JPH0245799B2 - Hiitopaipuhenosadoekifunyuhoho - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ヒートパイプへの作動液封入方法に
関する。より詳しくは、アルカリ液体金属を作動
液とするヒートパイプへの作動液封入方法に関す
る。

アルカリ液体金属（ナトリウム，カリウム等）
を用いた密閉容器としてのヒートパイプを製作す
る場合、性能向上、耐久性向上の観点から、封入
液（作動液）としてのアルカリ液体金属から不純
物を極力取り除くとともに、不凝縮性ガスを充分
脱気した状態で真空封入する必要がある。第１図
に、典型的なヒートパイプの概略図を示す。ヒー
トパイプは、構造的には金属コンテナ１の内壁に
ウイツクと呼ばれる多層のメツシユ２等を密着さ
せたもので、このコンテナ１内にナトリウム等の
アルカリ液体金属が適量充填され、最終的には高
真空に封入される。封入等の為には、封入パイプ
３が付属され、この封入パイプ端部が圧着クラン
プされたのち、シール溶接されるのが通常であ
る。アルカリ液体金属は、化学的に極めて活性が
強く、空気等に触れるとほぼ瞬時に酸化される。
従つて酸化物等の不純物が混入するとヒートパイ
プの耐久性を大きく損なうことになるので、封入
作業をすべて不活性ガス中で行なわなければなら
ない。

従来、ヒートパイプにアルカリ液体金属を封入
する方法としては、ナトリウムを例にとると、次
のような手順が良く用いられる。

すなわち、まず市販の固体ナトリウムを不活性
ガス中のグローブボツクスに入れ、このグローブ
ボツクス内ですでに酸化された皮膜をナイフ等で
丹念に切つていき、中身の比較的純度の良いナト
リウムを取り出す。すでに洗浄されたヒートパイ
プ内にこの固体のナトリウムを入れ、若干温度を
上げたのち、真空引きし、最後に封入パイプをク
ランプする。しかしながら、この方法では次のよ
うな欠点がある。

(a) すべてグローブボツクスの中での作業となる
為、作業に時間を要し、非効率的である。

(b) 市販の固体ナトリウム自体の純度がさほど高
くない。

(c) ナトリウムを挿入する前にヒートパイプを洗
浄するが、通常の脱脂洗浄、酸洗等では固形不
純物、吸着ガス等が若干残存し、これが不純物
源となるばかりでなく、ウイツクでは液体の漏
れ性低下につながり、ヒートパイプ性能上重要
なウイツクの毛細管力による液還流性能が悪く
なる。

(d) 真空ポンプによる真空引き時には、特殊なポ
ンンプを用いないと、真空ポンプの油蒸気がヒ
ートパイプに逆拡散し、ヒートパイプの新たな
不純物となる可能性が大きい。また、充分な脱
気を行なうには、相当長時間真空引きする必要
があり、脱気をうまく行なおうとする程、汚染
されることとなる。

以上の（ａ）および（ｂ）の欠点を除く為に
は、アルカリ金属以外の従来の作動液で用いられ
ている真空蒸留、凝縮充填法の適用が考えられる
が、（ｃ）ならびに（ｄ）の問題点は依然として
残るばかりでなく、アルカリ金属のような取扱い
難いものでは、この作業も危険かつ煩雑になるこ
とが考えられ、新たな問題点を提供してしまうこ
とになる。

上述の真空蒸留、凝縮法の装置の一例を第２図
に示す。図中、１はヒートパイプコンテナ、６は
注入用のナトリウムであり、弁８，９を開いた状
態で、高真空排気ポンプ５により真空引きすると
ともに、容器７の壁に付設されたヒータ１２によ
りナトリウム６を加熱蒸発させる。発生した蒸気
は、矢印１０のように移動し、コンテナ１内で冷
却されて凝縮し、これによりナトリウムの充填が
できることとなる。。充填が完了すると、封入パ
イプ３をクランプし、ジヨイント１１よりヒート
パイプ１を外す。なお、この際、温度制御を慎重
に行なわないと、ヒートパイプ１以外のパイプで
も凝縮が生じ、真にヒートパイプ１に封入された
ナトリウム量を把握し難いことにもなる。

本発明は、極めて純度の良いアルカリ液体金属
を充分に脱気してヒートパイプに封入し、かつウ
イツクに対しての濡れ性を良くし、更に比較的短
時間に効率良く作動液封入作業ができる方法を提
供することを目的とする。

すなわち、本発明は、ウイツク内蔵ヒートパイ
プ容器にアルカリ液体金属を充填するアルカリ液
体金属ループにてヒートパイプへの作動液封入方
法において、該アルカリ液体金属ループにコール
ドトラツプならびに不純物濃度計を設け、該容器
に並列に計量ポツトを設置し、更に自由液面上部
のカバーガスとしてヘリウムガスを用いて、該ル
ープを封入ラインとして上記ヒートパイプ容器の
封入パイプの一方と、また上記計量ポツトの非ガ
ス供給側を真空排気装置に接続してオン・ライン
処理することを特徴とする、ヒートパイプへの作
動液封入方法に関する。

本発明の方法に依れば、耐久性、性能に秀れた
アルカリ液体金属ヒートパイプを工業的規模で製
作することができる。そして、本発明の方法は、
アルカリ液体金属を用いたヒートパイプ及びこの
高温用ヒートパイプを応用した各種伝熱装置の製
作に広く適用できる。

次に、本発明の特長を列挙する。

(a) 液体金属中の不純物捕獲装置であるコールド
トラツプその他を備えた循環式液体金属ループ
中にヒートパイプを設置する方式とした点。

(b) 前記液体金属ループ中でヒートパイプのフラ
ツシング、脱気、真空封入操作をすべてオン・
ラインにより実施できる方式とした点。

(c) 真空引き時に、例え油蒸気の逆拡散があつて
も、ヒートパイプ内を汚染することのないよう
な方式として並列計量ポツトを用いた点。

(d) 前記の並列計量ポツトの使用により、ヒート
パイプへの作動液の充填量や内部の真空度を把
握できるようにした点。

(e) 液体金属ループのカバーガスとしてHeガス
を用い、ループ中の液体金属中のフリーガスの
脱気を促進し、ヒートパイプへの不凝縮性ガス
持込み量を極めて小さくした点。

(f) ウイツクの漏れ性を良くする前処理として
（ｂ）の液体金属自体のフラツシングによる方
式とし、前処理剤の始末をなくした点。

(g) 液体金属ループ中でのオン・ライン充填の
為、煩雑な作業は少なく、効率的に行なえると
ともに、ヒートパイプを並列に設置すれば、大
量処理も可能となる点。

以下に、本発明を図面により説明する。

第３図は、コールドトラツプ１３を有する典型
的な循環式液体金属（以下では、具体例としてナ
トリウムループを示す。）ループを示す。ナトリ
ウムは、ストレージタンク１４より圧送によりル
ープに充填され、その後弁１５が閉じられる。こ
うして、電磁ポンプ１６により循環される閉ルー
プを構成する。ループ内のナトリウムの温度調節
には、通常、加熱器１７、冷却器１８が設置され
る。又、ループ内の流量は流量計１９により、
又、ループ内のナトリウムの純度は不純物濃度計
（酸素濃度計等）２０により測定される。更に、
ループ内各部温度は、熱電対（図示せず）により
監視される。１３は系内のナトリウムの不純物を
除去するコールドトラツプであり、２１はナトリ
ウムの熱膨張を吸収する膨張タンクであり、この
膨張タンク２１のナトリウム自由液面上及びスト
レージタンク１４の液面上に、不活性ガスがカバ
ーガスとして張られ、ナトリウムの新たな汚染を
防止している。ここで、２２がこのカバーガス供
給系である。

このようなナトリウムループは、高速増殖炉を
開発する技術分野にとつては公知のものであり、
取扱いの難しい流体ながら、長年の経験の積み重
ねにより容易に高純度（酸素濃度では、1ppm前
後）のナトリウムを得るような運転技術を有して
いる。一方、既存のナトリウムループでは、カバ
ーガスとしてアルゴンガスが使用されるが、本発
明のものでは、ヘリウムガスをカバーガスとした
ナトリウムループにオン・ライン処理方式のヒー
トパイプ充填ライン２３を設置したことを特徴と
する。

前記ヒートパイプ充填ライン２３の詳細を第４
図に示す。第４図において、ヒートパイプコンテ
ナ１は、封入パイプ３の両端でジヨイント２４を
介してナトリウムループに連結される。又、ヒー
トパイプコンテナ１の上下には、ベローズシール
の仕切弁２５，２６が設置されている。ヒートパ
イプコンテナ１に並列に計量ポツト２７が設置さ
れ、このポツト内に連続指示式の液面計２８が備
えられている。２９は高真空排気装置であり、計
量ポツト２７内のガスを吸引することができる。
又、これは弁切換等によりガス加圧できる装置も
兼ねるものである。３０は、排気装置２９に至る
までの冷却セクシヨンであり、ここでガスが冷却
される。又、ナトリウム蒸気の凝縮トラツプとも
なる。ナトリウム弁３１〜３５は図のように配置
される。又、３６のようなラインでヒートパイプ
自体も排気系２９に接続されている。

こうして、本発明の方法に依れば、ナトリウム
ループでコールドトラツプを用い循環運転し、容
易に高純度のナトリウムが得られる。一方、ナト
リウム中に混入しうる不凝縮性ガスとしてカバー
ガスが挙げられるが、水などの流体と違いナトリ
ウム等のアルカリ液体金属では、通常使用温度
（300〜500℃程度）では、液体中にガスはほとん
ど溶け込まず、無視し得る。混入ガスとして問題
になるのは、自由ガスの存在である。これは、初
期ナトリウム充填を真空充填としたり、又、膨張
タンク２１で重力分離により取り除かれるのであ
るが、従来までのアルゴンガスのように比重の大
きなガスでは、膨張タンク２１での重力分離効率
がやや悪い。一方、本発明のように高脱気が必要
な場合には、ヘリウムガスを用いれば、ヘリウム
はアルゴンの約1/10の比重ゆえ、極めて分離性能
が向上し、ほぼ完全な脱気を行うことができる。
かくして、高純度でかつ充分に脱気されたナトリ
ウムをヒートパイプに供給することができる。言
うまでもないが、純度は不純物濃度計２０により
常に監視される。

次に、ヒートパイプへの充填手順を示す。弁２
５，２６が閉状態で、ヒートパイプコンテナ１が
ジヨイント２４を介しループに接続される。この
ときヒートパイプコンテナ１の中は空気で満たさ
れているので、弁３５を開き、排気装置２９で空
気を追い出す。その後の操作として、ヒートパイ
プ内にナトリウムを充填する為には予熱する必要
があり、約350℃以上まで昇温する。この際、ル
ープ内のナトリウム温度もほぼこれと同じ温度と
する。昇温後、ごく短時間、弁３５を開くととも
に排気装置２９を用い、昇温により更に発生した
吸着ガスを追い出しヒートパイプ中を真空にす
る。この後、弁３５は閉じる。この操作について
は、もしこれを行なわぬ場合、ヒートパイプ内の
ウイツクが密であるとき、ウイツク内に存在する
自由ガスが液との界面張力により抜けきらぬ恐れ
がある為、行なうものであり、この心配が少ない
ようなウイツクでは、ヒートパイプ設置時にヘリ
ウムガスをパージする程度でも充分であり、場合
によつては、この真空プロセスを省略しても良
い。

次に、弁２５，２６を開け、ループ内のナトリ
ウムをヒートパイプ内に循環させる。このとき弁
３１，３３は開、弁３２，３４は閉の状態であ
る。ヒートパイプコンテナ内１に350℃以上のナ
トリウムを循環すると、この中の不純物のほとん
どはナトリウムと反応するか、又は流し去られる
かし、ほぼ完全なフラツシングが行なわれる。こ
れにより、従来の他のどんな処理にも勝るフラツ
シングが可能となる。加えて、高温ナトリウム自
体をウイツクに流動させるので、ウイツクとナト
リウムのなじみが良くなり、漏れ性が向上し、ヒ
ートパイプ性能上の生命であるウイツクの液還流
性能を大きく高める。従来の濡れ性を良くする為
の前処理では、前処理剤自体が残留し、これが新
たな不純物源となつていたが、ヒートパイプ封入
流体自体で前処理することになるのでこの心配は
全くなくなる。言うまでもないが、ヒートパイプ
フラツシング時に、ヒートパイプより除去された
不純物は、すべてコールドトラツプ１３に捕獲さ
れる。

フラツシングが完了すると、弁３４をごく短時
間開き、ヒートパイプと計量ポツト２７を連続す
る配管をナトリウムで満たし、すぐに弁３４を閉
じる。次に、弁３２を微開にして連続式液面計２
８がナトリウムレベルを検知するまでナトリウム
を計量ポツト２７に入れる。次に、弁２５，３１
を閉じ、かつ弁３２を全開にする。これによりヒ
ートパイプコンテナ１の上端側が閉じられた状態
で計量ポツト２７と連通管を形成する。この状態
で排気装置２９を起動し、計量ポツト２７の内部
のガスを引いていくと、ヒートパイプ内のナトリ
ウムが計量ポツト２７に移動していく。なお、
350℃程度のナトリウムの蒸気圧はかなり小さく、
排気装置への影響は小さい。移動量は液面計２８
により測定されるので、ヒートパイプ１の内部に
充填するナトリウム量を把握できることとなる。
更に、計量ポツトとのレベル差より封入真空度を
把握でき、かつ排気装置はレベル差を工夫すれば
それ程高真空は不要である。こうして充填が完了
すると、直ちに弁２６を閉じ、ヒートパイプコン
テナ１を冷却後、封入バィプ３をクランプしたの
ち、ジヨイント部２４よりヒートパイプコンテナ
を外す。計量ポツト２７に残留したナトリウム
は、弁３３も閉じたのち弁３２，３４を開け、計
量ポツト内のガスを適宜加圧し、ナトリウムを排
出し、次のヒートパイプコンテナへのナトリウム
封入に備える。

以上により、本発明では次のような諸効果が得
られる。

(1) アルカリ液体金属のヒートパイプへの充填に
際し、従来とは比較にならない高純度の液体金
属を充填できる。

(2) ヒートパイプの充填前フラツシングでほぼ完
全に不純物を除去できるので、ヒートパイプに
液体封入後、使用期間中に新たな不純物が液体
中に溶出することはほとんどない。

(3) ヘリウムガスをカバーガスとする液体金属ル
ープでのヒートパイプ封入ライン設置により、
充分に脱気された液体を封入できる。

(4) 従来のアルカリ液体金属のヒートパイプへの
封入作業のひとつの欠点であつた真空排気に、
特殊な装置技術を必要としなくなつた。すなわ
ち、ヒートパイプ自身の中を直接真空排気する
のではなく、並列計量ポツト内を排気するの
で、汚染の心配がほとんどなく、かつ高真空に
する必要もなく、さらに前記の冷却部３０を設
ければ、温度的な制限も皆無となる。又、ヒー
トパイプ内の封入真空度の把握も原理的に可能
となる。

(5) 液体金属自身のフラツシングにより前処理し
ているので、ウイツクの濡れ性は極めて良く、
ヒートパイプの液還流性能を大きく高める。
又、濡れ性向上前処理に伴なう新たな汚染がな
い。

(6) 計量ポツトの導入により、ヒートパイプへの
充填量を正確に把握できるようになる。

(7) 液体金属ループ中へのオン・ラインヒートパ
イプ封入ラインを設置したことにより、プロセ
スが簡略化でき、かつオン・ラインゆえ汚染の
確率が減じる。さらに、純度等の把握が可能と
なる。

(8) 以上の総合効果として、耐久性、性能に秀れ
るアルカリ液体金属ヒートパイプを工業的規模
に生産することを可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の典型的なヒートパイプの概略
図である。第２図は、ヒートパイプの製作に用い
る真空蒸留、凝縮法の装置の一例を示す。第３図
は、本発明の方法によるコールドトラツプを有す
る循環式液体金属ループの概略図を示し、第４図
は、第３図でのヒートパイプ充填ラインの詳細図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ウイツク内蔵ヒートパイプ容器にアルカリ液
   体金属を充填するアルカリ液体金属ループにてヒ
   ートパイプへの作動液封入方法において、該アル
   カリ液体金属ループにコールドトラツプならびに
   不純物濃度計を設け、該容器に並列に計量ポツト
   を設置し、更に自由液面上部のカパーガスとして
   ヘリウムガスを用いて、該ループを封入ラインと
   して上記ヒートパイプ容器の封入パイプの一方
   と、また上記計量ポツトの非ガス供給側を真空排
   気装置に接続してオン・ライン処理することを特
   徴とする、ヒートパイプへの作動液封入方法。