JPH06323767A - 高温用ヒートパイプの安全装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルカリ金属を作動流体とした高温用ヒート
パイプの安全な使用と、さらなる高温使用を容易に可能
とする高温用ヒートパイプの安全装置を提供する。 【構成】 高温用ヒートパイプ１と、このヒートパイプ
１のアルカリ金属からなる作動流体１１を安定なアルコ
ラートに変化させる反応容器４とを連絡管２を介して連
通し、この連絡管２中に、常時はこの連絡管２を遮断す
るが、所定圧以上の圧力の作用により破裂して反応容器
４とヒートパイプ１とを連通させるラプチャーディスク
３を設ける。また反応容器４にその内部圧力を所定値以
内に抑える放圧弁５を設ける。ヒートパイプ１内が異常
高圧になれば、ラプチャーディスク３が破裂して、内部
の作動流体１１は反応容器４内に流出され、ここで安定
物質であるアルコラートに変えられる。したがって、ア
ルカリ金属がそのまま外部に放出されることを防止する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はナトリウム等のアルカ
リ金属を作動流体とする高温用ヒートパイプの安全装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ナトリウム（Ｎａ）はその沸点が８８９
℃と高いため、Ｎａを作動流体としたナトリウムヒート
パイプは高温用廃熱回収装置をはじめ、スターリングエ
ンジン、太陽熱集熱装置、高温均熱炉、原子力関係等の
高温用熱交換手段として種々に用いられるようになって
きている。

【０００３】この場合、Ｎa は水と反応し、空気中の水
分とも激しい酸化反応を生じるため、このヒートパイプ
に万一破損等が生じた場合でも、事故を最小限に食い止
めるべく、このヒートパイプには安全上の考慮がなされ
ている。例えば、その密閉容器をＳＵＳ３１６Ｌにて構
成したものでは、その設計上限温度を８００℃程度に抑
えているとともに、このヒートパイプ内のＮa の蒸気圧
を常に負圧に抑えるような考慮がなされている。また、
その密閉容器をインコネル６００（Ｎｉ系耐熱合金）に
て構成したものでは、その設計上限温度を１０００℃程
度に抑えているとともに、このヒートパイプ内のＮa の
蒸気圧を大気圧より高くてもせいぜい２〜３ａｔｍ高い
程度の低い圧力に抑えるような考慮がなされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年１
０００℃を超えた高温域で使用されるナトリウムヒート
パイプの需要が増大し、密閉容器の材料が比較的低価格
で入手が容易なＳＵＳ３１６Ｌやインコネル６００等の
材料では容易に対応しきれないといった問題が生じてき
ている。このためタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、タンタル（Ｔａ）、セラミック等についても密閉
容器の材料として検討せざるを得ず、ヒートパイプの高
コスト化や長納期化の問題とともに、種々の設計条件の
検討をもしなければならず、このようなヒートパイプを
製作するのは容易ではなかった。

【０００５】また、特にスターリングエンジンに使用さ
れるＮa を作動流体とした高温用のヒートパイプでは、
このエンジンの動作ガスであるヘリウム（Ｈｅ）を被加
熱体とし、このＨｅが高圧状態で流れるチューブをその
密閉容器内に包含した構造となるため、このヒートパイ
プの作動温度がＮa の沸点以下の温度であっても、この
チューブがこのヒートパイプの密閉容器内で破損すれ
ば、このヒートパイプの密閉容器内の圧力が数十気圧ま
で上昇してしまうこととなる。このため、このヒートパ
イプの密閉容器が破損され、その作動流体であるＮa が
爆発的に外部に飛散して、大きな事故が生じてしまう可
能性も考えられる。

【０００６】なお、上記の問題はリチウム（Ｌｉ）やカ
リウム（Ｋ）といったアルカリ金属を作動流体とした高
温用のヒートパイプにも同様に生じる。

【０００７】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、アルカリ金属を作動流体とした高温用ヒートパイ
プの安全な使用と、さらなる高温使用を容易に可能とす
る高温用ヒートパイプの安全装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、高温用ヒートパイプのアルカリ金属
からなる作動流体と反応して安定なアルコラートに変化
させる反応容器と、この反応容器と前記ヒートパイプと
を連通させる連絡管と、常時はこの連絡管を遮断しかつ
所定圧以上の圧力の作用により破裂して前記反応容器と
前記ヒートパイプとを連通させるラプチャーディスク
と、前記反応容器の内部圧力を所定値以内に抑える放圧
弁とを有することを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】ヒートパイプ内の圧力が何らかの原因により所
定圧以上に上昇すれば、ラプチャディスクが破裂して、
内部の作動流体は反応容器側に流出し、ヒートパイプ内
の圧力が下げられる。そして、この反応容器では、ここ
に流入したアルカリ金属からなる作動流体が安定な物質
であるアルコラートに変えられるとともに、この反応容
器内の圧力が所定値より上昇すれば、放圧弁が開き、こ
の反応容器内の圧力が所定値以下に抑えられる。この場
合、反応容器から外部にアルカリ金属が放出されても、
これは安定なアルコラートとなっているため、このアル
カリ金属が空気中の水分等と激しく反応することはな
い。

【００１０】

【実施例】つぎにこの発明の実施例を図面を参照して説
明する。図１はヒートパイプとこれに取り付けられた安
全装置の断面図である。

【００１１】図において、符号１は前後に細長い密閉容
器１０内に作動流体１１としてＮaが封入されている高
温用のヒートパイプであり、このヒートパイプ１はその
前端部側が上傾した凝縮部１ａとなっており、その後端
部側が下傾した蒸発部１ｂとなっている。

【００１２】ここで、このヒートパイプ１は真空脱気し
た密閉容器１０の内部に目的温度範囲で蒸発・凝縮する
流体（この場合はＮa ）を作動流体１１として封入した
ものであり、蒸発部１ｂにおける吸熱によって作動流体
１１を蒸発させ、この蒸気を凝縮部１ａに移動させて、
これを凝縮部１ａにて凝縮させることにより、その熱を
外部に放出させるものである。この場合、凝縮部１ａか
ら蒸発部１ｂへの作動流体１１の液還流は重力の作用に
よってなされるが、密閉容器１０内にウィックを設け、
このウィックの毛細管力によって液還流を行うようにし
てもよい。

【００１３】上記ヒートパイプ１の蒸発部１ｂの先端部
側には、連絡管２、ラプチャーディスク３、反応容器４
および放圧弁５から構成されるこのヒートパイプ１の安
全装置６が取り付けられている。なお、安全装置６の各
機器はヒートパイプ１と同等以上の耐熱性等を有する材
料から構成されている。

【００１４】連絡管２はヒートパイプ１と反応容器４を
連通する細い管であり、ヒートパイプ１の蒸発部１ｂの
先端からこのヒートパイプ１の長手方向に沿って延びる
上傾部２ａと、反応容器４側に下降する下降部２ｂとか
ら構成されている。そして、この連絡管２の上傾部２ａ
中にはラプチャーディスク３を挟み付けたフランジ部２
ｃが形成されており、このフランジ部２ｃ中のラプチャ
ーディスク３により連絡管２のヒートパイプ１と反応容
器４との間は遮断されている。ラプチャーディスク３は
ヒートパイプ１内の圧力が何らかの原因により所定圧以
上に上昇した場合に、その中央部が破裂して、ヒートパ
イプ１と反応容器４とを連通させ、ヒートパイプ１の密
閉容器１０の破壊を防止するものである。このため、ラ
プチャーディスク３の破裂圧力は例えばヒートパイプ１
の密閉容器１０の設計圧力以下に設定されている。

【００１５】また、反応容器４はその内部にヒートパイ
プ１の作動流体１１であるＮa と反応して、これを安定
なナトリウムアルコラートに変える液状のアルコール
（例えばメタノール）４ａを有している。放圧弁５は反
応容器４の上部側に取り付けられ、反応容器４内のガス
を外部に放出して、反応容器４の加圧を防止するもので
ある。なお、反応容器４およびラプチャーディスク３と
反応容器４間の連絡管２中はＮa と反応しない例えばア
ルゴンガスのような不活性ガスＧで満たされている。

【００１６】つぎに、このヒートパイプ１の安全装置６
の動作を説明する。なお、ヒートパイプ１はその密閉容
器１０が例えばインコネル６００で構成され、その設計
温度が例えば１０００℃となっているとともに、その設
計圧が例えば３ａｔｍとなっていて、内部の作動流体１
１はその通常の運転状態において、その蒸気圧が１〜２
ａｔｍを越えないようになっているものとする。また、
この場合、ラプチャーディスク３の破裂圧力も３ａｔｍ
に設定されているものとする。

【００１７】例えば何らかの異常によって、ヒートパイ
プ１の蒸発部１ｂが１０００℃以上に加熱され、その密
閉容器１０内の作動流体１１の蒸気圧が３ａｔｍ以上に
上昇すると、ラプチャーディスク３が破裂し、密閉容器
１０内の作動流体１１は連絡管２を介して不活性ガスＧ
中を反応容器４内に流れ出す。そして、この反応容器４
内で、作動流体１１であるＮa は ２Ｎa ＋２ＣＨ₃ ＯＨ → ２ＣＨ₃ ＯＮa ＋Ｈ₂ ‥‥（１） のように反応して、安定な物質であるナトリウムアルコ
ラート（ＣＨ₃ ＯＮa ）に変えられる。

【００１８】この場合、反応式（１）で示されるよう
に、水素ガス（Ｈ₂ ）が発生されるため反応容器４内の
圧力は上昇するが、反応容器４内の圧力が放圧弁５の設
定圧力より大きくなれば放圧弁５が開き、この放圧弁５
を介して内部のＨ₂ やＮa が外部に放出される。但し、
この場合でも、反応容器４内のＮa はすべて安定な物質
であるナトリウムアルコラートに変えられているため、
このＮa がその後水（空気中の水分等）と爆発的に反応
することはない。

【００１９】また、例えばヒートパイプ１がスターリン
グエンジンの作動流体である高圧Ｈｅを加熱するため
に、このＨｅが流されるチューブをその内部に包含して
いるようなものである場合には、何らかの原因によりこ
のチューブが破壊すれば、このチューブ内の高圧Ｈｅが
ヒートパイプ１の密閉容器１０内に漏れ込むこととな
る。このため、ヒートパイプ１の密閉容器１０内の圧力
が設計圧以上に上昇するが、この場合も、密閉容器１０
が破壊する前にラプチャーディスク３が破裂し、密閉容
器１０内に漏れ込んだＨｅや密閉容器１０内のＮa を連
絡管２を介して反応容器４側に流出させる。そして、Ｎ
a は反応容器４内で安定な物質であるナトリウムアルコ
ラートに変えられるとともに、反応容器４内の圧力が所
定値より上昇すれば、放圧弁５が開いて反応容器４内の
圧力は一定値に保持される。そして、この場合でも、反
応容器４外にＮa がそのまま放出されないので、Ｎa が
水と爆発的に反応することはない。

【００２０】以上のように、ヒートパイプ１はＮa をそ
の作動流体とした高温用のナトリウムヒートパイプであ
っても、このヒートパイプ１にはその密閉容器１０の破
壊を防止するとともに、この密閉容器１０から流出した
Ｎa を安定な物質に変える安全装置６が取り付けられて
いるため、万一このヒートパイプ１に異常な状態が生じ
ても、事故を未然に防止することができる。

【００２１】また、ヒートパイプ１に安全装置６を取り
付けることにより、このＮa を使用したヒートパイプ１
の設計温度および設計圧力を使用材料の条件ぎりぎりま
で上げることができ、比較的安価で入手が容易なＳＵＳ
３１６Ｌやインコネル６００等の材料を使用して、従来
以上の高温使用のヒートパイプ１をを容易に提供できる
こととなる。

【００２２】なお、上記実施例では作動流体１１にＮa
を使用した高温用のヒートパイプについて説明したが、
作動流体１１にリチウム（Ｌｉ）やカリウム（Ｋ）とい
った、他のアルカリ金属を使用した高温用のヒートパイ
プでも、ＬｉやＫが水と激しく反応するため、このヒー
トパイプ１に同様な安全装置を取り付けるようにすれ
ば、同様の効果を得ることができる。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなようにこの発明
によれば、作動流体がアルカリ金属にて構成される高温
用ヒートパイプに、反応容器と、連絡管と、ラプチャー
ディスクと、放圧弁とを有する安全装置を取り付けてい
るため、このようなヒートパイプの安全な使用と、さら
なる高温使用が容易に可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である安全装置とこれを備
えたヒートパイプの断面図である。

【符号の説明】

１…ヒートパイプ、 ３…ラプチャーディスク、 ４…
反応容器、 ５…放圧弁、 ６…安全装置、 １１…作
動流体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 雅彦 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 斎藤 祐士 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 青山 文明 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温用ヒートパイプのアルカリ金属から
   なる作動流体と反応して安定なアルコラートに変化させ
   る反応容器と、この反応容器と前記ヒートパイプとを連
   通させる連絡管と、常時はこの連絡管を遮断しかつ所定
   圧以上の圧力の作用により破裂して前記反応容器と前記
   ヒートパイプとを連通させるラプチャーディスクと、前
   記反応容器の内部圧力を所定値以内に抑える放圧弁とを
   有することを特徴とする高温用ヒートパイプの安全装
   置。