JPH07218670A - 冷却装置の製造方法 - Google Patents

冷却装置の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 特に核融合炉用の冷却装置であって、耐熱性
の材料、特にグラファイトからなる１個或いは複数個の
部分が金属性の、特に銅或いは銅合金からなる冷却媒体
配管に結合されるものにおいて、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。 【構成】 冷却媒体配管の金属が溶融流動状態で耐熱性
の材料からなる部分に接触されることによって結合が行
われ、その場合接触部に元素周期表のＩＶａ及び／又は
Ｖａ族の１つ或いは複数個の金属が供給される。次いで
冷却媒体配管の金属は所望の形にされ冷却によって固め
られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【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
解に至ることさへある。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４５３２１０
１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】この発明によればこの課
題は、冷却媒体配管の金属が溶融流動状態において耐熱
部分と接触され、その際この結合工程の間接触範囲に元
素周期表のＩＶａ及び／又はＶａ族の１つ或いは複数個
の金属の成分が供給され、かつしかる後冷却媒体配管の
金属が所望の形状に冷却によって固められることによっ
て解決される。
【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、
ＴｉＢ2 及びＢ4 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。ＩＶ
ａ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及び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
体から分離し、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濾過する。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、安定したかつ材質間の結
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１００
μｍ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２０
μｍ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６０
０℃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)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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部分と接触させ
    られ、その際この結合工程の間接触範囲に元素周期表の
    ＩＶａ及び／又はＶａ族の１つ或いは複数個の金属の成
    分が供給され、かつしかる後冷却媒体配管の金属が所望
    の形状に冷却によって固められることを特徴とする冷却
    装置の製造方法。
  2. 【請求項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. 【請求項３】 ＩＶａ及び／又はＶａ族の金属が例えば
    耐熱性の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. 【請求項４】 耐熱性材料が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乃至３の１つに記載の冷却装置の
    製造方法。
  5. 【請求項５】 耐熱性材料からなる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乃至４の１つに記載の冷却装置
    の製造方法。
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