する。また、一対の横方向に間隔を置いて配置されたエッジダム３６は、回動するとともに自由回転ローラ３８によりガイドされる。これらのエッジダム３６は、横方向に、一対の間隔を置いて配置された移動モールドキャビティＣの側部を画定する。

鋳造機にくみ取られた溶融金属Ｍは、溶解・保温炉４０に貯蔵される。この金属Ｍは、炉４０から本発明の磁気誘導ポンプ１０に流れる。内部絶縁パイプ５２は、金属Ｍを鋳造機２０へ向けて上方へ運ぶ。図１において、金属Ｍは、タンディッシュ５４または連続金属鋳造機の上側入口端部に流れる金属を分配するための分配器へ上方にくみ取られる。

直ちにわかるであろうように、本発明の磁気誘導ポンプは、連続鋳造機以外の用途に使用され得る。例えば、ポンプは、固定保温炉からモバイルコンテナへなど、一の容器から他へ溶融金属を単純に移動させることに使用し得る。また、本発明のポンプは液状溶融金属に加えて、電導性であり、磁場存在下でクランプしないのであれば、粉末を移動させることが可能である。

図２〜５を参照して、磁気誘導ポンプ１０は、通常、炉４０などの容器側面に取り付けられている。ポンプ１０は基部６０を有しており、この基部６０は、機械ボルト（図示せず）などの通常の締め具により炉４０に着脱可能に取り付けられる。ポンプ１０は、理想的には、溶融金属が炉４０を出ることができる通路７０に近接する炉４０の部分に取り付けられる。図３に示すように、通路７０は、好ましくはエルボチュービング８０の接合部分を含んでおり、このエルボチュービング８０はフランジ部８２にて終結する。フランジ部８２は、溶融金属がポンプ１０に移るようにポンプ１０の入口９０の対応する対合部に延びるか、この対合部を収容する。明らかであろうように、エルボチュービング８０とポンプ入口９０との嵌合は、安全で漏れがないシールが得られるようにすべきである。

概して、通路７０は、炉底に近い炉４０の側部に位置する。この通路において、磁気誘導ポンプ１０は、ポンプ１０が溶融金属よりも低い位置となるように炉４０の下部に取り付けることができる。このことは、ポンプ１０に呼び水をさす必要をなくさせる。

図３を参照して、ポンプ１０は、出口１００を含んでいる。出口１００は、対合部を有しており、この対合部は内部絶縁パイプ５４と係合する。内部絶縁パイプ５４は、溶融金属を鋳造機タンディッシュもしくは分配器、または、他の用途において、セパレート容器に、溶融金属を運ぶ。パイプ５４は、安全なシールが作り出されるように出口１００と対合しなければならない。示されているように、パイプ５０は、パイプ５０の長手部分と直交する屈曲したエルボ部により終結し得る。

図５を参照して、磁気誘導ポンプ１０は、基体６０に着脱可能に取り付けられた複数の構成要素を含む。これらの構成要素はモータ１１０を含んでおり、このモータ１１０はスピンドルまたはシャフト１２０を回転させる。モータ１１０は、好ましくは当該技術で通常知られている多種の電源モータである。わかるであろうように、十分な電力を有するとともに所望のヘッドで溶融金属を効果的にくみ取るのに十分な回転数（ＲＰＭ）を達成することができる限り、様々なモータ型を本発明のポンプに用い得る。他の好ましいモータの種類には、気動モータや水力モータを含む。

モータはシャフト１２０を駆動させ、このシャフト１２０はロータ１３を介して延びる。シャフト１２０は、軸ａの周囲でロータ１３０の内部構成要素を回転させることが可能である。示されているように、シャフト１２０は、一組のクランプ１４０を介して基体６０を取り付ける。わかるであろうように、クランプは通常の締め具により固定される。

また、ポンプ１０は、溶融金属が流れる導管１５０を含む。導管１５０は実質的に弓状の形状であり、溶融金属が通過する中空内部キャビティを有する。導管１５０の一端が入口９０にて終結するとともに、反対側の端が外側１００にて終結する（図６）。図６に示すように、入口９０および出口１００は、ねじ付き対合部１６０を介して導管１５０に着脱可能に取り付けられている。導管１５０は、非磁性材料から構成されるとともに好ましくはシリコン鋼ラミネートの強磁性ヨーク１７０により覆われており、実質的に凹状の内部を有する。ヨーク１７０の内部は、弓状の導管１５０を密に収容するような形状とされている。

つづいて、図６を参照して、弓状の導管１５０は、円柱状のロータ１３０の周囲に密に嵌合するような形状とされている。示されているように、導管１５０、ロータ１３０およびヨーク１７０の表面は、実質的に同心円状になっている。ロータ１３０は、一連の永久磁石１８０がスポーク様構成で外側に延びる軸１２０を収容する内部を有する。ロータ１３０内のシャフト１２０は、好ましくは強磁性材料、例えば鉄から製造される。

強磁性ヨーク１７０は、好ましくは、変圧器用鋼またはふさわしい他の鉄鋼材料の薄いラミネートから製造される。ヨーク１７０は、導管１５０における永久磁石により作り出された磁束を集め、これにより本発明のポンプ１０の有効性を高めることに役立つ。ヨーク１７０は本発明の磁気誘導ポンプが機能するのに必要ではないが、２０〜３０％近くの磁場強度の増加が見出される。

好ましくは、永久磁石１８０は、強力なネオジム磁石である。ネオジム磁石は、例えばネオジミウム、サマリウムなどの「希土類」化学元素を含む。「希土類」元素は、化学元素番号５７〜７１のランタノイド族シリーズである。そのような磁石は、提供する磁気強度と、相対的に広いエアギャップ、空間ギャップまたは非磁性、すなわち非鉄材料のギャップに亘って拡がりつつ、そのようなギャップに亘って延びて強い磁場をさらに提供する磁場を駆動させる特殊なエネルギー性能とが重要である。

描かれるように、実質的に矩形の磁石１８０は双極であり、Ｎ極（陰極）とＳ極（陽極）とを有する。磁石１８０は、第１の磁石のＮ極が隣の磁石のＳ極と隣り合うように交互に配列される。代表的な構成において、交互の極構成の６個の磁石がある。示されているように、磁石１８０は、スポーク様配列でシャフト１２０から延びるとともに、隣り合う磁石、つまりスポークの距離が全ての磁石にとって同じになるように間隔を置いて配置される。また、極は、第１の磁石のＮ極がシャフト１２０の反対側の磁石のＳ極と向かい合うとともに整列するような方向を向いている。

磁石１８０は、構造強度をロータ内部に提供するとともに回転中に磁石がずれることを効果的に防ぐ挿入体１９０により互いから隔てられる。挿入体１９０は、好ましくはアルミニウムまたは他の磁気的に不活性な材料から製造される。

ネオジム磁石１８０の構成およびそれが導管１５０に相対的に近接することは、その構成が十分に強い磁束を作り出すことが見出されて効果的に溶融金属を移動させることにおいて、本発明の重要な態様である。特に、Ｎ極およびＳ極の相互作用により作り出された強い磁束は、最も望ましくは金属に電流を誘導する導管を貫く。この構成にてネオジム磁石の使用により作り出された磁束強度は、金属を十分効果的に導管を介してポンプ外に移動させる。

作動中は、本発明の磁気誘導ポンプは、電気エネルギーが機械運動エネルギーに変換されるというファラデー−ローレンツ原理にて作動する。より具体的には、移動する磁石が溶融金属内で電流を誘導する。機械運動エネルギーは、導管内で金属を効果的に移動させる溶融金属内の自由電子からの力により発生する。

溶融金属内の電流の誘導は、本発明の他の重要な態様である。渦電流が、磁場変化により合わせて形成される。ロータ内に完全に収容される回転ネオジム磁石を使用する導管の溶融金属におけるこの渦電流の誘導は、溶融金属と接触する電極を必要なくさせる。そのように、溶融金属は、耐久性があり漏れがない通路を作り出す導管の内部にのみ接触する。

この手法において、極からの磁束がポンプ羽根車として役立つとともに、フローレートが磁気ロータの回転数を変化させることにより変化し得る。フローレートは、ロータの回転速度に比例する。

図７を参照すると、本発明のポンプ２１０の他の実施の形態が描かれている。この形態において、ロータは、シャフト２２０から延びる６個でなく８個のネオジム磁石２８０を含む。８個の磁石は、挿入体２９０により隔てられる。また、この形態は、ヨーク２７０内に導管２５０を含む。わかるであろうように、溶融金属を移動させるのに十分な磁束を発生させるのであれば、他の数の磁石が用いられ得る。

図７に示した回転構成には、最適な幾何学的関係が存在する。初期事項として、後述する幾何学的関係は、次の構成要素および変数を伴う。

ｈ_ｍ＝磁極の高さ
ｈ＝導管経路の高さ
τ＝極の角度間隔
ｂ_ｍ＝磁極の幅
Ｒ＝ロータの全半径
Ｒ_１＝シャフトの半径
ｐ＝個々の極
Ｎ＝２ｐ＝対の極
ｈ_ｙ＝ヨークの厚さ
関係は、ｈ_ｍとｈとの間、ピッチ間隔τとｂ_ｍとの間、τとロータ半径Ｒと極Ｎの数との間、ｈ_ｙとｂ_ｍとの間およびシャフト半径Ｒ_１とｂ_ｍとの間にある。より具体的には、好ましい関係は次の通りである。磁極の高さ（ｈ_ｍ）は、好ましくは導管経路の高さ（ｈ）の２〜３倍以上である。極の角度間隔（τ）は、導管高さの２倍（２ｈ）の２〜３倍以上であるべきである。極の角度間隔は、２πＲ／２ｐまたは２πＲ／Ｎに等しいべきである。ヨークの厚さｈ_ｙは、磁極の幅ｂ_ｍの１／２以上であるべきである。最後に、シャフトの半径（Ｒ_１）は、磁極の幅（ｂ_ｍ）以上であるべきである。これらの関係は、本発明のポンプの強度を最適化することにおいて特に重要である。

図７の形態に関連して記載する限り、上述の参照される関係および幾何は、図６に描かれる構成などのポンプ強度を最適化するネオジム磁石の他の構成とともに用い得る。

また、溶融金属を移動させるネオジム磁石の直線移動を利用するポンプを作り出すことが可能であり得る。そのような構成において、磁石は導管と隣り合う連続軌跡型装置に沿って直線的に移動することができる。

好ましい実施の形態を参照しながら説明した本発明である限り、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、様々な明白な変更をなし得るとともに、その要素が様々な均等物に代用され得ることが、当業者により理解されるであろう。したがって、本発明は開示された具体的な実施の形態に限定されないのみならず、全ての均等な実施の形態を含むことが意図される。

Claims (23)

1. 溶融金属ポンピング用磁気誘導ポンプであって、
   前記ポンプは、
   モータと、
   前記モータに作動可能に連結されたシャフトと、
   前記シャフトに作動可能に連結され、及び、スポーク構成にて前記シャフトから延びた少なくとも１つの双極永久磁石と、
   溶融金属の経路用の弓状の形状である非磁性導管と、を備え、
   前記モータは、前記シャフトおよび前記磁石を前記導管の周囲で移動させ、これにより前記導管内の溶融金属に電流を誘導し、前記導管のみと接触する前記溶融金属を伴って前記導管を介して前記溶融金属をくみ取り、かつ
   少なくとも１の双極永久磁石の高さは、前記導管の高さの２〜３倍以上であることを特徴とする、ポンプ。
2. 前記ポンプはヨークをさらに備え、前記ヨークが直接、前記導管に隣り合うとともに前記少なくとも１つの双極磁石と対向し、かつ、
   前記ヨークは、強磁性であるとともに前記少なくとも１つの磁石により発生した磁場を強めることを特徴とする、請求項１に記載の磁気誘導ポンプ。
3. 前記少なくとも１つの双極磁石は、ネオジム磁石であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気誘導ポンプ。
4. 前記少なくとも１つの双極永久磁石は複数対の双極ネオジム磁石を備え、かつ、
   前記各双極ネオジム磁石は、隣り合う磁石と対向する極構成を有することを特徴とする、請求項１に記載の磁気誘導ポンプ。
5. 前記各々の前記双極磁石は、磁気的に不活性なスペーサにより隣り合う磁石と隔てられることを特徴とする、請求項４に記載の磁気誘導ポンプ。
6. 前記モータ、シャフトおよび導管が着脱可能に基体に取り付けられ、前記基体は溶融金属容器に選択的に取付可能であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気誘導ポンプ。
7. 前記シャフトは、強磁性であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気誘導ポンプ。
8. 前記シャフトおよび少なくとも１つの磁石はロータ内部に収容されることを特徴とする、請求項１に記載の磁気誘導ポンプ。
9. 前記溶融金属の流れ方向は、前記モータの回転方向を逆にすることにより流れを止め得るとともに逆にし得ることを特徴とする、請求項１に記載の磁気誘導ポンプ。
10. ロータリーポンプであって、
    前記ポンプは、
    モータと、
    前記モータに作動可能に連結された強磁性シャフトと、
    前記シャフトに作動可能に連結され、かつ、スポーク構成にて前記シャフトから延びた複数の双極ネオジム磁石であって、前記磁石が強い磁束を生じさせるものと、
    溶融金属の経路用の磁気的に不活性な導管であって、前記導管が入口および出口を有し、弓状の形状であるものと、を備え、
    前記モータは前記シャフトおよび前記磁石を前記導管の一縁部に沿って回転させ、これにより前記導管内の溶融金属に渦電流を誘導し、前記電流は移動磁場と相互作用して前記導管のみと接触する前記溶融金属を伴って前記入口から前記出口に前記溶融金属をくみ取る力を作り出し、
    各々の前記双極磁石が高さを有するとともに前記導管が高さを有する内部経路を有し、かつ、
    各々の前記双極磁石の前記高さは、前記導管経路高さの２〜３倍以上であることを特徴とする、ポンプ。
11. 前記ポンプは、前記ネオジム磁石および前記シャフトを収容する円柱状のロータをさらに備えることを特徴とする、請求項１０に記載のロータリーポンプ。
12. 前記ポンプがヨークをさらに備え、前記ヨークが直接、磁極と対向する前記導管と隣り合い、かつ、
    前記ヨークは、強磁性であるとともに前記磁束を強めることを特徴とする、請求項１０に記載のロータリーポンプ。
13. 前記複数の双極ネオジム磁石は複数の双極ネオジム磁石を備え、かつ、
    前記の各双極ネオジム磁石は、隣り合うネオジム磁石と対向する極構成を有することを特徴とする、請求項１０に記載のロータリーポンプ。
14. 前記各々の前記双極磁石はスペーサにより隣り合う磁石と隔てられ、前記スペーサは磁気的に不活性な材料から製造されることを特徴とする、請求項１３に記載のロータリーポンプ。
15. 前記双極磁石が前記シャフトの周囲に角方向に間隔を置いて配置されるとともに前記内部経路が高さｈを有し、かつ、
    前記双極磁石の前記角度間隔は、導管の高さの２倍（２ｈ）の２〜３倍以上であることを特徴とする、請求項１３に記載のロータリーポンプ。
16. 各々の前記双極磁石は一対の極Ｎを有し、前記双極磁石が前記シャフトの周囲に角方向に間隔を置いて配置されるとともに前記ポンプが前記ネオジム磁石を収容する円柱状ロータをさらに含み、前記ロータは半径Ｒを有し、かつ、
    極の前記角度間隔は２πＲ／Ｎに等しくなることを特徴とする、請求項１３に記載のロータリーポンプ。
17. 各々の前記双極磁石が幅ｂ_ｍを有するとともに前記ヨークが高さｈ_ｙを有し、かつ、
    前記ヨークの高さは１／２ｂ_ｍ以上であることを特徴とする、請求項１２に記載のロータリーポンプ。
18. 各々の前記双極磁石が幅ｂ_ｍを有するとともに前記シャフトが半径Ｒ１を有し、かつ、
    Ｒ１は約ｂ_ｍ以上であることを特徴とする、請求項１３に記載のロータリーポンプ。
19. 前記モータ、シャフトおよび導管が着脱可能に基体に取り付けられ、前記基体は容器に選択的に取付可能であることを特徴とする、請求項１０に記載のロータリーポンプ。
20. 溶融金属ポンピング方法であって、
    前記方法は、
    磁気誘導ポンプの弓状の形状である導管入口に溶融金属を導入するステップと、
    前記入口から導管出口に前記導管の周囲で複数の双極永久磁石を移動させ、前記磁石が前記溶融金属に渦電流を誘導する変化磁束を発生させ、前記渦電流が移動電場と相互作用して前記導管を介して前記金属をくみ取るのに十分な力を作り出すステップと、を含み、
    前記溶融金属は前記導管面のみと接触し、前記磁気誘導ポンプの他の構成要素とは接触せず、かつ、前記複数の双極永久磁石は、スポーク構成にて強磁性シャフトから延びて着脱可能に取り付けられた８個の双極ネオジム磁石であることを特徴とする、方法。
21. 前記導管は、強磁性ヨークにより覆われて前記磁束を強めることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
22. 前記ネオジム磁石、スペーサおよびシャフトは、円柱状のロータ内に収容されることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
23. くみ取られる溶融金属の容器に前記磁気誘導ポンプを取り付けるステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
    

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