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技術 チューブとの緩み脱落を防止する管継ぎ手

出願人 和正豐科技股分有限公司
発明者 簡煥然陳柏文
出願日 2014年4月24日 (6年2ヶ月経過) 出願番号 2014-090045
公開日 2014年11月17日 (5年7ヶ月経過) 公開番号 2014-214880
状態 特許登録済
技術分野 流体を締め切る継手・ホース継手 分岐管・ベンド等 圧接部材をもつ継手
主要キーワード 嵌入式 円環状構造 リンク面 隆起変形 修理保守 破損リスク 管壁厚み はめ輪
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重要な関連分野

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課題

管継ぎ手シール能力及び緩み脱落防止能力を改善する。

解決手段

本発明は、チューブとの緩み脱落を防止する管継ぎ手構造であり、特にフッ素樹脂製の管継ぎ手を対象とする。管継ぎ手は、継ぎ手本体、固定リング、及びユニオンナットから構成される。チューブの一端をユニオンナット及びその中の固定リングに通し、治具を用いてチューブの端を拡径させて拡径テーパー部及び拡径ストレート部を形成して、継ぎ手本体の管継ぎ部分のテーパー面及びストレート面に挿入する。ユニオンナットの雌ねじ部を管継ぎ部の雄ねじ部に噛み合わせ、ユニオンナットの凹状湾曲面を固定リングの凸曲面圧着させて固定リングの中心がずれないようにし、シール面の管壁締付け力が均一にかかるようにしてチューブを管継ぎ手にしっかりと固定し、シール及び緩み脱落防止の効果を達成する。

概要

背景

流体移送に広く用いられるゴム製又はプラスチック製のチューブ管継ぎ手は、シール及び緩み脱落防止を達成しなければならないが、チューブは高圧による膨張及び伸長で変形してシール効果が低減しやすく、こうなると微量の漏れが発生する可能性がある。管継ぎ手における大量の漏れは、管路移送過程における水撃作用又は予期せぬ外部からの力であったり、管継ぎ手部分におけるチューブ管壁過度圧縮若しくは圧迫されることによる管壁材の疲労、耐圧能力の低下又は破損による破裂により発生する。よって、工業安全の見地から、管路及び管継ぎ手は以下のような基本的条件を備えている。
(1)合理的な耐圧性及び耐熱性:管継ぎ手は、管路が受ける流体の圧力及び温度に対し耐用性があり、使用中の管継ぎ手の漏れを防止すること。
(2)チューブの引張り強さ:管継ぎ部分のチューブは、内部圧力や外部からくる引張り力を受けたときに一定の引張り強さを有し、緩み脱落による大量の漏れを防止すること。
(3)完全な脱落の防止:管継ぎ手は、チューブの脱落による大量の漏れ発生を防止する特殊な機構及び構造を有していること。
(4)漏れの早期発見:漏れが発生したら迅速に交換できるよう、漏れがまだ微量の初期段階発見できること。
条件(1)及び条件(2)を満たすのが基本的な安全管継ぎ手であり、これに条件(3)が加わったものが高度安全管継ぎ手であり、条件(4)まで加わると、事故予防性を持つ管継ぎ手ということになる。
特に、半導体製造医薬品製造、電子工業などの産業において、高腐食性、劇毒性、高純度の流体を移送するとき、チューブ及び管継ぎ手には上述したよりも高度の安全性が求められる。例えば、人体や環境に重大な危険をもたらす流体が漏れるリスクをさらに低減すること及び管継ぎ手の漏れ防止シール信頼度向上に加えて、製造工程における高純度流体移送に当たって、管路及び管継ぎ手には別の要求が加わることになる。
(5)管継ぎ手の全パーツを含め、材質が、移送する流体による腐食操作圧力、及び操作温度に耐え得ること。
(6)金属イオン析出による移送流体汚染を防止できること。
現在、上述の産業応用での高腐食性、高純度の流体移送に当たって、これらの要求を満たすことができるチューブ及び管継ぎ手は、フッ素樹脂製のみである。そして、移送流体ごとに異なる腐食性を考慮すれば、フッ素樹脂材にはほとんどの場合にPFAが選ばれるが、フッ素樹脂物理的特性によって製造された従来の管継ぎ手は、それ以上の要求を満たすことができない。つまり、高純度、高腐食性の流体を移送するとき、チューブ及び管継ぎ手は上述の6つの条件を満たすと同時に、さらに繰り返し使用の要求を満たさなければならず、20回以上の着脱を繰り返しても漏れがないことが求められるからである。
以下は、四フッ化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂(PFA)の基本的な物理的特性である。
PFAは、長い鎖状分子構造をしており、表面が滑らかで、動摩擦係数が0.2と低く、長い鎖状の分子構造なので管材として300%という極めて良好な弾性率を備える。引張り強さ24.5〜34.3Mpa、圧縮強度16.7Mpaも良好であるが、熱を受けると75℃で0.45Mpa、50℃で1.81Mpaの圧力で変形し、強度が落ちる。最大使用温度は260℃、熱膨張係数12E−5/℃であり、PFA管材は加工が難しく、外径管壁厚み中空部分の偏心で、5%〜10%の寸法公差がある。
このほか、チューブを長時間使用して、外力、高圧、高温を受け続けると、管壁材も腐食性流体による浸食及び浸透を受けて劣化し、シール面での漏れ発生の確率が高まり、シール面に近い管壁では肉眼では見えない流体漏れの可能性が急激に高まる。よって、高腐食性、劇毒性の流体に用いる場合、漏れの早期発見もフッ素樹脂製管継ぎ手が備えておくべき機能の1つとなる。

これらの物理的特性や使用条件踏まえ、PFA管継ぎ手を設計する時の注意事項を以下に列挙する。
(1)PFAの滑らかな表面及び動摩擦係数の低さは、非粘着性の特性を有し、表面押圧によるシールには向かない。良好な圧縮強度により、圧力を受ける面が破損及び劣化しにくいが、締付け力Fが大きすぎると管壁材が疲労し、「20回以上の着脱を繰り返しても漏れがない」という条件を満たせなくなる。
(2)弾性率が高いので、押圧されたチューブ管壁が圧力や引張り力を受けて管壁の肉が移動し、管壁厚みが部分的に薄くなり、肉の移動とともに管壁の圧縮量が減少し、シール効果の低減をもたらすとともに、チューブが外部からの引張り力によって緩み脱落しやすくなる。
(3)材料としての強度は温度上昇とともに低減し、管継ぎ手において締付け力を受ける各パーツの強度も低下し、圧迫される管壁の圧縮力も低下して、漏れが発生する可能性がある。
(4)チューブを管継ぎ手に装着するとき、加熱するか否かを問わず、治具を用いてチューブを拡径した後、拡径テーパー部及び拡径ストレート部の管壁厚みが外径の拡大とともに肉薄になり、管壁厚みの公差が広がる。この状態で圧縮シールしても、効果は相対的に低減される。また、拡径テーパー部のテーパー角εが大きいほど、管壁厚みの公差も拡大し、変形が難しくなり、現場での施工コストも上昇する。
(5)シール面:チューブの拡径テーパー部を、管継ぎ手本体の管継ぎ部テーパー面にテーパー角εで圧着させるに当たり、固定リング圧迫リングが拡径テーパー部を管継ぎ部テーパー面に圧迫するとき、圧迫を受ける管壁部分に円環状のシール面が形成される。このシール面が固定リングと同心円上にあれば、シール面は真円か、真円に近くなるが、中心が相互にずれていると、このシール面は楕円形又は不規則な円環状を呈し、管継ぎ手を締め付けたときに固定リング上の圧迫リングが、拡径テーパー部と管継ぎ手テーパー面とを均一な力で圧着させることができないままシール面が形成される。このようなシール面は真円ではないので、シール能力があるのは円形部分のみということになる。
(6)高温時の漏れ試験:よく用いられる方法は、管継ぎ手を締め付けてから、オーブンに入れて150℃の一定温度で数時間加熱した後、温度が降下するのを待ってから取り出し、水中に浸したまま、管継ぎ手内部に7kg/cm2の作用圧力窒素(N2)を注入し、一定時間が経過後に外部に気泡が発生するかを観察する。
(7)締付け力F:ユニオンナットを管継ぎ手本体に取り付けると、チューブの拡径テーパー部に締付け力Fが発生する。この締付け力Fのベクトルは、ユニオンナットの圧迫リング又は圧迫リング曲面からチューブの拡径テーパー部が圧力を受けるシール面に向かっており、テーパー角をε、締付け力Fとチューブ軸方向とが形成する角度を締付け傾角γ、締付け力Fと管継ぎ部テーパー面の法線とが形成する角度をF・N挟角θとすると、θ=90°−ε−γ、締付け力Fは、(i)テーパー面に対して垂直方向に働く分力Fn(Fn=F×COS(θ))、(ii)テーパー面に対して平行に働く分力Fh(Fh=F×SIN(θ))に分けられる。F・N挟角θが大きいほど水平分力Fhが大きくなり、これが基本的な締付け力となり、F・N挟角θが小さいほど垂直分力Fnが大きくなり、締付け力が増す。
(8)引張り強さ:チューブ引張り力Tは、管内又は外部からの圧力からきており、チューブが引張り力Tを受けると、締付け力Fは、方向的には引張り力Tの逆方向に、一定の大きさを持つ引張り分力Ftを有し、Ft=F×COS(γ)である。次に、締付け力Fにおける垂直分力Fnが大きいほど、引張り力Tを受けた時に管壁の肉移動が少なくなる。管継ぎ手の引張り強さは、Ft及びFnから来ている。チューブの引張り強さ試験を行うとき、引張り力を受けて変形した後の長さが、元の長さの2倍以上になる塑性変形があれば、その管継ぎ手は高い引張り強さを持つことになる。
(9)圧迫リング構造:圧迫リングの外形は、三角形くさび型、円形面取り、直角、鈍角などの角形をしており、この角が圧迫角βを形成し、βが小さすぎると、チューブ管壁に食い込んで破壊が進む。圧迫リングは管継ぎ部テーパー面に沿って変形し、管壁の肉をテーパー面に沿って外径方向に押し上げ、シール面周囲の管壁厚みを変化させる。圧迫リングが圧迫するシール面の管壁の肉が、持続的な引張り力Tを受けて移動するとき(拡径テーパー部の内壁面と管継ぎ部のテーパー面との「面と面との接触」部分は、摩擦力が低いため変化はないが)、シール面の管壁の肉の移動は増える。圧迫リングがチューブの拡径テーパー部を直接圧迫すると比較的高い摩擦力が生じ、引張り力Tを受けて、管壁の肉が持続的に環状に変形して隆起する。この隆起変形が大きいほど、チューブの引張り強さが増す。
(10)締付け過程:ユニオンナット内径雌ねじ部と継ぎ手本体管継ぎ部の雄ねじ部とを噛み合せて締め付けるとき、シール面のチューブ管壁が挟み込まれる時から開始して、例えば管継ぎ手を手動で締め付けた時を起点とし、工具又は手動で所定の位置まで締め付け終えるまでのこの過程を締付け過程と呼ぶ。この過程においてユニオンナットは、ねじを噛み合わせる締付け力及びシール面を圧迫する締付け力を提供するため、より大きなトルクを必要とする。
(11)締付け円周角:チューブ管壁が受ける締付け力は、雄ねじ部のねじ山ピッチと関係している。ユニオンナットが一周回ると、つまりトルク円周角360°の時、このシール構造がねじ山ピッチ分だけ軸方向に圧縮されることになるが、この軸方向圧縮量は、各パーツに分散されて各部の弾性変形量となって表れ、シール面の管壁厚みも一部の圧縮量を受けて変化する。そのため、シール面の管壁厚みをねじ山ピッチ分圧縮して締付け過程を終えた時は、ユニオンナットがちょうど一周回った時とは限らない。
(12)軸方向圧縮:締付け過程において、固定リング、管壁、管継ぎ部のテーパー面、及びストレート面は、いずれもユニオンナットの締付け力を受けて圧縮変形する。この変形は、各パーツの構造変化及びねじ山の構造変化を含む。この弾性範囲内の圧縮変形もシール面における締付け力を提供しており、シール面が円形又は円形に近いときだけ均一の圧縮変形がもたらされるが、この圧縮変形は長時間のクリープ変形により一部の弾性を喪失し、締付け力が低下する。この場合でも、テーパー面及びストレート面に適度な管壁厚みが維持されていれば、シール面は良好な締付け力を確保できる。高温時の漏れ試験や高温流体移送の時は、強度が落ちるとともにクリープ変形が加速される。言い換えると、フッ素樹脂材は、高温下で弾性が落ちて局部が恒久的に変形することになる。着脱の繰り返しでも、各パーツは着脱回数分だけ軸方向圧縮を受けることになり、これもクリープ速度を上げ、締付け力を低下させ、シール面の漏れのリスクを増大させる。ユニオンナットが受ける引張り力も、おそらく着脱の繰り返しや高温により、雌メジ部のねじ山を含めて締付け力を低下させる。シールの目的のために軸方向圧縮量が限界を超えると、過度の圧縮がシール面の管壁を疲労若しくは変形させ、20回の着脱繰り返しに耐えられなくなったり、又は高温下での漏れ試験における耐圧能力が低下したりする。
(13)摺動摩擦:PFA表面は滑らかだが、締付け過程において、シール面の圧迫リングと管壁との間には相応の摺動摩擦があり、シール面の管壁、圧迫リング、及びテーパー面に破損部などがあれば、そこから管壁の破壊が進む可能性がある。
(14)摩擦リスク:回転円周角全体、つまり締付け過程には常に摺動摩擦が発生し、管壁を破損させる摩擦リスクが高まるが、回転円周角が小さいほど摩擦リスクは低くなる。圧迫リングに良からぬ変形があると管壁の摩擦リスクはさらに高まり、着脱の繰り返しにより管壁の破損があれば、「20回以上の着脱を繰り返しても漏れがない」という条件を満たせなくなる。
(15)シール能力:150℃以上の高温試験及び「20回以上の着脱」要求を満たすこと、並びに締付け力のうちの法線方向にかかる分力Fnの大きさ、摩擦リスクの低さ、及び引張り分力Ftの高さが、シール能力の高さに直結する。これらはいずれも基本的なシール能力を構成する要素である。
PFAなどのフッ素樹脂材を用いた管継ぎ手は、工業安全の要求及び注意事項を参考に独自の構造設計が行われ、高純度流体の移送要求を満たし、繰り返し使用のニーズにも適合している。PFAなどのフッ素樹脂製チューブと管継ぎ手とでのシール及び緩み脱落防止方法として最も早期の先行技術は特許文献1であり、管継ぎ手及びユニオンナットの2つの部品から構成されており、管材の外径を圧縮してシール効果を達成するものである。特許文献2は、ユニオンナット内側に固定リングを加えた3つの部品から構成されており、管材外径を挟み込んで圧縮保持して、シール効果及び管路の引張り強さを達成するものである。移送する流体温度及び圧力、管材の引張り強さ、並びに漏れに対する信頼度向上というニーズに応えるかたちで、特許文献3及び特許文献4は、比較的長い管継ぎ部に管を嵌合して固定リングで圧迫するタイプから、管の端部のみを嵌合するタイプに改良された。以下に紹介する先行技術の管継ぎ手構造は、このいくつかの方法によって改良されたものである。

公知例1を図7(A)に示す。先行技術のPFA製管継ぎ手で、継ぎ手本体(70)及びユニオンナット(76)の2つの部品から構成される管継ぎ手(7)である。
チューブ(18)の先端をユニオンナット(76)の狭まり部穴(761)に通し、治具を用いて冷却又は加熱後に、拡径テーパー部(181)と拡径ストレート部(182)とを含む拡径部(180)を形成する。
継ぎ手本体(70)は、中空部分(14)を有して流体を流すことができ、管継ぎ部(700)でユニオンナット(76)及びチューブ(18)と結合する。継ぎ手本体(70)の一端は、ねじ山(12)により他の設備又は装置と接合することができ、中間の工具作用部(15)により管継ぎ手(7)を装着する。
管継ぎ部(700)は、端から順に、テーパー面(701)、ストレート面(702)、及び雄ねじ部(704)を有し、前二者にチューブ(18)の拡径テーパー部(181)及び拡径ストレート部(182)を装着する。テーパー面(701)のテーパー角εは通常は45°前後であり、雄ねじ部(704)にユニオンナット(76)を噛み合わせる。
ユニオンナット(76)は内径表面に、雌ねじ部(766)、ナット内径面(767)、及び狭まり部(760)を有し、雌ねじ部(766)に管継ぎ部(700)の雄ねじ部(704)を噛み合わせる。狭まり部(760)の中心部にある狭まり部穴(761)の内側面に圧迫リング(762)を有し、その圧迫角βは通常はほぼ90゜の直角である。
ユニオンナット(76)の締付け過程において、チューブ(18)の軸方向に沿って圧迫リング(762)、拡径部(180)及びテーパー面(701)を圧迫することにより、拡径テーパー部(181)の管壁を圧迫してシール面(183)を形成してシール効果を得るとともに、チューブ(18)が外部からの引張り力を受けたときの緩み脱落を防止する。
しかし、この公知例におけるシール能力は、基本的なレベルにとどまる。なぜなら、締付け力Fとテーパー面(701)とが形成する締付け傾角γはほぼ0゜であり、F・N挟角θはほぼ45゜なので、締付け力Fには顕著な水平分力Fhが発生し、これが基本的な締付け力となる。
締付けの全過程において、シール面(183)には摺動摩擦による高度の摩擦リスクが存在することから、シール効果を達成するためにトルクを加えるに当たり、経験を積んだ操作員監督管理が必要である。
チューブが引張り力Tを受けると、その反対方向に比較的大きな引張り分力Ftが発生するが、F・N挟角θがほぼ45゜なので、垂直分力Fnは小さく、引張り強さをさらに向上させることはできない。
特許文献5は、この公知例1を改良し、ユニオンナットの狭まり部に2つの異なる直径を有する、角度がほぼ90°直角の圧迫リング2本を追加した2段階シール面構造とした。圧迫リングはいずれも、締付け傾角γはほぼ0゜、F・N挟角θはほぼ45゜であり、引張り力Tの反対方向に大きな引張り分力Ftが働くが、垂直分力Fnは小さく、この構造で引張り強さをさらに向上させることはできない。これを踏まえて、管継ぎ部の厚みを増し、高剛性雄ねじ山を用いて締付け力Fを増大させ、2本の圧迫リングを用いて2つのシール面を形成して、テーパー面における垂直分力Fn不足の問題を改良している。しかし、外径が増した分、より大きな装着スペースが必要となり、チューブの拡径ストレート部外径に制限が生じてしまった。この特許文献に記載の管継ぎ手は、比較的良好なシール能力を有しているが、締付けの全過程においてシール面には摺動摩擦があり、高い摩擦リスクを有する。

公知例2を図7(B)及び図7(C)に示す。この先行技術は、公知例1の構造の延長線上にあり、チューブ(18)よりも硬度が高いディスク型固定プレート(77)を加えて引張り強さを向上させている。この公知例は、高温、高圧、外部からの引張り力、繰り返し受ける外力といった使用条件を満たしており、しかも締付け過程における摺動摩擦による破損を防止する構造となっている。管継ぎ手(7A)は、継ぎ手本体(70)、ディスク型固定プレート(77)及びユニオンナット(76)の3つの部品から構成されている。
チューブ(18)の先端をユニオンナット(76)の狭まり部穴(761)及びディスク型固定プレート(77)の中心孔に通し、治具を用いて冷却又は加熱後に、拡径テーパー部(181)と拡径ストレート部(182)とを含む拡径部(180)を形成する。
継ぎ手本体(70)は、中空部分(14)を有して流体を流すことができ、管継ぎ部(700)でユニオンナット(76)及びチューブ(18)と結合する。継ぎ手本体(70)の一端はねじ山(12)により他の設備又は装置と接合することができ、中間の工具作用部(15)により管継ぎ手(7A)を装着する。
管継ぎ部(700)は、端から順に、テーパー面(701)、ストレート面(702)、及び雄ねじ部(704)を有し、前二者にチューブ(18)の拡径テーパー部(181)及び拡径ストレート部(182)を装着する。テーパー面(701)のテーパー角εは通常は45°前後であり、雄ねじ部(704)にユニオンナット(76)を噛み合わせる。
ユニオンナット(76)は内径表面に、雌ねじ部(766)、ナット内径面(767)、及び狭まり部(760)を有し、雌ねじ部(766)に管継ぎ部(700)の雄ねじ部(704)を噛み合わせる。狭まり部(760)の中心部にある狭まり部穴(761)の内側壁面はストレート面であって、ほぼ90゜の直角を形成しており、ディスク型固定プレート(77)の一面が収まる構造である。
ディスク型固定プレート(77)は、PFAチューブよりも硬い素材PVDFなど)でできており、プレート外径面(771)はナット内径面(767)の内径より小さく、ユニオンナット(76)内部に装着できる。その被圧迫面(770)は狭まり部(760)の内側面にぴったりと圧着し、その中心孔の径は狭まり部穴(761)の径とほぼ等しい。被圧迫面の反対側の圧迫面(772)は、コーン角Zを有し、60°≦Z≦90°の範囲内にあり、先のった円錐面又は平面である。中心孔の縁には圧迫リング(7721)を有し、圧迫角βが60°≦β≦90°の範囲内にあって(βが小さすぎると管壁を傷める)、これが管継ぎ部(700)のテーパー面(701)におけるチューブの拡径テーパー部(181)を圧迫して引張り強さを向上させている。
ユニオンナット(76)の締付け過程において、チューブ(18)の軸方向に沿って拡径部(180)を圧迫することにより、圧迫リング(7721)とテーパー面(701)とが拡径テーパー部(181)の管壁を挟み込んで締め付けて、シール面(183)を形成する。
しかし、この公知例のシール能力は、基本的なレベルにとどまる。
締付け傾角γはほぼ0゜、F・N挟角θはほぼ45゜であり、引張り力Tの反対方向に大きな引張り分力Ftが働くが、垂直分力Fnは小さく、この構造で引張り強さをさらに向上させることはできない。
また、摩擦リスクが高い。これは締付け過程において、被圧迫面(770)が狭まり部(760)の内側面に圧着していることからディスク型固定プレート(77)がユニオンナットに連動して回転し、シール面(183)に摺動摩擦を発生させるからである。シール効果を達成するためにトルクを加えるに当たり、経験を積んだ操作員の監督管理が必要である。このほか、締付け過程において、ディスク型固定プレート(77)の中心位置を保持することができない。言い換えると、締付け力Fの締付け傾角γが一定しないので、締付け力が不均一に、非円形又は楕円形に作用して、シール効果及び引張り強さを低下させる。
PVDF材のディスク型固定プレート(77)は、高温時での材料の温度特性の制限を受け、例えば150℃の高温試験をパスすることができない。ディスク型固定プレート(77)に硬度の劣るPFAを使うと、締付け傾角γがほぼ0゜なので、その圧迫リング(7721)が変形し、垂直分力Fnもさらに低下して、引張り強さ試験及び高温試験の条件を満たすことができない。

特許文献6に記載の管継ぎ手を、図8及び図9に示す。この管継ぎ手(8)は、継ぎ手本体(80)、ユニオンナット(86)、及び嵌入式固定リング(87)を含め、すべてPFA製である。
チューブ(19)の先端をユニオンナット(86)の狭まり部穴(861)に通し、治具による冷却又は加熱を経てチューブの先端に嵌入式固定リング(87)を挿入し、チューブの先端に、拡径テーパー部(191)、拡径逆テーパー部(192)、拡径ストレート部(193)及び塑性変形したシール面(194)を含む拡径部(190)を形成する。
継ぎ手本体(80)は、中空部分(14)を有して流体を流すことができ、管継ぎ部(800)でユニオンナット(86)及びチューブ(19)と結合する。継ぎ手本体(80)の一端はねじ山(12)により他の設備又は装置と接合することができ、中間の工具作用部(15)により管継ぎ手(8)を装着する。
管継ぎ部(800)は、端から順に、アウター筒テーパー面(801)、アウター筒ストレート面(802)、インナー筒テーパー面(803)、雄ねじ部(804)、及び周溝(805)を有している。周溝(805)は、アウター筒ストレート面(802)とインナー筒テーパー面(803)との間にあり、アウター筒テーパー面(801)及びインナー筒テーパー面(803)はそれぞれに異なるテーパー角εを有し、嵌入式固定リング(87)が挿入される。雄ねじ部(804)は、ユニオンナット(86)と噛み合う。
ユニオンナット(86)は内径表面に、雌ねじ部(866)及び狭まり部(860)を有し、雌ねじ部(866)は管継ぎ部(800)の雄ねじ部(804)と噛み合う。狭まり部(860)の中心にある狭まり部穴(861)の内側面には圧迫リング(862)があって、その圧迫角βは通常は90゜の直角に近い。
嵌入式固定リング(87)は中空構造で、第一テーパー面(870)、固定リング最大直径(872)、第二逆テーパー面(873)、嵌合止め面(874)、ストレート面(875)、インナー筒逆テーパー面(876)、及び突起筒(878)を含む。突起筒(878)は、ストレート面(875)とインナー筒逆テーパー面(876)との間に位置する。嵌入式固定リング(87)は、専用の治具を用いてチューブの先端からチューブ(19)内側に挿入され、第一テーパー面(870)、固定リング最大直径(872)及び第二逆テーパー面(873)がチューブ拡径部(190)によって包み込まれ、チューブ(19)の先端が嵌合止め面(874)に突き当たる。第一テーパー面(870)のテーパー角εは、通常は45°未満である。第一テーパー面(870)の第一テーパー周エッジ(8701)には90゜に近い圧迫面が設けられ、この圧迫面が、管壁が塑性変形したシール面(194)を圧迫する。嵌入式固定リング(87)の他端は、ストレート面(875)及び突起筒(878)であり、その内側にはインナー逆テーパー面(876)が設けられている。
装着時は、嵌入式固定リング(87)のストレート面(875)を継ぎ手本体(80)のアウター筒ストレート面(802)内に挿入するとともに、突起筒(878)を周溝(805)内に挿入嵌合し、インナー逆テーパー面(876)とインナー筒テーパー面(803)とを緊密に接合させる。
ユニオンナット(86)の締付け過程において、チューブ(19)の軸方向に沿って拡径部(190)を圧迫する。ユニオンナット(86)の圧迫リング(862)及び第一テーパー面(870)の第一テーパー周エッジ(8701)を用いて管壁にシール面(194)を形成してシール効果を得るとともに、チューブ(19)に外力がかかったときの緩み脱落を防止する。
しかし、この特許文献に記載の管継ぎ手のシール能力は、基本的なレベルにとどまる。
管継ぎ手(8)は、比較的良好な締付け力を発揮できる。これは、締付け力Fが、第一テーパー周エッジ(8701)の圧迫面に対して垂直に働いて圧迫しており、しかもシール面(194)を専用の治具を用いて圧着して塑性変形させて強度を上げており、さらに第一シール部における締付け傾角γはほぼ0°、F・N挟角θもほぼ0゜で、Tと反対方向に働く引張り分力Ftが大きく、垂直分力Fnも大きいことから、引張り強さを大幅に向上させることができるためである。
高温下においては、第一シール部の第一テーパー周エッジ(8701)が構造的に弱く、材料強度が落ちた時に圧迫リング(862)の圧迫を受けて第一テーパー周エッジ(8701)が変形し易く、シール面(194)の管壁に対する圧迫力を弱めるので、漏れリスク増大の問題がある。
チューブ(19)の拡径逆テーパー部(192)は、嵌入式固定リング(87)の第二逆テーパー面(873)と、継ぎ手本体(80)のアウター筒テーパー面(801)とによって圧迫されており、これが第二シール部を形成する。
第二シール部では、固定リング最大外径(872)における管壁厚みが薄く、公差が大きくなっており、特に高温で変形すれば圧縮強度が落ちることから、管壁厚みを利用した圧縮シールには不利に働く。
嵌入式固定リング(87)において、ストレート面(875)が管継ぎ部分(800)のアウター筒ストレート面に固定され、突起筒(878)が周溝(805)内に密着嵌入されると同時に、インナー逆テーパー面(876)がインナー筒テーパー面(803)と結合圧着される。これが第三シール部である。
第三シール部は結合が複雑で強度が比較的弱く、高温状態や締付け過程で変形し易い。継ぎ手本体(80)と嵌入式固定リング(87)内部との間は構造的に弱くて複雑であり、外部の力を受けて変形してできた隙間に流体が残留し易い。修理保守の時、専用の治具で嵌入式固定リング(87)を継ぎ手本体(80)から分離するに当たり、第三シール部の構造的な弱さに起因して嵌入式固定リング(87)を傷め易い。嵌入式固定リング(87)及び継ぎ手本体(80)をそのまま取り替えることにもなりかねず、管継ぎ手(8)の繰り返し使用に不利に働き、修理保守の時間がかかり、材料コストも上昇する。
さらに摩擦リスクも高い。これは締付け過程において、シール面には常に摺動摩擦が発生するからである。シール面(194)は治具により形成されて比較的硬いとはいえ、締付け過程全体において圧迫リング(862)と直接の摺動摩擦が発生するので、摩擦リスクは高い。シール効果を得るためにトルクを加える時には経験のある操作員が監督管理する必要があり、「20回以上の着脱を繰り返しても漏れがない」という条件を満たすことも難しい。
この特許文献に記載の管継ぎ手は、特許文献7及び特許文献8などの関連特許によって改良されており、シール効果及び引張り強さに改善が見られたが、構造が複雑化して変形しやすく、嵌入式固定リング(87)及び継ぎ手本体(80)を交換する確率が高いだけでなく、専用の治具が必要なことも、施工及び修理保守の負担とコストを上げることになる。しかも、シール面(194)には、締付けの全過程において摺動摩擦が発生し、管壁損傷のリスクを低減できず、「20回以上の着脱を繰り返しても漏れがない」という条件を満たすのも難しい。

特許文献9に記載の管継ぎ手は、高温、高圧、外部からの引張り力、及び着脱繰り返しの使用条件を満たせることが強調されており、継ぎ手本体、ユニオンナット、及びはめ輪の3つの主要部品、並びに圧迫リングを有するグリッパーである補助部品から構成されている。
チューブの先端をユニオンナットの狭まり部穴及びはめ輪の中心孔に通す。グリッパーを使用する場合は、その中心孔にも通す。治具による冷却又は加熱を経て、チューブ拡径部(拡径テーパー部及び拡径ストレート部)を形成する。
継ぎ手本体は流体を送るための中空部分を有し、その一端の管継ぎ部分が、ユニオンナット及びチューブと結合する。
管継ぎ部分は、端から順に、テーパー面、ストレート面、及び雄ねじ部を有し、前二者にチューブの拡径テーパー部及び拡径ストレート部を装着する。テーパー面のテーパー角εは通常は45°前後であり、雄ねじ部にユニオンナットを噛み合わせる。ストレート面には環状円弧溝を備えている。
ユニオンナットは内径表面に、雌ねじ部、傾斜部、及び狭まり部を有している。雌ねじ部は、管継ぎ部分の雄ねじ部と噛み合う。狭まり部の中心にある狭まり部穴の内側面に圧迫リングを有し、その構造は90゜の直角に近く、狭まり部の内側面にグリッパーを装着できる。傾斜部は、その内径は雌ねじ部の径よりも小さいが、グリッパーの外径やチューブの拡径ストレート部の外径よりもやや大きく、はめ輪を締め付けにより押圧して中心方向に湾曲及び収縮変形させて、拡径ストレート部の管壁を管継ぎ手のストレート面の環状円弧溝に押し込む。この環状円弧溝の面がシール面を形成し、シール効果及び引っ張り強さを得る。
はめ輪は、リングの一部がC型に割られ、その断面は中間が薄くて両端が厚く、内径側凹状湾曲面がある扁平構造である。片側に角度x<45°の突起を有しており、ユニオンナットの傾斜部の押圧を受けて、突起を持つ一端が中心方向に湾曲及び収縮変形する。
ユニオンナットの締付け過程においては、チューブの軸方向に沿って拡径部を締め付けると、傾斜部がはめ輪の一端を押圧して中心方向に湾曲及び収縮変形させ、チューブの拡径ストレート部を管継ぎ部分のストレート面の環状円弧溝に押し込み、管壁を環状円弧溝で圧縮変形させてシール効果を達成するとともに、チューブが外力を受けたときの緩み脱落を防止する。これが第一のシール面となる。
グリッパーは、チューブよりも硬い素材でできており、管継ぎ部におけるチューブの引張り強さを強化したいときに用いる。グリッパーは、ユニオンナットの狭まり部の内側面に装着し、その中心孔径は狭まり部穴径に等しく、一面が狭まり部内側面に圧着している。その反対面は、突部角度Zが60°≦Z≦90°の範囲内にある尖った円錐面で、中心側の縁にある圧迫リングの圧迫角βは、60°≦β≦90°の範囲内にある(βが60°未満だと、チューブ管壁に食い込んで破壊が進む)。グリッパーは、チューブの拡径テーパー部の管壁を圧迫することによってシール面を形成し、引っ張り強さを強化している。これが第二のシール面である。
しかし、この特許文献に記載の管継ぎ手のシール能力は、基本的なレベルにとどまる。
第一シール面は、締付け傾角γが90°に近く、F・N挟角θは0゜に近く、Tと反対方向に働く引張り分力Ftは小さく、垂直分力Fnは大きく、しかもはめ輪の開口部分が締付け力の均一な配分を妨げる。もしグリッパーを用いなければ、締付け力は高いが引張り強さは低い。はめ輪は摺動摩擦がないので、管壁破損リスクを低減できる。
グリッパーを用いた場合、第二シール面において圧迫リングがテーパー面を直接圧迫する。この場合、締付け傾角γはほぼ0゜、F・N挟角はほぼ45゜であり、Tと反対方向に大きな引張り分力Ftが働くが、垂直分力Fnは低い。このような構造は引張り強さをさらに上げることができず、上述の公知例2の管継ぎ手と類似の結果となる。このほか、グリッパー締付け過程において、その中心位置を保持することができない。言い換えると、シール面が非円形又は楕円形になり、締付け力Fの締付け傾角γが不均一に分布し、シール効果及び引張り強さを低下させる。
グリッパーはPVDF材なので、高温での使用環境では温度特性による制限を受け、例えば150℃の高温試験に合格することはできない。
また、グリッパーはユニオンナットの狭まり部内側面に圧着した状態でユニオンナットに連動して回転するので、締付け過程で第二シール面に摺動摩擦が起き、管壁が破損する摩擦リスクを低減することはできない。

特許文献10に記載の管継ぎ手を、図7(D)及び図7(E)に示す。この管継ぎ手(1)は、高温、高圧、外部からの引張り力、着脱繰り返しの使用条件を満たし、且つ締付け過程における摺動摩擦による破損を防止できることが強調されており、継ぎ手本体(10)、ユニオンナット(16)、及び固定リング(17)の3つの部品から構成されている。
フッ素樹脂製チューブ(18)の先端をユニオンナット(16)の狭まり部穴(161)及び固定リング(17)の中心孔(179)に通し、治具による冷却又は加熱を経て、拡径テーパー部(181)及び拡径ストレート部(182)から成るチューブ拡径部(180)を形成する。
継ぎ手本体(10)は、中空部分(14)を有して流体を流すことができ、管継ぎ部(100)でユニオンナット(16)及びチューブ(18)と結合する。継ぎ手本体(10)の一端はねじ山(12)により他の設備又は装置と接合することができ、中間の工具作用部(15)により管継ぎ手(1)を装着する。
管継ぎ部(100)は、端から順に、テーパー面(101)、ストレート面(102)、嵌合止め面(103)、及び雄ねじ部(104)を有し、前二者にチューブ(18)の拡径テーパー部(181)及び拡径ストレート部(182)を装着する。テーパー面(101)のテーパー角εは通常は45°前後であり、雄ねじ部(104)にユニオンナット(16)を噛み合わせる。
ユニオンナット(16)は内径表面に、雌ねじ部(166)、ナット内径面(167)、内部テーパー面(162)、及び狭まり部(160)を有する。雌ねじ部(166)は、管継ぎ部分(100)の雄ねじ部(104)と噛み合う。ナット内径面(167)は固定リング(17)を収めることができ、その内径は固定リング(17)の外径よりもやや大きい。狭まり部(160)は、中心に狭まり部穴(161)を有し、その内側面はテーパー角Φの内部テーパー面(162)を有し、30°≦Φ≦95°の範囲内にあって、固定リング(17)の突出テーパー面(170)と圧着する。
固定リング(17)は、硬度の高いPVDF製で、中心孔(179)を有し、両端にテーパー角Φの突出テーパー面(170)を有する環状構造である。断面はくさび型で、その軸方向長さは、リング外径面(171)の方が短く、中心孔(179)のある内径面の方が長い。テーパー面(170)は、中心孔に近いところに管壁を圧迫する圧迫リング(1701)を有し、その圧迫角βはテーパー角Φに等しく、30°≦β≦95°、30°≦Φ≦95°の範囲内にある。もう一方の突出テーパー面(170)が、ユニオンナット(16)の内部テーパー面(162)と圧着して摺動面を形成する。
ユニオンナット(16)の締付け過程において、チューブ(18)の軸方向に沿って拡径部(180)の拡径テーパー面(181)を圧迫してシール面(183)を形成するに当たり、固定リング(17)は内部テーパー面(162)に支えられて中心位置を保持できるとともに、固定リング(17)とユニオンナット(16)との間の圧着摺動面が摺動して、シール面(183)には摺動摩擦を発生させない。締付け力Fは、ユニオンナット(16)の内部テーパー面(162)から固定リング(17)のテーパー面(170)に伝わり、圧迫リング(1701)と管継ぎ部(100)のテーパー面(101)とでチューブの拡径テーパー部(181)の管壁を環状に締め付ける。これによりシール面(183)を形成してシール効果を得るとともに、チューブ(18)が外力を受けたときの緩み脱落を防止している。
しかし、この特許文献に記載の管継ぎ手のシール能力は、基本的なレベルにとどまる。
固定リング(17)の外径がユニオンナット(16)のナット内径面(167)の内径よりも小さいこと、及び両者のテーパー角Φに寸法公差が生じることの2つの因子により、固定リング(17)の位置がずれて中心位置を保持することができず、締付け力を受ける点を結ぶと真円にはならない。すなわち、締付け力Fの締付け傾角γが一定しないので、締付け力が不均一に、非円形又は楕円形に作用する。締付け傾角γはテーパー角Φの影響を受けるが、いずれにしてもかなりの水平分力を有するので、法線方向にかかる分力Fnは相対的に低下し、シール面(183)への締付け力を低下させる。
また、引張り強さという点では、引張り分力Ftは大きいが、垂直分力Fnは小さいので引張り強さをさらに上げることができず、管壁に連続的な環状の肉の隆起を形成することが難しくなる。
固定リング(17)の中心位置が保持できなければ、それに圧着するユニオンナット(16)の内部テーパー面(162)が正確に摺動できないため、固定リング(17)がユニオンナットに連動して回転し、シール面(183)に摺動摩擦が発生して摩擦リスクが高くなる。
PVDF材の固定リング(17)は、高温下で使用すると素材の温度特性の制限を受けて、150℃の高温試験をパスすることができない。固定リング(17)に硬度が劣るPFA材を用いれば、締付け傾角γがテーパー角Φの影響を受けてその圧迫リング(1701)を変形させ、垂直分力Fnはさらに低下して、引張り強さ試験及び高温試験をパスすることができない。さらに、固定リング(17)に硬度の劣るPFA材を用いれば、圧迫リング(1701)が比較的大きく変形して垂直分力Fnを低下させるので、シール能力も低下する。

チューブの引張り強さ向上については、多くの特許文献が出ている。特許文献11及び特許文献12は、異なる方法でチューブの完全脱落防止を図っているが、いずれも施工に専用工具が必要であり、締付け傾角γがほぼ0°、F・N挟角θがほぼ45゜のため、垂直分力Fnが小さく、大きな引張り応力Ftが働くが、シール能力は基本的なレベルにとどまり、特に高度のシール能力を有しているわけではない。

概要

管継ぎ手のシール能力及び緩み脱落防止能力を改善する。本発明は、チューブとの緩み脱落を防止する管継ぎ手構造であり、特にフッ素樹脂製の管継ぎ手を対象とする。管継ぎ手は、継ぎ手本体、固定リング、及びユニオンナットから構成される。チューブの一端をユニオンナット及びその中の固定リングに通し、治具を用いてチューブの端を拡径させて拡径テーパー部及び拡径ストレート部を形成して、継ぎ手本体の管継ぎ部分のテーパー面及びストレート面に挿入する。ユニオンナットの雌ねじ部を管継ぎ部の雄ねじ部に噛み合わせ、ユニオンナットの凹状湾曲面を固定リングの凸曲面と圧着させて固定リングの中心がずれないようにし、シール面の管壁に締付け力が均一にかかるようにしてチューブを管継ぎ手にしっかりと固定し、シール及び緩み脱落防止の効果を達成する。(A)

目的

この過程においてユニオンナットは、ねじを噛み合わせる締付け力及びシール面を圧迫する締付け力を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

チューブとの緩み脱落を防止する管継ぎ手であって、前記管継ぎ手は、前記チューブの一端に固定され、フッ素樹脂材製であり、PFAフッ素樹脂材製の前記チューブの先端に取り付けられ、継ぎ手本体と、ユニオンナットと、固定リングとを有し、前記チューブの先端が、前記ユニオンナットの狭まり部穴及び前記固定リングの中心孔を通り、テーパー部とストレート部とから成るチューブ拡径部を形成し、前記継ぎ手本体は、流体を流す中空部分を有し、一端に前記ユニオンナット及び前記チューブとの結合に用いる管継ぎ部分を有し、前記管継ぎ部分は、テーパー面と、ストレート面と、雄ねじ部とを有し、該管継ぎ部分に前記チューブ拡径部の前記テーパー部及び前記ストレート部を装着し、ここで前記テーパー面のテーパー角εは50°≦ε≦90°であり、前記雄ねじ部は前記ユニオンナットの雌ねじ部と噛み合い、前記ユニオンナットの内径表面は、前記雌めじ部と、凹状湾曲面と、狭まり部とを有し、前記雌ねじ部は前記管継ぎ部分の前記雄ねじ部と噛み合い、前記狭まり部の中心には前記狭まり部穴が開いており、該狭まり部の内側面が前記凹状湾曲面になっており、前記凹状湾曲面は、前記固定リングの一端にある被押圧リング曲面圧着して作用を及ぼす押圧リング曲面を有し、前記被押圧リング曲面と前記押圧リング曲面とでの圧着摺動面がシール面の摺動摩擦リスクを低減することができ、前記固定リングは中心孔を有し、一端又は両端が凸曲面で形成され、一端の該凸曲面に圧迫リングを有し、他端の前記凸曲面に前記被押圧リング曲面を有し、その断面が対称又は非対称のくさび形をしており、前記被押圧リング曲面は、前記ユニオンナット内部の前記凹状湾曲面における前記押圧リング曲面と圧着して前記圧着摺動面を形成し、前記圧迫リングは、前記チューブ拡径部の前記テーパー部の管壁圧迫して、該テーパー部に前記シール面を形成し、この圧迫角βは55°≦β≦75°の範囲内にあり、前記ユニオンナットの締付け過程において、前記固定リングはガイド機構の働きで中心位置が保持され、前記圧着摺動面の働きで前記固定リングが前記ユニオンナットに連動して回転しないようになっており、前記圧着摺動面から前記圧迫リングに伝達された締付け力Fが前記シール面に作用し、ここでF・N挟角θが0°≦θ≦15°の範囲内である、管継ぎ手。

請求項2

前記固定リングの外径面に、漏れた流体に反応して変色する試験紙を備える、請求項1に記載の管継ぎ手。

請求項3

前記固定リングは、前記圧迫リングを有する一端の周エッジ面取りされて、前記圧迫リングが前記チューブ拡径部の前記テーパー部のテーパー付け根部分を圧迫しない構造となっている、請求項1に記載の管継ぎ手。

請求項4

前記管継ぎ部分の前記ストレート面が、前記締付け力を受けて均一に変形するだけの厚みを有し、その厚みが前記チューブの管壁の厚みの1.6倍以上である、請求項1に記載の管継ぎ手。

請求項5

前記管継ぎ部分が、先端から順に前記テーパー面、前記ストレート面、嵌合止め面、及び前記雄ねじ部によって構成され、前記テーパー面のテーパー角εが50°≦ε≦70°の範囲内にあり、前記固定リングは、その両端が前記凸曲面である円環状構造を成し、その断面が対称又は非対称のくさび形をしており、前記固定リングの前記被押圧リング曲面が外径部の近くにあり、前記締付け力Fの締付け傾角γが10°≦γ≦30°の範囲内にあり、前記F・N挟角θが5°≦θ≦15°の範囲内にある、請求項1に記載の管継ぎ手。

請求項6

前記凹状湾曲面に斜め曲面を設けて該斜め曲面での前記被押圧リング曲面と前記押圧リング曲面との間の軸方向ギャップを増やすことで、前記圧着摺動面の接触面積を減らして前記シール面の摺動摩擦リスクを低減する、請求項5に記載の管継ぎ手。

請求項7

前記ユニオンナットの前記押圧リング曲面の外縁にある位置決め曲面が前記固定リングの前記被押圧リング曲面を導いて中心位置を保持する前記ガイド機構により、前記固定リングが中心位置を保持できる、請求項5に記載の管継ぎ手。

請求項8

前記管継ぎ部分が1つの環状溝によってアウター筒インナー筒とに隔てられており、前記アウター筒は外部に雄ねじ部を有し、前記インナー筒は外部に前記テーパー面と前記ストレート面とを有し、前記インナー筒の前記ストレート面と前記アウター筒のガイド内径面との間には前記環状溝(インナー筒溝)があり、該環状溝に前記チューブ拡径部の前記ストレート部を挿入する構造である、請求項1に記載の管継ぎ手。

請求項9

前記固定リングを軸方向に移動させる際に前記管継ぎ部の前記ガイド内径面が前記固定リングの外径面に作用するガイド機構によって、前記固定リングの中心位置が保持される構造である、請求項8に記載の管継ぎ手。

請求項10

前記凹状湾曲面に斜め曲面を設けて該斜め曲面での前記被押圧リング曲面と前記押圧リング曲面との間の軸方向ギャップを増やすことで、前記圧着摺動面の接触面積を減らして前記シール面の摺動摩擦リスクを低減する、請求項8に記載の管継ぎ手。

請求項11

前記テーパー面の前記テーパー角εが50°≦ε≦75°の範囲内にあり、前記固定リングの前記被押圧リング曲面が外径部側に寄っており、前記締付け力Fの締付け傾角γが10°≦γ≦30°の範囲内にあり、前記F・N挟角θが5°≦θ≦15°の範囲内にある、請求項8に記載の管継ぎ手。

請求項12

前記管継ぎ部分の前記テーパー面の前記テーパー角εが75≦ε≦90°の範囲内にあり、前記固定リングの前記被押圧リング曲面が前記中心孔側に寄っており、前記締付け力Fの締付け傾角γが0°≦γ≦10°の範囲内にあり、前記F・N挟角θが0°≦θ≦10°の範囲内にあり、且つ前記チューブ拡径部の前記テーパー部が圧迫されたときに、前記シール面の前記チューブの内壁が前記管継ぎ部分の前記インナー筒の前記テーパー面に緊密に圧着する、請求項8に記載の管継ぎ手。

請求項13

前記固定リングの外径面の軸方向溝に前記管継ぎ部分の前記ガイド内径面のリブ係合し、前記ユニオンナットを締め付ける過程で前記固定リングが前記チューブの軸方向にのみ移動し、前記固定リングが前記ユニオンナットに連動して回転しないようにすることで前記シール面の摺動摩擦を完全になくし、前記シール面の摺動摩擦のリスクを低減する、請求項8に記載の管継ぎ手。

技術分野

0001

本発明はフッ素樹脂製管継ぎ手に関するものであり、フッ素樹脂にはPFA、ETFE、PTFE、PVDF、FEP、PCTFEなどがあって、高腐食性流体移送ニーズを満たしており、特にPFA、PTFE製の管継ぎ手は150℃以上の高温高圧要求を満たすことができる。

背景技術

0002

流体移送に広く用いられるゴム製又はプラスチック製のチューブと管継ぎ手は、シール及び緩み脱落防止を達成しなければならないが、チューブは高圧による膨張及び伸長で変形してシール効果が低減しやすく、こうなると微量の漏れが発生する可能性がある。管継ぎ手における大量の漏れは、管路移送過程における水撃作用又は予期せぬ外部からの力であったり、管継ぎ手部分におけるチューブ管壁過度圧縮若しくは圧迫されることによる管壁材の疲労、耐圧能力の低下又は破損による破裂により発生する。よって、工業安全の見地から、管路及び管継ぎ手は以下のような基本的条件を備えている。
(1)合理的な耐圧性及び耐熱性:管継ぎ手は、管路が受ける流体の圧力及び温度に対し耐用性があり、使用中の管継ぎ手の漏れを防止すること。
(2)チューブの引張り強さ:管継ぎ部分のチューブは、内部圧力や外部からくる引張り力を受けたときに一定の引張り強さを有し、緩み脱落による大量の漏れを防止すること。
(3)完全な脱落の防止:管継ぎ手は、チューブの脱落による大量の漏れ発生を防止する特殊な機構及び構造を有していること。
(4)漏れの早期発見:漏れが発生したら迅速に交換できるよう、漏れがまだ微量の初期段階発見できること。
条件(1)及び条件(2)を満たすのが基本的な安全管継ぎ手であり、これに条件(3)が加わったものが高度安全管継ぎ手であり、条件(4)まで加わると、事故予防性を持つ管継ぎ手ということになる。
特に、半導体製造医薬品製造、電子工業などの産業において、高腐食性、劇毒性、高純度の流体を移送するとき、チューブ及び管継ぎ手には上述したよりも高度の安全性が求められる。例えば、人体や環境に重大な危険をもたらす流体が漏れるリスクをさらに低減すること及び管継ぎ手の漏れ防止シール信頼度向上に加えて、製造工程における高純度流体移送に当たって、管路及び管継ぎ手には別の要求が加わることになる。
(5)管継ぎ手の全パーツを含め、材質が、移送する流体による腐食操作圧力、及び操作温度に耐え得ること。
(6)金属イオン析出による移送流体汚染を防止できること。
現在、上述の産業応用での高腐食性、高純度の流体移送に当たって、これらの要求を満たすことができるチューブ及び管継ぎ手は、フッ素樹脂製のみである。そして、移送流体ごとに異なる腐食性を考慮すれば、フッ素樹脂材にはほとんどの場合にPFAが選ばれるが、フッ素樹脂の物理的特性によって製造された従来の管継ぎ手は、それ以上の要求を満たすことができない。つまり、高純度、高腐食性の流体を移送するとき、チューブ及び管継ぎ手は上述の6つの条件を満たすと同時に、さらに繰り返し使用の要求を満たさなければならず、20回以上の着脱を繰り返しても漏れがないことが求められるからである。
以下は、四フッ化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂(PFA)の基本的な物理的特性である。
PFAは、長い鎖状分子構造をしており、表面が滑らかで、動摩擦係数が0.2と低く、長い鎖状の分子構造なので管材として300%という極めて良好な弾性率を備える。引張り強さ24.5〜34.3Mpa、圧縮強度16.7Mpaも良好であるが、熱を受けると75℃で0.45Mpa、50℃で1.81Mpaの圧力で変形し、強度が落ちる。最大使用温度は260℃、熱膨張係数12E−5/℃であり、PFA管材は加工が難しく、外径管壁厚み中空部分の偏心で、5%〜10%の寸法公差がある。
このほか、チューブを長時間使用して、外力、高圧、高温を受け続けると、管壁材も腐食性流体による浸食及び浸透を受けて劣化し、シール面での漏れ発生の確率が高まり、シール面に近い管壁では肉眼では見えない流体漏れの可能性が急激に高まる。よって、高腐食性、劇毒性の流体に用いる場合、漏れの早期発見もフッ素樹脂製管継ぎ手が備えておくべき機能の1つとなる。

0003

これらの物理的特性や使用条件踏まえ、PFA管継ぎ手を設計する時の注意事項を以下に列挙する。
(1)PFAの滑らかな表面及び動摩擦係数の低さは、非粘着性の特性を有し、表面押圧によるシールには向かない。良好な圧縮強度により、圧力を受ける面が破損及び劣化しにくいが、締付け力Fが大きすぎると管壁材が疲労し、「20回以上の着脱を繰り返しても漏れがない」という条件を満たせなくなる。
(2)弾性率が高いので、押圧されたチューブ管壁が圧力や引張り力を受けて管壁の肉が移動し、管壁厚みが部分的に薄くなり、肉の移動とともに管壁の圧縮量が減少し、シール効果の低減をもたらすとともに、チューブが外部からの引張り力によって緩み脱落しやすくなる。
(3)材料としての強度は温度上昇とともに低減し、管継ぎ手において締付け力を受ける各パーツの強度も低下し、圧迫される管壁の圧縮力も低下して、漏れが発生する可能性がある。
(4)チューブを管継ぎ手に装着するとき、加熱するか否かを問わず、治具を用いてチューブを拡径した後、拡径テーパー部及び拡径ストレート部の管壁厚みが外径の拡大とともに肉薄になり、管壁厚みの公差が広がる。この状態で圧縮シールしても、効果は相対的に低減される。また、拡径テーパー部のテーパー角εが大きいほど、管壁厚みの公差も拡大し、変形が難しくなり、現場での施工コストも上昇する。
(5)シール面:チューブの拡径テーパー部を、管継ぎ手本体の管継ぎ部テーパー面にテーパー角εで圧着させるに当たり、固定リング圧迫リングが拡径テーパー部を管継ぎ部テーパー面に圧迫するとき、圧迫を受ける管壁部分に円環状のシール面が形成される。このシール面が固定リングと同心円上にあれば、シール面は真円か、真円に近くなるが、中心が相互にずれていると、このシール面は楕円形又は不規則な円環状を呈し、管継ぎ手を締め付けたときに固定リング上の圧迫リングが、拡径テーパー部と管継ぎ手テーパー面とを均一な力で圧着させることができないままシール面が形成される。このようなシール面は真円ではないので、シール能力があるのは円形部分のみということになる。
(6)高温時の漏れ試験:よく用いられる方法は、管継ぎ手を締め付けてから、オーブンに入れて150℃の一定温度で数時間加熱した後、温度が降下するのを待ってから取り出し、水中に浸したまま、管継ぎ手内部に7kg/cm2の作用圧力窒素(N2)を注入し、一定時間が経過後に外部に気泡が発生するかを観察する。
(7)締付け力F:ユニオンナットを管継ぎ手本体に取り付けると、チューブの拡径テーパー部に締付け力Fが発生する。この締付け力Fのベクトルは、ユニオンナットの圧迫リング又は圧迫リング曲面からチューブの拡径テーパー部が圧力を受けるシール面に向かっており、テーパー角をε、締付け力Fとチューブ軸方向とが形成する角度を締付け傾角γ、締付け力Fと管継ぎ部テーパー面の法線とが形成する角度をF・N挟角θとすると、θ=90°−ε−γ、締付け力Fは、(i)テーパー面に対して垂直方向に働く分力Fn(Fn=F×COS(θ))、(ii)テーパー面に対して平行に働く分力Fh(Fh=F×SIN(θ))に分けられる。F・N挟角θが大きいほど水平分力Fhが大きくなり、これが基本的な締付け力となり、F・N挟角θが小さいほど垂直分力Fnが大きくなり、締付け力が増す。
(8)引張り強さ:チューブ引張り力Tは、管内又は外部からの圧力からきており、チューブが引張り力Tを受けると、締付け力Fは、方向的には引張り力Tの逆方向に、一定の大きさを持つ引張り分力Ftを有し、Ft=F×COS(γ)である。次に、締付け力Fにおける垂直分力Fnが大きいほど、引張り力Tを受けた時に管壁の肉移動が少なくなる。管継ぎ手の引張り強さは、Ft及びFnから来ている。チューブの引張り強さ試験を行うとき、引張り力を受けて変形した後の長さが、元の長さの2倍以上になる塑性変形があれば、その管継ぎ手は高い引張り強さを持つことになる。
(9)圧迫リング構造:圧迫リングの外形は、三角形くさび型、円形面取り、直角、鈍角などの角形をしており、この角が圧迫角βを形成し、βが小さすぎると、チューブ管壁に食い込んで破壊が進む。圧迫リングは管継ぎ部テーパー面に沿って変形し、管壁の肉をテーパー面に沿って外径方向に押し上げ、シール面周囲の管壁厚みを変化させる。圧迫リングが圧迫するシール面の管壁の肉が、持続的な引張り力Tを受けて移動するとき(拡径テーパー部の内壁面と管継ぎ部のテーパー面との「面と面との接触」部分は、摩擦力が低いため変化はないが)、シール面の管壁の肉の移動は増える。圧迫リングがチューブの拡径テーパー部を直接圧迫すると比較的高い摩擦力が生じ、引張り力Tを受けて、管壁の肉が持続的に環状に変形して隆起する。この隆起変形が大きいほど、チューブの引張り強さが増す。
(10)締付け過程:ユニオンナット内径雌ねじ部と継ぎ手本体管継ぎ部の雄ねじ部とを噛み合せて締め付けるとき、シール面のチューブ管壁が挟み込まれる時から開始して、例えば管継ぎ手を手動で締め付けた時を起点とし、工具又は手動で所定の位置まで締め付け終えるまでのこの過程を締付け過程と呼ぶ。この過程においてユニオンナットは、ねじを噛み合わせる締付け力及びシール面を圧迫する締付け力を提供するため、より大きなトルクを必要とする。
(11)締付け円周角:チューブ管壁が受ける締付け力は、雄ねじ部のねじ山ピッチと関係している。ユニオンナットが一周回ると、つまりトルク円周角360°の時、このシール構造がねじ山ピッチ分だけ軸方向に圧縮されることになるが、この軸方向圧縮量は、各パーツに分散されて各部の弾性変形量となって表れ、シール面の管壁厚みも一部の圧縮量を受けて変化する。そのため、シール面の管壁厚みをねじ山ピッチ分圧縮して締付け過程を終えた時は、ユニオンナットがちょうど一周回った時とは限らない。
(12)軸方向圧縮:締付け過程において、固定リング、管壁、管継ぎ部のテーパー面、及びストレート面は、いずれもユニオンナットの締付け力を受けて圧縮変形する。この変形は、各パーツの構造変化及びねじ山の構造変化を含む。この弾性範囲内の圧縮変形もシール面における締付け力を提供しており、シール面が円形又は円形に近いときだけ均一の圧縮変形がもたらされるが、この圧縮変形は長時間のクリープ変形により一部の弾性を喪失し、締付け力が低下する。この場合でも、テーパー面及びストレート面に適度な管壁厚みが維持されていれば、シール面は良好な締付け力を確保できる。高温時の漏れ試験や高温流体移送の時は、強度が落ちるとともにクリープ変形が加速される。言い換えると、フッ素樹脂材は、高温下で弾性が落ちて局部が恒久的に変形することになる。着脱の繰り返しでも、各パーツは着脱回数分だけ軸方向圧縮を受けることになり、これもクリープ速度を上げ、締付け力を低下させ、シール面の漏れのリスクを増大させる。ユニオンナットが受ける引張り力も、おそらく着脱の繰り返しや高温により、雌メジ部のねじ山を含めて締付け力を低下させる。シールの目的のために軸方向圧縮量が限界を超えると、過度の圧縮がシール面の管壁を疲労若しくは変形させ、20回の着脱繰り返しに耐えられなくなったり、又は高温下での漏れ試験における耐圧能力が低下したりする。
(13)摺動摩擦:PFA表面は滑らかだが、締付け過程において、シール面の圧迫リングと管壁との間には相応の摺動摩擦があり、シール面の管壁、圧迫リング、及びテーパー面に破損部などがあれば、そこから管壁の破壊が進む可能性がある。
(14)摩擦リスク:回転円周角全体、つまり締付け過程には常に摺動摩擦が発生し、管壁を破損させる摩擦リスクが高まるが、回転円周角が小さいほど摩擦リスクは低くなる。圧迫リングに良からぬ変形があると管壁の摩擦リスクはさらに高まり、着脱の繰り返しにより管壁の破損があれば、「20回以上の着脱を繰り返しても漏れがない」という条件を満たせなくなる。
(15)シール能力:150℃以上の高温試験及び「20回以上の着脱」要求を満たすこと、並びに締付け力のうちの法線方向にかかる分力Fnの大きさ、摩擦リスクの低さ、及び引張り分力Ftの高さが、シール能力の高さに直結する。これらはいずれも基本的なシール能力を構成する要素である。
PFAなどのフッ素樹脂材を用いた管継ぎ手は、工業安全の要求及び注意事項を参考に独自の構造設計が行われ、高純度流体の移送要求を満たし、繰り返し使用のニーズにも適合している。PFAなどのフッ素樹脂製チューブと管継ぎ手とでのシール及び緩み脱落防止方法として最も早期の先行技術は特許文献1であり、管継ぎ手及びユニオンナットの2つの部品から構成されており、管材の外径を圧縮してシール効果を達成するものである。特許文献2は、ユニオンナット内側に固定リングを加えた3つの部品から構成されており、管材外径を挟み込んで圧縮保持して、シール効果及び管路の引張り強さを達成するものである。移送する流体温度及び圧力、管材の引張り強さ、並びに漏れに対する信頼度向上というニーズに応えるかたちで、特許文献3及び特許文献4は、比較的長い管継ぎ部に管を嵌合して固定リングで圧迫するタイプから、管の端部のみを嵌合するタイプに改良された。以下に紹介する先行技術の管継ぎ手構造は、このいくつかの方法によって改良されたものである。

0004

公知例1を図7(A)に示す。先行技術のPFA製管継ぎ手で、継ぎ手本体(70)及びユニオンナット(76)の2つの部品から構成される管継ぎ手(7)である。
チューブ(18)の先端をユニオンナット(76)の狭まり部穴(761)に通し、治具を用いて冷却又は加熱後に、拡径テーパー部(181)と拡径ストレート部(182)とを含む拡径部(180)を形成する。
継ぎ手本体(70)は、中空部分(14)を有して流体を流すことができ、管継ぎ部(700)でユニオンナット(76)及びチューブ(18)と結合する。継ぎ手本体(70)の一端は、ねじ山(12)により他の設備又は装置と接合することができ、中間の工具作用部(15)により管継ぎ手(7)を装着する。
管継ぎ部(700)は、端から順に、テーパー面(701)、ストレート面(702)、及び雄ねじ部(704)を有し、前二者にチューブ(18)の拡径テーパー部(181)及び拡径ストレート部(182)を装着する。テーパー面(701)のテーパー角εは通常は45°前後であり、雄ねじ部(704)にユニオンナット(76)を噛み合わせる。
ユニオンナット(76)は内径表面に、雌ねじ部(766)、ナット内径面(767)、及び狭まり部(760)を有し、雌ねじ部(766)に管継ぎ部(700)の雄ねじ部(704)を噛み合わせる。狭まり部(760)の中心部にある狭まり部穴(761)の内側面に圧迫リング(762)を有し、その圧迫角βは通常はほぼ90゜の直角である。
ユニオンナット(76)の締付け過程において、チューブ(18)の軸方向に沿って圧迫リング(762)、拡径部(180)及びテーパー面(701)を圧迫することにより、拡径テーパー部(181)の管壁を圧迫してシール面(183)を形成してシール効果を得るとともに、チューブ(18)が外部からの引張り力を受けたときの緩み脱落を防止する。
しかし、この公知例におけるシール能力は、基本的なレベルにとどまる。なぜなら、締付け力Fとテーパー面(701)とが形成する締付け傾角γはほぼ0゜であり、F・N挟角θはほぼ45゜なので、締付け力Fには顕著な水平分力Fhが発生し、これが基本的な締付け力となる。
締付けの全過程において、シール面(183)には摺動摩擦による高度の摩擦リスクが存在することから、シール効果を達成するためにトルクを加えるに当たり、経験を積んだ操作員監督管理が必要である。
チューブが引張り力Tを受けると、その反対方向に比較的大きな引張り分力Ftが発生するが、F・N挟角θがほぼ45゜なので、垂直分力Fnは小さく、引張り強さをさらに向上させることはできない。
特許文献5は、この公知例1を改良し、ユニオンナットの狭まり部に2つの異なる直径を有する、角度がほぼ90°直角の圧迫リング2本を追加した2段階シール面構造とした。圧迫リングはいずれも、締付け傾角γはほぼ0゜、F・N挟角θはほぼ45゜であり、引張り力Tの反対方向に大きな引張り分力Ftが働くが、垂直分力Fnは小さく、この構造で引張り強さをさらに向上させることはできない。これを踏まえて、管継ぎ部の厚みを増し、高剛性雄ねじ山を用いて締付け力Fを増大させ、2本の圧迫リングを用いて2つのシール面を形成して、テーパー面における垂直分力Fn不足の問題を改良している。しかし、外径が増した分、より大きな装着スペースが必要となり、チューブの拡径ストレート部外径に制限が生じてしまった。この特許文献に記載の管継ぎ手は、比較的良好なシール能力を有しているが、締付けの全過程においてシール面には摺動摩擦があり、高い摩擦リスクを有する。

0005

公知例2を図7(B)及び図7(C)に示す。この先行技術は、公知例1の構造の延長線上にあり、チューブ(18)よりも硬度が高いディスク型固定プレート(77)を加えて引張り強さを向上させている。この公知例は、高温、高圧、外部からの引張り力、繰り返し受ける外力といった使用条件を満たしており、しかも締付け過程における摺動摩擦による破損を防止する構造となっている。管継ぎ手(7A)は、継ぎ手本体(70)、ディスク型固定プレート(77)及びユニオンナット(76)の3つの部品から構成されている。
チューブ(18)の先端をユニオンナット(76)の狭まり部穴(761)及びディスク型固定プレート(77)の中心孔に通し、治具を用いて冷却又は加熱後に、拡径テーパー部(181)と拡径ストレート部(182)とを含む拡径部(180)を形成する。
継ぎ手本体(70)は、中空部分(14)を有して流体を流すことができ、管継ぎ部(700)でユニオンナット(76)及びチューブ(18)と結合する。継ぎ手本体(70)の一端はねじ山(12)により他の設備又は装置と接合することができ、中間の工具作用部(15)により管継ぎ手(7A)を装着する。
管継ぎ部(700)は、端から順に、テーパー面(701)、ストレート面(702)、及び雄ねじ部(704)を有し、前二者にチューブ(18)の拡径テーパー部(181)及び拡径ストレート部(182)を装着する。テーパー面(701)のテーパー角εは通常は45°前後であり、雄ねじ部(704)にユニオンナット(76)を噛み合わせる。
ユニオンナット(76)は内径表面に、雌ねじ部(766)、ナット内径面(767)、及び狭まり部(760)を有し、雌ねじ部(766)に管継ぎ部(700)の雄ねじ部(704)を噛み合わせる。狭まり部(760)の中心部にある狭まり部穴(761)の内側壁面はストレート面であって、ほぼ90゜の直角を形成しており、ディスク型固定プレート(77)の一面が収まる構造である。
ディスク型固定プレート(77)は、PFAチューブよりも硬い素材(PVDFなど)でできており、プレート外径面(771)はナット内径面(767)の内径より小さく、ユニオンナット(76)内部に装着できる。その被圧迫面(770)は狭まり部(760)の内側面にぴったりと圧着し、その中心孔の径は狭まり部穴(761)の径とほぼ等しい。被圧迫面の反対側の圧迫面(772)は、コーン角Zを有し、60°≦Z≦90°の範囲内にあり、先のった円錐面又は平面である。中心孔の縁には圧迫リング(7721)を有し、圧迫角βが60°≦β≦90°の範囲内にあって(βが小さすぎると管壁を傷める)、これが管継ぎ部(700)のテーパー面(701)におけるチューブの拡径テーパー部(181)を圧迫して引張り強さを向上させている。
ユニオンナット(76)の締付け過程において、チューブ(18)の軸方向に沿って拡径部(180)を圧迫することにより、圧迫リング(7721)とテーパー面(701)とが拡径テーパー部(181)の管壁を挟み込んで締め付けて、シール面(183)を形成する。
しかし、この公知例のシール能力は、基本的なレベルにとどまる。
締付け傾角γはほぼ0゜、F・N挟角θはほぼ45゜であり、引張り力Tの反対方向に大きな引張り分力Ftが働くが、垂直分力Fnは小さく、この構造で引張り強さをさらに向上させることはできない。
また、摩擦リスクが高い。これは締付け過程において、被圧迫面(770)が狭まり部(760)の内側面に圧着していることからディスク型固定プレート(77)がユニオンナットに連動して回転し、シール面(183)に摺動摩擦を発生させるからである。シール効果を達成するためにトルクを加えるに当たり、経験を積んだ操作員の監督管理が必要である。このほか、締付け過程において、ディスク型固定プレート(77)の中心位置を保持することができない。言い換えると、締付け力Fの締付け傾角γが一定しないので、締付け力が不均一に、非円形又は楕円形に作用して、シール効果及び引張り強さを低下させる。
PVDF材のディスク型固定プレート(77)は、高温時での材料の温度特性の制限を受け、例えば150℃の高温試験をパスすることができない。ディスク型固定プレート(77)に硬度の劣るPFAを使うと、締付け傾角γがほぼ0゜なので、その圧迫リング(7721)が変形し、垂直分力Fnもさらに低下して、引張り強さ試験及び高温試験の条件を満たすことができない。

0006

特許文献6に記載の管継ぎ手を、図8及び図9に示す。この管継ぎ手(8)は、継ぎ手本体(80)、ユニオンナット(86)、及び嵌入式固定リング(87)を含め、すべてPFA製である。
チューブ(19)の先端をユニオンナット(86)の狭まり部穴(861)に通し、治具による冷却又は加熱を経てチューブの先端に嵌入式固定リング(87)を挿入し、チューブの先端に、拡径テーパー部(191)、拡径逆テーパー部(192)、拡径ストレート部(193)及び塑性変形したシール面(194)を含む拡径部(190)を形成する。
継ぎ手本体(80)は、中空部分(14)を有して流体を流すことができ、管継ぎ部(800)でユニオンナット(86)及びチューブ(19)と結合する。継ぎ手本体(80)の一端はねじ山(12)により他の設備又は装置と接合することができ、中間の工具作用部(15)により管継ぎ手(8)を装着する。
管継ぎ部(800)は、端から順に、アウター筒テーパー面(801)、アウター筒ストレート面(802)、インナー筒テーパー面(803)、雄ねじ部(804)、及び周溝(805)を有している。周溝(805)は、アウター筒ストレート面(802)とインナー筒テーパー面(803)との間にあり、アウター筒テーパー面(801)及びインナー筒テーパー面(803)はそれぞれに異なるテーパー角εを有し、嵌入式固定リング(87)が挿入される。雄ねじ部(804)は、ユニオンナット(86)と噛み合う。
ユニオンナット(86)は内径表面に、雌ねじ部(866)及び狭まり部(860)を有し、雌ねじ部(866)は管継ぎ部(800)の雄ねじ部(804)と噛み合う。狭まり部(860)の中心にある狭まり部穴(861)の内側面には圧迫リング(862)があって、その圧迫角βは通常は90゜の直角に近い。
嵌入式固定リング(87)は中空構造で、第一テーパー面(870)、固定リング最大直径(872)、第二逆テーパー面(873)、嵌合止め面(874)、ストレート面(875)、インナー筒逆テーパー面(876)、及び突起筒(878)を含む。突起筒(878)は、ストレート面(875)とインナー筒逆テーパー面(876)との間に位置する。嵌入式固定リング(87)は、専用の治具を用いてチューブの先端からチューブ(19)内側に挿入され、第一テーパー面(870)、固定リング最大直径(872)及び第二逆テーパー面(873)がチューブ拡径部(190)によって包み込まれ、チューブ(19)の先端が嵌合止め面(874)に突き当たる。第一テーパー面(870)のテーパー角εは、通常は45°未満である。第一テーパー面(870)の第一テーパー周エッジ(8701)には90゜に近い圧迫面が設けられ、この圧迫面が、管壁が塑性変形したシール面(194)を圧迫する。嵌入式固定リング(87)の他端は、ストレート面(875)及び突起筒(878)であり、その内側にはインナー逆テーパー面(876)が設けられている。
装着時は、嵌入式固定リング(87)のストレート面(875)を継ぎ手本体(80)のアウター筒ストレート面(802)内に挿入するとともに、突起筒(878)を周溝(805)内に挿入嵌合し、インナー逆テーパー面(876)とインナー筒テーパー面(803)とを緊密に接合させる。
ユニオンナット(86)の締付け過程において、チューブ(19)の軸方向に沿って拡径部(190)を圧迫する。ユニオンナット(86)の圧迫リング(862)及び第一テーパー面(870)の第一テーパー周エッジ(8701)を用いて管壁にシール面(194)を形成してシール効果を得るとともに、チューブ(19)に外力がかかったときの緩み脱落を防止する。
しかし、この特許文献に記載の管継ぎ手のシール能力は、基本的なレベルにとどまる。
管継ぎ手(8)は、比較的良好な締付け力を発揮できる。これは、締付け力Fが、第一テーパー周エッジ(8701)の圧迫面に対して垂直に働いて圧迫しており、しかもシール面(194)を専用の治具を用いて圧着して塑性変形させて強度を上げており、さらに第一シール部における締付け傾角γはほぼ0°、F・N挟角θもほぼ0゜で、Tと反対方向に働く引張り分力Ftが大きく、垂直分力Fnも大きいことから、引張り強さを大幅に向上させることができるためである。
高温下においては、第一シール部の第一テーパー周エッジ(8701)が構造的に弱く、材料強度が落ちた時に圧迫リング(862)の圧迫を受けて第一テーパー周エッジ(8701)が変形し易く、シール面(194)の管壁に対する圧迫力を弱めるので、漏れリスク増大の問題がある。
チューブ(19)の拡径逆テーパー部(192)は、嵌入式固定リング(87)の第二逆テーパー面(873)と、継ぎ手本体(80)のアウター筒テーパー面(801)とによって圧迫されており、これが第二シール部を形成する。
第二シール部では、固定リング最大外径(872)における管壁厚みが薄く、公差が大きくなっており、特に高温で変形すれば圧縮強度が落ちることから、管壁厚みを利用した圧縮シールには不利に働く。
嵌入式固定リング(87)において、ストレート面(875)が管継ぎ部分(800)のアウター筒ストレート面に固定され、突起筒(878)が周溝(805)内に密着嵌入されると同時に、インナー逆テーパー面(876)がインナー筒テーパー面(803)と結合圧着される。これが第三シール部である。
第三シール部は結合が複雑で強度が比較的弱く、高温状態や締付け過程で変形し易い。継ぎ手本体(80)と嵌入式固定リング(87)内部との間は構造的に弱くて複雑であり、外部の力を受けて変形してできた隙間に流体が残留し易い。修理保守の時、専用の治具で嵌入式固定リング(87)を継ぎ手本体(80)から分離するに当たり、第三シール部の構造的な弱さに起因して嵌入式固定リング(87)を傷め易い。嵌入式固定リング(87)及び継ぎ手本体(80)をそのまま取り替えることにもなりかねず、管継ぎ手(8)の繰り返し使用に不利に働き、修理保守の時間がかかり、材料コストも上昇する。
さらに摩擦リスクも高い。これは締付け過程において、シール面には常に摺動摩擦が発生するからである。シール面(194)は治具により形成されて比較的硬いとはいえ、締付け過程全体において圧迫リング(862)と直接の摺動摩擦が発生するので、摩擦リスクは高い。シール効果を得るためにトルクを加える時には経験のある操作員が監督管理する必要があり、「20回以上の着脱を繰り返しても漏れがない」という条件を満たすことも難しい。
この特許文献に記載の管継ぎ手は、特許文献7及び特許文献8などの関連特許によって改良されており、シール効果及び引張り強さに改善が見られたが、構造が複雑化して変形しやすく、嵌入式固定リング(87)及び継ぎ手本体(80)を交換する確率が高いだけでなく、専用の治具が必要なことも、施工及び修理保守の負担とコストを上げることになる。しかも、シール面(194)には、締付けの全過程において摺動摩擦が発生し、管壁損傷のリスクを低減できず、「20回以上の着脱を繰り返しても漏れがない」という条件を満たすのも難しい。

0007

特許文献9に記載の管継ぎ手は、高温、高圧、外部からの引張り力、及び着脱繰り返しの使用条件を満たせることが強調されており、継ぎ手本体、ユニオンナット、及びはめ輪の3つの主要部品、並びに圧迫リングを有するグリッパーである補助部品から構成されている。
チューブの先端をユニオンナットの狭まり部穴及びはめ輪の中心孔に通す。グリッパーを使用する場合は、その中心孔にも通す。治具による冷却又は加熱を経て、チューブ拡径部(拡径テーパー部及び拡径ストレート部)を形成する。
継ぎ手本体は流体を送るための中空部分を有し、その一端の管継ぎ部分が、ユニオンナット及びチューブと結合する。
管継ぎ部分は、端から順に、テーパー面、ストレート面、及び雄ねじ部を有し、前二者にチューブの拡径テーパー部及び拡径ストレート部を装着する。テーパー面のテーパー角εは通常は45°前後であり、雄ねじ部にユニオンナットを噛み合わせる。ストレート面には環状円弧溝を備えている。
ユニオンナットは内径表面に、雌ねじ部、傾斜部、及び狭まり部を有している。雌ねじ部は、管継ぎ部分の雄ねじ部と噛み合う。狭まり部の中心にある狭まり部穴の内側面に圧迫リングを有し、その構造は90゜の直角に近く、狭まり部の内側面にグリッパーを装着できる。傾斜部は、その内径は雌ねじ部の径よりも小さいが、グリッパーの外径やチューブの拡径ストレート部の外径よりもやや大きく、はめ輪を締め付けにより押圧して中心方向に湾曲及び収縮変形させて、拡径ストレート部の管壁を管継ぎ手のストレート面の環状円弧溝に押し込む。この環状円弧溝の面がシール面を形成し、シール効果及び引っ張り強さを得る。
はめ輪は、リングの一部がC型に割られ、その断面は中間が薄くて両端が厚く、内径側凹状湾曲面がある扁平構造である。片側に角度x<45°の突起を有しており、ユニオンナットの傾斜部の押圧を受けて、突起を持つ一端が中心方向に湾曲及び収縮変形する。
ユニオンナットの締付け過程においては、チューブの軸方向に沿って拡径部を締め付けると、傾斜部がはめ輪の一端を押圧して中心方向に湾曲及び収縮変形させ、チューブの拡径ストレート部を管継ぎ部分のストレート面の環状円弧溝に押し込み、管壁を環状円弧溝で圧縮変形させてシール効果を達成するとともに、チューブが外力を受けたときの緩み脱落を防止する。これが第一のシール面となる。
グリッパーは、チューブよりも硬い素材でできており、管継ぎ部におけるチューブの引張り強さを強化したいときに用いる。グリッパーは、ユニオンナットの狭まり部の内側面に装着し、その中心孔径は狭まり部穴径に等しく、一面が狭まり部内側面に圧着している。その反対面は、突部角度Zが60°≦Z≦90°の範囲内にある尖った円錐面で、中心側の縁にある圧迫リングの圧迫角βは、60°≦β≦90°の範囲内にある(βが60°未満だと、チューブ管壁に食い込んで破壊が進む)。グリッパーは、チューブの拡径テーパー部の管壁を圧迫することによってシール面を形成し、引っ張り強さを強化している。これが第二のシール面である。
しかし、この特許文献に記載の管継ぎ手のシール能力は、基本的なレベルにとどまる。
第一シール面は、締付け傾角γが90°に近く、F・N挟角θは0゜に近く、Tと反対方向に働く引張り分力Ftは小さく、垂直分力Fnは大きく、しかもはめ輪の開口部分が締付け力の均一な配分を妨げる。もしグリッパーを用いなければ、締付け力は高いが引張り強さは低い。はめ輪は摺動摩擦がないので、管壁破損リスクを低減できる。
グリッパーを用いた場合、第二シール面において圧迫リングがテーパー面を直接圧迫する。この場合、締付け傾角γはほぼ0゜、F・N挟角はほぼ45゜であり、Tと反対方向に大きな引張り分力Ftが働くが、垂直分力Fnは低い。このような構造は引張り強さをさらに上げることができず、上述の公知例2の管継ぎ手と類似の結果となる。このほか、グリッパー締付け過程において、その中心位置を保持することができない。言い換えると、シール面が非円形又は楕円形になり、締付け力Fの締付け傾角γが不均一に分布し、シール効果及び引張り強さを低下させる。
グリッパーはPVDF材なので、高温での使用環境では温度特性による制限を受け、例えば150℃の高温試験に合格することはできない。
また、グリッパーはユニオンナットの狭まり部内側面に圧着した状態でユニオンナットに連動して回転するので、締付け過程で第二シール面に摺動摩擦が起き、管壁が破損する摩擦リスクを低減することはできない。

0008

特許文献10に記載の管継ぎ手を、図7(D)及び図7(E)に示す。この管継ぎ手(1)は、高温、高圧、外部からの引張り力、着脱繰り返しの使用条件を満たし、且つ締付け過程における摺動摩擦による破損を防止できることが強調されており、継ぎ手本体(10)、ユニオンナット(16)、及び固定リング(17)の3つの部品から構成されている。
フッ素樹脂製チューブ(18)の先端をユニオンナット(16)の狭まり部穴(161)及び固定リング(17)の中心孔(179)に通し、治具による冷却又は加熱を経て、拡径テーパー部(181)及び拡径ストレート部(182)から成るチューブ拡径部(180)を形成する。
継ぎ手本体(10)は、中空部分(14)を有して流体を流すことができ、管継ぎ部(100)でユニオンナット(16)及びチューブ(18)と結合する。継ぎ手本体(10)の一端はねじ山(12)により他の設備又は装置と接合することができ、中間の工具作用部(15)により管継ぎ手(1)を装着する。
管継ぎ部(100)は、端から順に、テーパー面(101)、ストレート面(102)、嵌合止め面(103)、及び雄ねじ部(104)を有し、前二者にチューブ(18)の拡径テーパー部(181)及び拡径ストレート部(182)を装着する。テーパー面(101)のテーパー角εは通常は45°前後であり、雄ねじ部(104)にユニオンナット(16)を噛み合わせる。
ユニオンナット(16)は内径表面に、雌ねじ部(166)、ナット内径面(167)、内部テーパー面(162)、及び狭まり部(160)を有する。雌ねじ部(166)は、管継ぎ部分(100)の雄ねじ部(104)と噛み合う。ナット内径面(167)は固定リング(17)を収めることができ、その内径は固定リング(17)の外径よりもやや大きい。狭まり部(160)は、中心に狭まり部穴(161)を有し、その内側面はテーパー角Φの内部テーパー面(162)を有し、30°≦Φ≦95°の範囲内にあって、固定リング(17)の突出テーパー面(170)と圧着する。
固定リング(17)は、硬度の高いPVDF製で、中心孔(179)を有し、両端にテーパー角Φの突出テーパー面(170)を有する環状構造である。断面はくさび型で、その軸方向長さは、リング外径面(171)の方が短く、中心孔(179)のある内径面の方が長い。テーパー面(170)は、中心孔に近いところに管壁を圧迫する圧迫リング(1701)を有し、その圧迫角βはテーパー角Φに等しく、30°≦β≦95°、30°≦Φ≦95°の範囲内にある。もう一方の突出テーパー面(170)が、ユニオンナット(16)の内部テーパー面(162)と圧着して摺動面を形成する。
ユニオンナット(16)の締付け過程において、チューブ(18)の軸方向に沿って拡径部(180)の拡径テーパー面(181)を圧迫してシール面(183)を形成するに当たり、固定リング(17)は内部テーパー面(162)に支えられて中心位置を保持できるとともに、固定リング(17)とユニオンナット(16)との間の圧着摺動面が摺動して、シール面(183)には摺動摩擦を発生させない。締付け力Fは、ユニオンナット(16)の内部テーパー面(162)から固定リング(17)のテーパー面(170)に伝わり、圧迫リング(1701)と管継ぎ部(100)のテーパー面(101)とでチューブの拡径テーパー部(181)の管壁を環状に締め付ける。これによりシール面(183)を形成してシール効果を得るとともに、チューブ(18)が外力を受けたときの緩み脱落を防止している。
しかし、この特許文献に記載の管継ぎ手のシール能力は、基本的なレベルにとどまる。
固定リング(17)の外径がユニオンナット(16)のナット内径面(167)の内径よりも小さいこと、及び両者のテーパー角Φに寸法公差が生じることの2つの因子により、固定リング(17)の位置がずれて中心位置を保持することができず、締付け力を受ける点を結ぶと真円にはならない。すなわち、締付け力Fの締付け傾角γが一定しないので、締付け力が不均一に、非円形又は楕円形に作用する。締付け傾角γはテーパー角Φの影響を受けるが、いずれにしてもかなりの水平分力を有するので、法線方向にかかる分力Fnは相対的に低下し、シール面(183)への締付け力を低下させる。
また、引張り強さという点では、引張り分力Ftは大きいが、垂直分力Fnは小さいので引張り強さをさらに上げることができず、管壁に連続的な環状の肉の隆起を形成することが難しくなる。
固定リング(17)の中心位置が保持できなければ、それに圧着するユニオンナット(16)の内部テーパー面(162)が正確に摺動できないため、固定リング(17)がユニオンナットに連動して回転し、シール面(183)に摺動摩擦が発生して摩擦リスクが高くなる。
PVDF材の固定リング(17)は、高温下で使用すると素材の温度特性の制限を受けて、150℃の高温試験をパスすることができない。固定リング(17)に硬度が劣るPFA材を用いれば、締付け傾角γがテーパー角Φの影響を受けてその圧迫リング(1701)を変形させ、垂直分力Fnはさらに低下して、引張り強さ試験及び高温試験をパスすることができない。さらに、固定リング(17)に硬度の劣るPFA材を用いれば、圧迫リング(1701)が比較的大きく変形して垂直分力Fnを低下させるので、シール能力も低下する。

0009

チューブの引張り強さ向上については、多くの特許文献が出ている。特許文献11及び特許文献12は、異なる方法でチューブの完全脱落防止を図っているが、いずれも施工に専用工具が必要であり、締付け傾角γがほぼ0°、F・N挟角θがほぼ45゜のため、垂直分力Fnが小さく、大きな引張り応力Ftが働くが、シール能力は基本的なレベルにとどまり、特に高度のシール能力を有しているわけではない。

先行技術

0010

米国特許第3977708号明細書
特開昭61−105391号公報
特開平2−52723号公報
米国特許第5154453号明細書
米国特許出願公開第2011/210544号明細書
米国特許第6776440号明細書
実開平2−2117494号公報
米国特許第5154453号明細書
特許第4208226号公報
台湾特許I335395号明細書
米国特許第5472244号明細書
米国特許第6543815号明細書

発明が解決しようとする課題

0011

これまで述べてきた管継ぎ手の構造は、シール能力及び脱落防止の要求を満たしてはいるが、まだまだ改善の余地がある。本発明は上述の先行技術の欠点を踏まえて改良を試み、全てをフッ素樹脂製、特に全てにPFA材を用い、150℃以上の高温試験にパスでき、「20回以上の着脱繰り返し」要求を満たし、締付け力Fnが大きく、摩擦リスクが低く、引張り強さFtが大きく、微量の漏れを早期に警告する高度密封シール能力を有し、且つ簡単な構造、施工が容易、低コストといった特徴を具備し、工業安全と高純度流体移送の要求に適合する管継ぎ手を提供する。

課題を解決するための手段

0012

本発明は、チューブとの緩み脱落を防止する管継ぎ手構造であり、特にフッ素樹脂製を対象としており、継ぎ手本体、固定リング、及びユニオンナットから構成される。チューブの一端をユニオンナット及びその中の固定リングに通し、治具を用いてチューブの端を拡径させて拡径テーパー部及び拡径ストレート部を形成して、継ぎ手本体の管継ぎ部分のテーパー面及びストレート面に挿入する。ユニオンナットの雌めじ部を管継ぎ部の雄ねじ部に噛み合わせ、ユニオンナットの凹状湾曲面を固定リングの凸曲面と圧着させて固定リングの中心がずれないようにし、シール面の管壁に締付け力が均一にかかるようにしてチューブを管継ぎ手にしっかりと固定し、シール及び緩み脱落防止の効果を達成する。

0013

本発明の目的は、工業安全及び高純度流体移送の要求に適合するとともに、高度のシール能力を有する全てがフッ素樹脂製の管継ぎ手を提供する点にある。

0014

本発明における管継ぎ手の構造上の特徴は、固定リングの中心位置を保持して締付け力Fがかかる位置を結ぶ線を真円に近づけるとともに、継ぎ手本体のテーパー面におけるテーパー角εに合わせて、F・N挟角θを10゜前後とすることによって、管継ぎ部のテーパー面の法線方向にかかる分力を向上させて、チューブの拡径テーパー部の管壁の肉を隆起させる点にあり、以下のような特徴を備えている。
特徴1:管継ぎ手は、継ぎ手本体、ユニオンナット、及び固定リングの3つの部品から構成されており、継ぎ手本体におけるテーパー面のテーパー角εが、50°≦ε≦90°の範囲内にある。
特徴2:固定リングの中心位置を保持するガイド機構を有している。
特徴3:ユニオンナットにおける凹状湾曲面の押圧リング曲面、及び固定リングにおける被押圧リング曲面が、圧着摺動面を形成しつつ締付け力Fを伝え、この圧着摺動面の接触面積を一定の範囲内に制限して、摺動によるシール面の摩擦リスクを低減している。
特徴4:被押圧リング曲面の位置は、締付け力Fの締付け傾角γが0°≦γ≦30°、1≧(Ft/F)≧0.86の範囲内にあり、F・N挟角θが0°≦θ≦15°、1≧(Fn/F)≧0.96の範囲内にあり、シール面における締付け力及び管継ぎ手の耐引抜き性を向上させている。
特徴5:圧迫リングの圧迫角βは、50°≦β≦75°の範囲内にあり、管壁に連続的な環状の肉の隆起を形成して引張り強さを向上させている。
特徴6:高腐食性又は劇毒性の流体を移送するに当たり、原因を問わず微量の漏れ発生を早期に発見できるようにするため、固定リングのリング外径面に、十分な軸方向長さを有する試験紙装着用の溝がある。

0015

本発明のフッ素樹脂製管継ぎ手をフッ素樹脂製チューブの先端に挿入する。この管継ぎ手は、継ぎ手本体、ユニオンナット、及び固定リングから構成されている。

0016

チューブ先端を、ユニオンナットの狭まり部穴及び固定リングの中心孔に通し、治具による冷却又は加熱を経て、拡径テーパー部及び拡径ストレート部から成るチューブ拡径部を形成する。

0017

継ぎ手本体は、流体を流す中空部分を有し、一端にユニオンナット及びチューブ拡径部との結合に用いる管継ぎ部分を有する。他端は、ねじ山により他の設備又は装置と接合することができ、中間の工具作用部により管継ぎ手を装着する。

0018

管継ぎ部分は、雄ねじ部、テーパー面、及びストレート面を有する。雄ねじ部はユニオンナットと噛み合う。テーパー面及びストレート面は、チューブ拡径部のテーパー部及びストレート部が装着される。このテーパー面のテーパー角εは50°≦ε≦90°の範囲内にあり、テーパー角ε=90°のとき、テーパー面は軸方向に対して垂直になる。管継ぎ部分のストレート面は、締付け力を受けてチューブを均一に変形させるだけの厚みを有し、その厚みはチューブ管壁厚みの1.6倍以上であることが望ましい。

0019

固定リングは中心孔を有し、両端の円環面が凸曲面を形成し、その一端の中心孔に近いところに圧迫リングを有して、チューブの拡径テーパー部の管壁を管継ぎ部のテーパー面に確実に締め付ける。さらに、圧迫リングがある一端の中心孔の周エッジが面取りされて、圧迫リングがチューブの拡径テーパー部のテーパー付け根部分を圧迫しない構造となっている(チューブのテーパー付け根部分は、管壁が硬化すると良好なシール効果が得られなくなる)。この圧迫リングの圧迫角βは、50°≦β≦75°の範囲内にある。固定リングの断面は、対称又は非対称のくさび形をしており、その軸方向長さは、リング外径面の方が短く、中心孔のある内径面の方が長い。一端の凸曲面は、外径部から内径部に向けて滑らかな曲線を描いており、ユニオンナット内部の凹状湾曲面における押圧リング曲面と圧着して摺動面を形成する被押圧リング曲面を有している。この圧着摺動面の面積を一定範囲内に制限することで、両者の寸法公差の影響を低減し、圧着摺動面の摺動を確保している。

0020

固定リングの外径面におけるリング状の浅い溝には、試験紙を装着することができる。管継ぎ手シール面における微量の漏れが増えてくると、試験紙に含まれる試剤の酸アルカリ反応によって、試験紙の色が例えば赤や青に変化する。ユニオンナットは半透明なので、試験紙の色が変化したら外部から容易に察知することができる。管継ぎ手を装着して一定の時間が経過すると、微量の漏れが蓄積されて試験紙の試剤に化学変化が生じるが、これをもって管継ぎ手の保守実施目安とすることができる。

0021

ユニオンナットの内径は、雌めじ部及び狭まり部を有する。雌ねじ部は、管継ぎ部の雄ねじ部と噛み合う。狭まり部の中心に狭まり部穴を有し、その内側面は滑らかな凹状湾曲面であり、押圧リング曲面を含んでいる。この押圧リング曲面が、固定リングの被押圧リング曲面に圧着して摺動面を形成し、この圧着摺動面の面積を一定の範囲内に制限することで両者の摺動状態を確保し、シール面における寸法公差の影響を抑えて、シール面における摩擦リスクを低減する。

0022

ユニオンナットの締付け過程において、チューブ軸方向に固定リングを締め付けて、チューブの拡径テーパー部にシール面を形成する。この時、圧迫角βは50°≦β≦75°の範囲内にあり、連続的な管壁の肉の隆起を形成して引張り強さを補強する。固定リングは、圧着摺動面の摺動により、シール面における摩擦リスクを最低限にとどめる。締付け力Fが圧着摺動面を経て圧迫リングに伝わり、テーパー角εに従ってシール面を圧迫する。この時、締付け力Fの締付け傾角γは0°≦γ≦30°、F・N挟角θは0°≦θ≦15°の範囲内にあり、垂直分力Fnを増大させるとともに、大きな引張り分力Ftを得るようにする。締付け過程において、固定リングはガイド機構の作用を受けて中心位置を保持する。このガイド機構は、管継ぎ部の構造に従い、ユニオンナット内の凹状湾曲面若しくは管継ぎ部のガイド内径面、又はその両方を同時に利用して中心位置を保持する。以上のような締付け過程によりシール効果を得ると同時に、チューブが外力を受けたときの緩み脱落を防止する。

0023

本発明のシール面は、高度のシール能力を有している。

0024

締付け過程では固定リングの中心位置が保持され、締付け力Fがかかる位置を線で結ぶと真円に近い。そのため、シール面に均一に力がかかり、管継ぎ手を150℃のオーブンで加熱した後に7kg/cm2の圧力を受けても漏れは発生しない。

0025

チューブの引張り強さ試験では、引張り力を受けて変形した後のチューブの長さが、元の長さの2倍以上になる塑性変形がもたらされる。

0026

摩擦リスクについては、圧着摺動面が摺動状態を維持しているので、シール面に静的圧縮が発生し、摩擦リスクを大幅に低減できる。

発明の効果

0027

管継ぎ手(2)、管継ぎ手(3)、及び管継ぎ手(4)は、以下の実施例における試験結果で高いシール能力を示している。これは、固定リング(27)、固定リング(37)、及び固定リング(47)では、いずれも中心位置が保持されて締付け力の垂直分力Fnがシール面(183)にかかるときの均一性が確保され、かつF・N挟角θが10°近くに維持されて垂直分力Fnを高めているからである。本発明の実施例における引張り強さ試験では、管壁材の変形による環状の隆起厚みを形成して引張り強さを向上させており、特に管継ぎ手(5)は、固定リング(57)がユニオンナットと連動回転しない構造を採用して、シール面での摩擦リスクを解消している。

図面の簡単な説明

0028

本発明の実施例1の管継ぎ手構造の断面図である。
本発明の実施例1の管継ぎ手本体の断面図である。
本発明の実施例1のユニオンナットの断面図である。
本発明の実施例1の固定リングの断面図である。
本発明の実施例1の管継ぎ手の締付け後の断面図である。
本発明の実施例2の管継ぎ手構造の断面図である。
本発明の実施例2の管継ぎ手本体の断面図である。
本発明の実施例2のユニオンナットの断面図である。
本発明の実施例2の固定リングの断面図である。
本発明の実施例2の管継ぎ手の締付け後の断面図である。
本発明の実施例3の管継ぎ手構造の断面図である。
本発明の実施例3の管継ぎ手本体の断面図である。
本発明の実施例3のユニオンナットの断面図である。
本発明の実施例3の固定リングの断面図である。
本発明の実施例3の管継ぎ手の締付け後の断面図である。
本発明の実施例4の管継ぎ手構造の断面図である。
本発明の実施例4の管継ぎ手本体の断面図である。
本発明の実施例4のユニオンナットの断面図である。
本発明の実施例4の固定リングの断面図である。
本発明の実施例4の管継ぎ手の締付け後の断面図である。
管継ぎ手引張り試験後における管継ぎ手(2)の拡径部変形を示す。
管継ぎ手引張り試験後における管継ぎ手(7)の拡径部変形を示す。
管継ぎ手引張り試験後における管継ぎ手(7A)の拡径部変形を示す。
管継ぎ手引張り試験後における管継ぎ手(1)の拡径部変形を示す。
シール面における管壁材移動方向Uの説明及び比較(圧迫角β=70°、テーパー角ε=45°)を示す。
シール面における管壁材移動方向Uの説明及び比較(圧迫角β=70°、テーパー角ε=60°)を示す。
シール面における管壁材移動方向Vの説明及び比較(圧迫角β=90°、テーパー角ε=60°)を示す。
シール面における管壁材移動方向Vの説明及び比較(圧迫角β=70°、テーパー角ε=60°)を示す。
シール面における管壁材移動方向Vの説明及び比較(圧迫角β=60°、テーパー角ε=60°)を示す。
公知例1の従来の管継ぎ手構造の断面図である。
公知例2の従来の管継ぎ手構造の断面図である。
公知例2の従来の管継ぎ手及びディスク型固定プレート装着後での断面図である。
特許文献10に記載の従来の管継ぎ手構造の断面図である。
特許文献10に記載の従来の管継ぎ手の固定リングの断面図である。
特許文献6に記載の従来の管継ぎ手の締付け前の各部断面図である。
特許文献6に記載の従来の管継ぎ手の締付け後の断面図である。

実施例

0029

実施例1
実施例1を図1(A)〜図1(E)に示す。図1(A)は、実施例1の管継ぎ手(2)の装着後を示している。この管継ぎ手(2)は、継ぎ手本体(20)、ユニオンナット(26)、及び固定リング(27)の3つの部品から構成され、いずれもPFAフッ素樹脂材によって製造されている。

0030

PFAフッ素樹脂材のチューブ(18)の先端を、ユニオンナット(26)の狭まり部穴(261)及び固定リング(27)の中心孔(279)に通し、治具による冷却又は加熱を経て、拡径テーパー部(181)と拡径ストレート部(182)とを含む拡径部(180)を形成する。

0031

図1(B)に示すように、継ぎ手本体(20)は中空部分(14)を有して流体を送ることができ、管継ぎ部(200)でユニオンナット(26)及びチューブ(18)と結合する。継ぎ手本体(20)の一端はねじ山(12)により他の設備又は装置と接合することができ、中間の工具作用部(15)により管継ぎ手(2)を装着する。

0032

管継ぎ部(200)は、端から順に、テーパー面(201)、ストレート面(202)、嵌合止め面(203)、及び雄ねじ部(204)を有し、このテーパー面(201)及びストレート面(202)にチューブ(18)の拡径テーパー部(181)及び拡径ストレート部(182)を挿入するとともに、拡径テーパー部(181)の内壁面をテーパー面(201)に圧着させる。テーパー面(201)のテーパー角εは、50°≦ε≦70°の範囲内にある。ストレート面の厚みは、管継ぎ手全体に対する軸方向の圧縮を受けて均一に変形するだけの厚みを有している。雄ねじ部(204)を用いてユニオンナット(26)を締め付ける。

0033

図1(C)に示すように、ユニオンナット(26)は内径表面に、雌ねじ部(266)、凹状湾曲面(262)、及び狭まり部(260)を有している。図1(A)に示すように、この雌めじ部(266)を管継ぎ部(200)の雄ねじ部(204)と噛み合わせる。狭まり部(260)は、中心に狭まり部穴(261)を有し、その内側面は凹状湾曲面(262)になっている。この凹状湾曲面(262)は、押圧リング曲面(2622)及び斜め曲面(2623)を含む。凹状湾曲面(262)の外縁に、滑らかな円弧状にへこんだ位置決め曲面(2621)を有し、被押圧リング曲面(2702)とともに固定リング(27)の中心位置を保持する働きをする。押圧リング曲面(2622)は、被押圧リング曲面(2702)に圧着して摺動面を形成するとともに、固定リング(27)に作用して締付け力Fを伝える。斜め曲面(2623)は、押圧リング曲面(2622)よりも大きな軸方向ギャップ(2624)を有しており、これによって摺動面の接触面積を少なくして寸法公差から生じるマイナスの影響を低減し、摺動による摩擦リスクを低下させている。

0034

図1(D)に示すように、固定リング(27)は中心孔(279)を有する円環状の構造であり、両端の円環面に凸曲面(270)を有する。その断面は対称又は非対称のくさび型で、外径面(271)は軸方向の長さが内径面のそれよりも短く、試験紙溝(2711)があって試験紙(11)を置けるようになっている。一方の円環面は、凸曲面(270)の中心孔(279)に近いところにチューブ管壁を締め付けるための圧迫リング(2701)を有し、その圧迫角βは50°≦β≦75°の範囲内にあり、中心孔の周エッジが面取りされて、圧迫リング(2701)がチューブの拡径テーパー部(181)のテーパー付け根部分(186)を圧迫しない構造となっている(チューブのテーパー付け根部分は、管壁が硬化すると良好なシール効果が得られなくなる)。反対側の円環面は、被押圧リング曲面(2702)を有し、ユニオンナット(26)の押圧リング曲面(2622)と圧着して摺動面を形成する。被押圧リング曲面(2702)における押圧ポイントと圧迫リング(2701)とを結ぶ線が中心孔(279)の中心線と交わってできる挟角、すなわち締付け力Fの圧迫角γは、10°≦γ≦30°の範囲内にある。

0035

図1(E)に示すように、ユニオンナット(26)の締付け過程において、チューブ(18)の軸方向に沿って拡径部(180)の拡径テーパー部(181)が圧迫されてシール面(183)を形成するとき、圧迫角βは50°≦β≦75°の範囲内にあり、管壁に連続的な環状の肉の隆起を形成して引張り強さを強化する。締付け過程において、固定リング(27)は、ガイド機構の働きで中心位置が保持される。このガイド機構は、凹状湾曲面(262)の位置決め曲面(2621)が被押圧リング曲面(2702)と圧着して固定リング(27)の中心位置をガイドする仕組みであり、結果的に締付け力Fを同一円周上に均一に作用させることができる。締付け力Fの圧迫角γがγ≦30°、F・N挟角θが5°≦θ≦15°であることが確保され、垂直分力Fnを増大させるとともに大きな引張り分力Ftを得てシール効果を得ると同時に、チューブが外力を受けたときの緩み脱落を防止している。締付け力を受けて固定リング(27)が変形したとき、押圧リング曲面(2622)と被押圧リング曲面(2702)とによって形成される摺動面は、固定リングの変形によってその面積が増す。この押圧面積の増大により摺動ができなくなって固定リング(27)がユニオンナットに連動して回転するのを防止するために、斜め曲面(2623)に軸方向ギャップ(2624)を設け、摺動面の変形を一定の範囲内に抑えて固定リングが摺動できるようにしている。言い換えると、固定リング(27)とユニオンナット(26)との間の圧着摺動を確保して、シール面(183)に摺動摩擦を発生させないようにする。こうすることで、シール面にトルクを加えるに当たって、経験を積んだ操作員が管理監督することなくシール効果を得られるとともに、チューブ(18)が外力を受けたときの緩み脱落を防止できる。

0036

実施例2
実施例2を図2(A)〜図2(E)に示す。実施例1と異なるのは、継ぎ手本体(30)の管継ぎ部分(300)の構造である。図2(A)は、実施例2の管継ぎ手(3)の装着後を示している。この管継ぎ手(3)は、継ぎ手本体(30)、ユニオンナット(36)、及び固定リング(37)の3つの部品から構成され、いずれもフッ素樹脂材によって製造されている。

0037

PFAフッ素樹脂材のチューブ(18)の先端を、ユニオンナット(36)の狭まり部穴(361)及び固定リング(37)の中心孔(379)に通し、治具による冷却又は加熱を経て、拡径テーパー部(181)と拡径ストレート部(182)とを含む拡径部(180)を形成する。

0038

図2(B)に示すように、継ぎ手本体(30)は中空部分(14)を有して流体を送ることができ、管継ぎ部(300)でユニオンナット(36)及びチューブ(18)と結合する。継ぎ手本体(30)の一端はねじ山(12)により他の設備又は装置と接合することができ、中間の工具作用部(15)により管継ぎ手(3)を装着する。
管継ぎ部(300)は、テーパー面(301)、ストレート面(302)、及び雄ねじ部(304)を有し、インナー筒溝(3052)によって中心を同じくするアウター筒及びインナー筒がある構造となっている。アウター筒の外径表面には雄ねじ部(304)が設けられ、インナー筒の外径表面に上記のテーパー面(301)及びストレート面(302)を有する。このストレート面(302)とガイド内径面(3051)との間に上記のインナー筒溝(3052)があり、その底部が嵌合止め面(3053)となり、このインナー筒溝(3502)の空間は拡径ストレート部(181)を収めるのに十分な空間を有している。このテーパー面(301)及びストレート面(302)にチューブ(18)の拡径テーパー部(181)及び拡径ストレート部(182)を挿入する。拡径テーパー部(181)が締付けを受け、チューブ内壁面がテーパー面(301)に圧着したとき、テーパー面(301)のテーパー角εは50°≦ε≦75°の範囲内にある。ストレート面(302)の壁厚は、管継ぎ手全体に対する軸方向の圧縮を受けて均一に変形するだけの厚みを有している。雄ねじ部(304)を用いてユニオンナット(36)を締め付ける。

0039

図2(C)に示すように、ユニオンナット(36)は内径表面に、雌ねじ部(366)、凹状湾曲面(362)、及び狭まり部(360)を有している。この雌めじ部(366)を管継ぎ部(300)の雄ねじ部(304)と噛み合わせる。狭まり部(360)は、中心に狭まり部穴(361)を有し、その内側面は凹状湾曲面(362)になっている。この凹状湾曲面(362)は、押圧リング曲面(3622)及び斜め曲面(3623)を含む。押圧リング曲面(3622)は、被押圧リング曲面(3702)に圧着して摺動面を形成するとともに、固定リング(37)に作用して締付け力Fを伝える。斜め曲面(3623)は、押圧リング曲面(3622)よりも大きな軸方向ギャップ(3624)を有しており、これによって摺動面の接触面積を少なくして寸法公差から生じるマイナスの影響を低減し、摺動による摩擦リスクを低下させている。

0040

図2(D)に示すように、固定リング(37)は中心孔(379)を有する円環状の構造であり、両端の円環面に凸曲面(370)を有する。その断面は対称又は非対称のくさび型で、外径面(371)は軸方向の長さが内径面のそれよりも短い。この外径面(371)が管継ぎ部(300)のガイド内径面(3051)に押えられて、固定リング(37)の中心位置が保持される。一方の円環面は、凸曲面(370)の中心孔(379)に近いところにチューブの拡径テーパー部(181)を締め付けるための圧迫リング(3701)を有し、その圧迫角βは55°≦β≦75°の範囲内にあり、中心孔の周エッジが面取りされて、圧迫リング(3701)がチューブの拡径テーパー部(181)のテーパー付け根部分(186)を圧迫しない構造となっている(チューブのテーパー付け根部分は、管壁が硬化すると良好なシール効果が得られなくなる)。反対側の円環面は、被押圧リング曲面(3702)を有し、ユニオンナット(36)の押圧リング曲面(3622)と圧着して摺動面を形成する。被押圧リング曲面(3702)における押圧ポイントと圧迫リング(3701)とを結ぶ線が中心孔(379)の中心線と交わってできる挟角、すなわち締付け力Fの圧迫角γは、γ≦30°の範囲内にある。

0041

図2(E)に示すように、ユニオンナット(36)の締付け過程において、チューブ(18)の軸方向に沿って拡径部(180)の拡径テーパー部(181)が圧迫されてシール面(183)を形成するとき、圧迫角βは50°≦β≦75°の範囲内にあり、管壁に連続的な環状の肉の隆起を形成して引張り強さを強化する。締付け過程において、固定リング(37)は、ガイド機構の働きで中心位置が保持される。このガイド機構は、管継ぎ部(300)のガイド内径面(3051)が固定リング(37)の外径面(371)を押さえることで、固定リング(37)の中心位置をガイドする仕組みであり、結果的に締付け力Fを同一円周上に均一に作用させることができる。締付け力Fの圧迫角γが10°≦γ≦30°、F・N挟角θが5°≦θ≦15°であることが確保され、垂直分力Fnを増大させるとともに大きな引張り分力Ftを得てシール効果を得ると同時に、チューブが外力を受けたときの緩み脱落を防止している。締付け力を受けて固定リング(37)が変形したとき、押圧リング曲面(3622)と被押圧リング曲面(3702)とによって形成される摺動面は、固定リングの変形によってその面積が増す。この押圧面積の増大により摺動ができなくなって固定リング(37)がユニオンナットに連動して回転するのを防止するため、斜め曲面(3623)に軸方向ギャップ(3624)を設け、摺動面の変形を一定の範囲内に抑えて固定リングが摺動できるようにしている。言い換えると、固定リング(37)とユニオンナット(36)との間の圧着摺動を確保して、シール面(183)に摩擦を発生させないようにする。こうすることで、シール面にトルクを加えるに当たって、経験を積んだ操作員が管理監督することなくシール効果を得るとともに、チューブ(18)が外力を受けたときの緩み脱落を防止できる。

0042

実施例3
実施例3を図3(A)〜図3(E)に示す。実施例2と異なるのは、継ぎ手本体(40)における管継ぎ部(400)のテーパー面(401)構造である。図3(A)は、実施例3の管継ぎ手(4)の装着後を示している。この管継ぎ手(4)は、継ぎ手本体(40)、ユニオンナット(46)、及び固定リング(47)の3つの部品から構成され、いずれもフッ素樹脂材によって製造されている。

0043

図3(B)に示すように、管継ぎ部(400)は、テーパー面(401)、ストレート面(402)、及び雄ねじ部(404)を有し、インナー筒溝(4052)によって中心を同じくするアウター筒とインナー筒とが隔てられている構造である。管継ぎ部(400)のテーパー面(401)は垂直であって、テーパー角εはε=90°である。チューブの拡径テーパー部(181)が締付け力を受けたとき、圧迫リング(4701)による圧迫を受けた管壁がかなり大きく変形し、シール面となる内壁はテーパー面(401)に緊密に圧着する。ストレート面(402)の壁厚は、管継ぎ手全体に対する軸方向の圧縮を受けて均一に変形するだけの厚みを有している。

0044

図3(C)に示すように、ユニオンナット(46)は内径表面に、雌ねじ部(466)、凹状湾曲面(462)、及び狭まり部(460)を有している。狭まり部(460)は、内側面が凹状湾曲面(462)になっている。この凹状湾曲面(462)は、中心孔に近いところに押圧リング曲面(4622)及び斜め曲面(4623)を有する。押圧リング曲面(4622)は、被押圧リング曲面(4702)に圧着して摺動面を形成するとともに、固定リング(47)に作用して締付け力Fを伝える。斜め曲面(4623)は、押圧リング曲面(4622)よりも大きな軸方向ギャップ(4624)を有しており、これによって摺動面の接触面積を少なくして寸法公差から生じるマイナスの影響を低減し、摺動による摩擦リスクを低下させている。

0045

図3(D)に示すように、固定リング(47)は中心孔(479)を有する円環状の構造であり、少なくとも一端の円環面に凸曲面(470)を有する。その断面は対称又は非対称のくさび型で、外径面(471)は軸方向の長さが内径面のそれよりも短い。この外径面(471)が管継ぎ部(400)のガイド内径面(4051)に押えられて、固定リング(47)の中心位置が保持される。一方の円環面は、凸曲面(470)の中心孔(479)に近いところにチューブの拡径テーパー部(181)を締め付けるための圧迫リング(4701)を有し、その圧迫角βは55°≦β≦75°の範囲内にあり、中心孔の周エッジが面取りされて、圧迫リング(4701)がチューブの拡径テーパー部(181)のテーパー付け根部分(186)を圧迫しない構造となっている(チューブのテーパー付け根部分は、管壁が硬化すると良好なシール効果が得られなくなる)。反対側の円環面は、中心孔(479)に近いところに被押圧リング曲面(4702)を有し、ユニオンナット(46)の押圧リング曲面(4622)と圧着して摺動面を形成する。被押圧リング曲面(4702)における押圧ポイントと圧迫リング(4701)とを結ぶ線が中心孔(479)の中心線と交わってできる挟角、すなわち締付け力Fの圧迫角γは、γ≦10°の範囲内にある。

0046

図3(E)に示すように、ユニオンナット(46)の締付け過程において、チューブ(18)の軸方向に沿って拡径部(180)の拡径テーパー部(181)を圧迫したとき、拡径テーパー部(181)は、局部が変形して一つの円環面を形成し、テーパー角ε=90°でテーパー面(401)に圧着する。この時、圧迫角βは50°≦β≦75°の範囲内にあり、管壁に連続的な環状の肉の隆起を形成して引張り強さを強化する。締付け過程において、固定リング(47)は、ガイド機構の働きで中心位置が保持される。このガイド機構は、管継ぎ部(400)のガイド内径面(4051)が固定リング(47)の外径面(471)を押さえることで、固定リング(47)の中心位置をガイドする仕組みであり、結果的に締付け力Fを同一円周上に均一に作用させることができる。締付け力Fの圧迫角γが0°≦γ≦10°、F・N挟角θが0°≦θ≦15°であることが確保され、垂直分力Fnを増大させるとともに大きな引張り分力Ftを得てシール効果を得ると同時に、チューブが外力を受けたときの緩み脱落を防止している。締付け力を受けて固定リング(47)が変形したとき、押圧リング曲面(4622)と被押圧リング曲面(4702)とによって形成される摺動面は、固定リングの変形によってその面積が増す。この押圧面積の増大により摺動ができなくなって固定リング(47)がユニオンナットに連動して回転するのを防止するため、斜め曲面(4623)に軸方向ギャップ(4624)を設け、摺動面の変形を一定の範囲内に抑えて固定リングが摺動できるようにしている。言い換えると、固定リング(47)とユニオンナット(46)との間の圧着摺動を確保して、シール面(183)に摩擦を発生させないようにする。こうすることで、シール面にトルクを加えるに当たって、経験を積んだ操作員が管理監督することなくシール効果を得るとともに、チューブ(18)が外力を受けたときの緩み脱落を防止できる。

0047

実施例4
実施例4を図4(A)〜図4(E)に示す。実施例3と異なるのは、固定リング(57)がユニオンナットに連動して回転しない構造となっている点である。図4(A)は、実施例4の管継ぎ手(5)の装着後を示している。この管継ぎ手(5)は、継ぎ手本体(50)、ユニオンナット(56)、及び固定リング(57)の3つの部品から構成され、いずれもフッ素樹脂材によって製造されている。

0048

図4(B)に示すように、管継ぎ部(500)は、テーパー面(501)、ストレート面(502)、及び雄ねじ部(504)を有し、インナー筒溝(5052)によって中心を同じくするアウター筒及びインナー筒がある構造となっている。管継ぎ部(500)のテーパー面(401)は垂直であって、テーパー角εはε=90°である。チューブの拡径テーパー部(181)が締付け力を受けたとき、圧迫リング(5701)による圧迫を受けた管壁がかなり大きく変形し、シール面となる内壁はテーパー面(501)に緊密に圧着する。ストレート面(502)の壁厚は、管継ぎ手全体に対する軸方向の圧縮を受けて均一に変形するだけの厚みを有している。

0049

図4(C)に示すように、ユニオンナット(56)は内径表面に、雌ねじ部(566)、凹状湾曲面(562)、及び狭まり部(560)を有している。狭まり部(560)は、内側面が凹状湾曲面(562)になっている。この凹状湾曲面(562)は、中心孔に近いところに押圧リング曲面(5622)を有する。押圧リング曲面(5622)は、被押圧リング曲面(5702)に圧着して摺動面を形成するとともに、固定リング(57)に作用して締付け力Fを伝える。

0050

図4(D)に示すように、固定リング(57)は中心孔(579)を有する円環状の構造であり、少なくとも一方の円環面に凸曲面(570)を有する。その断面は対称又は非対称のくさび型で、外径面(571)は軸方向の長さが内径面のそれよりも短い。この外径面(571)が管継ぎ部(500)のガイド内径面(5051)に押えられて、固定リング(57)の中心位置が保持される。しかも、この外径面(571)は複数の軸方向溝(5711)を有し、この溝が管継ぎ部(500)のガイド内径面(5051)にある複数のリブ(5052)と噛み合って固定リング(57)がユニオンナットに連動して回転するのを防止して、シール面(183)の摺動摩擦を完全になくす。一方の円環面は、凸曲面(570)の中心孔(579)に近いところにチューブの拡径テーパー部(181)を締め付けるための圧迫リング(5701)を有し、その圧迫角βは55°≦β≦75°の範囲内にあり、中心孔の周エッジが面取りされて、圧迫リング(5701)がチューブの拡径テーパー部(181)のテーパー付け根部分(186)を圧迫しない構造となっている(チューブのテーパー付け根部分は、管壁が硬化すると良好なシール効果が得られなくなる)。反対側の円環面は、中心孔(579)に近いところに被押圧リング曲面(5702)を有し、ユニオンナット(56)の押圧リング曲面(5622)と圧着して摺動面を形成する。被押圧リング曲面(5702)における押圧ポイントと圧迫リング(5701)とを結ぶ線が中心孔(579)の中心線と交わってできる挟角、すなわち締付け力Fの圧迫角γは、γ≦10°の範囲内にある。

0051

図4(E)に示すように、ユニオンナット(56)の締付け過程において、チューブ(18)の軸方向に沿って拡径部(180)の拡径テーパー部(181)を圧迫してシール面(183)を形成するとき、この圧迫角βは50°≦β≦75°の範囲内にあり、管壁に連続的な環状の肉の隆起を形成して引張り強さを強化する。締付け過程において、固定リング(57)は、ガイド機構の働きで中心位置が保持される。このガイド機構は、管継ぎ部(500)のガイド内径面(5051)が固定リング(57)の外径面(571)を押さえることで、固定リング(57)の中心位置をガイドする仕組みであり、結果的に締付け力Fを同一円周上に均一に作用させることができる。締付け力Fの圧迫角γが0°≦γ≦10°、F・N挟角θが0°≦θ≦15°であることが確保され、垂直分力Fnを増大させるとともに大きな引張り分力Ftを得てシール効果を得ると同時に、チューブが外力を受けたときの緩み脱落を防止している。固定リング(57)の外径面(571)の軸方向溝(5711)は、管継ぎ部(500)のガイド内径面(5051)のリブ(5054)と噛み合うので、ユニオンナット(56)の締付け過程において、固定リング(57)はチューブ(18)軸方向に移動するのみで、ユニオンナットに連動して回転することができない。このようにしてシール面(183)における摺動摩擦を発生させないようにすることで、シール効果を得るとともに、チューブ(18)が外力を受けたときの緩み脱落を防止できる。

0052

表1に示すように、管継ぎ手(2)、管継ぎ手(3)、管継ぎ手(7)、管継ぎ手(7A)、管継ぎ手(1)をそれぞれ別個に、一端を溶接シールしたチューブ(18)に装着し、オーブンに入れて150℃の高温で加熱し、耐圧試験を行って最大圧力を測定したところ、最大耐圧圧力7barをマークして漏れがなかったのは、管継ぎ手(2)及び管継ぎ手(3)のみであった。つまり、シール面の締付け力の垂直分力Fnが均一に分布しているため、管継ぎ手(2)及び管継ぎ手(3)は、締め付けた時に各部が均一に変形した。このような弾性範囲内の圧縮変形は、150℃の高温加熱で部分的に弾性が失われて締付け力が低下しているとはいえ、均一な圧縮変形によりシール面(183)における良好な締付け力を確保することになる。

0053

0054

表2は、1インチのPFAチューブの管壁厚さを1.6mmとして、チューブ(18)両端の拡径部(180)それぞれに5種類の管継ぎ手を装着し、中間の直管部(184)に引張り力をかけた時の試験結果である。引張り力はチューブ(18)の一端が抜け落ちた時の値であり、伸長率とは、チューブ(18)が抜け落ちた後での、直管部(184)の元の長さに対する最終的な塑性変形後の長さの比である。この試験結果により、本発明の管継ぎ手の引張り強さは最も大きく、2倍以上の伸長率を示していることが分かる。

0055

0056

チューブ(18)の引張り試験後における拡径部(180)及び直管部(184)の変形の様子を図5に示す。図5(A)は管継ぎ手(2)、図5(B)は管継ぎ手(7)、図5(C)は管継ぎ手(7A)、図5(D)は管継ぎ手(1)の場合である。チューブ(18)が引張り力を受けた後の管壁の肉の移動は、締付け力の垂直分力Fnがシール面(183)にかかるときの均一性と関係がある。
管継ぎ手(2)及び管継ぎ手(3)の直管部(184)の長さは2倍以上に伸び、拡径部(180)は伸びて左右対称の円錐状を呈した。その先端には比較的厚い円環部(185)が形成されており、この円環は真円に近く、シール能力の高さを示している。
管継ぎ手(7)の直管部(184)の伸長は2倍に満たず、伸びた拡径部(180)は不規則な円錐状を呈し、先端に円環部(185)が形成されておらず、シール能力が高くないことを示している。
管継ぎ手(7A)の直管部(184)の伸長は2倍に満たず、伸びた拡径部(180)は不規則な円錐状を呈し、先端に円環部(185)がほとんど形成されていないことからシール能力は高くなく、ディスク型固定プレート(77)がシール能力を向上させてはいるが、引張り強さの要求を満たすには至っていないことを示している。
管継ぎ手(1)の直管部(184)の伸長は2倍に満たず、伸びた拡径部(180)は不規則な円錐状を呈し、先端に円環部(185)が形成されてはいるが非円形であり、固定リング(17)がシール能力を向上させてはいるが、引張り強さの要求を満たすには至っていないことを示している。
以上は、拡径部(180)の伸長及び変形により、締付け力の垂直分力Fnがシール面(183)にかかるときの均一性を判断する試験であり、管継ぎ手(2)の左右対称の円錐状はその均一さを、その他の状況は不均一であることを、それぞれ示している。

0057

図6(A)〜図6(E)は、円環部(185)の形成及び外形についての詳細説明である。シール面(183)における締付け力の垂直分力Fnが不足している状況下において、シール面が引張り力Tを受けたとき、テーパー面における管壁材移動方向U、及び圧迫リング面における管壁材移動方向Vはいずれも、引張り力Tの方向と管壁材移動挟角λを形成する。このλは、シール面における管壁材が締付け力を受けて変形する際に移動する角度を示しており、シール面における管壁材の移動方向は、テーパー角及び圧迫角でかなり異なる。
テーパー面のテーパー角εが45°のとき、テーパー面における管壁材の移動方向Uの管壁材移動挟角λは45°であり、管壁の肉が移動するに当たり45°の方向転換が必要になる。テーパー角εが60°のとき、管壁材移動挟角λも60°になり、60°の方向転換が必要になって肉の移動の困難度が増す。
圧迫角βが90°のとき、圧迫リング面における管壁材の移動方向Vの管壁材移動挟角λは90°であり、圧迫角βが70°のとき、管壁材移動挟角λは110°に増し、管壁の肉が移動するに当たり110°も迂回する必要があるので、肉の移動の困難度が増す。圧迫角βが60°ならば、管壁材移動挟角λは120°に増え、管壁の肉が移動するに当たり120°の迂回が必要になり、肉の移動はかなりの困難を伴う。

0058

上述の管壁材移動挟角λの大きさから、以下のことがいえる。テーパー面の管壁材は移動が容易なので、管壁材の過剰移動からくる引張り強さを抑えるには、シール面(183)に十分な締付け力Fの垂直分力Fnを加えなければならない。また、圧迫角βにおける管壁材は移動が容易ではなく、圧迫角βが小さいほど肉の移動は困難になるので、締付け力Fの垂直分力Fnが十分であれば、引張り力を受けて、圧迫角β上の管壁材は変形し、連続的な環状の管壁材隆起厚みδを形成する。この管壁材隆起厚みδは、材料の塑性変形であり、引張り力を受けてチューブ先端に向けて移動を続け、比較的厚い円環部(185)を形成する。圧迫角βが90°のとき、圧迫リングにおける管壁材移動方向Vの管壁材移動挟角λは90°であり、管壁の肉が移動する際の迂回は90°なので比較的容易であり、連続的な環状の管壁材隆起厚みδを形成しにくく、チューブ先端にも円環部(185)を形成しにくいため、高い引張り強さを得ることはできない。図6(D)及び図6(E)に示すように、圧迫角βがそれぞれ70°、60°でともに圧迫角βが90°に満たないとき、圧迫リンク面における管壁材の移動方向Vの管壁材移動挟角λは90°を上回り、管壁の肉が移動する時の迂回も90°を上回ることになる。しかも、圧迫角βが小さくなるにつれて、管壁材移動挟角λは大きくなり、肉の移動も難しくなる。こうなると連続的な環状の管壁材隆起厚みδが形成されやすく、チューブ先端に円環部(185)が形成されて、高い引張り強さを得ることができる。

0059

(1)管継ぎ手
(10)継ぎ手本体
(100)管継ぎ部
(101)テーパー面
(102)ストレート面
(103)嵌合止め面
(104)雄ねじ部
(11)試験紙
(12)ねじ山
(14)中空部分
(15)工具作用部
(16)ユニオンナット
(160)狭まり部
(161)狭まり部穴
(162)内部テーパー面
(166)雌ねじ部
(167)ナット内径面
(17)固定リング
(170)テーパー面
(1701)圧迫リング
(171)リング外径面
(179)中心孔
(18)チューブ
(180)拡径部
(181)拡径テーパー部
(182)拡径ストレート部
(183)シール面
(184)直管部
(185)円環
(186)テーパー付け根部
(19)チューブ
(190)拡径部
(191)拡径テーパー部
(192)拡径逆テーパー部
(193)拡径ストレート部
(194)シール面
(2)管継ぎ手
(20)継ぎ手本体
(200)管継ぎ部分
(201)テーパー面
(202)ストレート面
(203)嵌合止め面
(204)雄ねじ部
(26)ユニオンナット
(260)狭まり部
(261)狭まり部穴
(262)凹状湾曲面
(2621)位置決め曲面
(2622)押圧リング曲面
(2623)テーパー面
(2624)軸方向ギャップ
(266)雌ねじ部
(267)ナット内径面
(27)固定リング
(270)凸曲面
(2701)圧迫リング
(2702)被押圧リング曲面
(271)リング外径面
(2711)試験紙溝
(279)中心孔
(3)管継ぎ手
(30)継ぎ手本体
(300)管継ぎ部
(301)テーパー面
(302)ストレート面
(304)雄ねじ部
(3051)ガイド内径面
(3052)インナー筒溝
(3053)嵌合止め面
(36)ユニオンナット
(360)狭まり部
(361)狭まり部穴
(362)凹状湾曲面
(3622)押圧リング曲面
(3623)斜め曲面
(3624)軸方向ギャップ
(366)雌ねじ部
(37)固定リング
(370)凸曲面
(3701)圧迫リング
(3702)被押圧リング曲面
(371)リング外径面
(379)中心孔
(4)管継ぎ手
(40)継ぎ手本体
(400)管継ぎ部
(401)テーパー面
(402)ストレート面
(404)雄ねじ部
(4051)ガイド内径面
(4052)インナー筒溝
(4053)押止め面
(46)ユニオンナット
(460)狭まり部
(461)狭まり部穴
(462)凹状湾曲面
(4622)押圧リング曲面
(4623)斜め曲面
(4624)軸方向ギャップ
(466)雌ねじ部
(467)ナット内径面
(47)固定リング
(470)凸曲面
(4701)圧迫リング
(4702)被押圧リング曲面
(471)リング外径面
(479)中心孔
(5)管継ぎ手
(50)継ぎ手本体
(500)管継ぎ部
(501)テーパー面
(502)ストレート面
(504)雄ねじ部
(5051)ガイド内径面
(5052)インナー筒溝
(5053)嵌合止め面
(5054)リブ
(56)ユニオンナット
(560)狭まり部
(561)狭まり部穴
(562)凹状湾曲面
(5622)押圧リング曲面
(5623)斜め曲面
(5624)軸方向ギャップ
(566)雌ねじ部
(567)ナット内径面
(57)固定リング
(570)凸曲面
(5701)圧迫リング
(5702)被押圧リング曲面
(571)リング外径面
(5711)軸方向溝
(579)中心孔
(7)管継ぎ手
(7A)管継ぎ手
(70)継ぎ手本体
(700)管継ぎ部
(701)テーパー面
(702)ストレート面
(704)雄ねじ部
(76)ユニオンナット
(760)狭まり部
(761)狭まり部穴
(762)圧迫リング
(766)雌ねじ部
(767)ナット内径面
(77)ディスク型固定プレート
(770)被圧迫面
(771)プレート外径面
(772)圧迫面
(7721)圧迫リング
(8)管継ぎ手
(80)継ぎ手本体
(800)管継ぎ部
(801)アウター筒テーパー面
(802)アウター筒ストレート面
(803)インナー筒テーパー面
(804)雄ねじ部
(805)周溝
(86)ユニオンナット
(860)狭まり部
(861)狭まり部穴
(862)圧迫リング
(866)雌ねじ部
(87)嵌入式固定リング
(870)第一テーパー面
(8701)第一テーパー周エッジ
(872)固定リング最大外径
(873)第二逆テーパー面
(874)嵌合止め面
(875)ストレート面
(876)インナー逆テーパー面
(878)突起筒
F:締付け力
N:法線
Fn:テーパー面に垂直にかかる分力(垂直分力)
Fh:テーパー面に平行にかかる分力(水平分力)
Ft:T方向の引張り分力
T:チューブ引張力
U:テーパー面における管壁材移動方向
V:圧迫リング面における管壁材移動方向
β:圧迫角
γ:締付け傾角
δ:管壁材隆起厚み
λ:管壁材移動狭角
θ:F・N狭角
ε:テーパー角
Φ:テーパー角
Z:コーン角、突部角度

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