令和３年度 自然科学研究機構 新技術説明会

銅及び銅合金の先進的ろう付接合法

自然科学研究機構 核融合科学研究所

准教授 時谷 政行
2022年 1月13日
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アルミナ分散強化銅と他の金属を，大面積で確実にリークタイト条件で接合
従来技術とその問題点

溶接機で溶接被接合金属⇒極めて困難．

新技術の特徴特許取得済
No. 6528257
No. 6606661

先進的ろう付接合法
被接合金属
ろう材(Ni‐P系)

アルミナ分散強化銅(ODS‐Cuなど)
2022/1/13, Masayuki Tokitani

アルミナ分散強化銅(ODS‐Cuなど)

被接合金属
真空熱処理

アルミナ分散強化銅(ODS‐Cuなど)
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「先進的ろう付接合」の接合原理
960˚C
860˚C
60min

10min

Natural coolingto 100 ˚C

N2 Gas cooling

断面電子顕微鏡像

被接合金属
被接合金属共晶反応

アルミナ分散強化銅 (ODS‐Cu) などI. Shoji et al., Surface Technol.，Vol.58, No.12, (2007) 133‐137

柔らかい層(~ 500 m)

Filler material (Ni‐P系ろう材)

タングステン(W)ODS‐Cu(GlidCop®)

5m

M. Tokitani et al., Nucl. Fusion 57 (2017) 076009.

1. Cu‐8%Pの共晶反応を利⽤して，ODS‐Cu表⾯溶融相を瞬間的に作り出す．
2. 溶融時間は極短時間であり，溶融深さは極浅い為，ODS‐Cu ⺟材特性を変えることなく直接接合が完了する．
2022/1/13, Masayuki Tokitani

3/21接合手順はシンプル(1) 組み付け(2) 接合熱処理
数百度

カーボン
バネ

数分

被接合金属
ろう材

アルミナ分散強化銅(ODS‐Cuなど)

数百度

100˚Cまで自然冷却数分

N2 Gas cooling

真空熱処理(3) 完成ステンレス鋼接合界面

アルミナ分散強化銅(ODS‐Cu)

2 mm

接合層10m

M. Tokitani et al., Journal of Nuclear Materials (2020), in press.
“Application of the Advanced Multi‐Step Brazing for fabrication of the high heat flux component”
https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152264

2022/1/13, Masayuki Tokitani

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アルミナ分散強化銅同士の接合も可能

5 mm
ODS‐CuODS‐CuODS‐CuODS‐Cuアルミナ分散強化銅(ODS‐Cuなど)

180 m

アルミナ分散強化銅(ODS‐Cuなど)

接合界面接合界面

電子顕微鏡像50 m
M. Tokitani et al., Fusion Engineering and Design 148 (2019) 111274.
“Leak tight joint procedures for ODS‐Cu/ODS‐Cu by the advanced brazing technique”
https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152264

2022/1/13, Masayuki Tokitani

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リークタイト接合接手の微細構造と強度① ODS‐Cu/ODS‐Cu
Bonding interface② SUS/ODS‐Cu

M. Tokitani et al., Fusion Eng. Des.
148 (2019) 111274.

Diffusion layer (Ni, P)

Bonding interface

5mm
ODS‐CuODS‐Cu(GlidCop®) (GlidCop®)(a) Three‐point bending test

400

ODS‐Cu(GlidCop®)

500

LoadCompression side

300
200

Tension side

10000.5%

Strain [%]SUSStress [MPa]Stress [MPa]500

Bonding layer

20 m180 m5mm
ODS‐Cu(GlidCop®)

M. Tokitani et al., J. Nucl. Mater.
538 (2020) 152264.

ODS‐Cu(GlidCop®) SUS(a) Three‐point bending test

400

ODS‐Cu(GlidCop®)
LoadCompression side

300200Tension side

100
02%

Strain [%] 空隙などの⽋陥の無い ODS‐Cu/ODS‐Cu and SUS/ODS‐Cu 接合部.
 ODS‐Cu/ODS‐Cu and SUS/ODS‐Cu双⽅の接⼿強度はODS‐Cu (GlidCop®)素材と同等.
 同じ熱処理を繰り返しても接合部微細構造と強度が変化しないことを確認.
2022/1/13, Masayuki Tokitani

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ろう付なのに，「繰り返し接合熱処理が可能」
先進多段階ろう付接合法： Advanced Multi‐Step Brazing (AMSB) を開発 (発明)① ODS‐Cu/ODS‐Cu② SUS/ODS‐Cu

特許取得済:
No. 6528257
No. 6606661

機械加工

パイプの溶接③ W/ODS‐Cu

超高熱流対向機器の製造例
ODS‐CuWODS‐Cu③ 先進的ろう付接合
鉄鋼材料① 先進的ろう付接合② 先進的ろう付接合

M. Tokitani et al., Nucl. Fusion 61 (2021) 046016.

パイプの溶接複雑な冷却流路を有するヒートシンクを製造可能とする．
2022/1/13, Masayuki Tokitani

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AMSBによる小型受熱機器試験体の製造実証試験
ODS‐Cu504180M. Tokitani et al., J. Nucl. Mater. 538 (2020) 152264.

小型受熱機器試験体
完成写真

3315SUS(1)  (2)の順にろう付

ODS‐Cu(1) ODS‐Cu/ODS‐Cu(2) SUS/ODS‐Cu(1)，(2)の接合完了

W

機械加工で必要な形に成形
2022/1/13, Masayuki Tokitani(3) 最後にタングステン(W)をろう付特許取得済:
No. 6528257
No. 6606661

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AMSB による “新構造受熱機器” の製造
従来の冷却構造 理想的冷却構造(1) 矩形の冷却流路

T. Tsuneyoshi et al.,
JSFM 2015, C11‐1.

 ガスタービンブレードの冷却構造等で応用されている．
 V型リブ構造により冷却流路内に旋回流を生成．

WW
Cu alloy

Coolant
Cu alloy(2) V型スタッガードリブ構造

Coolant

Coolant“新構造受熱機器”
M. Tokitani et al., Nucl. Fusion 61 (2021) 046016.

Longitudinal cross‐section

Leak tight sealing“先進的ろう付接合”
is requiredを適用
WCoolant【問題】
従来の接合法では製造は困難

2022/1/13, Masayuki Tokitani

V‐shaped staggered ribstructure

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AMSB による新構造受熱機器の製造（１）① ODS‐Cu/ODS‐Cu② SUS/ODS‐Cu③ W/ODS‐CuMachining

Type IODS‐Cu

W

W

5 mm

(3)

BNi‐6(1)ODS‐Cu(2)
BNi‐6SUS pipe welding

3 mm

6 mm

SUS

① 先進的ろう付SUS② 先進的ろう付

特許取得済
No. 6528257
No. 6606661③ 先進的ろう付パイプの溶接Three‐step brazing

新構造受熱機器の開発に成功
2022/1/13, Masayuki Tokitani

M. Tokitani et al., Nucl. Fusion 61 (2021) 046016.

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AMSB による新構造受熱機器の製造（２）① GlidCop®/GlidCop®

② SUS/GliCop®

③ W/GlidCop®

Machining

省略

SUS pipe weldingWW(3)
BNi‐63 mm

GlidCop®

5 mm

ODS‐Cu
6 mm

SUS

(2)
BNi‐6SUS~2.0 mm② 先進的ろう付

特許取得済
No. 6528257
No. 6606661③ 先進的ろう付Two‐step brazing

パイプの溶接~3.5 mm

狭い接合代 (~3.5 mm)+ 中間壁構造

新構造 (micro stand edge)

新構造受熱機器の開発に成功
2022/1/13, Masayuki Tokitani

M. Tokitani et al., Nucl. Fusion 61 (2021) 046016.

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優位性を生かした性能を発揮：30MW/m2の定常除熱に成功
 AMSB新構造受熱機器(t=5mm)CH2,5,8CH3,6,91 mm

GlidCop®
SUS（１）矩形の冷却流路（２）V型スタッガードリブ構造

Rectangular shapefluid flow path

冷却水
速度分布：
Velocity u[m/s]27

Temperature [C]W

V‐shaped staggered
M. Tokitani et al., Nucl. Fusion 61 (2021) 046016.
rib structure
CH1,4,72.5 mm

1200

800
600

15 L/min (6.9m/s)
Experiment
Simulation
ANSYS (CFX)

W

400
200
0051015202530

Heat load [MW/m2]

5

冷却水が沸騰しても問題ない．
沸騰を気にしなくてよい．

‐6‐172022/1/13, Masayuki Tokitani

CH4CH5CH6CH4CH5CH61000

16Type II

Pin: 0.52 MPa
Pout: 0.24 MPa

CH positions(T.C.)
5 468 792 1

極めて高い除熱性能を有する

3

Heat loading area
(20 mm×36 mm)「新構造受熱機器」
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※現時点では構想段階
アルミナ分散強化銅(ODS‐Cu)

想定される用途（１）
極限まで小型化

ステンレス鋼(SUS)~50 mm先進的ろう付接合

応用例

エンジンルーム内の冷却
V型スタッガードリブ構造
2022/1/13, Masayuki Tokitani

冷却水が沸騰しても問題ない．
沸騰を気にしなくてよい．

高性能コンピュータの冷却

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※現時点では構想段階想定される用途（２）

鉄鋼あるいは非鉄金属製造分野の想定例

連続鋳造⽤
モールド冷却板
https://ja.wikipedia.org/wiki/連続鋳造

高エネルギー加速器分野の想定例

https://www.kinzoku.co.jp/

⾼エネルギー加速器
ターゲット

本技術を⽤いればアルミナ分散強化銅(ODS-Cu: GlidCop®など)での製造が可能となり，冷却機器の⾼性能化が期待される．
2022/1/13, Masayuki Tokitani

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各種銅接合試験体 UT結果
無酸素銅/無酸素銅

無酸素銅/SUS

無酸素銅/フェライト鋼

タフピッチ銅/SUS

無酸素銅/ODS‐Cu

無酸素銅/タングステン

無酸素銅/イリジウム

リン脱酸銅/SUS

2022/1/13, Masayuki Tokitani

全ての組み合わせにおいて⾼い接合⾯積率を確認．

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実⽤化に向けた課題
 アルミナ分散強化銅に対する接合特性について特に課題は見当たらない．一方で，その他の銅については接合特性の更なる改善が望まれる．
 開発されたばかりの技術であり，認知度が低い．

2022/1/13, Masayuki Tokitani

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実⽤化へのアプローチ（例）(A) 先進多段階ろう付接合法(AMSB)による機器製造最適化パラメータ• ろう材厚さ• 接合時圧縮荷重• 熱処理温度

流路試験体

⾼温真空熱処理炉(核融合科学研究所)
V型リブ付き冷却流路(E) 電⼦ビーム熱負荷試験
計測ポー
ト

単純接合試験体

真空容器保護⽤冷却輻射シールド

試験体(B) 各種接合試験体の機械的特性評価と微細組織観察
曲げ試験・硬さ試験

冷却ビームリミタ

Load

Load

観察位置

観察位置

FIBナノ加⼯，TEM観察

冷却⽔
Deposition
film

FIB

Micro
Probe

Micro
Probe

Fix

Micro
Probe

FIB

真空ポンプ

(D) 有限要素法による熱・応⼒解析Temperature [˚C]
1513
1363
1213
1064
914
764
614
464
315
165
152022/1/13, Masayuki Tokitani~50 mmTemperature [˚C]
1037
925
812
700
587
474
362
249
137
30 MW/m2
24heat loading area(C) 超微細加⼯技術の確⽴

企業と連携を期待W (t = 5 mm)Heat sink (Cu)

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企業への期待 これまで接合が困難とされていたアルミナ分散強化銅(ODS‐Cu)を異種金属に接合できることが特に強みである．
 接点材料や除熱機器等の高性能化やコストダウン等のニーズがあれば共同研究から始めさせていただきたい．

2022/1/13, Masayuki Tokitani

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本技術に関する知的財産権
1. アルミナ分散強化銅のろう付接合方法
出願番号：特願2018-137392，出願日：平成30年7月23日
公開番号：特開2020-15046，公開日：令和2年1月30日
特許第6528257号，登録日：令和1年5月24日
出願人：自然科学研究機構
発明者：時谷政行

2. アルミナ分散強化銅のろう付接合方法
出願番号：特願2019-77877，出願日：平成31年4月16日
公開番号：特開2020-175404，公開日：令和2年10月29日特許第6606661号，登録日：令和1年11月1日
出願人：自然科学研究機構
発明者：時谷政行

3. 銅および銅合金のろう付接合方法

2022/1/13, Masayuki Tokitani

出願番号：特願2020- 68891，出願日：令和2年4月7日
公開番号：特開2021-164934，公開日：令和3年10月14日
特許第6852927号，登録日：令和3年3月15日
出願人：自然科学研究機構
発明者：時谷政行

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産学連携の経歴
2018年12月～2019年6月
機器製造メーカー１社と共同研究を実施
銅及び銅合金の先進的ろう付接合法に関連する研究課題

その他数社と技術打合せを実施した経緯あり．

2022/1/13, Masayuki Tokitani

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お問い合わせ先
自然科学研究機構事務局企画連携課
ＴＥＬ ０３－５４２５－１３１６
ＦＡＸ ０３－５４２５－２０４９
e-mail nins-sangaku＠nins.jp
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