(57)【要約】【課題】伝熱部材を溶射処理して凹凸形状の伝熱面表面を構成し、自然対流熱伝達率を向上させた技術。【解決手段】本発明は、伝熱部材２３の伝熱面に凹凸面を形成する金属基材の伝熱面表面の加工方法において、第１の粉体２１と、この粉体２１より同一のプラズマ噴射条件では溶融し難い第２の粉体２２とが混合された混合粉体２０を用意し、混合粉体２０をプラズマ溶射により噴出されて伝熱部材２３の表面に衝突させ、伝熱部材２３の表面に前記第２の粉体２２が凸部の原型を留めた溶射層を形成し、伝熱部材２３の伝熱面表面を構成することを特徴とする金属基材の伝熱面表面の加工方法である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱部材の伝熱面に凹凸面を形成する金属基材の伝熱部材表面の加工方法において、
第１の粉体とこの粉体より同一のプラズマ噴射条件では溶融し難い第２の粉体とが混合された混合粉体を用意し、
前記混合粉体を、前記第２の粉体の内部が前記伝熱部材の表面に衝突するまでに溶融しない施工条件のプラズマ溶射により噴出させて伝熱部材の表面に衝突させ、
前記伝熱部材の表面に前記第２の粉体が凸部として形成された溶射層を形成して前記伝熱部材の伝熱面表面を構成する金属基材の伝熱部材表面の加工方法。
【請求項２】
前記混合粉体は、第２の粉体が第１の粉体より熱伝導率が低い材料である請求項１に記載の金属基材の伝熱部材表面の加工方法。
【請求項３】
前記混合粉体は、第１の粉体が金属材料であり、第２の粉体が高分子材料である請求項１または２に記載の金属基材の伝熱部材表面の加工方法。
【請求項４】
前記混合粉体は、第２の粉体が第１の粉体より融点が高い材質の材料である請求項１に記載の金属基材の伝熱部材表面の加工方法。
【請求項５】
前記混合粉体は、第１の粉体が銅合金、鉄合金、ニッケル合金、およびコバルト合金から選択されるいずれか１つの金属粉体であり、前記第２の粉体がニオブ、モリブデン、またはタングステンを主成分とする粉体である請求項４に記載の金属基材の伝熱部材表面の加工方法。
【請求項６】
前記混合粉体は、第１の粉体と第２の粉体が同一材質の材料であり、前記第２の粉体の粒子径が前記第１の粉体の粒子径より大きい請求項１に記載の金属基材の伝熱部材表面の加工方法。
【請求項７】
前記混合粉体は、第１あるいは第２の粉体に光触媒作用を持つ物質材料が使用されるか、あるいは、光触媒作用を持つ物質材料が混入された混合材料が用いられる請求項１に記載の金属基材の伝熱部材表面の加工方法。
【請求項８】
前記伝熱部材の伝熱面表面には、前記溶射層の気体と接する面に光触媒作用を持つ物質材料による光触媒層の被膜を備える請求項１または７に記載の金属基材の伝熱部材表面の加工方法。
【請求項９】
前記伝熱部材に複数のフィンを設け、
前記伝熱部材およびフィンの表面に、前記混合粉体を、前記第２の粉体の内部が前記伝熱部材の表面に衝突するまでに溶融しない施工条件のプラズマ溶射により衝突させ、
前記伝熱部材およびフィンの表面に前記第２の粉体が凸部として形成された溶射層を形成して前記伝熱部材の伝熱表面を構成する請求項１ないし８のいずれか１項に記載の金属基材の伝熱部材表面の加工方法。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の伝熱部材表面の加工方法によって加工された伝熱部材。
【請求項１１】
請求項１０に記載の伝熱部材が原子力発電プラントの原子炉格納容器として適用され、
前記原子炉格納容器にプラズマ溶射による混合粉体の溶射処理を施し、
前記原子炉格納容器壁面に表面凹凸形状の溶射処理面が構成されたことを特徴とする原子炉格納容器。
【請求項１２】
前記原子炉格納容器はその壁内外面にプラズマ溶射による混合粉体の溶射処理を施し、
前記原子炉格納容器壁内面に表面凹凸形状の溶射処理面が構成された請求項１１に記載の原子炉格納容器。
【請求項１３】
前記原子炉格納容器の外側に設けられた構造物の内面にプラズマ溶射による混合粉体の溶射処理を施し、
前記原子炉格納容器外側に存在する構造物内面に表面凹凸形状の溶射処理面が構成された請求項１１または１２に記載の原子炉格納容器。
【請求項１４】
前記原子炉格納容器はその格納容器上部のみにプラズマ溶射による混合粉体の溶射処理を施し、
前記原子炉格納容器壁内外面の上部のみに表面凹凸形状の溶射処理面が構成された請求項１１に記載の原子炉格納容器。
【請求項１５】
請求項１０に記載の伝熱部材が伝熱管として構成され、
前記伝熱管に複数のフィンが軸方向に所要の間隔を置いて設けられてフィン付き伝熱管が構成され、
前記フィンは伝熱管の基部側が太く、先端に向って先細形状に構成され、
前記フィンおよび伝熱管の所要の表面にプラズマ溶射による混合粉体の溶射処理を施して表面凹凸形状の溶射処理面が構成され、
前記溶射処理が施されたフィン表面と相対する側のフィン表面が輻射率の低い面に構成されたことを特徴とする伝熱管。
【請求項１６】
請求項１０に記載の伝熱部材が伝熱管として構成され、
前記伝熱管に複数のフィンが軸方向に所要の間隔を置いて設けられてフィン付き伝熱管が構成され、
前記フィンは伝熱管の基部側が太く、先端に向って先細形状に構成され、
前記伝熱管に設けられる複数のフィンは、プラズマ溶射による混合粉体の溶射処理が施されて表面凹凸形状の溶射処理面が構成されるフィンと、輻射率の低い面が構成されるフィンとが交互に配設されたことを特徴とする伝熱管。
【請求項１７】
請求項１０に記載の伝熱部材が伝熱管として構成され、
前記伝熱管に複数のフィンが所要の間隔を置いて設けられてフィン付き伝熱管が構成され、
前記フィンは基部側が太く、先端に向って先細形状に構成され、
前記伝熱管表面とフィン先端領域は、プラズマ溶射による混合粉体の溶射処理が施されて表面凹凸形状の溶射処理面が構成され、
前記フィン付き伝熱管の残りの箇所は輻射率の低い面が構成されたことを特徴とする伝熱管。
【請求項１８】
請求項１０に記載の伝熱部材が伝熱管として構成され、
前記伝熱管にせ複数のフィンが軸方向に間隔を置いて設けられてフィン付き伝熱管が構成され、
このフィン付き伝熱管の隣り合うフィンは、前記伝熱管に対するフィンの傾きが垂直より大きいフィンと垂直より小さいフィンが交互に配設され、
前記隣り合うフィンのうち、フィンが前記伝熱管より外側に開いている拡開箇所のフィン部分およびこの拡開箇所側の伝熱管表面に、プラズマ溶射による混合粉体の溶射処理を施して、表面凹凸形状の溶射処理面が構成されたことを特徴とする伝熱管。
【請求項１９】
前記隣り合うフィンのうち、フィンが前記伝熱管より外側に閉じる側の縮小箇所のフィン部分およびこの縮小箇所側の伝熱管表面に輻射率の小さい面が構成された請求項１８に記載の伝熱管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体に対流熱伝達（Ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ）させるための伝熱部材表面の加工技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギの伝達と移動は、熱放射（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）、熱伝導（Ｈｅａｔ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ）、熱伝達（Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ）の３つの移動現象に大別でき、その工学利用においては、何らかの熱媒体による顕熱および潜熱輸送（ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）や、他の媒質内に熱変換および熱伝播移動（ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を利用して、熱的な効率を高めることは単に省エネルギのみならず、今や全地球的規模に於ける大きな課題となってきている。
東日本大震災の際、福島第１原子力発電所において、使用済み燃料プール冷却装置が動作せず、プール水温が上昇する事象が起きた。
【０００３】
そのため、電力を用いずに大気中に放熱して冷却可能とする使用済み燃料プール冷却システムの開発が望まれている。このようなシステムとして、ヒートパイプを用いるものが考えられている。
【０００４】
しかし、使用済み燃料の崩壊熱は数ＭＷと大きく、燃料プールからヒートパイプにより原子炉建屋外に移動させた熱を大気中に放熱するためには、放熱器の大きさが膨大となる。放熱器サイズをコンパクト化し、原子炉建屋上に設置可能とするには、空冷熱伝達率を向上させることが必須となる。
【０００５】
一方、電子デバイスやＣＰＵを搭載した電子機器や空気調和機のコンプレッサ等の冷却においても、発生熱量の増加とともに大気中への放熱性能の向上が強く望まれている。
【０００６】
空気や水等の流体に対流伝熱される部材表面の熱伝熱性能を向上させるために、フィンを取り付けて伝熱表面積を増大させる技術は広く知られている。また、伝熱面に多孔質層を形成して熱伝熱性能を向上させる技術も特許文献１で知られている。
また、特許文献２には、フィン相互の輻射を防ぎ、先端部の対流熱伝達率を向上させたヒートシンクが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−６９５２０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７８３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１には、伝熱板の固体（伝熱面）表面に多孔質層を形成した熱伝達媒体を用いて、対流熱伝達効率を高めた技術が記載されている。
【０００９】
しかし、この熱伝達媒体では、固体（伝熱面）表面を複雑な３次元の多孔質層構造とするため、有効伝熱表面積の拡大が課題となっており、また、固体表面に多孔質層の製造が複雑でコストと時間がかかったり、さらに、伝熱面表面が常に直接外気に触れることとなり、汚れの付着による性能劣化の進みが早い等の課題がある。
【００１０】
また、特許文献２には、フィン相互の噴射を防いで先端部の対抗熱伝達率を向上させ、放熱効率を向上させるフィン形状が提案されているが、輻射率が大きい面と小さい面を組み合せた技術の開示や配慮は一切ない。
【００１１】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので自然対流熱伝達率を向上させることができる伝熱部材の加工方法および伝熱部材を提供することを目的とする。
【００１２】
さらに、本発明の他の目的は、輻射と自然対流の熱伝達率の大きい溶射処理面を積極的に活用して放熱量をより一層向上させた原子炉格納容器および伝熱管を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の実施形態に係る伝熱部材表面の加工方法は、上述した課題を解決するために、伝熱部材の伝熱面に凹凸面を形成する金属基材の伝熱部材表面の加工方法において、第１の粉体とこの粉体より同一のプラズマ噴射条件では溶融し難い第２の粉体とが混合された混合粉体を用意し、前記混合粉体を、前記第２の粉体の内部が前記伝熱部材の表面に衝突するまでに溶融しない施工条件のプラズマ溶射により噴出させて伝熱部材の表面に衝突させ、前記伝熱部材の表面に前記第２の粉体が凸部として形成された溶射層を形成して前記伝熱部材の伝熱面表面を構成する方法である。
また、本発明の実施形態に係る伝熱部材は、上述の加工方法によって加工されたものである。
【００１４】
さらに、本発明の実施形態に係る原子炉格納容器は、上述した課題を解決するために、請求項１０に記載の伝熱部材が原子力発電プラントの原子炉格納容器として適用され、前記原子炉格納容器にプラズマ溶射による混合粉体の溶射処理を施し、前記原子炉格納容器壁面に表面凹凸形状の溶射処理面を構成するものである。
【００１５】
一方、本発明の実施形態に係る伝熱管は、上述した課題を解決するために、請求項１０に記載の伝熱部材が伝熱管として構成され、前記伝熱管に複数のフィンが軸方向に所要の間隔を置いて設けられてフィン付き伝熱管が構成され、前記フィンは伝熱管の基部側が太く、先端に向って先細形状に構成され、前記フィンおよび伝熱管の所要の表面にプラズマ溶射による混合粉体の溶射処理を施して表面凹凸形状の溶射処理面が構成され、前記溶射処理が施されたフィン表面と相対する側のフィン表面が輻射率の低い面に構成されたものである。
【００１６】
また、本発明の実施形態に係る伝熱管は、上述した課題を解決するために、請求項１０に記載の伝熱部材が伝熱管として構成され、前記伝熱管に複数のフィンが軸方向に所要の間隔を置いて設けられてフィン付き伝熱管が構成され、前記フィンは伝熱管の基部側が太く、先端に向って先細形状に構成され、前記伝熱管に設けられる複数のフィンは、プラズマ溶射による混合粉体の溶射処理が施されて表面凹凸形状の溶射処理面が構成されるフィンと、輻射率の低い面が構成されるフィンとが交互に配設されたものである。
【００１７】
さらに、本発明の実施形態に係る伝熱管は、上述した課題を解決するために、請求項１０に記載の伝熱部材が伝熱管として構成され、前記伝熱管に複数のフィンが所要の間隔を置いて設けられてフィン付き伝熱管が構成され、前記フィンは基部側が太く、先端に向って先細形状に構成され、前記伝熱管表面とフィン先端領域は、プラズマ溶射による混合粉体の溶射処理が施されて表面凹凸形状の溶射処理面が構成され、前記フィン付き伝熱管の残りの箇所は輻射率の低い面が構成されたものである。
【００１８】
他方、本発明の実施形態に係る伝熱管は、上述した課題を解決するために、請求項１０に記載の伝熱部材が伝熱管として構成され、前記伝熱管にせ複数のフィンが軸方向に間隔を置いて設けられてフィン付き伝熱管が構成され、このフィン付き伝熱管の隣り合うフィンは、前記伝熱管に対するフィンの傾きが垂直より大きいフィンと垂直より小さいフィンが交互に配設され、前記隣り合うフィンのうち、フィンが前記伝熱管より外側に開いている拡開箇所のフィン部分およびこの拡開箇所側の伝熱管表面に、プラズマ溶射による混合粉体の溶射処理を施して、表面凹凸形状の溶射処理面が構成されたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明においては、凹凸形状の伝熱面表面により自然対流熱伝達率を向上させる作用効果を奏する。
【００２０】
また、本発明に係る原子炉格納容器においては、格納容器壁表面の溶射処理面から輻射と自然対流の熱伝達率を平滑面に比較して約１．６倍向上させることができ、原子炉格納容器内の温度上昇を抑制することができる作用効果を奏する。
【００２１】
さらに、本発明に係る伝熱管においては、フィン付き伝熱管の伝熱面積を増加させて放熱量を多くするフィンに、輻射と自然対流の熱伝達率の大きい溶射処理面を組み合せてさらに放熱量を増加させることができる作用効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る金属基材である伝熱部材の加工方法および伝熱部材を示す構成図。
【図２】本発明に係る金属基材（伝熱部材）の伝熱面表面の第１ないし第５の実施形態を示す部分的断面図。
【図３】本発明に係る金属基材の伝熱面表面の第６および第７の実施形態を示す部分的断面図。
【図４】本発明に係る金属基材の伝熱面表面の第８の実施形態を示す部分的断面図。
【図５】（Ａ）は本発明の実施形態により製造された金属基材の伝熱面表面を示す顕微鏡写真の観察図、（Ｂ）は図５（Ａ）の顕微鏡写真の局所範囲（７５０μｍ×７５０μｍ）を拡大して示す３次元形状計測例を示す図、（Ｃ）は図５（Ａ）の顕微鏡写真の部分範囲（４ｍｍ×３ｍｍ）を拡大して示す３次元形状計測例を示す図。
【図６】本発明の実施形態により表面処理された金属基材の伝熱面表面の熱伝達率及び表面処理を行なわない従来例の熱伝達率を示す説明図。
【図７】本発明の第９の実施形態を示す原子炉格納容器の構成図。
【図８】本発明の第９の実施形態の第１実施例を示す原子炉格納容器の構成図。
【図９】本発明の第９の実施形態の第２実施例を示す原子炉格納容器の構成図。
【図１０】本発明の第９の実施形態の第３実施例を示す原子炉格納容器の構成図。
【図１１】本発明の第１０の実施形態を示す伝熱部材の構成図。
【図１２】本発明の第１０の実施形態の第１実施例を示す伝熱部材の構成図。
【図１３】本発明の第１０の実施形態の第２実施例を示す伝熱部材の構成図。
【図１４】本発明の第１０の実施形態の第３実施例を示す伝熱部材の構成図。
【図１５】本発明の第１０の実施形態の第４実施例を示す伝熱部材の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００２４】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の実施形態を示す金属基材である伝熱部材の伝熱面表面およびその加工方法の実施に用いられるプラズマジェット加工装置を示す構成図、図２はプラズマジェット加工装置により作成された金属基材の伝熱面を示す断面図である。
【００２５】
プラズマジェット加工装置１０は、噴射ノズル１１のノズル本体１２に設けられた陽極１３と陰極１４の間にプラズマガス１５を供給してアーク放電を起こすと、プラズマガスは電離して高温（例えば１０，０００Ｋ〜１５，０００Ｋ）のプラズマ１６となり、プラズマ火炎（プラズマジェット）として高速で噴出される。プラズマガス１５は、例えば主ガスとしてアルゴン、副ガスとして水素、窒素、ヘリウム等の作動ガスが用いられる。
【００２６】
噴出されるプラズマ火炎１６の途中には混合粉体２０が、例えば高圧の窒素ガスを用いて投入される。混合粉体２０は、各構成粒子が数１０μｍ〜数１００μｍ、例えば１００μｍ程度の粒子径を有し、同一のプラズマ溶射条件では溶融温度を異にする第１の粉体２１と第２の粉体２２とを混合させて用いられる。第２の粉体２２は第１の粉体２１より溶融し難い材料であり、それぞれ例えば、金属材料や高分子（ポリマー）材料が用いられる。第１の粉体２１と第２の粉体２２は同種の材料であっても、異種の材料であってもよい。
【００２７】
第１の粉体２１と第２の粉体２２を混合した混合粉体２０は、高圧の窒素ガス等を用いて噴射ノズル１１のプラズマ火炎１６内に投入される。投入された混合粉体２０は、プラズマ火炎１６の中で加熱されながら、ヒートパイプ等の伝熱部材である金属基材２３の伝熱面表面に飛行し、衝突し、基材伝熱面にプラズマ溶射される。
【００２８】
プラズマ溶射では、アーク放電により電離したプラズマガス１５の温度と流速が混合粉体２０の溶融に関する環境因子となる。これらの環境因子が同一であっても、溶融条件を異にする第１，第２の粉体２１，２２を混合した場合、混合粉体２０の溶融状態は、第１および第２の粉体２１，２２によって異なる。第１の粉体２１に対して第２の粉体２２の方が溶融し難い場合、プラズマ溶射条件（例えばプラズマ温度、粉体の供給量、粉体の飛行時間等）を制御することで、第２の粉体２２はある程度粉体粒子が原型を留めた状態で伝熱面表面に衝突する。また、第１の粉体２１は第２の粉体２２よりも溶融した状態で伝熱面表面に衝突し、ヒートパイプ等の伝熱部材を構成する金属基材２３の伝熱面表面にプラズマ溶射により溶射層の被膜２４が形成される。第１および第２の粉体２１，２２の粒子径を約１００μｍとした場合、溶射層の被膜２４の厚みは、主に約５０μｍ程度であった。
【００２９】
このように、本実施形態の加工方法によれば、混合粉体２０に溶融条件の異なる第１の粉体２２および第２の粉体２２を用いるので、溶射ノズル１１からのプラズマ溶射により、伝熱部材である金属基材２３の伝熱面に衝突したとき、図２に示すように、被膜２４の溶射面は、主に第１の粉体２１が滑らかな溶射部２１ａとして形成され、第２の粉体２２が衝突したものが比較的大きい凸部分の溶射部２２ａとして多数点在する表面凹凸形状の溶射層の被膜２４が形成される。被膜２４の溶射層は第２の粉体２２の凸部によって、気体と接する伝熱面積が増加される。また、凸部が大きく、かつ高低差の大きい凹凸が気体の流れを乱すことで、対流熱伝達率が向上する。また、伝熱部材表面の粗さが増すことで、輻射熱伝達が向上する。これらの作用により、高い伝熱性能を有する伝熱部材とすることができる。また、部材表面を溶射層で覆うため、表面が経年劣化に対して強い伝熱部材とすることができる。また、経年劣化するのは主に溶射層となるため、基材を経年劣化から保護することができる。さらに、本実施形態の加工方法は、容易に低コストで実施することが可能である。
【００３０】
なお、溶射ノズル１１を用いたプラズマ溶射では、溶射ノズル１１は陽極１３側からノズル本体１２内に形成された冷却流路２５に冷却水２６を流すことにより冷却される。
【００３１】
溶射ノズル１１のプラズマ溶射により、伝熱部材である金属基材２３の伝熱面に形成される被膜２４は、図２に示すように、溶射層として構成される。金属基材２３の伝熱面には、凹凸表面形状の溶射層が被膜２４として形成される。この被膜２４の溶融溶射層は、主に、第１の粉体２１の溶射部２１ａで構成され、溶融し難い第２の粉体２２が衝突したものが比較的大きな面積の金属基材２３の表面に熱伝達向上に有効な凹凸形状の被膜２４を作成するには、溶射ノズル１１を用いたプラズマ溶射（プラズマジェット）が処理時間やコストの面で優れている。
【００３２】
比較例として、ショットブラストによる加工では金属基材を一様に凹ませてしまい、表面処理された金属基材の表面に凹凸の高低差が得られにくく、表面積の増加や気体の流れを乱す効果も低く、熱伝達率の大きな増加は望めない。レーザーアブレーションによる加工では高低差のある微細な凹凸面の形成は可能であるが、加工時間がかかり、大きな伝熱面の作成には不向きである。また、機械加工も精密な切削を行うためレーザーアブレーションと同様に加工時間がかかり、大きな伝熱面を作成するには不向きである。
【００３３】
［第２の実施形態］
第２実施形態に示される金属基材の伝熱面表面およびその加工方法の全体的構成は、図１および図２に示す第１実施形態の金属基材の伝熱面表面およびその加工方法と異ならないので、同じ構成には、同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３４】
第２実施形態に示される金属材料２３の伝熱面には、溶射ノズル１１内でアーク放電の電離により発生したプラズマのプラズマ火炎（プラズマジェット）１６が高速で噴出され、このプラズマ火炎１６に供給される混合粉体２０は、第２の粉体２２が第１の粉体２１より熱伝導率が低い材質の材料が用いられる。混合粉体２０を構成する第１の粉体２１および第２の粉体２２が共に高分子（ポリマー）材料の場合には、第１の粉体２１に例えばポリカーボネートやエポキシ樹脂が、第２の粉体に例えばポリエステル樹脂やフェノール樹脂が用いられる。
【００３５】
代表的な高分子材料を熱伝導率の高い順に並べると、ポリカーボネート＞エポキシ樹脂＞フッ素樹脂＞ポリアミド樹脂＞ポリエステル樹脂＞フェノール樹脂のように表わされる。
【００３６】
溶射ノズル１１から所要の温度と流速でプラズマ噴射が行なわれると、プラズマ火炎１６中に混入される２種類の混合粉体２０は第１と第２の双方の粉体２１，２２が金属基材２３に衝突するまで同じ時間を共有して同じ温度で加熱される。
【００３７】
しかし、一方の粉体、例えば第２の粉体２２を熱伝導率の低い材質の材料とすると、粉体粒子の中まで熱が伝わらず、外側のみ溶融する状態となる。したがって、第２の粉体２２の方が第１の粉体２１より粒子の原型を留めた状態で伝熱面表面に衝突する。
以上説明した本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００３８】
［第３の実施形態］
第３実施形態に示される金属基材の伝熱面表面およびその加工方法の全体的構成は、第１実施形態に示される構成と、混合粉体の組合せを除いて異ならないので、図１および図２を参照し、同じ構成には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３９】
第３実施形態に示された金属部材２３の伝熱面には、溶射ノズル１１内で発生したプラズマのプラズマ火炎１６が高速で噴出され、このプラズマ火炎１６に供給される混合粉体２０は、第１の粉体２１が金属材料、第２の粉体２２が高分子（ポリマー）材料で構成される。高分子材料は金属材料より一般に熱伝導率が低いため、第１および第２の粉体２１，２２を同一のプラズマ火炎１６中に供給してプラズマ溶射すると、金属基材２３に到達するまでに第２の粉体２２は高分子（ポリマー）粒子の中まで熱が伝わらず、外側のみ溶融する。なお、高分子（ポリマー）の材料としてはとくに限定されるものではないが、ポリカーボネート、ポリアミド、フッ素樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等のいわゆるエンジニアリングプラスチックと呼ばれる高耐熱性樹脂を用いることが望ましい。
【００４０】
溶融ノズル１１からＣｕやＡｌ等の伝熱部材の金属基材２３の伝熱面にプラズマ溶射されると、プラズマ火炎１６に供給される混合粉体２０はプラズマ火炎１６と共に高速で金属基材２３の伝熱面に衝突するまで同じ時間を共有し、同じ温度で加熱される。
【００４１】
しかし、金属基材２３の伝熱面に衝突される混合粉体２０のうち、第１の粉体２１は溶融して第１の粉体２１の溶射部２１ａが構成され、第２の粉体２２が衝突したものは比較的大きい凸部分の溶射部２２ａとして原型を留めた状態で多数点在する表面形状の溶射層が形成される。
以上説明した本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００４２】
［第４の実施形態］
第４実施形態に示される金属基材の伝熱面表面およびその加工方法の全体的構成は、第１実施形態ないし第３実施形態に示される構成と、混合粉体の組合せを除いて異ならないので、図１および図２を参照し、同じ構成には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００４３】
第４実施形態に示される金属基材２３の伝熱面には、溶射ノズル１１で発生したプラズマのプラズマ火炎１６が高速で噴出され、プラズマ溶射される。溶射ノズル１１のプラズマ火炎１６に供給される混合粉体２０は、第２の粉体２２に第１の粉体２１より融点の高い材質の材料が用いられる。
【００４４】
例えば、代表的な金属材料を例示すると、融点の高い順に、タングステン（３４１０℃）＞モリブデン（２６２０℃）＞ニオブ（２４６８℃）＞鉄合金（１５３５℃）＞コバルト合金（１４９５℃）＞ニッケル合金（１４５５℃）＞銅合金（１０８３．４℃）＞アルミ合金（６６０．４℃）で表わされる。なお、合金は色々な種類が存在するので、合金を構成する主要単体金属（例えば鉄合金→鉄）の温度を比較の対象としている。例えば第１の粉体２１にはタングステンやモリブデンを、第２の粉体２２にはアルミ合金や銅合金を用いる、といったように選定される。
【００４５】
第４実施形態では、第１の粉体が金属基材２３の伝熱面に衝突するまでに溶融し、第２の粉体が金属基材２３の伝熱面に衝突するまでに溶融しない（もしくは、原型を留めた状態で金属基材２３に衝突する程度に溶融する）ように、プラズマ溶射によるプラズマ（プラズマ火炎１６）の温度、粉体の供給量、飛行距離等の施工条件が決定される。プラズマ溶射の施工条件を上記の如く調節設定することにより、プラズマ火炎１６中に供給される混合粉体２０は、第１の粉体２１に溶融した状態で、第２の粉体２２に比較的原型を留めた状態で金属基材２３の伝熱面に衝突して、伝熱面表面に溶射層の被膜２４が形成される。
【００４６】
第４実施形態に示される金属基材２３の伝熱面表面においても、被膜２４は、第１の粉体２１により形成される溶融した溶射部２１ａと、第２の粉体２２により形成される比較的凸部分の溶射部２２ａが原型を留めた状態で多数点在する表面凹凸形状の溶射層が形成される。
以上説明した本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００４７】
［第５の実施形態］
第５実施形態に示された金属基材の伝熱面表面およびその加工方法の全体的構成は第１実施形態に示される構成と、混合粉体の組合せを除いて異ならないので、図１および図２を参照し、同じ構成には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００４８】
第５実施形態では、溶射ノズル１１から基材２３の伝熱面にプラズマを溶射されるが、溶射ノズル１１内に発生したプラズマのプラズマ火炎１６中に供給される混合粉体２０の第１の粉体２１と第２の粉体２２の組合せ例が、第１実施形態ないし第５実施形態に用いられる混合粉体とは異なる。
【００４９】
第５実施形態に用いられる混合粉体２０は、第１の粉体２１と第２の粉体２２の材質が同一で、第２の粉体２２の粒子径が第１の粉体２１の粒子径より大きいものが用いられる。溶射ノズル１１のプラズマ火炎１６に供給される混合粉体２０は、双方の粉体２１，２２は、プラズマのプラズマ火炎１６中に飛行する間に、双方ともプラズマ火炎１６により溶融されつつ伝熱部材である金属基材２３の伝熱面に噴出されて衝突する。
【００５０】
このとき、混合粉体２０のうち、元の粒子径が大きい第２の粉体２２は、内部まで完全に溶融するには、第１の粉体２１に比較して大きい熱量を要する。したがって、第１の粉体が金属基材２３の伝熱面に衝突するまでに溶融し、第２の粉体が金属基材２３の伝熱面に衝突する時点で原型を留めた状態で金属基材２３に衝突する程度に溶融する（つまり、第２の粉体２２の内部が融点に達しない）ような溶射条件とすることができる。これにより、第２の粉体２２が金属基材２３に衝突することで比較的大きな凸部分（すなわち、溶射部２２ａ）が形成され、溶射部２２ａが多数点在する表面凹凸形状の溶射層が金属基材２３表面に被膜として形成される。
【００５１】
プラズマ溶射により金属基材２３の伝熱面に衝突して溶融し、付着される混合粉体２０は、図２に示すように、第１の粉体２１は溶融状態の溶射部２１ａとして、粒子径の大きな第２の粉体２２は、比較的原型を留めた凸形状の溶射部２２ａとして、金属基材２３の伝熱面に表面凹凸形状の溶射層が被膜２４として構成される。
【００５２】
したがって、第５実施形態の実施により作成される金属基材２３の伝熱面表面に形成される被膜２４は、溶融状態の第１の粉体２１の溶射部２１ａと比較的粉体粒子の原形が残された第２の粉体２２から表面凹凸形状の溶射層が形成される。
以上説明した本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００５３】
［第６の実施形態］
第６の実施形態に示される金属基材の伝熱面表面およびその加工方法の全体的構成は、第１実施形態に示される構成と、混合粉体の組合せを除いて異ならないので、図１および図２を参照し、同じ構成には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００５４】
第６実施形態では、溶射ノズル１１でアーク放電の電離により発生するプラズマのプラズマ火炎１６中に供給される混合粉体２０の第１および第２の粉体２１，２２のうち、少なくとも一方の粉体に光触媒効果を有する材料が使用されており、また、光触媒材料を添加して混入される。
【００５５】
混合粉体２０の第１の粉体２１または第２の粉体２２に光触媒効果を有する材料を使用または混入することにより、伝熱部材の金属基材２３の伝熱面に形成される被膜２４は、図３に示すように、溶射層の凸部分あるいは微細な凹凸部分が光触媒効果を有する光触媒層２８が形成される。
【００５６】
光触媒材料としては、例えば酸化チタンや酸化タングステンがあり、混合粉体２０の少なくとも一方、例えば第１の粉体２１または第２の粉体２２を光触媒材料としたり、光触媒材料を混入させて使用することにより、金属基材２３の伝熱面に形成される表面凹凸形状の被膜２４は、光触媒層２８の薄膜が形成される。この光触媒層２８の存在により、金属基材２３の被膜２４は光照射によって防汚効果が得られる。
【００５７】
第６実施形態では、第１の実施形態と同様の作用効果に加えて、伝熱部材の金属基材２３の伝熱面表面に形成される被膜２４の溶射層を光触媒層２８で覆うことができ、被膜２４の溶射層の凹凸部への汚れの付着を防止でき、経年変化による劣化を有効に防ぐことが可能となる。
【００５８】
［第７の実施形態］
次に、本発明の第７の実施形態を説明する。
【００５９】
第７の実施形態に示された金属基材の伝熱面表面は、図３に示すように、伝熱部材である金属基材２３、混合粉体２０で形成された溶射層の被膜２４および光触媒層２８から全体的に構成される点は、第７実施形態に示される構成と異ならない。第７実施形態に示される金属基材の伝熱面は、第１実施形態から第５実施形態で加工され、製造された金属基材２３を光触媒溶液の塗布やディッピング等で光触媒層２８の薄い膜を設け、その後加熱して定着させる金属基材２３の伝熱面加工方法で製造される点が、第６実施形態で示した金属基材の伝熱面加工方法とは異なる。
【００６０】
第７実施形態においては、第１の実施形態と同様の作用効果に加えて、光触媒層２８が設けられるので、汚れが付着し易い金属基材２３の伝熱面表面に防汚効果を付与することができる。
【００６１】
［第８の実施形態］
図４は、本発明の第８の実施形態を示すものである。
【００６２】
第８の実施形態は、伝熱部材の金属基材２３に複数のフィン２９，２９を設け、金属基材２３とフィン２９の表面に混合粉体２０で形成される溶射層の被膜２４が図１に示されるプラズマジェット加工装置１０のプラズマ噴射により作成され、フィン２９付き金属基材２３の伝熱面表面が作成される。
【００６３】
第８実施形態では、伝熱部材である金属基材２３は、フィン２９で有効伝熱面面積を増大させることができることに加えて、金属基材２３およびフィン２９の表面に溶射面の被膜２４を形成して伝熱面積の大幅増大を図ることができる。
【００６４】
これにより、第８実施形態で示される金属基材２３の伝熱面表面は、フィン２９の設置と溶射層の被膜２４を組み合せることで、有効伝熱面積を増加させることができ、熱伝達率の一層の向上を図ることができる。
【００６５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００６６】
また、各実施形態においては、金属基材表面へ衝突するまでに第２の粉体の内部が融点に達しない溶射条件とすることで原型を留めるものとして説明したが、粉体と選定される高分子材料によっては、内部まで融点に達するような高温に晒された際に溶融せずに炭化することで原型を留めることも考えられる。
【００６７】
また、第１の粉体は金属基材表面へ衝突するまでに内部まで完全に溶融していなくとも、溶融していない部分の大きさが第１の粉体に比較して第２の粉体が大きければ良いが、第１の粉体は内部まで完全に溶融しているほうが凹凸の高低差を得やすいため、より好ましい。
【００６８】
［適用例］
第３実施形態で説明した混合粉体２０に金属材料粒子の第１の粉体２１と高分子（ポリマー）材料の第２の粉体２２を使用して、図１に示されるプラズマジェット加工装置１０を用いてプラズマ溶射を行ない、伝熱部材の金属基材２３の伝熱面に溶射層の被膜２４を形成させ、金属基材２３の伝熱面表面を作成した。
【００６９】
そして、作成された金属基材２３の伝熱面表面を３次元計測したところ、図５に示す顕微鏡写真が得られた。混合粉体２０には、第１の粉体２１として粒子径約１００μｍのアルミブロンズの粉体を、第２の粉体２２として、粒子径約１００μｍのポリエステルの粉体を用いた。溶射ノズル１１からのプラズマ溶射条件として、第１の粉体２１のアルミブロンズの粉体に第２の粉体２２のポリエステル粒子を１４ｗｔ％混入させた混合粉体２０を用いて、伝熱部材である金属基材２３の伝熱面表面にプラズマ溶射を施した。金属基材２３の伝熱面表面に形成される溶射層の被膜２４は、１層のみで、厚みは５０μｍ程度に形成される。
【００７０】
図５（Ａ）は金属基材２３の伝熱面表面を、溶射層の被膜２４上部から観察して顕微鏡写真で示すもので、図５（Ｂ）は金属基材２３の伝熱面表面を７５０μｍ×７５０μｍの局所（スペース）範囲の３次元形状を測定した計測結果を示す顕微鏡写真、図５（Ｃ）は金属基材２３の伝熱面表面を４ｍｍ×３ｍｍ範囲を拡大して示す３次元形状の計測結果を写真である。図５（Ｂ）に示すように、基材２３の伝熱面表面は、被膜２４の凸部分がポリマーの溶射部２２ａで、その周囲が金属材料の溶射部２１ａであることがわかった。
【００７１】
金属基材２３の伝熱面表面の３次元形状計測結果から、伝熱面表面の表面積が平滑面に比較して約１．８倍の大きさを有しており、表面形状は、図５（Ｂ）に示されるように、溶射部の被膜２４に幅（直径）１００μｍ、高さ１００μｍ程度の凸形状の溶射部２２ａの箇所が点在している。１００μｍ程度の凸部分の溶射部２２ａは、第２の粉体２２であるポリエステル粒子の圧着部分であると思われる。金属基材２３の伝熱面表面の表面積の増加は、ポリエステル粒子による隆起部分の側面面積増加が寄与していると思われる。
【００７２】
また、金属基材２３の伝熱面表面について、自然対流条件で熱伝達率を測定したところ、図６に示される熱伝達率計測結果が得られた。熱伝達率は、金属基材に表面処理を行なわない平滑面では破線Ａで示す熱伝達率が得られた。本実施形態を適用した金属基材２３の伝熱面表面では、実線Ｂで示したように熱伝達率が向上している。すなわち、本実施形態を適用したように、金属基材２３の伝熱面表面を改質すると、実線Ｂで示すように、破線Ａで示す熱伝達率に比して、約１．６倍の良好な熱伝達率が得られることが実験により判明した。
【００７３】
さらに、第５実施形態で示したように、混合粉体２０として、アルミ合金の第１の粉体２１とモリブデンの第２の粉体２２を用いて、プラズマジェット加工装置１０を使用してプラズマ溶射したところ、金属基材２３の伝熱面表面は図５（Ｂ）に示す伝熱面表面と類似の形状が得られ、図６に示した熱伝達率と同様な熱伝達率特性が得られた。
【００７４】
［第９の実施形態］
次に、本発明の第９の実施形態を図７ないし図１０を参照して説明する。
【００７５】
第９の実施形態は、原子炉格納容器３０（以下、格納容器という。）に図１に示されたプラズマジェット加工装置１０によりプラズマ溶射し、格納容器３０壁面に混合粉体の溶射処理を施したものである。図７は、格納容器３０壁外面に混合粉体の溶射処理を実施して、表面凹凸形状の溶射層３１を形成し、格納容器３０壁外面全体に微小凹凸形状の溶射処理面３１を構成したものである。本実施形態では、格納容器３０はその内部の熱を外部（外側大気）に伝熱し、放熱する伝熱部材として機能され、格納容器３０外壁の放熱量を多くすることで、事故時に格納容器３０内温度が上昇する際にも、冷却し易くして温度上昇を抑制するものである。
【００７６】
格納容器３０壁外面をプラズマ溶射により混合粉体を溶射処理し、表面凹凸形状の溶射層３１を形成すると、格納容器３０壁外面に形成される表面凹凸形状の溶射層（溶射処理面）３１は、格納容器３０壁外面が平滑面である場合に較べ、約１．６倍の熱伝達率の向上が得られる伝熱面となることが、図６により実験から知見することができた。
【００７７】
本実施形態は、図７に示すように、格納容器３０壁外面に表面凹凸形状の溶射層３１を施し、微小凹凸形状の溶射処理面３１を構成することで、格納容器３０内の熱を外部（外側大気）に逃し易い溶射処理面（伝熱面）となり、自然放熱量の多い格納容器外壁を得ることができる。
【００７８】
原子炉３３は原子炉建屋（図示せず）内に格納容器３０が設けられ、この格納容器３０内に燃料を装架する原子炉圧力容器（図示せず）が格納される。格納容器３０は冷却材喪失事故時等において、燃料破損に至る放射性物質の放散が生じる場合、環境に対する放射性物質の防壁の役目を果たしている。原子炉３３は冷却材喪失事故等が発生した場合、図示しない格納容器スプレイ冷却系等を作動させ、格納容器３０内温度・圧力を低下させる安全システムを一般に備えている。
【００７９】
近年、原子力発電プラントの異常時安全性向上には、スプレイ冷却系等の動力を用いる安全系ではなく、動力を用いずに格納容器３０を冷却できる静的格納容器冷却システムの検討が行なわれている。静的格納容器冷却システムの一つとして格納容器３０を伝熱部材として機能させ、伝熱部材表面に対応する格納容器壁の外面にプラズマジェット加工装置１０（図１参照）を用いて混合粉体をプラズマ溶射し、溶射処理加工を施したものである。プラズマジェット加工装置１０では、第１実施形態が用いられるプラズマガス１５が用いられ、混合粉体２０として第１実施形態ないし第８実施形態のいずれかで使用される第１の粉体２１および第２の粉体２２と同じものが用いられる。
【００８０】
本実施形態は、格納容器３０壁外面にプラズマジェット加工装置１０を用いて第１実施形態で説明したプラズマ溶射の溶射処理を施して伝熱部材として機能させ、格納容器壁外面に曲面凹凸形状の溶射層３１を形成し、溶射処理面３１を構成したものである。格納容器３０壁外面にプラズマジェット（火災）による混合粉体の溶射処理により、複雑な表面微小凹凸形状の溶射層３１を形成したものである。格納容器３０壁外面の微小凹凸形状の溶射処理面３１により大気の流れに乱れを与えて自然対流熱伝達率を向上させるとともに、輻射による熱伝達率を向上させ、自然空冷の熱伝達率を向上させている。
【００８１】
本実施形態では、格納容器３０外側に全面に亘り、表面凹凸形状の溶射層３１を施し、複雑な微小凹凸形状の溶射処理面３１を構成することかできる。格納容器３０の溶射表面は、微小な凹凸形状により大気の流れを乱して熱伝達率を向上させるとともに、輻射による熱伝達率も向上させることができる。格納容器３０壁外面に表面凹凸形状の溶射層３１を施して微小凹凸形状の溶射処理面とすることにより、平滑面の約１．６倍の熱伝達率が得られ（図６参照）、格納容器３０外側に設けた溶射処理面３１で格納容器３０から外部へ放熱する熱量が多くなり、事故時に格納容器３０内温度が上昇する際も、その温度上昇を抑制することができる。
【００８２】
したがって、格納容器３０外側に設けられた微小凹凸形状の溶射処理面３１で自然対流熱伝達率と輻射による熱伝達率が増加し、事故時の格納容器３０に温度上昇の抑制を促進させることができる。
【００８３】
（第１実施例）
図８は、第９の実施形態の第１実施例に係る原子炉格納容器３０Ａを示すものである。
【００８４】
本実施例は、図８に示すように、格納容器３０Ａ外側に表面凹凸形状の溶射層３１を設けた第９実施形態の構成に加えて、格納容器３０Ａ内側にも溶射層３２を設けたものである。
【００８５】
図８に示された格納容器３０Ａは、格納容器３０Ａを伝熱部材として機能させ、格納容器３０Ａ壁外面に、第１実施形態のプラズマジェット加工装置１０を用いて混合粉体２０をプラズマ溶射し、溶射処理して表面凹凸形状の溶射層３１を施し、複雑な微小凹凸形状の溶射処理面を構成するとともに、格納容器３０Ａ壁内面にも同様にして表面凹凸形状の溶射層３２を施し、複雑な微小凹凸形状の溶射処理面を構成したものである。
【００８６】
この格納容器３０Ａは、格納容器壁外面に表面凹凸形状の溶射層３１を施して微小凹凸形状の溶射処理面を構成するとともに、格納容器３０Ａ壁内面にも同様にして表面凹凸形状の溶射層３２を施して微小凹凸形状の溶射処理面を構成したものである。表面凹凸形状の溶射層３１，３２を形成する溶射処理は、輻射率が高いために、電磁波の吸収も高い。
【００８７】
本実施例では、上述した構成により、格納容器３０Ａ壁内外面の双方に設けた溶射処理により、溶射層３１，３２を形成し、微小凹凸形状の溶射処理面を構成することにより、格納容器３０Ａ内の吸熱量を増加させ、格納容器３０Ａ外側に設けた表面凹凸形状の溶射処理により、外側への放熱量も多くなる。
【００８８】
したがって、図８に示す格納容器３０Ａでは、格納容器３０Ａ壁内外面双方に設けられた溶射処理で、輻射による熱伝達率が増加し、事故時の格納容器３０Ａ内温度上昇の抑制を促進させることができる効果を奏する。
【００８９】
（第２実施例）
図９は、第９実施形態の第２実施例に係る原子炉格納容器３０Ｂを示すものである。
【００９０】
本実施例の格納容器３０Ｂは、図９に示すように、第９実施形態の第１実施例の構成に加えて、格納容器３０Ｂ外側に設けられた外側構造物３５、例えば原子炉建屋、内面にもプラズマジェット加工装置１０を用いて混合粉体をプラズマ溶射し、表面凹凸形状の溶射層３６を設けたものである。
【００９１】
本実施例の格納容器３０Ｂは、図８に示された格納容器３０Ａに加えて、格納容器３０Ｂ外の外側構造物３５内面、格納容器３０Ｂ壁外面に対向する内面、にもプラズマ溶射により表面凹凸形状の溶射層３６を施し、微小凹凸形状の溶射処理面を構成したものである。溶射処理面は、輻射率が高いために、電磁波の吸収率も高い。したがって、格納容器３０Ｂ外に設けた外側構造物３５内面に表面凹凸形状の溶射層３６を設けることにより、格納容器３０Ｂから外部へ放熱させる熱量を吸収することができる。
【００９２】
本実施例の格納容器３０Ｂにおいては、格納容器３０Ｂ壁内外面双方および格納容器３０Ｂの外側構造物内面に、プラズマ溶射により溶射処理を施すとともに、輻射による熱伝達率が増加し、事故時に格納容器３０Ｂ内温度が上昇する際にも、格納容器３０Ｂ内温度上昇の抑制を促進させることができる効果がある。
【００９３】
（第３実施例）
図１０は、第９実施形態の第３実施例に係る原子炉格納容器を示す構成図である。
【００９４】
本実施例は、格納容器３０Ｃの上部領域にのみ、格納容器３０Ｃ壁内外面双方にプラズマジェット加工装置１０により混合粉体のプラズマ溶射を行なって、表面凹凸形状の溶射層３１，３２を施し、微小凹凸形状の溶射処理面を構成したものである。
【００９５】
原子炉内で冷却材喪失事故が発生した場合、図示しない原子炉圧力容器から漏洩する蒸気は上に向うため、格納容器３０Ｃ内温度は格納容器３０Ｃ上部の方が他の箇所より高くなる。
【００９６】
本実施例では、図１０に示すように、格納容器３０Ｃ上部にプラズマ噴射により溶射処理を実施して格納容器３０Ｃ壁内外面双方に表面凹凸形状の溶射層３１，３２を施し、微小凹凸形状の溶射処理面を構成することにより、温度の高い箇所、すなわち格納容器３０Ｃ上部の放熱量を多くすることができる。
【００９７】
本実施例に係る格納容器３０Ｃにおいては、格納容器３０Ｃ壁上部の内外面双方にプラズマ溶射による溶射処理を行なって、表面凹凸形状の溶射層３１，３２を形成し、微小凹凸形状の溶射処理面を構成したので、格納容器３０Ｃ内の温度が高くなる部分について、集中的に輻射による熱伝達率を高くし、格納容器３０Ｃから外部へ放熱する熱量を多くして、事故時の格納容器放熱量を増加させることができる。溶射処理のコストを抑えながら、事故時の格納容器内温度上昇の抑制の促進を図ることができる。
【００９８】
［第９の実施形態の効果］
格納容器壁にプラズマ溶射して溶射処理が施された表面凹凸形状の溶射層３１，３２は、輻射と自然対流により熱伝達が約１．６倍向上する実験による知見に基づき、格納容器壁表面に表面凹凸形状の溶射層（溶射処理面）３１（３２）を構成することで、格納容器から外部へ放熱する放熱量が多くなり、事故時に格納容器内温度が上昇する際も、その温度上昇を抑制することができる。動力を用いずに、格納容器内を冷却できる静的格納容器冷却システムを提供することができる効果を奏する。
【００９９】
［第１０の実施形態］
本発明の第１０の実施形態を図１１ないし図１５を参照して説明する。
第１０実施形態は、伝熱部材としてフィン付き伝熱管４０を対象としたものである。
【０１００】
フィン付き伝熱管４０は、例えば使用済み燃料プールのプール水を取り扱う配管の大気への放熱部に適用される。伝熱部材としての伝熱管４１には、複数のフィン４３が軸方向に所要の間隔を置いてディスク状に設置される。フィン４３は、伝熱管４１設置、基部側である根元が太く、先端に向って先細形状に構成される。
【０１０１】
伝熱管４１の各フィン４３には、図１１に示すように、片面と伝熱管表面とに図１に示されたプラズマジェット加工装置１０により混合粉体がプラズマ溶射されて溶射処理され、表面凹凸形状の溶射層４４，４５が構成される。フィン４３に表面凹凸形状の溶射層４４により、微小凹凸形状の溶射処理面が構成されると、この溶射処理面により、フィン４３の片面と伝熱管表面は、自然対流熱伝達率と輻射による熱伝達率の向上を図ることができる（図６参照）。
【０１０２】
一方、フィン付き伝熱管４０は溶射処理を施したフィン表面と相対する側のフィン表面は輻射率の低い面（平滑面）４６とされる。輻射率の低い面４６は、表面粗さの小さい、滑らかな面とされ、例えば研磨された金属面とされる。なお、溶射処理されたフィン付き伝熱管４０の溶射処理面４４，４５、例えばフィン４３の片面と伝熱管表面とは、伝熱面を構成しており、この伝熱面の熱伝達率は、噴射処理面４４のフィン片面に対向するフィン表面、例えば平滑面４６のフィン片面、の約１．６倍となる結果が得られている（図６参照）。
【０１０３】
図１１に示されたフィン付き伝熱管４０において、フィン４３の溶射処理面、例えばフィンの片面４４と伝熱管表面４５に形成された溶射処理面４４，４５は、微小な凹凸により大気の流れを乱して熱伝達率を向上させるととともに、輻射による熱伝達率も向上させることができる。伝熱部材としての伝熱管は、各フィン４３の片側に溶射処理を施すことにより、電磁波の放射により放熱される。この溶射処理を施したフィン片面に相対するフィン片面を輻射率の低い面４６とすることにより、放射された電磁波は吸収されずに反射される。輻射率の低い面４６から反射した電磁波は大気へと向かい、放熱される。
【０１０４】
フィン付き伝熱管４０は、フィン角度が外側（半径方向外方）に拡がる拡開形状に構成され、フィン片面を輻射率と自然対流熱伝達率の大きい溶射処理伝熱面とし、フィン片面に対向する面を輻射率小さな平面面４６に構成される。フィン付き伝熱管４０は上述した構成により、輻射率の大きい溶射処理伝熱面４４，４５は、その分熱量を吸収してしまう。輻射率の大きいフィン片面に相対する輻射率の小さい面４６は、平滑面として熱量が吸収されずに反射される。これにより、フィン付き伝熱管４０は、輻射率の大きい面からの輻射による伝熱量分が増加し、放熱量を多くすることができる。
【０１０５】
第１０実施形態に示されたフィン付き伝熱管４０は、伝熱量を増加させて放熱量を多くするフィン４３に、輻射と自然対流熱伝達率の高い溶射処理面４４，４５を組み合せて、放熱量をさらに増加させることができる。このフィン付き伝熱管４０を大気への放熱部に適用すると、自然空冷熱伝達率の高い伝熱管４１が得られる。
【０１０６】
現状、伝熱部材である金属基材に混合粉体の溶射処理を施した溶射処理伝熱面４４，４５は、平滑面４６の約１．６倍の熱伝達率が得られることを知見しており、この知見を利用してフィン付き伝熱管４０を作製したものである。このフィン付き伝熱管４０を用いると、輻射と自然対流熱伝達率が向上する。フィン付き伝熱管４０を使用済み燃料プールの大気への放熱部に用いると、動力不要で静的燃料プール冷却システムを構成でき、使用済み燃料プールの冷却が動力不要で実施可能であることがわかった。
【０１０７】
第１０実施形態のフィン付き伝熱管４０によれば、伝熱管４１のフィンの片面に微小凹凸形状の溶射処理面４４を施し、溶射処理を施したフィン表面と相対する側のフィン表面を輻射率の低い表面とすることにより、フィンの放熱により、自然対流熱伝達率と輻射による熱伝達率を増加させることができ、大気への放熱量を増加させることが可能となる効果を奏する。
【０１０８】
（第１実施例）
図１２は、第１０の実施形態の第１実施例に係る伝熱管を示す構成図である。
【０１０９】
本実施例は、伝熱部材としてフィン付き伝熱管４０Ａを対象としたものであり、第１０実施形態のフィン付き伝熱管４０Ａと同じように大気への放熱部に適用される。同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略ないし簡略化する。
【０１１０】
図１２に示すように、フィン付き伝熱管４０Ａには、複数のフィン４３が軸方向に所要の間隔を置いて設置される。フィン４３は、伝熱管４１設置の基部側である根元が太く、先端に向って先細形状に構成される。
【０１１１】
伝熱管４１の各フィン４３は混合粉体のプラズマ溶射により溶射処理され、溶射層４４がフィン両面に施されたフィンと、輻射率の低い面（平滑面）４６がフィン両面に形成されたフィンとが交互に設置される。溶射層４４が施されたフィンは、自然対流熱伝達率と輻射による熱伝達率の向上が見込める複雑な微小凹凸形状の溶射処理面としたフィンとされ、伝熱管４１の表面もプラズマ溶射により溶射処理が施された溶射処理面とされる。伝熱管４１に設けられたフィン４３のうち輻射率の低い面は、表面粗さの小さい、例えば研磨された金属面（平滑面）とされる。
【０１１２】
フィン付き伝熱管４０Ａに施されたフィン４３および伝熱管４１の溶射処理面４４，４５は、微小な凹凸形状により大気の流れを乱して熱伝達率を向上させるとともに、輻射による熱伝達率も向上する。フィン付き伝熱管４０Ａは、表面処理を行なった溶射処理面４４のフィン４３の電磁波が放射される。溶射処理面４４のフィン４３に隣設して輻射率の低い平滑面４６のフィン４３が存在するため、隣の平滑面４６のフィン４３は、電磁波を吸収することなく反射させるため、電磁波は大気へと向かい放熱される。
【０１１３】
第１実施例のフィン付き伝熱管４０Ａによれば、溶射処理されたフィン４３による放熱により、自然対流熱伝達率と輻射による熱伝達率を増加させることができ、大気への放熱量を増加させることができる効果を奏する。
【０１１４】
（第２実施例）
図１３は、第１０実施形態の第２実施例による放熱管を示す構成図である。
【０１１５】
第２実施例は、伝熱部材としてフィン付き伝熱管４０Ｂを対象としたものである。このフィン付き伝熱管４０Ｂは、第１０実施形態のフィン付き伝熱管４０と同じように大気への放熱部に適用される。同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略ないし簡略化する。
【０１１６】
図１３に示すように、フィン付き伝熱管４０Ｂには、流体を流す中空の伝熱管４１に複数フィン４３が軸方向に所要の間隔をおいて設置される。フィン４３は、伝熱管４１設置の基部側である根元が太く、先端に向って先細形状に構成される。
【０１１７】
伝熱管４１には、各フィン４３の先端領域と伝熱管４１表面が混合粉体のプラズマ溶射により溶射処理されて表面凹凸形状の溶射層４４が施され、複雑な微小凹凸形状の溶射処理面４４が構成される。各フィン４３の基部側は輻射率の低い面４６とされる。輻射率の低い面４６は、表面粗さの小さい、例えば研磨された金属面（平滑面）とされる。表面凹凸形状の溶射層４４は、自然対流熱伝達率と輻射による熱伝達率の向上が見込める複雑な微小凹凸形状の溶射処理面４４とされる。
【０１１８】
第２実施例記載のフィン付き伝熱管４０Ｂでは、溶射処理が施された伝熱管４１表面から電磁波が放射されるが、伝熱管４１近くの基部側あるいは根元側フィン部分は輻射率の低い面（平滑面）４６とされるため、電磁波は吸収されずに反射し、外側の大気へと向かい放熱される。
【０１１９】
このとき、フィン付き伝熱管４０Ｂは、フィン先端も溶射処理が施されて溶射処理面が構成されているため、フィン先端部分で電磁波は吸収されるが、フィン先端部分は大気雰囲気に近いため、電磁波は吸収されても外側の大気へと放射される。
【０１２０】
また、フィン付き伝熱管４０Ｂは、溶射処理された伝熱管表面およびフィン先端領域の溶射処理面４４，４５は、自然対流の熱伝達率も向上しているために、フィン先端が輻射によって温度が高くなっても、対流熱伝達によって熱を大気へ放熱させることができる。
【０１２１】
第２実施例のフィン付き伝熱管４０Ｂにおいても、フィン４３による放熱により、自然対流熱伝達率と輻射による熱伝達率を増加させることができ、大気への放熱量を増加させることができる。
【０１２２】
（第３実施例）
図１４は、第１０実施形態の第３実施例に係る伝熱管を示す構成図である。
【０１２３】
第３実施例は、伝熱部材としてフィン付き伝熱管４０Ｃを対象としたものである。このフィン付き伝熱管４０Ｃは、伝熱管４１に設置するフィン４７の取付構造を第１０実施形態に記載したフィン付き伝熱管４０と異にする。第１０実施形態に記載のフィン付き伝熱管４０と同じ構成には同一符号を付して説明を省略ないし簡略化する。
【０１２４】
第３実施例のフィン付き伝熱管４０Ｃは、図１４に示すように構成され、内部に流体を流す中空形状の伝熱管４１に対して、複数のフィン４７を設置し、隣り合うフィン４７の傾きを垂直より大きくしたフィン４７ａと小さくしたフィン４７ｂとを対をなすように対向させて交互に設ける。伝熱管４１に設けられた対をなすフィン４７ａ，４７ｂは、ハの字状あるいは逆ハの字状に配設される。
【０１２５】
フィン付き伝熱管４０Ｃは、伝熱管４１に設けられた対をなすフィン４７のうち、フィン４７ａ，４７ｂが外側、例えば半径方向外方に開いている拡開箇所およびその拡開箇所側の伝熱管表面に混合粉体のプラズマ溶射より溶射処理を施して、表面凹凸形状の溶射層４４が形成される。フィン付き伝熱管４０Ｃのフィン４７に溶射処理される溶射層４４は、自然対流熱伝達率と輻射による熱伝達率の向上が見込まれる複雑な微小凹凸形状の溶射処理面とされる。
【０１２６】
なお、フィン付き伝熱管４０Ｃの隣り合うフィン４７のうち、外側に向って閉じる箇所、すなわち、伝熱管４１側に向く箇所には、溶射処理を施さないため、電磁波の発生は少なく、電磁波は反射して大気へと向かうことが阻止され、放熱が低下することは少ない。
【０１２７】
第３実施例のフィン付き伝熱管４０Ｃでは、溶射処理が施された溶射層４４の伝熱管表面から電磁波が放射されるが、溶射処理が施されている箇所は、拡開箇所のフィン部分であるため、電磁波は大気へと向かう外側に放射される。このため、熱を大気中に有効的に放熱させることができる。
【０１２８】
第３実施例のフィン付き伝熱管４０Ｃにおいても、隣り合うフィン４７の拡開箇所のフィン部分に溶射処理が施され、微小凹凸形状の溶射処理面４４が構成されるため、フィン４７による放熱により自然対流熱伝達率と輻射による熱伝達率を増加させることができ、大気への放熱量を増加させることができる効果を奏する。
【０１２９】
（第４実施例）
図１５は、第１０の実施形態の第４実施例に係る伝熱管を示す構成図である。
【０１３０】
第４実施例は、伝熱部材としてフィン付き伝熱管４０Ｄを対象としたものである。このフィン付き伝熱管４０Ｄは、伝熱管４１に設けられる隣り合うフィン４７のうち、外側に向って閉じる箇所、すなわち外側に向う縮小箇所あるいは伝熱管４１側を向く箇所を輻射率の低い面５１としたものである。輻射率の低い面５１は表面粗さの小さい例えば研磨された金属面（平滑面）とされる。
【０１３１】
フィン付き伝熱管４０Ｄに混合粉体のプラズマ溶射により溶射処理を施した部分、すなわち、表面凹凸形状の溶射層４４を施した部分は、図１４に示した第３実施例のフィン付き伝熱管４０Ｃと異ならないので、同じ構成には、同一符号を付し、重複説明を省略する。
【０１３２】
図１５に示されたフィン付き伝熱管４０Ｄは、図１４に示された第３実施例のフィン付き伝熱管４０Ｃに加えて、隣り合うフィン４７ａ，４７ｂが伝熱管４１側を向く縮小箇所を輻射率の低い面５１とすることで、電磁波の発生を低下させ、発生電磁波が伝熱管４１が側を向き、大気へ向かうことが阻まれて、放熱が低下することを防止できる効果を奏する。
【０１３３】
第４実施例のフィン付き伝熱管４０Ｄにおいても、隣り合うフィン４７ａ，４７ｂの拡開箇所のフィン部分に溶射処理が施され、微小凹凸形状の溶射処理面４４が構成され、同じく隣り合うフィン４７ａ，４７ｂの縮小箇所のフィン部分に輻射率の小さい面（平滑面）５１が構成されたので、フィン４７による放熱によりも、自然対流熱伝達率と輻射による熱伝達率を増加させることができ、大気への放熱量を増加させることが可能となる効果を奏する。
【０１３４】
［第１０の実施形態の効果］
本実施形態に係るフィン付き伝熱管においては、伝熱管に設けられたフィンおよび伝熱管表面に溶射処理を施して複雑な微小凹凸形状の溶射処理面を、フィン形状に適用したので、フィン形状のみの熱伝達率より増加させることができ、フィン付き伝熱管からの放熱量を増大させることができる。
【符号の説明】
【０１３５】
１０  プラズマジェット加工装置
１１  溶射ノズル
１２  ノズル本体
１３  陽極
１４  陰極
１５  プラズマガス
１６  プラズマ（プラズマ火炎、プラズマジェット）
２０  混合粉体
２１  第１の粉体
２１ａ  第１の粉体の溶射部
２２  第２の粉体
２２ａ  第２の粉体の溶射部
２３  金属基材（伝熱部材、ヒートパイプ）
２４  被膜（溶射層）
２５  冷却流路
２６  冷却水
２８  光触媒層
２９  フィン
３０，３０Ａ〜３０Ｃ  原子炉格納容器
３１，３２，３６  溶射層（溶射処理面）
３３  原子炉
３５  外側構造物
４０，４０Ａ〜４０Ｄ  フィン付き伝熱管
４１  伝熱管
４３  フィン
４４，４５  溶射層（溶射処理面、伝熱面）
４６  輻射率の低い面（平滑面）
４７  フィン
５１  輻射率の低い面（平滑面）
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図５】
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