JP6838500B2 - 二重断熱壁構造体 - Google Patents

Description

本発明は二重断熱壁構造体に関する。

両端が開口した外管と内管とが両端部において接合され、外管と内管との間に形成された密閉空間が減圧されている二重断熱壁構造体が知られている。特許文献１には、外管と内管との間の空隙を真空断熱層とした真空二重壁容器が開示されている。

特開平０６−１８９８６１号公報

本願の発明者は、二重断熱壁構造体の加熱時における、外管と内管とを介設するベローズの偏心を防ぐために、密閉空間の鉛直下方側において、外管および内管と接するように設けた支持部材について検討した。支持部材を設けることにより、内管を加熱した際に内管の自重と内管の内容物の荷重とを支持することができるが、非加熱時から内管と支持部材とが接することにより、加熱時において支持部材方向への内管の熱膨張が制限されてしまい、内管が鉛直上方方向へ偏心し、それに伴いベローズが偏心してしまうという問題が生じることが判明した。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、加熱時にベローズが偏心して破損することを抑制することが可能な、二重断熱壁構造体を提供するものである。

本発明にかかる二重断熱壁構造体は、軸方向が鉛直方向と垂直になるように配置された外管および内管と、外管と内管との両端部を接合するベローズと、密閉空間における鉛直下方側に配設された外管と接する支持部材と、非加熱状態において、内管に対して軸方向に張力がかかるように伸張した状態で配設されるベローズと、径方向に所定の間隔を空けて対向している支持部材と内管と、を備える。

この二重断熱壁構造体は、非加熱状態において、支持部材の上面（ｚ軸正側の面）と内管の下面（ｚ軸負側の面）との間に所定の距離を有している。よって、外管の中心軸と内管の中心軸とがずれることなく、内管は管の径方向に均等に拡径することができる。内管は径方向に均等に拡径しているため、ベローズに対しても均等に外力がかかり、ベローズの偏心を抑制することができる。これにより、加熱時にベローズが偏心して破損することを抑制することができる。

本発明により、加熱時にベローズが偏心して破損することを抑制することが可能な、二重断熱壁構造体を提供することができる。

本実施の形態にかかる二重断熱壁構造体の構成を模式的に示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 本実施の形態にかかる二重断熱壁構造体の外管と内管とをベローズを介して接合する流れを模式的に示す断面図である。 本実施の形態にかかる二重断熱壁構造体の加熱時の状態について模式的に示す断面図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う二重断熱壁構造体の断面図である。 比較例にかかる二重断熱壁構造体の非加熱時および加熱時の状態について模式的に示す断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするために、図面は適宜、簡略化されている。
なお、当然のことながら、図１〜７に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。なお、図１〜図７に示した一点鎖線は、中心線を示す。

図１は、本実施の形態にかかる二重断熱壁構造体の構成を模式的に示す断面図（ｙ軸正側の面）であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図（ｘ軸正側の面）である。図１および図２に示す二重断熱壁構造体１は、非加熱状態である。なお、二重断熱壁構造体１は、加熱炉として使用することができる。図１及び図２に示すように、二重断熱壁構造体１は、外管１１と、内管１２と、支持部材１３と、ベローズＢとを備える。

図１及び図２に示すように、外管１１及び内管１２は両端の一部または全体が開口した円筒状部材である。ベローズＢは可撓性を有する伸縮管であり、伸縮変位する。支持部材１３は、上面と下面とがＵ字状の形状を有する断熱性素材である。具体的には、支持部材１３の下面が外管１１の底面の形状に対応する形状であり、支持部材１３の上面が内管１２の底面の形状に対応する形状である。

本実施の形態において、外管１１、内管１２及びベローズＢは金属から構成される。外管１１、内管１２およびベローズＢを構成する金属は、例えば、ステンレス鋼、鉄鋼、チタンなどが含まれる。支持部材１３は、断熱性素材である。断熱性素材は、外管１１及び内管１２よりも熱伝導率が低い素材であり、例えば、耐火レンガなどが含まれる。

図１に示すように、ベローズＢは外管１１と内管１２とを接合する。図１では、ベローズＢの張力により内管１２が支持されている状態である。外管１１および内管１２とベローズＢとの接合には、例えば、溶接を用いることができる。

図１及び図２に示すように、外管１１と内管１２とベローズＢとの間には、密閉された空間１４が形成されている。空間１４は減圧された真空空間である。すなわち、外管１１と内管１２との間は、真空空間によって断熱されている。外管１１の外側は外気である。内管１２の内側は、二重断熱壁構造体１の加熱に際し内容物を収容するための収容空間１５である。

図１及び図２に示すように、密閉された空間１４における鉛直下方側に、外管１１と接する支持部材１３を配設する。支持部材１３の配設に際し、支持部材１３の上面（ｚ軸正側の面）と内管１２の下面（ｚ軸負側の面）との間に所定の距離ｈを設ける。所定の距離ｈを設けることにより、二重断熱壁構造体１を加熱し、内管１２の熱膨張が生じた際に、ベローズＢの偏心を抑制することができる。ベローズＢの偏心を抑制するメカニズムの詳細については、後述する。

次に、二重断熱壁構造体１における外管１１と内管１２とをベローズＢを介して接合する流れについて、以下に説明する。
図３は、本実施の形態にかかる二重断熱壁構造体の外管と内管とをベローズを介して接合する流れを模式的に示す断面図である。図３（ａ）は、外管１１と内管１２とをベローズＢを介して接合させる前の状態を示す。図３（ｂ）は、外管１１と内管１２とをベローズＢを介して接合させた後の状態を示す。なお、図３に示す二重断熱壁構造体１は、非加熱状態を模式的に示す断面図である。

図３（ａ）に示すように、外管１１と内管１２との右端を接合させる前は、ベローズＢは自然長Ｌｃ１の状態である。図３（ａ）は、梁Ｓを用いて、内管１２に対しＦ１方向（上向き白抜き矢印、ｚ軸正向き）の力を加えることによって支えつつ、外管１１の左端と内管１２の左端とをベローズＢを介して接合している。

次に、図３（ａ）に示すように、外管１１の右端と内管１２の右端とをベローズＢを介して接合する。まず、梁Ｓによって内管１２を支える。具体的には、梁Ｓを用いて内管１２をＦ１方向に持ち上げることにより、内管１２を支える。梁Ｓにより内管１２が支えられた状態を保持しつつ、ベローズＢを軸方向変位（Ｆ２方向、ｘ軸正向き）させる。ベローズＢを軸方向変位させることにより、ベローズＢに対して張力を加える。

このように、ベローズＢに張力を加えつつ、外管１１の右端と内管１２の右端とをベローズＢを介して接合する。ここで、ベローズＢに対して張力を加えない場合は、ベローズＢは撓む。つまり、ベローズＢに対して張力を加えない場合は、内管１２の外管１１の下面側への偏心が生じてしまう。本実施の形態では、ベローズＢに対して張力を加えることにより、内管１２の偏心を抑制することができる。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の工程を経て接合された二重断熱壁構造体１を示す。ベローズＢは張力が加えられた状態であるため、ベローズＢの状態は自然長Ｌｃ１よりも伸張した状態Ｌｃ２である（Ｌｃ１＜Ｌｃ２）。図３（ｂ）に示すように、内管１２はベローズＢの張力により軸方向に張力がかかった状態になるため、支持部材１３の上面（ｚ軸正側の面）と内管１２の下面（ｚ軸負側の面）との間に所定の距離ｈを有した状態となる。

図３（ｂ）に示すように、ベローズＢを介して接合された外管１１と内管１２との間には、密閉された空間１４が形成される。空間１４は真空ポンプで減圧され真空空間となる。これにより外管１１と内管１２との間は、真空断熱される。

ここで、本発明が解決しようとする課題について詳しく説明する。本願の発明者は、二重断熱壁構造体の加熱時における、外管と内管とを介設するベローズの偏心を防ぐために、外管の内部底面に内管と接するように設けられた支持部材の配置について検討した。
図６は、比較例にかかる二重断熱壁構造体の非加熱時および加熱時の状態について模式的に示す断面図であり、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。図６（ａ）及び図７（ａ）は非加熱状態の構成を示し、図６（ｂ）及び図７（ｂ）は加熱状態において内管１０２に熱膨張が生じた状態を示す。

図６（ａ）及び図７（ａ）に示すように、非加熱時において、内管１０２と支持部材１０３とが接するように支持部材１０３を設けた。支持部材１０３は、内管１０２の自重と内管１０２の内容物の荷重とを支持することができる。しかし、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、内管１０２と支持部材１０３とが非加熱時から接することにより、加熱時における支持部材１０３方向への内管１０２の熱膨張が制限されてしまい、内管１０２が上部方向（Ｆ４方向）へ偏心し、ベローズＢが偏心してしまうという問題が生じることが判明した。ベローズＢの偏心とは、非加熱時の中心軸と加熱時の中心軸とがずれ、一致しないことをいう。

次に、本実施の形態にかかる二重断熱壁構造体１において、ベローズＢの偏心を抑制するメカニズムについて説明する。
図４は、本実施の形態にかかる二重断熱壁構造体の加熱時の状態について模式的に示す断面図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿う二重断熱壁構造体の断面図である。図４及び図５では、非加熱状態における内管の位置を二点鎖線によって示す。

図１及び図２に示された二重断熱壁構造体１を加熱すると、図４及び図５に示すように内管１２が熱膨張する。具体的には、内管１２が加熱されることにより、内管１２は径方向および軸方向（Ｆ３方向）へ熱膨張する。これにより、外管１１と内管１２との間隔が狭まるが、非加熱状態において、支持部材１３の上面（ｚ軸正側の面）と内管１２の下面（ｚ軸負側の面）との間に所定の距離ｈを有していたことにより、内管１２は径方向に自由に熱膨張することができる。換言すると、外管１１の中心軸と内管１２の中心軸とがずれることなく、内管１２は管の径方向に均等に拡径することができる。なお、支持部材１３は、熱膨張により内管１２が拡径したときに、内管１２の自重と内管１２の内容物の荷重とを支持することができる。

このような内管１２の熱膨張に伴い、内管１２と接合されているベローズＢに軸方向変位および径方向変位が生じる（Ｌｃ３＜Ｌｃ２）。前述の通り、外管１１の中心軸と内管１２の中心軸とがずれることなく、内管１２は径方向に均等に拡径しているため、ベローズＢに対しても、均等に外力がかかる。すなわち、ベローズＢの偏心を抑制することができ、偏心に起因するベローズＢの破壊が生じにくい。

以上より、本実施の形態では、軸方向が鉛直方向と垂直になるように配置された外管１１および内管１２と、外管１１と内管１２との両端部を接合するベローズＢと、密閉空間１４における鉛直下方側に配設された外管１１と接する支持部材１３と、非加熱状態において、内管１２に対して軸方向に張力がかかるように伸張した状態で配設されるベローズＢと、径方向に所定の間隔を空けて対向している支持部材１３および内管１２と、を備える。このような構成により、加熱時にベローズＢが偏心して破損することを抑制することが可能な、二重断熱壁構造体を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１、１００ 二重断熱壁構造体
１１、１０１ 外管
１２、１０２ 内管
１３、１０３ 支持部材
１４ 密閉空間
１５ 収容空間
Ｂ ベローズ
Ｓ 梁

Claims (1)

1. 外管と内管との間の密閉空間が減圧された二重断熱壁構造体であって、
   前記外管および前記内管は、軸方向が鉛直方向と垂直になるように配置され、
   前記外管と前記内管とは両端部においてベローズを介して接合され、
   前記密閉空間における鉛直下方側には前記外管と接する支持部材が配設され、
   非加熱状態において、前記内管に対して軸方向に張力がかかるように前記ベローズは伸張した状態で配設され、前記支持部材と前記内管とは径方向に所定の間隔を空けて対向している、
   二重断熱壁構造体。

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