JPH0651871B2 - 高い伝達係数を有する熱コンタクト、並びに強い熱流束を受ける構造を冷却する方法及び装置 - Google Patents

高い伝達係数を有する熱コンタクト、並びに強い熱流束を受ける構造を冷却する方法及び装置

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JPH0651871B2
JPH0651871B2 JP62503573A JP50357387A JPH0651871B2 JP H0651871 B2 JPH0651871 B2 JP H0651871B2 JP 62503573 A JP62503573 A JP 62503573A JP 50357387 A JP50357387 A JP 50357387A JP H0651871 B2 JPH0651871 B2 JP H0651871B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、異なる膨張率を有し得る２種の材料間におけ
る伝達係数の高い熱コンタクト、及び強い熱流束を受け
る構造の冷却へのその適用に係る。
該当材料は、炭素質材料、セラミック及び金属又は金属
合金から選択される。炭素質材料とは、主に工業用炭素
及び黒鉛、炭素−炭素複合体を意味する。
従来技術 一般に、このような材料は膨張率が異なると良好な熱コ
ンタクトをもって結合することが困難であり、多くの用
途で損害を与えることが知られている。
例えば水の循環により炭素質材料から成る要素を冷却す
る必要がある装置では、炭素質材料の脆性及び多孔性に
より一般に直接冷却できないので、炭素質材料の要素を
金属要素に固定しなければならない。そこで機械的固定
及び熱コンタクトの問題が生じる。
強い熱流束を受ける構造を冷却しなければならず、この
熱流束が、金属製又は炭素質材料又はセラミック材料か
ら構成され得る構造に対して外部又は内部から由来し得
る事例は多い。熱流束は場合によって連続、不連続又は
パルス状であり得る。
特に、化学反応器、燃焼装置、溶融金属の連続鋳造、核
分裂又は融合炉、連続又はパルス状の放射線（Ｘ線、レ
ーザー等）又は粒子の強い流束を受けるターゲットを挙
げることができる。従来の解決方法では、冷却すべき構
造に管アセンブリを配置し、その中に冷却流体を流して
いる。
そこで問題は、構造が受けるしばしば非常に過酷な熱サ
イクルの過程（例えば熱核融合炉内）で、対向し合う表
面の凹凸、特に管と冷却すべき構造との膨張差を考慮し
て、構造を構成する材料内に形成したチャネルと冷却用
金属管外壁との間に非常に良好な熱コンタクトを確保す
ることである。
許容可能な熱コンタクトを形成するためには、構成要素
の間に100kpaを越える締着圧を加えなければならない。
最適の場合、９×10３Ｗ．ｍ-2．Ｋ-1のオーダーの伝達
係数が得られる。伝達係数は要素の表面状態に非常に敏
感であり且つ再現性が低いので、当然非常に厄介であ
る。
この問題の一解決方法はろう付けである。この方法は材
料によっては非常に有効であるが、費用がかかり、使用
温度がろう材の溶融温度よりも低くなる。また、膨張率
が著しく異なる材料では、応力を調節する金属シートを
挿入することによりろう付けする場合もある。その場
合、モリブデン、ジルコニウム等のような高価で且つ取
り扱いにくい金属を使用しなければならない。更に、ケ
イ素の炭化物及び窒化物のようなセラミックは、特に理
論密度の近傍の密度の焼結体である場合に、ろう付けが
非常に難しい。
本発明の主たる目的は、より簡単に実施でき、より経済
的であり且つ高温（結合しようとする材料が許容するの
であるなら２０００℃を越える）で使用可能な熱コンタ
クトを提供することである。
発明の目的 本発明の第一の目的は、異なる膨張率を有し得る２種の
材料間における熱伝達係数の高い熱コンタクトを提供す
ることであり、該熱コンタクトは、再圧縮して該材料間
に挿入された膨張グラファイトにより構成されることを
特徴とする。
熱的に結合すべき材料は、 −炭素質材料、すなわち人造炭素及びグラファイト（例
えばガラス様炭素、他結晶グラファイト等）、炭素−炭
素複合体、 −炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タンタル
のようなセラミック、 −金属及び金属合金 から選択される。
本発明によると、熱コンタクトは例えば２種の異なる炭
素質材料、炭素質材料と金属、セラミックと金属との間
に挿入され得る。
本発明の第二目的は、連続、不連続又はパルス状の強い
熱流束を受ける構造を、該構造に形成された通路に配置
された流体循環管を介して冷却する装置を提供すること
であり、該装置は、冷却すべき構造と各管との間に圧縮
状態で熱良導性であり、場合によっては金属又は炭素質
材料粉末を添加された可撓性材料を挿入することを特徴
とする。この可撓性材料は有利には多かれ少なかれ再生
縮又は圧延された膨張グラファイトにより構成され得
る。炭素又はグラファイト繊維の織物又はフェルトのよ
うな他の形態の可撓性製品から該可撓性材料を構成して
もよく、場合によっては金属粉末を添加してもよい。
本発明の第三の目的は、連続、不連続又はパルス状の強
い熱流束を受ける構造物を、該構造に形成された通路に
配置された流体循環管を介して冷却する方法を提供する
ことであり、該方法は、上記に規定したような可撓性材
料の層で各管を予め包囲し、その後、各管を通路に挿入
し、少なくとも 10kpaに等しいレベルで管と通路との間
の可撓性材料を圧縮できるように管を加圧膨張させるこ
とを特徴とする。
本発明の第四の目的は、複数の分離した要素から構成さ
れ、連続又はパルス状の強い熱流束を受ける構造を、流
体循環管を介して冷却する方法を提供することであり、
該方法は、構造の各要素に少なくとも１つの半円形通路
を形成し、上記に規定したような可撓性材料の層を挿入
することにより、少なくとも１本の冷却管に各要素を配
置し、少なくとも 10kpaに等しいレベルで可撓性材料を
圧縮するように要素と管とを連結することを特徴とす
る。
最後に、本発明の最後の目的は特にトカマク型の熱核融
合炉の第一壁の冷却への適用である。
発明の実施態様 実施例１及び２並びに第１図〜第５図は、本発明の実施
態様を非限定的に説明するものである。
本発明をよく理解するために銘記すべきことであるが、
膨張グラファイトを得るにはラメラ状グラファイトを10
00℃に達し得る温度に激しく加熱し、 0.002のオーダー
の密度の剥離グラファイトを形成する。このグラファイ
トを次に多かれ少なかれ0.02〜２の密度のブロックに再
圧縮するか、又は厚さ 0.1〜２mm、密度１のオーダーの
シート状に圧延する。再圧縮された膨張グラファイトは
圧縮面での熱伝導率が優れており、垂直方向の熱伝導率
はそれほど良好でもない。一方、良好な可撓性と良好な
弾性とを有している。従って、材料が強い熱変形を受け
ても同一の伝導性のコンタクトを維持することができ
る。
この製品はLE CARBONE LORRAINE 社から商標名PAPYEXと
して市販されている。該製品は特に約４〜６．10-6．Ｋ
-1の範囲の膨張率により分離された各種の系列が存在し
ている。この膨張グラファイトは熱伝導率を改良する金
属粉末のような添加物を含有してもよい。
各種の実験の結果、異なる膨張率を有し得る材料の２つ
の表面の間の熱伝達係数は、該表面の間に圧縮された膨
張グラファイトを挿入すると常に改良されることが判明
した。この利得は温度、材料の締着圧、その表面状態及
び性質に依存する。
本発明によると、膨張グラファイトは圧延又は圧縮シー
トの形態で圧縮されて挿入され得る。膨張グラファイト
を非圧縮状態で挿入し、材料を配置するときにその場所
で圧縮してもよい。この変形例は、材料の表面が平坦で
なく及び／又は非常にざらざらしている場合に使用する
と有利である。以下の文中では、多かれ少なかれ再圧縮
又は圧延された剥離グラファイトを便宜上一般に「膨張
グラファイト（graphite expanse）」と指称する。
実施例１ 直径50mmのグラファイトの円筒形ディスクを調心支障に
より金属表面に付着させた。グラファイト（LE CARBONE
-LORRAINE 社の1346系）の膨張率は 5.5〜６×10-6．Ｋ
-1である。金属は膨張率16×106．Ｋ-1のステンレス 31
6Lである。密度１及び厚さ 0.2mmの圧縮した膨張グラフ
ァイトシートにより構成される熱コンタクトを使用する
か又は使用しないことにより、伝達される電力は同一の
75ワットとして加える圧力を変えて比較試験を行った。
結果を以下の第１表にまとめる。
実施例２ 実施例２は実施例１と同様であるが、膨張グラファイト
の替わりに 4.5．10-6．Ｋ-1の膨張率を有する別のグラ
ファイト（出願人による5890系）を使用した。以下の第
２表は実施例１と同一条件で実施した試験の結果を同様
にまとめたものである。
第１図〜第５図は連続、不連続又はパルス状の強い流束
を受ける構造の冷却への本発明の適用を示している。図
面を解り易くするために、金属管の壁及び可撓性材料層
の厚さを著しく膨張した。
第１図中、冷却すべき構造1 は複数の通路例えば2 を含
んでおり、該通路には冷却流体（液体又は気体）を流す
ための金属管例えば3 が挿入されている。構造1 （例え
ばグラファイトブロック）と金属管3 との間の熱コンタ
クトは多かれ少なかれ再圧縮又は圧延された膨張グラフ
ァイトのような良伝導性の可撓性材料の薄膜4 により確
保される。取付のために金属管3 と通路2 との間に十分
なクリアランスを設け、管を膨張グラファイトの層4 で
包囲する。取付を行ったら、金属管を例えば水圧をかけ
て膨張させ、膨張グラファイトの層4 を圧縮し、その厚
さを例えば 0.1〜２mmの値に減少させる。
バンド4 に加える圧力は、少なくとも10４Ｗ．ｍ-2．Ｋ
-1の熱伝達係数を確保するように少なくとも 10kpaでな
ければならない。
第２図は、２本の冷却管3 を備える平行六面体の形態の
グラファイトから成る構造要素5 の横断面図であり、冷
却管とグラファイトブロック5 との熱コンタクトは膨張
グラファイト層4 を挿入することにより確保され、該層
の厚さは配置後、管2 の膨張により約10％減少してい
る。
第３図は、熱流束が外部流体6 によりもたらされ、該流
体が好ましくは密閉性を保証するために金属製である第
一壁7 により収容されているような変形例を示してお
り、この壁7 と冷却管3 との間の熱コンタクトは同様に
して、管3 の膨張により取付後に圧縮される膨張グラフ
ァイトシート4 を挿入することにより確保され、こうし
て圧縮された膨張グファイトシートは 0.2mmの最終厚さ
を有する。
第４図及び第５図は、冷却すべき構造を可撓性材料の層
の挿入後に管束に配置する本発明の変形例を示してい
る。図例では、冷却すべき炭素質材料（グラファイト、
又は炭素−炭素複合体）から成る煉瓦8 のような別個要
素のアセンブリにより構成されており、該構造に半円形
の通路を予め形成又は加工しておき、可撓性材料4 を挿
入しながら通路を管3 に押し当てる。可撓性材料4 を圧
縮するには、煉瓦8 の定置及び固定手段を使用し、該手
段は既知のどのような型（Ｕ時金具、ねじ等）でもよ
い。
このような構造は、例えば熱核反応により発生される熱
流束を直接受ける円環型の熱核融合炉の第一壁であり得
る。
可撓性要素4 を構成するために圧縮された膨張グラファ
イトを使用すると更に、その異方性構造により、伝達方
向に垂直な方向に熱流束の広がりを確保できるという利
点がある。こうして、グラファイトシートに平行な方
向、即ち圧縮及び熱流束に垂直な方向に圧縮された膨張
グラファイトの伝導率が高いので、冷却すべき構造の外
面の局所熱ピーク（「熱点」）は冷却管から広い周辺ゾ
ーンに広がる。
本発明の実施に当たり、炭素又はグラファイト繊維の織
物又はフェルトのような比肩し得る熱特性を有する別の
形態の可撓性炭素質材料を使用してもよく。場合によっ
ては熱伝導率を改良するために金属粉末を添加してもよ
い。これらの材料は繊維性構造であるため、極めて異方
性の熱伝導率を有している。
本発明は連続、不連続又はパルス状の強い熱流束を流体
循環冷却手段により排出しなければならないあらゆる用
途、特に核融合又は分裂炉（保護瓦、リミタ及びダイバ
ーター）、金属の連続鋳造、例えば数百ワット／cm2の
レベルであり得る放射線又は粒子の強い流束を受けるタ
ーゲットに適用される。
図面の簡単な説明 第１図から第５図は、夫々本発明の装置の実施例の説明
図である。
１……冷却すべき構造、２……通路、 ３……金属管、４……薄膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ２１Ｃ 15/08 8908−2Ｇ (72)発明者 クロン，ミツシエル フランス国、95130・ル・プレシ・ブシヤ ール、レ・オ・ドウ・サン・ニコラ、 “レ・セードウル” （番地なし) (72)発明者 フアロン，ロベール フランス国、92400・クールブボワ、アブ ニユ・ビクトル・ユーゴー、５ (72)発明者 ベツソン，ダニエル フランス国、69009・リヨン、リユ・ガブ リエル・シユバリエ、３ (56)参考文献 米国特許4045286（ＵＳ，Ａ) 仏国発明特許1395964（ＦＲ，Ａ) 仏国特許公開2309019（ＦＲ，Ａ)

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】異なる膨脹係数を有し得る２種の材料間に
    おける少なくとも10４Ｗ．ｍ-2．Ｋ-1に等しい高い伝達
    係数を有する熱コンタクトであって、該材料間に挿入さ
    れた膨脹グラファイトから構成され、かつ、該材料間の
    圧力が少なくとも 10kpaに等しい圧力に維持されている
    ことを特徴とする熱コンタクト。
  2. 【請求項２】２種の材料が、炭素質材料、セラミック及
    び金属或いは金属合金から選択されることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項に記載の熱コンタクト。
  3. 【請求項３】２種の材料が、両方とも炭素質材料である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の熱コン
    タクト。
  4. 【請求項４】２種の材料が、炭素質材料及び金属或いは
    金属合金であることを特徴とする特許請求の範囲第２項
    に記載の熱コンタクト。
  5. 【請求項５】２種の材料が、セラミック及び金属或いは
    金属合金であることを特徴とする特許請求の範囲第２項
    に記載の熱コンタクト。
  6. 【請求項６】膨脹グラファイトが、圧延又は圧縮シート
    の形態で挿入されていることを特徴とする特許請求の範
    囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の熱コンタク
    ト。
  7. 【請求項７】膨脹グラファイトが、その場で圧縮される
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項から第５項のい
    ずれか一項に記載の熱コンタクト。
  8. 【請求項８】膨脹グラファイトが、添加物を含有してい
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第７項の
    いずれか一項に記載の熱コンタクト。
  9. 【請求項９】添加物が、金属であることを特徴とする特
    許請求の範囲第８項に記載の熱コンタクト。
  10. 【請求項１０】連続、不連続又はパルス状の強い熱流束
    を受ける構造を、該構造に具備された通路に配置された
    流体循環管を介して冷却する装置であって、冷却すべき
    構造と各管との間に圧縮状態で熱良導性の膨脹グラファ
    イトが挿入され、該構造と該各管との間の圧力が、少な
    くとも10４Ｗ．ｍ-2．Ｋ-1に等しい高い伝達係数を有す
    る熱コンタクトを得るように少なくとも 10kpaに等しい
    圧力に維持されていることをと特徴とする装置。
  11. 【請求項１１】冷却すべき構造の各通路が、圧縮状態で
    熱良導性の膨脹グラファイトの層を介して離れている冷
    却管の外側に同心円状に配置されている金属管により構
    成されていることを特徴とする特許請求の範囲第10項に
    記載の装置。
  12. 【請求項１２】膨脹グラファイトが、金属粉末を含有し
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第10項に記載の
    装置。
  13. 【請求項１３】連続、不連続又はパルス状の強い熱流束
    を受ける構造を、該構造に具備された通路に配置された
    流体循環管を介して冷却する方法であって、各管を膨脹
    グラファイトの層で予め包囲し、その後各管を該通路に
    挿入し、該管と該通路との間の該膨脹グラファイトを少
    なくとも10４Ｗ．ｍ-2．Ｋ-1に等しい伝達係数を有する
    熱コンタクトを得るように少なくとも 10kpaに等しいレ
    ベルに圧縮するような圧力下で膨脹操作に付することを
    特徴とする方法。
  14. 【請求項１４】膨脹グラファイトが、金属粉末を含有し
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第13項に記載の
    方法。
  15. 【請求項１５】連続、不連続又はパルス状の強い熱流束
    を受ける、複数の分離した要素から構成される構造を、
    該構造に具備された通路に配置された流体循環管を介し
    て冷却する方法であって、該構造の各要素に少なくとも
    一つの半円形通路を構成し、膨脹グラファイトの層を挿
    入することにより少なくとも一本の冷却管に各要素を配
    置し、少なくとも 10kpaに等しい圧縮レベルを該膨脹グ
    ラファイトに与えるように、かつ、少なくとも10４Ｗ．
    ｍ-2．Ｋ-1に等しい伝達係数を有する熱コンタクトを得
    るように該要素及び該管を結合することを特徴とする方
    法。
  16. 【請求項１６】膨脹グラファイトが、金属粉末を含有し
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第15項に記載の
    方法。
JP62503573A 1986-06-16 1987-06-15 高い伝達係数を有する熱コンタクト、並びに強い熱流束を受ける構造を冷却する方法及び装置 Expired - Lifetime JPH0651871B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
FR8608981 1986-06-16
FR8608981A FR2600073B1 (fr) 1986-06-16 1986-06-16 Contact thermique a fort coefficient de transfert et applications
FR8701213 1987-01-23
FR8701213A FR2610088B1 (fr) 1987-01-23 1987-01-23 Dispositif de refroidissement d'une structure soumise a un flux thermique intense et procede de realisation de ce dispositif
PCT/FR1987/000220 WO1987007695A1 (fr) 1986-06-16 1987-06-15 Contact thermique a fort coefficient de transfert et applications au refroidissement d'une structure soumise a un flux thermique intense

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JPS63503548A JPS63503548A (ja) 1988-12-22
JPH0651871B2 true JPH0651871B2 (ja) 1994-07-06

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EP (1) EP0250345B1 (ja)
JP (1) JPH0651871B2 (ja)
AT (1) ATE61651T1 (ja)
DE (1) DE3768564D1 (ja)
ES (1) ES2021386B3 (ja)
WO (1) WO1987007695A1 (ja)

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