JP7301719B2 - 熱応力吸収機構 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、内外圧力差が大きく、かつ、高温または低温になる場合の相対熱膨張差が発生する配管に好適な熱応力吸収機構に関するものである。

一般的に真空容器内に配置された配管は図６に示すように構成されている。ここで図６に従来における真空容器内で高温高圧な流体が流れ、系外に高温高圧な流体が流出する配管の概略縦断面図を示す。

図６に示すように真空容器１内に配置された配管２は真空境界蓋３と装置４を連結して構成されており、装置４から流出する高温高圧の流体は系外の装置に導かれ、その後装置４に還流するように構成されている。そして、内部に高温高圧の流体が流れると、周囲との温度差によって配管２には熱伸びが発生する。真空境界蓋３と装置４は支持板５でも連結しているため、配管２の熱伸びは拘束され、高い熱応力が発生することとなる。

このように２つの装置の間で高温高圧流体を循環させる配管２において、搬送される流体の温度が経時的に変化する場合には、配管２には大きな熱応力及び熱膨張が発生する。従来においては、熱的な現象に起因する応力を少なくし、熱膨張を吸収するため、分岐管、ループ又は他の熱膨張吸収機構を備えた複雑な連結配管が開発されている。このような連結配管は、配管の長さと曲げ箇所が増大し、設備が大規模となっていた。さらに熱膨張吸収機構として、ベローズやサーマルスリーブが知られている。

特開昭６１－２３６８９５号公報 特開昭６１－２７０５８６号公報 特開２０１５－１０２１９９号公報 実開昭６３－１９３７０３号公報 特開２００４－２８４３５号公報

従来開発されているベローズは一般に薄肉であり、真空容器内で高温高圧または低温低圧な流体が流れる配管のように、内外圧力差が大きい場合にはベローズが破断する可能性があった。また、特に大口径で厚肉の剛性の高い配管の熱膨張等の熱応力を分岐管やループで吸収しようとすると、分岐や曲がり箇所が増大し配管が長くなり、設備が大規模となる課題があった。

そこで、本発明では、設置時の配管温度と異なる温度の流体を流通させても省スペースで熱膨張、熱収縮等に伴う熱応力を吸収できる熱応力吸収機構を提供することを目的とする。

上記実施形態に係る熱応力吸収機構は、真空容器内に配置され、設置時の配管温度と異なる温度の流体を流通させ、その流体流通時に熱的変形が発生する配管を有する熱応力吸収機構であって、流体を流通させる水平直管に曲管を含むループ管を設け、このループ管のある平面と直交する方向から前記ループ管を接続支持する配管経路を有し、前記水平直管と前記配管経路はその一端が前記真空容器に直接または間接接続されている熱応力吸収機構において、前記ループ管は、前記真空容器に接続される前記水平直管の一端とは反対側の他端部に前記水平直管の軸をずらすように接続される第１エルボと、前記水平直管に接続される前記第１エルボの一端とは反対側の他端に第１直管を介して接続される第２エルボと、前記第１直管に接続される前記第２エルボの一端とは反対側の他端に第２直管を介して接続される第３エルボと、を含んで構成されることを特徴とする。

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、設置時の配管温度と異なる温度の流体を流通させる配管において、下部直管にループを設け、このループのある平面と直交する方向からループを支持する直管を有する熱応力吸収機構によって、垂直方向に配設された直管が変形して配管全体の熱伸びによる変形が吸収され、熱伸びの変形による熱応力を配管全体に渡って抑制することができる。

発明の実施形態に係る熱応力吸収機構を示す概略斜視図。 図１に示した熱応力吸収機構を適用した熱伸び変形計算例を示す説明図。 図２に示した熱伸び変形計算例から計算された熱応力を示す説明図。 共振周波数調整例を示す熱応力吸収機構の概略斜視図。 入口と出口の点対象配置例を示す熱応力吸収機構の概略斜視図。 真空容器内で高温高圧な流体が流れる配管の従来例を示す概略縦断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１に本発明の実施形態に係る熱応力吸収機構の概略斜視図を示す。なお、図１において、図４と同一部分には同一符号を付し、その構成の説明または図示を省略する。

図１に示すように真空容器（図示せず）内には配管等で構成された熱応力吸収機構１０が配置されている。

図１において大口径厚肉の配管２の熱伸びを吸収するため、真空容器１内に配置され一端が装置４に接続され、真空容器１に直接または間接接続された水平直管１１の他端部には４５°エルボ１２が水平直管１１の軸をずらすために接続されている。この４５°エルボ１２の他端には直管１３を介して９０°エルボ１４が４５°エルボ１２と逆に曲げられる形で接続されている。

そして、その曲げＲを調整するために直管１５を介して１８０°エルボ１６が接続され、水平直管１１に対して水平な曲率を有する配管から構成されるループ管１７を形成する。

このループ管１７は９０°エルボ１８によってループ管１７の中心軸が存在する平面に対して垂直に立ち上げられ、垂直に配置された直管１９に接続されている。この垂直に立ち上げられた直管１９の端部には水平直管１１と同一の方向に直管２１を導く９０°エルボ２０が接続されている。この９０°エルボ２０に接続された直管２１は真空境界蓋３に接続され、この真空境界蓋３を介して系外に延設されている。よって、ループ管１７を直管１９，２１で支持する構成となっている。なお、必要に応じて直管１１，１９，２１は耐震サポート２２によって真空容器１の内壁に保持する構成としてもよい。

なお、水平直管１１の長さをｌ、外径をＤ、配管経路である直管１９の長さをＬ、線膨張率をαとし、水平直管１１がΔＴ℃上昇したときの水平直管１１の熱伸びΔｌは下記１式となる。

Δｌ＝ｌ・α・ΔＴ （１）

ここで、配管経路である直管１９の片持ち梁がΔｌだけ撓んだとすると、ヤング率をＥ、断面二次モーメントをＩ、荷重をＷとして２式となる。

Δｌ＝（ＷＬ^３）／（３ＥＩ） （２）
そして、配管経路である直管１９に発生する曲げ応力σは断面係数をＺ、モーメントＭ＝ＷＬとして３式となり、熱応力Ｅ・α・ΔＴを２Ｓｙ以下とし、曲げ応力σを降伏応力Ｓｙ以下にすると（３Ｄ／Ｌ２）・ｌ＜＝１となり

√（３Ｄｌ）＜＝Ｌが導かれる。
σ＝Ｍ／Ｚ＝（３ＥＩ・Δｌ／（Ｌ^２））／（（２／Ｄ）・Ｉ）
＝（（３ＤＥ）／（２Ｌ^２））・Δｌ＝（３Ｄ／（２Ｌ^２））・Ｅ・ｌ・α・ΔＴ （３）

よって、水平直管１１の長さをｌ、外径をＤ、前記配管経路１９の長さをＬとし、この配管経路の長さＬを√（３Ｄｌ）以上に設定することによって配管の破断が発生せずに熱伸びによる変形をより有効に吸収することができる。

図１に示した熱応力吸収機構１０の作用を示す配管の熱伸びの変形計算結果の一例を、変形表示倍率を５００倍として図２に示し、図３に図２に示した熱伸び変形から計算された熱応力表示した説明図を示す。

図２に示すようにループ管１７が水平直管１１の管軸方向に伸び、図２に示した垂直方向に配設された直管１９が変形して配管全体の熱伸びによる変形が吸収されている。そのため、図３に示すように熱伸びの変形による熱応力は配管全体に渡って低くなっている。

よって、内外圧力差が大きく高温になる配管において、水平直管１１にループ管１７を設け、このループ管１７のある平面と直交する方向からループ管１７を支持する直管１９を有する熱応力吸収機構１０によって、垂直方向に配設された直管１９が変形して配管全体の熱伸びによる変形が吸収され、熱伸びの変形による熱応力を配管全体に渡って抑制することができる。

また、図１と同一の構成部分に同一の符号を付した図４に示すように９０°エルボ３０と１８０°エルボ３１の径を図１に示す９０°エルボ１４および１８０°エルボ１６の径と異なるループ管３２にすることによって、配管の共振周波数を任意に設定し、熱応力吸収機構等の装置全体の共振を防ぐように設定することも可能である。

次に、図５に入口と出口の点対象配置例を示す熱応力吸収機構の変形例の斜視図を示す。なお、図５において図１と同一部分には同一符号を付してその部分の構成の説明を省略する。

図５に示すように真空容器内に接続配置された装置４に接続される高温高圧な流体が図中矢印方向に流れる配管２の入口４０と出口４１を点対象に配置し、また複数配置された配管２の配置も真空容器内において点対象に配置されている。この配管構成によって、複数配管を配置した場合においても省スペースで熱膨張を吸収することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…真空容器、２…配管、３…真空境界蓋、４…装置、５…支持板、１０…熱応力吸収機構、１１…水平直管、１２…４５°エルボ、１３…直管、１４…９０°エルボ、１５…直管、１６…１８０°エルボ、１７…ループ管、１８…９０°エルボ、１９…直管、２０…９０°エルボ、２１…直管、２２…耐震サポート、３０…９０°エルボ、３１…１８０°エルボ、３２…ループ管、４０…入口、４１…出口。

Claims (5)

1. 真空容器内に配置され、設置時の配管温度と異なる温度の流体を流通させ、その流体流通時に熱的変形が発生する配管を有する熱応力吸収機構であって、
   流体を流通させる水平直管に曲管を含むループ管を設け、このループ管と直交する方向から前記ループ管を接続支持する配管経路を有し、前記水平直管と前記配管経路はその一端が前記真空容器に直接または間接接続されている熱応力吸収機構において、
   前記ループ管は、
   前記真空容器に接続される前記水平直管の一端とは反対側の他端部に、前記水平直管の軸をずらすように接続される第１エルボと、
   前記水平直管に接続される前記第１エルボの一端とは反対側の他端に、第１直管を介して接続される第２エルボと、
   前記第１直管に接続される前記第２エルボの一端とは反対側の他端に、第２直管を介して接続される第３エルボと、を含んで構成されることを特徴とする熱応力吸収機構。
2. 前記配管経路は前記ループ管と直交する方向に接続された直管から曲管を介して前記水平直管と同一方向に延設された直管を有することを特徴とする請求項１記載の熱応力吸収機構。
3. 前記ループ管をエルボ径の異なるループで構成することによって、配管の共振周波数を任意に設定できるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱応力吸収機構。
4. 前記配管は複数配置され互いの配管は前記真空容器に接続されている装置に点対称に接続配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載の熱応力吸収機構。
5. 複数配置された前記配管は互いの配管が前記真空容器内において点対称に配置されていることを特徴とする請求項４記載の熱応力吸収機構。
   

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