JP2016024062A - チャンネルボックス - Google Patents

Abstract

【課題】水分との反応による水素の発生が抑制されるとともに、強度、破壊靭性、および破壊エネルギーが高次元で両立されたチャンネルボックスを提供する【解決手段】チャンネルボックスは、筒状部を有する。筒状部の側壁部は、第１の層２１、第２の層２３、および中間層２２を有する。第１の層２１は、炭化ケイ素からなる。第２の層２３は、第１の層２１上に積層され、炭化ケイ素繊維が複合化された炭化ケイ素からなる。中間層２２は、第１の層２１と第２の層２３との間に配置され、固体潤滑剤を有する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、チャンネルボックスに関する。

加圧水型原子力発電プラント（ＰＷＲ）は、蒸気発生器、高圧タービン、低圧タービン、復水器、給水ポンプ、給水加熱器を順次経て、再び原子炉へ戻る循環サイクルで構成されており、蒸気発生器で発生した蒸気によって高圧タービンおよび低圧タービンを駆動して発電機を作動させ、発電を行うようになっている。

沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ）においては、原子炉でウランの核分裂反応から発生するエネルギーを利用して冷却水を沸騰させており、原子炉が蒸気発生器を兼ねている。燃料となるウランは酸化ウランの焼結体（燃料ペレット）として、燃料被覆管に収納されており、燃料被覆管の周囲を冷却水が流れている。複数の燃料被覆管を束ねた周囲を覆うようにチャンネルボックスが配置され、燃料被覆管の周囲に効率的に冷却水が流れる構成となっている。

一般に、チャンネルボックスには、その優れた耐食性と低い中性子吸収断面積から、ジルカロイ４と呼ばれるＳｎ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｚｒ合金、ジルカロイ２と呼ばれるＳｎ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｚｒ合金が使用されており、Ｚｒ−Ｎｂ合金等の使用も検討されている。
これらのジルコニウム基合金は、高温で周囲の水分と以下に示すような反応を生じる。
Ｚｒ ＋ ２Ｈ_２Ｏ → ＺｒＯ_２ ＋ ２Ｈ_２ …（１）

ここで（１）式で示した反応は発熱反応であり、ジルコニウム基合金は自身の発した熱により（１）式の酸化反応を促進し、およそ９００℃以上の高温になると劇的に水素の発生が増加する。原子炉内に水分が存在する環境でジルコニウム基合金がこのような高温にさらされると、短時間に多量の水素が発生し、この水素が格納容器から漏洩し、原子炉建屋内に滞留して水素爆発を起こすおそれがある。このようなことから、チャンネルボックスの材料として、セラミックス材料の使用が検討されている。

米国特許第６２２６３４２号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０２６８２４３号明細書

しかし、セラミックス材料の場合、脆性破壊を示すために、破壊に対する抵抗が必ずしも大きくない。また、繊維が複合化されたセラミックス材料の場合、繊維が複合化されていないものに比べて、破壊に対する抵抗は高くなるが、機械的強度が低下する。

チャンネルボックスには、津波、洪水等の自然災害、テロ等の人的災害等の原子炉の重大事故時、水分との反応による水素の発生が抑制されるとともに、設計基準を超えるような荷重または熱衝撃が加えられても即座に破壊しないような高い強度、破壊靭性、および破壊エネルギーを有することが求められる。

本発明が解決しようとする課題は、水分との反応による水素の発生が抑制されるとともに、強度、破壊靭性、および破壊エネルギーが高次元で両立されたチャンネルボックスを提供するものである。

実施形態のチャンネルボックスは、筒状部を有する。筒状部の側壁部は、第１の層、第２の層、および中間層を有する。第１の層は、炭化ケイ素からなる。第２の層は、第１の層上に積層され、炭化ケイ素繊維が複合化された炭化ケイ素からなる。中間層は、第１の層と第２の層との間に配置され、固体潤滑剤を有する。

第１の実施形態のチャンネルボックスを示す外観図である。 第１の実施形態における側壁部の一例を示す断面図である。 第１の実施形態における側壁部の第１の変形例を示す断面図である。 第１の実施形態における側壁部の第２の変形例を示す断面図である。 第１の実施形態における側壁部の第３の変形例を示す断面図である。 第１の実施形態における側壁部の第４の変形例を示す断面図である。 第１の実施形態における側壁部の第５の変形例を示す断面図である。 第１の実施形態のチャンネルボックスの第１の変形例（分離されていない状態）を示す図である。 第１の実施形態のチャンネルボックスの第１の変形例（分離された状態）を示す図である。 第１の実施形態のチャンネルボックスの第２の変形例（分離されていない状態）を示す図である。 第１の実施形態のチャンネルボックスの第２の変形例（分離された状態）を示す図である。 第１の実施形態のチャンネルボックスの第３の変形例（分離されていない状態）を示す図である。 第１の実施形態のチャンネルボックスの第３の変形例（分離された状態）を示す図である。 第２の実施形態のチャンネルボックスを示す外観図である。 第２の実施形態のチャンネルボックスの第１の変形例（分離されていない状態）を示す図である。 第２の実施形態のチャンネルボックスの第１の変形例（分離された状態）を示す図である。 第２の実施形態のチャンネルボックスの第２の変形例（分離されていない状態）を示す図である。 第２の実施形態のチャンネルボックスの第２の変形例（分離された状態）を示す図である。 第２の実施形態のチャンネルボックスの第３の変形例（分離されていない状態）を示す図である。 第２の実施形態のチャンネルボックスの第３の変形例（分離された状態）を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態のチャンネルボックスを示す外観図である。
第１の実施形態のチャンネルボックス１０は、円筒状の筒状部１１を有する。第１の実施形態のチャンネルボックス１０は、沸騰水型発電炉（ＢＷＲ）の燃料集合体を覆うものであり、原子炉冷却材流路の確保、制御棒のガイド、燃料棒の固定と保護の機能を有する。

図２は、第１の実施形態のチャンネルボックス１０における筒状部１１の側壁部の一例を示す断面図である。図２に示されるように、側壁部は、例えば、外側から順に、第１の層２１、中間層２２、および第２の層２３を有する。第１の層２１は、炭化ケイ素からなる。中間層２２は、固体潤滑剤からなる。また、第２の層２３は、炭化ケイ素繊維が複合化された炭化ケイ素からなる。

第１の実施形態のチャンネルボックス１０においては、その構成成分が基本的に炭化ケイ素であることから、使用時の放射化が抑制される。また、第１の実施形態のチャンネルボックス１０においては、その構成成分が基本的に炭化ケイ素であることから、原子炉の重大事故時、水分と接触したとしても、水分との反応による水素の発生が抑制される。

さらに、第１の実施形態のチャンネルボックス１０においては、炭化ケイ素からなる第１の層２１と、炭化ケイ素繊維が複合化された炭化ケイ素からなる第２の層２３とが結合力を弱める界面となる中間層２２を介して配置された構造を有することから、強度、破壊靭性、および破壊エネルギーが高次元で両立される。

具体的には、炭化ケイ素からなる第１の層２１により強度が確保され、炭化ケイ素繊維が複合化された炭化ケイ素からなる第２の層２３により破壊靭性、破壊エネルギーが確保される。特に、これら第１の層２１と第２の層２３とが結合力を弱める界面となる中間層２２を介して配置されることにより、第１の層２１と第２の層２３とが機能的に分離され、それぞれの機能が有効に発現される。これにより、通常時に必要とされる強度は、炭化ケイ素からなる第１の層２１により十分に確保され、原子炉の重大事故時に設計基準を超えるような荷重または熱衝撃が加えられたときには、炭化ケイ素繊維が複合化された炭化ケイ素からなる第２の層２３により破壊が抑制される。

図３は、側壁部の第１の変形例を示す断面図である。側壁部は、外側から順に、第２の層２３、中間層２２、および第１の層２１を有するものでもよい。このように、第１の層２１、第２の層２３は、いずれの層が外側に配置されてもよく、基本的に同様の効果が得られる。

図４は、側壁部の第２の変形例を示す断面図であり、図５は、側壁部の第３の変形例を示す断面図である。図４、図５に示されるように、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数は３層でもよい。このように第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数が３層の場合についても、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数が２層の場合と基本的に同様の効果が得られる。

なお、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数が３層の場合、第１の層２１と第２の層２３とは、いずれの層が外側になってもよいが、外側から順に交互に配置されることが好ましい。また、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数が３層の場合、第１の層２１と第２の層２３との各間には中間層２２が配置されることが好ましい。

具体的には、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数が３層の場合、図４に示されるように、外側から順に、第１の層２１、中間層２２、第２の層２３、中間層２２、第１の層２１が配置されるか、図５に示されるように、外側から順に、第２の層２３、中間層２２、第１の層２１、中間層２２、第２の層２３が配置されることが好ましい。

図６は、側壁部の第４の変形例を示す断面図であり、図７は、側壁部の第５の変形例を示す断面図である。図６、図７に示されるように、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数は４層でもよい。このように第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数が４層の場合についても、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数が、２層、３層の場合と基本的に同様の効果が得られる。

なお、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数が４層の場合、第１の層２１と第２の層２３とは、いずれの層が外側になってもよいが、外側から順に交互に配置されることが好ましい。また、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数が４層の場合、第１の層２１と第２の層２３との各間には中間層２２が配置されることが好ましい。

具体的には、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数が４層の場合、図６に示されるように、外側から順に、第１の層２１、中間層２２、第２の層２３、中間層２２、第１の層２１、中間層２２、第２の層２３が配置されるか、図７に示されるように、外側から順に、第２の層２３、中間層２２、第１の層２１、中間層２２、第２の層２３、中間層２２、第１の層２１が配置されることが好ましい。

ここで、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数は、必ずしも２層以上４層以下に限定されないが、生産性等の観点から、２層以上４層以下が好ましい。

第１の層２１の平均厚み、第２の層２３の平均厚みは、積層構造に応じて以下に示される範囲が好ましい。以下に示される範囲よりも、第１の層２１の平均厚みが大きくなる場合、または第２の層２３の平均厚みが小さくなる場合、破壊靭性、破壊エネルギーが低下しやすくなる。反対に、以下に示される範囲よりも、第１の層２１の平均厚みが小さくなる場合、または第２の層２３の平均厚みが大きくなる場合、強度が低下しやすくなる。なお、本明細書における平均厚みは、Ｘ線などの非破壊検査や、切断・断面観察などの破壊検査により測定される。

図２に示されるように、外側から順に、第１の層２１（１層目とする。）、第２の層２３（２層目とする。）を有する場合、１層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_１１）と２層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_１２）の比（Ｔ_１２／Ｔ_１１）は０．２５以上１以下が好ましい。

図３に示されるように、外側から順に、第２の層２３（１層目とする。）、第１の層２１（２層目とする。）を有する場合、１層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_２１）と２層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_２２）の比（Ｔ_２２／Ｔ_２１）は１以上４以下が好ましい。

図４に示されるように、外側から順に、第１の層２１（１層目とする。）、第２の層２３（２層目とする。）、第１の層２１（３層目とする。）を有する場合、１層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_３１）と２層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_３２）の比（Ｔ_３２／Ｔ_３１）は０．５以上、２以下が好ましく、１層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_３１）と３層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_３３）の比（Ｔ_３３／Ｔ_３１）は０．５以上、２以下が好ましい。

図５に示されるように、外側から順に、第２の層２３（１層目とする。）、第１の層２１（２層目とする。）、第２の層２３（３層目とする。）を有する場合、１層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_４１）と２層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_４２）の比（Ｔ_４２／Ｔ_４１）は１以上、４以下が好ましく、１層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_４１）と３層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_４３）の比（Ｔ_４３／Ｔ_４１）は０．５以上、２以下が好ましい。

図６に示されるように、外側から順に、第１の層２１（１層目とする。）、第２の層２３（２層目とする。）、第１の層２１（３層目とする。）、第２の層２３（４層目とする。）を有する場合、１層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_５１）と２層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_５２）の比（Ｔ_５２／Ｔ_５１）は０．３以上、１以下が好ましく、１層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_５１）と３層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_５３）の比（Ｔ_５３／Ｔ_５１）は０．３以上、３以下が好ましく、１層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_５１）と４層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_５４）の比（Ｔ_５４／Ｔ_５１）は０．３以上、２以下が好ましい。

図７に示されるように、外側から順に、第２の層２３（１層目とする。）、第１の層２１（２層目とする。）、第２の層２３（３層目とする。）、第１の層２１（４層目とする。）を有する場合、１層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_６１）と２層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_６２）の比（Ｔ_６２／Ｔ_６１）は１以上、３以下が好ましく、１層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_６１）と３層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_６３）の比（Ｔ_６３／Ｔ_６１）は１以上、２以下が好ましく、１層目の第２の層２３の平均厚み（Ｔ_６１）と４層目の第１の層２１の平均厚み（Ｔ_６４）の比（Ｔ_６４／Ｔ_６１）は１以上、２以下が好ましい。

筒状部１１の軸方向の長さは、通常、１ｍ以上４ｍ以下が好ましい。また、側壁部の平均厚みは、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数にかかわらず、２ｍｍ以上が好ましい。側壁部の平均厚みが２ｍｍ以上の場合、チャンネルボックス１０の強度の確保が容易となる。また、側壁部の平均厚みは、厚いほど強度の確保が容易となるが、放射化されやすくなることから、５ｍｍ以下が好ましく、４ｍｍ以下がより好ましい。

次に、側壁部における各層について具体的に説明する。

第１の層２１は、主としてチャンネルボックス１０の強度を確保するために設けられる。第１の層２１は、炭化ケイ素繊維が複合化されていない炭化ケイ素からなる。第１の層２１が炭化ケイ素繊維が複合化されていない炭化ケイ素からなることにより、十分な強度を得ることができる。

第１の層２１は、水分との反応による水素の発生、放射化等が抑制され、また十分な強度が得られることから、炭化ケイ素のみからなることが好ましいが、必要に応じて、かつ本発明の趣旨に反しない限度において、一部に他の成分を含有してもよい。他の成分としては、例えば、ホウ素、炭素、シリコン、アルミ、チタン、鉄、クロム、ニッケル、ジルコニウム、バナジウム、カルシウムなどが挙げられる。他の成分の含有量は、第１の層２１の全体の１０質量％以下が好ましく、５質量％以下がより好ましく、２質量％以下がさらに好ましい。

第１の層２１の平均厚みは、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数にかかわらず、５０μｍ以上が好ましい。第１の層２１の平均厚みが５０μｍ以上の場合、チャンネルボックス１０の強度を確保しやすくなる。第１の層２１の平均厚みは、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数にかかわらず、１００μｍ以上がより好ましい。

第１の層２１の平均厚みは、側壁部における第１の層２１の層数に合わせて適宜調整されることが好ましい。基本的には、側壁部における第１の層２１の層数が少なくなるほど、第１の層２１の平均厚みが厚くなることが好ましい。例えば、側壁部における第１の層２１の層数が１層である場合、チャンネルボックス１０の強度を確保する観点から、５００μｍ以上がより好ましく、１０００μｍ以上がさらに好ましい。

なお、第１の層２１の平均厚みは、チャンネルボックス１０の強度を確保する観点からは厚いほど好ましく、このような観点からは必ずしも制限されない。しかし、側壁部の平均厚みは、通常、２〜５ｍｍ程度であることから、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数、上記した第１の層２１と第２の層２３との各層の平均厚みの割合等を考量して、側壁部の平均厚みが２〜５ｍｍ程度となるように、第１の層２１の平均厚みの上限が調整されることが好ましい。

第２の層２３は、津波、洪水等の自然災害、テロ等の人的災害等の原子炉の重大事故時、すなわち設計基準を超えるような荷重または熱衝撃が加えられて第１の層２１が破壊するような場合、この破壊の進行を抑制して、チャンネルボックス１０の全体が破壊しないようにするために設けられる。

第２の層２３は、炭化ケイ素繊維が複合化された炭化ケイ素からなる。これにより、例えば、第２の層２３が延性破壊を示すようになり、第１の層２１のように脆性破壊するものと組み合わされることにより、破壊の進行を抑制できる。

第２の層２３は、例えば、炭化ケイ素によりマトリックスが構成され、この炭化ケイ素からなるマトリックス中に炭化ケイ素繊維が配置されている。なお、炭化ケイ素繊維どうしの間は、炭化ケイ素からなるマトリックスによって完全に埋められている必要はなく、気孔を有するものでもよい。

第２の層２３におけるマトリックスについても、水分との反応による水素の発生、放射化等が抑制され、また十分な強度が得られることから、炭化ケイ素のみからなることが好ましいが、必要に応じて、かつ本発明の趣旨に反しない限度において、一部に他の成分を含有してもよい。他の成分としては、例えば、窒化ホウ素、炭素、雲母系鉱物、酸化アルミニウム、ホウ素、シリコン、アルミ、チタン、鉄、クロム、ニッケル、ジルコニウム、バナジウム、カルシウムなどが挙げられる。他の成分の含有量は、マトリックスの全体の１０質量％以下が好ましく、５質量％以下がより好ましく、２質量％以下がさらに好ましい。

第２の層２３における炭化ケイ素繊維としては、通常、繊維径が５〜１５０μｍのものが好適に用いられる。繊維径が５μｍ以上の場合、炭化ケイ素繊維の複合化による特性の向上が顕著となる。また、繊維径が１５０μｍ以下の場合、マトリックスと炭化ケイ素繊維との境界面における過度な応力の発生が抑制され、マトリックスの破壊が抑制される。繊維径は、５〜１００μｍがより好ましく、５〜１５μｍがさらに好ましい。

第２の層２３における炭化ケイ素繊維は、長繊維であることが好ましい。なお、長繊維とは、連続した繊維であればよく、繊維長については必ずしも限定されない。炭化ケイ素繊維が連続している長さが長くなるほど、破壊靭性、破壊エネルギーが高くなるために好ましい。

炭化ケイ素繊維は、通常、１００〜１００００本程度が束ねられた繊維束の状態で炭化ケイ素からなるマトリックス中に配置される。第２の層２３においては、このような繊維束が連続していることが好ましい。例えば、第２の層２３においては、１本の連続した繊維束により全体が構成されていることが好ましい。このような場合、特に、破壊靭性、破壊エネルギーが高くなる。

なお、第２の層２３に含まれる繊維としては、水分との反応による水素の発生、放射化等が抑制され、また十分な強度が得られることから、炭化ケイ素繊維のみからなることが好ましいが、必要に応じて、かつ本発明の趣旨に反しない限度において、一部に他の繊維を含有してもよい。他の繊維としては、例えば、炭素、アルミナ等が挙げられる。他の繊維の含有量は、第２の層２３における繊維全体の１０質量％以下が好ましく、５質量％以下がより好ましく、２質量％以下がさらに好ましい。

炭化ケイ素繊維は、第２の層２３の全体積中、２０体積％以上含まれることが好ましい。ここで、第２の層２３の体積には、炭化ケイ素からなるマトリックス、炭化ケイ素繊維の体積に加えて、気孔の体積も含まれる。また、後述するように、炭化ケイ素繊維の表面に潤滑層が設けられる場合、炭化ケイ素繊維の体積には潤滑層の体積が含まれるものとする。

炭化ケイ素繊維の含有量が２０体積％以上の場合、第２の層２３の破壊の形態が延性破壊を示しやすくなるために好ましい。また、炭化ケイ素繊維の含有量は、第２の層２３の全体積中、４０体積％以下が好ましい。炭化ケイ素繊維の含有量が４０体積％以下の場合、第２の層２３自体の強度も確保しやすい。

第２の層２３における炭化ケイ素繊維の表面には、結合力を弱める界面となる被覆層が設けられることが好ましい。被覆層が設けられることにより、炭化ケイ素繊維とマトリックスとの間の剥離や滑りが良好となり、第２の層２３の破壊の形態が延性破壊を示しやすくなるために好ましい。結合力を弱める界面としては、窒化ホウ素、グラファイト、雲母系鉱物等が好ましい。これらのものから被覆層が構成される場合、特に炭化ケイ素繊維とマトリックスとの間の剥離や滑りが良好となる。

被覆層の平均厚みは、１００ｎｍ以上が好ましい。１００ｎｍ以上の場合、マトリックスと炭化ケイ素繊維との間の滑りが良好となることから、第２の層２３の破壊の形態が延性破壊を示しやすくなるために好ましい。また、被覆層の平均厚みは、１μｍ以下が好ましい。１μｍ以下の場合、第２の層２３の強度の低下が抑制される。

第２の層２３の平均厚みは、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数にかかわらず、３００μｍ以上が好ましい。第２の層２３の平均厚みが３００μｍ以上の場合、第１の層２１が破壊するような場合にも、この破壊の進行を効果的に抑制できる。

第２の層２３の平均厚みは、側壁部における第２の層２３の層数に合わせて適宜決定されることが好ましい。基本的には、側壁部における第２の層２３の層数が少なくなるほど、第２の層２３の平均厚みが厚くなることが好ましい。例えば、側壁部における第２の層２３の層数が１層である場合、第２の層２３の平均厚みは、破壊の進行を抑制する観点から、５００μｍ以上がより好ましく、１０００μｍ以上がさらに好ましい。

なお、第２の層２３の平均厚みは、破壊の進行を抑制する観点からは厚いほど好ましく、このような観点からは必ずしも制限されない。しかし、側壁部の平均厚みは、通常、２〜５ｍｍ程度であることから、第１の層２１の層数と第２の層２３の層数との合計した層数、上記した第１の層２１と第２の層２３との各層の平均厚みの割合等を考量して、側壁部の平均厚みが２〜５ｍｍ程度となるように、第２の層２３の平均厚みの上限が調整されることが好ましい。

中間層２２は、第１の層２１と第２の層２３との間に配置され、固体潤滑剤を有する。第１の層２１と第２の層２３との間に中間層２２が配置されることにより、第１の層２１と第２の層２３とが機能的に分離されて、それぞれの機能が有効に発現される。また、第１の層２１と第２の層２３との間に中間層２２が配置されることにより、第１の層２１において発生した亀裂がそのまま第２の層２３に進展することが抑制される。これにより、第１の層２１と第２の層２３とが直接接合されている場合に比べて、強度、破壊靭性、および破壊エネルギーが高次元で両立される。

中間層２２における結合力を弱める界面としては、窒化ホウ素、グラファイト、雲母系鉱物等が好ましい。これらのものから中間層２２が構成される場合、特に第１の層２１と第２の層２３とが機能的に良好に分離される。

中間層２２は、例えば、固体潤滑剤のみから構成される、このように中間層２２が固体潤滑剤のみから構成される場合、中間層２２の平均厚みは、７．５μｍ以上が好ましい。平均厚みが７．５μｍ以上の場合、第１の層２１と第２の層２３とが機能的に十分に分離されることから、それぞれの機能が効果的に発現される。また、中間層２２が固体潤滑剤のみから構成される場合、中間層２２の平均厚みは、８０μｍ以下が好ましい。平均厚みが８０μｍ以下の場合、側壁部における強度の低い中間層２２の割合が少なくなることから、チャンネルボックス１０の強度の低下が抑制される。

ここで、中間層２２の結合力が強すぎても弱すぎても、第１の層２１および第２の層２３のそれぞれの機能的は効果的に発現されない。例えば、中間層２２の結合力が強すぎると、第１の層２１において発生した亀裂がそのまま第２の層２３に進展して、亀裂の進展が抑制されにくい。一方、中間層２２の結合力が弱すぎると、第１の層２１、中間層２２、および第２の層２３を合わせた全体の強度が低下しやすい。このようなことからも、上記したような中間層２２の平均厚みが好ましい。

中間層２２は、上記した固体潤滑剤のみからなる単層構造を有するものに限られず、積層構造を有するものでもよい。積層構造を有するものとしては、例えば、固体潤滑剤からなる１対の第１の中間層の間に、炭化ケイ素からなる第２の中間層が配置されたものが挙げられる。このような積層構造によれば、中間層２２における過度の滑りが抑制されるために好ましい。

固体潤滑剤からなる第１の中間層（Ａ）と、炭化ケイ素からなる第２の中間層（Ｂ）との積層構造としては、例えば、Ａ／Ｂ／Ａのような３層構造、Ａ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ａのような５層構造が挙げられる。なお、上記したことからも明らかなように、固体潤滑剤からなる第１の中間層（Ａ）と炭化ケイ素からなる第２の中間層（Ｂ）との積層構造の場合、両端に固体潤滑剤からなる第１の中間層（Ａ）が配置されることが好ましい。

中間層２２が積層構造を有する場合、中間層２２の平均厚みは、７．５μｍ以上が好ましい。平均厚みが７．５μｍ以上の場合、第１の層２１と第２の層２３とが機能的に分離されて、それぞれの機能が十分に発現される。また、中間層２２が積層構造を有する場合、中間層２２の平均厚みは、１４０μｍ以下が好ましい。平均厚みが１４０μｍ以下の場合、側壁部における強度の低い中間層２２の割合が少なくなることから、チャンネルボックス１０の強度の低下が抑制される。

側壁部は、第１の層２１、中間層２２、および第２の層２３から基本的に構成されるが、必要に応じて、かつ本発明の趣旨に反しない限度において、他の層が設けられてもよい。

他の層としては、例えば、側壁部の外側および内側から選ばれる少なくとも一方の表面に設けられる保護層が挙げられる。保護層を有する場合、さらに水分との反応による水素の発生が抑制される。

保護層は、炭化ケイ素およびアルミナから選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。炭化ケイ素およびアルミナから選ばれる少なくとも１種を含むことにより、さらに水分との反応による水素の発生が抑制される。特に、保護層は、炭化ケイ素およびアルミナから選ばれる少なくとも１種を９８質量％以上含むことが好ましい。炭化ケイ素およびアルミナから選ばれる少なくとも１種を９８質量％以上含むことにより、さらに水分との反応による水素の発生が抑制される。

保護層の平均厚みは、１０μｍ以上が好ましい。平均厚みが１０μｍ以上の場合、水分との反応による水素の発生が抑制される効果が顕著となる。保護層の平均厚みは、５０μｍ未満が好ましい。保護層の平均厚みは、５０μｍ程度もあれば水分との反応による水素の発生が十分に抑制され、これ未満とすることで保護層の生産性も良好となる。

次に、実施の形態のチャンネルボックス１０の製造方法について説明する。

チャンネルボックス１０は、例えば、チャンネルボックス１０の内側形状と同様の外側形状を有するモールドを用いて、この外側表面に、第１の層２１、中間層２２、第２の層２３等を、順次、所定の順序で積層した後、モールドを引き抜くようにして取り外すことにより製造できる。なお、モールドの取り出しは、必ずしも全層の形成後である必要はなく、形状が維持できれば途中の段階で行ってもよい。

第１の層２１、中間層２２、被覆層、保護層は、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition、化学気相成長法)、ＰＶＤ法（Physical Vapor Deposition、物理気相成長法）により好適に形成され、特にＣＶＤ法により好適に形成される。第２の層２３は、ＣＶＩ法（Chemical Vapor Infiltration、化学気相浸透法）により好適に形成される。

ＣＶＩ法による第２の層２３の形成は、例えば、以下のように行われる。
まず、フィラメントワインディング法、ブレーディング法、織布もしくは不織布を積層する方法等により、炭化ケイ素繊維が複数束ねられた繊維束を成形して、円筒状、角筒状等の筒状を有する繊維基材を製造する。

フィラメントワインディング法の場合、モールド等の下地上に軸方向、周方向、バイアス方向等に繊維束が巻き付けられて、筒状の繊維基材が形成される。この場合、第２の層２３の全体において、繊維束が連続していることが好ましい。

ブレーディング法の場合、例えば、モールド等の下地における軸方向の一方の端部から他方の端部に向かって、モールド等の下地を包み込むように筒状に組み編みされて、所定の形状の繊維基材が形成される。

織布もしくは不織布を積層する方法の場合、繊維束が織物とされ、この織物がモールド等の下地上に巻き付けられるように積層されて、筒状の繊維基材が形成される。織物としては、平織、朱子織等が挙げられる。

筒状の繊維基材を製造した後、繊維基材の細孔空隙中でＣＶＤ反応を行うことにより、マトリックス成分を成長させて細孔空隙を埋める。これにより、第２の層２３が形成される。

次に、第１の実施形態のチャンネルボックス１０の変形例について説明する。

図８、図９は、第１の実施形態のチャンネルボックス１０の第１の変形例を示す図である。ここで、図８は、分離されていない状態を示したものであり、図９は、分離された状態を示したものである。チャンネルボックス１０は、周方向に２以上の部分に分割されてもよい。例えば、図示されるように、中心軸を含む平面により第１の周方向分割体１２と第２の周方向分割体１３との２つの部分に分割されており、これらが組み合わされてチャンネルボックス１０が構成されてもよい。また、図示しないが、チャンネルボックス１０は、周方向に３以上の部分に分割されてもよい。

図１０、図１１は、第１の実施形態のチャンネルボックス１０の第２の変形例を示す図である。ここで、図１０、１１は、軸方向に２つの部分に分割されたチャンネルボックス１０を示すものであり、図１０が分離されていない状態を示したものであり、図１１は、分離された状態を示したものである。図１０、図１１に示されるように、チャンネルボックス１０は、第１の軸方向分割体１４と第２の軸方向分割体１５との２つの部分に分割されており、これらが軸方向に組み合わされて構成されてもよい。

図１２、図１３は、第１の実施形態のチャンネルボックス１０の第３の変形例を示す図である。ここで、図１２、１３は、軸方向に３つの部分に分割されたものであり、図１２が分離されていない状態を示したものであり、図１３は、分離された状態を示したものである。図１２、図１３に示されるように、チャンネルボックス１０は、第１の軸方向分割体１６と、第２の軸方向分割体１７と、第３の軸方向分割体１８との３つの部分に分割されており、これらが軸方向に組み合わされて構成されてもよい。

なお、第１の実施形態のチャンネルボックス１０は、軸方向に４以上の部分に分割されてもよい。また、第１の実施形態のチャンネルボックス１０が軸方向に分割される場合、分割されるそれぞれの部分の軸方向の長さは、通常、１ｍ以上が好ましい。

次に、第２の実施形態のチャンネルボックス１０について説明する。

図１４は、第２の実施形態のチャンネルボックス１０を示す外観図である。
第２の実施形態のチャンネルボックス１０は角筒状の筒状部３１を有する。

なお、第２の実施形態のチャンネルボックス１０の側壁部の積層構造については、第１の実施形態のチャンネルボックス１０の側壁部の積層構造を採用できることから説明を省略する。

図１５、図１６は、第２の実施形態のチャンネルボックスの第１の変形例を示す図である。ここで、図１５は、分離されていない状態を示したものであり、図１６は、分離された状態を示したものである。第２の実施形態のチャンネルボックス１０についても、周方向に２以上の部分に分割されてもよい。例えば、図示されるように対角線を含む平面により第１の周方向分割体３２と第２の周方向分割体３３との２つの部分に分割されており、これらが組み合わされて構成されてもよい。また、図示しないが、チャンネルボックス１０は、周方向に３以上の部分に分割されてもよい。

図１７、図１８は、第２の実施形態のチャンネルボックス１０の軸方向における分割方法の一例を示した図である。ここで、図１７、１８は、軸方向に２つの部分に分割されたチャンネルボックス１０を示すものであり、図１７が分離されていない状態を示したものであり、図１８は、分離された状態を示したものである。図１７、図１８に示されるように、チャンネルボックス１０は、第１の軸方向分割体３４と第２の軸方向分割体３５との２つの部分に分割されており、これらが軸方向に組み合わされて構成されてもよい。

図１９、図２０は、第２の実施形態のチャンネルボックス１０の軸方向における分割方法の他の例を示した図である。ここで、図１９、２０は、軸方向に３つの部分に分割されたものであり、図１９が分離されていない状態を示したものであり、図２０は、分離された状態を示したものである。図１９、図２０に示されるように、チャンネルボックス１０は、第１の軸方向分割体３６と、第２の軸方向分割体３７と、第３の軸方向分割体３８との３つの部分に分割されており、これらが軸方向に組み合わされて構成されてもよい。

なお、第２の実施形態のチャンネルボックス１０についても、軸方向に４以上の部分に分割されてもよい。また、第２の実施形態のチャンネルボックス１０が軸方向に分割される場合、分割されるそれぞれの部分の軸方向の長さは、通常、１ｍ以上が好ましい。

（実施例１）
カーボンモールドとして、チャンネルボックスの内側形状と同様の外側形状を有するものを用意した。このカーボンモールドを炉内に配置した後、ＣＶＤ法により、その側面上に平均厚みが１．２ｍｍの炭化ケイ素からなる層（以下、ＳｉＣ層と記す。）を形成した。ここで、ＳｉＣ層の形成時の原料ガスとして、ＳｉＣｌ_４およびＣ_３Ｈ_８を用いた。また、ＳｉＣ層の形成時の温度は１３００〜１４００℃、圧力は４〜４０Ｐａとした。

さらに、ＳｉＣ層上に、平均厚みが１０〜５０μｍの窒化ホウ素からなる層（以下、ＢＮ層と記す。）を形成した。ＢＮ層の形成時の原料ガスとして、ＢＣｌ_３およびＮＨ_３を用いた。また、ＢＮ層の形成時の温度は１７５０〜１８５０℃、圧力は５０〜５００Ｐａとした。その後、炉内より、ＳｉＣ層およびＢＮ層が形成されたカーボンモールドを取り出した。

別途、ＣＶＤ法により表面に平均厚み１μｍ程度のグラファイトが形成された直径１２μｍの炭化ケイ素長繊維（日本カーボン製、商品名：ハイニカロンＳ）を用いて、８枚の朱子織のクロスを用意した。この８枚の朱子織のクロスを、上記したカーボンモールドのＢＮ層上に積層しながら巻き付けて繊維基材とした。

さらに、原料ガスとしてＳｉＣｌ_４およびＣ_３Ｈ_８を用い、温度１３００〜１４００℃、圧力４〜４０Ｐａの条件で、繊維基材の細孔空隙に炭化ケイ素を主成分とするマトリックスを形成して、平均厚みが１ｍｍであり、炭化ケイ素繊維が複合化された炭化ケイ素からなる層（以下、ＳｉＣ／ＳｉＣ層と記す。）を形成した。ＳｉＣ／ＳｉＣ層における炭化ケイ素繊維の割合は、２０〜４０体積％の範囲内である。

その後、カーボンモールドを取り外して、外側から順に、ＳｉＣ／ＳｉＣ層、ＢＮ層、ＳｉＣ層が配置された筒状部を有するチャンネルボックスを製造した。ここで、ＳｉＣ層が第１の層に相当し、ＢＮ層が中間層に相当し、ＳｉＣ／ＳｉＣ層が第２の層に相当する。また、チャンネルボックスの長さは２．３ｍｍである。

（実施例２）
実施例１のチャンネルボックスにおけるＳｉＣ／ＳｉＣ層上に、ＣＶＤ法により、さらに平均厚みが１０〜５０μｍの炭化ケイ素からなる保護層を形成した。ここで、保護層の形成時の原料ガスとして、ＳｉＣｌ_４およびＣ_３Ｈ_８を用いた。また、保護層の形成時の温度は１３００〜１４００℃、圧力は４〜４０Ｐａとした。

（比較例１）
側壁部がジルコニウム基合金層のみからなるチャンネルボックスを製造した。なお、ジルコニウム基合金層の厚さは、２．３ｍｍとした。

（比較例２）
側壁部が、ＳｉＣ層のみからなるチャンネルボックスを製造した。なお、ＳｉＣ層の形成は、実施例１のチャンネルボックスにおけるＳｉＣ層の形成と同様にして行った。また、ＳｉＣ層の平均厚みは、２．３ｍｍとした。

（比較例３）
側壁部が、ＳｉＣ／ＳｉＣ層のみからなるチャンネルボックスを製造した。なお、ＳｉＣ／ＳｉＣ層の形成は、実施例１のチャンネルボックスにおけるＳｉＣ／ＳｉＣ層の形成と同様にして行った。また、ＳｉＣ／ＳｉＣ層の平均厚みは、２．３ｍｍとした。

（比較例４）
外側から順に、ＳｉＣ／ＳｉＣ層、ＳｉＣ層が配置された筒状部を有するチャンネルボックスを製造した。なお、このチャンネルボックスは、ＢＮ層を形成しないことを除いて、実施例１のチャンネルボックスと同様にして製造した。また、ＳｉＣ／ＳｉＣ層、ＳｉＣ層の平均厚みは、実施例１のチャンネルボックスのＳｉＣ／ＳｉＣ層、ＳｉＣ層の平均厚みと同一とした。

次に、実施例１、２、比較例１〜４のチャンネルボックスについて、以下に示すような方法により、強度試験、高温水蒸気酸化試験、熱衝撃試験を行った。これらの試験結果を表１に示す。

（強度試験）
実施例および比較例のチャンネルボックスについて、従来よりジルコニウム基合金製チャンネルボックスにおいて実施されている曲げ試験を実施した。表中、評価基準は、以下の通りとした。
「○」：従来の要求仕様を満たす。
「◎」：従来の要求仕様の２倍程度の強度を有する。
「△」：従来の要求仕様に満たない。
「×」：従来の要求仕様に全く満たない。

（熱衝撃試験）
実施例および比較例のチャンネルボックスについて、９１２００℃に加熱した後、水中に投下して、形状変化を観察した。表中、評価基準は、以下の通りとした。
「○」：形状が保持されている。
「◎」：形状が完全に保持されている。
「△」：形状が部分的に保持されていない。
「×」：形状が保持されていない。

（高温水蒸気酸化試験）
実施例および比較例のチャンネルボックスについて、１３００℃の水蒸気雰囲気下、４８時間保持して行った。表中、評価基準は、以下の通りとした。
「○」：水素の発生量が要求仕様を満たす。
「◎」：水素の発生が見られない。
「△」：水素の発生量が要求仕様に満たない。
「×」：水素の発生量が要求仕様に全く満たない。

表１から明らかなように、ジルコニウム基合金層のみからなる比較例１のチャンネルボックスは、水素の発生が認められる。また、ＳｉＣ層のみからなる比較例２のチャンネルボックスは、熱衝撃に対する耐性が十分でない。さらに、ＳｉＣ／ＳｉＣ層のみからなる比較例３のチャンネルボックスは、十分な強度を有していない。また、ＢＮ層を有しないＳｉＣ層とＳｉＣ／ＳｉＣ層とからなる比較例４のチャンネルボックスは、強度および熱衝撃に対する耐性が十分でない。

一方、ＳｉＣ／ＳｉＣ層とＳｉＣ層とがＢＮ層を介して積層された実施例１のチャンネルボックスは、水素の発生が抑制され、強度および熱衝撃に対する耐性も十分である。また、保護層を有する実施例２のチャンネルボックスは、特に水素の発生が抑制される。

以上説明した実施形態によれば、水分との反応による水素の発生が抑制されるとともに、強度、破壊靭性、および破壊エネルギーが高次元で両立されたチャンネルボックスが提供される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…チャンネルボックス、１１…筒状部、１２…第１の周方向分割体、１３…第２の周方向分割体、１４…第１の軸方向分割体、１５…第２の軸方向分割体、１６…第１の軸方向分割体、１７…第２の軸方向分割体、１８…第３の軸方向分割体、２１…第１の層、２２…中間層、２３…第２の層、３１…筒状部、３２…第１の周方向分割体、３３…第２の周方向分割体、３４…第１の軸方向分割体、３５…第２の軸方向分割体、３６…第１の軸方向分割体、３７…第２の軸方向分割体、３８…第３の軸方向分割体。

Claims (19)

1. 筒状部を有するチャンネルボックスであって、
   前記筒状部の側壁部は、炭化ケイ素からなる第１の層と、前記第１の層の一方の主面上に配置され、炭化ケイ素繊維が複合化された炭化ケイ素からなる第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に配置され、固体潤滑剤を有する中間層とを有するチャンネルボックス。
2. 前記中間層は、固体潤滑剤からなる１対の第１の中間層の間に、炭化ケイ素からなる第２の中間層が配置された構造を有する請求項１記載のチャンネルボックス。
3. 前記中間層における固体潤滑剤は、窒化ホウ素、グラファイト、および雲母系鉱物の中から選択される少なくとも一種からなる請求項１または２記載のチャンネルボックス。
4. 前記第２の層における前記炭化ケイ素繊維の表面に被覆層を有する請求項１乃至３のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
5. 前記被覆層は、窒化ホウ素、グラファイト、および雲母系鉱物の中から選択される少なくとも一種からなる請求項４記載のチャンネルボックス。
6. 前記第１の層が化学気相成長法により形成され、前記第２の層が化学気相浸透法により形成された請求項１乃至５のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
7. 前記第２の層における前記炭化ケイ素繊維は、フィラメントワインディング法、ブレーディング法、または、織布もしくは不織布を積層する方法により、筒状に形成されている請求項１乃至６のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
8. 前記側壁部は、外側表面に、炭化ケイ素およびアルミナから選ばれる少なくとも１種を９８質量％以上含有する保護層を有する請求項１乃至７のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
9. 前記保護層は、平均厚みが１０μｍ以上５０μｍ以下である請求項８記載のチャンネルボックス。
10. 前記側壁部は、外側から順に、前記第１の層、前記中間層、前記第２の層を有する請求項１乃至９のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
11. 前記側壁部は、外側から順に、前記第２の層、前記中間層、前記第１の層を有する請求項１乃至９のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
12. 前記側壁部は、外側から順に、前記第１の層、前記中間層、前記第２の層、前記中間層、前記第１の層を有する請求項１乃至９のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
13. 前記側壁部は、外側から順に、前記第２の層、前記中間層、前記第１の層、前記中間層、前記第２の層を有する請求項１乃至９のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
14. 前記側壁部は、外側から順に、前記第１の層、前記中間層、前記第２の層、前記中間層、前記第１の層、前記中間層、前記第２の層を有する請求項１乃至９のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
15. 前記側壁部は、外側から順に、前記第２の層、前記中間層、前記第１の層、前記中間層、前記第２の層、前記中間層、前記第１の層を有する請求項１乃至９のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
16. 前記筒状部は、周方向に複数に分割されている請求項１乃至１５のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
17. 前記筒状部は、軸方向の長さが１ｍ以上４ｍ以下である請求項１乃至１６のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
18. 前記筒状部は、軸方向に複数に分割されている請求項１乃至１７のいずれか１項記載のチャンネルボックス。
19. 前記側壁部の平均厚みが２ｍｍ以上４ｍｍ以下である請求項１乃至１８のいずれか１項記載のチャンネルボックス。

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