WO2004048836A1 - 流体継手およびその設計方法 - Google Patents

Abstract

ガスケット4の突起7の断面形状は、外周面となる内向きテーパ面7a、内周面となる外向きテーパ面7bおよび先端面となる平坦面7cとによって区画された台形状である。ガスケット4の硬さ、突起7のテーパ面7a,7b同士のなす角度、突起高さおよび突起先端の平坦面7cの面積は、締付け時の推力の値が所定の最小値と最大値との間にあるように設定されている。

Description

明細書 流体継手およびその設計方法 技術分野

この発明は、 流体継手に関し、 特に、 継手部材間に介在さ せられたガスケ ッ ト を変形させる こ と によってシール性を得 る流体継手およびその設計方法に関する。 背景技術

従来、 流体継手と して、 本出願人らによ り 開示された特開 平 0 9 一 0 3 2 9 8 4号公報 (各図、 , 特に、 図 1 4 〜図 1 7 ) には 、 互いに連通する流体通路を有している第 1 および第 2 の継手部材と 、 両継手部材の突き合わせ端面間に介在させら れる孔あき 円板状のガスケッ 卜 と 、 両継手部材を結合するね じ手段と を備え、 第 1 および第 2継手部材の突さ合わせ端面 に ガスケッ ト押さ え用の環状突起が設け られている ものが 示されてレ、る。 また、 同公報には、 第 1 およぴ第 2継手部材 の突き合わせ端面に、 平坦な 面を有する環状凹所がそれぞ れ sr け られ、 両継手部材の凹所で形成されたガスケッ ト収納 空間内に配置された環状ガスケッ トの両側 Ifflに環状突起が設 け られている も のも示されている。

上記従来の流体継手において、 ガスケ ッ ト押さ え用環状突 起を含む継手部材の端面には 、 鏡 ¾仕上げを含む工程で l¾ Iff 度の加工が要求されてお り 、 突起がある端面の加ェに手間が かか り 、 継手全体の製造工程の合理化の妨げになる とい う 問 題があつた。 そこで、 ガスケッ 卜の両側面に環状突起が設け られているタイ プの方を使用する こ と が考えられるが 、 ガス ケッ 卜の形状については従来、 あま り 考察されておらず、 特 に 、 ガスケッ ト に設ける突起の形状については、 種 なもの が可能とい ノ & _で、 突起形状の ミ ク 口 な検討は行われてい な力 つた

こ の発明の 目 的は、 ガスケ ッ の形状を含めて継手部材間 の適正なシール構造を構築し、 これによ り 、 シ一ル性と耐久 性の両方を向上する こ と ができ る流体継手 ょぴその設 力 法を提供する こ と にある 発明の開示

の発明によ る流体継手は、 互いに連通する流体通路を有 している第 1 およぴ第 2 の継手部材と 、 両継手部材の突き合 わせ端面間に介在させられるガスケッ ト と 、 両継手部材を 合するねじ手段と を備え、 各継手部材端面に、 平坦な底面を 有する環状凹所がそれぞれ SX \l られ、 両継手部材の凹所で形 成されたガスケッ ト収納空間内に環状ガスケッ トが配置され てお り ヽ ガスケッ ト の両側面に環状突起が設け られている流 体継手に いて、 ガスケッ トの突起の断面形状は、 外周面と なる内向ぎテーパ面、 内周面と なる外向きテーパ面およぴ先 面と なる平坦面と によつて区画された台形状である こ と を 特徴とする ものである。

この発明の流体継手は、 管同士を接続する管継手に使用で き る と はもちろんのこ と 、 流体通路を有するブロ ッ ク状部 お |pj士を流体密に結合する場合の構成にも適用でき る。 こ の発明の流体継手によ る と 、 ガスケッ トの突起の断面形 状が台形状と されているので、 変更可能な要素は、 テ一パ面 同士のなす角度、 突起の高さおよび突起先端の平坦面面積の

3 つがあ り 、 テーパ面同士のなす角度および突起の高さの 2 要素しか変更できない断面三角形の突起や突起の幅 よび突 起の高 さ の 2 要素 しか変更でき ない断面方形の突起に比ベ て 、 設計の 自 由度が増 し、 シール性と耐久性をよ り いレベ ルで確保する こ と ができ る。

ガスケッ トの硬さ、 突起のテーパ面同士のなす角度 、 突起 高さおよぴ突起先端の平坦面の面積は、 締付け時の推力の値 が所定の最小値と最大値と の間にある よ う に設定されてレヽる こ と が好ま しい。 このよ う にする と、 シール性と耐久性と を 確実に両立させる こ とができ る。

そ して、 ガスケッ トの環状突起の内向きテーパ面と外向き テーパ面のなす角 G; が、 5 0 〜 ： 1 3 0 ° と されている こ と が 好ま しい。 こ の よ う にする と 、 例えば、 α = 9 0 ° を基準と して、 α = 6 0 ° および 1 2 0 ° を含むそれぞれの推力を求 める こ と によ り 、 適正なガスケ ッ トの突起形状を容 に得る とができ る。

こ の発明によ る流体継手の設計方法は、 互いに連通する流 体通路を有している第 1 およぴ第 2 の継手部材と、 両継手部 材の突き合わせ端面間に介在させられるガスケ ッ ト とヽ 両継 手部材を結合するねじ手段と を備え、 各継手部材端面に 、 平 坦な底面を有する環状凹所がそれぞれ設け られ、 両継手部材 の凹所で形成されたガスケッ ト収納空間内に環状ガスケッ 卜 が配置されてお り 、 ガスケッ トの両側面に環状突起が け ら れてレ、る流体継手を設計する方法であつて、 ガスケッ トの突 起の断面形状を、 外周面と なる内向さテーパ面、 内周面と な る外向きテーパ面および先端面と なる平坦面と によって区画 された台形状とする と と もに、 ガスケッ ト の硬さ 、 突起のテ 一パ面同士のなす角度、 突起高さおよぴ突起先端の平坦面の 面積を 、 締付け時の推力の値が所定の最小値と最大値と の間 にある よ う に設定する こ と を特徴とする ものである。

ガスケ ッ トの硬さ 、 ガスケッ トの突起のテーパ角度、 突起 高さ よび突起先端平坦面面積を 、 以下の式を満たすよ う に 決定する こ とが好ま しい。

最低締付け力から求めた面圧 X安全率ぐ継手締付時の単位 面積あた り の推力の実験値ぐガスケク トのビッ力一ス さか ら求めた単位面積あた り の推力 X女全率

最低締付け力 と しては、 例えば 使用状態でのボル ト荷重 よぴガスケ ッ ト締付け時のボル 卜荷重の う ち、 レ、ずれ力 大 さレ、方が使用 される 。 継手締付時の単位面積あた り の推力の 実験値は、 例えば、 推力の実測値と受圧面積の計算値と から 求め られる。 ガスケッ ト のビッ力一ス硬さから求めた単位面 積あた り の推力は、 ビッカース硬さの式 ： Η V = 0 . 1 0 2

X F / S ( F ： 試験荷重、 s ： 表 ネ貝 ) から求める こ と がで きる

上記式を満足する よ う にガスケク 卜の硬さおよび形状を決 め · - る と によ り 、 シ一ル性と耐久性と を確実に両立させる とがで # る。 図面の簡単な説明 図 1 は、 この発明による流体継手の第 1 実施形態を示す断 面図である。

図 2 は、 この発明による流体継手で使用 されるガスケッ ト の拡大断面図である

図 3 は、 この発明による流体継手における 卜ルク と推力 と の関係を示すグラフである。

図 4 は、 こ の発明による流体継手における変位量に対する 締付け 卜ノレクねよぴ受圧面積の関係を示すグラ フである

図 5 は、 この発明の流体継手で使用 されるのに好 なガス ケッ 卜得るために使用 される グラフである ο

図 6 は、 図 5 と 同様のグラフであ り 、 図 5 が突起のテ一パ 角度が 9 0 ° であるのに対し、 突起のテーパ角度が 6 0 ° で ある。

図 7 は、 図 5 と 同様のグラフであ り 、 .図 5 が突起のテーパ 角度が 9 0 ⁰ であるのに対し、 突起のテーパ角度が 1 2 0 ° である o

図 8 は、 こ の発明の流体継手で使用 されるのに好適なガス ケッ 卜得るために使用 される他のグラフであ o

図 9 は、 図 8 と 同様のグラフであ り 、 図 8 が突起のテ一パ 角度が 9 0 。 であるのに対し、 突起のテーパ角度が 6 0 ° で める

図 1 0 は、 図 8 と |pj様のグラ フであ り 、 図 8 が突起のテー 角度が 9 0 であるのに対し、 突起のテ一ノヽ角度が 1 2 0 o

である。 発明を実施するための最良の形態 こ の発明の実施の形態を、 以下図面を参照 して説明する。 以下の説明において、 左右は、 図の左右をい う もの とする。

図 1 は、 この発明の流体継手の第 1 実施形態を示している。 流体継手（ 1 )は、 互いに連通する流体通路（2a) (3a)を有 し ている第 1 および第 2 の継手部材（2) (3)と 、 両継手部材（2) (3)の突き合わせ端面間に介在させられる環状ガスケッ ト （4) と 、 両継手部材（2) (3)を結合するねじ手段 （図示略） と を備 えている

各継手部材 (2) (3)端面には、 平坦な底面を有する環状凹所

(5) (6)がそれぞれ設け られ、 ガスケ ッ ト （4)は、 両継手部材

(2) (3)の凹所 (5) (6)で形成されたガスケッ ト収納空間内に配 置されてレ、る。 ガスケッ ト （4)の両側面には、 環状突起（7)が 設けられている。

図 2 に拡大して示すよ う に、 ガスケ ッ ト （4)の突起（7)の断 面形状は 、 外周面と なる内向きテーパ面（7a)、 内周面と なる 外向きテ一パ面 (7b)および先端面と なる平坦面（7c) と によつ て区画された台形状と されてレヽる。 内向きテーパ面（7a)の基 端から径方向外向き にのぴる面（7d)が突起 （7)の高 さ を求め る基準面 と なってお り 、 ガスケ ッ ト （4)の軸方向中心面から 外向きテ一パ面 (7b)の基端までの距離は、 ガスケ ッ ト （4)の 軸方向中心面力 ^¾ら 準面（7d)までの距離 （すなわち突起を除 いた厚みの半分） よ り若干小さ く 形成されている。 ガスケッ ト （4)の内径 （流体通路径） は、 两継手部材（2) (3)の流体通 路（2a) (3a)径よ り も大き く な されている。 ガスケ ッ ト （4)の 外径の軸方向縁部は面取 り され、 ガスケッ ト （4)の外径の軸 方向の中央部には、 断面円弧状の凹所（7f)が形成されている。 ガスケッ ト （4)のビッカース硬さ H V、 突起（7)のテーパ面 ( 7a) ( 7b)同士のなすテーパ角度 α 、 突起 （7)の高 さ Ρ および 突起 （7)先端の平坦面 （7c)の面積 S は、 後述する設計方法に 基づき、 締付けの変位量を変化させた.際の推力の値が所定の 最小値と最大値と の間にある よ う に設定されている ο 阿-継手 部材（2) ( 3 )のビッ力一ス硬さは、 H V = 3 0 0程度と されて いる。

以下に 、 こ の発明によ る流体継手の BX §Τ力法について説明 する。

まず、 上記の流体継手（1 )の特徴について、 次のよ う な実 験およぴ考察を行つた

図 3 のグラ フは、 卜ルク と推力 と の関係を示してレヽる こ のグラ フは、 プロ ック状継手部材同士を Μ 4 のポル ト を 4本 使用 して締め付ける さいの トノレク と推力 と の関係を求めたも ので、 メ ツキな し、 銀メ ツキあ り およびメ ツキな しでグ ス 使用の 3種類のボル 卜 について測定されている。 この 果か ら、 銀メ ツキまたはグ リ スなどによ り ポノレ ト回転時の摩擦を 軽減する こ と によ り 、 トルク に比例して推力が増加する と が分かり 、 た、 メ Vキがない場合には、 トルク の増加量に 対する推力の増加の割合が小さ く なる こ と も分かる。

図 4 のグラ フは、 ガスケ ッ ト （4)の突起（7)の形状が 9

0 ° およぴ P = 0 . 2 9 m mの場合に 、 変位量に対する締付 け トルクおよぴ受圧面積を調べたもので、 受圧面積が変位量 に比例 して増加する こ と が分か り 、 また、 変位量が突起高さ

P に達する と 、 その後は、 締付け トルク が増カロ しても変位量 がほと んど変化しないこ とが分かる こ こで、 所要のシール性を得るには、 最低締付け力すなわ ち締付け時に所定値以上の推力が必要であ り 、 また、 所要の 強度を維持する には、 推力がガスケ ッ ト （4)の硬さ に対応す る所定値を越えないこ とが必要と なる。 したがって、 安全率 も考慮して、 次の式を満足する よ う にガスケ ッ ト （4)の硬さ および形状 （テーパ角度 α； 、 突起高さ Pおよび先端平坦面面 積 S ) を選定する こ とが好ま しい。

最低締付け力 X安全率ぐ継手締付時の推力ぐ表面硬さに応 じた推力 X安全率

そ して、 締付けによって面積が変化する こ と を考慮して、 次の式を使用する こ とがよ り 好ま しい。

最低締付け力から求めた面圧 X安全率 <継手締付時の単位 面積あた り の推力の実験値 <ガスケッ ト の ビッカース硬さか ら求めた単位面積あた り の推力 X安全率

最低締付け力 と しては、 例えば、 使用状態でのボル ト荷重 およびガスケッ ト締付け時のボル ト荷重の う ち、 いずれか大 きい方を使用すればよい。 ビッカース硬さ、 最低締付け力な どを求める計算式および各記号の意味を表 1 に示す。

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O i O

表 1

記号 記号の意味 ' 関係式

HV ビッカース硬さ HV=0. 1 0 2 *F/S

F 試験荷重 [N]

S 表面積 [mm ²]

Wml 使用状態での必要な最小ボルト荷重 [N] Wml=7c*G*P*(G+8*b*m) /4

Wm2 ガスケット締付けに必要な最小ポルト荷重 [N] Wm2=7t*b*G*y

G ガスケット反力のかかる位置を通る円の直径 [mm]

P 設計圧力 [MPa]

m ガスケット係数 (ガスケットの材料と接触面より選択）

b ガスケット座の有効幅 [mm]

y ガスケットまたは継手接触面の最小設計締付け圧力 [N/mm ²]

Ami 使用状態でのボルトの所要総断面積 [mm ²] Aml=Wml/ σ b

Am2 ガスケット締付け時のボルトの所要総断面積 [mm ²] Am2=Wm2/ σ _a -

Am ポルトの所要総断面積 [mm ²] Am=Aml₅Am2のどちらか大きい方

Wml ポルト荷重

Wm2 ホルト荷重

σ a 常温でのポルトの許容引張り応力 [kg£½m ²]

σ b 設計温度でのポルトの許容引張り応力 [kg mm ²]

Wo 使用状態でのポルト荷重 [kgf] Wo=Wml

Wg ガスケット締付け時のポルト荷重 [kgf] Wg=(Am+Ab) *σ a/2

Ab ボルト有効断面積 [mm ² ] Ab=8.78(M4ボルト有効断面積） bo ガスケット座の基本幅 [mm]

図 5 には、 こ の発明の流体継手で使用 されるのに好適なガ スケッ ト を得るために使用 される グラ フを示している。 横軸 には 、 変位量、 縦軸には推力またはボル ト荷重を取 り 、 ガス ケ V トの突起のテーパ角度を α = 9 0 ° と して 、 変位量と推 力またはボル ト荷重と の関係を求めてレヽる。 同図のグラ フか らヽ ビッ カース硬さ が H V = 3 0 の もの と H V = 1 0 0 の も の と を比べると 、 最大の変位量 （締付け終了時点） で、 推力 がそれぞれ約 3 4 O k g f と約 1 1 2 0 k g f と な り 、 ビッ 力 ス硬さが Η V = 3 0 のものでは、 推力不足によ る面圧低 下に伴う シール性不足に注意する必要がある こ と、 H V = 1

0 0 のものでは、 推力過多に伴 う継手またはポル ト の損傷に 注 、する必要がある こ とが分かる。 また、 銀メ ツキを施した もの (Ag PLATING と表示） の実験値は、 両者の間に位置する と 、 使用状態でのボノレ ト荷重《ガスケッ ト締付け時のポル h荷重である こ と なども同グラフから理解される

図 6 および図 7 は、 図 5 と 同様の考察をガスケ ッ ト （4)の 突起 (7)のテ ーパ角度を α： = 6 0 ° (図 6 ) oよぴ a 1 2

0 o (図 7 ) と して行ったもので、 図 5 と の比較によ り 、 テ 一パ角度を 0； = 9 0 ° 力 ら = 6 0 。 に変更する とヽ 推力が 小さ く な り 、 テーパ角度を a ― 9 0 ° か Ό = 1 2 0 に変

- 更する と 、 推力が大き く なる こ と が分かる。 う して 、 推力 をある範囲に設定した場合に、 ビッ力一ス硬さ 、 テ一パ角度 な どを変更 して、 所定の推力を得るためのガスケ ッ ト （4)を 設計する こ とができる。

図 8 には、 こ の発明の流体継手で使用 されるのに好適なガ スケッ ト （4)を得るために使用 される他のグラ フを示 してい る ₀ ：横軸には、 変位量、 縦軸には、 面積あた り の推力を取り 、 ガスケ ク 卜 (4)の突起（7)のテーパ角度を <¾ = 9 0 ° と して、 変位量と面積あた り の推力 と の関係を求めている。 面積あた り の実験値と されてい る も のが、 こ の発明による流体継手（ 1 ) の特性である。 同図のグラ フから、 変位量を 0 . 1 m m以上

·- とする と によ り 、 シール性に必要な面積あた り の推力が得 られる と 、 すなわち、 最低締付け力から求めた面圧 <継手 締付時の単位面積あた り の推力 と い う 条件を満たすこ と がで さ る こ と が分かる。 そ して、 実際には、 安全率を考慮して、 例えばヽ 変位量については 0 . 1 5 m m以上あればシール性 が確実に確保でき る と判断される。 また、 変位量を例えば 0 .

4 m m以上にする と 、 面積あた り の推力がガスケッ ト硬さ H

V = 1 0 0 の場合の推力に到達し、 流体継手（1)の強度を確 保するための推力の条件である継手締付時の単位面積あた り の推力 <ガスケ ッ トの ビ ッカース硬さから求めた単位面積あ た り の 力を満たさ なく なる こ と から、 安全率を考えて、 例 えば 、 変位量 0 . 3 O m m以下とい う 条件と して強度を確保 すればよレ、こ と が分かる。 変位量と ガスケッ ト （4)の突起（7) の高さ P が対応している こ と から、 変位量が決定される と 、 ガスケッ 卜 (4)の突起高さ Pが確定する。

図 9 よぴ図 1 0 は、 図 8 と 同様の考察をガスケ ッ ト （4) の突起 （7)のテーパ角度を α = 6 0 ° (図 9 ) および ο; = 1 2 0 ° (図 1 0 ) と して行つた'もので、 図 8 との比較によ り 、 テーパ角度を α = 9 0 ° 力 ら ひ = 6 0 ° に変更する と 、 ひ 二 9 0 ° の場合に比べて、 面積あた り の推力すなわちシール性 に必要な面積あた り の推力を大き く する必要がある こ と がわ かり ヽ 例えば、 変位量を大き く するために突起高さ を大き く するなどの設計変更を 時に行う かど う かを検討する こ と に な 、 また、 テーパ角度を α = 9 0 ° 力 ら α = 1 2 0 ° に変 更する と 、 ひ = 9 0 。 の場合に比べて、 面積あた り の推力す なわちシ一ル性に必要な面積あた り の推力を小さ く でき る こ と がわか り 、 例えば、 変位量を大き く するために突起高さ を 小さ < するなどの設計変更を同時に行 う かど う かを検討する こ と になる。 上 におレ、ては、 ビッカース硬さ を Η V = 1 0

0 に保つよ う に しているが、 ビッカース硬さ を変更する よ う に して も ちろんよ く ヽ ガスケ ッ ト （4 )の設計の 自 由度が増 しヽ ビッカース さ、 テーパ角度などを変更して、 シ一ル性 よび耐久性をよ り 高い レベルで両立させたガスケ ッ ト ( 4 ) を設計する こ と ができ る

なね 、 H V = 1 0 0 などの所要のビッカース硬さは、 ステ ン レス鋼製のガスケッ 卜 ( 4)に十分な固溶化熱処理を施すこ と によ り 得る こ と 力 Sでさ 、 ガスケ ッ ト （4)には、 熱処理後に 面研磨が施 ≤·れる

m 産業上の利用可能性

継手部材間に介在させられたガスケッ ト を変形させる こ と によつてシール性を得る流体継手において、 ガスケッ トの形 状を含めて継手部材間の適正なシール構造を構築する こ と が でさゝ これによ り 、 シ一ル性と耐久性の両方が向上した流体 継手を得る こ とができ る

Claims

請求の範囲

1 . 互いに連通する流体通路を有している第 1 および第 2 の 継手部材と、 両継手部材の突さ合わせ端面間に介在させられ るガスケ ッ ト と 、 両継手部材を結合するねじ手段と を備えヽ 各継手部材端面に、 平坦な底面を有する環状凹所がそれぞれ 設け られ、 両継手部材の凹所で形成されたガスケッ 卜収納空 間内に環状ガスケッ トが配置されてお り 、 ガスケッ 卜の両側 面に環状突起が設け られている流体継手において、 ガスケク トの突起の断面形状は、 外周面と なる内向きテーパ面 、 内周 面と なる外向きテーパ面およぴ先端面と なる平坦面と によつ て区画された台形状である こ と を特徴とする流体継 ·手,

2 . ガスケッ トの硬さ、 突起のテーパ面 士のなす角度、 突 起高さおよび突起先端の平坦面の面積はゝ 締付け時の推力の 値が所定の最小値と最大値と の間にある よ う に設定されてい 求項 1 の流体継手。

3 . ガスケッ トの環状突起の内向きテーパ面と外向ぎテ一パ 面のなす角 ひ が、 5 0 〜 ： 1 3 0 ° と されている請求項 2 の流 体継手。

4 . 互いに連通する流体通路を有している第 1 およぴ第 2 の 継手部材と、 両継手部材の突ぎ合わせ端面間に介在させられ るガスケ ッ ト と、 両継手部材を結合するねじ手段と を備え 、 各継手部材端面に、 平坦な底面を有する 状凹所がそれぞれ 設け られ、 両継手部材の凹所で形成されたガスケッ 卜収納空 間内に環状ガスケッ トが配置されてお り 、 ガスケッ 卜の両側 面に環状突起が設け られている流体継手を設計する方法であ つて 、 ガス ケ ッ ト の突起の断面形状を、 外周面と なる内向さ テーパ面、 内周面と なる外向きテーパ面および先端面と なる 平坦面と によって区画された台形状とする と と もに 、 ガスケ ッ トの硬さ 、 突起のテーパ面同士のなす角度 、 突起髙さおよ ぴ突起先端の平坦面の面積を、 締付け時の推力の値が所定の 最小値と最大値と の間にある よ う に 1¾疋する こ と を特徴とす る流体継手の設計方法。

5 . ガスケッ ト の硬さ、 突起のテ ' ~ ノヽ [¾同士のなす角度 、 突 起高さおよぴ突起先端平坦面面積を、 以下の式を満たすよ う に決定する こ と を特徴 と する請求項 4 の流体継手の設計方 法。

最低締付け力から求めた面圧 X安全率 <継手締付時の単位 面積あた り の推力の実験値くガスケッ トの ビッカース硬さか ら求めた単位面積あた り の推力 X安全率