JPH11248066A - セラミックフランジと金属製フランジの締結構造 - Google Patents
セラミックフランジと金属製フランジの締結構造Info
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- JPH11248066A JPH11248066A JP10049376A JP4937698A JPH11248066A JP H11248066 A JPH11248066 A JP H11248066A JP 10049376 A JP10049376 A JP 10049376A JP 4937698 A JP4937698 A JP 4937698A JP H11248066 A JPH11248066 A JP H11248066A
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Abstract
低減を図る。 【解決手段】 セラミックフランジ1と金属製フランジ
2とを金属製弾性シール3を挟んで対峙して配置し、該
両フランジを挟むように断面コ字状の1対の金属製の締
付枠4を被せ、締付枠4に螺合した締結ボルト5により
金属製フランジ2をセラミックフランジ1に押付けるよ
うにしたセラミックフランジ1と金属製フランジ2の締
結構造であって、常温から使用温度までの温度上昇によ
るセラミックフランジ1の厚さ、セラミックスペーサ8
の厚さ、金属製フランジ2の厚さおよび締結ボルト5の
締付枠4内面からの突出部分の長さの各熱膨張量の和
を、締付枠4内法の熱膨張量から引いた差が、金属性弾
性シール3の高温使用温度における復元可能な弾性変形
量以内であり、上記セラミックスペーサ8は、周方向に
適宜の大きさに分割されており、厚さはセラミックフラ
ンジ1より十分薄く、無理な力がかかったとき必ずセラ
ミックスペーサから先に破損するようになっているもの
である。
Description
の空気予熱用のセラミックス熱交換器等に使用されるセ
ラミックフランジと金属製フランジの締結構造に関す
る。
た複合サイクルの熱効率は、タービン入口温度を高める
ことにより著しく向上させることができるため、耐熱材
料の開発によりタービンの入口温度の高温化が計られて
きた。近年タービン翼にセラミックスを用いたセラミッ
クガスタービンの研究が活発に行われており、セラミッ
クガスタービンでは1400〜1500℃の入口温度が
計画されている。このようなセラミックガスタービンを
用いた300kW級コージェネレーション装置では、コ
ンプレッサを出て燃焼器に入る空気をガスータービンの
排気と熱交換して予熱するため、セラミック熱交換器が
計画されている。すなわち、このような高温ガスタービ
ンではタービン排気の温度は、700〜850℃にも及
び、金属製の熱交換器ではもたないので、窒化けい素な
どのセラミック伝熱管を用いたセラミック熱交換器を使
用しなければならない。
セラミックスを使用するので管板となるフランジもセラ
ミックスとなる。一方空気ヘッダは、金属製なのでその
フランジも金属製であり、セラミックフランジと、金属
製フランジを締結する必要がある。
ランジとを、通常のフランジ結合のように、温度変化に
よる熱膨張量の検討なしに2つのフランジ間にシール材
を挟み、フランジ外周近くにあけたボルト孔にボルトを
挿入してナットで締め付けるやり方で締結すると、常温
ではシールできても、700℃程度の高温になると、セ
ラミックフランジの厚さ方向の熱膨張量が小さいので、
2つのフランジ厚さ方向の熱膨張量の和が、ボルトの熱
膨張量よりも小さくなり、シール面圧が低下してリーク
が発生する。リークを防ぐため常温での締付量を増やし
てシール面圧を高めても、シールの弾性限界を越えてし
まうので、高温時に復元せず、やはりリークが発生す
る。また、セラミックフランジに孔明けやネジ加工等を
施すと、破壊起点となり構造強度上信頼性が低下する。
先にセラミックフランジと金属製フランジの締結構造に
関して特許出願を行った(特願平8−3315号、平成
8年1月11日出願)。図3ないし図6は、上記出願に
開示された図面である。
て、窒化けい素などセラミック板(フランジ)とそれに
固着されたセラミック伝熱管とにより構成されたセラミ
ックブロックと、金属製フランジを有する空気ヘッダと
の締結構造の断面図である。なお、このセラミック熱交
換器では伝熱管内を空気が、伝熱管外を排気ガスが流れ
るようになっている。
り、セラミック伝熱管7が固着されて管板を形成してい
る。2は金属製フランジであり、金属製の空気ヘッダの
一部をなしている。3は金属製弾性シールであり、後に
詳細に説明する。4は金属製の締付枠であり、図のよう
に断面はコ字状である。締付枠4は、図4に示すように
四角の環状の枠体を4b、4cの2つ割りにしたもの
で、一方の側面4dにタップ孔4aが複数個あけられて
いる。5は締結ボルトであってタップ孔4aと螺合して
いる。6は緩衝材であり、シリカ、アルミナが主成分の
セラミックファイバに無機充填材を加えて、有機バイン
ダで固めたものである。
示すようにインコネル等の耐熱合金製で4角の環状に形
成したコイルスプリング3aに、断面がC字状で4角の
環状に形成したステンレス製の内被3bを被せ、その外
側に断面がC字状で4角の環状に形成したインコネル等
の外被3cを被せたものであり、C字の開口部が外側を
向いていて、C字を上下に押しつぶすようにして使用す
る。
まで昇温すると、セラミックフランジ1の長さLc 、金
属製フランジ2の厚さLh および締結ボルト5の締付枠
内面4dからの突出部分の長さLb はそれぞれ熱膨張す
るが、それらの熱膨張量の和を、締付枠4の内法Lfの
熱膨張量から引いた差が金属製弾性シールの復元可能な
弾性変形量以内になるように金属製フランジ2、締付ボ
ルト5および締付枠4の材質および寸法を選定してあ
り、シール面圧は所望の値に保たれ、リークのおそれが
ない。なお、緩衝材6厚さLk および金属製弾性シール
3の厚さLs の熱膨張量は小さいので無視してもよい。
また、金属製弾性シールの復元可能な弾性変形量は、略
4%程度と考えられる。
ラミックフランジと、金属製フランジの締結構造におい
て、昇温時などに部分的な温度分布の発生や定格運転温
度以上に使用温度がなるようなアクシデントの際、セラ
ミックフランジに無理な力がかかってフランジが破損す
るとセラミック管群も含んだセラミックブロック全体を
交換しなければならなくなり、大きな損失となる。ま
た、緩衝材6は先に述べた((0007)参照)材質の
ものは、適当なものがなかなか見当らない。
なされた改良発明に関するもので、アクシデントなど
で、セラミックフランジに無理な力がかかるような場合
においても、セラミックフランジと締付枠内面との間に
挟んだセラミックスペーサから先に破損するようにして
セラミックフランジを保護し、かつ、セラミックスペー
サが破損した場合でも締結部からのガスの漏洩なしに運
転可能なセラミックフランジと金属製フランジの締結構
造を提供することを目的とする。
め、本発明のセラミックフランジと金属製フランジの締
結構造は、セラミックフランジと金属製フランジとを金
属製弾性シールを挟んで対峙して配置し、該両フランジ
を挟むように断面コ字状の1対の金属製の締付枠を被
せ、締付枠に螺合した締結ボルトにより金属製フランジ
をセラミックフランジに押付けるようにしたセラミック
フランジと金属製フランジの締結構造であって、常温か
ら使用温度までの温度上昇によるセラミックフランジの
厚さ、締付枠内面とセラミックフランジとの間に挟んだ
セラミックスペーサの厚さ、金属製フランジの厚さおよ
び締結ボルトの締付枠内面からの突出部分の長さの各熱
膨張量の和を、締付枠内法の熱膨張量から引いた差が、
金属性弾性シールの高温使用温度における復元可能な弾
性変形量以内であり、上記セラミックスペーサは、周方
向に適宜の大きさに分割されており、厚さはセラミック
フランジより十分薄く、無理な力がかかったとき必ずセ
ラミックスペーサから先に破損するようになっている。
部分に必要な厚さは、セラミックフランジの厚さを不変
とし、セラミックスペーサの厚さまたは、枚数で調節す
るようにするのが好ましい。
枠内面とセラミックフランジとの間に挟んだスペーサ
は、材質をセラミックにするとともに、厚さをセラミッ
クフランジより十分薄くし、かつ、周方向に適宜の大き
さに分割したので、部分的な温度分布の発生や定格運転
温度を越える使用温度になるようなアクシデントの際、
セラミックフランジに無理な力がかかっても、セラミッ
クスペーサから先に破損して、セラミックフランジを保
護するので、フランジが破損するおそれがない。また、
セラミックスペーサは破損しても厚さは変わらないの
で、金属性弾性シールの部分からガスが漏洩することは
なくそのまま使用可能である。
て、図面を参照しつつ説明する。図1は本発明のセラミ
ックフランジと金属製フランジの締結構造の断面図であ
り、図2は図1のB−B矢視図であり、セラミックスペ
ーサの平面図である。本発明は、図3ないし図6に示す
先行発明の改良発明であり、これらの図において、図3
ないし図6で説明したものと同様の部分については、同
じ符号を付しており重複した説明は省略する。図に示す
ようにセラミックフランジ1と、金属製フランジ2とを
金属製弾性シール3を挟んで対峙して配置し、該両フラ
ンジ1,2を挟むように断面コ字状の1対の金属製締付
枠4を被せ、締付枠4に螺合した締結ボルト5により、
金属製フランジ2をセラミックフランジ1に押付けるよ
うにしている。なお、金属製弾性シール3dは、断面形
状が図7に示すようにコイルスプリング3aに断面形状
がC字状のインコネル等の外被3c被せたものである。
セラミックフランジ2と締付枠4内面との間には、セラ
ミックスペーサ8が挟まれている。
8の材質は窒化けい素、金属製フランジ2と締結ボルト
の材質はインコロイ800H、締付枠の材質はインコロ
イ800Hなどとする。
での温度上昇によるセラミックフランジ1の厚さ、セラ
ミックスペーサ8の厚さ、金属製フランジ2の厚さおよ
び締結ボルト5の締付枠4の内面4dからの突出部分の
長さの各熱膨張量の和を、締付枠4の内法の膨張量から
引いた差が、金属製弾性シールの高温使用温度における
復元可能な弾性変形量(4%程度)となるように、それ
ぞれの材質および寸法を選定する。
に、4隅に使用するもの8aと、4辺に使用するもの8
bの合計8個に分割されており、厚さはセラミックフラ
ンジ1の厚さより十分薄い。例えば、セラミックフラン
ジ1が250mm□で、厚さが12.7mmであると
き、セラミックスペーサ8の厚さは2〜3mmであるこ
とが好ましい。上記熱膨張量の計算によって、セラミッ
ク部分の厚さ(すなわち、セラミックフランジ1の厚さ
とセラミックスペーサ8の厚さの和)が算出されたとき
には、セラミックフランジ1の厚さは一定にしておい
て、セラミックスペーサ8の厚さや重ね合せ枚数により
調整するようにする。
うにセラミックフランジ1と、締付枠4の内面との間に
セラミックスペーサ8を挟み、セラミックスペーサ8
は、厚さをセラミックフランジ1の厚さより十分薄く
し、かつ、周方向に、4隅と4辺の8個に分割したの
で、保温の欠陥などのため部分的な高温個所や低温個所
が生じたり、定格運転温度を越える使用温度になったり
するアクシデントの際、セラミックフランジ1に無理な
力がかかっても、セラミックスペーサ8が先に割れて、
セラミックフランジ1を保護する。したがって、セラミ
ックフランジ1が破損して、セラミックブロック全体を
取り替えなければならないような事故を防止するととも
に、セラミックスペーサ8は、破損しても厚さが変わる
わけではないので、金属製弾性シール3の締付代は変化
せず、プラントはそのまま運転できる。破損したセラミ
ックスペーサ8はプラントの定期点検時に交換すればよ
い。
るものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
変更が可能である。
クフランジと金属製フランジの締結構造は、セラミック
フランジと金属製フランジとを金属製弾性シールを挟ん
で対峙させ、それを金属製締付枠で挟み、締付ボルトで
押付けてシールを行う構造となっており、締付枠の熱膨
張量と各フランジおよびボルトの熱膨張量の差を所定値
以内におさえるとともに、セラミックフランジと締付枠
内面との間にセラミックスペーサを挟み、無理な力がか
かったとき、セラミックスペーサが先に破損して、セラ
ミックフランジを保護するようにしたので、高価なセラ
ミックブロックの破損により交換しなければならない事
態を避けることができるなどの優れた効果がある。
の締結構造の断面図である。
ジの締結構造の断面図である。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】 セラミックフランジと金属製フランジと
を金属製弾性シールを挟んで対峙して配置し、該両フラ
ンジを挟むように断面コ字状の1対の金属製の締付枠を
被せ、締付枠に螺合した締結ボルトにより金属製フラン
ジをセラミックフランジに押付けるようにしたセラミッ
クフランジと金属製フランジの締結構造であって、常温
から使用温度までの温度上昇によるセラミックフランジ
の厚さ、締付枠内面とセラミックフランジとの間に挟ん
だセラミックスペーサの厚さ、金属製フランジの厚さお
よび締結ボルトの締付枠内面からの突出部分の長さの各
熱膨張量の和を、締付枠内法の熱膨張量から引いた差
が、金属性弾性シールの高温使用温度における復元可能
な弾性変形量以内であり、上記セラミックスペーサは、
周方向に適宜の大きさに分割されており、厚さはセラミ
ックフランジより十分薄く、無理な力がかかったとき必
ずセラミックスペーサから先に破損するようになってい
ることを特徴とするセラミックフランジと金属製フラン
ジの締結構造。 - 【請求項2】 上記熱膨張量の計算において、セラミッ
ク部分に必要な厚さは、セラミックフランジの厚さを不
変とし、セラミックスペーサの厚さまたは枚数により調
節するようにした請求項1記載のセラミックフランジと
金属製フランジの締結構造。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04937698A JP3844100B2 (ja) | 1998-03-02 | 1998-03-02 | セラミックフランジと金属製フランジの締結構造 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04937698A JP3844100B2 (ja) | 1998-03-02 | 1998-03-02 | セラミックフランジと金属製フランジの締結構造 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH11248066A true JPH11248066A (ja) | 1999-09-14 |
JP3844100B2 JP3844100B2 (ja) | 2006-11-08 |
Family
ID=12829318
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP04937698A Expired - Fee Related JP3844100B2 (ja) | 1998-03-02 | 1998-03-02 | セラミックフランジと金属製フランジの締結構造 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3844100B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017002923A1 (ja) * | 2015-06-30 | 2017-01-05 | 株式会社荏原製作所 | 流体機械 |
JP2017040186A (ja) * | 2015-08-19 | 2017-02-23 | 株式会社荏原製作所 | 流体機械 |
-
1998
- 1998-03-02 JP JP04937698A patent/JP3844100B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2017002923A1 (ja) * | 2015-06-30 | 2017-01-05 | 株式会社荏原製作所 | 流体機械 |
JP2017014984A (ja) * | 2015-06-30 | 2017-01-19 | 株式会社荏原製作所 | 流体機械 |
JP2017040186A (ja) * | 2015-08-19 | 2017-02-23 | 株式会社荏原製作所 | 流体機械 |
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