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JP5305437B2 - Orifice temperature control heater - Google Patents
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Description

本発明は、流体を所定の温度に調節するためのオリフィス型温度調節用ヒーターに関するものである。   The present invention relates to an orifice type temperature adjusting heater for adjusting a fluid to a predetermined temperature.

従来、流体(気体や液体)を加熱するためのヒーターとして、シェルアンドチューブのような熱交換器型のヒーターが使用されてきた(例えば、特許文献1)。このタイプのヒーターは、図1に示すように、多数のチューブ型シースヒーター1の束が円筒胴(以下、シェルとも称する)2内に納められており、このシェル2内にバッフル板3を図1に示すように交互に設けた構造になっている。このタイプのヒーターでは、図示のように、流体はシースヒーター1に対してほぼ垂直方向に流れるようになっている。   Conventionally, a heat exchanger type heater such as a shell and tube has been used as a heater for heating a fluid (gas or liquid) (for example, Patent Document 1). In this type of heater, as shown in FIG. 1, a bundle of a large number of tube-type sheath heaters 1 is housed in a cylindrical body (hereinafter also referred to as a shell) 2, and a baffle plate 3 is illustrated in the shell 2. As shown in FIG. In this type of heater, as shown in the figure, the fluid flows in a direction substantially perpendicular to the sheath heater 1.

上記のようなシェルアンドチューブ型ヒーターでは、ヒーターエレメントとして、シースヒーター1を採用しているので、シェル2内の流体を直接加熱することができるだけでなく、比較的大きな伝熱面積が得られるという特徴を有しているために、大容量型ヒーターとしてこれまで広く利用されてきた。また、シースヒーター1とシェル2という簡単な構造のため、伝熱面積のわりに比較的容易に製作することができることも利点であった。   In the shell and tube type heater as described above, the sheath heater 1 is adopted as the heater element, so that not only the fluid in the shell 2 can be directly heated but also a relatively large heat transfer area can be obtained. Due to its characteristics, it has been widely used as a large capacity heater. In addition, because of the simple structure of the sheath heater 1 and the shell 2, it is also an advantage that it can be manufactured relatively easily instead of the heat transfer area.

しかしながら、上記のようなシェルアンドチューブ型ヒーターでは、バッフル板3間の流れは均一ではなく、流れとしてよどみの領域が存在するため、局所的に熱伝達が悪くなる。そのため、設計時において、その点を十分考慮に入れた設計を行う必要があった。また、シェル2の体積が大きくなるために、設置スペースやメンテナンススペースを大きく取る必要があり、かつ、大型化により、シェル、および、大口径のフランジ等の材料費のコストも高価になるという問題があった。   However, in the shell and tube type heater as described above, the flow between the baffle plates 3 is not uniform, and there is a stagnation region as a flow, and therefore, heat transfer is locally deteriorated. For this reason, it is necessary to perform a design that fully considers that point at the time of designing. Further, since the volume of the shell 2 becomes large, it is necessary to take a large installation space and maintenance space, and the cost of material costs such as a shell and a large-diameter flange increases due to the increase in size. was there.

一方、日本原子力研究開発機構(JAEA)と高エネルギー加速器研究機構(KEK)が協力して建設した陽子加速器を利用した最先端科学研究施設である大強度陽子加速器研究施設(J−PARC)において、多岐の中性子利用実験を実現するために、核破砕反応で発生した高速中性子を超臨界圧状態の極低温水素によって冷中性子に冷却するための極低温水素循環システムに関わる技術開発が進められてきた。   On the other hand, in the High-Strength Proton Accelerator Research Facility (J-PARC), which is a state-of-the-art scientific research facility using a proton accelerator constructed in cooperation with the Japan Atomic Energy Agency (JAEA) and the High Energy Accelerator Research Organization (KEK) In order to realize a wide variety of neutron utilization experiments, technological development related to cryogenic hydrogen circulation system to cool fast neutrons generated in spallation reaction to cold neutrons by cryogenic hydrogen under supercritical pressure has been promoted .

極低温水素循環システムでは、陽子ビームの入射、停止時のkWオーダーのパルス熱負荷変動に対する圧力制御が重要な技術的課題であった。これは、極低温水素循環システムで供給循環している1.5MPa、20Kの超臨界圧水素は、非圧縮性の性質を有しているため、水素ループ内の僅かな温度上昇でも非常に大きな圧力上昇を引き起こすからである。   In the cryogenic hydrogen circulation system, pressure control with respect to fluctuations in pulse heat load in the kW order at the time of proton beam incidence and stop was an important technical issue. This is because the 1.5 MPa, 20 K supercritical pressure hydrogen supplied and circulated in the cryogenic hydrogen circulation system has an incompressible property, so even a slight temperature rise in the hydrogen loop is very large. This is because it causes a pressure increase.

このため、上記のような極低温水素循環システムでは、ヒーターによって水素を加熱して陽子ビームによる熱負荷変化を補償し、かつ、アキュムレータによって、圧力変動に応じて水素循環システムの容積を可変させて圧力制御を行ってきた。   Therefore, in the cryogenic hydrogen circulation system as described above, hydrogen is heated by a heater to compensate for a change in the thermal load due to the proton beam, and the volume of the hydrogen circulation system is varied by an accumulator according to pressure fluctuations. Pressure control has been performed.

アキュムレータとは、水素循環ループ内に容積可変のベロー構造を有するものであり、このベローの内部には極低温水素温度においても圧縮性の性質を有するヘリウムガスが満たされている。つまり、アキュムレータとは、単相状態である超臨界圧水素内に、ベローで仕切られた圧縮性領域を設けた構造となっている。水素循環システムに大きな圧力変動が与えられても、このベローの伸縮により、水素循環システム内の圧力変動を緩和することができる。   The accumulator has a bellows structure with a variable volume in a hydrogen circulation loop, and the inside of the bellows is filled with helium gas having compressibility even at a cryogenic hydrogen temperature. That is, the accumulator has a structure in which a compressible region partitioned by a bellows is provided in supercritical pressure hydrogen that is in a single phase state. Even when a large pressure fluctuation is given to the hydrogen circulation system, the pressure fluctuation in the hydrogen circulation system can be reduced by the expansion and contraction of the bellows.

また、本システムでは、陽子ビーム停止時において、陽子ビーム熱負荷に相当する4kWという大きな熱負荷変動をヒーターによって補償するという制御を低温水素領域において実現するためには、応答性良く、均一に大容量加熱できるヒーターの開発が必要不可欠であった。さらに、本システムは、低温システムであるので、ヒーターを真空断熱容器内に設置しなければならなかった。そのため、できるだけ小型化することもヒーター開発の重要な課題であった。
特開平8−193795号公報
Also, in this system, when the proton beam is stopped, in order to realize control in the low temperature hydrogen region that compensates for a large thermal load fluctuation of 4 kW, which corresponds to the proton beam thermal load, in the low-temperature hydrogen region, the response is large and uniform. Development of a heater capable of capacity heating was indispensable. Furthermore, since this system is a low temperature system, the heater had to be installed in a vacuum insulated container. Therefore, downsizing as much as possible was an important issue in heater development.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-193395

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたもので、流通する流体を応答性良く、均一に大容量加熱でき、小型化が可能な温度調節用ヒーターを提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and it is an object of the present invention to provide a temperature adjusting heater that can heat a circulating fluid with high response, uniformly large capacity, and can be downsized.

また、本発明は、特に上記のような極低温水素循環システムにおける循環水素を加熱するヒーターに用いて好適な温度調節用ヒーターを提供することも課題とする。   Another object of the present invention is to provide a temperature adjusting heater suitable for use in a heater for heating circulating hydrogen in the cryogenic hydrogen circulation system as described above.

本発明によれば、上記課題を解決するため、第1には、一端側に流体入口部を有し、他端側に流体出口部を有し、内部をヘリウム、水素又は窒素からなる極低温液体流体が流通する円筒胴と、円筒胴の軸方向に並設され、前記極低温液体流体を直接加熱する複数のシースヒーターを有し、内部を複数のシースヒーターが挿通する複数の開口が設けられた複数のバッフル板が円筒胴の軸方向に所要間隔で複数配置され、バッフル板の開口とシースヒーターとで形成されるクリアランスからなるオリフィスを前記極低温液体流体が通過し、前記極低温液体流体がシースヒーターと平行に流動し、シースヒーターエレメントの表面熱流束が一定値以下となるように設定して前記極低温液体流体を所定の温度に加熱する、気密性を確保したオリフィス型温度調節用ヒーターを提供することができる。 According to the present invention, in order to solve the above-described problem, first, a cryogenic temperature having a fluid inlet portion on one end side, a fluid outlet portion on the other end side, and containing helium, hydrogen, or nitrogen inside. A cylindrical body through which liquid fluid flows, and a plurality of sheath heaters arranged in parallel in the axial direction of the cylindrical body and directly heating the cryogenic liquid fluid, and a plurality of openings through which the plurality of sheath heaters are inserted are provided. A plurality of baffle plates arranged at a predetermined interval in the axial direction of the cylindrical body, the cryogenic liquid fluid passes through an orifice formed by a clearance formed by an opening of the baffle plate and a sheath heater, and the cryogenic liquid fluid parallel to flow and the sheath heater, set so that the surface heat flux of the sheath heater element is below a predetermined value for heating the cryogenic liquid fluid to a predetermined temperature, to ensure the airtightness orifice It is possible to provide a temperature adjusting heater.

また、第2には、上記第1の発明において、シースヒーターのシース管を上部フランジと溶接により固定したことを特徴とするオリフィス型温度調節用ヒーターを提供することができる。   According to a second aspect of the present invention, there is provided an orifice type temperature adjusting heater according to the first invention, wherein the sheath tube of the sheath heater is fixed to the upper flange by welding.

また、第3には、上記第1または第2の発明において、最下端のバッフル板に、シースヒーター振れ止めのための複数の鍔部を有する振れ止め金具を設けたことを特徴とするオリフィス型温度調節用ヒーターを提供することができる。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the bottom end baffle plate is provided with an anti-rest fitting having a plurality of flanges for anti-sheathing of the sheath heater. A heater for temperature control can be provided.

また、第4には、上記第1ないし第3のいずれかの発明において、下端に流体入口部が設けられ、上端近傍の円筒胴側面に流体出口部が設けられていることを特徴とするオリフィス型温度調節用ヒーターを提供することができる。   According to a fourth aspect of the invention, in the first to third inventions, the fluid inlet portion is provided at the lower end, and the fluid outlet portion is provided on the side of the cylindrical body near the upper end. A mold temperature control heater can be provided.

さらに、第5には、上記第1ないし第4のいずれかの発明において、シースヒーター電極部を円筒胴の外側に設けたことを特徴とするオリフィス型温度調節用ヒーターを提供することができる。   Further, fifthly, in any one of the first to fourth inventions, there can be provided an orifice type temperature adjusting heater characterized in that the sheath heater electrode portion is provided outside the cylindrical body.

本発明によれば、流体の流動領域に、バッフル板の開口とシースヒーターとで形成されるクリアランスからなるオリフィスを設けることにより、流体の流速が局所的に上昇し、かつ、ヒーター表面に形成される温度境界層が撹絆されるため、熱伝達の促進が可能となり、その撹拌効果によって流体を均一に加熱することができるようになる。   According to the present invention, by providing an orifice having a clearance formed by the opening of the baffle plate and the sheath heater in the fluid flow region, the flow velocity of the fluid is locally increased and formed on the heater surface. Therefore, the heat transfer can be promoted, and the fluid can be heated uniformly by the stirring effect.

また、本発明によれば、シースヒーターに開口を設けたバッフル板を複数枚通した非常に簡易な構造であるため、従来のシェルアンドチューブ型ヒーターに比べて、非常に小型化することができ、かつ、大容量の加熱を行うことができ、製作コストも軽減できる。   Further, according to the present invention, since the sheath heater has a very simple structure in which a plurality of baffle plates provided with openings are passed, it can be very downsized compared to a conventional shell and tube heater. In addition, large-capacity heating can be performed and manufacturing costs can be reduced.

また、本発明のオリフィス型温度調節用ヒーターは、小型化により、スペースの制約を受けることなく設置でき、たとえば、極低温用のヘリウム冷凍機の断熱真空容器内に設置するヒーターに適している。   In addition, the orifice type temperature control heater of the present invention can be installed without being limited by space due to its miniaturization, and is suitable for, for example, a heater installed in an adiabatic vacuum container of a cryogenic helium refrigerator.

また、本発明では、ヒーターエレメントとしてシースヒーターを採用したため、流体を直接加熱し、かつ、オリフィス効果により流体を均一に加熱できるので、温度応答性が良く任意の温度に調節可能である。   In the present invention, since the sheath heater is employed as the heater element, the fluid can be directly heated and the fluid can be uniformly heated by the orifice effect. Therefore, the temperature response is good and the temperature can be adjusted to an arbitrary temperature.

さらに、本発明のオリフィス型温度調節用ヒーターは、気密構造を維持でき、高温から極低温領域にいたるまでの高圧条件下で、使用することができるため、高圧ガス保安法の対象機器としての利用が可能である。   Furthermore, since the orifice type temperature control heater of the present invention can maintain an airtight structure and can be used under high pressure conditions ranging from a high temperature to a very low temperature region, it can be used as a target device of the high pressure gas safety law. Is possible.

以下、本発明によるオリフィス型温度調節用ヒーターの実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of an orifice type temperature adjusting heater according to the present invention will be described in detail.

図2は、本実施形態に係るオリフィス型温度調節用ヒーター(以下、温度調節用ヒーターまたはヒーターとも称する)の内部構造を示す斜視図であり、ヒーター容器が半分カットされた状態を示している。図3は、同温度調節用ヒーターのバッフル部分での断面図である。ここでは、温度調節用ヒーターを前記した極低温水素循環システムにおける熱補償用ヒーターに適用した場合を例に説明する。   FIG. 2 is a perspective view showing an internal structure of an orifice type temperature adjusting heater (hereinafter also referred to as a temperature adjusting heater or heater) according to the present embodiment, and shows a state where the heater container is cut in half. FIG. 3 is a cross-sectional view of a baffle portion of the temperature adjusting heater. Here, a case where the temperature adjustment heater is applied to the heat compensation heater in the cryogenic hydrogen circulation system will be described as an example.

本実施形態の温度調節用ヒーターでは、長尺の円筒胴(シェル)11内に、シェル11の軸方向に複数(本例では20本)のシースヒーター12が並設されている。シェル11の下端は流体入口部13以外の部分が底壁14で閉塞されており、上端には上部フランジ15が設けられ、上部フランジ15のやや下寄りのシェル11の側壁には流体出口部16が設けられている。円形の複数の開口17を有する円板状の複数のバッフル板18がシェル11の軸方向に所要間隔で配置され、バッフル板18の複数の開口17を複数のシースヒーター12が挿通するようになっている。図3に示すように、バッフル板18の開口17とシースヒーター12はクリアランスを形成している。このクリアランスを本明細書ではオリフィス(絞り機構)19と称する。シェル11、シースヒーター12のシース管、底壁14、上部フランジ15は同じ材質のステンレス鋼で形成されている。   In the temperature adjusting heater of this embodiment, a plurality of (20 in this example) sheath heaters 12 are arranged in parallel in the axial direction of the shell 11 in a long cylindrical body (shell) 11. The lower end of the shell 11 is closed by a bottom wall 14 except for the fluid inlet portion 13, an upper flange 15 is provided at the upper end, and a fluid outlet portion 16 is provided on the side wall of the shell 11 slightly below the upper flange 15. Is provided. A plurality of disk-shaped baffle plates 18 having a plurality of circular openings 17 are arranged at a required interval in the axial direction of the shell 11, and a plurality of sheath heaters 12 are inserted through the plurality of openings 17 of the baffle plate 18. ing. As shown in FIG. 3, the opening 17 of the baffle plate 18 and the sheath heater 12 form a clearance. This clearance is referred to as an orifice (throttle mechanism) 19 in this specification. The shell 11, the sheath tube of the sheath heater 12, the bottom wall 14, and the upper flange 15 are made of the same material stainless steel.

シースヒーター12のシース管と上部フランジ15は溶接により固定され、シースヒーター12の上端にある電極部を有する端子箱20は上部フランジ15の上方に配置され、流体部と接触しないようになっている。また、バッフル板18に設けた開口17とシースヒーター12のクリアランスを所定幅に確保し、かつ、シースヒーター振れ止めの対策として、最も下方のバッフル部には、図4に示すように、3点接触型の鍔型振れ止め金具21を設けている。また、バッフル板18には、別の開口が設けられ、この開口をバッフル支持棒22がはめ込まれ、最下端のバッフル部のところでナットで締め付け固定されている。このバッフル支持棒22にはバッフル間隔と同じ長さの円管(支持棒より内径の大きい配管)がはめ込まれバッフル間隔を任意に調整できるようになっている。さらに、本実施形態の温度調節用ヒーターは気密性が確保されたものとなっている。   The sheath tube of the sheath heater 12 and the upper flange 15 are fixed by welding, and the terminal box 20 having an electrode portion at the upper end of the sheath heater 12 is disposed above the upper flange 15 so as not to contact the fluid portion. . Further, as shown in FIG. 4, the lowermost baffle portion has three points as shown in FIG. 4 to secure the clearance between the opening 17 provided in the baffle plate 18 and the sheath heater 12 with a predetermined width and to prevent the sheath heater from swinging. A contact type saddle brace 21 is provided. Further, another opening is provided in the baffle plate 18, and a baffle support rod 22 is fitted into this opening, and is fastened and fixed with a nut at the lowermost baffle portion. The baffle support rod 22 is fitted with a circular pipe (pipe having a larger inner diameter than the support rod) having the same length as the baffle interval so that the baffle interval can be adjusted arbitrarily. Furthermore, the temperature adjusting heater of the present embodiment is airtight.

本実施形態で採用したシースヒーター12は、シース管内にヒーター素線としてニクロム線が配置されたものであり、前述した従来型のシェルアンドチューブ型ヒーターで用いているシースヒーターと同様に、流体を直接加熱することができるため、応答性に優れている。シェル11内に複数配置したシースヒーター12に対して、流体を平行に流動させることにより、シェル11内において均一な流動分布が形成される。さらに、流体出口部16の部分から上部フランジ部15までの領域は、シースヒーター12のヒーターエレメントは非加熱部とし、この領域における熱流体の滞留を防止できるようになっている。   The sheath heater 12 employed in the present embodiment is one in which a nichrome wire is arranged as a heater wire in a sheath tube, and in the same manner as the sheath heater used in the above-described conventional shell and tube heater, Since it can be heated directly, it has excellent responsiveness. A uniform flow distribution is formed in the shell 11 by flowing the fluid in parallel to the sheath heaters 12 arranged in the shell 11. Further, in the region from the fluid outlet portion 16 to the upper flange portion 15, the heater element of the sheath heater 12 is a non-heated portion so that the thermal fluid can be prevented from staying in this region.

上記構成の温度調節用ヒーターでは、対象流体である超臨界圧水素がシェル11下側の流体入口部13から流入し、シースヒーター12に対して平行に流れ、この上部フランジ15近傍のシェル11側面の流体出口部16から流出する。シェル11内において、超臨界圧水素がバッフル部を通過する際、オリフィス19により局所的に絞られ、流速が上昇し、かつ、それまでヒーター表面に形成されて発達した温度境界層は、そのオリフィス19により、一旦、初期化されるために、熱伝達が向上し、大容量の加熱が可能となる。そのため、シースヒーターの表面熱流束(単位面積あたりの熱量)を大きく設計することができ、ヒーターエレメントの数は少なくなり、小型化が可能になる。また、オリフィス19による撹拌効果により、シェル11の半径方向の温度分布を小さくすることができるので、流体を均一に加熱することができる。   In the temperature adjusting heater having the above-described configuration, the supercritical pressure hydrogen that is the target fluid flows from the fluid inlet portion 13 below the shell 11 and flows in parallel to the sheath heater 12, and the side surface of the shell 11 near the upper flange 15. Out of the fluid outlet portion 16. In the shell 11, when the supercritical pressure hydrogen passes through the baffle portion, the temperature boundary layer that is locally throttled by the orifice 19, the flow velocity is increased, and has been formed on the heater surface until then is developed. Since it is initialized once by 19, heat transfer is improved and large capacity heating is possible. Therefore, the surface heat flux (heat amount per unit area) of the sheath heater can be designed to be large, the number of heater elements can be reduced, and the size can be reduced. Further, since the temperature distribution in the radial direction of the shell 11 can be reduced by the stirring effect by the orifice 19, the fluid can be heated uniformly.

次に、具体的なオリフィス型温度調節用ヒーターの設計例について述べる。この設計例は、後ほど述べるシミュレーションに基づいて設計されたものである。   Next, a specific design example of the orifice type temperature control heater will be described. This design example is designed based on a simulation described later.

本実施形態のオリフィス型温度調節用ヒーターが適用される極低温水素循環システムでは、前記したように、1.5MPa、20Kの超臨界圧水素を強制循環し、閉サイクルが形成されるようになっている。そして陽子ビームの入射・停止に伴い、大きな圧力変動が与えられることから、アキュムレータによる容積制御と水素加熱用ヒーター(本温度調節用ヒーター)による熱補償が行われる。   In the cryogenic hydrogen circulation system to which the orifice type temperature control heater of this embodiment is applied, as described above, 1.5 MPa, 20 K supercritical pressure hydrogen is forcibly circulated to form a closed cycle. ing. Since a large pressure fluctuation is given as the proton beam enters and stops, volume control by an accumulator and heat compensation by a hydrogen heater (this temperature adjusting heater) are performed.

図5に示すように、1.5MPaの超臨界圧水素の密度の温度依存性として、28K以上で密度の減少傾向は大きくなり、擬臨界温度(33K)付近での変化は非常に大きい。超臨界圧水素をヒーターにより加熱する場合、ヒーター表面近傍温度が擬臨界温度近くになると、このような密度の急激な変化により、流動不安定性を引き起こす可能性がある。そのため、ヒーターの設計条件として、最大表面温度を28K以下とした。そこで、設計の初期段階として、非沸騰域で一般的に使用されている強制対流熱伝達の相関式であるDittus-Boelter式を用いて、定格状態(流量160g/s)における超臨界圧水素(1.5MPa、20K)中での強制対流熱伝達を評価した。その結果を図6に示す。図6中の斜線で示された領域が、表面温度28K以下という設計条件を満足するためのヒーターエレメントの表面熱流束となる。したがって、水素循環システム用のヒーターは、5kWの熱入力時においてヒーターエレメント表面熱流束が5×10W/m以下になるように設定した。また、極低温水素循環システムにおける圧力損失、および、循環ポンプの特性を考慮にいれて、ヒーター容器内で発生する許容圧力損失を1kPa以下となるようにした。 As shown in FIG. 5, as the temperature dependence of the density of supercritical pressure hydrogen of 1.5 MPa, the decreasing tendency of the density increases at 28 K or more, and the change near the pseudocritical temperature (33 K) is very large. When supercritical pressure hydrogen is heated by a heater, if the temperature near the heater surface is near the pseudocritical temperature, such a rapid change in density may cause flow instability. Therefore, the maximum surface temperature was set to 28K or less as a heater design condition. Therefore, as an initial stage of design, using the Dittus-Boelter equation, which is a correlation equation of forced convection heat transfer generally used in non-boiling regions, supercritical pressure hydrogen (R 160 g / s) Forced convection heat transfer in 1.5 MPa, 20K) was evaluated. The result is shown in FIG. A region indicated by diagonal lines in FIG. 6 is the surface heat flux of the heater element for satisfying the design condition of the surface temperature of 28K or less. Therefore, the heater for the hydrogen circulation system was set so that the surface heat flux of the heater element was 5 × 10 3 W / m 2 or less when the heat input was 5 kW. Also, the pressure loss in the cryogenic hydrogen circulation system and the characteristics of the circulation pump are taken into consideration, and the allowable pressure loss generated in the heater vessel is set to 1 kPa or less.

シェル11は内径133mm(外径139.8mm)、全長1600mmのステンレス製の円管を用い、ヒーターへの流体入口部13および流体出口部16の流入流出配管は循環ループの主配管と同サイズである32A(内径38.7mm)とした。   The shell 11 uses a stainless steel circular tube having an inner diameter of 133 mm (outer diameter of 139.8 mm) and a total length of 1600 mm. The inlet and outlet piping of the fluid inlet 13 and the fluid outlet 16 to the heater are the same size as the main piping of the circulation loop. It was set to 32A (inner diameter 38.7 mm).

ヒーターエレメント表面熱流束が5×10W/m以下になるように、シース管がステンレス鋼製のシースヒーター12の寸法を外径12mm、長さ1340mmとし、全20本を図2、図3に示すように並列に配置した。 The sheath tube 12 is made of stainless steel with an outer diameter of 12 mm and a length of 1340 mm so that the heater element surface heat flux is 5 × 10 3 W / m 2 or less. As shown in FIG.

シースヒーター電極部は流体部と直接接触しない構造にした。これは、可燃性流体である水素に対する防爆対策、および、1.5MPaの高圧条件下で用いるため、高圧ガス保安法に準拠した気密構造の維持が必要であるためである。   The sheath heater electrode portion is structured not to be in direct contact with the fluid portion. This is because an explosion-proof measure against hydrogen which is a flammable fluid and maintenance of an airtight structure conforming to the High Pressure Gas Safety Law are necessary for use under a high pressure condition of 1.5 MPa.

φ12mmのヒーター径より大きいφ16mmの開口17を20個開けたステンレス鋼製のφ130mmのバッフル板18をシースヒーター長さ方向に100mm間隔で配置した。   A stainless steel baffle plate 18 having a diameter of 130 mm and having 20 openings 17 having a diameter of 16 mm larger than the diameter of the heater having a diameter of 12 mm was arranged at intervals of 100 mm in the length direction of the sheath heater.

バッフル板18のφ16mmの開口17にヒーター径φ12mmのシースヒーター12をそれぞれ挿通させ、幅2mmのクリアランスからなるオリフィス19を形成した。   The sheath heater 12 having a heater diameter of φ12 mm was inserted into the φ17 mm opening 17 of the baffle plate 18 to form an orifice 19 having a clearance of 2 mm in width.

ヒーターエレメント部とシェル11はメンテナンス性を考慮に入れて、フランジ構造とした。ただし、低温領域での気密性を確保するために、シール材としてアルミニウムのメタルOリングシールを採用した。   The heater element portion and the shell 11 have a flange structure in consideration of maintainability. However, in order to ensure hermeticity in a low temperature region, an aluminum metal O-ring seal was adopted as a sealing material.

バッフル板18の支持のために、上部フランジ15から3箇所ねじを切ったステンレス鋼製のバッフル支持棒22(φ8mm/M6)を設置した。バッフル間隔と同じ長さの円管(バッフル支持棒22より内径の大きい6A配管)をそれらのバッフル支持棒22にはめ込むことにより、バッフル間隔を任意に調整できるようにし、最下端のバッフル部においてナットで締め付け固定した。また、バッフル板18に設けた開口17とシースヒーター11のクリアランスを確保するために、最下端のバッフル部に3点接触型の鍔を有するステンレス鋼製の触れ止め部金具21を設けた。   In order to support the baffle plate 18, a stainless steel baffle support rod 22 (φ8 mm / M6) in which three screws were cut from the upper flange 15 was installed. By inserting a circular pipe (6A pipe having a larger inner diameter than the baffle support rod 22) having the same length as the baffle interval into the baffle support rod 22, the baffle interval can be arbitrarily adjusted, and a nut is provided at the lowermost baffle portion. Tightened and fixed with. Further, in order to ensure the clearance between the opening 17 provided in the baffle plate 18 and the sheath heater 11, a stainless steel touch-resisting bracket 21 having a three-point contact type hook is provided at the lowermost baffle portion.

本実施形態の温度調整用ヒーターは低温システムに適用されるため、断熱真空容器内に設置される。そのため、端子箱20の放電対策として、端子箱20については樹脂でうめた。   Since the heater for temperature adjustment of this embodiment is applied to a low temperature system, it is installed in an adiabatic vacuum vessel. Therefore, as a countermeasure against discharge of the terminal box 20, the terminal box 20 was filled with resin.

材料の熱収縮を考慮して、シースヒーター12とバッフル板18との接触、および、シェル11とバッフル板18間の接触や過度のクリアランスを避けるために、上記のように、各部材は全て同一材質にした。   In order to avoid contact between the sheath heater 12 and the baffle plate 18 and contact between the shell 11 and the baffle plate 18 and excessive clearance in consideration of heat shrinkage of the material, all the members are the same as described above. Made of material.

ここで、温度調整用ヒーターの設計手順の一例について述べる。なお、ここでは、流体が一般の液体と気体の場合を例にする。   Here, an example of the design procedure of the temperature adjusting heater will be described. Here, the case where the fluid is a general liquid and gas is taken as an example.

(1) 使用流体、使用圧力(P)、使用温度(Tin)を決める。 (1) Determine the fluid, pressure (P), and temperature (T in ).

(2) 液体であれば使用圧力における飽和温度(Tsat)を求める。 (2) If it is liquid, determine the saturation temperature (T sat ) at the operating pressure.

(3) 液体の場合、サブクール度ΔTL (=Tin−Tsat)、または、ヒーター加熱上限温度THとの使用温度との差(TH−Tin)の小さい方をヒーターの最大表面温度上昇度とする。気体の場合は、後者のみとなる。 (3) In the case of liquid, the subcool degree ΔT L (= T in −T sat ) or the difference between the heater heating upper limit temperature T H and the operating temperature (T H −T in ) is the smallest surface of the heater. The temperature rise. In the case of gas, it becomes only the latter.

(4) 必要な熱入力量を決める。Q(W)
(5) ヒーターの表面積を決める。S(m
(6) ヒーター表面熱流束q(W/m)をQ/Sから算出する。
(4) Determine the amount of heat input required. Q (W)
(5) Determine the surface area of the heater. S (m 2 )
(6) Heater surface heat flux q (W / m 2 ) is calculated from Q / S.

(7) 流速は循環流量(既知の場合)とヒーターのシェル(円筒胴)の断面積から求め、Re(レイノルズ数)を評価する。なお物性値は使用温度、圧力条件下のもので構わない。   (7) The flow velocity is obtained from the circulation flow rate (if known) and the cross-sectional area of the heater shell (cylindrical cylinder), and Re (Reynolds number) is evaluated. The physical property values may be those under the operating temperature and pressure conditions.

(8) 一般的な強制対流熱伝達表示式であるDittus-Boleterの式を用いて温度上昇(T:ヒーター表面温度)を評価し、上記(3)で設定した温度以上にならないように、流量を増やすか、または、ヒーター表面熱流束を下げる(つまり、ヒーター表面積を増加させる、または、シースヒーター1本あたりの入熱量を下げる)。ただし、これは平均温度Tであるため、入口温度Tinを用いて図7のようにヒーター長さ方向に対するヒーターの局所的な表面温度を近似する。この外挿線を用いて、許容最大温度上昇(a)からバッフル間隔lbuffを決定する。
(9)バッフル部の開口径について:1)開口径を適当に決める。2)オリフィス部を通過する際の流速を求める(有効オリフィス断面積とシェルとの断面積比で)。
*有効オリフィス断面積とは、開口径とシースヒーター径との間のクリアランスの面積である。3)ベルヌーイの定理より、オリフィス部で局所的に圧力が降下を評価する。これは、オリフィス部での圧力が使用温度における飽和圧力以下になるとキャビテーションの発生原因となるからである。4)、3)に示すように飽和圧力以下になれば、開口径を大きくする対策を施す。
(8) Temperature rise using the formula is a general forced convection heat transfer indication type Dittus-Boleter: evaluated (T w heater surface temperature), so as not temperature above set in the above (3), Increase the flow rate or decrease the heater surface heat flux (that is, increase the heater surface area or decrease the heat input per sheathed heater). However, this is a mean temperature T w, to approximate the local surface temperature of the heater for the heater length direction as shown in FIG. 7 by using the inlet temperature T in. Using this extrapolation line, the baffle interval l buff is determined from the allowable maximum temperature rise (a).
(9) About the opening diameter of the baffle: 1) Determine the opening diameter appropriately. 2) Obtain the flow velocity when passing through the orifice (by the effective orifice cross-sectional area to the shell cross-sectional area ratio).
* Effective orifice cross-sectional area is the area of clearance between the opening diameter and the sheath heater diameter. 3) From Bernoulli's theorem, the pressure drop is evaluated locally at the orifice. This is because cavitation occurs when the pressure at the orifice portion is equal to or lower than the saturation pressure at the operating temperature. As shown in 4) and 3), when the pressure is below the saturation pressure, measures are taken to increase the opening diameter.

次に、上記設計例のオリフィス型温度調節用ヒーターの特性についてシミュレーションにより評価した。評価には、汎用の熱流体解析プログラムSTAR−CDを用いた。   Next, the characteristics of the orifice type temperature control heater of the above design example were evaluated by simulation. For the evaluation, a general-purpose thermal fluid analysis program STAR-CD was used.

本発明者らは、水素と同じ低温流体である液体窒素を用いて単純な形状(円管)において、サブクール状態から超臨界圧に至るまでの広範囲の圧力、温度、流速の条件下における強制対流熱伝達を計測し、多くの実験データを取得した。さらに、液体窒素の強制対流熱流動現象を把握するために、取得した実験データと同一条件下で数値解析を行い、かつ、解析コードの妥当性を検証した。ここで行った乱流モデル、および、パラメータを用いて、オリフィス型ヒーター内の設計熱負荷5kW時における温度分布を数値解析により求め、極低温水素循環システム用のオリフィス型ヒーターの最適形状を決定した。   The present inventors have used liquid nitrogen, which is the same low-temperature fluid as hydrogen, in a simple shape (circular tube) and forced convection under a wide range of pressure, temperature, and flow rate conditions from subcooled state to supercritical pressure. A lot of experimental data was obtained by measuring heat transfer. Furthermore, in order to grasp the forced convection heat flow phenomenon of liquid nitrogen, numerical analysis was performed under the same conditions as the acquired experimental data, and the validity of the analysis code was verified. Using the turbulence model and parameters, the temperature distribution in the orifice heater at the design heat load of 5 kW was obtained by numerical analysis, and the optimum shape of the orifice heater for the cryogenic hydrogen circulation system was determined. .

図8に、流体入口部13から定格流量である160g/sに相当する流速1.87m/sの流速で20K、1.5MPaの超臨界圧水素を流入させた場合の本温度調整用ヒーター内での流速分布を示す。   FIG. 8 shows the inside of the temperature adjustment heater when supercritical pressure hydrogen of 20 K and 1.5 MPa is introduced at a flow rate of 1.87 m / s corresponding to the rated flow rate of 160 g / s from the fluid inlet 13. The flow velocity distribution at is shown.

バッフル板18を通過する際、バッフル板18に設けたオリフィス19により、局所的に流速が増加し、約1m/sに達している。オリフィス19を通過後、流体の拡がりの影響のために、流速は徐々に低下している。バッフル板18から5mm離れた地点では、0.7m/sになり、バッフル板18とバッフル板18の中間部においては、シェル断面平均流速である0.2m/sまで減少している。このように、設計時に予測したように、各バッフル板18間において、ほぼ同じような流速分布が繰り返し形成されていることがわかった。   When passing through the baffle plate 18, the flow velocity locally increases by the orifice 19 provided in the baffle plate 18 and reaches about 1 m / s. After passing through the orifice 19, the flow rate gradually decreases due to the influence of fluid spreading. At a point 5 mm away from the baffle plate 18, it becomes 0.7 m / s, and at the intermediate portion between the baffle plate 18 and the baffle plate 18, it decreases to 0.2 m / s, which is the shell cross-section average flow velocity. Thus, it was found that almost the same flow velocity distribution was repeatedly formed between the baffle plates 18 as predicted at the time of design.

図9に、この時の圧力分布を示す。図9には流体出口部16を基準圧力1.5MPaとしたときの上昇分を示している。本温度調整用ヒーターのヒーター容器内の圧力損失は約640Paである。また、ヒーター容器から流体出口部16へ流路が収縮する際に生じる圧力損失はヒーター容器内で発生する圧力損失の半分の約300Paが発生しているが、本温度調節用ヒーター全体として、設計条件である1kPa以下になることが確認された。   FIG. 9 shows the pressure distribution at this time. FIG. 9 shows the amount of increase when the fluid outlet 16 is at a reference pressure of 1.5 MPa. The pressure loss in the heater container of the temperature adjusting heater is about 640 Pa. In addition, the pressure loss that occurs when the flow path contracts from the heater container to the fluid outlet 16 is about 300 Pa, which is half of the pressure loss that occurs in the heater container. It was confirmed that the condition was 1 kPa or less.

図10に、5kW熱負荷時における温度分布を示す。シースヒーター12の長さ方向に温度境界層は発達しているが、バッフル部において局所的に流路を狭めているため、温度境界層外の主流の流体との温度境界層内の過熱液との撹拌がおこり、一時的に温度境界層の初期化が行われている。バッフル通過後、シースヒーター表面近傍には再び温度境界層が発達するが、次のバッフル部で、再び撹拌されている。その結果、図11に示すように、バッフル部において、各々のシースヒーター表面温度は、その地点における主流の温度まで降下し、バッフル−バッフル中間部で最も温度が高くなるが、その温度上昇は、バッフル部に比べて3K程度に抑制できている。定格時において、20Kの超臨界圧水素が流入した場合、本温度調節用ヒーター内の最大温度は26.6Kであり、設計条件を十分満足することが確認できた。温度境界層外部とバルク液との撹拌効果により、シェル11内の流体を均一に加熱できることが解析により確認できた。また、流体出口部16がある部分から上部フランジ部15の空間において、シースヒーター12を非加熱部にすることによって、設計どおり、熱流体の滞留は起こらないことも確認できた。   FIG. 10 shows the temperature distribution at the time of 5 kW heat load. Although the temperature boundary layer has developed in the length direction of the sheath heater 12, since the flow path is locally narrowed in the baffle portion, the superheated liquid in the temperature boundary layer and the mainstream fluid outside the temperature boundary layer The temperature boundary layer is temporarily initialized. After passing through the baffle, a temperature boundary layer develops again in the vicinity of the surface of the sheath heater, but the next baffle is stirred again. As a result, as shown in FIG. 11, in the baffle portion, each sheath heater surface temperature falls to the mainstream temperature at that point, and the temperature is highest at the baffle-baffle intermediate portion, but the temperature rise is Compared to the baffle part, it can be suppressed to about 3K. At the time of rating, when 20 K supercritical pressure hydrogen flowed in, the maximum temperature in the temperature adjusting heater was 26.6 K, and it was confirmed that the design conditions were sufficiently satisfied. It was confirmed by analysis that the fluid in the shell 11 can be heated uniformly by the stirring effect between the outside of the temperature boundary layer and the bulk liquid. It was also confirmed that the heat fluid did not stay as designed by making the sheath heater 12 a non-heated part in the space from the fluid outlet 16 to the upper flange 15.

以上、本発明を一実施形態に基づいて説明したが、上記実施形態に限定されず、種々の変形、変更ができることはいうまでもない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on one Embodiment, it cannot be overemphasized that it is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation and a change are possible.

また、本発明は、上記の極低温水素循環システム以外の下記に例示する各種の用途に適用される。   Moreover, this invention is applied to the various uses illustrated below other than said cryogenic hydrogen circulation system.

本発明は、大型ヘリウム冷凍機や液化機の温度調節用大容量ヒーター、水素液化設備、低温水素循環設備の温度調節用大容量ヒーター、電気ボイラー、温水加熱、原子炉等の実験用としての大容量ヒーター、空気加熱器(乾燥用)化学薬品製造ラインの温度調節用ヒーターなど全般的な流体(気体・液体)加熱用ヒーターに利用が可能である。   The present invention is a large-capacity heater for temperature control of large helium refrigerators and liquefiers, large-capacity heaters for temperature control of hydrogen liquefaction equipment, low-temperature hydrogen circulation equipment, electric boilers, hot water heating, reactors, etc. It can be used for general fluid (gas / liquid) heaters such as capacity heaters, air heaters (for drying), and temperature control heaters for chemical production lines.

従来のシェルアンドチューブ型ヒーターの説明図である。It is explanatory drawing of the conventional shell and tube type heater. 本発明の実施形態に係るオリフィス型温度調節用ヒーターの内部構造を示す斜視図であり、ヒーター容器が半分カットされた状態を示す。It is a perspective view which shows the internal structure of the heater for orifice type temperature control which concerns on embodiment of this invention, and shows the state by which the heater container was cut in half. 上記オリフィス型温度調節用ヒーターのバッフル部分での断面図である。It is sectional drawing in the baffle part of the said orifice type temperature control heater. シースヒーターの振れ止め用金具の平面図である。It is a top view of the metal fitting for steadying of a sheath heater. 1.5MPa超臨界圧水素の密度の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the density of 1.5 MPa supercritical pressure hydrogen. ヒーターエレメントの設計条件の説明図である。It is explanatory drawing of the design conditions of a heater element. オリフィス型温度調節用ヒーターの設計においてバッフル間隔を決定するための説明図である。It is explanatory drawing for determining a baffle space | interval in the design of the heater for orifice type temperature control. 上記オリフィス型温度調節用ヒーターのヒーター容器内に超臨界圧水素を流入させた場合の流速分布を示す図である。It is a figure which shows the flow-velocity distribution at the time of making supercritical pressure hydrogen flow in into the heater container of the said orifice type temperature control heater. 上記オリフィス型温度調節用ヒーターのヒーター容器内に超臨界圧水素を流入させた場合の圧力分布を示す図である。It is a figure which shows the pressure distribution at the time of making supercritical pressure hydrogen flow in into the heater container of the said orifice type temperature control heater. 上記オリフィス型温度調節用ヒーターのヒーター容器内を5kWの熱負荷で流動する超臨界圧水素の温度分布を示す図である。It is a figure which shows the temperature distribution of the supercritical pressure hydrogen which flows through the inside of the heater container of the said orifice type temperature control heater with a heat load of 5 kW. 各シースヒーターの表面温度分布を示す図である(5kWの熱負荷時)。It is a figure which shows the surface temperature distribution of each sheath heater (at the time of a thermal load of 5 kW).

符号の説明Explanation of symbols

11 円筒胴(シェル)
12 シースヒーター
13 流体入口部
14 底壁
15 上部フランジ
16 流体出口部
17 開口
18 バッフル板
19 オリフィス(絞り機構)
20 端子箱
21 シースヒーター振れ止め金具
22 バッフル支持棒
11 Cylindrical body (shell)
12 Sheath heater 13 Fluid inlet 14 Bottom wall 15 Upper flange 16 Fluid outlet 17 Opening 18 Baffle plate 19 Orifice (throttle mechanism)
20 Terminal box 21 Sheath heater steady rest bracket 22 Baffle support rod

Claims (5)

一端側に流体入口部を有し、他端側に流体出口部を有し、内部をヘリウム、水素又は窒素からなる極低温液体流体が流通する円筒胴と、
円筒胴の軸方向に並設され、前記極低温液体流体を直接加熱する複数のシースヒーターを有し、
内部を複数のシースヒーターが挿通する複数の開口が設けられた複数のバッフル板が円筒胴の軸方向に所要間隔で複数配置され、
バッフル板の開口とシースヒーターとで形成されるクリアランスからなるオリフィスを前記極低温液体流体が通過し、前記極低温液体流体がシースヒーターと平行に流動し、シースヒーターエレメントの表面熱流束が一定値以下となるように設定して前記極低温液体流体を所定の温度に加熱する、気密性を確保したオリフィス型温度調節用ヒーター。
A cylinder barrel having a fluid inlet portion on one end side, a fluid outlet portion on the other end side, and a cryogenic liquid fluid made of helium, hydrogen or nitrogen flowing through the inside;
A plurality of sheath heaters arranged in parallel in the axial direction of the cylindrical body and directly heating the cryogenic liquid fluid ;
A plurality of baffle plates provided with a plurality of openings through which a plurality of sheath heaters are inserted are arranged at a required interval in the axial direction of the cylindrical body,
The cryogenic liquid fluid passes through the orifice formed by the clearance formed by the opening of the baffle plate and the sheath heater, the cryogenic liquid fluid flows in parallel with the sheath heater, and the surface heat flux of the sheath heater element is a constant value. An orifice type temperature control heater that ensures airtightness by heating the cryogenic liquid fluid to a predetermined temperature by setting so as to be as follows .
シースヒーターのシース管を上部フランジと溶接により固定したことを特徴とする請求項1に記載のオリフィス型温度調節用ヒーター。   The orifice type temperature adjusting heater according to claim 1, wherein the sheath tube of the sheath heater is fixed to the upper flange by welding. 最下端のバッフル板に、シースヒーター振れ止めのための複数の鍔部を有する振れ止め金具を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載のオリフィス型温度調節用ヒーター。   The orifice type temperature adjusting heater according to claim 1 or 2, wherein the bottom end baffle plate is provided with an anti-rest fitting having a plurality of flanges for anti-sheathing of the sheath heater. 下端に流体入口部が設けられ、上端近傍の円筒胴側面に流体出口部が設けられていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のオリフィス型温度調節用ヒーター。   The orifice type temperature adjusting heater according to any one of claims 1 to 3, wherein a fluid inlet portion is provided at a lower end and a fluid outlet portion is provided on a side surface of a cylindrical body near the upper end. シースヒーター電極部を円筒胴の外側に設けたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のオリフィス型温度調節用ヒーター。   The orifice type temperature adjusting heater according to any one of claims 1 to 4, wherein a sheath heater electrode portion is provided outside the cylindrical body.
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