JP2009525437A - 熱的に負荷された環境で使用するためのボルト - Google Patents

Abstract

本発明は、下方端部（１０）と上方端部（９）を備え、第１の構成部材（４）を第２の構成部材（５）と接続するためのボルト（６）に関する。前記ボルト（６）内には、長さ方向（７）に配置された中空空間（８）が形成されている。この中空空間（８）には媒体（１２）が充填される。中空空間（８）はヒートパイプ（２３）として構成されており、これによりボルト（６）に対して良好な冷却が達成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、下方端部と上方端部を備え、第１の構成部材を第２の構成部材と接続するためのボルトに関するものであり、このボルトはその長手方向に沿って中空空間を有する。さらに本発明は、下方端部と上方端部を備え、第１の構成部材を第２の構成部材と接続するためのボルトに関するものであり、このボルトは孔部を有する。

ボルト接続は、機械工学の多数の領域で使用されている。とりわけ流体機械の構造では、ボルト接続が特に重要な役目を果たす。なぜなら比較的高い温度において圧力および力が大きいからである。

総称名、流体機械には、水車タービン、蒸気タービンおよびガスタービン、風車、渦巻きポンプおよび遠心圧縮機、ならびにプロペラが含まれる。これらの機械すべてに共通することは、これらの機械が流体からエネルギーを取り込み、これにより別の機械を駆動するために用いられるか、または反対に流体にエネルギーを供給し、この流体の圧力を高めるために用いられる。

前記の領域ではボルト接続が使用され、このボルト接続は非常に大きな力に曝される。多くの場合で、ボルトは大きな力の他に高い熱的負荷にも耐えなければならない。とりわけ蒸気タービン構造またはガスタービン構造では、ボルト接続が一部で非常に高い温度に曝される。

蒸気タービン構造で使用される蒸気弁は頻繁にボルト接続により構成され、このボルト接続も同様に高い熱的負荷に曝される。フェライト製のボルト材料から作製された、ボルト接続用のボルトが公知である。フェライト材料の硬度のような材料特性は温度の上昇と共に変化するから、この材料は上方限界温度までしか使用されない。

実績のあるボルト接続の使用領域を、集中的な局所冷却によって拡張しようとする努力が行われている。従来技術から、ボルトに孔部を設けることが公知であり、この孔部を通って冷却媒体が通流し、ボルトはこれによって冷却される。この冷却原理では、冷却媒体が機器によって循環システムを介してボルトに供給されなければならない。この冷却循環系の構造はコスト高である。なぜなら冷却媒体が装置、例えばポンプ、フィルタ、配管系等を通って案内されなければならないからである。

ボルトを高い熱的負荷に対して使用できるように改善するための別の手段は、高温に適する材料を使用することである。ここでは、例えばニッケルベース合金の領域からの材料が考えられる。しかし、新たな材料の選択と使用には時間が掛かり、高コストである。これらの材料はしばしば不所望の特性、例えば「負のクリープ」も有する。

従来技術から、ボルト接続を相応の特殊合金により構成することが公知である。このボルト接続はこれによって高温でも使用することができる。しかし、この合金のコストは比較的高い。さらにボルトの製作がコスト高である。このことは適用性の低下につながる。

ニッケルベース合金からなるボルトを使用する場合、不利な熱膨張特性のため、通常は伸縮スリーブが必要である。伸縮スリーブの設計には、ボルトの局所的温度特性の正確な知識が必要である。

本発明の課題は、熱的負荷が高くても使用することのできるボルトを提供することである。

この課題は、下方端部と上方端部を備え、第１の構成部材を第２の構成部材と接続するためのボルトであって、その長手方向に沿って中空空間を有するボルトによって解決される。この中空空間は、下方端部にコップ状の中空空間を形成するために底部を有することができ、この中空空間は媒体により充填されるように構成されている。この中空空間は、媒体の充填された特別のパイプを挿入することができるように貫通していても良い。

本発明は、ヒートパイプ原理の効果を利用する。ヒートパイプ原理は熱力学的に、長手に構成された中空空間内における熱端部での媒体の蒸発と、冷端部での媒体の凝縮に基づくものである。それ自体閉鎖された中空空間の端部間での温度差が小さくても、比較的大きな熱量が伝導される。ヒートパイプの原理は次のとおりである：暖かいパイプ端部で流体が蒸発し、このときに蒸発熱を吸収する。冷たい端部で蒸気が凝縮し、蒸発熱を放出する。この原理は、水平の配置構成でも適用することができる。この場合、壁は毛細管により形成すべきである。内壁の毛細管作用によって凝縮水は、再び暖かいパイプ端部に還流する。気化エンタルピーが高いので、ヒートパイプは、例えばスチールよりも数桁良好な熱伝達を可能にする。

熱的に負荷された環境でのボルトは通常のように温度勾配を有する。例えば下方端部は上方端部よりも冷えていることがある。ヒートパイプの原理によって、暖かい下方端部の熱が冷たい上方端部に導かれ、そこで排熱される。下方端部から上方端部へのこの熱伝達によって、ボルトは全体で冷却される。このことによりボルトを、熱的に負荷された環境で使用することができる。したがってこのボルトはより高温でも使用することができる。なぜなら、ボルトへ下方端部で伝達された熱を迅速に上方端部から排出することができるからである。

有利な改善形態では、中空空間は孔部として構成されている。ヒートパイプの原理は、パイプとしてではなく、すなわち円形横断面により形成された中空空間でも有効である。ヒートパイプの横断面が三角形、四角形、または類似の幾何形状を取る場合、このように形成されたヒートパイプは、円形横断面を有するヒートパイプと同じ物理的作用を示す。とりわけ孔部は、三角形、四角形、または類似の横断面に対して比較的簡単に構成できる。これによって、孔部として形成された中空区間を有するボルトを安価に構成することができるという利点が達成される。従来技術により使用されるボルトはしばしば、これがエクスパンションボルトとして使用される場合、所定の孔部をすでに有している。

別の有利な改善形態では、中空空間の壁の一部が上方端部を越えて突出する。ヒートパイプをボルトの上方端部の上に延長することにより、下方の熱端部により吸収された熱をとりわけ簡単に、ヒートパイプの冷却可能領域に伝達することができるようになる。この冷却はアクティブに行う必要はなく、冷却は単独で、熱い構成部材まで幾何学的に間隔をおくことにより環境との温度差に基づいて行われる。中空空間の壁の一部が上方端部を越えて突出していれば、この部分はヒートパイプの残りの部分よりも低い温度となる。これによってより良好な冷却作用を達成することができる。

別の有利な改善形態では、上方端部を越えて突出する壁は、ボルト内に存在する壁の部分と少なくとも同じ長さである。

ボルトから突出する部分が、ボルト内に存在する部分と少なくとも同じ長さであるこの幾何学的な構成は、特に良好で効率的な冷却作用を示すことが判明した。

上記課題は同様に、下方端部と上方端部とを備え、第１の構成部材を第２の構成部材と接続するためのボルトであって、このボルトが孔部を有し、この孔部内にヒートパイプが配置されており、このヒートパイプは、媒体が充填されるように構成されていることによって解決される。

ここでもヒートパイプの原理が利用される。本発明によれば、ヒートパイプをボルトの孔部に配置することのできるボルトが開示される。冷却作用は、上に説明した同じ物理的原理にしたがって行われる。孔部内のヒートパイプにより構成されたボルトは比較的簡単に作製できる。これによりコストが低減される。このボルトは、この実施形態では少なくとも２つの構成部材を有する。これは孔部の設けられたボルトと、孔部に挿入されるヒートパイプである。ここでヒートパイプは、ボルトと同じ材料から作製することができるが、ヒートパイプとボルトに対して異なる材料を使用することもできる。

別の有利な改善形態では、媒体として液体ナトリウムまたは液体カリウムが使用される。蒸気タービン構造では温度は５００℃以上に達する。したがって液体ナトリウムまたは液体カリウムは、この温度領域に対する適切な候補である。

以下に本発明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。ここで同じ参照符合の付された要素は同じ機能を有する。

図１では、蒸気弁１が斜視図に示されている。蒸気弁１の重要な特徴は流入領域３であり、ここで非常に高温の蒸気が流入する。この蒸気は、図１に図示しないチャネルを通って流出領域２に案内される。この蒸気弁１はほぼシリンダ状に構成されており、第１の構成部材４と第２の構成部材５を有する。第２の構成部材５はカバーとして構成されている。第１の構成部材４はシリンダ状に構成されている。第１の構成部材４は、複数のボルト６によって第２の構成部材５と接続される。とりわけ蒸気タービン構造では蒸気弁１に、非常に高い圧力を有する水蒸気が吹き付けられるから、大きな力に耐えるために、複数のボルト６が第１の構成部材を第２の構成部材５と接続するために設けられている。

本発明は、蒸気弁の第１の構成部材４と第２の構成部材５とを接続することに限定されるものではない。第１の構成部材４または第２の構成部材５は同じように、蒸気タービンの内側ケーシングの上方部材と下方部材とすることができる。第１の構成部材４と第２の構成部材５はまた、蒸気タービンの外側ケーシングとして構成することもできる。

図２には、図１の蒸気弁の平面が示されている。第２の構成部材の実施形態としてのカバー５は円形に構成されており、ボルト６が挿入される複数の孔部を有する。第１の構成部材４には、ねじが配置されており、このねじは孔部と軸が一致するように形成されている。

図３にはボルト６の断面が示されている。ボルト６は、第１の構成部材４を第２の構成部材５と接続する。ボルト６の長手方向７には中空空間８が設けられている。このボルト６は上方端部９と下方端部１０を有する。中空空間８は下方端１０に、コップ状の中空空間８を形成するために底部１１を有する。コップ状の中空空間８は、媒体１２により充填されるように構成されている。ボルトの上方端部９では、中空空間８の壁１３の一部がこの上方端部を越えて突出している。壁１３はスリーブとして構成することができる。このスリーブは、空間がボルトの上方端部９より上で閉鎖されるように構成されている。中空空間８は孔部として構成することができる。別の実施形態、例えば三角形または四角形の横断面も可能である。

中空空間８の壁１３は、長さに沿って毛細管２６により形成することができる。このことにより、垂直の取付け位置でなくても冷却媒体が底部１１に搬送されるようになる。

上方端部９を越えて突出する壁１３は、ボルト６内に存在する壁１４の部分とちょうど同じ長さにすることができる。しかしそれより長くても、短くても良い。

中空空間８は、密閉されている。

ボルト６はねじ付きロッド１６として、上方端部９に存在するナット１７と共に形成することができる。第２の構成部材５は孔部１８を有する。第１の構成部材４にはねじを備える別の孔部１９が、第２の構成部材内の孔部１８に対して軸が一致するように配置されている。まずねじ付きロッド１６が、ねじ２５を備える孔部１９にねじ込まれる。引き続き、ナット１７がねじ付きロッド１６の上方端部９に取り付けられ、高トルクでねじ留めされる。このときにボルトを予熱することもでき、これにより所定の締付け力を形成することができる。

中空空間８に存在する媒体１２は、例えば液体ナトリウムまたは液体カリウムとすることができる。動作時に熱はヒートパイプ２０に沿って移動する。このときボルトの下方端部１０は加熱される。この加熱により媒体１２は熱くなることができ、蒸発して、上方端部の壁１３に再び溜まり凝縮する。このとき熱が排出され、この熱は周囲環境によりまたは別の外側冷却媒体により排熱される。

ボルト６の周囲には、構成部材を断熱するための断熱部１５をさらに付加的に配置することができる。この場合、パイプは少なくとも、パイプの冷却すべき端部を備える壁１３が断熱部の外になるような長さでなければならない。

ボルトに対しては、冷却の理由から材料等級の値の低い材料を使用することができる。高温領域では例えばクロム高含有鋼を、ニッケルベース合金の代わりに使用する（例えばナイモニックの代わりにＸ１９ＣｒＭｏＮｂＶＮ１１−１。ナイモニックは米国INKO社の登録商標）。低温領域ではコスト的に有利で適用性の良い１％クロム鋼を、クロム高含有鋼の代わりに使用することができる（例えばＸ１９ＣｒＭｏＮｂＶＮ１１−１の代わりに２１ＣｒＭｏＶ５−７）。

大きさに関しては、ボルトの長さが１５０から８００ｍｍであり、ねじはＤＩＮ規格でＭ５６からＭ１８０の間であると有利である。

図４には、ボルト６の他の実施形態が示されている。図４に示されたボルト６と図３に示されたボルト６の相違は、ボルトの下方端部１０の底部１１がコップ状のスリーブ２２により形成されていることである。これにより中空空間８は、ボルト６の上方端部９から下方端部１０までの貫通した孔部として構成される。コップ状の底部１１を備えるスリーブ２２は、ボルトの下方端部１０に溶接されるか、リベット留めされるか、またははんだ付けされる。別の接続手段も考えられる。ボルトの機能および他の構成部材は図３のものと同じである。したがって説明については、図３の個所を参照されたい。

図５には、ボルト６の別の実施形態が示されている。このボルト６は、密閉されたヒートパイプ２３が孔部２４に配置されるように構成されている。この孔部２４は、ヒートパイプ２３の直径よりもわずかに大きい直径を有する。ヒートパイプ２３はねじ付きロッド１６よりも長く、上方端部９と下方端部１０を越えて突出している。ヒートパイプ２３は必ずしも下方端部１０を越えて突出する必要はない。ヒートパイプは下方端部１０で、ねじ付きロッド１６と面一に終端することができる。孔部は貫通していなくても良く、下方端部１０までとすることができる。それ以外の点でボルト６の作用は、図３および４で説明したボルト６の作用とほぼ同じである。したがって説明については、図３と４の個所を参照されたい。

蒸気タービン用の蒸気弁の斜視図である。 図１の蒸気弁の平面図である。 ボルト接続の断面図である。 異なる実施形態でのボルト接続の断面図である。 更に異なる実施形態でのボルト接続の断面図である。

符号の説明

１ 蒸気弁
２ 流出領域
３ 流入領域
４ 第１の構成部材
５ 第２の構成部材
６ ボルト
７ 長手方向
８ 中空空間
９ 上方端部
１０ 下方端部
１１ 底部
１２ 媒体
１３ 壁

Claims (14)

1. 下方端部（１０）と上方端部（９）を備え、第１の構成部材（４）を第２の構成部材（５）と接続するためのボルト（６）であって、
   前記ボルト（６）は、その長さ方向（７）に沿って中空空間（８）を有し、
   前記中空空間（８）は前記下方端部（１０）に、コップ状の中空空間（８）を形成するための底部（１１）を有し、前記中空空間（８）は媒体（１２）が充填されるように構成されているボルト。
2. 請求項１記載のボルト（６）であって、
   前記中空空間（８）は孔部として構成されているボルト。
3. 請求項２記載のボルト（６）であって、
   前記中空空間（８）の壁（１３）の一部は、前記上方端部（９）を越えて突出しているボルト。
4. 請求項３記載のボルト（６）であって、
   前記上方端部（９）を越えて突出する壁（１３）は、該ボルト（６）内に存在する壁（１４）の部分と少なくとも同じ長さであるボルト。
5. 請求項１、２、３または４記載のボルト（６）であって、
   前記中空空間（８）は閉鎖されているボルト。
6. 下方端部（１０）と上方端部（９）を備え、第１の構成部材（４）を第２の構成部材（５）と接続するためのボルト（６）であって、
   前記ボルト（６はが孔部（２４）を有する形式のボルトとし、
   前記孔部（２４）にはヒートパイプ（２３）が配置されており、該ヒートパイプ（２３）は媒体（１２）が充填されるように構成されているボルト。
7. 請求項６記載のボルト（６）であって、
   前記孔部（２４）は毛細管（２６）を有するボルト。
8. 請求項６記載のボルト（６）であって、
   前記孔部（２４）は、上方端部（９）から下方端部（１０）まで貫通して形成されており、前記ヒートパイプ（２３）は前記下方端部（１０）を越えて突出しているボルト。
9. 請求項６、７または８記載のボルト（６）であって、
   前記ヒートパイプ（２３）は、前記上方端部（９）を越えて突出しているボルト。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のボルト（６）であって、
    ねじ付きロッド（１６）とナット（１７）を有するボルト。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のボルト（６）であって、
    媒体（１２）として液体ナトリウムまたは液体カリウムを備えるボルト。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のボルト（６）であって、
    材料Ｘ１９ＣｒＭｏＶＮ１１−１、または２１ＣｒＭｏＶ５−７、またはナイモニック（米国INCO社の登録商標）から作製されたボルト。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のボルト（６）であって、
    １５０から８００ｍｍの長さを有するボルト。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載のボルト（６）であって、
    ＤＩＮ規格でＭ５６からＭ１８０の間のねじを備えるボルト。

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