JP2539663B2 - 高温用セラミックヒ―トパイプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、800〜2000K程度の高温下で使用されるヒ
ートパイプに関するものである。

従来の技術 周知のようにヒートパイプは、作動流体が蒸発および
凝縮を伴って密閉容器すなわちコンテナの内部を循環流
動することにより作動流体の潜熱として熱の輸送を行な
うものであり、極めて高い熱輸送能力を示す。このヒー
トパイプの基本的な構成は、真空脱気した密閉容器の内
部に凝縮性の作動流体を封入し、かつ密閉容器の内部に
作動流体を蒸発部に還流させるための毛細管圧力を生じ
るウイックを設けた構成である。従来、その密閉容器と
しては金属管が一般に使用され、また作動流体としては
水やアルコール、フロン、アンモニアなどが使用されて
おり、これらの密閉容器や作動流体を用いたヒートパイ
プであれば、燃焼排ガスからの熱回収用熱交換器や保
温、冷却などのための装置などの比較的低温での使用を
前提とした一般的な用途・需要を充分応えられる。

しかるにヒートパイプは極めて優れた熱輸送能力を備
えているのみならず、構造が簡単でしかも可動部がない
などの利点があるために、極めて特殊な用途に採用する
ことが考慮されている。その一例として小型原子炉にお
ける熱電気変換モジュールを用いた発電システムでの用
途を挙げることができる。これは高温用一次側ヒートパ
イプの一端部を炉心に挿入するとともに、他方の端部を
遮蔽層を貫通させて熱電気変換モジュール側に配置し、
さらにそのヒートパイプに続けて低温用二次側ヒートパ
イプを配置し、炉心の熱を熱電気変換モジュールに与え
て発電を行なうとともに、その一次側ヒートパイプの熱
を二次側ヒートパイプで外部に放出することを基本構成
とするものである。このようなシステムに使用される一
次側のヒートパイプは1000K以上の高温および多量の中
性子に曝されるので、コンテナを金属管とした一般的な
ヒートパイプでは容易に破損してしまい、採用すること
ができない。

そこで従来、炭化シリコン（SiC）の表面にタングス
テン（Ｗ）やグラファイト（Ｃ）などをCVD（化学蒸着
法）によってコーティングしたセラミック材料をコンテ
ナとし、かつナトリウムやリチウム、カリウムなどを作
動流体としたヒートパイプが試作されている。

発明が解決しようとする課題 ところでSiCは、耐熱性に富み、また安価であるなど
の利点があるが、その反面、高温用ヒートパイプの作動
流体として適しているナトリウムなどのアルカリ金属と
反応する。そのためSiCを高温用ヒートパイプのコンテ
ナとして使用する場合には、内外両面の全体をＷを蒸着
してコーティングし、アルカリ金属による腐食を防止し
ている。しかしながらSiCにＷをコーティングした構成
では、両者の熱膨張率の差により、耐熱衝撃性が低下
し、またＷのコーティングを必要とする分だけコスト高
になる問題があった。またSiCとＷとの間にグラファイ
ト（Ｃ）層を設ける構成では、グラファイト層の不均一
さが原因となってクラックが生じる危険があり、またコ
ーティング層数が増えることによりコストアップの要因
が多くなる問題がある。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、安価
でかつ耐熱耐久性に優れ、しかも中性子照射による劣化
の少ない高温用ヒートパイプを提供することを目的とす
るものである。

課題を解決するための手段 この発明は、上記の目的を達成するために、密閉容器
を窒化ホウ素によって構成し、その内部に作動流体とし
てアルカリ金属を封入したことを特徴とするものであ
る。

またこの発明では、前記密閉容器を、窒化ホウ素製円
筒体と、その円筒体の一方の端部に螺合させた窒化ホウ
素製エンドキャップと、作動流体注入用のフィルチュー
ブを有しかつ前記円筒体の他方の端部に螺合させた第２
の窒化ホウ素製エンドキャップとを備えた構成とするこ
とができる。

さらにこの発明では、前記円筒体と各エンドキャップ
との接合部を、炭化ケイ素または窒化ホウ素を蒸着する
ことによりコーキングした構成とすることができる。

そのフィルチューブはモリブデンもしくはタングステ
ンなどの金属管によって構成し、圧潰しかつ先端部を溶
接によって封止することができる。

そして前記フィルチューブは前記第２のエンドキャッ
プに対してねじ込んで取付けるとともに、そのねじ込み
部分を炭化ケイ素または窒化ホウ素を蒸着することによ
りコーキングした構成とすることができる。

作用 この発明のヒートパイプでは、コンテナが窒化ホウ素
によって構成されているから、作動流体であるアルカリ
金属に対する防食用コーティングを行なう必要がなく、
したがって素材のコストが低いことに加えて製造工程が
少なくなることにより安価なものとすることができ、ま
た中性子吸収性があるために原子炉での長期間に亘って
の使用が可能になる。

また請求項２の記載の構成では、コンテナの製造・組
立てが容易になる。

さらに請求項３に記載の構成では、気密性を確実なも
のとすることができるうえに、そのための作業が極めて
容易になる。

そして請求項４および請求項５に記載した構成では、
作動流体注入および封止作業を容易に行なうことができ
る。

実 施 例 つぎにこの発明の一実施例を添付の図面を参照して説
明する。

第１図は断面図であって、コンテナ１は窒化ホウ素
（BN）を素材として構成されている。すなわちBN製円筒
体２の一方の端部にBN製のエンドキャップ３がねじ込ま
れて取付けられており、両者の接合部分が外周部には、
SiCをCVD（化学蒸着法）によって蒸着させることにより
コーキング４が施されている。また前記円筒体２の他方
の端部には、BN製の他のエンドキャップ５がねじ込まれ
て取付けられ、その接合部分の外周部には、前記一方の
エンドキャップ３の接合部分と同様に、SiCによるコー
キング６が施されている。またこの第２のエンドキャッ
プ５には作動流体注入用のフィルチューブ７が取付けら
れている。すなわち第２のエンドキャップ５の先端部に
はモリブテン（Mo）製の円筒状ブッシュ８がねじ込まれ
て取付けられるとともに、そのねじ部にSiCを化学蒸着
することによるコーキングが施され、またそのブッシュ
８にはMo製のフィルチューブ７が嵌合され、かつTIG溶
接によって固定されている。

両端部にエンドキャップ3,5を取付けた上記の円筒体
２の内部には、毛細管圧力を生じさせるためのウィック
９が内周面にほぼ密着して状態に配置されており、その
ウイック９はMo線を編んだメッシュによって構成されて
いる。

そしてフィルチューブ７は、コンテナ１の内部に真空
脱気した状態で作動流体としてナトリウムやカリウムな
どのアルカリ金属を注入した後に圧潰されかつTIG溶接
によって封止されている。またさらに作動流体を注入し
てフィルチューブ７を封止した後にコンテナ１の全体の
外表面にSiCがCVDによってコーティングされている。

上記のように構成したセラミックヒートパイプは、一
般のヒートパイプと同様に、一方の端部を加熱して蒸発
部とするとともに他方の端部を冷却して凝縮部とするこ
とにより伝熱素子として使用されるが、作動流体がアル
カリ金属であるから、その作用温度範囲は1000K程度も
しくはそれ以上の高温下で使用される。例えば原子炉で
の熱電気変換による発電システムに好適であり、その場
合は、一方の端部を炉心に挿入して加熱し、かつ他方の
端部に熱電気変換モジュールを取付け、核分裂で生じた
熱によって作動流体が蒸発し、その熱が作動流体の蒸気
として他方の端部側に運ばれた後に熱電気変換モジュー
ルによって電気に変換される。このような使用形態の場
合、コンテナ１がBN裂であって中性子吸収性があるの
で、長期間の使用によっても劣化することがなく、また
耐サーマルショック性に優れているので、加熱と冷却と
が繰返し生じてもクラックの発生やそれに伴う作動流体
の漏洩などの危険がない。そして上記のヒートパイプに
おけるコンテナ１は耐アルカリ性に優れ、防食のための
コーティングを必要としないので、製造が容易で安価で
ある。またコンテナ１は円筒体２にエンドキャップ3,5
をねじによって接合した構成であるから、容易に製造す
ることができる。その場合、接合部をCVDによってセラ
ミックを蒸着してコーキングすることにより気密性が確
実になる。さらにフィルチューブ７は作動流体の注入の
後に封止する必要があるので、金属管によって構成する
ことにより封止作業が容易かつ確実になる。

発明の効果 以上の説明から明らかなようにこの発明のヒートパイ
プによれば、作動流体として使用されるアルカリ金属に
対する耐食性に優れ、それに伴い防食のためのコーキン
グが不要になるために、容易かつ安価に製造することが
でき、また耐熱衝撃性に優れたものとすることができ
る。さらに中性子吸収性があるために、原子炉などの高
温でかつ中性子の照射を受ける箇所での長期間の使用に
よっても劣化せず、耐久性に優れたものとすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図である。 １……コンテナ、２……円筒体、3,5……エンドキャッ
プ、4,6……コーキング、７……フィルチューブ、９…
…ウイック。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化ホウ素からなる密閉容器の内部に、作
   動流体としてアルカリ金属を封入してなることを特徴と
   する高温用セラミックヒートパイプ。
2. 【請求項２】前記密閉容器が、窒化ホウ素製円筒体と、
   その円筒体の一方の端部に螺合させた窒化ホウ素製エン
   ドキャップと、作動流体注入用のフィルチューブを有し
   かつ前記円筒体の他方の端部に螺合させた第２の窒化ホ
   ウ素製エンドキャップとを備えていることを特徴とする
   請求項１に記載の高温用セラミックヒートパイプ。
3. 【請求項３】前記円筒体と各エンドキャップとの接合部
   が炭化ケイ素または窒化ホウ素を蒸着することによりコ
   ーキングされていることを特徴とする請求項２に記載の
   高温用セラミックヒートパイプ。
4. 【請求項４】前記フィルチューブはモリブデンもしくは
   タングステンなどの金属管からなり、圧潰しかつ先端部
   を溶接によって封止されていることを特徴とする請求項
   ２に記載の高温用セラミックヒートパイプ。
5. 【請求項５】前記フィルチューブが前記第２のエンドキ
   ャップに対してねじ込まれて取付けられるとともに、そ
   のねじ込み部分が炭化ケイ素または窒化ホウ素によって
   コーキングされていることを特徴とする請求項２に記載
   の高温用セラミックヒートパイプ。