JP6040625B2 - 空冷式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、空冷式熱交換器に関するものである。

従来から、原子力発電所や火力発電所等では、空冷式熱交換器が用いられている。この熱交換器は、例えば、特許文献１に示すように、被冷却材が流れる管束と、この管束の下方に配置されるファン装置とを備えており、ファン装置から管束に向けて送風を行うことで被冷却材の冷却を行う。特に、原子力発電所においては、工学的安全設備の冷却系統の多様性が求められており、従来の海水冷却系に加えて、空冷式熱交換器を併設することが強く求められている。

実開平３−１２１３７８号公報

従来、原子力発電所に設置される工学的安全設備には、最大でおよそ水平地震力１Ｇ、上下地震力０．５Ｇ程度の荷重に耐えられる耐震性能を有した設計がされている。これは、水平地震力０．３Ｇ程度の耐震性能を有する一般産業仕様の設備を補強することによって実現することが可能であった。ところが、近年発生した大地震からのフィードバック、地震活動調査や活断層再調査で得られたデータを踏まえ、原子力発電所に設置される工学的安全設備の耐震性能をさらに向上させることが求められている。現在のところ、今後要求される耐震性能の具体的な数値は決定されていないものの、水平地震力２〜２．５Ｇ、上下地震力１〜１．５Ｇという極めて大きな荷重に耐えうる耐震性能が要求されるものと想定される。

また、従来の安全評価手法では、上下方向の地震力については静的地震力であるものとして応答解析を行い、これによって得られた解析結果に基づいて静的安全評価を行っている。しかしながら、近年発生した、水平・上下同時地震動を考慮した厳密な評価手法を確立するために、上下方向の地震力についても、水平方向の地震力と同様に動的地震力を考慮することが考えられている。このように動的地震力を考慮すると、局所的により大きな荷重が作用し、変位の拡大によって動的機能維持という課題がでる場合も考えられ、より高い耐震性能が要求されることになる。

さらに、原子力発電所に設置される設備では、規格によって要求される耐震性能を満足するのみならず、上記耐震性能に対してどの程度の余裕を有するのかが重要となる。このため、実際に設備に要求される耐震性能はさらに高いものとなる。

したがって、原子力発電所の工学的安全設備に空冷式熱交換器を設置する場合には、より高い耐震性能が要求されることになるが、このような耐震性能は、従来のような一般産業仕様の設備を補強することで対応できるものではない。

例えば、管束は、平行に配列される複数の伝熱管と、これらの伝熱管を支持する伝熱管フレームと、これらの伝熱管の両端に各々設置されるヘッダとを備えている。複数の伝熱管の中を流れる被冷却材は、ヘッダにおいて集められており、ヘッダ内部を流れる。このような２つのヘッダは、１つが伝熱管フレームにボルト締めによって固定され、伝熱管フレームを介して強度部材である支持架構に支持されている。また、もう１つが伝熱管の熱伸縮を阻害しないように伝熱管フレームに固定しないで設置される。従来においては、ヘッダと伝熱管フレームとを締結するボルトのサイズを大きくしたり、本数を増やしたりすることによって、原子力発電所において要求される耐震性能を十分に満足することができた。

よって、新たな耐震性能が想定する水平荷重に耐えるために、従来のような一般産業仕様の設備を補強するという観点から、さらに上記ボルトのサイズを大きくしたり、数を増大させたりすることも考えられる。しかしながら、設置スペースの制約もあり、これ以上のボルトのサイズアップや本数増加は難しい。また、ボルトの周囲にも大きな応力が発生することから、伝熱管フレームの設計変更も必要となる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、管束の耐震性能を向上させ、空冷式熱交換器の耐震性能をさらに向上させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、被冷却材が流れる管束を支持する支持架構と、上記管束に向けて送風するファン装置とを備える空冷式熱交換器であって、上記管束が、内部が上記被冷却材の流路とされた複数の伝熱管と、複数の伝熱管の端部に接続されると共に、上記支持架構上に立設するための脚部を有するヘッダとを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記ヘッダとして、上記伝熱管の一方の端部が接続されると共に上記支持架構に対して固定される第１ヘッダと、上記伝熱管の他方の端部が接続されると共に上記支持架構に対してスライド可能に支持される第２ヘッダとを備えるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記ヘッダが、上記脚部を複数備えるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記脚部が、等間隔にて直線状に配列されているという構成を採用する。

本発明によれば、管束が備えるヘッダが、管束自体を支持する強度部材である支持架構に対して立設するための脚部を備えている。このため、ヘッダを脚部によって支持架構に固定することができる。よって、地震による水平荷重を直接支持架構に伝達することができ、管束の他の構成部材（例えば、伝熱管や当該伝熱管を支持する伝熱管フレーム）に生じる応力を低減させることができる。したがって、本発明によれば、管束の耐震性能を向上させ、空冷式熱交換器の耐震性能をさらに向上させることができる。

また、上述のような脚部は、耐震性の向上のために新たに設ける部材であることから、他の部材による制約を受けることなく、設置数や形状等を設定することができる。このため、地震の水平荷重による応力を分散させるために脚部を多数設置したり、大径のボルトを多数設置できるような形状としたりすることができ、管束の耐震性能をより向上させることができる。例えば、脚部を等間隔で直線状に配列した場合には、各脚部に作用する荷重を均等に分散することができ、管束に対して局所的に大きな応力が発生することを防止することができる。

また、上述のように脚部の設置数や形状を適切に選択することにより、脚部と支持架構との固定によって十分な耐震性能を満足できると考えられる。このため、本発明によれば、ヘッダを支持架構のみに固定する構成を採用することができ、例えばヘッダを伝熱管フレームに固定しない構成を採用することができる。これによって、伝熱管フレームを軽量化することができ、さらに耐震性能を向上させることも可能となる。

また、伝熱管の両端部の各々に接続されるヘッダのうち、一方の端部に接続されるヘッダのみを支持架構に固定することによって、伝熱管の熱伸縮を許容することができ、伝熱管への負荷を減らすことができる。このような場合であっても、ヘッダが支持架構に対して脚部によって立設していることから、地震による水平荷重を直接支持架構に伝達することができ、十分な耐震性能を実現することができる。

本発明の一実施形態の空冷式熱交換器を示す全体図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図、（ｃ）が側面図である。 本発明の一実施形態の空冷式熱交換器が備えるベイを示す全体図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図、（ｃ）が側面図である。 本発明の一実施形態の空冷式熱交換器が備える管束の斜視図である。 本発明の一実施形態の空冷式熱交換器が備える管束の縦断面の模式図である。 本発明の一実施形態の空冷式熱交換器が備える第１ヘッダの斜視図である。 本発明の一実施形態の空冷式熱交換器が備える第１ヘッダに対して水平荷重を作用させたときの応力解析結果を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る空冷式熱交換器の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。なお、以下においては、本実施形態の空冷式熱交換器が原子力発電所に設置され、原子炉等を冷却することによって加熱された冷却水を冷却する場合の例について説明する。ただし、本発明は、これに限られるものではなく、冷却水に限られない他の被冷却材を冷却する設備として用いることが可能である。

図１は、本実施形態の空冷式熱交換器１の全体を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図、（ｃ）が側面図を示している。なお、以下の説明においては、図１に示すように、空冷式熱交換器１の長手方向（図１（ａ）の左右方向）をＸ方向、空冷式熱交換器１の短手方向（図１（ｂ）の上下方向）をＹ方向、空冷式熱交換器１の高さ方向（図１（ｂ）の上下方向）をＺ方向とする。

空冷式熱交換器１は、２つのファン装置７等を備えるベイ（図１では符号３で示すユニット）と称する単位ユニットを複数備えている。図１に示すように、空冷式熱交換器１は、基礎２と、当該基礎２上においてＸ方向に複数（本実施形態では８つ）配列されるベイ３と、作業者がベイ３にアクセスするための階段４とを備えている。なお、基礎２は、空冷式熱交換器１専用の基礎であっても良いし、また空冷式熱交換器１を格納する建屋の床部であっても良い。

図２は、各ベイ３の全体を示す図であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が正面図であり、（ｃ）が側面図である。なお、図２（ａ）では、図１（ａ）と異なり、上下方向が上記Ｙ方向で、左右方向が上記Ｘ方向を示している。また、図２（ｂ）では、図１（ｂ）と異なり、左右方向が上記Ｙ方向を示している。また、図２（ｃ）では、図１（ｃ）と異なり、左右方向がＸ方向を示している。また、図２（ａ）においては、後述するルーバユニット１０を省略している。

図２に示すように、ベイ３は、支持架構５と、管束６と、ファン装置７と、ファン駆動機構支持部８（支持手段）と、プレナム９と、ルーバユニット１０とを備えている。支持架構５は、基礎２にボルト締めによって立設される複数の主柱５ａと、複数の主柱５ａによって支持され、支持架構５の上部を構成する床梁５ｂと、主柱５ａに支持されると共に床梁５ｂの下部にて水平に架設される梁５ｃ（梁材）と、主柱５ａに対して床梁５ｂや梁５ｃを固定する立面ブレース５ｄとを備えている。なお、図１に示すように、主柱５ａ、床梁５ｂ及び梁５ｃが、隣合うベイ３において共通化されており、空冷式熱交換器１は、上述のように主柱５ａ、床梁５ｂ及び梁５ｃが一体化された単一の支持架構５を備えている。このように一体化された支持架構５は、主柱５ａ及び床梁５ｂ、梁５ｃ及び立面ブレース５ｄから構成されるラーメン構造及びトラス構造を有する構造体であり、管束６と、ファン装置７と、プレナム９と、ルーバユニット１０とを支持する。なお、梁５ｃの高さは、梁５ｃの下方に対して、後述のファン装置７のファン７ｄに対して十分な空気が供給される広い空間が形成されるように設定されている。

管束６は、図２に示すように、１つのベイ３において、支持架構５の床梁５ｂ上に２基載置されている。図３は、管束６の斜視図である。また、図４は、管束６の縦断面を模式的に示した図である。これらの図に示すように、各管束６は、複数の伝熱管６ａと、伝熱管フレーム６ｂと、ヘッダ６ｃと、伝熱管サポート６ｄと、ボルト６ｅから構成されている。

各伝熱管６ａは、内部が冷却水の流路とされた直線状の配管であり、配管壁面に対して鍔状の放熱用フィンが多数設置されたフィンチューブである。このような伝熱管６ａは、冷却水の流通方向をＹ方向に向けた水平姿勢となるように伝熱管フレーム６ｂに支持されており、各端面が異なるヘッダ６ｃに接続されている。このような伝熱管６ａは、束ねられて複数設置されている。なお、図４に示すように、本実施形態においては、伝熱管６ａは、高さ方向（Ｚ方向）に４段分設置されている。伝熱管フレーム６ｂは、複数の伝熱管６ａを熱伸縮が可能なように支持すると共に、支持架構５の床梁５ｂに対してボルト締めによって固定されている。

ヘッダ６ｃは、伝熱管６ａの両端側に各々設置されている。各ヘッダ６ｃは、断面が略Ｄ型の中空部材であり、平面状の壁面部である管板に対して全ての伝熱管６ａの一端が拡管や溶接等によって固定されている。なお、以下の説明では、図３及び図４に示すように、一方のヘッダ６ｃを第１ヘッダ６ｃ１、もう一方のヘッダ６ｃを第２ヘッダ６ｃ２とする。

図５は、第１ヘッダ６ｃ１の斜視図である。この図に示すように、第１ヘッダ６ｃ１は、胴部２０と、複数の脚部２１と、冷却水入口配管２２と、冷却水出口配管２３とを備えている。胴部２０は、断面が略Ｄ形状の配管である。この胴部２０は、図４に示すように、内部空間を上下方向に３つに分割する仕切板２４を有している。この仕切板２４によって、胴部２０の内部空間は、最上段（第１段）の伝熱管６ａに接続する上部領域２０ａと、第２段及び第３段の伝熱管６ａに接続する中間領域２０ｂと、最下段（第４段）の伝熱管６ａに接続する下部領域２０ｃとに分割されている。

脚部２１は、胴部２０の外周面に溶接等によって固定されており、図５に示すように、支持架構５の床梁５ｂに対して複数のボルト６ｅによって締結されている。このような脚部２１は、本実施形態においては、４つ設けられており、直線状に配列されている。冷却水入口配管２２は、胴部２０の外周面に対して突設されており、上部領域２０ａに接続されている。この冷却水入口配管２２は、外部から供給される冷却水を第１ヘッダ６ｃ１の内部に導入するための配管であり、２つ設置されている。冷却水出口配管２３は、下部領域２０ｃに接続されている。この冷却水出口配管２３は、胴部２０の内部から外部に冷却水を排水するための配管であり、２つ設置されている。

第２ヘッダ６ｃ２は、Ｘ方向に向く対称軸を挟んで第１ヘッダ６ｃ１の対称形状とされている。この第２ヘッダ６ｃ２の胴部２０の内部空間は、図４に示すように、仕切板２４によって、最上段と第２段との伝熱管６ａに接続する上部領域２０ｄと、第３段と最下段の伝熱管６ａに接続する下部領域２０ｅとに分割されている。また、第２ヘッダ６ｃ２においては、第１ヘッダ６ｃ１において冷却水入口配管２２として用いられた配管は、ベント管として用いられる。また、第２ヘッダ６ｃ２においては、第１ヘッダ６ｃ１において冷却水出口配管２３として用いられた配管は、ドレイン管として用いられる。

また、第２ヘッダ６ｃ２の脚部２１は、図３及び図４に示すように、支持架構５に対して固定されていない。これによって第２ヘッダ６ｃ２は、Ｙ方向にスライド可能なように、支持架構５上の床梁５ｂに支持されている。すなわち、本実施形態においては、第１ヘッダ６ｃ１が支持架構５に対して固定されており、第２ヘッダ６ｃ２が支持架構に対してスライド可能に支持されている。

図３に示すように、伝熱管サポート６ｄは、伝熱管フレーム６ｂに固定されており、束ねられた伝熱管６ａが崩れないよう、伝熱管６ａの集合体を上下から挟み込むように複数設置されている。

図２に戻り、ファン装置７は、管束６の下方に配置され、Ｙ方向に配列されて２台設置されている。各ファン装置７は、モータ７ａと、減速機７ｂと、ファン軸７ｃと、ファン７ｄと、ファンリング７ｅとを備えている。このようなファン装置７では、モータ７ａで生成された回転動力が減速機７ｂ及びファン軸７ｃを介してファン７ｄに伝達されることによってファン７ｄが回転駆動され、これによって管束６に向けて送風する。

ファン駆動機構支持部８は、支持架構５と別体とされて、ファン装置７のファン７ｄとファン駆動機構（モータ７ａ、減速機７ｂ及びファン軸７ｃ）を支持しており、ファン７ｄ及びファン駆動機構の重量を受けている。なお、ファンリング７ｅは、支持架構５の梁５ｃによって支持されている。

プレナム９は、各ファン装置７と管束６との間に設置されており、支持架構５によって支持されている。各プレナム９は、ファンリング７ｅの上端面と管束６の下面とに接続されており、ファンリング７ｅから管束６に向けて拡径されたリング状部材である。これらのプレナム９は、ファン装置７から送り出された空気流を管束６に向けて案内する。

ルーバユニット１０は、Ｘ方向を向く回動軸を中心として回動されるＹ方向に配列される複数のルーバと、これらのルーバを軸支すると共に管束６に固定されるルーバフレームと、ルーバを回動させるアクチュエータ等を備えている。このようなルーバユニット１０は、ルーバの回動角度を調節することによって空気流の流路面積を調節し、これによって空気流の流量を調節する。このようなルーバユニット１０は、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、管束６ごとに設置されており、各管束６上に載置されている。

このような構成を有する本実施形態の空冷式熱交換器１では、ファン装置７のモータ７ａによって回転動力が生成されると、この回転動力が減速機７ｂ及びファン軸７ｃを介して、ファン７ｄに伝達される。これによってファン７ｄが回転駆動され、下方から上方に向かう空気流が形成される。ファン装置７によって形成された空気流は、プレナムに案内されて管束６の下面に供給され、伝熱管６ａを通過するときに、伝熱管６ａの中を流れる冷却水の熱を奪う。これによって、伝熱管６ａを流れる冷却水と、ファン装置７によって形成された空気流との間で熱交換が行われ、冷却水が冷却される。

次に、上述のような本実施形態の空冷式熱交換器１の作用及び効果について説明する。本実施形態の空冷式熱交換器１では、管束６が備えるヘッダ６ｃが、管束６自体を支持する強度部材である支持架構５に対して立設するための脚部２１を備えている。このため、ヘッダ６ｃを脚部２１によって支持架構５に固定することができる。よって、地震による水平荷重を直接支持架構５に伝達することができ、管束６の他の構成部材である伝熱管フレーム６ｂ等に生じる応力を低減させることができる。したがって、本実施形態の空冷式熱交換器１によれば、管束６の耐震性能を向上させ、さらには空冷式熱交換器１の耐震性能をさらに向上させることができる。

また、上述のような脚部２１は、耐震性の向上のために新たに設ける部材であることから、他の部材による制約を受けることなく、設置数や形状等を設定することができる。このため、地震の水平荷重による応力を分散させるために脚部を多数設置したり、大径のボルトを多数設置できるような形状としたりすることができ、管束の耐震性能をより向上させることができる。例えば、本実施形態のように、脚部２１を４つ設置した場合には、地震の水平荷重が４つの脚部２１に分散するため、各脚部２１に生じる応力を低減させ、局所的に大きな応力が生じることを防止することができる。図６は、第１ヘッダ６ｃ１に対して水平荷重を作用させたときの応力解析結果を示す模式図である。この図に示すように、脚部２１に対して分散して応力が発生し、局所的に高い応力が発生していないことが確認できる。

また、上述のように脚部２１を複数設置することにより、脚部２１と支持架構５との固定によって十分な耐震性能を満足できると考えられる。このため、本実施形態の空冷式熱交換器１によれば、ヘッダ６ｃを支持架構５のみに固定する構成を採用することができ、ヘッダ６ｃを伝熱管フレーム６ｂに固定しない構成を採用することができる。これによって、伝熱管フレーム６ｂを軽量化することができ、さらに耐震性能を向上させることが可能となる。

また、２つのヘッダ６ｃのうち、第１ヘッダ６ｃ１のみを支持架構５に固定することによって、伝熱管６ａの熱伸縮を許容することができ、伝熱管６ａへの負荷を減らすことができる。このような場合であっても、ヘッダ６ｃが支持架構５に対して脚部２１によって立設していることから、地震による水平荷重を直接支持架構５に伝達することができ、十分な耐震性能を実現することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、ファンリング７ｅを支持架構５によって支持する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ファン駆動機構支持部８によってファンリング７ｅを支持するようにしても良い。これによって、ファンリング７ｅとファン７ｄとが同一部材（ファン駆動機構支持部８）によって支持されることになるため、外部振動に対してファンリング７ｅとファン７ｄとが同相にて移動され、ファンリング７ｅとファン７ｄとが干渉することを防止することができる。

また、上記実施形態においては、第１ヘッダ６ｃ１を伝熱管フレーム６ｂに固定しない構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第１ヘッダ６ｃ１を伝熱管フレーム６ｂに固定することも可能である。

また、上記実施形態において、複数の脚部２１を等間隔に配列することも可能である。これによって、全ての脚部２１において、生じる応力をより均等に近づけることが可能となる。

また、上記実施形態において、支持架構５に対して第２ヘッダ６ｃ２を案内するためのガイドレール等を設置しても良い。これによって、伝熱管６ａが熱伸縮するときに、第２ヘッダ６ｃ２を安定して支持架構５に対してスライドさせることが可能となる。

１……空冷式熱交換器、２……基礎、３……ベイ、４……階段、５……支持架構、５ａ……主柱、５ｂ……床梁、５ｃ……梁、５ｄ……立面ブレース、６……管束、６ａ……伝熱管、６ｂ……伝熱管フレーム、６ｃ……ヘッダ、６ｃ１……第１ヘッダ、６ｃ２……第２ヘッダ、６ｄ……伝熱管サポート、６ｅ……ボルト、７……ファン装置、７ａ……モータ、７ｂ……減速機、７ｃ……ファン軸、７ｄ……ファン、７ｅ……ファンリング、８……ファン駆動機構支持部、９……プレナム、１０……ルーバユニット、２０……胴部、２０ａ……上部領域、２０ｂ……中間領域、２０ｃ……下部領域、２０ｄ……上部領域、２０ｅ……下部領域、２１……脚部、２２……冷却水入口配管、２３……冷却水出口配管、２４……仕切板

Claims (4)

1. 被冷却材が流れる管束を支持する支持架構と、前記管束に向けて送風するファン装置と
   を備える空冷式熱交換器であって、
   前記管束は、
   内部が前記被冷却材の流路とされた複数の伝熱管と、
   複数の伝熱管の端部に接続されると共に、前記支持架構上に立設するための脚部を有す
   るヘッダと
   を備え、
   前記ヘッダは、前記伝熱管に接続される胴部と、胴部を下方及び側方から支持する前記脚部とを有する
   ことを特徴とする空冷式熱交換器。
2. 前記ヘッダとして、
   前記伝熱管の一方の端部が接続されると共に前記支持架構に対して固定される第１ヘッ
   ダと、
   前記伝熱管の他方の端部が接続されると共に前記支持架構に対してスライド可能に支持
   される第２ヘッダと
   を備えることを特徴とする請求項１記載の空冷式熱交換器。
3. 前記ヘッダは、前記脚部を複数備えることを特徴とする請求項１または２記載の空冷式
   熱交換器。
4. 前記脚部が、等間隔にて直線状に配列されていることを特徴とする請求項３記載の空冷
   式熱交換器。

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