JP2016056949A - 継手および継手組立体 - Google Patents

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Abstract

【課題】チューブが傷つくことおよびチューブの抜けを抑制しつつ、チューブの内側を流れる流体の漏れ出しを抑制させることが可能な継手および継手組立体を提供する。
【解決手段】リング70は、ナット30の内側であって、チューブ90の外側に配置され、チューブ90よりもヤング率が高い。リング70は、少なくともリング70の径方向内側であって軸方向の継手本体20側の部分において、リング70の径方向内側であって軸方向の継手本体20側に向けて膨らんだ曲面部75を有している。リング70の径方向の最大厚みを2rとし、リング70の曲面部75の軸方向の長さをhとした場合のα=h/rが、0.5以上1.2以下である。
【選択図】図1

Description

本発明は、継手および継手組立体に関する。
従来より、例えば、特許文献1(特開2009−144916号公報)に記載のように、チューブの内部を通過させる流体が漏れ出さないように強固に連結することが可能なチューブ継手が提案されている。
このチューブ継手では、筒状の継手本体の端部にチューブを取り付けて連結ナットを継手本体に対して螺着させる場合に、継手本体と連結ナットとの間に固定リングが設けられている。そして、連結ナットを継手本体に対して螺着させていく際に、チューブは、内側からは継手本体によって、外側からは連結ナットによって押されている固定リングによって、締め付けられる。
このチューブ継手では、以上の構成を採用したことで、連結ナットを継手本体に対して螺着させていく際に、連結ナットはチューブに対して回転するものの、固定リングはチューブに対して回転することが無い。このため、チューブの外側表面に固定リングとの摩擦によって環状の傷が付いてしまったり、固定リングとの摩擦によってチューブが切断されてしまうことを防ぐことができた、としている。
このように、上述の特許文献1(特開2009−144916号公報)に記載されているような継手では、固定リングについて、チューブよりも硬くする点および十分な当接や接触面積および押圧力を確保するために固定リングのチューブに対する接触部分の角度を30〜95度とする点以外は、具体的な形状について検討されていない。
これに対して、発明者は、固定リングの形状が変わると、チューブへの固定リングの食い込み程度や、固定リングによるチューブを締め付ける力が変化することに着目した。
本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、チューブが傷つくことおよびチューブの抜けを抑制しつつ、チューブの内側を流れる流体の漏れ出しを抑制させることが可能な継手および継手組立体を提供することにある。
第1観点に係る継手は、樹脂を含んで構成されたチューブに接続される継手であって、継手本体、ナット、および、リングを備えている。継手本体は、軸方向の一端側を構成しておりチューブによって外周の少なくとも一部が覆われるチューブ連結部と、チューブ連結部の外径よりも大きな外径を有する本体ねじ山部と、を有している。継手本体には、軸方向に延びた貫通孔が形成されている。ナットは、継手本体のチューブ連結部が軸方向から挿入された状態で本体ねじ山部と螺合可能なナットねじ山部と、チューブ連結部の挿入進行側に設けられておりナットねじ山部よりも内径が小さい縮径部と、を有している。リングは、ナットのナットねじ山部よりも径方向内側の空間に配置され、ナットの縮径部のうち継手本体側の部分である被当接部に当接し、チューブよりもヤング率が高い。リングは、少なくともリングの径方向内側であって軸方向の継手本体側の部分において、リングの径方向内側であって軸方向の継手本体側に向けて膨らんだ曲面部を有している。リングの径方向の最大厚みを2rとし、リングの曲面部の軸方向の長さをhとした場合のα=h/rが、0.5以上1.2以下である。
この継手は、チューブの内面が継手本体のチューブ連結部の外面と接するようにチューブを継手本体に取り付けた状態で、ナットのナットねじ山部を継手本体の本体ねじ山部と螺合させてねじ込んでいくと、チューブの外側に位置しているリングは、ナットの被当接部に当接して継手本体のチューブ連結部の端部に近づいていく。そして、チューブの一部がリングと継手本体のチューブ連結部の端部とによって挟み込まれた状態で、リングは径方向外側に広がるように弾性変形する。リングは、このように弾性変形した弾性状態においては、チューブを径方向外側から径方向内側に押さえつけるように弾性力をチューブに対して作用させることができる。そして、この継手のリングは、ヤング率がチューブのヤング率よりも高い。このため、リングの強い弾性力によってチューブを押さえつけることができ、チューブの内側を流れる流体の漏れ出しを抑制させることができる。
また、リングには、径方向内側であって軸方向の継手本体側の部分において、径方向内側であって軸方向の継手本体側に向けて膨らんだ曲面部が設けられており、リングの径方向の最大厚みを2rとし、リングの曲面部の軸方向の長さをhとした場合のα=h/rが、0.5以上1.2以下となるように構成されている。このように、αの値が0.5以上となっていることで、リングとチューブの接触面積を十分に確保してリングがチューブに過度に食い込むことを抑制しつつ、リングによるチューブの締付力も十分に確保することが可能になる。また、αの値が1.2以下となっていることで、締付固定された状態からチューブが抜けにくいようにすることが可能になっている。
これにより、チューブが傷つくことおよびチューブの抜けを抑制しつつ、チューブの内側を流れる流体の漏れ出しを抑制させることが可能になる。
第2観点に係る継手は、第1観点に係る継手において、リングの曲面部は、軸方向切断面において、円弧もしくは楕円弧を構成している。
この継手では、リングのチューブに対する局所的な食い込みをより十分に抑制することができる。
第3観点に係る継手は、第1観点または第2観点のいずれかに係る継手において、リングのうち軸方向の継手本体側の部分は、径方向外側の部分よりも径方向内側の部分のほうがなだらかな形状となっている。
この継手では、径方向内側にのみ曲面が設けられたリングであっても、チューブが傷つくことを抑制しつつ、チューブの内側を流れる流体の漏れ出しを抑制させることが可能になる。
第4観点に係る継手は、第1観点から第3観点のいずれかに係る継手において、ナットの縮径部のうちの被当接部は、締付時にリングのうち軸方向の継手本体側とは反対側の部分と当接する。リングは、リングのうち軸方向の継手本体側とは反対側において、径方向内側ほど被当接部側に位置するように被当接部の主面に対して1.0度以上7.0度以下の範囲で傾斜した部分を主として有している。ここで、「主面」とは、ナットの被当接部を構成している面のうちで最も大部分を占めている面を意味する。また、ここで、「主として有している」とは、当該リングのうち軸方向の継手本体側とは反対側の部分全体のうち、傾斜が1.0度以上7.0度以下である部分が最も大部分を占めている(1.0度以上7.0度以下の範囲から外れる部分よりも多くの部分を占めている)ことを意味する。
この継手では、リングによるチューブの締付力を十分に確保した状態であっても、リング自体の変形を小さく抑えつつ、リングとナットの被当接部との接触部分における接触圧力分布を径方向に渡って均一化させることが可能になる。
第5観点に係る継手は、第1観点から第4観点のいずれかに係る継手において、継手本体のチューブ連結部の挿入進行側の端部近傍の径方向外側の表面は、軸方向に対して30度以上60度以下の範囲で傾斜している。
この継手では、チューブ連結部の端部近傍の径方向外側の表面が軸方向に対して30度以上60度以下の範囲で傾斜しているため、チューブ連結部の端部近傍の径方向外側に取り付けられるチューブについても、同様に軸方向に対して30度以上60度以下の範囲で傾斜させることが可能になる。これにより、リングの曲面部がチューブの傾斜部分に押し付けられることでより十分な接触面積を確保することが可能になる。
第6観点に係る継手は、第1観点から第5観点のいずれかに係る継手において、チューブは、PFAとFEPの少なくともいずれか一種を含有する樹脂組成物で構成されている。ナットは、PTFE、PFA、PVDF、ETFE、および、ECTFEからなる群より選択される少なくとも一種を含有する樹脂組成物で構成されている。リングは、PTFE、PFA、PCTFE、PVDF、ETFE、ECTFE、PPS、および、PEEKからなる群より選択される少なくとも一種を含有する樹脂組成物で構成されている。
この継手では、チューブが切断されることをより確実に抑制しながら、流体の漏れをより確実に抑制させることが可能になる。
第7観点に係る継手は、第1観点から第6観点のいずれかに係る継手において、リングは、不透明である。ナットは、透明もしくは半透明である。
この継手では、ナットが透明もしくは半透明であり、リングが不透明であるため、チューブにリングとナットを連結させた状態において、ナットの外側からリングの存在を視認することが可能になる。これにより、リングの付け忘れを生じにくくすることができる。
第8観点に係る継手組立体は、チューブと、第1観点から第7観点のいずれかに係る継手を備える。
この継手組立体では、チューブが傷つくことを抑制しつつ、チューブの内側を流れる流体の漏れ出しを抑制させることが可能になる。
第1観点に係る継手および第8観点に係る継手組立体は、チューブが傷つくことおよびチューブの抜けを抑制しつつ、チューブの内側を流れる流体の漏れ出しを抑制させることが可能になる。
第2観点に係る継手では、リングのチューブに対する局所的な食い込みをより十分に抑制することができる。
第3観点に係る継手では、径方向内側にのみ曲面が設けられたリングであっても、チューブが傷つくことを抑制しつつ、チューブの内側を流れる流体の漏れ出しを抑制させることが可能になる。
第4観点に係る継手では、リングによるチューブの締付力を十分に確保した状態であっても、リング自体の変形を小さく抑えつつ、リングとナットの被当接部との接触部分における接触圧力分布を径方向に渡って均一化させることが可能になる。
第5観点に係る継手では、リングの曲面部がチューブの傾斜部分に押し付けられることでより十分な接触面積を確保することが可能になる。
第6観点に係る継手では、チューブが切断されることをより確実に抑制しながら、流体の漏れをより確実に抑制させることが可能になる。
第7観点に係る継手では、リングの付け忘れを生じにくくすることができる。
シミュレーションの対象となる継手および継手組立体の外観概略を示す分解斜視図である。 チューブのPFAの公称応力−公称ひずみ線図である。 チューブのPFAの真応力−真ひずみ線図である。 継手本体の側面図である。 継手本体の側面視断面図である。 継手本体を軸方向においてチューブが挿入される側とは反対側から見た図である。 継手本体のPTFEの公称応力−公称ひずみ線図である。 継手本体のPTFEの真応力−真ひずみ線図である。 リングの側面図である。 リングの内側曲面部の曲率を変化させる様子を示す説明断面図である。 リングのPCTFEの公称応力−公称ひずみ線図である。 リングのPCTFEの真応力−真ひずみ線図である。 ナットの側面図である。 ナットの側面視断面図である。 ナットを軸方向における縮径部側から見た図である。 ナットのPFAの公称応力−公称ひずみ線図である。 ナットのPFAの真応力−真ひずみ線図である。 チューブにリングとナットを取り付けた状態の側面視断面図である。 フレアー治具の概略構成を示す側面図である。 先端が拡管されたチューブを継手本体に連結させた状態の側面視断面図である。 継手本体に対してナットをねじ込んでいく様子を示す側面視断面図である。 継手がチューブに連結固定された状態の側面視概略断面図である。 リング70がPCTFEによって構成されている場合のα(=h/r)の値を変化させた場合の締付代に対応する締付力の変化を示すシミュレーション結果のグラフである。 リング70がPTFEによって構成されている場合のα(=h/r)の値を変化させた場合の締付代に対応する締付力の変化を示すシミュレーション結果のグラフである。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70が矩形である場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりα=0.1の場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりα=0.3の場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりα=0.4の場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりα=0.6の場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりα=0.8の場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりα=1.0の場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりα=1.2の場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりα=1.6の場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりα=2.0の場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70が矩形である場合およびα=0.1, 0.2, 0.3の場合の締付代4.0mm時の接触圧力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=0.4, 0.5, 0.6, 0.7の場合の締付代4.0mm時の接触圧力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=0.8, 0.9, 1.0, 1.2の場合の締付代4.0mm時の接触圧力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=1.4, 1.6, 1.8, 2.0の場合の締付代4.0mm時の接触圧力分布のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70が矩形である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=0.2である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=0.4である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=0.6である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=0.8である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=1.0である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=1.2である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=1.4である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=1.6である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=1.8である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=2.0である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果である。 締付代が2.5mmであり、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70が矩形、α=0.2, 0.4, 0.6である場合のチューブ引抜き時の第1主応力分布のシミュレーション結果である。 締付代が2.5mmであり、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=0.8, 1.0, 1.2, 1.4である場合のチューブ引抜き時の第1主応力分布のシミュレーション結果を示す。 締付代が2.5mmであり、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=1.6, 1.8である場合のチューブ引抜き時の第1主応力分布のシミュレーション結果を示す。 リングのナット側の面を傾斜させた場合の傾斜角βの説明図である。 リング70がPCTFEによって構成されておりリング70のαの値を0.6で固定しつつβの値を0.0から14.0まで変化させた場合の締付代に応じた締付力の関係のシミュレーション結果である。 締付代が4.0mmであり、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70のαの値を0.6で固定してβの値が0.0, 1.0, 2.0, 3.0である場合の接触圧力分布のシミュレーション結果である。 締付代が4.0mmであり、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70のαの値を0.6で固定してβの値が4.0, 5.0, 6.0, 7.0である場合の接触圧力分布のシミュレーション結果である。 締付代が4.0mmであり、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70のαの値を0.6で固定してβの値が8.0, 9.0である場合の接触圧力分布のシミュレーション結果である。
以下に、一実施形態に係る継手および継手組立体を説明する。以下に説明する継手および継手組立体は、例示を目的とするものであり、これに限定されるものではない。
なお、以下、理解の容易のために図示された参照符号を共に説明するが、各構成要素は図示された具体的形状のものに限られない。
(1)継手100および継手組立体150
本実施形態の継手100は、チューブ90に接続される継手100であって、継手本体20、ナット30、および、リング70を備えている。継手組立体150は、チューブ90に継手100が連結固定されて構成される。
(2)チューブ90
チューブ90は、樹脂を含んで構成されている環状部材である。
チューブ90は、少なくとも内側表面が樹脂によって構成されていることが好ましく、例えば、一部に金属の層等を含むものであってもよい。また、径方向内側の表面と、径方向外側の表面が樹脂によって構成され、中間層が金属によって構成されていてもよい。また、好ましくは、チューブ90が一種類の樹脂組成物によって構成される。
チューブ90の内部を通過させる流体については、特に限定されないが、例えば、酸、アルカリ、溶剤、温泉水などの高温水、海洋水、工業用廃液類などが挙げられる。酸としては、例えば、塩酸、硝酸、フッ酸、硫酸、燐酸などが挙げられる。アルカリとしては、例えば、アンモニア水、物エタノールアミン等の有機アミン類、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが挙げられる。溶剤としては、例えば、メタノール、プロパノールなどのアルコール類、トルエンなどの有機溶剤類が挙げられる。
チューブ90の内部を通過させる流体の状態は、加圧状態であってもよい。このように流体が加圧された状態では、継手100部分からの漏れが問題となりがちになるが、本実施形態の継手100では、このような加圧された流体が内部を流れる場合であっても、その漏れを抑制させることができる。
チューブ90のサイズは、特に限定されるものではないが、例えば、外径が38.1mm(1.5インチ)以上のサイズのチューブ90を用いる場合には、流体の漏れを抑制するために必要な締付力がより大きくなりチューブ90に傷が付きやすくなるため、流体の漏れを抑制しつつチューブ90の傷付きを抑制するという本願発明の効果をより顕著に奏することができる。以下に、チューブ90の具体的なサイズを例として示す。
チューブ90は、内部を通過させる流体の流量をより多く確保しつつ、施工作業性を良好にする点で、連結固定されておらずなんら力が作用されていない状態において、内径が28.0mm以上66.0mm以下であることが好ましく、45.0mm以上55.0mm以下であることがより好ましい。チューブ90の外径は、38.1mm(1.5インチ)より大きいことが好ましく、50.8mm(2.0インチ)より大きいことがより好ましい。また、チューブ90の外径は、70.0mm以下であることが好ましい。さらに、チューブ90の外径は、52.0mm以上62.0mm以下であることがより好ましい。
チューブ90の厚みは、2.5mm以上4.0mm以下であることが好ましく、3.0mm以上3.5mm以下であることがより好ましい。
チューブ90の曲げ半径は、0.3m以上3.0m以下であることが好ましく、0.5m以上1.5m以下であることがより好ましい。なお、チューブ90の曲げ半径は、チューブ90を円弧状に湾曲させていった時に、チューブ90が折れ曲がってしまう(破壊ではない)直前の半径をいうものとする。
なお、チューブ90の厚みを増すと、チューブ90を切れにくくすることができるが、曲げ半径が長くなる傾向がある。このように曲げ半径が長くなってしまうと、輪にしても十分にコンパクト化ができず現地への運搬が困難になるため、短い複数本に分けて運搬する必要が生じるが、その場合には、現地での接続作業が繁雑になるとともに、接続箇所の数が増大することで漏れの問題も顕著になってしまう。このため、チューブ90の運搬容易性を確保し、施工現場での引き回しの容易性を確保するために、例えば、チューブ90の厚みが1.0mm以上10.0mm以下であって、かつ、チューブ90の曲げ半径が0.3m以上1.5m以下であることが好ましい。
チューブ90は、継手100に連結固定する際の施工の容易性を高めるために、接続先の端部を加熱拡管させることが好ましい。
チューブ90を構成する樹脂としては、耐薬品性を備えた樹脂であることが好ましい。耐薬品性を備えた樹脂としては、例えば、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)およびこれらの混合物が挙げられる。なかでも、耐薬液性、耐クラック性、耐熱性、曲げても折れにくいという機械的特性の観点から、チューブ90を構成する樹脂は、PFAであることが好ましい。この樹脂のDSC(示差走査熱量測定)によりピークトップを求めて定まる融点は、260℃以上310℃以下であることが好ましく、295℃以上310℃以下であることがより好ましい。融点が295℃以上のPFAは柔らか過ぎないためフレアー加工部の変形を抑制することができ、チューブ90を抜けにくくすることができる。また、融点が310℃以下のPFAは耐クラック性に優れておりフレアー加工部における割れが生じにくい。この樹脂のASTM-D638に準拠して測定されるヤング率は(ヤング率の測定方法について以下同じ)、300MPa以上800MPa以下であることが好ましく、300MPa以上500MPa以下であることがより好ましい。また、この樹脂について、JIS K7181に準じて測定温度23℃にて縦横歪ゲージの付いたインストロン1125型装置を使用し、ロードセル10ton、フルスケール200kg、クロスヘッド速度2mm/minにて圧縮成形試験片のポアソン比を測定した場合に(ポアソン比の測定方法について以下同じ)、0.44以上0.50以下であることが好ましく、0.45以上0.48以下であることがより好ましい。また、この樹脂の降伏応力については、7.7MPa以上15MPa以下であることが好ましい。
なお、チューブ90の表面粗さは、0.001以上2.0以下であることが好ましい。なお、ここでの表面粗さの測定は、ミツトヨ製SURFTEST SV-600を使用し、JIS B0601-1994に準拠して、チューブ90の外表面における算術平均粗さRa(μm)として測定した(表面粗さの測定方法について以下同じ)。
なお、チューブ90は、継手本体20のチューブ連結部22に対して取り付けられる前に、フレアー治具を用いて拡管状態を癖付けられる。ここで、後述する継手本体20のチューブ連結部22における径方向外側挿入部21a(チューブ挿入端21の径方向外側部分)に対向するように位置する部分は、この径方向外側挿入部21aの傾斜角度と同じ傾斜角度となるようにフレアー治具によって癖付けられる。このフレアー治具による癖付け角度は、30度以上60度以下であることが好ましい。30度未満であれば、チューブ90が継手100から抜けやすくなってしまい、60度より大きければフレアー治具に対してチューブ90を挿入すること自体が困難になってしまう。
(3)継手本体20
継手本体20は、チューブ連結部22と、本体ねじ山部23を有しており、軸方向に伸びた貫通孔26が形成されている。
本体ねじ山部23は、チューブ連結部22に対して軸方向外側に設けられており、チューブ連結部22の外径よりも外径が大きく、ナット30のナットねじ山部34と螺合するように構成されている。
継手本体20は、さらに、取付側ねじ山部25、および、継手本体操作部24を有していてよい。取付側ねじ山部25は、軸方向においてチューブ連結部22が設けられている側とは反対側の端部近傍の外周面に設けられており、継手100が接続される相手の部材のねじ山と螺合するように構成されている。継手本体操作部24は、ナット30を継手本体20にねじ込む際にレンチや人の指によって挟持される部分であり、軸方向において、本体ねじ山部23と取付側ねじ山部25との間に設けられる。この継手本体操作部24は、軸方向視において多角形状もしくはその変形形状となっている。
チューブ連結部22は、継手本体20の一端側に筒状に形成されている。チューブ連結部22は、その外周部分の外径がリング70の内径より大きく形成されており、拡管されたチューブ90が取り付けられることで、チューブ90の内面によって径方向外側から覆われる。
本体ねじ山部23は、外周面においてチューブ連結部22より外径が大きくなるように設けられている。
継手本体20のチューブ連結部22は、軸方向の端部において、チューブ90挿入端が設けられていることが好ましい。チューブ90挿入端は、径方向外側を構成しており軸方向端部に向かうほど径が小さくなるように構成された径方向外側挿入部21aと、軸方向端部に向かうほど径が大きくなるように構成された径方向内側挿入部21bとを有している。径方向外側挿入部21aは、外側傾斜面によって構成されていてもよいし、軸方向端部側であって径方向外側に向けて膨出してなだらかに湾曲した外側R部分によって構成されていてもよい。径方向外側挿入部21aが外側傾斜面によって構成されている場合には、軸を含む断面の形状において、当該外側傾斜面と軸方向とがなす角のうち小さい方の角度が、連結固定されておらずなんら力が作用されていない状態において、30度以上60度以下であることが好ましく、40度以上50度以下であることがより好ましい。径方向内側挿入部21bは、軸方向端部において径方向内側に向けて膨出していないことが好ましく、内側傾斜面によって構成されていることが好ましい。径方向内側挿入部21bが径方向内側に向けて膨出していると、継手100がチューブ90に連結固定された状態で、チューブ90の内面と径方向内側挿入部21bの径方向内側に向けて膨出した部分との間に流体が滞留してしまうおそれがあるためである。径方向内側挿入部21bが内側傾斜面によって構成されている場合には、軸を含む断面の形状において、当該内側傾斜面と軸方向とがなす角のうち小さい方の角度が、連結固定されておらずなんら力が作用されていない状態において、30度以上70度以下であることが好ましい。当該角度を30度以上とすることで、チューブ連結部22の先端の径方向の厚みが薄くなって強度が低下してしまうことを避ける事ができ、継手100をチューブ90に連結固定した際に、リング70やチューブ90によって内側に押されて、径方向内側に倒れ込んでしまうことを回避しやすくなる。また、当該角度を70度以下にすることで、チューブ連結部22の内側傾斜面とチューブ90の内面との間に形成される隙間に生じる流体の滞留を抑制することができる。
継手本体20のチューブ連結部22における径方向外側挿入部21aと径方向内側挿入部21bとの径方向における境界部分の位置は、チューブ連結部22の厚み幅の範囲内であって、チューブ連結部22の径方向内側寄りに位置していることが好ましい。また、当該境界部分によって構成される円の直径は、リング70の内径よりも小さいことが好ましい。これは、チューブ90が継手100を連結固定させた状態において、チューブ連結部22の境界部分の先端形状が、チューブ90に対して、チューブ90の厚み方向に向けて突き刺さることを回避し、チューブ90の切断が生じにくくするためである。なお、径方向外側挿入部21aが外側傾斜面によって構成され、径方向内側挿入部21bが内側傾斜面によって構成されている場合に、軸を含む断面の形状において、外側傾斜面と内側傾斜面とがなす角のうち小さい方の角度は、連結固定されておらずなんら力が作用されていない状態において、80度以上であることが好ましく、90度以上であることがより好ましい。チューブ連結部22の境界部分の先端形状が鋭利な形状になりすぎないようにするためである。なお、後述するリング70が継手本体20側でかつ径方向内側に傾斜面を備えており、チューブ連結部22が外側傾斜面を備えている場合には、軸方向の断面形状において、当該リング70の傾斜面の傾斜角度と、チューブ連結部22の外側傾斜面の傾斜角度との相違が、10度未満であることが好ましく、一致していることがより好ましい。
また、チューブ連結部22の境界部分によって構成される円の直径は、チューブ90の外径よりも小さく、かつ、チューブ90の内径よりも大きいことが好ましい。これにより、チューブ90を継手100に連結固定した状態において、継手本体20のチューブ連結部22が、径方向内側に倒れ込みにくくすることができ、流体の流れの抵抗となることを防ぐことができるとともに、チューブ90が切断されにくいようにすることができる。
継手本体20のチューブ連結部22の外径は、連結固定されておらずなんら力が作用されていない状態において、チューブ90の外径の1.05倍以上1.10倍以下であることが好ましい。
継手本体20のチューブ連結部22の径方向の厚みは、連結固定されておらずなんら力が作用されていない状態において、チューブ90の厚みの1.5倍以上1.8倍以下であることが好ましい。
継手本体20は、複数の部品によって構成されていてもよいが、一種類の樹脂組成物によって構成されていることが好ましい。この継手本体20を構成する樹脂についても、チューブ90と同様に耐薬品性を備えた樹脂であることが好ましい。このような樹脂としては、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、または、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)が挙げられる。継手本体20を構成する樹脂としてPTFEを用いる場合には、そのPTFEについてDSC(示差走査熱量測定)によりピークトップを求めて定まる融点は、320℃以上330℃以下であることが好ましく、327℃であることがより好ましい。継手本体20を構成する樹脂としてPFAを用いる場合には、そのPFAについてのDSC(示差走査熱量測定)によりピークトップを求めて定まる融点は、260℃以上310℃以下であることが好ましく、295℃以上310℃以下であることがより好ましい。ここで、特に限定されないが、例えば、PTFE成形加工品の原料は粉体状のPTFE原料粉末を金型内で圧縮して固めた後、360℃以上380℃以下の熱風環境炉の中で焼成され、冷却後に機械加工されて加工品を得ることができるが、この時に原料粉体の加熱下での焼成が不十分であると融点が327℃より高く、機械特性が劣り割れるなどの不具合の原因になる。また、この樹脂のヤング率は、300MPa以上800MPa以下であることが好ましく、350MPa以上600MPa以下であることがより好ましい。また、この樹脂のポアソン比は、0.40以上0.48以下であることが好ましい。また、この樹脂の降伏応力については、7.0MPa以上15.0MPa以下であることが好ましい。
なお、継手本体20の表面粗さは、0.001以上2.0以下であることが好ましい。
(4)ナット30
ナット30は、ナットねじ山部34と縮径部36を有している。
ナットねじ山部34は、軸方向の一端側(挿入用開口側)から軸方向の他端側に向けて継手本体20のチューブ連結部22が挿入された状態で、本体ねじ山部23と螺合できるように構成されている。
縮径部36は、軸方向の他端側(挿入用開口側とは反対側)に設けられており、ナットねじ山部34よりも内径が小さいくなるように構成されており、被当接部37を有している。この縮径部36の内側の内径は、チューブ90の外径とほぼ等しくなるように構成されている。被当接部37は、この縮径部36のうち軸方向の一端側(挿入用開口側)を向いた部分を構成しており、例えば、リング70の軸方向を法線方向とする面を主として(主面として)有している。被当接部37は、チューブ90が継手100に連結固定した状態において、リング70の一部(リング70の軸方向の端部)と当接する部分である。
ナット30は、軸方向における挿入用開口側の端部において、径方向の厚みが、その近傍の部分よりも分厚くなるように構成されていることが好ましい。
ナット30は、軸方向において、ナットねじ山部34と縮径部36との間において、ねじ山が設けられておらず軸方向に伸びた筒形状であるナット30筒状部が形成されていることが好ましい。
ナット30は、軸方向視において、外周形状が多角形状もしくはその変形形状となっているナット操作部33を有していてよい。ナット操作部33は、ナット30を継手本体20にねじ込む際にレンチや人の指によって挟持される部分である。
被当接部37の形状は、特に限定されないが、チューブ90が継手100に連結固定された状態において、リング70の当接部分に対応した形状であることが好ましい。例えば、チューブ90が継手100に連結固定された状態において当接するリング70の一部の形状が面形状であり、その面の法線方向が軸方向である場合には、被当接部37も面形状であり、その面の法線方向が軸方向となるように構成されていることが好ましい。
ナット30は、一種類の樹脂組成物によって構成されていることが好ましい。このナット30を構成する樹脂についても、チューブ90や継手本体20と同様に耐薬品性を備えた樹脂であることが好ましい。このような樹脂としては、例えば、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ECTFE(エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体)、および、これらの混合物が挙げられる。なかでもPFAによって構成されていることが好ましい。この樹脂のDSC(示差走査熱量測定)によりピークトップを求めて定まる融点は、295℃以上310℃以下であることが好ましい。融点が295℃以上のPFAは柔らか過ぎないため変形を抑制することができ、チューブ90を抜けにくくすることができる。また、融点が310℃以下のPFAは耐クラック性に優れており割れが生じにくい。この樹脂のヤング率は、300MPa以上1700MPa以下であることが好ましく、350MPa以上1600MPa以下であることがより好ましい。また、この樹脂のポアソン比は、0.34以上0.47以下であることが好ましい。また、この樹脂の降伏応力については、7.0MPa以上50MPa以下であることが好ましい。
なお、ナット30は、チューブ90を継手100に連結固定した状態で、リング70が内部に位置しているか否か(リング70を付け忘れていないか)を視認できるという観点で、透明もしくは半透明であることが好ましい。
(5)リング70
リング70は、ナット30のナットねじ山部34よりも径方向内側の空間に配置され、チューブ90よりもヤング率が高く、ナット30の縮径部36の被当接部37に当接させて用いられる環状部材である。リング70は、継手100において、少なくとも1つ用いられていればよく、複数用いられていてもよい。複数用いられている場合には、ナット30の縮径部36の被当接部37に当接するリング70と、継手本体20のチューブ連結部22の先端と対向するリング70とが異なっていてもよい。
チューブ90に対して継手本体20、ナット30およびリング70が連結され、さらに締め付けられた状態で、リング70は、自身の応力によってチューブ90を径方向外側から径方向内側に向けて押すことができる。リング70のヤング率をチューブ90のヤング率よりも高くなるように調節することにより、チューブ90の一部がリング70と継手本体20のチューブ連結部22の端部とによって挟み込まれた状態で、リング70は、径方向外側に広がるように弾性変形して、チューブ90を径方向外側から径方向内側に押さえつけるように弾性力を作用させることができる。これにより、チューブ90を強固に固定して、チューブ90を抜けにくくし、チューブ90の内部を通過する流体の漏れを抑制できる。
また、リング70は、ナット30とは別部材として用いられているため、ナット30を継手本体20に螺着させていく段階において、ナット30はチューブ90の回りを回転するが、リング70は積極的には回転しない。これにより、リング70が回転することによるチューブ90の外周での傷の発生を抑制でき、チューブ90を切断から保護することができる。
リング70の形状は、軸を含む面での断面形状が、リング70の径方向内側であって軸方向の継手本体20側の部分において、リング70の径方向内側であって軸方向の継手本体20側に向けて膨らんだ曲面部を有しており、リング70の径方向の最大厚みを2rとしてリング70の曲面部の軸方向の長さをhとした場合のα=h/rが0.5以上1.2以下であれば特に限定されるものではない。αの値は、0.6以上1.0以下であってもよい。例えば、リング70の軸方向の継手本体20側とは反対側であって径方向内側の部分や外側の部分が角を有して構成されていてもよいし、当該角の部分において面取りされた形状もしくは丸みを帯びた形状となっていてもよい。また、リング70の軸方向の継手本体20側であって径方向外側の部分が角を有して構成されていてもよいし、当該角の部分において面取りされた形状もしくは丸みを帯びた形状となっていてもよい。また、リング70の軸方向の継手本体20側であって径方向外側の部分が、軸方向の継手本体20側であって径方向内側の曲面部と対象的な形状を有していてもよい。
また、リング70のうち軸方向の継手本体20側とは反対側の端部は、リング70の径方向外側の方が径方向内側よりも継手本体20側とは反対側に向けて伸び出すことで、リング70の径方向に対して傾斜して構成されていてもよい。また、リング70は、リング70のうち軸方向の継手本体20側とは反対側において、径方向内側ほど被当接部37側に位置するようにナット30の被当接部37の主面に対して1.0度以上7.0度以下の範囲で傾斜した部分を主として有していてもよい。ここで、リング70の軸方向の継手側本体側とは反対側の端部において大部分を構成している面のナット30の被当接部37の主面に対する傾斜角度が1.0度以上7.0度以下であることが好ましく、1.0度以上4.0度以下であることがより好ましい。なお、ナット30の被当接部37の主面の法線がリング70の軸方向となっている場合には、リング70のうち軸方向の継手本体20側とは反対側の部分を主に構成する面のリング70の径方向に対する傾斜角度が1.0度以上7.0度以下であることが好ましく、1.0度以上4.0度以下であることがより好ましい。このような傾斜角度の範囲とすることで、リング70によるチューブ90の締付力を十分に確保した状態であっても、リング70自体の変形を小さく抑えつつ、リング70とナット30の被当接部37との接触部分における接触圧力分布を径方向に渡って均一化させることが可能になる。
なお、リング70の径方向内側であって軸方向の継手本体20側に向けて膨らんだ曲面部は、リング70の径方向の幅の30%以上60%以下の部分に位置していることが好ましく、リング70の軸方向の幅の30%以上60%以下の部分に位置していることが好ましい。このように曲面部を設けることで、チューブ90よりもヤング率の高いリング70を採用して締付力を確保している場合であっても、リング70からチューブ90に対する局所的な力が作用しにくいため、チューブ90の切断を抑制させることができている。また、リング70とチューブ90との接触面積が広くなり過ぎないようにして、リング70締付力が分散してチューブ90が抜けやすくなってしまうことを抑制できている。
リング70の軸方向の継手本体20側とは反対側であって径方向内側の部分や外側の部分やリング70の軸方向の継手本体20側であって径方向外側の部分が面取りされた形状もしくは丸みを帯びた形状となっている場合には、当該形状がリング70の径方向の幅の1%以上30%以下の部分であり、リング70の軸方向の幅の1以上30%以下の部分であることが好ましい。
また、チューブ90は継手本体20の径方向外側挿入部21aの外側表面を沿うようにして軸方向に対して傾斜した状態で取り付けられるため、リング70の径方向内側であって軸方向の継手本体20側の曲面部は、当該チューブ90の外面のうち軸方向に対して傾斜した部分に対して、チューブ90の厚みを狭める方向に向けてチューブ90に押し付けられる。他方で、継手本体20の径方向外側挿入部21aは、チューブ90の内面のうち軸方向に対して傾斜した部分に対して、チューブ90の厚みを狭める方向に向けてチューブ90に押し付けられる。これにより、リング70の径方向内側であって軸方向の継手本体20側の曲面部と、継手本体20の径方向外側挿入部21aと、によって、チューブ90が挟持される。このチューブ90が挟持されている部分は、チューブ90の他の部分と比べて、厚みが薄くなる。また、チューブ90が挟持されている部分よりも奥の部分は、チューブ90が挟持されている部分よりも、厚みが分厚くなる。これにより、チューブ90の分厚い部分は、リング70の曲面部と継手本体20の径方向外側挿入部21aとによって挟まれた部分を通過することが困難になるため、チューブ90が手前に抜けにくくすることができている。
リング70の内径は、チューブ90の外径の1.001倍以上1.04倍以下であることが好ましく、チューブ90の外径の1.001倍以上1.01倍以下であることがより好ましい。
リング70の径方向の厚みは、チューブ90の厚みよりも分厚いことが好ましい。具体的には、リング70の径方向の厚みは、チューブ90の厚みの1.2倍以上2.5倍以下であることが好ましく、チューブ90の厚みの1.2倍以上2.0倍以下であることがより好ましく、1.4倍以上1.8倍以下であることがさらに好ましい。
リング70の軸方向の幅は、特に限定されないが、例えば、リング70の径方向の厚みの0.5倍以上4倍以下であることが好ましく、1.0倍以上2.0倍以下であることがより好ましい。
リング70は、一種類の樹脂組成物によって構成されていることが好ましい。このリング70を構成する樹脂についても、チューブ90や継手本体20やナット30と同様に耐薬品性を備えた樹脂であることが好ましい。このような樹脂としては、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、ECTFE(エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、およびこれらの混合物が挙げられる。これらの樹脂組成物には、フィラーが含有されていてもよいが、ガラス繊維を含有しないものであることが好ましい。このような樹脂としては、なかでもPVDFもしくはPCTFEであることが好ましい。この樹脂のDSC(示差走査熱量測定)によりピークトップを求めて定まる融点は、130℃以上290℃以下であることが好ましく、160℃以上230℃以下であることがより好ましい。融点がこの範囲内であれば、リング70が柔らか過ぎないため変形を抑制することができ、チューブ90を抜けにくくすることができるとともに、耐クラック性に優れるため割れが生じにくい。この樹脂のヤング率は、500MPa以上4000MPa以下であることが好ましく、ナット30のヤング率よりも高いことがより好ましく、チューブ90のヤング率よりも高いことがより好ましく、1000MPa以上2500MPa以下であることがさらに好ましい。また、この樹脂のポアソン比は、0.34以上0.47以下であることが好ましい。また、この樹脂の降伏応力については、7.0MPa以上170MPa以下であることが好ましい。
なお、ナット30が透明もしくは半透明である場合には、リング70の付け忘れを防止する観点から、リング70は不透明もしくは着色されていることが好ましい。
なお、リング70の表面粗さは、0.001以上8.0以下であることが好ましい。
(6)各部材の関係
各部材を構成する素材の関係、すなわち、チューブ90を構成する樹脂とリング70を構成する樹脂とナット30を構成する樹脂の組合せとしては、チューブ90を構成する樹脂がPFAであり、リング70を構成する樹脂がPVDFもしくはPCTFEであることが好ましい。なお、この組合せにおいて、ナット30を構成する樹脂がPFAであり、継手本体20を構成する樹脂がPTFEもしくはPFAであることがより好ましい。
以下、シミュレーションで用いた継手および継手組立体の構造について説明し、リングの曲面部の曲率を変えた場合の締付力の変化、チューブ引き抜き過程の挙動、リングの軸方向における継手本体とは反対側の傾斜形状を変えた場合の締付力の変化等を検討したシミュレーションの内容についてさらに説明する。
なお、実際のナットの締付作業はトルクを加えることで行われるが、このシミュレーションでは、ナットに軸方向の強制変位を加えた軸対称モデルにおいてナットの締付作業を模擬することで締付力を算出した。具体的には、軸方向の強制変位をナットに発生させるために必要な反力に基づいて計算した。
図1に、シミュレーションで用いた継手および継手組立体の外形を示す。
継手組立体150は、継手100がチューブ90に連結固定されて構成されている。
継手100は、継手本体20と、リング70と、ナット30によって構成されている。
チューブ90は、その一端が継手本体20のチューブ連結部22(後述する)に連結された状態において、ナット30を継手本体20に対して螺合させていくことで、ナット30の径方向内側であってチューブ90の径方向外側に位置しているリング70と、継手本体20のチューブ挿入端21(後述する)と、によって挟持されることで連結固定される。
以下、各部材について分けて詳細を説明する。
(チューブ90)
チューブ90は、PFAによって構成されており、外径が57.4mm、内径が50.8mm、径方向の厚みが3.3mmであった。このチューブ90の曲げ半径は、0.91mであり、このチューブ90のヤング率は、390MPaであった。また、このチューブのポアソン比は0.45であり、降伏応力は8.0MPaであった。
ここで、チューブ90の材質であるPFAについて、図2に公称応力−公称ひずみ線図を、図3に真応力−真ひずみ線図をそれぞれ示す。
(継手本体20)
継手本体20は、図4の側面視外観図に示すように、チューブ挿入端21、チューブ連結部22、本体ねじ山部23、継手本体操作部24、取付側ねじ山部25、および、貫通孔26を備えている。チューブ挿入端21は、チューブ90が挿入される側の先端を構成している。チューブ挿入端21は、図4の側断面図に示すように、軸方向の端部に向かうほど径方向外側の部分が径方向内側に位置するように傾斜して構成された傾斜面である径方向外側挿入部21aと、軸方向の端部に向かうほど径方向内側の部分が径方向外側に位置するように傾斜して構成された傾斜面である径方向内側挿入部21bと、を有している。チューブ連結部22は、チューブ90が挿入された状態で、チューブ90の内面が外面に接する部分であり、チューブ挿入端21から筒状に伸びるようにして構成されている。本体ねじ山部23は、チューブ連結部22に対してチューブ挿入端21側とは反対側に設けられており、チューブ連結部22の外径よりも外径が大きく、後述するナット30のナットねじ山部34と螺合するように構成されている。継手本体操作部24は、ナット30を継手本体20にねじ込む際にレンチや人の指によって挟持される部分であり、本体ねじ山部23に対してチューブ連結部22側とは反対側に設けられている。継手本体操作部24は、図6の軸方向視上面図に示すように、軸方向視において、矩形の各辺をなだらかにつないだ形状を有している。取付側ねじ山部25は、図示しない取付対象に対して螺着されるためのねじ山を有している。貫通孔26は、継手本体20を軸方向に貫通する孔である。
図4に示すように、軸方向における長さについて、チューブ挿入端21とチューブ連結部22の合計長さa1は28.0mmであり、本体ねじ山部23の長さa2は40.0mmであり、継手本体操作部24の長さa3は20.0mmであり、取付側ねじ山部25の長さa4は30.0mmであった。また、図5に示すように、貫通孔の内径a5は20.8mmであり、径方向外側挿入部21aと径方向内側挿入部21bとの境界部分が構成する円の直径a6は54.8mmであり、チューブ連結部22の外径a7は61.8mmであり、いずれも同心円上に位置させた。また、軸断面において、軸方向に対する径方向外側挿入部21aの傾斜角度θ1は45度であり、軸方向に対する径方向内側挿入部21bの傾斜角度θ2は45度であった。なお、軸断面において、径方向外側挿入部21aの傾斜面と径方向内側挿入部21bの傾斜面がなす角度は90度であった。また、図6に示すように、継手本体操作部24の対向する面同士の間隔a8は80.0mmであった。
継手本体20は、PTFEによって構成した。この継手本体20のヤング率は440.0MPaであり、ポアソン比は0.46であり、降伏応力は7.6MPaであった。
ここで、継手本体20の材質であるPTFEについて、図7に公称応力−公称ひずみ線図を、図8に真応力−真ひずみ線図をそれぞれ示す。
(リング70)
リング70は、図5に示すように、内面71、外面72、背面74、内側曲面部75、外側曲面部76、外側傾斜面77、および、内側傾斜面78を有する環状部材である。
内面71は、軸方向と平行に筒状に伸びた面によって、リング70の径方向の最も内側の面を構成している。外面72は、軸方向と平行に筒状に伸びた面によって、リング70の径方向の最も外側の面を構成している。
背面74は、軸方向を法線方向とする円周状の面であり、リング70の軸方向の継手本体20側とは反対側の端面を構成している。
内側曲面部75と外側曲面部76とは、リング70の継手本体20側端部を構成する曲面である。内側曲面部75と外側曲面部76とは、リング70の径方向の厚み半分に対応するようにそれぞれ設けられている。内側曲面部75は、リング70の継手本体20側であって径方向内側に膨らんだ部分を構成しており、外側曲面部76とは、リング70の継手本体20側であって径方向外側に膨らんだ部分を構成している。
外側傾斜面77は、外面72と背面74とを繋ぐ傾斜面であって、軸方向において背面74側に近づくにつれて径方向内側に位置するように傾斜面が形成されている。内側傾斜面78は、内面71と背面74とを繋ぐ傾斜面であって、軸方向において背面74側に近づくにつれて径方向外側に位置するように傾斜面が形成されている。
リング70は、内径b1が57.7mmであり、外径b2が68.5mmであり、軸方向の厚みb3が8.0mmであった。また、外側傾斜面77および内側傾斜面78は、いずれも軸方向に対する傾斜面の傾斜角度のうち小さい方の角度が45度であった。また、外側傾斜面77は、軸方向に0.5mmの幅で、径方向に0.5mmの幅が斜めに削り取られて生じるような形状および大きさを有する傾斜面であった(図5のb6参照)。内側傾斜面78は、軸方向に0.3mmの幅で、径方向に0.3mmの幅が斜めに削り取られて生じるような形状および大きさを有する傾斜面であった(図5のb7参照)。また、リング70の径方向の厚みb9は、5.4mmであった。
なお、シミュレーションでは、図10の断面図に示すように、内側曲面部75と外側曲面部76の曲率b4、b5を変更することで、締付力の変化等の検討を行った。ここで、内側曲面部75と外側曲面部76の曲率を変更することは、内側曲面部75と外側曲面部76の軸方向の幅h(=b8)を0.1rから2.0rまで変更(h1、h2、h3・・・)することにより行った。なお、内側曲面部75と外側曲面部76の軸方向の幅b8を変更する場合であっても、リング70の軸方向の幅H(=b3)は変化させず固定とし、リング70の径方向の幅2r(=b9)も変化させずに固定とした。ここで、実際のシミュレーションでは、パラメータα=h/rとして評価を行い、αは0.1から2.0まで変化させた。
ここで、リング70の径方向の厚みb9を2rとした場合に、内側曲面部75と外側曲面部76の軸方向の幅b8がrであるである場合(図10のh2の場合)には、内側曲面部75と外側曲面部76が半円を構成することになる。
そして、内側曲面部75と外側曲面部76の軸方向の幅b8がrより短い場合(図10のh1の場合)には、内側曲面部75と外側曲面部76は、リング70の径方向の厚みb9(2r)を長軸の長径として内側曲面部75と外側曲面部76の軸方向の幅b8を短軸の短径とする楕円の半分を構成することになる。
さらに、内側曲面部75と外側曲面部76の軸方向の幅b8がrより長い場合(図10のh3の場合)には、内側曲面部75と外側曲面部76は、内側曲面部75と外側曲面部76の軸方向の幅b8の2倍を長軸の長径として、リング70の径方向の厚みb9(2r)を短軸の短径とする楕円の半分を構成することになる。
リング70は、PCTFEによって構成された場合と、PTFEによって構成された場合についてシミュレーションを行った。
PCTFEのリング70については、ヤング率が1400.0MPaであり、ポアソン比は0.42であり、降伏応力は41.0MPaであり、表面粗さRaが3.2である。
ここで、リング70の材質であるPCTFEについて、図11に公称応力−公称ひずみ線図を、図12に真応力−真ひずみ線図をそれぞれ示す。
また、PTFEのリング70については、ヤング率が440MPaであり、ポアソン比は0.46であり、降伏応力は7.6MPaであった。
(ナット30)
ナット30は、図13の側面視外観図、図14の側面視断面図、および、図15の軸方向における縮径部側から見た図において示すように、挿入端部31、外側筒状部32、ナット操作部33、ナットねじ山部34、ナット筒状部35、縮径部36、被当接部37、および、湾曲部38を備えている。
挿入端部31は、ナット30を継手本体20に挿入する際の挿入側先端を構成しており、やや径方向外側に広がった形状を有している。外側筒状部32は、軸方向に筒状に伸びている。ナット操作部33は、ナット30を継手本体20にねじ込む際にレンチや人の指によって挟持される部分であり、外側筒状部32に対して軸方向の挿入端部31側とは反対側に形成されている。このナット操作部33は、図15に示すように、軸方向視において、6角形の各角が丸みを帯びた形状となるように構成されている。ナットねじ山部34は、継手本体20にナット30が挿入されて螺着される際に、本体ねじ山部23に対して径方向外側から螺合することができるように、ナット30の内側であって挿入端部31側を構成している。縮径部36は、挿入端部31側とは反対側の端部から挿入端部31側に向けて伸びており、ナット30の内側において筒状部分を構成している。ナット筒状部35は、ナットねじ山部34と縮径部36とを軸方向に繋ぐように、ナット30の内側において筒状部分を構成しており、径方向については縮径部36の径方向外側であってナットねじ山部34の径方向内側を構成している。被当接部37は、縮径部36の挿入端部31側を向いた端面によって構成されている。湾曲部38は、ナット筒状部35の挿入端部31側とは反対側の端部と被当接部37とが繋がっている部分に設けられたR形状部分である。
ナット30は、図13に示すように、挿入端部31の外径c1は95.0mmであり、ナット操作部33において互いに向かう合う丸みを帯びた形状の部分同士を結んだ長さc2は90.0mmであった。また、図13に示すように、軸方向における長さについて、挿入端部31の長さc3は41.5mmであり、外側筒状部32の長さc4は31.0mmであり、ナット操作部33の長さc5は5.0mmであった。また、図14に示すように、ナット筒状部35の内径c6は69.0mmであり、縮径部36の内径c7は58.0mmであった。さらに、図13に示すように、軸方向における長さについて、ナットねじ山部34の長さc8は34.0mmであり、ナット筒状部35の長さc9は32.5mmであり、縮径部36の長さc10は11.0mmであった。なお、湾曲部38の曲率半径は0.5mmであった。
ナット30は、チューブ90とは物性の異なるPFAによって構成した。このナット30のヤング率は390MPaであり、ポアソン比は0.47であり、降伏応力は8.9MPaであった。
ここで、ナット30の材質であるPFAについて、図16に公称応力−公称ひずみ線図を、図17に真応力−真ひずみ線図をそれぞれ示す。
(連結固定の動作)
チューブ90に対して継手本体20、リング70およびナット30がそれぞれ固定されることで、チューブ90に継手100が連結固定される。
ここで、まず、継手100を取り付けようとするチューブ90の先端を、縮径部36側を介してナット30に挿入し、さらに、リング70に挿入して、図18の側面視断面図に示すような状態とする。
そして、チューブ90の端部を、図19に示すフレアー治具を用いて拡管し、形状を癖付ける。このフレアー治具は、PTFEにより構成されており、図19に示すように、軸方向の挿入側端部には外径(d1=50.5mm)の最も小さな円柱部分が設けられ、軸方向の挿入側とは反対側にはより外径(d2=62.8mm)の大きな円柱部分とさらに外径(d3=78.0mm)の大きな円柱部分が連なって構成されている。フレアー治具は、軸方向の幅d4が70.0mmであり、軸方向の挿入側とは反対側の各円柱の軸方向の幅d4、d5がいずれも20.0mmである。軸方向の挿入側端部の円柱の挿入側とは反対側の端部は、挿入側とは反対側に向かうにつれて外径が大きくなるように傾斜して構成されている。ここで、軸方向の真ん中の円柱の外周部分に対する傾斜部分の傾斜角度は45度となっている。なお、ここでは、チューブ90をフレアー治具に挿入する際に、チューブ90をヒータ等で加熱し柔らかくした状態で挿入し、拡管による癖付けを行う。
次に、拡管したチューブ90の先端の内側に継手本体20のチューブ連結部22を挿入し、図20の側面視断面図に示すような状態とする。なお、チューブ90の先端は、チューブ連結部22の軸方向の幅内に収まる位置とした。
その後、継手本体20に対してナット30を軸方向に近づけていき、継手本体20の本体ねじ山部23と、ナット30のナットねじ山部34と、が互いに螺合し始める部分まで移動させる。この時、リング70は、リング70の背面74が、ナット30の被当接部37に軸方向において当接することで、軸方向における継手本体20側に向けて移動することになる。そして、継手本体20に対してナット30を回転させることで、図21の側面視断面図に示すように、ナット30を継手本体20に対してねじ込んでいく。なお、ここで、継手本体20とチューブ90とは概ね一体化されており、ナット30の回転につられて回転することはない。また、ナット30とリング70とは別体に構成されているため、ナット30が回転した場合であっても、リング70は原則的にはチューブ90の外表面を軸方向に向けて沿うように移動するだけであり、リング70はチューブ90の外表面上で回転しない。
また、ナット30の継手本体20へのねじ込み操作を続けていくと、図22の側面視断面図に示すようにチューブ90のうち継手本体20のチューブ連結部22の径方向外側挿入部21aに対向している部分に対してリング70の内側曲面部75が接触するが、この状態を開始地点として最終的にねじ込みを終える地点までの距離を締付代として定めた。なお、シミュレーションでは、この締付代を0mmから5.0mmまで変化させた。
(シミュレーションの詳細設定)
シミュレーションでは、以下の点を考慮して行った。
チューブとリングは、幾何形状が軸対称性を持つものとした。継手本体とナットは幾何形状が近似的に軸対称性を持つものと見なすことができるため、同様に軸対称性を持つものとした。ここで、螺子溝については摩擦力を調節することで単純平面として扱った。また、荷重についても、ナット締付過程では近似的に軸対称性を持つものと見なすことができるため、同様に軸対称性を持つものとした。チューブ引き抜き過程においても同様に軸対称性を持つものとした。
シミュレーションは、「ナット締付過程」と「チューブ引き抜き過程」を、FEM解析( Finite Element Method (有限要素法))で行った。解析モデルの構築に当たっては、継手本体、チューブ、リング、ナットの四つの部品を用い、各部品は近似的に幾何形状と荷重状態の軸対称性を有するため構造体の任意の一断面を取り出し解析モデルを作成した。
解析に際して、継手本体20とチューブ90およびリング70、ナット30はMisesの降伏条件を満たす弾塑性材料とし、二次元ソリッド要素でモデル化した。また、各部品間の相互接触は摩擦を伴うコンタクト要素でモデル化した。具体的には、継手本体20とチューブ90、継手本体20とナット30、チューブ90とリング70、チューブ90とナット30、リング70とナット30の間にそれぞれ接触条件を指定した。
この解析モデルの要素数は、9,016であり、節点数は9,643であった。
また、解析に際し、継手本体20のチューブ連結部22側とは反対側の端部について、軸方向の変位を拘束する拘束条件を付与した。荷重条件として、「ナット締付過程」にはナット30の継手本体20側の端部に一様な軸方向の強制変位を作用させることとし、「チューブ引き抜き過程」にはチューブ90のチューブ連結部22側端部とは反対側の端部に一様な軸方向の強制変位を作用させることとした。そして、ナット30締付トルク荷重を、ナット30に働く軸方向の強制変位に置き換えて用いた。
また、シミュレーションで用いた各部品の物性について、応力-ひずみ線図、公称応力-公称ひずみ線図から、最大破断ひずみが非常に大きいことが確認されたため、「ナット締付過程」と「チューブ引き抜き過程」においては、チューブ90は大変形と大ひずみを伴う挙動をすることが容易に想像できた。ここで、大変形と大ひずみを伴う解析を精確に行うためには、公称応力と公称ひずみをそれぞれ真応力と真ひずみに変換して使用することが一般的であることを考慮し、金属材料が塑性降伏後に静水圧の影響を受けない(体積不変)という仮定に基づいて導かれた以下の式(1)を用いて、各種樹脂材料の公称応力と公称ひずみからそれらの真応力と真ひずみを求めた。
ここで、は真応力と真ひずみ、は公称応力と公称ひずみである。
各種樹脂材料の公称応力-公称ひずみ線図ならびに式(1)に基づいて算出したそれらの真応力-真ひずみ線図が、図3、図8、図12、図17である。これらによると、ひずみが大きくなるにしたがい、公称応力-公称ひずみ線図と真応力-真ひずみ線図は顕著に異なることが読み取れる。
シミュレーションでは、継手本体20とチューブ90およびナット30の材料構成式は、Misesの降伏条件を満たす多直線近似による等方硬化の弾塑性材料モデルで表現することとし、リング70の材料構成式はMisesの降伏条件を満たす二直線近似による等方硬化の弾塑性材料モデルで表現することとした。
また、シミュレーションに際して、降伏後の挙動(ひずみ硬化率)については、図3、図8、図12、図17に示した真応力-真ひずみ線図を用いて特定した。
また、各部品間の摩擦係数は一様であるものとし、摩擦係数が0.10, 0.05, 0.03の場合について解析を行った。
なお、Mises応力(ミーゼス応力)とは、物体内部に生じる応力状態を単一の値で示すために用いられる相当応力の一つである。本来、応力は3次2階対称テンソル場であり、その状態を正確に表すためには6つの値を記述しなければならないが、それでは実際にどのように力がかかっているのか理解することが非常に難しくなる。そのため、応力状態をひとつの数値に代表させ、スカラー場として表し理解しやすくするために、Mises応力が用いられる。また、このMises応力は延性材料の破壊基準、および塑性変形に関係する力の基準として一般に用いられる。このMises応力は、等方応力(静水圧応力)状態においては0である。また、単軸引張状態ではその引張応力に一致する。主応力空間では、Mises応力が一定の曲面は静水圧軸からの距離が一定であるような円筒形状となる。このシミュレーションでは、リング70、チューブ90等の降伏判断に上記Mises応力を用いて行った。
(ナット締付過程のシミュレーション)
「ナット締付過程」においてリング70がPCTFEの場合とPTFEの場合とで締付力の変化を比較するシミュレーションを行った。
図23に、リング70がPCTFEによって構成されている場合のα(=h/r)の値を変化させた場合の締付代に対応する締付力の変化を示すシミュレーション結果のグラフを示す。
図24に、リング70がPTFEによって構成されている場合のα(=h/r)の値を変化させた場合の締付代に対応する締付力の変化を示すシミュレーション結果のグラフを示す。
なお、図23〜38の各図においてSMXとして記載されている値は、リング70とチューブ90の接触箇所のMises応力のうちの最大値(最大Mises応力)を意味している。
なお、αの値は0.2〜2.0まで変化させ、リング70が矩形である場合についてもシミュレーションを行った。矩形である場合としては、リング70の断面において径方向内側の各角がc0.3(角部0.3mmのコーナーカット)であり、リング70の断面において径方向外側の各角がc0.5(角部0.5mmのコーナーカット)であるとした。
これらの図23,図24より、リング70の材質としてPTFEよりもPCTFEを用いた方が、少ない締付代でより多くの締付力が得られることが分かる。
締付力の好適な値としては、フッ素樹脂配管で使用される一般的な最大圧力は7MPa(0.7kN/cm2)であること、および、一般的に使用される安全係数が3倍であること、を考慮し、25MPa(2.5kN/cm2)あれば十分であると考えられる。例えば、図23によれば、リング70がPCTFEである場合には、αの値が2.0であれば締付代が1.5mm以上必要であることが分かる。
図25において、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70が矩形である場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果を示す。
図26〜図34において、リング70がPCTFEによって構成されている場合のα(=h/r)の値を変化させた場合の締付代に対応するMises応力分布のシミュレーション結果を示す。
図35〜図38において、締付代が4.0mmの場合において、リング70がPCTFEによって構成されており矩形である場合およびαを変化させた場合の接触圧力分布のシミュレーション結果を示す。なお、リング70とチューブ90の接触箇所に関するハッチングは最大Mises応力SMX近傍の部分を主として示している。
これらによると、締付代を多く取るほどリング70のチューブ90との接触点の最大応力が大きくなり、シール特性が向上することが分かる。また、締付代を4.0mm取ると、リング70が矩形かα=0.1の場合はリング70のチューブ90への食い込みが観察される。このため、締付代を4.0mmより多く取るとチューブ90が切断されやすくなってしまうことから、締付代は4.0mm以下であることが好ましいことが分かる。
他方で、締付代が小さくリング70のチューブ90への食い込みが少ない程、チューブ90の傷の発生は抑制されるが、締付力が小さくなってシール特性が低下してしまう。
また、締付代は、チューブ90の厚みを基準とすると、チューブ90の厚みの30%以上125%以下とすることが好ましいことが分かる。
なお、十分な締付力として接触点の最大Mises応力SMXが25MPa(2.5kN/cm2)以上確保されるためには、αの値が0.2以上1.1以下、且つ、締付代が2.0mm以上5.0mm以下であることが望ましいことが分かる。
(チューブ引き抜き過程のシミュレーション)
αの値が異なるリング70によって異なる締付代でチューブ90が締め付けられた状態から、チューブ90を引き抜く際の「チューブ引き抜き過程」において、引抜き力の変化がαの値や締付代に応じてどのように変化するかを把握するためシミュレーションを行った。
ここで、引抜き力は、チューブ90の引き抜き過程において軸方向の強制変位をチューブ90加えるようにして計算を行っており、具体的には、軸方向の強制変位をチューブ90に発生させるのに必要な力に基づいて計算した。また、引き抜き過程での引き抜きの速度が十分に遅い状態を想定しており、チューブ90の材料の降伏強度等を踏まえている。
図39において、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70が矩形である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果を示す。
図40〜図49において、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70がα=0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0である場合の締付代毎の引抜き距離に対応する引抜き力のシミュレーション結果を示す。
図50〜図52において、締付代が2.5mmであり、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70が矩形、α=0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8である場合のチューブ引抜き時(計算上の最終状態)の第1主応力分布のシミュレーション結果を示す。ここでSMXとして記載されている値は、分布している応力のうちの最大値を意味している。
これらより、リング70が矩形の場合やαの値が小さい場合には、チューブ90が引抜き時にリング70に引っ掛かることで引き延ばされ、チューブに大きな引っ張り応力が作用することが分かる。ナット30締付時にリング70のチューブ90への当接部分がチューブ90に大きく食い込んだ場合には、チューブ90に引き抜き力が作用した場合にチューブ90が切れてしまうおそれがあることが分かる。
リング70のαの値が0.2, 0.4の場合には、矩形の場合と同様な引抜き挙動を示すことが分かる。
また、リング70のαβの値が0.4より大きい場合には、チューブ90がリング70の接触部分に引っ掛かりにくく、抜けやすくなることが分かった。また、リング70のαが大きくなるとチューブ90の引抜き力が低下する傾向にあることが分かる。
以上より、チューブ90にリング70が食い込みにくく、かつ、チューブ90引抜き時の引抜き力を十分に確保するためには、リング70のαの値が0.5以上1.2以下であることが好ましいことが分かる。
(リングのナット側の端部を傾斜させた場合のシミュレーション)
図53に示すように、リング70の継手本体20側とは反対側のナット30側の端面をリング70の内側の軸方向成分が長くなるようにナット30側に向けて傾斜させた場合に、径方向に対する傾斜角βの大きさに応じて締付力が変化するか否かをシミュレーションによって検証した。
図54に、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70のαの値を0.6で固定しつつβの値を0.0から14.0まで変化させた場合の締付代に応じた締付力の関係のシミュレーション結果を示す。
図55から図57に、締付代が4.0mmであり、リング70がPCTFEによって構成されておりリング70のαの値を0.6で固定しつつβの値を0.0から9.0まで変化させた場合の接触圧力分布のシミュレーション結果を示す。
なお、図55〜57の各図においてSMXとして記載されている値は、リング70とチューブ90の接触箇所のMises応力のうちの最大値(最大Mises応力)を意味している。
なお、リング70とチューブ90の接触箇所に関するハッチングは最大Mises応力SMX近傍の部分を主として示している。
これらにより、リング70の傾斜角βが大きくなるに従って、締付力が低下することが分かる。これは、リング70の傾斜角βが大きくなるとナット30との接触面積が小さくなることに起因しているものと推測される。
また、リング70は、リング70のうち軸方向の継手本体20側とは反対側において、径方向内側ほどナット30の縮径部36の被当接部側に位置するようにナット30の被当接部の面に対して1.0以上7.0度以下の範囲で傾斜している場合には、リング70によるチューブ90の締付力を十分に確保した状態であっても、リング70自体の変形を小さく抑えつつ、リング70とナット30の被当接部との接触部分における接触圧力分布を径方向に渡って均一化させることができていることが分かる。
20 継手本体
22 チューブ連結部
23 本体ねじ山部
26 貫通孔
30 ナット
34 ナットねじ山部
36 縮径部
37 被当接部
70 リング
90 チューブ
100 継手
150 継手組立体
特開2009−144916号公報

Claims (8)

  1. 樹脂を含んで構成されたチューブ(90)に対して接続される継手(100)であって、
    軸方向の一端側を構成しており前記チューブ(90)によって外周の少なくとも一部が覆われるチューブ連結部(22)と、前記チューブ連結部の外径よりも大きな外径を有する本体ねじ山部(23)と、を有し、軸方向に延びた貫通孔(26)が形成されている継手本体(20)と、
    前記継手本体の前記チューブ連結部が軸方向から挿入された状態で前記本体ねじ山部と螺合可能なナットねじ山部(34)と、前記チューブ連結部の挿入進行側に設けられており前記ナットねじ山部よりも内径が小さい縮径部(36)と、を有するナット(30)と、
    前記ナットの前記ナットねじ山部よりも径方向内側の空間に配置され、前記ナットの前記縮径部(36)のうち前記継手本体(20)側の部分である被当接部(37)に当接し、前記チューブよりもヤング率が高いリング(70)と、
    を備え、
    前記リングは、少なくとも前記リングの径方向内側であって軸方向の前記継手本体側の部分において、前記リングの径方向内側であって軸方向の前記継手本体側に向けて膨らんだ曲面部を有しており、
    前記リングの径方向の最大厚みを2rとし、前記リングの前記曲面部の軸方向の長さをhとした場合のα=h/rが、0.5以上1.2以下である、
    継手。
  2. 前記リングの前記曲面部は、軸方向切断面において、円弧もしくは楕円弧を構成している、
    請求項1に記載の継手。
  3. 前記リングのうち軸方向の前記継手本体側の部分は、径方向外側の部分よりも径方向内側の部分のほうがなだらかな形状となっている、
    請求項1または2に記載の継手。
  4. 前記ナット(30)の前記縮径部(36)のうちの前記被当接部は、締付時に前記リング(70)のうち軸方向の前記継手本体側とは反対側の部分と当接し、
    前記リング(70)は、前記リングのうち軸方向の前記継手本体側とは反対側において、径方向内側ほど前記ナットの前記被当接部側に位置するように前記被当接部の主面に対して1.0度以上7.0度以下の範囲で傾斜した部分を主として有している、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の継手。
  5. 前記継手本体の前記チューブ連結部(22)の前記挿入進行側の端部近傍の径方向外側の表面は、軸方向に対して30度以上60度以下の範囲で傾斜している、
    請求項1から4のいずれか1項に記載の継手。
  6. 前記チューブは、PFAとFEPの少なくともいずれか一種を含有する樹脂組成物で構成されており、
    前記ナットは、PTFE、PFA、PVDF、ETFE、および、ECTFEからなる群より選択される少なくとも一種を含有する樹脂組成物で構成されており、
    前記リングは、PTFE、PFA、PCTFE、PVDF、ETFE、ECTFE、PPS、および、PEEKからなる群より選択される少なくとも一種を含有する樹脂組成物で構成されている、
    請求項1から5のいずれか1項に記載の継手。
  7. 前記リングは不透明であり、前記ナットは透明もしくは半透明である、
    請求項1から6のいずれか1項に記載の継手。
  8. 前記チューブ(90)と、
    請求項1から7のいずれか1項に記載の継手(100)と、
    を備えた継手組立体(150)。
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