配管締結構造
【課題】スリーブを廃止して、直にナットで金属管の球状端末部を相手方部品に締結接続する場合に、共回りの発生を確実に防止する。
【解決手段】金属管１０の端末部１６は、異なる曲率半径の球面をもつ第１の球面部２０と、第２球面部２１とが別部品を使わずに一体に形成され、端末部１６の首下部１８の外径Ｄ1と、金属管の外径とはほぼ等しく、第１の球面部２０が接触する相手方部品１４のシール面２７の接触点における該第１球面部２０の外径Ｄ2と金属管１０の外径の比をα、第２の球面部２１が接触するナット１４のシート面２５の接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3と前記金属管の外径Dの比をβ、としたときに、α／β≧０．８０を満足する範囲で前記外径Ｄ3が前記外径Ｄ2よりも大きくする。
【解決手段】金属管１０の端末部１６は、異なる曲率半径の球面をもつ第１の球面部２０と、第２球面部２１とが別部品を使わずに一体に形成され、端末部１６の首下部１８の外径Ｄ1と、金属管の外径とはほぼ等しく、第１の球面部２０が接触する相手方部品１４のシール面２７の接触点における該第１球面部２０の外径Ｄ2と金属管１０の外径の比をα、第２の球面部２１が接触するナット１４のシート面２５の接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3と前記金属管の外径Dの比をβ、としたときに、α／β≧０．８０を満足する範囲で前記外径Ｄ3が前記外径Ｄ2よりも大きくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル内燃機関やガソリン内燃機関の燃料配管などで用いられる配管締結構造に係り、特に、相手方の部品に球面形状を有する金属管の端末部をナットで締結する配管締結構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル内燃機関やガソリン内燃機関の燃料配管では、燃料が高圧で送られる金属管をエンジンの相手方の部品に接続するために、球面形状をもつ端末部をナットで締結して接続することが行われている。この締結構造では、ナットを締結することにより、球面形状の端末部を相手方の部品のシート面に押し付けて燃料の漏れを確実に防ぐことができるので、従来から高圧の燃料配管に広く利用されている。
【０００３】
この種の配管締結構造の従来技術としては、代表的なものとして、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されているものを挙げることができる。
【０００４】
これら従来の配管締結構造では、ナットと球状形状の端末部の間にスリーブ（ワッシャー）を介在させているのが一般的である。
【０００５】
このスリーブは、大きな面圧をかけて端末部を相手方のシート面に押さえ付ける役割を担っている。このスリーブがあることによって、球面形状の端末部の軸芯と、相手方部品の軸芯とがわずかにずれている状態（ミスアライメントと呼ばれる）のままナットを締め付けたとしても、局部的な面圧低下の発生を防止することができ、安定したシール性が得られるという利点がある。これは、球状端末部の軸心とスリーブの軸芯は一致するからである。
【０００６】
その反面、スリーブを設けることで部品点数が増え、ナットが大きくなり、重量が増加するという欠点がある。
【０００７】
そこで、近年では、スリーブを用いないで、ナットだけで金属管を相手部品に締結することが検討され、実際にも使用されている。
【特許文献１】特開平１０−１２２４５４号公報
【特許文献２】特開２０００−２２７１８３号公報
【特許文献３】特開２００９−１４４６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、スリーブをなくして、ナットで球状端末部を相手方部品に直に締結すると、次のような問題点があることがわかっている。
【０００９】
最も、大きな問題点は、スリーブがないと、ナットを締め付けるトルクが直接球状端末部にかかり、ナットといっしょに金属管も回ってしまう現象、いわゆる共回りが発生してしまうことである。この共回りが発生すると、金属管の端末部は相手方部品のシール面に強く押し付けられた状態でこすり付けられることから大きな摩擦が生じ、焼き付きが発生し易い。また、ナットと球状端末部との接触面にも大きな摩擦が生じる結果、焼き付きが生じると、ナットを戻せなくなり、金属管を外し、再度締結するというように戻しと締結を繰り返すことができなくなる。この傾向は、特にステンレスを用いた締結部において顕著である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、スリーブを廃止して、直にナットで金属管の球状端末部を相手方部品に締結接続する場合に、共回りの発生を確実に防止することができるようにした配管締結構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明は、金属管の端末部と、ナットと、接続する相手方の部品とからなり、前記端末部を前記ナットで直接に前記相手方部品に締結する配管締結構造において、前記金属管の端末部は、異なる曲率半径の球面をもつ第１の球面部と、第２球面部とが別部品を使わずに一体に形成され、前記端末部の首下部の外径Ｄ1と、前記金属管の外径Ｄとはほぼ等しく、前記第１の球面部が接触する前記相手方部品のシール面の接触点における該第１球面部の外径Ｄ2と前記金属管の外径Dの比（Ｄ2／Ｄ）をα、前記第２の球面部が接触する前記ナットのシート面の接触点における該第２球面部の外径Ｄ3と前記金属管の外径Dの比（Ｄ3／Ｄ）をβ、としたときに、
α／β≧０．８０
を満たす範囲で前記外径Ｄ3が前記外径Ｄ2よりも大きいことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、スリーブを廃止して、直にナットで金属管の球状端末部を相手方部品に締結接続した場合でも、共回りの発生を確実に防止することができ、端末部の焼き付きをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第1実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【図２】同配管締結構造における各部の寸法の定義を示す模式図である。
【図３】同配管締結構造において各部に作用する力を示す模式図である。
【図４】外径が８．０mm、肉厚が１．５mmの金属管を用いる配管締結構造において、共回りがしない条件をさぐるため、軸力とトルクの関係を解析した結果を表すグラフである。
【図５】外径が８．０mm、肉厚が１．２mmの金属管を用いる配管締結構造において、共回りがしない条件をさぐるため、軸力とトルクの関係を解析した結果を表すグラフである。
【図６】外径が９．５３mm、肉厚が１．２mmの金属管を用いる配管締結構造において、共回りがしない条件をさぐるため、軸力とトルクの関係を解析した結果を表すグラフである。
【図７】外径が１０．０mm、肉厚が１．２mmの金属管を用いる配管締結構造において、共回りがしない条件をさぐるため、軸力とトルクの関係を解析した結果を表すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【図１２】本発明の第５実施形態において、肉厚部による内径減少率と圧力損失、端末部の変位の関係を表すグラフである。
【図１３】本発明の第６実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明による配管締結構造の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態による配管締結構造の縦断面を示す。この図１において、参照番号１０は、金属管を示す。参照番号１２は、ナットを示し、参照番号１４は、金属管１０が接続される相手方部品を示す。この実施形態では、相手方部品１４は継手を構成している。金属管１０の先端には、球状形状の端末部１６が接合されており、この端末部１６をナット１２で相手方部品１４に直接押し付けるようになっている。このような配管接続構造にあっては、従来の配管接続構造とは異なり、ナット１２と端末部１６の間にはスリーブあるいはワッシャに類する部品は介在していない。
【００１５】
金属管１０の末端には、継手部１７が形成されている。端末部１６は、全体として球状形状に形成され、第1の球面部２０と第２の球面部２１とからなる球状部分と、それに続く首下部１８からなる。この首下部１８には、金属管１０の継手部１７が嵌合する継手部１９が形成されている。この場合、継手部１９は、継手部１７の外側に嵌合しており、溶接若しくはろう付けにより接合されている。そして、首下部１８の外径Ｄは金属管１０の外径Ｄ1と等しくなっているか、公差の範囲内でほぼ等しくなっており、外周面は面一である。
【００１６】
次に、ナット１２の端面には貫通孔２３が形成されている。この貫通孔２３の内径は、金属管１０の外径よりも若干大きく、端末部１６の首下部１８は、この貫通孔２３に遊嵌する。ナット１２の内部には、この貫通孔２３の終端から末広がりに拡径する部分と、雌ねじ部２４とが形成されている。この拡径する部分の内周面は、端末部１６の第２の球面部２１が接触するシート面２５を形成している。
【００１７】
相手方部品１４の継手を構成する部分の外周面には、ナット１２の雌ねじ部２４が螺合する雄ねじ部２６が形成されている。そして、相手方部品１４の先端入口には、テーパ状のシール面２７が形成されている。このシール面２７には、端末部１６の第１の球面部２０が接触するようになっている。
【００１８】
次に、図２は、本実施形態による配管接続構造において、各部の寸法およびナット１２を締結するときに各部に作用する力を定義する模式図である。
この図２において、金属管１０の外径をＤ、内径をｄ、肉厚をｔとする。
端末部１６に関しては、第１球面部２０がシール面２７に接触する点における第１球面部２０の外径をＤ2、第２球面部２１がシート面２５に接触する点における第２球面部２１の外径をＤ3とする。なお、第１球面部２０と第２球面部２１は、図３における中心Ｏを共通にして異なる曲率半径となっている。
【００１９】
ここで、外径Ｄ2と金属管１０の外径Ｄの比（Ｄ2／Ｄ）をαとし、外径Ｄ3と金属管１０の外径Ｄの比（Ｄ3／Ｄ）をβとすると、
Ｄ2＝αＤ
Ｄ3＝βＤ
である。
【００２０】
図２において、ナット１２を締結するときに各部に作用する力については、次のように定義される。
ナット１２を締め付けると、通常は、端末部１６は回転せずに、相手方部品１４に押し付けられていく。これは、シール面２７に対して端末部１６の第１球面部２０が押し付けられていることで、摩擦によって回転を抑える方向にトルクＴ1が作用しているからである。
【００２１】
ここで、ナット１２の締め付けトルクをＴ2とする。このほかに、金属管１０は、図示しないステーなどによって固定されているので、締め付けトルクＴ2がかかることよって、ねじりがさらに加わるので、このときのねじり剛性トルクをＴ3とする。
ナット１２を締め付けていっても、端末部１６がナット１２といっしょに回転しないのは、次のような力の関係が成立しているからである。
Ｔ１≧Ｔ2−Ｔ3 …（１）
したがって、ナット１２を締め付けても、共回りし難い締結構造にするという問題を考える場合、（１）式を満たすときに、ナット１２と、端末部１６ではシール面２７との接触点における第１球面部２０の外径αＤと、シート面２５との接触点における第２球面部２１のの径βＤの間に一定の関係があることがわかれば、それにより共回りの発生しない構造を特定することができることになる。
【００２２】
次に、図３は、ナット１２を締結するときに各部に作用する力を分解して示す模式図である。
ここで、ナット１２を締め付けるときに、端末部１６を相手方部品１４のシール面２７に押し付ける軸方向の力をＦとする。この軸方向の力Ｆに基づき、シール面２７には接触点がなす円周の単位長さあたり、軸方向の力ｆ1が作用し、ナット１２と第２球面部２１とが接触するシート面２５には接触点がなす円周の単位長さあたり、軸方向の力ｆ2が作用しているとすると、
ｆ1＝Ｆ／παＤ
ｆ2＝Ｆ／πβＤ
である。
【００２３】
次に、シール面２７での第１球面部２０の接触点における垂直抗力をＮ1、接触点における接線と軸線のなす角をθ1とし、シート面２５での第２球面部２１の接触点における垂直抗力をＮ2、接触点における接線と軸線のなす角をθ2とする。
【００２４】
垂直抗力Ｎ1、Ｎ2はそれぞれ
Ｎ1＝ｆ1sinθ1
Ｎ2＝ｆ2sinθ2
である。
【００２５】
シール面２７、シート面２５におけるそれぞれの単位長さあたりの摩擦力は摩擦係数をμとすれば、μＮ1、μＮ2であり、トルクは、摩擦力×円周長×半径なので、
【数１】
となる。
【００２６】
次に、ねじれ剛性については、γを金属管１０の内径ｄと外径Ｄの比（ｄ／Ｄ）として、
【数２】
と表すことができる。
【００２７】
以上の式を（１）式に代入すると、
【数３】
となる。
【００２８】
そこで、具体的に外径Ｄと肉厚ｔを特定した金属管１０について、軸力Ｆを横軸にとって、縦軸にトルクの大きさをとって、端末部１６の回転を抑えるトルクＴ１と、締め付けトルクＴ2−ねじれ剛性Ｔ3の変化を解析した結果を示すグラフを図４乃至図１０に示す。
ここで、摩擦係数τmaxは、金属管とナットの材質から決まってくる定数である。
【００２９】
この図４は、金属管１０の外径Ｄが８mm、肉厚ｔが１．５mmの場合に、シール面２７の接触点における第１球面部２０の外径Ｄ2を決める係数αを固定して、シート面２５の接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3を決める係数βの値を変化させている。
【００３０】
端末部１６の回転を抑えるトルクＴ1は、図４では太線で示す直線で表される。これに対して、締め付けトルクとねじれ剛性の差Ｔ2−Ｔ3は細線の直線で表されている。αに対してβの値が相対的に大きい場合（α／β＝０．２、０．３、０．４、０．５）には、軸力がごく小さいときを除いて、Ｔ2−Ｔ3は、Ｔ１よりも大きいので、（１）式を満たしていないことがわかる。このことは、図２に即して説明すると、シート面２５との接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3がシール面２７との接触点における第1球面部２０の外径Ｄ2に対して相対的にかなり大きいと、ナット１２により端末部１６を回そうとするトルクの方が、相手方部品１４のシール面２７で生じる回転を抑えるトルクよりも勝っているので、ナット１２といっしょに端末部１６が共回りしてしまうことになる。
【００３１】
これに対して、α／βが０．８、０．９になると、Ｔ2−Ｔ3は、Ｔ１よりも小さくなる範囲、すなわち（１）式を満たす範囲が増えていくことがわかる。このことは、シート面２５との接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3が、シール面２７との接触点における第１球面部２０の外径Ｄ2に対してある程度の範囲内で大きいと、ナット１２により端末部１６を回そうとするトルクよりも、相手方部品１４のシート面２５で生じる回転を抑える力が勝るので、ナット１２といっしょに端末部１６が共回りしなくなることを意味している。
【００３２】
外径が８〜１０mm、肉厚が１．０〜１．５mmの金属管の場合、締結時の軸力Ｆは、最大でも５ｋＮ程度、通常は３〜４ｋＮ超程度なので、軸力が最大５ｋＮのときにＴ1の直線と交わるＴ2−Ｔ3の直線のα／βの値はどうなるかをみてみると、図４では、α／βが０．８０の直線と０．６０の直線を比例按分して、
α／β≧０．７８
であれば、実用上、端末部１６は共回りしないことがわかる。
【００３３】
なお、図４では、理論上、α／βの値は、１を越えて大きいほど、端末部１６は共回りしなくなることになる。しかし、α／βが１より大きいということは、第１球面部２０の方が第２球面部２１よりも大きくなることになり、相手部品との制約等により使用できない場合がある。
【００３４】
図４と同様にして、図５において、金属管１０の外径Ｄが８mm、肉厚ｔが１．２mmの場合に共回りしないようなα／βの範囲を求めると、
α／β≧０．８０
である。
【００３５】
以下同様に、金属管１０の外径Ｄが９．５３mm、肉厚ｔが１．２mmの図６では、
α／β≧０．７５
金属管１０の外径Ｄが１０．０mm、肉厚ｔが１．２mmの図７では、
α／β≧０．７２
である。
【００３６】
そして、これらを範囲をすべて共通する範囲は、
α／β≧０．８０ …（３）
である。以上より、この範囲にあれば、実用域において、共回りを抑制することが可能になる。
【００３７】
なお、ナット１２のシート面２５の硬さは、端末部１６の第２球面部２１の表面よりも硬くなっていることが好ましい。これにより、シート面２５の変形に伴う、第２球面部２１との接触面積増加を防止し、共回り発生をより確実に抑止することができる。
【００３８】
また、好ましくは、焼き付きを防止するために、シート面２５の表面または第２球面部２１の表面および第１球面部２０の表面には、オイルを塗布していることが好ましい。
【００３９】
第２実施形態
次に、図８は、本発明の第２実施形態による配管締結構造を示す。
【００４０】
この第２実施形態は、シール面２７の接触点における第１球面部２０の外径Ｄ2を決める係数αと、シート面２５の接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3を決める係数βの比が
α／β≧０．８０
の範囲にある点で、第１実施形態と共通している（以下、第３実施形態乃至第６実施形態も同じ）。
この第２実施形態では、ナット１２の貫通穴２３を形成する内径部には段部３０が形成され、貫通穴２３の径が小さくなってから、シート面２５に続くようになっている。この段部３０があることよって、端末部１６の第２球面部２１がシート面２５に接触する位置が首下部１８側に近づくので、接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3が相対的に小さくなり（βが小さくなってαとβが互いに近づいていく）するため、（３）式の条件を満たし易くなる。
【００４１】
第３実施形態
次に、図９は、本発明の第３実施形態による配管締結構造を示す。
この第３実施形態では、端末部１６において第１球面部２０と第２球面部２１との境に肩部３２が形成されており、この肩部３２は、相手方部品１４のシール面２７の口元に当接するようになっている。
【００４２】
このように、端末部１６に肩部３２を形成することにより、ナット１２を締め付けていくと、図９に示すように、この肩部３２が相手方部品１４の口元に押し付けられるため、共回りを抑制するこトルクが口元にも発生することになる。このトルクが発生することで（１）式が確実に成り立つようになるので、共回りをより確実に防止することができる。
【００４３】
第４実施形態
次に、図１０は、本発明の第４実施形態による配管締結構造を示す。
この第４実施形態では、相手方部品１４において、シール面２７のさらに内側には、段部３４が切り欠くことによって形成されている。他方、端末部１６の先端部３５は、この段部３４に突き当たるようになっている。
このように、シール面２７の内側に段部３４を形成し、端末部１６の先端部３５を段部３４に突き当てることにより、ナット１２を締め付けすぎた場合には、端末部１６の先端部３５が段部３４に当接するので、シール面２７に第１球面部２０が軸方向に押し込まれてシール径が小さくなると、締め付けに伴って実際のα／βの値が小さくなっていき、０．８０以上を満たせなくなって共回りを生じる可能性が高まることを阻止することができる。
【００４４】
第５実施形態
次に、図１１は、本発明の第５実施形態による配管締結構造を示す。
この第５実施形態では、金属管１０の端末部１６の先端には、内側に膨出する肉厚部３６が形成されており、この肉厚部３６があることによって、金属管１０の内径を減少させている。
【００４５】
ここで、図１２は、内径の減少率を横軸に取り、内径の減少率と、圧力損失、過剰にナット１５を締め付け過ぎたときの端末部１６の軸方向への変位との関係を示すグラフである。
【００４６】
端末部１６の先端に肉厚部３６が形成されることによって、端末部１６の先端部の剛性が高まるので、ナット１５を締め付けすぎたときに、端末部１６の軸方向への変位を抑制することができる。他方、肉厚部１６の肉厚を厚くしてしまうと、この部分で急激に金属管１０の内径が狭くなりオリフィスとして作用して、ここでの圧力損失が大きくなってしまう。
【００４７】
図１２から明らかなように、肉厚部３６があることによって内径が６０％を越えて減少してしまうと、圧力損失が大きくなる傾向にあることがわかる。
【００４８】
他方、軸方向への変位については、内径の減少率が大きくなればなるほど少なくなる傾向があるが、上記のように圧力損失の増大という問題も生じてくるので、剛性の強化による変位抑制効果だけを得るという観点からは、内径の減少率は１０〜６０％の範囲内であることが好ましい。
【００４９】
第６実施形態
次に、図１３は、本発明の第６実施形態による配管締結構造を示す。
【００５０】
この第５実施形態では、端末部１６を金属管１０に接合する継手の構造が図１と異なる実施形態である。
【００５１】
首下部１８には、金属管１０の継手部１７が嵌合する継手部１９が形成されているが、この第６実施形態の場合、継手部１９は、継手部１７の内側に嵌合しており、溶接若しくはろう付けにより接合されている。そして、首下部１８の外径Ｄ1は金属管１０の外径Ｄと等しくなっているか、公差の範囲内でほぼ等しくなっている点は図１と同様である。
【００５２】
このように、端末部１６の首下部１８の外径Ｄ1と金属管１０の外径Ｄがほぼ等しくなるように接合することは、構造上、（３）式を満足するようなα、βの比になり易くなる。
【符号の説明】
【００５３】
１０…金属管、１２…ナット、１４…相手方部品、１６…端末部、１８…首下部、２０…第１球面部、２１…第２球面部、２３…貫通孔、２５…シート面、２７…シール面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル内燃機関やガソリン内燃機関の燃料配管などで用いられる配管締結構造に係り、特に、相手方の部品に球面形状を有する金属管の端末部をナットで締結する配管締結構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル内燃機関やガソリン内燃機関の燃料配管では、燃料が高圧で送られる金属管をエンジンの相手方の部品に接続するために、球面形状をもつ端末部をナットで締結して接続することが行われている。この締結構造では、ナットを締結することにより、球面形状の端末部を相手方の部品のシート面に押し付けて燃料の漏れを確実に防ぐことができるので、従来から高圧の燃料配管に広く利用されている。
【０００３】
この種の配管締結構造の従来技術としては、代表的なものとして、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されているものを挙げることができる。
【０００４】
これら従来の配管締結構造では、ナットと球状形状の端末部の間にスリーブ（ワッシャー）を介在させているのが一般的である。
【０００５】
このスリーブは、大きな面圧をかけて端末部を相手方のシート面に押さえ付ける役割を担っている。このスリーブがあることによって、球面形状の端末部の軸芯と、相手方部品の軸芯とがわずかにずれている状態（ミスアライメントと呼ばれる）のままナットを締め付けたとしても、局部的な面圧低下の発生を防止することができ、安定したシール性が得られるという利点がある。これは、球状端末部の軸心とスリーブの軸芯は一致するからである。
【０００６】
その反面、スリーブを設けることで部品点数が増え、ナットが大きくなり、重量が増加するという欠点がある。
【０００７】
そこで、近年では、スリーブを用いないで、ナットだけで金属管を相手部品に締結することが検討され、実際にも使用されている。
【特許文献１】特開平１０−１２２４５４号公報
【特許文献２】特開２０００−２２７１８３号公報
【特許文献３】特開２００９−１４４６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、スリーブをなくして、ナットで球状端末部を相手方部品に直に締結すると、次のような問題点があることがわかっている。
【０００９】
最も、大きな問題点は、スリーブがないと、ナットを締め付けるトルクが直接球状端末部にかかり、ナットといっしょに金属管も回ってしまう現象、いわゆる共回りが発生してしまうことである。この共回りが発生すると、金属管の端末部は相手方部品のシール面に強く押し付けられた状態でこすり付けられることから大きな摩擦が生じ、焼き付きが発生し易い。また、ナットと球状端末部との接触面にも大きな摩擦が生じる結果、焼き付きが生じると、ナットを戻せなくなり、金属管を外し、再度締結するというように戻しと締結を繰り返すことができなくなる。この傾向は、特にステンレスを用いた締結部において顕著である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、スリーブを廃止して、直にナットで金属管の球状端末部を相手方部品に締結接続する場合に、共回りの発生を確実に防止することができるようにした配管締結構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明は、金属管の端末部と、ナットと、接続する相手方の部品とからなり、前記端末部を前記ナットで直接に前記相手方部品に締結する配管締結構造において、前記金属管の端末部は、異なる曲率半径の球面をもつ第１の球面部と、第２球面部とが別部品を使わずに一体に形成され、前記端末部の首下部の外径Ｄ1と、前記金属管の外径Ｄとはほぼ等しく、前記第１の球面部が接触する前記相手方部品のシール面の接触点における該第１球面部の外径Ｄ2と前記金属管の外径Dの比（Ｄ2／Ｄ）をα、前記第２の球面部が接触する前記ナットのシート面の接触点における該第２球面部の外径Ｄ3と前記金属管の外径Dの比（Ｄ3／Ｄ）をβ、としたときに、
α／β≧０．８０
を満たす範囲で前記外径Ｄ3が前記外径Ｄ2よりも大きいことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、スリーブを廃止して、直にナットで金属管の球状端末部を相手方部品に締結接続した場合でも、共回りの発生を確実に防止することができ、端末部の焼き付きをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第1実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【図２】同配管締結構造における各部の寸法の定義を示す模式図である。
【図３】同配管締結構造において各部に作用する力を示す模式図である。
【図４】外径が８．０mm、肉厚が１．５mmの金属管を用いる配管締結構造において、共回りがしない条件をさぐるため、軸力とトルクの関係を解析した結果を表すグラフである。
【図５】外径が８．０mm、肉厚が１．２mmの金属管を用いる配管締結構造において、共回りがしない条件をさぐるため、軸力とトルクの関係を解析した結果を表すグラフである。
【図６】外径が９．５３mm、肉厚が１．２mmの金属管を用いる配管締結構造において、共回りがしない条件をさぐるため、軸力とトルクの関係を解析した結果を表すグラフである。
【図７】外径が１０．０mm、肉厚が１．２mmの金属管を用いる配管締結構造において、共回りがしない条件をさぐるため、軸力とトルクの関係を解析した結果を表すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【図１２】本発明の第５実施形態において、肉厚部による内径減少率と圧力損失、端末部の変位の関係を表すグラフである。
【図１３】本発明の第６実施形態による配管締結構造を示す縦断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明による配管締結構造の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態による配管締結構造の縦断面を示す。この図１において、参照番号１０は、金属管を示す。参照番号１２は、ナットを示し、参照番号１４は、金属管１０が接続される相手方部品を示す。この実施形態では、相手方部品１４は継手を構成している。金属管１０の先端には、球状形状の端末部１６が接合されており、この端末部１６をナット１２で相手方部品１４に直接押し付けるようになっている。このような配管接続構造にあっては、従来の配管接続構造とは異なり、ナット１２と端末部１６の間にはスリーブあるいはワッシャに類する部品は介在していない。
【００１５】
金属管１０の末端には、継手部１７が形成されている。端末部１６は、全体として球状形状に形成され、第1の球面部２０と第２の球面部２１とからなる球状部分と、それに続く首下部１８からなる。この首下部１８には、金属管１０の継手部１７が嵌合する継手部１９が形成されている。この場合、継手部１９は、継手部１７の外側に嵌合しており、溶接若しくはろう付けにより接合されている。そして、首下部１８の外径Ｄは金属管１０の外径Ｄ1と等しくなっているか、公差の範囲内でほぼ等しくなっており、外周面は面一である。
【００１６】
次に、ナット１２の端面には貫通孔２３が形成されている。この貫通孔２３の内径は、金属管１０の外径よりも若干大きく、端末部１６の首下部１８は、この貫通孔２３に遊嵌する。ナット１２の内部には、この貫通孔２３の終端から末広がりに拡径する部分と、雌ねじ部２４とが形成されている。この拡径する部分の内周面は、端末部１６の第２の球面部２１が接触するシート面２５を形成している。
【００１７】
相手方部品１４の継手を構成する部分の外周面には、ナット１２の雌ねじ部２４が螺合する雄ねじ部２６が形成されている。そして、相手方部品１４の先端入口には、テーパ状のシール面２７が形成されている。このシール面２７には、端末部１６の第１の球面部２０が接触するようになっている。
【００１８】
次に、図２は、本実施形態による配管接続構造において、各部の寸法およびナット１２を締結するときに各部に作用する力を定義する模式図である。
この図２において、金属管１０の外径をＤ、内径をｄ、肉厚をｔとする。
端末部１６に関しては、第１球面部２０がシール面２７に接触する点における第１球面部２０の外径をＤ2、第２球面部２１がシート面２５に接触する点における第２球面部２１の外径をＤ3とする。なお、第１球面部２０と第２球面部２１は、図３における中心Ｏを共通にして異なる曲率半径となっている。
【００１９】
ここで、外径Ｄ2と金属管１０の外径Ｄの比（Ｄ2／Ｄ）をαとし、外径Ｄ3と金属管１０の外径Ｄの比（Ｄ3／Ｄ）をβとすると、
Ｄ2＝αＤ
Ｄ3＝βＤ
である。
【００２０】
図２において、ナット１２を締結するときに各部に作用する力については、次のように定義される。
ナット１２を締め付けると、通常は、端末部１６は回転せずに、相手方部品１４に押し付けられていく。これは、シール面２７に対して端末部１６の第１球面部２０が押し付けられていることで、摩擦によって回転を抑える方向にトルクＴ1が作用しているからである。
【００２１】
ここで、ナット１２の締め付けトルクをＴ2とする。このほかに、金属管１０は、図示しないステーなどによって固定されているので、締め付けトルクＴ2がかかることよって、ねじりがさらに加わるので、このときのねじり剛性トルクをＴ3とする。
ナット１２を締め付けていっても、端末部１６がナット１２といっしょに回転しないのは、次のような力の関係が成立しているからである。
Ｔ１≧Ｔ2−Ｔ3 …（１）
したがって、ナット１２を締め付けても、共回りし難い締結構造にするという問題を考える場合、（１）式を満たすときに、ナット１２と、端末部１６ではシール面２７との接触点における第１球面部２０の外径αＤと、シート面２５との接触点における第２球面部２１のの径βＤの間に一定の関係があることがわかれば、それにより共回りの発生しない構造を特定することができることになる。
【００２２】
次に、図３は、ナット１２を締結するときに各部に作用する力を分解して示す模式図である。
ここで、ナット１２を締め付けるときに、端末部１６を相手方部品１４のシール面２７に押し付ける軸方向の力をＦとする。この軸方向の力Ｆに基づき、シール面２７には接触点がなす円周の単位長さあたり、軸方向の力ｆ1が作用し、ナット１２と第２球面部２１とが接触するシート面２５には接触点がなす円周の単位長さあたり、軸方向の力ｆ2が作用しているとすると、
ｆ1＝Ｆ／παＤ
ｆ2＝Ｆ／πβＤ
である。
【００２３】
次に、シール面２７での第１球面部２０の接触点における垂直抗力をＮ1、接触点における接線と軸線のなす角をθ1とし、シート面２５での第２球面部２１の接触点における垂直抗力をＮ2、接触点における接線と軸線のなす角をθ2とする。
【００２４】
垂直抗力Ｎ1、Ｎ2はそれぞれ
Ｎ1＝ｆ1sinθ1
Ｎ2＝ｆ2sinθ2
である。
【００２５】
シール面２７、シート面２５におけるそれぞれの単位長さあたりの摩擦力は摩擦係数をμとすれば、μＮ1、μＮ2であり、トルクは、摩擦力×円周長×半径なので、
【数１】
となる。
【００２６】
次に、ねじれ剛性については、γを金属管１０の内径ｄと外径Ｄの比（ｄ／Ｄ）として、
【数２】
と表すことができる。
【００２７】
以上の式を（１）式に代入すると、
【数３】
となる。
【００２８】
そこで、具体的に外径Ｄと肉厚ｔを特定した金属管１０について、軸力Ｆを横軸にとって、縦軸にトルクの大きさをとって、端末部１６の回転を抑えるトルクＴ１と、締め付けトルクＴ2−ねじれ剛性Ｔ3の変化を解析した結果を示すグラフを図４乃至図１０に示す。
ここで、摩擦係数τmaxは、金属管とナットの材質から決まってくる定数である。
【００２９】
この図４は、金属管１０の外径Ｄが８mm、肉厚ｔが１．５mmの場合に、シール面２７の接触点における第１球面部２０の外径Ｄ2を決める係数αを固定して、シート面２５の接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3を決める係数βの値を変化させている。
【００３０】
端末部１６の回転を抑えるトルクＴ1は、図４では太線で示す直線で表される。これに対して、締め付けトルクとねじれ剛性の差Ｔ2−Ｔ3は細線の直線で表されている。αに対してβの値が相対的に大きい場合（α／β＝０．２、０．３、０．４、０．５）には、軸力がごく小さいときを除いて、Ｔ2−Ｔ3は、Ｔ１よりも大きいので、（１）式を満たしていないことがわかる。このことは、図２に即して説明すると、シート面２５との接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3がシール面２７との接触点における第1球面部２０の外径Ｄ2に対して相対的にかなり大きいと、ナット１２により端末部１６を回そうとするトルクの方が、相手方部品１４のシール面２７で生じる回転を抑えるトルクよりも勝っているので、ナット１２といっしょに端末部１６が共回りしてしまうことになる。
【００３１】
これに対して、α／βが０．８、０．９になると、Ｔ2−Ｔ3は、Ｔ１よりも小さくなる範囲、すなわち（１）式を満たす範囲が増えていくことがわかる。このことは、シート面２５との接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3が、シール面２７との接触点における第１球面部２０の外径Ｄ2に対してある程度の範囲内で大きいと、ナット１２により端末部１６を回そうとするトルクよりも、相手方部品１４のシート面２５で生じる回転を抑える力が勝るので、ナット１２といっしょに端末部１６が共回りしなくなることを意味している。
【００３２】
外径が８〜１０mm、肉厚が１．０〜１．５mmの金属管の場合、締結時の軸力Ｆは、最大でも５ｋＮ程度、通常は３〜４ｋＮ超程度なので、軸力が最大５ｋＮのときにＴ1の直線と交わるＴ2−Ｔ3の直線のα／βの値はどうなるかをみてみると、図４では、α／βが０．８０の直線と０．６０の直線を比例按分して、
α／β≧０．７８
であれば、実用上、端末部１６は共回りしないことがわかる。
【００３３】
なお、図４では、理論上、α／βの値は、１を越えて大きいほど、端末部１６は共回りしなくなることになる。しかし、α／βが１より大きいということは、第１球面部２０の方が第２球面部２１よりも大きくなることになり、相手部品との制約等により使用できない場合がある。
【００３４】
図４と同様にして、図５において、金属管１０の外径Ｄが８mm、肉厚ｔが１．２mmの場合に共回りしないようなα／βの範囲を求めると、
α／β≧０．８０
である。
【００３５】
以下同様に、金属管１０の外径Ｄが９．５３mm、肉厚ｔが１．２mmの図６では、
α／β≧０．７５
金属管１０の外径Ｄが１０．０mm、肉厚ｔが１．２mmの図７では、
α／β≧０．７２
である。
【００３６】
そして、これらを範囲をすべて共通する範囲は、
α／β≧０．８０ …（３）
である。以上より、この範囲にあれば、実用域において、共回りを抑制することが可能になる。
【００３７】
なお、ナット１２のシート面２５の硬さは、端末部１６の第２球面部２１の表面よりも硬くなっていることが好ましい。これにより、シート面２５の変形に伴う、第２球面部２１との接触面積増加を防止し、共回り発生をより確実に抑止することができる。
【００３８】
また、好ましくは、焼き付きを防止するために、シート面２５の表面または第２球面部２１の表面および第１球面部２０の表面には、オイルを塗布していることが好ましい。
【００３９】
第２実施形態
次に、図８は、本発明の第２実施形態による配管締結構造を示す。
【００４０】
この第２実施形態は、シール面２７の接触点における第１球面部２０の外径Ｄ2を決める係数αと、シート面２５の接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3を決める係数βの比が
α／β≧０．８０
の範囲にある点で、第１実施形態と共通している（以下、第３実施形態乃至第６実施形態も同じ）。
この第２実施形態では、ナット１２の貫通穴２３を形成する内径部には段部３０が形成され、貫通穴２３の径が小さくなってから、シート面２５に続くようになっている。この段部３０があることよって、端末部１６の第２球面部２１がシート面２５に接触する位置が首下部１８側に近づくので、接触点における第２球面部２１の外径Ｄ3が相対的に小さくなり（βが小さくなってαとβが互いに近づいていく）するため、（３）式の条件を満たし易くなる。
【００４１】
第３実施形態
次に、図９は、本発明の第３実施形態による配管締結構造を示す。
この第３実施形態では、端末部１６において第１球面部２０と第２球面部２１との境に肩部３２が形成されており、この肩部３２は、相手方部品１４のシール面２７の口元に当接するようになっている。
【００４２】
このように、端末部１６に肩部３２を形成することにより、ナット１２を締め付けていくと、図９に示すように、この肩部３２が相手方部品１４の口元に押し付けられるため、共回りを抑制するこトルクが口元にも発生することになる。このトルクが発生することで（１）式が確実に成り立つようになるので、共回りをより確実に防止することができる。
【００４３】
第４実施形態
次に、図１０は、本発明の第４実施形態による配管締結構造を示す。
この第４実施形態では、相手方部品１４において、シール面２７のさらに内側には、段部３４が切り欠くことによって形成されている。他方、端末部１６の先端部３５は、この段部３４に突き当たるようになっている。
このように、シール面２７の内側に段部３４を形成し、端末部１６の先端部３５を段部３４に突き当てることにより、ナット１２を締め付けすぎた場合には、端末部１６の先端部３５が段部３４に当接するので、シール面２７に第１球面部２０が軸方向に押し込まれてシール径が小さくなると、締め付けに伴って実際のα／βの値が小さくなっていき、０．８０以上を満たせなくなって共回りを生じる可能性が高まることを阻止することができる。
【００４４】
第５実施形態
次に、図１１は、本発明の第５実施形態による配管締結構造を示す。
この第５実施形態では、金属管１０の端末部１６の先端には、内側に膨出する肉厚部３６が形成されており、この肉厚部３６があることによって、金属管１０の内径を減少させている。
【００４５】
ここで、図１２は、内径の減少率を横軸に取り、内径の減少率と、圧力損失、過剰にナット１５を締め付け過ぎたときの端末部１６の軸方向への変位との関係を示すグラフである。
【００４６】
端末部１６の先端に肉厚部３６が形成されることによって、端末部１６の先端部の剛性が高まるので、ナット１５を締め付けすぎたときに、端末部１６の軸方向への変位を抑制することができる。他方、肉厚部１６の肉厚を厚くしてしまうと、この部分で急激に金属管１０の内径が狭くなりオリフィスとして作用して、ここでの圧力損失が大きくなってしまう。
【００４７】
図１２から明らかなように、肉厚部３６があることによって内径が６０％を越えて減少してしまうと、圧力損失が大きくなる傾向にあることがわかる。
【００４８】
他方、軸方向への変位については、内径の減少率が大きくなればなるほど少なくなる傾向があるが、上記のように圧力損失の増大という問題も生じてくるので、剛性の強化による変位抑制効果だけを得るという観点からは、内径の減少率は１０〜６０％の範囲内であることが好ましい。
【００４９】
第６実施形態
次に、図１３は、本発明の第６実施形態による配管締結構造を示す。
【００５０】
この第５実施形態では、端末部１６を金属管１０に接合する継手の構造が図１と異なる実施形態である。
【００５１】
首下部１８には、金属管１０の継手部１７が嵌合する継手部１９が形成されているが、この第６実施形態の場合、継手部１９は、継手部１７の内側に嵌合しており、溶接若しくはろう付けにより接合されている。そして、首下部１８の外径Ｄ1は金属管１０の外径Ｄと等しくなっているか、公差の範囲内でほぼ等しくなっている点は図１と同様である。
【００５２】
このように、端末部１６の首下部１８の外径Ｄ1と金属管１０の外径Ｄがほぼ等しくなるように接合することは、構造上、（３）式を満足するようなα、βの比になり易くなる。
【符号の説明】
【００５３】
１０…金属管、１２…ナット、１４…相手方部品、１６…端末部、１８…首下部、２０…第１球面部、２１…第２球面部、２３…貫通孔、２５…シート面、２７…シール面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管の端末部と、ナットと、接続する相手方の部品とからなり、前記端末部を前記ナットで直接に前記相手方部品に締結する配管締結構造において、
前記金属管の端末部は、異なる曲率半径の球面をもつ第１の球面部と、第２球面部とが別部品を使わずに一体に形成され、
前記端末部の首下部の外径Ｄ1と、前記金属管の外径Ｄとはほぼ等しく、
前記第１の球面部が接触する前記相手方部品のシール面の接触点における該第１球面部の外径Ｄ2と前記金属管の外径Dの比（Ｄ2／Ｄ）をα、前記第２の球面部が接触する前記ナットのシート面の接触点における該第２球面部の外径Ｄ3と前記金属管の外径Ｄの比（Ｄ3／Ｄ）をβ、としたときに、
α／β≧０．８０
を満たす範囲で前記外径Ｄ3が前記外径Ｄ2よりも大きいことを特徴とする配管締結構造。
【請求項２】
前記ナットの内径部に前記比βの値を小さくする段部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の配管締結構造。
【請求項３】
前記金属管の端末部には、前記相手方部品のシール面の口元部に当接する肩部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の配管締結構造。
【請求項４】
前記シール面のさらに内側には、前記金属管の端末部の先端部が当接する段部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の配管締結構造。
【請求項５】
前記金属管の端末部の先端には、内径を１０〜６０％減少させる肉厚部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の配管締結構造。
【請求項６】
前記端末部は、金属管の末端に溶接またはろう付けにより接合され、前記金属管の外周面と前記端末部の接続部の外周面が面一になっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の配管締結構造。
【請求項７】
前記端末部は、金属管の末端をプレス成形して得られることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の配管締結構造。
【請求項８】
前記金属管および相手方部品はステンレスを材質とすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の配管締結構造。
【請求項９】
前記ナットのシート面の硬さは、前記端末部の第１の球面部表面よりも硬いことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の配管締結構造。
【請求項１０】
前記端末部において、前記ナットとのシート面及び前記相手方部品とのシール面には、オイルが塗布されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の配管締結構造。
【請求項１】
金属管の端末部と、ナットと、接続する相手方の部品とからなり、前記端末部を前記ナットで直接に前記相手方部品に締結する配管締結構造において、
前記金属管の端末部は、異なる曲率半径の球面をもつ第１の球面部と、第２球面部とが別部品を使わずに一体に形成され、
前記端末部の首下部の外径Ｄ1と、前記金属管の外径Ｄとはほぼ等しく、
前記第１の球面部が接触する前記相手方部品のシール面の接触点における該第１球面部の外径Ｄ2と前記金属管の外径Dの比（Ｄ2／Ｄ）をα、前記第２の球面部が接触する前記ナットのシート面の接触点における該第２球面部の外径Ｄ3と前記金属管の外径Ｄの比（Ｄ3／Ｄ）をβ、としたときに、
α／β≧０．８０
を満たす範囲で前記外径Ｄ3が前記外径Ｄ2よりも大きいことを特徴とする配管締結構造。
【請求項２】
前記ナットの内径部に前記比βの値を小さくする段部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の配管締結構造。
【請求項３】
前記金属管の端末部には、前記相手方部品のシール面の口元部に当接する肩部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の配管締結構造。
【請求項４】
前記シール面のさらに内側には、前記金属管の端末部の先端部が当接する段部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の配管締結構造。
【請求項５】
前記金属管の端末部の先端には、内径を１０〜６０％減少させる肉厚部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の配管締結構造。
【請求項６】
前記端末部は、金属管の末端に溶接またはろう付けにより接合され、前記金属管の外周面と前記端末部の接続部の外周面が面一になっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の配管締結構造。
【請求項７】
前記端末部は、金属管の末端をプレス成形して得られることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の配管締結構造。
【請求項８】
前記金属管および相手方部品はステンレスを材質とすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の配管締結構造。
【請求項９】
前記ナットのシート面の硬さは、前記端末部の第１の球面部表面よりも硬いことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の配管締結構造。
【請求項１０】
前記端末部において、前記ナットとのシート面及び前記相手方部品とのシール面には、オイルが塗布されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の配管締結構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−６４５０５（Ｐ２０１３−６４５０５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２４３７４４（Ｐ２０１２−２４３７４４）
【出願日】平成２４年１１月５日（２０１２．１１．５）
【分割の表示】特願２００９−２６５０３０（Ｐ２００９−２６５０３０）の分割
【原出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（３９００３９９２９）三桜工業株式会社 (106)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月５日（２０１２．１１．５）
【分割の表示】特願２００９−２６５０３０（Ｐ２００９−２６５０３０）の分割
【原出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（３９００３９９２９）三桜工業株式会社 (106)
【Ｆターム（参考）】
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