(57)【要約】【課題】屋外に配置されても、太陽光が伝熱部材に入射することを抑制しつつ、自然対流による伝熱管から大気への放熱量を向上させることが可能な構造を提供する。【解決手段】実施形態によれば、熱交換器１０において、筒状部材２０は、略筒状をなしており、自然対流により大気が貫流可能な内部通路２２が軸心に沿って形成されている。伝熱管１２は、内部通路２２に配置されており、熱源に接続されて当該熱源からの熱を大気に伝達する。遮光部材３０は、筒状部材２０のうち鉛直上側の開口である上側開口２６から当該筒状部材２０の軸方向に所定の間隔をあけて設けられており、太陽光が上側開口２６から前記伝熱管１２に入射するのを遮る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略筒状をなしており、自然対流により大気が貫流可能な内部通路が軸心に沿って形成されている筒状部材と、
前記内部通路に配置されており、熱源に接続されて当該熱源からの熱を大気に伝達する伝熱管と、
前記筒状部材のうち鉛直上側の開口である上側開口から当該筒状部材の軸方向に所定の間隔をあけて設けられており、太陽光が上側開口から前記伝熱管に入射するのを遮る遮光部材と、
を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記遮光部材のうち、前記上側開口に対向する中央部には、当該上側開口に向けて突出している突出面が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記筒状部材は、前記伝熱管より鉛直上側において、鉛直上側に向かうに従って断面積が大きくなるよう構成された内部通路を有する
ことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記筒状部材のうち、前記伝熱管より鉛直上側には、その他の部分に比べて容積比熱が大きい材料により構成された蓄熱部が設けられている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記蓄熱部の径方向外側には、筒状部材の外壁の一部を構成し、当該蓄熱部に比べて太陽光の吸収率が高い材料により構成された吸収膜が形成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
入射した太陽光を前記蓄熱部に向けて反射可能な反射鏡を、
さらに備えることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記筒状部材のうち、前記伝熱管より鉛直下側には、その他の部分に比べて容積比熱が大きい材料により構成された蓄熱部が設けられており、
当該蓄熱部に結合されており、当該蓄熱部からの熱を外部に伝達することにより放熱可能な伝熱体を、さらに備える
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記伝熱管のうち外表面には、可視光を反射し且つ赤外光を透過可能に構成されたコールドミラー膜が形成されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記伝熱管を構成する基材と、前記コールドミラー膜との間には、
赤外線の熱放射率が基材に比べて高い材料で構成された放熱膜が形成されている
ことを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
略筒状をなしており、自然対流により大気が貫流可能な内部通路が軸心に沿って形成されている筒状部材と、
前記内部通路に配置されており、熱源に接続されて当該熱源からの熱を大気に伝達する伝熱管と、
を備え、
前記筒状部材のうち、前記伝熱管より鉛直上側には、その他の部分に比べて容積比熱が大きい材料により構成されており、前記内部通路に面するように配置された蓄熱部が設けられており、
太陽光を屈折させることにより、当該太陽光を当該内部通路から前記蓄熱部に導く光学系を、さらに備える
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項１１】
前記光学系は、
前記筒状部材のうち鉛直上側の開口である上側開口から前記筒状部材の軸方向に所定の間隔をあけて設けられており、太陽光を屈折させて収束光線束にするフレネルレンズと、
前記フレネルレンズより前記上側開口側に設けられており、当該フレネルレンズからの収束光線束を屈折させて発散光線束にして、当該太陽光を内部通路側から蓄熱部に照射するプリズム板と、
を有することを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器。
【請求項１２】
固定構造物の外装を構成しており、水平面に対して傾斜して延びている傾斜面を有する躯体と、
前記傾斜面より大気側に配置されており、熱源に接続されて当該熱源からの熱を大気に伝達する伝熱管と、
前記傾斜面から所定の間隔をあけて延びており、自然対流により大気が貫流可能な大気通路が当該傾斜面との間に形成される遮光部材と、
を備え、
前記遮光部材は、前記伝熱管より鉛直上側において、前記大気通路の断面積が鉛直上側に向かうに従って大きくなるよう形成されている
ことを特徴とする固定構造物。
【請求項１３】
前記躯体のうち、前記伝熱管の鉛直下側には、その他の部分に比べて容積比熱が大きい材料で構成された蓄熱部が設けられており、
当該蓄熱部に結合されており、当該蓄熱部からの熱を外部に伝達することにより放熱可能な伝熱体を、さらに備える
ことを特徴とする請求項１２に記載の固定構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、熱源の熱を大気に放熱するための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、原子力発電所等においては、安全性向上のため機械的動力や電力を用いることなく燃料プール等を冷却する技術が求められており、例えば、伝熱管等の熱交換器を用いて熱源からの熱を大気に放熱する技術が検討されている。また、電子機器を冷却する場合においても、発生した熱を伝熱管等により大気に放熱する技術が求められている。
【０００３】
熱源において発生する熱量が膨大なものである場合、熱源が発生した熱を伝熱管等の熱交換器に伝達することは比較的容易であるものの、当該熱交換器の熱を大気に放熱させるためには、当該熱交換器に高い放熱性能が求められる。熱交換器の大気への放熱性能を向上させるため、例えば、下記の特許文献１には、熱交換器の放熱板の表面を鏡面とし、さらに当該表面を、太陽光を良好に反射し且つ赤外線を良好に放射可能な熱制御材で被覆する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１６７０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、空冷により膨大な熱量を大気に放熱するためには、熱源に接続されて、熱源からの熱を大気に伝達する部材（以下、伝熱部材と記す）と大気との間における熱伝達率を極力高いものにすることが考えられる。大気との間における高い熱伝達率を実現するため、例えば、伝熱部材の表面に溶射処理等を施すことが検討されている。
【０００６】
しかし、このような表面処理が施された伝熱部材は、屋外に配置されて太陽光に曝されると、当該太陽光エネルギを吸収して高温となる場合がある。この場合、伝熱部材から大気への放熱量を十分に確保することができないという問題が生じる。
【０００７】
また、伝熱部材から大気への放熱をより促進するため、熱交換器においては、放熱面の温度と大気温度との差によって生じる流体内の密度差に起因する流れ、いわゆる自然対流を強化することが考えられる。熱交換器においては、屋外に配置された場合であっても、自然対流を利用して、伝熱部材から大気への放熱をより促進する技術が要望されている。
【０００８】
そこで、本発明の実施形態は、屋外に配置されても、太陽光が伝熱部材に入射することを抑制しつつ、自然対流による伝熱部材から大気への放熱量を向上させることが可能な構造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】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の熱交換器は、略筒状をなしており、自然対流により大気が貫流可能な内部通路が軸心に沿って形成されている筒状部材と、前記内部通路に配置されており、熱源に接続されて当該熱源からの熱を大気に伝達する伝熱管と、前記筒状部材のうち鉛直上側の開口である上側開口から当該筒状部材の軸方向に所定の間隔をあけて設けられており、太陽光が上側開口から前記伝熱管に入射するのを遮る遮光部材と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の実施形態の固定構造物は、固定構造物の外装を構成しており、水平面に対して傾斜して延びている傾斜面を有する躯体と、前記傾斜面より大気側に配置されており、熱源に接続されて当該熱源からの熱を大気に伝達する伝熱管と、前記傾斜面から所定の間隔をあけて延びており、自然対流により大気が貫流可能な大気通路が当該傾斜面との間に形成される遮光部材と、を備え、前記遮光部材は、前記伝熱管より鉛直上側において、前記大気通路の断面積が鉛直上側に向かうに従って大きくなるよう形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、伝熱管に太陽光が入射することを抑制しつつ、伝熱管と大気との間における熱伝達を良好なものにして、自然対流により伝熱管から大気への放熱量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態の熱交換器の断面立面図である。
【図２】第１の実施形態の熱交換器を鉛直上側から見た平面図である。
【図３】第１の実施形態の熱交換器において用いられる伝熱管の断面図である。
【図４】図３に示す伝熱管の拡大断面図である。
【図５】第１の実施形態の伝熱管を構成する放熱膜の一例を示す拡大断面図である。
【図６】第２の実施形態の熱交換器の断面立面図である。
【図７】第３の実施形態の熱交換器の断面立面図である。
【図８】第４の実施形態の熱交換器の断面立面図である。
【図９】第５の実施形態の熱交換器の断面立面図である。
【図１０】第６の実施形態の熱交換器の断面立面図である。
【図１１】第７の実施形態の熱交換器の断面立面図である。
【図１２】第８の実施形態の固定構造物の断面立面図である。
【図１３】第９の実施形態の固定構造物の断面立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００１４】
〔第１の実施形態〕
第１の実施形態の熱交換器の構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態の熱交換器の断面立面図である。図２は、本実施形態の熱交換器を鉛直上側から見た平面図である。なお、各図において鉛直方向のうち上側（以下、鉛直上側と記す）を矢印Ｕで示し、鉛直方向のうち下側（以下、鉛直下側と記す）を矢印Ｄで示す。
【００１５】
図１に示すように、熱交換器１０は、熱源からの熱を大気に伝達する伝熱部材として、伝熱管１２を有している。伝熱管１２は、管状をなしており、冷却媒体が流通可能な通路１４が内部に形成されている。通路１４を流れる冷却媒体には、例えば水がある。本実施形態の熱交換器１０において、伝熱管１２が接続される熱源は、原子炉建屋内にある燃料プール（図示せず）であり、伝熱管１２の通路１４には、燃料プール内に貯留され、燃料からの熱を受けて高温となった冷却水（冷却媒体）が流れるように構成されている。
【００１６】
加えて、熱交換器１０は、略筒状をなしている部材（以下、筒状部材と記す）２０を有している。筒状部材２０は、内部に大気が貫流可能な通路（以下、内部通路と記す）２２が形成されている。内部通路２２は、筒状部材２０の軸心（図２に点Ｃで示す）に沿って形成されている。なお、以下の説明において、筒状部材２０の軸心が延びている方向、すなわち内部通路２２が延びている方向を、単に「軸方向」と記す。一方、当該軸方向に直交する方向を、単に「径方向」と記す。
【００１７】
本実施形態において、筒状部材２０の軸方向が鉛直方向と一致するように熱交換器１０は配設されている。加えて、熱交換器１０は、自然対流により大気が内部通路２２を貫流可能となるように配設されている。例えば、熱交換器１０は、例えば、原子炉建屋等の屋外や屋上に配置される。
【００１８】
なお、以下の説明において、筒状部材２０のうち鉛直下側にある内部通路２２の開口を「下側開口」と記して符号２４を付す。また、筒状部材２０のうち鉛直上側にある内部通路２２の開口を「上側開口」と記して符号２６を付す。
【００１９】
熱交換器１０は、筒状部材２０の下側開口２４から大気が内部通路２２に流入可能となるように配置されている。図に矢印Ｆ１で示すように、下側開口２４から内部通路２２に流入した大気は、内部通路２２を鉛直上側に向けて流れ、上側開口２６から筒状部材２０外に流出することが可能となっている。
【００２０】
筒状部材２０内において、熱源からの熱を大気に伝達する複数の伝熱管１２は、内部通路２２のうち鉛直下側を通るように配置されている。本実施形態において、複数の伝熱管１２は、内部通路２２を横切るよう水平方向に延びており、筒状部材２０を貫通して設けられている。すなわち、筒状部材２０は、鉛直下側において、伝熱管１２のうち水平方向に延びている部分を、内部通路２２に収容するよう構成されている。
【００２１】
また、熱交換器１０には、筒状部材２０の上側開口２６から軸方向に所定の間隔をあけて、太陽光を遮る部材（以下、遮光部材と記す）３０が設けられている。遮光部材３０は、図２に示すように、筒状部材２０と軸心（図に点Ｃで示す）が一致する円板状をなしている。図１に示すように、遮光部材３０は、筒状部材２０の軸心と直交する方向、すなわち水平方向に延びており、上側開口２６に対して平行に延びている。また、遮光部材３０は、上側開口２６に比べて径が大きくなるよう構成されている。
【００２２】
遮光部材３０は、支持部材４０（図に二点鎖線で示す）を介して筒状部材２０に結合されている。なお、支持部材４０は、軸心Ｃを中心とする周方向に複数配列されている。このように遮光部材３０を上側開口２６から間隔をあけて配置することにより、遮光部材３０と筒状部材２０との間には、熱交換器１０外と内部通路２２とを連通させて、内部通路２２を流れる大気を排出する空隙（以下、排気口と記す）が形成されている。
【００２３】
［伝熱管の被膜について］
ここで、内部通路２２を延びている伝熱管１２の詳細な構成について、図３〜図５を用いて説明する。図３は、本実施形態の熱交換器において用いられる伝熱管の断面図である。図４は、図３に示す伝熱管の拡大断面図である。図５は、伝熱管を構成する放熱膜の拡大断面図である。
【００２４】
図３に示すように、伝熱管１２は、その断面において通路１４を囲う基材１６と、基材１６の径方向外側に設けられた放熱膜１７と、放熱膜１７の径方向外側に設けられたコールドミラー膜１８とを有している。伝熱管１２の外表面は、当該コールドミラー膜１８で覆われている。
【００２５】
図３及び図４に示すように、基材１６は、銅や鉄、ステンレス鋼など比較的熱伝導率が高い金属により構成されている。コールドミラー膜１８は、可視光を反射し且つ赤外光を透過可能に構成された膜である。放熱膜１７は、近赤外線を良好に放射可能に構成された膜である。
【００２６】
コールドミラー膜１８は、屈折率の異なる誘電体（酸化物）を交互に多層に積層された膜である。例えば、屈折率が比較的高い酸化ニオブや酸化チタンの膜と、屈折率が比較的低いシリコン酸化物等の膜とを交互に多層に積層することにより構成される。これら酸化物の膜の厚さは、可視光を良好に反射するよう、例えば、反射すべき可視光の波長の４分の１程度になるように構成されている。このような酸化物の膜が、放熱膜１７に対して蒸着等により多層コーティングされてコールドミラー膜１８が形成される。
【００２７】
放熱膜１７は、赤外線の熱放射率が基材１６に比べて高い材料で構成されている。放熱膜１７には、材料単体で熱放射率が比較的高いカーボングラファイト等を用いることができる。また、図５に示すように、放熱膜１７は、赤外線を吸収する物質（以下、赤外線吸収物質と記す）８０と、熱伝導を促進する物質（以下、熱伝導物質と記す）８１と、これら物質を結合する結合物質８２とを含むものとすることもできる。熱伝導物質８１には、銅やアルミニウム等の比較的熱伝導率の高い金属で構成された細片（フィラー）等が用いられる。一方、赤外線吸収物質８０には、カーボングラファイトや石英等を用いることができる。
【００２８】
このように基材１６の上に放熱膜１７及びコールドミラー膜１８が形成された伝熱管１２は、図３に示すように、通路１４を流れる冷却媒体からの熱を伝熱管１２の外にある大気に良好に放熱することができる。また、伝熱管１２の外から太陽光が入射した場合であっても、コールドミラー膜１８が可視光を反射することにより、伝熱管１２の温度が上昇することを抑制することができる。
【００２９】
図１に示すように、以上のように構成された熱交換器１０は、熱源からの熱を受けて伝熱管１２が高温となると、伝熱管１２の熱は内部通路２２内の大気に伝達される。伝熱管１２からの熱を受けた大気は、温度が上昇して密度が低下する。これにより内部通路２２には、図に矢印Ｆ２で示すように、鉛直上側に向かう自然対流が形成される。
【００３０】
高温となって内部通路２２を鉛直上側に流れた大気は、図に矢印Ｆ３で示すように、遮光部材３０により流れの向きを水平方向に変えて、排気口から熱交換器１０の外に排出される。一方、内部通路２２には、伝熱管１２による放熱を受けていない比較的低温の大気が、図に矢印Ｆ１で示すように、下側開口２４から流入する。
【００３１】
本実施形態の熱交換器１０は、外から降り注ぐ太陽光を遮る遮光部材３０を有している。これにより、内部通路２２内にある伝熱管１２に太陽光が入射することを防止することができる。伝熱管１２と大気との間における熱伝達を良好なものにして、自然対流により伝熱部材の熱を効率良く大気に放熱することができる。
【００３２】
なお、上述した実施形態において、遮光部材３０は、水平方向に延びており、その外面３１は、鉛直上側を向いているものとしたが、本発明に係る遮光部材の態様は、これに限定されるものではない。例えば、遮光部材３０は、その外面３１が南側、東側、又は西側を向くように、水平方向に対して傾斜を付けて配設されるものとしても良い。このように構成した場合、熱交換器１０のうち主に北側には、比較的大きな排気口を設けることが可能となる。これにより、太陽光を効率的に遮ることができると共に、内部通路２２を鉛直上側に流れた高温の大気を、遮光部材３０により流れを阻害することなく、主に北側の排気口から熱交換器１０の外に排出することができる。
【００３３】
〔第２の実施形態〕
第２の実施形態の熱交換器の構成について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態の熱交換器の断面立面図である。本実施形態において、遮光部材のうち上側開口に対向する中央部には、当該上側開口に向けて突出する突出面が形成されている点において第１の実施形態と異なっている。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図６においては、理解を容易にするため、上述した支持部材の記載を省略している。
【００３４】
図６に示すように、本実施形態の熱交換器１０Ｂにおいては、遮光部材３０Ｂのうち上側開口に対向する部分（以下、中央部と記す）３３には、周囲に比べて上側開口２６に向けて突出している面（以下、突出面と記す）３４が形成されている。本実施形態において、突出面３４は、遮光部材３０Ｂのうち内部通路２２の径方向内側に向かうに従って上側開口２６との距離が小さくなるよう形成されている。すなわち、突出面３４は、鉛直下側に向けて突出する凸状をなしている。
【００３５】
このように構成された熱交換器１０Ｂは、図に矢印Ｗで示すように、大気の流れが、上述した排気口から遮光部材３０Ｂと上側開口２６との間にある空間に流入すると、当該流れは、突出面３４によって絞られる。このような流れを突出面３４と上側開口２６との間に形成することにより、ベンチュリ効果によって突出面３４近傍の流速が増大し、圧力が低下する。
【００３６】
一方、内部通路２２には、図に矢印Ｆ２で示すように、伝熱管１２から熱が伝達されて形成された大気の自然対流がある。この流れは、上述した突出面３４近傍の圧力低下により吸引されて、図に矢印Ｆ４で示すように、外部から流入した大気の流れ（図に矢印Ｗで示す）と共に、排気口から熱交換器１０Ｂ外に排出される。
【００３７】
本実施形態の熱交換器１０Ｂを、屋外のうち水平方向の風が良く吹くようなところに設置することにより、内部通路２２を流れる大気の自然対流をより強いものとすることができ、伝熱管１２から大気への放熱量を向上させることができる。
【００３８】
なお、本実施形態において、突出面３４は、凸状をなしているものとしたが、本発明に係る突出面は、この形態に限定されるものではない。突出面は、上側開口２６に向けて突出していれば良い。例えば、図６に示す断面形状を、所定の方向に押し出した形状とすることもできる。
【００３９】
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態の熱交換器の構成について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態の熱交換器の断面立面図である。本実施形態の熱交換器は、内部通路の断面積が、鉛直上側に向かうに従って大きくなるよう構成されている点で、第１の実施形態と異なっている。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図７においても、理解を容易にするため、上述した支持部材の記載を省略している。
【００４０】
図７に示すように、本実施形態の熱交換器１０Ｃにおいて、筒状部材２０Ｃは、当該筒状部材２０Ｃのうち最も断面積が小さい部分（以下、小径部と記す）２０ａと、小径部２０ａに比べて内部通路２２の断面積が大きく構成された部分（以下、大径部と記す）２０ｅと、小径部２０ａから大径部２０ｅ鉛直上側に向かうに従って内部通路２２ｃの断面積が大きくなるよう構成された部分（以下、拡径部と記す）２０ｃを有している。筒状部材２０Ｃは、鉛直下側から鉛直上側に、小径部２０ａ、拡径部２０ｃ、大径部２０ｅの順に接続されている。
【００４１】
小径部２０ａは、直管状をなしており、筒状部材２０Ｃのうち最も鉛直下側を構成している。複数の伝熱管１２は、小径部２０ａの径方向内側にある内部通路２２ａを横切るよう水平方向に延びており、小径部２０ａを貫通して設けられている。すなわち、小径部２０ａは、その径方向内側の内部通路２２ａに伝熱管１２を収容するよう構成されている。
【００４２】
拡径部２０ｃは、小径部２０ａから鉛直上側に延びており、小径部２０ａから鉛直上側に向かうに従って径が大きくなるよう構成されている。拡径部２０ｃは、鉛直上側に向かうに従って径方向内側にある内部通路２２ｃの断面積が大きくなるよう構成されている。このように構成された拡径部２０ｃの内部通路２２ｃは、小径部２０ａの内部通路２２ａから流入した大気の流れを減速することが可能となっている。
【００４３】
大径部２０ｅは、直管状をなしており、筒状部材２０Ｃのうち最も鉛直上側を構成している。大径部２０ｅは、拡径部２０ｃから鉛直上側に延びており、径方向内側にある内部通路２２ｅの断面積が一定になるよう構成されている。内部通路２２ｅの鉛直上側の端が、筒状部材２０Ｃの上側開口２６ｃとなっている。
【００４４】
熱交換器１０Ｃは、上側開口２６ｃから軸方向に所定の間隔をあけて、太陽光を遮る遮光部材３０Ｃが設けられている。遮光部材３０Ｃは、上側開口２６ｃに対して平行に延びており、上側開口２６ｃに比べて径が大きくなるよう構成されている。
【００４５】
以上のように構成された熱交換器１０Ｃは、伝熱管１２の熱は、小径部２０ａの内部通路２２ａ内の大気に伝達される。伝熱管１２からの熱を受けた大気は、密度の低下により、鉛直上側に流れて、図に矢印Ｆ５で示すように、拡径部２０ｃの内部通路２２ｃに流入する。拡径部２０ｃの内部通路２２ｃは、鉛直上側に向かうに従って断面積が大きくなるように構成されているため、当該内部通路２２ｃを流れる大気は、鉛直上側に向かうに従って減速される。つまり、拡径部２０ｃは、小径部２２ａ内の大気の流れを減速すると共に圧力を上昇させるディフューザとして機能する。
【００４６】
内部通路２２ｃから大径部２０ｅの内部通路２２ｅに流入した減速された大気は、図に矢印Ｆ６で示すように、上側開口２６ｃから流出し、流れの向きを遮光部材３０Ｃにより水平方向に変えて、熱交換器１０Ｃの外に排出される。一方、小径部２０ａの内部通路２２ａには、伝熱管１２による放熱を受けていない比較的低温の大気が、図に矢印Ｆ１で示すように下側開口２４から流入する。
【００４７】
このように本実施形態の熱交換器１０Ｃは、小径部２０ａの内部通路２２ａを流れる大気を、大径部２０ｅの内部通路２２ｅを流れる大気に比べて、流速の速いものにすることができる。これにより、熱交換器１０Ｃは、小径部２０ａの内部通路２２ａにおける伝熱管１２と大気との間における熱伝達を良好なものにして、自然対流による伝熱管１２の熱を効率良く大気に放熱することができる。
【００４８】
〔第４の実施形態〕
第４の実施形態の熱交換器の構成について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態の熱交換器の断面立面図である。本実施形態の熱交換器においては、筒状部材のうち伝熱管より鉛直上側には、容積比熱が大きい材料により構成された蓄熱部が設けられている点で、第１の実施形態と異なっている。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図８においても、理解を容易にするため、上述した支持部材の記載を省略している。
【００４９】
本実施形態の熱交換器１０Ｄは、図８に示すように、筒状部材２０Ｄのうち、伝熱管１２より鉛直上側には、その他の部分に比べて容積比熱［Ｊ／（ｍ３・Ｋ）］が大きい材料により構成された部分（以下、蓄熱部と記す）５０が設けられている。蓄熱部５０は、筒状部材２０Ｄのその他の部分、例えば、蓄熱部５０の鉛直下側にある部分（以下、下側部分と記す）２８に比べて容積比熱が大きい材料により構成されている。
【００５０】
本実施形態において、蓄熱部５０は、伝熱管１２より鉛直上側の内部通路２２を囲うように管状をなしている。蓄熱部５０の径方向外側には、図に矢印Ｓで示す太陽光を吸収する層状の膜（以下、吸収膜と記す）５５が、当該蓄熱部５０を囲うように形成されている。吸収膜５５は、伝熱管１２より鉛直上側において筒状部材２０Ｄの外壁２１に沿って延びている。
【００５１】
吸収膜５５は、筒状部材２０Ｄの下側部分２８や蓄熱部５０に比べて太陽光の吸収率が高い材料により構成されている。吸収膜５５は、主に赤外線を吸収する材料により構成することができる。なお、吸収膜５５は、黒色の塗料であっても良い。吸収膜５５は、これに入射する太陽光エネルギを熱に変換して、当該熱を蓄熱部５０に伝達する。
【００５２】
蓄熱部５０は、吸収膜５５や、筒状部材２０Ｄの下側部分２８等、周囲の熱を吸収して当該熱を蓄える。蓄熱部５０は、蓄えられた熱を径方向内側にある内部通路２２を流れる大気に伝達する。
【００５３】
下側開口２４から内部通路２２に流入し、伝熱管１２からの熱を受けて鉛直方向上側に流れる大気は、さらに、伝熱管１２より鉛直上側にある蓄熱部５０からの熱を受けて、さらに温度が上昇して密度が低下する。これにより、内部通路２２を鉛直下側から鉛直上側に向かう大気の自然対流をより強いものにして、自然対流による伝熱管１２から大気への放熱量を向上させることができる。
【００５４】
なお、本実施形態の熱交換器１０Ｄにおいては、吸収膜５５が太陽光を受けて発生させた熱を蓄熱部５０に伝達するため、より高い熱量の熱を蓄熱部５０に蓄え、当該熱により内部通路２２を流れる大気を加熱して、内部通路２２を鉛直下側から鉛直上側に向かう自然対流をより強化することができる。
【００５５】
〔第５の実施形態〕
第５の実施形態の熱交換器の構成について、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態の熱交換器の断面立面図である。本実施形態の熱交換器においては、入射した太陽光を蓄熱部に向けて反射可能な反射鏡を、さらに備える点で第４の実施形態と異なっている。なお、第４の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図９においても、理解を容易にするため、上述した支持部材の記載を省略している。
【００５６】
本実施形態の熱交換器１０Ｅは、図９に示すように、入射した太陽光を蓄熱部５０に向けて反射可能な鏡（以下、反射鏡と記す）５８を有している。反射鏡５８は、蓄熱部５０及び吸収膜５５の径方向外側に配置されている。本実施形態において、反射鏡５８は、径方向外側に向かうに従って鉛直上側に位置するよう延びている。反射鏡５８は、図に矢印Ｓで示すように、鉛直上方からの太陽光を、蓄熱部５０、より具体的には蓄熱部５０の径方向外側に形成された吸収膜５５に向けて反射する。
【００５７】
これにより、吸収膜５５及び蓄熱部５０は、より効率良く太陽光エネルギを受けることができる。吸収膜５５は、当該太陽光エネルギを熱に変換して、より高い熱量の熱を蓄熱部５０に蓄えることができる。蓄熱部５０は、内部通路２２を流れる大気を加熱して、内部通路２２を鉛直下側から鉛直上側に向かう自然対流をより強いものにすることができ、自然対流により伝熱管１２から大気への放熱量をさらに向上させることができる。
【００５８】
〔第６の実施形態〕
第６の実施形態の熱交換器の構成について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態の熱交換器の断面立面図である。本実施形態の熱交換器においては、遮光部材に代えて、太陽光を屈折させることにより当該太陽光を前記上側開口から前記蓄熱部に導く光学系を備える点で第４の実施形態と異なっている。なお、第４の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図１０においては、理解を容易にするため、光学系を支持する部材については記載を省略している。
【００５９】
図１０に示すように、本実施形態の熱交換器１０Ｆにおいて、筒状部材２０Ｆのうち、その他の部分に比べて容積比熱が大きい材料で構成された部分である蓄熱部５１は、伝熱管１２より鉛直上側であって、且つ内部通路２２に面するよう配置されている。すなわち、蓄熱部５１は、内部通路２２を画定する壁体の一部を構成するよう配置されている。
【００６０】
熱交換器１０Ｆは、太陽光を上側開口２６から蓄熱部５１に導く光学系６０として、太陽光を屈折させて収束光線束にするフレネルレンズ６１と、フレネルレンズ６１からの収束光線束を屈折させて発散光線束にして、太陽光を蓄熱部５１に照射するプリズム板６２とを有している。なお、フレネルレンズ６１、プリズム板６２は、図示しない支持部材により筒状部材２０Ｆに対して支持されている。
【００６１】
フレネルレンズ６１は、筒状部材２０Ｆの軸方向に直交する平板状をなしており、上側開口２６から軸方向に所定の間隔をあけて設けられている。フレネルレンズ６１は、図に矢印Ｓで示すように、平行光線束をなしている太陽光を受ける。フレネルレンズ６１は、当該太陽光を屈折することにより、図に矢印Ｓ２で示すように、当該太陽光を上側開口２６に向けて集光する収束光線束にする。
【００６２】
プリズム板６２は、筒状部材２０Ｆの軸方向に直交する平板状をなしており、フレネルレンズ６１より鉛直下側、すなわち上側開口２６側に設けられている。プリズム板６２は、フレネルレンズ６１からの収束光線束をなす太陽光を屈折させて、図に矢印Ｓ３で示すように、蓄熱部５１に向けて拡がる発散光線束にする。プリズム板６２は、フレネルレンズ６１からの太陽光を発散光線束にして内部通路２２側から、当該内部通路２２に面する蓄熱部５１に太陽光を照射する。
【００６３】
蓄熱部５１は、プリズム板６２からの太陽光を吸収して蓄えると共に、その熱を内部通路２２の大気に放熱する。これにより、内部通路２２のうち、伝熱管１２より鉛直上側にある大気は、蓄熱部５１からの放熱を受けて加熱される。蓄熱部５１により加熱された大気は、図に矢印Ｆ７で示すように、プリズム板６２と筒状部材２０Ｆとの間から熱交換器１０Ｆ外に排出される。
【００６４】
この態様によっても、内部通路２２を鉛直下側から鉛直上側に向かう自然対流をより強いものにすることができ、自然対流による伝熱管１２から大気への放熱量をさらに向上させることができる。筒状部材２０Ｆの上側開口２６から伝熱管１２に向かう太陽光を、光学系６０が伝熱管１２より鉛直上側にある蓄熱部５１に向けて屈折させるため、当該太陽光が伝熱管１２に入射することを抑制することができる。
【００６５】
〔第７の実施形態〕
第７の実施形態の熱交換器の構成について、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態の熱交換器の断面立面図である。本実施形態の熱交換器においては、筒状部材のうち伝熱管より鉛直下側に蓄熱部が設けられており、さらに、蓄熱部の熱を外部に放熱する伝熱体を備える点で、第４の実施形態と異なっている。なお、第４の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６６】
本実施形態の熱交換器１０Ｇにおいて、筒状部材２０Ｇのうち、その他の部分に比べて容積比熱が大きい材料で構成された部分である蓄熱部５２は、伝熱管１２より鉛直下側に配置されている。蓄熱部５２は、その周囲からの熱を吸収して蓄える。
【００６７】
熱交換器１０Ｇには、蓄熱部５２の熱を、熱交換器１０Ｇの外部に向けて放熱可能な部材（以下、単に「伝熱体」と記す）６６が設けられている。伝熱体６６は、例えば銅など、熱伝導率が比較的高い金属で構成されている。本実施形態において、伝熱体６６は、一方の端部６５が蓄熱部５２に結合されており、他方の端部６７が地中に埋設されている。伝熱体６６は、蓄熱部５２の熱を地中に放熱する。
【００６８】
換言すれば、伝熱体６６は、地中からの冷熱を蓄熱部５２に伝達する。地中の冷熱は、伝熱体６６を介して蓄熱部５２に伝達されて蓄熱部５２を冷却する。筒状部材２０Ｇには、鉛直上側の端部２９から蓄熱部５２に向かうに従って低温となる温度勾配が形成される。また、図に矢印Ｆ８で示すように、内部通路２２のうち蓄熱部５２の径方向内側を流れる大気から熱を吸収して温度を低下させる。内部通路２２内の大気は、鉛直上側から蓄熱部５２に向かうに従って低温となる。これにより、内部通路２２を鉛直下側から鉛直上側に向かう大気の自然対流をより強いものにすることができ、伝熱管１２から大気への放熱量をより向上させることができる。
【００６９】
なお、本実施形態において、蓄熱部５２は、伝熱管１２より鉛直下側に配置されているものとしたが、蓄熱部５２の配置は、これに限定されるものではない。蓄熱部５２は、伝熱管１２と水平方向（筒状部材の径方向）に対向するよう配置されるものとしても良い。この態様によれば、伝熱管１２が放射した熱を蓄熱部５２が吸収して、蓄熱部５２の熱を、伝熱体６６により熱交換器１０Ｇの外に放熱することができる。
【００７０】
〔第８の実施形態〕
第８の実施形態の固定構造物の構成について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態の固定構造物の断面立面図である。なお、各図において鉛直方向のうち上側（以下、鉛直上側と記す）を矢印Ｕで示し、鉛直方向のうち下側（以下、鉛直下側と記す）を矢印Ｄで示す。
【００７１】
図１２に示すように、本実施形態の固定構造物７０には、鉛直方向に直交する平面である水平面に対して、所定の角度、傾斜を付けて延びている面（以下、傾斜面と記す）７２を有している。傾斜面７２は、固定構造物７０の外装を構成する面であり、大気に接している。固定構造物７０には、例えば、原子炉建屋がある。傾斜面７２を構成する躯体７４には、例えば、原子炉建屋を構成する屋根等の構造物がある。
【００７２】
傾斜面７２と直交する方向の外側、すなわち傾斜面より大気側には、熱源（例えば燃料プール）に接続されており、熱源からの熱を大気に伝達する伝熱部材として、伝熱管１２が配置されている。伝熱管１２は、管状をなしており通路１４を冷却媒体が流通可能に構成されている。通路１４を流れる冷却媒体には、例えば、水がある。
【００７３】
本実施形態の固定構造物７０において、伝熱管１２が接続される熱源は、例えば、原子炉建屋内にある燃料プール（図示せず）であり、伝熱管１２の通路１４には、燃料プール内に貯留され、燃料からの熱を受けて高温となった冷却水（冷却媒体）が流れる。このように構成された複数の伝熱管１２は、傾斜面７２から所定の間隔をあけて水平方向に延びている。
【００７４】
また、固定構造物７０には、伝熱管１２から所定の間隔をあけて、太陽光を遮る部材（以下、遮光部材と記す）９０が設けられている。遮光部材９０と傾斜面７２との間には、自然対流により大気が貫流可能な通路（以下、大気通路と記す）９２が形成される。
【００７５】
なお、以下の説明において、遮光部材９０のうち鉛直下側にある大気通路９２の開口を「下側開口」と記して符号９４を付す。また、遮光部材９０のうち鉛直上側にある大気通路９２の開口を「上側開口」と記して符号９６を付す。
【００７６】
固定構造物７０において、遮光部材９０は、その傾斜面７２側に形成される大気通路９２の断面積が最も小さくなる部分（以下、小断面部と記す）９０ａと、小断面部９０ａに比べて内部通路９２の断面積が大きくなるよう構成された部分（以下、大断面部と記す）９０ｅと、小断面部９０ａから大断面部９０ｅに向かうに従って大気通路９２の断面積が大きくなるよう構成された部分（以下、拡大断面部と記す）９０ｃを有している。遮光部材９０は、鉛直下側から鉛直上側に、小断面部９０ａ、拡大断面部９０ｃ、大断面部９０ｅの順に連続して結合されている。
【００７７】
小断面部９０ａは、遮光部材９０のうち最も鉛直下側を構成している。複数の伝熱管１２は、小断面部９０ａの傾斜面７２側にある大気通路９２を横切るよう水平方向に延びており、小断面部９０ａを貫通して設けられている。すなわち、小断面部９０ａは、大気通路９２ａに伝熱管１２を収容するよう構成されている。
【００７８】
拡大断面部９０ｃは、小断面部９０ａから鉛直上側に延びており、小断面部９０ａから鉛直上側に向かうに従って大気通路９２ｃの断面積が大きくなるよう構成されている。このように構成された拡大断面部９０ｃの大気通路９２ｃは、小断面部９０ａの大気通路９２ａから流入した大気の流れを減速することが可能となっている。
【００７９】
大断面部９０ｅは、遮光部材９０のうち最も鉛直上側を構成している。大断面部９０ｅは、拡大断面部９０ｃから鉛直上側に延びており、傾斜面７２側にある大気通路９２ｅの断面積が一定になるよう構成されている。大気通路９２ｅの鉛直上側の端には、大気通路９２の上側開口９６が形成される。
【００８０】
以上のように構成された固定構造物７０においては、伝熱管１２の熱は、小断面部９０ａの大気通路９２ａ内の大気に伝達される。伝熱管１２からの熱を受けた大気は、密度の低下により、鉛直上側に流れて、図に矢印Ｆ９で示すように、拡大断面部９０ｃの大気通路９２ｃに流入する。拡大断面部９０ｃの大気通路９２ｃは、鉛直上側に向かうに従って断面積が大きくなるように構成されているため、当該大気通路９２ｃを流れる大気は、鉛直上側に向かうに従って減速される。つまり、拡大断面部９０ｃは、大気の流れを減速すると共に圧力を上昇させるディフューザとして機能する。
【００８１】
大気通路９２ｃから大断面部９０ｅの大気通路９２ｅに流入した減速された大気は、図に矢印Ｆ１０で示すように、上側開口９６から排出される。一方、小断面部９０ａの大気通路９２ａには、伝熱管１２による放熱を受けていない比較的低温の大気が、図に矢印Ｆ１１で示すように下側開口９４から流入する。
【００８２】
このように本実施形態の固定構造物７０は、小断面部９０ａの大気通路９２ａを流れる大気を、大断面部９０ｅの大気通路９２ｅを流れる大気に比べて、流速の速いものにすることができる。これにより、固定構造物７０は、小断面部９０ａの大気通路９２ａにおける伝熱管１２と大気との間における熱伝達を良好なものにして、自然対流による伝熱管１２から大気への放熱量を向上させることができる。
【００８３】
〔第９の実施形態〕
第９の実施形態の固定構造物の構成について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施形態の固定構造物の断面立面図である。本実施形態の固定構造物は、躯体のうち、伝熱管より鉛直下側には、その他の部分に比べて容積比熱が大きい材料で構成された蓄熱部が設けられており、当該蓄熱部に結合されており、当該蓄熱部の熱を外部に伝達することにより放熱可能な伝熱体を、さらに備える点で、第８の実施形態と異なっている。なお、第８の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００８４】
本実施形態の固定構造物７０Ｂは、図１３に示すように、躯体７４のうち、伝熱管１２より鉛直下側には、その他の部分に比べて容積比熱［Ｊ／（ｍ３・Ｋ）］が大きい材料により構成された部分（以下、蓄熱部と記す）１００が設けられている。蓄熱部１００は、躯体７４のその他の部分に比べて容積比熱が大きい材料により構成されている。
【００８５】
本実施形態において、蓄熱部１００は、傾斜面７２に沿って延びている。より具体的には、主に小断面部９０ａの大気通路９２ａに沿って延びている。蓄熱部１００は、躯体７４のその他の部分や大気通路９２ａからの熱を吸収して当該熱を蓄えることが可能となっている。
【００８６】
また、固定構造物７０Ｂには、蓄熱部１００の熱を、外部に向けて放熱可能な部材（以下、単に「伝熱体」と記す）１０２が設けられている。伝熱体１０２は、例えば銅など、熱伝導率が比較的高い金属で構成されている。本実施形態において、伝熱体１０２は、一方の端部１０１が蓄熱部１００に結合されており、他方の端部が地中（図示せず）に埋設されている。伝熱体１０２は、蓄熱部１００の熱を地中に向けて放熱する。
【００８７】
換言すれば、伝熱体１０２は、地中からの冷熱を蓄熱部１００に伝達する。地中の冷熱は、伝熱体１０２を介して蓄熱部１００に伝達されて蓄熱部１００を冷却する。傾斜面７２には、鉛直上側から蓄熱部１００に向かうに従って低温となる温度勾配が形成される。また、小断面部９０ａの大気通路９２ａを流れる大気から熱を吸収して温度を低下させる。大気通路９２内の大気は、鉛直上側から蓄熱部１００に向かうに従って低温となる。これにより、大気通路９２を鉛直下側から鉛直上側に向かう大気の自然対流をより強いものにすることができ、伝熱管１２から大気への放熱量をより向上させることができる。
【００８８】
〔他の実施形態〕
なお、上述した第１ないし第７の実施形態において、伝熱管１２は、内部通路２２内を水平方向に延びているものとしたが、伝熱管１２が内部通路２２内を延びる方向は、この態様に限定されるものではない。伝熱管１２は、内部通路２２内にある大気に熱を伝達可能であれば良い。例えば、伝熱管１２は、内部通路２２内を蛇行して延びているものとしても良い。
【００８９】
また、上述した第１ないし第７の実施形態において、熱交換器１０は、筒状部材２０の内部通路２２が鉛直方向に延びるように配設されるものとしたが、内部通路２２が延びる方向は、この態様に限定されるものではない。例えば、内部通路２２が下側開口２４から上側開口２６に向けて斜め上方に延びるように、熱交換器１０が配設されるものとしても良い。
【００９０】
また、上述した第１ないし第７の実施形態において、当該熱源からの熱を大気に放熱する伝熱部材は、内部にある通路１４を冷却媒体が流通可能な伝熱管１２であるものとしたが、本発明に係る伝熱部材の態様は、これに限定されるものではない。
【００９１】
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、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。これらの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。これらの実施形態やその変形例は、発明の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均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９２】
１０，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ  熱交換器
１２  伝熱管
１４  通路
１６  基材
１７  放熱膜
１８  コールドミラー膜
２０，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｆ，２０Ｇ  筒状部材
２０ａ  小径部
２０ｃ  拡径部
２０ｅ  大径部
２１  外壁
２２，２２ａ，２２ｃ，２２ｅ  内部通路
２４  下側開口
２６，２６ｃ  上側開口
３０，３０Ｂ，３０Ｃ  遮光部材
３４  突出面
５８  反射鏡
４０  支持部材
５０，５１，５２  蓄熱部
５５  吸収膜
６０  光学系
６１  フレネルレンズ
６２  プリズム板
６６  伝熱体
７０，７０Ｂ  固定構造物
７２  傾斜面
７４  躯体
９０  遮光部材
９０ａ  小断面部
９０ｃ  拡大断面部
９０ｅ  大断面部
９２  大気通路
９４  下側開口
９６  上側開口
１００  蓄熱部
１０２  伝熱体
【図１】
2015048952.tif 000003
【図２】
2015048952.tif 000004
【図３】
2015048952.tif 000005
【図４】
2015048952.tif 000006
【図５】
2015048952.tif 000007
【図６】
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【図７】
2015048952.tif 000009
【図８】
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【図９】
2015048952.tif 000011
【図１０】
2015048952.tif 000012
【図１１】
2015048952.tif 000013
【図１２】
2015048952.tif 000014
【図１３】
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