JPS6249196A - 電磁フロ−カプラ型熱交換器 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は熱交換器に係り、特に液体金属のような導電性
流体どうしの熱交換器として好適な電磁フローカプラ型
熱交換器に関する。

〔発明の背景〕

液体金属、特にナトリウムを冷却材と［７±高速増殖炉
（ＦＢＩＩＬ）の炉型にはループタイプとタンクタイプ
がある。いずれも、核分裂で発生する炉心の熱を直接冷
却する１次冷却系と２中間熱交換器を介して炉外に熱を
輸送する２次冷却系，さらにタービン発電機全駆動する
ための過熱蒸気を１尋る蒸気発生器、および、水・蒸気
系等の冷却システムで構成されている。

ループタイプはこれらの冷却システムおよびコンポーネ
ントを配管で接続し、冷却材である液体す）　ＩＪウム
が配管内を流動する。これに対して。

タンクタイプは炉心、１次系ボング、中間熱交換器等の
１次冷却系機器を大きなタンク内に納め、炉心を直接冷
却する１次系の液体す）　ＩＪウムはこのタンク内を循
環し、中間熱交換の２次系の液体ナトリウム側に熱を伝
え炉外の蒸気発生器側に熱を伝送するシステムである。

本発明は中間熱交換器に適用するとより効果的である。

ＦＢＲで１次系と２次系との間に中間熱交換器を設け、
炉心の熱を間接的に取出すシステムを採用している最大
の理由は、１次系の直接炉心を冷却する液体ナトリウム
は炉心において高速中性子を吸収して放射化された２”
Ｎａが蓄積される。この放射性ナトリウムを格納容器内
に納め万一炉外に流出するのを防ぐためである。

したがって、１次冷却系に用いる機器は高い信頼性が要
求される。ところが、１次系の機械式ポンプは回転機器
であり、熱変形、振動、磨耗等による故障率の高いポテ
ンシャルを秘めた機器である。信頼性を向上させるため
にはサイズ及び構造をコンパクト及び単純化することに
よって解決できるはずである。最近仏画でこの機械式ポ
ンプに代って電磁ポンプを導入し、中間熱交換器に直結
してコンパクト化を図った具体的検討がされている。（
１９８４・４　第３回液体金属技術国際会議で発表）電
磁ポンプを１次冷却系内に組込んだ場合、ポンプの可動
部分が皆無になるため機械的故障率は低下するが、電磁
ポンプの使用環境が高温ナトリウムの液深中であるため
、新たな問題として励磁コイル、及び、給電用動力線等
の電気的耐久性、絶縁体の耐ナトリウム性等が発生する
。また、コンパクト化をねらった電圧ポンプ、中間熱交
換器の直結型は径方向のコンパクト化は可能になるが長
軸の原子炉容器になり全体的なコンパクト化と耐震上に
難点がある。

電磁ポンプには周知なように互に交差した電流と磁界と
の相互作用（フレミングの左手の法則による推力の発生
）によりボンプカを導電性流体に与える。電磁ポンプに
は交流式と直流式があり。

一般的には均−磁場内に存在する導電性流体に電流を給
電することによってボンプカを得るが、低電気抵抗回路
特性を有するす）　ＩＪウム用電磁ポンプでは、嘔動亀
流が低′成圧大′α流特性となるため、交流式である。

交流電源は変圧器等を用いることによって比】絞的簡単
に変流することができるが、交流特有な損失（渦電流損
失１位相ずれ、歪正弦波）は免れない。直流式はこれら
の損失分が無いため、高効率の電磁ポンプを達成するこ
とができるはずである。しかし特別な直流大電流低電圧
発電設備とブスバー等の給電設備が必要になることから
技術的難点が多く実現した例は少ない。

この問題を解決する一方法として、電磁フローカプラが
ある。電磁フローカプラは特別な直流発電設備を必要と
しない直流電磁ポンプである。直流電流源としては、均
一な磁場内に存在する導電性流体を外力によって流動さ
せることによって誘起する直流電圧を用いる。これは、
厩磁気ジェネレータである電磁流量計の原理に基づく。

この電磁流量計と、前述の電磁ポンプの２つの電磁機能
を結合したのが１！磁フローカプラの概念である。

第４図にその原理図を示す。

導電性流体１および２０間を導電性隔壁３で仕切り両領
域に共通な磁場（Ｂ）４を導電性隔壁３に平行して与え
た状態で、一方の導電性流体１を磁場（Ｂ）４に直角な
方向から力（Ｆ）５を与えると磁場（Ｂ）Φと力（Ｆ）
とに直角な方向、つまり、導電性隔壁３を貫通する方向
に電流６が誘起される。

この現象はフレミングの右手の法則によるジェネレータ
部である。導電性隔壁３を貫通して来た電流（Ｉ）はも
う一方の導電性流体２に給電される。

電流（Ｉ）を受けた磁場（Ｂ）内の導電性流体２（（は
。

電流（Ｉ）と磁場（Ｂ）とに直角な方向にカ（Ｐ）７が
発生する。この現象がフレミングの左手の法則による電
動部である。したがって、電流（１）によって７レミン
グの右手と左手が接続するため両流体は逆方向に流動す
る対向流の電磁フロー：ｂ　７’うが成立する。

このような原理に基づいた具体的な電磁フｏ　−カブラ
として、第５図に示す特開昭５９−１０１６３号記載の
電磁フローカブラがある。

上記々載の醒ａ：ｙａ−カグラによると、ステンレス鋼
の矩型のダクト１１の中央部を導電性隔壁１２で仕切り
、第１の流路１３と第２の流路１４を型状する。ダクト
の側壁の内面には電気絶縁板１５を内張しである。さら
に、ダクトの外周には銅のような電極１６がある。磁束
（Ｂ）は電極１Ｇを含むダクト１１をはさんだ磁石１７
から与えられる。

第１の流路１３内の導′或性流体１８を紙面に垂直のの
部方向に外力で流動すると前述の原理に基づいて電流１
９が発生し、外周の電極１６を通り再び第２の流路１４
から導電性隔壁１２を貫通し第１流路１３に戻る電流回
路全型状する。第２の流路１４内の導電性流体２０は電
流１９と磁束（Ｂ）を受けて紙面に垂直の■中方向に流
動しボンブカとなる。

以上説明したように１磁フローカブラは可動部がない液
体す）　ＩＪウムボンブとして高速炉に用いることを検
討されている。しかし、実用的には２液体すトリウム中
で使用できる電気絶縁板、あるいは、銅電極部の耐熱性
等に難点がある。これ全解決する手段として、すでに環
状流路型電磁フローカプラを考案した。さらに、電磁フ
ローカブラの作用面全伝熱面と共用すること疋よって２
対向流型の熱交換器が成立することから電磁フローカプ
ラ型熱交換器を考案した。（特願昭５９−１４９５２７
号及び特願昭５９−１５１５８５号）この発明の基本は
第５図に示したジェネレータ部とポンプ部全仏互に配列
し環状にしたものでその断面構造金弟６図に示す。円筒
形の外筒３０の中心部に円管の内筒３１を設は内外筒に
より環状流路全形成する。。

外筒３０の外周に円筒状の外周磁路３２を、内筒３１の
内側には内側磁極３３を設け、両磁極間に放射状の磁場
を与えるように磁気回路を形成する。

環状流路内は放射状に多数の導電性隔壁板３４を設は互
々にジェネレータ部３５とポンプ部３６が形成する。ジ
ェネレータ部３５とポンプ部３６とは別々の独立した流
路であるため、導電性隔壁板３４は内・外筒３０，３１
の壁面に連続した溶接構造でなければならない。この溶
接構造を具体的に示したのが第７図である。、裂造工稈
を分析するとまず内筒３１の外壁部に導電性隔壁板３４
を狛方向連続の溶接３５を施工し、次に外周３０を導電
性隔壁板３４と溶接３６を施工する、との際、外筒３０
の内側・軸方向の溶接加工は＠接工「Ｌが挿入できない
ため、−案として、あらかじめ１円筒を短冊型の部材に
加工しておき、一枚ずつ張り合せ溶接しなから製作する
。伝熱面積を増加するために導電性隔壁板３４を増加す
る３Ｉ：、溶接個所も増加することになる。このよう（
（溶接１内所が多くなることば熱歪が大きくなるばかり
か製作性が阻害されるため１機器の信碩性も低下するこ
とになる。。

〔発明の目的〕

本発明の目的は一次あるいけ二次ＩＡＬ体の一方側のポ
ンプ駆動で両流体を流動し、両流体間で熱交換する電磁
フローカプラ型熱交換器において、溶接歪の小さく、温
度差による熱変形の受はシて〈ｂ構造の電磁フローカプ
ラ型熱交換器を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は一次流路と二次流路と全交互て配列する手段に
偏平の管を配列し、その総合流路断面型状を環状流路に
し、放射状な磁場金与えることによって、−次流体と二
次流体間に電磁フローカブラが成立する得成全有し７熱
交換器に必及な伝熱壁部を偏平管壁で得る電磁フローカ
ブラの境界壁部とを兼用しながら一台のポンプで両流体
をｉ：＋ｉｔ劾することを可能にＬｆｃｔル磁フローカ
グラ型熱交ｊ力器である。

〔発明の実施例〕

以下、添付図面を参照し７て１本発明の実、海例全詳細
（ｌこ説明する。

第１図は本発明の一実施例をル体的構造に示：たもので
配管接続タイプの熱交換器１（ついで記゛１″、。

する。円筒形の外筒４０の内側に内筒４１を設は内外筒
により環状流路４２を形成する。外筒４０の外周に円筒
状の磁極４３を軸方向に数段設け、内筒４１の内部には
内側磁石４４を設ける。第１図に示す実施例では軸方向
に５段の磁気回路を列に記述した。外筒４０の上下部に
管板４５を設は両管板４５間を伝熱管４６で接続する。

伝熱管４６は環状流路４２領域内に配列する。管板４５
の外側は鏡状部材４７とノズル４８及び４９で構成され
た管側入口プレナム５０及び管側出口プレナム５１を形
成する。

伝熱管４６は磁界領域で偏平形状にし、管板４５との接
続部は円管形状とする。したがって２管板４５の近傍で
はシェル側の人ロプレナ、’、　５２と／エル側出ロプ
レナム５３が形成される。両シェル側プレナム部からは
シェル側出入口ノズル５４及び５５を設ける。

第１図の構造をさらに詳細に説明するために、管板４５
部分のＡ−ＡＦｆＴ面を第２図に父、磁界領域のＢ−Ｂ
断面を第２図及び第３図に示す。第２図において、管板
４５には伝熱管４６の円管端部を溶接で接続する。第３
図において、伝熱管４６け偏平にし偏平の長形部が外筒
４０の内壁と内筒４１の外壁面に接触する程度に配置す
る。又、偏平な伝熱管４６の短形部は隣辺する伝熱管４
６に接触することなくシェル部分を形成するように配置
する。

以上のように構成した本発明の動作例を以下説明する。

今、駆動流体をＦＢＲの二次系に、被駆動流体をＦＢＲ
の一次系と仮定する。つまり、−次系ポンプを省略し、
二次系ポンプ力で電磁フローカプラを介して一次系の流
動を得ようとするものである。したがって二次系入口ノ
ズルを４８に二次系出口ノズルを４９に、又、−次系入
口ノズルを５４に一次系出ロノズルを５５とする。

二次系入口ノズル４８から二次系ポンプなどによる外力
によって駆動流体５６である二次系流体を流入し、管側
入口プレナム５０部から分流し電熱管４６を流動し管側
出口プレナム５１に達し。

二次系出口ノズル４９から流出する。駆動流体５６が磁
界領域を通過する際各段の磁極４３の接合部で放射状磁
束を受けて誘起電流５７を発生する。この誘起電流５７
は第３図に示す様に環状流路４２内を環状流路４２と同
窓の環状の電流になる。また、各段の放射状の磁界は交
互の方向を呈するため、誘起電流５７の流れ方向も各段
毎に交互の方向になる。

誘起電流５７は伝熱管４６内部で発電され、伝熱管４６
の管壁を貫通１−、シェル側に存在する流体に給電され
る。シェル側の流体は同じく磁界領域に存在するため、
第４図に示した原理に基づいて電磁力が発生する。この
方向は駆動流体５６と逆方向の流れと彦り被駆動流体５
８となる。ポンプ力となる被駆動流体５８は一次系出ロ
ノズル５５から流出するため、−次系入口ノズル５４か
ら吸引される。

磁界領域で流動する駆動流体５６と被駆動流体５８とは
互に対向流となるだめ、シェル側を高温液に、管側を低
温液に構成することＫよって低温液側のポンプ動力だけ
によって熱交換をしながら高温液をも流動することが可
能である。このようＫｍ電磁フローカプラシェルアンド
チューブ型の熱交換器が両立することＦてなる。

本発明の一実施例によれば、電磁７０−カプラ構成要件
の導電性隔壁を管を用いる構造てすることによって溶接
構造を極端に少なくすることができるため、熱変形や熱
歪、さらには加工性が著しく改善されるので製品の信頼
性は向上する。さらに管板取付部の円管に対して電磁フ
ローカプラ作用領域を偏平管にすることによって、カプ
ラ作用領域での電磁作用面積と伝熱面積の両条件を増加
する傾向となり、管板取付部のシェル側にプレナム部が
塑成されるため、性能と加工性の向上が構造上で合理的
になる。

第８図は伝熱管部構造の他の変形例を示したもので、第
１図〜第３図に示した実施例と異なるところは電導性隔
壁である偏平の伝熱管４６を円形の伝熱管５９にしたも
ので、外筒４０の内壁面と内筒４１の外壁面に接触する
ように配置する。又。

ｃ−−ｅ断面を第９図に示すように１円形の伝熱管５９
どうしはギヤングをとって配列し７工ル部分を形成する
。円形の伝熱管５９を用いた場合管板５４部近傍に・薄
利：（シェル側プレナム６（１作りシェル９１′］出入
口η５４又は５６と接続しなければならない。

事変形声］でも先の実施例に記述した溶接構造の減少に
ともなう熱変形の防止及び製作性の向上と同じ効果が発
揮できるが１円管であるため砿流回路の対面距離が小さ
くなり、又、定流のカップリング面積と伝熱面積が減少
する欠点があり若干の性能低下は免れない。

第１０図は他の変形列を示したもので１本変形例のねら
いは伝熱管４６蹟熱膨張吸収構造を取り入れだ例でおる
。第９図の図示法は環状流路４２内に配列されている伝
熱管４６を円周方向に断面し、その一部を図示したもの
である。両端に設けている看板４５間を接続する伝熱管
４６（偏−Ｐ管あるいけ円管でもよい）（（あらかじめ
“ねじり”を少しυ［ｌえておく。この量は運転最大温
度差による伝熱管の熱膨張分を吸収する分だけでよいっ
本発明にこの第９図の変形例も合せて実施することによ
って本発明の効果はもちろん、さらに。

温度変化にともなう熱変形からぐる熱応力の緩和に有効
である、 以上実施例及び変形例は配管接続型の熱交換器を例に記
述したが、第１１図て示すプール型ＦＢＲ用中間熱交換
器へも応用できる。ノズル４８及び４９け二次冷却系に
接続され駆動源を得る一次系の高温流体は開孔部５４よ
り流入し、！磁フローカプラと熱交換作用を行なった後
ノズル５５から低温プレナム内に放流する。

本発明のもう一つの変形例としては第１２図に示すよう
に外筒４０の内壁面と内筒４１の外壁面に電気絶縁物６
０をライニングする方法である。

この目的は発電々流の一部が導電性の外海および内筒側
へ漏電して効率の低下を防ぐためである。

本発明をナトリウム冷却材を用いるＦＢＲに適用する場
合、耐ナトリウム性、耐熱性、しかも金属壁面にコーテ
ングする加工性等を十分に満足できる電気絶縁物として
はセラミック系の物質が有望と考えられるが、現在実用
になる材料はない。

〔発明の効果〕

以上の如く１″ｉＩＬ磁フローカグラを作用させるため
に必要な導電性隔壁板を管壁構造にすることによって隔
壁部の浴接構造が必要なくなるため、溶接歪みよよる熱
応力、熱変形が少ない、チューブアンド・シェル型の電
磁フローカプラ型熱交換器が成立する。したがって、　
ＦＢＩＩ、の−次系に適用した場合、信頼性の高いＦＢ
Ｒ，が達成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す電磁フｏ　−カプラ
型熱交換器断面図、第２図は第１図の管板部の断面図、
第３図は第１図の電磁フローカプラ及び熱交換器作用領
域の断面図、第４図は電磁フローカプラの動作原理図、
第５図は従来の電磁フローカプラ構造の概念図、第６図
は扇状流路型の電磁フローカプラ型熱交換器断面構造図
、第７図は第６図の製作時における溶接個所を示す図、
第９図は本発明の他の度形例の伝熱管構造図、第８図は
第９図のプレナム部の構造図、第１０図は他の応用例の
伝熱管構造図、第１１図は他の応用例でタンク型Ｆ’Ｂ
凡の中間熱交換器に適用した石造図、第１２図は他の変
形例で筒壁内面に絶縁物を施した構造図である。 １．２・・・導電性流体、３・・・導電性隔壁、４・・
・磁場。 ５・・・力、６・・・電流、７・・・力、１１・・・ダ
クト、１２・・・導電性隔壁、１３・・・第」の流路、
１４・・・第２０流路、１５・・・電気絶縁板、１６・
・・１！唖、１７・・・磁極、１８．２０・・・導電性
流体、１９・・・定流、３０・・・外筒、３１・・・内
筒、３２・・・外周磁極、３３・・・内側磁極、３４・
・・導電性隔壁板、３５・・・ジェネレータ部、３６・
・・ポンプ部、４０・・・外筒、４１・・・内筒。 ４２・・・環状流路、４３・・・外周磁極、４４・・・
内側磁極、４５・・・管板、４６・・・伝熱管、４７・
・・≦モ状部材。 ４８・・・二次系入口ノズル、４９・・・二次系出口ノ
ズル、５０・・・管側入口ブレナム、５１・・・管側出
ログレナム、５２・・・シェル側入ログレプム、５３・
・・ンエル側出ロプレナム、５４・・・−次系入口ノズ
ル。 ５５・・・−次系出口ノズル、５６・・・駆動流体、５
７・・・誘起電流、５８・−・被駆動流体、５９・・・
円管伝熱管、６０・・・電気絶縁物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、導電性流体である一次流体と二次流体とが伝熱壁で
   仕切られるとともに、前記両流体が流動しながら前記伝
   熱壁を介して熱交換を行なう熱交換装置において、前記
   各流体の一方の流体流路に設けた流体駆動装置と、前記
   熱交換器の外周部と中心部との間で磁束を生ずる配置し
   た磁界発生装置とを備えたことを特徴とした電磁フロー
   カプラ型熱交換器。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記磁界発生装置
   は熱交換器の中心部と外周部との一方に配置した磁気鉄
   心材と他方に配置した磁石とから成ることを特徴とした
   電磁フローカプラ型熱交換器。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記伝熱壁は熱交
   換器の中心部と外周部との間の領域に配置した管状部材
   であることを特徴とした電磁フローカプラ型熱交換器。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記管状部材の外
   壁が前記熱交換器の中心部と外周部との間の領域で形成
   される環状流路の内壁に近接して配置したことを特徴と
   した電磁フローカプラ型熱交換器。 ５、特許請求の範囲第４項において、前記管状部材の伝
   熱管は互に接触しないように前記熱交換器の中心部と外
   周部との間の領域に配置したことを特徴とした電磁フロ
   ーカプラ型熱交換器。