JP2017071531A - 管状体および管状体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、筒部材の第二端部に挿入された第二の端栓とを有しているので、管状体を密閉したり、第一の端栓または第二の端栓に管などを接続したりして使用することができ、気密構造を有する管状体を得ることができる。
また、セラミックマトリックスは第一の端栓および第二の端栓と接合しているので、筒部材と第一の端栓および第二の端栓との間の気密性を確保することができる。
さらに、第二の端栓に、貫通孔を有しているので、管状体の内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉することができる。例えば、核燃料、パージガスなどを封入することができる。
(2)前記第一の端栓および/または前記第二の端栓は、前記筒部材の狭窄部に沿ったテーパ面を有する。
第一の端栓および/または第二の端栓と筒部材の狭窄部とは、テーパ面で接しているので、筒部材を構成するセラミック繊維にかかる曲げ応力を緩和する。さらに、テーパ面で接するので、第一の端栓または第二の端栓と筒部材との接する面積を大きく取ることができ、接続信頼性を高めることができる。
これらの素材は、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有しているので管状体の第1の端栓または第二の端栓として好適に利用することができる。SiCまたはTi3SiC2は、セラミックであるので特に高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有しているので、好適に利用することができる。Mo、W、ジルカロイまたはFeCrAlは、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有する金属であるとともに、容易に溶接、ロウ付けすることができ、好適に利用することができる。
SiC繊維は、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有するセラミック繊維であるので好適に利用することができる。
SiCは、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有するセラミック繊維であるので好適に利用することができる。
第一の端栓は、筒部材の開口端側が面取りされた円柱形状であるので、筒部材は第一の端栓の面取りの部分まで筒部材と同じ内径で構成することができる。このため、応力集中の起こりやすい屈曲部を管状体の内部空間に接しないようにすることができ、高強度の管状体を得ることができる。
第二の端栓は、両側にテーパ面を有し中央部が膨らんだ樽形状であるので、両側にテーパ面を有する。このため、内圧または外圧のいずれが端栓にかかっても、より強固に結合することができる。
第二の端栓は、貫通孔の内面と筒部材の中央側のテーパ面とが接するエッジを有するとともに、筒部材は、エッジに接する構造であるので、貫通孔の内径と、筒部材の内径とをほぼ同一にすることができる。これにより、固体を挿入する際に、貫通孔との干渉をなくすことができる。例えば、筒部材に挿入できる最大サイズの固体を貫通孔の大きさの影響なく、挿入することができる。これは、核燃料ペレットを挿入する際に好都合である。
貫通孔に第三の端栓が挿入されているので、互いに高い寸法精度で勘合させることができ、高い気密性を確保することができる。
(10)本発明の被覆管は、前記管状体を用いた原子炉用の被覆管である。
本発明の被覆管は、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と、組紐体を覆うマトリックスからなる筒部材と、筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、筒部材の第二端部に挿入された第二の端栓と、からなり、組紐体は、第一の端栓および/または第二の端栓の外表面に沿って筒部材の末端側が狭窄した狭窄部を有するとともに、セラミックマトリックスは第一の端栓および/または第二の端栓と接合している。このため、高い気密性を有するとともに、高い耐熱性、高強度、耐食性を備え、原子炉用の被覆管として好適に利用することができる。
(11)本発明の管状体の製造方法は、マンドレルの第一端部に第一の端栓を組み合わせ、前記マンドレルの第二端部に貫通孔を有する第二の端栓を挿入し、マンドレル組立体を準備するマンドレル準備工程と、前記マンドレル組立体の表面にセラミック繊維を製織して組紐体を形成するブレーディング工程と、前記組紐体のセラミック繊維間にセラミックマトリックスを形成して筒部材を形成するマトリックス形成工程と、前記筒部材から前記第一の端栓および前記第二の端栓を残してマンドレルを抜き取るマンドレル抜取り工程と、からなり、前記筒部材には、前記第一の端栓および/または前記第二の端栓の外表面に沿って狭窄部を有する。
なお、別途作製した組紐体をマンドレル組立体に組み合わせてもよい。
また、マンドレル組立体の表面にセラミック繊維を製織して組紐体を形成するブレーディング工程を有しているので、第一の端栓から第二の端栓に及ぶ筒部材を寸法精度よく形成することができる。
マトリックス形成工程は、どのようなプロセスでもよく特に限定されない。
マトリックス形成工程では、セラミック前駆体を液中に浸漬し、セラミック前駆体を焼成してセラミックマトリックスを形成する前駆体法を用いることができる。
またマトリックス形成工程では、CVD炉中で、原料ガスを導入してCVD被膜を形成するCVD法を用いることができる。
さらに、CVD法、前駆体法を組み合わせて用いることもできる。
筒部材には、第一の端栓および/または第二の端栓の外表面に沿って狭窄部を有する。
また、筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、筒部材の第二端部に挿入された第二の端栓とを有しているので、管状体を密閉したり、第一の端栓または第二の端栓に管などを接続したりして使用することができ、気密構造を有する管状体を得ることができる。
また組紐体は、第一の端栓および/または第二の端栓の外表面に沿って筒部材の末端側が狭窄した狭窄部を有しているので、第一の端栓または第二の端栓が筒部材から抜けない構造をとることができ、第一の端栓または第二の端栓と筒部材との接続信頼性を高めることができる。
また、セラミックマトリックスは第一の端栓および第二の端栓と接合しているので、筒部材と第一の端栓および第二の端栓との間の気密性を確保することができる。
さらに、第二の端栓に、貫通孔を有しているので、管状体の内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉することができる。例えば、核燃料、パージガスなどを封入することができる。
(12)前記第一の端栓および/または前記第二の端栓は、前記筒部材の狭窄部に沿ったテーパ面を有する。
第一の端栓および/または第二の端栓と筒部材の狭窄部とは、テーパ面で接しているので、筒部材を構成するセラミック繊維にかかる曲げ応力を緩和する。さらに、テーパ面で接するので、第一の端栓または第二の端栓と筒部材との接する面積を大きく取ることができ、接続信頼性を高めることができる。
これらの素材は、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有しているので管状体の第1の端栓または第二の端栓として好適に利用することができる。SiCまたはTi3SiC2は、セラミックであるので特に高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有しているので、好適に利用することができる。Mo、W、ジルカロイまたはFeCrAlは、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有する金属であるとともに、容易に溶接、ロウ付けすることができ、好適に利用することができる。
SiC繊維は、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有するセラミック繊維であるので好適に利用することができる。
SiCは、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有するセラミック繊維であるので好適に利用することができる。
第一の端栓が、筒部材の開口端側が面取りされた円柱形状であるので、筒部材は第一の端栓の面取りの部分まで筒部材と同じ内径で構成することができる。このため、応力集中の起こりやすい屈曲部を管状体の内部空間に接しないようにすることができ、高強度の管状体を得ることができる。
第二の端栓が、両側にテーパ面を有し中央部が膨らんだ樽形状であるので、両側にテーパ面を有している。このため、内圧または外圧のいずれが端栓にかかっても、より強固に結合することができる。
第二の端栓は、貫通孔の内面と筒部材の中央側のテーパ面とが接するエッジを有し、筒部材は、エッジに接する構造であるので、貫通孔の内径と、筒部材の内径とをほぼ同一にすることができ、固体を挿入する際に、貫通孔との干渉をなくすことができる。例えば、筒部材に挿入できる最大サイズの固体を貫通孔の大きさの影響なく、挿入することができる。これは、核燃料ペレットを挿入する際に好都合である。
また、第二の端栓と筒部材の内径を同一にすることができるので、ストレートのマンドレルを用いても筒部材の内面を精度よく保持することができる。このため、得られる管状体の寸法精度を高めることができる。
貫通孔に第三の端栓が挿入されているので、互いに高い寸法精度で勘合させることができ、高い気密性を確保することができる。
(20)本発明の被覆管の製造方法では、前記管状体を用いて原子炉用の被覆管を製造する。
本発明の被覆管の製造方法で製造される被覆管は、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と、組紐体を覆うマトリックスからなる筒部材と、筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、筒部材の第二端部に挿入された第二の端栓と、を有する。組紐体は、第一の端栓および/または第二の端栓の外表面に沿って筒部材の末端側が狭窄した狭窄部を有するとともに、セラミックマトリックスは第一の端栓および/または第二の端栓と接合しているので、高い気密性を有するとともに、高い耐熱性、高強度、耐食性を備え、原子炉用の被覆管として好適に利用することができる。
本発明の管状体は、例えば円筒形状の筒部材を有する。筒部材は、例えばSiC繊維等のセラミック繊維からなる筒状の組紐体と、組紐体を覆う例えばSiC等のセラミックマトリックスとを有する。
第一端部は長手方向外側に向かって縮径する狭窄部を有するので、第一の端栓の先端部は狭窄部に対応した形状となっている。すなわち、第一の端栓の先端には、狭窄部のテーパ面に沿ったテーパ面を有する。また、第一の端栓の内側端部(先端部と反対側端部)には、先端部側に凹んだ凹部が設けられている。第一の端栓は、セラミックマトリックスと接合している。
なお、第一の端栓は、SiC、Ti3SiC2、Mo、W、ジルカロイまたはFeCrAlのいずれかからなることが望ましい。
第二端部は中央部が膨らんだ樽形状を呈しており、第二の端栓は第二端部に対応した樽形状となっている。すなわち、第二の端栓は、組紐体の第二端部の第一のテーパに沿った第一のテーパ面と、組紐体の平行部に沿った平行部と、組紐体の第二のテーパに沿った第二のテーパ面を有する。そして、第二の端栓は、中央部を貫通する貫通孔を有する。貫通孔の内面の長手方向中央側端部(エッジ)は、筒部材の第一のテーパに接している。ここでは、エッジは、筒部材の第一のテーパと中空部の内面との接合点に一致しており、中空部と貫通孔とは、スムーズに連続している。なお、第二の端栓は、セラミックマトリックスと接合している。
なお、第二の端栓は、SiC、Ti3SiC2、Mo、W、ジルカロイまたはFeCrAlのいずれかからなることが望ましい。
なお、第三の端栓は、SiC、Ti3SiC2、Mo、W、ジルカロイまたはFeCrAlのいずれかからなることが望ましい。
管状体の製造方法は、マンドレル準備工程と、ブレーディング工程と、マトリックス形成工程と、マンドレル抜取り工程とを有する。
マンドレル準備工程では、マンドレルの第一端部側に第一の端栓を組み合わせる。このとき、マンドレルの第一端部側の端面に、第一の端栓に設けられている凹部に嵌合する凸部を設けておき、凸部を凹部に嵌合させて組み合わせる。さらに、マンドレルの第二端部側に第二の端栓を組み合わせる。このとき、第二の端栓の貫通孔にマンドレルの第二端部側を挿入してマンドレル組立体を作製する。
なお、マンドレル組立体の周面に糸状のセラミック繊維を編み込むようにして組紐体を形成したが、予めセラミック繊維を筒状に編み込んだものをマンドレル組立体に被せて組紐体を形成することも可能である。
そして、マンドレル抜取り工程では、セラミックマトリックスを形成した筒部材から、第一の端栓および第二の端栓を残してマンドレルを抜き取る。さらに筒部材の両端の不要部分を適宜カットする。
以上の工程により、管状体が製造される。管状体は、原子炉用の被覆管として用いられる。
図1(A)に示すように、本実施形態の管状体10は、例えば円筒形状の筒部材20を有する。図1(B)および図1(C)に示すように、筒部材20は、例えばSiC繊維等のセラミック繊維からなる筒状の組紐体21と、組紐体21を覆う例えばSiC等のセラミックマトリックス22とを有する。
なお、以後の説明においては、組紐体21の第一端部23および第二端部24の表示を、筒部材20の第一端部23および第二端部24と共通して使用することとする。また、組紐体21の狭窄部25の表示も、筒部材20の狭窄部25と共通して使用することとする。
第一端部23は長手方向外側に向かって縮径する狭窄部25を有するので、第一の端栓31の先端部は狭窄部25に対応した形状となっている。すなわち、第一の端栓31の先端には、狭窄部25のテーパ面251に沿ったテーパ面311を有する。また、第一の端栓31の内側端部(先端部と反対側端部)には、先端部側に凹んだ凹部312が設けられている。第一の端栓31は、セラミックマトリックス22と接合している。
なお、第一の端栓31は、SiC、Ti3SiC2、Mo、W、ジルカロイまたはFeCrAlのいずれかからなることが望ましい。
第二端部24は中央部が膨らんだ樽形状を呈しており、第二の端栓32は第二端部24に対応した樽形状となっている。すなわち、第二の端栓32は、組紐体21の第二端部24の第一のテーパ241に沿った第一のテーパ面321と、組紐体21の平行部242に沿った平行部322と、組紐体21の第二のテーパ243に沿った第二のテーパ面323を有する。そして、第二の端栓32は、中央部を貫通する貫通孔324を有する。貫通孔324の内面の長手方向中央側端部(エッジ325)は、筒部材20の第一のテーパ241に接している。ここでは、エッジ325は、筒部材20の第一のテーパ241と中空部211の内面212との接合点に一致しており、中空部211と貫通孔324とは、スムーズに連続している。なお、第二の端栓32は、セラミックマトリックス22と接合している。
なお、第二の端栓32は、SiC、Ti3SiC2、Mo、W、ジルカロイまたはFeCrAlのいずれかからなることが望ましい。
なお、第三の端栓33は、SiC、Ti3SiC2、Mo、W、ジルカロイまたはFeCrAlのいずれかからなることが望ましい。
図2に示すように、管状体10の製造方法は、マンドレル準備工程S1と、ブレーディング工程S2と、マトリックス形成工程S3と、マンドレル抜取り工程S4とを有する。
図3(A)および図3(B)に示すように、マンドレル準備工程S1では、マンドレル41の第一端部23側に第一の端栓31を組み合わせる。このとき、マンドレル41の第一端部23側の端面に、第一の端栓31に設けられている凹部312に嵌合する凸部42を設けておき、凸部42を凹部312に嵌合させて組み合わせる。さらに、マンドレル41の第二端部24側に第二の端栓32を組み合わせる。このとき、第二の端栓32の貫通孔324にマンドレル41の第二端部24側を挿入してマンドレル組立体43を作製する。
なお、図4においては、マンドレル組立体43の周面に糸状のセラミック繊維44を編み込むようにして組紐体21を形成したが、予めセラミック繊維を筒状に編み込んだものをマンドレル組立体43に被せて組紐体21を形成することも可能である。
そして、図6に示すように、マンドレル抜取り工程S4では、セラミックマトリックス22を形成した筒部材20から、第一の端栓31および第二の端栓32を残してマンドレル41を抜き取る。さらに筒部材の両端の不要部分を適宜カットする。
以上の工程により、管状体10が製造される。管状体10は、原子炉用の被覆管として用いられる。
本実施形態の管状体10によれば、セラミック繊維44からなる筒状の組紐体21と、組紐体21を覆うセラミックマトリックス22とからなる筒部材20を有している。筒部材20は、セラミック/セラミック複合材であり、高い強度と耐熱性を有するので、過酷な環境下でも使用することができる。
また、筒部材20の第一端部23に挿入された第一の端栓31と、筒部材20の第二端部24に挿入された第二の端栓32とを有しているので、管状体10を密閉したり、第一の端栓31または第二の端栓32に管などを接続したりして使用することができ、気密構造を有する管状体10を得ることができる。
また、セラミックマトリックス22は第一の端栓31および第二の端栓32と接合しているので、筒部材20と第一の端栓31および第二の端栓32との間の気密性を確保することができる。
さらに、第二の端栓32に、貫通孔324を有しているので、管状体10の内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉することができる。例えば、核燃料、パージガスなどを封入することができる。
また、マンドレル組立体43の表面にセラミック繊維44を製織して組紐体21を形成するブレーディング工程S2を有しているので、第一の端栓31から第二の端栓32に及ぶ筒部材20を寸法精度よく形成することができる。
マトリックス形成工程S3は、どのようなプロセスでもよく特に限定されない。
マトリックス形成工程では、セラミック前駆体を液中に浸漬し、セラミック前駆体を焼成してセラミックマトリックス22を形成する前駆体法を用いることができる。またマトリックス形成工程では、CVD炉中で、原料ガスを導入してCVD被膜を形成するCVD法を用いることができる。さらに、CVD法、前駆体法を組み合わせて用いることもできる。
筒部材20は、第一端部23に第一の端栓31の外表面に沿って狭窄部25を有するので、マンドレル41を第二端部24側に引き抜くことができる。
また、筒部材20の第一端部23に挿入された第一の端栓31と、筒部材20の第二端部24に挿入された第二の端栓32とを有しているので、管状体10を密閉したり、第一の端栓31または第二の端栓32に管などを接続したりして使用することができ、気密構造を有する管状体10を得ることができる。
また、第二の端栓32は、両側にテーパ面251を有し中央部が膨らんだ樽形状であるので、両側に第一のテーパ241および第二のテーパ243を有する。このため、内圧または外圧のいずれが第二の端栓32にかかってもより強固に結合することができ、筒部材20から抜けない構造をとることができるので、第二の端栓32と筒部材20との接続信頼性を高めることができる。
また、セラミックマトリックス22は第一の端栓31および第二の端栓32と接合しているので、筒部材20と第一の端栓31および第二の端栓32との間の気密性を確保することができる。
さらに、第二の端栓32に、貫通孔324を有しているので、管状体10の内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉することができる。例えば、核燃料、パージガスなどを封入することができる。
例えば、本実施形態においては、管状体10の第一端部23に狭窄部25を設けたが、第二端部24に設けることもできる。さらに、第一端部23および第二端部24の両側に設けることも可能である。
以下に、管状体10の第一端部23および第一の端栓31の変形例を示す。
図7(A)に示す管状体101では、第一端部23の形状は前述した実施形態と変わらないが、第一の端栓31Aの内側端面に凹部312(図1(C)参照)が設けられず平坦となっている。このようにしても、前述した実施形態の管状体10と同様の作用・効果を得ることができる。
さらに、図7(D)に示す管状体104では、第一の端栓31Dの内面に、前述した凹部312(図1(C)参照)に代わって凸部315が設けられている。
図8(A)に示す管状体105では、第二の端栓32Aの貫通孔324の大きさが、筒部材20の中空部211(図1(B)参照)の内径に比べて小さい。この場合、第二の端栓32Aを製造する際に、第二の端栓32Aの厚さに相当する部分213に例えば可燃物や砂等を充填しておき、中心に貫通孔324の大きさに相当する棒部材34を挿入して第二の端栓32Aを製造することができる。第二の端栓32Aを製造した後、棒部材34を抜取り、可燃物や砂等を除去する。
これにより、他部材を容易に第二の端栓32Cに着脱することができる。
20 筒部材
21 組紐体
22 セラミックマトリックス
23 第一端部
24 第二端部
25 狭窄部
251 テーパ面
31 第一の端栓
32 第二の端栓
321 第一のテーパ面(テーパ面)
323 第二のテーパ面(テーパ面)
324 貫通孔
325 エッジ
33 第三の端栓
41 マンドレル
43 マンドレル組立体
44 セラミック繊維
S1 マンドレル準備工程
S2 ブレーディング工程
S3 マトリックス形成工程
S4 マンドレル抜取り工程
Claims (20)
- セラミック繊維からなる筒状の組紐体と前記組紐体を覆うセラミックマトリックスとからなる筒部材と、前記筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、前記筒部材の第二端部に挿入され貫通孔を有する第二の端栓と、からなり、
前記組紐体は、前記第一の端栓および/または前記第二の端栓の外表面に沿って前記筒部材の末端側が狭窄した狭窄部を有するとともに、前記セラミックマトリックスは前記第一の端栓および前記第二の端栓と接合していることを特徴とする管状体。 - 前記第一の端栓および/または前記第二の端栓は、前記筒部材の狭窄部に沿ったテーパ面を有することを特徴とする請求項1に記載の管状体。
- 前記第一の端栓および/または前記第二の端栓は、SiC、Ti3SiC2、Mo、W、ジルカロイまたはFeCrAlのいずれかからなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の管状体。
- 前記セラミック繊維は、SiC繊維であることを特徴とする請求項1〜請求項3のうちのいずれか一項に記載の管状体。
- 前記セラミックマトリックスは、SiCであることを特徴とする請求項1〜請求項4のうちのいずれか一項に記載の管状体。
- 前記第一の端栓は、前記筒部材の開口端側が面取りされた円柱形状であることを特徴とする請求項1〜請求項5のうちのいずれか一項に記載の管状体。
- 前記第二の端栓は、両側にテーパ面を有し中央部が膨らんだ樽形状であることを特徴とする請求項1〜請求項5のうちのいずれか一項に記載の管状体。
- 前記第二の端栓は、前記貫通孔の内面と筒部材の中央側のテーパ面とが接するエッジを有し、前記筒部材は、前記エッジに接することを特徴とする請求項7に記載の管状体。
- 前記貫通孔には、さらに第三の端栓が挿入されていることを特徴とする請求項8に記載の管状体。
- 請求項1〜請求項9のうちのいずれか一項に記載の管状体を用いた原子炉用の被覆管。
- マンドレルの第一端部に第一の端栓を組み合わせ、前記マンドレルの第二端部に貫通孔を有する第二の端栓を挿入し、マンドレル組立体を準備するマンドレル準備工程と、
前記マンドレル組立体の表面にセラミック繊維を製織して組紐体を形成するブレーディング工程と、
前記組紐体のセラミック繊維間にセラミックマトリックスを形成して筒部材を形成するマトリックス形成工程と、
前記筒部材から前記第一の端栓および前記第二の端栓を残してマンドレルを抜き取るマンドレル抜取り工程と、からなり、
前記筒部材には、前記第一の端栓および/または前記第二の端栓の外表面に沿って狭窄部を有することを特徴とする管状体の製造方法。 - 前記第一の端栓および/または前記第二の端栓は、前記筒部材の狭窄部に沿ったテーパ面を有することを特徴とする請求項11に記載の管状体の製造方法。
- 前記第一の端栓および/または前記第二の端栓は、SiC、Ti3SiC2、Mo、W、ジルカロイまたはFeCrAlのいずれかからなることを特徴とする請求項11または請求項12に記載の管状体の製造方法。
- 前記セラミック繊維は、SiC繊維であることを特徴とする請求項11〜請求項13のうちのいずれか一項に記載の管状体の製造方法。
- 前記セラミックマトリックスは、SiCであることを特徴とする請求項11〜請求項14のうちのいずれか一項に記載の管状体の製造方法。
- 前記第一の端栓は、前記筒部材の開口端側が面取りされた円柱形状であることを特徴とする請求項11〜請求項15のうちのいずれか一項に記載の管状体の製造方法。
- 前記第二の端栓は、両側にテーパ面を有し中央部が膨らんだ樽形状であることを特徴とする請求項11〜請求項15のうちのいずれか一項に記載の管状体の製造方法。
- 前記第二の端栓は、貫通孔の内面と筒部材の中央側のテーパ面とが接するエッジを有し、前記筒部材は、前記エッジに接することを特徴とする請求項17に記載の管状体の製造方法。
- 前記貫通孔には、さらに第三の端栓が挿入されていることを特徴とする請求項18に記載の管状体の製造方法。
- 請求項11〜請求項19のうちのいずれか一項に記載の管状体を用いた原子炉用の被覆管の製造方法。
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