JP2004176835A - 流体継手およびその設計方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスケットの形状を含めて継手部材間の適正なシール構造を構築し、これにより、シール性と耐久性の両方を向上することができる流体継手およびその設計方法を提供する。
【解決手段】ガスケット４の突起７の断面形状は、外周面となる内向きテーパ面７ａ、内周面となる外向きテーパ面７ｂおよび先端面となる平坦面７ｃとによって区画された台形状である。ガスケット４の硬さ、突起７のテーパ面７ａ，７ｂ同士のなす角度、突起高さおよび突起先端の平坦面７ｃの面積は、締付け時の推力の値が所定の最小値と最大値との間にあるように設定されている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体継手に関し、特に、継手部材間に介在させられたガスケットを変形させることによってシール性を得る流体継手およびその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流体継手として、本出願人らにより開示された特許文献１には、互いに連通する流体通路を有している第１および第２の継手部材と、両継手部材の突き合わせ端面間に介在させられる孔あき円板状のガスケットと、両継手部材を結合するねじ手段とを備え、第１および第２継手部材の突き合わせ端面に、ガスケット押さえ用の環状突起が設けられているものが示されている。また、同公報には、第１および第２継手部材の突き合わせ端面に、平坦な底面を有する環状凹所がそれぞれ設けられ、両継手部材の凹所で形成されたガスケット収納空間内に配置された環状ガスケットの両側面に環状突起が設けられているものも示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０９−０３２９８４号公報（各図、特に、図１４〜図１７）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の流体継手において、ガスケット押さえ用環状突起を含む継手部材の端面には、鏡面仕上げを含む工程で高精度の加工が要求されており、突起がある端面の加工に手間がかかり、継手全体の製造工程の合理化の妨げになるという問題があった。そこで、ガスケットの両側面に環状突起が設けられているタイプの方を使用することが考えられるが、ガスケットの形状については従来、あまり考察されておらず、特に、ガスケットに設ける突起の形状については、種々なものが可能という程度で、突起形状のミクロな検討は行われていなかった。
【０００５】
この発明の目的は、ガスケットの形状を含めて継手部材間の適正なシール構造を構築し、これにより、シール性と耐久性の両方を向上することができる流体継手およびその設計方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による流体継手は、互いに連通する流体通路を有している第１および第２の継手部材と、両継手部材の突き合わせ端面間に介在させられるガスケットと、両継手部材を結合するねじ手段とを備え、各継手部材端面に、平坦な底面を有する環状凹所がそれぞれ設けられ、両継手部材の凹所で形成されたガスケット収納空間内に環状ガスケットが配置されており、ガスケットの両側面に環状突起が設けられている流体継手において、ガスケットの突起の断面形状は、外周面となる内向きテーパ面、内周面となる外向きテーパ面および先端面となる平坦面とによって区画された台形状であることを特徴とするものである。
【０００７】
この発明の流体継手は、管同士を接続する管継手に使用できることはもちろんのこと、流体通路を有するブロック状部材同士を流体密に結合する場合の構成にも適用できる。
【０００８】
この発明の流体継手によると、ガスケットの突起の断面形状が台形状とされているので、変更可能な要素は、テーパ面同士のなす角度、突起の高さおよび突起先端の平坦面面積の３つがあり、テーパ面同士のなす角度および突起の高さの２要素しか変更できない断面三角形の突起や突起の幅および突起の高さの２要素しか変更できない断面方形の突起に比べて、設計の自由度が増し、シール性と耐久性をより高いレベルで確保することができる。
【０００９】
ガスケットの硬さ、突起のテーパ面同士のなす角度、突起高さおよび突起先端の平坦面の面積は、締付け時の推力の値が所定の最小値と最大値との間にあるように設定されていることが好ましい。このようにすると、シール性と耐久性とを確実に両立させることができる。
【００１０】
そして、ガスケットの環状突起の内向きテーパ面と外向きテーパ面のなす角αが、５０〜１３０°とされていることが好ましい。このようにすると、例えば、α＝９０°を基準として、α＝６０°および１２０°を含むそれぞれの推力を求めることにより、適正なガスケットの突起形状を容易に得ることができる。
【００１１】
この発明による流体継手の設計方法は、互いに連通する流体通路を有している第１および第２の継手部材と、両継手部材の突き合わせ端面間に介在させられるガスケットと、両継手部材を結合するねじ手段とを備え、各継手部材端面に、平坦な底面を有する環状凹所がそれぞれ設けられ、両継手部材の凹所で形成されたガスケット収納空間内に環状ガスケットが配置されており、ガスケットの両側面に環状突起が設けられている流体継手を設計する方法であって、ガスケットの突起の断面形状を、外周面となる内向きテーパ面、内周面となる外向きテーパ面および先端面となる平坦面とによって区画された台形状とするとともに、ガスケットの硬さ、突起のテーパ面同士のなす角度、突起高さおよび突起先端の平坦面の面積を、締付け時の推力の値が所定の最小値と最大値との間にあるように設定することを特徴とするものである。
【００１２】
ガスケットの硬さ、ガスケットの突起のテーパ角度、突起高さおよび突起先端平坦面面積を、以下の式を満たすように決定することが好ましい。
【００１３】
最低締付け力から求めた面圧×安全率＜継手締付時の単位面積あたりの推力の実験値＜ガスケットのビッカース硬さから求めた単位面積あたりの推力×安全率最低締付け力としては、例えば、使用状態でのボルト荷重およびガスケット締付け時のボルト荷重のうち、いずれか大きい方が使用される。継手締付時の単位面積あたりの推力の実験値は、例えば、推力の実測値と受圧面積の計算値とから求められる。ガスケットのビッカース硬さから求めた単位面積あたりの推力は、ビッカース硬さの式：ＨＶ＝０．１０２×Ｆ／Ｓ（Ｆ：試験荷重、Ｓ：表面積）から求めることができる。
【００１４】
上記式を満足するようにガスケットの硬さおよび形状を決めることにより、シール性と耐久性とを確実に両立させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、左右は、図の左右をいうものとする。
【００１６】
図１は、この発明の流体継手の第１実施形態を示している。
【００１７】
流体継手（１）は、互いに連通する流体通路（２ａ）（３ａ）を有している第１および第２の継手部材（２）（３）と、両継手部材（２）（３）の突き合わせ端面間に介在させられる環状ガスケット（４）と、両継手部材（２）（３）を結合するねじ手段（図示略）とを備えている。
【００１８】
各継手部材（２）（３）端面には、平坦な底面を有する環状凹所（５）（６）がそれぞれ設けられ、ガスケット（４）は、両継手部材（２）（３）の凹所（５）（６）で形成されたガスケット収納空間内に配置されている。ガスケット（４）の両側面には、環状突起（７）が設けられている。
【００１９】
図２に拡大して示すように、ガスケット（４）の突起（７）の断面形状は、外周面となる内向きテーパ面（７ａ）、内周面となる外向きテーパ面（７ｂ）および先端面となる平坦面（７ｃ）とによって区画された台形状とされている。内向きテーパ面（７ａ）の基端から径方向外向きにのびる面（７ｄ）が突起（７）の高さを求める基準面となっており、ガスケット（４）の軸方向中心面から外向きテーパ面（７ｂ）の基端までの距離は、ガスケット（４）の軸方向中心面から基準面（７ｄ）までの距離（すなわち突起を除いた厚みの半分）より若干小さく形成されている。ガスケット（４）の内径（流体通路径）は、両継手部材（２）（３）の流体通路（２ａ）（３ａ）径よりも大きくなされている。ガスケット（４）の外径の軸方向縁部は面取りされ、ガスケット（４）の外径の軸方向の中央部には、断面円弧状の凹所（７ｆ）が形成されている。
【００２０】
ガスケット（４）のビッカース硬さＨＶ、突起（７）のテーパ面（７ａ）（７ｂ）同士のなすテーパ角度α、突起（７）の高さＰおよび突起（７）先端の平坦面（７ｃ）の面積Ｓは、後述する設計方法に基づき、締付けの変位量を変化させた際の推力の値が所定の最小値と最大値との間にあるように設定されている。両継手部材（２）（３）のビッカース硬さは、ＨＶ＝３００程度とされている。
【００２１】
以下に、この発明による流体継手の設計方法について説明する。
【００２２】
まず、上記の流体継手（１）の特徴について、次のような実験および考察を行った。
【００２３】
図３のグラフは、トルクと推力との関係を示している。このグラフは、ブロック状継手部材同士をＭ４のボルトを４本使用して締め付けるさいのトルクと推力との関係を求めたもので、メッキなし、銀メッキありおよびメッキなしでグリス使用の３種類のボルトについて測定されている。この結果から、銀メッキまたはグリスなどによりボルト回転時の摩擦を軽減することにより、トルクに比例して推力が増加することが分かり、また、メッキがない場合には、トルクの増加量に対する推力の増加の割合が小さくなることも分かる。
【００２４】
図４のグラフは、ガスケット（４）の突起（７）の形状がα＝９０°およびＰ＝０．２９ｍｍの場合に、変位量に対する締付けトルクおよび受圧面積を調べたもので、受圧面積が変位量に比例して増加することが分かり、また、変位量が突起高さＰに達すると、その後は、締付けトルクが増加しても変位量がほとんど変化しないことが分かる。
【００２５】
ここで、所要のシール性を得るには、最低締付け力すなわち締付け時に所定値以上の推力が必要であり、また、所要の強度を維持するには、推力がガスケット（４）の硬さに対応する所定値を越えないことが必要となる。したがって、安全率も考慮して、次の式を満足するようにガスケット（４）の硬さおよび形状（テーパ角度α、突起高さＰおよび先端平坦面面積Ｓ）を選定することが好ましい。
【００２６】
最低締付け力×安全率＜継手締付時の推力＜表面硬さに応じた推力×安全率
そして、締付けによって面積が変化することを考慮して、次の式を使用することがより好ましい。
【００２７】
最低締付け力から求めた面圧×安全率＜継手締付時の単位面積あたりの推力の実験値＜ガスケットのビッカース硬さから求めた単位面積あたりの推力×安全率最低締付け力としては、例えば、使用状態でのボルト荷重およびガスケット締付け時のボルト荷重のうち、いずれか大きい方を使用すればよい。ビッカース硬さ、最低締付け力などを求める計算式および各記号の意味を表１に示す。
【００２８】
【表１】
Figure 2004176835
【００２９】
図５には、この発明の流体継手で使用されるのに好適なガスケットを得るために使用されるグラフを示している。横軸には、変位量、縦軸には推力またはボルト荷重を取り、ガスケットの突起のテーパ角度をα＝９０°として、変位量と推力またはボルト荷重との関係を求めている。同図のグラフから、ビッカース硬さがＨＶ＝３０のものとＨＶ＝１００のものとを比べると、最大の変位量（締付け終了時点）で、推力がそれぞれ約３４０ｋｇｆと約１１２０ｋｇｆとなり、ビッカース硬さがＨＶ＝３０のものでは、推力不足による面圧低下に伴うシール性不足に注意する必要があること、ＨＶ＝１００のものでは、推力過多に伴う継手またはボルトの損傷に注意する必要があることが分かる。また、銀メッキを施したもの（Ａｇ ＰＬＡＴＩＮＧ と表示）の実験値は、両者の間に位置すること、使用状態でのボルト荷重≪ガスケット締付け時のボルト荷重であることなども同グラフから理解される。
【００３０】
図６および図７は、図５と同様の考察をガスケット（４）の突起（７）のテーパ角度をα＝６０°（図６）およびα＝１２０°（図７）として行ったもので、図５との比較により、テーパ角度をα＝９０°からα＝６０°に変更すると、推力が小さくなり、テーパ角度をα＝９０°からα＝１２０°に変更すると、推力が大きくなることが分かる。こうして、推力をある範囲に設定した場合に、ビッカース硬さ、テーパ角度などを変更して、所定の推力を得るためのガスケット（４）を設計することができる。
【００３１】
図８には、この発明の流体継手で使用されるのに好適なガスケット（４）を得るために使用される他のグラフを示している。横軸には、変位量、縦軸には、面積あたりの推力を取り、ガスケット（４）の突起（７）のテーパ角度をα＝９０°として、変位量と面積あたりの推力との関係を求めている。面積あたりの実験値とされているものが、この発明による流体継手（１）の特性である。同図のグラフから、変位量を０．１ｍｍ以上とすることにより、シール性に必要な面積あたりの推力が得られること、すなわち、最低締付け力から求めた面圧＜継手締付時の単位面積あたりの推力という条件を満たすことができることが分かる。そして、実際には、安全率を考慮して、例えば、変位量については０．１５ｍｍ以上あればシール性が確実に確保できると判断される。また、変位量を例えば０．４ｍｍ以上にすると、面積あたりの推力がガスケット硬さＨＶ＝１００の場合の推力に到達し、流体継手（１）の強度を確保するための推力の条件である継手締付時の単位面積あたりの推力＜ガスケットのビッカース硬さから求めた単位面積あたりの推力を満たさなくなることから、安全率を考えて、例えば、変位量０．３０ｍｍ以下という条件として強度を確保すればよいことが分かる。変位量とガスケット（４）の突起（７）の高さＰが対応していることから、変位量が決定されると、ガスケット（４）の突起高さＰが確定する。
【００３２】
図９および図１０は、図８と同様の考察をガスケット（４）の突起（７）のテーパ角度をα＝６０°（図９）およびα＝１２０°（図１０）として行ったもので、図８との比較により、テーパ角度をα＝９０°からα＝６０°に変更すると、α＝９０°の場合に比べて、面積あたりの推力すなわちシール性に必要な面積あたりの推力を大きくする必要があることがわかり、例えば、変位量を大きくするために突起高さを大きくするなどの設計変更を同時に行うかどうかを検討することになり、また、テーパ角度をα＝９０°からα＝１２０°に変更すると、α＝９０°の場合に比べて、面積あたりの推力すなわちシール性に必要な面積あたりの推力を小さくできることがわかり、例えば、変位量を大きくするために突起高さを小さくするなどの設計変更を同時に行うかどうかを検討することになる。上記においては、ビッカース硬さをＨＶ＝１００に保つようにしているが、ビッカース硬さを変更するようにしてももちろんよく、ガスケット（４）の設計の自由度が増し、ビッカース硬さ、テーパ角度などを変更して、シール性および耐久性をより高いレベルで両立させたガスケット（４）を設計することができる。
【００３３】
なお、ＨＶ＝１００などの所要のビッカース硬さは、ステンレス鋼製のガスケット（４）に十分な固溶化熱処理を施すことにより得ることができ、ガスケット（４）には、熱処理後に鏡面研磨が施される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による流体継手の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】この発明による流体継手で使用されるガスケットの拡大断面図である。
【図３】この発明による流体継手におけるトルクと推力との関係を示すグラフである。
【図４】この発明による流体継手における変位量に対する締付けトルクおよび受圧面積の関係を示すグラフである。
【図５】この発明の流体継手で使用されるのに好適なガスケット得るために使用されるグラフである。
【図６】図５と同様のグラフであり、図５が突起のテーパ角度が９０°であるのに対し、突起のテーパ角度が６０°である。
【図７】図５と同様のグラフであり、図５が突起のテーパ角度が９０°であるのに対し、突起のテーパ角度が１２０°である。
【図８】この発明の流体継手で使用されるのに好適なガスケット得るために使用される他のグラフである。
【図９】図８と同様のグラフであり、図８が突起のテーパ角度が９０°であるのに対し、突起のテーパ角度が６０°である。
【図１０】図８と同様のグラフであり、図８が突起のテーパ角度が９０°であるのに対し、突起のテーパ角度が１２０°である。
【符号の説明】
（１） 流体継手
（２） 第１継手部材
（２ａ） 流体通路
（３） 第２継手部材
（３ａ） 流体通路
（５） 環状凹所
（６） 環状凹所
（４） ガスケット
（７） 突起
（７ａ） 内向きテーパ面
（７ｂ） 外向きテーパ面
（７ｃ） 先端平坦面

Claims (5)

  1. 互いに連通する流体通路を有している第１および第２の継手部材と、両継手部材の突き合わせ端面間に介在させられるガスケットと、両継手部材を結合するねじ手段とを備え、各継手部材端面に、平坦な底面を有する環状凹所がそれぞれ設けられ、両継手部材の凹所で形成されたガスケット収納空間内に環状ガスケットが配置されており、ガスケットの両側面に環状突起が設けられている流体継手において、ガスケットの突起の断面形状は、外周面となる内向きテーパ面、内周面となる外向きテーパ面および先端面となる平坦面とによって区画された台形状であることを特徴とする流体継手。
  2. ガスケットの硬さ、突起のテーパ面同士のなす角度、突起高さおよび突起先端の平坦面の面積は、締付け時の推力の値が所定の最小値と最大値との間にあるように設定されている請求項１の流体継手。
  3. ガスケットの環状突起の内向きテーパ面と外向きテーパ面のなす角αが、５０〜１３０°とされている請求項２の流体継手。
  4. 互いに連通する流体通路を有している第１および第２の継手部材と、両継手部材の突き合わせ端面間に介在させられるガスケットと、両継手部材を結合するねじ手段とを備え、各継手部材端面に、平坦な底面を有する環状凹所がそれぞれ設けられ、両継手部材の凹所で形成されたガスケット収納空間内に環状ガスケットが配置されており、ガスケットの両側面に環状突起が設けられている流体継手を設計する方法であって、ガスケットの突起の断面形状を、外周面となる内向きテーパ面、内周面となる外向きテーパ面および先端面となる平坦面とによって区画された台形状とするとともに、ガスケットの硬さ、突起のテーパ面同士のなす角度、突起高さおよび突起先端の平坦面の面積を、締付け時の推力の値が所定の最小値と最大値との間にあるように設定することを特徴とする流体継手の設計方法。
  5. ガスケットの硬さ、突起のテーパ面同士のなす角度、突起高さおよび突起先端平坦面面積を、以下の式を満たすように決定することを特徴とする請求項４の流体継手の設計方法。
    最低締付け力から求めた面圧×安全率＜継手締付時の単位面積あたりの推力の実験値＜ガスケットのビッカース硬さから求めた単位面積あたりの推力×安全率
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