JPH07151231A - 圧力容器用の弾性フランジ構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大幅な軽量化を図ると同時に、変形を防止し
てシール性の向上も図ることができ、構造も簡単な圧力
容器用の弾性フランジ構造を提供すること。 【構成】 一方のフランジ１２の外周側と内周側の２箇
所に他方のフランジ１１と接触させて面圧を生じさせる
面圧部１３，１４を形成するとともに、これらのうち外
周側の面圧部１４を内周側より引っ込めて形成する。そ
して、フランジ１１，１２同志の締付時に外周側を撓ま
せてこの外周側に面圧が発生するようにすると、内周側
の面圧部１３に外周側の面圧部１４より大きい面圧が生
じることになり、高い内圧が加わってもフランジ１１，
１２が開くように変形することを防止してシール性の向
上を図るようにする。これにより、面接触によってシー
ルするフランジ構造に比べて薄いフランジにでき、大幅
な軽量化と小形化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧力容器用の弾性フ
ランジ構造に関し、フランジの内外周側などに面圧部を
形成して面圧部だけを接触するようにし、しかも外周側
の面圧部を引っ込んだ状態にしてフランジを撓ませて締
付けることで、内周側に、より大きな面圧を生じさせる
ことができるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】圧力容器の連結部には、フランジ構造が
設けられて連結されることが多く、たとえば図５に示す
ように、互いを面接触させるフランジ１，２を設けてボ
ルトで締付けて連結することが行われ、フランジ１，２
の面全体に一様な面圧分布Ｐ1となるようにしている。

【０００３】このようなフランジ構造を用いて高い圧力
が加わる圧力容器の連結を行うと、運転時などに内圧に
よる圧力荷重によって両方のフランジ１，２が、図５中
に２点鎖線で示すように、開くように変形し、フランジ
１，２のシール面の最外周部の面圧は多少大きくなる
が、フランジ１，２の接触面積が大きく（単位面積当り
の圧力が小さくなる）面圧分布Ｐ2 が内側になるほど小
さくなることによってフランジ全体のシール性が悪くな
ってしまう。

【０００４】これを防止するためには、フランジ１，２
の厚さを厚く強固にして内圧による変形が生じないよう
にするとともに、大きなボルトを用いて締付力を大きく
する必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、フランジ
１，２の厚さを厚くしたり、大きなボルトで締付力を増
大しようとすると、フランジ構造の重量の増大を招くと
ともに、このフランジ構造の大型化に伴って大きな設置
スペースを確保しなければならない。

【０００６】特に、ロケット用の高圧容器など、たとえ
ば液体水素用や液体酸素用のターボポンプでは、図６に
液体水素用ターボポンプの場合を示すように、駆動ガス
用のケーシング３とタービンケーシング４とのフランジ
構造５では、軽量化の必要があるとともに、搭載スペー
スの制約があり、フランジ６，７を厚くしたり、大きく
してフランジ６，７の変形を防止してフランジ構造５の
シール性の向上を図ることができない。

【０００７】この発明はかかる従来技術の問題点に鑑み
てなされたもので、軽量化を図ると同時に、変形を防止
してシール性の向上も図ることができ、構造も簡単な圧
力容器用の弾性フランジ構造を提供しようとするもので
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めこの発明の請求項１に記載の圧力容器用の弾性フラン
ジ構造は、内圧が加わる圧力容器の連結部に設けられ互
いを接触させて締付けるフランジ構造であって、一方の
フランジの外周側と内周側の２箇所に他方のフランジと
接触させて面圧を生じさせる面圧部を形成するととも
に、これら面圧部のうち外周側の面圧部を内周側より引
っ込めて形成しフランジ同志の締付時に外周側を撓ませ
て内周側の面圧部に外周側の面圧部より大きい面圧を生
じさせることを特徴とするものである。

【０００９】また、この発明の請求項２に記載の圧力容
器用の弾性フランジ構造は、請求項１の構成に加えて、
前記一方のフランジの内周側の面圧部の外周側に内周側
の面圧部より僅かに引っ込んで内周側の面圧部の面圧を
分担する補助面圧部を形成したことを特徴とするもので
ある。

【００１０】

【作用】請求項１の圧力容器用の弾性フランジ構造によ
れば、一方のフランジの外周側と内周側の２箇所に他方
のフランジと接触させて面圧を生じさせる面圧部を形成
するとともに、これら面圧部のうち外周側の面圧部を内
周側より引っ込めて形成するようにしており、フランジ
同志の締付時に外周側を撓ませてこの外周側に面圧力が
発生するようにすると、内周側の面圧部に外周側の面圧
部より大きい面圧が生じることになり、高い内圧が加わ
ってもフランジが開くように変形することを防止してシ
ール性の向上を図るようにしている。

【００１１】また、請求項２の圧力容器用の弾性フラン
ジ構造によれば、請求項１の一方のフランジの内周側の
面圧部の外周側に、内周側の面圧部より僅かに引っ込ん
だ補助面圧部を形成するようにしており、フランジ同志
の締付時に外周側を撓ませてこの外周側に面圧力が発生
するようにすると、内周側の面圧部と補助面圧力部に外
周側の面圧部より大きい面圧を分担させて生じることが
でき、高い内圧が加わってもフランジが開くように変形
したり、内周側の面圧部の変形を防止してシール性の一
層の向上を図るようにしている。

【００１２】これらの圧力容器用の弾性フランジ構造に
より、面接触によってシールするフランジ構造に比べて
薄いフランジにでき、大幅な軽量化と小形化を図るよう
にしている。

【００１３】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき詳細
に説明する。図１および図２はこの発明の圧力容器用の
弾性フランジ構造の一実施例にかかり、図１（ａ）は組
立前の断面図、図１（ｂ）は組立後の断面図、図２は液
体酸素・液体水素用のターボポンプの弾性フランジ構造
に適用した場合の詳細断面図である。

【００１４】この圧力容器用の弾性フランジ構造１０
は、重量軽減を目的とし、フランジに強制的に撓ませて
変位を与え、この反力を利用することによりシール性を
保持しつつ従来のフランジ構造（図５参照）に比べて、
より小型のフランジにできるようにしたものである。

【００１５】この弾性フランジ構造１０では、一方のフ
ランジ１１は接続面が平坦に形成され、フランジ自体の
厚さは、これまでの使用される圧力容器の運転条件に対
して用いられているフランジに比べて薄く、しかも小さ
くしてある。

【００１６】このフランジ１１に当接されて締付けられ
るフランジ１２は、内周側と外周側にそれぞれリング状
の面圧部１３，１４が形成され、中間部が引っ込んだ状
態になっており、これら２つの面圧部１３，１４のみが
フランジ１１と接触するようにしてある。

【００１７】これら内外周の面圧部１３，１４のうち、
外周側の面圧部１４が内周側の面圧部１３に対して内側
に僅かに引っ込んだ状態となるように形成してあり、フ
ランジ１２の厚さ自体も従来のフランジに比べて薄く、
小さくなっている。

【００１８】また、フランジ１２の内周側の面圧部１３
の外側にシール溝１５が形成されてシール材を装着する
ことができるようにしてある。

【００１９】これら面圧部１３，１４のリング状の幅Ｂ
や外周側の面圧部１４の強制変位量（引込量）は、この
弾性フランジ構造１０を使用する圧力容器の運転条件な
どによって適宜選定すれば良く、たとえば液体酸素・液
体水素用のターボポンプの弾性フランジ構造とする場
合、フランジ外径が300mm 程度、内部圧力が240kg/cm²
程度、温度が８５０Ｋ程度の場合には、各面圧部の幅を
3 〜4mm 程度、強制変位量を0.2 〜0.4mm 程度とする。

【００２０】このような圧力容器用の弾性フランジ構造
１０では、組立前の状態では、図１（ａ）に示すよう
に、フランジ１１とフランジ１２を突き合わせた状態に
すると、内周側の面圧部１３がフランジ１１に当たった
状態で、外周側の面圧部１４との間に引込量に応じた隙
間が形成される。

【００２１】この状態から、ボルトでフランジ１１，１
２を締付けてフランジ１２を外周側の隙間の分だけ撓ま
せてフランジ１１に接触するように強制的に変位させた
後、さらに締付けて、図１（ｂ）に示すように、外周側
の面圧部１４に面圧Ｐ3 が生じるようにすると、内周側
の面圧部１３には、突出量の違いによって大きな面圧Ｐ
4 が発生する。

【００２２】こうしてフランジ１１，１２を締め付けた
後、内圧が加わると、フランジ１１，１２の内周側を開
くように変形させようとするが、この部分に予め大きな
面圧Ｐ4 が生じるようにしているので、その値が小さく
なってＰ4aとなるものの面圧自体を確保することがで
き、しかも外周側の面圧部１４では、内圧による変形の
影響で面圧Ｐ3 が大きくなってＰ3aとなる。

【００２３】したがって、内圧が加わっても内外周の面
圧部１３，１４に面圧Ｐ4a，Ｐ3aを確保することがで
き、フランジ１２の変形やシール溝１５の変形を防止し
てシール性を維持することができる。

【００２４】また、この弾性フランジ構造１０の各フラ
ンジ１１，１２の厚さや大きさが小さいので、軽量化を
図ることができるとともに、取付スペースも小さくでき
る。

【００２５】このような弾性フランジ構造１０は、たと
えば図２に示すように、液体酸素・液体水素用のターボ
ポンプの弾性フランジ構造として使用され、図６で説明
したフランジ部に相当する部分に使用される。

【００２６】そして、これらのフランジ部分に使用した
場合の各部の面圧や変位について計算した結果と実験を
行った結果を表１中のケース１に示した。

【００２７】

【表 １】

【００２８】この表１のケース１から明らかなように、
シール特性は良好であり、内周側の面圧部（表１中で
は、組立時リップ面圧としてある。）に組立時に大きな
面圧を発生させることができ、運転時にも相当の面圧を
確保することができることが分かり、この点からもシー
ル性を良好に維持できることが裏付けられている。

【００２９】次に、この発明のさらに性能向上を図るこ
とができる圧力容器用の弾性フランジ構造について図３
および図４により説明するが、上記と同一部分には同一
番号を記し説明は省略する。

【００３０】この圧力容器用の弾性フランジ構造２０で
は、フランジ１１に締付けるフランジ１２に内外周の面
圧部１３，１４を形成するほか、フランジ１２のシール
溝１５の外周側に補助面圧部２１がリング状に形成さ
れ、内周側の面圧部１３と外周側の面圧部１４の中間の
突出位置、すなわち、内周側の面圧部１３よりわずかに
引っ込んで形成されている。

【００３１】したがって、この補助面圧力部２１を形成
することで、フランジ１１をフランジ１２に締付けた場
合に、内周側の面圧部１３に発生する面圧を補助面圧部
２１とに分散させることができる。

【００３２】この補助面圧部２１のリング状の幅Ｂ1 や
引込量（強制変位量）は、この弾性フランジ構造２０を
使用する圧力容器の運転条件などによって適宜選定すれ
ば良く、たとえば液体酸素・液体水素用のターボポンプ
の弾性フランジ構造とする場合、フランジ外径が300mm
程度、内部圧力が240kg/cm² 程度、温度が８５０Ｋ程度
の場合には、各面圧部の幅を3 〜4mm 程度、強制変位量
を0.10mm程度とする。

【００３３】このような圧力容器用の弾性フランジ構造
２０では、組立前の状態では、図３（ａ）に示すよう
に、フランジ１１とフランジ１２を突き合わせた状態に
すると、内周側の面圧部１３がフランジ１１に当たった
状態で、外周側の面圧部１４との間に引込量に応じた隙
間が形成されるとともに、中間部の補助面圧部２１との
間にも面圧部１４よりわずかな隙間が形成される。

【００３４】この状態から、ボルトでフランジ１１，１
２を締付けてフランジ１２を外周側の隙間の分だけ撓ま
せてフランジ１１に接触するように強制的に変位させた
後、さらに締付けて、図３（ｂ）に示すように、外周側
の面圧部１４に面圧Ｐ5 が生じるようにすると、内周側
の面圧部１３には、突出量の違いによって大きな面圧Ｐ
6 が発生するとともに、中間部の補助面圧部２１にも内
周側の面圧部１３より小さいが外周側の面圧部１４より
大きい面圧Ｐ7 が発生する。

【００３５】こうしてフランジ１１，１２を締め付けた
後、この弾性フランジ構造２０に内圧が加わると、フラ
ンジ１１，１２の内周側を開くように変形させようとす
るが、この部分に予め大きな面圧Ｐ6 が生じるようにし
ているので、その値が小さくなってＰ6aとなるものの面
圧自体を確保することができ、しかも外周側の面圧部１
４では、内圧による変形の影響で面圧Ｐ5 が大きくなっ
てＰ5aとなり、さらに補助面圧部２１でも面圧Ｐ7 が変
化するもののある程度の面圧Ｐ7aを確保することができ
る。

【００３６】したがって、内圧が加わっても内外周の面
圧部１３，１４および補助面圧部２１に面圧Ｐ6a，Ｐ5a
および面圧Ｐ7aを確保することができ、フランジ１２の
変形やシール溝１５の変形を防止してシール性を維持す
ることができる。

【００３７】そして、補助面圧部２１を形成することに
よって、組立時の内周側の面圧部１３の面圧Ｐ6 を補助
面圧部２１を形成しない場合に比べて小さくすることが
でき、たとえば高温運転状態から停止した場合のよう
に、温度が高温のまま内部圧力のない組立時に近い状態
になって、材料強度が高温に伴って低下しても、内周側
の面圧部１３にへたり等を生じること無く使用すること
ができる。

【００３８】また、この弾性フランジ構造２０の各フラ
ンジ１１，１２の厚さや大きさが小さいので、軽量化を
図ることができるとともに、取付スペースも小さくでき
る。

【００３９】このような弾性フランジ構造２０は、たと
えば図４に示すように、液体酸素・液体水素用のターボ
ポンプの弾性フランジ構造として使用され、図６で説明
したフランジ部に相当する部分に使用される。

【００４０】そして、これらのフランジ部分に使用した
場合の各部の面圧や変位について計算した結果と実験を
行った結果を表１中のケース２に示した。

【００４１】この表１のケース２から明らかなように、
シール特性は良好であり、内周側の面圧部（表１中で
は、組立時リップ面圧としてある。）に組立時にケース
１の場合に比べて小さい面圧を発生させることができ、
しかもへたり量を極小さくすることができることが分か
り、この点からも一層シール性を良好に維持できること
が裏付けられている。

【００４２】なお、上記各実施例では、液体酸素・液体
水素用のターボポンプのフランジ構造の場合を例に説明
したが、これに限らず他の圧力容器のフランジ構造とし
ても広く使用することができる。

【００４３】また、この発明は、上記実施例に限定する
ものでなく、この発明の要旨を変更しない範囲で各構成
要素に変更を加えるようにしても良い。

【００４４】

【発明の効果】以上、実施例とともに具体的に説明した
ようにこの発明の請求項１の圧力容器用の弾性フランジ
構造によれば、一方のフランジの外周側と内周側の２箇
所に他方のフランジと接触させて面圧を生じさせる面圧
部を形成するとともに、これら面圧部のうち外周側の面
圧部を内周側より引っ込めて形成するようにしたので、
フランジ同志の締付時に外周側を撓ませてこの外周側に
面圧力が発生するようにすると、内周側の面圧部に外周
側の面圧部より大きい面圧が生じることになり、高い内
圧が加わってもフランジが開くように変形することを防
止してシール性の向上を図ることができる。

【００４５】また、この発明の請求項２の圧力容器用の
弾性フランジ構造によれば、請求項１の一方のフランジ
の内周側の面圧部の外周側に、内周側の面圧部より僅か
に引っ込んだ補助面圧部を形成するようにしたので、フ
ランジ同志の締付時に外周側を撓ませてこの外周側に面
圧力が発生するようにすると、内周側の面圧部と補助面
圧力部に外周側の面圧部より大きい面圧を分担させて生
じることができ、高い内圧が加わってもフランジが開く
ように変形したり、内周側の面圧部の変形を防止してシ
ール性の一層の向上を図ることができる。

【００４６】これらの圧力容器用の弾性フランジ構造に
より、面接触によってシールするフランジ構造に比べて
薄いフランジにでき、大幅な軽量化と小形化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の請求項１の圧力容器用の弾性フラン
ジ構造の一実施例にかかり、（ａ）は組立前の断面図、
（ｂ）は組立後の断面図である。

【図２】この発明の請求項１の圧力容器用の弾性フラン
ジ構造の一実施例を液体酸素・液体水素用のターボポン
プの弾性フランジ構造に適用した場合の詳細断面図であ
る。

【図３】この発明の請求項２の圧力容器用の弾性フラン
ジ構造の一実施例にかかり、（ａ）は組立前の断面図、
（ｂ）は組立後の断面図である。

【図４】この発明の請求項２の圧力容器用の弾性フラン
ジ構造の一実施例を液体酸素・液体水素用のターボポン
プの弾性フランジ構造に適用した場合の詳細断面図であ
る。

【図５】従来のフランジ構造の断面図である。

【図６】この発明の圧力容器用の弾性フランジ構造の適
用対象の一例の液体酸素・液体水素用のターボポンプの
断面図である。

【符号の説明】

１０ 圧力容器用の弾性フランジ構造 １１ フランジ １２ フランジ １３ 内周側の面圧部 １４ 外周側の面圧部 １５ シール溝 ２０ 圧力容器用の弾性フランジ構造 ２１ 補助面圧部 Ｐ1 〜Ｐ7 組立時の面圧 Ｐ1a〜Ｐ7a 運転時の面圧

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内圧が加わる圧力容器の連結部に設けら
   れ互いを接触させて締付けるフランジ構造であって、一
   方のフランジの外周側と内周側の２箇所に他方のフラン
   ジと接触させて面圧を生じさせる面圧部を形成するとと
   もに、これら面圧部のうち外周側の面圧部を内周側より
   引っ込めて形成しフランジ同志の締付時に外周側を撓ま
   せて内周側の面圧部に外周側の面圧部より大きい面圧を
   生じさせることを特徴とする圧力容器用の弾性フランジ
   構造。
2. 【請求項２】 前記一方のフランジの内周側の面圧部の
   外周側に内周側の面圧部より僅かに引っ込んで内周側の
   面圧部の面圧を分担する補助面圧部を形成したことを特
   徴とする請求項１記載の圧力容器用の弾性フランジ構
   造。