(57)【要約】【課題】外部動力なしに自動的に動作するとともに熱輸送能力の高い高効率の熱輸送装置を提供する。【解決手段】外部からの熱を受熱する上昇管１と、外部へ熱を放熱する下降管２と、前記上昇管と下降管の上部を接続する上部連通管３と、前記上昇管と下降管の下部を接続する下部連通管４と、各管内を循環する作動流体２２と、を有する熱輸送装置において、前記上部連通管３の周囲に少なくとも一つの熱交換部５を設け、前記熱交換部５に前記下部連通管内の作動流体２２を循環させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの熱を受熱する上昇管と、外部へ熱を放熱する下降管と、前記上昇管と下降管の上部を接続する上部連通管と、前記上昇管と下降管の下部を接続する下部連通管と、各管内を循環する作動流体と、を有する熱輸送装置において、
前記上部連通管の周囲に少なくとも一つの熱交換部を設け、前記熱交換部に前記下部連通管内の作動流体を循環させることを特徴とする熱輸送装置。
【請求項２】
前記熱交換部と前記上部連通管の間に少なくとも一つの連通部を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱輸送装置。
【請求項３】
前記熱交換部と前記上昇管の上部及び／又は前記熱交換部と前記下昇管の上部を連通させる連通管を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱輸送装置。
【請求項４】
前記上昇管及び／又は下降管を複数設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項５】
前記上部連通管と上昇管との接続部を下降管との接続部よりも高くなるように上部連通管を傾斜させたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項６】
前記上昇管の途中に少なくとも一つの拡径部を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項７】
前記上昇管の径を下方から上方に向けて拡大したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項８】
前記上部連通管の液面に少なくとも一つの仕切り板を設けたことを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項９】
前記作動流体よりも低融点の蓄熱物質を内包する多数の不溶性のマイクロカプセルを前記作動流体に含有させたことを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項１０】
気泡表面に吸着する微粒子を前記作動流体に含有させたことを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項１１】
前記作動流体は水であり、熱輸送装置の稼働前に飽和蒸気圧を所望の圧力に調整することを特徴とする請求項１乃至１０いずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項１２】
前記上昇管を原子炉格納容器内に配置し、前記下降管を原子炉格納容器外に配置することを特徴とする請求項１乃至１１いずれか１項に記載の熱輸送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱部を有する原子力プラントや産業用及び民生用機器を冷却するための熱輸送装置に関し、特に、外部動力を使用しない受動的な熱輸送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、原子力プラントや産業用及び民生用機器の多くは、通常使用時に発熱する機器を有しているが、冷却材が失われるような苛酷事故時の冷却のために、又は装置の省エネ化や小型化・軽量化等のために、外部動力を使用しない冷却装置の要望が高まっている。
【０００３】
原子力プラントでは、原子炉設備の信頼性や安全性を一層高めるため、仮に津波により３つの機能（全交流電源、海水冷却機能、使用済み燃料貯蔵プールの冷却機能）を全て喪失したとしても、炉心損傷や使用済み燃料の損傷を防止し、放射性物質の放出を抑制しつつ冷却機能を維持できる熱輸送装置が求められている。このうち、使用済み燃料貯蔵プールの冷却については、既設の冷却系の喪失を想定し、外部動力が利用不可の状況においても、プール水を冷却できる装置が求められる。そのような熱輸送装置としてヒートパイプを用いる手段が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
また、電子・電気機器分野では、機器の小型・軽量化や大容量化が進み、発熱密度の増大が課題となっている。発熱密度の高い代表的な機器として、電動機の電源であるコンバータやインバータなどの電力変換装置が挙げられる。これらの装置内部には半導体素子が用いられており、稼動の際には、半導体素子が短時間で急激に発熱する。この除熱のため、外部動力を必要としないヒートパイプを用いた冷却装置が提案されている。
【０００５】
代表的なヒートパイプは、循環力に基づき、ウイック式と熱サイフォン式とが挙げられる。ウイック式は、毛細管構造を有する物体（ウイック）を密閉容器に内包し、これを循環力の発生源として利用する。一方、熱サイフォン式は、重力を利用し、液相とこれを沸騰させ生成した気相との密度差で作動流体を循環させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−２２３８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の熱輸送装置では、対象とする発熱機器の場所や熱輸送距離の長短によっては熱交換効率及び熱輸送能力が低下する場合がある。特に、ウイック式ヒートパイプは、毛細管構造を有する物体の空隙部を液相が流動するため、熱輸送距離の延長に伴う流路の圧力損失の増大が課題となる。さらに、この空隙部では液相の喪失を避ける必要があるため、冷却能力を向上させることが困難である。  
また、熱サイフォン式のヒートパイプは、冷却部を鉛直方向上方に設置する必要があるため、熱及び冷媒の輸送方向が限定されるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、外部動力なしに自動的に動作するとともに熱交換効率及び熱輸送能力の高い高効率の熱輸送装置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】
上記課題を解決するために、本実施形態に係る熱輸送装置は、外部からの熱を受熱する上昇管と、外部へ熱を放熱する下降管と、前記上昇管と下降管の上部を接続する上部連通管と、前記上昇管と下降管の下部を接続する下部連通管と、各管内を循環する作動流体と、を有する熱輸送装置において、前記上部連通管の周囲に少なくとも一つの熱交換部を設け、前記熱交換部に前記下部連通管内の作動流体を循環させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本実施形態によれば、外部動力なしに自動的に動作するとともに熱交換効率及び熱輸送能力の高い高効率の熱輸送装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る熱輸送装置の断面構成図。
【図２】第２の実施形態に係る熱輸送装置の断面構成図。
【図３】第３の実施形態に係る熱輸送装置の上昇管の断面構成図。
【図４】第４の実施形態に係る熱輸送装置の断面構成図。
【図５】第５の実施形態に係る熱輸送装置の断面構成図。
【図６】第６の実施形態に係る熱輸送装置の断面構成図。
【図７】第７の実施形態に係る熱輸送装置の断面構成図。
【図８】第８の実施形態に係る熱輸送装置の断面構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る熱輸送装置の実施形態を、図面を参照して説明する。  
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る熱輸送装置を図１により説明する。
【００１３】
（構成）
第１の実施形態に係る熱輸送装置、気泡ポンプ型のヒートパイプであって、外部からの熱１１を受熱する上昇管１、受熱した熱１２を放熱する下降管２、上昇管１と下降管２の上部を連結する上部連通管３、上昇管１と下降管２の下部を連結する下部連通管４、上部連通管３の周囲に配置された熱交換部５とから構成される。下部連通管４は、図１に示すように、屈曲構造となっており、内部の作動流体２２が熱交換部５を循環可能な構成となっている。また、上部連通管３と熱交換部５の間には相互に連通可能な連通部６が設けられている。
【００１４】
本実施形態では作動流体２２として水が用いられ、装置稼動前に飽和蒸気圧を所望の圧力になるように調整されている。水は入手が容易であり、仮に配管が破損した場合においても、周囲に及ぼす影響は小さい。また、飽和蒸気圧を装置稼動前に調整することで、装置の稼動開始温度を変更し、熱輸送効率を最適に調整することができる。なお、熱輸送媒体として水以外の媒体を使用できることはもちろんである。
【００１５】
（作用）
このように構成された熱輸送装置において、管内に封入された作動流体２２は上昇管１で外部からの熱１１を受熱して沸騰し、その沸騰により生じる気泡２３の上昇により生じる駆動力で各管内を循環する。そして、高温になった作動流体２２は下降管２及び下部連通管４を循環する間に外部に熱１２を放熱する。
【００１６】
さらに、放熱により温度が低下した下部連通管４内の作動流体２２を熱交換部５内に循環させ、上部連結管３における気相２１の凝縮を促進させる。また、上部連結管３と熱交換部５を連通部６で連通させたことにより、凝縮させる空間を拡大し凝縮能力を向上させている。
【００１７】
（効果）
本実施形態によれば、気泡による駆動力によって外部動力を用いることなく作動流体を循環させるとともに、上部連通管の周囲に設けた熱交換部に作動流体を循環させることで熱交換効率及び熱輸送能力を向上させることができる。  
また、上部連通管と熱交換部に連通部を設けたことにより、凝縮空間を拡大し凝縮能力を高めたことにより、さらに熱交換効率を向上させることができる。
【００１８】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る熱輸送装置を図２により説明する。  
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
【００１９】
本実施形態の熱輸送装置は、図２に示すように、上昇管１の途中に拡径部７を設け、拡径部７より上方の内径を下方よりも大きくしている。なお、拡径部７は、図３に示すように、複数設けてもよく、あるいは下方から上方に向けて上昇管１の径を漸次大きくする構成としてもよい。
【００２０】
このように構成された熱輸送装置において、上昇管１内に封入された作動流体２２が外部からの熱１１を受熱すると作動流体２２が沸騰することにより気泡２３が生じ、この気泡２３の上昇により生じる駆動力で各管内を循環する。その際、気泡２３の成長や結合による大径化が拡径部７によって抑制され、気泡２３を微細構造のまま上昇管１内を上昇させることができる。
【００２１】
すなわち、気泡が大径化すると気泡の総表面積が減少するため作動流体２２の駆動力が低下するが、本実施形態では上昇管１の途中に拡径部７を設けたことにより気泡の大径化を抑制し、これにより大きな駆動力で作動流体２２を循環させることができる。  
これにより、熱輸送装置の熱交換効率及び熱輸送能力をさらに向上させることができる。
【００２２】
［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る熱輸送装置を図３により説明する。  
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
【００２３】
本実施形態の熱輸送装置は、上昇管１、上部連通管３、下降管２及び／又は下部連通管４を複数の配管で構成することを特徴としている。  
図３は、上昇管１を複数の配管で構成した例を示しており、複数の上昇管１の上部及び下部を上昇管上部接続管３０及び上昇管下部接続管３１によりそれぞれ接続している。下降管２を複数の配管から構成する場合は、複数の下降管２を下降管上部接続管及び下降管下部接続管にそれぞれ接続する（図示せず）。
【００２４】
また、上部連通管及び下部連通管も適宜複数設置してもよく、その場合は、それぞれ上昇管上部接続管３０及び上昇管下部接続管３１、並びに下降管上部接続管及び下降管下部接続管に接続する（図示せず）。  
また、図３の例では、外部の発熱体からの受熱量、受熱分布に応じて、上昇管の径を変化させている。
また、作動流体２２の駆動力を向上させるために拡径部７を複数設置している。
【００２５】
本実施形態によれば、外部の発熱体からの受熱量、受熱分布及び外部への放熱量、放熱分布に応じて、適宜上昇管１及び下降管２の配管数、配管径及び配置を調整することにより、最適な熱交換効率を得ることが可能となる。  
これにより熱輸送装置の熱交換効率及び熱輸送能力をさらに向上させることができる。
【００２６】
［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る熱輸送装置を図４により説明する。  
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
【００２７】
本実施形態の熱輸送装置は、図４に示すように、上部連通管３と上昇管１との接続部を下降管２との接続部よりも高くなるように上部連通管３を傾斜させて配置した構成としている。
【００２８】
これにより、上昇管１から上部連通管３に送られた作動流体２２は気泡２３による駆動力と重力の作用により上部連通管３内を下降管２に向かって円滑に流れることが可能となり、熱輸送能力をさらに向上させることができる。なお、上部連通管の傾斜面を階段状に構成してもよい。
【００２９】
［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る熱輸送装置を図５により説明する。  
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
【００３０】
本実施形態の熱輸送装置は、上昇管１の入口部及び／又は拡径部７に旋回流発生器８を設けた構成としている。旋回流は、旋回羽根やねじりテープの設置、または壁面への傾斜溝、螺旋溝の加工等によって発生させるが（図示せず）、これに限定されず他の旋回流発生手段を用いてもよい。
【００３１】
この旋回流発生器８により上昇管１内を上昇する作動流体２２に旋回流を発生させる。この旋回流は、旋回流のない流れと比較して管壁での熱伝達を大きくすることができるため、熱輸送能力をさらに向上させることができる。
【００３２】
また、この旋回流によって気泡２３を上昇管１内に均一に分散させる効果、及び気泡２３を微細化する効果も有し、これにより気泡２３による駆動力をさらに大きくすることができる。  
本実施形態によれば、上昇管に旋回流発生器を設けたことによって、気泡の駆動力を大きくすることができるため、熱輸送能力をさらに向上させることができる。
【００３３】
［第６の実施形態］
第６の実施形態に係る熱輸送装置を図６により説明する。  
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
【００３４】
本実施形態の熱輸送装置は、上部連通管３内の液面に複数の仕切り板９を設置した構成としている。この仕切り板９は、図６に示すように、上部連通管３内の作動流体２２の流れを妨げないよう、所定高さの仕切り板９を作動流体２２の液面に設置している。
【００３５】
これにより、上部連通管３内を下流へと向かう作動流体２２中に存在する所定の大きさ以上の気泡２３は仕切り板９でせき止め、消滅させられるので、作動流体の駆動力が低下することがない。
【００３６】
なお、仕切り板９として、所定径以下のメッシュ部材を用いてもよく、これにより所定の大きさ以上の気泡をせき止め、消滅させることができる。  
本実施形態によれば、仕切り板を上部連通管に設けたことにより、気泡による駆動力を高めることができるため、熱輸送能力をさらに向上させることができる。
【００３７】
［第７の実施形態］
第７の実施形態に係る熱輸送装置を図７により説明する。  
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
【００３８】
本実施形態の熱輸送装置は、上部連通管３に複数の熱交換部５を設けた構成としている。上昇管１（受熱部）及び下降管２（放熱部）との間の距離が大きくなり、これにより上部連通管３の長さが長くなる場合、上部連通管３に複数の熱交換部５を設置し、下部連通管４を屈曲させて複数の熱交換部５に作動流体２２を循環させる。
【００３９】
このように、上部連通管３が長くなる場合でも、複数の熱交換部５を設けることにより、熱交換効率及び熱輸送能力を最適に維持することができる。  
なお、図７では、熱交換部５を２つ設けた例を図示しているが、これに限定されず上部連通管３の長さに応じてその数を適宜増減することができる。
【００４０】
［第８の実施形態］
第８の実施形態に係る熱輸送装置を図８により説明する。  
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
【００４１】
本実施形態の熱輸送装置は、熱交換部５の上部と、上昇管２の上部及び／又は下降管３の上部との間に連通管３２を設置した構成としている。  
これにより、上部連通管３において凝縮させる空間をさらに拡大し凝縮能力を向上させることができるので、熱交換効率及び熱輸送能力をさらに向上させることができる。
【００４２】
なお、図７に示すように、複数の熱交換部５を上部連通管３に設置した場合でも、各熱交換部５と、上昇管２の上端部又は下降管３の上端部をそれぞれ連通管３２によって接続するように構成してもよい。また、連通管３２を上昇管上部接続管３０（図３参照）に接続してもよい。
【００４３】
［第９の実施形態］
第９の実施形態に係る熱輸送装置は、作動流体２２中に当該作動流体の沸点以下の蓄熱物質を内包する多数の不溶性のマイクロカプセル（図示せず）を混入させた構成としている。例えば、作動流体が水の場合、マイクロカプセルの蓄熱物質として融点が３０〜７０℃のパラフィン系の相変化物質が用いられる。
【００４４】
これにより、受熱１１で加熱された液相２２は、気泡２３を発生させる前にマイクロカプセル内の蓄熱物質が相変化を起こすため、その潜熱を熱輸送に利用できる。これにより、熱輸送能力を大幅に向上させることができる。
【００４５】
［第１０の実施形態］
第１０の実施形態に係る熱輸送装置は、作動流体２２中に気泡表面に吸着する吸着材を添加した構成としている（図示せず）。吸着材は、気泡２３の表面に吸着され、これにより、気泡の成長及び気泡同士の結合拡大を抑制することができるため、作動流体の駆動力を高く維持することができる。
【００４６】
なお、吸着材として、作動流体や熱、配管材料により化学的反応を引き起こさない材料が望ましく、例えば、酸化チタン、アルミナ、シリカ等からなる微粒子や界面活性剤が用いられる。
【００４７】
また、上述した実施形態の熱輸送装置を原子力プラントの使用済み燃料貯蔵プールや格納容器内の冷却用に適用した場合は、使用済み燃料プールや格納容器内の発生熱を、外部動力を用いずに自動的に冷却部へと輸送できる。例えば上記実施形態の熱輸送装置を格納容器の冷却に使用する場合は、上昇管１を原子炉格納容器内に配置し、記下降管２を原子炉格納容器外に配置すればよい。その際、熱輸送装置は、原子炉格納容器内の発熱状況に応じて複数台使用してもよい。  
これにより、使用済み燃料プールや格納容器内の温度上昇を自動的かつ長期にわたって抑制できるため、原子力プランの安全性及び信頼性の向上を図ることができる。
【００４８】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、上述した実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。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ともに、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。
【符号の説明】
【００４９】
１…上昇管、２…下降管、３…上部連通管、４…下部連通管、５…熱交換部、６…連通部、７…拡径部、８…旋回流発生器、９…仕切り板、２１…気相、２２…作動流体、２３…気泡、３０…上昇管上部接続管、３１…上昇管下部接続管、３２…連通管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013224779.tif 000009
【図８】
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