JPH04126994A - 熱伝達装置 - 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、ポンプ・ファン等の熱媒体を駆動する動力装
置を制御する運転制御装置を有する熱伝達装置に関する
。

（従来の技術） 熱伝達装置のポンプ・ファン等の回転機構（含む動力装
置）は、その形状・重量から定まる固有の慣性モーメン
トを持っている。同様に、ポンプ・ファン等によって駆
動される気体・液体等の流体も慣性を持っている。

これらの慣性モーメントにより、動力装置の駆動エネル
ギーを遮断した場合にも液体はすぐに静止せず、慣性と
配管系の抵抗によってきまる時間遅れによって徐々に減
衰し流れは止る。

このような現象によってすぐに液体が静止しない性質は
、設備を構成する上で障害となる場合と、利点となる場
合とがある。

例えば、ポンプの出口側の配管に漏洩が発生した場合に
、それを検出して直ちにポンプの動力装置である電動機
の電源を切った際にも、ポンプ及び流体の慣性によって
すぐに流れは止らないため、その時間遅れに相当する分
は配管の漏洩口から流出してしまうことになる。このた
め、慣性を小さくすることが必要となる。

次に、電気炉等の熱伝達装置の場合を考える。

第４図において、電気炉４１にて熱を発生し、ポンプ４
２により駆動される水等の冷却材４４により、熱エネル
ギーとして熱交換器４５へ取り出し利用する。

この場合に、ポンプ４２の動力装置である電動機４３の
電源が停電によって不意に喪失した場合には、電気炉４
］を止めて熱の発生をおさえるが、冷却材４４の流量か
すぐに減衰してしまうと電気炉４１の残留熱は冷却材４
４によって炉外に運び出されず、電気炉４１は一時的に
高温となり損傷する。

ポンプ４２と電動機４３の慣性モーメント及び冷却材４
４の慣性を大きくすることにより冷却材４４流量の減衰
を遅らせ、電気炉４１の一時的な温度上昇を防止し炉の
損傷を防止できる。すなわち、電気炉４１の過渡温度上
昇を熱伝達装置の慣性によってトレードオフすることが
でき、炉の耐熱特性と熱伝達装置の慣性の配分を適切に
設計することによって、経済的で信頼性の高いシステム
を構成できる。

熱伝達装置の慣性か極端に大きい場合は、電気炉４１を
直ちに止めると炉は急激に冷却されることとなり、温度
の急激な変化により損傷するおそれがある。この場合に
も、炉の熱過渡耐量と熱伝達装置の慣性の配分を適切に
設計することが必要となる。

第５図及び第６図は、電動機４３の電源の喪失発生時刻
をｔ。とじたときの時間と、冷却材４４の流量、電気炉
４１の内部温度との関係を示すものである。熱伝達装置
の慣性を大きくし流量の減衰を小さくすれば、電気炉４
］の内部ピーク温度は低くなり、温度の降下は早くなる
。

熱伝達装置の慣性を必要な値に設Ｊ１する上では、流体
の慣性は一般に小さく機器設計や配置」二の制限により
大きくすることは難しいため、ポンプ・ファン等及びそ
の動力装置により必要な慣性モーメントを確保すること
が設旧手法となっている。

この場合にも、配管漏洩時の流出量を少なくする必要が
ある場合には、慣性モーメントを小さくする必要かあり
、両者の兼合で熱伝達装置の慣性モメントを定めること
となる。このことは、熱伝達装置の慣性モーメントを機
械的な手段により実現するため、その慣性の大きさある
いは慣性モメントの持つ上記の効果を容品に制御するこ
とが難しいことより発生している。

第２に、原子炉の熱伝達装置について考えてみる。一般
に原子炉は負の反応度を有するよう設計され、地震や温
度の変化等如何なる事象に対しても負の反応度を維持し
、原子炉の固有の安全性を確保できるようになっている
。

原子炉の異常時には制御棒が急速に挿入される。

この時、制御棒か挿入された原子炉炉心出入口での熱伝
達装置の熱媒体の過渡的な温度変化を制御するために、
熱伝達装置の流量は比較的速やかに減少する必要がある
。

しかしながら、原子炉の異常時に制御棒の挿入失敗（Ａ
ＴＷＳ）を想定する場合においては、通常の熱伝達装置
の流量減少特性では、熱媒体の温度か急速に上昇し、原
子炉の構造によっては反応度か正となり、また温度上昇
による熱過渡により原子炉や燃料の破損を引き起こすお
それがある。

このような場合は、通常の熱伝達装置の流量減少特性に
比べて極端に緩やかなる流量減少特性が必要となる。こ
のような事象をも考慮した場合には、熱伝達装置の慣性
モーメントを各々の事象に合せて選択して動作させる必
要がでてくる。

（発明か解決しようとする課題） 従来の熱伝達装置においては、必要な慣性を確保するた
め、ポンプ・ファン等の回転機械及びその動力装置であ
る電動機に必要な慣性モーメントを有する（あるいはフ
ライホイール等の形で付加する）設計としていた。

中でも、ポンプ・ファン等の回転機械に比較して設計の
自由度か大きい動力装置である電動機の内部に持たせる
慣性モーメントを確保することが一般的であった。

大抵の場合は、このような方法によって充分合理的な設
備を構成することができるが、システムか必要としてい
る慣性モーメントが極端に大きい場合や、電動機等の動
力装置の設計の自由度が小さい場合、例えば、効率や力
率等の電気性能に特別の要求がある場合や、配置上のコ
ンパクトさを要求される場合（特に、回転体の慣性モー
メントを大きくする上で影響の大きい半径方向の寸法を
制限される場合）は、不合理な設備構成あるいは設計不
成立となっていた。電動機の外部にフライホイール等を
別置する場合も、同様であった。

熱伝達装置に設けた慣性は、どのような場合にも働くの
で、流れを直ちに止めたいとの要求、例えば配管漏洩時
には、返って都合の悪いことになる。

さらに、従来技術の第２において説明したように、シス
テムが要求している熱伝達装置の慣性の大きさが２つ以
上ある場合、さらに考え方を拡張してシステム側の要求
している最適な流量の減衰特性を発生する事象に合せて
実現するためには、熱伝達装置の慣性モーメントを機械
的な手段によって実現することは難しい。

本発明は、このような従来の欠点を除去するためになさ
れたもので、熱伝達装置におけるポンプ・ファン等の熱
媒体動力装置の電源の喪失時あるいは電源の異常と他の
異常が同時期に発生した時、システムが要求している流
量制御特性を得ることができ、ポンプ・ファン等（含む
動力装置）を他の条件のみによって最適設計することが
できると共に、機械系の慣性エネルギーに相当するエネ
ルギーを、電池に電気エネルギーとして保存するため、
最近、性能向上の著しい高放電率の電池を使用すること
によって、トータルとしてエネルギー貯蔵密度が高くコ
ンパクトな設備を構成することができる熱伝達装置を提
供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記従来の目的を達成する本発明は、熱伝達装置におい
て、熱輸送に使用する熱媒体を駆動するポンプ・ファン
等の駆動装置及び該駆動装置の動力装置に、電池からな
る補助電源と、静止形電力変換装置と、該補助電源と静
止形電力変換装置の制御装置とを備え前記電力装置等の
電源の喪失時にシステムが必要とする流量制御特性を満
たす制御を行う運転制御装置を設けたことを特徴とする
。

（作　用） 本発明では、熱媒体駆動設備の電源が停電により不意に
喪失した場合あるいは停電と同時期に他の異常が発生し
た場合に、システムが要求している流量制御特性に対し
て、ポンプ・ファン等の熱媒体駆動設備の回転機械及び
その動力装置を他の条件によって最適設計した場合の慣
性モーメントだけでは過大あるいは不足する慣性エネル
ギーに相当するエネルギーを運転制御装置から供給ある
いは吸収し、所要の流量特性を得る。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

第１図に本発明の一実施例を示す。

第１図において、熱伝達装置の熱媒体のポンプ２の動力
装置である電動機３は、電路１３により電源６及び運転
制御装置９と接続されている。

運転制御装置９は、エネルギーを電気エネルギの形で貯
蔵し必要なときに吸収あるいは放出する固体電池や蓄電
池等の電池１０と、電池１ｏからの電気エネルギーを電
動機３が必要とする電力に変換する（または、その逆変
換をする）サイリスクインバータ等の静止形電力変換装
置１１と、電源６の母線７の停電を検出して静止形電力
変換装置１１を所要の流量減衰特性となるよう制御する
制御装置１２からなる。

電源６が停電した場合、ポンプ２及び電動機３はその持
っている慣性モーメント及び流体の慣性によって徐々に
回転数が下がり流量も減衰し始める。

同時に、電源６の停電を検出し開閉器８を開くことによ
って電源６を電動機３及び運転制御装置９から切り離し
、電動機３への電力を電池１０゜静止形電力変換装置１
１から制御装置１２によって温度や回転数等のシステム
側の制御量１７等により、または単純な流量−時間特性
により、制御しながら供給あるいは吸収し、所要の流量
制御特性を得るよう電動機３を駆動する。最終的には、
流量はゼロになるか、もとの電源６に引継がれる。

第２図にこの場合の単純に流量か減衰しゼロになり電池
］Ｏから電力を供給するケースのポンプの流量と時間の
関係を示す。

停電か時刻ｔ。に発生した場合、システムが必要として
いる流量制御特性曲線１６、ポンプ等の慣性による流量
制御特性曲線１５によって各々かこまれているところの
１．５　ａはポンプ等の慣性エネルギーの大きさを示し
、１６ａは運転制御装置９から電動機３を駆動するエネ
ルギーの大きさを示す。運転制御装置９は、流量制御特
性曲線１５から電池］０の能力によって決る最大の駆動
曲線までの範囲で、流量制御特性を変化させることがで
きる。

次に、運転制御装置９の動作及び調整方法について説明
する。

運転制御装置９か電動機３を駆動するエネルギーは、静
止形電力変換装置１１を制御する制御装置１２に、静止
形電力変換装置１］の出力と流量の関係を予めプログラ
ムし記憶させておき、電源６の停電信号あるいは開閉器
８の開路信号を起動１　］ 信号として駆動を開始し、システム側制御量１７あるい
は単純な流量−時間特性によりプログラム曲線に従い制
御することにより調整する。

制御装置１２は、電動機３の周波数と電圧を監視し、起
動信号を受けると静止形電力変換装置１］を構成する可
変電圧可変周波数型のサイリスタインバータに対して、
電動機３の残留電圧とその周波数に同期して制御を開始
し、予めプログラムされた周波数−流量の曲線に従って
静止形電力変換装置１１の出力周波数を制御する。また
、同時に静止形電力変換装置］１の出力電圧は、出力周
波数との比をほぼ一定になるよう制御装置１２により制
御し、良好な制御特性を維持する。

制御装置］２のプログラムは、予め計算により求めた曲
線に基づき設定し、熱伝達装置の試運転時に最適な流量
制御特性となるよう調整する。外部からの制御量は、温
度や回転数等の１つあるいは２つが異常のシステム側制
御量］７てあってもよいし、単純な流量−時間特性を表
わすプログラム曲線であってもよい。また、システム側
制御量］７も連続的な制御目標値であってもよいし、各
対象に対応した１つあるいは２つ以上のプログラム曲線
でもよい。

なお、ポンプをファン等の他の回転機械に置き換えても
同様の効果を実現できる。

本発明の他の実施例を第３図に示す。

ポンプ・ファン等の回転機械を、電気エネルギにより直
接流体を駆動する電磁ポンプ１４によって構成した場合
を示す。運転制御装置９、電源６等の他の構成は同様で
ある。

電磁ポンプ１４は、機械式ポンプと異なり流体駆動部と
動力装置か同一要素となっており、電源６が停電すると
、電磁ポンプ１４はその原理から慣性モーメントを持っ
ていないので、流体の慣性によって流量は減衰する。運
転制御装置９等の他の機器の動作は第１の実施例と同様
である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の熱伝達装置の運転制御装置
によれば、熱伝達装置におけるポンプ・ファン等の熱媒
体動力装置の電源の喪失時あるいは電源の異常と他の異
常か同時期に発生した時、システムか要求している流量
制御特性を得ることができ、ポンプ・ファン等（含む動
力装置）を他の条件のみによって最適設計することがで
きる。

また、機械系の慣性エネルギーに相当するエネルギーを
、電池に電気エネルギーとして保存するため、最近、性
能向上の著しい高放電率の電池を使用することによって
、トータルとしてエネルギー貯蔵密度が高くコンパクト
な設備を構成することができる。

また、静止形電力変換装置は短時間のみ動作するため、
その発熱は一時的であり放熱装置として熱容量か大きい
ものを使用することによって、簡易な放熱システムを構
成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる運転制御装置の構成
を示すブロック図、第２図は第１図に示す装置の特性を
示す説明図、第３図は本発明の他の実施例の構成を示す
ブロック図、第４図は従来の装置の構成を示すブロック
図、第５図及び第６図は第４図に示す従来の装置の特性
を示す説明図である。 ２・・・ポンプ、３・・・電動機、６・・・電源、７・
・・母線、８・・・開閉器、１０・・・電池、１１・・
・静止形電力変換装置、１２・・・制御装置、１３・・
・電路、１４・・・電磁ポンプ、１５・・・流量制御特
性曲線、１６・・・流量制御特性曲線、１７・・・制御
量、４１・・・電気炉。 出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 熱伝達装置において、熱輸送に使用する熱媒体を駆動す
   るポンプ・ファン等の駆動装置及び該駆動装置の動力装
   置に、電池からなる補助電源と、静止形電力変換装置と
   、該補助電源と静止形電力変換装置の制御装置とを備え
   、前記電力装置等の電源の喪失時にシステムが必要とす
   る流量制御特性を満たす制御を行う運転制御装置を設け
   たことを特徴とする熱伝達装置。