JP6955739B2 - 管継手 - Google Patents

Description

本発明は、管継手に関し、特にガスケットを塑性変形させて面シールを行う管継手に関する。

特許文献１には、ガスケットを塑性変形させて面シールを行う管継手として、互いに連通する流体通路を有している管状の第１継手部材および管状の第２継手部材と、第１継手部材の右端面と第２継手部材の左端面との間に介在させられる円環状ガスケットと、円環状ガスケットを保持しかつ第１継手部材に保持されるリテーナとを備えており、第２継手部材側から第１継手部材にねじはめられたナットにより、第２継手部材が第１継手部材に固定されているものが知られている。

このような形態の継手については、シール性能の高さから主に半導体製造装置分野において実績を挙げてきた。

他方、近年、燃料電池自動車分野の発展により超高圧の水素の供給に用いるための継手の要求があり、様々な形態の継手について検討が行われている。

このような技術分野において要求される耐超高圧性能は、一般的には１００ＭＰａ以上の圧力に耐えられることであり、さらに高圧ガス保安法において、使用圧力の１．２５倍の耐圧試験に合格しなければならないことが定められている。

特許第３８７６３５１号公報

上記従来の管継手を超高圧条件下で使用する場合、リークの発生が問題となる。

この発明の目的は、超高圧条件下での使用に適した管継手を提供することにある。

本発明は、互いに連通する流体通路を有している第１および第２の継手部材と、第１および第２の継手部材の突合せ端面間に介在させられるガスケットとを備え、第１および第２の継手部材の突合せ端面には環状のシール突起が形成されている管継手において、第１および第２の継手部材の内径をＤ_１、ガスケットの内径をＤ_２、シール突起の直径をＤ_３、ガスケットの外径をＤ_４としたときに、下記式（１）で規定される係数Ｆが０．４以下であることを特徴とする。
式（１）：Ｆ＝（Ｄ_３ ^２−Ｄ_１ ^２）／（Ｄ_４ ^２−Ｄ_２ ^２）
本発明者は、第１および第２の継手部材内部の流体通路に超高圧の流体を流した条件において有限要素解析を行い、ガスケットの変形がリークの発生に影響することを発見した。さらにＤ_１〜Ｄ_４を組み合わせた指標がある一定の値以下になることが有利な効果をもたらすことを発見し、本発明を創作することができた。

管継手の耐圧性能は、ガスケットの変形量と継手部材の変形量が関係していると推定される。

まず、ガスケットの変形量は、ガスケットの剛性に依存すると推定される。ガスケットの剛性が高ければ内圧によるガスケットの変形量が小さくなるからである。円筒管の内壁で降伏がはじまるときの内圧Ｐ_１は、ガスケットの厚みを一定と考えると、円筒管の剛性に比例するので（Ｄ_４ ^２−Ｄ_２ ^２）に比例すると推定される。

また、継手部材の変形量は、内圧が継手部材の突合せ端面にかかることが原因で生じるので、高圧流体からの圧力が加わるシール突起の直径Ｄ_３並びに第１および第２の継手部材の内径Ｄ_１で挟まれた円環の面積に反比例すると推定され、第１および第２の継手部材の突合せ端面で降伏がはじまるときの内圧Ｐ_２は、（Ｄ_３ ^２−Ｄ_１ ^２）に反比例すると推定される。

したがって、ガスケットの変形と継手部材の変形は同時に起こるので、ガスケットの耐圧性能は、係数Ｆ＝（Ｄ_３ ^２−Ｄ_１ ^２）／（Ｄ_４ ^２−Ｄ_２ ^２）に負の相関で比例すると推定され、実際に有限要素法により、Ｆは０．４以下であることが好ましいと見いだされた。

なお、Ｄ_１は、流す高圧流体の圧力や流量によって現実的制限を受け、Ｄ_４は、管継手の物理的大きさの点から現実的制限を受けるので、これらの現実的制限から、係数Ｆの下限は、現実的には、一定の値以下にはすることはできない。

第１および第２の継手部材の内径Ｄ_１、ガスケットの内径Ｄ_２、シール突起の直径Ｄ_３およびガスケットの外径Ｄ_４を調整することによって、超高圧仕様に適用可能な管継手を提供できる。

この発明による管継手の１実施形態を示す縦断面図である。 図１の管継手に内圧を加えた時の応力・歪をシミュレーションするためのモデルの概略図である。 ガスケットが外れ始める圧力Ｐと係数Ｆの関係を示すグラフである。 ガスケットと継手部材との密着性がなくなるときの圧力Ｐと係数Ｆの関係を示すグラフである。 ガスケットと継手部材との密着性がなくなるときのガスケットの変位と係数Ｆの関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

管継手は、互いに連通する流体通路を有している管状の第１の継手部材（１）および管状の第２の継手部材（２）と、第１の継手部材（１）の右端面と第２の継手部材（２）の左端面との間に介在させられる円環状ガスケット（３）と、円環状ガスケット（３）を保持しかつ第１の継手部材（１）に保持されるリテーナ（５）とを備えており、第２の継手部材（２）側から第１の継手部材（１）にねじはめられたナット（４）により、第２の継手部材（２）が第１の継手部材（１）に固定されている。各継手部材（１）（２）の突合わせ端面の半径方向には、円環状シール突起（７）（８）がそれぞれ形成され、同外周部には、環状の締過ぎ防止突起（９）（１０）がそれぞれ形成されている。

ガスケット（３）の両端面は、軸方向に対して直角な平坦面とされている。ガスケット（３）の外周面には、外向きフランジよりなる抜止め部（３ｂ）が設けられている。

両継手部材（１）（２）およびガスケット（３）は、ＳＵＳ３１６Ｌ製である。

ナット（４）の右端部には内向きフランジ（１１）が形成されており、このフランジ（１１）の部分が第２の継手部材（２）の周囲にはめられている。ナット（４）の左端部の内周にはめねじ（１２）が形成されており、これが第１の継手部材（１）の右側に形成されたおねじ（１４）にねじはめられている。第２の継手部材（２）の左端部外周には外向きフランジ（１３）が形成されており、これとナット（４）の内向きフランジ（１１）との間に共回り防止用のスラスト玉軸受（６）が介在させられている。

各締過ぎ防止用環状突起（９）（１０）は、円環状シール突起（７）（８）よりも左右方向ガスケット（３）側に突出させられており、適正な締付けよりもさらに締付けようとしたさいに、リテーナ（５）をその両面から押圧するようになされている。

手で締め付けた状態からスパナ等によりさらにナット（４）を締付けていくと、締過ぎ防止突起（９）（１０）とリテーナ（５）との間の隙間が０となり、締付けに対する抵抗力が非常に大きくなり、締過ぎが防止される。

第１の継手部材（１）の内周（１ａ）、第２の継手部材（２）の内周（２ａ）およびガスケットの内周（３ａ）が流体通路を形成している。

第１および第２の継手部材の内径をＤ_１、ガスケットの内径をＤ_２、シール突起の直径をＤ_３およびガスケットの外径をＤ_４としたときの係数Ｆ＝（Ｄ_３ ^２−Ｄ_１ ^２）／（Ｄ_４ ^２−Ｄ_２ ^２）が、０．４以下であることが好ましい。さらに係数Ｆが０．３以下であることがより好ましい。

ここで、Ｄ_３は、円環状シール突起（７）（８）の最突出部分の中央点を結ぶ直径であり、Ｄ_４は、抜け止め部（３ｂ）を含まない円環状ガスケット（３）の外径である。

係数Ｆが０．４以下になるとガスケットの変形が抑えられる傾向が出てくる。係数Ｆが０．３以下となるとガスケットの変形が低く抑えられるのでさらに好ましい。

図２は、管継手に内圧を加えた時の応力・歪をシミュレーションするためのモデルの概略図である。第１の管継手（１）と第２の管継手（２）に挟まれたガスケット（３）を基本構成として、内周（１ａ）（２ａ）の内径をＤ_１、内周（３ａ）の内径をＤ_２、円環状シール突起（７）（８）の直径をＤ_３およびガスケット（３）の外径であって、抜止め部（３ｂ）でない外径をＤ_４として解析を行った。
（試験例１）
部材の材料をステンレス鋼とし、有限要素解析を行った。下表[表１]にＤ_１〜Ｄ_４の値、その値の時の係数Ｆおよびガスケット（３）が外れ始めるときの圧力Ｐを示し、そのＦとＰとの関係を示すグラフを図３に示す。なお、破線は近似直線である。

図３を見ると、係数Ｆとガスケットが外れ始める圧力Ｐとの関係は線形関係にあることがわかり、係数Ｆが妥当な係数であることがわかる。
(試験例２)
次に、部材の材料をステンレスとし、有限要素解析を行った。下表[表２]にＤ_１〜Ｄ_４の値、その値の時の係数Ｆおよびガスケット（３）−継手部材（１）（２）間の密着性がなくなるときの圧力Ｐを示し、そのＦとＰとの関係を示すグラフを図４に示す。なお、破線は近似直線である。

図４を見ると、ガスケットと継手部材との密着性がなくなり始めの圧力を解析しているので、図３に比べて近似直線の傾きは小さくなっているが、係数Ｆと密着性がなくなり始めるＰとの関係は、図３と同様に線形関係が非常に高く保たれており、係数Ｆの妥当性が理解できる。
(試験例３)
次に、試験例２と同じ条件で有限要素解析を行った。下表[表３]にＤ_１〜Ｄ_４の値、その値の時の係数Ｆおよびガスケット（３）−継手部材（１）（２）間の密着性がなくなるときのガスケットの内径変位、ガスケットの外径変位およびガスケットの円環状シール突起（７）（８）の変位を示し、そのＦと変位との関係を示すグラフを図５に示す。なお、変位の単位はｍｍである。

図５において、ガスケット内径の変位を実線で、ガスケット外径の変位を長い破線で、ガスケットの円環状シール突起位置の変位を細かな破線で示している。係数Ｆが０．６６〜０．５２の区間は係数Ｆが小さくなるにしたがっていずれの変位も大きくなっており、係数Ｆが０．５２〜０．４０の区間は係数Ｆに依存せずいずれの変位もほぼ一定であり、係数Ｆが０．４０〜０．２７の区間は係数Ｆ小さくなるにしたがっていずれの変位も小さくなっており、係数Ｆが０．２７以下の区間ではいずれの変位も最も小さくなって一定状態を保っている。

変位は小さければ小さいほど耐圧性能を高めるには有利であることから、変位が減少に転じる０．４以下の係数Ｆであることが好ましい。さらに、変位が最も小さく一定に保たれる０．３以下の係数Ｆであることがより好ましい。

超高圧仕様の配管の管継手に関し、コンパクトな最適形状の管継手を提供することができる。

１：第１の継手部材
２：第２の継手部材
３：ガスケット
７：円環状シール突起
８：円環状シール突起

Claims (2)

1. 互いに連通する流体通路を有している第１および第２の継手部材と、
   前記第１および第２の継手部材の突合せ端面間に介在させられるガスケットを備え、
   前記第１および第２の継手部材の突合せ端面には環状のシール突起が形成されている管継手において、
   前記第１および第２の継手部材の内径をＤ_１、前記ガスケットの内径をＤ_２、前記シール突起の直径をＤ_３、前記ガスケットの外径をＤ_４としたときに、
   下記式（１）で規定される係数Ｆが０．４以下であることを特徴とする管継手。
   式（１）：Ｆ＝（Ｄ_３ ^２−Ｄ_１ ^２）／（Ｄ_４ ^２−Ｄ_２ ^２）
2. 互いに連通する流体通路を有している第１および第２の継手部材と、
   前記第１および第２の継手部材の突合せ端面間に介在させられるガスケットを備え、
   前記第１および第２の継手部材の突合せ端面には環状のシール突起が形成されている管継手の設計方法であって、
   前記第１および第２の継手部材の内径をＤ _１ 、前記ガスケットの内径をＤ _２ 、前記シール突起の直径をＤ _３ 、前記ガスケットの外径をＤ _４ としたときに、
   下記式（１）で規定される係数Ｆが０．４以下であることを特徴とする管継手の設計方法。
   式（１）：Ｆ＝（Ｄ _３ ^２ −Ｄ _１ ^２ ）／（Ｄ _４ ^２ −Ｄ _２ ^２ ）

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