專利名稱:單塊冷卻裝置組件的制作方法
單塊冷卻裝置組件技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本發(fā)明涉及帶有傳輸冷卻劑用通孔的冷卻裝置組件，該組件至少包括一用鎢、鎢合金、石墨材料或碳化物材料制成的熱護(hù)罩。[0002]背景技術(shù)[0003]用于核聚變反應(yīng)堆的第一壁部件，例如分流器及限制器，它們都在最高負(fù)荷超過 10mW/m2的情況下使用，它們是使用這一類型的冷卻裝置組件的典型例子。暴露于等離子體區(qū)域被稱為熱護(hù)罩層，而暴露于等離子體的組件被稱為PFC (面對(duì)等離子體的組件)，而暴露于等離子體區(qū)域的材料被稱為PFM(面對(duì)等離子體的材料)。PFM必須與等離子體相容， 并且必須對(duì)物理及化學(xué)濺射具有高度的耐受力，必須具有高的熔點(diǎn)/升華點(diǎn)并且必須盡可能耐受熱沖擊。此外，在容易獲得和價(jià)格合適的情況下，它們還必須具有高的熱導(dǎo)率，低的中子活化性及足夠的強(qiáng)度/斷裂韌性。鎢、鎢合金(例如W-IGwt. % La203)，石墨材料(例如纖維增強(qiáng)石墨)以及碳化物材料(例如碳化硼)能夠最好地滿足這種多方面的以及在某些情況下是互相矛盾的要求。由于能量流長時(shí)間作用在這些元件上，所以這種類型的冷卻裝置組件理所當(dāng)然要主動(dòng)降溫。熱的驅(qū)散通過用銅或銅合金制成的散熱器加以幫助散熱， 它們通常以形狀配合的方式連接到PFM上。[0004]冷卻裝置器件可以有不同設(shè)計(jì)，在這方面，可以區(qū)分為平面磚型，鞍型及單塊型設(shè)計(jì)。[0005]如果由PFM制成并帶有平坦連接面的磚和冷卻劑流經(jīng)的散熱器連接在一起的話， 則這種設(shè)計(jì)就稱為平面磚型設(shè)計(jì)。在鞍型設(shè)計(jì)中，具有半圓凹槽并由PFM制成的物體連到管狀散熱器。在這種情況下，散熱器具有在熱導(dǎo)入側(cè)及冷卻媒質(zhì)之間產(chǎn)生熱接觸的功能， 并且也處于循環(huán)的由熱誘導(dǎo)產(chǎn)生的負(fù)荷作用(未自溫度梯度及相連部分的不同的膨脹系數(shù))之下。[0006]在單塊型設(shè)計(jì)中，傳送冷卻水的管子被具有閉合通孔由PFM制成的熱護(hù)罩所圍繞。在鞍型及平面磚型設(shè)計(jì)中，熱護(hù)罩組件由于處于在使用中產(chǎn)生的循環(huán)熱機(jī)負(fù)荷的作用下，可能與散熱器脫開，而在單塊型設(shè)計(jì)中由于幾何原因可以排除熱護(hù)罩構(gòu)件的損失。然而單塊型設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是PFM不僅要對(duì)付熱引發(fā)的負(fù)荷，而且還要對(duì)付附加的機(jī)械負(fù)荷。這種性質(zhì)的機(jī)械負(fù)荷可能導(dǎo)致電磁感應(yīng)電流的產(chǎn)生，后者在元件中流動(dòng)并與周圍的磁場(chǎng)相互作用。這可能引發(fā)高頻加速力，此力必須由有關(guān)結(jié)構(gòu)承受。在平面磚型與馬鞍型設(shè)計(jì)中，這些力由結(jié)構(gòu)材料承受，而在單塊型設(shè)計(jì)中，它們由PFM承受。然而，鎢、鎢合金、石墨及碳化物材料的斷裂韌性較低。而纖維增強(qiáng)石墨則具有相比較而言較低的強(qiáng)度。此外，使用中會(huì)發(fā)生中子脆化，結(jié)果是增加了這些材料對(duì)初裂的敏感性，雖然在第一壁元件的領(lǐng)域中進(jìn)行了多年代價(jià)昂貴的研制工作，但目前能用的部件并不能很好滿足這種要求。這就是為什么聚變技術(shù)不能短期內(nèi)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)原因。[0007]所以，本發(fā)明的目的是提供一種單塊型設(shè)計(jì)的冷卻裝置組件(具有通孔的由PFM 制成的熱護(hù)罩)，它可以合適地滿足物理及機(jī)械方面的要求。[0008]這一目的是提供冷卻裝置組件來實(shí)現(xiàn)的，它包括至少一個(gè)用鎢、鎢合金、石墨材料或碳化物材料制成的熱護(hù)罩(它具有一通孔)，該冷卻裝置器件還包括至少一種結(jié)構(gòu)件，此結(jié)構(gòu)件是用在室溫下抗拉強(qiáng)度大于300MPa，額定電阻大于0.040hm mm2m-l的材料制成， 以及至少一根傳輸冷卻劑的冷卻管，其中熱護(hù)罩和結(jié)構(gòu)部件是以填充材料的方式彼此相連的。[0009]
發(fā)明內(nèi)容
[0010]按照本發(fā)明的冷卻裝置組件，能夠理想地滿足在以上描述中提出的多方面而且在有些情況下是互相矛盾的要求，因此對(duì)這長期存在的難題的一個(gè)簡單解決辦法。業(yè)已發(fā)現(xiàn)， 如果結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度大于300MPa及額定電阻是大于0. 040hm mm2m-l，就可以避免在脆性 PFM中的初裂及熱護(hù)罩的損失。[0011]熱護(hù)罩最好有一閉合的通孔，例如由連續(xù)鉆孔形成的閉合通孔。熱護(hù)罩的較佳材料是CFC (碳纖維增強(qiáng)的石墨)，純鎢及W-I Gwt. % La203o此外，如果熱護(hù)罩的投影長度為 1，投影寬度為b，在熱護(hù)罩和結(jié)構(gòu)部分之間的投影連接面積大于0. 3 · (1 *b)，則是有利的。 這里所說的設(shè)計(jì)長度，寬度及區(qū)域面積應(yīng)理解為是指垂直投影到一平面的表面上的。在一線/區(qū)域是平面或是直線的形式時(shí)，則實(shí)際的長度、寬度及區(qū)域面積和投影的長度、寬度及區(qū)域面積相吻合。在一彎曲的線/區(qū)域的情況下，投影的線/區(qū)域的長度/面積則相應(yīng)減小。為了確保組件在極高負(fù)荷下工作的的可靠性，投影連接區(qū)域面積大于0. 8 · (1 · b)是有利的。[0012]此外，如果結(jié)構(gòu)部件的相對(duì)導(dǎo)磁小于1. 2，則證明是有利的。對(duì)結(jié)構(gòu)件特別合適的材料是i^、Ti及Ni基的材料，這些材料具有上述的物理特性。在這里要特別一提的是奧氏體、鐵素體、鐵素體-馬氏體鋼及ODS (氧化物分散相增強(qiáng))的材料。[0013]為了減小連接材料中的應(yīng)力，在熱護(hù)罩和結(jié)構(gòu)件之間放入厚度為0.01 5mm、硬度小于300HV的由延展性的材料制成的中間層是有利的，同時(shí)當(dāng)該中間層有應(yīng)力釋放缺口就特別有利。業(yè)已證明，該中間層如果由銅或銅合金制成是有利的。連接區(qū)域的構(gòu)造最好在熱護(hù)罩側(cè)，例如借助于激光器來構(gòu)造，這可減小開裂的危險(xiǎn)。[0014]另外的有利實(shí)施例包括隨離連接區(qū)域的距離增加而逐漸變狹的結(jié)構(gòu)部分的橫截面，連接區(qū)域平面設(shè)計(jì)以及在連接區(qū)域/結(jié)構(gòu)部分的邊緣區(qū)域中引入一斜面段或圓弧段。[0015]熱護(hù)罩及結(jié)構(gòu)部件之間的連接可以用焊接，或同時(shí)和整體地用澆鑄支撐連接的雙方或者只澆鑄熱護(hù)罩以在其上形成一厚而有延展性的層，例如可用銅或鋁作為延展材料， 之后跟隨以焊接、電子束焊接或用擴(kuò)散焊接的方式來實(shí)現(xiàn)連接。根據(jù)特定的實(shí)例，冷卻管和熱護(hù)罩的連接可以在連接到結(jié)構(gòu)部分的連接過程之前或之后進(jìn)行。[0016]這就產(chǎn)生了下列不同的生產(chǎn)方法，但是可能的選擇并不限于列舉出的幾個(gè)例子。[0017]生產(chǎn)方法1[0018]用有延展性的材料對(duì)通孔及熱護(hù)罩的一個(gè)側(cè)面進(jìn)行澆鑄。根據(jù)所選擇的有延展性的材料，這一操作過程的可在一個(gè)加工工序中或分兩個(gè)單獨(dú)加工工序進(jìn)行。接著將管子安裝到上述部件上。設(shè)置有延展性材料的熱護(hù)罩的側(cè)面可以用例如焊接，EB焊接或HIP(熱等壓壓制)的方法連接到結(jié)構(gòu)部件上。[0019]生產(chǎn)方法2[0020]通孔表面及和熱護(hù)罩連接的結(jié)構(gòu)部件側(cè)面上澆鑄一層有延展性的材料。根據(jù)所選擇(選用)的延展性材料，這可以在一個(gè)加工工序或兩個(gè)單獨(dú)加工工序中進(jìn)行。在此之后，用這種方法將生產(chǎn)的組件通過延展性層連接在結(jié)構(gòu)部件上(例如用焊接，EB焊接或HIP)。 也可以把工序1及工序2合并成一個(gè)工序。在這種情況下，結(jié)構(gòu)部件必須具有比延展性材料為高的熔點(diǎn)。此后，就將冷卻管安裝到上述的組件上。
該結(jié)構(gòu)部件然后用優(yōu)化的方式連接到例如用鋼制成的支持件上?？梢杂煤附舆M(jìn)行，也可以用一個(gè)或多個(gè)螺栓連接件緊固連接。如果在使用中熱膨脹的差別較大，則可以采用滑動(dòng)的機(jī)械連接，以便允許在結(jié)構(gòu)部件與支持元件之間能夠作相對(duì)移動(dòng)，這種滑動(dòng)機(jī)械連接也是比較有利的。


在下面的敘述中，將基于附圖及生產(chǎn)實(shí)例作更詳細(xì)的解釋。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的冷卻裝置組件的平面視圖。
圖2到圖8示出了冷卻裝置組件的截面視圖。
具體實(shí)施方式
圖1中的冷卻裝置組件1包括熱護(hù)罩2，它是通過可延展的中間層7以填充材料的方式連接到冷卻管4上的。具有長度1及寬度b的該熱護(hù)罩又在其連接區(qū)域(6)處連接在結(jié)構(gòu)部件3上；連接區(qū)域具有1 的面積。圖2示出了冷卻裝置組件1，其中，熱護(hù)罩2通過可延展中間層13連接到結(jié)構(gòu)部分3。在圖3中，中間層13有應(yīng)力釋放槽口 8，圖4則示出了冷卻裝置組件1，其中，結(jié)構(gòu)部件3有逐漸變狹的截面。連接區(qū)域6的邊緣區(qū)域在圖5 中具有圓弧段9，在圖6中具有斜面段，圓弧段及斜面段可以向上或向下。圖7示出了通過機(jī)械連接方式和支持件11連接的冷卻裝置組件1，在圖8中，支持件11通過螺栓12連接于結(jié)構(gòu)部件3上。
實(shí)施例1
單塊型設(shè)計(jì)的冷卻裝置組件，它具有用碳纖維增強(qiáng)的石墨(CFC)制成的熱護(hù)罩， 它的制造方法如下
三個(gè)CFC塊，其尺寸是^mm (外節(jié)距方向)，25mm (外PAN方向)，20mm (纖維方向)， 使它們具有通孔(直徑為14mm的孔的方式)，然后孔的內(nèi)側(cè)以及一 25 X 20mm的塊側(cè)通過激光器構(gòu)成。在后面的一個(gè)步驟中，OFHC銅用澆鑄工藝澆注在用激光加工形成的通孔表面和 /或結(jié)構(gòu)塊表面上，此時(shí)在連接區(qū)域提供鈦以保證濕度。此后，在塊表面及孔中的OFHC銅澆鑄層通過機(jī)加工使之達(dá)到0. 5及Imm的厚度。
此后，將用銅鉻鋯合金制成且直徑約12mm的管子放入各孔中。一各側(cè)上鍍上5 μ m 厚的鎳并且尺寸為25X20X30mm的鋼制的立方體定位在具有OFHC銅層的塊側(cè)。以這種方式形成的組件然后放入一鋼制殼體內(nèi)。對(duì)此鋼殼體接行焊接，抽真空，并在^(TC及1000巴壓力下經(jīng)受HIP處理。移去殼體后，用超聲波對(duì)冷卻裝置組件進(jìn)行測(cè)試。連接區(qū)域應(yīng)沒有缺陷，然后對(duì)用此法制成冷卻裝置組件進(jìn)行機(jī)加工并用螺栓連接滑順地安裝在一鋼結(jié)構(gòu)上。
實(shí)施例2
具有由鎢制成的熱護(hù)罩并按照單塊型設(shè)計(jì)的冷卻裝置組件用如下方法進(jìn)行制造: 三個(gè)具有觀X 25 X 20mm尺寸的鎢塊上各自都設(shè)置通孔，通孔的直徑是14mm。該孔及鎢塊的25 X 20mm的側(cè)面澆鑄上OFHC銅。在澆鑄工序之后，通孔表面及鎢塊表面上的OFHC銅鑄層通過機(jī)加工使之達(dá)到0. 1和5mm的厚度。用此法制成的鎢塊然后串在一銅-鉻-鋯合金的管子上。一在各側(cè)上鍍有5 μ m厚鎳的以及尺寸為25 X 20 X 30mm的鋼立方體定位在具有 OFHC銅鑄層的塊側(cè)。此后，此組件置于一鋼制的殼體中。此鋼制殼體被焊接，抽真空并經(jīng)受溫度為550°C及1000巴壓力下的HIP處理。在除去殼體后，用超聲波進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試中不應(yīng)發(fā)現(xiàn)任何缺陷。在對(duì)用此法制成的冷卻裝置組件進(jìn)行加工后用電子束焊接工藝固定在鋼結(jié)構(gòu)上。
權(quán)利要求
1.一種冷卻裝置組件(1)，它包括至少一個(gè)由鎢、鎢合金、石墨材料或碳化物材料制成的熱護(hù)罩O)，該熱護(hù)罩上具有通孔(5)，并且該裝置組件還包括至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件(3)，此結(jié)構(gòu)部件(3)用的材料具有在室溫下大于300MI^的抗拉強(qiáng)度，額定電阻大于0. 040hmmmV1 的特性，以及至少有一根冷卻管⑷用于傳輸冷卻劑，其中熱護(hù)罩⑵及結(jié)構(gòu)部件⑶用澆鑄支撐彼此相連。
2.如權(quán)利要求
1所述的冷卻裝置組件，其特征在于，熱護(hù)罩(2)及冷卻管⑷彼此相連。
3.如權(quán)利要求
1或2所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該熱護(hù)罩(2)具有投影長度1， 投影寬度b及與結(jié)構(gòu)部件的連接區(qū)域(6)，其中連接區(qū)域的投影面積(6)大于0.3·(1 *b)。
4.如權(quán)利要求
3所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該連接區(qū)域投影面積(6)大于 0. 8 · (1 · b)。
5.如權(quán)利要求
3所述的冷卻裝置組件，其特征在于，連接區(qū)域(6)具有平面的形式。
6.如權(quán)利要求
1所述的冷卻裝置組件，其特征在于，由硬度小于300HV的可延展材料制成的中間層(13)設(shè)置在熱護(hù)罩(2)及結(jié)構(gòu)部件(3)之間。
7.如權(quán)利要求
6所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該中間層(13)由銅基材料制成。
8.如權(quán)利要求
6所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該中間層(13)具有應(yīng)力釋放槽口⑶。
9.如權(quán)利要求
6所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該中間層(13)的厚度為0.01mm到5mm 。
10.如權(quán)利要求
1所述的冷卻裝置組件，其特征在于，由硬度小于300HV的可延展的材料制成的中間層(7)設(shè)置在熱護(hù)罩(2)和冷卻管(4)之間。
11.如權(quán)利要求
10所述的冷卻裝置組件，其特征在于，所述中間層(7)由銅制成。
12.如權(quán)利要求
3所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該結(jié)構(gòu)部件(3)的截面隨著離開連接區(qū)域(6)的距離增加而逐漸變狹窄。
13.如權(quán)利要求
1所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該結(jié)構(gòu)部件(3)由Fe、Ti，或Ni 基的材料制成。
14.如權(quán)利要求
12所述的冷卻裝置組件，其特征在于，結(jié)構(gòu)部件(3)由奧氏體、鐵素體、 鐵素體-馬氏體鋼或氧化物分散增強(qiáng)材料制成。
15.如權(quán)利要求
1所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該結(jié)構(gòu)部件的相對(duì)導(dǎo)磁率小于1. 2。
16.如權(quán)利要求
3所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該熱護(hù)罩(2)和/或結(jié)構(gòu)部件(3) 在連接區(qū)域(6)中有圓弧段(9)或斜面段(10)。
17.如權(quán)利要求
1所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該通孔(5)為連續(xù)鉆孔。
18.如權(quán)利要求
1所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該冷卻管(4)是由銅基材料制成。
19.如權(quán)利要求
1所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該結(jié)構(gòu)部件(3)以焊接方式連接到支持件(11)上。
20.如權(quán)利要求
1所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該結(jié)構(gòu)部件(3)是以機(jī)械連接方式用一個(gè)或一個(gè)以上螺栓連接件連接到支持件(11)上的。
21.如權(quán)利要求
1所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該結(jié)構(gòu)部件(3)是通過滑動(dòng)機(jī)械件連接到支持件(11)上的，這種連接允許在結(jié)構(gòu)部件C3)和支持件(11)之間有相對(duì)滑動(dòng)。
22.如權(quán)利要求
21所述的冷卻裝置組件，其特征在于，該結(jié)構(gòu)部件(3)通過螺栓連接到支持件(11)上。
23.如權(quán)利要求
1所述的冷卻裝置組件，它是在聚變反應(yīng)堆中作為第一壁構(gòu)件使用的。
24.如權(quán)利要求
23所述的冷卻裝置組件，它是作為分流器使用的。
專利摘要
本發(fā)明涉及單塊結(jié)構(gòu)類型的冷卻裝置組件。由鎢、鎢合金、石墨材料或碳化物材料制成的熱護(hù)罩上設(shè)通孔，在通孔中嵌裝冷卻管，用于冷卻劑的輸送。該熱護(hù)罩和由具有在室溫下抗拉強(qiáng)度大于300MPa及額定電阻大于0.04Ohm mm2m-1特性的材料制成的結(jié)構(gòu)件連接在一起。
文檔編號(hào)G21B1/13GKCN101048826SQ200580036955
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2005年10月21日
發(fā)明者卡爾海因茨·沙伊貝爾, 安東·察貝尼格, 托馬斯·弗里德里希, 托馬斯·胡貝爾, 漢斯-迪特爾·弗里德勒, 貝爾特拉姆·舍德勒, 迪特馬爾·舍德爾 申請(qǐng)人:普蘭西歐洲股份公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2), 非專利引用 (1),