JPH0197161A - Ｍｈｄ発電装置 - 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】 イ００発明目的 〔産業上の利用分野〕 本発明はヒートパイプの有効利用に関するものであり、
特に導電性流体を作動液とするループ型ヒートパイプを
作動流体推進手段としたＭＨＤ発電（電磁流体発電）装
置に関する。

〔従来の技術〕

ＭＨＤ発電装置には石油、石炭、天然ガス等の燃焼ガス
の熱平衡状態における電離による導電性を利用する燃焼
ガスによるＭＨＤ発電、ガス冷却原子炉の冷却で得られ
る高温度のアルゴン、ヘリウム等の希ガスにアルカリ金
属のシード材を添加して導電性を与えて利用する希ガス
によるＭ　ＨＤ発電等が検討されている。又それ等の流
体の導電性はあまり高くないので各種の問題点があり原
子炉の冷却によって得られる高温の液体金属を作動流体
とするＭＨＤ発電も検討されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

燃焼ガスによるＭＨＤ発電、希ガスによるＭＨＤ発電は
作動流体の４電度が小さいので磁界を５Ｔ（テスラ）以
上の如く大きくする必要があり、その為には超伝導マグ
ネットの実用化をも平行してはかる必要がある。又同じ
理由から磁界を横切るガスの質量を充分に大きくする為
流速を１０’　ｍｉｓの如く極めて高速度にする必要が
あった。又導電度を与える為にＫ（カリウム）　、Ｃｓ
　（セシウム）をシードとして混入した場合でも電離に
より導電性を与える為には燃焼ガスで２５００　Ｋ〜３
０００　Ｋ、希ガスで１５００に〜２０００にとガス温
度を極めて高温にする必要があった。それ等の為に構成
材料に未だ多くの検討問題が残され限段階では商用可能
な長時間運転の出来るＭＨＤ発電装置は完成されていな
い。これ等の問題点解決の対策として作動流体としてＫ
（カリウム）　、Ｎａ　（ナトリウム）等を使用するこ
とが研究されている。この場合は通常電磁石で得られる
磁界でも発電が可能であり、流体温度も１００ＯＫ〜１
２００にで発電が可能と云われている。然し高温液体金
属を発電部に高速度で還流せしめるには、長い受熱放熱
部管路を含むと極めて高い圧力損失を生じ各種問題点発
生の要因となっている。

口８発明の構成 〔問題点解決の為の手段〕 本発明者は先願の特願昭６２−１５５７４７号において
「ループ型細管ヒートパイプ」を提案した。該ヒートパ
イプはループ型に形成された細管コンテナのループ状作
動液流路内に設けられた複数の作動液循環方向規制手段
により、細管コンテナは複数の圧力室が連結されたルー
プとして形成されてあり、作動液循環方向規制手段とこ
れにより形成される圧力室と受熱部数熱部間の温度差と
の三者間の相互作用により発生する作動液推進力を作動
液循環手段とするループ型ヒートパイプであった。　　
　　゛この様なヒートパイプは自在に屈曲せしめて使用
することが出来ると共に屈曲による性能低下がなく、垂
直トップヒート状態でも良好な性能を発揮するものであ
った。更に受熱部を急速に加熱しても、放熱部を急冷し
ても、熱入力を大幅に増加せしめても、作動液の循環速
度が変化するのみで決してドライアウトを引起すことの
ないものであった。この様なループ型細管ヒートパイプ
において〔自在な可撓性又は屈曲性〕を犠牲にすれば他
の特性については必ずしも細管コンテナを使用しないで
も、通常のループ型ヒートパイプを用いて性能を発揮せ
しめることが出来る。但しこの場合特願昭６２−１５５
７４７号の明細書に記載の如き〔管内を閉塞せしめた状
態で作動液が移動する。〕条件を満足せしめる使用条件
を与えることが望ましい。

又作動液を強力に所定の方向に循環せしめる手段として
は必ずしも複数の作動液循環方向規制手段によらずとも
強力な液体ポンプその他の循環手段によっても上述の性
能を発揮せしめることが出来る。

本発明は問題点解決の手段として上述の如きループ型ヒ
ートパイプをＭＨＤ発電流体の作動流体貫流の手段とし
て有効利用することにある。

問題点解決の手段となる本発明に係るＭＨＤ発電装置の
基本構成は次の如（である。

磁界を横切って導電性流体を流し、該流体のエネルギー
を該流体と磁界の相互作用によって電気エネルギーに変
換するＭＨＤ発電装置において、液として封入されてあ
るループ型ヒートパイプが用いられてあり、該ヒートパ
イプは所定手段により作動液がループ内を所定の方向に
強力に循環し、ループ内に夫々少なくも一個所以上ずつ
設けられてある受熱部と放熱部により蒸発と凝縮を繰返
しながら熱量を輸送する様に構成されてあり、ループ型
コンテナの所定の部分が発電形式に応じた所定の構造に
形成されて、所定の磁界発生手段により発生した磁界中
に、磁界を横切って配設されて発電部として構成されて
あり、該発電部を構成するコンテナの所定の部分はルー
プ型作動液流路におけるヒートパイプ作動中の作動液流
が、液流である部分か、気泡流である部分か、何れかの
部分内に位置せしめられである構造になっている。第１
図は該基体構造例を示し、図（イ）は一部所面の正面図
、図（＋７）は発電部の構造例を示す断面図、図（ハ）
は発電部コンテナの構造例を示す断面図である。ループ
型ヒートパイプ１は水銀、Ｎａ　（ナトリウム）、Ｋ（
カリウム）等の導電性作動液が封入された高温用ヒート
パイプである。２−Ｃは該作動液の液流、２−Ｈは蒸気
流である。ループには加熱手段Ｈ及び冷却手段Ｃによっ
て夫々少なくも１個所以上の受熱部１−Ｈ及び放熱部１
−Ｃが設けられてあり、作動液２は作動液循環手段６に
よって矢印の方向に強力に循環し蒸発と凝縮を繰返しな
がら熱量を輸送する。この様に構成されたループ型ヒー
トパイプは作動液がＮａ又はＫである場合、８００に〜
１５００にの作動温度範囲で受熱部１−Ｈによって原子
炉内の如き高温度を吸収し放熱部１−Ｃにより放熱せし
めその熱エネルギーを利用することが可能である。即ち
この様なループ型ヒートパイプは原子炉の如き高温エネ
ルギー発生源の熱エネルギーを吸収して利用する装置の
熱輸送回路として適用し、同時にループ型コンテナ内の
導電性作動液の高温度及び高速流動を利用してＭＨＤ発
電を行なわしめることが出来る。

作動液循環手段６は記号Ｐで示しであるが強力な流体ポ
ンプとして作用する手段であれば如何なる手段であって
も良い。然しエネルギー利用効率の点から考えれば後述
する如き受熱部１−Ｈと放熱部１−Ｃの温度差を利用し
た手段が望ましい。

該循環手段で循環する作動液流路内の液流又は気泡流に
相当する部分に位置せしめられて、強磁界発生手段３に
よる磁界を横切って配置されたループ型ヒートパイプの
発電コンテナ１−Ｅ、絶縁板４、電極５からなる発電部
が設けられてある。発電部の拡大断面図は図（Ｕ）に示
しである。図において矢印は導電性流体の流れ方向を示
し、磁界の方向がＮ−３であれば画電極５を結ぶ回路に
は負荷７を介して矢印の方向の電流が得られる。電極５
と絶縁板４の構造は発電形式により各種の構造がある。

図はファラデー形を示し、他にホール形、ダイヤゴナル
形等がある。図（ハ）は発電コンテナの構造例を示し、
１−１は導電材料からなり１−２は耐熱絶縁材料からな
る。２−Ｃの導電性作動液部の断面積は必要とする流速
に応じてループの他の部分の流路断面積より縮小されて
ある。受熱部１−Ｈ１放熱部ｉ−ｃの配設個数はループ
の全長に応じて増減されこれによりコンテナ内の圧力損
失が調整される。

〔作　用〕

上述の如く構成されたループ形ヒートパイプ応用のＭＨ
Ｄ発電装置には以下の各項の如き作用があり、従来の問
題点を解決することが出来る。

ａ１発電に必要な高温、大容量の熱エネルギーを導電性
作動液に与えることが出来る。

受熱部に高温度熱入力を与えても、又大容量の熱入力を
与えても該構造のループ形ヒートパイプは作動液の流速
が自ら増加し、又は増加せしめることにより作動液蒸発
量の増加に対応出来るので従来型ヒートパイプの如きド
ライアウトの危険が全くない。又これによる作動液循環
速度の増加は発電能力を増加せしめる。

ｂ０発電部を貫流する導電作動液に発電に必要な高い流
速を容易に与えることが出来る。

本構造のループ型ヒートパイプは受熱部、放熱部毎に蒸
発と凝縮を繰返して循環する。循環作動液における液流
の圧力損失は蒸発により解放され、蒸気流の圧力損失は
凝縮によって解放される。又蒸気部の凝縮は吸引力とな
って負の圧力損失を発生し液流の圧力損失を吸収しキャ
ンセルさせる。この様にしてコンテナ内に発生する圧力
損失は一組の受熱部と放熱部間の流路長さに発生する圧
力損失のみでヒートパイプのループが如何に長くても損
失が累積されることがない。従って発電コンテナ１−Ｅ
を貫流する導電性作動液には充分の流量流速を与えるこ
とが可能であり、その為の内圧増加はループの他の部分
に危険な影響を与えることがない。

Ｃ，ループ型ヒートパイプは閉ループであるから耐熱薄
膜被覆により発電部以外を電気絶縁することが出来る。

又後述実施例に説明する如く発電部前後に絶縁コンテナ
と蒸発部を併設することにより発電部近傍のみを他から
電気絶縁することが可能である。従って導電作動流体（
作動液）及びヒートパイプコンテナを通じて発生する漏
洩電流が無くなり発電効率が向上する。

ｄ、漏洩電流が発生しないから発電部は多数の細管コン
テナを集合組合わせて一体化した発電部を構成すること
が可能となる。従って個々の細管は耐圧構造とすること
が容易であり導電作動液を高圧高速で流すことが可能と
なり発電効率を向上せしめることが出来る。

ｅ０発電コンテナ１−Ｅを貫流する導電性作動液温度を
制御して気液の中間状態である気泡流とすることにより
発電効率を向上せしめることが出来る。即ち気泡流は気
相液相の何れの方向に対しても最も変化し易く、何れの
側に変化する場合も潜熱を放出又は吸収する不安定状態
である。又その導電性も充分に残されている。ＭＨＤ発
電は熱エネルギーを電気エネルギーに変化せしめる作用
であり、その変化は作動流体のエンタルピを減少せしめ
る変化であるから潜熱放出の容易な状態である気泡流の
場合発電が容易となり発電効率が向上する。

〔実施例〕

第１実施例 第１実施例は作動液循環手段についての実施例であって
第２図に例示する。特願昭６２−１５５７４７号に係る
ループ型細管ヒートパイプにおいては作動液循環の基本
として細管向流路の作動液が流路を閉塞し、該閉塞作動
液の両側の蒸気圧の相異が閉塞作動液を推進せしめるも
のであった。即ち作動液により流路を閉塞せしめること
が必要であり、その為にコンテナは細管コンテナである
ことが条件であった。然しＭＨＤ発電用のループ型ヒー
トパイプにおいては磁界を横切って導電作動液が連続的
に流れる必要があり、従ってコンテナ内には通常のヒー
トパイプに比較して数倍の４電作動液が封入される。こ
の様に多量の作動液が封入されてある場合はコンテナは
細管コンテナでなくても流路内には作動液閉塞状態が発
生し、ループ型細管ヒートパイプと同様に両側おける蒸
気圧差により作動液は推進される。本発明はこの様なル
ープ型ヒートパイプの閉塞作動液の発生を基本として実
施される。第１実施例は第２図８−１．８−２の如き複
数の作動液循環方向規制手段（一般には逆止め弁）によ
ってコンテナは複数の圧力室の連結体としてループを形
成している。ループ内には夫々に少なくも一個以上の受
熱部１−Ｈと放熱部１−Ｃが設けられてある。この様に
構成される場合作動液循環方向規制手段と圧力室と受熱
部放熱部間の温度差との三者間には相互作用が発生し作
動液には所定の方向に向って強力な循環推進力が発生す
る。推進力の発生は作動液の断熱膨張、断熱圧縮、によ
る各圧力室の呼吸作用によるものと考えられ、流速は受
熱部と放熱部の温度差の大小により定まる。この様な第
１実施例に係るループ型ヒートパイプは前述の基本構造
の作用の総てを発揮し、その為の何等の機械的な外部エ
ネルギーを加えることなく強力な導電作動液の循環流を
発生する。

第２実施例 基本構造の作用において説明した如く、ループ型ヒート
パイプは細管耐高圧構造としたものを多数本使用し、発
電部において集合一体化して大断面積の発電部を構成す
ることが出来る。然し多数の受熱部と多数の放熱部を有
すると共に多数の並列部を有する蛇行ループ型細管ヒー
トパイプを使用することにより１本又は少数本のヒート
パイプにより多数コンテナを集合一体化せしめた発電部
を構成することが出来る。第２実施例はこの様な蛇行ル
ープ型細管ヒートパイプを応用したＭ　ＨＤ発電装置で
あって第３図（＜）　（ＩＴ）にその構造略図を示し、
（イ）は平面図（ロ）は正面図である。（ハ）はその発
電部構造例を断面図で示しである。図（イ）（ロ）にお
いて細管コンテナは一本の線で示してあり、その実線は
液流が流れるコンテナであり、放熱手段Ｃにより液化さ
れた作動液が流れる。又破線は蒸気流が流れるコンテナ
を示し、加熱手段Ｈにより気化された作動液が流れる。

又両図において８は作動液循環方向規制手段である。強
磁界発生手段３の磁界中に配設されて発電部を構成する
発電コンテナ１−ＩＥは総て液流又は気泡流が流れる様
に構成されてある。図（ハ）の発電部構造例においては
発電コンテナ１−Ｅは流速を更に上昇せしめる為細管コ
ンテナの他の部分に比較して断面縮小せしめられてあり
、又集合積層化を便ならしめる為平角型に形成されてあ
る。４は共通の絶縁板、５は共通の電極であうで、これ
等４，５は発電形式に応じて各種の構造に形成されてあ
る。

本実施例は多数本のループ型ヒートパイプで構成する場
合に比べて構成が容易で簡素化されるだけでなく、発電
部を構成する発電コンテナ群の各各の導電作動液の流量
、流速、温度が総て同一になるから、発電郡全体として
断面の総ての部分で均一な発電状態が得られる利点があ
る。

なお本実例は特願昭６２−１５５７４７号の応用である
。

第３実施例 本発明は発電部をＭ）［０発電装置の他の部分に対し電
気的に絶縁し発電部で発電された電気の漏洩を防止し発
電効率を向上せしめる構造に関する実施例である。第４
図はその断面略図であってループ型の作動液流路におけ
る発電部の発電コンテナ１−Ｅの上流側及び下流側の所
定の部分は電気絶縁で形成され夫々電気絶縁コンテナ１
−Ｉとして配設されてあり、該コンテナを通過する導電
性作動液は完全に蒸気化されてあることを特徴としてい
る。その為の手段としてはループにおける複数受熱部の
加熱手段であってもよく、又図の如くループの受熱部と
は別個に併設された加熱手段Ｈであっても良い。第４図
においては加熱手段Ｈは耐熱性電気絶縁管で形成された
電気絶縁コンテナ１−■の外周に配設されてある。高速
で移動する作動液は蒸気流であっても導電性作動液の液
滴又は霧状液を混入している恐れがある。この様な作動
液又は作動液混合蒸気は該加熱手段で完全に蒸気化され
る。１−１は耐熱性電気絶縁管のコンテナであるから加
熱手段Ｈは高周波誘導加熱装置であれば作動液の高速度
の流れに対応することが容易である。図においてＣは冷
却手段であって発電コンテナ１−Ｈに流入する作動液を
再凝縮せしめて液流化せしめる。上述の如く構成された
ＭＨＤ発電装置の発電部は電気絶縁コンテナ１−Ｉ及び
作動液蒸気流２−Ｈの部分により他の部分と電気絶縁さ
れて漏洩電流を防ぐことが出来る。蒸気流２−Ｈが〔し
めり蒸気〕となって絶縁性が低下する場合に備えて、発
電部以外の蛇行ループ型ヒートパイプの外周に耐熱絶縁
薄膜の被覆を併用し２重に電気絶縁を実施すれば本実施
例の効果は完全となる。

第４実施例 基本構造の作用において説明した如く気相液相の混在す
る気泡流はエネルギーの授受に対して鋭敏に潜熱を放出
吸収して発電効率を向上せしめる。

第５図はその様な第４実施例の説明図である。図におい
てＲは温度制御手段であって、コンテナ１のループ内を
所定の方向に循環する作動液が発電コンテナ１−Ｅに流
入する前に、その上流近くで作動液の状態を発電に最も
適した気液混合状態の気泡流になる様温度制御する。図
における２−ＣＨは気泡流で２−Ｃは液流、２−Ｈは蒸
気流である。

気泡流２−ＣＨは図の如く蒸気流２−Ｈを適度に冷却し
ても得られるが、液流２−Ｃを適度に加熱しても得るこ
とが出来る。

ハ１発明の効果 上述の如く本発明に係るＭＨＤ発電装置はループ型ヒー
トパイプの強力な作動液循環作用とループ内に少くとも
夫々−個所以上ずつ配設された受熱部及び放熱部の圧力
損失解消作用の相互作用によって、磁界を横切って液体
金属の如き高温導電性作動流体を高速で貫流せしめるこ
とを容易ならしめる。

更に蛇行ループ型細管ヒートパイプを適用する場合は多
数の流路が積層一体化された大型で強力な且つ高性能の
発電部を構成することが容易である。又従来の作動流体
輸送管では極めて困難であった発電部及び液体金属と他
の部分との電気的絶縁が可能となり、発電効率を改善し
且つ安全性をも向上させる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るＭＨＤ発電装置の基本的な構造を
示す一部断面略図である。（イ）基本構造略図、（Ｄ）
発電部構造例、（ハ）発電コンテナ構造例 第２図は第１実施例の一部断面略図、 第３図は第２実施例の略図、（イ）平面図一部断面、（
［り正面図、（ハ）発電部構造例の断面図第４図は第３
実施例一部断面略図 第５図は第４実施例一部断面略図 １・・・ループ型ヒートパイプ、１−Ｃ・・・放熱部、
１−Ｈ・・・受熱部、１−Ｅ・・・発電コンテナ、１−
Ｉ・・・電気絶縁コンテナ、２・・・導電性作動液、２
−Ｃ・・・導電性作動液（液体）、２−Ｈ・・・導電性
作動液（蒸気）、２−ＣＨ・・・導電性作動液（気泡流
）、３・・・強磁界発生手段、４・・・絶縁板、５・・
・電極、６・・・作動液循環方向規制手段、７・・・負
荷、Ｃ・・・冷却手段、Ｈ・・・加熱手段、Ｒ・・・作
動液温度制御手段。 特許出願人　　アクトロニクス株式会社はか１名 峰土ホ妹ω） 第１図 （ロ） （’ｔ＠蝉構逃１’５−１） （ｉ−＠コンマｆ積辻イ）・１） 第１図 第　２　図 （ロ） 宵　４　図 ！５　　図 手ＦＪけ（ｉ正置（方式） 昭和６３年　１月２９日　　　　　７

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁界を横切って導電性流体を流し、該流体のエネ
   ルギーを該流体と磁界の相互作用により電気エネルギー
   に変換するＭＨＤ発電装置において、導電性流体を流す
   手段として、導電性液体が作動液として封入されてある
   ループ型ヒートパイプが用いられてあり、該ヒートパイ
   プは所定の手段により作動液がループ内を所定の方向に
   強力に循環し、ループ内に夫々少なくも一個所以上ずつ
   設けられてある受熱部と放熱部により蒸発と凝縮を繰返
   しながら熱量を輸送する様に構成されてあり、ループ型
   コンテナの所定の部分が発電形式に応じた所定の構造に
   形成されて、所定の強磁界発生手段により発生された磁
   界中に、磁界を横切って配設されて発電部として構成さ
   れてあり、該発電部を構成するコンテナの所定の部分は
   ループ型作動液流路におけるヒートパイプ作動中の作動
   液流が、液流である部分か、気泡流である部分か、何れ
   かの部分内に位置せしめられてあることを特徴とするＭ
   ＨＤ発電装置。
2. （２）ループ型ヒートパイプはコンテナ内における複数
   の所定の位置に作動液の循環方向規制手段が設けられて
   、これにより該コンテナは複数の圧力室が連結されたル
   ープとして形成されてあり、該作動液循環方向規制手段
   とこれにより形成される圧力室と受熱部放熱部間の温度
   差との三者間の相互作用により発生する作動液推進力を
   作動液循環手段としているヒートパイプであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載のＭＨＤ発電装置
   。
3. （３）ループ型ヒートパイプは細管コンテナで形成され
   、且つ多数の受熱部と多数の放熱部を有すると共に多数
   の並列部を有する蛇行ループ型細管ヒートパイプとして
   形成されてあり、並列部コンテナ群中の作動液流の方向
   が同一であるコンテナが集合され、その所定の部分にお
   いて相互に密着一体化され、該部分が全体として発電形
   式に応じた所定の構造に構成されると共に、所定の強磁
   界発生手段により発生された磁界中に、磁界を横切って
   配設されてあることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載のＭＨＤ発電装置。
4. （４）ループ型ヒートパイプはループ内に複数の受熱部
   と複数の放熱部を有するループ型コンテナで形成されて
   あり、ループ型の作動液流路における発電部の上流側及
   び下流側の所定の部分においてコンテナが電気絶縁材料
   で形成されてあり且つ該部分を通過する作動液は完全に
   蒸気化されてあることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のＭＨＤ発電装置。
5. （５）ループ型コンテナの発電部に近い上流側の所定の
   部分に作動液温度を制御する温度制御手段が配設されて
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のＭ
   ＨＤ発電装置。