JP4297302B2 - 管継手 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属製配管の管継手に関するものであり、詳しくは、例えば半導体製造ライン等においてガス等の流体を流す金属製配管を接続するための管継手であって、特に管継手に使用するNiTi系合金製ガスケットの改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
管継手の構造は、図1に示すように、配管(6)に接続した管体(2)、(3)の先端の弁座(2a)、(3a)同士を、孔を有するガスケット(1)を介して突き合わせ、袋ナット等の締結手段(4)、(5)により、管継手を軸方向(管延長方向)に締め付けて第1の管体(2)と第2の管体(3)とをつなぎ合わせ、ガス等の流体を流している。
なお、このガスケット(1)は、締結手段の締め付けにより変形して、弁座(2a)、(3a)からの漏れを防止するものである。
【0003】
従来、管継手用のガスケットは、ゴムやテフロン樹脂等の高分子材料が多く使用されてきたが、近年の半導体製造においては、非常に高純度のガスを使用することから、前記の高分子材料が使用できなくなり、それに代わってステンレス鋼又はニッケル合金等の金属製ガスケットが使用されるのが普通である。
しかも管継手の管体及びガスケットは、同材質のステンレス鋼製である場合がほとんどである。
このステンレス鋼又はニッケル合金からなるガスケットは、弾性変形域が狭く、管継手の一回の締め付けによって、大きな永久変形をきたし、再使用ができなくなる欠点がある。
このため、実公平6−20946号公報には、室温において超弾性現象を有する金属材料(例えば超弾性特性を有するNiTi合金材)が提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
発明者等の検討結果によると、前記の室温において超弾性現象を有するNiTi合金からなる管継手用ガスケットは、なお問題点を有することがわかった。
即ち、このような材料からなるガスケットは、管継手の締め付けによってガスケット自体は弾性変形し、除荷すると元の形状に戻るため、何回でも使用することが可能であるが、この締め付け特に多数回の締め付けによって、ガス等が漏れるという問題がある。
なお、かかる管継手の1回使用のための締め付けは、接続する管体の軸方向の圧縮歪み量1%程度が普通である。
【0005】
発明者等は、前記のガス漏れの原因について詳細に検討した結果、締め付けにより継手管体(例えばステンレス鋼製の管体)の弁座を塑性変形してしまうためであるということがわかった。
即ち、室温において超弾性現象を有するようなNiTi系合金材は、管継手の締め付け歪み量1%のときの圧縮応力が非常に高く、継手を構成する管体の金属材料(例えばステンレス鋼)の降伏応力(又は耐力)を大幅に越えており、この締め付けにより継手管体の弁座を塑性変形してしまうためである。
【0006】
図5に、室温(20℃)におけるCr-Ni-Moステンレス鋼316LN の圧縮応力−歪み曲線を、図6に室温(20℃)における超弾性特性を有するNiTi系合金(Ni50.5at% −Ti49.1at% −Fe0.4at%合金)の圧縮応力−歪み曲線を示す。
この二つの曲線から、ガスケットに超弾性現象を有するようなNiTi系合金材を使用した場合は、ガスケットよりも継手管体を構成するステンレス鋼の方が弱いため、管体の弁座が塑性変形することは容易に理解することができる。
【0007】
本発明の課題は、継手管体(例えばステンレス鋼)の弁座を塑性変形させない金属製ガスケットを開発することであり、また、何回締め直しても、流体の漏れない管継手を開発することであるが、本発明は、前記の問題点に対する発明者等の検討結果とその知見に基づいて完成したものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための請求項1の発明は、第1、第2の金属製管体の先端弁座同士を、孔を有するガスケットを介して突き合わせた状態で、締結手段により接続される管継手において、前記のガスケットが、NiTi系合金材であって、且つ前記の合金材の室温における圧縮応力−歪み曲線において、圧縮歪み1%のときの圧縮応力が、前記の金属製管体の降伏応力(又は耐力)以下の特性を有する材料で構成されていることを特徴とする管継手である。
【0009】
また、請求項2の発明は、前記の金属製管体が、Cr-Ni-Moステンレス鋼製管体であり、前記のガスケットが、NiTi系合金材であって、且つ前記の合金材の室温における圧縮応力−歪み曲線において、圧縮歪み1%のときの圧縮応力が、50〜275N/mm2 の特性を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の管継手である。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、前記各発明について、詳細に説明する。
まず、請求項1の発明は、管継手において、特にガスケットが、NiTi系合金材であって、且つ前記のNiTi系合金材の室温における圧縮応力−歪み曲線において、圧縮歪み1%のときの圧縮応力が、締結手段により接続される金属製管体の降伏応力(又は耐力)以下の特性を有する材料で構成されていることを特徴とするものである。
【0011】
ガスケットに使用されるNiTi系合金材の特性をこのように規定するのは、締め付けによってガスケットのみが弾性変形し、金属製管体特にその先端の弁座を塑性変形させないためである。
即ち、NiTi系合金材の圧縮歪み1%のときの圧縮応力pが、金属製管体の降伏応力(又は耐力)yを越える場合は、締め付け特に多数回の締め付けによって管体の弁座が塑性変形しやすく、流体の漏れの原因となるからである。
【0012】
ここで、ガスケットに使用するNiTi系合金材の特性を室温状態での特性としたのは、この継手は室温で締め付け使用されるからであり、また圧縮歪み1%のときの圧縮応力pを問題とするのは、継手の締め付けは通常、継手全体の圧縮歪みが1%程度であるからである。
ガスケットに使用されるNiTi系合金材を「圧縮歪み1%のときの圧縮応力が、接続される金属製管体の降伏応力(又は耐力)以下となる材料」として圧縮応力を具体的に規定しないのは、管体の降伏応力(又は耐力)は、金属の種類(例えば鉄系合金、ニッケル系合金、チタン系合金、銅系合金等)によって異なるからである。
従って、本発明のこの考え方に基づいて、管体を構成する金属材料の種類により、ガスケットに使用されるNiTi系合金材の圧縮歪み1%のときの圧縮応力が具体的に決定されることになる。
【0013】
なお、使用上、金属製管体の弁座をできるだけ塑性変形させないためには、NiTi系合金製のガスケットは、NiTi系合金材の圧縮歪み1%のときの圧縮応力Pが、金属製管体の降伏応力(耐力)yの80%以下となるような材料とするのが、より好ましい。
【0014】
本発明におけるNiTi系合金材とは、NiとTiがat%で50:50及びその近傍のNiTi合金材、もしくはNiTi合金材のNi又はTiの一部をFe、Co、Cr、V、Nb、Cu等で置換したNiTi系合金材を意味する。
また、本発明に適用されるNiTi系合金材は、従来ガスケット材として知られれている前記のNiTi系合金材(室温において超弾性特性を有するもの、図6参照))とは、異なる材質である。
即ち、本発明に適用されるNiTi系合金材は、室温において超弾性特性を有しないものであり、その一例としてNi50.5at% −Ti49.1at% −Fe0.4at%合金材の室温(20℃)における圧縮応力−歪み曲線を図3に示す。
【0015】
この図6と図3の比較から明らかなごとく、超弾性材(図6)は、ある応力で大きく歪む(カーブが横にねる)が、本発明に係わるNiTi系合金材(図3)は、ある応力で大きく歪むところがなく、いわゆる超弾性特性は示さない。
また、歪み1%程度での両者の圧縮応力に大きな差があり、本発明に係わるNiTi系合金材の発生圧縮応力は小さい。
即ち、従来の図6の室温において超弾性特性を有するNiTi系合金材の歪み1%のときの圧縮応力pは、約419N/mm2 であるが、本発明に係わる図3のNiTi系合金材の歪み1%のときの圧縮応力pは、約153N/mm2 である。
なお、本発明のガスケットに使用する前記の特性を有するNiTi系合金材は、後に記す実施例でも明らかなごとく、材料の製造条件(熱処理条件等)によって得ることができる。
【0016】
次に、請求項2の発明は、請求項1の発明の好ましい実施態様である。
即ち、金属製管体が、Cr-Ni-Moステンレス鋼製の管体であり、この場合、ガスケットに使用するNiTi系合金材は、圧縮歪み1%のときの圧縮応力が50〜275N/mm2 となる材料で構成することを特徴とするものである。
ここで、Cr-Ni-Moステンレス鋼とは、オーステナイト系ステンレス鋼で、鋼種がCr-Ni-Moステンレス鋼であり、具体的には、JIS のSUS316、SUS316L 、SUS316N 、SUS316LNを意味する。
なお、これらの鋼種のJIS の耐力規格は、SUS316が205 N/mm2 以上、SUS316L が175 N/mm2 以上、SUS316N が275N/mm2以上、SUS316LNが245N/mm2以上である。
【0017】
従って、締め付けによってCr-Ni-Moステンレス鋼からなる管体先端の弁座を塑性変形させないためには、ガスケットは、これに使用するNiTi系合金材の特性として、圧縮歪み1%のときの圧縮応力が、上記鋼種の耐力以下(例えば、SUS316N の場合は275N/mm2以下、SUS316L の場合は175N/mm2以下)となるような材料で構成する必要がある。
本発明においては、管体にCr-Ni-Moステンレス鋼を使用する、ガスケットに使用するNiTi系合金材の圧縮歪み1%のときの圧縮応力の範囲は、上記4種類の鋼種のJIS の耐力規格を考慮して、50〜275N/mm2 とする。
【0018】
管体の材料との関係でのNiTi系合金材の使用方法は、管体に使用するCr-Ni-Moステンレス鋼の種類により、管体の耐力yが高いもの(SUS316N )は、上記の範囲内(50〜275N/mm2 )において、圧縮応力pが高いもの(275N/mm2以下)を使用する。又、管体の耐力yが低いもの(SUS316L )は、上記の範囲内において、圧縮応力pが低いもの(175N/mm2以下)を使用する。
【0019】
なお、使用方法は上記のごとくであるが、Cr-Ni-Moステンレス鋼製管体の弁座をできるだけ塑性変形させないためには、ガスケット用のNiTi系合金材の圧縮応力pが、管体の耐力yの80%以下となるような材料とするのが、より好ましい。
本発明において、この圧縮応力の範囲に下限(50N〜/mm2 )を設けたのは、締め付けである程度の圧縮応力が発生していないと、管継手に外部から衝撃力等が加わった場合に、好ましくないからである。
【0020】
図3、図4は、本発明に係わる管継手のガスケットに適用できるNiTi系合金材の室温における圧縮応力−歪み曲線の例である。
図3は、すでに説明したNi50.5at% −Ti49.1at% −Fe0.4at%合金材の室温(20℃)における圧縮応力−歪み曲線であり、この図からこの材料の圧縮歪み1%のときの圧縮応力pは153N/mm2 である。
また、図4は、Ni50.2at% −Ti残合金材の室温(20℃)における圧縮応力−歪み曲線である。
この図から、この材料は、圧縮歪み1%のときの圧縮応力pが167N/mm2 である。
【0021】
管継手の管体が、Cr-Ni-Moステンレス鋼製の管体の場合、ガスケットにこのような特性を有するNiTi系合金材を適用することによって、締め付けの際に、管体先端の弁座を塑性変形させることがないため、繰り返して締め付けても、ガス等の流体の漏れを防止することが可能となる。
【0022】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。
〔実施例1〕
NiTi系合金の配合組成をNi50.5at% 、Ti49.1at% 、Fe0.4at%とした合金を真空溶解鋳造して鋳塊とし、この鋳塊を外削後温度800℃で熱間プレス加工を行い、厚さ30mm×幅160mm×長さ500mmのスラブを作成した。
次に、このスラブをサンドブラストで酸化膜を除去した後、850℃で熱間圧延加工を行って、厚さ5mmとした。
【0023】
この熱間圧延板の表面を研削して酸化膜を除去し、焼鈍と冷間圧延を適宜施して生地焼鈍後、加工率20%の仕上げ冷間圧延を行い厚さ3.1mmとした。
次に、これに温度350℃×保持時間2時間の熱処理を施し、外径12mm、内径4mmのリングに切断した後、旋盤加工を行って図2に示すような形状のガスケット(厚さ3.0mm)に仕上げて試験用ガスケット(A)とした。
【0024】
この試験用ガスケット(A)について、室温(20℃)で圧縮試験を行い、圧縮応力−歪み曲線を求めた。その結果を図3に示す。
この図から明らかなように、圧縮歪み1%のときの圧縮応力pは、153N/mm2 であり、本発明に係わるガスケットの圧縮応力の範囲内(50〜275N/mm2 )であることがわかる。
従って、例えば、管体がCr-Ni-Moステンレス鋼316LN (耐力245N/mm2以上)からなる管継手のガスケットに、このNiTi系合金材を適用した場合、この合金材の圧縮歪み1%のときの圧縮応力p(153N/mm2)は、管体の耐力y(245N/mm2)より十分に小さいことから、問題ないことがわかる。
【0025】
次に、NiTi系合金の配合組成をNi50.2at% 、Ti残とした合金を真空溶解鋳造して鋳塊とし、この鋳塊を外削後温度800℃で熱間プレス加工を行い、厚さ30mm×幅160mm×長さ500mmのスラブを作成した。
次に、このスラブをサンドブラストで酸化膜を除去した後、850℃で熱間圧延加工を行って、厚さ3.2mmとした。
次に、これに温度440℃×保持時間1時間の熱処理を施し、外径12mm、内径4mmのリングに切断した後、旋盤加工を行って図2に示すような形状のガスケット(厚さ3.0mm)に仕上げて試験用ガスケット(B)とした。
【0026】
この試験用ガスケット(B)について、室温(20℃)で圧縮試験を行い、圧縮応力−歪み曲線を求めた。その結果を図4に示す。
この図から明らかなように、圧縮歪み1%のときの圧縮応力pは、167N/mm2 であり、本発明に係わるガスケットの圧縮応力の範囲内(50〜275N/mm2 )であることがわかる。
同様に、管体がCr-Ni-Moステンレス鋼316LN (耐力245N/mm2以上)からなる管継手のガスケットに、このNiTi系合金材を適用した場合、この合金材の圧縮歪み1%のときの圧縮応力p(167N/mm2)は、管体の耐力y(245N/mm2)より十分に小さいことから、問題ないことがわかる。
【0027】
〔実施例2〕
実施例1の試験用ガスケット(A)、(B)を用いて、実際の管継手の締め付け試験を行った。
また、比較のため、図6に示す室温で超弾性特性を有するNi50.5at% −Ti49.1at% −Fe0.4at%合金材についても、同様にガスケットを作成して、管継手の締め付け試験を行った。
この場合、管体継手の金属材料は、Cr-Ni-Moステンレス鋼316LN (耐力245N/mm2以上)であり、締め付けはガスケットの圧縮変位量が0.03mmである。この変位量は、圧縮歪み量1%に相当する。
ガスケットとしての機能は、配管内を流れるガス等の流体が管継手部から漏れないことであるが、本発明に係わるガスケットを使用して、管継手の上記の締め付けを行い、これを解除した後、再び同じ管継手とガスケットを用いて締結した結果、流体の漏れは発生しなかった。その結果を表1に示す。
【0028】
【表1】
【0029】
また、試験後、継手を解体して継手管体先端の弁座部を観察したところ、発明例の弁座部は当初の形状であり、弁座部の塑性変形も起こっていなかった。
なお、表1には、管体継手を締め付け、これを解除した後、再び同じ管継手とガスケットを用いて締結した結果(2回の締め付け後の結果)を示したが、本発明に係わるガスケットは、3回の締め付け後の結果も、特に問題なかった。
また、本発明に係わるガスケットは、NiTi系合金材からなっていることから、半導体製造ラインで使用される各種のガスについての耐食性は、全く問題ないことが確認されている。
【0030】
【発明の効果】
以上詳述したごとく、本発明に係わるNiTi系合金材をガスケットに適用した管継手は、継手を締結した際、しかも繰り返し締結した際でも、継手を構成する管体先端の弁座部を塑性変形させることがなく、ガス等の流体の漏れを確実に防止することができ、工業上顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】管継手の構造の一例を示す断面図である。
【図2】継手に使用するガスケット形状の一例であり、(イ)は断面図、(ロ)は平面図である。
【図3】本発明に係わるNi50.5at% −Ti49.1at% −Fe0.4at%合金材の室温(20℃)における圧縮応力−歪み曲線である。
【図4】本発明に係わるNi50.2at% −Ti残合金材の室温(20℃)における圧縮応力−歪み曲線である。
【図5】 Cr-Ni-Moステンレス鋼316LN の室温(20℃)における圧縮応力−歪み曲線である。
【図6】従来の超弾性特性を有するNi50.5at% −Ti49.1at% −Fe0.4at%合金材の室温(20℃)における圧縮応力−歪み曲線である。
【符号の説明】
1 ガスケット
2、3 継手用管体
2a、3a 管体先端の弁座部
4 スリーブ
5 袋ナット
6 配管
Claims (2)
- 第1、第2の金属製管体の先端弁座同士を、孔を有するガスケットを介して突き合わせた状態で、締結手段により接続される管継手において、前記のガスケットが、NiTi系合金材であって、且つ前記の合金材の室温における圧縮応力−歪み曲線において、圧縮歪み1%のときの圧縮応力が、前記の金属製管体の降伏応力(又は耐力)以下の特性を有する材料で構成されていることを特徴とする管継手。
- 前記の金属製管体が、Cr-Ni-Moステンレス鋼製管体であり、前記のガスケットが、NiTi系合金材であって、且つ前記の合金材の室温における圧縮応力−歪み曲線において、圧縮歪み1%のときの圧縮応力が、50〜275N/mm2 の特性を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の管継手。
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