JP3573815B2 - 冷却装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、１６００℃以上の融点を持つグラファイト、セラミックス、金属材料或いはこれらの物質の複合材料からなる１個又は複数個の耐熱性の部分と、これらの部分に結合される金属性の少なくとも１つの冷却媒体配管とからなる冷却装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような冷却装置の代表的な例は、例えばドイツ連邦共和国特許明細書第３４１６８４３号に記載されているような核融合炉用のダイバータ及びリミッタである。熱シールドのこの構成に応じて耐熱性材料からなる部分には特にグラファイトが使用され、この耐熱性材料からなる部分は特にモリブデンから作られる冷却媒体配管とろう結合によって結合されている。このためのろう材としてはろう結合部に加わる高い温度負荷に対して充分に満足する銀銅ベースのろうが使用される。
【０００３】
この場合、冷却媒体配管は熱伝達を良好にするためにできるだけ薄壁に構成されなければならないが、これには実際上モリブデンやモリブデン合金のような比較的高価な材料しか適用できないという欠点がある。熱伝導率が良好でコスト的にも好ましい材料の使用はそれ自体かなりの不具合を伴う。例えば銅或いは銅合金の場合ろう付けに使用される銀銅ベースのろうは銅もしくは銅合金とで低溶融共融混合物を形成し、ろう付け工程中に冷却媒体配管の融着もしくは時には部分的な溶解に至ることさえある。これに対してニッケル鉄或いはニッケル鉄コバルト合金の場合には特に著しい熱交番負荷を受けた場合に材料の亀裂を生じ、冷却媒体配管の寿命を減少させることがある。
【０００４】
ヨーロッパ特許出願公開第５９９６０号は、鋳鋼からなる冷却要素とスチールからなる冷却媒体配管とを、仕上り状態に成形された冷却媒体配管を冷却要素用の流動状のスチールとともに適当な型で注形することによって結合する高炉用冷却装置に関する。この場合、冷却媒体配管の溶融を回避するために、冷却媒体配管の表面にセラミックス或いはジルコンからなる被膜を備えている。
【０００５】
アメリカ合衆国特許明細書第４５３２１０１号には核融合炉用の３つの部分を持つリミッタ要素が記載されている。個々の部分は固定の支持部材からなり、これにチタンカーバイドを被膜した複数個のグラファイト板が機械的に固定されている。支持部材はステンレススチールからなり、同様にスチール合金からなる冷却媒体配管にろう付けされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、冷却媒体配管及びこの冷却媒体配管と耐熱性材料からなる部分との間の結合を、使用中に発生する高い温度負荷に、特に交番負荷の場合にも殆んど有害な材料亀裂を生ずることなく耐えうるように形成することのできる冷却装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するため、この発明によれば、１６００℃以上の融点を持つグラファイト、セラミックス、金属材料或いはこれらの材料の複合材料からなる１個又は複数個の耐熱性の部分と、これらの耐熱性の部分に結合された金属性の少なくとも１つの冷却媒体配管とからなる冷却装置の製造方法において、冷却媒体配管の金属が溶融流動状態において耐熱性の部分と接触させられ、この耐熱性の部分と冷却媒体配管との結合工程の間、接触範囲に元素周期表のＩＶａ、Ｖａ族の１つ或いは複数個の金属の成分が供給され、しかる後冷却媒体配管の金属が冷却によって所望の形状に固められる。
【０００８】
このような方法によって耐熱性材料からなる部分と金属性冷却媒体配管との間の良好な結合が得られる。ＩＶａ族のチタン、ジルコン、ハフニウムのうち少なくとも１つの金属及び／又はＶａ族のバナジウム、ニオブ、タンタルのうち少なくとも１つの金属の成分が接触もしくは結合範囲に存在することは耐熱性材料からなる部分と冷却媒体配管の金属の溶融体との良好な濡れを保証する。冷却媒体配管はこの発明によれば溶融体を最終的な所望の形状に固めることにより形成されるので、冷却媒体配管を耐熱性材料からなる部分にろう付けする際に生ずるようなろう材による冷却媒体配管の合金化は完全に回避される。耐熱性部分の材料としては例えばグラファイト、ベリリウム、またはＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴｉＢ_２ 及びＢ_４ Ｃ等のセラミック材が適している。冷却媒体配管に対しては銅及び銅合金、或いはまた鉄、鋳造ニッケルやスチール合金等の材料が適している。ＩＶａ及び／又はＶａ族の１つ或いは複数個の金属は例えば高融点金属からなる部分と金属性冷却媒体配管との接触面の間に中間層として取り入れることができる。中間層は結合されるべき材料の片方或いは両方を被膜することによって、また箔の形で配置することによって作られる。被膜方法としては例えばメッキ或いはまたＣＶＤ及びＰＶＤ法が適当である。中間層の厚さとしては１０乃至５０μｍの間の厚さが適切であることが実証されている。同様にＩＶａ及び／又はＶａ族の１つ或いは複数個の金属を既に合金成分として冷却媒体配管の金属中に含ませることも考えられる。これは特に金属性冷却媒体配管が適当な鋳造装置で耐熱性材料からなる部分の裏打ちにより作られるときに利点がある。ＩＶａ族の金属としてチタンを使用すると特に利点があることが実証されている。チタンは冷却媒体配管の溶融流動性金属により高融点部分の良好な濡れを保証するからである。
【０００９】
さらに、ＩＶａ及び／又はＶａ族の金属は、例えば耐熱性材料からなる部分と予め固形の金属性冷却媒体配管との間に箔として配置し、しかる後全体の複合体を冷却媒体配管が流動化するまで加熱することもできる。この場合、箔の厚さは１０〜５０μｍの間の厚さがよい。薄い金属箔は短時間に冷却媒体配管の金属の溶融体によって溶解され、そのようにして生じた合金は耐熱性の部分の接触面を濡らして浸透する。冷却媒体配管の合金が所望の最終の形に固化した後、冷却媒体配管と高融点材料からなる部分との間には、固い安定した且つ材質間の結合が得られる。
【００１０】
この発明による方法は耐高温性部分の材料としてＣＦＣグラファイトを使用し、冷却媒体配管として銅もしくは銅合金を使用した場合に特に良好であることが実証されている。
【００１１】
耐熱性材料からなる部分と金属性冷却媒体配管との間の特に良好な結合は、耐熱性材料からなる部分が金属性冷却媒体配管との接触面にレーザーによって孔を設けることによって得られる。
【００１２】
【実施例】
以下にこの発明を一つの実施例で詳細に説明する。
【００１３】
核融合炉用の「シングルチューブ」ダイバータは次のように製造された。１７５×４０×３６ｍｍの寸法を持つ繊維強化グラファイトからなるプリズム状部分に長さ方向に延びる１６ｍｍ直径の孔を設ける。その後孔の表面にこの表面に対して垂直に延びる約１００μｍ直径の孔をレーザーによって設けた。グラファイト部分を清浄化した後これを真空中で１２００℃の温度で６０分間焼きなました。孔の表面は全面にわたって２０μｍの厚さのチタンの箔で被膜された。続いて超音波で清浄化され、チタン箔に嵌まり合う壁厚１ｍｍの銅管が前記の孔の中に挿入された。銅管の内部にはこの形状に嵌まり合うグラファイトの芯が嵌め込まれた。この構成は基板上の中心に置かれ、固定され、真空下で誘導加熱炉内で１１５０℃に等温に加熱された。約２０分間の保持時間の後誘導コイルは、制御された硬化を可能とするために加熱地域から電動機により動かされた。冷却し誘導炉から取り出した後中のグラファイトの芯がくり抜かれた。このようにして形成されたダイバータは非破壊検査（超音波検査、レントゲン透過検査、漏れテスト、圧力テスト）で検査したところ、何らの欠陥もないことが確かめられた。グラファイトに接した銅管縁部にはチタンカーバイトの膜が形成されていた。このように作られたダイバータに熱機械的、サイクル負荷試験が施された。１分間の加熱時間の間でダイバータは高真空で６００℃に加熱され、その後１５分間室温で冷却された。このような熱サイクルの１００回後ダイバータを非破壊検査したところ耐熱グラファイト部分と銅管との結合に何らの障害もないことを示した。
【００１４】
この発明は核融合炉の熱シールドの例で詳細に説明した。しかしながらこの発明はこのような適用に制限されるものではない。この発明は同様に他の冷却装置、例えば型鋼を製造するための引き抜き型や溶融電解用の電極等々の冷却装置にも適用できる。さらにまたこの発明の適用は特定の幾何的形状に限られるものではない。特に冷却媒体配管の構成は円筒管に限定されるものではない。また耐熱性材料からなる１個或いは複数個の部分が１個或いは複数個の金属性冷却媒体配管に全体的に或いはまた部分的にも結合される。

Claims (5)

1. １６００℃以上の融点を持つグラファイト、セラミックス、金属材料或いはこれらの材料の複合材料からなる１個又は複数個の耐熱性の部分と、これらの耐熱性の部分に結合された金属性の少なくとも１つの冷却媒体配管とからなる冷却装置の製造方法において、冷却媒体配管の金属が溶融流動状態において耐熱性の部分と接触させられ、この耐熱性の部分と冷却媒体配管との結合工程の間、接触範囲に元素周期表のＩＶａ、Ｖａ族の１つ或いは複数個の金属の成分が供給され、しかる後冷却媒体配管の金属が冷却によって所望の形状に固められることを特徴とする冷却装置の製造方法。
2. ＩＶａ族の金属がチタンであることを特徴とする請求項１記載の冷却装置の製造方法。
3. ＩＶａ、Ｖａ族の金属が耐熱性の部分と予め固形の金属性の冷却媒体配管との間に箔として取り入れられ、しかる後全体の複合体が冷却媒体配管及び箔が流動化されるまで加熱されることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置の製造方法。
4. 耐熱性の部分の材料がＣＦＣグラファイトであり、冷却媒体配管の材料が銅もしくは銅合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の冷却装置の製造方法。
5. 耐熱性の部分の金属性冷却媒体配管との接触面にレーザーによって孔が形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の冷却装置の製造方法。