(57)【要約】【課題】液体金属を充填させる予熱時に電磁ポンプの健全性を維持し、安全性が高く、効率のよい液体金属無冷却型電磁ポンプの予熱方法を提供する。【解決手段】液体金属流路を形成するダクトと、電磁コイルと、鉄心と、前記鉄心を支持する支持構造物と、前記電磁コイルと鉄心と支持構造物を密閉するケーシングを有する液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法において、液体金属を充填するために当該電磁ポンプを予熱する際、前記ダクトと電磁コイルと鉄心と支持構造物とケーシングの予熱時の温度上昇率を毎時２０℃以下に設定しているので、ダクトとケーシング間、ダクトと支持構造物間の温度差が抑えられ、支持構造物等の破損を防止できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属流路を形成するダクトと、電磁コイルと、鉄心と、前記鉄心を支持する支持構造物と、前記電磁コイルと鉄心と支持構造物を密閉するケーシングを有する液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法において、液体金属を充填するために当該電磁ポンプを予熱する際、前記ダクトと電磁コイルと鉄心と支持構造物とケーシングの予熱時の温度上昇率を毎時２０℃以下に設定することを特徴とする液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法。
【請求項２】
請求項１記載の液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法において、昇温過程及び昇温終了時において、ダクト温度とケーシング温度の温度差を１００℃以下、鉄心温度と支持構造温度の温度差を５０℃以下、ダクト温度と支持構造物温度の温度差を８０℃以下に設定することを特徴とする液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法において、電磁コイルに交流電流を通電することで生ずるコイルのジュール熱、鉄心の渦電流及びダクトの渦電流を加熱源として利用することを特徴とする液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法。
【請求項４】
請求項３記載の液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法において、電磁ポンプに通電する周波数を定格周波数以下に設定することを特徴とする液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法。
【請求項５】
請求項３記載の液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法において、電磁ポンプに通電する交流電流を定格電流の３０％以下に設定することを特徴とする液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体金属冷却型高速炉の冷却材主循環ポンプとして適用される無冷却型電磁ポンプや液体金属を流動するための無冷却型電磁ポンプの予熱方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電磁ポンプは冷却型であり、ダクトの外周側に冷却型電磁ポンプが設置されており、ダクトと鉄心及びコイル間に絶縁材が設けられてある。このため、液体金属を充填するために配管をヒータで暖める予熱時にも、ダクトからの温度上昇は遮断され、冷却型電磁ポンプ内部構造物は温度上昇しない。ダクトとケーシング間、ダクトと鉄心を支持する支持構造物間に温度差が生じないので、冷却型電磁ポンプはダクトとケーシング間、鉄心と支持構造物間及びダクトと支持構造物間との温度差による破損を考慮する必要はなかった。
【０００３】
ところが、無冷却型電磁ポンプが液体金属中に浸漬して設置され、電磁ポンプ内部構造物である電磁コイルのジュール熱、ダクトの渦電流や鉄心の渦電流による発熱は電磁コイル健全性や鉄心及び支持構造物の機能を保持するために鉄心、ダクト、内部ガスやケーシングを介して液体金属中に放熱するが、無冷却型電磁ポンプはこの放熱を妨げるダクトと鉄心及びコイル間に絶縁材を設けていなかった。しかし、予熱時にはダクトがヒータ加熱により温度上昇し、ダクトと支持構造物間及び鉄心と支持構造物間で温度差が生じる。また、予熱時は液体金属がないためケーシングはほとんど温度上昇せず、ダクトとケーシング間にも温度差が生じる。このようなダクトとケーシング間、鉄心と支持構造物及びダクトと支持構造物間の温度差による破損を考慮した無冷却型電磁ポンプの予熱方法について従来は何ら対策はとられていなかった。
【０００４】
一般の三相誘導型電磁ポンプは、三相巻線を流体の流れ方向、電磁ポンプの軸方向に各相の順に分布させ配置する。そして、三相巻線に三相交流電流を流して、この電流の流れ方向に進行磁場を発生させ、いわゆる「フレミングの右手の法則」の応用により、導電性流体である液体金属に誘導電流を流す。この誘導電流と進行磁界との相互作用により電磁力が生じ、この電磁力が液体金属を流す力となりポンプとして作用する。この電磁力は誘導電動機におけるトルクを発生する力、リニアモータにおける推力等と同じである。三相誘導型電磁ポンプは、この原理に基づいて液体金属を移送する。
【０００５】
ここで、従来の電磁ポンプを図５の一部切除した斜視図及び図６の断面図を参照して説明する。
電磁ポンプ１は、液体金属、例えば液体ナトリウムなどの導電性流体２を流すために、外側ダクト３及び内側ダクト４により同心の二重管構造の二重ダクトを構成し、その外側ダクト３と内側ダクト４により形成された環状流路５内を導電性流体２が流動するようになっている。
【０００６】
外側ダクト３の外側には多数枚の電磁鋼板を積み重ねた外側鉄心６が周方向に配置されている。各外側鉄心６の外側ダクト側の端部に形成されたスロット７内に環状の外側電磁コイル８が軸方向に多数配置されており、これら外側電磁コイル８は三相交流が進行磁場を作るように結線されている。外側鉄心６は、多数枚ある電磁鋼板の周方向両端に端板を設置し、その電磁鋼板を外側鉄心６の周方向に設けた穴に差し込まれた固定具で固定する構成となっている。また、内側ダクト４の内側には多数枚の電磁鋼板を積み重ねた内側鉄心９が周方向に配されており、各内側鉄心４に形成されたスロット内に内側電磁コイル１３が軸方向に多数配置されている。
【０００７】
このように構成された電磁ポンプ１は、外側電磁コイル８に三相交流電流を供給することにより、導電性流体２が吸込口である流体入口１０から環状流路５を流れ、吐出口である流体出口１１から外部へ移送される。そして、外側電磁コイル８に発生するジュール損失や、外側鉄心６に発生する鉄損等の内部発熱、及び導電性流体２からの入熱等を外側鉄心６の外周側に配設されたケーシング１２内に外部から冷媒を循環させて除熱するのが一般的である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
無冷却型電磁ポンプのように通常運転時にコイルのジュール熱や鉄心の渦電流及びダクトの渦電流による発熱を液体金属に放熱するシステムの場合、電磁ポンプ内部構造物は液体金属がない予熱時と通常運転時とで内部構造物の温度分布が異なり、ダクトとケーシング間、鉄心と支持構造物間及びダクトと支持構造物間に温度差がつき、ダクト、ケーシング及び支持構造物が破損する恐れがある。
【０００９】
すなわち、従来の無冷却型電磁ポンプでは、予熱時はダクトをヒータで加熱しているが、ケーシング及び支持構造物はヒータの加熱はなく、さらにケーシングは周囲に液体金属もないため大気と同程度の温度もしくはダクトの温度上昇に伴い若干の温度上昇が見込めるが、ダクトとケーシング間、ダクトと支持構造物間に通常運転時以上に温度差がつきやすいという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記情況に対処するためになされたもので、その課題は、液体金属を充填させる予熱時に電磁ポンプの健全性を維持し、安全性が高く、効率のよい液体金属無冷却型励磁ポンプの予熱方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、液体金属流路を形成するダクトと、電磁コイルと、鉄心と、前記鉄心を支持する支持構造物と、前記電磁コイルと鉄心と支持構造物を密閉するケーシングを有する液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法において、液体金属を充填するために当該電磁ポンプを予熱する際、前記ダクトと電磁コイルと鉄心と支持構造物とケーシングの予熱時の温度上昇率を毎時２０℃以下に設定することを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法において、昇温過程及び昇温終了時において、ダクト温度とケーシング温度の温度差を１００℃以下、鉄心温度と支持構造温度の温度差を５０℃以下、ダクト温度と支持構造物温度の温度差を８０℃以下に制限することを特徴とする。
【００１３】
請求項１及び請求項２によると、ダクトの温度上昇率を徐々に上げることにより、ダクトとケーシング間、ダクトと支持構造物間の温度差を抑える予熱方法であるので、支持構造物の破損を防止できる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法において、電磁コイルに交流電流を通電することで生ずるコイルのジュール熱、鉄心の渦電流及びダクトの渦電流を加熱源として利用することを特徴とする。
【００１５】
請求項３によると、電磁コイルに通電することで、ダクト、鉄心等に渦電流が流れるので、ダクトは、ヒータ加熱に加えダクト渦電流による発熱があるため、ダクト温度上昇を抑えることができる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法において、電磁ポンプに通電する周波数を定格周波数以下に設定することを特徴とする。
請求項４によると、交流電流周波数を電磁ポンプの定格周波数以下に設定しているので、ダクトの温度上昇が抑制される。
【００１７】
請求項５記載の発明は、請求項３記載の液体金属用無冷却型電磁ポンプの予熱方法において、電磁ポンプに通電する交流電流を定格電流の３０％以下に設定することを特徴とする。
請求項５によると、電磁コイルの通電電流を定格電流の３０％以下とすることで、ダクトの温度上昇が抑えられる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態（請求項１ないし請求項５対応）の電磁ポンプの要部拡大断面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【００１９】
電磁ポンプ１においては、外側鉄心６が外側ダクト３の周りに放射状に配置され、外側電磁コイル８がこの外側鉄心６で軸方向に挟み込んで配置されている。これら鉄心６、電磁コイル８、電磁コイル及び鉄心を支持する支持構造物はケーシング１２内に密閉配置されている。外側ダクト３及びケーシング１２の材質は非磁性体で導電性流体（液体金属）２による腐食がしにくく、かつ高温で十分な強度を有する材質を適用しており、鉄心の材質は強磁性体の材質を適用している。
【００２０】
また、本実施形態の電磁ポンプ１の径方向支持構造物は外側鉄心６の径方向両端部をサイドプレート１４によって挟み込んだ構成とされており、この一対のサイドプレート１４は、それらが挟み込んでいる１つの外側鉄心６の外周側に突出して互いに対向しており、これらのサイドプレート１４突出部の対向部分に、軸方向に沿う長尺なアライメントプレート１５が嵌合され、ボルト１５ａによって締着されている。サイドプレート１４とアライメントプレート１５との熱膨張を同じにするために熱膨張率が同等の材料、例えば同材質材料により構成している。
【００２１】
外側鉄心６のさらに外周側には、アライメントプレート１５の外周面側から径方向支持を行うためのフレーム１６及びバッキングリング１７が配置されている。フレーム１６とバッキングリング１７とはボルト１７ａにより固定され、これらが軸方向に沿って複数連結されている。
【００２２】
さらに、アライメントプレート１５の背面には、複数の板ばねからなる径方向スプリングプレート１８が配置されている。この径方向スプリングプレート１８は、それぞれの中央部でフレーム１６にボルト１８ａにより固定されており、両端部分が、アライメントプレート１５の背面に設けた径方向スプリングプレート受け１９に弾性的に当接し、これにより、クランプ機構が構成されている。すなわち、外側鉄心６とアライメントプレート１５との径方向変位は、径方向スプリングプレート受け１９を介して径方向スプリングプレート１８に伝わる。そして、径方向スプリングプレート１８の変形によって反力が生じ、これによりクランプ機構が構成される。
【００２３】
電磁ポンプ１は、液体金属２を充填させるための予熱時には配管（ダクト）をヒータで暖める。ダクト温度上昇に伴い、この熱が鉄心、支持構造物及びケーシングへ伝熱される。この時、ヒータ加熱によりダクトのみが急激に温度上昇すると、鉄心、支持構造物及びケーシングの温度が追従せず、ダクト温度とケーシング温度間、ダクト温度と鉄心温度間、ダクト温度と支持構造物温度間で温度差が生じ、この温度差が内部構造物の機能保持できない温度となり、ダクト、ケーシング及び支持構造物が破損する恐れがある。このような破損を防止するために、内部構造物との温度上昇率を制限し、内部構造物の健全性を図るようにしている。すなわち、内部温度上昇率は、鉄心温度、電磁コイル温度、支持構造物温度及びケーシング温度を徐々に上昇させるため毎時２０℃（毎分０．３℃）以下となるように設定する。さらに各温度を毎時２０℃以下となるように各温度を監視制御装置で監視し、毎時２０℃以上になる時は監視制御装置からの制御信号でダクトのヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、内部構造物の温度上昇率を毎時２０℃以下となるようコントロールする。
【００２４】
また、電磁ポンプ１において径方向スプリングプレート１８は電磁ポンプの通常運転時に電磁コイルで発生したジュール熱が鉄心を介して液体金属２へ放熱するため鉄心背面にあるアライメントプレート１５をスプリングプレート１８の変形によって生じる反力で押し付けている。さらにポンプ運転時には組立時に比べて外側鉄心６と外側ダクト３の隙間が広がる傾向にある。そこで、組立時に径方向スプリングを予め変形させて反力が発生する状態としている。系統つまりダクト配管内を真空引きした場合、ダクトに外圧がかかり、さらに予め変形させている径方向スプリングプレート１８の反力及びヒータ加熱によるダクトの径方向熱膨張が加わり、ダクトが座屈する恐れがある。このため、系統真空引き時にダクト座屈防止の観点から、ダクト温度と支持構造物温度の温度差を８０℃以下に制御している。
【００２５】
次に、外側鉄心６の軸方向一端側（図１の上部）においては、鉄心押え２０が、アライメントプレート１５にボルト（図示しない）によって固定されている。また、フレーム１６の同端部側には、上部押え板２１がボルト２１ａによって固定されている。さらに、上部鉄心押え２０と上部押え板２１とが、キー２２によって周方向及び径方向に位置決めされている。そして、上部押え板２１の外側面とフレーム１６のフランジ２３との間に、弾性板からなる軸方向スプリングプレート２４が、ボルト２３ａによって挟持固定されている。この軸方向スプリングプレート２４に、上部鉄心押え２０上に取り付けた軸方向スプリングプレート受け２６が当接している。
【００２６】
このような構造により、外側鉄心６とアライメントプレート１５との間の軸方向変位は、上部鉄心押え２０及び軸方向スプリングプレート受け２６を介して軸方向スプリングプレート２４に伝わり、軸方向スプリングプレート２４の変形によって反力が生じ、クランプ機構が構成されている。この軸方向スプリングプレート２４は応力保持の観点から、鉄心温度と支持構造物温度（アライメントプレートは支持構造物の一部）の温度差を５０℃以下に制限している。
【００２７】
図３は図１の実施形態に係る流体循環を示す電磁ポンプの縦断面図である。　図に示すように、電磁ポンプ１はダクト３，４上部にベローズ２８を設置し、ダクト及びケーシング１２とを結合している。このベローズ２８によりケーシング１２の温度とダクト３，４の温度の熱膨張変位を吸収する構成となっている。
【００２８】
次に、本実施形態の運転方法について説明する。
電磁ポンプ１の通常運転時に電磁ポンプ１は液体金属２に浸漬しているので、ケーシング１２もダクトと同様に周囲の液体金属２の温度とほぼ同じ温度になり、ダクト温度とケーシング温度の温度差がほとんどつかない。予熱時はダクト温度のみ上昇し、ダクトの熱で徐々にケーシング１２が伝熱されていくが、ダクト温度とケーシング温度の温度差は通常運転時に比べて予熱時は大きくなる。ダクトの軸方向熱膨張は電磁ポンプ１軸方向上端部に設置してあるベローズ２８で吸収されるが、この温度差が大きくなるとベローズ２８の熱膨張を吸収できる範囲を超え、ベローズ２８が破損する恐れがある。このベローズ２８の破損を防ぐためにダクト温度とケーシング温度の温度差を１００℃以下に制御する。
【００２９】
ダクトのヒータ加熱に加え、電磁コイルに３相交流電流を通電し、電磁コイルのジュール熱、鉄心の渦電流、ダクトの渦電流による発熱を利用して、鉄心、支持構造物及びケーシング１２の温度を上昇させる。電磁コイルに３相交流電流を通電することにより、電磁ポンプ１内部にヒータがあることと同様の効果があり、ダクト温度と鉄心温度、ダクト温度と支持構造物温度、ダクト温度とケーシング１２温度の温度差を低減する効果がある。さらに、内部構造物の温度を上昇させて温度制御を行うことで、温度上昇率と温度差制限を満足し、予熱時間を短縮することもできる。
【００３０】
電磁コイルに３相交流電流を通電する際、ダクトにも渦電流による発熱があり、ダクト温度と各構造物温度の温度差は大きくなる。そこで、ダクト温度上昇抑制の観点から交流電流周波数を当該電磁ポンプ１の定格周波数以下に設定する。
【００３１】
電磁コイルに３相交流電流を通電すると電磁コイルのジュール熱、鉄心及びダクトの渦電流による発熱で電磁ポンプ１の内部温度が上昇する。この時、通電電流値を電磁ポンプ１の定格電流とした場合、内部構造物の温度上昇率がダクト温度上昇率より高くなる恐れがあり、温度上昇率の制限、温度差制限を満足しない。温度上昇の制限と温度差制限を満足させるために、電磁コイルの通電電流を定格電流の３０％以下とし、予熱時の各構造物の温度制御を行う。
【００３２】
上記の予熱方法を考慮して電磁ポンプの外側ステータ部の予熱を実施した予熱特性図を図４に示す。この予熱特性図から、ダクト、鉄心、支持構造物及びケーシングの健全性は十部満足できることがわかる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液体金属を充填させる予熱時にダクト、鉄心、鉄心及び電磁コイルを支持する支持構造物の破損を防止し、液体金属を充填させる予熱時間を短縮することができるので、液体金属を充填させる予熱時に電磁ポンプの健全性を維持し、安全性が高く、効率のよい液体金属無冷却型電磁ポンプの予熱方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の要部拡大図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図。
【図３】図１の実施形態に係る流体循環を示す電磁ポンプの縦断面図。
【図４】電磁ポンプの外側ステータ部の予熱特性図。
【図５】従来の電磁ポンプの一部切除した斜視図。
【図６】図６の横断面図。
【符号の説明】
１…電磁ポンプ、２…導電性流体（液体金属）、３…外側ダクト、４…内側ダクト、５…環状流路、６…外側鉄心、７…スロット、８…外側電磁コイル、９…内側鉄心、１０…流体入口、１１…流体出口、１２…ケーシング、１３…内側電磁コイル、１４…サイドプレート、１５…アライメントプレート、１５ａ，１７ａ，１８ａ，２１ａ，２３ａ…ボルト、１６…フレーム、１７…バッキングリング、１８…径方向スプリングプレート、１９…径方向スプリングプレート受け、２０…上部鉄心押え、２１…上部押え板、２２…キー、２３…フランジ、２４…軸方向スプリングプレート、２５…ボルト、２６…軸方向スプリングプレート受け、２７…タンク、２８…ベローズ、２９…外側ステータ、３０…内側ステータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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