JP3524083B2 - 中間熱媒体を有するヘリカル型熱交換器 - Google Patents

中間熱媒体を有するヘリカル型熱交換器

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    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温熱媒体と低温
熱媒体との接触が許されない、例えば液体金属冷却炉に
おける液体金属−水系熱交換に効果的に使用できる熱交
換器に関し、更に詳しくは、高温熱媒体および低温熱媒
体の両方に対して化学的に不活性である中間熱媒体を介
して熱交換を行うようにした熱交換器に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】冷却材として例えば液体ナトリウムを用
いる液体金属冷却炉においては、高温のナトリウムが循
環するナトリウム系と水−蒸気系との間で熱交換が行わ
れるが、この熱交換器においては、伝熱管の損傷により
ナトリウムと水とが接触すると両者が激しく反応して大
事故につながる危険がある。
【０００３】伝熱管に万一損傷が生じた場合でも、ナト
リウムと水とが直ちに接触するのを防止する手段とし
て、ナトリウムおよび水のいずれとも反応しない安定物
質を介して熱交換を行う方法が、例えば特開昭５３−１
３１３９４号公報で提案されている。
【０００４】上記の従来技術において具体的に提案され
ている熱交換器は、伝熱管を外管と内管とからなる二重
管構造に成形し、内管内に水（低温熱媒体）を流通さ
せ、外管の外周にナトリウム（高温熱媒体）を流通さ
せ、内管と外管との間のアニュラス部に水およびナトリ
ウムのいずれとも反応しない安定物質（中間熱媒体）、
例えば水銀を充填し、安定物質を介して熱交換を行わせ
ている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術によ
れば、二重管構造の伝熱管の外管または内管の一方が損
傷した場合でも、中間熱媒体が介在しているため直ちに
ナトリウムと水とが接触するのを防止できるという効果
はあるものの、二重管構造は内管と外管との間の間隙が
比較的近接しているため内管と外管とが同時に損傷する
可能性も大きく、さらにはアニュラス部に介在する中間
熱媒体の充填量も少ないため、二重管構造が損傷してナ
トリウムと水とが接触する可能性を必ずしも十分に排除
することができない。
【０００６】さらには、伝熱管をすべて二重管構造とす
るため、構造的にも複雑となり、製造コストも高価なも
のとなる。
【０００７】そこで本発明の目的は、外管と内管とを二
重管構造として外管と内管との間に中間熱媒体を充填さ
せる従来の熱交換器よりも、ナトリウムと水とが直接接
触する可能性をより一層少なくできるとともに、二重管
構造に比べて構造が簡単で、製造コストも低減できる、
中間熱媒体を有する熱交換器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明の中間熱
媒体を有するヘリカル型熱交換器は、熱交換器の胴内
に、内部にアニュラス空間を有しかつ両端部が環壁によ
り閉じられている円筒状隔壁管の複数個を互いに間隔を
あけて同心状に配設し、前記各円筒状隔壁管のアニュラ
ス空間内にそれぞれヘリカルコイル状の伝熱管を配設
し、高温熱媒体を前記複数の円筒状隔壁管の間隙を通し
て熱交換器胴内に流通させ、低温熱媒体を前記各ヘリカ
ルコイル状伝熱管内に流通させ、高温熱媒体および低温
熱媒体の両方に対して化学的に不活性かつ熱伝達性能に
優れた中間熱媒体を前記各円筒状隔壁管内に流通させる
ことを特徴とする。
【０００９】かような構成の本発明の熱交換器によれ
ば、アニュラス空間を有する複数個の円筒状隔壁管内の
それぞれに、ヘリカルコイル状の伝熱管を配設する構造
であるため、伝熱管をすべて外管と内管の二重管構造と
する従来技術と比べて構造的に簡単で製造コストも低減
できる。
【００１０】さらに円筒状隔壁管の内壁面とヘリカルコ
イル状伝熱管との間の間隙は、従来の二重管構造の外管
と内管との間隙ほど近接させなくてよく、円筒状隔壁管
内の中間熱媒体も多量に介在させることができるため、
万一伝熱管または隔壁管が損傷した場合でも、隔壁管外
部の高温熱媒体（例えばナトリウム）と伝熱管内部の低
温熱媒体（例えば水）とが接触する可能性を極めて少な
くすることができる。
【００１１】さらにまた、熱伝達性能に優れた中間熱媒
体を隔壁管内に充填するだけでなく絶えず流通、流動さ
せているため、高温熱媒体から低温熱媒体への熱伝達性
能はほとんど損なわれることはない。
【００１２】本発明の好ましい実施例においては、各円
筒状隔壁管の対向する内壁面に、ヘリカルコイル状伝熱
管の間で互い違いに突出するように複数のバッフル板を
配設する。これによって、隔壁管内を流通する中間熱媒
体にジグザグ流をもたらすことができ、その結果、中間
熱媒体を介してなされる隔壁管外部の高温熱媒体と伝熱
管内部の低温熱媒体との間の熱交換がより一層効果的に
行われ、伝熱性能の向上を図ることができる。
【００１３】さらに、複数の円筒状隔壁管の間の間隙
に、スパイラル状のスペーサを配設することが望まし
い。これによって、隔壁管と隔壁管との間の高温熱媒体
の流路を確保でき、その結果、隔壁管外部の高温熱媒体
と隔壁管内部の中間熱媒体との間の熱交換が効果的に行
われ、伝熱性能の向上を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明によるヘリカル型
熱交換器の実施例の概念を示す縦断面図、図２は図１の
Ａ−Ａ線に沿う横断面図である。図１の熱交換器２０の
胴１内には、後述する複数の円筒状隔壁管および各円筒
状隔壁管内に配設されたヘリカルコイル状伝熱管からな
る管束部２１が配置されている。熱交換器２０の胴１の
頂部には高温熱媒体Ｘ（例えば液体ナトリウム）の入口
配管２が貫通して胴１内へ伸びており、高温熱媒体入口
３から流入した高温熱媒体Ｘがこの入口配管２を通って
胴１内に導かれ、管束部２１上部から管束部内を下方へ
向かって流れる間に熱交換がなされた後、管束部下方で
開口する高温熱媒体出口配管４に流入して上方へ導か
れ、高温熱媒体出口５から流出する。
【００１５】管束部２１の構造は、横断面図である図
２、および縦断面図である図３に詳細に図示されてい
る。すなわち図２および図３からわかるように、この管
束部は、内部がアニュラス空間とされた円筒状隔壁管６
の複数個が互いに間隔Ｓをあけて同心状に多重配列さ
れ、各隔壁管６のアニュラス空間内にはヘリカルコイル
状に巻かれた伝熱管７が納められた構造とされている。
【００１６】各隔壁管６の底部と頂部は環壁６ａ、６ｂ
により閉じられてアニュラス空間が形成され、各隔壁管
６はその下部と上部で下部連結管６ｃおよび上部連結管
６ｄで互いに連通、連結されている。各連結管６ｃ、６
ｄの端部は図１に示したように熱交換器２０の胴１外へ
導かれ、下部連結管６ｃ端部は中間熱媒体入口８、上部
連結管６ｄ端部は中間熱媒体出口９とされる。
【００１７】各隔壁管６内に配設されたヘリカルコイル
状伝熱管７は、その下端部７ａが隔壁管の底部環壁６ａ
を貫通して熱交換器胴１内に伸長し、その上端部７ｂが
隔壁管の頂部環壁６ｂを貫通して熱交換器胴１内に伸長
している。図示の実施例では、各隔壁管環壁６ａ、６ｂ
を貫通した複数の伝熱管７の下端部７ａと上端部７ｂ
は、図１に示したように、熱交換器胴１内で太い配管に
まとめられて胴外へ導かれ、それぞれ低温熱媒体入口１
０と低温熱媒体出口１１とされる。
【００１８】なお図１に示した実施例においては、中間
熱媒体入口８と出口９および低温熱媒体入口１０と出口
１１は、熱交換器胴１の左右２箇所に設けてある。この
ことは、１つの円筒状隔壁管６および１つのヘリカルコ
イル状伝熱管７の周方向にそれぞれ２箇所ずつ熱媒体出
入口を設ける構造を示している。中間熱媒体および低温
熱媒体の出入口を周方向に複数設けることにより、熱媒
体の流動抵抗が小さくなり、伝熱性能を向上させること
が可能となる。周方向の熱媒体出入口は図１の例のよう
に２箇所に限らず、３箇所以上設けることもできる。
【００１９】かような構造のヘリカル型熱交換器２０に
よれば、高温熱媒体入口３から入口配管２を通って胴１
内に流入した高温熱媒体Ｘは、同心状に多重配列した複
数の隔壁管６と隔壁管６の間の間隙Ｓを通って下方へ流
れた後、高温熱媒体出口配管４内に流入して上方に導か
れ、高温熱媒体出口５から流出する。低温熱媒体入口１
０から各ヘリカルコイル状伝熱管７に流入した低温熱媒
体Ｙ（例えば水）は伝熱管７内をらせん状に流れながら
上昇し、低温熱媒体出口１１から蒸気となって流出す
る。中間熱媒体入口８から流入する中間熱媒体Ｚは下部
連結管６ｃを通って各隔壁管６下部に導かれ、各隔壁管
６内を上方へ流れた後、上部連結管６ｄを介して中間熱
媒体出口９から流出する。かくして、隔壁管６外部を流
れる高温熱媒体Ｘと、伝熱管７内を流れる低温熱媒体Ｙ
は、隔壁管６内を流れる中間熱媒体Ｚを介して熱交換が
なされることになる。
【００２０】中間熱媒体Ｚとしては、高温熱媒体Ｘおよ
び低温熱媒体Ｙの両方に対して化学的に不活性で、熱伝
達性能の高い液体金属が好ましく使用でき、高温熱媒体
Ｘがナトリウム、低温熱媒体Ｙが水の場合には、例えば
液体鉛、液体ビスマス等が使用できる。中間熱媒体Ｚは
熱伝達性能の高いものを選択し、しかも隔壁管６内を流
通、流動させているため、高温熱媒体Ｘから低温熱媒体
Ｙへ効率よく熱を伝えることができる。
【００２１】図４は、管束部２１での伝熱性能をより一
層向上させるために好ましい実施例を示している。すな
わち、円筒状隔壁管６の対向する内壁面に複数のバッフ
ル板１２を突設してあり、これらのバッフル板１２はヘ
リカルコイル状伝熱管７の上下で互い違いに突出するよ
うにされている。かようなバッフル板１２により、隔壁
管６内を流通する中間熱媒体Ｚはジグザグ流となって流
れることになり、隔壁管６外部の高温熱媒体Ｘと伝熱管
７内部の低温熱媒体Ｙとの間の熱交換が中間熱媒体Ｚを
介してより一層効果的に行われ、伝熱性能の向上が図れ
る。
【００２２】さらに、図４に図示する実施例において
は、同心状に多重配列した複数の円筒状隔壁管６の間の
間隙Ｓに、スパイラル状のスペーサ１３を配設してあ
る。このスペーサ１３は、高速炉の燃料ピンと燃料ピン
の間の間隙を確保するためのスペーサワイヤと同様なも
のであり、同様な機能をもたらす。すなわち、スパイラ
ル状のスペーサ１３により複数の隔壁管６の間の高温熱
媒体Ｘの流路（すなわち間隔Ｓ）を確保でき、その結
果、隔壁管６外部の高温熱媒体Ｘと隔壁管６内部の中間
熱媒体Ｚとの間の熱交換が効果的に行われ、伝熱性能の
向上を図ることができる。
【００２３】本発明のヘリカル型熱交換器においては、
複数の円筒状隔壁管６の間の間隙Ｓを流通する高温熱媒
体Ｘは混合しない構造となっている。そのため、同心状
に多重配列されている複数の円筒状隔壁管６のうち、直
径の大きい外周側の隔壁管６内に配設したヘリカルコイ
ル状伝熱管７の巻き数と、直径の小さい内周側の隔壁管
６内に配設したヘリカルコイル状伝熱管７の巻き数とを
同じにした場合には、外周側の伝熱管７内の低温熱媒体
Ｙ流量が、内周側の伝熱管７内の低温熱媒体Ｙ流量より
多くなり、外周側と内周側で低温熱媒体Ｙに温度差が生
じることになる。従って、かような低温熱媒体Ｙの温度
差を生じさせないようにするためには、外周側と内周側
でヘリカルコイル状伝熱管７の巻き数を調整したり、伝
熱管７に流す低温熱媒体Ｙの流量を調整する必要があ
る。
【００２４】なお、上記した説明では、高温熱媒体とし
てナトリウムを、低温熱媒体として水を例に挙げて説明
したが、本発明の熱交換器は、ナトリウム−水系に限ら
ず、互いに接触が許されない高温熱媒体−低温熱媒体系
の熱交換器として広く適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】以上の説明からわかるように本発明によ
れば、同心状に多重配列した複数の円筒状隔壁管内のア
ニュラス空間に、それぞれヘリカルコイル状の伝熱管を
配設する構造としたため、外管と内管を１本ずつ一対と
して二重管構造とする構造と比べて構造が簡単で製造コ
ストも低減することができる。
【００２６】また、二重管構造ほどに外管と内管との間
隙を近接させなくてすみ、多量の中間熱媒体を隔壁管内
に介在させることができるから、万一伝熱管または隔壁
管が損傷した場合でも、隔壁管外部の高温熱媒体（例え
ばナトリウム）と伝熱管内部の低温熱媒体（例えば水）
とが接触する可能性を極めて少なくすることができる。
【００２７】さらに、熱伝達性能に優れた中間熱媒体を
隔壁管内に充填するだけでなく絶えず流通、流動させて
いるため、高温熱媒体から低温熱媒体へ効率よく熱を伝
えることができる。
【００２８】さらにまた、隔壁管内面に互い違いに突出
するバッフル板を配設する構成や、複数の隔壁管の間の
間隙にスパイラル状のスペーサを配設する構成とするこ
とにより、伝熱性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるヘリカル型熱交換器の実施例の
概念を示す縦断面図。
【図２】 図１のＡ−Ａ線に沿う管束部の横断面図。
【図３】 図１の管束部の縦断面図。
【図４】 本発明のヘリカル型熱交換器の実施例を示す
部分拡大縦断面図。
【符号の説明】
１： 熱交換器の胴 ３： 高温熱媒体入口 ５： 高温熱媒体出口 ６： 円筒状隔壁管 6a,6b： 隔壁管の環壁 6c,6d： 隔壁管の連結管 ７： ヘリカルコイル状伝熱管 7a,7b： 伝熱管の端部 ８： 中間熱媒体入口 ９： 中間熱媒体出口 １０： 低温熱媒体入口 １１： 低温熱媒体出口 １２： バッフル板 １３： スパイラル状スペーサ ２０： 熱交換器 Ｓ： 隔壁管の間の間隙 Ｘ： 高温熱媒体 Ｙ： 低温熱媒体 Ｚ： 中間熱媒体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−273089（ＪＰ，Ａ) 特開2000−130965（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−89598（ＪＰ，Ａ) 特開2000−297990（ＪＰ，Ａ) 特開2000−292078（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−256524（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−260788（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−125151（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−112870（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F28D 7/10 F22B 1/06 F28D 7/02 G21C 15/02 G21D 1/00 GDF

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱交換器の胴内に、内部にアニュラス空
    間を有しかつ両端部が環壁により閉じられている円筒状
    隔壁管の複数個を互いに間隔をあけて同心状に配設し、
    前記各円筒状隔壁管のアニュラス空間内にそれぞれヘリ
    カルコイル状の伝熱管を配設し、高温熱媒体を前記複数
    の円筒状隔壁管の間隙を通して熱交換器胴内に流通さ
    せ、低温熱媒体を前記各ヘリカルコイル状伝熱管内に流
    通させ、高温熱媒体および低温熱媒体の両方に対して化
    学的に不活性かつ熱伝達性能に優れた中間熱媒体を前記
    各円筒状隔壁管内に流通させることを特徴とする中間熱
    媒体を有するヘリカル型熱交換器。
  2. 【請求項２】 前記各円筒状隔壁管の対向する内壁面
    に、ヘリカルコイル状伝熱管の間で互い違いに突出する
    ように複数のバッフル板を配設したことを特徴とする請
    求項１に記載の中間熱媒体を有するヘリカル型熱交換
    器。
  3. 【請求項３】 前記複数の円筒状隔壁管の間の間隙に、
    スパイラル状のスペーサを配設したことを特徴とする請
    求項１または２に記載の中間熱媒体を有するヘリカル型
    熱交換器。
  4. 【請求項４】 前記各ヘリカルコイル状伝熱管の両端部
    をそれぞれ前記円筒状隔壁管の両端部環壁を貫通、伸長
    させて熱交換器胴外へ導きそれぞれ低温熱媒体の入口と
    出口としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１
    項に記載の中間熱媒体を有するヘリカル型熱交換器。
  5. 【請求項５】 前記各円筒状隔壁管の両端部環壁近傍を
    それぞれ連結管で互いに連通、連結し、各連結管の端部
    を前記熱交換器胴外へ導きそれぞれ中間熱媒体の入口と
    出口としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１
    項に記載の中間熱媒体を有するヘリカル型熱交換器。
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