JPH0160717B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、セラミツクス管と金属管とのフラン
ジ継手構造に関するものである。

管のフランジ継手には各種のものが実用に供さ
れている。最も一般的なフランジ継手構造は第１
図に示すような構造のものである。第１図におい
て１，２はフランジ、３はガスケツト、４は締付
ボルトである。この形式では流体圧が作用すると
フランジ１，２とガスケツト３は内径側において
離れる傾向が発生し、ボルト４周辺部しか密着し
ていなくなる。この方式で所要面圧を確保する為
には大きなボルト締付力を必要とし、フランジの
寸法が大きくなり、管内外に大きな温度差がある
場合、熱応力発生のもととなる。高い面圧を得る
為に第２図に示す方式のフランジ継手も実用に供
されている。この方式においてはボルト４の締付
力Ｐを増大するとフランジ締付面よりの反力Ｎが
大となり、ハブ曲げモーメントが増大し、ハブ厚
さｔを大とする必要がある。ハブ厚さｔを大きく
すると、フランジ内壁よりボルト４までの距離が
大きくなるので、フランジの曲げモーメントが増
大する。このため、フランジの厚さを大にする必
要が生ずる。このような理由から、このような方
式の流体圧が大きい高圧フランジでは、フランジ
の径及び厚さを大きくしなければならなく、熱応
力発生のもととなる。

その他各種のフランジ継手が提案され、また実
用に供されているが、セラミツクス管とのフラン
ジ継手に使用するには、セラミツクスが圧縮強度
が大である曲げ強度が著るしく小さいこと、及び
金属に較べて熱膨張係数が小さいこと等により、
セラミツクスフランジの厚さを大としなければな
らない、熱応力が大である、金属との熱膨張係数
が著しく異なることよりフランジ締付の緩みや締
過ぎが起る、セラミツクス管又はフランジが破損
する等の問題が起り、充分な効果をあげることが
できない。

本発明のフランジ継手は、最近新しく開発され
た構造材料であるエンジニアリングセラミツクス
を使いこなして有効利用する努力の途上必要な技
術の一つとして発明されたものである。従来の構
造材料の代表である金属材料にたいし、エンジニ
アリングセラミツクスは高温での強度が大きい、
耐摩耗性や耐腐食性に優れ軽量である、熱伝導率
は小さいものから大きいものまで種々あるなどの
魅力的な特性があるにもかかわらず、脆性材料で
あり、圧縮強度が大きいのに対し引つ張り強度が
小さく、応力の集中傾向がある、熔接ができない
など金属材料と同じ設計では使いこなせないとい
う問題点がある。また、エンジニアリングセラミ
ツクスは加工が困難なこともあつて金属材料と比
べて高価であり、大部分は従来の金属材料を利用
し、セラミツクスはその利点を発揮出来る箇所に
だけ用いる方策が検討されている。即ち、本発明
のフランジ継手はこれ等の問題点を克服するとと
もに、金属材料とセラミツクスの夫々の長所を生
かして利用するのに必要な、セラミツクスと金属
の管を接続するための、高温雰囲気下でも使用で
きるフランジ継手を提供しようとするものであ
る。

本発明の目的は、セラミツクス管と金属管との
フランジ継手において、セラミツクスフランジに
曲げ応力が殆んど発生せず、従つてフランジの寸
法を過大とする必要がなく、且つ破損の虞れも少
なく、更に金属との熱膨張差を吸収することがで
きるフランジ継手を提供するにある。

本発明によるフランジ継手は、セラミツクス管
と金属管とのフランジ継手において、セラミツク
ス管と一体のフランジに、管の外径をテーパを付
して拡径して形成した肩部と、端面内径側に管内
壁に向け内径をテーパを付して縮径して形成した
接合面を設け、金属管と一体のフランジに、前記
接合面に係合するテーパを付した接合面と、両フ
ランジの接合面を係合した場合に、前記肩部を一
定の間隔で取囲む円筒形又は円錐形の内壁のくさ
び案内面を有する立上り環状突出部を設け、前記
の両フランジの接合面を直接又はパツキンを挾ん
で当接し、前記肩部と案内面の間に、複数個に分
割された環状くさびを挿入し、該くさび及び立上
り環状突出部の底武に設けられた孔にボルトを挿
入して締付け、セラミツクスフランジをその肩部
で金属フランジに向けて押圧し、前記両接合面を
密着せしめてなることを特徴とするフランジ継手
である。

本発明によるフランジ継手の好ましい態様にお
いては、該接合面のテーパが前記肩部のテーパよ
り大であり、さらに好ましくは、該接合面および
肩部の管に直交する面とのなす角がそれぞれ5゜〜
60゜、50゜〜80゜の範囲にある。さらに、本発明によ
るフランジ継手の他の好ましい態様においては、
前記のくさびの孔又は立上り環状突出部の外側に
デイスタンスピースを配置し、くさびの孔、立上
り環状突起の孔及びデイスタンスピースを貫通す
る長ボルトでくさびを締付けてある。

［作用］ 本発明のフランジ継手では、テーパを付したフ
ランジの接合面に対し、セラミツクスフランジ側
に設けたテーパ付きの肩部を介して、接合面にほ
ぼ垂直な押し付け力を与える構成となつているこ
とにより、接合面に生じる反力を打ち消してセラ
ミツクス管とそのフランジ部に生ずる曲げ応力を
殆ど生じないようにする、あるいは最小限に抑え
ることが可能となつている。

また本発明のフランジ継手の構成では、セラミ
ツクス側のフランジを小さくすることが出来、セ
ラミツクス管が安価に製作できると同時にセラミ
ツクス中に生じる温度差による熱応力を低減する
ほか、金属とセラミツクスの間の熱膨張差による
応力が生じても大きなテーパが設けられている接
合面上での滑りによる解除出来るようになつてい
る。

本発明のフランジ継手の構成では、従つて曲げ
や引つ張り応力に比較的弱く、圧縮応力に強い脆
性材料であるセラミツクスに対し、圧縮応力はあ
る程度かけても、曲げ応力や引つ張り応力は極力
小さくするようになつている。

ここにおいて、くさびの利用はボルトによる引
つ張り力をテーパ付きの肩部に対する横方向の押
し付け圧力に転換するためのものであり、立ち上
がり環状突起はこのくさびに内径方向の力を発生
させるための案内面を提供するためのものであ
る。

またくさびを複数個に分割することにより、案
内面にテーパを付けた場合にもくさびの移動が許
容され、大きな管径の管の接続にも利用出来るフ
ランジの継手の構成が容易になる。

管の軸に直交する面に対し接合面の角度を5゜〜
60゜とし、肩部の角度を50゜〜80゜とすることによ
り、肩部におけるくさびの押し圧力と、くさびと
の摩擦力との合力を接合面にほぼ垂直な方向の力
とすることができ、接合面に生ずる反力と相殺す
ることが可能となつて本発明の目的が達成され
る。

また、デイスタンスピースを配置して長ボルト
でくさびを押し付けることにより、ボルトとデイ
スタンスピースの弾性歪を増すことができ温度変
化が生じた時の締め付けの緩みを小さく出来る。

さらに、例えば温度上昇により金属側にセラミ
ツクス側より大きい熱膨張を生じても、ボルトの
たわみにより若干のずれは吸収出来、更にはボル
トの材質に対してデイスタンスピースの材質を熱
膨張率の異なるものとすることにより、締め付け
力の緩みを防止することも可能となる。

以下、本発明によるフランジ継手を実施例の図
面の第３図及び第４図に基づいて説明する。セラ
ミツクス管１０のフランジ１１はセラミツクス管
１０と、金属管２０のフランジ２１は金属管２０
と、それぞれ同一材料で一体に形成されている。

セラミツクスフランジ１１にはテーパを付して
管１０の外径を拡径して形成した肩部１２が設け
られている。また、フランジ１１には、その端面
の内径側に管内壁に向けて内径をテーパを付して
縮径して形成した接合面１３が設けてある。

金属フランジ２１には、セラミツクスフランジ
１１の接合面に係合するテーパを付した接合面２
３が設けてある。また、フランジ２１には、両フ
ランジ１１，２１を第３図に示すように係合した
場合に、フランジ１１を一定の間隔で取囲む円錐
形の内壁のくさび案内面２２を有する立上り環状
突起部を設けてある。

この継手を形成するには、先ず両フランジ１
１，２１は接合面１３，２３の間にパツキン３３
を挾んで当接し（パツキン３３を挾まず直接でも
よい）、管１０と２０を一直線とする。次に、肩
部１２と案内面２２の間の環状溝に複数個に分割
された環状くさび３０を挿入する。分割された
個々のくさび３０には１個又は複数個（実施例は
１個）の孔が穿設され、また、立上り環状突出部
２４の底部の、挿入したくさび３０の孔に対応す
る位置に孔が穿設されてある。環状突出部２４の
孔の外側に管体のデイスタンスピース３１を配置
し、ボルト３２をくさび３０の孔、環状突出部２
４の孔及びデイスタンスピース３１を貫通し、先
端にワツシヤ及びナツトを嵌めボルト締めする。
ボルト締めにより、セラミツクスフランジ１１は
肩部１２でくさび３０で押圧され、接合面１３が
金属フランジ２１の接合面２３に向けて押圧さ
れ、両接合面１３，２３が密着せしめられて、こ
のフランジ継手が完成される。

金属フランジ２１の立上り環状突出部２４のく
さび案内面２２は第５図の如く円筒形内壁面であ
つてもよい。また、第５図の実施例ではデイスタ
ンスピース３１を使用してない。また、くさび３
０と肩部１２、案内面２２の間にライナーを入れ
て位置調整などを図ることもできる。

次に本発明のフランジ継手の実施例の締付状態
における力の伝達及び応力の発生状況を第６図に
基づいて説明する。くさびを締付けることにより
肩部１２面に直角な外力P_oが作用する。また、
肩部１２面に平行にP_t＝μP_o（μは最大静止摩擦
係数）なる力が発生し、両者の合力Ｐが図示の方
向に発生する。そこで、接合面１３を合力Ｐの方
向に、且つこれに直角になるように設けておく
と、接合面１３が接合面２３と密着せしめられて
発生する反力ＮがＰと相殺されることとなり、フ
ランジ内部には流体圧による極く僅かな曲げモー
メントしか残らないので、フランジ１１の寸法ｂ
を従来に較べて小さくすることができる。

この場合、厳密には合力Ｐの方向直線は、接合
面１３の内径側端部と交叉するようにした方が好
ましい。なぜなら、管内圧によつて第７図に示す
ようにフランジ１１を内側に回転させようとする
モーメントが働くため、該方向直線が接合面１３
のより外径側端部と交叉する場合には、接合面１
３の内径側当りが弱くなり、流体圧が接合面１３
と２３を押拡げるよう作用する可能性が生ずるか
らである。この可能性を減ずる他の方法として接
合面１３，２３のテーパを該方向直線に直交する
円錐形のテーパより若干大きくしてもよい。

セラミツクスフランジ１１の肩部１２の管に直
交する面となす角フランジのコンパクトさの点か
ら、できるだけ大きい方が好ましいが、詳細設計
的な配慮からすると50゜〜80゜が望ましい。また、
合力Ｐの方向は、くさびと肩部１２の最大静止摩
擦係数から、力P_oの方向より概ね20゜〜40゜管軸と
平行方向に傾く。一例として、セラミツクスフラ
ンジ１１の肩部１２の管と直交する面となす角を
60゜、即ち肩部１２のテーパを２／√３とする場
合には接合面１３，２３の管と直交する面となす
角は、くさびと肩部１２の最大静止摩擦係数と、
内圧によるフランジ１１の回転への配慮等により
5゜〜40゜の範囲で選ばれる。

接合面１３，２３の管に直交する面となす角は
一般的には5゜〜60゜の範囲で選ばれるが、肩部１
２の管に直交する面となす角より20゜〜40゜以上小
さくなければならない。

また、このフランジ継手においては、、セラミ
ツクスに較べて金属の熱膨張係数が大きいので、
温態時には締付ボルトのくさび側が多く外方に変
位する。デイスタンスピースを配置して長ボルト
を使用することにより、容易にボルトが曲り、セ
ラミツクスフランジに対し金属フランジを無理な
く熱変位させることができる。また、ボルトを長
くすることにより温態時のボルトの緩みを比較的
簡単に防止できる。たとえ、温態時ボルトの緩み
が生じても容易に増締めが可能である。

［効果］ 本発明のフランジ継手はエンジニアリングセラ
ミツクスを利用しようとするときに生ずる前述の
種々の問題点を考慮したフランジ継手であり、セ
ラミツクスのフランジとセラミツクスの管の内部
に極力引つ張り応力を生じないよう構成し、セラ
ミツクス部材側のフランジ寸法を小さくしてフラ
ンジ部分に生じる熱応力を軽減すると同時に、フ
ランジ部分が小さいので安価に製作が可能であ
り、かつ実質的に接続部分の緩みのない信頼性の
良いフランジ継手を提供する。

本発明のフランジ継手を利用することにより、
セラミツクスの長所を発揮できる必要な部分にだ
けセラミツクスを使い、他の部分は金属材料で構
成する合理的なシステムの製作が可能となつた。

例えば、本発明のフランジ継手は内部に高温あ
るいは低温の圧縮ガスを流す配管の継手として利
用出来、金属部分の温度と雰囲気が過酷にならな
いように構成すれば、セラミツクス製の熱交換チ
ユーブを用いて、従来金属材料では実現不可能で
あつた高温かつ腐食性のガスからの熱回収を可能
とする高性能な熱交換器が構築出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来のフランジ継手の一例
の部分縦断面図、第３図及び第４図は本発明のフ
ランジ継手の実施例の縦断面図及び部分平面図、
第５図は本発明のフランジ継手の他の実施例の部
分縦断面図、第６図は本発明のフランジ継手にお
ける力の伝達状況の説明図、第７図は管内圧によ
るセラミツクスフランジの変形状況の説明図であ
る。 １０……セラミツクス管、１１……セラミツク
スフランジ、１２……肩部、１３……接合面、２
０……金属管、２１……金属フランジ、２２……
くさび案内面、２３……接合面、２４……立上り
環状突出部、３０……くさび、３１……デイスタ
ンスピース、３２……ボルト、３３……パツキ
ン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツクス管と金属管とのフランジ継手に
   おいて、セラミツクス管と一体のフランジに、管
   の外径をテーパを付して拡径して形成した肩部
   と、端面内径側に管内壁に向け内径をテーパを付
   して縮径して形成した接合面を設け、金属管と一
   体のフランジに、前記接合面に係合するテーパを
   付した接合面と、両フランジの接合面を係合した
   場合に、前記肩部を一定の間隔で取囲む円筒形又
   は円錐形の内壁のくさび案内面を有する立上り環
   状突出部を設け、前記のフランジの接合面を直接
   又はパツキンを挾んで当接し、前記肩部と案内面
   の間に、複数個に分割された環状くさびを挿入
   し、該くさび及び立上り環状突出部の底部に設け
   られた孔にボルトを挿入して締付け、セラミツク
   スフランジをその肩部で金属フランジに向けて押
   圧し、前記両接合面を密着せしめてなることを特
   徴とするセラミツクス管と金属管とのフランジ継
   手。 ２ 前記セラミツクスフランジの前記接合面のテ
   ーパが前記肩部のテーパより大である特許請求の
   範囲第１項のフランジ継手。 ３ 前記セラミツクスフランジの肩部と接合面の
   管に直交する面とのなす角がそれぞれ50゜〜80゜、
   5゜〜60゜である特許請求の範囲第２項のフランジ
   継手。 ４ 前記くさびの孔又は立上り環状突出部の孔の
   外側にデイスタンスピースを配置し、くさびの
   孔、立上り環状突出部の孔及びデイスタンスピー
   スを貫通する長ボルトでくさびを締付けてある特
   許請求の範囲第１項、第２項又は第３項のフラン
   ジ継手。