JP4030478B2

JP4030478B2 - 冷凍サイクル用配管継手

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Publication number: JP4030478B2
Application number: JP2003282075A
Authority: JP
Inventors: 雅之竹内; 義貴戸松; 修塩梅
Original assignee: Denso Corp; Gomuno Inaki Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; Gomuno Inaki Co Ltd
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005049030A; DE102004036486A1; US20050046187A1

Description

本発明は、冷凍サイクルに用いられる冷媒配管同士の接続に使用される冷凍サイクル用配管継手に関するものであり、特に、大気側と冷媒側とを二つの気密部材を介して気密する接続構造に関する。

従来、冷凍サイクルに使用されるこの種の冷凍サイクル用配管継手として、図７（ａ）に示すように、冷媒配管を接続する雄側継手１００および雌側継手１１０を備える配管継手が用いられている。

そして、雌側継手１１０は、内周側に円筒状に形成された嵌合凹部１１１を有し、雄側継手１００は、円筒状に形成された嵌合凸部１０１と、この嵌合凸部１０１に隣接して嵌合凸部１０１よりも小さい外径からなる段差部１０２とを有して、この段差部１０２に冷媒側に通ずる方向に配置される第２気密部材であるＯリング１２０と大気側に通ずる方向に配置される第１気密部材であるバックアップリング１３０とが隣接して嵌入され、かつ嵌合凸部１０１、Ｏリング１２０およびバックアップリング１３０の外周側が嵌合凹部１１１に嵌め合わされて冷媒側と大気側とを気密するように構成している。

ここで、バックアップリング１３０は、Ｏリング１２０のはみ出しを防止するための気密リングであって、形状がバイアスカットで形成され、かつ材料がＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）で形成されており、バックアップリング１３０の一端面が雄側継手１００に設けられた圧接壁部１０３に圧接するように配設している。

これにより、バックアップリング１３０に隣接するＯリング１２０の一端面側に冷媒側からの冷媒圧が掛けられることにより、バックアップリング１３０の一端面が圧接壁部１０３に押し付けられて塑性変形を起こして嵌合凹部１１１と嵌合凸部１０１との間に生ずる隙間を埋めることで、Ｏリング１２０の低圧側へのはみ出しの防止を図るとともに冷媒側と大気側とを気密するようにしている（例えば、非特許文献１参照。）。
ＪＩＳＢ２４０７Ｏリング用バックアップリング

しかしながら、二酸化炭素冷媒を用いてなる超臨界冷凍サイクルにおいては、超臨界状態における二酸化炭素冷媒に接触または浸漬されるとゴム系材料や樹脂材料において旧来のフロン系や代替フロン系の冷媒よりも透過性が高いことか判明した。

そこで、上記構成によれば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の樹脂材料からなるバックアップリング１３０は、超臨界状態の二酸化炭素冷媒に対して透過係数が比較的大きいため、図７（ｂ）に示すように、冷媒圧により二酸化炭素冷媒がＯリング１２０およびバックアップリング１３０の内部を透過して大気側に漏れてしまう問題がある。さらに、バックアップリング１３０の形状をバイアスカットとしたことにより、組み付け性は良好だがバイアスカット面からの冷媒漏れが発生する問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記点に鑑みたものであり、大気側に通ずる第１気密部材を二酸化炭素冷媒の透過が少ない塑性材料で形成させることで冷媒漏れ量を最小限に抑えることを可能とした冷凍サイクル用配管継手を提供することにある。

上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、ＣＯ２冷媒を使用する超臨界冷凍サイクルに使用される冷媒配管を接続する雄側継手（１０）と雌側継手（２０）とを備えるものであって、
雌側継手（２０）は、内周側に円筒状に形成された嵌合凹部（２４）を有し、雄側継手（１０）は、円筒状に形成された嵌合凸部（１４）と、この嵌合凸部（１４）の先端側に設けられ、嵌合凸部（１４）よりも小さい外径からなる段差部（１３）とを有しており、雄側継手（１０）と雌側継手（２０）とは、一端面が大気側に通ずる方向に配置される第１気密部材（３０）と、他端面が冷媒側に通ずる方向に配置される第２気密部材（３１）とが段差部（１３）に隣接して嵌入され、かつ嵌合凸部（１４）、第１気密部材（３０）および第２気密部材（３１）の外周側が嵌合凹部（２４）に嵌め合わされて冷媒側と大気側とを気密する冷凍サイクル用配管継手において、
雄側継手（１０）には、段差部（１３）に嵌入された第１気密部材（３０）の一端面が圧接する圧接壁部（１２）が設けられ、
第２気密部材（３１）は、ＣＯ２冷媒に対して耐ブリスタ性の優れる弾性材料で形成されるとともに、第１気密部材（３０）は、バックアップリングの機能を有し、第２気密部材（３１）よりもＣＯ２冷媒に対して透過係数が小さい結晶性樹脂材料で形成され、第２気密部材（３１）が接触される他端面側の接触面積よりも圧接壁部（１２）側に圧接される一端面側の接触面積の方が小さくなるように略矩形状、略多角形状または略半円形状のいずれかの断面形状で、かつエンドレスタイプであるリング状に形成されており、更に第２気密部材（３１）に掛かる冷媒側の圧力により塑性変形可能な樹脂材料から形成されることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、大気側に通ずる方向に配置される第１気密部材（３０）が弾性材料の第２気密部材（３１）よりも透過係数の小さい結晶性樹脂材料の塑性変形可能な樹脂材料から形成されることにより、従来のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）よりも、ガスバリア性にも優れ、かつ超臨界状態の二酸化炭素冷媒に対して透過係数を大幅に減少できるため、第１気密部材（３０）の内部を透過する冷媒漏れ量を最小限に抑えることができる。

さらに、第１気密部材（３０）が塑性変形可能な樹脂材料から形成されることにより、第２気密部材（３１）からの冷媒圧により嵌合凹部（２４）と第１気密部材（３０）との間に生ずる隙間を確実に埋めることができるため気密性の向上が図れる。

また、第１気密部材（３０）は、略矩形状、略多角形状または略半円形状のいずれか一つの断面形状で、かつエンドレスタイプであるリング状に形成されたことにより、従来のバイアスカットタイプよりも継ぎ目をなくすエンドレスタイプに形成されるので継ぎ目からの冷媒漏れをなくすことができる。

また、第１気密部材（３０）は、圧接壁部（１２）側に接する接触面積が小さくなることにより、圧接壁部（１２）側の応力を大きくすることができるため、圧接壁部（１２）側との界面の気密性が向上できる。

請求項２に記載の発明では、第１気密部材（３０）は、ＪＩＳＫ７１９１−２に規格されるＡ法に基づいて、熱変形温度が好ましくは約６０℃以下の樹脂材料であることを特徴としている。請求項２に記載の発明によれば、約６０℃以下の樹脂材料であることにより、冷媒側の圧力により容易に塑性変形が可能となる。従って、第２気密部材（３１）からの冷媒圧により嵌合凹部（２４）と第１気密部材（３０）との間に生ずる隙間を確実に埋めることができるため気密性の向上が図れる。なお、塑性変形がしにくい樹脂材料では気密性が劣ることが判明した。

請求項３に記載の発明では、第１気密部材（３０）は、その外径が嵌合凹部（２４）の内径に対して好ましくは１．０〜１．０３倍程度となるように形成されたことを特徴としている。請求項３に記載の発明によれば、嵌合凹部（２４）への嵌入時の組み付け性が良好である。

請求項４に記載の発明では、第１気密部材（３０）は、ＰＡ１１（ナイロン１１）、ＰＡ１２（ナイロン１２）、またはＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）のいずれか一つから形成されることを特徴としている。請求項４に記載の発明によれば、第２気密部材（３１）は、ＣＯ２冷媒に対して耐ブリスタ性の優れる弾性材料として、例えば、ＩＩＲ、Ｈ−ＮＢＲ、ＥＰＤＭなどがあるが、上述した材質は、これらよりもＣＯ２冷媒に対して透過係数が小さいため、従来のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）よりも透過による冷媒漏れを大幅に低減できる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による冷凍サイクル用配管継手を図１ないし図５に基づいて説明する。図１は二酸化炭素冷媒を用いる冷凍サイクルに使用される冷媒配管が同軸的に接続される配管継手に本発明が適用された例を示している。

この配管継手は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、雄側継手１０と雌側継手２０よりなり、雌側継手２０は、一端が開口し、他端に図示しない冷媒配管が接続される継手であり、内周側に円筒状に形成された冷媒通路２１および嵌合凹部２４とを有している。

雄側継手１０は、一端に円筒状に形成された嵌合凸部１４と、その嵌合凸部１４から先端側に延びる円筒状に形成された段差部１３とを有している。また、内周側には冷媒通路１１が形成され、他端に図示しない冷媒配管が接続される継手である。なお、段差部１３は、嵌合凸部１４より外径が小さく形成されて、段差部１３の嵌合凸部１４側には後述する第１気密部材３０の一端面が圧接する圧接壁部１２が形成されている。

そして、段差部１３には、大気側に通ずる方向に配置される第１気密部材であるバックアップリング３０と冷媒側に配置される第２気密部材であるＯリング３１が隣接して嵌入され、かつ嵌合凸部１４、バックアップリング３０およびＯリング３１の外周側が雌側継手２０の嵌合凹部２４に嵌め合わされて冷媒側と大気側を気密するようにしている。なお、雄側継手１０と雌側継手２０との結合は図示しないボルトなどの締結部材により結合するようにしている。

冷媒側に通ずる方向に配置されるＯリング３１は、ゴム系の弾性材料からなる気密部材であり、特に、超臨界状態（液体と気体とが単一相となる状態）の二酸化炭素ＣＯ_２に対して、接触や浸漬による発泡などの影響を受け難い耐ブリスタ性の優れる材料であるＩＩＲ、Ｈ−ＮＢＲ、またはＥＰＤＭのいずれかで形成している。

一方、大気側に通ずる方向に配置されたバックアップリング３０は、上述したＯリング３１が冷媒側の圧力により変形して大気側にはみ出すことを防止するための気密部材であり、図２に示すように、略矩形状の断面形状で、かつリング状からなる樹脂材料で形成している。具体的には、その樹脂材料は、上述したＯリング３１のＩＩＲ、Ｈ−ＮＢＲ、またはＥＰＤＭよりも二酸化炭素ＣＯ_２に対する透過係数が小さい材料で、例えば、ＰＡ１１（ナイロン１１）、ＰＡ１２（ナイロン１２）、またはＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）のいずれかより形成している。

因みに、発明者らの研究によると、上述したゴム系および樹脂系の材料における二酸化炭素ＣＯ_２に対する透過係数は、ＥＰＤＭ＞Ｈ−ＮＢＲ（中高ニトリル）＞ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）＞ＩＩＲ＞ＰＡ１２（ナイロン１２）の順に小さくなっている。なお、上記、ＰＡ１１（ナイロン１１）、ＰＡ１２（ナイロン１２）、およびＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）は、ともに緻密な分子構造である結晶性樹脂材であるためガスバリア性にも優れるものである。

また、バックアップリング３０は、Ｏリング３１のはみ出しを防止するために塑性変形が可能な樹脂材料でなければならない。つまり、Ｏリング３１の一端面側に冷媒側からの冷媒圧が掛けられることにより、バックアップリング３０の一端面が圧接壁部１２に押し付けられて塑性変形を起こしながら内外径側に広がり嵌合凹部２４とバックアップリング３０との間に生ずる隙間を埋めることのできる材料であることが必要である。

そこで、本実施形態では、上述した材料の熱変形温度が好ましくは約６０℃以下の特性を有するように形成した。なお、熱変形温度の特性はＪＩＳＫ７１９１−２に規格されるＡ法に基づいて求めたものである。これにより、Ｏリング３１の一端面側に掛かる冷媒圧が、例えば１．８０ＭＰａ以上であれば、バックアップリング３０は塑性変形を起こして上記隙間を埋めることができる。また、バックアップリング３０の外径は、Ｏリング３１の外径よりもやや大きく形成するとともに、嵌合凹部２４の内径に対して１．０〜１．０３倍程度の外径寸法に形成している。

次に、以上の構成による冷凍サイクル用配管継手の作用について図３に基づいて説明する。図３は冷媒側の二酸化炭素ＣＯ_２冷媒がＯリング３１およびバックアップリング３０内を透過する形態を示す説明図であり、Ｏリング３１側の一端面に冷媒側の冷媒圧が掛かることにより、まず、Ｏリング３１内を透過した二酸化炭素ＣＯ_２冷媒がバックアップリング３０内での透過が低く抑えられて大気側に漏れが発生するが、バックアップリング３０の方がＯリング３１よりも透過係数の小さい材料を選択したことにより、従来、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）材で形成していたものよりも大幅に冷媒漏れを抑制できる。

ここで、Ｏリング３１およびバックアップリング３０の材料と冷媒漏れ量との関係を実験により確認したので図４および図５に基づいて説明する。図４は、Ｏリング３１のゴム系材料をＨ−ＮＢＲ（中高ニトリル）、ＥＰＤＭおよびＩＩＲの３種と、バックアップリング３０の樹脂材料をＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＡ１２（ナイロン１２）との組み合わせによる雰囲気温度８０℃、冷媒圧力約１５ＭＰａにおける配管継手部１ケ所あたりの冷媒漏れ質量比を測定したものである。

なお、図中に示すステップＡでは、段差部１３にＯリング３１のみを配設したものであり、ステップＢではバックアップリング３０を従来のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を配設し、ステップＣでは本発明によるＰＡ１２（ナイロン１２）を配設したものである。これによれば、ステップＣのＰＡ１２（ナイロン１２）とＩＩＲの組み合わせが最も冷媒漏れ量が少ない結果を得た。

図５は、Ｏリング３１をＩＩＲに固定してバックアップリング３０をＰＡ６６、ＰＡ６、ＰＢＴ、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ＰＡ１１（ナイロン１１）、ＰＡ１２（ナイロン１２）、およびＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の７種類の樹脂材料による冷媒漏れ質量比を比較したものである。これによると、好ましくはＰＡ１１（ナイロン１１）、ＰＡ１２（ナイロン１２）、およびＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）が最も冷媒漏れ量が少ないことを見出した。

なお、バックアップリング３０の材料が塑性変形を起こし難い材料を選定してＩＩＲからなるＯリング３１とを組み合わせて同じように冷媒漏れ量を確認したが、上記結果よりも劣ることが判明した。

以上の第１実施形態の冷凍サイクル用配管継手によれば、大気側に通ずる方向に配置されるバックアップリング３０をゴム系の弾性材料からなるＯリング３１よりも透過係数の小さい塑性変形可能な樹脂材料から形成されることにより、従来のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）よりも超臨界状態の二酸化炭素ＣＯ_２冷媒に対して透過係数を大幅に減少できるため、バックアップリング３０およびＯリング３１の内部を透過する冷媒漏れ量を最小限に抑えることができる。

さらに、バックアップリング３０が塑性変形可能な樹脂材料から形成されることにより、Ｏリング３１からの冷媒圧により嵌合凹部２４とバックアップリング３０との間に生ずる隙間を確実に埋めることができるため気密性の向上が図れる。

また、従来がバイアスカットの形状に形成していたものをリング状に形成されたことにより、バイアスカットよりも継ぎ目をなくすエンドレス状に形成されるので継ぎ目からの冷媒漏れをなくすことができる。

また、バックアップリング３０は、ＪＩＳＫ７１９１−２に規格されるＡ法に基づいて、熱変形温度が好ましくは約６０℃以下の樹脂材料であることにより、冷媒側の圧力により容易に塑性変形が可能となる。従って、Ｏリング３１からの冷媒圧により嵌合凹部２４とバックアップリング３０との間に生ずる隙間を確実に埋めることができるため気密性の向上が図れる。なお、塑性変形がしにくい樹脂材料では気密性が劣ることが判明した。

また、バックアップリング３０は、Ｏリング３１の外径よりも大きく形成したことにより、確実に気密ができるとともに、Ｏリング３１の低圧側へのはみ出しを確実に防止できる。さらに、そのバックアップリング３０の外径を嵌合凹部２４の内径に対して好ましくは１．０〜１．０３倍程度となるように形成したことにより、嵌合凹部２４への嵌入時の組み付け性が良好である。

具体的に、バックアップリング３０の材料をＰＡ１１（ナイロン１１）、ＰＡ１２（ナイロン１２）、またはＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）のいずれか一つから形成させることにより、Ｏリング３１をＣＯ_２冷媒に対して耐ブリスタ性の優れる弾性材料として、例えば、ＩＩＲとして、これらの材料の一つと組み合わせることで、従来のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）よりも透過による冷媒漏れを大幅に低減できる。また、これらの材料は、ＣＯ_２冷媒を使用する超臨界冷凍サイクルに好適である。

（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、バックアップリング３０の断面形状を略矩形状に形成させたが、これに限らず、略矩形状の他に、図６に示すように、略多角形状または略半円形状で形成しても良い。具体的には、図６（ａ）は、矩形の角を１箇所のみ圧接壁部１２のＲ形状に合わせてＲ状に形成したものである。これは、略矩形状に形成したものと同様に冷媒圧によりバックアップリング３０圧接壁部１２が押し付けられて塑性変形しながら内外径側に広がり隙間を埋めることができる。

図６（ｂ）は、一端面が台形状の略多角形状に形成したものであり、Ｏリング３１が接触する他端面側の接触面積よりも圧接壁部１２側に圧接される一端面側の接触面積の方が小さくなるように形成したものである。これによると、圧接壁部１２側に接する接触面積が小さくなることにより、一端面側の応力を大きくすることができるため、圧接壁部１２側との界面の気密性が向上できる。

図６（ｃ）は、一端面に山および谷を形成して、圧接壁部１２側に接する接触面積が小さくなるようにしたものであり図６（ｂ）と同様な効果を奏する。
図６（ｄ）は、一端面が半円形状で形成して、圧接壁部１２側に接する接触面積が小さくなるようにしたものであり図６（ｂ）および図６（ｃ）と同様な効果を奏する。

（他の実施形態）
なお、本実施形態に示した具体的な数値などはあくまでも一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明の第１実施形態における（ａ）は冷凍サイクル用配管継手の全体構成を示す縦断面図、（ｂ）は冷凍サイクル用配管継手の全体構成を示す分解図である。図１（ａ）に示すＡ部の拡大図である。本発明の第１実施形態におけるＯリング３１およびバックアップリング３０内を冷媒が透過する形態を示す説明図である。Ｏリング３１およびバックアップリング３０の組み合わせによるそれぞれの材料と冷媒漏れ量との関係を示す特性図である。ＩＩＲからなるＯリング３１とバックアップリング３０との組み合わせによる材料と冷媒漏れ量との関係を示す特性図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２実施形態におけるバックアップリング３０の断面形状を示す縦断面図である。（ａ）は従来技術における冷凍サイクル用配管継手の全体構成を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ部の拡大図である。

符号の説明

１０…雄側継手
１２…圧接壁部
１３…段差部
１４…嵌合凸部
２０…雌側継手
２４…嵌合凹部
３０…バックアップリング（第１気密部材）
３１…Ｏリング（第２気密部材）

Claims

ＣＯ２冷媒を使用する超臨界冷凍サイクルに使用される冷媒配管を接続する雄側継手（１０）および雌側継手（２０）を備えるものであって、
前記雌側継手（２０）は、内周側に円筒状に形成された嵌合凹部（２４）を有し、
前記雄側継手（１０）は、円筒状に形成された嵌合凸部（１４）と、前記嵌合凸部（１４）の先端側に設けられ、前記嵌合凸部（１４）よりも小さい外径からなる段差部（１３）とを有しており、
前記雄側継手（１０）と前記雌側継手（２０）とは、一端面が大気側に通ずる方向に配置される第１気密部材（３０）と、他端面が冷媒側に通ずる方向に配置される第２気密部材（３１）とが前記段差部（１３）に隣接して嵌入され、かつ前記嵌合凸部（１４）、前記第１気密部材（３０）および前記第２気密部材（３１）の外周側が前記嵌合凹部（２４）に嵌め合わされて冷媒側と大気側とを気密する冷凍サイクル用配管継手において、
前記雄側継手（１０）には、前記段差部（１３）に嵌入された前記第１気密部材（３０）の一端面が圧接する圧接壁部（１２）が設けられ、
前記第２気密部材（３１）は、ＣＯ２冷媒に対して耐ブリスタ性の優れる弾性材料で形成されるとともに、
前記第１気密部材（３０）は、バックアップリングの機能を有し、前記第２気密部材（３１）よりもＣＯ２冷媒に対して透過係数が小さい結晶性樹脂材料で形成され、前記第２気密部材（３１）が接触される他端面側の接触面積よりも前記圧接壁部（１２）側に圧接される一端面側の接触面積の方が小さくなるように略矩形状、略多角形状または略半円形状のいずれかの断面形状で、かつエンドレスタイプであるリング状に形成されており、更に前記第２気密部材（３１）に掛かる冷媒側の圧力により塑性変形可能な樹脂材料から形成されることを特徴とする冷凍サイクル用配管継手。
前記第１気密部材（３０）は、ＪＩＳＫ７１９１−２に規格されるＡ法に基づいて、熱変形温度が好ましくは約６０℃以下の樹脂材料であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル用配管継手。
前記第１気密部材（３０）は、その外径が前記嵌合凹部（２４）の内径に対して好ましくは１．０〜１．０３倍程度となるように形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル用配管継手。
前記第１気密部材（３０）は、ＰＡ１１（ナイロン１１）、ＰＡ１２（ナイロン１２）、またはＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）のいずれか一つから形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル用配管継手。