(57)【要約】【課題】高温の発熱体を作動流体中に浸漬させて冷却する方法において、速やかに発熱体を冷却することが可能な発熱体の冷却方法を提供する。【解決手段】発熱体の冷却方法は、作動流体を収容した容器の作動流体中に、発熱体を少なくとも部分的に浸漬して発熱体を冷却する沸騰方式による冷却方法であり、発熱体の作動流体に浸漬する部分の表面に冷却部材としての多孔質体を設ける工程と、多孔質体が設けられた発熱体の表面を作動流体中に浸漬して、多孔質体が設けられた発熱体の表面の温度を低下させる工程とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を収容した容器の作動流体中に、発熱体を少なくとも部分的に浸漬して発熱体を冷却する沸騰方式による冷却方法において、
発熱体の作動流体に浸漬する部分の表面に冷却部材としての多孔質体を設ける工程と、
前記多孔質体が設けられた発熱体の表面を前記作動流体中に浸漬して、前記多孔質体が設けられた発熱体の表面の温度を低下させる工程と、
を備えた発熱体の冷却方法。
【請求項２】
前記作動流体に浸漬する部分の表面の温度が前記作動流体に膜沸騰が起こる温度領域にある発熱体に対し、前記作動流体に浸漬する部分の表面に多孔質体を設ける工程と、
前記多孔質体が設けられた発熱体の表面を前記作動流体中に浸漬して、前記多孔質体が設けられた発熱体の表面の温度を前記作動流体に核沸騰が起こる温度領域となる過熱度まで低下させる工程と、
を備えた請求項１に記載の発熱体の冷却方法。
【請求項３】
前記作動流体が水であって、且つ、大気圧下で前記発熱体を冷却する方法であり、
前記作動流体に核沸騰が起こる温度領域となる過熱度が１３０℃以下である請求項２に記載の発熱体の冷却方法。
【請求項４】
前記多孔質体が、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体の表面に供給する作動流体供給部と、前記発熱体の表面で発生した蒸気を前記作動流体中へ排出する蒸気排出部とを備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の発熱体の冷却方法。
【請求項５】
前記多孔質体が、前記発熱体側に設けられた第１の多孔質体と、前記作動流体側に設けられた第２の多孔質体とを備えた積層構造に構成された冷却部材であり、
前記第１の多孔質体は、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体の表面に供給する第１の作動流体供給部と、前記発熱体の表面で発生した蒸気を前記第２の多孔質体側へ排出する第１の蒸気排出部とを備え、
前記第２の多孔質体は、前記作動流体を前記第１の多孔質体に供給する第２の作動流体供給部と、前記第１の多孔質体から排出された蒸気を前記作動流体中へ排出する第２の蒸気排出部とを備え、前記第１の多孔質体よりも前記作動流体の透過率が大きい多孔質体で形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の発熱体の冷却方法。
【請求項６】
前記発熱体が原子炉圧力容器である請求項１〜５のいずれか一項に記載の発熱体の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体の冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、図１に示すような軽水炉の圧力容器において、燃料棒が溶融事故を起こしても、原子炉圧力容器底部を外部から水で冷却してメルトスルーを生じさせない冷却機構が求められており、そのような冷却機構として、沸騰冷却方式によるものが知られている。
【０００３】
沸騰冷却方式には、プール沸騰方式と、強制流動沸騰方式がある。ここでは、プール沸騰方式による発熱体の一般的な冷却機構について説明する。図２は、従来のプール沸騰方式による冷却器を示している。冷却器は、容器と、容器内に収容された作動流体とを備え、容器は、冷却対象である発熱体との接触部を有する。発熱体において熱が発生し、接触部を通して作動流体に熱が伝わると、接触部の近傍に存在する作動流体が沸騰する。沸騰により蒸気が生じると気液の密度差により接触部に作動流体が供給される。こうして新たに供給された作動流体がさらに蒸発し、発熱体から熱を除去する。プール沸騰方式による冷却器は、強制流動沸騰方式のような液体を循環させるための外部動力源が不要であるため、コンパクト性および省エネルギー性に有利である。
【０００４】
プール沸騰方式による冷却方法の例として、本発明者は、特開２００９−１３９００５号公報（特許文献１）において多孔質体を発熱体と冷却容器内の水との間に設けて、多孔質体の毛細管現象により水を発熱体へ供給しつつ、それにより発生した蒸気を容器内の水中へ排出する構造を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１３９００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来、プール沸騰方式による発熱体の冷却方法は、発熱体が既に水等の作動流体中に浸漬されている状態で、徐々に温度上昇して高温となった発熱体を効果的に冷却しようとするものである。一方、高温の発熱体を水等の作動流体中に浸漬させることで冷却しようとする場合、下記の問題が生じる。
【０００７】
図３は、大気圧下、水を用いた発熱体の沸騰冷却特性を示すためのグラフである。当該グラフは発熱体の伝熱面過熱度の対数をｘ軸にとり、発熱体の伝熱面熱流束の対数をｙ軸にとっている。当該グラフに示すように、例えば伝熱面温度が１０００℃以上の高温は水の膜沸騰が起こる領域（膜沸騰域）となる。そのため、このような高温の発熱体の伝熱面を水中に浸漬すると、伝熱面で水の膜沸騰が生じてしまう。膜沸騰では、蒸気の膜が伝熱面と水との境界に生じるため、伝熱面の熱が水に伝わらず伝熱面の冷却が不良となる。このように、高温になっている発熱体を単純に水没させるだけの沸騰冷却では、発熱体の冷却不足や冷却に時間がかかるという問題が生じる。そして、特に発熱体が図１に示すような原子炉圧力容器である場合、原子炉容器のメルトスルーの阻止が困難になるという非常に大きな問題となる。
【０００８】
本発明はこのような問題に鑑み、高温の発熱体を作動流体中に浸漬させて冷却する方法において、速やかに発熱体を冷却することが可能な発熱体の冷却方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは研究を重ねたところ、詳細は後述するが、高温になっている発熱体の表面に冷却部材としての多孔質体を設け、この状態で発熱体を作動流体中に浸漬することで、発熱体の伝熱面で作動流体の膜沸騰が生じることを良好に抑制し、速やかに伝熱面温度を作動流体の核沸騰が起こる領域（核沸騰域）となる過熱度まで低下させることができることを見出した。そして、このような構成によって、発熱体の伝熱面に蒸気膜が生じることが抑制され、作動流体によって効果的に発熱体を冷却することができることを見出した。
【００１０】
すなわち本発明は、作動流体を収容した容器の作動流体中に、発熱体を少なくとも部分的に浸漬して発熱体を冷却する沸騰方式による冷却方法において、発熱体の作動流体に浸漬する部分の表面に冷却部材としての多孔質体を設ける工程と、前記多孔質体が設けられた発熱体の表面を前記作動流体中に浸漬して、前記多孔質体が設けられた発熱体の表面の温度を低下させる工程とを備えた発熱体の冷却方法である。
【００１１】
本発明の発熱体の冷却方法は一実施形態において、前記作動流体に浸漬する部分の表面の温度が前記作動流体に膜沸騰が起こる温度領域にある発熱体に対し、前記作動流体に浸漬する部分の表面に多孔質体を設ける工程と、前記多孔質体が設けられた発熱体の表面を前記作動流体中に浸漬して、前記多孔質体が設けられた発熱体の表面の温度を前記作動流体に核沸騰が起こる温度領域となる過熱度まで低下させる工程とを備える。
【００１２】
本発明の発熱体の冷却方法は別の一実施形態において、前記作動流体が水であって、且つ、大気圧下で前記発熱体を冷却する方法であり、前記作動流体に核沸騰が起こる温度領域となる過熱度が１３０℃以下である。
【００１３】
本発明の発熱体の冷却方法は更に別の一実施形態において、前記多孔質体が、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体の表面に供給する作動流体供給部と、前記発熱体の表面で発生した蒸気を前記作動流体中へ排出する蒸気排出部とを備える。
【００１４】
本発明の発熱体の冷却方法は更に別の一実施形態において、前記多孔質体が、前記発熱体側に設けられた第１の多孔質体と、前記作動流体側に設けられた第２の多孔質体とを備えた積層構造に構成された冷却部材であり、前記第１の多孔質体は、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体の表面に供給する第１の作動流体供給部と、前記発熱体の表面で発生した蒸気を前記第２の多孔質体側へ排出する第１の蒸気排出部とを備え、前記第２の多孔質体は、前記作動流体を前記第１の多孔質体に供給する第２の作動流体供給部と、前記第１の多孔質体から排出された蒸気を前記作動流体中へ排出する第２の蒸気排出部とを備え、前記第１の多孔質体よりも前記作動流体の透過率が大きい多孔質体で形成されている。
【００１５】
本発明の発熱体の冷却方法は更に別の一実施形態において、前記発熱体が原子炉圧力容器である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の発熱体の冷却方法によれば、高温の発熱体を作動流体中に浸漬させて冷却する方法において、速やかに発熱体を冷却することが可能な発熱体の冷却方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】軽水炉（その一例として沸騰水型原子炉）の圧力容器の模式図である。
【図２】従来のプール沸騰方式による冷却器の模式図である。
【図３】大気圧下、水を用いた発熱体の沸騰冷却特性を示すためのグラフである。
【図４】（Ａ）は実施形態１に係る発熱体及び多孔質体の模式図であり、（Ｂ）は実施形態１に係る多孔質体の平面図であり、（Ｃ）は実施形態１に係る発熱体及び多孔質体を冷却するための容器内へ浸漬した状態を示す模式図である。
【図５】実施形態１に係る発熱体及び多孔質体の断面模式図である。
【図６】（Ａ）は実施形態２に係る発熱体及び多孔質体の模式図であり、（Ｂ）は実施形態２に係る多孔質体の平面図であり、（Ｃ）は実施形態２に係る発熱体及び多孔質体を冷却するための容器内へ浸漬した状態を示す模式図である。
【図７】実施形態２に係る発熱体及び多孔質体の断面模式図である。
【図８】実施例で用いた試験装置を示す。
【図９】銅ブロック試験体の温度の経時変化を示すグラフである。
【図１０】銅ブロック試験体の伝熱面の温度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお以下の実施形態は本願発明を例示するものであり、本願発明がこれら実施形態に限定されるものではない。
（実施形態１）
図４は、実施形態１に係るプール沸騰方式による発熱体の冷却方式を説明するための図である。図４において（Ａ）は実施形態１に係る発熱体及び多孔質体の模式図であり、（Ｂ）は実施形態１に係る多孔質体の平面図であり、（Ｃ）は実施形態１に係る発熱体及び多孔質体を冷却するための容器内へ浸漬した状態を示す模式図である。
【００１９】
実施形態１に係る発熱体の冷却方法は、発熱体の作動流体に浸漬する部分の表面に冷却部材としての多孔質体を設ける工程と、多孔質体が設けられた発熱体の表面を作動流体中に浸漬して、多孔質体が設けられた発熱体の表面の温度を低下させる工程とを備える。このような構成によれば、高温になっている発熱体の表面に冷却部材としての多孔質体を設け、この状態で発熱体を作動流体中に浸漬するため、発熱体の伝熱面の温度が作動流体の膜沸騰が起こる領域（膜沸騰域）の温度であっても、多孔質体が作動流体を伝熱面へ供給することができる。このため、発熱体の伝熱面に蒸気膜が生じることが抑制され、作動流体によって効果的に発熱体を冷却することができる。
【００２０】
また、発熱体の冷却方法は、作動流体に浸漬する部分の表面の温度が作動流体に膜沸騰が起こる温度領域にある発熱体に対し、作動流体に浸漬する部分の表面に多孔質体を設ける工程と、多孔質体が設けられた発熱体の表面を作動流体中に浸漬して、多孔質体が設けられた発熱体の表面の温度を作動流体に核沸騰が起こる温度領域となる過熱度まで低下させる工程とを備えてもよい。このような構成によれば、高温になっている発熱体の表面に冷却部材としての多孔質体を設け、この状態で発熱体を作動流体中に浸漬するため、発熱体の伝熱面の温度が作動流体の膜沸騰が起こる領域（膜沸騰域）の温度であっても、多孔質体が作動流体を伝熱面へ供給することができる。このため、発熱体の伝熱面で作動流体の膜沸騰が生じることを良好に抑制し、速やかに伝熱面温度を作動流体の核沸騰が起こる領域（核沸騰域）となる過熱度まで低下させることができる。従って、発熱体の伝熱面に蒸気膜が生じることが抑制され、作動流体によって効果的に発熱体を冷却することができる。
【００２１】
作動流体が水であって、且つ、大気圧下で前記発熱体を冷却する方法である場合、作動流体に核沸騰が起こる温度領域となる過熱度を１３０℃以下とし、この１３０℃以下まで発熱体の伝熱面の温度を低下させることで、発熱体の伝熱面に蒸気膜が生じることが抑制され、作動流体によって効果的に発熱体を冷却することができる。なお、本発明で使用する作動流体は、水以外であってもよく、例えば、低温流体、冷媒、有機溶媒等の表面張力を有する液体とすることができる。作動流体として、例えば０．１体積％程度のナノ流体を含んだ水を用いると、発熱体の伝熱面に作動流体の蒸発によるナノ流体の層が生じるため、より良好に発熱体を冷却することができる。本発明において、「ナノ流体」は平均粒径が例えば１０ｎｍ〜３０ｎｍ、または２０〜２５ｎｍであってもよく、または２１ｎｍ程度であってもよい。また、「ナノ流体」の材質はＴｉＯ2であってもよい。
【００２２】
発熱体の作動流体に浸漬する部分の表面に設ける冷却部材としての多孔質体は、作動流体を発熱体の伝熱面へ供給して発熱体の伝熱面で作動流体の膜沸騰が生じることを抑制できるものであればよい。当該多孔質体としては、図４（Ｂ）に示すように毛細管現象により作動流体を発熱体の表面に供給する作動流体供給部と、発熱体の表面で発生した蒸気を作動流体中へ排出する蒸気排出部とを備えるのが好ましい。このような構成によれば、図５に示すように、多孔質体の作動流体供給部が毛細管現象により作動流体を発熱体の表面に供給すると同時に、多孔質体の蒸気排出部が発熱体の表面で発生した蒸気を作動流体中へ排出することができる。このように、作動流体の供給と蒸気の排出を別個の経路を用いて行うことで、より良好に作動流体を発熱体の伝熱面へ供給して蒸気膜が生じることを抑制するとともに、蒸気が発熱体の伝熱面を覆うことで限界熱流束が制限されるという問題を回避することが可能となる。多孔質体は、図４（Ｂ）に示すようなハニカム状の構造であってもよい。
【００２３】
多孔質体における作動流体供給部を構成する多孔質は、たとえばコーディライト等のセラミックスまたは焼結金属とすることができる。特に酸化物等の濡れ性の良い多孔質体、または、プラズマ照射等の濡れ性が向上する加工が施された多孔質体で構成されるのが望ましい。
【００２４】
なお、多孔質体は、円形、格子状、ハニカム状等とすることができる。また図５では作動流体供給部及び蒸気排出部が上方の発熱体の表面及び下方の作動流体側に直交するように図示してあるが、作動流体供給部及び蒸気排出部は、発熱体の表面と作動流体に接する面との間の経路をそれぞれ与えるものであれば、直交せずに、例えば、湾曲した経路や折れ曲がった経路となるように構成されていてもよい。また、本実施形態では、多孔質体が有する矩形状の孔が蒸気排出部として機能するが、当該孔の形状は特に限定されず、その他の多角形状、円形状、楕円形状等であってもよい。また、当該孔は多孔質体が元々備えている孔であってもよいし、多孔質体に形成した孔であってもよい。
【００２５】
また、多孔質体の形態は特に限定されず、例えば多孔質粒子の集合体で構成されていてもよく、多孔質層で構成されていてもよい。
【００２６】
（実施形態２）
図６は、実施形態２に係るプール沸騰方式による発熱体の冷却方式を説明するための図である。図６において（Ａ）は実施形態２に係る発熱体及び多孔質体の模式図であり、（Ｂ）は実施形態２に係る多孔質体の平面図であり、（Ｃ）は実施形態２に係る発熱体及び多孔質体を冷却するための容器内へ浸漬した状態を示す模式図である。
【００２７】
実施形態２に係る発熱体の冷却方法は、上記実施形態１に対して、多孔質体の構造が異なっている。具体的には、多孔質体が、発熱体側に設けられた第１の多孔質体と、作動流体側に設けられた第２の多孔質体とを備えた積層構造に構成された冷却部材であり、第１の多孔質体は、毛細管現象により作動流体を前記発熱体の表面に供給する第１の作動流体供給部と、発熱体の表面で発生した蒸気を第２の多孔質体側へ排出する第１の蒸気排出部とを備え、第２の多孔質体は、作動流体を第１の多孔質体に供給する第２の作動流体供給部と、第１の多孔質体から排出された蒸気を作動流体中へ排出する第２の蒸気排出部とを備え、第１の多孔質体よりも作動流体の透過率が大きい多孔質体で形成されている。このような構成によれば、高温になっている発熱体の表面に冷却部材としての多孔質体を設け、この状態で発熱体を作動流体中に浸漬するため、発熱体の伝熱面の温度が作動流体の膜沸騰が起こる領域（膜沸騰域）の温度であっても、多孔質体が作動流体を伝熱面へ供給することができる。このため、発熱体の伝熱面で作動流体の膜沸騰が生じることを良好に抑制し、速やかに伝熱面温度を作動流体の核沸騰が起こる領域（核沸騰域）となる過熱度まで低下させることができる。従って、発熱体の伝熱面に蒸気膜が生じることが抑制され、作動流体によって効果的に発熱体を冷却することができる。
【００２８】
第１の多孔質体の第１の作動流体供給部は、毛細管現象により発熱体の表面に作動流体を供給する。第１の多孔質体の第１の蒸気排出部は、発熱体からの熱により発生した蒸気を、発熱体の表面から第２の多孔質体側へ排出する。例えば、第１の多孔質体を多孔質層で構成し、多数の矩形状の孔を有するメッシュ構造を有し、矩形状の孔の周囲の格子状の多孔質層部分が毛細管現象により発熱体の表面に作動流体を供給する第１の作動流体供給部として機能し、矩形状の孔が発熱体の表面で発生した蒸気を第２の多孔質体側へ排出する第１の蒸気排出部として機能する構成としてもよい。このように作動流体の供給と蒸気の排出を別個の経路を用いて行うことにより、蒸気が発熱体の表面を覆ってしまい限界熱流束が制限されるという問題の発生を抑制することができる。また第２の多孔質体は、例えば、第１の多孔質体と同様に、多孔質層で構成し、多数の矩形状の孔を有するメッシュ構造を有し、矩形状の孔の周囲の格子状の多孔質層部分が第１の多孔質体に作動流体を供給する第２の作動流体供給部として機能し、矩形状の孔が第１の多孔質体から排出された蒸気を作動流体中へ排出する第２の蒸気排出部として機能する構成としてもよい。第２の多孔質体は、第１の多孔質体に比べて作動流体の透過率が大きく、作動流体を保持する機能を有し、第２の多孔質体上部で合体気泡が滞留する間にも、速やかに第１の多孔質体への作動流体の供給が行われるように機能する。
【００２９】
第２の多孔質体は、多孔質体が有する孔半径を第１の多孔質体の孔半径より大きくして作動流体を通しやすくすることで、第１の多孔質体の透過率よりも作動流体の透過率を大きくすることができる。ここで、多孔質体が有する孔半径は、各多孔質体が元々備えている孔の半径であってもよいし、各多孔質体に形成した孔の半径であってもよい。ここで、多孔質体の孔の形状は、多角形状、円形状、楕円形状等、種々の形状とすることが可能であるが、本発明において「孔半径」は、そのような種々の孔形状における外接円の半径を示す。さらに、第２の多孔質体は、多孔質体の空隙率を第１の多孔質体の空隙率より大きくして作動流体を通しやすくすることで、第１の多孔質体の透過率よりも作動流体の透過率を大きくすることができる。多孔質体の空隙率は、例えば、多孔質体の製造工程において金属粉末と混合させるバインダーの粒径・量などを調整することによって大きくすることができる。
【００３０】
第１の多孔質体の形状としては、多孔質体への接触面積が大きくなるため発熱体の表面で発生した蒸気を水中へ逃がすための孔の大きさは小さいほうがよく、例えば、１００〜２０００μｍとすることができる。また、多孔質底部を通過する場合の圧力損失を小さくできるため、発熱体の表面で発生した蒸気を水中へ逃がすための孔と孔の間隔は小さい方がよく、例えば、１００〜１０００μｍとすることができる。
【００３１】
第１の多孔質体における第１の作動流体供給部を構成する多孔質は、たとえばコーディライト等のセラミックスまたは焼結金属とすることができる。特に酸化物等の濡れ性の良い多孔質体、または、プラズマ照射等の濡れ性が向上する加工が施された多孔質体で構成されるのが望ましい。
【００３２】
第１の多孔質体は、第１の作動流体供給部において、液体の蒸発が起これば毛細管現象により発熱体の表面に作動流体を供給するが、毛管力による液体供給の限界メカニズムを考慮すれば、毛細管の長さ（すなわち、第１の多孔質体の厚さ）は薄いほうがよりその限界、すなわち「限界熱流束」を高くすることができる。一方、図３において、高熱流束条件下の発熱体の表面上で蒸気塊が形成される様子を示したが、その蒸気塊の体積は時間と共に増大し、やがて発熱体の表面から切断離脱する。この蒸気塊と発熱体の表面近傍をより詳細に説明すれば、蒸気塊と発熱体の表面の間（すなわち蒸気塊の底部）には、有限厚さの液膜（一般に、マクロ液膜と呼ばれる）が存在する。このような高熱流束条件下においては、蒸気塊がマクロ液膜上に滞留している間に蒸気塊底部のマクロ液膜が蒸発消耗し尽くすときにバーンアウトが発生する。このときの熱流束が「限界熱流束」と呼ばれる。第１の多孔質体の厚さは、上述の通り毛管力による液体供給の限界メカニズム（毛管限界メカニズム）から薄いほうがよいが、薄過ぎてマクロ液膜の厚さと同程度であると、第１多孔質体の発熱体の表面近傍で液枯れが生じやすく、限界熱流束が小さくなる。
【００３３】
このように、発熱体の表面に設ける多孔質体の厚さは、毛管限界メカニズムの観点からは薄いほうがよいが、マクロ液膜の厚さより薄いと多孔質体内部で液枯れが生じやすく、限界熱流束が小さくなるという問題がある。そこで、本発明では、発熱体の表面に設ける多孔質体を第１の多孔質体とし、その上に（作動流体側に）、第１の多孔質体よりも作動流体の透過率が大きい第２の多孔質体を設けている。このような構成によれば、第１の多孔質体とその上方の蒸気塊との間に、作動流体を第１の多孔質体に向かって潤沢に液体を供給する第２の多孔質体が存在するため、第１の多孔質体の厚さを薄くしても、液枯れの発生が抑制され、限界熱流束が小さくなることを防ぐことができる。また、第２の多孔質体の液供給量は多いほど好ましいため、第２の多孔質体の厚みも大きくするのが好ましい。具体的には、例えば、第１の多孔質体の厚さを１００μｍ程度と薄くする場合、第２の多孔質体の厚さは１〜２ｍｍ以上程度とするのが好ましい。
【００３４】
第２の多孔質体は、コーディライト等のセラミックスで形成してもよいが、特に加工性や強度の点から金属で形成するのが好ましい。特に酸化物等の濡れ性の良い多孔質体、または、プラズマ照射等の濡れ性が向上する加工が施された多孔質体で構成されるのが望ましい。
【００３５】
なお、第１の多孔質体及び第２の多孔質体は、円形、格子状、ハニカム状等とすることができる。また図７では第１及び第２の作動流体供給部及び蒸気排出部が上方の発熱体の表面及び下方の作動流体側に直交するように図示してあるが、第１及び第２の作動流体供給部及び蒸気排出部は、発熱体の表面と作動流体に接する面との間の経路をそれぞれ与えるものであれば、直交せずに、例えば、湾曲した経路や折れ曲がった経路となるように構成されていてもよい。また、本実施形態では、各多孔質体が有する矩形状の孔が蒸気排出部として機能するが、当該孔の形状は特に限定されず、その他の多角形状、円形状、楕円形状等であってもよい。また、当該孔は各多孔質体が元々備えている孔であってもよいし、各多孔質体に形成した孔であってもよい。
【００３６】
また、第１の多孔質体と第２の多孔質体との形態は特に限定されず、例えば、第１の多孔質体及び第２の多孔質体が、いずれも多孔質粒子の集合体で構成されていてもよい。また、第１の多孔質体及び第２の多孔質体が、いずれも多孔質層で構成されていてもよい。さらに、第１の多孔質体及び第２の多孔質体のいずれか一方が多孔質粒子の集合体で構成されており、他方が多孔質層で構成されていてもよい。第１の多孔質体、第２の多孔質体が、多孔質粒子の集合体で構成されている場合、例えば複数の多孔質粒子間の隙間が蒸気排出部としての機能を有し、当該隙間の周囲の部材が作動流体供給部として機能する構成とすることができる。
【００３７】
また、冷却部材の積層構造は、第１の多孔質体と、第２の多孔質体とで構成されたものに限定されず、第２の多孔質体の作動流体側にさらに第３の多孔質体を設けて、全体で３層の積層構造としてもよい。この場合、第３の多孔質体は、作動流体を第２の多孔質体に供給する作動流体供給部と、第２の多孔質体から排出された蒸気を作動流体中へ排出する蒸気排出部とを備えている。同様に、冷却部材の積層構造は、第２の多孔質体の作動流体側に複数の多孔質体を積層させて全体で４層以上の構成としてもよい。
【００３８】
本発明は、原子炉圧力容器の冷却の他、種々の電子機器、その他の高発熱密度を有する熱機器全般の冷却に適用可能である。たとえば、核融合炉のダイバータ冷却、キャピラリーポンプループの高性能化、半導体レーザ、データセンターのサーバの冷却、フロン冷却式チョッパ制御装置、パワー電子機器等に用いることができる。または、ガラスやアルミの溶融炉の側部や底部から周囲環境へ放散する熱を節減して、高温作業環境を改善する水冷ジャケットに適用可能である。さらに、大型ごみ焼却炉等の耐火壁を外部から冷却して損傷を軽減するための、耐火壁側部や耐火壁底部に設置する水冷ジャケットに適用可能である。
【実施例】
【００３９】
以下に本発明を実施例でさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４０】
図８に実施例で用いたクエンチ実験の試験装置を示す。発熱体として円柱状の銅ブロック試験体を準備した。銅ブロック試験体の底面が伝熱面であり、直径３０ｍｍ、高さ１５０ｍｍであった。銅ブロック試験体の加熱は、上部より挿入した４本のカートリッジヒーターで行い、３７０℃程度に保持した。次に、銅ブロック試験体の伝熱面には厚み１０ｍｍのハニカム多孔質体ａ（図９のハニカム構造体（a）装着）、厚み１ｍｍのハニカム多孔質体ｂ（図９のハニカム構造体（b）装着）をそれぞれ別途装着し、各２回の実験を行った。これら２種類のハニカム多孔質体ａ、ｂはいずれも長峰製作所製ハニカム多孔質体（ＮＡハニカム）であり、主成分はカルシウムアルミネート、溶解シリカ、二酸化チタンで、有効熱伝導率は４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］である。また、銅ブロック試験体の温度測定のために、伝熱面上より距離１５ｍｍの位置の円柱状の銅ブロック試験体の中心軸上に直径１ｍｍのＫ型シース熱電対を挿入した。
次に、加熱を止めたハニカム多孔質体が装着された銅ブロック試験体を、ハニカム多孔質体側から作動流体として蒸留水が入った容器へ浸漬させた。このとき、液温は飽和状態とした。銅ブロック試験体を蒸留水中に浸漬させた状態で、１０００秒経過するまでの銅ブロック試験体の温度測定を行った。
また、別途、ハニカム多孔質体の代わりに、厚さ５ｍｍの多孔質板を発熱体底面に装着した以外は同様にクエンチ実験を行い、１０００秒経過するまでの銅ブロック試験体の温度測定を行った（図９の多孔質板（５ｍｍ）装着）。
また、別途、ハニカム多孔質体を装着しない以外は同様にクエンチ実験を行い、１０００秒経過するまでの銅ブロック試験体の温度測定を行った（図９の銅ブロック試験体（蒸留水））。
さらに、別途、ハニカム多孔質体を装着せず、且つ、作動流体を０．１体積％のＴｉＯ2で形成された粒径２１ｎｍのナノ流体を含んだ蒸留水とした以外は同様にクエンチ実験を行い、１０００秒経過するまでの銅ブロック試験体の温度測定を行った（図９の銅ブロック試験体（ナノ流体０．１Ｖ％））。
【００４１】
図９に上記試験結果を示す。図９によれば、多孔質体非装着時には蒸留水の飽和温度に達するまで約８５０秒かかっているが、多孔質体装着時にはすべての場合において蒸留水の飽和温度に達するまでの時間が大幅に短縮されていることがわかった。
また、厚さ５ｍｍの多孔質板を装着した場合と、厚さ５ｍｍのハニカム多孔質体を装着した場合とを比較すると、厚さ５ｍｍのハニカム多孔質体を装着した場合のほうが蒸留水の飽和温度に達するまでの時間が短いことがわかった。
【００４２】
図１０に、厚み１０ｍｍ、１ｍｍの２種類のハニカム多孔質体ａ、ｂを装着したときの、銅ブロック試験体の伝熱面をＩＲカメラで撮影することで得られた伝熱面温度分布の観察写真を示す。ＩＲカメラはＦＬＩＲ社製Ａ６７００ｓｃを用いた。伝熱面を通った光は伝熱面下部に設置された金ミラーで反射し、ＩＲカメラに垂直に入射することで温度分布を得ている。また、表１に当該温度分布の評価結果を示す。伝熱面と作動流体（試験液体）との接触界面温度Ｔｓは下記式（１）から求めた。
式（１）：  ［（ｋρＣp）A1/2・ＴA＋（ｋρＣp）B1/2・ＴB］／［（ｋρＣp）A1/2＋（ｋρＣp）B1/2］
【００４３】
【表１】
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【００４４】
式（１）において、Ａはハニカム多孔質体、Ｂは水の物性値を用いている（Ａ：ρ＝１６７６ｋｇ／ｍ3、Ｃp＝０．５６２ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）、ｋ＝４ｗ／（ｍ・ｋ）、Ｂ：ρ＝９５８ｋｇ／ｍ3、Ｃｐ＝４．２１７ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）、ｋ＝０．０６８ｗ／（ｍ・ｋ））。またＴA＝Ｔ２、ＴB＝２７３．１５Ｋを用いている。
その結果、伝熱面に接触しているハニカム多孔質体ａの温度はハニカム多孔質体ｂに比べて低いため、ハニカム多孔質体ａはハニカム多孔質体ｂに比べてより早い時間でクエンチしたと考えられる。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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