(57)【要約】【課題】小型で既存設備への追設が容易であるとともに流体の自然循環による熱交換効率に優れる除熱装置が提供される。【解決手段】除熱装置１０は、冷媒１１ａが供給される供給口１２、供給された冷媒１１ｂを排出する排出口、及び上面から下面にわたって貫通し周囲の流体１４（１４ａ，１４ｂ）を通過させる通過孔１５を有する熱交換部１６と、上下方向に配列する複数の熱交換部１６の間隙においてこの熱交換部の上面に接する流体の領域とその下面に接する流体の領域とを仕切る仕切板２０と、複数の熱交換部１６の供給口１２の各々に連通しさらに排出口の各々にも連通して冷媒１１（１１ａ，１１ｂ）を移動させる冷媒流路と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が供給される供給口、供給された冷媒を排出する排出口、及び上面から下面にわたって貫通し周囲の流体を通過させる通過孔を有する熱交換部と、
上下方向に配列する複数の前記熱交換部の間隙においてこの熱交換部の上面に接する前記流体の領域とその下面に接する前記流体の領域とを仕切る仕切板と、
複数の前記熱交換部の前記供給口の各々に連通しさらに前記排出口の各々にも連通して前記冷媒を移動させる冷媒流路と、を備えることを特徴とする除熱装置。
【請求項２】
前記熱交換部の下面において、前記仕切板が接続する側とは反対の縁端に、前記通過孔を通過した流体を案内する第１案内部材が設けられている請求項１に記載の除熱装置。
【請求項３】
上下方向に配列する複数の前記熱交換部の側方に、各々の前記熱交換部を通過した流体を案内する第２案内部材が設けられている請求項１又は請求項２に記載の除熱装置。
【請求項４】
上下方向に配列する複数の前記熱交換部の間隙において、前記熱交換部を通過する前又は後の前記流体を冷却する冷却部材が設けられている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の除熱装置。
【請求項５】
前記冷媒は、液状で前記熱交換部に供給されたのちに、少なくともその一部が気化してから排出される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の除熱装置。
【請求項６】
前記冷媒流路の内部は、大気圧よりも減圧されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の除熱装置。
【請求項７】
前記仕切板は、前記流体の案内される方向に沿って曲面構造又は矩形構造を示す請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の除熱装置。
【請求項８】
使用済み核燃料の冷却プールに配置されている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の除熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の自然循環を利用した除熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱出力密度の高い熱源を電力により冷却する場合、電力の大量消費に伴い、排熱量の増加が懸念される。そこで、この熱源の周囲を取り巻く流体の自然循環を利用して電力の使用を極力抑えた除熱システムが検討されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−６５９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、流体の自然循環を利用した公知の除熱システムは、熱源に対する流体の循環路を規定した専用スペースを新設する必要があるために、装置が大規模化したり既存設備への適用が困難であったりする課題があった。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、小型で既存設備への追設が容易であるとともに流体の自然循環による熱交換効率に優れる除熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る除熱装置において、冷媒が供給される供給口、供給された冷媒を排出する排出口、及び上面から下面にわたって貫通し周囲の流体を通過させる通過孔を有する熱交換部と、上下方向に配列する複数の前記熱交換部の間隙においてこの熱交換部の上面に接する前記流体の領域とその下面に接する前記流体の領域とを仕切る仕切板と、複数の前記熱交換部の前記供給口の各々に連通しさらに前記排出口の各々にも連通して前記冷媒を移動させる冷媒流路と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、小型で既存設備への追設が容易であるとともに流体の自然循環による熱交換効率に優れる除熱装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る除熱装置の第１実施形態を示す斜視図。
【図２】（Ａ）第１実施形態に係る除熱装置の側面図、（Ｂ）その正面図。
【図３】（Ａ）適用される仕切板の第１変形例を示す除熱装置の側面図、（Ｂ）その第２変形例を示す除熱装置の側面図。
【図４】第２実施形態に係る除熱装置の側面図。
【図５】（Ａ）第３実施形態に係る除熱装置の側面図、（Ｂ）その正面図。
【図６】各実施形態に係る除熱装置が適用された使用済み核燃料の冷却プールの断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示すように第１実施形態の除熱装置１０は、冷媒１１ａ（１１）が供給される供給口１２、供給された冷媒１１ｂ（１１）を排出する排出口１３（図２（Ｂ））、及び上面から下面にわたって貫通し周囲の流体１４（１４ａ，１４ｂ）を通過させる通過孔１５を有する熱交換部１６と、上下方向に配列する複数の熱交換部１６の間隙においてこの熱交換部の上面１７に接する流体の領域１８ａとその下面１９に接する流体の領域１８ｂとを仕切る仕切板２０と、複数の熱交換部１６の供給口１２の各々に連通しさらに排出口１３の各々にも連通して冷媒１１（１１ａ，１１ｂ）を移動させる冷媒流路２１（２１ａ，２１ｂ）と、を備えている。
【００１０】
冷媒１１（１１ａ，１１ｂ）は、液状のまま熱交換部１６の内部を通り抜けて、通過孔１５を通過する流体１４（１４ａ，１４ｂ）と熱交換する。
また、冷媒１１は、液状で供給口１２に供給された後、少なくともその一部が流体１４との熱交換により気化してから排出口１３より排出される性状を示すものも採用され得る。
【００１１】
通過孔１５は、その両端が熱交換部１６の上面と下面に開口し、互いに混合しないように冷媒１１ａと流体１４ａとを熱交換させ、除熱されて比重の増した流体１４ｂを下方向に通過させる。
【００１２】
仕切板２０は、両端がそれぞれ上側の熱交換部１６の下面１９の一方の縁と下側の熱交換部１６の上面１７の他方の縁とに接続されている。
このように仕切板２０が設けられることにより、上下方向に配列する複数の熱交換部１６の上面１７に接する流体の領域１８ａとその下面１９に接する流体の領域１８ｂとを仕切る。
仕切板２０は、熱伝導係数の小さな断熱材を用いることにより、除熱前の流体１４ａと除熱後の流体１４ｂが、この仕切板２０を隔てて熱交換することを抑制して除熱効率の低下を防止する。
【００１３】
なお、仕切板２０は図２（Ａ）に示されるように平板斜面を示す場合の他に種々の形状を取り得る。
例えば、図３（Ａ）に示すように仕切板２０Ａは、流体１４ｂの案内される方向に沿って曲面構造を示す場合もあるし、図３（Ｂ）に示すように両端が直角に曲げられた矩形構造を示す場合もある。
このような構造により、熱交換部の上面１７及び下面１９と仕切板２０Ａ，２０Ｂとの間隔が均一化して各通過孔１５（図１）の流量の均一化をもたらし、熱交換部１６の伝熱性能の一定化が保たれる。
【００１４】
図２（Ｂ）に示すように冷媒流路２１ａは、複数の熱交換部の供給口１２の各々に連通して冷媒１１ａを熱交換部１６に供給する。そして、流体１４と熱交換して昇温した冷媒１１ｂは、排出口１３の各々に連通する冷媒流路２１ｂにより熱交換部１６の外部に排出される。
【００１５】
冷媒流路２１ａが接続する供給口１２から冷媒流路２１ｂが接続する排出口１３にわたり密閉系で構成され、冷媒１１が流体１４に混合することが防止される。
そして、冷媒流路２１の内部は、大気圧よりも減圧された状態を維持することができ、この冷媒流路２１の内部圧力を調整することにより、冷媒１１の気化温度を調整することができる。
これにより、昇温過程にある流体１４に対し、冷媒流路２１の内部圧力を調整することにより、除熱装置１０の動作開始温度を設定することができる。
【００１６】
以上述べた構成により、上下方向に配列する複数の熱交換部１６の上面１７に接する領域１８ａにある流体１４ａは、冷媒１１によって除熱されると、通過孔１５を通過した後に仕切板２０により下面１９に接する領域１８ｂに案内される。
このように、除熱前の流体１４ａと除熱後の流体１４ｂとは、仕切板２０を隔てて混合することはない。このために、除熱前の流体１４ａと冷媒１１ｂとは、温度勾配を大きく維持したまま熱交換部１６に供給され続け、効率的な除熱が実現される。
【００１７】
そして、除熱後の流体１４ｂは、熱交換部の下面１９に接する領域１８ｂをさらに下降して、熱源（図示略）に到達する。
この熱源により再加熱された流体１４ａは、比重が軽くなるために上昇し、再び領域１８ａにおいて上面１７から熱交換部１６に入力される。
このようにして、流体１４ａ，１４ｂの自然循環が持続し、熱源により加熱され続ける流体１４は、除熱装置１０により効率的に除熱処理される。
【００１８】
（第２実施形態）
次に図４に基づいて本発明における第２実施形態について説明する。
なお、図４において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図４に示すように第２実施形態に係る除熱装置１０は、熱交換部の下面１９において、仕切板２０が接続する側とは反対の縁端に、通過孔１５（図１）を通過した流体１４ｂを案内する第１案内部材２３が設けられている。
これにより、それぞれの熱交換部１６において除熱後の流体１４ｂが合流するポイントにおける流体抵抗を小さくすることができる。
【００２０】
さらに、上下方向に配列する複数の熱交換部１６の側方に、各々の熱交換部１６を通過した流体１４ｂを案内する第２案内部材２４が設けられている。
これにより、除熱後の流体１４ｂが拡散して除熱前の流体１４ａに合流することが防止されるとともに、第２案内部材２４の内側に下降流を生じさせ、除熱前の流体１４ａに対する熱交換部１６の吸引力を増大させる。
【００２１】
このようにして、第２実施形態に係る除熱装置１０では、自然循環量が増加して、流体１４の除熱効果を向上させることができる。
【００２２】
（第３実施形態）
次に図５に基づいて本発明における第３実施形態について説明する。
なお、図５において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第３実施形態に係る除熱装置１０は、上下方向に配列する複数の熱交換部１６の間隙において、この熱交換部１６を通過する前又は後の流体１４を冷却する冷却部材２５が設けられている。
【００２３】
このような冷却部材２５としては、熱交換部１６と熱的に連結されているフィン又はヒートパイプとすることができる。
これにより、流体１４と熱交換する伝熱面積が増大し、除熱効率の向上が図れる。
【００２４】
図６は、各実施形態に係る除熱装置１０が適用された使用済み核燃料の冷却プール３０の断面図を示している。
原子炉から排出される使用済み核燃料は、複数の角管が格子状に配列してなる燃料ラック３１に、燃料集合体を単位として収容される。そして、放射線及び崩壊熱が減衰するまで冷却プール３０において一定期間冷却される。
【００２５】
除熱装置１０は、冷却プール３０の内壁と使用済み燃料を収容したラック３１との隙間に、プール水３２に浸漬するように設けられている。
そして、除熱装置１０と冷却プール３０とは、その底部において固定部材２７により固定されている。
これにより、既設の原子力プラントにおいて使用済み燃料を抜き取ることなく、除熱装置１０を追設することができる。
【００２６】
熱交換部１６の内部に保持されている冷媒は、水が用いられている。
この熱交換部１６は、保持されている冷媒水がプール水３２の沸点温度よりも低温で気化するように、その内部気圧が流路２１ａ，２１ｂを介して冷媒循環制御部２８により減圧されている。
この冷媒循環制御部２８は、気化した冷媒を流路２１ｂから受け取ると、冷却して液体に凝縮した冷媒を流路２１ａを介して熱交換部１６に返送する。
【００２７】
なお、熱交換部１６の内部保持される冷媒は、水に限定されるものではなく、プール水３２が通常設定温度である場合に液状を示しこの通常設定温度を超える温度で気化するものであれば、適宜採用される。
また、使用する冷媒は、通常設定温度を超える温度で気化しないものであってもよく、この場合、冷媒循環制御部２８において液状冷媒の除熱機能を備えることにすればよい。
【００２８】
天災等の被害によって、通常運転されている燃料プール冷却浄化系（ＦＰＣ）の機能が失われると、崩壊熱によりプール水３２が蒸発し、気中に露出した燃料ラック３１に収容された使用済み燃料がさらに高温化して損傷するおそれがある。
本実施形態に係る除熱装置１０は、このような異常事態が発生した場合であっても、わずかな補助動力によりもしくは動力を使用せずに、昇温したプール水３２の除熱を実行することができる。
【００２９】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の除熱装置によれば、上下方向に配列する複数の熱交換部の間隙において仕切板により除熱前の流体と除熱後の流体を仕切ることによって、流体を自然循環させて優れた熱交換効率を発揮する。
【００３０】
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、組み合わせ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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００３１】
１０…除熱装置、１１（１１ａ，１１ｂ）…冷媒、１２…供給口、１３…排出口、１４（１４ａ，１４ｂ）…流体、１５…通過孔、１６…熱交換部、１７…熱交換部の上面、１８ａ…熱交換部の上面に接する流体の領域、１８ｂ…熱交換部の下面に接する流体の領域、１９…熱交換部の下面、２０，２０Ａ，２０Ｂ…仕切板、２１（２１ａ，２１ｂ）…冷媒流路、２３…第１案内部材、２４…第２案内部材、２５…冷却部材、２７…固定部材、２８…冷媒循環制御部、３０…冷却プール、３１…燃料ラック、３２…プール水。
【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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【図６】
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