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;�-'R扇面tion ShieId

Vacuum Chamber Vacuum Pump

図2 ^- 1 1号実験装置

ハυ吋/】

シーjレド板の外倶IJには、 幅射による侵入熱を極力低減するため多層断熱 材を施工している。 また、 真空容器は実験中に真空引きを行って高真空 を保持している。

(b)凝縮試験部

凝縮管を実験装置に取り付けた状態を図2 - 2に、 凝縮管の詳細図を 図2- 3に示す。

凝縮管の外径は32 mm、 凝縮部分は内径d= ₁₅ mm 長さL=30 mm の管内面である。 凝縮管の材質は熱伝導を良くするため高純度無酸素銅 製とし、 伝熱面の組さは+3μm程度である。 凝縮管とステンレス鋼製支 持管の接続はインジュームを使用してフランジ接合としており、 断熱真 空部へのガス漏れ 防止と共に凝縮管と支持管のフランジ問の固体接触に よる熱伝導を小さくして、 凝縮管以外の部分にガスが凝縮することを防 止した。 さらに凝縮管上部には厚さ3 mm のFRP板を接着してガスの 凝縮を防止している。 凝縮管上部には実験開始時にリボイラー内に液体 水素を製造するために水素ガスを導入するステンレス銅製の細管(外径 3 mm， 内径2 mm)が取り付けられている。

凝縮実験時に必要となる凝縮管内部飽和圧力はリボイラー液面を測定 するガス用圧力導管から圧力変換器を介して測定しており、 凝縮管内の ガス圧力から求めた飽和ガス温度の誤差は圧力変換器の誤差が主なもの であり、 +0.02 K以内である。

本実験では、 上述のように従来実施されている凝縮管内部の飽和ガス 温度を飽和圧力から推定する方法に加え、 飽和ガス温度を直接測定する 方法も採用し、 両者の実験データを比較した。 飽和ガス温度は凝縮管内 部のガスの流れを乱さない ようにリボイラー上部に設置したゲルマニウ ム抵抗温度計で測定した。 ゲルマニウム抵抗温度計の精度はi::O.Ol K以 内である。

凝縮管はG-M冷凍機を寒冷源として熱伝導で冷却するので、 凝縮壁 の温度を上部と下部で一定に保持するため、 凝縮壁の肉厚を厚くして伝 熱が容易な構造としている。 また、 壁温を測定する温度計の挿入穴を壁

11A 今ん

G -M

____---Refrigerator

Upper Flange---ロ

Condensing Tube---:

(Cu)

⑨\ �1

--Support Tube (SUS)

す

LH2

f16mm O.D.

-115.4mm I.D.I

⑦

トReboiler

図2-2 凝縮試験部詳細川号実験装置)

とφ15

。コ寸

Dimensions in mm

Section A-A'

図2- 3 凝縮管( 1号実験装置)

-22

-の中に設け、 直径3 mm のゲルマニウム抵抗温度計を挿入して測定して いる。 温度計挿入穴と温度計の隙聞には熱伝導を良くするためアピエゾ ングリースを使用して温度測定誤差を小さくした。 凝縮壁内面と温度計 押入穴外周との最短距離は0.9 mm であるので、 測定した温度をそのま

ま凝縮壁温度とした。 温度計取付位置は凝縮管上部(FR P板の下面位 置)から2 mm， ₂₂ mm の2個所である。 ゲルマニウム抵抗温度計の精 度はいずれも士0.01 K以内であり、 温度計のリード線にはG-M冷凍機 の第二段ステージのヒートステーション部でサーマルアンカーを取り、

侵入熱による温度測定誤差を小さくしている。

リボイラーに取り付けられたマンガニン線ヒータ(120_Q )への供給 電力は、 常温部 に設置した標準抵抗器を流れる電流とマンガニン線の両 端で測定した電圧からヒータの発熱量を算出している。

2.2.2 2号実験装置

(a)実験装置

図2-4は2号実験装置の系統図を示す。 実験装置は凝縮管， リボイ ラー， ヒータ， 凝縮管およびリボイラーへの侵入熱を低減するための輯 射シールド板 凝縮管を冷却するヘリウムガスの温度を調整する液体ヘ

リウム熱交換器， 真空断熱のための真空容器， 高圧 ・ 低温のヘリウムガ スを供給するヘリウム冷凍機および水素ガス供給装置から構成される。

ヘリウム冷凍機から供給される圧力約1.3 MPa， 温度約20 Kのヘリ ウムガスはトランスフアーチューブを介して断熱真空容器内に入る。 ヘ リウムガスの一部は液体ヘリウム熱交換器に入り、 温度調整された後、

オリフィス流量計， タービン流量計で流量を計測され、 凝縮管を冷却す る。 その後、 ヘリウムガスは内側シールド板を冷却し、 ヘリウム冷凍機 へ戻る。 実験中にゲルマニウム抵抗温度計で測定した内側シールド板の 温度は19 K�21 Kであった。

凝縮管は図2 - 5に示すように、 液体ヘリウム槽底板(SUS製)か ら熱伝導率の小さいFRP製ボルトを介してFRP製円板を吊り下げ、

この円板からさらにFRP製ボルトを介して凝縮管およびリボイラーを

- 2 3

--Mhp|

He Compressor

He Liquefier/

Refrigerator

、、，，，rB le pH nL a//

+LIn e a HEh、 「Axe H c

Vacuum Chamber Turbine

Flowmeter

Orifice Flowmeter

σb n cu n e ，qe nb ou

CT

Radiation Shield

Reboiler

Heater-図2 ⁴ 2号実験装置

FRP Bolt

L

FRP Plate

σb n cu n e tGe n.b ou ハUTl

Ra d iation Shiel d

LH2 Levelmeter (Point Type)

図2 _- 5 凝縮試験部詳細( 2号実験装置)

《J勺L

支持して液体ヘリウム槽が凝縮管を冷却するのを防止している。 リボイ ラーの上部および下部にはゲルマニウム抵抗温度計が取り付けられ、 飽 和ガス温度 ， 液体温度を測定する。

凝縮管， リボイラー ， 液体ヘリウム槽 ， 軒射シールド板の外側には将 射熱による影響を防止するため、 多層断熱材を施工している。 また、 真 空容器は実験中に真空引きを行って高真空を保持している。

(b)凝縮試験部

凝縮管の詳細図を図2 - 6に示す。 凝縮管の外径は17 mm， 凝縮部 分は内径d=15 mm， 長さL= 70 mmの管内面である。 1号実験装置 と同様、 凝縮管の材質は高純度無酸素銅製とし、 伝熱面の粗さ は+3μm 程度である。 また、 凝縮管とステンレス製支持管の接続および支持管と

リボイラーの接続についても1号実験装置と全く同様である。 凝縮管上 部には厚さ3 mmのFRP板を接着してガスの凝縮を防止している。 ま た、 凝縮管上部には実験開始時にリボイラー内に液体水素を製造するた めに水素ガスを導入するステンレス鋼製の細管(外径3 mm， 内径2.4 mm)が取り付けられており、 実験中はこの細管により凝縮管内部の飽 和ガス圧力を測定する。 測定したガス圧力から求めた飽和ガス温度の誤 差は1号実験装置と同様、 土0.02 K以内である。

2号実験装置においても、 リボイラー上部に設置したゲルマニウム抵 抗温度計で凝縮管内部の飽和ガス温度を直接測定して熱伝達率の測定を 行うと共に、 上述のように飽和ガス圧力から推定した飽和ガス温度から 得られる熱伝達率との比較を行った。

凝縮管の冷却は細い銅管(外径2.5 mm， 内径1.5 mm)を外側に巻 き付け、 銅管内部に高圧 ・ 低温のヘリウムガスを流す方法を採用してお り、 凝縮管上部 ， 下部で温度差を極力少なくするため、 銅管は往復して 巻きつけ、 銀ロー付けしている。

凝縮管の外壁温度は凝縮管上部から3 mm， 30 mm， 57 mmの3個 所に銅製のセンサ一台を銀ロー付けし、 ゲルマニウム抵抗温度計をこの センサ一台に挿入してGE7031で接着し、 温度測定誤差を小さくした。

fhu フU

e H ilv G _@

FRP Plate

Upper Flange

(S ^u S) Small Copper

Tube

(25mm

⁰

Dl 1.5mm

^1.0.

GHe Inlet

Temp. GHe Outlet

Support Tube (S ^u S)

しH2

図2

-

⁶ 凝縮管( 2号実験装置)

Vapor Phase

十 γ

I

•

^S

I ·

_I

T emoerature

Tw i _prof l _e

δIFilm Thickness

Vertical Wall Condensate Film

図2

-

⁷ 鉛直壁における凝縮伝熱

勺ーペノ』

また、 後述するように凝縮管を冷却するヘリウムガスのエンタルピ変 化を測定するため、 ヘリウムガスの凝縮管入口温度， 出口温度をゲルマ ニウム抵抗温度計で測定している。

リボイラーへの供給電力についても1号実験装置と同様の方法でヒー タ発熱量を算出している。

2.2.3 実験条件

図2 - 7に示すように凝縮管内壁の全長Lにわたって飽和水素ガスま たは飽和窒素ガスが定常状態で凝縮する時の平均凝縮熱伝達率を測定す る。 平均凝縮熱伝達率hは次式で表わされる。

3

^{=q=h AT 一(2-1)}

ここで、 熱流量Qについては2.2.4， 2.2.6で述べるように、 1号実験 装置ではヒータ熱流量から侵入熱， オルソ ・ パラ変換熱を差し引いた量 を、 2号実験装置ではヒータ熱流量を使用した。 また、 図2 - 7に示す ように温度差(過冷度)企T=宍一九である。 実験では液膜の界面温度Tj を直接測定することは難しいので、 一般には飽和温度えを直接測定する か、 飽和圧力PSを測定して物性データより間接的に飽和温度Tsを算出 し、 Tj=Tsと仮定して!1Tを推定している。 本実験では2.2.1. 2. 2.2で述 べたように測定した飽和圧力およびリボイラー上部で直接測定した飽和 ガス温度の両方から平均凝縮熱伝達率を算出した。 凝縮実験時に測定し た凝縮壁上下方向のばらつきは、 1号実験装置， 2号実験装置いずれも 大部分のデータについて過冷度!1Tの10%以内であったので凝縮壁は定 温壁と仮定した。 従って、 凝縮壁温度Twは測定した2点および3点の算 術平均値を使用した。

2.2.4 実験方法

(a) 1号実験装置

1号実験装置での水素の凝縮実験について以下述べる。 図2 - 1に示 すように凝縮管を真空容器内に取り付け、 真空容器内を高真空にした後、

00 今ん

リボイラー内を充分脱気して水素ガスを内部に封入する。 次に、 G-M 冷凍機を運転し、ヒートステーション部のヒータを調節しながら凝縮管 の温度を約20 K、 輯射シールド板の温度を約40 Kまで冷却する。 凝縮 管の温度を水素の液化温度に保持しながら、高圧ガスボンべから液体窒 素熱交換器を通ったほぼ大気圧の水素を凝縮管内部に徐々に導入する。

凝縮管で熱交換した水素ガスは液化を開始し、 リボイラー内部に液体水 素が生成する。 所定の液面となったら、水素ガスの供給を止め液化を停 止する。 その後、リボイラー内で蒸発した水素ガスが液化しないように 凝縮管の温度を20 K より高く保持したまま、 水素ガス供給管を常温部 のガスメータと接続し、リボイラー内圧力をほぼ大気圧状態に保持して、

液体水素の蒸発ガス量をリボイラーへの侵入熱として計測する。 蒸発ガ ス量が整定した時点で測定した蒸発ガス量をリボイラーへの侵入熱とし て算出する。 侵入熱は水素の場合、0.186 Wであった。

凝縮実験はG-M冷凍機の第二段ステージのヒートステーション部に 取り付けたヒータで凝縮管の温度を約 20 K に調節した後、リボイラー 底部に取り付けたヒータで液体水素を加熱して水素ガスを蒸発させる。

凝縮管内の圧力は上昇し、 その蒸気圧温度に相当する飽和温度で凝縮壁 面に水素が凝縮する。 ヒータの熱流量を一定に保持し、凝縮管圧力， 凝 縮壁温度， リボイラー内水素ガス温度等が定常状態、になった時点で温度，

圧力， ヒータ電流， ヒータ電圧等のデータを測定する。 ヒータ電力およ び実験前に測定した侵入熱から水素の凝縮に必要な熱流量Qと過冷度!1T が得られるので、(2-1)式より水素の平均凝縮熱伝達率が得られる。

窒素の凝縮実験では凝縮管の温度を約77 K、 輔射シールド板の温度 を約80 K に冷却し、 その後の実験方法は水素の場合と同様である。 侵

入熱は窒素の場合、0.229 Wであった。

(b) 2号実験装置

2号実験装置での水素の凝縮実験について以下述べる。 図2- 4に示 すように凝縮管を真空容器内に取り付け、 真空容器内を高真空にした後、

リボイラー内を充分脱気して水素ガスを内部に封入する。 次に、 ヘリウ

ny 今ノ』

ドキュメント内 水素の液化およびスラッシュ化に関する研究 (ページ 31-45)