KR20190018509A - 파이프 조인트 - Google Patents

Abstract

초고압 조건하에서 사용하기 위한 파이프 조인트로서, 조인트의 직경이 상대적으로 커지지 않는 파이프 조인트를 제공한다. 서로 연통하는 유체 통로를 갖고 있는 제1 및 제2 조인트 부재와, 제1 및 제2 조인트 부재의 맞댐 단부면 사이에 개재되는 개스킷을 포함하고, 제1 및 제2 조인트 부재의 맞댐 단부면에는 고리형의 시일 돌기가 형성되어 있는 파이프 조인트에 있어서, 제1 및 제2 조인트 부재의 내경을 D₁, 개스킷의 내경을 D₂, 시일 돌기의 직경을 D₃, 개스킷의 외경을 D₄로 했을 때에, 식(1)로 규정되는 계수 F가 0.4 이하인 것을 특징으로 한다.
식(1) : F=(D₃ ²-D₁ ²)/(D₄ ²-D₂ ²)

Description

파이프 조인트

본 발명은, 파이프 조인트에 관한 것으로, 특히 개스킷을 소성 변형시켜 면 시일을 행하는 파이프 조인트에 관한 것이다.

특허문헌 1에는, 개스킷을 소성 변형시켜 면 시일을 행하는 파이프 조인트로서, 서로 연통하는 유체 통로를 갖고 있는 파이프형의 제1 조인트 부재 및 파이프형의 제2 조인트 부재와, 제1 조인트 부재의 우단부면과 제2 조인트 부재의 좌단부면 사이에 개재되는 원환형 개스킷과, 원환형 개스킷을 유지하고 또한 제1 조인트 부재에 유지되는 리테이너를 구비하고 있고, 제2 조인트 부재측으로부터 제1 조인트 부재에 끼워진 너트에 의해, 제2 조인트 부재가 제1 조인트 부재에 고정되어 있는 것이 알려져 있다.

이러한 형태의 조인트에 관해서는, 시일 성능의 높이 때문에 주로 반도체 제조 장치 분야에서 실적을 올려 왔다.

한편, 최근 연료 전지 자동차 분야의 발전에 따라 초고압 수소의 공급에 이용하기 위한 조인트의 요구가 있고, 여러가지 형태의 조인트에 관해 검토가 행해지고 있다.

이러한 기술 분야에서 요구되는 내초고압 성능은, 일반적으로는 100 MPa 이상의 압력에 견딜 수 있는 것이며, 또한 고압 가스 보안법에서, 사용 압력의 1.25배의 내압 시험에 합격해야 하는 것이 정해져 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 제3876351호 공보

상기 종래의 파이프 조인트를 초고압 조건하에서 사용하는 경우, 누설의 발생이 문제가 된다.

본 발명의 목적은, 초고압 조건하에서의 사용에 적합한 파이프 조인트를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 서로 연통하는 유체 통로를 갖고 있는 제1 및 제2 조인트 부재와, 제1 및 제2 조인트 부재의 맞댐 단부면 사이에 개재되는 개스킷을 포함하고, 제1 및 제2 조인트 부재의 맞댐 단부면에는 고리형의 시일 돌기가 형성되어 있는 파이프 조인트에 있어서, 제1 및 제2 조인트 부재의 내경을 D₁, 개스킷의 내경을 D₂, 시일 돌기의 직경을 D₃, 개스킷의 외경을 D₄로 했을 때에, 하기 식(1)로 규정되는 계수 F가 0.4 이하인 것을 특징으로 한다.

식(1) : F=(D₃ ²-D₁ ²)/(D₄ ²-D₂ ²)

본 발명자는, 제1 및 제2 조인트 부재 내부의 유체 통로에 초고압의 유체를 흐르게 한 조건에서 유한 요소 해석을 하여, 개스킷의 변형이 누설의 발생에 영향을 미치는 것을 발견했다. 또한 D₁∼D₄를 조합한 지표가 어떤 일정한 값 이하가 되는 것이 유리한 효과를 가져오는 것을 발견하여, 본 발명을 만들어 낼 수 있었다.

파이프 조인트의 내압 성능은, 개스킷의 변형량과 조인트 부재의 변형량이 관계하고 있는 것으로 추정된다.

우선, 개스킷의 변형량은, 개스킷의 강성에 의존한다고 추정된다. 개스킷의 강성이 높으면 내압에 의한 개스킷의 변형량이 작아지기 때문이다. 원통관의 내벽에서 항복이 시작될 때의 내압 P₁은, 개스킷의 두께가 일정하다고 생각하면, 원통관의 강성에 비례하기 때문에 (D₄ ²-D₂ ²)에 비례한다고 추정된다.

또한, 조인트 부재의 변형량은, 내압이 조인트 부재의 맞댐 단부면에 가해지는 것이 원인이 되어 생기기 때문에, 고압 유체로부터의 압력이 가해지는 시일 돌기의 직경 D₃ 및 제1 및 제2 조인트 부재의 내경 D₁으로 둘러싸인 원환의 면적에 반비례한다고 추정되고, 제1 및 제2 조인트 부재의 맞댐 단부면에서 항복이 시작될 때의 내압 P₂는 (D₃ ²-D₁ ²)에 반비례한다고 추정된다.

따라서, 개스킷의 변형과 조인트 부재의 변형은 동시에 발생하기 때문에, 개스킷의 내압 성능은, 계수 F=(D₃ ²-D₁ ²)/(D₄ ²-D₂ ²)에 부의 상관으로 비례한다고 추정되고, 실제로 유한 요소법에 의해, F는 0.4 이하인 것이 바람직하다고 밝혀졌다.

또, D₁은, 흘리는 고압 유체의 압력이나 유량에 의해 현실적 제한을 받고, D₄는, 파이프 조인트의 물리적 크기의 점에서 현실적 제한을 받기 때문에, 이러한 현실적 제한으로부터, 계수 F의 하한은, 현실적으로는 일정한 값 이하로 할 수는 없다.

제1 및 제2 조인트 부재의 내경 D₁, 개스킷의 내경 D₂, 시일 돌기의 직경 D₃ 및 개스킷의 외경 D₄를 조정함으로써, 초고압 사양에 적용 가능한 파이프 조인트를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 파이프 조인트의 일실시형태를 나타내는 종단면도이다.
도 2는 도 1의 파이프 조인트에 내압을 가했을 때의 응력ㆍ왜곡을 시뮬레이션하기 위한 모델의 개략도이다.
도 3은 개스킷이 빠지기 시작하는 압력 P와 계수 F의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 개스킷과 조인트 부재의 밀착성이 없어질 때의 압력 P와 계수 F의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 개스킷과 조인트 부재의 밀착성이 없어질 때의 개스킷의 변위와 계수 F의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명이 바람직한 실시예를 예시적으로 자세히 설명한다. 단, 이 실시예에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것에 한정한다는 취지가 아니며, 단순한 설명예에 불과하다.

파이프 조인트는, 서로 연통하는 유체 통로를 갖고 있는 파이프형의 제1 조인트 부재(1) 및 파이프형의 제2 조인트 부재(2)와, 제1 조인트 부재(1)의 우단부면과 제2 조인트 부재(2)의 좌단부면 사이에 개재되는 원환형 개스킷(3)과, 원환형 개스킷(3)을 유지하고 또한 제1 조인트 부재(1)에 유지되는 리테이너(5)를 구비하고 있고, 제2 조인트 부재(2)측으로부터 제1 조인트 부재(1)에 끼워진 너트(4)에 의해, 제2 조인트 부재(2)가 제1 조인트 부재(1)에 고정되어 있다. 각 조인트 부재(1)(2)의 맞댐 단부면의 반경 방향으로는, 원환형 시일 돌기(7)(8)가 각각 형성되고, 그 외주부에는, 고리형의 과도 체결방지 돌기(9)(10)가 각각 형성되어 있다.

개스킷(3)의 양 단부면은, 축방향에 대하여 직각인 평탄면으로 되어 있다. 개스킷(3)의 외주면에는, 외향 플랜지로 이루어진 빠짐 방지부(3b)가 설치되어 있다.

양 조인트 부재(1)(2) 및 개스킷(3)은, SUS316L제이다.

너트(4)의 우단부에는 내향 플랜지(11)가 형성되어 있고, 이 플랜지(11) 부분이 제2 조인트 부재(2)의 주위에 끼워져 있다. 너트(4)의 좌단부의 내주에는 암나사(12)가 형성되어 있고, 이것이 제1 조인트 부재(1)의 우측에 형성된 수나사(14)에 끼워져 있다. 제2 조인트 부재(2)의 좌단부 외주에는 외향 플랜지(13)가 형성되어 있고, 이것과 너트(4)의 내향 플랜지(11) 사이에 동시 회전 방지용의 스러스트 볼베어링(6)이 개재되어 있다.

각 과도 체결방지용 고리형 돌기(9)(10)는, 원환형 시일 돌기(7)(8)보다 좌우 방향 개스킷(3)측으로 돌출되어 있고, 적정한 체결보다 더 체결하고자 했을 때에, 리테이너(5)를 그 양면으로부터 압박하도록 되어 있다.

손으로 체결한 상태로부터 스패너 등에 의해 너트(4)를 더 체결해 가면, 과도 체결방지 돌기(9)(10)와 리테이너(5) 사이의 간극이 0이 되고, 체결에 대한 저항력이 매우 커져, 과도한 체결이 방지된다.

제1 조인트 부재(1)의 내주(1a), 제2 조인트 부재(2)의 내주(2a) 및 개스킷의 내주(3a)가 유체 통로를 형성하고 있다.

제1 및 제2 조인트 부재의 내경을 D₁, 개스킷의 내경을 D₂, 시일 돌기의 직경을 D₃ 및 개스킷의 외경을 D₄로 했을 때의 계수 F=(D₃ ²-D₁ ²)/(D₄ ²-D₂ ²)가, 0.4 이하인 것이 바람직하다. 또한 계수 F가 0.3 이하인 것이 보다 바람직하다.

여기서, D₃은, 원환형 시일 돌기(7)(8)의 최돌출 부분의 중앙점을 연결하는 직경이며, D₄는, 빠짐 방지부(3b)를 포함하지 않는 원환형 개스킷(3)의 외경이다.

계수 F가 0.4 이하가 되면 개스킷의 변형이 억제되는 경향이 나타난다. 계수 F가 0.3 이하가 되면 개스킷의 변형이 낮게 억제되기 때문에 더욱 바람직하다.

도 2는, 파이프 조인트에 내압을 가했을 때의 응력ㆍ왜곡을 시뮬레이션하기 위한 모델의 개략도이다. 제1 파이프 조인트(1)와 제2 파이프 조인트(2) 사이에 끼워진 개스킷(3)을 기본 구성으로 하여, 내주(1a)(2a)의 내경을 D₁, 내주(3a)의 내경을 D₂, 원환형 시일 돌기(7)(8)의 직경을 D₃ 및 개스킷(3)의 외경이자 빠짐 방지부(3b)가 아닌 외경을 D₄로서 해석했다.

(시험예 1)

부재의 재료를 스테인리스강으로 하여, 유한 요소 해석을 했다. 하기 표 [표1]에 D₁∼D₄의 값, 그 값일 때의 계수 F 및 개스킷(3)이 빠지기 시작할 때의 압력 P를 나타내고, 그 F와 P의 관계를 나타내는 그래프를 도 3에 나타낸다. 또, 파선은 근사 직선이다.

도 3을 보면, 계수 F와 개스킷이 빠지기 시작하는 압력 P의 관계는 선형 관계에 있는 것을 알 수 있고, 계수 F가 타당한 계수라는 것을 알 수 있다.

(시험예 2)

다음으로, 부재의 재료를 스테인레스로 하여 유한 요소 해석을 했다. 하기 표 [표 2]에 D₁∼D₄의 값, 그 값일 때의 계수 F 및 개스킷(3)-조인트 부재(1)(2) 사이의 밀착성이 없어질 때의 압력 P를 나타내고, 그 F와 P의 관계를 나타내는 그래프를 도 4에 나타낸다. 또, 파선은 근사 직선이다.

도 4를 보면, 개스킷과 조인트 부재의 밀착성이 없어지기 시작하는 압력을 해석하고 있기 때문에, 도 3에 비교해서 근사 직선의 기울기는 작아졌지만, 계수 F와 밀착성이 없어지기 시작하는 P의 관계는, 도 3과 마찬가지로 선형 관계가 매우 높게 유지되고 있고, 계수 F의 타당성을 이해할 수 있다.

(시험예 3)

다음으로, 시험예 2와 동일한 조건으로 유한 요소 해석을 했다. 하기 표 [표 3]에 D₁∼D₄의 값, 그 값일 때의 계수 F 및 개스킷(3)-조인트 부재(1)(2) 사이의 밀착성이 없어질 때의 개스킷의 내경 변위, 개스킷의 외경 변위 및 개스킷의 원환형 시일 돌기(7)(8)의 변위를 나타내고, 그 F와 변위의 관계를 나타내는 그래프를 도 5에 나타낸다. 또, 변위의 단위는 mm이다.

도 5에서, 개스킷 내경의 변위를 실선으로, 개스킷 외경의 변위를 긴 파선으로, 개스킷의 원환형 시일 돌기 위치의 변위를 작은 파선으로 나타내고 있다. 계수 F가 0.66∼0.52인 구간은 계수 F가 작아짐에 따라서 모든 변위가 커지고 있고, 계수 F가 0.52∼0.40인 구간은 계수 F에 상관없이 모든 변위가 거의 일정하며, 계수 F가 0.40∼0.27인 구간은 계수 F가 작아짐에 따라서 모든 변위가 작아지고 있고, 계수 F가 0.27 이하인 구간에서는 모든 변위가 가장 작아져 일정 상태를 유지하고 있다.

변위는 작으면 작을수록 내압 성능을 높이기에는 유리하기 때문에, 변위가 감소로 전환되는 0.4 이하의 계수 F인 것이 바람직하다. 또한, 변위가 가장 작고 일정하게 유지되는 0.3 이하의 계수 F인 것이 보다 바람직하다.

초고압 사양의 배관의 파이프 조인트에 관한 것으로, 컴팩트한 최적 형상의 파이프 조인트를 제공할 수 있다.

1 : 제1 조인트 부재
2 : 제2 조인트 부재
3 : 개스킷
7 : 원환형 시일 돌기
8 : 원환형 시일 돌기

Claims (1)

1. 서로 연통하는 유체 통로를 갖고 있는 제1 및 제2 조인트 부재와,
   상기 제1 및 제2 조인트 부재의 맞댐 단부면 사이에 개재되는 개스킷
   을 포함하고,
   상기 제1 및 제2 조인트 부재의 맞댐 단부면에는 고리형의 시일 돌기가 형성되어 있는 파이프 조인트에 있어서,
   상기 제1 및 제2 조인트 부재의 내경을 D₁, 상기 개스킷의 내경을 D₂, 상기 시일 돌기의 직경을 D₃, 상기 개스킷의 외경을 D₄로 했을 때에,
   하기 식(1)로 규정되는 계수 F가 0.4 이하인 것을 특징으로 하는 파이프 조인트.
   식(1) : F=(D₃ ²-D₁ ²)/(D₄ ²-D₂ ²)

Images