(57)【要約】第一の流体用の第一の複数の導管（５）と、第二の流体用の第二の複数の導管（６）とを含む熱交換器。前記第一の導管（５）と第二の導管（６）は、この両者が熱伝導性の固体母材（７）により分離されるように形成される当該固体母材（７）内に埋め込まれる。隣接する第一（５）と第二の導管（６）間の間隙が、隣接する第一の導管（５）間の間隙、及び隣接する第二の導管（６）間の間隙よりもはるかに大きい。
2004529311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の流体用の第一の複数の導管と、第二の流体用の第二の複数の導管とを含む熱交換器であって、
前記第一の導管と第二の導管は、この両者が熱伝導性の固体母材により分離されるように形成されて当該固体母材内に埋め込まれ、隣接する第一と第二の導管間の間隙が、隣接する第一の導管間の間隙、及び隣接する第二の導管間の間隙よりもはるかに大きい熱交換器。
【請求項２】
隣接する第一の導管相互が接触し、及び／又は隣接する第二の導管相互が接触している、請求項１にかかる熱交換器。
【請求項３】
隣接する第一の導管相互間、及び／又は隣接する第二の導管相互間に金属薄片が配置されている、請求項１にかかる熱交換器。
【請求項４】
前記第一の導管、及び／又は前記第二の導管の各々が矩形断面である、請求項１、２、３にかかる熱交換器。
【請求項５】
前記固体母材が、前記第一と第二の導管間の板を形成し、各導管が前記板と接触している、請求項１から４のいずれか一にかかる熱交換器。
【請求項６】
前記固体母材が銅により構成されている、請求項１から５のいずれか一にかかる熱交換器。
【請求項７】
前記第一の導管の各々、及び／又は前記第二の導管の各々が、ステンレス鋼で作られている、請求項１から６のいずれか一にかかる熱交換器。
【請求項８】
少なくとも１つの導管が、前記固体母材が形成される間に当該固体母材に結合される、請求項１から７のいずれか一にかかる熱交換器。
【請求項９】
前記第一の導管の各々、前記第二の導管の各々が、前記固体母材が形成される間に当該固体母材に結合される、請求項８にかかる熱交換器。
【請求項１０】
前記第一の導管が、前記第二の導管よりも大きな流れ領域を持って形成されている、請求項１から９のいずれか一にかかる熱交換器。
【請求項１１】
前記第一と第二の導管が、前記板に隣接してほぼ等しい表面積を有している、請求項１０にかかる熱交換器。
【請求項１２】
添付の図２、３、４〜７を参照して明細書中に記載された内容と同等の熱交換器。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一にかかる熱交換器を形成する方法であって、
前記第一の導管と第二の導管の間に配置された金属を前記第一と第二の導管に結合するため、高温平衡圧力技術を使用して前記第一の導管と第二の導管との間に固体母材が構成される方法。
【請求項１４】
前記固体母材が、当該固体母材が形成される間に少なくとも１つの導管の表面に結合される、請求項１３にかかる方法。
【請求項１５】
前記固体母材が、当該固体母材の形成の間に第一と第二の導管の各々の表面に結合される、請求項１４にかかる方法。
【請求項１６】
明細書に記載された内容とほぼ同等の熱交換器を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換器に関する。より具体的には、液体金属によって冷却する原子炉に使用される熱交換器に関するが、これに限定はされない。
【０００２】
原子炉本体では、液体金属の一次冷却液が使用されており、この一次冷却液からは、水との直接熱交換を行って蒸気を発生させるか、あるいは二次液体金属冷却液を使用した熱交換手段を利用するかにより熱を除去する必要がある。後者の場合、その後に二次熱交換器を使用して蒸気を発生させる。原子炉で使用される熱交換器は、大気への放射能汚染の恐れを含む過激な反応の原因となる液体金属と水／蒸気との接触を避けるため、極めて頑丈なものでなければならない。この液体金属と水／蒸気との過激な反応はまた、熱交換器内に圧力波を発生させ、反応による生成物は残余の冷却液循環路に多大の障害を及ぼし、熱交換器の修復を極めて困難にして修復ができるようになるまで長期間の閉鎖が余儀なくされる。
【０００３】
液体金属の一次冷却液（ナトリウム）と水／蒸気の間の直接の熱伝導を行う既存の熱交換器では、アレイ状に配列された円形断面のチューブが、固体の銅母材内に埋め込まれている。使用時に、前記チューブの一部がナトリウムを送り、一部が水／水蒸気を送る。この既存の熱交換器は円形断面のチューブを使用しているため、良好なパッキング部分を提供するための使用可能なチューブサイズと分配パターンの数とが制限されるという欠点を有する。加えて、円形断面のチューブを使用すると、チューブ間の空隙を埋めるために大量の銅が必要とされる。円形断面のチューブでは、チューブ同士が接触するとその接触点に形成される狭い隙間に銅を埋めることが困難となるため、接触させることができない。このため、チューブ間の空間は一定の限度以下には狭くすることができない。
【０００４】
前記既存の埋め込み式熱交換器は、隣接するチューブ間に銅の連続した塊が形成されることから、極めて信頼性が高いものの、安全にとって致命的な課題は、異なる液体であるナトリウムと水／水蒸気を送るチューブ間に銅の形成することである。したがって、既存の埋め込みチューブ式熱交換器では、必ずしも安全にとって致命的となる要求を満たしてはいない。
【０００５】
本発明の目的は、上述の問題を解消し、もしくは軽減することである。
【０００６】
本発明の第一の態様によれば、第一の流体用の第一の複数の導管と、第二の流体用の第二の複数の導管とを含む熱交換器が提供され、前記第一の導管と第二の導管とは、この両者が熱伝導性の固体の母材で仕切られるように当該母材内に埋め込まれ、隣接する第一と第二の導管間の間隙は、第一の導管間の間隙、及び第二の導管間の間隙よりもはるかに大きい。
【０００７】
隣接する第一の導管間は相互に接してもよく、及び／又は隣接する第二の導管間は相互に接してもよい。あるいは代替として、隣接する第一の導管間、及び／又は隣接する第二の導管間に金属薄片が配置されてもよい。
【０００８】
第一の導管及び／又は第二の導管の各々は、好ましくは矩形断面をしている。前記固体母材は、前記第一と第二の導管間で板状となり、各導管はこの板に接している。前記固体母材は、銅で構成することができる。第一の導管及び／又は各第二の導管の各々は、ステンレス鋼で作ることができる。
【０００９】
少なくとも１つの導管は、固体母材が形成される間に前記母材に結合される。好ましくは、第一の導管と第二の導管の各々は、固体母材が形成される間に前記母材に結合される。
【００１０】
第一の導管は、第二の導管よりも大きな流れ領域を持って構成されてもよい。第一と第二の導管は、前記板に隣接してほぼ等しい表面積を有してもよい。
【００１１】
本発明の第二の態様によれば、上述したような熱交換器を形成する方法が提供され、ここでは、前記第一の導管と第二の導管の間に高温平衡圧力（hot isostatic pressure）技術を用いて固体母材が形成され、第一の導管と第二の導管との間に配置された金属を前記第一及び第二の導管に結合している。
【００１２】
前記固体母材は、当該固体母材が形成される間に少なくとも１つの導管の表面に結合され得る。好ましくは、前記固体母材は、当該固体母材を形成する間に前記第一及び第二の導管のそれぞれの表面に結合される。
【００１３】
既存の熱交換器と本発明の実施の形態とにつき、例示目的で添付図面を参照して以下に説明する。
【００１４】
図１は、アレイ状に配置された２つの個別のチューブセット２、３から構成される既存の熱交換器１を示している。チューブ２は、原子炉本体を冷却するために使用される液体金属冷却液（ナトリウム）を送り、チューブ３は、水を送る。チューブ２と３は、両チューブセットに機械的に結合された固体の銅母材４内に埋め込まれている。これによって前記２つのチューブセット２、３の内部同士の間では３つの障壁が形成されており、これらの障壁とは、チューブ２と３の管壁、及び銅母材４である。
【００１５】
図１からも明らかなように、このチューブ２、３の配置ではチューブ間に大きな空隙が生じており、この空隙は銅で満たされねばならない。前記パイプは、空隙が狭くなるとパイプ間の小さな隙間への充填が困難となるため、相互に接触させることはできない。これが当該熱交換器の構造を高価なものとする原因である。加えて、３つの障壁の内、ナトリウムを送るチューブ２と水／蒸気を送るチューブ３との間だけが必要なもので、同一材料を送る２チューブ間には必要とされないものであるため、この構造はかなり無駄である。
【００１６】
図２には、本発明にかかる改善された熱交換器が示されている。金属冷却液（ナトリウム）を送る矩形断面の３つのチューブ５が相互に隣接して設けられている。同様に、水／蒸気を送る矩形断面の４つのチューブ６が相互に隣接して設けられている。この２つのチューブのセット５、６の間に、２つのパイプのセット５、６と機械的に接合された銅板７が設けられている。これにより、ナトリウムを送るチューブ５と水／蒸気を送るチューブ６の内部同士の間で３つの障壁が形成されており、これらはチューブ５と６の壁、及び銅板７である。ナトリウムを送る２つのチューブ５の内部間、又は水／蒸気を送る２つのチューブ６の内部間には２つの障壁しかなく、これらの障壁はチューブ５、６の壁により形成されている。このように、安全を確保するために必要なところには追加の障壁が設けられるが、同一の材料を送る２チューブ間には設けられていない。本発明の好ましい実施の形態ではチューブ５、６がステンレス鋼で作られているが、他の適切な材料が使用されてもよい。
【００１７】
銅板７の成形、及び銅板７とチューブ５、6の間の機械的結合は、高温平衡圧力（HIP：hot isostatic pressure）技術によって最適に達成され、これは各種方法によって実施可能である。１つの技術では、チューブ５が相互に接触して配置される。個体の銅板がこのチューブ５の上に置かれ、同様にお互いに接触した水を送るチューブ６が、前記固体銅板の上に置かれる。このようにしてできたアセンブリを型内に配置し、前記銅板を２つのチューブセット５、６に結合するためにＨＩＰプロセスが使用され、これによって板７はチューブ５、６に結合される。
【００１８】
代替の技術では、板７を設けるためのスペースが、２つのチューブセット５、６の間に形成される。この形成されたスペースにはその後、銅粉末が充填され、ＨＩＰプロセスが使用されて前記粉末をチューブ５、６の外部を固定する金属に変換する。
【００１９】
ナトリウムと水／蒸気を送る両チューブの間で第三の障壁として作用する銅板７の厚さは、いずれかのチューブ５、６で発生する亀裂の伝播を阻止するのに十分な厚さであればよい。したがって本発明では、図１に示すような構造と比較し、熱交換器を形成するために必要な銅の量を大幅に低減することができる。予備的な計算によれば、図１に示す円形断面のパイプを使用する既存の熱交換器と、本発明にかかる熱交換器の鋼材の量が同様であるとして、銅の量を最大５７％も低減することができる。これは既存の構造と比較して全体で約３０％のコスト低減となる。
【００２０】
図１に示す既存の構造において、チューブ３と母材４の材料の差による異なる膨張の結果発生する銅母材４内の最大熱応力は、２つの隣接するチューブ３、又は２つの隣接するチューブ２の間で発生する。したがって、図２に示すような矩形構造を採用すると、隣接するナトリウムのチューブ５、又は隣接する水／蒸気のチューブ６の間に銅は存在しないので銅内の最大応力のレベルが低減される。
【００２１】
図２に示す実施の形態では、ナトリウムを送るチューブ５が相互に接触し、水／蒸気を送るチューブ６が相互に接触しているが、実用上は銅の薄片を隣接するナトリウムを送るチューブ５の間、隣接する水／蒸気を送るチューブ６の間に設けることが良好である。
【００２２】
次に図３は、本発明にかかる代替の熱交換器の構造を示している。ここでは、蒸気を送るチューブ６が、銅板７に隣接して比較的広い表面積を持ち、比較的小さな断面面積を持って形成され、これによりその熱伝導能力を向上させるよう構成されている。蒸気を送るチューブ６は比較的小さな流れ面積を持って形成されるが、単純通過式の蒸気発生器の場合は、良好な流れ安定性を維持するために高い圧力降下を使用することができる。これに対し、ナトリウムを送るチューブ５は、比較的大きな流れ面積を有し、より低い圧力降下で操業される。これにより、熱伝導領域は流れ領域と独立し、圧力降下と表面積が使用状態に応じて適切に選択される。
【００２３】
本発明にかかる熱交換器を使用する設備につき、図４から図７を参照して以下に説明する。
【００２４】
図４は、本発明にかかる熱交換器を含んだ冷却システムの全体像を示している。ナトリウムを送るチューブは垂直に配置され、ヘッダ８に導通する。水を送る一連のチューブ９が図の下方から装置に入る。チューブ９は、装置内でナトリウムのチューブと垂直方向に平行に走るチューブに接続され、その後、このチューブは、装置から出るチューブ１０に接続されて多数のＵ字状ループを形成する。これにより、それぞれナトリウムのチューブと水のチューブの配列を持つ下方モジュール１１と上方モジュール１２とが形成され、各々のモジュールは、例えば結合部１３での溶接などによって適切に一体にされる。チューブ１４は、上部ヘッダ８の下でモジュール１２から出る。各チューブ１４は、モジュール１１と１２を通過する各チューブ１０と各チューブ９にそれぞれ接続される。
【００２５】
使用時、水は一連のチューブ９を通って装置内に入り、垂直方向に上向きに流れる。水は装置を通過する間に高温のナトリウムによって加熱され、蒸気を発生し、この蒸気はＵ字状のチューブ１０を通って下方モジュール１１を通過し、継続して上方モジュール１２に入り、ここで高温のナトリウムによって更に加熱される。この蒸気は、一連のチューブ１４を通って装置から出る。
【００２６】
次に図５において、蒸気のチューブ１５の６本の平行な直線状アレイが設けられ、下方モジュール１１内の各アレイは、８本のチューブを含むことが分かる。チューブ１５の各アレイの間に、ナトリウムを送るチューブ１６のアレイ（図５には各アレイに１つのみのチューブが描かれている）が設けられている。水／蒸気を送るチューブ１５の各アレイと、ナトリウムを送るチューブ１６の各アレイの対向面には銅板１７が設けられている。
【００２７】
図６は、図５の線６−６の断面が示されている。水／蒸気を送り、下方モジュール１１を通過して垂直方向に上向きに進む矩形断面の各パイプ１５は、円形断面のパイプ１０に接続されていることがわかる。パイプ１０は溶接結合部１３を通過しておらず、したがって各パイプ１６の全直径回りに溶接を施すためのアクセスを可能としている。
【００２８】
最後に図７には、図４から図６に示すチューブのレイアウトを示している。これらチューブは、２つの比較的大きな断面のナトリウム用チューブ１６が、４つの比較的小さな断面の水／蒸気用チューブ１５に沿うように配置されている。板１７は、この２つのチューブの列の間に設けられる。したがって、図６の下方モジュール１１を通って表示されているチューブは、図７に示すような１２のモジュールから作られている。
【００２９】
板１７は、チューブ１５、１６と機械的に結合されている。これは、全てのチューブ１５が接触し、全てのチューブ１６が接触するように型内にチューブ１５、１６を配置することにより達成される。チューブ１５のアレイとチューブ１６のアレイとの間に形成される空隙は、銅板又は銅粉末により埋められる。その後、ＨＩＰプロセスが使用され、前記チューブを上述したように前記母材に結合する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来の熱交換器のチューブ構造を示す断面図である。
【図２】本発明にかかる熱交換器のチューブ構造を示す断面図である。
【図３】本発明にかかる熱交換機の他のチューブ構造を示す断面図である。
【図４】本発明にかかる熱交換器を使用したシステムの概要を示す図である。
【図５】図４の線５−５から見た側面図である。
【図６】図５の線６−６から見た断面図である。
【図７】図４から図６に示すシステムに使用される熱交換器のチューブ構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１．熱交換器、  ２、３．チューブ、  ４．固体母材、  ５、６．チューブ、  ７．銅板、  ８．ヘッダ、  ９、１０．チューブ、  １１．下方モジュール、  １２．上方モジュール、  １３．結合部、  １４、１５、１６．チューブ、  １７．銅板、
【国際公開パンフレット】
2004529311.tif 000003
2004529311.tif 000004
2004529311.tif 000005
2004529311.tif 000006
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【国際調査報告】
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2004529311.tif 000017
2004529311.tif 000018