JP3774222B2 - スピン溶着された流体継手 - Google Patents

Description

本発明は、流体コネクタに係り、特に、そのような流体コネクタと管の端部とのシール性を有する相互接続に係り、特に、そのような相互接続を実現するためのスピン溶着の使用に係る。

迅速継手は、米国の自動車産業で長年、広く使用されている。様々な用途に適用可能であるが、迅速継手は、代表的には、燃料システム及び蒸気回収システムに使用されている。単純で、最もコスト効率の良いデザインは、プラスチック製のメスのハウジングを備えた迅速継手であって、金属製のオスの管端部に対して着脱自在に接続される。

メスのハウジングの反対側の端部には、最も典型的には、ステムが形成される。そのステムの外周面には、軸方向に間隔を開けて引掛り部が形成されていて、ナイロンまたはプラスチック製の管端部がその上に押し込まれる。そのような構成は、米国特許ＵＳ−５，５４２，７１２号に記載されている。

流体を取り扱うシステムでは、互いに適切に接続されるオス部分及びメス部分を有するコネクタを使用することを避けることはできない。欠陥のあるコネクタは、それが使用されたシステムにおいて、流体のリークの原因となる。このことは、そのシステムが加圧状態で運転される場合に特に問題になり、リークのあるコネクタは加圧された流体を吐き出す。更に、近年の合衆国政府の法律は、自動車燃料及び蒸気回収システムからの炭化水素の排出量を大幅に削減することを義務付けている。従来の迅速継手は、相手のコネクタ・ボディに結合された管端部を機械的に保持する性能には優れているが、合衆国政府の要求を満たすためには適切ではない。また、使用される材料（典型的には、ナイロン１２）は、その中の炭化水素の透過に対して十分な抵抗性能を備えていない。

この透過の問題は、同時押出しによる多層プラスチック管の開発によって、部分的には解決されている。この多層プラスチック管は、異なるタイプまたは配合のプラスチックからなる二またはそれ以上の別個の層を有している。その層の内の一つは、システムからの炭化水素の散逸を防ぐための透過阻止層として機能するように、特別にデザインされる。

一般的に、最も成功している多層管は、比較的厚い外側の層を有し、その層は外部の環境に対する抵抗性能を有している。最も内側の層は、比較的薄く、炭化水素、アルコールその他の物質などの、燃料ブレンド中に存在する物質が外側の層へ拡散するのを防止する性能を備えた材料によって構成される。また、この層に、内部の流体の流れによって生ずる静電気を逃がすために十分な、ある程度の電気伝導性を持たせることもできる。現在までのところ、異種のポリマー層の間で十分な積層性能を実現することは、極めて困難である。そのため、一つまたはそれ以上の中間層を外側の層と内側の層を結合するために使用することが提案されている。

燃料関係の用途における多層管の使用は、管端部において、外側の層と内側の層をそれぞれ構成する薄片の端面が（中間層がある場合にはその端面も）システムの燃料及び蒸気に、あるいは、同様に過酷な外部環境に対して露出せざるを得ないので、問題がある。そのような露出は、各層の間の結合を劣化させ、各層の間のデラミネーションまたは分離を引き起こし、その結果として、システムの健全状態を損ない、燃料の汚染を招き、更に流体の流れを妨げることになる。

関係する問題が、市場で入手可能な迅速継手デバイスの二つのアスペトから生ずる。即ち、大量生産及び低い市場価格は、しばしば、高価ではない、多少柔軟性のある材料、及び、極端に小さな内側に装着されるコンポーネントの複雑な輪郭、の使用を余儀なくさせる。これらのアスペクトは、寄せ集まって、組み立て不良の可能性を増大させる。大量生産技術（自動組み立てを含む）は、問題を更に悪化させる傾向にある。そのような場合には、コンポーネントの組み立て不良や許容限度を超える寸法変動が検知されにくいからである。過度な寸法許容値の集積は、引掛り部を有するステムとプラスチック管の間の分離強度を低下させる結果を招き、リークを発生させる。Ｏリングの装着ミスなどの組み立て不良もリークを発生させる。

多層管の場合に、寸法および／または接着の問題は、引掛り部を有するステムの上に管を装着する際に機械的なデラミレーションの原因となる。最後に、単層プラスチック管または低いフープ強度の多層構造は、時間の経過に伴い、あるいは高い温度で、緩和現象が現れ、流体のリークを生じさせる。

ハウジングと管端部または管の間にしっかりしたスピン溶着を形成するためには、ハウジングまたはコネクタと管は、適合性のある材料で作られていなければならない。この条件を満たすことは、コネクタがプラスチックで作られ、管が金属で作られている場合、あるいは、コネクタ・ハウジングが金属で作られ、管がプラスチックで作られている場合には、困難であることが知られている。管のハウジングと管端部が異種の材料で作られている場合に、コネクタ・ハウジングと管端部を接着より接合するための試みが成されている。しかし、互いに結合される継手コンポーネントが、通常スピン溶着に適していない異種の材料で作られている場合に、マルチ・パーツ流体継手の中にしっかりした、リークのないスピン溶着を実現する流体継手について更なる改善を行う余地があると信じられている。
米国特許第５，５４２，７１２号明細書

本発明は、スピン溶着による流体継手を提供する、当該流体継手は、第一及び第二の流体移送コンポーネントの間にスピン溶着接合を作り出す。

一つのアスペクトにおいて、本発明は、第一及び第二の流体移送コンポーネントの間に流体継手を作るための方法であって、下記工程を備える：
第一のコンポーネントの一つの端面に、端面に開口する環状のリセスを形成する；
前記第一のコンポーネント及び第二のコンポーネントの材料の双方に対するスピン溶着の適合性を備えた結合材料を、前記リセス内で前記第一のコンポーネントの表面上に固定する；
前記第二のコンポーネントを、前記第一のコンポーネントの前記リセス内に挿入する；
第一のコンポーネントと第二のコンポーネントをスピン溶着し、それによって、前記結合材料により、前記第一のコンポーネントを前記第二のコンポーネントに接合する。

もう一つのアスペクトによれば、本発明は、スピン溶着で接合された第一及び第二の流体移送コンポーネントによって構成された流体継手である。この流体継手は、下記構成を備える：
第一の端面から伸びるスルーボアを有するボディにより構成された第一のコンポーネント；
第一の端面から伸びるスルーボアを有する第二のコンポーネント；
前記第一のコンポーネントの前記第一の端面から伸び、端面に開口するリセス；
前記第一のコンポーネントを前記第二のコンポーネントにスピン溶着接合するために、前記リセス内で、前記第一のコンポーネント内の前記リセスの少なくとも一つの表面の上の配置された結合材料層を含むスピン溶着。

本発明のスピン溶着による流体継手及びそれを作るための方法は、二つの流体移送コンポーネントの間にスピン溶着継手を形成する。これは、違いが大き過ぎるために、これまでスピン溶着ができなかった材料を、第一のコンポーネント及び第二のコンポーネントを構成する材料として使用することを可能して、それにより、しっかりした、リークの無い接合を形成する。

第一のコンポーネント及び第二のコンポーネントを構成している材料の双方に対するスピン溶着の適合性を備えた結合材料の、第一のコンポーネントと第二のコンポーネントのインターフェースでのユニークな使用は、異種の材料にも拘わらず、第一のコンポーネント及び第二のコンポーネントを構成している異種の材料の間のスピン溶着を可能にする。

結合材料は、第一のコンポーネント及び第二のコンポーネントを構成している多くの異なるタイプの材料との間での適合性が得られるように、変更することがきる。それによって、金属管の端部、プラスチック被服金属管の端部またはプラスチック管の端部を、プラスチックまたは全く異なる異種の材料で構成されたコネクタ・ボディまたはコンポーネントに対して、スピン溶着することが可能になる。

本発明の様々な特徴、利点、及び他の使用は、以下の詳細な説明及び図面を参照することにより、より明らかになるであろう。

図１及び図２に、本発明の一つのアスペクトを示す。この例は、本発明を迅速コネクタ・アセンブリまたは流体継手４０に適用したものである。この流体継手４０において、コネクタ４２は、金属管部材の管端部４４とプラスチックまたは金属管の管端部４６を相互に接続して流体回路を形成するために使用され、好ましくは、自動車に適用される。

なお、この流体継手４０は、図示されたコネクタ４２を例示の目的のみで使用していることを理解すべきである。この流体継手４０は、管または導管の管端部への流体的接続のためにデザインされたポート、あるいは、例えばバルブ、流体マニフォールド、自動車用ブレーキ・シリンダその他のような流体取扱い要素の延長部として具体化されても良い。またその代わりに、本発明の流体継手は、例えばバルブ、流体マニフォールド、自動車用ブレーキ・シリンダのような流体取扱い要素に取り付けられる管端部として具体化されても良い。そのような管端部は、以下において説明するコネクタ４２のハウジングのようなコネクタ・ハウジングに接合されることになる。

コネクタ４２は、硬質のシェルのプラスチック・コネクタ・ボディ４８を組み立てたものであって、ガラス繊維入りのナイロンあるいはその他の適切な材料によって構成され、一般的に、管状の形態を備え、第一の開口部５２から第二の開口部５４へ伸びる段差が設けられたボア５０を有している。

図１及び図２に示されているように、金属管またはプラスチック管部材の管端部４４は、第一の開口部５２を通ってボア５０の中に伸びる。アプセットによるビード５６は、管４４の前端部５８から軸方向にオフセットした位置に設けられ、コネクタ・ボディ４８に取り付けけられるリテイナー６０に着脱自在に連結される。管４４の外周表面は、第一及び第二の弾性体のＯリング６２及び６４によって、ボア５０内にあるコネクタ・ボディ４８とシール性を保って連結される。第一及び第二のＯリング６２及び６４は、スペーサ６６により隔てられ、トップハット７０によって、図示された位置に保持される。

図示されているように、金属管の管端部４４の前端部５８をボア５０内に挿入し、機械的にコネクタ４２に連結することができる。管４４は、リテイナー６０を取り外すことによってコネクタ４２から取り外すことができる。

コネクタ・ボディ４８内のボア５０の中間の段差部分７２は、そこに金属管の管端部４４の前端部５８が嵌合し、密着状態で接触するように、その寸法が設定されている。小径のボア７１は、上記段差部分７２からコネクタ・ボディ４８の第二の開口部５４に向かって軸方向に伸びている。

環状のリセス７３が、コネクタ４２の端面５４（第二の開口部）に形成され、端面５４の外側に、径方向に間隔を開けて配置された同心の外側の端面７４を形成している。なお、上記の外側の端面７４は、端面５４と同一の平面上にあっても良いし、あるいは、例として図１及び図２に示されているように、軸方向にオフセットした位置であっても良い。

前記リセス７３は、コネクタ４２の端面５４及び７４の間に、環状の溝または端面に開口するスロットを形成している。この溝またはスロットは、径方向内側のリセス表面７５、径方向外側のリセス表面７６、及び内部の端部壁面７７により構成されている。

径方向内側のリセス表面７５、径方向外側のリセス表面７６、及び内部の端部壁面７７の内の少なくとも一つ、またオプションとして三つの全ては、結合材料の層７８で覆われている。この層７８は、管端部４６の外表面及びコネクタ・ハウジング４８の材料の双方に対するスピン溶着の適合性を備えている。例えば、“SANOPRENE”を、結合材料を含むスピン溶着として使用することができる。

結合材料７８は、表面７５及び７６、及び端部壁面７７に、適当な手段を用いて取り付けることができる。その手段として、例えば、コネクタ・ハウジング４８の射出成形の際のダブルショット射出成形が含まれる。ダブルショット射出成形のプロセスは、表面７５、７６及び７７の全てが結合材料７８で覆われることを可能にする。

それに代って、結合材料７８を、他の技術を用いてリセス７３内に挿入することもできる。あるアスペクトでは、結合材料７８を、ルーズな状態で、表面７５、７６及び７７のいずれかあるいは全てに取り付けても良い。管端部４６のコネクタ・ボディ４２に対するスピン溶着の際、ルーズな状態の結合材料７８が溶けて固まり、要素を互いに融着させる。

他のアスペクトでは、結合材料７８は、前記リセス７３内に、別個のステップで管及び管端部７６とコネクタ・ボディ４２の間に挿入される。結合材料は、その後、スピン摩擦または超音波溶着によって、それに続く管端部の挿入前に、リセス７８の中の固定位置に融着される。

上記の結合材料７８は、リセス７３内で、表面７５、７６及び７７に、結合材料７８の互いに向かい合う表面の間に開口部が形成されるような厚さで取り付けられる。その開口部は、管端部４８の側壁の厚み容易に受け入れることができる程度である。このことは、管端部４８の側壁が、単一の材料、あるいは、例えばプラスチックで被覆された金属側壁のような複数の材料で構成されているかの違いに無関係である。

プラスチックまたは金属製の管端部４６は、金属製の側壁８０を有する金属管または管路をプラスチック材料の外周層８２で被覆することによって、構成することが可能である。プラスチック材料の外周層８２は、金属製の側壁に、同時押し出しあるいはその他の広く知られた接合技術を用いて、しっかり固定される。

プラスチック及び金属管の管端部４６の一つの例は、ナイロン１２−炭素鋼の管端部である。これは、本発明の使用に理想的に適しているものであり、本願出願人により製造され、“NYCLAD”と言う商品名で販売されている。その他のタイプの金属やその他のプラスチック材料を管端部４６を構成するために使用できることは、理解できるであろう。

例えば、管端部４６の多層構造の一つの例は、フッ素系ポリマーの内周層、ナイロンの外周層、及び、これら二つの層を互いに結合する“Admer”接着剤のような中間の接着剤である。上記の接着剤は、リセス７３の内側の表面に取り付けられる材料７８を含む適合剤またはスピン溶着として、使用することができる。

それに代わって、結合材料を含む適合剤またはスピン溶着として、ナイロン６／１２を、リセス７３内の表面７５、７６および／または７７に、ナイロン１２製の流体コネクタとナイロン６製の管または管端部の間で使用することができる。それに代わって、ナイロン６製の継手とナイロン１２製の管または管端部の場合にも、同じナイロン６／１２の適合剤を使用することができる。

管端部４６のプラスチック製の外周層８２が、外側の保護層を備えた単層の壁として描かれているが、その代わりに、互いに且つ金属管８０に対して接合された複数の異なるプラスチック層からなる多層の側壁構造、あるいは、中間の導電性材料層を有する少なくとも二つのプラスチック層を、管端部４６に使用しても良い。

コネクタ・ボディ４２の前端部の内側の角に、管端部４６のコネクタ・ボディ４２のリセス７３内への挿入を容易にするため、ベベルまたは角度を付けても良い。

図２には、コネクタ・ボディ４８のプラスチック及び金属の管端部４６の接合のスピン溶着プロセスが示されている。図２に示すように、管端部４６は、リセス７３に対して同心に予め位置決めされている。

管端部４６をリジッドに装着し、コネクタ・ボディ４８を相対回転のために、例えば適当なプレスによって、装着しても良い。適当な速度差が形成された後、管端部４６とコネクタ・ボディ４８は、管端部４６の前端部がリセス７３の端部壁面７７に接触するまで軸方向に互いに押し付けられる。その時点で軸方向及び回転方向の相対的変位が終わる。

スピン溶着における様々な制御パラメータは、他の出願において広く知られている。説明を簡潔にするため、そのようなパラメータについては、ここでは繰り返さない。それらのパラメ−タについては、例えば、米国特許ＵＳ−２，９３３，４２８、ＵＳ−３，９８０，２４８及びＵＳ−５，１５２，８５５に記載されている。

スピン溶着プロセスの間、管端部４６の外周層８２の外表面と、コネクタ・ボディ４８の中のリセス７３の径方向内側と外側の表面の間に摩擦が起こり、それらの表面を溶融させて溶着ゾーンを形成する。

結論として、管端部とコネクタ・ボディの材料の双方に対するスピン溶着の適合性を備えた結合材料を使用するユニークな流体継手が開示された。これによれば、管端部とコネクタ・ボディの間に、シール能力を備え、リークのない継手が実現される。本発明に基づくユニークな迅速コネクタ及び流体継手は、金属、プラスチック被覆金属またはプラスチック製の管をプラスチックのコネクタ・ボディに、スピン溶着プロセスを介して、シール能力を備えた状態で接合することを可能にする。この接合により、管端部とコネクタ・ボディの間に完全な３６０度のシールが実現される。

本発明のスピン溶着された流体継手の一つのアスペクトの分解組立断面図である。 図１に示された流体継手を組み立てた状態の長手方向の断面図である。

符号の説明

４０・・・流体継手、４２・・・コネクタ（コネクタ・ボディ）、４４・・・管端部、４６・・・管端部、４８・・・コネクタ・ボディ、５０・・・ボア、５２・・・第一の開口部、５４・・・第二の開口部（端面）、５６・・・ビード、５８・・・前端部、６０・・・リテイナー、６２・・・第一のＯリング、６４・・・第二のＯリング、６６・・・スペーサ、７０・・・トップハット、７１・・・小径のボア、７２・・・段差部分、７４・・・外側の端面、７３・・・環状のリセス、７５・・・径方向内側のリセス表面、７６・・・径方向外側のリセス表面、７７・・・端部壁面、７８・・・結合材料の層、８０・・・金属管の側壁、８２・・・外周層。

Claims (7)

1. 第一及び第二の流体移送コンポーネントの間に流体継手を作るための方法であって、下記工程を備える：
   第一のコンポーネントの一つの端部に、端面に開口し、径方向内側のリセス表面、径方向外側のリセス表面、及び内部の端部壁面を有する環状のリセスを形成する；
   前記第一のコンポーネント及び第二のコンポーネントを構成している材料に対するスピン溶着の適合性を備えた結合材料を、前記第一のコンポーネントの少なくとも前記径方向内側のリセス表面及び径方向外側のリセス表面に固定する；
   前記第二のコンポーネントの端部を前記第一のコンポーネントの前記リセス内に挿入する；
   第一のコンポーネントと第二のコンポーネントをスピン溶着し、それによって、前記結合材料で前記第一のコンポーネントを前記第二のコンポーネントに接合する。
2. 下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
   前記結合材料を前記第一のコンポーネントの前記リセス内に固定するステップは、前記結合材料と前記第一のコンポーネントのダブルショット射出成形を行うステップを有する。
3. 下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
   前記結合材料を前記第一のコンポーネントの前記リセス内に固定するステップは、下記ステップを有する：
   前記結合材料をルーズな状態で前記リセス内に挿入し、
   第一のコンポーネントと第二のコンポーネントのスピン溶着の間に、前記結合材料の温度を溶融状態まで上昇させる。
4. 下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
   前記結合材料を前記第一のコンポーネントの前記リセス内に固定するステップは、下記ステップを有する：
   前記結合材料を前記リセス内に挿入し、
   前記第二のコンポーネントを前記リセス内に挿入する前に、前記結合材料を固定する。
5. 下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
   前記結合材料を、金属及びプラスチックに対するスピン溶着の適合性を備えた材料の中から選択するステップを、更に備える。
6. 下記構成を備えた流体継手：
   第一の端部から伸びるスルーボアを有するボディにより構成された第一のコンポーネント；
   第一の端部から伸びるスルーボアを有する第二のコンポーネント；
   前記第一のコンポーネントの前記第一の端部から伸び、端面に開口し、径方向内側のリセス表面、径方向外側のリセス表面、及び内部の端部壁面を有するリセス；
   前記リセス内で、前記第一のコンポーネントの少なくとも前記径方向内側のリセス表面及び径方向外側のリセス表面の上の配置された結合材料を含むスピン溶着；
   前記リセス内で、前記第一のコンポーネントの前記径方向内側のリセス表面及び径方向外側のリセス表面に、前記結合材料によりスピン溶着で接合された前記第二のコンポーネントの第一の端部。
7. 下記構成を備えた請求項６に記載の流体継手：
   結合材料を含む前記スピン溶着は、前記内部の端部壁面の上に配置され、
   前記第二コンポーネントは、前記リセスの前記内部の端部壁面に結合材料によりスピン溶着で接合される。

Images