間欠泉現象

間欠泉現象とは、極低温液体が垂直長管（長さと直径の比が一定値に達した管）を輸送される際に、液体の蒸発により発生した気泡によって噴出する現象のことで、気泡の増加に伴い気泡間の重合が起こり、最終的に極低温液体が管入口から逆流します。

間欠泉はパイプラインの流量が低いときに発生することがありますが、流れが止まったときにのみ気付く必要があります。

極低温液体が垂直配管内を流れ落ちる過程は、予冷過程に似ています。極低温液体は熱によって沸騰・蒸発しますが、これは予冷過程とは異なります。しかし、予冷過程における熱は、システムの大きな熱容量ではなく、主に周囲の小さな熱侵入によって発生します。そのため、管壁付近には蒸気膜ではなく、比較的高温の液体境界層が形成されます。液体が垂直配管内を流れる際、周囲の熱侵入により、管壁付近の流体境界層の熱密度が低下します。浮力の作用により、流体は上昇方向に反転し、高温流体境界層を形成します。一方、中央の低温流体は下降方向に流れ、両者の間に対流効果が生じます。高温流体の境界層は、主流の方向に沿って徐々に厚くなり、中央の流体を完全に遮断して対流を停止します。その後、熱を奪う対流がなくなるため、高温領域の液体の温度は急速に上昇します。液体の温度が飽和温度に達すると、沸騰が始まり、泡が発生します。ジングルガスボンベは泡の上昇を遅くします。

垂直パイプ内に気泡が存在すると、気泡の粘性せん断力の反応により気泡底部の静圧が低下し、残りの液体が過熱されてより多くの蒸気が発生し、その結果静圧が低下するため、ある程度の相互促進により大量の蒸気が発生します。爆発に似た間欠泉現象は、蒸気の閃光を帯びた液体がパイプラインに逆噴出するときに発生します。一定量の蒸気が発生し、液体がタンクの上部空間に噴出すると、タンク空間全体の温度が劇的に変化し、圧力も劇的に変化します。圧力変動が圧力の山と谷にある場合、タンクが負圧状態になる可能性があります。圧力差の影響は、システムの構造的損傷につながります。

蒸気噴出後、配管内の圧力は急激に低下し、極低温液体は重力の影響により垂直配管に再注入されます。高速液体はウォーターハンマーに類似した圧力衝撃を引き起こし、システム、特に宇宙機器に大きな影響を与えます。

間欠泉現象による被害を除去または軽減するためには、まず、熱の侵入が間欠泉現象の根本原因であるため、配管システムの断熱に留意する必要があります。また、不活性非凝縮ガスの注入、極低温液体の補充注入、循環パイプラインなど、いくつかの対策を検討することもできます。これらの対策の本質は、極低温液体の過剰な熱を伝達し、過剰な熱の蓄積を防ぎ、間欠泉現象の発生を防ぐことです。

不活性ガス注入方式では、通常、ヘリウムが不活性ガスとして使用され、ヘリウムはパイプラインの底部に注入されます。液体とヘリウムの蒸気圧差を利用して、製品蒸気を液体からヘリウム塊へ物質移動させることで、極低温液体の一部を蒸発させ、極低温液体から熱を吸収し、過冷却効果を生み出し、過剰な熱の蓄積を防ぎます。この方式は、一部の宇宙推進剤充填システムに使用されています。補充充填は、過冷却極低温液体を追加することで極低温液体の温度を下げる方式です。一方、循環パイプラインを追加する方式は、パイプラインを追加することでパイプラインとタンクの間に自然循環状態を確立し、局所的に過剰な熱を伝達させ、間欠泉の発生条件を破壊する方式です。

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HL極低温装置

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