JP3794759B2 - 釣り合い室を有する伸縮継手 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱膨張あるいは収縮等による配管の長さ変化に追随して伸縮し、管路の熱膨張等を吸収する配管継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
配管に使用した管が環境温度あるいは内部を流れる流体温度の変化に伴って、熱膨張あるいは熱収縮し、管の長さが変化する。多数の管を接続した管路は、個々の管の僅かな長さの変化が累積されて大きく長さが変化し、長さ変化に伴って管に軸方向の応力が発生し、管が破損することがある。破損を防止するため、管の長さの変化に追随して伸縮し、管の長さ変化を吸収することができる継手が用いられており、図３〜５に示す構造のものが知られている。図３に示す継手は、管を湾曲させたもので、温度変化に従って湾曲の程度を変化させることにより継手の長さｌが変化するようにしたものである。この構造の継手は伸縮による摺動部がなく、流体圧の影響を受けにくい点では優れているが、設置に大きなスペースを必要とする難点がある。図４に示す継手は、端が相互に対向する２つの配管の一方の端に接続する外筒１７に、配管の他方の端に接続する内筒２が遊挿され、外筒１７の内面に備えられた内筒２と外筒１７の間隙を気密にするパッキングＰに接触しながら内筒２の軸方向の摺動が可能にされた構造のものである。この構造の継手は、管路の長さ変化に追随して内筒２が軸方向に相対変位して内筒２と外筒１３の間隔ｓが変化し、それによって伸縮するようにしたものである。この構造の継手は、流体圧による反力が小さく、しかも伸縮によって反力が変化しない点では優れているが、内筒とパッキングの間の摺動抵抗が大きく、摺動によるパッキングの劣化が生じて流体が漏洩しやすいので、パッキングの増し締め、取換え等の保守を頻繁にする必要がある等の難点がある。図５に示す継手は、ベローズＢを備え、ベローズの形状変化によって伸縮させるものである。この構造の継手は、摺動箇所がなく、コンパクトで使いやすいが、ベローズの形状変化に伴って有効受圧面積が変化し、流体圧によってベローズに発生する管を軸方向に移動させる推力が無視できない程度に大きくなり、強度が小さい管の配管に使用した場合、管路が破損することがある。一般的に塩化ビニール等の合成樹脂は強度が小さいので、これらで製造した管の配管に用いるときは、特に強度に対しての配慮を必要とする問題点を残している。継手の伸縮によってベローズの形状変化を説明する図６に従って、上記の推力の変化を説明する。（Ａ）はベローズの有効受圧直径ｄ₀ が管の内径ｄと同径である中立状態を示す。この状態のとき、流体圧ｐによってベローズが及ぼす推力は、π・ｐ（ｄ₀ ²−ｄ²)／４で示され、ｄ₀ ＝ｄであるのでベローズに作用する推力は０である。（Ｂ）は、管路が収縮して、ベローズが伸び、継手の長さｓ₁ が中立状態ｓ₀ より長くなって有効受圧直径ｄ₁ が管の内径ｄより小さくなった状態を示す。ｄ₁ ＜ｄであるので、ベローズが及ぼす推力は、π・ｐ（ｄ₁ ²−ｄ²)／４＜０となり、管路を引き戻す方向の推力が継手に発生する。（Ｃ）は、管路が膨脹して、ベローズが縮んで膨径し、有効受圧直径ｄ₂ が管の内径ｄより大きくなり、継手の長さｓ₂ が中立状態ｓ₀ より短くなった状態を示す。ベローズが及ぼす推力は、π・ｐ（ｄ₂ ²−ｄ²)／４＞０となり、配管ラインを押し戻す方向の推力が作用する。ベローズが及ぼす推力によって生じた推力の変化が配管に使用した管を破壊するのに要する力より大きい場合、推力の変化によって管路が破損することがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の継手は設置に大きなスペースを必要としたり、流体の漏洩を防止するために頻繁に保守する必要があったり、合成樹脂製の配管に使用した場合、管路を破損しやすい等の難点があるので、設置に大きなスペースを必要とせず、流体圧によって推力が発生せず、頻繁に保守をする必要がない信頼性の高い伸縮継手が要請されている。
【０００４】
上記に鑑み、本発明は、設置に大きなスペースを必要とせず、合成樹脂製の配管に支障なく使用でき、信頼性が高く、容易に管路の熱膨張または熱収縮を吸収する伸縮継手を提供することを目的にしてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者は、前記の図５に示したベローズを用いた伸縮継手が持つ流体の漏洩がなく、頻繁な保守を必要としない等の長所を保持して、流体圧がベローズに作用しても、それの反力の変化が生じない構造の研究を行い、繊維で補強した複数のゴム膜を用い、個々のゴム膜に生じた反力の変化が相互に相殺されるようにすれば、全体として反力が生じないことを見い出して本発明をなしたのである。
【０００６】
すなわち本発明は、一対の端部を互いに隔てて対向する同一軸線上に配設した２本の配管を伸縮可能に接続する伸縮継手において、外面が中径部、大径部、小径部の順に多段になった第１筒状体と第２筒状体が軸線方向に相対向して離隔間隔を可変に配置した内筒と、第１筒状体を包囲して一端が環状体を介して第２筒状体に固定されたゴム膜外径端固定体とで継手本体が形成され、断面Ｕ字形の環形状になるようにし、内径側の側壁が筒状体外面に沿いながら第１筒状体と第２筒状体の離隔間隔の変化に追従して奥部での捲れ上がり、または捲れ下がりが可能に開口部の内径側の端を第１筒状体に固定し、外径側の端をゴム膜外径端固定体に固定した繊維で補強された３つのゴム膜を備え、３つのゴム膜の内の第１ゴム膜は開口部の内径側の端を大径部の端に気密固定し、外径側の端をゴム膜外径端固定体の一方の端に気密固定し、第２ゴム膜は開口部の内径側の端を中径部の端に気密固定し、外径側の端をゴム膜外径端固定体の他方の端に気密固定し、第３ゴム膜は開口部の内径側の端を小径部端に気密固定し、外径側の端をゴム膜外径端固定体の一方の端に気密固定し、第１ゴム膜と第３ゴム膜で筒状体内部に連通する釣り合い室を形成する構成にするとともに、流体圧を受圧して定まる第１ゴム膜、第２ゴム膜及び第３ゴム膜の有効受圧直径をそれぞれＤ₁ 、Ｄ₂ 、Ｄ₃ とし、第１筒状体の内径をＤ₀ とするとき、筒状体の外径及びゴム膜の径が下記の関係式を満たすように構成した釣り合い室を有する伸縮継手である。
Ｄ₂ ²＝Ｄ₁ ²−Ｄ₃ ²＋Ｄ₀ ²
【０００７】
上記のゴム膜の開口部の外径側の端を固定するゴム膜外径端固定体の構造は、ゴム膜が上記の有効受圧直径の関係式を満足して固定されるものであれば特に限定されないが、内面が内径の異なる多段になった円筒状体の両端に環状体を連接し、一方の環状体を内筒に固定した構造のもの、或るいは離隔して並列する２つの環状体を、それらの間に架設した複数のタイロッドで結合した構造のものが好適である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下説明の便宜上、図面に従って、軸線上に配置する第１筒状体と第２筒状体に対し、継手を構成する各部分の第２筒状体に近い側を左と言う。ゴム膜の内径側の側壁が接触する第１筒状体の外面は、径が異なる３つのゴム膜のそれぞれの内径を規定するため、左側から外径が異なる中径部、大径部、小径部の順に多段面を形成する。ゴム膜の開口部の外径側の端を固定するゴム膜外径端固定体は、離隔して並列配置する第１環状体と第２筒状体に固定されている第２環状体を、それらの間に筒状体またはタイロッド等を架設して結合した構造を有する。第１ゴム膜は、開口部を右にして、内径側の端が第１筒状体の大径部の右端に気密固定され、外径側の端がゴム膜外径端固定体の右方に設けられた第１環状体の径方向外寄りに固定される。第２ゴム膜は、開口部を左にして、内径側の端が中径部の左端に気密固定され、外径側の端がゴム膜外径端固定体の左端に設けられた第２環状体に気密固定される。第３ゴム膜は、開口部を左にして、内径側の端が小径部の左端に気密固定され、外径側の端が第１環状体の径方向内寄りに気密固定される。開口部が右にある第１ゴム膜と開口部が左にある第３ゴム膜で釣り合い室を形成し、釣り合い室は第１筒状体を貫通して設けられた通路によって筒状体内部と連通する。このように構成することにより、第１筒状体と第２筒状体は、第２筒状体に固定したゴム膜外径端固定体を介してゴム膜で連結されているので、配管路の収縮または膨脹によって内筒に張力または圧縮力が作用したとき、引っ張りまたは圧縮に応じて第１筒状体と第２筒状体を連結するゴム膜が側壁を第１筒状体の外面に接触させながらＵ字形の底部分を捲れ上げたり、捲れ下げたりして変形させ、それによって両筒状体間の距離が変り、機械的な抵抗を殆ど受けることなく容易に内筒は伸縮することができる。
【０００９】
開口部を反対向きにして外径側の端が第１環状体に固定された第１ゴム膜と第３ゴム膜で形成する空間は、通路を介して第１筒状体の内部に連通し、流体圧がゴム膜内部に作用する構造になっている。流体の圧力ｐによってゴム膜に応力が発生し、この応力によって筒状体に推力が発生する。この推力を発生させる応力は、ゴム膜の有効受圧面積と筒状体の内部空間の断面積の差と流体の圧力の積で求められるゴム膜に作用する全圧力に等しい。第１ゴム膜、第２ゴム膜、第３ゴム膜それぞれの有効受圧直径をＤ₁ 、Ｄ₂ 、Ｄ₃ とし、第１筒状体の内径をＤ₀ としたとき、ゴム膜に作用する全圧力は、
第１ゴム膜が、πｐ（Ｄ₁ ²−Ｄ₀ ²）／４
第３ゴム膜が、πｐ（Ｄ₃ ²−Ｄ₀ ²）／４
となる。第１ゴム膜と第３ゴム膜は取り付け方向が反対になっているので、第１環状体に発生する推力は、左向きの
πｐ（Ｄ₁ ²−Ｄ₀ ²）／４−πｐ（Ｄ₃ ²−Ｄ₀ ²）／４
となる。
一方、第２環状体に作用する第２ゴム膜の推力は右向きの、
πｐ（Ｄ₂ ²−Ｄ₀ ²）／４
となる。
作用方向が反対向きになっている第１環状体と第２環状体の推力が釣り合って相殺される条件は、

である。
（１）式の両辺を簡素化すれば、次の（２）式になる。
Ｄ₂ ²＝Ｄ₁ ²−Ｄ₃ ²＋Ｄ₀ ² （２）
言い換えれば、（２）式の関係を保って作動すれば、継手全体として、推力変化が生じないことになる。尚、閉回路の配管である限り、πＤ₀ ²ｐ／４の推力が常に発生し、これを０にすることはできない。
【００１０】
本発明の伸縮継手の本体は金属または合成樹脂或るいは金属と合成樹脂の併用で形成される。配管に本発明の伸縮継手を接続する方法は限定されず、接続される管路の管の個々の接続方法に準じて行われ、内筒の配管に接続される側の端にフランジを立設して、配管側のフランジとボルト締めする方法、内筒にネジを螺刻し、ニップルを介して接続する方法、溶接する方法等が挙げられる。
【００１１】
【実施例】
実施例１
本発明を、ゴム膜の開口部の外径側の端を固定するゴム膜外径端固定体が円筒体である継手を例にして、断面を表す図１を参照しながら説明する。継手本体１は、軸線上を相対移動可能に対向して配置した第１筒状体３と第２筒状体４でなる内筒２と、外筒１７の端に第１環状体１８と第２環状体１９を連接してなるゴム膜外径端固定体５で形成され、内筒２とゴム膜外径端固定体５の間に、断面Ｕ字形の環形状を有し、コードで補強された第１ゴム膜１０、第２ゴム膜１１及び第３ゴム膜１２の３つのゴム膜が開口部の内径側の端を内筒２に固定し、外径側の端を外筒１７に固定して配置する。
【００１２】
第１筒状体３は、外面が外径を異にする多段面になっていて、第２筒状体に対向する側、すなわち左から中径部７、大径部６、小径部８の順に続く３つの部分を有する。外筒１７は、第１筒状体の小径部８を間隔を設けて遊挿するように配置した第１環状体１８の第２環状体１９に向く側に大口径筒２０を連接し、反対側に小口径筒２２を連接した筒状体と、第２筒状体４の右端に設けられた鍔部９に固定された第２環状体１９に連接された中口径筒２１とを、それぞれの対向する側の端に立設したフランジ２３、２４が気密にすることなく着脱可能にボルト締めされて継合することによって形成される。
【００１３】
断面Ｕ字形の環形状を有する３つのゴム膜は、いずれも多数のコードを環の軸線方向に対し傾けて配列し、表裏両面にゴム引きしたプライの２枚をコードの傾斜方向が相互に反対向きになるように重合し、端を径が異なる１対のビードリング１３、１３′に捲着して開口部を形成し、さらに両面にゴムシートを被覆してなり、内径側の側壁が第１筒状体４の外面に沿い、外径側の側壁が外筒１３の内面に沿い、第１筒状体３と第２筒状体４が相対移動して間隔ｓが変動するのに追随してＵ字形の底に位置する側壁が捲れ上がったり、捲れ下がったりするローリングシール方式のゴム膜である。３つのゴム膜の内の、開口部を右にした第１ゴム膜１０は、内径側の開口端を第１筒状体３の大径部６右端に固定具１６で挟持して気密固定し、側壁を大径部６の外面に沿わし、外径側の開口端を第１環状体１８に固定具１６で挟持して気密固定し、側壁を大口径円筒２０の内面に沿わして配置される。開口部を左にした第２ゴム膜１１は、内径側の開口端を第１筒状体３の中径部７左端に固定具１６で挟持して気密固定し、側壁を中径部７の外面に沿わし、外径側の開口端を第２環状体１９に鍔部９で挟持して気密固定し、側壁を中口径円筒２１の内面に沿わして配置される。開口部を左にした第３ゴム膜１２は、内径側の開口端を第１筒状体３の小径部８左端に固定具１６で挟持して気密固定し、側壁を小径部８の外面に沿わし、外径側の開口端を第１環状体１８に固定具１６で挟持して気密固定し、側壁を小口径円筒２２の内面に沿わして配置される。第１ゴム膜１０、第３ゴム膜１２、大径部６の端面及び第１環状体１８とで画成される空間は、通路１５を介して第１筒状体３の内部に連通して釣り合い室１４を形成する。第１ゴム膜１０と第２ゴム膜１１に挟まれた空間は、フランジ２３と２４の隙間を介して大気圧に通じる。
【００１４】
継手の作動時、流体圧ｐがゴム膜の受圧面に均等に作用するものとして、第１筒状体の内径をＤ₀ 、第１ゴム膜１０の有効受圧直径をＤ₁ 、第２ゴム膜１１の有効受圧直径をＤ₂ 、第３ゴム膜１２の有効受圧直径をＤ₃ としたとき、下記の関係式が保たれるように上記の内筒の各部の外径、外筒の各部の内径及びゴム膜の径を設定する。
Ｄ₂ ²＝Ｄ₁ ²−Ｄ₃ ²＋Ｄ₀ ²
【００１５】
実施例２
実施例２は、ゴム膜の開口部の外径側の端を固定するゴム膜外径端固定体が離隔して並列した環状体を複数のタイロッドを介して結合してなる構造の伸縮継手の例である。本発明の伸縮継手の他の実施例の縦断面の上半分を表す図２を参照しながら、実施例２を説明する。継手本体１は、軸線上を相対移動可能に対向して配置した第１筒状体３と第２筒状体４でなる内筒２と、離隔して並列する第１環状体１８と第２環状体１９を複数のタイロッド２５で連結固定してなるゴム膜外径端固定体５で形成され、内筒２とゴム膜外径端固定体５の間に、断面Ｕ字形の環形状を有し、コードで補強された第１ゴム膜１０、第２ゴム膜１１及び第３ゴム膜１２の３つのゴム膜が開口部の内径側の端を内筒２に固定し、外径側の端を外筒１７に固定して配置する。
【００１６】
内筒２は、実施例１と同じで構造であって、中径部７、大径部６、小径部８の順に続く３つの部分を有する。ゴム膜外径端固定体５は、第１筒状体３の小径部８を間隔を設けて遊挿するように配置した第１環状体１８と第２筒状体４の第１筒状体に対向する側の端に設けられた鍔部９に固定された第２環状体１９を、両者の間に第２筒状体を包囲するように架設した複数のタイロッド２５で結合することによって形成される。内筒２とゴム膜外径端固定体５の間に配置される形状が断面Ｕ字形の環である３つのゴム膜は、いずれも多数のコードを環の軸線方向に対し傾けて配列し、表裏両面にゴム引きしたプライの２枚をコードの傾斜方向が相互に反対向きになるように重合し、端を径が異なる１対のビードリング１３、１３′に捲着して開口部を形成し、さらに両面にゴムシートを被覆してなる。３つのゴム膜の内の開口部を右にした第１ゴム膜１０は、内径側の開口端を第１筒状体３の大径部６右端に固定具１６で挟持して気密固定し、開口部の外径側の端を第１環状体１８に固定具１６で挟持して気密固定する。開口部を左にした第２ゴム膜１１は、内径側の開口端を第１筒状体３の中径部７左端に固定具１６で挟持して気密固定し、側壁を中径部７の外面に沿わし、外径側の開口端を第２環状体１９に鍔部９で挟持して気密固定する。開口部を左にした第３ゴム膜１２は、内径側の開口端を第１筒状体３の小径部８左端に固定具１６で挟持して気密固定し、側壁を小径部８の外面に沿わし、外径側の開口端を第１環状体１８に固定具１６で挟持して気密固定する。第１ゴム膜１０、第３ゴム膜１２、大径部６の端面及び第１環状体１８とで画成される空間は、通路１５を介して第１筒状体３の内部に連通して釣り合い室１４を形成する。
【００１７】
流体圧ｐがゴム膜に均等に作用しするものとして、第１筒状体の内径をＤ₀ 、第１ゴム膜１０の有効受圧直径をＤ₁ 、第２ゴム膜１１の有効受圧直径をＤ₂ 、第３ゴム膜１２の有効受圧直径をＤ₃ にしたとき、作動時下記式の関係が保たれるように上記の内筒の各部の外径、ゴム膜の径、ゴム膜の取り付け位置を設定する。
Ｄ₂ ²＝Ｄ₁ ²−Ｄ₃ ²＋Ｄ₀ ²
【００１８】
【発明の効果】
断面Ｕ字形の環形状を有する３つのゴム膜のそれぞれが内径側の開口端を内筒の第２筒状体に固定し、外径側の開口端を第１筒状体に結合されたゴム膜外径端固定体に固定して、第１筒状体と第２筒状体を連結することにより、第１筒状体と第２筒状体の間隔の変動が容易になり、第１筒状体の内径をＤ₀ とし、流体圧ｐが作用したときの第１ゴム膜の有効受圧直径をＤ₁ 、第２ゴム膜の有効受圧直径をＤ₂ 、第３ゴム膜の有効受圧直径をＤ₃ にしたとき、作動時下記の式の関係が保たれることにより、流体圧の作用によってゴム膜に発生する環状体を軸方向に押す推力を相互に相殺して、継手全体として推力が生じないようにすることができ、ゴム膜に作用する流体圧の反力による管路の破損が防止できる。
Ｄ₂ ²＝Ｄ₁ ²−Ｄ₃ ²＋Ｄ₀ ²
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施例の縦断面を表す断面図である。
【図２】 本発明の他の実施例の縦断面の上半分を表す断面図である。
【図３】 従来の湾曲管を用いた継手の正面図である。
【図４】 従来の伸縮継手の縦断面を表す断面図である。
【図５】 従来の他の伸縮継手の縦断面を表す断面図である。
【図６】 従来の伸縮継手に流体圧による反力の発生を説明する図である。
【符号の説明】
１ 継手本体
２ 内筒
３ 第１筒状体
４ 第２筒状体
５ ゴム膜外径端固定体
６ 大径部
７ 中径部
８ 小径部
９ 鍔部
１０ 第１ゴム膜
１１ 第２ゴム膜
１２ 第３ゴム膜
１４ 釣り合い室
１５ 通路
１７ 外筒
１８ 第１環状体
１９ 第２環状体
２０ 大口径部
２１ 中口径部
２２ 小口径部
２５ タイロッド
Ｄ₀ 内筒の内径
Ｄ₁ 第１ゴム膜の有効受圧直径
Ｄ₂ 第２ゴム膜の有効受圧直径
Ｄ₃ 第３ゴム膜の有効受圧直径

Claims (1)

1. 軸方向に相対向する２つの筒状体を連結してなる配管用伸縮継手において、繊維で補強された断面Ｕ字形の環形状の第１ゴム膜、第２ゴム膜及び第３ゴム膜を有し、流体圧を受圧して定まる第１ゴム膜、第２ゴム膜及び第３ゴム膜の有効受圧直径をそれぞれＤ₁ 、Ｄ₂ 、Ｄ₃ とし、筒状体の内径をＤ₀ としたとき、下記の関係が保たれて作動するように、３つのゴム膜のそれぞれの開口部の内径側の端を一方の筒状体に気密固定し、３つのゴム膜のそれぞれの開口部の外径側の端を環状体を介して他方の筒状体に固定されたゴム膜外径端固定体に気密固定するとともに、第１ゴム膜と第３ゴム膜で筒状体内部に連通する釣り合い室を形成したことを特徴とする釣り合い室を有する伸縮継手。
   Ｄ₂ ²＝Ｄ₁ ²−Ｄ₃ ²＋Ｄ₀ ²

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