JP2006283878A - 締結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック熱交換器などの締結装置において、締結枠がボルト部材の軸方向に熱膨張した場合にも、適正なシール面圧を保ち、リークを発生させない締結装置を提供する。
【解決手段】耐熱材料で構成された第１の部材１１と、第１の部材１１の熱と熱交換する流体の流路を有する第２の部材１４とを、シール部材１３を挟んで締結装置で締結する。締結装置は、第１の部材側を締結する第１の締結枠１６と、第２の部材側を締結する第２の締結枠１７と、これらの締結枠１６、１７を締め付けるボルト部材２０と、締結枠１６、１７をボルト部材２０の間に設けられたバネ部材１９とを有する。この構成によれば、締結枠１６、１７がボルト部材２０の軸方向に熱膨張しても、その熱膨張をバネ部材１９により吸収するので、シール面圧を適正に維持することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温ガスタービンやスターリングエンジンなどの高温を利用する機器に使用される部材間の締結装置に関する。

高温ガスタービンの空気予熱用のセラミックス熱交換器等において、熱効率を向上させるためにタービン翼にセラミックスを使用してタービン入口の温度を高温化し、熱交換器もセラミック熱交換器を使用するものが提案されている。このセラミック熱交換器においては、管板となるフランジをセラミックス製、空気ヘッダのフランジを金属製で構成するが、両者間に金属製弾性シール材を挟んでボルト等で締め付ける構成では、高温時にシール面圧が低下してリークが発生することがある。このため、セラミックフランジと金属フランジとの間に金属製弾性シールを挟んで配置し、これに締結枠をかぶせてボルト部材で締結する際に、締付量を金属製弾性シールの復元可能な弾性変形量以内とした構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開平９−１９６２６０号公報（（０００８）、（００１５）〜（００１７）など）

特許文献１の方法は、高温使用温度においてセラミックフランジの厚さ、金属フランジの厚さおよびボルト部材の締付枠内面からの突出部分の長さの各熱膨張量の和を締結枠内方の熱膨張量から引いた差が金属製弾性シールの弾性変形量以内となるので、シール面圧が保たれる。
しかし、締結枠がボルト部材の軸方向に熱膨張する場合にシール面圧が変化する虞があるが、この対策についての開示はない。

そこで本発明は、セラミック熱交換器などの締結装置において、締結枠がボルト部材の軸方向に熱膨張した場合にも、適正なシール面圧を保ち、リークを発生させることがない締結装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の締結装置は、耐熱材料で構成された第１の部材と、前記第１の部材と当接して高圧領域を形成する第２の部材とを締結する締結装置であって、前記第１の部材と前記第２の部材を締結する締結枠と、前記締結枠を締め付けるボルト部材とを有し、前記締結枠と前記ボルト部材間にバネ部材を設けたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の締結装置において、前記締結枠が前記第１の部材の一面に配置された第１の締結枠と、前記第２の部材の一面に配置された第２の締結枠から構成され、前記第１の締結枠と前記第２の締結枠を前記ボルト部材で締め付けることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載の締結装置において、前記第１の部材と前記第１の締結枠との間に断熱部材を設けたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の締結装置において、最大温度条件における前記第１の部材および第２の部材の軸方向の伸びをΔＸ１、ΔＸ２、最大温度条件における前記締結枠およびボルト部材の軸方向の伸びをΔＸ３、シール面圧を考慮した最低締結力をＦｍｉｎ、前記ボルト部材の本数をＮ、前記バネ部材のバネ定数をｋ、前記バネ部材のたわみ量をＸ０としたとき、Ｎ×ｋ×（Ｘ０−ΔＸ１−ΔＸ２−ΔＸ３）＞Ｆｍｉｎ
を満たすことを特徴とする。
請求項５記載の本発明の締結装置は、耐熱材料で構成された第１の部材と、前記第１の部材と当接して高圧領域を形成する第２の部材とを締結する締結装置であって、前記第１の部材と前記第２の部材を締め付けるボルト部材と、前記第２の部材と前記ボルト部材間にバネ部材を設けたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１又は請求項５に記載の締結装置において、前記第１の部材と前記第２の部材間にシール部材を設け、前記シール部材を、弾性力を有するカーボンシートで構成したことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１又は請求項５に記載の締結装置において、前記シール部材の外周にセラミックファイバーを設けたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１又は請求項５に記載の締結装置において、前記第１の部材と前記第２の部材との当接面に互いに嵌合する段差または凹凸を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、セラミック熱交換器などの締結装置において、締結枠がボルト部材の軸方向に熱膨張した場合にも、適正なシール面圧を保ち、リークの発生を防止することができる。
また、シール材端面の荒れにより圧力熱ひずみの影響を小さくすることができる。

本発明の第１の実施の形態による締結装置は、第１の部材と第２の部材を締結する締結枠と、締結枠を締め付けるボルト部材とを有し、締結枠とボルト部材間にバネ部材を設けたので、締結枠がボルト部材の軸方向に熱膨張してもその熱膨張をバネ部材により吸収し、シール面圧を適正に維持することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による締結装置において、締結枠を第１の部材の一面に配置された第１の締結枠と、第２の部材の一面に配置された第２の締結枠で構成したので、第１の部材と第２の部材を締結枠の面で直接抑えて締結させることができる。したがって、締結状態を確実に維持することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態による締結装置において、第１の部材とその締結枠との間に断熱部材を設けたので、第１の部材からの熱が締結枠やボルト部材、バネ部材に伝達しにくくなる。したがって、締結枠やボルト部材、バネ部材の温度を低くすることができるので、高温高圧の条件下で良好なシール特性を得ることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による締結装置において、最大温度条件における第１の部材および第２の部材の軸方向の伸び、最大温度条件における締結枠およびボルト部材の軸方向の伸び、ボルト部材の本数、バネ部材のバネ定数およびたわみ量をシール面圧を考慮した最低締結力に対して所定の関係を有するように選定したので、最大温度条件において締結状態を確実に維持することができる。
本発明の第５の実施の形態による締結装置は、第１の部材と第２の部材を直接ボルト部材で締結したので、締結枠を使用せずに第１の部材と第２の部材を締結することができる。また、第２の部材とボルト部材間にバネ部材を設けたので、第１の部材と第２の部材の熱膨張をバネ部材により吸収し、シール面圧を適正に維持することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第1又は第５の実施の形態による締結装置において、第１の部材と第２の部材間にシール部材を設け、シール部材を、弾性力を有するカーボンシートで構成したので、シール端面の荒れや、熱ひずみの影響を小さくすることができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１又は第５の実施の形態による締結装置において、第１の部材と第２の部材とが径方向に移動したり吹き抜けたりすることを防止することができる。さらに、第１の部材と第２の部材間にシール部材としてカーボンシートを設けている場合には、カーボンシートの酸化を防止することができる。
本発明の第８の実施の形態は、第１又は第５の実施の形態による締結装置において、第１の部材と第２の部材との当接面に互いに嵌合する段差または凹凸を形成したので、面圧が上がり、シール効果を高めることができる。また、第１の部材と第２の部材とが径方向に移動したり吹き抜けたりすることを防止することができる。さらに、第１の部材と第２の部材間にシール部材としてカーボンシートを設けている場合には、カーボンシートの酸化を防止することができる。

以下本発明の実施例について図面とともに詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例１における締結装置の要部の断面構成図である。セラミックスあるいはハステロイ、インコネル、ＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱材料で構成された第１の部材１１は、ヒータや燃焼器などの加熱機（図示せず）で加熱されて高温に加熱される。第１の部材１１は周囲にフランジ１２を有しており、シール部材１３を挟んで第２の部材１４に隣接して配置される。第２の部材１４にはヘリウムなどの流体が循環する流路（図示せず）が設けられており、流路を流れる流体は第１の部材１１の熱と熱交換して高温高圧になり、高温ガスタービンではタービンを駆動し、スターリングエンジンではピストンを駆動する動力源として作用する。したがって、第２の部材１４は金属または第１の部材１１と同様なセラミックスなどの耐熱材料で構成されることが好ましい。
第１の部材１１のフランジ１２の上面および側面には第１の締結枠１６が断熱材１５を介して設けられており、第２の部材１４の第１の部材１１とは反対側の面には第２の締結枠１７が設けられる。第２の締結枠１７の周囲には貫通孔１８が設けられ、この貫通孔１８内にコイルバネなどのバネ部材１９を介してボルト部材２０を挿通して第１の締結枠１６にねじ止めやナットにより締結する。図１にはネジ止めの例を示す。したがって、第１の部材１１と第２の部材１４は第１の締結枠１６と第２の締結枠１７によりシール部材１３を挟んで締結される。
シール部材１３は弾性力を有するカーボンシートで構成され、第１の締結枠１６と第２の締結枠１７がカーボンシートの弾性変形以上の力で締め付けるように締結する。
第２の部材１４の第１の部材１１とは反対側の領域は流体を循環させる領域で、流体の温度を低下させる温度低下領域２１である。温度低下領域２１は、たとえばスターリングエンジンでは再生器を構成する領域になる。

つぎに動作を説明する。ヒータや燃焼器などの加熱機（図示せず）で第１の部材１１を高温に加熱する。第１の部材１１はセラミックスあるいはハステロイ、インコネル、ＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱材料で構成されているので、この温度によって損傷を受けることなく、安定した高温状態を維持する。第２の部材１４内を循環するヘリウムなどの流体は、第１の部材１１の高温により熱交換されて高温になり、かつ圧力が大きくなって高圧状態になる。この高圧の流体により高温ガスタービンではタービンが回転し、スターリングエンジンではフリーピストンが往復運動する。
第１の部材１１が高温になると、第１の締結枠１６および第２の締結枠１７がボルト部材２０の軸方向に熱膨張して変形し、第１の部材１１と第２の部材１４の接合部の接合状態が変化して、この接合部から流体がリークする虞がある。ところが、本実施例においては、第１の締結枠１６および第２の締結枠１７のボルト部材２０の軸方向への熱膨張があっても、第１の締結枠１６および第２の締結枠１７に対してバネ部材１９のバネ力が作用して熱膨張を吸収する。したがって、第１の部材１１と第２の部材１４の接合部の接合状態が変化することがなく、流体のリークを防止することができる。
また、断熱材１５により第１の部材１１と第１の締結枠１６とを断熱しているので、第１の部材１１からの熱が締結枠１６やボルト部材２０、バネ部材１９に伝達しにくい。したがって、締結枠１６、１７やボルト部材２０、バネ部材１９の温度を第１の部材１１の温度より低くすることができるので、高温高圧の条件下で良好なシール特性を得ることができる。

シール部材１３を弾性を有するカーボンシートで構成し、第１の締結枠１６と第２の締結枠１７をカーボンシートの弾性変形域内の力で締め付けるように締結すると、シール端面の荒れや、第１の締結枠１６および第２の締結枠１７の熱ひずみの影響に追従して、シール面圧を安定して維持することができる。
ボルト部材２０の材質や本数、バネ部材１９のバネ特性は、使用される最大温度条件における第１の部材１１、第２の部材１４および締結枠１６、１７の軸方向の伸びやシール面圧を考慮したときの最低締結力などに応じて選定される。すなわち、最大温度条件における第１の部材１１および第２の部材１４の軸方向の伸びをそれぞれΔＸ１、ΔＸ２、最大温度条件における締結枠１６、１７およびボルト部材２０の軸方向の伸びをΔＸ３、シール面圧を考慮した最低締結力をＦｍｉｎ、ボルト部材２０の本数をＮ、バネ部材１９のバネ定数をｋ、前記バネ部材のたわみ量をＸ０としたとき、
Ｎ×ｋ×（Ｘ０−ΔＸ１−ΔＸ２−ΔＸ３）＞Ｆｍｉｎ
を満たすように選定される。
なお、第１の締結枠１６および第２の締結枠１７のボルト部材２０の軸方向以外の方向への熱膨張によっても流体がリークする虞があるが、これに対する対策は特許文献１に記載されているので、ここでは説明を省略する。

本実施例においては、第１の部材１１と第１の締結枠１６との間に断熱部材１５を設け、断熱部材１５により第１の部材１１の高温が第１の締結枠１６からボルト部材２０、バネ部材１９に伝達することを防止することで、高温高圧の条件下で良好なシール特性を得ることができる。さらに外周面で熱が逃げるのを防ぐことができるので、熱損失の構成が可能となる。
また、シール部材１３の外周にセラミックファイバー２２を設けることで第１の部材１１からの熱をセラミックファイバー２２で遮断できるので、シール効果を高め、外気と触れるのを抑えることができるため、カーボンシートの酸化によるシール性の劣化を防ぐことができる。

図２は、本発明の実施例２における締結装置の要部の断面構成図である。図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、図１におけるコイルバネ状のバネ部材１９の代わりに皿状のバネ部材２４を用いている。また、セラミックファイバー２２の代わりに段差２３を設けている。動作および作用効果は図１で説明した実施例１と本質的に同様であるので、説明は省略する。
第１の部材１１又は第２の部材１４の当接面に段差２３を設けることで面圧が上がり、シール効果を高めることができる。また、第１の部材１１と第２の部材１４とが径方向に移動したり吹き抜けたりすることを防止することができる。さらに、シール部材１３をカーボンシートで構成した場合には、カーボンシート外周部と外気と触れる隙間を小さくするような段差２３を設けることで、カーボンシートの酸化を防止し、シール性を向上させることができる。
なお、段差２３以外に、Ｖ型突起とＶ型溝の組み合わせや凹凸形状など、第１の部材１１と第２の部材１４の当接面が互いに嵌合する形状とすることも可能であり、この場合の動作および作用効果は段差の場合と同様である。

図３は、本発明の実施例３における締結装置の要部の断面構成図である。図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、図１における締結枠１６、１７および断熱材１５を使用せずに、第２の部材１４に貫通孔２５を穿ち、この貫通孔２５内にボルト部材２０を挿通して、第１の部材１１と第２の部材１４を直接ボルト部材２０で締結した点である。その他の構成は図１と同様である。
第１の部材１１および第２の部材１４の材料としてセラミックスあるいはハステロイ、インコネル、ＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱材料を使用し、使用温度領域が数１００℃程度の比較的低い温度領域の場合は、図１のような締結枠１６、１７を使用することなく、ボルト部材２０の先端を直接第１の部材１１に埋め込んでねじ止めあるいはナットにより固定することが可能である。この場合、第１の部材１１の温度がボルト部材２０を介して第２の部材１４に伝達するが、使用温度領域が低いために第１の部材１１および第２の部材１４の熱膨張は小さいので、第１の部材１１と第２の部材１４の接合部からの流体のリークは小さく、たとえリークがあってもシール部材１３により阻止される。
その他の動作および作用効果は図１で説明した実施例１と本質的に同様であるので、説明は省略する。
なお、図３におけるセラミックファイバー２２の代わりに、図２と同様に段差２３や凹凸形状を設けてもよい。

本発明による締結装置は、高温ガスタービンやスターリングエンジンなどの高温を利用する機器に使用される締結装置として有用である。

本発明の実施例１における締結装置の要部の断面構成図 本発明の実施例２における締結装置の要部の断面構成図 本発明の実施例３における締結装置の要部の断面構成図

符号の説明

１１ 第１の部材
１２ フランジ
１３ シール部材
１４ 第２の部材
１５ 断熱材
１６ 第１の締結枠
１７ 第２の締結枠
１８、２５ 管通孔
１９、２４ バネ部材
２０ ボルト部材
２１ 温度低下領域
２２ セラミックファイバー
２３ 段差

Claims (8)

1. 耐熱材料で構成された第１の部材と、前記第１の部材と当接して高圧領域を形成する第２の部材とを締結する締結装置であって、前記第１の部材と前記第２の部材を締結する締結枠と、前記締結枠を締め付けるボルト部材とを有し、前記締結枠と前記ボルト部材間にバネ部材を設けたことを特徴とする締結装置。
2. 前記締結枠が前記第１の部材の一面に配置された第１の締結枠と、前記第２の部材の一面に配置された第２の締結枠から構成され、前記第１の締結枠と前記第２の締結枠を前記ボルト部材で締め付けることを特徴とする請求項１に記載の締結装置。
3. 前記第１の部材と前記第１の締結枠との間に断熱部材を設けたことを特徴とする請求項２に記載の締結装置。
4. 最大温度条件における前記第１の部材および第２の部材の軸方向の伸びをΔＸ１、ΔＸ２、最大温度条件における前記締結枠およびボルト部材の軸方向の伸びをΔＸ３、シール面圧を考慮した最低締結力をＦｍｉｎ、前記ボルト部材の本数をＮ、前記バネ部材のバネ定数をｋ、前記バネ部材のたわみ量をＸ０としたとき、
   Ｎ×ｋ×（Ｘ０−ΔＸ１−ΔＸ２−ΔＸ３）＞Ｆｍｉｎ
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の締結装置。
5. 耐熱材料で構成された第１の部材と、前記第１の部材と当接して高圧領域を形成する第２の部材とを締結する締結装置であって、前記第１の部材と前記第２の部材を締め付けるボルト部材と、前記第２の部材と前記ボルト部材間にバネ部材を設けたことを特徴とする締結装置。
6. 前記第１の部材と前記第２の部材間にシール部材を設け、前記シール部材を、弾性力を有するカーボンシートで構成したことを特徴とする請求項１又は請求項５に記載の締結装置。
7. 前記シール部材の外周にセラミックファイバーを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項５に記載の締結装置。
8. 前記第１の部材と前記第２の部材との当接面に互いに嵌合する段差または凹凸を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項５に記載の締結装置。
   

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