JP7409867B2 - バイメタル配管、断熱配管及び冷凍システム - Google Patents

Description

本開示は、バイメタル配管、該バイメタル配管を一部に含む断熱配管及び該断熱配管を備える冷凍システムに関する。

液体窒素や液体ヘリウム等の極低温流体を輸送する超電導ケーブルやトランスファチューブは、極低温流体が流れる内側配管と内側配管を囲む外側管との二重管構造を有し、内側配管と外側配管との間に形成された真空断熱空間によって内側配管への熱侵入を防止している。極低温流体を輸送すると、内側配管は収縮する。例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）製の長さ１０００ｍの超電導ケーブルの内側管は軸線方向に３～４ｍ収縮する。内側配管が収縮して常温の外側配管と接触すると、内側配管への熱侵入が起る。超電導ケーブルはフレキシブル性が不可欠であるため、熱収縮を許容しかつ熱侵入を防ぐための特有な工夫や技術が必要とされている。

特許文献１には、極低温の液体ヘリウムを容器から容器に移送する場合に、トランスファチューブを用いることが開示されている。トランスファチューブは、極低温流体が流れる内側配管が外側配管と接触しないように両端部で固定される。そのため、フレキシブル性を前提とする超電導ケーブルとは異なる熱収縮対策を必要とする。

特開平０２－２０９６９７号公報

極低温流体の輸送管の両端を他の部材に溶接などで固定すると、輸送管の軸線方向の熱収縮により溶接箇所に大きな応力が発生する。該溶接箇所は常温から極低温の温度サイクルを多数回経験すると、溶接箇所が疲労して劣化し、急激に断熱性能が低下する原因となる。そのため、輸送管の軸線方向の熱変位を極力抑制する必要がある。
上述した熱収縮や熱伸び差に起因した断熱性の低下や熱疲労の問題は、低温流体を輸送する配管の場合だけでなく、高温流体を輸送する配管の場合も起こり得る問題である。

本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、低温流体又は高温流体を輸送する配管の軸線方向の熱変位を抑制し、配管の熱変位に起因した両端支持部の劣化を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係るバイメタル配管は、内側壁と、該内側壁と熱膨張係数が異なり該内側壁の外面に接合された外側壁とを含むバイメタル管壁部を備える。

また、本開示に係る断熱配管は、上述したバイメタル配管と、前記バイメタル配管を覆うように設けられた外側管と、を備え、前記バイメタル配管と前記外側管との間に真空断熱空間が形成されている。

また、本開示に係る冷凍システムは、冷凍機と、前記冷凍機で生成された低温流体が供給される超電導ケーブルと、前記冷凍機と前記超電導ケーブルとの間に設けられた断熱配管と、を備え、前記断熱配管は、上述したバイメタル配管と、前記バイメタル配管を覆うように設けられた外側管と、を備え、前記バイメタル配管と前記外側管との間に真空断熱空間が形成されている。

本開示に係るバイメタル配管、断熱配管及び冷凍システムによれば、バイメタル配管の軸線方向の熱変位を抑制できるので、バイメタル配管の軸線方向両端支持部に発生する応力を低減できる。これによって、該熱変位に起因した該両端支持部の劣化、及び該両端支持部の劣化によって断熱配管の真空断熱空間が破壊される断熱配管の断熱性の劣化を抑制できる。従って、断熱配管の寿命を長期化できる。

一実施形態に係る断熱配管の縦断面図である。 一実施形態に係る断熱配管の縦断面図である。 一実施形態に係る断熱配管の縦断面図である。 一実施形態に係る断熱配管の縦断面図である。 バイメタル短冊片の常温時を示す模式図である。 バイメタル短冊片の冷却時を示す模式図である。 バイメタル短冊片の軸線方向変位を求めるための説明図である。 一実施形態に係るバイメタル管壁部の縦断面図である。 一実施形態に係る冷凍システムの全体図である。 従来の断熱配管を示す縦断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１０は、トランスファチューブなどに用いられる従来の断熱配管１００を示す縦断面図である。断熱配管１００は、内部を液体窒素、液体ヘリウム等の極低温流体ｆｃが流れる内側管１０２の外側に外側管１０４が設けられ、内側管１０２と外側管１０４との間に真空断熱空間Ｓｖが形成されている。外側管１０４の軸線方向両端部は内側管１０２に溶接などの方法で接続され、内側管１０２の軸線方向両端部１０２ａは他の支持部材（不図示）に固定される。外側管１０４は外気に晒され常に常温であるが、内側管１０２は極低温流体ｆｃが流れるために低温となり、軸線方向に熱収縮する。例えば、内側管１０２が長さ５ｍのＳＵＳ３０４配管であるとき、液体窒素が流れて冷却されると、常温より軸線方向に２ｃｍ程度収縮する。そのため、溶接部１０６に大きな応力が発生し、真空破壊などの故障の原因となる。この対策として、例えば、内側管１０２に伸縮可能なベローズ１０８を設けて内側管１０２の熱収縮を吸収するようにしているが、溶接部１０６の応力発生をなくすことはできず、逆に、ベローズ１０８を設けたことで、溶接箇所を増やすことになり、真空漏洩などの故障原因を増やすことになりやすい。

図１～図４は、幾つかの実施形態に係る断熱配管１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）を示す。断熱配管１０は、内側管としてのバイメタル配管１２（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ）と、バイメタル配管１２を覆うように設けられた外側管１４と、を備え、バイメタル配管１２と外側管１４との間に真空断熱空間Ｓｖが形成されている。バイメタル配管１２はバイメタル管壁部１６を備え、バイメタル管壁部１６は、内側壁１８と、内側壁１８と熱膨張係数が異なり内側壁１８の外面に接合された外側壁２０とで構成されている。

バイメタル配管１２は、バイメタル管壁部１６を備えているため、低温流体又は高温流体が流れてバイメタル管壁部１６が常温から温度降下又は温度上昇したとき、内側壁１８と外側壁２０との熱膨張係数の違いによって、バイメタル管壁部１６は径方向へ変形する。即ち、バイメタル管壁部１６は直径を拡大又は縮小する。これによって、温度変化によるバイメタル配管１２の軸線方向の変位をバイメタル管壁部１６の径方向の変位で相殺できるため、バイメタル配管１２の軸線方向の変位を抑制できる。従って、バイメタル配管１２の軸線方向両端が他の支持部材に固定されるとき、その支持部に発生する応力を低減できるので、繰返し応力の負荷による該支持部材の疲労劣化を抑制できる。

例えば、内側管と外側管との間に真空断熱空間が形成された断熱配管が冷凍システムに設けられ、内側管に、低温流体として、例えば、液体窒素、液体ヘリウム等の極低温流体ｆｃが流れたとき、内側管の軸線方向の熱収縮は相当大きな値となるが、上記実施形態では、バイメタル管壁部１６の軸線方向の熱収縮は抑制され、バイメタル配管１２の両端支持部に発生する応力を抑制できる。なお、常温として、例えば、２５℃の温度値を用いることができる。

一実施形態では、図１～図４に示すように、外側管１４の軸線方向両端部は、バイメタル配管１２の軸線方向両端部２２の外側表面に溶接などによって結合されている。そして、軸線方向両端部２２は他の支持部材に固定されている。上記実施形態によれば、バイメタル配管１２の軸線方向変位を抑制できるため、両端部２２、溶接部２４及び他の支持部材の劣化を抑制できる。そのため、支持部材の劣化に起因した断熱配管１０（１０Ａ～１０Ｄ）の断熱性の劣化を抑制でき、これによって、断熱配管１０の寿命を長期化できる。
なお、バイメタル管壁部１６は、例えば、両端部２２を除きバイメタル配管１２の軸線方向ほぼ全域に設けてもよく、あるいはバイメタル配管１２の軸線方向で部分的に設けてもよい。

幾つかの実施形態では、図１及び図２に示す断熱配管１０（１０Ａ、１０Ｂ）において、バイメタル配管１２（１２Ａ、１２Ｂ）のバイメタル管壁部１６は、上述のように、互いに接合されかつ熱膨張係数が異なる内側壁１８と外側壁２０とで構成されている。さらに、常温下（流体が流れていない状態）でバイメタル管壁部１６の両端部２２とは直径が異なる異径部２６（２６ａ、２６ｂ）（両端部２２の直径より大径又は小径の異径部）を両端部２２の間に有する。バイメタル配管１２（１２Ａ、１２Ｂ）に、例えば極低温流体ｆｃなどの低温流体が流れてバイメタル管壁部１６の温度が常温より低下したとき、内側壁１８と外側壁２０との熱膨張係数の違いにより、異径部２６（２６ａ、２６ｂ）が径方向に変形する。

別な実施形態では、図３及び図４に示す断熱配管１０（１０Ｃ、１０Ｄ）において、バイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）に常温より高温の流体ｆｈが流れるとき、バイメタル管壁部１６の両端部２２とは直径が異なる異径部２６（２６ｃ、２６ｄ）（両端部２２の直径より大径又は小径の異径部）を両端部２２の間に有する。
バイメタル配管１２（１２Ａ～１２Ｄ）において、これらの径方向変位によってバイメタル配管１２の軸線方向の熱変位を相殺できる。これによって、バイメタル配管１２の軸線方向の熱変位を抑制でき、両端支持部の劣化を抑制できる。なお、本明細書では、バイメタル配管に常温より低温の流体又は常温より高温の流体が流れていない状態を「常温下」という用語を用いて表している。

一実施形態では、図１に示すバイメタル配管１２（１２Ａ）において、内側壁１８は外側壁２０の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有し、異径部２６（２６ａ）は常温下でバイメタル管壁部１６の両端部２２の直径より大きな直径を有している。バイメタル配管１２（１２Ａ）に極低温流体ｆｃなどの低温流体が流れてバイメタル管壁部１６の温度が常温より下がると、内側壁１８と外側壁２０との熱膨張係数の違いにより、異径部２６（２６ａ）が径方向に収縮する。この異径部２６（２６ａ）の変形によりバイメタル配管１２（１２Ａ）の軸線方向の収縮が相殺されるので、バイメタル管壁部１６の軸線方向の熱収縮を抑制できる。従って、バイメタル配管１２（１２Ａ）の両端支持部の劣化を抑制できる。

なお、バイメタル管壁部１６の内側壁１８と外側壁２０とを接合する方法として、例えば、爆着、銀ロウ、半田付け等を用いることができる。
また、図１に示すように、異径部２６（２６ａ）は、両端部２２を除くバイメタル管壁部１６の軸線方向のほぼ全域に形成されてもよく、あるいはバイメタル管壁部１６の軸線方向で一部のみに形成されてもよい。

一実施形態では、図２に示すバイメタル配管１２（１２Ｂ）において、内側壁１８は外側壁２０の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有する。そして、異径部２６（２６ｂ）は、常温下でバイメタル管壁部１６の両端部２２の直径より小さな直径を有している。バイメタル配管１２（１２Ｂ）に極低温流体ｆｃなどの低温流体が流れてバイメタル管壁部１６の温度が常温より下がると、内側壁１８と外側壁２０との熱膨張係数の違いにより、異径部２６（２６ｂ）が径方向に拡大する。この変形によりバイメタル管壁部１６の軸線方向の収縮が相殺されるので、バイメタル管壁部１６の軸線方向の熱収縮を抑制できる。従って、バイメタル配管１２（１２Ｂ）の両端支持部の劣化を抑制できる。

図１及び図２に示すバイメタル配管１２（１２Ａ、１２Ｂ）は、常温より低温の温度域で、異径部２６（２６ａ、２６ｂ）の直径と異径部２６（２６ａ、２６ｂ）以外のバイメタル管壁部１６の直径の差が減少するように構成されている。バイメタル配管１２（１２Ａ、１２Ｂ）に低温流体が流れて常温より低温に下がると、内側壁１８と外側壁２０との熱膨張係数の違いにより、異径部２６（２６ａ、２６ｂ）の直径と両端部２２の直径の差が減少する。この変形によってバイメタル管壁部１６の軸線方向の熱収縮を相殺でき、溶接部２４の劣化を抑制できる。

以下、バイメタル配管１２に低温流体又は高温流体が流れたときに、バイメタル配管１２の軸線方向長さを抑制可能なメカニズムについて説明する。バイメタル管壁部１６を軸線方向に沿って短冊状に細かく切断すると、多数の細長い棒状の短冊片が得られる。バイメタル管壁部１６の半径方向の熱変位は軸線方向の熱変位と比べてほとんど無視できるので、バイメタル管壁部１６の熱変位は短冊片の熱変位に近似できる。

図５は、熱膨張係数が異なる例えば金属製の外側壁３２と内側壁３４とが接合されたバイメタル短冊片３０を示す。短冊片３０の軸線方向中央部３０ａは熱変位量が最も小さいので固定端とみなせる。「内側壁３４の熱膨張係数＜外側壁３２の熱膨張係数」とすると、短冊片３０を常温付近まで温めると、図５に示すように、外側壁３２のほうが軸線方向の熱膨張が大きいので、短冊片３０は内側壁３４のほうへ湾曲する。この短冊片３０が低温流体で冷却され、真直ぐな直線状になった状態を図６に模式的に示す。図６において、短冊片３０が固定された固定部３６は図５中の中央部３０ａに相当する。

図６に示すように、固定部３６に固定され、冷却された直線状の短冊片３０を温めると、熱膨張係数が異なる外側壁３２及び内側壁３４が接合されているので、温度上昇ΔＴにより、図７に示すように、外側壁３２に熱応力Ｐ_１及び曲げモーメントＭ_１が発生し、内側壁３４に熱応力Ｐ_２及び曲げモーメントＭ_２が発生する。また、外側壁３２と内側壁３４との接着面では、弾性的収縮量や熱膨張量、曲げによる歪の和が等しくなるので、次式が成立する。

ここで、β_１は外側壁３２の熱膨張係数、β_２は内側壁３４の熱膨張係数、Ｅ_１は外側壁３２のヤング率、Ｅ_２は内側壁３４のヤング率、Ａは短冊片３０の断面積（Ａ＝ｈ×ｂ）、Ｒ_１は、図７に示すように、短冊片３０が湾曲したときの外側壁３２の曲率半径、Ｒ_２は同じく内側壁３４の曲率半径、Δξは短冊片３０の軸線方向の変形量を示す。

このように、構造材がたわみｖ変形するとき、次の（２）式に示す弾性曲線方程式が成立することが知られている。

ここで、Ｒは曲率半径、Ｍは曲げモーメント、Ｅはヤング率、Ｉは慣性モーメント、ＥＩは曲げ剛性を示す。これをバイメタル短冊片３０に適用すると、次式が成立する。

また、厚みｈの構造材の慣性モーメントは、次の（４）式で表されることが知られている。

短冊片３０には外力が作用していないので、横断面に作用する応力の合計値及び合わせモーメントＰｈはゼロになるので、次式が成立する。

さらに、外側壁３２及び内側壁３４の各々の厚みｈは十分に小さく、Ｒ_１＝Ｒ_２＝Ｒと仮定すれば、次式が成立する。

（６）式から曲率半径Ｒを求めると、最終的に次の（７）式を得る。

また、短冊片３０の軸線方向の変化量Δξは、Δξ＝Ｌ－Ｒ×ｓｉｎθとなるので、次の（８）式が得られる。なお、図７に示す曲率半径Ｒと曲げ角度θとの関係をｔａｎθ≒Ｌ／Ｒで表している。

ここで、Ｌは短冊片３０の軸線方向長さを示す（図６を参照）。（８）式から、Δξがゼロとなるように、外側壁３２の熱膨張係数β_１及び内側壁３４の熱膨張係数β_２を選択すればよい。β_１、β_２と曲率半径Ｒとの関係は（７）式から求めることができる。

幾つかの実施形態では、図３及び図４に示すバイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）において、バイメタル管壁部１６は、常温より高温の温度域における直径が常温下における直径より広がり又は縮むように構成されている。バイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）に高温流体が流れてバイメタル管壁部１６が常温より高温に温度上昇したとき、バイメタル管壁部１６は、直径が常温下における直径より拡大し又は縮小するため、昇温によるバイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）の軸線方向の伸びは、バイメタル管壁部１６の直径が拡大又は縮小することで相殺される。

言い換えれば、バイメタル管壁部１６は、常温より高温の温度域における直径が常温下における直径より半径方向に広がるか、あるいは縮むように変形する。外側壁２０の熱膨張係数が内側壁１８より大きい場合は半径方向に広がり、逆の場合は縮む。バイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）に高温流体が流れてバイメタル管壁部１６が常温より高温に温度上昇すると、内側壁１８及び外側壁２０は共に軸方向に熱膨張しようとするが、この軸方向の伸びは半径方向に広がるか又は縮む半径方向の変形に転換されるため、昇温によるバイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）の軸線方向の伸びは相殺される。これによって、バイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）の軸線方向の熱膨張を抑制でき、バイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）の両端支持部の劣化を抑制できる。

幾つかの実施形態では、図３及び図４に示すバイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）のように、バイメタル管壁部１６は、常温下（流体が流れていない状態）で軸方向全域で同一の直径を有している。バイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）に高温流体ｆｈが流れてバイメタル管壁部１６が常温より高温に温度上昇したとき、内側壁１８と外側壁２０との熱膨張係数の違いによって、バイメタル管壁部１６は軸線方向で直径が異なるように変形する。温度上昇によるバイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）の軸線方向の伸びは、バイメタル管壁部１６の径方向の変形によって相殺されるため、バイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ）の軸線方向の熱膨張を抑制できる。

図３に示すバイメタル配管１２（１２Ｃ）は、内側壁１８の熱膨張係数が外側壁２０の熱膨張係数より小さくなるように、内側壁１８及び外側壁２０の材料が選択されている。これによって、バイメタル配管１２（１２Ｃ）に高温流体ｆｈが流れ、バイメタル管壁部１６が常温より温度上昇すると、バイメタル管壁部１６が二点鎖線で示すように軸線方向中間部付近を中心に拡径する。これによって、温度上昇によるバイメタル管壁部１６の軸線方向の伸びは、バイメタル管壁部１６の変形によって相殺されるため、バイメタル配管１２（１２Ｃ）の軸線方向の熱膨張を抑制できる。

図４に示すバイメタル配管１２（１２Ｄ）は、内側壁１８の熱膨張係数が外側壁２０の熱膨張係数より大きくなるように、内側壁１８及び外側壁２０の材料が選択されている。これによって、バイメタル配管１２（１２Ｄ）に高温流体ｆｈが流れ、バイメタル管壁部１６が常温より温度上昇すると、バイメタル管壁部１６が二点鎖線で示すように軸線方向中間部付近を中心に直径は収縮する。これによって、温度上昇によるバイメタル管壁部１６の軸線方向の伸びは、バイメタル管壁部１６の変形によって相殺されるため、バイメタル配管１２（１２Ｄ）の軸線方向の熱膨張を抑制できる。

一実施形態では、図８に示すように、常温下で異径部２６（２６ａ、２６ｂ）を有する内側壁１８は、錐台形状を有する一対の管壁４０ａ及び４０ｂの小径端同士又は大径端同士が結合されて構成されている。また、外側壁２０は、錐台形状を有する一対の管壁４２ａ及び４２ｂの小径端同士又は大径端同士が結合されて構成されている。そして、内側壁１８の外面に外側壁２０の内面が接合される。このように、錐台形状を有する一対の管壁４０ａ及び４０ｂ又は４２ａ及び４２ｂを用いることで、異径部２６（２６ａ、２６ｂ）を有するバイメタル管壁部１６の製造が容易になる。

図８に示すバイメタル管壁部１６は、錐台形状を有する一対の管壁の大径端同士を結合することで、図１に示すように、バイメタル管壁部１６の軸線方向両端部２２より大きな直径を有する異径部２６（２６ａ）を製造する例を示している。別な実施形態では、錐台形状を有する一対の管壁の小径端同士を結合することで、図２に示すように、バイメタル管壁部１６の軸線方向両端部２２より小さな直径を有する異径部２６（２６ａ）を製造することができる。また、図８に示すように、内側壁１８及び外側壁２０の大径端同士又は小径端同士は、例えば、溶接により結合されて溶接部ｗ１及びｗ２を形成する。

図８に示す実施形態では、管壁４０ａ、４０ｂ、４２ａ及び４２ｂは軸線方向の断面が直線状の傾斜面を有しているが、例えば、軸線方向の断面が楕円形状の曲線を有していてもよい。

一実施形態では、図９に示すように、断熱配管１０が冷凍システム５０に適用される。冷凍システム５０は、冷凍機５２と、冷凍機５２で生成された極低温流体ｆｃが供給される超電導ケーブル５４と、冷凍機５２と超電導ケーブル５４との間に設けられた断熱配管１０と、を備えている。冷凍機５２で生成された極低温流体ｆｃは、断熱配管１０及び超電導ケーブル５４の一端部に設けられた端末部５６ａを介して超電導ケーブル５４に送られる。超電導ケーブル５４を冷却して昇温した極低温流体ｆｃは超電導ケーブル５４の他端部に設けられた端末部５６ｂ及び断熱配管１０を介して冷凍機５２に戻され、冷凍機５２で極低温に冷却される。

このような構成によれば、冷凍システム５０は、上記構成を有するバイメタル配管１２を備える断熱配管１０を備えているため、バイメタル配管１２の軸線方向の熱変位を抑制でき、これによって、該熱変位に起因したバイメタル配管１２の両端支持部の劣化、及び該両端支持部の劣化によって断熱配管の真空断熱空間が破壊される断熱配管１０の断熱性の劣化を抑制できるため、断熱配管１０の寿命を長期化できる。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

（１）一つの態様に係るバイメタル配管（例えば、図１～図４に示すバイメタル配管１２（１２Ａ～１２Ｄ））は、内側壁（例えば、図１～図４に示す内側壁１８）と、該内側壁と熱膨張係数が異なり該内側壁の外面に接合された外側壁（例えば、図１～図４に示す外側壁２０）とを含むバイメタル管壁部（例えば、図１～図４に示すバイメタル管壁部１６）を備える。

このような構成によれば、バイメタル配管に低温流体又は高温流体が流れてバイメタル管壁部が常温から温度降下又は温度上昇したとき、内側壁と外側壁との熱膨張係数の違いにより上記バイメタル管壁部が径方向に変形する。この径方向の変形によって、バイメタル配管の軸線方向の変位を相殺でき、バイメタル配管の軸線方向の変位を抑制できるため、バイメタル配管の両端支持部に発生する応力を低減でき、該両端支持部の劣化を抑制できる。

（２）別な態様に係るバイメタル配管（図１及び図２に示すバイメタル配管１２（１２Ａ、１２Ｂ））は、（１）に記載のバイメタル配管であって、前記バイメタル管壁部は、常温下（流体が流れていない状態）又は常温より高温の流体が流れるとき、前記バイメタル管壁部の両端部（例えば、図１及び図２に示す両端部２２）とは直径が異なる異径部（該両端部の直径より大径又は小径の異径部。例えば、図１～図４に示す異径部２６（２６ａ～２６ｄ））を前記両端部の間に有する。

このような構成によれば、バイメタル配管に低温流体又は高温流体が流れてバイメタル管壁部の温度が常温から温度降下又は温度上昇したとき、内側壁と外側壁との熱膨張係数の違いにより、上記異径部が径方向に変形する。これによって、バイメタル配管の軸線方向の熱変位を抑制でき、バイメタル配管の両端支持部の劣化を抑制できる。

（３）さらに別な態様に係るバイメタル配管（例えば、図１に示すバイメタル配管１２（１２Ａ））は、（２）に記載のバイメタル配管であって、前記内側壁は前記外側壁の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有し、前記異径部（例えば、図１に示す異径部２６（２６ａ））は常温下で前記バイメタル管壁部の両端部の直径より大きな直径を有している。

このような構成によれば、バイメタル配管に低温流体が流れてバイメタル管壁部の温度が常温より下がると、内側壁と外側壁との熱膨張係数の違いにより、上記異径部が径方向に熱収縮する。この異径部の変形によりバイメタル管壁部の軸線方向の熱収縮が相殺され、バイメタル管壁部の軸線方向の熱収縮を抑制できる。

（４）さらに別な態様に係るバイメタル配管（例えば、図２に示すバイメタル配管１２（１２Ｂ））は、（２）に記載のバイメタル配管であって、前記内側壁は前記外側壁の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有し、前記異径部（例えば、図２に示す異径部２６（２６ｂ））は常温下で前記バイメタル管壁部の両端部の直径より小さな直径を有している。

このような構成によれば、バイメタル配管に低温流体が流れてバイメタル管壁部の温度が常温より下がると、内側壁と外側壁との熱膨張係数の違いにより、上記異径部が径方向に拡径する。この異径部の変形によりバイメタル管壁部の軸線方向の熱収縮が相殺され、バイメタル管壁部の軸線方向の熱収縮を抑制できる。

（５）さらに別な態様に係るバイメタル配管（例えば、図１及び図２に示すバイメタル配管１２（１２Ａ、１２Ｂ））は、（２）～（４）の何れかに記載のバイメタル配管であって、常温より低温の温度域で、前記異径部（例えば、異径部２６（２６ａ、２６ｂ））の直径と前記バイメタル管壁部の両端部の直径の差が減少するように構成されている。

このような構成によれば、バイメタル配管に低温流体が流れてバイメタル管壁部の温度が常温より下がると、内側壁と外側壁との熱膨張係数の違いにより、異径部の直径とバイメタル管壁部の両端部の直径の差が減少するように変形するため、この変形によってバイメタル管壁部の軸線方向の熱収縮を相殺でき、バイメタル管壁部の軸線方向の熱収縮を抑制できる。

（６）さらに別な態様に係るバイメタル配管は、（２）～（５）の何れかに記載のバイメタル配管であって、前記異径部を構成する前記内側壁及び前記外側壁の各々は、錐台形状を有する一対の管壁（例えば、図８に示す管壁４０ａ、４０ｂ、４２ａ及び４２ｂ）の小径端同士又は大径端同士が結合されて構成されている。

このような構成によれば、常温下でバイメタル管壁部の両端部と異なる直径を有する異径部を有するバイメタル管壁部の製造が容易になる。

（７）さらに別な態様に係るバイメタル配管（例えば、図３及び図４に示すバイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ））は、（２）に記載のバイメタル配管であって、前記バイメタル管壁部は、常温より高温の温度域における直径が常温下における直径より広がるように、又は縮むように構成されている。

このような構成によれば、バイメタル配管に高温流体が流れてバイメタル管壁部が常温より温度上昇すると、バイメタル管壁部は、直径が常温下における直径より広がり又は縮むため、この熱変形によって、昇温によるバイメタル配管の軸線方向の伸びは相殺される。これによって、バイメタル配管の軸線方向の熱膨張を抑制でき、バイメタル配管の両端支持部の劣化を抑制できる。

（８）さらに別な態様に係るバイメタル配管（例えば、図３及び図４に示すバイメタル配管１２（１２Ｃ、１２Ｄ））は、（７）に記載のバイメタル配管であって、前記バイメタル管壁部は、常温下（流体が流れていない状態）で軸方向全域で同一の直径を有している。

このような構成によれば、バイメタル配管に高温流体が流れてバイメタル管壁部が常温より温度上昇すると、内側壁と外側壁との熱膨張係数の違いによって、バイメタル管壁部は軸線方向で両端部と比べて直径が異なるように変形する。この変形によって、温度上昇によるバイメタル配管の軸線方向の伸びは相殺されるため、バイメタル配管の軸線方向の熱膨張を抑制できる。

（９）一実施形態に係る断熱配管は、（１）～（８）の何れかに記載のバイメタル配管と、前記バイメタル配管を覆うように設けられた外側管（例えば、図１～図４に示す外側管１４）と、を備え、前記バイメタル配管と前記外側管との間に真空断熱空間が形成されている。

このような構成によれば、上記断熱配管は、上記構成のバイメタル配管を備えているため、バイメタル配管に低温流体又は高温流体が流れてバイメタル配管が常温から温度降下又は温度上昇したとき、バイメタル配管の軸線方向の熱変位を抑制できる。そのため、該熱変位に起因したバイメタル配管の両端支持部の劣化、及び該両端支持部の劣化によって断熱配管の真空断熱空間が破壊される断熱配管の断熱性の劣化を抑制できる。従って、断熱配管の寿命を長期化できる。

（１０）一実施形態に係る冷凍システム（例えば、図９に示す冷凍システム５０）は、冷凍機と、前記冷凍機で生成された低温流体が供給される超電導ケーブルと、前記冷凍機と前記超電導ケーブルとの間に設けられた断熱配管と、を備え、前記断熱配管は、（１）～（６）の何れかに記載のバイメタル配管と、前記バイメタル配管を覆うように設けられた外側管と、を備え、前記バイメタル配管と前記外側管との間に真空断熱空間が形成されている。

このような構成によれば、上記冷凍システムは、上記構成を有するバイメタル配管を備える断熱配管を備えているため、バイメタル配管の軸線方向の熱変位を抑制できる。これによって、該熱変位に起因したバイメタル配管の両端支持部の劣化、及び該両端支持部の劣化によって断熱配管の真空断熱空間が破壊される断熱配管の断熱性の劣化を抑制できるため、断熱配管の寿命を長期化できる。

１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）、１００ 断熱配管
１２（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ） バイメタル配管
１４、１０４ 外側管
１６ バイメタル管壁部
１８、３４ 内側壁
２０、３２ 外側壁
２２、１０２ａ 両端部
２４、１０６、ｗ１、ｗ２ 溶接部
２６（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ） 異径部
３０ 短冊片
３０ａ 中央部
３６ 固定部
４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂ 管壁
５０ 冷凍システム
５２ 冷凍機
５４ 超電導ケーブル
５６ａ、５６ｂ 端末部
１０２ 内側管
１０８ ベローズ
Ｓｖ 真空断熱空間
ｆｃ 極低温流体
ｆｈ 高温流体

Claims (9)

1. 内側壁と、該内側壁と熱膨張係数が異なり該内側壁の外面に接合された外側壁とを含むバイメタル管壁部を備え、
   前記バイメタル管壁部は、常温下で又は常温より高温の流体が流れるとき、前記バイメタル管壁部の両端部とは直径が異なる異径部を前記両端部の間に有する
   バイメタル配管。
2. 前記内側壁は前記外側壁の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有し、
   前記異径部は常温下で前記バイメタル管壁部の両端部の直径より大きな直径を有している請求項１に記載のバイメタル配管。
3. 前記内側壁は前記外側壁の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有し、
   前記異径部は常温下で前記バイメタル管壁部の両端部の直径より小さな直径を有している請求項１に記載のバイメタル配管。
4. 常温より低温の温度域で、前記異径部の直径と前記バイメタル管壁部の両端部の直径の差が減少するように構成された請求項１乃至３の何れか一項に記載のバイメタル配管。
5. 前記異径部を構成する前記内側壁及び前記外側壁の各々は、錐台形状を有する一対の管壁の小径端同士又は大径端同士が結合されて構成されている請求項１乃至４の何れか一項に記載のバイメタル配管。
6. 前記バイメタル管壁部は、常温より高温の温度域における直径が常温下における直径より広がるように又は縮むように構成されている請求項１に記載のバイメタル配管。
7. 前記バイメタル管壁部は、常温下で軸方向全域で同一の直径を有している請求項６に記載のバイメタル配管。
8. 内側壁と、該内側壁と熱膨張係数が異なり該内側壁の外面に接合された外側壁とを有するバイメタル管壁部を含むバイメタル配管と、
   内側管としての前記バイメタル配管を覆うように設けられた外側管と、
   を備え、
   前記バイメタル配管は、前記外側管の軸方向両端部にそれぞれ溶接される両端部を除く領域に前記バイメタル管壁部を有し、
   前記バイメタル配管と前記外側管との間に真空断熱空間が形成された断熱配管。
9. 冷凍機と、
   前記冷凍機で生成された低温流体が供給される超電導ケーブルと、
   前記冷凍機と前記超電導ケーブルとの間に設けられた断熱配管と、
   を備え、
   前記断熱配管は、
   請求項１乃至７の何れか一項に記載のバイメタル配管と、
   前記バイメタル配管を覆うように設けられた外側管と、
   を備え、
   前記バイメタル配管と前記外側管との間に真空断熱空間が形成された冷凍システム。

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