JP2012167979A - スクリューダクト案内羽根およびスクリューダクト - Google Patents

Abstract

【課題】核燃料取扱施設の放射線遮蔽壁に設けられるスクリューダクトにおいて、開口部に発生する圧力損失を抑制して、スクリューダクト全体の圧損を緩和することができる案内羽根を提供する。
【解決手段】スクリューダクト２０の入口開口におけるスクリュースレッド２２，２３，２４，２５の端部に流入方向に尖った尾根２９を備えて、スクリューダクト２０の入口部分で発生する圧力損失を軽減するスクリューダクト案内羽根１０であって、スクリューダクト２０と一体に形成しても、また、案内羽根１０の部分を独立して形成し、スクリューダクト２０の付属品として、スクリューダクト２０のスクリュー２１の端面に被せて使用するようにしてもよい。
【選択図】図４

Description

本発明は、放射線遮蔽壁を貫通するダクトに設ける放射線漏洩防止用スクリューダクトの特性を改善するための案内羽根およびこれを適用したスクリューダクトに関する。

核燃料再処理施設、核燃料廃棄物処理施設、あるいは核燃料貯蔵施設などの原子力施設では、取り扱う放射性物質から放射される放射線を遮蔽するため、６面を厚いコンクリートで囲って区画化したセルと呼ばれる部屋に放射性物質を収容して取り扱っている。このようなセルにおいては、放射性物質から発生する崩壊熱を除去したり、放射性ガスや粉塵の滞留を防止したりするため、換気を行う必要がある。さらに、放射性物質をセルに封じ込めるためにセル内を所定の負圧に維持する必要があり、気流方向を維持することが求められる。これらの理由から、セルには遮蔽壁を貫通する給気ダクトと排気ダクトが設備される例が多い。

これらダクト部分における放射線の漏洩を防止するため、従来、給気ダクトと排気ダクトにＺ型ベントと呼ばれる曲がり管などが使用されていた。しかし、従来の曲がり管は十分厚い遮蔽壁にしか適用できず、さらに鉛や鉄でできた補助遮蔽を付加するため施工の手間や費用が大きい。
これに対して、たとえば特許文献１に開示されたような、密度の高い金属からなるスクリューを挿入して気体の流通はできるが放射線は透過あるいは反射通過する間に十分減衰するようにした、放射線遮蔽機能を有するスクリューダクトが開発された。

スクリューダクトは、図９に示すように、遮蔽壁を貫通する直管シェルに、図１０に示すような１条あるいは複数条の密度の高い金属製のスクリュー部材（スクリュースレッド）を備えたスクリューを充填することにより構成したものである。気体は隣接するスクリュースレッドと直管シェルとの間に形成される螺旋状の通路を通って流通する一方、放射線はスクリュースレッドの厚みを透過する間に減衰するため信頼性の高い遮断性能を有し、かつ容易に製作施工することができる。

特開昭５９−１７６７００号公報

しかし、スクリューダクトはその構造上、圧力損失が大きいため、スクリューダクトを大径にしたり、複数のスクリューダクトを並列に使用したりする必要があるため、スクリューダクト自体の設備費や施工費が大きくなるばかりでなく、ファンや配管などの付帯設備のコストも高騰する場合があった。
スクリューダクトでは、開口部の面積が直管の内径面積に対して４０〜６０％程度になり、オリフィス同等の圧力損失が生じるからである。ところが、実際に、スクリューダクトにおける圧力状態を調べると、入口開口部付近で、最も大きな圧力低下が生じて圧力損失が集中することが分かった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、スクリューダクトにおいて開口部に発生する圧力損失を抑制して、スクリューダクト全体の圧損を緩和させる案内羽根を提供することである。また、本発明の別の課題は、このような案内羽根を適用して圧力損失を低減したスクリューダクトを提供することである。

上記課題を解決する本発明のスクリューダクトは、１条又は複数条のスクリュースレッドで形成されるスクリューを直管状のシェルに充填して形成したスクリューダクトであって、スクリュースレッドの気流流入側開口の端部に、気流に対向する平面の代わりに、スクリュースレッドの断面を底面とし流入方向に向かって尖った尾根を形成するスクリューダクト案内羽根を備えて、スクリューダクトの入口開口における圧力損失を緩和することを特徴とする。スクリューダクト案内羽根はスクリュースレッドの端部にスクリュースレッドと一体に形成されたものであってもよい。
なお、スクリュースレッドと案内羽根の接合部分の表面は、段差がないように仕上げられていることが好ましい。

従来、スクリューダクトの端面に気体の流入方向に垂直な平面が形成されていたため流入気体が端面に衝突して大きな圧力損失が生じていたところ、本発明のスクリューダクト案内羽根は、端面に尾根を形成してスクリュースレッド端部の平面を排除するため、端部に発生する圧力損失を大幅に減少させることができる。

なお、案内羽根部分をスクリューダクトに付設する別体の部品として形成し、スクリューダクトのスクリュースレッドの端面に尖った尾根を被せて使用するようにしてもよい。すなわち、本発明の第２の態様に係るスクリューダクト案内羽根は、中心に軸柱を備え、軸柱の周りに、適用するスクリューダクトのスクリュースレッドの端面を覆う底面を有し上流方向に尖った尾根を形成する翼体をスクリュースレッドの端面位置に対応するように配置したことを特徴とする。なお、翼体は、軸柱の周りに配置して、軸柱の上流側端面を球面あるいは円錐面に形成するようにしてもよい。

スクリューダクトに付設する部品としての本発明のスクリューダクト案内羽根は、従来のスクリューダクトに付加するだけで、スクリューダクトの圧力損失を効果的に抑制したスクリューダクトを製造することができる。また、既存のスクリューダクトであっても、本発明のスクリューダクト案内羽根を適用することにより、簡単にスクリューダクトの圧力損失を低減させることができる。

本発明のスクリューダクト案内羽根を適用して低い圧損しか生じないようにしたスクリューダクトを使用すれば、給気排気に必要な動力が削減でき、所定の換気能力を満たすためにより小さいスクリューダクトで済み、また、ダクトを並列使用する場合にもより少ないスクリューダクトで構成することができるので、省エネルギ化、低コスト化を図ることができる。

本発明の１実施例に係るスクリューダクト案内羽根の立体図である。 本実施例の側面図である。 本実施例の正面図である。 本実施例を使用したスクリューダクト例を示す切り欠き立面図である。 本実施例を使用したスクリューダクト例の正面図である。 本実施例の組み立て状態における一部の展開断面図である。 スクリューダクトの圧力損失の発生状況を示すグラフである。 本発明の別の実施例に係るスクリューダクト案内羽根の概略を示す斜視図である。 従来のスクリューダクトを設置した放射線遮蔽壁の例を示す断面図である。 従来のスクリューダクト中に嵌入するスクリューの例を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図番の異なる図面においても、同一の機能を備えた構成要素には同一の参照番号を付して、理解の容易化を図った。

図１は、本発明の第１実施例に係るスクリューダクト案内羽根の立体図、図２は側面図、図３は正面図である。また、図４は図１〜３に示した案内羽根を適用したスクリューダクトを示す切り欠き立面図、図５はその正面図である。
第１実施例のスクリューダクト案内羽根は、従来のスクリューダクトの気流の入口に設置することにより、流入側の開口部分に生じる圧力損失を軽減するものである。図４は、セルに対して給気する場合のスクリューダクトを示している。

本実施例のスクリューダクト案内羽根１０は、スクリューダクト２０に嵌入されるスクリュー２１のスクリュースレッド２２，２３，２４，２５の数と同じ数の翼体１２，１３，１４，１５を中心に設けた軸柱１１の周囲に等間隔に配設したものである。翼体１２，１３，１４，１５は、スクリュー２１の各スクリュースレッド２２，２３，２４，２５の端面形状に合わせた形状を有する底面１８を有し、気流の上流に向かって幅が狭まった尖角の尾根１９を形成している。また、軸柱１１の頂部には半球状の球面部１６が形成されている。

図６は、スクリューダクト案内羽根の作用を簡単に説明する概念図で、スクリューダクト案内羽根を付設したスクリューの一部分について、軸から一定の距離で展開した断面を表示したものである。
スクリュー２１の部分では、スクリュースレッド２２，２３は同じ傾斜角で平行して配置され、間に螺旋状通路３０が形成されている。
スクリュー２１の端面に案内羽根１０が配置されている。
案内羽根１０の翼体１２，１３は、それぞれ底面１８がスクリュースレッド２２，２３の端面に接合され、気流上流に向いた面がスクリュースレッドと案内羽根の間で段差が無いように表面処理されている。翼体１２，１３の尾根１９は、スクリュースレッド２２，２３の端に対して気流上流の位置に配置される。
案内羽根１０の上方から供給される気流は、尖角の尾根１９で仕分けられて螺旋状通路３０に流入する。

スクリュースレッド２２，２３，２４，２５のうち互いに隣り合わせたスクリュースレッドとシェル胴板３２，３３に囲まれてできた螺旋状通路３０には、従来のスクリューダクトの端面に存在した気流に対向する平面が無いので、排気ファンや給気ファンによって生起された気流が螺旋状通路３０に流入するときに大きな流体抵抗を発生せず、圧力損失が従来より減少する効果がある。
また、軸柱１１頂部の球面部１６は、入口近傍の気流をスムーズに螺旋状通路３０に流入させて圧力損失を抑制する効果を有する。

また、軸柱１１の底面に適用されるダボ１７は、スクリュー２１の端面に軸を合わせて正しく位置調整して固定するために使用される。また、図示しないが、スクリュースレッド２２，２３，２４，２５の位置に翼体１２，１３，１４，１５の位置を合わせるためのダボもそれぞれ用意されている。

なお、図２や図３に示されているように、スクリュー２１の軸に垂直な断面の形状は、雄ねじと雌ねじが螺合するネジにおけるスクリュースレッドの断面と異なり、必ずしも外周に向けてスクリュースレッドの歯幅が狭くなるようにする必要はなく、適宜の断面形状を選択することができる。また、スクリュー２１を旋回させて雌ねじに嵌入させるものでもないので、スクリュー２１のスクリュースレッド２２，２３，２４，２５の断面が軸方向に一定である必要もなく、気流と抵抗の関係に配慮した適宜の形状変化をさせるようにすることもできる。

さらに、図１〜３では、スクリューダクト案内羽根１０の翼体１２，１３，１４，１５の尾根１９が底面１８と平行になっているが、流体抵抗が高くならないように気流を各螺旋状空間３０に分配することができればよいので、必ずしも平行である必要はない。

スクリューダクト案内羽根１０およびスクリュー２１は、たとえば、鉄、鋼、ステンレス鋼、鉛などを使った鋳造で形成することができる。また、鉄板、鉛板、ポリエチレン板などを使った機械加工で形成してもよい。材質は、線源種により選択することが好ましい。たとえば、γ線には鉛が遮蔽性能がよく、中性子にはポリエチレンの遮蔽性能が高い。また、他種類の放射線が混在する場合には、異なる材質の板を積層した材料を使用することもできる。

なお、図４では、スクリュー２１が４つのスクリューブロックを接続することにより形成されたスクリューダクト２０の例が表示されている。スクリュー２１は、たとえば鋼や鉄の鋳造品で形成される場合があるが、大型のものになると一体で形成することが難しいので、４つに限らずいくつかに分割して扱いやすい大きさにした部品を鋳物で形成し、これら鋳物を繋いで形成することがある。この場合、同じ形状のもので済めば、造鋳工程のコスト節減が可能になる。
図４のスクリューダクト２０では、シェル胴板３２，３３とスクリュー２１の間に隙間が生じるので、ストリーミングを防止するため、隙間を埋めるオフセット機構３４を設けている。オフセット機構３４の上流側２個の鋳物と下流側２個の鋳物が、それぞれ同じ外径を持つ同形のものとして形成されるので、製作費用の節減が可能である。

スクリューダクト２０は、セル遮蔽壁４０の貫通部分に大きく開けられた穴にスクリューダクト取付脚３９で支持して、型枠固定用フランジ３７とＳＵＳライニング用フランジ３８がセル遮蔽壁４０の厚みを挟むように配置し、型枠固定用フランジ３７で型枠、ＳＵＳライニング用フランジ３８でＳＵＳライニングを支持して型枠とＳＵＳライニングの間にコンクリートを注入して固化させて固定する。その後、必要な給気ダクトと排気ダクトを給排気ダクト接続用フランジ３５，３６のそれぞれに固定して、セル遮蔽壁４０への組み込みを完了する。

スクリューダクトの入口に案内羽根がある場合と無い場合について圧力損失を測定し、本実施例のスクリューダクト２０の性能を確認した。
測定は、長さ８００ｍｍのスクリューを嵌入した呼び径５００ｍｍのスクリューダクトを、測定用ブロワにより吸引される配管の途中に挿入して、スクリューダクト内４箇所（Ｓ１〜４：スクリュー上流側端面から１００ｍｍを始点として２００ｍｍおき）および下流の６箇所（Ｄ１〜６：スクリューダクト下流側端面から約２００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍ、およびその下流について１０００ｍｍおき）とスクリューダクト上流（スクリュー上流側端面から３２０ｍｍ）にそれぞれマノメータを仕込み、風量を約１０００ｍ^３／ｈ、約２０００ｍ^３／ｈ、約３０００ｍ^３／ｈに調整して、各風量毎にスクリューダクト内と下流の測定圧力についてスクリューダクト上流における測定圧力との差をとったものである。

図７は、上記測定の結果を示すグラフである。グラフは、横軸に測定位置を示し、縦軸に風量毎に案内羽根の有無に分けて測定位置毎の差圧を示している。
測定結果から、スクリューダクトにおける圧力損失発生状況に関して下のような知見を得ることができた。
ａ．スクリューの入口部分（測定位置Ｓ１）と出口部分（測定位置Ｄ１）における差圧が大きい。
ｂ．入口部分（測定位置Ｓ１）で発生する差圧は、その直近の下流点（測定位置Ｓ２）で５０％程度回復する。
ｃ．入口部分と出口部分を除くスクリュー部における差圧の変化は大きくない。
ｄ．案内羽根を設けることにより、入口部分の差圧およびスクリューダクトの出口における圧力損失は１０〜２０％減少する。

本実施例のスクリューダクト案内羽根１０を付設すると、スクリューダクト２０の圧力損失が１０〜２０％低減するので、換気用ファンの能力が同じでもスクリューダクト２０を小径化することができたり、並列設置する数を減少させたりすることができる。また、セル遮蔽壁に設けられた換気系の負荷が減少するので、換気用ファン容量の抑制や給気排気配管の小径化により、施設費用や運転費用を節減したり、省エネルギを達成したりすることができる。

なお、本実施例のスクリューダクト案内羽根１０は、気流をスクリューダクト２０の螺旋状通路３０に案内すればよいので、必ずしも中実である必要はない。そこで、気流案内面の表面部分を所定の材料で形成し、その内側を空虚にした中空のものとして、材料の節約と重量の軽減を図ることもできる。

図８は、本発明の第２実施例に係るスクリューダクト案内羽根の例を示す斜視図である。第２実施例のスクリューダクト案内羽根も、スクリューダクトのスクリュー端面に付設してスクリューダクトにおける圧力損失を低減させるために使用される。
第２実施例のスクリューダクト案内羽根５０は、中心軸に円柱体を設けず、中心軸付近まで伸びた翼体５２，５３，５４，５５が中心軸の周りに配置された形状を有する。翼体５２，５３，５４，５５は、それぞれスクリューダクトのスクリューの端面を覆う底面５６と気流の上流に向かって幅が狭まった尖角の尾根５７を有し、尾根５７に垂直な断面がほぼ２等辺三角形になっている。翼体５２，５３，５４，５５の外周は、スクリューダクトのシェル胴板に接して、スクリューダクト案内羽根５０がスクリューダクトに格納できるようになっている。

スクリューダクト案内羽根５０も、鉄、鋼、ステンレス鋼、鉛などを使った鋳造あるいは鉄板、鉛板、ポリエチレン板などを使った機械加工で形成することができる。材質は、線源種により選択することが好ましい。また、異なる材質の板を積層した材料を使用することもできる。
なお、本実施例のスクリューダクト案内羽根５０も、中空に形成することができる。

本実施例のスクリューダクト案内羽根５０も、スクリューダクトのスクリュー端面に付設して、スクリューダクトにおける圧力損失を低減させるために使用される。本実施例のスクリューダクト案内羽根５０では、流入する気流が集合した尾根５７により仕分けされてスクリューダクトの螺旋状通路に向かって円滑に流下するので、スクリューの端面が流路に露出したときに大きな流体抵抗を引き起こすのと比べて、流体抵抗は小さく圧力損失が減少する。

本発明の第３実施例に係るスクリューダクトは、案内羽根をスクリューと一体に形成したものである。第１実施例の図４には、４つのスクリューブロックでスクリューを形成し、最上流のスクリューブロックに別体のものとして形成されたスクリューダクト案内羽根を取り付けることにより形成したスクリューダクトが示されている。

これに対して、第３実施例のスクリューダクトは、最上流のスクリューブロックのスクリュー形状を変更して、スクリュー端部に案内羽根を一体に形成したものである。複数のスクリューブロックを重ねてスクリューとする場合は、最上流のスクリューブロックが他のものと異なる形態になるので、他とは異なる鋳型を使わなければならない。しかし、スクリューダクト案内羽根の部分を別途作成してスクリューに取り付ける工程を必要としないので、製作工程が簡略化して設備費を節減することができる。

特に小型のスクリューダクトなど１体の鋳物でスクリュー全体を形成する場合は、スクリューダクト案内羽根をスクリューと一体で形成しても、スクリューダクト案内羽根を別体で製作して組み合わせる場合と比較して、特別余分な作業を必要とすることにならないので、合理的である。

また、本実施例のスクリューダクトにおいては、従来のスクリューにおける上流側端部において、平面部を削ぎ落とすことによっても同じ形状のスクリューダクト案内羽根を形成することができ、同じ効果が得られる。この方法は、既存のスクリューダクトに対しても簡単に適用できる。

本発明のスクリューダクト案内羽根および案内羽根を適用したスクリューダクトは、原子力施設などにおいて放射性物質を扱うセルの遮蔽壁に適用することにより、スクリューダクトの圧力損失を軽減して、施設のコストや運転コストを低減し、また省エネルギを達成することができる。

１０ 案内羽根
１１ 軸体
１２，１３，１４，１５ 翼体
１６ 球面部
１７ ダボ
１８ 底面
１９ 尾根
２０ スクリューダクト
２１ スクリュー
２２，２３，２４，２５ スクリュースレッド
３０ 螺旋状通路
３１ シャフト
３２，３３ シェル胴板
３４ オフセット機構
３５，３６ 給排気ダクト接続用フランジ
３７ 型枠固定用フランジ
３８ ＳＵＳライニング用フランジ
３９ スクリューダクト取付脚
４０ セル遮蔽壁
４２ モルタルライニング
５０ 案内羽根
５２，５３，５４，５５ 翼体
５６ 底面
５７ 尾根

Claims (6)

1. １条又は複数条のスクリュースレッドで形成されるスクリューを直管状のシェルに充填して形成するスクリューダクトにおいて、該スクリューダクトの気流流入側開口における前記スクリューの端部に、前記スクリュースレッドの断面を底面とし気流流入方向に尖った尾根を形成させた翼体を前記スクリュースレッドに対応して配置した案内羽根を備えることを特徴とするスクリューダクト。
2. 前記案内羽根は、前記スクリューダクトの気流流入側開口におけるスクリュースレッドの端部断面に重なる底面を有し、気流流入方向に尖った尾根を有する翼体を前記スクリュースレッドに対応して配置したスクリューダクト案内羽根により形成したことを特徴とする請求項１記載のスクリューダクト。
3. 前記案内羽根は、前記スクリュースレッドと一体に形成ことを特徴とする請求項１記載のスクリューダクト。
4. 前記スクリューはスクリューブロックを多段に重ねて形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスクリューダクト。
5. １条又は複数条のスクリュースレッドを直管状のシェルに充填して形成するスクリューダクトの流入側開口に付設させるスクリューダクト案内羽根であって、該スクリューダクトの気流流入側開口におけるスクリュースレッドの端部断面に重なる底面を有し、気流流入方向に尖った尾根を有する翼体を前記スクリュースレッドに対応して配置することにより形成したスクリューダクト案内羽根。
6. 前記翼体は、上流側端面を球面あるいは円錐面に形成され中心に配置された軸体の周囲に配置されたことを特徴とする請求項５記載のスクリューダクト案内羽根。

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