JP5667700B2 - 肩部、溝およびビードを有する管要素ならびにその製造方法および装置 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年１２月２日に出願された米国仮特許出願第６１／４１８，９６７号明細書および２０１１年９月２日に出願された米国仮特許出願第６１／５３０，７７１号明細書に基づくものであり、かつその優先権を主張するものである。これら仮特許出願の双方は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、機械式継手によって共に接合された管要素ならびにそのような管要素を作製するための方法および装置に関する。

機械的な管継手によって接合される管要素を設計する際には種々の問題が発生する。このような継手は、ねじ部品によって端部と端部とをつないだ関係において接合される２つ以上の継手セグメントを含む。セグメントは管要素を受容する中心空間を取り囲んでいる。各セグメントは、管要素の外部表面に係合する「キー」として公知である一対の弓状の突起物を有する。キーは管要素の周方向の溝に受容されることが多く、接合部に印加される曲げ力および軸力に対して確実な機械的係合（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）を提供する。各セグメントは、また、環状のガスケットを受容するその一対の弓状の突起物間にチャネルを画定する。ガスケットは、通常、流体密な接合部を生じさせるためセグメントと管要素との間において圧縮されている。

周方向の溝は、有利には、管要素の側壁を冷間加工することによって形成される。その理由は、切込溝とは異なり、材料が管側壁から除去されないため、壁を薄くした管要素に冷間加工プロセスによって溝を付けることができるからである。高圧力および／または高荷重用途における重量およびコスト削減のため、壁を薄くした管要素を使用すると有利である。しかしながら、先行技術の冷間加工法および管設計では、より厚い壁の管要素に使用される類似の切込溝システムが耐えうる高荷重および高圧力に適した継手および管要素係合機能が生成されない。薄い壁の溝付き管要素を機械式継手により接合することを可能とし、かつ高圧力／高荷重用途における使用を可能にする冷間加工によって薄い壁の溝付き管要素の設計および製造を改良することにより得られる明確な利点がある。

本発明は、外径と少なくとも１つの端部とを有する管要素に関する。１つの例において、管要素は端部に配置された肩部を含む。肩部は、管要素のまわりに周方向に延在し、かつ外側に面した表面を有する。外側に面した表面は肩部を除いた管要素の外径よりも大きな外径を有する。溝が肩部の近傍に配置されている。溝は管要素のまわりに周方向に延在している。溝は、肩部と連続して配置された第１の側部表面と、第１の側部表面と離間した関係において配置された第２の側部表面と、第１の側部表面と第２の側部表面との間に延在している下表面と、によって画定される。下表面は溝を除いた管要素の外径よりも小さい外径を有する。

別の実施形態では、管要素は、溝と連続して配置されたビードをさらに含む。ビードは、管要素のまわりに周方向に延在し、かつ管要素から半径方向外側に突出している。ビードは、ビードを除いた管要素の外径よりも大きな外径を有する頂点を有する。

本発明は、また、外径と、第１の端部および第２の端部と、を有する管要素を含む。この実施形態例において、管要素は、それぞれ第１の端部および第２の端部に配置された第１の肩部および第２の肩部を含む。第１の肩部および第２の肩部のそれぞれは、管要素のまわりに周方向に延在し、かつ外側に面した表面を有する。外側に面した表面のそれぞれは、第１の肩部および第２の肩部を除いた管要素の外径よりも大きな外径を有する。この実施形態において、第１の溝および第２の溝はそれぞれ第１の肩部および第２の肩部の近傍に配置されている。第１の溝および第２の溝のそれぞれは管要素のまわりに周方向に延在している。第１の溝および第２の溝のそれぞれは、第１の肩部および第２の肩部の１つと連続して配置された第１の側部表面と、第１の側部表面と離間した関係において配置された第２の側部表面と、第１の側部表面と第２の側部表面との間に延在している下表面と、によってそれぞれ画定される。第１の溝および第２の溝のそれぞれの下表面は、溝を除いた管要素の外径よりも小さい各々の外径を有する。

この実施形態は、それぞれ第１の溝および第２の溝と連続して配置された第１のビードおよび第２のビードをさらに含んでもよい。第１のビードおよび第２のビードのそれぞれは、管要素のまわりに周方向に延在し、かつ管要素から半径方向外側に突出している。第１のビードおよび第２のビードのそれぞれは、第１のビードおよび第２のビードを除いた管要素の外径よりも大きな外径を有する各々の頂点を有する。

本発明は、継手と少なくとも１つの管要素との組み合わせをさらに含む。管要素は、外径と、少なくとも１つの端部とを有する。継手は、端部と端部とをつないで互いに取り付けられ、管要素の端部を受容するための中心空間を取り囲んでいる複数のセグメントを含む。セグメントのそれぞれは、中心空間内に受容された管要素に係合するための弓状面を有する。この実施形態例において、管要素は端部に配置された肩部を含む。肩部は、管要素のまわりに周方向に延在し、かつ外側に面した表面を有する。外側に面した表面は、肩部を除いた管要素の外径よりも大きな外径を有する。溝が肩部の近傍に配置されている。溝は管要素のまわりに周方向に延在している。溝は、肩部と連続して配置された第１の側部表面と、第１の側部表面と離間した関係において配置された第２の側部表面と、第１の側部表面と第２の側部表面との間に延在している下表面と、によって画定される。下表面は、溝を除いた管要素の外径よりも小さい外径を有する。セグメントの弓状面は溝内に受容されている。

この実施形態において、管要素は、溝と連続して配置されたビードをさらに含んでもよい。ビードは、管要素のまわりに周方向に延在し、かつ管要素から半径方向外側に突出している。ビードは、ビードを除いた管要素の外径よりも大きな外径を有する頂点を有する。

別の態様では、本発明は、管要素の側壁に形状を付与するための．第１のローラおよび第２のローラを含む。この態様において、第１のローラの例は、第１の外径を有する第１のセグメントと、第１のセグメントと連続して配置された第２のセグメントと、を含む。第２のセグメントは、第１の外径よりも小さな第２の外径を有する。第３のセグメントは、第２のセグメントと連続して配置されており、かつ第２の外径よりも大きな第３の外径を有する。第８のセグメントは、第３のセグメントと連続して配置されており、かつ第２の外径よりも小さな第８の外径を有する。第９のセグメントは、第８のセグメントと連続して配置されており、かつ第２の外径にほぼ等しい第８の外径を有する。

本発明のこの態様において、第２のローラの例は、第４の外径を有する第４のセグメントと、前記第４のセグメントと連続して配置されており、かつ第４の外径よりも大きな第５の外径を有する第５のセグメントと、を含む。第６のセグメントは、前記第５のセグメントと連続して配置されており、かつ第５の外径よりも小さい第６の外径を有する。第７のセグメントは、前記第６のセグメントと連続して配置されており、かつ第５の外径にほぼ等しい第７の外径を有する。

１つの特定の実施形態では、第５のセグメントは、第４のセグメントの近傍に配置されており、かつ第２の軸線に対して実質的に垂直に配向されている第１の環状面と、第６のセグメントの近傍に配置されており、かつ第２の軸線に対して角度を有して配向されている第２の環状面と、を含む。

本発明は、また、管要素の側壁に形状を付与するために管要素の端部を冷間加工するため第１のローラおよび第２のローラを使用するデバイスを含む。デバイスは支持フレームを含む。第１のローラは、支持フレームに取り付けられており、かつ第１の軸線を中心として回転可能である。第１のローラは管要素の内部表面に係合するようになっている。第１のローラを第１の軸線を中心として回転するための手段も設けられている。第２のローラは、支持フレームに取り付けられており、かつ第１の軸線に実質的に平行して配向されている第２の軸線を中心として回転可能である。第２のローラは、第１のローラに向かう方におよび第１のローラから離れる方に移動可能であり、かつ管要素の外部表面に係合するようになっている。ローラが回転する間、側壁を圧縮するために第２のローラを第１のローラに対して移動するための手段も設けられている。ローラは、支持フレーム上において、
第４のセグメントが第１のセグメントと整列するように、
第５のセグメントが第２のセグメントと整列するように、
第６のセグメントが第３のセグメントと整列するように、
互いに配置されている。

回転手段は、電動モータまたはポンプによって作動する油圧モータを含んでもよく、移動手段は、例として、油圧式アクチュエータまたはねじジャッキを含んでもよい。

本発明は、第１のローラと第２のローラとの組み合わせを使用することによって、内部表面および外部表面を有する管要素の側壁に形状を付与する方法をさらに含む。１つの例において、方法は、
第１のローラの第１のセグメントの第１の箇所において管要素の内部表面に接触させるステップと、
第２のローラの第５のセグメントの第３の箇所において管要素の外部表面に接触させるステップと、
第１のローラおよび第２のローラの１つを回転し、それによって第１のローラおよび第２のローラのもう一方ならびに管要素を回転させるステップであって、第１のローラが管要素の内部表面を周方向に横断し、第２のローラが管要素の外部表面を周方向に横断する、ステップと、
第１のローラおよび第２のローラの１つを第１のローラおよび第２のローラのもう一方の方に移動し、管要素の内部表面と、第１のローラの第１のセグメントおよび第３のセグメントとの間の接触を通じて、ならびに管要素の外部表面と、第２のローラの第５のセグメントおよび第７のセグメントとの間の接触を通じて管要素の側壁を変形させるステップと、
第１のローラおよび第２のローラの１つを第１のローラおよび第２のローラのもう一方の方に移動し続け、第１のローラの第１のセグメントと、第２のローラの第４のセグメントとの間において管要素の側壁を圧縮するステップと、
第１のローラおよび第２のローラの１つを第１のローラおよび第２のローラのもう一方の方に移動し続け、第１のローラの第２のセグメントと第２のローラの第５のセグメントとの間において管要素の側壁を圧縮するステップと、
第１のローラおよび第２のローラの１つを第１のローラおよび第２のローラのもう一方の方に移動し続け、第１のローラの第３のセグメントと、第２のローラの第５のセグメントおよび第７のセグメントとの間において管要素の側壁を圧縮するステップと、を含む。

本発明は、管要素の周方向肩部、溝およびビードを形成するためのスピン形成法をさらに含む。スピン形成法の例は、
管要素の端部を金型内に捕捉するステップと、
管要素内にツールを挿入するステップと、
ツールを軌道内において管要素の長手方向の軸線を中心として回転させるステップと、
ツールを回転させる間、ツールを管要素の内部表面に押し付けるために軌道の直径を増加させるステップと、
管要素を金型に適合させてその中に周方向肩部を形成するステップであって、肩部が管要素の残部の外径よりも大きな外径を有する、ステップと、
管要素を金型に適合させてその中に周方向のビードを形成するステップであって、ビードが管要素の残部の外径よりも大きな外径を有する頂点を有する、ステップと、
増加する直径を有する軌道においてツールが回転する間、管要素の内部表面にツールを押し付け、管の、肩部とビードとの間の部分を、半径方向内側に、金型から離れる方に移動させ、それによって溝を形成するステップであって、溝は管要素の残部の外径よりも小さな外径を有する、ステップと、を含む。
本明細書は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
外径と少なくとも１つの端部とを有する管要素であって、
上記端部に配置された肩部であって、上記肩部が、上記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ外側に面した表面を有し、上記外側に面した表面は上記肩部を除いた上記管要素の上記外径よりも大きな外径を有する、肩部と、
上記肩部の近傍に配置された溝であって、上記溝が、上記管要素のまわりに周方向に延在しており、上記溝が、上記肩部と連続して配置された第１の側部表面と、上記第１の側部表面と離間した関係において配置された第２の側部表面と、上記第１の側部表面と上記第２の側部表面との間に延在している下表面と、によって画定されており、上記下表面が上記溝を除いた上記管要素の上記外径よりも小さい外径を有する、溝と、
を含む、管要素。
（項目２）
上記溝と連続して配置されたビードをさらに含み、上記ビードが、上記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ上記管要素から半径方向外側に突出しており、上記ビードを除いた上記管要素の上記外径よりも大きな外径を有する頂点を有する、項目１に記載の管要素。
（項目３）
上記頂点の上記外径が上記肩部の上記外側に面した表面の上記外径よりも小さい、項目２に記載の管要素。
（項目４）
上記第１の側部表面が上記管要素の長手方向の軸線に対して実質的に垂直に配向されている、項目１に記載の管要素。
（項目５）
上記第１の側部表面が上記管要素の長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、項目１に記載の管要素。
（項目６）
上記第１の側部表面が上記長手方向の軸線に対して測定された約８０°〜約８５°の配向角度を有する、項目５に記載の管要素。
（項目７）
上記第２の側部表面が上記管要素の上記長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、項目１に記載の管要素。
（項目８）
上記第２の側部表面が上記長手方向の軸線に対して測定された約４０°〜約７０°の配向角度を有する、項目７に記載の管要素。
（項目９）
上記第２の側部表面が上記長手方向の軸線に対して測定された約４５°〜約６５°の配向角度を有する、項目７に記載の管要素。
（項目１０）
上記第２の側部表面が上記長手方向の軸線に対して測定された約５５°の配向角度を有する、項目７に記載の管要素。
（項目１１）
上記肩部が、上記第１の側部表面と連続して配置された外側に面した曲面をさらに含み、上記外側に面した曲面が、上記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ上記管要素の長手方向の軸線に対して垂直に配向されている軸線上に曲率中心を有する、項目１に記載の管要素。
（項目１２）
上記管要素が内径を有し、上記溝が上記管要素の上記内径にほぼ等しい内径を有する、項目１に記載の管要素。
（項目１３）
外径と、第１の端部および第２の端部とを有する管要素であって、
それぞれ、上記第１の端部および上記第２の端部に配置された第１の肩部および第２の肩部であって、上記第１の肩部および上記第２の肩部のそれぞれが上記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ外側に面した表面を有し、上記外側に面した表面のそれぞれが上記第１の肩部および上記第２の肩部を除いた上記管要素の上記外径よりも大きな外径を有する、第１の肩部および第２の肩部と、
それぞれ、上記第１の肩部および上記第２の肩部の近傍に配置された第１の溝および第２の溝であって、上記第１の溝および上記第２の溝のそれぞれが上記管要素のまわりに周方向に延在しており、上記第１の溝および上記第２の溝のそれぞれが、それぞれ、上記第１の肩部および上記第２の肩部の１つと連続して配置された第１の側部表面と、上記第１の側部表面と離間した関係において配置された第２の側部表面と、上記第１の側部表面と上記第２の側部表面との間に延在している下表面と、によって画定されており、上記第１の溝および上記第２の溝のそれぞれの上記下表面が上記溝を除いた上記管要素の上記外径よりも小さい各々の外径を有する、第１の溝および第２の溝と、
を含む、管要素。
（項目１４）
それぞれ、上記第１の溝および上記第２の溝と連続して配置された第１のビードおよび第２のビードをさらに含み、上記第１のビードおよび上記第２のビードのそれぞれが上記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ上記管要素から半径方向外側に突出しており、上記第１のビードおよび上記第２のビードのそれぞれが上記第１のビードおよび上記第２のビードを除いた上記管要素の上記外径よりも大きな外径を有する各々の頂点を有する、項目１３に記載の管要素。
（項目１５）
上記第１のビードおよび上記第２のビードの上記頂点のそれぞれの上記外径が上記第１の肩部および上記第２の肩部の上記外側に面した表面の上記外径よりも小さい、項目１４に記載の管要素。
（項目１６）
上記第１の溝および上記第２の溝のそれぞれの上記第１の側部表面が上記管要素の長手方向の軸線に対して実質的に垂直に配向されている、項目１３に記載の管要素。
（項目１７）
上記第１の側部表面が上記管要素の長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、項目１３に記載の管要素。
（項目１８）
上記第１の側部表面が上記長手方向の軸線に対して測定された約８０°〜約８５°の配向角度を有する、項目１７に記載の管要素。
（項目１９）
上記第１の溝および上記第２の溝のそれぞれの上記第２の側部表面が上記管要素の上記長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、項目１３に記載の管要素。
（項目２０）
上記第１の溝および上記第２の溝のそれぞれの上記第２の側部表面が上記長手方向の軸線に対して約４０°〜約７０°の角度で配向されている、項目１９に記載の管要素。
（項目２１）
上記第１の溝および上記第２の溝のそれぞれの上記第２の側部表面が上記長手方向の軸線に対して約４５°〜約６５°の角度で配向されている、項目１９に記載の管要素。
（項目２２）
上記第１の溝および上記第２の溝のそれぞれの上記第２の側部表面が上記長手方向の軸線に対して約５５°の角度で配向されている、項目１９に記載の管要素。
（項目２３）
上記第１の肩部および上記第２の肩部のそれぞれが、上記第１の溝および上記第２の溝の上記第１の側部表面の各々１つと連続して配置された、外側に面した曲面をさらに含み、上記外側に面した曲面のそれぞれが上記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ上記管要素の長手方向の軸線に対して垂直に配向されている各々の軸線上に曲率中心を有する、項目１３に記載の管要素。
（項目２４）
上記第１の端部と上記第２の端部とが互いに反対方向に配置されている、項目１３に記載の管要素。
（項目２５）
継手と少なくとも１つの管要素との組み合わせであって、上記管要素が外径と少なくとも１つの端部とを有し、
上記継手が、
上記管要素の上記端部を受容するための中心空間を取り囲む少なくとも１つのセグメントであって、上記少なくとも１つのセグメントが上記中心空間内に受容された上記管要素に係合するための弓状面を有する、セグメントを含み、
上記管要素が、
上記端部に配置された肩部であって、上記肩部が、上記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ外側に面した表面を有し、上記外側に面した表面が上記肩部を除いた上記管要素の上記外径よりも大きな外径を有する、肩部と、
上記肩部の近傍に配置された溝であって、上記溝が、上記管要素のまわりに周方向に延在しており、上記溝が、上記肩部と連続して配置された第１の側部表面と、上記第１の側部表面と離間した関係において配置された第２の側部表面と、上記第１の側部表面と上記第２の側部表面との間に延在している下表面と、によって画定されており、上記下表面が、上記溝を除いた上記管要素の上記外径よりも小さい外径を有し、上記セグメントの上記弓状面が上記溝内に受容されている、溝と、
を含む、組み合わせ。
（項目２６）
上記管要素が、上記溝と連続して配置されたビードをさらに含み、上記ビードが上記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ上記管要素から半径方向外側に突出しており、上記ビードを除いた上記管要素の上記外径よりも大きな外径を有する頂点を有する、項目２５に記載の組み合わせ。
（項目２７）
上記頂点の上記外径が上記肩部の上記外側に面した表面の上記外径よりも小さい、項目２６に記載の組み合わせ。
（項目２８）
上記第１の側部表面が上記管要素の長手方向の軸線に対して実質的に垂直に配向されている、項目２５に記載の組み合わせ。
（項目２９）
上記第１の側部表面が上記管要素の長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、項目２５に記載の組み合わせ。
（項目３０）
上記第１の側部表面が上記長手方向の軸線に対して測定された約８０°〜約８５°の配向角度を有する、項目２９に記載の組み合わせ。
（項目３１）
上記第２の側部表面が上記管要素の上記長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、項目２５に記載の組み合わせ。
（項目３２）
上記第２の側部表面が上記長手方向の軸線に対して約４０°〜約７０°の角度で配向されている、項目３１に記載の組み合わせ。
（項目３３）
上記第２の側部表面が上記長手方向の軸線に対して約４５°〜約６５°の角度で配向されている、項目３１に記載の組み合わせ。
（項目３４）
上記第２の側部表面が上記長手方向の軸線に対して約５５°の角度で配向されている、項目３１に記載の組み合わせ。
（項目３５）
上記肩部が、上記第１の側部表面と連続して配置された外側に面した曲面をさらに含み、上記外側に面した曲面が、上記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ上記管要素の長手方向の軸線に対して垂直に配向されている軸線上に曲率中心を有する、項目２５に記載の組み合わせ。
（項目３６）
上記継手が、端部と端部とをつないで互いに取り付けられ上記中心空間を取り囲んでいる複数のセグメントを含み、上記セグメントのそれぞれの上記弓状面のそれぞれが、
上記溝の上記第１の側部表面と面した関係にある第１の側方表面と、
上記溝の上記第２の側部表面と面した関係にある第２の側方表面と、
上記溝の上記下表面と面した関係にある半径方向の表面と、
を含む、項目２５に記載の組み合わせ。
（項目３７）
上記第１の側方表面が上記管要素の長手方向の軸線に対して実質的に垂直に配向されている、項目３６に記載の組み合わせ。
（項目３８）
上記第１の側方表面が上記管要素の長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、項目３６に記載の組み合わせ。
（項目３９）
上記第１の側方表面が上記長手方向の軸線に対して測定された約８０°〜約８５°の配向角度を有する、項目３８に記載の組み合わせ。
（項目４０）
上記第２の側方表面が上記管要素の上記長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、項目３６に記載の組み合わせ。
（項目４１）
上記第２の側方表面が、上記第２の側部表面が上記管要素の上記長手方向の軸線に対して配向されている角度に等しい角度で配向されている、項目４０に記載の組み合わせ。
（項目４２）
上記弓状面のそれぞれの上記第２の側方表面が上記長手方向の軸線に対して約４０°〜約７０°の角度で配向されている、項目４０に記載の組み合わせ。
（項目４３）
上記弓状面のそれぞれの上記第２の側方表面が上記長手方向の軸線に対して約４５°〜約６５°の角度で配向されている、項目４０に記載の組み合わせ。
（項目４４）
上記弓状面のそれぞれの上記第２の側方表面が上記長手方向の軸線に対して約５５°の角度で配向されている、項目４０に記載の組み合わせ。
（項目４５）
上記継手が上記セグメントの２つを含み、上記セグメントがヒンジを使用して互いに取り付けられている、項目３６に記載の組み合わせ。
（項目４６）
上記継手が上記セグメントの２つを含み、上記セグメントが上記セグメントの両端に配置された締結具を使用し端部と端部とをつないで互いに取り付けられている、項目３６に記載の組み合わせ。
（項目４７）
上記第１の側方表面が、上記溝の上記第１の側部表面に接触している、項目３６に記載の組み合わせ。
（項目４８）
上記第２の側方表面が上記溝の上記第２の側部表面に接触している、項目４７に記載の組み合わせ。
（項目４９）
管要素の側壁に形状を付与するための第１のローラと第２のローラとの組み合わせであって、
上記第１のローラが、
第１の外径を有する第１のセグメントと、
上記第１のセグメントと連続して配置されており、かつ上記第１の外径よりも小さな第２の外径を有する第２のセグメントと、
上記第２のセグメントと連続して配置されており、かつ上記第２の外径よりも大きな第３の外径を有する第３のセグメントと、を含み、
上記第２のローラが、
第４の外径を有する第４のセグメントと、
上記第４のセグメントと連続して配置されており、かつ上記第４の外径よりも大きな第５の外径を有する第５のセグメントと、
上記第５のセグメントと連続して配置されており、かつ上記第５の外径よりも小さい第６の外径を有する第６のセグメントと、
上記第６のセグメントと連続して配置されており、かつ上記第５の外径にほぼ等しい第７の外径を有する第７のセグメントと、
を含む、組み合わせ。
（項目５０）
上記第５のセグメントが、
上記第４のセグメントの近傍に配置された第１の環状面と、
上記第６のセグメントの近傍に配置されており、かつ上記第２の軸線に対して角度を有して配向されている第２の環状面と、
を含む、項目４９に記載の組み合わせ。
（項目５１）
上記第１の環状面が上記管要素の長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、項目５０に記載の組み合わせ。
（項目５２）
上記第１の環状面が上記長手方向の軸線に対して測定された約８０°〜約８５°の配向角度を有する、項目５１に記載の組み合わせ。
（項目５３）
上記第２の環状面が上記第２の軸線に対して約４０°〜約７０°の角度で配向されている、項目５０に記載の組み合わせ。
（項目５４）
上記第２の環状面が上記第２の軸線に対して約４５°〜約６５°の角度で配向されている、項目５０に記載の組み合わせ。
（項目５５）
上記第２の環状面が上記第２の軸線に対して約５５°の角度で配向されている、項目５０に記載の組み合わせ。
（項目５６）
上記形状を上記側壁に付与するために管要素の端部を冷間加工するためのデバイスで使用される項目４９に記載の組み合わせであって、
上記デバイスが、
支持フレームであって、
上記第１のローラが上記支持フレームに取り付けられており、かつ第１の軸線を中心として回転可能であり、上記第１のローラが上記管要素の内部表面に係合するようになっている、支持フレームと、
上記第１のローラを上記第１の軸線を中心として回転するための手段であって、
上記第２のローラが上記支持フレームに取り付けられており、かつ上記第１の軸線に実質的に平行して配向されている第２の軸線を中心として回転可能であり、上記第２のローラが上記第１のローラに向かう方におよび上記第１のローラから離れる方に移動可能であり、かつ上記管要素の外部表面に係合するようになっている、手段と、
上記ローラが回転する間、上記側壁を上記第１のローラと上記第２のローラとの間において圧縮するために、上記第２のローラを上記第１のローラに対して移動するための手段であって、上記ローラが、上記支持フレーム上に、
上記第４のセグメントが上記第１のセグメントと整列するように、
上記第５のセグメントが上記第２のセグメントと整列するように、
上記第６のセグメントが上記第３のセグメントと整列するように、
上記第７のセグメントが上記第４のセグメントおよび上記第５のセグメントの少なくとも一部と整列するように、互いに配置されている、手段と、
を含む、組み合わせ。
（項目５７）
上記第１のローラが、
上記第３のセグメントと連続して配置されており、かつ上記第２の外径よりも小さな第８の外径を有する第８のセグメントと、
上記第８のセグメントと連続して配置されており、かつ上記第２の外径にほぼ等しい第８の外径を有する第９のセグメントと、
をさらに含む、項目５０に記載の組み合わせ。
（項目５８）
上記回転手段が電動モータを含み、上記移動手段が油圧式アクチュエータを含む、項目５６に記載の組み合わせ。
（項目５９）
項目５６に記載の第１のローラと第２のローラとの上記組み合わせを使用することにより内部表面および外部表面を有する上記管要素の上記側壁に上記形状を付与する方法であって、
上記第１のローラの上記第１のセグメントの第１の箇所において上記内部表面に接触させるステップと、
上記第２のローラの上記第５のセグメントの第３の箇所において上記外部表面に接触させるステップと、
上記第１のローラおよび上記第２のローラの１つを回転し、それによって上記第１のローラおよび上記第２のローラのもう一方ならびに上記管要素を回転させるステップであって、上記第１のローラが上記内部表面を周方向に横断し、上記第２のローラが上記外部表面を周方向に横断する、ステップと、
上記第１のローラおよび上記第２のローラの１つを上記第１のローラおよび上記第２のローラのもう一方の方に移動し、上記管要素の上記側壁を、上記内部表面と、上記第１のローラの上記第１のセグメントおよび上記第３のセグメントとの間の接触を通じて、ならびに上記外部表面と、上記第２のローラの上記第５のセグメントおよび上記第７のセグメントとの間の接触を通じて変形するステップと、
上記第１のローラおよび上記第２のローラの１つを上記第１のローラおよび上記第２のローラのもう一方の方に移動し続け、上記第１のローラの上記第１のセグメントと、上記第２のローラの上記第４のセグメントとの間において上記管要素の上記側壁を圧縮するステップと、
上記第１のローラおよび上記第２のローラの１つを上記第１のローラおよび上記第２のローラのもう一方の方に移動し続け、上記第１のローラの上記第２のセグメントと、上記第２のローラの上記第５のセグメントとの間において上記管要素の上記側壁を圧縮するステップと、
上記第１のローラおよび上記第２のローラの１つを上記第１のローラおよび上記第２のローラのもう一方の方に移動し続け、上記第１のローラの上記第３のセグメントと、上記第２のローラの上記第５のセグメントおよび上記第７のセグメントとの間において上記管要素の上記側壁を圧縮するステップと、
を含む、方法。
（項目６０）
上記第１のローラと上記第２のローラとの間にない上記管要素の内径にほぼ等しい内径を有する上記ローラの上記第２のセグメントと上記第５のセグメントとの間において上記管要素の一部を形成するために、上記第１のローラの上記第２のセグメントと、上記第２のローラの上記第５のセグメントとの間において上記管要素の上記側壁を圧縮するステップをさらに含む、項目５９に記載の方法。
（項目６１）
管要素に周方向肩部および溝を形成する方法であって、
上記管要素の端部を金型内に捕捉するステップと、
上記管要素内にツールを挿入するステップと、
上記ツールを軌道内において上記管要素の長手方向の軸線を中心として回転するステップと、
上記ツールを回転する間、上記ツールを上記管要素の内部表面に押し付けるために上記軌道の直径を増加するステップと、
上記管要素を上記金型に適合させてその中に上記周方向肩部を形成するステップであって、上記肩部が上記管要素の残部の外径よりも大きな外径を有する、ステップと、
増加する直径を有する上記軌道において上記ツールを回転する間、上記ツールを上記管要素の上記内部表面に押し付け、上記肩部の近傍にある上記管の部分を上記金型から離れる方に半径方向内側に移動させ、それによって、上記周方向の溝を形成するステップであって、上記溝が上記管要素の上記残部の上記外径よりも小さな外径を有する、ステップと、
を含む、方法。
（項目６２）
上記管要素を上記金型に適合させてその中に周方向のビードを形成するステップであって、上記ビードが上記管要素の上記残部の上記外径よりも大きな外径を有する頂点を有する、ステップをさらに含む、項目６１に記載の方法。
（項目６３）
管要素に周方向のビードおよび溝を形成する方法であって、
上記管要素の端部を金型内に捕捉するステップと、
上記管要素内にツールを挿入するステップと、
上記ツールを軌道内において上記管要素の長手方向の軸線を中心として回転するステップと、
上記ツールを回転する間、上記ツールを上記管要素の内部表面に押し付けるために上記軌道の直径を増加するステップと、
上記管要素を上記金型に適合させてその中に上記周方向のビードを形成するステップであって、上記ビードが上記管要素の残部の外径よりも大きな外径を有する頂点を有する、ステップと、
増加する直径を有する上記軌道において上記ツールを回転する間、上記ツールを上記管要素の上記内部表面に押し付け、上記ビードの近傍にある上記管の部分を上記金型から離れる方に半径方向内側に移動させ、それによって上記溝を形成するステップであって、上記溝が上記管要素の上記残部の上記外径よりも小さな外径を有するステップと、
を含む、方法。
（項目６４）
上記管要素を上記金型に適合させてその中に周方向肩部を形成するステップをさらに含み、上記肩部が上記管要素の上記残部の上記外径よりも大きな外径を有する、項目６３に記載の方法。
（項目６５）
管要素に周方向肩部、溝およびビードを形成する方法であって、
上記管要素の端部を金型内に捕捉するステップと、
上記管要素内にツールを挿入するステップと、
上記ツールを軌道内において上記管要素の長手方向の軸線を中心として回転するステップと、
上記ツールを回転する間、上記ツールを上記管要素の内部表面に押し付けるために上記軌道の直径を増加するステップと、
上記管要素を上記金型に適合させてその中に周方向肩部を形成するステップであって、上記肩部が上記管要素の残部の外径よりも大きな外径を有する、ステップと、
上記管要素を上記金型に適合させてその中に周方向のビードを形成するステップであって、上記ビードが上記管要素の上記残部の上記外径よりも大きな外径を有する頂点を有するステップと、
増加する直径を有する上記軌道において上記ツールを回転する間、上記ツールを上記管要素の上記内部表面に押し付け、上記管の、上記肩部と上記ビードとの間の部分を上記金型から離れる方に半径方向内側に移動させ、それによって上記溝を形成するステップであって、上記溝が上記管要素の上記残部の上記外径よりも小さな外径を有する、ステップと、
を含む、方法。

管要素の例の長手方向断面図である。 管要素の例の長手方向断面図である。 管要素の例を含むバルブの等角図である。 管要素と管継手との組み合わせの組立分解等角図である。 管継手の実施形態の立面図である。 管継手の実施形態の立面図である。 管要素と管継手との組み合わせの長手方向断面図である。 管要素と管継手との組み合わせの長手方向断面図である。 管要素と管継手との組み合わせの長手方向断面図である。 ロール成形法を使用して管要素を製造するためのロール成形機械の例の等角図である。 管要素をロール成形するために使用されるローラの組み合わせの例の立面図である。 管要素をロール成形する方法の例を示す長手方向断面図である。 管要素をロール成形する方法の例を示す長手方向断面図である。 管要素をロール成形する方法の例を示す長手方向断面図である。 スピン形成法を使用して管要素を製造するためのスピン形成機械の例の概略図である。 図１２に示すスピン形成機械の概略端面図である。 管要素をスピン形成する方法の例を示す長手方向断面図である。 管要素をスピン形成する方法の例を示す長手方向断面図である。 管要素をスピン形成する方法の例を示す長手方向断面図である。

本発明は、管要素と、管要素と継手との組み合わせと、継手を受容するための管要素を冷間加工し、流体密な接合部を形成するための方法およびデバイスとに関する。この文書全体を通して、「管要素」という用語は、例えば、図１に示すようなパイプストック１０はもとより、図２に示すバルブ１４などの流体処理または制御構成要素の管状部１２を含む、任意の管状構造を意味する。ポンプおよびストレーナなどの他の構成要素ならびにＴ継手、エルボ、ベンドおよび径違い継手などの取付具もまた本明細書中に定義される「管要素」を有するまたは含むものとして含まれる。

図１に示すように、管要素１０は、長手方向の軸線１８上の管要素の曲率中心の点を通過する外径１６を有する。管要素１０の少なくとも１つの端部２０は、機械式継手（図示せず）のキーを受容するように構成されており、この構成は、端部２０に配置された肩部２２と、肩部２２の近傍に配置された溝２４と、溝２４と連続して配置されたビード２６と、を含む。

図１に詳細に図示されているように、肩部２２は管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ外側に面した表面２８を有する。表面２８は、肩部を除いた管要素１０の外径１６よりも大きな外径３０を有する。肩部３０は、また、外側に面した曲面３２を有する。曲面３２は、また、管要素のまわりに周方向に延在しており、管要素１０の長手方向の軸線１８に対して垂直に配向された軸線３４上に曲率中心を有する。図１において、軸線３４は表示面（ｖｉｅｗｉｎｇ ｐｌａｎｅ）に対して垂直に示されている。故に、終端して示されている。

溝２４は、肩部３０の曲面３２と連続して配置された第１の側部表面３６によって画定される。側部表面３６は角度を有して配向されてもよい。配向角度４１は、長手方向の軸線１８に対して約８０°〜約８５°の範囲であってもよい。別の実施形態では、側部表面３６は、長手方向の軸線１８に対して実質的に垂直に配向されてもよい。本明細書において「実質的に垂直に」とは、厳密に垂直でなくともよいが、製造法および製造公差の点において実施できるように設けられた角度配向を意味する。第１の側部表面３６の垂直配向は、管要素を半径方向に補強し、かつその真円度の維持を補助する。

第２の側部表面３８はさらに溝２４を画定する。第２の側部表面３８は、第１の側部表面３６と離間した関係において配置されており、かつ長手方向の軸線１８に対して角度を有して配向されている。側部表面３８は、約４０°〜約７０°または約４５°〜約６５°の配向角度４０を有してもよい。図１に示す特定の実施形態において、配向角度４０は約５５°であり、これは、図３〜６に示すように、溝が機械式継手のキーを受容する場合に有利と考えられる。

下表面４２が溝２４の第１の側部表面３６と第２の側部表面３８との間に延在している。示される実施形態例において、下表面４２は、長手方向の軸線１８に実質的に平行しており、かつ溝を除いた管要素の外径１６よりも小さい外径４４を有する。溝２４は、また、図１に示す実施形態においては、管要素１０の内径１９にほぼ等しい内径１７を有する。

ビード２６は、溝２４の第２の側部表面３８と連続して配置されており、また、管要素のまわりに周方向に延在している。ビード２６は、軸線１８から離れる方に外側に突出しており、かつビードを除いた管要素の外径１６よりも大きな外径４８を有する頂点４６を有する。図１に示す実施形態例において、頂点４６の直径４８は肩部２２の外径３０よりも小さい。ビード２６は管要素の半径方向の剛性を増加し、それによってその真円度の維持を補助する。

図１Ａに示すように、ビードのない管要素の実施形態１０ａも実現可能である。図１に示した実施形態１０と同様、図１Ａの実施形態１０ａにおいて、下表面４２は長手方向の軸線１８に実質的に平行しており、かつ溝を除いた管要素の外径１６よりも小さい外径４４を有する。溝２４は、また、管要素１０ａの内径１９にほぼ等しい内径１７を有する。

パイプストックにおいては、管要素１０の端部の構成（肩部２２、溝２４およびビード２６）は両端（明確化のため図示せず）において同じであるが、端部が異なりうる他の構成もまた実現可能である。さらに、バルブ１４の両端にある管要素５０は、また、機械式継手を使用してバルブもしくは任意の他の流体制御部品または取付具を他の管要素に接合することを可能にする上記の端部構成を有する。この例を図３、図３Ａおよび図３Ｂに示す。その代わりに、バルブおよび他の流体制御部品および取付具は、また、異なる端部構成を有してもよい。

図３に示す一実施形態において、機械式継手５２は、この例ではねじ部品５６により端部と端部とをつないだ関係において互いに取り付けられた２つ以上のセグメント５４を含む。セグメント５４は中心空間５８を取り囲んでいる。中心空間５８は、管要素１０を受容しそれを流体密な接合部において結合する。エラストマガスケット６０がセグメント５４間に捕捉されており、かつ流体密を確実にするため肩部２４の外側に面した表面２８に係合している内側に面した密封面６２を有する。各セグメントは、中心空間に向かって内方に突出しており、かつ管要素１０の溝２４内に受容された一対の弓状面またはキー６４を有する。

図３Ａに示す別の実施形態において、継手５３は、離間して面した関係にある端部５７および端部５９を有する単体構造の本体５５により形成された単一のセグメントを含む。ボルトパッド６１が端部５７および端部５９から延在しており、締結具の締め付け時、それらを互いに引き寄せるために締結具６３がボルトパッド間に延在している。単体構造の本体は、接合部を形成するために管要素を受容している中心空間６５を取り囲んでいる。継手５３の両側において離間した関係にあるキー６７は単体構造の本体５５に沿って周方向に延在しており、かつ半径方向内側に突出している。上述したものに類似するガスケット６０がキー間に配置されている。締結具６３の締め付けによりキー６７が引き寄せられて管要素の溝と係合し、単体構造の本体５５と管要素との間においてガスケット６０が圧縮される。

図３Ｂは、ヒンジ７５により一端において接合された２つのセグメント７１および７３で形成された別の継手実施形態６９を示す。セグメントの反対端７７および７９は離間して面した関係にあり、かつ締結具８１によって連結されている。セグメント７１およびセグメント７３は、また、離間した関係にある周方向のキー８３を有し、かつガスケット６０がそれらの間に配置されている。セグメントは、接合部を形成するために管要素を受容している中心空間６５を取り囲んでいる。締結具８１の締め付けによりキー８３が引き寄せられて管要素の溝と係合し、セグメントと管要素との間においてガスケット６０が圧縮される。

まず、継手５２を分解し（図３を参照）、管要素のうちの１つの端部上にガスケット６０をすべらせるようにしてはめることによって接合部を２つの管要素１０間に形成してもよい。その後、もう一方の管要素の端部を第１の管要素の端部と近接して整列し、ガスケットの密封面６２を各管要素の肩部２４の各々の外部表面２８に係合させた状態で、２つの管要素の端部間にある小さな間隙を埋めるようにガスケットを配置する。次に、継手セグメント５４が配置され、キー６４が各管要素の各々の溝２４と整列した状態でガスケット６０および管要素の端部を取り囲む。その後、流体密な接合部を形成するために、締結具５６を取り付け、セグメントを互いに対して引き寄せて各々の溝２４内にキー６４を係合させ、ガスケット６０を管要素に対して圧縮するように締め付ける。

別実施形態において、図４〜６は、設置の準備が整った型の継手５２と管要素１０の係合を詳細に示す。この継手５２では、セグメント５４が事前に組み立てられ、締結具５６によって互いに離間した関係に維持されており、セグメントがガスケット６０に支持されている。図４および図５に示すように、継手を分解することなく管要素１０を中心空間５８内に挿入することができるようにセグメントは十分に離れている。肩部２２の外側に面した表面２８はガスケット６０の密封面６２に係合しており、キー６４は管要素のそれぞれの溝２４と整列していることに留意されたい。図６に示すように、セグメント５４を互いに接合している締結具５６（図１も参照のこと）が締められ、セグメントを互いに対して引き寄せる。これにより、管要素に対してガスケット６０を圧縮して密封を生じさせるとともに、キー６４を溝２４内に押し込み、接合を生じさせるために継手と管要素１０との間に確実な機械的連結（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を生じさせる。図６に詳細に示す一実施形態において、キー６４は溝に合う断面形状を有し、キーは、第１の側方キー面６６が溝の第１の側部表面３６に係合し、第２の側方キー面６８が、角度を有して配向されている、溝の第２の側部表面３８と係合するような寸法である。面と面との接触を最大にするため、表面６８と表面３８とが相補的な配向角度を有していると有利である。管要素の長手方向の軸線１８に対して測定された側方キー面６８の配向角度（図１も参照のこと）は約４０°〜約７０°または約４５°〜約６５°または約５５°が考えられる。また、表面６６と表面３６とが相補的な配向角度を有していると有利である。管要素の長手方向の軸線１８に対して測定された側方キー面６６の配向角度（図１も参照のこと）は約８０°〜約８５°が考えられる。

一般に、この実施形態においては、溝の下表面４２とキー６４の半径方向に面した表面７２との間に間隙７０がある。これは、管要素および継手の双方における公差の相違によるものである。表面４２と表面７２との間にある幾分の間隙は、接合部に剛性を付与するくさび止め作用を用いてキーを溝に係合し、軸方向の圧縮荷重および引張荷重下において管要素を互いに離間した関係に維持することを確実とするのに有利である。図３Ａおよび図３Ｂに示した継手実施形態５３および６９を使用した接合部の形成は設置の準備が整った実施形態において上に説明したものと同様に行われる。例えば、垂直キー面６６のみが溝の第１の側部表面３６に接触している他の実施形態、または角度を有して配向されたキー面６８のみが溝２４の第２の側部表面３８に接触している他の実施形態もまた実現可能である。少なくとも最初に接合部に負荷がかけられるまでいずれのキー面も溝表面に接触せず、継手のセグメントがガスケット６０上に浮いていることもまた可能である。

ロール成形
図７は、管要素の端部をロール成形し、その側壁に形状を付与するためのデバイス７４を示す。デバイス７４は、第１のまたは内部ローラ７８および第２のまたは外部ローラ８０が取り付けられた支持フレーム７６を含む。軸線８２を中心として回転するために内部ローラ７８が取り付けられており、本明細書中に開示される冷間加工プロセス時、管要素の内部表面を係合および支持するようになっている。内部ローラを回転するための手段８４がデバイス７４に設けられている。そのような手段は、例えば、電動モータまたはポンプによって作動する油圧モータを含んでもよい。外部ローラ８０は、ヨーク８６に取り付けられており、かつ内部ローラ７８の回転軸線８２と実質的に平行している軸線８８の周りを自由回転する。ヨーク８６は、外部ローラ８０を内部ローラ７８に向かう方におよび内部ローラ７８から離れる方に移動することを可能にすることによって、ロール成形時、それが管要素の外部表面に係合できるようにする。ヨーク８６上の外部ローラ８０を移動するために手段９０が設けられており、そのような手段は、例えば、油圧式アクチュエータまたはねじジャッキを含んでもよい。

本発明による内部ローラ７８と外部ローラ８０とのローラの組み合わせ９２の例を図８に詳細に示す。本明細書中に記載したように、内部ローラ７８は、外部ローラ８０を含む種々のセグメントと協働する（と同様に、それら各々の外径によって互いに識別可能な）異なる外径を有する複数のセグメントから形成されており、所望の形状を管要素の側壁に付与している。内部ローラ７８は、外径９４ａを有する第１のセグメント９４と、第１のセグメントと連続して配置されており、かつ外径９４ａよりも小さな外径９６ａを有する第２のセグメント９６と、第２のセグメントと連続して配置されており、かつ外径９６ａよりも大きな外径９８ａを有する第３のセグメント９８と、第３のセグメントと連続して配置されており、かつ外径９６ａよりも小さな外径１００ａを有する第４のセグメント１００と、第４のセグメントと連続して配置されており、かつ外径９６ａにほぼ等しい外径１０２ａを有する第５のセグメント１０２と、を備える。同様に、外部ローラ８０は、外径１０４ａを有する第１のセグメント１０４と、第１のセグメント１０４と連続して配置されており、かつ外径１０４ａよりも大きな外径１０６ａを有する第２のセグメント１０６と、第２のセグメント１０６と連続して配置されており、かつ外径１０６ａよりも小さい外径１０８ａを有する第３のセグメント１０８と、第３のセグメント１０８と連続して配置されており、かつ外径１０６ａにほぼ等しい外径１１０ａを有する第４のセグメント１１０と、を備える。

管要素の側壁を冷間加工するため、図８に示したローラの組み合わせがデバイス７４に取り付けられている場合、ローラは互いに協働して所望の側壁形状を付与するように整列されている。図８〜１１に示す例では、内部ローラ７８のセグメント９４は外部ローラ８０のセグメント１０４と整列しており、内部ローラのセグメント９６は外部ローラのセグメント１０６と整列しており、内部ローラのセグメント９８は外部ローラのセグメント１０８と整列しており、内部ローラのセグメント１００およびセグメント１０２は外部ローラのセグメント１１０と整列している。

同じローラ上に異なる外径を有する連続するセグメントがある場合に形成される、ローラのそれぞれの環状面も対において互いに協働し、管要素の側壁に所望の形状を付与している。図８にさらに示すように、内部ローラ７８のセグメント９４とセグメント９６との間に配置された環状面１１２は、外部ローラ８０のセグメント１０４とセグメント１０６との間に配置された環状面１１４と協働して溝２４の第１の側部表面３６を形成している。環状面１１４はセグメント１０６の一部とみなすことができ、この例では、外部ローラ８０の回転軸線８８に対して実質的に垂直に配向されている。さらに、外部ローラ８０のセグメント１０６とセグメント１０８との間に配置された環状面１１６は、内部ローラ７８のセグメント９６とセグメント９８との間に配置された環状面１１８と協働して溝２４の第２の側部表面３８を形成している。また、環状面１１６はセグメント１０６の一部とみなしてもよく、かつ軸線８８に対して角度を有して配向されている。配向角度１２０は、約４０°〜約７０°または約４５°〜約６５°の範囲であっても、約５５°であってもよい。示した例において、内部ローラ７８の環状面はそれらが協働する外部ローラ８０の環状面とほぼ同じ配向を有している。しかしながら、当然、他の構成も実現可能である。ローラ７８とローラ８０との間、ならびにそれら各々のセグメントと環状面との間における適切な整列がフランジ１２２によって設けられ、かつ維持される。この例において、フランジ１２２は、内部ローラ７８から半径方向外側に延在しており、冷間加工時、外部ローラ８０が内部ローラ７８の方に移動し、それらの間において管要素を圧縮すると、外部ローラ８０の溝１２４に係合する。

図９〜１１は、図１に示した側壁形状を付与するために管要素１０をロール成形する方法の一例を示す。図９に示すように、管要素１０は、その内部表面１２６がセグメント９４、９８および１０２の少なくとも２つに各々の接点１２８、１２９および１３０において接触した状態で内部ローラ７８に支持される。比較的短い管要素においては、接触は１２８、１２９および１３０においてであっても、３つのうち任意の２つにおいてであってもよい。より長い管要素においては、接触は１２８においてであり、かつ１２９および１３０においてであってもよい。外部ローラ８０は内部ローラ７８の方に移動し、セグメント１０６により管要素１０の外部表面１３２に接触する。内部ローラ７８のフランジ１２２は、管要素をローラ上において軸方向に適切に配置するための停止部として機能する。内部ローラ７８と外部ローラ８０の双方が管要素１０に接触すると、内部ローラは回転手段８４によって軸線８２を中心として回転する。これにより、管要素１０が内部ローラ７８と同じ方向に回転し、外部ローラ８０がその軸線８８を中心として反対方向に回転する。内部ローラを回転し、それに向かって外部ローラを移動すると有利であるが、ローラの回転と移動の他の組み合わせもまた実現可能であると理解される。さらに、２つのローラ間において管要素の側壁を圧縮する間、管要素を固定および静止したままにし、機械を管要素の長手方向の軸線を中心として移動させることも現実的である。この場合、双方のローラがアイドラであってもよい。すなわち、回転において動力を供給されず、ローラと管要素との間における摩擦により回転してもよい。

図１０に示すように、外部ローラ８０は内部ローラ７８の方に移動し、ローラが回転している間、ローラ間において管要素を圧縮する。それによって、管要素の側壁１３４は、管要素の内部表面１２６と、内部ローラ７８のセグメント９４およびセグメント９８と、外部ローラ８０のセグメント１０６およびセグメント１１０と、の間の接触を通じて変形される。この動作により、肩部２２、溝２４およびビード２６が側壁１３４に形成され始める。ローラおよび管要素は回転し続け、図１１に示すように、外部ローラ８０は内部ローラ７８の方にさらに移動して側壁１３４をさらに圧縮する。側壁１３４は、セグメント９４とセグメント１０４との間において圧縮され肩部２２を形成する。セグメント間における圧縮力が肩部２２の領域上の側壁を薄くし、その直径を図１に示した所望の最終外径３０に拡張する。側壁１３４は、図１に示すその外径４４を含む溝底部４２の最終寸法を形成するためセグメント９６とセグメント１０６との間においても圧縮される。特定の実施形態では、側壁１３４は、図１に示したように、管要素１０の溝２４を含む部分の内径１７を（ローラ間において圧縮されない）管内径１９にほぼ等しくなるように形成するため、セグメント９６とセグメント１０６との間においても圧縮される。図１１についてさらに示すように、側壁１３４は、溝２４の第２の側部表面３８を形成するため、環状面１１６と環状面１１８との間において圧縮される（第１の側部表面は環状面１１２と環状面１１４との間における協働によって形成される）。セグメント１１０はビード２６の形成を補助するため管要素１０の外部表面１３２にも接触する。

スピン形成
スピン形成技術を使用して周方向肩部、溝およびビードを形成すると有利である。スピン形成では、固定された外部金型と、金型内において軌道内を回転するローラツールと、を使用する。管要素は金型内において金型とツールとの間に保持され、ツールは管の長手方向の軸線を中心として軌道を描いて回る。ツールの軌道の直径が増加し、ツールは管要素の内部表面に押し付けられる。ツールが回転するにつれて、それは管要素の端部をツールおよび金型の形状に合う形状にする。

プロセスの管要素外径の公差の相違に対する敏感さを解消するためスピン形成は有利である。管要素を冷間加工し、所望の肩部・ビード・溝形状を形成するためにロール成形等の技術を使用してもよいが、管要素外径の相違のため、許容できる程度の繰り返し性を有する肩部および溝の外径を形成することは困難である。しかしながら、その固定された外部金型を用いたスピン形成を使用することにより、外部金型が管要素の初期直径に関係なく管要素の外部表面寸法を確実に形成するため、管要素外径の寸法相違は関係ない。

図１２および図１３は、スピン形成機械１３６の一例を概略的に示す。図１３に示すように、機械１３６は、４つのセクション１４０、１４２、１４４および１４６から形成された金型１３８を含む。金型のセクションは軸受（図示せず）内に取り付けられており、かつ各々のアクチュエータ１４８、１５０、１５２および１５４を使用して互いに向かう方におよび互いから離れる方に摺動可能に移動可能である。この例では、オフセットした対（１４０と１４２、１４４と１４６）で構成されている４つの金型のセクションがあるが、２つのセクションのみを有する金型もまた実現可能である。図１２に示すように、スピン形成ツール１５６がハウジング１５８内に取り付けられている。ハウジング１５８は固定された回転軸線１６０を有し、かつ金型１３８に向かう方におよび金型１３８から離れる方にガイドロッド１６４に沿って移動するキャリッジ１６２に取り付けられている。アクチュエータ１６６がキャリッジ１６２の動きを生じさせ、したがって、金型に向かう方および金型から離れる方へのスピン形成ツール１５６の動きを生じさせる。ハウジング１５８は、同様にキャリッジに取り付けられた電動モータ１７０により、軸受１６８上のキャリッジ１６２に対して軸線１６０を中心として回転した状態において駆動される。ハウジング１５８の回転軸線１６０は、金型のセクション１４０、１４２、１４４および１４６が引き合わされると画定される開口部の長手方向の軸線１６１に対して実質的に平行している。しかしながら、スピン形成ツール１５６はハウジング１５８に対してその長手方向の軸線１７２をハウジングの回転軸線１６０からオフセットするような方向に移動してもよい。スピン形成ツール１５６のオフセットした動きはハウジング１５８に取り付けられたアクチュエータ１７４による。ばね１７６は、アクチュエータ１７４の力が解放されると、スピン形成ツールの長手方向の軸線１７２をハウジングの回転軸線１６０との同軸整列に戻す復元力を提供する。

図１４に示すように、金型のセクション（１４０が示されている）は、スピン形成時、管要素１３４の外部表面１３４ａの所望の最終形状を形成するための形状にされた内部表面１７８を有する。さらに、スピン形成プロセス時、スピン形成ツール１５６の外部表面１８０が管要素１３４の内部表面１３４ｂに押し付けられると、管要素１３４の外部表面１３４ａが金型１３８の内部表面１７８によって画定される所望の形状をとるように、スピン形成ツール１５６が金型のセクションの内部表面１７８と協働し、管要素１３４の材料を変形させ、流れることを可能にする形状の外部表面１８０を有する。

図１３〜１６に示すように、動作時、アクチュエータ１４８およびアクチュエータ１５０が関連の金型のセクション１４０および金型のセクション１４２を互いに離れる方に移動させる。同様に、アクチュエータ１５２およびアクチュエータ１５４が関連の金型のセクション１４４および金型のセクション１４６を互いに離れる方に移動させ、それによって、金型１３８を開く。その後、管要素１３４は金型内に挿入されてもよい。図１４に示すように、その後、管要素１３４の端部を捕捉するため、金型１３８は、金型のセクション１４０と金型のセクション１４２ならびに金型のセクション１４４と金型のセクション１４６の各々をそれら関連のアクチュエータを使用して引き合わせることによって閉じられる。次に、図１２および図１４に示すように、アクチュエータ１６６はキャリッジ１６２を金型１３８の方に移動させる。スピン形成ツール１５６は、その長手方向の軸線１７２がこの時点でハウジング１５８の回転軸線１６０と同軸整列しており、したがって、また、金型１３８によって画定された長手方向の軸線１６１および管要素１３４の長手方向の軸線１８２の双方と同軸整列して配置された状態で金型１３８の方に移動する。スピン形成ツール１５６は金型によって捕捉されている管要素１３４内に挿入される。その後、ハウジング１５８は、モータ１７０によってその回転軸線１６０を中心に回転され、アクチュエータ１７４は、スピン形成ツール１５６の長手方向の軸線１７２をハウジングの長手方向の軸線１６０との同軸整列から外れるように移動する。この構成を図１５に示す。この図では、スピン形成ツール１５６の軸線１７２も管要素１３４の長手方向の軸線１８２からオフセットしている。この偏心構成により、ハウジング１５８の回転時、スピン形成ツール１５６が円軌道において管要素１３４の長手方向の軸線１８２を中心として回転する。軌道の直径は、アクチュエータ１７４がスピン形成ツール１５６をハウジング１５８の回転軸線１６０からさらに外れて移動し続けるにつれて増加する。ハウジングが回転する間におけるハウジング１５８に対するスピン形成ツール１５６の継続的な動きがツールを管要素１３４の内部表面１３４ｂに押し付ける。図１６に示すように、スピン形成ツール１５６は管要素の内部表面のまわりをその軌道において移動して材料を冷間加工し、管要素１３４の外部表面１３４ａを金型１３８の内部表面１７８の形状に実質的に適合させる。この例では、肩部２２、溝２４およびビード２６が形成される。しかしながら、金型およびスピン形成ツールの形状によっては、肩部および溝のみ、またはビードおよび溝のみを形成することも可能である。スピン形成ツール１５６と管要素１３４の内部表面１３４ｂとの間の摩擦を軽減するため、スピン形成ツールはその長手方向の軸線１７２を中心として自由回転することに留意されたい。スピン形成プロセスの完了時、所望の肩部・ビード・溝形状が得られると、ハウジング１５８の回転が停止され、スピン形成ツール１５６の長手方向の軸線１７２はハウジングの長手方向の軸線１６０との整列状態に戻り、キャリッジ１６２が金型１３８から離され、それによって、スピン形成ツール１５６が管要素１３４内から取り外される。その後、金型１３８は金型のセクション１４０、１４２、１４４および１４６を引き離すことによって開かれ、それによって、形成された管要素を金型から取り外すことが可能になる。

上述のように、溝２４の両側に肩部２２およびビード２６の両方を同時に形成するためにスピン形成を使用すると、管要素材料は、スピン形成ツール１５６の軌道の増加する直径と反対方向に、管要素１３４の長手方向の軸線１８２に対して半径方向内側に移動する材料によって溝が形成されるように、溝を画定する管要素の領域に強制的に流されることがわかる。溝２４を形成する管要素の領域は金型内部表面１７８から離れ、間隙１８４が溝底部４２と金型１３８の内部表面１７８との間に形成される。形成プロセスの完了時、溝底部４２の直径は金型１３８よりも小さい。この、スピン形成ツール１５６の半径方向外側の動きに反する管要素材料の動きは予期せぬものであり、溝２４の外部表面１３４ａが管要素の残部の外部表面、すなわち、溝２４を除いた管要素の外部表面１３４ａの直径１８８よりも小さい直径１８６を有する管要素１３４を形成することが可能になる。そのような形態は２つの回転するローラ間における管要素のローラ形成によってのみ可能であると従前は考えられていたが、本発明によるスピン形成では、管要素を捕捉する固定された金型の効果により、管要素の精密かつ繰り返し可能な外部寸法を維持しつつ、この形態を達成することが可能になる。スピン形成では管要素を単に拡張することしかできない、すなわち、スピン形成によって変形される管要素の任意の一部は元の寸法よりも大きな直径を有していなければならないと考えられていたため、これは意外なものである。したがって、共通の知識によれば、スピン形成プロセスにおいては、第１の外径を有する管要素から開始し、第１の外径よりも小さな第２の外径を有する管要素の部分において終了することは可能となりえないが、本出願人は、これを自身の発明による方法におけるスピン形成を使用して達成した。

肩部、溝およびビードを含む管要素構成、ならびに本明細書中に示され、かつ記載される構成を形成するための方法および装置は、薄い壁の管要素が機械式継手によって接合されることを可能にし、かつ薄い壁の管要素および溝付き機械式継手に適さないと従前は考えられていた高圧力／高荷重用途において使用することを可能にする。先行技術の管要素を超える種々のさらなる利点もまた実現される。例えば、管要素直径の製造公差の点から見て溝底部４２の外径１８６は継手と管要素との間の適合性の重要な寸法パラメータであることは公知である。本明細書中に開示されるスピン形成法はこのパラメータを制御することを可能にするため、最大管直径公差および最小管直径公差の両方において継手と適合する溝が形成されうる。さらに、拡張した肩部直径１９０（肩部２２の外側に面する表面が管要素外径よりも大きい）と減少した溝底部直径（溝底部４２の外径が管要素外径よりも小さい）とを組み合わせると、性能を犠牲にすることなく軽量化した継手を使用することが可能になる。また、溝寸法および肩部寸法が維持できる厳密化された公差のために、継手を設計することが簡単になる。事実上、これは、低重量化されたより低コストの継手およびより高い内圧に耐えるより強靱な接合部につながる。提供される厳密化された公差のためにガスケットの設計も簡略化され、間隙の大きさの管理が容易になる。この間隙は、継手セグメント間に形成され、それを通じて、ガスケットを高圧力下において押し出し、かつ吹き出すことができる。必要とされる管要素の薄化および冷間加工が低減され、これは残留応力の低下、残存伸び率（ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）の上昇およびより強固な管要素を意味するため、製造の優位性も確保される。ビード２６を追加すると、より剛性のある接合部が可能になるとともに、キーが溝を塞ぎ、くさび止め作用を効果的に利用することが可能になる。くさび止め作用により、例えば、熱負荷または管の垂直の積み重ねのため軸方向圧縮がかかっている場合であっても管要素が継手内において一定距離で保持される。これにより、管要素が、ガスケット中央の脚がある場合はそれを締め付けることおよび損傷することを防止する。拡張した肩部により、溝を相対的に浅くし、管要素内においてより低い内部輪郭を呈することも可能になる。各接合部におけるより低い輪郭の溝は、管要素内を流れる流体における損失水頭の低下および乱流の低下を生じさせる。さらに、肩部と同軸に溝を形成することによって、継手と管要素との間のより均一な係合が達成され、漏れの可能性がさらに低下する。

Claims (19)

1. 継手と少なくとも１つの管要素との組み合わせであって、前記管要素が外径と少なくとも１つの端部とを有し、
   前記管要素が、
   前記端部に配置された肩部であって、前記肩部が、前記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ外側に面した表面を有し、前記外側に面した表面が前記肩部を除いた前記管要素の前記外径よりも大きな外径を有する、肩部と、
   前記肩部の近傍に配置された溝であって、前記溝が、前記管要素のまわりに周方向に延在しており、前記溝が、前記肩部と連続して配置された第１の側部表面と、前記第１の側部表面と離間した関係において配置された第２の側部表面と、前記第１の側部表面と前記第２の側部表面との間に延在している下表面と、によって画定されており、前記下表面が、前記溝を除いた前記管要素の前記外径よりも小さい外径を有する、溝と、
   を含み、
   前記第１の側部表面が、前記管要素の長手方向の軸線に対して実質的に垂直に配向されており、
   前記継手は、端部と端部とをつないで互いに取り付けられ中心空間を取り囲んでいる複数のセグメントを含み、前記複数のセグメントのそれぞれは、前記溝内に受容される弓状面を有し、前記複数のセグメントのそれぞれの前記弓状面が、
   前記溝の前記第１の側部表面と面した関係にある第１の側方表面と、
   前記溝の前記第２の側部表面と面した関係にある第２の側方表面と、
   前記溝の前記下表面と面した関係にある半径方向の表面と
   を含み、
   前記管要素が、前記溝と連続して配置されたビードをさらに含み、前記ビードが前記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ前記管要素から半径方向外側に突出しており、かつ前記ビードを除いた前記管要素の前記外径よりも大きな外径を有する頂点を有する、組み合わせ。
2. 前記頂点の前記外径が前記肩部の前記外側に面した表面の前記外径よりも小さい、請求項１に記載の組み合わせ。
3. 前記第２の側部表面が前記管要素の前記長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、請求項１に記載の組み合わせ。
4. 前記第２の側部表面が前記長手方向の軸線に対して約４０°〜約７０°の角度で配向されている、請求項３に記載の組み合わせ。
5. 前記第２の側部表面が前記長手方向の軸線に対して約４５°〜約６５°の角度で配向されている、請求項３に記載の組み合わせ。
6. 前記第２の側部表面が前記長手方向の軸線に対して約５５°の角度で配向されている、請求項３に記載の組み合わせ。
7. 前記肩部が、前記第１の側部表面と連続して配置された外側に面した曲面をさらに含み、前記外側に面した曲面が、前記管要素のまわりに周方向に延在しており、かつ前記管要素の長手方向の軸線に対して垂直に配向されている軸線上に曲率中心を有する、請求項１に記載の組み合わせ。
8. 前記第１の側方表面が前記管要素の長手方向の軸線に対して実質的に垂直に配向されている、請求項１に記載の組み合わせ。
9. 前記第１の側方表面が前記管要素の長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、請求項１に記載の組み合わせ。
10. 前記第１の側方表面が前記長手方向の軸線に対して測定された約８０°〜約８５°の配向角度を有する、請求項９に記載の組み合わせ。
11. 前記第２の側方表面が前記管要素の前記長手方向の軸線に対して角度を有して配向されている、請求項１に記載の組み合わせ。
12. 前記第２の側方表面が、前記第２の側部表面が前記管要素の前記長手方向の軸線に対して配向されている角度に等しい角度で配向されている、請求項１１に記載の組み合わせ。
13. 前記弓状面のそれぞれの前記第２の側方表面が前記長手方向の軸線に対して約４０°〜約７０°の角度で配向されている、請求項１１に記載の組み合わせ。
14. 前記弓状面のそれぞれの前記第２の側方表面が前記長手方向の軸線に対して約４５°〜約６５°の角度で配向されている、請求項１１に記載の組み合わせ。
15. 前記弓状面のそれぞれの前記第２の側方表面が前記長手方向の軸線に対して約５５°の角度で配向されている、請求項１１に記載の組み合わせ。
16. 前記継手が前記複数のセグメントのうちの２つを含み、前記セグメントがヒンジを使用して互いに取り付けられている、請求項１に記載の組み合わせ。
17. 前記継手が前記複数のセグメントのうちの２つを含み、前記セグメントが前記セグメントの両端に配置された締結具を使用し端部と端部とをつないで互いに取り付けられている、請求項１に記載の組み合わせ。
18. 前記第１の側方表面が、前記溝の前記第１の側部表面に接触している、請求項１に記載の組み合わせ。
19. 前記第２の側方表面が前記溝の前記第２の側部表面に接触している、請求項１８に記載の組み合わせ。

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