JP2008519675A - フィン付きストレーナ - Google Patents

Abstract

本発明は、配管系に吸引される水から破片を除去するために使用されるフィルタに関する。本発明は、冷却材喪失事故後に冷却水を回収汚水槽からポンプでくみ出し原子炉心に戻さなければならない原子力発電所において特別の用途がある。この水は、原子炉冷却システムに送り返される前に除去されなければならない様々なタイプの破片を含み得る。ストレーナ全体にわたる許容圧力降下と、この装置を設置するために利用可能なスペースには制限がある。本発明のフィン付きストレーナは、水から濾過される破片の量を最大化すると共に上記問題に対処する。

Description

本発明は、配管系に吸引される水から破片を除去するために使用されるフィルタの分野に関する。特に、本発明は原子力発電所で使用されるフィルタの分野に関する。

原子力発電所は、想定し得るあらゆる事故シナリオにおいて、原子炉心内の核燃料が冷却され続けようにするために様々な安全装置を有する。このようなシナリオの一つは、外部配管が壊れ、これにより大量の水が原子炉冷却装置から漏れることを仮定する「冷却材喪失事故」である。この水は、固形状破片を隣接する配管または他の原子炉構造物から遊離させることがある。この水は、遊離した破片の一部と共に、原子炉建屋の低い部分に流れ、汚水槽に入る。発電所は、汚水槽から水をポンプでくみ出し様々な原子炉冷却装置に戻す安全装置を装備している。ポンプ吸入口のストレーナは、これらの装置における装備を詰まらせるに十分な大きさのいかなる破片も侵入しないようにする。破片のタイプに依存するが、ストレーナ上に堆積する第１層は下層にあるスクリーンより微細なフィルタを形成し、多くの小粒子を捕捉する。

ストレーナは、ストレーナ上の破片層が厚くなり過ぎて流れに対し許容できないほど大きな制限をかけないように十分なスクリーン面積を有しなければならない。ストレーナは、また、利用可能なスペースに嵌るようにできるだけ小さくなければならない。したがって、コンパクト性、すなわち最小容積で最大のスクリーン面積を提供することは重要である。

従来の多くの原子力発電所のストレーナはポンプ吸入口の上に取付けた単純な箱形の装置である。最新式ストレーナは、多くの場合、表面積を増加させるために凹凸表面を有する。

上記背景情報は、本出願者が、本発明に関係し得ると考える情報を知らしむために提供した。上記いずれの情報も本発明に対する先行技術を構成するものであると認めることを必ずしも意図しないし、またそのように解釈すべきではない。

本発明の一態様によると、吸引源と流体連通する出口と、密閉流路の長さに沿って配置され、流体の流れ方向の圧力降下を呈する複数の入口開口部とを有し、密閉流路を画定する細長ヘッダと；入口開口部の各々に配置され、流路に流入する流体から破片を濾去するストレーナ素子と；流路に沿って相異なる位置に配置されたストレーナ素子を通る流体の流れを略一様に維持する流量制御装置と、を含む、流体から破片を濾去するストレーナを提供する。

本発明の別の態様によると、流量制御装置は、入口開口部と吸引源から遠い位置にある流路との間の圧力降下より大きい、入口開口部と吸引源に近い位置にある流路との間の圧力降下を生成するオリフィスを含む。オリフィスは、流路に入る流体を流路に略平行な方向に加速するノズルの形状であってよく、また、ヘッダに配置され、複数の開口部を密閉する収集水路を画定するバッフル内に形成することができる。

本発明の別の態様によると、ヘッダは、概して平坦な側壁を有し、入口開口部は、流路を横断する方向に側壁内に形成された一連の略平行なスロットである。ストレーナ素子は、平坦な側壁の開口部から外方に突出する平面フィンの形状をしてよい。

本発明の別の態様によると、吸引源と流体連通する出口を有し、複数の入口開口スロットが形成され、密閉容積を画定するヘッダと；各開口スロットから外方に突出し、流体から破片を濾去するストレーナ素子と、を含む、流体から破片を濾去するストレーナを提供し、各ストレーナ素子は、周辺フレームと、対向・離間関係で周辺フレームに固定された一対の流体浸透性スクリーンと、フレームの周縁側端部と開口スロットとを介して密閉容積と流体連通する少なくとも一つの流体流路とを含む。流体浸透性スクリーンは、穿孔金属シートまたはメッシュから形成することができる。流体浸透性スクリーンを離間関係に維持するために、波型金属スペーサを流体浸透性スクリーン間に配置することができ、そして、複数の流路を、波型金属スペーサと流体浸透性スクリーンとの間に画定することができる。周辺フレームは、一周縁側端部を除いて流体に対し非浸透性であってよい。

本発明の別の態様によると、流体浸透性スクリーンは、それぞれ、複数の平行な山と谷とを有する波型金属メッシュから形成され、該スクリーンは、さらに、交互の山の位置で接触することにより対向・離間関係に維持され、複数の流路をその間に画定する。

図１と図２を参照すると、本発明のストレーナモジュールは、一つまたは複数の接続部１を介して床または壁に設置可能なポンプ吸入管２を介し吸引源と流体連通する内部流体流路を画定する細長ヘッダ３を含む。ヘッダ３は、フィン４を収容するためにヘッダの長さに沿って配置された一連の略平行な細長スロットの形状の複数の入口開口部９を備えた、概して平坦な側壁を有する。入口開口部は、ヘッダ３内で流体流路を横断する方向に配向される。中空平面フィン４の形状のストレーナ素子は、ヘッダ３の両側面（図１に示す）、上部、または最下部に取付けることができ、入口開口部９から外方に突出する。フィン４は等間隔または可変間隔を有し、取付けフレーム５と留め金具６により配置される。好ましい実施の形態では、フィンは、ピン１０とボルト１５を使用することにより容易に取外し可能であるが、恒久的にヘッダ３に取付けてもよい。

水は、フィン４の表面上の流体浸透性スクリーン７に破片を残しながら、スクリーンを通ってストレーナに流入する。水は、その後、フィン４の中空コア８内の流体流路を通ってヘッダ３に向かって流れる。ヘッダ３の様々な部分、特にフィンスロット９の間の部分は、濾過面積を増加させるために、流体浸透性材料を使用して作製することができる。ヘッダ３は、高い吸引圧力に耐えるために、両側面に構造的支持を与える一つまたは複数のバッフル板１２を有してよい。ヘッダ３内の流体流路の流速がバッフルの上下で同じとなるようにするために、バッフル板１２は大きな穴１３を有する。

各ヘッダ３の端部は、隣接するモジュールが互いに取付けられるようにするフランジ１４を有する。モジュール同士を相互に取付けてもよいし、あるいは、モジュール間の封止部材に独立に取付けてもよい。取付けフレーム５は、モジュールの下に設けてよい。取付けフレーム５は、水平でない床に装置が設置できるようにする高さ調整可能マウント１５を有する。

図３に、本発明の別の実施の形態を示す。この実施の形態は、蓋４６付きの既存の汚水槽４５（これは既存であっても、あるいはストレーナモジュールを支持するために特別に設置されたものであってよい）と、汚水槽４５内のポンプ吸入口４７とが存在する状況に対し有用である。ストレーナモジュール４８は、適切な筋交い（ｂｒａｃｉｎｇ）によりフレーム５０に取付けられたフィン４９を含む。簡単のために、図３にはモジュールを一つだけ示す。必要ならば、汚水槽４５全体にわたり複数のストレーナモジュール４８を同様な方法で取付けてよい。

流れは、図１と図２に示した実施の形態に関連して上述したのと同様にフィン４９に流入するが、次に汚水槽５１に、次にポンプ吸入口５２に直接流れ込む。入口損失分を低減するために、ポンプ吸入口５２を改変してもよい。この構成では、汚水槽５１自体が収集ヘッダの機能を果たすので個別の収集ヘッダは必要ではない。汚水槽蓋４６とモジュールフレーム５０との間の望ましくないバイパス流は、合わせ部品間の精密な公差を利用することにより、あるいはフィンの端部上に図５に示す素子２５のようなワイヤメッシュガスケットまたは他の適切なタイプのシールを使用することにより防止することができる。濾過面積を増加させるために、モジュールフレーム５０または汚水槽蓋４６の適切な部分は穿孔金属シートにより作製してよい。汚水槽５１の容積の一部を利用するために、ストレーナモジュールは床面の高さより下の汚水槽内に部分的または完全に引っ込めて作製してもよい。この場合、流れがストレーナの濾過素子をバイパスするのを防止するために、モジュールのフレーム５０は床面高さからモジュールの最下部まで伸延することとなる。

空気吸引は、ストレーナの上に十分な水高を保証することにより防ぐことができる。あるいは、水平蓋（図示せず）をフィンの上に追加してもよい。この蓋により、空気を吸引することなく、あるいは中空コア渦流を引き起こすことなくフィンを水面に接近させることができる。

予想される地震と圧力負荷に耐えるためにストレーナが十分に強固となるようにするために、図１、２、３に示すような様々なタイプの筋交いが使用される。なお、図２の参照符号６により示すような外面の筋交いをフィン間に配置してもよい。

すべての用途では、ストレーナが取扱う必要がある破片のタイプと量とに対して設計を最適化することが望ましい。２つの基本的素子、すなわち必要とされる濾過面積とストレーナ内に収容しなければならない破片の潜在的な体積とを考慮する必要がある。フィンの数は必要とされる濾過面積により決定される。次に、潜在的な破片体積を収容するためにフィン間に十分なスペースがあるようにするために、フィン間隔は変更されてもよい。本ストレーナモジュールは扱い易い大きさで有利に作製され、したがって周辺装置と干渉することなく適所に移動することができる。なお、完成されたストレーナアセンブリは必要な数のストレーナモジュールを含んでよい。

本発明の装置組込み可能な２つのタイプのフィンを、図４、５、６、８に関連して以下に検討する。

平面フィン
ここで図４を参照する。本発明の一態様によると、平面フィンは、対向・離間関係でフィンの各側面上に穿孔金属シートからなる一対の平坦な流体浸透性スクリーン１６を有する。スクリーン１６は、ストレーナに入る水から破片を濾去する。２つのスクリーン１６は波型金属スペーサ１７により分離される。スペーサ１７は、剛性と強度とを与えると共にスクリーン１６間にヘッダ３への流路を形成する。スクリーン１６の端部は周辺フレーム１８により密閉される。スクリーン１６間の流路は、開放され、ヘッダ３の開口部９に嵌合するフレーム１８の周縁側端部を介してヘッダ３内の密閉流路と流体連通する。フレーム１８は、また、フィンの構造的強度を著しく高める。

用途が、標準的な穿孔金属メッシュを使用することにより実現可能な小さな濾過穴を必要とする場合、フィンの穿孔金属スクリーン１６の表面に微細ワイヤメッシュ層を積層してよい。

図４に示すフィン構造の利点としては、製造の簡潔性と最小内部容積とが挙げられる。

凹凸面フィン
ここで図５、６、８を参照する。本発明の別の態様によると、凹凸面フィンは、露出表面積を増加させるために波型にされた穿孔金属スクリーン１９の２層から構成される。ストレーナに入った水から濾去された破片はこれらの凹凸面に堆積される。

波型部は多くの利点を与える。平面スクリーン上の濾過表面積を大幅に増大させることは、多孔性の厚い破片層より大きな問題をしばしばもたらす薄い破片層にとって多大な利点がある。増大した面積は、スクリーンを通る水速度を減少させることにより、そして破片の厚さを低減することにより（大きな領域にわたって拡散されるので）、ストレーナに入る流れに対する制限を低減する。波型部の「山」は、また、局部的に不均一な破片床（ｄｅｂｒｉｓ ｂｅｄ）を促進する傾向があることにより、圧力降下を低減する。微細粒子はしばしば破片床を通過して移動し、濾過表面近くに集中し、これにより表面に薄い比較的非透水性の層を生じさせるので、波型部の高さより厚い破片層であっても著しい利点があり得る。ストレーナに入る流れに対するこの薄層の抵抗は、波型部によって実現される大きなスクリーン面積により低減される。

この設計の別の重要な特徴は、波型スクリーンは、フィンにおける単独の構造素子として信頼性を有するに十分に強くすることができるということである。さらに、スクリーンは、また、比較的薄いゲージ材料を使用することにより形成することができる。これにより、フィンを作製するのに必要な材料の量を最小化し、その低減された重量のためにコストを節約し、フィンを取扱い易くできる。

波型金属メッシュスクリーンは、複数の平行な「山」と「谷」を有し、一つのスクリーンにおける交互の山が、対向するスクリーンにおける交互の山と先端同士で接触するように対向・離間関係で配置される。この構成により、ストレーナに入った流体が収集ヘッダの方に流れる中空の内部水路を形成する。これらの流路は閉塞されず、流れに対する制限を最小にするために十分大きくすることができる。設計としての内部容積は最小化され、したがって、破片を収集するストレーナ外側空間を最大化する。

図５に示すように、流体浸透性スクリーンのまわりの周辺フレームは、波型部に平行な縁部を密閉すると共に筋交い６用の強い取付け点２１を提供する平鋼２０と、フィン取付けハードウェア１０、１１とを含んでよい。これらの縁部は、また、さらに濾過表面積を増加させるために穿孔金属スクリーン２２で密閉してよい。

流体浸透性スクリーンのまわりの周辺フレームは、また、波型部の端を密閉する穿孔金属キャップ２３を含んでよい。このタイプの端部キャップの利点は、それが穿孔金属スクリーン面積を増加するということと、フィン間の空間にアクセスする流れを制限しないということである。図６と図８に示す実施の形態では、端部キャップ４０は溝形鋼で形成され、これは次にフィンの端部上に溶接される。このタイプの端部キャップの利点は、製造が簡単であるということと、フィンの強度を著しく高めるということである。追加のスクリーン面積が必要な場合、端部キャップは、全体的にまたは部分的に穿孔されてよい。

ヘッダに嵌まるフィンの縁部における周辺フレームの周縁側端部は、矩形スロット９をヘッダに嵌め込むために矩形断面に改良されている。これは、図５に示すような可撓性金属片２５により収集ヘッダ内に密閉される縁部を有する歯状の穿孔金属片２４を使用することにより行うことができる。図６と図８には、また、フィンのヘッダ端における周辺フレーム部のキャップ４１の比較的単純な設計を示す。キャップ４１は、波型金属板メッシュシートの両端上に溶接される溝形鋼で形成される。キャップ４１は、波型部間の水路からの流れ４３が開口部９とヘッダ３内に密閉された流路と連通する大きな開口を有する。端部キャップの側面はシール４２を取付けるための面を与えることができ、これによりフィンのヘッダへの良好な嵌合を保証する。

流れの等化
適度に一様な流れは、中空コア渦の生成を防止するために、またストレーナ上に堆積する破片があまり密に集まらないようにするために望ましい。流れが１箇所に集中すると、破片がこの箇所で高密度なマット状に急速に蓄積することになり、したがって流れは隣接する箇所から入り高密度な床をそこにも蓄積させるのに十分なほどに流れ抵抗を増大させる。制限が無いと、これはストレーナ全体にわたって進行する可能性があり、破片が一様に蓄積した場合よりはるかに大きい圧力損失を引き起こす。

図７に示す本発明の別の実施の形態では、ヘッダの長さに沿った様々な箇所から入る流れは、ヘッダ内の圧力を高める流量均衡化装置を使用することにより制御される。流体がヘッダに沿って流れると、摩擦圧降下と加速度圧降下は、ヘッダの吸引端に近いほど（すなわち流体の流れの方向に）、圧力を減少させる。通常、これにより、フィンに入った流れに大きな推力を与え、いくぶん不均一な流れを引き起こす（ポンプ吸入口すなわち吸引端に近いほど、より多くの流れがフィンに入る）。いずれのフィンに入った水も同一の推進差圧を受けるようにするために、校正された流量均衡化装置が追加され、ストレーナの吸引端に近いフィンに対しては遠端のものより大きな制限を与える。

本発明の別の好ましい実施の形態によると、流量均衡化装置は、部分的に反転可能に流量制限を与える。したがって、流量均衡化装置を通過する流れを加速するのに必要なエネルギは、最初に、ヘッダ内の水の噴射として吸引端に向かう流れ方向の運動エネルギに変換される。この噴射の運動量は、上流の摩擦および加速損失を部分的に相殺するようヘッダ内の圧力を高めるために使用される。この昇圧により、ヘッダの長さに沿った圧力非均衡量を低減する。略一様な流れは、圧力損失を全体的に下げると同時に実現される。

図７に、明確化のために一つのフィンを除くすべてが除去された本実施の形態の詳細を示す。様々な位置における流れを矢印で示す。

流体の流れ２５は、穿孔金属スクリーンを介してフィン状のストレーナ素子３２に入り、端部キャップ４１（図６と図８を参照）とスロット２６を介してヘッダ３５と流体連通した波型部により形成された内部水路を通過する。同様に、隣のフィンからの流れはスロット２７、２８を介してヘッダ３５に入る。ヘッダ３５内部の比較的狭い収集水路３８は、ヘッダ３５の外壁３６の内側に伸延する垂直バッフル３１により画定される。収集水路からの流れは、上流側フィンからの流れ２９に加わる噴射３９を形成するオリフィス３３を介し加速される。噴射３９の速度は、主流２９の速度と略平行であるので、下流の流れ３０における圧力は、水が主流に対し垂直に注入された場合以上に高められる。更に、噴射３９の速度は主流２９の速度より速いので、運動量が主流に加わり、したがって噴射３９の流速が参照符号２９における主流のものと同じであった場合に存在するであろうものよりも、流れ３０の圧力を高める。なお、噴射３９を生成する際に最小のエネルギ損失となるように、オリフィス３３は流れに対して滑らかな縮流部を与える。

摩擦と加速圧降下のため、ポンプ吸入口に接近するにつれ、主ヘッダ３５内の圧力は降下する。したがって、ポンプ吸入口に近いオリフィス間の差圧は、遠くのオリフィス間の差圧よりも大きい。主ヘッダに入る流れを均衡化させるために、各オリフィスの幅３３、３４は、任意のオリフィスの上流側の（例えば、収集水路３７、３８のそれぞれを通過する）圧力が等しくなるように選ばれる。ポンプ吸入口に近いオリフィスがポンプ吸入口から遠いオリフィスより小さな通水断面を有し、その結果、略一様な流体の流れが、ヘッダ３内の流路に沿って異なる位置に配置されたストレーナ素子を介して維持される場合には、略等しい圧力が実現される。

適切に大きさと形状が定められたオリフィス様式の流量制御装置は、それぞれが複数の開口部（図７に示すような）を密閉する個々の収集水路に対し設けてもよいし、あるいは、個々の入口開口部にそれぞれ設けてもよい。

特記しない限り、本明細書で使用されたすべての技術用語および科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者により一般的に理解される意味と同じ意味を持つ。

以上、本発明を説明したが、本発明はいくらでも修正され得ることは明らかであろう。このような変形は本発明の精神および範囲から逸脱するものと見なすべきではなく、当業者にとって明白なように、このような修正はすべて本出願の範囲に含まれるように意図される。

独占的所有または特権が請求される本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に定義される。

本発明の実施の形態による、ポンプ吸入口へ接続するストレーナモジュールの等角投影図 図１に示すストレーナモジュールの分解図 本発明の実施の形態による、汚水槽に直接取付けられたストレーナモジュールの一部を破断した等角投影図 本発明の実施の形態による、平面フィン部の一部を破断した等角投影図 本発明の実施の形態による、凹凸面フィン部の一部を破断した等角投影図 本発明の実施の形態による凹凸面フィンの分解図 本発明の実施の形態による流れ等化装置の等角投影断面図 本発明の実施の形態による凹凸面フィン 本発明の実施の形態による凹凸面フィン 本発明の実施の形態による凹凸面フィン 本発明の実施の形態による凹凸面フィン 本発明の実施の形態による凹凸面フィン 本発明の実施の形態による凹凸面フィン

Claims (12)

1. 流体から破片を濾過するストレーナにおいて、
   ｉ）吸引源と流体連通する出口と、流体の流れ方向の圧力降下を呈する密閉流路の長さに沿って配置された複数の入口開口部とを有し、前記密閉流路を画定する細長ヘッダと、
   ｉｉ）前記各入口開口部に配置され、前記流路に流入する流体から破片を濾去するストレーナ素子と、
   ｉｉｉ）前記流路に沿って相異なる位置に配置されたストレーナ素子を通過する流体の流れを略一様に維持する流量制御装置と、
   を含む、ストレーナ。
2. 前記流量制御装置は、前記入口開口部と前記吸引源から遠い位置にある前記流路との間の圧力降下より大きい、前記入口開口部と前記吸引源に近い位置にある前記流路との間の圧力降下を生成するオリフィスを含む、請求項１に記載のストレーナ。
3. 前記オリフィスは、前記流路に流入する流体を前記流路に略平行な方向に加速するためにノズルの形状をなす、請求項２に記載のストレーナ。
4. 前記オリフィスは、前記ヘッダに配置され、複数の開口部を密閉する収集水路を画定するバッフル内に形成される、請求項３に記載のストレーナ。
5. 前記ヘッダは概して平坦な側壁を有し、前記入口開口部は、前記流路を横断する方向に前記側壁内に形成された一連の略平行なスロットである、請求項４に記載のストレーナ。
6. 前記ストレーナ素子は、前記平坦な側壁の前記開口部から外方に突出するフィン形状をなす、請求項５に記載のストレーナ。
7. 流体から破片を濾過するストレーナにおいて、
   吸引源と流体連通する出口を有し、複数の入口開口スロットが形成され、密閉容積を画定するヘッダと、
   各開口スロットから外方に突出し、前記流体から破片を濾去するフィン状のストレーナ素子と、を含み、前記ストレーナ素子の各々は、周辺フレームと、対向・離間関係で前記周辺フレームに固定された一対の流体浸透性スクリーンと、前記フレームの周縁側端部と前記開口スロットとを介して前記密閉容積と流体連通する少なくとも一つの流体流路と、
   を含む、ストレーナ。
8. 前記流体浸透性スクリーンは穿孔金属シートから形成される、請求項７に記載のストレーナ。
9. 前記流体浸透性スクリーン間に配置され、前記流体浸透性スクリーンを離間関係に維持する波型金属スペーサと、前記波型金属スペーサと前記流体浸透性スクリーンとの間に画定された前記複数の流路とをさらに含む、請求項８に記載のストレーナ。
10. 前記周辺フレームは前記一周縁側端部以外では流体に対して非浸透性である、請求項９に記載のストレーナ。
11. 前記流体浸透性スクリーンは、それぞれ、複数の平行な山と谷とを有する波型金属メッシュから形成され、前記スクリーンは、さらに、交互の山の位置で接触することにより対向・離間関係に維持され、前記複数の流路を画定する、請求項８に記載のストレーナ。
12. 前記周辺フレームは、前記一周縁側端部以外では流体に対して非浸透性である、請求項１１に記載のストレーナ。

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