JP6830076B2 - 真空断熱配管の内部配管構造 - Google Patents

Description

本発明は、真空断熱配管の内部配管構造に関し、特に、内部配管内を極低温流体が流通する際の熱収縮を吸収する真空断熱配管の内部配管構造に関する。
なお、本明細書において、真空断熱配管の内部配管構造を、単に「内部配管構造」という場合がある。また、本発明において、極低温流体として液体窒素、液体ヘリウムなどが例示でき、極低温流体の種類には特に限定はない。

従来より、真空に保持する真空外管の内部に設置された内部配管に液体窒素等の極低温流体を流通させる真空断熱配管においては、極低温流体から冷熱を受けて内部配管が熱収縮し、該熱収縮による応力集中を回避するために、前記熱収縮を吸収する筒状のベローズを備えてなる内部配管構造が用いられている。
例えば、図４に示す真空断熱配管の内部配管構造３１は、真空外管３３の内部に設置されて低温流体が流通する内部配管３５である管３７及び管３９と、管３７と管３９とを連結して軸方向に伸縮するベローズ４１を備え、ベローズ４１が管３７及び管３９の熱収縮量と同じ長さ伸びることで前記熱収縮を吸収するものである。

また、内部配管構造３１においては、管３７と管３９に極低温流体を流通させると、真空に保持されている真空外管３３の内部に比べて管３７及び管３９の内圧が高くなるため、図４に示すように、ベローズ４１においては軸方向外側に向かう推力が生じる。したがって、当該推力によるベローズ４１の伸びを抑制するために、前記推力を受けとめることが必要となる。

そこで、図４に示す内部配管構造３１においては、前記推力を受け止める推力受け止め部材４３として、管３７と管３９それぞれの外周面に立設された支持部４５及び支持部４７と、支持部４５と支持部４７とを接続するタイロッドボルト４９とが設けられている。

また、真空断熱配管の内部配管構造の他の従来例としては、図５に示すような内部配管構造６１がある。図４に示す内部配管構造３１と同様に、内部配管構造６１は管３７と管３９とを接続するベローズ４１により熱収縮を吸収するものであるが、内部配管構造６１においては、図５に示すように、管３７及び管３９のそれぞれの外周面に設けられた内側ストッパー６３と、真空外管３３の内周面に設けられた外側ストッパー６５とからなる推力受け止め部材６７が設けられている。

内部配管構造６１においては、ベローズ４１に推力が作用して管３７と管３９とがそれぞれ軸方向外側に移動すると、内側ストッパー６３が外側ストッパー６５に当接することで前記推力を受け止めることができる。また、内部配管構造６１は、ベローズ４１よりも周方向の外側にタイロッドボルトを設置するものではないために、真空外管３３の径を小型化することが可能である。

図５に示す内部配管構造６１と同様の構造を有するものとして、特許文献１には、極低温流体を流通させる配管の収縮を吸収するベローズが設けられた極低温配管が開示されている。特許文献１に開示されている極低温配管は、配管の外周に突設した突起と、該突起の両側に設けられた抑止金具とからなる収縮制限部とを備えたものであり、該収縮制限部は、極低温流体が流通している前記配管が収縮してベローズが伸びたときに、該ベローズが伸び過ぎないように、前記突起の移動を前記抑止金具により停止させるものである。

実公昭５８−９１６４号公報

図４に示す内部配管構造３１においては、内部配管３５とともにベローズ４１が極低温流体が流通する流路Ｆを形成しているが、極低温流体が凹凸のあるベローズ４１の内面に接触することにより圧力損失が増加する。そこで、該極低温流体がベローズ４１を通過する際の圧力損失を低減させるために、ベローズ４１には管３７および管３９よりも径の大きいものが用いられている。このような場合、タイロッドボルト４９をベローズ４１よりも周方向のさらに外側に配設させることになり、さらなる真空外管３３の径の大型化を招くことになってしまう。

また、図５に示す内部配管構造６１は、前述のとおり、真空外管の径を小型化することは可能ではあるものの、極低温流体を流通させて生じた推力により内側ストッパー６３が軸方向外側に移動して外側ストッパー６５に当接すると、該当接した部位における固体熱伝導により真空外管３３から管３７及び管３９への入熱が増加するという問題がある。このような固体熱伝導による内部配管への入熱は、特許文献１に開示されている極低温配管においても、該極低温配管に設けられた収縮制限部の突起と抑止金具との間で生じるものと考えられる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、内部配管とベローズとを内部に設置する真空外管の径を小型化することができる真空断熱配管の内部配管構造を提供することを目的とする。また、本発明は、当該目的に加え、前記真空外管から前記内部配管への入熱を抑制することをも目的とする。

（１）本発明に係る真空断熱配管の内部配管構造は、真空に保持した真空外管の内部に設置されて極低温流体が流通する内部配管と、該内部配管を構成する管と管との間に設けられ、前記内部配管に極低温流体が流通する際に生じる該内部配管の熱収縮を吸収するベローズと、前記内部配管に極低温流体が流通するときの内圧により該内部配管に発生する推力を受け止める推力受け止め部材とを備えたものであって、前記内部配管の一方の管は、その端部側において拡径した拡径部を有し、前記内部配管の他方の管は、その端部が前記一方の管の拡径部に所定の間隙を設けて挿入され、前記ベローズは、前記拡径部に挿入された他方の管の端部の外周面に沿って配設され、かつ、その各端部が前記他方の管の管端と前記拡径部の先端に接続されていることを特徴とするものである。

（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記推力受け止め部材は、前記拡径部に挿入される前記他方の管の外周面に立設された支持部と、該支持部と前記拡径部とを接続する接続部材とからなるものであることを特徴とするものである。

（３）上記（１）に記載のものにおいて、前記推力受け止め部材は、前記拡径部を挟んで前記一方の管と前記他方の管それぞれの外周面に立設された支持部と、該支持部同士を接続する接続部材とからなるものであることを特徴とするものである。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記接続部材は、その材質がインバー合金であることを特徴とするものである。

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記接続部材は、管状の部材であることを特徴とするものである。

（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、前記一方の管と前記他方の管との間に設けられた前記間隙は、前記ベローズの収縮をガイド可能に設定されていることを特徴とするものである。

本発明においては、真空に保持した真空外管の内部に設置されて極低温流体が流通する内部配管と、該内部配管を構成する管と管との間に設けられ、前記内部配管に極低温流体が流通する際に生じる該内部配管の熱収縮を吸収するベローズと、前記内部配管に極低温流体が流通するときの内圧により該内部配管に発生する推力を受け止める推力受け止め部材とを備えたものであって、前記内部配管の一方の管は、その端部側において拡径した拡径部を有し、前記内部配管の他方の管は、その端部が前記一方の管の拡径部に所定の間隙を設けて挿入され、前記ベローズは、前記拡径部に挿入された他方の管の端部の外周面に沿って配設され、かつ、その各端部が前記他方の管の管端と前記拡径部の先端に接続されている備えることにより、前記ベローズの径を小さくすることで前記真空外管の径を小型化することができる。さらに、本発明においては、前記推力受け止め部材を前記内部配管に設けることにより、前記真空外管から前記内部配管への入熱を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る真空断熱配管の内部配管構造の概略を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る真空断熱配管の内部配管構造において、低温流体により冷却された内部配管の熱収縮をベローズにより吸収する原理を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る真空断熱配管の内部配管構造の概略を示す図である。 従来の真空断熱配管の内部配管構造の一例を説明する図である。 従来の真空断熱配管の内部配管構造の他の例を説明する図である。

本発明の実施の形態１及び２に係る真空断熱配管の内部配管構造について、以下に説明する。
なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
また、実施の形態１及び２に示す寸法その他具体的な数値等は、本発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。

＜実施の形態１＞
本実施の形態１に係る真空断熱配管の内部配管構造１は、図１に示すように、真空外管３の内部に設置されて極低温流体が流通する内部配管５と、内部配管５を構成する一方の管７と他方の管９との間に設けられたベローズ１１と、内部配管５に極低温流体が流通するときの内圧により内部配管５に発生する推力を受け止める推力受け止め部材１３とを備え、推力受け止め部材１３は、支持部１５と接続部材１７とからなるものである。
以下、各構成について説明する。

真空外管３は、その内部が略真空（〜-0.1013MPaG）に保持されたものであり、内部に設置された内部配管５を真空断熱する。なお、真空外管３においては、内部配管５の外側に積層断熱材（図示なし）が設置されていてもよい。

内部配管５は、真空外管３の内部に設置されて極低温流体が流通する流路Ｆとなるものであり、図１においては、２つの管７、管９とからなる。
一方の管７は、その端部側において拡径した拡径部７ａを有する。
他方の管９は、その端部が管７の拡径部７ａに所定の間隙を設けて挿入されている。

また、内部配管５は、真空外管３と二重管構造を形成するものであり、構造上、真空外管３の内部に内部配管５を固定する必要がある。そのため、図１において、内部配管５である管７は、内管サポート１９により固定されている。

ベローズ１１は、拡径部７ａに挿入された管９の外周面に沿って前記間隙に配設され、かつ、その各端部が拡径部７ａの先端７ｂと管９の管端９ａに接続されている。

推力受け止め部材１３は、拡径部７ａに挿入された管９の外周面に立設された支持部１５と、支持部１５と拡径部７ａの先端７ｂとを接続する接続部材１７とを備えてなるものであり、管７と管９に極低温流体が流通したときの内圧による推力（図２参照）を受け止めるものである。

接続部材１７としては、従来の内部配管構造３１（図４）と同様、タイロッドボルトを用いることができ、該タイロッドボルトの両端を拡径部７ａと支持部１５にネジ等により接合すればよい。

また、本実施の形態１では、接続部材１７は、その材質をインバー合金とするのが好ましい。インバー合金を用いることで、内部配管５を流通する極低温流体によって接続部材１７が冷却されて熱収縮しないので、拡径部７ａと支持部１５との間のスパン長の変化をより確実に防止できる。

なお、管７と管９に極低温流体が流通したときの内圧による推力とは、極低温流体の供給により内部配管５に生じた内圧と、略真空に減圧した真空外管３の内部における圧力との圧力差により、ベローズ１１を中心として軸方向外側に向かう荷重のことをいう。
例えば、呼び径100Aの内部配管に極低温流体を供給したときの推力は、真空外管の内部が真空（-0.1013MPaG）であって内部配管の内圧が大気圧（0MPaG）の場合においては1000N、内部配管の内圧が1.9MPaGの場合においては20000Nと概算される（図４、図５参照）。

次に、本実施の形態１に係る真空断熱配管の内部配管構造１による作用効果について説明する。
本実施の形態１に係る真空断熱配管の内部配管構造１においては、極低温流体が流通する内部配管５の流路Ｆに対して、管７の先端７ｂと管９の管端９ａとの間がベローズ１１を介して折り返された折り返し構造となっており、従来の内部配管構造３１（図４参照）とは異なり、ベローズ１１が流路Ｆに面していない。そのため、ベローズ１１における圧力損失を考慮する必要がなく、ベローズ１１の径を内部配管５の外径程度まで小さくすることが可能となり、従来の内部配管構造３１よりも小型化することが可能となる。

また、本実施の形態１に係る真空断熱配管の内部配管構造１においては、管７の外周面に支持部を立設させず、接続部材２９の一端が拡径部７ａの先端７ｂに接続されている。そのため、後述の実施の形態２に係る内部配管構造１と比較して、接続部材１７を内部配管５の外周面に近づけて設置することができ、真空外管３の径をさらに小型化することができる。

例えば、図２に示すように、内部配管５（管７及び管９）の呼び径が100Aであり、管９の外周面に設置するベローズ１１に呼び径125Aのものを用いた場合、ベローズ１１の外径はd₁＝168mmとなる。そして、拡径部７ａと管９の間隙にベローズ１１を設置するためには拡径部７ａの外径を189mm程度に設定すればよい。そして、接続部材１７の外径d₁（図１）も拡径部７ａの外径と同程度にすることができるので、真空外管３には呼び径200A（od216.3mm）のものを用いることができる。

さらに、内部配管構造１は、管７と管９に発生する推力を受け止める推力受け止め部材１３として、管９の外周面に立設された支持部１５と、支持部１５と管７の拡径部７ａとを接続する接続部材１７が設けられている。そのため、内部配管構造１においては、従来の内部配管構造６１（図５）とは異なり、真空外管３と内部配管５との間での固体熱伝導を生じさせるものではない。

以上より、本実施の形態１に係る真空断熱配管の内部配管構造１においては、極低温流体を流通させたときに内部配管５に生じる熱収縮をベローズ１１により吸収するとともに、真空外管３から内部配管５への入熱を増加させずに真空外管３の径を小型化することができる。

なお、内部配管構造１においては、内部配管５に極低温流体が流通する場合、管７と管９はそれぞれ図２中の矢印に示す方向に熱収縮する。このとき、接続部材１７は拡径部７ａの先端７ｂと支持部１５との間を接続されているため（図２参照）、ベローズ１１は、管７の熱収縮の影響は受けず、管７の熱収縮のみにより収縮することになる。

そのため、内部配管構造１においては、管９の先端９ａと支持部１５との間が熱収縮を考慮するスパン長となり、該スパン長の変化量がベローズ１１による吸収量となる。これに対し、拡径部７ａの先端７ｂと内管サポート１９との間（長さL₁）、熱収縮により小さくなり、該熱収縮は、内管サポート１９と真空外管３との間のクリアランスや、管９の曲げで吸収される。

よって、図１に示す管７のような曲がり部を有する内部配管５にあっては、熱収縮が吸収されない範囲を少なくするために、管７と管９との間にベローズ１１を設ける位置を可能な限り管７の曲がり部の近傍とすることが望ましい。

もっとも、本実施の形態１に係る内部配管構造は、一方の管７と他方の管９のいずれについても、拡径部７ａの近傍に図１に示すようなエルボを有するものに限らず、管７と管９の双方とも直管形状のものであってもよい。

本実施の形態１に係る内部配管構造が直管形状の管と管とからなる内部配管を備えたものである場合、直管形状の管を複数繋げることで内部配管の全長を長くすることができる。

なお、接続部材１７の材質については、上記の説明ではインバー合金を用いたものであったが、冷却されても熱収縮が小さい低熱膨張率の部材であればよい（後述の実施形態２においても同様）。

また、接続部材１７の形状については、タイロッドボルトのように棒状の部材に限るものではなく、管状の部材であってもよく、その形状については特に限定はない。もっとも、接続部材１７を管状の部材とすることで、軸方向におけるたわみを防止することができて好ましい（後述の実施形態２においても同様）。

また、上記の説明において、接続部材１７は拡径部７ａの先端７ｂに接続するものであったが、接続部材１７と拡径部７ａの接続位置は先端７ｂに限るものではなく、拡径部７ａの任意の位置であってもよい。

さらに、拡径部７ａにおいて管７と管９との間に設ける間隙は、ベローズ１１が収縮可能に設置されるものとし、管９の外周面と拡径部７ａの内周面とによりベローズ１１の収縮がガイド可能となるように前記間隙が設定されていることがより好ましい（後述の実施形態２においても同様）。

なお、本実施の形態１に係る内部配管構造１において極低温流体が流れる方向は、管９から管７に流れる方向、又は、管７から管９に流れる方向のどちらであってもよいが、圧力損失の観点からは、拡径部７ａに挿入されている管９から管７に流れる方向の方が好ましい（後述の実施形態２においても同様）。

＜実施の形態２＞
本実施の形態２に係る真空断熱配管の内部配管構造２１は、図３に示すように、真空外管３の内部に設置されて極低温流体が流通する内部配管５と、内部配管５を構成する一方の管７と他方の管９との間に設けられたベローズ１１と、内部配管５に極低温流体が流通するときの内圧により内部配管５に発生する推力を受け止める推力受け止め部材２３とを備え、推力受け止め部材２３は、支持部２５及び支持部２７と接続部材２９とからなるものである。
ここで、内部配管構造２１における管７、管９、ベローズ１１は、前述した実施の形態１に係る内部配管構造１と同様であるため、以下、推力受け止め部材２３について説明する。

推力受け止め部材２３は、管７の外周面に立設された支持部２５と、管９の外周面に立設された支持部２７と、支持部２５と支持部２７とを接続する接続部材２９とを備えてなり、管７と管９に極低温流体が流通したときの内圧による推力（図２参照）を受け止めるものである。

支持部２５及び支持部２７は、内部配管５の軸方向において拡径部７ａを挟んで管７と管９のそれぞれの外周面に立設されている。
接続部材２９は、支持部２５と支持部２７とを接続し、管７と管９に極低温流体が流通したときの内圧による推力を受け止めるものである。

接続部材２９としては、例えばタイロッドボルトを用いることができ、該タイロッドボルトの両端を支持部２５及び支持部２７にネジ等により接合すればよい。

また、本実施の形態２では、接続部材２９は、その材質をインバー合金とするのが好ましい。インバー合金を用いることで、内部配管５を流通する極低温流体によって接続部材２９が冷却されて熱収縮しないので、支持部２５との支持部２７との間のスパン長の変化をより確実に防止できる。

次に、本実施の形態２に係る内部配管構造２１による作用効果について、前述した従来の内部配管構造３１（図４）と対比することにより説明する。

従来の内部配管構造３１は、管３７と管３９の熱収縮をベローズ４１の伸長により吸収するものであるが、管３７と管３９に極低温流体が流通すると支持部４５、４７を通じてタイロッドボルト４９自体が冷却される。そして、一般的にタイロッドボルト４９にはステンレス製のものが用いられているため、タイロッドボルト４９が冷却されると収縮するので、該収縮によって内部配管３５に応力集中を与えない対策が必要となる。

具体的には、支持部４５、４７を可能な限り長くして内部配管３５の外周面に取り付けられている根元部とタイロッドボルト４９が接続される先端部との温度差を確保することが行なわれている。これに加えて、支持部４５、４７とタイロッドボルト４９との間の熱伝導を制限するために断熱材５１を設置したり、内部配管３５の外周面とタイロッドボルト４９との間の熱伝達を抑制するために内部配管３５の外周面側に積層断熱材が設置される場合がある。

しかしながら、支持部４５、４７を長くすることにより、タイロッドボルト４９で接続された内部配管３５を収容する真空外管３３の径を大きくすることが必要となる。例えば、例えば図４に示す内部配管構造３１においては、呼び径100Aの内部配管３５に対して支持部４５、４７を介して設けられたタイロッドボルト４９を含めた外径は270mm程度であり、真空外管３３には呼び径300Aのものが選定されており、タイロッドボルトの分だけ真空外管の径がより大きくなっている。

また、支持部４５、４７を長くすることは、タイロッドボルト４９が熱収縮したときにの支持部４５、４７における曲げモーメントが大きくなってしまうことになり、構造上、好ましくない。

そこで、内部配管３５に立設される支持部４５、４７を必要以上に長くせずに真空外管３３を小型化するためには、タイロッドボルト４９に熱膨張率が小さい材質のものを用いることで、タイロッドボルト４９を内部配管３５に近づけて設置することができ、真空外管を小型化することが可能となる。

しかしながら、内部配管構造３１においては、管３７及び管３９とベローズ４１により極低温流体が流通する流路Ｆが形成されており、前述のとおり、ベローズ４１の内面に極低温流体は接触することで圧力損失が大きくなってしまう。そこで、ベローズ４１における圧力損失の影響を直管である管３７及び管３９とほぼ等しくするために、ベローズ４１には管３７及び管３９よりも径が大きいものが用いられている。

例えば、図４に示すように、呼び径100Aの内部配管に対して、呼び径125Aのベローズ４１が例示されている。そのため、仮に接続部材としてのタイロッドボルト４９に熱膨張率の小さい部材を用いたとしても、タイロッドボルト４９の設置位置（支持部４５、４７の高さ）はベローズ４１の径に左右されることになり、真空外管３３を小型化できる範囲には制限があった。

これに対し、本実施の形態２に係る内部配管構造２１においては、ベローズ１１は、管９の端部の外周面に沿って管７と管９との間隙に設置されているために極低温流体の流路Ｆに面していない。そのため、ベローズ１１における圧力損失を考慮する必要がなく、ベローズ１１の径を内部配管５の外径程度まで小さくすることが可能となる。これにより、接続部材１７の外径d₂（図３）を拡径部７ａの外径程度にすることができ、従来の内部配管構造３１よりも小型化することが可能となる。

以上より、本実施の形態２に係る真空断熱配管の内部配管構造２１においても、極低温流体を流通させたときに内部配管５に生じる熱収縮をベローズ１１により吸収するとともに、真空外管の径を小さくして小型化することができる。

なお、内部配管構造２１において、管７と管９とを拡径部７ａ及びベローズ１１を介して接続する位置は、接続部材１７の両端が固定される支持部４５と支持部４７との間であればよく、管７と管９とを接続する位置を変更しても、支持部４５、４７同士の間における内部配管５の熱収縮をベローズ１１により吸収させることができる。

また、支持部２５、２７は、外周面に腕状の部材を立設されたものや、フランジのように円板状のものを外周面に立設させたものであってもよい。

なお、図３に示す管７は、略垂直に立ち上がって拡径部７ａ側が水平方向に曲げられた曲がり部（エルボ）を有する形状となっている。この場合、支持部２５と支持部２７との間の熱収縮はベローズ１１により吸収されるが、管７における曲がり部（図３中のL₂の範囲）の熱収縮は、管７を支持する内管サポート１９と真空外管３とのクリアランス、あるいは管７の曲り部における曲げにより吸収される。

もっとも、本発明は、内部配管５である一方の管７と他方の管９のいずれについても、拡径部７ａの近傍に図３に示すようなエルボを有するものであるか否かによって本発明の効果に差異が生じるものではなく、管７と管９の双方とも直管形状のものであってもよい。そして、直管形状の内部配管を用いて全長を長くする場合においては、本実施の形態２に係る内部配管構造を複数繋げればよい。

１ 真空断熱配管の内部配管構造
３ 真空外管
５ 内部配管
７ 管
７ａ 拡径部
７ｂ 先端
９ 管
９ａ 管端
１１ ベローズ
１３ 推力受け止め部材
１５ 支持部
１７ 接続部材
１９ 内管サポート
２１ 真空断熱配管の内部配管構造
２３ 推力受け止め部材
２５、２７ 支持部
２９ 接続部材
３１ 真空断熱配管の内部配管構造（従来例）
３３ 真空外管
３５ 内部配管
３７、３９ 管
４１ ベローズ
４３ 推力受け止め部材
４５、４７ 支持部
４９ タイロッドボルト
５１ 断熱材
６１ 真空断熱配管の内部配管構造（従来例）
６３ 内側ストッパー
６５ 外側ストッパー
６７ 推力受け止め部材

Claims (4)

1. 真空に保持した真空外管の内部に設置されて極低温流体が流通する内部配管と、該内部配管を構成する管と管との間に設けられ、前記内部配管に極低温流体が流通する際に生じる該内部配管の熱収縮を吸収するベローズと、前記内部配管に極低温流体が流通するときの内圧により該内部配管に発生する推力を受け止める推力受け止め部材とを備えた真空断熱配管の内部配管構造であって、
   前記内部配管の一方の管は、その端部側において拡径した拡径部を有し、
   前記内部配管の他方の管は、その端部が前記一方の管の拡径部に所定の間隙を設けて挿入され、
   前記ベローズは、前記拡径部に挿入された他方の管の端部の外周面に沿って配設され、かつ、その各端部が前記他方の管の管端と前記拡径部の先端に接続されており、
   前記推力受け止め部材は、前記拡径部に挿入される前記他方の管の外周面に立設された支持部と、該支持部と前記拡径部とを接続する接続部材とを備えてなることを特徴とする真空断熱配管の内部配管構造。
2. 前記接続部材は、その材質がインバー合金であることを特徴とする請求項１に記載の真空断熱配管の内部配管構造。
3. 前記接続部材は、管状の部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空断熱配管の内部配管構造。
4. 前記一方の管と前記他方の管との間に設けられた前記間隙は、前記ベローズの収縮をガイド可能に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空断熱配管の内部配管構造。