JPH08557B2 - 深海用耐圧殻入り熱機関発電システムの非常用排熱装置 - Google Patents
深海用耐圧殻入り熱機関発電システムの非常用排熱装置Info
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- JPH08557B2 JPH08557B2 JP4315744A JP31574492A JPH08557B2 JP H08557 B2 JPH08557 B2 JP H08557B2 JP 4315744 A JP4315744 A JP 4315744A JP 31574492 A JP31574492 A JP 31574492A JP H08557 B2 JPH08557 B2 JP H08557B2
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/0275—Arrangements for coupling heat-pipes together or with other structures, e.g. with base blocks; Heat pipe cores
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F2013/005—Thermal joints
- F28F2013/008—Variable conductance materials; Thermal switches
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Description
海洋開発等における極めて有効で、かつ長期的な動力源
として期待されているところの、原子炉やラジオアイソ
トープ(以下、RIと称する)を熱源とした熱機関発電
システムや熱電気発電システム、あるいは熱電子発電シ
ステム等のように、熱エネルギを電気エネルギに変換す
る熱発電システムのうち、RIを熱源とした熱機関発電
システムにおいて、機関が故障などにより停止した際
に、その熱源から放熱部へ熱を輸送して熱源を冷却する
ようになされている深海用耐圧殻入り熱機関発電システ
ムの非常用排熱装置に関するものである。
入り熱機関発電システムにおいては、熱源が1000℃
前後の高温状態にある一方、放熱部を構成する耐圧殻は
0〜100℃程度の低温状態にあり、通常は、ソジュー
ムなどを作動媒体として100 0℃前後の高温域で作動
する高温側ヒートパイプにより熱源から熱機関へ熱を輸
送し、発電機で熱エネルギーを電気エネルギーに変換し
た後、水などを作動媒体として100℃程度の低温域で
作動する低温側ヒートパイプにより耐圧殻の放熱部へ熱
を輸送して海水中へ放熱するといったように動作する。
ところが、例えば発電機の故障などのように、熱機関が
故障等して停止すると、上述した通常時のような熱源か
ら放熱部への熱の流れがほとんど止まってしまうので、
1000℃前後の高温域から100℃程度の低温域へ大
量の熱を輸送して放熱させるための特別の対策が必要で
ある。つまり、原子炉のような停止可能な熱源の場合に
は緊急停止装置を設置すればよいが、RI熱源のように
熱の発生を緊急的に止めることができない場合には、非
常用の排熱装置が必要である。
ムにおける非常用排熱装置として知られているものに
は、つぎのようなものがあった。a.地上用の熱機関発
電システムにおける非常用排熱装置であって、熱源を取
り巻く断熱材を溶融金属によってロックさせておき、熱
源温度が一定以上に上昇すると、その金属が溶けてロッ
クがはずれ、熱源を取り巻く断熱材を地上に脱落させる
ことにより熱源を大気に触れさせて自然冷却するように
なしたもの。b.熱源を真空断熱し、上記aの場合と同
様に、熱源温度が一定以上に上昇して溶融金属が溶けて
ロックがはずれると、弁が開いて、別途準備したボンベ
からヘリュームガスなどの不活性ガスを噴出させること
により真空断熱を破壊させて熱源を冷却させるようにな
したもの。c.熱源機関にはつながらず、直接外界に接
する冗長なヒートパイプを設けておき、このヒートパイ
プを通常の温度では作動させず、熱源温度が一定以上に
上昇した時のみ作動するように構成したもの。
示した非常用排熱装置は、RIを熱源とした地上用の熱
機関発電システムの非常用排熱装置であって、これをそ
のまま、深海用耐圧殻入り熱機関発電システムの非常用
排熱装置に適用することはできない。すなわち、深海用
熱機関発電システムの熱源も断熱材で覆われており、そ
の意味では、上記aやbで述べたように、非常時に熱源
の断熱材を除去したり、真空断熱を破壊して熱源を冷却
する方法も可能と考えられるけれども、実際の深海用熱
機関発電システムでは、地上用の熱機関発電システムと
異なり、システム全体が耐圧殻に格納されているので、
断熱材を除去したり、真空断熱を破壊しても耐圧殻に邪
魔されて、熱源を海水により、有効に冷却することがで
きない。
パイプを使用して放熱する方法においても、1000℃
前後の熱源に接続され、この温度域で作動するヒートパ
イプからの廃熱を耐圧殻越しに数10℃の海水へ放熱す
ることは困難である。
れたもので、機関が故障してRI熱源温度が一定以上に
上昇した非常時に、1000℃前後の高温域から100
℃程度の低温域へ大量の熱を有効に輸送して、耐圧殻か
ら海水へ効率よく放熱することができる深海用耐圧殻入
り熱機関発電システムの非常用排熱装置を提供すること
を目的とする。
め、この発明に係る深海用耐圧殻入り熱機関発電システ
ムの非常用排熱装置は、ラジオアイソトープ(RI)を
熱源とした深海用耐圧殻入り熱機関発電システムにおい
て、上記熱源と耐圧殻に形成された海水への放熱部との
間に亘る非常用排熱輸送系に、熱源温度が一定以上に上
昇した場合にのみ高温域で作動する非常用の高温側ヒー
トパイプと、低温域で作動する非常用の低温側ヒートパ
イプと、これら2つのヒートパイプの端部のそれぞれ適
当長さを二重同芯円筒状に配置して両者間に形成される
狭い環状の隙間に低熱伝導材料を充填してなる熱交換器
とが設けられ、かつ、非常用の高温側ヒートパイプの入
口部には、溶融金属または形状記憶合金板を流路遮断状
態に装着してなる遮断弁が介在されているものである。
電システムの非常用排熱装置によれば、発電機などの機
関の故障にともない通常時の熱の流れが遮断されてRI
熱源温度が一定以上に上昇した時、溶融金属または形状
記憶合金の溶解にともない遮蔽弁が開となって、RI熱
源で加熱された1000℃前後の高温の、例えばソジュ
ームなどの作動流体が高温側ヒートパイプへ流入して該
高温側ヒートパイプが作動開始する。これによって、R
I熱源で発生した熱が高温側ヒートパイプを経て熱交換
器へ運ばれ、この熱交換器において低熱伝導材料を介し
て低温側ヒートパイプへ熱が伝達される間に温度が数1
00℃低下することで、低温側ヒートパイプが100℃
前後の作動温度域に達して該低温側ヒートパイプが作動
開始する。この低温側ヒートパイプの作動にともない熱
が海水への放熱部に伝達され、この放熱部から適当な手
段によって海水へと放熱されることになる。
て簡単に説明する。図1は、この発明を適用した潜水深
度600mの大型有人潜水調査船用の出力30KWの耐
圧殻入り熱機関発電システムの概略図である。
熱源はラジオアイソトープ(RI)のストロンチューム
(90Sr)で、熱機関9はフリーピストン・スターリ
ングエンジンである。上記RI熱源1のストロンチュー
ムは、RI熱源カプセル2に格納され、このRI熱源カ
プセル2の139本をRI熱源容器3に収納させること
で構成されおり、該RI熱源1の総熱出力は112kW
tである。4は、上記RI熱源容器3の外側を適当な厚
みで覆う断熱材であり、この断熱材4の外側がRI熱源
1から出る制動X線を遮蔽するために、例えばタングス
テンからなる遮蔽体5で覆い、さらに、それらを耐圧殻
6内に格納する構造になっており、また、上記RI熱源
容器3は支持金物7を介して上記遮蔽体4から吊り下げ
支持されている。
(Na)などの作動流体を充填した高温側ヒートパイプ
8の蒸発部を兼ねており、112kWtの熱出力は高温
側ヒートパイプ8により熱機関(スターリングエンジ
ン)9のヒータ10へ運ばれ、ここで熱機関9の作動流
体、例えばヘリュームガス(He)と熱交換される。こ
のヘリュームガスなどの熱機関9の作動流体は、膨張・
圧縮のサイクルごとに、ヒータ10、再生器11、クー
ラ12を通って膨張室13と圧縮室14の間を往復動す
るようになされている。
であり、熱機関9は与えられた112kWtの熱で仕事
をして、該リニア発電機15を駆動し30kEeの電気
出力に変換する。残りの82kWtの廃熱は、作動流体
として水を充填した低温側ヒートパイプ16により上記
耐圧殻6の上部に形成された球殻の放熱部17へ輸送さ
れる。この放熱部17は低温側ヒートパイプ16の凝縮
部を兼ねており、この放熱部17の外周部分に直径が小
さく薄肉の適当な長さの冷却シリンダ18が適当間隔ご
とに多数本配置されており、上記低温側ヒートパイプ1
6を経て放熱部17に運ばれた廃熱は、冷却シリンダ1
8を介して、その外側の海水の自然対流熱伝達で海水中
へ放熱される。
排熱装置であり、この非常用排熱装置19の熱輸送系
は、ハイプ軸線方向の長さを除いて、上述した熱機関9
の高温側ヒートパイプ8および低温側ヒートパイプ16
とそれぞれ同一の諸元を持つ非常用高温側ヒートパイプ
20および非常用低温側ヒートパイプ21とこれら両ヒ
ートパイプ20,21を接続する非常用熱交換器22か
ら構成されている。この非常用排熱装置19における高
温側ヒートパイプ20の入口部には、図3に示すよう
に、溶融金属板または形状記憶合金板23aが流路遮断
状態に装着され、RI熱源1の温度が一定以上に上昇し
た場合にのみ上記溶融金属板または形状記憶合金板23
aの溶融または熱変形により開弁可能とされた遮蔽弁2
3が介在されている。
構成を示す縦断面図であり、同図に明示したように、ソ
ジューム(Na)などの作動流体で作動する非常用高温
側ヒートパイプ20および水で作動する非常用低温側ヒ
ートパイプ21の各端部を、それぞれ適当な軸線長さに
亘って二重同芯円筒状に配置して両パイプ20,21間
に狭い環状の隙間24を形成するとともに、その環状の
隙間24に、たとえばヘリュームガス(He)などの低
熱伝導材料を充填してなるものである。なお、上記環状
の隙間24を囲む外側円筒面にはウイック25が張り付
けられており、この部分が非常用低温側ヒートパイプ2
1の蒸発部を構成している。
は、熱機関9が故障して正常なルートの熱の流れが止ま
り、熱源温度が上昇して一定温度を越えると、非常用高
温側ヒートパイプ20の入口部に設けた遮蔽弁23内の
金属板23aが溶融する、もしくは形状記憶合金板23
aが熱変形して弁開となり、非常用高温側ヒートパイプ
20が作動し始める。これによって、RI熱源1で発生
した熱が非常用高温側ヒートパイプ20を経て熱交換器
22へ運ばれ、この熱交換器22において、ヘリューム
ガス(He)などの低熱伝導材料を介して非常用低温側
ヒートパイプ21へ熱が伝達される間に温度が数100
℃低下し、これによって、非常用低温側ヒートパイプ2
1の100℃前後の作動温度域に達して該低温側ヒート
パイプ21が作動開始し、この非常用低温側ヒートパイ
プ21の作動にともない熱が海水への放熱部17に伝達
され、この放熱部17から冷却シリンダ18を介して、
その外側の海水の自然対流熱伝達で海水中へ放熱され
る。
において、非常用熱交換器22のおける環状隙間24の
必要厚みを求めてみると、1.5mmの厚さがあれば良
いことがわかった。すなわち、熱交換器長さを200m
mとし、隙間を1.5mmに設定し、低熱伝導率材料と
してヘリュームガス(He)を選んで、必要な伝達熱
量:112kWt、非常用ヒートパイプ本数:40本、
海水温度:−2.5℃から32℃として、各材料の熱伝
導率と輻射率を用いて、非常用高温側ヒートパイプ20
の蒸気温度THVおよび非常用低温側ヒートパイプ21
の蒸気温度TLVを求めると、 THV=915.4℃〜927.1℃、 TLV=67.6℃〜97.9℃ となり、それぞれのヒートパイプの作動温度範囲、85
0℃≦THV≦950℃、20℃≦THV≦114℃内
に納まることが分かった。
2の低熱伝導材料としてヘリュームガスを用いたが、こ
れに限らず、アルゴンガスなどの他の熱伝導率の低い材
料を使用しても良い。また、非常用高温側ヒートパイプ
20および非常用低温側ヒートパイプ21の作動流体と
しては、上記実施例で述べたソジュームおよび水に限ら
れるものでない。
が故障などしてRI熱源の温度が一定以上に上昇したと
き、非常用の高温側ヒートパイプの入口部に介在させた
遮断弁が開弁されて、該高温側ヒートパイプが熱源によ
り加熱されて1000℃前後になった高温域で作動し、
熱源で発生される大量の熱が非常用の高温側ヒートパイ
プを通して熱交換部に輸送されるとともに、その熱交換
作用により100℃前後にまで温度低下することで非常
用の低温側ヒートパイプが作動し、この低温側ヒートパ
イプの作動によって大量の熱を海水へ放熱することがで
きるので、熱機関発電システム全体の異常な加熱にとも
なう不良事態の発生を回避することができる。しかも、
ここで特殊な構造の熱交換器を使用する必要がなく、高
温側および低温側ヒートパイプを二重同芯円筒状に配置
して両者間に形成される狭い隙間に、たとえばヘリュー
ムガス(He)などの低熱伝導材料を充填するといった
簡単な構造の熱交換器を使用するだけで、耐圧殻から海
水へ効率よく、かつ大量に放熱することができる。
電システム全体の概略構成図である。
を示す縦断面図である。
図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 ラジオアイソトープ(RI)を熱源とし
た深海用耐圧殻入り熱機関発電システムにおいて、上記
熱源と耐圧殻に形成された海水への放熱部との間に亘る
非常用排熱輸送系に、熱源温度が一定以上に上昇した場
合にのみ高温域で作動する非常用の高温側ヒートパイプ
と、低温域で作動する非常用の低温側ヒートパイプと、
これら2つのヒートパイプの端部のそれぞれ適当長さを
二重同芯円筒状に配置して両者間に形成される狭い環状
の隙間に低熱伝導材料を充填してなる熱交換器とが設け
られ、かつ、非常用の高温側ヒートパイプの入口部に
は、溶融金属または形状記憶合金板を流路遮断状態に装
着してなる遮断弁が介在されていることを特徴とする深
海用耐圧殻入り熱機関発電システムの非常用排熱装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4315744A JPH08557B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 深海用耐圧殻入り熱機関発電システムの非常用排熱装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4315744A JPH08557B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 深海用耐圧殻入り熱機関発電システムの非常用排熱装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06199284A JPH06199284A (ja) | 1994-07-19 |
JPH08557B2 true JPH08557B2 (ja) | 1996-01-10 |
Family
ID=18069019
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4315744A Expired - Lifetime JPH08557B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 深海用耐圧殻入り熱機関発電システムの非常用排熱装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH08557B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
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US10761524B2 (en) | 2010-08-12 | 2020-09-01 | Rosemount Inc. | Wireless adapter with process diagnostics |
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CN113421665A (zh) * | 2021-06-24 | 2021-09-21 | 中国舰船研究设计中心 | 一种水下装备热管式耐压壳体共形余热排除*** |
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JPS6387200U (ja) * | 1986-11-27 | 1988-06-07 |
-
1992
- 1992-10-30 JP JP4315744A patent/JPH08557B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH06199284A (ja) | 1994-07-19 |
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