(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶射によって受熱板を製造する核融合装置受熱機器の製造方法において、前記核融合装置受熱機器を構成する溶射基材をプール型形状に凹設してプール型溶射基材を形成し、このプール型溶射基材の凹部に溶射皮膜を成膜して受熱板を形成し、前記受熱板を前記プール型溶射基材の凹部内側面部分で切断し、前記受熱板を最終的な形状として仕上げることを特徴とする核融合装置受熱機器の製造方法。
【請求項２】
溶射の前処理として、前記プール型溶射基材の凹部の内側面に粗面化作業及び酸化膜除去作業を実施し、前記プール型溶射基材と溶射皮膜の密着力を高めた溶射皮膜を成膜して受熱板を形成することを特徴とする請求項１に記載の核融合装置受熱機器の製造方法。
【請求項３】
前記プール型溶射基材の凹部をテーパ形状を有する皿状に形成し、前記プール型溶射基材の凹設面に溶射皮膜を成膜して受熱板を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の核融合装置受熱機器の製造方法。
【請求項４】
前記受熱板を前記プール型溶射基材の凹部内側面部分を切断するその切断位置は、前記プール型溶射基材の凹部の底面の端部よりも内側にて切断し、最終的な受熱板形状として仕上げることを特徴とする請求項１または２に記載の核融合装置受熱機器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核融合装置受熱機器の製造方法に係り、特にプール型溶射基材に溶射を用いて受熱板を形成した核融合装置受熱機器の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の核融合装置の受熱機器１を図８に示す。核融合装置の受熱機器１は、核融合装置が稼動している際、高い熱負荷を受けるため、耐熱性および高い除熱性能を有する必要がある。また、高エネルギの水素や核融合反応で生ずるヘリウムが受熱板２へ衝突するため、受熱板２は耐熱性および耐スパッタリング性が必要とされる。
【０００３】
このような観点から核融合装置の受熱機器１は、図８に示されるように耐熱性および耐スパッタリング性能を有する受熱板２に高い除熱作用を有するヒートシンク３を取り付け、このヒートシンク３に核融合装置の受熱機器１を冷却するための冷却管４を取り付けて構成される。また、受熱板２は機能上の要求から通常数ｍｍオーダもしくは数ｍｍオーダ以上の板厚が必要である。
【０００４】
核融合装置の受熱機器１の製造方法には製造基材としてのヒートシンク３に受熱板２の材料を用いて溶射し、製造基材のヒートシンク３上に受熱板２の材料を成膜することで、受熱板２を形成する方法が考えられている。核融合装置受熱機器１の製造基材の形状としては、例えば図９（Ａ）および（Ｂ）に示される平板型の製造基材を使用する。
【０００５】
ここで図９（Ａ）は受熱板成膜前の核融合装置受熱機器の斜視図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）におけるＥ−Ｅ線に沿う断面図である。
【０００６】
図９に示される平板型の製造基材であるヒートシンク３には、冷却管４が取付けられている。この冷却管４はヒートシンク３の対向する面を貫通して取り付けられている。図９（Ａ）に示される平板型の製造基材であるヒートシンク３において、冷却管４が貫通している面を側面とした場合の上面には受熱板２を形成する受熱板形成面６があり、この受熱板形成面６に受熱板２の材料を成膜することで、受熱板２を形成し、図８に示される核融合装置の受熱機器１は製造される。
【０００７】
溶射による成膜方法は、工業材料の表面改質等の目的で、一般的に使用されている方法である。この成膜方法は、単独材料を溶射皮膜材料として使用するのが一般的である。また、この成膜方法により成膜する膜厚は通常数十〜数百μｍオーダである。
【０００８】
核融合装置の受熱機器１では、受熱板２となる溶射材料と製造基材であるヒートシンク３との線膨張係数が大きく異なる。このような異材料同士で溶射による成膜を行う際には、溶射施工中や溶射施工後に、形成した溶射皮膜と溶射基材との界面の端部から剥離や割れが生じやすい。
【０００９】
一方、受熱機器１は、受熱板２の表面から冷却管４までの間に大きな温度差があり、大きな熱応力を生じる。この熱応力を緩和するため、溶射材料および溶射基材を混合して溶射を行う方法が考えられている。核融合装置の受熱機器１の製造においては、受熱板２の材料とヒートシンク３の材料とを混合して溶射を行うことにより、溶射皮膜を成膜し、受熱板２を形成するのである。
【００１０】
混合溶射による受熱機器１の製造方法は、例えば、受熱板２の材料となるタングステンと、ヒートシンク３の材料となる銅との材料混合比を、連続的に変化させながら溶射を実施する。材料混合比は受熱板２側ではタングステン１００％、ヒートシンク３側では銅１００％となるように連続的あるいは段階的に変化させながら傾斜溶射を実施する。そして、受熱板２側では１００％タングステン、ヒートシンク３側では１００％銅となるように受熱板２を形成していく方法である。
【００１１】
しかし、異種材料を混合して行う傾斜溶射により成膜する方法は、単独材料での溶射とは異なる問題点を有する。例えば、銅とタングステンのような低融点材料と高融点材料で実施する場合、溶射皮膜材料の材料混合比が変化する界面および溶射基材と溶射皮膜との界面で剥離や割れが生じやすいという問題点がある。
【００１２】
従って、受熱機器１を異種材料を混合した溶射により成膜する場合、例えば、受熱板２の材料としてのタングステンを、線膨張係数が異なるヒートシンク３の材料である銅へ溶射して成膜する場合、溶射施工中や溶射施工後に、形成された溶射皮膜と溶射基材との界面の端部から剥離や割れが生じやすい。また、溶射皮膜材料の材料混合比が変化する界面および溶射基材と溶射皮膜との界面でも剥離や割れが生じやすい。さらに、数ｍｍオーダもしくは数ｍｍオーダ以上の膜厚を有する溶射皮膜の形成は困難であった。
【００１３】
これらの点から、形成された受熱板２の品質および信頼性が低下する可能性も否めなかった。また、図９（Ａ）に示される平板型の製造基材だけではなく、例えば受熱板形成面６が湾曲した形状の核融合装置受熱機器１の製造基材でも、同様の現象が発生しやすく、形成された受熱板２の品質および信頼性が低下する可能性も否めない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の溶射による核融合装置受熱機器１の製造方法では、上述した受熱板２の剥離や割れが異材料同士の組み合わせの溶射において顕著に現れる。これは、混合溶射により成膜される皮膜同士の材料混合比が変化する界面や溶射皮膜と溶射基材との界面に自由縁が存在することに起因するところが大きい。
【００１５】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、受熱板である溶射皮膜とヒートシンクである溶射基材との界面や異種材料が混合した溶射皮膜間に、自由縁を存在させること無く溶射を実施して、剥離や割れの無い安定した溶射皮膜を成膜し、受熱板を形成することで、受熱板の品質向上および信頼性向上を図った核融合装置受熱機器を製造する方法を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明の他の目的は、溶射を用いて、剥離や割れの無い安定した数ｍｍオーダもしくは数ｍｍオーダ以上の溶射皮膜にて受熱板を形成する核融合装置受熱機器の製造方法を提供するにある。
【００１７】
さらに、本発明の他の目的は、溶射を用いて、剥離や割れの無い安定した溶射皮膜を広範囲にわたって形成することで、核融合装置受熱機器の製造コスト低減を図った核融合装置受熱機器の製造方法を提供するにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る核融合装置受熱機器の製造方法は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、溶射によって受熱板を製造する核融合装置受熱機器の製造方法において、前記核融合装置受熱機器を構成する溶射基材をプール型形状に凹設してプール型溶射基材を形成し、このプール型溶射基材の凹部に溶射皮膜を成膜して受熱板を形成し、前記受熱板を前記プール型溶射基材の凹部内側面部分で切断し、前記受熱板を最終的な形状として仕上げることを特徴とする。
【００１９】
上述した課題を解決するために、本発明に係る核融合装置受熱機器の製造方法は、請求項２に記載したように、溶射の前処理として、前記プール型溶射基材の凹部の内側面に粗面化作業及び酸化膜除去作業を実施し、前記プール型溶射基材と溶射皮膜の密着力を高めた溶射皮膜を成膜して受熱板を形成することを特徴とする。
【００２０】
上述した課題を解決するために、本発明に係る核融合装置受熱機器の製造方法は、請求項３に記載したように、前記プール型溶射基材の凹部をテーパ形状を有する皿状に形成し、前記プール型溶射基材の凹設面に溶射皮膜を成膜して受熱板を形成することを特徴とする。
【００２２】
上述した課題を解決するために、本発明に係る核融合装置受熱機器の製造方法は、請求項４に記載したように、前記受熱板を前記プール型溶射基材の凹部内側面部分を切断するその切断位置は、前記プール型溶射基材の凹部の底面の端部よりも内側にて切断し、最終的な受熱板形状として仕上げることを特徴とする。
【００２３】
このような核融合装置受熱機器の製造方法においては、受熱板である溶射皮膜とヒートシンクである溶射基材の界面に自由縁を存在させることなく、異種材料を混合した溶射、例えば、ヒートシンク材料である銅と受熱板材料であるタングステンとの溶射を実施する事ができる。従って、プール型溶射基材と溶射皮膜の密着力が高くなり、溶射皮膜と溶射基材との界面および異種材料が混合した溶射皮膜の材料混合比が変化する界面において、剥離や割れの発生を抑制できる。そして、溶射皮膜の品質および信頼性が向上し、受熱板の品質向上および信頼性向上を図ることができる。
【００２４】
また、このような核融合装置受熱機器の製造方法においては、プール型溶射基材の凹部と溶射皮膜との界面付近にて、受熱板に小さな割れ等が発生していた場合であっても、その部分を切断できるため、受熱板となる溶射皮膜の品質向上および信頼性向上を図ることができる。そして、最終寸法に加工した核融合装置受熱機器では、受熱板の健全性を確保したまま核融合装置へ適用する事ができる。
【００２５】
さらに、このような核融合装置受熱機器の製造方法においては、溶射皮膜と溶射基材との界面や異種材料混合溶射皮膜の材料混合比が変化する界面において、剥離や割れの発生を抑制できるため、受熱板となる溶射皮膜を数ｍｍオーダもしくは数ｍｍオーダ以上に成膜でき、溶射皮膜の厚膜化を図ることができる。さらにまた、広範囲にわたり安定した溶射皮膜の成膜が可能となり、核融合装置受熱機器の製造コストの低減にも繋がる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関する核融合装置受熱機器の製造方法の実施形態を添付図面を参照して説明する。
【００２７】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を図１〜図４を参照して説明する。
【００２８】
図１は本発明の製造方法によって製造された核融合装置の受熱機器１０の斜視図である。
【００２９】
この受熱機器１０は、受熱板１１とヒートシンク１２と冷却管１４とを具備している。受熱板１１は、ヒートシンク１２の表面と接合され、１枚または複数枚、例えば３枚が受熱機器１０に具備されている。受熱板１１は、核融合炉が稼動している際、高い熱負荷を受けるため、セラミックや高融点金属、例えばタングステンで形成されている。ヒートシンク１２には受熱板１１を上面として受熱機器１０を見た場合の平面視で側面方向に冷却管１４が貫通している。また、ヒートシンク１２は受熱板１１の熱を除熱する役割を担っているため、高い除熱効果を有する材料、例えば銅で形成されている。
【００３０】
一方、図１に示される受熱機器１０は、図２（Ａ）および（Ｂ）に示されるプール型形状あるいは凹設形状をした溶射基材（以下、プール型溶射基材とする）１５から溶射前処理工程、図３に示される溶射工程、図４に示される成形工程を経て製造される。この受熱機器１０の製造工程について製造手順を追いながら図２〜図４を参照し、説明する。
【００３１】
図２（Ａ）および（Ｂ）は、核融合装置の受熱機器１０の製造工程において、受熱機器１０の製造基材であるプール型溶射基材１５を示す。すなわち、受熱板１１を形成する前のプール型溶射基材１５を示している。このプール型溶射基材１５は、方体形状あるいはブロック形状に形成され、ヒートシンク１２と冷却管１４とを具備している。また、プール型溶射基材１５のヒートシンク１２部は、任意の一面が凹設されており、受熱板１１を形成するための凹部１６が設けられている。そして、上記凹部１６を上面とした側面方向に冷却管１４が貫通している。尚、図２（Ａ）はプール型溶射基材１５の斜視図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００３２】
核融合装置の受熱機器１０の製造手順は、まず、溶射前処理工程にてプール型溶射基材１５に形成された凹部１６の表面を粗面化する。そして、粗面化した凹部１６の表面の酸化膜を除去する。
【００３３】
次に、溶射前処理工程を終えたプール型溶射基材１５の凹部１６に受熱板１１の材料、例えばタングステンとヒートシンク１２の材料、例えば銅を混合した材料をプラズマ溶射する。
【００３４】
図３は、溶射工程後のプール型溶射基材１５、すなわち、溶射皮膜付プール型溶射基材（以下、皮膜付溶射基材とする）１７を示している。図３（Ａ）は皮膜付溶射基材１７の斜視図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。尚、図３（Ｂ）中の矢印は溶射工程での溶射材料（以下、混合溶滴とする）１８をプラズマ溶射する向きを示している。混合溶滴１８をプラズマ溶射する際の材料混合比は、連続的あるいは段階的に変化させながら実施する。受熱板１１側では１００％タングステン、ヒートシンク１２側では１００％銅となるように材料混合比を連続的あるいは段階的に皮膜肉厚方向に変化させながら受熱板１１となる傾斜溶射皮膜２０を成膜していく。図３（Ｂ）中の矢印の方向より混合溶滴１８をプラズマ溶射すると、プール型溶射基材１５の凹設した面（以下、上面とする）一面に混合溶滴１８が傾斜溶射皮膜２０として成膜される。溶射工程後は、図２に示されるプール型溶射基材１５は、図３に示される皮膜付溶射基材１７となる。
【００３５】
その次に、成形工程にて成形手段、例えば機械加工にて皮膜付溶射基材１７の周囲の凸部を冷却管１４の軸方向と平行に切断する。図４は、成形工程にて皮膜付溶射基材１７の周囲の凸部を切断する位置を破線で示している。この破線は皮膜付溶射基材１７の切断線２１を示す。図４によれば、切断位置は、プール型溶射基材１５の凹部１６の底面の端部よりも冷却管１４の中心軸方向側で切断を行っている。
【００３６】
さらに、冷却管１４の軸方向と垂直方向の面を冷却管１４を残して切断し、受熱板２に溝入れを行い、最終形態である図１の受熱機器１０に仕上げる。
【００３７】
核融合装置の受熱機器１０の製造方法は、製造着手前の溶射基材にプール型溶射基材１５を採用することで、溶射工程の際に、プール型溶射基材１５の凹部１６が傾斜溶射皮膜２０を成膜する際に周囲を覆う壁となる。つまり、プール型溶射基材１５と受熱板１１となる傾斜溶射皮膜２０との界面において、自由縁を作らずに傾斜溶射皮膜２０を成膜することが可能となる。さらに、タングステンおよび銅を混合した傾斜溶射皮膜２０を成膜する際にも、皮膜肉厚方向に材料混合比が連続的あるいは段階的に変化する界面において、自由縁を作らずに傾斜溶射皮膜２０を成膜することが可能となる。
【００３８】
また、溶射前処理工程において、予めプール型溶射基材１５の凹部１６の粗面化作業および酸化膜除去作業を実施することで、プール型溶射基材１５と傾斜溶射皮膜２０との密着力をさらに向上させることができる。
【００３９】
さらに、溶射工程の際に、プール型溶射基材１５の凹部１６において、プール型溶射基材１５と受熱板１１となる傾斜溶射皮膜２０の部分との界面において、小さな割れ等が発生していた場合であっても、成形工程では、プール型溶射基材１５の凹部１６の底面の端部よりも冷却管１４の中心軸方向側で切断するため、小さな割れ等が存在する部位ごと切断することができる。
【００４０】
本発明の第１実施形態によれば、プラズマ溶射中やプラズマ溶射後に、受熱板１１である傾斜溶射皮膜２０とヒートシンク１２である溶射基材との界面および異種材料を混合して行う溶射時の材料混合比が皮膜肉厚方向に連続的あるいは段階的に変化する界面において、傾斜溶射皮膜２０に割れや剥離の発生を抑制できる。従って、傾斜溶射皮膜２０より形成される受熱板１１の品質向上や信頼性向上を図ることができる。また、それぞれの界面からの剥離や割れが発生する事が無いため、受熱板１１である傾斜溶射皮膜２０を数ｍｍオーダで成膜でき、傾斜溶射皮膜２０の厚膜化が可能となる。さらに、広範囲にわたるプラズマ溶射が可能となるため、核融合装置受熱機器１０の製作コストを低減する事が可能となる。
【００４１】
一方、溶射工程後に受熱板１１となる溶射皮膜に小さな割れ等が発生していた場合であっても、成形工程にて小さな割れ等が存在する部位ごと切断してしまうため、最終寸法に加工した核融合装置の受熱機器１０では、受熱板１１の健全性を確保したまま核融合装置へ適用する事が可能となる。
【００４２】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態を図５〜図７を参照して説明する。
【００４３】
図５は、第２実施形態における核融合装置受熱機器１としてのプール型溶射基材２２を示す。図５（Ａ）はプール型溶射基材２２の斜視図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。また、図６は、第２実施形態における皮膜付溶射基材２３を示す。図６（Ａ）は、皮膜付溶射基材２３の斜視図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
【００４４】
第２実施形態の核融合装置受熱機器１においては、プール型溶射基材２２および皮膜付溶射基材２３の形状が第１実施形態と異なっているため、異なる符号を付し差別化を図る。また、プール型溶射基材２２および皮膜付溶射基材２３以外は第１実施形態と異ならないため、同一の構成部品については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００４５】
本実施形態において、プール型溶射基材２２の凹部２４は、底部から表面に向かって拡開するテーパ形状を有する皿状に設けられている。図２に示されるプール型溶射基材１７では、凹部１６は、例えば、方体形状に形成され、凹部１６の内側壁面は垂直となっているが、この実施形態では、垂直に限定されない。図５に示されるプール型溶射基材２２のように凹部２４をテーパ形状を有する皿状に設けてもよい。
【００４６】
また、図６に示される皮膜付溶射基材２３は、核融合装置の受熱機器１０を製造する際に、プール型溶射基材２２を製造基材として、溶射前処理作業、溶射作業を実施して、プール型溶射基材２２の上面に傾斜溶射皮膜２０Ｂが成膜されたプール型溶射基材２２である。そして、この皮膜付溶射基材２３を成形工程にて周囲の凸部を冷却管１４Ｂの軸方向に切断する。
【００４７】
図７は、成形工程にて皮膜付溶射基材２３の周囲の凸部を切断する位置を示している。尚、図７中の破線は切断線２１Ｂを示す。図７によれば、切断位置は、プール型溶射基材２３の凹部２４の底面の端部よりも冷却管１４Ｂの中心軸方向側で切断を行う。また、冷却管１４Ｂの軸方向と垂直方向の面を冷却管１４Ｂを残して切断し、受熱板２に溝入れを行い、最終形態である図１の受熱機器１０に仕上げる点は、第１実施形態と同様である。
【００４８】
一方、受熱機器１０の製造において、受熱機器１０の製造基材を図２に示されるプール型溶射基材１５と図５に示されるプール型溶射基材２２とを比較した場合、図５に示されるプール型溶射基材２２の方が溶射基材と溶射皮膜との密着力が向上している。従って、上述した実施形態よりも、割れや剥離の発生を抑制する事ができる。
【００４９】
以上のような第２実施形態では、第１実施形態と同様の作用および効果を実現する事が可能なため、第２実施形態における作用および効果についてはその説明を割愛する。
【００５０】
尚、本実施形態では溶射についてプラズマ溶射を例に説明してきた。しかし、溶射の種類はプラズマでなくても良い。ガス溶射、電気溶射等あらゆる溶射方法について適用が可能である。また、受熱板１１の材料としてタングステン、そしてヒートシンク１２の材料として銅を例に説明してきた。しかし、受熱板１１の材料およびヒートシンク１２の材料はこれらに限定しない。同様の機能を有する材料に置換しても良い。
【００５１】
さらに、核融合装置の受熱機器１０の最終形状は、図１に示される核融合装置の受熱機器１０に限定されない。溶射工程後の成形工程において、冷却管１４のある面を成形する際、第１実施形態を示すプール型溶射基材の凹部１６および第２実施形態を示すプール型溶射基材の凹部２４の周壁を形成するヒートシンク１２が受熱板１１となる傾斜溶射皮膜２０と切り離されていれば、部分切断または溝入れでも良い。
【００５２】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、溶射基材を凹設する事により、溶射基材と溶射皮膜の材料を用いた異種材料を混合した溶射において、溶射中や溶射後に、溶射皮膜と溶射基材との界面および材料混合比が変化する界面での割れや剥離の発生を抑制できる。また、受熱板を形成する際に、溶射基材の凹部において、溶射基材と溶射皮膜との界面付近に小さな割れ等が発生していた場合であっても、成形工程にて小さな割れ等が存在する部位ごと切断できる。従って、受熱板の健全性は確保され、受熱板の品質向上および信頼性向上を図ることができる。
【００５３】
さらに、溶射皮膜と溶射基材との界面および材料混合比が変化する界面において、剥離や割れが発生を抑制できるため、広範囲にわたり安定した溶射皮膜の成膜が可能となる。従って、受熱板である溶射皮膜を数ｍｍオーダに成膜する溶射皮膜の厚膜化および核融合装置受熱機器の製造コスト低減に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した核融合装置受熱機器の斜視図。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明に係る第１実施形態にて製造した核融合装置受熱機器において、製造着手前の製造基材の斜視図及びＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明に係る第１実施形態にて製造した核融合装置受熱機器において、溶射工程後の製造基材の斜視図及びＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図４】本発明に係る第１実施形態にて製造した核融合装置受熱機器の成形工程において、切断位置を示す製造基材の断面図。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明に係る第２実施形態にて製造した核融合装置受熱機器において、製造着手前の製造基材の斜視図及びＣ−Ｃ線に沿う断面図。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明に係る第２実施形態にて製造した核融合装置受熱機器において、溶射工程後の製造基材の斜視図及びＤ−Ｄ線に沿う断面図。
【図７】本発明に係る第２実施形態にて製造した核融合装置受熱機器の成形工程において、切断位置を示す製造基材の断面図。
【図８】一般的な核融合装置受熱機器の一例を示す斜視図。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の実施例を示す受熱板成膜前の核融合装置受熱機器の斜視図及びＥ−Ｅ線に沿う断面図。
【符号の説明】
１０  核融合装置受熱機器
１１  受熱板
１２  ヒートシンク
１４  冷却管
１５  プール型溶射基材
１６  プール型溶射基材の凹部
１７  皮膜付溶射基材
１８  混合溶滴
２０  傾斜溶射皮膜
２１  切断線
２２  プール型溶射基材
２３  皮膜付溶射基材
２４  プール型溶射基材の凹部
【図１】
0004045114.tif 000002
【図２】
0004045114.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004045114.tif 000009
【図９】
0004045114.tif 000010