JP2016003700A - フランジ固定構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】温度変動が大きい場合でも良好なシール性を得られるフランジ固定構造を提供すること。
【解決手段】本発明は、2つの管路のそれぞれに設けられたフランジ部を、ガスケットを介して付き合わせて固定治具で固定するフランジ固定構造である。このフランジ固定構造において、固定治具の有効長さをL、固定治具の線膨張係数をα、固定治具で挟まれるn個(nは1以上の整数)の部材のそれぞれの厚さをt〜t、n個の部材のそれぞれの線膨張係数をα〜αとした場合、Lとαとの積Lαと、t〜tのそれぞれとα〜αのそれぞれとの積の和Σtα(i=1〜n)と、を実質的に等しくしたことを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、フランジ固定構造に関し、特に温度変化が大きい場合におけるフランジ部の固定及びシールに適したフランジ固定構造に関する。
複数の管路を直列に繋ぐ方法として、管の端部にフランジ部を設け、2つの管路のフランジ部同士を、ガスケットを介して突き合わせて固定する方法がある。このようなフランジ部の固定方法は、JIS(日本工業規格)−B2220をはじめ、多くの規格で定められており、広く一般的に用いられている(例えば、特許文献1、2参照。)。
管路を通る流体の漏洩を防ぐため、フランジ部を固定するにはガスケットに適切な面圧をかけておく必要がある。この場合、組付け時に適切な面圧をかけたとしても、使用中に面圧が不足することがあれば流体の漏洩が起こりうる。
面圧が不足する可能性としては、温度変化によるフランジ固定治具の膨張、フランジ固定治具やガスケットの塑性変形などが挙げられる。特に、温度変化の大きい場所でフランジを用いて長期間流体をシールし続けるのは困難である。
特開2013−234734号公報 特開2010−133493号公報
ここで、石英ガラスの製造方法として、四塩化硅素等のガラス原料を火炎加水分解によりガラスロッドに堆積させて多孔質ガラス母材を製造し、これを加熱して透明ガラス化する方法が知られている。特に、石英製光ファイバ用プリフォームの製造にはこの方法が広く用いられている。この方法において、透明ガラス化を図るには、石英ガラス製の炉芯管内に多孔質ガラス母材を配置し、炉芯管外からカーボンヒータ等で1500℃前後に加熱する方法が知られている。
この方法では、ガラス化工程前またはガラス化工程中に、ガラス中の不純物を除去するために塩素ガス雰囲気にすることがある。塩素ガスは毒性が強いため、石英炉芯管は厳密にガスシールされる必要がある。この際、炉芯管内を高温の石英ガラスが移動するため、石英炉芯管を構成する石英管をフランジ接続するとシール性能が劣化しやすいという問題がある。シール性能が劣化すると、炉芯管内に大気が流入し、製品の特性の悪化を招く原因になる。
そこで、炉芯管の温度変動が大きな部分には接続部を設けないようにして、温度負荷の小さい部分を除いて一体的に成形された炉芯管が使用されている。しかしながら、炉芯管を一体的に製作できる長さには制約がある。このため、この制約の中で製造できる石英ガラスロッドの長さも制約を受け、大型の石英ガラスロッドを製造するのは非常に困難である。そこで、より大型の石英ガラスロッドを製造するために、温度変動が大きい場合でもシール性が良好なフランジ部シール機構を開発して複数の炉芯管を接続して使用することが求められている。
本発明の目的は、温度変動が大きい場合でも良好なシール性を得られるフランジ固定構造を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明は、2つの管路のそれぞれに設けられたフランジ部を、ガスケットを介して付き合わせて固定治具で固定するフランジ固定構造である。このフランジ固定構造において、固定治具の有効長さをL、固定治具の線膨張係数をα、固定治具で挟まれるn個(nは1以上の整数)の部材のそれぞれの厚さをt〜t、n個の部材のそれぞれの線膨張係数をα〜αとした場合、Lとαとの積Lαを、t〜tのそれぞれとα〜αのそれぞれとの積の和Σtα(i=1〜n)と実質的に等しくしたことを特徴とする。このような構成によれば、フランジ部の固定治具の膨張量と、固定治具に挟まれる部材の膨張量とが略等しくなり、ガスケットの面圧の不足や過剰な面圧の発生が抑制される。
また、本発明のフランジ固定構造においては、2つの管路のぞれぞれのフランジ部で挟まれるガスケットの厚さをtとし、ガスケットを挟んで固定する前後における厚さの変化量をΔt、ガスケットの復元率をrとした場合、フランジ部を固定治具で固定した後に温度をΔT変化させた時、ΔT(Lα−Σtα)<r(t−Δt)を満たすようにしてもよい。このように、ΔT(Lα−Σtα)<r(t−Δt)を満たしていると、加熱時に締付け面圧がゼロとなることが無くなる。
また、本発明のフランジ固定構造においては、2つの管路のぞれぞれのフランジ部で挟まれるガスケットの厚さをtとし、ガスケットを挟んで固定する前後における厚さの変化量をΔt、ガスケットの復元率をrとした場合、フランジ部を固定治具で固定した後に温度をΔT変化させた時、ΔT(Lα−Σtα)<0.1r(t−Δt)を満たすようにしてもよい。このように、ΔT(Lα−Σtα)<0.1r(t−Δt)を満たしていると、ガスケットの圧縮量の熱履歴による変化が十分に小さく抑えられ、良好なシール性を長期間にわたって維持することができる。
また、本発明のフランジ固定構造においては、フランジ部と固定治具との間に緩衝部材を配置してもよい。このような構成によれば、フランジ部または固定治具を脆性材料で作成した場合でも、フランジ締付け時または熱負荷時の破損の可能性が低減される。
また、本発明のフランジ固定構造において、フランジ部を固定治具で固定したときの緩衝部材の圧縮量は、ガスケットの圧縮量より小さくてもよい。このような構成によれば、ガスケット面圧の経時変化を小さくすることができ、良好なシール性を長期間にわたって維持することができる。
また、本発明のフランジ固定構造において、ガスケットは、膨張黒鉛シートであってもよい。膨張黒鉛シートは、大気中でおよそ400℃まで酸化損耗などを起こさない。したがって、このような構成によって、多くの化学物質に対して劣化することなく良好なシール性を維持することができる。
また、本発明のフランジ固定構造においては、ガスケットの外周部を不活性ガス雰囲気で保つ構造を備えていてもよい。ガスケットとして膨張黒鉛シートを用いる場合、外周部を不活性ガス雰囲気に保つことで、400℃よりも高い温度(例えば、1000℃)においても劣化することなく、良好なシール性を維持することができる。
また、本発明のフランジ固定構造において、緩衝部材の材料は、セラミックス繊維シートであってもよい。このように、フランジ部と固定治具との間に緩衝部材を配置する場合、緩衝部材の材質をセラミックス繊維シートとすることで、高温酸化雰囲気においても良好なシール性を維持することができる。
また、本発明のフランジ固定構造において、緩衝部材の材料は、膨張黒鉛シートであってもよい。緩衝部材の材料を膨張黒鉛シートにすることで、良好なシール性を維持することができる。膨張黒鉛シートはその性状からセラミックス繊維シートよりも熱膨張に関するデータが明確になっており、これを用いることで、より精密に膨張量を制御した設計を行うことができる。
また、本発明のフランジ固定構造においては、緩衝部材の周囲を不活性ガス雰囲気に保つ構造を備えていてもよい。緩衝部材として膨張黒鉛シートにする場合、緩衝部材の周囲を不活性ガス雰囲気に保つことにより、400℃よりも高い温度(例えば、1000℃)においても劣化することなく、良好なシール性を維持することができる。
第1実施形態に係るフランジ固定構造を例示する概略斜視図である。 第1実施形態に係るフランジ固定構造を例示する概略断面図である。 第2実施形態に係るフランジ固定構造を例示する概略断面図である。 第3実施形態に係るフランジ固定構造を例示する概略断面図である。 第4実施形態に係るフランジ固定構造を例示する概略断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態に係るフランジ固定構造を例示する概略斜視図である。
図1に表したように、本実施形態に係るフランジ固定構造は、2つの管路1a及び1bを互いのフランジ部2a及び2bによって接続するための構造である。管路1aの端部にはフランジ部2aが設けられ、管路1bの端部にはフランジ部2bが設けられる。フランジ部2a及び2bは、上下に設けられた第1フランジ押さえ5及び第2フランジ押さえ6によって挟まれ、固定される。
第1フランジ押さえ5及び第2フランジ押さえ6のそれぞれは、リング形状の平板部材によって構成される。リング形状の平板部材は、例えば2つに分割されている。図1に表したように、第1フランジ押さえ5の分割位置と第2フランジ押さえ6の分割位置は、フランジの周方向において異なる位置とするとよい。なお、第1フランジ押さえ5及び第2フランジ押さえ6のそれぞれは、小片状の平板部材であってもよい。本実施形態では、リング状の平板部材の場合を例とする。
図2は、第1実施形態に係るフランジ固定構造を例示する概略断面図である。
図2に表したように、2つの管路1a及び1bを接続するには、それぞれのフランジ部2a及び2bを、ガスケット7を介して付き合わせ、この状態で固定治具によって固定する。
フランジ部2a及び2bは、フランジ固定ボルト3、ワッシャ4、第1フランジ押さえ5、緩衝材8a、第2フランジ押さえ6及び緩衝材8bによって固定される。付き合わされたフランジ部2a及び2bを外側から挟むように、第1フランジ押さえ5及び第2フランジ押さえ6が配置される。この第1フランジ押さえ5及び第2フランジ押さえ6の間にフランジ部2a及び2bが挟まれ、フランジ固定ボルト3によって締結することで、フランジ部2a及び2bが押圧固定される。
第2フランジ押さえ6には図示しない雌ネジが設けられている。これにより、第2フランジ押さえ6は、フランジ固定ボルト3とネジにより結合される。このように、本実施形態では、フランジ固定ボルト3の下面と第2フランジ押さえ6の上面とによって他の部材が固定される構造のため、フランジ固定ボルト3の下面と第2フランジ押さえ6の上面との間隔が、フランジ部2a及び2bを固定する固定治具の有効長さLとなる。
第1フランジ押さえ5には、フランジ固定ボルト3を貫通させるための穴が設けられている。第1フランジ押さえ5とフランジ部2aとの間には、必要に応じて緩衝材8aが配置される。また、第2フランジ押さえ6とフランジ部2bとの間には、必要に応じて緩衝材8bが配置される。
緩衝材8a及び8bは、フランジ部2a及び2bや第1フランジ押さえ5及び第2フランジ押さえ6のいずれかが脆性材料であった場合に、ボルトの緊結による脆性部材の破損を防止するために配置される。
緩衝材8a及び8bの材料としては、アルミナやシリカなどのセラミックス繊維を用いた不織布(セラミックス繊維シート)や、膨張黒鉛シート等、圧縮復元性と柔軟性に富んだ材料が好適である。
また、フランジ部2a及び2bをフランジ固定ボルト3で固定した際の緩衝材8a及び8bの圧縮量は、ガスケット7の圧縮量よりも小さくてもよい。これにより、ガスケット7の面圧の経時変化を小さくすることができ、良好なシール性を長期間にわたって維持することができる。
図1において、固定治具として機能しているのは、フランジ固定ボルト3と第2フランジ押さえ6である。また、固定治具で挟まれる部材(被固定部材)は、ワッシャ4、第1フランジ押さえ5、緩衝材8a、フランジ部2a、ガスケット7、フランジ部2b及び緩衝材8bの7つである。
本実施形態では、固定治具の有効長さLと、その線膨張係数αとの積Lαが、7つの被固定部材のそれぞれの厚さtと、その線膨張係数αとの積の和Σtα(iは、被固定部材の部材番号1〜7)と、実質的に等しくなっている。ここで、実質的に等しいとは、両者が完全に一致する場合のほか、Lαに対してΣtαが±15%以内の場合を含む。
αを、Σtαと実質的に等しくすることで、温度変化が生じた時の固定部材の軸方向の伸び量と、被固定部材の厚さの増加量とが略等しくなる。したがって、ガスケット7にかかる面圧はほとんど変化せず、温度変化によらず良好なシール状態を維持することができることになる。
ここで、図1に表したフランジ固定構造において、表1に示す各部の材料及び寸法でフランジ部2a及び2bを固定した場合のLα及びΣtαを計算した。その結果、Lα及びΣtαは、ともに2.8×10−4となる。
Figure 2016003700
また、本実施形態において、ガスケット7の厚さt5の固定前後の変化量をΔt、ガスケット7の復元率をrとした場合、ΔT(Lα−Σtα)<r(t−Δt)を満たすようにしてもよい。これにより、固定治具の膨張量と、固定治具に挟まれる部材の膨張量に差があった場合でも、加熱時の締付け面圧がゼロにならない。
さらに、本実施形態において、ΔT(Lα−Σtα)<0.1r(t−Δt)を満たすようにしてもよい。これにより、ガスケット7の圧縮量の熱履歴による変化が十分に小さく抑えられ、良好なシール性を長期間にわたって維持することができる。
〔第2実施形態〕
図3は、第2実施形態に係るフランジ固定構造を例示する概略断面図である。
図3に表したように、第2実施形態に係るフランジ固定構造では、図2に表した第1実施形態とは異なり、第2フランジ押さえ6に雌ねじが設けられていない。その代わりに、フランジ固定ボルト3は、第2フランジ押さえ6の外側に設けられたナット9によって固定される。
図3に表した第2実施形態に係るフランジ固定構造において、固定治具として機能しているのは、フランジ固定ボルト3及びナット9である。また、固定治具で挟まれる部材(被固定部材)は、ワッシャ4a、第1フランジ押さえ5、緩衝材8a,フランジ部2a、ガスケット7、フランジ部2b、緩衝材8b、第2フランジ押さえ6及びワッシャ4bの9つである。
ここで、図3に表したフランジ固定構造において、表2に示す各部の材料及び寸法でフランジ部2a及び2bを固定した場合のLα及びΣtαを計算した。その結果、Lα及びΣtαは、ともに3.9×10−4となる。
Figure 2016003700
〔第3実施形態〕
図4は、第3実施形態に係るフランジ固定構造を例示する概略断面図である。
図4に表したように、第3実施形態に係るフランジ固定構造では、図2に表した第1実施形態とは異なり、フランジ部2a及び2bにフランジ固定ボルト3を通すための孔が設けられ、フランジ固定ボルト3及びナット9によって直接固定されている。
図4に表した第3実施形態に係るフランジ固定構造において、固定治具として機能しているのは、フランジ固定ボルト3とナット9である。また、固定治具で挟まれる部材(被固定部材)はワッシャ4a、緩衝材8a、フランジ部2a、ガスケット7、フランジ部2b、緩衝材8b及びワッシャ4bの7つである。
ここで、図4に表したフランジ固定構造において、表3に示す各部の材料及び寸法でフランジ部2a及び2bを固定した場合のLα及びΣtαを計算した。その結果、Lα及びΣtαは、ともに2.8×10−4となる。
Figure 2016003700
〔第4実施形態〕
図5は、第4実施形態に係るフランジ固定構造を例示する概略断面図である。
図5に表したように、第4実施形態に係るフランジ固定構造は、図2に表した第1実施形態に係るフランジ固定構造に加え、フランジ保護カバー10が設けられている。
フランジ保護カバー10には、ノズル11及び12が設けられる。このノズル11及び12を介してガスの導入および排気が行われる。
ここで、ガスケット7や緩衝材8a及び8bに膨張黒鉛シートが用いられている場合、フランジ部2a及び2bの温度が400℃を越えると大気中の酸素により膨張黒鉛シートが外側から酸化され、ガスシール性の劣化を招く。そこで、ノズル11から窒素、アルゴンなどの不活性ガスを導入し、ノズル12から排出する構造を採用する。これにより、膨張黒鉛シートの酸化損耗を防ぎ、長期間にわたってガスシール性を良好に保つことができる。
また、ノズル12からの排出にポンプまたは排気ファンを用いれば、フランジ保護カバー10の内側を外側に対して微減圧に保つことが可能である。これにより、たとえフランジ部2a及び2bの接続部分から管路1a及び1b内のプロセスガス(または液)が漏洩した場合でも、周辺への拡散を防ぐことが可能になる。
次に、実施例及び比較例の説明を行う。
(第1実施例)
第1実施例では、図5に表したフランジ固定構造の各部を、表1に示した材料で構成した。ガスケット7の締付け面圧は、ガスケット7の仕様の最低締付け面圧である7MPaとした。管路1a及び1b内には塩素ガスを1L/minで流し、ノズル11には窒素ガスを10L/minで流し、ノズル12には排気ファンを接続し、排気ファンの出口は除害設備へ接続した。フランジ保護カバー10の内圧は大気圧より100Pa低くなるように調整し、管路1a及び1b内の圧力はフランジ保護カバー10内の圧力に比べ、1kPa高くなるように調整した。温度を室温から1000℃までの昇降温(1000℃保持時間=1時間)を10回繰り返し、ノズル12から排出される窒素ガス中の塩素濃度を測定することで、塩素ガスの漏洩量を評価した。その結果、塩素ガス濃度は常に検出下限(0.01ppm)以下で、塩素ガスリーク量は0.1μL/min以下であった。
(第2実施例)
第2実施例では、図5に示したフランジ固定構造の各部を、表1に示した材料で構成した。ガスケット7の締付け面圧は、ガスケット7の仕様の最低締付け面圧より低い3MPaとした。それ以外は第1実施例と同じ条件とした。そして、第1実施例と同様に、ノズル12から排出される窒素ガス中の塩素濃度を測定することで塩素ガスの漏洩量を評価した。その結果、塩素ガス濃度は3〜10ppmで変動し、塩素ガスリーク量は30〜100μL/minであった。微量のリークが見られたが、リークした塩素はすみやかにノズル12より排出され、大気中には漏洩しなかった。
(比較例)
比較例では、図5に示したフランジ固定構造の各部を、表4に示した材料で構成した。それ以外は、第1実施例と同じ条件とした。比較例において、Lαは5.2×10−4、Σtαは2.5×10−4である。すなわち、比較例では、LαとΣtαとは実質的に等しくなっていない。
このような比較例において、第1実施例と同様に、ノズル12から排出される窒素ガス中の塩素濃度を測定することで塩素ガスの漏洩量を評価した。その結果、塩素ガス濃度は室温では検出下限(0.01ppm)以下であったものの、400℃では最大150ppmに達し、塩素ガスリーク量は最大1.5mL/minであった。
また、このとき、温度変化ΔTは375Kであり、フランジ固定ボルト3の軸方向の伸び量と被固定部材の厚みの増加量の差の計算値ΔT(Lα−Σtα)は約0.1mmであった。一方、締付け時のガスケット7の圧縮量Δtは0.2mm、復元率は10%であり、r(t−Δt)=0.06と計算されることから、ΔT(Lα−Σtα)<r(t−Δt)を満足していなかった。
Figure 2016003700
以上説明したように、本実施形態に係るフランジ固定構造によれば、温度変化が大きなフランジ部2a及び2bの接続部分であっても、流体等の漏洩を抑制した状態を長期にわたって維持することが可能になる。
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
1a,1b…管路
2a,2b…フランジ部
3…フランジ固定ボルト
4,4a,4b…ワッシャ
5…第1フランジ押さえ
6…第2フランジ押さえ
7…ガスケット
8a,8b…緩衝材
9…ナット
10…フランジ保護カバー
11,12…ノズル

Claims (10)

  1. 2つの管路のそれぞれに設けられたフランジ部を、ガスケットを介して付き合わせて固定治具で固定するフランジ固定構造であって、
    前記固定治具の有効長さをL、前記固定治具の線膨張係数をα、前記固定治具で挟まれるn個(nは1以上の整数)の部材のそれぞれの厚さをt〜t、前記n個の部材のそれぞれの線膨張係数をα〜αとした場合、
    前記Lと前記αとの積Lαを、前記t〜tのそれぞれと前記α〜αのそれぞれとの積の和Σtα(i=1〜n)と実質的に等しくしたことを特徴とするフランジ固定構造。
  2. 前記2つの管路のぞれぞれの前記フランジ部で挟まれる前記ガスケットの厚さをtとし、前記ガスケットを挟んで固定する前後における厚さの変化量をΔt、前記ガスケットの復元率をrとした場合、
    前記フランジ部を前記固定治具で固定した後に温度をΔT変化させた時、ΔT(Lα−Σtα)<r(t−Δt)を満たすことを特徴とする請求項1記載のフランジ固定構造。
  3. 前記2つの管路のぞれぞれの前記フランジ部で挟まれる前記ガスケットの厚さをtとし、前記ガスケットを挟んで固定する前後における厚さの変化量をΔt、前記ガスケットの復元率をrとした場合、
    前記フランジ部を前記固定治具で固定した後に温度をΔT変化させた時、ΔT(Lα−Σtα)<0.1r(t−Δt)を満たすことを特徴とする請求項1記載のフランジ固定構造。
  4. 前記フランジ部と前記固定治具との間に緩衝部材を配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のフランジ固定構造。
  5. 前記フランジ部を前記固定治具で固定したときの前記緩衝部材の圧縮量は、前記ガスケットの圧縮量よりも小さいことを特徴とする請求項4記載のフランジ固定構造。
  6. 前記ガスケットは、膨張黒鉛シートであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のフランジ固定構造。
  7. 前記ガスケットの外周部を不活性ガス雰囲気で保つ構造を備えたことを特徴とする請求項6記載のフランジ固定構造。
  8. 前記緩衝部材の材料は、セラミックス繊維シートであることを特徴とする請求項4記載のフランジ固定構造。
  9. 前記緩衝部材の材料は、膨張黒鉛シートであることを特徴とする請求項4記載のフランジ固定構造。
  10. 前記緩衝部材の周囲を不活性ガス雰囲気に保つ構造を備えたことを特徴とする請求項9記載のフランジ固定構造。
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