JPS6329192A - 熱サイフオン型ヒ−トパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は熱サイフオン型ヒートパイプに係り、特に、熱
輸送の限界特性を向上させるのに好適な〔従来の技術〕 ｒ従来の装置は特開昭５１−６００５７号公報に記載の
ように、凝縮部の流路を液体流路と気体流路とに二分し
、凝縮部の下端で液体流路の流動抵抗を増大した構造と
なっていた。これは熱媒体の移動を一定方向に安定させ
ることを目的としたもので。

熱輸送量が増大したときに発生する吹き上げ気体による
液体の落下抑制（ＣＣＦＬ）により発生する熱輸送量の
限界については考慮されていなかった。

また、吹き上げ気体による液体の落下抑制を緩和するこ
とを目的とした発明は特開昭５３−３４１５７号に記載
のように、凝縮部の下部に、ロート壁に連絡口をもつロ
ート状の液体流路を設けたものがあるが構造が複雑とな
っていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、熱輸送量が増大したときに発生する吹
き上げ気体による液体の落下抑制（ＣＣＦＬ）について
考慮がされておらず、熱輸送量にＣＣＦＬによる限界が
存在するか、又は、ＣＣＦＬを緩和するために構造が複
雑となる問題があった。

本発明の目的は吹き上げ気体による液体の落下抑制を緩
和して熱輸送の限界特性を向上させることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、蒸発部と凝縮部との間の熱輸送部の流路を
液体流路と気体流路とに二分し、液体流路の下端に断面
積を流路内で最小とした絞りを設けることにより達成さ
れる。

〔作用〕

本発明の作用をヒートパイプの起動時を例にとって説明
する。蒸発部で発生した気体は、当初気体流路と液体流
路の両方を吹き上げるが、液体流路では下部に断面積を
流路内で最小とした絞りが設けられているため、液体流
路の上端における気体流速は気体流路上端における流速
よりも小さくなり５気体流路上端では吹き上げる気体に
より、液体が落下できない場合でも、液体流路上端から
は液体が落下することができる。これによって、液体流
路内の流動抵抗が増大し、液体流路を吹き上げる気体流
速が低下し、液体流路上端からは。

さらに、液体が落下できるようになる。このようなメカ
ニズムにより、気体流路と液体流路とを吹き上げる気体
流速の差が拡大し、最終的には気体流路では気体のみが
吹き上げ、液体流路では液体のみが落下する状態で安定
となる。ヒートパイプの通常運転時の動作を従来の装！
！！（特開昭５１−６００５７号公報）と比較すると、
従来の装置では液体を管壁の外周を伝わらせて落下させ
るようになっているため、気液界面の面積が大きくなっ
ており、吹き上げる気体によって液体の落下が抑制され
やすいが、本発明では液体を液体流路下端に設けた絞り
から、集中的に落下させるために、気液界面の面積が小
さくなり、吹き上げ気体による液体の落下抑制が緩和さ
れている。このように、本発明ではヒートパイプ内部の
流路を二分し一方の流路の下部に断面積を流路内で最小
とした絞りを設ける簡単な構造により、吹き上げ気体に
よる液体の落下抑制を緩和することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。本実
施例では、高熱源からの加熱により作動流体が蒸発する
蒸発部３と被加熱体と接することにより作動流体が凝縮
する凝縮部１との間の熱輸送部２を液体流路１ｏと気体
流路１１とに二分し、液体流路１０の下部には断面積を
流路内で最小とした絞り１２が設けられている。本実施
例の動作を、ヒートパイプを起動させるときを例にとっ
て、第２図及び第３図を用いて説明する。第３図は吹き
上げ気体により落下できる液体の流速が制限される。い
わゆる、ＣＣＦＬ特性を示したもので、ある気体流速以
上では液体が落下できないことを示している。第２図の
（ａ）に示すように、蒸発部３に外部から熱を加えて作
動流体を蒸発、又は、沸騰させると、発生した気体は気
体流路１１と液体流路１０の両方を吹き上げるが、液体
流路１ｏでは下部に絞り１２が設けられているため、液
体流路１ｏの上端における気体流速ｖｚは気体流路１１
の上端における流速ｖ１よりも小さくなり、第３図に示
すように、気体流路１１の上端からは凝縮部１で凝縮に
より発生した液体が落下できない場合でも、液体流路１
０の上端からは液体が落下することができる。第２図の
（ｂ）に示すように液体流路１０に液体が保持されてく
ると液体流路１０内の流動抵抗が増大し、液体流路を吹
き上げる気体流速が低下し、液体流路１０の上端からは
さらに液体が落下できるようになる。このようなメカニ
ズムにより、気体流路１１と液体流路１０とを吹き上げ
る気体流速の差が拡大し、最終的には第２図（ｃ）に示
すように気体流路１１では気体のみが吹き上げ、液体流
路１ｏでは液体のみが落下する状態で安定となる０本実
施例で使用する作動流体は凝縮性ガス熱媒であればよく
、例えば、水、フレオン、アンモニア等が挙げられる。

また、凝縮部１．熱輸送部２．及び、蒸発部３の材料と
しては熱伝導性のよい金属、例えば、ステンレスを用い
ればよい０本実施例に基づく設計の一例として、作動流
体に大気圧の水を用い、熱輸送部２の直径を０．１　　
ｍ、長さを３ｍとして、気体流路１１と液体流路１０の
断面積比を９対１にした場合には、液体流路１０を落下
できる水の最大流量は気体流路１１側と液体流′Ｊｌ！
１１０側との圧力バランスから決定され、最大で０゜９
７ｋｇ／ｓ、熱輸送量としては２．２　ＭＷとなる。一
方、従来の装置では液体を管壁の外周を伝わらせて落下
させるようになっているため気液界面の面積が大きくな
っており、吹き上げる気体によって水の落下が抑制され
やすく１本実施例と同一の形状で同一の作動流体を使用
した場合には落下できる水の最大流量は吹き上げ気体に
よる水の落下抑制の特性によって決定され、最大で０．
１６ｋｇ／ｓ＝熱輸送量としては０．３６　　ＭＷであ
り１本実施例と比べて約−となる、なお１本実施例の絞
り１２はオリフイス、又は、ノズルを用いればよく、そ
の流路断面積は液体流路１０の断面積の９０％よりも小
さくすることが望ましい。また、絞り１２としてオリフ
ィスを用いた場合には、順流に対する流動抵抗を低下し
、逆流に対する流動抵抗を増大させるように第４図に示
すように逆流に対して末広がりのテーパ形状（ａ）、又
は、ベルマウス形状（ｂ）とすることが望ましい、この
ように、本実施例によれば、ヒートパイプ内部の流路を
二分し、一方の流路の下部の断面積を流路内で最小とす
る簡単な構造により、吹き上げ気体による液体の落下抑
制を緩和でき、熱輸送の限界特性が向上する。

本発明の他の実施例を第５図により説明する。

第５図（ａ）では絞り１２の上流側に圧力計２０が下流
側に圧力計２１が付加さ九ている。本実施例のヒートパ
イプでは、液体流路１０の内部に液体が保持されるため
に、第５図（ｂ）に示すような圧力バランスが成り立っ
ている。絞り１２前後の圧力差をΔＰａとするとΔＰａ
は次式で表される。

ここで、Ｋｏ：絞りにおける圧力損失係数（−）ωｌ：
液体流量（ｋｇ／ｓ） ρｌ：液体の密度（ｋｇ／ボ） Ａｏ：絞りの断面積（ポ） （１）式をω！で解くと、 本実施例では、演算装置２２において、圧力計２０によ
る圧力Ｐ１から圧力計２１による圧力Ｐ２を引いてΔＰ
ｏを求め、圧力Ｐ２から圧力と液体の密度との関係式に
基づいてρ１を求める。ＡｏとＫｏの値はあらかじめ実
測された値が記憶装置２３に記憶されている。演算装置
２２では以上のΔＰａ、ｐｘ、Ａｏ、Ｋｏの値を用いて
（２）式の計算を行い、ω１を求める。さらに、圧力Ｐ
ｘにおけ求めて表示装！！２４に表示する。演算装！！
！２２と記憶装置２３はデジタル回路により構成しても
よいし、また市販のマイクロコンピュータを用いてもよ
い、このように、本実施例では吹き上げ気体による液体
の落下抑制を緩和することにより、熱輸送の限界特性が
向上するほかに、圧力の測定から熱輸送量を求めてこの
値を監視できる効果がある。

本発明のさらに他の実施例を第６図から第８図により説
明する。本実施例は自然循環型原子炉の崩壊熱除去系に
本発明のヒートパイプを適用したものである。第６図は
自然循環型原子炉及び蓄水タンク１１１の縦断面を示し
たものである。蓄水タンク１１１には多数のヒートパイ
プ３１が挿入されており、ヒートパイプ３１は連結管３
２により格納容器１２０外部のヒートパイプ３ｏに連結
されている。このような原子炉において、例えば。

計装配管などの破断により原子炉容器１０１内の冷却水
が流出すると、原子炉容器１０１内の水位が低下し、制
御棒１０５が炉心１０２に挿入され。

炉心１０２はスクラムするが、核***生成物の崩壊によ
り引き続き炉心１０２において熱が発生するために、こ
の熱を除去する必要がある。このような冷却材喪失事故
時における蓄水タンク１１１の動作を第７図により説明
する。第７図の（ａ）は通常運転時の状態を示したもの
で、上昇管１１２及び注水管１１３内の冷却水は共に低
温に保たれているために、蓄水タンク１１１と原子炉容
器１０１との間で冷却水の循環はない、冷却材喪失事故
が起こり、第７図ｃｂ）に示すように原子炉容器１０１
内の水位が上昇管１１２の下端より低くなると、原子炉
容器１０１内の蒸気が上昇管１１２を通って蓄水タンク
１１１に流入し、蓄水タンク１１１内の冷却水を加熱す
るとともに、蓄水タンク１１１内の圧力と原子炉容器１
０１内の圧力が均圧化される。蓄水タンク１１１内の水
位は原子炉容器１０１内の水位より高く保持されている
ため、蓄水タンク１１１内の圧力と原子炉容器１０１内
の圧力が均圧化されると、蓄水タンク１１１内の冷却水
は注水管１１３を通って重力落下し、原子炉容器１０１
内へ自動的に供給される。

また、上昇管１１２を通って流入する蒸気で蓄水タンク
１１１内の冷却水が加熱されると、注水管１１３の内部
と外部とで温度差が生じ、注水管１１３に具備した放熱
器１１４が自動的に作動する。原子炉容器１０１内への
冷却水の供給によって、第７図（ｃ）に示すように、原
子炉容器１０１内の水位が回復し、水位が上昇管１１２
の下端より高くなると、上昇管１１２を通しての蓄水タ
ンク１１１内への蒸気流入がなくなるため、注水管１１
３を通しての原子炉容器１０１内への冷却水の供給も自
動的に停止されが、この時、注水管１１３内の冷却水は
高温化されている。このため、注水管１１３内の冷却水
は放熱器１１４によって冷却され、低温化した冷却水は
密度が大きくなって下降するのに対し、上昇管１１２内
の冷却水は放熱器が設けられていないため、温度が高く
密度が小さいことにより上昇し、原子炉容器１０１、上
昇管１１２．蓄水タンク１１１．注水管１１３及び原子
炉容器１０１を＊ｍする自然環境が確立される。第８図
に第６図のヒートパイプ３０、ヒートパイプ３１及び連
結管３２の縦断面図を示す、蓄水タンク１１１には第１
図に示したものと同じ構成から成るヒートパイプ３１が
多数取り付けられており、このヒートパイプ３１は連結
管３２によって第６図に示した格納容器１２０の外部に
あるヒートパイプ３０に連結されている。

連結管３２の内部は仕切板３４によって二分されている
。ヒートパイプ３０の内部構造は第１図に示したものと
同じになっており、凝縮部には熱の放出を促進するため
に放熱器３３が取り付けられている。放熱器３３はフィ
ンによって構成されており、その材質は熱伝導性のよい
金属１例えば、ステンレスが用いられる。冷却材喪失事
故が起こり、第７図で説明したように原子炉容器１０１
゜上昇管１１２１菩水タンク１１１．注水管１１３、及
び、原子炉容器１０１を循環する自然循環が確立される
と、ヒートパイプ３１内部の作動流体、例えば、水は、
蓄水タンク１１１からの熱によって蒸発し、発生した蒸
気は連結管３２を通ってヒートパイプ３０に導かれ、放
熱器３３の取り付けられた凝縮部で熱をうばわれて凝縮
する。このような状態のときには、第２図に示したメカ
ニズムに基づき、絞りを設けた流路では水のみが落下し
、絞りを設けない流路では蒸気のみが吹き上げるように
なる。このように１本実施例では気体の流路と液体の流
路が分離されるために、吹き上げ気体による液体の落下
抑制が緩和され、熱輸送の限界特性が向上する。また、
蓄水タンク１１１の内部に多数のヒートパイプ３１を挿
入しているために。

加熱部における伝熱面積が大きくなり、全体の熱輸送量
を大きくすることができる。また、本実施例のヒートパ
イプ３０には第５図の実施例と同様に、圧力計２０及び
２１、演算装置！２２、記憶装置２３及び表示装置１！
２４が取り付けられており、ヒートパイプ３０の液体流
路の下部に取り付けられた絞りの前後の圧力差から、液
体流量及び熱輸送量を求めて表示することができる。こ
のように、内部の状態を監視できることは、Ｓ子炉の崩
壊熱除去系のような安全系では望ましい機能である。

このように１本実施例では吹き上げ気体による液体の落
下抑制を緩和することにより、熱輸送の限界特性が向上
する効果、圧力の測定から熱輸送量を求めてこの値を監
視できる効果、加熱部における伝熱面積が大きくなり全
体の熱輸送量を大きくと九る効果がある。

本発明の、さらに他の実施例を第９図により説明する。

第９図では液体流路１０の外側に、超音波発振器と超音
波受信器から成る超音波センサ４０が高さ方向に数個取
り付けら九でいる。第１０図は水位と超音波の反射強度
との関係を示したもので、水位がセンサ位置よりも低い
場合には、超音波は金属表面で全反射されるため、反射
強度は大きい。水位がセンサ位置に達すると、超音波は
金属表面から水中に透過するようになり、反射強度は急
激に低下する。その後は水位の上昇に伴って反射強度は
除々に低下する、水位測定装置４１では超音波センサ４
０で測定された反射強度から第１０図の関係を用いて水
位を測定する。

次に、水位から液体流量を求める方法について述べる。

気体流路１１側の圧力損失ΔＰ□は気体流量ωｇの関数
であり、ΔＰｔ＝ｆｘ（０ｇ）で表さ九る。一方、液体
流路１０側の圧力損失ΔＰ、は液体流量。□と水位Ｌｉ
の関数の和であり、ΔＰ（＝ｆｚ（ω１）＋ｆδ（Ｔ、
、！＞で表される。定常状態ではωｇ＝ωｆ　であり、
気体流路１１側と液体流路ｌＯ＃Ｉで圧力バランスが成
り立っているので、ｆｘ（ω１）＝ｆｚ（ωｚ）＋ｆδ
（Ｌｌ＞　となる。

ｆｓ（ωｔ）−ｆｚ（ω、）を新たにｈ　（ω□）と表
わせば、ω、はｈ−ｘ（ｆｓ（ｉ））で表される。ただ
し、ｈ−ｘ（χ）は逆ｒＭ数である。演算装置４２では
この関係を用いて水位から液体流量ωｌを求め、さらに
定常時における蒸発潜熱を乗じて熱輸送量を求めて表示
装置４３に表示する。このように１本実施例では吹き上
げ気体による液体の落下抑制を緩和することにより熱輸
送の限界特性が向上するほかに、ヒートパイプの外部か
ら水位を測定することにより熱輸送量を求めてこの値を
監視できる効果がある。

〔発明の効果〕

−本発明によれば、簡単な構造により気体の流路と液体
の流路を分離することができるので、吹き上げ気体によ
る液体の落下抑制を緩和して、熱輸送の限界特性を向上
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２図は第１図
の実施例の作動経過を示す説明図、第３図は落下液体と
吹上げ効果を示す図、第４図は第１図の実施例の部分詳
細縦断面図、第５図は本発明の他の実施例の縦断面図、
第６図は本発明のさらに他の実施例の縦断面図、第７図
は第６図の実施例の作動経過を示す説明図、第８図は第
６図の実施例の部分縦断面図、第９図は本発明の他の実
施例の縦断面図、第１０図は水位と反射強度の関係を示
すグラフである。 １・・・凝縮部、２・・・熱輸送部、３・・・蒸発部、
１０・・・液体流路、１１・・・気体流路、１２川絞り
、２０゜２１・・・圧力計、３０．３１・・・ヒートパ
イプ、３２゛°連結９−４０　゛゛超音波＋　バー　　
　　　　　　　、ｆＴ？＞代理人　弁理士　小川勝男　
ニー、゛□佑３図 高年図 １〇−表俸流２ １ｚ−一一絞り 摺２１を （卸　　　　　　　　　　　（シ〕 （Ｃ） 范５図 （α） （ｄ） 圧力 も８図 （Ｃ） Ｂ牟 篇′Ｖ図 （α）　　　　　　　　　　　（氷〕 （Ｃ） 水位

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、密封した管と、その一端部で高熱源と接する蒸発部
   と、他端部で被加熱体と接する凝縮部とからなる熱サイ
   フオン型ヒートパイプにおいて、前記蒸発部と前記凝縮
   部との間の熱輸送部の流路を二分し、一方の流路の下部
   に断面積を流路内で最小とする絞りを設けたことを特徴
   とする熱サイフオン型ヒートパイプ。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記熱サイフオン型ヒートパイプを連結管により複数個
   連結したことを特徴とする熱サイフオン型ヒートパイプ
   。 ３、特許請求の範囲第１項において、 絞りの上流側及び下流側の圧力を測定する手段、前記圧
   力から液体流量及び熱輸送量を求める手段、及び、前記
   液体流量及び熱輸送量を表示する手段を設けたことを特
   徴とする熱サイフオン型ヒートパイプ。 ４、特許請求の範囲第１項において、 前記絞りを設けた前記流路内の水位を超音波により測定
   する手段、前記水位から液体流量及び熱輸送量を求める
   手段、及び前記液体流量及び前記熱輸送量を表示する手
   段を設けたことを特徴とする熱サイフオン型ヒートパイ
   プ。