JP2013224779A - Heat transporting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発熱部を有する原子力プラントや産業用及び民生用機器を冷却するための熱輸送装置に関し、特に、外部動力を使用しない受動的な熱輸送装置に関する。 The present invention relates to a heat transport device for cooling a nuclear power plant having an exothermic part and industrial and consumer equipment, and more particularly to a passive heat transport device that does not use external power.
例えば、原子力プラントや産業用及び民生用機器の多くは、通常使用時に発熱する機器を有しているが、冷却材が失われるような苛酷事故時の冷却のために、又は装置の省エネ化や小型化・軽量化等のために、外部動力を使用しない冷却装置の要望が高まっている。 For example, many nuclear power plants and industrial and consumer equipment have equipment that generates heat during normal use, but they can be used for cooling in severe accidents where coolant is lost, or for energy saving equipment. In order to reduce the size and weight, there is a growing demand for cooling devices that do not use external power.
原子力プラントでは、原子炉設備の信頼性や安全性を一層高めるため、仮に津波により3つの機能(全交流電源、海水冷却機能、使用済み燃料貯蔵プールの冷却機能)を全て喪失したとしても、炉心損傷や使用済み燃料の損傷を防止し、放射性物質の放出を抑制しつつ冷却機能を維持できる熱輸送装置が求められている。このうち、使用済み燃料貯蔵プールの冷却については、既設の冷却系の喪失を想定し、外部動力が利用不可の状況においても、プール水を冷却できる装置が求められる。そのような熱輸送装置としてヒートパイプを用いる手段が提案されている(特許文献1)。 In the nuclear power plant, even if all three functions (all AC power supply, seawater cooling function, and spent fuel storage pool cooling function) are lost due to the tsunami, the core will be increased in order to further improve the reliability and safety of the reactor equipment. There is a need for a heat transport device that can prevent damage and damage to spent fuel, and maintain a cooling function while suppressing the release of radioactive materials. Among these, regarding the cooling of the spent fuel storage pool, assuming the loss of the existing cooling system, an apparatus capable of cooling the pool water is required even in a situation where external power is not available. Means using a heat pipe as such a heat transport device has been proposed (Patent Document 1).
また、電子・電気機器分野では、機器の小型・軽量化や大容量化が進み、発熱密度の増大が課題となっている。発熱密度の高い代表的な機器として、電動機の電源であるコンバータやインバータなどの電力変換装置が挙げられる。これらの装置内部には半導体素子が用いられており、稼動の際には、半導体素子が短時間で急激に発熱する。この除熱のため、外部動力を必要としないヒートパイプを用いた冷却装置が提案されている。 In the field of electronic / electrical equipment, the miniaturization, weight reduction, and increase in capacity of equipment have progressed, and an increase in heat generation density has become a problem. As a typical device having a high heat generation density, there is a power converter such as a converter or an inverter that is a power source of an electric motor. A semiconductor element is used in these devices, and the semiconductor element generates heat rapidly in a short time during operation. For this heat removal, a cooling device using a heat pipe that does not require external power has been proposed.
代表的なヒートパイプは、循環力に基づき、ウイック式と熱サイフォン式とが挙げられる。ウイック式は、毛細管構造を有する物体(ウイック)を密閉容器に内包し、これを循環力の発生源として利用する。一方、熱サイフォン式は、重力を利用し、液相とこれを沸騰させ生成した気相との密度差で作動流体を循環させる。 Typical heat pipes include a wick type and a thermosyphon type based on the circulation force. In the wick type, an object (wick) having a capillary structure is enclosed in a sealed container and used as a source of circulation force. On the other hand, the thermosyphon type uses gravity to circulate the working fluid with a density difference between a liquid phase and a gas phase generated by boiling the liquid phase.
しかしながら、上述した従来の熱輸送装置では、対象とする発熱機器の場所や熱輸送距離の長短によっては熱交換効率及び熱輸送能力が低下する場合がある。特に、ウイック式ヒートパイプは、毛細管構造を有する物体の空隙部を液相が流動するため、熱輸送距離の延長に伴う流路の圧力損失の増大が課題となる。さらに、この空隙部では液相の喪失を避ける必要があるため、冷却能力を向上させることが困難である。
また、熱サイフォン式のヒートパイプは、冷却部を鉛直方向上方に設置する必要があるため、熱及び冷媒の輸送方向が限定されるという課題があった。
However, in the above-described conventional heat transport device, the heat exchange efficiency and the heat transport capability may be lowered depending on the location of the target heat generating device and the length of the heat transport distance. In particular, the wick-type heat pipe has a problem that an increase in the pressure loss of the flow path due to the extension of the heat transport distance is caused because the liquid phase flows through the void portion of the object having a capillary structure. Furthermore, since it is necessary to avoid the loss of the liquid phase in this gap, it is difficult to improve the cooling capacity.
Moreover, since the thermosiphon type heat pipe needs to install the cooling unit vertically upward, there is a problem that the transport direction of heat and refrigerant is limited.
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、外部動力なしに自動的に動作するとともに熱交換効率及び熱輸送能力の高い高効率の熱輸送装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a highly efficient heat transport device that operates automatically without external power and has high heat exchange efficiency and heat transport capability.
上記課題を解決するために、本実施形態に係る熱輸送装置は、外部からの熱を受熱する上昇管と、外部へ熱を放熱する下降管と、前記上昇管と下降管の上部を接続する上部連通管と、前記上昇管と下降管の下部を接続する下部連通管と、各管内を循環する作動流体と、を有する熱輸送装置において、前記上部連通管の周囲に少なくとも一つの熱交換部を設け、前記熱交換部に前記下部連通管内の作動流体を循環させることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a heat transport device according to the present embodiment connects a riser pipe that receives heat from the outside, a downcomer pipe that radiates heat to the outside, and an upper part of the riser pipe and the downcomer pipe. In a heat transport device having an upper communication pipe, a lower communication pipe that connects the lower part of the riser pipe and the lower pipe, and a working fluid that circulates in each pipe, at least one heat exchange section around the upper communication pipe And the working fluid in the lower communication pipe is circulated through the heat exchange section.
本実施形態によれば、外部動力なしに自動的に動作するとともに熱交換効率及び熱輸送能力の高い高効率の熱輸送装置を提供することができる。 According to this embodiment, it is possible to provide a highly efficient heat transport device that operates automatically without external power and has high heat exchange efficiency and heat transport capability.
以下、本発明に係る熱輸送装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
[第1の実施形態]
第1の実施形態に係る熱輸送装置を図1により説明する。
Hereinafter, an embodiment of a heat transport device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
The heat transport apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
(構成)
第1の実施形態に係る熱輸送装置、気泡ポンプ型のヒートパイプであって、外部からの熱11を受熱する上昇管1、受熱した熱12を放熱する下降管2、上昇管1と下降管2の上部を連結する上部連通管3、上昇管1と下降管2の下部を連結する下部連通管4、上部連通管3の周囲に配置された熱交換部5とから構成される。下部連通管4は、図1に示すように、屈曲構造となっており、内部の作動流体22が熱交換部5を循環可能な構成となっている。また、上部連通管3と熱交換部5の間には相互に連通可能な連通部6が設けられている。
(Constitution)
FIG. 1 is a heat transport device according to the first embodiment, a bubble pump type heat pipe, a rising
本実施形態では作動流体22として水が用いられ、装置稼動前に飽和蒸気圧を所望の圧力になるように調整されている。水は入手が容易であり、仮に配管が破損した場合においても、周囲に及ぼす影響は小さい。また、飽和蒸気圧を装置稼動前に調整することで、装置の稼動開始温度を変更し、熱輸送効率を最適に調整することができる。なお、熱輸送媒体として水以外の媒体を使用できることはもちろんである。
In this embodiment, water is used as the working
(作用)
このように構成された熱輸送装置において、管内に封入された作動流体22は上昇管1で外部からの熱11を受熱して沸騰し、その沸騰により生じる気泡23の上昇により生じる駆動力で各管内を循環する。そして、高温になった作動流体22は下降管2及び下部連通管4を循環する間に外部に熱12を放熱する。
(Function)
In the heat transport apparatus configured as described above, the working
さらに、放熱により温度が低下した下部連通管4内の作動流体22を熱交換部5内に循環させ、上部連結管3における気相21の凝縮を促進させる。また、上部連結管3と熱交換部5を連通部6で連通させたことにより、凝縮させる空間を拡大し凝縮能力を向上させている。
Furthermore, the working
(効果)
本実施形態によれば、気泡による駆動力によって外部動力を用いることなく作動流体を循環させるとともに、上部連通管の周囲に設けた熱交換部に作動流体を循環させることで熱交換効率及び熱輸送能力を向上させることができる。
また、上部連通管と熱交換部に連通部を設けたことにより、凝縮空間を拡大し凝縮能力を高めたことにより、さらに熱交換効率を向上させることができる。
(effect)
According to the present embodiment, the working fluid is circulated without using external power by the driving force due to the bubbles, and the working fluid is circulated through the heat exchanging portion provided around the upper communication pipe, whereby heat exchange efficiency and heat transport are achieved. Ability can be improved.
Moreover, by providing the communication part in the upper communication pipe and the heat exchange part, the heat exchange efficiency can be further improved by expanding the condensation space and increasing the condensation capacity.
[第2の実施形態]
第2の実施形態に係る熱輸送装置を図2により説明する。
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
[Second Embodiment]
A heat transport device according to a second embodiment will be described with reference to FIG.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure as the said embodiment, and duplication description is abbreviate | omitted.
本実施形態の熱輸送装置は、図2に示すように、上昇管1の途中に拡径部7を設け、拡径部7より上方の内径を下方よりも大きくしている。なお、拡径部7は、図3に示すように、複数設けてもよく、あるいは下方から上方に向けて上昇管1の径を漸次大きくする構成としてもよい。
As shown in FIG. 2, the heat transport device of the present embodiment is provided with an enlarged
このように構成された熱輸送装置において、上昇管1内に封入された作動流体22が外部からの熱11を受熱すると作動流体22が沸騰することにより気泡23が生じ、この気泡23の上昇により生じる駆動力で各管内を循環する。その際、気泡23の成長や結合による大径化が拡径部7によって抑制され、気泡23を微細構造のまま上昇管1内を上昇させることができる。
In the heat transport device configured as described above, when the working
すなわち、気泡が大径化すると気泡の総表面積が減少するため作動流体22の駆動力が低下するが、本実施形態では上昇管1の途中に拡径部7を設けたことにより気泡の大径化を抑制し、これにより大きな駆動力で作動流体22を循環させることができる。
これにより、熱輸送装置の熱交換効率及び熱輸送能力をさらに向上させることができる。
That is, when the diameter of the bubbles increases, the total surface area of the bubbles decreases, so that the driving force of the working
Thereby, the heat exchange efficiency and heat transport capability of the heat transport device can be further improved.
[第3の実施形態]
第3の実施形態に係る熱輸送装置を図3により説明する。
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
[Third Embodiment]
A heat transport device according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure as the said embodiment, and duplication description is abbreviate | omitted.
本実施形態の熱輸送装置は、上昇管1、上部連通管3、下降管2及び/又は下部連通管4を複数の配管で構成することを特徴としている。
図3は、上昇管1を複数の配管で構成した例を示しており、複数の上昇管1の上部及び下部を上昇管上部接続管30及び上昇管下部接続管31によりそれぞれ接続している。下降管2を複数の配管から構成する場合は、複数の下降管2を下降管上部接続管及び下降管下部接続管にそれぞれ接続する(図示せず)。
The heat transport device of this embodiment is characterized in that the ascending
FIG. 3 shows an example in which the ascending
また、上部連通管及び下部連通管も適宜複数設置してもよく、その場合は、それぞれ上昇管上部接続管30及び上昇管下部接続管31、並びに下降管上部接続管及び下降管下部接続管に接続する(図示せず)。
また、図3の例では、外部の発熱体からの受熱量、受熱分布に応じて、上昇管の径を変化させている。
また、作動流体22の駆動力を向上させるために拡径部7を複数設置している。
In addition, a plurality of upper communication pipes and lower communication pipes may be provided as appropriate. In that case, the
In the example of FIG. 3, the diameter of the riser tube is changed according to the amount of heat received from the external heating element and the heat receiving distribution.
A plurality of
本実施形態によれば、外部の発熱体からの受熱量、受熱分布及び外部への放熱量、放熱分布に応じて、適宜上昇管1及び下降管2の配管数、配管径及び配置を調整することにより、最適な熱交換効率を得ることが可能となる。
これにより熱輸送装置の熱交換効率及び熱輸送能力をさらに向上させることができる。
According to the present embodiment, the number of pipes, the pipe diameters, and the arrangement of the
Thereby, the heat exchange efficiency and heat transport capability of the heat transport device can be further improved.
[第4の実施形態]
第4の実施形態に係る熱輸送装置を図4により説明する。
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
A heat transport device according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure as the said embodiment, and duplication description is abbreviate | omitted.
本実施形態の熱輸送装置は、図4に示すように、上部連通管3と上昇管1との接続部を下降管2との接続部よりも高くなるように上部連通管3を傾斜させて配置した構成としている。
As shown in FIG. 4, the heat transport device of the present embodiment is configured such that the
これにより、上昇管1から上部連通管3に送られた作動流体22は気泡23による駆動力と重力の作用により上部連通管3内を下降管2に向かって円滑に流れることが可能となり、熱輸送能力をさらに向上させることができる。なお、上部連通管の傾斜面を階段状に構成してもよい。
As a result, the working
[第5の実施形態]
第5の実施形態に係る熱輸送装置を図5により説明する。
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
[Fifth Embodiment]
A heat transport device according to a fifth embodiment will be described with reference to FIG.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure as the said embodiment, and duplication description is abbreviate | omitted.
本実施形態の熱輸送装置は、上昇管1の入口部及び/又は拡径部7に旋回流発生器8を設けた構成としている。旋回流は、旋回羽根やねじりテープの設置、または壁面への傾斜溝、螺旋溝の加工等によって発生させるが(図示せず)、これに限定されず他の旋回流発生手段を用いてもよい。
The heat transport device according to the present embodiment has a configuration in which a
この旋回流発生器8により上昇管1内を上昇する作動流体22に旋回流を発生させる。この旋回流は、旋回流のない流れと比較して管壁での熱伝達を大きくすることができるため、熱輸送能力をさらに向上させることができる。
The swirling
また、この旋回流によって気泡23を上昇管1内に均一に分散させる効果、及び気泡23を微細化する効果も有し、これにより気泡23による駆動力をさらに大きくすることができる。
本実施形態によれば、上昇管に旋回流発生器を設けたことによって、気泡の駆動力を大きくすることができるため、熱輸送能力をさらに向上させることができる。
The swirl flow also has the effect of uniformly dispersing the
According to the present embodiment, since the swirling flow generator is provided in the ascending pipe, the driving force of the bubbles can be increased, so that the heat transport capability can be further improved.
[第6の実施形態]
第6の実施形態に係る熱輸送装置を図6により説明する。
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
[Sixth Embodiment]
A heat transport device according to a sixth embodiment will be described with reference to FIG.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure as the said embodiment, and duplication description is abbreviate | omitted.
本実施形態の熱輸送装置は、上部連通管3内の液面に複数の仕切り板9を設置した構成としている。この仕切り板9は、図6に示すように、上部連通管3内の作動流体22の流れを妨げないよう、所定高さの仕切り板9を作動流体22の液面に設置している。
The heat transport device of the present embodiment has a configuration in which a plurality of partition plates 9 are installed on the liquid surface in the
これにより、上部連通管3内を下流へと向かう作動流体22中に存在する所定の大きさ以上の気泡23は仕切り板9でせき止め、消滅させられるので、作動流体の駆動力が低下することがない。
As a result, the
なお、仕切り板9として、所定径以下のメッシュ部材を用いてもよく、これにより所定の大きさ以上の気泡をせき止め、消滅させることができる。
本実施形態によれば、仕切り板を上部連通管に設けたことにより、気泡による駆動力を高めることができるため、熱輸送能力をさらに向上させることができる。
Note that a mesh member having a predetermined diameter or less may be used as the partition plate 9, whereby bubbles having a predetermined size or more can be damped and eliminated.
According to this embodiment, since the partition plate is provided in the upper communication pipe, the driving force due to the bubbles can be increased, so that the heat transport capability can be further improved.
[第7の実施形態]
第7の実施形態に係る熱輸送装置を図7により説明する。
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
[Seventh Embodiment]
A heat transport device according to a seventh embodiment will be described with reference to FIG.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure as the said embodiment, and duplication description is abbreviate | omitted.
本実施形態の熱輸送装置は、上部連通管3に複数の熱交換部5を設けた構成としている。上昇管1(受熱部)及び下降管2(放熱部)との間の距離が大きくなり、これにより上部連通管3の長さが長くなる場合、上部連通管3に複数の熱交換部5を設置し、下部連通管4を屈曲させて複数の熱交換部5に作動流体22を循環させる。
The heat transport device according to the present embodiment has a configuration in which a plurality of
このように、上部連通管3が長くなる場合でも、複数の熱交換部5を設けることにより、熱交換効率及び熱輸送能力を最適に維持することができる。
なお、図7では、熱交換部5を2つ設けた例を図示しているが、これに限定されず上部連通管3の長さに応じてその数を適宜増減することができる。
As described above, even when the
In addition, in FIG. 7, although the example which provided the two
[第8の実施形態]
第8の実施形態に係る熱輸送装置を図8により説明する。
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
[Eighth Embodiment]
A heat transport device according to an eighth embodiment will be described with reference to FIG.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure as the said embodiment, and duplication description is abbreviate | omitted.
本実施形態の熱輸送装置は、熱交換部5の上部と、上昇管2の上部及び/又は下降管3の上部との間に連通管32を設置した構成としている。
これにより、上部連通管3において凝縮させる空間をさらに拡大し凝縮能力を向上させることができるので、熱交換効率及び熱輸送能力をさらに向上させることができる。
The heat transport device of this embodiment is configured such that a
Thereby, since the space to condense in the
なお、図7に示すように、複数の熱交換部5を上部連通管3に設置した場合でも、各熱交換部5と、上昇管2の上端部又は下降管3の上端部をそれぞれ連通管32によって接続するように構成してもよい。また、連通管32を上昇管上部接続管30(図3参照)に接続してもよい。
As shown in FIG. 7, even when a plurality of
[第9の実施形態]
第9の実施形態に係る熱輸送装置は、作動流体22中に当該作動流体の沸点以下の蓄熱物質を内包する多数の不溶性のマイクロカプセル(図示せず)を混入させた構成としている。例えば、作動流体が水の場合、マイクロカプセルの蓄熱物質として融点が30〜70℃のパラフィン系の相変化物質が用いられる。
[Ninth Embodiment]
The heat transport device according to the ninth embodiment has a configuration in which a large number of insoluble microcapsules (not shown) enclosing a heat storage material having a boiling point or lower of the working fluid are mixed in the working
これにより、受熱11で加熱された液相22は、気泡23を発生させる前にマイクロカプセル内の蓄熱物質が相変化を起こすため、その潜熱を熱輸送に利用できる。これにより、熱輸送能力を大幅に向上させることができる。
Thereby, the
[第10の実施形態]
第10の実施形態に係る熱輸送装置は、作動流体22中に気泡表面に吸着する吸着材を添加した構成としている(図示せず)。吸着材は、気泡23の表面に吸着され、これにより、気泡の成長及び気泡同士の結合拡大を抑制することができるため、作動流体の駆動力を高く維持することができる。
[Tenth embodiment]
The heat transport device according to the tenth embodiment has a configuration in which an adsorbent adsorbed on the bubble surface is added to the working fluid 22 (not shown). Since the adsorbent is adsorbed on the surface of the
なお、吸着材として、作動流体や熱、配管材料により化学的反応を引き起こさない材料が望ましく、例えば、酸化チタン、アルミナ、シリカ等からなる微粒子や界面活性剤が用いられる。 The adsorbent is preferably a material that does not cause a chemical reaction due to working fluid, heat, or piping material. For example, fine particles or a surfactant made of titanium oxide, alumina, silica, or the like is used.
また、上述した実施形態の熱輸送装置を原子力プラントの使用済み燃料貯蔵プールや格納容器内の冷却用に適用した場合は、使用済み燃料プールや格納容器内の発生熱を、外部動力を用いずに自動的に冷却部へと輸送できる。例えば上記実施形態の熱輸送装置を格納容器の冷却に使用する場合は、上昇管1を原子炉格納容器内に配置し、記下降管2を原子炉格納容器外に配置すればよい。その際、熱輸送装置は、原子炉格納容器内の発熱状況に応じて複数台使用してもよい。
これにより、使用済み燃料プールや格納容器内の温度上昇を自動的かつ長期にわたって抑制できるため、原子力プランの安全性及び信頼性の向上を図ることができる。
Further, when the heat transport device of the above-described embodiment is applied for cooling the spent fuel storage pool or the containment vessel of the nuclear power plant, the generated heat in the spent fuel pool or the containment vessel is not used by using external power. Can be automatically transported to the cooling section. For example, when the heat transport device of the above-described embodiment is used for cooling the containment vessel, the
Thereby, since the temperature rise in a spent fuel pool or a containment vessel can be automatically suppressed for a long time, the safety and reliability of the nuclear power plan can be improved.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、上述した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, embodiment mentioned above is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, combinations, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…上昇管、2…下降管、3…上部連通管、4…下部連通管、5…熱交換部、6…連通部、7…拡径部、8…旋回流発生器、9…仕切り板、21…気相、22…作動流体、23…気泡、30…上昇管上部接続管、31…上昇管下部接続管、32…連通管。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記上部連通管の周囲に少なくとも一つの熱交換部を設け、前記熱交換部に前記下部連通管内の作動流体を循環させることを特徴とする熱輸送装置。 A riser pipe that receives heat from the outside, a downcomer pipe that dissipates heat to the outside, an upper communication pipe that connects the upper part of the riser pipe and the downcomer pipe, and a lower communication that connects the lower part of the riser pipe and the downcomer pipe In a heat transport device having a pipe and a working fluid circulating in each pipe,
At least one heat exchange part is provided around the upper communication pipe, and the working fluid in the lower communication pipe is circulated through the heat exchange part.
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