JPS60256787A - セラミツクス貼り炉壁体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、新規なセラミックスタイルを内張シした炉壁
体及びその製造方法に関する。

〔発明の背景〕

近年、各種ファインセラミックスが開発され、工業製品
への実用化が進められている。特に、セラミックスは、
耐熱性、耐腐食性、耐薬品性等の面において優れておシ
、これらの長所を活かした代表的な利用分野として、原
子力設備、核融合装置、火力、化学装置等の各種装置の
炉壁体が考えられている。しかし、セラミックスを熱的
負荷が大きい高温部の炉壁体に利用した場合には、いか
に耐熱性に優れているセラミックスであっても熱的損傷
を受け、定期的な補修又は交換を必要とする。

従って、セラミックスを熱的に保護し、長寿命化を図る
ためには、冷却構造を有する金属体にセラミックスを冶
金的に接合し、セラミックスを強制的に冷却することが
望ましい。

従来、セラミックスと金属とを冶金的に接合する場合、
両者の物理的特性、特に熱膨張係数が犬きく異なるため
、接合過程又は熱的負荷を受ける使用条件下において熱
応力が発生し、セラミックス又は接合部に熱応力破壊が
生じる。このことは、金属体が大きくなる程顕著となシ
、セラミックスを炉壁体のような大型の金属枠体に接合
することが極めて困難であった。そこで、セラミックス
の熱応力破壊を防止する方法として、従来はセラミック
スと金属とを接合する場合に、セラミックスと金属との
ほぼ中間の熱膨張係数を有するＭｏ。

Ｗ、コバール、ファニー鋼等の熱応力緩衝材を介して行
なっている。また、この熱応力緩衝材とし１・ｌｙ’ｆ
ｘｆ７−ｔ−ｅ′）７°″”ｏ＊ｘ＊、ｉｓ　、！″　
、１１金属マ）　ＩＪラックス又は炭素繊維等の無機質
から　０なる繊維と金属マトリックスとの複合材を用い
る例もある。例えば、特開昭５８−１７６１８２号公報
にはコバール又は４２Ｎ五合金体を、特願昭５８−３７
５９８号には炭素繊維と銅との複合材を熱応力緩衝材と
して使用し、セラミックスと金属とを接合することが示
されている。

しかし、このような従来の方法によるセラミックスと金
属との接合体は、大きさに限界があシ、大面積の炉壁体
を得ることが極めて困難であった。

しかも、高い熱的負荷を受ける使用条件下においては、
セラミックス又は接合部に破壊が生じゃすく、１００Ｃ
程度が使用限界となっておシ、使用条件が限定されてい
る。さらに、炭素繊維と銅との複合材を熱応力緩衝材と
して使用し、この複合材を介してセラミックスと金属と
を接合する場合には、接合過程において加圧を必要とす
るところから、大面積の金属枠体に複数個のセラミック
スを接合することが極めて困難であった。なお、セラミ
ックスの熱応力緩衝材を防止するため、セラミックスと
金属との接合面積を小さくする方法がある。しかし、こ
の方法は、セラミックスの冷却効果が低下し、熱的負荷
の大きな部分に使用できない欠点がある。

一方、冷却構造を有する金属体にセラミックスを接合し
てセラミックスを強制冷却する場合には金属体が８ＵＳ
３０４等の熱伝導率の小さいときは、冷却効果が十分で
なく、セラミックスに熱損傷を与えるため、セラミック
スの冷却効果を高める方法の開発が望壕れていた。

〔発明の目的〕

木兄明線、大型金属枠体にセラミックスを接合した場合
においても、セラミックス及び接合部の熱応力破壊を防
止することができるセラミックス貼シ炉壁体及びその製
造方法を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、中空金属部材の一端側にセラミックス板を接
合し、前記中空金属部材の他端側に大型金属枠体を接合
することによシ、大型金属枠体とセラミックス板との熱
膨張係数の相異に基づく熱応力を小さくシ、熱応力破壊
を防止できるように構成したものである。

また、上記の炉壁体を得るために、中空金属部材の一端
側にこの中空金属部材とセラミックス板との中間の熱膨
張係数を有する中間体を介してセラミックス板を接合し
、その後、前記中空金属部材の他端部に大型金属枠体を
接合するように構成したものである。

〔発明の実施例〕

本発明に係るセラミックス貼シ炉壁体及びその製造方法
の好ましい実施例を、添付図面に従って詳説する。

第１図は、本発明に係るセラミックス貼シ炉壁体の実施
例の断面図である。第１図において、炉壁体１０は、内
面と々る部分にタイル状をなすセラミックス１２が配設
され、このセラミックス１２が中間体１４を介して中空
金属部材１６に冶金的に接合されている。中間体１４は
、縦方向と横方向との寸法がセラミックス１２と１１１
１同じに１１　なってお沙、中空金属部材１６とセラミ
ックス１２との中間の熱膨張係数を有していて、中空金
属部材１６とセラミックス１２との熱膨張係数の相異に
基づく、熱応力の減少を図っている。また、中空金属部
材１６は、外径寸法がセラミックス１２の縦又は横方向
寸法よシやや小さなリング状に形成され、第１図の上端
部に外径の小さな小径部１８を有している。そして、こ
の小径部１８は、大型金属枠体２０に穿設した接合孔に
挿入され、接合部２２によシ大型金属枠体２０と冶金的
に接合している。

金属枠体２０には、金属板２４が冶金的に又は機械的に
接合しである。この金属板２４は、凸部２６によ多数条
の溝が設けられており、凸部２６を大型金属枠体２０に
接合することによシ冷却材流路２８を形成している。こ
のだめ、中空金属部材に微小間隙３１を有して中間体１
４と中空金属部材１６とを介して大型金属枠体に接合さ
れ、熱膨張差に伴う熱応力破壊の防止が図られている。

　・　・１（ 上記の如く構成した炉壁体１０は、セラミックス１２と
大型金属枠体２０との接合が中空金属部材１６を介して
行なわれているため、セラミックス１２と大型金属枠体
２０が直接接合されず、セラミックス１２の接合面積が
極めて小さくなる。

このため、セラミックス１２を大型金属枠体２０に複数
個タイル状に接合した場合においても、セラミックス１
２にかかる熱応力は極めて小さく、セラミックス１２の
熱応力破壊が生じ彦い。しかも、中空金属部材１６の中
量部３０と冷却材流路３８とは連通しているため、冷却
材流路２８を流れる冷却材によりセラミックス１２を強
制的に効率よく冷却できる。このため、セラミックス表
面に大きな熱負荷を与えた場合でもセラミックス１２の
熱的損傷を防止することができる。なお、冷却材流路２
８は、金属板２４の凸部２６を大型金属枠体２０接合す
ることにより容易に形成することができる。

第３図は、セラミックス１２と中空金属部材１６との接
合状態を示す斜視図である。セラミックス１２と中空金
属部材１６との接合は、前記し今４ｒｎ　／　ＪＰらぐ
・ツカ−ｆ１すＬ山内ム閾如妊ＩＣＬめ中間の熱膨張係
数を有する中間体１４を介して行うことが望ましい。セ
ラミックス１２と中間体柔１４との接合は、セラミック
ス１２の表面を予めメタライズしておき、銀ろう等のろ
う材３２を用いて行うことができる。また、中間体１４
と中空金属部材１６とは、第４図に示す如くろう材３４
を介して接合し、である。なお、中空金属部材１６は、
外径寸法をセラミックス１２の縦方向と横方向との寸法
よりやや小さくすることにより、第１図に示した接合部
２２を大きくでき、大型金属枠体２０との接合強度を向
上することができる。そして、中空金属部材１６は熱応
力を小さくするため肉厚をできるかぎり薄くすることが
望ましい。

さらに、中空金属部材１６は、第５図に示す如く中空部
３０が有底孔となるように、底部３６を一体に有するよ
うに形成すると、たとえ接合部３２又は３４に剥離が生
じた場合でも冷却材の漏洩を完全に防止することができ
る。

中空金属部材は筒状が好ましく、特に円筒状が好ましい
。

一方、中間体１４は、炭素繊維と銅との複合材によシ構
成するとよい。この複合材は、ファニー鋼やコバール等
に比較して熱伝導率が大きいため、従来に比較して冷却
効果を極めて大きくすることができる。なお、中間体１
４に使用する前記複体は、熱膨張係数がセラミックス１
２側で小さく、中空金属部材１６側で大きくなるように
、厚さ方向に連続的に又は段階的に変化させることによ
り、セラミックス１２に生ずる熱応力をより一層小さく
することができる。

炭素繊維と銅との複合材は、銅被覆した炭素繊維を複数
本束ね、これを２次元的に織った後、高温で焼成するこ
とによシ得ることができる。そして、前記複合材の熱膨
張係数は、炭素繊維に被覆する銅被膜の厚さを変えるこ
とによシ、変化させることができる。中間体１４の熱膨
張係数を厚さ方向に連続的又は段階的に変化させる場合
には、１　炭素繊維の体積％が異なる複合材を、２層以
上積層することによシ得ることができる。

中間体１４の熱膨張係数は、Ｓ　ｉ　Ｃ，５ｉｓＮ４等
の非酸化物系セラミックスをＳＵＳ又は銅等に接合する
場合、４〜１２　Ｘ　１０−’／′Ｃの間において連続
的又は段階的に変化しているものが望まし゛　い。この
ような中間体１４は、前記複合材中の炭素繊維の体積が
、セラミックス１２側の第１層において５０〜６０％、
第２層において４０〜５０％、中空金属部材１６側の第
３層において３０〜４０％となるように積層することに
より得ることができる。このようにして得られた複合材
の室温における縦弾性係数は７〜８　Ｘ　１０３Ｋｇ／
　ｍ”　。

熱伝導率は０．４〜０．５　ｃａｔ／１ｙｎ−８−ｔｌ
ｌ’である。

中間体１４が前記複合材である場合には、複合材が銅を
被覆した炭素繊維を積層して一層されているため、セラ
ミックス１２と中空金属部材１６とを中間体１４を介し
て接合するときには、全体に５Ｋｆ／−以上の圧力を加
えて行うことが望まし　゛い。従って、中間体１４に複
合材を用いる場合には、中空金属゛部材１６として第５
図に示すような　；　・１中間体１４と同寸法の底部３
６を有するものが望ましい。この場合においても予めセ
ラミックス１２の表面をメタライズした後、約５　Ｋｇ
　／　ｃｒ１以上の圧力を加えながら、ろう材３２．３
４によりセラミックス１２と中空金属部材１６とを中間
体１４を介して接合することができる。

なお、セラミックス１２の冷却効果を高めるために、中
空金属部材１４は銅もしくは銅合金、またはアルミニウ
ムもしくはアルミニウム合金によ多形成することが最も
望ましい。さらに、セラミックス１２は、熱伝導率が比
較的大きなＳｉＣ焼結体が望ましい。このＳｉＣと中間
体との接合は、３０〜４Ｑｗｔ％のマンガンと残部が銅
とからなる合金箔を、ＳｉＣと中間体との間に介在させ
、アルゴン雰囲気中において加圧しつつ合金箔の融点ま
で加熱することによシ、容易に行うことができる。

中空金属部材１６と大型金属枠体２０との接合は、第６
図に示す如く中空金属部材１６を大型金属枠体２０に形
成した接合孔に挿入した後に行なう。そして、中空金属
部材１６と大型金属枠体２０との接合は、中空金属部材
１６の端部の小径部１８において、接合部２２を形成す
ることにより行なわれる。従って、セラミックス１２は
、中♀金属部材１６を介して大型金属枠体２０に接合さ
れており、熱応力が最も大きくなるセラミックス１２の
端部が大型金属枠体２０に直接接合されていないため、
大型金属枠体２０に多数のセラミックス１２を砕壊させ
ずにタイル状に接合することができる。この中空金属部
材１６と大型金属枠体２０との接合は、セラミックス１
２を中空金属部材１６に接合する際に、ろう付等により
同時に行うことができる。しかし、中間体１４が炭素繊
維と銅との複合体である場合には、複合体を介してセラ
ミックス１２と中空金属部材１６とを接合するために加
圧する必要があシ、セラミックス１２と中空金属部材１
６との接合と、中空金属部材１６と大型金属枠体２０と
の接合とを同時に行うことは、極めて困難である。この
ため、このような場合には、中間体１４を介してセラミ
ックス１２と中空金属部材１６とを接合した後、中空金
属部材１６と大型金属枠体２０とを、局部的な加熱が可
能な溶融接合法により接合するととが望ましい。この局
部的々加熱による溶融接合法は、アーク、プラズマ、電
子ビーム、レーザ等を熱源とすることが望ましく、熱的
歪を最も少々くできる点において、電子ビーム又はレー
ザを熱源とすることが最も望ましい。また、局部的加熱
が可能な熱源によって局部的なろう付によっても接合が
可能である。

第８図は、電子ビーム３８を用いて中空金属部材１６と
大型金属枠体２０とを接合している状態を示したもので
ある。電子ビーム３８は、中空金属部材１６の周囲に沿
って接合部２２を形成するように円形に回転させる。な
お、第８図に示した炉壁体１０にあっては、微小間隙３
１がセラミックス１２の厚さ方向に直線状に形成されて
おらず、屈曲部４０を有している。このように微小間隙
３１に屈曲部４０を形成することによシ、炉内の熱の外
部への漏洩を低減でき、炉の熱効率を高めることができ
る。また、炉内に放射線が発生する場合には、放射線の
漏洩が減少して安全性の向上が図れる。なお、微小間隙
３１が直線的な場合、微小間隙に詰物をすることにより
、熱や放射線の漏洩を低減できる。

さらに、第８図に示した実施例においては、大型金属枠
体２０の金属板２６との接合部に、金属板２４の凸部２
６が嵌入する溝４２が形成しである。このように金属板
２４の凸部２６を溝４２に嵌入させることによシ、冷却
材流路２８が所定の位置に確実に形成することができる
。なお、溝４２は、第１図又は第７図に示した大型金属
枠体２０にコ字状の金属部材を取シ付けて形成してもよ
い。

具体的実施例 セラミックス１２としてＢｅＯを約２％含有するＳｉＣ
焼結体を用いて次のようなセラミックス貼り炉壁体を作
成した。

ＳｉＣ焼結体は、５０簡×５０咽×１０目のタイル状の
板である。中空金属部材１６は、銅から機械加工により
製作した底部３６を有しており底　・　ｊ１ 部３６０寸法はセラミックスと同じ５０ｗＸ５０′　ヨ
て、厚さが１閣である。中空金属部材１６のリング部の
外径は４５ｍ１．内径は４３１１１＋１．高さは４咽で
ある。中間体１４は、炭素繊維と銅との複合材でおって
、炭素繊維の体積が３５％で厚さ１閣のものと、炭素繊
維の体積が４５％で厚さ１鰭のものをそれぞれ高温にお
いて積層し、厚さ２關の複合材としだ。熱膨張係数は前
者がｌ０ＸＩ□−ｓ／Ｃ，後者が６　Ｘ　１０−”／Ｃ
である。また、熱伝導率は、積層した状態において約０
．５ｃａｔ／ｃｍ・ｓ−Ｃである。大型金属枠体２０は
、ｓｏｏ順×５００咽Ｘ８關の８Ｕ８３０４を用い、こ
れに中空金属部材１６が挿入される側の直径が４５．２
ｔａｎ、金属板２４に面する側の直径が３７間の段付孔
を１００個穿設した。

ＳｉＣ焼結体（セラミックス１２）と中空金属部材１６
との接合は、第５図に示す如＜ＳｉＣ焼結体と中間体１
４との間、及び中間体１４と中空金属部材１６との間に
それぞれ４０ｗｔ％のマンガンと残部が銅とからなる５
０μｍのろう材を介し、アルゴン雰囲気内で５Ｋｇ１０
＋！で加圧しながら、高周波加熱により８８０Ｃまで加
熱し、約１秒間保持した後、自然冷却した。

次に、上記の方法によりタイル状のＳｉＣ焼結体が冶金
的に接合しである中空金属部材１６を、大型金属枠体２
０の孔に１００個挿入し、ＳｉＣ焼結体とは反対側から
電子ビーム３８により、冶金的接合部２２を形成した。

この際、大型金属枠体２０は固定し、電子ビーム３８を
磁界により円形状に回転して接合した。また、電子ビー
ム３８は、できるかぎシ中空金属部材１６の先端部だけ
を溶融して大型金属枠体２０に接合するように、照射位
置を調節した。その後、大型金属枠体２０に第１図に示
す如く凸部２６を有する厚さ、３．瓢の５ＵＳ３０４の
金属板２４をボルトにより固定し、冷却材流路２８を備
えたセラミックス貼シ炉壁体１０を形成した。

前記方法により得られたセラミックス貼シ炉壁体の熱的
損傷を調べるため、セラミックス表面に８００Ｗ／ＣＪ
のプラズマ熱を１００秒の周期で１０００回照射した。

なお、この場合、冷却材流路２８に８ｔ１分の水を流し
た。この試験の結果、該ＳｉＣ焼結体の表面温度は約６
００　Ｃ，接合部は約３００１ｒになったが、セラミッ
クス及び接合部−４ρ破壊は全く認められなかった。

なお、従来の大型金属枠体とセラミックスとを焼ばめ等
の機械的に接合した場合には、加えるプラズマ熱の限界
が８０　Ｗ　／　ｃｒＡ程度であったのを、本実施例の
如く構成することによ）大幅に向上することができる。

また、従来は１１０ｍｍＸ１０程度のセラミックスを貼
ったものしか作ることができなかったが、本発明によ、
！ｌ）、１０ｍｍ角以上のセラミックスでも大型金属枠
体に複数個のセラミックスを貼ることができる。

なお、前記した５　０　ｏｍｘ　５０　ＯＮの大型金属
枠体２０に、５０關×５０１１ＥＩＩＩのＳｉＣ焼結体
を１００個接合して冷却材流路２８を設けたものを４０
個作成し、１０ｒｒ？のセラミックス貼シ炉壁体にして
ＭＨＤ発電用核融合装置の炉壁体とすることができた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば大型金属枠体に接
合した場合のセラミックス及び接合部の熱応力破壊を防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るセラミックス貼シ炉壁体の実施例
の断面図であって第２図のＩ−１線に沿う断面図、第２
図は本発明に係るセラミックス貼シ炉壁体の一部を切り
欠いた斜視図、第３図はセラミックスと中空金属部材と
の接合状態を示す斜視図、第４図は第３図のＩ’ｌｌ’
−■線に沿う断面図、第５図は中空金属部材の他の実施
例を示す断面図、第６図はセラミックスを接合した中空
金属部材を大型金属枠体の接合孔に挿入した状態を示す
斜視図、第７図は中空金属部材と大型金属枠体との接合
方法を示す断面図、第８図は本発明に係るセラミックス
貼シ炉壁体の他の実施例を示す断面図である。 １０・・・炉壁体、１２・・・セラミックス、１４・・
・中間　、１１体、１６・・・中空金属部材、２０・・
・大型金属枠体、２４・・・金属板、２８・・・冷却材
流路、３０・・・中空部。 ′３１ 第２　広 第３回　第４図 ７第５図 ９ハ め６閲 第７　図 第Ｓ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、大型金属枠体に複数のセラミックス板を内張シした
   セラミックス貼シ炉壁体において、前記大型金属枠体と
   前記セラミックス板とを中空金属部材を介して接合した
   ことを特徴とするセラミックス貼り炉壁体。 ２、前記大型金属枠体は冷却材流路を有しておシ、この
   冷却材流路が前記中空金属部材の中空部と連通している
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のセラミ
   ックス貼シ炉壁体。 ３゜前記中空金属部材は、前記セラミックス板を接合す
   る面に前記中空金属部材の熱膨張係数と前記セラミック
   ス板の熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有する中間体
   を備えていることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項に記載のセラミックス貼り炉壁体。 ４、前記中間体は、熱膨張係数が前記セラミックス板側
   から前記中空金属部材側に連続的または段階的に大きく
   なっていることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記
   載のセラミックス貼シ炉壁体。 ５゜前記中間体は、銅に３０〜６０体積％の炭素繊維を
   埋め込んだ複合材によって構成されたことを特徴とする
   特許請求の範囲第３項または第４項に記載のセラミック
   ス貼シ炉壁体。 ６、中空金属部材の一端部とセラミックス板とを中空金
   属部材の熱膨張係数とセラミックス板の熱膨張係数との
   中間の熱膨張係数を有する中間体を介して接合した後、
   前記中空金属部材の他端部を冷却材流路を備えた大型金
   属枠体に形成した結合孔に挿入し、この大型金属枠体と
   前記中空金属部材とを接合することを特徴どするセラミ
   ックス貼シ炉壁体の製造方法。 ７、前記中空金属部材は筒状に形成し、前記大型金属枠
   体の結合孔はこの大型金属枠体を負通して形成するとと
   もに、前記冷却材流路は前記大型金属枠体と前記中空金
   属部材とを接合した後、表面に複数の溝を備えた金属板
   を前記大型金属枠体に接合して形成し、前記中空金属部
   材の中空部と前記冷却材流路とを連通させることを特徴
   とする特許請求の範囲第６項に記載のセラミックス貼シ
   炉壁体の製造方法。