Development of an experimental system for characterization of high-temperature superconductors cooled by liquid hydrogen under the external magnetic field

達本 衡輝; 白井 康之*; 塩津 正博*; 成尾 芳博*; 小林 弘明*; 稲谷 芳文*

Journal of Physics; Conference Series, 507(2), p.022042_1 - 022042_4, 2014/05

https://doi.org/10.1088/1742-6596/507/2/022042

これまでにない外部磁場環境下における液体水素中の高温超電導材料の通電基礎特性データを取得し、液体水素冷却高温超電導機器の冷却設計指針を確立するために、液体水素冷却超伝導線材特性測定装置を設計・製作を行った。本装置では、高温超電導線材等の供試体を設置する液体水素槽は、実績のある既存の液体水素熱流動実験装置をベースに機器設計および安全設計を行った。その外側に真空断熱槽を介して、磁場発生用の7TのNbTi超電導マグネット冷却用液体ヘリウム槽を設けて、多重容器構造とした。長時間、安定に実験を行うために、熱流動解析により侵入熱軽減対策を実施し、超電導マグネットクエンチ時の安全対策を検討した。さらに、強磁場発生時における周辺機器への漏洩磁場の影響も3次元磁場解析により明らかにし、その軽減対策も施した。水素防爆の観点から、実験時は、安全距離を十分確保した制御室で行えるように、遠隔による計測・制御システムも構築した。初めて実施した低温性能試験により、設計どおりの性能を有することが確認できた。

Effect of a heated pipe length on DNB heat flux in forced flow of liquid hydrogen

達本 衡輝; 白井 康之*; 塩津 正博*; 畑 幸一*; 成尾 芳博*; 小林 弘明*; 稲谷 芳文*; 成田 憲彦*

Proceedings of 24th International Cryogenic Engineering Conference (ICEC 24) and International Cryogenic Materials Conference 2012 (ICMC 2012) (CD-ROM), p.157 - 160, 2012/05

内径が6mm、加熱長さが50, 100, 200, 250mmのステンレス製円管発熱体を用いて、飽和液体水素(0.4, 0.7, 1.1MPa)を強制流動させた場合の熱伝達特性を流速をパラメータとして測定した。非沸騰の熱伝達は従来のDittus-Boelter式とよく一致することを明らかにした。流速及び飽和圧力が小さくなると、核沸騰限界(DNB)熱流束は大きくなり、加熱長さの-0.35乗に比例することが実験データとの比較により明らかになった。さらに、実験結果は、導出した核沸騰限界熱流束相関式により記述できることを明らかにした。

Forced convection heat transfer of subcooled liquid nitrogen in a vertical tube

達本 衡輝; 白井 康之*; 畑 幸一*; 加藤 崇; 二川 正敏; 塩津 正博*

Journal of Physics; Conference Series, 234, p.032057_1 - 032057_8, 2010/07

https://doi.org/10.1088/1742-6596/234/3/032057

液体水素の熱伝達に関する知見は中性子源用モデレータの設計に重要である。本研究では、ポンプを使用せずに強制流動を発生できる装置を開発し、液体水素を使う前段階として、サブクール液体窒素の垂直円管発熱体からの強制対流熱伝達を圧力,温度,流速を種々に変化させて実験を行った。本装置で最大9m/sの流速が得られた。非沸騰域の熱伝達係数,DNB熱流束は、流速とサブクール度とともに大きくなる結果が得られた。非沸騰域において無次元数Nu/Prはの0.8乗に比例する関係が得られた。が低くなると、実験結果はその相関関係からずれ、プール中の自然対流熱伝達から得られる値に漸近する結果が得られた。さらにDNB熱流束を予測する相関式の導出を行い、実験結果を15%以内で表す妥当性を有することを確認した。

Forced convection heat transfer of nitrogen at supercritical pressure

達本 衡輝; 白井 康之*; 畑 幸一*; 加藤 崇; 塩津 正博*

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 22 (ICEC-22) and International Cryogenic Materials Conference 20 (ICMC 2008), p.383 - 388, 2009/00

超臨界水素の熱伝達に関する知見は中性子源用モデレータの設計に不可欠である。本研究では、ポンプを使用せずに強制流動を発生できる実験装置を開発した。超臨界水素に関する基礎研究として、超臨界窒素を用いて水平円管発熱体における強制対流熱伝達を圧力,温度,流速を種々に変化させて実験を行った。本実験装置で、最大で5m/s流速が得られた。発熱体はステンレス製で、内径5.4mm,長さ100mmの円管発熱体で、その外側はFRPにより断熱されている。臨界温度以下での熱伝達係数,擬臨界限界熱流束は、流速と入口温度とともに大きくなる結果が得られた。表面温度が臨界温度を超えると、熱伝達の劣化がみられた。臨界温度以下での熱伝達係数の無次元数Nu/PrはRe0.8乗に比例する関係が得られた。実験結果はReが低くなると、その相関関係からずれ、プール中の自然対流熱伝達から得られる値に漸近する結果が得られた。さらに、擬臨界限界熱流束を予測する表示式を導出した。

Numerical analysis of forced convection heat transfer of subcooled liquid nitrogen

達本 衡輝; 白井 康之*; 畑 幸一*; 加藤 崇; 麻生 智一; 大都 起一; 塩津 正博*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 18(2), p.1483 - 1486, 2008/06

https://doi.org/10.1109/TASC.2008.921981

液体水素の強制対流熱伝達に関する知見は、低温水素を用いる中性子源用モデレータ及びMgB超伝導マグネットの冷却設計に重要である。複雑な冷却流路内の熱流動現象を詳細に把握し、最適な設計をするためには、流体解析コードの使用が不可欠である。本研究では、まず、水平円管内における液体窒素の強制対流熱流動解析を汎用の熱流体解析コード(STAR-CD)を用いて行い、同一条件下における著者らの実験結果と比較した。乱流モデルには低レイノルズ型モデルを用いた。解析結果は、レイノルズ数が以上で実験とよく一致することがわかった。レイノルズ数が以下では、解析結果は実験結果より低くなった。水平円管の場合、レイノルズ数が2以下で浮力の影響が現れることが、解析により明らかになった。

流体金属二相流の熱流動特性に関する基礎研究(2)-ナトリウムの沸騰伝熱特性-

堺 公明; 塩津 正博*; 畑 幸一*; 白井 康之*; 濱 勝彦*

JNC TY9400 2002-004, 95 Pages, 2002/03

JNC-TY9400-2002-004.pdf:2.59MB

本研究では、ナトリウム冷却高速増殖炉の重要なクライテリアの一つである沸騰開始条件を明確にする観点から、ナトリウムの沸騰開始過熱度について、実験及び評価モデルの検討を実施した。ナトリウムの沸騰開始過熱度は、従来よりデータの分散が大きいと指摘されている。様々な影響因子のうち、特に重要な影響因子として、ナトリウム中に溶存する酸素濃度及び流速の依存性につき試験を実施した。その結果、酸素溶存依存性について、比較的低温(液温 863K及び 923K)の条件においては、沸騰開始過熱度は酸素濃度に依存して変化することを確認した。また、流速の依存性について、流速の増大にともなって沸騰開始過熱度は低下し、流速依存性を有することが確認された。さらに、それらの結果に基づき、un-floodedキャビティからの発泡形態を想定した流速依存性モデルを導出した。モデルでは、臨界気泡径を代表長さとするレイノルズ数を新たに定義した。 従来、水、混合冷媒(R-113)、及び、ナトリウムは異なる流速依存性を示すことが報告されているが、本モデルによれば、それらを統一的に説明可能であることが明らかとなった。

ナトリウムの沸騰開始過熱度と限界熱流束に関する研究 - 先行基礎工学分野に関する平成8年度報告書 -

塩津 正博*; 畑 幸一*; 濱 勝彦*; 白井 康之*; 竹内 右人*; 堺 公明

PNC TY9604 97-002, 15 Pages, 1997/03

PNC-TY9604-97-002.pdf:0.41MB

本研究は、高速炉の安全裕度を評価する上で、燃料破損の要因となりうるような大きなナトリウムの沸騰開始過熱度や沸騰開始後の膜沸騰への遷移がどのような条件下で発生するかを明確にするために、自然対流下のナトリウム中の試験発熱体における初期沸騰温度と限界熱流速を系統的に求め、実験開始以前の履歴、発熱率上昇速度、液サブクール度等の沸騰開始過熱度及び限界熱流束への影響を明らかにし、それらの物理的機構を解明することを目的とする。平成8年度は、実験開始以前履歴の影響、コールドトラップ温度の影響について実験を実施した。その結果、沸騰開始過熱度について、実験開始以前の加熱履歴の明確な影響は認められず、沸騰開始過熱度が10から50近傍に到る一群と100から250近傍に至る一群の大きくばらついた結果が得られた。沸騰開始過熱度が50以下の場合には一旦核沸騰を経過して限界熱流速に到達し発熱体温度が急上昇したが、沸騰開始過熱度が100以上の場合には、非沸騰状態から沸騰開始と同時に膜沸騰遷移が起こり温度が急上昇した。100以上の沸騰開始過熱度はコールドトラップ温度が120以下に集中しており、酸素濃度が初期沸騰に大きく影響することが推測される。

高温超電導材冷却を目的とした液体水素熱流動特性試験装置; 設計・試験方法

達本 衡輝; 白井 康之*; 塩津 正博*; 小林 弘明*; 成尾 芳博*; 稲谷 芳文*; 畑 幸一*

no journal, , 

液体水素の熱流動特性に関する知見は中性子源用モデレータの設計に不可欠である。しかし、可燃性である水素に対する実験環境の制約があるため、これまで十分なデータの取得が困難であった。本研究では、水素に対する安全性を考慮に入れた液体水素冷却特性実験装置の開発を進めてきた。本装置では、メインタンクとサブタンクを連結する断熱真空輸送配管の一端に円管ヒータを設置した特徴を有している。断熱真空輸送配管に設置した流調弁の開度を調整することにより、円管ヒータ内に強制対流を発生させることができる。初めての低温試験を実施し、設計どおりの性能を確認することができた。さらに、0.7MPaの圧力下での液体水素の強制対流熱伝達を測定することにも成功した。

液体水素の強制流動下における過渡熱伝達

達本 衡輝; 白井 康之*; 塩津 正博*; 堀江 裕輝*; 米田 和也*; 松澤 崇之*; 小林 弘明*; 成尾 芳博*; 稲谷 芳文*

no journal, , 

直接強制冷却方式のCICC(ケーブルインコンジット)超伝導導体内における液体水素の冷却安定性を評価するために、内径8mm、全長が120mmの流路の中心軸上に設置した 直径1.2mm、加熱長さ120mmのPtCo製ワイヤヒーターを用いて、指数関数状に連続に加熱した場合のサブクール液体水素の強制流動下における過渡熱伝達特性を測定した。流速は0.8m/sから5.6m/sまで変化させた。加熱速度がゆっくりの場合、非沸騰域の熱伝達は、Dittus-Boelter式の予測値とよく一致した。加熱速度が速くなると、過渡熱伝導の寄与が大きくなり、Dittus-Boelter式より大きくなった。同じ加熱速度の場合、流速が速い方が、熱伝導の影響は小さくなった。この熱伝導の影響が現れる加熱速度は、流速が速いほど、速くなった。一方、核沸騰熱伝達域では、加熱速度の影響はほとんどないが、DNB(Departure from Nucleate Boiling)熱流束は、加熱速度が速くなるにつれて大きくなった。過渡状態におけるDNB熱流束は、定常DNB熱流束からの上昇分として整理することができ、流速に依存せず、加熱速度の関数で表されることがわかった。

サブクール液体水素の強制流動下における流路中心垂直発熱線におけるDNB熱流束

達本 衡輝; 白井 康之*; 塩津 正博*; 堀江 裕輝*; 米田 和也*; 松澤 崇之*; 小林 弘明*; 成尾 芳博*; 稲谷 芳文*; 茂田 宏樹*; et al.

no journal, , 

ケーブルインコジット導体(CICC)のような直接冷却方式の超伝導導体内の冷却特性を解明するために、円管流路内の中心軸上にPtCo製の直径1.2mm、長さ60mmから200mmのワイヤ発熱体を用いて、サブクール液体水素の強制流動下における核沸騰限界熱流束を測定した。圧力条件は0.4MPaから臨界圧力よりわずかに低い1.1MPaまでとし、流速をパラメータとして16m/sの範囲まで変化させた。非沸騰域の熱伝達はDittus-Boelter式で予測される値と一致したが、流速が遅い領域では層流と自然対流の影響のため、実験結果は従来の相関式より大きくなった。核沸騰熱伝達は同一圧力条件下では流速に依存しないが、圧力が高くなるにつれて向上した。強制対流下での核沸騰の限界値であるDNB熱流束は円管の場合と同様に低流速域では流速に比例し、高流速域側では、その増加傾向は小さくなった。このしきい値とDNB熱流束の流速依存性はウェーバー数(We)で整理でき、代表長さに加熱等価直径を用いることにより、既に円管で導出したDNB熱流束相関式で実験結果を記述できることを確認した。