(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流路中に設置されて前記流体の急激な温度上昇が生じた際にこの温度上昇を時間的に緩和する温度変動吸収タンクであって、
前記温度変動吸収タンクには、前記流体を同時に並行して受け入れるための複数の入口ノズルがタンク本体の高さ方向に並べて設置されるとともに、タンク内の流体を排出するための出口ノズルが前記タンク本体の底部に設置されており、
各入口ノズルから出口ノズルまでの流体の到達時間の差異に基づいて流体を段階的に混合させることを特徴とする温度変動吸収タンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、精密な温度制御が必要とされる冷却システム中に用いたり、または後方機器への熱衝撃防止装置として用いられる温度変動吸収タンクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
加速器は電子または荷電粒子を加速する装置であり、加速管の内面に高周波を流すため、加速管の内表面の電気抵抗により熱が発生する。したがって、加速管の熱膨張を防ぐために管壁内に冷却水を流して温度制御を行なうわけであるが、加速管には精密な寸法精度が要求されるため、これを冷却する冷却水に関しても極めて高い精度の温度制御が必要とされている。そこで、通常、加速器には、冷却水を冷却媒体とし、熱交換器、温度調整器、ポンプ、循環管路等から構成される冷却システムが付設されている。
【０００３】
ところで、加速器の運転条件は場合によって変わるものであり、例えば粒子加速エネルギーを変えた場合にはそれに伴って発生熱量も変わる。また、冷却システム中の温度調整器により冷却水の温度を精密に制御をしたところで完全に一定の温度とすることは不可能である。すなわち、冷却システムを含めた系内にはこのような温度変動の要因がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特に冷却水の温度上昇が生じたとき、許容範囲内の緩やかな温度上昇の場合には温度調整器等による制御が温度上昇に対応できるが、許容範囲内であっても急激な温度上昇の場合には温度調整器等による制御が間に合わず、充分な温度制御ができない場合がある。そこで、従来の冷却システムにおいては、加速管から熱交換器への配管の途中に膨張タンク、またはリザーブタンクを装入していた。そして、これらタンク内で温度上昇前の冷却水と温度上昇後の冷却水が混ざり合うことにより冷却水の温度上昇が緩和されていた。
【０００５】
しかしながら、上記膨張タンクやリザーブタンクにおいては、これらタンクへの入口（流入）流量やタンクの容量を適切に設計することによって温度変動は確かに緩和されるが、温度上昇前の冷却水と温度上昇後の冷却水が常によく混ざり合うとは限らなかった。したがって、これらタンクを設けさえすれば温度上昇が確実に緩和されるとは言えなかった。また、タンク内の混合を確実に行なわせるためにはタンク内に攪拌装置や攪拌用構造物が必要であり、タンク内の構造が複雑化していた。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、冷却水、すなわち冷却媒体である流体の温度上昇の緩和が確実に図れるとともに、内部の構造が簡単な温度変動吸収タンクを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明の温度変動吸収タンクは、流体の流路中に設置されて前記流体の急激な温度上昇が生じた際にこの温度上昇を時間的に緩和する温度変動吸収タンクであって、前記温度変動吸収タンクには、前記流体を受け入れるための複数の入口ノズルがタンク本体の高さ方向に並べて設置されるとともに、タンク内の流体を排出するための出口ノズルが前記タンク本体の底部に設置されていることを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】
本発明の温度変動吸収タンクは、タンクの高さ方向に並べた複数の入口ノズルの各々から出口ノズルまでの流体の到達時間を利用して温度上昇前の流体と温度上昇後の流体の混合を段階的に行なわせることで急激な温度上昇を時間的に緩和するというものである。
【０００９】
本発明の温度変動吸収タンクにおいて、今Ｔ0 からＴ1 に急激に温度上昇した流体が各入口ノズルから流れ込んだと仮定する（すなわち、温度上昇前の流体の温度をＴ0 、温度上昇後の流体の温度をＴ1 とする）。また、このときの条件を次のように設定する。
（１）タンクに対する流体の流入流量、流出流量はともに一定でＷとする。
（２）タンクの入口ノズルの本数をｎ本とする。
（３）タンク内には温度Ｔ0 の流体が最上部の入口ノズルの上方まで収容されている。
【００１０】
このとき、タンク内の流体の温度Ｔ0 より流入した流体の温度Ｔ1 の方が高く、流入した流体の比重の方が小さいため、流入した流体がタンク内の流体中に潜り込むように流れる形での混合は起こらない。したがって、流入した流体は下方に向けて押し出されるように流れていき、その間にタンク内の流体との混合が起こる。そこで、流体のタンク出口温度は図５に示すようになる。
【００１１】
すなわち、時間を追って流体のタンク出口温度を考えると次のようになる。まず、最下部の入口ノズルから流れ込んだ温度上昇後の流体が出口ノズルに到達する以前は温度上昇前の流体が流れ出すだけであるから、出口温度はＴ0 である（ステップ１）。次に、最下部の入口ノズルから流れ込んだ温度上昇後の流体が出口ノズルに到達するまでの間に、温度Ｔ0 の流体に温度Ｔ1 の流体が混ざり込むため、出口温度は（１／ｎ）Ｔ1 ＋［（ｎ−１）／ｎ］Ｔ0 となる（ステップ２）。次に、下から２本目の入口ノズルから流れ込んだ温度上昇後の流体が出口ノズルに到達するまでの間に、温度（１／ｎ）Ｔ1 ＋［（ｎ−１）／ｎ］Ｔ0 の流体に温度Ｔ1 の流体が混ざり込むため、出口温度は（２／ｎ）Ｔ1 ＋［（ｎ−２）／ｎ］Ｔ0 となる（ステップ３）。
【００１２】
以下、同様にタンク内の流体と温度上昇後の流体との混合が段階的に行なわれていき、上から２本目の入口ノズルから流れ込んだ温度上昇後の流体が出口ノズルに到達するときに出口温度は［（ｎ−１）／ｎ］Ｔ1 ＋（１／ｎ）Ｔ0 （ステップｎ）、最上部の入口ノズルから流れ込んだ温度上昇後の流体が出口ノズルに到達するときにはタンク内が全て温度上昇後の流体に入れ替わることになり、出口温度はＴ1 となる（ステップｎ＋１）。したがって、流体の温度が入口側でＴ0 からＴ1 に急激に上昇したとしても、出口側の応答は遅れてステップｎ＋１でようやくＴ1 になることになる。このようにして本発明の温度変動吸収タンクは急激な温度上昇を時間的に緩和することができる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図１ないし図３を参照して説明する。
図１は本実施例の温度変動吸収タンクを含む冷却システムを示す図であって、特に加速器に対して適用した冷却システムの一例を示すものである。図１中符号１は加速器の加速管（被冷却物）、２は温度変動吸収タンク、３は熱交換器、４は温度制御部である。
【００１４】
熱交換器３により所定の温度に冷却された冷却水（流体）が、温度制御部４を経て加速管１に供給され、熱交換器３に再度戻るように配管系５が構成されている。そして、加速管１から熱交換器３に戻る配管６（流路）の途中に温度変動吸収タンク２、および循環ポンプ１２が設置されている。
【００１５】
なお、温度制御部４は例えば電気ヒータからなるものであり、熱交換器３により所定の温度に冷却された冷却水の温度をさらに高い精度で制御するためのものである。また、加速器における加速管１は所定の長さのビームダクト７を多数連結して形成したものであり、各ビームダクト７を例えば±０．１℃といった高い精度で温度制御する要求があることから、各ビームダクト７毎にそれぞれ冷却水を通すように構成している。
【００１６】
図２は本実施例の温度変動吸収タンク２を示すものである。この図に示すように、中空円柱状のタンク本体８に対して、冷却水を受け入れるための複数の、例えば８本の入口ノズル９、９、…が側板上におけるタンク２の高さ方向に並べて設置され、冷却水を排出するための出口ノズル１０が底板に設置されている。また、側板の上部にはオーバーフローノズル１１が設置されている。
【００１７】
上記構成の温度変動吸収タンク２においては、８本の入口ノズル９、９、…を通じて冷却水が内部に流入し、出口ノズル１０から排出される。このとき、流入する冷却水の温度が急激に上昇したとしても、８本の入口ノズル９、９、…の各々から出口ノズル１０までの冷却水の各到達時間を利用して温度上昇前の冷却水と温度上昇後の冷却水を段階的に混合させることで急激な温度上昇を時間的に緩和することができる。
【００１８】
すなわち、図３に示すように、時間ｔ0 の時点で流入する流体の温度がＴ0 からＴ1 に急激に上昇したとする（図３中実線Ａで示す）。このとき、流入する流体の比重の方が小さいため、流入した流体がタンク内の流体中に潜り込むようには流れず、流入した流体は下方に向けて押し出されるように流れていく。
【００１９】
そこで、例えば従来の膨張タンクやリザーブタンクのように、入口ノズルが仮に１本であると仮定すると、流入した冷却水が出口ノズルに到達した時点で多少は緩やかになるものの出口温度が一気に上昇することになり、出口温度の上昇は入口温度の上昇に対して応答が遅れるだけで、急激な温度上昇が充分には緩和されない（図３中２点鎖線Ｂで示す）。
【００２０】
ところが、本実施例では８本の入口ノズル９、９、…がタンク２の高さ方向に並んでいるから、各入口ノズル９から出口ノズル１０までの距離、ひいては各入口ノズル９から流入した冷却水が出口ノズル１０に到達するまでの時間が異なるため、タンク２内に元々存在していた温度上昇前の冷却水に対して流入した温度上昇後の冷却水が段階的に混ざり合っていく状態となる。したがって、冷却水の出口温度は急激に上昇することなく、緩やかに上昇する（図３中実線Ｃで示す）。すなわち、冷却水の急激な温度上昇がこの温度変動吸収タンク２を通すことによって時間的に緩和されることになる。なお、各入口ノズル９から出口ノズル１０までの到達時間差が一定（各ステップ間の時間が一定）となるように、各入口ノズル９の位置が設定されている。
【００２１】
そこで、図１に示す温度変動吸収タンク２を採用した冷却システムによれば、何らかの原因により冷却水の温度が急激に上昇した（（ｂ−１）に温度パターンを示す）としても、温度変動吸収タンク２によって急激な温度上昇が緩和された冷却水が熱交換器３に供給される（（ｂ−２）に温度パターンを示す）ので、熱交換器３または温度制御部４による制御が温度上昇に充分対応することができ（（ｂ−３）に温度パターンを示す）、冷却システム全体として加速管１の温度を高い精度で制御することが可能となる。
【００２２】
また、温度変動吸収タンク２自体について見ると、タンク本体８に８本の入口ノズル９、９、…、出口ノズル１０、およびオーバーフローノズル１１を取り付けるのみで温度変動を緩和することができるため、タンク内に攪拌装置や攪拌用構造物を設ける必要もなく、タンク２の構造を簡単化することができる。したがって、温度変動吸収タンク２の設計を容易に行なうことができる。
【００２３】
また、本実施例の温度変動吸収タンク２によれば、本実施例において仮定したステップ状に温度上昇する温度変動パターンの場合のみならず、図４に示すように、流入する冷却水がパルス状に温度変動した場合（図４中実線Ｄで示す）でもその温度変動を緩和することが可能であり（図４中実線Ｅで示す）、システム全体として熱衝撃を緩和して加速管１の温度を高い精度で制御することが可能となる。（図１中（ａ−１）〜（ａ−３）に温度パターンを示す）。
【００２４】
なお、本実施例においては、８本の入口ノズル９、９、…を設けた例を示したが、入口ノズルの本数は適宜変更してよいし、さらに入口ノズルを縦１列に設けるのみでなく、縦１列に設けたその裏側にもう１列、合わせて縦２列の入口ノズルを設けてもよく、そのようにすると混合がより効率的になる。そして、本発明に係わる温度変動吸収タンクを含む冷却システムを加速器以外の他の被冷却物に対して適用することも可能であるし、冷却システムに適用する以外に、例えば液体金属循環装置内に用いて瞬間的な温度上昇を緩和する、後方機器への熱衝撃防止装置として適用することも可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の温度変動吸収タンクによれば、タンクの高さ方向に並べた複数の入口ノズルの各々から出口ノズルまでの流体の到達時間を利用して温度上昇前の流体と温度上昇後の流体の混合を段階的に行なわせることで急激な温度上昇を時間的に緩和することができる。したがって、この温度変動吸収タンクを適用した冷却システムにおいて、何らかの原因により冷却媒体の温度が急激に上昇したとしても温度変動吸収タンクがその温度上昇を確実に緩和するので、温度制御手段等による制御が温度上昇に対して時間的に充分対応でき、冷却システム全体として被冷却物の温度制御を高い精度で実現することが可能となる。また、冷却システム以外にも、例えば液体金属循環装置内に用いて瞬間的な温度上昇を緩和する、後方機器への熱衝撃防止装置としても好適なものとなる。そして、タンク本体に複数の入口ノズルおよび出口ノズルを設置するのみで温度上昇を緩和することができるため、タンクの構造を簡単化でき、その設計を容易に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である温度変動吸収タンクを含む冷却システムの全体構成を示す図である。
【図２】同、温度変動吸収タンクを示す斜視図である。
【図３】流入する冷却水がステップ状に温度上昇した際のタンクの出口温度を示す図である。
【図４】流入する冷却水がパルス状に温度変動した際のタンクの出口温度を示す図である。
【図５】本発明の温度変動吸収タンクによる温度上昇の緩和の原理を説明するための図である。
【符号の説明】
２  温度変動吸収タンク
６  配管（流路）
８  タンク本体
９  入口ノズル
１０  出口ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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