JP2016089993A - ベローズ - Google Patents

Abstract

【課題】使用温度に影響を受けず、損傷することなく、配管の相対変位によるせん断または曲げ変形時に、発生する応力を平準化することが可能なベローズを提供する。【解決手段】ベローズは、山部１１と谷部１２を交互に有して蛇腹状をなすベローズ本体１０と、金属材料からなる第１補強リング２１と、金属材料からなり第１補強リング２１よりも剛性の小さい第２補強リング２２とを備え、第１補強リング２１は、ベローズ本体１０の軸方向における端部に位置する谷部１３に挿入され、第２補強リング２２は、第１補強リング２１が装着された谷部１３よりも、軸方向において中央側に位置する谷部１４に挿入されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ベローズに関する。

従来より、配管の変位差を吸収するためにベローズが用いられている。そして、配管の相対変位により、ベローズがせん断または曲げ変形を受けた時に、ベローズに発生する応力を平準化させたベローズが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１では、中実の樹脂製である補強リングを、装着する場所によって硬度を変更することにより、変位の均一化（応力の平準化）を図っている。また、特許文献２では、内管および外管の間に、端部に近い位置ほど穴の密度を粗にした穴開き補強部品を設けることにより、応力集中を防止し、応力の平準化を図っている。

特開２０１１−１７９５７８号公報 特開２００２−２３５５３８号公報

しかし、特許文献１の補強リングは、樹脂製であるため、高温域および超低温域では材料の特性が大幅に変化する。よって、ベローズをそれらの温度領域で使用することができない。また、特許文献２のベローズは、高振動数で長時間の振動が作用する場合には、補強部品の凹凸によって、内管および外管が摩耗し損傷してしまう。

そこで、本発明は、使用温度に影響を受けず、損傷することなく、配管の相対変位によるせん断または曲げ変形時に、発生する応力を平準化することが可能なベローズを提供することを課題とする。

上記課題を解決すべく、本発明の一態様であるベローズは、山部と谷部とを交互に有して蛇腹状をなすベローズ本体と、金属材料からなる第１補強リングと、金属材料からなり前記第１補強リングよりも剛性の小さい第２補強リングと、を備え、前記第１補強リングは、前記ベローズ本体の軸方向における端部に位置する前記谷部に挿入され、前記第２補強リングは、前記第１補強リングが装着された前記谷部よりも、前記軸方向において中央側に位置する前記谷部に挿入されている。

本発明によれば、使用温度に影響を受けず、損傷することなく、配管の相対変位によるせん断または曲げ変形時に、発生する応力を平準化することが可能なベローズを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るベローズをベローズ本体の軸を含む平面で切断した概略断面図を示す。 第１の実施の形態に係る補強リングの概略図を示す。 本発明の第２の実施の形態に係るベローズの補強リングの概略図を示す。 （ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係るベローズをベローズ本体の軸に直交する平面で切断した概略断面図を示し、（ｂ）は、（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った概略断面図を示す。

以下、本発明の第１の実施の形態に係るベローズについて、図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施の形態に係るベローズ１をベローズ本体１０の軸を含む平面で切断した概略断面図を示し、図２は、補強リング２０の概略図を示す。

図１に示すように、ベローズ１は、２本の配管２、２の変位差を吸収するために、当該配管２、２の間に設けられ、輸送機械、建設機械、軽水炉、および免震装置に用いられる。そして、ベローズ１は、ベローズ本体１０と複数の補強リング２０（２１〜２３）とを備える。なお、参照番号１０１、１２０〜１２３については第２の実施の形態において、参照番号２０１、２２０〜２２３については第３の実施の形態において使用する。

円管状のベローズ本体１０は、金属製であり、弾性を有する薄肉の板材により構成され、環状の山部１１と環状の谷部１２（１３〜１５）とを交互に有する蛇腹状をなしている。ベローズ本体１０の両端に蒸気等が通過する配管２、２が溶接等により固定されている。

各補強リング２０は、真円環状をなし、一対の半円環状の半円部材２０Ａを有する。各補強リング２０は、一対の半円部材２０Ａを、ベローズ本体１０の谷部１２に外側から挿入して、端部をボルト３により互いに締結することにより、ベローズ本体１０に装着されている。よって、一対の半円部材２０Ａの各端部は、結合部４となる。各補強リング２０は、同一の金属材料からなり、弾性を有する薄肉の板材を曲げ加工することにより形成されている。また、各補強リング２０を、ベローズ本体１０の軸を含む平面で切った断面形状は、略Ｕ字状をなしている。

複数の補強リング２０は、第１補強リング２１と、第２補強リング２２と、第３補強リング２３とを有する。第１補強リング２１の板厚は、第２補強リングの板厚および第３補強リング２３の板厚よりも厚く、第２補強リングの板厚は、第３補強リング２３の板厚よりも厚く構成されている。各補強リング２１〜２３は、同一の金属材料により構成されているので、それらの剛性は、第１補強リング２１が最も大きく、第３補強リングが最も小さく、第２補強リング２２がそれらの間となる。

そして、第１補強リング２１は、ベローズ本体１０の軸方向における最も端部側に位置する谷部１３に挿入されている。第２補強リング２２は、第１補強リング２１が挿入された谷部１３に対し軸方向において中央側に位置する谷部１４に挿入されている。第３補強リング２３は、第２補強リング２２が挿入された谷部１４に対し軸方向において中央側に位置する谷部１５に挿入されている。このように、ベローズ本体１０の端部側に装着された補強リング２０ほど、剛性が大きくなる（板厚が厚くなる）ように構成されている。

以上のように、本実施形態のベローズ１によれば、第１補強リング２１は、ベローズ本体１０の軸方向における端部に位置する谷部１３に挿入され、第２補強リング２２は、第１補強リング２１が装着された谷部１２よりも、ベローズ本体１０の軸方向において中央側に位置する谷部１４に挿入され、第３補強リング２３は、第２補強リング２２が挿入された谷部１４よりも、ベローズ本体１０の軸方向において中央側に位置する谷部１５に挿入されている。

かかる構成によれば、配管２が相対変位をしてベローズ１がせん断または曲げ変形した時に、最も大きな応力が作用する谷部１３に、最も剛性の大きい第１補強リング２１を設けている。これにより、ベローズ本体１０の端部の変形量は 第１補強リング２１の弾性力によって、補強リングを設けていない場合に比べて小さくなる。すなわち、ベローズ本体１０の端部に発生する応力は 補強リングを設けていない場合に比べて小さくなる。そして、谷部１３よりも内側の谷部１４において、補強リングを設けていない場合よりも変形量が大きくなる。

そして、第２補強リング２２の剛性を、第１補強リング２１の剛性よりも小さく（板厚を薄く）しているので、第１補強リング２１と第２補強リング２２との剛性が同じ（板厚が同じ）場合と比較して、谷部１３と谷部１４との変形量の差を小さくすることができる。さらに、第１補強リング２１および第２補強リング２２の剛性を調整（板厚を調整）することにより、谷部１３および谷部１４の変形量を同程度にすることができる。

また、上記と同様に、谷部１４よりも内側の谷部１５において、補強リングを設けていない場合よりも変形量が大きくなるが、第３補強リング２３の剛性を、第２補強リング２２の剛性よりも小さく剛性を小さく（板厚を薄く）しているので、第２補強リング２２と第３補強リング２３との剛性が同じ（板厚が同じ）場合と比較して、谷部１４と谷部１５との変形量の差を小さくすることができる。さらに、第２補強リング２２および第３補強リング２３の剛性を調整（板厚を調整）することにより、谷部１４および谷部１５の変形量を同程度にすることができる。

このように、谷部１３〜１５における変形量を等しくすることができ、ベローズ本体１０に発生する応力を平準化することができる。よって、ベローズ本体１０を全体として平等強さの梁に近づけることができる。

また、補強リングが無い場合や剛性が一様な補強リングが装着されている従来のベローズ本体と比較すると、本実施の形態のベローズ本体１０が同量の相対変位を吸収した場合に発生する最大応力は従来のベローズ本体に発生する最大応力よりも低減する。よって、長期間にわたって相対変位を吸収し続けたとしてもベローズ１が損傷 、ベローズ１の疲労寿命を向上させることができる。さらに、本実施の形態のベローズ１と従来のベローズとに同量の最大応力が生じる相対変位をそれぞれ吸収させた場合、本実施の形態のベローズ１は従来のベローズより大きな相対変位を吸収することが可能となる。

また、補強リング２０は、金属材料により構成されているので、使用温度に影響を受けず、その機能および効果を発揮することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係るベローズ１０１について、図１、３を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材については同一の参照番号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明を行う。第１の実施の形態のベローズ１と本実施の形態に係るベローズ１０１とでは、補強リングの構成が異なるので、補強リングについて説明する。

図３は、第２の実施の形態に係る補強リング１２０の概略図を示している。

図３に示すように、補強リング１２０は、楕円環状をなしている。楕円環状のリング部材を、長径に沿って切断し、一対の補強部に相当する一対の半楕円部材１２０Ａを、その短半径部分をベローズ本体１０の谷部１２に外側から挿入して、端部をボルト３により互いに締結することにより、ベローズ本体１０に装着される。一対の半楕円部材１２０Ａの各端部は、結合部４となる。なお、補強リング１２０を、ベローズ本体１０の軸を含む平面で切った断面形状は、第１の実施の形態の補強リング１２０と同様に略Ｕ字状をなしている。

そして、補強リング１２０の各結合部４の内側エッジ４Ａは、ベローズ本体１０に接触しないように構成されている。すなわち、各結合部４の内側エッジ４Ａが、ベローズ本体１０の軸方向において山部１１に対し対向する位置、またはその位置よりもベローズ本体１０の径方向において外側に位置するように構成されている。本実施の形態では、補強リング１２０の楕円孔１２０ｂの長半径が、楕円孔１２０ｂの短半径とベローズ本体１０の山高さとの合計から、ピッチの２５％を引いた値よりも大きくなるように構成されている。なお、補強リング１２０の楕円孔１２０ｂの短半径は、ベローズ本体１０の谷部１２における半径よりもわずかに大きく構成される。よって、一対の半楕円環部材１２０Ａは、ベローズ本体１０の全周のうちの一部を補強する。

また、図１に示すように、第１の実施の形態の第１〜３補強リング２１〜２３と同様に、本実施の形態の第１〜３補強リング１２１〜１２３でも、板厚が、第１補強リング１２１が最も厚く、第２補強リング１２２、第３補強リング１２３の順に板厚が薄くなるように構成されている。すなわち、ベローズ本体１０の端部側に位置する補強リング１２０ほど、剛性が大きくなるように構成されている。

そして、第１補強リング１２１の長半径が、第２補強リング１２２の長半径および第３補強リング１２３の長半径よりも長く、第２補強リングの長半径は、第３補強リング１２３の長半径よりも長く構成されている。すなわち、ベローズ本体１０の中央部よりも端部側の補強リング１２０が、その楕円率が小さくなるように構成している。これにより、ベローズ本体１０の中央側に位置する補強リング１２０ほど、ベローズ本体１０に接触可能な面積が増加し、補強する範囲が広くなるようにしている。

本実施の形態に係るベローズ１０１によれば、補強リング１２０は、谷部１２に挿入されベローズ本体１０の全周のうちの一部を補強する一対の半楕円部材１２０Ａと、一対の半楕円部材１２０Ａが結合される一対の結合部４とを備え、一対の結合部４は、ベローズ本体１０の軸方向において山部１２と対向する位置、または山部１２と対向する位置よりもベローズ本体１０の径方向における外側に位置する。

かかる構成によれば、各結合部４の内側エッジ４Ａと、ベローズ本体１０とが接触するのを抑制することができ、ベローズ本体１０が傷つくのを防止することができる。

また、ベローズ本体１０がせん断または曲げ変形を受ける方向がおおよそ決まっている場合には、補強リング１２０がベローズ本体１０を補強する位置（補強リング１２０の短半径部の位置）を、せん断または曲げ変形によりベローズ本体１０が最も大きく変形する位置に合わせることにより、第１の実施の形態のベローズ１と同様に、谷部１３〜１５における変形量を等しくすることができ、ベローズ本体１０に発生する応力を平準化することができる。さらに、軸圧縮・引張の変形がベローズ本体１０に作用した場合には、中央付近に変形が集中することを防止することができる。すなわち、ベローズ本体１０の単純な梁における中立面に相当する位置に、補強リング１２０は当接せず弾性力が作用しないので、軸圧縮のようにベローズ本体１０の全体に一様な変位が生じる変形に対しては、補強リング１２０の作用を低減させることができる。なお、せん断または曲げ変形によりベローズ本体１０が最も大きく変形する位置は、ベローズ本体１０に軸直角の相対変位が生じる方向とベローズ本体１０の軸方向が成す平面上の位置であり、単純な梁であれば最大曲げ応力が発生する位置である。

また、ベローズ本体１０の中央部よりも端部側の補強リング１２０が、その楕円率が小さくなるように構成している。これにより、ベローズ本体１０の中央側に位置する補強リング１２０ほど、ベローズ本体１０に接触可能な面積が増加し、補強する範囲が広くなるようにしている。

かかる構成によれば、ベローズ本体１０の中央部では補強リング１２０の剛性は低いが、補強される範囲が広くなるので、軸圧縮・引張時の補強効果を高めることができ、ベローズ本体１０の端部に近い位置では補強リング１２０の剛性は高いが、補強される範囲が狭くなるために軸圧縮・引張時の補強効果を弱めることができる。その結果、せん断または曲げ変形時にベローズ本体１０に発生する応力を平準化することができると共に、軸圧縮・引張変形時にベローズ本体１０の中央に生じる最大応力を低減し、応力分布を平準化することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態に係るベローズ２０１について、図１、４を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材については同一の参照番号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明を行う。

図４（ａ）は、第３の実施の形態に係るベローズ２０１をベローズ本体の軸に直交する平面で切断した概略断面図を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った概略断面図を示す。なお、図４（ｂ）のＩ−Ｉ線に沿った概略断面図は、図１に示した概略断面図である。

図４（ａ）に示すように、補強リング２２０は、一対の補強部２２０Ａと、一対のロングボルト２２０Ｂとを備える。一対の補強部２２０Ａは、ベローズ本体１０の軸方向に直交する方向に延び、ベローズ本体１０の径方向における互いに対向する位置において谷部１２に挿入されている。よって、補強部２２０Ａは、ベローズ本体１０の全周のうちの一部を補強する。また、各補強部２２０Ａは、第１の実施の形態と補強リング２０と同様に断面が略Ｕ字状をなしている。そして、一対の補強部２２０Ａの両端が、一対のロングボルト２２０Ｂにより結合されている。各ロングボルト２２０Ｂは、後述の長穴５ａに挿通されており、山部１１よりも外側に位置している。ロングボルト２２０Ｂは、結合部に相当する。

また、図１に示すように、第１の実施の形態の第１〜３補強リング２１〜２３と同様に、本実施の形態の第１〜３補強リング２２１〜２２３でも、板厚が、第１補強リング２２１が最も厚く、第２補強リング２２２、第３補強リング２２３の順に板厚が薄くなるように構成されている。すなわち、ベローズ本体１０の端部側に位置する補強リング２２０ほど、剛性が大きくなるように構成されている。

また、図４（ｂ）に示すように、一方（左側）の配管２のフランジ部２Ａに対し、一対のボルト連結板５が溶接により固定されている。一対のボルト連結板５は、ベローズ本体１０の外側に位置し、ベローズ本体１０の軸方向に沿って延びている。また、一対の連結板５は、一対の補強部２２０Ａが対向する径方向に対し直交する平面上に設けられている。各ボルト連結板５には、複数の長穴５ａが形成されている。また、長穴５ａのベローズ本体１０の軸方向に沿った長さは、左側の配管２から離れるほど長くなるように構成されている。なお、図４（ｂ）では、各連結板５において、一つの長穴５ａおよびロングボルト２２０Ｂに対し参照番号を付している。

また、図４（ａ）に示すように、各ロングボルト２２０Ｂに対して、連結板５を挟むように一対のナット２２０Ｃが装着され、連結板５を支持している。これにより、各連結板５は位置決めされ、
各ロングボルト２２０Ｂは、対応する長穴５ａに対し相対的に移動可能に構成される。

本実施の形態に係るベローズ２０１においても、第２の実施の形態に係るベローズ１０１と同様の効果を奏することができる。また、各補強部２２０Ａは、ベローズ本体１０の軸方向に直交する方向に延びる直線状形状であるので、製造が容易となり、ベローズ２０１の製造コストを低減することができる。また、一対の連結板５により、その幅方向および板厚方向において、ベローズ本体１０が曲がりづらくすることができる。なお、軸圧縮・引張の変形がベローズ本体１０に作用する場合には、各ロングボルト２２０Ｂは、対応する長穴５ａ内を移動する。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

例えば、上記の第１の実施の形態では、剛性を変化させるために板厚を変更したが、金属材料の縦弾性係数を変更することにより剛性を変化させても良い。すなわち、第１〜３補強リングを、互いに異なる金属材料により構成し、第１補強リングを最も縦弾性係数の大きい金属材料とし、第２補強リングを第３補強リングよりも縦弾性係数の大きい金属材料としても良い。なお、かかる構成においては、異種金属の接触面において錆を生じさせる可能性があるため、接触面（ベローズ本体１０の表面および／または補強リングのベローズ本体１０側の面）に対し、テフロン（登録商標）、シリコン、またはセラミック等のコーティングを施しても良い。

かかる構成においても、第１の実施の形態のベローズ１と同様の効果を奏することができる。さらに、同一の金属材料では、薄すぎて加工が困難である場合にも対応することができる。これにより、多くの種類のベローズ本体１０に対し、補強リングを適用することが可能となる。なお、板厚または金属材料を変更するのみでなく、両者を適宜変更し、ベローズ本体１０に発生する応力を平準化しても良い。

また、第３の実施の形態において、各補強部２２０Ａは、ベローズ本体１０の軸方向に直交する方向に延びる直線状形状であったが、ベローズ本体１０の直径より大きな部分円形形状であっても良い。

１、１０１、２０１：ベローズ、２：配管、３：ボルト、４：結合部、１０：ベローズ本体、１１：山部、１２：谷部、２０、１２０、２２０：補強リング、２１、１２１、２２１：第２補強リング、２２、１２２、２２２：第２補強リング、２３、１２３、２２３：第３補強リング、１２０Ａ：半楕円部材２２０Ａ：補強部、２２０Ｂ：ロングボルト

Claims (6)

1. 山部と谷部とを交互に有して蛇腹状をなすベローズ本体と、
   金属材料からなる第１補強リングと、金属材料からなり前記第１補強リングよりも剛性の小さい第２補強リングと、を備え、
   前記第１補強リングは、前記ベローズ本体の軸方向における端部に位置する前記谷部に挿入され、前記第２補強リングは、前記第１補強リングが装着された前記谷部よりも、前記軸方向において中央側に位置する前記谷部に挿入されたベローズ。
2. 前記第１補強リングと前記第２補強リングとは、同一の金属材料からなる板材により構成され、
   前記第１補強リングの板厚は、前記第２補強リングの板厚よりも厚い請求項１に記載のベローズ。
3. 前記第１補強リングと前記第２補強リングとは、互いに異なる金属材料からなる板材により構成され、
   前記第１補強リングを構成する金属材料の縦弾性係数は、前記第２補強リングを構成する金属材料の縦弾性係数よりも大きい請求項１に記載のベローズ。
4. 前記第１補強リングおよび前記第２補強リングは、それぞれ前記谷部に挿入され前記ベローズ本体の全周のうちの一部を補強する一対の補強部と、前記一対の補強部が結合される一対の結合部とを備え、
   前記一対の結合部は、前記ベローズ本体の軸方向において前記山部と対向する位置、または前記山部と対向する位置よりも前記ベローズ本体の径方向における外側に位置する請求項１から請求項３のいずれかに記載のベローズ。
5. 前記第１補強リングおよび前記第２補強リングは、それぞれ楕円環状をなし
   前記一対の補強部は、楕円環状のリング部材を長半径に沿って切断した一対の半楕円部材であり、
   前記一対の半楕円部材が、前記一対の結合部により互いに結合されている請求項４に記載のベローズ。
6. 前記第１補強リングの楕円率は、前記第２補強リングの楕円率よりも小さく構成された請求項５に記載のベローズ。
   
   

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