(57)【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【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８ｂ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
【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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【図７】
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