JPH0640738B2 - 導電性流体の流動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電磁流体機器に関し、特に電磁ポンプに係る。

〔発明の背景〕

液体金属を冷却材として用いる高速増殖炉は、１次およ
び２次主冷却系の外に再循環系，精製系補助炉心冷却系
等多くの補助系ループで構成されていて、これらのルー
プには液体金属であるナトリウムを循環するポンプが必
ず１台ずつ設けられている。大流量の循環を必要とする
主冷却系には主に機械式ポンプが用いられる。

ナトリウムは他の一般流体（水など）に比べ、高い熱伝
導率、高い沸点温度、また低い密度と粘性等熱的に好都
合な性質がある。さらに最も特徴的な性質として良好な
電導体である。これらの特性は熱輸送媒体としては最も
適した物質であるが反面、化学的に活性な物質であり、
大気中では直ちに発火したり、又、構造材への腐食を促
進する欠点もある。そのため、ナトリウムの取扱いには
安全性を考慮し水等の流体にはない特別な機器構造が工
夫されている。たとえば、前述の機械式ポンプでは電動
機への熱を防ぐため長尺のシヤフトをもつ竪型ポンプ構
造にしたり、また、シヤフトの回転部を外気としやへい
する特殊なシール構造等で工夫されている。

これに対して、電磁ポンプは流体の良電導性を利用した
電磁機器であり、電磁力で流体を流動する原理に基づく
もので、可動部分がなく、また完全に密閉構造になるた
め、上記活性な性質を有するナトリウムに用いるには最
も好都合な機器である。したがつて、電磁ポンプは信頼
性に富み、より安全性と信頼性を要求される原子力プラ
ントに使用する機器として好ましい。

電磁ポンプの原理は古くからあり、水銀ボイラ等のため
に開発されていた。

電磁ポンプには主として２種類ある。すなわち、(1)交
流を用いるものと、(2)直流を用いるものとがある。低
電圧大電流の電源設備の価格及び技術的な難易度を比較
すると交流型の方が有利であり、もつぱら交流型電磁ポ
ンプが用いられている。

交流型電磁ポンプにも種々の型式がある。主として、
(1)コンダクシヨン型と、(2)インダクシヨン型があり、
低電圧大電流を電源側から直接供給するコンダクシヨン
型に対して、インダクシヨン型は流体内に電磁誘導電流
として駆動電流を発生させるところに違いがある。Ａ−
Ｃフアラデイ型電磁ポンプは前者に、リニアイングクシ
ヨン型電磁ポンプは後者に属す。本発明はＡ−Ｃフアラ
デイ型電磁ポンプに適用することが好ましいので以下Ａ
−Ｃフアラデイ型電磁ポンプを例に従来例を記述する。

Ａ−Ｃフアラデイ型電磁ポンプの構造として、特願昭５
０−13624号あるいは、特願昭５６−15696号等に記載の
構造がある。第２図に従来技術の例としてその構造を示
す。図において、導電性流体の流れるダクト２を中心に
両側から電極３を設けてある。ダクト２と電極３の２個
所の接合部分に磁気回路８を設ける。磁極８は２個のコ
の字型磁気鉄心９と、４個の磁気コイル１０で構成され
ている。一方、前述の電極３は両側に２個所の電流回路
５を設けてある。電流回路５は、変流器鉄心６と変流器
コイル７で構成されている。このような部品で構成され
て成る電磁ポンプ１の前記ダクト２をナトリウムループ
の配管の一部に接続して用いる。

次に動作例を記述する。今、ダクト２を含みループの配
管内全体に溶融したナトリウムが充満しているとする。
交流電源より磁気コイル１０および変流器コイル７に給
電すると磁気鉄心９には磁界が発生し、変流器５からは
電極３側に大電流を発生する。この磁界と大電流は時間
とともに方向が変化する交流成分であるが、結線法によ
つて両者の位相が合うように給電する。ダクト２の２個
所では、この同位相の磁界と大電流が作用し同一方向の
力が発生する。ダクト２内のナトリウムがこの力を受け
てポンプ力となり、ループ内のナトリウムの循環力とな
る。ナトリウム流量を加減するには、電磁ポンプの給電
電力を制御することで簡単に行なうことができる。しか
し、供給電力を零にすると磁界及び電流とも零になり流
動を零にすることができるが、ポンプダクト２の内面構
造は外の配管部分と全く同じであるため、ポンプ出力が
ない時に他の要因で流体に順、あるいは逆方向の流動が
発生した場合、それを阻止するブレーキ力は全く働かな
い。ナトリウムループには種々の流れ要因がある。例え
ばループ内の圧力差，水頭、あるいは流体の自然循環等
がある。ナトリウムループはそのループの機能に合せて
流量制御構成を整えるが、一般に電磁ポンプと流調弁あ
るいは逆止弁等と併用されることが多い。

ナトリウム機器の信頼性を上げるには機械的可動部品を
できるだけ少なくすること、又、システム構造をできる
だけ簡素化にすることは言うまでもない。このような観
点では従来のナトリウムループシステムの信頼性向上に
さらに改良が必要である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ポンプ機能とブレーキ機能とを簡単な
構成にて合せもつ電磁機器を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の基本構成は、導電性流体に電流を供給する電流
回路と、前記電流の供給方向と直交する成分の方向をも
たせて前記導電性流体に磁界を与える磁気回路とから成
る電磁機器において、前記電流回路に、前記両回路の内
の電流回路に対し限定的に抑制効果が加わる結線関係に
て電流抑制回路を備えたことを特徴とした導電性流体の
流動制御装置であつて、前記導電性流体に互いに直交成
分を有して電流と磁界を加えて前記導電性流体に送り作
用力を与え、不測な流動時には前記電流抑制回路で電流
回路の電流供給作用だけ止め、止めるべき回路を電流回
路に限定して流れに対するブレーキ作用を得るものであ
る。

〔発明の実施例〕 以下に本発明の一実施例を説明する。

本実施例では、電気結線関係をわかりやすくするために
べんぎ上平面に展開して第１図を図示しているが、具体
的にはダクト２と電極３と磁気鉄心９との三大構成部品
は、第２図に示す従来例の通り三方向へ互いに直交し合
う配置となつている。

第１図において、電磁ポンプ１は、電気回路５と磁気回
路８と電源１１と電流抑制回路１３とを基本回路として
備える。

電気回路５は以下の通りである。即ち、導電性流体が通
されるダクト２をはさんで設置された２個のコの字形電
極３と、２個の変流器コイル７と電極３と変流器コイル
７との間に設けた２個の変流器鉄心６とを備え、２個の
変流器コイル７どうしは並列に結線される。

磁気回路８は、電極３′と直交する配置でダクト２の両
側に配置した２個のコの字形の磁気鉄心９と、各磁気鉄
心９へ２個ずつ計４個取り付けた磁気コイル１０とを備
え、各磁気コイル１０は１ループ状に結線されている。

電源１１は、交流電力源であつて、商用５０Ｈz電源で
良い。

磁気回路８と電流回路５とは給電線１２を用いて直列的
に結線されている。そして、このような直列的に結線さ
れた両回路５，８は給電線１２ａ，１２ｂで電源１１へ
結線される。

電流抑制回路１３は、電流回路５とは並列に、そして磁
気回路８とは直列になる結線関係で電気的に結ばれる。
電流抑制回路１３としてはインピーダンス連続可変器が
使用できる。

電源１１からは交流電力を給電すると、磁気回路では４
個の磁気コイル１０がそれぞれ磁気鉄心９内に磁気を発
生する。２個の磁気鉄心９の磁気Ｂは互にダクト２をは
さで直列になる矢印ａ，ｂの方向に発生する。

一方、電流回路では変流器鉄心６に巻れた変流器コイル
７を１次とし、２次側に電極３を有する一般の変圧器の
構造を型成する。ただし、電磁ポンプでは２次側に低電
圧大電流を得ることから変流器と云う。通常１次と２次
のコイル巻数比は２次の電極３が１ターンに対して２次
コイルは数百ターンとするため、２次の電極３には、１
次に給電した電流の数百倍の大電流が発生する。

２個の電極３はダクト２を従来と同様にしてはさんで互
いに接続されているため、２次側に発生した大電流Ｉは
ダクト２と内部の導電性流体とを貫通して矢印ｃ，ｄの
方向に流れる。前に述べた磁気Ｂと電流Ｉは交流電源成
分であるため電源周波数に従つて正・負方向の成分に時
間的変化をする。しかし、磁気回路８と電流回路５とは
直列に電源１１に接続されているため常に同位相の変化
となる。

ダクト２内に存在する導電性流体である液体金属に以上
の磁界Ｂと電流Ｉが互に直角方向からアクシヨンするこ
とによつて、一方向のポンプ力がダクト２内の導電性流
体に加わるように発生する。

ところが、電流回路と並列に接続した電流抑制回路１３
のインピーダンスを可変して零にすることによつて電流
回路５は短絡され電極３に電流が流れなくなりポンプ力
は零になる。しかも、ダクト２内の液体金属が外力で流
れようとすると自動的に流れに比例した電磁ブレーキ力
が発生するようになる。

つまり、電流抑制回路１３のインピーダンスを零から無
限大（短絡から開放）間を制御することによつて流量制
御が可能になる。

ポンプ力と電磁ブレーキ力との関係を第３図の原理図に
もどつて説明する。図において上方は電動機を下方は発
電機の関係を示したもので電動機側はポンプ力に、発電
機側は電磁ブレーキ力に相当する。電動機側において、
磁場Ｂと直角方向に電流Ｉを与えるとさらに直角方向に
力Ｆｐが発生するこの関係はフレミングの左手の法則に
従う。次に発電機側においては、磁場Ｂ内に直角方向か
ら力Ｆを与えるとさらに直角方向に起電Ｆｅが発生する
この関係はフレミングの右手の法則に従う。これらの関
係および理論は電磁気の基礎原理に従つて導びかれる。

つまり、電動機側と発電機側との関係を同一方向の磁場
（Ｂ）を共通磁場と考えれば電流（Ｉor e）と力（Ｆ）
との方向関係は互に反対であることがわかる。

今、発電機側において、磁場Ｂ内を外力によつて導電性
流体がＦ方向に流動したとすればｅ方向に(1)式の電圧
(ｅ)が発生する。

ｅ＝Ｂ×ｌ×ｖ×１０^-8（Volt） ……(1) ここにｅ：起電圧（Ｖｏｌｔ） Ｂ：磁束密度（gauss） ｌ：電極間の距離（cm） ｖ：流体流速（cm／ｓ） 発生した電圧は開放電圧であつて電流は流れない。発生
した電圧端子に負荷抵抗を接続することによつて負荷抵
抗の大きさに逆比例した電流が流れることになる。つま
り負荷抵抗が零の時（回路短絡）に最大の電流が流れる
ことになる。ここで、電動機側の関係に戻つて考えると
負荷電流Ｉが磁界Ｂとに使用することによつて発電機側
の流れとは反対方向の流れの力Ｆｐが発生する。この発
生する力Ｆｐの大きさは(2)式で示す関係になる。

ここにＦｐ：流動力（dyne） Ｂ：磁速密度（gauss） Ｉ：電流（Ampere） ｌ：電極間の距離（cm） このＦｐが電磁ブレーキ力である。

発電機側の電圧回路を短絡することによつて流量に比例
した電流が発し、さらにその電流に比例した逆方向の電
磁ブレーキが働くため、ブレーキ力は自己制御型になつ
ていることがわかる。

以上述べた電磁ブレーキの動作原理を実用化するために
はまず電流回路の短絡方法に工夫が必要である。もとも
と電磁ポンプの電流回路は数cmの直径を有するＳＵＳ製
ダクト内に液体ナトリウムがあるため、そのインピーダ
ンスは数十μΩと非常に低い値になつている。したがつ
て、ダクト２に接続した電極３に関する回路は低電圧
（数十ミリボルト）、大電流（数千アンペア）の電気回
路で構成する。このような低インピーダンス回路を短絡
して電磁ブレーキ作用を起させるために、電極回路を直
接短絡しても電気回路のインピーダンスよりもはるかに
低い値の短絡回路を設けなければ無意味であることがわ
かる。また技術的にもこのような低インピーダンス回路
を直接作ることは不可能である。

そこで、電磁ポンプが交流機器であることのため、電流
回路の２次側の低インピーダンスであるのに対して１次
側は高インピーダンス特性をもつ変圧器関係にある。

交流理論に基づいて変圧器には下式の関係がある。

ここにｅ：端子電圧 Ｉ：電流 ｎ：変圧器巻数 添字１は変圧器１次側 添字２は変圧器２次側 変流器回路はｎ_１≫ｎ_２の構造になつていることから両
電圧関係はｅ_１≫ｅ_２、また両電流関係はＩ_１≪Ｉ_２と
なり、電極側に低電圧大電流を得ている。

したがつて、この電極側の低電圧大電流回路を制御する
ためには間接的に１次側の電圧ｅ_１および電流Ｉ_１を調
節することによつて容易に得られることがわかる。

第４図は以上説明した本発明の機能を模式的に図示した
ものである。

電磁ポンプとして動作する場合は電流抑制回路１３のイ
ンピーダンスを無限大（開放）にすることによつてダク
ト２内の流体に磁場Ｂと電流Ｉが供給され流動力が発生
する。次に電磁ブレーキとして作動させる場合、電流抑
制回路１３のインピーダンスを零（短絡）にすることに
よつて励磁状態で供給電流が零になり流動力はなくな
る。しかも、静止した流体に外力等によつて流動が発生
した場合流速に比例した電流が誘起され電磁ブレーキ力
が働く。実際の電流抑制回路１３においては可変インピ
ーダンスの範囲は変流器１次側のインピーダンスに比べ
充分に大きいか、あるいは、小さ値いであれば、無限
大、あるいは零の値にする必要はない。したがつて、電
磁ブレーキから電磁ポンプの出力まで連続して制御が可
能になる。

以上のべたように本発明の実施例によれば、従来の電磁
ポンプ機能を損なわず簡単な電流抑制回路を付加するだ
けで電磁ブレーキから電磁ポンプの出力まで連絡して流
体を制御できるようになつた。また、従来の電磁ポンプ
での流量調節は電源電力を可変するため、磁界と電流の
二要素を同時に変化させていたのに対して、本発明の流
量調節は磁界を一定にし、電流値の一要素のみを変化し
て得られる。したがつて流量の自動制御等で行なわれる
フイドバツク制御系には精度良い調節が容易且つ可能で
ある。

第１図をさらに模式的に図示して第４図に示したもので
は電流回路５に付属した電流抑制回路１３は回路インピ
ーダンスを連続に可変できるようにしたものであるが変
形例としては、第５図に示す模式図のように電流回路５
に付属した電流抑制回路１３として、回路を無限大と零
のインピーダンスになるように接点開閉器であるスイツ
チ機構１３ａを設けたものである。このスイツチをＯＦ
Ｆにすることによつて通常の電磁ポンプとして動作し、
ＯＮにすることによつて電磁ブレーキとして動作する。

しかし、電磁ポンプ状態で流量を調節する場合は電源１
１からの供給電力を制御する必要がある。

この変形例を実用する場合はナトリウムプラントの中で
も過渡変化あるいは非常時の流量確保等の目的に使うと
より効果的である。

以上説明したように本発明のいずれの例でも電磁ポンプ
の電流回路に簡単な電流抑制回路を付加するだけで電磁
ポンプが作動しない時は流体に電磁ブレーキが働く。
又、第１図，第４図の例では電磁ポンプとして稼動する
時には流量零から連続に制御できる。さらに従来の電磁
ポンプ機能を阻害することなく電磁ブレーキ力が発生で
きる。また、いずれの例でもブレーキ力にポンプ力の磁
気と電流回路を共通流用できるため、コンパクトな電磁
機器になるとともに、さらに電磁機器であるためアクシ
ヨンに対して作動するレスポンスも早いので高速炉の非
常系の冷却システムに用いると効果的である。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば、導電性流体を流動させる
ことはもちろんのこと、その流動の不測の動きを抑制す
ることは機械的可動部分及び流体と直接接することなく
簡単な構成にて実施できるから、導電性流体の流動制御
が簡単な構成にて幅広く実施できるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による電磁ポンプの結線系統
図、第２図は従来の電磁ポンプの斜視図、第３図は第１
図に示した電磁ポンプのポンプ時でブレーキ作用時とに
おける磁界と電流と流動方向とのベクトル表示図、第４
図は第１図の模式的等価回路図、第５図は本発明の変形
例における電磁ポンプの模式的等価回路図である。 １……電磁ポンプ、２……ダクト、３……電極、５……
電流回路、６……変流器鉄心、７……変流器コイル、８
……磁気回路、９……磁気鉄心、１０……磁気コイル、
１１……電源、１３……電流抑制回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山川 正剛 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 橋本 宏 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダクト内の導電性流体に電流を供給する電
   流回路と、前記導電性流体に前記電流の供給方向と直交
   する方向の成分を持つ磁界を与える磁気回路とを備えた
   電磁機器において、前記電流回路の一次系は前記磁気回
   路の一次系と直列に結線され、且つ前記電流回路が変流
   器を介して前記変流器の二次側に発生する低電圧・大電
   流特性の電流を前記導電性流体の前記ダクトに給電する
   二次系回路と、前記変流器の前記一次系に電源から交流
   電力を給電する一次系回路とを有し、且つ前記変流器の
   一次側回路に前記一次側回路の電気インピーダンス値に
   比べて小さい値の電気インピーダンス特性を有する電流
   バイパス回路を設けて構成した電流抑制回路を備えたこ
   とを特徴とした導電性流体の流動制御装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲の第１項において、前記電
   流回路の電流バイパス回路は前記変流器の一次側回路に
   並列に結線され、且つ前記電流回路の一次系は前記磁気
   回路の一次系と直列接続であることを特徴とした導電性
   流体の流動制御装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲の第１項または第２項にお
   いて、前記電流バイパス回路は前記変流器の一次側回路
   の電気インピーダンス特性に比べて小さい値から大きい
   値まで連続的に可変自在に可変抵抗器で構成したことを
   特徴とした導電性流体の流動制御装置。
4. 【請求項４】特許請求の範囲の第１項または第２項にお
   いて、前記電流バイパス回路は前記変流器の一次側回路
   の電気インピーダンス特性に比べて小さい値から無限大
   値に切り替えることの出来る接点開閉器で構成したこと
   を特徴とした導電性流体の流動制御装置。