特開 2024-140619 ガス配管

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024140619

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】ガス配管

(51)【国際特許分類】

   F16L 9/00 20060101AFI20241003BHJP

【ＦＩ】

F16L9/00 Z

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023051841

(22)【出願日】2023-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000237868

【氏名又は名称】エヌジーケイ・アドレック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】古宮山 常夫

(72)【発明者】

【氏名】各務 欣哉

(72)【発明者】

【氏名】松葉 浩臣

(72)【発明者】

【氏名】臼杵 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】近藤 厚男

【テーマコード（参考）】

3H111

【Ｆターム（参考）】

3H111AA01

3H111BA09

3H111BA15

3H111CA42

3H111CB02

3H111CB14

3H111CB22

3H111DA26

3H111DB11

(57)【要約】

【課題】真空空間で電圧が印加される環境に不活性ガスを導入する用途で使用し得るガス配管を提供する。
【解決手段】
ガス配管は、内面に凹凸部が形成されている筒体と、筒体内に充填されているセラミックス製の多孔質体を備えている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内面に凹凸部が形成されている筒体と、
前記筒体内に充填されているセラミックス製の多孔質体と、を備えるガス配管。

【請求項2】

前記筒体の配管長さに対し、前記筒体の内面の沿面長さが１．０８倍以上である請求項１に記載のガス配管。

【請求項3】

前記凹凸部の凹部間の距離が、５ｍｍ超５００ｍｍ未満である請求項１に記載のガス配管。

【請求項4】

前記凹凸部の凸部間の距離が、１ｍｍ超４９８ｍｍ未満である請求項１に記載のガス配管。

【請求項5】

前記筒体内の平均気孔率が、１５％以上６０％以下である請求項１から４のいずれか一項に記載のガス配管。

【請求項6】

前記多孔質体の平均粒子径が、５０ｍｍ以上６００ｍｍ以下である請求項１から４のいずれか一項に記載のガス配管。

【請求項7】

前記筒体の材料が、酸化ケイ素質、酸化アルミニウム質、高耐熱樹脂から選択される少なくとも１つを主成分とする請求項１から４のいずれか一項に記載のガス配管。

【請求項8】

前記多孔質体の材料が、酸化ケイ素質と酸化アルミニウム質の少なくとも一方を主成分とする請求項１から４のいずれか一項に記載のガス配管。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、ガス配管に関する技術を開示する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、高圧ガス（ブローバイガス）が通過するガス配管が開示されている。特許文献１には、ガス配管の材料としてラバー、合成樹脂、金属が挙げられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－１３５９９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示されているように、一般的に、ガス配管はラバー、合成樹脂、金属等で形成されている。しかしながら、これらの材料は熱に弱く、ガス配管が高温に晒されると、ガス配管が損傷したり、変形することが起こり得る。ガス配管をセラミックス製とすれば、熱による損傷等を抑制することができる。しかしながら、セラミックス製のガス配管であっても、特定条件、例えば、真空空間で電圧が印加される環境にヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガスを導入する場合、放電が発生し、ガス配管が溶融してしまうことがある。そのため、真空空間で電圧が印加される環境に不活性ガスを導入する用途で使用し得るガス配管の実現が必要とされている。本明細書は、上述した特定条件下において使用し得るガス配管を実現する技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書で開示する第１技術は、内面に凹凸部が形成されている筒体と、その筒体内に充填されているセラミックス製の多孔質体を備えるガス配管であってよい。

【0006】

本明細書で開示する第２技術は、第１技術のガス配管であり、上記筒体の配管長さに対し、上記筒体の内面の沿面長さが１．０８倍以上であってよい。

【0007】

本明細書で開示する第３技術は、第１又は第２技術のガス配管であり、上記凹凸部の凹部間の距離が、５ｍｍ超５００ｍｍ未満であってよい。

【0008】

本明細書で開示する第４技術は、第１から第３技術のいずれかに記載のガス配管であり、上記凹凸部の凸部間の距離が、１ｍｍ超４９８ｍｍ未満であってよい。

【0009】

本明細書で開示する第５技術は、第１から第４技術のいずれかに記載のガス配管であり、上記筒体内の平均気孔率が、１５％以上６０％以下であってよい。

【0010】

本明細書で開示する第６技術は、第１から第５技術のいずれかに記載のガス配管であり、上記多孔質体の平均粒子径が、５０ｍｍ以上６００ｍｍ以下であってよい。

【0011】

本明細書で開示する第７技術は、第１から第６技術のいずれかに記載のガス配管であり、上記筒体の材料が、酸化ケイ素質、酸化アルミニウム質、高耐熱樹脂から選択される少なくとも１つを主成分としていてよい。

【0012】

本明細書で開示する第８技術は、第１から第７技術のいずれかに記載のガス配管であり、上記多孔質体の材料が、酸化ケイ素質と酸化アルミニウム質の少なくとも一方を主成分としていてよい。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施例のガス配管の径方向断面を示す。

【図2】第１実施例のガス配管の長手方向断面を示す。

【図3】第１実施例のガス配管で用いられる筒体の断面図を示す。

【図4】筒体内面の凹凸形状を説明するための図を示す。

【図5】第１実施例の変形例を説明するための図を示す。

【図6】第２実施例のガス配管で用いられる筒体の断面図を示す。

【図7】第３実施例のガス配管で用いられる筒体の断面図を示す。

【図8】第４実施例のガス配管で用いられる筒体の断面図を示す。

【図9】実験例の結果を示す。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本明細書で開示するガス配管は、真空空間で電圧が印加される環境に不活性ガスを導入する配管として好適に用いられる。ガス配管は、筒体と、筒体内に充填されているセラミックス製の多孔質体を備えている。筒体の内部をセラミックス粒子が充填しているので、このガス配管は、マクロ的にみると中実構造である。筒体の内面には、凹凸部が形成されている。そのため、筒体内の沿面長さは、筒体の配管長さより長い。なお、「配管長さ」とは、ガス配管の長手方向（ガスが流通する方向）における筒体の長さを意味する。また、「沿面長さ」とは、ガス配管の長手方向における筒体表面の長さを意味する。本明細書で開示するガス配管は、内表面（ガスと接触する面）に凹凸が形成されているので、配管長さに対し、筒体内面の沿面長さが長い。また、本明細書で開示するガス配管は、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガスを導入する配管として好適に使用し得るが、その他に、水素ガス、メタンガス、大気等のガスを導入する配管として使用することもできる。

【0015】

筒体内に多孔質体を充填したガス配管では、不活性ガスが導入される環境における印加電圧が高くなると（例えば３０ｋＶ以上になると）、筒体内面と多孔質体の隙間で電子が加速され、放電が発生しやすくなる。放電は、筒体の内面に沿って発生しやすい。しかしながら、本明細書で開示するガス配管は、筒体の内面に凹凸が形成されており、内面の沿面長さが長く確保されている。そのため、本明細書で開示するガス配管は、筒内の内面に沿って放電が発生しにくい。放電の発生を抑制することにより、筒体（ガス配管）が溶融することが抑制され、筒体の耐久性（寿命）を向上させることができる。

【0016】

また、本明細書で開示するガス配管は、筒体の内面に凹凸部が形成されているので、筒体内において多孔質体の移動が規制され、多孔質体が筒体から外れることを抑制することもできる。なお、凹凸部の凹部（又は凸部）は、筒体の周方向（長手方向に直交する方向）を一巡して形成されていてよい。あるいは、凹凸部の凹部（又は凸部）は、筒体の長手方向に対して螺旋状に形成されていてもよい。

【0017】

上記ガス配管は、多孔質体の粒径等を調整することにより、筒体内の気孔率を調整することができる。筒体内の気孔率を調整することにより、ガス配管の強度、ガス配管内（筒体内）の流路面積を調整することができる。なお、筒体内の気孔率は、筒体の気孔率より大きい。具体的には、筒体内の平均気孔率は１５％以上６０％以下に調整されており、筒体の気孔率は５％以下に調整されている。筒体内の平均気孔率が１５％以上であれば、筒体内に確実にガス流路を確保することができる。また、筒体内の平均気孔率が６０％以下であれば、ガス配管の強度が十分に確保され、例えば、強度が１０ＭＰａ以上８０ＭＰａのガス配管を実現することができる。本明細書で開示するガス配管は、強度が１０ＭＰａ以上８０ＭＰａに調整されている。筒体内の平均気孔率は、目的に応じた圧力損失に基づいて調整することができる。なお、筒体自体の気孔率を５％以下に調整することにより、筒体内のガスが筒体を通過して外部（ガス配管外）に漏れることを防止することができる。

【0018】

多孔質体の平均粒子径は、５０μｍ以上６００μｍ以下であってよい。多孔質体の平均粒子径が５０μｍ以上であれば、粒子間に隙間が確保され、ガス流路を確実に確保することができる。また、多孔質体の平均粒子径が６００μｍ以下であれば、多孔質体同士の接触面積、及び、多孔質体と筒体内面の接触面積が増大し、両者を安定して結合させることができる。なお、多孔質体の粒子間の平均距離（筒体内の平均気孔径）は、１０μｍ以上２００μｍ以下であってよい。

【0019】

筒体の材料は、酸化ケイ素質、酸化アルミニウム質、高耐熱樹脂（例えば、ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂）、又はこれらの混合物を主成分としてよい。これらの材料は耐熱性が高く、ヘリウムガスが導入される環境の温度が高温であってもガス配管の損傷を抑制することができる。なお、筒体の内面に、アルミナ、ムライト等のセラミックスコーティングが施されていてもよい。また、多孔質体の材料は、酸化ケイ素質、酸化アルミニウム質、又はこれらの混合物を主成分としてよい。これらの材料は耐熱性が高く、また、高強度であり、ガス配管の強度を向上させることに寄与する。なお、「主成分」とは、構成材料の５０質量％以上を占める材料のことを意味する。

【0020】

なお、筒体及び多孔質体の材料がセラミックスの場合、両者は一体化していてよい。具体的には、筒体内面と多孔質体が結合していてよい。例えば、セラミックス材料の筒体の内部にセラミックス材料の多孔質体（セラミックス粒子）を充填した状態で焼成することにより、筒体内にセラミックス粒子の多孔質体を形成するとともに、筒体内面と多孔質体を焼結させ、筒体と多孔質体を一体化させてよい。筒体と多孔質体を一体化させることにより、ガス配管内を移動するガスの圧力によって多孔質体が破損することを抑制できる。

【0021】

筒体内面の沿面長さは、筒体の配管長さに対し、１．０８倍以上であってよい。「沿面長さ／配管長さ」が１．０８以上であれば、上述した利点（放電発生の抑制、多孔質体の外れ抑制）を確実に得ることができる。なお、筒体内面の沿面長さは、筒体の配管長さに対し、１．１倍以上であってよく、２倍以上であってよく、３倍以上であってよく、５倍以上であってよく、１０倍以上であってよく、２５倍以上であってよく、５０倍以上であってもよい。また、筒体内面の沿面長さは、筒体の配管長さに対し、５０倍以下であってよい。「沿面長さ／配管長さ」が５０を超えると、筒体の製造が困難となり、ガス配管の製造歩留まりが低下する。「沿面長さ／配管長さ」が５０以下であれば、ガス配管の製造歩留まり低下を抑制することができる。なお、筒体内面の沿面長さは、筒体の配管長さに対し、２５倍以下であってよく、１０倍以下であってよく、５倍以下であってよく、３倍以下であってもよい。

【0022】

筒体内面に形成されている凹凸部において、凹部間の距離は、５ｍｍ超５００ｍｍ未満であってよい。凹部間の距離が５ｍｍ超であれば内部の多孔質体が外れることを抑制することができる。また、凹部間の距離が５００ｍｍ未満であれば、ガス配管の製造歩留まりの低下を抑制することができる。筒体内面に形成されている凹凸部において、凸部間の距離は、１ｍｍ超４９８ｍｍ未満であってよい。凸部間の距離が１ｍｍ超であれば、内部の多孔質体が外れることを抑制することができる。また、凸部間の距離が４９８ｍｍ未満であれば、ガス配管の製造歩留まりの低下を抑制することができる。なお、筒体の配管長さに対する筒体内面の沿面長さ（沿面長さ比）が１０倍以下であれば、さらにガス配管の製造歩留まりの低下を抑制する（製造歩留まり７１％以上を確保して製造する）ことができる。

【0023】

凹凸部の形状（凹部の形状、又は、凸部の形状）は、矩形、三角形、円弧、又は、これらの形状の組み合わせ等、特に限定されない。但し、製造歩留まりの低下を抑制するという観点より、凹凸部の形状は矩形であることが好ましい。詳細は省略するが、凹凸部の形状が矩形のガス配管は、凹凸部の形状が矩形以外のガス配管と比較して、最も高い製造歩留まりが得られることが確認されている。

【実施例0024】

（第１実施例）
図１及び図２を参照し、ガス配管１０について説明する。図１はガス配管１０の径方向断面を示し、図２はガス配管１０の長手方向断面を示している。図１、２に示すように、筒体１４の内側に、複数の多孔質体１２が充填されている。筒体１４の材料はアルミナであり、外径は３０ｍｍであり、気孔率は１％である。筒体１４の内面に、凸部１６及び凹部１８からなる凹凸が設けられている。凸部１６及び凹部１８は、筒体１４の長手方向２０に複数設けられている。凸部１６と凹部１８の間には段差１７が設けられており、図２に示す断面では凸部１６及び凹部１８の形状は矩形である。なお、筒体１４の外面には凹凸は設けられていない。

【0025】

凸部１６，１６間の距離Ｄ１は１５ｍｍであり、凹部１８，１８間の距離Ｄ２は２０ｍｍである。すなわち、筒体１４は、内径１５ｍｍであり、長手方向２０において間隔をあけて、２．５ｍｍ深さの複数の凹部１８が設けられている。あるいは、筒体１４は、内径２０ｍｍであり、長手方向２０において間隔をあけて、２．５ｍｍ高さの複数の凸部１６が設けられていると捉えることもできる。筒体１４は、内面に凹凸が設けられており、外面に凹凸が設けられていないので、筒体１４の配管長さＬ１に対し、筒体１４の内面の沿面長さが大きい。なお、筒体１４の内面の沿面長さは、長手方向２０における凸部１６の表面１６ｓの長さ、段差１７の表面１７ｓの長さ、凹部１８の表面１８ｓの長さの合計長さである。筒体１４では、配管長さＬ１に対する筒体１４の内面の沿面長さが２倍に調整されている。ガス配管１０は、筒体１４の配管長さＬ１に対して筒体１４の内面の沿面長さが大きいので、不活性ガスを導入する環境における印加電圧が高くなっても、筒体１４内において放電の発生を抑制することができる。

【0026】

多孔質体１２は、アルミナ粒子とガラスを焼成することにより形成されている。多孔質体１２を構成するアルミナ粒子の平均粒子径は２５７μｍである。多孔質体１２，１２間には空隙が設けられており、筒体１４内の平均気孔率は３５％である。多孔質体１２は、凹部１８内にも充填されている。ガス配管１０は、未焼成の筒体１４内に多孔質体１２の原料（アルミナ粒子及びガラス）を充填した後、大気雰囲気にて１１００～１３００℃の焼成を行うことにより形成されている。焼成により、多孔質体１２，１２同士が焼結するとともに、筒体１４と多孔質体１２も焼結する。焼結した多孔質体１２が凹部１８内に存在することにより、多孔質体１２が筒体１４から外れることを抑制することができる。

【0027】

図３及び図４を参照し、筒体１４内の凹凸形状について説明する。図３は、筒体１４の断面図であり、図２に示すガス配管１０から多孔質体１２を取り除いたものに相当する。図４は、凸部１６（凹部１８）が形成されている方向を示している。図３及び図４に示すように、凸部１６（凹部１８）は、筒体１４の長手方向において間隔をあけて、筒体の周方向に一巡して形成されている。そのため、筒体１４の長手方向において、隣り合うリング状の凸部１６，１６の間に、リング状の凹部１８が存在する。同様に、筒体１４の長手方向において、隣り合うリング状の凹部１８，１８の間に、リング状の凸部１６が存在する。

【0028】

図５は、筒体１４ａにおいて凸部１６（凹部１８）が形成されている方向を示している。筒体１４ａは、筒体１４の変形例である。筒体１４ａでは、凸部１６（凹部１８）が、筒体１４ａの長手方向に沿って螺旋状に形成されている。このような形態であっても、筒体１４ａの断面（筒体１４ａの図３に示す断面）を観察すると、筒体１４ａの長手方向において、隣り合う凸部１６，１６の間に凹部１８が存在し、隣り合う凹部１８，１８の間に凸部１６が存在する。筒体１４に代えて筒体１４ａを用いてガス配管１０を作製した場合も、筒体１４ａの配管長さに対し、筒体１４ａの内面の沿面長さが大きくなる。また、焼結した多孔質体１２が凹部１８内に存在することにより、多孔質体１２が筒体１４ａから外れることを抑制することができる。そのため、筒体１４に代えて筒体１４ａを用いてガス配管１０を作製することもできる。

【0029】

以下、図６から図８を参照し、第２～第４実施例（筒体１１４，２１４及び３１４）について説明する。筒体１１４，２１４及び３１４は、筒体１４の変形例であり、筒体１４と実質的に同一の構造については、筒体１４に付した参照番号と同一又は下二桁の数字が同一の参照番号を付すことにより、説明を省略することがある。なお、以下に説明する筒体１１４，２１４及び３１４の何れも、筒体１１４，２１４，３１４の配管長さに対し、筒体１１４，２１４，３１４の内面の沿面長さが大きくなる。筒体１１４，２１４及び３１４は、何れも筒体１４に代えてガス配管１０を作製することができる。

【0030】

（第２実施例）
図６に示すように、筒体１１４では、凸部１１６が円弧状である。筒体１１４の場合、筒体１１４の内面の沿面長さは、長手方向２０における凸部１１６の表面１１６ｓの長さ、凹部１８の表面１８ｓの長さの合計長さである。なお、筒体１１４においても、凸部１１６（凹部１８）が、筒体１１４の長手方向に沿って螺旋状に形成されていてもよい。

【0031】

（第３実施例）
図７に示すように、筒体２１４では、凸部２１６が三角形状である。筒体２１４の場合、筒体２１４の内面の沿面長さは、長手方向２０における凸部２１６の表面（三角形の斜面）２１６ｓの長さ、凹部１８の表面１８ｓの長さの合計長さである。なお、筒体２１４においても、凸部２１６（凹部１８）が、筒体２１４の長手方向に沿って螺旋状に形成されていてもよい。

【0032】

（第４実施例）
図８に示すように、筒体３１４では、凸部３１６は、薄肉部３１５と厚肉部３１７を備えている。長手方向２０において、厚肉部３１７の厚みは、薄肉部３１５の厚みより厚い。厚肉部３１７は、薄肉部３１５よりも凸部３１６の先端側に設けられている。厚肉部３１７は、薄肉部３１５に対し、長手方向２０の一方向に突出している。具体的には、厚肉部は、薄肉部３１５に対し、ガス配管１０の上流側に向けて突出している。図示は省略するが、筒体３１４を用いたガス配管１０を作製すると、長手方向２０において厚肉部３１７が多孔質体１２に食い込み、多孔質体１２が筒体３１４から外れることをさらに抑制することができる（図２を比較参照）。筒体３１４の場合、筒体３１４の内面の沿面長さは、長手方向２０における薄肉部３１５の表面３１５ｓの長さ、厚肉部３１３の表面３１７ｓの長さ、凹部１８の表面１８ｓの長さの合計長さである。なお、筒体３１４においても、凸部３１６（凹部１８）が、筒体３１４の長手方向に沿って螺旋状に形成されていてもよい。

【0033】

（実験例）
沿面長さ比を変化させた筒体１４（凸部が矩形状）を用いてガス配管１０を作製し、放電試験を行った。放電試験は、ガス配管１０内にヘリウムガスを３０ｃｍ^３／分で流通させた状態で、ガス配管１０の端部（ガス排出側の端部）に０～２５ｋＶの電圧を印加した。放電試験において２５ｋＶで放電が発生しなかった場合「Ａ」評価とし、１５～２５ｋＶで放電が発生した場合「Ｂ」評価とし、５～１４ｋＶで放電が発生した場合「Ｃ」評価とし、５ｋＶ未満で放電が発生した場合「Ｄ」評価とした。放電試験においては、「Ａ」～「Ｃ」評価が合格レベルである。結果を図９に示す。

【0034】

図９に示すように、沿面長さ比が大きくなる程（筒体１４の配管長さに対して筒体１４内面の沿面長さが長くなる程）、放電が起こりにくくなることが確認された。具体的には、沿面長さ比が１．０５以上（試料１３～試料２２）であれば、合格レベルであることが確認された。また、沿面長さ比が１．０８以上であれば、特に良好な耐放電性が得られることが確認された。

【0035】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0036】

１０：ガス配管
１２：多孔質体
１４：筒体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】