专利名称：用于低温环境下的紧固结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于低温环境下的紧固结构。更具体地说，本发明改善了一种紧固结构的密封性能，该紧固结构用在气温低于进行紧固操作时的气温。
背景技术：
通常，如图4A所示，为了使冷却用液态氦(Lhe)流过设置在超导线中的导管2B，连接到致冷机3的管2A通过一个电绝缘接头1(日本公开的专利No.59-144317)与导管2B相连接。如图4B所示，电绝缘接头1是通过将一个由GFRP(玻璃纤维增强塑料)制成的绝缘体5在室温条件下用粘合剂连接并缠绕在金属管4的外圆周而形成，而金属管4设置在导管2A和2B的终端。金属管4采用了一种比GFRP更不易热收缩的材料，比如铜，而且，绝缘体5和金属管4会沿彼此紧固的方向产生热收缩。因此，即使金属管4和绝缘体5由于低温液态氦流过金属管4的内部通道而产生热收缩，液态氦也不会发生泄漏。
同时，日本公开的专利No.11-336725提出了一种用于高温管道装置的接头结构，如图5所示，其中，一个螺栓7穿过一对法兰6，螺母8从相对侧来拧紧以用来夹紧，垫圈9则介于法兰6和螺母8之间，垫圈9的线性膨胀系数大于螺栓7和螺母8。采用这种结构，即使当法兰6被加热到高温，而且螺栓7膨胀时，垫圈9膨胀比螺栓7大。因此，可以防止紧固扭矩的减小。
另一方面，在电力设备，例如如图4所示的超导电电缆的终端设备中，由于设备的尺寸较大，所以要求进行现场装配。在这种情况下，考虑到装配操作的时间或密封性能的可靠性，难于用粘合剂来实现密封连接。
另外，虽然图5所示的结构可以很好地防止法兰6由于温度上升而松动，但是在温度下降并且法兰6、螺栓7、螺母8和垫圈9收缩的情况下，这种结构就无法起作用。换句话说，如果图5所示的结构在低于紧固操作时的温度的温度下安装，那么由于垫圈9的线性膨胀系数大于螺栓7和螺母8，所以，垫圈9的收缩量大于螺栓7和螺母8的收缩量。因此，螺母8和法兰6之间的密封性能就被削弱。而且该结构没有考虑到法兰6的线性膨胀系数。因此，如果由于温度降低而使法兰6大幅度收缩，那么密封性能就会进一步被削弱。
发明内容
本发明是基于上述问题而产生的。本发明的一个目的就是要防止由于紧固扭矩的降低而导致密封性能被削弱，这种紧固扭矩的降低是当紧固结构在低于紧固时的气温的气温下使用时，由热收缩引起的，其中，所述紧固结构是通过紧固操作而获得，而在紧固操作过程中，法兰被叠置，而且通过螺栓和螺母进行紧固。
为了解决开始提到的上述问题，本发明提供了一种用于低温环境下的紧固结构，该紧固结构是通过用螺栓和螺母将第一法兰和第二法兰叠置并紧固的紧固操作而获得的。该紧固结构用在低于执行紧固操作时的气温的温度下。假设第一法兰具有一个厚度L1，第二法兰具有一个厚度L2，叠置的第一法兰和第二法兰具有一个厚度L，第一法兰具有一个线性膨胀系数α1，第二法兰具有一个线性膨胀系数α2，而且螺栓具有一个线性膨胀系数α，那么它们要能满足以下关系式L·α≥L1·α1+L2·α2螺栓的热收缩量等于或大于第一法兰和第二法兰的热收缩总量。
采用这种结构，例如，即使在室温下使用螺栓和螺母紧固第一法兰和第二法兰，从而完成装配过程，随后该组件安装在温度低于室温的环境中，因为螺栓的热收缩量等于或大于第一法兰和第二法兰的热收缩总量，螺栓的紧固扭矩不会降低。因此，可以防止第一法兰和第二法兰之间的密封性能被削弱。另外，在设计用于低温环境下的紧固结构的过程中，设计人员可以只通过确定是否满足上述关系式，就可以对第一法兰、第二法兰和螺栓的材料或尺寸进行选择。所以，设计的效率得到明显提高。
即使对于第一法兰和第二法兰在垫圈插入其间的状态下使用螺栓和螺母来紧固的情况，只要垫圈的厚度明显小于第一法兰和第二法兰的厚度，那么只考虑第一和第二法兰以及螺栓的热收缩量的上述方程式也可以适用。
其次，本发明提供了一种应用于低温环境下的紧固结构，该紧固结构是通过这样一种紧固操作获得，在该紧固操作中，使用螺栓和螺母来将第一法兰和第二法兰叠置并紧固在一起，而且在螺栓头和第一法兰(或第二法兰)之间插入第一垫圈，和/或在螺母和第二法兰(或第一法兰)之间插入第二垫圈。该紧固结构在低于执行紧固操作时的气温的温度下使用。假设第一法兰具有一个厚度L1，第二法兰具有一个厚度L2，第一垫圈具有一个厚度L3，第二垫圈具有一个厚度L4，叠置的第一法兰、第二法兰、第一垫圈和第二垫圈具有一个厚度L，第一法兰具有一个线性膨胀系数α1，第二法兰具有一个线性膨胀系数α2，螺栓具有一个线性膨胀系数α，第一垫圈具有一个线性膨胀系数α3，而第二垫圈具有一个线性膨胀系数α4，那么它们满足以下关系式L·α≥L1·α1+L2·α2+L3·α3+L4·α4螺栓的热收缩量等于或大于第一法兰、第二法兰、第一垫圈和第二垫圈的热收缩总量。
采用上述结构，即使使用螺栓和螺母紧固第一法兰和第二法兰且其间插有第一垫圈和/或第二垫圈，从而完成装配过程，随后该组件安装在低温的环境中，因为螺栓的热收缩量等于或大于第一、第二法兰和第一、第二垫圈的热收缩总量，所以螺栓的紧固扭矩不会降低。因此，可以防止第一法兰和第二法兰之间的密封性能被削弱。另外，如上所述，在设计应用于低温环境下的紧固结构时，设计人员可以只通过确定是否满足上述方程式，就可以对第一、第二法兰、第一、第二垫圈、和螺栓的材料或尺寸进行选择。所以，设计的效率得到明显提高。
第二法兰是内部装有低温冷却剂的容器的一部分。如果利用螺栓将第一法兰紧固到第二法兰上，便可以密封该容器。
例如，容器外部的温度设为室温，而容器里充满了温度例如约为-200℃的低温冷却剂(如液态氮和液态氦)。那么，第一和第二法兰紧固操作时和安装时的温差就很大。因此，如上所述，考虑到安装时的温度低于紧固操作时的温度，所以设计一种紧固结构以防止螺栓紧固扭矩减小。利用这种方式，可以可靠地防止容器中的冷却剂从紧固部分泄漏出去。
至于每个部件所采用的材料的特定示例，优选的是，第一法兰由GFRP、不锈钢或者环氧树脂制成；第二法兰由不锈钢或GFRP制成；螺栓由不锈钢或铝制成；而第一垫圈和第二垫圈由不锈钢或铝制成。
从下面结合附图对本发明进行的详细描述中，可以更加清楚地看到本发明的上述和其它目标、特征、形状和优点。
图1是示出采用根据本发明实施例的用于低温环境下的紧固结构的终端接头的示意图；图2是第一实施例中用于低温环境下的紧固结构的放大剖视图；图3是第二实施例中用于低温环境下的紧固结构的放大剖视图；图4A和图4B示出日本专利公开No.59-144317中公开的传统例子；图5示出一个在日本专利公开No.11-336725中公开的传统例子。
具体实施例方式
下面将参考附图来描述本发明第一实施例。
图1显示了一种终端接头10，一个超导电电缆(图中未示出)连接到该终端接头。
终端接头10通过容器12内的下防护部分17将连接到超导电缆上的导体16连接到由铜管制成的电线15上，其中，容器12由不锈钢制成，且容器12内密封有冷却剂R。
电线15从容器12的上表面伸出，同时被插入圆筒形套管14中，该套管14通过层叠围绕不锈钢管外周的GFRP层和箔电极形成。然后，电线15从稍后会做描述的第四法兰21的上端伸到外部。
容器12的外面设置有一个外部容器13，该外部容器限定了一个用作真空部分S的空间。通过将一个绝缘管20固定在外部容器13上，可以得到一个室温部分，而绝缘油18存在于绝缘管20和插入其中的套管14之间。
由GFRP制成的第一法兰11螺纹在套管14外圆周的下部连接并固定到套管14上，由此，第一法兰11和套管14合为一体。通过在外部容器12的上端面上，将第一法兰11紧固并固定到第二法兰12a上，可以将冷却剂R密封起来。
另外，由不锈钢制成的第三法兰19在套管14外圆周的上部上螺纹连接并固定到套管14上，由此，第三法兰19和套管14合为一体。通过在外部容器13上端面处，将第三法兰19紧固并固定到第四法兰21上，可以将形成真空部分S的外部容器13的上端密封起来。
接下来将详细描述第一法兰11和第二法兰12a的紧固结构。
如图2所示，用作不锈钢制成的容器12的上表面的第二法兰12a具有一个厚度L2，并且在指定的位置设置有一个螺栓插入孔12a-1。
由GFRP制成的第一法兰11具有一个厚度L1，并且在与第二法兰12a的螺栓插入孔12a-1对应的位置上具有一个螺栓插入孔11a。要注意的是，叠置的第一法兰11和第二法兰12a的总厚度被假定为L。
(套管14在图2中未示出。)在室温(t1)下，利用由不锈钢制成的螺栓B和螺母N，将第一法兰11紧固到第二法兰12a。特别地，第一个法兰11的螺栓插入孔11a和第二法兰12a的螺栓插入孔12a-1对齐。然后，螺栓B的螺杆Bb穿过螺栓插入孔11a和12a-1，螺栓头Ba紧靠在第一法兰11的上表面。此后，将螺母N紧固到从第二法兰12a向下伸出的螺栓杆Bb上。
这里，为了满足以下关系式对用于第一法兰11、第二法兰12a和螺栓B的材料和尺寸予以选择(螺栓B的热收缩量)≥(第一法兰11的热收缩量)+(第二法兰12a的热收缩量)，因此，当紧固部分从紧固操作时的室温t1冷却到冷却剂R的温度t2，从而使第一法兰11、第二法兰12a和螺栓B收缩时，第一法兰11和第二法兰12a之间的密封性能不会被削弱。
换句话说，如果螺栓B的热收缩量不小于第一法兰11和第二法兰12a的热收缩总量，那么，螺栓B的紧固扭矩就保持不变或进一步增加。于是，可以确保防止密封性能被削弱。
更具体地说，假设由GFRP制成的第一法兰11具有一个线性膨胀系数α1，由不锈钢制成的第二法兰12a具有一个线性膨胀系数α2，由不锈钢制成的螺栓B具有一个线性膨胀系数α，那么设计时所选择的材料和尺寸要能满足以下关系式L·α(t1-t2)≥L1·α1(t1-t2)+L2·α2(t1-t2)，所以L·α≥L1·α1+L2·α2方程式(1)
本实施例设计成满足方程式(1)，假定室温t1设为20[℃]，冷却剂R的温度t2设为-200[℃]，第一法兰11(由GFRP制成)的线性膨胀系数α1＝2.4×10-5[1/℃]，厚度L1＝40[mm]；第二法兰12a(由不锈钢制成)的线性膨胀系数α2＝1.1×10-5[1/℃]，厚度L2＝20[mm]；而螺栓B(由不锈钢制成)的线性膨胀系数α＝1.1×10-5[1/℃]。
注意，第一法兰11可以替代GFRP而由不锈钢、环氧树脂或者类似材料制成；第二法兰12a可以替代不锈钢而由GFRP或者类似材料制成；螺栓B可以替代不锈钢而由铝或者类似材料制成。
现在将参考附图来描述本发明的第二实施例。
参考图3，第二实施例与第一实施例的不同之处在于，当使用螺栓B和螺母N紧固第一法兰11和第二法兰12a时，在螺栓和螺母之间插入第一垫圈W1和第二垫圈W2。
换句话说，在紧固时，第一垫圈W1介于螺栓B的螺栓头Ba和第一法兰11之间，而第二垫圈W2介于螺母N和第二法兰12a之间。
这里，为了满足以下关系式，对用于第一法兰11、第二法兰12a、螺栓B、第一垫圈W1和第二垫圈W2的材料和尺寸加以选择(螺栓B的热收缩量)≥(第一法兰11的热收缩量)+(第二法兰12a的热收缩量)+(第一垫圈W1的热收缩量)+(第二垫圈W2的热收缩量)，因此，当紧固部分从紧固操作时的室温t1冷却到冷却剂R的温度t2，从而第一法兰11、第二法兰12a、螺栓B、第一垫圈W1和第二垫圈W2收缩时，第一法兰11和第二法兰12a之间的密封性能不会被削弱。
换句话说，如果螺栓B的热收缩量不小于第一法兰11、第二法兰12a、第一垫圈W1和第二垫圈W2的热收缩总量，那么，螺栓B的紧固扭矩将保持不变或进一步增加。因此可以确保防止密封性能被削弱。
更具体地说，假设由GFRP制成的第一法兰11具有一个厚度L1和一个线性膨胀系数α1；由不锈钢制成的第二法兰12a具有一个厚度L2和一个线性膨胀系数α2；由不锈钢制成的螺栓B具有一个线性膨胀系数α；由不锈钢制成的第一垫圈W1具有一个厚度L3和一个线性膨胀系数α3；由不锈钢制成的第二垫圈具有一个厚度L4和一个线性膨胀系数α4；并且第一法兰11、第二法兰12a、第一垫圈W1和第二垫圈的总厚度用L表示，那么，设计时对材料和尺寸加以选择以满足以下关系式
L·α(t1-t2)≥L1·α1(t1-t2)+L2·α2(t1-t2)+L3·α3(t1-t2)+L4·α4(t1-t2)，所以L·α≥L1·α1+L2·α2+L3·α3+L4·α4 方程式(2)注意，第一垫圈W1和第二垫圈W2可以替代不锈钢而由铝或类似材料构成。另外，第一垫圈W1和第二垫圈W2可以相同。
而且，可以使用第一垫圈W1或第二垫圈W2。如果只使用第一垫圈W1，方程式(2)中的L4就设为0，而进行计算来满足以下关系式L·α≥L1·α1+L2·α2+L3·α3第二实施例在其它方面以与第一个实施例相同的方式构造，这里就不再重复描述。
可以对第二实施例进行变型。如果第一垫圈W1和第二垫圈W2的厚度远远小于第一法兰11和第二法兰12a的厚度，那么，只需要考虑第一法兰11、第二法兰12a和螺栓B的热收缩。
换句话说，如果上述方程(2)中L3，L4＜＜L1，L2，L3＝L4而且L3、L4近似为0。那么，设计时对材料和尺寸加以选择来满足以下关系式L·α≥L1·α1+L2·α2+L3，此方程式与第一个实施例的方程式(1)相似。
正如从上述的描述很清楚地看到的一样，根据本发明，采用螺栓和螺母来紧固第一法兰和第二法兰，以便于完成装配。即使该装配过程是在低温环境中进行，因为螺栓的热收缩量设定为等于或大于第一和第二法兰的热收缩总量，所以螺栓的紧固扭矩不会被降低。因此，可以防止第一和第二法兰之间的密封性能被削弱。
另外，如果采用其间插有第一垫圈和/或第二垫圈的螺栓和螺母来紧固第一法兰和第二法兰，则螺栓的热收缩量等于或大于第一和第二法兰、第一和第二垫圈的热收缩总量。利用这种方式，螺栓的紧固扭矩不会降低，而且可以防止第一和第二法兰之间的密封性能不会削弱。
尽管已对本发明做了详细的描述和图示，但是显然可以理解的是，这些描述和图示只是图示性和示例性的，而并不对本发明进行限制，实际上，本发明的精神和范围只受所附权利要求书限制。
权利要求
1.一种用于低温环境下的紧固结构，包括第一法兰(11)；第二法兰(12a)，该第二法兰叠置在所述第一法兰(11)上；和螺栓(B)，该螺栓与螺母(N)一起紧固所述第一法兰(11)和所述第二法兰(12a)，其中，所述紧固结构用在低于执行紧固操作时的气温的温度下，该紧固结构满足以下关系式L·α≥L1·α1+L2·α2其中，L1表示所述第一法兰(11)的厚度，L2表示所述第二法兰(12a)的厚度，L表示叠置的所述第一法兰(11)和所述第二法兰(12a)的厚度，α1表示所述第一法兰(11)的线性膨胀系数，α2表示所述第二法兰(12a)的线性膨胀系数，而α表示所述螺栓(B)的线性膨胀系数，而且所述螺栓(B)的热收缩量等于或大于所述第一法兰(11)和所述第二法兰(12a)的热收缩总量。
2.如权利要求1所述的用于低温环境下的紧固结构，其中，所述第二法兰(12a)是内部包含低温冷却剂的容器(12)的一部分，而且所述容器(12)通过利用所述螺栓(B)将所述第一法兰(11)紧固到所述第二法兰(12a)上来加以密封。
3.如权利要求1所述的用于低温环境下的紧固结构，其中，所述第一法兰(11)由玻璃纤维增强塑料、不锈钢或环氧树脂制成，所述第二法兰(12a)由不锈钢或玻璃纤维增强塑料制成，而所述螺栓(B)由不锈钢或铝制成。
4.一种用于低温环境下的紧固结构，包括第一法兰(11)；第二法兰(12a)，该第二法兰叠置在所述第一法兰(11)上；螺栓(B)，该螺栓与螺母(N)一起紧固所述第一法兰(11)和所述第二法兰(12a)；第一垫圈(W1)，该第一垫圈介于所述螺栓(B)的螺栓头(Ba)与所述第一法兰(11)(或所述第二法兰(12a))之间；和/或第二垫圈(W2)，该第二垫圈介于所述螺母(N)和所述第二法兰(12a)(或所述第一法兰(11))之间；其中，所述紧固结构用于低于执行紧固操作时的气温的温度下，紧固结构满足以下关系式L·α≥L1·α1+L2·α2+L3·α3+L4·α4其中，L1表示所述第一法兰(11)的厚度，L2表示所述第二法兰(12a)的厚度，L3表示所述第一垫圈(W1)的厚度，L4表示所述第二垫圈(W2)的厚度，L表示所述叠置的所述第一法兰(11)、所述第二法兰(12a)、所述第一垫圈(W1)和所述第二垫圈(W2)的厚度，α1表示所述第一法兰(11)的线性膨胀系数，α2表示所述第二法兰(12a)的线性膨胀系数，α表示所述螺栓(B)的线性膨胀系数，α3表示所述第一垫圈(W1)的线性膨胀系数，α4表示所述第二垫圈(W2)的线性膨胀系数，而且所述螺栓(B)的热收缩量等于或大于所述第一法兰(11)、所述第二法兰(12a)、所述第一垫圈(W1)和所述第二垫圈(W2)的热收缩总量。
5.如权利要求4所述的用于低温环境下的紧固结构，其中，所述第二法兰(12a)是内部包含低温冷却剂的容器(12)的一部分，而且所述容器(12)通过利用所述螺栓(B)将所述第一法兰(11)紧固到所述第二法兰(12a)上予以密封。
6.如权利要求4所述的用于低温环境下的紧固结构，其中，所述第一法兰(11)由玻璃纤维增强塑料、不锈钢或环氧树脂制成，所述第二法兰(12a)由不锈钢或玻璃纤维增强塑料制成，所述螺栓(B)由不锈钢或铝制成，而所述第一垫圈(W1)和所述第二垫圈(W2)由不锈钢或铝制成。
全文摘要
本发明公开了一种用于低温环境下的紧固结构。为了实现一种用在低于紧固操作时的气温的温度下的紧固结构，在紧固操作中，使用螺栓(B)和螺母(N)，将第一法兰(11)和第二法兰(12a)叠置并紧固在一起。假设第一法兰(11)具有一个厚度L1和一个线性膨胀系数α1，第二法兰(12a)具有一个厚度L2和一个线性膨胀系数α2，叠置的第一法兰(11)和第二法兰(12a)具有一个厚度L，而螺栓(B)具有一个线性膨胀系数α，那么它们满足以下关系式L·α≥L1·α1+L2·α2，也就是说，螺栓(B)的热收缩量不小于第一法兰和第二法兰(11，12a)的热收缩总量。因此，在用于低温环境下的法兰接头处，可以避免由于热收缩造成密封性能削弱。
文档编号H02G15/34GK1573139SQ20041005971
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月21日 优先权日2003年6月19日
发明者芦边佑一, 增田孝人, 高桥芳久, 本庄升一, 下馆正人, 卫藤敬佐 申请人:住友电气工业株式会社, 东京电力株式会社