JP4893100B2 - 圧力容器のシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、高圧流体を封入・蓄積する圧力容器の配管接続部やドレーンといった開口部を密閉するためのシール構造に関する。
ここで、流体とは、空気；ヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガス；水素、プロパンガス、天然ガスなどの可燃性ガスといった気体；ならびに液化プロパンガス、液体窒素などの液体；さらには気液混合流体を包含する。

高圧の流体を封入・蓄積する圧力容器には現在さまざまな形状、大きさ、材質のものがあり、また封入できる限界内圧もさまざまである。封入圧力は高いもので５００〜７００気圧に及ぶものもある。

これら圧力容器は、通常、配管接続部やドレーンなどの開口部を有しており、これらの開口部は、内部の高圧流体が漏洩するのを防止するため、この開口部に取り付けられる配管接続部材（以下、単に配管部材ともいう）または封止部材といった他部材との間にシール構造を備えている。

最も一般的なシール構造は、軟質材料からなる環状のパッキン（Ｏリング、Ｖリング、Ｃリングなど）を、所定のパッキン溝またはシール面に挿入し、それを全周にわたって強く押し潰して、容器開口部とこれに取り付けられる他部材との間のすき間を埋めることにより、内部流体を封入する方式である。

ここで、軟質材料とは、圧力容器開口部の材質およびこれに取り付けられる他部材（配管部材、封止部材など）の材質よりも硬度が小さい材料を指す。圧力容器の開口部や他部材の材質が鋼である場合には、軟質材料の例として、銅や銅合金などの金属、ゴムや樹脂などの高分子材料、高分子材料にグラスファイバーや炭素繊維などの強化材が混合された複合材料などが挙げられる。

圧力容器の環状パッキンによるシール構造は、実に様々なものがこれまで提案されている。例えば、下記特許文献１〜３に記載されたシール構造は、シール部分の密封性を高めるために構造上の工夫を凝らしているが、軟質材料からなる環状パッキンを使用する点では同じである。

この方式は、パッキンの材質や締め付け力にもよるが、基本的には非常に高圧となる容器には不向きであって、非常に高い内圧に対しては密封性（シール性）を保証することができない。さらに、ゴムや樹脂製のパッキンの場合は、経年劣化するため、取替えなどの定期的なメンテナンスが必要となる。
特開２００２−３４９７９６号公報 特開平１１−０１３９９５号公報 特開２０００−２９１８８７号公報

本発明の目的は、従来のパッキンを使用する技術では密封が困難な非常に高い内圧に対しても漏れを発生させないシールが可能で、長期間使用しても密封性が殆ど低下しない、高い密封性能を有する圧力容器のシール構造を提供することにある。

本発明の別の目的は、パッキン（あるいはガスケット）を使用せず、従ってパッキンの交換といったメンテナンスが不要となる、圧力容器のシール構造を提供することである。

従来の環状パッキンを利用した圧力容器のシール構造の多くは、図８に示すように、圧力容器１の開口部２の内面に雌ねじ部４を、この開口部に取り付けられる配管接続部材または封止部材といった相手部材１１の外周面（容器開口部の内面に相対する面）には、雄ねじ部１４を設け、これらのねじの螺合締結による締め付け力（ねじ込み方向への圧縮力）によってパッキン２１に高い接触面圧を発生させ、密封する方式である。図中、１２は、相手部材が配管接続部材である場合の貫通孔を示す。相手部材が封止部材である場合には貫通孔は存在しない。

しかし、このパッキン方式では、内圧上昇による相手部材の変形、ねじのゆるみやへたり（経年劣化）、またはパッキン材料自体の劣化などの理由で、ねじによる締め付け力が低下してしまうと、直ちにパッキンの接触面圧も低下し、最悪は漏洩に至る、という問題がある。

この問題は、たとえシール構造に軟質材料からなるパッキンを使用しなくても、シール面を押し付ける力として、ねじの締め付け力だけを利用する構造である限り、解消されない。

逆に言えば、ねじの締め付け力、すなわちねじ込み方向（ねじの軸方向）への圧縮力、以外の力を利用できる構造にすれば、ねじにゆるみやへたりが生じても、密封性能への影響が少ないシール構造が得られる。

本発明者らは、この観点から、径方向の嵌め合い力を圧力容器のシール構造に導入することに着目した。具体的には、圧力容器の開口部の雌ねじを有する内面と、この開口部に取り付けられる他部材の、該内面に相対する、雄ねじを有する外周面に、それぞれシール面を設け、内側に入る他部材の外周面に設けたシール面の径を、その外側で相対する圧力容器開口部の内面シール面の径よりわずかに大きくし、２つのシール面を径方向に嵌め合わせると、全周にわたってシール面が高い接触面圧で均一に密着する。

この場合のシール面同士の密着は、内側部材である雄ねじつき他部材（以下、単に雄ねじ部材または他部材ともいう）のシール面の径が外側部材である圧力容器のシール面の径より大きいという、嵌め合いしろ（締めしろ）によるものである。すなわち、この嵌め合いしろにより縮径した雄ねじ部材のシール面が、元の径に戻ろうとするエネルギによって、シール面の接触面圧が発生する。この面圧は、シール面に垂直な方向、従って略半径方向、に作用する。この時に、雄ねじ部材の縮径が弾性変形の範囲内であれば、その弾性変形エネルギ（弾性回復力）が面圧発生に用いられることになり、接触面圧は長期間にわたり減衰することがない。そのため、ねじの締め付け力の影響を受けにくいシール構造が得られる。特に、雄ねじ部材および容器開口部が、鋼のような金属であれば、その弾性変形エネルギは非常に大きく、発生する接触面圧も非常に大きくなるので、優れた密封性が得られる。

以上の知見に基づく本発明は、圧力容器の配管接続部およびドレインの開口部内面とこの開口部に取り付ける他部材の外周面との間のシール構造であって、圧力容器の開口部内面が少なくとも１つの雌ねじ部および少なくとも１つのシール面Ａを有し、他部材の外周面が前記雌ねじ部に螺合する少なくとも１つの雄ねじ部および少なくとも１つのシール面Ｂを有し、シール面Ｂはねじ込み軸を回転軸とし、ねじ込み方向に径が小さくなる円錐体面もしくは曲率回転体面、または円筒面であり、シール面Ａはシール面Ｂと相対する形状であり、前記した雄ねじと雌ねじ部が螺合締結され、シール面ＡおよびＢが嵌め合いにより互いに全周にわたって密着するように構成されること、圧力容器の開口部内面がねじ込みストッパとして作用する少なくとも１つのトルクショルダを備え、他部材の外周面も対応する少なくとも１つのトルクショルダを備えること、および、シール面ＡおよびＢがいずれも鋼または軟質めっきした鋼である金属であり、シール面Ｂの中央部における締結前の両シール面の直径差である嵌め合いしろが、シール面Ｂのその位置の螺合締結前の直径の０.１〜２％であることを特徴とする、圧力容器のシール構造である。

曲率回転体面とは、曲率を持つ曲線がある軸を中心に回転して形成される表面、すなわち、曲面を有する回転体面を意味する。シール面Ｂが曲率回転体面である場合、その曲面は凹面でも凸面でもよい。また、曲面は変曲点が２箇所以上ある曲面であってもよい。
本発明の圧力容器のシール構造は、圧力容器のシール面Ａおよび他部材のシール面Ｂが、ねじ込みによる嵌め合わせ以外に、焼き嵌めによる嵌め合わせの場合にも適用することができる。焼き嵌めとは、外側部材である圧力容器を高温にして膨張させ、その開口部の径を広げたところに、中に入る他部材を挿入し、冷却して容器を収縮させ嵌め合わせる方式である。この方式で締結する場合にも、他部材の抜け落ち防止のためねじによる締め付けは必要である。

本発明では、圧力容器を他部材にねじ込みまたは焼き嵌めにより締結した時に、シール面ＡおよびＢが嵌め合いしろ（締めしろ）によって互いに全周にわたって密着するように構成されている。すなわち、内側に入る他部材の外周面に設けたシール面Ｂの径が、その外側に位置する圧力容器開口部のシール面Ａの径より若干大きく、締結状態では、他部材のシール面部分は縮径による弾性変形を受けている。この弾性変形が元に戻ろうとする弾性回復力により、シール面ＡとＢの全周にわたる密着が得られる。

また、他部材の少なくとも１つのシール面Ｂの中央部の位置における該他部材の肉厚が、締結前の同じ位置での該他部材の直径の１／２２以上、１／６以下であることが好ましい。

シール面Ｂが、ねじ込み方向に先細の円錐体面（より正確には円錐台面）または曲率回転体面である場合、そのテーパ角度または最大の接線角度は、該円錐体または曲率回転体の中心軸に対して１〜２５°の範囲内であることが好ましい。この中心軸は、回転体形状である容器開口部の回転中心軸に等しく、開口部内面がねじ部を有している場合には、ねじ込み方向に等しい。シール面Ａおよびシール面Ｂはいずれも金属である。

本発明により、圧力容器を他部材とねじ螺合により締結する場合であっても、雄ねじ部材の締め付け力の低下（ゆるみやへたり）の影響を受けにくく、安定して非常に高い密封性能を発揮できるシール構造が得られる。この効果は、特にシール面が緩やかな傾斜を有するテーパ面などである場合に、より確実に得られる。

また、本発明のシール構造は、圧力容器の加熱が可能であれば、シール面を焼き嵌めにより嵌め合わせることもでき、その場合はシール面に円筒面も適用することができ、優れた密封性能を確保できる。

さらに、軟質材料からなるパッキンを使用しないことから、ゴム製パッキンなどでよく見られる経年劣化による面圧低下の心配がなく、長期間にわたって密封性能が発揮され、かつパッキン交換などのメンテナンスが不要となる。

以下、本発明の各種態様について、添付図面を参照しながら、より詳しく説明する。
本発明に係る圧力容器のシール構造は、大型から小型まで各種の圧力容器の開口部に適用できる。本発明は、圧力容器のシール構造、すなわち、その開口部のシール構造に関するものであるので、容器それ自体の構造、形状、使用目的などは特に制限されない。

容器の材質も、容器に封入される流体の圧力に耐え、耐食性などの他の要求特性を満たす限り、特に制限されない。代表的には金属、中でも鋼であるが、ガラス、セラミック、プラスチック、あるいはこれらの材料を組み合わせた複合材料とすることもできる。但し、シール面については、前述したように、本発明では弾性変形エネルギとその回復力を利用してシール面の密封性能を確保するので、高い弾性変形エネルギを発揮できる金属から容器側のシール面Ａを構成する。同様の理由で、他部材のシール面Ｂについても金属から構成する。

図１、図２および図３は本発明に係るシール構造を示す模式図である。図１は、他部材１１のシール面Ｂ(１３)が、ねじ込み軸（図中の一点鎖線）を回転軸とし、ねじ込み方向（図の下側方向）に径が小さくなる円錐体面（すなわちテーパ面）である態様を示すものである。この円錐体面のねじ込み軸に対する角度がθで示されている。図２は、シール面Ｂ(１３)が円筒面（すなわち、θ＝０°）である態様を示すものである。図３は、他部材１１のシール面Ｂ(１３)が、図１と同様に、ねじ込み方向に径が小さくなる円錐体面であり、トルクショルダの位置を、他部材１２の先端端面とそれに当接する圧力容器の開口部内面とした態様を示すものである。

図１、図２および図３に示すように、本発明に係るシール構造を有する圧力容器１の開口部２は、その内面に雌ねじ部４を有し、この開口部２に取り付けられる他部材１１（配管接続部材、封止部材など）は、容器開口部の雌ねじ部４に対向するその外周面に雄ねじ部１４を有する。このねじ部については、図８に示すパッキン２１を利用した従来のシール構造と同様である。図８と同様に、相手部材が配管接続部材である場合は貫通孔１２を有し、相手部材が封止部材である場合には貫通孔は存在しない。

本発明では、密封性を確保する手段として、パッキンの代わりに、容器開口部２の内面は、雌ねじ部４に加えて、３で示されるシール面Ａを有し、他部材１１の外周面は、１３で示されるシール面Ｂを有する。他部材のシール面Ｂ(１３)は、ねじ込み軸に対してねじ込み方向に径が小さくなる円錐体面もしくは曲率回転体面、または円筒面である。容器側のシール面Ａ(３)は、シール面Ｂと相対する形状であり、シール面ＡおよびＢは、圧力容器に他部材を螺合締結すると互いに全周にわたって密着するように構成されている。つまり、シール面ＡおよびＢは、締結後に相対する位置にあり、かつ適当な嵌め合いしろを生ずるような寸法のものである。

嵌め合いしろは、圧力容器１の開口部２のシール面Ａと、この開口部２に取り付けられる、シール面Ａより径が大きい他部材１１のシール面Ｂとの直径の差である。他部材１１を圧力容器１の開口部２に取り付けると、縮径した他部材１１のシール面Ｂが元の径に戻ろうとする弾性変形エネルギによってシール面Ｂに接触面圧が発生する。この面圧は、シール面に垂直な方向、すなわち、ほぼ半径方向に作用し、他部材１１のシール面Ｂの縮径が弾性変形の範囲内である限り、接触面圧は長期間にわたり減衰しない。さらに、圧力容器内部の圧力が他部材１１のシール面Ｂを外側に向かって押圧するので、容器内部の圧力が高くなっても、シール面に加わる面圧が保持され、高い密封性能が発揮される。

嵌め合いしろを有するシール面Ｂを有する他部材１１を、圧力容器１の開口部２のシール面Ａに嵌め合わせて締結するには、図１や図３の例のようにシール面にテーパが付いている場合、開口部２に雌ねじ部４、この雌ねじ部に対向する部位の他部材１１の外周面に雄ねじ部１４を設けて、ねじ込むことにより他部材１１のシール面Ｂを開口部２のシール面Ａに嵌め合わせることができる。別の方式として、圧力容器１を高温にして膨張させ、こうして広がった開口部２のシール面Ａの中に他部材１１のシール面Ｂを螺合締結した後、容器を冷却して、開口部２を収縮させ、嵌め合わせる焼き嵌めも利用できる。この場合、圧力容器１が大型である場合には、容器全体を加熱する必要はなく、少なくとも開口部２の付近だけを高温にして膨張させればよい。このように焼き嵌め方式で締結する場合にも、他部材１１の抜け落ち防止のためねじ部を設けることが必要である。

図２の例のように、シール面Ｂ(１３)が円筒面（すなわち、θ＝０°）であって、ねじ込むことが難しい形状の場合、焼き嵌め方式で締結すればよい。シール面３、１３の形状は、圧力容器と他部材との締結を焼き嵌めによる行う場合には、円筒面、円錐体面、曲率回転体面いずれでも構わない。

シール面が円錐体面または曲率回転体面である場合の、ねじ込み方向（円錐体面または曲率回転体面の中心軸）に対するテーパ角度または平均の接線角度は、例えば、図４（θ＝６０°）に示すように、あまりに大きすぎると、ねじの締め付け力の変動のシール面の面圧に及ぼす影響が大きくなり、また内圧が負荷された時の接触面圧の低下も著しくなる。そのため、この角度θは３０°以下とすることが好ましく、より好ましくは１〜２５°の範囲内である。

他部材１１のシール面Ｂと圧力容器１の開口部２のシール面Ａとの直径差である嵌め合いしろについては、永久変形が生じるほど大きくすると、かえってシール面の接触面圧を損なうことになるので、締結後の他部材１１と容器開口部２の変形がいずれも弾性変形領域内に留まるように設定すべきである。

その望ましい範囲は材質や寸法などにもよるが、他部材１１および容器開口部２がいずれも鋼である場合には、他部材１１のシール面Ｂ(１３)の直径の０.１〜２％の範囲内とするのがよい。基準となるシール面Ｂの直径は、圧力容器１に他部材１１を螺合締結した時のシール面Ｂの中央部での直径とする。

シール面形状が円錐体面または曲率回転体面である場合、シール面の嵌め合いしろは、ねじ込みストッパの役割を果たすトルクショルダによりコントロールすることができる。他部材１１の外周面に設けたトルクショルダ１５が容器１の開口部２内面に設けたトルクショルダ５に当接した状態でのシール面の直径の差が嵌め合いしろになり、製造ならびに組み立ての管理が容易となる。なお、シール面形状が円筒体である場合でも、トルクショルダを設けると、位置決めが容易になるので、トルクショルダを設けることが好ましい。

例えば、図１および図２に示す例では、図８と同様に、圧力容器１の開口部２の端面にトルクショルダ５が配置され、これに当接するように、他部材１１にもそのねじ込み方向後方のネジ頭部に相当するフランジ部分の内側端面にトルクショルダ１５が設けられている。図３に示した態様では、他部材１１の先端端面がトルクショルダ１５となり、これに当接するように、圧力容器１の開口部２の内面に、トルクショルダ５が形成されている。

トルクショルダ５および１５は、いずれもねじ込み軸に対し略垂直な面とすることが好ましい。図１、図２および図３の例のトルクショルダはいずれもねじ込み軸に対し略垂直な面であるが、ねじ込みストッパの役割を果たす限り、ねじ込み軸に対し略垂直な面から多少傾斜していてもよい。トルクショルダの当接面積は、ストッパとしての役割を果たせば十分であり、比較的小さな面積であってもよい。

トルクショルダの位置は上述した位置に限られるものではない。すなわち、トルクショルダは、他部材１１の先端位置（図３の位置）、ねじ部とシール面との間、ねじの中（言い換えると、２段ねじの間）、ねじ部の後方（図１の位置）のどこに設けてもよい。

シール面に対しても同じことが言え、他部材１１に設けられるシール面Ｂについて述べると、ねじ部の最先端の外周面、ねじ部の中間の外周面（言い換えると、２段ねじの間）、ねじ部の後方の外周面のどこに設けてもよい。これからわかるように、ねじ部も、２箇所以上に設けることができる。すなわち、ねじ部、シール面、およびトルクショルダのいずれも、２箇所以上設けることができる。

図７(ａ)〜(ｑ)に、他部材１１が配管接続部材（すなわち、貫通孔１２を有する）である場合について、シール面１３、ねじ部１４およびトルクショルダ１５の可能な組み合わせのいくつかを示す。補助的な第２のシール面や第２のショルダはどこに設けても構わないが、シール面が隣接するのは、それぞれの面圧が低下するため、あまり良い態様といえない。

嵌め合いしろとシール面の肉厚は、シール面に発生する接触面圧の大きさに大きく関係する。また、シール面に発生する接触面圧の大きさは、密封性能と耐焼き付き性能に大きく影響する。すなわち、接触面圧が大きすぎると、ねじ込み時に焼き付きが発生し易くなるが、逆に小さすぎると密封性能が不十分になってしまう。焼き嵌め方式では焼き付きの心配はないので、弾性変形範囲内の嵌め合いしろであればよい。

焼き付きを発生させず、かつ十分な密封性能が得られるようなシール面の面圧に、ねじの螺合による締め付けの段階でコントロールするのは相当困難である。つまり、このような条件を満たす嵌め合いしろの範囲は相当狭くなるため、製造が困難になったり、歩留まりが極端に低下する恐れがある。

この製造過程に起こりうる問題点は、雄ねじを有する他部材（すなわち、雄ねじ部材）側のシール面の肉厚を薄くすることにより解決することができる。従って、他部材は、その少なくとも１つのシール面Ｂの位置における厚みが、雄ねじ部の位置における厚みより小さいことが好ましい。

雄ねじ部材のシール面を薄くすれば、嵌め合いしろが多少大きくなっても、発生する接触面圧は過度に大きくならないので、焼き付きの発生が回避できる。さらに、前述したように、容器内の加圧流体により負荷される内圧がシール面の内側に作用して、雄ねじ部材のシール面をより強く密着させる方向に働き、内圧を増加させても、接触面圧が極端に低下することはない。この作用は、雄ねじ部材のシール面が薄いほど、より顕著となって、非常に高い密封性能が得られる。

雄ねじ部材のシール面の肉厚は、上記のように薄いほど効果的であるが、あまりに薄すぎると、減肉されたシール面の部分が嵌め合いしろにより座屈崩壊してしまって、シール面が全周にわたって均一に接触しなくなり、漏れが発生する。従って、雄ねじ部材１１の少なくとも１つのシール面Ｂの肉厚は、嵌め合いしろの大きさにもよるが、塑性座屈崩壊の範囲内である、シール面直径の１／２２より厚ければ、上記のような座屈崩壊は通常は生じない。もちろん、前記の内圧による接触面圧の増加効果を出来る限り引き出すには、前記１／２２を超えない範囲で、できるだけ１／２２に近いほうがよいことは明らかである。

このシール面Ｂのシール面直径とはシール面中央部での雄ねじ部材の直径である。この雄ねじ部材のシール面Ｂの肉厚は、上記シール面直径の１／６以下とすることが好ましい。シール面Ｂの肉厚がこれより厚くなると、ねじ込み時に嵌め合いしろによる焼き付きが発生しやすくなり、さらに容器内圧によるシール面接触面圧の増大効果も働きにくくなる。このように、他部材（雄ねじ部材）１１のシール面Ｂの肉厚はその部分の直径の１／６〜１／２２と、かなり薄くすることが好ましい。

開口部の直径の上下限の目安は特にないが、あまりに開口部が大きすぎたり小さすぎたりすると、非常に高い加工精度が必要になる。そのため、現実的には２０ｍｍから５００ｍｍ程度の範囲と考える。もちろん、製造技術と製造コストが許せばこの範囲外の寸法にも適用は可能である。

他部材が貫通孔１２を有する配管接続部材である場合には、図７(ａ)〜(ｑ)に示したどの例においても、基本的には、シール面を設けた部分の貫通孔の内径を大きくすれば、１３で示されるシール面Ｂを適切な肉厚にすることはできる。但し、貫通孔の急激な径変化はエロージョンなどの発生原因となるため、内径はあまり変化させないほうが良い。従って、図７のａ、ｂ、ｃ、ｅ、ｍ、ｎ、ｏ、ｐ、ｑのように、他部材の先端またはその近傍にシール面を設け、そのシール面の肉厚を必要なら外周面を削って薄くすることにより所定のシール面肉厚を確保し、貫通孔の径は一様になるようにすることが望ましい。

一方、他部材１１が貫通孔を持たない封止部材である場合には、図１〜図４に示すように（図中の貫通孔１２がない場合）、他部材１１のシール面Ｂ(１３)をその先端または先端付近に設け、他部材１１の先端側の端面に対して、周囲に必要な肉厚のリップ部が形成されるように中心部を削り取る中ぐりを行う。この中ぐりは、図１〜４に示すように、他部材が貫通鋼１２を有する場合にも適用可能である。こうして、他部材の端面に、必要な肉厚を残して凹部が形成される。凹部の深さは、シール面Ｂの中央部でのシール面Ｂの肉厚が上記範囲となるようにすればよい。但し、あまりに深くして、雄ねじ部の部分の肉厚がシール面と同様に薄くなるのは、もちろん好ましくない。

圧力容器１と他部材１１のシール面Ａ、Ｂは、密封性を確保するため、表面粗さの小さい滑らかな面であることが当然必要である。シール面材質が金属の場合、適用する表面処理、潤滑剤にもよるが、表面粗さは概ねＲａで３.２μｍ以下の仕上げとするのが望ましい。また、密封性能をより高めるために、一方または両方のシール面表面に、銅やスズなどの軟質材料をめっきしたり、高分子系や油脂系の潤滑剤を使用してもよい。

次に、本発明の効果をより具体的に検証する。
図２〜図４に示す本発明に係る圧力容器シール構造、ならびに図８に示すパッキン方式の従来技術の圧力容器シール構造について、有限要素解析により、他部材である雄ねじ部材を締め付け、次いで内圧を増加するシミュレーションを実施し、シール面の接触面圧をそれぞれ比較した。なお、前述したように、図４に示す態様は、シール面のテーパ角度が大きすぎる点で、あまり望ましくはない例である。

本解析に供試したモデルの諸元を表１（解析条件）および表２（材料定数）に示す。表１において、シール面径、嵌め合いしろ、および雄ねじ部材のシール面肉厚は、いずれも雄ねじ部材のシール面の中央部での値である。

締め付け条件はいずれも、ねじ込みストッパ（トルクショルダ）が接触するまでとした。従来技術（図８）については、パッキンの厚みが１ｍｍ減少した時点を締め付け完了とした。

締め付けを完了したそれぞれのモデルに、内圧を１０００気圧（１００ＭＰａ）まで徐々に負荷する有限要素解析を実施した。
締め付け過程のシール面の接触面圧を密封方向に積分した量（以後、単に接触面圧と呼ぶ）と締め付け軸力の関係を図５に示す。本発明のシール構造は、いずれも従来技術より高い接触面圧を有し、かつ線図の傾きも緩やかであることから、締め付け軸力の変動に対し従来技術より安定していることがわかる。

内圧負荷過程の接触面圧と作用内圧の関係を図６に示す。従来技術のシール構造では、内圧＝６０ＭＰａ付近で接触面圧がゼロになるのに対し、本発明のシール構造はいずれも、１００ＭＰａまで内圧を増加しても接触面圧が残っていることが判る。さらには、本発明の範囲内であるが望ましい範囲ではない図４の態様より、本発明の望ましい範囲内である図２および図３の態様のものが、より多く接触面圧が残っていることがわかる。

これらの解析結果が示すように本発明のシール構造は、従来技術に比べて、シール面の接触面圧がはるかに大きく、かつ締め付け軸力の変動や大きな内圧が作用してもより安定している。

本発明の代表的なシール構造の模式図。 本発明の焼き嵌め方式の態様の代表的なシール構造の模式図。 本発明のシール構造の別の態様の模式図。 本発明のさらに別の態様のシール構造の模式図。 雄ねじ部材締め付け過程での、シール面の接触面圧の密封方向への積分量と締め付け軸力の関係の解析結果を説明する図。 内圧負荷過程でのシール面の接触面圧の密封方向への積分量と作用内圧の関係の解析結果を説明する図。 本発明のシール構造の各種の態様を示す模式図。 本発明のシール構造の各種の別の態様を示す模式図。 従来技術の軟質パッキン式シール構造の模式図。

符号の説明

１：圧力容器、２：圧力容器の開口部、３：シール面Ａ、４：雌ねじ部、５：容器のトルクショルダ、１１：他部材（雄ねじ部材）、１２：貫通孔、１３：シール面Ｂ、１４：雄ねじ部、１５：他部材のトルクショルダ、２１：パッキン（Ｏリング）、θ：ねじ込み方向に対するシール面のテーパ角度

Claims (4)

1. 圧力容器の配管接続部およびドレインの開口部内面とこの開口部に取り付ける他部材の外周面との間のシール構造であって、圧力容器の開口部内面が少なくとも１つの雌ねじ部および少なくとも１つのシール面Ａを有し、他部材の外周面が前記雌ねじ部に螺合する少なくとも１つの雄ねじ部および少なくとも１つのシール面Ｂを有し、シール面Ｂはねじ込み軸を回転軸とし、ねじ込み方向に径が小さくなる円錐体面もしくは曲率回転体面、または円筒面であり、シール面Ａはシール面Ｂと相対する形状であり、前記した雄ねじと雌ねじ部が螺合締結され、シール面ＡおよびＢが嵌め合いにより互いに全周にわたって密着するように構成されること、圧力容器の開口部内面がねじ込みストッパとして作用する少なくとも１つのトルクショルダを備え、他部材の外周面も対応する少なくとも１つのトルクショルダを備えること、および、シール面ＡおよびＢがいずれも鋼または軟質めっきした鋼である金属であり、シール面Ｂの中央部における締結前の両シール面の直径差である嵌め合いしろが、シール面Ｂのその位置の螺合締結前の直径の０.１〜２％であることを特徴とする、圧力容器のシール構造。
2. シール面ＡおよびＢが焼き嵌めにより互いに全周にわたって密着するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力容器のシール構造。
3. 他部材の少なくとも１つのシール面Ｂの中央部における該他部材の肉厚が、締結前の同じ位置での該他部材の直径の１／２２以上、１／６以下である、請求項１または２に記載の圧力容器のシール構造。
4. シール面Ｂが円錐体面または曲率回転体面であり、そのテーパ角度または平均の接線角度が該円錐体または曲率回転体の中心軸に対して１〜２５°の範囲内である、請求項１〜３のいずれかに記載の圧力容器のシール構造。

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