DE102015210486A1

DE102015210486A1 - Flanschbefestigungsstruktur

Info

Publication number: DE102015210486A1
Application number: DE102015210486.9A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Otosaka
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2015-12-17
Also published as: CN105276312B; US20150362107A1; CN105276312A; US9683689B2; JP2016003700A; JP6383579B2

Abstract

Bereitgestellt wird eine Flanschbefestigungsstruktur, die Flanschteile, die jeweils an zwei Rohrleitungen vorgesehen sind, mit Hilfe einer Befestigung auf stumpfstoßende Weise über eine Dichtung befestigt. Bezeichnet man in dieser Flanschbefestigungsstruktur eine effektive Länge der Befestigung mit L0, einen linearen Ausdehnungskoeffizient der Befestigung mit α0, Dicken von n Bauteilen (wobei n eine ganze Zahl von mindestens 1 ist), die durch die Befestigung gehalten werden, jeweils mit t1 bis tn sowie lineare Ausdehnungskoeffizienten der n Bauteile jeweils mit α1 bis αn, so ist ein Produkt L0α0 der effektiven Länge L0 der Befestigung und des linearen Ausdehnungskoeffizienten α0 der Befestigung im Wesentlichen gleich einer Summe Σtiαi (i = 1 bis n) von Produkten der jeweiligen Dicken t1 bis tn und der jeweiligen linearen Ausdehnungskoeffizienten α1 bis an.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flanschbefestigungsstruktur und insbesondere eine Flanschbefestigungsstruktur, die sich zum Befestigen und Abdichten eines Flanschteils eignet, wenn die Temperatur erheblich schwankt.
Als Verfahren zum Verbinden mehrerer Rohrleitungen nacheinander gibt es ein Verfahren, bei dem ein Flanschteil an einem Endteil einer Rohrleitung vorgesehen ist und Flanschteile zweier Rohrleitungen über eine Dichtung stumpfstoßend aneinander befestigt werden. Ein solches Verfahren zum befestigen von Flanschteilen ist in vielen Normen festgelegt, darunter den japanischen Industrienormen (JIS) – B2220, und findet breiten und allgemeinen Einsatz (siehe beispielsweise die JP-A-2013-234734 und JP-A-2010-133493 ).
Um das Austreten eines die Rohrleitungen durchlaufenden Fluids zu verhindern, ist es notwendig, einen geeigneten Oberflächendruck auf die Dichtung auszuüben, um so die Flanschteile zu befestigen. Auch wenn in einem solchen Fall ein ausreichender Oberflächendruck bei der Montage ausgeübt wird, kommt es bei unzulänglichem Oberflächendruck im Gebrauch zu einem Fluidaustritt.
Zu Ursachen für unzulänglichen Oberflächendruck zählen die Dehnung von Flanschbefestigungen infolge von Temperaturschwankung, plastische Verformung solcher Flanschbefestigungen und Dichtungen o. ä. Insbesondere ist es schwierig, das Fluid mit Hilfe von Flanschen über lange Zeit dort abgedichtet zu halten, wo die Temperatur erheblich schwankt.
Als Verfahren zur Herstellung von Quarzglas ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein poröses Glasgrundmaterial hergestellt wird, indem feine Glasteilchen durch Flammenhydrolyse eines Glasrohmaterials, z. B. Siliziumtetrachlorid o. ä., auf einem Glasstab abgeschieden werden und ein solches poröses Glasgrundmaterial durch Erwärmung transparent vitrifiziert bzw. verglast wird. Breiten Einsatz findet dieses Verfahren insbesondere für die Herstellung von Preformen für optische Quarzfasern. Um bei diesem Verfahren transparente Verglasung zu erreichen, ist bekannt, das poröse Glasgrundmaterial in einem aus Quarzglas hergestellten Ofenkernrohr zu platzieren und es auf etwa 1500°C mit einer Kohlenstoffheizung o. ä. von der Außenseite eines solchen Ofenkernrohrs zu erwärmen.
Bei diesem Verfahren wird eine Chlorgasatmosphäre verwendet, um Verunreinigungen im Glas vor oder während des Verglasungsvorgangs zu entfernen. Da Chlorgas hochgiftig ist, muss das Quarz-Ofenkernrohr präzise gasdicht sein. Da sich dabei Quarzglas mit hoher Temperatur im Ofenkernrohr bewegt, besteht ein Problem darin, dass die Dichtungsleistung wahrscheinlich beeinträchtigt ist, wenn Quarzrohre, die das Quarz-Ofenkernrohr bilden, mit Hilfe von Flanschen verbunden sind. Bei beeinträchtigter Dichtungsleistung strömt die Atmosphäre in das Ofenkernrohr, was für die Verschlechterung von Produktmerkmalen ursächlich ist.
Somit wurde ein Ofenkernrohr verwendet, das in einem Stück mit Ausnahme von Teilstücken davon ausgebildet ist, an denen die Temperaturlast klein ist, so dass kein Verbindungsteil an Teilstücken davon vorgesehen ist, an denen die Temperatur erheblich schwankt. Dabei ist aber die Länge beschränkt, mit der das Ofenkernrohr in einem Stück hergestellt werden kann. Aus diesem Grund ist die Länge des Quarzglasstabs, der unter dieser Beschränkung zu produzieren ist, ebenfalls beschränkt, weshalb es extrem schwierig ist, einen großen Quarzglasstab herzustellen. Um also einen großen Quarzglasstab zu produzieren, muss man einen Flanschteil-Dichtungsmechanismus mit gutem Dichtungsvermögen auch bei erheblicher Temperaturschwankung entwickeln und mehrere Ofenkernrohre verwenden, indem sie mit einem solchen Flanschteil-Dichtungsmechanismus miteinander verbunden werden.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Flanschbefestigungsstruktur bereitzustellen, bei der ein gutes Dichtungsvermögen auch dann erhalten wird, wenn die Temperatur erheblich schwankt.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung eine Flanschbefestigungsstruktur zum Befestigen von Flanschteilen, die jeweils an zwei Rohrleitungen vorgesehen sind, mit Hilfe einer Befestigung auf stumpfstoßende Weise über eine Dichtung bereit. Bezeichnet man in dieser Flanschbefestigungsstruktur eine effektive Länge der Befestigung mit L₀, einen linearen Ausdehnungskoeffizient der Befestigung mit α₀, Dicken von n Bauteilen (wobei n eine ganze Zahl von mindestens 1 ist), die durch die Befestigung gehalten werden, jeweils mit t₁ bis t_n sowie lineare Ausdehnungskoeffizienten der n Bauteile jeweils mit α₁ bis α_n, so ist ein Produkt L₀α₀ der effektiven Länge L₀ der Befestigung und des linearen Ausdehnungskoeffizienten α₀ der Befestigung im Wesentlichen gleich einer Summe Σt_iα_i (i = 1 bis n) von Produkten der jeweiligen Dicken t₁ bis t_n und der jeweiligen linearen Ausdehnungskoeffizienten α₁ bis α_n. Gemäß einer solchen Konfiguration werden ein Ausdehnungsbetrag der Befestigung der Flanschteile und ein Ausdehnungsbetrag der durch die Befestigung gehaltenen Bauteile im Wesentlichen gleich, und Erzeugung eines unzulänglichen und/oder übermäßigen Oberflächendrucks der Dichtung wird unterdrückt.
Bezeichnet man zudem in der erfindungsgemäßen Flanschbefestigungsstruktur eine Dicke der zwischen den Flanschteilen der jeweiligen beiden Rohrleitungen eingefügten Dichtung mit t, einen Schwankungsbetrag der Dicke vor und nach Befestigung durch Einfügen der Dichtung mit Δt und die Erholung der Dichtung mit r, so kann ΔT(L₀α₀ – Σt_iα_i) < r(t – Δt) erfüllt sein, wenn eine Temperatur um ΔT schwankt, nachdem die Flanschteile mit Hilfe der Befestigung befestigt sind. Ist auf diese Weise ΔT(L₀α₀ – Σt_iα_i) < r(t – Δt) erfüllt, liegt keine Situation mehr vor, in der der Klemmoberflächendruck bei Erwärmung null wird.
Bezeichnet man in der erfindungsgemäßen Flanschbefestigungsstruktur ferner eine Dicke der zwischen den Flanschteilen der jeweiligen beiden Rohrleitungen eingefügten Dichtung mit t, einen Schwankungsbetrag der Dicke vor und nach Befestigung durch Einfügen der Dichtung mit Δt und die Erholung der Dichtung mit r, so kann ΔT(L₀α₀ – Σt_iα_i) < 0,1 r(t – Δt) erfüllt sein, wenn eine Temperatur um ΔT schwankt, nachdem die Flanschteile mit Hilfe der Befestigung befestigt sind. Ist auf diese Weise ΔT(L₀α₀ – Σt_iα_i) < 0,1 r(t – Δt) erfüllt, kann eine Schwankung des Kompressionsbetrags der Dichtung infolge des Wärmeverlaufs ausreichend klein gehalten werden, weshalb ein gutes Dichtungsvermögen über lange Zeit aufrecht erhalten werden kann.
Außerdem kann in der erfindungsgemäßen Flanschbefestigungsstruktur ein Pufferbauteil zwischen dem Flanschteil und der Befestigung angeordnet sein. Auch wenn das Flanschteil oder die Befestigung aus einem spröden Material hergestellt ist, ist gemäß einer solchen Konfiguration die Bruchmöglichkeit beim Verspannen bzw. Klemmen von Flanschen oder bei Wärmebelastung reduziert.
Sind zudem in der erfindungsgemäßen Flanschbefestigungsstruktur die Flanschteile mit Hilfe der Befestigung befestigt, kann ein Kompressionsbetrag des Pufferbauteils kleiner als ein Kompressionsbetrag der Dichtung sein. Gemäß einer solchen Konfiguration kann eine zeitliche Schwankung des Oberflächendrucks der Dichtung klein sein, weshalb ein gutes Dichtungsvermögen über lange Zeit gewahrt bleiben kann.
Ferner kann in der erfindungsgemäßen Flanschbefestigungsstruktur die Dichtung aus einer Bläh- bzw. Expansionsgraphitbahn hergestellt sein. In der Expansionsgraphitbahn kommt es zu keiner Verschleißbeschädigung o. ä. infolge von Oxidation bis zu einer Temperatur von etwa 400°C in der Atmosphäre. Daher kann gemäß einer solchen Konfiguration ein gutes Dichtungsvermögen gegenüber einer Anzahl chemischer Stoffe ohne Beeinträchtigung aufrecht erhalten werden.
Weiterhin kann in der erfindungsgemäßen Flanschbefestigungsstruktur eine Struktur vorgesehen sein, die einen Umfang der Dichtung in einer Inertgasatmosphäre hält. Wird eine Expansionsgraphitbahn als Dichtung verwendet, kann ein gutes Dichtungsvermögen auch bei Temperaturen über 400°C (beispielsweise 1000°C) ohne Beeinträchtigung gewahrt bleiben, indem ihr Umfang in einer Inertgasatmosphäre gehalten wird.
Zusätzlich kann in der erfindungsgemäßen Flanschbefestigungsstruktur ein Material des Pufferbauteils eine Keramikfaserbahn sein. Ist wie zuvor beschrieben das Pufferbauteil zwischen dem Flanschteil und der Befestigung angeordnet, kann ein gutes Dichtungsvermögen auch in einer Oxidationsatmosphäre mit hoher Temperatur aufrecht erhalten werden, indem eine Keramikfaserbahn als Material des Pufferbauteils zum Einsatz kommt.
Zudem kann in der erfindungsgemäßen Flanschbefestigungsstruktur ein Material des Pufferbauteils eine Expansionsgraphitbahn sein. Ein gutes Dichtungsvermögen kann beibehalten werden, indem eine Expansionsgraphitbahn als Material des Pufferbauteils verwendet wird. Infolge ihrer Eigenschaften hat die Expansionsgraphitbahn eindeutigere Wärmeausdehnungsdaten als die Keramikfaserbahn, so dass eine Gestaltung, bei der sich der Ausdehnungsbetrag genauer steuern lässt, durch Gebrauch solcher Daten durchgeführt werden kann.
Ferner kann in der erfindungsgemäßen Flanschbefestigungsstruktur eine Struktur vorgesehen sein, die die Umgebung des Pufferbauteils in einer Inertgasatmosphäre hält. Wird eine Expansionsgraphitbahn als Pufferbauteil verwendet, kann ein gutes Dichtungsvermögen auch bei Temperaturen über 400°C (beispielsweise 1000°C) ohne Beeinträchtigung gewahrt bleiben, indem die Umgebung des Pufferbauteils in einer Inertgasatmosphäre gehalten wird.
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Zu beachten ist, dass in der folgenden Beschreibung gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind und bei Bedarf auf eine nochmalige Beschreibung bereits beschriebener Bauteile verzichtet wird.
1 ist eine schematische Perspektivansicht einer Flanschbefestigungsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist eine schematische Querschnittansicht einer Flanschbefestigungsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform.
3 ist eine schematische Querschnittansicht einer Flanschbefestigungsstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform.
4 ist eine schematische Querschnittansicht einer Flanschbefestigungsstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform.
5 ist eine schematische Querschnittansicht einer Flanschbefestigungsstruktur gemäß einer vierten Ausführungsform.
Erste Ausführungsform
Wie 1 zeigt, ist die erfindungsgemäße Flanschbefestigungsstruktur eine Struktur zum Verbinden zweier Rohrleitungen 1a und 1b mit Hilfe der jeweiligen Flanschteile 2a und 2b. Ein Flanschteil 2a ist an einem Endteil der Rohrleitung 1a vorgesehen, und ein Flanschteil 2b ist an einem Endteil der Rohrleitung 1b vorgesehen. Die Flanschteile 2a und 2b sind zwischen einem ersten Flanschpressbauteil 5 und einem zweiten Flanschpressbauteil 6 eingefügt und befestigt, die auf der Oberseite bzw. Unterseite der Flanschteile vorgesehen sind.
Das erste Flanschpressbauteil 5 und das zweite Flanschpressbauteil 6 sind jeweils durch ein ringförmiges flaches Plattenbauteil konfiguriert. Das ringförmige flache Plattenbauteil kann beispielsweise in zwei Teilstücke aufgeteilt sein. Gemäß 1 können die Teilungsposition im ersten Flanschpressbauteil 5 und die Teilungsposition im zweiten Flanschpressbauteil 6 in Umfangsrichtung der Flansche unterschiedlich sein. Zu beachten ist, dass das erste Flanschpressbauteil 5 und das zweite Flanschpressbauteil 6 jeweils ein kleinstückförmiges flaches Plattenbauteil sein können. In dieser Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in dem die Flanschpressbauteile ringförmige flache Plattenbauteile sind.
2 ist eine schematische Querschnittansicht einer Flanschbefestigungsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform.
Wie in 2 gezeigt ist, stoßen zum Verbinden zweier Rohrleitungen 1a und 1b die jeweiligen Flanschteile 2a und 2b über eine Dichtung 7 stumpf aneinander und sind in diesem Zustand mit Hilfe einer Befestigung befestigt.
Die Flanschteile 2a und 2b sind mit Hilfe eines Flanschbefestigungsbolzens 3, einer Unterlegscheibe 4, des ersten Flanschpressbauteils 5, eines Puffers 8a, des zweiten Flanschpressbauteils 6 und eines Puffers 8b befestigt. Das erste Flanschpressbauteil 5 und das zweite Flanschpressbauteil 6 sind so angeordnet, dass sie die stumpfstoßenden Flanschteile 2a und 2b von außen einfügen. Die Flanschteile 2a und 2b sind durch Einfügen der Flanschteile 2a und 2b zwischen dem ersten Flanschpressbauteil 5 und dem zweiten Flanschpressbauteil 6 sowie ihr Festziehen mit Hilfe des Flanschbefestigungsbolzens 3 durch Pressen befestigt.
Ein Innengewinde, das nicht gezeigt ist, ist im zweiten Flanschpressbauteil 6 vorgesehen. Dadurch ist das zweite Flanschpressbauteil 6 mit Hilfe eines Gewindes mit dem Flanschbefestigungsbolzen 3 gekoppelt. Da somit in dieser Ausführungsform eine Konfiguration vorgesehen ist, in der die anderen Bauteile mit Hilfe der Unterseite des Flanschbefestigungsbolzens 3 und der Oberseite des zweiten Flanschpressbauteils 6 befestigt sind, nimmt der Spalt zwischen der Unterseite des Flanschbefestigungsbolzens 3 und der Oberseite des zweiten Flanschpressbauteils 6 eine effektive Länge L₀ der Befestigung zum Befestigen der Flanschteile 2a und 2b an.
Ein Loch ist im ersten Flanschpressbauteil 5 zum Durchführen des Flanschbefestigungsbolzens 3 vorgesehen. Der Puffer 8a kann bei Bedarf zwischen dem ersten Flanschpressbauteil 5 und dem Flanschteil 2a angeordnet sein. Zusätzlich kann der Puffer 8b bei Bedarf zwischen dem zweiten Flanschpressbauteil 6 und dem Flanschteil 2b vorgesehen sein.
Die Puffer 8a und 8b sind angeordnet, um Bruch spröder Bauteile infolge des Festziehens des Bolzens zu verhindern, wenn die Flanschteile 2a, 2b, das erste Flanschpressbauteil 5 und/oder das zweite Flanschpressbauteil 6 aus einem spröden Material hergestellt ist.
Zu bevorzugten Materialien für die Puffer 8a und 8b zählen: Vliesmaterial (Keramikfaserbahn), das Keramikfaser nutzt, z. B. Aluminiumoxid und Siliziumoxid; und Material mit hoher Kompressionswiederherstellbarkeit und Flexibilität, z. B. Blähgraphitbahnen.
Sind die Flanschteile 2a und 2b mit Hilfe des Flanschbefestigungsbolzens 3 befestigt, kann zudem der Kompressionsbetrag der Puffer 8a und 8b kleiner als der Kompressionsbetrag der Dichtung 7 sein. Auf diese Weise kann eine zeitliche Schwankung des Oberflächendrucks der Dichtung 7 klein sein, wodurch ein gutes Dichtungsvermögen über lange Zeit aufrecht erhalten werden kann.
In 1 fungieren der Flanschbefestigungsbolzen 3 und das zweite Flanschpressbauteil 6 als Befestigung. Zusätzlich weisen Bauteile (befestigte Bauteile), die durch die Befestigung gehalten werden, sieben Bauteile auf, d. h., die Unterlegscheibe 4, das erste Flanschpressbauteil 5, den Puffer 8a, das Flanschteil 2a, die Dichtung 7, das Flanschteil 2b und den Puffer 8b.
Gemäß dieser Ausführungsform ist ein Produkt L₀α₀ der effektiven Länge L₀ der Befestigung und eines linearen Ausdehnungskoeffizienten α₀ davon im Wesentlichen gleich der Summe Σt_iα_i (wobei i eine Bauteilanzahl 1 bis 7 der befestigten Bauteile bezeichnet) von Produkten der jeweiligen Dicken t_i von sieben befestigten Bauteilen und ihrer jeweiligen linearen Ausdehnungskoeffizienten α_i. Hierbei gehört zum Ausdruck „im Wesentlichen gleich” neben dem Fall, dass sie beide genau einander entsprechen, auch der Fall, in dem Σt_iα_i innerhalb von ±15% bezogen auf L₀α₀ liegt.
Indem L₀α₀ im Wesentlichen gleich Σt_iα_i ist, werden ein Ausdehnungsbetrag der Befestigungsbauteile in Axialrichtung und ein Dickenzunahmebetrag der befestigten Bauteile bei auftretender Temperaturschwankung im Wesentlichen gleich. Somit kommt es im Wesentlichen zu keiner Schwankung des auf die Dichtung 7 ausgeübten Oberflächendrucks, weshalb unabhängig von der Temperaturschwankung ein guter Dichtungszustand beibehalten werden kann.

Hierbei wurden in der Flanschbefestigungsstruktur gemäß 1 L₀α₀ und Σt_iα_i bei Befestigung der Flanschteile 2a und 2b mit Hilfe von Materialien und Abmessungen für die jeweiligen Teile gemäß der nachstehenden Tabelle 1 berechnet. Als Ergebnis nahmen sowohl L₀α₀ als auch Σt_iα_i den Wert von 2,8 × 10^–4 an. Tabelle 1

Flanschbefestigung		L₀α₀ = 2,8E–04
Bauteil	Material	Linearer Ausdehnungskoeffizient α₀ [K^–1]	Länge L₀ [mm]
Flanschbefestigungsbolzen	Aluminiumoxid	7,9E–06	35,6

Befestigte Bauteile			Σt_iα_i = 2,8E–04
Nummer i	Bauteil	Material	Linearer Ausdehnungskoeffizient α_i [K^–1]	Dicke t_i [mm]
1	Unterlegscheibe	Aluminiumoxid	7,9E–06	4
2	Flanschpressbauteil A	Aluminiumoxid	7,9E–06	10
3	Puffer	Expansionsgraphit	1,0E–04	0,4
4	Flansch	Quarzglas	5,0E–07	10
5	Dichtung	Expansionsgraphit	1,0E–04	0,8
6	Flansch	Quarzglas	5,0E–07	10
7	Puffer	Expansionsgraphit	1,0E–04	0,4

Bezeichnet man ferner in dieser Ausführungsform einen Schwankungsbetrag einer Dicke t5 der Dichtung 7 vor und nach Befestigung mit Δt und die Erholung der Dichtung 7 mit r, kann ΔT(L₀α₀ – Σt_iα_i) < r(t – Δt) erfüllt sein. Auf diese Weise wird der Klemmoberflächendruck bei Erwärmung nicht null, auch wenn eine Differenz zwischen dem Ausdehnungsbetrag der Befestigung und dem Ausdehnungsbetrag der durch die Befestigung gehaltenen Bauteile vorliegt.
Außerdem kann in dieser Ausführungsform ΔT(L₀α₀ – Σt_iα_i) < 0,1 r(t – Δt) erfüllt sein. Auf diese Weise kann eine Schwankung des Kompressionsbetrags der Dichtung 7 infolge des Wärmeverlaufs ausreichend klein gehalten werden, weshalb ein gutes Dichtungsvermögen über lange Zeit gewahrt bleiben kann.
Zweite Ausführungsform
3 ist eine schematische Querschnittansicht einer Flanschbefestigungsstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Wie 3 zeigt, ist im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 2 das zweite Flanschpressbauteil 6 der Flanschbefestigungsstruktur gemäß der zweiten Ausführungsform nicht mit einem Innengewinde versehen. Statt dessen ist der Flanschbefestigungsbolzen 3 mit Hilfe einer Mutter 9 befestigt, die auf der Außenseite des zweiten Flanschpressbauteils 6 vorgesehen ist.
In der Flanschbefestigungsstruktur gemäß der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform fungieren der Flanschbefestigungsbolzen 3 und die Mutter 9 als Befestigung. Zusätzlich weisen Bauteile (befestigte Bauteile), die durch die Befestigung gehalten werden, neun Bauteile auf, d. h., eine Unterlegscheibe 4a, das erste Flanschpressbauteil 5, den Puffer 8a, das Flanschteil 2a, die Dichtung 7, das Flanschteil 2b, den Puffer 8b, das zweite Flanschpressbauteil 6 und eine Unterlegscheibe 4b.

Hierbei wurden in der Flanschbefestigungsstruktur gemäß 3 L₀α₀ und Σt_iα_i bei Befestigung der Flanschteile 2a und 2b mit Hilfe von Materialien und Abmessungen für die jeweiligen Teile gemäß der nachstehenden Tabelle 2 berechnet. Als Ergebnis nahmen sowohl L₀α₀ als auch Σt_iα_i den Wert von 3,9 × 10^–4 an. Tabelle 2

Flanschbefestigung		L₀α₀ = 3,9E–04
Bauteil	Material	Linearer Ausdehnungskoeffizient α₀ [K^–1]	Länge L₀ [mm]
Flanschbefestigungsbolzen	Aluminiumoxid	7,9E–06	49,6

Befestigte Bauteile			Σt_iα_i = 3,9E–04
Nummer i	Bauteil	Material	Linearer Ausdehnungskoeffizient α_i [K^–1]	Dicke t_i [mm]
1	Unterlegscheibe	Aluminiumoxid	7,9E–06	4
2	Flanschpressbauteil A	Aluminiumoxid	7,9E–06	10
3	Puffer	Expansionsgraphit	1,0E–04	0,4
4	Flansch	Quarzglas	5,0E–07	10
5	Dichtung	Expansionsgraphit	1,0E–04	0,8
6	Flansch	Quarzglas	5,0E–7	10
7	Puffer	Expansionsgraphit	1,0E–04	0,4
8	Flanschpressbauteil B	Aluminiumoxid	7,9E–06	10
9	Unterlegscheibe	Aluminiumoxid	7,9E–06	4

Dritte Ausführungsform
4 ist eine schematische Querschnittansicht einer Flanschbefestigungsstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform.
Wie 4 zeigt, sind im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 2 in der Flanschbefestigungsstruktur gemäß der dritten Ausführungsform Löcher in den Flanschteilen 2a und 2b zum Durchführen des Flanschbefestigungsbolzens 3 vorgesehen, und die Flanschteile 2a und 2b sind direkt durch den Flanschbefestigungsbolzen 3 und die Mutter 9 befestigt.
In der Flanschbefestigungsstruktur gemäß der in 4 gezeigten dritten Ausführungsform fungieren der Flanschbefestigungsbolzen 3 und die Mutter 9 als Befestigung. Zusätzlich weisen Bauteile (befestigte Bauteile), die durch die Befestigung gehalten werden, sieben Bauteile auf, d. h., die Unterlegscheibe 4a, den Puffer 8a, das Flanschteil 2a, die Dichtung 7, das Flanschteil 2b, den Puffer 8b und die Unterlegscheibe 4b.

Hierbei wurden in der Flanschbefestigungsstruktur gemäß 4 L₀α₀ und Σt_iα_i bei Befestigung der Flanschteile 2a und 2b mit Hilfe von Materialien und Abmessungen für die jeweiligen Teile gemäß der nachstehenden Tabelle 3 berechnet. Als Ergebnis nahmen sowohl L₀α₀ als auch Σt_iα_i den Wert von 2,8 × 10^–4 an. Tabelle 3

Flanschbefestigung		L₀α₀ = 2,8E–04
Bauteil	Material	Linearer Ausdehnungskoeffizient α_i [K^–1]	Länge L₀ [mm]
Flanschbefestigungsbolzen	SUS430	1,1E–05	25,3

Befestigte Bauteile			Σt_iα_i = 2,8E–04
Nummer i	Bauteil	Material	Linearer Ausdehnungskoeffizient α_i [K^–1]	Dicke t_i [mm]
1	Unterlegscheibe	SUS304	7,9E–06	1,5
2	Puffer	Expansionsgraphit	1,0E–04	0,4
3	Flansch	Quarzglas	5,0E–07	10
4	Dichtung	Expansionsgraphit	1,0E–04	1,5
5	Flansch	Quarzglas	5,0E–07	10
6	Puffer	Expansionsgraphit	1,0E–04	0,4
7	Unterlegscheibe	SUS304	1,8E–06	1,5

Vierte Ausführungsform
5 ist eine schematische Querschnittansicht einer Flanschbefestigungsstruktur gemäß einer vierten Ausführungsform.
Wie 5 zeigt, ist die Flanschbefestigungsstruktur gemäß der vierten Ausführungsform mit einer Flanschschutzabdeckung 10 zusätzlich zu der in 2 gezeigten Flanschbefestigungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform versehen.
Die Flanschschutzabdeckung 10 ist mit Stutzen 11 und 12 versehen. Über diese Stutzen 11 und 12 wird Gas eingeleitet und abgegeben.
Wird eine Expansionsgraphitbahn für die Dichtung 7 und die Puffer 8a, 8b verwendet, so kommt es bei höherer Temperatur der Flanschteile 2a und 2b als 400°C zu Oxidation der Expansionsgraphitbahn von außen durch Sauerstoff in der Atmosphäre, was zu Verschlechterung des Gasdichtungsvermögens führt. Daher kommt eine Konfiguration zum Einsatz, in der Inertgas, z. B. Stickstoff, Argon o. ä., über den Stutzen 11 eingeleitet und aus dem Stutzen 12 abgegeben wird. Auf diese Weise wird Verschleißbeschädigung infolge von Oxidation der Expansionsgraphitbahn verhindert, wodurch ein gutes Gasdichtungsvermögen über lange Zeit gewahrt bleiben kann.
Wird zusätzlich eine Pumpe oder ein Sauglüfter zur Abgabe aus dem Stutzen 12 verwendet, kann das Innere der Flanschschutzabdeckung 10 auf einem Druck gehalten werden, der bezogen auf ihr Äußeres etwas reduziert ist. Auch wenn Prozessgas (oder -flüssigkeit) in den Rohrleitungen 1a und 1b aus den Verbindungsteilen der Flanschteile 2a und 2b austritt, kann auf diese Weise die Verteilung in den Umgebungsbereich verhindert werden.
Als Nächstes werden Beispiele und ein Vergleichsbeispiel beschrieben.
Erstes Beispiel
Im ersten Beispiel waren die jeweiligen Teile der Flanschbefestigungsstruktur gemäß 5 mit den in Tabelle 1 aufgeführten Materialien konfiguriert. Der Klemmoberflächendruck der Dichtung 7 betrug 7 MPa, was der minimale Klemmoberflächendruck in den Spezifikationen der Dichtung 7 ist. Chlorgas strömte in den Rohrleitungen 1a und 1b mit einer Geschwindigkeit von 1 l/min, und Stickstoffgas floss durch den Stutzen 11 mit einer Geschwindigkeit von 10 l/min. Ein Sauglüfter war mit dem Stutzen 12 verbunden. und der Ausgang des Sauglüfters war mit Entgiftungsanlagen verbunden. Der Innendruck der Flanschschutzabdeckung 10 war so konditioniert, dass er 100 Pa unter dem Atmosphärendruck lag, und der Druck innerhalb der Rohrleitungen 1a und 1b war so konditioniert, dass er 1 kPa über dem Druck innerhalb der Flanschschutzabdeckung 10 lag. Zu- und Abnahme der Temperatur zwischen Raumtemperatur und 1000°C wurden 10 mal wiederholt (die Haltezeit der Temperatur bei 1000°C betrug 1 Stunde), und eine Chlorgas-Austrittsmenge wurde durch Messen der Chlorkonzentration im Stickstoffgas bewertet, das aus dem Stutzen 12 abgegeben wurde. Als Ergebnis entsprach die Chlorkonzentration stets höchstens der unteren Detektionsgrenze (d. h., 0,01 ppm), und die Chlorgas-Austrittsmenge betrug höchstens 0,1 μl/min.
Zweites Beispiel
Im zweiten Beispiel waren die jeweiligen Teile der Flanschbefestigungsstruktur gemäß 5 mit den in Tabelle 1 aufgeführten Materialien konfiguriert. Der Klemmoberflächendruck der Dichtung 7 betrug 3 MPa, was unter dem minimalen Klemmoberflächendruck in den Spezifikationen der Dichtung 7 liegt. Ansonsten wurden die gleichen Bedingungen wie im ersten Beispiel angewendet. Ähnlich wie im ersten Beispiel wurde eine Chlorgas-Austrittsmenge durch Messen der Chlorkonzentration im Stickstoffgas bewertet, das aus dem Stutzen 12 abgegeben wurde. Als Ergebnis variierte die Chlorgaskonzentration zwischen 3 und 10 ppm, und die Chlorgas-Austrittsmenge betrug 30 bis 100 μl/min. Obwohl man eine kleine Austrittsmenge beobachtete, wurde das ausgetretene Chlor sofort durch den Stutzen 12 abgeführt und trat nicht in die Atmosphäre aus.
Vergleichsbeispiel
Im Vergleichsbeispiel waren die jeweiligen Teile der Flanschbefestigungsstruktur gemäß 5 mit den in Tabelle 4 aufgeführten Materialien konfiguriert. Ansonsten galten die gleichen Bedingungen wie im ersten Beispiel. Im Vergleichsbeispiel liegt L₀α₀ bei 5,2 × 10^–4, und Σt_iα_i liegt bei 2,5 × 10^–4. Anders gesagt unterscheiden sich im Vergleichsbeispiel L₀α₀ und Σt_iα_i wesentlich.
In diesem Vergleichsbeispiel wurde ähnlich wie im ersten Beispiel eine Chlorgas-Austrittsmenge durch Messen der Chlorkonzentration im Stickstoffgas bewertet, das aus dem Stutzen 12 abgegeben wurde. Als Ergebnis entsprach die Chlorgaskonzentration höchstens der unteren Detektionsgrenze (d. h., 0,01 ppm) bei Raumtemperatur; allerdings erreichte sie das Maximum von 150 ppm bei 400°C, weshalb die Chlorgas-Austrittsmenge ein Maximum von 1,5 ml/min hatte.

Zusätzlich lag hierbei die Temperaturschwankung ΔT bei 375 K, und der berechnete Wert ΔT(L₀α₀ – Σt_iα_i) der Differenz zwischen dem Ausdehnungsbetrag in Axialrichtung des Flanschbefestigungsbolzens 3 und dem Dickenzunahmebetrag der befestigten Bauteile betrug etwa 0,1 mm. Andererseits lag der Kompressionsbetrag Δt der Dichtung 7 beim Klemmen bei 0,2 mm, und die Erholung betrug 10%, weshalb er mit r(t – Δt) = 0,06 berechnet wurde, so dass ΔT(L₀α₀ – Σt_iα_i) < r(t – Δt) nicht erfüllt war. Tabelle 4

Flanschbefestigung		L₀α₀ = 5,2E–04
Bauteil	Material	Linearer Ausdehnungskoeffizient α_i [K^–1]	Länge L₀ [mm]
Flanschbefestigungsbolzen	SUS304	1,8E–05	29,1

Befestigte Bauteile			Σt_iα_i = 2,5E–04
Nummer i	Bauteil	Material	Linearer Ausdehnungskoeffizient α_i [K^–1]	Dicke t_i [mm]
1	Unterlegscheibe	SUS430	1,1E–05	1,5
2	Flanschpressbauteil A	SUS430	1,1E–05	'6
3	Puffer	Expansionsgraphit	1,0E–04	0,4
4	Flansch	Quarzglas	5,0E–07	10
5	Dichtung	Expansionsgraphit	1,0E–04	0,8
6	Flansch	Quarzglas	5,0E–07	10
7	Puffer	Expansionsgraphit	1,0E–04	0,4

Wie zuvor beschrieben, kann in der erfindungsgemäßen Flanschbefestigungsstruktur auch an den Verbindungsteilen der Flanschteile 2a und 2b, an denen die Temperatur erheblich schwankt, ein Zustand über lange Zeit beibehalten bleiben, in dem der Austritt von Fluid o. ä. unterdrückt ist.
Zu beachten ist, dass zuvor zwar die Ausführungsformen beschrieben wurden, aber die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise fallen auch Ausführungsformen, in denen der Fachmann gegebenenfalls Zusätze, Weglassungen oder Gestaltungsabwandlungen von Komponenten gegenüber den zuvor beschriebenen Ausführungsformen vornimmt, oder Ausführungsformen, in denen Merkmale der jeweiligen Ausführungsformen gegebenenfalls kombiniert sind, in den Schutzumfang der Erfindung, sofern sie dem Kern der Erfindung entsprechen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013-234734 A [0002]
JP 2010-133493 A [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

japanischen Industrienormen (JIS) – B2220 [0002]

Claims

Flanschbefestigungsstruktur zum Befestigen von Flanschteilen, die jeweils an zwei Rohrleitungen vorgesehen sind, mit Hilfe einer Befestigung auf stumpfstoßende Weise über eine Dichtung, wobei bei Bezeichnung einer effektiven Länge der Befestigung mit L₀, eines linearen Ausdehnungskoeffizienten der Befestigung mit α₀, Dicken von n Bauteilen (wobei n eine ganze Zahl von mindestens 1 ist), die durch die Befestigung gehalten werden, jeweils mit t₁ bis t_n sowie linearer Ausdehnungskoeffizienten der n Bauteile jeweils mit α₁ bis α_n ein Produkt L₀α₀ der effektiven Länge L₀ der Befestigung und des linearen Ausdehnungskoeffizienten α₀ der Befestigung im Wesentlichen gleich einer Summe Σt_iα_i (i = 1 bis n) von Produkten der jeweiligen Dicken t₁ bis t_n und der jeweiligen linearen Ausdehnungskoeffizienten α₁ bis α_n ist.
Flanschbefestigungsstruktur nach Anspruch 1, wobei bei Bezeichnung einer Dicke der zwischen den Flanschteilen der jeweiligen beiden Rohrleitungen eingefügten Dichtung mit t, eines Schwankungsbetrags der Dicke vor und nach Befestigung durch Einfügen der Dichtung mit Δt und der Erholung der Dichtung mit r ΔT(L₀α₀ – Σt_iα_i) < r(t – Δt) erfüllt ist, wenn eine Temperatur um ΔT schwankt, nachdem die Flanschteile mit Hilfe der Befestigung befestigt sind.
Flanschbefestigungsstruktur nach Anspruch 1, wobei bei Bezeichnung einer Dicke der zwischen den Flanschteilen der jeweiligen beiden Rohrleitungen eingefügten Dichtung mit t, eines Schwankungsbetrags der Dicke vor und nach Befestigung durch Einfügen der Dichtung mit Δt und der Erholung der Dichtung mit r ΔT(L₀α₀ – Σt_iα_i) < 0,1 r(t – Δt) erfüllt ist, wenn eine Temperatur um ΔT schwankt, nachdem die Flanschteile mit Hilfe der Befestigung befestigt sind.
Flanschbefestigungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Pufferbauteil zwischen dem Flanschteil und der Befestigung angeordnet ist.
Flanschbefestigungsstruktur nach Anspruch 4, wobei bei Befestigung der Flanschteile mit Hilfe der Befestigung ein Kompressionsbetrag des Pufferbauteils kleiner als ein Kompressionsbetrag der Dichtung ist.
Flanschbefestigungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dichtung aus einer Expansionsgraphitbahn hergestellt ist.
Flanschbefestigungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Struktur vorgesehen ist, die einen Umfang der Dichtung in einer Inertgasatmosphäre hält.
Flanschbefestigungsstruktur nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei ein Material des Pufferbauteils eine Keramikfaserbahn ist.
Flanschbefestigungsstruktur nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei ein Material des Pufferbauteils eine Expansionsgraphitbahn ist.
Flanschbefestigungsstruktur nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei eine Struktur vorgesehen ist, die die Umgebung des Pufferbauteils in einer Inertgasatmosphäre hält.