(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック熱交換器の管板と空気ヘッダの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、それらを挟むように断面コ字状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熱交換器の管板に押付けるようにしたセラミック熱交換器の管板と空気ヘッダの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管板の厚さ、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、締付枠の内法の熱膨張量から引いた差が、正の値であり、かつ、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以内であることを特徴とするセラミック熱交換器の管板と空気ヘッダの金属製フランジの締結構造。
【請求項２】
セラミック熱交換器の管板と空気ヘッダの金属製フランジの締結構造は外側から十分保温されており、使用状態において、セラミック熱交換器の管板、空気ヘッダの金属製フランジ、締結ボルトおよび金属製の締付枠の各温度がほぼ同じである請求項１記載のセラミック熱交換器の管板と空気ヘッダの金属製フランジの締結構造。
【請求項３】
締付枠内面と管板との間に緩衝材を挟んだ請求項１または請求項２記載のセラミック熱交換器の管板と空気ヘッダの金属製フランジの締結構造。
【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】
【発明が解決しようとする課題】
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穴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つのフランジの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穴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】
本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、強度上安全性が高いと考えられる構造で、かつ高温時におけるシール面圧を確保してリークの発生を防止する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。
【０００６】
【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、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以内となっている。
【０００７】
また締付枠内面とセラミックフランジとの間に緩衝材を挟むのが好ましい。
【０００８】
次に本発明の作用を説明する。セラミックフランジと金属製フランジとを金属製弾性を挟んで配置し、それに締付枠を被せて、締結ボルトで締付ける。その締付量は金属製弾性シールの復元可能な弾性変形量以内とする。この状態で使用温度まで昇温すると、セラミックフランジの厚さ、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はそれぞれ熱膨張する。そして締付枠の金属の熱膨張係数が金属製フランジおよび締結ボルトの金属の熱膨張係数より十分小さくなるようにそれぞれの材質を選定してあるので、セラミックフランジの厚さ、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、金属製弾性シールの高温使用温度における弾性変形量以内とすることができる。従って高温状態でも金属製弾性シールのシール面圧が十分保たれリークが発生することはない。
【０００９】
【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側断面図である。図２は締付枠の正面図である。図３は金属製弾性シールの正面図である。図４は図３のＡ−Ａ矢視断面図である。
【００１０】
図１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を示している。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。
【００１１】
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２に示すように四角の環状の枠体を４ｂ，４ｃの２つ割にしたもので、一方の側面にタップ穴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穴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。
【００１２】
金属製弾性シール３は図３および図４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。
【００１３】
セラミックフランジ１と金属製フランジ２とは金属製弾性シール３を挟んで対峙して配置されている。両フランジ１，２を挟むように断面コ字状の金属製の締付枠４が被せてあり、締付枠４に螺合した複数の締結ボルト５により、金属製フランジ２を弾性シール３を挟んでセラミックフランジに押付けるようになっている。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および金属製弾性シール３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。
【００１４】
以下上記事項を数式を用いて説明する。
セラミックフランジと金属製フランジの締結構造の初期温度をＴ0 とし各部材の剛性は十分に高いと仮定する。また各部材の有効寸法をＬ、温度をＴ、線膨張係数をα、熱膨張量をδとし、それぞれに添字を付して各部材を表している。すなわち添字ｆは締付枠４の内法、添字ｂは締結ボルト５の締付枠内面からの突部部分の長さ、添字ｈは金属製フランジ２の厚さ、添字ｓは金属製弾性シール３の使用状態における厚さ、添字ｃはセラミックフランジ１の厚さ、添字ｋは緩衝材６の厚さをそれぞれ表している。
【００１５】
各部材の熱膨張量δは、次式で示される。
δf ＝（Ｔf −Ｔ0 ）αf Ｌf ，δb ＝（Ｔb −Ｔ0 ）αb Ｌb 
δh ＝（Ｔh −Ｔ0 ）αh Ｌh ，δs ＝（Ｔs −Ｔ0 ）αs Ｌs 
δc ＝（Ｔc −Ｔ0 ）αc Ｌc ，δk ＝（Ｔk −Ｔ0 ）αk Ｌk 
【００１６】
またセラミック熱交換器の実験機、高温シール要素試験の知見から、締結部分は十分保温されていて、各部分の温度はほぼ同じであることがいえる。すなわち、共通の使用温度をＴa とすると
Ｔf ≒Ｔb ≒Ｔh ≒Ｔs ≒Ｔc ≒Ｔk ＝（Ｔa ）
である。
【００１７】
また緩衝材６および金属製弾性シール３の熱膨張量は十分小さいと考えられる。すなわち
δs ≒δk ≒０
である。
従って使用温度Ｔa における相対伸縮量をβとすると、
β＝δf −（δb ＋δh ＋δc ）＝（Ｔa −Ｔ0 ）
｛αf Ｌf −（αb Ｌb ＋αh Ｌh ＋αc Ｌc ）｝
である。また金属製弾性シール３の使用温度における復元可能弾性変形量は常温使用状態における厚さＬs の約４％と考えられているので、
β≦０．０４Ｌs 
になるようにαf Ｌf ，αb Ｌb ，αh Ｌh を選定すればよいことになる。
【００１８】
【実施例１】
温度７００℃で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のテストを行った。締付枠の材質は９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、緩衝材はＨＳシート（日本ピラー工業（株）の商品名）、セラミックフランジの材質は窒化けい素、金属製弾性シールの外被の材質はインコネル６００、金属製フランジの材質はＳＵＳ３１６、ボルトの材質はＳＵＳ３１６であった。
【００１９】
計算結果を表１に示す。
【００２０】
【表１】
0003541377.tif 000002
【００２１】
相対伸縮量βは
β＝０．３８２５−（０．０３３７＋０．１８４６＋０．１３４２）
＝０．０３
従ってβ＜０．０４×２．６＝０．１０４
であり高温時においても十分シール性を保っている。
【００２２】
なお、金属製弾性シールの原寸法は直径３．３ｍｍであった。
【００２３】
【実施例２】
温度８２５℃で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のテストを行った。締付枠の材質はＨＡ２４２（Ｈａｙｎｅｓ  Ａｌｌｏｙ  ２４２，Ｃｒ８％，Ｍｏ２５％，Ｆｅ２％，残Ｎｉ）、緩衝材はＨＴシート（日本ピラー工業（株）の商品名）、セラミックフランジの材質は窒化けい素、金属製弾性シールの外被の材質はインコネル６００、金属製フランジおよびボルトの材質はインコロイ８００Ｈであった。
【００２４】
計算結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】
0003541377.tif 000003
【００２６】
相対伸縮量βは
β＝０．８５１３−（０．０５０７＋０．２６０８＋０．５０５７）
＝０．０３４１
従ってβ＜０．０４×２．６＝０．１０４
であり高温時においても十分シール性を保っている。
【００２７】
なお、金属製弾性シールの原寸法は直径３．３ｍｍであった。
【００２８】
本発明は以上述べた実施形態や実施例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。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べ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、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以内であるので、高温使用時においてもシール面圧が十分確保され、シール性が損われることがないなど優れた効果を奏する。
【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側断面図である。
【図２】締付枠の正面図である。
【図３】金属製弾性シールの平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ矢視断面図である。
【符号の説明】
１      セラミックフランジ（管板）
２      金属製フランジ
３      金属製弾性シール
４      締付枠
５      締結ボルト
６      緩衝材
【図１】
0003541377.tif 000004
【図２】
0003541377.tif 000005
【図３】
0003541377.tif 000006
【図４】
0003541377.tif 000007