JPS628148Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は液体金属の予熱装置、特に、液体金属
冷却高速炉の液体金属配管および液体金属機器の
予熱システムに使用する液体金属の予熱装置に関
するものである。

ナトリウム冷却高速炉のナトリウム流動ループ
においては、ループを起動するには、予めナトリ
ウム配管およびナトリウム機器をナトリウムの流
動可能な温度、すなわち、200〜300℃に予熱して
おく必要がある。この予熱のため従来用いられて
いた方法には、ガス予熱法、シースヒータ予熱
法、あるいは、誘導加熱法がある。以下、これら
の予熱法によりナトリウム配管の予熱を行なう場
合について説明する。

第１図はガス予熱法を実施するための加熱装置
を示すもので、ナトリウム配管１の外周には外管
２が設けられ２重管構造になつており、外管２の
外周には保温材３が施されている。ナトリウム配
管１と外管２で形成された２重管構造により形成
されている環状間隙４にはその一端４１にガス導
入口、他端４２にガス導出口が設けられ、これら
のガス導入口４１、ガス導出口４２の間に、送風
機５と、ガス加熱器６が直列に接続されている。
この流路中のガスは送風機５によつて環状間隙４
に送られるが、その際、ガス加熱器６によつて所
定の温度に加熱される。従つて、環状間隙４に送
られた加熱ガスによりナトリウム配管１は所定の
温度に予熱される。ここで用いるガスには一般に
は不活性ガスである窒素ガスが用いられ、ガスの
消費量の低減をはかるため、排ガスは再び送風機
５に戻るループを形成している。そして、予熱温
度の制御には、ガス加熱器６の温度の調整、ある
いは送風機５の流量の調整によつて行なつてい
る。

この予熱法は、均一予熱ができる反面、幾つか
の欠点がある。すなわち、(1)保温を含めたナトリ
ウム配管系全体の直径が大きくなり、単位長さ当
りの重量が増大し、そのため配管支持部材に丈夫
なものが必要になる。(2)ナトリウム配管１と外管
２との間に必ず生ずる温度差によつて熱膨張差が
生じるため、環状間隙スペーサおよび配管支持部
材に大きな熱応力がかかる。(3)比較的太い高温ガ
ス系の配管を張りめぐらす必要がある等の欠点が
ある。

第２図はシースヒータ予熱法を実施するための
加熱装置を示すもので、ナトリウム配管１の外壁
面に直接シース電気ヒータ１１をら旋状、あるい
は直線状に配設し、バンド１２で固定してある。
シース電気ヒータ１１を含むナトリウム配管１の
外周には保温材３が施されている。シース電気ヒ
ータ１１には電線１３より配電盤１４から電力が
供給され、シース電気ヒータ１１の発熱によりナ
トリウム配管１を予熱する。予熱温度の制御には
ナトリウム配管１の温度を熱電対１５で検出し、
配電盤１４内に組込まれた温度調節器１６、コン
タクタ１７、あるいは電圧調節器１８を自動的に
作動させ、供給電力を調節して行なわれる。この
シース電気ヒータによる予熱法は最も一般的で従
来のナトリウム装置の予熱にはほとんどこの方式
が用いられている。しかし、シース電気ヒータ１
１とナトリウム配管１とは線接触で伝熱が行なわ
れるため熱抵抗が大きくなり、必要な熱量を得る
ためには、シース電気ヒータ１１の熱流束を高く
したり、シース電気ヒータ１１内部の絶縁物の厚
さを薄くしたりする必要がある。しかし、このよ
うな対策は、発熱体の断線、あるいは、短絡の原
因となるので好ましくなく、特にナトリウム配管
１においてはシース電気ヒータ１１のトラブルが
一旦発生すると、次に、シース電気ヒータ１１と
ナトリウム配管１に電気スパークを発生し、ナト
リウム配管１に穴があき、内部のナトリウムが外
部へ漏洩し、ナトリウム火災になるなどますます
事故が拡大することになる。今まで発生したナト
リウム漏洩事故のうち、シース電気ヒータのトラ
ブルが原因で起きた例が最も多い。このような欠
点を補うため、制御系に安全装置として洩電防止
あるいは過加熱防止システム等を配電盤１４の制
御回路中に組込むことになるが、このため予熱設
備は大規模なものとなる。しかし、ナトリウム流
動ループの予熱はナトリウムを流動化させる初期
操作の時のみ稼動し、定常流動状態においてはほ
とんど停止している。このように運転初期にのみ
操作する稼動率の低い予熱系に大規模な予熱設備
を設けることはプラント全体の系を複雑にするの
みならず、コスト高になる欠点がある。

第３図は誘導加熱法を実施するための加熱装置
を示すものであるが、一部実験室規模で試みられ
たのみで実用の段階に到つていない。この予熱装
置はナトリウム配管１の外側に導電性で、かつ透
磁率の大きい強磁性体よりなる発熱体２１を配設
し、発熱体２１の外周に保温材３を施し、保温材
３の外周に励磁コイル２２をら旋状に巻きつけて
構成されている。この励磁コイル２２へは配電盤
２４から電線２３により交流電力が供給され、励
磁コイル２２に交流の電流が流れると励磁コイル
２２の周囲に交流の磁界を生じる。強磁性体より
なる発熱体２１はこの交流磁界を受け内部に渦電
流を発生し、強磁性体のもつ電気抵抗によつてジ
ユール熱を発生する。この熱によりナトリウム配
管１は予熱される。強磁性体として鉄系のフエラ
イト鋼あるいは普通炭素鋼等が使われるが、これ
らの材料は容易に酸化するため、できるだけ低い
温度で加熱できるように、また熱効率の向上をは
かるため、ナトリウム配管１と強磁性体よりなる
発熱体２１とは接触状態で使われる。この場合は
接触に対してシース電気ヒータの場合のようにス
パークの発生の恐れはないが、ナトリウム配管に
は一般にステンレス鋼が用いられているため、炭
素鋼等の異種金属の接触は金相学的に好ましくな
い。この予熱装置の温度制御は、前述のシース電
気ヒータ方式と全く同じシステムで行なわれる。
すなわち、ナトリウム配管１の温度を熱電対２５
で検出し、配電盤２４内に組込まれた温度調節器
２６、コンタクタ２７、電圧調節器２８等よりな
る温度調節システムを作動させて、励磁コイル２
２への供給電力を制御する。したがつて、この誘
導加熱法も大規模な制御システムが必要である。

以上の如く、従来の予熱法は一長一短があるが
共通して(1)一定な予熱温度を保持するための専用
の温度調節システムが必要である。(2)安全保護装
置等を設ける必要があるため制御系が複雑にな
り、コスト高となる。(3)常時使われない系統が複
雑であるため期間中のトラブル発生率が高く、そ
のため常に保守点検作業が多くなる等の欠点があ
る。

本考案は、制御系の簡素化が可能であり、安全
性を損なうことなく確実に動作する液体金属の予
熱装置を提供することを目的とするもので、液体
金属配管および液体金属機器中の液体金属の予熱
を電磁誘導的に行なう装置において、前記液体金
属配管および液体金属機器の外周に配設される温
度上昇に伴なつて電気固有抵抗が増加し、かつ透
磁率が減少する強磁性体よりなる発熱体素子と、
前記液体金属配管および前記液体金属機器の外周
と該発熱体素子との間に、前記発熱体素子を構成
する前記強磁性体温度がキユリー点に達した時、
前記液体金属の加熱作動温度の最高温度になるよ
う調整するために挿設される耐熱性絶縁体層と、
前記発熱体素子及び該耐熱性絶縁体層とともに前
記液体金属配管および前記液体金属機器を保温す
る保温材と、該保温材の外周で前記発熱体素子の
施されている位置に取り付けられ、一定電流特性
をもつ電源トランスからの電流によつて前記発熱
体素子を励磁する鞍形状の励磁用コイルとを有し
ていることを特徴とするものである。

すなわち、温度上昇に伴なつて、電気抵抗が増
加し、透磁率が減少する強磁性体を交流磁界中に
置き、強磁性体を発熱体とすることにより強磁性
体の電気抵抗変化特性と、キユリー点作用を効果
的に発揮させることにより自己制御作用が働く。
また被加熱体と発熱体との間に適当な熱抵抗と電
気絶縁の性質をもつ耐熱性絶縁体層を設けること
によつて被加熱体を所定の一定温度にすることが
できる。かつ発熱体素子を構成する強磁性体がキ
ユリー点に達した時、液体金属の加熱作動温度の
最高温度に調整することができるので、強磁性の
発熱量の極端の減少により、自己過熱防止作用を
生ぜしめることができる。

以下、実施例について説明する。

第４図は一実施例としてナトリウム配管１に適
用したものであり、ステンレス鋼製のナトリウム
配管１の外周の数個所に発熱体素子３１が配置し
てある。発熱体素子３１は、中心にフエライト鋼
等の強磁性体３２が位置し、この全周にマグネシ
ヤ等の耐熱性絶縁体３３が被覆され、さらにこの
耐熱性絶縁体３３の外周を薄いステンレス鋼被覆
層３４で包んだもので、ナトリウム配管１にバン
ド等で固定し、さらにその外周に保温材３５が施
されている。この保温材３５の外側で発熱体素子
３１が配置されている位置には、鋼線よりなる鞍
形状の励磁コイル３６が設けられ、励磁コイル３
６に供給する電源には商用周波数（50又は60Hz）
の電源トランス３７を用い、電力線３８によつて
交流電圧が供給される。

励磁コイル３６に商用周波数である50又は60Hz
の交流電流を流すと、交流電流の大きさと、励磁
コイル３６の巻数の積に比例した大きさの交流磁
界を誘起する。磁界中に置かれた強磁性体３２は
この交流磁界を受けて内部に渦電流を発生する。
渦電流は強磁性体３２の電気抵抗によつてジユー
ル熱を発生する。

強磁性体内に発生する発熱量P.は次式で表わさ
れる。

ここで、 P.は発熱体量（Ｗ） μ_１は強磁性体の透磁率（Ｈ／ｍ） ωは周波数（ω＝２πｆ） ａは強磁性体の半径（ｍ） ｌは強磁性体の長さ（ｍ） ｎは励磁コイルの巻数（Ｔ） Ｉは励磁コイルの電流(A) k₁は強磁性体の導電率（Ω^-1m^-1） また、強磁性体において渦電流が浸透する深さ
（ｓ）は、周波数（）、導電率（σ）および透磁
率（μ）により次式で表わされる。

Ｓ＝（π・ｆ・σ・μ）〓 …(2) したがつて、鉄系統の強磁性体を用いた場合に
は、商用周波数において、約２mmで磁化は飽和に
なる。実際は飽和磁化力以下で使用されるが、強
磁性体の厚さは約10mmが好適である。すなわち、
交流磁界中に置かれた強磁性体は(1)式の関係によ
り発熱する。そして、発熱速度は強磁性体の熱容
量（比熱と重量との積）によつて上昇する。温度
上昇に伴ない強磁性体の電気抵抗が増加し、透磁
率が減少する。

この実施例で用いたフエライト鋼は第５図に示
すような特性をもつている。この図は横軸に温度
（℃）、縦軸には電気低抗（Ω−ｍ）および飽和磁
化力（Ｇ）がとつてあり、Ａ，Ｂはそれぞれ、電
気抵抗、飽和磁化力を示すもので、Ｃはキユリー
点を示している。この図によるとフエライト鋼に
は790℃にキユリー点があり、この温度を境にし
て強磁性体が非強磁性体に変化する。従つて、こ
のときの透磁率変化は数十万分の一に低下する。
したがつて強磁性体をこのキユリー点温度で電磁
誘導加熱を行なうと、極端に発熱量が低下するこ
とになる。

いま、被加熱体であるナトリウム配管１の温度
を約300℃になるように設計する場合には、強磁
性体３２の最高温度を約800℃として、強磁性体
３２の周囲に設ける耐熱性絶縁体３３の厚さをそ
の熱伝導率から求め、被加熱体と発熱体との間に
約500℃の温度を保持するようにする。

また、励磁コイル３６のインピーダンス（ｚ）
は次式で表わされる。

Ｚ＝Rcn＋R.＋ｊωＬ …(3) ここで、 Rcnは励磁コイルの直流抵抗（Ω） R.は磁性体の抵抗分（Ω） ωＬはリアクタンス（Ω） (3)式によると、強磁性体の物質が温度上昇に伴
ない透磁率が減少すると、R.およびωＬの値が
小さくなり、励磁コイル３６のインピーダンス
（Ｚ）は小さくなる。しかし、電源トランス３７
の出力特性が一定電流特性をもつ電源トランス３
７を用いることによつて励磁コイル３６のインピ
ーダンスを低下させ、これによつてコイル自身の
発熱を抑えることが可能である。

すなわち、実施例の液体金属の予熱装置は、特
別な温度制御システムを設けなくても、発熱体素
子の自己温度制御作用により、ナトリウム配管温
度を約300℃に保持できる。また、発熱体素子の
キユリー点特性により、特別な過熱防止装置を設
けなくとも、過熱の防止が自動的に行なわれる。
さらに、発熱体素子および励磁コイルが被発熱体
に接触していないため、漏電の心配はない等の効
果を有するものである。

第６図は他の実施例を示すもので、第４図の実
施例と異なる点は発熱体素子３１をナトリウム配
管１の内部に入れ、励磁コイル３６を保温材３５
の外周にら旋状に巻付け、ナトリウム配管１の内
部で加熱するように構成されている点である。こ
こで用いられる発熱体素子３１はステンレス鋼被
覆層３４を完全密閉型にして、発熱体内部にナト
リウムが浸入しないように工夫する必要がある。

この実施例の装置も前述の実施例と同様の効果
が得られ、また、励磁コイルを数個、Δ又はＹ接
続にし、三相電源を供給することによつて、電源
効率は約1.7倍向上する。

以上の如く、本考案液体金属の予熱装置は、制
御系の簡素化が可能であり、しかも安全性を損な
うことなく確実に動作可能であつて工業的効果の
大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の液体金属の予熱法
で用いるそれぞれ異なる加熱装置の要部断面説明
図、第３図は同じく誘導加熱法による加熱装置の
要部断面説明図、第４図は本考案液体金属の予熱
装置の一実施例の要部斜視図、第５図はフエライ
ト鋼の飽和磁化力と電気抵抗値の温度特性図、第
６図は本考案液体金属の予熱装置の他の実施例の
要部断面図である。 １……ナトリウム配管、３１……発熱体素子、
３２……強磁性体、３３……耐熱性絶縁体、３４
……ステンレス鋼被覆層、３５……保温材、３６
……励磁コイル、３７……電源トランス。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 液体金属配管および液体金属機器中の液体金属
   の予熱を電磁誘導的に行なう装置において、前記
   液体金属配管および液体金属機器の外周に配設さ
   れる温度上昇に伴なつて電気固有抵抗が増加し、
   かつ透磁率が減少する強磁性体よりなる発熱体素
   子と、前記液体金属配管および前記液体金属機器
   の外周と該発熱体素子との間に、前記発熱体素子
   を構成する前記強磁性体の温度がキユリー点に達
   した時、前記液体金属の加熱作動温度の最高温度
   になるよう調整するために挿設される耐熱性絶縁
   体層と、前記発熱体素子および該耐熱性絶縁体層
   とともに前記液体金属配管および前記液体金属機
   器を保温する保温材と、該保温材の外周で前記発
   熱体素子の施されている位置に取り付けられ、一
   定電流特性をもつ電源トランスからの電流によつ
   て前記発熱体素子を励磁する鞍形状の励磁用コイ
   ルとを有していることを特徴とする液体金属の予
   熱装置。