JP2023537889A - 複合ウィック構造を含むヒートパイプ及び関連する製造方法 - Google Patents

Abstract

原子炉システム等で使用されるヒートパイプ及びヒートパイプの形成方法が記載される。代表的なヒートパイプの形成方法は、第１の材料から第１のウィック構造を形成するステップと、第１のウィック構造上に第２のウィック構造を形成するステップとを含む。第２のウィック構造を形成することは、第２の材料及び第３の材料を混合すること、第２の材料及び第３の材料の混合物を（ａ）第２の材料の融解温度よりも低く、且つ（ｂ）第３の材料の融解温度よりも高い温度に加熱して、第３の材料を融解させることを含み得る。この方法は、第２の材料の複数の粒子を結合して多孔質構造にするために第３の材料が凝固するように、第２の材料及び第３の材料の混合物を第３の材料の融解温度未満に冷却することをさらに含んでもよい。

Description

本技術は、原子炉電力変換システム等の電力変換システムに使用されるヒートパイプ及び複合ウィック等のヒートパイプ構成要素を形成するための方法及び装置に関する。

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０２０年８月１７日に出願された“ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ ＴＯ ＥＮＡＢＬＥ ＴＨＲＥＥ－ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬ（３Ｄ）ＰＲＩＮＴＩＮＧ ＯＦ Ａ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＨＥＡＴ ＰＩＰＥ ＷＩＣＫ”という名称の米国仮特許出願第６３／０６６，５１５号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本出願に組み込まれている。

ヒートパイプは、熱伝導率及び相転移の両方の原理を組み合わせて、２つの界面間で熱を効果的に伝達する熱伝達装置である。より具体的には、ヒートパイプは作動流体を収容する閉じた容器であり、高温の界面に位置する蒸発器領域及び低温の界面に位置する凝縮器領域を含む。高温の界面は蒸発器領域において作動流体を加熱し、蒸発／気化させる。高温の蒸発器領域とより低温の凝縮器領域との間の圧力差により、蒸発／気化した作動流体はヒートパイプを通って蒸発器領域から凝縮器領域に向かって流れ、そこで作動流体は冷却されて凝縮し、低温の界面に潜熱を放出する。その後、凝縮／冷却された作動流体は、毛細管現象、遠心力、重力、及び／又は圧力差に対して作用するその他の力を介して蒸発器領域に送り返される。例えば、ヒートパイプは、毛細管現象を介して作動流体を輸送するためのウィックを含み得る。

蒸発及び凝縮の熱伝達係数が非常に高いため、ヒートパイプは非常に効果的な熱伝導体である。そのため、ヒートパイプは、原子炉の炉心等の発電所の熱を除去するために使用することができる。ヒートパイプは、宇宙船、コンピュータシステム、及び非常に効果的な熱伝達が望ましいその他の用途で熱を除去／輸送するためにも使用することができる。

本開示の態様は、一般に、ヒートパイプと、原子炉システム等で使用されるヒートパイプを製造する方法とに関する。以下に説明するいくつかの実施形態において、ヒートパイプの代表的な製造方法は、第１の材料から第１のウィック構造を形成すること、及び第１のウィック構造上に第２のウィック構造を形成することを含む。第１及び第２のウィック構造は、一体にモノリシック構造を形成し得る。第２のウィック構造を形成することは、第２の材料及び第３の材料を混合すること、第２の材料及び第３の材料の混合物を（ｉ）第２の材料の融解温度よりも低く、且つ（ｂ）第３の材料の融解温度よりも高い温度に加熱して、第３の材料を融解させることを含み得る。この方法は、第２の材料の複数の粒子を結合して多孔質構造にするために第３の材料が凝固するように、第２の材料及び第３の材料の混合物を第３の材料の融解温度未満に冷却することをさらに含んでもよい。

いくつかの実施形態では、第１及び第２のウィック構造を形成することは、例えば、１つ以上のレーザ指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）積層造形プロセスのような１つ以上の３次元（３Ｄ）積層造形プロセスを介してウィック構造を形成することを含んでもよい。例えば、第１のウィック構造を形成することは、第１の材料の金属ワイヤにレーザを照射して第１の材料を融解させることを含んでもよい。同様に、第２のウィック構造を形成することは、第２の材料の粉末及び第１の材料の粉末の混合物にレーザを照射して第２の材料を融解させることなく第３の材料を融解させ、それによって融解した第３の材料と第２の材料を混合させることを含んでもよい。いくつかの実施形態では、第１及び第３の材料は金属材料（例えば、モリブデンを含む）であってもよく、第２の材料は非金属材料（例えば、セラミック材料）であってもよい。

いくつかの実施形態では、第１の材料は流体に対して不浸透性であり、第１のウィック構造を形成することは、第１の材料によって画定される少なくとも１つの流路を形成することを含んでもよい。少なくとも１つの流路は、ヒートパイプ内の圧力差に対して流体（例えば、二相作動流体）をポンプするように構成（例えば、寸法決め及び成形）され得る。他の実施形態では、第１の材料は、１つ以上の流路を画定する多孔質材料であってもよい。同様に、第２の多孔質構造も、ヒートパイプ内の圧力差に対して流体をポンプするように構成され得る。第２のウィック構造の多孔質構造は、第１のウィック構造よりも大きな圧力差に対して流体の局所的な流れを可能にする、より微細な多孔性を有し得る。したがって、第１及び第２のウィック構造は、一体に複合ウィック構造を形成し得る。

本技術の多くの態様は、以下の図面を参照することでよりよく理解することができる。図面の構成要素は、必ずしも縮尺比に従うものではない。その代わりに、本技術の原理を明確に示すことに重点が置かれている。

本技術の実施形態に従って構成されたヒートパイプの縦断面図である。 本技術の実施形態に従って構成されたヒートパイプの横断面等角図である。

本技術の実施形態に従って、図１Ａ及び１Ｂのヒートパイプの第１のウィックの一部と図１Ａ及び１Ｂのヒートパイプの第２のウィックの一部との間の界面の拡大断面図である。

図３Ａ－３Ｃは、本技術の実施形態に従ってヒートパイプを製造する方法における様々な段階を示す、図１Ａ及び１Ｂのヒートパイプの横断面図である。

図４Ａ及び４Ｂは、本技術の実施形態に従って、図３Ａ－３Ｃに示すヒートパイプを形成する方法に使用され得る積層造形システムの断面側面図である。

本技術の実施形態に従って、図１Ａ及び１Ｂの複数のヒートパイプを含む原子炉システムの部分的な概略側面断面図である。

本技術の様々な実施形態を完全に理解するために、以下の説明及び図１－５に特定の詳細を示す。他の例では、多くの場合、原子炉、ヒートパイプ、熱交換器、積層造形プロセス等に関連する周知の構造、材料、動作、及び／又はシステムは、技術の様々な実施形態の説明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、以下の開示では詳細に示されず且つ説明もされていない。しかしながら、当業者であれば、本技術が、本明細書に記載されている１つ以上の詳細なしに、及び／又は他の構造、方法、構成要素等と共に、実施可能であることを認識するであろう。

以下で使用される用語は、本技術の実施形態の特定の例示の詳細な説明と併せて使用されている場合であっても、最も広範で合理的なやり方で解釈されるべきである。実際に、以下では特定の用語が強調される場合もある。しかしながら、制限されたやり方で解釈されることを意図した用語は、この詳細な説明のセクションでそのように明示的に且つ具体的に定義される。

添付の図面は、本技術の実施形態を示しており、明示されていない限り、その範囲を制限することを意図していない。描かれている様々な要素のサイズは、必ずしも縮尺比に合わせて描画されているわけではなく、これらの様々な要素は、読みやすさを向上させるために拡大されている場合がある。構成要素の詳細は、構成要素の位置及び構成要素間の特定の正確な接続等の詳細が、本技術をどのように作成及び使用するかを完全に理解するために不要な場合は除外されるように図面において抽象化されている場合がある。図面に示されている詳細、寸法、角度、及びその他の特徴の多くは、単に本開示の特定の実施形態を例示しているに過ぎない。したがって、他の実施形態は、本技術から逸脱することなく、他の詳細、寸法、角度、及び特徴を有し得る。さらに、当業者であれば、本技術のさらなる実施形態は以下に説明するいくつかの詳細なしに実施され得ることを理解するであろう。

図１Ａ及び１Ｂは、それぞれ、本技術の実施形態に従って構成されたヒートパイプ１００の縦断面図及び横断面等角図である。図１Ａ及び１Ｂを一緒に参照すると、ヒートパイプ１００は、外面１０３ａ及び内面１０３ｂを有し、チャネル１０４（例えば、キャビティ、チャンバ）を画定する外壁又はケーシング１０２を含む。ヒートパイプ１００は、チャネル１０４内に含まれる作動流体（図示せず）を含む。作動流体は、例えば、リチウム、ナトリウム、及び／又はカリウム等の二相（例えば、液相及び気相）材料であってもよい。ケーシング１０２は、例えば、１つ以上の金属又はセラミック材料等、適切な強度及び熱伝導性のある任意の材料から形成され得る。いくつかの実施形態では、図５に関して後述するように、ヒートパイプ１００は、原子炉システムにおいて使用され得る。このような実施形態では、ケーシング１０２は、適切な強度及び熱伝導性があり、且つ中性子抵抗性のある材料から形成され得る。いくつかの実施形態では、ケーシング１０２は、鋼、モリブデン、モリブデン合金、酸化モリブデン－ランタン、及び／又はその他の金属材料から形成され得る。例示された実施形態では、ケーシング１０２は、略正方形の断面形状を有するが、他の実施形態では、ケーシング１０２は、円形、長方形、多角形、不規則、又はその他の断面形状を有し得る。

例示された実施形態では、ヒートパイプ１００は、（例えば、重力に対して）内面１０３ｂの下部／床部分等、内面１０３ｂの一部に沿って／その上に延びる第１のウィック１１０をさらに含む。ヒートパイプ１００は、内面１０３ｂの残りの部分の全体又は一部及び第１のウィック１１０に沿って／その上に延びる第２のウィック１２０をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態では、図１Ｂに示すように、第１のウィック１１０は、１つ以上の流路１１４（例えば、個別に識別された第１の流路１１４ａ及び第２の流路１１４ｂを含む）を画定し得る。第１のウィック１１０及び第２のウィック１２０は、多孔質構造、メッシュ、ウィック構造等とも呼ばれ得る。

図１Ａを参照すると、ヒートパイプ１００は、その第１の端部における／その近くの蒸発器領域１３０、その第２の端部における／その近くの凝縮器領域１３２、及び蒸発器領域１３０と凝縮器領域１３２との間に延びる断熱領域１３４を含む。蒸発器領域１３０は、例えば、原子炉システム又は電子システム又は構成要素等の熱源から熱を受け取るように配置され得る。動作中、蒸発器領域１３０において吸収された熱は、蒸発器領域内の作動流体を蒸発（例えば、気化）させ、蒸発器領域１３０と凝縮器領域１３２との間に圧力差を発生させる。圧力差によって、蒸発した作動流体は蒸発器領域１３０から断熱領域１３４を通って凝縮器領域１３２へと駆動される。作動流体は、凝縮器領域１３２で冷却され且つ凝縮することによって、熱をケーシング１０２へ伝達し、ヒートパイプ１００から外に移動させる。図１Ａ及び１Ｂを再び一緒に参照すると、第１のウィック１１０及び第２のウィック１２０は、ヒートパイプ１００内の圧力勾配に逆らって凝縮／冷却された作動流体を、凝縮器領域１３２から蒸発器領域１３０まで輸送するように構成され、そこで作動流体は再び加熱され且つ蒸発され得る。したがって、いくつかの実施形態では、熱は蒸発器領域１３０に蓄積され、凝縮器領域１３２から除去され、断熱領域１３４に対しては除去も追加もされない。

いくつかの実施形態では、第１のウィック１１０は、第２のウィック１２０と比較して、作動流体の比較的高いスループットが可能な粗いウィックである。いくつかの実施形態では、第２のウィック１２０は、第１のウィック１１０よりも短い距離ではあるが、第１のウィック１１０よりも大きな圧力勾配に対して作動流体をポンプするように構成された微細なウィックである。したがって、第１のウィック１１０及び第２のウィック１２０は、一体に複合／合成ウィックを形成してもよく、（ｉ）第１のウィック１１０は作動流体の長距離の流れを可能にし、（ｉｉ）第２のウィック１２０は作動流体の局所的な流れを可能にする。他の実施形態では、ヒートパイプ１００は、ヒートパイプ１００のチャネル１０４を通る作動流体の流れを促進するための他の複合ウィック配置を含んでもよい。

図２は、本技術の実施形態に従ったヒートパイプ１００の第１のウィック１１０の一部と第２のウィック１２０の一部との間の界面の拡大断面図である。図示された実施形態では、第１のウィック１１０は、流体（例えば、作動流体）に対して比較的不浸透性の材料から形成される。図１Ａ及び１Ｂをさらに参照すると、いくつかの実施形態では、第１のウィック１１０はケーシング１０２と同じ材料（例えば、鋼、モリブデン、モリブデン合金、酸化モリブデン－ランタン、及び／又はその他の金属材料）から形成されてもよく、及び／又はケーシング１０２と共に一体的／モノリシックに形成されてもよい。他の実施形態では、第１のウィック１１０は、例えば、第２のウィックよりも小さな水力空間を含む／画定し得る多孔質材料から形成され得る（例えば、第１のウィック１１０は粗いウィックであり得る）。

第２のウィック１２０は、少なくとも第１の材料２２２及び第２の材料２２４を含む材料の混合物から形成され得る。第２の材料２２４は、第１の材料２２２よりも高い融解温度を有し得る。例示された実施形態では、第２の材料２２４は、複数の離散粒子を含み、それらは、複数の細孔２２６（例えば、開口部、チャネル、ポケット）を含む多孔質構造又はメッシュを形成するように、第１の材料２２２によって互いに結合される。いくつかの実施形態では、第１の材料２２２は、細孔２２６が第２の材料２２４の粒子間において第２のウィック１２０内の空間の大部分を画定／充填するように、第２の材料２２４（例えば、その個々の粒子）の周りに薄膜を形成し得る。複数の細孔２２６が一緒になって第２のウィック１２０を通る作動流体のための流路を提供する。いくつかの実施形態では、第１のウィック１１０及び第２のウィック１２０が一体にモノリシック構造を形成するように、第１のウィック１１０及び第２のウィック１２０は、一体的／モノリシックに形成され得る。いくつかの実施形態では、第１のウィック１１０及び第２のウィック１２０が作動流体のための流路を提供する一体の多孔質構造又はメッシュを提供するように、第１のウィック１１０及び第２のウィック１２０は、同じ材料（例えば、第２の材料２２４）から形成されてもよい。

図３Ａ－３Ｃは、本技術の実施形態に従ったヒートパイプ１００の製造方法における様々な段階を示すヒートパイプ１００の横断面図である。図４Ａ及び４Ｂは、本技術の実施形態に従った、図３Ａ－３Ｃに示したヒートパイプ１００の製造方法に使用され得る積層造形システム４４０（「システム４４０」）の断面図である。図３Ａ－３Ｃの方法のいくつかの特徴は、説明のために図４Ａ及び４Ｂに示したシステム４４０の文脈で説明されているが、当業者であれば、この方法が他の適切なシステム及び／又は装置（例えば、他の積層造形システム及び／又は３Ｄ印刷システム）を使用して実行され得ることを容易に理解するであろう。

図３Ａはケーシング１０２を形成した後のヒートパイプ１００を示し、図３Ｂは第１のウィック１１０を形成した後のヒートパイプ１００を示している。いくつかの実施形態では、ケーシング１０２及び第１のウィック１１０は、同じ製造プロセスを使用して形成されてもよく、及び／又は一体／モノリシック構造を提供するために一体に形成されてもよい。図４Ａをさらに参照すると、例えば、システム４４０は、ケーシング１０２及び第１のウィック１１０を形成するために、金属ワイヤのような金属材料４４２を融解するように構成されたレーザ金属指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）システムであってもよい。いくつかの実施形態では、システム４４０は、金属ワイヤ印刷法を介してケーシング１０２及び第１のウィック１１０を形成するために使用され得る。より具体的には、システム４４０は、基板４４１上に配置され得る金属材料４４２にレーザ４４５を照射するように構成されたレーザ源４４４を含んでもよい。基板４４１は、ヒートパイプ１００とは別の基板であってもよく、又はヒートパイプ１００の以前に形成された層（例えば、ヒートパイプ１００が縦方向に積層造形された下層）であってもよい。レーザ源４４４は、基板４４１及び金属材料４４２に対して移動するように構成されており、それによりレーザ４４５が金属材料４４２を順次融解して溶接プール４４３を形成し、これはその後でケーシング１０２及び第１のウィック１１０の一部を形成するように冷却及び凝固する。いくつかの実施形態では、システム４４０は、製造プロセスの様々なパラメータを制御するために、溶接プール４４３に向けてガス（例えば、不活性ガス）を供給するように構成され得る。

図３Ｃは、第２のウィック１２０が形成された後のヒートパイプ１００を示している。いくつかの実施形態では、第２のウィック１２０は、ヒートパイプ１００が一体／モノリシック構造となるように、ケーシング１０２及び第１のウィック１１０上に直接形成される（例えば、そこに／その上に印刷される）。図４Ｂをさらに参照すると、システム４４０は、第１の材料２２２をレーザ４４５の方向に向けるように構成された第１の材料源４４６（例えば、ノズル）、及び第２の材料２２４をレーザ４４５の方向に向けるように構成された第２の材料源４４８（例えば、ノズル）をさらに含んでもよい。図２及び４Ｂを一緒に参照すると、第１の材料２２２は、レーザ４４５にさらされたときに第１の材料２２２が融解するように選択された融解温度を有してもよく、一方、第２の材料２２４は、レーザ４４５にさらされたときに第２の材料２２４が融解しないように選択された融解温度を有し得る。したがって、第１の材料２２２及び第２の材料２２４は、融解した第１の材料２２２及び第２の材料２２４の離散固体の（例えば、溶けていない）粒子との混合物を含む溶接プール４４９において組み合わされ得る。加熱後、溶接プール４４９は、第２のウィック１２０の一部を形成するように、その後で冷却され且つ凝固し得る。より具体的には、融解した第１の材料２２２は、第２の材料２２４の離散固体の（例えば、溶けていない）粒子を互いに結合させるように冷却され且つ凝固してもよく、それによって細孔２２６を含む多孔質の第２のウィック１２０を形成する。

いくつかの実施形態では、第１の材料２２２は、鋼、モリブデン、及び／又は他の金属材料の粉末のような粉末として、第１の材料源４４６から供給され得る。同様に、第２の材料２２４は、粉末として第２の材料源４４８から供給され得る。いくつかの実施形態では、第２の材料２２４は、例えば、セラミック材料、黒鉛、炭化ジルコニウム、炭化チタン、及び／又は他の炭化物材料等の非金属材料を含む。したがって、本技術のいくつかの態様では、システム４４０は、レーザ４４５によって加熱されると金属粉末が融解し、セラミック粒子を第２のウィック１２０の多孔質構造に結合するように、第１の材料２２２及び第２の材料２２４を一方の金属及び他方のセラミックの２つの粉末の混合物として供給し得る。他の実施形態では、第２の材料２２４は、代替的に又は追加的に、製造中にレーザ４４５にさらされたときに融解しないように、十分に高い融解温度を有する金属材料を含み得る。したがって、本技術のいくつかの態様では、システム４４０は、レーザ４４５によって加熱されたときに第１の材料２２２の金属粉末のみが融解して、第２の材料２２４の金属粒子を第２のウィック１２０の多孔質構造に結合するように、第１の材料２２２及び第２の材料２２４を２つの金属粉末の混合物として供給し得る。

他の実施形態では、システム４４０は、他のやり方で第１の材料２２２及び第２の材料２２４を供給し得る。例えば、第１の材料２２２及び第２の材料２２４は、同じ材料源（例えば、ノズル）を介して別々の粉末として供給され得る。いくつかの実施形態では、別々の粉末又は混合物として供給される代わりに、第１の材料２２２は、第２の材料２２４にプレコーティングされてもよく、製造中にレーザ４４５が第１の材料２２２のコーティングを第２の材料２２４から溶かしてもよい。したがって、本技術のいくつかの態様では、システム４４０は、レーザ４４５によって加熱されると金属が融解して第２のウィック１２０の多孔質構造になるように非金属粒子を結合するように、金属でコーティングされた非金属（例えば、セラミック）粉末として第１の材料２２２及び第２の材料２２４を供給し得る。

図２及び４Ｂを一緒に引き続き参照すると、第１の材料２２２を融解して第２の材料２２４の離散粒子を結合させることにより、非常に微細な多孔質構造を生成することができる。本技術のいくつかの態様では、第２のウィック１２０の微細な多孔性により、第２のウィック１２０は、より粗い多孔性を有する多孔質構造よりも大きな圧力勾配に逆らって作動流体をポンプすることが可能になり得る。特に、機械加工、鋳造等の従来の製造プロセスでは、モノリシックに形成された異なる多孔性の第１のウィック１１０及び第２のウィック１２０を含む複合ヒートパイプ１００を製造することはできない。

いくつかの実施形態では、図１Ａ－４Ｂを参照して詳細に説明されているヒートパイプ１００は、原子炉システム等の発電所システムから熱を除去するために使用され得る。いくつかの実施形態では、ヒートパイプ１００は、（ｉ）２０２０年１０月１５日に出願された“ＨＥＡＴ ＰＩＰＥ ＮＥＴＷＯＲＫＳ ＦＯＲ ＨＥＡＴ ＲＥＭＯＶＡＬ，ＳＵＣＨ ＡＳ ＨＥＡＴ ＲＥＭＯＶＡＬ ＦＲＯＭ ＮＵＣＬＥＡＲ ＲＥＡＣＴＯＲＳ，ＡＮＤ ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ”という名称の米国特許出願第１７／０７１，８３８号、及び／又は（ｉｉ）２０２０年１０月１５日に出願された“ＮＵＣＬＥＡＲ ＲＥＡＣＴＯＲＳ ＨＡＶＩＮＧ ＬＩＱＵＩＤ ＭＥＴＡＬ ＡＬＬＯＹ ＦＵＥＬＳ ＡＮＤ／ＯＲ ＭＯＤＥＲＡＴＯＲＳ”という名称の米国特許出願第１７／０７１，７９５号に詳細に記載されている原子炉システムのいずれかで使用されてもよく、これらはそれぞれ参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

例えば、図５は、本技術の実施形態に従って構成された複数のヒートパイプ１００を含む原子炉システム５５０（「システム５５０」）の部分的な概略側面断面図である。図示された実施形態では、システム５５０は、原子炉容器５５２と、原子炉容器５５２を取り囲む／包囲する放射線遮蔽容器５５４とを含む。いくつかの実施形態では、原子炉容器５５２及び放射線遮蔽容器５５４は、略円筒形又はカプセル形であってもよい。システム５５０は、原子炉容器５５２内にヒートパイプ１００の複数の層をさらに含む。各層は、１つ以上のヒートパイプ１００（例えば、ヒートパイプ１００のアレイ）を含んでもよい。図示された実施形態では、ヒートパイプ１００は互いに間隔を空けて設けられ、互いに積み重ねられている。いくつかの実施形態では、ヒートパイプ１００は、共通フレーム５５９、原子炉容器５５２の一部（例えば、その壁）、及び／又は原子炉容器５５２内の他の適切な構造に取り付け／固定され得る。他の実施形態では、各ヒートパイプ１００が１つ以上の他のヒートパイプ１００を支持する及び／又はそれによって支持されるように、ヒートパイプ１００は、相互の上に直接積み重ねられてもよい。

図示された実施形態では、システム５５０は、炉心領域５６６を少なくとも部分的に囲むシールド又はリフレクタ領域５６４をさらに含む。ヒートパイプ１００は、炉心領域５６６が対応する三次元形状（例えば、円筒形、球形）を有するように、円形、直線状、多角形であってもよく、及び／又は他の形状を有してもよい。いくつかの実施形態では、炉心領域５６６は、金属壁等の炉心障壁５６５によってリフレクタ領域５６４から分離される。炉心領域５６６は、ヒートパイプ１００を加熱するための核分裂性物質等の１つ以上の燃料源を含んでもよい。リフレクタ領域５６４は、システム５５０の動作中に炉心領域５６６において燃料を燃焼させることによって生成された生成物を保持／反射するように構成された１つ以上の材料を含んでもよい。例えば、リフレクタ領域５６４は、中性子及び／又は他の核分裂生成物を炉心領域５６６に向かって放射状に内側に反射するように構成された液体又は固体材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、リフレクタ領域５６４は、炉心領域５６６を完全に囲んでもよい。他の実施形態では、リフレクタ領域５６４は、炉心領域５６６を部分的にのみ囲んでもよい。いくつかの実施形態では、炉心領域５６６は、減速材及び／又は冷却材等の制御材料５６７を含んでもよい。制御材料５６７は、炉心領域５６６内のヒートパイプ１００を少なくとも部分的に囲んでもよく、その間で熱を伝達することができる。

図示された実施形態では、システム５５０は、ヒートパイプ１００の周りに配置された少なくとも１つの熱交換器５５８をさらに含む。ヒートパイプ１００は、炉心領域５６６から少なくとも部分的にリフレクタ領域５６４内に延びてもよく、熱交換器５５８に熱的に結合される。いくつかの実施形態では、熱交換器５５８は、リフレクタ領域５６４の外側に又は部分的に内側に配置されてもよい。ヒートパイプ１００は、炉心領域５６６から熱交換器５５８への熱伝達経路を提供する。システム５５０の動作中、炉心領域５６６内の燃料は、ヒートパイプ１００内の作動流体を蒸発器領域１３０（図１）において加熱及び蒸発させることができ、流体は熱交換器５５８によって交換される熱を凝縮器領域１３２（図１）に運ぶことができる。

いくつかの実施形態では、熱交換器５５８は、ヒートパイプ１００を包む１つ以上の螺旋コイル管を含んでもよい。熱交換器５５８の管は、電気、蒸気等を発生させるのに使用するために、ヒートパイプ１００からの熱を原子炉容器５５２及び放射線遮蔽容器５５４から運び出す作動流体（例えば、水又は他の流体等の冷却材）を含むか又は運んでもよい。例えば、図示された実施形態では、熱交換器５５８は、タービン５６０、発電機５６１、凝縮器５６２、及びポンプ５６３に動作可能に結合される。熱交換器５５８内の作動流体の温度が上昇すると、作動流体は、沸騰して蒸発し始め得る。気化した作動流体（例えば、蒸気）は、タービン５６０を駆動して、作動流体の熱ポテンシャルエネルギーを発電機５６１を介して電気エネルギーに変換するために使用されてもよい。凝縮器５６２は、タービン５６０を通過した後に作動流体を凝縮させてもよく、ポンプ５６３は作動流体を熱交換器５５８に戻すように誘導してもよく、そこで別の熱サイクルを開始することができる。

図１Ａ－５を一緒に参照すると、本技術のいくつかの態様において、ヒートパイプ１００は、積層造形プロセスを使用して、非常に微細な第２のウィック１２０を有するように製造することができる。このようなヒートパイプは、熱効率を向上させることができ、これによって、例えば、ヒートパイプ１００が原子炉からの熱を効果的に伝えることが可能になる。

以下の例は、本技術のいくつかの実施形態を例示している。
（例１）
第１の材料、第２の材料、及び第３の材料を使用してヒートパイプを製造する方法であって、
前記第３の材料から第１のウィック構造を形成するステップと、
前記第１のウィック構造上に第２のウィック構造を形成するステップと
を含み、
前記第２のウィック構造を形成するステップは、
前記第１の材料及び第２の材料を混合すること、
前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物を、（ａ）前記第１の材料の融解温度よりも低く、且つ（ｂ）前記第２の材料の融解温度よりも高い温度に加熱して、前記第２の材料を融解させること、及び
前記第２の材料が凝固して前記第１の材料の複数の粒子を互いに結合して多孔質構造になるように、前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物を前記第２の材料の融解温度未満に冷却すること
を含む、方法。
（例２）
前記第１のウィック構造及び前記第２のウィック構造は、一体にモノリシック構造を形成する、例１の方法。
（例３）
前記第１のウィック構造を形成することは、レーザ金属ワイヤ印刷プロセスを介して前記第１のウィック構造を形成することを含む、例１又は例２の方法。
（例４）
前記第１の材料及び前記第２の材料を混合することは、前記粒子を含む第１の材料の粉末及び前記第２の材料の粉末を混合することを含む、例１－３のいずれか１つの方法。
（例５）
前記第１の材料及び前記第２の材料を混合することは、前記粒子を含む粉末を混合することであって、個々の粒子が前記第２の材料でコーティングされることを含む、例１－４のいずれか１つの方法。
（例６）
前記第１の材料は金属材料であり、前記第２の材料はセラミック材料である、例１－５のいずれか１つの方法。
（例７）
前記第３の材料はモリブデンを含み、前記第１の材料はモリブデンを含み、前記第２の材料はセラミック材料を含む、例１－６のいずれか１つの方法。
（例８）
前記第３の材料は流体に対して不浸透性であり、前記第１のウィック構造を形成することは、前記第３の材料によって画定される少なくとも１つの流路を形成することを含む、例１－７のいずれか１つの方法。
（例９）
多孔質構造を形成する方法であって、
第１の材料及び第２の材料を混合するステップと、
前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物を、（ａ）前記第１の材料の融解温度よりも低く、且つ（ｂ）前記第２の材料の融解温度よりも高い温度に加熱して、前記第２の材料を融解させるステップと、
前記第２の材料が凝固して前記第１の材料の複数の粒子を互いに結合して前記多孔質構造になるように、前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物を前記第２の材料の融解温度未満に冷却するステップと
を含む、方法。
（例１０）
前記第１の材料は金属材料であり、前記第２の材料はセラミック材料である、例９の方法。
（例１１）
前記第１の材料及び前記第２の材料を混合することは、前記粒子を含む第１の材料の粉末及び前記第２の材料の粉末を混合することを含む、例９又は例１０の方法。
（例１２）
前記第１の材料及び前記第２の材料を混合することは、前記粒子を含む粉末を混合することであって、個々の粒子が前記第２の材料でコーティングされていることを含む、例９－１１のいずれか１つの方法。
（例１３）
前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物を加熱することは、前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物にレーザを照射することを含む、例９－１２のいずれか１つの方法。
（例１４）
第１の材料の複数の粒子と、
前記第１の材料の粒子を互いに結合する第２の材料であって、前記第１の材料よりも低い融解温度を有する第２の材料と
を含む、多孔質構造。
（例１５）
前記第１の材料は非金属材料である、例１４の多孔質構造。
（例１６）
前記第１の材料はセラミック材料である、例１４又は例１５の多孔質構造。
（例１７）
前記第１の材料は、黒鉛、炭化ジルコニウム、及び炭化チタンの少なくとも１つである、例１４－１６のいずれか１つの多孔質構造。
（例１８）
前記第１の材料は非金属材料であり、前記第２の材料は金属材料である、例１４－１７のいずれか１つの多孔質構造。
（例１９）
前記第１の材料はセラミック材料であり、前記第２の材料は金属材料である、例１４－１８のいずれか１つの多孔質構造。
（例２０）
前記第１の材料はセラミック材料であり、前記第２の材料はモリブデンである、例１４－１９のいずれか１つの多孔質構造。

本技術の実施形態に関する上記の詳細な説明は、網羅的であること、又は技術を上記に開示された正確な形態に限定することを意図したものではない。技術の具体的な実施形態及び例示は説明のために上記に記載されているが、当業者が認識するように、技術の範囲内で様々な均等な修正が可能である。例えば、ステップは所定の順序で示されているが、他の実施形態は異なる順序でステップを実行してもよい。また、本明細書に記載されている様々な実施形態を組み合わせて、さらなる実施形態を提供してもよい。

上記により、技術の具体的な実施形態は説明のために本明細書に記載されているが、技術の実施形態の説明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、周知の構造及び機能は詳細に示されていないことが理解されよう。文脈が許す限り、単数又は複数の用語は、それぞれ複数又は単数の用語も含んでもよい。

本明細書で使用される「Ａ及び／又はＢ」等の「及び／又は」という語句は、Ａのみ、Ｂのみ、及びＡ及びＢを指す。参照により本明細書に組み込まれた資料が本開示と矛盾する限りにおいて、本開示は管理される。さらに、「備える」という用語は、より多くの同じ特徴及び／又は他の特徴の追加のタイプが排除されないように、少なくとも言及された（複数の）特徴を含むことを意味するように全体を通して使用される。また、説明の目的で特定の実施形態が本明細書に記載されているが、技術から逸脱することなく様々な変更を加え得ることも理解されるであろう。さらに、技術のいくつかの実施形態に関連する利点がそれらの実施形態の文脈で説明されているが、他の実施形態もそのような利点を示す場合があり、全ての実施形態が技術の範囲内に入るために必ずしもそのような利点を示す必要はない。したがって、本開示及び関連する技術は、本明細書に明示的に示されていない、又は記載されていない他の実施形態を含んでもよい。

Claims (20)

1. 第１の材料、第２の材料、及び第３の材料を使用してヒートパイプを製造する方法であって、
   前記第３の材料から第１のウィック構造を形成するステップと、
   前記第１のウィック構造上に第２のウィック構造を形成するステップと
   を含み、
   前記第２のウィック構造を形成するステップは、
   前記第１の材料及び第２の材料を混合すること、
   前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物を、（ａ）前記第１の材料の融解温度よりも低く、且つ（ｂ）前記第２の材料の融解温度よりも高い温度に加熱して、前記第２の材料を融解させること、及び
   前記第２の材料が凝固して前記第１の材料の複数の粒子を互いに結合して多孔質構造になるように、前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物を前記第２の材料の融解温度未満に冷却すること
   を含む、方法。
2. 前記第１のウィック構造及び前記第２のウィック構造は、一体にモノリシック構造を形成する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のウィック構造を形成することは、レーザ金属ワイヤ印刷プロセスを介して前記第１のウィック構造を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の材料及び前記第２の材料を混合することは、前記粒子を含む第１の材料の粉末及び前記第２の材料の粉末を混合することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の材料及び前記第２の材料を混合することは、前記粒子を含む粉末を混合することであって、個々の粒子が前記第２の材料でコーティングされていることを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の材料は金属材料であり、前記第２の材料はセラミック材料である、請求項１に記載の方法。
7. 前記第３の材料はモリブデンを含み、前記第１の材料はモリブデンを含み、前記第２の材料はセラミック材料を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記第３の材料は流体に対して不浸透性であり、前記第１のウィック構造を形成することは、前記第３の材料によって画定される少なくとも１つの流路を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 多孔質構造を形成する方法であって、
   第１の材料及び第２の材料を混合するステップと、
   前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物を、（ａ）前記第１の材料の融解温度よりも低く、且つ（ｂ）前記第２の材料の融解温度よりも高い温度に加熱して、前記第２の材料を融解させるステップと、
   前記第２の材料が凝固して前記第１の材料の複数の粒子を互いに結合して前記多孔質構造になるように、前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物を前記第２の材料の融解温度未満に冷却するステップと
   を含む、方法。
10. 前記第１の材料は金属材料であり、前記第２の材料はセラミック材料である、請求項９に記載の方法。
11. 前記第１の材料及び前記第２の材料を混合することは、前記粒子を含む第１の材料の粉末及び前記第２の材料の粉末を混合することを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記第１の材料及び前記第２の材料を混合することは、前記粒子を含む粉末を混合することであって、個々の粒子が前記第２の材料でコーティングされていることを含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物を加熱することは、前記第１の材料及び前記第２の材料の混合物にレーザを照射することを含む、請求項９に記載の方法。
14. 第１の材料の複数の粒子と、
    前記第１の材料の粒子を互いに結合する第２の材料であって、前記第１の材料よりも低い融解温度を有する第２の材料と
    を含む、多孔質構造。
15. 前記第１の材料は非金属材料である、請求項１４に記載の多孔質構造。
16. 前記第１の材料はセラミック材料である、請求項１４に記載の多孔質構造。
17. 前記第１の材料は、黒鉛、炭化ジルコニウム、及び炭化チタンの少なくとも１つである、請求項１４に記載の多孔質構造。
18. 前記第１の材料は非金属材料であり、前記第２の材料は金属材料である、請求項１４に記載の多孔質構造。
19. 前記第１の材料はセラミック材料であり、前記第２の材料は金属材料である、請求項１４に記載の多孔質構造。
20. 前記第１の材料はセラミック材料であり、前記第２の材料はモリブデンである、請求項１４に記載の多孔質構造。
    

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