(57)【要約】【課題】使用・運転回数が上昇するにつれ、金属疲労により受熱板に亀裂などの欠陥が生じ、欠陥は冶金的接合部を介し伝熱促進管まで進展してしまうことにある。【解決手段】スリット構造付き受熱板２の内面、外面又は内外両面に冶金的接合部３を介して伝熱促進管１を設置する熱交換器２０において、前記伝熱促進管１と受熱板２との間に非接合領域４を形成したことを特徴とする。【選択図】図１
2018020360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スリット構造付き受熱板の内面、外面又は内外両面に冶金的接合部を介して伝熱促進管を
設置する熱交換器において、前記伝熱促進管と受熱板との間に非接合領域を形成したこと
を特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記非接合領域は、前記冶金的接合部を一部削除することによって形成されることを特徴
とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記非接合領域は、配管肉厚を上回らない深さの溝を前記伝熱促進管に形成することによ
って設けられること、を特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
【請求項４】
前記非接合領域は、前記受熱板に形成することによって設けられることを特徴とする、請
求項１記載の熱交換器。
【請求項５】
前記非接合領域は、前記受熱板を構成するスリット状の間隙からなり、前記受熱板は複数
ブロックに分割され、分割された受熱板ブロックは間隔を置いて配列され、この受熱板ブ
ロックは冶金的接合部を介して前記伝熱促進管に接続されていることを特徴とする請求項
１記載の熱交換器。
【請求項６】
前記非接合領域は、前記受熱板および前記伝熱促進管とは相違する中間材によって形成さ
れていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項７】
前記スリット構造付き受熱板のスリット挿入位置と前記非接合領域を一致させること特徴
とする請求項１から請求項６の何れか１項記載の熱交換器。
【請求項８】
前記スリット構造付き受熱板のスリットが形成されている面に相対する面に、１箇所もし
くは同軸上１箇所２点のみの他機器への取り付け固定部を有することを特徴とする請求項
１から請求項７の何れか１項記載の熱交換器。
【請求項９】
真空容器と、
前記真空容器内に配置されるダイバータと、
前記ダイバータに設けられたプラズマのターゲット部であるスリット構造付き受熱板と、
を備え、
前記ターゲット部近傍に伝熱促進管が配置され、
前記スリット構造付き受熱板に冶金的接合部を介して前記伝熱促進管が接合され、
前記伝熱促進管と受熱板とからなる熱交換器を請求項１から請求項８のいずれか１項記載
の熱交換器としたことを特徴とする核融合炉。
【請求項１０】
イオンの引き出しを行うイオン源と、 
中性化を逃れたイオンを回収するビームダンプと、
前記イオン源に設置されたイオン源排気系と、
前記ビームダンプに設置されたビームダンプ排気系と、を備え、
前記ビームダンプには伝熱促進管が設けられ、
この伝熱促進管と前記ビームダンプとからなる熱交換器を請求項１から請求項８のいずれ
か１項記載の熱交換器としたことを特徴とする中性粒子入射加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、熱交換器、核融合炉及び中性粒子入射加熱装置における伝熱促進管
の取り付け構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍機や空調機や一般冷却装置に使用する熱交換器の冷却管として、あるいは核融合炉受
熱機器やその周辺装置の受熱機器及び熱交換器等に使用される高熱負荷機器の除熱のため
の冷却管として、表面に所定形状の受熱板が形成された伝熱促進管が用いられる。
【０００３】
従来、これらの熱交換器１０を構成する伝熱促進管１は、図１１に示すように除熱性能を
高めるために、受熱板２の内面又は外面又は内外両面に冶金的接合部３で取り付けられ、
その表面には熱変形を吸収するためにスリット６が形成されている。
【０００４】
この受熱板２には高熱負荷がかかるため、熱膨張と収縮が繰り返し行われることで受熱板
２にて金属疲労による欠陥５が生じる。伝熱促進管１および受熱板２の間は冶金的接合部
３によって冶金接合されている。このため、欠陥５が進展する場合、冶金的接合部３を介
して伝熱促進管１に達し、割れが発生し、例えば冷却水などの配管内部物質の漏洩につな
がる可能性がある。
【０００５】
冶金的接合部３は熱伝導が良いが同時に受熱板２で発生した欠陥５を伝熱促進管１まで伝
えてしまう。伝熱促進管１と受熱板２の接合面積が大きいほど除熱は促進されるが、これ
に反し受熱板２で生じた欠陥３を伝熱促進管１まで進展させてしまう可能性を増加させる
ことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１４１８９０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１４００３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱交換器における除熱のための冷却管である伝熱促進管の取付けは、除熱性能を高めるた
めに、受熱板の内面又は外面又は内外両面に冶金的接合で取り付けられていることから、
受熱板の熱膨張、熱収縮の繰り返しの結果、金属疲労により受熱板に亀裂などの欠陥が生
じ、欠陥は冶金的接合部を介し伝熱促進管まで進展してしまう可能性がある。
【０００８】
この欠陥によって伝熱促進管内部の物質が外部へ漏洩してしまう可能性があることから、
使用・運転回数が上昇するにつれ、伝熱促進管および受熱板の健全性や信頼性が低くなる
おそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態に係る熱交換器は、スリット構造付き受熱板の内面、外面又は内外両面に冶
金的接合部を介して伝熱促進管を設置する熱交換器において、前記伝熱促進管と受熱板と
の間に非接合領域を形成したことを特徴とする。
【００１０】
また、本実施形態に係る核融合炉は、真空容器と、前記真空容器内に配置されるダイバ
ータと、前記ダイバータに設けられたプラズマのターゲット部であるスリット構造付き受
熱板と、を備え、前記ターゲット部近傍に伝熱促進管が配置され、前記スリット構造付き
受熱板に冶金的接合部を介して前記伝熱促進管が接合され、前記伝熱促進管と受熱板とか
らなる熱交換器を上記熱交換器としたことを特徴とする。
【００１１】
さらに、本実施形態に係る中性粒子入射加熱装置は、イオンの引き出しを行うイオン源と
、中性化を逃れたイオンを回収するビームダンプと、前記イオン源に設置されたイオン源
排気系と、前記ビームダンプに設置されたビームダンプ排気系と、を備え、前記ビームダ
ンプには伝熱促進管が設けられ、この伝熱促進管と前記ビームダンプとからなる熱交換器
を上記熱交換器としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態は、伝熱促進管と受熱板の接合部における形状、取り付け方法を改善
することにより、接合部に発生する微小な欠陥や接合不良による欠陥の進展防止を図るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態を示す熱交換器であり、（ａ）は要部断面斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す熱交換器の要部断面図。
【図３】本発明の第３実施形態を示す熱交換器の要部断面図。
【図４】本発明の第４実施形態を示す熱交換器の要部断面図。
【図５】本発明の第５実施形態を示す熱交換器の要部断面図。
【図６】本発明の第５実施形態の他の実施例を示す熱交換器の要部断面図。
【図７】本発明の第６実施形態を示す熱交換器の要部断面斜視図。
【図８】本発明の第７実施形態を示す熱交換器としての核融合炉を示す概略図。
【図９】図８に示した核融合炉のダイバータを示す概略斜視図。
【図１０】本発明の他の実施形態にかかる熱交換器としての中性粒子入射加熱装置を示す説明図。
【図１１】熱交換器の従来例を示す要部縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。なお図１１と同一の構
成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１を用いて、以下第１実施形態を説明する。なお、図１は本発明の第１実施形態を示す
熱交換器であり、（ａ）は要部断面斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
【００１６】
図１において、熱交換器２０は、伝熱促進管１との取り付け法線方向にスリット６が挿入
された受熱板２と、そこに冶金的接合部３により取り付けられた伝熱促進管１から構成さ
れている。そしてこの受熱板２と伝熱促進管１との間、例えば冶金的接合部３には非接合
領域４が形成されている。
【００１７】
このような構成において、図１（ｂ）に示すように金属疲労が原因で受熱板２のスリット
部６から欠陥５が発生した場合、欠陥５はその後進展していくが非接合領域４でその欠陥
５の進展は停止する。
【００１８】
よって、冶金的接合部３に非接合領域４を設けることで、受熱板２で発生した欠陥３の進
展想定箇所と伝熱促進管１の縁が切れているため、受熱板２に発生した欠陥５の伝熱促進
管１への進展を防ぐことができる。
【００１９】
（第２実施形態）
図２を用いて、以下第２実施形態を説明する。なお、図２は本発明の第２実施形態を示す
熱交換器の要部断面図である。
【００２０】
図２において、熱交換器２１を構成する伝熱促進管１には、周方向に配管肉厚を上回らな
い深さの溝７が形成されている。この伝熱促進管１に形成された溝７が受熱板２との非接
合領域４となる。
【００２１】
このような構成において、金属疲労が原因で受熱板２のスリット部６から欠陥５が発生し
た場合、欠陥５はその後進展していくが非接合領域４である溝７によってその欠陥５の進
展は停止する。
【００２２】
よって、冶金的接合部３に非接合領域４である溝７を設けることで、受熱板２で発生した
欠陥３の進展想定箇所と伝熱促進管１の縁が切れているため、受熱板２に発生した欠陥５
の伝熱促進管１への進展を防ぐことができる。
【００２３】
なお、図２では溝７が伝熱促進管１側に設けられた例を示しているが、受熱板２側に設け
でも良い。
【００２４】
（第３実施形態）
図３を用いて、以下第３実施形態を説明する。なお、図３は本発明の第３実施形態を示す
熱交換器の要部断面図である。
【００２５】
図３において、熱交換器２２を構成する受熱板２を複数の分割構造の受熱板ブロック１２
とし、受熱板ブロック１２同士の取り付け間隔を従来のスリット６と同様の間隙１１とし
た上で、伝熱促進管１との接触面全面を冶金的接合部３とする。なお、取り付け間隔は必
ずしも等間隔でなくてもよい。
【００２６】
隣り合う受熱板ブロック１２同士の取り付け間隔が非接合領域４となることから、
欠陥５の進展先には受熱板２と伝熱促進管１の冶金的接合部３が存在しない。また、伝熱
促進管１と受熱板２の冶金的接合の際に、非接合領域４を設けるよう配慮せずに作業可能
であり、受熱板２の各受熱板ブロック１２は全面で伝熱促進管１と接合させることができ
る。
【００２７】
よって、非接合領域４を設けることで、受熱板２で発生した欠陥３の進展想定箇所と伝熱
促進管１の縁が切れているため、受熱板２に発生した欠陥５の伝熱促進管１への進展を防
ぐことができる。また、簡易な作業性で非接合領域４を設けることができる。
【００２８】
（第４実施形態）
図４を用いて、以下第４実施形態を説明する。なお、図４は本発明の第４実施形態を示す
熱交換器の要部断面図である。
【００２９】
図４において、熱交換器２３は、スリット６を有した受熱板２および伝熱促進管１を有し
、両者の接合面に中間材８を挿入することにより非接合領域４を形成している。中間材８
が挿入されていない部分においては、伝熱促進管１と受熱板２は冶金的接合部３によって
接合されている。
【００３０】
このような構成によって、中間材８により、伝熱促進管１および受熱板２の形状を変化さ
せることなく、非接合領域４を中間材８として設けることができる。非接合領域４により
、受熱板２で発生した欠陥５の進展想定箇所と伝熱促進管１の縁が切れているため、受熱
板２に発生した欠陥５の伝熱促進管１への進展を防ぐことができる。
【００３１】
よって、非接合領域４を確保した上で、伝熱促進管１および受熱板２を製作する際の機械
加工量を低減させることができる。
【００３２】
（第５実施形態）
図５を用いて、以下第５実施形態を説明する。図５は本発明の第５実施形態を示す熱交換
器の要部断面図である。なお、図５において図２と同一部分には同一符号を付し、その構
成の説明は省略する。
【００３３】
図５において、熱交換器２５は、図２にて説明した受熱板２のスリット６の位置と、伝熱
促進管１の溝７からなる非接合領域４の位置を一致させて構成されている。
【００３４】
このような構成によって、スリット部６から欠陥５が発生し、その欠陥５の進展はスリッ
ト部６のごく周辺と仮定する。欠陥５の進展箇所と想定されるスリット部６周辺にのみ非
接合領域４が存在する。
【００３５】
よって、受熱板２で発生した欠陥部５の進展想定箇所と伝熱促進管１の縁が切れているた
め、受熱板１に発生した欠陥５の伝熱促進管１への進展を防ぐことができる。かつ非接合
領域４を最低限とすることで受熱板２と伝熱促進管１の除熱性能を確保することができる
。
【００３６】
また、図６に示すように第１，４実施形態で示した非接合領域４、８に上述したように、
受熱板２のスリット６の位置と、非接合領域４、８の位置を一致させることによっても同
様の作用、効果をえることができる。
【００３７】
（第６実施形態）
図７を用いて、以下第６実施形態を説明する。図７は本発明の第６実施形態を示す熱交換
器の要部断面斜視図である。なお、図７において図１と同一部分には同一符号を付し、そ
の構成の説明は省略する。
【００３８】
図７において、熱交換器２６は、伝熱管１と接合された受熱板２を他機器への取り付ける
場合、受熱板２は受熱板のスリットが形成されている面に相対する面に、１箇所もしくは
同軸上１箇所２点のみの他機器との取り付け固定部９を有している。
【００３９】
このような構成によって、受熱板２の他機器との取り付け固定部９を１箇所のみとするこ
とで、受熱板２は完全固定状態とならず、繰り返される熱膨張、熱収縮を自由に行うこと
ができる。
【００４０】
よって、熱応力が緩和され、繰り返しの運転による金属疲労への耐性を向上させることが
できる。そして、熱応力緩和のために設けられているスリット６の効果をより活かすこと
が可能であり、スリット部６の溝底エッジ部での欠陥発生のリスクを低減させることがで
きる。
【００４１】
（第７実施形態）
また、上記実施形態においては、伝熱促進管１の適用対象となる熱交換器１０として一般
的な冷却装置を例示したが、これに限られるものではなく、様々な装置に適用することが
出来る。例えば、図８及び図９に示す核融合機器等にも本発明の伝熱促進管１を適用可能
である。
【００４２】
図８は核融合炉３０を示す断面図であり、図９はダイバータのターゲット部を示す斜視図
である。図８に示す核融合炉３０において真空容器３１はトーラス形状で構成されており
、その真空容器３１内にプラズマ３２を閉じ込め核融合反応を起こさせる。真空容器３１
内に各種炉内機器が配置され、特に核融合反応後に生ずるＨｅなどを容器３１外へ排気す
るためにダイバータ３３が配置される。ダイバータ３３には高エネルギーのＨｅなどが磁
場で導かれ、ターゲット３４に当たり熱エネルギーへ変換される。熱交換対象としてのタ
ーゲット３４の熱負荷は例えば２０ＭＷ／ｍ２もの高いものであり、通常は強制冷却方式
が採用される。ターゲット３４には冷却管３５が設けられており、この冷却管３５として
本発明の伝熱促進管１を適用可能である。すなわち、ターゲット３４と伝熱促進管１内を
流れる媒体との間で熱交換が行われる。
【００４３】
また他の実施形態として、例えば図１０に示すような中性粒子入射加熱装置４０にも伝熱
促進管１を適用できる。中性粒子入射加熱装置４０は、核融合装置にプラズマ追加熱機器
として取り付けられ、イオンの引き出しを行うイオン源４１と、中性化を逃れたイオンを
回収するビームダンプ４２と、イオン源４１に設置されたイオン源排気系４３と、ビーム
ダンプ４２に設置されたビームダンプ排気系４４と、を備えている。
【００４４】
この中性粒子入射加熱装置４０において、中性化セルで中性化されずに残った高エネルギ
ー水素イオンなどが、偏向電磁石の磁場により軌道を曲げられ、ビームダンプ４２へダン
プする。熱負荷は例えば１０から２０ＭＷ／ｍ２もの高いものであり、同様に強制冷却方
式で冷却されることになる。
【００４５】
熱交換対象としてのビームダンプ４２は、冷却配管一本一本が整然と並べられているもの
があり、それらの冷却配管として本発明の伝熱促進管１を適用することができる。
【００４６】
また、熱交換対象としてのビームダンプについては重粒子照射装置に使用されるイオン源
の不要な多価イオンの吸収に使用するビームダンプに適用することも可能である。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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】
【００５０】
１…伝熱促進管 
２…受熱板 
３、１３…冶金的接合部 
４…非接合領域
５…欠陥
６、１１…スリット 
７…溝 
８…中間材 
９…取り付け固定部 
１０、２０、２１、２２、２３、２５、２６…熱交換器
１２…受熱板ブロック
３０…核融合炉
３１…真空容器
３２…プラズマ
３３…ダイバータ
３４…ターゲット
３５…冷却管
４０…中性粒子入射加熱装置
４１…イオン源
４２…ビームダンプ
４３…イオン源排気系
４４…ビームダンプ排気系
【図１】
2018020360.tif 000003
【図２】
2018020360.tif 000004
【図３】
2018020360.tif 000005
【図４】
2018020360.tif 000006
【図５】
2018020360.tif 000007
【図６】
2018020360.tif 000008
【図７】
2018020360.tif 000009
【図８】
2018020360.tif 000010
【図９】
2018020360.tif 000011
【図１０】
2018020360.tif 000012
【図１１】
2018020360.tif 000013