JP2016014468A - High-pressure pipe joint and high-pressure valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高圧用配管継手に関し、例えば、水素等の超高圧流体が流れる水素ステーションの流路などにも適用可能な超高圧用の配管継手と高圧用バルブに関する。 The present invention relates to a high-pressure pipe joint, for example, a super-high pressure pipe joint and a high-pressure valve that can be applied to a flow path of a hydrogen station through which an ultra-high pressure fluid such as hydrogen flows.
近年、例えば、自動車用燃料電池の水素ステーションの供給インフラが普及しつつあり、この水素ステーションの配管設備では、約99MPaの超高圧に達する高圧水素が流れる場合もある。このため、高圧用配管継手には、この種の超高圧流体と呼ばれる高圧流体にも耐え得る性能を有していることが望まれている。 In recent years, for example, the supply infrastructure of a hydrogen station of an automobile fuel cell is becoming widespread, and high-pressure hydrogen that reaches an ultra-high pressure of about 99 MPa may flow in the piping equipment of this hydrogen station. For this reason, the high-pressure pipe joint is desired to have a performance that can withstand a high-pressure fluid called this type of super-high-pressure fluid.
高圧流体用の配管継手としては、例えば、特許文献1の管継手が開示されている。この管継手においては、一組の継手部材において、突合せ端面に断面半円形の環状突起がそれぞれ形成され、この突合せ端面の間に金属製ガスケットを介在させて、おねじ・めねじ部材をねじ込んでこれら突起の先端がガスケットの両面をそれぞれ押圧してシールするように設けられている。
特許文献2の管継手においては、両側の継手部材の各突合せ端面の内周部にガスケット押え用環状突起がそれぞれ形成されている。これらのガスケット押え用環状突起の断面形状は、円の約4分の1の扇形であり、これらの内周面を含む各継手部材の内周面は先端側に広がったテーパ面に形成されている。この管継手には、締過ぎ防止用環状突起がガスケット押え用環状突起よりも締付け方向に突出するように形成され、締付け時にガスケットを継手部材に保持するためのリテーナを両面側から押圧可能に設けられている。
図12においては、約99MPaの超高圧用の水素ステーションに使用される従来の管継手1を示している。この管継手1は、配管チューブ2の先端にシール用の凸状テーパ面3が形成され、配管チューブ2取付け用の雄ねじナット4の内周にはシール用のカラー5が装着可能に設けられ、被取付側である雌ねじボデー6の奥側には凸状テーパ面3が当接してシール可能な凹状テーパ面7が形成されている。この管継手において、雄ねじナット4の外周に形成された雄ねじ8と、雌ねじボデー6の内周に形成された雌ねじ9との螺合により、配管チューブ2が雄ねじナット4、カラー5を介して雌ねじボデー6に接続される。
As a pipe joint for high-pressure fluid, for example, a pipe joint disclosed in Patent Document 1 is disclosed. In this pipe joint, in one set of joint members, an annular projection having a semicircular cross section is formed on each butt end surface, and a metal gasket is interposed between the butt end surfaces to screw a male screw or a female screw member. The tips of these protrusions are provided so as to press and seal both sides of the gasket.
In the pipe joint of patent document 2, the annular protrusion for gasket pressing is formed in the inner peripheral part of each butt | matching end surface of the joint member of both sides, respectively. The cross-sectional shape of these gasket-pressing annular protrusions is a sector of about a quarter of a circle, and the inner peripheral surface of each joint member including these inner peripheral surfaces is formed into a tapered surface that spreads toward the tip side. Yes. This pipe joint is formed so that the over-tightening prevention annular protrusion protrudes in the tightening direction from the gasket-pressing annular protrusion, and a retainer for holding the gasket on the joint member during tightening is provided so that it can be pressed from both sides. It has been.
In FIG. 12, the conventional pipe joint 1 used for the hydrogen station for ultra-high pressures of about 99 MPa is shown. This pipe joint 1 has a convex
これらの配管継手を締付ける場合、その締付荷重は、JISB8266付属書3「圧力容器のボルト締めフランジ」により求められる。この場合、締付荷重としては、A.使用状態で必要なボルト荷重、B.ガスケット締付時に必要なボルト荷重があり、例えば、使用温度が常温と仮定すると、材料強度は同じであるために管継手の締付荷重を、これらのうちの、より大きい荷重以上で締付ける必要がある。
締付荷重のうち、A.使用状態で必要なボルト荷重Wm1は、内圧力によって加わる全荷重Hと、気密を十分に保つためにガスケットまたは継手接触面に加える圧縮力Hpとの和(Wml=H+Hp)によって表される。このとき、内圧力によって加わる全荷重H=π×G^2×P/4、気密を十分に保つためにガスケットまたは継手接触面に加える圧縮力Hp=2×π×b×G×m×Pで表され、P:内圧力、G:ガスケット反力円の直径、b:ガスケット座の基本幅、m:ガスケット係数であり、使用温度でのねじ材料強度:σbにより評価する。
一方、B.ガスケット締付時に必要なボルト荷重Wm2は、Wm2=π×b×G×yで表され、y:ガスケットの最小設計締付圧力であり、常温でのねじ材料強度:σaで評価する。
When these pipe joints are tightened, the tightening load is determined by
Among the tightening loads, A. The bolt load Wm1 required in use is expressed by the sum (Wml = H + Hp) of the total load H applied by the internal pressure and the compressive force Hp applied to the gasket or joint contact surface in order to maintain sufficient airtightness. At this time, the total load applied by the internal pressure H = π × G ^ 2 × P / 4, the compressive force Hp = 2 × π × b × G × m × P applied to the gasket or joint contact surface in order to maintain sufficient airtightness P: internal pressure, G: diameter of the gasket reaction force circle, b: basic width of the gasket seat, m: gasket coefficient, and thread material strength at operating temperature: σb.
On the other hand, B. The bolt load Wm2 required at the time of tightening the gasket is expressed by Wm2 = π × b × G × y, where y is the minimum design tightening pressure of the gasket and the thread material strength at normal temperature is evaluated by σa.
ところで、上述のようなガスケット挟着型の配管継手において、ガスケットの挟着位置にシール用の環状突起以外の突起物が設けられる場合がある。
例えば、特許文献3の配管継手では、ガスケットのシールに寄与するビードが継手部材のグランド端面に内輪として設けられ、このビードの外周側に外輪としてリムが設けられている。この場合、ビードがアーチ形、リムが略台形状にそれぞれ形成され、これらの間には環状の平らな区域が形成され、リムには切欠き状の凹みが形成されている。この配管継手においては、継手部材同士を締め込んだときに、ガスケットを区域やガスケットの凹みに入り込ませることで配管継手同士の円周方向の滑りや捩れを防止し、大きなトルクに対するガスケット及び継手部材の相対的な回転を防ごうとしている。
By the way, in the gasket-clamping type pipe joint as described above, there may be a case where a projection other than the annular projection for sealing is provided at the gasket clamping position.
For example, in the pipe joint of
特許文献4のチューブカップリングでは、継手部材に形成されたガスケットを挟着するための各ビードに加えて、ガスケット両面の継手部材の端面側には、突起が設けられている。
In the tube coupling of
前述した特許文献1の管継手を締付ける場合において、前記計算式における、A.使用状態で必要なボルト荷重Wm1ではガスケット反力円の直径Gを2乗していることから、このA.使用状態で必要なボルト荷重Wm1の計算値は、B.ガスケット締付時に必要なボルト荷重Wm2の値よりも相対的に大きくなる。これにより、管継手の締付荷重として、A.使用状態で必要なボルト荷重Wm1が必要になるが、この場合、ガスケット反力円の直径Gが配管内径に対して大きくなっていることから、締付荷重の絶対値が甚大になる。
そして、この締付荷重によって管継手のねじを締付けたときには、管継手のシール用のビード幅が狭く、締付時のストッパ機構もないため締付力が過大になり、この締付力によりガスケットやシール用ビードを構成する材料の許容面圧の限界を超え、これらガスケットやシール用ビードが大きく変形したり破断して面圧を確保することができないおそれが生じる。このため流体が漏れやすくなり、シール部の耐久性も悪くなるという問題もある。さらに、ガスケットが内径側にはみ出して流体に悪影響を及ぼす可能性もある。
In tightening the pipe joint of Patent Document 1 described above, A. The bolt load Wm1 required in use is squared by the diameter G of the gasket reaction force circle. The calculated bolt load Wm1 required in use is B. The bolt load Wm2 required at the time of tightening the gasket is relatively larger than the value. As a result, A. The required bolt load Wm1 is required in use, but in this case, the absolute value of the tightening load becomes large because the diameter G of the reaction force circle of the gasket is larger than the inner diameter of the pipe.
And when the pipe joint screw is tightened by this tightening load, the tightening force becomes excessive because the bead width for sealing the pipe joint is narrow and there is no stopper mechanism at the time of tightening. In addition, the allowable surface pressure limit of the material constituting the sealing bead may be exceeded, and the gasket or the sealing bead may be greatly deformed or broken to prevent the surface pressure from being secured. For this reason, there is a problem that the fluid easily leaks and the durability of the seal portion is deteriorated. Further, the gasket may protrude to the inner diameter side and adversely affect the fluid.
特許文献2の管継手の場合には、管の最内径側にシール用ビードが形成されつつ、ガスケット面及びスリーブのツバがストッパの役割を果たすため、B.ガスケット締付時に必要なボルト荷重Wm2以上の締付荷重で締付け過ぎた場合にも、これらガスケット面及びストッパのツバのストッパ機能によってシール用ビードやガスケットの異常な変形や破断は防がれる。しかし、その結果、A.使用状態で必要なボルト荷重Wm1よりも小さい荷重でシール用ビードを介してシールすることになり、このシール用ビード全体でガスケットを押圧しているため、ガスケットの部分的に押圧された部分にクリープ現象が生じることになる。この場合、クリープ現象による伸び変形によりガスケットに加えられている応力が緩和してシール面圧が低下し、漏れを生じやすくなるという問題がある。
さらに、このようなシール面圧を回復するためにナットを増し締めしようとしても、締め過ぎ防止用のツバが設けられていたり、突合せ端面の全面でガスケットを押圧していることで、十分な増し締めをおこなうことができない。
このような理由から、特許文献1や特許文献2の管継手は、例えば、26MPa程度の圧力流体、いわゆる中圧流体のシールが限界であり、99MPa程度の超高圧流体用の管継手として用いることには適していない。
In the case of the pipe joint of Patent Document 2, a sealing bead is formed on the innermost diameter side of the pipe, and the gasket surface and the flange of the sleeve serve as a stopper. Even when the bolt is over-tightened with a tightening load that is more than the bolt load Wm2 required for tightening the gasket, abnormal deformation and breakage of the sealing bead and the gasket can be prevented by the stopper function of the gasket surface and the flange of the stopper. However, as a result, A.I. Sealing is performed via the sealing bead with a load smaller than the bolt load Wm1 required in use, and the gasket is pressed by the entire sealing bead, so creeping is applied to the partially pressed portion of the gasket. A phenomenon will occur. In this case, there is a problem that stress applied to the gasket is relaxed due to elongation deformation due to a creep phenomenon, the seal surface pressure is lowered, and leakage is likely to occur.
Furthermore, even if you try to tighten the nuts again to recover such seal surface pressure, there is a collar for preventing over-tightening, or pressing the gasket over the entire surface of the butt end face will result in a sufficient increase. I can't tighten it.
For these reasons, the pipe joints of Patent Document 1 and Patent Document 2 are limited to, for example, a pressure fluid of about 26 MPa, that is, a so-called medium pressure fluid seal, and used as a pipe joint for an ultrahigh pressure fluid of about 99 MPa. Not suitable for.
図12における管継手の場合、超高圧流体を流すことは可能ではあるが、接続する配管チューブ2が雄ねじナット4を介してボデー側に深く挿入されてシールされる構造であるため、配管チューブ2の凸状テーパ面3を、雌ねじボデー6の奥側まで確実に挿入し、凹状テーパ面7に当接させた状態を維持しながらナット4を締付けて接続する必要が生じ、配管施工の作業が難しいという問題がある。
In the case of the pipe joint in FIG. 12, it is possible to flow an ultra-high pressure fluid, but the pipe tube 2 to be connected is deeply inserted into the body side via the
一方、特許文献3の配管継手では、ガスケットをビードやリム、及び区域や凹みに当接させて供回りを防止するため、継手部材に対するガスケットの接触面積が大きくなる。この構造の配管継手では、継手部材でガスケットを局部的にシールすることが難しくなり、超高圧流体などの高圧流体には十分なシール性を確保できないおそれがある。
On the other hand, in the pipe joint of
特許文献4において、ガスケット両面に設けた突起を継手部材の端面に当接させて供回りを防止しようとする場合、この突起が所定間隔で断続的に形成されていることで挟圧力を周面方向に均等に働かせることが難しくなり、過大な締付け力により供回りが生じてガスケットが損傷する可能性がある。さらに、突起に力が集中して加わることでこの突起が損傷しやすくなり、ガスケットに突起を形成加工する必要も生じるという問題もある。
In
本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、高圧流体の流路に適した配管継手であり、過大な締付け力によるガスケットや接続端部側の変形や破損を防いで、耐久性を向上しながら高いシール性を発揮して超高圧流体の漏れも確実に防止でき、配管施工も容易な高圧用配管継手と高圧用バルブとを提供することにある。 The present invention has been developed to solve the above-mentioned problems, and its object is a pipe joint suitable for a flow path of high-pressure fluid, and a gasket or connection end side due to excessive tightening force. Providing a high-pressure pipe joint and a high-pressure valve that can prevent deformation and breakage of the pipe, exhibit high sealing performance while improving durability, reliably prevent leakage of ultra-high pressure fluid, and make piping work easy It is in.
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、一対の管状接続部材の接続端部面をガスケットを介してねじ部材の締付けによりシールして接続する高圧用配管継手であって、ガスケットは、接続端部面より硬度が低い金属であり、接続端部面には、最内側又は最内側近傍に狭小平面シール部を形成し、かつ、この狭小平面シール部の外径側に沿って鈍角テーパ面を形成し、ねじ部材を締付けた際に、締付荷重の大きさによって狭小平面シール部と鈍角テーパ面とでガスケットとのシール部を拡げた状態でシールすると共に、最大締付荷重で締付けた際には、外径側の鈍角テーパ面がストッパとなるシール構造で超高圧流体にもシール性を維持するようにした高圧用配管継手である。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a high-pressure pipe joint in which the connection end surfaces of a pair of tubular connection members are sealed and connected by tightening a screw member via a gasket, The metal is lower in hardness than the connection end surface, and the connection end surface is formed with a narrow flat seal portion in the innermost side or near the innermost side, and an obtuse angle along the outer diameter side of the narrow flat seal portion. When the taper surface is formed and the screw member is tightened, the seal is expanded with the narrow flat seal portion and the obtuse angle taper surface depending on the size of the tightening load, and at the maximum tightening load. When tightened, this is a high-pressure pipe joint that maintains a sealing property against ultra-high pressure fluid with a seal structure in which an obtuse taper surface on the outer diameter side serves as a stopper.
請求項2に係る発明は、前記鈍角テーパ面の外径側には、ストッパ構造を有しない逃げ部を設けた高圧用配管継手である。 The invention according to claim 2 is the high-pressure pipe joint in which a relief portion having no stopper structure is provided on the outer diameter side of the obtuse angle tapered surface.
請求項3に係る発明は、管状接続部材の接続端部面の流路側に面取りを設け、狭小平面シール部が流路側に変形するのを防止した高圧用配管継手である。
The invention according to
請求項4に係る発明は、ガスケットの外径をねじ部材を構成する雌ナットの内径に嵌合可能に設け、このガスケットを雌ナット内に芯出し状態で位置保持した高圧用配管継手である。
The invention according to
請求項5に係る発明は、一対の管状接続部材の接続端部面をガスケットを介してねじ部材の締付けによりシールして接続する高圧用配管継手であって、ガスケットは、接続端部面より硬度が低い金属であり、接続端部面の内径付近に環状突起部を形成し、接続端部面の外径側には、ねじ部材の締付けにより管状接続部材の円周方向の供回りを防止する外周環状部を設けた高圧用配管継手である。
The invention according to
請求項6に係る発明は、外周環状部と環状突起部との挟圧面をフラット面とした高圧用配管継手である。 The invention according to claim 6 is the high-pressure pipe joint in which the clamping surface between the outer peripheral annular portion and the annular projection is a flat surface.
請求項7に係る発明は、外周環状部と環状突起部との間を凹状フラット面とした高圧用配管継手である。
The invention according to
請求項8に係る発明は、外周環状部に、凹状フラット面内の圧力を逃がすスリットを設けた高圧用配管継手である。 The invention according to claim 8 is the high-pressure pipe joint in which the outer peripheral annular portion is provided with a slit for releasing the pressure in the concave flat surface.
請求項9に係る発明は、高圧用配管継手をバルブボデーの接続部側に設けた高圧用バルブである。
The invention according to
請求項1に係る発明によると、接続端部面の狭小平面シール部と鈍角テーパ面とによって締付荷重の大きさに応じてガスケットとのシール部を拡げながらシールすることで、過大な締付け力が発生した場合にも、ガスケットを狭小平面シール部から鈍角テーパ面にかけてシールすることで、狭小平面シール部に過大な締付荷重が加わることを回避してこの締付力によるガスケットや接続端部側の変形や破断を防ぎつつ耐久性を向上することができる。締付時の推力の全荷重を狭小平面シール部に作用させて面圧力により高いシール性を発揮し、約99MPaの高圧水素などの超高圧流体であっても漏れを防止できる。さらに、振動に対しても、最大締付荷重による反力により緩みにくくなり、締付力の増加に応じて面圧が上がるため増し締めにも対応できる。クリープ現象によりガスケットに加わっている応力が緩和してシール面圧が低下しても、この増し締めによりシール面圧を回復できる。 According to the first aspect of the present invention, an excessive tightening force can be obtained by sealing while expanding the seal portion with the gasket according to the size of the tightening load by the narrow flat seal portion and the obtuse angle tapered surface of the connection end surface. In the case of the occurrence of an overload, the gasket is sealed from the narrow flat seal part to the obtuse angle taper surface, so that an excessive tightening load is not applied to the narrow flat seal part. Durability can be improved while preventing side deformation and breakage. The full load of the thrust at the time of tightening is applied to the narrow flat seal portion to exhibit high sealing performance by surface pressure, and leakage can be prevented even with an ultrahigh pressure fluid such as high pressure hydrogen of about 99 MPa. In addition, vibration is less likely to loosen due to the reaction force due to the maximum tightening load, and the surface pressure increases as the tightening force increases, so that additional tightening can be handled. Even if the stress applied to the gasket is eased by the creep phenomenon and the seal surface pressure is lowered, the seal surface pressure can be recovered by this tightening.
請求項2に係る発明によると、締付荷重が大きくなってガスケットが外径方向に変形しようとした場合、逃げ部により外径側のガスケットへの締付荷重をストップすることで、ガスケットや狭小平面シール部並びに鈍角テーパ面の変形を防ぐことができる。このため、ガスケットの耐久性を向上して高いシール性を維持できる。 According to the second aspect of the present invention, when the tightening load becomes large and the gasket is going to deform in the outer diameter direction, the tightening load on the outer diameter side gasket is stopped by the relief portion, so that the gasket or narrowness is reduced. Deformation of the flat seal portion and the obtuse angle tapered surface can be prevented. For this reason, durability of a gasket can be improved and a high sealing performance can be maintained.
請求項3に係る発明によると、面取りにより狭小平面シール部の流路側への変形を防止してシール性を維持でき、ガスケットの流路側への変形を抑制することで、ガスケットによる流体への影響を最小限に抑えることができる。 According to the third aspect of the present invention, the chamfering prevents the narrow flat seal portion from being deformed to the flow path side to maintain the sealing performance, and suppresses the deformation of the gasket to the flow path side, thereby affecting the fluid by the gasket. Can be minimized.
請求項4に係る発明によると、着脱用リテーナを必要とすることなくガスケットを芯出ししながら容易に装着可能になる。この場合、狭小平面シール部と鈍角テーパ面とによりガスケットをシールすることでガスケットの変形が抑えられ、このガスケットが接続端部面に貼り付くことがないため容易に取外しできる。
According to the invention which concerns on
請求項5に係る発明によると、管状接続部材同士の間に挟着されたガスケットとの間の円周方向の滑りや捩れを外周環状部により防止し、管状接続部材同士の供回りを阻止しながら接続できる。このように供回りを防止しつつシールすることにより、ガスケットに摺接溝や損傷が発生することを防止して耐久性を向上してシール性をより向上させることができ、高圧水素などの超高圧流体が流れる場合にも漏れを確実に防止する。さらに、増し締めによって外周環状部で管状接続部材の供回りを防ぎつつ、環状突起部によるガスケットの挟圧を向上させてシール性を回復できる。外周環状部により環状突起部のシール時の応力を緩和し、均一なシール力を発揮する。
According to the invention of
請求項6に係る発明によると、フラット面からなる挟圧面で面圧力を高めて環状突起部によるシール性を向上して流体の漏れを防止しつつ、外周環状部により管状接続部材の供回りを阻止することでガスケットに摺接溝が発生したり損傷が生じることを防止してシール性を維持できる。 According to the sixth aspect of the present invention, the tubular connecting member is rotated by the outer peripheral annular portion while the surface pressure is increased by the flat clamping surface to improve the sealing performance by the annular protrusion and prevent fluid leakage. By blocking it, it is possible to prevent the gasket from being slid or to be damaged, and maintain the sealing performance.
請求項7に係る発明によると、外周環状溝、環状突起部の小さい接触面積によりガスケットを局部的に当接させた状態で管状接続部材を接続し、これにより、当接部位同士の押圧力を向上して超高圧流体に対しても十分なシール性を発揮して漏れを防止する。
According to the invention according to
請求項8に係る発明によると、凹状フラット面側の内圧をスリットにより外部に逃がし、環状突起部、外周環状部を安定した状態で均等に圧接シールさせて供回りを防止しつつシール性を向上できる。 According to the eighth aspect of the present invention, the internal pressure on the concave flat surface side is released to the outside by the slit, and the annular protrusion and the outer peripheral annular portion are uniformly pressed and sealed in a stable state to improve the sealing performance while preventing the rotation. it can.
請求項9に係る発明によると、超高圧流体が流れる流路の開閉及び流量操作が可能となり、例えば、高圧水素が流れる水素ステーションなどの流路に適用すれば、低圧から超高圧流体までの流体を、漏れを防止しながら制御して大流量で流すこともできる。 According to the ninth aspect of the invention, it is possible to open and close the flow path through which the super-high pressure fluid flows, and to control the flow rate. For example, when applied to a flow path such as a hydrogen station through which high-pressure hydrogen flows, Can be controlled at a large flow rate while preventing leakage.
以下に、本発明における高圧用配管継手の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1においては、本発明における高圧用配管継手の実施形態を示しており、図2、図3においては、この高圧用配管継手の要部拡大図を示している。図1に示すように、本発明における高圧用配管継手は、管状接続部材10、ガスケット11、ねじ部材12を有している。継手の呼び径は、例えば、1/4インチ〜9/16インチを対象としており、各図は3/8インチの実施形態を示している。
Hereinafter, embodiments of a high-pressure pipe joint according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of a high-pressure pipe joint according to the present invention, and FIGS. 2 and 3 show enlarged views of main parts of the high-pressure pipe joint. As shown in FIG. 1, the high-pressure pipe joint in the present invention includes a
図1において、管状接続部材10は、例えば、SUS316などの高強度オーステナイト系ステンレス鋼などを材料として略円筒状に形成され、その接続側に接続端部面15が形成される。この一対の管状接続部材10の接続端部面15がガスケット11を介してねじ部材12の締付けによりシールしながら接続可能に設けられている。ねじ部材12は、例えば、ステンレス合金等を材料として雄ねじ部材16と雌ナット17との態様に形成され、これらが互いに螺合可能に設けられている。ねじ部材12の内側には、管状接続部材10の端部側に形成された環状鍔部18が収納され、一方の管状接続部材10の環状鍔部18が雌ナット17の内周に形成された環状の突起部19に係止され、他方の管状接続部材10の環状鍔部18の端部側が雄ねじ部材16の端部側に押圧されることで締付け可能に設けられる。
In FIG. 1, the
接続端部面15には、最内側近傍に狭小平面シール部20が形成され、かつ、この狭小平面シール部20の外径側に沿って、この平面シール部20に対して鈍角に形成された鈍角テーパ面21が設けられている。図2、図3において、本実施形態における狭小平面シール部20は、接続端部面15の最内側近傍位置に、例えば径方向において0.2〜0.6mmの幅Lの環状に設けられ、この狭小平面シール部20から2〜6°の傾斜角度θで鈍角テーパ面21が形成される。
A narrow
この場合、狭小平面シール部20の幅Lが0.2mmを下回ると、この狭小平面シール部20がガスケット11と線接触することとなり、荷重の一極集中によりガスケット11が損傷するおそれがある。
また、幅Lが0.6mmを越えると、ねじ部材12の締付時に得られるガスケット11のシール面圧が低くなり、超高圧流体に対するシール性が低下するおそれがある。従って、幅Lは0.2〜0.6mmが好ましい。
In this case, if the width L of the narrow
On the other hand, if the width L exceeds 0.6 mm, the seal surface pressure of the
鈍角テーパ面21の傾斜角度θが2°を下回ると、ガスケット11が鈍角テーパ面21の全体にわたって接してしまうおそれがある。
また、傾斜角度θは6°を超えると、締付荷重の増加に伴うガスケット11とのシール部の幅の広がりが小さくなり、荷重の一極集中によりガスケット11が損傷するおそれがある。
If the inclination angle θ of the obtuse angle tapered
In addition, when the inclination angle θ exceeds 6 °, the width of the seal portion with the
一対の管状接続部材10は、接続端部面15側にガスケット11が挟まれた状態でねじ部材12の締付けにより接続され、ねじ部材12を締付けた際に、その締付荷重の大きさによって狭小平面シール部20と鈍角テーパ面21とにより、ガスケット11とのシール部22を拡げた面シール状態でシールするようになっている。この場合、管状接続部材10を最大締付荷重で締付けた際には、外径側の鈍角テーパ面21が、ガスケット11と鈍角テーパ面21との当接領域が拡がらないよう、ストッパとして機能するシール構造になっている。すなわち、ガスケット11のうち、鈍角テーパ面21に当接した部分に締付荷重が加わり、鈍角テーパ面22に当接していない部分には荷重が加わることがないようなシール構造に形成されている。
具体的には、鈍角テーパ面21では、ガスケット11の変形が鈍角テーパ面21の途中でストップされるストッパ機能が働き、ストッパ機能が働いた位置よりも外径側の鈍角テーパ面21では、ガスケット11が鈍角テーパ面21に当接しない空間が確保される。
The pair of tubular connecting
Specifically, the obtuse angle tapered
以上の構成により、管状接続部材10を最大締付荷重で締付けた際に、ガスケット11と鈍角テーパ面21とが当接した部分において、超高圧流体に対するシール性が確保される。
そして、ストッパ機能が働いた位置よりも外径側の鈍角テーパ面21とガスケット11との間に前記の空間が確保されていることにより、管状接続部材10を徐々に増し締めすることができ、超高圧流体に対するシール性を増すことができる。
With the above configuration, when the
And, by securing the space between the obtuse angle tapered
ここで、超高圧流体とは、約99MPaの圧力流体をいい、その一例として自動車用燃料電池の水素ステーションで用いられる燃料水素が挙げられる。本発明の高圧用配管継手では、例えば、5MPa程度の低圧の流体からこのような超高圧流体までの圧力の流体を流すことが可能になっている。 Here, the ultra-high pressure fluid refers to a pressure fluid of about 99 MPa, and an example thereof is fuel hydrogen used in a hydrogen station of an automobile fuel cell. In the high-pressure pipe joint of the present invention, for example, a fluid having a pressure from a low-pressure fluid of about 5 MPa to such an ultrahigh-pressure fluid can be flowed.
更に、図2、図3に示すように、鈍角テーパ面21の外径側には、ストッパ機能を有しない逃げ部25が設けられている。この逃げ部25の形状としては、本実施形態においては、鈍角テーパ面21の最外径側から狭小平面シール部20と平行なフラット面状に形成される。これによって、鈍角テーパ面21におけるストッパ位置(ガスケット11と鈍角テーパ面21との接触の境界)同士の軸方向の離間距離よりも逃げ部25同士の離間距離が長くなり、逃げ部25へのガスケット11の接触が確実に防がれる。このため、逃げ部25においてはガスケット11が接続端部面15とガスケット11との間に挟着されることがなく、ガスケット11の外径側への変形が許容される。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, a
管状接続部材10の接続端部面15の流路側には面取り26が設けられる。面取り26は、10〜45°の角度で0.5mm程度の幅に設けられ、このように面取り26を設けていることにより、本実施形態の高圧用配管継手の場合には、最内側に面取り26、この面取り26よりも外径側の最内側近傍に狭小平面シール部20が形成される。面取り26を設けた場合、この面取り26により管状接続部材10の最内側の挟着が防がれ、これにより、狭小平面シール部20が流路側に変形するのが防止される。なお、狭小平面シール部20は、接続端部面15の最内側又は最内側近傍に形成されていればよい。
A
ガスケット11は、接続端部面15よりも硬度が低い金属によって環状に形成され、例えば、ニッケル、ステンレス、C1020などの銅や銅合金を材料として設けられる。ガスケット11の内径は流路と同じか流路よりもやや大径に設けられ、ガスケット11の外径は、雌ナット17の内周側よりもやや小径に設けられる。このガスケット11の外径は、雌ナット17の内径と略同径に設けられていてもよい。本実施形態において、ガスケット11の厚さは、0.8mm程度に設定されている。
The
図1〜図3に示すように、ガスケット11の外周側にはガスケットリテーナ30が装着され、このガスケットリテーナ30を介して接続端部面15へのガスケット11の着脱が可能になっている。ガスケットリテーナ30の外周には環状突部31が形成され、この環状突部31の内径は、ガスケット11の外径よりもやや小さく形成されている。これにより、環状突部31内周にガスケット11を嵌合状態で取付け可能になっている。図4(a)の斜視図、図4(b)の縦断面図に示すように、環状突部31には所定間隔で弾性係止部32が複数形成され、図2、図3に示すように、この弾性係止部32の内周方向への弾性力により、ガスケット11が装着されたガスケットリテーナ30を接続端部面15の外周側に装着可能に設けられている。この弾性係止部32を接続端部面15から外すことで、ガスケット11を取外しできる。
As shown in FIGS. 1 to 3, a
ガスケット11の外周には適宜の形状や大きさ、数の切欠き部33が形成されており、この切欠き部33を視認してガスケット11の種類等を識別可能になっている。これにより、接続端部面15に適合した径のガスケット11をガスケットリテーナ30に装着し、これを取付けできる。本実施形態では、識別用として切欠き部33を設けているが、ガスケットとしてのシール機能を発揮可能であれば、突起部などの異なる態様の識別用部位を設けるようにしてもよい。
なお、前述した管状接続部材10をSUS316よりも高硬度の材料により形成し、ガスケット11をSUS316により形成することも可能である。また、逃げ部25は、ガスケット11に接触することなくストッパとならないものであれば、狭小平面シール部20と平行なフラット面以外の態様であってもよく、例えば、逃げ部を鈍角テーパ面21から延長するテーパ状に形成することもできる。
また、上記の高圧用配管継手を継手として用いる場合の用途としては、通常のストレート管以外にも、例えば、エルボ管やチーズ管などが挙げられ、これ以外にも各種の接続部分に用いることができる。
It is also possible to form the
Moreover, as a use in the case of using said high-pressure pipe joint as a joint, besides an ordinary straight pipe, for example, an elbow pipe, a cheese pipe, etc. are mentioned, In addition, it is used for various connection parts. it can.
続いて、本発明の高圧用配管継手の上記実施形態における作用を説明する。
本発明の高圧用配管継手は、ガスケット11が接続端部面15より硬度が低い金属により形成され、接続端部面15の最内側近傍に狭小平面シール部20を形成し、かつ、この狭小平面シール部20の外径側に沿って鈍角テーパ面21を形成しており、ねじ部材12を締付けた際に、締付荷重の大きさに応じて狭小平面シール部20と鈍角テーパ面21とでガスケット11とのシール部22を拡げた状態でシールするようになっている。
Then, the effect | action in the said embodiment of the high-pressure piping joint of this invention is demonstrated.
In the high-pressure pipe joint of the present invention, the
この場合、ねじ部材12を締付けたときに、先ず、図2に示すようにシール面である狭小平面シール部20がガスケット11に幅Lによるシール幅W1で当接し、さらに続けて締付けると、狭小平面シール部20の外径側に沿って形成された鈍角テーパ面21により、ガスケット11がこの鈍角テーパ面21に沿うように次第に軸方向に変形して、シール部22が図3に示したシール幅W2まで広がる。これにより、前述したガスケット締付時に必要なボルト荷重Wm2と、使用状態で必要なボルト荷重Wm1とが同等以上になるような締付力による締付けが可能になり、管状接続部材10に働く締付荷重の全荷重をシール荷重として狭小平面シール部20を中心とした鈍角テーパ面21側にも作用させることが可能になる。このため、締付荷重を大きくしてシール荷重を大きくすることができる。
In this case, when the
そして、最大締付荷重により締付けた場合であっても、鈍角テーパ面21でストッパとなってこの鈍角テーパ面21と当接していないガスケット11部分には締付力が加わることがないため、ガスケット11の径方向の変形や、荷重の一極集中による破断を防止しつつ、ねじ締付推力の全荷重をシール部22により受けて超高圧流体の場合でも高いシール性を維持し、しかも温度変化や振動の発生に対しても最大締付荷重による反力により緩みにくい特性が得られる。特に、狭小平面シール部20同士による平行なシール面でシール性を確保しているため、締付け時に面圧が高効率で上がる機能が発揮されて増し締めにも対応できる。この増し締め時には、狭小平面シール部20によるシール力を回復しつつ、ガスケット11がこの狭小平面シール部20と鈍角テーパ面21に当接した状態でシールされるため、ガスケット11の変形や破断が防がれる。
Even when tightened by the maximum tightening load, the obtuse angle tapered
このとき、前述したように、狭小平面シール部20の径方向の幅Lを0.2〜0.6mmとすれば、この幅Lを0.2mm以上とすることで局部変形が過大になることを防ぎ、0.6mm以下とすることでシールに必要な面圧を確保できる。さらに、鈍角テーパ面21の傾斜角度θを2〜6°の範囲とすれば、最大締付荷重で締付けた際に、狭小平面シール部20を徐々に平面状に変形させて面圧を向上して高いシール性を発揮でき、漏れを防ぎつつストッパ機能を確実に発揮して過大な締付けによるガスケット11の変形や破断を防止できる。鈍角テーパ面21の全面にガスケット11が接触することもないため、ガスケット11が接続端部面に貼り付くことがなく、このガスケット11が交換やメンテナンス時に傷付くおそれがない。
鈍角テーパ面21によるガスケット11の軸方向への変形量は、シール部22の表裏で0.2〜0.3mm程度に小さく抑えられるため、継手や配管を移動することなく機器等の管状接続部材10への着脱を容易におこなうことができる。
At this time, as described above, if the width L in the radial direction of the narrow
Since the amount of deformation of the
一方、仮にシール部同士を平行な平面とし、そのシール幅が上記の狭小平面シール部と鈍角テーパ面とによるシール幅W2と同じになるように接続端部面を設けたとしても、締付け荷重に余裕がなくなるためシール性が確実に発揮されることはない。しかも、この場合には、ガスケット反力円の直径がシール幅の中間位置になってその値が大きくなるため、受圧面積が増加してシール荷重が大きくなるという問題も生じる。
なお、本発明の高圧用配管継手によれば、図12の従来技術のように、配管チューブ2のテーパ面3とボデー6のテーパ面3とを当接させた状態を維持しながらねじ部材8、9を締付けて接続する必要がないので、配管施工が容易である。
On the other hand, even if the connection end surface is provided so that the seal portions are parallel to each other and the seal width is the same as the seal width W2 by the narrow flat seal portion and the obtuse angle tapered surface, Since there is no margin, the sealing performance will not be exhibited reliably. In addition, in this case, the diameter of the gasket reaction force circle becomes an intermediate position of the seal width and the value thereof becomes large, so that there is a problem that the pressure receiving area increases and the seal load increases.
According to the high-pressure piping joint of the present invention, the screw member 8 is maintained while maintaining the state in which the tapered
また、ガスケット11の外周側にガスケットリテーナ30を装着していることにより、このガスケットリテーナ30を介してガスケット11を管状接続部材10に位置決め状態で容易に着脱可能となり、継手全体の組み立ても容易になる。ガスケットリテーナ30に識別用の切欠き部33を設けていることにより、配管径などに応じて適切な径のガスケット11を装着して漏れを確実に防止することができる。
Further, by mounting the
図5においては、本発明の高圧用配管継手の他の実施形態を示している。なお、この実施形態以降において、前記実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
この実施形態では、ガスケット40を、ねじ部材12を構成する雌ナット17の内径に嵌合可能な外径に設けたものである。この場合、前記のガスケットリテーナ30を使用することなく、雌ナット17の内径側でこのガスケット40を保持しながら容易に装着でき、装着後にはガスケット40が雌ナット17内に芯出し状態で位置保持される。さらに、ガスケット40外径側や内径側の変形量が少なくなるため、このガスケット40が管状接続部材10に貼り付くことがなく容易に雌ナット17から取外しできる。
FIG. 5 shows another embodiment of the high-pressure pipe joint of the present invention. In the following embodiments, the same parts as those in the above embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
In this embodiment, the
図6においては、高圧用配管継手の更に他の実施形態を示している。ここで、図のような高圧用配管継手では、ねじ部材12の雌ナット17を締付けると、突起部19の係止面19aが管状接続部材70の環状鍔部18の対向面18aに圧接し、雌ナット17と管状接続部材70とが供回りしながら接続がおこなわれる。この場合、係止面19aは、例えば1°程度の角度で内径側に向けてテーパ状に形成されることもある。
FIG. 6 shows still another embodiment of the high-pressure pipe joint. Here, in the high-pressure pipe joint as shown in the figure, when the
このように雌ナット17の回転により管状接続部材70を接続したときに、管状接続部材同士70が供回りした状態でガスケット11を挟着すると、ガスケット11に摺接による溝や損傷が発生してシール性の低下につながる可能性がある。この理由から、管状接続部材70による接続時にガスケット11によるシール性を高めるためには、ガスケット11の挟着と同時に管状接続部材70の供回りを防ぐことが重要になる。
When the
これを解消するために、この実施形態の高圧用配管継手では、図6〜図8に示すように、管状接続部材70の接続端部面15の内径付近に狭小平面状のシール部である環状突起部72が形成され、接続端部面15の外径側には外周環状部73が設けられている。図9においては、環状突起部72、外周環状部73をクロスハッチングにより示している。
In order to solve this problem, in the high-pressure pipe joint of this embodiment, as shown in FIGS. 6 to 8, an annular ring portion that is a narrow flat seal portion is provided near the inner diameter of the
このような構成に設けることより、この高圧用配管継手では、ねじ部材12を締付けたときに、環状突起部72による面圧シール力でガスケット11を挟圧して超高圧流体の漏れを防ぐ機能を発揮しつつ、外周環状部73でガスケット11を挟圧して管状接続部材70の円周方向の供回りを防止する機能を発揮する。このとき、外周環状部73の回転半径が環状突起部72よりも長いことで外周環状部73側のトルクがより高くなり、外周環状部73でガスケット11の外周側を確実に供回り防止した状態で、環状突起部72によりシール性を発揮する。
By providing the high-pressure pipe joint in such a configuration, when the
外周環状部73と環状突起部72との対向する各挟圧面74、75は、フラット面により設けられる。これらフラット面74、75による当接により、外周環状部73、環状突起部72の面圧シール力を向上して供回りを阻止し、ガスケット11の摺接による溝や損傷によるシール力の低下を防止して優れたシール性を発揮する。
The pressing surfaces 74 and 75 facing each other between the outer peripheral
さらに、挟圧面74、75を軸方向に同じ高さで設けるようにすれば、締付け時に外周環状部73、環状突起部72を同時にガスケット11に圧接させ、環状突起部72、外周環状部73の各機能を同時に発生させることが可能となる。
外周環状部73と環状突起部72とを断面略同一形状に設けるようにすれば、これらのシール面積を等しくして面圧バランスを均等化させ、偏った力が加わることを防いで面圧力を向上できる。
Furthermore, if the clamping surfaces 74 and 75 are provided at the same height in the axial direction, the outer peripheral
If the outer peripheral
外周環状部73と環状突起部72との間には、凹状フラット面76が設けられる。この凹状フラット面76にはガスケット11が接触しにくくなるため、ガスケット11に外周環状部73と環状突起部72とによる小さい接触面積を局部的に当接させてシール面圧力を向上できる。
A concave
本実施形態では、図8に示すように外周環状部73と環状突起部72とが断面略台形状に形成され、環状突起部72の内径側(流路側)に面取り26、外周環状部73の外径側に面取り77がそれぞれ設けられる。凹状フラット面76は、環状突起部72の外径側、外周環状部73の内径側にそれぞれ形成された面取り部78、79を介して所定の深さDにより設けられる。この高圧用配管継手では、例えば、外周環状部73、環状突起部72の幅L1がそれぞれ0.4mm、面取りの角度γが45°、面取り部78、79が0.2mmのC面取り、凹状フラット面76の深さDが0.2mmにそれぞれ設けられる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, the outer peripheral
図9に示すように、外周環状部73には、ポンチ、プレス等による塑性加工、或は切削加工によりスリット80が1ヶ所に設けられる。スリット80は、例えば0.2mmの深さにより45°のV溝状に設けられ、このスリット80をリーク溝として、凹状フラット面76内の圧力を逃がすことが可能になっている。これにより、締付け時の凹状フラット面76内への圧力の残留を防止し、その内部圧力により管状接続部材70が離間する方向に力が加わったり、ガスケット11の変形等を防止しながら環状突起部72、外周環状部73で均等にガスケット11を圧接し、環状突起部72によるシール性の確保、並びに外周環状部73による供回り防止機構の双方を確保できる。スリット80は、複数箇所に設けられていてもよい。
As shown in FIG. 9, the outer peripheral
外周環状部73を設ける場合、管状接続部材70の軸方向において突起部19の係止面と同じ位置か近接位置に設けるとよく、この場合、雌ナット17の締付け時に係止面19aの押圧力を外周環状部73方向に直接作用させるように伝達させ、供回り防止効果をより高めることができ、増し締めによるシール性も効果的に向上できる。
When the outer peripheral
ここで、図6の管状接続部材70同士を接続する高圧用配管継手と、図6の管状接続部材に外周環状部73を設けることなく、内周側の環状突起部72のみを設けた管状接続部材同士を接続する高圧用配管継手とに関して、それぞれ締付けに対する供回りの大きさを試験により比較した。便宜上、図6の環状突起部72と外周環状部73との2つのリップ状部位を有する高圧用配管継手を「2重リップ」、環状突起部72のみを有する高圧用配管継手を「1重リップ」と呼ぶものとする。
Here, the high-pressure pipe joint for connecting the
試験方法としては、ガスケット11を介してねじ部材12(雄ねじ部材16、雌ナット17)で管状接続部材同士を手締めにより締付け、さらにこの状態で雄ねじ部材16側を万力等で固定し、雌ナット17を10N・m〜50N・mまで、10N・m間隔の締付けトルクで締付けるようにした。このときの締付けトルクと、雌ナット17及びこの雌ナット17側の管状接続部材の回転角度との関係を図10のグラフに示す。
As a testing method, the tubular connecting members are tightened by hand tightening with a screw member 12 (
図10において、1重リップについて、雌ナット17を締付けたときには管状接続部材が略同じ回転角度で回転した。すなわち、雌ナット17の締付け回転と同時に管状接続部材が略同じ角度で供回りする結果となった。
一方、2重リップについて、締付けトルクを上げると共に雌ナット17の回転角度が加速度的に上昇していることに対し、管状接続部材70の回転角度は略0°を保っている。すなわち、2重リップでは、雌ナット17による締結時に、雌ナット17に対して管状接続部材70が供回りしにくいことが確認された。
In FIG. 10, when the
On the other hand, with respect to the double lip, while the tightening torque is increased and the rotation angle of the
図11においては、高圧用バルブを示しており、この高圧用バルブのバルブボデー50の接続部側となる両端側には、高圧用配管継手が設けられている。バルブボデー50の両端側には、めねじ51が設けられ、一方、管状接続部材52のバルブボデー50との接続側にはおねじ53が設けられ、おねじ53とめねじ51との螺合を介して管状接続部材52がバルブボデー50に一体化される。
FIG. 11 shows a high-pressure valve, and high-pressure pipe joints are provided on both ends of the high-pressure valve that are connected to the
管状接続部材52の外部管路との接続側には、雄ねじ部54が一体に形成されており、この雄ねじ部54を介して管状接続部材52が雌ナット17に直接螺合され、この雌ナット17により管路側の管状接続部材10と接続可能に設けられている。このように、バルブボデー50に管状接続部材52が取付けられていることで、この管状接続部材52と管路側の管状接続部材10とを有する高圧用配管継手を介して、雄ねじ部54と雌ナット17とによるねじ部材の締付けにより高圧用バルブが管路に接続可能になる。この場合にも、前記実施形態と同様に、接続端部面15には、図1に示した狭小平面シール部20、鈍角テーパ面21、逃げ部25が設けられ、過大な締付け力によるガスケット40や接続端部側の破損が防がれ、高いシール性が維持される。
A male threaded
高圧用バルブにおいて、管状接続部材52には装着穴部55が設けられ、この装着穴部55に皿ばね56を介してシートリテーナ57が装着されている。シートリテーナ57の先端側にはボールシート58が装着され、両側のボールシート58、58によりステム59で回転可能に設けられたボール弁体60がシールされている。この構成により、高圧用バルブは、水素などの超高圧流体を漏れを防ぎながら流すことができ、このとき高圧用バルブが高圧用配管継手を介して外部管路と接続されていることで接続部側の漏れも確実に防止される。
In the high-pressure valve, the
なお、この実施形態においては、高圧用バルブがボールバルブである例を説明したが、ボールバルブ以外の各種のバルブ、例えば、逆止弁やニードルバルブの接続部側に本発明の高圧用配管継手やシール構造を設けることができる。この場合、高圧用配管継手はバルブの接続部側の片側のみに設けられていてもよく、バルブの種類や使用箇所等に応じて任意に設定可能である。雌ナット17の内径に嵌合可能なガスケット40が装着されているが、ガスケットリテーナを介して装着するようにしてもよい。また、管状接続部材52には雄ねじ部54が一体に形成されているが、前記実施形態と同様に、管状接続部材10と雄ねじ部材16とが別体の構造に設けられていてもよい。管状接続部材52の代わりとして管状接続部材70を接続することもでき、この場合には、高シール性に加えて上述した供回り防止機能を発揮できる。
In this embodiment, an example in which the high pressure valve is a ball valve has been described. And a sealing structure can be provided. In this case, the high-pressure pipe joint may be provided only on one side of the connection portion side of the valve, and can be arbitrarily set according to the type of the valve, the use location, and the like. Although the
10、70 管状接続部材
11、40 ガスケット
12 ねじ部材
15 接続端部面
20 狭小平面シール部
21 鈍角テーパ面
22 シール部
25 逃げ部
26 面取り
30 ガスケットリテーナ
33 切欠き溝
50 バルブボデー
θ 傾斜角度
72 環状突起部
73 外周環状部
74、75 挟圧面
76 凹状フラット面
80 スリット
DESCRIPTION OF
Claims (9)
Priority Applications (1)
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