特開 2023-65163 ロケットエンジンの燃焼器及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023065163

(43)【公開日】2023-05-12

(54)【発明の名称】ロケットエンジンの燃焼器及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F02K 9/64 20060101AFI20230502BHJP

   B23K 20/00 20060101ALI20230502BHJP

   B23K 1/00 20060101ALI20230502BHJP

【ＦＩ】

F02K9/64

B23K20/00 310L

B23K1/00 330P

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021175814

(22)【出願日】2021-10-27

(71)【出願人】

【識別番号】521472025

【氏名又は名称】インターステラテクノロジズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】為政 博史

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA08

4E167DA11

(57)【要約】

【課題】大掛かりな設備を必要とすることなく且つ少ない工数で製造することができる燃焼器であって、高い確実性を持って封止された冷却流体流路を有する燃焼器を提供する。
【解決手段】本実施形態に係る燃焼器は、燃焼室を構成する金属製の内筒１２と、内筒の外面に形成された冷却流体流路と、内筒１２の外面を覆って冷却流体流路を封止する封止層１６とを備える。封止層１６は、内筒１２の外面に巻き付けられた金属線材３０の拡散接合による接合体で構成され、内筒１２の外面に拡散接合によって接合されている。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼室を構成する金属製の内筒と、
前記内筒の外面に形成された冷却流体流路と、
前記内筒の外面を覆って前記冷却流体流路を封止する封止層と、を備え、
前記封止層は、
前記内筒の外面に巻き付けられた金属線材の冶金的接合による接合体で構成され、
前記内筒の外面に前記冶金的接合によって接合されている
ことを特徴とするロケットエンジンの燃焼器。

【請求項2】

請求項１に記載のロケットエンジンの燃焼器において、
前記冶金的接合は拡散接合である
ことを特徴とするロケットエンジンの燃焼器。

【請求項3】

請求項１に記載のロケットエンジンの燃焼器において、
前記冶金的接合はろう接合である
ことを特徴とするロケットエンジンの燃焼器。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロケットエンジンの燃焼器において、
前記封止層の表面に密着して前記内筒を保持する外筒をさらに備える
ことを特徴とするロケットエンジンの燃焼器。

【請求項5】

燃焼室を構成する金属製の内筒の外面に冷却流体流路を形成することと、
前記内筒の外面に金属線材を巻き付けることと、
前記金属線材が巻き付けられた前記内筒を前記金属線材の拡散温度以上の温度に加熱し、前記金属線材同士及び前記金属線材と前記内筒とを拡散接合することによって前記冷却流体流路を封止することと、を含む
ことを特徴とするロケットエンジンの燃焼器の製造方法。

【請求項6】

燃焼室を構成する金属製の内筒の外面に冷却流体流路を形成することと、
前記内筒の外面と金属線材の少なくとも一方にろう材を付着させることと、
前記内筒の外面に前記金属線材を巻き付けることと、
前記金属線材が巻き付けられた前記内筒を前記ろう材の溶融温度以上の温度に加熱し、前記金属線材同士及び前記金属線材と前記内筒とをろう接合することによって前記冷却流体流路を封止することと、を含む
ことを特徴とするロケットエンジンの燃焼器の製造方法。

【請求項7】

請求項５又は６に記載のロケットエンジンの燃焼器の製造方法において、
前記内筒の外面に前記金属線材をガイドするための連続溝を設けること、をさらに含む
ことを特徴とするロケットエンジンの燃焼器の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロケットエンジンの燃焼器及びその製造方法に関し、詳しくは、再生冷却式燃焼器に用いて好適な燃焼器及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には燃焼室とノズルとを備えた従来のロケットエンジンの構造が開示されている。燃焼室では燃料を酸化剤と混合させて燃焼させる。その際の焼室内の温度は典型的には５０００～６０００度Ｆに達し、燃焼室内の圧力は典型的には１０００～４０００ポンドに達する。燃焼室で生成された高温高圧のガスはノズルにおいて膨張し、後方に排出されることによってロケットに推進力を与える。一般に、ノズルはその全体或いは上部の一部が燃焼室と一体化されている。本明細書では、燃焼室にノズルの全体或いは一部が一体化されているロケットエンジンの構成部品を燃焼器と称する。

【0003】

ロケットエンジンの作動時、燃焼器の内部空間は高温にさらされる。このため燃焼器にとって内部空間を形成する壁の冷却は不可欠である。燃焼器の壁を冷却する方法としては、壁の内部に流路を作り、その流路に冷却流体を流して冷却流体と壁との間で熱交換を行わせる方法が一般的である。再生冷却式燃焼器の場合、冷却流体には一般に液体燃料が使用されている。

【0004】

燃焼器の壁に冷却流体流路を設ける従来方法としては、まず、機械的な切削加工により内壁材（内筒）の外面に冷却流体流路となる溝を形成し、次に、電気鋳造法にて内壁材の外面にめっき処理を行うことによって冷却流体流路を封止する方法が知られている。この方法では内壁材の外面を覆うめっきが外筒として機能する。しかし、めっき処理は非常に労働集約的な作業であり、臨界的ないくつかの動作が必要とされる。このため、典型的な設計形状の燃焼器の場合、その製造過程においてかなりの頻度で再加工が必要になっていた。

【0005】

具体的には、冷却流体流路を封止する処理の間、冷却流体流路はワックス材料で満たされる。外部に露出された内壁材の外面は銀の粉末で磨かれ、導電性のめっき可能な表面が形成される。その表面上に水素バリアがめっきされ、それに続いてニッケルがめっきされることにより冷却流体圧力に耐える閉じた構造が形成される。このように冷却流体流路の封止にはいくつかのめっき処理が必要であり、また、いくつかの中間的な機械加工工程が必要である。そして、全てのめっき処理は、めっきされた材料の結合力を低下させる汚染の他、めっき化学液およびその他の処理パラメータについて問題を有している。完成までの間に異常が発生した場合には、冷却流体流路上のめっきされた材料は機械加工により除去されて再度めっき処理が繰り返されなければならない。ゆえに、めっきを用いて冷却流体流路を封止する従来方法は、完成までに多くの時間と労力を必要とするため製造コストが高くなってしまう。

【0006】

さらに、上述の従来方法では、めっき処理の完了に続いてワックス材料を冷却流体流路から除去する処理が必要とされる。ワックス材料が残留して存在すると次の動作における汚染の原因となるためである。ゆえに、上述の従来方法は、ワックス材料の除去処理のためにも多くの時間と労力を必要とする。

【0007】

また、燃焼器の壁に冷却流体流路を設ける方法としては、特許文献２に開示された方法も知られている。特許文献２に開示された方法は、冷却流体流路となる溝を内筒の外面に形成し、その内筒に外筒をろう接合あるいは拡散接合するというものでる。接合時に両部材を密着させる方法には、熱間等方圧加圧法（以下ＨＩＰと略す）が採用されている。ＨＩＰとは、水やアルゴンなどのガスを圧力媒体とし、通常９８ＭＰａ（１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２）以上の高い等方圧力と１０００℃以上の温度との相乗効果を利用して加圧処理する技術である。

【0008】

しかし、ＨＩＰによる施工には大がかりな設備が必要であるため、特許文献２に開示された方法では設備費が嵩み製造コストが高くなってしまう。さらに、外筒は２分割形状で加工されるが、その合わせ面の接合不良によって冷却流体や燃焼ガスの漏れが発生しやすいという問題もある。

【0009】

一方、これまで述べた電気鋳造法やＨＩＰを用いる方法とは異なる方法が特許文献３に開示されている。特許文献３に開示された方法は、内筒と外筒とを拡散接合する拡散接合用治具として、カーボンコンポジット材（以下Ｃ／Ｃ材と略す）を用いて形成した治具を使用するというものである。拡散接合用治具は、拡散接合すべき被拡散接合体を挟持する一対の挟持部材とその挟持部材を連結する連結部材とからなり、少なくとも連結部材がＣ／Ｃ材で形成されている。Ｃ／Ｃ材は熱膨張率が極めて小さいので、被接合部材と拡散接合用治具との熱膨張率の差により充分な接合圧力を確保することができる。

【0010】

特許文献３に開示された方法では、機械的な切削等によって冷却流体流路となる溝を加工した内筒に外筒を精度良く合わせる必要がある。しかし、曲面形状である両部品を精度良く加工するのは困難であり、両部品間に隙間が発生した場合には接合不良が発生するという問題がある。さらに、特許文献２に開示された方法と同様、２分割された外筒の合わせ面の接合不良によって冷却流体や燃焼ガスの漏れが発生しやすいという問題もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開２００５－５１３３２２号公報

【特許文献2】特開２００４－１６９７０２号公報

【特許文献3】特開２０１０－０６４０９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、大掛かりな設備を必要とすることなく且つ少ない工数で製造することができる燃焼器であって、高い確実性を持って封止された冷却流体流路を有する燃焼器を提供することである。また、本発明の第２の目的は、高い確実性を持って封止された冷却流体流路を有する燃焼器を大掛かりな設備を必要とすることなく且つ少ない工数で製造する方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明が提供するロケットエンジンの燃焼器は、燃焼室を構成する金属製の内筒と、内筒の外面に形成された冷却流体流路と、内筒の外面を覆って冷却流体流路を封止する封止層とを備える。封止層は、内筒の外面に巻き付けられた金属線材の冶金的接合による接合体で構成され、内筒の外面に冶金的接合によって接合されている。

【0014】

本発明のロケットエンジンの燃焼器において、冶金的接合は拡散接合でもよいし、ろう接合でもよい。また、本発明のロケットエンジンの燃焼器は、封止層の表面に密着して内筒を保持する外筒をさらに備えてもよい。

【0015】

本発明が提供するロケットエンジンの燃焼器の第１の製造方法は、燃焼室を構成する金属製の内筒の外面に冷却流体流路を形成することと、内筒の外面に金属線材を巻き付けることと、金属線材が巻き付けられた内筒を金属線材の拡散温度以上の温度に加熱し、金属線材同士及び金属線材と内筒とを拡散接合することによって冷却流体流路を封止することとを含む。

【0016】

本発明が提供するロケットエンジンの燃焼器の第２の製造方法は、燃焼室を構成する金属製の内筒の外面に冷却流体流路を形成することと、内筒の外面と金属線材の少なくとも一方にろう材を付着させることと、内筒の外面に金属線材を巻き付けることと、金属線材が巻き付けられた内筒をろう材の溶融温度以上の温度に加熱し、金属線材同士及び金属線材と内筒とをろう接合することによって冷却流体流路を封止することとを含む。

【0017】

本発明のロケットエンジンの燃焼器の第１の製造方法及び第２の製造方法は、内筒の外面に金属線材をガイドするための連続溝を設けること、をさらに含んでもよい。

【発明の効果】

【0018】

上述のように本発明のロケットエンジンの燃焼器は、内筒の外面に巻き付けられた金属線材の冶金的接合による接合体で構成され、内筒の外面に冶金的接合によって接合された封止層を備える。冶金的接合は電気鋳造法やＨＩＰと比較して大掛かりな設備を必要とすることなく且つ少ない工数で済むため、本発明のロケットエンジンの燃焼器は製造コストを抑えることができる。また、上記のように形成される封止層によれば冷却流体流路は高い確実性を持って封止されるので、冷却流体の漏れが発生する可能性は低く抑えられる。そして、本発明のロケットエンジンの燃焼器の第１の製造方法及び第２の製造方法によれば、高い確実性を持って封止された冷却流体流路を有する燃焼器を大掛かりな設備を必要とすることなく且つ少ない工数で製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明が適用される燃焼器の構成例を示す図である。

【図2】本発明が適用される燃焼器の封止層の概要を説明する模式図である。

【図3】本発明が適用される燃焼器の封止層の概要を説明する模式図である。

【図4】本発明が適用される燃焼器の封止層の概要を説明する模式図である。

【図5】本発明の第１実施形態に係る燃焼器の封止層の構成例を示す模式図である。

【図6】本発明の第１実施形態に係る燃焼器の製造方法を示すフローチャートである。

【図7】本発明の第２実施形態に係る燃焼器の封止層の第１の構成例を示す模式図である。

【図8】本発明の第２実施形態に係る燃焼器の封止層の第２の構成例を示す模式図である。

【図9】本発明の第２実施形態に係る燃焼器の製造方法を示すフローチャートである。

【図10】金属線材を１層に巻く巻き方を示す図である。

【図11】金属線材を２層に巻く巻き方を示す図である。

【図12】金属線材を３層に巻く巻き方を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照して本開示の実施形態について説明する。ただし、以下に示す実施形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、本開示に係る思想が限定されるものではない。また、以下に示す実施形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、本開示に係る思想に必ずしも必須のものではない。

【0021】

１．概要
本発明は、例えば、図１に模式的に示される再生冷却式の燃焼器４に適用される。燃焼器４はロケットエンジン２を構成する部品であり、燃焼器４の排気口にはノズル６が取り付けられている。本発明が適用される燃焼器４を備えるロケットエンジン２は単段式ロケットのエンジンでもよいし、多段式ロケットのエンジンでもよい。例えば、２段式ロケットの場合であれば、ロケットエンジン２は第１段エンジンでもよいし第２段エンジンでもよい。また、本発明が適用される燃焼器４を備えるロケットエンジン２の推力には特に限定はないが、例えば１０ｋＮ～１００ｋＮが一つの好適な推力の範囲である。

【0022】

燃焼器４は燃焼室１０を構成する内筒１２と内筒１２の外側に取り付けられた外筒１８とを備える。内筒１２は金属で製作されている。内筒１２の壁の内部には冷却流体流路１４が形成されている。冷却流体流路１４は燃焼器４の後端から先端に向けて内筒１２の全周に等間隔に多数本形成されている。それぞれの冷却流体流路１４は外筒１８の後端部と先端部にそれぞれ形成されたドーナツ状のマニホールド２０，２１に接続されている。後端部のマニホールド２０から冷却流体流路１４には冷却流体としての高圧の液体燃料が供給される。冷却流体は内筒１２の壁との間で熱交換しながら冷却流体流路１４を流れ、先端部のマニホールド２１に集められる。先端部のマニホールド２１に集められた冷却流体は、燃焼器４の先端に取り付けられた図示しない噴射器から別系統で供給される酸化剤とともに燃焼室１０内に噴射される。

【0023】

冷却流体流路１４は、詳しくは、内筒１２の外面に形成された溝であり、内筒１２の外面を覆う封止層１６によって封止されている。本発明が適用される燃焼器４では、封止層１６が冷却流体流路１４からの冷却流体の漏れを防ぐシール部材として機能する。外筒１８は封止層１６の表面に密着して内筒１２を保持し、冷却流体流路１４を流れる冷却流体の圧力から封止層１６を保護している。外筒１８は例えばステンレス等の金属で製作されている。外筒１８の製造方法に限定はなく、例えば、機械加工による２分割製法、めっき法や溶射法等による一体積層法等を用いることができる。外筒１８にはシール部材としての機能は求められないため、２分割形状であっても接合面からの冷却流体の漏れが発生するおそれはない。

【0024】

図２は本発明が適用される燃焼器４の封止層１６の概要を説明する模式図である。図２に示す構成は図１におけるＡ部の構成に相当する。図２に示すように、冷却流体流路１４は内筒１２の外面に形成された溝である。冷却流体流路１４の断面形状は内筒１２の径方向に長い縦長の長方形である。一例では、冷却流体流路１４の深さは幅の５乃至１０倍である。

【0025】

本発明が適用される燃焼器４では、内筒１２の外面に周方向に隙間なく巻き付けられた金属線材３０によって冷却流体流路１４の開口部分が蓋をされている。ただし、図２に示す例では、金属線材３０によって冷却流体流路１４がどのように蓋をされているか分かりやすく表示するため、一部の金属線材３０は途中で斜めに切断されている。

【0026】

金属線材３０の材質には限定はないが、好ましくは内筒１２の材質に近い材質、特に好ましくは内筒１２の材質と同じ材質のものが選定される。金属線材３０の材質と内筒１２の材質との組み合わせ次第では、熱処理によって脆い金属間化合物が生成されるおそれがあるからである。

【0027】

金属線材３０の断面形状にも特に限定はない。図２に示す例では断面形状が円形の金属線材３０が用いられているが、例えば、金属線材の断面形状は偏平円形、楕円形、三角形、四角形、五角形以上の角を有する多角形などであってもよい。ただし、金属線材３０の太さに関しては好適な範囲が存在する。これに関しては追って実施例において説明する。

【0028】

また、図２に示す例では金属線材３０は単層に巻かれているが、冷却流体流路１４の開口部により確実に蓋をするためには金属線材３０は多層に巻かれてもよい。図３に示す例では、下層の金属線材３０の真上に上層の金属線材３０を重ねるようにして金属線材３０は２層に巻かれている。さらに、図４に示す例のように、下層の金属線材３０と金属線材３０との間に上層の金属線材３０が位置するように金属線材３０を多層に巻き重ねてもよい。なお、図４に示すように、内筒１２の外面には金属線材３０をガイドするための連続溝１５が形成されてもよい。連続溝１５は内筒１２の先端から後端までの金属線材３０が巻かれる部位に螺旋状に形成される。内筒１２の形状の円筒部分と円錐部分のうち、特に円錐部分に金属線材３０を巻き付ける際の滑り止めとして連続溝１５は有用である。連続溝１５は機械的な切削加工により形成することができる。

【0029】

封止層１６は、上述のように単層或いは多層に巻かれた金属線材３０によって形成されている。ただし、金属線材３０を単に巻き付けただけでは、どれだけ隙間なく又どれだけ多層に巻き付けたところで冷却流体の漏れは防ぐことはできない。そこで、本発明が適用される燃焼器４では、金属線材３０同士が冶金的接合によって接合された接合体によって封止層１６が形成されている。さらに、封止層１６を構成する金属線材３０は内筒１２と冶金的接合によって接合されている。このように金属線材３０同士及び金属線材３０と内筒１２とを冶金的接合によって接合することで、高い確実性を持って冷却流体流路１４を封止することが可能となる。

【0030】

以下、燃焼器４の封止層１６の構成例と燃焼器４の製造方法について２つの実施形態を具体的に説明する。

【0031】

２．第１実施形態
図５は第１実施形態に係る燃焼器４の封止層１６の構成例を示す模式図である。第１実施形態では、金属線材３０がそのまま内筒１２の外面に巻き付けられる。ただし、図５に示す例では説明を簡単にするために金属線材３０は単層とされているが、金属線材３０の層数は封止層１６の必要厚さ等の条件に応じて決まる。

【0032】

第１実施形態では、金属線材３０同士及び金属線材３０と内筒１２とを接合する冶金的接合として拡散接合が用いられる。金属線材３０が巻き付けられた内筒１２を金属線材３０の拡散温度以上の温度に加熱することによって、金属線材３０同士は拡散焼結により接合されるとともに、金属線材３０と内筒１２も拡散焼結により接合される。これにより、金属線材３０同士の拡散焼結による焼結体によって封止層１６が形成される。この封止層１６は内筒１２との間でも拡散焼結により接合されているので、隙間が無く、高い確実性を持って冷却流体流路１４を封止することができる。

【0033】

第１実施形態では、冷却流体流路１４の開口部は封止層１６を構成する金属線材３０の焼結体によって蓋をされる。冷却流体流路１４は幅が狭く縦に深い断面形状であるため、冷却流体流路１４の内面面積全体に占める封止層１６による蓋部分の面積の割合は僅かである。ゆえに、封止層１６で蓋をされた部分の表面は滑らかではないが、その影響による圧力損失の増大が特に問題になることはない。

【0034】

図６は第１実施形態に係る燃焼器４の製造方法を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１１では、内筒１２の設計形状への加工が行われる。設計形状はロケットエンジン２に求められる性能から決まる。基本的には、本発明はどのような設計形状の内筒１２を有する燃焼器４にも適用可能である。

【0035】

ステップＳ１２では、内筒１２の外面に冷却流体流路１４が形成される。冷却流体流路１４の形成は例えば機械的な切削加工により行われる。冷却流体流路１４は内筒１２の軸方向に延びる溝であり、内筒１２の全周に等間隔で多数本形成される。

【0036】

ステップＳ１３では、冷却流体流路１４が形成された内筒１２の外面に金属線材３０が巻き付けられる。金属線材３０は冷却流体流路１４の開口部を全て覆うように内筒１２の先端部から後端部まで巻き付けられ、必要な封止層１６の厚さが得られる層数まで繰り返し巻き付けられる。その際、巻き崩れが起きないように金属線材３０には所定の張力がかけられる。特に曲面部分は巻き崩れし易いので、金属線材３０は張力をかけながら巻き付けられる。

【0037】

ステップＳ１４では、金属線材３０を巻き付けられた内筒１２が金属線材３０の拡散温度以上の温度まで加熱される。加熱は水素などの還元雰囲気下で行われる。この加熱によって金属線材３０同士及び金属線材３０と内筒１２とが拡散接合され、冷却流体流路１４を封止する封止層１６が形成される。封止層１６の形成後、封止層１６の表面に密着して内筒１２を保持するように外筒１８が取り付けられる。

【0038】

３．第２実施形態
図７は第２実施形態に係る燃焼器４の封止層１６の第１の構成例を示す模式図である。第２実施形態の第１の構成例では、内筒１２の外面にろう材３２を付着させ、ろう材３２が付着した内筒１２の外面に金属線材３０が巻き付けられる。ろう材３２としては例えば銀を用いることができ、めっきによって内筒１２の外面に付着させることができる。なお、図７に示す例では説明を簡単にするために金属線材３０は単層とされているが、金属線材３０の層数は封止層１６の必要厚さ等の条件に応じて決まる。

【0039】

図８は第２実施形態に係る燃焼器４の封止層１６の第２の構成例を示す模式図である。第２実施形態の第２の構成例では、内筒１２の外面にろう材３２を付着させるとともに、金属線材３０の表面にもろう材３４を付着させ、ろう材３２が付着した内筒１２の外面にろう材３４が付着した金属線材３０が巻き付けられる。ろう材３２，３４としては例えば銀を用いることができ、めっきによって内筒１２の外面及び金属線材３０に付着させることができる。ただし、ろう材３２とろう材３４とは同じ材質が好ましいが、互いに接合可能であり且つ熱処理によって脆い金属間化合物を生成しないのであれば異なる材質であってもよい。なお、図８に示す例では説明を簡単にするために金属線材３０は単層とされているが、金属線材３０の層数は封止層１６の必要厚さ等の条件に応じて決まる。

【0040】

第２実施形態では、金属線材３０同士及び金属線材３０と内筒１２とを接合する冶金的接合としてろう接合が用いられる。図７に示す第１の構成例では、金属線材３０が巻き付けられた内筒１２をろう材３２の溶融温度以上の温度に加熱することによって、金属線材３０同士はろう材３２によってろう接合される。このように金属線材３０同士のろう接合によって形成された封止層１６は内筒１２ともろう材３２によってろう接合される。このように構成された封止層１６は、隙間が無く、高い確実性を持って冷却流体流路１４を封止することができる。

【0041】

図８に示す第２の構成例では、金属線材３０が巻き付けられた内筒１２をろう材３２，３４の溶融温度以上の温度に加熱する。ろう材３２，３４が溶融して混合したろう材３６によって金属線材３０同士はろう接合される。金属線材３０同士のろう接合によって形成された封止層１６は内筒１２ともろう材３６によってろう接合される。このように構成された封止層１６は、隙間が無く、高い確実性を持って冷却流体流路１４を封止することができる。

【0042】

第２実施形態では、冷却流体流路１４の開口部は封止層１６を構成する金属線材３０及びろう材３２，３６によって蓋をされる。冷却流体流路１４は幅が狭く縦に深い断面形状であるため、冷却流体流路１４の内面面積全体に占める封止層１６による蓋部分の面積の割合は僅かである。ゆえに、封止層１６で蓋をされた部分の表面は滑らかではないが、その影響による圧力損失の増大が特に問題になることはない。

【0043】

図９は第２実施形態に係る燃焼器４の製造方法を示すフローチャートである。まず、ステップＳ２１では、内筒１２の設計形状への加工が行われる。設計形状はロケットエンジン２に求められる性能から決まる。基本的には、本発明はどのような設計形状の内筒１２を有する燃焼器４にも適用可能である。

【0044】

ステップＳ２２では、内筒１２の外面に冷却流体流路１４が形成される。冷却流体流路１４の形成は例えば機械的な切削加工により行われる。冷却流体流路１４は内筒１２の軸方向に延びる溝であり、内筒１２の全周に等間隔で多数本形成される。

【0045】

ステップＳ２３では、内筒１２の外面と金属線材３０の少なくとも一方へろう材が付着される。図７に示す例では内筒１２の外面へろう材３２が付着され、図８に示す例では内筒１２の外面と金属線材３０のそれぞれにろう材３２，３４が付着されている。これらに加えて、金属線材３０のみにろう材を付着させてもよい。

【0046】

ステップＳ２４では、冷却流体流路１４が形成された内筒１２の外面に金属線材３０が巻き付けられる。金属線材３０は冷却流体流路１４の開口部を全て覆うように内筒１２の先端部から後端部まで巻き付けられ、必要な封止層１６の厚さが得られる層数まで繰り返し巻き付けられる。その際、巻き崩れが起きないように金属線材３０には所定の張力がかけられる。特に曲面部分は巻き崩れし易いので、金属線材３０は張力をかけながら巻き付けられる。

【0047】

ステップＳ２５では、金属線材３０を巻き付けられた内筒１２がろう材３２，３４の溶融温度以上の温度まで加熱される。ただし、金属線材３０の拡散温度は超えないようにする。加熱は水素などの還元雰囲気下で行われる。この加熱によって金属線材３０同士及び金属線材３０と内筒１２とがろう材３２，３６よってろう接合され、冷却流体流路１４を封止する封止層１６が形成される。封止層１６の形成後、封止層１６の表面に密着して内筒１２を保持するように外筒１８が取り付けられる。

【0048】

４．金属線材の巻き方
ここで、内筒１２の外面への金属線材３０の巻き方について図１０乃至図１２を用いて説明する。図１０は金属線材３０を１層に巻く巻き方の例を示し、図１１は金属線材３０を２層に巻く巻き方の例を示し、図１２は金属線材３０を３層に巻く巻き方の例を示している。金属線材３０の太さと必要とされる封止層１６の厚さとの関係次第ではより多層に巻かれる場合もあるが、ここで示す１層から３層までの巻き方を適宜組み合わせることによって多層にも対応することができる。

【0049】

図１０には１層巻きの例として３つのパターン１Ａ，１Ｂ，１Cが示されている。パターン１Ａでは、円形の金属線材３０Ａが内筒１２の外面に巻き付けられている。パターン１Ｂでは、偏平円形の金属線材３０Ｂが長辺を縦にして内筒１２の外面に巻き付けられている。パターン１Ｃでは、偏平円形の金属線材３０Ｃが長辺を横にして内筒１２の外面に巻き付けられている。本明細書では、パターン１Ｂに示すような巻き方向を縦の巻き方向と呼び、パターン１Ｃに示すような巻き方向を横の巻き方向と呼ぶ。楕円や角形のような長辺と短辺を有する金属線材の場合、縦又は横の巻き方向が選択されることになる。一方、円形のように長辺と短辺が存在しない金属線材の場合、巻き方向も存在しない。

【0050】

なお、内筒１２の外面の先端部及び後端部には、図１０に示すように、押し当て壁４０が形成されている。押し当て壁４０は金属線材３０（図１０に示す例では３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ）を内筒１２の外面に巻き付ける際に利用される。金属線材３０を押し当て壁４０に押し当てながら巻き付けていくことで、金属線材３０を隙間なく巻き付けることができる。押し当て壁４０は機械的な切削加工により形成することができる。図１０には押し当て壁４０の高さの一例として５ｍｍが示されている。

【0051】

図１１には２層巻きの例として３つのパターン２Ａ，２Ｂ，２Cが示されている。パターン２Ａでは、円形の金属線材３０Ａが内筒１２の外面に２層に巻き付けられている。２層目の金属線材３０Ａは１層目の金属線材３０Ａの真上に重ねて配置されているが、１層目の２つの金属線材３０Ａ，３０Ａの間に２層目の金属線材３０Ａが配置されるようにしてもよい。パターン２Ｂでは、１層目には長辺を横にした偏平円形の金属線材３０Ｃが巻き付けられ、２層目には長辺を縦にした偏平円形の金属線材３０Ｂが巻き付けられている。パターン２Ｃでは、１層目には長辺を縦にした偏平円形の金属線材３０Ｂが巻き付けられ、２層目には長辺を横にした偏平円形の金属線材３０Ｃが巻き付けられている。

【0052】

図１２には３層巻きの例として３つのパターン３Ａ，３Ｂ，３Cが示されている。パターン３Ａでは、円形の金属線材３０Ａが内筒１２の外面に３層に巻き付けられている。２層目と３層目の金属線材３０Ａは１層目の金属線材３０Ａの真上に重ねて配置されているが、２層目の金属線材３０Ａを横にずらし、１層目の２つの金属線材３０Ａ，３０Ａの間に２層目の金属線材３０Ａが配置され、２層目の２つの金属線材３０Ａ，３０Ａの間に３層目の金属線材３０Ａが配置されるようにしてもよい。パターン２Ｂでは、１層目と３層目には長辺を横にした偏平円形の金属線材３０Ｃが巻き付けられ、２層目には長辺を縦にした偏平円形の金属線材３０Ｂが巻き付けられている。パターン２Ｃでは、１層目と３層目には長辺を縦にした偏平円形の金属線材３０Ｂが巻き付けられ、２層目には長辺を横にした偏平円形の金属線材３０Ｃが巻き付けられている。このように巻き方向を層ごとに交互に変えることによって、層間に隙間が生じることを抑えることができる。

【実施例0053】

（水耐圧／気密試験）
各実施例及び比較例では、金属線材同士及び金属線材と内筒とを冶金的接合により接合することによって冷却流体流路が封止された燃焼器を製作した。さらに内筒を保持するステンレス製の外筒を機械加工による２分割製法で製作し、燃焼器の外面を外筒で保持した。そして、燃焼器の冷却流体流路中に水を流して２．０ＭＰａの圧力を１０分間かけ、圧力の低下が起きるかどうかを観察した。また、併せて封止層の厚みと焼結率についても計測した。

【0054】

全ての実施例及び比較例に共通する事項として、燃焼器を構成する内筒は所定の設計形状のものを用いた。外径に代表される内筒のサイズも全ての実施例及び比較例に共通であり、内筒に形成される冷却流体流路の本数や断面形状も全ての実施例及び比較例に共通である。銅合金の円柱材料を機械加工により内筒の設計形状に加工した後、機械加工によりその外面に複数の冷却流体の流路を加工した。流路の形状（特に幅）は内筒の軸方向の位置によって異なり、燃焼室とノズルとの間のくびれ部付近において最も幅が狭くなる。実施例では、くびれ部付近における流路の形状を幅１．２ｍｍ、深さ３．０ｍｍとした。

【0055】

封止用の金属線材には、内筒が銅合金であることからリン青銅線材を使用した。金属線材の断面形状は円形、角形、或いは楕円形とした。角形の金属線材は長辺と短辺のアスペクト比が１０：３のものを用いた。楕円形の金属線材は長辺と短辺のアスペクト比が１０：３のものを用いた。

【0056】

拡散接合処理を行った実施例では、水素雰囲気下においてリン青銅線材の拡散温度以上の温度である９００℃をピーク温度として２時間加熱した。ろう接合処理を行った実施例では、ろう材として冷却流体流路が加工された内筒の外面に厚さ１０μｍのＡｇめっきを施した。そして、水素雰囲気下においてＡｇの溶融温度以上の温度である７８０℃をピーク温度として１時間加熱した。

【0057】

（実施例１）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が０．５ｍｍのものを使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0058】

（実施例２）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が角形で長辺が１．０ｍｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0059】

（実施例３）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が楕円形で長辺が１．０ｍｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0060】

（実施例４）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が０．５ｍｍのものを使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0061】

（実施例５）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が角形で長辺が１．０ｍｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0062】

（実施例６）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が楕円形で長辺が１．０ｍｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0063】

実施例１から実施例６の燃焼器の製造法について、それぞれの詳細と評価結果とを表１に示す。

【0064】

【表1】

【0065】

（実施例７）
内筒はＣｕ－Ｃｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が２０μｍのものを使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0066】

（実施例８）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が２００μｍのものを使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0067】

（実施例９）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が３８０μｍのものを使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0068】

（実施例１０）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が２．０ｍｍのものを使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0069】

（実施例１１）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が３．４ｍｍのものを使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0070】

（実施例１２）
内筒はＣｕ－Ｃｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が５．１ｍｍのものを使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0071】

（実施例１３）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が６．６ｍｍのものを使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0072】

（実施例１４）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が８．１ｍｍのものを使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0073】

（実施例１５）
内筒はＣｕ－Ｃｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が９．５ｍｍのものを使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0074】

実施例７から実施例１５の燃焼器の製造法について、それぞれの詳細と評価結果とを表２に示す。

【0075】

【表2】

【0076】

（実施例１６）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が角形で長辺が３０μｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0077】

（実施例１７）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が角形で長辺が２５０μｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0078】

（実施例１８）
内筒はＣｕ－Ｃｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が角形で長辺が４２０μｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0079】

（実施例１９）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が角形で長辺が７１０μｍのものを巻き方向を縦にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0080】

（実施例２０）
内筒はＣｕ－Ｃｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が角形で長辺が３．３ｍｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0081】

（実施例２１）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が角形で長辺が５．０ｍｍのものを巻き方向を縦にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0082】

（実施例２２）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が角形で長辺が６．４ｍｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0083】

（実施例２３）
内筒はＣｕ－Ｃｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が角形で長辺が７．８ｍｍのものを巻き方向を縦にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0084】

（実施例２４）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が角形で長辺が９．３ｍｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0085】

実施例１６から実施例２４の燃焼器の製造法について、それぞれの詳細と評価結果とを表３に示す。

【0086】

【表3】

【0087】

（実施例２５）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が楕円形で長辺が５０μｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0088】

（実施例２６）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が楕円形で長辺が２８０μｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0089】

（実施例２７）
内筒はＣｕ－Ｃｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が楕円形で長辺が４５０μｍのものを巻き方向を縦にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0090】

（実施例２８）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が楕円形で長辺が７５０μｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0091】

（実施例２９）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が楕円形で長辺が３．１ｍｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0092】

（実施例３０）
内筒はＣｕ－Ｃｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が楕円形で長辺が４．８ｍｍのものを巻き方向を縦にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0093】

（実施例３１）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が楕円形で長辺が６．１ｍｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0094】

（実施例３２）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が楕円形で長辺が７．５ｍｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0095】

（実施例３３）
内筒はＣｕ－Ｃｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が楕円形で長辺が９．０ｍｍのものを巻き方向を縦にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としてはろう接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力の低下は見られなかった。

【0096】

実施例２５から実施例３３の燃焼器の製造法について、それぞれの詳細と評価結果とを表４に示す。

【0097】

【表4】

【0098】

（比較例１）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が５μｍのものを使用した。しかし、金属線材を内筒に巻き付ける際のテンションにより金属線材が切れ、内筒に巻き付けることはできなかった。

【0099】

（比較例２）
内筒はＣｕ－Ｃｒ－Ｚｒ合金で作製した。金属線材は断面形状が円形で長辺が１２ｍｍのものを巻き方向を横にして使用した。金属線材同士及び金属線材と内筒部材とを接合する方法としては拡散接合を用いた。水耐圧試験後に気密試験を実施した結果、圧力漏れによる圧力の低下が発生した。

【0100】

比較例１及び比較例２の燃焼器の製造法について、それぞれの詳細と評価結果とを表５に示す。

【0101】

【表5】

【0102】

（考察）
上記の実施例と比較例より、金属線材の断面形状によらず、また、拡散接合かろう接合かによらず、金属線材の太さは長辺の長さで１０μｍから１０ｍｍまでの範囲が一つの好ましい範囲であると判断することができる。

【符号の説明】

【0103】

２ ロケットエンジン
４ 燃焼器
６ ノズル
１０ 燃焼室
１２ 内筒
１４ 冷却流体流路
１５ 連続溝
１６ 封止層
１８ 外筒
２０，２１ マニホールド
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ 金属線材
３２，３４，３６ ろう材
４０ 押し当て壁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】