Compression Fittingsの基礎知識

圧縮金具の紹介

圧縮金具は、金属や硬質プラスチックのチューブを接続する最も一般的で汎用性の高い方法の一つです。 特に、極端な温度や圧力にも対応でき、腐食性の強い流体にも対応できるため、製油所のガス管から家庭のシンク下の配管まで、さまざまなシステムで圧縮継手が使用されています。

小型のコンプレッション・フィッティングは、クロマトグラフィーや爆発物探知機、医療機器、インクジェット・プリンティングなどの用途に使用されています。

圧縮金具のアセンブリは、メーカーによって設計が異なりますが、すべて同じ3つの基本要素、すなわち圧縮ナットまたはねじ、1つまたは複数のフェルール、および圧縮金具本体で構成されています。 チューブを継手の先端に挿入し、ナットやネジを締めてフェルールを継手本体に押し込む。 フェルールが継手本体の軸方向に移動すると、継手本体の角張った形状により、フェルールの端部がチューブの外径に半径方向に圧縮されます。 この半径方向の圧縮により、継手、フェルール、チューブの間に漏れのないシールが形成され、圧縮継手の名前が付けられました。

フェルール

フェルールは、コンプレッション フィッティング アセンブリの主要なシール部品であり、ステンレス鋼からグラファイトまで、さまざまな素材があります。 しかし、市場に出回っているフェルールの大半は金属製です。 金属製フェルールの魅力は、広い温度範囲で安定していることと、圧縮荷重に耐えて変形しないことである。 一般的に、金属同士のシールは漏れやすいとされている（例えば、金属製のパイプのねじ山はパイプテープで補強されていることが多い）。 しかし、フェルールは、チューブと継手本体の両方に対して最適なシールを行うように特別に設計されています。

フェルールの形状

フェルールの形状と継手本体の嵌合角は、圧縮シールの信頼性を高めるための重要な要素です。 両方の部品は、チューブとの軸方向の整合性を維持しながら、ナットを締めたときにフェルールが適切に圧縮されるような方法でテーパーが付けられていなければなりません。 さらに、フェルールと継手本体の相対的な角度によって、直線的な動きがどれだけ半径方向の圧縮に変換されるか、また、チューブとどの程度の接触（「線接触」または「面接触」）がなされるかが決まります。 フェルールの全周を均一に「線接触」で圧縮することで、最も信頼性の高いシールが得られます。 そのためには、フェルールの前方に鋭いエッジがあることも重要です。

1ピースと2ピースのフェルールの比較

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ほとんどの基本的な圧縮継手には、単一のフェルールが含まれています。 シングルフェルールの設計は、部品の総数を最小限にし、柔らかい素材（例えばプラスチックや真鍮）から製造された場合には確実に機能します。 しかし、スチールのような硬い素材では、ナットを締める際に圧縮ナットからフェルールへとトルクが伝達されることが多い。 その結果、フェルールが回転して非対称に圧縮されたり、残留トルクのために時間の経過とともにずれたりすることがある。 また、ステンレス鋼の場合、フェルールの回転によりカジリが発生し、永久的なリークの原因となる。 自由に回転するリアフェルールを追加することで、フロントフェルールからナットを切り離し、トルクの伝達を防ぐことができます。

非対称フェルールと対称フェルール

ワンピースのフェルールには、非対称型と対称型があります。 どちらのバージョンも、チューブの外径を均一にシールするために、半径方向に対称になっています。 その代わり、対称/非対称は、ナットに対する向きを意味します。

非対称のフェルールは円錐形で、一方向にしか継手本体に入れられません（通常、円錐の先端が継手本体に向いています）。 対称型フェルールは、2つの円錐を背中合わせにしたような形をしており、どちらの方向からでもフィッティングボディに入れることができます。 これにより、多くの継手を使用し、組立時間が重要な用途では、組立が容易になります。

左右対称のフェルールの欠点は、チューブに対して軸がずれやすく、わずかな漏れが生じやすいことです。 これは、硬質プラスチックチューブと組み合わせて使用する場合に特に顕著です。 このような理由から、ハイテク製品には非対称のフェルールが好まれます。

チューブ

圧縮金具は、硬いチューブに最もよく使用されます。なぜなら、チューブの壁はフェルールによって加えられる圧縮力に抵抗できるだけの剛性が必要だからです。 一般的な選択肢としては、金属製チューブ（ステンレスや銅など）や硬いプラスチック製チューブ（PEEK、ナイロン、Teflon®、Kynar®、ポリエチレンなど）があります。

柔らかいチューブ（ポリウレタンやビニールなど）の使用は、通常、コンプレッションスタイルのフィッティングでは推奨されません。 なぜなら、チューブの壁が崩れたり、フェルールから離れたりする可能性があるからです。これにより、フェルールの保持力が損なわれ、フェルールがチューブの全直径にわたって漏れなく密閉することができなくなります。 設計上の特別な問題（曲げ半径がきついなど）で、より柔らかいチューブが必要な場合は、チューブの壁を補強することが重要です。 メーカーによっては、この目的のためにチューブインサートを提供しています。 通常は金属製のチューブインサートは、柔らかいチューブに押し込まれ、フェルールが圧縮されてもチューブの壁が崩れないように支えてくれます。

用途に応じて最適なチューブを選ぶ際には、さまざまなチューブ素材の物理的・化学的特性を考慮する必要があります。 新しい設計に取り組む際には、チューブのサプライヤーに技術サポートを求めるのが良いでしょう。 主な要因としては、極端な圧力や温度、環境条件、振動条件、流体の適合性、最小曲げ半径などが挙げられます。

テフロン(PTFE)チューブ

PTFEチューブは、ほとんどの化学物質に耐性があり、比較的高い圧力に対応し、アウトガスが少なく、金属製のチューブよりも柔軟性があるため、チューブの素材としてよく選ばれます。 この種のチューブを使用する際の設計上の重要なポイントは、「コールドフロー」、つまり圧縮荷重から離れて変形する傾向があることです。 これは、チューブの壁がフェルールから離れてクリープ（コールドフロー）し始めるためで、時間の経過とともに漏れが発生する原因となります。

この一般的な問題に対する1つの解決策は、内部Oリングのような冗長なシールを継手本体に組み込むことです。 この二重のシール要素は、フェルールによって作られるシールとは別に、チューブの外径に対して半径方向のシールを行います。

金属製チューブ

金属製チューブの製造方法は、コンプレッション フィッティングでの性能に大きな影響を与えます。 チューブは滑らかで、フェルールの先に漏れの経路を作るような粗さや押し出し線がないことが必要です。 さらに、コイル状で保管されていたチューブは、直径が不揃いになることが多く、均等な圧縮ができません。 エラストマーシールはこのようなわずかな変化に合わせて変形することができますが、金属同士のシールであるコンプレッション・フィッティングの場合はそれができません。

取り付け

コンプレッション・フィッティングの取り付け方法は、メーカーやフィッティングのデザインによって異なります。 メーカーが推奨する組立手順に従うように注意する必要があります。

距離とトルク

一般的に、コンプレッション・フィッティングの締め付け手順は、トルクではなく、ナットの回転を重要な指標として指定されます。 圧縮ナットにはネジが切られており、ナットの回転数は、ネジのピッチに基づいてフェルールを直線的に圧縮することに直結します。 一方、トルクは、継手やフェルールの材質、潤滑状態、カジリの程度（ステンレス継手の場合）などにより、大きく変化します。

Tighter is Not “Better”
継手を組み立てる際、組立工や技術者はしばしば「タイトな方が良い」と思い込んでいます。 これは、圧縮継手には当てはまりません。 前述の「フェルール」の項で説明したように、最適なシールはフェルールとチューブが線接触することで作られます。 コンプレッションナットの締め付けが不十分だと、フェルールが十分に変形せず、この接触が生まれませんが、締め付けが強すぎると、フェルールが変形しすぎて面接触が生まれます。 表面接触はシールを弱め、しばしば漏れの原因となります

分解・再組立
組立・分解が容易であることは、コンプレッション・フィッティングが広く使われている理由の一つです。 分解は、圧縮ナットやネジを緩めるだけです。 再組立は、最初の組立と同様の方法で行うことができますが、フェルールがすでにチューブにスエージされているため、通常、ナットの回転数は少なくて済みます。

Mixing and Matching Components
2つの異なるメーカーの部品は、外見が似ていても、フェルール/ボディのテーパー、フェルールの長さ、ねじのサイズとピッチなど、重要な内部寸法が異なることがよくあります。

アプリケーションの考察

コンプレッション・フィッティングは、単に漏れのない密閉性や使いやすさだけでなく、多くの理由で選択されます。 多くの用途では、高い圧力と温度が必要なため、他の多くのタイプの継手と互換性のない硬質チューブを使用する必要があります。 また、実験器具などの用途では、汚染が懸念されるため、無菌性と低アウトガス性を備えたステンレススチール製チューブや圧縮継手が魅力的です。

アプリケーション固有の検討事項としては、以下のようなものがあります。

高圧アプリケーション
高圧アプリケーションには、コンプレッション・フィッティングが最適です。 スチールのような高圧チューブ素材との組み合わせで、大型のコンプレッション・フィッティングはしばしば10,000psigを超える圧力で使用することができます。 ミニチュアの領域では、寸法がコンパクトになるため定格圧力は下がりますが、例えばBeswickのステンレススチール製圧縮継手は、モデルによって3,000～5,000psigの定格圧力があります。

圧縮金具を高圧で使用する際、特にガスの場合は、フェルールシールの完全性が鍵となります。

高純度用途
医療、半導体、計測機器などの多くの用途では、すべてのコンポーネントが可能な限り不活性で汚染されていないことが要求されます。 コンプレッション・フィッティングはこのような用途に非常に役立ちます。 ステンレススチールや不活性プラスチック（PTFEなど）製のチューブを使用することで、ガス放出量の多いチューブ素材から発生する汚染物質を避けることができます。

これらの高純度アプリケーションで計画すべき1つの要因は、カジリです。 圧縮継手のカジリは、ナットとボディのネジ山の間、またはボディとフェルールの間で発生します。 一般的にカジリは、継手を徹底的に洗浄し、残留オイルをすべて除去したときに最も多く発生します。

このような用途には、カジリに強い設計のフェルールを使用することが重要です。

このような用途には、カジリに強い設計のフェルールを使用することが重要です。また、圧縮ナットを締め付ける際に、イソプロピルアルコールのような揮発性の潤滑剤を使用して、一時的に相手の表面を潤滑することも有効です。

結論

コンプレッション フィッティングは多くの産業で広く使用されており、ほとんどすべての流体動力設計の資産となります。 その多くの利点は、金属および硬質プラスチックのチューブに接続できること、高い圧力および温度定格、耐腐食性、および接続の容易さです。 圧縮継手には多くの課題がありますが、設計を成功に導くための「商売のコツ」があります。 全く同じ用途はありません コンプレッション・フィッティングについて詳しく知りたい方、あるいはコンプレッション・フィッティングがあなたの設計に適しているかどうかを判断したい方は、Beswickアプリケーション・エンジニアにお問い合わせください。