JPH0350902B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 技術分野 この発明は、溝構造冷却壁を有するロケツト燃
焼室、特に外筒が改良されたロケツト燃焼室の構
造および製造方法に関する。

従来の技術 従来の溝構造冷却壁を有するロケツト燃焼室
は、第８図に部分切欠き断面図で示すように、燃
焼室内筒１と、該内筒１の外側に一体に形成され
た外筒２とからなる。内筒１の外周面には、液体
水素などの冷却液体を流通させるために、多数の
溝１ａを有する溝構造冷却壁が形成されている。
ところで、この種のロケツト燃焼室においては、
外筒２は、一般に非常に高い燃焼圧力および冷却
溝１ａ内の圧力に耐えるために、機械的強度の高
い材料により構成されているのが常である。他
方、内筒１は、たとえば無酸素銅のような熱伝導
性に優れた材料より構成されており、したがつて
比較的強度の弱い材料により構成されている。そ
の結果、燃焼室全体の剛性は外筒２の強度により
かなり大きくなつており、したがつて溝構造冷却
壁を有するロケツト燃焼室の作動により発生する
すべての応力が、強度の最も弱い燃焼室内筒１に
集中するという現象が生じている。特に、たとえ
ばスペースシヤトルに用いられているロケツトエ
ンジンのように多数回の使用を目的としたロケツ
トエンジンにおいては、この現象が顕著に現わ
れ、内筒１を構成する材料が低サイクル熱疲労を
起こすため、内筒１と外筒２との接合界面が剥離
したり、あるいは溝１ａが隣接する溝１ａとつな
がつたりして冷却効果を大きく損なうという問題
があつた。

そこで、この種の燃焼室を用いたロケツトエン
ジンの実用段階に入つているアメリカ合衆国にお
いては、外筒２の剛性を相対的に小さくするため
の研究が盛んになされている。たとえば第９図に
部分切欠き断面図で示すように、NASAのルイ
ス研究所で実施されているNi電鋳層単体からな
る構造を有していた外筒２を、Niよりも剛性の
小さなCu電鋳層３と、グラスフアイバもしくは
カーボングラフアイト層４との積層構造に換える
試みがなされている。しかしながら、この方法で
は、Cu電鋳層３の気密性が良好でないため、Cu
層３の厚みをさほど薄くすることができず、した
がつて期待されるほどの剛性の低下を果たすこと
ができず、また気密性についての信頼性が低く、
したがつて耐久性に乏しいなどの問題があつた。

発明が解決しようとする問題点 それゆえに、この発明の目的は、要求される機
械的強度を維持しつつ、外筒の剛性が小さくされ
ており、したがつて耐久性に優れたロケツトエン
ジンを実現し得る、ロケツト燃焼室およびその製
造方法を提供することにある。

発明の構成 問題点を解決するための手段 この発明は、要約すれば、外周面に溝構造冷却
壁を有する内筒と、該内筒の周囲に設けられた外
筒とを備えるロケツト燃焼室において、外筒が、
内筒の外周に形成された金属めつき層と、内筒側
に形成された多孔質金属層と、該多孔質金属層の
外側に形成された補強筒とからなることを特徴と
する、多孔質層を外殻に有するロケツト燃焼室で
あり、また外周面に溝構造冷却壁を有する内筒を
準備する工程と、内筒の外周に金属めつき層を形
成する工程と、該金属めつき層の周囲に多孔質金
属層を形成する工程と、多孔質金属層の外側に補
強筒を形成する工程とを備える、ロケツト燃焼室
の製造方法である。

次に、この発明のロケツト燃焼室の一構造例
を、第１図および第２図を参照して説明する。第
１図は、この発明のロケツト燃焼室の横断面図で
あり、第２図はその外観斜視図である。第１図か
ら明らかなように、このロケツト燃焼室では、多
数の冷却溝１１ａからなる溝構造冷却壁が外周面
に形成された内筒１１の外周に、たとえばCuも
しくはAgなどによる金属めつき層１５が形成さ
れており、該めつき層１５の外側に多孔質金属層
１６および補強筒１７が設けられた構造を有して
いる。すなわちこの発明のロケツト燃焼室では、
外筒が、内筒１１の外周に形成された金属めつき
１５と、内筒１１側に形成された多孔質金属層１
６と、該多孔質層１６の外側に形成された補強筒
１７より構成されているのである。もつとも、多
孔質金属層１６は金属めつき層１５および内筒１
１と一体的に形成されており、かつ補強筒１７と
は接合されていない。ところで、多孔質金属層１
６は、たとえば発泡金属もしくは発泡金属の空隙
にCuもしくはAgなどの粉末を充填したものより
構成され得る。多孔質金属層１６はこのように構
成されるため、弾性率が極めて小さく、したがつ
て、内筒１１に生じる応力はすべて該多孔質金属
層１６により吸収されることになる。なお補強筒
１７は、燃焼圧力により発生するフープ応力に耐
えるような機械的強度を有する限り、任意の材料
により構成し得る。

なお、第１図に示されている金属めつき層１５
は、多孔質金属層１６が空隙を有するため、気密
性を確保するために設けられているものであり、
上述のようにCuもしくはAgをめつきすることに
より形成され得るが、耐熱性の観点からCuめつ
きが好ましい。

なお、第１図に特に図示はしないが、多孔質金
属層１６と、補強筒１７との間を、完全に熱的に
遮断するために、たとえばフツ素樹脂などの樹脂
により樹脂加工を施し断熱層を設けてもよく、そ
の場合には熱応力が軽減され、ロケツト燃焼室の
寿命をより長くすることが可能である。

また、第１図において、機械的強度の関係から
は、内筒１１、金属めつき層１５および多孔質金
属層１６が一体構造であり、補強筒１７は構造的
に分離されたものであることが好ましいことを指
摘しておく。このように構成することにより、上
述のように内筒１１に生じるすべての応力が多孔
質金属層１６に吸収され得るからである。

次に、第１図に示した構造のロケツト燃焼室の
製造方法につき第３図ないし第７図を参照して説
明する。まず、従来と同様に、外周面に多数の冷
却用の溝１１ａが形成されて溝構造冷却壁が設け
られた内筒１１を準備する（第３図）。次に、内
筒１１を溶融状態の低融点金属浴、たとえばウツ
ドメタル浴に浸漬することにより、第４図に示す
ように溝１１ａに低融点金属１８を充填する。低
融点金属１８の充填に際しては、該金属中に発生
する空孔などの鋳造欠陥を防止するために、加圧
下において充填することが好ましい。次に、充填
された低融点金属１８の外周を所定の形状に、す
なわち内筒１１の外周壁１１ｂ（第４図参照）と
同一面となるように機械加工し、しかる後たとえ
ばCuなどによりめつきを施すことにより、第５
図に示すように金属めつき層１５を形成する。

次に、めつき層１５の周囲にたとえば気孔率90
％以上の発泡金属層を形成し、第６図に示すよう
にモールド２１中に設置する。次に、モールド２
１中に設置した状態で、たとえば電解銅粉のよう
な金属粉末を振動充填し、その後静水圧成形
（CIP）を行なうことにより、多孔質金属層１６
を形成する。

次に、冷却溝に充填されていた低融点金属１８
を、非酸化性雰囲気において加熱することにより
溝部１１ａから溶出させ、しかる後焼結炉内で焼
結処理を施す。このようにして形成された構造体
を、所定の形状に機械加工した後、補強筒１７を
外挿することにより、第７図に示すようにこの発
明のロケツト燃焼室を得ることができる。

次に、この発明において特徴的な構造である多
孔質金属層１６の製造方法につき、より詳細に説
明する。多孔質金属層１６は、上述したように発
泡金属を用いて製造することも可能であり、また
多成分の混合粉を用いた液相焼結層により構成す
ることもできる。

まず、前者の発泡金属を用いた場合について述
べると、成形・焼結により形成される多孔質金属
層を得るために、前述したようにCuめつき層１
５とモールド２１との間隙に気孔率90％以上の発
泡金属を設置し、この発泡金属の空隙に銅粉末を
充填し、しかる後静水圧成形加工を施す。発泡金
属は、たとえば銅、銀およびニツケルなどの種々
の金属材料より構成し得る。また発泡金属の空隙
内へ充填する金属粉末については、純銅粉のほ
か、銅に銀もしくは錫などを微量添加した混合粉
または銅合金粉を用いることもできる。さらに、
銅系以外の金属粉、たとえば主として銀、ニツケ
ル、ステンレス、鉄などからなる金属粉を用いる
こともできる。焼結処理を施すため、発泡金属は
多孔質金属層に強力な骨格を形成することにな
り、同時に多孔質金属層１６は本来の性質である
低い弾性率を示すことになる。

次に、多成分混合粉を用いた液相焼結層からな
る多孔質金属層の場合には、第３図に示した内筒
１１の冷却溝１１ａに低融点金属１８を充填した
後（第４図参照）、その外周とゴムモールド２１
との間隙に電解銅粉末と錫粉末との混合粉、銅−
錫合金粉、電解銅粉末と銀粉末との混合粉、また
は銅−銀合金粉を充填した後、静水圧成形加工を
施す。その後、上述した発泡金属を用いた場合と
同様に、低融点金属１８を溶出除去した後焼結処
理を施す。この場合焼結の条件は、銅−錫もしく
は銅−銀混合粉、またはそれぞれの合金粉が液相
焼結するように設定される。これにより、錫また
は銀は、銅と固溶し、銅組織が強化されると同時
に、焼結層内に一様に分布した微細な球状の残留
空隙が生じ、弾性率の低い、しかも銅自体の機械
的強度を上回る多孔質金属層１６を形成すること
ができる。

実施例 １ 溝構造冷却壁を有する無酸素銅（OFHC）から
なる燃焼室内筒を、融点100℃の溶融した低融点
金属浴へ浸漬し、N₂雰囲気下、４〜5Kgf／cm²の
圧力下おいて加圧し、凝固させた。次に、機械加
工により余分の低融点金属を除いた。なお、低融
点金属部分は空洞などの鋳造欠陥を有していない
ことが確かめられた。

次に、外周面に約50μｍの厚みに銅めつきを施
した。さらに、該銅めつき層の外周にNi発泡金
属を約10mmの厚みになるように装着し、ゴムモー
ルド内に設置した。ゴムモールド内において、発
泡金属の空隙に44μｍ以下の粒径の電解銅粉を充
填し、2.0tf／cm²の圧力により静水圧成形加工を
施した。

次に、得られた内筒をArガス雰囲気中で、200
℃の温度で30分間保持することにより、低融点金
属を溶出した。さらに、水素雰囲気中において、
750℃の温度で１時間焼結処理を施した。このよ
うにして得られた焼結体を所定の形状に機械加工
した後、焼結層の外部にフツ素樹脂その他樹脂加
工を施し断熱層を形成し、さらにその外側にステ
ンレスあるいはインコネル系の高張力材による補
強外筒を外挿した。したがつて燃焼室内筒および
多孔質外殻と、補強筒とは分離されており、その
ため内筒および多孔質金属層は外筒と独立して伸
縮し得るように構成されている。このため、多孔
質金属層の低弾性率を損なうことなく、燃焼圧力
に耐え得るロケツト燃焼室を得ることができた。

発明の効果 以上のように、この発明によれば、外筒が、内
筒の外周に形成された金属めつき層と、内筒側に
形成された多孔質金属層と、該多孔質金属層の外
側に形成された補強筒とからなるため、機械的強
度を維持しつつ、外筒の剛性の低減を図ることが
可能であり、したがつてロケツトエンジンの耐久
性を飛躍的に向上させ得るロケツト燃焼室を実現
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のロケツト燃焼室の具体的
構造の一例を示す横断面図である。第２図は、第
１図に示した燃焼室の外観斜視図である。第３図
〜第７図は、第１図および第２図に示した燃焼室
を製造する過程を示す各部分切欠き斜視図であ
り、第３図は内筒の形状を示し、第４図は内筒に
低融点金属を充填した状態を示し、第５図は金属
めつき層を形成した状態を示し、第６図はモール
ド内に多孔質金属層が配置された状態を状態を示
し、第７図は補強筒を被せた状態を示す。第８図
は、従来のロケツト燃焼室の一例を示す部分切欠
き断面図である。第９図は、従来のロケツト燃焼
室の他の例を示す部分切欠き断面図ある。 図において、１１は内筒、１１ａは溝、１５は
金属めつき槽、１６は多孔質金属層、１７は補強
筒、１８は低融点金属を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外周面に溝構造冷却壁を有する内筒と、該内
   筒の周囲に設けられた外筒とを備えるロケツト燃
   焼室において、 前記外筒が、前記内筒の外筒に形成された金属
   めつき層と、前記内筒側に形成された多孔質金属
   層と、該多孔質金属層の外側に形成された補強筒
   とからなることを特徴とする、多孔質層を外殻に
   有するロケツト燃焼室。 ２ 前記多孔質金属層と、前記補強筒の間に、断
   熱層が設けられている、特許請求の範囲第１項記
   載の多孔質層を外殻に有するロケツト燃焼室。 ３ 前記多孔質金属層は、発泡金属に金属粉末が
   充填されたものである、特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項に記載の多孔質層を外殻に有するロケ
   ツト燃焼室。 ４ 外周面に溝構造冷却壁を持つ内筒を準備する
   工程と、 前記内筒の外周に金属めつき層を形成する工程
   と、 前記金属めつき層の周囲に多孔質金属層を形成
   する工程と、 前記多孔質金属層の外側に補強筒を形成する工
   程とを備える、多孔質層を外殻に有するロケツト
   燃焼室の製造方法。 ５ 前記多孔質金属層は、発泡金属層を前記金属
   めつき層の周囲に形成し、しかる後金属粉末を振
   動充填し、静水圧成形することにより形成され
   る、特許請求の範囲第４項記載の多孔質層を外殻
   に有するロケツト燃焼室の製造方法。 ６ 前記多孔質金属層を形成した工程に続き、該
   多孔質金属層の外周に断熱層を形成する工程をさ
   らに備える、特許請求の範囲第４項または第５項
   に記載の多孔質層を外殻に有するロケツト燃焼室
   の製造方法。