(57)【要約】【課題】気密性の低下や割れを防止できる配管の接続構造を提供する。【解決手段】接続部２０は、第１の配管１６の先端部１６ｃに設けられた第１のフランジ４０と第２の配管２２の先端部２２ｃに設けられた第２のフランジ４２とを環状のシール部５２を介して連結することによって、第１および第２の配管１６，２２を接続する構造となっている。第１および第２のフランジ４０，４２は、冷却水が供給された冷却パイプ５４，５６によって冷却されている。シール部５２は第１のフランジ４０と第２のフランジ４２との間に位置しているため、第２の配管２２の開口から流出した高温のガスは、シール部５２付近では第１および第２のフランジ４０，４２双方に接触し、冷やされることとなる。したがって、第２の配管２２の開口から流出したガスによりシール部５２が熱変形する、ということがなくなる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の配管と第２の配管とを接続する配管の接続構造であって、
前記第１の配管の先端部に当該第１の配管の外周面から張り出すように設けられた第１のフランジと、
前記第２の配管の先端部に当該第２の配管の外周面から張り出すように設けられた第２のフランジと、
前記第１および前記第２のフランジそれぞれに取り付けられ前記第１および前記第２のフランジを冷却する冷却手段と、
前記第１のフランジと前記第２のフランジとの間に設けられ、前記第１および前記第２の配管の軸線方向から見ると前記第１および前記第２の配管の内周面を囲むように配置された環状のシール部と、
前記シール部の内周面を覆う断熱部と、
を備え、
前記シール部を介して前記第１および前記第２のフランジを連結することにより、前記第１の配管と前記第２の配管とを接続することを特徴とする配管の接続構造。
【請求項２】
前記冷却手段は冷媒を供給する冷却用配管であり、前記第１および前記第２のフランジそれぞれの外面に固着されていることを特徴とする請求項１に記載の配管の接続構造。
【請求項３】
前記第１の配管の先端部と前記第２の配管の先端部とは嵌合していることを特徴とする請求項１又は２に記載の配管の接続構造。
【請求項４】
前記第１のフランジは、その外周部が前記第１の配管の開口部よりも前記第１の配管の軸線方向に突き出た構造となっており、
前記第２のフランジは、その外周部が前記第２の配管の開口部よりも前記第２の配管の軸線方向に突き出た構造となっており、
前記シール部は前記第１のフランジの外周部と前記第２のフランジの外周部との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の配管の接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の流体の移送に使用される配管同士を接続する配管の接続構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、配管の種類として、ＳＵＳ（ステンレス鋼）といった金属材料からなるものや、石英、サファイヤといったセラミックス材料からなるものが知られている。セラミックス材料からなるものは、金属材料からなるものと比べて耐熱温度が高い。そのため、例えば、融解した金属材料を気化室内で加熱してガス化し、発生したガスを気化室よりも高温に維持された反応炉内で反応させるような装置では、気化室側の配管にＳＵＳ製のものを用い、反応炉側の配管に石英製のものを用いて、これらの配管を接続することがある。ＳＵＳ製の配管と石英製の配管とを接続する構造としては、例えば特許文献１のように、各配管の先端部にフランジを一体形成し、かかるフランジ同士を当接させた構造が知られている。
【特許文献１】特開平１１−３１５９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＳＵＳ製のフランジと石英製のフランジとは、熱膨張係数が異なる。そのため、接続されたこれらの配管内を高温のガスが流れると、フランジの当接部分にずれや歪曲が生じる可能性がある。上述した接続構造では、フランジの当接部分にずれや歪曲が生じると、フランジ間に隙間が生じて気密性が低下したり、フランジに無理な圧力が加わって配管が割れてしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、気密性の低下や割れを防止できる配管の接続構造を提供することとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第１の配管と第２の配管とを接続する配管の接続構造であって、第１の配管の先端部に当該第１の配管の外周面から張り出すように設けられた第１のフランジと、第２の配管の先端部に当該第２の配管の外周面から張り出すように設けられた第２のフランジと、第１および第２のフランジそれぞれに取り付けられ第１および第２のフランジを冷却する冷却手段と、第１のフランジと第２のフランジとの間に設けられ、第１および第２の配管の軸線方向から見ると第１および第２の配管の内周面を囲むように配置された環状のシール部と、シール部の内周面を覆う断熱部と、を備え、シール部を介して第１および第２のフランジを連結することにより、第１の配管と第２の配管とを接続することを特徴とする。
【０００６】
本発明の接続構造は、第１の配管の先端部に設けられた第１のフランジと第２の配管の先端部に設けられた第２のフランジとを環状のシール部を介して連結することによって、第１の配管と第２の配管とを接続する構造となっている。第１および第２のフランジには冷却手段が取り付けられているため、かかる冷却手段によって第１および第２のフランジを冷却することができる。シール部は第１のフランジと第２のフランジとの間に位置しているため、第１あるいは第２の配管から流出したガス等の流体は、シール部付近で第１および第２のフランジ双方に接触し、冷やされることとなる。また、シール部の内周面は断熱部で覆われているので、シール部が第１および第２の配管の間を流れる流体に直接触れることはない。よって、シール部は流体の熱による影響を受けにくくなるため、シール部に熱変形が生じることを抑制できる。その結果、第１および第２の配管の間における気密性を保つことが可能となる。また、第１のフランジと第２のフランジとはシール部を挟んで連結されるため、第１および第２のフランジにかかる圧力をシール部が緩衝することとなる。その結果、第１および第２の配管の割れを防止できる。
【０００７】
また、本発明の配管の接続構造では、冷却手段は冷媒を供給する冷却用配管であり、第１および第２のフランジそれぞれの外面に固着されていることが好ましい。このように第１および第２のフランジを冷却用配管と直に接触させることによって、第１および第２のフランジを確実に冷却することができる。
【０００８】
また、本発明の配管の接続構造は、第１の配管の先端部と第２の配管の先端部とは嵌合していることも好ましい。フランジを連結させ、さらに先端部を嵌合させることによって、第１および第２の配管の間における気密性をより向上させることができる。
【０００９】
また、本発明の配管の接続構造では、第１のフランジは、その外周部が第１の配管の開口部よりも第１の配管の軸線方向に突き出た構造となっており、第２のフランジは、その外周部が第２の配管の開口部よりも第２の配管の軸線方向に突き出た構造となっており、シール部は第１のフランジの外周部と第２のフランジの外周部との間に配置されていることも好ましい。この場合、移送中の高温の流体によって第１および第２の配管に熱膨張が生じても、かかる熱膨張による歪みを第１フランジの外周部と第１の配管の開口部との間、および第２フランジの外周部と第２の配管の開口部との間で吸収することができる。したがって、熱膨張の影響が第１および第２のフランジの外周部にまで及ぶことを防止できる。よって、第１および第２のフランジの外周部が熱変形することはなく、この外周部に位置するシール部は第１および第２のフランジを連結した状態を確実に維持することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱膨張係数が異なる配管の接続構造において高温の流体を移送する場合でも、配管の接続部分における気密性の低下や割れを防止することができる。これにより高温のガスや液体が配管の接続部分から漏洩することがなくなるため、配管を含む装置全体の耐久性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１２】
（第１実施形態）
まず、図１〜図３に基づいて、第１実施形態に係る配管の接続構造を説明する。本第１実施形態に係る配管の接続構造は、多結晶シリコンの製造装置の接続部に適用される。図１は、多結晶シリコンの製造装置を模式的に示す図である。
【００１３】
図１に示されるように、多結晶シリコン製造装置１０は、筐体１２と、筐体１２内に収容された反応炉Ｒとを備えている。反応炉Ｒの炉壁１４は、例えばＳｉＯ２（石英）、サファイヤ、ＳｉＣ、アルミナ等のセラミックス製、又はカーボン製である。
【００１４】
炉壁１４の上部１４ａには、四塩化ケイ素ガスＧ１を反応炉Ｒ内に供給するための供給口１８ａ及び亜鉛ガスＧ２を反応炉Ｒ内に供給するための供給口１６ａが形成されている。供給口１６ａには第１の配管１６が接続されており、配管１６には接続部２０を介して第２の配管２２が接続されている。第２の配管２２には、亜鉛供給源２４が接続されている。亜鉛供給源２４内には亜鉛融液２６が収容されており、この亜鉛融液２６から亜鉛ガスＧ２が生成される。亜鉛供給源２４にて生成された亜鉛ガスＧ２は、約５００℃の温度で第２の配管２２に流れ込む。
【００１５】
供給口１８ａには、配管１８を介して四塩化ケイ素供給源３０が接続されている。上部１４ａでは、四塩化ケイ素ガスＧ１と亜鉛ガスＧ２とが反応して多結晶シリコン粒子を含む生成ガスＧ３が生成される。なお、上部１４ａの温度は１１００℃以上１３５０℃以下に制御されている。
【００１６】
炉壁１４の中部１４ｂには、例えば、不活性ガスＧ４を反応炉Ｒ内に供給するための供給口３６ａが形成されている。不活性ガスＧ４は、例えばＨｅ，Ａｒ，Ｘｅ等の希ガスである。供給口３６ａには、配管３６を介して不活性ガス供給源３８が接続されている。中部１４ｂでは、不活性ガスＧ４により生成ガスＧ３を冷却させて、生成ガスＧ３に含まれる多結晶シリコン粒子を結晶成長させる。結晶成長して粒径が大きくなった多結晶シリコン粒子は、重力により落下し易くなる。なお、供給口３６ａは、上部１４ａに形成されていてもよい。なお、中部１４ｂの温度は１１００℃以上１３５０℃以下に制御されている。
【００１７】
下部１４ｃには、シリコン融液ＳＩ１を収集するための漏斗３２が設けられている。漏斗３２には、重力により落下した多結晶シリコン粒子が付着する。下部１４ｃでは、多結晶シリコン粒子を溶融させてなるシリコン融液ＳＩ１が得られる。下部１４ｃの温度は１３５０℃以上１４１０℃未満、又は１４１０℃以上に制御されている。下部１４ｃの温度を１４１０℃（シリコンの融点）未満にすることにより、多数の多結晶シリコン粒子を漏斗３２の先端３２ａに意図的に付着させることができる。その後、下部１４ｃの温度を１４１０℃以上にすることにより、漏斗３２の先端３２ａに付着させた多結晶シリコン粒子を溶融させてシリコン融液を得ることができる。
【００１８】
シリコン融液ＳＩ１は、漏斗３２の先端３２ａから容器３４内に滴下される。容器３４は、漏斗３２の先端３２ａに対向配置されている。容器３４としては、例えばるつぼ等が挙げられる。シリコン融液ＳＩ１が容器３４内で冷却固化されることにより、多結晶シリコンＳＩ２が得られる。多結晶シリコンＳＩ２は、高純度であるので、例えば太陽電池に使用される。
【００１９】
次に、図１に示される接続部２０について説明する。図２は接続部２０を示す斜視図であり、図３は接続部２０を示す断面図である。図３に示されるように、第１の配管１６は、配管本体部１６ｂと、開口を含む先端部１６ｃとを有しており、第２の配管２２は、配管本体部２２ｂと、開口を含む先端部２２ｃとを有している。配管本体部１６ｂ，２２ｂの外周面は断熱材１７で覆われている。配管本体部１６ｂ，２２ｂを断熱材１７で覆うことによって、約５００℃の亜鉛ガスＧ２を殆ど温度低下させずに反応炉Ｒまで移送することができる。なお、断熱材１７の代わりに、配管本体部１６ｂ，２２ｂの外周面にテープ状のヒータを巻き付けるとしてもよい。
【００２０】
第１の配管１６の先端部１６ｃには第１のフランジ４０が設けられており、第２の配管２２の先端部２２ｃには第２のフランジ４２が設けられている。第１および第２のフランジ４０，４２はそれぞれ、第１および第２の配管１６，２２の外周面から張り出すように設けられている。第１の配管１６および第１のフランジ４０は石英製であり、第１の配管１６と第１のフランジ４０とは一体に形成されている。第２の配管２２および第２のフランジ４２はＳＵＳ（ステンレス鋼）製であり、第２の配管２２と第２のフランジ４２とは一体に形成されている。
【００２１】
第１のフランジ４０にはボルト挿通孔４０ａが２つ形成されており、第２のフランジ４２にもボルト挿通孔４２ａが２つ形成されている。ボルト挿通孔４０ａは第１の配管１６の開口部を挟んで配置されており、ボルト挿通孔４２ａも第２の配管２２の開口部を挟んで配置されている。ボルト挿通孔４０ａとボルト挿通孔４２ａとは、第１および第２のフランジ４０，４２を合わせたときに重なり合う位置に形成されている。一方のボルト挿通孔４０ａと一方のボルト挿通孔４２ａとにはボルト４４が挿通されており、他方のボルト挿通孔４０ａと他方のボルト挿通孔４２ａとにはボルト４５が挿通されている。ボルト４４の先端にはナット４６が螺合かつ締結されており、ボルト４５の先端にはナット４７が螺合かつ締結されている。このように、ボルト挿通孔４０ａ，４２ａにボルト４４，４５およびナット４６，４７を締結することにより、第１のフランジ４０と第２のフランジ４２とは連結されることとなる。本第１実施形態において、ボルト４４，４５およびナット４６，４７はセラミックス製である。なお、ボルト挿通孔４０ａ，４２ａの数は２つに限られず、３つ以上であっても良い。
【００２２】
ボルト４４，４５の頭部と第２のフランジ４２との間、およびナット４６，４７と第１のフランジ４０との間には、緩衝部４８がそれぞれ設けられている。緩衝部４８は、ボルト４４，４５、ナット４６，４７、および第１および第２のフランジ４０，４２よりも熱膨張係数が大きい材料からなっている。このような材料からなる緩衝部４８を設けることによって、第１および第２のフランジ４０，４２が熱変形した場合に、ボルト４４，４５およびナット４６，４７に緩みが生じる可能性をより低減できる。
【００２３】
第１および第２のフランジ４０，４２は、断熱部５０およびシール部５２を介在した状態で連結されている。断熱部５０およびシール部５２は、第１および第２のフランジ４０，４２に密着している。本第１実施形態では、断熱部５０は石英ウールで形成されており、シール部５２はポリテトラフルオロエチレンといったフッ素樹脂で形成されている。断熱部５０およびシール部５２を形成する材料はこれらに限られないが、断熱部５０の耐熱温度がシール部５２の耐熱温度と比べて高くなるようにする。
【００２４】
断熱部５０およびシール部５２は、環状を呈している。断熱部５０およびシール部５２の内径は、第１および第２の配管１６，２２の内径よりも大きくなっている。断熱部５０およびシール部５２は、第１および第２の配管１６，２２の軸線方向から見ると、第１および第２の配管１６，２２の内周面を囲むように配置されている。
【００２５】
図２に示されるように、第１のフランジ４０の外面（第２のフランジ４２と向き合わない面）には冷却パイプ５４（冷却用配管）が固着されており、第２のフランジ４２の外面（第１のフランジ４０と向き合わない面）にも冷却パイプ５６（冷却用配管）が固着されている。冷却パイプ５４，５６の内部には、冷媒として冷却水が供給されている。冷却パイプ５４，５６を第１および第２のフランジ４０，４２の外面に直に接触させることにより、第１および第２のフランジ４０，４２を確実に冷却することが可能となる。
【００２６】
冷却パイプ５４，５６はそれぞれ、第１および第２の配管１６，２２の軸線方向から見ると、断熱材１７で覆われた第１および第２の配管１６，２２を囲むように巻回されている。第１および第２の配管１６，２２の軸線方向から見ると、冷却パイプ５４，５６はそれぞれ、シール部５２と重なる位置に巻回されている。この位置に冷却パイプ５４，５６を巻回することにより、断熱部５０およびシール部５２の周辺温度を確実に低下させることができる。
【００２７】
上述した構造を有する接続部２０では、第２の配管２２の配管本体部２２ｂを通って先端部２２ｃの開口から流出した約９００℃の亜鉛ガスＧ２が、断熱部５０およびシール部５２で囲まれた領域に到達する。断熱部５０の内周面には高温の亜鉛ガスＧ２が当たるが、断熱部５０の外側は第１および第２のフランジ４０，４２に固着された冷却パイプ５４，５６により冷却され、断熱部５０の外周面はシール部５２の耐熱温度（例えば３００℃）以下とされる。断熱部５０に内周面を覆われることによって、シール部５２は亜鉛ガスＧ２と接触することがなくなり、かつシール部５２の温度はその耐熱温度以下とされるので、シール部５２は熱で融溶することなく、第１および第２のフランジ４０，４２に密着した状態を維持する。一方、断熱部５０の内周面は高温に保たれ、亜鉛ガスＧ２の熱損失が抑制される。
【００２８】
したがって、シール部５２やシール部５２が接触する箇所よりも外周側の第１および第２のフランジ４０，４２が熱変形することはほとんどなく、第１および第２の配管１６，２２間における気密性の低下を防止できる。なお、高温のガスに接触する内周面側では、石英製の第１のフランジ４０とＳＵＳ製の第２のフランジ４２とは熱膨張係数が異なるので、両者の熱膨張量が異なることとなる。しかしながら、第１および第２のフランジ４０，４２の熱膨張量の違いに起因する力をシール部５２が緩衝することとなり、その結果、第１および第２のフランジ４０，４２およびこれらと一体形成された第１および第２の配管１６，２２の割れを防止できる。
【００２９】
（第２実施形態）
次に、図４に基づいて、第２実施形態に係る配管の接続構造を説明する。本第２実施形態に係る配管の接続構造は、先述の第１実施形態と同様に、図１に示される多結晶シリコンの製造装置の接続部２０に適用される。図４は、本第２実施形態における接続部２０を示す断面図である。
【００３０】
本第２実施形態における接続部２０が第１実施形態における接続部２０と異なる点は、第１の配管１６の先端部１６ｃと第２の配管２２の先端部２２ｃとが嵌合している点である。より具体的には、本第２実施形態では、第１の配管１６の先端部１６ｃおよび第２の配管２２の先端部２２ｃは印篭継手となっており、熱膨張係数の大きな第２の配管２２の先端部２２ｃが第１の配管１６の先端部１６ｃに内挿されている。このように、先端部１６ｃおよび先端部２２ｃを印篭継手とすることによって、第１および第２の配管１６，２２の気密性をいっそう向上させることができる。なお、先端部１６ｃ，２２ｃの径は、亜鉛ガスＧ２による第１および第２の配管１６，２２の熱膨張を考慮した寸法とする。これにより、例えば先端部１６ｃが、熱膨張した先端部２２ｃによって内側から押圧されて破損する、といったことを防止できる。なお、第１の配管１６の先端部１６ｃを第２の配管２２の先端部２２ｃに内挿する、としてもよい。ただし、熱膨張係数の大きな第２の配管２２の先端部２２ｃを先端部１６ｃに内挿するほうが、気密性がより優れるので好ましい。
【００３１】
（第３実施形態）
次に、図５に基づいて、第３実施形態に係る配管の接続構造を説明する。本第３実施形態に係る配管の接続構造は、先述の第１実施形態と同様に、図１に示される多結晶シリコンの製造装置の接続部２０に適用される。図５は、本第３実施形態における接続部２０を示す断面図である。
【００３２】
本第３実施形態における接続部２０が第１実施形態における接続部２０と異なる点は、第１および第２のフランジ４０，４２の外周部６０，７０が、それぞれ第１および第２の配管１６，２２の開口部よりも第１および第２の配管１６，２２の軸線方向に突き出た構造となっている点である。
【００３３】
より具体的には、本第３実施形態では、第１および第２のフランジ４０，４２の中間部６２，７２は椀状を呈しており、外周部６０，７０は平板状となっている。断熱部５０およびシール部５２は、外周部６０と外周部７０との間に配置されている。本第３実施形態のように、第１および第２のフランジ４０，４２の中間部６２，７２を椀状とすることにより、第１および第２の配管１６，２２内を高温の亜鉛ガスＧ２が流れて先端部１６ｃ，２２ｃに熱膨張が生じた場合であっても、かかる熱膨張による歪みを第１および第２のフランジ４０，４２の中間部６２，７２で確実に吸収することができる。これにより、第１および第２の配管１６，２２の歪みが第１および第２のフランジ４０，４２の外周部６０，７０にまで波及することがなくなる。そのため、外周部６０，７０間に位置するシール部５２は、第１および第２のフランジ４０，４２に密着した状態をより確実に維持することができる。
【００３４】
以上、第１〜第３実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、第１〜第３実施形態では、第１および第２のフランジ４０，４２の外面に冷却パイプ５４，５６を固着することにより第１および第２のフランジ４０，４２を冷却するとした。これを、第１および第２のフランジ４０，４２の内部に環状の貫通孔を設け、かかる貫通孔に冷却水等を供給することによって第１および第２のフランジ４０，４２を冷却する、としてもよい。また、供給される冷媒は冷却水に限らず、水以外の液体であっても、冷却ガスであってもよい。
【００３５】
また、第３実施形態では、第１および第２のフランジ４０，４２の中間部６２，７２は椀状を呈しているとしたが、第１および第２のフランジ４０，４２の中間部６２，７２の形状はこれに限られない。例えば、図６（ａ）に示されるように円錐台状を呈していてもよい。また、図６（ｂ）に示されるように、中間部６２，７２に複数段の段差を形成し、外周部６０，７０から内周部６４，７４に向かって段階的に縮径するような形状としてもよい。
【００３６】
また、第１〜第３実施形態では、第１の配管１６および第１のフランジ４０は石英製であるとしたが、第１の配管１６および第１のフランジ４０はセラミックス製であってもよいし、ＳＵＳ製であってもよい。また、第１〜第３実施形態では、第２の配管２２および第２のフランジ４２はＳＵＳ製であるとしたが、第２の配管２２および第２のフランジ４２の材料はこれに限られない。ただし、第１および第２の配管１６，２２、第１および第２のフランジ４０，４２の耐熱温度は、第１および第２の配管１６，２２内を流れる流体の温度よりも高くなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】多結晶シリコンの製造装置を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る配管の接続構造が適用される接続部を示す斜視図である。
【図３】図２の接続部を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る配管の接続構造が適用される接続部を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る配管の接続構造が適用される接続部を示す断面図である。
【図６】接続部の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０・・・製造装置、１６ａ・・・供給口、１６ｂ，２２ｂ・・・配管本体部、１６ｃ，２２ｃ・・・先端部、１６・・・第１の配管、１７・・・断熱材、２０・・・接続部、２２・・・第２の配管、２４・・・亜鉛供給源、２６・・・亜鉛融液、４０・・・第１のフランジ、４２・・・第２のフランジ、５０・・・断熱部、５２・・・シール部、５４，５６・・・冷却パイプ、６０，７０・・・外周部、６２，７２・・・中間部、６４，７４・・・内周部、Ｇ２・・・亜鉛ガス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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