JP5717779B2 - モノブロック冷却装置構成要素 - Google Patents
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Description
タングステン、タングステン合金、グラファイト材料又はカーバイド材料からなり、その中を貫通する貫通孔(5)を備えた少なくとも1つの熱遮蔽(2)と、
室温において300MPa超の引張り強さと0.04Ωmm2m-1超の電気抵抗率とを有する材料からなる、前記熱遮蔽を支持素子に連結し又は結合するための少なくとも1つの構造部品(3)と、
冷却材を送るための、前記貫通孔(5)内に設置された少なくとも1つの冷却パイプ(4)とを備え、
前記熱遮蔽(2)と構造部品(3)とが、熱遮蔽の外面において、互いにはんだ付け又は溶接されており、且つ、前記構造部品(3)が、1つ以上のフィンを用いたボルト連結によって又は構造部品(3)と支持素子(11)との間における相対運動を可能にするスライド式の機械的連結によって、支持素子(11)に接続されたことを特徴とする冷却装置構成要素、により達成される。
選択した延性材料に応じ、この作業は、1つの工程又は2つの独立した工程で行うことができる。これに続いて、上述の構成要素に対するパイプの接合を実施する。延性材料を設けた熱遮蔽の側面を、例えばハンダ付け、EB溶接又はHIP(熱間等静圧圧縮成形)にて、構造部品に接合する。
選択した延性材料に応じ、これは、1つのプロセス工程又は2つの独立したプロセス工程で行える。これに続き、こうして生産した構成要素を、延性層を介して構造部品に例えばハンダ付け、EB溶接又はHIPで接合する。工程1と工程2を1つのプロセス工程に組み合わせてもよい。この場合、構造部品は、延性材料より高融点でなければならない。その後、冷却パイプを、上述の構成要素に接合する。
図1の冷却装置構成要素1は、延性中間層7を介して冷却パイプ4に接合した熱遮蔽2を含む。長さが1で幅がbの熱遮蔽の接合部分6を、構造部品3に接合する。その投影接合面積は、1×bになる。図2は、延性中間層13を用いて熱遮蔽2を構造部品3に接合した冷却装置構成要素1を示す。図3の場合、中間層13は応力除去切欠き8を備えている。図4は、構造部品3の断面が狭い冷却装置構成要素1を示す。接合部6のエッジ領域に、図5の場合は円弧部分9を、図6の場合は面取り部分を設けている。円弧及び面取り部分は、上向き又は下向きになし得る。図7は、支持素子11を接合した冷却装置構成要素1を示す。図8の場合、支持素子11を、ボルト連結部12で構造部品3に機械的に連結している。
炭素繊維強化グラファイト(CFG)で作った熱遮蔽を備えるモノブロック設計の冷却装置構成要素を、次のようにして生産した。
28mm(ピッチ方向)、25mm(PAN方向)及び20mm(繊維方向)の寸法を持つ3つのCFGブロックに、直径14mmの貫通孔を設けた。次に、孔の内部と寸法が25×20mm2の1つのブロック側面を、レーザ手段により構造化した。後続工程で、OFHC銅を、鋳造プロセスにより構造化した孔内及び/又は構造化ブロック表面上に取り付け、濡れを確保すべく連結部にチタンを用いた。その後、ブロック表面上と内のOFHC銅を、0.5〜1mmの厚さ迄切削した。その後、何れの場合にも、直径約12mmの銅−クロム−ジルコニウム合金製のパイプを孔に挿入した。何れの場合にも、全側面に厚さ5μmのニッケルメッキを施した、寸法が25×20×30mm3の鋼の立方体を、OFHC銅層を設けたブロック側面に配置した。こうして得た組立体を、次に鋼缶内に入れた。鋼缶を、溶接し、真空排気し、550℃及び1000×105PaでHIPプロセスを施した。缶の除去後、冷却装置構成要素を超音波で検査した。連結部に欠陥はなかった。その後、こうして生産した冷却装置構成要素を機械加工し、ボルト連結によって鋼構造にスライド装着した。
タングステン製の熱遮蔽を備えたモノブロック構成の冷却装置構成要素を、次のように製造した。
何れの場合にも、寸法が28×25×20mm3のタングステンブロックに、直径14mmの孔の形態をとる貫通孔を設けた。タングステンブロックの孔及び25×20mm2の側面を、OFHC銅で裏当て鋳造した。鋳造プロセス後、孔内とブロック表面上の両方のOFHC銅を、0.1〜5mmの厚さになる迄切削した。こうして得たタングステンブロックに、次に、銅−クロム−ジルコニウム合金製のパイプを通した。何れの場合も、全ての側面に厚さ5μmのニッケルメッキを施した、寸法が25×20×30mm3の鋼の立方体を、OFHC銅層を設けたブロックの側面に配置した。その後、この組立体を、鋼缶内に入れた。鋼缶を溶接し、真空排気し、550℃及び1000×105PaでHIPプロセスを施した。缶の除去後、超音波検査を実施したが、欠陥は認められなかった。その後、こうして製造した冷却装置構成要素を機械加工し、電子ビーム溶接によって鋼構造に固定した。
2 熱遮蔽、
3 構造部品、
4 冷却パイプ、
5 貫通孔、
6 接合部、
7、13 中間層、
8 応力除去切欠き、
9 円弧部分、
10 面取り部分、
11 支持素子、
12 ボルト連結部
Claims (21)
- 核融合炉の冷却装置構成要素であって、該構成要素が、
タングステン、タングステン合金、グラファイト材料又はカーバイド材料からなり、その中を貫通する貫通孔(5)を備えた少なくとも1つの熱遮蔽(2)と、
室温において300MPa超の引張り強さと0.04Ωmm2m-1超の電気抵抗率とを有する材料からなる、前記熱遮蔽を支持素子に連結し又は結合するための少なくとも1つの構造部品(3)と、
冷却材を送るための、前記貫通孔(5)内に設置された少なくとも1つの冷却パイプ(4)とを備え、
前記熱遮蔽(2)と構造部品(3)とが、熱遮蔽の外面において、互いにはんだ付け又は溶接されており、且つ、前記構造部品(3)が、1つ以上のフィンを用いたボルト連結によって又は構造部品(3)と支持素子(11)との間における相対運動を可能にするスライド式の機械的連結によって、支持素子(11)に接続されたことを特徴とする冷却装置構成要素。 - 熱遮蔽(2)と冷却パイプ(4)とが互いに接合されたことを特徴とする請求項1に記載の冷却装置構成要素。
- 前記熱遮蔽(2)が、投影長さ1、投影幅b及び構造部分に関する接合面積(6)を有し、該投影接合面積(6)が0.3×(l×b)以上であることを特徴とする請求項1に記載の冷却装置構成要素。
- 前記投影接合面積(6)が0.8×(l×b)以上であることを特徴とする請求項3に記載の冷却装置構成要素。
- 前記接合部(6)が平面形状をなすことを特徴とする請求項3又は4に記載の冷却装置構成要素。
- 前記接合部(6)が一定の形状を付与されていることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- 硬さが300HV未満の延性材料の中間層(13)が、熱遮蔽(2)と構造部品(3)の間に導入されたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記中間層(13)が銅基の材料から構成されたことを特徴とする請求項7に記載の冷却装置構成要素。
- 前記中間層(13)に、応力除去切欠き(8)が設けられたことを特徴とする請求項7又は8に記載の冷却装置構成要素。
- 前記中間層(13)の厚さが0.01〜5mmであることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- 硬さが300HV未満の延性材料の中間層(7)が、熱遮蔽(2)と冷却パイプ(4)との間に導入されたことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記構造部品(3)が、前記接合部(6)からの距離が増すに伴い狭くなる断面を有することを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記構造部品(3)が、Fe基、Ti基又はNi基の材料から構成されたことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記構造部品(3)が、オーステナイト系、フェライト系若しくはフェライト−マルテンサイト系の鋼又は酸化物分散強化型材料から構成されたことを特徴とする請求項13に記載の冷却装置構成要素。
- 構造部品の比透磁率が1.2未満であることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記熱遮蔽(3)及び/又は構造部品(3)が、接合部(6)の領域に円弧部分(9)又は面取り部分(10)を備えることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記貫通孔(5)が連続孔として形成されたことを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記冷却パイプ(4)が、銅基の材料から構成されたことを特徴とする請求項1〜17のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記構造部品(3)が溶接によって支持素子(11)に接合されたことを特徴とする請求項1〜18のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- 核融合炉の第一壁構成要素として用いられることを特徴とする請求項1〜19のいずれか1項に記載の冷却装置構成要素。
- ダイバータとして用いられることを特徴とする請求項20に記載の冷却装置構成要素。
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