JP4937137B2 - 筒状接続部のための浮動状態のくさび形ねじ - Google Patents

Description

本発明は全体として、油田の筒状物体として通常は集合的に知られているチュービング(tubing)、ケーシング(casing)、ライン・パイプ(line pipe)、ドリル・パイプ(drill pipe)のような原油及びガスの井戸の掘削と生産で用いられるねじ付き筒状接続部に関する。特に本発明は、雄(ピン:pin）と雌（ボックス:box）の部材に相対的回転と組立用トルク(torque)を加えることにより接続するための筒状接続部に関する。より特定すれば、本発明は、組立のために過大なトルクと作業エネルギーを加えずに筒状の接続部の雄(ピン:pin）と雌（ボックス:box）の部材の間で確実かつ加圧シール(seal)の接続部を提供し、荷重側面、スタブ(stab)側面、確実停止型のトルク・ショルダー(torque shoulder)を有する２ステップ(step)付きくさび形ねじに関する。

加圧流体を輸送するための連続流路を形成するために、端部から端部への関係で流体用導管を接続するためにねじ付き筒状接続部を用いることは良く知られている。油田での筒状部材を用いる特別なひとつの例は、筒状部材の断面をお互いに接続して希望の深さのボアホール(borehole)掘削用である。継手の目的は圧縮と引張りの両方の荷重を支持して、ひとつの部材から次ぎに回転力即ちトルクを伝達し、加圧流体が筒状部材の内部を通過するために通路のシール(seal)を行うことである。油田の筒状物体は、典型的に、ねじ端部付き接続部又は継手を用いて、導管、パイプ又は筒状部材の隣接断面を接続する。油田の筒状物体で用いるように設計されたねじ付き端部接続部の例は特許文献１、２、３、４，５に開示されていて、その全てが本発明の譲受人に譲渡されている。

特許文献４では、容認できる範囲内で接続されたピンとボックスの部材の応力と歪みを制御しながら異常に強力な継手を提供する筒状接続部を開示している。ピン部材には、少なくとも１個の全体として鳩尾型雄ねじがあり、その幅がピンに沿った一方向に広がるが、そのボックス部材には少なくとも１個の全体として鳩尾型雌ねじがあり、その幅が他の方向に広がる。この方法で、らせんのねじ山の組合わせセットがピンとボックスの向かい合った側面がくさび状に係合して、ピンとボックスの部材の間の相対的な回転の範囲を制限して、強制的な組立状態を形成し、接続を完了する。これは「くさび形ねじ」と呼ばれる。このくさび形ねじ構造で、ねじ幅だけでなく側面の角度も、一定の組立トルクに対してピン及びボックスの部材に生じた応力と歪みの予荷重状態を抑制するのに使用できる。それで、そのくさび形ねじ構造を特定の用途又は使用に合わせることにより、筒状接続部又はジョイント(joint)が選択されて材料の特性によってのみ制限される。

井戸の穴の中に下げていくようにパイプの列を組立る時のように、筒状ジョイントが、筒状部材の中心軸に沿って垂直位置内で接続されている場所で、特定の用語が便宜上理解しうるように用いられていることを理解されたい。そして、「荷重側面」の用語は、ねじが形成されていて、井戸の穴の中に吊り下げられている下側の筒状部材の重量（即ち、引張り荷重）を支持しているピン又はボックスの各部材の外端から離れた方向を向いているねじの側壁の面を指定している。「スタブ側面」の用語は、ピン又はボックスの各部材の外端を向いているねじの側壁の面を示し、ボアホールの底部に下側筒状部材を押すように加えられる力（即ち圧縮力）のようなジョイント同士が押し合う力を支持している。ボックスの「面(face)」の用語は、ボックスのねじから外側を向いているボックス部材の端部である。ピンの「ノーズ(nose)」の用語は接続部のねじから外を向いているピン部材の端部である。結合部の組立の際に、ピンのノーズはボックスの面に突き刺さる。

図１に示すように、従来技術の１ステップ型接続部１０にはピン部材１１とボックス部材１２が含まれる。ボックス部材１２が先細で、その上に雌ねじ構造１４を形成していて、ピン部材１１に形成された相補性の先細の雄ねじ構造１５に、ボックスとピンの部材を取外せる状態で機械的に結合するのに適している。

ボックス部材１２の雌ねじ１４がスタブ側面１８、荷重側面１６、ねじ底２０、ねじ山２４を有していて、ボックスねじ１４はくさび形ねじで、ねじの螺旋状の全長が実質的に一方向に一定比率で徐々に幅が増していく。ピン部材の雄ねじ１５はスタブ側面１９、荷重側面１７、ねじ底２１、ねじ山２５を有している。ピンのねじ１５は、ねじ１５の螺旋状の全長が実質的に他の方向に一定比率で徐々に幅が増しているくさび形ねじである。ボックスのねじ１４とピンのねじ１５のねじ幅と先細部をお互いにそれぞれ対向的に増すことで、各ねじの側面、ねじ底、ねじ山が相補性で、同時に動いて、接続部の回転による組立中に強制的係合を生じる。くさび状のねじは、徐々に先細になるくさび形ねじの螺旋状の全長に沿って連続的な長方形断面、鳩尾状断面、又は、他の形状を有して良い。回転による接続部の組立時に、ねじの面同士の係合によりねじの間の流体の流れに抵抗するシール面を設けることができる。良く形成されたくさび状のねじ結合では、ねじシール(seal)が設けられる。例えば、ピン部材１１の先細の部分２６とボックス部材１２の先細の内側部分２７のように、接続端部の重なり部分の間の半径方向の境界により形成される金属同士のシールにより組立時に追加のシールを設けることができる。

ピン部材１１又はボックス部材１２が接続部１０の組立の長軸１３を形成する。ボックス及びピンの部材のねじ底とねじ山は全体として平坦で、かつ、接続部の長軸１３と並行であり、接続部が組立されるときに、ねじの恒久的変形を防止するのに十分な幅を有している。例えば、ねじの高さより大きなねじ底で最小ねじ幅を有することは、一般的に、荷重を受けた側面を支持するのに適当な剪断領域を与えることができる。先細部は、ピン部材１１のノーズから接続部へ徐々に増す雄ねじ１５の底と山の直径により、又、ボックス部材１２の面から接続部に徐々に減少する雌ねじ１６の山と底の直径により、作られる。

図２は従来技術の２ステップ付きくさび形ねじ接続部２８を示す。ピン部材２９はボックス部材３０とねじ係合になっていて、中心軸４０に沿った同軸の接続部２８を形成している。接続部を組立ているねじが、ブラケット３１により示された大きなステップと、ブラケット３２により示された小さなステップの２段階の「ステップ」に分離している。その設計の全高でピン部材２９の小さなステップ３２内のねじ山３３が、ピン部材２９をボックス部材３０の中に「突き刺した」時に、ボックス部材３０の大きなステップ３１内のねじ山３２と干渉しない。ピン部材２９の小さなステップ３２は、ボックス部材３０の大きなステップ３１内で、ねじ山からねじ山の最小のねじ直径より小さい。小さなピンの雄ねじが、大きなボックスの雄ねじと、いくつかの係合したねじを通して「突き刺す」ことができる。小と大の両方のねじを各回転ごとに係合させて接続部を組立る。それゆえ、ねじがお互いに滑り、摩擦する間の回転数が同じねじの係合数に対して低くなる。

典型的に、接続部は、導管内の流体圧力を接続部でシールするために、金属同士のシールを含めるように設計されている。一般的に言えば、２種の金属面の間の接触圧が、接続部周辺の連続的接触領域に沿ってシールすべき流体圧を超えたときに金属同士のシールを生じる。接触圧は一般的に接触部の組立中に生じるが。導管内の内部加圧により、ある種の金属同士のシールが追加的に行われる。金属同士のシールは、井戸内で頻繁に見られる高温又は薬品による劣化を生じない利点がある。円滑で均一な面がシールを作りやすい。代わりに、向かい合ったピンとボックスの面の間で連続的円周接触圧の領域を形成するために、不連続部を変形し、圧縮するのに十分な力を提供することにより、シールを作ることが容易に行なえる。ある場合に、確実停止型のトルク・ショルダー(torque shoulder)がこの目的に用いられる。

図２は、上記で論じられているが、大きなステップ３１と小さなステップ３０の間に位置している金属同士のシール３４付きの筒状結合部の実施例を示している。シール３４は、ピン部材２９とボックス部材３０の筒状ショルダー３９の金属面間の干渉及びそれによる金属同士の接触圧により生じる。筒状ショルダーの面が弾性的に変形し、僅かな量の圧縮により、面同士のシール性係合を生じる。その一方で、２ステップ間の相互係合ねじが加えられたトルクにより確実な停止を効果的に行なえる。金属同士のシールはピン部材２９のノーズ３５でも示される。接続部２８が組立されたときに、荷重側面の係合と回転により発生した軸方向の力により相補性の面が互いに押される。金属同士のシールが接続部のボックス部材３０のベース・エンド(base end)３６でも形成しうる。それで、金属同士のシールが、２ステップ接続部のどちらかの端部３５又は３６又は中間部３４で、又は、位置３４、３５及び(又は）３６のひとつより多くの組合わせで形成しうる。

１以上の負の角度の荷重側面を有するねじ接続部は接続部でのシールを容易にする。負の角度の側面は、接続部の中心線に垂直でない側面であるが、代わりに、相補性側面を有する捕捉機構を生じる角度を有する。例えば、鳩尾型断面形状を持つねじ山で、雌ねじと雄ねじの鳩尾型ねじ山の間の負の角度の側面により、反対向きの半径方向の力を生じる。その反対向きの半径方向の力が雌ねじと雄ねじのねじ山を一緒に引張る。雌ねじと雄ねじのねじ山が対応するサイズ(sizes)と形状を有していれば、接続部で加圧シールを生じるように、隣接面の間で、ねじ底とねじ山の間で、及び(又は)、荷重側面とスタブ側面の間で、捕捉活動が面と面の十分な接触圧を生じることができる。

負の側面角度が一定のシール目的に有益であるけれども、接続部を組立るために筒状部材を回転させたときに、接触力又は接触圧の下で、一方の面が他の面で滑る又はこすることにより生じる摩擦力を、回転トルクにより克服しなければならない。大きな面同士の接触圧により、又は、大きな組立時の接触面積で接続部の組立を完了するには大きなトルクを必要とする。一定の面積に対する大きな接触圧又は一定の接触圧に対する大きな接触面積は、それに応じた大きなトルクを組立のために必要とする。接続部の直径が増加すると共に、ねじ山の摩擦面積が増加して、同量の面同士の接触圧でも必要なトルクの量が大きくなる。さらに、ねじ山間の摩擦接触条件が同じでも、組立を完了させるのに必要な回転数が大きければ、必要な入力作業とエネルギーが大きくなる。

Enderleの特許文献６、７では、筒状接続部のための２ステップ型低トルクくさび形ねじが開示されている。ステップのひとつは、相補性のスタブ側面、荷重側面、ねじ底及びねじ山の少なくともひとつに沿って組立時に干渉接触があるように設けられていて、その一方で、他のステップに沿って、少なくとも、相補性のスタブ側面、荷重側面、ねじ底、ねじ山のひとつに沿って、構造用の目的に必要なトルク感度、シール機能及びねじ山を保持しながら、接続部組立のためのトルク量を低減するためにクリアランスが設けられている。くさび形ねじの技術で、接触部分とクリアランス部分の間の好ましい関係を生じるために、又、組立時に接触するくさび形ねじの面とクリアランスを設けられている面の間の有用な関係を決定するために特定の基盤と基準を追加的に提供することが依然として必要である。
米国特許第2,239,942号明細書 米国特許第2,992,019号明細書 米国特許第3,359,013号明細書 米国特許RE30,647号明細書 米国特許RE34,467号明細書 米国特許第6,174,001号明細書 米国特許第6,270,127号明細書

本発明の一側面では特定のねじ山の面の間では接触し、他の間ではクリアランスを設けている従来技術のくさび形ねじ接続部に改良を加えている。本発明は、接続の最終で強制的組立で、２ステップ付きくさび形ねじの両方のステップの荷重側面とスタブ側面に接続部が同時に接触するのに通常必要となる組立用トルクの有意な量を低減している。本発明により、典型的な２ステップ付きくさび形ねじで、両方のステップのねじ山の荷重側面とスタブ側面の両方の大きな接触面積で、組立トルクが抵抗を受けていることが見いだされた。それで、加えられた非常に大きな組立トルクが接触面領域に非常に小さな弾性変形しか与えていないことが見いだされた。さらに、不十分な塑性変形が、不適当な破壊抵抗を生じていて、金属同士のシールを形成するのに不適当な接触圧を生じうることが、本発明者により見いだされた。これらの発見事項に対応するために、本発明の実施例に基づくひとつの改良が、組立時の変形量、２ステップ付きくさび形ねじの接続部の組立時に接触する部分の弾性変形の制限、最初の組立では接触しないくさび形ねじの部分に生じるクリアランスの量の間の新しくかつ有用な関係である。

本発明のひとつの実施例では、２ステップ付きくさび形ねじの１ステップのみが組立用係合を行っている。組立時に、他のステップのねじが、スタブ及び荷重の両側面で少量のクリアランスを提供している。それゆえ、確実で及びシールした接続部を提供するために、必要な組立トルクの量を低減しうる。組立中に十分な係合をしないねじ山の間に存在する摩擦接触の量が低減する。特に、クリアランスディスタンス(clearance distance)は組立時の弾性変形の量及び関係する材料の弾性変形の限界に基づいて選択される。そのクリアランスディスタンスは、組立時の弾性限界を超えないで確実な接続を行うために、又、接続部が大きな作用力を伝えるときに接触するねじ山の最初の接触点と次ぎにクリアランスとなる部分を含む両ステップのねじ山に有用な強度を与えるために、この根拠に基づいて独自に選択される。

本発明の一実施例では、ねじ付き筒状接続部が、一方向で幅が増大する２ステップの雄ねじを有するピン部材と、他の方向で幅が増大する雌ねじの２段階の対応するステップを有するボックス部材を有していて、相補性の雌ねじと雄ねじのくさび形ねじが接続部の組立時に係合するように動く。接続部にトルクを加えることで、第一ステップのくさび形ねじを係合するように動き、ピン部材とボックス部材の面の間で適当な金属同士の接触圧を生じ、接続部の組立時に加圧シールを形成する。第二ステップのくさび形ねじは、外からの作用荷重又は力が加えられる前に、第一ステップのねじの組立時に第二ステップのねじのスタブ側面と荷重側面の間の僅かなクリアランスがあるように設計され、配置される。そのような一実施例で、組立時に第一ステップのくさび形ねじの最大変形量と、第二ステップのくさび形ねじのスタブ側面の間にクリアランスディスタンスの合計が、そのくさび形ねじが形成される材料の弾性変形限界より大きくならない。

一実施例で、確実停止型のトルク・ショルダーが設けられ、金属同士の接触圧が第一ステップのくさび形ねじと、確実停止型のトルク・ショルダーの間の軸方向の力により生じる。本発明の一側面に基づくと、組立時の確実停止型のトルク・ショルダーの最大変形の合計が確実停止型のトルク・ショルダーの材料の弾性範囲内であり、第二ステップのくさび形ねじの荷重側面の間のクリアランスディスタンスより大きくない。

本発明の他の実施例に基づき、２ステップのねじ接続部が設けられている。組立時に、又は、最初の組立位置で第一ステップが固定された軸方向の位置で係合し、かつ、停止する。組立時、及び、作用荷重又は圧縮力が接続部に加えられる前に、固定された軸位置が「最初の組立位置」と呼ばれる。第二ステップのねじはくさび形ねじ、組立時に係合していない側面から成っている。第一ステップのねじは「係合したねじ」又は「係合したステップ」と呼ばれる。第二セット(set)のねじは「浮動状態のくさび形ねじ」又は「浮動状態のステップ」と呼ばれる。クリアランスディスタンスは係合したねじの最初の組立位置で浮動状態のくさび形ねじの荷重側面とスタブ側面の間で与えられる。クリアランスディスタンスは、浮動状態のくさび形ねじが、係合したくさび形ねじの組立時に変形した接続部の材料が弾性変形限界を超える前の引張り荷重を伝えるように選択される。

本発明の別の実施例に基づき、２ステップ型ねじ接続部が与えられる。第一ステップが固定された軸位置で組立時又は最初の組立位置で係合し、停止する。第二ステップのねじが浮動状態のくさび形ねじから成っていて、係合したねじが最初の組立位置にあるとき、その側面が組立時に係合しない。クリアランスディスタンスは浮動状態のくさび形ねじの荷重側面及びスタブ側面の間に与えられる。そのクリアランスディスタンスは、係合したくさび形ねじの組立時に変形した接続部の材料にとって弾性変形限界を超える前に、浮動状態のくさび形ねじが圧縮方向の作用力を伝えるように選択される。

本発明の一実施例には、２ステップ付きくさび形ねじの設計が含まれている。組立時に、１ステップを強制的に係合する（「係合状態のねじ」）。例えば、確実停止型のトルク・ショルダーの対向面を一緒に押している荷重側面と係合し、又、他のステップはスタブ側面と荷重側面の両方でクリアランスを有している（「浮動状態のくさび形ねじ」）。組立時に、確実停止型のトルク・ショルダーの変形量が、確実停止型のトルク・ショルダーの材料の弾性変形限界より小さい(塑性変形なし）。クリアランスディスタンスは浮動状態のくさび形ねじのスタブ側面の間及び荷重側面の間では小さい。クリアランスディスタンスはスラブ側面及び荷重側面で同じか又は違うこともある。一例として、浮動状態のくさび形ねじのスタブ側面のクリアランスは、確実停止型のトルク・ショルダーの弾性限界に達するのに必要な追加変形量より小さいか、又は少なくとも大きくは無い。それゆえ、追加の圧縮力が接続した筒状部材に加えられた時に、浮動状態のくさび形ねじおスタブ側面が追加の力を受け始める前に、確実停止型のトルク・ショルダーの全体的弾性変形の限界を超えない。他の例では、クリアランスが確実停止型のトルク・ショルダーの組立時変形よりも小さく、又は、少なくとも大きくはないので、浮動状態のくさび形ねじの荷重側面が追加の荷重力を受け始める前に、確実停止型のトルク・ショルダーでの接触が外れないようにしている。それにより金属同士によるシールの維持が容易になる。浮動状態のくさび形ねじのスタブ側面と荷重側面の両方での適当なクリアランスにより、弾性限界を超えないで、及び、確実停止型のトルク・ショルダーでの接触を無くさないで、曲げの間に生じうる引張り又は圧縮及び引張りと圧縮の同時処理ができる。

本発明の他の側面と利点は以下の説明及び添付請求項から明らかになる。

従来技術のくさび形ねじの設計は、高いねじり、高い圧縮及び信頼できる内側及び外側の加圧シール機能を含む他のねじ設計を上回るいくつかの明確な利点を提供している。しかしながら、本発明は、くさび形ねじ技術を用いた接続部を設計するとき、関係するいくつかの事項があることを見いだしている。ひとつの検討中の事項には、接続部を組立るのに必要なトルクと作業の量の低減である。油田の筒状部材を用いることに関連して接続部の着脱を多数反復していることにより、その効果は増大する。別の事項は、使用中に固定とシールを維持した接続部を提供することである。他の問題は反復作用する荷重、力、トルク及び曲げモーメント（即ち、同時に引張りと圧縮が生じる特性を有している）を適切に伝えることができる接続部を提供することである。他の事項には、接続部の多くの組立と分解に関連した固有の摩耗特性、平坦化、擦り傷、疲労が含まれる。他の事項は、組立トルクの適用及び(又は)使用中に接続部が部分的に塑性化を生じる可能性である。他の事項は、確実な接続部を生じるように金属同士の接触面を適切に圧縮すること、及び、ねじ接続部を円周部の全周を高い接触圧でシールすることに必要なトルク量である。筒状材料の弾性限界内で、ねじ山間の接触面で又は確実停止型のトルク・ショルダーでの変形が、確実な接続を形成することに役立ち、組立時に加圧シールを生じるのにも役立つ。組立トルク、及び、ねじ山、確実停止型のトルク・ショルダー、又、金属同士のシール面での作用力の組合わせ効果が、関係する材料の降伏強度により決定された材料の弾性限界を通常超えないはずである。

先細の２ステップ付きくさび形ねじを用いることで、一定寸法のねじと比較して、摩擦と浪費されたエネルギーの低減を容易にする。２ステップと先細のピンとボックスが、ねじが最初に接続する前に、ねじが先細のボックスに深く突き刺すことができる。組立の少なくとも最終ステージまで、先細が、ねじ山とねじ底が干渉しないように機能する。さらに、くさび形ねじが、組立の最終部分まで側面間に空間を生じるので、組立を容易にする。トルクの主要部分が摩擦を克服するのに、又、接続を確定するために適当なねじの変形を生じるのに必要であり、ピン側のくさび形ねじの寸法がボックス側のくさび形ねじの寸法に密に合致するときには、組立時の回転の最終ステージでのみ役立つ。それで、２ステップ型で先細のくさび形ねじを用いることで、組立に必要な摩擦、トルク、作業の量を低減する。なぜなら、（均一寸法のねじと比較して、）組立のために必要な回転が少なく、又、組立用回転の最終部分まで、くさび形ねじが高い面同士の接触圧と係合しないからである。

一般的に、本発明の一側面に基づくと、ねじ付き筒状接続部のピン部材は一方向の幅が増す第一ステップの雄ねじのくさび形ねじを有し、ボックス部材は対応する他方向の幅が増す第一ステップの雌ねじでくさび形ねじ断面を有しているので、接続部の組立時に、相補性の雌ねじと雄ねじのくさび形ねじが係合するように動く。一実施例では、接続部に確実停止型のトルク・ショルダーが含まれる。第一ステップのねじと確実停止型のトルク・ショルダーを、第一ステップのねじと確実停止型のトルク・ショルダーの組立時に第二ステップのねじのスタブ側面間及び荷重側面間に僅かなクリアランスがあるように、設計し、配置する。例えば、第二ステップのスタブ及び荷重の側面の僅かなクリアランスは数万分の一インチから数千分の一インチの範囲とする。２ステップのくさび形ねじの両ステップの同時組立と比較すると、適当な弾性圧縮を与えるために、また、それ故に、確実な組立を行い、確実停止型のトルク・ショルダー及び(又は)ねじの面同士のシールを完成するために必要なトルク量が小さくなる。

一実施例で、２ステップ付きくさび形ねじの一ステップの少なくとも荷重側面が、組立トルクを加えることにより、係合する。それにより、係合した荷重側面が軸方向の力を与えて、確実停止型のトルク・ショルダーの対向した面を一緒に押す。それゆえ、１ステップのくさび形ねじが強制的に係合し、他のステップのくさび形ねじがクリアランスを有している。組立時に係合しているステップとくさび形ねじは「係合したステップ」又は「係合したねじ」と呼んで良い。クリアランスを有するステップとねじは「浮動状態のステップ」及び「浮動状態のくさび形ねじ」と呼んで良い。加えられる組立トルクの量が、確実停止型の位置を、又は、組立完了時の接続部の相対的位置の「最初の組立位置」を、及び、外向きの軸方向の引張り荷重、圧縮力又は曲げモーメントが接続部に加えられる前に決定する。接続が形成され、組立トルクが、組立時に、選択され、又は、調節された軸方向のクリアランス・ディスタンスは、ピンとボックスの対応する荷重側面の間及び浮動状態のくさび形ねじのピンとボックスの対応するスタブ側面の間の両方で形成される。

本発明の一実施例に基づくと、係合したねじの軸方向の変形がねじを形成する材料の弾性限界より低いように、又、確実停止型のトルク・ショルダーの軸方向の変形がその確実停止型のトルク・ショルダーの材料の弾性限界よりも低くなるように組立トルクを選択する。それゆえ、組立トルクを加えたときに、係合したねじが確実停止型のトルク・ショルダーのピン側の面を確実停止型のトルク・ショルダーのボックス側の面に軸方向に押す力を与える。それにより、係合したくさび形ねじと確実停止型のトルク・ショルダーの両方に軸方向の弾性変形を生じる。ピン及びボックスの浮動状態のくさび形ねじの相対位置が組立時に、「浮動状態の」荷重側面間の軸方向のクリアランスにより設定され、それは係合したねじの荷重側面の軸方向の変形より小さい。さらに、浮動状態のスタブ側面間のクリアランスは確実停止型のトルク・ショルダーの軸方向変形よりも小さい。それゆえ、浮動状態のくさび形ねじは組立時に有意な軸方向の力を与えず、組立トルクに有意な抵抗をしない。この実施例で、筒状部材への作用力は当初係合したねじの荷重側面により伝えられる。最初、作用する圧縮力は確実停止型のトルク・ショルダーにより伝えられる。浮動状態のくさび形ねじは当初有意な量の軸方向に作用する荷重又は力を伝えない。浮動状態のくさび形ねじは当初有意な引張り荷重を伝えない。なぜなら、最初の組立位置で、ピンとボックスの浮動状態の荷重側面の間にクリアランスがあるからである。浮動状態のくさび形ねじは当初有意な圧縮方向の作用力を伝えない。なぜなら、当初の組立位置で、浮動状態のスタブ側面間にクリアランスがあるからである。

図３は本発明の一実施例を示していて、接続部５０にはボックス部材５２の雌ねじ５４及び５５とピン部材５１の雄ねじ７４及び７５が含まれて、中心軸５３に沿った２ステップ型くさび状構造内に形成されている。雄ねじ５４及び５５が、実質的に各ねじ５４及び５５の螺旋の全長で、実質的に一方向を一定割合で徐々に幅を拡げている。雄ねじ７４及び７５が、実質的に各ねじ７４及び７５の螺旋の全長で、実質的に他方向を一定割合で徐々に幅を拡げている。

雌ねじ５４は小直径ステップ４１に沿って雄ねじ７４と係合するように形成される。雌ねじ５５が大直径ステップ４２に沿って雄ねじ７５と浮動状態の係合をするように形成される。図３に示すねじは全体として長方形断面を有しているように見えるけれども、くさび形ねじは、くさび形ねじの他の形状に関連した目的と利点のためには、鳩尾型ねじ、フック(hook)ねじのような他の形状をとれることを理解されたい。それゆえ、種々のねじ形状を本発明の他の側面と組合わせて、又、それから逸脱せずに使用しうる。

図４では、図３に示した２ステップ型くさび状構成に類似した鳩尾型くさび形ねじ構成の追加詳細を示している。雌ねじ５４がボックス部分５２内で、小ステップ４１に沿って形成される。雌ねじ５４は、スタブ側面５８、荷重側面５６、ねじ底６０、ねじ山６４を含む。相補性の雄ねじ７４がピン部分５１内に又小ステップ４１に沿って形成される。雄ねじ７４が相補性のスタブ側面７８、荷重側面７６、ねじ底８０、ねじ山８４を含む。

雌ねじ５５がボックス５２内で、大ステップ４２に沿って形成される。雌ねじ５５はスタブ側面５９、荷重側面５７、ねじ底６１、ねじ山６５を有している。相補性の雄ねじ７５がピン５１の大ステップ４２に沿って形成されている。雄ねじ７５は相補性のスタブ側面７９，荷重側面７７、ねじ底８１、ねじ山８５を含む。

接続部５０の回転組立中に、ねじ５４及び７４のねじ幅（又はくさび形状）の対向的増大で各ねじの相補的側面を、ピン５１とボックス５２の筒状部材の相対的回転で強制的係合をするように動かす。ピン５１とボックス５２の対応する先細部が相補性のねじ底とねじ山を係合するように動かす。この実施例で、確実停止型のトルク・ショルダー６６がピン５１のノーズ面６７とボックス５２の内径（ID)面８７の間に形成される。係合した雌ねじ５４と雄ねじ７４のそれぞれの先端がピンのノーズ面６７をボックスのID面８７に押して、確実停止型のトルク・ショルダー６６で流体の流れに抵抗するシール部を形成する。特に、接続部５０に加えられた組立トルクが小ステップ４１内の荷重側面５６及び７６を係合させ、それにより、確実停止型のトルク・ショルダー６６の面６７及び８７を面同士の係合を行わせる。便宜上、雌ねじ５５及び雄ねじ７５をまとめて、「係合状態のねじ」４３と呼んで良い。加えられた組立トルクは、係合状態のねじ４３及び確実停止型のトルク・ショルダー６６の対向する面で応力及び得られた歪みにより十分な抵抗を受けた時、回転を停止する。係合した側面５６、７６及び確実停止型のトルク・ショルダーの面６７、８７の歪み量及びそれゆえ変形量が材料の弾性率と強度により決定される。それゆえ、組立時のピン５１とボックス５２の相対的位置が固定され、又は、最初の組立位置で確実に停止し、その位置は加えられる組立トルクの量により決定しうる。

大ステップ４２の雌ねじ５５及び雄ねじ７５が形成されるので、小ステップ４１が上記のように強制的に組立てられる時、小クリアランス９０がスタブ側面５９及び７９の間に残り、又、小クリアランス９２も荷重側面５７及び７７の間に残る。くさび状雌ねじ５５とくさび状雄ねじ７５がそれぞれスタブ側面５９及び７９の間のクリアランス・ディスタンス９０及び荷重側面の間のクリアランス・ディスタンス９２を「浮動状態のくさび形ねじ４４」と呼んで良い。

図３及び４に示すように、小ステップ４１にあるときに、係合状態のくさび形ねじ４３にとって一定の状況では有用であるけれども、係合状態のくさび形ねじ４３が小ステップ４１か又は大ステップ４２で形成され、又、浮動状態のくさび形ねじ４４が、大ステップ４２か小ステップ４１かは別として、本発明の範囲を逸脱せずに他のステップで形成されることがあることを理解されたい。

確実停止型のトルク・ショルダー６６がピン側のノーズ６７とボックス側の内径(ID)８７の境界に形成される。この実施例で、係合状態のねじ４３，浮動状態のくさび形ねじ４４、確実停止型のトルク・ショルダー６６が、ピン５１とボックス５２の間のねじ接続部５０を形成する。それゆえ、接続部５０を組立てるために、選択した量の組立トルクを加えたときに、少なくとも、係合状態のステップ内で、ピン部材５１の荷重側面５６及びボックス部材５２の荷重側面５７が係合し、面同士の係合内に確実停止型のトルク・ショルダー６６を強制的に押し込む。この実施例の有用な一側面に基づくと、確実停止型のトルク・ショルダー６６の接触面積は荷重側面５６及び５７の接触面積より少ないので、組立時の接続部内の最大軸変形が確実停止型のトルク・ショルダー６６に生じる。これは、ピンとボックスの筒状部材５１及び５２の内径での加圧シールを形成しやすくする。確実停止型のトルク・ショルダー６６での完全なシールにより、筒状部材内の加圧流体が、ねじ接続部５０のねじ山５４、７４の中に、又は、その間に入るのを阻止する。

係合状態のねじ４３の少なくとも荷重側面５６及び７６が組立時に係合するけれども、係合状態のねじ４３のスタブ側面５８及び７８も組立時に係合しうることを理解されたい。例えば、係合状態のねじ４３がくさび形ねじであれば、荷重側面５６及び５７とスタブ側面５８及び７８の両方で同時に組立てられるように形成できる。そのような構造は特定の目的に、例えば、側面及びねじ底とねじ山の面をシール性の係合をする目的で使用しうる。しかしながら、荷重側面５６及び７６を強制的に組立てて、確実停止型のトルク・ショルダー６６に押込める限り、スタブ側面５８及び７８が係合する必要はない。

組立時に軸方向の間隔を有する隙間９８がボックスの面９４とピンの外径９６の間に形成される。それゆえ、ボックスの面９４とピンの外径９６が接触しない。さらに、係合状態のねじ４３のステップ４１と浮動状態のくさび形ねじ４４の間の境界１０２で隙間１００も形成される。これが、確実停止型のトルク・ショルダー６６の位置、力及び軸方向の変形が、組立時に浮動状態のくさび形ねじ４４の雌ねじ５５と雄ねじ７５の相対位置を確立するための主要因にしている。

図４及び５Ａ−５Ｄを参照すると、複数の代替的実施例に対する係合状態のねじ４３の各部分の相互作用を十分に理解しうる。図５Ａに示された代替策で、荷重側面５６及び７６、スタブ側面５８及び７８、ボックス側のねじ底６０とピン側のねじ山８０、及び、係合状態のねじ４３のボックス側のねじ山６４及びピン側のねじ底８４がシールを容易にするため組立時に面同士の接触を全て生じて、シールを容易にしている。

代替として、図５Bに示すように、係合状態のねじ４３が、荷重側面５６及び７６が係合し、スタブ側面５８及び７８が軸方向の小さなクリアランス９５により隙間を生じている。この構成は、係合状態の荷重側面５６及び７６により生じた軸方向の力全体の全部ではないにしても大部分が、確実停止型のトルク・ショルダー６６に加えるのに役立つ。

図５A及び５Bの両方の実施例では、ねじ底及びねじ山が半径方向のクリアランスが無いように示されている。図５Cを参照して、係合状態のねじ４３の他の代替的実施例で、小さな半径方向のクリアランス１０４がボックス側のねじ底６０とピン側のねじ山８４の間に形成され、又、小さな半径方向クリアランス１０５がボックス側のねじ山６４とピン側のねじ底８０の間に形成される。さらに、図５Dを参照すると、ねじ底からねじ山までのクリアランス１０５を、一組のねじ底からねじ山までの間、例えば、ねじ底６０からねじ山８４の間に形成しうるが、ねじ底６４とねじ山８０という他の組合わせにはクリアランスが無いことも理解されたい。ねじ底６０とねじ山８０の間にクリアランスが無いことは、それぞれのねじ底とねじ山の面の間が干渉していて、加圧シールを容易にできることを示していると理解されたい。

係合状態のねじ４３でねじ底からねじ山までのクリアランスに可能な変形の全てを図５A−５Dに示してはいないけれども、荷重側面５６及び７６のみが係合しているか（図５B及び５C参照）、又は、荷重側面５６及び７６とスタブ側面５８及び７８の両方が係合しているか（図５A及び５D参照）に関係なく、ねじ底からねじ山までのクリアランスが形成されることを理解されたい。さらに、組立時にねじ底からねじ山までの半径方向の隙間１０４が、ねじ底６０とねじ山８４でのねじ底からねじ山までの半径方向のクリアランス無しに形成されることを理解されたい。ねじ底からねじ山までのクリアランス１０５はねじ底８０とねじ山６４でのねじ底からねじ山までの半径方向のクリアランス無しに、又は、ねじ底からねじ山までの半径方向のクリアランス１０４及び１０６の両方無しに形成しうる。

図４及び６A−６Cを参照すると、複数の代替的実施例に対する浮動状態のくさび形ねじ４４の各部分の相互作用を、より十分に理解しうる。図６Aの中で示された代替的実施例の中で、浮動状態のねじ４４は、組立時にクリアランス・ディスタンス９０が、ピン５１の荷重側面７７とボックス５２の荷重側面５７の間で軸方向に存在する。さらに、クリアランス・ディスタンス９２は、ピン５１のスタブ側面７９とボックス５２のスタブ側面５９の間で軸方向にも形成される。それゆえ、ピン５１の雄ねじ７５が、十分に大きな作用力を加えた時点で、ボックス５２の雌ねじ５５に対して軸方向に「動く」又は「浮動状態にする」ことが許されている。接続部５０の一部に追加の弾性変形を生じるのに十分な大きさである場合、加えられた作用力は「浮動状態」（又は相対的移動）を生じるのに十分な大きさである。図６Aで示すように、僅かな半径方向のクリアランス１０６が、ピンのねじ底８１とボックスのねじ山６５の間に形成される。又、僅かな半径方向のクリアランス１０７が、ピンのねじ山８５とボックスのねじ底６１の間に形成される。例えば、これが、浮動状態のねじ４４の領域でピン５１とボックス５２の間で相対移動又は浮動状態を容易にする。

図６Bで示すように、別の実施例で、ピンのねじ底８１とボックスのねじ山６５及び浮動状態のくさび形ねじ４４のピンのねじ山８５とボックスのねじ底６１が、組立時に面同士の接触を生じるように形成される。例えば、これは、追加の剛性、十分なねじ同士の配列、及び、流体の加圧シールを与えるのに有用である。

図６Cに示すような別の実施例で、スタブ側面５９及び７９の間のクリアランス・ディスタンス９３は荷重側面５７及び７７の間のクリアランス・ディスタンス９１より小さい。それゆえ、（図６Cに示されず、図４及び５A−５Bを参照して）、係合状態のねじ４３の荷重側面５６及び７６に追加的に加わる作用荷重による少量の変形が、浮動状態のくさび状荷重側面５７及び７７が加えられた作用荷重を受け始める前に、容認される。

図６Dに示す別の実施例で、相対的に大きなクリアランス９９がスタブ側面５９及び７９の間に形成され、又、相対的に小さなクリアランス９７が荷重側面５７及び７７の間に形成される。そのような実施例で、確実停止型のトルク・ショルダー６６で、及び(又は)加えられた圧縮方向の作用力により生じた係合状態のねじ４３のスタブ側面５８及び７８での大きな変形量が、浮動状態のくさび状スタブ側面５９及び７９が圧縮方向の作用力を受け始める前には認められであろう。

十分な作用荷重又は力が、係合状態のくさび形ねじ４３又は確実停止型のトルク・ショルダー６６内に追加の変形を生じることがある。それゆえ、例えば、本発明の接続部の構造は、追加の引張り側に作用する荷重の期待値又は圧縮方向の作用力の期待値が大きいかにより調節しうる。それゆえ、追加変形が浮動状態のくさび形ねじ４４の荷重側面５７及び７７の間のクリアランス・ディスタンス９０（又は図６Cの９３又は図６Dの９７）を超えた時に、浮動状態のくさび形ねじ４４も作用荷重を受け始める。追加変形が浮動状態のくさび形ねじ４４のスタブ側面５９及び７９の間のクリアランス・ディスタンス９２（又は図６Cの９１又は図６Dの９９）を超えた時、浮動状態のくさび形ねじ４４も又作用荷重又は力を受け始める。

引張り側の作用荷重の下で、材料の塑性発生を避ける又は低減するために、組立時に係合状態のねじ４３の変形は、浮動状態のくさび形ねじ４４の荷重側面５７及び７７が接触する前に許される追加変形量（即ち、係合状態のねじ４３の変形プラス浮動状態荷重側面のクリアランス・ディスタンス９０、９３又は９７）と共に、係合状態のねじ４３の材料の弾性限界より大きくすべきでない。さらに、確実停止型のトルク・ショルダー６６でのシール効果喪失を避ける又は低減するために、組立時の確実停止型のトルク・ショルダー６６の変形を、組立時の確実停止型のトルク・ショルダー６６の変形、浮動状態のくさび形ねじ４４の荷重側面５７及び７７が接触する前に許される追加の引張りの変形量（即ち、荷重側面のクリアランス・ディスタンス９２、９３又は９７）と共に、変形した材料の弾性変形の限界より大きくすべきでない。

さらに、材料の塑性発生を避けるために、確実停止型のトルク・ショルダー６６の変形量プラス浮動状態のくさび形ねじ４４のスタブ側面５９及び７９が接触する前に許された圧縮方向の追加変形量（即ち、確実停止型のトルク・ショルダー６６の変形、プラス、浮動状態のスタブ側面のクリアランス・ディスタンス９２、９１又は９９）が変形した確実停止型のトルク・ショルダーの材料の弾性限界より小さくすべきである。さらに、係合状態のねじ４３のスタブ側面５８及び７８がトルク停止として機能する場合に、組立時に係合状態のくさび形ねじ４３のスタブ側面の変形の合計プラス浮動状態のくさび形ねじ４４のスタブ側面５９及び７９が接触する前に許された圧縮方向の追加変形量くさび形ねじ４４の荷重側面５７及び７７が接触する前に許される追加の引張りの変形量（即ち、係合状態のスタブ側面の変形プラス浮動状態のスタブ側面のクリアランス・ディスタンス９２、９１又は９９）は、変形したスタブ側面の材料の弾性限界より低くすべきである。

確実停止型のトルク・ショルダーの接触が圧縮荷重の下で増加するので、シール目的にとって重要でないかも知れないが、浮動状態のスタブ側面５９及び７９の間の接触（即ち、浮動状態のスタブ側面のクリアランス・ディスタンス９２、９１又は９９）前に許される圧縮方向の変形が、係合状態のねじ４３の荷重側面５６及び７６の最初の組立変形より大きくなければ、係合状態のねじ４３の荷重側面５６及び７６の間の面同士の接触喪失を低減するか避けることが理解されよう。

引張りの作用荷重の場合、係合状態のくさび形ねじ４３の荷重側面５６及び７６は、当初、作用負荷を受けている。引張りの作用荷重が係合されている荷重側面５６及び７６の軸方向の変形を生じて、浮動状態の荷重側面５７及び７７の間のクリアランス・ディスタンス９０を超える場合、浮動状態の荷重側面５７及び７７が接触して、引張りの作用荷重を支持し始める。それで、係合したねじ４３及び浮動状態のくさび形ねじ４４を形成するのに有用であることが見いだされているので、組立時に、係合状態の荷重側面５６及び７６の軸方向変形の合計プラス浮動状態の荷重側面の間の軸方向クリアランス・ディスタンス９０の合計はねじ接続部の材料の弾性変形限界より大きくないようにする。それゆえ、係合状態の荷重側面５６及び７６の弾性変形限界を、浮動状態のくさび形ねじ４４が作用荷重を受け始める前には、超えない。

さらに、係合状態のくさび形ねじ４３と確実停止型のトルク・ショルダー６６の組立時に、浮動状態の荷重側面５７及び７７の間のクリアランス・ディスタンスは確実停止型のトルク・ショルダー６６の軸方向の変形より大きくないように係合状態のねじ４３及び浮動状態のくさび形ねじ４４を形成するのに有用であることも見いだされている。この構成で、圧縮方向の作用力の下で、確実停止型のトルク・ショルダー６６の全変形が、浮動状態のくさび形ねじのスタブ側面７８及び７９が追加の圧縮力を受け始める前に弾性変形を超えない。引張りの作用荷重の下で、確実停止型のトルク・ショルダー６６で圧力を低減するが、浮動状態のくさび形ねじ４４の荷重側面が圧縮方向の作用力を受け始める前に面同士の接触が確実停止型のトルク・ショルダー６６の対向面の間で失われない。

同様に、圧縮方向の作用力の場合に、確実停止型のトルク・ショルダー６６が、最初に圧縮方向の作用力を伝える。係合状態の荷重側面５６及び７６、及び確実停止型のトルク・ショルダー６６の組立時に、少量のクリアランスがあるか、又は、少量の接触と係合状態のくさび状のねじ４３のスタブ側面間の圧縮方向の軸方向の変形があることを理解されたい。確実停止型のトルク・ショルダー６６単独で、又は、確実停止型のトルク・ショルダー６６と係合状態のくさび形ねじ４３のスタブ側面５８及び７８が、軸方向の変形が浮動状態のスタブ側面５９及び７９の間のクリアランス・ディスタンス９０を超えるまで力を伝える。加えた圧縮方向の作用力が、浮動状態のスタブ側面５９及び７９の間のクリアランス・ディスタンス９０を超える浮動状態のくさび形ねじ４４の軸方向変位を生じる場合、浮動状態のスタブ側面５９及び７９が接触し、圧縮方向の作用力を支持し始める。組立時に、確実停止型のトルク・ショルダー６６の軸方向の変形プラス浮動状態のスタブ側面５９及び７９の間の軸方向のクリアランス・ディスタンス９０の合計が変形された材料の弾性変形限界を超えないように２ステップ付きくさび形ねじを形成することが有用であることが見いだされている。それゆえ、圧縮方向の作用力を浮動状態のくさび形ねじ４４により伝え始める前には、確実停止型のトルク・ショルダー６６の弾性変形限界を超えない。

さらに、係合状態のくさび形ねじ４３と確実停止型のトルク・ショルダー６６の組立時に、浮動状態のスタブ側面５９及び７９の間のクリアランス・ディスタンスが、係合状態の荷重側面５６及び７６の軸方向の変形より大きくないように、ねじ４３及び４４を形成するのが有効なことが見いだされている。圧縮方向の作用力の下で、係合状態の荷重側面５６及び７６の変形を低減するが、浮動状態のスタブ側面５９及び７９が作用力を伝え始める前に、係合状態の荷重側面５６及び７６の面の間の接触が喪失しない。

図７−９は２ステップ付きくさび形ねじ構造の異なる構成を有する本発明の別の実施例の断面を示す。図７−９のそれぞれが、本発明の別の実施例に基づいて形成されたねじを有するピン部材とボックス部材の部分を示す。

図７に示す実施例は２ステップ付きくさび形ねじ１１０が筒状ピン部材１１４と筒状ボックス部材１１６の間に先細のジョイント(joint)又は接続部１１２を形成している。確実停止型のトルク・ショルダー１１８がボックスの面１２０とピンの外径(OD)１２２の間に形成される。接続部の組立時に、２ステップ付きくさび形ねじ１１０の大ステップ１４２が、少なくとも、ピン部材１１４の荷重側面１２６とボックス部材１１６の荷重側面１２８の間を係合している。確実停止型のトルク・ショルダー１１８も組立時に係合している。一定量の組立トルクがピン１１４とボックス１１６の相対的組立位置を決定する。一実施例で、確実停止型のトルク・ショルダー1１８が完全に係合したときに、一定の組立トルクを加えると、ピン１１４のスタブ側面１３０とボックス１１６のスタブ側面１３２も係合しうる。他の実施例では、スタブ側面１３０とスタブ側面１３２がその間に軸方向のスペース(space)を有しているか、又は、上記の図５Ａ−５Ｄに関して述べた係合状態のねじの種々の構成に類似した構成になっている。

図７の２ステップ付きくさび形ねじ１１０の他のステップのねじ１４１、小ステップ１４１の形成が、が、組立時に、軸方向のクリアランス・ディスタンス１３４がピン１１４とボックス１１６の各荷重側面１３８及び１４０の間に存在するように、又、軸方向のクリアランス・ディスタンス１３６がピン１１４とボックス１１６の各スタブ側面１３５及び１４５の間に存在するように、形成される。それゆえ、このステップでピン１１４のねじはボックス１１６のねじに対して軸方向に移動又は「浮動状態になること」が許されている。

軸方向にスペースを設けたギャップ(gap)１５０がピン１１４のノーズ１４６とボックス１１６の内径(ID)１４８の間で形成される。それゆえ、ノーズ１４６と内径１４８は確実停止型のトルク・ショルダーを形成しない。さらに、ギャップ１５２もねじの２種の直径のステップ１４１と１４２の間の内部境界１５４に形成される。

半径方向の小さなクリアランス・ディスタンスが、組立時に、係合状態のねじ１４４の大ステップ１４２のねじ底１２７、１３１と対応するねじ山１２９、１３３の間でも形成しうる。代わりに、組立時にシールを容易にするために、ねじ底１２７、１３１とねじ山１２９、１３３が面同士の干渉性接触を行なえる。同様に、浮動状態のくさび形ねじ１４４の小ステップ１４１のねじ底１３７、１４７と対応するねじ山１３９、１４９を組立時に面同士の干渉性接触を行なえる。代わりに、浮動状態のねじ１４４の領域内でピンとボックスの間で相対的運動又は「浮動状態」を容易にするため、半径方向の僅かなクリアランスを、浮動状態のくさび形ねじ１４３のねじ底１３７、１４７と対応するねじ山１３９、１４９の間に形成しうる。

係合状態のくさび形ねじ１４４のステップが、浮動状態のくさび形ねじ１４３のステップより大きな直径を有しているとして示されているけれども、例えば、図３及び４を参照用として理解されたい。代わりの実施例で、小さな直径のねじをねじと係合させることができ、確実なトルク停止機能と係合するように形成しうる。又、大きな直径のねじストップを浮動状態のくさび形ねじとして、組立時に荷重側面及びスタブ側面の両方の間にクリアランスを設けることができる。さらに、浮動状態のくさび形ねじが、上記図６Ａ−６Ｄについて記述したものと類似しているが他の種々の構成で形成しうる。

図８で、確実停止型のトルク・ショルダー２１０が、筒状ピン部材２１４と筒状ボックス部材２１６の間で、２ステップ型ねじ接続部２１２の両ステップ間で形成される。この実施例で係合状態のねじ２１８が相対的に小さい直径のねじとして示され、浮動状態のねじ２２０は相対的に大きな直径のねじとして示されている。別の実施例では、浮動状態のねじは相対的に小さな直径にできて、係合されるねじは相対的に大きな直径としうる。軸方向のギャップ２２２はボックス２１６のベース(base)２２４とピン２１４の外径２２６の間に形成される。さらに、軸方向のギャップ２２８もピン２１４のノーズ２３０とボックス２１６の内径（ＩＤ）２３２の間に形成される。

図９に示す別の実施例では、２ステップ付きくさび形ねじ接続部２３４がピン２３６とボックス２３８の間に示される。確実停止型のトルク・ショルダーに特定でなく、２ステージ型くさび形ねじ接続部２３４の１ステップ２４０の荷重側面２５８、２６０とスタブ側面２６２、２６４の両方の面同士の係合により、確実なトルク停止が形成される。一定の組立トルクを加えると、ステップ２４０内で係合状態のくさび形ねじ２４１がスタブ側面と荷重側面で強制的に係合する。それにより、ピン２３６とボックス２３８の相対的軸方向位置を固定する。ねじの他のステップ２４２は浮動状態のくさび形ねじ２４３で、組立時には、荷重側面２７０、２６８とスタブ側面２７４、２７２の間に軸方向のクリアランス付きで配置され、浮動状態のくさび形ねじを形成する。軸方向のギャップ２４４がボックスのベース２５０とピンの外径(OD)２５２の間に形成される。軸方向のギャップ２４６が、係合状態のくさび形ねじ２４１のステップ２４０と浮動状態のくさび形ねじ２４３のステップ２４２の間の内部境界２４４の間に形成される。軸方向のギャップ２４８はピンのノーズ２５４とボックスの内径２５６の間に形成される。

ピン２３６とボックス２３８の係合状態のねじ２４１は、それぞれ係合した荷重側面とそれぞれ係合したスタブ側面の間の面同士のシール部を形成するために荷重側面２５８と２６０、及び、スタブ側面２６２と２６４の間で完成したくさび状係合に組立てられる。１実施例では、係合したねじ２４１のねじ底２６１及び２６３とねじ山２６５及び２６７も、組立時にシールを容易にするために面同士の接触も行う。そして、面同士のシールと呼ぶ。この構造は、他の実施例での確実停止型トルク・ショルダーと同様に効果的に機能する確実なトルク停止を行う。なぜなら、荷重側面とスタブ側面の間の金属同士の接触と同じ機能を果すからである。

他の実施例に基づくと、確実なトルク停止で、係合状態のねじの組立て用係合に達すると同時に金属同士の追加シールが同時に行われるように、ねじ接続部の端部で又はねじ接続の両ステップの間の内部境界２４６で伝統的な金属同士の追加シール部を形成することにより、シールをさらに容易にしうる。例えば、そのような金属同士のシールは、確実な停止を行なえないような小さな角度の先細部で行われる。代わりに、確実な停止は、例えば、係合したくさび形ねじ２４１の荷重側面とスタブ側面の確実停止型係合により行われる。

それゆえ、種々の実施例で記述されたことには、２ステップ付きくさび形ねじの設計が含まれる。例えば、組立時に、荷重側面を用いて１ステップを強制的に係合させ、確実停止型のトルク・ショルダーの対向面と一緒に押し、他のステップはスタブ側面と荷重側面の両方でクリアランスを有する（「浮動状態のくさび形ねじ）。確実停止型のトルク・ショルダーの組立時の変形量は、確実停止型のトルク・ショルダーの材料の弾性変形限界より小さい（塑性変形無し）。浮動状態のくさび形ねじ内のスタブ側面間の、又、荷重側面間のクリアランス・ディスタンスは小さい。それゆえ、接続された筒状部材に追加の圧縮力を加えたとき、浮動状態のくさび形ねじのスタブ側面が追加の力を伝え始める前に、確実停止型のトルク・ショルダーの合計の弾性変形限界を超えない。一実施例で、浮動状態のくさび形ねじの荷重側面が追加の荷重力を伝える前に、確実停止型のトルク・ショルダーでの接触が外れないように、クリアランスも、確実停止型のトルク・ショルダーの組立時の変形より小さい。浮動状態のくさび形ねじのスタブ側面と荷重側面の両方での適当なクリアランスにより、引張り、圧縮及び曲げの間に生じるような引張りと圧縮の両方の同時発生を、弾性限界を超えずに、又、確実停止型のトルク・ショルダーでの接触を外さないで処理できる。

限られた数の実施例と関連させて本発明の説明を行ったけれども、当業の技術者であれば、この開示を利用して、ここに開示された本発明の範囲を逸脱せずに、他の実施例を工夫しうることを理解しよう。従って、本発明の範囲を貼付した請求項に限定すべきである。

従来技術の単一ステップ型ねじ付き筒状接続部の部分的に切り開いた断面図である。 従来技術の２ステップ付きくさび形ねじ付き筒状接続部の部分的に切り開いた断面図である。 本発明の一実施例に基づく筒状接続部の部分的に切り開いた断面図である。 図３の本発明の実施例に基づく筒状接続部の部分的断面図である。 本発明の実施例に基づく係合したねじの拡大した部分断面図である。 本発明の実施例に基づく係合したねじの拡大した断面図である。 本発明の実施例に基づく係合したねじの拡大した断面図である。 本発明の実施例に基づく係合したねじの拡大した断面図である。 本発明の実施例に基づく浮動状態のくさび形ねじの拡大した断面図である。 本発明の実施例に基づく浮動状態のくさび形ねじの拡大した断面図である。 本発明の実施例に基づく浮動状態のくさび形ねじの拡大した断面図である。 本発明の実施例に基づく浮動状態のくさび形ねじの拡大した断面図である。 本発明の別の実施例に基づく筒状接続部の部分断面図である。 本発明の別の実施例に基づく筒状接続部の部分断面図である。 本発明の別の実施例に基づく筒状接続部の部分断面図である。

Claims (36)

1. ピン部材が、そのピン部材の係合状態のステップ内の第一の雄ねじ、及び、そのピン部材の浮動状態のステップ内の第二のくさび状の雄ねじを有すること、その第一の雄ねじが荷重側面、スタブ側面、ねじ底及びねじ山を有すること、及び、第二の雄ねじが荷重側面、スタブ側面、ねじ底及びねじ山を有すること、
   ボックス部材が、そのボックス部材の係合状態のステップ内にある第一の雌ねじを有すること、及び、そのボックス部材の浮動状態のステップ内の第二のくさび状の雌ねじを有すること、その第一の雌ねじが荷重側面、スタブ側面、ねじ底及びねじ山を有すること、及び、第二の雌ねじが荷重側面、スタブ側面、ねじ底及びねじ山を有すること、
   この場合、接続部の組立時に、第二のくさび状雄ねじの荷重側面とスタブ側面、及び、対応する第二のくさび状の雌ねじのスタブ側面と荷重側面の間の少なくとも１個の選択されたクリアランスが存在し、少なくとも１個の選択されたクリアランスディスタンスが、組立時の弾性変形及びその筒状接続部の組立時の少なくとも一種類の材料の弾性変形限界に基づいて選択されること、
   さらに、弾性変形の限界を有するポジティブ・ストップのトルク・ショルダーから成り、かつ、その場合、
   ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーが組立時に係合し、係合状態のステップ内で荷重側面の変形、及び、組立時のポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの対向面の変形により最初の組立位置が決定されること、
   浮動状態のステップ内のスタブ側面の間のクリアランスと組立時のポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形の合計が、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの弾性変形の限界より大きくないこと、
   から成る筒状接続部。
2. ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの材料に対する弾性変形の範囲内で、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形を維持するように、選択された組立トルクを加えることにより確定した選択した位置で浮動状態のステップ内のスタブ側面の間のクリアランス・ディスタンスが形成されることを特徴とする請求項１の筒状接続部。
3. 係合状態のステップ内の荷重側面が弾性変形の限界を有すること、
   浮動状態のステップ内の荷重側面の間のクリアランスと組立時の係合状態のステップ内の荷重側面の変形の合計が、その第一ねじの荷重側面の弾性変形の限界より大きくないこと、
   を特徴とする請求項１のねじ付き筒状接続部。
4. 係合状態のステップ内の荷重側面が弾性変形の限界を有すること、
   係合状態のステップ内の荷重側面が係合し、又、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの対向面が組立時に係合し、最初の組立位置を、組立時の係合状態のステップ内の荷重側面の変形及び組立時のポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形により決定すること、
   浮動状態のステップ内の荷重側面間のクリアランスと組立時の係合状態のステップ内の荷重側面の変形の合計が、係合状態のステップ内の荷重側面の弾性変形限界より少ないこと、
   を特徴とする請求項１の筒状接続部。
5. 最初の組立位置が、組立時の係合状態のステップ内での荷重側面の変形及び組立時のポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形により決定されること、
   組立時のポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形が、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの弾性限界よりも大きくないこと、
   浮動状態のステップの荷重側面の間のクリアランスが、組立時のポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形より大きくないこと、
   の請求項１のねじ付き筒状接続部。
6. 金属同士のシール部が接続部のどちらかの端部又は中央に存在することを特徴とする請求項１の筒状接続部。
7. さらに、
   ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーを、係合状態のステップの組立でポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形に合わせて配置すること、
   浮動状態のステップ内のスタブ側面間のクリアランスを、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの材料に対する弾性変形の範囲内で、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形を維持するように選択すること、
   から成っていることを特徴とする請求項１の筒状接続部。
8. ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの弾性変形限界を超える前に、浮動状態のステップ内のスタブ側面が圧縮方向の作用力を支持するように係合して、それにより、弾性変形の範囲内でポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形を維持するために、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの弾性限界より大きくない合計を生じるようにポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの最初の変形と共に加えるように、浮動状態のステップ内のスタブ側面の間のクリアランス・ディスタンスを選択することを特徴とする請求項７の筒状接続部。
9. さらに、
   接続部の係合状態のステップの組立時にポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの弾性変形に合わせて、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーを配置すること、
   その場合、浮動状態のステップ内の荷重側面間のクリアランスが、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの材料に合わせた弾性変形の範囲にポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形を維持するように選択されること、
   から成ることを特徴とする請求項１の筒状接続部。
10. ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの弾性変形が解除される前に、それにより、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの材料の弾性変形の範囲内に圧縮したポジティブ・ストップのトルク・ショルダーを維持するように、浮動状態のステップ内で荷重側面を係合して引張り方向の作用荷重を支持するために係合するように、組立時にポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの弾性変形より大きくないように浮動状態のステップ内の荷重側面間のクリアランス・ディスタンスを選択することを特徴とする請求項９の筒状接続部。
11. さらに、
    接続部の組立時に、係合状態のステップ内の荷重側面が変形するように、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーを配置すること、
    浮動状態のステップ内の荷重側面間のクリアランスを選択して、係合した荷重側面の材料に合わせた弾性変形の範囲内に係合された荷重側面の変形を維持すること、
    から成ることを特徴とする請求項１の筒状接続部
12. 係合状態のステップは係合状態のくさび形ねじから成り、又、係合状態のくさび形ねじの荷重側面が弾性変形限界を有すること、
    最初の組立位置は選択された組立トルクで、係合されたくさび形ねじのスタブ側面及び荷重側面の組立により決定されること、
    係合状態のステップ内の荷重側面の変形と浮動状態のくさび状ステップ内の荷重側面間のクリアランスの合計が、係合状態のくさび形ねじの弾性範囲内にあるように、又、係合状態のステップのスタブ側面の変形及び浮動状態のくさび状ステップ内のスタブ側面間のクリアランスが係合状態のくさび形ねじのスタブ側面のための弾性範囲内にあるようにして、組立時に浮動状態のくさび状ステップ内の荷重側面間のクリアランス及び組立時の浮動状態のくさび形ねじ内のスタブ側面間のクリアランスを選択すること、
    を特徴とする請求項１の筒状接続部。
13. 係合状態のステップが係合状態のくさび形ねじから成り、又、係合状態のステップ内のスタブ側面が弾性変形の限界を有していること、
    最初の組立位置が、選択された組立トルクでスタブ側面と荷重側面を組立てることにより決定されること、
    を特徴とする請求項１の筒状接続部。
14. 係合状態のステップが係合状態のくさび形ねじから成り、係合状態のくさび形ねじの荷重側面が弾性変形限界を有していること、
    最初の組立位置が、選択された組立トルクでの係合状態のくさび形ねじのスタブ側面と荷重側面の組立により決定されること、
    組立での浮動状態のくさび状のステップ内の荷重側面間のクリアランスと係合状態のくさび形ねじの荷重側面の組立変形の合計が、係合状態のくさび形ねじの荷重側面の弾性変形限界より大きくないこと、
    を特徴とする請求項１の筒状接続部。
15. 係合状態のステップが荷重側面から成り、かつ、最初の組立位置が組立時のポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの最初の変形により決定されること、及び、
    浮動状態のくさび形ねじの荷重側面上のクリアランスがポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの組立時の変形より大きくないこと、
    を特徴とする請求項１の筒状接続部。
16. ピン部材が外径ショルダーを有すること、
    ボックス部材が面を有していること、
    ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーがボックスの面とピンの外径ショルダーの境界に位置していること
    を特徴とする請求項１の筒状接続部。
17. ピン部材がノーズを有していること、
    ボックス部材が内径ショルダーを有すること、
    ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーがピンのノーズとボックスの内径ショルダーの境界に位置していること、
    を特徴とする請求項１の筒状接続部。
18. ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーが係合状態のステップと浮動状態のステップの間のピン部材とボックス部材の境界に位置していること、
    を特徴とする請求項１の筒状接続部。
19. 第一及び第二の雄ねじ及び雌ねじが全体として長方形断面を有すること、
    を特徴とする請求項１のねじ接続部。
20. 第一及び第二の雄ねじ及び雌ねじが全体として鳩尾形断面を有すること、
    を特徴とする請求項１のねじ接続部。
21. 第一及び第二の雄ねじ及び雌ねじが全体としてフック(hook)形断面を有すること、
    を特徴とする請求項１のねじ接続部。
22. ボックス部材の雌ねじが先細のねじから成り、ピン部材の雄ねじが対応した先細のねじから成っていること、
    を特徴とする請求項１のねじ接続部。
23. 第一ステップの第一ねじが最初の組立位置を有すること、
    第二ステップの第二ねじ、その第二ねじがくさび形ねじであり、かつ、第一ねじの最初の組立位置でスタブ側面と荷重側面上に少なくとも一種の選択したクリアランスを有し、その少なくとも一種の選択したクリアランスが組立時に筒状接続部の少なくとも一種の材料の弾性変形及び筒状接続部の少なくとも一種の材料の弾性変形限界に基づいて選択されること、
    さらに、第一ねじ上の対向した荷重側面から成り、対向した面を有するポジティブ・ストップのトルク・ショルダーが弾性変形限界を有すること、その場合、
    第一ねじ上の対向した荷重側面が係合し、そのポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの対向面が組立時に係合し、その最初の組立位置が第一ねじの荷重側面及び組立時のポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形により決定されること、
    第二のくさび形ねじのスタブ側面の間のクリアランスと組立時のポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形の合計が、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの弾性変形限界より大きくないこと、
    から成る筒状接続部。
24. 第二ねじのスタブ側面間のクリアランス・ディスタンスが、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの材料の弾性変形範囲内にポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの変形を維持するように選択した組立トルクを加えることにより確立された選択位置で形成されること、
    を特徴とする請求項２３の筒状接続部。
25. 第一ねじの荷重側面が弾性変形限界を有していること、
    第二のくさび形ねじの荷重側面間のクリアランスと組立時の第一ねじの荷重側面の変形の合計が第一ねじの荷重側面の弾性変形限界より低いこと、
    を特徴とする請求項２３のねじ付き筒状接続部。
26. 第一ねじのスタブ側面が弾性変形限界を有すること、
    第二のくさび形ねじのスタブ側面間のクリアランスと組立時の第一ねじのスタブ側面の変形の合計が第一ねじのスタブ側面の弾性変形限界より低いこと、
    を特徴とする請求項２３のねじ付き筒状接続部。
27. 第二ステップ内の荷重側面間のクリアランス及び第二ステップ内のスタブ側面間のクリアランスが、第二ステップの荷重側面間のクリアランスと組立時の第一ステップ内の荷重側面の変形の合計を、荷重側面の材料に対する弾性変形の範囲内に維持するように、又、第二ステップ内のスタブ側面のクリアランスと第一ステップ内のスタブ側面の変形の合計を、第一ステップのスタブ側面に対する弾性変形の範囲内に維持するように選択されること、
    を特徴とする請求項２３のねじ付き筒状接続部。
28. 金属同士によるシールが接続部のどちらかの端部又は中央に存在すること、
    を特徴とする請求項２３の筒状接続部。
29. ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーが接続部のどちらかの端部又は中央に存在すること、
    を特徴とする請求項２３の筒状接続部。
30. ピン部材が、一方向に幅が増大する第一及び第二の雄ねじを有し、その第一の雄ねじが、第二の雄ねじよりも直径が小さく、又、第一及び第二の雄ねじが第一及び第二の外向きの荷重側面とスタブ側面から成っていること、
    ボックス部材が雄ねじの幅の増加に比例した他の方向に幅が増大する第一及び第二の雌ねじを有し、相補性の第一及び第二の雌ねじと雄ねじが接続部の組立時に係合するように動き、その第一の雌ねじが、第二の雌ねじよりも直径が小さく、又、第一及び第二の雌ねじが第一及び第二の内向きの荷重側面とスタブ側面から成っていること、
    ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーが事前決定されたトルクで組立時に事前決定された軸方向の圧縮量を許す事前決定された弾性を有すること、
    この場合、第二の雌ねじと雄ねじの幅が、第二の内向きの荷重側面及び第二の外向きの荷重側面の間で選択された荷重側面のクリアランス・ディスタンスを与えるように、又、第二の内向きのスタブ側面と第二の外向きのスタブ側面の間に選択されたスタブ側面の間で選択されたスタブ側面のクリアランス・ディスタンスを与えるように、選択される。この場合、選択された荷重側面のクリアランス・ディスタンスが、事前決定されたトルクでの接続部の最終組立時にポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの事前決定された軸方向圧縮より大きくないこと、そして、選択されたスタブ側面のクリアランス・ディスタンスと最終組立時のポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの事前決定された軸方向圧縮量の合計がポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの弾性変形限界より大きくないこと、
    から成る２ステップ型ねじ付き筒状接続部。
31. 第一及び第二の雄ねじと雌ねじが長方形断面を有することを特徴とする請求項３０のねじ接続部
32. 第一及び第二の雄ねじ及び雌ねじが鳩尾形断面を有すること、
    を特徴とする請求項３０のねじ接続部。
33. 第一及び第二の雄ねじ及び雌ねじがフック(hook)形断面を有すること、
    を特徴とする請求項３０のねじ接続部。
34. ボックス部材の雌ねじが先細のねじから成り、又、ピン部材の雄ねじがそれに対応した先細のねじから成ること、
    を特徴とする請求項３０のねじ接続部。
35. ピン部材が一方向に幅が増大する第一及び第二の雄ねじを有し、その第一の雄ねじが第二の雄ねじのよりも直径が小さく、第一及び第二の雄ねじが第一及び第二の外向きの荷重側面とスタブ側面から成ること、
    ボックス部材は、雄ねじの幅の増大に比例して他の方向に幅を増大する第一及び第二の雌ねじを有し、第一及び第二の雌ねじと雄ねじが接続部の組立時に係合するように相補的に動き、第一の雌ねじが第二の雌ねじよりも小さな直径を有し、その第一及び第二の雌ねじが、第一及び第二の内向きの荷重側面とスタブ側面から成っていること、
    ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーが弾性変形の限界を有し、又、事前決定された軸方向の圧縮量が、事前決定されたトルクで組立てる場合、ポジティブ・ストップのトルク・ショルダーの弾性変形限界の１／２未満とすること、
    この場合、第一の雌ねじと雄ねじの幅は、第一の内向きの荷重側面及びスタブ側面の両方及び第一の外向きの荷重側面とスタブ側面の間で選択されたクリアランス・ディスタンスを与えるように選択される。その場合、選択されたクリアランス・ディスタンスは、事前決定されたトルクで、接続部の最終組立時に事前決定された軸方向圧縮量の１／２未満とすること、
    から成る２ステップ型ねじ付き筒状接続部。
36. 回転させて、ピン部材を係合させることで、ピンは、そのピン部材の係合状態のステップ内で第一のくさび状の雄ねじ、及び、ピン部材の浮動状態のステップ内で第二のくさび状の雄ねじを有し、第一の雄ねじは荷重側面、スタブ側面、ねじ底及びねじ山を有し、第二の雄ねじは荷重側面、スタブ側面、ねじ底及びねじ山をボックス部材と共に有し、ボックス部材は、そのボックス部材の係合状態のステップの中で第一のくさび状の雌ねじ、及び、そのボックス部材の浮動状態のステップ内で第二のくさび状雌ねじを有し、第一の雌ねじは荷重側面、スラブ側面、ねじ底、ねじ山を有し、第二の雌ねじが荷重側面、スラブ側面、ねじ底、ねじ山を有している。この場合、第一のくさび状の雄ねじと雌ねじで、接続部の組立時に、第二のくさび状の雄ねじの荷重側面とスタブ側面と対応する第二のくさび状の雌ねじのスタブ側面と荷重側面の間に少なくとも一種類の選択されたクリアランスが存在し、その少なくとも一種の選択されたクリアランスが、組立時に筒状の接続部の少なくとも一種類の材料の弾性変形に基づいて選択される、
    ことから成る筒状接続部を製作する方法。

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