原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器
本発明は、高温ガス炉の熱を受けてＳＯ３を分解してＳＯ２とＯ２を生産する原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器に関する。高温高圧耐食性プロセス熱交換器は、四角形状に折り曲げられた伝熱フィンと伝熱板とによって形成される第２次冷却材流路及び第３次冷却材流路を含み、それらは、耐食性の強い素材を用いてイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングを施して耐食性が増加させられている。第３次冷却材流路は、ＳＯ３分解のための反応触媒を具備し、超高温耐熱合金からなる。よって、９００℃以上の高温でも第２次冷却材流路と第３次冷却材流路との間の系統差圧を大きく維持することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガス炉からの熱を使用してＳＯ３を分解し、ＳＯ２とＯ２を生産する高温高圧耐食性プロセス熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超高温ガス炉である原子炉の炉心で生産された熱をヘリウムを使用して中間熱交換器に伝達した後、ヘリウムあるいはヘリウムと類似の第２次系統冷却材を使用して中間熱交換器の熱をプロセス熱交換器へ伝達する。
【０００３】
プロセス熱交換器から熱を受けて硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を蒸発させてＳＯ３を生成した後、ＳＯ３を分解してＳＯ２を生産する装置に関するものである。
超高温ガス炉と中間熱交換器の間に形成された系統を第１次系統と定義する。中間熱交換器とプロセス熱交換器の間の中間系統を第２次系統と定義し、プロセス熱交換器からの熱を使用して水素（Ｈ２）を生産する系統を第３次系統と定義する。
【０００４】
一般的に、原子炉で発生した熱を使用して水素を生産する工程の一つであるヨード・硫酸（Ｈ２ＳＯ４）分解プロセスを適用するには、伝熱のため、プロセス熱交換器を必要とする。
【０００５】
原子炉で生産された９００℃以上の高温の熱を使用して水素を生産するには、Ｈ２ＳＯ４をＨ２ＯとＳＯ３に分解して、９００℃以上の高温でＳＯ３をＳＯ２と酸素（Ｏ２）に分解するプロセスが必要である。
【０００６】
このようなプロセス熱交換器の一つであるＳＯ３分解器は、過酷な条件で運転される熱交換器であり、具体的には、９００℃以上の高温で運転されなければならず、二つのループ間の差圧に耐え得る必要があり、かつ耐食性も要求される。この熱交換器は、このような温度及び腐食条件により、既存の熱交換器を採用することができない。そのため、現在、この熱交換器の開発が世界的に進められている。
【０００７】
高温で使用可能なものとして超合金が挙げられるが、ＳＯ３雰囲気では腐食によって長時間使用することができない。
現在、全世界において、９００℃以上の高温で長期間信頼性を維持しながらＳＯ３分解反応を実行可能なプロセス熱交換器は存在しない。
【０００８】
日本では、耐食性の良いＳｉＣセラミックを使用して９００℃以上の硫酸雰囲気下で使用可能なプロセス熱交換器が開発されているが、セラミックの生産性の観点から技術的な困難性がある。
【０００９】
また、ヨーロッパでは、高温金属材の使用が試みられている。高温金属材は、生産性の観点から問題はないが、耐食性が低いため寿命が非常に短いという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４５８９２６５ Ａ号公報
【特許文献２】米国特許第５２４２０１６ Ａ号公報
【特許文献３】米国特許第５２５１６９３ Ａ号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、９００℃以上の超高温下で大きな差圧を維持しながら運転可能であり、ＳＯ３に対する耐食性が優れ、反応促進のための反応触媒をＳＯ３流路に容易に具備し、かつ交換できるプロセス熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的を達成するため、本発明によるプロセス熱交換器は、一方の側面には中間熱交換機器からの熱によって加熱された高温第２次系統冷却材が流入する第２次冷却材入口ヘッダーを具備し、中央には高温第２次系統冷却材から熱を受ける有効伝熱領域が形成され、他方の側面には低温の第２次系統冷却材が導出される第２次冷却材出口ヘッダーを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて横方向に配置された四角形状の伝熱フィンと、伝熱フィンの上面及び下面に積層された伝熱板とにより形成された少なくとも一つの第２次冷却材流路、及び
第２次冷却材流路の上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材が流入する第３次冷却材入口ヘッダーを具備し、中央には低温第３次系統冷却材に熱を伝達する有効伝熱領域が形成され、他方の側面には有効伝熱領域からの熱と共に反応触媒と反応して加熱された高温第３次系統冷却材が導出される第３次冷却材出口ヘッダーを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて横方向に配置された四角形状の伝熱フィンと、伝熱フィンの上面及び下面に積層された伝熱板とにより形成され、折り曲げられた伝熱フィンの溝内に反応触媒を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路を含むことを特徴とする。
【００１３】
第２次冷却材流路と第３次冷却材流路の伝熱フィン及び伝熱板は、超合金により形成されている。
第３次冷却材流路において、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する伝熱フィン及び伝熱板の表面は、ＳｉＣのような高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。
【００１４】
伝熱フィンの形状は、台形形状に折り曲げられている。
伝熱フィンの水平ピッチ（Ｈ）は、３ｍｍ〜８ｍｍである。
伝熱フィンの垂直ピッチ（Ｖ）は、３ｍｍ〜８ｍｍである。
【００１５】
第２次冷却材流路から流入する高温第２次系統冷却材と接する伝熱フィン及び伝熱板の表面は、ＳｉＣのような高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。
【００１６】
一方、他の実施例によるプロセス熱交換器は、一方の側面には中間熱交換器からの熱により加熱された高温第２次系統冷却材が流入する第２次冷却材入口ヘッダーを具備し、中央には高温第２次系統冷却材から熱を受ける有効伝熱領域が形成され、他方の側面には低温第２次系統冷却材が導出される第２次冷却材出口ヘッダーを具備し、伝熱板の上端面に一定の半径を有する半円形または半楕円形の少なくとも一つの曲面流路により形成されている少なくとも一つの第２次冷却材流路、及び
第２次冷却材流路の上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材が流入する第３次冷却材入口ヘッダーを具備し、中央には低温第３次系統冷却材に熱を伝達する有効伝熱領域が形成され、他方の側面には有効伝熱領域からの熱と共に反応触媒と反応して加熱された高温第３次系統冷却材が導出される第３次冷却材出口ヘッダーを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて伝熱板と平担な伝熱板との間に横方向に配置された四角形状の伝熱フィンにより形成され、折り曲げられた伝熱フィンの溝内に反応触媒を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路を含む。
【００１７】
第２次冷却材流路の半径は、０．０５ｍｍ〜４ｍｍである。
第２次冷却材流路と第３次冷却材流路の伝熱フィン及び伝熱板は、超合金により形成されている。
【００１８】
第３次冷却材流路において、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する伝熱フィン及び伝熱板の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。
【００１９】
伝熱フィンの形状は、台形形状に折り曲げられている。
伝熱フィンの水平ピッチ（Ｈ）は、３ｍｍ〜８ｍｍである。
伝熱フィンの垂直ピッチ（Ｖ）は、３ｍｍ〜８ｍｍである。
【００２０】
第２次冷却材流路から流入する高温第２次系統冷却材と接する伝熱板の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、四角形状に折り曲げられた伝熱フィン及び伝熱板によって形成される第２次冷却材流路及び第３次冷却材流路を含み、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングにより耐食性を増大させている。第３次冷却材流路は、超高温耐熱合金からなるＳＯ３分解のための反応触媒を具備する。第２次冷却材流路及び第３次冷却材流路間での系統差圧は、９００℃以上の高温においても好適に維持することができる。
【００２２】
本発明の原子炉水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器は、ＳＯ３腐食が生じる９００℃以上の超高温下及び系統差圧が大きい環境下においても使用可能である。イオンビームコーティング及びイオンビームミキシングを適用した本発明は、超高温（９００℃以上）での耐食性を有する熱交換器であり、耐食性に優れたセラミックス素材の加工性の問題、一般的な金属素材の低い耐食性の問題を解決することができる。
【００２３】
また、ＳＯ３分解器だけでなく耐食性が要求される種々の熱交換器においても好適に適用することができる。
第３次冷却材流路であるＳＯ３流路をプレートフィン形態に設計して伝熱特性を高くし、かつ反応触媒のための空間を確保した。本発明の他の実施例によるハイブリッド式プロセス熱交換器は、第２次冷却材流路と第３次冷却材流路であるＳＯ３流路にて圧力が作用する系から分かるように、二つの系統間の差圧を高めることができ、第３次冷却材流路の反応触媒に対する空間を確保することができ、更に耐食性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】原子力水素生産システムを概略的に示す構成図。
【図２】本発明によるプロセス熱交換器を概略的に示す斜視図。
【図３】本発明によるプロセス熱交換器を概略的に示す側断面図。
【図４】本発明によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路（ＳＯ３流路）を概略的に示す拡大断面図。
【図５】本発明の一実施例によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路（ＳＯ３流路）の断面による系圧力荷重の概念図。
【図６】本発明の一実施例の変形例によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路を概略的に示す拡大断面図。
【図７】本発明の他の実施例によるプロセス熱交換器を概略的に示す部分斜視図。
【図８】本発明の他の実施例によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路の断面による系圧力荷重の概念図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいてさらに詳しく説明する。
図１は、原子力水素生産システムを概略的に示す構成図で、図２は本発明によるプロセス熱交換器を概略的に示す斜視図で、図３は本発明によるプロセス熱交換器を概略的に示す側断面図で、図４は本発明によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路（ＳＯ３流路）を概略的に示す拡大断面図で、図５は本発明によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路（ＳＯ３流路）の断面による系圧力荷重の概念図で、図６は本発明の一実施例の変形例によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路を概略的に示す拡大断面図で、図７は本発明の他の実施例によるプロセス熱交換器を概略的に示す部分斜視図で、図８は本発明の他の実施例によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路の断面による系圧力荷重の概念図である。
【００２６】
まず、図１に示すように、原子力水素生産システム１は、超高温ガス炉である原子炉内原子炉４０の炉心４１で生産された熱を中間熱交換器５０に伝達する第１次系統ループ１０と、中間熱交換器５０の熱をプロセス熱交換器６０に伝達する第２次系統ループ２０と、プロセス熱交換器６０からの熱を使用してヨード−硫酸分解プロセスで水素（Ｈ２）を生産する第３次系統ループ３０とにより構成されている。
【００２７】
ここで、第１次系統冷却材は、第１次系統循環器１３によって移送され、第２次系統冷却材は、第２次系統循環器２３によって移送される。
したがって、図２〜図６に示すように、本発明による原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器６０は、原子炉容器４０内の原子炉炉心４１で生産された熱を中間熱交換器５０に伝達する第１次系統ループ１０と、第２次系統循環器２３によって第２次系統冷却材７０をプロセス熱交換器６０に移送する第２次系統ループ２０と、中間熱交換器５０からプロセス熱交換器６０に移送された熱を使用して水素を生産する第３次系統ループ３０とを含む原子力水素生産システム１において、
一方の側面には中間熱交換器５０からの熱により加熱された高温第２次系統冷却材７０が流入する第２次冷却材入口ヘッダー６１ａを具備し、中央には高温第２次系統冷却材７０から熱を受ける有効伝熱領域６５が形成され、他方の側面には低温第２次系統冷却材７１が導出される第２次冷却材出口ヘッダー６１ｂを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて横方向に配置された四角形状の伝熱フィン６５ａと、伝熱フィン６５ａの上面及び下面に積層された伝熱板６５ｂとにより形成される少なくとも一つの第２次冷却材流路６３ａ、及び
第２次冷却材流路６３ａの上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材８０が流入する第３次冷却材入口ヘッダー６２ａを具備し、中央には低温第３次系統冷却材８０に熱を伝達する有効伝熱領域６５が形成され、他方の側面には有効伝熱領域６５からの熱と共に反応触媒９０と反応して加熱された高温第３次系統冷却材８１が導出される第３次冷却材出口ヘッダー６２ｂを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて横方向に配置された四角形状の伝熱フィン６５ａと、伝熱フィン６５ａの上面及び下面に積層された伝熱板６５ｂとにより形成され、折り曲げられた伝熱フィン６５ａの溝内に反応触媒９０を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路６３ｂを含む。
【００２８】
より詳細には、高温第２次系統冷却材７０は、第２次冷却材入口ヘッダー６１ａに流入して通り過ぎながら有効伝熱領域６５内に熱を伝達した後、第２次冷却材出口ヘッダー６１ｂを通じて導出される。
【００２９】
それとは反対に、ＳＯ３である低温第３次系統冷却材８０は、第３次冷却材入口ヘッダー６２ａを通じて流入して通り過ぎながら有効伝熱領域６５から熱を受けて折り曲げられた伝熱フィン６５ａの溝内の反応触媒９０と反応し、高温第３次系統冷却材８１であるＳＯ２とＯ２に変化して、第３次冷却材出口ヘッダー６２ｂを通じて導出される。
【００３０】
ここで、第２次冷却材流路６３ａ及び第３次冷却材流路６３ｂは、垂直方向に相互に積層されている（図２参照）。
一方、低温第３次系統冷却材８０であるＳＯ３の流路、すなわち、第３次冷却材流路６３ｂの断面は、本発明の一実施例において、伝熱フィン６５ａの形状を四角形状に折り曲げた形状を示す。
【００３１】
しかし、伝熱フィン６５ａは、図６のように、台形形状に折り曲げることも可能である。台形形状は、伝熱フィン６５ａのイオンビームコーティング及びミキシングを実施するとき、作業の面で有利である。
【００３２】
プロセス熱交換器６０の構造材、即ち、第２次冷却材流路６３ａと第３次冷却材流路６３ｂの伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂは、超合金からなり、９００℃以上の超高温においても使用可能である。プロセス熱交換器６０の構造材として、好ましくは、アロイ（Ａｌｌｏｙ）６７０、ハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ−Ｘ、ハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）−ＸＲ、ハイネス（Ｈｙｎｅｓ）２３０等が挙げられる。
【００３３】
また、第３次冷却材流路６３ｂにおいて、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂの表面は、ＳｉＣのような高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることが好ましい。
【００３４】
同様に、第２次冷却材流路６３ａを流入する高温第２次系統冷却材７０と接する伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂの表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることが好ましい。
【００３５】
このように、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティングを実施した後、イオンビームミキシングを使用して接合性を向上させている。このようにして、プロセス熱交換器は、ＳＯ３雰囲気下でも高耐食性を有するように設計されている。
【００３６】
低温第３次系統冷却材８０であるＳＯ３と接する伝熱フィン６５ａと伝熱板６５ｂの表面も、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。
【００３７】
ここで、イオンビームコーティング及びイオンビームミキシングのための素材として、好ましくは、高耐食性のＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、珪素鋼、タンタルなどが挙げられる。
イオンビームミキシング方法は、「高温耐腐食性向上のためのセラミックスコーティング及びイオンビームミキシング装置及びそれを使用した薄膜の界面を改質する方法」との表題ですでに公知の韓国特許第１０−２００６−４７８５５号において公開されており、二種類の異なる物質を混合することにより接合性能を向上させる表面改質方法の一種である。
【００３８】
しかし、本発明の一実施例による原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器６０において、イオンビームコーティング及びイオンビームミキシングは、耐食性が要求されるＳＯ３流路等の第３次冷却材流路６３ｂにのみ適用されていたが、原子炉と連結されるループには適用されなかった。
【００３９】
すなわち、超合金は、高温でその強度を維持するように設計されており、イオンビームコーティング後にイオンビームミキシングされた素材は、腐食環境においても耐久性を有するように設計されている。
【００４０】
しかし、本発明の一実施例によるプロセス熱交換器６０は、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３以外の腐食性の強い環境においても使用可能である。
本発明の一実施例によるプロセス熱交換器６０は、第３次冷却材流路６３ｂ、すなわち、ＳＯ３流路の形状がＳＯ３分解のための反応触媒９０を容易に具備し、かつ交換できるようにプレートフィンの形態に設計されている。
【００４１】
各反応触媒９０の大きさが約３ｍｍであるとの理由から、プレートフィン形態の流路の大きさは、少なくとも３ｍｍ以上であり、最も好ましくは、３ｍｍ〜８ｍｍの範囲ある。
原子炉からの熱を伝達する高温第２次系統冷却材７０としては、Ｈｅ、溶融塩、窒素などの様々な冷却材を使用することができる。それらのうち、Ｈｅが最も多く使用される。いずれの冷却材を使用しても、プロセス熱交換器６０流路の耐食性は実際には要求されない。
【００４２】
したがって、イオンビームコーティング及びイオンビームミキシング方法は、原子炉側に連結された第２次系統冷却材７０が流れる第２次冷却材流路６３ａには適用されない。また、第２次冷却材流路６３ａは、反応触媒を入れる空間を必要としない。
【００４３】
本発明によるプロセス熱交換器６０において、Ｈｅのような第２次系統冷却材が流れる流路形状は、本発明の一実施例によるプレートフィン形態のプロセス熱交換器の思想が使用される設計と、次に記述する半径が０．０５ｍｍ〜２．５ｍｍ、すなわち、直径が０．１ｍｍ〜５ｍｍの半円で構成された板状のプロセス熱交換器の思想が使用される設計との両方に適用される。
【００４４】
伝熱フィン６５ａの水平ピッチ（Ｈ）及び垂直ピッチ（Ｖ）は、伝熱フィン６５ａ内に反応触媒９０を容易に具備でき、かつ交換できるように十分な空間を確保するため、少なくとも３ｍｍ以上でなければならない。しかしながら、ピッチが大きくなるほど、許容差圧が低くなるとの理由から、各ピッチの大きさは、３ｍｍ〜８ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００４５】
したがって、伝熱フィン６５ａの水平ピッチ（Ｈ）及び垂直ピッチ（Ｖ）を、好ましい範囲、すなわち、３ｍｍ〜８ｍｍの範囲で形成することにより、許容差圧をより大きくすることができ、伝熱フィン６５ａが大きな圧力荷重を支持できるようになる。
【００４６】
一方、図７及び図８に示すように、本発明の他の実施例による原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器６０は、原子炉容器４０内の原子炉炉心４１で生産された熱を中間熱交換器５０に伝達する第１次系統ループ１０と、第２次系統循環器２３によって第２次系統冷却材７０をプロセス熱交換器６０に移送する第２次系統ループ２０と、中間熱交換器５０からプロセス熱交換器６０に移送された熱を使用して水素を生産する第３次系統ループ３０とを含む原子力水素生産システム１において、
一方の側面には中間熱交換器５０からの熱により加熱された高温第２次系統冷却材７０が流入する第２次冷却材入口ヘッダー６１ａを具備し、中央には高温第２次系統冷却材７０から熱を受ける有効伝熱領域６５が形成され、他方の側面には低温第２次系統冷却材７１が導出される第２次冷却材出口ヘッダー６１ｂを具備し、平凹の伝熱板６５ｂ’の上端面に一定半径６７を有する半円形または半楕円形の少なくとも一つの曲面流路により形成される少なくとも一つの第２次冷却材流路６３ａ、及び
第２次冷却材流路６３ａの上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材８０が流入する第３次冷却材入口ヘッダー６２ａを具備し、中央には低温第３次系統冷却材８０に熱を伝達する有効伝熱領域６５が形成され、他方の側面には有効伝熱領域６５からの熱と共に反応触媒９０と反応して加熱された高温第３次系統冷却材８１が導出される第３次冷却材出口ヘッダー６２ｂを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて伝熱板６５ｂ’と平担な伝熱板６５ｂとの間において横方向に配置された四角形状の伝熱フィン６５ａにより形成され、折り曲げられた伝熱フィン６５ａの溝内に反応触媒９０を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路６３ｂを含む。
【００４７】
ここで、第２次冷却材流路６３ａは、半径６７が０．０５ｍｍ〜２．５ｍｍ、すなわち、直径が０．１ｍｍ〜５ｍｍである半円形状の流路により形成されている。
これは、中間熱交換器５０とプロセス熱交換器６０との間に位置する中間系統である第２次系統と、プロセス熱交換器６０からの熱を使用して水素（Ｈ２）を生産する系統である第３次系統との間の運転差圧を高める利点がある。
【００４８】
すなわち、本発明の一実施例とは異なり、第２次冷却材流路６３ａの形状を変形させることにより、第３次冷却材流路６３ｂとの差圧を顕著に高めることができる。よって、第２次冷却材流路６３ａと第３次冷却材流路６３ｂとの間の大きな差圧によって、伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂの構造は、より大きな圧力荷重を受けたとしても、十分に支持することが可能になる。（図８参照）
より詳細には、超合金板からなる伝熱板６５ａ’には、化学的エッチングあるいは精密機械加工が施されている。これにより、半円または半楕円の曲面流路である第２次冷却材流路６３ａの直径は、５ｍｍ以内、すなわち、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲である。
【００４９】
それとは反対に、低温第３次冷却材８０であるＳＯ３が流れる第３次冷却材流路６２ｂは、本発明の一実施例のように、反応触媒９０が入り得る空間を確保するため、プレートフィン型プロセス熱交換器の断面（図４参照）をそのまま維持する。
【００５０】
プロセス熱交換器６０において、第２次冷却材流路６３ａと第３次冷却材流路６３ｂの伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂ、６５ｂ’は、超合金からなる。よって、プロセス熱交換器６０は、９００℃以上の超高温下であっても運転可能である。
【００５１】
更に、第３次冷却材流路６３ｂにおいて、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂ、６５ｂ’の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。よって、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３に対しするプロセス熱交換器６０の耐食性が向上する。
【００５２】
伝熱フィン６５ａの水平ピッチ（Ｈ）及び垂直ピッチ（Ｖ）は、伝熱フィン６５ａ内に反応触媒９０を容易に具備でき、かつ交換可能な十分な空間を確保するために、３ｍｍ〜８ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００５３】
更に、伝熱フィン６５ａは、台形形状に折曲形成することもできる。これにより、反応触媒９０をさらに容易に具備し、かつ交換できる十分な空間を確保することができる。
第２次冷却材流路６３ａを流入する高温第２次系統冷却材７０と接する伝熱板６５ｂ’の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。よって、プロセス熱交換器６０は、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３以外の腐食性が強い環境においても好適に使用可能である。
【００５４】
本発明を、特定の実施例によって図示及び説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって示された発明の思想及び領域から脱しない限度内で、多様な改造及び変化が可能であるということを当業者であれば容易に理解できる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明のプロセス熱交換器は、９００℃以上の超高温下においても大きな差圧を維持しながら運転可能であり、ＳＯ３に対する耐食性に優れているだけでなく、反応促進のための反応触媒をＳＯ３流路に容易に具備し、かつ交換することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１…原子力水素生産システム、１０…第１次系統ループ、１３…第１次冷却材循環器、２０…第２次系統ループ、２３…第２次冷却材循環器、３０…第３次系統ループ、４０…原子炉容器、４１…原子炉炉心、４３…制御棒駆動装置、５０…中間熱交換器、６０…プロセス熱交換器、６１ａ…第２次冷却材入口ヘッダー、６１ｂ…第２次冷却材出口ヘッダー、６２ａ…第３次冷却材入口ヘッダー、６２ｂ…第３次冷却材出口ヘッダー、６３ａ…第２次冷却材流路、６３ｂ…第３次冷却材流路、６５…有効伝熱領域、６５ａ…伝熱フィン、６５ｂ、６５ｂ’…伝熱板、６７…半径、７０…高温第２次系統冷却材、７１…低温第２次系統冷却材、８０…低温第３次系統冷却材、８１…高温第３次系統冷却材、９０…反応触媒。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガス炉からの熱を使用してＳＯ３を分解し、ＳＯ２とＯ２を生産する高温高圧耐食性プロセス熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超高温ガス炉である原子炉の炉心で生産された熱をヘリウムを使用して中間熱交換器に伝達した後、ヘリウムあるいはヘリウムと類似の第２次系統冷却材を使用して中間熱交換器の熱をプロセス熱交換器へ伝達する。
【０００３】
プロセス熱交換器から熱を受けて硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を蒸発させてＳＯ３を生成した後、ＳＯ３を分解してＳＯ２を生産する装置に関するものである。
超高温ガス炉と中間熱交換器の間に形成された系統を第１次系統と定義する。中間熱交換器とプロセス熱交換器の間の中間系統を第２次系統と定義し、プロセス熱交換器からの熱を使用して水素（Ｈ２）を生産する系統を第３次系統と定義する。
【０００４】
一般的に、原子炉で発生した熱を使用して水素を生産する工程の一つであるヨード・硫酸（Ｈ２ＳＯ４）分解プロセスを適用するには、伝熱のため、プロセス熱交換器を必要とする。
【０００５】
原子炉で生産された９００℃以上の高温の熱を使用して水素を生産するには、Ｈ２ＳＯ４をＨ２ＯとＳＯ３に分解して、９００℃以上の高温でＳＯ３をＳＯ２と酸素（Ｏ２）に分解するプロセスが必要である。
【０００６】
このようなプロセス熱交換器の一つであるＳＯ３分解器は、過酷な条件で運転される熱交換器であり、具体的には、９００℃以上の高温で運転されなければならず、二つのループ間の差圧に耐え得る必要があり、かつ耐食性も要求される。この熱交換器は、このような温度及び腐食条件により、既存の熱交換器を採用することができない。そのため、現在、この熱交換器の開発が世界的に進められている。
【０００７】
高温で使用可能なものとして超合金が挙げられるが、ＳＯ３雰囲気では腐食によって長時間使用することができない。
現在、全世界において、９００℃以上の高温で長期間信頼性を維持しながらＳＯ３分解反応を実行可能なプロセス熱交換器は存在しない。
【０００８】
日本では、耐食性の良いＳｉＣセラミックを使用して９００℃以上の硫酸雰囲気下で使用可能なプロセス熱交換器が開発されているが、セラミックの生産性の観点から技術的な困難性がある。
【０００９】
また、ヨーロッパでは、高温金属材の使用が試みられている。高温金属材は、生産性の観点から問題はないが、耐食性が低いため寿命が非常に短いという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４５８９２６５ Ａ号公報
【特許文献２】米国特許第５２４２０１６ Ａ号公報
【特許文献３】米国特許第５２５１６９３ Ａ号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、９００℃以上の超高温下で大きな差圧を維持しながら運転可能であり、ＳＯ３に対する耐食性が優れ、反応促進のための反応触媒をＳＯ３流路に容易に具備し、かつ交換できるプロセス熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的を達成するため、本発明によるプロセス熱交換器は、一方の側面には中間熱交換機器からの熱によって加熱された高温第２次系統冷却材が流入する第２次冷却材入口ヘッダーを具備し、中央には高温第２次系統冷却材から熱を受ける有効伝熱領域が形成され、他方の側面には低温の第２次系統冷却材が導出される第２次冷却材出口ヘッダーを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて横方向に配置された四角形状の伝熱フィンと、伝熱フィンの上面及び下面に積層された伝熱板とにより形成された少なくとも一つの第２次冷却材流路、及び
第２次冷却材流路の上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材が流入する第３次冷却材入口ヘッダーを具備し、中央には低温第３次系統冷却材に熱を伝達する有効伝熱領域が形成され、他方の側面には有効伝熱領域からの熱と共に反応触媒と反応して加熱された高温第３次系統冷却材が導出される第３次冷却材出口ヘッダーを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて横方向に配置された四角形状の伝熱フィンと、伝熱フィンの上面及び下面に積層された伝熱板とにより形成され、折り曲げられた伝熱フィンの溝内に反応触媒を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路を含むことを特徴とする。
【００１３】
第２次冷却材流路と第３次冷却材流路の伝熱フィン及び伝熱板は、超合金により形成されている。
第３次冷却材流路において、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する伝熱フィン及び伝熱板の表面は、ＳｉＣのような高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。
【００１４】
伝熱フィンの形状は、台形形状に折り曲げられている。
伝熱フィンの水平ピッチ（Ｈ）は、３ｍｍ〜８ｍｍである。
伝熱フィンの垂直ピッチ（Ｖ）は、３ｍｍ〜８ｍｍである。
【００１５】
第２次冷却材流路から流入する高温第２次系統冷却材と接する伝熱フィン及び伝熱板の表面は、ＳｉＣのような高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。
【００１６】
一方、他の実施例によるプロセス熱交換器は、一方の側面には中間熱交換器からの熱により加熱された高温第２次系統冷却材が流入する第２次冷却材入口ヘッダーを具備し、中央には高温第２次系統冷却材から熱を受ける有効伝熱領域が形成され、他方の側面には低温第２次系統冷却材が導出される第２次冷却材出口ヘッダーを具備し、伝熱板の上端面に一定の半径を有する半円形または半楕円形の少なくとも一つの曲面流路により形成されている少なくとも一つの第２次冷却材流路、及び
第２次冷却材流路の上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材が流入する第３次冷却材入口ヘッダーを具備し、中央には低温第３次系統冷却材に熱を伝達する有効伝熱領域が形成され、他方の側面には有効伝熱領域からの熱と共に反応触媒と反応して加熱された高温第３次系統冷却材が導出される第３次冷却材出口ヘッダーを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて伝熱板と平担な伝熱板との間に横方向に配置された四角形状の伝熱フィンにより形成され、折り曲げられた伝熱フィンの溝内に反応触媒を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路を含む。
【００１７】
第２次冷却材流路の半径は、０．０５ｍｍ〜４ｍｍである。
第２次冷却材流路と第３次冷却材流路の伝熱フィン及び伝熱板は、超合金により形成されている。
【００１８】
第３次冷却材流路において、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する伝熱フィン及び伝熱板の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。
【００１９】
伝熱フィンの形状は、台形形状に折り曲げられている。
伝熱フィンの水平ピッチ（Ｈ）は、３ｍｍ〜８ｍｍである。
伝熱フィンの垂直ピッチ（Ｖ）は、３ｍｍ〜８ｍｍである。
【００２０】
第２次冷却材流路から流入する高温第２次系統冷却材と接する伝熱板の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、四角形状に折り曲げられた伝熱フィン及び伝熱板によって形成される第２次冷却材流路及び第３次冷却材流路を含み、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングにより耐食性を増大させている。第３次冷却材流路は、超高温耐熱合金からなるＳＯ３分解のための反応触媒を具備する。第２次冷却材流路及び第３次冷却材流路間での系統差圧は、９００℃以上の高温においても好適に維持することができる。
【００２２】
本発明の原子炉水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器は、ＳＯ３腐食が生じる９００℃以上の超高温下及び系統差圧が大きい環境下においても使用可能である。イオンビームコーティング及びイオンビームミキシングを適用した本発明は、超高温（９００℃以上）での耐食性を有する熱交換器であり、耐食性に優れたセラミックス素材の加工性の問題、一般的な金属素材の低い耐食性の問題を解決することができる。
【００２３】
また、ＳＯ３分解器だけでなく耐食性が要求される種々の熱交換器においても好適に適用することができる。
第３次冷却材流路であるＳＯ３流路をプレートフィン形態に設計して伝熱特性を高くし、かつ反応触媒のための空間を確保した。本発明の他の実施例によるハイブリッド式プロセス熱交換器は、第２次冷却材流路と第３次冷却材流路であるＳＯ３流路にて圧力が作用する系から分かるように、二つの系統間の差圧を高めることができ、第３次冷却材流路の反応触媒に対する空間を確保することができ、更に耐食性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】原子力水素生産システムを概略的に示す構成図。
【図２】本発明によるプロセス熱交換器を概略的に示す斜視図。
【図３】本発明によるプロセス熱交換器を概略的に示す側断面図。
【図４】本発明によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路（ＳＯ３流路）を概略的に示す拡大断面図。
【図５】本発明の一実施例によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路（ＳＯ３流路）の断面による系圧力荷重の概念図。
【図６】本発明の一実施例の変形例によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路を概略的に示す拡大断面図。
【図７】本発明の他の実施例によるプロセス熱交換器を概略的に示す部分斜視図。
【図８】本発明の他の実施例によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路の断面による系圧力荷重の概念図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいてさらに詳しく説明する。
図１は、原子力水素生産システムを概略的に示す構成図で、図２は本発明によるプロセス熱交換器を概略的に示す斜視図で、図３は本発明によるプロセス熱交換器を概略的に示す側断面図で、図４は本発明によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路（ＳＯ３流路）を概略的に示す拡大断面図で、図５は本発明によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路（ＳＯ３流路）の断面による系圧力荷重の概念図で、図６は本発明の一実施例の変形例によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路を概略的に示す拡大断面図で、図７は本発明の他の実施例によるプロセス熱交換器を概略的に示す部分斜視図で、図８は本発明の他の実施例によるプロセス熱交換器の第３次冷却材流路の断面による系圧力荷重の概念図である。
【００２６】
まず、図１に示すように、原子力水素生産システム１は、超高温ガス炉である原子炉内原子炉４０の炉心４１で生産された熱を中間熱交換器５０に伝達する第１次系統ループ１０と、中間熱交換器５０の熱をプロセス熱交換器６０に伝達する第２次系統ループ２０と、プロセス熱交換器６０からの熱を使用してヨード−硫酸分解プロセスで水素（Ｈ２）を生産する第３次系統ループ３０とにより構成されている。
【００２７】
ここで、第１次系統冷却材は、第１次系統循環器１３によって移送され、第２次系統冷却材は、第２次系統循環器２３によって移送される。
したがって、図２〜図６に示すように、本発明による原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器６０は、原子炉容器４０内の原子炉炉心４１で生産された熱を中間熱交換器５０に伝達する第１次系統ループ１０と、第２次系統循環器２３によって第２次系統冷却材７０をプロセス熱交換器６０に移送する第２次系統ループ２０と、中間熱交換器５０からプロセス熱交換器６０に移送された熱を使用して水素を生産する第３次系統ループ３０とを含む原子力水素生産システム１において、
一方の側面には中間熱交換器５０からの熱により加熱された高温第２次系統冷却材７０が流入する第２次冷却材入口ヘッダー６１ａを具備し、中央には高温第２次系統冷却材７０から熱を受ける有効伝熱領域６５が形成され、他方の側面には低温第２次系統冷却材７１が導出される第２次冷却材出口ヘッダー６１ｂを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて横方向に配置された四角形状の伝熱フィン６５ａと、伝熱フィン６５ａの上面及び下面に積層された伝熱板６５ｂとにより形成される少なくとも一つの第２次冷却材流路６３ａ、及び
第２次冷却材流路６３ａの上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材８０が流入する第３次冷却材入口ヘッダー６２ａを具備し、中央には低温第３次系統冷却材８０に熱を伝達する有効伝熱領域６５が形成され、他方の側面には有効伝熱領域６５からの熱と共に反応触媒９０と反応して加熱された高温第３次系統冷却材８１が導出される第３次冷却材出口ヘッダー６２ｂを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて横方向に配置された四角形状の伝熱フィン６５ａと、伝熱フィン６５ａの上面及び下面に積層された伝熱板６５ｂとにより形成され、折り曲げられた伝熱フィン６５ａの溝内に反応触媒９０を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路６３ｂを含む。
【００２８】
より詳細には、高温第２次系統冷却材７０は、第２次冷却材入口ヘッダー６１ａに流入して通り過ぎながら有効伝熱領域６５内に熱を伝達した後、第２次冷却材出口ヘッダー６１ｂを通じて導出される。
【００２９】
それとは反対に、ＳＯ３である低温第３次系統冷却材８０は、第３次冷却材入口ヘッダー６２ａを通じて流入して通り過ぎながら有効伝熱領域６５から熱を受けて折り曲げられた伝熱フィン６５ａの溝内の反応触媒９０と反応し、高温第３次系統冷却材８１であるＳＯ２とＯ２に変化して、第３次冷却材出口ヘッダー６２ｂを通じて導出される。
【００３０】
ここで、第２次冷却材流路６３ａ及び第３次冷却材流路６３ｂは、垂直方向に相互に積層されている（図２参照）。
一方、低温第３次系統冷却材８０であるＳＯ３の流路、すなわち、第３次冷却材流路６３ｂの断面は、本発明の一実施例において、伝熱フィン６５ａの形状を四角形状に折り曲げた形状を示す。
【００３１】
しかし、伝熱フィン６５ａは、図６のように、台形形状に折り曲げることも可能である。台形形状は、伝熱フィン６５ａのイオンビームコーティング及びミキシングを実施するとき、作業の面で有利である。
【００３２】
プロセス熱交換器６０の構造材、即ち、第２次冷却材流路６３ａと第３次冷却材流路６３ｂの伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂは、超合金からなり、９００℃以上の超高温においても使用可能である。プロセス熱交換器６０の構造材として、好ましくは、アロイ（Ａｌｌｏｙ）６７０、ハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ−Ｘ、ハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）−ＸＲ、ハイネス（Ｈｙｎｅｓ）２３０等が挙げられる。
【００３３】
また、第３次冷却材流路６３ｂにおいて、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂの表面は、ＳｉＣのような高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることが好ましい。
【００３４】
同様に、第２次冷却材流路６３ａを流入する高温第２次系統冷却材７０と接する伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂの表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることが好ましい。
【００３５】
このように、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティングを実施した後、イオンビームミキシングを使用して接合性を向上させている。このようにして、プロセス熱交換器は、ＳＯ３雰囲気下でも高耐食性を有するように設計されている。
【００３６】
低温第３次系統冷却材８０であるＳＯ３と接する伝熱フィン６５ａと伝熱板６５ｂの表面も、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。
【００３７】
ここで、イオンビームコーティング及びイオンビームミキシングのための素材として、好ましくは、高耐食性のＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、珪素鋼、タンタルなどが挙げられる。
イオンビームミキシング方法は、「高温耐腐食性向上のためのセラミックスコーティング及びイオンビームミキシング装置及びそれを使用した薄膜の界面を改質する方法」との表題ですでに公知の韓国特許第１０−２００６−４７８５５号において公開されており、二種類の異なる物質を混合することにより接合性能を向上させる表面改質方法の一種である。
【００３８】
しかし、本発明の一実施例による原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器６０において、イオンビームコーティング及びイオンビームミキシングは、耐食性が要求されるＳＯ３流路等の第３次冷却材流路６３ｂにのみ適用されていたが、原子炉と連結されるループには適用されなかった。
【００３９】
すなわち、超合金は、高温でその強度を維持するように設計されており、イオンビームコーティング後にイオンビームミキシングされた素材は、腐食環境においても耐久性を有するように設計されている。
【００４０】
しかし、本発明の一実施例によるプロセス熱交換器６０は、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３以外の腐食性の強い環境においても使用可能である。
本発明の一実施例によるプロセス熱交換器６０は、第３次冷却材流路６３ｂ、すなわち、ＳＯ３流路の形状がＳＯ３分解のための反応触媒９０を容易に具備し、かつ交換できるようにプレートフィンの形態に設計されている。
【００４１】
各反応触媒９０の大きさが約３ｍｍであるとの理由から、プレートフィン形態の流路の大きさは、少なくとも３ｍｍ以上であり、最も好ましくは、３ｍｍ〜８ｍｍの範囲ある。
原子炉からの熱を伝達する高温第２次系統冷却材７０としては、Ｈｅ、溶融塩、窒素などの様々な冷却材を使用することができる。それらのうち、Ｈｅが最も多く使用される。いずれの冷却材を使用しても、プロセス熱交換器６０流路の耐食性は実際には要求されない。
【００４２】
したがって、イオンビームコーティング及びイオンビームミキシング方法は、原子炉側に連結された第２次系統冷却材７０が流れる第２次冷却材流路６３ａには適用されない。また、第２次冷却材流路６３ａは、反応触媒を入れる空間を必要としない。
【００４３】
本発明によるプロセス熱交換器６０において、Ｈｅのような第２次系統冷却材が流れる流路形状は、本発明の一実施例によるプレートフィン形態のプロセス熱交換器の思想が使用される設計と、次に記述する半径が０．０５ｍｍ〜２．５ｍｍ、すなわち、直径が０．１ｍｍ〜５ｍｍの半円で構成された板状のプロセス熱交換器の思想が使用される設計との両方に適用される。
【００４４】
伝熱フィン６５ａの水平ピッチ（Ｈ）及び垂直ピッチ（Ｖ）は、伝熱フィン６５ａ内に反応触媒９０を容易に具備でき、かつ交換できるように十分な空間を確保するため、少なくとも３ｍｍ以上でなければならない。しかしながら、ピッチが大きくなるほど、許容差圧が低くなるとの理由から、各ピッチの大きさは、３ｍｍ〜８ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００４５】
したがって、伝熱フィン６５ａの水平ピッチ（Ｈ）及び垂直ピッチ（Ｖ）を、好ましい範囲、すなわち、３ｍｍ〜８ｍｍの範囲で形成することにより、許容差圧をより大きくすることができ、伝熱フィン６５ａが大きな圧力荷重を支持できるようになる。
【００４６】
一方、図７及び図８に示すように、本発明の他の実施例による原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器６０は、原子炉容器４０内の原子炉炉心４１で生産された熱を中間熱交換器５０に伝達する第１次系統ループ１０と、第２次系統循環器２３によって第２次系統冷却材７０をプロセス熱交換器６０に移送する第２次系統ループ２０と、中間熱交換器５０からプロセス熱交換器６０に移送された熱を使用して水素を生産する第３次系統ループ３０とを含む原子力水素生産システム１において、
一方の側面には中間熱交換器５０からの熱により加熱された高温第２次系統冷却材７０が流入する第２次冷却材入口ヘッダー６１ａを具備し、中央には高温第２次系統冷却材７０から熱を受ける有効伝熱領域６５が形成され、他方の側面には低温第２次系統冷却材７１が導出される第２次冷却材出口ヘッダー６１ｂを具備し、平凹の伝熱板６５ｂ’の上端面に一定半径６７を有する半円形または半楕円形の少なくとも一つの曲面流路により形成される少なくとも一つの第２次冷却材流路６３ａ、及び
第２次冷却材流路６３ａの上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材８０が流入する第３次冷却材入口ヘッダー６２ａを具備し、中央には低温第３次系統冷却材８０に熱を伝達する有効伝熱領域６５が形成され、他方の側面には有効伝熱領域６５からの熱と共に反応触媒９０と反応して加熱された高温第３次系統冷却材８１が導出される第３次冷却材出口ヘッダー６２ｂを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて伝熱板６５ｂ’と平担な伝熱板６５ｂとの間において横方向に配置された四角形状の伝熱フィン６５ａにより形成され、折り曲げられた伝熱フィン６５ａの溝内に反応触媒９０を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路６３ｂを含む。
【００４７】
ここで、第２次冷却材流路６３ａは、半径６７が０．０５ｍｍ〜２．５ｍｍ、すなわち、直径が０．１ｍｍ〜５ｍｍである半円形状の流路により形成されている。
これは、中間熱交換器５０とプロセス熱交換器６０との間に位置する中間系統である第２次系統と、プロセス熱交換器６０からの熱を使用して水素（Ｈ２）を生産する系統である第３次系統との間の運転差圧を高める利点がある。
【００４８】
すなわち、本発明の一実施例とは異なり、第２次冷却材流路６３ａの形状を変形させることにより、第３次冷却材流路６３ｂとの差圧を顕著に高めることができる。よって、第２次冷却材流路６３ａと第３次冷却材流路６３ｂとの間の大きな差圧によって、伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂの構造は、より大きな圧力荷重を受けたとしても、十分に支持することが可能になる。（図８参照）
より詳細には、超合金板からなる伝熱板６５ａ’には、化学的エッチングあるいは精密機械加工が施されている。これにより、半円または半楕円の曲面流路である第２次冷却材流路６３ａの直径は、５ｍｍ以内、すなわち、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲である。
【００４９】
それとは反対に、低温第３次冷却材８０であるＳＯ３が流れる第３次冷却材流路６２ｂは、本発明の一実施例のように、反応触媒９０が入り得る空間を確保するため、プレートフィン型プロセス熱交換器の断面（図４参照）をそのまま維持する。
【００５０】
プロセス熱交換器６０において、第２次冷却材流路６３ａと第３次冷却材流路６３ｂの伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂ、６５ｂ’は、超合金からなる。よって、プロセス熱交換器６０は、９００℃以上の超高温下であっても運転可能である。
【００５１】
更に、第３次冷却材流路６３ｂにおいて、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する伝熱フィン６５ａ及び伝熱板６５ｂ、６５ｂ’の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。よって、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３に対しするプロセス熱交換器６０の耐食性が向上する。
【００５２】
伝熱フィン６５ａの水平ピッチ（Ｈ）及び垂直ピッチ（Ｖ）は、伝熱フィン６５ａ内に反応触媒９０を容易に具備でき、かつ交換可能な十分な空間を確保するために、３ｍｍ〜８ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００５３】
更に、伝熱フィン６５ａは、台形形状に折曲形成することもできる。これにより、反応触媒９０をさらに容易に具備し、かつ交換できる十分な空間を確保することができる。
第２次冷却材流路６３ａを流入する高温第２次系統冷却材７０と接する伝熱板６５ｂ’の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。よって、プロセス熱交換器６０は、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３以外の腐食性が強い環境においても好適に使用可能である。
【００５４】
本発明を、特定の実施例によって図示及び説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって示された発明の思想及び領域から脱しない限度内で、多様な改造及び変化が可能であるということを当業者であれば容易に理解できる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明のプロセス熱交換器は、９００℃以上の超高温下においても大きな差圧を維持しながら運転可能であり、ＳＯ３に対する耐食性に優れているだけでなく、反応促進のための反応触媒をＳＯ３流路に容易に具備し、かつ交換することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１…原子力水素生産システム、１０…第１次系統ループ、１３…第１次冷却材循環器、２０…第２次系統ループ、２３…第２次冷却材循環器、３０…第３次系統ループ、４０…原子炉容器、４１…原子炉炉心、４３…制御棒駆動装置、５０…中間熱交換器、６０…プロセス熱交換器、６１ａ…第２次冷却材入口ヘッダー、６１ｂ…第２次冷却材出口ヘッダー、６２ａ…第３次冷却材入口ヘッダー、６２ｂ…第３次冷却材出口ヘッダー、６３ａ…第２次冷却材流路、６３ｂ…第３次冷却材流路、６５…有効伝熱領域、６５ａ…伝熱フィン、６５ｂ、６５ｂ’…伝熱板、６７…半径、７０…高温第２次系統冷却材、７１…低温第２次系統冷却材、８０…低温第３次系統冷却材、８１…高温第３次系統冷却材、９０…反応触媒。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の側面には中間熱交換器（５０）からの熱により加熱された高温第２次系統冷却材（７０）が流入する第２次冷却材入口ヘッダー（６１ａ）を具備し、中央には前記高温第２次系統冷却材（７０）から熱を受ける有効伝熱領域（６５）が形成され、他方の側面には低温第２次系統冷却材（７１）が導出される第２次冷却材出口ヘッダー（６１ｂ）を具備し、伝熱板（６５ｂ’）の上端面に一定半径（６７）を有する半円形または半楕円形の少なくとも一つの曲面流路により形成されている少なくとも一つの第２次冷却材流路（６３ａ）、及び
前記第２次冷却材流路（６３ａ）の上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材（８０）が流入する第３次冷却材入口ヘッダー（６２ａ）を具備し、中央には前記低温第３次系統冷却材（８０）に熱を伝達する有効伝熱領域（６５）が形成され、他方の側面には前記有効伝熱領域（６５）からの熱と共に反応触媒（９０）と反応して加熱された高温第３次系統冷却材（８１）が導出される第３次冷却材出口ヘッダー（６２ｂ）を具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて前記伝熱板（６５ｂ’）と平担な伝熱板（６５ｂ）との間に横方向に配置され四角形状の前記伝熱フィン（６５ａ）により形成され、折り曲げられた前記伝熱フィン（６５ａ）の溝内に前記反応触媒（９０）を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路（６３ｂ）を含むことを特徴とする原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器（６０）。
【請求項２】
前記第２次冷却材流路（６３ａ）と前記第３次冷却材流路（６３ｂ）の伝熱フィン（６５ａ）及び伝熱板（６５ｂ）は、超合金により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項３】
前記第３次冷却材流路（６３ｂ）において、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する前記伝熱フィン（６５ａ）及び前記伝熱板（６５ｂ）の表面は、ＳｉＣのような高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項２に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項４】
前記伝熱フィン（６５ａ）の形状は、台形形状に折り曲げられていることを特徴とする請求項３に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項５】
前記伝熱フィン（６５ａ）の水平ピッチ（Ｈ）は、３ｍｍ〜８ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項６】
前記伝熱フィン（６５ａ）の垂直ピッチ（Ｖ）は、３ｍｍ〜８ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項７】
前記第２次冷却材流路（６３ａ）から流入する前記高温第２次系統冷却材（７０）と接する前記伝熱フィン（６５ａ）及び前記伝熱板（６５ｂ）の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項１に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項８】
原子炉容器（４０）内の原子炉炉心（４１）で生産された熱を中間熱交換器（５０）に伝達する第１次系統ループ（１０）と、第２次系統循環器（２３）によって第２次系統冷却材（７０）がプロセス熱交換器（６０）に移送される第２次系統ループ（２０）と、前記中間熱交換器（５０）からプロセス熱交換器（６０）へと移送された熱を使用して水素を生産する第３次系統ループ（３０）とを含む原子力水素生産システム（１）において、
一方の側面には前記中間熱交換器（５０）からの熱により加熱された高温第２次系統冷却材（７０）が流入する第２次冷却材入口ヘッダー（６１ａ）を具備し、中央には前記高温第２次系統冷却材（７０）から熱を受ける有効伝熱領域（６５）が形成され、他方の側面には低温第２次系統冷却材（７１）が導出される第２次冷却材出口ヘッダー（６１ｂ）を具備し、平凹の伝熱板（６５ｂ’）の上端面に一定の半径（６７）を有する半円形または半楕円形の少なくとも一つの曲面流路により形成されている少なくとも一つの第２次冷却材流路（６３ａ）、及び
前記第２次冷却材流路（６３ａ）の上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材（８０）が流入する第３次冷却材入口ヘッダー（６２ａ）を具備し、中央には前記低温第３次系統冷却材（８０）に熱を伝達する有効伝熱領域（６５）が形成され、他方の側面には前記有効伝熱領域（６５）からの熱と共に反応触媒（９０）と反応して加熱された高温第３次系統冷却材（８１）が導出される第３次冷却材出口ヘッダー（６２ｂ）を具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて前記伝熱板（６５ｂ’）と平担な伝熱板（６５ｂ）との間において横方向に配置された四角形状の伝熱フィン（６５ａ）により形成され、折り曲げられた前記伝熱フィン（６５ａ）の溝内に前記反応触媒（９０）を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路（６３ｂ）を含むことを特徴とする原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器（６０）。
【請求項９】
前記第２次冷却材流路（６３ａ）の半径（６７）は、０．０５ｍｍ〜２．５ｍｍであることを特徴とする請求項８に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１０】
前記第２次冷却材流路（６３ａ）と前記第３次冷却材流路（６３ｂ）の伝熱フィン（６５ａ）及び伝熱板（６５ｂ）（６５ｂ’）は、超合金により形成されていることを特徴とする請求項８に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１１】
前記第３次冷却材流路（６３ｂ）において、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する前記伝熱フィン（６５ａ）及び前記伝熱板（６５ｂ）の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項１０に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１２】
前記伝熱フィン（６５ａ）の形状は、台形形状に折り曲げられていることを特徴とする請求項１１に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１３】
前記伝熱フィン（６５ａ）の水平ピッチ（Ｈ）は、３ｍｍ〜８ｍｍであることを特徴とする請求項１２に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１４】
前記伝熱フィン（６５ａ）の垂直ピッチ（Ｖ）は、３ｍｍ〜８ｍｍであることを特徴とする請求項１２に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１５】
前記第２次冷却材流路（６３ａ）から流入する前記高温第２次系統冷却材（７０）と接する前記伝熱板（６５ｂ’）の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項８に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１】
一方の側面には中間熱交換器（５０）からの熱により加熱された高温第２次系統冷却材（７０）が流入する第２次冷却材入口ヘッダー（６１ａ）を具備し、中央には前記高温第２次系統冷却材（７０）から熱を受ける有効伝熱領域（６５）が形成され、他方の側面には低温第２次系統冷却材（７１）が導出される第２次冷却材出口ヘッダー（６１ｂ）を具備し、伝熱板（６５ｂ’）の上端面に一定半径（６７）を有する半円形または半楕円形の少なくとも一つの曲面流路により形成されている少なくとも一つの第２次冷却材流路（６３ａ）、及び
前記第２次冷却材流路（６３ａ）の上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材（８０）が流入する第３次冷却材入口ヘッダー（６２ａ）を具備し、中央には前記低温第３次系統冷却材（８０）に熱を伝達する有効伝熱領域（６５）が形成され、他方の側面には前記有効伝熱領域（６５）からの熱と共に反応触媒（９０）と反応して加熱された高温第３次系統冷却材（８１）が導出される第３次冷却材出口ヘッダー（６２ｂ）を具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて前記伝熱板（６５ｂ’）と平担な伝熱板（６５ｂ）との間に横方向に配置され四角形状の前記伝熱フィン（６５ａ）により形成され、折り曲げられた前記伝熱フィン（６５ａ）の溝内に前記反応触媒（９０）を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路（６３ｂ）を含むことを特徴とする原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器（６０）。
【請求項２】
前記第２次冷却材流路（６３ａ）と前記第３次冷却材流路（６３ｂ）の伝熱フィン（６５ａ）及び伝熱板（６５ｂ）は、超合金により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項３】
前記第３次冷却材流路（６３ｂ）において、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する前記伝熱フィン（６５ａ）及び前記伝熱板（６５ｂ）の表面は、ＳｉＣのような高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項２に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項４】
前記伝熱フィン（６５ａ）の形状は、台形形状に折り曲げられていることを特徴とする請求項３に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項５】
前記伝熱フィン（６５ａ）の水平ピッチ（Ｈ）は、３ｍｍ〜８ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項６】
前記伝熱フィン（６５ａ）の垂直ピッチ（Ｖ）は、３ｍｍ〜８ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項７】
前記第２次冷却材流路（６３ａ）から流入する前記高温第２次系統冷却材（７０）と接する前記伝熱フィン（６５ａ）及び前記伝熱板（６５ｂ）の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項１に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項８】
原子炉容器（４０）内の原子炉炉心（４１）で生産された熱を中間熱交換器（５０）に伝達する第１次系統ループ（１０）と、第２次系統循環器（２３）によって第２次系統冷却材（７０）がプロセス熱交換器（６０）に移送される第２次系統ループ（２０）と、前記中間熱交換器（５０）からプロセス熱交換器（６０）へと移送された熱を使用して水素を生産する第３次系統ループ（３０）とを含む原子力水素生産システム（１）において、
一方の側面には前記中間熱交換器（５０）からの熱により加熱された高温第２次系統冷却材（７０）が流入する第２次冷却材入口ヘッダー（６１ａ）を具備し、中央には前記高温第２次系統冷却材（７０）から熱を受ける有効伝熱領域（６５）が形成され、他方の側面には低温第２次系統冷却材（７１）が導出される第２次冷却材出口ヘッダー（６１ｂ）を具備し、平凹の伝熱板（６５ｂ’）の上端面に一定の半径（６７）を有する半円形または半楕円形の少なくとも一つの曲面流路により形成されている少なくとも一つの第２次冷却材流路（６３ａ）、及び
前記第２次冷却材流路（６３ａ）の上面及び／または下面に設けられ、一方の側面には低温第３次系統冷却材（８０）が流入する第３次冷却材入口ヘッダー（６２ａ）を具備し、中央には前記低温第３次系統冷却材（８０）に熱を伝達する有効伝熱領域（６５）が形成され、他方の側面には前記有効伝熱領域（６５）からの熱と共に反応触媒（９０）と反応して加熱された高温第３次系統冷却材（８１）が導出される第３次冷却材出口ヘッダー（６２ｂ）を具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて前記伝熱板（６５ｂ’）と平担な伝熱板（６５ｂ）との間において横方向に配置された四角形状の伝熱フィン（６５ａ）により形成され、折り曲げられた前記伝熱フィン（６５ａ）の溝内に前記反応触媒（９０）を具備する少なくとも一つの第３次冷却材流路（６３ｂ）を含むことを特徴とする原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器（６０）。
【請求項９】
前記第２次冷却材流路（６３ａ）の半径（６７）は、０．０５ｍｍ〜２．５ｍｍであることを特徴とする請求項８に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１０】
前記第２次冷却材流路（６３ａ）と前記第３次冷却材流路（６３ｂ）の伝熱フィン（６５ａ）及び伝熱板（６５ｂ）（６５ｂ’）は、超合金により形成されていることを特徴とする請求項８に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１１】
前記第３次冷却材流路（６３ｂ）において、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）及び／またはＳＯ３と接する前記伝熱フィン（６５ａ）及び前記伝熱板（６５ｂ）の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項１０に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１２】
前記伝熱フィン（６５ａ）の形状は、台形形状に折り曲げられていることを特徴とする請求項１１に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１３】
前記伝熱フィン（６５ａ）の水平ピッチ（Ｈ）は、３ｍｍ〜８ｍｍであることを特徴とする請求項１２に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１４】
前記伝熱フィン（６５ａ）の垂直ピッチ（Ｖ）は、３ｍｍ〜８ｍｍであることを特徴とする請求項１２に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【請求項１５】
前記第２次冷却材流路（６３ａ）から流入する前記高温第２次系統冷却材（７０）と接する前記伝熱板（６５ｂ’）の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項８に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１０−５１１１３７（Ｐ２０１０−５１１１３７Ａ）
【公表日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３８３０５（Ｐ２００９−５３８３０５）
【出願日】平成１９年１０月１０日（２００７．１０．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００７／００４９３９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０６９４２６
【国際公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【出願人】（５９７０６０６４５）コリア アトミック エナジー リサーチ インスティテュート (22)
【出願人】（５０６０９４６７７）コリア ハイドロ アンド ヌクリア パワー カンパニー リミテッド (11)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１０日（２００７．１０．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００７／００４９３９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０６９４２６
【国際公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【出願人】（５９７０６０６４５）コリア アトミック エナジー リサーチ インスティテュート (22)
【出願人】（５０６０９４６７７）コリア ハイドロ アンド ヌクリア パワー カンパニー リミテッド (11)
【Ｆターム（参考）】
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