JP6708640B2

JP6708640B2 - 金属ベローズ型アキュムレータ

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Publication number: JP6708640B2
Application number: JP2017521786A
Authority: JP
Inventors: 大介兵頭
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2036-05-18
Also published as: EP3306109A4; CN107429712A; US10473123B2; WO2016194609A1; EP3306109B1; US20180087539A1; JPWO2016194609A1; CN107429712B; EP3306109A1

Description

本発明は、油圧系や空圧系等の流体圧力ラインに用いられるアキュムレータであって、特に、クッションガスと流体圧力との分離手段として金属ベローズを用いた金属ベローズ型アキュムレータに関する。

アキュムレータは、油圧系や空圧系などの流体圧力ラインに用いられる装置であり、一般にはＮ_２ガスなどの圧縮性を利用して流体圧力を一時的に貯蔵し、あるいは圧力ラインに生じる圧力の脈動を吸収して平滑化するといった圧力制御に用いられ、Ｎ_２ガスなどからなるクッションガスと流体圧力との分離手段としてブラダを用いたもの、ピストンを用いたもの、金属ベローズを用いたもの等がある。なかでも、金属ベローズ型アキュムレータは、ガスの透過漏れをほぼ０に抑えることが可能であり、高い耐久性を有する。

金属ベローズ型アキュムレータとしては、従来から、例えば図４あるいは図５に示すようなものが知られている。このうち図４に示す金属ベローズ型アキュムレータは「内ガス構造」と呼ばれるタイプのものであって、円筒状のシェル１０１ａ及びこのシェル１０１ａの両端を塞ぐように設けられた第一及び第二のエンドカバー１０１ｂ，１０１ｃからなる外殻１０１と、この外殻１０１内に配置され、一端が第二のエンドカバー１０１ｃに溶接等により固定され軸方向に伸縮可能な金属製のベローズ本体１０２ａ及びこのベローズ本体１０２ａの自由端側の開口を塞ぐように溶接等により取り付けられたベローズキャップ１０２ｂからなる金属ベローズ１０２と、金属ベローズ１０２（ベローズ本体１０２ａ）の自由端の外周に取り付けられた制振リング１０３を備え、第一のエンドカバー１０１ｂには導圧路１０４が開設されている。

外殻１０１の内室は、金属ベローズ１０２によってこの金属ベローズ１０２とシェル１０１ａとの間の導圧室１０５と金属ベローズ１０２の内周のガス室１０６とに分離され、このうち導圧室１０５は導圧路１０４を介して不図示の流体圧力ラインの流体圧力が導入され、金属ベローズ１０２の内側のガス室１０６には、Ｎ_２ガスなどのクッションガスが封入されている（例えば下記の特許文献１参照）。

一方、図５に示す金属ベローズ型アキュムレータは「外ガス構造」と呼ばれるタイプのものであって、有底円筒状のシェル１０１ａ及びこのシェル１０１ａの開口端を塞ぐように設けられたエンドカバー１０１ｄからなる外殻１０１と、この外殻１０１内に配置され、一端がエンドカバー１０１ｄに溶接等により固定され軸方向に伸縮可能な金属製のベローズ本体１０２ａ及びこのベローズ本体１０２ａの自由端側の開口を塞ぐように溶接等により取り付けられたベローズキャップ１０２ｂからなる金属ベローズ１０２と、金属ベローズ１０２（ベローズ本体１０２ａ）の自由端の外周に取り付けられた制振リング１０３を備え、エンドカバー１０１ｄには導圧路１０４が開設されている。

外殻１０１の内室は、金属ベローズ１０２によってこの金属ベローズ１０２の内周にあって導圧路１０４と連通した導圧室１０５と、金属ベローズ１０２とシェル１０１ａとの間のガス室１０６に分離され、このうち導圧室１０５は導圧路１０４を介して不図示の流体圧力ラインの流体圧力が導入され、ガス室１０６には、Ｎ_２ガスなどのクッションガスが封入されている。なお、参照符号１０７は金属ベローズ１０２の圧縮方向への変位を制限するステーである（例えば下記の特許文献２参照）。

これらの金属ベローズ型アキュムレータは、不図示の流体圧力ラインから導圧路１０４を介して導圧室１０５に導入された流体圧力と、ガス室１０６に封入されたクッションガスの圧力の差によって金属ベローズ１０２が伸縮変位するものであって、すなわち導圧室１０５に導入された流体圧力ラインの流体圧力が上昇した時には、金属ベローズ１０２は、ガス室１０６を圧縮すると共に導圧室１０５を拡張するように変位して上昇圧力を貯蔵し、流体圧力ラインの流体圧力が降下した時には、相対的に高圧になるガス室１０６の圧力によってガス室１０６の容積を拡張すると共に導圧室１０５の容積を縮小させることによって、貯蔵圧力を流体圧力ラインへ放出するものである。また、このような動作において、制振リング１０３は金属ベローズ１０２の自由端の径方向の振れを抑制するものであって、制振リング１０３の外周面はシェル１０１ａの内周面に対して密接しておらず、両者間には流体の流通を許容する隙間が存在している。

しかしながら、金属ベローズ１０２の伸縮動作に伴う径方向の振れは、金属ベローズ１０２の自由端で最大になるとは限らず、金属ベローズ１０２の軸方向長さが長い場合は、その両端を振動の節とし中間部を振動の腹とする定常波を生じやすく、このような振動では、ベローズ本体１０２ａの軸方向中間部において振幅が最も大きくなる。このため、ベローズ本体１０２ａがシェル１０１ａの内周面と接触して変形あるいは破損をきたすことのないように、これを防止することが望まれる。

特開２００５−０９８３９１号公報特開２０１３−１９４８７１号公報

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、金属ベローズが径方向へ振動して外殻の内周面と接触することによる耐久性の低下をきたさない金属ベローズ型アキュムレータを提供することにある。

金属ベローズ型アキュムレータは、一端に導圧路が開設された外殻と、軸方向へ伸縮可能であって径方向外側を向いた山部と内側を向いた谷部が軸方向交互に形成されると共に軸方向一端が前記外殻に固定され前記外殻の内室を前記導圧路に連通された導圧室とクッションガスが封入されたガス室とに分離する金属ベローズと、前記金属ベローズの圧縮方向への変位を制限する有底円筒状のステーと、前記金属ベローズの内周に配置されると共に前記外殻に固定され外周面が緩衝性を有する支持部材と、を備え、前記金属ベローズの谷部と前記支持部材との間の径方向隙間が、前記金属ベローズの山部と前記外殻との間の径方向隙間より小さく、前記金属ベローズの固定端から支持部材の先端までの軸方向長さが、前記ステーによって規定される前記金属ベローズの伸縮部の圧縮による軸方向最小長さ以下である。

金属ベローズに径方向の振れを生じても、この金属ベローズの谷部が緩衝材からなる支持部材と接触することによって振れが制限され、外殻の内周面との衝突が防止されるので、金属ベローズの優れた耐久性を確保することができる。

金属ベローズ型アキュムレータの第一の実施の形態を示す断面図である。図１の要部を拡大して示す断面図である。金属ベローズ型アキュムレータの第二の実施の形態を示す断面図である。従来の金属ベローズ型アキュムレータの一例を示す断面図である。従来の金属ベローズ型アキュムレータの他の例を示す断面図である。

金属ベローズ型アキュムレータの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

まず図１に示す第一の実施の形態において、参照符号１は外殻、参照符号２は金属ベローズである。この第一の実施の形態は、金属ベローズ２の外側の空間を導圧室とし、金属ベローズ２の内側の空間をガス室とする「内ガス構造」と呼ばれる金属ベローズ型アキュムレータに適用したものである。

外殻１は、円筒状を呈するシェル１１と、このシェル１１の軸方向一端に設けられた第一のエンドカバー１２と、シェル１１の軸方向他端に設けられた第二のエンドカバー１３とを備える。これらシェル１１、第一のエンドカバー１２及び第二のエンドカバー１３は、いずれも金属で製作されている。

外殻１における第一のエンドカバー１２は、外周がシェル１１の軸方向一端に溶接によって一体に接合されたフランジ部１２１と、その内周から外側へ突出した継手部１２２とを有し、継手部１２２の内周には導圧路Ｃが開設されている。

外殻１における第二のエンドカバー１３は、外周に形成された環状凸部１３１がシェル１１の軸方向他端に嵌合されると共に溶接によって接合されている。また、第二のエンドカバー１３の中央部には、金属ベローズ２の内側のガス室ＢにＮ_２ガス等のクッションガスを封入するためのガス封入口１３２が開設されており、ガスプラグ１３３によって密閉されている。

金属ベローズ２は、外殻１の内室を、導圧路Ｃに連通された導圧室Ａとクッションガスが封入されたガス室Ｂとに分離するものであって、軸方向一端（固定端）２１ａが第二のエンドカバー１３の環状凸部１３１に溶接によって接合されると共に、径方向外側を向いて円周方向へ連続した山部２１１と径方向内側を向いて円周方向へ連続した谷部２１２が反復形成された金属製のベローズ本体２１と、このベローズ本体２１の軸方向他端（自由端）２１ｂに、外周部が溶接によって接合一体化された円盤状のベローズキャップ２２とからなり、軸方向に対して伸縮可能となっている。なお、ベローズ本体２１は伸縮部に相当するものである。

金属ベローズ２（ベローズ本体２１）の自由端２１ｂの外周には制振リング２３が取り付けられている。この制振リング２３は、ベローズ本体２１の自由端２１ｂの径方向への変位を制限するものであり、導圧室Ａの一部であるベローズ本体２１の外周空間Ａ１が密閉されることがないように、シェル１１の内周面１１ａとの間に隙間を有する。

外殻１における第一のエンドカバー１２のフランジ部１２１には、金属ベローズ２のベローズキャップ２２の外周部と軸方向に対向する内端１２１ａと、その内周側に位置する円形の凹部１２１ｂ，１２１ｃが同心的に形成されており、このうち大径の凹部１２１ｂには、シール部材１２３が装着され、小径の凹部１２１ｃには、シール部材１２３を内周側から支持する金属製の環状のシールホルダ１２４が嵌着されている。

シール部材１２３はゴム弾性体で成形されたものであって、金属ベローズ２のベローズキャップ２２側を向くと共に外周側へ開いた形状のシールリップ１２３ａを有し、金属ベローズ２の伸長によってその自由端のベローズキャップ２２が第一のエンドカバー１２のフランジ部１２１の内端１２１ａと当接したときに、ベローズキャップ２２がシールリップ１２３ａと密接することによって、導圧室Ａと導圧路Ｃの間を遮断するようになっている。

金属ベローズ２の内周には円筒状の支持部材３が配置され、その軸方向一端に形成されたフランジ部３１が、外殻１における第二のエンドカバー１３の環状凸部１３１の内周に嵌着固定されている。この支持部材３は、所要の剛性を有し、かつ緩衝性を有する合成樹脂材で成形されている。

支持部材３は、その先端３ａが、金属ベローズ２（ベローズ本体２１）の伸長時の軸方向最大長さの中間近傍に位置しており、ベローズ本体２１の固定端２１ａの軸方向位置から支持部材３の先端３ａまでの軸方向長さＬが、圧縮時におけるベローズ本体２１の軸方向最小長さ以下となっている。また、図２に示すように、ベローズ本体２１の谷部２１２と支持部材３の外周面３ｂとの間の径方向隙間δ２が、ベローズ本体２１の山部２１１と外殻１のシェル１１の内周面１１ａとの間の径方向隙間δ１より小さいものとなっている。

上記構成を備える金属ベローズ型アキュムレータは、第一のエンドカバー１２の継手部１２２（導圧路Ｃ）が、不図示の油圧ラインに接続されるものである。そして、油圧ラインの配管内を流れる作動油の圧力がガス室Ｂ内のクッションガスの封入圧より高圧になった場合は、第一のエンドカバー１２の導圧路Ｃを通じて導圧室Ａに作動油が流入し、金属ベローズ２が圧縮される。またこの状態から、油圧ラインの油圧が低下した場合は、金属ベローズ２はガス室Ｂの圧力によって伸長し、導圧室Ａ内の作動油が油圧ラインへ排出される。

ここで、導圧室Ａ内の油圧の低下に伴って金属ベローズ２が伸長した場合、その伸長は、金属ベローズ２の自由端のベローズキャップ２２が、第一のエンドカバー１２のフランジ部１２１の内端１２１ａと接触することによって制限される。またこのとき、金属ベローズ２のベローズキャップ２２がシール部材１２３におけるシールリップ１２３ａの先端と密接することによって、導圧室Ａと導圧路Ｃとの間が遮断されるので、その後さらに油圧ラインの油圧が低下しても、導圧室Ａの圧力は低下せず、ガス室Ｂとほぼ均圧した状態に保たれる。したがって、金属ベローズ２のベローズ本体２１に、導圧室Ａとガス室Ｂとの差圧による過大な負荷が作用することはない。

そして、上述のような伸縮動作に伴って金属ベローズ２に径方向への振れを生じ、その振動がベローズ本体２１の固定端２１ａを節とし、自由端２１ｂを腹とするような定常波である場合は、自由端２１ｂの径方向振動変位は制振リング２３によって規制されるので、ベローズ本体２１の自由端２１ｂ及びその近傍が外殻１のシェル１１の内周面１１ａと接触して損傷を受けるのを有効に防止することができる。

また、金属ベローズ２の伸縮に伴う径方向への振動がベローズ本体２１の固定端２１ａ及び自由端２１ｂを節とし、ベローズ本体２１の軸方向中間部を腹とするような定常波である場合は、δ１＞δ２であることによって、振れの過程でベローズ本体２１の軸方向中間部に位置する谷部２１２がその内周の支持部材３の外周面３ｂと接触し、これによって径方向振動変位が制限されるので、ベローズ本体２１の山部２１１がシェル１１の内周面１１ａと衝突するのを防止することができる。そして支持部材３は緩衝性を有する合成樹脂材からなるため、支持部材３の外周面３ｂとの接触によるベローズ本体２１の衝撃は小さく抑制され、ベローズ本体２１の谷部２１２の摩耗や損傷も生じない。

また、支持部材３は、ベローズ本体２１の固定端２１ａの軸方向位置から支持部材３の先端３ａまでの軸方向長さＬが、圧縮時におけるベローズ本体２１の軸方向最小長さ以下であることから、支持部材３によって金属ベローズ２の伸縮動作が妨げられることはなく、このため、金属ベローズ２の圧縮時に導圧室Ａとガス室Ｂとの間に大きな差圧が発生することがない。

次に図３は、金属ベローズ２の内側の空間を導圧室Ａとし、金属ベローズ２の外側の空間をガス室Ｂとする「外ガス構造」と呼ばれる金属ベローズ型アキュムレータに適用した第二の実施の形態を示すものである。

すなわち図３に示す金属ベローズ型アキュムレータにおいて、外殻１は、有底円筒状を呈するシェル１１と、このシェル１１の開口端を塞ぐように設けられたエンドカバー１４からなる。エンドカバー１４は、外周がシェル１１の開口端に溶接によって接合されたフランジ部１４１と、その内周から外側へ突出した継手部１４２とを有し、継手部１４２の内周には金属ベローズ２の内側の導圧室Ａに連通した導圧路Ｃが開設されている。また、シェル１１におけるエンドカバー１４と反対側の底部１１１の中央部にはガス室ＢにＮ_２ガス等のクッションガスを封入するためのガス封入口１１２が開設されており、ガスプラグ１１３によって密閉されている。

金属ベローズ２は、軸方向一端（固定端）２１ａがエンドカバー１４に形成された環状凸部１４３に溶接によって接合されると共に、径方向外側を向いて円周方向へ連続した山部２１１と径方向内側を向いて円周方向へ連続した谷部２１２が反復形成された金属製のベローズ本体２１と、このベローズ本体２１の軸方向他端（自由端）２１ｂに、外周部が溶接によって接合一体化された端盤としての円盤状のベローズキャップ２２とからなるものであって、軸方向に対して伸縮可能となっている。

金属ベローズ２のベローズキャップ２２の外周には制振リング２３が取り付けられている。この制振リング２３は、ベローズ本体２１の自由端２１ｂが外殻１のシェル１１の内周面１１ａと接触するのを防止するために径方向への変位を制限するものであり、ガス室Ｂの一部であるベローズ本体２１の外周空間Ｂ１が密閉されることがないように、シェル１１の内周面１１ａとの間に隙間を有する形状となっている。

金属ベローズ２の内側の導圧室Ａには、金属ベローズ２の圧縮方向への変位を制限する有底円筒状のステー４が配置されており、その底部４１と反対側の端部４２が、エンドカバー１４に溶接によって接合されている。そして、このステー４におけるベローズキャップ２２側を向いた底部４１の中央部には、導圧室Ａにおけるステー４の内側の空間Ａ１と外側の空間Ａ２を連通する連通孔４１ａが開設されている。

金属ベローズ２のベローズキャップ２２における導圧室Ａ（空間Ａ２）側には、環状のホルダ２４を介してシール部材２５が保持されている。このシール部材２５は、金属等からなる円盤２５ａをゴム弾性体で被覆するように成形されたものであって、金属ベローズ２が、その圧縮方向のストロークエンド位置まで変位したときに、ベローズキャップ２２によってステー４の底部４１に押し付けられて連通孔４１ａを閉塞するものである。

すなわち、金属ベローズ２の伸長によってシール部材２５がステー４の底部４１から離れて連通孔４１ａを開放した図示の状態にあっては、エンドカバー１４の導圧路Ｃに連なるステー４の内側の空間Ａ１と外側の空間Ａ２は、連通孔４１ａを通じて互いに連続した導圧室Ａを構成しており、金属ベローズ２の圧縮によってシール部材２５がステー４の底部４１に密接されて連通孔４１ａを閉塞した状態にあっては、空間Ａ１，Ａ２の間が遮断され、導圧路Ｃに連なる空間Ａ１の油圧が空間Ａ２に及ばないようになっている。

金属ベローズ２（ベローズ本体２１）の内周には、円筒状の支持部材３がステー４の外周を包囲するように配置され、その軸方向一端に形成されたフランジ部３１が、外殻１におけるエンドカバー１４の環状凸部１４３の内周に嵌着固定されている。この支持部材３は、所要の剛性を有し、かつ耐油性及び緩衝性を有する合成樹脂材、具体的には例えばポリアミド66で成形されている。

支持部材３は、その先端３ａが、金属ベローズ２（ベローズ本体２１）の伸長時の軸方向最大長さの中間近傍に位置しており、ベローズ本体２１の固定端２１ａの軸方向位置から支持部材３の先端３ａまでの軸方向長さＬが、圧縮時におけるベローズ本体２１の軸方向最小長さより短く、言い換えればステー４の底部４１の軸方向位置に達しない長さとなっている。また、先に説明した図２と同様、ベローズ本体２１の谷部２１２と支持部材３との間の径方向隙間δ２が、ベローズ本体２１の山部２１１と外殻１のシェル１１との間の径方向隙間δ１より小さいものとなっている。

上記構成を備える第二の実施の形態の金属ベローズ型アキュムレータは、エンドカバー１４の継手部１４２を不図示の油圧ラインに接続して用いられる。そして、油圧ラインの配管内を流れる作動油の圧力がガス室Ｂ内のクッションガスの封入圧より高圧になった場合は、エンドカバー１４の内周の導圧路Ｃからステー４の内側の空間Ａ１へ、さらにこの空間Ａ１からステー４の連通孔４１ａを通じてステー４の外側の空間Ａ２へ作動油が流入し、このため金属ベローズ２は、ガス室Ｂの容積を縮小させるように伸長する。また、この状態から、油圧ラインの配管内の油圧が低下した場合は、金属ベローズ２は、ガス室Ｂの圧力によってその容積が拡大して導圧室Ａの作動油を油圧ラインへ放出しながら圧縮される。

ここで、導圧室Ａ内の油圧が所定値まで低下した時点で、金属ベローズ２のベローズキャップ２２が、シール部材２５を介してステー４の底部４１によって金属ベローズ２の圧縮方向への移動を規制され、これによって金属ベローズ２の圧縮が制限される。またこのとき、シール部材２５がステー４の底部４１と密接することによって連通孔４１ａが閉塞され、導圧室Ａにおける空間Ａ１，Ａ２間が遮断されるので、その後さらに油圧ラインの油圧が低下しても、ステー４と金属ベローズ２の間の空間Ａ２の圧力は低下せず、ガス室Ｂ（ベローズ本体２１の外周空間Ｂ１）とほぼ均圧した状態に保たれる。したがって、金属ベローズ２のベローズ本体２１にガス室Ｂとの差圧による過大な負荷が作用することはない。

また、金属ベローズ２の伸縮に伴う径方向への振動が、ベローズ本体２１の固定端２１ａ及び自由端２１ｂを節とし、ベローズ本体２１の軸方向中間部を腹とするような定常波である場合は、δ１＞δ２であることによって、振れの過程でベローズ本体２１の軸方向中間部に位置する谷部２１２がその内周の支持部材３の外周面３ｂと接触し、これによって径方向振動変位が制限されるので、ベローズ本体２１の山部２１１がシェル１１の内周面１１ａと衝突するのを防止することができる。そして支持部材３は緩衝性を有する合成樹脂材からなるため、支持部材３の外周面３ｂとの接触によるベローズ本体２１の衝撃は小さく抑制され、ベローズ本体２１の谷部２１２の摩耗や損傷も生じない。また、支持部材３は耐油性を有するため、導圧室Ａ内の作動油に常時浸漬されることによる劣化を生じない。

また、支持部材３は、ベローズ本体２１の固定端２１ａの軸方向位置から支持部材３の先端３ａまでの軸方向長さＬが、ステー４の底部４１の軸方向位置に達しない長さであって、すなわち圧縮時におけるベローズ本体２１の軸方向最小長さ以下であることから、支持部材３によって金属ベローズ２の伸縮動作が妨げられない。

なお、上述した第一及び第二の実施の形態の金属ベローズ型アキュムレータにおいて、支持部材３はその全体が緩衝性を有する合成樹脂材からなるものとしたが、ベローズ本体２１の谷部２１２と接触可能な外周面３ｂのみを合成樹脂などで被覆することによって緩衝性を与えても良い。

また、第二の実施の形態の金属ベローズ型アキュムレータにおいて、支持部材３は、ステー４の外周に取り付けても良い。

１外殻
２金属ベローズ
２１ベローズ本体（伸縮部）
２１１山部
２１２谷部
３支持部材
３ｂ外周面
Ａ導圧室
Ｂガス室
Ｃ導圧路
δ１，δ２径方向隙間

Claims

一端に導圧路が開設された外殻と、
軸方向へ伸縮可能であって径方向外側を向いた山部と内側を向いた谷部が軸方向交互に形成されると共に軸方向一端が前記外殻に固定され前記外殻の内室を前記導圧路に連通された導圧室とクッションガスが封入されたガス室とに分離する金属ベローズと、
前記金属ベローズの圧縮方向への変位を制限する有底円筒状のステーと、
前記金属ベローズの内周に配置されると共に前記外殻に固定された緩衝材からなる支持部材と、
を備え、
前記金属ベローズの谷部と前記支持部材との間の径方向隙間が、前記金属ベローズの山部と前記外殻との間の径方向隙間より小さく、
前記金属ベローズの固定端から支持部材の先端までの軸方向長さが、前記ステーによって規定される前記金属ベローズの伸縮部の圧縮による軸方向最小長さ以下である、
ことを特徴とする金属ベローズ型アキュムレータ。