JPS6160284B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ねじ連結体に関するものであり、特
には昇温下で使用するに適したねじ連結体に関す
るものである。

線熱膨脹係数を異にした部材間のねじ連結部即
ち継手はしばしば高温下において驚く程に低い強
度を示す。これは、例えばグラフアイト対金属連
結部におけるように熱膨脹係数が相当に異つた場
合に特に言えることであり、極端な場合には何等
外部荷重なくしてこの種のねじ継手が破損するこ
とすらある。この問題は、この場合にはグラフア
イトの強度がきわめて低くそして延性を有しない
こと及びグラフアイトと高温用途に対して関与す
る大半の金属との間の熱膨脹の差が大きいことか
ら生ずる。

この問題の顕著な一例は、米国特許第3870511
号に記載されるような溶融金属の精錬において使
用される回転式ガス分散（散気）装置において使
用される回転軸のねじ連結部に於て示される。こ
の回転式ガス分散装置においては上下２部品から
成る軸が使用され、その場合上方軸部品は金属製
でありそして下方軸部品はグラフアイト製であ
る。これら２つの上下軸部品は第３図に示す型式
のねじ継手（但しテーパは付されていない）によ
つて連結され、それにより上方軸が下方軸を駆動
する。駆動方向は継手を締めつけるような方向と
され、そしてこのねじ継手は所望のトルクを伝達
ししかも賦果される曲げ及び引張力に耐えねばな
らない。１インチ径の継手が周囲温度から1300〓
（約704.4℃）まで昇温される時、金属製の、例え
ばインコネル600合金製の雄ねじはグラフアイト
雌ねじより直径において約８ミル（約0.2ミリメ
ートル）以上膨張する。最初の直径遊隙が標準ね
じ嵌合の場合に為されるように２ミル（約0.05ミ
リメートル）だけとすると、金属部材はグラフア
イトを６ミル（約0.15ミリメートル）以上膨脹さ
せるようにすることになる。これはグラフアイト
にクラツクをもたらすに充分の応力を発生する。

この問題を克服する為に、少く共予想される半
径方向膨脹差に相当する量の半径方向遊隙を設け
ておくことが提唱された。しかし、継手が高温下
にある時には、軸方向膨脹差も同時に存在しこれ
は金属軸におけるねじ目がグラフアイトにおける
対面するねじ目より大きなピツチとなる結果を生
ずることが見出された。斯くして、金属ねじ目は
上側においてそと螺合しているグラフアイトねじ
目を上に突き上げようとし同時に下側においてそ
のグラフアイトねじ目を押し下げんとし、その結
果やはりグラフアイトに許容しえない程の応力が
賦果される。

金属ねじ目がグラフアイトにこのような力を行
使するのを防止する為に、半径方向膨脹差を補償
するに必要な量よりもつと大きな半径方向遊隙を
設けることが提案された。この場合、高温下での
接触はグラフアイトねじ目に上方で突当る金属ね
じ目によつてのみ与えられた。この最小限の接触
は、この地点においてグラフアイトに高応力を生
ぜしめた。こうなると、程々のトルクでもつてそ
のグラフアイトねじ目は剪断せしめられ、従つて
荷重のすべては次のグラフアイトねじ目に伝わ
り、次いでこれが剪断され、そうこうして次々と
下方のねじ目が剪断され、結局は継手が完全に破
壊してしまう。

従つて、本発明の目的は、高温下において、部
材間の熱膨脹係数の差により生起される応力が最
小限とされそして回転負荷を従来生じたような破
損を生じることなく一様な予知しうる態様で適用
出来るような方式で使用するに適したねじ連結体
の改善を提供することである。換言すれば、本連
結体は、設計された高温作動（使用）温度下で適
用される曲げ、引張り、及び捩り応力に耐えるこ
とが出来る。

本発明に従えば、軸方向に負荷されそして(i)同
一軸線を有しそして(ii)異つた線熱膨脹係数を有す
る２部片であつて、一方の部片がねじ付き雄型部
片でありそして他方の部片がねじ付き雌型部片で
あるような２部片から成るねじ連結体における改
善が実現される。

この改善は、周囲温度において、各部片の対向
するねじ目間の単位長さ当りの半径方向遊隙の変
化が式Ａ△Ttanθに等しいようなテーパを与え
ることにある：ここで Ａ＝各部片を構成する材料の軸方向における線熱
膨脹係数の差、 △Ｔ＝連結体の使用温度−周囲温度、 θ＝各部片のねじ目の負荷面と軸線により形成さ
れる鋭角） この場合、この半径方向遊隙は熱膨脹係数の大
きい部片の負荷の方向に増大するものとされる。

以下、本発明について具体的に説明する。図面
において、半径方向遊隙及びテーパは例示の為誇
張してあり、また原寸通りに描かれていない。実
際上、テーパは肉眼では織別しえない程微小のも
のである。

本改善が為されたねじ連結体はここで定義する
テーパの形成を除いて、すべての点で従来通りの
ものであり、もつとも一般的用途はナツト及びボ
ルトである。標準的なねじ目は60゜のねじ角を有
しそしてこのねじ角はねじ連結体の両部片におい
て使用されうる。大半の従来からの使途に於ては
連結体に軸方向負荷がかけられる。ねじ継手を構
成する２つの部片の軸線が一致することは図面か
ら明らかでありそして多くの用途に対してこれら
軸線はねじ片を切出した円柱（筒）材の軸線と同
じである。この軸線はまた角度及び半径方向寸法
測定に対する中心線であるとも考えられる。

線熱膨脹係数は特定の材料に対して適用された
熱の下での膨脹量を表示する周知の定数である。
これらのデータ値は、多くの技術便覧や文献にお
いて示されておりまた特定の材料製造業者からも
入手しうるし、更にはこれらのデータ値は従来方
式の技術によつて確認されうる。ここに関与する
熱膨脹係数は、高温用途において一般に使用され
る金属に対しての、またやはり高温で使用される
グラフアイトのような非金属物品に対してのもの
である。高温使用の為の金属合金及び非金属材料
の機つかの例及びその熱膨脹係数（μインチ／イ
ンチ／〓）は次の通りである： 「インコネル」600（ニツケル−クロム合金）
8.4（約4.6μセンチ／センチ／℃）；Ｌ−605
（コバルト−クロム合金）8.0（約4.4μセンチ／
センチ／℃）；AISIタイプ304ステンレス鋼10.2
（約5.6μセンチ／センチ／℃）；タイプC2グラ
フアイト（ユニオンカーバイド社製）（２インチ
径押出し棒）0.70（約0.4μセンチ／センチ／
℃）………押出し方向に平行（軸方向）1.8（約
1.0μセンチ／センチ／℃）………押出し方向に
直角；炭化珪素2.5（約1.4μセンチ／センチ／
℃）；溶製石英0.29（約0.2μセンチ／センチ／
℃）；ムライト3.0（約1.7μセンチ／センチ／
℃） 本発明を実施するに当つては、ねじ雄部片或い
はねじ雌部片いずれかが高い熱膨脹係数を有する
ものとされそして軸方向負荷はいずれの方向にも
適用されえ得るもので、これらはいずれもここに
定義されるテーパによつて対処される。更に、半
径方向遊隙の変化は、雄部片或いは雌部片いずれ
かにテーパを配設しそして非テーパ部片が真直ぐ
なねじ目を有するようにすることにより、或いは
雄及び雌部片両方をテーパづけて半径方向遊隙に
おける適正な変化率を与えることにより提供され
うる。

雄部片が雌部片より低い熱膨脹係数を有する場
合、最小半径方向遊隙は指定されない。その結
果、半径方向遊隙は零となしうるが、実際問題と
して組立ての容易さを与えるよう零より僅かに大
きいものとされる。しかし、反対の状況において
は、最小半径方向遊隙を設けることが好ましくそ
してこれは雌部片が雄部片より低い熱膨脹係数を
有する場合である。この好ましい最小半径方向遊
隙は式BC△Ｔに等しいものとされる。ここで Ｂ＝部片の一方のねじのピツチ半径、 （各片間のピツチ半径の差は微小である） Ｃ＝各片を構成する材料の半径方向における熱膨
脹係数の差、 △Ｔ＝連結体の作動温度−周囲温度 当業者には、テーパがそれが適用されるねじ部
片の長さに沿つて一様でありそしてこれが雌ねじ
に対してはテーパタツプの使用或いは雄ねじに対
してはテーパづけられたダイスの使用を通して達
成されうるし、またいずれも旋盤上で切削されう
ることが理解されよう。非切削性材料におけるね
じ目は研削或いは成型により為されうる。テーパ
は両部片の一方にのみ形成されることが好まし
い。ねじ部片へのテーパの適用はもちろん漏洩防
止の為のパイプ嵌め及び比較的弱い材料の連結に
おいて周知されているが、しかしこれらの場合雄
部片と雌部片は同量テーパづけられているので、
ねじ係合の長さに沿つて半径方向遊隙に変化は存
在しない。

本連結体の作動（使用）温度は一般に周囲温度
以上で代表的に1000〓（約538℃）以上である。
ここで重要な因子は、適正な半径方向遊隙及びテ
ーパが継手に形成されうるように、連結体の使用
が所望される温度が既知であることのみである。
これは設計作動（使用）温度と呼ばれる。他方、
周囲温度とは、ねじ目寸法が測定される温度であ
りそして通常ねじ部片が作製される室温である。

当業者は、雄部片がグラフアイトのような低熱
膨脹係数を有する時、作動温度への昇温が遊隙を
半径方向に増大せしめることを理解しよう。これ
は第６図に示される型式の継手において、長手方
向膨脹差によつてある程度まで相殺される。半径
方向膨脹における差を補償すると言う長手方向即
ち軸方向膨脹差の効果は座面２９からの距離に伴
つて増大し、ついには本明細書において中立点と
呼ぶある地点においてねじの差引きのゆるみ或い
は締着は存在しなくなる。この地点は、熱膨脹係
数の高い部片（この場合雌部片）がその下側に座
入する雄部片に対し、外方及び上方に於てねじ面
に平行な合成変位を与えるような量変位する地点
である。斯くして中立点以下の地点においてはね
じはゆるみそして中立点以上の地点においてはね
じは締付けられる。中立点から座面までの距離を
Ｘとすると、この場合 Ｘ＝ＢＣ／Ａｔａｎθ （Ａ、Ｂ、Ｃ及びθは先に定義した通り） テーパがＡ△Ttanθに従つて形成されそして
半径方向遊隙が適正方向に増大すると仮定する
と、論議下の特定の継手即ち雄部片の方が低い熱
膨脹係数を有する継手は、作動温度にまで昇温さ
れる時ゆるむようになり従つて締つた継手が所望
されるなら選択された温度において再締付けされ
ねばならない。しかし、この再締付の必要性は、
一方或いは両方の部片において中立点を始端とし
座面まで距離Ｘにわたつてねじ目を排除すること
により回避されうる（第７図参照）。この継手が
非常に軽いトルクでもつて組立てられるなら、中
立点におけるねじ目（この場合下方ねじ目）のみ
が接触状態にある。継手が昇温されるにつれ、こ
のねじ目における負荷は変化しないが、この接触
点上方のねじ目間の遊隙即ちギヤツプは減少す
る。設計作動温度において、すべてのねじ目に同
一の軽い接触が得られる。作動温度において充分
に締つた継手が必要とされるなら、ねじ連結体は
所定のトルクでもつて組立てられうる即ち最初の
接触点を越えるある与えられた角度量締付けられ
うる。その場合、作動温度においてすべてのねじ
目が負荷される。

中立点の概念はまた雄ねじが高い熱膨脹係数を
有する第３図の継手にも適用し得る。ねじ係合が
丁度中立点まで延在し、（中立点は座面１８から
距離Ｘのところにある）この地点で片方或いは両
方のねじ目が終端されるなら、昇温に際して継手
はゆるみも締りもしない。ねじ係合が中立点を越
えて延在するなら、昇温に際して継手はゆるむよ
うになる。ねじ係合が中立点の手前で終端するな
ら、昇温に際して継手は締まる。

第１図はねじ連結体の一具体例の側面図であ
り、ここでは雄部片４が雌部片５より高い膨脹係
数を有する。負荷方向６が雄部片４に対するもの
として示されており、他方雌部片５に対しては負
荷方向は７として示されている。一致する軸線即
ち中心線１が両部片を作製したシリンダ材の軸線
に対応するものとして示されている。面２及び３
は雌部片５及び雄部片４それぞれの荷重担持面を
表す。ピツチ線８は雄部片４のものであり、他方
ピツチ線９は雌部片５のものである。ピツチ半径
１２は雄ねじのものでありそしてピツチ半径１１
は雌ねじに対するものである。ピツチ１３は雌ね
じのピツチを示し、もちろん雄ねじのピツチは同
方式で測定される。図面のすべてが周囲温度での
連結状態を示すことを銘記されたい。

第２図は第１図に示されるのと同様のねじ連結
体の一部の拡大図である。中心線１、ピツチ線８
及び９並びに負荷方向６及び７は第１図における
のと同じである。半径方向遊隙１４が中心線に直
角の線に沿つてのピツチ線８及び９間の距離とし
て示されていることがわかる。角度１５はθとし
て表示され、既に定義したものである。

第３〜７図はすべて、第１及び２図におけると
同じく中心線１及び負荷方向６及び７を示す。第
３図において、雄部片１６は、雌部片１７より大
きい膨脹係数を有しそしてまた雌部片の表面に当
接する座面１８を有する。第４図において、雄部
片２１はやはり高い熱膨脹材製でありそして雌部
片２２は低熱膨脹材製である。ここで、部片２１
の座面２３は、第３図の外部座置とは違つて部片
２２の内面に当接している。

第５図においては、雌部片２４の方が雄部片２
５より高い熱膨脹係数を有し、そして雄部片２５
の座面２６が雌部片の内面に当接している。雄部
片と雌部片に関して第４及び５図におけるテーパ
方向が反対向きになつていることを銘記された
い。半径方向遊隙は常に熱膨脹係数の高い方の部
片の負荷の方向に増大する。

第６図において、雄部片は２８でありそして雌
部片は２７であり、後者の方が高い熱膨脹係数を
有する。雄部片２８の座面２９は第５図とは違つ
て雌部片の外面に載つている。

第７図は第６図の片側のみを示しそして中立点
から座面まで距離Ｘにわたつて延在するねじ目の
ない部分３０の存在においてのみ異つている。Ｘ
に対する式は上述した通りである。ここでは、ね
じ目は雄雌両部片から排除されている。

座面は雄部片の一部として記載されたけれど
も、これは締付けに際して雌部片の対向面に当接
し、この雌部片対向面も座面と考えられる。この
当接面と中立点位置との間に距離Ｘが延在する。
第３〜６図において、ねじ目は実用的なねじ切削
法により通常形成されるようなアンダカツトを有
するものとして示された。このアンダカツトの長
さは第４及び６図に示される継手の性能に僅かの
影響を有するが、ここではこの長さは充分に小さ
くして実際的影響は実質上ないものと仮定する。
更に第３〜７図において、ねじ方向（右巻か左巻
か）は伝達トルクが継手を締めるように選択され
る。継手がこのように締められる時、２部片は方
向６及び７において軸方向に負荷される。もちろ
ん、これは、２部片を互いに連結するのに使用さ
れるトルク以外に伝達トルクが存在しない場合意
味がない。

実施例 先きに回転式ガス分散器について言及しそして
第３図に示した型式の継手がそれと関連して言及
された。本例は本発明に従つて作製された２部片
からなる軸であつて回転式ガス分散器において使
用するに適した軸と従来のそのような軸との比較
を行つたものでありそしてこの軸継手は第３図の
ねじ連結と同態様で構成されている。

継手の上方軸はインコネル600合金から作製さ
れた。下方軸は1.75インチ（約44.5ミリメート
ル）外径であり、２インチ（約50.8ミリメート
ル）径のタイプCS押出グラフアイトから機械加
工された。両部片を繋ぐねじ目は7/8−９−
UNC2A及び2B（7/8インチ（約22.2ミリメート
ル）公称外径、１インチ（約25.4ミリメートル）
当り９ねじ目、許容差範囲2A（外）及び2B
（内）までのUnitied National Course）として設
計した。これは0.002〜0.016インチ（約0.051〜
0.406ミリメートル）の直径方向遊隙（0.001〜
0.008インチ（約0.025〜0.203ミリメートル）の半
径方向遊隙）を許容した。これら部片は70〓（約
21.1℃）で測寸されそして組立てられ、その後
1170〓（約632℃）の温度に昇温され、そしてそ
の温度で作動（使用）された。このようにして製
作されそして使用された継手の大部分はねじ目域
においてのグラフアイトの裂けにより破損した。
これらの一部は昇温に際して実際の使用前に破損
した。このように従来継手は欠点を有した。

次で、本発明の効果を確認するべく、この継手
のグラフアイト部片におけるねじ目が第３図にお
けるようにテーパづけされた。第１部分は旋盤に
おいて螺刻されそして続いての部分がテーパタツ
プによつて切削された。使用された直径における
テーパ遊差は単位インチ長さ当り0.030インチ
（約0.76ミリメートル）であり、これは0.70×
10^-6（約0.4μセンチ）のグラフアイトに対する
線熱膨脹係数（押出し方向に平行な軸方向におけ
る値）及びインコネル600合金に対する8.7×10^-6
（約4.8μセンチ）の係数（やはり軸方向値）を使
用して、単位長さ当りの半径方向遊隙＝Ａ△
Ttanθなる前記式によつて計算された値の２倍
である。最小直径方向遊隙は0.006〜0.010インチ
（約0.152〜0.254ミリメートル）の範囲に維持さ
れた。温度は〓によるものであり、角度θは60
゜、組立は70〓（約21.1℃）において為されそし
て作動温度は1170（約632℃）〓であつた。これ
ら継手の作動によつて昇温による破損は完全に排
除されそして作動による破損も実質上皆無となつ
た。更に、ねじ連結体の使用寿命は数倍延長され
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一具体例の断面図である。
第２図は、第１図と同様の具体例の一部の拡大図
である。第３，４，５，６及び７図は本発明の別
の具体例の断面図である。 ４：雄部片、５：雌部片、２，３：荷重担持ね
じ面、８，９：ピツチ線、１１，１２：ピツチ半
径、１４：半径方向遊隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸方向に負荷されそして(i)同一軸線を有しそ
   して(ii)異つた線熱膨脹係数を有する２部片であつ
   て、一方の部片がねじ付き雄型部片でありそして
   他方の部片がねじ付き雌型部片であるような２部
   片から成るねじ連結体において、周囲温度におい
   て、各部片の対向するねじ目間の単位長さ当りの
   半径方向遊隙の変化が式Ａ△Ttanθに等しいよ
   うなテーパを与え、 （ここで、 Ａ＝各部片を構成する材料の軸方向における線熱
   膨脹係数の差、 △Ｔ＝連結体の使用温度−周囲温度、 θ＝各部片のねじ目の負荷面と軸線により形成さ
   れる鋭角） この場合、この半径方向遊隙は熱膨脹係数の大
   きい部片の負荷の方向に増大するようになされる
   ことを特徴とするねじ連結体。 ２ 雄部片が雌部片より大きな熱膨脹係数を有す
   るような特許請求の範囲第１項記載の連結体。 ３ 雌部片が雄部片より大きな熱膨脹係数を有す
   るような特許請求の範囲第１項記載の連結体。 ４ 最小半径方向遊隙が式BC△Ｔに等しい（Ｂ
   ＝部片のいずれか一方のねじ目のピツチ半径、Ｃ
   ＝各部片を構成する材料の半径方向における線熱
   膨脹係数の差及び△Ｔ＝前に定義した通り）よう
   な特許請求の範囲第２項記載の連結体。 ５ 雄部片が金属製でありそして雌部片がグラフ
   アイト製である特許請求の範囲第４項記載の連結
   体。 ６ 雄部片がグラフアイト製でありそして雌部片
   が金属製である特許請求の範囲第３項記載の連結
   体。 ７ 雄及び雌部片が互いに外部で当接して座面を
   提供し、そして連結体の少く共一方の部片が座面
   から距離Ｘにわたつてねじ目のない部分を具備
   し、この場合ＸがＢＣ／Ａｔａｎθ （ここで、 Ｂ＝部片の一方のねじのピツチ半径、 Ｃ＝各部片を構成する材料の半径方向における線
   熱膨脹係数の差、 Ａ、θ＝先に定義した通り） に等しくされる特許請求の範囲第３項記載の連結
   体。 ８ 雄及び雌部片が互いに外部で当接して座面を
   提供し、そして連結体の少く共一方の部片が座面
   から距離Ｘにわたつてねじ目のない部分を具備
   し、この場合ＸがＢＣ／Ａｔａｎθ （ここで、 Ｂ＝部片の一方のねじのピツチ半径、 Ｃ＝各部片を構成する材料の半径方向における線
   熱膨脹係数の差、 Ａ、θ＝先に定義した通り） に等しくされる特許請求の範囲第２項記載の連結
   体。