JP2008082441A - 配管の接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】配管の接続部分における気密性の低下を防止できる配管の接続構造を提供する。
【解決手段】接続部１は、第１の配管２の先端部２ｂに形成された第１のフランジ８と第２の配管４の先端部４ｂに形成された第２のフランジ９とをボルト１２，１４およびナット１６，１８で連結することによって、第１および第２の配管２，４を接続する構造となっている。ボルト１２，１４の頭部１２ｂ，１４ｂと第１のフランジ８との間、およびナット１６，１８と第２のフランジ９との間には、中間部材２０，２２が充填されている。中間部材２０，２２の熱膨張係数は、ボルト１２，１４およびナット１６，１８の熱膨張係数よりも大きい。そのため、第１および第２の配管２，４内に高温のガスＧ１が流れた場合でも、ボルト１２，１４およびナット１６，１８と第１および第２のフランジ８，９との間に隙間が生じることを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温の流体の移送に使用される配管同士を接続する配管の接続構造に関するものである。

従来の配管の接続構造として、特許文献１のように、各配管の先端部にフランジを形成し、かかるフランジ同士をボルトで締め付けたものが知られている。この接続構造において、ボルトとフランジとの間にはスプリングワッシャーが挟まれている。
特開平１１−３１５９８８号公報

上述した接続構造では、配管内に高温の流体が供給されると、フランジを介してボルトおよびスプリングワッシャーに熱が伝わる。これにより、スプリングワッシャーに熱膨張が生じる。熱膨張が生じると、スプリングワッシャーの弾性力が低下してしまい、その結果、ボルトが緩んでしまうことがある。ボルトが緩むと、フランジ間に位置ずれが生じ、配管の接続部分における気密性が低下してしまうという問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、配管の接続部分における気密性の低下を防止できる配管の接続構造を提供することとする。

本発明は、先端部に第１のフランジが形成された第１の配管と、先端部に第２のフランジが形成された第２の配管とを、第１のフランジおよび第２のフランジを対向させた状態で接続する配管の接続構造であって、第１のフランジの、第２のフランジと対向する面の裏面と、第２のフランジの、第１のフランジと対向する面の裏面とをそれぞれ押圧して、第１のフランジと第２のフランジとを連結させる連結部材と、第１のフランジの裏面および第２のフランジの裏面の少なくとも一方と、連結部材との間に充填された中間部材と、を備え、中間部材の熱膨張係数は、連結部材の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする。

本発明の接続構造は、第１の配管の先端部に設けられた第１のフランジと第２の配管の先端部に設けられた第２のフランジとを連結部材を用いて連結することにより、第１および第２の配管を接続する構造となっている。第１および第２の配管内に高温の流体が供給されると、第１および第２のフランジを介して連結部材に熱が伝わり、当該連結部材が熱膨張する。高温の流体による熱は、第１および第２のフランジと連結部材との間に充填された中間部材にも伝わり、かかる中間部材もまた熱膨張することとなる。中間部材の熱膨張係数は連結部材の熱膨張係数よりも大きいので、連結部材と比べて中間部材のほうが大きく膨張する。よって、連結部材と第１および第２のフランジとの間に中間部材が密に充填されている状態を保つことができるため、連結部材と第１および第２のフランジとの間に隙間が形成されて第１および第２のフランジに位置ずれが生じる、ということがなくなる。その結果、第１および第２の配管内に高温の流体が供給された場合であっても、第１および第２の配管の接続部分における気密性を維持することが可能となる。

また、本発明の配管の接続構造では、第１のフランジの第２のフランジと対向する面と第２のフランジの第１のフランジと対向する面との間に設けられ、第１および第２の配管の軸線方向から見ると第１および第２の配管の内周面を囲むように配置された環状のシール部材を更に備えることが好ましい。このようなシール部材を備えることによって、第１の配管の軸線と第２の配管の軸線とが多少ずれていても、第１および第２の配管の接続部分における気密性を確実に維持することができる。

本発明によれば、高温の流体を移送する場合でも、配管の接続部分における気密性の低下を防止することができる。これにより高温のガスや液体が配管の接続部分から漏洩することがなくなるため、配管を含む装置全体の耐久性を高めることができる。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る接続構造が適用された、第１の配管および第２の配管の接続部を示す断面図である。

第１の配管２および第２の配管４は、それぞれ高温の流体を移送するための管である。本実施形態において、移送される流体はガスＧ１であり、かかるガスＧ１の温度は７００℃以下となっている。第１および第２の配管２，４は、同一の内径Ｄ１を有している。また、第１および第２の配管２，４は、７００℃以上の耐熱性を有するとともに、熱膨張係数が０．４×１０^-6／℃の石英ガラスによって形成されている。

接続部１において、第１の配管２は、配管本体部２ａと、開口を含む先端部２ｂとを有している。また、第２の配管４は、配管本体部４ａと、開口を含む先端部４ｂとを有している。配管本体部２ａ，４ａの外周面は、それぞれ断熱材６で覆われている。配管本体部２ａ，４ａを断熱材６で覆うことによって、ガスＧ１を殆ど温度低下させずに移送することが可能となる。なお、断熱材６の代わりに、配管本体部２ａ，４ａの外周面にテープ状のヒータを巻き付けるとしてもよい。

第１の配管２の先端部２ｂには第１のフランジ８が一体形成されており、第２の配管４の先端部４ｂには第２のフランジ９が一体形成されている。第１および第２のフランジ８，９は、それぞれ環状を呈している。第１のフランジ８は、表面８ａと、裏面８ｂと、表面８ａおよび裏面８ｂに交差する周面とを有している。第２のフランジ９もまた、表面９ａと、裏面９ｂと、表面９ａおよび裏面９ｂに交差する周面とを有している。第１のフランジ８の表面８ａと第２のフランジ９の表面９ａとは、互いに対向している。

第１のフランジ８にはボルト挿通孔１０が２つ形成されており、第２のフランジ９にもボルト挿通孔１１が２つ形成されている。２つのボルト挿通孔１０は、第１のフランジ８の表面８ａから裏面８ｂに貫通しているとともに、第１の配管２の径方向に対向配置されている。２つのボルト挿通孔１１は、第２のフランジ９の表面９ａから裏面９ｂに貫通しているとともに、第２の配管４の径方向に対向配置されている。第１および第２の配管２，４を第１のフランジ８の表面８ａと第２のフランジ９の表面９ａとが対向するように配設した際に、ボルト挿通孔１０とボルト挿通孔１１とは、同軸上に位置することとなる。

第１のフランジ８と第２のフランジ９とは、ボルト１２，１４およびナット１６，１８（連結部材）によって連結されている。より具体的には、一方のボルト挿通孔１０と一方のボルト挿通孔１１とにはボルト１２の螺子部１２ａが挿通されており、ボルト１２の螺子部１２ａの先端にはナット１６が螺合かつ締結されている。他方のボルト挿通孔１０と他方のボルト挿通孔１１とにはボルト１４の螺子部１４ａが挿通されており、ボルト１４の螺子部１４ａの先端にはナット１８が螺合かつ締結されている。このとき、第１のフランジ８の裏面８ｂは、後述する中間部材２０を介してボルト１２，１４の頭部１２ｂ，１４ｂで押圧されている。また、第２のフランジ９の裏面９ｂは、後述する中間部材２２を介してナット１６，１８で押圧されている。このように、ボルト１２，１４およびナット１６，１８で押圧されることにより、第１のフランジ８と第２のフランジ９とは連結されることとなる。ボルト１２，１４およびナット１６，１８は、熱膨張係数が８×１０^-6／℃のセラミックス（具体的にはアルミナ）からなっている。なお、ボルト挿通孔１０，１１の数は２つに限られず、３つ以上であってもよい。また、第１のフランジ８の裏面８ｂがナット１６，１８で押圧され、第２のフランジ９の裏面９ｂがボルト１２，１４の頭部１２ｂ，１４ｂで押圧されるとしてもよい。

ボルト１２，１４の頭部１２ｂ，１４ｂと第１のフランジ８との間には、中間部材２０が充填されている。また、ナット１６，１８と第２のフランジ９との間には、中間部材２２が充填されている。中間部材２０，２２は、ボルト１２，１４およびナット１６，１８よりも熱膨張係数が大きい材料からなっている。本実施形態における中間部材２０，２２は、熱膨張係数が１５×１０^-6／℃のＳＵＳにより形成されている。なお、中間部材２０，２２は、その熱膨張量が、ボルト１２，１４、ナット１６，１８、および第１および第２のフランジ８，９の弾性変形量を超えないように形成されている。

第１および第２のフランジ８，９は、第１のフランジ８の表面８ａと第２のフランジ９の表面９ａとの間にシール部材２４を介在した状態で連結されている。シール部材２４は、熱膨張係数が８×１０^-6／℃のセラミックス（具体的にはアルミナ）からなっている。シール部材２４は、第１および第２のフランジ８，９の表面８ａ，９ａに密着している。シール部材２４は環状を呈しており、シール部材２４の内径Ｄ２は、第１および第２の配管２，４の内径Ｄ１よりも大きくなっている。また、第１および第２の配管２，４の軸線方向から見ると、シール部材２４は第１および第２の配管２，４の内周面を囲むように配置されている。このようなシール部材２４を備えることにより、第１の配管２の軸線と第２の配管４の軸線とに多少ずれが生じた場合でも、接続部１における第１および第２の配管２，４の気密性を維持することができる。

以上述べたような構造を有する接続部１に高温のガスＧ１が流れると、ガスＧ１の熱が第１および第２のフランジ８，９を介して、ボルト１２，１４、ナット１６，１８、および中間部材２０，２２に伝わる。伝わった熱により、ボルト１２，１４の螺子部１２ａ，１４ａおよび中間部材２０，２２が膨張する。ボルト１２，１４の螺子部１２ａ，１４ａは熱膨張係数が８×１０^-6／℃のセラミックスからなっており、中間部材２０，２２は熱膨張係数が１５×１０^-6／℃のＳＵＳからなっている。そのため、熱膨張係数がより高い中間部材２０，２２のほうが、ボルト１２，１４の螺子部１２ａ，１４ａと比べて膨張量が大きくなる。より大きく膨張した中間部材２０，２２は、ボルト１２，１４の頭部１２ｂ，１４ｂと第１のフランジ８との間、およびナット１６，１８と第２のフランジ９との間を、隙間なく埋めるとともに、第１および第２のフランジ８，９の裏面８ｂ，９ｂを押圧する。よって、第１および第２のフランジ８，９がシール材２４に密着した状態が保たれる。これにより、ガスＧ１は接続部１にて漏洩することなく、第１の配管２から第２の配管４に向かって流れることとなる。

以上説明したように、本実施形態に係る接続部１では、第１および第２の配管内２，４に高温のガスＧ１が供給された場合であっても、熱膨張によりボルト１２，１４の頭部１２ｂ，１４ｂおよびナット１６，１８と第１および第２のフランジ８，９との間に隙間が形成されることを防止できる。その結果、第１および第２のフランジ８，９が位置ずれすることがなくなるので、第１および第２の配管２，４の接続部１における気密性を維持することが可能となる。

なお、接続部１に高温のガスＧ１が流れると、第１および第２のフランジ８，９やシール部材２４にも熱膨張が発生する。第１および第２のフランジ８，９、シール部材２４、中間部材２０，２２、およびボルト１２，１４の螺子部１２ａ，１４ａの膨張量は、それぞれ以下の式（１）〜（４）で表すことができる。ただし、第１および第２のフランジ８，９の温度変化量はシール部材２４の温度変化量と同一（ΔＴ_１）であるとし、中間部材２０，２２の温度変化量はボルト１２，１４およびナット１６，１８の温度変化量と同一（ΔＴ_２）であるとする。

第１および第２のフランジ８，９の合計膨張量ｘ_１は、式（１）で表すことができる。

ここで、α_１は第１および第２のフランジ８，９を形成する材料の熱膨張係数であり、本実施形態においてα_１は０．４×１０^-6／℃である。また、Ｌ_１は第１および第２のフランジ８，９の幅であり、ΔＴ_１は温度変化量である。

シール部材２４の膨張量ｘ_２は、式（２）で表すことができる。

ここで、α_２はシール部材２４を形成する材料の熱膨張係数であり、本実施形態においてα_２は８×１０^-6／℃である。Ｌ_２は、シール部材２４の幅である。

中間部材２０，２２の合計膨張量ｘ_３は、式（３）で表すことができる。

ここで、α_３は中間部材２０，２２を形成する材料の熱膨張係数であり、本実施形態においてα_３は１５×１０^-6／℃である。Ｌ_３は、中間部材２０，２２の幅である。

ボルト１２，１４の螺子部１２ａ，１４ａの膨張量ｘ_４は、式（４）で表すことができる。

ここで、α_４はボルト１２，１４およびナット１６，１８を形成する材料の熱膨張係数であり、本実施形態においてα_４は８×１０^-6／℃である。Ｌ_４は、ボルト１２，１４の頭部１２ｂ，１４ｂとナット１６，１８との間における、ボルト１２，１４の螺子部１２ａ，１４ａの長さである。

本実施形態において、上述した式（１）〜（４）で表されるｘ_１〜ｘ_４は、以下の関係式（５）を満たしている。

この関係式（５）を満たすことで、本実施形態に係る接続部１では、ボルト１２，１４の頭部１２ｂ，１４ｂと第１のフランジ８との間、およびナット１６，１８と第２のフランジ９との間に隙間が形成される可能性が更に低くなっている。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、第１および第２のフランジ８，９は石英ガラスからなり、ボルト１２，１４、ナット１６，１８、およびシール部材２４はセラミックスからなり、中間部材２０，２２はＳＵＳからなるとしたが、材料はこれらに限られない。例えば、第１および第２のフランジ８，９はステンレスからなっていてもよいし、中間部材２０，２２はチタンやモリブデンからなっていてもよい。ただし、第１および第２のフランジ８，９、およびシール部材２４の耐熱温度は、第１および第２の配管２，４内を流れるガスＧ１の温度よりも高くなければならない。また、ボルト１２，１４、ナット１６，１８、および中間部材２０，２２の耐熱温度は、第１および第２のフランジ８，９を伝わる熱の温度よりも高くなければならない。

また、本実施形態では、ボルト１２，１４の頭部１２ｂ，１４ｂと第１のフランジ８との間に中間部材２０を充填し、ナット１６，１８と第２のフランジ９との間に中間部材２２を充填するとした。これを、ボルト１２，１４の頭部１２ｂ，１４ｂと第１のフランジ８との間のみ、あるいはナット１６，１８と第２のフランジ９との間のみに中間部材を充填するとしてもよい。

また、本実施形態では、第１および第２のフランジ８，９のボルト挿通孔１０，１１にボルト１２，１４の螺子部１２ａ，１４ａを挿通させ、螺子部１２ａ，１４ａの先端にナット１６，１８を螺合かつ締結することにより、第１および第２のフランジ８，９を連結するとした。これを、第１および第２のフランジ８，９の裏面８ｂ，９ｂを挟むように、例えば万力といった部材を配設し、かかる部材を締め付けることで第１および第２のフランジ８，９を連結するとしてもよい。この場合、第１および第２のフランジ８，９の裏面８ｂ，９ｂと、当該裏面８ｂ，９ｂに対向する部材の面との間に、中間部材が充填されることとなる。

本発明の第１実施形態に係る配管の接続構造が適用される接続部を示す断面図である。

符号の説明

１・・・接続部、２・・・第１の配管、４・・・第２の配管、８・・・第１のフランジ、９・・・第２のフランジ、８ａ，９ａ・・・表面、８ｂ，９ｂ・・・裏面、１０，１１・・・ボルト挿通孔、１２，１４・・・ボルト、１６，１８・・・ナット、２０，２２・・・中間部材、２４・・・シール部材。

Claims (2)

1. 先端部に第１のフランジが形成された第１の配管と、先端部に第２のフランジが形成された第２の配管とを、前記第１のフランジおよび前記第２のフランジを対向させた状態で接続する配管の接続構造であって、
   前記第１のフランジの、前記第２のフランジと対向する面の裏面と、前記第２のフランジの、前記第１のフランジと対向する面の裏面とをそれぞれ押圧して、前記第１のフランジと前記第２のフランジとを連結させる連結部材と、
   前記第１のフランジの前記裏面および前記第２のフランジの前記裏面の少なくとも一方と、前記連結部材との間に充填された中間部材と、
   を備え、
   前記中間部材の熱膨張係数は、前記連結部材の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする配管の接続構造。
2. 前記第１のフランジの前記第２のフランジと対向する面と前記第２のフランジの前記第１のフランジと対向する面との間に設けられ、前記第１および前記第２の配管の軸線方向から見ると前記第１および前記第２の配管の内周面を囲むように配置された環状のシール部材を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の配管の接続構造。

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