KR20060113929A

KR20060113929A - 금속 파이프 및 배관용 이음쇠

Info

Publication number: KR20060113929A
Application number: KR1020067010524A
Authority: KR
Inventors: 피터 씨 윌리엄스; 리차드 존 메드빅크
Original assignee: 스와겔로크 컴패니
Priority date: 2003-11-03
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-11-03
Also published as: US7784837B2; JP2007510869A; CN1878979A; NO20062547L; IL175056A0; WO2005043024A1; US20060284419A1; CA2543584A1; EP1682805A1; AU2004286335A1; SG148150A1

Abstract

제1 및 제2 플랜지형 부재(366, 378)와, 이들 제1 플랜지형 부재와 제2 플랜지형 부재 사이의 페룰(382)을 포함하는, 관(364)을 연결하기 위한 관 이음쇠가 제공된다. 페룰(382)은 상기 제1 및 제2 플랜지형 부재(366, 378)가 서로 당겨질 때 관의 파지 및 시일을 형성하기 위해 상기 관(364)과 맞물린다. 제1 및 제2 플랜지형 부재(366, 378)를 관(364)에 제공하는 단계와, 페룰(382)을 제1 플랜지형 부재와 제2 플랜지형 부재 사이의 관 상에 제공하는 단계와, 페룰이 관과 맞물려 관의 파지 및 시일을 형성하도록 제1 및 제2 플랜지형 부재들을 서로 당기는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 테이퍼진 클램프(360)가 플랜지형 부재들을 서로 당기는 데에 사용될 수 있다.

Description

금속 파이프 및 배관용 이음쇠{FITTING FOR METAL PIPE AND TUBING}

본 발명은 일반적으로 파이프와 관용 이음쇠 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 페룰(ferrule) 혹은 관 파지 링 등의 관 파지 장치를 포함하는 플레어리스 이음쇠(flareless fitting)에 관한 것이다.

관 이음쇠는 어떤 관 단부를 다른 부재와 결합 또는 연결하는 데에 사용되는데, 그러한 다른 부재는 예컨대 T자 이음쇠 및 엘보우 이음쇠(elbow fitting)를 통해 연결되는 또 다른 관 단부이거나, 예컨대 밸브와 같이 관 단부와 유체 연통되어야 하는 장치일 수 있다. 통상적으로, 스테인리스강관용 이음쇠는 먼저 "핑거 타이트(finger tight: 손으로 단단히 조임)" 상태로 조립한 후, 렌치나 그 밖의 적절한 공구를 사용하여 그 이음쇠를 최종의 초기 조립 상태로 조이거나 "풀업(pull-up)"해서 완전한 조립 상태로 완성한다. 가장 흔히 사용되는 풀업 메커니즘은 암나사식 너트 부품과 수나사식 본체 부품의 나사식 연결이며, 관 파지 기구는 서로 나사 결합되어 조여질 때 이들 두 부품의 작용을 받는다.

본 발명에 따르면, 관 이음쇠는 나사식 커플링 대신 클램프식 커플링을 사용한다. 상기 클램프식 커플링은 축방향으로 향하는 클램핑력을 가하기 위한 클램프 링을 포함하는 볼트 체결식 분할된 클램프 조립체로 공지된 형태일 수 있다. 클램프 링은 이음쇠를 만들기 위해 커플링의 제1 및 제2 부분 상에서 플랜지와 맞물린다.

당업자에게 본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 첨부 도면을 참조로 하여 다음의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명은 특정의 구성품에서 물리적 형태 및 그러한 구성품의 배열을 취할 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시 형태 및 방법은 본원에 상세하게 기재되고, 그것의 일부를 나타내는 첨부된 도면에 예시되어 있다.

도 1은 핑거 타이트 위치(finger tight position)에 있는 본 발명의 제1 실시예의 관 이음쇠를 나타내는 종방향 반단면도이다.

도 2는 풀업 위치(pull up position)에 있는 도 1의 실시예를 도시한 도면이다.

도 3 및 도 4는 일체형 너트 및 관 파지 기구와, 본체를 각각 도시한 도면이다.

도 5 및 도 6은 이음쇠가 핑거 타이트 위치와 풀업 위치에 각각 있는 상태에서, 셀프 게이징(self-gauging) 특징을 지닌 본 발명의 또 다른 양태를 도시한 도면이다.

도 7, 도 7a 및 도 8은 핑거 타이트 위치와 풀업 위치에 각각 있는 단일 페룰 관 이음쇠의 단일 페룰 및 캐밍 표면을 도시하는 종방향 반단면도이다.

도 9 내지 도 12는 너트와 일체로 된 관 파지 링의 추가적인 기하학적 형상의 예를 도시한 도면이다.

도 13은 또 다른 단일 페룰 관 이음쇠를 도시한 도면이다.

도 13a는 상이한 각도 개념을 예시하기 위해 도 13의 이음쇠의 일부를 도시한 확대도이다.

도 14는 풀업 상태에 있는 도 13의 이음쇠를 도시한 도면이다.

도 15a, 도 15b 및 도 15c는 나사식 커플링에 있어서 관 이음쇠 구성품들을 위한 여러 나사부의 옵션을 도시한 도면이다.

도 16 및 도 17은 클램프식 관 이음쇠를 포함하는 본 발명의 일실시예를 도시한 도면이다.

도 18은 본 발명에 따른 클램프식 관 이음쇠의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 19 및 도 20은 본 발명에 따른 클램프식 관 이음쇠를 위한 대안적인 플랜지 구조를 도시한 도면이다.

도 21 및 도 22는 본 발명에 따라 이용 가능한 대안적인 클램프를 도시한 도면이다.

아래의 내용은 관련 출원에 이미 개시되어 있다. 본원에서는 이러한 내용의 개념 및 교시 중 일부, 예컨대 가파른 캐밍각의 표면 및/또는 기하형상 및 관 파지 장치의 재료의 차등 경도(differential hardness) 등을 양호한 실시예에서 포함하 고 있다. 이러한 한 가지 특징에 따르면, 이음쇠 구성품들 중 하나의 가파른 캐밍각의 표면에 대해 작용하는 관 파지 기구를 갖는 관 이음쇠가 제공된다. 가파른 캐밍 표면 각도는 관 파지 기구의 경도가 비커스 스케일(Vickers scale)로 상기 관 재료의 경도보다 적어도 약 3.3배, 바람직하게는 적어도 4배 더 큰 비를 갖고 있는 경우에 특히 유리하다. 본 발명은 두 가지의 별개의 일반적인 실시예들에서 본 발명의 전술한 양태들을 이용하여 개시될 것이다. 첫 번째 일반적인 실시 형태는 후술하는 바와 같이 2개의 나사 부품들 중 하나 즉, 암나사 형성 너트 부품과 일체인 관 파지 기구가 마련되어 있는 관 이음쇠 구조이다. 두 번째 일반적인 실시예는 수나사 및 암나사 형성 부품과 함께 관 파지 기구로서 별도의 단일 페룰을 사용하는 스테인리스강관 배관용 관 이음쇠의 실시 형태이다. 일반적인 실시예 양자는 캐밍 표면 프로파일, 캐밍 표면 각도, 관 파지 기구의 기하형상의 옵션, 및 관 재료에 대한 관 파지 기구의 경도 특성 등과 같은 다양한 조합 및 서브 조합을 사용할 수 있는 선택적인 변형례인 다수의 공통적인 양태를 공유할 수 있다.

본원에서 본 발명의 많은 양태를 예시적인 실시 형태에 포함시키는 것으로 설명하지만, 이러한 설명은 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 임의의 특정한 용례에 대하여, 상기 각종 양태들은 상이하게 조합 및 서브 조합하여 필요에 따라 이용될 수 있다. 또한, 본 발명의 개시 내용은 수많은 설계 선택 및 대안적인 실시예를 설명 및/또는 도시하지만, 이러한 설명은 이러한 선택적 및 대안적인 실시예들의 예를 속속들이 설명하는 것으로서 의도된 것은 아니고 또 그와 같이 해석되어서도 안 된다. 당업자는 추가의 변형례 및 설계 선택을 쉽게 이해할 것이다.

본원에서 여러 실시 형태를 스테인리스강, 특히 316 스테인리스강으로 제조된 이음쇠 부품을 참조로 설명하지만, 이러한 설명은 예시적인 것으로 의도한 것이지, 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자는, 본 발명은 이음쇠 구성품에 대하여, 316, 316L, 304, 304L, 임의의 오스테나이트 또는 페라이트 스테인리스강, 임의의 듀플렉스(duplex) 스테인리스강, HASTALLOY, INCONEL 또는 MONEL과 같은 임의의 니켈 합금, 17-4PH와 같은 임의의 석출 경화형 스테인리스강, 황동, 구리 합금, 1018 스틸과 같은 임의의 탄소강 또는 저합금강, 12L14와 같은 임의의 납입강(leaded steel), 인 복합강(re-phosphorized steel), 황 복합강(re-sulphurized steel)을 비롯하여, 임의의 상이한 많은 종류의 금속 재료가 이음쇠 부품뿐만 아니라 금속 배관 및 파이프의 재료로 사용할 있다는 점을 쉽게 이해할 것이다. 재료 선택의 한 가지 중요한 양상은, 관 파지 기구의 경도가 비커스 스케일로 나타낼 때에 그러한 이음쇠와 함께 사용되는 가장 경질의 관 재료의 경도보다 적어도 약 3.3배, 바람직하게는 4배 이상의 비로 되게 표면 경화 또는 전체 경화(through hardening)되어야 한다는 것이다. 따라서, 상기 관 파지 기구는 관 그 자체와 동일한 재료로 제조될 필요는 없다. 예를 들면, 후술하는 바와 같이, 상기 관 파지 기구는 상기 스테인리스강 재료, 또는 몇몇 추가의 예로서, 마그네슘, 티탄, 알루미늄과 같이 표면 경화될 수 있는 다른 적당한 재료로부터 선택될 수 있다. 본원에서 사용한 용어 "관(tube)"은 제한적인 것으로 해석할 것이 아니라, 오히려 관 및 파이프가 금속 도관에 대한 일반적인 용어로서 번갈아 가며 사용될 수 있고, 이들 모두가 본 발명에 포함된다.

도 1을 참고하면, 본 발명은 단지 2개의 별도의 구성 요소, 즉 암나사 형성 너트(52) 및 수나사 형성 본체(54)가 있는 관 이음쇠(50)에 관한 것이다. 상기 너트(52)는 금속 배관용의 종래 기술의 페룰 타입 관 이음쇠에 사용되는 통상적인 너트와는 현저하게 다르다. 상기 본체(54)는 종래의 이음쇠에 사용되는 통상적인 본체와 유사한 구조일 수 있지만, 이하에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 본체(54)는 바람직하게는 새로운 너트(52)와의 적합한 조립을 위해 최적화될 수도 있지만, 필수적인 것은 아니다. 또한, 상기 본체(54)는 별도로 분리된 구성 요소일 필요는 없으며, 예컨대 밸브 본체, 매니폴드 또는 기타 구성 요소와 같은 다른 부품에 부착될 수도 있고, 이들 부품에 일체로 될 수도 있다.

도면에서, 이음쇠는 종단면도로서 그 단면의 절반만이 도시되어 있는데, 다른 절반은 동일하므로, 명료하고 용이한 도시를 위해 생략되어 있다는 것을 이해해야 한다. 본원의 모든 도면에서, 각종의 간극 및 치수는 용이한 도시를 위해 어느 정도 과장되어 있다.

상기 본체(54)는 일체의 확장부 혹은 단부 확장부(56a)를 갖는 대략 원통형의 주 본체(56)이다. 단부 확장부(56a)는 예컨대, 육각형 본체일 수도 있고, 예컨대 전술한 밸브 본체와 같은 다른 구성 요소의 일부일 수도 있다. 주 본체(56)는 단부 확장부(56a)와 동일한 재료로부터 기계 가공될 수도 있고, 그와 달리 용접 또는 기타 적절한 기법 등에 의해 부착될 수도 있다. 주 본체(56)는 관 단부(13)를 꼭 맞으면서도 활주 가능하게 수용하기에 적절한 치수로 된 중앙의 종방향 제1 보어(58)를 구비한다. 제1 보어(58)의 직경은 본체(54)의 단부 확장부(56a)를 통해 연장되는 동축의 제2 보어(59)의 직경보다 어느 정도 크다. 물론, 이음쇠(50)가 폐쇄 단부 접속구인 경우에, 내측 보어(59)는 관통 보어가 아니다.

관 단부(13)는 바람직하게는 카운터보어(60)에 대해 맞닿는다. 본체(56)에는 너트(52)에 형성되거나 기계 가공되는 대응 암나사(64)와 나사 결합되는 외측 수나사(62)가 기계 가공되거나 그 외의 방식으로 형성되어 있다. 종래 기술의 이음쇠 구성 요소와 구식 및 신식의 본체 및 너트 부품의 부주의한 믹싱을 방지하기 위해, 본 발명의 너트 및 본체의 나사 피치는 종래 기술의 페룰 타입의 관 이음쇠용 너트 및 본체의 나사 피치 값과 상당히 다를 수 있는 것에 주목하기 바란다. 이는 교환 문제를 방지하며, 적은 너트 회전으로 완전한 풀업을 달성하도록 큰 축방향 스트로크를 제공하는 간격이 넓은 피치를 또한 허용한다. 예컨대, 본 발명에 합체되는 이음쇠는 1/2 회전으로 적절한 풀업을 달성하기에 충분한 축방향 변위를 제공하는 넓은 피치의 나사를 사용할 수 있다. 이에 비하여, 통상적인 종래 기술의 이음쇠는 5/4 내지 3/2 회전으로 풀업된다. 그러나, 설계자가 나사 피치를 특정 용례에 적합한 임의의 값으로 만드는 데에는 제한이 없는데, 그 이유는 교환 문제를 회피하기 위한 다른 기법이 존재하기 때문이다. 따라서, 풀업을 달성하기 위한 1/2 회전은 이용 가능한 각종 설계상의 선택 중 단지 일례일 뿐이다.

중앙 본체 보어(58)는, 보어(58)의 직경이 카운터보어(60)를 향해 축방향을 따라 반경 방향으로 감소하도록 관 단부(13)의 종방향 축선(X, 도 1 참조)에 대해 반경 방향 내측으로 약간의 테이퍼(α)를 갖도록 형성되는 것이 바람직하지만, 필수적인 것은 아니다. 예컨대, 상기 테이퍼는 약 2도 내지 약 4도일 수 있지만, 선 택된 각도가 특별히 임계적인 것은 아니다. 카운터보어의 쇼울더에서의 보어(58)의 직경은 관 단부(13)의 외경보다 단지 조금 작다. 이러한 방식으로, 관 단부(13)는 예컨대 수천분의 1인치의 작은 반경 체결 여유로 보어(58)와 억지 끼워 맞춤된다. 보어(58)와 관 단부(13) 사이의 이러한 억지 끼워 맞춤은 회전 방지 작용을 제공하여, 관 단부(13)가 풀업 중에 회전하는 것을 방지한다. 이는 풀업 중에 관 파지 요소(80)의 회전에 의해 관 단부 내에 야기될 수 있는 잔류 비틀림 응력도 또한 감소시킨다. 관 단부(13)가 카운터보어(60)의 쇼울더에 대해 완전히 맞닿을 필요는 없다. 이는, 억지 끼워 맞춤이 보어(58)와 관 단부(13) 사이에 양호한 1차 시일을 제공하는 것을 돕기 때문이다. 억지 끼워 맞춤은 풀업 중에 관 단부를 고정되게 축방향으로 유지함으로써 관 파지 요소(80)에 의한 관 파지를 또한 개선하고, 그 결과 관 파지 요소(80)의 전체 축방향 변위는 체결 중에 관 단부의 임의의 축방향 운동 또는 이동이 상실되기보다는 적절한 변형 및 관 파지를 위해 사용된다. 보어(58)의 테이퍼는 그 전체 축방향 길이에 걸쳐 또는 카운터보어(60)에 인접한 보다 짧은 축방향 부분에 걸쳐 점진적으로 확장될 수 있다.

도 1 및 도 2의 실시예에 있어서, 너트(52)와 본체(54)의 축방향 치수는 적절한 풀업이 행해질 때, 예컨대 본체(54)에 대해 너트(52)를 1/2회전시킬 때 너트의 전방 단부(66)가 단부 쇼울더(68) 혹은 본체(54)의 다른 축방향 정지면과 축방향으로 접촉하게 되는 치수를 갖는다. 따라서, 이러한 특징은 이음쇠(50)에 셀프 게이징(self-gauging) 특징을 부여하여 충분한 풀업을 표시하고 너트(52)의 과도한 조임을 방지한다. 그러나, 본체(54)에 대한 너트(52)의 추가적인 축방향 변위를 허용하는 것이 바람직할 수 있는 그런 상황에서, 예컨대 초기의 적절한 풀업을 완료하였을 때에 이음쇠(50), 너트(52) 및 본체(54)는 그들 사이(예컨대, 각각의 단부(66, 68)들 사이)에 축방향 간극을 유지하기 위해 축방향으로 소정의 치수를 가질 수 있도록 리메이크(remake)된다. 후자의 경우, 적절한 초기 풀업을 확인하기 위해 게이징 툴을 사용할 수 있는데, 이러한 툴의 예로는 표면(66, 68)들 사이의 축방향 간극이 예정된 값 혹은 치수를 초과하지 못하는 것을 확인하기 위한 간극 측정 기구를 들 수 있다. 정지 특징은 또한 이음쇠(50)를 위한 한정된 수의 리메이크를 실시하기 위해 사용될 수 있다.

도 3을 또한 참조하면, 너트(52)는 이음쇠(50)의 종방향 축선에 대해 제1 직경(D1)을 갖는 제1 중앙 보어(70)를 구비한다. 너트(52)는 이음쇠(50)의 중앙의 종방향 축선에 대해 제2 직경(D2)을 갖는 제2 보어(72)를 또한 구비한다. 이 실시예에서, 직경 D2는 직경 D1보다 작다. 또한, 직경 D2의 크기는 보어(72)가 관 단부(13; 도 1 참고)를 수용하는 대략 원통형의 벽을 형성하도록 정해진다. 제1 보어(70)는 트레판(75; trepan)을 형성하도록 너트 후방 단부(74)로부터 축방향으로 간격을 두고 있는 위치에서 종결되며, 너트(52)는 반경 방향 내측으로 연장되는 칼라(76)를 갖는다. 칼라(76)는 너트(52)의 후방 단부벽(74), 직경이 작은 보어(72) 및 직경이 큰 보어(70)에 의해 형성된다.

상기 너트(52)는 칼라(76)로부터 어느 정도 외팔보식으로 축방향 내측으로 연장되는 관 파지 기구(80)를 구비한다. 이 예에서, 관 파지 기구는 파지 링(80)의 일반적인 형태이며, 관 단부(13; 도 1 참고)를 밀접하게 수용하는 실질적으로 원통형의 벽을 형성하는 내측 보어(82)를 구비한다. 링 보어(82)의 직경 D3은 제2 보어(72)의 직경과 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다. 파지 링 보어(82)를 형성하는 원통형 벽은 파지 링(80)의 테이퍼진 전방, 즉 노즈 부분(84)으로부터 축방향으로 연장된다. 노즈 부분(84)은 축방향으로 테이퍼진 외면(86)을 갖고, 이 외면은 링(80)의 후방 단부를 향해 반경 방향 치수가 증가한다. 테이퍼진 외면(86)은 파지 기구(80)의 대략 반경 방향 전방 단부(85)로부터 연장된다. 이러한 대략 반경 방향 전방 단부(85)는 작은 각 혹은 테이퍼를 가질 수 있으며, 바람직하게는 날카로운 코너(87)에서 원통형 보어(82)와 결합된다. 그러나, 선택적으로는, 전방 단부(85)로부터 너트(52)의 후방 단부(74)를 향해서 축방향으로 연장되고 직경 D3보다 어느 정도 큰 직경을 갖는 원주 방향의 리세스, 스텝, 노치 또는 기타 기하형상(도시 생략)이 링(80)의 전방 단부에 마련될 수 있다.

테이퍼진 표면(86)은 바람직하게는 둥근 부분(89)에 의해 전방 단부(85)에 결합되고, 둥근 부분(86a)에 의해 그 축방향 대향 단부에서 대략 원통형 부분(91)에 결합되며, 이 원통형 부분은 둥근 부분(93)을 매개로 테이퍼진 외벽 부분(95)에 결합된다. 이 테이퍼진 외벽 부분(95)은 둥근 부분을 따라 트레판(75)에 결합된다.

이러한 점에 있어서, 관 파지 기구(80)(예컨대, 각종 리세스, 노치, 테이퍼진 부분, 반경 부분과 같은)의 각종 기하학적 특징은 후술하는 바와 같은 적합한 반경 방향 내측 힌지 작용을 행하도록 선택된다. 따라서, 관 파지 기구(80)의 기하학적 형상은 특정 용례에 필요한 경도, 이음쇠 구성 요소, 배관의 치수, 요구되 는 관 파지 및 밀봉 성능과 같은 배관 재료의 특징에 의해 결정될 것이다. 따라서, 본원에 예시된 특정의 실시예는 본질적으로 예시적인 것으로 의도되며, 관 파지 기구의 기하학적 형상에만 한정되는 것이 아니다. 제한하려는 의도는 아니지만 단지 일례로서, 도 9 내지 도 12에는 관 파지 기구의 다른 기하형상의 변형례들이 도시되어 있다. 2가지 페룰 이음쇠에 대한 전술한 인용 특허는 원하는 관 파지를 얻기 위한 힌지 작용을 용이하게 하는 추가의 기하형상의 변형례를 또한 예시하고 있다.

도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 테이퍼진 노즈 부분(84)은 주 본체(56)에서 관 보어(58)에 대한 개구를 형성하는 축방향으로 테이퍼진 캐밍 표면(88)과 초기에 맞물린다. 테이퍼진 캐밍 표면(88)은 보어(58) 벽을 본체(54)의 후방 단부벽(90)에 연결하는 표면이다. 도 1 및 도 2의 실시예에 따르면, 이러한 테이퍼진 캐밍 표면(88)은 대개 볼록한 윤곽을 갖는 것을 특징으로 한다. 그러나, 캐밍 표면(88)의 형상은 특정 용례의 이음쇠(50)에 필요한 특정의 링 변형 및 관 파지 특징에 따라 기타 다른 형상으로 선택될 수 있다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 캐밍 표면(88')은 예컨대, 절두 원추형 윤곽을 가질 수 있다. 또한, 도 4에는 축방향으로 테이퍼진 관 보어(58)가 카운터보어(60)에 인접하는 축방향으로 더 짧은 부분에서만 테이퍼질 수 있는 개념이 도시되어 있는 것에 주목해야 한다.

관 파지 링(80)은 이음쇠(50)의 여러 중요한 기능을 실행하도록 성형되어 있다. 파지 링(80)은 적절한 풀업 시에 테이퍼진 캐밍 표면(88)에 대해 유밀한 1차 시일을 제공해야 한다. 이 시일은 관 이음쇠(50)를 위한 1차적인 외부 시일일 수 도 있고, 실제로 예컨대 보어 벽(58) 및/또는 카운터보어(60)를 따라 관 단부(13)와 본체(54) 사이에 형성된 임의의 시일에 대한 2차 또는 백업 시일 수도 있다. 파지 링(80)은, 링(80)의 원통형 보어(82)가 관 단부의 외면과 맞물리는 영역에서 링(80)이 관 단부(13)의 외면을 무는 위치에 1차 시일을 형성할 수 있다. 다시, 이 1차 시일은 실제로 본체(54)에 대하여 관 단부(13)에 의해 형성된 임의의 시일에 대한 백업 또는 2차 시일일 수 있다. 어떤 경우에든, 파지 링(80)은 관 단부(13)의 외면과 캐밍 표면(88)에 대한 1차 시일을 형성해야 한다. 또한, 상기 링(80)은, 압력, 온도 및 진동의 영향 하에서도 시일의 완전성을 유지하고, 관 단부가 이러한 조건 하에서 이음쇠로부터 분리되는 것을 방지하기 위해 관 단부(13)를 적절하게 파지해야 한다.

유밀 시일과 관 파지 작용을 달성하기 위하여, 링(80)은 도 2에 도시된 바와 같이 풀업시에 관 단부 내로 소성 변형되어 스웨이징(swagging) 되도록 설계된다. 이는 링(80)을 힌지 운동을 하도록 설계함으로써 달성되며, 이로써 너트(52)가 본체(54) 상에 나사 체결됨에 따라 테이퍼진 노즈 부분(84)은 축방향 전방으로 압박될 뿐만 아니라, 관 단부(13) 벽의 외면과 맞물리게 되도록 반경 방향으로 이동 또는 구동된다. 따라서, 노즈 부분(84)의 전방 단부(92)는 합응력 라이저(resultant stress riser) 또는 바이트(bite)에 의해 압박되어 도 2에서 참조 부호 94로 표시된 영역에 매설된다. 전방 단부 바이트(94)는 소성 변형되는 관 단부 재료로 형성된 전체적으로 반경 방향으로 연장되는 벽 또는 쇼울더(99)를 형성한다. 이 쇼울더(99)는 상기 파지 링(80)의 매설된 전방 단부와 맞물려, 고압에서의 관 파열에 대해 매우 강한 기계적 저항을 형성한다. 따라서, 상기 매설된 노즈 부분(92)은 관 단부(13)를 강하게 파지하는 동시에 탁월하게 밀봉한다. 또한, 링(80)은 응력 라이저 또는 바이트(94)에 축방향으로 인접한 위치 또는 그 후방 위치인 참조 부호 96으로 지시되어 있는 위치에서 원통형 벽(82)이 관 단부에 맞닿게 스웨이징되거나 콜릿(collet) 작용을 하게, 전술한 바와 같이 반경 방향 내측으로 힌지 운동을 하도록 되어 있다. 이러한 스웨이징 및 콜릿 효과는 실질적으로 관의 파지 기능을 강화하고, 상기 매설된 노즈 부분과 바이트(94)를 다운 튜브 진동과 온도 변화의 영향으로부터 단절시키는 작용을 한다.

본원에 예시된 다양한 실시예들은 매설된 노즈 부분과 부수저인 스웨이징 작용을 초래하는 것에 관하여 기술되어 있지만, 당업자라면 일부 용례에서, 특히 적당한 온도, 진동 및 압력의 영향에 노출된 이음쇠의 경우에, 상기 엄격한 설계 기준이 항상 필요한 것은 아니라는 것을 알 것이다. 따라서, 본 발명의 기본 개념들 중 하나는 하나 혹은 그 이상의 페룰을 사용하는 대신 오히려 나사 체결된 이음쇠 부품들 중 하나와 일체로 되어 있는 관 파지 링을 사용하는 플레어리스 관 이음쇠(flareless tube fitting)를 제공하는 데 있다. 본원에 바람직한 실시예로서 기술되어 있는 너트, 본체 및 파지 링의 추가적인 설계 양태는 제한적인 의미로 해석되어서는 안 되며, 오히려 본 발명의 기본 개념이 특정 용례의 필요에 맞게 사용되도록 선택 가능한 향상으로 해석되어야 한다.

바람직한 스웨이징 작용과 관 파지를 위해, 링(80)은 본체(56)의 테이퍼진 캐밍 마우스(88)와 맞물릴 경우, 테이퍼진 노즈 부분(84)과 파지 링(80)의 중앙이 나 중간 부분(원통형 보어(82)의 영역 또는 참조 부호 94로 지시된 영역)이 반경 방향 내측으로 압박되게 하는 힌지 운동을 나타내도록 설계되어 있다. 또한, 이러한 힌지 운동은, 링(80)을 응력 라이저(94)에 축방향으로 인접한 위치에서 관 단부(13) 상으로 스웨이징 하도록, 원통형 벽(82)을 반경 방향으로 상당히 이동시키고 압박하는 데 사용된다. 도 1 내지 도 4의 실시예에서, 힌지 운동은 원통형 부분(72 및 82) 사이에 축방향으로 배치되는 반경 방향 내주 노치(98)를 마련함으로써 용이해지며, 이 노치는 바람직하지만 항상 필요한 것은 아니다. 노치(98)는 링(80)의 소성 변형 및 제어된 방식의 붕괴를 허용하도록 적절하게 형성되어, 바람직한 콜릿 효과를 갖는 상태로 원통형 벽(82)을 관 단부에 맞닿게 반경 방향으로 압박한다. 이러한 결과는 파지 링(80)의 외벽 부분 내에 외측 노치(100)를 포함시킴으로써 향상될 수 있다. 따라서, 파지 링(80)의 특정 기하형상은, 너트(52)가 본체(54) 상으로 나사 결합될 때, 파지 링이 힌지 운동하여 관 단부를 파지하고 관 단부 및 테이퍼진 캐밍 마우스(88) 모두에 대하여 밀봉되도록 설계되어 있다. 관 재료, 배관 경도 및 벽 두께 등과 같은 가변 인자와, 필요 압력, 온도 및 진동 성능 특징에 기초하여 링(80)의 기하형상을 최적화하는 데, 유한 요소 해석 등과 같은 표준 설계 절차를 이용할 수 있다.

또한, 파지 링(80)의 적절한 변형은 테이퍼진 표면(88)을 위해 적절한 윤곽을 선택함으로써 제어될 수 있다. 이 표면은 파지 링(80)의 테이퍼진 노즈와 맞물리며, 그에 따라 페룰(80)이 어떻게 힌지 운동하고, 압박되며, 그리고 배관 속으로 물려 들어가고 또한 바람직한 콜릿 또는 스웨이징 작용을 제공하도록 적절하게 매 설된 노즈 부분을 소성 변형시키는 타이밍과 방법을 부분적으로 결정한다. 또한, 캐밍 표면(88)의 윤곽은 링(80)의 노즈 부분과 테이퍼진 표면(88) 사이에 원하는 시일을 달성하도록 설계될 수 있다. 이러한 시일은 파지 링(80)과 관 단부(13)에 마련되는 시일과 마찬가지로, 이음쇠의 전체 성능과 관련하여 중요하다.

파지 링(80)과 일체로 된 너트(52)는 표준 가공 작업과, 예컨대 제2의 노치(100)와 같이 전형적으로는 링(80)의 외부 윤곽을 형성하는 트레판 가공을 비롯한 작업에 의해 제조될 수 있다. 너트(52)의 그 밖의 부분은 잘 알려진 가공 작업에 의해 구현될 수 있다. 너트(52)는 렌치용 평탄부(102; wrench flat)를 포함하여, 사용자가 너트(52)를 본체(54) 상에 조일 수 있게 하는 것이 바람직하지만, 필수적인 것은 아니다. 당업자라면 이음쇠(50)를 이용하는 경우 너트(52)와 본체(54) 사이의 상대 회전만이 요구되므로 각 구성 요소 또는 모든 구성 요소들이 풀업 작동 동안에 필요에 따라 회전될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있다.

캐밍 표면(88)이 이음쇠(50)와 관 단부(13)의 종방향 X축선에 대해 약 35°내지 60°의 캐밍각(θ)을 형성하는 것이 매우 바람직한 것으로 밝혀졌다. 캐밍 표면(88)의 각도(θ)는 40°내지 50°인 것이 더 바람직하며, 약 45°인 것이 가장 바람직하다. 이러한 캐밍 표면(88)의 각도 범위는 통상적으로 사용되는 금속제 관 이음쇠 구조와 현저하게 상이하다. 일반적으로 사용되는 관 이음쇠는 10°내지 25°의 캐밍 표면각을 갖는데, 이는 본 발명에 비해 실질적으로 완만한 각도이다. 종래의 이음쇠에서는 페룰이 캐밍 표면을 따라 큰 축방향 거리를 활주하도록 캐밍각이 완만할 필요가 있으며, 그 이유는 몇몇 종래 기술의 페룰은 높은 차등이 심한 경도를 가지지 않기 때문이다. 이러한 완만한 각도는 점진적인 만곡부를 제공하거나 또는 페룰에 반하는 축방향 너트의 부하를 반경 방향으로 관을 향하는 페룰 전방 단부의 증폭된 부하로 전환시키기 위한 기계적인 장점을 제공한다. 이와 같이 큰 활주 운동으로 인해, 관 파지 기구는 보다 서서히 반경 방향으로 관 단부를 향해 변형되어 관을 파지하거나 관에 물려 들어갈 수 있다. 이렇게 큰 활주 운동은 또한 페룰 전방 단부가 관을 점진적으로 파고들어가는 것을 허용하고, 또 변형된 배관 재료의 축적물을 갈아 젖히게 된다. 캐밍각이 가파른 것으로 여겨지는 것에 포함되는 종래의 관 이음쇠는, 실제로 캐밍 표면의 완만한 부분에 의존하거나 또는 관에 물려 들어가는 부분을 형성하지 않으며, 이에 의해 이음쇠의 내압성을 제한한다. 그러나, 종래의 완만한 캐밍각은 신뢰 가능한 시일과, 페룰의 노즈 부분이 완만한 캐밍 마우스로 활주하도록 이와 유사하게 테이퍼져야 하기 때문에 특히 약한 페룰 전방 부분을 형성하도록 단일 페룰의 기능과 절충한다. 이와는 현저히 다르게, 본 발명은 실질적으로 가파른 캐밍 표면 각도(θ)를 채용하여, 상기 파지 링의 노즈 부분(84)이 활주 운동은 거의 하지 않는 캐밍 표면(88)이 되어, 우수한 시일을 형성할 수 있게 된다. 그러나, 당업자들은 가파른 캐밍각은 선택적이고 모든 용례 특히, 기체에 대한 강한 밀봉을 필요로 하지 않는 용례에서는 불필요한 것으로 인식할 것이다.

노즈 부분(84)은 외측 테이퍼진 표면(86)으로 전이되는 만곡부(89)를 포함한다. 상기 외측 표면(86)은 대개 캐밍 표면(88)의 각도만큼 가파르지 않은 각도로 테이퍼져 있다. 테이퍼진 외측 표면(86)은 파지 링(80)의 후방 단부를 향해 반경 방향 치수가 증대되면서 축방향으로 테이퍼져 있는 것이 바람직하다. 이러한 테이퍼진 외측 표면(86) 및/또는 만곡부(89)는 풀업시에 실제로 전반적으로 협소한 영역의 접촉 또는 선접촉 상태로 캐밍 표면(88)과 접촉하며, 이 캐밍 표면은 큰 응력을 갖고 재료의 코이닝(material coining)이 일어나서, 파지 링(80)의 전방 단부가 캐밍 표면(88)이 될 수 있게 된다. 따라서, "전반적으로 협소한 선접촉" 이란 용어는 테이퍼진 외측 표면(86)과 캐밍 표면(88) 사이의 접촉 영역을 배제하려는 것이 아니며, 오히려 보다 일반적으로는 응력이 크고 테이퍼진 외측 표면(86)과 캐밍 표면(88) 사이의 재료 코이닝이 일어나는 캐밍 표면(88)의 최내측 범위 또는 그 부근의 국소 접촉 영역의 개념에 관한 것이다. "코인(coin)"은 단순히 광택 금속에 광택이 난 금속의 전반적으로 협소한 둘레 선접촉을 형성하여 기밀한 1차 시일을 형성함으로써, 파지 링(80)이 캐밍 표면(88)에 대해 양호하게 금속 대 금속 시일을 달성하는 것을 의미한다.

특정 캐밍각의 사용이 표면(88) 윤곽에 반드시 의존하는 것은 아니라는 것에 주목해야 한다. 다시 말하자면, 중요 각도는 파지 링(80)의 전방 단부가 캐밍 표면(88)과 접촉하여 시일을 형성하는 곳에서의 각도이다. 따라서, 실제로 캐밍 표면(88)은 도 1 및 도 2에 도시된 볼록 형상과 같이 비(非)절두형 원추 윤곽으로 제조되지만, 시일은 가파른 각도의 표면(88)과 접촉하는 페룰(80)의 전방 단부에 의해 형성된다. 파지 링(80)에 의해 힌지 운동 및 관과 물려 들어가는 것을 보다 용이하게 하기 위해, 캐밍 표면(88)에 복합 각도 또는 윤곽을 추가할 수 있다.

본 발명의 양태에 따라, 파지 링(80)이 관 단부(13) 방향으로 힌지 운동을 하고 이 관 단부(13)에 물려 들어가는 것을 용이하게 하도록, 캐밍 표면(88)이 보다 가파르거나 완만한 추가의 각진 부분이 마련되는 복합 각도 표면으로 형성되었는지 여부와는 무관하게, 파지 링(80)의 전방 단부의 밀봉부(예시적인 실시예에서 만곡부(89))는 캐밍 표면(88)의 가파른 각도 부분에 1차 시일을 형성하며, 가파른 각도 부분의 각도(θ)는 이음쇠(50) 및 관 단부(13)의 종방향 X축선에 대하여 약 35°내지 60°인 것이 바람직하고, 캐밍 표면(88)의 각도(θ)는 40°내지 50°인 것이 더 바람직하며, 각도(θ)는 1차 시일이 형성되는 위치에서 약 45°인 것이 가장 바람직하다. 상기 1차 시일은 파지 링(80)의 전방 단부와 캐밍 표면(88) 사이의 선접촉 타입의 맞물림에 의해 이루어지는 것이 바람직하지만, 필수적인 것이 아니다.

가파른 캐밍 표면 각도는, 전방 부분이 종래의 단일 페룰 및 파지 링 설계에서와 마찬가지로 완만한 캐밍 표면 각도와 맞물려야 하는 경우에 비하여, 관 파지 기구(80)의 노즈 부분 또는 전방부가 보다 큰 질량을 갖게 형성될 수 있다는 추가의 장점이 있다. 이러한 추가 질량은 힌지 운동과 함께 실질적으로 큰 질량의 재료를 관 바이트(94)의 위치 또는 그 부근에 배치하는 경향이 있다. 이로써, 종래의 단일 페룰 또는 파지 링 설계에 비해, 관 파지 기구의 내압성이 현저히 강화되고, 또한 바이트 부분을 진동 및 온도 영향으로부터 단절시키는 콜릿 효과도 강화된다. 차등 경도와 함께 페룰의 전방 부분에서의 큰 질량은 양의 경사각(rake angle)(γ)이 관 단부로 페룰의 전방 가장자리의 만입을 돕도록 허용하는 추가의 장점을 갖는다(도 13a 참조). 관 벽으로 매립되는 정도로 페룰 전방 단부를 변형 시킴으로써, 양의 경사각(γ)은 90도보다 큰 각도가 되기는 어렵다. 만약 경사각이 90도보다 더 클 경우, 페룰 전방 단부는 그 관 만입부에서 벗어나게 배향될 수 있다. 또한, 상기 힌지 운동은 관 파지 기구의 후방 단부(즉, 노즈 단부(84)의 반대쪽 단부)가 관 단부와의 접촉을 방지하기 때문에 전체 관 파지 기구는 축방향 및 반경 방향으로 압축 상태로 있게 된다.

일반적으로, 관 단부에 매설되어 그것을 물어 파지하는 관 파지 기구는 관 단부에 비해 더 단단해야 한다. 두꺼운 벽을 지닌 배관에서는 특히 더 단단해야 한다. 종래의 완만한 각도의 캐밍 마우스에서 페룰은 축방향으로 크게 운동함으로 인해, 페룰이 관보다 적당히 단단한 경우에도 페룰을 관에 매설할 수 있게 된다. 이러한 상황에서, 만약 관 파지 기구(80)가 관 단부보다 단지 적당히 단단하다면, 가파른 캐밍각에 의해 유발되는 풀업 중에 관 파지 기구의 축방향 운동이 실질적으로 짧기 때문에, 관 파지 기구는 가파른 각도의 캐밍 표면으로 인해 관을 충분히 파지할 수 없다. 그러나, 본 발명에 따르면, 관 파지 기구를 관보다 현저히 단단하게 만듦으로써, 가파른 각도의 캐밍 표면이 이용될 수 있고, 효과적으로 관 파지 기구로 하여금 관 단부를 파지하도록 관 단부를 충분히 물게 한다.

본 발명의 더 가파른 캐밍각(θ)은 또한 풀업 중에 페룰(80)의 훨씬 더 짧은 축방향 변위를 초래한다. 결과적으로, 노즈 부분(84)은 반경 방향으로 변형되어, 훨씬 더 짧은 축방향 변위 또는 미끄럼 이동을 갖고 관 단부(13) 안으로 압축될 필요가 있을 것이다. 이어서, 적절한 관 파지가 이루어지기 위해서는, 파지 페룰(80)은 비커스 스케일로 나타낼 때에 관 재료의 경도보다 약 3.3배 큰 경도로 표면 경화된다. 예들 들면, 배관 재료가 스테인리스강인 경우, 약 200 비커스 경도에 이르는 경도를 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 본 양태에 있어서, 이음쇠(50)에 그러한 경질 재료가 사용될 경우, 관 파지 기구는 배관보다 적어도 약 3.3배의 비로 경질이 되도록 경화되어야 한다. 보다 바람직하게는, 관 파지 기구는 배관보다 적어도 4배의 비로 경질로 되도록 경화되어야 한다. 또한, 전체 파지 링(80)이 표면 경화될 필요는 없으며, 단지 노즈 부분(84)만이 선택적으로 표면 경화될 수 있다.

본 발명의 이러한 양태에 있어서, 너트(52)와 본체(54)의 전체 또는 일부가 스테인리스강과 같은 더 경질의 재료를 사용할 경우, 이음쇠(50)의 관 파지를 향상시키기 위해 전체 경화되거나 표면 경화될 수 있다. 적절한 표면 경화 처리는 본 발명의 출원인에 허여된 미국 특허 제6,547,888호, 제6,461,448호, 제6,165,597호, 제6,093,303호에 전반적으로 개시되어 있으며, 이들의 전체 개시가 본원에 참조로 완전히 인용된다. 이러한 처리는 관 파지 기구의 경도를 이음쇠의 내식성을 손상시키지 않으면서 약 800 내지 1000 비커스 경도 이상의 큰 경도를 얻게 한다. 그러나, 다른 표면 경화 기법을 필요에 따라 사용할 수 있다. 관 파지 링(80)의 표면 경화는 그 링(80)이 듀플렉스 스테인리스강을 포함하는 스테인리스강과 같은 배관 재료를 적절히 파지하여 밀봉할 수 있게 한다. 앞서 참조한 표면 경화에 대한 특허는 링(80)(너트(52)와 함께 회전하는 링)과 관 사이의 겔링(galling)을 감소시키거나 방지하는 표면을 링(80)에 마련하는 추가적인 이점을 갖는다.

겔링 및 잔류 비틀림을 감소시키기 위해, 예를 들면 PTFE 그리스 및 몰리브 덴 이황화물 또는 텅스텐 이황화물을 함유하는 그리스와 같은 다양한 윤활제가 관 파지 링(80)과 함께 사용될 수 있다.

표면 경화 기법은 통상적으로 전체 너트(52) 및 일체형 관 파지 링(80)이 표면 경화되게 한다. 표면 경화가 예컨대, 앞서 참조한 특허 또는 특허 출원에서와 같이 스테인리스강에 행해지는 경우, 접착성 산화물 피막이 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 고체 윤활제가 스테인리스강 너트(52)의 나사부에 도포되어 마찰과, 이로 인한 체결 중의 풀업 토크를 감소시킨다. 이를 위해 임의의 고체 윤활제가 사용될 수 있으며, 그러한 많은 고체 윤활제가 공지되어 있다. 몇 가지 예로서, 흑연, 몰리브덴 이황화물, 텅스텐 이황화물 및 UHMWPE(초고분자량의 폴리에틸렌)이 있다. 이들 윤활제는 다른 재료와 혼합하지 않은 순수 물질로 사용하거나, 수지성 캐리어 등과 같은 다른 재료와 혼합하여 사용할 수 있다. 게다가, 상기 윤활제들은 본질적으로 분말, 입상 및 페이스트를 비롯한 임의의 고체 형태로 사용될 수 있다.

이러한 형태의 고체 윤활제의 상업적 제품들이 알려져 있다. 예를 들면, 미국 미시간주 미들랜드 소재의 Dow Corning Corporation으로부터 입수할 수 있는 Dow Corning^® 321 Dry Film Lubricant와, 미국 캘리포니아주 모노로비아 소재의 Trans Chem Coatings로부터 입수 가능한 Slickote^® Dry Lube 100이 있다.

이러한 윤활제는 손에 의한 방법, 에어로졸 또는 공기 스프레이에 의한 방법, 또는 자동화 장치에 의한 방법과 같은 임의의 표준 방법에 의해 도포될 수 있 다. 윤활 특성을 제공하는 임의의 피복 두께가 사용될 수 있다. 표준 2등급의 나사 클리어런스를 초과하는 고체 윤활제 두께는 통상적으로 필요하지 않는다. 적절하다면, 윤활제는 또한 가열되어 그것의 접착성을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 몇몇 윤활제, 특히 수지성 결합제에 공급된 윤활제는 가열되어 결합제를 경화시킬 수 있다. 예컨대, Slickote^® Dry Lube 100은 제조업자의 지침에 따라 예컨대, 1시간 동안 300℉로 가열될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예에서, 전술한 건성 윤활제는, 탄소 공급원으로서 일산화탄소를 사용하는 저온 침탄 처리를 받게 되는 스테인리스강 너트(52)에 사용된다. 스테인리스강은 그 강이 공기에 노출될 경우 본질적으로 형성되는 얇은 응집성 크롬 산화막 때문에 녹이 슬지 않는다. AISI 316 및 316L 스테인리스강으로 제조된 것과 같은 스테인리스강제 부품의 저온 침탄 처리는 통상적으로 그 부품의 표면을 그을음의 층으로 피복한 상태로 놓아둔다. 사용하기 전에, 통상적으로 그을음은 세척에 의해 제거된다. 일산화탄소가 저온 침탄 처리에서 탄소 공급원으로서 사용되는 경우, 그을음을 형성할 뿐만 아니라 추가로 두꺼운 산화막을 형성한다. 이러한 두꺼운 산화막은 더 두껍고 응집성이 없다는 점에서 스테인리스강이 녹이 슬지 않게 하는 크롬 산화막과는 현저하게 다르다. 따라서, 그러한 막 또한 사용 전에 제거하여 상기 부품의 침탄된 표면을 노출시킨다. 이러한 특정 실시예에 따르면, 고체 윤활제를 도포하기 전에 두꺼운 산화막은 제거되지 않는다. 오히려, 그 산화막을 침탄된 부품 표면 상에, 또는 윤활될 침탄 표면 중 적어도 일부분에 남겨둔다. 이러한 특정 실시예에 따르면, 상기 두꺼운 산화물 피막의 고유의 다공질 구조가 상기 부품 표면에 윤활제를 구속하는 고정 기구로서 작용한다는 것이 밝혀졌다. 결과적으로, 윤활제는 그렇지 않는 경우보다 더 접착성을 갖게 되며, 따라서 반복되는 이음쇠 리메이크(즉, 너트의 풀림과 재조임)에 제거되지 않고 견딜 수 있다. 윤활된 산화막의 또 다른 양태는 2003년 2월 5일자로 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제10/358,946호, 제목 "윤활된 저온 침탄 스테인리스강 부품"에 개시되어 있으며, 이 특허의 내용을 본원에 참고로 인용하였다.

도 5 및 도 6에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 이음쇠(50')는 전술한 너트와 동일할 수 있는 너트(52)를 포함한다. 본체(54')는 아래와 같이 변형되어 있다. 이 실시예의 경우, 본체의 후방 단부벽(110)은 축방향으로 연장한다. 전이부의 윤곽(112)은 단부벽(110)을 축방향으로 테이퍼진 캐밍 마우스(88)로 연결하기 위해 사용될 수 있다. 이음쇠(50')의 또 다른 모든 양태들은 도 1 내지 도 4에 관련하여 설명한 이음쇠(50)와 동일할 수 있다. 단부벽(110)의 확장된 축방향의 길이는, 너트의 전방 벽(66)이 본체 단부벽(68)과 맞물리기 전에 너트 내측 쇼울더 혹은 트레판(114)이 본체 단부벽(110)과 축방향으로 접촉하도록 해준다. 이것은 도 6의 풀업 위치에 있는 것으로 예시되어 있다. 다시 말해서, 셀프 게이징 특징 부분은 너트와 본체의 후방 부에 위치하였고 트레판 영역과 본체의 후방 단부벽(110)의 축방향 길이에서 밀접한 공차 제어를 단지 필요로 하는 반면에, 도 1 및 도 2의 실시예에서는 더 많은 회수의 공차가 누적되는 것으로 인해 정확한 셀프-게이징을 확보하기 위해 더 큰 치수와 공차를 고려해야 한다.

단일 페룰 관 이음쇠를 또한 고려할 수 있다. 단일 페룰 관 이음쇠는 본원에서 설명된 일체형 너트와 관 파지 기구 설계(또는 그 역으로)로 획득한 개념 및 장점과 동일한, (이하에서는 단일 페룰이 관 파지 기구인 것으로 간주) 특히, 제한적인 의미는 아니지만, 힌지 운동의 다양한 선택적인 특징, 관 바이트, 콜릿, 혹은 스웨이징 효과, 윤곽을 갖는 후벽, 선택적인 만입부가 형성된 테이퍼진 외벽, 노치 혹은 리세스의 선택적인 사용, 캐밍 표면에서의 선접촉, 풀업 이후 반경 방향으로 이격된 후방벽 및 관 단부와 비교하였을 때 차등이 심한 경도 비 등을 이용하여 설계될 수 있다. 따라서, 일체형 너트와 관 파지 링의 기능은 페룰이 암나사 형성 너트와 일체로 되어 있는 것만 제외하고 본원의 단일 페룰 실시예와 매우 유사하므로, 이러한 장점들의 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 7, 도 7a 및 도 8에는 본 발명의 실시예에 따른 단일 페룰 관 이음쇠(181)가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 페룰(180)은 별도의 부품이기 때문에 너트(182), 본체(184) 및 단일 페룰(180)을 포함하는 3개의 조각으로 된 관 이음쇠(181)를 구성하게 된다. 이러한 이음쇠는 특히 독점적이지는 않지만 스테인리스강 배관과 함께 사용하기에 매우 적합하다.

본체(184)는 전술한 각도(θ) 범위가 바람직하고, 약 45도가 가장 바람직한 각진 캐밍 표면(186)을 포함한다. 단일 페룰(180)은 또한 약 800 이상의 비커스 경도로 혹은 관 단부(13)보다 최소한 약 3.3배 더 단단하게 표면 경화되는 것이 바람직하다. 페룰의 전방 부분(188)은 이음쇠의 풀업 동안 가파르게 각진 캐밍 표면(186)과 접촉하여 가파르게 각진 캐밍 표면(186)에 반하여 선접촉식 1차 시일을 형 성하도록 만곡부(190)를 포함한다. 페룰의 전방 부분(188)은 일반적으로 반경 방향의 전방 단부면(188a)을 포함하며, 페룰의 전방의 예리한 연부(192)는 관 단부(13)의 외측면으로 물리게 된다. 상기 페룰은 소성 변형되어 관 바이트의 위치에서 대개 반경 방향으로 연장하는 쇼울더(194)를 만든다. 페룰(180)은 전술한 바와 같이 관 파지 요소(80)에 대한 힌지 효과를 나타내기 때문에 페룰 본체의 중앙 부분 혹은 중간 부분(196)은 관 바이트(194)에서 혹은 그 근처에서 콜릿 혹은 스웨징되도록 반경 방향 내측으로 향한 압축을 받게 된다. 페룰의 특징적인 기하형상은 전술한 바와 같이 그리고 2개의 페룰 이음쇠를 이용하는 전술한 특허에 개시된 바와 같이, 힌지 작용과, 관 파지 바이트 및 콜릿 작용을 용이하게 하기 위해 필요에 따라 선택될 수 있다. 페룰(180)에는 전술한 바와 같이 테이퍼진 외벽(200) 뿐만 아니라 힌지 효과를 용이하게 하기 위해 내측 원주방향의 노치 혹은 리세스(198)가 마련될 수 있다. 페룰(180)은 풀업 동안 너트 쇼울더(204)에 의해 압박 후방 테이퍼진 벽(202)을 포함한다. 상기 페룰(180)은 또한 전방 단부(188a)와 리세스(198) 사이에서 축방향으로 위치하는 중앙 종방향 및 실질적으로 원통형의 보어 부분(206)을 포함한다. 양호하게는, 테이퍼진 노즈 부분(208)은 선접촉 1차 시일의 형성을 용이하기 위해 풀업 동안 캐밍 표면과 접촉에서 벗어난 상태로 유지하기 위해 각이진 것이 바람직하다.

페룰의 후방 단부(202)와 리세스(198) 사이에서 축방향으로 배치되어 있는 원통형 보어 부분(206a)은 전방의 원통형 부분(206)과 동일한 직경 혹은 상이한 직경을 가질 수 있다. 더욱이, 힌지 효과는 내측 원통형 보어의 후방 단부(206a)가 풀업 이후 관 단부(13)로부터 반경 방향으로 간격을 둔 상태에서 그 단부와 접촉되지 않은 상태로 남게 되도록 구현될 수 있다.

단일 페룰(180)은 관 단부(13)보다 적어도 약 3.3배, 바람직하게는 4배 이상 더 경질이 되도록 전체 경화 또는 표면 경화된다. 필요에 따라 다른 공정을 사용할 수 있지만, 표면 경화와 관련한 전술한 특허가 적절한 공정으로 간주될 수 있다.

따라서, 단일 페룰 이음쇠(181)는 금속 대 금속 시일을 위해 더 가파른 캐밍 표면 각도와, 배관에 비해 실질적으로 더 경질의 페룰과, 그리고 강한 관 파지 파이팅 작용을 이용함으로써 종래의 단일 페룰 이음쇠 설계에 비해 우수한 관 파지 및 시일 기능을 제공한다. 더 가파른 캐밍각이 금속 대 금속 시일을 용이하게 하는 반면에, 배관 경도에 비해 실질적으로 더 경질의 페룰은 더 가파른 캐밍각을 갖더라도 우수한 관 파지를 허용한다.

다수의 양태들과 특징들은, 밀봉 및 관 파지의 독점적인 성능 특징에 독점적이지는 않지만 그 원리를 용이하게 해주는 단일 페룰 및 일체형 관 파지 링 실시예 중 하나 혹은 양자에 적용될 수 있다. 예컨대, 몇몇 용례에서 중요할 수 있는 또 다른 성능 특징은 온도 효과에 견디는 관 이음쇠의 능력에 있다. 다른 기준으로는 제작비, 조립의 용이성 및 조립 검증을 포함할 수 있다. 설계자에게 유효한 다른 설계 양태들로는, 예시된 실시예에 따른 나사 형성 수나사 형성 본체와 암형 너트 등의 관 이음쇠 부품들의 선택적인 양태뿐만 아니라, 관 파지 기구(이는 단일 페룰 혹은 일체형 관 파지 링일 수 있음)의 재료의 기하형상 및 특징에 있어서 각종 옵 션들을 포함한다.

모든 설계에서 반드시 필요한 단 하나의 양태 혹은 특징은 존재하지 않는다. 따라서, 광범위의 의미로, 종래의 단일 페룰 관 이음쇠와는 달리 단일 페룰(일체형 혹은 분리형) 관 이음쇠는, 페룰이 풀업 동안 소성 변형하여 관 단부에 대한 페룰의 중앙 부분의 반경 방향 압착에 의해 생성된 콜릿 효과를 초래함에 따라 토글(toggle)과 같은 힌지 작용과 협동하도록 함으로써 관 파지와 동시에 밀봉을 달성하게 된다. 따라서, 이러한 힌지 작용은 모든 용례에 반드시 요구되는 것은 아니지만 종래의 단일 페룰 튜브 이음쇠에서는 페룰이 관 단부로부터 오목하게 만곡하는 데 반해, 관 단부에 반하여 반경 방향으로 압축되는 페룰의 볼록한 부분을 만들게 된다. 힌지 및 콜릿 효과는, 심지어 더 경질의 관 재료에 반하여 더 짧은 캐밍 행정 혹은 풀업 동안 페룰의 축방향 변위로 적절한 관 파지를 허용하며, 이에 따라 또한 캐밍 표면에 반하여 적절한 밀봉을 보장해준다.

양호한 관 파지와 밀봉을 얻기 위해 설계자에게 유효한 여러 양태들과 옵션들은 한정하려는 의도는 아니지만 아래와 같다. 하나의 양태는 전술한 바와 같이 가파른 캐밍각(θ)을 사용하는 것이다. 또 다른 양태는 전술한 예시적인 공정 등의 경화 기법을 사용하는 것이기 때문에 비커스 스케일로 나타낼 때에 상기 배관보다 적어도 약 3.3배 더 경질로 된다. 경화는 관 파지 기구/페룰의 표면의 부분 혹은 전부에 걸쳐 표면 경화 또는 전체 경화될 수 있다. 또 다른 양태는 노즈 만입부의 축방향 뒤에서 수집 혹은 스웨이징 효과를 이용하여 배관 벽으로 적절한 상기 만입부를 확실하기 형성하도록 전술한 바와 같이 이음쇠의 풀업 동안 힌지 기능 혹 은 효과를 만들기 위한 페룰/파지 링의 적절한 기하학적 형상에 있다. 페룰/관 파지 기구는 고압 응용에서 통상적인 바와 같이 관 단부로 물려 들어가도록 설계되어 있거나 혹은 얇은 벽을 지닌 배관 혹은 연질의 배관을 이용하는 응용에서 통상적인 바와 같이 관 단부에 대해 반경방향으로 압축되도록 설계될 수 있다. 기하학적 형상에 대한 고려 사항은 내측 노치/리세스 혹은 오목면의 사용, 오목면을 갖거나 또는 갖지 않는 외측의 테이퍼진 벽의 사용, 예컨대 볼록면 등의 윤곽을 지닌 후방벽의 사용을 포함할 수 있다. 추가적인 기하형상 특징은 관 벽으로 페룰의 전방 가장자리를 만입시켜 강한 바이트와 관 스트립을 생성하는 것뿐만 아니라 강한 밀봉을 달성하기 위해 캐밍 표면을 일반적인 선접촉으로 맞물게 하기 위해 만곡부의 사용을 포함할 수 있다. 또 다른 양태는 페룰의 후방 부분이 완전한 풀업 이후에 관 단부로부터 반경 방향으로 간격을 둔 채로 남게 되도록 힌지 작용을 설계하는 데 있다. 이것은 그렇지 않으면 배관의 진동 효과를 줄이기 쉬운 응력 라이저 혹은 영역 생성의 방지를 돕는다. 또 다른 양태는 예컨대, 너트가 페룰의 후방 단부에 반하여 압박되는 것과 마찬가지로 튜브 이음쇠 부품들 중 하나의 압박면과 관련된 페룰 피압박면 사이에 상이한 각도를 제공하는 데 있다. 상이한 각도는 단부에 반하여 페룰을 효과적인 페룰의 콜릿을 위해 적절한 힌지 작용을 용이하게 해주고 또한 관 단부로부터 페룰 후방 부분의 반경 방향으로의 이격을 용이하게 해준다.

따라서, 당업자는 이러한 개시가 단일 페룰 관 이음쇠의 기술 분야, 특히 가파른 캐밍각, 차등 경도, 및 힌지 작용의 옵션을 조합하는 예시적인 실시예에 있어서 현저하게 기여하는 것을 알게 될 것이다. 이러한 세 가지의 양태는 종래 기술 의 단일 페룰 관 이음쇠와는 달리 양호한 밀봉 및 관 파지 특성을 나타내는 단일 페룰 관 이음쇠를 만들도록 상호 협동한다. 더욱이, 많은 용례에서, 힌지 작용과 다만 차등 경도의 사용으로 충분하다.

비록 0.5인치 배관 및 더 큰 배관이나 매우 강한 배관에 특히 독점적이지 않지만 단일 페룰(180)(또한 일체형 관 파지 링 실시예)의 몇몇 용례에서 내측 노치(198)를 필요로 하지 않는다. 소형 배관에서, 이러한 경우 소형 페룰의 높은 강도로 인해 페룰의 적절한 힌지 운동을 내측 노치 없이 달성하기 더 어려울 수 있지만, 그 노치는 또한 몇몇 응용에서 생략될 수 있다.

힌지 작용은 배관 재료가 예컨대, 듀플렉스(duplex) 스테인리스강과 같이 경질일 때 적용하기에 특히 유용하기 때문에, 페룰은 페룰 노즈가 배관 벽으로의 만입을 허용하기에 충분하게 표면 경화되어야 한다. 페룰이 더 경질이 될수록 적절한 관 파지 및 밀봉을 확보하기 위해 적합한 방식으로 페룰을 변형하는 것이 더 어렵게 된다. 힌지 작용은 페룰이 적절하게 배관을 변형 및 파지할 수 있도록 해준다. 예컨대, 구리와 같은 연질의 배관 재료의 경우, 단지 가파른 캐밍각(θ)만이 관 파지 및 밀봉을 확보하기 위해 적절할 수 있다.

전술한 바와 같이, 힌지 작용은 단독으로 혹은 임의의 여러 조합 및 부속 조합으로 사용될 수 있는 각종 설계 옵션에 의해 영향을 받을 수 있다. 이들 옵션들 중 하나는 전술한 바와 같이 내측 노치 혹은 리세스이다. 또 다른 옵션은 테이퍼진 외벽(200)이다. 또한, 페룰의 후방 단부(202)는 도 7 및 도 7a에 도시된 일직선의 원추형 프로파일과 구별되는 볼록한 형상 등의 미국 특허 제6,131,963호에 설 명된 바와 같이 윤곽을 가질 수 있다. 페룰 후방 단부(202)(혹은 너트(182)의 윤곽을 지닌 압박면(204)과 교대로 혹은 양자)에 볼록한 윤곽의 사용은, 페룰과 너트 사이의 반작용력을 더 균일하게 분포시킴으로써 겔링과 풀업 토크를 줄이게 된다. 윤곽을 지닌 후방 단부는, 2000년 12월 20일자의 "겔링을 줄이기 위한 릴리프를 구비한 페룰"라는 명칭으로 출원된 국제 출원 번호 PCT/US00/34828과, 이에 대응하는 1999년 12월 22일자(공개 미정)의 "겔링을 줄이기 위한 릴리프를 구비한 페룰"라는 명칭로 미국 특허 출원 번호 제09/469,549호에 설명되어 있는 것과 같이, 많은 상이한 형상을 취할 수 있다는 것으로 당업자들에 의해 쉽게 인식될 것이며, 이들 특허의 내용은 본원에서 참고로 인용하고 있다. 이러한 특허 출원은 본 발명의 이해와 실시를 위해 반드시 필요한 것은 아니지만, 이중 페룰 관 이음쇠의 후방 페룰 혹은 단일 페룰 관 이음쇠에 있어서 윤곽을 지닌 후방벽의 추가적인 대안의 설계 구조와, 힌지 작용을 위한 다른 기하형상의 고찰을 제공한다. 윤곽을 지닌 후방벽은 또한 힌지 작용을 용이하게 하며, 이로 인해 페룰의 후방 단부는 전술한 바와 같이 풀업 이후에 배관으로부터 반경방향으로 이격될 수 있다. 페룰 후방 단부와 배관 벽 사이의 접촉을 방지하는 것은 불리한 진동 영향을 받기 쉬울 수 있는 응력 라이저를 방지한다.

본 발명의 또 다른 실시예가 도시된 도 13을 참조하면, 단일 페룰 관 이음쇠(300)가 관 단부(13) 상에 느슨하게 조립된 상태로 종방향의 부분 종단면도로 도시되어 있다. 이 도면에서, 다른 도면과 마찬가지로, 다양한 간극 및 공간은 당업자들에게 쉽게 이해될 수 있듯이 도시의 간략화와 이해를 돕기 위해 과장 도시되어 있다.

이음쇠(300)는 페룰(302), 본체(304), 및 예컨대 종래의 나사 연결 방식으로 본체(304)에 연결 가능한 너트(306)를 포함한다. 상기 본체(304)는 전술한 바와 같이 가파른 캐밍 표면(304a)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 페룰(302)은 일반적으로 원통형의 장치이고 모든 경우에 있어서 요구되는 것은 아니지만 비커스 스케일로 나타낼 때에 배관 재료의 경도의 적어도 약 3.3배의 차등 경도를 바람직하게 갖도록 전술한 예시적인 재료와 표면 경화 공정에 의해 제조된다. 페룰(302)은 관 단부(13)가 통과하게 될 중앙 보어를 포함한다. 상기 보어는 페룰의 노즈 혹은 전방 부분(310)에서 후방 단부(312)로 연장하는 실질적으로 연속한 원통형 벽(308)에 의해 형성된다. 노즈 부분(310)은 만곡부(318)에 의해 테이퍼진 부분(316)에 연결되는 전방 가장자리(314)를 포함할 수 있다.

상기 실시예에 따른 상기 페룰(302)은 선택적으로 주름, 리세스 혹은 노치 혹은 다른 오목한 형상(322)을 지닐 수 있는 외벽(320)을 더 포함한다. 이 경우에, 이러한 외측 오목 형상(322)은 대개 원통형의 벽 부분(320a)과 축방향으로 테이퍼진 벽 부분(320b)에 의해 형성된다. 오목한 형상(322)은 도 7의 실시예의 테이퍼진 벽(200)의 기능과 유사하며, 만입부 뒤에서 축방향으로 만입된 노즈(314)(그리고 합응력 라이저)와 콜릿 영역을 만드는 바람직한 힌지 작용을 달성하기 위해 풀업 동안 페룰(302)의 반경 방향 내측 압축을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다.

상기 페룰은 윤곽을 지닌 후방벽(324)을 더 포함한다. 이 실시예에서 윤곽 을 지닌 후벽(324)은, 상기 합체된 특허 및 특허 출원에 개시되거나 본원에 도시된 바와 같이, 후방벽의 반경 방향 외측 단부에서 반경부 혹은 다른 볼록한 형상(324b)에 연결되는 대개 일직선의 원추형 부분(324a)을 포함할 수 있다. 윤곽을 지닌 표면을 따라 페룰(302)과 너트(306)를 초기에 접촉시키고 관 단부(13)로부터 반경 방향으로 이격시킴으로써, 풀업 동안 겔링(galling)이 덜 존재하고, 최종 조립에 더 낮은 토크가 요구된다. 이러한 구성은 또한 바람직한 힌지 작용에의 결과로 풀업 이후에 페룰의 후방 단부(312)가 관 단부로부터 용이하게 반경 방향으로 이격되도록 해준다(도 14 참조).

도 13a에 확대도로 도시된 바와 같이, 페룰 후방벽(324)은 상기 표면(324)의 최외측 볼록한 영역의 접선(Z)과 너트의 압박면(306a) 사이에 경사각(β)(본원에서는 "차등각(difference angle)"이라 칭함)을 형성하도록 대개 윤곽을 지닌 볼록한 형상을 갖는다. 따라서, 볼록한 윤곽을 지닌 표면(324)의 형태는 특정 용례에 요구되는 바와 같이 선택될 수 있다. 양호하게는, 너트 표면(306a)은 관 단부로부터 반경 방향으로 이격되어 있는 위치에서 볼록면(324)과 초기에 접촉한다. 도 13a의 실시예에서 초기 접촉이 상기 표면(324) 근처 혹은 그 표면의 반경 방향 말단부에 위치하고 있지만 반드시 요구되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 초기 접촉은 상기 표면(324)의 중앙 영역에서 더 빈번하게 발생할 수도 있다.

윤곽을 지닌 후방벽(324)을 포함하는 하나 이상의 양태들의 사용에 있어서, 차등각(β) 및 외벽(320)(테이퍼진 부분과 오목부를 갖는 것과 마찬가지로)은 이음쇠의 풀업 이후 관 단부로부터 반경 방향으로 이격된 페룰의 후방 단부를 남겨두는 것뿐만 아니라 강한 관 바이트와 콜릿을 생성하는 힌지 작용을 용이하도록 해준다.

페룰(302)의 전방 부분(310)은 반드시 요구되는 것은 아니지만 양호하게는 풀업 동안 배관 벽을 물고 그 벽으로 만입되는 전방 가장자리(314)를 포함한다. 페룰의 전방 단부(310a)는 이음쇠(300)의 중심 축선(X)과 함께 형성되는 경사각인 각도(γ)에서 전방 가장자리(314)로부터 대개 반경 방향으로 연장한다. 상기 각도(γ)는 각종 용례에서 이음쇠를 위한 전반적인 설계 기준에 따라 좌우될 것이지만, 이러한 각도는 풀업 동안 핑거 타이트 위치(finger tight position)를 넘어 페룰의 주어진 축방향 스트로크에 대해 배관 벽으로의 강한 바이트를 달성하는 데 중요하다. 대부분의 경우, 상기 각도는 약 75° 내지 약 85°의 대략적인 범위에 속하게 될 것이다.

비록 페룰(302)의 후방벽(312)은 풀업 이후에 배관으로부터 반경 방향으로 이격되는 것이 바람직하지만, 모든 용례에서 반드시 요구되지 않을 수 있다. 이러한 간격을 필요로 하는 전술한 용례에 있어서, 또 다른 변형례는 페룰의 후방 단부(312)에서 카운터보어(313)(파선으로 도시) 등의 리세스를 형성하는 것이다.

힌지 작용은 도 14를 참조하면 더욱 이해될 수 있다. 종래의 단일 페룰 이음쇠에서 전형적인 페룰의 휨 혹은 볼록한 변형과 구별되듯이 상기 힌지 작용은 도 14에서 화살표 C1 및 C2로 표시된 이중 회전 효과를 포함하는 것이 바람직하다. 페룰의 후방 단부(312)는, 노즈 부분(310)이 대개 반시계(즉, 후방 단부(312)의 회전 방향 반대) 방향으로 회전하는 동안, 대개 시계 방향으로 또는 관 단부(13)로부터 멀어지도록 회전한다(본원에서 시계 방향 및 반시계 방향이라는 용어는 임의의 요구되는 실제의 회전 방향이라기보다는 도면에 도시된 좌표를 기준으로 편리한 참조를 위해 사용한 것임). 따라서, 노즈 부분의 전술한 회전은 만입된 노즈 부분(310)의 축방향 뒤에 있는 페룰의 중앙 부분(326)의 반경 방향 압축에 기여한다. "중앙 부분" 이라는 용어는 페룰의 전방 단부와 후방 단부 사이에 있는 영역을 의미하며, 반드시 페룰의 중간일 필요는 없다. 오히려, 본원에서 사용한 중간 부분은 만입된 전방 단부의 축방향 뒤로 관 벽에 반하여 반경 방향으로 압축되는 페룰 본체의 부분을 말한다. 이러한 반경 방향 압축은 만입된 전방 단부(314)의 축방향 뒤로 내측 원통형 벽(308)의 일부(308a)의 양호한 콜릿 혹은 스웨이징 효과를 초래한다. 콜릿 영역(308a)의 길이는 관 이음쇠 및 성능 요구 조건의 전체적인 설계 특징에 따라 변할 것이다. 콜릿 영역(308a)은 만입된 전방 가장자리의 축방향 뒤에 있지만 콜릿이 시작되는 정확한 위치는 설계의 선택 문제이기 때문에, 만입된 노즈와 관련된 응력 라이저에 인접하게 있거나 혹은 몇몇 예에서와 같이 그로부터 축방향으로 이격 또는 그것과 함께 연속할 수 있다. 콜릿 영역(308a)은 도시된 바와 같이 배관 벽으로 압박되는 볼록한 반경 방향의 부분으로서 특징 지울 수 있는데, 여기서 힌지 작용이 풀업 동안 원통형 벽(308)의 볼록한 변형 등을 양호하게 초래한다. 이러한 효과는, 배관으로부터 오목하게 멀어지도록 휘거나 또는 전체 경화된 그러한 페룰이 대개 원통형의 형상으로 남아 있는 종래 기술의 이음쇠와 쉽게 구별될 것이다.

따라서, 이중 회전 힌지 작용은, 한정하려는 의도는 아니지만 페룰의 윤곽을 지닌 후방벽, 페룰과 압박용 너트 사이에 차등각 삽입, 및 외측 벽에 오목면의 사 용을 포함하여 하나 또는 그 이상의 페룰의 다양한 기하형상 특징의 사용에 의해 용이하게 된다. 따라서, 당업자는 가파른 캐밍각과 선택적으로 페룰의 차등 경도의 사용을 용이하게 하기 위해 특정 용례에 있어서 페룰을 위한 가장 양호한 기하학적 특징을 선택할 수 있다.

양호한 콜릿 효과는, 관 표면에 수직으로 작용하는 압축성 콜릿 응력이 내측 벽(308)을 따른 페룰 뒤의 만입된 전방 단부의 위치로부터 콜릿 영역을 따라 점진적이면서 일반적으로 감소하는 결과인 것이 밝혀졌다. 양호한 콜릿 효과는 풀업 동안 금속 변형으로부터 초래되는 응력 라이저를 감소 혹은 제거하는 것이 바람직한 응용에서 유리하다. 콜릿 영역(308a)을 따라 일반적으로 감소하는 콜릿 응력을 제공함으로써, 만입된 노즈에 반대편의 콜릿 영역의 말단 가장자리 근처의 응력 집중 영역은 감소 혹은 없어질 수 있다.

도 15a, 도 15b 및 도 15c에는 너트(306)와 본체(304) 사이에 나사 체결을 위한 상이한 나사의 사양이 도시되어 있다. 도 15a에는 직각으로부터 통상 30°(즉, 60도의 경사각)의 각을 이루면서 대칭인 나사 플랭크(350, 352)가 도시되어 있다. 도 15b에는, 나사 플랭크들 중 하나의 플랭크(350)가 통상 약 45도 범위의 각을 이루고 인접한 플랭크가 직각으로부터 약 3도 내지 약 7도 범위의 각을 이루는 비대칭으로 되어 있는, 톱니 나사(buttress thread) 구조의 선택적인 사용이 도시되어 있다. 상기 톱니 나사 구조는 일면에 높은 강도의 부하를 제공하여 높은 토크가 걸리는 조립 동안에 고압을 받아 너트가 나팔 모양으로 펴지는 것을 줄이도록 도와준다. 도 15c에는 애크미 나사(acme thread)를 사용하는 것이 도시되어 있으 며, 여기서 플랭크는 대칭은 아니지만 직각으로부터 약 3도 내지 약 7도 정도 경사진 가파른 각도이다. 애크미 나사 구조는 통상적인 60도 나사에 비해 더 높은 강도의 부하를 균일하게 공급한다.

전술한 재료의 상당 부분들은 관련 출원에 이미 개시되어 있다. 본 발명은 후술하는 실시예에서 이러한 물질의 개념 및 교시 중 일부, 예컨대 가파른 캐밍각의 표면 및/또는 기하학적 형상 및 관 파지 장치의 재료의 차등 경도 등을 합체하고 있다. 이점에 관해서는, 이음쇠가 나사식 커플링 대신 클램프식 커플링에 체결되는 추가의 실시예들이 도 16 내지 도 18에 도시되어 있다.

도 16에 도시된 클램프식 커플링은 축방향으로 향하는 클램핑력을 가하기 위한 클램프 링(360)을 포함한다. 이 클램프 링(360)은 일반적으로 볼트 체결식 분할된 클램프 조립체로서 공지된 형태일 수 있다. 필요에 따라 다른 비(非)나사식 커플링이 또한 사용될 수 있다.

클램프 링(360)은 체결될 관(364, 366)의 축선(362) 둘레로 연장하는 환상의 형상을 지닌다. 이 클램프 링(360)은 중앙 부분(368)을 구비하며, 이 부분으로부터 제1 및 제2 클램핑 귀부(clamping ear)(370, 372)가 내측 반경방향으로 연장한다. 클램핑 귀부(370, 372)는 서로 마주보는 있는 테이퍼진 표면(374, 376)을 각각 구비한다.

도 16 및 도 17은 주요 본체 부분(380)을 구비하는 단부 부품(378)과, 상기 주요 본체 부분과 하나의 부품으로 형성되어 있는 페룰 혹은 파지 링(382)을 포함한다. 상기 단부 부품(378)과 페룰 혹은 파지 링(382)은 관(364)과 밀봉되어 그것 을 파지하도록 전술한 방식으로 본체(366)와 협동한다. 따라서, 파지 링(382)은 단부 부품(378)으로부터 어느 정도 외팔보식 형태로 연장한다. 파지 링(382)은 파지 링(382)을 관(364)과 캐밍 작용을 하도록 상기 본체(366) 상에서 양호하게는 45°로 캐밍 표면(383)과 맞물릴 수 있다. 파지 링(382)은 관(364)의 경도보다 바이커스 스케일로 적어도 약 3.3배의 차등 경도로 갖도록 경화될 수 있다. 파지 링은 제조 동안 반경 방향 내측 압축을 용이하게 하여 양호한 힌지 작용을 얻기 위해 외측 노치 혹은 리세스를 구비할 수 있다.

캐밍 표면의 범위 등과 같은 이음쇠의 다양한 기하학적 형상 특징은 이음쇠의 제조시 이중 회전으로 파지 링의 적절한 반경방향 내측 힌지 작용을 수행하도록 선택되어 있다. 그러나, 본 발명의 클램프식 커플링은 클램프식 커플링 부분을 이용하여 하나의 부품으로서 형성된 다른 파지 링과 함께, 그리고 다른 캐밍 각도를 지닌 본체 예컨대, 도 1 내지 도 15를 참조하여 상기 도시된 형태의 이음쇠에 한정되지 않는 본체와 함께 사용될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 클램프식 커플링은 또한 2개의 페룰을 갖는 시스템과 함께 사용될 수도 있다.

단부 부품(378)의 주요 본체 부분(380)은 주요 본체 부분으로부터 반경방향 외측으로 돌출하는 클램핑 플랜지(384)를 구비하는 플랜지형 부재이다. 단부 부품(378) 상의 클램핑 플랜지(384)는 테이퍼진 외측면(386)을 구비한다. 이와 유사하게, 상기 본체(366)는 단부 부품(378) 상의 클램핑 플랜지(384)와 동일한 간격으로 반경방향 외측으로 돌출하는 클램핑 플랜지(388)를 구비하는 플랜지형 부재이다. 상기 본체(366) 상의 클램핑 플랜지(388)는 테이퍼진 외측면(390)을 구비한다. 플 랜지(384, 388)는 나사식 결합 부품과는 다른 별개의 것이다.

도 16에는 클램핑 해제 조건 혹은 시작 조건에 있는 클램프식 커플링 부품들이 도시되어 있다. 클램프 링(360)의 클램핑 귀부(370) 상의 테이퍼진 표면(374)은 본체 부품(366)의 클램핑 플랜지(388) 상에서 테이퍼진 표면(390)과 이웃하는 맞물림 상태로 있다. 클램프 링(360)의 클램핑 귀부(372) 상의 테이퍼진 표면(376)은 플랜지형 부재(380)의 클램핑 플랜지(384) 상의 테이퍼진 표면(386)과 이웃하는 맞물림 상태로 있다. 단부 부품(378) 상의 정지면(379)은 본체(366) 상의 정지면(367)으로부터 이격되어 있다. 관(364)의 단부 부분은 본체(366)에 의해 형성된 관 소켓 내에 있다.

클램프 링(360)이 도 17에서 화살표(392)로 도시된 바와 같이 반경방향으로 이동할 때, 클램프 링(360) 상의 클램핑 표면(374, 376)은 축선(362)을 향한 방향으로 반경방향 내측으로 이동한다. 표면(374, 376)의 테이퍼는 단부 부품(378)과 본체(366)가 서로 잡아당기도록 해준다(즉, 화살표 394로 표시된 바와 같이 서로를 향해 축방향으로; 실질적으로 단부 부품(378)과 본체(366) 중 하나는 서로를 향해 단독으로 이동 가능).

단부 부품(378)과 본체(366) 사이의 상대적인 축방향 운동은 파지 링(382)이 전술한 방식으로 본체와 관(364)의 밀봉과 파지하도록 해준다. 따라서, 파지 링(382)은 소성 변형되어 관(384)으로 스웨이징 되고, 또 본체(366)의 캐밍 표면(383)에 반하여 유체 기밀한 1차 시일을 제공한다. 파지 링(382)의 전방 단부는 관(364)과 압박되어 그곳으로 매립되어 소성 변형된 관 재료로 대개 반경방향으로 연장하는 벽 혹은 쇼울더를 형성한다.

클램핑 작용은 축선(362)에 대해 클램프 링(360), 본체(366), 파지 링(382) 혹은 관(364)의 어떠한 회전(우발적인 회전 제외)도 없이 발생한다. 이것은 이음쇠를 구성하기 위해 2개의 커플링 부재들 사이의 상대 회전을 필요로 하는 표준 나사 형성 커플링과 대조적이다. 본 발명의 클램프식 커플링에 있어서, 우발적인 회전 이외에 커플링 부분들 사이에는 현저한 상대 회전이 존재하지 않는다.

단부 부품(378) 상의 정지면(379)은 부품의 최종 위치를 설정하기 위해 본체(366) 상에서 정지면(367)과 맞물린다. 클램프 링(360)의 위치는 공지의 방법(도시 생략)으로 체결될 수 있기 때문에 부품들은 의도적으로 분리될 수 없다.

파지 링(382)의 화살표는 파지 링이 관에 물리게 되는 영역 뒤의 콜릿 영역을 나타낸다. 이것은 종래의 나사식 커플링으로부터 얻게 되는 효과와 동일한 것이다.

도 18에는 도 16 및 도 17에 도시된 것과 같은 일체형 파지 링과 단부 부품을 구비하는 대신 별도의 페룰(396)과 단부 부품(398)을 구비하는 클램프식 커플링을 사용하는 것이 도시되어 있다. 상기 별도의 페룰(396)은 예컨대, 도 7에 도시된 실시예와 같은 전술한 실시예들과 같이 본체(366)와 관(364)의 파지 및 이들 사이의 밀봉을 위해 사용된다. 페룰(396)은 플랜지형 단부 부품(398)과 플랜지형 본체(366) 사이에 배치된다. 클램프 링(360)은 단부 부품(398)과 본체(366)를 축방향으로 서로 더 근접하게 당기기 위해 도 16 및 도 17을 참조하여 전술한 방식으로 사용된다. 이러한 상대 운동이 발생할 때, 단부 부품(398)과 본체(366) 사이에 포 위된 페룰(396)은 전술한 방법으로 본체(366)와 관(364) 상에서의 파지 및 밀봉을 일으킨다. 따라서, 페룰(396)은 소성 변형되어 관(364)으로 스웨이징 되고, 또 본체(366)의 캐밍 표면(383)에 반하여 유체 기밀한 1차 시일을 제공한다. 페룰(396)의 전방 단부는 관(364)과 압박되어 그곳으로 매립되어 소성 변형된 관 재료로 대개 반경방향으로 연장하는 벽 혹은 쇼울더를 형성한다.

그밖에, 예컨대 캐밍 각도의 범위에 대한 전술한 다양한 기하학적 형상의 특징들은 이음쇠 조립시 이중 회전을 이용하여 페룰의 적절한 반경방향 내측 토글 모양의 힌지 작용을 실시하기 위해 선택된다. 파지 링(382)은 이 파지 링(382)을 관(364)과 캐밍 작용을 하도록 상기 본체(366) 상에서 양호하게는 45°로 캐밍 표면(383)과 맞물릴 수 있다. 파지 링(382)은 관(364)의 경도보다 비커스 스케일로 나타낼 때에 적어도 약 3.3배의 차등 경도로 갖도록 경화될 수 있다. 파지 링은 제조 동안 반경방향 내측 압축을 용이하게 하여 양호한 힌지 작용을 얻기 위해 외측 노치 혹은 리세스를 구비할 수 있다. 그러나, 본 발명의 클램프식 커플링은 다른 페룰 시스템 즉, 단일 혹은 복수 개의 페룰과 함께 그리고 다른 캐밍 각도를 지닌 본체와 함께 사용될 수 있고 본원에 도시된 것에 한정되지 않는다는 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, 페룰(396)은 2개의 페룰을 갖는 시스템으로 대체될 수 있다.

본 발명에 따른 이음쇠의 플랜지형 부재 상의 비(非)평행면들은 반드시 도 16 내지 도 18에 도시되어 있는 원추형 혹은 절두된 원추형 표면일 필요가 없다. 다른 형태의 비평행면을 사용할 수 있다. 예컨대, 하나의 표면은 축선에 수직하도록 연장할 수 있고, 다른 표면은 그 축선에 대해 경사질 수 있다. 그 대안으로, 하나 혹은 그 이상의 비평행면은 도 19에 플랜지형 부재(402) 상에 도면 부호 400으로 도시된 바와 같이 평평할 수 있다. 또한, 도 20에서 도면 부호 404로 도시된 바와 같은 플랜지형 부재는 다수의 평평한 표면(406)을 지닌 더욱 피라미드 모양의 형상을 지닐 수 있다.

상기 클램프는 비평행면들에 작용하여 그들을 서로 당겨 필요한 축방향 힘을 발생시키는 장치이다. 클램프는 반드시 도 16 내지 도 19에 도시된 타입의 스플릿 링일 필요가 없다. 예컨대, 클램프는 도 21에 도면 부호 410으로 도시된 토글 클램프이거나 또는 도 22에서 도면 부호 412로 도시된 위생 클램프일 수 있다. 이들 장치들 각각은 플랜지형 부재들 상의 플랜지형 부재들에 반경방향으로 향하는 힘을 발생시도록 작동될 수 있으며, 이에 따라 플랜지형 부재를 서로 당겨 이음쇠 조립을 위한 축방향 힘을 발생한다.

본 발명은 어떤 페룰 시스템에도 적용할 수 있다. 그것은 예컨대, 전술한 프로세스에 의해 경화되는 페룰을 사용하는 시스템에 적용될 수 있다. 또한, 이러한 응용에 경화가 필요하지 않을 때 다른 페룰 시스템에도 적용될 수 있다.

Claims

관을 연결하기 위한 관 이음쇠로서,

제1 및 제2 플랜지형 부재와, 상기 제1 플랜지형 부재와 상기 제2 플랜지형 부재 사이의 페룰을 포함하며, 상기 페룰은 상기 제1 및 제2 플랜지형 부재가 서로 당겨질 때 관의 파지 및 밀봉을 형성하기 위해 상기 관과 맞물리는 것인 관 이음쇠.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 플랜지형 부재들은 제1 플랜지 부재와 제2 플랜지형 부재 사이에 상대 회전 없이 서로 당겨지는 것인 관 이음쇠.
제1항에 있어서, 상기 제1 플랜지형 부재와 제2 플랜지형 부재 사이에는 나사식 연결이 존재하지 않는 것인 관 이음쇠.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 플랜지형 부재들을 서로 당기기 위해 상기 제1 및 제2 플랜지형 부재들 상에 반경방향 힘을 가하는 클램프를 더 포함하는 관 이음쇠.
제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 플랜지형 부재들은 상기 클램프에 의해 맞물리는 비(非)평행면들을 각각 구비하는 것인 관 이음쇠.
제5항에 있어서, 상기 비평행면들은 원뿔형 표면인 것인 관 이음쇠.
제5항에 있어서, 상기 비평행면들은 평평한 표면인 것인 관 이음쇠.
제1항에 있어서, 상기 페룰은 상기 제1 플랜지형 부재에 의해 상기 제2 플랜지형 부재에 대해 축방향으로 압박되어 상기 제1 플랜지형 부재와 상기 제2 플랜지형 부재 사이에 상대 회전 없이 상기 관에 대하여 파지 및 밀봉되는 것인 관 이음쇠.
제1항에 있어서, 상기 페룰은 상기 제1 및 제2 플랜지형 부재들 중 하나와 함께 하나의 부품으로 형성되는 것인 관 이음쇠.
제1항에 있어서, 상기 페룰은 상기 제1 및 제2 플랜지형 부재들과 별개의 부품인 것인 관 이음쇠.
축선과 단부 부분을 구비하는 관에 커플링되는 커플링 장치로서;

상기 관이 밀봉식 맞물림 상태로 결합하게 되며, 관의 상기 단부 부분을 수용하기 위한 관 소켓 및 제1 표면을 구비하는 제1 커플링 부재와;

상기 제1 커플링 부재와 맞물림 상태로 되게 관을 따라 축방향으로 이동 가 능한 페룰과;

상기 페룰을 상기 관과 맞물려 그 관을 파지하도록 이동시키기 위해 상기 관을 따라 축방향으로 이동할 수 있으며, 상기 제1 표면과 평행하지 않은 제2 표면을 구비하는 제2 커플링 부재와;

상기 제1 및 제2 표면과 맞물려, 상기 페룰을 제1 커플링 부재에 대해 유지시키도록 상기 제1 및 제2 커플링 부재를 서로 축방향으로 당기는 수단

을 포함하는 커플링 장치.
제11항에 있어서, 상기 당기는 수단은 상기 제1 및 제2 표면 상에 반경방향 내측으로 향하는 힘을 가하는 수단을 포함하는 것인 커플링 장치.
제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 표면은 상기 제1 및 제2 커플링 부재 각각의 제1 및 제2 플랜지 상에 있는 것은 커플링 장치.
제11항에 있어서, 상기 페룰은 상기 제1 커플링 부재에 대해 제2 커플링 부재에 의해 축방향으로 압박되어 상기 제1 커플링 부재와 상기 제2 커플링 부재 사이에 상대 회전 없이 상기 관에 대하여 파지 및 밀봉되는 것인 커플링 장치.
제11항에 있어서, 상기 페룰은 상기 제2 커플링 부재와 함께 하나의 부품으로 형성되는 것인 커플링 장치.
제11항에 있어서, 상기 페룰은 상기 제1 및 제2 커플링 부재들과 별개의 부품인 것인 커플링 장치.
축선과 단부 부분을 구비하는 관과;

상기 관이 밀봉식 맞물림 상태로 결합하게 되며, 관의 상기 단부 부분을 수용하기 위한 관 소켓을 구비하는 제1 커플링 부재와;

상기 제1 커플링 부재와 맞물림 상태로 되게 상기 관을 따라 축방향으로 이동 가능한 페룰과;

제2 커플링 부재와;

상기 페룰을 상기 관과 맞물려 그 관을 파지하도록 이동시키기 위해, 상기 제1 커플링 부재와 상기 제2 커플링 부재들 사이에 축방향 힘을 발생시키는 테이퍼진 클램프

를 포함하는 장치.
제17항에 있어서, 상기 테이퍼진 클램프는 상기 제1 커플링 부재와 상기 제2 커플링 부재와 상기 페룰 간에 상대 회전 없이 상기 제1 커플링 부재와 상기 제2 커플링 부재 사이에 축방향 힘을 발생시키는 것인 장치.
제18항에 있어서, 상기 테이퍼진 클램프는 상기 축선에 수직이 아닌 하나 이 상의 표면에 반경방향 힘을 가하여 축방향 힘이 상기 페룰에 가해지도록, 상기 축선을 향해 반경방향 내측으로 이동 가능한 부재를 포함하는 것인 장치.
제19항에 있어서, 상기 제1 및 제2 커플링 부재들은 서로 평행하지 않은 제1 및 제2 플랜지면을 각각 구비하며, 상기 하나 이상의 표면은 상기 제1 및 제2 플랜지면들 중 하나인 것인 장치.
제17항에 있어서, 상기 페룰은 상기 제2 커플링 부재와 하나의 부품으로 형성되는 것인 장치.
제17항에 있어서, 상기 페룰은 상기 제1 및 제2 커플링 부재들과 별개의 부품인 것인 장치.
제1 및 제2 플랜지형 부재를 관에 제공하는 단계와;

상기 제1 플랜지형 부재와 상기 제2 플랜지형 부재 사이의 상기 관 상에 페룰을 제공하는 단계와;

상기 페룰이 상기 관과 맞물려 관의 파지 및 밀봉을 형성하도록 상기 제1 및 제2 플랜지형 부재들을 서로 당기는 단계

를 포함하는 방법.
제23항에 있어서, 상기 당기는 단계는 상기 제1 및 제2 플랜지형 부재 상의 2개의 비평행 표면들에 반경방향의 힘을 가하여 그 표면들을 축방향으로 서로 근접하게 당기는 것을 포함하는 것인 방법.
제23항에 있어서, 상기 페룰을 제공하는 단계는 상기 제1 플랜지형 부재와 함께 하나의 부품으로 형성되어 있는 페룰을 제공하는 것을 포함하는 것인 방법.
제23항에 있어서, 상기 페룰을 제공하는 단계는 상기 제1 및 제2 플랜지형 부재와 별개로 형성되어 있는 페룰을 제공하는 것을 포함하는 것인 방법.
제23항에 있어서, 상기 제1 플랜지형 부재와 상기 제2 플랜지형 부재들 사이의 상기 관 상에 제2의 페룰을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
관의 단부 부분을 제1 커플링 부재의 관 소켓 내에 삽입하는 단계와;

페룰을 관을 따라 상기 관 소켓으로 이동시켜 상기 제1 커플링 부재와 맞물리게 하는 단계와;

상기 페룰이 상기 관을 파지하여 그 관을 밀봉하도록 상기 페룰 상에 축방향 힘을 가하는 데에 테이퍼진 클램프를 사용하는 단계

를 포함하는 방법.
제28항에 있어서, 상기 테이퍼진 클램프를 사용하는 단계는 상기 페룰과 상기 제1 커플링 부재 사이에 상대 회전 없이 상기 페룰과 상기 제1 커플링 부재 사이에 축방향 힘을 발생시키는 것인 방법.
제29항에 있어서, 상기 테이퍼진 클램프는 축선에 수직이 아닌 제1 커플링 부재 상의 표면에 반경방향 힘을 가하여 축방향 힘이 상기 페룰에 가해지도록, 상기 축선을 향해 반경방향 내측으로 이동 가능한 부재를 포함하는 것인 방법.
제29항에 있어서, 상기 제1 및 제2 커플링 부재들은 서로 평행하지 않은 제1 및 제2 플랜지면을 각각 구비하며, 상기 제1 플랜지 표면은 제1 커플링 부재 상에 있고, 제2 플랜지 표면은 제2 커플링 부재 상에 있는 것인 방법.
제28항에 있어서, 상기 페룰은 상기 제1 커플링 부재와 하나의 부품으로 형성되는 것인 방법.
제28항에 있어서, 상기 페룰은 상기 제1 및 제2 커플링 부재들과 별개로 형성되는 것인 방법.