JP2018080864A - 空冷式熱交換器及びこれを用いた空冷式熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原子力施設の非常用冷却装置に採用する場合、高い熱交換効率及び良好な耐食性を確保しつつ大型化に伴う重量の増加及びコスト高を招くことのない空冷式熱交換器及び空冷式熱交換装置を提供する。【解決手段】複数の伝熱管３１と、金属製の複数の伝熱フィン３２を備えた伝熱ユニット１０において、伝熱管３１は、金属製の内管及び外管で構成される二重管で、伝熱フィン３２は、伝熱管３１の外管に対してろう付けにより接合され、伝熱管３１の両端部には、伝熱管３１の端部が貫通する管板２２が配置されて、管板２２に伝熱管３１の内管の端部が溶接され、管板２２には、管板２２との間で複数の伝熱管３１に被冷却流体を流通させる水室４０を形成するヘッダ４１が溶接されている。【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、原子力発電施設の非常用冷却装置に用いるのに好適な空冷式熱交換器及びこれを用いた空冷式熱交換装置に関するものである。

上記した原子力発電施設の非常用冷却装置には、通常、熱交換効率の良い水冷式熱交換器が用いられる。但し、この水冷式熱交換器は、冷却媒体である水や海水の供給が遮断されると、冷却機能が損なわれてしまうので、多重安全対策として、この水冷式熱交換器の他に空冷式熱交換器を併設することが計画されている。
また、原子力発電施設は海岸沿いに設置されている。このため、塩害による腐食を受けやすい環境にあり、室外に置かれる空冷式熱交換器には高い耐食性が求められる。

適用例は少ないが、既設の原子力発電施設の非常用空冷式熱交換器としてラウンドフィン型の伝熱フィンチューブを用いた空冷式熱交換器を採用している実例がある。本伝熱フィンチューブは、転造等の機械加工によって炭素鋼の内管にアルミニウム合金製のフィンを形成したものである。
但し、この空冷式熱交換器は、水冷式のものと比べて冷却性能が低いため、装置が大型化し、これに伴って全体重量が増加すると共にコスト高となるという課題がある。

一方、空調装置や、自動車のラジエター等の産業用空冷式熱交換器では、伝熱管の細径化、楕円型伝熱管や内面溝付管の採用、伝熱促進機構を有するフィン（コルゲートフィン、スリットフィン、ルーバーフィン等）の採用、全アルミ型熱交換器の採用といった様々な改造や開発が成されており、冷却性能の向上が図られている。

これらの産業用空冷式熱交換器の技術を原子力用に適用することができれば、装置の小型化、重量削減及びコストの削減が可能となるが、原子力用への適用については、使用する材料や構造に原子力関連法規及び原子力関連規格による厳しい制限があることから、一般産業用の空冷式熱交換器をそのまま用いることができない。

最近において、腐食環境下で稼働するための耐食性の要求と、小型化及びコスト低減の要求の双方に応じるべく、特許文献１に記載されているような空冷式熱交換器の採用が検討されている。

この特許文献１に記載された空冷式熱交換器は、銅製の内管及びアルミニウム製の外管で構成される二重管と、アルミニウム製フィンを用いることにより、銅の高熱伝導性とアルミニウムの耐食性及び高熱伝導性を活かして、腐食環境下での耐食性を有しつつ、小型化及びコスト低減を図る空調設備用熱交換器である。

フィンと伝熱管は、フィンの圧入又は伝熱管の拡管により接続される。また、伝熱管同士は、銅製の内管と銅製の継手管のろう付け又はアルミニウム製の外管とアルミニウム製の継手管のろう付けにより接続される。

特開2015-049016号公報

ところが、原子力用の空冷式熱交換器の被冷却流体が流れる伝熱管には、原子力関連法規及び原子力関連規格で用いることができる材料が限定されており、上記した従来の特許文献１に記載された空冷式熱交換器のような産業用空冷式熱交換器で用いられている良好な伝熱性及び耐食性を有するアルミニウム等の伝熱管はそのままでは用いることができない。また、上記した従来の空冷式熱交換器において伝熱管同士の接合に用いられるろう付けも、原子力関連法規及び原子力関連規格では認められていないので、原子力用の空冷式熱交換器として採用するには難があり、結局、耐食性を有しつつ小型軽量化及び低コスト化を望む要求に応えることができず、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、例えば、原子力施設の非常用冷却装置に採用する場合、原子力関連法規及び規格（原子力発電設備規格等）を満たして高い熱性能及び良好な耐食性を確保したうえで、小型軽量化及びコストダウンを実現することができる空冷式熱交換器及びこれを用いた空冷式熱交換装置を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様は、互いに間隔をもって配置される複数の伝熱管と、前記伝熱管に該伝熱管の長手方向に互いに間隔をもって配置される金属製の複数の伝熱フィンを備えた空冷式熱交換器において、前記伝熱管は、金属製の内管及び外管を具備した二重管構造を成し、前記伝熱管の両端部には、該伝熱管の端部が貫通する管板が配置されて、該管板に前記伝熱管の前記内管の端部が接合され、前記管板には、該管板との間で前記複数の伝熱管に被冷却流体を流通させる水室を形成するヘッダが接合されている構成としている。

本発明の第２の態様において、前記伝熱フィンは、前記伝熱管の前記外管に対してろう付けされ、前記伝熱管の前記内管の端部と前記管板とは溶接により接合され、前記管板と前記ヘッダとは溶接により接合されている構成としている。

本発明の第３の態様において、前記被冷却流体の圧力バウンダリ（境界）となる前記伝熱管の前記内管と、前記管板と、前記ヘッダは、いずれも原子力関連法規及び原子力関連規格（発電用原子力設備規格等）に適合する金属材料で構成される。
なお、原子力関連法規及び原子力関連規格（発電用原子力設備規格等）として、例えば以下のものがある。
・電気事業法
・電気事業法施行令
・発電用原子炉設備に関する技術基準を定める省令
・発電用原子力設備規格 設計・建設規格
・発電用原子力設備規格 材料規格

本発明の第４の態様において、前記伝熱フィンは、前記複数の伝熱管の間で連続してプレート状を成している構成としている。

本発明の第５の態様において、プレート状を成す前記伝熱フィンには、熱伝達を促進する伝熱促進機構が設けられている構成としている。

一方、本発明の第６の態様に係る空冷式熱交換装置は、架構と、前記架構に支持される送風機と、前記架構における前記送風機による冷却空気が通過する位置に支持される請求項１から４のいずれかの項に記載の空冷式熱交換器と、前記送風機により吸引される前記冷却空気を前記空冷式熱交換器から前記送風機に導くエアダクトと、前記空冷式熱交換器の前記水室に対する被冷却流体の導入排出を行う配管を備えている構成としている。

本発明に係る空冷式熱交換器では、例えば、原子力施設の非常用冷却装置に採用する場合、原子力関連法規及び規格（原子力発電設備規格等）を満たして高い熱性能及び良好な耐食性を確保しつつ、小型軽量化及びコストダウンを実現することが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施形態に係る空冷式熱交換装置の正面説明図（ａ）及び平面説明図（ｂ）である。 図１における空冷式熱交換装置の伝熱ユニットの正面説明図（ａ），平面説明図（ｂ）及び側面説明図（ｃ）である。 図２（ａ）における伝熱ユニットの管端部の部分拡大断面説明図（ａ），図３（ａ）のＡ−Ａ線位置に基づく断面説明図（ｂ），伝熱促進機構の一構成例であるスリットの図３（ｂ）のＢ−Ｂ線位置に基づく断面説明図（ｃ）及び伝熱促進機構の他の構成例であるルーバの図３（ｂ）のＢ−Ｂ線相当位置に基づく断面説明図（ｄ）である。 図２における伝熱ユニットの水室部分の拡大断面説明図である。 図２における伝熱ユニットの水室部分の他の構成例を示す拡大断面説明図である。

以下、本発明に係る空冷式熱交換器及びこれを用いた空冷式熱交換器の製造方法並びに空冷式熱交換装置を図面に基づいて説明する。
図１から図５は、本発明に係る空冷式熱交換器及びこれを用いた空冷式熱交換装置の一実施形態を示しており、この実施形態では、本発明に係る空冷式熱交換装置が原子力施設の非常用冷却装置に採用される熱交換装置である場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、この空冷式熱交換装置１は、架構４と、この架構４に支えられる複数枚の天板５にそれぞれ組み付けられた複数の送風機６と、架構４内に配置された複数の伝熱ユニット（空冷式熱交換器）１０と、送風機６により吸引される外気（冷却空気Ｆ）の大半を伝熱ユニット１０から送風機６に導くエアダクト８と、複数の伝熱ユニット１０に対する被冷却流体の導入排出を行う配管７を備えている。

複数の伝熱ユニット１０は、架構４内において送風機６による冷却空気Ｆが通過する位置に水平に支持されている。なお、伝熱ユニット１０は、架構４内において斜めに配置されていてもよい。

伝熱ユニット１０は、図２に示すように、複数の伝熱管３１及び伝熱管３１の長手方向に互いに間隔をもって重ねて配置される複数の伝熱フィン３２を具備した伝熱エレメント３０と、管板２２及びヘッダ４１を具備した後述する水室４０と、サイドフレーム２１を備えており、サイドフレーム２１及び水室４０の構成部材はいずれも炭素鋼から成っている。

伝熱エレメント３０の伝熱管３１は、図３（ａ）に示すように、内管３１Ａ及び外管３１Ｂを具備した二重管構造を成しており、この実施形態において、伝熱管３１の内管３１Ａは原子力関連法規及び規格（発電用原子力設備規格等）に適合する炭素鋼から成り、外管３１Ｂはアルミニウム合金から成っている。

複数の伝熱管３１は、互に間隔をもって平行に並べて配置されており、図３（ｂ）に示すように、冷却空気Ｆの流れの方向に複数の段（この実施形態では４段）を成すようにして全体で千鳥状に配置されている。

この伝熱管３１の両端部は管板２２に接続されている。この場合、管板２２には、伝熱管３１の端部が挿入される貫通孔２２ａが形成されており、伝熱管３１における内管３１Ａの端部３１Ａａは、管板２２の貫通孔２２ａに隙間のない状態で挿入されて溶接により接合されている。内管３１Ａの腐食を防止するために、伝熱管３１における外管３１Ｂの端部３１Ｂａも貫通孔２２ａに挿入され、伝熱管３１を内面から拡管することにより、外管３１Ｂの端部３１Ｂａは管板２２に密着状態となり、これにより内管３１Ａは外気から遮断される。図３（ａ）における符号Ｗ１は溶接による溶接部である。

一方、伝熱フィン３２は、複数の伝熱管３１の間で連続して全体でプレート状を成すプレートフィンであり、伝熱管３１の外管３１Ｂと同じくアルミニウム合金から成っている。

伝熱管３１の外管３１Ｂはろう材で被覆されており、伝熱フィン３２は、伝熱管３１の外管３１Ｂに対してろう付けされている。

プレート状を成す伝熱フィン３２において、この伝熱フィン３２を千鳥状に貫通する複数の伝熱管３１の間には、伝熱促進機構としてのスリット３３ａが配置されている。このスリット３３ａは、図３（ｃ）に拡大して示すように、伝熱フィン３２を切り欠いて形成されており、これにより複数の伝熱管３１の間を通過する冷却空気Ｆの流れを乱して、複数の伝熱管３１と冷却空気Ｆとの間の熱伝達を促進する。

なお、伝熱促進機構は、このスリット３３ａに限定されるものではなく、図３（ｄ）に拡大して示すように、プレート状を成す伝熱フィン３２の伝熱管３１の間に形成された複数のルーバ３３ｂであってもよい。

また、伝熱ユニット１０は、図４に示すように、複数の伝熱管３１に被冷却流体を流すための水室４０を伝熱管３１の両端部に備えている。

この水室４０は、炭素鋼から成る管板２２に同じく炭素鋼から成るヘッダ４１を溶接により接合することで形成されており、図４の右側（図２（ａ），（ｂ）の右側）に位置する一方の水室４０を構成するヘッダ４１には、図２（ｃ）に示すように、被冷却流体が流れる配管７に接続される入口ノズル４２ｉｎ及び出口ノズル４２ｏｕｔが配置されている。図４における符号Ｗ２は溶接部である。

この場合、一方の水室４０は、その内部に配置されたコ字状の炭素鋼から成る仕切板４３ａ及び平板状の炭素鋼から成る仕切板４３ｂによって３つの流路４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃに分割されており、他方の水室４０（図２（ａ），（ｂ）及び図４の左側の水室４０）は、その内部に配置された平板状の炭素鋼から成る仕切板４４によって２つの流路４０Ｄ，４０Ｅに分割されている。

なお、図５に示すように、平板状の炭素鋼から成る２枚の仕切板４３Ｓを水室４０内に配置することで、一方の水室４０を３つの流路４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃに分割するようにしてもよい。

流路４０Ａは４段で並ぶ伝熱管３１のうちの１段目（図４最下部）に位置する複数の伝熱管３１（伝熱管３１群）と入口ノズル４２ｉｎとを繋ぎ、流路４０Ｂ，４０Ｄ，４０Ｅは隣接する段に位置する伝熱管３１群同士を繋ぎ、流路４０Ｃは４段で並ぶ伝熱管３１のうちの４段目（図４最上部）に位置する伝熱管３１群と出口ノズル４２ｏｕｔとを繋ぐようになっている。

つまり、入口ノズル４２ｉｎから導入される被冷却流体は、白抜き矢印に示すように、流路４０Ａ→１段目の伝熱管３１群→流路４０Ｄ→２段目の伝熱管３１群→流路４０Ｂ→３段目の伝熱管３１群→流路４０Ｅ→４段目の伝熱管３１群→流路４０Ｃの順に流れて、出口ノズル４２ｏｕｔから排出されるようになっている。

本実施形態による伝熱ユニット１０及び空冷式熱交換装置１では、伝熱ユニット１０における二重管構造の伝熱管３１の内管３１Ａを管板２２に溶接により接合すると共に、この管板２２にヘッダ４１を溶接により接合して水室４０を形成するようにしているので、伝熱管３１における被冷却流体の確実な流通が成されることとなる。つまり、被冷却流体が外部に漏れることがなく、被冷却流体が放射能化していたとしても、放射性物質の外部漏洩を防ぐことができる。

また、本実施形態による伝熱ユニット１０及び空冷式熱交換装置１では、伝熱ユニット１０における二重管構造の伝熱管３１の内管３１Ａに原子力関連法規及び規格（発電用原子力設備規格等）を満たす炭素鋼を採用すると共に、水室４０を構成する管板２２及びヘッダ４１にも同じ炭素鋼を採用しているので、原子力設備への採用が可能となる。

さらに、本実施形態による伝熱ユニット１０及び空冷式熱交換装置１では、伝熱ユニット１０における伝熱管３１の外管３１Ｂに対して伝熱フィン３２がろう付けされているので、伝熱管３１と伝熱フィン３２との確実な接合が保証されて、伝熱面積を正確に算出し得る。

さらにまた、本実施形態による伝熱ユニット１０における伝熱管３１と伝熱フィン３２との熱抵抗は、通常の熱交換器（プレートフィンの圧入や伝熱管の拡管によって伝熱管と伝熱フィンとを接続する接触方式による熱交換器）における伝熱管と伝熱フィンとの熱抵抗よりも小さくなるので、伝熱性能の向上を実現できる。

さらにまた、本実施形態による伝熱ユニット１０及び空冷式熱交換装置１では、伝熱ユニット１０における伝熱フィン３２として、プレート状を成すプレートフィンを採用しているので、製造の容易化が図られると共に、高い熱交換効率を得ることができる。

さらにまた、本実施形態による伝熱ユニット１０及び空冷式熱交換装置１では、伝熱ユニット１０におけるプレート状を成す伝熱フィン３２において、この伝熱フィン３２を千鳥状に貫通する複数の伝熱管３１の間に、伝熱促進機構としてのスリット３３ａを配置しているので、複数の伝熱管３１と冷却空気Ｆとの間の熱伝達を促進して、伝熱性能を向上させることができる。

本実施形態では、本発明に係る空冷式熱交換装置が原子力設備の非常用冷却装置に採用される熱交換装置である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、本発明に係る空冷式熱交換器及び空冷式熱交換装置を原子力設備の本設の冷却装置（残留熱の除去装置、核燃料の冷却装置等）や一般産業用の冷却装置に採用してもよい。

また、本実施形態では、伝熱ユニット１０における二重管構造の伝熱管３１の内管３１Ａに炭素鋼を採用すると共に、外管３１Ｂ及び伝熱フィン３２にアルミニウム合金を採用し、また、水室４０を構成する管板２２及びヘッダ４１にも炭素鋼を採用しているが、各部位の材質はこれらの金属に限定されるものではなく、例えば、伝熱管３１の内管３１Ａには、ステンレス鋼や銅合金等を採用することができる。

さらに、本実施形態において、伝熱管３１の外管３１Ｂには、熱伝導率が高く、耐食性に優れていると共に入手性及び加工性が良い低価格の金属を採用することが望ましい。

本発明に係る空冷式熱交換器及びこれを用いた空冷式熱交換装置の構成や構成部材の各寸法は、上記した実施形態のものに限定されるものではない。

１ 空冷式熱交換装置
４ 架構
６ 送風機
７ 配管
８ エアダクト
１０ 伝熱ユニット（空冷式熱交換器）
２２ 管板
３１ 伝熱管
３１Ａ 内管
３１Ａａ 内管の端部
３１Ｂ 外管
３１Ｂａ 外管の端部
３２ 伝熱フィン
３３ａ スリット（伝熱促進機構）
３３ｂ ルーバ（伝熱促進機構）
４０ 水室
４１ ヘッダ

Claims (6)

1. 互いに間隔をもって配置される複数の伝熱管と、
   前記伝熱管に該伝熱管の長手方向に互いに間隔をもって配置される金属製の複数の伝熱フィンを備えた空冷式熱交換器において、
   前記伝熱管は、金属製の内管及び外管を具備した二重管構造を成し、
   前記伝熱管の両端部には、該伝熱管の端部が貫通する管板が配置されて、該管板に前記伝熱管の前記内管の端部が接合され、
   前記管板には、該管板との間で前記複数の伝熱管に被冷却流体を流通させる水室を形成するヘッダが接合されている空冷式熱交換器。
2. 前記伝熱フィンは、前記伝熱管の前記外管に対してろう付けされ、前記伝熱管の前記内管の端部と前記管板とは溶接により接合され、前記管板と前記ヘッダとは溶接により接合されている請求項１に記載の空冷式熱交換器。
3. 前記伝熱管の前記内管と、前記管板と、前記ヘッダは、いずれも原子力関連法規及び原子力関連規格に適合する金属から成っている請求項１又は２に記載の空冷式熱交換器。
4. 前記伝熱フィンは、前記複数の伝熱管の間で連続してプレート状を成している請求項１乃至３のいずれか一つの項に記載の空冷式熱交換器。
5. プレート状を成す前記伝熱フィンには、熱伝達を促進する伝熱促進機構が設けられている請求項４に記載の空冷式熱交換器。
6. 架構と、
   前記架構に支持される送風機と、
   前記架構における前記送風機による冷却空気が通過する位置に支持される請求項１から５のいずれかの項に記載の空冷式熱交換器と、
   前記送風機により吸引される前記冷却空気を前記空冷式熱交換器から前記送風機に導くエアダクトと、
   前記空冷式熱交換器の前記水室に対する被冷却流体の導入排出を行う配管を備えている空冷式熱交換装置。

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