JP2009162443A - 線巻式圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒状内筒の外周面に張力を付与した高耐力線材が巻き付けられ、円筒状内筒の過熱防止用の冷却水通路を備えた線巻式圧力容器において、前記円筒状内筒の外観検査及び非破壊検査を可能とした線巻式圧力容器を得ること。
【解決手段】円筒状内筒２と、この円筒状内筒２の外周面に張力を付与して高耐力線材を巻き付けてなる高耐力線材巻層３と、円筒状内筒１の過熱防止用の冷却水通路５とを備え、被処理物を高温高圧処理するための線巻式圧力容器において、円筒状内筒内２に、その外周部に冷却水通路用凹部を有する円筒状ライナー４が嵌脱可能に嵌入され、円筒状内筒２の内周面と前記冷却水通路用凹部との間に前記冷却水通路５が形成されている線巻式圧力容器である。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱間等方圧加圧装置用に用いられる線巻式圧力容器に関し、円筒状内筒の外周面に張力を付与した高耐力線材が巻き付けられ、前記円筒状内筒の過熱防止用の冷却水通路を備え、被処理物を高温高圧処理するための線巻式圧力容器に関するものである。

熱間等方圧加圧装置は、アルゴンなどの不活性ガスを圧力媒体とし、通常９８ＭＰａ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、被処理物を高温高圧処理する装置であり、粉末材料の加圧焼結を行う超硬合金、セラミックス、スーパーアロイなどの分野では不可欠なものとなっている。この熱間等方圧加圧装置は、高圧ガスを閉じ込めるための圧力容器（内部に被処理物、加熱装置及び断熱層が配設される）と、上下の開口部を密閉する上蓋及び下蓋と、これらの上蓋と下蓋に作用する軸力を支えるプレス枠とにより構成されている。

この熱間等方圧加圧装置の圧力容器として、線巻式圧力容器が知られている。線巻式圧力容器は、円筒状内筒と、この円筒状内筒の外周面に張力を付与して高耐力線材を巻き付けてなる高耐力線材巻層と、前記円筒状内筒の過熱防止用の冷却水通路とを備えている。この線巻式圧力容器は、その内部に高圧がかかることから、円筒状内筒の外周にピアノ線などの高耐力線材をこれに張力を加えながら層状に巻き付け、円筒状内筒を圧縮する方向に予応力を付与することにより、疲労強度の上昇を図り、圧力容器としての疲労寿命を延ばすことができるようにしたものである。この線巻式圧力容器は、高耐力線材巻層（ピアノ線巻層）を有しない単肉式圧力容器に比べてその外径寸法が小さくてすみ、ひいては熱間等方圧加圧装置全体寸法を小さくできるものである。

熱間等方圧加圧装置の線巻式圧力容器の内部には、被処理物を加熱する加熱装置（ヒーター）が配設され、この加熱装置を取り囲むように逆コップ状（倒立コップ状）の断熱層が配設されるものの、昇温時及び高温保持時には円筒状内筒の、特に内筒内周面の過熱防止のため、円筒状内筒に対して水冷を施すことが必要である。さらには、高温高圧処理後における冷却時の冷却速度向上のためには、円筒状内筒内周面と内部ガスとの熱交換により、その熱を線巻式圧力容器外へ持ち出すためにも、効率よく円筒状内筒を冷却することが必要である。このため、線巻式圧力容器は、円筒状内筒の過熱防止用の冷却水通路を備えている。

従来の線巻式圧力容器としては、特開２００４−３７０５４号公報で提案されているものが知られている。図６は熱間等方圧加圧装置に備えられた従来の線巻式圧力容器を示す縦断面図、図７は図６における線巻式圧力容器の要部を示す横断面図である。

図６，図７において、５１は後述する円筒状内筒、５２はピアノ線巻層である。線巻式圧力容器は、円筒状内筒５１と、円筒状内筒５１の外周面に張力を付与したピアノ線を巻き付けてなるピアノ線巻層５２と、円筒状内筒５１の過熱防止用の冷却水通路５３とを備えている。円筒状内筒５１の上部開口は、高圧シールリングが嵌着された上蓋８１により密閉され、また、下部開口は、高圧シールリングが嵌着された下蓋８２により密閉されるようになっている。８３はこれら上下蓋８１，８２に作用する軸力を支えるプレス枠である。そして、円筒状内筒５１と上下蓋８１，８２との間の空間には、逆コップ状の断熱層８４が配設されるとともに、この断熱層８４の内側に、被処理物Ｗを加熱する加熱装置（ヒーター）８５が配設されている。

前記円筒状内筒５１は、２層の円筒体よりなっており、内側内筒５１ａと、この内側内筒５１ａの外周面に沿って軸方向向きに、かつ周方向に所定の間隔を隔てて配列された、フラットバーからなる複数のスペーサ５４を介して外嵌されてなる外側内筒５１ｂとを備えている（図７参照）。これらのスペーサ５４同士の間の隙間が冷却水通路５３となされている（図７参照）。また、外側内筒５１ｂは両端部に線巻きフランジ５１ｃを備えており、これらの線巻きフランジ５１ｃ，５１ｃの間に前記ピアノ線巻層５２が形成されている。５５は冷却水集水ヘッダ、５６は冷却水供給ヘッダである。

前記冷却水集水ヘッダ５５は環状に形成されており、内側内筒５１ａへの嵌合側に冷却水室５５ａとなる内溝が周設されている。そして、この冷却水室５５ａの上側の内側内筒５１ａへの嵌合側にシールリング溝が周設されており、このシールリング溝にシールリング５５ｂが嵌着されている。さらに、冷却水集水ヘッダ５５の外側内筒５１ｂの上端面への接触部位にシールリング溝が周設されており、この溝にシールリング５５ｃが嵌着されている。また、前記冷却水供給ヘッダ５６は、冷却水集水ヘッダ５５と同構成であって、上下を逆にして内側内筒５１ａの端部に嵌合されてなるものである。５６ａは冷却水室、５６ｂ，５６ｃはシールリングである。

そして、前記冷却水集水ヘッダ５５の冷却水室５５ａと、前記冷却水供給ヘッダ５６の冷却水室５６ａとは、前記スペーサ５４同士の間の隙間、すなわち冷却水通路５３を介して連通している。したがって、冷却水供給ヘッダ５６の給水ポート５６ｄから冷却水室５６ａに流入した冷却水は、内側内筒５１ａから熱を奪いながら冷却水通路５３を流れて冷却水集水ヘッダ５５の冷却水室５５ａに流入し、この冷却水集水ヘッダ５５の排水ポート５５ｄから、安全弁が介装されてなる図示しない排水管を介して系外に排水されるようになっている。

このように構成される線巻式圧力容器は、次のようにして組立てられている。すなわち、内側内筒５１ａの両端の開口にスペーサ固定フランジを嵌着し、これらスペーサ固定フランジに、例えば固定ピン又は固定ボルトによりスペーサ５４の端部を固定して、内側内筒５１ａの外周面の周方向に所定の間隔で固定する。次いで、内側内筒５１ａに固定されたスペーサ５４の外周に外側内筒５１ｂを外嵌した後に、この外側内筒５１ｂの外周にピアノ線を巻き付け、外側内筒５１ｂの収縮により、内側内筒５１ａの外周面に沿うようにスペーサ５４を変形させる。そして、ピアノ線の巻き付け終了後に、前記固定ピン又は固定ボルトを取外すとともに、前記スペーサ固定フランジを取り外すようにしている。

このようにして、線巻式圧力容器が組み立てられている。すなわち、この線巻式圧力容器は、ピアノ線の巻き付けにより、外側内筒５１ｂを収縮変形させることによって、内側内筒５１ａ、スペーサ５４、外側内筒５１ｂ及びピアノ線巻層５２を一体化するように構成されている。

また、別の線巻式圧力容器の組立てについて説明すると、スペーサ５４に長手方向と直交する幅方向の向きに外溝を刻設しておき、この外溝が外側になるように複数のスペーサ５４を内側内筒５１ａの外周面に沿って軸方向向きに、かつ周方向に所定の間隔を隔てて配列する。次いで、前記外溝の溝深さ寸法以下の厚さを有する締結体を前記外溝に嵌込んで締結することにより、これらのスペーサ５４を内側内筒５１ａに固定する。そして、所定の温度に加熱した外側内筒５１ｂを内側内筒５１ａに固定されたスペーサ５４の外周に外嵌するようにしている。

すなわち、この線巻式圧力容器は、焼嵌めにより、スペーサ５４を介して内側内筒５１ａと外側内筒５１ｂとを嵌め合わせるように構成されている。

特開２００４−３７０５４号公報（段落［００２５］〜［００４２］、第１図〜第４図） 特公昭５６−８７１８号公報（第２図〜第４図） 特開平２−２９３５８５号公報（第１図）

前述した従来の線巻式圧力容器では、内側内筒５１ａの外周面及び外側内筒５１ｂの内周面が、冷却水に触れるため腐食の恐れがあるので、内側内筒５１ａ及び外側内筒５１ｂを定期検査する場合、ファイバースコープを用いることで内側内筒５１ａ及び外側内筒５１ｂの外観検査は可能と思われる。

しかしながら、厳密な安全確認のためには外観検査に加えて非破壊検査（超音波探傷検査）が必要であり、この従来の線巻式圧力容器では、外側内筒５１ｂに対して内側内筒５１ａの取り出しが不可能な構造であるため、外側内筒５１ｂの非破壊検査を行えないという不具合がある。

そこで、本発明の課題は、円筒状内筒の外周面に張力を付与した高耐力線材が巻き付けられ、前記円筒状内筒の過熱防止用の冷却水通路を備えた線巻式圧力容器において、その定期検査にあたり、前記円筒状内筒の外観検査及び非破壊検査を可能とするようにした線巻式圧力容器を提供することにある。

前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

請求項１の発明は、円筒状内筒と、この円筒状内筒の外周面に張力を付与して高耐力線材を巻き付けてなる高耐力線材巻層と、前記円筒状内筒の過熱防止用の冷却水通路とを備え、被処理物を高温高圧処理するための線巻式圧力容器において、前記円筒状内筒内に、その外周部に冷却水通路用凹部を有する円筒状ライナーが嵌脱可能に嵌入され、前記円筒状内筒の内周面と前記冷却水通路用凹部との間に前記冷却水通路が形成されていることを特徴とする線巻式圧力容器である。

請求項２の発明は、請求項１記載の線巻式圧力容器において、前記円筒状ライナーが、その外周面に、長手方向に沿って延びる複数の狭幅長尺部材が円周方向に所定間隔を隔てて接合されたものであり、隣り合う前記狭幅長尺部材同士の隙間部分によって長手方向に沿って延びる前記冷却水通路用凹部を形成したものであることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１記載の線巻式圧力容器において、前記円筒状ライナーが、その外周面に、前記冷却水通路用凹部として長手方向に沿って延びる螺旋状溝が溝加工されたものであることを特徴とするものである。

本発明による線巻式圧力容器は、円筒状内筒の外周面に張力を付与した高耐力線材が巻き付けられ、前記円筒状内筒の過熱防止用の冷却水通路を備えた線巻式圧力容器において、前記円筒状内筒内に、その外周部に冷却水通路用凹部を有する円筒状ライナーが嵌脱可能に嵌入され、前記円筒状内筒の内周面と前記冷却水通路用凹部との間に前記冷却水通路が形成されるように構成されている。したがって、その定期検査にあたり、前記円筒状内筒内に嵌入されている円筒状ライナーを抜き取ることができるので、前記円筒状内筒の外観検査及び非破壊検査を行うことができ、確実に安全性の確保を図ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態による線巻式圧力容器の構成を示す縦断面図、図２は図１に示す線巻式圧力容器の横断面を示す図、図３は図１に示す線巻式圧力容器の横断面の一部を示す図、図４は図１に示す線巻式圧力容器の円筒状ライナーを説明するための図である。

図１〜図４において、１は容器胴である。本実施形態による線巻式圧力容器は、円筒状をなす円筒状内筒２の外周面に張力を付与した高耐力線材を巻き付けてなる容器胴１と、容器胴１の円筒状内筒２内に嵌脱可能に嵌入され、その外周部に冷却水通路用凹部４ｂを有し、円筒状内筒１の過熱防止用の冷却水通路５を形成する円筒状ライナー４とを備えており、前記容器胴１は、前記円筒状内筒２と、この円筒状内筒２の外周面に張力を付与して高耐力線材としてのピアノ線を巻き付けてなるピアノ線巻層３とにより構成されている。

前記円筒状内筒２は、高強度の低合金鋼、あるいは高強度のステンレス鋼からなっている。この円筒状内筒２の両端外周には、円環状をなし、内筒径方向外方へ突出するフランジ２ａが焼嵌めにより嵌合されている。前記ピアノ線巻層３は、円筒状内筒２外周面における両フランジ２ａ間にピアノ線を層状に巻き付けてなり、円筒状内筒２内側に加わる高圧力に抗するように円筒状内筒２に残留圧縮力を与えるものである。

円筒状をなす前記円筒状ライナー４は、複数の狭幅長尺部材としてのフラットバー４ａを有している。すなわち、円筒状ライナー４の外周面に、ライナー長手方向に沿って延びる複数のフラットバー４ａがライナー円周方向に所定間隔を隔てて溶接にて接合されており（図４参照）、これにより、隣り合うフラットバー４ａ同士の隙間部分によってライナー長手方向に沿って延びる冷却水通路用凹部４ｂが形成されている。

そして、この円筒状ライナー４が容器胴１の円筒状内筒２内に後述のように嵌脱可能に嵌入されており、円筒状内筒２の内周面と前記冷却水通路用凹部４ｂとの間に冷却水通路５が形成されている（図３参照）。円筒状ライナー４は、その内側に加わる圧力によって静的に破れないだけの強度を満たすことが必要であるものの、基本的に消耗部材として一定期間使用後に交換することを前提とされており、長期の疲労強度を満たすことは要しないものである。

６は、容器胴１の下端部に取り付けられたライナー抜止め部材である。７は、冷却水供給源からの冷却水が供給される冷却水室７ａを有し、冷却水室７ａから冷却水を各冷却水通路５に分配して供給する円環状の下部マニホールドである。また、８は、各冷却水通路５を通過してきた冷却水が集められる冷却水室８ａを有し、各冷却水通路５を通過してきた冷却水を冷却水室８ａから外部へ排出する円環状の上部マニホールドである。

そして、本実施形態では、フラットバー４ａを有する円筒状ライナー４は、その外径寸法が容器胴１の内径寸法よりも僅かに小さくなるように製作されており、隙間嵌めにより容器胴１の円筒状内筒２内に円筒状ライナー４を嵌入し（図４参照）、次いで、円筒状内筒２の上端部に、シールリングによるシール部８ｂ，８ｃを介して上部マニホールド８を着脱可能に固定している。

ここで、隙間嵌めによって円筒状内筒２内に円筒状ライナー４を嵌入するようにした構造の場合、円筒状ライナー４のフラットバー４ａ表面と円筒状内筒２内周面との間に嵌脱可能な程度の微小間隙が存在することになるが、熱間等方圧加熱装置の運転中は、円筒状ライナー４は、その内周面に高圧が加わること、被処理物を加熱するヒーターの放熱のため温度上昇して熱膨張することにより、円筒状内筒２の内周面に押し付けられることになる。また、前記上部マニホールド８のシール部８ｂ，８ｃ、及び前記下部マニホールド７のシール部７ｂ，７ｃも、熱間等方圧加熱装置の運転中は、より強くシールされる。

このように、本実施形態による線巻式圧力容器は、円筒状内筒２と、この円筒状内筒２の外周面に張力を付与してピアノ線を巻き付けてなるピアノ線巻層３と、円筒状内筒２の過熱を防止するための冷却水通路５とを備え、円筒状内筒２内に、その外周部に冷却水通路用凹部４ｂを有する円筒状ライナー４が隙間嵌めにて嵌脱可能に嵌入され、円筒状内筒２の内周面と冷却水通路用凹部４ｂとの間に冷却水通路５が形成されるように構成されている。

したがって、その定期検査にあたり、常温時（熱間等方圧加熱装置の非運転時）には、円筒状内筒２内に嵌入されている円筒状ライナー４を抜き取ることができるので、円筒状内筒２の外観検査及び非破壊検査を行うことができ、確実に安全性の確保を図ることができる。

ここで、前記円筒状ライナー４自体は、容器胴１（円筒状内筒２及びピアノ線巻層３）に比べれば、疲労強度は相当に劣ることから、一定頻度で新品との交換が必要となる。この交換は、予め疲労解析等で寿命予測を行い、円筒状ライナー４の寿命がくる前に行うようにする。なお、円筒状ライナー４が破損する場合、円筒状ライナー４は比較的薄肉の構造であるので、円筒状ライナー４には厚み方向に貫通する亀裂が生じ、その亀裂を通って冷却水通路５に圧力媒体ガスが漏れ出ることになる。そこで、万一の円筒状ライナー４の破損に備えて、冷却水通路５に十分な噴出し容量を有する安全弁を設けておけば、大規模破損にまで進行する前に、圧力媒体ガスのリークという安全な状態にて前記亀裂の発生を検知して、装置運転を非常停止することが可能である。

前記の実施形態では、隙間嵌めを行うようにしたが、これに代えて、円筒状ライナーを低温に保持して冷嵌めを行って、円筒状内筒内に円筒状ライナーを嵌入するようにしてもよい。冷嵌め構造とした場合、円筒状ライナーは、冷却水通路に油圧をかけること等により、その抜き取りが可能である。

図５は本発明にかかる円筒状ライナーの他の例を示す図である。

図５に示すように、この円筒状ライナー１４は、その外周面に、冷却水通路用凹部として長手方向に沿って延びる螺旋状溝１４ｂを有している。この円筒状ライナー１４は、隙間嵌め、又は冷嵌めにより、円筒状内筒２内に嵌入される。この円筒状ライナー１４によると、前記の円筒状ライナー４とは違って機械加工品となるので、寸法公差が小さく円筒状内筒２への嵌入作業性が向上すること、溶接部のない無垢の部材であるので、その寿命が延びること、等の利点がある。

本発明の一実施形態による線巻式圧力容器の構成を示す縦断面図である。 図１に示す線巻式圧力容器の横断面を示す図である。 図１に示す線巻式圧力容器の横断面の一部を示す図である。 図１に示す線巻式圧力容器の円筒状ライナーを説明するための図である。 本発明にかかる円筒状ライナーの他の例を示す図である。 熱間等方圧加圧装置に備えられた従来の線巻式圧力容器を示す縦断面図である。 図６における線巻式圧力容器の要部を示す横断面図である。

符号の説明

１…容器胴
２…円筒状内筒
２ａ…フランジ
３…ピアノ線巻層
４…円筒状ライナー
４ａ…フラットバー
４ｂ…冷却水通路用凹部
５…冷却水通路
６…ライナー抜止め部材
７…下部マニホールド
７ａ…冷却水室
７ｂ，７ｃ…シール部
８…上部マニホールド
８ａ…冷却水室
８ｂ，８ｃ…シール部
１４…円筒状ライナー
１４ｂ…螺旋状溝

Claims (3)

1. 円筒状内筒と、この円筒状内筒の外周面に張力を付与して高耐力線材を巻き付けてなる高耐力線材巻層と、前記円筒状内筒の過熱防止用の冷却水通路とを備え、被処理物を高温高圧処理するための線巻式圧力容器において、
   前記円筒状内筒内に、その外周部に冷却水通路用凹部を有する円筒状ライナーが嵌脱可能に嵌入され、前記円筒状内筒の内周面と前記冷却水通路用凹部との間に前記冷却水通路が形成されていることを特徴とする線巻式圧力容器。
2. 前記円筒状ライナーが、その外周面に、長手方向に沿って延びる複数の狭幅長尺部材が円周方向に所定間隔を隔てて接合されたものであり、隣り合う前記狭幅長尺部材同士の隙間部分によって長手方向に沿って延びる前記冷却水通路用凹部を形成したものであることを特徴とする請求項１記載の線巻式圧力容器。
3. 前記円筒状ライナーが、その外周面に、前記冷却水通路用凹部として長手方向に沿って延びる螺旋状溝が溝加工されたものであることを特徴とする請求項１記載の線巻式圧力容器。

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