JP2023509930A - ヒートパイプリアクタ用ブロック式熱交換器 - Google Patents

Abstract

炉心から延びる複数のヒートパイプを有するヒートパイプリアクタ用のブロック式熱交換器であって、熱交換器は複数の一次チャネルを含み、各一次チャネルは、ヒートパイプの１つを介してコアから伝達された熱を受け取るためのものであって、一次チャネルは、１つまたは複数の物質のブロック内に延在し、また、熱交換器は二次熱伝達媒体の流れを入口から出口に熱交換器を通って送るために、ブロック内に画定された複数の二次チャネルを含む。ブロックは、互いに接合された複数のプレートであって、各プレートが複数の一次チャネルおよび／または複数の二次チャネルのうちの１つまたは複数の少なくとも一部を画定する、複数のプレート、および／または付加製造プロセスから形成された単一物質ピースのうちの１つまたは両方から形成される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その内容が参照により本明細書に組み込まれる、令和１年１２月３０日に出願された「ＢＬＯＣＫ ＳＴＹＬＥ ＨＥＡＴ ＥＸＣＨＡＮＧＥＲ ＦＯＲ ＨＥＡＴ ＰＩＰＥ ＲＥＡＣＴＯＲ」という名称の１６／７２２，８４５号の利益を主張する。

本発明は概して熱交換器に関し、より詳細には、一次熱源から多数のヒートパイプを介して二次媒体に熱を伝達するのに特に適したブロック式熱交換器に関する。

超臨界二酸化炭素（ｓＣＯ_２）は、二酸化炭素がその臨界温度及び臨界圧以上に保持される流動性の二酸化炭素である。二酸化炭素は、通常、標準的な温度および圧力で空気中の気体として、または凍結時にドライアイスと呼ばれる固体として挙動する。温度および圧力の両方が、二酸化炭素の臨界点以上になるように標準温度および圧力から増加されると、気体と液体との間の中間の特性を採ることができる。より具体的には、二酸化炭素がその臨界温度（３０４．２５Ｋ、３１．１０℃、８７．９８°Ｆ）および臨界圧力（７２．９ａｔｍ、７．３９ＭＰａ、１，０７１ｐｓｉ）を超える超臨界流体として挙動し、膨張して、気体のように、しかしながら液体のような密度でその容器を満たす。

ｓＣＯ２は、化学的に安定しており、信頼性が高く、低コストであり、非毒性であり、非可燃性であり、容易に入手可能であり、作動液の望ましい候補となる。さらに、その優れた熱安定性および不燃性のために、高温源からの直接熱交換が可能であり、より高い作動流体温度、従ってより高いサイクル効率を可能にする。二相流とは異なり、ｓＣＯ２の単相の性質は、水から水蒸気への転換に必要な相変化のための入熱の必要性を排除し、それに伴う熱疲労および腐蝕も排除する。実質的により高い効率とより低い資本コストが期待されるにもかかわらず、ｓＣＯ２の使用には、物質選択と設計の問題が存在する。発電用コンポーネントの材料には、高温、酸化、クリープによる損傷に対する耐性が求められる。これらの特性と性能目標を満たす候補材料には、ターボ機械コンポーネント用のニッケル基超合金や配管用のオーステナイト系ステンレス鋼のような、発電において現在使用されているような合金が含まれる。ｓＣＯ２ブレイトンループ内のコンポーネントは、腐食および浸食、特に、ターボ機械および復熱式熱交換器コンポーネントにおける浸食、ならびに配管における粒界腐食および孔食に悩まされる。

現時点よりも前には、ｓＣＯ２二次サイクルをヒートパイプリアクタに組み込むための、実現可能な一次熱交換器の設計および製造ルートは考えられていなかった。ほとんどの設計は、ヒートパイプの経路に沿って、熱交換器の両端に多管式（シェル・アンド・チューブ型）ヘッダを有するブロック型熱交換器を想定している。この種のデザインでは、ヒートパイプ間の空間は限られているが、開放ヘッダ内の高圧ｓＣＯ２からヒートパイプを保護する必要がある。保護ヒートパイプスリーブをヘッダーチャンバおよび熱交換器ブロックセクションに一体化することは、チャンバおよびスリーブを熱交換器セクションに接続または溶着するために利用可能な空間が限られていること、およびｓＣＯ２チャネルのための残りの面積が熱交換器ブロックに入ることに起因して、不可能ではないにしても困難になる。ヒートパイプの周囲のより分厚い保護材料もまた、熱交換器の熱伝達能力を実質的に低下させる。従って、ヒートパイプリアクタの熱出力をｓＣＯ２の二次側に効率的に伝達し、最小限の保守で動作させることができる一体化されたブロック式の熱交換器の設計を提供することが本発明の目的である。

これら及び他の目的は、本発明の一態様において、炉心から延びる複数のヒートパイプを有するヒートパイプリアクタと共に使用するための一体型ブロック式熱交換器によって達成される。熱交換器は、各一次チャネルが複数のヒートパイプのうち対応する１つを介してコアから伝達される熱を受け取るように構成された複数の一次チャネルであって、複数の一次チャネルは１つまたは複数の材料のブロック内に画定され、各一次チャネルは熱交換器の第１の端部から熱交換器の第２の端部まで熱交換器の長手方向軸に沿って第１の方向に延在する、複数の一次チャネルと、ブロック内で画定された複数の二次チャネルであって、各二次チャネルは、熱交換器の入口から出口へ、熱交換器を通って二次熱伝達媒体の流れを送るように構成されており、各二次チャネルは、入口から一次チャネルの少なくとも１つに隣接して延在する第１の部分と、一次チャネルのうちの少なくとも１つに近接しており、隔離されて熱交換に沿って延在し、熱交換内に位置する第２の部分と、第２の部分から出口まで延在する第３の部分と、を備え、第１の部分及び第２の部分の各々は、第２の部分に対して０度以外の角度で配置されている、複数の二次チャネルと、を備え、ブロックは、互いに接合された複数のプレートであって、各プレートが、複数の一次チャネルおよび／または複数の二次チャネルのうちの１つまたは複数の少なくとも一部を画定する複数のプレート、および／または付加製造プロセスから形成された単一の物質ピース、のうちの一方または両方を備える。

二次チャネルのそれぞれの第２の部分は、複数の別個のサブチャネルを備えてもよく、サブチャネルのそれぞれは、一次チャネルの少なくとも１つの周囲に間隔を置いて配置され、二次チャネルの第１の部分と第３の部分との間に延在する。

ブロックは、互いに接合された複数のプレートを備えてもよい。

複数のプレートはそれらが一緒に結合される前に、またはそれらが一緒に結合されるときに、積み重ねて配置されてもよい。

複数のプレートは、拡散接合、ろう付け、または熱間静水圧プレスのうちの１つまたは複数を介して互いに接合されてもよい。

複数の一次チャネルおよび／または複数の二次チャネルのうちの１つまたは複数の一部が、機械加工、レーザ切断、化学エッチング、放電機械加工、電気化学機械加工、および／またはスタンピングのうちの１つまたは複数を介して形成されてもよい。

ブロックは、付加製造プロセスから形成された単一物質ピースを含んでもよい。

入口および／または出口のうちの少なくとも１つは、二次熱伝達媒体の流れを複数の二次チャネルの各二次チャネルにまたはそこから通すように構成された周囲ヘッダ空洞を備えてもよい。

周囲ヘッダ空洞は、熱交換器の周縁の一部のみに沿って延在してもよい。

周囲ヘッダ空洞は、熱交換器の周縁全体に沿って延在してもよい。

入口および出口のうちの少なくとも１つは、一体型ヘッダを備えてもよい。

一体型ヘッダはフランジ付きヘッダであってもよい。

複数の二次チャネルは、複数のプレートを介してブロックから出てもよい。

複数の二次チャネルは、単一のプレートを介してブロックから出てもよい。

本発明の別の態様として、原子炉は、コアと、本明細書に記載されるようなブロック式熱交換器と、複数のヒートパイプとを備え、各ヒートパイプはコアから熱交換器の対応する一次チャネルに延在し、各ヒートパイプはコアから熱交換器の対応する一次チャネルに熱を伝達するように構成される。

本発明のこれらおよび他の目的、特徴、および特性、ならびに構造の関連する要素の動作および機能の方法、ならびに部品の組み合わせおよび製造の経済性は添付の図面を参照して以下の説明および添付の特許請求の範囲を考慮するとより明らかになり、添付の図面のすべては本明細書の一部を形成し、同様の参照番号は様々な図において対応する部品を示す。しかしながら、図面は例示および説明のみを目的とするものであり、本発明の限定の定義として意図されるものではないことを明確に理解されたい。

本発明のさらなる理解は添付の図面と併せて読めば、好ましい実施形態の以下の説明から得ることができる。

本発明の一実施例によるヒートパイプリアクタおよびブロック式熱交換器の一部の部分概略斜視図であり、ブロックに開口している周囲ヘッダ空洞が取り付けられており、内部通路および管状開口を可視化できるように、熱交換器の周辺部分が部分的に透明に示されている。

一体型ヘッダおよびフランジを有する、本発明の別の例示的な実施形態による別のブロック型熱交換器の図１と同様の図である。

図２の熱交換器のヘッダ領域の部分分解図である。

図２に示すような一体型ヘッダではなく、図１に示すような周囲ヘッダと結合するように構成されていることを除いて、図３に示す構成と同様のヘッダ領域の部分分解図である。

二次流体が単一のブロック層を通過して熱交換器に出入りする、本発明のさらに別の実施例による、さらに別のブロック式の熱交換器の図１および図２のものと同様の図である。

図５の熱交換器のヘッダ領域の部分分解図である。

本発明の実施形態は、ｓＣＯ２二次サイクルをヒートパイプリアクタに組み込むことを可能にするブロック式熱交換器の配置を提供する。ブロック型熱交換器は、一般に、（任意の好適な形の）物質のブロック（一般に、本明細書では「ブロック」と呼ばれる）から形成され、リアクタから来るヒートパイプのためのチャネルを、その中に画定／形成されるｓＣＯ２のためのより小さなチャネルと共に包含する。より小さなチャネルは、入口と出口との間に延び、ヒートパイプの周囲に配置され、ヒートパイプに沿って延びている。ブロックの熱交換器中央部は、薄い板金シムまたはプレートで構成されており、これらは、ヒートパイプチャネルおよびｓＣＯ２チャネルの両方のための貫通孔を含む。シムまたはプレートは、例えば、機械加工、レーザ切断、化学エッチング、ＥＤＭ（放電加工）、ＥＣＭ（電気化学加工）、スタンピング、または他の金属製造方法によって製造されてもよいが、これらに限定されない。ブロックの端部は、ｓＣＯ２チャネルがブロックの周辺上のヘッダに集まるように、ヒートパイプに垂直なｓＣＯ２流路を生成するために、同様のシムから作ることもでき、このシムは例えば、レーザ切断、機械加工、ＥＤＭ、ＥＣＭ、または化学的エッチングによって生成された穴およびチャネルを含む。熱交換器のプレート部分全体は、例えば拡散接合、ろう付け又は熱間静水圧プレスを用いて単一ブロックに接合される。熱交換器ヘッダは、個々のシムに切断／形成されたブロック内の内部チャンバ、スロット又はチャネル、又はメイン熱交換器ブロックの外部に取り付けられたチャンバであってもよい。

あるいは、本明細書に記載されるブロック型熱交換器は、大規模粉末床融合（ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）、指向性エネルギー堆積、バインダ噴射、超音波、摩擦撹拌および／またはハイブリッド付加製造を含む様々な付加製造技術（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）を使用して、全体または一部が製造されてもよい。本明細書で使用されるように、「および／または」という語句は、そのような語句によって分離された項目の一方または両方を意味するものとする（すなわち、Ａおよび／またはＢを含む何かは、Ａ単独、Ｂ単独、またはＡおよびＢの両方を含んでもよい）。

図１は、本発明の一実施例に従った、炉心４及び複数のヒートパイプ６を有し、各ヒートパイプ６がコア４からブロック式熱交換器１０に延びる、ヒートパイプ原子炉２の一部の概略斜視図を示す。熱交換器１０は、概して材料のブロック（図１の円筒形ブロックなど）として形成され、熱交換器１０の長手方向軸Ａに沿って概ね第１の方向に延在する、内部に画定された複数の一次チャネル１２を含む。一次チャネル１２の各々は、一般に、熱交換器１０を通して一次熱伝達媒体の流れを通すように構成された管状部材として形成される。図１に示す実施例では、各ヒートパイプ６がコア４から対応する一次チャネル１２まで延びている。各ヒートパイプ６は、コア６から熱交換器１０の対応する一次チャネル１２に熱を伝達するように構成されている。熱交換器１０はまた、物質のブロック内に画定された複数のより小さい二次チャネル１４を含み、それぞれの二次チャネル１４は、周囲入口ヘッダ１６と周囲出口ヘッダ１８との間で二次熱伝達媒体（例えば、ｓＣＯ２）を通すように構成されている。図１に図示した例では、各二次チャネル１４は、入口ヘッダ１６から第１の部分２０に沿って対応する一次チャネル１２に隣接して延びており、そこで二次チャネル１４は、第１の部分２０から、熱交換器１０の熱交換部分に亘って、一次チャネル１２に沿って配置される第２の部分２２に移行する。二次チャネル１４の各々の第２の部分２２は、対応する一次チャネル１２に近接してはいるが、隔離されている。本明細書で論じられる例から理解されるように、各二次チャネル１４の第２の部分２２は、一次チャネル１２に沿って延びる単一のチャネルで構成されていてもよく、または一次チャネル１２の周りに配置された複数の（すなわち、２つ以上の）サブチャネルであってもよい。熱交換器１０の熱交換部分の下端において、各二次チャネル１４は、第２の部分２２から、一次チャネル１２の近くから出口ヘッダ１８に延びる第３の部分２４に移行する。図１に示される例では、二次チャネル１４の第２の部分２２は、長手方向軸Ａに沿ってほぼ垂直に配置され、一方、二次チャネル１４の第１の部分２０および第３の部分２４は、軸Ａに対してほぼ垂直に（すなわち、ほぼ９０°で）配置される。しかしながら、二次チャネル１４の第１の部分２０および第３の部分２４は、本発明の範囲から変わることなく、第２の部分２２に対して任意の０度でない角度で配向されてもよいことが理解されるべきである。

引き続き図１を参照すると、周囲の入口ヘッダ１６及び出口ヘッダ１８は、図１の出口ヘッダ１８によって図示されているように、熱交換器１０の周囲全体に延在してもよく、又は図１の入口ヘッダ１６によって図示されているように、熱交換器１０の周囲に部分的にのみ延在してもよい。周囲ヘッダ１６及び１８は、別個のコンポーネントとして形成され、任意の適当な手段（例えば、これに限定されないが、機械的に又は溶接によって）を介して熱交換器１０に取り付けられてもよく、又は任意の適当な手段を介して熱交換器１０と一体的に形成されてもよい。

図２は、図１に示す周囲入口ヘッダ１６及び出口ヘッダ１８の代わりに一体型の入口ヘッダ１６及び出口ヘッダ１８を含む本発明の第２の実施形態による別の熱交換器１０を図示している。その他の全ての点では、図２に図示した熱交換器１０は図１に図示した熱交換器１０と同じである。

図３は図２の熱交換器１０の出口ヘッダ１８の一部の部分分解図を示し、隣接する一次チャネル１２から出口ヘッダ１８まで延在する二次チャネル１４の第３の部分２４を示し、二次チャネル１４の第２の部分２２は、本明細書でシムまたはプレートとも呼ばれるブロックセグメント２６の複数の層を横切る。図３の上側セグメント２８および下側セグメント３０は、熱交換部分の厚い部分として示されているが、セグメント２８および３０の各々は、互いに結合されたプレート２６の複数の層で構成されてもよく、好ましくは構成される。二次チャネル１４の各々は、任意の適切な機械加工プロセスによって、または化学エッチングもしくはレーザエッチングによって形成されてもよい。このような観点から、このような例では、各二次チャネル１４の第２の部分２２は、それぞれの一次チャネル１２の周囲に円周方向に間隔をあけて配置された複数の小さな導管又はサブチャネルによって構成されることが理解されるべきである。

図４は、図２および図３に示すような一体型ヘッダ１６、１８ではなく、図４の構成は図１に示すような周囲ヘッダ１６、１８と結合することができることを除いて、図３と同様の構成を示す。

図５及び図６は、二次チャネル１４の第３の部分２４を除いて、図３及び図４に示されているものと同様の配置を示しており、二次チャネル１４の第３の部分２４は、図３の配置に示されているような複数の層を通ってではなく、プレート２６の１つの層内にのみ画定され、その層内に延びている。このような例において、二次チャネル１４の第３の部分２４を収容する層２６は、二次熱伝達媒体の十分な容積を収容するために、プレート２６のその他の層よりもはるかに厚いことに留意されたい。

本明細書に記載される熱交換器構成は、ヒートパイプリアクタをｓＣＯ２二次サイクルに結合させるのに特に適しているが、この構成は一次流体が一次チャネル１２を横切り、二次流体が二次チャネル１４を横切る他の用途にも適用可能であることが理解されるべきである。様々なシム（すなわち、プレートまたはブロックセグメント）の製造および結合オプションにより、熱交換器サイズ、長さ、一次チャネルサイズ、二次チャネルサイズ、形状、および経路、ならびにヘッダサイズ、形状、および位置を含む、複数の設計特徴オプションが可能になる。あるいは、またはそれに加えて、熱交換器は、同様の層状アプローチで、粉末床溶融（ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、またはハイブリッドな付加製造を含む、様々な付加製造技術（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）を使用して製造されてもよいだろう。層状アプローチは、レーザ切断、ＣＮＣ（計算機数値制御）機械加工、成形プロセスおよびプレート積み重ねおよびハンドリング自動化プロセスのような製造中の自動化を可能にし、原子炉の自動製造を可能にする。

本発明の特定の実施形態を本明細書で詳細に説明したが、当業者であれば、本開示の全体的な教示に照らして、これらの詳細に対する様々な修正形態および代替形態を展開できることが理解されよう。したがって、開示された特定の実施形態は、例示的なものにすぎず、添付の特許請求の範囲およびその任意のおよびすべての均等物の全範囲が与えられる本発明の範囲を限定するものではないことが意図されている。

Claims (15)

1. 炉心から延びる複数のヒートパイプを有するヒートパイプリアクタと共に使用するための一体型ブロック式熱交換器であって、前記熱交換器は、
   各々が複数のヒートパイプのうち対応する１つを介して前記コアから伝達される熱を受け取るように構成された複数の一次チャネルであって、前記複数の一次チャネルは、１つまたは複数の材料のブロック内に画定され、各一次チャネルは、前記熱交換器の第１の端部から前記熱交換器の第２の端部まで前記熱交換器の長手方向軸に沿って第１の方向に延在する、前記複数の一次チャネルと、
   前記ブロック内で画定された複数の二次チャネルであって、各二次チャネルは、前記熱交換器の入口から出口へ、前記熱交換器を通って前記二次熱伝達媒体の流れを送るように構成されており、各二次チャネルは、
   前記入口から前記一次チャネルの少なくとも１つに隣接して延在する第１の部分と、
   前記一次チャネルのうちの前記少なくとも１つに近接しており、隔離されて熱交換に沿って延在し、熱交換器に位置する第２の部分と、
   前記第２の部分から前記出口まで延在する第３の部分と、を備え、
   前記第１の部分及び前記第２の部分の各々は、前記第２の部分に対して０度以外の角度で配置されている、前記複数の二次チャネルと、を備え、
   前記ブロックは、
   互いに接合された複数のプレートであって、各プレートが、前記複数の一次チャネルおよび／または前記複数の二次チャネルのうちの１つまたは複数の少なくとも一部を画定する前記複数のプレート、および／または
   付加製造プロセスから形成された単一の物質ピース、
   のうちの一方または両方を備える、熱交換器。
2. 前記二次チャネルのそれぞれの前記第２の部分は、複数の別個のサブチャネルを備え、前記サブチャネルのそれぞれは、前記一次チャネルの前記少なくとも１つの周囲に間隔を置いて配置され、前記二次チャネルの前記第１の部分と前記第３の部分との間に延在する、請求項１に記載の一体型ブロック式熱交換器。
3. 前記ブロックは、互いに接合された前記複数のプレートを備える、請求項１に記載の一体型ブロック式熱交換器。
4. 前記複数のプレートは、それらが一緒に結合される前に、またはそれらが一緒に結合されるときに、積み重ねて配置される、請求項３に記載の一体式ブロック型熱交換器。
5. 前記複数のプレートは、拡散接合、ろう付け、または熱間静水圧プレスのうちの１つまたは複数を介して互いに接合される、請求項３に記載の一体式ブロック型熱交換器。
6. 前記複数の一次チャネルおよび／または前記複数の二次チャネルのうちの前記１つまたは複数の前記一部が、機械加工、レーザ切断、化学エッチング、放電機械加工、電気化学機械加工、および／またはスタンピングのうちの１つまたは複数を介して形成される、請求項３に記載の一体式ブロック型熱交換器。
7. 前記ブロックは、前記付加製造プロセスから形成された前記単一物質ピースを含む、請求項１に記載の一体式ブロック型熱交換器。
8. 前記入口および／または前記出口のうちの少なくとも１つは、前記二次熱伝達媒体の前記流れを前記複数の二次チャネルの各二次チャネルにまたはそこから通すように構成された周囲ヘッダ空洞を備える、請求項１に記載の一体式ブロック型熱交換器。
9. 前記周囲ヘッダ空洞は、前記熱交換器の周縁の一部のみに沿って延在する、請求項８に記載の一体式ブロック型熱交換器。
10. 前記周囲ヘッダ空洞は、前記熱交換器の周縁全体に沿って延在する、請求項８に記載の一体式ブロック型熱交換器。
11. 前記入口および前記出口のうちの少なくとも１つは、一体型ヘッダを備える、請求項１に記載の一体式ブロック型熱交換器。
12. 前記一体型ヘッダは、フランジ付きヘッダである、請求項１１に記載の一体式ブロック型熱交換器。
13. 前記複数の二次チャネルは、複数のプレートを介して前記ブロックから出る、請求項３に記載の一体式ブロック型熱交換器。
14. 前記複数の二次チャネルは、単一のプレートを介して前記ブロックから出る、請求項３に記載の一体式ブロック型熱交換器。
15. 原子炉であって、
    コアと、
    ブロック型熱交換器であって、
    複数の一次チャネルであって、各一次チャネルは、複数のヒートパイプの対応する１つを介して前記コアから伝達される熱を受け取るように構成されており、前記複数の一次チャネルは、１つまたは複数の材料のブロック内に画定され、各一次チャネルは、前記熱交換器の第１の端部から前記熱交換器の第２の端部まで前記熱交換器の長手方向軸に沿って第１の方向に延在する、前記複数の一次チャネルと、
    前記ブロック内に画定された複数の二次チャネルであって、各二次チャネルは、前記熱交換器の入口から出口へ、前記熱交換器を通って二次熱伝達媒体の流れを通すように構成されており、各二次チャネルは、
    前記入口から前記一次チャネルの少なくとも１つに隣接して延在する第１の部分と、
    前記複数の一次チャネルのうちの前記少なくとも１つに近接しており、隔離されている熱交換に沿って延在し、熱交換器に位置する第２の部分と、
    前記第２の部分から前記出口に延びる第３の部分であって、前記第１の部分および前記第２の部分のそれぞれは、前記第２の部分に対して０度以外の角度で配置される、前記第３の部分と、を備える、
    前記複数の二次チャネルと、を備え、
    前記ブロックは、
    複数のプレートであって、互いに接合され、各プレートは前記複数の一次チャネルおよび／または前記複数の二次チャネルのうちの１つまたは複数の少なくとも一部を画定する前記複数のプレート、および／または
    付加製造プロセスから形成された単一の物質ピース、
    のうち一方または両方を備える、前記ブロック型熱交換器と、
    複数のヒートパイプであって、各ヒートパイプは前記コアから前記熱交換器の対応する一次チャネルまで延在し、前記複数のヒートパイプと、を備え、
    各ヒートパイプは前記熱交換器の前記コアから前記対応する一次チャネルに熱を伝達するように構成される、原子炉。

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