JPS63183394A - 熱交換器の伝熱管支持用スペ−サ - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は熱交換器の伝熱管支持用スペーサに係り、特に
高速増殖炉（ＦＢＲ）に付設される蒸気発生器等のよう
に多数の伝熱管を有する大型熱交換各の伝熱管支持用ス
ペーサ（以下、スペーサと略記する）に関する。

（従来の技術） 高滓増殖炉に付設される大型熱交換器としては種々の型
式が開発されているが、一般的に第５図に例示するよう
な一体貫流式直管型の蒸気発生器が採用されている。

すなわち、筒状の蒸気発生器胴体１の軸方向に数千水に
及ぶ伝熱管２が配設されており、伝熱管２の両端は２枚
の管板３．４によってそれぞれ支持され、胴体１に一体
的に固定される。また、伝熱管２は、管板間に所定間隔
をおいて配設されたスペーサ５により支持されて半径方
向の変位が拘；束される。蒸気発生器胴体１の側部には
、蒸気発生器内のジャケット側を流通する加熱媒体であ
る金属ナトリウムの流入口６および流出ロアが設けられ
、一方、伝熱管側を流れる被加熱媒体である水が流入す
る水入口８と、水が金属ナトリウムと向流接触して熱交
換し、蒸気となって流出する蒸気出口９が胴体１の両端
部に設けられている。

従来のスペーサ５の構造は、第６図および第７図に例示
するように、伝熱管２を挿通する伝熱管孔１０と、金属
ナトリウムが流通するナトリウムフローホール１１を多
数穿設した平板状の部材として構成されている。なお、
スペーサ５は蒸気発生器内部における組立工程を簡易化
するために例えば半径方向または周方向に複数に分割し
た構造で製作される。

（発明が解決しようとする問題点） 前記スペーサ５の設計に際しては、スペーサ５が地震発
生時においても伝熱管２を所定位置に保持する強度部材
としての剛性を有することと、伝熱管２の外側を流れる
金属ナトリウムの流通に障害とならないように、流路面
積を充分広く確保することが基本的な設計指針である。

しかしながら、金属ナトリウムの流動抵抗を低減するた
めにナトリウムフローホール１１の口径と配置数を増大
させることは、スペーサ５自体の剛性の低下を招来し、
耐震性を損うことにつながる。

一方、金属ナトリウムの流路面積を増大させるために伝
熱管２を挿通する伝熱管孔１０の口径を伝熱管２外径よ
り所定以上に太き（設定すると、伝熱管２の半径方向の
変位に対する拘束力が低下し好ましくない。

したがって、スペーサ５の設計においては、まず、所定
数の伝熱管孔を設けた後に、スペーサ５に最少限必要と
される耐震強度を確保するための断面積を残し、ナトリ
ウムフローホール１１の断面積が最大となるようにナト
リウムフローホール１１の口径と配置が設定されている
。

しかし、上記の基準によって設計されたスペーサ５を蒸
気発生器に採用した場合、一般に蒸気発生器胴体１の径
方向の総断面積に占めるナトリウムフローホール１１の
流路面積合計の割合は非常に小さい。そのため、金属ナ
トリウムが胴体内を流れる際の圧力損失が大きく金属す
トリウム循環ポンプの負荷を増大化する原因となってい
た。

一方、蒸気発生器胴体１の単位断面積当りのスペーナ５
の重量は非常に大きいため、多大な製作費を要し、また
取付ける周辺部材の強度も大きく設定する必要があった
。

さらに従来のスペーサ５においては、伝熱管２外径より
わずかに大きい内径を有する伝熱管孔１０に伝熱管２を
挿通していたため、周辺機各の振動や伝熱管２の不均一
な熱膨張、または地震による振動が作用した場合、伝熱
管２と伝熱管孔１０とが接触する二面間において繰り返
して微小滑りを生じて摩耗を生起し、いわゆるフレッテ
ィングコロ−ジョンによって伝熱管２が損傷するおそれ
があった。

本発明者は先に従来例の問題点を解決するために種々検
討した結果、第８図に例示するように格子枠素材１４を
縦横に交差させて格子枠１２を形成し、格子枠１２に、
開口断面が正四角形または正六角形などの多角形状を有
する単位セル１３を設け、この単位セル１３内に多数の
伝熱管ホルダを装填するスペーサ構造を提案し、特許出
願している（特願昭６１−２４１４５８号明細書）。こ
の出願によると伝熱管ホルダ１５と伝熱管２との闇に形
成される流路の断面積が大きいため流体の圧力損失が大
幅に低減されるという利点がある。

しかしながら、格子枠１２に形成された単位セル１３の
開口断面が正四角形（第８図Ａ）または正六角形（第８
図Ｂ）などの多角形状に形成されているため、所要本数
の伝熱管を各単位セルに装填した状態において、最外周
部の単位セル側面と、熱交換器の胴体内壁面との間に部
分的に広い空隙を生じることとなり、空間の利用効率が
低下するとともに内部を流通する流体量が不均一になる
問題点を生じる。また、伝熱管数の増減に応じて単位セ
ル内をさらに細かく分割する必要性が生じた場合は、そ
の仕切り作業が困難であった。

本発明は、上記の問題点を解消するために提案されたも
のであり、伝熱管相互の半径方向の変位を充分拘束でき
る耐震強度を維持しながら伝熱管支持用スペーサの軽量
化を図り、かつ金属ナトリウム流の圧力損失を低減し、
さらに、伝熱管表面における摩耗、フレッティングコロ
−ジョンによる損傷を可及的に抑制し得る伝熱管支持用
スペーサを与え、さらに熱交換器内部の周辺空間を有効
に活用することができる熱交換器の伝熱管支持用スペー
サを提供することを目的とする。

（発明の構成） （問題点を解決するための手段） 本発明に係る熱交換器の伝熱管支持用スペーサは、格子
枠素材を同心円状および半径方向に放射状に配設して形
成した格子枠と、格子枠によって区画形成され扇形の開
口を有する多数の単位セルと、前記単位セル内に軸方向
を揃えて装填した複数の筒状の伝熱管ホルダとを備え、
前記伝熱管ホルダは、挿通した伝熱管と伝熱管ホルダと
の相互妾触を防止する緩衝材を内周面に設けたことを特
徴とする。

（作用） 上記構成の伝熱管支持用スペーサによれば、各伝熱管は
格子枠の単位セル内に装填された筒状の伝熱管ホルダに
挿通され、また緩衝材を介して保持される。したがって
、地震時において発生する伝熱管相互の半径方向の変位
は強固に拘束される。また、伝熱管ホルダ内面に設けた
緩衝材の作用により伝熱管ホルダと伝熱管とが隔離して
保持されるため、相互に接触して損傷することが少ない
。

また、隣接する伝熱管ホルダ１５相互の間隙部分および
各伝熱管ホルダ１５と伝熱管２との間に形成される環状
空間のうち緩衝材１６を設けた空間を除いた空間は、金
属ナトリウムの流路となるため、従来と比較して流路面
積が増大し、金属す１−リウム流の圧力損失が少ない。

さらに、格子枠１２および伝熱管ホルダ１５は一般に薄
板材料によって形成されるため、厚板を穿孔して形成し
た従来のスペーサと比較して部材重量を大幅に低減する
ことができる。

また、上記構成の伝熱管支持用スペーサによれば、格子
枠１２内の各単位セル１３の開口が扇形に形成されてお
り、最外周の単位セルの側面は同心円状に配設された格
子枠素材１４によって形成されているため、最外周部の
単位セル１３と熱交換器胴体内壁との間に形成される空
隙は全周に亘り均一となり、流体の偏流が解消する。ま
た、伝熱管数に対応して単位セル１３内をさらに細かく
分割する場合でも、格子枠素材１４を同心円状および半
径方向に放射状に適宜増設することにより扇形の単位セ
ル１３内を容易に仕切ることが可能である。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について第１図〜第４図の図面
を参照して説明する。第１図は本発明に係る伝熱管支持
用スペーサ５のフレームとなる格子枠１２を示す平面図
である。

格子枠１２は例えば帯状の格子枠素材１４を熱交換器の
中心軸から同心円状に配設し、さらに半径方向にも放射
状に配設し、両者を溶接等によって接合し一体的に形成
される。したがって、格子枠１２には格子枠素材１４に
よって区画された扇形の開口を存する単位セル１３が多
数形成される。

単位セル１３の数は装備する伝熱管２の本数によって異
なるが、一般的に高速増殖炉で用いられる蒸気発生器に
おいては数１０ないし数１００程度である。

各単位セル１３には第２図に例示するように、伝熱管２
を１本ずつ挿通した筒状の伝熱管ホルダ１５が軸方向を
揃えて稠密に束ねられ、配設される。この伝熱管ホルダ
１５の束は例えば溶接により相互に接合され、さらに単
位セル１３の側壁に一体的に固定される。

伝熱管ホルダ１５の詳細構造は、例えば第３図および第
４図（Ａ）に示すように、円筒形に形成した伝熱管ホル
ダ本体１５ａの内側に！ＩＩＩ材１６材膜６て構成する
。緩衝材１６は、伝熱管ホルダ本体１５ａの側壁の一部
を切り込むことにより切片を形成し、その切片を伝熱管
ホルダ本体１５ａの中心方向に膨出させ、湾曲形成した
板ばね１６ａと、その板ばね１６ａと対向した伝熱管ホ
ルダ本体１５ａの側壁の一部を同様に中心方向に凹陥せ
しめて湾曲状に形成した突起１６ｂとから構成する。

また、ｗ！衝材１６の他の態様としては、第４図（Ｂ）
に例示するように伝熱管ホルダ本体１５ａの内面に設け
た板ばね１６ａと、この板ばね１６ａに対向した位置に
湾曲成形した曲面板１６ｃを固着してもよい。また、第
４図（Ｃ）、（Ｄ）に示すように伝熱管ホルダ本体１５
ａの内周に板ばね１６ａを適数配設して緩衝材１６とし
てもよい。

上記実施例の構成による伝熱管支持用スペーサ５によれ
ば、伝熱管は１本毎に緩衝材１６を介して伝熱管ホルダ
１５により支持固定され、さらに伝熱管ホルダ１５は数
１０〜数１００本ずつ結束されて格子枠内の各単位セル
に装填されるため、伝熱管の半径方向の変位は、強固に
拘束される。

また、伝熱管は板ばね１６ａ１突起１６ｂまたは曲面板
１６Ｃによって構成された緩衝材１６を介して伝熱管ホ
ルダ１５に接触しているため、相互の接触面積が小さい
。したがって、摩耗による損傷を低減することができる
。特に、板ばね１６ａを採用した場合は、ばねの復元力
によって伝熱管２が伝熱管ホルダ１５の中心部に常時押
圧されることとなり、弾力的で安定した固定が可能であ
る。また、地震による振動または不均一な熱膨張作用が
動いた場合においても伝熱管２と伝熱管ホルダ１５とは
直接接触することがないため、伝熱管２の損傷、フレッ
ティングコロ−ジョン等による摩耗の問題を解消するこ
とができる。

さらに、隣接する伝熱管ホルダ１５１Ｉｌの空間および
各伝熱管ホルダ１５と伝熱′ｔ１２との間に形成される
環状空間のうち、緩衝材１６を除いた空間部分は金−ナ
トリウムの流路となり、この流路面積は従来の平板状の
スペーサと比較して大幅に増加するため、運転時におけ
る金属ナトリウム流の圧力損失は大幅に低減する。した
がって、金属ナトリウム循環ポンプに対する負荷を低減
することができる。

また、格子枠１２および伝熱管ホルダ１５は一般に薄板
材料で調製されるため、従来の厚板で形成したスペーサ
と比較して部材重量が軽減され、蒸気発生器の加工製作
費を低減することができる。

さらに装備する伝熱管２の総数に対応して単位セル１３
内をさらに細かく分割する場合でも格子枠素材を同心円
状および半径方向に放射状に適宜増設することにより、
扇形の単位セル内を容易に仕切ることが可能となり、ス
ペーサの加工工数および労力が大幅に低減できる。

また、伝熱管ホルダ１５の内周に設ける緩衝材１６の構
成例としては第４図に例示するように板ばね１６ａ１突
起１６ｂおよび曲面板１６ｃとの種々の組合せが可能で
あるが、伝熱管２の支持強度およびホルダ本体の加工性
から判断して第４図（Ａ＞に示す板ばね１６ａと突起１
６ｂとの組合せ構造が有効である。また、緩衝材１６は
伝熱管ホルダ１５の長手軸方向全長に亘り設けることも
可能であるが、伝熱管ホルダ本体１５ａの剛性を保つた
めに部分的に設けることもできる。

なお、本実施例では高速増殖炉に付設される蒸気発生器
を例にとり説明したが、本発明は上記の特定の実施例に
限定されるものではなく、加圧水型原子炉に付設される
蒸気発生器さらに汎用される熱交換器に対しても広く適
用することができる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明に係る熱交換器の伝熱管支持用
スペーサによれば、各伝熱管は緩衝材を介して伝熱管ホ
ルダによって保持され、さらに伝熱管ホルダは格子枠内
の単位セルに装填されて固定されているため、伝熱管と
伝熱管ホルダとが直接接触して損傷することが少なく、
また伝熱管の半径方向における振動または熱膨張による
変位は強固に拘束される。

また、隣接する伝熱管ホルダ間の空間および伝熱管ホル
ダと伝熱管との間に形成される環状空間は、ジャケット
側を流れる流体の流路となる。この流路面積は従来の円
板型のスペーサと比較して大幅に増加するため、流体の
圧力損失は大幅に低減され、流体ポンプの負荷を低減す
ることができる。

さらに、格子枠および伝熱管ホルダは一般に薄肉の構造
材料で形成されるためにスペーサ全体の重量を低減する
ことができるなど、熱交換器の健全性維持および特性改
善に大きく寄与することができる。

また、格子枠の各単位セルは格子枠素材を同心円状およ
び放射状に配設することにより形成されているため、単
位セルと熱交換器の胴内壁との間に形成される空隙が全
周に渡り均一となり、空隙部を流通する流体近が均一に
なる。さらに、伝熱管数の変動に対応して中位セル内を
さらに細かく分割する場合においても、格子枠素材を同
心円状および放射状に適宜増設することにより扇形の単
位セル内を容易に仕切ることが可能である。また、最外
周部の単位セルと熱交換器胴体との間に形成される空隙
は従来の場合と比較して大幅に減少し、空間の有効利用
を図ることができる。特に狭いプラントエリアに設置さ
れる蒸気発生器などの熱交換器の本体外径を縮小するこ
とが可能となり、ブラント規模が大型化した場合等にお
いて特に空間の利用効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る熱交換器の伝熱管支持用スペーサ
の一実施例を示す平面図、第２図は第１図にＪ３ける■
部の拡大詳細図、第３図は本発明に係るスペーサの伝熱
管ホルダの一実施例を示す斜視図、第４図（Ａ）〜（Ｄ
）は伝熱管ホルダの緩衝材の構成を例示する断面図、第
５図は従来の蒸気発生器の概略構造を示す断面積、第６
図は従来の伝熱管支持用スペーサの一例を示す第５図の
■−ＶＴ矢視平而図、面７図は第６図にお【プる■−■
矢視断面図、第８図（Ａ）、（８）は従来の格子枠の構
成例を示す平面図である。 １・・・蒸気発生器胴体、２・・・伝熱管、３．４・・
・管板、５・・・スペーサ、６・・・流入口、７・・・
流出口、８・・・水入口、９・・・蒸気出口、１０・・
・伝熱管孔、１１・・・ナトリウムフローホール、１２
・・・格子枠、１３・・・単位セル、１４・・・格子枠
素材、１５・・・伝熱管ホルダ、１５ａ・・・伝熱管ホ
ルダ本体、１６・・・緩衝材、１６ａ・・・板ばね、１
６ｂ・・・突起、１６ｃ・・・曲面板。 代理人弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　　　　　三　　俣　　弘　　文渠３　図 （Ａ）　　　　　　　　　　　ＣＢ＞ 、２ （（：’）　　　　　　　　　　　　ＣＤ）芋　４　図 芋　５　回 （Ａ） 革 ＣＢ） ６　回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、格子枠素材を同心円状および半径方向に放射状に配
   設して形成した格子枠と、格子枠によって区画形成され
   扇形の開口を有する多数の単位セルと、前記単位セル内
   に軸方向を揃えて装填した複数の筒状の伝熱管ホルダと
   を備え、前記伝熱管ホルダは、挿通した伝熱管と伝熱管
   ホルダとの相互接触を防止する緩衝材を内周面に設けた
   ことを特徴とする熱交換器の伝熱管支持用スペーサ。 ２、緩衝材は、伝熱管ホルダの中心方向に突出するよう
   に湾曲成形した曲面板を伝熱管ホルダの内周面に固着し
   てなる特許請求の範囲第１項記載の熱交換器の伝熱管支
   持用スペーサ。 ３、緩衝材は、筒状の伝熱管ホルダ側壁の一部を切り込
   むことにより切片を形成し、その切片を中心方向に膨出
   させ、湾曲形成した板ばねから成る特許請求の範囲第１
   項記載の熱交換器の伝熱管支持用スペーサ。 ４、緩衝材は、筒状の伝熱管ホルダの側壁の一部を中心
   方向に凹陥せしめて湾曲形状に形成した突起であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱交換器の伝
   熱管支持用スペーサ。 ５、緩衝材は、伝熱管ホルダの内周面に設けた板ばねと
   、この板ばねに対向して伝熱管ホルダの内周面に形成さ
   れた突起から成る特許請求の範囲第１項記載の熱交換器
   の伝熱管支持用スペーサ。