JP7274388B2 - 波形配管及び熱収縮緩和機構付き冷却配管 - Google Patents
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Description
軸線方向に沿って山部と谷部とが交互に形成された管壁と、
前記山部又は前記谷部の少なくとも一方に設けられた収縮抑制部材と、
を備え、
前記収縮抑制部材は、
少なくとも外側部が前記管壁よりも大きい熱膨張係数を有し、前記山部に取り付けられて前記管壁の熱収縮時に前記山部の角度を広げるための第1部材、
または、
前記管壁よりも小さい熱膨張係数を有し、前記谷部に取り付けられて前記管壁の熱収縮時に前記谷部の径方向内側への熱収縮を抑えるための第2部材
の少なくとも一方を含む。
ここで、「径方向」とは波形配管の径方向を意味する。
上記収縮抑制部材が上記第2部材を含むとき、波形配管が冷却されると、上記第2部材の熱収縮量が谷部の熱収縮量より小さいために、第2部材によって谷部の熱収縮が抑制される。そして、管壁の他の部位の熱収縮によって谷部の角度が押し広げられるため、波形配管の軸線方向の熱収縮が抑制される。また、第1部材又は第2部材の熱膨張係数を選択し、山部又は谷部の角度増加分を調節することで、波形配管の軸線長さを調節できる。
前記収縮抑制部材は、前記第1部材又は前記第2部材の少なくとも一方として、周方向に沿って前記山部又は前記谷部に設けられた線状部材を含み、
前記線状部材は、前記山部又は前記谷部に沿って前記管壁の一周り以上の長さに延在する。ここで、「周方向」とは波形配管の周方向を意味する。
上記(2)の構成によれば、第1部材として上記線状部材が山部に設けられるとき、管壁の全周に亘り設けられた線状部材の軸線方向の熱収縮によって山部が径方向外側から内側へ収縮力を付加されるため、山部の角度が広がって管壁が軸線方向へ伸長し、波形配管の軸線方向の熱収縮が抑制される。第2部材として管壁の全周に亘り設けられた線状部材が谷部に設けられるとき、谷部の径方向内側への熱収縮が線状部材によって抑えられるため、谷部の角度が広がる。これによって、波形配管の軸線方向の熱収縮が抑制される。従って、線状部材の熱膨張係数を選択し、山部又は谷部の角度増加分を調節することで、波形配管の軸線長さを調節できる。
前記山部及び前記谷部は前記軸線方向に沿って並ぶ複数の独立した凹凸を形成し、前記線状部材は前記管壁の周方向に沿って前記管壁の全周に亘って配置される1個以上のリングで構成されている。
上記(3)の構成によれば、線状部材は管壁の全周を囲繞するリングで構成されているため、山部に作用する収縮力又は谷部の熱収縮に対する抑止力を十分発揮できる。
前記山部、前記谷部及び前記線状部材が螺旋状に形成されている。
上記(4)の構成によれば、螺旋状の線状部材が山部又は谷部に沿って管壁の周囲に一周り以上延在するため、山部への収縮力又は谷部の熱収縮に対する抑止力を十分発揮できる。
前記収縮抑制部材は、
前記山部より熱膨張係数が大きくかつ前記管壁の外側に前記管壁を囲繞するように配置されたスリーブで構成される。
上記(5)の構成によれば、波形配管及び上記スリーブが冷却されたとき、上記スリーブは山部より径方向の熱収縮量が増加するために、山部に対して径方向内側へ収縮させる収縮力を作用する。これによって、山部の角度が大きくなるため、波形配管の軸線方向の熱収縮が抑制される。従って、スリーブの熱膨張係数を選択し、山部の角度増加分を調節することで、波形配管の軸線長さを調節できる。また、上記スリーブの管壁外側への取付けは容易である。
熱収縮前の前記山部と前記谷部との間の距離をλ、前記波形配管の使用時における前記管壁の温度低下量をΔT、熱収縮前の前記山部の角度をφとしたとき、熱収縮後の前記山部と前記谷部との間の距離λ’及び熱収縮後の前記山部の角度φ’は、下記式を満たすことができる。
0.9≦[λ×sin(φ/2)]/[λ’×sin(φ’/2)]≦1.1
λ’=λ×(1-βb×ΔT)
φ’/2=cos-1[(RL×(1-βs×ΔT)-RS×(1-βb×ΔT))/λ’]
ここで、βb;前記管壁の熱膨張係数
βs;前記第1部材の熱膨張係数
RL;前記山部の半径
RS;前記谷部の半径
である。
上記(6)の構成によれば、山部の角度、管壁及び第1部材の熱膨張係数を適宜選択することで、管壁の熱収縮前後の軸線方向長さの差を10%以内に抑えることができる。
前記第1部材は、前記管壁よりも大きい熱膨張係数を有する外側部と、前記外側部よりも熱膨張係数が小さく前記管壁よりも熱膨張係数が大きい内側部と、を含んで構成され、
前記山部の先端部が前記外側部及び前記内側部に挿入され、前記山部の先端部と前記外側部及び前記内側部の各々とは固着面を介して固着されている。
上記(7)の構成によれば、波形配管及び上記構成の第1部材が冷却されると、山部の先端部は外側部及び内側部から上記固着面を介して山部の角度を広げる方向の力を受ける。この力は熱膨張係数の差に応じた大きさを有する。こうして、山部の角度を広げることができる。
前記(1)~(7)の何れかの構成を有する波形配管を含む内側配管と、
前記内側配管の外側に同心状に配置された外側配管と、
を備え、
前記波形配管と前記外側配管との間に真空空間が形成されている。
上記(8)の構成によれば、上記構成の波形配管を備えるために、冷却時における波形配管の軸線方向長さの熱収縮を抑制できる。従って、低温下にある内側配管と常温下にある外側配管との熱収縮量の違いに起因して波形配管が外側配管に接触するのを抑制できるため、波形配管への熱侵入を抑制できる。
前記熱収縮緩和機構付き冷却配管は超電導ケーブルの少なくとも一部を構成し、
前記内側配管は、
内部に冷却媒体の往路を形成する第1の前記波形配管と、
前記第1の波形配管の外側に設けられた超電導線層と、
前記超電導線層の外側でかつ前記真空空間の内側に設けられ、前記冷却媒体の復路を形成する第2の前記波形配管と、
を備える。
上記(9)の構成によれば、上記第1の波形配管が冷却媒体の往路を形成し、上記第2の波形配管が冷却媒体の復路を形成するので、これらの波形配管を含む内側配管は冷却時に軸線方向の熱収縮が抑制される。従って、冷却時に低温下にある内側配管と常温下にある外側配管とは軸線方向の熱収縮の差を抑制できるので、内側配管と外側配管との接触を抑制できる。これによって、内側配管への熱侵入を抑制できる。また、熱収縮緩和機構付き冷却配管(以下「冷却配管」とも言う。)が超電導ケーブルの一部を構成することで、超電導ケーブル全体の軸線長さを調節できる。
基部に定位置に固定され超電導ケーブルの両端が接続される端末部を備え、前記端末部において前記超電導ケーブルの一部を構成する。
上記(10)の構成によれば、上記端末部において上記冷却配管が超電導ケーブルの一部を構成することで、冷却時に内側配管の軸線方向の熱収縮を抑制できるため、内側配管と外側配管との接触を抑制でき、内側配管への熱侵入を抑制できる。また、この冷却配管が端末部において超電導ケーブルの一部を構成するため、超電導ケーブル全体の軸線長さを超電導ケーブルの両端に設けられた冷却配管によって調節することができる。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図4は、第1部材18(18a)及び第2部材18(18b)が共に線状部材で構成された実施形態を示す。
一実施形態では、第2部材は山部14の外側に設けられ、第2部材18(18b)は谷部16の内側に設けられる。
一実施形態では、第1部材18(18a)又は第2部材18(18b)は山部14又は谷部16に溶接などの方法で固着される。しかし、山部14又は谷部16の熱収縮を抑える機能を保持できる条件下で、固着以外の方法によって山部14又は谷部16に固定してもよい。例えば、図1及び図2に示すように、第1部材18(18a)又は第2部材18(18b)として用いられる線状部材に軸線方向に切込み20を形成し、切込み20に山部14又は谷部16の先端部を篏合させて固定するようにしてもよい。
この実施形態によれば、上記線状部材は管壁12の全周を囲繞する1個又は複数個の円形のリングで構成されているため、山部14に作用する収縮力又は谷部16の熱収縮に対する抑止力を十分発揮できる。例えば、リング状の線状部材が山部14の径方向外側に配置されたとき、山部14に対して外側から内側へ大きな収縮力を付加できる。また、リング状の線状部材が谷部16の径方向内側に配置されたとき、谷部16の径方向内側へ向かう熱収縮に対して大きな抑止力を発揮できる。
なお、上記線状部材は中実材であってもよく、あるいは内部に空間を有する中空材であってもよい。
この実施形態によれば、波形配管10(10D)及び上記スリーブが冷却されたとき、上記スリーブは山部14より熱収縮量が増加するために、山部14に対して径方向内側へ収縮させる収縮力を作用する。これによって、山部14の角度が押し広げられるため、波形配管10(10D)の軸線方向の熱収縮が抑制される。従って、スリーブの熱膨張係数を選択し、山部14の角度増加分を調節することで、波形配管10(10D)の軸線長さを調節できる。また、上記スリーブは管壁12の外側に容易に配置できる。
0.9≦[λ×sin(φ/2)]/[λ’×sin(φ’/2)]≦1.1 (1)
λ’=λ×(1-βb×ΔT)
φ’/2=cos-1[(RL×(1-βs×ΔT)-RS×(1-βb×ΔT))/λ’]
ここで、βb;管壁12の熱膨張係数
βs;山部14に設けられた第1部材18(18a)の熱膨張係数
RL;山部14の半径(軸線Aからの距離)
RS;谷部16の半径(軸線Aからの距離)
である。
λ=(RL-RS)/cos(φ/2)
ξ=2λsin(φ/2)
温度がΔT低下した後の山部14の半径RL(ΔT)、谷部16の半径RS(ΔT)及び山部14と谷部16との間の距離λ’は、次の式で求められる。
RL(ΔT)=RL(1-βs×ΔT)
RS(ΔT)=RS(1-βb×ΔT)
λ’=λ(1-βb×ΔT)
そして、次の式が成り立つ。
φ’=cos-1[(RL(ΔT)-RS(ΔT))/λ’] (2)
上記式(2)から、温度がΔT低下した後の単位波形長ξ(ΔT)を求める次の式(3)が導かれる。
ξ(ΔT)=2λ’sin(φ’/2) (3)
従って、ξとξ(ΔT)との比である上記式(1)を満たすことができるように、山部14の角度φ、管壁12の熱膨張係数βb及び第1部材18(18a)の熱膨張係数βsを適宜選択することで、管壁12の熱収縮前後の軸線方向長さの比を±10%以内に抑えることができる。
この実施形態によれば、波形配管10(10E)及び上記構成の第1部材18(18d)が冷却されると、山部14の先端部は、外側部22及び内側部24から、これらと山部14の先端部との固着面を介して山部14の角度φを広げる方向の力F22及びF24を受ける。力F22及びF24は、熱膨張係数の差に応じた大きさを有する。これによって、山部14の角度φを広げることができる。
β12<β24<β22
が成り立つ。波形配管10(10E)を冷却すると、外側部22及び内側部24が熱収縮するので、山部14の先端部に対して力F22及びF24が加わり、山部14の角度φを広げることができる。外側部22及び内側部24の熱膨張係数の差から、
F24<F22
が成り立つ。内側部24だけで管壁12に力F24を加えることができるため、力F24だけで山部14の先端部の角度φを広げることができるが、外側部22によってさらに大きな力F22を付加できるので、角度φをさらに広げることができる。
一実施形態では、外側配管32の内側に断熱層34が形成される。断熱層34によって外部からの熱侵入をさらに抑制できる。
そして、二重管47の外側に真空空間Svが形成され、真空空間Svの外側に断熱層49が形成され、断熱層49の外側に外側配管50が設けられる。極低温配管42及び二重管47は波形配管10で構成される。
なお、図10に示す実施形態では、超電導ケーブル40の内側配管48の軸線方向収縮を吸収するためのオフセット部54を備えている。
12 管壁
14 山部
16 谷部
18(18a、18b、18c、18d) 収縮抑制部材
18a、18d 第1部材
18b 第2部材
18c スリーブ
20 切込み
22 外側部
24 内側部
30 熱収縮緩和機構付き冷却配管
32、50、104 外側配管
34、49 断熱層
40、100 超電導ケーブル
42 内側極低温配管(第1の波形配管)
44 超電導線層
46 熱・電気絶縁層
47 二重管(第2の波形配管)
48、102 内側配管
52 端末部
54 オフセット部
A 軸線
B 曲り角
Pf 流路
Pf1 流路(往路)
Pf2 流路(復路)
Sf 固着面
Sv 真空空間
Claims (10)
- 軸線方向に沿って山部と谷部とが交互に形成された管壁と、
前記山部又は前記谷部の少なくとも一方に設けられた収縮抑制部材と、
を備え、
前記収縮抑制部材は、
少なくとも外側部が前記管壁よりも大きい熱膨張係数を有し、前記山部に取り付けられて前記管壁の熱収縮時に前記山部の角度を広げるための第1部材
を含むことを特徴とする波形配管。 - 軸線方向に沿って山部と谷部とが交互に形成された管壁と、
前記山部又は前記谷部の少なくとも一方に設けられた収縮抑制部材と、
を備え、
前記収縮抑制部材は、
少なくとも外側部が前記管壁よりも大きい熱膨張係数を有し、前記山部に取り付けられて前記管壁の熱収縮時に前記山部の角度を広げるための第1部材、
または、
前記管壁よりも小さい熱膨張係数を有し、前記谷部に取り付けられて前記管壁の熱収縮時に前記谷部の径方向内側への熱収縮を抑えるための第2部材
の少なくとも一方を含み、
前記収縮抑制部材は、前記第1部材又は前記第2部材の少なくとも一方として、周方向に沿って前記山部又は前記谷部に設けられた線状部材を含み、
前記線状部材は、前記山部又は前記谷部に沿って前記管壁の一周り以上の長さに延在する波形配管。 - 前記山部及び前記谷部は前記軸線方向に沿って並ぶ複数の独立した凹凸を形成し、前記線状部材は前記管壁の周方向に沿って前記管壁の全周に亘って配置される1個以上のリングで構成されていることを特徴とする請求項2に記載の波形配管。
- 前記山部、前記谷部及び前記線状部材が前記管壁の周囲に螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の波形配管。
- 軸線方向に沿って山部と谷部とが交互に形成された管壁と、
前記山部又は前記谷部の少なくとも一方に設けられた収縮抑制部材と、
を備え、
前記収縮抑制部材は、
少なくとも外側部が前記管壁よりも大きい熱膨張係数を有し、前記山部に取り付けられて前記管壁の熱収縮時に前記山部の角度を広げるための第1部材、
または、
前記管壁よりも小さい熱膨張係数を有し、前記谷部に取り付けられて前記管壁の熱収縮時に前記谷部の径方向内側への熱収縮を抑えるための第2部材
の少なくとも一方を含み、
前記収縮抑制部材は、
前記山部より熱膨張係数が大きくかつ前記管壁の外側に前記管壁を囲繞するように配置されたスリーブで構成されることを特徴とする波形配管。 - 軸線方向に沿って山部と谷部とが交互に形成された管壁と、
前記山部又は前記谷部の少なくとも一方に設けられた収縮抑制部材と、
を備え、
前記収縮抑制部材は、
少なくとも外側部が前記管壁よりも大きい熱膨張係数を有し、前記山部に取り付けられて前記管壁の熱収縮時に前記山部の角度を広げるための第1部材、
または、
前記管壁よりも小さい熱膨張係数を有し、前記谷部に取り付けられて前記管壁の熱収縮時に前記谷部の径方向内側への熱収縮を抑えるための第2部材
の少なくとも一方を含む波形配管であって、
熱収縮前の前記山部と前記谷部との間の距離をλ、前記波形配管の使用時における前記管壁の温度低下量をΔT、熱収縮前の前記山部の角度をφとしたとき、熱収縮後の前記山部と前記谷部との間の距離λ’及び熱収縮後の前記山部の角度φ’は、下記式を満たすことを特徴とする波形配管。
0.9≦[λ×sin(φ/2)]/[λ’×sin(φ’/2)]≦1.1
λ’=λ×(1-βb×ΔT)
φ’/2=cos-1[(RL×(1-βs×ΔT)-RS×(1-βb×ΔT))/λ’]
ここで、βb;前記管壁の熱膨張係数
βs;前記第1部材の熱膨張係数
RL;前記山部の半径
RS;前記谷部の半径 - 軸線方向に沿って山部と谷部とが交互に形成された管壁と、
前記山部又は前記谷部の少なくとも一方に設けられた収縮抑制部材と、
を備え、
前記収縮抑制部材は、
少なくとも外側部が前記管壁よりも大きい熱膨張係数を有し、前記山部に取り付けられて前記管壁の熱収縮時に前記山部の角度を広げるための第1部材、
または、
前記管壁よりも小さい熱膨張係数を有し、前記谷部に取り付けられて前記管壁の熱収縮時に前記谷部の径方向内側への熱収縮を抑えるための第2部材
の少なくとも一方を含み、
前記第1部材は、前記管壁よりも大きい熱膨張係数を有する外側部と、前記外側部よりも熱膨張係数が小さく前記管壁よりも熱膨張係数が大きい内側部と、を含んで構成され、
前記山部の先端部が前記外側部及び前記内側部に挿入され、前記山部の先端部と前記外側部及び前記内側部の各々とは固着面を介して固着されていることを特徴とする波形配管。 - 請求項1乃至7の何れか一項に記載の波形配管を含む内側配管と、
前記内側配管の外側に同心状に配置された外側配管と、
を備え、
前記波形配管と前記外側配管との間に真空空間が形成されていることを特徴とする熱収縮緩和機構付き冷却配管。 - 前記熱収縮緩和機構付き冷却配管は超電導ケーブルの少なくとも一部を構成し、
前記内側配管は、
内部に冷却媒体の往路を形成する第1の前記波形配管と、
前記第1の波形配管の外側に設けられた超電導線層と、
前記超電導線層の外側でかつ前記真空空間の内側に設けられ、前記冷却媒体の復路を形成する第2の前記波形配管と、
を備えることを特徴とする請求項8に記載の熱収縮緩和機構付き冷却配管。 - 基部に定位置に固定され超電導ケーブルの両端が接続される端末部を備え、前記端末部において前記超電導ケーブルの一部を構成することを特徴とする請求項9に記載の熱収縮緩和機構付き冷却配管。
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