JPH06258467A

JPH06258467A - 冷却管

Info

Publication number: JPH06258467A
Application number: JP5044021A
Authority: JP
Inventors: Junko Kato; 純子加藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-04
Filing date: 1993-03-04
Publication date: 1994-09-16

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、一方向からの高熱負荷に対して効率
よく受熱面を冷却すると共に冷却流量が少くても効率の
よい冷却管を提供することにある。【構成】本発明は、中性粒子入射装置および核融合機器
の高温受熱板に設けられる冷却管において、前記冷却管
を２重管とし、外管より内管の圧力を高めると共に内管
の一部に孔を設け、この孔より熱負荷部に対して冷却水
を噴出させるように構成しているので、内管よりシャワ
ー状に冷却水を吹き出すことで、旋回流以上に冷却管内
管の熱を奪い取ることができると共に壁面における膜沸
騰を抑えることもできる。また、受熱面の熱負荷が最も
大きい部分だけを集中的に冷却することが可能となるの
で、管内を流れる冷却水の流速を遅くすることができ、
冷却水の流量を減少させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は中性粒子入射装置および
核融合機器受熱部等の受熱板に設けられる冷却管に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】トカマク型等の核融合装置では、磁場に
より閉じ込められたプラズマをさらに高温加熱するため
に外部からエネルギーを注入する必要がある。このプラ
ズマ加熱の方法の一つとして、中性粒子入射加熱が採用
されている。中性粒子入射加熱は電場によって加速した
水素あるいは重水素イオンを荷電交換によって中性化し
てプラズマ中に入射させる方法であり、中性粒子ビーム
が持つ大きなエネルギーを熱エネルギーとしてプラズマ
粒子に与え、プラズマ温度を高めている。従来の中性粒
子入射装置（ＮＢＩ）の構成を図５を参照して説明す
る。

【０００３】まず、中性粒子の元となる水素あるいは重
水素イオンがイオン源６により生成され、イオンビーム
として引き出され加速される。イオンビームは電子偏向
磁石７により電子成分が分離され、中性化セル８へと導
かれる。このビームは中性化セル８を通過する間に一部
中性化され、例えばイオン源６から引き出されるビーム
が負イオンビームの場合は中性粒子と正・負の残留イオ
ンとの混合ビームになる。これらの残留イオンがプラズ
マの閉じ込め磁場に近づくと、プラズマを取り囲んだ磁
場を乱す結果となり、プラズマの消滅を引き起こす恐れ
がある。そのため、正・負の残留イオンが核融合装置に
入射する以前に取り除く必要がある。

【０００４】そこで、外部磁場を与えることでイオンビ
ームの軌道を曲げ、中性粒子ビームの軌道から分離して
受熱板や冷却管から構成される機器に入射させ、熱負荷
として取り除いている。これらのイオンビームの熱負荷
を受けるものをビームダンプと称している。通常、中性
化セル８の出口部にイオン偏向磁石９を配置し、この磁
石９によって発生させた磁場により中性粒子ビームとイ
オンビームを分離する。正・負両方のイオンが存在する
場合は、これらのイオンはお互いに逆方向に分離される
ため正イオンビームダンプ１０、負イオンビームダンプ
１１がそれぞれ設置される。ビームダンプは図６（Ａ）
に示すように、受熱板１３を持つ冷却管１４を隙間なく
配列することにより受熱面を構成した機器であり、これ
を冷却水の入口側ヘッダー管１５と出口側ヘッダー管１
６に取り付け、中性粒子入射装置内に配置している。

【０００５】中性粒子ビームから分離されたイオンビー
ムは、受熱板１３に入射する。イオンビームが入射する
ことにより受熱板１３の温度が上昇するため、受熱板１
３に冷却管１４が取り付けられている。冷却管１４の管
壁自体が受熱部となる場合もある。

【０００６】ところで、ビームダンプは高い熱負荷を受
ける。例えば高強度中性粒子入射装置（ＮＢＩ）ビーム
ダンプの受熱板は、１０ＭＷ／ｍ² ほどの熱負荷を受け
る場合もある。このため、冷却管では冷却管壁とその中
を流れる冷却水との間の熱伝達率を極めて高くする必要
がある。通常中空の断面を有する冷却管で、前述の熱負
荷を受けた場合、冷却管の壁温は冷却水の沸騰温度を超
える。従って冷却管壁に接する冷却水は沸騰状態とな
り、沸騰熱伝達率により冷却管より熱を奪い去る。この
沸騰熱伝達領域では、熱伝達率は非常に高い。

【０００７】しかし、受熱部への熱負荷が非常に大きい
場合、冷却管壁近傍で冷却水は膜沸騰状態となる。膜沸
騰状態が生じると、管壁と冷却水の間に蒸気の膜がで
き、熱伝達率が下がる。その結果、壁温がさらに上昇
し、最終的には冷却管の破断（バーンアウト）につなが
る。バーンアウトを防ぐためには管壁に接する冷却水が
膜沸騰領域に入る前の沸騰領域で熱伝達を行うようにす
る必要がある。このため、流速が極めて速い状態で冷却
水を流す必要があるが、通常使用する中空断面の冷却管
では流速が極めて速くなり、流速の増加による圧力損失
が極めて大きくなり、流量が膨大になるなど種々の障害
が生じる。これを避けるために高熱負荷の受熱機器の冷
却管としてスワール管と呼ばれる冷却管が使用されてい
る。

【０００８】スワール管１４は図６（Ｂ）に示すよう
に、６ｍｍピッチほどでねじり加工を施した厚さ０．５
ｍｍほどの薄板（スワールテープ）１２を管内に挿入し
たもので、このスワールテープ１２により冷却水は旋回
流を起こしながら流れる。中空断面の冷却管を冷却水が
流れる場合と比較すると、この旋回流により冷却管管壁
で膜沸騰が生じにくい状態となる。従って、スワール管
では熱負荷が大きくなってもバーンアウトが発生しにく
い。この他、核融合機器では、プラズマを閉じ込める真
空容器内の第一壁およびダイバータなどに同様の技術が
使われている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、中性粒子入
力装置および各融合機器の高熱受熱板への熱負荷は一方
向からのみなので、受熱板に設けられている冷却管に対
する熱入力も一方向のみである。つまりこの面のみを冷
却すればよいのだが、スワール管を使用すると管全体を
均一に冷却することになるので効率のよい冷却方法では
なかった。

【００１０】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、一方向からの高熱負荷に対して、効率
よく受熱面を冷却すると共に冷却流量が少くても効率の
よい冷却管を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は中性粒子入射装置および核融合機器の高温
受熱板に設けられる冷却管において、前記冷却管を２重
管とし、外管より内管の圧力を高めると共に内管の一部
に孔を設け、この孔より熱負荷部に対して冷却水を噴出
させるように構成したことを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明の冷却管によると、内管よりシャワー状
に冷却水を吹き出すことで、旋回流以上に冷却管内管の
熱を奪い取ることができると共に壁面における膜沸騰を
抑えることもできる。また、受熱面の熱負荷が最も大き
い部分だけを集中的に冷却することが可能となるので、
管内を流れる冷却水の流速を遅くすることができ、冷却
水の流量を減少させることができる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の構成図であり、
同図（Ａ）は斜視図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＸ部分
の断面図である。

【００１４】同図（Ａ）に示すように、中性粒子入射加
熱において、中性粒子ビームの軌道から分離されたイオ
ンビームは高熱負荷として受熱板１３に入射される。入
射した熱は受熱板１３より伝導し、受熱板下部に設けら
れた冷却管内を流れる冷却水の熱伝達により冷却され
る。冷却管は同図（Ｂ）に示すように、外管１と内管２
から構成されており、内管２には熱負荷を受ける部分に
孔３が設けられている。この孔３は受熱板１３と冷却管
が接している範囲で内管上部にあけられている。内管２
と外管１はストッパー４により固定されている。

【００１５】冷却管内を流れる冷却水は、冷却水入口ヘ
ッダー管１６，１６’より内管２および外管１を通り受
熱板１３を冷却した後、冷却水出口ヘッダー管１５，１
５’へと流れ、ポンプ１７，１７’により圧力を加えら
れ外管水路１８および内管水路１８’を通って循環を繰
り返す。

【００１６】このように、冷却水は外管１および内管２
に流れる。この際、内管２の圧力は外管１よりも高くし
ているので、内管２を流れる冷却水は内管の一部に設け
られている孔３からシャワー状に外管壁に向かって吹き
出し、集中的に冷却を行う。その後吹き出された冷却水
は外管を流れる冷却水と合流し、出口から外へ流れ、ま
た入口より２重管内に入り冷却を繰り返す。

【００１７】内管を流れる冷却水が高熱負荷を受ける部
分に対して吹き出されるので、その部分の冷却水は常に
新しい冷却水となり、熱伝達率が向上する。この吹き出
す冷却水により、管壁近傍に起こる膜沸騰を防止する。
また、スワール管を使用する際には〜１０ｍ／ｓ程の流
速が必要となり、流量が非常に多くなるが、２重管にす
ることにより流速を下げることができるので使用する流
量が減り、さらに圧力損失も減少する。

【００１８】図２は本発明の他の実施例の構成図であ
り、同図（Ａ）は斜視図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＹ
部分の断面図である。本実施例が上記実施例と異なる点
は内管２の長さを受熱板１３の範囲までとした点のみで
あり、その他の構成は同一であるので、同一部分には同
一符号を付してその説明は省略する。同図に示すよう
に、内管２から吹き出された冷却水は外管１の冷却水と
合流した後、それぞれの水路を通り冷却を繰り返す。な
お、最も熱を受ける部分に対して内管の一部に設けた孔
３からシャワー状の冷却を行った後、スワール管構造に
する。このようにして管内を流れる冷却水の循環を行う
ことで、より冷却能力が増加する。

【００１９】図３は本発明のさらに他の実施例の断面図
であり、図１の実施例と相違する点はスワール管のスワ
ールテープ１２により外管１と内管２を固定した構成の
みであり、その他の構成は同一であるので、同一部分に
は同一符号を付してその説明は省略する。

【００２０】図４は本発明の別な実施例の部分断面図で
ある。本実施例は核融合機器受熱部（ダイバータ等）１
３に２重管冷却構造を適用した例である。その他の構成
は同一であるので、その説明は省略する。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
イオンによる熱負荷は一方向からのみであるので内管よ
りシャワー状に吹き出す冷却水により集中的な冷却が可
能であり、効率のよい冷却が行える。また、内管より吹
き出される冷却水により常に管壁近傍に新しい冷却水を
与えることができるので、管壁に生じる膜沸騰の防止も
行える。しかも、熱負荷部に常に低温の冷却水が接触す
るため、耐熱負荷性が向上する。さらに、スワール管の
適用による流量の問題は冷却水の流速を小さくできるこ
とにより流量が減少され、冷却系システム全体の小型化
が可能になる、という利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】同図（Ａ）は本発明の一実施例の斜視図、同図
（Ｂ）は同図（Ａ）のＸ部分の断面図。

【図２】同図（Ａ）は本発明の他の実施例の斜視図、同
図（Ｂ）は同図（Ａ）のＹ部分の断面図。

【図３】本発明のさらに他の実施例のスワール管部分の
断面図。

【図４】本発明の別な実施例の部分断面図。

【図５】従来の中性粒子入射装置の断面図。

【図６】同図（Ａ）は従来の中性粒子入射装置の斜視
図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＺ部分の断面図。

【符号の説明】

１…外管、２…内管、３…孔、４…ストッパー、５…真
空容器、６…イオン源、７…電子偏向磁石、８…中性化
セル、９…イオン偏向磁石、１０…正イオンビームダン
プ、１１…負イオンビームダンプ、１２…スワールテー
プ、１３…受熱板、１４…冷却管（スワール管）、１
５，１５’…冷却水出口ヘッダー管、１６，１６’…冷
却水入口ヘッダー管、１７，１７’…ポンプ、１８，１
８’…水路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中性粒子入射装置および核融合機器の高
温受熱板に設けられる冷却管において、前記冷却管を２
重管とし、外管より内管の圧力を高めると共に内管の一
部に孔を設け、この孔より熱負荷部に対して冷却水を噴
出させるように構成したことを特徴とする冷却管。