JP2016094963A - 配管用継手構造 - Google Patents

Abstract

【課題】より大きな軸力を確保する場合であっても、接続されるパイプの先端部の内径の縮小を抑え、圧損の増大を抑制する。
【解決手段】配管用継手構造は、第１の流路が形成されると共に第１の流路の開口を有し、外表面に第１のシール面を有するパイプと、第２の流路が形成されると共に第２の流路の開口を有し、内表面に第２のシール面を有し、外表面に雄ねじ部を有するコネクタと、雄ねじ部と螺合する雌ねじ部を有し、第１のシール面と第２のシール面とを接触させた状態で雄ねじ部に雌ねじ部が螺合されてパイプとコネクタとを接続するナットと、を備える。配管用継手構造を第２の流路の軸を含む側断面図で見たときに、雄ねじ部が形成される雄ねじ部領域と、第１のシール面と第２のシール面とが接するシール領域とが、第２の流路の軸方向に離間している。
【選択図】図１

Description

本発明は、配管用継手構造に関するものである。

図２は、従来知られる高圧配管用継手構造の一例として、配管用継手構造１００の構成を表わす断面模式図である。配管用継手構造１００は、内部に流路１２３が形成されたコネクタ１２０と、流路１３３が形成されたパイプ１３０と、コネクタ１２０およびパイプ１３０を接続するためのナット１４０と、を備える。コネクタ１２０は、流路１２３の開口が形成される一方の端部近傍において、流路１２３を形成する壁面の外形の直径は略一定であるものの、上記端部に近づくほど流路１２３の径が次第に大きくなり、流路１２３を形成する壁面が次第に薄くなる凹状部１２４を有している。また、コネクタ１２０における流路１２３の開口近傍の外表面には、雄ねじ部１２１が形成されている。パイプ１３０は、流路１３３の開口が形成される一方の端部の近傍に、流路１３３を形成する壁面の外形の直径が大きく形成された凸状部１３２が形成されており、凸状部１３２では、内部に形成される流路１３３の断面の直径は略一定であるが、流路１３３の開口が形成される先端に向かって壁面の外形の直径が次第に縮径している。ナット１４０は、パイプ１３０の凸状部１３２に係合する係合部１４２を有すると共に、コネクタ１２０の雄ねじ部１２１に螺合する雌ねじ部１４１が形成されている。

配管用継手構造１００の組み付けは、コネクタ１２０の上記一方の端部に形成された凹状部１２４の内表面と、パイプ１３０の上記一方の端部に形成された凸状部１３２の外表面と、が接触する状態で、パイプ１３０の上記凸状部１３２に係合部１４２を係合させたナット１４０を、コネクタ１２０の外表面にねじ止めすることにより行なわれる。これにより、上記コネクタ１２０の一方の端部の凹状部１２４の内表面と、パイプ１３０の一方の端部の凸状部１３２の外表面との間で、コネクタ１２０側の流路１２３とパイプ１３０側の流路１３３との間のシール性が確保される（例えば、特許文献１参照）。

高圧流体のための配管用継手構造は、例えば、気体などの流体を高圧で貯蔵するための貯蔵タンクに流体を充填するための配管において用いられる。一般に、高圧流体のための配管用継手構造では、継手構造におけるシール性を長期にわたって保障できる軸力を得るために、コネクタに対するナットの締め付けを十分に行なう必要がある。そのため、コネクタ１２０の外表面には、ナット１４０の内表面と重なる領域全体にわたって雄ねじ部１２１を設けると共に、十分な軸力を確保するために大きな締結トルクをかけていた。

特開平１０−１８５０５２号公報

しかしながら、配管用継手構造１００において締結トルクを大きくして、コネクタ１２０で生じる軸力を増大させると、パイプ１３０における上記一方の端部側において、コネクタ１２０からパイプ１３０が受ける流路１３３の径方向内側に向かう外力が過大になり、流路１３３における上記一方の端部の内径が縮小してしまうという問題が生じ得る。流路１３３の内径の縮小は、配管用継手構造１００における流路抵抗の増大を引き起こす。例えば、高圧流体のための配管用継手構造を、流体の充填用流路に用いる場合には、配管用継手構造における流路抵抗の増大は充填率の低下を引き起こす。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、配管用継手構造が提供される。この配管用継手構造は、流体が流れる第１の流路が内部に形成されると共に、前記第１の流路の開口を第１の端部に有し、前記第１の端部側の外表面に第１のシール面を有するパイプと；前記パイプに接続されるコネクタであって、前記第１の流路に接続される第２の流路が内部に形成されると共に、前記第２の流路の開口を第２の端部に有し、前記第２の端部側の内表面に前記第１のシール面と接触するための第２のシール面を有し、前記第２の端部側の外表面に雄ねじ部を有するコネクタと；前記雄ねじ部と螺合する雌ねじ部を内表面に有し、前記パイプの前記第１のシール面と前記コネクタの前記第２のシール面とを接触させた状態で、前記コネクタの前記雄ねじ部に前記雌ねじ部が螺合されて、前記パイプと前記コネクタとを接続するナットと；を備える。前記配管用継手構造を前記第２の流路の軸を含む側断面図で見たときに、前記雄ねじ部が形成される領域である雄ねじ部領域と、前記第１のシール面と前記第２のシール面とが接する領域であるシール領域とが、前記第２の流路の軸方向に一定距離離間している。

この形態の配管用継手構造によれば、強い軸力が得られる締結トルクにてナットをコネクタに取り付けた場合であっても、コネクタがパイプを径方向内側に押圧する力が過大となることを抑え、パイプの径方向内側への変形（縮径）を抑制することができる。その結果、パイプの縮径に起因する配管用継手構造内の圧損の増加を抑制することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、配管用継手構造に用いるコネクタ、配管用継手構造を備える流体充填装置、および、水素タンクを備え、水素タンクに水素を充填するための配管に配管用継手構造を備えると共に燃料電池を駆動源として備える移動体、などの形態で実現することが可能である。

配管用継手構造の構成を表わす断面模式図である。 配管用継手構造の構成を表わす断面模式図である。

Ａ．配管用継手構造の全体構成：
図１は、本発明に係る実施形態として、配管用継手構造１０の構成を表わす断面模式図である。配管用継手構造１０は、内部に流路２３が形成されたコネクタ２０と、流路３３が形成されたパイプ３０と、コネクタ２０およびパイプ３０を接続するためのナット４０と、を備える。本実施形態では、流路３３が、課題を解決するための手段における「第１の流路」に相当し、流路２３が、課題を解決するための手段における「第２の流路」に相当する。

本実施形態では、配管用継手構造１０は、高圧水素を充填するための配管の接続のために用いている。具体的には、駆動源としての燃料電池と、燃料電池に供給する燃料としての水素を貯蔵する水素タンクと、を備える燃料電池車両において、水素タンクに水素を充填するための流路において、配管同士の接続のために配管用継手構造１０を用いている。

図１では、コネクタ２０に形成された流路２３の軸心を中心軸Ｏとして示している。図１は、配管用継手構造１０についての、中心軸Ｏを含む側断面図といえる。パイプ３０においてナット４０が取り付けられてコネクタ２０と接続される部位の近傍では、流路３３の軸心は中心軸Ｏとほぼ一致している。以下の説明では、中心軸Ｏに平行な方向を、軸方向と呼ぶと共に、軸方向に沿ってコネクタ２０が配置される側を第１の側と呼び、軸方向に沿ってパイプ３０が配置される側を第２の側と呼ぶ。

コネクタ２０は、流路２３の開口が形成される第２の側の端部近傍において、凹状部２４が形成されている。凹状部２４では、流路２３を形成する壁面の外形の直径は略一定であるものの、第２の側の端部に近づくほど流路２３の外径が次第に大きくなり、流路２３を形成する壁面が次第に薄くなっている。本実施形態では、コネクタ２０において、軸方向の第２の側を先端側とも呼ぶ。コネクタ２０において、流路２３の先端側の開口近傍の外表面には、雄ねじ部２１が形成されている。なお、本実施形態では、コネクタ２０の先端側の端部が、課題を解決するための手段における「第２の端部」に相当する。

パイプ３０は、流路３３の開口が形成される第１の側の端部近傍において、凸状部３２が形成されている。凸状部３２では、流路３３を形成する壁面の外形の直径が、他の部位に比べて大きく形成されている。また、凸状部３２では、内部に形成される流路３３の断面の直径は略一定であるが、流路３３の開口が形成される第１の側の端部に向かって壁面の外形の直径が次第に縮径している。本実施形態では、パイプ３０において、軸方向の第１の側を先端側とも呼ぶ。なお、本実施形態では、パイプ３０の先端側の端部が、課題を解決するための手段における「第１の端部」に相当する。

ナット４０は、軸心が中心軸Ｏと一致する略円筒形状を有しており、軸方向の第２の側の端部において、内壁面が中心軸Ｏ側に張り出して、パイプ３０の凸状部３２に係合する係合部４２を形成している。また、ナット４０は、軸方向の第１の側の内壁面において、コネクタ２０の雄ねじ部２１に螺合する雌ねじ部４１が形成されている。

コネクタ２０の凹状部２４における内表面は、第２のシール面２２を形成している。また、パイプ３０の凸状部３２における先端側に向かって縮径する部位の外表面は、第１のシール面３１を形成している。配管用継手構造１０では、第２のシール面２２と第１のシール面３１とが接触することにより、流路２３と流路３３とがシールされている。

配管用継手構造１０の組み付けは、コネクタ２０の凹状部２４の内表面である第２のシール面２２と、パイプ３０の凸状部３２の外表面である第１のシール面３１と、が接触する状態で、パイプ３０の凸状部３２に係合部４２を係合させたナット４０を、コネクタ２０にねじ止めすることにより行なわれる。これにより、配管用継手構造１０において十分な締結力（軸力）が生じ、第２のシール面２２と第１のシール面３１との間で、流路２３および流路３３のシール性が確保される。

本実施形態では、コネクタ２０、パイプ３０、およびナット４０は、例えばＳＵＳ３１６Ｌなどのオーステナイト系ステンレス鋼によって形成されている。オーステナイト系ステンレス鋼は、他種のステンレス鋼や炭素鋼などの鉄合金等に比べて水素脆化に対する耐性が高く、水素の配管の構成材料として特に適している。ここで、ナット４０は、直接には水素と接しない部材であるため、オーステナイト系ステンレス鋼以外の材料により構成してもよい。ただし、ナット４０を、コネクタ２０およびパイプ３０に比べて酸化速度が異なる部材（いわゆる、コネクタ２０およびパイプ３０に比べて卑、あるいは貴な部材）にすると、コネクタ２０およびパイプ３０、あるいはナット４０の腐食が促進されて、配管用継手構造１０全体の耐久性が低下する可能性がある。そのため、コネクタ２０、パイプ３０、およびナット４０は、いずれも同じ金属材料により構成することが望ましい。なお、水素脆化に対する耐性が許容範囲であれば、上記各部材は、オーステナイト系ステンレス鋼以外のステンレス鋼や、炭素鋼などの他種の合金を用い、必要に応じてコーティングを施すこととしてもよい。

Ｂ．配管接続部の構成：
本実施形態の配管用継手構造１０では、コネクタ２０に設けた雄ねじ部２１における軸方向の第２の側(コネクタ２０の先端側）の端部の位置は、コネクタ２０における軸方向の第２の側の端部（コネクタ２０の最先端の位置）に対し、軸方向の第１の側（コネクタ２０の後端側）に離間している。図１では、雄ねじ部２１における軸方向の先端側の端部の位置を、位置Ａとして示しており、コネクタ２０の最先端の位置を、位置Ｃとして示している。

また、本実施形態の配管用継手構造１０では、パイプ３０における軸方向の第１の側の端部（パイプ３０の最先端の位置）は、コネクタ２０に設けた雄ねじ部２１における軸方向の第２の側(コネクタ２０の先端側）の端部の位置Ａに対し、軸方向の第２の側に離間している。図１では、パイプ３０の最先端の位置を、位置Ｂとして示している。

図１の側断面図では、コネクタ２０において雄ねじ部２１が形成される領域である雄ねじ部領域を、軸方向に垂直な方向に投影して、領域Ｘとして示している。また、図１では、第２のシール面２２と第１のシール面３１とが接する領域であるシール領域を、軸方向に垂直な方向に投影して、領域Ｙとして示している。図１に示すように、本実施形態では、領域Ｘと領域Ｙとは互いに離間している。

図１では、さらに、配管用継手構造１０においてナット４０を締結して締結力（軸力）が発生する際に、コネクタ２０内で生じる径方向の応力の、軸方向の分布を模式的に示している。図１に示すように、ねじ止めの際には、雄ねじ部２１において、ナットが嵌め込まれる側（軸方向の第２の側）の端部に近接するねじ山（軸方向の第２の側の端部から１〜数個目のねじ山）で、大部分の極めて大きな荷重を受ける（応力が最大になる）ことが、一般的に知られている。すなわち、コネクタ２０内で生じる径方向の応力は、軸方向の第１の側（後端側）から第２の側（先端側）に向かって次第に大きくなり、雄ねじ部２１における第２の側の端部に近接するねじ山においてピークを示す。応力がピークとなる位置よりも先端側では、コネクタ２０内で生じる応力の大きさは急激に小さくなり、雄ねじ部２１における第２の側の端部よりもさらに先端側では、応力はピークに比べて極めて小さくなる。

配管用継手構造１０において、ナット４０の締結を行なうと、既述したシール領域Ｙで互いに接するコネクタ２０が、パイプ３０に対して、径方向内側（中心軸Ｏ）に向かう力を加える。これにより、第２のシール面２２と第１のシール面３１とが互いに密着して、両者の間でシール性が実現される。第２のシール面２２が第１のシール面３１を押圧する力は、コネクタ２０内で生じる径方向の応力が大きいほど、大きくなる。

既述したように、本実施形態では、雄ねじ部２１における軸方向の第２の側の端部（雄ねじ部２１の先端）の位置Ａは、パイプ３０における軸方向の第１の側の端部（パイプ３０の先端）の位置Ｂよりも、第１の側に配置している。そのため、パイプ３０に対してコネクタ２０から加えられる径方向内側に向かう力（軸方向の位置Ｂから位置Ｃの範囲で生じる応力に対応する力）は、締結力（軸力）に応じて得られるピーク応力に比べて極めて小さくなる。なお、第２のシール面２２と第１のシール面３１とが接する部位に生じる応力がピーク応力に比べて極めて小さくても、本実施形態では、パイプ３０の先端の凸状部３２の外形や、コネクタ２０の先端の凹状部２４の外形の設計により、十分なシール性を確保している。

以上のように構成された本実施形態の配管用継手構造１０によれば、流路２３の中心軸Ｏを含む側断面図において、コネクタ２０において雄ねじ部２１が設けられた位置と、パイプ３０が配置される位置とが、軸方向に一定距離離間している。そのため、強い締結トルクにてナット４０をコネクタ２０に取り付けた場合であっても、コネクタ２０がパイプ３０を径方向内側に押圧する力が過大となることを抑え、パイプ３０の径方向内側への変形（縮径）を抑制することができる。その結果、パイプ３０の縮径に起因する配管用継手構造１０内の圧損の増加を抑制することができ、圧損の増加に起因して、水素タンクに高圧で水素を充填する際の充填率が低下したり、水素タンクに水素を充填する際の充填時間が長くなることを抑制できる。

これに対して、例えば図２に示すように、コネクタの雄ねじ部が、コネクタとナットとが重なる領域の全体にわたって設けられ、コネクタの雄ねじ部とパイプとが、軸方向に垂直な方向に投影したときに互いに重なる場合には、コネクタにおいて応力がピークとなる位置、あるいはその近傍の位置において、コネクタがパイプを径方向内側に押圧することになる。このような場合には、締結により生じた極めて大きな締結力（軸力）に対応する力がパイプに加えられてパイプが縮径する。本実施形態によれば、このような不都合を抑えることができる。

また、既述したように、本実施形態では、水素が流れる配管において配管用継手構造１０を用い、パイプ３０をオーステナイト系ステンレス鋼により形成している。オーステナイト系ステンレス鋼は、他種のステンレス鋼などの鉄合金に比べて硬度が低い性質を有するため、径方向内側に向かう力が加えられることによりパイプ３０が縮径し易い。本実施形態では、上記のようにコネクタ２０からパイプ３０に対して加えられる径方向内側に向かう力を抑えることができるため、水素配管に配管用継手構造１０を適用して、オーステナイト系ステンレス鋼によってパイプ３０を形成する場合には、パイプ３０の縮径に起因する圧損の増大を抑える効果を、特に顕著に得ることができる。

さらに、本実施形態では、上記のように、締結力（軸力）に応じて得られるピーク応力が大きくても、パイプ３０に対してコネクタ２０から加えられる径方向内側に向かう力を抑えることができる。そのため、より大きな軸力を得るために締結トルクを増大させても、パイプ３０の縮径を抑えることができる。配管用継手構造１０においては、使用環境の温度や、振動、あるいは腐食の影響を考慮すると、配管のシール性を長期にわたって確保するためには、配管用継手構造１０の組み立て時に極めて大きな軸力を得る必要がある。すなわち、使用環境の温度条件としては、例えば、−４０℃程度で水素を急速充填する場合や、高温環境下で燃料電池車両を使用することにより、車両の構成部品の温度が１００℃を超える場合等に、対応可能にする必要がある。また、車両の走行時には常に振動の影響を受け、長期にわたる使用に伴って、配管用継手構造１０の構成部材において腐食が進行する。これらの影響により、配管用継手構造１０における軸力が次第に弱まるため、配管のシール性を長期にわたって確保するためには、配管用継手構造１０の組み立て時において、より大きな軸力を予め確保しておく必要がある。本実施形態の配管用継手構造１０では、パイプ３０の縮径を抑えつつ、より大きな軸力により締結し、配管のシール性の信頼度を高めることができる。

なお、本実施形態では、第２のシール面２２と第１のシール面３１とが接する部位で生じる応力は、配管のシール性を確保するために十分な大きさとする必要があるが、ナット４０を締結する際の軸力、具体的には締結トルクを十分に大きく設定することにより、上記シール面において必要な応力を容易に確保することができる。そのため、必要な軸力を得るために締結トルクを設定するならば、上記シール面において必要な応力を確保するために締結トルクを厳密に管理する必要がなく、製造工程において、締結動作の管理を容易化することができる。

また、本実施形態では、パイプ３０の縮径を抑えることにより、配管で生じる異音を抑える効果が得られる。すなわち、パイプ３０が縮径すると、流体の流れが妨げられることに起因して乱流が発生し、乱流によって流動音（異音）が生じ得る。このような流動音が配管を通して車室内に伝わると、乗員の不快感、不安感を引き起こす可能性がある。本実施形態では、パイプ３０の縮径を抑えることにより、このような不都合の発生を抑制できる。

さらに、本実施形態の配管用継手構造１０によれば、パイプ３０の根元部に対して大きな負荷が加えられる場合であっても、配管用継手構造１０におけるシール性の低下を抑えることができる。すなわち、本実施形態では、コネクタ２０の先端部に凹状部２４が設けられており、コネクタ２０においてパイプ３０の先端部(第１のシール面３１）と接する部位が、軸方向に垂直な方向に投影したときに雄ねじ部２１と重ならず、肉厚が他の部位に比べて薄い部位（以下、肉薄部ともいう）となっている。したがって、このような第２のシール面２２を有する部位は、コネクタ２０によって固定されていないため、パイプ３０の先端と接してシール性を維持した状態で、移動することが可能となる。そのため、パイプ３０の根元部に対して大きな外力が加えられる場合であっても、パイプ３０の先端がコネクタ２０の先端の上記肉薄部と一体で移動することにより、加えられた外力を逃がすことが可能になる。

図１では、パイプ３０の根元部に外力が加えられる様子を、白抜き矢印Ｚにより示している。パイプ３０は、可撓性を有する部材であるため、外力が加えられることがあっても、パイプ３０自身が移動することにより外力を逃がすことができる。しかしながら、パイプ３０の根元部、すなわち、パイプ３０におけるナット４０との接続部の近傍に外力が加えられる場合には、パイプ３０がナット４０によって固定されているため、パイプ３０自身の移動によって外力を逃がすことができない。例えば、コネクタ２０の先端まで雄ねじ部２１が設けられて、コネクタ２０の先端部全体がナット４０によって固定されている場合には、パイプ３０の根元部に外力が加えられたときに、パイプ３０の先端部はコネクタ２０先端の肉薄部と一体で移動して外力を逃がすことができない。このようにコネクタ２０の肉薄部が固定されている場合には、パイプ３０の先端部のみが移動して外力を逃がすことにより、第２のシール面２２と第１のシール面３１とがずれて、シール性能が低下する可能性がある。本実施形態によれば、パイプ３０先端と接した状態で移動可能な肉薄部を設けているため、このような不都合を抑えることができる。

なお、本実施形態において、雄ねじ部２１の先端とは、雄ねじ部２１において最も先端に形成されたねじ山の先端側に形成された谷底の位置をいう。

Ｃ．変形例：
・変形例１：
上記実施形態では、パイプ３０の先端を含む領域に第１のシール面３１が形成されていたが、異なる構成としてもよい。例えば、パイプ３０の先端部において、第１のシール面３１が形成される部分のさらに先端側に、コネクタ２０と接することなく、コネクタ２０から押圧力を受けず、コネクタ２０からの押圧力に起因する縮径に寄与しない構造がさらに設けられていてもよい。このような場合であっても、コネクタ２０において雄ねじ部２１が形成された雄ねじ部領域Ｘと、第２のシール面２２と第１のシール面３１とが接する領域であるシール領域Ｙとが、既述した位置関係を満たすことにより、実施形態と同様の効果を得ることができる。

・変形例２：
実施形態では、配管用継手構造１０を、燃料電池車両における水素充填用の配管に取り付けたが、異なる構成としてもよい。例えば、車両以外の移動体の他、水素タンクを内部に備える種々の装置に適用可能である。また、水素以外の流体が流れる配管において、実施形態と同様の配管用継手構造を適用してもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…配管用継手構造
２０…コネクタ
２１…雄ねじ部
２２…第２のシール面
２３…流路
２４…凹状部
３０…パイプ
３１…第１のシール面
３２…凸状部
３３…流路
４０…ナット
４１…雌ねじ部
４２…係合部

Claims (1)

1. 配管用継手構造であって、
   流体が流れる第１の流路が内部に形成されると共に、前記第１の流路の開口を第１の端部に有し、前記第１の端部側の外表面に第１のシール面を有するパイプと、
   前記パイプに接続されるコネクタであって、前記第１の流路に接続される第２の流路が内部に形成されると共に、前記第２の流路の開口を第２の端部に有し、前記第２の端部側の内表面に前記第１のシール面と接触するための第２のシール面を有し、前記第２の端部側の外表面に雄ねじ部を有するコネクタと、
   前記雄ねじ部と螺合する雌ねじ部を内表面に有し、前記パイプの前記第１のシール面と前記コネクタの前記第２のシール面とを接触させた状態で、前記コネクタの前記雄ねじ部に前記雌ねじ部が螺合されて、前記パイプと前記コネクタとを接続するナットと、
   を備え、
   前記配管用継手構造を前記第２の流路の軸を含む側断面図で見たときに、前記雄ねじ部が形成される領域である雄ねじ部領域と、前記第１のシール面と前記第２のシール面とが接する領域であるシール領域とが、前記第２の流路の軸方向に一定距離離間している
   配管用継手構造。

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