間欠泉現象

間欠泉現象とは、極低温液体が垂直な長いパイプ（長さと直径の比が一定の値に達したもの）を下っていく際に、液体の蒸発によって発生した気泡が原因で起こる噴火現象を指します。気泡が増加するにつれて気泡間の重合が起こり、最終的に極低温液体がパイプの入口から逆流して噴出します。

パイプライン内の流量が低い場合に間欠泉が発生することがあるが、流量が停止したときに初めて気づく必要がある。

極低温液体が垂直配管内を下降する際、予冷プロセスと似たような現象が起こります。極低温液体は熱によって沸騰・蒸発しますが、これは予冷プロセスとは異なります。ただし、予冷プロセスにおける大きなシステム熱容量ではなく、主に周囲からのわずかな熱流入によって熱が発生します。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、周囲からの熱流入により、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、流体は逆流して上向きに流れ、高温流体境界層を形成します。一方、中心部の低温流体は下向きに流れ、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方向に沿って徐々に厚くなり、中心部の流体を完全に遮断して対流を停止させます。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、沸騰して泡が発生し始めます。ジングルガス爆弾は泡の上昇を遅らせます。

垂直管内に気泡が存在すると、気泡の粘性せん断力の作用により気泡底部の静圧が低下し、その結果、残りの液体が過熱されて蒸気が増加し、静圧が低下するという相互作用が起こり、ある程度まで大量の蒸気が発生します。蒸気の閃光を伴った液体が配管内に噴出すると、爆発にやや似た間欠泉現象が発生します。タンク上部空間に噴出した液体に伴って発生する一定量の蒸気は、タンク空間全体の温度を劇的に変化させ、結果として圧力も劇的に変化します。圧力変動がピークと谷の間で起こると、タンクが負圧状態になる可能性があります。圧力差の影響により、システムの構造的損傷につながる可能性があります。

蒸気噴出後、パイプ内の圧力は急速に低下し、重力の影響で極低温液体が垂直パイプ内に再注入されます。高速で流れる液体は、ウォーターハンマーに似た圧力衝撃を発生させ、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排除または軽減するためには、実用上、一方では、間欠泉現象の根本原因である熱侵入を考慮し、配管システムの断熱に注意を払う必要があります。他方では、不活性非凝縮性ガスの注入、極低温液体の追加注入、循環配管など、いくつかの対策を検討することができます。これらの対策の本質は、極低温液体の余剰熱を移動させ、過剰な熱の蓄積を防ぎ、間欠泉現象の発生を防止することです。

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から注入されます。液体とヘリウムの蒸気圧差を利用して、生成蒸気を液体からヘリウム質量へ移動させ、極低温液体の一部を気化させ、極低温液体から熱を吸収して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で使用されています。補助充填は、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あり、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、局所的な余剰熱を移動させて間欠泉の発生条件を破壊する方式です。

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HL極低温機器

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