JPH06194078A - 熱機能性混相流体 - Google Patents
熱機能性混相流体Info
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- JPH06194078A JPH06194078A JP4251083A JP25108392A JPH06194078A JP H06194078 A JPH06194078 A JP H06194078A JP 4251083 A JP4251083 A JP 4251083A JP 25108392 A JP25108392 A JP 25108392A JP H06194078 A JPH06194078 A JP H06194078A
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- Japan
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- heat
- fluid
- expandable
- solid particle
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/14—Thermal energy storage
Landscapes
- Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【構成】 温度により径変化する膨縮性固体粒子群６
を、液体相に混入する。 【効果】 液相の相変化を生じさせることなく、固体粒
子群６の流れの変化によって高効率な熱伝達が可能とな
る。異常発熱の発生を有効に検知する手段ともなる。
を、液体相に混入する。 【効果】 液相の相変化を生じさせることなく、固体粒
子群６の流れの変化によって高効率な熱伝達が可能とな
る。異常発熱の発生を有効に検知する手段ともなる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は熱機能性混相流体に関
するものである。さらに詳しくは、この発明は原子炉や
流体機械、熱エネルギー輸送機器、冷却機器、熱交換用
機器、熱検知修復機器等に有用な熱機能性混相流体に関
するものである。
するものである。さらに詳しくは、この発明は原子炉や
流体機械、熱エネルギー輸送機器、冷却機器、熱交換用
機器、熱検知修復機器等に有用な熱機能性混相流体に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来より、伝熱機能性を有す
る流体は、熱エネルギー輸送機器、冷却機器、熱交換用
機器などに広く用いられている。このような伝熱機能性
流体を用いる機器においては、その熱エネルギーの輸送
効率、冷却効率、熱交換効率などの向上が大きな課題と
なっており、そのための様々な構成と構造を有するもの
が提案されている。
る流体は、熱エネルギー輸送機器、冷却機器、熱交換用
機器などに広く用いられている。このような伝熱機能性
流体を用いる機器においては、その熱エネルギーの輸送
効率、冷却効率、熱交換効率などの向上が大きな課題と
なっており、そのための様々な構成と構造を有するもの
が提案されている。
【０００３】特に、伝熱促進については、多くの検討が
なされてきている。たとえば図１は潜熱を利用する伝熱
促進方法であるヒートパイプの例を示した図である。こ
のヒートパイプは、パイプ容器（１）に熱輸送媒体であ
る作動流体（２）を封入した構造であり、熱の加わる加
熱部（３）と熱を放出する放熱部（４）とによって構成
されている。このヒートパイプの加熱部（３）に熱が加
えられると、作動流体（２）が蒸発し、放熱部（４）と
の間に圧力差が生じ、蒸気は放熱部（４）に移動する。
移動した蒸気は放熱部（４）で凝縮し潜熱を放出する。
そして、この凝縮液は、たとえば、毛細管（５）による
毛細管力、重力、遠心力などにより加熱部（３）に還流
される。
なされてきている。たとえば図１は潜熱を利用する伝熱
促進方法であるヒートパイプの例を示した図である。こ
のヒートパイプは、パイプ容器（１）に熱輸送媒体であ
る作動流体（２）を封入した構造であり、熱の加わる加
熱部（３）と熱を放出する放熱部（４）とによって構成
されている。このヒートパイプの加熱部（３）に熱が加
えられると、作動流体（２）が蒸発し、放熱部（４）と
の間に圧力差が生じ、蒸気は放熱部（４）に移動する。
移動した蒸気は放熱部（４）で凝縮し潜熱を放出する。
そして、この凝縮液は、たとえば、毛細管（５）による
毛細管力、重力、遠心力などにより加熱部（３）に還流
される。
【０００４】このような伝熱促進方法の一例であるヒー
トパイプは、作動流体の液体から気体への相変化に伴う
潜熱授受により熱を加熱部から放熱部に移動させるもの
であり、金属などの固体熱伝導よりも数けたも大きい熱
量を輸送することが可能である。しかしながら、このよ
うなヒートパイプに代表される、流体の潜熱を利用した
伝熱方法は、たとえば、原子炉内の冷却用配管等の流体
自身の相変化を避ける必要のある場合には不向きであ
る。
トパイプは、作動流体の液体から気体への相変化に伴う
潜熱授受により熱を加熱部から放熱部に移動させるもの
であり、金属などの固体熱伝導よりも数けたも大きい熱
量を輸送することが可能である。しかしながら、このよ
うなヒートパイプに代表される、流体の潜熱を利用した
伝熱方法は、たとえば、原子炉内の冷却用配管等の流体
自身の相変化を避ける必要のある場合には不向きであ
る。
【０００５】流体の相変化を避けたい場合には、一般的
に、液相は管内に加えられた温度内では気化しないもの
を用い、高性能複合伝熱面などに代表される伝熱面の改
善や、管内流路に乱流促進体や輻射促進体などを設ける
こと等によって対処されてはいるが、その熱伝達率は必
ずしも良好ではない。このため、従来の伝熱流体の場合
には、相変化するもの、そして相変化しないもののいず
れの場合にも欠点があり、各々の利用分野にも制約があ
った。
に、液相は管内に加えられた温度内では気化しないもの
を用い、高性能複合伝熱面などに代表される伝熱面の改
善や、管内流路に乱流促進体や輻射促進体などを設ける
こと等によって対処されてはいるが、その熱伝達率は必
ずしも良好ではない。このため、従来の伝熱流体の場合
には、相変化するもの、そして相変化しないもののいず
れの場合にも欠点があり、各々の利用分野にも制約があ
った。
【０００６】また、従来の伝熱用流体については、伝熱
という機能にのみ注目されていたため、この熱伝達をさ
らに高度な新しい作用機能として利用することには全く
関心が払われてもいなかった。この発明は、上記の通り
の事情に鑑みてなされたものであって、従来の伝熱流体
の欠点を解消し、高熱伝達率で、しかもその利用に制約
が少なく、かつ、伝熱に加えてさらに高度な機能を体現
することもできる新しい流体を提供することを目的とし
ている。
という機能にのみ注目されていたため、この熱伝達をさ
らに高度な新しい作用機能として利用することには全く
関心が払われてもいなかった。この発明は、上記の通り
の事情に鑑みてなされたものであって、従来の伝熱流体
の欠点を解消し、高熱伝達率で、しかもその利用に制約
が少なく、かつ、伝熱に加えてさらに高度な機能を体現
することもできる新しい流体を提供することを目的とし
ている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、温度により径変化する膨縮性固
体粒子群と、その膨縮性固体粒子群の移動または輸送の
媒体となる液体相からなる混相流体であって、膨縮性固
体粒子群が高温部の熱を吸収して膨張し、吸収した熱を
輸送し、収縮して放熱するとともに、その膨縮性により
粒子群が流体力学的な力の作用を受けて自ら高温壁近傍
に移動し、熱輸送を一層促進することを特徴とする熱機
能性混相流体を提供する。
を解決するものとして、温度により径変化する膨縮性固
体粒子群と、その膨縮性固体粒子群の移動または輸送の
媒体となる液体相からなる混相流体であって、膨縮性固
体粒子群が高温部の熱を吸収して膨張し、吸収した熱を
輸送し、収縮して放熱するとともに、その膨縮性により
粒子群が流体力学的な力の作用を受けて自ら高温壁近傍
に移動し、熱輸送を一層促進することを特徴とする熱機
能性混相流体を提供する。
【０００８】以下、この発明の液相流体についてさらに
詳しく説明する。すなわち、たとえば図２はこの発明で
ある機能性混相流体の膨縮性固体粒子群のひとつを例示
した断面図である。この固体粒子（６）は、気化性、も
しくは体積膨張性の物質（７）を伸縮性物質（８）で被
覆した構造を有している。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）はこ
の例の機能性混相流体の流動特性を示した図であり、図
３（ａ）は低温部における機能性混相流体の流動特性を
示し、図３（ｃ）は高温部における機能性混相流体の流
動特性を示し、図３（ｂ）は機能性混相流体が低温部か
ら高温部へ移動する過渡の流動特性を示した図である。
詳しく説明する。すなわち、たとえば図２はこの発明で
ある機能性混相流体の膨縮性固体粒子群のひとつを例示
した断面図である。この固体粒子（６）は、気化性、も
しくは体積膨張性の物質（７）を伸縮性物質（８）で被
覆した構造を有している。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）はこ
の例の機能性混相流体の流動特性を示した図であり、図
３（ａ）は低温部における機能性混相流体の流動特性を
示し、図３（ｃ）は高温部における機能性混相流体の流
動特性を示し、図３（ｂ）は機能性混相流体が低温部か
ら高温部へ移動する過渡の流動特性を示した図である。
【０００９】すなわち、この図３（ａ）に示したよう
に、膨縮性固体粒子を含む混相流体が管内を上向きに流
れる場合、混相流体の温度が低い低温部では、膨縮性固
体粒子の径は小さく、その密度は周囲の媒体の密度より
大きい。このような場合には膨縮性固体粒子は管内の中
央部を流れる。一方、図３（ｃ）に示したように高温部
においては、高温部に流入した膨縮性固体粒子の内部の
気化性もしくは体積膨張性の物質が変化し、その結果、
膨縮性固体粒子は著しく膨張し、周囲流体よりも軽くな
り、あたかも気泡の様に振舞う。膨縮性固体粒子は、図
３（ｂ）の浮遊粒子の状態を経て、図３（ｃ）に示すよ
うに、管壁面に沿って流れることになる。
に、膨縮性固体粒子を含む混相流体が管内を上向きに流
れる場合、混相流体の温度が低い低温部では、膨縮性固
体粒子の径は小さく、その密度は周囲の媒体の密度より
大きい。このような場合には膨縮性固体粒子は管内の中
央部を流れる。一方、図３（ｃ）に示したように高温部
においては、高温部に流入した膨縮性固体粒子の内部の
気化性もしくは体積膨張性の物質が変化し、その結果、
膨縮性固体粒子は著しく膨張し、周囲流体よりも軽くな
り、あたかも気泡の様に振舞う。膨縮性固体粒子は、図
３（ｂ）の浮遊粒子の状態を経て、図３（ｃ）に示すよ
うに、管壁面に沿って流れることになる。
【００１０】熱を吸収して軽くなった膨縮性固体粒子
は、その径を拡大して上記のように管壁面付近を流れる
ことによって、伝熱抵抗である温度境界層を乱し、その
結果、高温壁面からの伝熱を促進するとともに、自らも
熱を吸収する。高温部は、この吸熱によっても冷却する
ことができる。もちろん、以上の例の場合の膨縮性固体
粒子については、その素材、構造について選択自在であ
ることは言うまでもない。径変化をともなう膨縮性固体
粒子を用いることで、これら粒子の流れ状況が変化し、
伝熱性が大きく変わることになる。この現象は、流体に
よる伝熱の新しい方法として活用される。
は、その径を拡大して上記のように管壁面付近を流れる
ことによって、伝熱抵抗である温度境界層を乱し、その
結果、高温壁面からの伝熱を促進するとともに、自らも
熱を吸収する。高温部は、この吸熱によっても冷却する
ことができる。もちろん、以上の例の場合の膨縮性固体
粒子については、その素材、構造について選択自在であ
ることは言うまでもない。径変化をともなう膨縮性固体
粒子を用いることで、これら粒子の流れ状況が変化し、
伝熱性が大きく変わることになる。この現象は、流体に
よる伝熱の新しい方法として活用される。
【００１１】そして、このような熱機能性混相流体は、
管内のどの場所から熱が発生するかわからない場合に
も、自動的にその場所を検知することも可能とする。た
とえば管路もしくはその近傍での異常発熱が生じた場合
には、前記の膨縮性固体粒子が熱吸収して膨張し、他の
部位において放熱して収縮することから、この際の径の
変化と図３（ａ）（ｃ）の相違によって管路に沿う流体
の圧力勾配に変化が生じることになる。
管内のどの場所から熱が発生するかわからない場合に
も、自動的にその場所を検知することも可能とする。た
とえば管路もしくはその近傍での異常発熱が生じた場合
には、前記の膨縮性固体粒子が熱吸収して膨張し、他の
部位において放熱して収縮することから、この際の径の
変化と図３（ａ）（ｃ）の相違によって管路に沿う流体
の圧力勾配に変化が生じることになる。
【００１２】この圧力勾配（または圧力損失）から異常
発熱が検知されることになる。。このことは、別の観点
からは、熱を加えることによって、流体圧力を人為的に
制御することも可能としている。以下、実施例を示し、
さらに詳しくこの発明について説明する。
発熱が検知されることになる。。このことは、別の観点
からは、熱を加えることによって、流体圧力を人為的に
制御することも可能としている。以下、実施例を示し、
さらに詳しくこの発明について説明する。
【００１３】
【実施例】実際、長さ８ｍ、径３ｃｍの垂直供試管とそ
の垂直管に混相流体を供給する粒子−液混合部、その垂
直管から混相流体を回収する冷却部および水平管との流
れシステムにおいてこの発明の熱機能性流体の作用を検
証した。垂直管は、長さ０．５ｍの低温部、長さ７．５
ｍの高温部、長さ１ｍの冷却部からなっている。
の垂直管に混相流体を供給する粒子−液混合部、その垂
直管から混相流体を回収する冷却部および水平管との流
れシステムにおいてこの発明の熱機能性流体の作用を検
証した。垂直管は、長さ０．５ｍの低温部、長さ７．５
ｍの高温部、長さ１ｍの冷却部からなっている。
【００１４】低温部は常温であり、高温部には約１００
℃の熱源があり、高温部で熱を吸収した機能性流体は下
流に設けられた冷却部で吸収したエネルギーを放出して
元の常温の状態に戻る。混相流体は、低沸点炭化水素を
含有するエスレンビーズをポリスチレンで覆った膨張性
固体粒子と、液相としての水を用いた。
℃の熱源があり、高温部で熱を吸収した機能性流体は下
流に設けられた冷却部で吸収したエネルギーを放出して
元の常温の状態に戻る。混相流体は、低沸点炭化水素を
含有するエスレンビーズをポリスチレンで覆った膨張性
固体粒子と、液相としての水を用いた。
【００１５】図４は１００℃の水に付けた膨縮性固体粒
子のその浸漬時間（秒）と直径比（浸漬後の粒子直径を
浸漬前の粒子直径で除したもの）の変化を示した図であ
る。この図４に示すように、この固体相である膨縮性固
体粒子は１００℃程度の水中で数秒〜１０秒間で約数１
０倍の体積変化があることがわかる。図５は前記システ
ムにおける、流れ方向と粒子密度（ｇ／ｃｍ3 ）との関
係を示し、図６は流れ方向と粒子直径（ｍｍ）との関係
を示した図である。
子のその浸漬時間（秒）と直径比（浸漬後の粒子直径を
浸漬前の粒子直径で除したもの）の変化を示した図であ
る。この図４に示すように、この固体相である膨縮性固
体粒子は１００℃程度の水中で数秒〜１０秒間で約数１
０倍の体積変化があることがわかる。図５は前記システ
ムにおける、流れ方向と粒子密度（ｇ／ｃｍ3 ）との関
係を示し、図６は流れ方向と粒子直径（ｍｍ）との関係
を示した図である。
【００１６】図５に示すように、低温部では粒子の密度
は１．１８ｇ／ｃｍ3 であるが、高温部の熱を吸収する
ことによって、その密度は０．１２ｇ／ｃｍ3 になり、
冷却部においては、再び低温部の粒子の密度になった。
また、図６に示すように、粒子直径については低温部で
は１．８ｍｍであったが、高温部においては３．９ｍｍ
まで膨張し、さらに冷却部においては、低温部における
粒子直径になった。
は１．１８ｇ／ｃｍ3 であるが、高温部の熱を吸収する
ことによって、その密度は０．１２ｇ／ｃｍ3 になり、
冷却部においては、再び低温部の粒子の密度になった。
また、図６に示すように、粒子直径については低温部で
は１．８ｍｍであったが、高温部においては３．９ｍｍ
まで膨張し、さらに冷却部においては、低温部における
粒子直径になった。
【００１７】また、この時の膨張性固体粒子の流動状況
は、前記図３に示したように、低温部においては、管内
の中央部を流れ、高温部においては、管壁付近を流れ
た。
は、前記図３に示したように、低温部においては、管内
の中央部を流れ、高温部においては、管壁付近を流れ
た。
【００１８】
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明の熱
機能性混相流体は、その膨縮性固体粒子が、低温部にお
いて、管内中央部を流れ、高温部において管壁付近を流
れるので、伝熱抵抗である温度境界層を乱し、さらに、
自らも熱を吸収することによって、液相の相変化を生じ
させることなく、高温部の熱の吸収、高温部の冷却、熱
エネルギーの輸送等の伝熱が高効率で可能となり、従来
の伝熱に利用されている混相流体に対してきわめて優れ
た効果を示す。
機能性混相流体は、その膨縮性固体粒子が、低温部にお
いて、管内中央部を流れ、高温部において管壁付近を流
れるので、伝熱抵抗である温度境界層を乱し、さらに、
自らも熱を吸収することによって、液相の相変化を生じ
させることなく、高温部の熱の吸収、高温部の冷却、熱
エネルギーの輸送等の伝熱が高効率で可能となり、従来
の伝熱に利用されている混相流体に対してきわめて優れ
た効果を示す。
【００１９】また、膨縮性固体粒子の径変化は、異常発
熱の発生を検知するための指標ともなる。そして、この
変化は熱による流体圧の制御も可能とする。
熱の発生を検知するための指標ともなる。そして、この
変化は熱による流体圧の制御も可能とする。
【図１】従来からの伝熱の手段として利用されているヒ
ートパイプの概略を示した断面図である。
ートパイプの概略を示した断面図である。
【図２】この発明の熱機能性混相流体の膨縮性固体粒子
を例示した断面図である。
を例示した断面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、この発明の熱機能性混
相流体における固体粒子の流動状況を示した図である。
相流体における固体粒子の流動状況を示した図である。
【図４】この発明の実施例である固体粒子の水への浸漬
時間と直径比の関係を示した図である。
時間と直径比の関係を示した図である。
【図５】この発明の実施例である固体粒子の流れ方向と
粒子密度との関係を示した図である。
粒子密度との関係を示した図である。
【図６】この発明の実施例である固体粒子の流れ方向と
粒子直径との関係を示した図である。
粒子直径との関係を示した図である。
１ パイプ容器 ２ 作動流体 ３ 加熱部 ４ 放熱部 ５ 毛細管 ６ 固体粒子 ７ 気化性／体積膨張性 ８ 伸縮性物質
Claims (4)
- 【請求項１】 温度により径変化する膨縮性固体粒子群
と、その膨縮性固体粒子群の移動または輸送の媒体とな
る液体相からなる混相流体であって、膨縮性固体粒子群
が高温部の熱を吸収して膨張し、高温壁近傍に移動し、
熱輸送するとともに、放熱収縮することを特徴とする熱
機能性混相流体。 - 【請求項２】 請求項１の流体からなる伝熱用混相流
体。 - 【請求項３】 請求項１の流体からなる熱異常検知用混
相流体。 - 【請求項４】 請求項１の流体からなる流体圧力制御用
混相流体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25108392A JP3363922B2 (ja) | 1992-09-21 | 1992-09-21 | 熱機能性混相流体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25108392A JP3363922B2 (ja) | 1992-09-21 | 1992-09-21 | 熱機能性混相流体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06194078A true JPH06194078A (ja) | 1994-07-15 |
| JP3363922B2 JP3363922B2 (ja) | 2003-01-08 |
Family
ID=17217392
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25108392A Expired - Fee Related JP3363922B2 (ja) | 1992-09-21 | 1992-09-21 | 熱機能性混相流体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3363922B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105318762A (zh) * | 2015-02-07 | 2016-02-10 | 成都奥能普科技有限公司 | 固体粒块脉动驱动泵 |
| CN107764115A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-03-06 | 天津大学 | 一种底部放热式固液相变重力热管 |
| KR20190054304A (ko) * | 2017-11-13 | 2019-05-22 | (주)에너지허브 | 캡슐형태의 상변환물질을 이용한 피동냉각 열교환 시스템 |
-
1992
- 1992-09-21 JP JP25108392A patent/JP3363922B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105318762A (zh) * | 2015-02-07 | 2016-02-10 | 成都奥能普科技有限公司 | 固体粒块脉动驱动泵 |
| CN107764115A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-03-06 | 天津大学 | 一种底部放热式固液相变重力热管 |
| KR20190054304A (ko) * | 2017-11-13 | 2019-05-22 | (주)에너지허브 | 캡슐형태의 상변환물질을 이용한 피동냉각 열교환 시스템 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3363922B2 (ja) | 2003-01-08 |
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Legal Events
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