JPH06323777A - 熱交換器とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱交換器を大型化または内部の伝熱管本数を
増加させることなく熱交換器容量を増大させ、さらに内
管及び外管と多孔質金属との密着性を回復させて伝熱性
能を良好とせしめる熱交換器を提供することを目的とす
る。 【構成】 本発明に係る熱交換器は内管５と外管３とそ
の間隙に多孔質金属４を配設して成る二重管型伝熱管２
内を流通する流体の漏洩を上記内管５と外管３との間隙
を通じて検知する漏洩検知手段を備えた熱交換器におい
て、前記二重管型伝熱管２がヘリカル型二重伝熱管５２
であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は蒸気発生器に用いられる
二重管型伝熱管を有する熱交換器とその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高速増殖炉、例えば、二重冷却
系を採用したタンク型高速増殖炉は、以下のような構成
となっている。原子炉容器内には冷却材（例えば、液体
金属ナトリウム）、及び炉心が収容されている。炉心
は、複数の燃料集合体及び制御棒等から構成されてい
る。上記冷却材は、炉心を上方に向かって流通し、その
際炉心の核反応熱により昇温する。昇温した冷却材は、
炉心の上方に流出して、原子炉容器内に設置された中間
熱交換器内に流入する。この中間熱交換器にて二次冷却
材と熱交換して冷却され中間熱交換器の外に流出する。
そして、再度炉心を上方に向かって流通する。

【０００３】一方、前記中間熱交換器にて熱交換して昇
温した二次側冷却材は、原子炉容器の外側に配置された
蒸気発生器内に導入され、給水系と熱交換して冷却され
る。冷却された二次側冷却材は再度中間熱交換器に移送
される。また、上記熱交換により発生した蒸気は、ター
ビン系に移送されて発電に供される。

【０００４】蒸気発生器としては、通常竪型であって、
上下部にそれぞれ管板を有するシェル・アンド・チュー
ブ型の熱交換器が採用されており、特に、安全性の向上
を図るべく、二重管型伝熱管を採用したものが使用され
る。

【０００５】そこで、上記二重管型伝熱管を採用した蒸
気発生器の構成を図５乃至図７を参照して説明する。図
５は蒸気発生器の全体構成を示す縦断面図であり、図５
において、外胴１内には二重管型伝熱管２が複数体配設
されている。この二重管型伝熱管２は図６及び図７に示
すように、外管３及びこの外管３の内周側に多孔質金属
４を介して配設された内管５とから構成されたものであ
る。ここで多孔質金属４を配置するのは以下の理由によ
る。すなわち従来は、内管５と外管３とを機械的に略密
着させた状態で構成していた。そして、内管５または外
管３が破損した場合、例えば内管５が破損した場合に
は、内管５内を流通する水・蒸気が該破損箇所から内管
５及び外管３との間の微小隙間に流出し、そこから二重
管型伝熱管２の上方または下方に流通する。これを検出
することにより上記内管５の破損を検出する。ところ
が、内管５及び外管３との間の微小隙間は流路抵抗が大
きく、よって流出した水・蒸気が検出部に至るまでに長
時間を要し、破損の検出が遅れてしまうこととなる。そ
こで流路抵抗の比較的小さい上記多孔質金属４を配置し
て破損の検出の早期化を図るものである。また多孔質金
属の材質としては例えば熱伝達性能を考慮して銅が使用
されている。

【０００６】前記内管５は図５に示すように、その上端
及び下端を管板６及び管板７によって支持されている。
一方、前記外管３はその上下端を中間管板８及び管板７
によって支持されている。前記外胴１の下端には水入口
プレナム９が形成されており、この水入口プレナム９に
は水流入口１０が連通されている。この水流入口１０に
は図示しない水流入配管が接続される。また、上記水入
口プレナム９を囲包する鏡板９ａにはマンホール１１が
設置されている。一方、外胴１の上端には蒸気出口プレ
ナム１２が形成されており、この蒸気出口プレナム１２
には蒸気流出口１３が連通されている。この蒸気流出口
１３には図示しない蒸気流配管が接続される。また、蒸
気出口プレナム１２を囲包する鏡板１２ａにはマンホー
ル１４が設置されている。

【０００７】外胴１の前記管板８の下方側には冷却材入
口プレナム１５が形成されており、この冷却材入口プレ
ナム１５には冷却材流入口１６が連通されている。この
冷却材流入口１６には図示しない冷却材流入配管が接続
される。また、前記冷却材入口プレナム１５内には伝熱
管束部２５に流入するための入口窓２０が形成されてい
る。

【０００８】一方、外胴１の前記管板７の上方側には、
冷却材出口プレナム１７が形成されており、この冷却材
出口プレナム１７には冷却材流出口１８が連通されてい
る。この冷却材流出口１８には図示しない冷却材流出配
管が接続される。また、前記冷却材出口プレナム１７内
には伝熱管束部２５から冷却材が流出するための出口窓
２１が形成されている。なお、外胴１の中央部にはベロ
ーズ１９が介挿され外胴１と二重管型伝熱管２の熱膨張
差を吸収する。

【０００９】さらに、上記管板６と中間管板８との間に
は中間プレナム２２が形成され、この中間プレナム２２
にはリーク検出ノズル２３が連通されている。このリー
ク検出ノズル２３には図示しないリーク検出部が接続さ
れている。

【００１０】上記構成によると、まず高温の冷却材は、
図５において矢印Ａで示されるように冷却材流入口１６
を介して冷却材入口プレナム１５内に流入し、入口窓２
０により伝熱管束部２５に流入する。そして、二重管型
伝熱管２の外側を流下して矢印Ｃで示されるように出口
窓２１を介して冷却材出口プレナム１７内に流入する。
一方、水は図５における矢印Ｂで示されるように、水流
入配管及び水流入口１０を介して水入口プレナム９内に
流入する。その際、二重管型伝熱管２の外側を流下する
冷却材と熱交換して昇温して蒸気となる。この蒸気は矢
印Ｄで示されるように蒸気出口プレナム１２内に流出
し、蒸気流出口１３及び蒸気流出配管を介して図示しな
いタービン系に移送されて発電に供する。

【００１１】上記構成において、二重管型伝熱管２の破
損検出は以下のようにしてなされる。まず図６に示され
るように、内管５にクラック等が発生して水・蒸気がリ
ークした場合であるが、この場合にはリークした水・蒸
気は多孔質金属４を介して上方または下方に流通する。
そして、上方に流通した水・蒸気は管板６及び中間管板
８との間に形成された中間プレナム２２内に流入し、リ
ーク検出ノズル２３より図示しないリーク検出装置に流
通していく。これによって圧力変動を検出する、あるい
は湿分検出センサにより水・蒸気リークを検出すること
により内管５の破損を検知する。

【００１２】次に、外管３が破損した場合について説明
する。この場合には、中間プレナム２２内のガスが前記
多孔質金属４を介して外管３の破損部から冷却材側に流
通する。よって中間プレナム２２内のガス圧力が低下
し、これを検出することにより外管３の破損検出を行
う。あるいは、冷却材側に配置されたガス検出器により
流出したガスを検出することにより外管３の破損を検知
する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来の熱交換器
においては、直管状の二重管型伝熱管を組み込んだ熱交
換器は熱交換容量を増大させると二重管型伝熱管本数が
増え、熱交換器が大型となったり、伝熱管の端部の溶接
箇所が増大した。溶接箇所の増加はすなわち検査箇所の
増加でもあるので、熱交換器の定期検査時において、検
査作業員の被ばく量が増大する可能性があった。

【００１４】そこで、熱交換器の大型化あるいは二重管
型伝熱管本数を増加させずに熱交換容量を増大させるべ
く、伝熱管を螺旋状すなわちヘリカル状に成型加工して
伝熱面積を増やすことが考えられる。しかしながら、多
孔質金属を設けた二重管型伝熱管は、冷間でヘリカル状
に成型加工すると、外管または内管と多孔質金属とが剥
離して加工前に比べると熱伝達性能が低下していた。従
って、内管及び外管と多孔質金属とのヘリカル加工後の
密着性を向上させる必要があった。

【００１５】本発明は係る従来の事情に対処してなされ
たものであり、その目的は、熱交換器を大型化または内
部の伝熱管本数を増加させることなく熱交換器容量を増
大させ、さらに内管及び外管と多孔質金属との密着性を
回復させて伝熱性能を良好とせしめる熱交換器を提供す
ることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明では、内管と外管とその間隙に
多孔質金属を配設して成る二重管型伝熱管内を流通する
流体の漏洩を上記内管と外管との間隙を通じて検知する
漏洩検知手段を備えた熱交換器において、前記二重管型
伝熱管が螺旋状に成形されたヘリカル型二重伝熱管であ
ることを特徴とする熱交換器を提供するものである。

【００１７】また、請求項２記載の発明では、前記多孔
質金属を設けた二重管型伝熱管はヘリカル加工後に熱処
理することを特徴とする請求項１記載の熱交換器の製造
方法を提供するものである。

【００１８】また、請求項３記載の発明では、前記多孔
質金属を設けた二重管型伝熱管は高温にした状態で、ヘ
リカル加工することを特徴とする請求項１記載の熱交換
器の製造方法を提供するものである。

【００１９】

【作用】上記構成の熱交換器においては、請求項１記載
の発明では、ヘリカル状に二重管型伝熱管を成型加工す
ることによって長尺化し、伝熱面積を増やすことによっ
て熱交換容量を増大させている。また、熱交換容量を同
一とするならば、伝熱管の本数が減少し伝熱管の端部の
溶接部も減少させることができる。

【００２０】請求項２記載の発明においては、ヘリカル
加工後に所定の熱処理をすることにより、ヘリカル加工
によって剥離した内管及び外管と多孔質金属との密着性
を回復させ、ヘリカル加工に伴う熱伝達性能の低下を防
止することができる。

【００２１】請求項３記載の発明においては、所定の熱
処理を施しながらヘリカル加工することによって多孔質
金属の密着性を維持し、熱伝達性能の低下の防止が可能
である。

【００２２】

【実施例】以下に本発明に係る熱交換器の第一の実施例
を図１乃至図３に基づき説明する。図１は本発明に係る
熱交換器の第一の実施例による伝熱管を使用した蒸気発
生器の全体構成を示す断面図である。図１において、外
胴５１内には複数本のヘリカル型二重伝熱管５２が配設
されている。このヘリカル型二重伝熱管５２は図２に示
すような構成になっている。図２において、内管５３は
その上下端を上部管板５５及び下部管板５６により支持
されており、その外周側には隙間を形成した状態で外管
５４が配設されている。この外管５４はその上下端を上
部中間管板５７及び下部中間管板５８により支持されて
いる。図中符号ａ，ｂ，ｃ及びｄはその溶接部を示して
いる。

【００２３】上記内管５３及び外管５４との隙間には、
多孔質金属６１が配置されている。また、図１に示すよ
うに、前記外胴５１の下端部には水入口プレナム６２が
形成されており、この水入口プレナム６２には水流入配
管６３が連通されている。一方、外胴５１の上端には水
出口プレナム６４が形成されており、この冷却材入口プ
レナム６６には冷却材入口配管６７が連通されている。
一方、外胴５１の前記下部中間管板５８の上方側には冷
却材出口プレナム６８が形成されており、この冷却材出
口プレナム６８には冷却材流出配管６９が連通されてい
る。冷却材は矢印Ａで示されるように冷却材入口配管６
７から入口窓７１を介して伝熱管束部７９に流入し、熱
交換後出口窓７２を介して矢印Ｃで示されるように冷却
材流出配管６９に導かれる。なお、二重管型伝熱管をヘ
リカル状に成型加工させ、高温条件下における外胴５１
と伝熱管の熱膨張差をヘリカル型二重伝熱管５２にて吸
収することができるため、本発明の実施例では従来使用
していたベローズは不要である。また、下部管板５６と
上部中間管板５７との間、及び下部管板５６と下部中間
管板５８との間にはそれぞれ上部中間プレナム７３及び
下部中間プレナム７４が形成されている。上記上部中間
プレナム７３及び下部中間プレナム７４には、上部リー
ク検出ノズル７５及び下部リーク検出ノズル７６がそれ
ぞれ連通されている。これら上部リーク検出ノズル７５
及び下部リーク検出ノズル７６には図示しないリーク検
出部が接続されている。

【００２４】その他の構成は図５の従来例と同様で、蒸
気発生器の全体の動作、並びに伝熱管破損の検出機構も
略同様である。このように構成された熱交換器におい
て、高温の冷却材は図１において矢印Ａで示されるよう
に、冷却材入口配管６７より冷却材入口プレナム６６内
に流入し、入口窓７１から伝熱管束部７９に導かれる。
そして、矢印Ｃで示されるように出口窓７２を介して冷
却材出口プレナム６８内に流入する。

【００２５】一方、水は図１において矢印Ｂで示される
ように、水流入配管６３及び水入口プレナム６２を介し
てヘリカル型二重伝熱管５２内を流通し、矢印Ｄで示さ
れるように水出口プレナム６４内に導かれる。その際、
ヘリカル型二重伝熱管５２の外側を流下する前記冷却材
と熱交換して昇温して蒸気となる。本実施例においては
ヘリカル型二重伝熱管５２であることから、直管型の二
重伝熱管に比べ単位容積当たりの伝熱面積を多くとるこ
とが可能である。従って、熱交換器の容積を増加させる
ことなく熱交換容量を増大可能である。

【００２６】また、熱交換容量が同一であれば、ヘリカ
ル型二重伝熱管５２の本数を減ずることができる。従っ
て、ヘリカル型二重伝熱管５２端部の溶接部を減少させ
ることができ、検査工程の短縮に寄与すると共に、検査
作業員の被ばく低減を図ることができる。

【００２７】以下に、本発明の熱交換器に係るヘリカル
型二重伝熱管の製作手順について図３を用いて説明す
る。まず、外径１４．５ｍｍの内管５３に、改良型９Ｃ
ｒー１Ｍｏ鋼製の１００μｍの素線を編んだ組網線から
なる多孔質金属６１を巻着し、外径２２．８ｍｍの外管
５４に挿入し一体抽伸加工を実施する。次に、外管５４
及び内管５３と多孔質金属６１との金属冶金的結合を行
うために、１０４５℃，０．５時間の焼ならしと、７８
０℃，１時間の焼もどしの熱処理をアルゴンガス雰囲気
中で行った。このような工程によって、外径１９ｍｍ，
内径１１ｍｍの直管のヘリカル型二重伝熱管５２を得
た。

【００２８】つぎに、このヘリカル型二重伝熱管５２を
曲げ半径３００ｍｍで冷間でヘリカル加工してヘリカル
状のヘリカル型二重伝熱管５２を製作した。さらに、こ
のヘリカル型二重伝熱管５２を熱処理機７７を用いて１
０４５℃，０．５時間の焼ならしと、７８０℃，１時間
の焼もどしの熱処理をアルゴンガス雰囲気中で実施し
た。この熱処理により内管５３及び外管５４と多孔質金
属６１との接触部分の界面で鉄成分の拡散が起こり、金
属冶金的結合が再び行われる。

【００２９】これら各々の製作段階においてヘリカル型
二重伝熱管５２を８ｍｍ角に切り出し、レーザフラッシ
ュ法によって等価熱伝導率を測定した。その測定結果を
表１に示す。

【００３０】上述の結果より明らかなように、ヘリカル
加工により低下した等価熱伝導率は、熱処理後に回復し
ている。これは熱処理によって、内管５３及び外管５４
と一旦剥離した多孔質金属６１が再び結合したことによ
る。

【００３１】なお、本実施例においては多孔質金属６１
に改良型９Ｃｒー１Ｍｏ鋼を用いているが、銅もしくは
銅合金，ニッケルもしくはニッケル合金ステンレス鋼な
ど、多孔質となるものであれば、どのような金属を用い
てもよい。

【００３２】また、ヘリカル型二重伝熱管５２に対する
熱処理はヘリカル加工と同時に行ってもよい。図４は熱
処理をヘリカル加工と同時に実施する第二の実施例を示
したものである。多孔質金属６１を巻着した直管のヘリ
カル型二重伝熱管５２を熱処理機７７で６００〜７００
℃の高温に加熱した状態でベンディングローラ７８を用
いてヘリカル状に加工する。

【００３３】

【表１】

【００３４】さらに、このヘリカル型二重伝熱管５２を
熱処理機７７を用いて１０４５℃，０．５時間の焼なら
しと、７８０℃，１時間の焼もどしの熱処理をアルゴン
ガス雰囲気中で実施する。このように熱処理をヘリカル
加工と同時に行っても内管５３及び外管５４と多孔質金
属６１の剥離が抑制され、熱伝達性能は低下することは
ない。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の熱交換器に
おいては、熱交換器を大型化または内部の伝熱管本数を
増加させることなく熱交換器容量を増大させることがで
きる。また、熱交換容量を同一とするならば、二重管型
伝熱管の本数が減少し、二重管型伝熱管の端部の溶接部
も減少させることができ、検査工程の短縮に寄与すると
共に検査作業員の被ばく低減を図ることができる。

【００３６】さらに、ヘリカル加工によって劣化する内
管及び外管と多孔質金属との密着性を回復させて、ある
いは維持することによって熱伝達性能の低下を防止また
は向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱交換器の第１の実施例を示す縦
断面図。

【図２】（ａ）は図１における記号ＩＩａの部分を拡大
した縦断面図、（ｂ）は図１における記号ＩＩｂの部分
を拡大した縦断面図。

【図３】ヘリカル型二重伝熱管の熱処理を説明する断面
図。

【図４】本発明に係る熱交換器の第２の実施例を説明す
る断面図。

【図５】熱交換器の従来例を示す縦断面図。

【図６】図５における記号ＶＩの部分を拡大した縦断面
図。

【図７】二重管型伝熱管の断面部における斜視図。

【符号の説明】

５１…外胴 ５２…ヘリカル型二
重伝熱管 ５３…内管 ５４…外管 ５５…上部管板 ５６…下部管板 ５７…上部中間管板 ５８…下部中間管板 ６１…多孔質金属 ６２…水入口プレナ
ム ６３…水流入配管 ６４…水出口プレナ
ム ６５…水出口配管 ６６…冷却材入口プ
レナム ６７…冷却材入口配管 ６８…冷却材出口プ
レナム ６９…冷却材流出配管 ７１…出口窓 ７２…出口窓 ７３…上部中間プレ
ナム ７４…下部中間プレナム ７５…上部リーク検
出ノズル ７６…下部リーク検出ノズル ７７…熱処理機 ７８…ベンディングローラ ７９…伝熱管束部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ２１Ｄ 5/12 ＧＤＪ 9117−2Ｇ (72)発明者 二宮 進 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 井上 正明 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内管と外管とその間隙に多孔質金属を配
   設して成る二重管型伝熱管内を流通する流体の漏洩を上
   記内管と外管との間隙を通じて検知する漏洩検知手段を
   備えた熱交換器において、前記二重管型伝熱管が螺旋状
   に成形されたヘリカル型二重伝熱管であることを特徴と
   する熱交換器。
2. 【請求項２】 前記多孔質金属を設けた二重管型伝熱管
   はヘリカル加工後に熱処理することを特徴とする請求項
   １記載の熱交換器の製造方法。
3. 【請求項３】 前記多孔質金属を設けた二重管型伝熱管
   は高温にした状態で、ヘリカル加工することを特徴とす
   る請求項１記載の熱交換器の製造方法。