Brevet FR2593002A1 — publié le 19870717

L'invention concerne une pompe électromagné- tique pour un liquide conducteur tel qu'un métal li- quide, a refoulement par répulsion magnétique. On connait des pompes pour des métaux liqui- des a bas point de fusion tels que le sodium qui com- portent un conduit annulaire recevant le métal liquide ainsi qu'un bobinage et un circuit magnétique permet- tant de créer un champ magnétique et un courant élec- trique perpendiculaires entre eux dans le métal liqui- de. On connait par exemple une pompe comportant un conduit annulaire constitué par deux tubes concentri- ques entre lesquels circule le métal liquide en cours de pompage, le tube externe du conduit annulaire étant disposé à l'intérieur d'un stator constitué par un circuit magnétique renfermant des bobinages alimentés par un système de courant polyphasé, de façon à créer un champ glissant de direction radiale dans le métal liquide. Un noyau magnétique est également disposé à l'intérieur du tube interne du conduit annulaire pour permettre aux lignes de force du champ magnétique de se refermer en traversant le conduit annulaire. Les bobines entourant le conduit annulaire et coaxiales a ce conduit créent dans le métal liquide a l'intérieur- du conduit annulaire un courant induit circulaire se refermant sur lui-méme et circulant dans un sens opposé au courant d'alimentation des bobines. L'action du champ magnétique glissant de direction radiale sur le courant induit produit un effet de pom- page du métal liquide dans le conduit annulaire. De telles pompes, bien que théoriquement satisfaisantes, ont une structure complexe et sont d'un coût élevé. En effet, il faut prévoir un circuit magnétique feuilleté comportant de nombreuses encoches successives dans lesquelles sont disposés les bobinages qui sont ali- mentés par un système de courants polyphasés, ce qui nécessite des connexions nombreuses et un générateur coûteux. D'autre part, dans le cas o une bobine est défectueuse, pour son remplacement, il est nécessaire d'arrêter, de vidanger et de démonter complètement la pompe en tronçonnant ses extrémités raccordées sur les tubes du circuit o elle est placée. Le but de l'invention est donc de proposer une pompe électromagnétique pour un liquide conduc- teur, à refoulement par répulsion magnétique, compor- tant un conduit annulaire recevant le liquide conduc- teur ainsi qu'un bobinage et un circuit magnétique permettant de créer un champ magnétique et un courant électrique dans le liquide conducteur, cette pompe électromagnétique étant d'une structure simple et donc d'un coût peu important, d'un faible encombrement et d'une grande simplicité quant à son montage, son uti- lisation et son entretien. Dans ce but: - le conduit annulaire est fermé à l'une de ses extré- mités et communique au voisinage de cette extrémité avec un conduit latéral d'arrivée de liquide conduc- teur, - le bobinage comporte un seul enroulement coaxial au conduit annulaire, adjacent à son extrémité fermée et alimenté en courant alternatif monophasé, - et le circuit magnétique entoure extérieurement et intérieurement, à la fois le bobinage et le conduit annulaire. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemples non limi- tatifs, une pompe électromagnétique suivant l'art antérieur et plusieurs modes de réalisation d'une pom- pe électromagnétique a répulsion suivant l'invention. Dans ces figures: - la figure 1 est une vue partielle en pers- pective éclatée d'une pompe électromagnétique pour métaux liquides suivant l'art antérieur; - la figure 2 est une vue en perspective éclatée d'une pompe suivant l'invention et suivant un premier mode de réalisation; - la figure 3 est une vue en coupe par un plan vertical de symétrie de la pompe représentée sur la figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe suivant IV-IV de la figure 3; - la figure 5 est une vue en coupe verticale analogue à la figure 3, d'un seconde mode de réalisa- tion d'une pompe électromagnétique suivant l'inven- tion; - la figure 6 est une vue en coupe transver- sale d'une partie du circuit magnétique de la pompe représentée à la figure 4 ou à la figure 5, selon une variante de réalisation. Sur la figure 1, on voit une pompe électro- magnétique pour métaux liquides comportant un conduit annulaire 1 constitué de deux tubes concentriques en matériau amagnétique la et lb entre lesquels circule le métal liquide suivant la direction des flèches F. Le tube extérieur la est entouré par un cir- cuit magnétique feuilleté 2 comportant des branches radiales 3 et des encoches successives 4, dans la di- rection axiale. Dans chacune des encoches 4 est placée une bobine 5 entourant le conduit 1 et coaxiale à ce conduit. Un noyau feuilleté 6 est placé à l'intérieur du tube interne lb du conduit 1, si bien que les li- gnes de flux 7 du champ magnétique créé par les bobi- nages 5 se referment par l'intermédiaire du noyau 6. Les lignes de flux 7 traversent la veine de métal li- quide en circulation dans le conduit annulaire 1 sui- vant des directions radiales. Les bobinages 5 sont alimentés en courant polyphasé, si bien que le champ magnétique traversant la veine de métal liquide est un champ glissant. Des courants induits schématisés par la flèche I2 sont créés dans le métal liquide a l'in- térieur du conduit 1. Ces courants induits-circulaires se referment sur eux-mêmes et sont coaxiaux aux bobi- nages 5 et au conduit 1; leur sens de circulation est opposée aux courants d'alimentation I1 des bobinages 5 qui leur ont donné naissance. On voit que la pompe électromagnétique re- présentée sur la figure 1 et correspondant à l'art an- térieur présente une structure complexe, le circuit magnétique étant réalisé par empilage de tôles décou- pées comportant de nombreux créneaux successifs cor- respondant aux encoches. Une telle pompe d'autre- part nécessite une alimentation complexe polyphasée pour les bobinages. Dans le cas o l'un des bobinages 5 est dé- fectueux, il est nécessaire d'arrêter totalement la pompe et de procéder a un démontage complet de cette pompe. Le conduit 1 étant intercalé entre deux condui- tes d'un circuit dans lequel on réalise le pompage du métal liquide, il est nécessaire, après vidange du circuit, de découper ces conduits pour extraire le bo- binage défectueux. Pour la remise en route de la pom- pe, il faut évidemment réaliser à nouveau sa fixation par soudage sur les conduites d'utilisation. Sur les figures 2: 3 et 4, on voit un mode de réalisation d'une pompe suivant l'invention qui comporte un conduit annulaire 10, une bobine unique 11 et un circuit magnétique 12 entourant le conduit 10 et la bobine 11, intérieurement et extérieurement. Le conduit annulaire 10 est fermé a son ex- trémité supérieure par une plaque supérieure annulaire 13 soudée au tube intérieur lOb et au tube extérieur a du conduit annulaire 10. Le tube externe 10a est également soudé a sa partie inférieure à une pièce de raccord tronconique 14 permettant de relier le conduit annulaire 10 à un conduit de sortie 15 qui peut faire partie du circuit d. utilisation sur lequel est montée la pompe ou constituer un élément de raccordement de la pompe à ce conduit. A l'extrémité supérieure du tube externe 10a du conduit 10 est également fixé par soudage le conduit 16 d'arrivée latérale du métal li- quide dans le conduit 10, de direction radiale par rapport à ce conduit annulaire 10. Le tube interne lOb du conduit annulaire est fermé à sa partie inférieure par une pièce de fermetu- re conique 17. Le conduit 10 est entouré sur toute sa hau- teur par une virole 19 de protection thermique; un disque 20 de protection thermique est également placé au-dessus de la plaque supérieure 13 du conduit 10. Le bobinage unique circulaire 11 de la pompe vient reposer sur le disque de protection thermique 20 par l'intermédiaire de pièces d'isolation électrique 21. Au-dessus de la bobine 11 sont également disposées des pièces d'isolation électrique 22 séparant la bobi- ne 11 de la partie supérieure du circuit magnétique 12. Les pièces d'isolation 21 et 22 ménagent entre elles des espaces libres 23 et 24 respectivement per- mettant le passage d'air de refroidissement autour du bobinage 11. Le circuit magnétique 12 comporte une partie inférieure de forme tubulaire 25, une partie supérieu- re 26 en forme de disque, des branches verticales 27 joignant les parties inférieure et supérieure du cir- cuit magnétique et une partie tubulaire interne 28 traversant l'alésage interne de la pièce annulaire 26 et de la bobine 11 et logée à sa partie inférieure dans le tube interne lOb du conduit 10. La partie tubulaire inférieure 25 du circuit magnétique 12 est constituée par des tôles magnétiques 31, 32 disposées à l'intérieur d'une structure de maintien en acier inoxydable 30 elle-même constituée par deux flasques d'extrémité de forme annulaire 30a entretoises par des tôles soudées 30b et comportant des rebords de maintien des tôles magnétiques et des cerclages soudés 30c assurant le maintien des tôles magnétiques. Comme il est visible sur la figure 4, les tôles magnétiques 31 et 32 sont de largeur différente et disposées dans la direction radiale de la pièce tubulaire 25, de façon à assurer un remplissage le plus complet possible du volume de cette pièce 25. La pièce 25 entoure le conduit 10 sur toute sa hauteur avec interposition de la pièce isolante thermique 19 évitant la transmission de chaleur entre le métal li- quide circulant dans le conduit 10 et le circuit ma- gnétique. En réalité, la partie supérieure 33 de la pièce 25 est constituée par un matériau non magnétique de remplissage entourant la partie supérieure du conduit annulaire 10, dans la zone de raccordement du conduit d'arrivée de métal liquide 16. L'ensemble des structures de maintien du circuit magnétique 12 et les conduits de circulation du métal liquide sont consti- tués par de l'acier inoxydable. Les branches 27 du circuit magnétique 12 sont constituées par des tôles magnétiques accolées les unes aux autres et la pièce tubulaire interne 28 est également réalisée sous forme feuilletée par jux- taposition de tôles magnétiques 34 de différentes lar- geur, suivant une structure comparable a celle de la pièce tubulaire 25. Les tôles magnétiques 34 sont dis- posées autour d'un tube central 37 en acier inoxydable en appui à sa partie inférieure sur le fond conique 17 I0 du tube interne lO0b du conduit 10. La pièce annulaire 26 est réalisée sous for- me feuilletée par empilement de disques en tôle magné- tique. Le circuit magnétique 12 est fixé à sa par- tie supérieure sur un flasque de fermeture 38 qui per- met de démonter facilement la pompe. Sur la figure 2, la pompe a été représentée avec le flasque 38 enlevé. La paroi de fermeture supérieure 13 du conduit 10 présente de préférence une forme tronconi- que, de façon à limiter le volume du conduit 10 de-la pompe située au niveau du conduit d'arrivée 16. Lorsqu'on alimente le bobinage 11 en courant alternatif monophasé, ce courant étant représenté de façon conventionnelle par la flèche 40, un champ ma- gnétique parcourt le circuit 12 comme représenté par les lignes en pointillés fermées et orientées 41. Les branches 27 du circuit magnétique 12 assurent la jonc- tion entre la partie supérieure et la partie inférieu- re de ce circuit. Le champ magnétique traverse le conduit 10 recevant le métal liquide suivant des di- rections radiales; le champ magnétique est ensuite canalisé par la pièce interne 28 joignant le conduit à la pièce annulaire supérieure 26 du circuit ma- gnétique 12. Un courant électrique circulaire fermé sur lui-même et coaxial au conduit 10 est induit à l'in- térieur du métal liquide remplissant ce conduit, comme représenté de façon conventionnelle par la flèche 42. Le sens de circulation de ce courant est opposé au sens du courant électrique 40 d'alimentation du bobi- nage Il qui lui a donné naissance. Les champs magnétiques créés par les cou- rants 40 et 42 sont opposés, si bien qu'une force de répulsion magnétique s'exerce entre le bobinage 11 et le métal liquide; cette force magnétique est donc dirigée vers le bas et entraine un effet de pompage du métal liquide dans le conduit 10, ce métal étant mis en circulation suivant la direction des flèches 44. Dans le conduit annulaire 10, l'action du champ magné- tique sur le courant 42 procure cet effet de pompage sur une certaine longueur du conduit, la force magné- tique s'atténuant en raison de l'atténuation exponen- tielle du champ magnétique et du courant induit, dans la direction axiale de la pompe. Cette atténuation dépend de la profondeur de pénétration caractéristique du métal liquide et de la fréquence d'alimentation du bobinage 11. Ces paramè- tres permettent de définir la longueur axiale de la pompe qui est de toute façon réduite par rapport à la longueur habituelle des pompes électromagnétiques pour métaux liquides selon l'art antérieur. Sur la figure 5, on a représenté un second mode de réalisation de la pompe, les éléments corres- pondants sur les figures 3 et 5 portant les mêmes re- pères. Le circuit magnétique 12 est, dans ce mode de réalisation, constitué par deux parties tubulaires 45 et 46 superposées dans la direction axiale et consti- tuées sous forme feuilletée comme la partie tubulaire du circuit magnétique de la pompe représentée sur la figure 3. Le bobinage 11 est disposé à l'intérieur de la pièce tubulaire feuilletée 46 et le circuit ma- gnétique 12. est complété par une pièce annulaire 47 et une pièce tubulaire 48 feuilletées, la pièce tubulaire 48 étant introduite dans l'alésage interne de la pièce annulaire 47 et de la bobine 11 et logée à sa partie inférieure dans le tube intérieur du-conduit 10 de la pompe. Le circuit magnétique de la pompe représentée sur la figure 5 ne comporte donc pas de branche sail- lante 27 et sa forme générale externe est cylindrique. Le bobinage 11 est, comme précédemment, ali- menté en courant monophasé et le fonctionnement de la pompe est tout-afait identique à celui de la pompe représentée sur la figure 3. Sur la figure 6, on voit une variante de réalisation des pièces tubulaires du circuit magnéti- que (par exemple les pièces 25 et 28 du mode de réali- sation de la figure 3 ou les pièces 45, 46 et 48 du mode de réalisation de la figure 5. Les tÈles 51 de la pièce magnétique tubulai- re feuilletée 50 sont formées à partir de tôles magné- tiques d'épaisseur et de largeur constantes, galbées selon une forme en développante de cercle. Leur extré- mité extérieure peut être biseauté de manière à former un cercle continu. De cette façon, on peut réaliser un empile- ment totalement compact, avec un jeu de tôles magnéti- ques ayant toutes la même forme et la même dimension, pour la constitution d'une pièce magnétique feuilletée de forme tubulaire ou annulaire. On voit que les principaux avantages de la pompe électromagnétique suivant l'invention sont une grande simplicité de structure, un coût modéré et un encombrement réduit. En particulier, le circuit magnétique est relativement simple et ne comporte qu'une encoche pour laisser le passage au conduit d'arrivée de métal li- quide dans le conduit interne de la pompe. La pompe selon l'invention présente de plus l'avantage d'être facilement démontable dans ses par- ties susceptibles de se détériorer et de ne comporter qu'un enroulement qui peut être facilement remplacé, s'il devient défectueux. De plus, cet enroulement uni- que est alimenté en courant monophasé, si bien que le branchement de la pompe est particulièrement simple à réaliser. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation. C'est ainsi qu'on peut imaginer d'autres formes pour le conduit et le circuit magnétique, à partir du moment o le conduit est entouré extérieure- ment et intérieurement par le circuit magnétique pour permettre la circulation du champ dans des directions radiales à travers le métal liquide, Les tôles magnétiques constituant les diffé- rentes pièces du circuit magnétique peuvent être en tout matériau présentant les caractéristiques voulues. Cependant, dans le cas o la pompe est destinée à un circuit de métal liquide, il est préférable de réali- ser ces pièces en acier magnétique au cobalt gardant leurs propriétés à haute température. On peut prévoir autour du bobinage 11 de la pompe, comme indiqué cidessus, une circulation d'air ou d'un autre gaz de refroidissement grâce à des moyens de ventilation additionnels associés à la pom- pe. On peut également prévoir une circulation de fluide de refroidissement en contact avec le circuit magnétique et en particulier entre les branches sail- lantes de liaison de ce circuit, lorsqu'il comprend de telles branches. La pompe électromagnétique suivant l'inven- tion peut être utilisée non seulement pour le pompage de métaux liquides tels que le sodium, le lithium, l'étain, le plomb, le mercure,... mais encore pour le pompage de tout liquide électriquement conducteur, à haute température, à basse température ou à la tempé- rature ambiante. Enfin, les parties en contact avec le métal liquide, ou le liquide conducteur électrique, peuvent être en matériau amagnétique autre que l'acier inoxy- dable, tels que le titane ou des céramiques. Ce maté- riau doit être compatible avec le liquide conducteur soumis au pompage, c'est-à-dire qu'il doit résister à l'attaque chimique ou thermique par le liquide, sur- tout le domaine des températures utilisées. REVENDICATIONS 1.- Pompe électromagnétique pour liquide conducteur, a refoulement par répulsion magnétique, comportant un conduit annulaire (10) recevant le liquide conducteur ainsi qu'un bobinage (11) et un circuit magnétique (12) permettant de créer un champ magnétique et un courant électrique dans le liquide conducteur, caractérisée par le fait: - que le conduit annulaire (10) est fermé à l'une de ses extrémités et communique, au voisinage de cette extrémité, avec un conduit latéral (16) d'arrivée de liquide conducteur, - que le bobinage (11) comporte un seul enroulement coaxial au conduit annulaire (10) adjacent à son ex- trémité fermée et alimenté en courant alternatif mo- nophasé, - et que le circuit magnétique (12) entoure extérieu- rement et intérieurement, à la fois le bobinage (11) et le conduit annulaire (10). 2.- Pompe électromagnétique suivant la re- vendication 1, caractérisée par le fait que le circuit magnétique 12 comporte une pièce tubulaire feuilletée (25) entourant extérieurement le conduit annulaire (10), une pièce tubulaire feuilletée (28) disposée à l'intérieur du conduit annulaire (10) et traversant l'alésage interne du bobinage (11) et l'alésage inter- ne d'une pièce annulaire feuilletée (26) du circuit magnétique (12) qui comporte de plus des branches saillantes (27) joignant la partie périphérique de la pièce annulaire (26) à la partie périphérique de la pièce tubulaire (25) entourant le conduit (10). 3.- Pompe électromagnétique suivant la re- vendication 1, caractérisée par le fait que le circuit magnétique (12) est constitué par au moins une pièce magnetique feuilletée de forme tubulaire (45, 46) en- tourant extérieurement le conduit (10) et le bobinage (11), une pièce annulaire feuilletée (47) et une pièce tubulaire feuilletée (48) disposée à la partie interne du conduit (10) et traversant l'alésage interne du bobinage (11) et l'alésage interne de la pièce annulaire feuilletée (47) du circuit magnétique (12), piacée à l'intérieur de la pièce tubulaire feuilletée (45, 46). 4.- Pompe électromagnétique suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisée par le fait que le bobinage (11) vient en appui, par une de ses faces planes d'extrémité, sur l'extrémité fermée (13) du conduit (10). 5.- Pompe électromagnétique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que l'extrémité fermée du conduit (10) a une forme tronconique. 6.- Pompe électromagnétique suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisée par le fait que les pièces magnétiques feuilletées (25, 28, 45, 46, 48) constituant le circuit magnétique (12) sont formées à partir de tôles magnétiques d'é- paisseur et de largeur constante, galbées suivant une forme de développante de cercle. 7.- Pompe électromagnétique suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 6, caractéri- sée par le fait que le circuit magnétique (12) est réalisé à partir de tôles en acier magnétique au co- balt. 8.- Pompe électromagnétique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que le conduit (10) est relié à son extrémité non fermée à un conduit de sortie (15), par l'inter- médiaire d'une partie tronconique (16). 9.- Pompe électromagnétique suivant l'une quelconque des revendications 1 a 8, caractérisée par le fait qu'elle comporte des moyens pour la mise en circulation d'un fluide de refroidissement gazeux en contact avec le bobinage (11) et/ou avec le circuit magnétique (12). 10.- Pompe électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans le cas o le liquide conducteur est un métal liquide, caractérisée par le fait que le conduit (10) est entouré extérieu- rement par des pièces isolantes thermiques (19, 20) situées respectivement entre le conduit annulaire (10) et le circuit magnétique (12) et entre l'extrémité fermée (13) du conduit annulaire (10) et le bobinage (11). 11.- Pompe électromagnétique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les pièces (10, 14, 15, 16) en contact avec le métal liquide ou autre liquide conducteur sont en un matériau amagnétique compatible avec le produit pompé sur tout le domaine des températures utilisées.