JP2001051085A - 真空容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 必要な冷却効率のもとで高い信頼性と充分な
コスト抑制が得られるようにした真空容器を提供するこ
と。 【解決手段】 真空容器１内の受熱板４を、高温物質３
側に位置する高剛性材５と、冷却配管２側に位置する高
熱伝導材６からなるクラッド材で構成し、高剛性材５に
よる機械的強度の保持と、高熱伝導材６による冷却配管
２の流路１１内を流れる冷媒による受熱板４の冷却作用
の向上とが得られるようにしたもの。受熱板４個々のお
大きさと冷却配管２の敷設ピッチを大きくすることがで
き、冷却配管２の接続箇所の減少などによる信頼性の向
上と、コストアップの抑制とが得られる。また、受熱板
４のクラッド材を構成する材料のうち、低原子番号の材
料を高温物質３側に設置することにより、高温物質３へ
のスパッタリングによる高原子番号の金属原子の混入を
低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温物質を真空中
に保持するための容器に係り、特に、容器の内壁面に受
熱板を有する真空容器に関する。

【０００２】

【従来の技術】高温物質を真空中に生成させ、保持する
ための真空容器は、例えば核融合装置などに使用されて
いるが、この場合、内部に生成保持させたプラズマなど
の高温物質による輻射熱から真空容器を保護するため、
容器の内壁面に熱遮蔽用の受熱板を設置するのが通例で
ある。

【０００３】図３は、従来技術による真空容器の一例
で、この例では、図示のように、例えばステンレスから
なる真空容器１と、この真空容器１の内壁面に設置され
た冷却配管２と、この冷却配管２に取り付けられた受熱
板４とを備え、これにより、真空状態にある内部に高温
物質３を保持することができるようになっている。

【０００４】このとき、真空容器１により内部を真空に
しているのは、内部に保持した高温物質３に不純物質が
混入するのを防ぎ、且つ高温物質３からの熱の伝導を遮
断するためであるが、しかし内部を真空にしても、高温
物質３からの輻射熱は防げない。

【０００５】そこで、図示のように、真空容器１の内壁
面に多数枚の受熱板４を設置し、これにより高温物質３
からの輻射熱を遮蔽し、真空容器１が加熱されてしまう
のが抑えられるようにすのが一般的であり、ここで、こ
の真空容器用の受熱板４は、例えばステンレスなどの高
剛性材、又はカーボンなどの耐熱材料で作られ、その大
きさは、例えば２５０ｍｍ角で厚みが１０ｍｍ程度であ
り、これに冷却配管２が設けてある。

【０００６】この冷却配管２は、図示のように、溝型材
(コの字型断面の長尺部材)を真空容器１の内壁面に接合
させ、これにより内部に断面形状が矩形の冷媒の流路１
１が形成されるようにしたもので、これが個々の受熱板
４と一体になって真空容器１の内壁面に配置されてい
る。

【０００７】そして、この冷却配管２により形成されて
いる流路１１に、図示してない所定の供給源から水(純
水)などの所定の冷媒(ブライン)を通流させ、受熱板４
と真空容器１の熱を外部に運び出すようになっている。

【０００８】従って、この冷却配管２に通流される冷媒
により、受熱板４の温度上昇は確実に抑えられ、この結
果、絶対温度の４乗に比例して増加する高温物質３によ
る強い輻射熱から真空容器１を確実に保護することがで
きる。

【０００９】なお、この種の装置に関連する技術として
は、例えば特開平１０−９０４５０号公報、特開平９−
１２７２７７号公報の開示を挙げることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、真空
容器内壁面に設置される受熱板の材質について配慮が充
分にされているとはいえず、信頼性の保持とコストアッ
プ抑制の点に問題があった。上記したように、従来技術
では、この受熱板として、ステンレスなどの金属による
ものと、カーボンなどの非金属によるものが用いられて
いるが、このとき、まず、金属を用いた場合には次の問
題がある。

【００１１】すなわち、このような高温物質の生成保持
には、しばしば強力な磁界が使用されるが、この場合、
受熱板が導電性であるとすると、磁界の変動に際して渦
電流が生じ大きな電磁力が働くので、この電磁力に耐え
るため、受熱板には或る程度の剛性が要求され、このた
め一般にはステンレスなどの高剛性材が使用されてい
る。

【００１２】しかし、ステンレスは熱伝導性が低いた
め、受熱板の温度上昇を抑えるためには、その個々の面
積を小さくし、かなり細かく冷却配管を敷設する必要が
あり、このため、作業工数の増加と冷却配管からの冷媒
の漏洩などにより信頼性の保持が困難であるという問題
がある。

【００１３】一方、冷却効率向上のため、受熱板の材質
を高熱伝導材である銅、又はアルミニウムにした場合に
は、ステンレスに比して渦電流が増加することから、こ
の渦電流の低減のため、ステンレスを使用した場合より
も更に受熱板を細く分割する必要があり、加工と据付の
工数が増加すること、及び分割した受熱板の分割部から
侵入する熱量が増加し、冷却性能が低下するなどの問題
がある。

【００１４】また、銅などの高原子番号の材料を使用し
た場合には、スパッタリングなどにより高原子番号の金
属原子が発生してしまうので、高温物質に不純物が混入
してしまうという問題がある。

【００１５】次に、真空容器の受熱板としてカーボンを
用いた場合には次の問題がある。すなわち、この場合、
高純度グラファイトなど素材自体が高価な材料であるこ
とと、更には塑性加工が出来ないため、複雑な形状の真
空容器に設置する場合、機械加工などコストのかかる方
法で製作する必要があり、このためコストの抑制に問題
がある。

【００１６】本発明の目的は、必要な冷却効率のもとで
高い信頼性と充分なコスト抑制が得られるようにした真
空容器を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、内壁面に輻
射熱遮蔽用の受熱板を有する真空容器において、前記受
熱板が、高剛性材と高熱伝導材からなるクラッド材で構
成されるようにして達成される。

【００１８】同じく、上記目的は、内壁面に輻射熱遮蔽
用の受熱板を有する真空容器において、前記受熱板が、
高剛性材の中に高熱伝導材を挿入した板材で構成される
ようにして達成される。

【００１９】このとき、前記受熱板を構成する高剛性材
と高熱伝導材の内、低原子番号の部材が前記受熱板の前
記容器の内部に向う面に設置され、高原子番号の部材が
前記受熱板の前記容器の内壁面に向う面に設置されてい
るようにしても良い。

【００２０】また、同じく、このとき、前記高剛性材
が、鉄、ステンレス、インコネル、及びハイマンガン鋼
の何れかで構成され、前記高熱伝導材が、銅、及びアル
ミニウムの何れかで構成されるようにしても良い。

【００２１】さらには、前記クラッド材を構成する高剛
性材と高熱伝導材の板厚比が、ほぼ１になるようにして
もよく、前記受熱板を構成する高熱伝導材の一部にスリ
ットが形成されるようにしても良い。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明による真空容器につ
いて、図示の実施の形態により詳細に説明する。図１
は、本発明の一実施の形態で、図において、５は高剛性
材、６は高熱伝導材、７はスペーサ、８はカーボンシー
ト、９はボルト、１０は固定座、１２はスリットであ
り、その他、真空容器１と冷却配管２、高温物質３、受
熱板５は、図３の従来技術と同じである。

【００２３】高剛性材５と高熱伝導材６とは、相互に張
り合わせ接合したクラッド材として形成され、全体とし
て受熱板４を構成している。このとき、これら高剛性材
５と高熱伝導材６は、ほぼ等しい厚さに、つまり板厚比
がほぼ１になるようにするのが望ましいが、これに限定
される訳ではない。

【００２４】ここで、クラッド材とは、異種の金属材料
を圧延接合や拡散接合の加工処理により互いに接合した
ものであり、この実施形態では、高剛性材５は低原子番
号材料であるステンレス材で、高熱伝導材６は、高熱伝
導性材料である銅材やアルミニウム材である。

【００２５】従って、この実施形態では、受熱板４の高
温物質３に対向する方の面、つまり真空容器１の内部に
向う面には、低原子番号材である高剛性材５が存在し、
裏側の面、つまり容器の内壁面に向う面には、高熱伝導
材６が存在していることになる。

【００２６】そして、このクラッド材からなる受熱板４
は、スペーサ７を間に挟み、このスペーサ７の両面に夫
々カーボンシート８を介在させた上で冷却配管２の面に
載置され、真空容器１の内壁面に設けてある固定座１０
にボルト９をねじ込むことにより、真空容器１の内壁面
の所定の位置に取付けられる。

【００２７】このとき、スペーサ７は、真空容器１の内
壁面から受熱板４の表面までの寸法と、この受熱板４の
傾きを調整する働きをし、カーボンシート８は、受熱板
４とスペーサ７の間、及びスペーサ７と冷却配管２の間
での空隙の形成を抑え、熱伝導度(熱コンダクタンス)が
低下しないようにする働きをする。

【００２８】次に、スリット１２は渦電流抑制用で、磁
界変動により受熱板４に起電力が発生したとき、これに
よる電流流路の細分化により受熱板４の導電性を低下さ
せ、渦電流を抑制する働きをする。

【００２９】このため、このスリット１２は、図示のよ
うに、高剛性材５と高熱伝導材６のクラッド材からなる
受熱板４の中で、主として渦電流の流路となる高熱伝導
材６に設けられている。そして、このスリット１２は、
高熱伝導材６において渦電流が最大になる位置に設けら
れるようにするのが望ましい。

【００３０】ここで、具体的には、高熱伝導材６に発生
する起電力による電流の方向に対してなるべく直交する
方向に沿って、この高熱伝導材６を複数の部分に切り離
すような位置にスリット１２を形成してやればよい。

【００３１】この実施形態によれば、受熱板４が、高温
物質３側に設けた高剛性材５と、冷却配管２側に設けた
高熱伝導材６からなるクラッド材で形成されているの
で、受熱板４から冷却配管２に至る熱の伝達経路は、主
として高熱伝導材６により形成されることになり、この
結果、この経路での熱抵抗は充分に低減され、大きな熱
伝導率が与えられるようになる。

【００３２】従って、この実施形態によれば、高温物質
３から受熱板４に与えられた輻射熱は、高熱伝導材６に
より与えられる低い熱抵抗のもとで冷却配管２に伝達さ
れるようになり、この結果、冷却配管２の流路１１に通
流される冷媒による受熱板４の冷却作用が大きく促進さ
れ、受熱板４の温度上昇が充分に抑えられることにな
り、高温物質３の輻射熱による温度上昇から、真空容器
１を充分に保護することができる。

【００３３】ここで、この実施形態による受熱板４によ
れば、ステンレス材のみで形成した従来技術による受熱
板と比較して、熱伝導率が１０倍程度も向上することが
確認されており、従って、この実施形態によれば、受熱
板４個々の面積をかなりの大きさにしても、必要とする
冷却性能を容易に維持させることができる。

【００３４】よって、この実施形態によれば、受熱板４
の分割個数を多くする必要がなく、この結果、冷却配管
２の敷設ピッチが広くできるので、その分、作業工数が
少なくでき、さらには、冷却配管２全体の長さが少なく
て済み、更にその分、それからの冷媒の漏洩の虞れも少
なくなるので、信頼性を充分に高めることができる。

【００３５】また、この実施形態では、高熱伝導材６に
スリット１２が設けてあるので、高熱伝導材６の存在に
よる渦電流の増加も容易に抑えることができ、従って、
この点からも受熱板４の分割数を増加させる必要がなく
なるので、加工据付の工数の増加によるコストの上昇
や、受熱板４の分割部から侵入する熱量の増加による冷
却性能の低下を充分に抑えることができる。

【００３６】ここで、このような冷却効率の向上と渦電
流の低減化は、上記実施形態によれば、高熱伝導材６の
厚みや、高熱伝導材６側に設けるスリット１２の幅を適
切に選定することにより、双方の機能を共に容易に、且
つ的確に発揮させることができる。

【００３７】次に、図２は本発明の他の一実施形態で、
図示のように、この実施形態は、ステンレス材からなる
高剛性材５の中に、板状の銅材からなる高熱伝導材６を
挿入した金属板を用い、これにより受熱板４を構成した
ものである。

【００３８】ここで、銅材は、ステンレス材と比較して
２０％程度熱膨張率が大きい。このため受熱板４の温度
が上昇した場合、銅材からなる高熱伝導材６が膨張する
ことにより、ステンレス材からなる高剛性材５との界面
がより良く密着するようになる。

【００３９】従って、この図２の実施形態によれば、高
剛性材５と高熱伝導材６の間での熱抵抗が充分に抑えら
れ、高い熱伝導度が得られるので、クラッド材と同様、
受熱板４全体の熱伝導度が大きく向上され、図１の実施
形態と同様の作用効果を得ることができる。

【００４０】また、この図２の実施形態によれば、銅材
からなる高熱伝導材６が、ステンレス材からなる高剛性
材５の中で複数の部材に分割されているので、図１の実
施形態によるスリット１２を設けた場合と同様、渦電流
を充分に抑制することができる。

【００４１】さらに、この図２の実施形態によれば、銅
材からなる高熱伝導材６が、ステンレス材からなる高剛
性材５の板厚方向の中心部に挿入されているので、受熱
板４の熱膨張による反りの発生が確実に防止でき、ま
た、熱収縮により高熱伝導材６が高剛性材５から剥離し
ても、脱落する虞れがないので、構成について高い信頼
性を得ることができる。

【００４２】また、この図２の実施形態によれば、クラ
ッドに必要な特殊な接合技術を要しないため、材料につ
いてのコストダウンと、信頼性の向上を図ることができ
る。

【００４３】なお、上記実施形態では、何れも受熱板４
の高剛性材５がステンレスで、高熱伝導材６が銅の場合
について、主として説明したが、本発明は、これらに限
定されるものではなく、例えば高剛性材５には鉄、イン
コネル、ハイマンガン鋼などを、そして高熱伝導材６に
はアルミニウムを用い、それらによりクラッド材を構成
しても同様の効果を得ることができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、受熱板の機械的強度の
保持と冷却能力の保持が、受熱板を高剛性材と高熱伝導
材で形成するという簡単な構成により両立できるように
したので、個々の受熱板の面積を広くすることができ、
この結果、高い信頼性を持った真空容器をローコストで
容易に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による真空容器の一実施形態を示す要部
説明図である。

【図２】本発明による真空容器の他の一実施形態を示す
要部説明図である。

【図３】従来技術による真空容器の概略構成を示す説明
図である。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ 冷却配管 ３ 高温物質 ４ 受熱板 ５ 高剛性材 ６ 高熱伝導材 ７ スペーサ ８ カーボンシート ９ ボルト １０ 固定座 １１ 冷媒の流路 １２ スリット

フロントページの続き (72)発明者 三代 浩 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 浅野 克彦 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所原子力事業部内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器の内壁面に輻射熱遮蔽用の受熱板を
   有する真空容器において、 前記受熱板が、高剛性材と高熱伝導材からなるクラッド
   材で構成されていることを特徴とする真空容器。
2. 【請求項２】 容器の内壁面に輻射熱遮蔽用の受熱板を
   有する真空容器において、 前記受熱板が、高剛性材の中に高熱伝導材を挿入した板
   材で構成されていることを特徴とする真空容器。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の発明にお
   いて、 前記受熱板を構成する高剛性材と高熱伝導材の内、低原
   子番号の部材が前記受熱板の前記真空容器の内部に向う
   面に設置され、高原子番号の部材が前記受熱板の前記容
   器の内壁面に向う面に設置されていることを特徴とする
   真空容器。
4. 【請求項４】 請求項１又は請求項２に記載の発明にお
   いて、 前記高剛性材が、鉄、ステンレス、インコネル、及びハ
   イマンガン鋼の何れかで構成され、 前記高熱伝導材が、銅、及びアルミニウムの何れかで構
   成されていることを特徴とする真空容器。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の発明において、 前記クラッド材を構成する高剛性材と高熱伝導材の板厚
   比が、ほぼ１になるように構成されていることを特徴と
   する真空容器。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の発明において、 前記受熱板を構成する高熱伝導材の一部にスリットが形
   成されていることを特徴とする真空容器。