(57)【要約】【課題】低温下で使用されるフランジ接合箇所が熱収縮により気密性の低下を生じないようにする。【解決手段】第１フランジ１１および第２フランジ１２ａを重ね合わせてボルトＢおよびナットＮで締結している締結構造において、締結作業の行われる雰囲気温度よりも低温下で使用される締結構造であって、第１フランジ１１の厚さをＬ１、第２フランジ１２ａの厚さをＬ２、第１フランジ１１と第２フランジ１２ａとを重ね合わせた厚さをＬとし、第１フランジ１１の線膨張係数をα１、第２フランジ１２ａの線膨張係数をα２、ボルトＢの線膨張係数をαとすると、Ｌ・α≧Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２  の関係を満たし、ボルトＢの熱収縮量が、第１フランジ１１の熱収縮量と第２フランジ１２の熱収縮量とを合わせた合計熱収縮量以上としている。【選択図】  図２
2005009582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１フランジおよび第２フランジを重ね合わせてボルトおよびナットで締結している締結構造において、
上記締結作業の行われる雰囲気温度よりも低温下で使用される締結構造であって、
上記第１フランジの厚さをＬ１、上記第２フランジの厚さをＬ２、上記第１フランジと上記第２フランジとを重ね合わせた厚さをＬとし、
上記第１フランジの線膨張係数をα１、上記第２フランジの線膨張係数をα２、上記ボルトの線膨張係数をαとすると、
Ｌ・α≧Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２
の関係を満たし、
上記ボルトの熱収縮量が、上記第１フランジの熱収縮量と上記第２フランジの熱収縮量とを合わせた合計熱収縮量以上であることを特徴とする低温用の締結構造。
【請求項２】
第１フランジおよび第２フランジを重ね合わせてボルトおよびナットで締結している締結構造において、
上記ボルトの頭部と第１フランジ（あるいは第２フランジ）との間に第１ワッシャを介在させ、あるいは／および、上記ナットと第２フランジ（あるいは第１フランジ）との間に第２ワッシャを介在させ、上記締結作業の行われる雰囲気温度よりも低温下で使用される締結構造であって、
上記第１フランジの厚さをＬ１、上記第２フランジの厚さをＬ２、上記第１ワッシャの厚さをＬ３、上記第２ワッシャの厚さをＬ４、上記第１フランジと上記第２フランジとを重ね合わせた厚さをＬとし、
上記第１フランジの線膨張係数をα１、上記第２フランジの線膨張係数をα２、上記ボルトの線膨張係数をα、上記第１ワッシャの熱膨張係数をα３、上記第２ワッシャの熱膨張係数をα４とすると、
Ｌ・α≧Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２＋Ｌ３・α３＋Ｌ４・α４
の関係を満たし、
上記ボルトの熱収縮量が、上記第１フランジの熱収縮量と上記第２フランジの熱収縮量と上記第１ワッシャの熱収縮量と上記第２ワッシャの熱収縮量とを合わせた合計熱収縮量以上であることを特徴とする低温用の締結構造。
【請求項３】
上記第２フランジは、極低温の冷媒を内部に密封する容器の一部であって、上記第１フランジを上記ボルトで上記第２フランジに締結することにより上記容器を封止している請求項１または請求項２に記載の低温用の締結構造。
【請求項４】
上記第１フランジは、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ステンレス鋼あるいはエポキシ樹脂からなり、
上記第２フランジは、ステンレス鋼あるいはＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）からなり、
上記ボルトは、ステンレス鋼あるいはアルミニウムからなり、
上記第１ワッシャおよび上記第２ワッシャは、ステンレス鋼あるいはアルミニウムからなる請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の低温用の締結構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温用の締結構造に関し、詳しくは、締結作業の行われる雰囲気温度よりも低温の雰囲気温度で使用される締結構造の気密性を向上させるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図４（Ａ）に示すように、超電導線に設けられたパイプ２Ｂに冷却用の液体ヘリウム（ＬＨｅ）を流通させるため、冷凍機３に接続されたパイプ２Ａを電気絶縁継手１を介して接続している（特開昭５９−１４４３１７号公報）。電気絶縁継手１は、図４（Ｂ）に示すように、パイプ２Ａ側とパイプ２Ｂ側の端末に設けられた金属パイプ４の外周にＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）からなる電気絶縁物５を常温で接着剤により接合して巻き付けている。金属パイプ４はＧＦＲＰよりも熱収縮の小さい銅Ｃｕなどを用いており、かつ、電気絶縁物５と金属パイプ４とは互いに締まる方向に熱収縮するので、金属パイプ４の内部通路に極低温の液体ヘリウムが流通することで金属パイプ４および電気絶縁物５が熱収縮する際にも、漏れが発生することがない。
【０００３】
一方、高温配管などに用いられる継手構造として、図５に示すように、一対のフランジ６にボルト７を貫通し、その両側からナット８を締結して挟みつけると共に、フランジ６とナット８の間に線膨張係数がボルト７およびナット８よりも大きい座金９を介在させるものが提案されている（特開平１１−３３６７２５号公報）。上記構成とすると、フランジ６が高温になってボルト７が膨張しても、座金９はそれよりも大きく膨張するので、締付トルクの低下の発生を防止することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５９−１４４３１７号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平１１−３３６７２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示すような超電導ケーブル用端末などの電力機器においては、機器が大型化することもあって現地組み立てが必要となるが、このような場合に、接着剤を使用して気密接合するのは、作業時間や気密信頼性の面から困難となる問題がある。
また、図５に示す構造は、温度上昇によるフランジ６の緩みを好適に防止するものであって、温度が低下してフランジ６、ボルト７、ナット８および座金９が収縮する場合には逆効果となる問題がある。即ち、締結作業時よりも低温下に設置されると、ボルト７およびナット８よりも座金９の方が熱膨張係数が大きいため、座金９の方が大きく収縮してしまい、ナット８とフランジ６との間に気密リークが発生してしまう。しかも、本構造では、フランジ６の熱膨張係数が考慮されていないため、温度低下によりフランジ６が大きく収縮してしまった場合には、さらに大きな気密リークが発生する問題もある。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、フランジを重ね合わせてボルトおよびナットで締結している締結構造において、その締結時の雰囲気温度よりも低温下で使用される際に、熱収縮により締結トルクが弱まって気密リークを発生しないようにすることを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、第１に、第１フランジおよび第２フランジを重ね合わせてボルトおよびナットで締結している締結構造において、
上記締結作業の行われる雰囲気温度よりも低温下で使用される締結構造であって、
上記第１フランジの厚さをＬ１、上記第２フランジの厚さをＬ２、上記第１フランジと上記第２フランジとを重ね合わせた厚さをＬとし、
上記第１フランジの線膨張係数をα１、上記第２フランジの線膨張係数をα２、上記ボルトの線膨張係数をαとすると、
Ｌ・α≧Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２
の関係を満たし、
上記ボルトの熱収縮量が、上記第１フランジの熱収縮量と上記第２フランジの熱収縮量とを合わせた合計熱収縮量以上であることを特徴とする低温用の締結構造を提供している。
【０００９】
上記構成とすると、例えば、常温で上記第１フランジと上記第２フランジとをボルトおよびナットで締結して組立施行し、その後に常温よりも低温の雰囲気下に設置しても、ボルトの熱収縮量を第１フランジと第２フランジとを併せた熱収縮量以上としているので、ボルトの締付トルクが弱まることはなく、第１フランジと第２フランジとの間に気密リークが発生するのを防止することができる。また、低温下で使用される締結構造を設計する際に、設計者は、第１・第２フランジおよびボルトの材質選定および寸法選定を単に上記数式を満たしているか否かを判断するだけで良いので、設計効率も大幅に向上させることができる。
【００１０】
なお、第１フランジと第２フランジをワッシャ（座金）を介してボルトおよびナットで締結する場合であっても、上記ワッシャが第１フランジと第２フランジに比べて大幅に薄肉である場合には、第１フランジと第２フランジとボルトだけの熱収縮を考慮して、上記数式を用いても好適である。
【００１１】
また、本発明は第２に、第１フランジおよび第２フランジを重ね合わせてボルトおよびナットで締結している締結構造において、
上記ボルトの頭部と第１フランジ（あるいは第２フランジ）との間に第１ワッシャを介在させ、あるいは／および、上記ナットと第２フランジ（あるいは第１フランジ）との間に第２ワッシャを介在させ、上記締結作業の行われる雰囲気温度よりも低温下で使用される締結構造であって、
上記第１フランジの厚さをＬ１、上記第２フランジの厚さをＬ２、上記第１ワッシャの厚さをＬ３、上記第２ワッシャの厚さをＬ４、上記第１フランジと上記第２フランジとを重ね合わせた厚さをＬとし、
上記第１フランジの線膨張係数をα１、上記第２フランジの線膨張係数をα２、上記ボルトの線膨張係数をα、上記第１ワッシャの熱膨張係数をα３、上記第２ワッシャの熱膨張係数をα４とすると、
Ｌ・α≧Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２＋Ｌ３・α３＋Ｌ４・α４
の関係を満たし、
上記ボルトの熱収縮量が、上記第１フランジの熱収縮量と上記第２フランジの熱収縮量と上記第１ワッシャの熱収縮量と上記第２ワッシャの熱収縮量とを合わせた合計熱収縮量以上であることを特徴とする低温用の締結構造を提供している。
【００１２】
上記構成とすると、上記第１フランジと上記第２フランジとを上記第１ワッシャあるいは／および第２ワッシャを介してボルトおよびナットで締結して組立施行し、その後に低温の雰囲気下に設置した場合に、ボルトの熱収縮量を第１・第２フランジと第１・第２ワッシャとを併せた熱収縮量以上としているので、ボルトの締付トルクが弱まることがなく、第１フランジと第２フランジとの間の気密性が低下しないように防止することができる。また、設計者は、上記同様に、低温下で使用される締結構造を設計する際に、第１・第２フランジ、第１・第２ワッシャおよびボルトの材質選定、寸法選定を、単に上記数式を満たしているか否かを判断するだけで良いので、設計効率も大幅に向上する。
【００１３】
上記第２フランジは、極低温の冷媒を内部に密封する容器の一部であって、上記第１フランジを上記ボルトで上記第２フランジに締結することにより上記容器を封止している。
【００１４】
例えば、上記容器外部を常温とする一方、容器内部を例えば−２００℃程度の極低温の冷媒（液体窒素や液体ヘリウム）で満たした場合、第１フランジと第２フランジとの締結作業時の温度から設置時までの温度差は非常に大きいものとなる。よって、上述したように、締結作業時に比べて設置時の温度が低下することを考慮してボルトの締結トルクの低下を防止する設計を行うことで、容器内の冷媒が締結部分より漏洩するのを確実に防止することができる。
【００１５】
また、各部の材料の具体例として、上記第１フランジは、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ステンレス鋼あるいはエポキシ樹脂からなり、
上記第２フランジは、ステンレス鋼あるいはＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）からなり、
上記ボルトは、ステンレス鋼あるいはアルミニウムからなり、
上記第１ワッシャおよび上記第２ワッシャは、ステンレス鋼あるいはアルミニウムからなると好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態を図面を参照して説明する。
図１は超電導ケーブル（図示せず）が接続される終端接続部１０を示している。
終端接続部１０は、冷媒Ｒが密封されたステンレス製の容器１２内において、超電導ケーブルと接続された導体１６を銅パイプからなる電流リード１５と下部シールド部１７を介して連結している。
電流リード１５は、ステンレスパイプの外周にＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）と箔電極とを積層した筒状体のブッシング１４に挿通された状態で、容器１２の上面より導出されると共に、後述する碍管２１の上端より外部に導出されている。
【００１７】
容器１２の外側には、真空部Ｓとなる空間をあけて外容器１３を設けており、外容器１３の上部に碍管２０が固定され常温部を構成しており、碍管２０とその内部に挿通されたブッシング１４との間には絶縁油１８を貯留している。
ブッシング１４の外周の下方側には、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）製の第１フランジ１１を羅着した状態で接着してブッシング１４と一体化しており、その第１フランジ１１を容器１２の上端の第２フランジ１２ａと締結固定することで冷媒Ｒを封止している。
また、ブッシング１４の外周の上方側にも、ステンレス製の第３フランジ１９を羅着した状態で接着してブッシング１４と一体化しており、その第３フランジ１９を外容器１３の上端面の第４フランジ２１と締結固定して真空部Ｓを形成する外容器１３の上端を封止している。
【００１８】
以下、第１フランジ１１と第２フランジ１２ａとの締結構造について詳述する。
図２に示すように、ステンレス製の容器１２の上面である第２フランジ１２ａは、厚さをＬ２とし、所要箇所にボルト挿通穴１２ａ−１を穿設している。
また、ＧＦＲＰ製の第１フランジ１１は、その厚さをＬ１とし、上記第２フランジ１２ａのボルト挿通穴１２ａ−１と対応する位置にボルト挿通穴１１ａを穿設している。なお、第１フランジ１１と第２フランジ１２ａとを重ね合わせた厚さをＬとする。
（図２ではブッシング１４の図示を省略している。）
【００１９】
そして、ステンレス製のボルトＢおよびナットＮを用いて第１フランジ１１と第２フランジ１２ａとを常温（ｔ１）下で締結する。詳しくは、第１フランジ１１と第２フランジ１２ａのボルト挿通穴１１ａ、１２ａ−１を合致させ、ボルトＢの軸部Ｂｂをボルト挿通穴１１ａ、１２ａ−１に貫通し、頭部Ｂａを第１フランジ１１の上面に当接させると共に、第２フランジ１２ａの下方に突出した軸部ＢｂにナットＮを締結している。
【００２０】
ここで、上記締結箇所が、締結作業時の常温ｔ１から冷媒Ｒの温度ｔ２へと冷却されて、第１フランジ１１、第２フランジ１２ａおよびボルトＢが収縮した際に、第１フランジ１１と第２フランジ１２ａとの間の気密性が低下しないように、
（ボルトＢの熱収縮量）≧（第１フランジ１１の熱収縮量）＋（第２フランジ１２ａの熱収縮量）
の関係となるように、第１フランジ１１、第２フランジ１２ａおよびボルトＢの材料選定および寸法選定を行っている。
つまり、ボルトＢの熱収縮量が、第１フランジ１１の熱収縮量と第２フランジ１２ａの熱収縮量とを併せた合計熱収縮量以上であれば、ボルトＢの締付トルクが維持されるか、或いは、さらに締付トルクがアップするので、気密性が低下するのを確実に防止することができる。
【００２１】
詳しくは、ＧＦＲＰ製の第１フランジ１１の線膨張係数をα１、ステンレス製の第２フランジ１２ａの線膨張係数をα２、ステンレス製のボルトＢの線膨張係数をαとすると、
Ｌ・α（ｔ１−ｔ２）≧Ｌ１・α１（ｔ１−ｔ２）＋Ｌ２・α２（ｔ１−ｔ２）
∴  Ｌ・α≧Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２        ……  式（１）
の関係を満たすように材料選定および寸法選定して設計されている。
【００２２】
本実施形態では、常温ｔ１が２０［℃］、冷媒Ｒの温度ｔ２が−２００［℃］とし、第１フランジ１１（ＧＦＲＰ製）は、α１＝２．４×１０−５［１／℃］、Ｌ１＝４０［ｍｍ］とし、第２フランジ１２ａ（ステンレス製）は、α２＝１．１×１０−５［１／℃］、Ｌ２＝２０［ｍｍ］とし、ボルトＢ（ステンレス製）は、α＝１．１×１０−５［１／℃］として、式（１）を満たすように設計している。
【００２３】
なお、第１フランジ１１は、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）の代わりに、ステンレス鋼やエポキシ樹脂等を用いてもよい。
また、第２フランジ１２ａは、ステンレス鋼の代わりに、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）等を用いてもよい。
さらに、ボルトＢは、ステンレス鋼の代わりにアルミニウム等を用いてもよい。
【００２４】
図３は第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、ボルトＢおよびナットＮによる第１フランジ１１と第２フランジ１２ａとの締結の際に、第１ワッシャＷ１および第２ワッシャＷ２を介在させている点である。
【００２５】
即ち、ボルトＢの頭部Ｂａと第１フランジ１１との間に第１ワッシャＷ１を介在させていると共に、ナットＮと第２フランジ１２ａとの間に第２ワッシャＷ２を介在させて締結している。
【００２６】
そして、上記締結箇所が、締結作業時の温度ｔ１から冷媒Ｒの温度ｔ２へと冷却されて、第１フランジ１１、第２フランジ１２ａ、ボルトＢ、第１ワッシャＷ１および第２ワッシャＷ２が収縮した際に、第１フランジ１１と第２フランジ１２ａの間の気密性が低下しないように、
（ボルトＢの熱収縮量）≧（第１フランジ１１の熱収縮量）＋（第２フランジ１２ａの熱収縮量）＋（第１ワッシャＷ１の熱収縮量）＋（第２ワッシャＷ２の熱収縮量）
の関係となるように、第１フランジ１１、第２フランジ１２ａ、ボルトＢ、第１ワッシャＷ１および第２ワッシャＷ２の材料選定および寸法選定を行っている。
つまり、ボルトＢの熱収縮量が、第１フランジ１１の熱収縮量と第２フランジ１２ａの熱収縮量と第１ワッシャＷ１の熱収縮量と第２ワッシャＷ２の熱収縮量とを併せた合計熱収縮量以上であれば、ボルトＢの締付トルクが維持されるか、或いは、締付トルクが更にアップするので、気密性が低下するのを確実に防止することができる。
【００２７】
詳しくは、ＧＦＲＰ製の第１フランジ１１の厚さをＬ１、線膨張係数をα１とし、ステンレス製の第２フランジ１２ａの厚さをＬ２、線膨張係数をα２とし、ステンレス製のボルトＢの線膨張係数をα、ステンレス製の第１ワッシャＷ１の厚さをＬ３、線膨張係数をα３とし、ステンレス製の第２ワッシャＷ２の厚さをＬ４、線膨張係数をα４とし、第１フランジ１１と第２フランジを合わせた厚さをＬとすると、
Ｌ・α（ｔ１−ｔ２）≧Ｌ１・α１（ｔ１−ｔ２）＋Ｌ２・α２（ｔ１−ｔ２）＋Ｌ３・α３（ｔ１−ｔ２）＋Ｌ４・α４（ｔ１−ｔ２）
∴  Ｌ・α≧Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２＋Ｌ３・α３＋Ｌ４・α４  ……  式（２）
の関係を満たすように材料選定および寸法選定して設計されている。
【００２８】
なお、第１ワッシャＷ１および第２ワッシャＷ２は、ステンレス鋼の代わりにアルミニウム等でも構わない。また、第１ワッシャＷ１と第２ワッシャＷ２は同一ものを用いてもよい。
さらに、第１ワッシャＷ１あるいは第２ワッシャＷ２のいずれか一方のみを使用してもよく、その場合、例えば、第１ワッシャＷ１のみを使用する場合は、上記式（２）は、Ｌ４＝０として、Ｌ・α≧Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２＋Ｌ３・α３で計算されることは言うまでもない。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略している。
【００２９】
また、第２実施形態の変形例として、第１ワッシャＷ１および第２ワッシャＷ２が、第１フランジ１１および第２フランジ１２ａに比べて大幅に薄肉である場合には、第１フランジ１１と第２フランジ１２ａとボルトＢだけの熱収縮を考慮しても良い。
即ち、Ｌ３、Ｌ４≪Ｌ１、Ｌ２の場合は、上記式（２）に関してＬ３＝Ｌ４≒０と近似することで、第１実施形態の式（１）と同様の式となる
Ｌ・α≧Ｌ１・α１＋Ｌ２・α２＋Ｌ３
を満たすように材料選定および寸法選定し設計を行っても好適である。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、上記第１フランジと上記第２フランジとをボルトおよびナットで締結して組立施行し、その後に低温雰囲気下に設置した場合に、ボルトの熱収縮量を第１フランジと第２フランジとを併せた熱収縮量以上に設定しているので、ボルトの締付トルクが弱まることはなく、第１フランジと第２フランジとの間の気密性の低下を防止できる。
また、第１フランジと第２フランジを上記第１ワッシャあるいは／および第２ワッシャを介してボルトおよびナットで締結する場合には、ボルトの熱収縮量を第１・第２フランジと第１・第２ワッシャとを併せた熱収縮量以上に設定することで、ボルトの締付トルクが弱まらず、第１フランジと第２フランジとの間の気密性の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の低温用の締結構造が使用される終端接続部の概略図である。
【図２】第１実施形態の低温用の締結構造の拡大断面図である。
【図３】第２実施形態の低温用の締結構造の拡大断面図である。
【図４】（Ａ）（Ｂ）は従来例を示す図面である。
【図５】別の従来例を示す図面である。
【符号の説明】
１０      終端接続部
１１      第１フランジ
１２      容器
１２ａ    第２フランジ
１３      外容器
１４      ブッシング
１５      電流リード
１６      導体
１７      下部シールド部
１８      絶縁油
２０      碍管
Ｂ        ボルト
Ｂａ      頭部
Ｂｂ      軸部
Ｎ        ナット
Ｒ        冷媒
Ｓ        真空部
Ｗ１      第１ワッシャ
Ｗ２      第２ワッシャ
【図１】
2005009582.tif 000003
【図２】
2005009582.tif 000004
【図３】
2005009582.tif 000005
【図４】
2005009582.tif 000006
【図５】
2005009582.tif 000007