Brevet FR3100945A1 — publié le 20210319

L’invention concerne une pompe électromagnétique à induction comprenant : - un inducteur interne tubulaire comprenant une pluralité de peignes internes et de bobines internes disposées entre les dents desdits peignes internes, l’intérieur dudit inducteur interne formant une cavité ; - un tube interne disposé autour de l’inducteur interne ; - un canal de pompage autorisant la circulation d’un fluide à pomper, - un tube externe, le canal étant entre le tube interne et le tube externe ; - un inducteur externe tubulaire disposé autour du tube externe et comprenant une pluralité de peignes externes et de bobines externes disposées entre les dents desdits peignes externes ; la pompe électromagnétique comprenant en outre un dispositif de déplacement des peignes internes, apte à faire varier le jeu radial entre lesdits peignes internes et le tube interne et comprenant une première partie disposée à l’intérieur de l’inducteur interne et en liaison avec les peignes internes de manière à pouvoir les déplacer radialement et une deuxième partie s’étendant au moins partiellement à l’extérieur de l’inducteur interne et étant reliée à la première partie de manière à commander ladite première partie. Figure pour l’abrégé : Fig. 3A Pompe électromagnétique annulaire à induction Domaine technique de l’invention La présente invention concerne les pompes électromagnétiques (pouvant être désignées par la suite « PEM »), et plus précisément les PEM annulaires à induction, et en particulier de grande puissance, typiquement au-dessus de 500 kW. L’invention peut notamment trouver une application dans un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium, couramment désigné par « RNR-Na », en particulier dans les circuits secondaires des RNR-Na. Etat de la technique Classiquement, il est connu d’utiliser des pompes électromagnétiques afin de pomper du métal liquide. Dans ce domaine d’utilisation particulier pour des métaux liquides, celles-ci présentent en effet plusieurs avantages par rapport aux pompes mécaniques. Une pompe électromagnétique ne nécessite pas de circuit de lubrification puisqu’elle ne comprend pas de pièces en mouvement, donc pas de pièce à lubrifier. Cela permet une plus grande fiabilité par rapport aux pompes mécaniques. Par ailleurs, le circuit de refroidissement d’une pompe électromagnétique utilise avantageusement le métal liquide, par exemple le sodium, qu’elle pompe. Dans ce cas, la pompe électromagnétique est généralement définie comme étant à refroidissement passif. Ainsi une pompe électromagnétique permet de limiter le nombre de circuits auxiliaires, tout en permettant d’accroître sa fiabilité globale. Les pompes électromagnétiques utilisent la force de Laplace à laquelle est soumis un conducteur, en l’occurrence le métal liquide qui se déplace dans un canal de pompage, qui peut être désigné simplement « canal », parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magnétique. Dans le cas des pompes véhiculant des fluides dans des circuits de transfert de chaleur, comme par exemple les circuits primaires ou secondaires d’un réacteur nucléaire, les pompes à induction sont la seule technologie envisageable du fait des puissances de pompage exigées. Dans la suite, les dites pompes électromagnétiques à induction seront nommées « pompes électromagnétiques » par souci de simplification. Le principe de fonctionnement de ce type de pompes est de générer le courant à l’intérieur du canal de pompage au moyen d’un champ électromagnétique variable dans le temps créé par un inducteur (glissant ou tournant). Une pompe électromagnétique annulaire à induction connue (pouvant être désignée par « ALIP » pour « Annular Linear Induction Pump » en anglais) est décrite dans le brevet FR3073972 et reproduite en figure 1. La pompe électromagnétique 1 annulaire à induction illustrée sur la figure 1 comporte, en partant d'un axe central X de ladite pompe électromagnétique : - un inducteur interne (qui peut aussi être désigné « stator interne ») 10 ; - un tube interne 31 contenant l’inducteur interne ; - un canal de pompage 32 dans lequel circule le fluide à pomper, la paroi interne du canal de pompage étant formée par le tube interne 31 , - un tube externe 33 formant la paroi externe du canal de pompage et autour duquel est disposé l’inducteur externe, le canal de pompage étant entre le tube interne et le tube externe ; - un inducteur externe (qui peut aussi être désigné « stator externe ») 20 disposé autour du tube externe 33. L’inducteur interne, le tube interne, le canal de pompage, le tube externe et l’inducteur externe sont concentriques autour de l’axe central X. Chacun des inducteurs interne et externe 10 et 20, est composé : - d’un ensemble 100 et 200 de paquets de tôles magnétiques généralement appelés peignes, respectivement désignés individuellement par 101, 102, 103, et 201, 202, 203, - de bobines 111, 112, 113 et 211, 212, 213 qui se succèdent le long de l'axe central X de la pompe électromagnétique 1, chaque bobine présentant une forme annulaire s’enroulant autour dudit axe central. Les peignes 101, 102, 103 de l’inducteur interne 10 peuvent être désignés par « peignes internes ». Les peignes 201, 202, 203 de l’inducteur interne 20 peuvent être désignés par « peignes externes ». Chaque peigne présente des rainures ou des encoches périphériques formant chacune un logement pour faire passer les bobines. Afin de générer un champ magnétique glissant le long de l'axe principal, les bobines 111, 112, 113 et 211, 212, 213 des inducteurs magnétiques interne et externe 10, 20 sont alimentées par un réseau électrique polyphasé, généralement triphasé. La pompe électromagnétique illustrée est à refroidissement passif. Elle est utilisée avantageusement pour les circuits secondaires des RNR-Na. Dans ce cas et à des niveaux de température importants (typiquement au-delà de 200°C), il est nécessaire de maîtriser les transferts thermiques internes à la pompe. En effet, les enroulements des inducteurs interne et externe sont des sources de puissance thermique dont la chaleur doit être évacuée. C’est particulièrement vrai pour l’inducteur interne dont la seule interface possible pour un transfert thermique est le tube interne en contact avec le sodium qui évacue la chaleur ainsi transférée. Dans ce cas, il est indispensable de bien gérer l’évacuation de la chaleur de l’inducteur interne d’une pompe électromagnétique. De manière générale il est essentiel de bien maîtriser les transferts thermiques d’une pompe électromagnétique. Il est connu dans la demande de brevet JPH10304647 un système de maintien en appui, formé par un corps élastique, entre le peigne de l’inducteur (externe et/ou interne) et le tube (interne et/ou externe) d’une pompe électromagnétique à induction annulaire. Le corps élastique est du type ressort, et il est adapté pour absorber les différences de dilatations thermiques radiales entre les différents éléments. Un inconvénient de cette solution est que l’intensité de l’effort d’appui ne peut pas être réglée, surtout une fois la pompe électromagnétique montée. En outre, une fois la pompe électromagnétique montée, et notamment l’inducteur interne inséré, il n’est plus possible de réaliser un effort d’appui si le corps élastique n’a pas été prévu. De plus, la solution présentée peut gêner l’insertion de l’inducteur interne à l’intérieur de la pompe électromagnétique. Enfin, l’effort d’appui ne peut pas être réglé sans recourir à un démontage de la pompe. Le brevet JPH11104817 décrit également un système de maintien en appui, formé par une série de ressorts extérieurs, entre le peigne de l’inducteur (externe et/ou interne) et le tube (interne et/ou externe) d’une pompe électromagnétique à induction annulaire. Le système d’appui de l’inducteur extérieur est réglable par un système de vis écrou disposé latéralement, qui comprime plus ou moins les ressorts extérieurs et règle ainsi les efforts exercés sur le tube externe. L’inducteur interne est démontable, par la partie supérieure. Néanmoins les efforts des ressorts intérieurs ne sont pas réglables, sauf à démonter l’inducteur interne et à changer le système d’appui. Dans toutes ces solutions présentées, le système de montage de la pompe électromagnétique est difficile et le système de mise en contact est long et difficile à régler, voire impossible à régler pour l’inducteur interne. Il y a donc un réel besoin pour un système de mise en contact entre un inducteur et le canal de pompage d’une pompe électromagnétique, notamment pour un inducteur interne de pompe électromagnétique, qui soit facile à mettre en œuvre et rapide à régler, et ce tout en assurant la même qualité de contact pour obtenir les mêmes performances d’évacuation de la chaleur qu’avec les brevets de l’art antérieur, voire en permettant une meilleure performance. Avantageusement, l’invention doit permettre de répondre à ce problème sans avoir à démonter ladite pompe, tout en conservant la facilité de montage de l’inducteur interne, voire en en facilitant le montage. En particulièrement elle vise à disposer d’une pompe électromagnétique à refroidissement passif amélioré, notamment à des températures supérieures à 200°C. Un dispositif permettant de remédier à ces inconvénients est une pompe électromagnétique à induction de forme sensiblement tubulaire s’étendant selon une direction longitudinale et comprenant : - un inducteur interne sensiblement tubulaire comprenant une pluralité de peignes internes et une pluralité de bobines internes disposées au moins entre les dents desdits peignes internes, l’intérieur dudit inducteur interne formant une cavité ; - un tube interne disposé autour de l’inducteur interne ; - un canal de pompage autorisant la circulation d’un fluide à pomper, - un tube externe, le canal de pompage étant formé entre le tube interne et le tube externe ; - un inducteur externe sensiblement tubulaire disposé autour du tube externe et comprenant une pluralité de peignes externes et une pluralité de bobines externes disposées au moins entre les dents desdits peignes externes ; la pompe électromagnétique étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un dispositif de déplacement des peignes internes, ledit dispositif de déplacement étant apte à faire varier le jeu radial entre lesdits peignes internes et le tube interne entre un premier jeu où aucune dent des peignes internes n’est en contact avec ledit tube interne et un second jeu où tout ou partie des dents desdits peignes internes est en contact avec ledit tube interne, ledit dispositif de déplacement comprenant une première partie disposée à l’intérieur de l’inducteur interne et en liaison avec les peignes internes de manière à pouvoir les déplacer radialement et une deuxième partie s’étendant au moins partiellement à l’extérieur de l’inducteur interne et étant reliée à la première partie de manière à commander ladite première partie. Le fluide à pomper est un fluide conducteur, et de préférence un métal liquide. Par « entre un premier jeu où aucune dent des peignes internes n’est en contact avec ledit tube interne et un second jeu où tout ou partie des dents desdits peignes internes est en contact avec ledit tube interne », on entend selon l’invention que le jeu radial peut prendre toute valeur comprise entre le premier jeu et le second jeu, incluant ledit premier jeu et ledit second jeu. Le principe de l’invention consiste à exploiter le chemin thermique formé par l’ensemble des peignes du circuit magnétique interne de la pompe électromagnétique. Plus précisément, l’invention consiste à permettre un contact intime entre les peignes de l’inducteur interne (dits « peignes internes ») et le tube interne de la pompe électromagnétique pour limiter autant que possible la résistance thermique de contact entre ces pièces, et ce, de manière facile à mettre en œuvre et à régler. L’amélioration notable apportée par l’invention réside dans la possibilité de pouvoir régler l’effort d’appui (que l’on peut aussi nommer « effort de plaquage ») de chaque peigne interne sur le tube interne, et ce, sans qu’il soit nécessaire de démonter la pompe. Le réglage peut ainsi être réalisé par un accès à l’extérieur de la pompe alors que celle-ci, arrêtée, est toutefois toujours en place dans son circuit en cours d’exploitation. Un tel réglage est un avantage majeur pour le montage de l’inducteur interne dans la pompe électromagnétique. La possibilité de régler l’effort d’appui de chaque peigne interne contre le tube interne permet soit de créer un effort d’appui suffisant pour assurer le transfert thermique, soit de diminuer ou d’annuler cet effort d’appui, voire de créer un jeu d’insertion en plaçant les peignes internes en position de retrait radial pour faciliter l’insertion de l’inducteur interne dans la pompe électromagnétique. C’est également un avantage important vis à vis de la fiabilité de la pompe électromagnétique et de son niveau de disponibilité. En effet, en créant aisément un jeu entre l’inducteur interne et le tube interne, le remplacement de l’inducteur interne en cas de défectuosité est rendu plus facile et plus rapide. Cela augmente la disponibilité. Concernant la fiabilité, la possibilité de modifier l’effort de plaquage permet de garantir que l’on pourra conserver le meilleur échange thermique possible durant la vie de l’inducteur, donc limiter sa température et donc augmenter sa fiabilité. L’invention permet en outre de pouvoir vérifier que l’appui est correctement effectué et/ou qu’il n’est pas relâché au cours du temps. Un dispositif de déplacement radial de même type peut également être appliqué à l’inducteur externe. La dissipation de la chaleur produite est ainsi favorisée grâce à une conception mécanique adaptée de la pompe électromagnétique, et cette conception facilite aussi significativement le montage de l’inducteur interne dans la pompe électromagnétique. Le dispositif de déplacement peut être décliné selon plusieurs modes de réalisation parmi les modes décrits ci-après, qui peuvent être combinés entre eux, sauf indication contraire. Selon un mode de réalisation, la deuxième partie du dispositif de déplacement s’étend sensiblement selon la direction longitudinale et est apte à se déplacer selon ladite direction longitudinale. Selon un mode de réalisation, la deuxième partie du dispositif de déplacement comprend une pluralité de barres dont une première extrémité s’étend à l’extérieur de la pompe électromagnétique et une seconde extrémité s’étend dans la cavité formée à l’intérieur de l’inducteur interne, chaque barre étant reliée mécaniquement, entre sa première extrémité et sa seconde extrémité, à la première partie du dispositif de déplacement à l’intérieur dudit inducteur interne. Une barre désigne une pièce allongée, généralement de section régulière et cylindrique. Cela peut être une tige, un tirant. La barre est de préférence métallique. Selon un mode de réalisation particulier, la première extrémité de chaque barre présente un filetage et le dispositif de déplacement comprend en outre une pluralité d’écrous, un écrou étant apte à coopérer avec le filetage de la première extrémité d’une barre de sorte que la rotation de l’écrou règle le déplacement de ladite barre selon la direction longitudinale. Selon un mode de réalisation, la première partie du dispositif de déplacement comprend une pluralité de lames ressort, une lame ressort étant en contact d’une part avec un peigne interne et d’autre part avec une barre. La lame ressort est en outre de préférence solidarisée avec ledit peigne interne. Alternativement à une lame ressort, il peut s’agir d’une autre pièce qui puisse être mise en contact, et de préférence solidarisée, avec un peigne et qui soit adaptée pour déplacer ledit peigne radialement lorsque la barre est déplacée. Ladite pièce peut ainsi être une pièce déformable autre qu’une lame ressort, ou une pièce peu ou non déformable, par exemple une pièce mécanique de type came. Selon un mode de réalisation particulier, chaque barre présente sur sa surface latérale extérieure, en regard d’un peigne, au moins un renfoncement apte à coopérer avec une lame ressort de sorte que lorsque la barre est déplacée selon la direction longitudinale, ladite lame ressort est déplacée radialement entre l’intérieur du renfoncement et l’extérieur dudit renfoncement, ou inversement entre l’extérieur du renfoncement et l’intérieur dudit renfoncement, induisant ainsi un déplacement radial du peigne interne en contact avec ladite lame ressort. La lame ressort est déformable pour permettre de rattraper les imperfections de fabrication et de montage mécanique et aussi l’évolution des jeux en fonctionnement, notamment sous l’effet des variations dimensionnelles induites par les niveaux de température Selon un mode de réalisation particulier, une barre est apte à commander le déplacement radial d’un seul peigne interne. Selon un mode de réalisation alternatif, une barre est apte à commander le déplacement radial de plusieurs peignes internes. Selon un mode de réalisation, une barre présente sur sa surface latérale extérieure une pluralité de renfoncements aptes à coopérer avec une pluralité de lames ressort en contact avec un peigne interne. Selon un mode de réalisation, le dispositif de déplacement comprend en outre un tube de support au-dessus duquel les barres sont disposées. Selon un mode de réalisation particulier, les barres sont régulièrement disposées autour du tube de support. Selon un mode de réalisation particulier, le tube de support comprend au moins une couronne de renfort disposée contre la paroi intérieure dudit tube de support au niveau des renfoncements des barres. Selon un mode de réalisation particulier, le tube de support présente sur sa paroi extérieure une surépaisseur au niveau des renfoncements des barres. Selon un mode de réalisation particulier, le tube de support comprend sur sa paroi extérieure des couronnes de guidage des barres, lesdites couronnes de guidage comprenant des orifices autorisant le déplacement desdites barres selon la direction longitudinale. Selon un mode de réalisation, le dispositif de déplacement comprend en outre un moyen de guidage radial des peignes internes. En outre, selon un mode de réalisation particulier, la pompe électromagnétique comprend un dispositif de déplacement supplémentaire, qui est un dispositif de déplacement des peignes de l’inducteur externe (peignes externes), ledit dispositif de déplacement supplémentaire étant apte à faire varier le jeu radial entre lesdits peignes externes et le tube externe. Tous les modes de réalisation et variantes décrits pour le dispositif de déplacement des peignes internes sont applicables au dispositif de déplacement des peignes externes. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des figures annexées parmi lesquelles représente une pompe électromagnétique à induction annulaire de l’état de la technique. et représentent un mode de réalisation d’une pompe électromagnétique selon l’invention. et représentent en vue éclatée l’inducteur interne de la pompe électromagnétique selon le mode de réalisation de l’invention. représente en détail le dispositif de déplacement de la pompe électromagnétique selon le mode de réalisation de l’invention. et représentent le dispositif de déplacement à deux positions différentes. schématise les transferts thermiques entre l’inducteur interne et le tube interne. Pompe électromagnétique à induction (1) de forme sensiblement tubulaire s’étendant selon une direction longitudinale (X) et comprenant: - un inducteur interne (10) sensiblement tubulaire comprenant une pluralité de peignes internes (101, 102) et une pluralité de bobines internes (111, 112, 113) disposées au moins entre les dents (101-1, 101-2, 101-3) desdits peignes internes, l’intérieur dudit inducteur interne formant une cavité (11); - un tube interne (31) disposé autour de l’inducteur interne (10); - un canal de pompage (32) autorisant la circulation d’un fluide (2) à pomper, - un tube externe (33), le canal de pompage (32) étant formé entre le tube interne (31) et le tube externe (33); - un inducteur externe (20) sensiblement tubulaire disposé autour du tube externe (33) et comprenant une pluralité de peignes externes (201, 202) et une pluralité de bobines externes (211, 212, 213) disposées au moins entre les dents (201-1, 201-2, 201-3) desdits peignes externes; - la pompe électromagnétique étant caractérisé en ce qu’elle comprend en outre un dispositif de déplacement (40) des peignes internes (101, 102), ledit dispositif de déplacement étant apte à faire varier le jeu radial entre lesdits peignes internes et le tube interne (31) entre un premier jeu (J1) où aucune dent des peignes internes n’est en contact avec ledit tube interne et un second jeu (J2) où tout ou partie des dents desdits peignes internes est en contact avec ledit tube interne, ledit dispositif de déplacement comprenant une première partie (41) disposée à l’intérieur de l’inducteur interne et en liaison avec les peignes internes de manière à pouvoir les déplacer radialement et une deuxième partie (42) s’étendant au moins partiellement à l’extérieur de l’inducteur interne et étant reliée à la première partie (41) de manière à commander ladite première partie. Pompe électromagnétique selon la revendication 1, la deuxième partie (42) s’étendant sensiblement selon la direction longitudinale (X) et étant apte à se déplacer selon ladite direction longitudinale. Pompe électromagnétique selon la revendication 2, la deuxième partie (42) comprenant une pluralité de barres (421, 422) dont une première extrémité (421A, 422A) s’étend à l’extérieur de la pompe électromagnétique (1) et une seconde extrémité (421B, 422B) s’étend dans la cavité (11) formée à l’intérieur de l’inducteur interne (10), chaque barre étant reliée mécaniquement, entre sa première extrémité et sa seconde extrémité, à la première partie (41) du dispositif de déplacement à l’intérieur dudit inducteur interne. Pompe électromagnétique selon la revendication 3, la première extrémité (421A, 422A) de chaque barre (421, 422) présentant un filetage et le dispositif de déplacement (40) comprenant en outre une pluralité d’écrous (431, 432), un écrou étant apte à coopérer avec le filetage de la première extrémité d’une barre de sorte que la rotation de l’écrou règle le déplacement de ladite barre selon la direction longitudinale (X). Pompe électromagnétique selon l’une des revendications 3 ou 4, la première partie (41) comprenant une pluralité de lames ressort (411), une lame ressort étant en contact d’une part avec un peigne interne (101) et d’autre part avec une barre (421). Pompe électromagnétique selon l’une des revendications 3 à 5, chaque lame ressort étant solidarisée avec un peigne interne (101), par exemple au moyen de doigts (412). Pompe électromagnétique selon l’une des revendications 5 ou 6, chaque barre (421) présentant sur sa surface latérale extérieure au moins un renfoncement (421-1) apte à coopérer avec une lame ressort (411) de sorte que, lorsque la barre est déplacée selon la direction longitudinale (X), ladite lame ressort est déplacée radialement entre l’intérieur du renfoncement et l’extérieur dudit renfoncement, ou inversement entre l’extérieur du renfoncement et l’intérieur dudit renfoncement, induisant ainsi un déplacement radial du peigne interne (101) en contact avec ladite lame ressort. Pompe électromagnétique selon l’une des revendications 3 à 7, une barre (421) étant apte à commander le déplacement radial d’un seul peigne interne (101). Pompe électromagnétique selon l’une des revendications 3 à 7, une barre étant apte à commander le déplacement radial de plusieurs peignes internes. Pompe électromagnétique selon l’une des revendications 3 à 9, une barre présentant sur sa surface latérale extérieure une pluralité de renfoncements aptes à coopérer avec une pluralité de lames ressort en contact avec un peigne interne. Pompe électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, le dispositif de déplacement (40) comprenant en outre un tube de support (44) au-dessus duquel les barres (421, 422) sont disposées. Pompe électromagnétique selon la revendication 11, les barres (421, 422) étant régulièrement disposées autour du tube de support (44). Pompe électromagnétique selon l’une quelconque des revendications 11 ou 12, le tube de support (44) comprenant au moins une couronne de renfort (441) disposée contre la paroi intérieure dudit tube de support au niveau des renfoncements (421-1, 422-1) des barres (421, 422). Pompe électromagnétique selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, le tube de support (44) présentant sur sa paroi extérieure une surépaisseur (442) au niveau des renfoncements (421-1, 422-1) des barres (421, 422). Pompe électromagnétique selon l’une quelconque des revendications 11 à 14, le tube de support (44) comprenant sur sa paroi extérieure des couronnes de guidage (443) des barres (421, 422), lesdites couronnes de guidage comprenant des orifices autorisant le déplacement desdites barres selon la direction longitudinale (X). Pompe électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, le dispositif de déplacement (40) comprenant en outre un moyen de guidage radial (45) des peignes internes (101, 102). Pompe électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre un dispositif de déplacement radial des peignes externes (201, 202) de l’inducteur externe (20), ledit dispositif de déplacement étant apte à faire varier le jeu radial entre lesdits peignes externes et le tube externe (33).