JPS6354994B2 - - Google Patents

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JPS6354994B2
JPS6354994B2 JP11154384A JP11154384A JPS6354994B2 JP S6354994 B2 JPS6354994 B2 JP S6354994B2 JP 11154384 A JP11154384 A JP 11154384A JP 11154384 A JP11154384 A JP 11154384A JP S6354994 B2 JPS6354994 B2 JP S6354994B2
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JP
Japan
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metal member
ceramic
hollow metal
ceramics
metal frame
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Application number
JP11154384A
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Japanese (ja)
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JPS60256787A (en
Inventor
Hisanobu Okamura
Rikuo Kamoshita
Hiroshi Akyama
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、新規なセラミツクススタイルを内張
りした炉壁体及びその製造方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a furnace wall lined with a novel ceramic style and a method for manufacturing the same.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

近年、各種フアインセラミツクスが開発され、
工業製品への実用化が進められている。特に、セ
ラミツクスは、耐熱性、耐腐食性、耐薬品性等の
面において優れており、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、セラミツクスを熱的負荷が
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ツクスであつても熱
的損傷を受け、定期的な補修又は交換を必要とす
る。従つて、セラミツ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
セラミツクスを冶金的に接合し、セラミツクスを
強制的に冷却することが望ましい。
In recent years, various fine ceramics have been developed,
Practical application to industrial products is progressing. In particular, ceramics are excellent in terms of heat resistance, corrosion resistance, chemical resistance, etc. Typical fields of use that take advantage of these strengths include various types of nuclear power equipment, nuclear fusion devices, thermal power, chemical equipment, etc. The furnace wall of the device is being considered. However, when ceramics are used for the furnace wall of a high-temperature section that is subject to a large thermal load, no matter how excellent the heat resistance of ceramics, they are subject to thermal damage and require periodic repair or replacement. . Therefore, in order to thermally protect ceramics and extend their service life, it is desirable to metallurgically bond the ceramics to a metal body having a cooling structure and forcibly cool the ceramics.

従来、セラミツ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、特に熱膨張係数が大
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、セラミツク
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り、セラミツ
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つた。そこで、セラミツク
スの熱応力破壊を防止する方法として、従来はセ
ラミツクスと金属とを接合する場合に、セラミツ
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、フアニー鋼等の熱応力緩衝
材を介して行なつている。また、この熱応力緩衝
材としては、タングステンやモリブデン等の金属
繊維と金属マトリツクス、又は炭素繊維等の無機
質からなる繊維と金属マトリツクスとの複合材を
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42Ni合金体を、特願昭58―
37598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、セラミツクスと金属とを接合
することが示されている。
Conventionally, when ceramics and metals are joined metallurgically, the physical properties of the two, especially the coefficient of thermal expansion, are significantly different, so thermal stress is generated during the joining process or under use conditions under thermal load, causing the ceramics or the joined Thermal stress fracture occurs in the area. This problem becomes more pronounced as the metal body becomes larger, and it has been extremely difficult to bond ceramics to a large metal frame such as a furnace wall. Therefore, as a method to prevent thermal stress fracture of ceramics, when joining ceramics and metals, conventional methods have been used to
This is done through thermal stress buffering materials such as Mo, W, Kovar, and Fannie steel. Further, as the thermal stress buffering material, there are examples of using a composite material of a metal fiber such as tungsten or molybdenum and a metal matrix, or a composite material of an inorganic fiber such as carbon fiber and a metal matrix. For example, Kovar or 42Ni alloy bodies are used in Japanese Patent Application Laid-open No. 176182/1982.
No. 37598 describes the use of a composite material of carbon fiber and copper as a thermal stress buffer to bond ceramics and metal.

しかし、このような従来の方法によるセラミツ
クスと金属との接合体は、大きさに限界があり、
大面積の炉壁体を得ることが極めて困難であつ
た。しかも、高い熱的負荷を受ける使用条件下に
おいては、セラミツクス又は接合部に破壊が生じ
やすく、100℃程度が使用限界となつており、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ツ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ツク
スを接合することが極めて困難であつた。なお、
セラミツクスの熱応力破壊を防止するため、セラ
ミツ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、セラミツクスの冷却
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。
However, the size of the bonded body of ceramics and metal created using this conventional method is limited.
It was extremely difficult to obtain a furnace wall with a large area. Moreover, under conditions of use where high thermal loads are applied, the ceramics or joints are likely to break, and the limit of use is about 100°C, limiting the conditions of use. Furthermore, when a composite material of carbon fiber and copper is used as a thermal stress buffer material and ceramics and metal are bonded via this composite material, pressure is required in the bonding process, so a large surface area is required. It was extremely difficult to bond multiple pieces of ceramic to a metal frame. In addition,
In order to prevent thermal stress fracture of ceramics, there is a method of reducing the bonding area between ceramics and metal. However, this method has the disadvantage that the cooling effect of ceramics is reduced and it cannot be used in areas subject to large thermal loads.

一方、冷却構造を有する金属体にセラミツクス
を接合してセラミツクスを強制冷却する場合には
金属体がSUS304等の熱伝導率の小さいときは、
冷却効果が十分でなく、セラミツクスに熱損傷を
与えるため、セラミツクスの冷却効果を高める方
法の開発が望まれていた。
On the other hand, when bonding ceramics to a metal body with a cooling structure and forcibly cooling the ceramics, if the metal body has a low thermal conductivity such as SUS304,
Since the cooling effect is not sufficient and causes thermal damage to ceramics, it has been desired to develop a method to increase the cooling effect of ceramics.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、大型金属枠体にセラミツクスを接合
した場合においても、セラミツクス及び接合部の
熱応力破壊を防止することができるセラミツクス
貼り炉壁体及びその製造方法を提供することを目
的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a ceramic furnace wall body and a method for manufacturing the same, which can prevent thermal stress fracture of the ceramic and the joint even when the ceramic is bonded to a large metal frame.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、中空金属部材の一端側にセラミツク
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り、大型金属枠体と
セラミツクス板との熱膨張係数の相異に基づく熱
応力を小さくし、熱応力破壊を防止できるように
構成したものである。
In the present invention, by joining a ceramic plate to one end of a hollow metal member and joining a large metal frame to the other end of the hollow metal member, the coefficients of thermal expansion of the large metal frame and the ceramic plate are matched. The structure is designed to reduce thermal stress caused by thermal stress and prevent thermal stress fracture.

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ツクス板
との中間の熱膨張係数を有する中間体を介してセ
ラミツクス板を接合し、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。
In addition, in order to obtain the above-mentioned furnace wall body, a ceramic plate is joined to one end side of the hollow metal member via an intermediate having a coefficient of thermal expansion between that of the hollow metal member and the ceramic plate, and then The structure is such that a large metal frame is joined to the other end of the metal member.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

本発明に係るセラミツクス貼り炉壁体及びその
製造方法の好ましい実施例を、添付図面に従つて
詳説する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a ceramic furnace wall body and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

第1図は、本発明に係るセラミツクス貼り炉壁
体の実施例の断面図である。第1図において、炉
壁体10は、内面となる部分にタイル状をなすセ
ラミツクス12が配設され、このセラミツクス1
2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ツクス12とほぼ同じにな
つており、中空金属部材16とセラミツクス12
との中間の熱膨張係数を有していて、中空金属部
材16とセラミツクス12との熱膨張係数の相異
に基づく、熱応力の減少を図つている。また、中
空金属部材16は、外径寸法がセラミツクス12
の縦又は横方向寸法より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1
8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により大型金属枠体20と冶金的に接合
している。
FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of a ceramic-bonded furnace wall according to the present invention. In FIG. 1, a furnace wall 10 is provided with tile-shaped ceramics 12 on its inner surface.
2 is metallurgically joined to a hollow metal member 16 via an intermediate body 14. The intermediate body 14 has almost the same dimensions in the vertical and horizontal directions as the ceramics 12, and the hollow metal member 16 and the ceramics 12
It has a thermal expansion coefficient intermediate between the hollow metal member 16 and the ceramic 12 to reduce thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the hollow metal member 16 and the ceramic 12. Further, the hollow metal member 16 has an outer diameter that is similar to that of the ceramic 12.
It is formed into a ring shape that is slightly smaller than the vertical or horizontal dimension of the
It has 8. The small diameter portion 18 is inserted into a joining hole drilled in the large metal frame 20, and is metallurgically joined to the large metal frame 20 by a joining portion 22.

金属枠体20には、金属板24が冶金的に又は
機械的に接合してある。この金属板24は、凸部
26により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り冷却材
流路28を形成している。このため、中空金属部
材16に形成してある中空部30は、冷却材流路
28と連通している。なお、各セラミツクス12
は、相互に微小間隙31を有して中間体14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。
A metal plate 24 is metallurgically or mechanically joined to the metal frame 20. This metal plate 24 has several grooves formed by the convex portions 26, and the convex portions 26
A coolant flow path 28 is formed by joining the large metal frame 20 to the large metal frame 20. Therefore, the hollow portion 30 formed in the hollow metal member 16 communicates with the coolant flow path 28 . In addition, each ceramics 12
are joined to the large metal frame via the intermediate body 14 and the hollow metal member 16 with a minute gap 31 between them, thereby preventing thermal stress fracture due to differences in thermal expansion.

上記の如く構成した炉壁体10は、セラミツク
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、セラミツク
ス12と大型金属枠体20が直接接合されず、セ
ラミツクス12の接合面積が極めて小さくなる。
このため、セラミツクス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
ラミツクス12にかかる熱応力は極めて小さく、
セラミツクス12の熱応力破壊が生じない。しか
も、中空金属部材16の中空部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ツクス12を強制的に効
率よく冷却できる。このため、セラミツクス表面
に大きな熱負荷を与えた場合でもセラミツクス1
2の熱的損傷を防止することができる。なお、冷
却材流路28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。
In the furnace wall body 10 configured as described above, since the ceramic 12 and the large metal frame 20 are joined via the hollow metal member 16, the ceramic 12 and the large metal frame 20 are not directly joined. The bonding area of the ceramics 12 becomes extremely small.
For this reason, the ceramics 12 is attached to the large metal frame 20.
Even when a plurality of ceramics 12 are joined in the form of tiles, the thermal stress applied to the ceramics 12 is extremely small.
Thermal stress failure of the ceramics 12 does not occur. Furthermore, since the hollow portion 30 of the hollow metal member 16 and the coolant flow path 38 are in communication, the ceramics 12 can be forcedly and efficiently cooled by the coolant flowing through the coolant flow path 28. Therefore, even when a large heat load is applied to the ceramic surface, the ceramic 1
2 thermal damage can be prevented. Note that the coolant flow path 28 can be easily formed by joining the protrusions 26 of the metal plate 24 to the large metal frame 20.

第3図は、セラミツクス12と中空金属部材1
6との接合状態を示す斜視図である。セラミツク
ス12と中空金属部材16との接合は、前記した
如くセラミツクス12と中空金属部材16との中
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。セラミツクス12と中間体14
との接合は、セラミツクス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
して接合してある。なお、中空金属部材16は、
外径寸法をセラミツクス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2
0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。
FIG. 3 shows ceramics 12 and hollow metal member 1.
6 is a perspective view showing a joined state with 6. FIG. It is preferable that the ceramic 12 and the hollow metal member 16 be joined via the intermediate body 14 having a coefficient of thermal expansion between those of the ceramic 12 and the hollow metal member 16, as described above. Ceramics 12 and intermediates 14
The surface of the ceramic 12 can be metalized in advance, and the bonding can be performed using a brazing material 32 such as silver solder. Further, the intermediate body 14 and the hollow metal member 16 are joined via a brazing material 34 as shown in FIG. Note that the hollow metal member 16 is
By making the outer diameter slightly smaller than the vertical and horizontal dimensions of the ceramics 12, the joint 22 shown in FIG. 1 can be made larger, and the large metal frame 2
The bonding strength with 0 can be improved. It is desirable that the hollow metal member 16 has a wall thickness as thin as possible in order to reduce thermal stress. Furthermore, if the hollow metal member 16 is formed to have an integral bottom part 36 so that the hollow part 30 is a bottomed hole as shown in FIG. Coolant leakage can be completely prevented.

中空金属部材は筒状が好ましく、特に円筒状が
好ましい。
The hollow metal member preferably has a cylindrical shape, particularly preferably a cylindrical shape.

一方、中間体14は、炭素繊維と銅との複合材
により構成するとよい。この複合材は、フアニー
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14に使用する前記
複体は、熱膨張係数がセラミツクス12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、セラミツクス12に生ずる熱応力をより一
層小さくすることができる。
On the other hand, the intermediate body 14 is preferably made of a composite material of carbon fiber and copper. This composite material has a higher thermal conductivity than Fannie steel, Kovar, etc., so it can have a much greater cooling effect than conventional materials. The composite body used for the intermediate body 14 has a coefficient of thermal expansion that is changed continuously or stepwise in the thickness direction so that it is small on the ceramic 12 side and large on the hollow metal member 16 side. Thermal stress generated in the ceramics 12 can be further reduced.

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次元的に織つた後、高
温で焼成することにより得ることができる。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り、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、
炭素繊維の体積%が異なる複合材を、2層以上積
層することにより得ることができる。
A composite material of carbon fiber and copper can be obtained by bundling a plurality of copper-coated carbon fibers, weaving them two-dimensionally, and then firing them at a high temperature. The coefficient of thermal expansion of the composite material can be changed by changing the thickness of the copper coating covering the carbon fibers. When changing the thermal expansion coefficient of the intermediate body 14 continuously or stepwise in the thickness direction,
It can be obtained by laminating two or more layers of composite materials having different volume percentages of carbon fibers.

中間体14の熱膨張係数は、SiC、Si3N4等の
非酸化物系セラミツクスをSUS又は銅等に接合
する場合、4〜12×10-6/℃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、セラミツクス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
7〜8×103Kg/mm2、熱伝導率は0.4〜0.5cal/
cm・s・℃である。
When bonding non-oxide ceramics such as SiC or Si 3 N 4 to SUS or copper, the thermal expansion coefficient of the intermediate 14 is set at 4 to 12 × 10 -6 /°C continuously or in stages. Preferably something that is changing. In such an intermediate body 14, the volume of carbon fibers in the composite material is 50% in the first layer on the ceramics 12 side.
This can be obtained by stacking the layers such that the amount is 60% in the second layer, 40 to 50% in the second layer, and 30 to 40% in the third layer on the hollow metal member 16 side. The composite thus obtained has a longitudinal elastic modulus of 7 to 8 x 10 3 Kg/mm 2 and a thermal conductivity of 0.4 to 0.5 cal/mm 2 at room temperature.
cm・s・℃.

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構成されて
いるため、セラミツクス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5Kg/cm2以上の圧力を加えて行うことが望まし
い。従つて、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
中間体14と同寸法の底部36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ツクス1
2の表面をメタライズした後、約5Kg/cm2以上の
圧力を加えながら、ろう材32,34によりセラ
ミツクス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。
When the intermediate body 14 is the composite material, since the composite material is constructed by laminating carbon fibers coated with copper, the ceramic 12 and the hollow metal member 16
When joining these through the intermediate body 14, it is desirable to apply a pressure of 5 kg/cm 2 or more to the entire body. Therefore, when a composite material is used for the intermediate body 14, it is desirable that the hollow metal member 16 has a bottom portion 36 having the same dimensions as the intermediate body 14 as shown in FIG. In this case as well, the ceramics 1
After metallizing the surface of the ceramic 12 and the hollow metal member 16, the intermediate 14 is bonded to the ceramic 12 and the hollow metal member 16 using the brazing filler metals 32 and 34 while applying a pressure of about 5 kg/cm 2 or more.
It can be joined via.

なお、セラミツクス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
り形成することが最も望ましい。さらに、セラミ
ツクス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
〜40wt%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
熱することにより、容易に行うことができる。
Note that, in order to enhance the cooling effect of the ceramics 12, it is most desirable that the hollow metal member 14 be formed of copper or a copper alloy, or aluminum or an aluminum alloy. Further, the ceramic 12 is desirably a SiC sintered body having a relatively high thermal conductivity. The bonding between this SiC and the intermediate is 30
This can be easily done by interposing an alloy foil consisting of ~40wt% manganese and the balance copper between SiC and the intermediate, and heating it to the melting point of the alloy foil while pressurizing in an argon atmosphere. .

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2
0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。従つて、セラミツクス12は、中空
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ツクス
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に多数のセラミツ
クス12を破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、セラミツクス12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
セラミツクス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り、セラミツクス12
と中空金属部材16との接合と、中空金属部材1
6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を介してセラミツクス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ことが望まし
い。この局部的な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、熱的歪を最も少なくできる点
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
源によつて局部的なろう付によつても接合が可能
である。
The hollow metal member 16 and the large metal frame 20 are joined together after the hollow metal member 16 is inserted into a joining hole formed in the large metal frame 20, as shown in FIG. Then, the hollow metal member 16 and the large metal frame 2
0 is performed by forming a joint portion 22 at the small diameter portion 18 at the end of the hollow metal member 16. Therefore, the ceramic 12 is bonded to the large metal frame 20 via the hollow metal member 16, and the end of the ceramic 12 where the thermal stress is greatest is not directly bonded to the large metal frame 20. A large number of ceramics 12 can be joined to a large metal frame 20 in the form of tiles without destroying them. The hollow metal member 16 and the large metal frame 20 can be joined together by brazing or the like when the ceramic 12 is joined to the hollow metal member 16. However, when the intermediate body 14 is a composite of carbon fiber and copper, it is necessary to apply pressure to join the ceramic 12 and the hollow metal member 16 through the composite.
and the hollow metal member 16, and the hollow metal member 1
6 and the large metal frame 20 at the same time is extremely difficult. Therefore, in such a case, the ceramic 12 is connected via the intermediate 14.
After joining the hollow metal member 16 and the hollow metal member 16, it is desirable to join the hollow metal member 16 and the large metal frame 20 by a fusion joining method that allows local heating. For this fusion bonding method using local heating, it is preferable to use an arc, plasma, electron beam, laser, etc. as the heat source, and it is most preferable to use an electron beam or laser as the heat source because thermal distortion can be minimized. . Further, joining can also be performed by local brazing using a heat source capable of local heating.

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の周囲に沿つて接合部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にあつては、微小間隙31がセラミツ
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り、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。
FIG. 8 shows a state in which the hollow metal member 16 and the large metal frame 20 are joined using the electron beam 38. The electron beam 38 is rotated in a circular manner to form a joint 22 around the circumference of the hollow metal member 16 . In the case of the furnace wall body 10 shown in FIG. 8, the minute gap 31 is not formed linearly in the thickness direction of the ceramic 12, but has a bent portion 40. By forming the bent portion 40 in the minute gap 31 in this way, it is possible to reduce the leakage of heat inside the furnace to the outside, and it is possible to improve the thermal efficiency of the furnace. Furthermore, when radiation is generated within the reactor, leakage of radiation is reduced and safety can be improved. Note that when the minute gap 31 is linear, leakage of heat and radiation can be reduced by filling the minute gap.

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26が嵌入する溝42が形成してあ
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り、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4
2は、第1図又は第7図に示した大型金属枠体2
0にコ字状の金属部材を取り付けて形成してもよ
い。
Furthermore, in the embodiment shown in FIG. 8, a groove 42 into which the convex portion 26 of the metal plate 24 fits is formed at the joint portion of the large metal frame 20 with the metal plate 26. By fitting the convex portion 26 of the metal plate 24 into the groove 42 in this manner, the coolant flow path 28 can be reliably formed at a predetermined position. In addition, groove 4
2 is the large metal frame 2 shown in FIG. 1 or FIG.
It may be formed by attaching a U-shaped metal member to 0.

具体的実施例 セラミツクス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ツクス貼
り炉壁体を作成した。
Specific Example The following ceramic-covered furnace wall body was created using a SiC sintered body containing about 2% BeO as the ceramic 12.

SiC焼結体は、50mm×50mm×10mm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を有しており底部36の
寸法はセラミツクスと同じ50mm×50mmで、厚さが
1mmである。中空金属部材16のリング部の外径
は45mm、内径は43mm、高さは4mmである。中間体
14は、炭素繊維と銅との複合材であつて、炭素
繊維の体積が35%で厚さ1mmのものと、炭素繊維
の体積が45%で厚さ1mmのものをそれぞれ高温に
おいて積層し、厚さ2mmの複合材とした。熱膨張
係数は前者が10×10-6/℃、後者が6×10-6/℃
である。また、熱伝導率は、積層した状態におい
て約0.5cal/cm・s・℃である。大型金属枠体2
0は、500mm×500mm×8mmのSUS304を用い、こ
れに中空金属部材16が挿入される側の直径が
45.2mm、金属板24に面する側の直径が37mmの段
付孔を00個穿設した。
The SiC sintered body is a tile-shaped plate measuring 50 mm x 50 mm x 10 mm. The hollow metal member 16 has a bottom part 36 manufactured by machining from copper, and the dimensions of the bottom part 36 are 50 mm x 50 mm, which are the same as those of ceramics, and the thickness is 1 mm. The ring portion of the hollow metal member 16 has an outer diameter of 45 mm, an inner diameter of 43 mm, and a height of 4 mm. The intermediate body 14 is a composite material of carbon fiber and copper, and a material with a volume of carbon fiber of 35% and a thickness of 1 mm and a material with a volume of carbon fiber of 45% and a thickness of 1 mm are laminated at high temperature. Then, it was made into a composite material with a thickness of 2 mm. The thermal expansion coefficient is 10×10 -6 /℃ for the former and 6×10 -6 /℃ for the latter.
It is. Further, the thermal conductivity is approximately 0.5 cal/cm·s·°C in a laminated state. Large metal frame 2
0 uses SUS304 of 500 mm x 500 mm x 8 mm, and the diameter of the side where the hollow metal member 16 is inserted is
00 stepped holes having a diameter of 45.2 mm and a diameter of 37 mm on the side facing the metal plate 24 were bored.

SiC焼結体(セラミツクス板12)と中空金属
部材16との接合は、第5図に示す如くSiC焼結
体と中間体14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50μmのろう材を介し、ア
ルゴン雰囲気内で5Kg/cm2で加圧しながら、高周
波加熱により880℃まで加熱し、約1秒間保持し
た後、自然冷却した。
The SiC sintered body (ceramics plate 12) and the hollow metal member 16 are joined between the SiC sintered body and the intermediate body 14 and between the intermediate body 14 and the hollow metal member 16, as shown in FIG. Each was heated to 880℃ by high-frequency heating through a 50μm brazing filler metal consisting of 40wt% manganese and the balance copper, under pressure of 5Kg/cm 2 in an argon atmosphere, held for about 1 second, and then naturally cooled. did.

次に、上記の方法によりタイル状のSiC焼結体
が冶金的に接合してある中空金属部材16を、大
型金属枠体20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
きるかぎり中空金属部材16の先端部だけ溶融し
て大型金属枠体20に接するように、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3mmのSUS30
4の金属板24をボルトにより固定し、冷却材流
路28を備えたセラミツクス貼り炉壁体10を形
成した。
Next, 100 hollow metal members 16 in which tile-shaped SiC sintered bodies are metallurgically bonded by the above method are inserted into the holes of the large metal frame 20, and from the side opposite to the SiC sintered bodies, Electron beam 38 formed metallurgical joint 22 . At this time, the large metal frame 20
was fixed, and the electron beam 38 was rotated in a circular shape by a magnetic field to perform bonding. Further, the irradiation position of the electron beam 38 was adjusted so that only the tip of the hollow metal member 16 was melted as much as possible and brought into contact with the large metal frame 20. After that, the large metal frame 20 is made of SUS30 with a thickness of 3 mm and has a protrusion 26 as shown in FIG.
The metal plates 24 of No. 4 were fixed with bolts to form a ceramic-covered furnace wall body 10 having a coolant flow path 28.

前記方法により得られたセラミツクス貼り炉壁
体の熱的損傷を調べるため、セラミツクス表面に
800W/cm2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8
/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600℃、接合部は約300℃にな
つたが、セラミツクス及び接合部の破壊は全く認
められなかつた。
In order to investigate thermal damage to the ceramic-bonded furnace wall obtained by the above method, the ceramic surface was
Plasma heat of 800 W/cm 2 was irradiated 1000 times with a cycle of 100 seconds. In this case, the coolant flow path 28 is
/ minutes of water was flushed. As a result of this test, the surface temperature of the SiC sintered body was about 600°C, and the temperature of the joint was about 300°C, but no destruction of the ceramics or the joint was observed.

なお、従来の大型金属枠体とセラミツクスとを
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80W/cm2程度であつたのを、本
実施例の如く構成することにより大幅に向上する
ことができる。また、従来は10mm×10mm程度のセ
ラミツクスを貼つたものしか作ることができなか
つたが、本発明により、10mm角以上のセラミツク
スでも大型金属枠体に複数個のセラミツクスを貼
ることができる。
In addition, when a conventional large metal frame and ceramics are mechanically joined by shrink fitting, the limit of plasma heat applied is about 80 W/cm 2 , but with the construction as in this example. This can significantly improve performance. In addition, conventionally it was only possible to make ceramics with a size of about 10 mm x 10 mm, but with the present invention, it is possible to attach a plurality of ceramics to a large metal frame, even if the ceramics are 10 mm square or more.

なお、前記した500mm×500mmの大型金属枠体2
0に、50mm×50mm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、10m2
のセラミツクス貼り炉壁体にしてMHD発電用核
融合装置の炉壁体とすることができた。
In addition, the large metal frame 2 of 500 mm x 500 mm described above
0, 100 SiC sintered bodies of 50 mm x 50 mm were bonded together to create 40 pieces with coolant flow channels 28, and the area was 10 m 2
We were able to use the ceramic-covered furnace wall as the furnace wall of a nuclear fusion device for MHD power generation.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

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ツクス及び接合部の
熱応力破壊を防止することができる。
As explained above, according to the present invention, it is possible to prevent thermal stress fracture of ceramics and the joint portion when joined to a large metal frame.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明に係るセラミツクス貼り炉壁体
の実施例の断面図であつて第2図の―線に沿
う断面図、第2図は本発明に係るセラミツクス貼
り炉壁体の一部を切り欠いた斜視図、第3図はセ
ラミツ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―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図はセラミツ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
の接合方法示す断面図、第8図は本発明に係るセ
ラミツクス貼り炉壁体の他の実施例を示す断面図
である。 10…炉壁体、12…セラミツクス、14…中
間体、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。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of the ceramic furnace wall body according to the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line - in FIG. 2, and FIG. 2 shows a part of the ceramic furnace wall body according to the present invention. A cutaway perspective view, FIG. 3 is a perspective view showing a bonded state of ceramics and a hollow metal member, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line - in FIG. 3.
Fig. 5 is a sectional view showing another embodiment of the hollow metal member, Fig. 6 is a perspective view showing the state in which the hollow metal member bonded with ceramics is inserted into the bonding hole of the large metal frame, and Fig. 7 is the hollow metal member. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a method of joining a metal member and a large metal frame, and FIG. 8 is a cross-sectional view showing another embodiment of the ceramic-bonded furnace wall according to the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Furnace wall body, 12... Ceramics, 14... Intermediate body, 16... Hollow metal member, 20... Large metal frame, 24... Metal plate, 28... Coolant channel, 30... Hollow part.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 大型金属枠体に複数のセラミツクス板を内張
りしたセラミツクス貼り炉壁体において、前記大
型金属枠体と前記セラミツ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ツク
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
り、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項に記載のセラミツクス貼り炉壁体。 3 前記中空金属部材は、前記セラミツクス板を
接合する面に前記中空金属部材の熱膨張係数と前
記セラミツ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
ラミツクス貼り炉壁体。 4 前記中間体は、熱膨張係数が前記セラミツク
ス板側から前記中空金属部材側に連続的または段
階的に大きくなつていることを特徴とする特許請
求の範囲第3項に記載のセラミツクス貼り炉壁
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つ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
載のセラミツクス貼り炉壁体。 6 中空金属部材の一端部とセラミツクス板とを
中空金属部材の熱膨張係数とセラミツクス板の熱
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とするセラミツクス貼
り炉壁体の製造方法。 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貫通して
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項に記載のセラミツクス貼り炉
壁体の製造方法。
[Scope of Claims] 1. A ceramic-clad furnace wall body in which a large metal frame is lined with a plurality of ceramic plates, characterized in that the large metal frame and the ceramic plates are joined via a hollow metal member. Furnace wall covered with ceramics. 2. The large metal frame body has a coolant flow path, and the coolant flow path communicates with the hollow part of the hollow metal member, as set forth in claim 1. Furnace wall covered with ceramics. 3. The hollow metal member is characterized in that the surface to which the ceramic plate is bonded is provided with an intermediate body having a coefficient of thermal expansion intermediate between the coefficient of thermal expansion of the hollow metal member and the coefficient of thermal expansion of the ceramic plate. A furnace wall body covered with ceramics according to claim 1 or 2. 4. The ceramic-clad furnace wall according to claim 3, wherein the intermediate body has a coefficient of thermal expansion that increases continuously or stepwise from the ceramic plate side to the hollow metal member side. body. 5. The ceramic-clad furnace wall according to claim 3 or 4, wherein the intermediate body is made of a composite material in which 30 to 60% by volume of carbon fiber is embedded in copper. body. 6. After joining one end of the hollow metal member and the ceramic plate via an intermediate body having a coefficient of thermal expansion intermediate between that of the hollow metal member and the coefficient of thermal expansion of the ceramic plate, other than the hollow metal member A method for manufacturing a ceramics-clad furnace wall body, characterized in that the end portion is inserted into a joining hole formed in a large metal frame provided with a coolant flow path, and the large metal frame and the hollow metal member are joined. . 7. The hollow metal member is formed in a cylindrical shape, the coupling hole of the large metal frame is formed to pass through the large metal frame, and the coolant flow path is formed between the large metal frame and the hollow metal member. and then bonding a metal plate with a plurality of grooves on the surface to the large metal frame, thereby communicating the hollow part of the hollow metal member with the coolant flow path. A method for manufacturing a ceramic-bonded furnace wall body according to claim 6.
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