JP2559956B2 - 組成傾斜型材料付き冷却構造体 - Google Patents
組成傾斜型材料付き冷却構造体Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
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- Ceramic Products (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、大熱量を効率よく除去
しうる組成傾斜型材料に関し、特に核融合炉の炉心部分
等の超高温に晒される部分の使用に好適な熱シンク型の
組成傾斜型材料付き冷却構造体に関する。
しうる組成傾斜型材料に関し、特に核融合炉の炉心部分
等の超高温に晒される部分の使用に好適な熱シンク型の
組成傾斜型材料付き冷却構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術、背景および発明が解決しようとする課
題】核融合炉の第一壁、ダイバータ部材等の超高温に晒
される部材においては、装置稼働開始時ならびに運転中
における非定常加熱現象による急激な温度上昇および構
成材料の溶融・損傷などが重要な問題となる。このよう
な問題に対しては、高融点・高熱伝導性の材料（例え
ば、炭素材料、セラミックスなど）を冷却部材の表面に
接合する方法が提案されている。この場合、表面材料の
溶融・損傷の危険性は回避されるが、加熱時に材料内部
に生じる温度勾配に起因する熱応力が高融点材料等と冷
却部材との接合面に集中し、剥離・脱落する可能性が高
くなる。係る問題を解決するために、プラズマに対向す
る最表面にグラファイトを配し、このグラファイトと銅
製の冷却部材との間にジルコニアとステンレスの複合体
からなる組成傾斜型材料を配したものが提案されている
（例えば、日本原子力学会、１９９０年秋の大会、１９
９０年１０月２〜５日、於東北大、予稿集６０５頁参
照）。しかし、グラファイトは、１０００℃以上の高温
では水素照射による損耗が激しくなるので、この場合、
表面温度の上昇を極力抑制するために冷却部材内を流通
する冷却材の量を増加させるなどして冷却能力を向上さ
せる必要がある。しかし、冷却材を如何に多量に流通さ
せても核融合炉の炉況の変化により炉壁表面温度が１０
００℃を超えることは避けられない。また、上記組成傾
斜型材料によれば熱応力を緩和することはできるが、そ
の板厚方向の平均熱伝導率はそれほど高くなく（５〜１
０Ｗ／ｍＫ）、この組成傾斜型材料はいわゆる熱遮蔽性
であって、一定量の冷却材を冷却部材内を流通させるこ
とによる冷却効果で充分対処しうる熱環境下で使用する
場合、例えば航空機・宇宙往還機等の構造体の中で最高
温度１５００℃程度の部位の耐熱・遮熱材料として使用
する場合には有効であるが、核融合炉第一壁、ダイバー
タ部材のように極めて高い熱流束（数百ＧＷ／ｍ2)によ
る非定常加熱を伴う構造体の耐熱材料として使用する場
合には、材料表面温度が極端に上昇し、溶融・損傷に至
る可能性が極めて高くなる。
題】核融合炉の第一壁、ダイバータ部材等の超高温に晒
される部材においては、装置稼働開始時ならびに運転中
における非定常加熱現象による急激な温度上昇および構
成材料の溶融・損傷などが重要な問題となる。このよう
な問題に対しては、高融点・高熱伝導性の材料（例え
ば、炭素材料、セラミックスなど）を冷却部材の表面に
接合する方法が提案されている。この場合、表面材料の
溶融・損傷の危険性は回避されるが、加熱時に材料内部
に生じる温度勾配に起因する熱応力が高融点材料等と冷
却部材との接合面に集中し、剥離・脱落する可能性が高
くなる。係る問題を解決するために、プラズマに対向す
る最表面にグラファイトを配し、このグラファイトと銅
製の冷却部材との間にジルコニアとステンレスの複合体
からなる組成傾斜型材料を配したものが提案されている
（例えば、日本原子力学会、１９９０年秋の大会、１９
９０年１０月２〜５日、於東北大、予稿集６０５頁参
照）。しかし、グラファイトは、１０００℃以上の高温
では水素照射による損耗が激しくなるので、この場合、
表面温度の上昇を極力抑制するために冷却部材内を流通
する冷却材の量を増加させるなどして冷却能力を向上さ
せる必要がある。しかし、冷却材を如何に多量に流通さ
せても核融合炉の炉況の変化により炉壁表面温度が１０
００℃を超えることは避けられない。また、上記組成傾
斜型材料によれば熱応力を緩和することはできるが、そ
の板厚方向の平均熱伝導率はそれほど高くなく（５〜１
０Ｗ／ｍＫ）、この組成傾斜型材料はいわゆる熱遮蔽性
であって、一定量の冷却材を冷却部材内を流通させるこ
とによる冷却効果で充分対処しうる熱環境下で使用する
場合、例えば航空機・宇宙往還機等の構造体の中で最高
温度１５００℃程度の部位の耐熱・遮熱材料として使用
する場合には有効であるが、核融合炉第一壁、ダイバー
タ部材のように極めて高い熱流束（数百ＧＷ／ｍ2)によ
る非定常加熱を伴う構造体の耐熱材料として使用する場
合には、材料表面温度が極端に上昇し、溶融・損傷に至
る可能性が極めて高くなる。
【０００３】本発明はこのような従来の技術の有する問
題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、高熱
伝導性に基づく効率的な熱除去により表面温度の極端な
上昇が抑制され、しかも材料内部の熱応力を緩和して冷
却部材との接合界面から剥離・脱落する恐れが少ない組
成傾斜型材料付き冷却構造体を提供することにある。
題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、高熱
伝導性に基づく効率的な熱除去により表面温度の極端な
上昇が抑制され、しかも材料内部の熱応力を緩和して冷
却部材との接合界面から剥離・脱落する恐れが少ない組
成傾斜型材料付き冷却構造体を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の要旨は、組成傾斜型材料付き冷却構造体であ
って、該組成傾斜型材料が室温および１０００℃以上の
高温のいずれにおいても５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を
有する高熱伝導性物質を構成材料の一部または全部とし
且つ材料表面温度が融点の約７０％以下で製造後の残留
応力と使用時の熱応力が材料の破壊強度を下回るような
材料厚さと厚さ方向の組成分布を有するものであって、
冷却剤が流通する通路が設けられている冷却部材の表面
に上記組成傾斜型材料を接合したことを特徴とする組成
傾斜型材料付き冷却構造体にある。
に本発明の要旨は、組成傾斜型材料付き冷却構造体であ
って、該組成傾斜型材料が室温および１０００℃以上の
高温のいずれにおいても５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を
有する高熱伝導性物質を構成材料の一部または全部とし
且つ材料表面温度が融点の約７０％以下で製造後の残留
応力と使用時の熱応力が材料の破壊強度を下回るような
材料厚さと厚さ方向の組成分布を有するものであって、
冷却剤が流通する通路が設けられている冷却部材の表面
に上記組成傾斜型材料を接合したことを特徴とする組成
傾斜型材料付き冷却構造体にある。
【０００５】組成傾斜型材料の「高温側材料」として
は、ＡｌＮ、ＴｉＢ2 、ＴｉＣ、ＢｅＯ等を使用するこ
とができ、これらは約１５００℃以下の温度ではスパッ
タリング損耗が殆どない物質である。また「低温側材
料」としては、Ｍｏおよびその合金（例えば、Ｍｏ−Ｒ
ｅ合金など）、Ｃｕおよびその合金（例えば、無酸素
銅、Ａｌ2 Ｏ3 分散銅など）、または炭素系材料等を使
用することができる。
は、ＡｌＮ、ＴｉＢ2 、ＴｉＣ、ＢｅＯ等を使用するこ
とができ、これらは約１５００℃以下の温度ではスパッ
タリング損耗が殆どない物質である。また「低温側材
料」としては、Ｍｏおよびその合金（例えば、Ｍｏ−Ｒ
ｅ合金など）、Ｃｕおよびその合金（例えば、無酸素
銅、Ａｌ2 Ｏ3 分散銅など）、または炭素系材料等を使
用することができる。
【０００６】『融点の約７０％以下の温度』とは、長時
間その温度に晒されてもクリープ破壊等の熱的損傷に至
らないことを考慮した、『現実的な使用温度』という意
味であり、絶対温度を示す。
間その温度に晒されてもクリープ破壊等の熱的損傷に至
らないことを考慮した、『現実的な使用温度』という意
味であり、絶対温度を示す。
【０００７】組成傾斜型材料の製造方法としては、例え
ば、焼結法、燃焼焼結法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法または溶
射法などを採用することができる。また、冷却部材は、
その複数の構成部分を拡散接合法により接合するかもし
くはロウ付け法で接合するか、または電鋳法により直接
製造することもできる。さらに、組成傾斜型材料と冷却
部材とは拡散接合法、ロウ付け法などにより接合するこ
とができる。また、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法により組成
傾斜型材料を冷却部材上に蒸着させるか、または組成傾
斜型材料を冷却部材上に溶射する方法を採用することも
できる。さらに、組成傾斜型材料と冷却部材とを中子を
用いて一体的に焼結成形することもできる。
ば、焼結法、燃焼焼結法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法または溶
射法などを採用することができる。また、冷却部材は、
その複数の構成部分を拡散接合法により接合するかもし
くはロウ付け法で接合するか、または電鋳法により直接
製造することもできる。さらに、組成傾斜型材料と冷却
部材とは拡散接合法、ロウ付け法などにより接合するこ
とができる。また、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法により組成
傾斜型材料を冷却部材上に蒸着させるか、または組成傾
斜型材料を冷却部材上に溶射する方法を採用することも
できる。さらに、組成傾斜型材料と冷却部材とを中子を
用いて一体的に焼結成形することもできる。
【０００８】
【作用】室温および１０００℃以上の高温のいずれにお
いても５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する高熱伝導性
物質で組成傾斜型材料を構成することにより、表面の熱
を速やかに材料内を伝播させて効率よく除去することが
できる。従って、材料表面温度が極端に上昇することは
ないので、材料が過度に溶融・損傷することが避けられ
る。
いても５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する高熱伝導性
物質で組成傾斜型材料を構成することにより、表面の熱
を速やかに材料内を伝播させて効率よく除去することが
できる。従って、材料表面温度が極端に上昇することは
ないので、材料が過度に溶融・損傷することが避けられ
る。
【０００９】また、使用時の熱応力は材料の破壊強度以
下であり、組成傾斜制御によりこの熱応力は緩和され、
さらに材料の表面温度が融点の約７０％以下となるよう
に規制されているので材料内温度勾配は低減され、熱応
力の一層の緩和が図られる。従って、組成傾斜型材料が
冷却部材から剥離・脱落することはなく、表面の熱は冷
却部材内を流通する冷却剤により速やかに除去される。
下であり、組成傾斜制御によりこの熱応力は緩和され、
さらに材料の表面温度が融点の約７０％以下となるよう
に規制されているので材料内温度勾配は低減され、熱応
力の一層の緩和が図られる。従って、組成傾斜型材料が
冷却部材から剥離・脱落することはなく、表面の熱は冷
却部材内を流通する冷却剤により速やかに除去される。
【００１０】
【実施例】以下に本発明の実施例について図面を参照し
ながら製造工程順に説明する。
ながら製造工程順に説明する。
【００１１】(1) 組成傾斜型材料の設計（厚さと組成分
布） 材料の表面温度との関係 使用時の加熱環境（熱
流束２０ＭＷ／ｍ2 、冷却側熱伝達係数１００ｋＷ／ｍ
2 Ｋ）において、材料の表面温度が融点の約７０％以下
となるような材料厚さと厚さ方向の組成分布の許容範囲
を有限要素伝熱解析により求めた。 材料の破壊強度との関係 組成傾斜型材料（窒化
アルミニウムとモリブデンとの複合物）製造後の残留応
力、この組成傾斜型材料と冷却部材（銅製）との接合後
の残留応力および使用時発生熱応力が材料の破壊強度を
下回るような材料厚さと厚さ方向の組成分布の許容範囲
を有限要素熱応力解析により求めた。 以上のようにして求めた材料厚さと厚さ方向の組成
分布の共通範囲を設計値とした。今回の設計データとし
ては、材料厚さを３mmとし、厚さ方向の組成分布を直線
分布とすることで、上記の条件が満足されるとの結果を
得た。なお、上記加熱環境下における材料表面温度は約
１５００℃（１７７３Ｋ）と推定される（高温側材料で
ある窒化アルミニウムの融点は２３００℃（２５７３
Ｋ）である）。
布） 材料の表面温度との関係 使用時の加熱環境（熱
流束２０ＭＷ／ｍ2 、冷却側熱伝達係数１００ｋＷ／ｍ
2 Ｋ）において、材料の表面温度が融点の約７０％以下
となるような材料厚さと厚さ方向の組成分布の許容範囲
を有限要素伝熱解析により求めた。 材料の破壊強度との関係 組成傾斜型材料（窒化
アルミニウムとモリブデンとの複合物）製造後の残留応
力、この組成傾斜型材料と冷却部材（銅製）との接合後
の残留応力および使用時発生熱応力が材料の破壊強度を
下回るような材料厚さと厚さ方向の組成分布の許容範囲
を有限要素熱応力解析により求めた。 以上のようにして求めた材料厚さと厚さ方向の組成
分布の共通範囲を設計値とした。今回の設計データとし
ては、材料厚さを３mmとし、厚さ方向の組成分布を直線
分布とすることで、上記の条件が満足されるとの結果を
得た。なお、上記加熱環境下における材料表面温度は約
１５００℃（１７７３Ｋ）と推定される（高温側材料で
ある窒化アルミニウムの融点は２３００℃（２５７３
Ｋ）である）。
【００１２】(2) 組成傾斜型材料の製造 窒化アルミニウム（粒径が０．２μｍのもの）とモリブ
デン（粒径が１．５μｍのもの）の各粉末を体積比で１
０：０、９：１、８：２、７：３、６：４、５：５、
４：６、３：７、２：８、１：９、０：１０となるよう
に混合した１１組成の原料粉末を用意した。そして、こ
の１１組成の原料粉末を金型（図示せず）の中に順次積
層・充填して一軸予備加圧後、冷間等方加圧装置（図示
せず）を用いて圧力２５００kg／cm2 で予備成形し、次
いで、この成形物をパイレックスガラス容器（図示せ
ず）に真空封入し、この容器を熱間等方加圧装置（図示
せず）内に収容し、温度を１９００℃、圧力を１７００
kg／cm2 、雰囲気をＡｒガスとして、２時間等方加圧焼
結し、図１に示すような厚さが３mmで直径が約２８mmの
円盤状組成傾斜型材料１を得た。この組成傾斜型材料の
一方の面Ｆは窒化アルミニウム１００％の加熱側、そし
て他方の面Ｂはモリブデン１００％で冷却部材と接する
側である。このようにして作製した組成傾斜型材料の室
温における厚さ方向の平均熱伝導率は約１５０Ｗ／ｍ
Ｋ、１５００℃における平均熱伝導率は約７０Ｗ／ｍＫ
である。
デン（粒径が１．５μｍのもの）の各粉末を体積比で１
０：０、９：１、８：２、７：３、６：４、５：５、
４：６、３：７、２：８、１：９、０：１０となるよう
に混合した１１組成の原料粉末を用意した。そして、こ
の１１組成の原料粉末を金型（図示せず）の中に順次積
層・充填して一軸予備加圧後、冷間等方加圧装置（図示
せず）を用いて圧力２５００kg／cm2 で予備成形し、次
いで、この成形物をパイレックスガラス容器（図示せ
ず）に真空封入し、この容器を熱間等方加圧装置（図示
せず）内に収容し、温度を１９００℃、圧力を１７００
kg／cm2 、雰囲気をＡｒガスとして、２時間等方加圧焼
結し、図１に示すような厚さが３mmで直径が約２８mmの
円盤状組成傾斜型材料１を得た。この組成傾斜型材料の
一方の面Ｆは窒化アルミニウム１００％の加熱側、そし
て他方の面Ｂはモリブデン１００％で冷却部材と接する
側である。このようにして作製した組成傾斜型材料の室
温における厚さ方向の平均熱伝導率は約１５０Ｗ／ｍ
Ｋ、１５００℃における平均熱伝導率は約７０Ｗ／ｍＫ
である。
【００１３】(3) 組成傾斜型材料と冷却部材との接合 図２に示すように、Ｔｉ入りＡｇ−Ｃｕ活性ロウ材シー
トを、図１の組成傾斜型材料１から切りだした直方体状
の組成傾斜型材料２と冷却剤の流通するパイプ３を有す
る冷却部材４との間に挿入し、１０-5Torrの真空中で８
５０℃×１０分間保持することにより両者を接合し、同
図に示すような熱シンク型組成傾斜型材料付き冷却構造
体を得た。このようにして得られた組成傾斜型材料付き
冷却構造体を超音波探傷装置を用いて非破壊検査したと
ころ、全く欠陥のないことが確認された。
トを、図１の組成傾斜型材料１から切りだした直方体状
の組成傾斜型材料２と冷却剤の流通するパイプ３を有す
る冷却部材４との間に挿入し、１０-5Torrの真空中で８
５０℃×１０分間保持することにより両者を接合し、同
図に示すような熱シンク型組成傾斜型材料付き冷却構造
体を得た。このようにして得られた組成傾斜型材料付き
冷却構造体を超音波探傷装置を用いて非破壊検査したと
ころ、全く欠陥のないことが確認された。
【００１４】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、以下の効果を奏する。 室温および１０００℃以上の高温のいずれにおいて
も高熱伝導率を有する物質で組成傾斜型材料を構成した
ので、表面の熱を速やかに材料内を伝播させて効率よく
除去することができる。従って、材料表面温度が極端に
上昇することはなく、材料が過度に溶融・損傷する危険
性は回避される。 使用時の熱応力は材料の破壊強度以下に抑制され、
さらに組成傾斜制御と材料表面温度規制による熱応力緩
和効果により、組成傾斜型材料と冷却部材との接合は良
好に保持され、剥離・脱落することはなく、表面の熱は
冷却部材内を流通する冷却剤により速やかに除去され
る。
で、以下の効果を奏する。 室温および１０００℃以上の高温のいずれにおいて
も高熱伝導率を有する物質で組成傾斜型材料を構成した
ので、表面の熱を速やかに材料内を伝播させて効率よく
除去することができる。従って、材料表面温度が極端に
上昇することはなく、材料が過度に溶融・損傷する危険
性は回避される。 使用時の熱応力は材料の破壊強度以下に抑制され、
さらに組成傾斜制御と材料表面温度規制による熱応力緩
和効果により、組成傾斜型材料と冷却部材との接合は良
好に保持され、剥離・脱落することはなく、表面の熱は
冷却部材内を流通する冷却剤により速やかに除去され
る。
【図１】組成傾斜型材料の斜視図である。
【図２】組成傾斜型材料を付加した冷却部材の斜視図で
ある。
ある。
１、２…組成傾斜型材料 ４…冷却部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０１Ｂ 35/04 Ｃ０１Ｂ 35/04 Ｄ Ｃ０１Ｇ 3/00 Ｃ０１Ｇ 3/00 39/00 39/00 Ｇ２１Ｂ 1/00 Ｇ２１Ｂ 1/00 Ｄ (72)発明者 川村 昌志 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (72)発明者 山崎 誠一郎 東京都江東区南砂２丁目４番25号 川崎 重工業株式会社 東京設計事務所内 (72)発明者 大崎 敏雄 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工 業株式会社 野田工場内 (72)発明者 西浦 健夫 東京都江東区南砂２丁目４番25号 川崎 重工業株式会社 東京設計事務所内 (56)参考文献 特開 昭63−42859（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−250539（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−88413（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】 組成傾斜型材料付き冷却構造体であっ
て、該組成傾斜型材料が室温および１０００℃以上の高
温のいずれにおいても５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有
する高熱伝導性物質を構成材料の一部または全部とし且
つ材料表面温度が融点の約７０％以下で製造後の残留応
力と使用時の熱応力が材料の破壊強度を下回るような材
料厚さと厚さ方向の組成分布を有するものであって、冷
却剤が流通する通路が設けられている冷却部材の表面に
上記組成傾斜型材料を接合したことを特徴とする組成傾
斜型材料付き冷却構造体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4237966A JP2559956B2 (ja) | 1992-09-07 | 1992-09-07 | 組成傾斜型材料付き冷却構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4237966A JP2559956B2 (ja) | 1992-09-07 | 1992-09-07 | 組成傾斜型材料付き冷却構造体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0692746A JPH0692746A (ja) | 1994-04-05 |
| JP2559956B2 true JP2559956B2 (ja) | 1996-12-04 |
Family
ID=17023109
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4237966A Expired - Fee Related JP2559956B2 (ja) | 1992-09-07 | 1992-09-07 | 組成傾斜型材料付き冷却構造体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2559956B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4058927B2 (ja) | 2001-09-18 | 2008-03-12 | 日産自動車株式会社 | 内燃機関の制御装置 |
| EP2088135A4 (en) * | 2006-10-24 | 2011-06-29 | Tokuyama Corp | PROCESS FOR PRODUCING COMPOUND OF SINTERED ALUMINUM NITRIDE ELEMENT AND HIGH-POINT METALLIC ELEMENT |
| JP5782367B2 (ja) * | 2011-11-18 | 2015-09-24 | 富士フイルム株式会社 | 熱放射膜の製造方法及び製造装置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6342859A (ja) * | 1986-08-08 | 1988-02-24 | 航空宇宙技術研究所長 | 傾斜機能材料の製造方法 |
| JPH0288413A (ja) * | 1988-09-22 | 1990-03-28 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 炭素材料の製造方法 |
| JPH03250539A (ja) * | 1989-11-29 | 1991-11-08 | Hitachi Ltd | シヤドウマスク設計方法とそれにより設計されたシヤドウマスク |
-
1992
- 1992-09-07 JP JP4237966A patent/JP2559956B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0692746A (ja) | 1994-04-05 |
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