JP3542711B2

JP3542711B2 - 波形パイプ

Info

Publication number: JP3542711B2
Application number: JP04363598A
Authority: JP
Inventors: ジェルッヒトーマス; ブリューゲルマンユルゲン
Original assignee: エーエムエスインベンタアーゲー
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: JPH10246366A; KR19980071658A; EP0863351A3; KR100333751B1; EP0863351B1; DE19707518C1; EP0863351A2; US6021816A; BR9800205A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つのポリマー層を備える流体管用の熱可塑性ポリマー製のパイプであって、全周のうちの少なくとも一部の角度域でパイプの外側部に長さ方向に波形を形成する閉塞の幾何学的な外形を有する波形パイプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種パイプとしては、外形は平たくされるかまたは部分的に拡大された円形であるものが、本発明の出願人によって出願され、ドイツ特許公報ＤＥ４４３２５８４Ｃ１に既に記載されている。この公報に示されている実施形態では、パイプ全周にわたる範囲で長さ方向に波形が形成されており、これは下記に説明するような不利をもたらす。
【０００３】
ヨーロッパ特許公報ＥＰ０６７１５８２Ａ１、ドイツ特許公報ＤＥ４３２１５７５Ｃ１および英国特許公報ＧＢ１２０９５６９に波形パイプの他の例が記載されている。
【０００４】
特に好ましい波形パイプの適用は、流体配管および空気伝導部品を実現するための自動車分野への適用である。
【０００５】
従来、空気導通部品および冷却水管等の液体管は織物補強されたゴムパイプおよびゴムホースから製造されているが、熱可塑性プラスティック製パイプおよびホースを使用すると費用および重量をかなり軽減することができ、更にリサイクルの可能性が高まる。このような材料の置換のためには、ゴムパイプに相当する曲げ撓み性を熱可塑性パイプが有することが必要となる。
【０００６】
この場合、熱可塑性材料の高い剛性は、パイプジャケット表面の波形構造によって補償することができる。図１０（ａ）〜（ｄ）は従来の波形パイプの一例を示しており、この波形パイプは、パイプ全周にわたる範囲で長さ方向に波形が形成され、かつ、波形の谷の部分である小径部分１１及び山の部分である大径部分１２がともに円形断面となっている。波形パイプとしてはこの他にもさまざまな形態が知られている。
【０００７】
しかしながら、それらの形態で得られる曲け撓み性は引張り剛性を悪くする。すなわち、引張り力が作用するとパイプが長さ方向に大きく伸長することになる。引張り剛性の増大をもたらす波形パイプの形状は上述の公報に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の波形パイプの形態は全て、下記に詳細に説明するように、引張り剛性と曲げ剛性が関連することによる問題を有する。
【０００９】
特に自動車分野の空気導通部品および冷却水管の場合、内圧に対する高い抵抗が要求されることに加え、可動構造部品間の接続における公差の補償を可能にするとともに組立を容易にするために、高い曲げ撓み性が要求される。
【００１０】
波形パイプを選択すると、その長さ方向に波形にされた表面によって、滑らかな表面を有するパイプに比べてかなり高い引張り撓み性および圧縮撓み性を有する。
【００１１】
パイプの長さ方向に沿って直線状におこる引張り変形または圧縮変形は、波形パイプの壁において個々の波形に均等に分配された曲げ変形により吸収される。
【００１２】
波形パイプ全体の曲げ変形（湾曲）を考察すると、ホース状であると想像できるパイプ壁の中間表面は、湾曲したパイプの中立面（引張りまたは圧縮応力のない平面）からのその距離およびこの中立面に対する位置によって、より大きな曲率半径の側（外側）で延びるとともに、より小さな曲率半径の側（内側）で縮むこととなる。
【００１３】
そして、引張り荷重や圧縮荷重による場合の変形と同様に、パイプ全体の曲げ変形による外側部分の伸長および内側部分の圧縮は個々の波形の曲げ変形（引き離しまたは押し縮み）によって可能となる。なお、曲げの起こる平面は曲げ平面と呼ばれる。この平面は中立面に対して垂直であり、それ自体は曲がっていない。
【００１４】
このように、波形形状における波形パイプ全体の曲げ変形と引張り変形、圧縮変形は同様の変形メカニズムによるものであるので、従来の波形パイプでは引張り剛性、圧縮剛性と曲げ剛性とが相関関係を有している。これは、従来の曲げ易い波形パイプは必然的に引張り易く、圧縮し易いことを意味する。
【００１５】
滑らかであるか波形であるかにかかわらず、外側から作用する引張り力と同様に、内パイプの断面の外郭にかかる内圧によってパイプに荷重がかかる。これは、低い引張り剛性を有する従来の曲げ易い波形パイプでは、剛性の相関関係によって、内圧荷重は結果としてパイプ長を大きく変化させる。
【００１６】
これは、自動車分野の空気導通部品および冷却水管で典型的に起こり、また洗濯機の水管で起こるような圧力荷重が変化する波形配管としての使用の場合に問題になる。圧力の変化の結果おこる長さの変化は可能な取付空間の制限と相いれない場合が往々にしてある。また、この場合の波形形状におこる曲げ応力は材料に追加的な歪みをおこし、そのため得られる寿命が短くなる。
【００１７】
なお、ドイツ特許公報ＤＥ４３２１５７５Ｃ１は流体管として使用される波形パイプを記載しており、このパイプでは、後に下になるパイプ壁の部分が内的に非波形になるよう、その後の自動車への取付後垂直にならない所定の長さ方向部分で波形が偏心的に形成されている。これによって、流体や凝縮水が波形の谷部に溜まらない波形パイプを実現することができる。しかしながら、非波形部分は１方向側だけであり、また非連続であり、そのような管はその低い引張り剛性のため圧力による荷重に対して適しておらず、圧力のかからない通気管のみに適している。
【００１８】
米国特許４、５９２、２３１には液体収容ケース（例えば、ガソリンタンク）用電気レベル測定器の導電箔片の保護パイプとして機能する波形パイプが記載されている。ここでの課題は、測定センサーが到達し難く、湾曲した形状の収容ケースで、変則的な形状のその最下点に届くことができるように、測定センサーに全方向に最大の曲げ能力を持たせることであった。この課題は、全長さ方向に亘って両側に凹部を有し、その結果その長さ方向の軸回りに回転させることができ、しわになったり、ちぎれたりすることなしに全方向に曲げることのできる導電薄片によって解決された。それもまた可撓性を有さねばならない保護パイプが同時に箔片のホルダーとして役立つように、この保護パイプは波形が対向位置で中断し、この中断位置は２つの螺旋上に位置する波形パイプとなっている。このように、箔片は簡単に波形パイプに挿入でき、その中で所望の螺旋状に回転した形で保持された。しかしながら、非波形部は本発明とは全く異なる機能を有しており、この測定器では反対のこと、すなわち最大の可撓性を得ることが要求されていたため、波形パイプを所要に補強することとは何の関係もない。また、同文献に記載の保護パイプでは流体がその中を通ることもなく、パイプの内部と外部間の圧力に違いもないので、そのデザインは圧力荷重のかかる管には適していない。同文献はパイプの長さ方向の安定性にも、曲げ剛性と引張り剛性の関係にも触れていないので、流体が通ることによって、内圧の影響を受けるという上述の問題を有する管にこの米国特許の形状を使用することは自明ではない。
【００１９】
医学分野に関するドイツ特許公報ＤＥ−ＡＳ１１７１５６３には麻酔器および人工呼吸器用のゴム製波形ホースが記載されており、この波形ホースでは内部のガス圧の増大による長さ方向の伸長が、中央に長さ方向に延びる平坦な仕切り壁を備えるように波形ホースを構造することによって回避される。このため、このホースは周囲が波形で、内部に２つの管が形成されているホース（双管ホース）である。平坦な仕切り壁のみが長さ方向の伸長力を受けるので、上記の解決では追加の仕切壁に連結されているという欠点があり、従って双管ホースがどの分野で必要になるかということが問題であるが、多くの技術分野でそのようなホースはあまり使われない。
【００２０】
本発明は、追加の補強手段を必要とせず、圧力がかかったときに僅かしか長さ方向に伸長しないようにしつつ、高い曲げ撓み性と破裂強度を有する、圧力をかけることができる単管波形パイプを提供することを目的としている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、少なくとも１つのポリマー層を備え、パイプ全周のうちの少なくとも一部の区域でパイプジャケットに長さ方向に波形を形成する閉塞外形を有する圧力流体用熱可塑性ポリマー製波形パイプであって、上記閉塞外形は、楕円形状、卵形状、または長円形状に形成され、かつパイプのジャケット表面の略対向する２箇所に波形が形成されていない平滑な非波形部を有し、これらの非波形部は、パイプ軸方向に設けられた少なくとも２つの部分において、互いに異なる周方向の角度位置にパイプの長さ方向にライン状に連続して延びるものであることを特徴とするものである。
【００２２】
すなわちこの発明の波形パイプの外形は、その波形がパイプジャケット表面の２つのほぼ対向する部分で完全に無くなるようになっている。もちろん、波形パイプの内形は、壁厚分内側に位置するだけで、外形と同じである。２つの非波形部はパイプの長さ方向に連続しており、原則的に所要の曲線の形をとることができる。非波形部は、パイプ軸に平行に直線的に（請求項８）または螺旋状に（請求項９）中断することなく延びる。あるいは波形パイプの少なくとも軸方向の２つの部分に互いに異なる角度位置で２つずつの非波形部が配置され（請求項１）、部分的に直線に延びるのが好ましく、例えば相前後する２つずつの非波形部は互いに２０°から１６０°の角度だけ軸回り方向にずれていればよい（請求項２）。
【００２３】
非波形部のラインは直線であってパイプ軸に平行であることが特に好ましく、これは引張り応力が作用するとねじ戻る螺旋形状に比べてより高い引張り剛性、またより良い長さ方向の安定性をもたらす。
【００２４】
この波形パイプは、パイプの大断面の部分とパイプの小断面の部分とが長さ方向に交互に位置し、その大断面が楕円形状、卵形状、または長円形状に形成されるとともに、小断面が前記大断面の形状に概ね内接する楕円形状、卵形状、長円形状または円形状に形成されることにより、大断面の形状に小断面の形状が内接する略対向する２箇所においてパイプのジャケット表面に波形が形成されていない平滑な非波形部を形成している（請求項６）。また、この非波形部は中心角で１５０°から２１０°の角度をおいた２箇所に形成され（請求項３）、特に好ましくは中心角で１８０°の角度で対向する２箇所に形成されているとよい（請求項４）。
【００２５】
波形を形成するパイプ外形は楕円形状、卵形状、円形状または一部に平坦部を有する長円形状等であればよく、その外形はパイプ軸について同心状に配置されていることが好ましい（請求項５）。特に、外形が楕円形状であって、小断面の長軸は大断面の短軸と平行であり、同じ長さであることが好ましい（請求項７）。
【００２６】
本発明の波形パイプは、非波形部では滑らかな表面のパイプと同じである。この非波形部は引張りまたは圧縮荷重がかかっても波形部のように曲げ変形によって曲がることはない。
【００２７】
従来の波形パイプの形状とは対照的に、この新規な形状を有する波形パイプの曲げ撓み性は周方向の角度の関数である。波形パイプは非波形部と交差する曲げ平面で最大の曲げ剛性、すなわち最小の曲げ撓み性を有する。曲げ剛性が最大の平面に垂直な曲げ平面において、曲げ剛性が最小、つまり曲げ撓み性が最大であるのが好ましい。
【００２８】
波形パイプを曲げ剛性が最小の平面で曲げると、非波形部はいわゆる中立面に位置する。すなわち、非波形部では伸長や圧縮がほとんどおこらないが、同時に周方向に９０°離れた位置では（伸長や圧縮によって）最大限に曲がる。
【００２９】
従って、本発明による外形では、曲げ剛性と引張り剛性を切り離すことができる。特に、引張りまたは圧縮荷重に対して高い長さ方向の剛性をもつ、すなわち長さ方向にあまり変形しないにもかかわらず１つの曲げ平面で非常に高い曲げ撓み性をもつ。
【００３０】
なお、非波形部を有する波形パイプは全く未知であるというわけではないが、既知のそのような波形パイプは完全に異なる問題や異なる技術的な適用に関する。
【００３１】
本発明の波形パイプは、押出または同時押出とそれに続く吸込みもしくは吹込み成形、押出吹込み成形、同時押出吹込み成形またはそれに続く吹込み成形により、ホースの調整を行ないながら、または調整無しで製造することができる（請求項１１）。そして、自動車の空気伝導部品および液体管、または洗濯機の水管として用いることが効果的である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明は多数の実施形態をとることができ、下記の図面は本発明の実施形態を示す。
【００３３】
図１、図２、図３、図４は本発明による波形パイプの断面図、側面図、上面図および斜視図で、これらの図に示す実施形態では２つの対向する部分で波形が形成されていない。
【００３４】
図５、図６、図７、図８はパイプの波形部と非波形部の配置を示す断面図、側面図、上面図および斜視図で、ジャケットラインは様々な平面での曲げ変形を可能にするために軸回り方向にオフセットされている。
【００３５】
図９（ａ）〜（ｈ）は本発明の波形パイプの内側パイプ断面および外側断面の可能な組み合わせを示す図である。
【００３６】
図１〜図４に示す実施形態、及び図５〜図８に示す実施形態において、最大の曲げ撓み性を有する平面は斜視図（図４、図８）で双矢印によって示している。
【００３７】
波形によって形成されるリングの好ましい形状は、楕円、卵形、円形、および平坦部も有する所謂長円形である。
【００３８】
外形によって形成されるリングがパイプ軸に対して同心に、すなわちその軸の交差点（長軸と短軸の交差点）またはその中心点がパイプ軸に配置されるのが特に好ましい。
【００３９】
本発明による波形パイプの特に有利な形状では、図１〜図４の実施形態に示すように、大小の断面が共に楕円形である。この場合、１の長軸は大断面２の短軸に平行で、同じ長さである。従って、パイプ全周のうちで、小断面の長軸の両端及び大断面の短軸の両端に相当する部分は、波形が完全になくなって、パイプの長さ方向に平滑な非波形部３ａ，３ｂとなっている。両非波形部３ａ，３ｂは中心角で略１８０°の角度をもって相対向し、パイプの長さ方向にライン状に連続して延び、パイプの軸と平行で直線状に形成されている。
【００４０】
この実施形態による場合、内圧が加わっている状態で非円形断面は円形断面より変形し易い傾向にあるという性質は、隣接する楕円形断面を交互に９０°回転させることによって相互補償することができる。
【００４１】
波形パイプ形状の一般的な適用では、２つ以上の曲げ平面で高い曲げ撓み性が要求される。この要求は、図５〜図８に示すように、本発明の波形パイプ形状の少なくとも２つの部分Ｗ１，Ｗ２を、曲げ剛度が最小の平面を互いに異なる角度に配置して、直列に接続することによって達成される。つまり、波形パイプの軸方向の片側部分Ｗ１と他の部分Ｗ２とに互いに異なる角度位置で２つずつの非波形部３ａ，３ｂが形成され、図５〜図８に示す例では、片側部分Ｗ１の非波形部３ａ，３ｂと他の部分Ｗ２の非波形部３ａ，３ｂとが中心角で略９０°だけ互いにずれて配置されている。
【００４２】
こうして、各々１つの平面でのみ曲げを許す２つの曲げ要素を例えば９０°の所定角度で、直列に接続することにより、所定の角度域内で２つの端部が互いに所要の動きをなすことが可能になる。このように、個々の部分では引張り剛性を高めるために自由度を犠牲にしなければならないが、全体的に見ると図５〜図８に示すような波形パイプは実際に無限定に動くことができる。配設状況に依存する必要な曲げ平面によると、９０°以外のオフセット角度もまた有利であり、これらのオフセット角度は各部分毎に特別に設定することができる。オフセット角度は２０°から１６０°の範囲内にあるのが好ましい。一つの部分と次の部分の繋ぎ部分４を作るにあたって、隣接する部分が引張りまたは圧縮の剛性の劣る部分なしに連続的に構成されるように、短い直線的なパイプ部の形で中断せず、非波形部３ａ，３ｂに接続するように注意せねばならない。つまり、この繋ぎ部分では、該一つの部分Ｗ１の非波形部３ａ，３ｂのラインが終った位置で、この一つの部分Ｗ１から非波形部３ａ，３ｂが所定角度回転した次の部分Ｗ２が連続するように、繋ぎ部分４が形成される。
【００４３】
波形パイプの断面形状は種々変更可能であり、その数例を図９に示す。図９（ａ）では小断面１が円形で大断面２が楕円形、同（ｂ）では小断面１が楕円形で大断面２が円形、同（ｃ）では小断面１及び大断面２がともに楕円形、同（ｄ）では小断面１が円形で大断面２が両側の半円部分を直線部分（平坦部）で繋いだ偏平長円形、同（ｅ）では小断面１が上記偏平長円形で大断面２が円形、同（ｆ）では小断面１及び大断面２がともに上記偏平長円形、同（ｇ）では小断面１が楕円形で大断面２が上記偏平長円形、同（ｈ）では小断面１が上記偏平長円形で大断面２が楕円形となっている。これらの例のいずれにおいても、相対向する２箇所に非波形部が形成され、その両非波形部がパイプの長さ方向に連続している。
【００４４】
なお、非波形部がパイプの長さ方向に連続する形状としては、パイプ軸回りに螺旋状に延びていてもよいが、前述のようにパイプ軸に平行な直線状であれば、高い引張り剛性、またより良い長さ方向の安定性が得られる。
【００４５】
新規の波形パイプ形状の効果の定量化を可能にするために、図１〜図４に示す本発明の一実施形態の波形パイプ形状と図１０に示す従来の対称的で、円形の波形パイプ形状とを有限要素分析によって比較した。２つの比較パイプの形状は流体が自由に流れる断平面（流動平面）及び平均壁厚が対応するように設定した。計算用に１００ＭＰａの等方性の材料剛度を有するポリマー材を想定した。自動車分野の空気導通部品と冷却水管の典型的な作動状況に相当する荷重を両パイプにかけた。
【００４６】
ケースＡでは２バールの内圧（圧力差）がかけられ、ケースＢではこの内圧に加えて長さ２０ｍｍ毎に５°の曲げ変形を起こさせた。次の表１では特に内圧によってもたらされる長さ方向の伸長の差、またケースＢで最大におこるいわゆる減応力（Mieses応力、相当応力）を示す。
【００４７】
【表１】

【００４８】
本発明の波形パイプは３つの判断基準、すなわち高い可撓性、それにもかかわらず確実に少ない長さ方向の伸長、およびより低い最大減応力（Mieses応力）で明らかに利点を示す。リブやその他の手段で補強され、表１の従来の波形パイプと本発明の波形パイプの間にランクする従来の波形パイプと比べてもこれらの利点はある。
【００４９】
本発明のポリマー製波形パイプは１つ、２つまたは数個の材料層を有してもよい。好ましい製造方法は、本発明の形状をなすように押出または同時押出とそれに続く吸込み、または吹込み成形である。その他の好ましい方法は押出吹込み成形、同時押出吹込み成形とそれに続く吹込み成形で、必要に応じてホースの調整を行わえばよいが、ホースの調整を行わなくてもよい。
【００５０】
基本的に、本発明の波形パイプの製造にどのような熱可塑性ポリマーを使用してもよい。好ましいポリマーおよびポリマーの組み合わせは欧州特許公報ＥＰ０６７１５８２Ａ１およびドイツ特許公報ＤＥ４４３２５８４Ｃ１に記載されており、その記載内容はこの明細書にはっきりと含まれている。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の波形パイプは、パイプのジャケット表面の略対向する２箇所に波形が形成されていない平滑な非波形部を有し、これらの非波形部はパイプの長さ方向にライン状に連続して延びているため、パイプ全体の引張りまたは圧縮が上記非波形部によって充分に抑制され、特定の曲げ方向の力に対しては波形が形成されている部分の変形によって曲げ撓み性を高めることができる。従って、充分な曲げ撓み性を確保しつつ、引張りまたは圧縮の剛性及び内圧に対する強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による波形パイプを軸方向一端側から見た正面図である。
【図２】同波形パイプを図１の矢印Ａ方向から見た側面図である。
【図３】同波形パイプを図１の矢印Ｂ方向から見た上面図である。
【図４】同波形パイプの斜視図である。
【図５】本発明の別の実施形態による波形パイプを軸方向一端側から見た正面図である。
【図６】同波形パイプを図５の矢印Ｃ方向から見た側面図である。
【図７】同波形パイプを図５の矢印Ｄ方向から見た上面図である。
【図８】同波形パイプの斜視図である。
【図９】（ａ）〜（ｈ）同波形パイプの断面形状の各種例を示す概略図である。
【図１０】従来の波形パイプの一例を示すものであって、（ａ）は軸方向一端側から見た正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は上面図、（ｄ）は斜視図である。
【符号の説明】
１パイプの小断面
２パイプの大断面
３ａ，３ｂ非波形部
４繋ぎ部分

Claims

少なくとも１つのポリマー層を備え、パイプ全周のうちの少なくとも一部の区域でパイプジャケットに長さ方向に波形を形成する閉塞外形を有する圧力流体用熱可塑性ポリマー製波形パイプであって、上記閉塞外形は、楕円形状、卵形状、または長円形状に形成され、かつパイプのジャケット表面の略対向する２箇所に波形が形成されていない平滑な非波形部を有し、これらの非波形部は、パイプ軸方向に設けられた少なくとも２つの部分において、互いに異なる周方向の角度位置にパイプの長さ方向にライン状に連続して延びるものであることを特徴とする波形パイプ。
相前後する２つずつの非波形部は互いに２０°から１６０°の角度だけ軸回り方向にずれていることを特徴とする請求項１記載の波形パイプ。
上記非波形部は中心角で１５０°から２１０°の角度をおいた２箇所に形成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の波形パイプ。
上記非波形部は中心角で１８０°の角度をもって対向する２箇所に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波形パイプ。
波形を形成する外形はパイプ軸について同心状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波形パイプ。
パイプの大断面の部分とパイプの小断面の部分とが長さ方向に交互に位置し、その大断面が楕円形状、卵形状、または長円形状に形成されるとともに、小断面が前記大断面の形状に概ね内接する楕円形状、卵形状、長円形状または円形状に形成されることにより、大断面の形状に小断面の形状が内接する略対向する２箇所においてパイプのジャケット表面に波形が形成されていない平滑な非波形部を形成していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の波形パイプ。
外形は楕円形状であり、小断面の長軸は大断面の短軸と平行であり、同じ長さであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の波形パイプ。
２つのライン状の非波形部は直線的に、中断せずに延び、パイプ軸に平行であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の波形パイプ。
２つのライン状の非波形部はパイプ軸回りに螺旋状に延びることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の波形パイプ。
押出または同時押出とそれに続く吸込みもしくは吹込み成形、押出吹込み成形、同時押出吹込み成形またはそれに続く吹込み成形により、ホースの調整を行ないながら、または調整無しで製造してなる請求項１乃至９のいずれかに記載の波形パイプ。
自動車の空気伝導部品および液体管、または洗濯機の水管として用いられる請求項１乃至１０のいずれかに記載の波形パイプ。