JPS6238592B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は密封型たわみ継手、更に詳しくは高圧
に耐えて気密性を保ちつつ流体用導管間の運動を
許容することのできる密封型たわみ管継手に関す
るものである。

近年種々の燃料に対する要求が世界的に大巾に
高まつている。石油や天然ガス等の新たな供給源
を発見するために今や増々海底調査をすることが
必要になつて来ている。石油や天然ガスの探鉱が
沿岸地帯に移行し始めた頃には地上におけると同
じ様な堀削技術を使用していた。例えば堀削開始
前に海底にやぐらを組んでそのやぐらの上に固定
された堀削用プラツトフオームを築くのが普通で
あつた。しかしながら石油や天然ガスの探鉱が海
岸から遠く離れた深海部におよぶにつれて固定式
のプラツトフオームは実用できなくなり、浮き式
プラツトフオーム乃至バージを使用せざるを得な
くなつて来た。また浮き式プラツトフオームは石
油や天然ガスを吸い上げる設備を据え付けるのに
も使用されている。

浮き式プラツトフオーム、バージ等の構造物は
例え繋留されていたとしても波の運動によつて揺
れ動く。したがつて浮き式プラツトフオームから
行なわれる堀削作業や吸上作業はプラツトフオー
ムの水平方向の運動および垂直方向の運動の両方
を許容しなければならない。すなわち、その浮き
式の堀削用プラツトフオームから下方に向かつて
海底まで延びるドリルストリング、昇水管等の導
管はプラツトフオームが揺れ動いたときに破壊し
たりすることのないように充分曲がることができ
なければならない。例えばドリルストリングに使
用されているパイプは通常充分径が細く、かつ充
分な強度を有しており、プラツトフオームが水平
方向乃至垂直方向に動いても破壊されないように
撓むことができる。これに対して例えば昇水管や
吸上管は比較的径が太く、ドリルストリングに比
べて柔軟性が小さい。そのため、大径の昇水管や
吸上管は、容易に撓んで曲げ運動を許容すること
ができ、しかも高い内圧および外圧に耐えて密封
することのできるたわみ管継手手段を少なくとも
一つ含んでいる必要がある。

そのような昇水管等に使用されているたわみ管
継手には例えば精密に工作された球面を有する球
状部材とその球面と摺接する凹面を備えたソケツ
ト部材からなるものがある。この継手は球状部材
とソケツト部材の関節状の作用によつて曲がるこ
とができる。また弾性Ｏリングによつて両摺接面
間のインターフエースの密閉がなされる。しかし
ながらこのようなボール継手は高い圧力がかかる
と両摺接面の相対運動ができなくなる。さらにこ
のボール継手には両摺接面およびＯリングの摩耗
および劣化があり、頻繁に修理乃至交換をしなけ
ればならないという問題がある。

また昇水管のような流体用導管を、両導管の対
向する端部にそれぞれ設けられたフランジの間に
環状の可撓性弾性材を挾んで接続する方法もあ
る。この弾性部材は通常非伸張性材料層と弾性材
料層を交互に積層してなつている。非伸張性材料
層は普通金属であり、弾性材料層は通常エラスト
マーである。その弾性部材の各層はジヨンソンの
米国特許第3168334号のパイプ継手におけるよう
に平らな表面を備えた環状でもよいし、あるいは
ハーバード等の米国特許第3680895号のたわみ継
手におけるように球面状の表面を有する環状であ
つてもよい。このような積層弾性部材は継手のた
わみ運動を許容するとともにシールとしても機能
する。この積層弾性部材を使用した継手は所謂
「運動部分」がないから、前記ボール継手におけ
るような摩耗の問題がない。積層弾性部材を使用
したたわみ管継手の例はハーバード等の米国特許
第3390899号、第3734546号、第3853337号等にも
記載されている。

上記のような積層弾性部材においては隣接する
２導管間の相対的な揺動乃至首振運動等の運動は
エラストマー等の弾性材料層のねじれ剪断変形に
よつて許容される。このような弾性材料層の剪断
変形によつて運動を許容する弾性部材において
は、その運動許容能力は変形されるエラストマー
の高さ乃至厚みによつて決定される。エラストマ
ー体はいつでも300％乃至それ以上、問題なく変
形することができる。例えば２インチの厚みのエ
ラストマー体の一端が他端に対して平行に６イン
チ以上移動してもエラストマー体が裂けたりする
ことはない。しかしながら、エラストマー体は
300％台の剪断変形を起こさせるような剪断荷重
を繰り返し（荷重と解除の連続的な繰り返し）か
けられると比較的短期間で疲れ破損してしまう。
したがつて積層弾性部材のエラストマー体に何百
万回というような繰り返し荷重がかかる昇水管の
継手に使用する場合等にはエラストマー体の変形
する最大限度を比較的低レベル、例えば25〜35％
内に抑えるのが望ましい。この最大限度を実際に
どの程度の範囲に抑えるかは弾性部材のデユテイ
ーサイクル（許容すべき運動の大きさおよびその
頻度）および使用される弾性材料の疲れ破損特性
によつて決められる。したがつて大きな運動を許
容するためには、エラストマー体の変形最大限度
を一定範囲に抑え疲労寿命が短くなるのを防止す
るためにエラストマー体の厚み乃至高さを増さな
ければならない。

積層弾性部材のエラストマー層のねじれ運動に
よるせん断変形に対する許容度は、エラストマー
層の平行運動によるせん断変形に対する許容度と
全く同じ分けではないが、大体においてエラスト
マー体の厚みが大きければ、それだけ大きいねじ
れ運動を許容することができる。例えば昇水管に
使用するたわみ管継手としては、中心軸から全て
の方向への10〜15゜程度の揺動ないしねじれ運動
を許容することができるようにする必要がある。
このため、実際には、厚みおよび高さの相当大き
い積層弾性部材を使用したたわみ管継手が実用に
供されているしかしながら、たわみ管継手におい
て大きな揺動運動を許容するのに比較的厚い積層
弾性部材を使用するのは確かに大きな効果がある
が、それと同時にいくつかの重大な欠点がある。

まず、シユミツトの米国特許第3679197号に記
載されているように、揺動運動の中心から離れた
位置にあるエラストマー体の揺動運動に対するば
ね定数はそのエラストマー体に平行な力が作用し
た時のせん断変形に対するばね定数に中心からの
距離の２乗を掛けたものに比例することは従来か
らよく知られている。したがつて弾性層を同心的
に配列した積層弾性部材においてはその半径方向
外側の弾性層がその積層弾性部材の回転に対する
剛性に寄与する率は内側の弾性層がこの剛性に寄
与する率に比べて相当大きい。このように、回転
により生じるせん断変形に対して内側の弾性層が
外側の弾性層より実質的にばね定数が小さいた
め、ねじれ変形の大部分はその内側の弾性層に発
生することになる。したがつて積層弾性部材内の
エラストマー層の厚みを倍にしても、所定の最大
変形範囲内でその積層弾性部材が許容することの
できる回転運動は倍にならずせいぜい25％大きく
なる程度である。このように、エラストマー体の
厚み乃至高さを大きくしてより大きな回転運動を
許容するようにするのは可能ではあるが効果的で
ない。

さらに厚み乃至高さの大きい積層弾性部材はパ
ターソンの米国特許第3292711号に記載されてい
るように不安定となり座屈し易い。厚み乃至高さ
の大きい積層弾性部材を使用した場合のもう１つ
の問題は回転運動を許容するためにその積層弾性
部材が曲がつたときに各層の相当大きな部分が径
方向荷重に対して支持されていない状態にされる
ということである。すなわち、回転運動をする２
つの支持部材間に弾性部材を配する時に、弾性部
材を介して外径側に一方の支持部材を配し内径側
に他方の支持部材を配して、両支持部材間の相対
回転を許容し、一方、両支持部材間で径方向に作
用する荷重（すなわち、弾性部材に引張・圧縮を
与える荷重）を両支持部材により受け止めるので
あるが、両支持部材の相対回転によつて両支持部
材の半径方向の位置がずれて、両支持部材が弾性
部材を介して径方向の荷重を支持する範囲が狭く
なるという問題がある。なおこの問題について
は、第２図から第４図において角度“Ａ”および
“Ｂ”として支持する範囲を示しており、具体例
については後述する。その結果、積層弾性部材の
一部分が剛性支持部材によつて支持されていない
状態で例えば圧縮荷重がかかる可能性がある。支
持されていない状態で特に積層弾性部材の非伸張
性材料層に荷重がかかると非伸張性材料層が曲が
り、遂には破壊されてしまう。非伸張性材料層が
破壊されてしまうということは実質的には弾性部
材全体が破壊されてしまうことと同じである。

上記の座屈の問題は積層弾性部材の厚さ乃至高
さ方向の１ケ所乃至数ケ所に特に厚く剛性の大き
い層すなわちシムを挿入することによつてある程
度解決することができる。この方法はフランス特
許第934336号に示唆されている。このようなシム
の使用は前述の非伸長性材料層の支持されていな
い部分が曲がり破壊されるという問題を解決する
のにもある程度役立つが、厚いシムを入れるのは
弾性部材を厚くするので好ましくない。

このような事情に鑑みて本発明は可撓性弾性部
材を用いた密封型たわみ管継手において厚みの大
きい弾性部材を使用せずに、接続される２管間の
大きな相対運動を許容することができ、しかもそ
の弾性部材が短期間に疲れ破損してしまうことの
ないようにしたたわみ管継手を提供することを目
的とするものである。

本発明のたわみ管継手は中空の環状ハウジング
とそのハウジングの最大内径より小さい外径を有
する管状部材からなつている。そのハウジングは
その両端にそれぞれ開口を有するとともに、半径
方向内側に延びる一対の環状フランジを備えてい
る。その一対のフランジは互いにハウジングの長
さ方向に間隔を置いて配されている。前記管状部
材の一端に隣接してその管状部材の半径方向外側
に延びる環状フランジが設けられている。その環
状フランジは前記ハウジングの一対の環状フラン
ジの間に位置せしめられている。管状部材の他端
はハウジングの一端の開口からハウジングの外側
に突出しており、接続すべき２本の流体用導管の
一方に取り付けられるようになつている。ハウジ
ング内において前記管状部材を剛性の大きいリン
グが取り巻いている。このリングはその管状部材
のフランジと、その管状フランジが外部へ突出す
る側のハウジングの前記開口に隣接したハウジン
グのフランジの間に配されている。その剛性リン
グの両側において一対の弾性部材が前記管状部材
を取り巻いている。すなわち、一方の弾性部材は
その剛性リングと管状部材のフランジの間に配さ
れており、他方の弾性部材はその剛性リングとハ
ウジングのその管状部材が突出する側のフランジ
の間に配されている。各弾性部材は少なくとも１
個のエラストマー体を含んでおり、両側面が環状
で外部に露出している。両弾性部材と剛性リング
は互いに共働して前記管状部材とハウジング間を
流体密にシールするシールの少なくとも一部をな
し、かつその管状部材とハウジングの間を両者が
共働して荷重を支持するように連結している。

本発明の効果は前記両弾性部材の形状および組
合せ、特に弾性部材の両端面の輪郭に帰因するも
のである。その両端面は弾性部材の一方の側面か
ら他方の側面にかけて延びている。各端面は半径
方向の断面（ハウジングの中心軸を含む平面に沿
つた断面）で見た場合、それぞれほぼハウジング
の長さ方向の中心軸上の点を基準とする曲線をな
している。前記管状部材が突出する側のハウジン
グの一端に近い方に位置する弾性部材の両端面が
なす曲線が基準とする点はその弾性部材に対して
ハウジングの他端側に位置している。他方の弾性
部材の両端面に関する曲線の基準点はその弾性部
材に対してハウジングの前記一端側に位置してい
る。両弾性部材の両端面に関する前記点は一致し
ておらず、前記一方の弾性部材の両端面に関する
その点は前記他方の弾性部材の両端面に関するそ
の点よりハウジングの前記一端から遠い位置にあ
る。回転の中心の異なる２つの別々の弾性部材を
用いることによつて最小のスペース内でまたエラ
ストマーの最小の変形で比較的大きな揺動運動を
許容することができる。

本発明のたわみ管継手は単一の厚みの大きいエ
ラストマー体を使用した似たような従来のたわみ
管継手に比べて、そのエラストマー体が積層され
たものであるなしにかかわらず、２本の導管間の
与えられた揺動運動を許容するのに優れている。
本発明の管継手においては２つの異なる弾性部材
が管状部材とハウジングの間に直列に並べられて
いるから、各弾性部材は継手に加わる運動全体の
約半分ずつを許容すればよいことになる。したが
つて各弾性部材はそれだけ厚さ乃至高さが小さく
てよいことになる。直列に並べることによつて両
弾性部材のエラストマー層をそれぞれの回転の中
心に近づけることができ、回転中心からの距離が
短くなつて弾性部材の厚み乃至高さ全体に亘るせ
ん断変形が小さくなりエラストマー体をより有効
に使用することができる。さらに両弾性部材の端
面がなす曲線の基準となる前記点を互いにずらす
ことによつて、両弾性部材が同心円状の端面を有
する場合に比べて小さなスペース内に両弾性部材
を配することができる。また両弾性部材間に剛性
リングを挾むことによつて、その弾性部材内に必
要に応じて使用されるシムを径方向の荷重に対し
て支持し、それによつてそのシムが曲げられてし
まうのを防止することができる。

本発明の一実施例においては各弾性部材はエラ
ストマー体の中に間隔をおいて埋め込まれた非伸
張性のシムを有している。そのシムはエラストマ
ー体の耐圧縮性を大きくする。各弾性部材の曲面
状の両端面の形状に合わせるために各シムは半径
方向の断面で見た場合にそのシムが埋め込まれて
いる弾性部材の両端面がなす曲線の基準となる前
記点と一致するかもしくは少なくともその近傍に
ある点を基準とする曲線をなしている。各弾性部
材の両端面およびこのシムの半径方向の断面のな
す曲線が全て円弧であり、また全ての前記点が弾
性部材ごとに一致しているのが望ましい。前記管
状部材の環状フランジはハウジングの前記他端側
のフランジと係合し得るような寸法および位置に
することができる。それによつてその管状部材
の、ハウジングの前記他端方向への軸方向の運動
が両フランジの係合によつて制限される。また前
記環状の剛性リングは互いに流体密に係合する２
つの環状部分乃至２つの環状端板部材に分割して
形成してもよい。これによつて各弾性部材を別々
に組立て、別々に一方の環状部分乃至端板に接着
することができる。継手を組み立てる際に２つの
弾性部材および環状部分を一体化することができ
る。

以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説
明する。

第１図は本発明の一実施例のたわみ管継手の一
部断面側面図である。第１図において本実施例の
継手１０はその上下の端部をそれぞれ流体用導管
１２，１４に流体密に接続されるようになつてい
る。この接続は従来公知のどのような方法を用い
てもよい。例えば導管１２乃至１４と継手１０の
互いに対向する端部にフランジをそれぞれ設けそ
の両フランジを貫通するボルトを用いて締めつけ
てもよいし、両フランジを適当な締付手段で外側
から圧着するようにしてもよいし、さらに両フラ
ンジを溶接してもよい。導管１２，１４は石油、
天然ガス、堀削泥、水等の流体を内部に完全に密
閉して通すことができるようになつている。継手
１０および導管１２，１４はともに流体中（通常
水中）に潜つた状態で使用される。もちろん空気
中に露出している場合もあり得る。通常、導管１
２，１４および継手１０の内圧と外圧は通常異な
る。後述するように継手１０はその圧力差に耐え
て両導管１２，１４を密閉接続できるような構造
になつている。また継手１０はその長さ方向の軸
１６に直角な軸を中心とする導管１２，１４間の
相対的な揺動運動を許容するようになつている。

継手１０はスチール等の気密性の材料で形成さ
れた中空の環状ハウジング１８を備えている。ハ
ウジング１８はほぼ管状の本体部２０とその本体
部２０から半径方向内側に延びる第１、第２のフ
ランジ２２，２４を備えている。第１のフランジ
２２は環状をしており、本体部２０の一端に位置
せしめられている。その第１のフランジ２２はそ
の外縁に近い部分において複数のボルト２６によ
つて本体部２０に固定されている。ボルト２６は
第１のフランジ２２の外縁に近い部分に円をなす
ように配列して設けられた複数の穴２８を貫通
し、その穴２８と一致するように本体部２０の端
面に刻設されたねじ穴に螺入されている。ボルト
２６は六角レンチで締め付けることができるよう
に頭部に六角形の凹部（図示せず）を備えてい
る。第１のフランジ２２と本体部２０の間の流体
密性を確保するために、２個のＯリング３２，３
４が第１のフランジ２２の軸方向突出部に嵌めら
れている。両Ｏリング３２，３４は本体部２０内
に嵌入されている、第１のフランジ２２の軸方向
突出部に平行に刻設された２つの環状溝内に入れ
られている。Ｏリング３２，３４は本体部２０の
内壁と気密に係合している。ハウジング１８の端
部をなす第１のフランジ２２は開口を有してい
る。

第２のフランジ２４は管状の本体部２０と一体
に形成されている。その第２のフランジ２４は環
状をしており、長さ方向の軸１６に沿つて第１の
フランジ２２と離間せしめられている。第２のフ
ランジ２４は下方に延びる管状延長部３６を有し
ており、この延長部３６に前記導管１４が接続さ
れるようになつている。

スチールのような気密性材料で形成された管状
部材３８の一端がハウジング１８内に挿入されて
いる。この管状部材３８は前記第１のフランジ２
２によつて形成されているハウジング１８の開口
を通つて外側に突出している。この管状部材３８
の外側への突出端に前記導管１２が流体密に接続
される。管状部材３８のハウジング１８内に挿入
されている端部には環状のフランジ４０が設けら
れている。このフランジ４０は管状部材３８の本
体部４１と一体に形成されており、その本体部４
１から半径方向外方に延びている。またそのフラ
ンジ４０はハウジング１８の第１、第２のフラン
ジ２２，２４の間に位置されている。フランジ４
０のハウジング１８の第２のフランジ２４と対向
する側の外面４２は半径方向の断面で見て円弧状
をしており、その円弧と補完し合うような形状に
形成されているフランジ２４の内面と当接してい
る。

第１、第２の環状の弾性部材４６，４８がハウ
ジング１８の第１のフランジ２２と管状部材３８
のフランジ４０の間に配されている。第１の弾性
部材４６はエラストマー体５４を備えており、そ
のエラストマー体５４は一端をハウジング１８の
第１のフランジ２２に固着され、比較的質量が大
きく剛性の高い環状の第１の端板５０に他端が固
着されている。その第１の端板５０は金属で形成
されるのが望ましい。第１のフランジ２２と第１
の端板５０の対向する面はともに球面状をしてい
る。その両球面はハウジング１８の長さ方向の軸
１６上にある共通の中心５２を有している。な
お、その対向する両面は必らずしも共通の中心を
有している必要もないし、球面である必要もな
い。第１の弾性部材４６のエラストマー体５４は
第１のフランジ２２の内面と密着する端面５３と
第１の端板５０の外面と密着する端面５５を備え
ており、その端面５３，５５に沿つて第１のフラ
ンジ２２および第１の端板５０に接着されてい
る。なお、エラストマー体５４の両端面５３，５
５は第１の弾性部材４６の両端面でもある。エラ
ストマー体５４はエラストマーに比べて殆ど伸張
性のない材料で形成された複数のシム５６を有し
ている。すなわち、第１の弾性部材４６は複数の
エラストマー層と非伸張性材料層を交互に積層接
着してなつている。

シム５６はスチールで形成するのが望ましく、
エラストマー体はニトリルゴムで形成するのが望
ましい。ニトリルゴムは耐油性に優れている。ス
チールとニトリルゴム以外の適当な非伸張性材料
およびエラストマー材料でシムとエラストマー体
を形成してもさしつかえない。例えばニトリルゴ
ムの替りに他の合成ゴムや、天然ゴムを使用して
もよいし、スチールの替りに他の金属、フアイバ
ーグラス、強化プラスチツク、高張力繊維強化樹
脂等を使用することができる。シム５６は前記端
面５３，５５、第１のフランジ２２の内面、端板
５０の外面と球面と共通の中心を有する球面状の
表面を有している。このように第１の弾性部材４
６は全体的に球状をしており、ユニバーサルジヨ
イントのような機能をする。エラストマー体以外
の部材（すなわちシム５６、第１のフランジ２
２、端板５０）間の相対的回転運動はエラストマ
ー体５４が変形することによつて許容される。エ
ラストマー体５４の端面５３，５５の場合と同
様、シム５６の曲面状の表面は必らずしも球面で
ある必要もなく、また各シムが必らずしも上記球
面の中心と同心である必要はない。端面５３，５
５およびシム５６の表面が全てほぼ同じ形状をし
ており、その形状をなす曲線の基準となる点が大
体近い位置にあればよい。

第２の弾性部材４８は第１の弾性部材４６と殆
ど同じ構造である。第２の弾性部材４８はエラス
トマー体６２を備えており、そのエラストマー体
６２は一端を前記管状部材３８のフランジ４０に
固着され、他端を比較的質量が大きく剛性の高い
環状の第２の端板５８に固着されている。その第
２の端板５８も金属で形成されるのが望ましい。
フランジ４０と第２の端板５８の対向する面にと
もに球面状をしており、その両球面は共通の中心
６０を有している。第２の弾性部材４８のエラス
トマー体６２はフランジ４０の内面と密着する端
面６１と第２の端板５８の外面と密着する端面６
３を備えており、その端面６１，６３に沿つてス
リーブ４０および第２の端板５８に接着されてい
る。エラストマー体６２も複数のシム６４を備え
ている。この第２の弾性部材４８のエラストマー
体６２およびシム６４は第１の弾性部材４６のエ
ラストマー体５４およびシム５６と同じ材料で形
成することができる。また第２の弾性部材４８の
シム６４、端面６１，６３はそれぞれ第１の弾性
部材４６のシム５６、端面５３，５５とほぼ同じ
形状をしている。すなわちシム６４は半径方向の
断面で見た場合に円弧状をなしており、その円弧
の中心は端面６１，６３の半径方向の断面のなす
円弧の中心と一致している。ここでも、シム６
４、端面６１，６３の半径方向の断面がなす曲線
は必らずしも円弧である必要はなく、それらがほ
ぼ同様な形状であり、その形状の基準となる点が
互いに近い位置にあればよい。

第１の端板５０と第２の端板５８は互いに係合
することができるようになつている。第２の端板
部材５８に軸方向に延びる環状突部６６が設けら
れており、その突部６６が第１の端板５０に設け
られた環状の段部に係合しそれによつて両端板部
材５０，５８の半径方向の相対的な運動が防止さ
れるようになつている。２個のＯリング６８，７
０が第１の端板５０の前記段部の側面および底面
に設けられた溝内に挿入され、それによつて両端
板間を流体が通過するのを防止している。この両
端板５０，５８は互いに組み合わされて１個の比
較的質量の大きい剛性リングを形成している。

第１図に示すような組立状態においては、第
１、第２の弾性部材４６，４８および第１、第２
の端板５０，５８はハウジング１８と管状部材３
８の間を流体密にシールする。このシールによつ
て、継手１０を通つて一方の導管１２と他方の導
管１４の間を流体が流れても、その流体が継手１
０の外に漏れるのが防止される。また、両弾性部
材４６，４８によつて形成されるそのシールは内
圧と外圧の差による荷重に耐えるのにも適してい
る。油井、ガス井乃至それらの井戸を堀削する設
備においては導管１２，１４には通常その長さ全
体に亘つて張力がかかつている。継手１０に伝達
される張力は第１、第２の弾性部材４６，４８お
よび第１、第２の端板５０，５８を圧縮する荷重
として働く。両弾性部材４６，４８にかかる圧縮
荷重は両弾性部材４６，４８内のエラストマーを
変形すなわち圧縮するから管状部材３８のフラン
ジ４０はハウジング１８の第２のフランジ２４か
ら遠去かる方向に僅かに動こうとする。管状部材
３８のフランジ４０とハウジング１８の第２のフ
ランジ２４間のこのような相対的運動は両弾性部
材４６，４８によつて形成されるシールを破壊す
ることはないが、以下に説明するように両フラン
ジ２４，４０間の相対運動を許すように作用す
る。継手１０内の各部分の寸法は、継手１０が組
み立てられた際に両弾性部材４６，４８のエラス
トマー体がハウジング１８の第２のフランジ２４
と管状部材３８のフランジ４０の間で予めわずか
に荷重をかけられ、わずかに変形した状態となる
ような寸法にされているのが望ましい。管状部材
３８をハウジング１８内に押し込むような軸方向
の荷重が導管１２，１４にかかつた場合には、管
状部材３８のフランジ４０とハウジング１８の第
２のフランジ２４の係合によつて両弾性部材４
６，４８に引張荷重がかかるのが防止される。引
張荷重は両弾性部材４６，４８内のエラストマー
体５４，６２の疲労寿命に特に悪影響を与える。

両弾性部材４６，４８の球状の形状によつて導
管１２と１４の継手１０のいずれの方向への角度
的なずれも許容される。シム５６，６４等の非伸
張性部材間の相対的な回転と、両弾性部材４６，
４８内のエラストマー体５４，５６のねじれ変形
によつて両導管１２，１４の角度的なずれが許容
される。両弾性部材４６，４８のエラストマー体
は両導管間のその軸を中心とする相対的な回転を
許容する際にもねじれ変形される。両導管１２，
１４が継手１０に軸１６に直角な軸を中心にして
相対的に揺動したときに生ずる弾性部材４６，４
８の変形を第２図および第４図を参照して以下に
説明する。第２図および第４図に示されているよ
うに両導管１２，１４に角度的な不一致を生じさ
せる運動は前記点５２，６０の中間の点７２を中
心として生ずる。第２図は継手１０の右側部分の
変形前の状態を示す半径方向の概略断面図であ
る。第４図は導管１２が導管１４および継手１０
の軸に対して10゜傾いたときの状態を示す、第２
図と同様な図である。前記したようにその傾射運
動の約半分は第１の弾性部材４６のエラストマー
体５４の剪断変形によつて許容され、残りの半分
は第２の弾性部材４８のエラストマー体６２の剪
断変形によつて許容される。完全には図示されて
いないが、管状部材３８がハウジング１８に２点
で当接することよつて、エラストマー体が予め決
定された最大傾斜角度以上の傾斜運動によつて変
形されることのないようになつている。第４図に
示した状態では管状部材３の右側部分はハウジン
グ１８の第１のフランジ２２で当接しており、一
方その管状部材３８のフランジ４０の左側部分は
ハウジング１８の本体部分２０と接触している。

本実施例の継手１０の特徴は従来の同型の継手
と比較して見ると良くわかる。第３図および第５
図は従来の継手１００の右側部分を示しており、
第２図および第４図に示す本発明の継手１０の状
態とそれぞれ同じ状態を示している。

継手１００は前記本発明の一実施例の継手１０
と同様に、管状の本体部１０４と第１、第２の環
状フランジ１０６，１０８からなるハウジング１
０２を備えている。両フランジ１０６，１０８は
継手１００の長さ方向の軸１１０に沿つて互いに
間隔をおいて配され、本体部１０４から半径方向
内側に延びている。ハウジング１０２内に管状部
材１１２の一端が挿入されている。管状部材１１
２のその一端に半径方向外側に延びる環状フラン
ジ１１４が設けられており、そのフランジ１１４
がハウジング１０２の両フランジ１０６，１０８
の間に配されている。ハウジング１０２の第１の
フランジ１０６と管状部材１１２のフランジ１１
４の間に環状の弾性部材１１６が流体密なシール
を形成するように配されている。その弾性部材１
１６は図に示してないが、複数のエラストマー材
料層と、エラストマー材料に比して殆ど伸張性の
ない材料層を交互に積層して互いに接着してなつ
ている。ハウジング１０２の第１のフランジ１０
６と管状部材１１２のフランジ１１４の相対向す
る面および弾性部材１１６の両端面は全て半径方
向の断面で見たとき、軸110上の点１１８を共通
の中心とする円の一部をなしている。これによつ
て、継手１００は２本の導管間の相対的揺動運動
を非伸張性部分の点１１８を中心とする相対的運
動および弾性部材１１６のエラストマー体のねじ
れ変形によつて許容する。

比較のために、前記実施例の継手１０の両弾性
部材４６，４８の高さ乃至厚さの和が継手１００
の弾性部材１１６の高さ乃至厚さに等しいものと
する。各弾性部材の厚さ乃至高さは各端面の球面
に直角に測定した。また弾性部材４６，４８に含
まれるシム５６，６４の数の和と厚さの和は弾性
部材１１６内に含まれるシムの数とその厚さの和
に等しいものとする。すなわち、継手１０の第
１、第２の弾性４６，４８内のエラストマー体の
厚さの和は継手１００のエラストマー体の厚さの
和に等しいものとする。さらに、第１、第２の弾
性部材４６，４８内の各エラストマー層の厚みお
よび剪断弾性は弾性部材１１６の各エラストマー
層の厚みおよび剪断弾性と等しいものとする。

継手１００の弾性部材１１６中のエラストマー
体が傾斜運動を許容するために第５図に示すよう
に剪断変形するとき、各エラストマー層の回転に
対する剛性は回転の中心１１８とそのエラストマ
ー層間の半径方向の距離の２乗に依存する。例え
ばハウジング１０２の第１のフランジ１０６に最
も近い（最外側の）エラストマー層の回転の中心
１１８からの距離が管状部材１１２のフランジ１
１４に最も近い（最内側の）エラストマー層の回
転の中心１１８からの距離の２倍であるとすると
ハウジング１０２に対する管状部材１１２の揺動
に対する最外側のエラストマー層の作用上乃至見
掛け上のこわさは、（全てのエラストマー層の厚
み、剪断弾性および表面積が等しいとすると）最
内側のエラストマー層のそれの４倍となる。その
見掛けのこわさの差のために、最内側のエラスト
マー層は、揺動運動の角度の大きさやエラストマ
ー層の最大変形をどう設定したかにかかわらず最
外側のエラストマー層の約４倍大きく変形する。
また、最外側のエラストマー層が最内側のエラス
トマー層の４分の１しか変形しないということ
は、層の厚みが等しいのにもかかわらず、継手１
００の運動許容作用に対して前者が後者の25％し
か寄与しないということである。さらに弾性部材
１１６内の各エラストマー層の主な表面の半径方
向の断面のなす曲線の半径が異なるため、最外側
のエラストマー層の表面積は通常最内側のエラス
トマー層の表面積より大きくなる。表面積が大き
くなるとねじれ運動に対する抵抗も大きくなり、
したがつて弾性部材１１６の全体的な運動許容作
用内でそのエラストマー層が占める率が小さくな
る。

これに対して本発明の一実施例の継手１０の各
弾性部材４６，４８の厚み（高さ）は継手１００
の弾性部材１１６の厚みの２分の１である。以
下、第１の弾性部材４６を例にとつて説明する。
第１の弾性部材４６の前記第１の端板５０に最も
近い（最内側の）エラストマー層と前記回転の中
心５２間の距離が継手１００の弾性部材１１６の
最内側のエラストマー層と回転の中心１１８間の
距離に等しいとすると、第１の弾性部材４６の前
記第１のフランジ２２に最も近い（最外側の）エ
ラストマー層と回転の中心５２間の距離は最内側
のエラストマー層のそれのわずかに1.5倍であ
る。したがつてハウジング１８に対する管状部材
３８の傾斜運動に対する最外側のエラストマー層
の見掛けのこわさは最内側のエラストマー層の
2.25倍となるに過ぎない。継手１０および１００
がそれぞれエラストマー体の最大変形を同じ割合
に抑えるように設計されているとすると、継手１
０の最外側のエラストマー層は継手１００の最外
側のエラストマー層に比べて、それぞれの最内側
のエラストマー層が許容限度一杯まで変形された
ときに約２倍も変形する、すなわち約２倍も働く
ことになる。継手１０の第１の弾性部材４６のエ
ラストマー体は継手１００の弾性部材１１６の半
径方向内側部分のエラストマー体と同じ程度に働
くが、第２の弾性部材４８のエラストマー体は弾
性部材１１６の半径方向外側部分のエラストマー
体より相当大きく働く。したがつて、本発明の一
実施例である継手１０の２つの弾性部材４６，４
８は従来の継手１００の弾性部材１１６に比べて
エラストマー体の各部分の最大変形の限度を等し
く設定した場合により大きな角度の揺動運動を許
容することができる。逆に言えば、所定の最大揺
動角度に対して継手１０の場合には継手１００よ
りそのエラストマー体の最大変形を小さく設定す
ることができる。約25％の変形においては両弾性
部材４６，４８の疲労寿命は変形率の５乗に反比
例すると考えられるから、最大変形の限度をほん
の僅かでも小さくできるのは重要なことである。
例えば変形の限度を20％小さくできれば疲労寿命
を205％延ばすことができる。

両弾性部材４６，４８のエラストマー体５４，
６２の間に２つの端板５０，５８で形成された比
較的質量の大きい剛性リングを配することによつ
て、エラストマー体５４，６２内に埋め込まれた
シム５６，６４を、継手１００の弾性部材１１６
のシムに比べてより良く支持することができるの
であるが、これを以下に説明する。弾性部材４
６，４８の両端面が弧状をなしているから、両弾
性部材４６，４８にかかる圧縮力はその両端面に
ほぼ直角な方向すなわち回転の中心５２乃至６２
から半径方向に引いた線に沿つて働く。第２図を
参照すると、例えば第１の弾性部材４６の場合
に、第１のフランジ２２および第１の端板５０を
経て圧縮力が加わつたとき、シム５６は、図中角
度Ａで示す範囲内で第１のフランジ２２および第
１の端板５０によつて完全に支持される。この角
度Ａに含まれる範囲外ではシム５６は完全には支
持されない。例えば第２図に示す第１の弾性部材
４６の右半分の下側部分を考えると、シム５６の
この部分は端板５０から加えられる圧縮荷重に対
して第１のフランジ２２によつて支えられない。
したがつてシム５６はその一部分のみを押えられ
て両縁部が押圧されることになる。したがつてシ
ム５６の縁部は半径方向外側すなわち回転の中心
５２から上方へ曲げられようとする。そのため、
時によつてはシムが破壊されてしまうような荷重
や内部応力がシム５６に作用することになる。こ
のようなシムの両縁部が支持されていない状態は
第４図に示すように弾性部材４６が揺動運動を許
容して変形したときに更に悪化する。この場合に
は前記角度ＡはA′で示すように小さくなる。し
たがつてシム５６の完全に押えられる部分が小さ
くなる。したがつて一層大きな応力および荷重が
シム５６に作用することになる。

この状態は従来の継手１００の場合には一層深
刻である。第３図に示すように、その弾性部材１
１６内のシム（図示せず）が完全に支持される部
分は角度Ｂに含まれる範囲であるが、一部に弾性
部材１１６の高さによるものであるが、この角度
Ｂが既に前記継手１０における角度Ａより小さ
い。管状部材１１２というハウジング１０２間の
揺動を許容するために弾性部材１１６が第４図に
示すように同角度（10゜）だけ変形すると角度Ｂ
は全くなくなつてしまう。実際にはB′で示すよう
にマイナスの角度になつてしまう。したがつて弾
性部材１１６内のシムのどの部分も全く支えられ
ないことになり、シムが圧縮荷重によつて曲げら
れる傾向が一層強くなり、シムの疲れ寿命が大巾
に短くなる。これはすなわち弾性部材１１６ひい
ては継手１００全体の寿命が短いということであ
る。弾性部材４６，４８，１１６の半径方向最外
側の面すなわちフランジ２２，４０あるいは１０
６に沿つた面の寸法を大きくすることによつて継
手１０あるいは１００の作用的な前記角度（Ａ、
Ｂ）を拡げることができる。しかしながら、その
面の寸法を大きくすると、ハウジングの外形を大
きくしなければならず、したがつて継手全体のサ
イズおよび重量が大きくなる。しかしながら継手
１０の弾性部材４６，４８はそれぞれ継手１０で
許容すべき揺動運動の半分だけを許容すればよい
から、しかもそれぞれの高さ（厚み）が継手１０
０の弾性部材１１６の約半分であるから、弾性部
材１１６に比べて小さな率で前記面の寸法を大き
くすることによつて作用的な前記角度を拡げるこ
とができる。

また継手１０の両弾性部材４６，４８の回転の
中心５２，６０を継手１０の中心７２に一致させ
ることもできるが、そうすると前記両端板５０，
５８によつて形成されるリングを大きくしなけれ
ばならなくなる。リングを大きくすれば、継手１
０の全体的な長さが大きくなる。

また、本実施例の継手１０にはその機能に影響
を与えずに種々の変更を施すことができる。例え
ば、シム５６，６４の厚みがテーパー状に変化す
るようにしてもよい。さらに、シユミツトの米国
特許第3679197号に示されているように各弾性部
材４６，４８の各層の厚みおよび剪断弾性を変化
させてもよい。また両弾性部材４６，４８を完全
にエラストマーだけで形成してもよい。そのよう
な弾性部材を使用できるかどうかはその継手によ
つて接続される２本の導管にかかる張力によつて
その弾性部材に与えられる圧縮荷重の大きさおよ
びその弾性部材の側面にかかる流体の圧力の大き
さによる。また各弾性部材４６，４８をフランジ
２２，４０とは別の端板をつけた状態で形成して
もよい。その場合にはその端板とフランジ２２，
４０の間の当接面にＯリングを配する必要が生じ
るが、組立および弾性部材４６，４８の成形が大
巾に楽になる。また前記両端板５０，５８を一体
のリングとして形成することもできるが、そうす
ると弾性部材４６，４８の成形がより困難にな
る。また第１のフランジ２２を本体部２０にボル
ト以外の方法、例えばフランジ２２および本体部
２０に直接互いに螺合する螺条を設けて螺着する
ようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のたわみ管継手の一
部断面側面図、第２図はその右半分を示す概略
図、第３図は従来のたわみ管継手の右半分の概略
図、第４図は第１図の継手が変形した状態を示す
第２図と同じ図、第５図は従来の継手が変形した
状態を示す第３図と同様な図である。 １８……ハウジング、２０……本体部、２２，
２４……フランジ、３８……管状部材、４０……
フランジ、４６，４８……弾性部材、５０，５８
……端板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外圧と異なる圧力を有する流体を通す２本の
   導管１２，１４を接続する管継手１０において、 一端から他端に貫通する貫通孔と、その貫通孔
   の長さ方向に間隔をおいて配された半径方向内側
   に延びる第１、第２の環状フランジ手段２２，２
   ４とを備えており、その第１の環状フランジ手段
   ２２が第２の環状フランジ手段２４より前記一端
   に近い位置にある中空の環状ハウジング１８、 その環状ハウジング１８の前記貫通孔の最大直
   径部より小さい外径を有するとともに一端部に半
   径方向外側に延びる環状フランジ手段４０を備え
   ており、その環状フランジ手段４０が前記ハウジ
   ング１８の第１、第２の環状フランジ手段２２，
   ２４の間に位置し、他端部がハウジングの貫通孔
   の前記一端から外側に突出するようにして前記貫
   通孔内に挿入され、その突出した他端部に一方の
   導管１２が接続されるようになつている管状部材
   ３８、 前記管状部材３８の環状フランジ手段４０と前
   記第１の環状フランジ手段２２の間において前記
   管状部材３８を取り巻くように前記貫通孔内に配
   された剛性リング手段５０，５８、 少なくとも１個のエラストマー体５４を有し、
   両側面が環状で外部に露出するとともに前記ハウ
   ジングの第１の環状フランジ手段２２と前記剛性
   リング手段５０，５８との間において前記管状部
   材３８を取り巻くように前記貫通孔内に配された
   第１の弾性部材４６、および 少なくとも１個のエラストマー体６２を有し、
   両側面が環状で外部に露出するとともに前記管状
   部材３８の環状フランジ手段４０と前記剛性リン
   グ手段５０，５８との間において前記管状部材３
   ８を取り巻くように前記貫通孔内に配され、前記
   第１の弾性手段４６および前記剛性リング手段５
   ０，５８と共働して前記管状部材３８と前記環状
   ハウジング１８の間を流体密にシールするシール
   として作用し、かつ前記管状部材３８と前記環状
   ハウジング１８の間に働く荷重を支えて該両者を
   連結する第２の弾性部材４８からなり、 前記第１、第２の弾性部材４６，４８が前記両
   側面の一方の側から他方の側へ延びる一対の環状
   の端面５３，５５；６１，６３をそれぞれ有して
   おり、その各端面が半径方向の断面で見た場合
   に、ほぼハウジング１８の前記貫通孔の長さ方向
   の軸１６上の点５２，６０を基準とする曲線をな
   しており、前記長さ方向の軸１６を含む半径方向
   の面に沿つた断面において、前記第１の弾性部材
   ４６の両端面５３，５５をなす曲線の基準となる
   前記点５２がその第１の弾性部材４６に対してハ
   ウジング１８の前記他端方向に位置しており、前
   記第２の弾性部材４８の両端面６１，６３をなす
   曲線の基準となる前記点６０がその第２の弾性部
   材４８に対してハウジング１８の前記一端方向に
   位置しており、かつ第２の弾性部材４８の両端面
   ６１，６３に関する前記点６０が第１の弾性部材
   ４６の両端面５３，５５に関する前記点５２より
   ハウジングの前記一端に近い方にあることを特徴
   とする密封型たわみ管継手。 ２ 前記各弾性部材４６，４８のエラストマー体
   ５４，６２が前記環状ハウジング１８、前記管状
   部材３８および前記剛性リング手段５０，５８の
   ３種の剛性部材のうち、前記剛性リング手段５
   ０，５８を含む２つの剛性部材の間に両者の互い
   に相対向する面と流体密に係合するように配され
   ており、前記エラストマー体５４，６２の側面が
   前記各弾性部材４６，４８の側面を形成している
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の管
   継手。 ３ 前記各弾性部材４６，４８が前記エラストマ
   ー体５４，６２の中に間隔を置いて埋め込まれた
   複数の環状の殆ど伸張性のないシム５６，６４を
   備えていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の管継手。 ４ 前記各シム５６，６４が半径方向の断面で見
   た場合に、そのシム５６，６４が含まれている弾
   性部材４６，４８の前記両端面が半径方向の断面
   においてなす曲線の基準となる前記点５２，６０
   に少なくとも隣接する点を基準とする曲線をなし
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第３項記
   載の管継手。 ５ 前記第１、第２の弾性部材４６，４８の前記
   両端面５３，５５；６１，６３が半径方向の断面
   においてなす前記曲線がともに円弧であることを
   特徴とする特許請求の範囲第４項記載の管継手。 ６ 前記第１の弾性部材４６の前記一対の環状の
   端面が半径方向の断面においてなす２つの円弧の
   中心が一致しており、前記第２の弾性部材４８の
   前記一対の環状の端面が、半径方向の断面におい
   てなす２つの円弧の中心が一致しており、さらに
   前記シム５６，６４の半径方向の断面がなす曲線
   の基準となる前記点がそのシム５６，６４が含ま
   れる弾性部材４６，４８の前記一対の環状の端面
   に関する前記点と一致していることを特徴とする
   特許請求の範囲第４項記載の管継手。 ７ 前記剛性リング手段５０，５８が、互いに流
   体密に係合する２つの還状端板部材５０，５８か
   らなつていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の管継手。 ８ 前記管状部材３８の管状フランジ手段４０が
   前記ハウジング１８の第２のフランジ手段２４と
   係合し、前記管状部材３８が前記ハウジング１８
   の長さ方向の軸１６に沿つて該ハウジングの他端
   方向へ移動するのを前記第２のフランジ手段２４
   によつて制限するように前記管状部材３８の環状
   フランジ手段４０の寸法および位置が定められて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の管継手。