JP2624883B2 - 導波管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は核融合炉装置のプラズマ加熱用高周波加熱装
置のような、低域混成波帯高周波加熱装置の導波管の製
造方法に関する。

（従来の技術） 例えば核融合炉装置におけるプラズマ加熱は、加熱方
法としてプラズマ中に電流を通して加熱するジュール加
熱に加えて、第２段加熱方法として中性粒子を入射して
加熱する方法や、高周波の電磁波を入射して加熱する高
周波加熱方法等がある。

高周波加熱方法は高周波電磁波のエネルギをプラズマ
に吸収させて加熱する方法で、使用する周波数によって
各種の方式があり、その一つに低域混成波帯高周波加熱
法がある。その低域混成波帯高周波加熱装置の系統図の
一例を第９図に示す。低域混成波帯高周波加熱装置はク
ライストロンのように高出力の電磁波を発生させ、更に
増幅させる高周波発振器（１）と、この高周波発振器
（１）で発生させた電磁波を核融合炉装置（２）まで伝
送する高周波伝送系（３）及び、伝送系（３）の端末か
ら電磁波をプラズマ（４）に放出する高周波結合系
（５）を結合容器（5a）内でまとめて構成している。高
周波結合系（５）は核融合炉装置（２）のポート（2a）
から挿入されるので、寸法的制約を受けるものである。

第10図に高周波結合系（５）の構成を示す。

（６）は矩形断面を有する導波管であり、通常、複数
個の導波管（６）を格子状に配列して束にし、その全体
を導波管束（７）と称する。

電磁波はこの各々の導波管（６）の中を伝送され、プ
ラズマ（４）に放出される。又導波管束（７）を納めた
導波管束容器（８）によって全体が覆われている。導波
管束容器（８）または導波管束（７）には導波管（６）
を加熱、冷却する為の媒体の通路（９）が設けられ、こ
の通路（９）の中に加熱，冷却用媒体のガス等を冷却管
（9a）を介して流せるようにしている。

高周波結合系（５）を構成する導波管（６）はプラズ
マ側先端部は、導波管（６）の矩形断面の幅を狭く、又
矩形の寸法精度を良くすることで電磁波をプラズマ
（４）中に効率良く入射出来る為、寸法精度の要求と、
導波管（６）の断面の幅をますます狭くする要求とが大
になる傾向にある。

又、核融合条件をより満足するように電磁波をプラズ
マ（４）中に入射する為には、電磁波出力を大きくする
必要があり、これに伴って高周波損失も増えている。こ
の場合、プラズマ（４）中からのふく射熱、高周波損失
による熱が導波管（６）に入ってくることを考えると、
導波管（６）の冷却が問題となってくる。

通常、導波管（６）は主にステンレス鋼で作られてい
る。ステンレス鋼は銅等と比べると熱伝導率が低く、限
られた時間内に十分な冷却を行う為には、冷却構造及び
冷却方法が問題となる。冷却効果が低い場合、又、冷却
バランスがわるい場合には、導波管（６）は熱応力等の
影響を受け、導波管（６）自体の機械的強度が問題とな
る。

一般に導波管（６）の内部は真空領域であり、導波管
（６）、導波管束（７）外部が大気領域である場合には
導波管束容器（８）内に冷却媒体を流して冷却する。こ
の時、導波管（６）、導波管束（７）においては、各々
の内外との間には真空リークがあってはならない。又、
導波管（６），導波管束（７）内外共、真空領域にある
場合は導波管（６），導波管束（７）の各々の内外間で
は真空リークがあっても良いが、冷却媒体が洩れないよ
うな、冷却構造が必要となる。導波管の製造面から見る
と、従来一般に製缶溶接法，ロー付法，固相拡散接合法
等がある。

特に最近では低域混成波帯導波管束を効率良く冷却す
ると共に、高周波損失が少なく、簡単な構造にして電磁
力に耐え得る機械的強度を確保でき、それによって高出
力、高効率でプラズマ加熱が可能な高周波加熱装置用と
しての導波管（６）の構成は第11図に示すようにしてい
る。すなわち、矩形断面導波管の長辺側部材（11）とし
て銅等の高導電率材料を使用し、また、短辺側部材（1
2）としてステンレス鋼等の低導電率材料を使用し、長
辺側部材（11），（11）間に、短辺側部材（12）を挟ん
だ接合部を固相拡散接合して導波管を構成するものであ
る。短辺側部材（12）の電磁波通路となる表層に高周波
電流を流し易くする為に、高導電率材料からなる薄膜
（14）を形成する。この薄膜（14）としては銅箔や銀箔
を圧着し、クラッド材を形成する方法あるいは銅メッキ
や銀メッキ等で形成する方法がある。

第12図は複数個の導波管を、横一列に束にし、一体化
接合した場合の従来の一例を示す。

（発明が解決しようとする課題） 核融合炉用の導波管として製造方法の面からみると、
製缶溶接法は最も一般的な製造方法であるが、形状，寸
法精度上からみると、満足するには程遠い製造方法であ
る。又、固相拡散接合法は接合条件として接合材料によ
り適正値は異なるが、温度は600〜900℃、加圧力は0.5
〜5kg/mm²、時間は10〜120分、雰囲気はアルゴンのよ
うな非活性ガス又は１×10^-4Torr以下の真空が必要であ
る。更に各々接合部材の接合面の面粗度を十分確保し
て、要求される所定の厳しい寸法並びに、接合面におけ
る真空特性を確保するような製作は困難である。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目
的は低減混成波帯高周波加熱用導波管（束にしたものも
含む）を製造性が経済的で、真空リークのない高真空特
性を有し、それに伴い、効率良い冷却ができ、高周波損
失が少なく、又、十分接合性から電磁力に耐え得る機械
的強度を確保し、高出力，高効率でプラズマ加熱が可能
な高周波加熱装置の導波管の製造方法を提供することに
ある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明においては、矩形
断面の導波管の製造方法において、短辺側部材と長辺側
部材として例えばステンレス鋼のような低導電率の高強
度材料に例えば銅のような高熱伝導率で高導電率の低強
度材料を圧着させるか又はメッキしてなるクラッド材を
用い、高導電率の材料を内側にして長辺側部材で短辺側
部材を挟み、接合部に接合母材（被溶接部材相互間に溶
接棒或いは拡散増進材等を介在させる場合その介在物に
対して被溶接部材を接合母材ということにする）より低
融点の共晶反応を持った拡散増進材を介在させて液相拡
散接合する。

（作 用） このような構成の導波管にあっては、長辺側部材、短
辺側部材共、高導電率材料と低導電率材料のクラッド材
又は長辺側部材、短辺側部材共低導電率の材料表面に高
導電率材料のメッキを施した材料を使用し、接合部両者
の間に拡散増進材として、チタン等の箔を介して接合す
ることで接合性が高まり、従来の製造方法より優れた導
波管を得る作用があるので、これを以下に示す。

（１） 機械的強度を低導電率の材料で確保し、高導電
率材料で熱的効率を上げる。

（２） 接合面側に高導電率材料を配置し、拡散増進材
の厚さを接合面の各面粗度の凹部を埋める程度のものに
して接合部に配置することで、拡散接合性を良くする。
これは得られた導波管の機械的強度、真空特性を良くす
る。

（３） 拡散増進材として低導電率の材料を使用すれ
ば、元々短辺側部材に低導電率の材料を用いてプラズマ
消滅時に誘起される渦電流を小さくしているが、その作
用を損うことがない。

（４） 拡散増進材を使用することは、通常、液相拡散
接合と称し、拡散増進材を使用しない固相拡散接合と作
用を異にしている。本液相拡散接合の場合、加圧力が数
10g/cm²と非常に小さくて済むので接合設備としても
汎用的である。

（５） 接合時の加圧力が小さくて済む為、形状，寸法
の精度向上が望める。

（６） 液相拡散接合の場合の接合面の面粗度は固相拡
散接合の場合に比較すると、固相拡散接合では非常に凹
凸の小さい超仕上面が必要なのに対し、一般的な加工に
よる面粗度でよい為、部品加工が経済的である。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１ 第１図および第２図は本発明による高周波加熱装置の
導波管の製造方法の第１の実施例の一工程の状態を示す
ものである。尚第１図，第２図のみならず以下の図面に
おいて短辺側部材（12）および薄膜（14）に斜線を施し
たが、これは区別を明確にしたもので、断面表示ではな
い。

第１図，第２図に示すように矩形断面を有する導波管
（６）の長辺側部材（11）としては、内側が銅等のよう
に熱伝導率が高く高導電率の材料（11b）と、外側がス
テンレス鋼等の高強度で低導電率材料（11a）のクラッ
ド材を使用する。また、短辺側部材（12）としてはステ
ンレス鋼等の低導電率材料を使用し、その導電管内面側
および両長辺側部材（11）と接合する面に高導電率材料
の薄膜（14）を配してクラッド材化する。この短辺側部
材（12）を長辺側部材（11）で挟み、短辺側部材（12）
と長辺側部材（11）の接合部（13）に接合母材により低
融点の共晶反応を持った例えばチタン箔のような拡散増
進材（15）を挿入し、部材相互の接合部（13）を液相拡
散接合して導波管（６）を構成するものである。

低導電率材料と高導電率材料のクラッド材は低導電率
材料に高導電率材料のメッキを施して形成してもよい。
また、拡散増進材（15）はチタン箔のほかに、金,,銀，
ニッケル等の箔でもよい。

次に本実施例１の作用を説明する。

本実施例１によれば、矩形断面を有する導波管（６）
は長辺側部材（11）の内面側が熱伝導率が高く、熱通過
量の多い高導電率材であることから冷却効率を高めるこ
とでき、しかも、高周波発生時のジュール熱による損失
を減少することができる。そして、導波管（６）はステ
ンレス鋼のような高強度の材料にてクラッド材にしたの
で、機械的強度を確保できる。

また、上記導波管（６）の短辺側部材（12）が低導電
率材料であり、しかも電磁波通路となる表面層に高導電
率材料からなる薄膜（14）が形成されていることから高
周波電流が流れ易くなる。

更に、長辺側部材（11）と短辺側部材（12）の両者を
液相拡散接合し、接合が十分なされた導波管を構成して
いるので、接合部の真空特性はもとより、液相拡散接合
は接合時の加圧力も小さく、製缶溶接により構成される
導波管によりはるかに形状，寸法精度が良い導波管が得
られる。従って高出力，高効率でプラズマ加熱が可能な
高周波加熱装置の導波管を製造できる。

実施例２ 次に第３図を参照して第２の実施例を説明する。

これは実施例１の導波管（６）を複数個用い、横一列
に配置して、導波管束（７）を形成したものである。隣
接する導波管（６）の長辺側部材（11）はステンレス鋼
（11a）の両面に銅（11）を固相拡散接合したものを用
い、隣接する導波管（６）に共用し、実施例１と同様に
一体に接合することにより、全体として導波管束（７）
を形成する。

このようにすると、隣接する導波管の長辺側部材（1
1）は低導電率材料を高熱伝導率，高導電率材料で両側
から挟んだ三層のクラッド材であり、接合性，電磁波通
過性を良くする構造となる。従って、実施例１と同様
で、かつ束にして大容量の導波管を、より経済的に製造
できる。

実施例３ 第４図に示す第３の実施例は、実施例２として第３図
のように構成された導波管束（７）を上，下２段に重ね
た場合の構成例を示している。更に製造設備の許す限り
多段重ねも可能である。

又、この複数段重ねの際、短辺側部材（12）を上下に
隣り合う導波管に共通にすることが出来ることは勿論で
ある。そして第４図に示すようにプラズマ消滅時に誘起
される渦電流Ｉが小さく、磁場BTによって作用する電磁
力Ｆも小さくなるので、特に支持構造物を採用しなくて
も、十分、電磁力に耐え得る機械的強度を確保できるほ
か、実施例１と同様な作用効果が得られる。

実施例４ 第５図に示す第４の実施例は、第１図および第２図に
示した実施例１の導波管を構成する短辺側部材（12）に
電磁波通路と同じ方向に冷却溝（16）を設け、実施例１
と同様にして長辺側部材（11）と短辺側部材（12）を液
相拡散接合する際に冷却孔（17）として残るようにす
る。

このような構成すれば、冷却媒体をこの冷却孔（17）
に直接流すことにより、冷却効果を高めることができる
ため、高出力用としての導波管となる他実施例１と同様
な作用効果が得られる。

実施例５ 上記実施例４では短辺側部材（12）の電磁波伝送方向
に冷却孔（17）を設けた場合について述べたが、第５の
実施例として、第６図のように短辺側部材（12）、長辺
側部材（11）共に電磁波伝送方向と直交する方向に冷却
孔（17）を設けても良い。

このようにしても実施例４と同様な作用効果が得られ
る。

実施例６ 製造方法に関して、本発明による液相拡散接合法によ
れば、接合に必要な加圧力は数10g/cm²と非常に小さ
なもので済むことからプレス等の設備的な特異性がな
く、被接合体の自重にプラスわずかな荷重を加えること
で十分な成形が行える。これを第６の実施例として第７
図を参照して説明する。

短辺側部材（12）を両側から拡散増進材（15）を介し
て長辺側部材（11）で挟んで、長辺側部材（11）をボル
ト（18）で締め込み組立てた状態でアルゴン雰囲気炉の
ような非活性雰囲気炉、又は真空炉に入れて所定の温
度，時間を掛けることで良い。ボルト（18）の本数は接
合面積に対応させた数量を用いる。又、ボルト（18）で
固定して組立てる為に短辺側部材（12），長辺側部材
（11）の各々の配置関係が精度良く保たれ、加えて大き
な加圧力を必要としない為に、組立てた状態の寸法精度
を液相拡散接合を行った後でも維持することができる。

実施例７ 第８図に示す第７の実施例は、実施例６のようにボル
ト（18）等で各部材の位置決め固定を行ったものを上板
（19），下板（20）で挟み、スタッドボルト（21）で締
め込み、所定の荷重を与えて非活性雰囲気炉又は真空炉
に入れて液相拡散接合を行い導波管束（７）を形成す
る。

このようにしても実施例６と同様な作用効果が得られ
る。

尚、本発明で冷却溝（16），冷却孔（17）というよう
に冷却と表現しているところは、加熱する場合もあるの
で加熱と置き変えて表現することができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、製造性が経済的で、真
空リークのない高真空特性を有し、それに伴い、効率良
い冷却ができ、高周波損失が少なく、又、十分な接合性
から電磁力に耐え得る機械的強度を確保し、高出力，高
効率でプラズマ加熱が可能な高周波加熱装置の導波管の
製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の第１の実施例によって製造途中
における導波管の要部を示す斜視図、第２図は第１図の
Ａ部を拡大して示す立面図、第３図は第２の実施例とし
て第１図の導波管を横並びに束ねた導波管束の要部を示
す斜視図、第４図は第３の実施例として第１図の導波管
を縦横共に並べて束ねた導波管束の要部を示す斜視図、
第５図および第６図は第４および第５の実施例の導波管
束を示す斜視図、第７図は第６の実施例として導波管を
束ねる状態を示す要部斜視図、第８図は第７の実施例と
して導波管を束ねて加圧する状態を示す立面図、第９図
は従来および本発明の方法で製造した導波管を用いる高
周波加熱装置の構成の一例を示す系統図、第10図は第９
図における高周波結合系の要部を示す断面図、第11図は
従来の導波管の構成を示す要部斜視図、第12図は第11図
の導波管を横並びに束ねた導波管束を示す斜視図であ
る。 ６……導波管、11a……ステンレス鋼、 11b……銅、11……長辺側部材、 12……短辺側部材、13……接合部、 15……拡散増進材。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】矩形断面の導波管の製造方法において、短
   辺側部材と長辺側部材として例えばステンレス鋼のよう
   な低導電率の高強度材料に例えば銅のような高熱伝導率
   で高導電率の低強度材料を圧着させるか又はメッキして
   なるクラッド材を用い、高導電率の材料を内側にして長
   辺側部材で短辺側部材を挟み、接合部に接合母材より低
   融点の共晶反応を持った拡散増進材を介在させて液相拡
   散接合することを特徴とした導波管の製造方法。