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

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミック熱交換器のメンテナンスコストの
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

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温ガスタービン
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。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンおよびガスタービンを用い
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。

【０００３】かかるセラミック熱交換器では、伝熱管に
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。

【０００４】このようにセラミックフランジと金属製フ
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。

【０００５】かかる問題を解決するため本願出願人は、
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。

【０００６】図３はセラミック熱交換器の一部分であっ
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。

【０００７】図において、１はセラミックフランジであ
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。

【０００８】金属製弾性シール３は、図５および図６に
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。

【０００９】常温から使用温度である７００〜８５０℃
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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来のセ
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。

【００１１】本発明は、上記先行発明の問題点に鑑みて
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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
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。

【００１３】上記熱膨張量の計算いおいて、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、枚数で調節す
るようにするのが好ましい。

【００１４】次に本発明の作用について説明する。締付
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。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明の１実施形態につい
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。

【００１６】セラミックフランジとセラミックスペーサ
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。

【００１７】常温から使用温度（７００〜８５０℃）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。

【００１８】セラミックスペーサ８は、図２に示すよう
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。

【００１９】次に本実施形態の作用を説明する。このよ
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。

【００２０】本発明は、以上述べた実施形態に限定され
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。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】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る。

【図２】セラミックスペーサの平面図である。

【図３】先行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る。

【図４】締付枠の正面図である。

【図５】金属製弾性シールの平面図である。

【図６】図５のＡ−Ａ矢視断面図である。

【図７】図６と同様の金属製弾性シール３ｄの断面図で
ある。

【符号の説明】

１ セラミックフランジ ２ 金属製フランジ ３ｄ 金属製弾性シール ４ 締付枠 ５ 締結ボルト ８ セラミックスペーサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。