JP2012225500A

JP2012225500A - 配管フランジ接続構造

Info

Publication number: JP2012225500A
Application number: JP2011096469A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Koyama; 裕右小山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】トルク管理を必要とせずに片締めを防止でき、また、長期間に渡って十分な気密性を維持することが可能な接続を行うことができる配管フランジ接続構造を提供する。
【解決手段】突起付フランジ１の平板フランジ１０との接続面に、流路孔２を中心として対向するように少なくとも一対の突起４を設け、突起付フランジ１及び平板フランジ１０を、規定トルク範囲内のトルクでボルト３０を締め付けたときに撓まない剛性とし、突起４の先端面と突起付フランジ１の流路孔２の開口周囲のシール面５との差分高さを、規定トルク範囲内でボルト３０を締め付けた場合に突起４が平板フランジ１０に当接するように調整した高さとし、ボルト３０にトルクをかけて締め付けていき、規定トルク範囲内のトルクに達したときに突起４が平板フランジ１０に当接するようにした。
【選択図】図６

Description

本発明は、空気調和装置などの配管をフランジで接合する配管フランジ接続構造に関するものである。

一般に電算室に使用される空気調和装置の配管接続を行うにあたっては、電算室が火気厳禁であるため、溶接による配管接続ではなく、配管の端部にフランジを設けてフランジ同士の間にパッキンを介在させた状態でボルトで締め付ける構造が提案されている。この種の接続構造では、片締めとなることを防止するため、フランジの接続面において配管を中心とした同一円周上に複数の突起を間隔を空けて設けると共に、複数の突起の間にボルト挿通孔を設けた構造が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。この構造によれば、複数の突起の間にボルトを通してフランジ同士を締め付けることで、複数の突起が接続相手のフランジに当接し、片締めを防止することが可能となっている。

特開平１０−２３１９６９号公報（第３頁、図１、図５）特開平１０−２５２９６２号公報（第３頁、図１、図３）

特許文献１及び特許文献２のフランジでは、フランジの剛性が十分でないと、過剰なトルクで締め付けられた場合にフランジが撓んでシール部分の面圧分布にバラツキが生じ、突起による片締め防止の効果が失われる可能性がある。よって、過剰なトルクで締め付けられることのないように、徹底したトルク管理が必要となる。

また、一般的にパッキンによるシール部分の面圧は経年劣化等の各種要因により次第に低下していくため、長期間、十分な気密性を保つことのできる構成が望まれる。しかし、特許文献１及び特許文献２のフランジでは、その点について考慮されておらず、長期間、十分な気密性を保つことが難しいという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、トルク管理を必要とせずに片締めを防止でき、また、長期間に渡って十分な気密性を維持することが可能な接続を行うことができる配管フランジ接続構造を提供する。

本発明に係る配管フランジ接続構造は、一方の配管の端部に設けた一方のフランジと、他方の配管の端部に設けた他方のフランジとを対向配置し、それら一対のフランジ同士の間に、一対のフランジ同士の連通部分をシールするパッキンを介在させ、その状態で一対のフランジ同士を、配管を中心とした同一円周上で間隔をおいた複数箇所でボルトにより締結する構造であって、パッキンの耐用期間に渡ってパッキンによるシール部分の気密性を維持するために必要なボルトの締め付けトルクを最小値、ボルトの強度に基づいて設定した締め付けトルクを最大値として設定した規定トルク範囲を有し、一方のフランジ及び他方のフランジを、規定トルク範囲内のトルクでボルトを締め付けたときに撓まない剛性とし、また、一方のフランジは、他方のフランジとの接続面に、一方の配管に連続する流路孔を中心として対向するように少なくとも一対の突起を有し、一対の突起の先端面と流路孔の開口周囲のシール面との差分高さを、規定トルク範囲内でボルトを締め付けた場合に突起が他方のフランジに当接するように調整した高さとし、ボルトにトルクをかけて締め付けていき、規定トルク範囲内のトルクに達したときに突起が他方のフランジに当接するようにしたものである。

本発明によれば、一方のフランジの他方のフランジとの接続面に設けた突起が他方のフランジに接触することを目安にボルトを締めていき、突起が他方のフランジに接触した時点で締め付けを停止すれば、その状態において規定トルク範囲内で締め付けた状態を得ることができる。また、締めすぎた場合でも、突起により締めすぎを防止できるため、必要以上に締め付けることがなく、片締めを防止することができる。また、突起が他方のフランジに当接することを目安にボルトを締め付けていけばよいため、トルク管理が容易である。また、規定トルク範囲は耐用期間に渡って気密性を確保できることを目的として設定された範囲であるため、長期間に渡って十分な気密性を維持することが可能な接続を行うことができる。

本発明の一実施の形態に係る配管フランジ接続構造を構成する突起付フランジを示す図である。図１の点線で囲った部分の拡大図である。本発明の一実施の形態に係る配管フランジ接続構造を構成する平板付フランジを示す図である。図１の突起付フランジと図３の平板フランジとの間に介挿されるパッキンの平面図である。実測により求めたパッキンにおける応力緩和による面圧緩和線を示す図である。本発明の一実施の形態に係る配管フランジ接続構造を示す断面図である。本例のような高さ調整を行っていない突起を有する配管フランジ接続構造を示す断面図である。図１の突起付フランジが撓んだ場合の面圧分布を示す図である。

図１は、本発明の一実施の形態に係る配管フランジ接続構造を構成する突起付フランジを示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図２は、図１の点線で囲った部分の拡大図である。図３は、本発明の一実施の形態に係る配管フランジ接続構造を構成する平板付フランジを示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図４は、図１の突起付フランジと図３の平板フランジとの間に介挿されるパッキンの平面図である。

以下、本実施の形態の特徴部分の説明を行うに先立ち、配管フランジ接続構造の基本的な構造部分について説明する。
突起付フランジ１は、全体が略楕円柱形状を成し、中心に流路孔２が形成され、また、流路孔２を中心とした同一円周上に複数（ここでは２つ）のボルト挿通孔３が形成されている。そして、突起付フランジ１の接続面１ａには流路孔２を中心として対向する位置に少なくとも一対の突起４が設けられている。突起４の先端面と流路孔２の開口周囲のシール面５との差分高さＦは、後述のパッキン２０の圧縮率や面圧等から調整された高さとなっている。この点については後述する。このように構成された突起付フランジ１は、後述の図６に示すように流路孔２に配管６の端部が嵌め込まれた状態で配管６の端部に溶接固定される。

平板フランジ１０は、突起付フランジ１と同様に略楕円柱形状を成し、中心に流路孔１１が形成され、また、流路孔１１を中心とした同一円周上に、突起付フランジ１のボルト挿通孔３と対応して複数（ここでは２つ）のネジ孔１２が形成されている。このように構成された平板フランジ１０は、突起付フランジ１と同様、後述の図６に示すように流路孔１１に配管１３の端部が嵌め込まれた状態で配管１３の端部に溶接固定される。

パッキン２０は、流路孔２、１１に連通する流路孔２１を有し、突起付フランジ１と平板フランジ１０との間に介挿され、突起付フランジ１と平板フランジ１０の流路孔２、１１の連通部分をシールする。パッキン２０は更に、ボルト挿通孔３及びネジ孔１２に連通するボルト挿通孔２２を有している。ボルト挿通孔２２は、配管接続用のボルト３０（図６参照）のボルト径よりもやや大きく形成され、そのボルト挿通孔２２にボルト３０が挿通されることによってパッキン２０が締め付け方向と直交する方向に位置ズレするのを防止できるようになっている。また、パッキン２０は、外形形状の少なくとも一部が突起付フランジ１及び平板フランジ１０の外形形状に沿うように構成されており、適正な位置に容易に位置決めして配置できるようになっている。この例では、楕円の短辺方向の両端部分の外形が突起付フランジ１及び平板フランジ１０の外形形状に沿うように形成されている。そして、パッキン２０の厚さは、差分高さＦ（図２参照）よりも厚く形成されている。

本実施の形態の配管フランジ接続構造では、突起付フランジ１と平板フランジ１０との間にパッキン２０を介在させた状態で対向させ、突起付フランジ１の各ボルト挿通孔３に各ボルト３０を挿通し、ボルト３０に締め付けトルクをかけて平板フランジ１０のネジ孔１２に螺合することで両フランジを固定する。

本実施の形態では、突起付フランジ１の突起４が平板フランジ１０に当接するまでボルト３０にトルクをかけて締め付けることで、規定トルク範囲内のトルクで締め付けた状態を得ることができると共に片締めを防止でき、耐用期間に渡って気密性を確保できる接続が可能である点に特徴がある。このような接続を可能とするために採用した具体的手段について以下に説明する。

まず、耐用期間に渡って気密性を確保するにあたり、パッキン２０に要求される面圧について説明する。

図５は、実測により求めたパッキンにおける応力緩和による面圧緩和線を示す図である。
パッキン２０は時間が経つにつれ応力緩和が進み面圧が低下する。このため、耐用期間に渡って漏れに至る面圧以上の面圧を確保し続ける必要がある。パッキン２０の特性として、漏れに至る面圧がメーカー側から提供されており、ここでは３１ＭＰａであるとする。また、時間経過に伴う面圧低下度合い、つまり図５の傾きに相当する情報もパッキン２０の特性としてメーカー側から提供されている。ここで、耐用期間を例えば１０万時間と設定した場合、図５に示す特性を有するパッキン２０において１０万時間経過時に３１ＭＰａの面圧を確保するためには、応力緩和を考慮すると初期の面圧として４０ＭＰａ必要となる。初期の面圧が上記未満であった場合、耐用期間中内に応力緩和による漏れが発生することになる。

よって、配管接続時に、初期の面圧として４０ＭＰａを確保できる締め付けトルクでボルト３０を締め付けておくことにより、耐用期間に渡って気密性を確保できる接続が可能となる。したがって、ボルト３０を締め付けるにあたっては、４０ＭＰａを確保できる締め付けトルクかそれ以上の締め付けトルクで締め付ければ良い。締め付けトルクの最大値は、ボルト強度を考慮して設定される。初期の面圧として４０ＭＰａを確保できる締め付けトルクから最大の締め付けトルクの範囲を、以下では規定トルク範囲という。

次に、片締め防止について説明する。
本例の配管フランジ接続構造においては、規定トルク範囲内でボルト３０を締め付けた場合に片締めが生じないように、パッキン２０の圧縮率や面圧等から調整した高さを有する突起４を設けている。ここでいう突起４の高さとは、具体的には上述の差分高さＦに相当し、以下、差分高さＦの設定原理について説明する。

図６は、本発明の一実施の形態に係る配管フランジ接続構造を示す断面図である。図７には、比較のため、形状的には本例と同じであるが、本例の突起４よりも高さが低い突起を設けた配管フランジ接続構造を示している。

例えば、規定トルク範囲の最小値すなわちこの例では４０ＭＰａを確保できる締め付けトルクが６０Ｎ・ｍ、規定トルク範囲の最大値が８０Ｎ・ｍとする。そして、パッキン２０の厚みが例えば０．８ｍｍ、規定トルク６０Ｎ・ｍでのパッキン２０の圧縮量が１６．６％とする。この場合、規定トルク６０Ｎ・ｍでボルト３０を締め付けたときのパッキン２０の厚みは０．６６７２ｍｍとなる。この厚みよりも差分高さＦが高いと、４０ＭＰａの面圧に達する前に突起４が平板フランジ１０に当接してしまうため、差分高さＦを０．６６７２ｍｍよりも低くする。

また、規定トルク８０Ｎ・ｍでのパッキン２０の圧縮量が５５．７％とする。この場合、規定トルク８０Ｎ・ｍでボルト３０を締め付けたときのパッキン２０の厚みは０．３５４４ｍｍとなる。この厚みよりも差分高さＦが低いと、突起４が平板フランジ１０に当接するまで締め付けると、締め付けトルクが８０Ｎ・ｍを超えてしまい、ボルト３０が破断してしまう。このため、差分高さＦを０．３５４４ｍｍよりも高くする。

以上より、差分高さＦを、０．３５４４ｍｍから０．６６７２ｍｍの範囲内とすることにより、突起４が平板フランジ１０に当接することを目安にボルト３０を締め付けていき、突起４が平板フランジ１０に当接した時点で締め付けを停止すれば、その状態において規定トルク範囲内で締め付けた状態を得ることができる。よって、必要以上に締め付けることがなく、片締めを防止することができる。また、突起４が平板フランジ１０に当接することを目安にボルト３０を締め付けていけばよいため、トルク管理が容易である。

これに対し、図７に示した配管フランジ接続構造のように、本例の突起４よりも高さが低い突起４ａの場合、規定トルク範囲内でボルト３０を締め付けたとき、突起４ａが接続相手のフランジ１０ａに当接せずに隙間が生じている。このため、トルク管理をせずに締め付けていくと、過剰なトルクで締め付けられる可能性があり、フランジ１ａ、１０ａの剛性が弱い場合、片締めとなる可能性が高い。よって、徹底したトルク管理が必要となる。

次に、パッキン２０の厚みの公差や差分高さＦの公差を考慮した場合の差分高さＦの設定範囲について説明する。
差分高さＦ±０．１、パッキン２０の厚みが０．８±０．０８と公差がある場合において、パッキン公差最小時に締め付けトルク６０Ｎ・ｍにてボルト３０を締め付けたときのパッキン２０の厚みｔ１は、以下の式で求められる。
ｔ１＝（０．８−０．０８）×（１００−１６．６）／１００＝０．６００４８

そして、このときの差分高さＦの公差を最大の０．１とした場合、差分高さＦを、パッキン２０の厚みｔ１よりもＦ公差分を差し引いた値である０．５００４８ｍｍとする。これにより、締め付けトルクが６０Ｎ・ｍ以上かかったときに、突起４を平板フランジ１０に当接させることができる。

また、パッキン公差最大時に締め付けトルク８０Ｎ・ｍにてボルト３０を締め付けたときのパッキン２０の厚みｔ２は、以下の式で求められる。
ｔ２＝（０．８＋０．０８）×（１００−５５．７）／１００＝０．３８９８４

そして、このときの差分高さＦの公差を最小の−０．１とした場合、差分高さＦを、パッキン２０の厚みｔ２よりもＦ公差分を差し引いた値である０．４８９８４ｍｍとすることで、８０Ｎ・ｍ超の締め付けトルクがかかっているのに突起４が平板フランジ１０に当接しないといった状態を排除できる。

以上より、パッキン２０の厚みや差分高さＦのそれぞれの公差を考慮すると、差分高さＦを０．４８９８４〜０．５００４８の範囲内とすることで片締めを防止し、突起４を規定トルク範囲内で締め付けた場合の締め代にすることが可能である。

ところで、突起付フランジ１及び平板フランジ１０の剛性が弱いと、ＣＡＥの解析結果及び実測結果から、フランジ自体が撓み、面圧にバラツキが生じてしまうことがわかっている。次の図８に、突起付フランジ１が撓んだ場合の面圧分布を示す。

図８は、図１の突起付フランジが撓んだ場合の面圧分布を示す図で、図８（ａ）は突起付フランジをシール面側から見た図、図８（ｂ）はシール部分の面圧を濃淡によって表した図で、濃い部分が面圧が高いことを示している。尚、ここでは突起付フランジ１の例を示しているが、平板フランジ１０が撓んだ場合においても同様の面圧分布となる。
本例の突起付フランジ１のように、全体略楕円柱形状の場合、長辺側の面圧が強く、短辺側の面圧が弱くなり面圧にバラツキが生じる。規定トルク範囲内で締め付けた場合に、このような面圧にバラツキが生じることは好ましくない。よって、本例の突起付フランジ１及び平板フランジ１０は、規定トルク範囲内で締め付けられたときに撓まない剛性を有している。

ところで、図７の構造では、突起４ａが接続相手のフランジ１０ａに当接するまで締め付けると、過剰なトルクで締め付けられることになり、パッキンの破損を招き、また、フランジ１ａ、１０ａの剛性が弱い場合、フランジ１ａ、１０ａが撓み、片締めとなる可能性が高い。よって、徹底したトルク管理及び剛性強化が必要となり、コストがかかってしまう。これに対し、本例の構造の場合、規定トルク範囲内で締め付けられたときに撓まない剛性とすればよいため、過剰な剛性強化を抑えることができ、コストを抑えることができる。また、本例の構造の場合、規定トルク範囲内での締め付けとなるため、パッキンの破損防止も可能である。

また、パッキン２０が適正位置からズレた場合、漏れに至る面圧が高くなってしまうため、初期に必要な面圧も高くする必要がある。また、接着剤を使用してパッキン２０を接着する場合、接着剤に異物が付着してしまうことがあり、この場合も、漏れに至る面圧が高くなり、初期に必要な面圧を高くする必要がある。初期に必要な面圧を高くするということは、締め付けトルクを上げることにつながり、そうすると、突起付フランジ１及び平板フランジ１０の剛性を強くする必要が生じ、上述したようにコスト高となる。しかし、本例の構造では、パッキン２０のボルト挿通孔２２をボルト径よりもやや大きく形成し、ボルト挿通孔２２に挿通されたボルト３０によってパッキンズレを防止できるようにしたため、結果的にコストを抑えることができる。また、本例の構造では接着剤を使用しない点からも、同様に結果的にコストを抑えることができる。

以上のように、本実施の形態では、突起付フランジ１の平板フランジ１０との接続面１ａに少なくとも突起４を設け、その突起４の先端面と流路孔２の開口周囲のシール面５との差分高さＦを、規定トルク範囲内でボルト３０を締め付けた場合に突起４が平板フランジ１０に接触する高さに設定した。これにより、突起４が平板フランジ１０に接触することを目安にボルト３０を締めていき、突起４が平板フランジ１０に接触した時点で締め付けを停止すれば、その状態において規定トルク範囲内で締め付けた状態を得ることができる。必要以上に締め付けることがなく、片締めを防止することができる。また、突起４が平板フランジ１０に当接することを目安にボルト３０を締め付けていけばよいため、トルク管理が容易である。また、規定トルク範囲は耐用期間に渡って気密性を確保できることを目的として設定された範囲であるため、耐用期間に渡って気密性を確保できる接続が得ることができる。

尚、本実施の形態では、突起４を少なくとも一対設ける構成としたが、突起付フランジ１の接続面１ａ全体に周状に設けてもよい。この場合、パッキン２０の位置決めの容易性を確保するにあたっては、パッキン２０の外形形状を、その周状の突起の内周面に接触する形状とすればよい。

尚、本実施の形態では、突起４を片方のフランジに設けた構成を示したが、両フランジに設けても構わない。

尚、本実施の形態では、ボルト３０を突起付フランジ１のボルト挿通孔３に挿通し、平板フランジ１０のネジ孔１２にネジ締めする構造を示したが、平板フランジ１０もネジ孔１２ではなくボルト挿通孔とし、ボルト３０を突起付フランジ１及び平板フランジ１０のボルト挿通孔に挿通し、挿通したボルト３０の先端部分をナットで締める構造でも構わない。

尚、上記実施の形態における初期面圧や締め付けトルクなどの具体的数値は一例を示したに過ぎず、それらは実使用条件等に応じて適宜設定すれば良い。

１突起付フランジ、１ａ接続面、２流路孔、３ボルト挿通孔、４突起、５シール面、６配管、１０平板フランジ、１１流路孔、１２ネジ孔、１３配管、２０パッキン、２１流路孔、２２ボルト挿通孔、３０ボルト。

Claims

一方の配管の端部に設けた一方のフランジと、他方の配管の端部に設けた他方のフランジとを対向配置し、それら一対のフランジ同士の間に、前記一対のフランジ同士の連通部分をシールするパッキンを介在させ、その状態で前記一対のフランジ同士を、前記配管を中心とした同一円周上で間隔をおいた複数箇所でボルトにより締結する構造であって、
前記パッキンの耐用期間に渡って前記パッキンによるシール部分の気密性を維持するために必要な前記ボルトの締め付けトルクを最小値、前記ボルトの強度に基づいて設定した締め付けトルクを最大値として設定した規定トルク範囲を有し、
前記一方のフランジ及び前記他方のフランジを、前記規定トルク範囲内のトルクで前記ボルトを締め付けたときに撓まない剛性とし、
また、前記一方のフランジは、前記他方のフランジとの接続面に、前記一方の配管に連続する流路孔を中心として対向するように少なくとも一対の突起を有し、
前記一対の突起の先端面と前記流路孔の開口周囲のシール面との差分高さを、前記規定トルク範囲内で前記ボルトを締め付けた場合に前記突起が前記他方のフランジに当接するように調整した高さとし、前記ボルトにトルクをかけて締め付けていき、前記規定トルク範囲内のトルクに達したときに前記突起が前記他方のフランジに当接するようにしたことを特徴とする配管フランジ接続構造。
前記パッキンは、前記一対のフランジ同士を前記ボルトで締結するためのボルト穴に対応するボルト挿通孔を有し、前記ボルト挿通孔はボルト径よりもやや大きく形成され、前記ボルト挿通孔に挿通された前記ボルトによって締め付け方向と直交する方向の前記パッキンの位置ズレを防止することを特徴とする請求項１記載の配管フランジ接続構造。
前記パッキンは、その外形の少なくとも一部が、前記一対のフランジの外形形状に沿うように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の配管フランジ接続構造。