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。

Development of a thermal-hydraulics experimental system for high Tc superconductors cooled by liquid hydrogen

達本 衡輝; 白井 康之*; 塩津 正博*; 畑 幸一*; 小林 弘明*; 成尾 芳博*; 稲谷 芳文*; 加藤 崇; 二川 正敏; 木下 勝弘*

Journal of Physics; Conference Series, 234, p.032056_1 - 032056_9, 2010/07

https://doi.org/10.1088/1742-6596/234/3/032056

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が、実験環境の制約や安全性の配慮のため十分にデータが取れない状況であった。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試験装置を開発した。本装置では、メインタンクとサブタンクを連結する輸送配管の一端に円管ヒータを設置した特徴を有し、流調弁の開度を調整することにより、安定な強制対流が発生できる。水素防爆の観点から、実験装置から安全距離を十分確保した制御室で、遠隔により計測・制御するという条件も満足させ、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, 21Kの条件下で、流速を変化させ、世界に先駆け、液体水素の強制対流熱伝達を測定することに成功した。

図形編集プログラムGRASYS; 使用手引書

松本 潔; 大久保 収二*; 鴻坂 厚夫; 滝川 好夫*; 小林 弘明*

JAERI-M 89-068, 150 Pages, 1989/05

JAERI-M-89-068.pdf:2.65MB

グラフィックディスプレイ上で図形を編集・表示するプログラムGRASYS(Graph Synthesis System)を開発した。GRASYSで扱う図形は作図指示データと呼ばれる言語形式で記述される。1つの図形を描く作図指示データの集まり(セグメント)を作成・引用・編集の単位として取扱い、端末画面上で単純な図形を合成して新たなセグメントを作成できる。これらの機能により、複雑な図形を描いたり部分図形を他の図形の一部に転用することが容易に行える。また、セグメントには解析プログラムによる計算結果をトレンド図や棒グラフ等を含めることができ、プラント状態表示等、多くの分野で応用できる。さらに、画面上で作成・編集した図形と作図指示データ文との対応を容易にできるように、図面上に表示されている図形に対応する作図指示データ文を出力する機能を持ったサブシステムGREDITが含まれる。本報告書はGRASYS(含GREDIT)の使用手引書である。

垂直円管内超臨界水素の強制対流熱伝達

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

no journal, , 

超臨界圧水素(1.5MPa)が内径6mmの電流加熱垂直円管内を上昇する場合の円管内面における強制対流熱伝達を流速(1から12m/s)、流入温度(21Kから33K)を変えて測定した。本実験システムで採用した高精度デジタルはかりによる質量流量測定法の有用性も同時に確認することができた。発熱体表面温度が臨界温度以下の領域では、超臨界圧水素の強制対流熱伝達はDittus-Boelter式とよく一致することが明らかになった。一方、発熱体表面温度が臨界温度以上になるとその強制対流熱伝達特性は劣化し、表面過熱度が100K付近で、再び、その熱伝達特性が改善する現象が見られた。さらに、本研究で得られた実験データをもとに超臨界圧水素の強制対流熱伝達表示式の導出に成功した。

液体水素冷却超伝導線材特性測定装置の開発

達本 衡輝; 白井 康之*; 樋川 恭介*; 原 佑規*; 塩津 正博*; 小林 弘明*; 成尾 芳博*; 八木下 剛*; 野中 聡*; 丸 祐介*; et al.

no journal, , 

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及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。2012年の夏期に完成させ、初めての低温性能試験を実施し、設計どおりの性能を有することを確認した。

カプトン中陽電子寿命の電場効果

酒井 弘明; 峯井 俊太郎; 平出 哲也; 大島 永康*; 小林 慶規*; 木野村 淳*; 鈴木 良一*

no journal, , 

高分子中において高電圧印加した場合、絶縁破壊近くで電子と陽電子の結合状態であるポジトロニウムの形成が増大すると報告されている。絶縁物中のポジトロニウム形成を説明するスパー反応モデルで、この現象を説明することはできない。そこで、電場が無い状態で、ポジトロニウムが形成されない、カプトン(ポリイミド)中で、陽電子消滅寿命におよぼす電場印加の効果を測定することで、高電場によってポジトロニウム形成が見られるか確認した。その結果、長寿命を示す三重項ポジトロニウムの形成は見られず、ポジトロニウムを形成しないで消滅していく、陽電子からの消滅成分の寿命値が長くなることがわかった。これは、陽電子のドリフトが起こることで説明することができ、また、報告されている結果も、ポジトロニウム形成の増大ではなく、寿命値の変化に起因するものであった可能性が示された。

垂直加熱円管内における液体水素の強制対流熱伝達

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*

no journal, , 

円管流路内における飽和液体水素の強制流動下における熱伝達特性の圧力および流速依存性を明らかにするために、垂直に支持したステンレス製の円管発熱体(直径6mm、加熱長さ50mmから250mm)を用いて、飽和液体水素の強制流動下における定常熱伝達特性を測定した。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(10m/s)として変化させた。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ることがわかった。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することがわかった。強制対流下での核沸騰の限界値であるDNB熱流束は、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。この高流速側と低流速側のしきい値とDNB熱流束の流速依存性は、無次元数であるウェーバー数(We)で整理できることを明らかにし、飽和液体水素の強制流動下におけるDNB熱流束の相関式を導出し、実験結果をよく記述できることを確認した。

強制対流下におけるサブクール液体水素の過渡熱伝達特性

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定常および過渡熱伝達特性を圧力0.4MPaおよび0.7MPa、液温21Kの条件下で測定した。流速は0.4m/sから5.5m/sまで変化させた。定常限界熱流束(CHF)は、流速が速い方が大きくなるが、流速条件が1m/sを境にCHFの流速依存性が変化することがわかった。一方、加熱速度が速くなると、核沸騰熱伝達域では、加熱速度の影響はほとんどないが、過渡CHFは、加熱速度が速くなるにつれて大きくなり、液体窒素で報告されているような膜沸騰直接遷移現象による過渡CHFの低下は液体水素の場合ないことがわかった。また、過渡状態におけるCHFは、定常CHFからの上昇分として整理することができ、流速および圧力に依存せず、加熱速度の関数で表されることがわかった。