JPH08334432A

JPH08334432A - フリーピストン型衝撃風洞装置とその製造法及びそのノズルフロート

Info

Publication number: JPH08334432A
Application number: JP14027995A
Authority: JP
Inventors: Shizuka Yamaguchi; 山口　　静; Yoshiyuki Kojima; 慶享児島; Tsunehiko Takakusaki; 常彦高草木; Tomoya Yoshino; 智哉吉野; Hiroyuki Itami; 博幸伊丹; Susumu Nakano; 晋中野; Kensho Matsuda; 憲昭松田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Nuclear Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Nuclear Engineering Co Ltd
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1996-12-17

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、熱応力緩和型の高耐久性耐熱
ノズルスロートを用いたフリーピストン型衝撃風洞装置
とその製造法及びノズルスロートを提供する。【構成】本発明は、風洞装置において、高速気流に曝さ
れ熱応力を受ける衝撃波管端の中空円筒状のノズルスロ
ートが、高温高強度材料からなりその内周の表面に複数
の切れ目を有し、且つ切れ目の全体あるいは内周表面部
には耐熱性物質が充填されていて平滑な内周面を呈して
いることを特徴とするフリーピストン型衝撃風洞装置と
その製法及びそのノズルスロートにある。【効果】本発明によれば、耐熱，耐熱衝撃性に優れ高熱
流速域での運転が可能なフリーピストン型衝撃風洞装置
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、宇宙関連飛翔体の地上
実験設備である超音速風洞に係り、特に秒速数ｋｍの速
度を有する気流を供給できるフリーピストン型衝撃風洞
装置とその製造方法及びそれに用いるノズルスロートに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】宇宙往還機が大気圏に再突入する際に受
ける空力加熱状態を、地上実験設備で実現するためには
秒速数ｋｍの速度の気流を発生させる必要がある。この
秒速数ｋｍの速度の気流を発生させるためには、風洞の
貯気槽状態として、約一万度，一千気圧の高エンタルピ
ー状態を作り出さなければならない。この種の高温高圧
状態は衝撃波を利用して達成される。実験設備として衝
撃波を発生させるものに衝撃波管がある。衝撃波管は高
圧状態の駆動ガスにより、低圧状態の試験ガスを圧縮す
るもので、高圧ガスが低圧ガス側に膨脹するときに発生
する衝撃波により低圧ガスを圧縮し、更に低圧ガスの衝
撃波管端側でこの衝撃波が反射するときに高温高圧状態
が発生する。この時の圧力及び温度の上昇は、管内を伝
ぱする衝撃波の強さによって決まる。衝撃波の強さは高
圧側と低圧側のガスの圧力比と音速比に依存する。圧力
比が同じなら音速比を大きくしたほうがより高エンタル
ピー状態を発生し易い。この目的の為に駆動側のガスに
は通常ヘリウムが用いられる。フリーピストン型風洞で
はピストンによる圧縮作用によってヘリウムを高温高圧
状態にして、これを駆動ガスとして用い、衝撃波管端側
で高エンタルピー状態の試験気体を得る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】発生する熱応力は、接
触する流体によって半径方向の温度分布が変化し、これ
によって、熱応力値も変化する。その弾性応力値は半径
方向の温度分布が大きくなれば、発生する熱応力も大き
くなる。内周高温外周低温の場合の内周側，外周側に発
生する熱応力ひずみの関係から分るように熱応力が大き
くなると、高温側では耐力が低いため、低温側に比し早
期に塑性変形を生じる。

【０００４】その結果、発生する非弾性ひずみも大きく
なる。流体の流れがプラントの起動，停止によって繰返
されることにより、繰返し全ひずみ範囲も低温側に比
し、高温側の方が大きくなる。また、低サイクル疲労強
度も低温よりも高温雰囲気の方が低い。その結果、温度
の高い方の寿命が低くなり、繰返しの早期に熱疲労き裂
が発生することがあり、また、延性の低い材料であれ
ば、一回の負荷にてき裂が発生することになる。

【０００５】すなわち、ピストンの移動によって管内に
充填された気体が圧縮される圧縮管と、該ピストンの駆
動源である高圧気体が貯蔵される高圧空気貯槽と、圧縮
管に接続され、ピストンの移動によって断熱圧縮された
気体によって圧縮される試験気体が充填される衝撃波管
と、衝撃波管端において圧縮された試験気体を膨張させ
て高速気流を発生させるノズルとノズル下流に設置され
るテストセクション及びダンプタンクとからなるフリー
ピストン型衝撃風洞装置において、試験気体の高速気流
に曝される衝撃波管端のノズルスロートの構造体部品が
高熱流速域の運転条件において高寿命化を図る必要があ
る。

【０００６】上記のように、熱応力及び繰返し熱応力に
より、構造体１にき裂が発生し、き裂が進展する恐れが
あり、したがって、高温流体の影響を受ける構造体部品
においては、き裂防止対策を施し、プラントの信頼性の
向上を図る必要がある。

【０００７】つまり、断面半径方向、または長手方向に
温度分布が形成されている中空円筒、及び軸対称的な構
造を示す構造体において、断面半径方向、または長手方
向に温度分布が非常に大きくなり、熱応力が大きくな
り、き裂が発生すると高温流体の気流に乱流を生じ、目
的とする気流特性が得られず、プラントの信頼性に大き
な影響を与える。

【０００８】本発明の目的は、高熱流速域の運転条件に
より断面半径方向、または長手方向に温度分布が大きく
形成されても、熱応力を低減させる熱応力緩和型の高耐
久性耐熱ノズルスロート部品を適用したフリーピストン
型衝撃風洞装置を提供し、プラントの信頼性を向上させ
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ピストンの移
動によって管内に充填された気体が圧縮される圧縮管
と、該ピストンの駆動源である高圧気体が貯蔵される高
圧空気貯槽と、圧縮管に接続され、ピストンの移動によ
って断熱圧縮された気体によって圧縮される試験気体が
充填される衝撃波管と、衝撃波管端において圧縮された
試験気体を膨張させて高速気流を発生させるノズルとノ
ズル下流に設置されるテストセクション及びダンプタン
クとからなるフリーピストン型衝撃風洞装置において、
高速気流に曝され熱応力を受ける衝撃波管端の中空円筒
状のノズルスロートが、高温高強度材料からなりその内
周の表面に複数の切れ目を有し、且つ切れ目には耐熱性
物質が充填されていて平滑な内周面を呈していることを
特徴とするフリーピストン型衝撃風洞装置としたもので
ある。

【００１０】本発明は、中空円筒状の高温高強度材料か
らなりその内周の表面に複数の切れ目を有し、且つ切れ
目には耐熱性物質が充填されていて平滑な内周面を呈し
ているものである。

【００１１】本発明は、中空円筒状の高温高強度材料か
らなりその内周の表面に沿って周方向と軸方向の両方に
複数の切れ目を有し、且つ切れ目には耐熱性物質が充填
されていて平滑な内周面を呈しているものである。

【００１２】本発明は、中空円筒状の高温高強度材料か
らなりその内周の表面に複数の切れ目を有し、切れ目の
先端に中空の穴を設け、且つ切れ目と穴には耐熱性物質
が充填されていて平滑な内周面を呈しているものであ
る。

【００１３】本発明は、前記ノズルスロート部品の断面
の半径方向，長手方向に発生する圧縮応力がゼロとなる
位置近傍までの範囲に切れ目、もしくは切れ目先端に中
空の穴を設けてあることを特徴とするフリーピストン型
衝撃風洞装置の高耐久性耐熱ノズルスロート部品とした
ものである。

【００１４】本発明は、前記切れ目の幅が次式を満足し
ていることを特徴とするフリーピストン型衝撃風洞装置
の高耐久性耐熱ノズルスロート部品としたものである。

【００１５】ｂ≧αＴ₀・２πｒ／（Ｘ−１）…周方向分割ｂ≧αＴ₀・ｌ …軸方向分割（ここで、ｂは切れ目の幅、αはノズルスロートの線膨
張系数、Ｔ₀は切れ目部分の温度、ｒはノズルスロート
（内周）の半径、Ｘは切れ目の数、ｌは切れ目と切れ目
の間の長さ）本発明は、前記ノズルスロートの高温高強度材料は、高
融点金属材料からなり、その材質がＭｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｒ
ｅ，Ｔａ、及びそれらを含む合金からなることを特徴と
するフリーピストン型衝撃風洞装置の高耐久性耐熱ノズ
ルスロート部品としたものである。

【００１６】本発明は、前記ノズルスロートの切れ目、
もしくは切れ目先端の中空の穴に充填する耐熱性物質
は、高温高強度材料よりも熱膨張率が小さいことがよ
い。

【００１７】本発明は、前記ノズルスロートの切れ目、
もしくは切れ目先端に中空の穴に充填する耐熱性物質
は、高温高強度材料よりも弾性係数が小さいことがよ
い。

【００１８】本発明は、前記ノズルスロートの切れ目、
もしくは切れ目先端に中空の穴に充填する耐熱性物質
は、非金属材料のガラス，セラミックス、及びそれらの
混合物、あるいは金属材料のＣｕ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，
Ｔａ，Ｒｅ，Ｗ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｆｅ及びそ
れらを含む合金からなるものである。

【００１９】本発明は、中空円筒状の高温高強度材料か
らなりその内周の表面より断面の半径方向に発生する圧
縮応力がゼロとなる位置近傍まで溝を切り、該溝の底
が、その溝よりも幅広な形状を有し、しかも、高温高強
度材料と同一材料で、溝と同一形状な物質を挿入したも
のである。

【００２０】本発明は、中空円筒状の高温高強度材料を
放射状に複数個に分割し、その外周に保持体を設けて組
みたてたものである。

【００２１】本発明は、前述のフリーピストン型衝撃風
洞装置の製造方法において、高速気流に曝され熱応力を
受ける衝撃波管端の中空円筒状のノズルスロートを、高
温高強度材料からなるその内周の表面に複数の切れ目、
あるいは切れ目と切れ目の先端に穴を設ける工程，切れ
目、あるいは切れ目の先端の穴に耐熱性物質を充填する
工程，高温高強度材料と耐熱性物質との表面とを平滑で
ある内周面に形成する工程で製造されるものである。

【００２２】本発明は、前記ノズルスロートの切れ目
は、機械加工で形成することとしたものである。

【００２３】本発明は、前記ノズルスロートの切れ目、
あるいは切れ目先端の穴の金属材料の耐熱性物質は、金
属容器内にノズルスロートと耐熱性物質の粉末を充填し
て脱気した後密閉し、これを熱間等方圧加圧法（ＨＩ
Ｐ：Hot Isostatic Pressing）で成型することにより形
成するものである。

【００２４】本発明は、前記ノズルスロートの切れ目、
あるいは切れ目先端の穴の非金属材料の耐熱性物質は、
金属アルコキシド，セラミックス前駆体ポリマーのどち
らか、または両者の混合物、さらにはそれらにガラス粉
末、及びセラミックス粉末を添加した溶液を充填後、該
溶液が化学的に変化する温度で熱処理を加えて形成する
ものである。

【００２５】本発明は、前記ノズルスロートの切れ目、
あるいは切れ目先端の穴の非金属材料の耐熱性物質は、
無機系接着剤をモジュールエレメント間に充填後、該接
着剤が化学的に変化する温度で熱処理を加えて形成する
ものである。

【００２６】本発明は、前記ノズルスロートの切れ目、
あるいは切れ目先端の穴の耐熱性物質は、ＣＶＤ法（Ch
emical Vapour Deposition）で被覆した後、該被覆層を
高温高強度材料表面まで研削して形成するものである。

【００２７】

【作用】以下、本発明の構成と作用を説明する。

【００２８】本発明の装置で用いるノズルスロートは、
内周表面部での熱応力を緩和する構造とするもので、熱
応力を発生する領域に切れ目をもうける。且つ、高速気
流の流れに影響しないように、切れ目に耐熱性物質を充
填して平滑な内周面を呈するようにした一体構造部品を
形成していることにある。

【００２９】図９は本発明に係わる中空円筒の縦断面
図、図１０は図９の横断面図、図１１は切れ目の数と応
力比の関係の説明図、図１２は図９の変形例、図１３は
図１２の変形例、図１４，図１５は図９の他の変形例で
ある。図１６は片側の端面が曲率を有する軸対称の場合
の本発明の説明図であり、図１７は図１６の変形例、図
１８は本発明の図１３の変形例、図１９は図１８の横断
面図である。

【００３０】該図において、６は切れ目、７は切れ目に
充満したセラミックスなどの断熱材料や弾性係数の低い
材料等の物質、８は応力集中低減用穴、９は応力集中低
減用穴に挿入した丸棒、１０は溝に挿入したダブテイル
型挿入棒、１１は溝、１２は片側の端面が曲率を有する
軸対称体そのほかは前出の符号である。

【００３１】図９に示した本発明の一説明では、軸対称
体の内表面の温度が最も高い温度を示す場合の構造につ
いて示した。中空円筒のような軸対称体の周りを等間隔
に１６分割し、分割した各区域ごと、軸対称体に対して
の長手方向に延び、且つ、周方向に所定間隔を持って切
れ目６を入れている。すなわち、切れ目６は紙面と直角
に貫通していることになる。

【００３２】図９に示したような切れ目を入れると、切
れ目を入れない場合に比べ、円周方向応力σ_θは減少さ
せることができる。しかし、発生する温度分布において
は、軸方向応力（Ｚ軸方向応力）が大きい場合が考えら
れる。そこで、軸対称体の長手方向に、内周の曲率に沿
った切れ目、すなわち、周方向に延び、且つ、軸方向に
所定間隔を持つ切れ目を複数設けることによって、軸方
向応力の低減を図ることができる。また、円周方向，軸
方向応力いずれの応力をも低下させたい場合には、図９
に示すように、軸方向と周方向に沿って延びる複数の切
れ目を入れる必要がある。

【００３３】なお、切れ目を入れたままでは、切れ目の
先端部の応力集中係数が大きくなり、悪影響を与えるた
めに、図１２に示すように、切れ目の先端部に、切れ目
の幅の３倍程度以上の直径を有する円孔８を設け、切れ
目からのき裂の発生を防止している。切れ目や、切れ目
の先の応力集中低減用穴に高温流体が流入するのを防止
するために、図１０や図１３に示すように、耐熱材料物
質７や応力集中低減用穴に丸棒９を挿入する。

【００３４】上記のように、例えば、１６個の切れ目を
設けてあるが、切れ目の数と熱応力の関係は、切れ目の
数を多くする程熱応力は低減する。切れ目の数と熱応力
の関係の一例を図１１に示す。横軸は切れ目の数、縦軸
は任意の切れ目の数の時に発生する熱応力σと切れ目の
ない時に発生する熱応力σ₀との比を示している。図示
した応力は、最大温度発生場所であると同じに、最大応
力発生場所でもある内周表面４の応力値を示している。
この結果によれば、切れ目の数を無限に大きくすれば、
熱応力は無限に小さくなるが、これは現実的ではない。
したがって、切れ目を入れるに要する工数，発生熱応力
と許容応力との関係から、最適な切れ目の数を選択すれ
ばよい。

【００３５】また、軸対称に入れる切れ目の深さについ
ては、本来ならば、ある深さの切れ目を入れた時の切れ
目付け根近傍の発生熱応力を求め、円孔などの応力集中
を考慮しても、応力値が許容応力以下である切れ目深さ
を採用すべきである。しかし、便宜的には、次のように
して求めてもよい。

【００３６】本軸対称体においては、構造が軸線に対し
対称であり、内周面と外周面の温度条件はほぼ等しい。
したがって、温度分布は軸対称体の半径方向に付く傾向
がある。その結果、発生熱応力は、切れ目を設けていな
い軸対称体の場合、内周表面４では高温度のため圧縮応
力であり、円筒外周部５においては、比較的低温である
ため、引張応力となり、内周表面４に平行な等応力線を
有する応力分布となり、圧縮応力から引張応力まで連続
的に分布している。したがって、圧縮応力から引張応力
に至る間に、必ず、応力値がゼロになる位置がある。す
なわち、この応力がゼロの位置から圧縮熱応力が最大値
を示す内周表面４まで切れ目を入れればよい。

【００３７】さらに、切れ目の幅は、次のようにして求
めた。すなわち、高温流体に接触する軸対称体の内周面
は比較的高温であるので、熱膨張により切れ目が塞がれ
て、隣の部分と拘束しあうようであれば、切れ目が熱応
力の解放に寄与しなくなる。したがって、熱膨張して
も、切れ目が塞がれることのない切れ目の幅を次式によ
り決定した。

【００３８】ｂ≧αＴ₀・２πｒ／（Ｘ−１）…周方向分割ｂ≧αＴ₀・ｌ …軸方向分割（ここで、ｂは切れ目の幅、αはノズルスロートの線膨
張係数、Ｔ０は切れ目部分の温度、ｒはノズルスロート
（内周）の半径、Ｘは切れ目の数、ｌは切れ目と切れ目
の間の長さ）図１４は本発明の他の変形例を示す。本例では、切れ目
の代わり、分割する数の半分の数の溝１１を周方向に等
間隔に設け、溝の幅と溝でない部分の幅を等しくし、さ
らに、溝の底の幅を太くすることにより、溝の寸法に加
工した挿入棒１０を固定するようにしたものである。こ
のような構造にすることにより、挿入棒と軸対称体を分
離することによって、挿入棒や軸対称体の高温流体に接
触する部分の変形を容易にし、軸対称体の隙間によっ
て、熱膨張量を逃すことにより、熱応力の低減化が図れ
る。また、切れ目のような応力集中部がないために、き
裂を発生することがない。

【００３９】図１５は本発明の他の変形例を示す。切れ
目の数，発生熱応力と許容応力との関係から、最適な切
れ目の数を選択し、この数に相当する分割を軸対称体に
対して行い、構造体として組み立てるために、外周に保
持リングを設けたものである。軸対称体を細分化したた
めに、細分化された細片は熱変形が容易であり、熱応力
が小さくなる。

【００４０】図１６は片側の端面が曲率を有する軸対称
体の場合の本発明の変形例であり、通常、端面が曲率を
有する部分にも高温流体が流れ、温度が高くなり、圧縮
熱応力が発生する。そこで、曲率部分にも切れ目６を入
れて、熱応力の低減化を図った例である。図１７は片側
の端部が曲率を有する軸対称体の場合、内周表面４に平
行に切れ目６を入れた場合である。図１８は図１７に対
し、本発明の図１３の構造、すなわち、応力集中低減用
穴に丸棒９を挿入した例であり、図１９は図１８の横断
面図である。このようにすることにより、熱応力の低減
化が図れるとともに、流体が応力集中低減用穴８に流入
せず、流体性能に影響を与え構造とすることができる。

【００４１】ノズルスロートの基材材質について説明す
る。材質は、試験運転条件によって内周面が曝される温
度によっても異なるが、１３００℃以上を想定した場
合、使用出来る材料は限定されてくる。すなわち、高温
域において高強度であり、耐熱性に優れるものである高
融点材料を用いることで確保する。高温高強度材料には
セラミックス，金属間化合物，高融点金属などがある
が、高温域での靭性に優れている高融点金属が望まし
い。すなわち、熱衝撃などにより大きな熱応力が発生し
た際に、脆性材料のセラミックスなどは破壊して損傷す
る可能性がある。高融点金属材料としては、Ｍｏ，Ｎ
ｂ，Ｗ，Ｒｅ，Ｔａ、及びそれらの合金がよい。次に、
切れ目、あるいは切れ目先端に充填する耐熱性物質及び
その方法について説明する。

【００４２】耐熱性物質としては、ノズルスロート内周
面が曝される温度域によって溶融，蒸発等により損耗し
ないか、修復性があるのものが望ましい。したがって、
基材材質と同様に高融点材料のセラミックス，金属間化
合物，高融点金属などがよい。例えば、セラミックスで
はＡｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＳｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯ₂な
ど、金属間化合物ではＮｂＡｌ₃，ＭｏＳｉ₂，ＦｅＡ
ｌ，ＮｉＡｌなど、高融点金属材料ではＮｂ，Ｍｏ，Ｔ
ａ，Ｒｅ，Ｗ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｒｈなどがある。低
温域ではＣｕ，Ｆｅ，Ｎｉなどであってもよい。また、
耐熱性物質はノズルスロート基材よりも熱膨張率が小さ
いこと、あるいは弾性係数が小さいこともよい。

【００４３】これらの耐熱性物質の充填では、ノズルス
ロート基材の機械的性質を損なわない条件で行うことが
必要がある。

【００４４】そこで、本発明では以下の方法により目的
を達成した。

【００４５】その一つは、金属容器内にノズルスロート
と耐熱性物質の粉末を充填して、熱間等方圧加圧法で一
体成型することにより形成する。熱間等方圧加圧法で
は、超高圧状態で加熱保持することにより、材料の融点
以下の加熱温度においても固相拡散した接合や焼結体を
得ることができる。そこで、本発明では切れ目周囲に耐
熱性物質の粉末を充填しておき、この粉末を焼結させる
ことにより一体成型されて間隙などがなく充填された内
周面を形成するものである。熱間等方圧加圧の条件とし
ては加熱保持温度及び圧力があり、例えば圧力１５００
から２０００気圧，温度１３００℃程度においてＭｏ，
Ｔａ，Ｎｂ等の粉末は焼結が可能である。この条件領域
であれば、基材の種類によっては機械的性質を損なわ
ず、基材と耐熱性物質が固相拡散により金相学的に一体
に形成されてた高強度な部品を製造することができる。
また、焼結の状態、すなわちは固相拡散の度合いは、温
度及び圧力の制御により任意にでき、目的により完全に
合金化して一体化により高強度になっている状態から、
耐熱性物質の粉末状態が残存して焼結の不充分な状態を
呈しているものまで得られる。

【００４６】この方法による製造工程は、１．円筒状の
金属製カプセル内にノズルスロートとその周囲に耐熱性
物質の粉末を入れ、カプセル内部を加熱脱気し密封する
工程（これをキャニングと称する）、２．高温高圧に保
持する工程、３．ノズルスロートとその周囲に固着した
耐熱性物質及び金属製カプセルを機械加工により除去
し、内周面を平滑に仕上げ加工する工程により行われ
る。

【００４７】他の充填方法として、本発明では表面処理
による被膜形成技術を用いるものである。充填材料をガ
ス体で供給し、狭隘部に緻密な被膜が得られる化学気相
蒸着法がよい。例えば、加熱保持された基材の表面に原
料ガスのタングステン，レニウムあるいはニオブのハロ
ゲン化物ガス(ＷＦ₆，ＲｅＦ₆，ＮｂＦ₅）と水素ガスを
供給し、還元反応させることができる。被覆時の基材温
度は、例えばタングステン／レニウム合金の場合では２
５０から６００℃で出来る。この際、被膜を狭隘部に形
成するために被膜生成速度を小さくすることが望まし
い。また、被膜の組織は処理条件，組成などにより微細
結晶粒，柱状晶，柱状晶と微細結晶粒の積層を呈してい
るように制御できる。これにより、熱負荷を受けても、
耐熱性，強度の低下などを防止して性能の向上に有効に
作用する。

【００４８】他の充填方法として、本発明では耐熱性物
質を溶液状態で充填後、焼成するものがある。その一つ
に、バインダーには、液状で焼成によりセラミックス化
するものと、高融点物質のガラス粉末、及びセラミック
ス粉末などを混合した溶液を充填，焼成する。バインダ
ーとしては、アルコキシド溶液，セラミックス前駆体ポ
リマーなどがある。アルコキシド溶液としては、例えば
テトラエチルオルトシリケート溶液（ＴＥＯＳ）による
ＳｉＯ₂、テトラ−ｎ−ブトキシジルコニウムによるＺ
ｒＯ₂、トリ−ｎ−ブトキシイットリウムによるＹ₂Ｏ₃
など、その他ＺｒＯ₂−ＭｇＯ,ＺｒＯ₂−ＣａＯのいず
れか、またはこれらの混合物、ＨｆＯ₂，ＳｉＯ₂にＮａ
₂Ｏ₃，Ｋ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＢａＯ，ＰｂＯ，Ｂ₂
Ｏ₃，Ａｌ₂Ｏ₃を混合したものなどを用いる。セラミ
ックス前駆体ポリマーにはＳｉ−Ｎ結合（ＳｉＮＨ₃）
の高分子化合物、例えばポリ(ペルヒドロシラザン）と
キシレンの溶液では４００から６００℃の空気中ではＳ
ｉＯ₂,窒素中でＳｉ₃Ｎ₄になるものである。セラミック
ス粉末としては、酸化物，炭化物，硼化物，珪化物いず
れか、またはこれらの混合物である。高融点材料の酸化
物では例えばＡｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，Ｈ
ｆＯ₂，ＺｒＯ₂−ＭｇＯ,ＺｒＯ₂−ＣａＯ、炭化物では
ＳｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，Ｂ₄Ｃ、硼化物ではＺｒＢ₂，
ＨｆＢ₂、珪化物ではＭｏＳｉ₂，Ｎｂ₅Ｓｉ₃，Ｔｉ₅Ｓ
ｉ₃があり、このいずれか、またはこれらの混合物がよ
い。これらの混合物により、融点を制御できる。

【００４９】以上のように、バインダーと高融点物質を
混合して充填させることにより、高温域でバインダー層
は軟化して自己修復する。また、セラミックス粉末間に
バインダー層が保持されているために、バインダー層の
消耗を少なくすることができる。

【００５０】他の充填方法として、本発明では無機系接
着剤を切れ目に充填後、該接着剤が化学的に変化する温
度で熱処理を加えて形成するものである。無機系接着剤
は、例えば、耐熱性物質としてＡｌ₂Ｏ₃、あるいはＺｒ
Ｏ₂などと水ガラスなどの無機ポリマーを調合したペー
スト、スラリー状のものである。これを切れ目に常温で
塗布した後水分を蒸発させ、３００℃程度以下で焼成す
る。これにより、1700℃程度の耐熱性のある充填相が得
られる。

【００５１】以上の構成による熱応力緩和型構造体部品
を、高速気流の試験気体に曝される衝撃波管端のノズル
スロートに用いることにより、高熱流速域の運転条件に
おいて高寿命化を図れるフリーピストン型衝撃風洞装置
を提供できる。

【００５２】

【実施例】

実施例１図２は本発明に係るフリーピストン型風洞装置の一例を
示した断面図である。図３は図２の第二隔膜近傍部の詳
細構造を示すもので、本発明の対象部品であるノズルス
ロートを示す。図４で、ピストン２２によってヘリウム
ガスを圧縮する圧縮管２０と、その圧縮されたヘリウム
によって試験気体（例えば空気ガスである）を圧縮する
衝撃波管２６と、衝撃波管端に発生した高エンタルピー
状態の試験気体を膨張させて秒速数ｋｍの速度の気流を
発生させる超音速ノズル２７と試験モデル３５が設置さ
れ試験状態が観測されるテストセクション３４，テスト
セクション下流に設置されるダンプタンク３６で構成さ
れる。また、圧縮管と衝撃波管の間には、ヘリウムガス
と試験気体を仕切る第一隔膜２９が設置されており、衝
撃波管と超音速ノズルの間には第二隔膜３０が設置され
ている。この第二隔膜は、図３の詳細構造で見ると、衝
撃波管端のスリーブ３１とエンドプレート３２，ノズル
スロート３３で保持されている。なお、圧縮管２０には
衝撃波管２６の接続側と反対側にピストン２２を駆動す
るための高圧空気を供給する高圧空気貯槽２１が設置さ
れている。

【００５３】ダンプタンク３６を真空状態にして、衝撃
波管内の試験気体と圧縮管内のヘリウムを所定の圧力に
設定した後に高圧空気貯槽から高圧空気をピストンの背
面に供給してピストンを駆動させる。ピストン駆動によ
って圧縮管内のヘリウムは圧縮され高温高圧状態にな
る。ヘリウムの圧力が第一隔膜の破裂圧力に達すると、
高温高圧のヘリウムガスは第一隔膜を通過して衝撃波管
内に流入して試験気体を圧縮する。高温高圧の試験気体
は第二隔膜を通過して超音速ノズルにより膨張して高速
流を発生する。

【００５４】以上の装置により、超高速の試験気流を測
定部に形成する際、第二隔膜近傍部の構造体部品は最も
熱的，機械的負荷が大きい構成部である。特に、ノズル
スロート部は本風洞装置における最大の熱負荷が発生す
るとともに、高温高圧の試験気体の高速流に曝される。
そのため、これらの構造体部品の高速流に曝され表面は
高エネルギーの熱流速を受け、その結果大きな熱応力を
生じる。

【００５５】そこで、このノズルスロートに生じる熱応
力などの問題点について、ノズルスロートの形状である
中空円筒モデルで説明する。断面半径方向に温度分布が
形成されている中空円筒での応力発生状況を図４から図
８を用いて説明する。図４は中空円筒１の周囲をながれ
る流体２，３と中空円筒１の断面に発生する温度分布の
関係を示す。図５は内周が外周よりも温度が高い場合に
中空円筒に発生する断面肉厚方向応力分布を示す。図
６，図７は有限長さの円筒の例であり、しかも、端面に
曲率を有する軸対称体の場合の温度，応力分布を示す。
図８は内周高温外周低温の場合の内周側，外周側に発生
する熱応力とひずみの関係を示す。

【００５６】各図中の符号は以下の内容を示している。
すなわち、１は円筒、２は高温流体、３は低温流体、４
は内周表面、５は円筒外周部である。

【００５７】図４は中空円筒１の周囲を流れる流体２，
３と中空円筒１の断面に発生する温度分布の関係を示
す。図４は、基本的に円筒の内周表面４の温度が円筒外
周部５の温度よりも高い場合の条件を示している。すな
わち、図４（ａ）は円筒内部を流れる流体２が円筒外周
部５を流れる流体３よりも温度が高く、その結果、円筒
内周の温度は他の部分よりも高くなり、図中に示したよ
うな半径方向の温度分布を示すものである。図４（ｂ）
は円筒の温度が当初低く、急激に円筒内部に高温の流体
２が流れる場合の条件である。長時間経過すると、断面
全体は一定温度になるが、流体が流れ始めた当初は、半
径方向に温度分布ができる。図４（ｃ）は円筒の温度が
高く、急激に円筒外周部に低温の流体３が流れる場合の
条件である。図４（ｂ）同様に、長時間経過すると、断
面全体は一定温度になるが、流体が流れ始めた当初は、
半径方向に温度分布ができる。

【００５８】中空円筒に上述したような温度分布が存在
するときに、断面肉厚に発生する応力分布を図５に示
す。図５は円筒について、内周の温度が高く、肉厚方向
に温度分布がある場合の弾性応力分布を示す。円筒の内
周の温度が高いために、内周は圧縮応力を示し、外周は
引張応力を示しているのが分かる。

【００５９】さらに、図６に端面に曲率を有する有限長
さの円筒の軸対称の場合の温度分布を示す。曲率を有す
る部分も高温流体の影響を受けるために、図に示すよう
に内表面の形状にほぼ平行な温度を示している。その結
果、発生する熱応力も、図７に示すように、内表面の形
状にほぼ平行でしかも、内表面近くは圧縮応力、外表面
に近づくと引張応力になる。

【００６０】本実施例では、前述の図２のフリーピスト
ン型衝撃風洞装置、及び図３の第二隔膜近傍部の断面図
で示すノズルスロート３３を、熱応力緩和型の耐熱性構
造体で構成した。ノズルスロート３３は、外径６０mm，
内径３０mm，長さ５０mmで、基材を高融点金属材料のＭ
ｏ合金（Ｃｅ含有）とし、その内周面に、円周方向で２
０分割、長手方向に１０箇所の切れ目を設け、且つ、切
れ目に耐熱性物質７として高融点金属材料を充填した。
図１に本実施例のノズルスロートの断面図を示す。

【００６１】実施例を平面状のモデルにより説明する。
実機では曲面の内周面呈しているものである。図２０は
本実施例での切れ目の加工方法、図２１は図２０の切れ
目６に耐熱性物質７を充填した後、その表面を仕上げ加
工した状態を示す。図２０に示すように、ノズルスロー
ト３３に熱負荷により発生する圧縮応力がゼロになる範
囲の深さまで長手方向の切れ目６ａ，円周方向の切れ目
６ｂを入れる。その加工は、内周面であることから、例
えば長手方向の切れ目６ａはワイヤー放電加工など、円
周方向の切れ目６ｂは小径のメタルホイールなどによ
る。切れ目の深さは任意に設定できるが、幅は加工工具
の寸法で規定されて最小で０.２mm 程度になるが、実用
上何ら問題はない。本実施例では切れ目の深さは２.０m
m 、幅は長手方向の切れ目６ａは０.３mm、円周方向の
切れ目６ｂは０.２mmにした。

【００６２】次に、切れ目６に耐熱性物質７をＴａ，Ｎ
ｂ，Ｍｏ，Ｎｉとし、熱間等方圧加圧法で焼結させて充
填した。充填は、二重円筒状の軟鋼製容器内にノズルス
ロートを配設し、その周囲に３２５メッシュのＴａ，Ｎ
ｂ，Ｍｏ，Ｎｉの各々の粉末を充填し、この状態で内部
を真空排気しながら４００℃に加熱して２時間脱気した
後、密封した。これを熱間等方圧加圧装置内に配設し、
７５０℃まで昇温した後、圧力を上昇させて、定常状態
で１３００℃，１９００気圧に保持する温度先行型条件
により加熱，加圧保持した。

【００６３】熱間等方圧加圧による焼結後、ノズルスロ
ートとその周囲に固着したＴａ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｎｉ及び
軟鋼製容器を機械加工により研削除去し、内周面を平滑
に仕上げ加工した。加工後の表面はノズルスロートの基
材材質Ｍｏと充填材Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉは材質の違いによ
り、格子状模様が僅かにあるが、亀裂やボイドの欠陥は
見られなかった。また、断面を光学顕微鏡により組織観
察した結果、Ｔａ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｎｉは切れ目の底部ま
で一様に充填されており、ボイドのない焼結体になって
いた。

【００６４】以上により、熱応力緩和型の耐熱性構造体
で構成した平滑な内周面を呈したノズルスロート３３が
得られた。

【００６５】このＴａ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｎｉを充填したノ
ズルスロートを組込み、フリーピストン型衝撃風洞装置
を評価した。試験運転条件として熱流速を２５ＭＪ／k
g，６０ＭＰａで、５回の繰返しの実負荷試験を行っ
た。その結果、５回後において、Ｔａ，Ｎｂ，Ｍｏのノ
ズルスロートに損傷の発生は認められず、高温高圧の気
流の発生が可能であった。従来法のＭｏ材，Ｍｏ合金
（Ｔｉ，Ｚｒ含有），Ｗ合金（Ｃｕ−Ｗ，Ｎｉ−Ｗ）は
低熱流速での試験では損傷はなかったが、熱流速が大き
くなるとＭｏ材あるいはＭｏ合金では円周方向及び気流
方向の斜め方向にクラックが発生し、試験回数の増加で
成長した。また、断面組織では表面から１mm程度の領域
で結晶粒が粗大化した再結晶組織を呈しているのが観察
された。したがって、この領域はＭｏ材が再結晶する千
数百℃の温度域に加熱される条件に曝されたことが分か
った。Ｗ合金は外観ではクラックの発生とともに、表面
形態が粗くなっている状況が観察された。断面組織でこ
れは融点の低いＣｕ及びＮｉの組成部分が溶融し、損耗
していた。このため、気流に乱れを生じ、運転はできな
くなり、高熱流速域での試験はできない。また、Ｎｉを
充填したノズルスロートは充填材の損耗が認められた。
しかし、充填部以外のＭｏ合金基材には新たなクラック
の発生は生じていなかった。従って、熱応力緩和型の耐
熱性構造体の特徴が出ており、Ｎｉの損耗しない温度域
での運転条件で使用できる。

【００６６】以上のように、本発明のフリーピストン型
衝撃風洞装置は熱応力緩和型の耐熱性構造体部品のノズ
ルスロートにより、高熱流速域での運転が可能であり、
従来材料による部品に比べて優れた特性が得られ、風洞
の性能ならびにプラントの信頼性を向上させるものであ
る。

【００６７】実施例２実施例１と同じ図１のノズルスロート３３を用い、切れ
目６へ耐熱性物質７として高融点金属材料を化学気相蒸
着法により充填した。高融点金属材料は、１．タングス
テン、２．レニウム、３．タングステン−レニウム、
４．タングステンとタングステン−レニウムを積層した
４種類とし、充填する際の被覆層の厚さは平面部(切れ
目のない面）で約０.１２mmとした。

【００６８】処理は、密閉構造の反応炉内にノズルスロ
ート３３の基材を配設し、水素ガス雰囲気中で高周波誘
導により３００℃に加熱した後、次いで高融点金属材料
原料ガスのＷＦ₆、あるいはＲｅＦ₆、またはＷＦ₆とＲ
ｅＦ₆とを含む混合ガスを基材上に供給した。処理中は
均一な被覆をするために約１０rpm で基材を回転した。
高融点金属材料の被覆層を形成した後、拡散処理として
１３５０℃で１時間の真空熱処理を行い、基材との密着
性の向上を図った。この時の被覆層の結晶粒径は０.９
から４.５μｍであった。

【００６９】拡散処理後、被覆層を研削加工により除去
し、Ｍｏ合金の基材表面を現出させ、Ｍｏ合金と切れ目
に高融点金属材料が充填されている熱応力緩和型の耐熱
性構造体部品のノズルスロートが得られた。

【００７０】実施例１と同様にフリーピストン型衝撃風
洞装置に組込み、運転条件としてエンタルピの値を２５
ＭＪ／kgで、３回の繰返しの実負荷試験を行った。その
結果、柱状晶組織のタングステン，レニウム，微細結晶
粒組織のタングステン−レニウム、あるいはタングステ
ンとタングステン−レニウムを充填したものは、微細な
クラックが形成されたものの損耗はなく、気流性能に影
響のない表面粗さ、及びクラックの幅のサイズであっ
た。したがって、高熱流速域の試験が可能であった。

【００７１】実施例３実施例１と同じ図１のノズルスロート３３を用い、切れ
目６へ耐熱性物質７としてガラス，セラミックス、及び
それらの混合物を充填した。充填は、耐熱性物質７をバ
インダーと粉末の混合物からなる溶液状態で充填後、焼
成することにより行った。

【００７２】耐熱性物質７の種類としては、１．バイン
ダーにＴＥＯＳを用い、ホウケイ酸ガラス粉末（Ｂ₂Ｏ₃
を１０％添加，粒径１μｍ以下）を５０ｗｔ％混合、
２．バインダーにＴＥＯＳを用い、セラミックス粉末
（３２５メッシュ）として、ａ．Ａｌ₂Ｏ₃、ｂ．ＺｒＯ
₂−６％Ｙ₂Ｏ₃、ｃ．ＺｒＣを６５ｗｔ％混合、３．バ
インダーにＺｒ（ｎ−ＯＣ₄Ｈ₉)₄／ｎ−Ｃ₄Ｈ₉ＯＨ₄を
用い、セラミックス粉末(３２５メッシュ）としてａ．
ＳｉＯ₂、ｂ．Ａｌ₂Ｏ₃、ｃ．ＳｉＣを６０ｗｔ％混
合、４．バインダーにポリ（ペルヒドロシラザン）と５
０％キシレン溶液を用い、セラミックス粉末（３２５メ
ッシュ）として、ａ．Ａｌ₂Ｏ₃、ｂ．ＺｒＯ₂−６％Ｙ₂
Ｏ₃、ｃ．ＨｆＣを６５ｗｔ％混合、などに調合した溶
液を用いた。

【００７３】処理は、切れ目への溶液の充填と焼成で行
った。充填は、ノズルスロート３３の内周部に内筒容器
（軟鋼製）を設け、ノズルスロートの下流側端部で密着
し、且つ切れ目のある内周面側は０.２mm 以下の間隙に
なるようにした。次に、この内筒容器と切れ目間に溶液
を充満させ、切れ目内に溶液を充填した。この際、切れ
目内の空気の除去のため、真空含浸で行った。焼成は、
大気中５０℃で乾燥後、窒素雰囲気中で１００℃、及び
４００℃で６０分間、加熱保持した。この真空含浸と焼
成を１０回繰り返した。その後、内筒容器を取外し、
１．と２．は1000℃、３．と４．は５５０℃、窒素中で
高温焼成した。

【００７４】焼成後、内周面を研削加工することによ
り、所定の寸法に仕上げた。これによりセラミックスな
どを除去し、Ｍｏ合金の基材表面を現出させ、Ｍｏ合金
と切れ目にセラミックスなどが充填された熱応力緩和型
の耐熱性構造体部品のノズルスロートが得られた。

【００７５】実施例４実施例１と同じ図１のノズルスロート３３を用い、切れ
目６へ耐熱性物質７としてセラミックスを充填した。充
填は、耐熱性物質７に無機系接着剤を切れ目に充填後、
熱処理して形成した。

【００７６】耐熱性物質７の無機系接着剤としては、主
成分が１．Ａｌ₂Ｏ₃系、２．ＺrＯ₂、３．ＳｉＯ₂系
で、無機ポリマーを調合したペースト状のものを用い
た。

【００７７】充填の方法は、実施例３と同様に、ノズル
スロートと内筒容器内に無機系接着剤を充満させ、真空
含浸し、自然乾燥させた。固化した無機系接着剤の表面
をＳｉＣ研磨紙で研磨後、真空含浸，自然乾燥の工程を
４回繰り返した。これを大気中、３００℃で２時間焼成
した。

【００７８】焼成後、内周面を研削加工することによ
り、所定の寸法に仕上げた。これによりセラミックスを
除去し、Ｍｏ合金の基材表面を現出させ、Ｍｏ合金と切
れ目にセラミックスが充填された熱応力緩和型の耐熱性
構造体部品のノズルスロートが得られた。

【００７９】

【発明の効果】本発明によれば、熱応力緩和型のノズル
スロートを用いているので、耐熱，耐熱衝撃性に優れ、
高熱流速域で長寿命のフリーピストン型衝撃風洞装置が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のノズルスロート部品の断面図である。

【図２】フリーピストン型風洞装置の一例でその概略を
示した断面図である。

【図３】図４の第二隔膜近傍部の部分拡大断面図であ
る。

【図４】中空円筒の半径方向の温度分布発生状況（内周
が高温の場合）を説明する図。

【図５】中空円筒に発生する断面肉厚方向応力分布（内
周が高温の場合）を説明する特性図。

【図６】中空円筒で端面に曲率を有する軸対称の場合の
温度分布を説明する図。

【図７】中空円筒で端面に曲率を有する軸対称の場合の
応力分布を説明する図。

【図８】内周高温外周低温の場合の内，外周の熱応力と
ひずみの関係を説明する図。

【図９】中空円筒状部品に切れ目を加工した状態の部分
断面斜視図である。

【図１０】図４の切れ目に耐熱性物質を充填した状態の
横断面図である。

【図１１】切れ目の数と応力比の関係の説明図である。

【図１２】本発明の一変形例を示す横断面図である。

【図１３】図７の変形例を示す横断面図である。

【図１４】本発明の一変形例を示す横断面図である。

【図１５】本発明の一変形例を示す横断面図である。

【図１６】片側の端面が曲率を有する軸対称体の場合の
本発明の一例を示す部分断面図である。

【図１７】片側の端面が曲率を有する軸対称体の場合の
本発明の一例を示す部分断面図である。

【図１８】図１２の一例に図８の構造を適用した一変形
例を示す部分断面図である。

【図１９】図１３の横断面図である。

【図２０】本実施例での切れ目の加工方法の説明図。

【図２１】図２０に耐熱性物質を充填した後の表面を仕
上げ加工した状態を示す説明図。

【符号の説明】

１…円筒、２…高温流体、３…低温流体、４…内周表
面、５…円筒外周部、６…切れ目、６ａ…長手方向の切
れ目、６ｂ…円周方向の切れ目、７…耐熱性物質、８…
応力集中低減用穴、９…応力集中低減用穴に挿入した丸
棒、１０…溝に挿入したダブティル型挿入棒、１１…
溝、１２…片側の端面が曲率を有する軸対称体、１３…
細分化された軸対称体の細片、１４…保持リング、２０
…圧縮管、２１…高圧空気貯槽、２２…ピストン、２３
…減圧排気系接続配管、２４…高圧空気供給配管、２５
…大気排気管、２６…衝撃波管、２７…超音速ノズル、
２８…慣性質量、２９…第一隔膜、３０…第二隔膜、３
１…スリーブ、３２…エンドプレート、３３…ノズルス
ロート、３４…テストセクション、３５…試験モデル、
３６…ダンプタンク。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者児島慶享茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者高草木常彦茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者吉野智哉茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者伊丹博幸茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者中野晋茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者松田憲昭茨城県日立市幸町三丁目２番２号日立ニュークリアエンジニアリング株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストンの移動によって管内に充填された
気体が圧縮される圧縮管と、該ピストンの駆動源である
高圧気体が貯蔵される高圧空気貯槽と、前記圧縮管に接
続されピストンの移動によって断熱圧縮された気体によ
って圧縮される試験気体が充填される衝撃波管と、該衝
撃波管の端において圧縮された前記試験気体を膨張させ
て高速気流を発生させるノズルと、該ノズル下流に設置
されるテストセクションと、ダンプタンクとを備えたフ
リーピストン型衝撃風洞装置において、高速気流に曝さ
れ熱応力を受ける前記衝撃波管はその端の中空円筒状の
ノズルスロートが、高温高強度材料からなりその内周表
面に複数の切れ目を有し、且つ切れ目の全体あるい内周
表面部に耐熱性物質が充填され平滑な内周面を呈してい
ることを特徴とするフリーピストン型衝撃風洞装置。
【請求項２】中空円筒状あるいは端部に曲率を有する中
空円筒状の高温高強度材料からなりその内周の表面に複
数の切れ目を有し、且つ切れ目の全体あるいは内周表面
部に耐熱性物質が充填されていて平滑な内周面を呈して
いることを特徴とするフリーピストン型衝撃風洞装置用
ノズルスロート。
【請求項３】中空円筒状あるいは端部に曲率を有する中
空円筒状の高温高強度材料からなりその内周の表面に沿
って周方向と軸方向の両方に複数の切れ目を有し、且つ
切れの全体あるいは内周表面部には耐熱性物質が充填さ
れ、平滑な内周面を呈していることを特徴とするフリー
ピストン型衝撃風洞装置用ノズルスロート。
【請求項４】中空円筒状あるいは端部に曲率を有する中
空円筒状の高温高強度材料からなりその内周の表面に複
数の切れ目を有し、切れ目の先端に中空の穴を設け、且
つ切れ目と穴の全体あるいは内周表面部には耐熱性物質
が充填されていて平滑な内周面を呈していることを特徴
とするフリーピストン型衝撃風洞装置用ノズルスロー
ト。
【請求項５】請求項２〜４のいずれかにおいて、前記ノ
ズルスロート部品の断面の半径方向，長手方向に発生す
る圧縮応力がゼロとなる位置近傍までの範囲に溝、又は
該溝先端に中空の穴を設け、且つ前記溝と穴の全体ある
いは内周表面部には耐熱性物質が充填されていて平滑な
内周面を呈していることを特徴とするフリーピストン型
衝撃風洞装置用ノズルスロート。
【請求項６】請求項２〜５のいずれかにおいて、前記溝
の幅が次式を満足していることを特徴とするフリーピス
トン型衝撃風洞装置用ノズルスロート。ｂ≧αＴ₀・２πｒ／（Ｘ−１）（周方向）ｂ≧αＴ₀・ｌ（軸方向）（ここで、ｂは切れ目の幅、αはノズルスロートの線膨
張系数、Ｔ₀は切れ目部分の温度、ｒはノズルスロート
（内周）の半径、Ｘは切れ目の数、ｌは切れ目と切れ目
の間の長さ）
【請求項７】請求項２〜６のいずれかにおいて、前記ノ
ズルスロートの高温高強度材料は、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｒ
ｅ，Ｔａ、及びそれらの２種以上を主成分とする合金か
らなることを特徴とするフリーピストン型衝撃風洞装置
用ノズルスロート。
【請求項８】請求項２〜７のいずれかにおいて、前記ノ
ズルスロートの切れ目、もしくは切れ目先端の中空の穴
に充填する耐熱性物質は、高温高強度材料よりも熱膨張
率が小さいことを特徴とするフリーピストン型衝撃風洞
装置用ノズルスロート。
【請求項９】請求項２〜８のいずれかにおいて、前記ノ
ズルスロートの切れ目、もしくは先端に中空の穴に充填
する耐熱性物質は、高温高強度材料よりも弾性係数が小
さいことを特徴とするフリーピストン型衝撃風洞装置用
ノズルスロート。
【請求項１０】請求項２〜９のいずれかにおいて、前記
ノズルスロートの切れ目、もしくは切れ目先端に中空の
穴に充填する耐熱性物質は、非金属材料のガラス，セラ
ミックス、又はそれらの混合物、あるいはＣｕ，Ｎｉ，
Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｒｅ，Ｗ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｒ
ｈ，Ｆｅ、又はそれらの２種以上を主成分とする合金か
らなることを特徴とするフリーピストン型衝撃風洞装置
用ノズルスロート。
【請求項１１】中空円筒状の高温高強度材料からなりそ
の内周の表面より断面の半径方向に発生する圧縮応力が
ゼロとなる位置近傍まで溝を切り、該溝の底が、その溝
よりも幅広な形状を有し、しかも、高温高強度材料と同
一材料で、溝と同一形状な物質を挿入したことを特徴と
するフリーピストン型衝撃風洞装置用ノズルスロート。
【請求項１２】中空円筒状の高温高強度材料を放射状に
複数個に分割し、その外周に保持体を設けて組みたてた
ことを特徴とするフリーピストン型衝撃風洞装置用ノズ
ルスロート。
【請求項１３】ピストンの移動によって管内に充填され
た気体が圧縮される圧縮管と、該ピストンの駆動源であ
る高圧気体が貯蔵される高圧空気貯槽と、前記圧縮管に
接続され、ピストンの移動によって断熱圧縮された気体
によって圧縮される試験気体が充填される衝撃波管と、
該衝撃波管の端において圧縮された前記試験気体を膨張
させて高速気流を発生させるノズルと、該ノズル下流に
設置されるテストセクションと、ダンプタンクとからな
るフリーピストン型衝撃風洞装置の製造方法において、
高速気流に曝され熱応力を受ける前記衝撃波管はその端
の中空円筒状のノズルスロートを、高温高強度材料から
なるその内周の表面に複数の切れ目、あるいは切れ目と
切れ目の先端に穴を設ける工程、前記溝、あるいは前記
穴に耐熱性物質を充填する工程及び前記ノズルスロート
内表面を平滑に形成する工程を順次行うことを特徴とす
るフリーピストン型衝撃風洞装置の製造方法。
【請求項１４】請求項１３において、前記ノズルスロー
トの切れ目は、機械加工で形成することを特徴とするフ
リーピストン型衝撃風洞装置の製造方法。
【請求項１５】請求項１３又は１４において、前記ノズ
ルスロートの切れ目、あるいは切れ目先端の穴の金属材
料の耐熱性物質は、金属容器内にノズルスロートと耐熱
性物質の粉末を充填して脱気した後密閉し、これを熱間
等方圧加圧法で成型することにより形成することを特徴
とするフリーピストン型衝撃風洞装置の製造方法。
【請求項１６】請求項１３〜１５のいずれかにおいて、
前記ノズルスロートの切れ目、あるいは切れ目先端の穴
の非金属材料の耐熱性物質は、金属アルコキシド，セラ
ミックス前駆体ポリマーのどちらか、または両者の混合
物、さらにはそれらにガラス粉末、及びセラミックス粉
末を添加した溶液を充填後、該溶液が化学的に変化する
温度で熱処理を加えて形成することを特徴とするフリー
ピストン型衝撃風洞装置の製造方法。
【請求項１７】請求項１３〜１６のいずれかにおいて、
前記ノズルスロートの切れ目、あるいは切れ目先端の穴
の非金属材料の耐熱性物質は、無機系接着剤をモジュー
ルエレメント間に充填後、該接着剤が化学的に変化する
温度で熱処理を加えて形成することを特徴とするフリー
ピストン型衝撃風洞装置の製造方法。
【請求項１８】請求項１３〜１７のいずれかにおいて、
前記ノズルスロートの切れ目、あるいは切れ目先端の穴
の耐熱性物質は、化学気相蒸着法で被覆した後、該被覆
層を高温高強度材料表面まで研削して形成することを特
徴とするフリーピストン型衝撃風洞装置の製造方法。