JPH05509377A - 熱活性化連結装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 熱活性化連結装置 （技術分野） 本発明は温度変化に対して異なる熱膨張係数を示す材料を互いに実質的に同一の 離間間隔を維持して連結する連結構成に関する。

（背景技術） ２０００’Ｆに達する温度で動作可能に設計される高温制御弁には共通の制約が ある、即ち作動システムおよびこれに関連する電子装置が長時間、４００°Ｆ以 上の温度で耐用できない点にある。この制約は通常弁本体と作動システムとの間 に耐熱性の支承構造としてのスタンドオフ装置を設けることにより解決され得る 。このスタンドオフ装置を含む連結構成は作動システムの構成部品の変形あるい は、構成部品の損傷を来すような温度を伝達しない耐熱性の材料で作られている 。

周知の連結装置においては、金属シャフトが焼嵌めによりセラミックのターボチ ャジャのロータに連結される。この種の連結構成では環境温度が２０００°Ｆに 達するような動作範囲では十分に機能するが、４００°Ｆ以下の温度では許容し 得ない圧縮応力がセラミック部材内に生じる。更に一度金属シャフトをターボチ ャジャのロータに連結した後、シャフトないしはロータ全体が損傷した場合以外 、除去できない。

別の連結装置として金属部材が外部コレットを介しセラミック部材に連結せしめ る態様が供されている。しかしながらこの種の連結装置も低温でセラミック部材 内に高い応力が発生するという欠点を有している。また外部コレット、金属部材 およびセラミック部材は高温動作中宮に接触している。高温動作中のこの接触に より部材間に酸化物層結合が生じる。

動作後でこれら構成部材を分解する必要があるとき、酸化物層結合が破壊され、 これらの構成部材が損傷されることになる。また金属部材内に高い応力が生じる と、この種の連結装置の動作範囲内でもクリープ力が生じてクランプ力が低減す る。

外部コレット型の連結装置において低温で生じる応力の制限を解決するため、連 結装置において内部コレット連結する方法が提案されている。しかしながらこの 連結装置では、複雑過ぎるため連結装置の外寸が２倍に増大し、これに応じて連 結装置の重量も増加することになる。

更に高温連結装置として使用可能なフランジを含む連結構成も提案されている。

この構成においても長時間高温に晒されると金属取付具にクリープ力が発生し、 この結果連結部が緩くなる、あるいはセラミック取付具のみが使用される場合、 十分な強度を得るためには、連結構成が複雑になり過ぎることが判明している。

（発明の開示） 周知の連結構成において応力の発生に伴う制限を解決するため、本発明において は構成部材の熱膨張係数の差に因り生じる応力が構成部材を損傷しない程度まで 大幅に低減できるように、異なる熱膨張係数を示す構成部材を取り外し可能に連 結する構成が提供される。本発明にあってはセラミック材料で作られた第１のシ ャフトが円筒状部とリブとを有し、円筒状部に開口部が具備され、リブはこの円 筒状部に形成され、金属材料で作られた第２のシャフトが開口部内に延びる第１ の直径部を有し、第１の直径部は肩部だけ第２の直径部から分離され、クランプ に第２の直径部を囲繞するリブを受容する溝が具備され、取付具によってクラン プが第２の直径部に連結される。この構成においては低温でクランプの圧縮力が セラミック部材に作用することにより、第１および第２のシャフトが離間した状 態に維持される。温度が上昇するに応じ、金属クランプは第１のシャフト内のセ ラミック材料と異なる割合で膨張し、この結果クランプを第２の直径部に連結す ることに因り生じる外部圧縮力が比例して低減されると同時に、第２のシャフト の第１の直径部が膨張し開口部の内部に接合して温度上昇時には半径方向の力が 発生し第１および第２のシャフトが離間した状態で維持され得る。第２のシャフ トの第１の直径部の表面には一連の溝が具備され、この溝により第１の直径部内 の平均応力が低減され、これにより連結装置が高温に晒されても第１のシャフト は第２のシャフトから軸方向において分離されない。

本発明の利点の−はセラミック部材と金属部材を簡潔な構成をもって連結し、連 結装置の構造的一体性を大幅に変更することなく、比較的低温環境から高温環境 までねじれ入力および軸方向の入力が伝達され得ることにある。

本発明の−の目的は温度変化に対応する熱膨張係数の変化を補償し、セラミック 部材と金属部材とを離間して維持する手段を備えた連結装置を提供することにあ る。

本発明の別の目的は金属部材およびセラミック部材を互いに離間して維持し、環 境温度が変化しても半径方向外側への力を発生することにより当初の圧縮力の低 減を補償する手段を備えた金属部材とセラミック部材を連結する連結装置を提供 することにある。

本発明のこれら利点および目的は添付図面を参照し本明細書を読むにつれ明らか となろう。

（図面の簡単な説明） 図１はここに開示する本発明の原理に基づきセラミック部材と金属部材とを連結 する連結装置の断面図、図２は本発明に従って作成されるスタンドオフ装置によ り分離される弁および作動器の斜視図、図３は図２の弁、スタンドオフ装置およ び作動器の断面図である。

（発明を実施するための最良の形態） 図１に示される連結装置１０にはセラミック材でなるシャツ目２が包有され、シ ャフト１２は金属材でなるシャフト２０に連結される。

セラミック材でなるシャフト１２は第１の端部１４と第２の端部１６とを有する 。シャフト１２は動作温度が２０００°Ｆに達する弁と連結可能なように設計さ れたシリコンミドライド材で作られている。シャフト１２が長手であるため設置 された環境下で幾分冷却されるが、金属材でなるシャフト２０と連結される第２ の端部１６の温度は弁と連結される第１の端部１４の温度に近い。第２の端部１ ６の円筒胴部１８には開口部２２が形成されて（＼る。リブ２４が第２の端部１ ６近傍において円筒胴部１８の周部２６上に設けられる。

金属材でなるシャフト２０は第１の直径部２８と第２の直径部３０とを有してお り、第１の直径部２８は開口部２２内に挿入されている。シャフト２０は熱膨張 係数が７０°Ｆ〜１２００°Ｆの０Ｆ当たり８．６Ｘ１０インチであるハステロ イＸのような高い強度のスチールで作成されている。

クランプ即ちスリーブ装置もシャフトと同一の高強度のスチールで作られ、半円 筒部材３４．３５からなる２部分で構成される。半円筒部材３４．３５の夫々に はシャフト１２の周部２６に形成されたリブ２４を受容する溝３６が具備される 。

ボルト３８．４０が半円筒部材３４．３５内に貫通され、シャフト２０の第２の 直径部３０のネジ受部に螺入され、肩部２９と隣接して第２の端部Ｉ６が位置せ しめられる。第２の端部１６と肩部２９との間には所望の間隙が置かれ、一方策 １の直径部２８と開口部２２との間に内部間隙が置かれ、この内部間隙は公称で ０〜０、００３インチ内で変化するように設けられる。内部間隙がこの範囲外に あると、半径方向の力が温度変化によって意図したようには発生しな（なる。内 部間隙を所定の範囲内に維持する必要があり、材料の熱膨張係数の差は温度変化 に伴い所望の変化を得るよう選択する要がある。各部材の実際上の物理的な寸法 が重要であるが、部材が極めて小さい場合その熱膨張によって所望の結果が得ら れない。本発明によれば部材の実際の寸法が１インチあるいはそれ以上のとき最 良の結果が得られることが判明した。金属材でなるシャフト２０における応力分 布を変更するために、複数の溝３２．３２′、・−・・・３２’が第１の直径部 ２８上に具備される。これらの溝３２．３２′、・・−・・・３２Ｎにより、第 １の直径部２８は温度上昇に伴う大きな伸長で変形し半径方向の力が変化せしめ られる。

連結装置ｌＯの機能を観察するため連結装置１０の温度を徐々に上昇した。セラ ミック材でなるシャフト１２は高温弁の動作範囲に相応する温度で観察し、一方 金属材でなるシャフト２０は電子部品の安全温度に相応する温度で観察した。当 初セラミックのリブに作用する半円筒部材３４．３５の圧縮力により、シャフト １２に対し金属材でなるシャフト２０を保持する連結力が与えられる。温度が上 昇するに応じ、セラミック材でなるシャフト１２、金属材でなるシャフト２０お よびクランプ装置の熱膨張係数により、リブ２４に働く圧縮力が低減されるが、 温度変化に相応する第１の直径部２８の半径方向の膨張力により、半径方向の力 の成分が発生し、開口部２２を囲繞するセラミック材でなるシャフト部分に対し 作用し、肩部２９に対して実質的に同一の空間を置いて第２の端部１６が保持さ れ、シャフト１２．２０が高温に晒されても良好な連結状態が維持され得る。

動作状態にある連結装置ＩＯを観察するため、図２および図３に示されるような 連結装置４０が提供される。連結装［４０は弁４２と作動波ｆｆ１４４との間の スタンドオフ式連結装置４０として使用され得るように構成される。作動装置４ ２は電子部品あるいはステップモータを保持し、シャフト４６に入力して／＼ウ ジング５０内の媒介を回転するよう設けられる。／Ｘウジング５０は導入部５２ と導出部５４とを有しており、導出部５４を介して２００００Ｆに達する流体が システムに供給される。ハウジング５０はセラミック材料で作られ突出部５６を 有しており、この突出部５６には端部６Ｇに近接してリブ５８が具備されている 。

金属部材６２が耐高温性のスチールであるハステロイＸで作成される。金属部材 ６２は第１の直径部６４と第２の直径部６６と基部７０とを有しており、第１の 直径部６４は突出部５６の開口部５７内に挿入され、第２の直径部６６は肩部６ ８を介し第１の直径部６４に対し大に設けられ、基部７０は一連のフィンガ部７ ２．７４．７６を介し第２の直径部６６に連結される。半円筒クランプ部材７８ ．８０が一連の自己固定ポルト８２．８４．８６等を介し第２の直径部６６に装 着される。半円筒クランプ部材７８．８０には夫々少なくともスロット８８．９ ０が具備されており、スロット８８．９０は面部９２．９４から突出部５６のリ ブ５８を受容する溝９６を越えて延びている。半円筒クランプ部材７８．８０内 の材料は当接して圧縮力を与え突出部５６に対し金属部材６２を保持するバネと して作用する。第１の直径部６４には一連の溝９８．９８′、・・・・・・９８ ’が設けられ、溝９８．９８′、・・−・・・９８Ｎを備えることにより金属部 材６２の応力分布が変更され得、ハウジング５０上の肩部６８と端部６０との間 の間隙が維持され、温度変化に伴うセラミック材でなる部材の引張応力が低減さ れる。

当該連結装置４０の動作時には、弁４２が最大２０００°Ｆまでの温度に晒され 、一方作動装償４４は４００°Ｆの温度に維持する必要がある。当初半円筒クラ ンプ部材７８．８０からの外部圧縮力がリブ５８に作用し、金属部材６２がセラ ミック部材５０と連結される。温度が上昇するに伴い半円筒クランプ部材７８． ８０の熱膨張係数のため外部圧縮力が低減されるが、同一の熱膨張係数を持つた め第１の直径部６４が膨張し半径方向の力が与えられ、この半径方向の力が突出 部５６に作用して、受ける温度が弁４２あるいは作動装置４４の最大動作温度に 達しても連結装置４０の構造的な一体性が維持され得る。

要　約　書 異なる熱膨張係数を有する材料を連結する連結装置である。

連結装置は異なる熱膨張係数を有する材料で作られる第１および第２の部材を備 える。第１の部材は円筒状端部とリブとを有し、円筒状端部には開口部が具備さ れ、リブは円筒状端部の外周面に形成される。第２の部材は第１の直径部と第２ の直径部とを有し、第１の直径部は第１の部材の開口部内に配設される。第１の 部材の円筒状端部の一部および第２の部材の第２の直径部を囲繞するスリーブに は第１の部材のリブを受容する溝が具備される。ボルトはスリーブを貫通し第２ の直径部内へ延び、スリーブおよびリブ間に外部圧縮力が与えられて第１および 第２の部材が固定保持され一体構造体が構成される。第１および第２の部材は熱 膨張係数の差に応動し外部圧縮力が減少され、一方温度変化により第２の部材の 第１の直径部が膨張して内部半径方向力が発生され開口部を囲繞する第１の円筒 状部材の部分に作用して第１および第２の部材が離間して維持される。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８） 平成５年２月２６日

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．弁から延びセラミック材でなり、軸方向の盲開口部を有する突出部と、肩部 を介し第２の直径部に対し設けられた第１の直径部と作動器に付設される基部に 第２の直径部を連結する脚部とを有した金属材でなる円筒胴部と、円筒胴部の第 ２の直径部および突出部を囲繞するクランプ部材と、クランプ部材を第２の直径 部に付設し環形のリブに外部圧縮力を与え突出部および円筒胴部を共に保持し一 体構造体を構成させる付設装置とを備え、突出部の環状のリブが軸方向の盲開口 部の外周面に形成され、第１の直径部が突出部の軸方向の開口部内に延び、突出 部および円筒胴部が異なる速度で膨張することにより温度変化に応動し、円筒胴 部の第１の直径部は温度が上昇するに応じ膨張して突出部内に半径方向の力を発 生し、弁の動作温度が上昇するに伴い突出部と円筒胴部との間に空間を維持し、 これに応じて外部圧縮力を低減するように設けられてなる、−２００°Ｆ〜２０ ０°Ｆの温度範囲にわたり動作する弁と４００°Ｆの温度以下に維持する必要の ある作動器を連結する連結装置。
2. ２．円筒胴部には更に第１の直径部の面部の外周部上に設けられる一連の溝が包 有され、連結装置の環境温度が上昇するに伴い溝によって第１の直径部の応力分 布が変更され、突出部に対し印加される内部の半径方向の力が制限されるように 構成されてなる請求項１記載の連結装置。
3. ３．付設手段に復数の自己固定ボルトが包有され、自己固定ボルトはスリーブを 貫通して延び円筒胴部の第２の直径部に係合するように構成されてなる請求項２ 記載の連結装置。
4. ４．クランプ部材には第１及び第２の半円部材が包有され、第１および第２の半 円部材の各々に突出部の環形リブを受容する溝が具備され、溝により環形リブが 保持され、突出部と円筒胴部との間に空間が維持されるように構成されてなる請 求項３記載の連結装置。
5. ５．半円部材の各々に複数の軸方向のスロツトが具備され、スロットはその端部 から溝を越えて延び、突出部のリブと係合する複数の弾性部が設けられてなる請 求項４記載の連結装置。
6. ６．外周部にリブが、且つ内部に開口部が具備された円筒状端部を有する第１の シヤフトと、第１のシヤフトの開口部内に配設される第１の直径面を有した円筒 状端部と第２の直径面とを有する第２のシヤフトと、第１のシヤフトの円筒状端 部の一部および第２のシヤフトの第２の直径面を囲繞するスリーブと、スリーブ を第２の直径面に対し固定しスリーブおよびリブ間に外部圧縮力を与え第１のお よび第２のシヤフトを固定し保持して一体構造体を形成する装置とを備え、第１ のシヤフトが温度に対し第１の熱膨張係数を有するセラミック材で作られ、第２ のシヤフトが温度に対し第２の熱膨張係数を有する金属材で作られ、スリーブに は第１のシヤフトのリブを受容する溝が具備され、第１および第２のシヤフトは 熱膨張係数の差に応じて外部圧縮力が低減され一方第２のシヤフトの第１の直径 面が膨張して内部半径方向力が発生され、開口部を囲繞する第１の円筒状胴部の 一部に作用して温度変化に対し第１および第２のシヤフトを離間して維持するよ うに構成されてなる、温度が２０００°Ｆに達する環境に晒されるセラミック材 でなる部材と温度が４００°Ｆを越さない環境に晒される金属材でなる部材とを 連結する連結装置。
7. ７．第２のシヤフトにおいて第１の直径面に一連の溝が具備され、温度が上昇す るに伴い一連の溝により第１の直径面の応力分布が変更され、第１および第２の シヤフトが離間して維持されるように構成されてなる請求項６記載の連結装置。
8. ８．スリーブには複数の軸方向スロットが具備され、スロットは第１のシヤフト の円筒状胴部を囲繞する部分のスリーブの端部から延びて第１のシヤフトと係合 する複数の弾性フインが部材が具備されてなる請求項７記載の連結装置。
9. ９．外周部にリブが、且つ内部に開口部が具備された円筒状端部を有する第１の 部材と、第１の部材の開口部内に配置される第１の直径部を有した円筒状端部と 第２の直径部とを有する第２の部材と、第１の部材の円筒状端部と一部および第 ２の部材の第２の直径部を囲設するスリーブと、スリーブを第２の直径部に対し 固定しスリーブおよびリブ間に外部圧縮力を与え第１のおよび第２の部材を固定 し保持して一体構造体を形成する装置とを備え、第１の部材が第１の熱膨張係数 を有するセラミック材で作られ、第２の部材が第２の熱膨張係数を有する金属材 で作られ、スリーブには第１の部材のリブを受容する溝が具備され、第１および 第２の部材は熱膨張係数の差に応動して外部圧縮力が低減され、一方第２の部材 の第１の直径部が膨張して内部に半径方向力が発生され開口部を囲繞する第１の 円筒状胴部の一部に作用して温度変化に対し第１および第２の部材を離間して維 持するように構成されてなる、温度が２０００°Ｆに達する環境に晒されるセラ ミック材と温度が４００°Ｆを越さない環境に晒される金属部材とを遠結する連 結装置。
10. １０．第２の部材における第１の直径部に一連の溝が具備され、温度が上昇する に伴い一連の溝により第１の直径部の応力分布が変更され、第１および第２の部 材が離間して維持されてなる請求項９記載の連結装置。
11. １１．スリーブには複数の軸方向スロットが具備され、スロットは第１の部材の 円筒状胴部を囲繞する部分のスリーブの端部から延びて第１の部材と係合する複 数の弾性フィンが部材が具備されてなる請求項１０記載の連結装置。