JP2014224730A - 炭素繊維複合材料製受熱タイル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 貫通孔を設けた炭素材製の受熱ブロック11と、受熱ブロックの貫通孔に嵌入された銅合金製の冷却管16と、受熱ブロックと冷却管の間に配置される環状の緩衝材14と、緩衝材と受熱ブロックの間および緩衝材と冷却管の間に介挿されたロウ層13,15を備えた受熱タイルであって、受熱面の裏側において受熱ブロックの幅に亘って受熱ブロックと緩衝材を貫き冷却管まで届くスリット21を備える。
【選択図】 図1
Description
したがって、第一壁にはこのような高熱負荷に耐えて除熱を行う機能が要求される。第一壁に要求される高熱負荷の除熱機能を満たすために、熱伝導のよい材料で第一壁の受熱機器を構成することが必要である。
特にトカマク型核融合炉のダイバータには入射する荷電粒子の持つ運動エネルギーが熱として与えられるため、ダイバータは核融合炉内において最も高い熱負荷を受ける機器になる。したがって、ダイバータにはこのような高熱負荷に耐えて除熱を行う機能が要求される。
受熱ブロックは、スパッタリングなどにより表面から粒子が飛散してプラズマに混入しプラズマ温度の低下や閉じ込め性能の低下を招くため、プラズマへの悪影響が小さい低原子番号材料、特に、熱伝導のより高い炭素材料である炭素繊維強化炭素複合材料(CFC材)で形成することが望ましい。
長時間放電を行う核融合炉においては、ダイバータを構成する部材自体の熱容量ではその表面温度が構成材料の融点を超えてしまうため、受熱ブロックの内部に、伝熱性が高く強度の高いたとえばクロム・ジルコニウム銅(CuCrZr)など銅合金製の冷却管を設置し、流路に水などの冷媒を通して受熱ブロックが受けた熱を強制除熱する、強制冷却方式を採用している。
このため、プラズマからの受ける熱エネルギーを効率よく冷却管に伝えかつ膨張率の差を吸収するため、受熱ブロックと冷却配管の間にCuWなどの銅材製の緩衝材を介装し、相互間を、主としてCu−Mg系やTi−Cu系の熱伝導のよい接合材を用いたロウ付け接合などを用いて冶金的に接合して、熱抵抗を可能な限り低減することが好ましい。
しかし、特許文献1記載の高耐熱構造部品では、核融合炉の運転中に遭遇する熱サイクル負荷には耐えて構造部品の著しい変形や材料割れを防止することができるが、ロウ付けが850℃ないし1900℃の間の温度で行われるため、部品の製造工程中に履歴する高熱処理に耐えかね、製品としての歩留りは高くない。
このように、従来技術の受熱タイルには、冷却性能をより向上させる要請があった。
ロウ材薄膜が、緩衝材のスリットの位置で不連続になっていれば、緩衝材は真空ロウ付け工程中に自由に変形して、応力を解消することができる。
また、受熱ブロックの貫通孔の内壁にはチタン薄膜層を形成することが好ましい。チタン薄膜層は、たとえば公知の蒸着法により容易に形成することができる。チタン薄膜層中のチタンは、高温状態で炭素材の炭素と反応して炭素材表面に均一なチタンカーバイドを形成し、炭素材とロウ材の結合を強固にする。
まず、受熱ブロック11、冷却管16、緩衝材14、ロウ材薄膜13,15、その他の部品を準備する(S11)。
CFC製の受熱ブロック11は、核融合炉内に不純物を放出しないように、たとえば、真空加熱炉内で1000℃近くに加熱するなど、十分な脱ガス処理を施しておく。なお、銅や銅合金は高熱処理をすると変形するので、脱脂処理のみを行う。
金属層は、銅とチタンを含む金属粉末を中性バインダでペースト状あるいは溶液状にしたものを塗布して、真空加熱炉で焼結させることにより形成する。金属層はさらに機械加工により滑らかな円筒面を形成して、緩衝材14を挿入できるようにする。
なお、イオン蒸着法などによりチタンを蒸着させてチタン薄膜層を形成することにより貫通孔12の内壁表面をメタライズするようにしてもよい。
組立体における受熱タイル10同士のスペースを後の工程にわたって保持するため、カーボン材で作成したスペーサを用いることができる。スペーサはロウ付け固定後に取り外す。
ロウ付けは、複雑な組成形状を有する組立体全体を均等にロウ付け温度にするため、ロウ付け温度に達する前に、ロウ付け温度よりわずかに低い温度に保って十分な予熱を行うことが好ましい。均熱状態になった組立体をさらに加熱してロウ付け温度まで上げて所定時間保持した後に、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスによる強制冷却を行う。
時効処理後は炉内にて放冷する。
ステンレススチール製の冷却配管コネクタはCuCrZr製冷却管との接合性が良くないので、インサート材としてインコネルなどのニッケル系合金製のインサート管を用いて、電子ビーム溶接を行って接続する。溶接後に管の内外表面を切削して所定の寸法に加工する。
なお、受熱ブロック11の内壁表面層にチタンが含まれる場合は、チタンが受熱ブロック11中の炭素成分と反応しチタンカーバイドなどのチタン化合物を生成し、ブロックと強固に接合する。
また、冶金的に接合された緩衝材14と受熱ブロック11も膨張率に大きな差があるが、受熱ブロック11にスリット21が設けられているため、貫通孔12の内壁面が緩衝材14の外周の変位に引かれて径方向に変位するので、従来品と比べて境界部分に生じる剥離や境界近傍の受熱ブロック11内に生じる割れが減少する。
したがって、本実施例に係る受熱タイル10は、より熱伝導性に優れ、受熱ブロック11に入射する熱をより効率的に冷却管16に伝えて、除熱することができる。
本実施例に係る受熱タイル10の除熱効果を検討するために用いた試験用サンプルを図4に表す。
試験用サンプルは、10個の受熱タイル10を連結して、受熱タイル10を貫く冷却管を、一端を直接に、他端を冷却流路部品31を介して、冷却水配管32に繋ぎ、冷却水配管32の両端に冷却配管コネクタ33,34を配したものである。冷却配管32を、水源と排水装置に繋いで試験に供した。
また、各サンプルについて、ロウ材薄膜をスリットの部分に掛け渡した状態(スリット付)でロウ付け温度まで昇温したものと、ロウ材薄膜でスリットの部分を覆わないようにした状態(スリットなし)でロウ付けしたものを準備した。
なお、従来技術と比較するため、受熱ブロックや緩衝材にスリットがない現行品の受熱タイルで組み上げたサンプルも用意した。
また、一般的に、受熱ブロックと緩衝材のスリットが狭い方が冷却時間が短いことが示されている。スリットが狭い方が、空気領域が小さく熱伝達面積が大きいことによると考えられる。
ロウ材薄膜が緩衝材のスリットを跨いで巻き付けられている場合は、ロウ付けのため融点を超えて昇温しロウ材が溶融するまでは緩衝材を拘束して自由な変形を妨げるため、ロウ付け後のロウ材層およびその近傍に熱伝達を妨げる何らかの影響が残るものと考えられる。
また、スリット幅は、多少広くても従来品より冷却性能の高い受熱タイルが得られるが、冷却管の径より大きくしても冷却性能を向上させる上で積極的な意義がないので、スリット幅の上限は冷却管の外径としてよい。
11 受熱ブロック
12 貫通孔
13 第1のロウ材薄膜
14 緩衝材
15 第2のロウ材薄膜
16 冷却管
18 冷媒管路
20 嵌合溝
21 スリット
22 合わせ目
23 スリット
24 合わせ目
31 冷却流路部品
32 冷却水配管
33 冷却配管コネクタ
34 冷却配管コネクタ
Claims (5)
- 貫通孔を持ち受熱面の裏側にスリットを有する受熱ブロックの前記貫通孔内周に第1のロウ材薄膜を配置し、1カ所にスリットを有する円筒状の緩衝材を前記第1のロウ材薄膜の内側かつ該スリットが前記受熱ブロックのスリットと同じ位置に来るように配置し、前記緩衝材の内周に第2のロウ材薄膜を配置し、前記第2のロウ材薄膜の内側に冷却管を配置することにより組み上げられた組立体を真空ロウ付けして時効処理することを特徴とする核融合炉ダイバータに用いる炭素繊維複合材料製受熱タイルの製造方法。
- 前記第1のロウ材薄膜は、ロウ付け前に、前記緩衝材のスリットの位置で不連続に配置されることを特徴とする請求項1記載の炭素繊維複合材料製受熱タイルの製造方法。
- 前記貫通孔の内壁にチタン薄膜層を形成したことを特徴とする請求項1又は2記載の炭素繊維複合材料製受熱タイルの製造方法。
- 貫通孔を設けた炭素材製の受熱ブロックと、前記貫通孔に嵌入された銅合金製の冷却管と、前記受熱ブロックと前記冷却管の間に配置される円筒状の緩衝材と、前記緩衝材と前記受熱ブロックの間および前記緩衝材と前記冷却管の間に介挿されたロウ層を備えて、受熱面の裏側において前記受熱ブロックの幅に亘って前記受熱ブロックと前記緩衝材を貫き前記冷却管まで届くスリットを備えることを特徴とする、核融合炉第一壁に用いる炭素繊維複合材料製受熱タイル。
- 前記貫通孔の内壁にチタンカーバイド層が形成されていることを特徴とする請求項4記載の炭素繊維複合材料製受熱タイル。
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