特表2023-543144 | 知財ポータル「IP Force」

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ スコット，イアン　リチャードの特許一覧

特表2023-543144熱交換器

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

目に優しい文字サイズ小中大 PDF Top

< >

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-13

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

F28F 11/00 20060101AFI20231005BHJP

F28D 9/00 20060101ALI20231005BHJP

G21D 1/00 20060101ALI20231005BHJP

G21C 15/02 20060101ALI20231005BHJP

G21C 15/14 20060101ALI20231005BHJP

F22B 1/06 20060101ALI20231005BHJP

【ＦＩ】

F28F11/00 Z

F28F11/00 A

F28D9/00

G21D1/00 Q

G21C15/02 Z

G21C15/14

F22B1/06 J

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2023515311

(86)(22)【出願日】2021-09-01

(85)【翻訳文提出日】2023-05-02

(86)【国際出願番号】 EP2021074119

(87)【国際公開番号】W WO2022053369

(87)【国際公開日】2022-03-17

(31)【優先権主張番号】2014090.1

(32)【優先日】2020-09-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515230165

【氏名又は名称】スコット，イアンリチャード

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】スコット，イアンリチャード

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103BB08

3L103CC03

3L103DD92

(57)【要約】

熱交換器であって、該熱交換器は、一次流体を運ぶように構成された複数の一次流体管と、二次流体を運ぶように構成された複数の二次流体管と、各々が熱伝導性を有し、前記一次流体と前記二次流体の両方に対して不透過性を有する複数の介在層と、を有し、複数の前記介在層の各々は、第一の側に一つまたは複数の前記一次流体管を有し、前記第一の側と反対側の第二の側に一つまたは複数の前記二次流体管を有し、隣接する介在層の各対の間の領域は、複数の一次流体管または複数の二次流体管のいずれかを含むが、一次流体管および二次流体管の両方は含んでいない。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一次流体を運ぶように構成された複数の一次流体管と、
二次流体を運ぶように構成された複数の二次流体管と、
各々が熱伝導性を有し、前記一次流体と前記二次流体の両方に対して不透過性を有する複数の介在層と、を有し、
複数の前記介在層の各々は、第一の側に一つまたは複数の前記一次流体管を有し、前記第一の側と反対側の第二の側に一つまたは複数の前記二次流体管を有し、隣接する介在層の各対の間の領域は、複数の一次流体管または複数の二次流体管のいずれかを含むが、一次流体管および二次流体管の両方は含んでいないこと
を特徴とする熱交換器。

【請求項2】

複数の漏液用流路をさらに備え、前記一次流体管及び前記二次流体管の各々が少なくとも１つの前記漏液用流路に対する境界を形成し、前記漏液用流路は隣接する介在層の間に位置すること
を特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記複数の漏液用流路内の前記一次流体または前記二次流体を検出し、前記漏液用流路のいずれかにおいて前記一次流体または前記二次流体のいずれかが検出された場合に故障したことを示す信号を出力するように構成されている故障検出システムを含むこと
を特徴とする請求項２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記介在層は、
銅、
アルミニウム、
グラファイト、および、
炭化珪素
のうちの１つまたは複数から形成されていること
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。

【請求項5】

前記介在層の各々は、複数の流路を含み、前記一次流体管および前記二次流体管は、隣接する複数の介在層の流路内に静置されていること
を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。

【請求項6】

前記一次流体管の入口および出口は熱交換器の外面の第１の組にあり、前記二次流体管の入口および出口は前記外面の第１の組と重ならない熱交換器の外面の第２の組に配置されること
を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。

【請求項7】

前記複数の一次流体管または前記複数の二次流体管の一方は、第１組の流体管に含まれ、
前記複数の一次流体管または前記複数の二次流体管の他方は、第２組の流体管に含まれ、
前記第１組の流体管は、それぞれ、前記熱交換器を通過するときに、直線状で、かつ互いに平行であり、
前記第２組の流体管は、それぞれ、直線状の、前記第１組の流体管と平行な細長い部位と、前記第１組の流体管と直交する入口部位と出口部位とを有すること
を特徴とする請求項６に記載の熱交換器。

【請求項8】

前記一次流体管および／または前記二次流体管は、スティールから形成されること
を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器。

【請求項9】

前記一次流体管および／または前記二次流体管は、溶融塩を運ぶように構成され、前記介在層は、前記溶融塩による腐食に耐えられる材料から形成されること
を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器。

【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。特に、本発明は、故障中に一次流体と二次流体の混合を防止するように構成された、例えば原子炉で使用するための熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

原子炉の一次冷却材は、通常、炉心を通過する際に中性子照射により放射能を帯びるようになる。この放射能は、一次冷却材を通過した後、熱を電力に変換する二次系には伝播しないことが望ましい。しかし、一次冷却材と二次系を隔てる物理的な障壁に裂け目がないことは確実にはできない。そのため、多くの原子炉設計者は、一次冷却材と発電システムの間に予備の冷却材ループを挿入している。これにより、冷却材ループを連結する熱交換器の故障が、発電システムの放射能汚染につながらないようにできる。しかし、この工程には相当のコストがかかり、一連の熱交換器を通って温度が下がるため、効率の低下を避けることができない。

【0003】

この問題は、関連する冷却材同士の化学的性質が不適合な原子炉で特に深刻になる。例えば、ナトリウム冷却の原子炉では、最終的に熱を水に移して蒸気を生成する必要があるが、ナトリウムと水は接触させると激しく反応する。

【0004】

一次冷却材が溶融塩である原子炉では、別の問題が発生する。例えば、フッ化物系一次冷却材と硝酸塩系二次冷却材は、フッ化物塩の原子炉物理特性の有利性と硝酸塩の低コスト熱貯蔵媒体としての有用性から、原子炉設計者の間でよく知られたオプションとなっている。硝酸塩が熱交換器内でフッ化物塩よりも高い圧力にある場合、硝酸塩は一次冷却材に侵入して腐食という大問題を引き起こす可能性がある。逆に、フッ化物塩の方が圧力が高い場合、熱交換器のリークによって高放射能物質が硝酸塩系に入り、大量の硝酸塩が放射能汚染されることになる。そのため、２種の塩の間に予備のループを挿入し、どの熱交換器からのどのような漏液も最低圧力に維持できる前記予備のループに逃がすように設計することが一般的である。

【0005】

そのため、どちらかの流体の境界が損傷しても、第２の流体の汚染につながらないような熱交換器の設計が必要とされている。

【0006】

熱交換器には、チューブ・イン・シェル、プレート、プレート・アンド・シェル、ホイール、マイクロ流路等、多様な設計がある。しかし、機械的な損傷の際に流体の混合を許さないという基準を満たすものはない。最もリスクの低い熱交換器は、ブロック型の熱交換器であろう（非特許文献１）。この型の熱交換器では、一つの厚い物質層が二つの流体を隔てている。しかし、その物質層が一箇所でも破損すると複数の流体の混合が起こり得る。

【0007】

ナトリウム冷却炉のより安全な熱交換器を考案するために、多大な努力が払われて来た。その一つは、チューブ・イン・シェル型熱交換器の管を二重壁にして、ナトリウムにさらされる壁と水にさらされる壁をガスで分離することである。これは効果的であるが、高価で故障しやすいものであった。また、間隙のガスによって熱性能が低下するため非効率であった。

【0008】

初期のオプションはドーンレイ高速炉で試作されたが、米国人科学者の海外出張報告（非特許文献２）で言及された以外は、一般には知られていない。この試作は、銅板に４つの穴を開け、その４つの穴に２本のナトリウムパイプと２本の水道管を差し込むという独創的な設計であった。その４つの穴からナトリウム管と水管をそれぞれ２本ずつ挿入し、それぞれの管に沿って銅板を多数積み重ねて挟み込んでいた。これにより、ナトリウム管と水管の間に効果的な金属バリアが形成された。しかし、水道管の破裂によって銅板の間が押し広げられ、水というより蒸気がナトリウム管に直接触れてしまうことになる。そのため、故障がすぐに発見されない限り、２本目の管の故障が発生した場合、蒸気とナトリウムが接触する可能性があった。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】https://www.gab-neumann.com/block-heat-exchangers

【非特許文献2】L.M. Finch, BNWL-602, p5、https://www.osti.gov/servlets/purl/4571502

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

複数種類の流体が混合する可能性を無視できる程度まで下げるドーンレイ高速炉の熱交換器の改良型を考案した。これが本発明の主題である。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様によれば、熱交換器が提案される。該熱交換器は、一次流体を運ぶように構成された複数の一次流体管と、二次流体を運ぶように構成された複数の二次流体管と、複数の介在層とを含み、各介在層は、熱伝導性を有し、一次流体と二次流体の両方に対して不透過性を有する。各介在層は、第一の側に一つまたは複数の一次流体管を有し、第一の側と反対側の第二の側に一つまたは複数の二次流体管を有し、隣接する介在層の各ペアの間の領域は、複数の一次流体管または複数の二次流体管のいずれかを含むが、一次流体管および二次流体管の両方は含んでいない。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】代表的な熱交換器の断面図である。

【図2】熱交換器内の一次流体管と二次流体管の配置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

背景技術を原子炉の話題で説明してきたが、他の用途でも一次流体と二次流体の混合を防止する熱交換器の必要性があり、以下の説明は原子炉に限定して捉えられるべきではないことを理解されたい。

【0014】

図１は代表的な熱交換器を示している。一次流体管１０１と二次流体管１０２は、熱交換器内の層に交互に配置されている。流体管の各層の間には、両方の流体に対して不透過である熱伝導性材料から形成された介在層１００が、両方の流体管の層と物理的に密接に接触するように配置される。前記介在層の材料は、関連する流体の性質に応じて、銅、アルミニウム、グラファイト、炭化ケイ素、または他の熱伝導性材料にすることができる。高温の溶融塩の場合は銅が好適な材料である。

【0015】

介在層の形状は、２つの介在層の２つの側面と、同じ層内の１つまたは複数の管の壁の少なくとも１つの側面によって囲まれた小さなギャップ１０３が介在層の間に存在するような形状にすることができ、前記小さなギャップ１０３は、以下でより詳細に説明するように漏液用流路として作用する。

【0016】

この構成は次のように機能する。
通常の動作では、介在層は熱伝導性が高く、熱伝達率は２つの流体から管への熱伝達係数によって決まるため、熱交換器は非常に効率的になる。前記管内を高速で移動する流体の熱伝達率は、一般的に、チューブ・イン・シェル熱交換器におけるシェル内の低速で移動する流体の熱伝達率よりも高いため、この構成は高い熱性能を発揮する。

【0017】

管が損傷した場合、その管から流体が漏出し、抵抗の少ない流路は、管の層の両側にある介在層の間のギャップによって形成される流路を通ることができる。これらの流路からは熱交換器の外部に漏液するため、故障を容易に発見することができる。あるいは、このような流路を省略して、流体を介在層に貯蔵することもできる。しかし、最も重要なことは、このような流路が設けられているかどうかにかかわらず、不浸透性の層が漏出した流体と第２の流体を隔てているため、漏出した流体が第２の流体を運ぶ管の一つ置きに配置された層と接触することがないことである。したがって、２つの流体が接触するには、２つの流体を運ぶ両方の管と、介在層の材料の三重の故障が必要である。一方、ドーンレイの熱交換器では、隣接するプレートが強制的に引き離され、１本の管から漏出した流体が隣接する管の表面と直接接触できる構造内に介在層の銅板が含まれていた。流体が混ざり合うために必要なのは、たった２つの故障だけであった。

【0018】

介在層の材料は、流路用の溝を形成するためにいくつかの工程によって製造することができるが、特に必要な工程は、流路を形成するための材料のスタンピング工程である。この工程は、銅やアルミニウムのように、介在層の材料が比較的柔らかい場合に特に有用である。硬い材料では、表面に流路を機械加工したり、セラミックタイプの材料では正確な型内で形成する必要がある。

【0019】

管および介在用材料が交互に重なった多重の層が、クランプまたは他の方法で一体的ににプレスされて、熱交換器全体を形成する。管の層には、熱交換器の技術分野の当業者にとっては自明な多くの構成が可能であるが、重要な点は、一次冷却材管と二次冷却材管が近接している場合、それらの間に上記のような介在層があること、あるいは同等なこととして、隣接する介在層の各々のペアの間の領域には、一次冷却材管のみ、または二次冷却材管のみが含まれ、その両方は含まれないことである。

【0020】

図２は、流体２用のエンドプレナム２０１と流体１用のサイドプレナム２０２を有する向流式熱交換器を示す。図示のような管の２０の交互層が、この管の各層の間に置かれた、図１に示すプレス加工された銅の介在板と一緒に積層されている。管と介在板の全体が、機械的強度の強化のために頂部と底部の強靭な鋼板で一体にクランプされている。どの管から漏出したどの液体でも、介在板と管の層の間の、長さが短い管内に出てきて、他の液体と混ざり合うことなく回収することができる。

【0021】

図２における流体１は、一次冷却材流体または二次冷却材流体のいずれかであり、他方は流体２とすることができる。一般に、このような構造の場合、一次流体管または二次流体管の一方は第１のセットの流体管２１０を構成し、一次流体管または二次流体管の他方は第２のセットの流体管２２０を構成する。第１組の流体管はそれぞれ、熱交換器を通過するところでは互いに平行な直線状である、すなわち、端部プレナムを有し、該端部プレナムまで平行である。第２組の流体管はそれぞれ、第１組の流体管に対して直線的かつ平行である細長い部分と、第１組の流体管に対して垂直である入口部分及び出口部分とを有する、すなわち、それらはサイドプレナムを有する。

【0022】

代替的な構造では、各層内に流体管が配列した構成ではなく、層のかなりの割合の部分にまたがる単一の広い流体管が設けられ、プレート型熱交換器として機能することができる。流体管は、アスペクト比（すなわち、長さ方向に垂直な断面の２つの垂直方向の寸法間の比）が約１のもの（例えば、円形または四角形の管）、またはより高いアスペクト比、例えば、少なくとも２または少なくとも５（例えば、楕円またはプレート型の管）を有していてもよい。

【0023】

流体管は、フィンのような流体との間の熱伝達を助けるための内部的特徴を有するか、または流体に所望の流動特性を付与するための追加の特徴を有することができる。

【0024】

流体管に適した材料としては、スティールが挙げられる。一次及び／又は二次冷却材流体が溶融塩である場合、それぞれの流体管は、例えば、溶融塩による腐食に足られる材料で作るか、腐食に耐える内部コーティングを有し、溶融塩の動作温度より高い融点を有する材料から作る、等、溶融塩を運べるような構成にすることができる。

【図1】