(57)【要約】【課題】  放熱面幅方向に長い単一の流れ偏向板を設置すると，その直後では伝熱量が一旦増加するが，下流（上方）になると，流れ偏向板のない場合よりも伝熱量が劣化する。そのため，流れ偏向板を用いた伝熱促進について，広い流れ領域で伝熱量が増加する新たな装置の開発が望まれていた。【解決手段】  複数枚の流れ偏向板を放熱面幅方向に間隙を設けて配置することで，単一の長い流れ偏向板より大幅に伝熱量が増加する。しかも，流れ偏向板下流における伝熱量の劣化も生じない（実施例１）。また，このような板列を放熱面高さ方向に一定間隔で複数段設置することで，大規模な放熱面の伝熱促進が可能である（実施例２）。【選択図】  図１０
2005069661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱面に沿って下から上に流れる周辺流体が形成する自然対流境界層に，上縁が放熱面に対して近く，下縁が放熱面に対して遠くなるように傾けて周辺流体の流れを偏向させる流れ偏向板を，放熱面から離して設置することにより周辺流体の流れを偏向させ，高温流体を放熱面から離れる方向に排出するとともに境界層外層の低温流体を巻き込んで，放熱面からの伝熱を促進させる伝熱促進装置であって，前記流れ偏向板は，放熱面の幅方向に間隙を設けて複数枚水平に並べられていることを特徴とする伝熱促進装置。
【請求項２】
流れ偏向板は，放熱面の上下方向に間隙を設けて複数組平行に並べられていることを特徴とする請求項１の伝熱促進装置。
【請求項３】
放熱面に近い流れ偏向板の上縁と放熱面との距離が５〜１０ｍｍである請求項１または請求項２の伝熱促進装置。
【請求項４】
流れ偏向板の角度が，下方向を０°として３０°〜６０°の範囲にある請求項１または請求項２の伝熱促進装置。
【請求項５】
流れ偏向板の縦の長さが，５０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲にある請求項１または請求項２の伝熱促進装置。
【請求項６】
流れ偏向板の横幅と間隙の比が２：１から１：２の範囲にある請求項１または請求項２の伝熱促進装置。
【請求項７】
流れ偏向板の上下の間隙と各流れ偏向板の縦の長さの比が，５：１から８：１の範囲にある請求項２の伝熱促進装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は，電力施設などの大型構造物（建造物）や原子力発電における使用済燃料の貯蔵容器などを自然対流乱流熱伝達によって除熱する際に極めて有用な伝熱促進装置である。
【背景技術】
【０００２】  放熱面（伝熱面を含む）に沿って，加熱された流体の密度が小さくなり，浮力を生じることによって，下から上に流れる周辺流体（空気，水等）が形成される。この流れを自然対流境界層と呼ぶが，その伝熱促進には，強制対流と同様にこれまでは，放熱面上にフィン（拡大放熱面）を直接設置する方法が採用されている。この場合，自然対流乱流境界層については，その乱流特性からフィン高さを境界層厚さ（約２０〜３０ｃｍ）以上に突出させなければ，効果的な伝熱促進を図ることができない。また，フィンの材質としては放熱面と同じものか，熱伝導率の高いものを選択する必要がある。これではフィンの加工に手間とコストがかかり，放熱面自体のコンパクト化も困難になる。また，放熱面にフィン加工を施すことが困難な場合がある。したがって，フィンに代わる伝熱促進法で，より効果があり，製作・コストの面でも有利な方法が望まれていた。これを解決する手段として，板等を放熱面から離して境界層に挿入することことにより，周辺流体の流れを偏向させて伝熱を促進することが行われている。図１で示すような板１（以下，流れ偏向板という）を重力加速度ｇの向きに対して一定の角度で支持材２および３で支持して自然対流境界層内に挿入すると，流れ偏向板を迂回して境界層流れが放熱面４に対して外向きに偏向し，矢印で示すような大きな渦（以下，横渦という）を生じる。この横渦により境界層外縁の低温の周囲流体が流れ偏向板の下流において，放熱面近傍に運ばれるため冷却が顕著になる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  図１に示すように，放熱面幅方向に長い単一の流れ偏向板によって横渦を発生させると，周辺流体が流れ偏向板を越えた直後の領域では，確かに局所熱伝達率が向上するが，さらに下流（上方）になるとこの効果は薄れ，ひいては流れ偏向板を入れない場合よりも熱伝達率が小さくなってしまうという欠点がある。これは流れ偏向板を挿入したことにより，挿入位置より下流で対流自体が停滞し，放熱面近傍の流体が流れにくくなることが原因である。したがって，流れ偏向板から離れた領域でも熱伝達率が劣化することなく，広い有効流域をもたらす新たな伝熱促進装置が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  請求項１は，放熱面に沿って下から上に流れる周辺流体が形成する自然対流境界層に，上縁が放熱面に対して近く，下縁が放熱面に対して遠くなるように傾けた板を，放熱面から離して設置することにより周辺流体の流れを偏向させ，高温流体を放熱面から離れる方向に排出するとともに境界層外層の低温流体を巻き込んで，放熱面からの伝熱を促進させる伝熱促進装置であって，前記流れ偏向板は，放熱面の幅方向に間隙を設けて複数枚水平に並べられていることを特徴とする伝熱促進装置である。放熱面幅方向に間隙を設けた流れ偏向板を用いることによって，放熱面幅方向に長い単一の流れ偏向板を用いた場合より大幅な伝熱促進を図ることができる。しかも，流れ偏向板下流における対流の停滞がなく，熱伝達率の劣化も生じない。
請求項２は，流れ偏向板を放熱面の上下方向に間隙を設けて複数組平行に並べられていることを特徴とする請求項１の伝熱促進装置である。このような板列を放熱面高さ方向に一定間隔で複数段設置することで，周辺流体の広い流域にわたる放熱面の伝熱促進が可能になる。
請求項３は，放熱面に近い流れ偏向板の上縁と放熱面との距離が５ｍｍ〜１０ｍｍである請求項１または請求項２の伝熱促進装置である。流れ偏向板を放熱面の近くに設置し，放熱面に近い流れ偏向板の上縁と放熱面との距離Ｃを変化させて流れ偏向板直後の伝熱量の変化を調べ，図２に示した。伝熱量の変化は，あるＣの値における熱伝達率（伝熱量と温度差の比）ｈを，Ｃの値を変化させた範囲における最大値ｈｍａｘで規格化して表した。図２に示すように，放熱面に近い流れ偏向板の上縁と放熱面との距離が５ｍｍ〜１０ｍｍのとき，伝熱量が最も増加することが確認された。
請求項４は，流れ偏向板の角度が，下方向を０°として３０°〜６０°の範囲にある請求項１または請求項２の伝熱促進装置である。下方向を０°として，流れ偏向板の角度φを変化させて流れ偏向板直後の伝熱量の変化を調べ，図２に示した。伝熱量の変化は，あるφの値における熱伝達率ｈを，φの値を変化させた範囲における最大値ｈｍａｘで規格化して表した。図２に示すように，流れ偏向板の角度が３０°〜６０°のとき，流れ偏向板近傍において，境界層流れが外向きに偏向し，大規模な横渦を形成するとともに，境界層外縁の低温流体が流れ偏向板下流の放熱面近傍に運ばれ，伝熱量が最も増加することが確認された。
請求項５は，流れ偏向板の縦の長さが，５０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲にある請求項１または請求項２の伝熱促進装置である。流れ偏向板の縦の長さＨを変化させて流れ偏向板直後の伝熱量の変化を調べ，図２に示した。伝熱量の変化は，あるＨの値における熱伝達率ｈを，Ｈの値を変化させた範囲における最大値ｈｍａｘで規格化してある。図２に示すように，その長さが５０ｍｍ〜１５０ｍｍのとき，伝熱量が最も増加することが確認された。
請求項６は，流れ偏向板の横幅と間隙の比が２：１から１：２の範囲にある請求項１または請求項２の伝熱促進装置である。放熱面幅方向の流れ偏向板に間隙を設けることによって，流れ偏向板下流で停滞する対流と間隙を通る対流を混合させ一層の伝熱促進を図ることができる。しかも，縦渦の運動によって流れ偏向板下流における対流の停滞が減少し，熱伝達率の劣化も生じない。流れ偏向板の横幅と間隙の比を変化させて伝熱量の変化を調べたところ，流れ偏向板の横幅と間隙の比を２：１から１：２とするとき，伝熱量が最も増加することが確認された。
請求項７は，流れ偏向板の上下の間隙と各流れ偏向板の縦の長さの比が，５：１から８：１の範囲にある請求項２の伝熱促進装置である。流れ偏向板の上下の間隙と各流れ偏向板の縦の長さの比を変化させて，放熱面全体の伝熱量の変化を比較したところ，流れ偏向板の上下の間隙と各流れ偏向板の縦の長さの比が５：１から８：１とするとき，放熱面の広範な流れ領域で伝熱量が増加することが確認された。
【０００５】  図３から６により，本発明に係る伝熱促進装置の第１の形態を説明する。
【０００６】  図３は複数枚の流れ偏向板１を支持材２および３で支持して，放熱面４の幅方向に並べて構成した伝熱促進装置の斜視図であり，図４は正面図，図５は側面図である。図６は本発明に係る伝熱促進装置を設置することで形成される流れ場の概念図である。
【０００７】  図３，４に示すように，上縁が放熱面４に対して近く，下縁が遠くなるように傾けた複数枚の流れ偏向板１を放熱面４の幅方向に間隙を設けて支持材２に取り付け，伝熱促進装置を構成する。縦の長さ５０ｍｍ〜１５０ｍｍの流れ偏向板１と放熱面４との距離を５ｍｍ〜１０ｍｍとし，放熱面の大きさに応じて複数枚の流れ偏向板を取り付ける。流れ偏向板の横幅と間隙長さの比は１：１が望ましいが，２：１から１：２の範囲であればよい。流れ偏向板の長さは横幅の０．８〜２．０倍の範囲とする。流れ偏向板の傾きは放熱面の下方向（重力加速度ｇの方向）を０°として，４５°が望ましいが，３０°〜６０°の範囲であればよい。そして，図５に示すように伝熱促進装置の支持材３を用いて，伝熱促進装置を境界層外から放熱面４近くに固定する。
【０００８】  図７により，本発明に係る伝熱促進装置の第２の形態を説明する。
【０００９】  図７は複数枚の流れ偏向板１を支持材２および３で支持して，放熱面４の幅方向に並べて構成した伝熱促進装置（発明の実施の第１の形態）を放熱面高さ方向に複数段設置した斜視図である。上下に並べた流れ偏向板の各組の間隙と各流れ偏向板の縦の長さの比は，５：１から８：１の範囲が望ましい。
【発明の効果】
【００１０】  本発明に係る伝熱促進装置を自然対流乱流境界層内に挿入することで，流れ偏向板近傍において，境界層流れが外向きに偏向し，大規模な横渦を形成するとともに，境界層外縁の低温流体が伝熱促進装置下流の放熱面近傍に運ばれる（図６の破線と矢印で示した流れ）。一方，放熱面幅方向に並べた流れ偏向板の間隙部を通過した流れが放熱面幅方向に偏向し，縦渦を形成する。これら一連の流体運動によって，境界層外縁の低温流体が流れ偏向板の存在する領域で放熱面近傍に運ばれるとともに，放熱面近傍の高温流体が流れ偏向板の間隙部において，縦渦の運動によって放熱面から離れる方向に向かう（図６の実線と矢印で示した流れ）。その結果として，放熱面幅方向に長い単一の流れ偏向板を用いた場合より大幅な伝熱促進を図ることができる。しかも，縦渦の運動によって流れ偏向板下流における対流の停滞が減少することによる熱伝達率の劣化も生じない。さらに，このような板列を図７に示すように放熱面高さ方向に一定間隔で複数段設置すれば，周辺流体の広い流域にわたる放熱面の伝熱促進が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００１１】  図８に，本発明に係る第１の形態の伝熱促進装置を原子力発電における使用済燃料の円筒貯蔵容器（キャスク，高さ約５ｍ，直径約１．５ｍ）に対して用いた例を示す。貯蔵容器（放熱面）４の周囲に，流れ偏向板１を円形の支持材２に複数枚取り付け，それを支持材３と支柱５によって設置する。流れ偏向板は金属であることが望ましいが，表面が平滑で耐熱性，耐久性があれば他の材料でもよい。流れ偏向板１枚の横幅および放熱面幅方向の間隙を約１００ｍｍ，流れ偏向板と放熱面との距離を約５ｍｍ，流れ偏向板の傾きを約４５°に設置した場合の伝熱量の変化を図９に示した。図９は，放熱面のある高さｘを実験に用いた放熱面高さＬ（＝４ｍ）で規格化したｘ／Ｌにおいて，熱伝達率ｈが流れ偏向板を設置しない場合の自然対流の熱伝達率ｈ０に対してどのように変化するかを示した実験データである。なお，図中の一点鎖線は流れ偏向板の設置位置を示す。図９に示したように，放熱面幅方向に間隙を設けた流れ偏向板を用いることで，放熱面幅方向に長い単一の流れ偏向板を用いた場合より大幅な伝熱促進を図ることができる。しかも，流れ偏向板下流における熱伝達率の劣化も生じない。
【実施例２】
【００１２】  図１０に，本発明に係る第２の形態の伝熱促進装置を原子力発電における使用済燃料の円筒貯蔵容器（キャスク，高さ約５ｍ，直径約１．５ｍ）に対して用いた例を示す。貯蔵容器（放熱面）４の周囲に，流れ偏向板１を円形の支持材２に複数枚取り付けたもの（実施例１における形態）を放熱面高さ方向に一定間隔で支持材３と支柱５によって複数段設置する。この発明の実施の第２の形態について，５００ｍｍの間隔で２段設置した場合の伝熱量の変化を図１１に示した。図１１は，放熱面のある高さｘを実験に用いた放熱面高さＬ（＝４ｍ）で規格化したｘ／Ｌにおいて，熱伝達率ｈが流れ偏向板を設置しない場合の自然対流の熱伝達率ｈ０に対してどのように変化するかを示した実験データである。図中の一点鎖線は流れ偏向板の設置位置を示す。図１１に示したように，放熱面幅方向に間隙を設けた流れ偏向板を放熱面高さ方向に２段設置することで，１段設置した場合に比べて，放熱面高さ方向のより広範な領域で伝熱促進を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】放熱面幅方向に長い単一の流れ偏向板によって生じる横渦を説明する図である。
【図２】流れ偏向板上縁と放熱面の距離，流れ偏向板と放熱面のなす角および流れ偏向板の縦の長さを変化させた場合の伝熱量の変化を示した図である。
【図３】本発明に係る第１の形態の伝熱促進装置で，流れ偏向板と放熱面の位置を示した斜視図である。
【図４】本発明に係る第１の形態の伝熱促進装置で，流れ偏向板と放熱面の位置を示した正面図である。
【図５】本発明に係る第１の形態の伝熱促進装置で，流れ偏向板と放熱面の位置を示した側面図である。
【図６】本発明に係る流れ偏向板によって生じる横渦と縦渦を説明する図である。
【図７】本発明に係る第２の形態の伝熱促進装置であり，流れ偏向板を放熱面高さ方向に複数段設置した場合の斜視図である。
【図８】本発明に係る第１の形態の伝熱促進装置を原子力発電における使用済燃料の貯蔵容器（キャスク）に対して用いた場合の実施例を示す図である。
【図９】本発明に係る第１の形態の伝熱促進装置の効果を説明する図である。
【図１０】本発明に係る第２の形態の伝熱促進装置を原子力発電における使用済燃料の貯蔵容器（キャスク）に対して用いた場合の実施例を示す図である。
【図１１】本発明に係る第２の形態の伝熱促進装置の効果を説明する図である。
【符号の説明】
１  流れ偏向板
２  流れ偏向板の支持材
３  伝熱促進装置の支持材
４  放熱面（使用済燃料の円筒貯蔵容器についてはその表面）
５  伝熱促進装置の取り付け支柱
【図１】
2005069661.tif 000003
【図２】
2005069661.tif 000004
【図３】
2005069661.tif 000005
【図４】
2005069661.tif 000006
【図５】
2005069661.tif 000007
【図６】
2005069661.tif 000008
【図７】
2005069661.tif 000009
【図８】
2005069661.tif 000010
【図９】
2005069661.tif 000011
【図１０】
2005069661.tif 000012
【図１１】
2005069661.tif 000013