JPS59501273A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 熱交換器およびその製造方法 技　術　分　野 本発明は、熱交換器およびその製造方法に関し、特に、熱交換に関与する流体間 の漏れを防止するために流体搬送管と同心的に配設された管状部材を有する熱交 換器に関する。

技　術　背　景 熱交換に関与するある柚の流体が互いに混り合った場合に生じる激しい化学反応 を回避するためには、また、熱交換に関与する一方の流体が他方の流体によって 汚染され、それによってそれらの流体の化学作用の制御を簡略化するためには、 熱交換器の管内を流れる流体と殻体側を流れる流体との闇での漏れを防止するこ とが望ましい。例えば、水が核融合原子炉の蒸気発生器内のリチウムによって、 あるいは、在来の発電所の凝縮器内の海水によって汚染されるのを防止すること が必要である。

核融合式発電プラントの場合は、更に、蒸気発生器の殻体側を流れる液体金属に 含有されているトリチウムが管壁を通して浸透し管内に発生される蒸気を汚染す るのを防止する必要がある。

熱交換器内に設置するためのものとして一緒に製造された、密に嵌合する二重壁 管は、熱交換器内へ設置するのが困難である。なぜなら、管間隔を大きくしない 限り外側管をその対応する管仮に固着するための溶妥部位へ作業のために工具を 出し入賞することが実際上極めて困難であり、しかも、製造コストを合理的範囲 に抑えるのには不適当な特殊な溶接操作を必要とするからである。

その結果として、外側の管板の管受容孔のピッチ対直径比は、−重壁背型熱交換 器の場合は１４５であるのに対し、２．０を越えてしまう。このようにピッチ対 直径比か高いと、熱交換器ユニットを大型にしなければならず、単位熱交換容量 当り（熱量１メガワット当り）の所要、ｊ体金属循環量が多くなり、ピッチ／直 径比を小さくすることができる場合に比べて殻体側の熱伝達係数が低くなる。こ のような熱交換器の構成では、単位伝熱面積当りの製造コストが高くなるばかり でなく、流体漏ｎの場所を検出し修理するのにも国道が伴うことが知らｎでいる 。

発　明　の　概　要 成力産業やその他の産業に提供するためのこの福の実用的な熱交換器として、管 と、それらの管と同心の管状部材とを備えたものであって、上述した問題を回Ｍ ＝たは最少限にする熱交換器牙提供することが望ましい。従って、外側の管板の 孔のピッチ／直径比が１．４５　、Ｑ　ｆｉとなるような熱交換器？提供するこ とが望ましいと考えられ、本発明の目的はそのような熱交換器を提供することで ある。

そのような熱交換器を提供するために、本発明は、骨の全長の少くとも一部分と 同心に設けられ、ａｔとの闇に管側の流０に対しても、殻体側の流れに対しても 閉制された空間を画定する管状部材に夕くとも１つの半径方向外方に突出した突 出部分を設ける。この突出部分は、該管状部材の長手方回に延長させてあり、該 管状部材をその半径方向外方に膨張させるために撓ませることを可能にする。こ こで「半径方間に」とは管または管状部材の軸側に対してほぼ垂直な方間のこと である。本発明の熱交換器製造方法によれば、上記管状部材を熱交換器内に組立 て、次に、俗骨を、対応する管状部材企撓ませて半径方向外方に膨張させた状態 で、該管状部材に挿入することによって組立てる。

本発明の成上およびその他の目的ならびに利点は、本発明の打丁しい実１例を例 示した添付図面および以下の詳１ｄな説明から明らかになろう。

図面の簡単な説明 第１図は本発明？具体化した熱交換器の総体的４成を示す一部切除した、一部断 面による概略側面図である。

第２図は、本発明による、管状部材の、内側管板に対する取付態様？示す一部断 面による側口である。

第６図は、第２図の朦５−５に沿ってみた断面図である０ 第４図は、本発明による、管の支持体？示す一部断面による側面図である。

第５図は、第４図の顧５−５に沿ってみた断面図である。

第６図は、本発明の熱交換器の別の実施例の一部断面による概略側面図である。

実施例の説明 第１図を参照すると、内側壁１４と外側壁１６企有する細長い殻体１２を備えた 熱交換器１０が示されている。

殻体１２にはその中を通して通流させる第１流体のための入口１８および出口２ ０が設けられている。この第１流体に対して熱交換関係をなして第２流体を通す 流路を設定するために、殻体１２の一端から他端まで長手言回に延設した複数の 管から成る管束２２が設けられている。

殻体１２の一端には管束２２の管への入口２４が設けられており、他端には管束 の管からの出口２６が設けられている。殻体の両端にはそれぞれ外＠管板２８が 設けられており、第１流体が熱交換器の管側（管内）へ流入するのな防止し、第 ２流体が殻体側（殻体内）へ流入するのを防止するために、管束２２の管は、膨 張させた上、溶♂により、あるいはその他の手段により当該技術分野において周 知の態様で外側管板２８に封着されている。

修理や点検のために、人口２４および出口２６へ通じる人員出入り通路３０が設 けられている。

格子体５２のような管支持手段が、殻体１２の長手に沿って例えば５０〜１００ Ｃ１１程度の間隔を置いて設けられている。外側管板２８、および後述する内側 管板３４も、管支持手段としての役割を果す。これらの管支持手段は、管の軸線 に対して垂直に配置され、内側壁１４に固着されている。ただし、外側管板２８ は、外ａ壁１６に固着されている。殻体側の入口１８および出口２０は、殻体１ ２の内側壁１４内の空間５０（殻体側突ｌ１１１）へ流体の流れを通すように、 そして、内側ａ１４と外側壁１６との間の空間６０へは流れを通さないように第 １図に示されるように構成されている。

第２および３図は、内（ＩＩｉｌ管板３４の一部分と、その孔３８の１つを貫通 して延長している管３６の一部分を示す。第２および５図にはまた、管束２２の ６管３６の全長の少くとも一部分を同心的に囲繻し、管３６との間に歪量４４を 画定する管状部材４０の一部分が示されている。熱伝達率は、骨と管状部材との 闇の間隙を小さくするほど良くなるので、この空間４４の間隙は、約ｃＬ０００ ７ｉｎ（（ＬＯ２ｍ）以下とすることが好ましい。

内＠管板５４の各孔５８内には、管５６牙支持するために端部取付部品４６が固 着されている。この端部取付部品４６は、内側管板６４と外側管板２Ｂとの間の 空間４Ｂと、上述の空間４４との間で流体の流れを可能とするために、好ましく は、対応する管３６の外周面との間に約（１００５〜（１０１０ｉｎ　（α１〜 ｌ　２　ｘｍ　）の２２ｍを設定するように寸法づけされている。外側管板２８ は、第２流体が管側流路から空間４８内へ、あるいは入口１８と出口２０の間に 設けられた第１流体のための殻体側空間５０内へ流ｎるの２防止する仕切板の役 割を果す。

管状部材４Ｄは、一端５２において内側管板Ｓ４の対応する孔３８の直径にほぼ 等しい直径となるように半径方向外方に拡開されており、内側管板３４に溶接ま たは他の手段により固着されている。内側管板３４は、内側壁１４に密封状態に 固着され、空間４４．４８と、殻体側空間５０との間の流体の流れを防止するた めの仕切板の役割を果すようになされている。端部取付部品４６と管３６との間 の間隙は、先に述べたように流体を流すのに十分な大きさであるが、管５６また は管状部材４０に漏れが生じた場合、その管５６を半径方向外方に膨張させて端 部取付部品４６に圧接させることによって、管６６と管状部材４０との闇の空ｒ ＃ＩＪ４４を内外管板向の全問４日から密封することができるほどに十分に小さ い。

本発明によれば、管状部材４０は、殻体の一端の内側管板５４と他端の内側管板 ５４との闇の互層全体に亘って延長させてもよいが、その場合、管状部材４０は 、各格子体３２のところでそれぞれの管６６の荷１を担持するようにしなければ ならない。６菅５６は、常態では、高圧の水および蒸気の流れを搬送するもので あるから、通常的（ＬＯ５０〜ａ２００　ｉｎ　（ｔ　５〜！ｘ＋りの肉厚を必 要とするが、各外＠管状部材４０の肉厚は、後述する運出のために可撓性を付与 されるように好ましくは約α００１５〜αＯ０５０ｉｎ　（Ｑ、ＯＳ　Ｉｌｌ〜 （ＬＯ７６ｍ１１）以下とする。管状部材４０は、通常、比較的低い圧力を受け ると予測されるのでそのような肉厚で十分であると考えられる。しかしながら、 そのような肉厚は、管状部材４０が管支持格子３２のところでそれぞれの管５６ の荷重分支持するのには十分であるとは考えられない。一方、管状部材４０が２ つの＠受する管支持手段３２と３２の間にちょうど延長する程度の長さとすれば 、そのような長さは、後述するように管状部材４０のｌｌｌ造を容易にするので 有利である。従って第４および５図ｔ−参照して説明すると、本発明の好ましい 実施例によれば、６管５６を管支持格子３２の各開口５６内に支持するために各 開口内に嵌め＠丁たけカップリング（継手）５４が設けられる。嵌め輪５４と対 応する管３６との間には、管３６２Ｍなく嵌め輪に挿通するのに十分な［ＬＤ＋ ０１ｎ（ａ、２ｓｍ）程度の遊隙を設けられる。第４．５図に示されるように、 管状部材４０の一端５８は、嵌め輪５４の外径にほぼ等しい径に丁で半径方向外 方に拡開されており、嵌め輪に溶接またはその他の手段により固着されている。

管状部材４０の他端は、瞬りの格子体の嵌め輪に溶接またはその他の手段によっ て固着されるか、あるいは、管状部材４０の端部５２に関連して第２．３図に示 され説明されたように内４ａ管板５４に固定される。かくして、嵌め輪５４は、 多数の管状部材４ｏを連結して、内側管板３４と３４の間に延長する単一の管状 部材と同等のものとし、管５６から漏れが生じた場合、鎖管からの漏れ流体分受 容する空間４４を両回側管板の間に延長する６管５６の全長に亘って鎖管と管状 部材４ｏとの間に画定し、それによって流体が殻体側雪間５ｏへ漏出するのを防 止し、よだ、殻体側の流れの方がＶ側の流れより高圧であるような用例において は殻体側空間５０から管３６内への漏れを防止する。俗情において長手方向に連 なる空１ｊｊ４４と４４の闇の流れを連絡するために６嵌め輪５４の＠竜に複数 個の長平方向の孔６１を穿設する。

核融合式原子力発゛厄プラントの場合は、蒸気２発生させるために溶存トリチウ ムを含有した液体金属合金から水に熱を伝達することが望よしいと考えられる。

このような液体金属は、人口１８から出口２０への殻体側の流れとして供給され 、蒸気を発生すべき水は、入口２４から出口２６へ俗情５６を通して通流される のか普通である。そのような用例においては、管壁を通してのトリチウムの拡散 を防止し、トリチウムによる蒸気の汚染を防止することが望ましい。管壁２通し てのトリチウムの拡散は、トリチウムを酸素と化学的に結合させて、管壁を通し て拡散しない二酸化トリチウム（いわゆる真水）に変換させることによって防止 することができる。従って、本発明の好ましい実施例によれば、トリチウムが俗 情５６の壁を通して拡散浸透することがないように、管状部材４０の壁を通して 拡散浸透してくるトリチウムに酸素を化学的に結合させるために管状部材４０と 管５６との間の空間４４内へ酸素分子を供給するための手段が設けられる。この 酸素は、キャリア流体内に僅か数ＰＰＭの割合で供給するのが好ましい。キャリ ア流体は、ヘリウムのようなガスか、あるいは、空間４４を通しての熱伝達を良 好にするために高い熱伝導性を有する液体であることが好よしい。そのようなガ スを管状部材４０とそれぞれの管５６との間の空間４４のすべてに供給するため に、殻体１２は、第１図を参照して先に述べたように、内側壁１４と外側壁１６ を備えたものとすることが好ましく、内Ｏ１！Ｉ壁と外側壁との間の２　Ｂ、４ １６０を、上述したように管状部材４０と晋５６との曲の空ｉｉｉ］　４４と流 体連通している、殻体の両肩の内あ管板と外ｍ管板との間の空１川４８に流体連 通させる。っこｎらのｙ聞４４．４８．６０から成るキャリアガス空間を通して ポンプ６５またはその他の適当な手段によってキャリアガスを供給し循環するた めに空１＝］　６０への入口６２および出口６４２設けることが好ましい。冴３ ６とぎ状部材４０との間の間隙は約０．０００７　ｉｎ　（０，０２ｍ）とする ことが好よしいが、この間隙は、空間４４内に十分な酸素を供給するのに十分で あると考えられる。特に本発明においては、後述する突出部分６６かキャリアガ スおよび酸素分子の、管状部材４０に沿う長手方向への十分な移動を可能にする ので、上記間隙で十分である。

管６６および他の第２の流体空室からキャリアガス空間内への漏れご防止するた めに外側管板２８は、外ｍ壁１６に密封状態に取付けられており、ｔ３６は、外 側管板２８に密封状態に取付けられている。同様にして、殻体側空間５０とキャ リアガス空間とのｊｍｌでの漏れを防止するために内側′管板６４は、内側壁１ ４に密封状態に取付けられ、管状部材４Ｇは、内側管板３４およびそれぞれのカ ップリング５４に密封状態に取付けられている。

管５６を管と殻体との温度差によって生じる過度の応力から防獲するために管と 殻体との闇の温度差を補償するべく殻体の内側壁１４と外側壁１６の膨張および 収縮を可能にするように内側壁および外側壁の全長の少くとも一部分に亘って波 形を付けることが好ましい。

第６図に示さｎるように、本発明によれは、管状部材４０には、少くとも１つの 、好＝シ＜は複数個の、例えば４つの半径方向外方に突出した突出部分６６を設 ける。

これらの突出部分６６は、管状部材４０の長手方向（即ち、その＠國に平行な方 向）に延長させ、それにより、該管状部材を、その素材を伸長させることによっ てではなく、該突出部分においてその素材を湾曲させることによって、半径方向 外方に拡張させるために撓マせることができるようにする。各突出部分６６は、 管状部第４０の長手＠源に対して垂１な平面で切った断面でみて、該管状部材の 円周方向に延長した壁を第１点６８におｌ／）で屈曲させて半径方向外方へ第２ 点ｙｏｕで延長させ、第２点から再び居間させて半径方向内方へ第５点７２まで 延長させ、第５点において再び円周方向に延長させることによって形成すること ができる。かくして、第１点６日と第５点７２の胸に小さい間隙７４か画定され る。

これによって得られる可撓性は、管状部材４０と管３６との間に必要とされる半 径方向の間隙の大きさを熱伝達？良好にするために小さくすることを可能にし、 しかも、液圧またはその他の適当な手段を用いて間隙を一時的に拡大させること によって管６６を容易に挿入すること分可能にするという利点をもたらす。

本発明によれは、熱交換器を製造する除骨５６とそれに対応する管状部材４０と を一体のユニットとして設置または組立てる必要がないので、管状部材４０を最 初に組立て、その後それらの管状部材内へ管５６企挿入することかできる。

本発明に従って熱交換器を製造する場合、上述したような管状部材４０を製造す る。管状部材４０は、薄肉管を抜取り目孔のマンドレルにかぶせ、外部から液圧 ３加えて該薄肉管を圧潰させることによって製造するか、あるいは別法として突 出部分６６を画定するように予備成形した平坦な板金を長手継目に沿って溶接す ることによって製造することができる。管状部材４０の両端は、好ましい大径の 円筒端となるように機械的に膨張させることができる。管状部材を製造するのに 上記以外の適当な手段を用いることができる。

次いで、それらの管状部材４０をカップリング５４に取付け、得られた組立体を 格子体５２の孔５６を通して挿入し、組立体の両端をそれぞれ内側管板３４に溶 接する。この段階では管状部材４０内へ管６６を挿入していないので、管状部材 を内側管板６４に溶接するための比較的大きな作業空間が得られる。従って、外 側管板σ孔のピッチ／直径比を不経済に大きくする必要がなく、重管設計の場合 に通常用いられる１、４５のピッチ／直径比とすることができる。かくして得ら れた組立体（管状部材４０とカップリング５４と格子体３２と内側管板３４）を 殻体１２内に設置し、内側管体６４を内ｉｌ！ｌ管１４に取付ける。

格子体３２、内側管板３４および管状部材４０を内側壁１４に組付けた後、その 組立体に対して適正な位置に外側管板２８を位置づけし、６管６６を管板、管状 部材およびカップリング内へ挿入する。次いで、当業者に周知の技法に従って管 ３６を外側管板２８に溶接し、外側管板２８を殻体の外側壁１６に溶接する。最 後に、殻体側入口および出口管、管束のための入口および出口、熱交換器の基ａ （図示せず）、半球状ヘッド７８．７Ｂ、およびその他の所要部品を組立ててユ ニツ）Ｅ完成する。

管状部材と管との向の空１′ｄ］４．４内へ漏入した流体は、キャリアガスの流 れによって端部取付部品４６に隣接する環状歪量７６の方へ搬送され、該環状空 間を部分的に満たす。この事態は、慣用の渦−流探針を管内へ挿入することによ って行われる点検の際に検出することができる。修理は、管５６をその両端の端 部取付部品４６のところで膨張させて、管３６と端部取付部品４６との間の空間 を通して流体を排出させ、次いで、漏れを生じているのが管５６である場合は、 その管の両端を栓によって閉鎖することにより行うことができるＯ管３６は、殻 体の半球状ヘッド７８の１つに十分な大きさの人員出入通路が設けられていれば 、それぞれの管状部材４０から容易に引抜くことができるので、個々の管を交換 または抜取ることができ、その対応する管状部材の組立体を点検し修理すること ができる。このように、管を管状部材４０から引抜くことができ、ることにより 更に追加の修理および点検を可能にするという利点が得られる。

本発明の変型実施例が第６囚に示されている。図に示されるように、この熱交換 器８０は、内側壁８４および外側壁８６、キャリアガスのための入口８５および 出口８７、キャリアガスポンプ８９、および第１図に示された実地例の同様な部 品に関連して説明したのと同様の態様で管状部再を密封状態に取付けるために内 側壁８４に固定された１対の内側管板８日を有する細長い殻体８２を備えている 。しかしながら、この実施例の熱交換器８０は、復淑のＵベンド管９ｏを備えて おり、それらの管のための入口９２および出口９４はいずれも殻体８２の同じ側 の端部に設けられており、入口９２と出口９４の間には仕切壁９６か設けられて いる゛。管９ｏの人口端および出口端を密封状態に取付けるための単一の外側管 板９日が設けられており、該管板は、第１図の実施例について説明したのと同様 の態様で殻体の外側壁８６に密封状態に取付けられている。いうまでもなく、こ の実施例では、殻体の他端には外側管板を設ける必要はない。

この実施例では、各Ｕベンド９０を、殻体８２の、外側管板９Ｂのある側とは反 対側の端部から管板８Ｂ、９８および対応する管状部材内へ挿入する。挿入後、 ６管９０を当業者に周知の技法に従ってロール加工により外側管板９８の各孔内 へ膨張圧接させ、線孔に溶接する。

この得造によれば、Ｕベンド管の漏れは、爆発式膨張法を用いて修理することか できよう。

図示の熱交換器１０および８０は、水平または垂直のどちらにでも配置すること ができる。このような熱交換器の用途として（コ、液体ｔう薦式高速増殖炉シス テムや、原子炉から蒸気サイクルへ熱を伝達する媒体としてナトリウム丁たはリ チウム／鉛合金を用いる核融合炉システムのためのエコノマイザ−１蒸発器、過 熱器および再加熱器としての用途かある。更に、表面凝頑器としての用途や、有 釦流体または溶融塩を用いる特殊な用途もある。

例えば、このような熱交換器は、凝縮媒体として海７Ｋを用いるａｉＡ　Ｎとし て使用することかできる。その場合、−細氷が海水の塩によって汚染されないよ うにすることが望よしい。その場合には、丁た、トリチウムのような物質が管壁 を通して拡散するのを防止する必要がないようなその他の用途においては、殻体 に内側壁と外側壁の二重壁にする必要はなく、管と管状部材との空間４４へ醪紫 を供給する手段を設ける必要はない、）Ｂ１．（内Ｊ（こ変更なし） ８　出 ニー−ｆ 手続補正書（方式） ％式％ 発明の名称　熱交換器およびその製造方法補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　ザバブコック　アンドウィルコックスカンパニー代理人 〒１０３ 住　所　東京都中央区日本橋３丁目１３番１１号油脂上業会館−’　１１　： Ｕ　−、−−−Ａ４　回　で 補正の対象 １百１ ヨ　−ｎｎ”　−： １　、　＋　、　、　＝　Ｊ’ １□ 特許法第１８４条の５第１項の規定による書面の特許出願人の欄図面の翻訳文　 １通 委任状及び翻訳文　各１通 補正の内容　別紙の通り 図面の翻訳文の浄書（内容に変更なし）国際調全報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｔ　第１流体を通流させるための入口および出口を肩する殻体と、該殻体内に配 設され、第２流体を第１流体に対して通流させるための流路を設定するための複 数の管と、第２流体の梳れをし管へ導き鎖管から受入れるための入口および出口 と、鎖管の少くとも１つの全長の少くとも一部分と同心に設けられ、鎖管との間 に第１流体および第２流体の両方の流れに対して閉鎖された空間を画定する管状 部材と、該管状部材をその半径方向外方に膨張させるために撓ませることができ るように該管状部材に設けられた少くとも１つの長手方向に延長し半径方向外方 に突出した突出部分を含む手段とを備えた契交喚器。 ２　前記突出部分は、藷管状部材の長手軸芯に対して圭直な平面で切った断面で みて、該管状す材の円周方向に延長した壁を第１の点において屈曲させて半径方 向外方へ第２の点まで延長させ、第２の点から再び屈曲させて半径方向内方へ第 ３の点まで延長させ、第３の点において再び円周方向に延長させることによって 形成されたものである請求の範囲第１項記載の熱交換器。 五　前記管の軸線に沿って互いに間隔を憶いて配設され、該軸線に対しほぼ垂直 に配置された複数の管支持手段が設けられ、前記管状部材は、その一端を該管支 持手段の１つに固着され、他端を該管支持手段の隣接する他の１つに固着されて いる請求の範囲第１項または２項記載の熱交換器。 ４、第２流体のための前記入口および出口は、それぞれ熱交換器の両端に設けら れており、前記管支持手段のうちの２つは、前記管と管状部材の間の前記空間と 、第２流体のための流路空間との間での流れを防止する仕切を構成するように鎖 管の両端を密封状態に取付けるための１対の外側管板から厄り、前記殻体は、第 １流体に対しても、第２流体に対しても閉鎖された空間を間に画定する内側壁と 外側壁から成り、該内側壁と外側壁との間の該空間は、管と管状部材との間の前 記空間を通して第３流体を通流させるために後者の空間と流体連通されており、 前記管支持手段のうちの別の２つは、前記外側管板の内側に配設され、前記第５ 流体のための流路空間と第１流体のための流路空１■ｊとの間に仕切を設定する ように前記管状部材を密封状態に取付けるための１対の内側管板から成る請χの 範囲第３項記載の熱交換器。 ５、　第１流体からトリチウムが前記管の壁を通して該管内へ拡散浸透するのを 防止するために第１流体から前記管状部材の壁を通して拡散浸透してくるトリチ ウムと結合させるように酸素を前記第３流体のための流路空間へ導入するための 手段が設けられている請求の範囲第４項記載の熱交換器。 ６（ａ）管を挿入するために半径方向外方に膨張させるのに十分な可撓性が得ら れるように長手方向に延長し半径方向外方に突出した少くとも１つの突出部分を 有する管状部材を製造し、 Φ）殻体の入口から出口へ流れる第１流体が前記管状部材によって囲まれた空間 へ流入するのを阻止するように該管状部材を該殻体内に密封状態に取付け、（Ｃ ）前記管状部材を撓ませながら該管状部材を通して管を挿入し、 （ｄ）前記管内を流れる第２流体が鎖管と管状部材との間の空間へ流入するのを 防止するために鎖管を前記殻体内に密封状態に取付け、 （ｅ）第２流体を前記第１流体に対して熱交換関係をなすように前記管内を通し て通流させるための入口および出口を設けることから成る、熱交換器の製造方法 。