JP7416001B2

JP7416001B2 - 配管構造

Info

Publication number: JP7416001B2
Application number: JP2021055578A
Authority: JP
Inventors: 靖人富永
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2024-01-17
Anticipated expiration: 2041-03-29
Also published as: WO2022210244A1; JP2022152712A

Description

本発明は、配管構造に関し、より詳細には、二本の配管がＶ字に連結する配管構造に関する。

互いのフランジを締結して二本の配管どうしを連結する技術は周知である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－１５０３２２号公報

フランジは配管の外周面から管径方向外側に張り出しており、他の部材と干渉することがある。この干渉を避けるために配管どうしをＶ字に連結できれば、全体的な設計の変更を回避することができる。しかしながら、配管どうしをＶ字に連結すると内部を流れる流体の流れが阻害されるおそれがある。また、Ｖ字の連結で生じたＶ字の溝が鉛直下方に配置されると、その溝に流体が溜まって配管が腐食するおそれがある。結果、配管どうしをＶ字に連結することができず、干渉を避けるために全体的な設計の変更が必要となり、多大なコストや作業時間が掛かることになる。

本開示の目的は、設計の自由度の高い配管構造を提供することである。

上記の目的を達成する本発明の一態様の配管構造は、端部にその外周面から管径方向外側に張り出したフランジを有する二本の配管が、各々の前記フランジどうしが締結されてＶ字に連結する配管構造において、前記二本の配管は、連結される開口端における内周の中心が外周の中心から前記二本の配管のそれぞれの外周面の連なりが管径方向外側から内側に向かって凹む部位に向かう方向にずれて偏心し、前記二本の配管の各々の前記内周の中心が一致することを特徴とする。

上記の目的を達成する本発明の一態様の配管構造は、端部にその外周面から管径方向外側に張り出したフランジを有する二本の配管が、各々の前記フランジどうしが締結されてＶ字に連結する配管構造において、前記二本の配管は、連結される開口端における内周の中心が外周の中心から前記二本の配管のそれぞれの外周面の連なりが管径方向外側から内側に向かって凹む部位に向かう方向にずれて偏心し、前記内周の軸線が前記外周の軸線に対して傾いた偏心部を有し、前記二本の配管の各々の前記偏心部における前記内周の軸線どうしが一致し、かつ、各々の前記偏心部における内周面の下端が直線状になることを特徴とする。

実施形態の配管構造を例示する縦断面図である。従来技術の配管構造を例示する縦断面図である。図１の上流開口端の正面図である。図１の配管構造の第一変形例を例示する縦断面図である。図１の配管構造の第二変形例を例示する縦断面図である。

以下に、本開示における配管構造の実施形態について説明する。図中において、Ｚ方向は鉛直方向を示し、Ｘ方向およびＹ方向は鉛直方向に垂直な平面において直交する方向を示す。図中の白抜き矢印は再循環排気の流れを示す。図中では、構成が分かり易いように部材の寸法を変化させており、必ずしも実際に製造するものとは一致させていない。

図１に例示するように、実施形態の配管構造１は図示しないエンジンの側方の壁面に組み付けられた二本の配管（１０、２０）から成り、図示しないエンジンの排気再循環通路の一部を構成し、インテークマニホールド２に連結される。排気再循環通路は図示しない排気通路から吸気通路に排気を再循環する通路である。排気再循環通路を流通する再循環排気は、図示しない排気通路から分岐して、二本の配管を介してインテークマニホールド２へ流れる。

本実施形態において、二本の配管は再循環排気の流れに関して上流側に配置された上流配管１０と下流側に配置された下流配管２０とを区別するものとし、それらを構成する部位も上流、下流を付して区別することにする。また、各々の配管の基準となる管厚は共通であり、管厚Ｄ１とする。下流配管２０はインテークマニホールド２と一体的に連結しており、インテークマニホールド２の図示しない気筒に向かってＹ方向に延在して連通する連通配管３と接する箇所を末端とし、図中において符号を付さない点線で示す。

上流配管１０は上流開口端１１に向かってZ方向下方に傾斜した直線円管である。下流配管２０はインテークマニホールド２に直結されており、下流開口端２１に向かってZ方向下方に傾斜した直線円管である。本開示において傾斜とは上流配管１０の上流外周１４および下流配管２０の下流外周２４を基準とし、上流外周１４の軸線Ｌ１０および下流外周２４の軸線Ｌ２０がＺ方向に垂直なＸＹ平面に対して傾斜している、すなわち、水平面Ｈ１に対して傾斜していることを示す。直線円管とは中途位置で屈曲せず、その横断面が円環形状を成す配管を示す。上流開口端１１および下流開口端２１は互いに連通する部位である。

上流配管１０は上流開口端１１が存在する端部に上流フランジ１２を有する。下流配管２０は下流開口端２１が存在する端部に下流フランジ２２を有する。上流フランジ１２および下流フランジ２２のそれぞれは、それぞれの配管の端部の外周面の全周から管径方向外側に張り出す。上流フランジ１２および下流フランジ２２は特に限定されるものではなく、溶接フランジやねじ込みフランジが例示される。上流フランジ１２および下流フランジ２２はボルトおよびナットなどの締結具により互いに締結される。

二本の配管は各々のフランジどうしが締結されて、Ｙ方向視でＶ字に連結し、上流開口端１１および下流開口端２１が互いに連通する。本開示において、二本の配管がＶ字に連結するとは連結した二本の配管がアルファベットの「Ｖ」の字形を成すように配置されて連結することを示す。二本の配管がＶ字に連結するとは、各々の開口端から他方の端に向かって二本の配管どうしの間の離間距離が徐々に広がる状態を示す。また、上流配管１０の上流外周１４の軸線Ｌ１０と下流配管２０の下流外周２４の軸線Ｌ２０とが交差する状態も示す。二本の配管がＶ字に連結することで、二本の配管のそれぞれの外周面の連なりには、管径方向外側から内側に向かって凹む部位４と、管径方向内側から外側に向かって凸む部位とが形成される。

二本の配管はＶ字に連結されることで、各々のフランジが干渉部位５に接触しないようになっている。干渉部位５は図示しないエンジンの側方の壁面から突出したボス部が例示される。

上流配管１０は上流開口端１１における上流内周１３の中心Ｐ１が上流外周１４の中心Ｐ２から凹む部位４に向かう方向であるＺ方向上方にずれて偏心する。偏心とは直線円管において一致するはずの上流内周１３の中心Ｐ１と上流外周１４の中心Ｐ２とが一致しないことを示す。

上流配管１０は境界１５で区分される偏心部１６と一致部１７とを有する。境界１５は上流配管１０の上流フランジ１２に覆われた部分に配置される。偏心部１６は中心Ｐ１が中心Ｐ２から偏心して上流内周１３の軸線Ｌ１および上流外周１４の軸線Ｌ１０が互いに一致せずに交差した部位である。偏心部１６はＺ方向下方の部位の管厚が境界１５から上流開口端１１に向かうに従って管厚Ｄ１から徐々に厚くなり、Ｚ方向上方の部位の管厚が境界１５から上流開口端１１に向かうに従って管厚Ｄ１から徐々に薄くなる。偏心部１６の内周面の下端は水平である。一致部１７は上流内周１３および上流外周１４のそれぞれの軸線が軸線Ｌ１０に一致した部位である。一致部１７は全域で一定の管厚Ｄ１である。

偏心部１６および一致部１７の開口断面積は全域に亘って一定に保持される。本開示において開口断面積とは上流内周１３の軸線に垂直な平面で切断した断面における開口面積である。偏心部１６の開口断面積は軸線Ｌ１に垂直な平面で切断した断面における開口面積であり、一致部１７の開口断面積は軸線Ｌ１０に垂直な平面で切断した断面における開口面積である。

下流配管２０は下流開口端２１における下流内周２３の中心Ｐ１が下流外周２４の中心Ｐ２から凹む部位４に向かう方向であるＺ方向上方にずれて偏心する。下流開口端２１における下流内周２３の中心Ｐ１は上流開口端１１の上流内周１３の中心Ｐ１と一致する。同様に、下流開口端２１における下流内周２３の軸線Ｌ１も上流開口端１１の上流内周１３の軸線Ｌ１と一致する。

下流配管２０はその全域が偏心部である。下流配管２０は中心Ｐ１が中心Ｐ２から偏心して下流内周２３の軸線Ｌ１および下流外周２４の軸線Ｌ２０が互いに一致せずに交差する。下流配管２０はＺ方向下方の部位の管厚が下流開口端２１に向かうに従って管厚Ｄ１から徐々に厚くなり、Ｚ方向上方の部位の管厚が下流開口端２１に向かうに従って管厚Ｄ１から徐々に薄くなる。下流配管２０の内周面の下端は水平である。下流配管２０の開口断面積は全域に亘って一定に保持される。下流配管２０の開口断面積は軸線Ｌ１に垂直な平面で切断した断面における開口面積である。

上流開口端１１あるいは下流開口端２１における中心Ｐ１と中心Ｐ２との間の距離Ｄ２は上流配管１０の偏心部１６あるいは下流配管２０の軸線Ｌ１が水平になる値である。距離Ｄ２は上流開口端１１あるいは下流開口端２１における中心Ｐ１と中心Ｐ２とが一致したと仮定した状態で求められる。

図２に例示するように、仮想配管３０は上流配管１０が上流開口端１１における中心Ｐ１と中心Ｐ２とが一致した状態であると仮定した場合の配管を示す。仮想配管４０は下流配管２０が下流開口端２１における中心Ｐ１と中心Ｐ２とが一致した状態であると仮定した場合の配管を示す。

仮想配管３０と仮想配管４０とをＶ字に連結せずに、かつ、仮想配管３０から仮想配管４０に向かって流れる凝縮水が中途位置で溜まらないようにするには、図中の点線で示すように、内周面の下端が水平となる仮想配管４０に対して、仮想配管３０を中途位置で屈曲させて連結する必要がある。この場合に、各々のフランジが干渉部位５に重なることになる。そこで、仮想配管３０と仮想配管４０とをＶ字に連結することで、干渉部位５と各々のフランジとの干渉を回避する。仮想配管３０と仮想配管４０とをＶ字に連結すると、配管の内部に水平面Ｈ１に対してＺ方向下方に向かって凹む溝が形成される。この溝は縦断面形状がＶ字で、管周方向に向かって溝の幅が徐々に狭くなる。このＶ字の溝が無くなり、仮想配管３０および仮想配管４０のそれぞれの内周面の下端が水平になれば、中途位置で凝縮水が溜まることが回避される。

仮想内周３３と仮想外周３４とのそれぞれの軸線が互いに一致した軸線Ｌ３０と水平面Ｈ１とのなす角をθ３とし、仮想開口端３１から仮想配管３０の内周面および水平面Ｈ１の交点３５までの垂線の距離をＤ３とする。距離Ｄ２は距離Ｄ３になす角θ３に対する正接を乗算して求められる。この距離Ｄ２が、上流開口端１１あるいは下流開口端２１における中心Ｐ１と中心Ｐ２との間の距離Ｄ２となる。同様に、仮想開口端から仮想配管４０の内周面および水平面Ｈ１の交点までの垂線の距離に、仮想配管４０における軸線Ｌ４０および水平面Ｈ１のなす角に対する正接を乗算しても距離Ｄ２が求められる。

図３に例示するように、中心Ｐ１が中心Ｐ２のＺ方向上方にずれて偏心すると、直線円管において管周方向で均一であった管厚は、上流配管１０のＺ方向下方の管厚が最も厚くなり、Ｚ方向上方の管厚が最も薄くなる。上流配管１０の管厚は管周方向にＺ方向下方からＺ方向上方に向かって徐々に薄くなる。なお、下流配管２０も同様であるため、その説明は省略する。

以上のように、本開示の配管構造１によれば、Ｖ字に連結された二つの配管の各々の内周の中心Ｐ１が外周の中心Ｐ２からずれて内周が外周に対して偏心することで二本の配管がＶ字に連結して生じる内部のＶ字の溝を無くすことができる。これにより、二本の配管をＶ字に連結することで生じる諸問題を解消するには有利になり、二本の配管をＶ字に連結可能にして設計の自由度を高めることができる。結果、干渉部位５との干渉を避けるための設計変更を回避して、設計変更に要するコストや作業時間を削減できる。

例えば、二本の配管に流れる再循環排気から生じた凝縮水は上流配管１０の傾斜により上流配管１０の上流開口端１１に向かって流れ落ちる。流れ落ちた凝縮水は偏心により水平となった偏心部１６、下流配管２０を通過する。このように、二本の配管に凝縮水が溜まる部位が無くなることで、一箇所に留まる凝縮水による腐食を回避することができる。

配管構造１は、内周が外周に対し偏心することで二つの配管のＺ方向上方の管厚が薄くなるが、その外周部分に配置されたフランジにより管厚が薄くなったことで低下する強度を補うことができる。それ故、内周を外周に対して偏心させても耐久性が低下することはない。

配管構造１は、上流配管１０が偏心部１６を有し、下流配管２０の全域が偏心部で構成され、上流配管１０が一致部１７から偏心部１６を経由して上流開口端１１に至るまで開口断面積が一定に保持され、下流配管２０が下流開口端２１に至るまでの開口断面積が一定に保持される。このように、配管構造１は内周を外周に対して偏心させても二本の配管の内部を流通する流体の流れを阻害しない構成であることが望ましい。

配管構造１は、二本の配管の各々が各々の開口端に向かってＺ方向下方に傾斜した場合に、各々の偏心部の内周面の下端が水平となることが望ましい。さらに、配管構造１は、二本の配管が図示しないエンジンに組み付けられ、かつ、そのエンジンが車両に搭載された状態で、各々の偏心部の内周面の下端が水平となることが望ましい。例えば、図１において、車両に搭載された状態で、Ｘ方向右側が左側に対して下方に傾くようなエンジン搭載角の場合は、中心Ｐ１がより中心Ｐ２から遠ざかり、かつ、上流配管１０の偏心部１６と一致部１７の境界１５がＸ方向右側に遠ざかり、偏心部１６の軸方向の長さが延びる。このように、配管構造１の中心Ｐ１の中心Ｐ２からの偏心は配管構造１が組み付けられて使用される状態で、各々の偏心部の内周面の下端が水平となることが望ましい。

配管構造１は、二本の配管の各々が各々の開口端に向かってＺ方向下方に傾斜した場合に、開口端における中心Ｐ１が中心Ｐ２に対してＺ方向上方にずれて偏心する。本開示の配管構造１は中心Ｐ１が中心Ｐ２に対してずれる方向は、二本の配管の連結に応じて適宜、変更してもよい。例えば、二本の配管の各々が各々の開口端に向かってＹ方向一方に傾斜した場合に、開口端における中心Ｐ１が中心Ｐ２に対してＹ方向他方にずれて偏心してもよい。二本の配管の連結したときの二本の配管のなす角が大きい場合に、二本の配管の内部を流通する流体の流れが連結部で急激に変化し、不要な配管抵抗が作用したり、渦流が生じたりすることで流体の流れを阻害する場合がある。本開示の配管構造１によれば、二本の配管がＶ字に連結されても、開口端における中心Ｐ１が中心Ｐ２に対してずれて偏心することで、流体の流れの急激な変化を緩和することが可能となり、流体の流れが阻害されることを抑制することができる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示の配管構造１０は特定の実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

配管構造１は、フランジにより管厚が薄くなったことで低下する強度を補うことが可能な範囲で、かつ、フランジに覆われていない部分の強度が十分である場合に以下のような変形が可能である。また、フランジに覆われていない部分に配管を壁面に組み付けるためのボス部が形成される場合にそのボス部により強度を補うことが可能な場合もある。

図４に例示するように、配管構造１は、上流配管１０における開口断面積よりも下流配管２０における開口断面積が広い場合に、偏心部１６における開口断面積を変化させる構成にしてもよい。上流開口端１１に向かって、偏心部１６の開口断面積は上流配管１０における開口断面積から下流配管２０における開口断面積に向かって徐々に広がる。これにより、上流配管１０と下流配管２０との管径が異なる場合でも、上流配管１０と下流配管２０との間に共通摺合せ連結管などの異径を組み合わせた継ぎ手管を介さずに直に連結可能となる。なお、この変形例では偏心部１６における上流内周１３の径のみを上流開口端１１に向かって徐々に拡大する構成を例示したが、上流内周１３の径の拡大に合わせて、偏心部１６における上流外周１４の径も上流開口端１１に向かって徐々に拡大する構成としてもよい。

図５に例示するように、配管構造１は、中心Ｐ１がより中心Ｐ２から遠ざかるように偏心し、二本の配管の各々の偏心部の内周面の下端が再循環排気の流れる方向に向かって下方に傾斜する構成にしてもよい。上流配管１０の偏心部１６と一致部１７との境界１５はＸ方向右側にずれた位置となり、上流フランジ１２に覆われていない部分に配置される。上流配管１０から下流配管２０に向かって、配管の内部には下り勾配のみが存在することになり、凝縮水が中途位置で止まることなく流れることになる。なお、この変形例は、図１において、車両に搭載された状態で、Ｘ方向右側が左側に対して下方に傾くようなエンジン搭載角の場合に対処可能な構造でもある。

本開示の配管構造１０は、二本の配管が排気再循環通路の一部を構成する配管に限定されずに、二本の配管の内部が腐食する要因となる流体が流れる配管に適用することが可能である。例えば、そのような配管としてはエキゾーストマニホールド、排気浄化システムの配管が例示される。なお、配管構造１０は車両に搭載されるものに限定されるものではなく、二本の配管がＶ字に連結する構造であれば適用可能である。

配管構造１０を構成する二本の配管の各々は管厚が異なるものでもよく、円管以外の形状の配管でもよい。

１配管構造
１０上流配管
１１上流開口端
１２上流フランジ
１３上流内周
１４上流外周
２０下流配管
２１下流開口端
２２下流フランジ
２３下流内周
２４下流外周
Ｐ１開口端における内周の中心
Ｐ２開口端における外周の中心

Claims

端部にその外周面から管径方向外側に張り出したフランジを有する二本の配管が、各々の前記フランジどうしが締結されてＶ字に連結する配管構造において、前記二本の配管は、連結される開口端における内周の中心が外周の中心から前記二本の配管のそれぞれの外周面の連なりが管径方向外側から内側に向かって凹む部位に向かう方向にずれて偏心し、前記内周の軸線が前記外周の軸線に対して傾いた偏心部を有し、前記二本の配管の各々の前記偏心部における前記内周の軸線どうしが一致し、かつ、各々の前記偏心部における内周面の下端どうしが直線状になることを特徴とする配管構造。
対象物に組み付けられた状態で、前記二本の配管の各々は前記開口端に向かって鉛直下方向に傾斜し、前記向かう方向は鉛直上方向である請求項１に記載の配管構造。
各々の前記偏心部における内周面の下端が水平となる請求項１または２に記載の配管構造。