JPS6262243B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、胴型熱交換器、主として、溶融金属
と水との間で熱交換を行うための熱交換器及びそ
の製造方法に関するものである。

例えばナトリウムなどの溶融金属は主としてそ
の熱容量が大きいことにより、高速増殖炉の冷却
媒体として原子炉技術に使用されている。溶融金
属は作動温度が高く且つ浸食性を有しているの
で、加熱器や再熱器に使用する熱交換器はオース
テナイト鋼で作るが、それにも拘らずこれらのユ
ニツトには可成りの障害が発見されている。製作
時、最高度に厳重な品質管理を行うにも拘らず、
管対管板接手が破損した。

この発明の目的は、溶融金属と水の熱交換に用
いてしかもナトリウムと水の反応を惹起すること
になるような破損の傾向が少い改良された胴型熱
交換器を提供することにある。

本発明によれば、溶融金属を使用する胴型熱交
換器に於いて、各熱交換管は、管と管板との間に
すきまをもたせて管板の個々の開口を通つて延
び、管は、管板面から直立し管外壁面にその自由
端を封着したスリーブによつて管板に封着され、
管とスリーブとは、封着を行うよう介在させた結
合金属によつて結合してあり、しかもこの結合金
属は、融接による接合の作製に必要とされるよう
な高温の処理を接合の作製に全く必要としない種
類のものである。好ましい構造では、スリーブは
管にろう付けしてありまた管板には融接してあ
り、熱交換管は胴内では継目のない連続した長さ
の管となるように作られている。

管にろう付けしたスリーブを用いて管を管板に
適合させ且つ胴内の管を継目のない連続した長さ
の管から作ることによつて、この熱交換器のナト
リウムと水の障壁には融接は使用されていない。
かくして、別の解釈によれば、本発明は、胴側に
溶融金属を使用し、すべての管が個々の管板の開
口に対してすきまを伴つて貫通することにより胴
内に入り且つ胴内にある全長に亘つて継目がなく
連続した長さをもち、各管の管板面から直立し管
外壁面との接合をその自由端に有するスリーブに
よつて各開口で封着されてあつて、しかもこの接
合が管壁のしたがつてまた溶融金属と管内の伝熱
媒体との間の障壁との完全な状態の劣化を軽減す
るよう融接による接合の作製に必要とされるよう
な高温の処理を接合の作製に全く必要としない種
類の結合金属を介在させることによつて形成され
ている胴型の熱交換器に関する。

この構造体はろう付け個所やスリーブと管板間
の融接接合の応力除去が容易であり、従つて管及
び管板の何れも応力腐食による亀裂発生を増進す
るような大きい張力状態に置かれることがないよ
うになつている。

本発明による胴型熱交換器に於いては、各管と
補完スリーブは各端で管とスリーブとに夫々ろう
付けした管状の嵌合片を設けて間接的に結合でき
る。この場合、スリーブは組立てを容易にするよ
う十分にすきまを設けて管上に伸長するＵ字管を
横方向から支持するための手段と、囲い板の内側
室に沿つて延び熱交換器の第１の管板を形成する
延長部の端壁を貫通する各管の長い方の脚と、囲
い板の外側室に沿つて延び熱交換器の第２の管板
を形成する延長部のフランジを貫通する各管の短
い方の脚とを含み、各管の各脚が管と管板との間
にすきまを伴つて個々の開口を通り補足管板を貫
通しており、管が管板面から直立し管の外壁面に
その自由端で封着せるスリーブを通るよう配置す
ることができる。嵌合片はろう付けを行うのに適
当な管及びスリーブの外面と締り嵌めするよう作
製してある。

本発明は溶融金属用入口及び出口を備え取外し
自在の熱交換管組立体を収容する長い容器を具備
し、熱交換管組立体は、容器の閉鎖体を形成する
フランジ付延長部と、該延長部から不等長の脚を
懸吊させたＵ字状の熱交換管群と、容器と同軸に
配置されるフランジ付延長部と、該延長部から不
等長の脚を懸吊させたＵ字状の熱交換管群と、容
器と同軸に配置され且つＵ字状の管群を包む環状
囲い板と前記延長部から懸吊され且つ前記囲い板
中に内側および外側の環状室を形成する円筒状の
邪魔板と、容器の長手方向軸線に平行に延びるＵ
字状の管を横方向に支持する装置とから構成さ
れ、各管の長い方の管は熱交換器の第１の管板を
形成する延長部の端壁を貫通するよう囲い板の内
側の室に沿つて延び、各管の短い方の管は、熱交
換器の第２の管板を形成する延長部のフランジを
貫通するよう囲い板の外側の室に沿つて延び、各
管の各脚は、管と管板との間にすき間を伴つて
個々の開口を貫通し、管は管板の面から直立する
スリーブによつて管板に封着され且つスリーブの
自由端によつて管の外壁面に封着され、管とスリ
ーブとは共にろう付けされている胴型熱交換器を
提供することにある。

本発明による多管式熱交換器の構造を添付図面
を参照して説明する。

添付図面に示した胴型熱交換器は、液体金属冷
却型高速増殖炉装置の蒸気発生回路に使用され
る。開示の熱交換器は過熱器に使用することを意
図せるものであるが、この発明による熱交換器で
蒸発器及び再熱器として使用するものも概ね類似
の構造である。図示した熱交換器は下端が閉じ、
フランジ付の上端が開放した概ね円筒形の胴１を
具備している。

胴は基部のナトリウム入口２、側部の出口３、
ドレン口４及びナトリウムと水の反応が発生した
場合に胴内の圧力を逃がすための圧力解放用接続
部５を備えている。胴の開放端は、上端が閉じた
フランジ付の円筒形延長部６を有し、胴のフラン
ジと延長部のフランジはボルト止めしてあり且つ
周縁部は軽い溶接７で封着してある。熱交換管８
は不等長の脚を有するＵ字形状をなし、胴内で延
長部６から懸吊してある。長い方の脚８ａは延長
部に沿つて延び、内側管板９を形成する端部カバ
ーを貫通し、短い方の脚８ｂは環状外側管板１０
を形成する延長部フランジを貫通している。これ
らの管は、同軸状に配設された２つの円筒形部材
１１ａ，１１ｂによつて結合され環状囲い板１１
によつて包囲されており、（第３図に示したよう
に）内側管板に架設された円筒形邪魔板１２があ
り、この邪魔板は、囲い板１１内で管の長脚と短
脚間を同軸状に延びている。ナトリウムの流路
は、胴基部の入口から上方に向い、囲い板の内側
円筒形部材１１ｂを通つて延長部６内の分配器１
３に至り、そこから管の長脚上を下向きに流れ、
短脚上を上向きに流れて出口３を通つて胴から出
る。Ｕ字管の長脚と短脚は第１及び２図に示した
ように外部の出口と入口蒸気ヘツダ１４，１５と
に夫々接続されている。Ｕ字管８は９％クロム合
金鋼であるが、この材料は現場で溶接、液処理が
困難であるので、１％クロム合金鋼の移行部１６
を管板とヘツダとの間に配設してある。１％クロ
ム合金の尾部は、９％合金鋼製の管端とヘツダの
尾管とに取付けでき、その（尾部の）製造中に熱
処理することができるものである。相互の連結は
現場で容易に行うことができ、更に熱処理を行う
必要はない。アルゴンのカバーガスは、円筒形邪
魔板１２の各側部上でナトリウム液面上部に配置
し、且つ例えば１７で示したようなプランチが、
カバーガスの水素含量を検査できるようまたナト
リウムの液面高さを検知できるよう設けてある。

第３図及び４図に示したように、管８の各々は
すきま開口を通つて関連する管板９，１０を貫通
し、スリーブ１８によつて管板に封着されてい
る。封着を行うため、各スリーブの下端は管板上
面の開口の境界をなす外方に突出した差し込み口
１９に突合せ溶接してあり、直立スリーブの自由
端は管の外壁面にろう付けしてある。各管板の
夫々の差し込み口へのスリーブの溶接は、管を通
す前にスリーブの内側から行い得るようになつて
おり、溶接部は管板全体を過熱することによつて
すべて同時に応力除去される。ろう付け接合は
個々に作られるが、ろう付け接合を作るため、管
の外側面とスリーブ自由端の内側面とは初めに接
合領域を綿密にきれいにしておく。各接合を連続
して作製するため、２０で示したストリツプ形フ
イラー材料（第４図）をスリーブの孔に取付け
る。管はスリーブを通つて、スリーブと管との間
に作られた接合のすぐ上の位置まで通されてお
り、且つ管は、スリーブの自由端と密着締り嵌め
させるべく、内部で作動するロール手段によつて
外方に変形される。次いで、管の拡張部分がスリ
ーブの自由端と係合するように、管をスリーブ内
に引入れる。高周波誘導加熱コイル（第４図に於
いて２１で示してある）をスリーブの周囲に配置
して、フイラーを溶融するため約１分間加熱を行
うが、接手個所は材料の酸化を防ぐためアルゴン
を充満させた２２で示す密封カバーで包囲して置
く。

フイラー材料はニツケルベース合金のニクロブ
ラズ（Nicrobraz）135（ニクロブラズ
（Nicrobraz）は登録商標であり、この材料の融
点は代表的には1065℃程度である）であり、ろう
付け操作は1050℃〜1200℃の範囲内の温度で行な
う。接合は続いて応力除去が行なわれる。

各ろう付けの結合個所は超音波検査、ヘリウム
漏洩試験及び視覚調査を行い満足できる封着接合
が必ず得られるようにする。スリーブの最外端の
フイラー材料の外観は、結合が有効であるかどう
かの証拠になる。管８は長く連続した管から作ら
れているので、欠陥が発生した場合ナトリウムが
水と接触する原因となるような継目が胴内には存
在しないようになつている。

複合管体は、内側の管板９の下面から懸吊して
いる円筒形邪魔板１２によつて横方向に支持され
ている。邪魔板はこれを通る離伝導を減少するた
め二重壁となつており、取扱い作業時に内壁と外
壁を隔置するようなパツド２３（第５図に示して
ある）が内壁と外壁間に所定間隔をおいて配設し
てある。パツド２３は内壁には溶接してあるが、
軸線方向に於ける壁の熱線膨張差を調整するため
外壁とは摺動接触している。熱交換管８を横方向
に支持するための内壁及び外壁の環状セル形格子
板２４，２５が、環状の囲い板で軸線方向に間隔
を隔てて固定してある。各格子板は、内側セル形
格子板２４の断片を示す第６図に示されたような
セル形スポーク３５によつて相互連結された内側
及び外側リム３３，３４を具備している。スポー
ク３５は、各々１本の管をゆるく収容するための
開口を備えている。スポーク間に可動の防振板２
６が配設してあり、この防振板は管に対するすき
ま開口を備えている。防振板２６は、２つの（垂
直方向に間隔をおいて設けられた）半径方向に突
出する合釘（dowel）３７で外側のリム３４から
摺動自在に支持され、且つこの防振板を半径方向
に内側または外側に動くよう調節できるセツトボ
ルト２７によつて内側リム３３に固定してある。
格子は、各管脚がスポーク３５と防振板２６とを
交互に貫通するように囲い板に順次に配設されて
いる。防振板を半径方向に変位させることによつ
て、管の振動を制止するよう横方向に負荷をかけ
ることができる。別の構造では、内側及び外側の
環状セル形格子板２４，２５が、円筒形邪魔板１
２の内外壁に軸線方向に間隔を隔てて固定してあ
り、この格子板は管を通すための大きいすきま開
口またはスロツトを備えている。この格子板の
各々は、角度を隔てて設けられた一群の防振板を
支持し、管が同じくこの防振板をすきまを設けて
貫通している。防振板は、囲い板の円筒部材８
ａ，８ｂを貫通して伸長するセツトボルトによつ
て格子板に関して半径方向に運動自在に設けら
れ、振動を防ぐため管８に対して半径方向に引出
しまたは押し込め得るようになつている。管に負
荷をかけるために行なわれる運動の方向は、内側
及び外側方向のいずれの方向にもできる。囲い板
の円筒形部材８ａ，８ｂは防振板に接近できるよ
う着脱自在の部分（図示してない）を有してお
り、この防振板も同じく熱交換器の作動後の点検
に際して管の接触部分の損傷調査を可能にするた
め軸線方向に移動自在であるよう且つ必要が生じ
た場合には管との接触部分を新らしくするために
取り替え得るよう配置してある。

下部格子板２４，２５下方のＵ字管８の脚の直
線部分は、第９，１０図に示したように補強スリ
ーブ３１によつて支持されている。このスリーブ
はその上下端で管を密着して包み、各スリーブの
上端は下方格子板２４，２５の管案内セル内にし
つかりと固定してある。スリーブは、その両端間
では管から間隔が隔つており、溶融ナトリウムが
管に接触できるよう窓３２を備えている。補強ス
リーブ３１は、振動や格子乱流による打撃によつ
て生じたクロスフローが原因となるＵ字管のふれ
を容認できるレベルまで減少する。

第１１及び１２図に示した別の支持スリーブ配
置では、Ｕ字管とスリーブ間にアルミニウム―ニ
ツケルベース合金製ブツシユ２３が設けてある。
このブツシユのアルミニウム処理せる支持面は摩
擦係数が小さいので、熱膨張による管の長手方向
運動および振動による摩滅損傷が大巾に減少され
る。

スリーブ１８を用いて熱交換管８を管板９，１
０に適合させることによつて、水とナトリウム間
に管板の境界ができることが避けられる。融接し
た管と管板の接合によつて通常生じる複雑な応力
は除かれているので、管板自体は応力腐食による
クラツク発生の傾向がない。スリーブと管との間
はろう付け接合であつてナトリウムと水の境界内
に融接を使用することは避けてあり、しかもろう
付け接合は製作及び応力除去が容易にできる。囲
い板の外側環状部分の頂部にあるカバーガスの空
間は内側管板に続いており、従つて外側管板の内
側端の温度を容認できるレベルに維持する。

この発明を実施する熱交換器の別の構造に於い
ては、各管と関連するスリーブとの間の封着を嵌
合片によつて行つている。第７図及び８図につい
て説明すると、管８はすきま開口によつて管板
９，１０を貫通し、スリーブ１８によつて管板に
封着される。管はスリーブの各端に対し十分なす
きまを保つてスリーブを貫通しており、且つスリ
ーブ上端と管外面とに締り嵌めするよう機械加工
したカラー形状の嵌合片２８がある。スリーブ１
８はその下端で管板に溶接してあるが、上端は嵌
合片をスリーブと管とにろう付けすることにより
管８に封着される。ろう付け材料２９は、第７図
に示したごとく、ろう付け材料を溶融するため加
熱する前に嵌合片と管との間に挿入でき、または
別の方法として第８図に示したように嵌合片に適
宜に位置決めした溝３０内に置くことができる。
ろう付け作業は、前述の実施令に於けるごとく、
不活性雰囲気内で行ない、且つまた作業後応力除
去を行えばよい。このような構造は、ろう付けに
先立つて構造体を組立てる際、多数の管をスリー
ブにより容易に通し得ると言う経済的利益を有し
ている。

別の構造に於いては、管は熱交換器内方に向う
スリーブによつて管板に封着される。内方に向い
たスリーブをもつた熱交換器の製作はより複雑で
はあるが、このような熱交換器はナトリウム堆積
物の浄化が困難である多数のポケツトを一般に避
け得るという利益を有する。

前述の構造のセル形格子板は、板素材から機械
加工するが、胴に於ける圧力降下が小さいことが
必要な場合には、より複雑な形状のセル形格子板
が必要となり、このような格子板は放電加工技術
を用いればより経済的に形成できるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による多管式熱交換器構造体
の部分断面図、第２図は、平面図、第３図は、第
１図の部分の拡大部分断面図、第４図は、第３
図の部分の拡大部分断面図、第５図は、第１図
の部分の拡大部分断面図、第６図は、第１図の
線―に沿う部分平面図、第７及び８図は、別
の実施例の部分断面図、第９，１０，１１，１２
図は、熱交換管の下端の２つの別の支持袋置の部
分図である。 １…円筒形胴、６…フランジ付円筒形延長部、
８…熱交換管、９…内側管板、１０…外側管板、
１１…囲い板、１２…邪魔板、１８…スリーブ、
２３…パツド、２４，２５…格子板、２６…防振
板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子炉設備に用いられる液体金属―水／蒸気
   熱交換器であつて、液体金属を導くようになつた
   胴と、この胴内に設けられ、水又は蒸気を導くた
   めの熱交換管の束とを有し、胴は熱交換管を通す
   ための少くとも１つの管板を有し、各熱交換管
   は、該熱交換管と管板との間に隙間をもつて管板
   の個々の開口を貫通し、各熱交換管は管板の面か
   ら直立する夫々のスリーブによつて管板に封着さ
   れかつスリーブの自由端が熱交換管の外面に封着
   結合され、スリーブは、該スリーブと熱交換管と
   の連結部を除いて隙間をもつて管を取り囲んでい
   る、熱交換器において、管８とスリーブ１８がニ
   ツケルベース合金からなるろう付け重ね接合によ
   つて互に結合されていることを特徴とする液体金
   属―水／蒸気熱交換器。 ２ 熱交換管８はすべて胴１内の管全体に亘つて
   継目なしの連続長さであり、熱交換管の端は胴の
   外部で水を導くヘツダ１５および蒸気を導くヘツ
   ダ１４に夫々連結されている、特許請求の範囲第
   １項に記載の熱交換器。 ３ 各スリーブ１８は、その自由端として夫々の
   熱交換管８の外面に重なる頚部分を形成するため
   のテーパ部分を有し、ろう付け接合は前記頚部分
   と、この頚部分で囲まれた管の部分との間に作ら
   れる、特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
   熱交換器。 ４ 各熱交換管はろう付け重ね接合領域で半径方
   向に拡張される、特許請求の範囲第１項、第２項
   又は第３項に記載の熱交換器。 ５ 熱交換管８とスリーブは、夫々熱交換管およ
   びスリーブとのろう付け重ね接合を有する管状嵌
   合片２８を介して間接的に互に結合されている、
   特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項に記載
   の熱交換器。 ６ 溶融金属用入口及び出口を備え且つ取外し自
   在の熱交換管組立体を収容する長い容器を具備す
   る熱交換器に於いて、前記熱交換管組立体は、容
   器の閉鎖体を形成するフランジ付の延長部と、不
   等長の脚を延長部から懸吊させたＵ字状の熱交換
   管群と、該管群の長手方向軸線と同軸状に配置さ
   れ且つＵ字状の管群を包囲する環状囲い板と、延
   長部から懸吊され且つ囲い板内で内側及び外側の
   環状室を形成する円筒形邪魔板と、上記Ｕ字管を
   邪魔板から横方向に支持するための手段とを含
   み、前記Ｕ字管の脚が容器の長手方向軸線に平行
   に延び、各管の長い方の管は、熱交換器の第１の
   管板を形成する延長部の端壁を貫通するよう囲い
   板の内側の室に沿つて延び、各管の短い方の管
   は、熱交換器の第２の管板を形成する延長部のフ
   ランジを貫通するよう囲い板の外側の室に沿つて
   延びることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜
   ５項の何れかに記載の熱交換器。 ７ Ｕ字管を邪魔板から横方向に支持するための
   手段は、円筒形邪魔板によつて支持され且つ熱交
   換管によつて貫通される一連の軸線方向に間隔を
   隔てて設けられたセル形格子と、各格子に関連す
   る一連の角度を隔てて設けた防振板とを含み、該
   防振板は管が貫通する開口を備え、管を横方向か
   ら支持すべく防振板を格子に関して半径方向に変
   位させるための引出し手段とを有することを特徴
   とする特許請求の範囲第６項記載の熱交換器。 ８ 少くともいくつかのＵ字管は、振動に対して
   Ｕ字屈曲部を支持するための補強スリーブを備
   え、該補強スリーブは、Ｕ字屈曲部に隣接する格
   子から懸吊し且つＵ字屈曲部方向に延びているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の熱交
   換器。 ９ アルミニウム処理したニツケルベース合金が
   各補強スリーブとその補完関係にある管との間に
   配設してあることを特徴とする特許請求の範囲第
   ８項記載の熱交換器。 １０ 各スリーブ１８の一端を管板９，１０に先
   ず溶接し、夫々の熱交換管８を、スリーブ１８に
   挿入し、スリーブをちよつと越える位置で熱交換
   管を局部的に拡張させて、熱交換管の拡張部分が
   スリーブの自由端と締まり嵌めするようにし、前
   記拡張部分をスリーブの自由端と重なり関係をな
   すように熱交換管を再び位置決めし、熱交換管お
   よびスリーブを取り囲む高周波加熱誘導加熱器を
   使つて、接合部を不活性ガス雰囲気で包みなが
   ら、熱交換管およびスリーブの重なり表面間にニ
   ツケルベース合金でろう付けを行うことを特徴と
   する熱交換器の製造方法。