(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体によって構造体の表面を被覆する自由表面流を生成する自由表面流生成構造であって、
前記液体を前記構造体の外側の表面に連続的に供給する供給機構と、
前記構造体の表面に設置され、外力の作用によって流れる前記液体の基本流を阻害し、前記液体の少なくとも一部に対して、該基本流に交差する方向の速度成分を生じさせる基本流阻害部と、
前記基本流阻害部の外側を覆うように設置された散乱抑止部であって、該散乱抑止部は複数の孔または間隙を有し、該孔または間隙から前記液体を該散乱抑止部の表面を被覆して流れるように外部に流出させるとともに、前記液体の散乱を抑止する散乱抑止部とを備え、
前記構造体は柱状または管状の部材であり、
前記基本流阻害部は、該構造体の外周に螺旋状に設置されている自由表面流生成構造。
【請求項２】
請求項１記載の自由表面流生成構造であって、
前記散乱抑止部は、形状を維持できる剛性を有する素材で形成された網である自由表面流生成構造。
【請求項３】
請求項１または２いずれか記載の自由表面流生成構造であって、
前記供給機構は、前記基本流の上流側において、前記散乱抑止部よりも外側に配置されることにより、該散乱抑止部の外側表面に前記液体を供給する拡張供給口を備える自由表面流生成構造。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか記載の自由表面流生成構造であって、
前記基本流阻害部および散乱抑止部の少なくとも一方には、腐食防止加工が施されている自由表面流生成構造。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか記載の自由表面流生成構造であって、
前記液体は、溶融金属または溶融塩であり、
前記基本流阻害部および散乱抑止部の少なくとも一部が、これらを構成する各部材の融点を超え得る熱負荷を受ける高熱負荷部に設置されている自由表面流生成構造。
【請求項６】
請求項５記載の自由表面流生成構造であって、
前記構造体は柱状または管状であり、
複数の該構造体を、その軸が平行になるように２次元的な配置で保持するマニホールドを有する自由表面生成構造。
【請求項７】
請求項６記載の自由表面流生成構造であって、
前記高熱負荷部は、プラズマを磁気で封じ込める核融合炉内部であり、
前記マニホールドは、前記構造体の大きさに応じて、前記高熱負荷部における前記磁気の磁力線方向の見通しを遮蔽する数および配置で前記構造体を保持する自由表面流生成構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体の表面を液体によって被覆する自由表面流を生成するための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
核融合炉は、重水素および三重水素という水素同位体の高温高密度のプラズマを核融合反応させる装置である。核融合に用いられるプラズマは、非常に高温高密度であり、金属製の容器等では容器自体が損耗、溶融等してしまい封じ込めることができないため、磁力等によって封じ込める方法がとられる。このような核融合炉において、核融合反応によって生成される灰とも言うべきヘリウムの排出を目的の一つとして用いられるのがダイバータである。磁力等で封じ込められてはいるものの周辺から徐々に拡散してくるプラズマを、周囲に設置されたダイバータに導き、ここでプラズマからエネルギを放出させることでヘリウムをガス化させて排気するのである。
このような働きをするダイバータは、非常に高い熱負荷にさらされるため、熱を速やかに除去することが重要となる。かかる技術として、特許文献１は、核融合炉におけるダイバータにおいて、傾斜した固体壁上を、液体金属または溶融塩を流し、これによって熱を除去する技術を開示している。液体金属等の液体を流しておけば、これらの液体が熱を吸収しながら短時間に流下することによって、ダイバータ自体が熱負荷を受けることを回避することができるのである。このように管内の流れなどと異なり、液体の境界面が解放された状態の流れを自由表面流という。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７９６８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
液体を用いて熱を除去する場合には、保護すべき構造体の全体を被覆するように液体を流す必要がある。しかし、単に構造体の表面に液体を流しても、構造体の濡れ性、即ち構造体への液体の付着しやすさのムラなど、種々の原因によって、構造体全体を安定的に被覆した自由表面流を得ることは容易ではない。構造体が全長数ｍという大規模なものになるほど、かかる課題は顕著となる。液体の流量を増大することにより、被覆される部分をある程度増大させることは可能ではあるが、必ずしも安定的とは言えない。また、液体の流量を増大する方法では、液体が無用に散乱するという別の課題を招くこともある。
構造体を被覆する自由表面流は、ダイバータにおける熱の除去以外にも種々の用途に利用可能である。例えば、家屋やビルなどの建築物の窓や外壁等に水を流すことで太陽による温度上昇を緩和し、美観を向上させる用途に利用することもできる。また、構造体の表面に汚れが付着するのを抑制したり、構造体に虫を誘引しておき自由表面流を利用してその駆除を図ったりする用途にも利用可能である。構造体を安定的に被覆する自由表面流を実現するという前述の課題は、かかる場合にも共通の課題である。
本発明は、これらの課題に鑑み、構造体の表面を液体によって被覆する自由表面流を安定的に生成可能とする技術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】
【０００５】
本発明は、
液体によって構造体の表面を被覆する自由表面流を生成する自由表面流生成構造であって、
前記液体を前記構造体の外側の表面に連続的に供給する供給機構と、
前記構造体の表面に設置され、外力の作用によって流れる前記液体の基本流を阻害し、前記液体の少なくとも一部に対して、該基本流に交差する方向の速度成分を生じさせる基本流阻害部と、
前記基本流阻害部の外側を覆うように設置され、複数の孔または間隙を有し、該孔または間隙から前記液体を外部に流出させるとともに、前記液体の散乱を抑止する散乱抑止部とを備える自由表面流生成構造と構成することができる。
【０００６】
本発明では、基本流阻害部が基本流を阻害する作用を奏する。こうすることにより、液体には基本流に交差する方向の速度成分が生じるため、構造体の表面全体に液体を行き渡らせる効果を得ることができる。一方、基本流阻害部のみでは、阻害された基本流が構造体表面から剥離し、飛散するおそれもある。本発明では、基本流阻害部の外側を散乱抑止部で覆っているため、こうした液体の散乱を抑制することができる。しかも、散乱抑止部には間隙が設けられているから、散乱を抑制されながらも、液体は、この間隙から外表面に漏れ出し、散乱抑止部の表面を被覆するように流れる。このように、本発明は、基本流を敢えて乱す構造と、乱された液体の散乱を抑制する構造とを組み合わせて用いることにより、安定した自由表面流を生成することができる。液体として水を用いた本発明者の実験によれば、本発明により、全長約６ｍにわたる自由表面流を安定して実現できることが確認されている。
【０００７】
本発明において、構造体は、平板、曲面板、柱、管など種々のものを適用できる。材質も用途に応じて任意に選択可能である。
液体も用途に応じて任意に選択可能である。
外力とは重力、圧力、摩擦力など種々の力が該当する。また、液体が磁性を帯びている場合は、外力として電磁力なども適用し得る。
一例として、外力として重力を用いる場合、構造体を鉛直または傾けて設置することにより落下する方向の基本流が生成される。重力以外の外力を用いる場合には、構造体を水平に設置することも考えられる。
基本流阻害部としては、例えば、構造体表面に基本流に直交または斜めに交差する部分を有する突条等とすることができる。突条は直線状、曲線状、リング状、後述する螺旋状など種々の形状をとり得る。また、突条の他、複数の突起としてもよい。突起であっても、基本流が阻害される結果、局所的には基本流に交差する方向の速度成分を生じさせることができるからである。
散乱抑止部は、散乱の抑止と、間隙とを有する種々の構造をとりうる。例えば、網、細い棒を束ねたすだれ状の部材、多孔板などが挙げられる。
【０００８】
本発明の自由表面流生成構造においては、
前記構造体は柱状または管状の部材であり、
前記基本流阻害部は、該構造体の外周に螺旋状に設置されているものとしてもよい。
かかる態様では、螺旋状の基本流阻害部の作用によって、液体には、軸方向の基本流に交差する周方向の速度成分を与えることができる。しかも、螺旋は基本流の流れを止めてしまうほど阻害する訳ではないから、液体の運動エネルギの損失は抑えられる。この結果、液体には周方向の速度成分によって遠心力、即ち周囲に散乱する力が作用する。従って、散乱抑止部によって散乱を抑止されながらも、十分に散乱抑止部の外表面に流れ出すエネルギは確保される。こうして、上記態様では、より安定した自由表面流を生成することができる。
上記態様において、螺旋のピッチ、傾斜、構造体表面からの高さなどは構造体のサイズ、液体の種類等を踏まえて実験または解析などによって最適な状態を選択すればよい。
基本流阻害部は、一本の螺旋で構成される必要はなく、二重、三重の螺旋としてもよい。
【０００９】
本発明の自由表面流生成構造においては、
前記散乱抑止部は、形状を維持できる剛性を有する素材で形成された網であるとしてもよい。
網は、比較的大きな間隙が多数あいている構造であるから、液体を網の外表面に十分に流れ出させることができ、構造体の表面全体を被覆する自由表面流を安定して生成することができる。網の間隙の大きさ、形状などは任意に設定可能である。
網を形成する素材は、自由表面流生成構造の用途や液体の種類などを考慮して種々選択可能である。例えば、金属、セラミックス、複合材、樹脂などが考えられる。
また、網は一層に限られるものではなく、多層で用いても良い。
【００１０】
本発明の自由表面流生成構造においては、
前記供給機構は、前記基本流の上流側において、前記散乱抑止部よりも外側に配置されることにより、該散乱抑止部の外側表面に前記液体を供給する拡張供給口を備えるものとしてもよい。
こうすることによって、液体を構造体の表面だけでなく、散乱抑止部の外側にも供給することができる。先に説明した通り、散乱抑止部の外表面は、構造体の表面から間隙を通って出てきた液体が流れることになるが、上記態様では、かかる流れとは別に散乱抑止部の外側に液体が供給されるため、構造体の表面全体を被覆する自由表面流をより安定して生成することができる。
拡張供給口も種々の態様をとることができる。例えば、構造体が柱状または管状の場合には、これよりも径が大きい管を拡張供給口として用いることができる。また、拡張供給口は必ずしも一つに限られるものではないから、例えば、細い管を散乱抑止部よりも外側の位置に並べるようにしてもよい。
拡張供給口の素材も板、網、棒、管など種々の選択が可能である。
【００１１】
本発明の自由表面流生成構造においては、
前記基本流阻害部および散乱抑止部の少なくとも一方には、腐食防止加工が施されているものとしてもよい。
これらの部材のように常時液体が流れている部材は非常に腐食しやすくなるため、寿命確保のため、腐食防止加工を施すことが好ましい。しかし、一般に腐食防止加工を施すと部材表面の濡れ性が低下し、液体が表面に付着しにくくなる。本発明は、かかる場合でも、安定して構造体の表面全体を被覆する自由表面流を生成することができるため、有用性が非常に高い。
【００１２】
本発明の自由表面流生成装置は、種々の用途に利用可能である。例えば、家屋やビルなどの建築物の窓や外壁等を構造体として、水による自由表面流を生成させてもよい。こうすることで、太陽による温度上昇を緩和し、美観の向上、汚れの付着抑制などの効果を得ることができる。また、管状の構造体を発光させ、光によって虫を誘引しておき、構造体表面の自由表面流を利用してその駆除を図るようにしてもよい。
【００１３】
また、別の用途として、本発明の自由表面流生成構造においては、
前記液体は、溶融金属または溶融塩であり、
前記基本流阻害部および散乱抑止部の少なくとも一部が、これらを構成する各部材の融点を超え得る熱負荷を受ける高熱負荷部に設置されているものとしてもよい。
つまり、自由表面流を利用して構造体が受ける熱負荷を除去する用途である。本発明では、構造体の表面全体を被覆する自由表面流を安定して生成することができるため、構造体が熱負荷によって損傷または溶融する可能性を抑制できる。熱除去の能力を確保するためには、熱負荷に応じて、液体の流量、流速などを調整すればよい。
【００１４】
溶融金属を液体として用いる例としては、例えば、核融合炉内、とくにダイバータとしての利用が考えられる。
核融合に用いられるプラズマは、摂氏約１億度という非常な高温であり、ダイバータが受ける熱負荷も非常に多大である。このように極端に大きな熱負荷の除去は、自由表面流を利用する方法が非常に有用であり、本発明は、ダイバータ表面を被覆する自由表面流を安定して生成することができるため、ダイバータへの利用に適している。
本発明をダイバータに利用する場合、溶融金属としては、例えば、溶融スズを用いることができる。溶融スズは、蒸気圧が低いため、熱除去に用いても金属蒸気の発生を抑制することができる。核融合炉で核融合反応を生じさせるためには、プラズマに不純物が混入しないことが好ましく、かかる観点から金属蒸気を発生しにくい溶融スズは有用性が高い。
液体として用いる溶融塩としては、リチウムを含む塩、ＦＬｉＢｅ（ＬｉＦとＢｅＦ２のに成分混合塩）などを用いることができる。リチウムの溶融塩を用いることの利点は次の通りである。核融合炉において用いられる三重水素は、中性子がリチウムに衝突することによって生成される。三重水素を生成する反応を生じさせるために核融合炉では磁気で封じ込められたプラズマを取り巻くようにブランケットと呼ばれる構造体が形成されており、このブランケット内にリチウムの溶融塩が流される。上記態様において、熱除去のためにリチウムの溶融塩を用いるものとすれば、ブランケットで利用するリチウム溶融塩と共通にすることができ、全体の装置構成を簡略化することが可能となるのである。
【００１５】
本発明の自由表面流生成構造を高熱負荷部に設置する場合には、
前記構造体は柱状または管状であり、
複数の該構造体を、その軸が平行になるように２次元的な配置で保持するマニホールドを有するものとしてもよい。
こうすることにより、複数の構造体を併用して熱除去に利用することができる。２次元的な配置は、用途に応じて任意に設定可能である。
【００１６】
また、本発明の自由表面流生成構造を、核融合炉にダイバータ等として適用する場合、
即ち、前記高熱負荷部は、プラズマを磁気で封じ込める核融合炉内部とする場合には、
前記マニホールドは、前記構造体の大きさに応じて、前記高熱負荷部における前記磁気の磁力線方向の見通しを遮蔽する数および配置で前記構造体を保持するものとしてもよい。
プラズマは、磁力線に沿って移動する性質がある。従って、管状または柱状の構造体であっても磁力線に沿う方向の見通しを遮蔽するように配置すれば、プラズマの流れをいずれかの構造体が受け止め、熱負荷を除去することが可能となる。
また、ダイバータとして利用した場合、上記態様は、次に示す利点もある。ダイバータの作用によって、プラズマに含有されていたヘリウムや水素同位体が気体に変化する。こうして生成された気体は、磁力線に沿って移動するという性質はなく、自由に空間を移動する。上記態様は、柱状または管状の構造体を用いるため、気体にとっては、ダイバータは間隙が多い構造となる。従って、ヘリウムや水素同位体などの気体を支障なく排気することが可能となるのである。
【００１７】
本発明は、以上で説明した種々の特徴を全て備えている必要はなく、適宜、一部を省略したり組み合わせたりしてもよい。
また、本発明は、上述の自由表面流生成構造としての態様の他、次に示す様に当該構造の製造方法として構成することもできる。
例えば、液体によって構造体の表面を被覆する自由表面流を生成する自由表面流生成構造の製造方法であって、
前記構造体を用意する工程と、
前記液体を前記構造体の外側の表面に連続的に供給する供給機構を用意する工程と、
外力の作用によって流れる前記液体の基本流を阻害し、前記液体の少なくとも一部に対して、該基本流に交差する方向の速度成分を生じさせる基本流阻害部を、前記構造体の表面に設置する工程と、
複数の孔または間隙を有し、該孔または間隙から前記液体を外部に流出させるとともに、前記液体の散乱を抑止する散乱抑止部を前記基本流阻害部の外側を覆うように設置する工程とを備える製造方法である。
この他にも、本発明は、種々の態様をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ダイバータの構成を示す説明図である。
【図２】メッシュ管の配列の決定方法を示す説明図である。
【図３】メッシュ管の構成を示す説明図である。
【図４】メッシュ管の作用を示す説明図である。
【図５】熱除去の効果を示す説明図である。
【図６】自由表面流の様子を示す説明図である。
【図７】実施例２としてのメッシュ管の適用例を示す説明図である。
【図８】変形例としてのメッシュ管の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１９】
実施例１として、本発明の自由表面流生成構造を核融合炉のダイバータとして適用した例について説明する。実施例１では、ダイバータへの適用例を示すが、後述する通り、本発明はダイバータに限らず幅広く適用可能である。
【００２０】
Ａ．ダイバータの全体構成：
図１は、ダイバータ１０の構成を示す説明図である。図１（ｂ）はダイバータ１０の斜視図である。図示するように、ダイバータ１０は、マニホールド１１からつり下げるように多数のメッシュ管１００を取り付けた構造となっている。ダイバータ１０の寸法は、これを適用する核融合炉のサイズ、ダイバータ１０の適用部位、プラズマの温度条件などに応じて設計すればよい。本実施例では、メッシュ管１００は全長６ｍである。
【００２１】
メッシュ管１００は、その表面に液体を流し、この液体によって熱を除去する構造体である。液体としては、溶融金属や溶融塩が用いられる。本実施例では、溶融スズを用いるものとした。メッシュ管１００が、本発明における自由表面流生成構造に相当する。
【００２２】
溶融スズは、マニホールド１１を介して各メッシュ管１００に供給される。マニホールド１１には、外部から溶融スズを供給するための供給管１２が接続されている。マニホールド１１および供給管１２は、核融合炉において熱負荷を受けない部位に設置される。
【００２３】
メッシュ管１００の配置について説明する。図１（ａ）はダイバータ１０を上から見た状態を示している。図示するように、メッシュ管１００はｙ方向に間隔Ｄｙで配列され（以下、この一列分の配列をアレイと呼ぶこともある）、各アレイがｘ方向にＤｘ間隔で配置されることによって、全体として二次元的に配置されている。メッシュ管１００の直径ｄ、間隔Ｄｘ，Ｄｙ、および各アレイのｙ方向の配列のずれＯＳＴは、磁力線に沿う方向の見通しを遮蔽するように設計されている。核融合炉内ではプラズマは磁力線に沿って移動するため、このように見通しを遮蔽すれば、管状のメッシュ管１００を配列した構造であっても、プラズマに対してはあたかも一つの面のように作用し、熱除去を効果的に行うことができるのである。
【００２４】
メッシュ管１００の配列には、次に示す通り、排気上の利点もある。核融合炉では、ダイバータの作用によって、プラズマに含有されていたヘリウムや水素同位体が気体に変化する。本実施例のダイバータは、メッシュ管１００を配列して構成されているため、メッシュ管１００の間は空間的には多数の間隙が存在する。ダイバータで生成されたヘリウムや水素同位体の気体は、磁力線に拘束されることなく自由に空間を移動できるため、本実施例のダイバータは、何ら支障なくこれらの気体を排気することが可能となる。
【００２５】
このように、本実施例のダイバータは、プラズマに対しては、見通しを遮蔽した一つの面となり、生成された気体に対しては間隙の多い構造体となるという２つの性質を両立させることができる利点がある。
メッシュ管１００の配列の決定方法は、次の通りである。
【００２６】
Ｂ．メッシュ管の配列の決定方法：
図２は、メッシュ管の配列の決定方法を示す説明図である。ダイバータを上から見た状態を模式的に示した。
【００２７】
図２（ａ）は配置の決定方法の一例である。
メッシュ管１００の配置を決めるためのｘ方向の軸Ｘ０の基準となる位置Ｐ０、Ｐ１を決定する。核融合炉内でのダイバータの配置を決定すると、その部位での磁力線の方向が決まるため、ｘ方向の軸Ｘ０と磁力線とのなす角度ＡＮＧ（以下、この角度を磁力線角度という）が求まる。
位置Ｐ０、Ｐ１を基準とする配列の繰り返しによって磁力線方向の見通しを遮蔽すると考えると、位置Ｐ０を通るｙ方向の軸Ｙ０と、位置Ｐ１を通る磁力線との交点Ｐ２を次の配列の始点とできる。このようにしてメッシュ管１００のｙ方向の間隔Ｄｙを決定することができる。もっとも、ｙ方向のメッシュ管１００の位置は、間隔Ｄｙを等分割した位置に決めても良い。
【００２８】
磁力線方向の見通しを遮蔽するということは、メッシュ管１００を磁力線方向に投影した場合、磁力線Ｌ０に直交する基準線ＬＴ上に密に投影範囲が並ぶことを意味する。位置Ｐ１のメッシュ管１００の形状を基準線ＬＴに投影することによって投影範囲Ｐ１ｐが決まると、投影範囲Ｐ０、Ｐ１ｐの間を直径ｄの投影範囲で密に埋めるための必要数を求めることができる。図の例では、投影範囲Ｐ０、Ｐ１ｐの間に６個の投影範囲を配置することにより、基準線ＬＴを密に埋めることができる。つまり、基準線ＬＴを密に埋めるためには、位置Ｐ０、Ｐ１の他に６本のメッシュ管１００が必要ということになる。
遮蔽を実現するためには、上述のように決めた各投影範囲の中心を通る磁力線Ｌ１〜Ｌ６上のいずれかの箇所にメッシュ管１００を配置すればよい。
【００２９】
次に、ｘ方向のアレイの配置を決定する。図２（ａ）の例では、基準線ＬＴ上の位置Ｐ０、Ｐ１ｐ間に６つの投影範囲が配置されることから、位置Ｐ０、Ｐ１を通るｙ方向の軸Ｙ０、Ｙ７の間に等間隔に６本のＹ軸Ｙ１〜Ｙ６を設定し、これをアレイの配置とした。この結果、ｘ方向の間隔Ｄｘａが決定される。
遮蔽を実現するためには、上述のＹ軸Ｙ１〜Ｙ６と磁力線Ｌ２〜Ｌ６との交点にメッシュ管１００を配置すればよい。図２（ａ）の例では、これらの交点は、図中に黒丸で示すように、軸Ｘ０上に配置される。この例では、アレイ間のｙ方向のずれは生じない。結果として、メッシュ管１００は、直交格子の各格子点上に配置されることになる。
【００３０】
基準線ＬＴ上に配置される投影範囲の数と、Ｘ０軸方向のアレイの数は必ずしも一致させる必要はない。図２（ｂ）は投影範囲の数よりもアレイの数が小さい例を示している。
この例では、位置Ｐ０、Ｐ１を通るｙ方向の軸Ｙ０、ＹＢ４の間に等間隔に３本のＹ軸ＹＢ１〜ＹＢ３を設定した例を示している。これによって、ｘ方向のアレイの間隔Ｄｘｂが決定される。
遮蔽を実現するためには、図中の黒丸で示すように、各投影範囲の中心を通る磁力線Ｌ１〜Ｌ６とＹ軸ＹＢ１〜ＹＢ３との交点にメッシュ管１００を配置すればよい。この例では、それぞれのアレイの配置はＹ軸方向にずれ量ＯＳＴを生じる。また、この例では、磁力線Ｌ４〜Ｌ６に対応するメッシュ管１００は、軸ＹＢ４上およびその右側に位置するアレイに配置されることになる。
【００３１】
以上で説明した方法により、磁力線方向の遮蔽を実現するように、メッシュ管１００の配置を決定することができる。
上述の例では、位置Ｐ０、Ｐ１を決定するところから説明をしたが、アレイの間隔Ｄｘａ、Ｄｘｂなど他の諸量をスタートとすることも可能である。
【００３２】
Ｃ．メッシュ管の構成：
図３は、メッシュ管１００の構成を示す説明図である。右側には、一部の領域Ａの拡大図を示した。
メッシュ管１００は、中心に構造体としての管１１０を有している。管１１０に代えて内部が密の円柱を用いても良い。また断面は円形である必要はなく、角管、角柱を用いても良い。
【００３３】
管１１０の周囲には、螺旋状にワイヤ１２０が巻き付けられている。ワイヤ１２０は、本発明における基本流阻害部として作用する。ワイヤ１２０の外周には、メッシュ１３０が巻き付けられている。メッシュ１３０は、本発明における散乱抑止部として作用する。
ワイヤ１２０およびメッシュ１３０の表面には腐食防止加工が施されている。
ワイヤ１２０の太さ、螺旋のピッチＰＳ、傾きＡＳ等、およびメッシュ１３０の太さ、間隔ＭＳは任意に設定可能である。本実施例では、ワイヤ１２０の太さは１．５ｍｍ径、螺旋のピッチは２０ｍｍとした。また、メッシュ１３０の太さは０．５ｍｍ径とした。ワイヤ１２０、メッシュ１３０は、断面が円形の金属線を用いてもよいし、角型であってもよい。
実施例では、一本のワイヤ１２０、および一層のメッシュ１３０を用いたが、それぞれ複数としてもよい。
【００３４】
メッシュ管１００の上端には、拡張供給口として作用する供給口メッシュ１４０が設けられている。供給口メッシュ１４０は、管１１０の径ｄｉｎよりも大きな径ｄｏｕｔで、メッシュ１３０よりも更に外側に巻かれている。供給口メッシュ１４０とメッシュ１３０との間にも間隙が設けられている。供給口メッシュ１４０も、腐食防止加工が施されている。
供給口メッシュ１４０は、メッシュ１３０と共通の金属網としてもよいし、異なるサイズの金属網を用いても良い。また、供給口メッシュ１４０に代えて、板状部材で構成された管を用いても良いし、細い管を配列して用いても良い。
【００３５】
図４は、メッシュ管１００の作用を示す説明図である。供給口メッシュ１４０の近傍を拡大して示した。
本実施例では、溶融スズが、供給口メッシュ１４０から供給される。溶融スズは、管１１０の表面に供給され、管１１０に沿って重力によって下方（矢印Ｆ１方向）に流れる。これが基本流となる。
【００３６】
管１１０の表面に供給された溶融スズの基本流は、ワイヤ１２０によって流れが阻害され、矢印Ｆ２に示すように管１１０の周方向に沿う流れを生じる。ワイヤ１２０は螺旋状に巻き付けられているため、基本流は完全にせき止められるほどに阻害される訳ではなく、運動エネルギは損なわれない。また、基本流の一部は、ワイヤ１２０を乗り越えるように流れ、メッシュ１３０の網目から外側に漏れ出るように流れる。
ワイヤ１２０によって周方向の速度成分が与えられると、溶融スズは、遠心力によって矢印Ｆ３のように散乱するおそれがある。しかし、本実施例では、メッシュ１３０が巻き付けられているため、かかる散乱を抑制し、溶融スズは、矢印Ｆ４に示すようにワイヤ１２０に沿って流れる。もっとも、溶融スズの一部は、遠心力によってメッシュ１３０の網目から漏れ出し、メッシュ１３０の外側を流れるようになる。
このように管１１０に供給された溶融スズは、ワイヤ１２０およびメッシュ１３０の作用によって、管１１０の全体を被覆するように流れるとともに、メッシュ１３０の外側に漏れ出すことによって、メッシュ１３０の外側全体も被覆するように流れる。
【００３７】
本実施例では、供給口メッシュ１４０の効果によって、次に示す通り、さらにメッシュ１３０の外側全体を溶融スズによって安定的に被覆することができる。図示するとおり、メッシュ１３０よりも開口部の径は大きくなっているため、溶融スズは、管１１０の表面だけでなく、矢印Ｆ５に示すようにメッシュ１３０の外側にも供給される。メッシュ１３０の外側に供給された溶融スズは、管１１０の表面に沿う溶融スズ、およびメッシュ１３０の網目から流れ出てきた溶融スズと表面張力によって一体化するため、散乱することなくメッシュ１３０の外側を流れることになる。
逆に、メッシュ１３０の外側に溶融スズが供給されることによって表面張力で、管１１０の溶融スズをメッシュ１３０の外側に引っ張り出す効果も奏する。
このように供給口１４０は、メッシュ１３０の外側全体を覆う流れの生成に効果的に作用するのである。一般に腐食防止加工が施されていると濡れ性が低減し、構造体の表面全体を覆う自由表面流は生成しづらくなるが、本実施例の構造は、かかる場合でも、構造体の表面全体を自由表面流で被覆することが可能である。
【００３８】
Ｄ．効果：
図５は、熱除去の効果を示す説明図である。図５（ａ）に示すように、実施例のメッシュ管１００に矢印の方向から熱負荷を与え、上側から液体として溶融スズを流したときの流速および温度分布を計算した。計算条件として、溶融スズの鉛直下向きの流速は５ｍ／ｓとし、熱負荷は１００メガワット／ｍ２とした。
図５（ｂ）は速度分布の計算結果を示している。計算結果において若干、色が濃く現れている部分が流速の高い部分であり、淡い部分が流速の低い部分である。図示する通り、ワイヤの螺旋形状に沿うように流速が分布していることが分かる。即ち、先に図４で説明した通り、メッシュ管において、ワイヤによって鉛直下方の基本流が阻害され、周方向の速度成分が生じていることが分かる。
図５（ｃ）は温度分布の計算結果を示している。図示するとおり、熱負荷を受けている部分が高温となり、色の濃い部分が低温部分である。低温部と高温部の温度差は摂氏約１００度程度との計算結果となった。この例は、一方向から熱負荷を受けた場合の結果であるが、半周にわたって均等に熱負荷を受けた場合、溶融スズ自体が摂氏約３００度であることを考慮しても、全体の温度は摂氏９００度以下に収まるとの計算結果が得られた。
従来のダイバータは、熱除去の能力の限界から約２０メガワット／ｍ２程度の熱負荷までしか耐えられなかったことを考えると、本実施例のメッシュ管を採用することにより、数倍の熱負荷まで耐久性が向上させることができる。
【００３９】
図６は、自由表面流の様子を示す説明図である。溶融スズに代えて水を液体として用い、自由表面流が生成される様子を撮影したものである。
図６（ａ）は水を流す前の状態を示している。メッシュ管１００において、ワイヤ１２０およびメッシュ１３０が巻き付けられていることが分かる。この例では、メッシュ管１００に下から水を供給し、メッシュ管１００の上端から溢れ出た水が表面を伝って流れるように構成した。
【００４０】
図６（ｂ）は、約３リットル／分の流量で水を流したときの状態である。メッシュ１３０の表面が水で被覆されていることまでは認識し難い。
図６（ｃ）は、約１５リットル／分の流量で水を流したときの状態である。領域Ａｃに顕著であるが、図６（ｂ）との比較により、水によって、メッシュ１３０の全表面を覆う自由表面流が生成されていることが認識できる。
図６（ｄ）は、約１８リットル／分の流量で水を流したときの状態である。領域Ａｄに顕著であるように、水による自由表面流はさらに厚みを増していることがわかる。
このように本実施例のメッシュ管１００では、流量を増大させることにより、全体を被覆した自由表面流を生成することができる。また、流量を増大させても、液体が周囲に散乱することなく流れる点もメッシュ管１００を覆うメッシュ１３０の作用によるものである。
【００４１】
以上で説明した実施例１のメッシュ管１００およびそれを用いたダイバータによれば、メッシュ管１００の全体を覆う自由表面流を安定的に生成することができる。その結果、メッシュ管１００が受ける熱負荷を効果的に熱除去することが可能となる。また、かかるメッシュ管１００を用いることにより、核融合炉のダイバータとして、ヘリウムや水素同位体などの排気に支障がない構造を実現しつつ、耐えうる熱負荷を従来よりも大幅に向上させることが可能となる。
【実施例２】
【００４２】
次に実施例２としてのメッシュ管２００の適用例を示す。実施例１は核融合炉のダイバータとしての適用例を示したが、本発明は、核融合炉以外にも種々の用途に適用可能である。実施例２では、オブジェとしての適用例を示す。
【００４３】
図７は、実施例２としてのメッシュ管２００の適用例を示す説明図である。実施例２のメッシュ管２００も基本的な構造は実施例１と同様である。即ち、構造体としての管２１０の周囲に、基本流阻害部としてのワイヤ２２０を巻き付け、さらに散乱抑止部としてのメッシュ２３０をその外側に巻き付けてある。管２１０の上端に供給口メッシュを設けてもよい。
【００４４】
メッシュ管２００は、水槽２５０内に固定されたポンプ２４０に鉛直に支持されている。管２１０の内部には、防水のＬＥＤ２６０が釣り下げられており、外部電源により点灯可能となっている。ＬＥＤ２６０の光が見えるよう、管２１０は透明または半透明の素材で形成することが好ましい。
【００４５】
ポンプ２４０が、矢印Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に示すように、水槽２５０内の水をくみ上げると、水はやがて管２１０の上端から溢れ出る。溢れ出た水は、管２１０の外表面を伝って流下するが、この流れは、実施例１で説明した通り、ワイヤ２２０およびメッシュ２３０の作用により（図４参照）、メッシュ２３０の外表面全体を覆う自由表面流を形成する。実施例２の構成によっても、実施例１と同様、メッシュ２３０の表面全体を被覆する自由表面流を安定して生成することができる。
流れ落ちた水は、水槽２５０に貯留され、再びポンプ２４０によってくみ上げられる。
【００４６】
実施例２では、ＬＥＤ２６０の光が管２１０の外から視認できる。メッシュ２３０の表面全体は自由表面流で覆われているため、ＬＥＤ２６０の光は、揺らめいて見える。かかる揺らぎは、人工のものではなく、水の流れによって自然に生じるものであり、心を落ち着ける視覚効果を与えることができる。こうした視覚効果を与えるためにも、メッシュ管２００の表面全体を覆う自由表面流は欠かせず、この意味で実施例２は有用性が高い。
【００４７】
実施例２のメッシュ管２００は、同様の構成で、他にも種々の用途に利用可能である。
例えば、ＬＥＤ２６０を紫外線発光灯にしてもよい。こうすることで、蚊やハエなどの虫をメッシュ管２００に誘引することができる。そして、メッシュ管２００に接近した虫は、メッシュ２３０の表面を覆う自由表面流によって水槽２５０に流れ落ち、駆除される。かかる用途に利用すれば、有害な殺虫剤等を用いることなく虫の駆除を行うことが可能となる。
また、水にアロマオイルなどを混合してもよい。こうすることで、水が流下する際にアロマオイルによる香りを発散させることができる。
メッシュ２３０あるいは基本流阻害部２２０に通電し、加熱するようにしてもよい。こうすることで、流下する自由表面流が蒸発し、加湿器とすることもできる。
【００４８】
以上、本発明の種々の実施例を示してきた。本発明については、ここに記載した実施例１、実施例２等に限らず、さらに種々の変形例を構成することが可能である。
（１）メッシュ管の構成の変形例：
図８は、変形例としてのメッシュ管３００の構成を示す説明図である。実施例１、２と同じく管３１０を構造体とする例を示した。
変形例では、基本流阻害部として、斜めにはめたリング３２０Ａ、水平にはめたリング３２０Ｂ、水平方向に形成された突条３２０Ｃなどを用いる。これらを併用しても良いし、いずれかを単独で用いても良い。当然、実施例１、２で示した螺旋と併用することも可能である。
また、散乱抑止部として、細い棒を束ねたすだれ状部材３３０を用いる。かかる部材であっても、散乱を抑止するとともに、棒の間隙から流れが外に漏れ出すため、実施例１、２におけるメッシュに代えて利用可能である。
基本流阻害部、散乱抑止部は、さらに種々の変形例を適用可能である。
【００４９】
（２）また、構造体は、管に限られるものではなく、板状の部材や、家屋やビルなどの建築物の窓や外壁等としてもよい。これらの構造体の外側に自由表面流を生成することにより、太陽による温度上昇の緩和、美観の向上、汚れの付着抑制などの効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、種々の産業分野で有用性の高い、構造体の表面を液体によって被覆する自由表面流を生成するために利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０…ダイバータ
１１…マニホールド
１２…供給管
１００、２００、３００…メッシュ管
１１０、２１０、３１０…管
１２０、２２０…ワイヤ
１３０、２３０…メッシュ
１４０…供給口メッシュ
２４０…ポンプ
２５０…水槽
２６０…ＬＥＤ
３２０Ａ、３２０Ｂ…リング
３２０Ｃ…突条
３３０…すだれ状部材
【図１】
0006745441.tif 000002
【図２】
0006745441.tif 000003
【図３】
0006745441.tif 000004
【図４】
0006745441.tif 000005
【図５】
0006745441.tif 000006
【図６】
0006745441.tif 000007
【図７】
0006745441.tif 000008
【図８】
0006745441.tif 000009