管継手における自己平衡型引き抜き防止装置

【課題】管継手において、管体に働く引き抜き力が把持力にフィードバックされる自己平衡型引き抜き防止装置を提供するもので、本装置は破壊に到るまで管体を把持し続けることができるものとする。
【解決手段】円筒形の管体外面１２と、円錐形の継手内面２１とにより形成された楔形断面形状をもつ空間２０に、管体外面及び継手内面に食い込みを生じうる剛体部材２３を複数個周方向へほぼ均等に配置し、剛体部材２３は、管体１１と継手１３とを引き抜く方向の外力が働いたときに、管体周方向の軸周りに回転して引き抜き方向へ移動可能な回転体に形成する。上記の引き抜き方向への外力により剛体部材２３に回転を生じさせる条件として、楔形断面形状の空間において管体外面１２と継手内面２１とが形成する挟角２αを１７度±７度とし、かつ剛体部材２３の外径を管体外面１２と継手内面２１との最小隙間Δｇの２倍以上とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒形の管体外面と、円錐形の継手内面とにより形成された楔形断面形状の空間に、管体外面及び継手内面に食い込みうる剛体部材を複数個周方向へほぼ均等に配置した構成を有する管継手における自己平衡型引き抜き防止装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、建築物の排水システムに使用される排水管の管継手装置には、ゴムパッキングで管体を強く締め付けて把持する第１の方法や、実開平７−１９６９０号に示されているグリップ部材により管体を把持しそれを継手に接続する第２の方法、或いは実用新案登録第３０９９３７０号に示されている、継手のフランジと管体との間のゴムパッキングに剛体球を配置し、管体に引き抜き力が加わったときに管体表面に剛体球を押し付けて抜け止め力を発揮させる第３の方法等がある。これらの継手装置は、管体外面にゴムパッキングやグリップ部材、金属球等により一定の把持力を加え、その最大静摩擦力によって、管体の引き抜き力に対抗する効力を発生させるものである。
【０００３】
図１３、図１４により、具体的に説明すると、第１の方法は、継手の本体とフランジとによって環状のゴムパッキングを管体外面に締め付け、把持力Ｒ１を生じるものであり、第２の方法は、第１の方法の把持力をさらに増加させるために管体を取り巻くグリップ部材を用いて締め付け、しっかり把持（把持力Ｒ２）するものである。第３の方法は、第１の方法におけるゴムパッキングとフランジの間に剛体球を数箇所挿入しておき、継手の本体とフランジをボルト・ナットで締め付けたときに、剛体球がフランジとゴムパッキングの圧力により管体表面に食い込み、把持力Ｒ３を発揮するものである。
【０００４】
従来の継手装置における管体抜け出しの力学的状況を考察すると、摩擦力ｆは、管体外面に垂直圧力としてかかる把持力Ｒ１〜Ｒ３のような加圧力Ｒに比例して発生し、その比例定数μは摩擦係数として定義される。管体に引き抜き力Ｆを加えて、ｆ＝μＲ＜Ｆのとき、管体はΔｌだけ抜け方向へ移動する。管径４インチの管体を外力Ｆニュートンで引っ張った時の継手装置からの管体の抜け量Ｌｍｍの実測値を図１５に示す。
【０００５】
１）図１５に示すように最初、外力Ｆが増加しても抜け量Ｌの移動は微小Δｌである。これはμが最大静摩擦係数のときであることを示す。管体が動き始めるに従いμは動摩擦係数に変化し、抜け量の増加は大きくなり、遂には脱落する。
【０００６】
２）摩擦係数μは管体、ゴムパッキングの表面状態により異なる値になり、或いは加圧力Ｒも継手本体とフランジとのボルト、ナットの締め付け力のばらつきで変動するため、摩擦力ｆ＝μＲもまた変動し、図１５に示すように耐引き抜き力は製品により大きくばらつくことになる。
【０００７】
３）従来の継手装置では、耐引き抜き力を発揮するメカニズムが、ゴムパッキングで管体に加えられた把持力に依存しているため、ゴムの劣化や変質が直接的に継手装置の性能（管が脱落しないこと、漏水しないこと）に影響する。従って長期間にわたり信頼性を維持することは困難である。
【０００８】
【特許文献１】実開平７−１９６９０号
【特許文献２】実用新案登録第３０９９３７０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は前記の点に着目してなされたもので、その課題は、管継手において、管体に働く引き抜き力が把持力にフィードバックされる自己平衡型引き抜き防止装置を提供することである。また本発明の他の課題は破壊に到るまで管体を把持する管継手における自己平衡型引き抜き防止装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の課題を解決するため、本発明は、円筒形の管体外面と、円錐形の継手内面とにより形成された楔形断面形状の空間に、管体外面及び継手内面に食い込みを生じうる剛体部材を複数個周方向へほぼ均等に配置し、剛体部材は、管体と継手とを引き抜く方向の外力が働いたときに、管体周方向の軸周りに回転して引き抜き方向へ移動可能な回転体に形成し、上記引き抜く方向の外力により剛体部材に回転を生じさせる条件として、楔形断面形状の空間において管体外面と継手内面とが形成する挟角２αを１７度±７度とし、かつ、剛体部材の外径を管体外面と継手内面との最小隙間Δｇの２倍以上となるように構成するという手段を講じたものである。
【００１１】
本発明の原理
従来の管継手装置は、図１４に示す把持力Ｒ１〜Ｒ３のような管体に掛かる加圧力Ｒが一定で、従って引き抜き力Ｆに対抗する摩擦力ｆも一定というのに対し、本発明は、管体に引き抜き力Ｆが加わり、その力が増大すると、そのＦに比例して摩擦力ｆも増大する、自己平衡型把持力システムという動作原理で実現されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、管体が外力で引っ張られたときの抜け量は従来の管継手装置に比べて数分の１から１／１０以下となり、継手本体の破壊限界まで管体の脱落が発生しない画期的な新しい継手装置を提供することができる。なお、管体に対する引き抜き力は管体の外部から掛かるだけではなく、排水配管システムでは管内の水圧、あるいは水圧の脈動によっても発生する。
【００１３】
本発明は、図１ないし図１２に示されている。継手本体は従来装置と同様で良い。管体外面の円筒形とフランジ内面の円錐形により楔形断面ＡＢＣを形成する楔形空間を構成するが、この楔形空間の中に、管体外面とフランジ内面に挟まれ、管外周上にほぼ均等に配列されるように、半径ｒで統一された球状回転体または円筒状回転体から成る剛体部材を複数個配置する。このとき断面の挟角∠ＡＢＣ＝２αとし、管体とフランジとの隙間は管体に沿うてΔｇが保たれているものとする。
【００１４】
今図４において、図４において管体の長さ方向に引き抜き力ΔＦが加わると、管体とフランジに挟まれた回転体から成る剛体部材には、夫々との摩擦係数μ１、μ２により決定される回転トルクＰが発生し、引き抜き力ΔＦと同じ方向にΔｌだけ移動する（コロの原理と類似）。剛体部材の中心ＯがＯ′に移動することにより、剛体部材の半径のうちΔｒ＝Δｌｓｉｎα分が円筒形の管体外面及び円錐形のフランジ内面に食い込み、夫々の面に対し圧力ΔＲを発生させる。これはあたかも楔形断面形状の空間ＡＢＣの中に楔を力ΔＫで打ち込んだとき、加圧力ΔＲとのあいだに、
ΔＫ＝２ΔＲ（ｓｉｎα＋μｃｏｓα）
が成立するのと同じである。本発明の場合は、力ΔＫは直接剛体部材に加えられないが、管体にかかる引き抜き力ΔＦによって生ずる回転体から成る剛体部材の回転トルクで楔形断面形状の空間の内部に回転体から成る剛体部材が移動するので、あたかも打ち込まれたことと等価とみなすことができるからである。
【００１５】
即ち、ａ、ｂを定数とすれば、
Δｌ＝ａΔＦ（１）
ΔＲ＝ｂΔｒ＝ｂΔｌｓｉｎα （２）
従って、ΔＲ／ΔＦ＝ａｂｓｉｎα＝一定（３）
即ち、管体に引き抜き力Ｆが発生すると、その力により把持力となる加圧力Ｒが発生し、引き抜き力の増分ΔＦに比例して（ΔＦに平衡して）把持力の増分ΔＲが発生する。ゴムパッキングで加えられる所期の把持力Ｒ１は既に加わっているものとする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の装置においては、以上詳述したようなメカニズムが働くことにより、引き抜き力Ｆが、回転体から成る剛体部材に回転トルクをへて把持力Ｒとしてフィードバックされることになり、引き抜くためには更に大きな力Ｆを必要とする、所謂自己平衡型（セルフ・バランシング型）機構を有しているので、管体の抜け出しが防止され、破壊に到るまで管体を把持し続けるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下図面を参照して本発明をより詳細に説明する。図１〜６は、本発明の管継手における自己平衡型引き抜き防止装置１０の１例を示すもので、符号１１は管体、１２はその外面、１３は継手であり、本体１４とフランジ１５を有し、本体１４のフランジ１６とフランジ１５との間に挿入されるゴム製のパッキング１７を、両フランジ１５、１６に取り付けたボルト１８、ナット１９の締結により強く締め付けることができる。１４ａは継手本体側の傾斜内面、１７ａはゴムパッキングの係止端部を示す。
【００１８】
管体１１の外面１２の円筒形と、継手１３のフランジ１５の内面１２に形成されている円錐形とにより、楔形断面形状ＡＢＣを有する空間２０を構成している。ゴム製のパッキング１７は、管体外面１２と継手内面２１との間の上記空間２０に入り込むテーパー状の保持部２２を有しており、そこに回転体より成る剛体部材２３が複数個周方向へほぼ均等に配置されている。なお保持部２２は、薄肉部２２ａを有し、パッキング１７の本体部分から或る程度自由に動き得るように設けられている。
【００１９】
また、図３、図４、図５において、点Ａは継手内面２１の点、点Ｂは継手内面２１の延長線と管体外面１２の交点、点Ｃは管体外面１２の点であり、全ての点Ａ、Ｂ、Ｃが管体１１の中心を通る半径方向の同一面にある。またｒは回転体である剛体部材２３の半径、Δｇは管体外面１２と継手内面２１との最小隙間を示す。図５は管体外面１２と継手内面２１とで形成された楔状空間２０と、そこに配置された球状の剛体部材２３の関係を模式的に表わしたものである。
【００２０】
実施例１（図１ないし図６参照）
本実施例は公称４インチの配管に適用される、管継手における自己平衡型引き抜き防止装置である。継手１３の本体１４、及びフランジ１５は鋳鉄でつくられ、使用される管体１１は配管用炭素鋼鋼管（ＳＧＰ）である。回転体より成る鋼体部材２３は使用される管体１１の態様に応じて選択される。ＳＧＰより成る管体１１の場合、その表面には防錆亜鉛鍍金があり、ころがり摩擦係数μ２は相対的に大きいので、回転体より成る剛体部材２３は鋼製の球体とする。
【００２１】
管体外面１２とフランジ部内面２１とで構成される楔形空間２０の挟角は２α＝１７度とし、鋼球より成る剛体部材２３の半径はｒ＝２．４ｍｍとした。図６に鋼球の数を変えた場合の管体引き抜き力Ｆ（ニュートン）に対する管体の抜け長さ（ｍｍ）の実測値を示す。あわせて従来品の同一条件下での実測値も併記した。
【００２２】
鋼球数が３個、４個及び６個の場合、グラフにおいて、抜け量が約１５ｍｍ近傍でデータが止まっているのは、管体１１の引き抜きに連動して剛体部材２３である鋼球が回転移動し、最後にフランジから脱落したことを示す。また、実施例の鋼球１２個の場合、抜け量が１５ｍｍ近傍まで達することなく１２．５ｍｍで終わっているのは６００００Ｎで継手装置本体が破壊したことを示している。このグラフから次のことが言える。
【００２３】
１）従来品に対し、本発明に係る装置において１２個の鋼球を装備したものは、管体引き抜き力に対して５倍以上の耐力を持ち、画期的に改善された。６００００Ｎで管体が脱落したのではなく、継手装置そのものの鋳物破壊が生じたのであり、このことは、継手の把持機構は未だ動作していたことを示す。
【００２４】
２）実施例１における各測定値が管体引き抜き力Ｆに対して管体抜け量Ｌがほぼ直線、即ちΔＦ／Δｌ＝一定ということは（１）式が成り立つことを示す。さらに鋼球１個あたりの微小変位に対する耐Ｆ力をΔＰとすると、
ΔＰ＝ΔＦ／Δｌ・ｎ（４）
ここにｎ：鋼球の個数
【００２５】
【表１】

【００２６】
この結果は表１に示すようにΔＰは約２２０ニュートン／ｍｍで一定であり（３）式が成立すること、即ち楔形空間内での鋼球の回転により、管体抜け量Ｆの増加に対応した抗力（Ｐ：Ｒに比例）が自己平衡的に増加していることを示す。
【００２７】
３）鋼球数の増加により抗力が増加するが、それは、管体とフランジ上にその荷重が分散されるためである。鋼球数が過少の場合は、鋼球の回転とともに荷重Ｒにより管体に凹みが生じ、遂にはフランジのエッジを破壊しながら脱管する。鋼球数を増加することにより荷重Ｒは管体上に分散され、継手鋳物の破壊限界以上の荷重にも耐えることができるようになる。これらのことは経験則から容易に理解されることである。
【００２８】
実施例２
接続対象の管体２４が硬質塩化ビニル（ＶＰ）の場合、管体表面が非常に平滑で、かつ変形しやすいので剛体部材として歯車状円筒部品が適している（図９Ａ、Ｂ）。管体２４のサイズが前記各例同様に４インチの場合、１２個の円筒部品より成る剛体部材２５を、図８Ａ、Ｂに示すように、ゴムパッキング２６のフランジ側外縁部に均等に設けられた凹み部２７に挿入する。剛体部材２５の個数は４インチ管を代表としてそれ以外のサイズの管体についても妥当する。
【００２９】
原理的には鋼球より成る剛体部材２５の場合と同様であり、ＶＰ製管体２４の引き抜きにより、剛体部材２５の歯がＶＰ製管体２４表面に食い込み、回転トルクを確実なものとし、楔形空間２０の中をフランジエッジ２８に向かって移動する。かくして把持力は増大する。なお、ここに新たに示す符号以外の構成についてはこれまでのものと同じで良いので、符号を援用して詳細な説明を繰り返さない。図１２に実施例２の引き抜き力Ｆに対するＶＰ製管体２４の抜け量の実測値を示す。図１２により、従来の継手ではほとんど抗力がなかったのが格段に向上していることが理解される。また、実験後のＶＰ製管体２４の表面には、歯車状円筒部品より成る剛体部材２５の歯のピッチが確実に痕跡を残していることから、理論どおりに回転していることが分かる。
【００３０】
本発明の成立に要求される諸条件
１）回転体である剛体部材の回転半径ｒと挟角α
図４において、管体とフランジとの間には均等にΔｇの隙間が設けられている。一例として、４インチ炭素鋼鋼管の外形寸法Фｐ、フランジの内径寸法Фｆは夫々、
Фｐ＝１１４．３±０．８ｍｍ
Фｆ＝１１７．４±０．５ｍｍ
従って、最大Δｇ＝１／２×｛最大Фｆ−最小Фｐ｝＝１／２×４．４ｍｍ、となる。
【００３１】
ところで管体に引き抜き力が掛かるときは一様ではなく、管体が上下左右等に振られるのが実態である。従って考慮すべき最大ギャップは片側がゼロｍｍで、他の片方が、最大Δｇ×２＝４．４ｍｍとなる場合である。この場合でも回転体である剛体部材２３、２５は抜け落ちてはならない。即ち、
２ｒ＞最大Δｇ×２（＝４．４ｍｍ）（５）
が必要である。剛体部材が前述の実施例１の鋼球の場合は２ｒ＝４．８ｍｍであり、実施例２の歯車状円筒部品の場合は図９Ａに示す歯車芯径２ｒ′が４．５ｍｍで、共に（５）式の条件を満たしている。
【００３２】
（５）式を満足する回転体である剛体部材２３、２５を内包するくさび空間ＡＢＣにおいて、図４で示す、フランジの内面の長さＡＢ′は、
ＡＢ′≒ｒ＋（２ｒ−Δｇ）／ｓｉｎ２α
即ち、ｓｉｎ２α＝（２ｒ−Δｇ）／（ＡＢ′−ｒ）（６）
挟角αを小さくするとＡＢ′は長くなり、フランジは大型となるので継手装置の軽量化、小型化のためにはＡＢ′を規定値に入れる必要がある。剛体部材２３、２５の半径が小さい方が回転による移動量が大きく、食い込みを生じやすいものとなる。
【００３３】
４インチ管の場合、
標準Δｇ＝（１１７．４−１１４．３）／２＝３．１ｍｍ
ＡＢ′を１５及び２０ｍｍとした場合、実施例１、２の夫々につき（６）式及び挟角２αを求めると下表になる。ただし回転体が歯車状円筒部品より成る剛体部材の場合の半径ｒは歯車外接円の半径（この場合５．５ｍｍ、９Ａ参照）を用いる。
【００３４】
【表２】

【００３５】
挟角２αの最小値は（６）式で与えられる。一方、ＡＢ′をさらに短くすると挟角は開いてゆき、２α≧２８度の場合は回転体は空転し、ΔＲは発生しなくなる。
【００３６】
実験の結果から、実用的には
２α＝１７度±７度（７）
にあることが望ましい。これは４インチ管の場合であるが、管径が大小異なっても（７）式の値は大きく変化しないことが確かめられている。
【００３７】
２）回転体である剛体部材の保持機構
回転体である剛体部材が、まず鋼球の場合の保持機構を図３について考察すると、ゴムパッキング１７に鋼球直径２ｒよりも小さい鋼球挿入穴２９を、周方向へ均等に１２個予め同時成形で形成しておき、鋼球を挿入するとゴムの弾性により自己保持されるようにする。この部分のゴムパッキングの厚みは、鋼球より成る剛体部材２３の直径より薄く作られており、鋼球は管体１１とフランジ１５に確実に接触して回転するようになっている。
【００３８】
同じく回転体である剛体部材が、歯車状円筒部品の場合の保持機構を図７について考察すると、歯車状円筒部品には中心穴２５ａを設け、支持軸３０に支持されて回転し、図８Ｂに示すように１２個の歯車状円筒部品より成る剛体部材２５が、一本の円形支持軸３０で連結されているようにする。そして図１０Ｂに示すように管体２４とゴムパッキング２６の楔形空間２０に入る外縁部に歯車状円筒部品より成る剛体部材２５を挿入するための凹部２７が外縁円周上に均等に１２個設けられ、実際には、歯車状円筒部品より成る剛体部材２５が回転してゆくに従い相互の間隔は短縮するので、図８Ｂのようにリング連結する場合は支持軸３０の一部を開放しておく。
【００３９】
３）回転体である剛体部材２３、２５の形状について
本発明における回転体である剛体部材２３、２５は球状であれ、円筒状であれ、次の二つの要件を満たしているものをすべて含む。即ち、
ａ．管体１１の引き抜き方向に向かって回転するもの、
ｂ．回転体である剛体部材２３、２５と管体１１との間の摩擦係数μ１、及びフランジとの間の摩擦係数μ２を共に増大せしめる構造及び表面処理を有するもの、
である。
【００４０】
球形の場合、剛体部材の表面をミクロンレベルの微細な凹凸をつけたもの（所謂表面を荒らしたもの）も有効である。また金平糖様に鋼球表面に多数の突起（円錐型）を均一に表面に配置したもの（但し突起高さは球体直径の１／４以下が望ましい）も有効である。円筒形の場合、剛体部材の表面を荒らしたもの、鋸歯状形歯車構造のものも有効である。
【００４１】
以上の説明から、本発明の管継手における自己平衡型引き抜き防止装置として必要となる要件は、請求項１に記載したように、円筒形の管体外面と円錐形の継手内面とから成る楔形断面形状の空間に配置する剛体部材が、管体に働く引き抜き力によって回転を生じること、管体外面と継手内面の形成する挟角２αが１７度±７度であること、そして剛体部材の外径が、管体外面と継手内面との最小間隙Δｇの２倍以上であること、となる。これらの要件を満たす発明であることにより、引き抜き力によって剛体部材が摺動を起こし、動摩擦係数が支配する従来の装置から脱して、本発明の装置は破壊に到るまで脱管することがないという目的、効果を実現し得るものとなる。
【００４２】
本発明の説明において、管体のサイズは４インチ管になっているが、これは４インチ管がこの種の管体の代表とされているためである。そして４インチ管は、１インチ半の管から１０インチ管までを代表するものとして取り扱って支障のないことが当業者間において了解されている。従って、本発明の装置が少なくとも１インチ半の管から１０インチ管について適用されることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る管継手における自己平衡型引き抜き防止装置の全体を示す縦断面図。
【図２】図１の装置に使用する実施例１のパッキングの１例を示す斜視図。
【図３】図１の装置の要部拡大断面図。
【図４】本発明に係る装置の力学的メカニズムを解析するための説明図。
【図５】管体外面と継手内面との間の円錐形の空間に剛体部材である球体を配置した状態を模式的に示す斜視図。
【図６】本発明の実施例１における鋼球数と変位を示すグラフ。
【図７】本発明の実施例２の装置の要部を示す縦断面図。
【図８】図７の装置に使用する実施例２のパッキングの１例を示すもので、Ａは斜視図、Ｂはパッキングに配置する剛体部材の１例を示す正面図。
【図９】図７の装置に使用する剛体部材を示すもので、Ａは支軸で支えないタイプの斜視図、Ｂは支軸で支えるタイプの斜視図。
【図１０】図９Ｂの剛体部材をパッキングに取り付けた状態を示すもので，Ａは正面方向の断面図、Ｂは側面方向の断面図。
【図１１】実施例２の装置による抜け止め痕を示す斜視図。
【図１２】本発明の実施例２のものの効果を示すグラフ。
【図１３】従来の抜け止め装置の作用を示す正面図。
【図１４】図１３と同様の装置の作用を示す縦断面図。
【図１５】図１３、図１４の装置による効果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４４】
１０本発明に係る管継手における自己平衡型引き抜き防止装置
１１、２４管体
１２管体外面
１３継手
１４本体
１５フランジ
１６本体のフランジ
１７、２６パッキング
１８ボルト
１９ナット
２０楔状の空間
２１継手内面
２３剛体部材である球体若しくは鋼球
２５剛体部材である歯車状円筒部品
２６連絡部材
２７凹み部
２８フランジエッジ
２９鋼球挿入穴

【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形の管体外面と、円錐形の継手内面とにより形成された楔形断面形状の空間に、管体外面及び継手内面に食い込みを生じうる剛体部材を複数個周方向へほぼ均等に配置し、剛体部材は、管体と継手とを引き抜く方向の外力が働いたときに、管体周方向の軸周りに回転して引き抜き方向へ移動可能な回転体に形成し、上記引き抜く方向の外力により剛体部材に回転を生じさせる条件として、楔形断面形状の空間において管体外面と継手内面とが形成する挟角２αを１７度±７度とし、かつ、剛体部材の外径を管体外面と継手内面との最小隙間Δｇの２倍以上としたことを特徴とする管継手における自己平衡型引き抜き防止装置。
【請求項２】
剛体部材は、管体の周方向へ、１２個均等な間隔で配置されている請求項１記載の管継手における自己平衡型引き抜き防止装置。
【請求項３】
剛体部材は、球体、円筒体又は歯車状円筒部品のどれかである請求項１又は２記載の管継手における自己平衡型引き抜き防止装置。

【図１】