(57)【要約】【課題】製造コストが安価で大量生産に適し、内部流体の圧力が高い場合にも本体と分岐管とのシール性が低下するおそれのない分岐構造体及びその製造に用いられるホルダーの面接合方法を提供する。【解決手段】内部に流路２を備えた本体１に、ホルダー３を液相拡散接合法などによって面接合する。この接合面７は内部の流体圧によって圧縮力を受ける面とされている。このホルダー３に分岐管５を装着し、その先端を本体１とメタルタッチさせる。ホルダー３の先端の接合面とは反対側に楔状冶具を差し込むことにより本体とホルダーとの接合面に圧縮力を加えた状態で、本体にホルダーを面接合することができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流路を備えた本体にホルダーを接合し、このホルダーに分岐管を装着した分岐構造体において、本体とホルダーとが内部の流体圧によって圧縮力を受ける面において面接合されていることを特徴とする分岐構造体。
【請求項２】
ホルダーに装着された分岐管と本体とがメタルタッチシールされていることを特徴とする請求項１に記載の分岐構造体。
【請求項３】
内部に燃料が供給される本体に複数の分岐管を垂直に設けてコモンレールを構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の分岐構造体。
【請求項４】
本体に複数の分岐管を複数列配置し、分岐管から本体に圧力流体が供給される圧力容器用のヘッダーを構成した請求項１または２に記載の分岐構造体。
【請求項５】
本体とホルダーとの面接合を液相拡散接合としたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の分岐構造体。
【請求項６】
内部に流路を備えた本体の外壁面にホルダーの先端が挿入される凹部を形成し、この凹部に挿入されたホルダーの先端の接合面とは反対側に楔状冶具を差し込むことにより本体とホルダーとの接合面に圧縮力を加えた状態で、本体にホルダーを面接合することを特徴とするホルダーの面接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に流体搬送用の管路を有する配管系を構成するために用いられる分岐構造体に関するものであり、更に詳しくは、圧力配管系や流体搬送系の管路システムないし配管システムを構成する要素としての分岐構造体及びその製造に用いられるホルダーの面接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００２−１９５１２５号公報
【特許文献２】特開２００１−２８０２１８号公報
【０００３】
搬送流体を内包する配管系では、その流体を一方向から取り入れ、複数方向へと分岐させる機能を有する分岐構造体を備えて配管システムを構築する場合が多い。この分岐構造体にはＹ字型のものやＴ字型のものなど多くの種類があるが、機能的にはほぼＴ字分岐と同等であると考えられる。このような分岐構造体を「ティー」あるいは「Ｔ分岐」と称し、搬送流体の管路において重要な役割を果たしている。本明細書ではこのような一方向から流入した流体を分岐させる役割を持つ分岐構造体を総称してティーと記す。
【０００４】
ところで、ティーの内部を流れる流体が圧力流体である場合には、分岐の際に生じる管路内表面の応力集中があるため、通常の管路とは異なりティーの構成材料にはこれに耐える強度あるいはその他の材料特性を要求されることがある。特に分岐方向が本体（本管）に対して垂直で、分岐した管（分岐管）が本体に対して小径である場合にはその傾向が強くなる。したがってティーには本体とは異なる材質や構造が要求される場合が多く、その製造技術は特に圧力配管において重要かつ困難な技術である。
【０００５】
例えば、火力発電プラントの蒸気溜め（ヘッダー）はこのティーを複数並列に並べたものであり、分岐管の直径は本体の直径の１／１０程度となる場合もある。具体例を挙げると、内径１００ｍｍの鋼管に内径１５ｍｍの多数の小径鋼管を垂直にアーク溶接したものである。しかしこのヘッダーは、集合配管部位長さ５ｍ以上の大型構造物であり工作上の余裕が大きいこと、また搬送流体である蒸気は小径鋼管から集合して本体に流入するために溶接継手部分の応力集中は比較的少ないことなどの理由から、アーク溶接によって製造可能である。
【０００６】
このようにティーの製造には従来から主としてアーク溶接が用いられているが、流体圧力の低い場合には鋳造などで一体成型する方法も採用され、また流体圧力が１０００ＭＰａを超えるような高圧の場合には削り出しや、鍛造品に穿孔する方法が採用されている。しかしいずれにしても、上記したようなティーの製造法は大量生産には適しておらず、高価なものとならざるを得ないという問題があった。
【０００７】
このほか、エンジンのコモンレール式燃料噴射装置には、コモンレールと呼ばれる分岐構造体が用いられている。これは加圧された燃料をエンジンの噴射ノズルに分配するものであり、多数の分岐管が本体の側面に垂直に配置されている。前記した特許文献１には、全体をブロックから削り出す方法により製造されたコモンレールが開示されている。この特許文献１のコモンレールは溶接継手を持たないため液漏洩のおそれはないが、製造コストが非常に高価となることは避けられない。
【０００８】
また前記した特許文献２には、袋ナット形式により分岐管と本体とをメタルタッチシールさせたコモンレールが開示されている。この特許文献２のコモンレールの要部は図１１に示すとおりであり、５０が本体、５１が本体５０に回し隅肉溶接された分岐部材（ホルダー）、５２が分岐部材５１に螺合された分岐管である。燃料の圧力により分岐管５２には本体５０から離れる方向の応力負荷が生じるが、それに耐えてメタルタッチ面５３のシール性を確保できるか否かは溶接部５４の強度によって決まることとなる。このため、本体５０や分岐部材５１が難溶接材料であったり繰り返し疲労応力が付加されたりする場合には、溶接部５４の耐久性が低下してシール性が不十分となるおそれがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記したような従来の問題点を解決し、製造コストが安価で大量生産に適し、しかも内部流体の圧力が高い場合にも本体と分岐管とのシール性が低下するおそれのない分岐構造体及びその製造に用いられるホルダーの面接合方法を提供するためになされたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためになされた本発明の分岐構造体は、内部に流路を備えた本体にホルダーを接合し、このホルダーに分岐管を装着した分岐構造体において、本体とホルダーとが内部の流体圧によって圧縮力を受ける面において面接合されていることを特徴とするものである。なお、ホルダーに装着された分岐管と本体とがメタルタッチシールされていることが好ましい。また本発明の分岐構造体は、内部に燃料が供給される本体に複数の分岐管を垂直に設けたコモンレールとすることができる。あるいは分岐管を１列に並べるコモンレールに加えて、これを複数列としたもの、ないしは分岐管から本体へ圧力流体が搬送される流体集合配管、例えば高温圧力容器であるボイラーのヘッダーとすることができる。本体とホルダーとの面接合は、液相拡散接合とすることが好ましい。
【００１１】
更に、上記の分岐構造体の製造に用いられる本発明のホルダーの面接合方法は、内部に流路を備えた本体の外壁面にホルダーの先端が挿入される凹部を形成し、この凹部に挿入されたホルダーの先端の接合面とは反対側に楔状冶具を差し込むことにより本体とホルダーとの接合面に圧縮力を加えた状態で、本体にホルダーを面接合することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の分岐構造体は、本体とホルダーとが内部の流体圧によって圧縮力を受ける面において面接合されているため、接合部の開先が破壊されない限りは接合部の強度や健全性が問題になることはなく、このホルダーに装着された分岐管と本体との間のシール性が損なわれるおそれはない。また本発明のホルダーの面接合方法によれば、本体とホルダーとの接合面の圧縮力を加えた状態で本体にホルダーを面接合することができるので、本発明の分岐構造体の製造が容易となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１は分岐構造体の第１の実施形態を示す断面図であり、１は断面が円形の本体、２は本体１の内部に形成された加圧流体の流路２である。本体１の上部にはメネジ４を備えたホルダー３が固定され、このホルダー３の内部に分岐管５が螺合されている。
【００１４】
図示のように、本体１の上部両側部にはＶ字状の２つの凹部６が形成され、これらの凹部６の対向する上側の２平面は、本体１の外周に向かって拡がった接合面７となっている。一方、ホルダー３の先端部８はこれらＶ字状の２つの凹部６に挿入できる断面形状を有し、先端部８の内側面は上記の接合面７とぴったりと密着できる平面となっている。そしてこれらの接合面７において、本体１とホルダー３とは面接合される。
【００１５】
接合面７を面接合する方法には、最も簡便な方法であるろう付けのほか、拡散ろう付け、液相拡散接合、固相拡散接合などの様々な種類があり、任意の面接合法を採用することができる。しかし、難接合材料や異種金属材料の接合には液相拡散接合を採用することが有利である。この液相拡散接合は、被接合材料よりも低い共晶点を有する合金を箔、粉末、あるいはメッキなどの手段で開先に供給し、接合部あるいは被接合材料の全体を共晶温度以上に加熱することで溶融金属を開先間に現出させ、共晶点を形成する元素、多くはＢまたはＰを被接合材料中へと拡散させて溶融金属の融点が上昇する、等温凝固現象を実現することで継手を形成する接合技術である。
【００１６】
液相拡散接合は面接合であるため、接合面積によらず接合時間が一定であり、また液相を介することから通常の固相拡散接合とは異なって接合時間が短く、かつ必要な開先への応力付加も少ないことが特徴である。さらに、通常では溶接トーチの入る間隙のないような狭小な開先あるいは外部に開口していない開先などの場合にも熱源供給形態を高周波誘導加熱等とすることで適用ができるなどの多くの利点を有している。
【００１７】
その反面、開先間への接合金属の供給形態から、開先の加工や突合せ精度は高いものが必要であり、開先間は全面が十分な面圧を、液相が現出した状態すなわち等温凝固の過程で得ていなければならない。このことは例えば液相拡散接合の温度を１１００〜１２００℃などに設定した場合、被接合材料の熱間塑性変形能や剛性の関係から、ごくわずかでも面圧が十分でない部分が開先に存在するだけでも接合欠陥となることを示唆している。
【００１８】
しかし、図１に示したように本発明ではホルダー３の先端部８の内側面と本体１の接合面７とを精度よく突き合わせることができ、液相拡散接合を採用することができる。特に請求項６に記載した面接合方法を取ることにより、開先間に十分な面圧を加えた状態で接合を行わせることができる。この方法は図９に示すように、本体１の凹部６に挿入されたホルダー３の先端の接合面７とは反対側に楔状冶具９を差し込むことにより、本体１とホルダー３との接合面７に圧縮力を加えた状態で面接合を行う方法である。図９では楔状冶具９の先端角度を誇張してあるが、図１の分岐構造体においてもＶ字状の２つの凹部６の下側側面１０とホルダー３の先端との間に楔状冶具９を挿入できる隙間を形成しておくことにより、この方法を採用することができる。
【００１９】
なお、楔状冶具９としては被接合材料と同一の鋼材を使用しても問題はなく、高温での高い膨張率に期待してオーステナイト鋼を用いることもできる。この場合、特に化学成分には制限がないが、室温から接合温度で常にＦＣＣ構造を有し、通常の液相拡散接合温度である１１００〜１２００℃において溶融しないことが必要である。楔状冶具９は接合後に除去することができるが、接合箔の排出によって冶具先端が被接合材料と接合した場合や、被接合材料の構造上有益である場合にはそのまま残置してもよい。また楔状冶具９は必ずしも金属製である必要はなく、酸化物、窒化物、炭化物などの高温で剛性を有するセラミックスや耐火煉瓦など、あるいはそれらの焼成品を使用することもできる。
【００２０】
上記のようにして本体１に面接合されたホルダー３に、分岐管５が螺合される。分岐管５の先端にはテーパ状のシール面１１が形成されており、本体１の上面の円錐状凹面と密着してメタルタッチシールがなされる。この状態で本体１の内部に形成された分岐流路１２が分岐管５の内部流路１３と連通する。これらの流路を流れる流体が加圧流体である場合、内部の流体圧によって本体１に対して分岐管５を引き離す方向の力が作用するが、図１に分岐構造体では接合面７は本体１の外周に向かって拡がっており、内部の流体圧は接合面７に圧縮力を加えるように作用する。このため、接合面７には使用中は圧縮応力が作用することとなり、図１１に示した従来構造のように引っ張り応力が作用することはない。従って内部流体の圧力が高い場合にも、本体１と分岐管５とのシール性が低下することがない。しかも３つの部品を組み合わせることによって、安価に大量生産することができる。
【００２１】
なお、接合面７に加わる圧縮応力は上記したように流体内圧によるものが主であるが、ホルダー３が例えばコモンレールの場合には、これを取り付けたエンジンの振動による外部応力、ヘッダーの場合には配管システム全体に生じる熱膨張・収縮に起因するシステム応力による外力によっても、圧縮応力がもたらされる。本発明の効果はこれら外力起因の応力に対しても内圧に対すると同様に発揮され、ホルダー３を本体から引き離す応力を接合面の圧縮応力へ変換することができる。
【００２２】
図２に示す第２の実施形態では、ホルダー３の先端が内側に直角に延びており、本体１の凹部６もこれに対応する形状となっているが、その他の構成は第１の実施形態と共通である。この第２の実施形態では本体１とホルダー３との接合面７は分岐管５の長手方向（図２の上下方向）に対して垂直な平面であり、好ましくは液相拡散接合されている。この分岐構造体においても、内部の流体圧によって接合面７が圧縮力を受けるため、内部流体の圧力が高い場合にも、本体１と分岐管５とのシール性が低下することがない。
【００２３】
図３、図４に示す第３の実施形態では、本体１の両側面に凹部６が形成され、本体１の上方から被さる形状のホルダー３の先端が内側に屈曲されてこれらの凹部６に挿入されている。両者の接合面７は分岐管５の方向に向けて外側に拡がった傾斜面となっており、やはり内部の流体圧によって圧縮力が作用する接合面７となっている。このようにホルダー３を角型にすれば本体１との密着性を一段と高めることができる。
【００２４】
図５に示す第４の実施形態では、本体１を外側から包む形状のホルダー３が用いられている。この場合の接合面７は本体１の下面（分岐管５とは反対側の面）であるから、内部の流体圧により本体１に対して分岐管５を引き離す方向の力が作用すると、接合面７には圧縮力が加わることとなり、本体１と分岐管５とのシール性が低下することがない。この構造では接合面７の面積を広く取ることができ、さらに信頼性を高めることができる。
【００２５】
図６、図７は本発明をコモンレールに適用した第５の実施形態を示すものである。その断面構造は図１に示した第１の実施形態と同様であり、細長い本体１の上面に端面からスライドさせてはめ込まれた複数のホルダー３が垂直に設けられ、傾斜した接合面７において液相拡散接合されている。図７に示すように各ホルダー３の内部には分岐管５が螺合されており、その先端は本体１とメタルタッチシールされている。
【００２６】
図８に示す第６の実施形態は本体１を断面円形としたボイラーのヘッダー、その他の構成は第５の実施形態と同様である。このようなヘッダーは本体１に流路２から供給された高圧の流体を集合させて搬送するための装置であり、熱応力を受ける状態で使用しても接合面７の健全性が損なわれることはなく、また流体の内部圧力によってシール性が低下することもない。
【００２７】
図１０は本発明の構造体と図１１に示した従来品の疲労特性を示したグラフである。このグラフから明らかなように、本発明の分岐構造体はきわめて優れた疲労特性を示す。
【００２８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の分岐構造体は製造コストが安価で大量生産に適し、しかも内部流体の圧力が高い場合にも本体と分岐管とのシール性が低下するおそれのない利点があるから、ティーやコモンレールあるいはヘッダーとして実用的な価値の高いものである。また、本発明のホルダーの面接合方法によれば、接合面に圧縮力を加えた状態で容易に面接合が可能となり、本発明の分岐構造体の製造に有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】第２の実施形態を示す断面図である。
【図３】第３の実施形態を示す断面図である。
【図４】第３の実施形態を示す斜視図である。
【図５】第４の実施形態を示す断面図である。
【図６】第５の実施形態を示す斜視図である。
【図７】第５の実施形態を示す断面図である。
【図８】第６の実施形態を示す斜視図である。
【図９】ホルダーの面接合方法を説明する断面図である。
【図１０】本発明品と従来品との疲労特性を示すグラフである。
【図１１】従来技術を示す断面図である。
【符号の説明】
１  本体
２  流路
３  ホルダー
４  メネジ
５  分岐管
６  凹部
７  接合面
８  先端部
９  楔状冶具
１０  下側側面
１１  シール面
１２  分岐流路
１３  内部流路
５０  従来技術における本体
５１  回し隅肉溶接された分岐部材
５２  分岐管
５３  メタルタッチ面
５４  溶接部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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