JP2022537292A - 金属間シール形成方法 - Google Patents

Abstract

２つの対向する金属表面の間に金属間シールを形成するための金属シールリング（１）。金属シールリング（１）は、管状金属本体（３）と、本体（３）に内部圧力を導入するために本体（３）から延びる導入管（７）とを含む。本体は、対向する金属表面のそれぞれに当たって内部圧力下で変形してシール（１）を形成するように構成される。

Description

本発明は、金属シールリング及び金属間シールを形成する方法に関する。詳細には、限定されるものではないが、本発明は、トカマク核融合炉内の真空チャンバなどの真空チャンバ又はピストンエンジンをシールするのに用いる金属シールリングに関する。

金属シールリングは、互いに接合されている２つの真空チャンバのフランジ付きポート間などの２つの金属表面の間に気密シール又は液密シールを提供するためにしばしば使用される。いくつかの用途において、金属シールリングは、銅又はアルミニウムなどの比較的軟らかい金属で作られている平たい円形金属ガスケットであり、ステンレス鋼などのより硬い金属で作られている金属表面の間で押しつぶされる。金属表面又は「コンフラットフランジ」にはそれぞれ、円形隆起又は「ナイフエッジ」が設けられ、ナイフエッジはガスケットのそれぞれの面に食い込み、ガスケットの金属がナイフエッジの周りに押し出され、それによって２つの金属表面の間にシールを形成する。

コンフラットフランジ及び金属ガスケットは、例えば超高真空システムで、非常に優れたシールを形成するために使用することができるが、フランジと金属ガスケットとの慎重な位置合わせ（「嵌合」）及び高いクランプ力の必要性を含む、多くの欠点を有する。また、ガスケットの圧縮荷重が不均一であるか又は高すぎる場合、シールの品質が大幅に低下する可能性がある。

別のタイプの金属シールリングは、金属管から形成されたＯリングである、いわゆるウィルズリングである。使用中、ウィルズリングは、その断面がフランジの表面に当たって変形してシールを形成するように２つのフランジ間で圧縮される。ウィルズリングのいくつかのバージョンは、弾力性を高めるために加圧される。Ｈｅｌｉｃｏｆｌｅｘ（登録商標）という名称で市販されている別のタイプのシールリングは、Ｃ形断面を有する管状の金属リングと、その弾性を高めるために金属リングの内部に挿入された螺旋ばねとを含む。しかしながら、これらのタイプの金属シールリングは、均一なシールを得るために、またシールリングの損傷を避けるために、比較的精密な合わせとクランプ力の慎重な制御を必要とする。

本発明の目的は、上記の問題に対処するか又は少なくともそれらを軽減する金属シールリングを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、２つの対向する金属表面の間に金属間シールを形成するための金属シールリングが提供される。金属シールリングは、管状金属本体と、本体に内部圧力を導入するために本体から延びる導入管とを含む。本体は、対向する金属表面のそれぞれに当たって内部圧力下で変形してシールを形成するように構成される。

本体は、異なるそれぞれの金属で作られた２つ以上のセクションを含む断面（例えば、径方向断面）を有することができ、各金属は、異なる延性及び／又は降伏強度を有する。

本体は、異なるそれぞれの厚さを有する２つ以上のセクションを含む断面（例えば径方向断面）を有することができる。

２つ以上のセクションは、本体に内部圧力を導入すると、本体の断面が優先的に軸方向に沿って膨張するように配置することができる。

本体は、本体に内部圧力を導入すると金属表面の１つ以上とナイフエッジシールを形成するようにリングの周りに延びる１つ以上の隆起を含むことができる。

本体は、インジウムなどの延性金属の外側層を含むことができる。

本体は、全体的又は部分的に油圧媒体で満たされ得る。油圧媒体はシリコーンゴムであることができる。

本体は、０．１ｍｍから１０ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍから２ｍｍの厚さを有する壁を含むことができる。

本体は、周囲圧力を３００ＭＰａ以下だけ、好ましくは１５０ＭＰａ以下だけ上回る内部圧力を導入すると体積が少なくとも５％増加するように構成され得る。

本体は、内部圧力を導入すると塑性変形することによって体積が増加するように構成され得る。塑性変形により、シールを破壊することなく本体の内部圧力を解放することが可能になる。

導入管は、本体と導入管とが共に閉鎖系を形成するようにシールすることができ、それにより導入管の内部容積を減少させることによって本体に内部圧力が導入される。金属シールリングは、本体に内部圧力を導入するために導入管の内部容積内で移動可能なピストン表面を含むことができる。ピストン表面は、ねじによって提供されるか又はねじを用いて移動可能であることができる。

金属シールリングは、本体の内部圧力を維持するためのピストンチャンバを含むことができ、ピストンチャンバは、本体及び／又は導入管と流体連通しており、本体内の油圧媒体を圧縮するように構成されたピストンを含む。

管状金属本体は円環状（トロイダル）であることができる。

本体の内部は、隔壁によって第１及び第２のチャンバに分割することができ、隔壁は、導入管を用いて第１のチャンバに導入される内部圧力に応答して、第２のチャンバに向かって移動し、本体を対向する金属表面のそれぞれに当てて膨張させるように構成されている。第２のチャンバは、隔壁の移動に対抗するように構成された支柱を含むことができ、好ましくは、支柱は、隔壁に弾性復元力を与えるように弾性的に圧縮可能である。

導入管は、管状金属本体の外周壁（すなわち、管状金属本体によって形成されるリングの外周を画定する壁）から延びることができる。例えば、管状金属本体が回転軸を有する場合（例えば、管状金属本体が円環状である場合）、導入管は、管状本体が導入管よりも軸に近いように管状本体の外周壁から延びることができる。詳細には、導入管は、管状本体から外向きに、径方向（すなわち、軸に垂直でありかつ管状本体の外周壁に垂直である方向）に沿って軸から離れるように延びることができる。

本発明の第２の態様によれば、２つの対向する金属表面の間にシールが設けられる。シールは、上記の金属シールリングを含む。金属シールリングは、金属表面の少なくとも一方に形成されたチャネル内に少なくとも部分的に配置される。

本発明の第３の態様によれば、上記の金属シールリング（又は第２の態様における上記のシール）を用いて互いにシールされた２つの対向する金属表面を含む真空チャンバが提供される。金属シールリングの導入管は、対向する金属表面の少なくとも一方にあるチャネルを通って真空チャンバの外に延びることができる。

本発明の第４の態様によれば、エンジンブロックと、上記の金属シールリング（第２の態様における上記のシール）を含むヘッドガスケットを用いてエンジンブロックにシールされたシリンダヘッドとを含むピストンエンジンが提供される。

本発明の第５の態様によれば、上記の金属シールリングと、油圧ポンプ、好ましくは油圧ハンドポンプと、金属シールリングの導入管を油圧ポンプに接続するためのコネクタとを含むキットが提供される。

本発明の第６の態様によれば、円環状の内部容積を有する真空チャンバを含むトカマクが提供される。真空チャンバは、複数のセグメントを含み、各セグメントは、円環状の内部容積のセクタを提供し、セクタ内にトロイダル磁場を生成するためにセグメントの周りに巻かれた１つ以上のトロイダル磁場コイルを含む。真空チャンバは、上記の金属シールリング（又は第２の態様における上記のシール）を用いてセグメントの少なくとも２つの間に形成されたシールをさらに含む。

各セグメントは、真空チャンバから個別に取り外し可能であり、すなわち、各セグメントは、他のセグメントの取り外し又は移動を必要とせずに真空チャンバから取り外すことができる。複数のセグメントは、１２個以上のセグメント、好ましくは１６個のセグメントを含むことができる。

本発明の第７の態様によれば、上記のトカマクを取り囲む外側真空チャンバを含む真空システムが提供される。外側真空チャンバは、トカマクの真空チャンバのセグメントの１つ以上を移動させることができる別の真空チャンバに接続される。

本発明の第８の態様によれば、上記の金属シールリングを用いて２つの対向する金属表面の間に金属間シールを形成する方法が提供される。方法は、金属シールリングの本体を金属表面の間に配置することと、導入管を使用して本体に内部圧力を導入し、本体を金属表面に当てて変形させてシールを形成することとを含む。

内部圧力は、作動液などの流体を導入管から本体に押し込むことによって本体に導入することができる。流体を導入管から本体に押し込むことは、導入管を加締めることを含むことができる。本体は、シールを破壊することなく本体の内部圧力を解放することができるように塑性変形させることができる。

本発明のさらなる態様によれば、上記の態様のいずれかによる金属シールリングを含むピストンが提供される。

本発明のさらに別の態様によれば、チャンバと、上記のさらなる態様による１つ以上のピストンとを含むプラズマ圧縮デバイスが提供される。ピストンは、チャンバと流体連通しており、プラズマ圧縮デバイスは、ピストンを用いたチャンバ内のプラズマの圧縮を可能にするように構成可能である。

２つのフランジ間にシールを提供するために使用される金属シールリングの概略斜視断面図である。 シールを形成する前の図１の金属シールリングの概略斜視断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、膨張前後の金属シールリングの本体の概略断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、膨張前後の金属シールリングの本体の概略断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、膨張前後の金属シールリングの本体の概略断面図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、膨張前後の金属シールリングの本体の概略断面図である。 トカマク核融合炉を含む真空システムの概略断面図である。 トカマク核融合炉を含む真空システムの概略断面図である。

図１は、断面５を有する中空の金属管から形成された本体３を含む金属シールリング１の断面を示す。図ではリング１の一部のみを示しているが、本体３は円をなして周りに延びて円環体を形成している。金属シールリング１はまた、本体５の外壁から径方向外向きに延びかつ「Ｔ型」接合部７によって本体に接合される導入管７を含む。この例では、導入管７の端部１１は密封されていないが、後述するように、場合によっては、金属シールリング１内の内部圧力を維持するために密封され得る。

金属シールリング１は、一対の合わせられた円形の金属フランジ１３Ａ、Ｂの間に配置される。この例では、フランジ１３Ａ～Ｂのそれぞれが、金属シールリング１の本体３を共に収容する一対の相補的な周方向溝又はチャネル１５Ａ～Ｂの一方を有する。後述するように、金属シールリング１の本体３の断面５は、フランジ１３Ａ～Ｂの隣接する内面の間にシールを形成するために溝１５Ａ～Ｂによって形成される断面１７と概ね一致するように構成される。この例では、チャネル断面１７及び本体３の断面５は正方形又は長方形であるが、他の形状を用いることもできる。いくつかの用途では、２つの金属フランジの一方のみに溝又はチャネル１５Ａ～Ｂを設けることが有益であり、これにより（シールリングがチャネル内に配置されている間に）フランジを互いに対して所定の位置にスライドさせることができる。このようなアプローチは、フランジが軸方向に（すなわち、シールリングの軸に沿って）１つにまとめられることを妨げるか又は不可能にする幾何学的制約がある場合に特に有用である。このような制約の例は、図６及び図７に関連して後述する。

金属シールリング１の導入管７は、周方向チャネル１３Ａ、Ｂからフランジ１３Ａ～Ｂを通って径方向に延びる一対の相補的なチャネルによって収容され、導入管７の端部１１がフランジ１３Ａ～Ｂの径方向最外縁を通って突出することを可能にする。径方向チャネル１９Ａ～Ｂの断面は、いかなる形状であることもできるが、その形状は、導入管１１を所定の位置に確実に保持するために導入管１１に一致することが好ましく、これは、接合部９に応力がかかるのを避けるに役立ち、導入管７が変形するのを防ぐ。

図２は、フランジ１３Ａ～Ｂ間にシールを形成する前の金属シールリング１の一部を示す。金属シールリング１の本体３の断面５は、図２に示すように最初は円形であり、チャネル断面１７よりも小さく、フランジ１３Ａ、１３Ｂが合わせられる前に本体３をチャネル１５Ａ、１５Ｂの一方に容易に挿入することを可能にする。シールは、導入管７を用いて金属シールリング１の本体３に内部圧力を導入することにより形成され、内部圧力は、本体３の断面５を溝１５Ａ～Ｂの壁に当てて変形（例えば、膨張）させ、すなわち、本体３の外側面は、シールリング１の周囲全体にわたって溝１５Ａ～Ｂの壁と接触するように強制される。

本体３を形成するために使用される金属及び合金の特性及び変形の程度に応じて、本体３は塑性変形することができ、すなわち、本体３の内部圧力が解放されると、変形は本質的に不可逆である。このプロセスは、一対の金型（ダイ）の間に管を挿入し、高圧水を用いて膨張させ、金型の対向面に一致する形状を生成する、ハイドロフォーミングとして知られる製造方法といくつかの類似点を共有している。この場合、本体３の内部圧力を維持する必要がない可能性がある。しかしながら、多くの場合、少なくともある程度は、本体３を「膨張させた」状態に保つことが好ましい可能性がある。これがシール強度を改善し、振動などの機械力が本体３をさらに変形させるのを防ぐからである。有利なことに、金属シールリング１は、いくつかの従来のシールリングとは異なり、膨張中にチャネル１５Ａ～Ｂの形状に適合することができ、すなわち、シールする前にチャネル１５Ａ～Ｂに正確に一致する必要がないので、比較的広い製造公差で製造することができる。

代替的に、本体３の内部圧力が解放されると金属シールリング１が実質的にその初期形状を取り戻すように、本体３を弾性変形させることができる。場合によっては、これにより、金属シールリング１を再利用することができ、かつ／又は、例えば、真空チャンバ内へのガスの制御された導入（例えば、通気中に生じる）を可能にするために、シールの漏れ率を調整することができる。

金属シールリング１は、好ましくは銅又はアルミニウムなどの延性金属で作られ、これにより、本体３の断面５を変形させるのに必要な内部圧力が低減される。また、同じ理由で、本体３の壁は比較的薄いことが好ましい。しかしながら、壁の厚さは一般に、シールのサイズによって決まる。例えば、大きなシールリングを必要とする大きなトカマク（下記参照）などのいくつかの用途では、本体３の壁の厚さは１ｍｍから１０ｍｍ又は２ｍｍから５ｍｍであることができる。比較的小さな真空チャンバを含むものなどの他の用途では、本体３の壁は０．１ｍｍから１ｍｍ又は０．２ｍｍから０．５ｍｍであることができる。金属シールリング１の外側面の一部又は全部は、フランジ１３Ａ～Ｂの表面によりよく適合する金属シールリング１のシール面を形成するために、インジウムなどのより柔らかい金属の層で被覆され得る。

内部圧力は、様々な方法で本体３に導入することができる。例えば、空気ポンプを使用して、導入管７を通して圧縮ガスを本体３に押し込むことができる。代替的に、油圧ハンドポンプなどの油圧プレス又はポンプを使用して、水、油又はシリコーンゴムなどの油圧媒体を本体３に押し込むことができる。導入管７の端部１１は、例えば、その外面又は内面にねじ山を設けることによって、ポンプ及び／又はプレスに接続するように構成され得る。導入管７には、金属シールリング１内の流体を圧縮するために使用できるピストンを取り付けることもできる。一例では、ピストンは、導入管７の端部１１にねじ込まれたグラブねじなどのねじによって形成され、ねじを導入管７内に前進させることによってリング１内の内部圧力が上昇するようになっている。

代替的又は追加的に、内部圧力は、導入管７の端部１１を密封し、導入管７の少なくとも一部を圧縮して、例えば、導入管７を加締めて、流体（例えば、空気）を本体３に押し込むことによっても生成され得る。内部圧力はまた、液体窒素又は固体二酸化炭素などの液体又は固体を導入管７に導入し、導入管７を密封し、次いで液体又は固体が気化（又は昇華）できるようにするか又は液体又は固体を気化（又は昇華）させることによって生成され得る。

いくつかの例では、シールリング１及び／又は導入管７と流体連通し、かつリング１内の内部圧力を維持するための油圧アキュムレータとして機能する、シールされた補助チャンバが提供され得る。例えば、補助チャンバは、本体３内の流体（油圧媒体）を圧縮するように構成されたピストンを収容するピストンチャンバであることができ、ピストンは、ばねなどの弾性部材を用いて付勢される。

一般に、本体３を膨張させることによって形成されるシールは、流体（ガス又は液体など）がフランジ１５Ａ、Ｂの間を径方向に通過するのを防ぐことができるが、他の形状を使用することもできる。例えば、金属シールリング１と同様のシールリングを使用して、一対の入れ子状のシリンダ又はチューブの間にシールを形成することができる。この場合、金属シールリングは、一方のシリンダの端部に形成されたチャネル内に設けられ、シリンダが入れ子にされた後に他方のシリンダに当たって膨張し、すなわち、シールリングは径方向に膨張する。この幾何学的形状は、例えば、２つのパイプを密閉するように結合することができる。

上記の例では、説明を簡単にするために円形断面のシールリングを使用している。状況によっては、他の断面が、得られるシールの完全性に対してさらに利点がある可能性がある。図３Ａは、膨張前の金属シールリング２１の本体の断面１９を示す。図中の垂直矢印（「ｚ」と表示されている）は、金属シールリング２１の軸の方向を示している。断面１９は、リング２１の反対の軸方向面に配置された２つの鋭い（すなわち、尖った）隆起２３Ａ～Ｂを含む。図１及び図２に示すように、金属シールリング２１の本体は、シールされる金属表面のチャネルによって形成される空洞２５（図３Ａ及び図３Ｂに破線で示す）内に閉じ込められる。図３Ｂは、金属シールリング２１の導入管を用いて本体に内部圧力を導入することによって金属シールリング２１の本体が膨張及び変形している点を除いて、図３Ａと同じである。断面２５は、空洞２５に適合するように変形され、隆起２３Ａ～Ｂのそれぞれの頂部は、空洞の対向する金属表面に打ち込まれ、ナイフエッジシールを形成する。

別の例（図示せず）では、シールされる金属表面（フランジ）のそれぞれが、鋭利な１つ又は複数のナイフエッジを含む。金属シールリングが膨張すると、ナイフエッジが金属シールリングの外側面に食い込み、シールを形成する。場合によっては、金属シールリングの外側面は、より強力なシールを提供するために、ナイフエッジを受け入れるための１つ以上のノッチを含む。いくつかの例では、ナイフエッジの特徴的な寸法は、リングの厚さ（すなわち、短半径）よりもはるかに小さく、リングの外側面に食い込むためのざらざらした（すなわち、粗い）表面を提供する。

図４Ａ及び図４Ｂは、金属シールリング２１が、概ね円形又は楕円形でありかつ異なる金属（又は合金）で作られたセクション２９Ａ～Ｂ、３１Ａ～Ｂから成る本体断面を有する金属シールリング２７に置き換えられていることを除いて、図３Ａ及び図３Ｂと同様である。この例では、セクションの一方の対２９Ａ～Ｂは、銅などの比較的延性の高い金属で作られ、シールリング２７の半径に沿って配置され、一方、セクションの他方の対３１Ａ～Ｂは、鋼などの比較的延性の低い金属で作られ、シールリング２７に対して軸方向に配置されている。セクション２９Ａ～Ｂ、３１Ａ～Ｂは、例えば溶接によって互いに接合されるが、ろう付け又ははんだ付けなどのセクションを互いに接合する他の方法も使用することができる。膨張後、延性の低いセクション３１Ａ～Ｂは実質的に同じ形状のままであるが、延性の高いセクション２９Ａ～Ｂは軸方向に沿って引き伸ばされ、延性の低いセクション３１Ａ～Ｂを空洞２５の金属表面と接触させ、それにより金属表面の間にシールを形成する。シールリング２７を膨張させるために必要な内部圧力は、延性の低いセクション２９Ａ～Ｂの厚さを変えることによって制御することができ、比較的低い内部圧力を必要とする用途には、例えば、シールリング２７が大きい直径を有する場合又は低い内部圧力しか生成できない場合には、より薄いセクションが使用される。

図５Ａ及び図５Ｂは、金属シールリング３３の本体が、リング３３の１つの面の周りに延びる尖った隆起を形成するニブ３５を備えた中空円形断面３４を有することを除いて、再び図３Ａ及び図３Ｂと同様である。この例では、ニブ３５は、（他の比較的硬い金属も使用できるが）鋼で作られ、本体の残りの部分３４は、（他の比較的柔らかい金属も使用できるが）銅で作られている。ニブ３５は、典型的には溶接によって本体に取り付けられるが、ろう付け、はんだ付け、又は、例えば共押し出し又は延伸加工によってニブを所定の位置に機械的に付けるなど、他の取り付け方法を使用することもできる。この例の金属リング３３を取り囲む空洞３６は、図３Ａ及び図３Ｂのものとは異なる形状を有し、空洞３６は、金属シールリング３３が膨張／拡張した後に、ニブ３５を収容するためのより小さいセクションを有する。ニブ３５は、隣接する金属表面に「食い込み」、「ナイフエッジ」シールを形成し、一方、円形断面３４も、空洞３６のより大きいセクションに適合するように膨張することによってシールを形成する。

図６Ａ及び図６Ｂは、金属シールリング３７が本体の内部を２つのチャンバ３９Ａ、３９Ｂに分割する内壁３８を含むことを除いて、再び図３Ａ及び図３Ｂと同様である。隔壁３８は当初、第１のチャンバ３９Ａに向かって座屈している（曲げられている）。導入管７を用いて第１のチャンバ３９Ａに内部圧力を導入すると、隔壁３８は第２のチャンバ３９Ｂに向かって移動して真っ直ぐになる。この移動は、シールリング３７の本体の外壁を強制的に離し、本体を金属表面４０Ａ、４０Ｂに当てて変形させ、シールを形成させる（図６Ｂ参照）。この例では、第２のチャンバ３９Ｂは、隔壁３８が反対方向に（すなわち、第２のチャンバ３９Ｂ内に）座屈する（曲がる）のを避けるために、隔壁３８が真っ直ぐになった後の隔壁のさらなる移動に対抗する支柱４１を含む。

支柱３８は、第１のチャンバ３９Ａの内部圧力を維持し、したがって、本体の外壁によって金属表面４０Ａ、４０Ｂに加えられるシール圧力を維持するために、弾性的に圧縮可能であり得る。隔壁３８を移動させ、それによりシール圧力を上昇させるために第１のチャンバ３９Ａに導入しなければならない圧力を上昇させるために、第２のチャンバ３９Ｂも加圧され得る。

代替的又は追加的に、（例えば、真空ポンプを用いて）第２のチャンバ３９Ｂ内の圧力を低下させることによって隔壁３８を移動させて、チャンバ３９Ａ、３９Ｂ間に圧力差を作り出すことができる。逆に、第２のチャンバ３９Ｂに内部圧力を導入して反対方向の圧力差を形成することによって、第２のチャンバ３９Ｂへの隔壁３８の移動を逆にすることができる。これにより、金属シールリング３７を「収縮」させることによってシールを解放することができる。

シールを解放することができる別の方法は、金属シールリング１、２１、２７、３３、３７の一部（又は全部）を溶解又は化学的に反応させることである。例えば、金属シールリングの本体は、（外側が）金でめっきされた銅で作ることができる。銅は、導入管７（例えば）を通してシールリングに導入される溶媒（例えば、塩化鉄ＩＩＩ）を用いて金の層を残すように溶解することができ、これによりシールを容易に除去することができ、嵌合部品を互いに分離することができる。当然ながら、他の材料の組み合わせ及び／又は溶媒も使用することができる。

上記の金属シールリング１、２１、２７、３３、３７は、様々な用途に使用することができる。例えば、上記の金属シールリングの１つ以上をヘッドガスケットに使用して、シリンダヘッドをピストンエンジンのエンジンブロックにシールすることができる。別の例として、上記の金属シールリングの１つ以上が、ピストンヘッドに作用する流体圧力に逆らって（又はそれに応答して）シリンダ内をスライドするピストンヘッドを含むピストンデバイスに含まれ得る。この場合、金属シールリングを使用して、ピストンヘッドとシリンダとの間、又はシリンダとピストンヘッドに取り付けられた又はピストンヘッドと一体のコネクティングロッドとの間にシールを形成することができる。１つ以上のこのようなピストンをプラズマ圧縮デバイスに使用することができる。プラズマ圧縮デバイスは、例えば、プラズマが注入される液体金属渦を入れたチャンバを含む融合反応器であり得る。ピストンは、液体金属をチャンバの中心に向けて駆動するように構成され、それによって渦を崩壊させ、プラズマを圧縮して核融合反応を開始する。

図７及び図８は、外側真空チャンバ４３と、トカマク４５（すなわち、磁気的に閉じ込められた高温プラズマにおける核融合反応を制御するためのトロイダル核融合炉）と、保守真空チャンバ４７とを含む真空システム４２を示す。外側真空チャンバ４３は、トカマク４５を取り囲み、後述するように保守真空チャンバ４７に接続されている。１つの特定の実施形態では、トカマク４５は約５から１５ｍの高さを有し、外側真空チャンバは約２０から３０ｍの高さを有するが、一般に、外側真空の高さはトカマク４５の高さの約２から２．５倍である。外側真空チャンバ４３及び保守真空チャンバ４５は、トリチウム及び他の放射性同位元素が漏れ出るのを防ぐためにトカマク４５の構成要素を共に取り囲む。

トカマク４５は、プラズマを閉じ込めるための円環状内部容積５１を有する内側真空チャンバ４９を含む。図８に最も明確に見られるように、内側真空チャンバ４９は、独立して取り外し可能な複数のセグメント５３から形成され、各セグメント５３は、内側真空チャンバ４９のセクタ（すなわち、先細の角のある部分）を提供する。例えば、各セグメントは、内側真空チャンバ４９が１６個のセグメントから形成されるように２２．５度の角度にわたることができる（ただし、セグメントがそれぞれ同じサイズの角度にわたる必要はなく、任意の数のセグメントを使用することができる）。各セグメント５３は、セグメントの内部容積を取り囲むトロイダル磁場（ＴＦ）コイル５５を含み、内側真空チャンバが完全に組み立てられ、電流がコイル５５に供給されると、内側真空チャンバ４９内にトロイダル磁場が生成されるようになっている。この場合、トロイダル磁場コイル５５は、セグメント５３の内壁に取り付けられ、セグメント５３の概ね楕円形の断面に沿っている。

各セグメント５３は、トカマク４５の「第１の壁」のセグメント５７、すなわちトカマク４５が使用されているときにプラズマに直接隣接する壁を収容する。第１の壁セグメント５７の大部分は、内側真空チャンバのセグメント５３の径方向の最も外側の壁に向かって配置されているが、内側真空チャンバセグメント５３の径方向の最も内側の壁に位置する第１の壁セグメント５７の内側部分５９が存在する。トカマク４５の動作中にトカマク４５の磁場から軸方向に逃げるプラズマを捕捉するために、第１の壁セグメント５７の径方向外側部分と内側部分との間に一対のダイバータ６１、６３が設けられている。一方のダイバータ６１はセグメント５３の下壁に設けられ、他方のダイバータ６３はセグメント５３の上壁に設けられている（ここで、上及び下は、セグメント５３の軸、すなわち円環状の内部容積の軸が垂直である図７に関して使用されている）。第１の壁セグメント５７及びダイバータ６１、６３は、トカマク４５から出る中性子束を制限するために遮蔽体６５によってセグメント５３内に取り囲まれている。

各セグメント５３は、内側真空チャンバ４９を形成するようにセグメント５３が組み立てられるときにセグメント５３を支持する面内支持構造６７（又は「キャリア」）内に取り付けられる。フレームは、トカマク４５の軸線に近い面内支持構造６７の下側を支持する中央支持体６９と、トカマク４５の外側の周りに配置され、各面内支持構造６７をその径方向の縁に沿って支持する支持柱７１とを含む。面内支持構造６７は、セグメント５３に極低温冷却剤を（典型的には、約２０から３０Ｋの温度で）供給し、ＴＦコイル５５に電流を供給し、遮蔽体６５に冷却剤を供給し、第１の壁セグメント５７に冷却を供給するために、その基部にカップリング７３を含む。トカマク４５が組み立てられるとき、冷却剤及び電力が各セグメント５３に供給されるように、カップリングは外側真空チャンバ４３の基部に設けられた相補的なフィードスルー７５に接続される。

図８では、セグメント５３の１つが、例えば外側真空チャンバ４３内に配置されたロボット式ハンドリングシステム（図示せず）を用いて、外側真空チャンバ４２から保守チャンバ４７に（トカマク４５の右側により不鮮明な線で示されるように）移動されている。この例では、保守チャンバ４７の寸法は、単一のセグメント５３を収容することができるように選択され、それにより、例えば別のロボットシステムを用いた、検査及び／又はメンテナンスのためのセグメント５３の表面へのアクセスを可能にする。いくつかの例では、ゲート弁（図示せず）などの隔離弁が設けられて、保守チャンバ４７と外側真空チャンバ４３を互いに隔離することを可能にし、例えば、保守チャンバ４７を大気圧に上げて、セグメント５３の一部（又はセグメント５３全体）を取り外して交換することができるようにする。

例えばセグメント５３が修理された後に、内側真空チャンバ４９を再組み立てするために、セグメント５３とセグメント５３の両側の隣接するセグメントとの間に真空シールを形成する必要がある。しかしながら、セグメント５３は、内側真空チャンバ４９を形成するために互いに密接に適合する必要があり、一般に、フレーム６９、７０によって所定の位置にしっかりとクランプされており、これは、シールリングの圧縮に依存するシール（例えば、コンフラットシール）が適切でない可能性があることを意味する。この問題の解決策は、セグメント５３の間に配置され、膨張して必要なシールを形成することができる、上記の金属シールリング１、２１、２７、３３によって提供される。セグメント５３の間に金属間シールを使用することは、トリチウムがトカマク４５から漏れるのを防ぐために特に重要である。

各セグメントは、シールリング１、２１、２７、３３、が膨張前にセグメント５３の面と同一平面上にある（又はセグメント５３の面に埋め込まれる）ようにシールリング１、２１、２７、３３を据え付ける溝又はチャネルを含むことができる。このような構成により、セグメント５３は、組み立てられると互いに密接に適合する（例えば、５ｍｍ未満しか離れない）ことが可能となり、これにより、各セグメント５３に収容されたそれぞれの第１の壁セグメント５７、ダイバータ６１、６３、及び遮蔽体６５の間の隙間のサイズが最小化される。

追加的又は代替的に、遮蔽体６５は、組立中にセグメント５３が真空チャンバ５３内に径方向に移動されるときにある程度の移動の自由度を遮蔽体に提供する適合取り付け部（図示せず）に固定することができる。この自由度により、セグメント５３の挿入を妨げることなく、遮蔽体６５を所定の位置にしっかりと嵌め込むことができる。

代替的に、金属シールリング１、２１、２７、３３は、隣接するセグメント５３の間に挿入され、シールリングが膨張してシールを形成した後に除去される、取り外し可能なキャリア（図示せず）に取り付けることができる。このアプローチの利点は、セグメント５３のいずれも溝を必要としないことであり、これは、シールを形成する前に、シールリング及びセグメント５３をそれぞれ所定の位置にスライドさせること、例えば、トカマク４５の上方から垂直方向（軸方向）に所定の位置にスライドさせることができることを意味する。したがって、この構成により、隣接するセグメント５３を移動する必要なしに、セグメント５３を個別に取り外して交換することができる。

ポロイダル磁場（ＰＦ）コイル（図示せず）は、トカマク４５が動作するときに内側真空チャンバ４９内にポロイダル磁場を提供するように、内側真空チャンバ４９の上下に設けられる。ＴＦコイル５５とは異なり、ＰＦコイルはセグメント化する必要がない。上部ＰＦコイルは、セグメント５３を取り外すことができるようにトカマク４５から持ち上げることができ、一方、下部ＰＦコイルは、面内支持構造６７と中央支持体６９との間の内側真空チャンバ４９の下の所定の位置に留まることができるからである。

内側真空チャンバ４９が組み立てられると（図７を参照）、面内支持構造６７はキャッピング構造７７によって所定位置にクランプされる。キャッピング構造７７は、トカマク４５の軸線（中心柱）上にあり、セグメント５３を取り外し又は交換することを可能にするために外側真空チャンバ４３の頂部まで持ち上げることができる。

Claims (34)

1. ２つの対向する金属表面の間に金属間シールを形成するための金属シールリングであって、金属シールリングは、管状金属本体と、前記本体に内部圧力を導入するために前記本体から延びる導入管とを含み、前記本体は、前記内部圧力下で前記対向する金属表面のそれぞれに当たって変形し、シールを形成するように構成されている、金属シールリング。
   
2. 前記本体は、異なるそれぞれの金属で作られた２つ以上のセクションを含む断面を有し、各金属は、異なる延性及び／又は降伏強度を有する、請求項１に記載の金属シールリング。
3. 前記本体は、異なるそれぞれの厚さを有する２つ以上のセクションを含む断面を有する、請求項１又は２に記載の金属シールリング。
4. 前記２つ以上のセクションは、前記本体に前記内部圧力を導入すると前記本体の断面が優先的に軸方向に沿って膨張するように配置されている、請求項２又は３に記載の金属シールリング。
5. 前記本体は、前記本体に前記内部圧力を導入すると前記金属表面の１つ以上とナイフエッジシールを形成するように前記リングの周りに延びる１つ以上の隆起を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の金属シールリング。
6. 前記本体は、インジウムなどの延性金属の外側層を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の金属シールリング。
7. 前記本体は、全体的に又は部分的に油圧媒体で満たされている、請求項１から６のいずれか一項に記載の金属シールリング。
8. 前記油圧媒体はシリコーンゴムである、請求項７に記載の金属シールリング。
9. 前記本体は、０．１ｍｍから１０ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍから２ｍｍの厚さを有する壁を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の金属シールリング。
10. 前記本体は、周囲圧力を３００ＭＰａ以下だけ、好ましくは１５０ＭＰａ以下だけ上回る内部圧力を導入すると体積が少なくとも５％増加するように構成されている。請求項１から９のいずれか一項に記載の金属シールリング。
11. 前記本体は、前記内部圧力を導入すると塑性変形して体積が増加するように構成されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の金属シールリング。
12. 前記導入管は、前記本体と前記導入管とが共に閉鎖系を形成するようにシールされ、それにより前記導入管の内部容積を減少させることによって前記本体に内部圧力が導入される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の金属シールリング。
13. 前記本体に内部圧力を導入するために前記導入管の内部容積内で移動可能なピストン表面を含む、請求項１２に記載の金属シールリング。
14. 前記ピストン表面は、ねじによって提供されるか又はねじを用いて移動可能である、請求項１３に記載の金属シールリング。
15. 前記本体の内部圧力を維持するためのピストンチャンバを含み、前記ピストンチャンバは、前記本体及び／又は前記導入管と流体連通しており、前記本体内の油圧媒体を圧縮するように構成されたピストンを含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の金属シールリング。
16. 前記管状金属本体は円環状である、請求項１から１５のいずれか一項に記載の金属シールリング。
17. 前記本体の内部は、隔壁によって第１及び第２のチャンバに分割され、前記隔壁は、前記導入管を用いて前記第１のチャンバに導入される内部圧力に応答して、前記第２のチャンバに向かって移動し、前記本体を前記対向する金属表面のそれぞれに当てて膨張させるように構成されている、請求項１から１６のいずれか一項に記載の金属シールリング。
18. 前記第２のチャンバは、前記隔壁の移動に対抗するように構成された支柱を含み、好ましくは、前記支柱は、前記隔壁に弾性復元力を与えるように弾性的に圧縮可能である、請求項１７に記載の金属シールリング。
19. 前記導入管は、前記管状金属本体の外周壁から延びている、請求項１から１８のいずれか一項に記載の金属シールリング。
20. ２つの対向する金属表面の間のシールであって、請求項１から１９のいずれか一項に記載の金属シールリングを含み、前記金属シールリングは、前記金属表面の少なくとも一方に形成されたチャネル内に少なくとも部分的に配置されている、シール。
21. 請求項１から１９のいずれか一項に記載の金属シールリング又は請求項１８に記載のシールを用いて互いにシールされた２つの対向する金属表面を含む真空チャンバ。
22. 前記金属シールリングの導入管は、前記対向する金属表面の少なくとも一方にあるチャネルを通って前記真空チャンバの外に延びる、請求項２１に記載の真空チャンバ。
23. エンジンブロックと、請求項１から１９のいずれか一項に記載の金属シールリングを含むヘッドガスケットを用いて前記エンジンブロックにシールされたシリンダヘッドとを含むピストンエンジン。
24. 請求項１から１７のいずれか一項に記載の金属シールリングと、油圧ポンプ、好ましくは油圧ハンドポンプと、前記金属シールリングの導入管を前記油圧ポンプに接続するためのコネクタとを含むキット。
25. 請求項１から１９のいずれか一項に記載の金属シールリングを含むピストン。
26. チャンバと、前記チャンバと流体連通する請求項２５に記載の１つ以上のピストンとを含み、前記ピストンを用いて前記チャンバ内のプラズマを圧縮するように構成可能であるプラズマ圧縮デバイス。
27. 円環状の内部容積を有する真空チャンバを含むトカマクであって、前記真空チャンバは、複数のセグメントを含み、各セグメントは、前記円環状の内部容積のセクタを提供し、前記セクタ内にトロイダル磁場を生成するために前記セグメントの周りに巻かれた１つ以上のトロイダル磁場コイルを含み、前記真空チャンバは、請求項１から１９のいずれか一項に記載の金属シールリング又は請求項２０に記載のシールを用いて前記セグメントの少なくとも２つの間に形成されたシールをさらに含む、トカマク。
28. 各セグメントは、前記真空チャンバから個別に取り外し可能である、請求項２７に記載のトカマク。
29. 前記複数のセグメントは、１２個以上のセグメント、好ましくは１６個のセグメントを含む、請求項２７又は２８に記載のトカマク。
30. 請求項２７から２９のいずれか一項に記載のトカマクを取り囲む外側真空チャンバを含む真空システムであって、前記外側真空チャンバは、前記トカマクの真空チャンバのセグメントの１つ以上を移動させることができる別の真空チャンバに接続されている、真空システム。
31. 請求項１から１９のいずれか一項に記載の金属シールリングを用いて２つの対向する金属表面の間に金属間シールを形成する方法であって、前記金属シールリングの本体を前記金属表面の間に配置することと、前記導入管を使用して前記本体に内部圧力を導入し、前記本体を前記金属表面に当てて変形させて前記シールを形成することとを含む方法。
32. 前記内部圧力は、作動液などの流体を前記導入管から前記本体に押し込むことによって前記本体に導入される、請求項３１に記載の方法。
33. 前記流体を前記導入管から前記本体に押し込むことは、前記導入管を加締めることを含む、請求項３２に記載の方法。
34. 前記本体は、前記シールを破壊することなく前記本体の内部圧力を解放することができるように塑性変形される、請求項３１から３３のいずれか一項に記載の方法。

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