JP4249396B2 - 複合材料製の熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の技術分野
本発明は、循環している流体をベースとする熱交換組立体を用い、厳しい温度環境下で用いられるように設計された熱交換器に関するものである。
とくに、しかしながら限定するわけではないが、本発明の応用分野は、材料を変換するためのシステム、例えば核融合反応器と、推進システム、とくにジェットエンジン、とくにラムジェットの燃焼室用の壁要素とである。
【０００２】
本発明の背景技術
このように応用される熱交換器は、一般に、少なくとも部分的に金属でつくられている。
残念なことに、金属及び金属合金の熱的及び機械的特性は、その使用分野、さらにはその性能及び安全性をを制約する。さらに、金属の熱交換器は、重くかつかさばり、少なくともある応用分野ではその使用は不利である。
【０００３】
厳しい温度環境下で用いられるように設計された熱交換器、とくに核融合反応器の壁部を製作するために、耐火性複合材料を単独で、又は金属と組み合わせて用いるといったことが目論まれてきた。かくして、国際特許出願ＷＯ９８／０３２９７号には、流体の循環によって冷却される金属（銅）基板の上に、炭素−炭素（Ｃ／Ｃ）複合材料からなる部品をろうづけすることによって、このような熱交換器を製作するといったことが開示されている。それは、金属の使用を含んでいる。また、米国特許第５５８３８９５号には、流体循環通路が内部に形成されたＣ／Ｃ複合材料ブロックの形態の、同様に応用することができる熱交換器構造が開示されている。Ｃ／Ｃ複合材料にろうづけされた通路の壁部は、例えば銅製の金属ライニングによって耐漏えい化されている。
【０００４】
発明の目的及び概要
本発明の１つの目的は、厳しい温度環境下で用いられることができる熱交換器を提供することである。
本発明のもう１つの目的は、種々の熱的及び構造的機能が最適化されることができ、重量、容量及びコストが可能な限り低減された熱交換器を提供することである。
【０００５】
本発明のもう１つの目的は、容易に製作されることができる熱交換器を提供することである。
本発明のもう１つの目的は、このような熱交換器の製造方法を提供することである。
【０００６】
本発明にかかる熱交換器は、流体循環通路が形成された、耐火性複合材料からなる中間部材を含み、上記中間部材が、耐火性複合材料からなり断熱部を形成する部材と、耐熱性複合材料からなり該熱交換器の支持構造を形成する部材との間に介設され、上記部材がともにろうづけにより組みつけられて該熱交換器を構成していることを特徴とするものである。
【０００７】
耐熱性複合材料は、これが構造要素を構成するのに適するような機械的特性を有するとともに、これらの特性を高温に至るまで保存することができる複合材料である。このような耐熱性複合材料は、典型的には、炭素基材又はセラミック基材などの耐火性基材によって強化された、炭素繊維又はセラミック繊維などの耐火性繊維強化体を有する複合材料である。耐熱性複合材料の具体例は、強化繊維及び炭素製基材を伴った炭素／炭素（Ｃ／Ｃ）複合材料と、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）の基材を有するセラミック基材の複合材料（ＣＭＣ）とである。
【０００８】
熱交換器の支持構造部を形成している耐熱性複合材料は、好ましくは、Ｃ／Ｃ複合材料である。それは、ハニカム形態又は複合材料形態であることができ、ここでは、繊維強化体は、繊維によってともに結合された重畳繊維層によって形成され、該繊維は該層を横切るように伸長している。繊維強化体は、例えば米国特許４７９００５２号に開示されているように、縫い合わせることにより得ることができる。
【０００９】
また、中間部材の材料も、好ましくは、その構造上の性質ではなく耐火上の性質のため、より多く用いられるＣ／Ｃ複合材料である。
【００１０】
支持構造部を形成する部材と中間部材とを、断熱部を形成している部材がろうづけされるＣ／Ｃ複合材料の単一ブロックとして製作することを目論むことが可能である。
【００１１】
また、断熱部を形成している部材の材料は、好ましくは、ＣＭＣタイプの材料、例えばＣ／ＳｉＣ又はＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料（すなわち、炭素又は炭化珪素の強化繊維を有し、炭化珪素基材により強化されている材料）である。この材料は、強い熱流速への曝露、とくに酸化雰囲気での曝露に対して、Ｃ／Ｃ複合材料よりも適している。本発明にかかる熱交換器の利点は、該熱交換器の機械的機能を発揮させ、かつ熱的機能を発揮させるのに最も適している材料を選択することができるといったことであり、これにより性能及び大きさにおいて該熱交換器の製造を最適化することを可能にする。
【００１２】
本発明にかかる熱交換器のさらにもう１つの特徴によれば、流体循環通路は、例えば機械加工により中間部材の１つの面に形成され、そしてそれらは、その他の２つの部材の一方の隣接壁によって部分的に画成される。このため、流体循環通路は、とくに簡素につくられる。
【００１３】
もし必要であれば、通路は、それらの壁部の上に被覆部、例えば薄層の金属被覆物を形成することにより、耐漏えい化されることができる。このような被覆物は、ろうづけを促進するように、ともに組みつけられることになっている部材のすべての対向面に形成されることができ、これによりろうづけ用の接着層をも構成することができる。
【００１４】
好ましい実施の形態の詳細な説明
以下、添付の図面が参照される。
図１は、熱交換器要素を構成する単一のブロック１０の断面図である。ブロック１０は、厳しい温度条件が存在する囲い込み部の壁要素、例えば核融合反応器のプラズマ閉じ込め室の壁要素を構成することができる。
【００１５】
熱交換器のブロック１０は、その外面１２ａが熱流束に曝露されることになっている断熱部１２と、流体循環通路１６を有している中間部材１４と、支持構造部１８とを含んでいる。中間部材は、断熱部１２と支持構造部１８との間に介設され、これらにろうづけにより結合されている。流体循環通路１６は、断熱部１２に隣接して配置された中間部材の面に機械加工で形成され、断熱部の内面１２ｂによって覆われている。かくして、内面１２ｂは通路１６を部分的に画成する。通路１６は、冷却流体を循環させるための回路に接続される。
【００１６】
最も厳しい温度条件にさらされる断熱部１２は、耐火性複合材料、好ましくはセラミック基材の複合材料（ＣＭＣ）、例えばＣ／ＳｉＣタイプのすなわち炭化珪素の基材で強化された炭素繊維強化物を有する複合材料でつくられている。
【００１７】
中間部材もまた、耐火性複合材料、例えば炭素基材により強化された炭素繊維強化物を有するＣ／Ｃ複合材料でつくられている。
【００１８】
支持構造部は、耐熱性複合材料でつくられ、ブロック１０が構造体として機能するように設計されている。例えば、支持構造部は、ハニカム構造のＣ／Ｃ複合材料の形態とされることができる。このような構造部を製造する方法は、米国特許第５４１５７１５号に記載されている。また、繊維強化物が繊維によってともに結合された平板状の繊維織物層でつくられ、該繊維が該層を横切るように伸長している、Ｃ／Ｃ複合材料の形態の支持構造部を用いることも可能である。具体例としては、該層は、織布の層、異なる方向に重畳された単一方向シート、フェルトの層……であってもよく、それらは好ましく縫い合わせによってともに結合されている。このようなＣ／Ｃ複合材料を製造する方法は、米国特許第４７９００５２号に記載されている。
【００１９】
図２は、熱交換器のブロック１０を製造する方法の工程を示している。
例えばＣ／ＳｉＣ複合材料でつくられたＣＭＣ材料の断熱部と、Ｃ／Ｃ複合材料からなる中間部材と、Ｃ／Ｃ複合材料からなる支持構造部とは、すべて個別につくられる（ステップ２０、２２、２４）。繊維強化物又はプリフォーム（preform）を調製することによりＣ／Ｃタイプ又はＣ／ＳｉＣタイプの複合材料から部品を製造する方法と、この後基材で繊維強化物を強化する方法とは、よく知られている。強化は、化学的蒸気浸潤により、又は基材のプリカーサを用いて液体に含浸させ、熱処理によりプリカーサを変質させることにより、実行されることができる。
【００２０】
通路１６は、中間部材１４の１つの面に機械加工を施すことにより形成される（ステップ２６）。
この後、金属の被覆物が、中間部材の対向面と、断熱部の対向面と、支持構造部の対向面とにまたがって全面的に形成されることができる（ステップ２８）。金属被覆物は、この後種々の部材をともに組みつけるのに用いられるろうづけ合金の濡れ性を改善できるように、そしてろうづけ合金の接着を改善できるように選択される。金属被覆物はまた、流体循環通路の壁部を耐漏えい化するのにも役立つ。上記のようにして得られるＣ／Ｃ複合材料又はＣＭＣ材料は、必然的に残留細孔を生じさせ、それは通路が耐漏えい化されるのを確実化するために、その表面が閉止される必要がある。
【００２１】
金属被覆物、例えばチタン、クロム、ジルコニウム、ハフニウム又はベリリウムは、化学蒸着又は真空スパッタにより堆積されることができる。
【００２２】
ろうづけ合金を付着させるための金属被覆物を設けることが不要な場合でも、１６の壁部を耐漏えい化することはなお必要である。このような耐漏えい化は、この後、少なくとも、中間部材の機械加工が施された部分の上、及び断熱部の隣接面の対向部の上に、シール層を堆積させることにより実施される。シール層は、化学蒸着により堆積されることができる。それは、金属又は非金属、例えば炭素又はセラミックであってもよい。
【００２３】
ろうづけ（ステップ２９）は、、ろうづけ合金の層を、中間部材と、断熱部と、支持構造部とからなる組立体の表面に堆積させることにより実施されるが、これは該組立体をともに装置内に保持して、用いられるろうづけ合金に適したろうづけ温度まで昇温させることにより実施される。用いられる合金は、セラミックもしくは耐火性混成物を互いにろうづけし、又は金属にろうづけするための既知のもの、例えば米国のウェスゴ社（Wesgo）によって「TiCuSil」又は「Cu-ABA」という名で販売されている合金から選択される。参照文献としては、上記の国際特許出願ＷＯ９８／０３２９７号と、１９９４年２月にフランスで発行されたＧＥＣアルサム・テクニカル・リビュー誌（Alsthom Technical Review）第１３号の第４９〜６４頁に記載された、Ａ．Ｇ．フォリー及びＤ．Ｊ．アンドリュースによる記事「セラミックを金属に結合させるための活性的な金属ろうづけ」とをあげることができる。
【００２４】
図３は、ジェットエンジンの燃焼室の要素３０（element）を構成している、本発明のもう１つの実施の形態にかかる熱交換器の分解図である。断熱部３２は、円錐台状部材によって後方に向かって広がった円柱状前側部材を有する軸対称形の環状部材である。断熱部３２は、ＣＭＣ複合材料、例えばＣ／ＳｉＣ複合材料からなる単一の部品としてつくられている。複合材料の繊維強化物は、繊維織物を適当な形状の心軸に巻きつけることによってつくられ、その結果として得られるプリフォームは、複合材料の基材によって強化される。
【００２５】
流体循環通路３６は、断熱部３２と対抗して配置された中間部材３４の面に機械加工を施すことにより軸方向に形成されている。中間部材３４は、Ｃ／Ｃ複合材料でつくられている。冷却流体は、燃焼室に噴射される前に熱交換器を通過することにより加熱される燃料である。流体入口側及び出口側のオリフィス３３ａ及び３３ｂは、その軸端近傍において断熱部３２を貫通するように形成されている。そして、これらは、中間部材の前部及び後部に円周方向に機械加工されてなる溝部３７につながるようなレベル（level）で形成され、一端で通路３６に流体を分配し、かつ他端で通路からそれを集める多岐管を構成している。
【００２６】
中間部材３４は、Ｃ／Ｃ複合材料からなる環状構造の形態の支持構造部３８に取りつけられている。それは、繊維織物重畳層を心軸に巻きつけるとともに、例えば縫い合わせにより該層を横切る方向に伸長する繊維によって該層を結合することにより形成される。結果として得られる環状のプリフォームは、炭素基材で強化されている。Ｃ／Ｃ複合材料でつくられた構造部内に強化物を構成するための、縫い合わされた環状のプリフォームを製作する方法は、上記の米国特許第４７９００５２号に記載されている。
【００２７】
支持構造部３８及び中間部材は、ろうづけによってともに組みつけられた２つの部材としてつくられることができ、あるいは、図示された具体例のように単一の部材としてつくられることができる。
断熱部３２は、通路３６及び溝部３７を形成する中間部材の面にろうづけされている。
【００２８】
ろうづけは、可能な限りろうづけ合金が付着する金属の被覆物を形成した後に、そして少なくとも通路３６及び溝部３７の壁部の上にシール性被覆物を形成した後に、図１及び図２を参照しつつ説明したような手法で実施される。
【００２９】
図４は、大幅に略図化されたものであるが、本発明にかかる熱交換器を構成する壁部４０を有するラムジェットの構造を示している。
壁部４０は、図１にかかるブロック１０に構造的に類似しており、同様の手法で製造される。壁部の内側に配置された断熱部４２は、ＣＭＣ材料、例えばＣ／ＳｉＣでつくられている。それは、機械加工によりそこに形成された通路４６を有する面を介して中間部材４４にろうづけされている。中間部材４４の面は、断熱部４２によって被覆された通路を有している。通路４６は、壁部４０を通り抜けて加熱された後で燃焼室に噴射される燃料からなる流体を保持している。
【００３０】
中間部材４４は、Ｃ／Ｃ複合材料でつくられ、それは同様にＣ／Ｃ複合材料でつくられた支持構造部４８にろうづけされている。支持構造部は、組立体を可能な限り軽量化できるように、好ましく、ハニカム形状とされている。
【００３１】
ろうづけと、ろうづけされることになっている面に付着させるための金属被覆物のオプション的な形成と、流体循環通路の壁部上のシール性の被覆物の形成とは、すべて、図１及び図２を参照しつつ説明した場合と同様に実施される。
【００３２】
以上では、流体循環通路は、断熱部と隣合って配置された中間部材の面に形成されたものとされている。それは、１つの好ましい配置である。しかしながら、通路は、支持構造部と隣合って配置された中間部材の面に形成されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態にかかる熱交換器要素の断面図である。
【図２】 図１に示す熱交換器要素を製造する方法の工程を示す図である。
【図３】 本発明の第２の実施の形態にかかる熱交換器を形成しているジェットエンジンの燃焼室要素の分解図である。
【図４】 ラムジェット室を大幅に図解的に示した図であり、本発明の第３の実施の形態にかかる熱交換器を形成している燃焼室の壁要素を詳細に示している。

Claims (21)

1. 複合材料製の熱交換器であって、
   耐熱性複合材料からなり、該熱交換器の支持構造部を形成している部材（１８、３８、４８）と、
   耐火性複合材料からなり、該熱交換器の断熱部を形成している部材（１２、３２、４２）と、
   耐火性複合材料からなり、内部に流体循環通路（１６、３６、４６）が形成されている中間部材（１４、３４、４４）とを備えていて、
   上記中間部材は、上記支持構造部を形成している部材と上記断熱部を形成している部材との間に介設されるとともに、上記支持構造部を形成している部材と上記断熱部を形成している部材とにろうづけにより組みつけられていることを特徴とする熱交換器。
2. 上記中間部材（１４、３４、４４）がＣ／Ｃ複合材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 上記断熱部を形成している部材（１２、３２、４２）が、セラミック基材の複合材料からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 上記断熱部を形成している部材（１２、３２、４２）が、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなることを特徴とする、請求項３に記載の熱交換器。
5. 上記支持構造部を形成している部材（１８、３８、４８）が、Ｃ／Ｃ複合材料からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の熱交換器。
6. 上記流体循環通路（１６、３６、４６）が、上記中間部材（１４、３４、４４）の１つの面に形成されるとともに、他の２つの上記部材の一方の隣接壁部によって部分的に画成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 上記流体循環通路（１６、３６、４６）に耐漏えい性被覆物が設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の熱交換器。
8. 上記支持構造部を形成している部材（１８、３８、４８）が、ハニカム構造のものであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の熱交換器。
9. 上記支持構造部を形成している部材（１８、３８、４８）が、繊維によってともに結合された複数の重畳繊維層を有する繊維強化体を含んでいる複合材料製のものであって、該繊維が上記層を横切る方向に伸長していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の熱交換器。
10. 請求項１〜８のいずれか１つにかかる熱交換器を組み入れていることを特徴とする、ラムジェット用の燃焼室の壁要素（３０、４０）。
11. 複合材料製の熱交換器の製造方法であって、
    流体循環通路が設けられた耐火性複合材料からなる中間部材を製作し、
    耐火性複合材料からなる断熱部材を製作し、
    耐熱性複合材料からなる構造部材を製作し、
    そして、上記種々の部材をともに、上記断熱部材と上記構造部材との間に介設されている上記中間部材にろうづけすることにより組みつけることを特徴とする方法。
12. 上記流体循環通路が、上記中間部材の面に機械加工を施すことにより形成されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 上記中間部材が、Ｃ／Ｃ複合材料でつくられていることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 耐漏えい性被覆物が、上記流体循環通路の壁部に形成されていることを特徴とする、請求項１１又は１３に記載の方法。
15. 上記耐漏えい性被覆物が、金属層を堆積させることにより形成されていることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 上記断熱部材が、セラミック基材の複合材料でつくられていることを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか１つに記載の方法。
17. 上記構造部材がＣ／Ｃ複合材料でつくられていることを特徴とする、請求項１１〜１６のいずれか１つに記載の方法。
18. ハニカム構造部が設けられることを特徴とする、請求項１１〜１７のいずれか１つに記載の方法。
19. 上記構造部材が基材によって強化された繊維強化体を有する複合材料でつくられ、該繊維強化体が、複数の繊維層を重畳してそれらをともに縫い合わせることによりつくられていることを特徴とする、請求項１１〜１７のいずれか１つに記載の方法。
20. 金属からなるろうづけ合金接着層が、ろうづけによってともに組みつけられることになっている部材の対向面上に形成されていることを特徴とする、請求項１１〜１９のいずれか１つに記載の方法。
21. 上記流体循環通路が、もう１つの部材の隣接面によって被覆されている上記中間部材の１つの面に機械加工を施すことにより形成され、
    上記金属層が、機械加工により通路が形成された後で上記中間部材の面上に形成され、かつ該金属層が隣接面上にも上記流体循環通路の壁部を耐漏えい化するための被覆物を構成するような仕様でもって形成されていることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。

Images