JPH0235239B2 - - Google Patents
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- JPH0235239B2 JPH0235239B2 JP60504884A JP50488485A JPH0235239B2 JP H0235239 B2 JPH0235239 B2 JP H0235239B2 JP 60504884 A JP60504884 A JP 60504884A JP 50488485 A JP50488485 A JP 50488485A JP H0235239 B2 JPH0235239 B2 JP H0235239B2
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
- F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
- G21C15/24—Promoting flow of the coolant
- G21C15/257—Promoting flow of the coolant using heat-pipes
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description
請求の範囲
１ それらの間で熱伝達を要する異なつた温度を
有しそれぞれの位置に配置された一対の流体貯蔵
器と、 前記流体貯蔵器を連結し、熱伝導金属の管壁を
有する少なくとも一つの管路と、 前記管路および少なくとも前記貯蔵器の一部を
満たす多量の熱伝達流体と、 前記管路内の作動流体の軸方向振動を行い、前
記管路の長さ以下の大きさで流体移動を該管路内
で生じしむる手段と、 を含むことを特徴とする熱伝達装置。 ２ 前記貯蔵器を連結し、熱伝導材料からなる管
壁を有する多数の管路を含むことを特徴とする請
求の範囲第１項に記載の熱伝達装置。 ３ 前記流体が液体であることを特徴とする請求
の範囲第１項に記載の熱伝達装置。 ４ 前記流体が液体金属であることを特徴とする
請求の範囲第１項記載の熱伝達装置。 ５ 軸方向振動を与える手段が正弦曲線的な運動
を与えることを特徴とする請求の範囲第１項に記
載の熱伝達装置。 ６ 前記貯蔵器のそれぞれが、各々の貯蔵器内の
熱伝達流体と熱を交換するための熱交換器を含む
ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の熱伝達
装置。 ７ 前記貯蔵器のそれぞれが、各々の貯蔵器内の
熱伝達流体と熱を交換するための熱交換器を含む
ことを特徴とする請求の範囲第２項記載の熱伝達
装置。 ８ それらの間で熱伝達を要する異なつた温度を
有しそれぞれの位置に配置された一対の流体貯蔵
器と、 前記流体貯蔵器を連結し、熱伝導金属の管壁を
有する少なくとも一つの管路と、 前記管路および少なくとも前記貯蔵器の一部を
満たす多量の熱交換流体と、 前記流体貯蔵器の一方の内部の流体に作用し
て、前記管路内で軸方向に反対方向の交代運動を
作動流体に与えて、前記管路の長さ以下の大きさ
で流体移動を生じしむる振動変位装置と、 を含むことを特徴とする熱伝達装置。 ９ 前記流体貯蔵器を連結し、熱伝導性材料より
成る管壁を有する多数の管路を含むことを特徴と
する請求の範囲第８項に記載の熱伝達装置。 １０ 前記流体が液体であることを特徴とする請
求の範囲第９項に記載の熱伝達装置。 １１ 前記流体が液体金属であることを特徴とす
る請求の範囲第９項に記載の熱伝達装置。 １２ 前記振動変位装置が正弦曲線的に振動する
ことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の熱伝
達装置。 １３ 前記振動変位装置が正弦曲線的に振動する
ことを特徴とする請求の範囲第９項に記載の熱伝
達装置。 １４ 前記流体が液体金属であることを特徴とす
る請求の範囲第８項に記載の熱伝達装置。 １５ 前記流体が、液体金属であることを特徴と
する請求の範囲第９項に記載の熱伝達装置。 １６ 前記熱伝達流体が液体水銀を含むことを特
徴とする請求の範囲第１５項に記載の熱伝達装
置。 １７ 前記熱伝達流体が液体リチウムを含むこと
を特徴とする請求の範囲第１５項に記載の熱伝達
装置。 １８ 前記熱伝達流体が液体ナトリウムを含むこ
とを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の熱伝
達装置。 １９ 前記管壁がステンレス鋼を含むことを特徴
とする請求の範囲第８項に記載の熱伝達装置。 ２０ 前記管壁がステンレス鋼を含むことを特徴
とする請求の範囲第９項に記載の熱伝達装置。 ２１ 前記貯蔵器のそれぞれが、各々の貯蔵器内
の熱伝達流体と熱を交換するための熱交換器を含
むことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の熱
伝達装置。 ２２ 前記貯蔵器のそれぞれが各々の熱伝達流体
と熱を交換するための熱交換器を含むことを特徴
とする請求の範囲第９項に記載の熱伝達装置。 ２３ 熱交換流体が実質的に前記貯蔵器および前
記管路内部のすべての空間を満たし、なおかつ前
記他の貯蔵器内部の流体により作用される変位調
節装置を含むことを特徴とする請求の範囲第１０
項に記載の熱伝達装置。 ２４ 前記変位調節装置が受動型の弾性構成要素
を含むことを特徴とする請求の範囲第２３項に記
載の熱伝達装置。 ２５ 熱伝達流体が実質的に前記貯蔵器および前
記管路内部のすべての空間を満たし、なおかつ前
記他の貯蔵器内部の流体により作用される変位調
節装置を含むことを特徴とする請求の範囲第１１
項に記載の熱伝達装置。 ２６ 前記変位調節装置が受動型弾性構成要素を
含むことを特徴とする請求の範囲第２５項に記載
の熱伝達装置。 発明の背景 本発明は汚染物質の移動を伴なわずに、極めて
高い伝導による熱移動を行う装置に関するもので
ある。本発明は従来ヒートパイプが使用されるど
のような場合においても使用できるが、いくつか
の点においてヒートパイプより優れている。本発
明は、放射性流体（例えば原子炉における）から
の、または望ましからぬ化学特性を有し、環境か
ら隔離しなければならないような流体からの迅速
な熱の除去において特殊な適用を有するものであ
る。 本発明はヒートパイプとは全く異なるが、比較
という意味ではヒートパイプは便利な判断基準を
提供する。公知のように、原理的にはヒートパイ
プは作動中に液相−気相間で変化する作動流体を
収容する細長いシリンダである。ヒートパイプは
作動流体の気化により一端部においては熱を吸収
し、かつ生成した蒸気の凝縮により他端部におい
ては熱を放出する。液体凝縮物は、シリンダの内
面を覆う細管構造を通り、毛管現象により熱吸収
端部へもどる。この過程は連続的に進行し、結果
として得られるヒートパイプによる熱移動は固体
の銅または銀製の棒体による伝熱移動の10000倍
以上となる。 ヒートパイプは広範囲な応用を有する一方、特
に本発明により克服されるべき二つの欠点を有し
ている。ヒートパイプの欠点の一つは、ヒートパ
イプ内の作動流体が操作中一端部から他端部へ連
続的に循環することである。かくして一端部から
他端部へ物質移動がおこる。このことは特に放射
性流体からの熱の除去の場合において不利にな
る。なぜならば作動流体全体が放射性となるとと
もに、事実上放射能がヒートパイプの一端部から
他端部へ運ばれるからである。ヒートパイプの二
番目の欠点は、ヒートパイプの作動温度は、用い
る作動流体と内部圧力に従つて決定される特定の
温度範囲に限定されることである。より詳細に
は、ヒートパイプの熱吸収（高温側）端部の温度
は少なくとも液相の作動流体の気化に対しては十
分高く、かつヒートパイプの熱放出（低温側）端
部の温度は少なくとも気相の作動流体の凝縮に対
しては十分低くなければならない。 これら二つの欠点を回避することに加えて、本
発明ははるかに高い熱伝達率を提供するものであ
る。更に本発明の実施態様に従うと、現行のヒー
トパイプより数桁分高い熱伝達率を提供すること
が可能である。 発明の要約 従つて本発明の目的は大きな伝導熱束の移動を
行う構造を提供することである。 本発明の他の目的は正味の物質移動を伴わずに
操作可能な装置を提供することである。 本発明のもう一つの目的は、液体の気化に要す
る温度および凝縮に要する温度に基づくヒートパ
イプの動作温度の制約のない装置を提供すること
である。 要約すると、本発明に従う熱伝達装置は相互間
で熱伝達を要する異なつた温度を有し、それぞれ
の位置に適宜配置された一対の流体貯蔵器を備え
る。熱伝導性材料から成る壁部を有する少なくと
も一本の管路が前記流体貯蔵器を連結している。
代表的な実施態様においては、多数のそのような
管路が流体貯蔵器を連結している。このような多
数の管路は種々の構成のうちの任意の構成を有す
ることができる。一つの例として、好ましくは断
熱した、全体を包括する外部管内に支持された金
属管束から構成される。この特殊な構成において
は、管路は全体として二つの領域に限定できる。
すなわち一つは管の内部であり、もう一つは近接
した管の外壁間に画成されるほぼ三角形の隙間空
間である。他の構成例としては六辺の細長い蜂の
巣状構造または同様な三辺または四辺構造があ
る。 多量の熱伝達流体、好ましくは液体が管路およ
び貯蔵器を満たす。装置の系の内部には全く空隙
がなく、貯蔵器は完全に満たされていることが望
ましい。最大熱伝達を得るために、熱交換流体と
して水銀、流体リチウムまたは液体ナトリウムの
ような液体金属を使用する。 二つの流体貯蔵器間における非常に大きな熱伝
達は、流体移動を管路長以下とした状態で管路内
の作動流体に振動性軸方向移動または流動を生じ
しめる手段を提供することにより得られる。好ま
しくは振動運動は正弦曲線的であることが望まし
い。 本明細書に開示される実施態様においては、振
動性の軸方向運動は一つの貯蔵器内の流体に作用
する振動変位装置により与えられる。適切な振動
変位装置の例を二つあげれば、一つは貯蔵器の一
部を構成するかまたは一つの貯蔵器に直接連結し
た適当なシリンダー内において作用するピストン
であり、もう一つは一つの貯蔵器の壁面を形成し
かつ外部振動手段によつて作動する可撓性ダイヤ
フラムである。どのような特殊な形でも、振動変
位装置は一つの貯蔵器内で流体を交代的に移動さ
せる。すなわち、作動流体を管路内で一軸方向に
移動させ、次いで当該一つの貯蔵器に有効に熱交
換流体を回収して熱交換流体を管路内で逆方向に
移動させる。このように管路内においては、流体
は所定の周波数で、かつ所定の振動変位（tidal
displacement）すなわち振幅で交互に軸方向振
動する。 上述の如く、管内における流体移動の大きさ
は、一つの貯蔵器から他の貯蔵器への熱交換流体
の正味の移動が生じないよう管長以下とする。拡
散によりある程度の移動はおこるが、そのような
拡散による物質移動は大きくはない。特に熱交換
流体が水銀またはより高温における液体リチウム
または液体ナトリウムのような液体金属である場
合はそうである。とにかく本発明による操作は振
動運動のみを必要とし、いかなる正味の物質移動
も必要としない。 液体熱交換流体は本質的には非圧縮性であるの
で、変位調節装置を別の貯蔵器に具備することが
好ましい。適切な変位調節装置は受動型ピストン
であるが、振動変位装置と類似のものであり、弾
性バイアス要素を備えて駆動ピストンのもどり工
程においてエネルギーを駆動ピストンに戻す如き
構造のものが好ましい。他の例としては、変位調
節装置は、好ましくは気体を充満させた密閉室に
より支持され、当該他の貯蔵器の壁面の一つをな
す単純なダイヤフラムまたは膜によつて構成する
ことができる。 このような装置において、流体を十分に高い周
波数でかつ十分に大きい振動変位で振動すると、
多量の熱が管路に沿つて軸方向に輸送される。下
記に述べるように、この熱伝達機構は熱伝達流体
と管壁間の対称的振動による熱伝達を含む非常に
大きな熱伝導を伴なう過程である。最初操作に関
して概説的に説明し、次いで非常に大きな熱伝達
がおこる機構を、より詳細に説明し、最終的に詳
細な数学的解析を本明細書の最後の補追において
行う。 説明のために、まず熱はピストン型の振動変位
装置を含む比較的高温の貯蔵器から比較的低温の
貯蔵器へ伝達すると仮定する。典型的なサイクル
はまず、高温側の貯蔵器内から熱伝達流体を排出
させるためピストンの前進行程を行ない流体を高
温側貯蔵器から低温側の貯蔵器へ向かつて管路内
を移動させることから始まる。前進行程の間、移
動流体の高温領域は低温側の管壁と接触する。か
くして高温の流体領域は管壁に熱を与え、その部
分の温度は連続的に上昇する。後退行程において
は熱伝達流体は管路を通つて逆の方向に戻る。後
退行程の間、熱伝達流体の低温領域が温度の上昇
した壁部に接触しながら移動する。このため熱は
これらの壁部から流体領域に流れていく。 この作用は、振動を用いた方法で継続して行な
われ、一度操作を行なうと、熱は管路内の熱伝達
流体の振動変位により決まる間隔で、ある増分を
もつて効率的に移動する。操作中のある特定な瞬
間には、局在した比較的高温の管壁部分と比較的
低温の管壁部分が交互に存在し、かつ移動する比
較的高温の流体領域と比較的低温の流体領域が壁
部に対して局在している。 これらの高温および低温の流体領域は、熱が対
称的に出入りし、かつ短期間熱を蓄えるような壁
部分を介して互いに効率的に干渉する。これらの
高温および低温領域は管路断面より更に大きな面
積にわたり互いに効率的に干渉する。 流体移動の大きさ、すなわち振動変位は管路長
以下であり、かつその運動は厳密には振動である
ので操作中には全く正味の物質移動はない。更に
このサイクルの間、熱は壁に入りこむが、その後
サイクルの次の部分において引き渡される。かく
して対称性により、本質的には壁を通過する正味
の熱移動は存在しないことになる。 上記は概説であるが、本発明によつて得られる
大きな熱伝達速度を十分には説明していない。そ
のような説明を下記において行なう。 一般に熱伝達速度は三つの因子の積に比例す
る。すなわち、熱伝導度、熱伝達のおこる面積お
よび温度勾配（単位距離あたりの温度差）であ
る。本発明の構成にこの一般的関係を適用する
と、熱伝導度としては管壁および熱交換流体に対
するものが考えられる。このように熱伝導度の因
子は予想できる制約となる。上述のように、熱伝
達を最大にするためには液体金属を熱伝達流体と
して使用することが好ましい。この関係において
熱伝達がおこる面積は管壁と熱伝達流体が干渉す
る管路内部の面積である。ゆえに面積因子もまた
予想できる制約となる。 第三の因子である温度勾配は別の問題であり、
明らかな制約とはならない。特に、本発明におけ
る観点から、温度勾配因子は温度差が集中してい
る境界層の形成により、予期される条件下で大き
く増大する。 公知のように粘性流体が境界近傍を流れるとき
は常に境界近傍の流体層は剪断力をうけ、該層の
速度の減少をひきおこす。境界に接近するにつれ
て、その速度は連続的に減少し境界にすぐ接して
いる流体の微細粒子は全体に対し停止しているか
に見える。この低速度領域は境界層とよばれ、壁
面および境界からの距離に対する速度の変化のグ
ラフは境界層プロフイールを描く。流体粘度の基
本的な影響がこの境界層に集中している。しかし
ながら外部流れまたは自由流れにおいては粘性力
は無視できる。このように閉じられた導管または
管路においては、自由流れが管路の軸を中心とし
た移動する流体カラム中において生じる。境界層
は移動するカラムのまわりのシースと見なされ
る。 よつて本発明においてはそのような境界層は管
路内の流体のそれぞれの振動運動の間に生成され
るということがわかる。重大な結果がこの境界層
の存在により生じる。 特に十分な熱伝導性を有する熱伝達流体に関し
ておよび適当な管路寸法例えば直径に関しては、
移動流体カラムの温度はカラム中心から境界層ま
で一定である。それぞれのサイクルにおいてほと
んどの場合、管壁に近接した境界層領域部分の熱
伝達流体は管路内の流体カラム部分とは異なる温
度を有する。このように流体カラムと管壁との間
の温度差は境界層内に集中している。境界層が薄
ければ薄い程温度勾配は大きくなる。 結果的に周波数と変位（これらは共に速度勾配
を決定する）を選択することにより、温度勾配が
極端に大きくなり、流体と管壁間の半径方向熱移
動速度は相応して非常に大きくなる。大きな熱移
動を生じる物理的機構は、流体振動によりつくら
れる大きな時間依存性半径方向温度勾配として描
かれる。それぞれの正弦曲線サイクルの間、壁面
近傍領域の流体は流体カラムの中心部と異なる温
度を有する。結果的に多量の熱が半径方向へ、更
にその後に軸方向に移動する。 詳細な機構解析は本明細書の最後の部分の補追
において行なうが、概して有効熱拡散は流体の変
位の二乗にまた周波数の平方根に比例し、かつ管
路の寸法例えば直径に反比例すると言うことがで
きる。管路を横切る熱拡散の時間がちようど振動
周期の二分の一になるように管直径を決めると
き、適当な熱伝達がおこる。特殊な例として0.4
mmの直径を有する金属管において30Hzの周波数、
100cmの振幅（振動変位）にて、熱伝達流体とし
て液体ナトリウムを使用するとき軸方向熱流束
1.3×1010watt／m2が得られる。 他の例として熱伝達流体として単に水を使用
し、またガラス管を使用して一つの実験装置を構
成した。8.0Hzの振動周波数で12.5cmの軸方向流
体変位（すなわち振幅）での有効軸方向熱伝導度
は、振動がない場合に示される値の17900倍であ
つた。換言すれば、水は等しい断面積を有する相
当する銅棒に対し約25倍良好な有効熱伝導度を示
した。この実験の更に詳細な記載は補追の中で行
なう。どのような場合においても適切な管路寸法
（例えば直径）が存在する（管路の断面は必ずし
も円ではないが解析のために単純に円と考える）。
もし管直径が小さすぎるならば、そのとき境界層
と管直径は等しくなる。このときは、大きな温度
勾配が生じるような温度差の集中はなく、かくし
て大きな伝導効果も失なわれる。もし管直径が大
きすぎるならば、その時は、移動流体カラムの中
心から境界層への熱移動は有効でなくなる。金属
流体に対しては比較的良好な熱伝導性のため3.0
mm径の管が約2.0〜50.0Hzの範囲内の周波数にお
いて使用される。 【図面の簡単な説明】 本発明の新規な特徴は特に添付の請求の範囲に
おいて述べるが、構成および内容に関しては図面
を参照する下記の詳細な記述において、本発明の
他の目的および特徴と共により一層理解かつ認識
されるであろう。 第１図は本発明に従う熱伝達装置の一実施例の
断面図である。 第２図は実験装置の同様な断面図である。 第３図は実験における最高温度および最低温度
における振動変位および振動周波数の関数として
実験的に観察された熱拡散係数のグラフである。 第４図はプラントル数、管壁の伝導度および流
体の伝導度の影響を示すグラフである。 好ましい実施態様の説明 最初に第１図に関して述べる。本発明による熱
伝達装置１０は、それらの間で熱伝達を要する異
なる温度を有し、それぞれの位置に適宜配置され
た一対の流体貯蔵器１２および１４を含む。例え
ば、貯蔵器１２は比較的高温の貯蔵器であり、放
射性材料（図示せず）から熱を除去するように配
置されている。代表的な熱交換器１６を貯蔵器１
２内に具備し、矢印１８で示される放射性の一次
循環流体は熱交換器１６を通り、貯蔵器１２内の
流体に熱が移動するにつれて冷却される。 他の流体貯蔵器１４はその時点では比較的低温
の貯蔵器である。対応する熱交換器２０を貯蔵器
１４内に配置し、矢印２２で示される二次循環流
体がこの系より熱を吸収するため熱交換器２０を
通り流れる。 二つの貯蔵器１２および１４は熱伝導性材料よ
り成る管壁を有する少なくとも一つの、好ましく
は多数の管路２４に連結している。多量の熱伝達
流体が管路２４および貯蔵器１２および１４の少
なくとも一部、好ましくは全部を満たす。熱交換
流体は好ましくは液体金属、例えば水銀、リチウ
ムまたはナトリウムを含み、管路２４は３mm程の
直径を有する金属管（例えばステンレス鋼を含む
もの）の束である。この管の束は断熱された管壁
を有する円筒状ケーシング２６内に封入されてい
る。この例において貯蔵器１４内における振動変
位装置２４が流体に作用する。代表的な例として
振動変位装置２８は、貯蔵器１４と直接連結する
シリンダーボア３２内を往復し、外部メカニカル
発振器３５によつて軸３４を介して駆動する駆動
ピストン３０を含む。駆動ピストンは典型的に正
弦曲線的に振動するが、いかなる振動波形でも適
合する形であれば使用できる。 液体熱伝達流体は本質的には非圧縮性であるた
め、空間をつくらずに系を完全に流体で満たすよ
うにするために、一般的に３８で示されるような
振動調節装置を流体貯蔵器１２に連結させる。こ
こに記載する実施例においては、振動調節装置は
スプリング４２で弾力的に支持され、かつ圧縮性
気体を含む密閉室４４を後部に配置した受動型ピ
ストン４０を含む。このような配置において、ピ
ストン３０が振動すると熱伝達流体が管路２４内
において、軸方向に交互運動して移動することが
認められる。このような配置において、受動型ピ
ストン４０はその弾力的な支持により駆動ピスト
ン３０にエネルギーを戻すことが認められる。上
述のように振幅は、管路２４内の流体流動の大き
さが管路長以下になるように選ぶ。 前述の「発明の要約」の内容から理解できるよ
うに、操作中、管路２４内の流体が、振動により
軸方向に移動するとき、時間依存性の境界層が金
属管壁にそつて形成され、かつ大きな半径方向温
度勾配がこの境界層を横切るように形成される。
かくして作動流体の高温部分および低温部分が管
路断面より更に大きな面積にわたりお互いに干渉
しあい、その結果半径方向に、引きつづいて軸方
向に対し、非常に大きな熱移動の増大が生じる。 本発明の原理、操作および代表的実施態様はす
べて前述の内容より理解される。補追として次に
記載されるのは、実験結果であり、更に異なつた
温度に維持された二つの流体貯蔵器を連結した循
環用管を通つて正弦曲線的な振動流れを経由する
大きな伝熱移動に関する更に厳密な数学的解析で
ある。この補追は未発表の二つの論文に基づいて
いる。すなわち、ユー．エイチ．クルツヴエーク
（U.H.Kurzweg），「正弦曲線的振動を有する流体
における高い熱伝導」、ジヤーナル・オブ・ヒー
ト トランスフアー（Journal of Heat
Transfer（ASME））、1985年、１月号掲載予定；
およびユー．エイチ．クルツヴエーク（U.H.
Kurzweg），リンード・ザオ（Ling−de Zhao）、
「高周波振動による熱移動；大効率熱伝導を達成
するための新しい流体力学法」、フイジツクス・
オブ・フルード（Physicsof Fulid）、アメリカ
ン・インステイテユート・オブ・フイジツクス
（American Institute of Physics）発行、1984
年、11月号掲載予定である。これらの論文は異な
る刊行物において順不同で掲載されるすなわち、
クルツヴエークの論文は論理上クルツウエークと
ザオの論文に先行するべきものである。 補 追 実験準備 実験装置は第２図において図式的にかつ全体的
には１００のように示されている。使用される熱
伝達流体は水である。二つのシリンダー形流体貯
蔵器１０２および１０４はそれぞれ1.0mmの内径
を有し、密接に充填された31本のガラスの細管１
０８の束１０６により互いに連結している。細管
１０６は内径1.27cm、長さ20.0cmの一本のアクリ
ル管１１０内に支持されている。この実験装置に
おいては便宜上流体貯蔵器１０２および１０４を
連結する管路は、細管の円筒状内部空間および近
接した細管１０８の間に画成されたほぼ三角形を
なす隙間空間を含む。すなわち、流体を細管１０
８の通常の円筒状内部空間に限定して密閉するよ
うなことはない。連結管の有効総断面積（近接し
た細管の間に画成された三角形状断面を含む細管
の近似的に三角形の有効断面積を含む）は、水置
換法によりA0＝0.67cm2と測定された。 上部１０２（高温流体）および下部１０４（低
温流体）貯蔵器には可撓性ゴム膜１１２および１
１４が具備されており、その結果連結管および貯
蔵器内のすべての空間を満たす非圧縮性作動流体
（水）を、外部周波数可変振動器１１６を使用し
て振動させる。熱損失を最小にするため装置全体
を絶縁体１１８内に収容する。 実験は最初下部流体貯蔵器１１４を着色した低
温（22℃）の水で満たすことから開始し、次に透
明な高温（78℃）の水で上部貯蔵器１０２と同様
に細管１０８および隙間空間を満たした。この結
果、系内には空気は全く残らなかつた。上部およ
び下部貯蔵器１０２および１０４内の温度は温度
計１２０と１２２により検知する。流体はあらか
じめ決められた周波数と振動変位を外部振動器１
１６にセツトすることにより振動させた。使用す
る周波数の範囲は2.0Hz〜8.0Hzであり、細管１０
８内の振動変位ΔZは2.0cm〜12.5cmの範囲であつ
た。振動変位は振動の間の細管１０８に沿つた下
部貯蔵器１０４からの着色水の最大行程を記録す
ることにより決めた。 実験結果 典型的な行程において、振動スタート時におこ
る最も迅速な温度変化に関しては、上部貯蔵器１
０２における高温流体（Ｔ＝Th）の温度は１分
当たり数℃低下し、一方下部貯蔵器における低温
流体（Ｔ＝Tc）の温度は１分当たり数℃上昇す
ることが観察された。両方の貯蔵器１０２および
１０４の温度は１分間に一度ずつ１行程につき６
分間にわたり、検知した。観察された温度変化お
よび既知の値、すなわち下部貯蔵器体積Vc＝114
cm3、管長Ｌ＝20cmおよび総流体断面積A0＝0.67cm2
より、流体の有効熱伝導度を熱収支式を利用して
計算した。 κe＝VcＬ（dTc／dt）／A0（Th−Tc） (1) 式中dTc／dtは下部貯蔵器１０４内で時間に対
する温度変化速度、（Th−Tc）は貯蔵器１０２と
１０４の間のある瞬間における温度差を表わす。
実験的に決められるκeの値はκe＝1.4cm2／sec〜κe
＝2.5cm2／secの範囲にある。これらの値のうち最
も高い値は、水に対する分子熱拡散係数κ＝1.4
×10-3cm2／secに対し17800倍の有効熱拡散係数に
相当する。比較として、銅に対するκの値は1.12
cm2／secである。 有効熱拡散係数κは振動変位ΔZの２乗および
振動周波数ｆの平方根に比例する。この挙動を第
３図に示す。この図においては、κeは（ΔZ）2と
√が積の関数として表わされている。 同様な平方根依存性がワトソン（イー．ジエ
ー．ワトソン（E.J.Watson），ジヤーナル・オ
ブ・フルード メカニズム（J.Fluid Mech.，），
1983，133，233）により、流体のシユミツト数と
ウオーマーズリー（Womersley）数の２乗の積
が大きい場合の管内における汚染物質の拡散に関
する研究として見出された。ウオーマーズリー数
は α＝ａ√ (2) と定義され、式中ａは管の半径、ωは角周波数、
νは流動動粘度である。本熱伝達実験においては
相当するα2Prの値は約60であり、実際高周波状況
にある。Pr＝ν／κfは流体プラントル数である。
低いα2Prの値に対しては、κeは周波数の１乗に、
非常に低い値のα2Prでは周波数の２乗に依存す
る。壁近傍に存在する薄いストークスの境界層を
伴なつた一定の速度中心に近似した速度プロフイ
ールを有する事象の解析モデルを設定することに
よつて、ここで取扱われる高周波状態はいくつか
の利点を提供する。物理的にはこの高周波状態は
管直径を横切つて拡散する熱に対して必要な時間
よりも更に短い振動周期に相当する。 流体貯蔵器１０２と１０４の間の熱の移動は、 ｑ＝ρCκeA0（Th−Tc）／Ｌ (3) で与えられる。式中ρは流体密度、Ｃは比熱、κe
は式(1)より求められる有効熱拡散係数である。こ
こで測定された最大熱流束はｑ／A0＝70cal・cm2
＝2920KW／m2である。この値は同じ温度勾配
2.8℃／cmにおいて銅に対して得られる値の約27
倍であり、たとえ実験に使用する熱伝達流体が、
より高い熱伝導度を有する好ましい流体金属でな
くて水だけであつたとしてもかつ管壁が金属でな
くてガラスであつたとしてもこの値はヒートパイ
プにより得られる値に匹敵するものである。 解 析 上記実験結果を説明するため、我々は観察事象
に対し近似理論を展開させる。まず、内部半径ｒ
＝ａで、無限に厚い壁を有する非常に長い管にお
いて半径方向かつ時間依存性の流れに対してナビ
エーストークス（Navier−Stokes）の式および
相当する熱伝導式を考える。流体および管壁は共
にそれぞれκf、kfおよびκw、kwで与えられる熱拡
散係数および熱伝導度を含む有限な熱伝導性を有
している。ここで取り扱う高周波振動を有する流
れに対して、層流条件下での半径方向に依存した
軸方向速度プロフイールは単純な形である（エイ
チ．シユリヒテインク（H.Schlichting）、境界層
理論、マグロー−ヒル、ニユーヨーク、1968，
419参照）。すなわち、 Ｗ（ｒ，ｔ） ＝W0〔１−ａ／ｒexp−√α［１−ｒ／ａ］〕expi
ωt ＝W0fe i〓t (4) 式中、α＝ａ√、W0は管軸方向の最大
速度である。式(4)の結果における実数部分は管壁
におけるδ＝√2／ωの厚さの、薄いストークス
の境界層につらなる一定速度中心部を表わす時間
依存性のプロフイールである。 相当する温度分布を見出すため、我々は次のこ
とを仮定した。すなわち、流体内および管壁内に
おいて、時間平均した軸方向温度勾配∂T／∂Z＝
γが存在すること、および瞬間的な温度分布はチ
ヤツトウイン（ピー．シー．チヤツトウイン（P.
C.Chatwin）、ジヤーナル・オブ・フルード・メ
カニズム（J.Fluid Mech.），1975，71，513）に
より提起された、局部的には正しい形 Ｔ＝γ〔Ｚ＋ag（ｒ）ei〓t〕 (5) である。この式に示す関数ｇ（ｒ）は液−固界面
近傍においては、流体内部においても管壁内部に
おいても０でない値を有すると考えられる。式(5)
を熱伝導の式 Tt＋Ｗ（ｒ，ｔ）Ｓ（ｒ−ａ）Tz ＝κ［１／ｒ∂／∂r［ｒ∂T／∂r］＋∂2T／∂z2］(
6) 式中、Ｓ（ｒ−ａ）＝１，０＜ｒ＜ａ ０，ａ＜ｒ＜∞ (7) におきかえることにより、αを大きな値に近似し
て解くと、流体内では gf（η）＝C1〔exp−√rη〕＋ｉ／２〔Δz／ａ〕
・〔１−βexp−√η〕(8) 管壁内においては、 gw（η）＝C2exp√rη (9) が得られる。 式中、β＝Pr／（Pr−１）、ΔZは振動変位（正
弦曲線的振動の断面の平均振幅の２倍に等しい）、
σ＝κf／κwおよびη＝α（１−ｒ／ａ）である。
これらの結果の誘導において、ｒ＝０（η＝∞）
でgf＝０およびｒ→∞でgw→ｒという境界条件を
使用した。式(8)および式(9)に示される定数C1お
よびC2はη＝０でgf（０）＝gw（０）およびKf
gf′（０）＝Kwgw′（０）という、二つの境界条件か
ら決定できる。これらの二つの条件は液−固界面
における温度および半径方向熱流束の連続性に相
当し、式(8)に示される定数に対して が導かれる。式中μ＝kf／kwである。絶縁性の
管壁に対して、第２の境界条件はgf（０）＝０とな
り、その時には関連する汚染拡散問題（ジー．ア
イ．テーラー（G.I.Taylor），プロシーデイング
ズ・オブ・ザ・ロイヤルソサイエテイ オブ ロ
ンドン シリーズ・エー（Proc.Roy.Soc.London
Ser.A）1945，22，446；ビー．シー．チヤツト
ウイン（P.C.Chatwin），ジヤーナル・オブ・フ
ルード・メカニズム（Ｊ Fluid Mech）1975，
71，513，およびイー．ジエー．ワトソン（E.J.
Watson），ジヤーナル・オブ・フルード メカニ
ズム（J.Fluid Mech）1983，133，233参照）に
おいて使用される条件と同じであることは注目す
べきである。 有効軸方向熱移動を決定するため、α2Pr＜πの
場合にはマルテイプルタイムスケール法をまたは
任意の振動周波数に対しては効果的な直接積分法
を使用する。この場合、我々がα2Pr＞πの意味に
おいて高周波信号を取り扱うときは後者の方法を
使用する。熱移動過程において軸方向伝導のわず
かな寄与を無視するとき、管の断面積と時間平均
軸方向温度勾配と有効軸方向熱拡散係数との積は
管断面について積分された軸方向熱流束に等しく
なる。数学的には次のように書かれる。 κeπa2γ＝−2π∫a 0Real〔Ｗ（ｒ，ｔ）〕Real〔Ｔ（
ｒ，ｔ）〕rdr(11) 式(4)および式(5)をこの式に代入し、振動１サイ
クルについて時間平均すると、α2Prの大きな値に
対する有効熱拡散係数は、 κe＝−aW0／2α∫∞ 0〔ｆf＋gf〕dη (12) であることがわかる。式中上付のバーは与えられ
る関数の共役な複素数を表わす。次にこの最後の
式において、ｆおよびをおきかえるためその共
役な複素数と共に式(6)を使用し、η＝０（管壁）
およびη＝∞（軸）における境界条件を使用して
部分積分することにより有効熱拡散係数を得る。 κe＝ακe｛１／２〔gf（０）′f（０）＋f（０）
g′f（０）＋∫∞ 0g′f′fdη｝(13) 式(8)により与えられるgfを使用したこの式の形
はいくつかの操作の後最終的には、 κe＝Ｆ（Pr，σ，μ）ΔZ2√／ａ (14) として得られる。ここで、 でありPr，βおよびｈは前に定義したものと同じ
である。 μおよびσの値が０の場合、無限の場合および
流体と管壁が等しい値を有する場合の三つの興味
ある場合に対してプラントル数の関数としてのＦ
の値が第４図に示されている。κeの最大値は例え
ば液体金属のような小さなPr数の流体に対しおよ
び良好な熱伝導性を有する管壁に対し得られる。
高Pr値においては、その値は管壁の伝導度の変化
に対してほとんどわずかにしか変わらない。Pr＝
6.9である平均温度20℃の水に対し、μ＝σ＝１
のときＦの値は約２×10-2である。式（14）はκe
が周波数の平方根および振動変位の２乗に比例し
かつ管の半径に反比例していることをはつきりと
示している。 それゆえに軸方向熱移動速度の最大値は、作動
流体が液体金属であり、管が金属製であり、かつ
小さな半径を有し、周波数および振動変位が大き
い時に得られる。例えばΔZ＝100cmを有し、50Hz
の周波数でａ＝５×10-2cmであるような金属細管
束内の振動性流体リチウムは式（14）および(3)に
より、もし４℃／cmの温度勾配が軸方向に維持さ
れるならば0.6×1010watts／mt2の熱流束を生じ
るであろう。この数値は液体金属を使用したヒー
トパイプにより得られる最大の値に対し２乗オー
ダー程大きい。 実験結果との比較 式（14）で表わされる解析結果と第３図に示さ
れる実験観察結果との比較を適当な値を使つて、
水−ガラス界面に対して行なう。σ＝0.237およ
びμ＝0.560あることがわかつている。プラント
ル数は温度変化に関して比較的迅速に変化するの
で、この理論はPr数一定であると仮定する。実験
に使用する最高温度と最低温度間のいくつかの異
なる温度において、式（14）を検討することによ
り最良の比較を行なう。Ｔ＝20℃およびＴ＝60℃
（それぞれPr＝6.9および3.0）に対するそのよう
な検討の結果が第３図に実線で示される。gwの
半径方向の変動が壁方向の非常に短い距離√２
κw／ωに対してのみ無視できない値をとるので、
約0.5mmの壁厚を有するガラス細管を用いた実験
的結果と無限壁厚を有する単一管に基づいた解析
結果との比較はこの高周波数限界内においては正
当である。 理論と実験の一致は全く良好であると考えられ
る。この結果は、非常に薄い境界層の形成が、非
常に大きな軸方向流束をつくり出すことにより結
果的にあらわれる大きな半径方向の熱流を生じさ
せるような層流軸方向伝導過程を取り扱うという
最初の過程を明らかに支持している。軸方向熱移
動が振動変位の２乗および周波数の平方根に比例
するという観察結果が確認された。 結 論 前述の観点より、本発明は汚染物質の物質移動
なしに非常に大きな伝導熱移動を与えることが理
解できる。熱伝達流体として液体金属を使用する
と、熱流束が1010watts／m2を超え、このことよ
り本発明は従来の最も効率が良いとされる熱交換
装置であるヒートパイプよりも数乗大きいオーダ
ーの値で熱移動をおこすことかできると考えられ
る。熱移動は金属管の束内の伝導流体の振動によ
り発生する大きな伝熱を伴う方法により行う。 例えば対流法において生じるようないかなる正
味の物質移動も伴なわず、かつその方法は理想的
には放射性流体および環境から分離していなけれ
ばならないような特定化学溶液からの迅速な熱の
除去に適している。 本発明の特殊な実施態様をここにおいて図で示
しかつ詳細にのべてきたが一方多くの修正および
変更が当業者により想起されることは明らかであ
る。それゆえ添付の請求の範囲は本発明の精神お
よび範囲内であるようなすべての修正および変更
にまでわたることを意図するものである。
有しそれぞれの位置に配置された一対の流体貯蔵
器と、 前記流体貯蔵器を連結し、熱伝導金属の管壁を
有する少なくとも一つの管路と、 前記管路および少なくとも前記貯蔵器の一部を
満たす多量の熱伝達流体と、 前記管路内の作動流体の軸方向振動を行い、前
記管路の長さ以下の大きさで流体移動を該管路内
で生じしむる手段と、 を含むことを特徴とする熱伝達装置。 ２ 前記貯蔵器を連結し、熱伝導材料からなる管
壁を有する多数の管路を含むことを特徴とする請
求の範囲第１項に記載の熱伝達装置。 ３ 前記流体が液体であることを特徴とする請求
の範囲第１項に記載の熱伝達装置。 ４ 前記流体が液体金属であることを特徴とする
請求の範囲第１項記載の熱伝達装置。 ５ 軸方向振動を与える手段が正弦曲線的な運動
を与えることを特徴とする請求の範囲第１項に記
載の熱伝達装置。 ６ 前記貯蔵器のそれぞれが、各々の貯蔵器内の
熱伝達流体と熱を交換するための熱交換器を含む
ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の熱伝達
装置。 ７ 前記貯蔵器のそれぞれが、各々の貯蔵器内の
熱伝達流体と熱を交換するための熱交換器を含む
ことを特徴とする請求の範囲第２項記載の熱伝達
装置。 ８ それらの間で熱伝達を要する異なつた温度を
有しそれぞれの位置に配置された一対の流体貯蔵
器と、 前記流体貯蔵器を連結し、熱伝導金属の管壁を
有する少なくとも一つの管路と、 前記管路および少なくとも前記貯蔵器の一部を
満たす多量の熱交換流体と、 前記流体貯蔵器の一方の内部の流体に作用し
て、前記管路内で軸方向に反対方向の交代運動を
作動流体に与えて、前記管路の長さ以下の大きさ
で流体移動を生じしむる振動変位装置と、 を含むことを特徴とする熱伝達装置。 ９ 前記流体貯蔵器を連結し、熱伝導性材料より
成る管壁を有する多数の管路を含むことを特徴と
する請求の範囲第８項に記載の熱伝達装置。 １０ 前記流体が液体であることを特徴とする請
求の範囲第９項に記載の熱伝達装置。 １１ 前記流体が液体金属であることを特徴とす
る請求の範囲第９項に記載の熱伝達装置。 １２ 前記振動変位装置が正弦曲線的に振動する
ことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の熱伝
達装置。 １３ 前記振動変位装置が正弦曲線的に振動する
ことを特徴とする請求の範囲第９項に記載の熱伝
達装置。 １４ 前記流体が液体金属であることを特徴とす
る請求の範囲第８項に記載の熱伝達装置。 １５ 前記流体が、液体金属であることを特徴と
する請求の範囲第９項に記載の熱伝達装置。 １６ 前記熱伝達流体が液体水銀を含むことを特
徴とする請求の範囲第１５項に記載の熱伝達装
置。 １７ 前記熱伝達流体が液体リチウムを含むこと
を特徴とする請求の範囲第１５項に記載の熱伝達
装置。 １８ 前記熱伝達流体が液体ナトリウムを含むこ
とを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の熱伝
達装置。 １９ 前記管壁がステンレス鋼を含むことを特徴
とする請求の範囲第８項に記載の熱伝達装置。 ２０ 前記管壁がステンレス鋼を含むことを特徴
とする請求の範囲第９項に記載の熱伝達装置。 ２１ 前記貯蔵器のそれぞれが、各々の貯蔵器内
の熱伝達流体と熱を交換するための熱交換器を含
むことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の熱
伝達装置。 ２２ 前記貯蔵器のそれぞれが各々の熱伝達流体
と熱を交換するための熱交換器を含むことを特徴
とする請求の範囲第９項に記載の熱伝達装置。 ２３ 熱交換流体が実質的に前記貯蔵器および前
記管路内部のすべての空間を満たし、なおかつ前
記他の貯蔵器内部の流体により作用される変位調
節装置を含むことを特徴とする請求の範囲第１０
項に記載の熱伝達装置。 ２４ 前記変位調節装置が受動型の弾性構成要素
を含むことを特徴とする請求の範囲第２３項に記
載の熱伝達装置。 ２５ 熱伝達流体が実質的に前記貯蔵器および前
記管路内部のすべての空間を満たし、なおかつ前
記他の貯蔵器内部の流体により作用される変位調
節装置を含むことを特徴とする請求の範囲第１１
項に記載の熱伝達装置。 ２６ 前記変位調節装置が受動型弾性構成要素を
含むことを特徴とする請求の範囲第２５項に記載
の熱伝達装置。 発明の背景 本発明は汚染物質の移動を伴なわずに、極めて
高い伝導による熱移動を行う装置に関するもので
ある。本発明は従来ヒートパイプが使用されるど
のような場合においても使用できるが、いくつか
の点においてヒートパイプより優れている。本発
明は、放射性流体（例えば原子炉における）から
の、または望ましからぬ化学特性を有し、環境か
ら隔離しなければならないような流体からの迅速
な熱の除去において特殊な適用を有するものであ
る。 本発明はヒートパイプとは全く異なるが、比較
という意味ではヒートパイプは便利な判断基準を
提供する。公知のように、原理的にはヒートパイ
プは作動中に液相−気相間で変化する作動流体を
収容する細長いシリンダである。ヒートパイプは
作動流体の気化により一端部においては熱を吸収
し、かつ生成した蒸気の凝縮により他端部におい
ては熱を放出する。液体凝縮物は、シリンダの内
面を覆う細管構造を通り、毛管現象により熱吸収
端部へもどる。この過程は連続的に進行し、結果
として得られるヒートパイプによる熱移動は固体
の銅または銀製の棒体による伝熱移動の10000倍
以上となる。 ヒートパイプは広範囲な応用を有する一方、特
に本発明により克服されるべき二つの欠点を有し
ている。ヒートパイプの欠点の一つは、ヒートパ
イプ内の作動流体が操作中一端部から他端部へ連
続的に循環することである。かくして一端部から
他端部へ物質移動がおこる。このことは特に放射
性流体からの熱の除去の場合において不利にな
る。なぜならば作動流体全体が放射性となるとと
もに、事実上放射能がヒートパイプの一端部から
他端部へ運ばれるからである。ヒートパイプの二
番目の欠点は、ヒートパイプの作動温度は、用い
る作動流体と内部圧力に従つて決定される特定の
温度範囲に限定されることである。より詳細に
は、ヒートパイプの熱吸収（高温側）端部の温度
は少なくとも液相の作動流体の気化に対しては十
分高く、かつヒートパイプの熱放出（低温側）端
部の温度は少なくとも気相の作動流体の凝縮に対
しては十分低くなければならない。 これら二つの欠点を回避することに加えて、本
発明ははるかに高い熱伝達率を提供するものであ
る。更に本発明の実施態様に従うと、現行のヒー
トパイプより数桁分高い熱伝達率を提供すること
が可能である。 発明の要約 従つて本発明の目的は大きな伝導熱束の移動を
行う構造を提供することである。 本発明の他の目的は正味の物質移動を伴わずに
操作可能な装置を提供することである。 本発明のもう一つの目的は、液体の気化に要す
る温度および凝縮に要する温度に基づくヒートパ
イプの動作温度の制約のない装置を提供すること
である。 要約すると、本発明に従う熱伝達装置は相互間
で熱伝達を要する異なつた温度を有し、それぞれ
の位置に適宜配置された一対の流体貯蔵器を備え
る。熱伝導性材料から成る壁部を有する少なくと
も一本の管路が前記流体貯蔵器を連結している。
代表的な実施態様においては、多数のそのような
管路が流体貯蔵器を連結している。このような多
数の管路は種々の構成のうちの任意の構成を有す
ることができる。一つの例として、好ましくは断
熱した、全体を包括する外部管内に支持された金
属管束から構成される。この特殊な構成において
は、管路は全体として二つの領域に限定できる。
すなわち一つは管の内部であり、もう一つは近接
した管の外壁間に画成されるほぼ三角形の隙間空
間である。他の構成例としては六辺の細長い蜂の
巣状構造または同様な三辺または四辺構造があ
る。 多量の熱伝達流体、好ましくは液体が管路およ
び貯蔵器を満たす。装置の系の内部には全く空隙
がなく、貯蔵器は完全に満たされていることが望
ましい。最大熱伝達を得るために、熱交換流体と
して水銀、流体リチウムまたは液体ナトリウムの
ような液体金属を使用する。 二つの流体貯蔵器間における非常に大きな熱伝
達は、流体移動を管路長以下とした状態で管路内
の作動流体に振動性軸方向移動または流動を生じ
しめる手段を提供することにより得られる。好ま
しくは振動運動は正弦曲線的であることが望まし
い。 本明細書に開示される実施態様においては、振
動性の軸方向運動は一つの貯蔵器内の流体に作用
する振動変位装置により与えられる。適切な振動
変位装置の例を二つあげれば、一つは貯蔵器の一
部を構成するかまたは一つの貯蔵器に直接連結し
た適当なシリンダー内において作用するピストン
であり、もう一つは一つの貯蔵器の壁面を形成し
かつ外部振動手段によつて作動する可撓性ダイヤ
フラムである。どのような特殊な形でも、振動変
位装置は一つの貯蔵器内で流体を交代的に移動さ
せる。すなわち、作動流体を管路内で一軸方向に
移動させ、次いで当該一つの貯蔵器に有効に熱交
換流体を回収して熱交換流体を管路内で逆方向に
移動させる。このように管路内においては、流体
は所定の周波数で、かつ所定の振動変位（tidal
displacement）すなわち振幅で交互に軸方向振
動する。 上述の如く、管内における流体移動の大きさ
は、一つの貯蔵器から他の貯蔵器への熱交換流体
の正味の移動が生じないよう管長以下とする。拡
散によりある程度の移動はおこるが、そのような
拡散による物質移動は大きくはない。特に熱交換
流体が水銀またはより高温における液体リチウム
または液体ナトリウムのような液体金属である場
合はそうである。とにかく本発明による操作は振
動運動のみを必要とし、いかなる正味の物質移動
も必要としない。 液体熱交換流体は本質的には非圧縮性であるの
で、変位調節装置を別の貯蔵器に具備することが
好ましい。適切な変位調節装置は受動型ピストン
であるが、振動変位装置と類似のものであり、弾
性バイアス要素を備えて駆動ピストンのもどり工
程においてエネルギーを駆動ピストンに戻す如き
構造のものが好ましい。他の例としては、変位調
節装置は、好ましくは気体を充満させた密閉室に
より支持され、当該他の貯蔵器の壁面の一つをな
す単純なダイヤフラムまたは膜によつて構成する
ことができる。 このような装置において、流体を十分に高い周
波数でかつ十分に大きい振動変位で振動すると、
多量の熱が管路に沿つて軸方向に輸送される。下
記に述べるように、この熱伝達機構は熱伝達流体
と管壁間の対称的振動による熱伝達を含む非常に
大きな熱伝導を伴なう過程である。最初操作に関
して概説的に説明し、次いで非常に大きな熱伝達
がおこる機構を、より詳細に説明し、最終的に詳
細な数学的解析を本明細書の最後の補追において
行う。 説明のために、まず熱はピストン型の振動変位
装置を含む比較的高温の貯蔵器から比較的低温の
貯蔵器へ伝達すると仮定する。典型的なサイクル
はまず、高温側の貯蔵器内から熱伝達流体を排出
させるためピストンの前進行程を行ない流体を高
温側貯蔵器から低温側の貯蔵器へ向かつて管路内
を移動させることから始まる。前進行程の間、移
動流体の高温領域は低温側の管壁と接触する。か
くして高温の流体領域は管壁に熱を与え、その部
分の温度は連続的に上昇する。後退行程において
は熱伝達流体は管路を通つて逆の方向に戻る。後
退行程の間、熱伝達流体の低温領域が温度の上昇
した壁部に接触しながら移動する。このため熱は
これらの壁部から流体領域に流れていく。 この作用は、振動を用いた方法で継続して行な
われ、一度操作を行なうと、熱は管路内の熱伝達
流体の振動変位により決まる間隔で、ある増分を
もつて効率的に移動する。操作中のある特定な瞬
間には、局在した比較的高温の管壁部分と比較的
低温の管壁部分が交互に存在し、かつ移動する比
較的高温の流体領域と比較的低温の流体領域が壁
部に対して局在している。 これらの高温および低温の流体領域は、熱が対
称的に出入りし、かつ短期間熱を蓄えるような壁
部分を介して互いに効率的に干渉する。これらの
高温および低温領域は管路断面より更に大きな面
積にわたり互いに効率的に干渉する。 流体移動の大きさ、すなわち振動変位は管路長
以下であり、かつその運動は厳密には振動である
ので操作中には全く正味の物質移動はない。更に
このサイクルの間、熱は壁に入りこむが、その後
サイクルの次の部分において引き渡される。かく
して対称性により、本質的には壁を通過する正味
の熱移動は存在しないことになる。 上記は概説であるが、本発明によつて得られる
大きな熱伝達速度を十分には説明していない。そ
のような説明を下記において行なう。 一般に熱伝達速度は三つの因子の積に比例す
る。すなわち、熱伝導度、熱伝達のおこる面積お
よび温度勾配（単位距離あたりの温度差）であ
る。本発明の構成にこの一般的関係を適用する
と、熱伝導度としては管壁および熱交換流体に対
するものが考えられる。このように熱伝導度の因
子は予想できる制約となる。上述のように、熱伝
達を最大にするためには液体金属を熱伝達流体と
して使用することが好ましい。この関係において
熱伝達がおこる面積は管壁と熱伝達流体が干渉す
る管路内部の面積である。ゆえに面積因子もまた
予想できる制約となる。 第三の因子である温度勾配は別の問題であり、
明らかな制約とはならない。特に、本発明におけ
る観点から、温度勾配因子は温度差が集中してい
る境界層の形成により、予期される条件下で大き
く増大する。 公知のように粘性流体が境界近傍を流れるとき
は常に境界近傍の流体層は剪断力をうけ、該層の
速度の減少をひきおこす。境界に接近するにつれ
て、その速度は連続的に減少し境界にすぐ接して
いる流体の微細粒子は全体に対し停止しているか
に見える。この低速度領域は境界層とよばれ、壁
面および境界からの距離に対する速度の変化のグ
ラフは境界層プロフイールを描く。流体粘度の基
本的な影響がこの境界層に集中している。しかし
ながら外部流れまたは自由流れにおいては粘性力
は無視できる。このように閉じられた導管または
管路においては、自由流れが管路の軸を中心とし
た移動する流体カラム中において生じる。境界層
は移動するカラムのまわりのシースと見なされ
る。 よつて本発明においてはそのような境界層は管
路内の流体のそれぞれの振動運動の間に生成され
るということがわかる。重大な結果がこの境界層
の存在により生じる。 特に十分な熱伝導性を有する熱伝達流体に関し
ておよび適当な管路寸法例えば直径に関しては、
移動流体カラムの温度はカラム中心から境界層ま
で一定である。それぞれのサイクルにおいてほと
んどの場合、管壁に近接した境界層領域部分の熱
伝達流体は管路内の流体カラム部分とは異なる温
度を有する。このように流体カラムと管壁との間
の温度差は境界層内に集中している。境界層が薄
ければ薄い程温度勾配は大きくなる。 結果的に周波数と変位（これらは共に速度勾配
を決定する）を選択することにより、温度勾配が
極端に大きくなり、流体と管壁間の半径方向熱移
動速度は相応して非常に大きくなる。大きな熱移
動を生じる物理的機構は、流体振動によりつくら
れる大きな時間依存性半径方向温度勾配として描
かれる。それぞれの正弦曲線サイクルの間、壁面
近傍領域の流体は流体カラムの中心部と異なる温
度を有する。結果的に多量の熱が半径方向へ、更
にその後に軸方向に移動する。 詳細な機構解析は本明細書の最後の部分の補追
において行なうが、概して有効熱拡散は流体の変
位の二乗にまた周波数の平方根に比例し、かつ管
路の寸法例えば直径に反比例すると言うことがで
きる。管路を横切る熱拡散の時間がちようど振動
周期の二分の一になるように管直径を決めると
き、適当な熱伝達がおこる。特殊な例として0.4
mmの直径を有する金属管において30Hzの周波数、
100cmの振幅（振動変位）にて、熱伝達流体とし
て液体ナトリウムを使用するとき軸方向熱流束
1.3×1010watt／m2が得られる。 他の例として熱伝達流体として単に水を使用
し、またガラス管を使用して一つの実験装置を構
成した。8.0Hzの振動周波数で12.5cmの軸方向流
体変位（すなわち振幅）での有効軸方向熱伝導度
は、振動がない場合に示される値の17900倍であ
つた。換言すれば、水は等しい断面積を有する相
当する銅棒に対し約25倍良好な有効熱伝導度を示
した。この実験の更に詳細な記載は補追の中で行
なう。どのような場合においても適切な管路寸法
（例えば直径）が存在する（管路の断面は必ずし
も円ではないが解析のために単純に円と考える）。
もし管直径が小さすぎるならば、そのとき境界層
と管直径は等しくなる。このときは、大きな温度
勾配が生じるような温度差の集中はなく、かくし
て大きな伝導効果も失なわれる。もし管直径が大
きすぎるならば、その時は、移動流体カラムの中
心から境界層への熱移動は有効でなくなる。金属
流体に対しては比較的良好な熱伝導性のため3.0
mm径の管が約2.0〜50.0Hzの範囲内の周波数にお
いて使用される。 【図面の簡単な説明】 本発明の新規な特徴は特に添付の請求の範囲に
おいて述べるが、構成および内容に関しては図面
を参照する下記の詳細な記述において、本発明の
他の目的および特徴と共により一層理解かつ認識
されるであろう。 第１図は本発明に従う熱伝達装置の一実施例の
断面図である。 第２図は実験装置の同様な断面図である。 第３図は実験における最高温度および最低温度
における振動変位および振動周波数の関数として
実験的に観察された熱拡散係数のグラフである。 第４図はプラントル数、管壁の伝導度および流
体の伝導度の影響を示すグラフである。 好ましい実施態様の説明 最初に第１図に関して述べる。本発明による熱
伝達装置１０は、それらの間で熱伝達を要する異
なる温度を有し、それぞれの位置に適宜配置され
た一対の流体貯蔵器１２および１４を含む。例え
ば、貯蔵器１２は比較的高温の貯蔵器であり、放
射性材料（図示せず）から熱を除去するように配
置されている。代表的な熱交換器１６を貯蔵器１
２内に具備し、矢印１８で示される放射性の一次
循環流体は熱交換器１６を通り、貯蔵器１２内の
流体に熱が移動するにつれて冷却される。 他の流体貯蔵器１４はその時点では比較的低温
の貯蔵器である。対応する熱交換器２０を貯蔵器
１４内に配置し、矢印２２で示される二次循環流
体がこの系より熱を吸収するため熱交換器２０を
通り流れる。 二つの貯蔵器１２および１４は熱伝導性材料よ
り成る管壁を有する少なくとも一つの、好ましく
は多数の管路２４に連結している。多量の熱伝達
流体が管路２４および貯蔵器１２および１４の少
なくとも一部、好ましくは全部を満たす。熱交換
流体は好ましくは液体金属、例えば水銀、リチウ
ムまたはナトリウムを含み、管路２４は３mm程の
直径を有する金属管（例えばステンレス鋼を含む
もの）の束である。この管の束は断熱された管壁
を有する円筒状ケーシング２６内に封入されてい
る。この例において貯蔵器１４内における振動変
位装置２４が流体に作用する。代表的な例として
振動変位装置２８は、貯蔵器１４と直接連結する
シリンダーボア３２内を往復し、外部メカニカル
発振器３５によつて軸３４を介して駆動する駆動
ピストン３０を含む。駆動ピストンは典型的に正
弦曲線的に振動するが、いかなる振動波形でも適
合する形であれば使用できる。 液体熱伝達流体は本質的には非圧縮性であるた
め、空間をつくらずに系を完全に流体で満たすよ
うにするために、一般的に３８で示されるような
振動調節装置を流体貯蔵器１２に連結させる。こ
こに記載する実施例においては、振動調節装置は
スプリング４２で弾力的に支持され、かつ圧縮性
気体を含む密閉室４４を後部に配置した受動型ピ
ストン４０を含む。このような配置において、ピ
ストン３０が振動すると熱伝達流体が管路２４内
において、軸方向に交互運動して移動することが
認められる。このような配置において、受動型ピ
ストン４０はその弾力的な支持により駆動ピスト
ン３０にエネルギーを戻すことが認められる。上
述のように振幅は、管路２４内の流体流動の大き
さが管路長以下になるように選ぶ。 前述の「発明の要約」の内容から理解できるよ
うに、操作中、管路２４内の流体が、振動により
軸方向に移動するとき、時間依存性の境界層が金
属管壁にそつて形成され、かつ大きな半径方向温
度勾配がこの境界層を横切るように形成される。
かくして作動流体の高温部分および低温部分が管
路断面より更に大きな面積にわたりお互いに干渉
しあい、その結果半径方向に、引きつづいて軸方
向に対し、非常に大きな熱移動の増大が生じる。 本発明の原理、操作および代表的実施態様はす
べて前述の内容より理解される。補追として次に
記載されるのは、実験結果であり、更に異なつた
温度に維持された二つの流体貯蔵器を連結した循
環用管を通つて正弦曲線的な振動流れを経由する
大きな伝熱移動に関する更に厳密な数学的解析で
ある。この補追は未発表の二つの論文に基づいて
いる。すなわち、ユー．エイチ．クルツヴエーク
（U.H.Kurzweg），「正弦曲線的振動を有する流体
における高い熱伝導」、ジヤーナル・オブ・ヒー
ト トランスフアー（Journal of Heat
Transfer（ASME））、1985年、１月号掲載予定；
およびユー．エイチ．クルツヴエーク（U.H.
Kurzweg），リンード・ザオ（Ling−de Zhao）、
「高周波振動による熱移動；大効率熱伝導を達成
するための新しい流体力学法」、フイジツクス・
オブ・フルード（Physicsof Fulid）、アメリカ
ン・インステイテユート・オブ・フイジツクス
（American Institute of Physics）発行、1984
年、11月号掲載予定である。これらの論文は異な
る刊行物において順不同で掲載されるすなわち、
クルツヴエークの論文は論理上クルツウエークと
ザオの論文に先行するべきものである。 補 追 実験準備 実験装置は第２図において図式的にかつ全体的
には１００のように示されている。使用される熱
伝達流体は水である。二つのシリンダー形流体貯
蔵器１０２および１０４はそれぞれ1.0mmの内径
を有し、密接に充填された31本のガラスの細管１
０８の束１０６により互いに連結している。細管
１０６は内径1.27cm、長さ20.0cmの一本のアクリ
ル管１１０内に支持されている。この実験装置に
おいては便宜上流体貯蔵器１０２および１０４を
連結する管路は、細管の円筒状内部空間および近
接した細管１０８の間に画成されたほぼ三角形を
なす隙間空間を含む。すなわち、流体を細管１０
８の通常の円筒状内部空間に限定して密閉するよ
うなことはない。連結管の有効総断面積（近接し
た細管の間に画成された三角形状断面を含む細管
の近似的に三角形の有効断面積を含む）は、水置
換法によりA0＝0.67cm2と測定された。 上部１０２（高温流体）および下部１０４（低
温流体）貯蔵器には可撓性ゴム膜１１２および１
１４が具備されており、その結果連結管および貯
蔵器内のすべての空間を満たす非圧縮性作動流体
（水）を、外部周波数可変振動器１１６を使用し
て振動させる。熱損失を最小にするため装置全体
を絶縁体１１８内に収容する。 実験は最初下部流体貯蔵器１１４を着色した低
温（22℃）の水で満たすことから開始し、次に透
明な高温（78℃）の水で上部貯蔵器１０２と同様
に細管１０８および隙間空間を満たした。この結
果、系内には空気は全く残らなかつた。上部およ
び下部貯蔵器１０２および１０４内の温度は温度
計１２０と１２２により検知する。流体はあらか
じめ決められた周波数と振動変位を外部振動器１
１６にセツトすることにより振動させた。使用す
る周波数の範囲は2.0Hz〜8.0Hzであり、細管１０
８内の振動変位ΔZは2.0cm〜12.5cmの範囲であつ
た。振動変位は振動の間の細管１０８に沿つた下
部貯蔵器１０４からの着色水の最大行程を記録す
ることにより決めた。 実験結果 典型的な行程において、振動スタート時におこ
る最も迅速な温度変化に関しては、上部貯蔵器１
０２における高温流体（Ｔ＝Th）の温度は１分
当たり数℃低下し、一方下部貯蔵器における低温
流体（Ｔ＝Tc）の温度は１分当たり数℃上昇す
ることが観察された。両方の貯蔵器１０２および
１０４の温度は１分間に一度ずつ１行程につき６
分間にわたり、検知した。観察された温度変化お
よび既知の値、すなわち下部貯蔵器体積Vc＝114
cm3、管長Ｌ＝20cmおよび総流体断面積A0＝0.67cm2
より、流体の有効熱伝導度を熱収支式を利用して
計算した。 κe＝VcＬ（dTc／dt）／A0（Th−Tc） (1) 式中dTc／dtは下部貯蔵器１０４内で時間に対
する温度変化速度、（Th−Tc）は貯蔵器１０２と
１０４の間のある瞬間における温度差を表わす。
実験的に決められるκeの値はκe＝1.4cm2／sec〜κe
＝2.5cm2／secの範囲にある。これらの値のうち最
も高い値は、水に対する分子熱拡散係数κ＝1.4
×10-3cm2／secに対し17800倍の有効熱拡散係数に
相当する。比較として、銅に対するκの値は1.12
cm2／secである。 有効熱拡散係数κは振動変位ΔZの２乗および
振動周波数ｆの平方根に比例する。この挙動を第
３図に示す。この図においては、κeは（ΔZ）2と
√が積の関数として表わされている。 同様な平方根依存性がワトソン（イー．ジエ
ー．ワトソン（E.J.Watson），ジヤーナル・オ
ブ・フルード メカニズム（J.Fluid Mech.，），
1983，133，233）により、流体のシユミツト数と
ウオーマーズリー（Womersley）数の２乗の積
が大きい場合の管内における汚染物質の拡散に関
する研究として見出された。ウオーマーズリー数
は α＝ａ√ (2) と定義され、式中ａは管の半径、ωは角周波数、
νは流動動粘度である。本熱伝達実験においては
相当するα2Prの値は約60であり、実際高周波状況
にある。Pr＝ν／κfは流体プラントル数である。
低いα2Prの値に対しては、κeは周波数の１乗に、
非常に低い値のα2Prでは周波数の２乗に依存す
る。壁近傍に存在する薄いストークスの境界層を
伴なつた一定の速度中心に近似した速度プロフイ
ールを有する事象の解析モデルを設定することに
よつて、ここで取扱われる高周波状態はいくつか
の利点を提供する。物理的にはこの高周波状態は
管直径を横切つて拡散する熱に対して必要な時間
よりも更に短い振動周期に相当する。 流体貯蔵器１０２と１０４の間の熱の移動は、 ｑ＝ρCκeA0（Th−Tc）／Ｌ (3) で与えられる。式中ρは流体密度、Ｃは比熱、κe
は式(1)より求められる有効熱拡散係数である。こ
こで測定された最大熱流束はｑ／A0＝70cal・cm2
＝2920KW／m2である。この値は同じ温度勾配
2.8℃／cmにおいて銅に対して得られる値の約27
倍であり、たとえ実験に使用する熱伝達流体が、
より高い熱伝導度を有する好ましい流体金属でな
くて水だけであつたとしてもかつ管壁が金属でな
くてガラスであつたとしてもこの値はヒートパイ
プにより得られる値に匹敵するものである。 解 析 上記実験結果を説明するため、我々は観察事象
に対し近似理論を展開させる。まず、内部半径ｒ
＝ａで、無限に厚い壁を有する非常に長い管にお
いて半径方向かつ時間依存性の流れに対してナビ
エーストークス（Navier−Stokes）の式および
相当する熱伝導式を考える。流体および管壁は共
にそれぞれκf、kfおよびκw、kwで与えられる熱拡
散係数および熱伝導度を含む有限な熱伝導性を有
している。ここで取り扱う高周波振動を有する流
れに対して、層流条件下での半径方向に依存した
軸方向速度プロフイールは単純な形である（エイ
チ．シユリヒテインク（H.Schlichting）、境界層
理論、マグロー−ヒル、ニユーヨーク、1968，
419参照）。すなわち、 Ｗ（ｒ，ｔ） ＝W0〔１−ａ／ｒexp−√α［１−ｒ／ａ］〕expi
ωt ＝W0fe i〓t (4) 式中、α＝ａ√、W0は管軸方向の最大
速度である。式(4)の結果における実数部分は管壁
におけるδ＝√2／ωの厚さの、薄いストークス
の境界層につらなる一定速度中心部を表わす時間
依存性のプロフイールである。 相当する温度分布を見出すため、我々は次のこ
とを仮定した。すなわち、流体内および管壁内に
おいて、時間平均した軸方向温度勾配∂T／∂Z＝
γが存在すること、および瞬間的な温度分布はチ
ヤツトウイン（ピー．シー．チヤツトウイン（P.
C.Chatwin）、ジヤーナル・オブ・フルード・メ
カニズム（J.Fluid Mech.），1975，71，513）に
より提起された、局部的には正しい形 Ｔ＝γ〔Ｚ＋ag（ｒ）ei〓t〕 (5) である。この式に示す関数ｇ（ｒ）は液−固界面
近傍においては、流体内部においても管壁内部に
おいても０でない値を有すると考えられる。式(5)
を熱伝導の式 Tt＋Ｗ（ｒ，ｔ）Ｓ（ｒ−ａ）Tz ＝κ［１／ｒ∂／∂r［ｒ∂T／∂r］＋∂2T／∂z2］(
6) 式中、Ｓ（ｒ−ａ）＝１，０＜ｒ＜ａ ０，ａ＜ｒ＜∞ (7) におきかえることにより、αを大きな値に近似し
て解くと、流体内では gf（η）＝C1〔exp−√rη〕＋ｉ／２〔Δz／ａ〕
・〔１−βexp−√η〕(8) 管壁内においては、 gw（η）＝C2exp√rη (9) が得られる。 式中、β＝Pr／（Pr−１）、ΔZは振動変位（正
弦曲線的振動の断面の平均振幅の２倍に等しい）、
σ＝κf／κwおよびη＝α（１−ｒ／ａ）である。
これらの結果の誘導において、ｒ＝０（η＝∞）
でgf＝０およびｒ→∞でgw→ｒという境界条件を
使用した。式(8)および式(9)に示される定数C1お
よびC2はη＝０でgf（０）＝gw（０）およびKf
gf′（０）＝Kwgw′（０）という、二つの境界条件か
ら決定できる。これらの二つの条件は液−固界面
における温度および半径方向熱流束の連続性に相
当し、式(8)に示される定数に対して が導かれる。式中μ＝kf／kwである。絶縁性の
管壁に対して、第２の境界条件はgf（０）＝０とな
り、その時には関連する汚染拡散問題（ジー．ア
イ．テーラー（G.I.Taylor），プロシーデイング
ズ・オブ・ザ・ロイヤルソサイエテイ オブ ロ
ンドン シリーズ・エー（Proc.Roy.Soc.London
Ser.A）1945，22，446；ビー．シー．チヤツト
ウイン（P.C.Chatwin），ジヤーナル・オブ・フ
ルード・メカニズム（Ｊ Fluid Mech）1975，
71，513，およびイー．ジエー．ワトソン（E.J.
Watson），ジヤーナル・オブ・フルード メカニ
ズム（J.Fluid Mech）1983，133，233参照）に
おいて使用される条件と同じであることは注目す
べきである。 有効軸方向熱移動を決定するため、α2Pr＜πの
場合にはマルテイプルタイムスケール法をまたは
任意の振動周波数に対しては効果的な直接積分法
を使用する。この場合、我々がα2Pr＞πの意味に
おいて高周波信号を取り扱うときは後者の方法を
使用する。熱移動過程において軸方向伝導のわず
かな寄与を無視するとき、管の断面積と時間平均
軸方向温度勾配と有効軸方向熱拡散係数との積は
管断面について積分された軸方向熱流束に等しく
なる。数学的には次のように書かれる。 κeπa2γ＝−2π∫a 0Real〔Ｗ（ｒ，ｔ）〕Real〔Ｔ（
ｒ，ｔ）〕rdr(11) 式(4)および式(5)をこの式に代入し、振動１サイ
クルについて時間平均すると、α2Prの大きな値に
対する有効熱拡散係数は、 κe＝−aW0／2α∫∞ 0〔ｆf＋gf〕dη (12) であることがわかる。式中上付のバーは与えられ
る関数の共役な複素数を表わす。次にこの最後の
式において、ｆおよびをおきかえるためその共
役な複素数と共に式(6)を使用し、η＝０（管壁）
およびη＝∞（軸）における境界条件を使用して
部分積分することにより有効熱拡散係数を得る。 κe＝ακe｛１／２〔gf（０）′f（０）＋f（０）
g′f（０）＋∫∞ 0g′f′fdη｝(13) 式(8)により与えられるgfを使用したこの式の形
はいくつかの操作の後最終的には、 κe＝Ｆ（Pr，σ，μ）ΔZ2√／ａ (14) として得られる。ここで、 でありPr，βおよびｈは前に定義したものと同じ
である。 μおよびσの値が０の場合、無限の場合および
流体と管壁が等しい値を有する場合の三つの興味
ある場合に対してプラントル数の関数としてのＦ
の値が第４図に示されている。κeの最大値は例え
ば液体金属のような小さなPr数の流体に対しおよ
び良好な熱伝導性を有する管壁に対し得られる。
高Pr値においては、その値は管壁の伝導度の変化
に対してほとんどわずかにしか変わらない。Pr＝
6.9である平均温度20℃の水に対し、μ＝σ＝１
のときＦの値は約２×10-2である。式（14）はκe
が周波数の平方根および振動変位の２乗に比例し
かつ管の半径に反比例していることをはつきりと
示している。 それゆえに軸方向熱移動速度の最大値は、作動
流体が液体金属であり、管が金属製であり、かつ
小さな半径を有し、周波数および振動変位が大き
い時に得られる。例えばΔZ＝100cmを有し、50Hz
の周波数でａ＝５×10-2cmであるような金属細管
束内の振動性流体リチウムは式（14）および(3)に
より、もし４℃／cmの温度勾配が軸方向に維持さ
れるならば0.6×1010watts／mt2の熱流束を生じ
るであろう。この数値は液体金属を使用したヒー
トパイプにより得られる最大の値に対し２乗オー
ダー程大きい。 実験結果との比較 式（14）で表わされる解析結果と第３図に示さ
れる実験観察結果との比較を適当な値を使つて、
水−ガラス界面に対して行なう。σ＝0.237およ
びμ＝0.560あることがわかつている。プラント
ル数は温度変化に関して比較的迅速に変化するの
で、この理論はPr数一定であると仮定する。実験
に使用する最高温度と最低温度間のいくつかの異
なる温度において、式（14）を検討することによ
り最良の比較を行なう。Ｔ＝20℃およびＴ＝60℃
（それぞれPr＝6.9および3.0）に対するそのよう
な検討の結果が第３図に実線で示される。gwの
半径方向の変動が壁方向の非常に短い距離√２
κw／ωに対してのみ無視できない値をとるので、
約0.5mmの壁厚を有するガラス細管を用いた実験
的結果と無限壁厚を有する単一管に基づいた解析
結果との比較はこの高周波数限界内においては正
当である。 理論と実験の一致は全く良好であると考えられ
る。この結果は、非常に薄い境界層の形成が、非
常に大きな軸方向流束をつくり出すことにより結
果的にあらわれる大きな半径方向の熱流を生じさ
せるような層流軸方向伝導過程を取り扱うという
最初の過程を明らかに支持している。軸方向熱移
動が振動変位の２乗および周波数の平方根に比例
するという観察結果が確認された。 結 論 前述の観点より、本発明は汚染物質の物質移動
なしに非常に大きな伝導熱移動を与えることが理
解できる。熱伝達流体として液体金属を使用する
と、熱流束が1010watts／m2を超え、このことよ
り本発明は従来の最も効率が良いとされる熱交換
装置であるヒートパイプよりも数乗大きいオーダ
ーの値で熱移動をおこすことかできると考えられ
る。熱移動は金属管の束内の伝導流体の振動によ
り発生する大きな伝熱を伴う方法により行う。 例えば対流法において生じるようないかなる正
味の物質移動も伴なわず、かつその方法は理想的
には放射性流体および環境から分離していなけれ
ばならないような特定化学溶液からの迅速な熱の
除去に適している。 本発明の特殊な実施態様をここにおいて図で示
しかつ詳細にのべてきたが一方多くの修正および
変更が当業者により想起されることは明らかであ
る。それゆえ添付の請求の範囲は本発明の精神お
よび範囲内であるようなすべての修正および変更
にまでわたることを意図するものである。
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|---|---|---|---|
| US06/664,048 US4590993A (en) | 1984-10-23 | 1984-10-23 | Heat transfer device for the transport of large conduction flux without net mass transfer |
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| CH609140A5 (ja) * | 1976-05-18 | 1979-02-15 | Sulzer Ag | |
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