JPH08146170A - 高熱負荷除熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高熱負荷を受ける部位に円管状の冷却管を配
置し、高熱負荷を除熱する高熱負荷除熱装置において、
冷却管の径を大きくすることなく、高い熱伝達性能を有
し、除熱機能の優れた高熱負荷冷却管を提供する。 【構成】 高熱負荷を受ける部位に、２本以上の冷却管
１ａ，１ｂを互いに接触するように螺旋状に巻き付け、
その冷却管で受熱部を構成する。冷却管が螺旋状に巻か
れていることにより、冷却管内を流通する冷媒２には受
熱面に向かって２次流れが生じ、受熱面から発生した蒸
気泡４を除去する効果が働き、高い除熱性能が得られ
る。また、受熱面側で発生した蒸気泡４は、熱負荷を受
けない反対側を通り抜ける間にサブクール液５と十分撹
拌され、消滅・減少されるため除熱性能が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核融合炉に使用される
ダイバータ等のプラズマ対向機器、あるいはプラズマ加
熱装置である中性粒子ビーム入射装置のビームダンプ等
に適用される高熱負荷除熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】将来の核融合炉開発においては、10（MW
/m² ）以上の熱流束を受ける高熱負荷機器、例えばダイ
バータ等のプラズマ対向機器や、中性粒子ビーム入射装
置のビームダンプの除熱が重要な課題とされている。

【０００３】ところで、このような光熱流束を受ける高
熱負荷機器は一般に冷却管群で構成され、冷媒を高速で
流通して除熱が行われている。冷媒が管壁を除熱して加
熱され、受熱面の温度が冷媒の飽和温度を越えると、沸
騰が始まる。このときの沸騰形態は、壁面から気泡が発
生・離脱を繰り返す核沸騰である。さらに、熱流束が上
昇していくと、沸騰が激しくなり、ついには、管壁が冷
媒の気相で覆われ管壁に液相が供給されない膜沸騰へと
移行する。このとき管壁温度は1000℃以上急激に上昇
し、管壁材質の融点を越えるため冷却管は溶融破断す
る。この核沸騰から膜沸騰へ移行することをバーンアウ
ト、そのときの熱流束を限界熱流束と呼ぶ。

【０００４】冷却管の限界熱流束を向上させる技術とし
て、直円管状の冷媒管内に螺旋状テープを挿入して除熱
管を構成し、冷媒である水等の強制対流サブクール沸騰
を利用して除熱を行うことが提案されている。すなわ
ち、冷媒管内に螺旋状テープを挿入することによって冷
媒に旋回流を生じさせるもので、その旋回流による遠心
力により、管壁から発生した気泡を除去し、加熱されて
いない冷媒を管壁に供給する効果があり、熱伝達が促進
され限界熱流束が通常のストレート流より増大すること
がすでに明らかにされている（参考文献：「伝熱工学資
料 改訂第４版」，ｐ１９４，日本機械学会，１９８６
年発行）。

【０００５】また、供給する冷媒が飽和温度より低いサ
ブクール液であると、壁面より除去された気泡はこのサ
ブクール液と接触し消滅・減少するため限界熱流束が増
大する効果がある。螺旋状テープを挿入した冷却管の場
合、螺旋状テープにより管内の冷媒流路が２分割される
ため、冷媒は高熱負荷を受ける受熱面側と熱負荷を受け
ない反対側を交互に通り抜ける。受熱面側で発生した気
泡は、反対側を通り抜ける間にサブクール液と十分撹拌
され、消滅・減少されるため限界熱流束増大の効果が大
きい。

【０００６】図６〜８は、このような従来の高熱負荷除
熱装置の基本的構成を示したものであり、図９は、螺旋
状テープを挿入した冷却管の断面図を示している。図６
〜８に示すように、一定間隔で互いに平行に配置された
冷媒入口配管10および冷媒出口管11に、除熱管として直
円管状の冷却管１の各端部が多数隣接して、かつ複数段
状をなして、それぞれ連通接続されている。図示の例で
は、冷却管１が上下２段に積層され、かつ等間隔で平行
に並べられており、また、冷却管１の除熱性能を向上さ
せるために、各冷却管１内には、螺旋状テープ６が各冷
却管１の軸方向に沿ってそれぞれ設けられている。

【０００７】使用時においては、中性粒子ビーム３の照
射域に冷却管１が隙間なく配置される。この冷却管１に
冷媒入口配管10から供給された冷媒２が、螺旋状テープ
６により旋回流となって冷却管１内をながれ、中性粒子
ビームによって加熱された受熱面を冷却した後、冷媒出
口配管11から排出される。このとき、冷媒２には旋回流
による遠心力が働き、除熱管としての熱伝達が促進され
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図６〜９に示したよう
な高熱負荷を受ける部位に冷却管を配置した高熱負荷除
熱装置において、中性粒子ビームを漏れなく受けとめる
ためには、数多くの除熱管を並べる必要がある。このよ
うに冷媒入口配管から多くの除熱管に冷媒を配流する場
合、その圧力・流量が均一になることが望ましいが、実
際には各除熱管の管内流量および管内圧力にはばらつき
が生じて、除熱管の熱伝達性能は不均一になる。従っ
て、冷却管の管径を大きくして、敷設する冷却管の本数
をできるだけ少なくする必要がある。

【０００９】螺旋状テープを挿入した冷却管の場合、管
径が大きくなり、冷媒の流速が早くなるほど、テープに
働く抵抗力も大きくなり、テープを支持することが難し
くなるため、その管径は最大でも直径20mm程度が限界で
ある。

【００１０】また、管径を大きくすると、管一本あたり
の受熱面積は管径に比例して大きくなるが、一方で冷媒
流量は管径の２乗に比例して増加する。従って、受熱面
積の増加に対して必要以上に冷媒流量が増加することに
なる。

【００１１】また、冷却管の除熱性能を向上させるため
には、冷媒の流速をできる限り高める必要がある。しか
し、冷却管内に螺旋状テープを挿入することにより、圧
力損失が増大するため、ポンプ動力を大きくし、冷却管
の耐圧設計を高くしなければならない。さらに、流速を
速めることにより、冷却管のエロージョンが起こる可能
性が高くなる。また、螺旋状テープは管内壁に食い込ん
で固定しているため、流速が速くなりポンプの脈動等が
大きくなると、その接合部から疲労破壊する可能性も高
くなる。

【００１２】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、一の目的は、冷却管の径を大きくすることな
く、高い熱伝達性能を有し、除熱機能の優れた高熱負荷
冷却管を提供することにある。

【００１３】他の目的は、螺旋状テープを挿入した冷却
管を有する高熱負荷除熱装置において、受熱面近傍の冷
媒の流れの乱流を促進することによって除熱機能を高め
た高熱負荷除熱冷却管を提供することにある。

【００１４】さらに他の目的は、螺旋状テープを挿入し
た冷却管を有するものにおいて、冷媒流量または冷却管
の圧力損失を低減したことを特徴とする高熱負荷冷却管
を備えた高熱負荷除熱装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、高熱負荷を受ける部位に円
管状の冷却管を配置した高熱負荷除熱装置において、２
本以上の冷却管を互いに接触する螺旋状に巻き付け、そ
の冷却管で受熱部を構成したことを特徴とする。

【００１６】請求項２に係る発明は、高熱負荷を受ける
部位に円管状の冷却管を配置し、この冷却管内に軸方向
に沿って螺旋状テープを配設して除熱管を構成した高熱
負荷除熱装置において、前記螺旋状テープの回りに、テ
ープの巻回方向と直交して螺旋状コイルを巻き付け、受
熱面近傍に冷媒の流れの乱流を促進させる機能を設けた
ことを特徴とする。

【００１７】請求項３に係る発明は、高熱負荷を受ける
部位に円管状の冷却管を配置し、この冷却管内に軸方向
に沿って螺旋状テープを配設した冷却管において、冷却
管を２重管として、内側の管と外側の管の間に螺旋状テ
ープを配設し、冷媒を流通させるようにしたことを特徴
とする。

【００１８】請求項４に係る発明は、高熱負荷を受ける
部位に円管状の冷却管を配置し、この冷却管内に軸方向
に沿って螺旋状テープを配設した冷却管において、テー
プの中心軸にそって穴をあけて、冷却管内のテープで区
切られた冷媒の流路間で冷媒が流通できるようにしたこ
とを特徴とする。

【００１９】

【作用】請求項１に係わる発明によると、２本以上の冷
却管を互いに接触する螺旋状に巻き付けたことにより、
冷却管内を流通する冷媒には受熱面に向かって２次流れ
が生じ、受熱面から発生した蒸気泡を除去する効果が働
き、高い除熱性能が得られる。本発明の場合、２本以上
の冷却管で構成される本発明の冷却管の受熱面積を一本
の冷却管で除熱しようとした場合と比較して、同じ管内
流速を得るためには冷媒流量が半分以下ですみ、螺旋状
に束ねる冷却管本数が多いほど冷媒流量を少なくするこ
とができる。また、螺旋状テープを挿入した冷却管と比
べて、管内流路の受熱面側と反対側の繰り返し距離が長
くなるため、受熱面で発生した気泡がサブクール液と混
合される距離が長くなり、気泡が消滅・減少する効果が
大きくなって除熱性能が向上する。さらに、本発明の冷
却管には螺旋状テープを挿入していないため、テープと
管壁の接触部が疲労破壊する危険性もない。

【００２０】請求項２に係る発明は、螺旋状テープの回
りに、テープの巻回方向と直交して螺旋状コイルを巻き
付けることにより、螺旋状テープによって生じた旋回流
の効果に加えて、受熱面近傍の乱流が促進されるため、
受熱面からの気泡離脱の効果が大きくなり、また、離脱
した気泡とサブクール液との混合も促進されるため、螺
旋状テープのみを挿入した冷却管と比べて、除熱性能が
向上する。

【００２１】請求項３に係る発明は、冷却管を２重管と
して、内側の管と外側の管の間に螺旋状テープを配設
し、冷媒を流通させるようにしたことにより、冷却管流
路断面積が小さくなり、冷媒流量を少なくすることがで
きる。また、螺旋状テープを２重管の管壁に食い込ませ
て固定することにより、固定強度が増すため、冷却管径
を大きくすることができる。また、冷媒に旋回流を生じ
させる効果は、螺旋状テープを挿入した冷却管と同じで
あるため、高い除熱性能が得られる。

【００２２】請求項４に係る発明は、テープの中心軸に
そって穴をあけて、冷却管内のテープで区切られた冷媒
の流路間で冷媒が流通できるようにしたことにより、流
路抵抗を小さくすることができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は、請求項１に係る発明の一実施例の
基本的構成を示している。本実施例は、２本の冷却管１
ａ，１ｂを互いに接触するように螺旋状に巻き付け、そ
の冷却管で受熱部を構成したものである。

【００２４】冷却管が螺旋状に巻かれていることによ
り、冷却管内を流通する冷媒２には受熱面に向かって２
次流れが生じ、受熱面から発生した蒸気泡４を除去する
効果が働き、高い除熱性能が得られる。

【００２５】２本以上の冷却管で構成される本発明の冷
却管と同一の受熱面積を、管径の大きい一本の冷却管で
除熱しようとした場合、同じ管内流速を得るためには冷
媒流量が２倍以上必要となり、螺旋状テープを挿入した
冷却管と比較して少ない冷媒流量で同等の除熱性能を得
ることができる。冷媒流量は、螺旋状に束ねる冷却管本
数が多いほど冷媒流量を少なくすることができる。

【００２６】また、螺旋状テープを挿入した冷却管と比
べて、管内流路の受熱面側と反対側の繰り返し距離が長
くなるため、受熱面で発生した気泡４がサブクール液５
と混合される距離が長くなり、気泡が消滅・減少する効
果が大きくなって除熱性能が向上する。

【００２７】さらに、本実施例の冷却管には螺旋状テー
プを挿入しないため、テープと管壁の接触部が疲労破壊
する危険性もない。図２は請求項２に係る実施例の基本
的構成を示している。本実施例では、螺旋状テープ６の
回りに、テープの巻回方向と直交して螺旋状コイル７
を、冷却管内径に密着するように巻き付けており、冷却
管１のなかに挿入されている。

【００２８】冷媒２は、冷却管１内を螺旋状テープに沿
って流れる。このとき、受熱面近傍の冷媒の流れは、流
れに直交するように挿入された螺旋状コイル７により流
れが乱され、乱流が促進される。螺旋状テープによって
生じた旋回流の効果に加えて、受熱面近傍冷媒の乱流が
促進されるため、受熱面からの気泡離脱の効果が大きく
なり、また、離脱した気泡とサブクール液との混合も促
進されるため、螺旋状テープのみを挿入した冷却管と比
べて、除熱性能が向上する。

【００２９】図３は請求項３に係る発明の一実施例の基
本構成を示しており、図４は図３のＡ−Ａ断面図であ
る。本実施例では、冷却管１の内側に冷却管内管８を挿
入した２重管として、その冷却管１と内管８との間に螺
旋状テープ６を配設してある。冷媒２は冷却管１と内管
８との間を流通させ、螺旋状テープに沿って流れるた
め、冷媒には旋回流が生じ、受熱面より発生した蒸気泡
を除去し、加熱されていない冷媒を供給する効果が働く
ため、冷却管の除熱性能は向上する。

【００３０】また、冷媒管内管８には冷媒を流通させな
いため、同一管径の冷却管を用いた場合と比べて冷却管
流路断面積が小さくなり、冷媒流量を少なくすることが
できる。また、螺旋状テープを２重管の管壁に食い込ま
せて固定することにより、固定強度が増すため、冷却管
径を大きくすることができる。

【００３１】また、冷媒に旋回流を生じさせる効果は、
螺旋状テープを挿入した冷却管と同じであるため、高い
除熱性能が得られる。図５は請求項４に係る発明の一実
施例の基本構成を示している。本実施例では、冷却管１
に挿入した螺旋状テープ６の中心軸にそって冷媒流通穴
９を設けた。冷媒２は螺旋状テープに沿って流れるが、
一部は冷媒流通穴を通って、テープで区切られた冷媒の
流路間で冷媒が混合する。この場合、螺旋状テープに穴
をあけない場合と比較して、冷媒に生じる旋回流は弱く
なるため受熱面からの気泡離脱効果は小さくなるが、冷
却管の流路抵抗を小さくすることができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によると、２本以上の冷却管を互
いに接触する螺旋状に巻き付けたことにより、冷却管内
を流通する冷媒には受熱面に向かって２次流れが生じ、
受熱面から発生した蒸気泡を除去する効果が働き、高い
除熱性能が得られる。本発明の場合、２本以上の冷却管
で構成される本発明の冷却管の受熱面積を一本の冷却管
で除熱しようとした場合と比較して、同じ管内流速を得
るためには冷媒流量が半分以下ですみ、螺旋状に束ねる
冷却管本数が多いほど冷媒流量を少なくすることができ
る。また、螺旋状テープを挿入した冷却管と比べて、管
内流路の受熱面側と反対側の繰り返し距離が長くなるた
め、受熱面で発生した気泡がサブクール液と混合される
距離が長くなり、気泡が消滅・減少する効果が大きくな
って除熱性能が向上する。さらに、本発明の冷却管には
螺旋状テープを挿入していないため、テープと管壁の接
触部が疲労破壊する危険性もない。

【００３３】又、螺旋状テープの回りに、テープの巻回
方向と直交して螺旋状コイルを巻き付けることにより、
螺旋状テープによって生じた旋回流の効果に加えて、受
熱面近傍の乱流が促進されるため、受熱面からの気泡離
脱の効果が大きくなり、また、離脱した気泡とサブクー
ル液との混合も促進されるため、螺旋状テープのみを挿
入した冷却管と比べて、除熱性能が向上する。

【００３４】又、冷却管を２重管として、内側の管と外
側の管の間に螺旋状テープを配設し、冷媒を流通させる
ようにすれば、冷却管流路断面積が小さくなり、冷媒流
量を少なくすることができる。また、螺旋状テープを２
重管の管壁に食い込ませて固定することにより、固定強
度が増すため、冷却管径を大きくすることができる。ま
た、冷媒に旋回流を生じさせる効果は、螺旋状テープを
挿入した冷却管と同じであるため、高い除熱性能が得ら
れる。

【００３５】さらに、テープの中心軸にそって穴をあけ
て、冷却管内のテープで区切られた冷媒の流路間で冷媒
が流通できるようにすれば、流路抵抗を小さくすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に係る本発明の一実施例を示す構成図

【図２】請求項２に係る本発明の一実施例を示す構成図

【図３】請求項３に係る本発明の一実施例を示す構成図

【図４】図３のＡ−Ａ断面図

【図５】請求項４に係る本発明の一実施例を示す構成図

【図６】従来の高熱負荷除熱装置の基本構成を示す正面
図

【図７】図６の上面図

【図８】図６の側面図

【図９】螺旋状テープを挿入した冷却管の断面図

【符号の説明】 １…冷却管 ２…冷媒 ３…中性粒子ビーム ４…蒸気泡 ５…サブクール液 ６…螺旋状テープ ７…螺旋状コイル ８…冷却管内管 ９…冷媒流通穴 10…冷媒入口配管 11…冷媒出口配管

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高熱負荷を受ける部位に円管状の冷却管
   を配置し、高熱負荷を除熱する高熱負荷除熱装置におい
   て、２本以上の冷却管を互いに接触する螺旋状に巻回さ
   せて除熱管を構成したことを特徴とする高熱負荷除熱装
   置。
2. 【請求項２】 高熱負荷を受ける部位に円管状の冷却管
   を配置し、この冷却管内に軸方向に沿って螺旋状テープ
   を配設し、この螺旋状テープの巻回方向に直交するよう
   に螺旋状コイルを巻き付けて除熱管を構成したことを特
   徴とする高熱負荷除熱装置。
3. 【請求項３】 高熱負荷を受ける部位に円管状の冷却管
   を配置し、この冷却管内に軸方向に沿って螺旋状テープ
   を配設して除熱管を構成した高熱負荷除熱装置におい
   て、冷却管を２重管として、内側の管と外側の管の間に
   螺旋状テープを配設し、冷媒を流通させるようにしたこ
   とを特徴とする高熱負荷除熱装置。
4. 【請求項４】 高熱負荷を受ける部位に円管状の冷却管
   を配置し、この冷却管内に軸方向に沿って螺旋状テープ
   を配設して除熱管を構成した高熱負荷除熱装置におい
   て、前記テープの中心軸にそって穴をあけ、前記冷却管
   内のテープで区切られた冷媒の流路間で冷媒が流通でき
   るようにしたことを特徴とする高熱負荷除熱装置。