JP6302377B2 - 電磁ポンプ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電磁ポンプに関する。

従来、電磁力を用いて液体金属等の導電性流体を流動させる電磁ポンプが実用化されている。電磁ポンプは、例えば原子炉の循環ポンプとして使用される。図１０は、従来のダブルステータ型の電磁ポンプ１００の概略的な構成を示す断面図である。電磁ポンプ１００は、導電性流体の流路が内部に形成された環状のダクト１０２と、このダクト１０２の周囲に設けられた鉄心１０３と、この鉄心１０３に覆われた励磁コイル１１１，１１２，１１３とを有している。

三相交流を励磁コイル１１１，１１２，１１３に流すことで、励磁コイルの周囲に移動磁場が発生する。この移動磁場がダクト１０２内の導電性流体を通過することで誘導電流が生じる。この誘導電流と磁場の相互作用によって生じる電磁力を用いて、導電性流体を電磁ポンプの軸方向に沿って流入口から流出口に向けて駆動する。

鉄心１０３の透磁率は大気に比べて極めて大きい（数千倍程度）ため、鉄心１０３内に磁束が集中し、鉄心１０３中の磁束密度Ｂ１は大気中の磁束密度Ｂ２に比べて大幅に高くなる。これにより、多数の磁束がダクト１０２中の導電性流体を通過し、導電性流体の駆動力が大きくなる。その一方で、いわゆる「端部効果」により電磁ポンプの効率が低下することが知られている。

ダクト１０２内を流動する導電性流体が、磁束密度が急激に変化する鉄心１０３の境界面Ｓに差し掛かると、境界面Ｓ前後の磁束密度の変化を打ち消すために誘導電流が流れる。この誘導電流と磁場との相互作用により、導電性流体の駆動方向とは逆向きの電磁力（以下、「負の電磁力」ともいう。）が生じる。この負の電磁力による導電性流体の駆動力の低下が端部効果であり、電磁ポンプの効率を低下させるものとして知られていた。

特開平８−９８５０３号公報

本発明が解決しようとする課題は、負の電磁力を低減することが可能な電磁ポンプを提供することである。

実施形態に係る電磁ポンプは、導電性流体を軸方向に沿って流通させるための環状の流路が内部に形成されたダクトと、前記ダクトの周面に軸方向に沿って設けられた環状の複数の励磁コイルと、前記ダクトの周面を覆うように設けられた鉄心とを備える。前記複数の励磁コイルのうち前記ダクトの端部に最も近い励磁コイルである端部励磁コイルの少なくとも一部が前記鉄心から露出し、その他の励磁コイルは前記鉄心内に配置されている。

第１の実施形態に係る電磁ポンプ１の概略的な構成を示す断面図である。 電磁ポンプ１を流れる導電性流体に作用する電磁力を二次元解析により求めたシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態の変形例に係る電磁ポンプ１Ａの概略的な構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｂの概略的な構成を示す断面図である。 第２の実施形態の変形例に係る電磁ポンプ１Ｃの概略的な構成を示す断面図である。 第３の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｄの概略的な構成を示す断面図である。 第４の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｅの概略的な構成を示す断面図である。 第４の実施形態の変形例に係る電磁ポンプ１Ｆの概略的な構成を示す断面図である。 第５の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｇの概略的な構成を示す断面図である。 従来の電磁ポンプ１００の概略的な構成を示す断面図である。

以下、実施形態に係る電磁ポンプについて図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る電磁ポンプ１について説明する。

電磁ポンプ１は、図１に示すように、導電性流体を流通させる流路を有するダクト２と、移動磁場を発生させてダクト２内の導電性流体を電磁力により流動させる複数の励磁コイル（三相交流コイル）１１ａ〜１９ａ，１１ｂ〜１９ｂと、移動磁場を効率的にダクト２内に導くための鉄心３とを備えている。

このように電磁ポンプ１は、ダクト２の外側の励磁コイル１１ａ〜１９ａ、およびダクト２の内側の１１ｂ〜１９ｂを有するダブルステータ型の電磁ポンプである。なお、電磁ポンプ１は、シングルステータ型の電磁ポンプであってもよい。

ダクト２は、図１に示すように、導電性流体をダクト２の軸方向に沿って流通させるための環状の流路が内部に形成されている。導電性流体は、例えば、液体ナトリウムや水銀等の液体金属である。ダクト２の端部２ｃは電磁ポンプ１の出口側（流出口）であり、ダクト２の端部２ｄは電磁ポンプ１の入口側（流入口）である。

励磁コイル１１ａ〜１９ａ，１１ｂ〜１９ｂは、ダクト２の周面に設けられた環状のコイルである。より詳しくは、励磁コイル１１ａ〜１９ａは、ダクト２の外側周面２ａにダクト２の軸方向に沿って設けられ、励磁コイル１１ｂ〜１９ｂは、ダクト２の内側周面２ｂにダクト２の軸方向に沿って設けられている。

励磁コイル１１ａ〜１９ａ，１１ｂ〜１９ｂには三相交流が流され、移動磁場が励磁コイルの周囲に発生する。より詳しくは、励磁コイル１１ａ，１１ｂ，１４ａ，１４ｂ，１７ａ，１７ｂにはＵ相の交流電圧が印加され、励磁コイル１２ａ，１２ｂ，１５ａ，１５ｂ，１８ａ，１８ｂにはＶ相の交流電圧が印加され、励磁コイル１３ａ，１３ｂ，１６ａ，１６ｂ，１９ａ，１９ｂにはＷ相の交流電圧が印加される。

なお、電磁ポンプ１に設けられる励磁コイルの数は、図１に示す数に限られるものではない。また、三相以外の多相交流を用いて移動磁場を発生させてもよい。

以下の説明において、励磁コイル１１ａ〜１９ａ，１１ｂ〜１９ｂのうち、ダクト２の端部２ｃに最も近い励磁コイル（即ち、励磁コイル１１ａ，１１ｂ）、および端部２ｄに最も近い励磁コイル（即ち、励磁コイル１９ａ，１９ｂ）のことを「端部励磁コイル」ともいう。

鉄心３は、ダクト２の周面を覆うように設けられている。より詳しくは、図１に示すように、鉄心３は、外側鉄心３ａおよび内側鉄心３ｂから構成される。外側鉄心３ａはダクト２の外側周面２ａを覆い、内側鉄心３ｂはダクト２の内側周面２ｂを覆う。なお、図１において、仮想線Ｖは、従来の電磁ポンプの鉄心の外形線を示している。

第１の実施形態に係る電磁ポンプ１では、図１に示すように、端部励磁コイルである励磁コイル１１ａ，１１ｂが鉄心３から露出し、その他の励磁コイルは鉄心３内に配置されている。即ち、励磁コイル１１ａ，１１ｂのみが、鉄心３で覆われず、鉄心３の端面３ｃに露出している。これにより、図１に示すように、磁束が電磁ポンプ１の流出口近傍の鉄心３内に収束せず、電磁ポンプ１の流出口に向けて拡散する。このため、磁束密度は、鉄心３の端面３ｃから離れるにつれて徐々に低下する。即ち、ダクト２を貫通する磁束密度が電磁ポンプの軸方向に沿って緩やかに変化する。よって、第１の実施形態によれば、負の電磁力を低減することができる。

図２は、電磁ポンプ１を流れる導電性流体に作用する電磁力を二次元解析により求めた結果を示している。電磁ポンプ１の出口側において負の電磁力が大幅に低減されていることがわかる。

また、第１の実施形態によれば、従来の電磁ポンプに比べて鉄心の重量が減少するため、電磁ポンプを軽量化することができる。

なお、励磁コイル１１ａ，１１ｂは図１に示すように全て鉄心３から露出する場合に限らず、励磁コイル１１ａ，１１ｂの少なくとも一部を鉄心３から露出させてもよい。例えば、励磁コイル１１ａ，１１ｂの下側半分が鉄心３内に配置されてもよいし、あるいは、励磁コイル１１ａ，１１ｂの上面のみが鉄心３から露出するようにしてもよい。

また、上記の説明では、電磁ポンプ１の出口側の端部励磁コイル（励磁コイル１１ａ，１１ｂ）が鉄心３から露出していたが、入口側の端部励磁コイル（励磁コイル１９ａ，１９ｂ）が鉄心３から露出していてもよい。また、電磁ポンプ１の出口側および入口側の両方の端部励磁コイルが鉄心３から露出していてもよい。

また、ダブルステータ型の電磁ポンプの場合、端部励磁コイルのうち片方の励磁コイルは鉄心３で覆われていてもよい。例えば、励磁コイル１１ａおよび１１ｂのうちいずれか一方は鉄心３の内部に配置されていてもよい。この場合、内側鉄心３ｂよりも外側鉄心３ａを削除する方が鉄心３全体の重量削減に寄与するため、励磁コイル１１ｂが鉄心３に覆われるようにすることが好ましい。

次に、第１の実施形態に係る変形例について図３を参照して説明する。

（変形例）
変形例に係る電磁ポンプ１Ａでは、図３に示すように、励磁コイル１１ａは鉄心３から延長された延長鉄心３ａ１内に配置されている。延長鉄心３ａ１を設けることにより、図３に示すように、鉄心３の端面３ｃから大気に放出された磁束は、延長鉄心３ａ１に向けて収束するため、電磁ポンプの効率の低下を抑制することができる。また、延長鉄心３ａ１の軸方向長さを変えることで、磁場の広がりを制御することができる。

よって、本変形例によれば、磁束密度を緩やかに変化させて負の電磁力を低減するとともに、電磁ポンプの外部に漏出する磁束を低減することで電磁ポンプの効率の低下を抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｂについて、図４を参照して説明する。図４では図１と同様の構成については同じ符号を付している。第２の実施形態と第１の実施形態との相違点の一つは、鉤爪鉄心４の有無である。以下、相違点を中心に第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｂは、図４に示すように、ダクト２、励磁コイル１１ａ〜１９ａ，１１ｂ〜１９ｂおよび鉄心３に加えて、鉤爪鉄心４をさらに備えている。鉤爪鉄心４は、外側鉄心３ａおよび内側鉄心３ｂの各々に設けられている。なお、鉤爪鉄心４は、鉄心３と一体的に形成されてもよいし、あるいは、別体として形成された後、鉄心３に固定されたものであってもよい。

鉤爪鉄心４は、図４に示すように、励磁コイル１１ａ，１１ｂが露出した端面３ｃから立ち上がる第１の鉄心部４ａと、第１の鉄心部４ａからダクト２に向かって延在する第２の鉄心部４ｂとを有している。

第１の鉄心部４ａは、励磁コイル１１ａ，１１ｂの径方向に沿って環状に形成されている。第２の鉄心部４ｂは、励磁コイル１１ａ，１１ｂを全て覆うことのないように形成される。即ち、第２の鉄心部４ｂは励磁コイル１１ａ，１１ｂの一部を覆うようにしてもよい。

なお、第２の鉄心部４ｂの先端部は、図４に示すように、角部を有しない曲面状に形成されることが好ましい。

また、鉤爪鉄心４は、励磁コイル１１ａ，１１ｂの径方向に沿って連続的に環状に形成される場合に限らず、部分的にダクト２の半径方向に途切れるように形成されていてもよい。

鉄心３上に鉤爪鉄心４を設けることにより、図４に示すように、鉤爪鉄心４の先端から磁束が放出され、大気を通過することで拡散したのち、もう一方の第２の鉄心部４ｂに収束する。このように磁束が一度拡散することにより、ダクト２を貫通する磁束密度を電磁ポンプの軸方向に沿って緩やかに変化させつつ、電磁ポンプ１Ｂの外部に漏出する磁束を低減することができる。

よって、第２の実施形態によれば、電磁ポンプの効率の低下を抑制しつつ、負の電磁力を低減することができる。

次に、第２の実施形態に係る変形例について図５を参照して説明する。

（変形例）
変形例に係る電磁ポンプ１Ｃは、図５に示すように、外側鉄心３ａに鉤爪鉄心４が設けられ、内側鉄心３ｂは励磁コイル１１ｂを覆っている。このような構成であっても、第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、図５に示す構成とは反対に、内側鉄心３ｂに鉤爪鉄心４を設け、外側の励磁コイル１１ａが外側鉄心３ａに覆われるようにしてもよい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｄについて、図６を参照して説明する。図６では図１と同様の構成については同じ符号を付している。第３の実施形態と第１の実施形態との相違点の一つは、低透磁率鉄心５の有無である。以下、相違点を中心に第３の実施形態について説明する。

第３の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｄは、図６に示すように、励磁コイル１１ａ，１１ｂが露出した鉄心３の端面３ｃ上に設けられ、端面３ｃを被覆する低透磁率鉄心５をさらに備えている。この低透磁率鉄心５は、透磁率が空気よりも大きく且つ鉄心３よりも小さい材料からなる。

なお、低透磁率鉄心５は、鉄心３の端面３ｃを部分的に被覆してもよい。

鉄心３上に低透磁率鉄心５を設けることにより、磁束は低透磁率鉄心５内において鉄心３内よりも拡散し易くなる。このため、低透磁率鉄心５の磁束密度は鉄心３の磁束密度よりも低下する。一方、低透磁率鉄心５の透磁率は空気よりも大きいため、低透磁率鉄心５の磁束密度は空気中の磁束密度よりも高い。低透磁率鉄心５を設けることで、鉄心３の端面３ｃの前後における磁束密度の急激な変化を防ぐことができる。即ち、ダクト２を貫通する磁束密度を電磁ポンプの軸方向に沿って緩やかに変化させることができる。

よって、第３の実施形態によれば、負の電磁力を低減することができる。

さらに、第３の実施形態によれば、低透磁率鉄心５を設けることで、電磁ポンプの外部に漏出する磁束が第１の実施形態に比べて低減するため、電磁ポンプの効率の低下を抑制することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｅについて、図７を参照して説明する。図７では図１と同様の構成については同じ符号を付している。第４の実施形態と第１の実施形態との相違点の一つは、鉄心入りケース６の有無である。以下、相違点を中心に第４の実施形態について説明する。

第４の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｅは、図７に示すように、励磁コイル１１ａ，１１ｂが露出した鉄心３の端面３ｃ上に設けられた鉄心入りケース６をさらに備えている。この鉄心入りケース６は、セラミック等の非磁性の材料からなる。また、鉄心入りケース６の内部には、複数の球状鉄心７が詰められている。なお、図７においては、鉄心入りケース６を透視して図示している。

球状鉄心７の透磁率が鉄心３と同程度であっても、球状鉄心７間に空隙が存在するため、鉄心入りケース６の実質的な透磁率は鉄心３よりも小さくなる。球状鉄心７の形状・大きさ（直径等）や、鉄心入りケース６内の空隙率を変えることにより、鉄心入りケース６の実質的な透磁率を制御することも可能である。

鉄心３上に鉄心入りケース６を設けることにより、第３の実施形態で説明した低透磁率鉄心５を用いなくとも、第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。即ち、図７に示すように、鉄心入りケース６の実質的な透磁率が鉄心３よりも小さいため、鉄心入りケース６において磁束は拡散し易くなり、鉄心３よりも磁束密度が低下する。これにより、鉄心３の端面３ｃの前後における磁束密度の急激な変化を防ぎ、ダクト２を貫通する磁束密度を電磁ポンプの軸方向に沿って緩やかに変化させることができる。

よって、第４の実施形態によれば、負の電磁力を低減することができる。

さらに、第４の実施形態によれば、鉄心入りケース６を設けることで、電磁ポンプの外部に漏出する磁束が第１の実施形態に比べて低減するため、電磁ポンプの効率の低下を抑制することができる。

なお、電磁ポンプ１Ｅは、図７に示すように、鉄心入りケースを厚さ方向に貫通し、かつダクト２に巻き付けられた管状鉄心８をさらに備えてもよい。これにより、電磁ポンプの外部に漏出する磁束がさらに減少するため、電磁ポンプの効率の低下をより抑制することができる。管状鉄心８の透磁率は、鉄心３と同程度であってもよい。

また、鉄心入りケース６を複数積層させて鉄心３上に設けてもよい。例えば、実質的な透磁率が異なる鉄心入りケースを用意し、鉄心３の端面３ｃから離れた位置に設けられる鉄心入りケースほど実質的な透磁率が小さくなるように、これらの鉄心入りケースを積層してもよい。

次に、第４の実施形態に係る変形例について図８を参照して説明する。

（変形例）
変形例に係る電磁ポンプ１Ｆでは、図８に示すように、鉄心入りケース６の内部に、複数の板状鉄心９が積層された状態で内部に詰められている。なお、鉄心入りケース６の実質的な透磁率を所望の値に調整するために、板状鉄心９を千鳥状に積層したり（図８参照）、あるいは階段状に積層してもよい。

本変形例の構成によっても、第４の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、本変形例によれば、板状鉄心９の特性（平面形状、面積、厚み等）や積層方法を変えることにより、比較的容易に透磁率を調整することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｇについて、図９を参照して説明する。図９では図１と同様の構成については同じ符号を付している。第５の実施形態と第１の実施形態との相違点の一つは、励磁コイル間の間隔である。以下、相違点を中心に第５の実施形態について説明する。

第５の実施形態に係る電磁ポンプ１Ｇでは、図９に示すように、間隔Ｌ１は間隔Ｌ２よりも大きい。ここで、間隔Ｌ１は、励磁コイル１１ａと、この励磁コイル１１ａにダクト２の長手方向に隣接する第１の隣接励磁コイル１２ａとの間の間隔である。間隔Ｌ２は、第１の隣接励磁コイル１２ａと、この第１の隣接励磁コイル１２ａに長手方向に隣接する第２の隣接励磁コイル１３ａとの間の間隔である。

間隔Ｌ１を間隔Ｌ２よりも大きくすることにより、間隔Ｌ１における磁束密度が低減する。これにより、鉄心３の端面３ｃの前後における磁束密度の変化をさらに緩和することができる。

よって、第５の実施形態によれば、負の電磁力を低減することができる。

なお、上記各実施形態においては、ダブルステータ型の電磁ポンプについて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、ダクトの外側および内側のいずれか一方に励磁コイルが設けられたシングルステータ型の電磁ポンプにも適用可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ，１００ 電磁ポンプ
２，１０２ ダクト
２ａ （ダクトの）外側周面
２ｂ （ダクトの）内側周面
２ｃ，２ｄ 端部
３，１０３ 鉄心
３ａ 外側鉄心
３ｂ 内側鉄心
３ａ１ 延長鉄心
３ｃ 端面
４ 鉤爪鉄心
４ａ 第１の鉄心部
４ｂ 第２の鉄心部
５ 低透磁率鉄心
６ 鉄心入りケース
７ 球状鉄心
８ 管状鉄心
９ 板状鉄心
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ 励磁コイル
１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ 励磁コイル
１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ 励磁コイル
１１１，１１２，１１３ 励磁コイル
Ｌ１，Ｌ２ （励磁コイル間の）間隔
Ｓ （従来の電磁ポンプの）境界面
Ｖ 仮想線

Claims (8)

1. 導電性流体を軸方向に沿って流通させるための環状の流路が内部に形成されたダクトと、
   前記ダクトの周面に軸方向に沿って設けられた環状の複数の励磁コイルと、
   前記ダクトの周面を覆うように設けられた鉄心と、
   を備え、
   前記複数の励磁コイルのうち前記ダクトの端部に最も近い励磁コイルである端部励磁コイルの少なくとも一部が前記鉄心から露出し、その他の励磁コイルは前記鉄心内に配置されていることを特徴とする電磁ポンプ。
2. 前記ダクトの外側周面に設けられた第１の端部励磁コイル、および前記ダクトの内側周面に設けられた第２の端部励磁コイルのうちいずれか一方は、前記鉄心から延長された延長鉄心内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁ポンプ。
3. 前記端部励磁コイルが露出した前記鉄心の端面から立ち上がる第１の鉄心部と、前記第１の鉄心部から前記ダクトに向かって延在する第２の鉄心部とを有する鉤爪鉄心をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁ポンプ。
4. 透磁率が空気よりも大きく且つ前記鉄心よりも小さい材料からなり、前記端部励磁コイルが露出した前記鉄心の端面を被覆する低透磁率鉄心をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁ポンプ。
5. 前記端部励磁コイルが露出した前記鉄心の端面上に設けられ、複数の球状鉄心が内部に詰められた非磁性の鉄心入りケースをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁ポンプ。
6. 前記鉄心入りケースを厚さ方向に貫通し、かつ前記ダクトに巻き付けられた管状鉄心をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の電磁ポンプ。
7. 前記端部励磁コイルが露出した前記鉄心の端面上に設けられ、複数の板状鉄心が積層された状態で内部に詰められた非磁性の鉄心入りケースをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁ポンプ。
8. 前記端部励磁コイルと、前記端部励磁コイルに前記ダクトの長手方向に隣接する第１の隣接励磁コイルとの間の第１の間隔は、前記第１の隣接励磁コイルと、前記第１の隣接励磁コイルに前記長手方向に隣接する第２の隣接励磁コイルとの間の第２の間隔よりも大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電磁ポンプ。

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