JP2020029882A - 曲がり管構造及び管継手 - Google Patents

Abstract

【課題】曲がり部における流体の圧力損失を抑制する。【解決手段】曲がり管構造１の曲がり路３２の内周面の外まわり側部３２ｄを管路１１の内周面と滑らかに連続させる。曲がり路３２の内周面の内まわり側部３２ｅと管路１１の内周面との間に段差３７を形成する。管路１１の中心軸線に対して、曲がり路３２における管路１１との連通部分３３の中心軸線Ｌ３２を内まわり側へずらす。【選択図】図１

Description

本発明は、曲がりを有する管構造及び管継手に関し、特に流体管における曲がり部を構成する曲がり管構造及び管継手に関する。

給水給湯管、排水管、空調管などの各種流体管における曲がり部は、通常、エルボ（Ｌ字継手）によって構成されている。管材や用途に応じて様々なエルボが開発されている（例えば特許文献１〜４等参照）。何れのエルボにおいても端面の中心軸線が接続対象管の中心軸線と一致するように設計されている。

特開２０１５−８６９４４号公報 特開２００９−２８１４９３号公報 特開平９−２０３４８３号公報 特開昭６３−１１２０２７号公報

流体管内を流れる流体は、曲がり部においては曲率半径方向（内外方向）の外まわり側から内まわり側へ向けて圧力が低くなることで圧力損失を生じやすい。
本発明は、かかる事情に鑑み、曲がり部における流体の圧力損失を抑制することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、曲がり路を有する曲がり管構造であって、
前記曲がり路の内周面の外まわり側部が、前記曲がり路の上流側及び下流側のうち少なくとも上流側の管路の内周面と滑らかに連続し、
前記曲がり路の内周面の内まわり側部と前記管路の内周面との間に段差が形成され、
前記管路の中心軸線に対して、前記曲がり路における前記管路との連通部分での中心軸線が内まわり側へずれていることを特徴とする。

当該曲がり管構造を流れる流体は、曲がり路に沿って流れ方向を曲げられる。このとき、曲がり路の外まわり側から内まわり側へ向かって流体圧が低くなるように圧力勾配が生じる。相対的に高圧の外まわり側部においては、管路の内周面と滑らかに連続しているから、流体が流れを乱されることなく、高い流体圧を維持できる。一方、相対的に低圧の内まわり側部においては、流路が拡幅されることで、曲がり路の内壁面と流体との間の摩擦抵抗が低減される。この結果、曲がり路における流体の圧力損失を抑えることができる。

好ましくは、前記ずれ量が、前記管路の内径の１０％以下である。これによって、流路が拡幅する側の段差や流路断面積が元の大きさに戻る側の段差が過度に大きくならないようにでき、渦流などの発生を抑制できる。この結果、流路拡幅作用が逆効果にならないようにでき、圧力損失の抑制効果を確保できる。
より好ましくは、前記ずれ量が、前記管路の内径の３％〜７％である。これによって、圧力損失を最も効果的に抑制できる。

前記曲がり路の流路断面が、前記管路より大断面積の真円形又は長径軸を前記外まわり側部と前記内まわり側部を結ぶ方向へ向けたオーバル形状であることが好ましい。
前記長径軸の中間部より外まわり側の前記曲がり路の内周面は、前記管路の内周面とほぼ滑らかに連続し、前記長径軸の中間部より内まわり側の前記曲がり路の内周面は、前記管路の内周面より内まわり側へ突出されていることが好ましい。

前記内まわり側部が、前記曲がり路の曲がり角度と同じ角度をもって交わる一対の直線部を含み、これら直線部の交わり部又はその近傍部に前記外まわり側部の曲率中心が配置されていることが好ましい。
これによって、内まわり側部における流体は、交わり部以外の部分では直線的に流れる。前記交わり部と外まわり側部との間において流体の流れ方向が曲げられる。曲がる際の流れ方向と直交する流路断面積はほぼ一定にできる。
また、例えば管継手を射出成形によって製造する場合、曲がり路用の一対の型をそれぞれ対応する直線部に沿って直線的にスライドさせることで、簡単に脱型できる。したがって、金型の構造が複雑化するのを防止でき、容易かつ安価に製造できる。

前記内まわり側部と前記外まわり側部が、互いに共通の曲率中心のまわりに円弧状に延びていてもよい。これによって、曲がり路における流れ方向と直交する流路断面積を確実に一定にできる。曲がり路の円弧状部分の端部（連通部分）に前記管路が直接的に連なっていてもよい。

また、本発明は、曲がり路を有する管部と、前記管部の端部に設けられた接続部とを備え、前記接続部が接続対象の管体と接続され、前記曲がり路が前記管体の管路と連なる管継手であって、
前記曲がり路の内周面の外まわり側部が、前記管路の内周面と滑らかに連続し、
前記曲がり路の内周面の内まわり側部と前記管路の内周面との間に段差が形成され、
前記管路の中心軸線と一致する前記接続部の接続軸線に対して、前記曲がり路における前記管路との連通部分での中心軸線が内まわり側へずれていることを特徴とする。
好ましくは、前記管体は、前記管継手の上流側及び下流側のうち少なくとも上流側に接続される管体である。
前記管体は、直管、曲管などの管、他の管継手、管端コアを含む。
前記管部の曲がり角度は、好ましくは４５°〜１８０°である。曲がり角度９０°の管継手はＬ字状になる。曲がり角度１８０°の管継手はＵ字状になる。より好ましくは、前記曲がり角度は４５°〜９０°である。

本発明によれば、曲がり部における流体の圧力損失を抑制することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る流体管の断面図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、前記流体管の曲がり路の第１連通部分における断面形状を例示した断面図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係る流体管の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
＜第１実施形態＞
図１〜図２は、本発明の第１実施形態を示したものである。流体管１は、流体を流すものであれば特に限定が無く、たとえば給水給湯管、排水管、空調管などが挙げられる。流体は、水などの液体でもよく、空気などの気体でもよい。好ましくは、流体が、流体管１の流路全体に満ちた状態で流れている。流体に圧力がかかっていてもよい。流体がサイフォン作用で流れるものであってもよい。

図１に示すように、流体管１は、管体１０，２０（接続対象の管体）と、管継手３０（エルボ）とを備え、曲がり管構造になっている。
管体１０，２０は、それぞれ管路１１，２１を有して真っ直ぐに延びている。管路１１，２１は、互いに同じ流路断面積の真円断面になっている。管体１０，２０が例えば給水給湯管の場合、管路１１，２１の内径は好ましくは１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。
２つの管体１０，２０が互いに角度をもって配置されている。管体１０，２０の中心軸線Ｌ_１１，Ｌ_２１どうしのなす角度は、例えば９０°である。第１管体１０は前記流体の流れ方向の上流側に配置され、第２管体２０は下流側に配置されている。第１管路１１は上流側管路であり、第２管路２１は下流側管路である。

２つの管体１０，２０が管継手３０を介して接続されている。管継手３０は、Ｌ字状に曲がった管部３１と、その両端部に設けられた一対の接続部３５，３６とを含む。
管部３１内に曲がり路３２が形成されている。曲がり路３２は、曲がり角度９０°の曲がり部分３２ａを有している。曲がり部分３２ａの両端部がそれぞれ真っ直ぐ延びるように延長され、該延長部分が、管体１０，２０との連通部分３３，３４となっている。曲がり路３２の中心軸線Ｌ_３２は、中心角９０°の円弧状をなし、その両端がそれぞれ接線方向に延長されている。
ここで、中心軸線Ｌ_３２とは、曲がり路３２の路長方向の各位置における切断面積が最小となる断面の重心を前記路長方向に連続させた線を言う。

図２に示すように、曲がり路３２の中心軸線Ｌ_３２と直交する流路断面積は、管路１１，１２の流路断面積より大きい。曲がり路３２の中心軸線Ｌ_３２と直交する断面形状は、路長方向のどの位置でも同一形状になっている。具体的には、図２（ａ）に示すように、曲がり路３２の前記断面形状は、真円形であってもよい。図２（ｂ）に示すように、曲がり路３２の前記断面形状は、楕円形であってもよい。図２（ｃ）に示すように、曲がり路３２の前記断面形状は、長円形であってもよい。
前記楕円形（図２（ｂ））や長円形（図２（ｃ））などのオーバル形状の流路断面の長径軸Ｌ_Ａは、中心軸線Ｌ_３２と直交するとともに、曲がり路３２の外まわり側部３２ｄと内まわり側部３２ｅを結ぶ内外方向へ向けられている。なお、曲がり部分３２ａにおいては、前記内外方向は曲率半径方向と一致している。オーバル形状の曲がり路３２の短径軸Ｌ_Ｂは、中心軸線Ｌ_３２と長径軸Ｌ_Ａとで作る平面に対して直交している。要するに、短径軸Ｌ_Ｂは、図１の紙面と直交している。

２つの連通部分３３，３４どうしが、曲がり路３２の内まわり側部３２ｅの中央部３２ｃにおいて交差している。内まわり側部３２ｅは、上流側の第１連通部分３３の端部から中央部３２ｃまでの直線部３３ｅと、中央部３２ｃから下流側の第２連通部分３４の端部までの直線部３４ｅを含む。一対の直線部３３ｅ，３４ｅどうしが、曲がり路３２の曲がり角度（９０°）と同じ角度をもって、中央部３２ｃにおいて交わっている。該交わり部（中央部３２ｃ）ないしはその近傍部に、曲がり部分３２ａにおける外まわり側部３２ｄ及び中心軸線Ｌ_３２の曲率中心Ｃ_３２が配置されている。
管継手３０は、中央部３２ｃを通り、中心軸線Ｌ_３２と直交する曲率半径方向Ｒ_３２ｃ（内外方向）に関して対称である。

図１に示すように、曲がり管部３１の第１連通部分３３から第１接続部３５（上流側の接続部）が延出されている。第１接続部３５は、その接続軸線を第１管路１１の中心軸線Ｌ_１１と一致させて、第１管体１０と例えばねじ結合によって接続されている。これによって、第１連通部分３３が、第１管路１１と連通している。
曲がり管部３１の第２連通部分３４から第２接続部３６（下流側の接続部）が延出されている。第２接続部３６は、その接続軸線を第２管路２１の中心軸線Ｌ_２１と一致させて、第２管体２０と例えばねじ結合によって接続されている。これによって、第２連通部分３４が、第２管路２１と連通している。

曲がり路３２の内周面の外まわり側部３２ｄと、第１管路１１の内周面とは滑らかに連続している。かつ外まわり側部３２ｄと、第２管路２１の内周面とは滑らかに連続している。

これに対し、曲がり路３２の内周面の内まわり側部３２ｅと、第１管路１１の内周面との間には、第１段差３７（上流側の段差）が形成されている。段差３７は、中心軸線Ｌ_１１に対して直交している。図１における段差３７は、管体１０の端面によって構成されているが、これに限られず、管継手３０に段差３７を形成する部分が設けられていてもよい。
また、内まわり側部３２ｅと第２管路２１の内周面との間には、第２段差３８（下流側の段差）が形成されている。段差３８は、中心軸線Ｌ_２１に対して直交されている。図１における段差３８は、管体２０の端面によって構成されているが、これに限られず、管継手３０に段差３８を形成する部分が設けられていてもよい。

曲がり路３２の中心軸線Ｌ_３２は、接続部３５，３６の接続軸線すなわち管路１１，１２の中心軸線Ｌ_１１，Ｌ_２１に対して、内まわり側（曲率中心Ｃ_２１の側）へずれている。
詳しくは、曲がり路３２の第１連通部分３３における中心軸線Ｌ_３２は、第１管路１１の中心軸線Ｌ_１１と平行かつ該中心軸線Ｌ_１１よりも内まわり側（図１において下側）へずれている。好ましくは、当該ずれ量ｄ_３３は、第１管路１１の内径の１０％以下であり、より好ましくは第１管路１１の内径の３％〜７％程度であり、一層好ましくは５％程度である。
図２（ｂ）及び同図（ｃ）に示すように、曲がり路３２の断面形状が楕円や長円などのオーバル形状である場合、第１連通部分３３の長径軸Ｌ_Ａのほぼ中間部より外まわり側の内周面は、管路１１の内周面と滑らかに連続し、長径軸Ｌ_Ａの中間部より内まわり側の内周面は、管路１１の内周面より内まわり側へ突出される。

同様に、曲がり路３２の第２連通部分３４における中心軸線Ｌ_３２は、第２管路２１の中心軸線Ｌ_２１と平行かつ該中心軸線Ｌ_２１より内まわり側（図１において左側）へずれている。好ましくは、当該ずれ量ｄ_３４は、第２管路２１の内径の１０％以下であり、より好ましくは第２管路２１の内径の３％〜７％程度であり、一層好ましくは５％程度である。
曲がり路３２の断面形状が楕円や長円などのオーバル形状である場合、第２連通部分３４の長径軸Ｌ_Ａのほぼ中間部より外まわり側の内周面は、管路１１の内周面と滑らかに連続し、長径軸Ｌ_Ａの中間部より内まわり側の内周面は、管路１１の内周面より内まわり側へ突出される。

流体管１によれば、流体は、第１管路１１、曲がり路３２、第２管路２１の順に流れる。曲がり路３２において向きを９０°変える。
このため、曲がり路３２における特に曲がり部分３２ａでは、外まわり側から内まわり側へ向かって流体圧が低くなるように圧力勾配が生じる。流体圧が相対的に高圧の外まわり側部３２ｄは、第１管路１１と段差無く連続している。したがって、外まわり側部３２ｄでは、流体が流れを乱されることなく、高い流体圧を維持できる。一方、流体圧が相対的に低圧の内まわり側部３２ｅでは、流路が拡幅されることで、曲がり路３２の内壁面と流体との間の摩擦抵抗が低減される。この結果、曲がり路３２における流体の圧力損失を抑えることができる。
しかも、中心軸線Ｌ_３２のずれ量ｄ_３３を管路１１，２１の内径の１０％以下とすることによって、流路拡幅側の段差３７や流路断面積が元の大きさに戻る側の段差３８が過度に大きくならないようにでき、渦流などの発生を抑制できる。この結果、流路拡幅作用が逆効果にならないようにでき、圧力損失の抑制効果を確保できる。特に、中心軸線Ｌ_３２のずれ量ｄ_３３を管路１１，２１の内径の好ましくは３％〜７％程度、一層好ましくは５％程度とすることによって、圧力損失を最も効果的に抑制できる。

管継手３０は、内まわり側部３２ｅが中央部３２ｃにおいて直角に交わる２つの直線部３３ｅ，３４ｅによって構成されているために、例えば管継手３０を射出成形によって製造する場合、曲がり路３２用の一対の型をそれぞれ直線部３３ｅ，３４ｅに沿って直線的にスライドさせることで、簡単に脱型できる。したがって、射出成形金型の構造が複雑化するのを防止でき、容易かつ安価に製造できる。
管継手３０は、中央部３２ｃを通る曲率半径方向Ｒ_３２ｃに関して対称である。したがって、接続部３６に第１管体１０を接続して、接続部３５に第２管体２０を接続したとしても、構造的には図１と実質的に同一である。このため、管継手３０のどの接続部３５，３６をどの管体１０，２０に接続するかを気にする必要が無く、接続施工を容易化できる。もしくは、接続施工ミスを防止できる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において既述の形態と重複する構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を省略する。
＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態を示したものである。
第２実施形態においては、曲がり路３２の外まわり側部３２ｄだけでなく、内まわり側部３２ｅについても曲線になっている。内まわり側部３２ｅと外まわり側部３２ｄが互いに共通の曲率中心Ｃ_３２のまわりに円弧状に延びている。曲率中心Ｃ_３２は、曲がり路３２の外部に配置されている。

曲がり路３２の全体が曲がり部分３２ａによって構成されている。該曲がり部分３２ａの一端部が第１連通部分３３ｂとなり、第１管路１１と直接的に連なっている。曲がり部分３２ａの他端部が第２連通部分３４ｂとなり、第２管路２１と直接的に連なっている。
曲がり部分３２ａの外まわり側部３２ｄの両端部が、管路１１，２１の内周面と直接かつ滑らかに連続している。
曲がり部分３２ａの内まわり側部３２ｅの両端部と管路１１，２１の内周面との間にそれぞれ段差３７，３８が形成されている。曲がり部分３２ａの両端部での中心軸線Ｌ_３２の接線方向が、管路１１，２１の中心軸線Ｌ_１１，Ｌ_２１に対して内まわり側へずれている。ずれ量ｄ_３３，ｄ_３４が、好ましくは管路１１，２１の内径の１０％以内である点は、第１実施形態と同様である。
第２実施形態においては、流体が曲がり路３２において曲がる際の流れ方向と直交する流路断面積を確実に一定にできる。

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、曲がり路３２の曲がり角度は、９０°に限られず、４５°であってもよく、１８０°であってもよく、それ以外の角度であってもよい。好ましくは、曲がり路３２の曲がり角度は、４５°〜１８０°程度である。
曲がり路３２の断面形状は、楕円や長円以外の、卵形などのオーバル形状であってもよい。
管継手３０と管体１０，２０との接続構造は、ねじ結合に限られず、例えばフランジ継手、パッキンや抜け止め刃を備える継手によって構成されていてもよい。接着や融着による接続であってもよい。
曲がり路３２の両端部のうち少なくとも一方の端部（好ましくは流体の流れ方向の上流側の端部３３）における中心軸線Ｌ_３２が、対応する管路１１の中心軸線Ｌ_１１に対して内まわり側へずれていればよく、他方の端部（例えば下流側の端部３４）においては、対応する管路と同軸をなしていてもよい。
管継手３０の接続対象の管体は、直管に限らず、曲管でもよく、管継手３０とは別の管継手でもよく、管端コアであってもよい。
管路１１，２１と曲がり路３２が１本の管体によって一体に形成されていてもよい。曲がり部分を有する１本の管体における該曲がり部分に本発明構造を適用してもよい。例えば、曲がり路３２を有する管継手の端部（受口もしくは挿口）近傍や直線部３４に段差が形成されていてもよい。
管路１１，２１の断面が非真円であってもよい。この場合、ずれ量ｄ_３３，ｄ_３４は、管路１１，２１の長径の１０％以内であることが好ましい。

本発明は、例えば給水給湯管、排水管、空調管などのエルボに適用できる。

１ 流体管（曲がり管構造）
１０ 第１直管（管体）
１１ 第１管路（上流側の管路）
２０ 第２直管（管体）
２１ 第２管路（下流側の管路）
３０ 管継手
３１ 管部
３２ 曲がり路
３２ａ 曲がり部分
３２ｄ 外まわり側部
３２ｅ 内まわり側部
３２ｃ 中央部
３３，３３ｂ 第１連通部分（上流側の連通部分）
３３ｅ 直線部
３４，３４ｂ 第２連通部分（下流側の連通部分）
３４ｅ 直線部
３５ 第１接続部（上流側の接続部）
３６ 第２接続部（下流側の接続部）
３７ 第１段差（上流側の段差）
３８ 第２段差（下流側の段差）
Ｃ_３２ 曲率中心
ｄ_３３ 上流側の中心軸線間のずれ量
ｄ_３４ 下流側の中心軸線間のずれ量
Ｌ_１１ 上流側の管路の中心軸線
Ｌ_２１ 下流側の管路の中心軸線
Ｌ_３２ 曲がり路の中心軸線
Ｌ_Ａ 長径軸
Ｒ_３２ｃ 曲率半径方向

Claims (7)

1. 曲がり路を有する曲がり管構造であって、
   前記曲がり路の内周面の外まわり側部が、前記曲がり路の上流側及び下流側のうち少なくとも上流側の管路の内周面と滑らかに連続し、
   前記曲がり路の内周面の内まわり側部と前記管路の内周面との間に段差が形成され、
   前記管路の中心軸線に対して、前記曲がり路における前記管路との連通部分での中心軸線が内まわり側へずれていることを特徴とする曲がり管構造。
2. 前記ずれ量が、前記管路の内径の１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の曲がり管構造。
3. 前記ずれ量が、前記管路の内径の３％〜７％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の曲がり管構造。
4. 前記曲がり路の流路断面が、前記管路より大断面積の真円形又は長径軸を前記外まわり側部と前記内まわり側部を結ぶ方向へ向けたオーバル形状であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の曲がり管構造。
5. 前記内まわり側部が、前記曲がり路の曲がり角度と同じ角度をもって交わる一対の直線部を含み、これら直線部の交わり部又はその近傍部に前記外まわり側部の曲率中心が配置されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の曲がり管構造。
6. 前記内まわり側部と前記外まわり側部が、互いに共通の曲率中心のまわりに円弧状に延びていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の曲がり管構造。
7. 曲がり路を有する管部と、前記管部の端部に設けられた接続部とを備え、前記接続部が接続対象の管体と接続され、前記曲がり路が前記管体の管路と連なる管継手であって、
   前記曲がり路の内周面の外まわり側部が、前記管路の内周面と滑らかに連続し、
   前記曲がり路の内周面の内まわり側部と前記管路の内周面との間に段差が形成され、
   前記管路の中心軸線と一致する前記接続部の接続軸線に対して、前記曲がり路における前記管路との連通部分での中心軸線が内まわり側へずれていることを特徴とする管継手。

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