JP2008032106A

JP2008032106A - 管継手用メタルパッキン

Info

Publication number: JP2008032106A
Application number: JP2006205978A
Authority: JP
Inventors: Satoru Koyanagi; 悟小柳; Yumiko Otsu; 由美子大津
Original assignee: TOKI ENGINEERING KK
Current assignee: TOKI ENGINEERING KK
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】管継手に使用するための耐久性に優れたメタルパッキンを提供する。
【解決手段】円形リング状のパッキンであって、その円形リングの中心軸Ｘとパッキン表面の法線との成す角度αが４５±８°となるテーパー部を有し、テーパー部は、中心軸Ｘを含む平面で切断したパッキンの断面において、前記テーパー部の表面からの距離ｄが０.２ｍｍの位置で測定されるテーパー部表面硬さが２００〜５５０ＨＶとなる管継手用メタルパッキンである。このメタルパッキンは、オーステナイト系ステンレス鋼等の板状素材をプレス成形する工程を経て形成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、管の端部同士を接合する管継手において、その継手部分をシール（密封）するために使用される金属製のパッキンであって、特に食品や化粧品等の流動物、流体物を流す配管のように、継手の着脱を相対的頻繁に行って洗浄、清掃等のメンテナンスを実施する必要のある配管の継手に好適なパッキンに関するものである。

管の端部同士を接合する配管用継手として、フランジ継手が広く使用されている。フランジ継手は、端部にフランジを設けた双方の管を、当該フランジ同士の間に接合力を付与することにより接合しているものである。接合力の付与手段としては双方のフランジに複数のボルトを通してナット止めする方法の他、接合バンドで固定する方法が一般的である（特許文献１参照）。

継手においては内部からの流体の漏洩や外部からの異物混入を防止するため、シール性を確保する手段を設ける必要がある。一般的にはゴム等の弾性体を双方の管端間に介在させてシールする手法が最も簡便な方法として広く普及している。

ゴムパッキンは継手において重要な役割を果たしているが、それ自体強度が弱く、劣化しやすい部品である。食品工業をはじめ、特に衛生環境の管理が重視される工業分野では、このゴムパッキンの劣化や汚染は重大なトラブルを引き起こす要因になりやすい。例えば、管継手の劣化したゴムパッキン部分から食品中へゴム、金属などの異物が混入するトラブル、ゴムパッキンに商品の臭いが付着して次の商品に臭いが混じるというトラブル、劣化したゴムパッキンの切れ端が食品中に混入するトラブルなどが生じやすい。

このような問題を解消するために、パッキンを使用せずに配管の継手を構築する技術がすでに実用化されている。この技術は、接合する一方の管の端部にテーパーを設け、そのテーパー部に他方の管の端部を押し当てる構造とすることによって、両者が金属同士の線接触によって密封されるようにしたものである。

このような管継手の構造により、パッキンを使用せずに優れたシール性が実現されるが、継手の分解および再組み立てを繰り返し行うような場合には、一方の管端部に設けたテーパー部に傷が付きやすいという問題がある。それによって十分なシール性が確保できなくなった場合には、管自体を交換しなければならない。そこで、双方の管端部の間にメタルパッキンを介装させる手法がコスト的に有利となる。金属同士の線接触による密封状態が実現される構造のメタルパッキンを使用した継手も開示されている（特許文献１参照）。何回かの着脱作業を経てテーパー部分が劣化した場合は、メタルパッキンを交換することで対応できる。

継手部分にテーパ面相互を面接し、ネジで押付けることによって気密性を高める考案がなされている（特許文献４，５参照）。しかしながら何れもパッキングを介在したためその老化による変形漏出が避けられず、かつ機構が複雑化した。
本発明者は、先にパッキンを使用せずに、ステンレススチールのパイプ間の接合をステンレス鋼のパッキンによって接合する方法を提案している。（特許文献３参照）

ＷＯ２００４／１０９１７４号特許第３３８６７５０号公報特開２００４−２２５９１７号公報実公平３−１５８９７号公報特開平１１−２３０４３６号公報

上記のように、金属同士の線接触によってシール性を確保するタイプのメタルパッキンは、従来のゴムパッキンで問題になっていた種々のトラブルを回避するうえで極めて有利なものである。しかしながら、継手の取替えなどの着脱作業を繰り返し行うと、テーパー部分が損傷を受けやすく、短期に寿命が尽きてしまうことがある。その対策として高強度合金を使用することはあるが、コストアップを伴って好ましくない。

本発明は、金属同士の線接触によってシール性を確保するタイプのメタルパッキンにおいて、大きなコストは上昇を伴わずに、耐久性を向上させたものを開発し提供しようというものである。

発明者らは詳細な検討の結果、上記目的は、プレス加工による加工硬化を利用してメタルパッキンのテーパー部分の材質（オーステナイト系ステンレス鋼）による表面硬さをコントロールすることによって達成できることを見出した。
本発明では、管継手のシールに使用する円形リング状のパッキンであって、その円形リングの中心軸Ｘとパッキン表面の法線との成す角度αが３７〜５３°（４５±８°）となるテーパー部を有し、前記テーパー部は、中心軸Ｘを含む平面で切断したパッキンの断面において、前記テーパー部の表面からの距離ｄが０.２ｍｍの位置で測定されるテーパー部表面硬さが連続して２００〜５５０ＨＶとなり、その長さが０.８ｍｍ以上の部分を有する管継手用メタルパッキンが提供される。このメタルパッキンは、ステンレス鋼などの耐食材料からなる板状素材をプレス成形する工程を経て形成することができる。
円形パッキンは板状素材をプレス成形することによって形成された管継手用メタルパッキンであって、前記円形パッキンはステンレス鋼からなり、とくにオーステナイト系ステンレス鋼からなるものである。管継手用メタルパッキンとしてのオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｍｏを４.０〜０．５重量％の範囲で含有するステンレス鋼である。

本発明のメタルパッキンは管の端部と金属同士の線接触による密封構造を形成するためのテーパー部が強化されており、継手の着脱を繰り返した場合にも高いシール性が長期にわたって維持される。素材として、食品工業、化粧工業などで実績の高いオーステナイト系ステンレス鋼が使用でき、Ｆｅの溶出を抑えた表面処理を施すこともできる。また、このメタルパッキンはプレス成形により製造できる。プレスによってパッキンの成形とシール面の強化が同時に実現できるので、切削加工後に特殊な表面硬化処理を施す場合に比べて、生産性の向上によるコスト低減が期待できる。

下記に関連するメタルパッキンについて実施例を持って示す

図１はリング状メタルパッキンの全体図である。図３（ａ）は継手全体の断面図、（ｂ）は管とメタルパッキンの接合部近傍の拡大断面図である。双方の管１および１’は長手方向に垂直な断面が円形であり、端部にそれぞれフランジ３、３’を有しており、その端部の端面１１、１１’には環状角（かど）部１２、１２’が形成されている。管１と１’の間にはリング状のメタルパッキン１０が介装されている。メタルパッキン１０にはテーパー部１３、１３’が形成されており、テーパー部１３、１３’はその法線Ｎ、Ｎ’が当該リング状メタルパッキン１０の中心軸Ｘと角度αで交わる方向に向いている。ここでαは中心軸Ｘと法線Ｎ（またはＮ’）とのなす角度のうち、０〜９０°の範囲にある値で表される。図３（ｂ）において直線Ｌは中心軸Ｘ（図３（ａ））に平行な直線である。この図ではメタルパッキン１０の両面にテーパー部（１３、１３’）が形成されており、両面での前記αが同一の角度である場合が例示されているが、両面での角度αは後述の適正範囲内にある限り必ずしも同一である必要はない。

管１、１’とメタルパッキン１０は、環状角部１２、１２’がテーパー部１３、１３’に当接してメタルの線接触の接合形態で接合されている。その接合力を付与するための手段として、図示のものは特許文献１に開示されているような結束バンド５による接合手段が採用されている。接合バンド５に替えて、管１、１’のフランジ同士をボルト・ナットにより接合する手段を採用することもできる。これらの接合手段により接合力が付与されると、環状角部１２、１２’とテーパー部１３、１３’は共に中心軸Ｘを中心に持つ円周上で線接触により密着し、シール性が確保される。

図４に、別の態様（２）のメタルパッキンを示す。メタルパッキン１０のテーパー部１３、１３’の表面（法線Ｎ、Ｎ’の方向）が中心軸Ｘに対して外側に向いている場合の継手の断面構造を例示する。この場合も、中心軸Ｘと法線Ｎ（またはＮ’）とのなす角度αは０〜９０°の範囲の値で表される。管１、１’の端面１１、１１’に形成されている環状角部１２、１２’がメタルパッキン１０のテーパー部１３、１３’に当接して、線接触の接合形態が実現され、シール性が確保される。この原理は図２の場合と同様である。

中心軸Ｘとテーパー部の法線のなす角度αは４５°に近い角度である。具体的には、図２に示したような従来の継手の締結に使用されている接合バンドを用いて得られる接合力で上記の線接触によるシール性を安定して確保するためには、αは４５±８°の範囲とすることが好ましい。αがこの範囲を外れると、従来ゴムパッキンを使用していた継手の代替用途として十分な信頼性を確保することが難しい場合がある。

図５に、前記中心軸Ｘを含む平面で切断したメタルパッキン断面の一例を模式的に拡大して表示する。テーパー部表面の硬さを測定するには、メタルパッキンのテーパー部に直接硬度計のコーンを押下する手法が最も単純であるが、テーパー部の表面に垂直にコーンが押下されるようにメタルパッキンを硬度計にセットすることは必ずしも容易ではなく、僅かな角度のずれが大きな測定誤差を生む要因になりうる。
発明者らは種々検討の結果、テーパー部の表面硬さをできるだけ簡便かつ正確に評価する方法として、図５に示されるような断面において、テーパー部近傍の硬さを例えばマイクロビッカース硬度計を用いて測定する手法が採用できる。中心軸Ｘを含む平面で切断したメタルパッキン１０の断面において、テーパー部表面２１、２１’からの距離ｄが０.２ｍｍである位置の硬さをテーパー部表面２１、２１’に沿って測定する。その測定間隔は０.２ｍｍ以下とすることが望ましい。このようなテーパー部硬さ測定位置２２、２２’における各測定値を、その測定点に最も近いテーパー部表面におけるテーパー部表面硬さである。

実施例１−３から表１の結果、テーパー部のうち、管と線接触する部分の硬さは、テーパー部表面硬さの値が２００〜５５０ＨＶの範囲であることが望ましい。２００ＨＶ程度にすることにより、継手の着脱作業を繰り返し行った際に傷が付きにくくなり、優れた耐久性が付与される。２５０ＨＶ〜５５０ＨＶの範囲ですることがより信頼性を向上させるうえで一層好ましい。ただし、あまり硬すぎると、管の環状角部の変形が生じやすく、着脱回数が少ないうちに線接触によるシール性が確保できなくなる恐れがある。
管と線接触する部分のテーパー部表面硬さは５５０ＨＶ以下に抑えることが必要であり、４３０ＨＶ以下程度に抑えることが好ましい。

テーパー部には、テーパー部表面硬さが連続して２００〜５５０ＨＶの範囲となる部分が少なくとも０.８ｍｍ以上の長さで備わっていることが望ましい。２５０〜４３０ＨＶの範囲となる部分が０.８ｍｍ以上の長さで備わっていることが一層好ましい。このような所定硬度に調整された部分の長さが０.８ｍｍ未満だと、管継手の着脱作業において所定硬度を外れるテーパー部分に管の環状角部がぶつかり、線接触による接合部のすぐ近傍に損傷を受けやすくなる。シール性に悪影響を及ぼす。また、寸法精度上、所定硬度の領域内で正しく線接触が実現されない。
図５にはテーパー部表面硬さ測定位置２２、２２’の中で、所定硬度の測定値が得られた箇所を模式的に黒塗りでプロットした。この場合、所定のテーパー部表面硬さを連続して呈する部分２４、２４’の長さが０.８ｍｍ以上確保されていれば良い。テーパー長さ２３、２３’の全域について前記所定のテーパー部表面硬さが実現されている。

メタルパッキンの素材は、種々の耐食材料が採用できるが、食品工業での用途を考慮すると、ステンレス鋼を使用することが望ましい。中でも加工性や耐食性に優れ、既に食品工業における配管材料として広く実績のあるオーステナイト系ステンレス鋼が好適に採用できる。
メタルパッキンは金属の板状素材をプレス成形する工程を経て製造される。金属素材としてオーステナイトステンレス鋼を使用する場合は、一般的な製造プロセスで製造されたステンレス冷延焼鈍鋼板を使用される。

ステンレス鋼素材を使用する場合、所定の最終形状に加工した後、そのままメタルパッキンとして使用しても多くの用途においては差し支えない。しかし、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等の汎用鋼種は、炭酸飲料、アルコール飲料、流動性食品原料等に接触する環境に曝されると、不動態皮膜から微量のＦｅイオンが溶出し、品質に影響を及ぼすことがある。

板状素材として市販のＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１５Ｊ２の種々の板厚の冷延焼鈍鋼板（２Ｄ仕上げ材）を使用できる。図３に示すタイプ（テーパー部の表面が中心軸側を向いているタイプ、表１において形状タイプ「Ｉ」と表示）の円形メタルパッキンを採用した。また、ＳＵＳ３１５Ｊ２については図４に示すタイプ（テーパー部の表面が中心軸に対して外側を向いているタイプ、表１において形状タイプ「ＩＩ」と表示）のメタルパッキンについても１例を示した。図３または図４に示す角度α（ここではテーパー角と呼ぶ）は、４５±１３°（３７〜４５°）の範囲で２段階に変化させた。
図５の２３に相当するテーパー長さは０.８ｍｍを超えた長さとなっている。各板状素材を多段階のプレス成形に供した。

同一素材を用いた同一加工率のメタルパッキンを１ロットとして、各ロットとも約１００個のメタルパッキンを使用した。そして、以下のようにテーパー部表面硬さの調査および耐久性試験を実施した。
〔テーパー部表面硬さの調査〕

同一ロットの製品から無作為に１０個のメタルパッキンを抜き出し、リングの中心軸Ｘを含む平面で切断した断面が観察できる試料を各メタルパッキンサンプルから１個ずつ作製した（ｎ＝１０）。各試料について図５のテーパー部表面硬さ測定位置２２、２２’に相当する位置の硬さをマイクロビッカース硬度計により測定した。テーパー部表面からの距離ｄ＝０.２ｍｍとし、測定点の間隔は約０.１５〜０.２ｍｍとした。個々の試料のテーパー部表面硬さ測定位置２２における測定値の最大値および最小値、並びに２２’における測定値の最大値および最小値を求め、ｎ＝１０全ての試料についての最大値の平均値（合計２０個の数値の平均）および最小値の平均値（合計２０個の数値の平均）を算出して、これらの値を当該ロットにおけるテーパー部表面硬さの「平均最大値」および「平均最小値」とした。また、個々の試料において図５の２４、２４’に相当する所定のテーパー部表面硬さを連続して呈する部分の長さを、２００〜５５０ＨＶの範囲について求めた。そして、
〔耐久性試験〕

同一ロットの製品から無作為にさらに１０個のメタルパッキンを抜き出し、図３または図４に示されるものと類似構造の継手を構築した場合、何回目の使用までシール性が確保されるかを調べた。組み合わせる管は、メタルパッキンと同じ鋼種からなる内径３０ｍｍのものである。この接合バンドはゴムパッキンを用いた従来の継手（図２参照）に使用されている市販品である。接合後、管内部に封入した水に２５ｋｇ／ｃｍ^２の静水圧を付与し、継手部分から漏水（軽微な浸み出しを含む）が認められるか否かでシール性を判定した。漏水が認められなかった場合は、一旦継手を分解した後、再度同じ管とメタルパッキンの組み合わせで継手を構築し、上記の方法で静水圧を付与して漏水の有無を観察した。このような操作を繰り返し、漏水が生じた締結回数を調べた。ｎ＝１０の試験のうち、最も早期に漏水が生じたものの結果をそのロットの成績として採用し、以下の基準で耐久性を評価した。
〔耐久性評価基準〕

× ：２〜２０回目の接合で漏水が認められる。
◎ ：５０回目でも漏水が認められない。

結果を表１に示す。

表１からわかるように、テーパー角αを４５±８°（３７〜５３°）とし、かつテーパー部表面硬さが２００〜５５０ＨＶである部分の長さを０.８ｍｍ以上確保した本発明のメタルパッキンは、耐久性に優れることが確認された。

Ｎｏ.１はテーパー部表面硬さが２００〜５５０ＨＶである部分の長さを０.８ｍｍ以上確保していないため、耐久性に劣った。

リング状メタルパッキンの構造を例示した図。従来一般的な管継手の断面構造を模式的に例示した図。本発明のメタルガスケットを使用した管継手の断面構造を模式的に例示した図。本発明のメタルガスケットを使用した管継手の断面構造を模式的に例示した図。中心軸Ｘを含む平面で切断したメタルパッキン断面の一例を模式的に拡大表示した図。

符号の説明

１、１’ 管
２、２’ 環状溝
３、３’ フランジ
４ゴムパッキン
５締結バンド
１０メタルパッキン
１１、１１’ 端面
１２、１２’ 環状角（かど）部
１３、１３’ テーパー部
２１、２１’ テーパー部表面
２２、２２’ テーパー部硬さ測定位置
２３、２３’ テーパー長さ
２４、２４’ 所定のテーパー部表面硬さを連続して呈する部分

Claims

管継手のシール部分に使用する円形リング状のパッキンであって、その円形リングの中心軸Ｘとパッキン表面の法線とのなす角度αが４５±８°となるテーパー部を有し、前記テーパー部は、中心軸Ｘを含む平面で切断したパッキンの断面において、テーパー部の表面硬さがテーパー部表面からの距離０.２ｍｍの位置で２００〜５５０ＨＶであることを特徴とする管継手用メタルパッキン。
請求項１において、前記パッキンの板状素材をプレス成形することによって形成されることを特徴とする管継手用メタルパッキン。
請求項１において、円形リング状のパッキンはオーステナイト系ステンレス鋼からなっていることを特徴とする管継手用メタルパッキン。