JP6624391B2

JP6624391B2 - 真空断熱二重管構造体

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Publication number: JP6624391B2
Application number: JP2016209692A
Authority: JP
Inventors: 孝明高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2036-10-26
Also published as: JP2018071600A

Description

本発明は、外管の内部に内管が配置されており、外管と内管との間の空間が真空状態とされる真空断熱二重管構造体に関する。

真空断熱二重管構造体に関連する従来の技術として、特許文献１に開示された二重管式断熱配管が知られている。特許文献１には、二重管用接続継手のそれぞれのフランジに内管及び外管を溶接固定し、内管と外管との両端をそれぞれフランジで封鎖して、内管と外管との間に密閉空間を形成し、外管に設けられた真空引き口から密閉空間の空気を吸引して減圧し、ほぼ真空にして断熱効果の向上を図ること、さらに、外管に伸縮ベローズを設けて、金属製の二重管用接続継手にそれぞれ溶接固定された内管及び外管の温度変化による伸縮差を吸収し、二重管の温度変化による応力を緩和することが開示されている（００１１等）。

特開２０００−２１３６７５号公報

上記特許文献１にあっては、金属製の二重管用接続継手のフランジに内管と外管の端部をそれぞれ溶接固定するため、二重管用接続継手を介して外管と内管とが熱伝導率の高い金属体として一体化し、内管と外管との間で熱が伝導することとなり、二重管式断熱配管の断熱性が低下するという問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、内管と外管との間の熱伝導を効果的に低減させることができる真空断熱二重管構造体を提供することを目的とする。

本発明の真空断熱二重管構造体は、上記目的を達成するため、外管の内部に内管が配置されており、外管と内管との間の空間が真空状態とされる真空断熱二重管構造体であって、前記外管の、軸方向に間隔をおいた位置に設けられた一対のフランジ部と、前記内管の、前記外管の各フランジ部の軸方向における内側位置に、前記外管の各フランジ部とそれぞれ互いに対向するよう設けられた一対のフランジ部と、前記外管と前記内管の互いに対向するフランジ部の間に配置されて前記空間を密閉する、断熱性を有するシール体と、前記外管に設けられ、前記互いに対向する外管のフランジ部と前記内管のフランジ部とを前記シール体に押圧させるよう、前記外管の軸方向長さの変化を許容する伸縮許容部とを備えたことを特徴とする。

本発明では、外管と内管にそれぞれ一対で設けられ互いに対向するフランジ部の間に配置されたシール体により、外管と内管との間に密閉された空間が形成されている。しかも、密閉された空間が真空状態とされていることにより、外気との圧力差を伸縮許容部の収縮により受けて、外管の軸方向長さが収縮するのを許容する。そのため、外管の一対のフランジが内管の一対のフランジ部に対してそれぞれ近付くように変位し、外管と内管の互いに対向する一対のフランジの間でそれぞれシール体が押圧される。また、内管が熱膨張しその軸方向長さが伸長した場合には、外管の各フランジ部に対して、内管の各フランジ部がそれぞれ近付くように変位し、両フランジの間で挟まれたシール体がそれぞれ軸方向に押圧され圧縮される。そのため、外管と内管との接続部にシール体を介した状態において、外管と内管の間に形成された空間の必要な密閉度が確保され、密閉された空間の真空度が向上し、その結果、外管と内管との間に形成された空間における断熱性が向上する。また、外管と内管のフランジ部の間に配置されたシール体が断熱性を有しているため、外管と内管のフランジ部の間の、すなわち外管と内管との接続部における熱伝導率の低減が図られる。したがって、真空断熱二重管構造体の全体としての断熱性が向上する。なお、外管の伸縮許容部は、熱膨張による内管の軸方向長さの伸長に伴って、外管の軸方向の伸長も許容し得るものである。

本発明によれば、内管と外管との間で熱伝導を効果的に低減させることが可能な真空断熱二重管構造体を提供することができる。

本発明の真空断熱二重管構造体の第１の実施形態を説明するために示した端面図である。図１に示した真空断熱二重管構造体の、内管が軸方向に熱膨張していない状態（一点鎖線で示した中心線より上方）と、内管が軸方向に熱膨張した状態（一点鎖線で示した中心線より下方）とを説明するために示した断面図である。本発明の真空断熱二重管構造体の第２の実施形態を説明するために示した断面図である。本発明の真空断熱二重管構造体の第３の実施形態を説明するために示した断面図である。

[第１の実施形態]
図１および図２に基づいて本発明の第１の実施形態を詳細に説明する。図１に示した実施の形態における真空断熱二重管構造体は、熱風発生器Ｈなどにより熱せられた空気やガスなどの気体や、加熱された水や油などの液体を他の設備へ流通させるためのものである場合を示したものである。以下の説明では、真空断熱二重管構造体により流通させる気体または液体を流通流体ということとする。

真空断熱二重管構造体は、内部を流通流体が流通する内管１と、内管１を覆うように配設される外管２と、内管１と外管２との間に密閉された空間Ｓを形成するシール体３とを備えている。

本実施の形態における内管１は、その軸方向の両端に、径方向外側に延びるフランジ部１０がそれぞれ形成されている。したがって、この実施の形態における内管１の一対のフランジ部１０の間隔は、内管１の軸方向長さとなっている。内管１の素材は、その内部に流通させる流通流体の温度に耐え得る耐熱性を有し、また、流通流体の温度に応じて熱膨張するものを選択することができ、たとえばステンレスなどの金属などにより構成することができる。

本実施の形態における外管２は、その内径が内管１の外形よりも大径で、内管１の軸方向の長さよりも長く成形されており、その両端に、径方向内側に延びるフランジ部２０を有している。外管２のフランジ部２０は、内管１のフランジ部１０から所定の間隔をおいて軸方向（図１および図２においては左右の方向）外側に位置している。外管２の少なくとも一方のフランジ部２０は、外管２とは別体に成形して、外管２に対して溶接またはネジ留めなどにより気密に結合することができる。なお、外管２のフランジ部２０をネジ留めする場合には、かかるフランジ部２０と外管２との間にパッキンを介装することができる。また外管２は、内管１と同じまたは異なる金属などの素材を選択することができる。

外管２と内管１のフランジ部２０、１０は、外管２のフランジ部２０の内径が内管１のフランジ部１０の外径よりも小さく、これを言い換えれば、内管１のフランジ部１０の外径が外管２のフランジ部２０の内径よりも大きくなるように設定されており、互いに対向する部分が形成される。なお、内管１の一方または両方の端部をフランジ部１０から軸方向外側に延長して図１の熱風発生器Ｈに参照されるように他の設備と接続可能に構成することができる。また、外管２の一方または両方端部も、フランジ部２０から軸方向外側に延長して、他の設備や外管２を支持するための支柱あるいは梁などと接続可能に構成することができる。

外管２の軸方向中間部には、外管２の軸方向長さの変化を許容する伸縮許容部として、この実施の形態ではベローズ２１が形成されている。さらに、外管２には、密閉された空間Ｓ内を真空状態とするための減圧手段と接続される真空バルブ２２が設けられている。なお、伸縮許容部は、ベローズ２１に限定されることはなく、内管１と外管２との間に形成される空間Ｓの気密性を担保しつつ外管２の軸方の長さが変化することを許容することができるものであれば、例えば外管２を軸方向に分割すると共にその径を僅かに異ならせて摺動可能に嵌挿するなど、他の構成とすることもできる。

シール体３は、内管１と外管２のフランジ部１０、２０の互いに対向する部分の間に配設されている。シール体３は、円環状に成形されており、その内径と外形は、内管１と外管２のフランジ部１０、２０の互いに対向する部分に応じた大きさで、厚みは、内管１と外管２のフランジ部１０、２０の互いに対向する部分の軸方向の間隔に応じて設定されている。シール体３の素材は、断熱性を有するもので、さらに、外管２と内管１のフランジ部２０、１０の間に挟まれて厚さ方向に圧縮されるよう押圧されることにより両フランジ部２０、１０に密着するよう弾性を有し、内管１を流通する流通流体に応じた耐熱性を有する素材、たとえばシリコーン樹脂などのけい素系樹脂やポリ四フッ化エチレンなどのふっ素系樹脂などから選択することができる。

真空バルブ２２は、真空ポンプなどの減圧手段の管路が接続されるカプラを備えることができる。

上述したように構成された真空断熱二重管構造体を組み立るに際して、最初に、内管１の両端部に径方向外側に延びるフランジ部１０をそれぞれ成形するとともに、外管２の一方の端部にフランジ部２０を設ける。また、これと前後して外管２の中間部にベローズ２１を形成すると共に、真空バルブ２２を取り付ける。外管２の一方の端部に設けるフランジ部２０は、一体に成形してもよく、また、外管２とは別体でフランジ部２０を成形して、外管２の端部に上述したように溶接またはネジ留めなどにより気密に結合することもできる。また、ベローズ２１は、外管２の中間部を凸状（大径）と凹状（小径）に全周にわたって交互に成形して、外管２と一体に構成してもよく、また、円筒状の外管２本体に予め成形されたベローズ２１を気密に接合してもよい。

その後、外管２のフランジ部２０が形成されていない状態の他端から内管１を挿入し、外管２の一方の端部に設けられたフランジ部２０とこれに対向する内管１のフランジ部１０との間にシール体３を介装し、内管１の他方の端部のフランジ部１０の軸方向外側にシール体３を配置して、外管２の他方の端部にフランジ部２０を上述したように溶接またはネジ留めなどにより取り付ける。各シール体３は、一対でそれぞれ対向するフランジ部１０、２０の間に挟まれて密着し、内管１と外管２の端部の間を閉塞して、内管１と外管２との間に密閉された空間Ｓを形成する。なお、たとえばアルミ箔などからなり、内管1からの放射熱または光を遮断するための反射膜を、必要に応じて内管１の周囲に巻回したり、外管２と内管１との間の空間Ｓ内に配設することができる。

その後、真空ポンプなどの減圧手段の管路を真空バルブ２２に接続して、図１および図２に矢印Ｖで示すように、密閉された空間Ｓ内を減圧（真空引き）することにより、この空間Ｓ内を真空状態にする。このとき、空間Ｓ内が真空状態とされることにより、外気との圧力差を受けて、ベローズ２１によって外管２の軸方向の収縮が許容される。その結果、図２の中心線から上方において矢印ａで示したように、外管２のフランジ部２０が内管１のフランジ部１０に対してそれぞれ近付くような応力が作用し、外管２のフランジ部２０をシール体３に押圧させる。そのため、外管２と内管１のフランジ部２０、１０の間に挟まれたシール体３が厚さ方向に圧縮されるように押圧されることとなる。したがって、空間Ｓの密閉度が向上し、密閉された空間Ｓの必要な真空度を確保する。

このように構成された真空断熱二重管構造体を用いて、比較的高温の流通流体を流通させる場合、かかる流通流体と接触する内管１が熱膨張し、図２の中心線から下方において矢印ｂで示すように、その軸方向の長さが伸長し、その結果、内管１の両端のフランジ部１０が軸方向の間隔を拡大するように軸方向外側に移動しようとする応力が作用する。一方、外管２は、密閉された空間Ｓ内が真空状態とされた状態に維持されていることから、両端のフランジ部２０が互いに近づくよう軸方向に収縮しようとする応力（図２の矢印ａ）が作用している。そのため、密閉された空間Ｓ内が真空状態とされることに加えて、内管１の熱膨張により軸方向に伸長することで、外管２と内管１のフランジ部２０、１０をシール体３に押圧させて、外管２と内管１のフランジ部２０、１０の間に挟まれたシール体３が厚さ方向にさらに圧縮されるように押圧され、空間Ｓの密閉度がさらに向上して、密閉された真空状態を確保することができる。その結果、内管１と外管２との間に形成された空間Ｓの熱伝導率を低減させることができる。ここで、真空状態の空間Ｓにおける内管１の外周面と外管２の内周面との間の熱伝導率は、上述した反射膜を導入した場合で、およそ０．００５Ｗ／（ｍ・ｋ）程度となる。なお、図２の中心線から下方では、内管１の熱膨張による軸方向の伸長に伴って、外管２もベローズ２１により軸方向に伸長し状態を示したが、内管１の熱膨張率や流通流体の温度、シール体３の硬度あるいは弾性変形率などの要因によって、外管２が図２の中心線から上方に示した軸方向長さから伸長する長さが異なる。

ここで、第１の実施形態の対する比較例として、内管１と外管２のフランジ部１０、２０の間にシール体３を配設せず、内管１と外管２のフランジ部１０、２０を当接させて、シール体３の接触する面積と同じ面積を直接溶接して、溶接部を形成すると仮定した場合に、その熱伝導率は、およそ１６Ｗ／（ｍ・ｋ）程度となることとする。なお、溶接部を形成した場合のその熱伝導率は、上述したように真空状態の空間Ｓにおける内管１の外周面と外管２の内周面との間の熱伝導率の３０００倍以上となる。したがって、真空状態の空間Ｓにおける内管１の外周面と外管２の内周面との間の熱伝導率が低くても、フランジ部１０、２０を直接溶接したのでは、真空断熱二重管構造体の断熱性を充分に向上させることができない。

これに対して、本発明の真空断熱二重管構造体は、シール体３が断熱性を有している。第１の実施形態におけるシール体３の熱伝導率が０．２Ｗ／（ｍ・ｋ）である場合には、上述した溶接部の熱伝導率は、シール体３の熱伝導率の８０倍となり、真空断熱二重管構造体の断熱性を大きく低下させる。つまり、内管１と外管２のフランジ部１０、２０の間における熱伝導率は、シール体３が断熱性を有していることにより、溶接部を形成した場合の１．２５％に抑制することができる。したがって、内管１と外管２の間に形成された空間Ｓの熱伝導率を低減させることができることに加えて、内管１と外管２の端部における熱伝導率を大幅に低減させることができ、もって、真空断熱二重管構造体の断熱性を大幅に向上させることができる。

[第２の実施形態]
次に、本発明の第２の実施形態を図３に基づいて詳細に説明する。なお、第２の実施形態の説明では、上述した第１の実施形態と同様または相当する部分については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明することとする。なお、図３においては、図１および図２に示した真空バルブ２１の図示を省略したが、第１および第２の実施形態と同様に、外管２に真空バルブ２１が設けられている。

上述した第１の実施形態では、真空断熱二重管構造体が比較的短くストレート状に構成されていたのに対して、第２の実施形態は、真空断熱二重管構造体が比較的長く、また、中間部で屈曲した構成とされている。ここで、真空断熱二重管構造体が振動を受けるような場所に設置される場合などでは、その振動による衝撃を吸収するために、外管２のほぼ全体をベローズ２１により構成することが望ましいことがある。そのため、第２の実施形態では、ベローズ２１が、複数で、しかも軸方向に比較的長い範囲で設けられており、外管２のほぼ全体を構成している。

しかしながら、真空断熱二重管構造体全体の軸方向の長さ、あるいは、ベローズ２１の軸方向の長さが長い場合や、外管２の強度が不足している場合に、密閉された空間Ｓ内を減圧すると、外管２あるいはベローズ２１が径方向内側に引き込まれて、内管２に接触する可能性がある。特に、真空断熱二重管構造体が屈曲している場合には、密閉された空間Ｓ内の減圧により外管２あるいはベローズ２１が径方向内側に引き込まれ、その結果、ベローズ２１を含む外管２が内管１に対して偏位すると、内管１の屈曲した部分とベローズ２１を含む外管２の屈曲した部分との接触する可能性が高くなる。このようにベローズ２１を含む外管２と内管１とが接触すると、その接触した部分から熱が伝導し、真空断熱二重管構造体の断熱性が低下することとなる。

そこで、この実施形態では、ベローズ２１を含む外管２の比較的長い部分において、ストレート状の外管２またはベローズ２１の内周壁面に、径方向内側に変形することによる内管１への接触を阻止する接触阻止部材５Ａが設けられている。また、ベローズ２１を含む外管２の屈曲した部分における内周壁面に、内管１への接触を阻止する接触阻止部材５Ｂが設けられている。接触阻止部材５Ａ、５Ｂは、例えば円筒状のリング、あるいは、径方向外側に開こうとして収縮部の内面を外側に押圧するような張力を有する所謂Ｃ字型のリングなどを用いることができる。接触阻止部材５Ａ、５Ｂは、金属または樹脂など、適切な素材を採用することができる。また、接触阻止部材５Ａ、５Ｂは、ベローズ２１を含む外管２の外周面に設けることもできる。さらに、接触阻止部材５Ａ、５Ｂは、内管１に対してベローズ２１を含む外管２が偏位しないように、真空断熱二重管構造体を設置する個所の天井などに吊設した支持杆や床などに設けた架台に支持することもできる。

[第３の実施形態]
次に、本発明の第３の実施形態を図４に基づいて説明する。なお、第１および第２の実施形態と同様または相当する部分については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明することとする。

上述した第１および第２の実施形態における真空断熱二重管構造体が流通流体を流通させるためのものであったのに対し、第３の実施形態における真空断熱二重管構造体は、ワークＷを内部で移動させながら乾燥させたり、硬化させるなどの熱処理をする連続炉を構成するものである。そのため、内管１とベローズ２１を含む外管２は、上述した第１および第２の実施形態と比較して大径となっている。

真空断熱二重管構造体は、架台６に支持されている。内筒１の内部における底部には、ワークＷを一方の端部（図４では右方端）から他方の端部（図４では左方端）に向かって軸方向に順次搬送するベルトコンベアまたはプッシャＭが設けられている。また、内筒１の内部における天井部には、ワークＷを加熱するためのヒータユニットＨが設けられている。

このように構成された連続炉では、空間Ｓ内が減圧され、また、ヒータユニットＨの加熱により内管１が熱膨張することにより、外管２と内管１のフランジ部２０、１０がシール体３に押し付けられて空間Ｓの真空度が向上し、さらにシール体３が断熱性を有しているため、外管２と内管１との間の熱伝導率を低く抑えることができ、したがって、内管１と外管２との間の断熱性を向上させることができる。

１：内管、２：外管、３：シール体、１０：内管のフランジ部、２０：外管のフランジ部、２１：ベローズ（伸縮許容部）、２２：真空バルブ、Ｓ：空間

Claims

外管の内部に内管が配置されており、外管と内管との間の空間が真空状態とされる真空断熱二重管構造体であって、
前記外管の、軸方向に間隔をおいた位置に設けられた一対のフランジ部と、
前記内管の、前記外管の各フランジ部の軸方向における内側位置に、前記外管の各フランジ部とそれぞれ互いに対向するよう設けられた一対のフランジ部と、
前記外管と前記内管の互いに対向するフランジ部の間に配置されて前記空間を密閉する、断熱性を有するシール体と、
前記外管に設けられ、前記互いに対向する外管のフランジ部と前記内管のフランジ部とを前記シール体に押圧させるよう、前記外管の軸方向長さの変化を許容する伸縮許容部と
を備えたことを特徴とする真空断熱二重管構造体。