TW201809523A - 管接頭 - Google Patents

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Abstract

提供一種供使用在超高壓條件下，而接頭的口徑不會相對變大的管接頭。
一種管接頭，係具備：第1及第2接頭構件，具有互相連通的流體通路；及墊片，介裝於第1及第2接頭構件的對接端面間，而在第1及第2接頭構件的對接端面形成有環狀密封突起，其特徵為，將第1及第2接頭構件的內徑設為D1、墊片的內徑設為D2、密封突起的直徑設為D3、墊片的外徑設為D4時，以式(1)規定的係數F係在0.4以下，式(1)：F=(D3 2-D1 2)/(D4 2-D2 2)。

Description

管接頭
本發明係關於一種管接頭，特別是關於使墊片塑性變形俾進行面密封(surfaceseal)的管接頭。
專利文獻1中揭示的使墊片塑性變形俾進行面密封的管接頭已為眾所周知，其具備：管狀的第1接頭構件及管狀的第2接頭構件，具有互相連通的流體通路；圓環狀墊片，介裝於第1接頭構件的右端面及第2接頭構件的左端面之間；及保持件，保持圓環狀墊片，且被保持在第1接頭構件；而藉由從第2接頭構件側螺接嵌合於第1接頭構件的螺帽，使第2接頭構件固定於第1接頭構件。
有關此種形態的接頭，由於其高度的密封性能，主要在半導體製造裝置領域中已陸續有其實績。
另一方面，近年來，由於燃料電池汽車領域的發展，以使用於供給超高壓氫氣為目的的接頭乃需求甚殷，而有關各種形態的接頭也正在進行研討中。
在此等技術領域中所要求的耐超高壓性能，一般係指能承受100MPa以上的壓力，而且，在(日本)高壓氣體保安法中，亦規定必須通過使用壓力1.25倍的耐壓試驗。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 日本專利第3876351號公報
在超高壓條件下使用上述傳統管接頭的情況中，有發生滲漏(leak)的問題。
本發明之目的即為提供適合在超高壓條件下使用的管接頭。
本發明的管接頭係具備：第1及第2接頭構件，具有互相連通的流體通路；及墊片，介裝於第1及第2接頭構件的對接端面間，而在第1及第2接頭構件的對接端面形成有環狀的密封突起，其特徵為，將第1及第2接頭構件的內徑設為D1、墊片的內徑設為D2、密封突起的直徑設為D3、墊片的外徑設為D4時，下述式(1)所規定的係數F為0.4以下。
式(1)：F=(D3 2-D1 2)/((D4 2-D2 2)
本案發明人在超高壓流體流經第1及第2接頭構件內部的流體通路的條件上進行了有限元素分析，發現墊片變形會影響滲漏的發生。更進一步發現，D1至D4的組合指標在某一定值以下可帶來有利效果，終而研創完成本發明。
管接頭的耐壓性能可推定與墊片的變形量及接頭構件的變形量有關連。
首先，墊片的變形量可推定係取決於墊片的剛性。因為墊片的剛性越高，因內壓所導致的墊片變形量就越小。若將墊片厚度視為一定，則在圓筒管的內壁開始屈服變形時的內壓P1，係和圓筒管的剛性成比例，故可推定為和(D4 2-D2 2)成比例。
再者，接頭構件的變形係以內壓作用在接頭構件的對接端面為原因所產生者，故可推定接頭構件的變形量係和承受來自高壓流體之壓力的密封突起的直徑D3以及第1及第2接頭構件的內徑D1所挾持的圓環面積成反比，而第1及第2接頭構件的對接端面開始屈服變形時的內壓P2則可推定係和(D3 2-D1 2)成反比。
因而，由於墊片的變形與接頭構件的變形係同時發生，故可推定墊片的耐壓性能和係數F=(D3 2-D1 2)/(D4 2-D2 2)係以負向關係成比例，實際上藉由有限元素分析法(finite element method)，發現F以0.4以下為佳。
另外，D1會因流通的高壓流體壓力或流量而受到現實上的限制，D4則由於管接頭的物理性大小的因素而受到現實上的限制，由於該現實上的限制，係數F的下限在現實上無法設定為一定值以下。
藉由調整第1及第2接頭構件的內徑D1、墊片的內徑D2、密封突起的直徑D3及墊片的外徑D4，即可提供適用於超高壓規格的管接頭。
1‧‧‧第1接頭構件
1a‧‧‧第1接頭構件的內周
2‧‧‧第2接頭構件
2a‧‧‧第2接頭構件的內周
3‧‧‧墊片
3a‧‧‧墊片的內周
3b‧‧‧防脫部
4‧‧‧螺帽
5‧‧‧保持件
6‧‧‧球型軸承
7‧‧‧圓環狀密封突起
8‧‧‧圓環狀密封突起
9‧‧‧過度鎖緊防止突起
10‧‧‧過度鎖緊防止突起
11‧‧‧向內凸緣
12‧‧‧陰螺紋
13‧‧‧向外凸緣
14‧‧‧陽螺紋
圖1為本發明管接頭之一實施形態的縱剖面圖。
圖2為用以模擬對圖1的管接頭施加內壓時的應力-變形的模型概略圖。
圖3為墊片開始脫離時之壓力P與係數F之關係的曲線圖。
圖4為墊片與接頭構件的密接性消失時壓力P與係數F之關係的曲線圖。
圖5為墊片與接頭構件的密接性消失時墊片的位移與係數F之關係的曲線圖。
發明的實施形態
以下，參照附圖就本發明的實施例作例示性的詳細說明。但，該實施例所載的構成部件的尺寸、材質、形狀、及其相對性配置等，只要沒有特別作特定性記載，即沒有將本發明範圍限定在該記載條件的意思，而僅為單純的說明例。
管接頭具備：管狀的第1接頭構件(1)及管狀的第2接頭構件(2)，具有互相連通的流體通路；圓環狀墊片(3)，介裝於第1接頭構件(1)的右端面與第2接頭構件(2)的左端面之間；及保持件(5)，用以保持圓環狀墊片(3)，且被保持於第1接頭構件(1)，而藉由從第2接頭構件(2)側螺接嵌合於第1接頭構件(1)的螺帽(4)，使第2接頭構件(2)固定於第1接頭構件(1)。在各接頭構件(1)(2) 的對接端面的半徑方向分別形成有圓環狀密封突起(7)(8)，其外周部分別形成有環狀的過度鎖緊防止突起(9)(10)。
墊片(3)的兩端面係作成對軸方向成直角的平坦面。墊片(3)的外周面設有由向外凸緣構成的防脫部(3b)。
兩接頭構件(1)(2)及墊片(3)皆為SUS316L製。
螺帽(4)的右端部形成有向內凸緣(11)，該凸緣(11)的部分係嵌合於第2接頭構件(2)的周圍。螺帽(4)的左端部內周形成有陰螺紋(12)，該陰螺紋則螺接嵌合在形成於第1接頭構件(1)右側的陽螺紋(14)。第2接頭構件(2)的左端部外周形成有向外凸緣(13)，其與螺帽(4)的向內凸緣(11)之間介裝有防止同時轉動用的推力球型軸承(6)。
各過度鎖緊防止用環狀突起(9)(10)係較圓環狀密封突起(7)(8)更朝左右方向墊片(3)側突出，欲從適當鎖緊狀態更進一步鎖緊時，密封突起(7)(8)會從兩面推壓保持件(5)。
使用扳手等將螺帽(4)從手動鎖緊狀態再行鎖緊時，過度鎖緊防止突起(9)(10)與保持件(5)之間的間隙即成為0，對鎖緊的抵抗力會變得非常大，故可防止過度鎖緊。
第1接頭構件(1)的內周(1a)、第2接頭構件(2)的內周(2a)及墊片的內周(3a)係形成流體通路。
將第1及第2接頭構件的內徑設為D1、墊片的內徑設為D2、密封突起的直徑設為D3及墊片的外徑設為D4時，較佳為係數F=(D3 2-D1 2)/(D4 2-D2 2)為0.4以下。更進一步，係數F以0.3以下更佳。
此處，D3為連結圓環狀密封突起(7)(8)的最突出部分之中央點的直徑，D4為不包含防脫部(3b)之圓環狀墊片(3)的外徑。
係數F若在0.4以下，會產生墊片變形受到抑制的傾向。係數F若為0.3以下，則墊片的變形會抑制得很低，更為理想。
圖2為用以模擬對管接頭施加內壓時的應力-變形之模型的概略圖。其係以挾持在第1管接頭(1)與第2管接頭(2)間的墊片(3)為基本構成，將內周(1a)(2a)的內徑設為D1、內周(3a)的內徑設為D2、圓環狀密封突起(7)(8)的直徑設為D3、及屬於墊片(3)的外徑但非防脫部(3b)的外徑設為D4來進行分析。
(試驗例1)
構件的材料採用不銹鋼，進行有限要素分析。下表[表1]中顯示了D1至D4的值、該值時的係數F及墊片(3)開始脫離時的壓力P。表示該F與P之關係的曲線圖揭示於圖3。另外，虛線為近似直線。
觀察圖3即可知，係數F與墊片開始脫離的壓力P的關係為線性關係，係數F為妥適的係數。
(試驗例2)
接著，構件的材料採用不銹鋼，進行有限要素分析。下表[表2]中顯示了D1至D4的值、該值時的係數F及、及墊片(3)-接頭構件(1)(2)間的密接性消失時的壓力P，表示該F與P之關係的曲線圖則揭示於圖4。另外，虛線為近似直線。
觀察圖4，因本試驗例係對墊片與接頭構件的密接性開始消失的壓力進行分析，故和圖3相比，雖近似直線的傾斜度變小，但係數F與密接性開始消失的P的關係仍和圖3同樣保持非常高度的線性關係，故可瞭解係數F的妥適性。
(試驗例3)
其次，以和試驗例2相同的條件進行有限要素分析。下表[表3]中顯示了D1至D4的值、該值時的係數F、及墊片(3)-接頭構件(1)(2)間的密接性消失時的墊片的內徑位移、墊片的外徑位移、及墊片的圓環狀密封突起(7)(8)的位移，表示該F與位移之關係的曲線圖揭示於圖5。另外，位移的單位為mm。
圖5中，係以實線表示墊片內徑的位移，以長虛線表示墊片外徑的位移，墊片的圓環狀密封突起位置的位移則以細虛線表示。在係數F為0.66至0.52的區間，任一位移均隨著係數F減小而增大；在係數F為0.52至0.40的區間，任一位移不隨著係數F而變化，幾乎是一定；在係數F為0.40至0.27的區間，任一位移則隨著係數F減小而減小；在係數F為0.27以下的區間，任一位移則變為最小且保持一定狀態。
由於位移越小則對提高耐壓性能越有利，故以位移轉向減少的0.4以下係數F為佳。更進一步，位移最小且保持一定的0.3以下係數F更佳。
產業上的利用可能性
關於超高壓規格配管的管接頭，本發明可提供精簡(compact)的最佳形狀管接頭。
1‧‧‧第1接頭構件
1a‧‧‧第1接頭構件的內周
2‧‧‧第2接頭構件
2a‧‧‧第2接頭構件的內周
3‧‧‧墊片
3a‧‧‧墊片的內周
3b‧‧‧防脫部
4‧‧‧螺帽
5‧‧‧保持件
6‧‧‧球型軸承
7‧‧‧圓環狀密封突起
8‧‧‧圓環狀密封突起
9‧‧‧過度鎖緊防止突起
10‧‧‧過度鎖緊防止突起
11‧‧‧向內凸緣
12‧‧‧陰螺紋
13‧‧‧向外凸緣
14‧‧‧陽螺紋

Claims (1)

  1. 一種管接頭，係具備：第1及第2接頭構件，具有互相連通的流體通路；及墊片，介裝於前述第1及第2接頭構件的對接端面間，在前述第1及第2接頭構件的對接端面形成有環狀的密封突起，其特徵為，將前述第1及第2接頭構件的內徑設為D1、前述墊片的內徑設為D2、前述密封突起的直徑設為D3、前述墊片的外徑設為D4時，以下述式(1)規定的係數F係為0.4以下，式(1)：F=(D3 2-D1 2)/(D4 2-D2 2)。
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