(57)【要約】【課題】  液滴形成用の気体が不要な液滴製造用ノズルを提供する。【解決手段】  本発明の液滴製造用ノズルは、液体を噴出させる噴出口を含み、  前記噴出口から、液滴形成用の気体を実質的に含まない液体を真空中に噴出させ、  前記噴出口からの噴出時に、前記液体に回転力を加えた状態で噴出させるとともに、  前記噴出口からの噴出時における前記液体の流速が、前記噴出口の中心部と周縁部とで異なることを特徴とする。【選択図】  図３
2019037961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を噴出させる噴出口を含み、
前記噴出口から、液体を真空中または希薄な気体中に噴出させ、
前記噴出口からの噴出時に、前記液体の液面が気体に実質的に接触せず、
前記噴出口からの噴出時に、前記液体に回転力を加えた状態で噴出させるとともに、
前記噴出口からの噴出時における前記液体の流速が、前記噴出口の中心部と周縁部とで異なることを特徴とする液滴製造用ノズル。
【請求項２】
製造される液滴の直径が、前記噴出口の直径以下であるか、または、前記噴出口の直径よりも小さい請求項１記載の液滴製造用ノズル。
【請求項３】
前記液滴製造用ノズルにおける前記液体の流路が、らせん形状である請求項１または２記載の液滴製造用ノズル。
【請求項４】
前記らせん形状が、前記噴出口側に近くなるほど半径が小さくなる先細り形状である請求項３記載の液滴製造用ノズル。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の液滴製造用ノズルを含むことを特徴とする液滴製造装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載の液滴製造用ノズル、または、請求項５記載の液滴製造装置を含むことを特徴とする核融合装置。
【請求項７】
さらに、前記液滴から気体および熱を分離する気体および熱分離装置を含み、
前記気体および熱分離装置が、トリチウムを分離回収可能であり、
さらに、前記回収トリチウムを核融合させる核融合プラズマを含むことを特徴とする請求項６記載の核融合装置。
【請求項８】
噴出口から真空中または希薄な気体中に液体を噴出させる液体噴出工程を含み、
前記液体噴出工程において、
前記噴出口からの噴出時に、前記液体の液面が気体に実質的に接触せず、
前記噴出口からの噴出時に、前記液体に回転力を加えた状態で噴出させるとともに、
前記噴出口からの噴出時における前記液体の流速が、前記噴出口の中心部と周縁部とで異なることを特徴とする、液滴製造方法。
【請求項９】
請求項１から５のいずれか一項に記載の液滴製造用ノズルを用いて前記液体噴出工程を行なう請求項８記載の液滴製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴製造用ノズル、液滴製造装置、核融合装置、および液滴製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴の製造において、液体を大気中または真空中に噴出させることにより、前記液体の液滴を製造することが行われている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、真空中への噴出の場合でも、微細な液滴の生成には、前記液体を、液滴形成用の気体とともに噴出させるか、または、噴出時に前記液体が気体と接触しなければならない。例えば、「霧吹き」では、この原理を用いて液滴を生成させている。液滴形成用の気体を用いずに液体から液滴を製造できる装置および方法は、未だ実用化されていない。このため、液体からの液滴の製造時に、前記液滴形成用の気体により、前記液体の酸化等が起こり、品質が低下するおそれがある。また、真空を維持するポンプの排気負荷が、液面に接触する気体の存在のために過大となるおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は、液滴形成用の気体が不要な液滴製造用ノズル、液滴製造装置、核融合装置、および液滴製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するために、本発明の液滴製造用ノズルは、
液体を噴出させる噴出口を含み、
前記噴出口から、液体を真空中または希薄な気体中に噴出させ、
前記噴出口からの噴出時に、前記液体の液面が気体に実質的に接触せず、
前記噴出口からの噴出時に、前記液体に回転力を加えた状態で噴出させるとともに、
前記噴出口からの噴出時における前記液体の流速が、前記噴出口の中心部と周縁部とで異なることを特徴とする。
【０００６】
本発明の液滴製造装置は、前記本発明の液滴製造用ノズルを含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明の核融合装置は、前記本発明の液滴製造用ノズル、または、前記本発明の液滴製造装置を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の液滴製造方法は、
噴出口から真空中または希薄な気体中に液体を噴出させる液体噴出工程を含み、
前記液体噴出工程において、
前記噴出口からの噴出時に、前記液体の液面が気体に実質的に接触せず、
前記噴出口からの噴出時に、前記液体に回転力を加えた状態で噴出させるとともに、
前記噴出口からの噴出時における前記液体の流速が、前記噴出口の中心部と周縁部とで異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、液滴形成用の気体が不要な液滴製造用ノズル、液滴製造装置、核融合装置、および液滴製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、真空中への液体噴出の一例を模式的に示すグラフである。
【図２】図２は、液体噴出の別の一例を模式的に示すグラフである。
【図３】図３は、本発明の液滴製造用ノズルの構造の一例を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の液滴製造用ノズルの構造の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の液滴製造用ノズルの構造のさらに別の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の液滴製造用ノズルによる液滴製造方法の理論の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の液滴製造用ノズルによる液滴製造方法の理論の一例を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の液滴製造用ノズルによる液滴製造方法の理論の一例を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明の液滴製造用ノズルによる液滴製造方法の理論の一例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の液滴製造用ノズルにおけるプランジャの一例を示す写真である。
【図１１】図１１は、本発明の液滴製造用ノズルにおけるプランジャの別の例を示す写真である。
【図１２】図１２は、本発明の液滴製造用ノズルにおけるコーンの一例を示す写真である。
【図１３】図１３は、液滴の径の分布を理論計算により示すグラフの一例である。
【図１４】図１４は、液滴の径の分布を理論計算により示すグラフの別の一例である。
【図１５】図１５は、液滴の写真の一例である。
【図１６】図１６は、液滴形成の別の一例を示す写真およびグラフである。
【図１７】図１７は、液滴形成のさらに別の一例を示す写真である。
【図１８】図１８は、液滴形成のさらに別の一例を示す写真である。
【図１９】図１９は、液滴形成のさらに別の一例を示す写真である。
【図２０】図２０は、液滴形成のさらに別の一例を示す写真である。
【図２１】図２１は、液滴形成のさらに別の一例を示す写真である。
【図２２】図２２は、液滴の径の分布を理論計算により示すグラフのさらに別の一例である。
【図２３】図２３は、液滴の径の分布を理論計算により示すグラフのさらに別の一例である。
【図２４】図２４は、液滴の径の分布を理論計算により示すグラフのさらに別の一例である。
【図２５】図２５は、水の噴出速度および形成された水滴（液滴）の径の測定値を示すグラフの一例である。
【図２６】図２６は、液滴形成のさらに別の一例を示す写真である。
【図２７】図２７は、液体の噴出速度および形成された液滴の径の測定値を示すグラフの別の一例である。
【図２８】図２８は、本発明の核融合装置の一例を示す模式図である。
【図２９】図２９は、図２８の容器１３の構造を、さらに具体的に示す図である。
【図３０】図３０は、モデル計算の一例（０．１ｓ毎のブロックに分割）を示す模式図である。
【図３１】図３１は、球形の液滴を示す模式図である。
【図３２】図３２は、ＰｂＬｉ液滴の温度と真空中滞在時間との関係の計算結果の一例を示すグラフである。
【図３３】図３３は、ＰｂＬｉ液滴の温度と真空中滞在時間との関係の計算結果の別の一例を示すグラフである。
【図３４】図３４は、ＰｂＬｉ液滴の温度と真空中滞在時間との関係の計算結果のさらに別の一例を示すグラフである。
【図３５】図３５は、ＰｂＬｉ液滴の温度と真空中滞在時間との関係の計算結果のさらに別の一例を示すグラフである。
【図３６】図３６は、ＰｂＬｉ液滴の温度と真空中滞在時間との関係の計算結果のさらに別の一例を示すグラフである。
【図３７】図３７は、ＰｂＬｉ液滴の温度と真空中滞在時間との関係の計算結果のさらに別の一例を示すグラフである。
【図３８】図３８は、従来の核融合装置の一例によるトリチウムおよび熱の分離回収メカニズムを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明について、例を挙げて説明する。ただし、本発明は、以下の説明により限定されない。
【００１２】
本発明の前記液滴製造用ノズルにおいて、例えば、製造される液滴の直径が、前記噴出口の直径以下であるか、または、前記噴出口の直径よりも小さくてもよい。
【００１３】
本発明の前記液滴製造用ノズルにおいて、例えば、前記液体の流路が、らせん形状であってもよい。また、前記らせん形状は、例えば、前記噴出口側に近くなるほど半径が小さくなる先細り形状であってもよい。
【００１４】
本発明の核融合装置は、例えば、さらに、前記液滴から気体および熱を分離する気体および熱分離装置を含み、前記気体および熱分離装置が、トリチウムを分離回収可能であり、さらに、前記回収トリチウムを核融合させる核融合プラズマを含んでいてもよい。
【００１５】
本発明の液滴製造方法は、例えば、前記本発明の液滴製造用ノズルを用いて前記液体噴出工程を行なってもよい。
【００１６】
本発明においては、例えば、製造した液滴から熱を分離してもよい。
【００１７】
本発明において、液滴から熱を分離する方法（以下、「本発明の熱分離方法」と言う場合がある。）は、例えば、真空中に形成または真空中に射出された液滴からの熱放射によって、液の保持する熱を液滴と分離する熱分離工程を含んでいてもよい。
【００１８】
本発明の熱分離方法は、例えば、前記液滴が、金属の液滴であっても良い。
【００１９】
本発明の熱分離方法は、例えば、前記液滴が、リチウム含有液体の液滴であっても良い。
【００２０】
本発明の熱分離方法は、例えば、前記液滴が、リチウム鉛（PbLi）の液滴であっても良い。
【００２１】
本発明の熱分離方法は、例えば、前記液滴が、伝熱液体の液滴であっても良い。前記伝熱液体は、例えば、溶融塩または有機液体等であっても良い。
【００２２】
本発明において、前記液滴から分離した熱を回収する方法（以下、本発明の熱回収方法）と言う場合がある。）は、例えば、前記本発明の熱分離方法により分離した熱を、前記真空の周囲の壁面を介して回収してもよい。
【００２３】
本発明においては、例えば、液滴から気体および熱を分離してもよい。本発明において、液滴から気体および熱を分離する方法（以下、「本発明の気体および熱の分離方法」と言う場合がある。）は、例えば、真空中に形成または真空中に射出された液滴中に溶存している気体を、前記気体の拡散放出により前記液滴と分離する気体分離方法と、前記本発明の熱分離方法とを同一の反応系中で行なうことにより、前記液滴から前記気体および前記熱を分離してもよい。
【００２４】
本発明においては、例えば、液滴から気体および熱を分離回収してもよい。本発明において、液滴から気体および熱を分離回収する方法（以下、「本発明の気体および熱の分離回収方法」と言う場合がある。）は、例えば、真空中に形成または真空中に射出された液滴中に溶存している気体を、前記気体の拡散放出により前記液滴と分離する気体分離方法と、前記本発明の熱回収方法とを同一の反応系中で行なうことにより、前記液滴から前記気体および前記熱を分離回収してもよい。
【００２５】
本発明においては、例えば、熱分離装置（以下、「本発明の熱分離装置」と言う場合がある。）を用いて前記本発明の熱分離方法を行なってもよい。本発明の熱分離装置は、例えば、前記本発明の熱分離方法を行なう熱分離手段を含む。
【００２６】
本発明においては、例えば、気体および熱分離装置（以下、「本発明の気体および熱分離装置」と言う場合がある。）を用いて前記本発明の気体および熱の分離方法を行なってもよい。本発明の気体および熱分離装置は、例えば、前記本発明の気体および熱の分離方法を行なう気体および熱分離手段を含む。
【００２７】
本発明においては、例えば、気体および熱分離回収装置（以下、「本発明の気体および熱分離回収装置」と言う場合がある。）を用いて前記本発明の気体および熱の分離回収方法を行なってもよい。本発明の気体および熱分離回収装置は、例えば、前記本発明の気体および熱の分離回収方法を行なう気体および熱分離回収手段を含む。
【００２８】
また、本発明の核融合装置は、例えば、前記本発明の気体および熱分離回収装置を含み、前記本発明の気体および熱分離回収装置が、トリチウムを分離回収可能であり、さらに、前記回収トリチウムを核融合させる核融合プラズマを含んでいてもよい。
【００２９】
核融合装置に於いては発生する熱エネルギーのみならず運転時に生成される燃料トリチウムを媒体である液体金属から抽出する必要がある。また熱エネルギーの回収効率及び液体金属の融点の制約から生成媒体の運転温度は最低でも３００℃以上、一般的な設計では５００℃以上の高温が必要である（例えば、M.S.  Tillack  et  al.,  Fusion  power  core  engineering  for  the  ARIES-ST  power  plant,  Fusion  Eng.  Des.  65  (2003)  215-261.）。
【００３０】
図３８に、核融合装置の一例によるトリチウムおよび熱の回収メカニズムを模式的に示す。この装置は、液体ＰｂＬｉ（リチウム鉛、ＬｉＰｂと表記することもある）をトリチウムおよび熱の回収用に併用するブランケット方式の一つであるＤｕａｌ−Ｃｏｏｌａｎｔ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｌｅａｄ（ＤＣＬＬ）を用いている。図示のとおり、この装置は、核融合プラズマ１６１、ブランケット１６２、トリチウム回収部１６３、および熱交換部１６４を含む。図示のとおり、核融合プラズマ１６１から発生した中性子によりトリチウムおよび熱が、ブランケット１６２中に発生し、ブランケット１６２中の液体ＰｂＬｉ（図３８中ではＬｉＰｂと表記）とともに、まず、配管１６５を通じてトリチウム回収部１６３に送られる。トリチウム回収部１６３では、トリチウムが回収され、配管１６８を通じて核融合プラズマ１６１に戻され、再利用される。一方、トリチウム回収後の液体ＰｂＬｉおよび熱は、トリチウム回収部１６３から、配管１６６を通じて熱交換部１６４に送られる。熱交換部１６４では、熱が回収され、利用されるとともに、ＬｉＰｂは、配管１６７を通じてブランケット１６２に戻され、再利用される。
【００３１】
このような方式では、前述のとおり、トリチウムおよび熱のそれぞれに対し専用の抽出装置を配置し、さらに、隔膜（金属メンブレン）との接触方式で抽出を行う。具体的には、上流にトリチウム回収ステーション（Tritium  Recovery  Station、TRS）を配置し、下流に熱交換ステーション（Heat  Excange  Station、HES）を配置する。しかしながら、この方式では、下記の二つの問題があり、それが、核融合装置の実現性の制約となる。一つ目の問題は、液体金属による配管および隔膜の腐食による装置寿命の問題である。二つ目の問題は、放射性物質であるトリチウムが、配管または隔膜を介して周囲環境および二次媒体に透過するおそれがあることである。
【００３２】
これに対し、本発明の熱分離方法、熱の回収方法、気体および熱の分離方法、熱分離装置、気体および熱分離装置、ならびに核融合装置によれば、例えば、装置の腐食と、放射性物質の透過との問題を防止または抑制することが可能である。
【００３３】
なお、本発明において、真空中に液滴を形成する液体は、蒸気圧が低いことが好ましい。「蒸気圧が低い」とは、具体的には、例えば、液滴の雰囲気が真空であることを妨げない程度の蒸気圧であることをいう。また、本発明において、「真空」は、例えば、液滴の流動（落下等）を妨げず、かつ、伝熱に影響を与えない程度の真空度（雰囲気圧）であれば良く、さほど高度な真空度を必要としない。一方従来法による液滴は粘性流の気体と液流との接触界面における不安定性を利用して形成するので、分子流領域以下の気体は、本発明による「真空」の範疇であると考えてよい。本発明における「希薄な気体」は、例えば、前記分子流領域以下の気体をいう。
【００３４】
また、本発明において、「前記噴出口からの噴出時に、前記液体の液面が気体に実質的に接触せず」は、前記液体を真空中に噴出させる際に、実質的に液滴形成用の気体を前記液体とともに噴出させないこと、および／または、前記液体の流路において、前記液体を気体に実質的に接触させないことを意味する。例えば、前述のとおり、霧吹き等では液滴形成時に、液体を気体とともに噴出させたり、または、液体を噴出時に大気と接触させたりする。これに対し、本発明では、液滴形成用の気体が不要である。本発明において、「前記噴出口からの噴出時に、前記液体の液面が気体に実質的に接触せず」は、前記液体を真空中に噴出させる際に、前記液体中に気体が溶存していてもよい。具体的には、例えば、核融合の用途において、前記液体が、トリチウムを含み、そのトリチウムを前記液体の液滴から分離して用いてもよい。また、本発明において、「前記噴出口からの噴出時に、前記液体の液面が気体に実質的に接触せず」は、例えば、前記液体中に気体が溶存していたり、気体を前記液体とともに噴出させたり、前記液体の流路に気体が存在していたりしても、それらの気体を液滴形成に利用しなければよい。具体的には、例えば、気体を前記液体とともに噴出させたり、前記液体の流路に気体が存在していたりしても、前記気体が希薄な気体であればよい。本発明において、前記「希薄な気体」は、例えば、前述のとおり、前記分子流領域以下の気体をいう。
【００３５】
また、本発明において、「真空」の真空度は、例えば、１００Ｐａ以下、１０Ｐａ以下、１Ｐａ以下、または１０−１Ｐａ（０．１Ｐａ）以下であってもよい。真空度の下限値は、特に限定されないが、例えば、１０−２Ｐａ以上、１０−１Ｐａ以上または０を超える数値であり、理想的には０である。または、本発明における「希薄な気体」は、例えば、前記真空度を満たす気体であってもよい。ただし、本発明においては、前述のとおり、さほど高度な真空度を必要としない。本発明において、「真空」または「希薄な気体」は、例えば、前述のとおり、液体との接触界面において流体的不安定性を生じない「分子流」であればよい。具体的には、例えば、ノズル径や液滴径に比して気体分子の平均自由行程が十分長ければ、本発明でいう「真空」または「希薄な気体」に相当する。これにより、例えば、平均自由行程が容器（例えば、液滴からの熱の回収装置）オーダ程度の寸法となり、ガス原子または分子の相互衝突の影響が無視できるような状態となる。この真空は維持するためにポンプの排気能力を必要とするので，液滴形成時に存在する気体が少ないほど真空度の達成は容易になる。
【００３６】
以下、本発明について、図面、数式等を用いて、さらに具体的に説明する。ただし、以下の説明は例示であり、本発明をなんら限定しない。例えば、各図は、例示的な模式図であり、本発明はこれらに限定されない。また、数式は、理論計算の一例であり、本発明はこれらに限定されない。
【００３７】
［液滴形成のメカニズム］
液体はスプレー等微小液滴化により様々な応用が可能であるが真空中での微小化は困難と考えられていた。すなわち、前述のとおり、液滴の製造において、液体を大気中または真空中に噴出させることにより、前記液体の液滴を製造することが行われている。しかし、真空中への噴出の場合でも、液滴の生成には、前記液体を、気体に接触させて噴出させるか、または、気体とともに噴出しなければならない。このため、前記気体により、前記液体の酸化等が起こり、品質が低下するおそれがある。図２は、液体を気体とともに噴出する場合の状態を例示する模式図である。図示のとおり、液相（Ｌｉｑｕｉｄ）ρ１と、気相（Ｇａｓ）ρ２とをともに噴射すると、前記液相と前記気相との界面で不安定化（Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）が起こることにより、液滴が形成される。より具体的には、例えば、水等を対象とした液滴生成ノズルは、対象流体（液体）を高速で大気またはガス中に噴出させ、または、気体（ガス）とともに真空中に噴出させる。その時、流体とガスとの間に生ずる不安定性成長、すなわちKelvin-Helmholtz-Instability(KHI）により流体を微細化することで、液滴を形成させることができる。しかしながら、真空中では、前記KHIは利用できない。このため、前述のとおり、真空中への噴出の場合でも、液滴の生成には、前記液体を、気体とともに噴出しなければならないと考えられていた。
【００３８】
これに対し、本発明者らは、液滴形成用の気体を用いなくても、流体（液体）内部に速度変曲点を与え、そこで成長する不安定性成長すなわちRayleigh  Instability(RI)を利用して流体（液体）の微細化を行なうことにより、真空中で液滴を製造できることを見出した。
【００３９】
前記Rayleigh  Instability(RI)の原理については、L.  Rayleighにより1880年に発表された論文（L.  Rayleigh,  On  the  stability,  or  instability,  of  certain  fluid  motions,  Proc.  Lond.  Math.  Soc.  11,  (1880),  pp.  57-70.）に記載されている。図１に示すとおり、流体の速度がＵ０からＵｔに変化する速度変曲点が存在すると、不安定性原理により、流体（液体）の不安定化が起こる。すなわち、同一流体中に於いて速度不連続点にはRayleigh不安定が成長するが、その波長は密度に依存しない。本発明者らは、この原理を利用すれば、前述のとおり、液滴形成用の気体を用いなくても、真空中で液滴を製造できることを見出した。前記Rayleigh  Instability(RI)の原理について、より詳しくは、F.  Charru,  Hydrodynamic  instabilities  (English  translation)  ,  Ch.  4.3  Instability  of  a  mixing  layer,  Cambridge  University  Press(2011),  ISBN  978-0-  521-76926-6.の、特に１２２〜１２５頁に記載されている。例えば、下記表１に示す数式、図およびグラフ（図は、図１と同一）に示す原理により、液滴を製造することができる。なお、下記表１の数式中、符号の意味は、下記のとおりである。
ｋ：波数
δ：微小厚
ｃ：波速（複素数）
Ｕ：流速
Ｕａν：平均流速
Ｕｔ：高速側流速
Ｕ０：低速側流速
ｅ：指数関数
ｃｒ：波速  実数部
ｉｃｉ：波速  虚数部
ωｉｍａｘ：最大角速度  虚数部
ｋｒｍａｘ：最大波数  実数部
λｂｓｈ：成長波長
Ｔｓｈ：成長時間
Ｌｂ：成長距離
ａ：速度増大率
ｄｎ：ノズル直径
【００４０】
【表１】
2019037961.tif 000003
【００４１】
さらに、進行流体に回転を付与すると不安定波の高周波成分が増幅される（S.P.  Lin,  Breakup  of  liquid  sheets  and  jets,  Ch.  7.9,  Cambridge  Univ.  Press.  (2003)）。この原理も、本発明における真空中での液滴製造（液体の微細化）に適用できる。
【００４２】
なお、液滴形成用の気体を用いずに液滴を形成する方法としては、例えば、ノズルの噴出口から単純に液体を落下させる方法がある。しかし、この方法では、液滴の直径が、ノズルの噴出口の直径よりも大きくなってしまう。具体的には、真空中での液体の単純落下では、製造される液滴の直径は、理論計算上、ノズルの噴出口の直径に対し、例えば、約１．８９倍となる。このため、この方法で微細な液滴を製造するためには、ノズルの噴出口の直径を小さく（微細化）する必要があり、ノズルの製作困難性、噴出口の目詰まり等の問題があった。したがって、微細な（直径が小さい）液滴を製造するためには、従来は、前述のとおり、液体を液滴形成用の気体とともに噴出させていた。このような方法および装置の典型例として、霧吹きがあげられる。これに対し、本発明によれば、液滴形成用の気体を用いずに、液滴の直径がノズルの噴出口の直径以下であるか、またはノズルの噴出口の直径よりも小さい液滴を製造することも可能である。本発明において、製造される液滴の直径は、特に限定されないが、前記液滴の平均径が、ノズルの噴出口の直径に対し、例えば、０．０１〜１倍、０．０３〜０．５倍、または０．０５〜０．３倍であってもよい。
【００４３】
本発明は、任意の液体の液滴の製造に使用できるが、例えば、液体金属を真空中で微細化（液滴化）するために使用できる。より具体的には、例えば、熱エネルギーおよび/または溶解懸濁した物質の搬送媒体として用いる液体から、真空中で当該熱および/または物質を分離回収する為に必要となる液体の微細化に使用できる。本発明によれば、例えば、極めて細かい液滴を真空中で得ることにより、熱や物質の分離回収が高効率で可能となる。したがって、本発明は、例えば、前述のとおり、核融合装置に使用可能である。より具体的には、例えば、核反応エネルギーの回収に用いることができる。しかしながら、本発明は、これに限定されず、任意の用途に使用可能である。例えば、本発明は、宇宙空間における飛行物体の熱交換および冷却、大型計算機の冷却への応用等も可能である。また真空乾燥等、真空排気と液体スプレーの組み合わせ利用例は従来から多く、そのため、本発明の工業的な適用範囲は広い。例えば、本発明により製造した液滴から熱を分離して固体化することで、固体粒子（例えば、粉末、顆粒等）の製造が可能である。本発明は、例えば、粉末冶金における金属粉末の製造、食品用粉末（例えば、インスタントコーヒー、等）の製造等に使用できる。例えば、粉末冶金における金属粉末の製造では、本発明により、金属粉末の酸化を抑制または防止できる。これにより、例えば、製造した金属粉末の還元処理を省略することも可能である。また、例えば、食品用粉末の製造では、本発明により、食品用粉末の酸化を抑制または防止できる。これにより、例えば、保存性、安全性、食味等が向上するという効果が得られる。
【００４４】
［実施形態１］
図３に、本発明の液滴製造用ノズルの構造の一例を、模式的に示す。図示のとおり、この液滴製造用ノズルは、コーン３１、プランジャ３２、およびクランプボロット３３）を含む。プランジャ３２は、先細りの円錐形であり、コーン３１内の円錐形の空孔に嵌合している。クランプボロット３３は、プランジャ３２の上端に取付けられている。そして、プランジャ３２の円錐の側壁には、らせん状の溝３２ａが形成され、その溝３２ａを通じて、プランジャ３２の先端部３２ｂから、液体（流体）を、回転力を加えて真空中に放出し、液滴を形成することができる。
【００４５】
図３において、ノズル先端（プランジャ３２の先端部３２ｂ）の液体噴出口の半径ｒｎは、例えば、０．２５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、０．７ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下、１．０ｍｍ以下、または０．７ｍｍ以下である。プランジャ３２に形成されたらせん状の溝の半径ｒｇは、例えば、０．２５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、０．７ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下、１．０ｍｍ以下、または０．７ｍｍ以下である。前記らせん状の溝の、水平方向からの傾き角度θは、例えば２０°以上、３０°以上、４５°以上、または６０°以上であり、例えば、７０°以下、６０°以下、または４５°以下である。また、プランジャ３２の円錐側面と軸とのなす角αは、例えば５°以上、１０°以上、１５°以上であり、例えば、３０°以下、２０°以下、または１５°以下である。また、プランジャ３２の円錐の上端（底面）の半径ｒ０は、例えば、２ｍｍ以上、３ｍｍ以上、または５ｍｍ以上であり、例えば、２０ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、または１０ｍｍ以下である。また、プランジャ３２に対する液体の注入速度Ｖ０は、例えば１ｍ／ｓ以上、２ｍ／ｓ以上、または３ｍ／ｓ以上であり、例えば、２０ｍ／ｓ以下、１０ｍ／ｓ以下、または５ｍ／ｓ以下である。
【００４６】
図３のノズルは、例えば、下記数式（３１）のように設計することができる。下記数式（３１）において、ηは、渦変換効率である。
【００４７】
【数３１】
2019037961.tif 000004
【００４８】
また、液体（流体）がらせん状の溝３２ａ内を循環（ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）する速度Γは、例えば、下記数式（３２）で表すことができる。
【００４９】
【数３２】
2019037961.tif 000005
【００５０】
図３のノズルによれば、テーパスパイラル溝３２ａ中を流体（液体）を流し流体に直進と回転を与える。そして、ノズル出口（噴出口）での境界条件の変化により流速に変曲点が生じここに不安定性が成長する。さらに、流体の回転によりθ方向に不安定性の高周波成分が生成され、さらなる微細化に寄与する。
【００５１】
また、液体の流路（図３では、溝３２ａ）のらせん形状が、図３のように、噴出口側に近くなるほど半径が小さくなる先細り形状であると好ましい。このような先細り形状であると、前記噴出口における液体の流速が速くなりやすく、液体（流体）の不安定性が成長しやすいので、液滴が形成されやすいためである。ただし、本発明の液滴製造用ノズルにおいて、液体の流路の形状は、これには限定されず、任意である。
【００５２】
さらに、本発明の液滴製造用ノズルの形状は、図３に限定されず、任意である。本発明の液滴製造用ノズルの形状は、前記液体に回転力を加えた状態で噴出させるとともに、前記噴出口からの噴出時における前記液体の流速を、前記噴出口の中心部と周縁部とで異ならせることができれば、どのような形状でもよい。本発明の液滴製造用ノズルの形状の、図３と別の一例を、図４および５にそれぞれ模式的に示す。図４の液滴製造用ノズルは、図示のとおり、容器４１内部を、らせん形状（ねじ形状）の流路４２ａが通っており、ノズルの先端部４２ｂから流体（液体）を噴出させることができる。また、図５の液滴製造用ノズルは、容器５１内の流体（液体）に、回転羽根５２ａにより回転力を加え、ノズルの先端部５２ｂから噴出させることができる。
【００５３】
図６に、図３のノズルを用いた液滴製造方法のメカニズムを模式的に示す。図示のとおり、液体の流路（溝）３２ａは、らせん形状であり、液体の噴出方向に対し角度ａを有し、流路３２ａの長さはａｓで表される。また、液体の噴出口の直径は、ｄｎで表される。ノズルの噴出口では、中心部の液体の流速はＵ０で表される。一方、ノズルの噴出口の周縁部では、図示のとおり、遠心力が働くために、液体に、噴出口の方向と垂直方向の速度成分Ｖ０が与えられ、その結果、前記噴出口の中心部と液体の流速が異なる。
【００５４】
図６のメカニズムは、図７のようにも示すことができる。図示のとおり、ノズルの中を通った液体３０１が、先端部３２ｂの噴出口から噴出されるとき、前記噴出口が速度変曲点となり、液体の拡散部３０２となって噴出される。
【００５５】
図８に、図７の液体噴出（拡散）による液滴形成のメカニズムを示す。前述のとおり、ノズルの噴出口では、中心部の液体の流速はＵ０で表される。一方、ノズルの噴出口の周縁部では、図示のとおり、遠心力が働くために、液体に、噴出口の方向と垂直方向の速度成分Ｖ０が与えられ、その結果、前記噴出口の中心部と液体の流速が異なる。このため、ノズルの中を通った液体３０１が、先端部３２ｂの噴出口から噴出されるとき、前記噴出口が速度変曲点となり、液体の拡散部３０２となって噴出される。拡散部３０２は、さらに、その先端で靭帯（ligament）形状部３０３を形成し、それが分散して液滴３０４が形成される。
【００５６】
図８のメカニズムは、図９のようにも表すことができる。前述のとおり、ノズルの噴出口では、中心部の液体の流速はＵ０で表される。一方、ノズルの噴出口の周縁部では、前述のとおり、噴出口の方向と垂直方向の速度成分Ｖ０が与えられる結果、液体の流速は、Ｕ０とは異なる速度Ｕｔとなる。
【００５７】
［核融合装置等の例］
図２８に、本発明の核融合装置の一例を模式的に示す。図示のとおり、この装置は、核融合プラズマ１１と、ブランケット１２と、容器１３とを主要構成要素とする。図示のとおり、核融合プラズマ１１から発生したトリチウム（気体）および熱は、ブランケット１２中の液体ＰｂＬｉ（図２８中ではＬｉＰｂと表記）とともに、まず、配管１４を通じて容器１３内に送られる。容器１３内は真空であり、液滴形成手段（図示せず）により、容器１３内に液体ＰｂＬｉの液滴を形成する。そして、容器１３内で液体ＰｂＬｉの液滴が落下する間に、前記液滴から、トリチウムと熱とを同時に回収する。トリチウムについては、移流拡散により液体ＰｂＬｉの液滴から放出させて回収する。熱（ｈｅａｔ）については、図示のように、ふく射（熱放射）により容器１３の周囲の壁（壁面）を加熱し、二次媒体に変換し、配管１７を通じて回収する。回収した熱は、例えば、水蒸気を発生させてタービンを回して発電するために利用する。回収したトリチウムは、配管１６を通じて核融合プラズマ１１に戻され、再利用される。一方、熱およびトリチウムを回収後の液体ＰｂＬｉは、配管１５を通じてブランケット１２に戻され、再利用される。
【００５８】
なお、図２８において、核融合プラズマ１１以外の部分は、本発明の、気体分離装置、熱分離装置、気体および熱の分離装置、または、本発明の気体分離回収装置に該当する。図２８の装置では、液体ＰｂＬｉの液滴から、前記液滴中に溶存している気体であるトリチウムを、前記トリチウムの拡散放出により前記液滴と分離することができる。また、容器１３は液滴から気体および熱を放出させる真空を保持し、本発明の気体および熱の分離回収装置に該当する。
【００５９】
図２８の装置によれば、真空中において、非接触で（液体金属を装置壁、配管等に接触させずに）熱およびトリチウムを回収（分離）するため、従来のＤＣＬＬの課題であった装置の腐食と、放射性物質の透過との問題を防止または抑制することが可能である。
【００６０】
また、図２８の装置によれば、熱とトリチウムとを、容器１３内の同一の反応系中において、同時に回収（分離）する。このため、従来のＤＣＬＬにおける熱とトリチウムとの二段階回収よりも高効率で熱およびトリチウムを回収することが可能である。すなわち、図２８のような一段階回収であれば、二段階回収よりも、短時間で回収が可能であるため、その分、時間の経過で放熱が進むことによる熱エネルギーのロスを低減できる。
【００６１】
また、本発明の装置では、例えば、図２８のように、熱とトリチウムとを同一の反応系中で回収（分離）することにより、二段階回収よりも装置の小型化が可能である。
【００６２】
つぎに、図２９に、図２８の容器１３の構造を、さらに具体的に示す。図示のとおり、容器１３の内部には空洞１３ａがある。空洞１３ａは、真空状態に保たれている。容器１３の上端には、液体ＰｂＬｉ注入口２１が設けられており、ノズル（図示せず）から液体ＰｂＬｉを空洞（真空）１３ａ中に液体ＰｂＬｉの液滴２２を形成放出する。液滴２２からは、トリチウム２３と熱（ｈｅａｔ）とを分離する。分離したトリチウムは、容器１３の上端および中腹のトリチウム回収部２４および２５から回収する。また、容器１３の器壁内には、前記器壁下端のヘリウム導入部２６からヘリウム（Ｈｅ）を導入することが可能であり、かつ、導入したヘリウムを、前記器壁上端のヘリウム導出部２７から導出することが可能である。そして、前記ヘリウムを熱媒体として熱を分離する。また、容器１３内の下端には、熱およびトリチウムを分離済の液体ＰｂＬｉ２８を溜めることが可能であり、これを、液体ＰｂＬｉ回収部２９から回収可能である。
【００６３】
図２８および２９の容器１３の上部において、前記ノズルとして、図３に示した構造のノズルを用いることができる。これにより、液体ＰｂＬｉの液滴を製造できる。具体的には、液体ＰｂＬｉ注入口２１から注入した液体ＰｂＬｉを、プランジャ（ｐｌａｎｇｅｒ）３２を経由して容器１３内部の空洞（真空）１３ａ中に放出することにより、回転力を加えて液体ＰｂＬｉの液滴を形成することができる。なお、図３に示したとおり、プランジャ３２上端には、クランプボロット（ｃｌａｍｐ  ｂｏｌｏｔ）３３が取り付けられている。プランジャ３２は、コーン（ｃｏｎｅ）３１内に取付けられ、クランプボロット３３およびコーン３１とともにノズルを形成している。
【００６４】
本発明によれば、例えば、このように、核融合炉ブランケットにおいて液体リチウム鉛からトリチウムと熱エネルギーとを同時回収するための液体金属の微細化（液滴化）を真空中で行なうことができる。これにより、トリチウムと熱エネルギーとの同時回収が可能である。
【００６５】
従来、熱の回収において、ふく射熱伝達は、１０００℃以上等のきわめて高い温度の場合を除いて、効率的な方法であるとは考えられていなかった。
【００６６】
これに対し、本発明者らは、１０００℃未満の温度範囲でも、十分小さな液滴では表面積が大きくなるためふく射熱熱伝達の効率を良くすることが可能であることを見出した。
【００６７】
例えば、図３１に示すような球形の液滴において、液滴の半径ｒと、ふく射熱伝達効率    ｄＴ１／ｄｔとの関係は、下記数式（１）および（２）で表される。
【００６８】
【数１−２】
2019037961.tif 000006
ｒ：液滴の半径（ｍ）
Ｔ１：液滴の温度（Ｋ）
Ｔ２：液滴外部の環境温度（Ｋ）
σ：シュテファンボルツマン定数（Ｗｍ−２Ｋ−４）
ε：放射率（−）
ρ：密度（ｋｇｍ−３）
ｃｐ：比熱（ＪＫ−１ｋｇ−１）
Ｖ：体積（ｍ３）
Ａ：表面積（ｍ２）
【００６９】
前記数式（１）および（２）によれば、ふく射熱伝達効率ｄＴ１／ｄｔは、液滴の半径ｒに反比例するため、液滴の半径ｒを小さくすることにより、ふく射熱伝達効率ｄＴ１／ｄｔを十分高くできると考えられる。一例として、ｄＴ１／ｄｔは、下記のように算出される。
ＰｂＬｉ  径＝１ｍｍ
Ｔ１＝７００℃
Ｔ２＝６５０℃
ε＝０．２５
ｄＴ１／ｄｔ＝１５℃／ｓ
【００７０】
本発明のトリチウムおよび熱の分離方法および分離装置において、金属の液滴の半径は、例えば１×１０−４ｍ以下、５×１０−５ｍ以下、４×１０−５ｍ以下、３×１０−５ｍ以下、２×１０−５ｍ以下、または１．５×１０−５ｍ以下であり、例えば１×１０−５ｍ以上である。
【００７１】
図３０に、モデル計算の一例（０．１ｓ毎のブロックに分割）を模式的に示す。各ブロック内では温度は一定として熱エネルギーの伝達と温度変化を逐次計算した。時間ｔ後の液滴の表面温度Ｔは、下記数式（３）で表され、時定数は、下記数式（４）で表される。
【００７２】
【数３】
2019037961.tif 000007
【００７３】
【数４】
2019037961.tif 000008
【００７４】
７００℃（９７３Ｋ）のＰｂＬｉ液滴においては、例えば、下記数式（５）および（６）のとおり計算される。ブロックサイズは、Δｔ＝０．１秒に固定されており、この時間は、温度変化の時定数の約５倍である。したがって、１ブロック内で、全ての液滴の温度が等しいと仮定される。
【００７５】
【数５−６】
2019037961.tif 000009
【００７６】
また、液滴から放出される熱とガス媒体が受け取った熱との間におけるエネルギーバランス（ふく射エネルギーと伝達エネルギーとの関係）は、下記数式（７）で表される。
【００７７】
【数７】
2019037961.tif 000010
Ａｈ：液滴表面積（ｍ２）
Ｔｈ（ｉ）：経過時間ｉ秒後の液滴の温度（Ｋ）
Ｔｗ（ｉ）：経過時間ｉ秒後の隔壁の温度（Ｋ）
Ｔｃ（ｉ）：経過時間i秒後の二次媒体（ガス）の温度（Ｋ）
ｈ：隔壁二次媒体間の熱伝達率（ＷＫ−１ｍ−２）
Ａｃ：隔壁二次媒体間の単一ブロック表面積（ｍ２）
【００７８】
また、隣接するブロックにおける液滴と雰囲気（二次媒体）との間の温度変化は、下記数式（８）および（９）で表される。
【００７９】
【数８−９】
2019037961.tif 000011
ｍｈ：液滴質量（ｋｇ）
ｍｃ：単位ブロック内二次媒体（ガス）質量（ｋｇ）
ｃｐｃ：二次媒体（ガス）比熱（Ｊｋｇ−１Ｋ−１）
ｃｐｈ：液滴比熱（Ｊｋｇ−１Ｋ−１）
【００８０】
なお、図３２〜３７のそれぞれのグラフに、ＰｂＬｉ液滴の温度と真空中滞在時間との関係の計算結果の一例を示す。液滴と真空中滞在時間の比較により、熱のふく射放出が決定因子であり小球程効率が良いことから、目標を満たす最少径を求めた。計算はモデルを０．１ｓｅｃ単位のブロックに分割し各ブロック内でのみ熱の交換がなされる前提とした。目標として、真空中滞在時間１ｓｅｃ（真空中での自由落下を行う年て装置高１０ｍ相当）の間に、ＰｂＬｉ液滴の温度が７００℃から５５０℃まで変化するという目標を設定した。ただし、この目標は例示であり、本発明をなんら限定しない。図３２〜３７の各グラフにおいて、横軸は、真空中滞在時間［秒］であり、縦軸は、ＰｂＬｉ液滴の温度［℃］である。「ｄｄ」は、ＰｂＬｉ液滴の直径である。図３２は、ＰｂＬｉが液滴（球）の場合である。また、図３３および３４は、ＰｂＬｉが、それぞれ、液滴（Ｔｈｉ）、隔壁（ｂｕｌｋ  ｐｌａｔｅ）の場合（Ｔｗｉ）、および気体（Ｔｃｉ）の場合を表す。なお、図３３においては、真空中への放出時（０秒時）において、液滴の温度Ｔｈ（０）＝７００℃、雰囲気温度Ｔｇ（０）＝６５０℃であり、図３４においては、０秒時において、液滴の温度Ｔｈ（０）＝８００℃、雰囲気温度Ｔｇ（０）＝６５０℃である。図３５は、雰囲気（ｇａｓ）の最終温度６８０℃において、ＰｂＬｉ液滴の直径ｄｄを変化させた場合を表す。図示のとおり、液滴の直径を０．０２ｍｍ以下にすれば前記目標値を達成できる。また、図３６は、０秒時における液滴の温度Ｔｈ（０）＝７００℃、雰囲気（ｇａｓ）の最終温度６５０℃におけるＰｂＬｉ液滴の直径ｄｄを変化させた場合のグラフである。図示のとおり、真空中滞在時間１秒以内に液滴の温度を５５０℃以下に低下させるためには、ＰｂＬｉ液滴の直径ｄｄが約０．０４ｍｍ以下であれば可能であると計算される。また、図３７は、図３６と同条件において、ＰｂＬｉ液滴の直径ｄｄを０．０５ｍｍに固定し、放出率（ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ）εの影響を加味して計算した結果である。図示のとおり、ε＝０．２５、０．５、０．７５でそれぞれ計算したところ、εが大きければ、ＰｂＬｉ液滴の直径ｄｄが０．０５ｍｍまたはそれ以上でも、経過時間１秒以内に液滴の温度を５５０℃以下に低下させることができると計算される。なお、放出率εは、一般的に光沢が有るほど低い傾向にある。図３２〜３６では、光沢金属表面の類似データより、ＰｂＬｉの放出率εを、安全サイドの数値であるε＝０．２５と推定した。ただし、εの数値は、ＰｂＬｉの光沢により、大きく変化し得る。
【実施例】
【００８１】
大気中への水の噴出による水の液滴（水滴）の製造を行なった（参考例）。一方、真空中への液体金属の噴出による、前記液体金属の液滴の製造を行なった（実施例）。これらについて、以下に説明する。なお、本実施例において、前記液体金属としては、ガリウム（Ｇａ）６８重量％、インジウム（Ｉｎ）２２重量％、スズ（Ｓｎ）１０重量％の組成の合金を用いた。この組成の合金は、融点が約−１９℃のため、常温で液体である。この組成の合金は、ドイツのＧｅｒａｔｈｅｒｍ．  Ｍｅｄｉｃａｌ社（Ｇｅｒａｔｈｅｒｍ．  Ｍｅｄｉｃａｌ  ＡＧ）から、Ｇａｌｉｎｓｔａｎ（ガリンスタン）の商品名で発売されているが、他社からも販売されている。以下においては、本実施例で用いた前記合金について、便宜上、全て「ガリンスタン」と表記する。
【００８２】
図１０に、本実施例で用いたノズルの一例の写真を示す。また、図１１に、本実施例で用いたノズルの別の例の写真を示す。図１０および１１に示したノズルの部品は、図３におけるコーン３１以外の部分に相当する。図１０および１１において、ノズルの部品とともに示したスケール（物差し）の目盛の単位は、１目盛につき１ｍｍである。
また、図１０は、図１１にＡ、ＢおよびＣの３とおり示したノズルのうち「Ａ」と同一である。図示のとおり、ノズルＡ、ＢおよびＣは、液体の流路３２ａが噴出口の方向となす角度θ（図６および７のａに相当）が、それぞれ、４５°、３０°および６７°である。また、先端部（噴出口）の直径ｄｎは、それぞれ、１．０ｍｍ、０．７ｍｍおよび０．７ｍｍと示しているが、このｄｎは、コーン３１を交換することで変更できる。なお、図１２に、本実施例で用いたノズルのコーン３１の一例の写真を示す。
【００８３】
なお、以下の全ての写真において、図中に示したスケール（物差し）の目盛の単位は、特に断らない限り、図１０および１１の写真と同様に、１目盛につき１ｍｍである。
【００８４】
図１３のグラフに、図１１のノズル「Ａ」（図１０のノズルと同一）を用いて先端部（噴出口）の直径ｄｎ＝１．０ｍｍ、ノズルの噴出口方向の流速（図８の、Ｕ０に該当）＝６．０ｍ／ｓで水を噴出させた場合の、液滴（水滴）の直径の確率分布の理論計算結果を示す。同図において、横軸は、液滴（水滴）の直径（ｍｍ）を表す。縦軸は、液滴（水滴）がその直径となる確率（Probability）を表す。ただし、図１３は、理論計算結果であって、必ずしも実際の実験結果を反映するものではなく、また、本発明をなんら限定しない。
【００８５】
図１４のグラフに、図１１のノズル「Ｃ」を用いて先端部（噴出口）の直径ｄｎ＝０．７ｍｍ、ノズルの噴出口方向の流速（図８の、Ｕ０に該当）＝６．０ｍ／ｓで水を噴出させた場合の、液滴（水滴）の直径の確率分布の理論計算結果を示す。同図において、横軸は、液滴（水滴）の直径（ｍｍ）を表す。縦軸は、液滴（水滴）がその直径となる確率（Probability）を表す。ただし、図１４は、理論計算結果であって、必ずしも実際の実験結果を反映するものではなく、また、本発明をなんら限定しない。
【００８６】
また、図１５の写真に、参考例、すなわち図１１のノズルを用いて大気中に水を噴出させた場合の液滴（水滴）の一例を示す。図示のとおり、大気中に水滴が形成されている。なお、図１５に示したスケール（物差し）の目盛の単位は、ｍｍである。
【００８７】
図１６に、参考例、すなわち図１１のノズルを用いて大気中に水を噴出させた場合の、流速Ｖ０と、液体（水）の拡散部の長さＬｂとの関係の一例を示す。図１６左側は、図１１のノズル「Ａ」（図１０と同一）を用いて水を大気中に噴出させた場合の写真の一例である。また、図１６右側のグラフは、その場合における流速Ｖ０（ｍ／ｓ）と、液体（水）の拡散部の長さＬｂ（ｍｍ）との関係を示すグラフである。同グラフにおいて、横軸が前記流速Ｖ０（ｍ／ｓ）を表し、縦軸が前記拡散部の長さＬｂ（ｍｍ）を表す。なお、図１６において、流速Ｖ０は、図８に示した噴出口の方向と垂直方向の流速Ｖ０と同じではなく、図８の、噴出口の方向の流速Ｕ０に該当する。また。図１６において、拡散部の長さＬｂは、図８に示した拡散部３０２の長さＬｂに該当する。図示のとおり、流速Ｖ０が速く（大きく）なると、液体（水）の拡散部の長さＬｂは短くなる傾向が観測された。なお、流速Ｖ０（図８のＵ０に該当）は、液体（流体）をノズル内の流路に流すときの圧力の大きさにより変化させた。以下の全ての参考例および実施例において同様である。
【００８８】
図１７に、図１１のノズル「Ａ」を用いて、Ｖ０＝６．０ｍ／ｓで大気中に水を噴出させた場合の写真を示す。Ｖ０の定義は、図１６と同様であり、以下、図１８〜２８の全てにおいて同様である。図示のとおり、液滴（水滴）が形成されている。また、拡散部の広がりの角度φ０は、２８．３°であった。
【００８９】
また、図１８〜２０に、図１１のノズル「Ａ」を用いて、Ｖ０を種々変化させて大気中に水を噴出させた場合の写真を示す。図１８左側の写真は、Ｖ０＝４．０ｍ／ｓの例である。図１８右側の写真は、Ｖ０＝８．０ｍ／ｓの例である。図１９左側の写真は、Ｖ０＝５．０ｍ／ｓの例である。図１９右側の写真は、Ｖ０＝１０．０ｍ／ｓの例である。
図２０左側の写真は、Ｖ０＝７．０ｍ／ｓの例である。図２０中央の写真は、Ｖ０＝８．０ｍ／ｓの例である。図２０右側の写真は、Ｖ０＝９．０ｍ／ｓの例である。図示のとおり、全ての場合において、液滴（水滴）が形成されている。
【００９０】
また、図２１に、図１１のノズル「Ｃ」を用いて、Ｖ０＝１０．０ｍ／ｓで大気中に水を噴出させた場合の水滴の写真を示す。図示のとおり、液滴（水滴）が形成されていることが明確に観察された。
【００９１】
図２２のグラフに、図１１のノズル「Ｃ」を用いて先端部（噴出口）の直径ｄｎ＝１．０ｍｍ、ノズルの噴出口方向の流速Ｗ０（図８のＵ０、図１６〜２１のＶ０に該当）＝６．０ｍ／ｓで水を噴出させた場合の、液滴（水滴）の直径の確率分布の理論計算結果を示す。同図において、横軸は、液滴（水滴）の直径（ｍｍ）を表す。縦軸は、液滴（水滴）がその直径となる確率（Probability）を表す。また、図２２中の写真は、実際に前記条件で水を噴出させた場合の写真である。
【００９２】
図２３のグラフに、図１１のノズル「Ｃ」を用いて先端部（噴出口）の直径ｄｎ＝１．０ｍｍ、ノズルの噴出口方向の流速Ｗ０（図８のＵ０、図１６〜２１のＶ０に該当）＝８．０ｍ／ｓで水を噴出させた場合の、液滴（水滴）の直径の確率分布の理論計算結果を示す。同図において、横軸は、液滴（水滴）の直径（ｍｍ）を表す。縦軸は、液滴（水滴）がその直径となる確率（Probability）を表す。また、図２３中の写真は、実際に前記条件で水を噴出させた場合の写真である。
【００９３】
図２４のグラフに、図１１のノズル「Ｃ」を用いて先端部（噴出口）の直径ｄｎ＝１．０ｍｍ、ノズルの噴出口方向の流速Ｗ０（図８のＵ０、図１６〜２１のＶ０に該当）＝１０．０ｍ／ｓで水を噴出させた場合の、液滴（水滴）の直径の確率分布の理論計算結果を示す。同図において、横軸は、液滴（水滴）の直径（ｍｍ）を表す。縦軸は、液滴（水滴）がその直径となる確率（Probability）を表す。また、図２４中の写真は、実際に前記条件で水を噴出させた場合の写真である。
【００９４】
図２５のグラフに、図１１のノズルを用いて大気中に水を噴出させた場合の、流速Ｖ０（ｍ／ｓ）と液滴（水滴）の直径（ｍｍ）の実測値との関係を示す。流速Ｖ０の定義は、図１６〜２１と同様であり、図８のＵ０に該当する。図２５のグラフにおいて、横軸が流速Ｖ０（ｍ／ｓ）を表し、縦軸が液滴（水滴）の直径（ｍｍ）を表す。また、図中において、「ｄ０．７ａ４５」は、図１１のノズル「Ａ」（図１０と同一）を用いて噴出口の直径ｄｎ＝０．７ｍｍで水を噴出させた場合を表す。「ｄ０．７ａ６７」は、図１１のノズル「Ｃ」を用いて噴出口の直径ｄｎ＝０．７ｍｍで水を噴出させた場合を表す。「ｄ１．０ａ４５」は、図１１のノズル「Ａ」（図１０と同一）を用いて噴出口の直径ｄｎ＝１．０ｍｍで水を噴出させた場合を表す。「ｄ１．０ａ６７」は、図１１のノズル「Ｃ」を用いて噴出口の直径ｄｎ＝１．０ｍｍで水を噴出させた場合を表す。図示のとおり、いずれの場合でも、流速Ｖ０が大きくなるほど液滴（水滴）の直径が小さくなる傾向が観測された。
【００９５】
つぎに、ガリンスタンを真空中に噴出させてガリンスタンの液滴を製造した。ガリンスタンは、前述のとおり、常温で液体である。また、ガリンスタンは、表面張力が０．５Ｎ／ｍと、４００℃でのＰｂＬｉと類似の液滴化挙動を示すために、室温での有意な検証が可能である。ノズル内流速（図８のＵ０に該当）は４．０ｍ／ｓまたは６．０ｍ／ｓ、チャンバー内真空度は約１０−１Ｐａ、温度は２０℃とした。
【００９６】
図２６に、大気中に水を噴出したときの写真（右側の写真）と、真空中にガリンスタンを噴出したときの写真（左側の写真）とを併せて示す。右側の写真（大気中の水）は、図２２の写真と同一である。また、左側の写真（真空中のガリンスタン）は、ノズル内流速（図８のＵ０に該当）が６．０ｍ／ｓのときの写真である。図示のとおり、いずれの場合も、同様に液滴の形成が観測された。
【００９７】
図２７の左側のグラフに、真空中にガリンスタンを噴出した場合の流速Ｖ０（ｍ／ｓ）と液滴（水滴）の直径（ｍｍ）の実測値との関係を、図１１のノズルを用いて大気中に水を噴出させた場合の、流速Ｖ０（ｍ／ｓ）と液滴（水滴）の直径（ｍｍ）の実測値との関係と併せて示す。流速Ｖ０の定義は、図１６〜２１と同様であり、図８のＵ０に該当する。図２７の左側のグラフは、図２５のグラフに、真空中にガリンスタンを噴出した場合のデータを書き加えたものである。同グラフにおいて、横軸および縦軸の意味は図２５と同じである。また、図中において、「ｄ０．７ａ４５  Ｈ２Ｏ  ｉｎ  ａｉｒ」は、図１１のノズル「Ａ」（図１０と同一）を用いて噴出口の直径ｄｎ＝０．７ｍｍで大気中に水を噴出させた場合を表す。「ｄ０．７ａ６７  Ｈ２Ｏ  ｉｎ  ａｉｒ」は、図１１のノズル「Ｃ」を用いて噴出口の直径ｄｎ＝０．７ｍｍで大気中に水を噴出させた場合を表す。「ｄ１．０ａ４５  Ｈ２Ｏ  ｉｎ  ａｉｒ」は、図１１のノズル「Ａ」（図１０と同一）を用いて噴出口の直径ｄｎ＝１．０ｍｍで大気中に水を噴出させた場合を表す。「ｄ１．０ａ６７  Ｈ２Ｏ  ｉｎ  ａｉｒ」は、図１１のノズル「Ｃ」を用いて噴出口の直径ｄｎ＝１．０ｍｍで大気中に水を噴出させた場合を表す。また、「ｄ０．７ａ６７  ＧＩＳ  ｉｎ  ｖａｃｕｕｍ」は、図１１のノズル「Ｃ」を用いて噴出口の直径ｄｎ＝０．７ｍｍで真空中にガリンスタンを噴出させた場合を表す。図示のとおり、いずれの場合でも、流速Ｖ０が大きくなるほど液滴（水滴）の直径が小さくなる傾向が観測された。また、ガリンスタンを真空中に噴出させた場合、図示のとおり、流速４．０ｍ／ｓおよび６．０ｍ／ｓで、それぞれ、液滴の平均径０．３１ｍｍおよび０．２３ｍｍという結果が得られた。この結果は、真空下において理論予想された結果とほぼ完全に一致する結果であった。これを、例えば、真空中でのＰｂＬｉの微細化（液滴製造）に用いれば、例えば、熱とトリチウムの同時回収が可能であると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上、説明したとおり、本発明によれば、液滴形成用の気体が不要な液滴製造用ノズル、液滴製造装置、核融合装置、および液滴製造方法を提供することができる。本発明は、例えば、前述のとおり、核融合装置に使用可能であるが、これに限定されず、任意の用途に使用可能である。例えば、本発明は、宇宙空間における飛行物体の熱交換および冷却、大型計算機の冷却への応用等も可能である。さらに、本発明は、例えば、粉末冶金における金属粉末の製造、食品用粉末（例えば、インスタントコーヒー等）の製造等に使用可能であり、その適用範囲はきわめて広い。
【００９９】
また、本発明の熱分離方法、熱の回収方法、気体および熱の分離方法、気体および熱の分離回収方法、熱分離装置、気体および熱分離装置、気体および熱分離回収装置、ならびに核融合装置によれば、例えば、装置の腐食と、放射性物質の透過との問題を防止または抑制することが可能である。Ｄｕａｌ−Ｃｏｏｌａｎｔ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｌｅａｄ（ＤＣＬＬ）は高い熱抽出効率が得られる反面、トリチウム透過、隔膜耐久性等の技術的課題がありＩＴＥＲ−ＴＢＭ（テストブランケットモジュール）には採用されていない。これに対し、本発明によれば、これらの問題を解決し、安全で長期間運転可能なトリチウムと熱の回収装置を提供できる。また、本発明は、これに限定されず、広範な分野に適用可能である。例えば、本発明は、宇宙空間における飛行物体から、排熱のための媒体を用いずに冷却への応用が可能である。金属工業においては溶存ガス不純物の除去にも利用可能である。
【符号の説明】
【０１００】
１１  核融合プラズマ
１２  ブランケット
１３  容器
１４、１５、１６、１７  配管
１３ａ  空洞（真空）
３１  コーン
３２  プランジャ
３３  クランプボロット
３２ａ  溝（流路）
３２ｂ  プランジャ３２の先端部
４１  容器
４２ａ  流路
先端部４２ｂ  ノズル
５１  容器
５２ａ  回転羽根
５２ｂ  ノズルの先端部
３０１  液体
３０２  拡散部
３０３  靭帯（ligament）形状部
３０４  液滴
１６１  核融合プラズマ
１６２  ブランケット
１６３  トリチウム回収部
１６４  熱交換部
１６５、１６６、１６７、１６８  配管
【図１】
2019037961.tif 000012
【図２】
2019037961.tif 000013
【図３】
2019037961.tif 000014
【図４】
2019037961.tif 000015
【図５】
2019037961.tif 000016
【図６】
2019037961.tif 000017
【図７】
2019037961.tif 000018
【図８】
2019037961.tif 000019
【図９】
2019037961.tif 000020
【図１０】
2019037961.tif 000021
【図１１】
2019037961.tif 000022
【図１２】
2019037961.tif 000023
【図１３】
2019037961.tif 000024
【図１４】
2019037961.tif 000025
【図１５】
2019037961.tif 000026
【図１６】
2019037961.tif 000027
【図１７】
2019037961.tif 000028
【図１８】
2019037961.tif 000029
【図１９】
2019037961.tif 000030
【図２０】
2019037961.tif 000031
【図２１】
2019037961.tif 000032
【図２２】
2019037961.tif 000033
【図２３】
2019037961.tif 000034
【図２４】
2019037961.tif 000035
【図２５】
2019037961.tif 000036
【図２６】
2019037961.tif 000037
【図２７】
2019037961.tif 000038
【図２８】
2019037961.tif 000039
【図２９】
2019037961.tif 000040
【図３０】
2019037961.tif 000041
【図３１】
2019037961.tif 000042
【図３２】
2019037961.tif 000043
【図３３】
2019037961.tif 000044
【図３４】
2019037961.tif 000045
【図３５】
2019037961.tif 000046
【図３６】
2019037961.tif 000047
【図３７】
2019037961.tif 000048
【図３８】
2019037961.tif 000049