JP7041724B2 - 伸縮継手用ベローズ材 - Google Patents

Description

本発明は、加熱された流体が通過するダクトとダクトとの間を接続するのに用いる伸縮継手用ベローズ材に関するものである。

従来、火力発電所、製鉄所、ゴミ焼却場等の燃焼装置から排出された排気等の流体を移送するダクトの連結部には、ダクト自体の熱膨張や振動等を吸収する目的で伸縮継手が使用されている。このような伸縮継手の例として、非金属製伸縮継手（例えば、特許文献１参照）がある。この非金属製伸縮継手は、ダクトとの接続を可能とする１対のフランジを、伸縮可撓性を有する筒状のベローズ材で繋いだものである。

より詳しく見た場合、非金属製継手に使われるベローズ材の基本構成は、内部を流通する流体側（流体に近い側つまり径方向内側）から、シール層、シール層よりも外気側（流体から遠い側つまり径方向外側）の補強層、更にその外気側に設けられた外皮層、という３つの要素から成り、必要に応じてシール層のさらに流体側に保護層を設けている。これが示された例として特許文献２に開示されたべローズ材がある。このべローズ材では、流体側から順に、保護層（気密保持層）、シール層、補強層および外皮層の４つの要素からなる。各層の構成としては、保護層として耐熱ガラスクロスが用いられ、シール層として膜状に加工したポリテトラフルオロエチレン樹脂が用いられ、補強層として耐熱ガラスクロスが用いられ、外皮層として耐候処理ガラスクロスが用いられている。

また、ベローズ材を構成する各層のうちでは、ダクト系の内部を流れる流体（内部流体）を外気から遮断するためのシール層の役割が最も重要であるが、このシール層は伸縮や振動といった機械的ダメージの他、高温の内部流体から受ける熱的ダメージによっても損傷することがあるため、従来からその損傷を検知するための工夫が検討されている（例えば、特許文献３参照）。

特開１１－１３９６４号公報 特開２００６－２４２２００号公報 特開平８－２７７９７８号公報

従来のベローズ材は外気と接する外皮材として耐熱塗料を塗布するなどにより耐候処理を施したガラスクロスが多く用いられている（例えば、特許文献２参照）が、結露水や雨水の浸入を防ぐ効果が不十分であった。また、ガラスクロスの強度と柔軟性を維持するのに重要な役割をもつ収束剤が、紫外線等の影響で劣化やすいものであることから、必ずしも十分な耐候性が確保できているとは言えなかった。

一方、ベローズ材を構成する各層のうち、シール層は、耐薬品性、耐熱性、柔軟性、シール性等をバランス良く兼ね備えていることから膜状に加工したポリテトラフルオロエチレン樹脂（以下、膜状のＰＴＦＥ）が多く用いられているが、補強層や外皮層に使用される無機繊維クロスに比べると耐熱性の面で劣っている。膜状のＰＴＦＥの連続最高使用温度は約２６０℃程度とされ、３００℃を超えると分解、昇華が進むと言われている。これに対し、代表的な無機繊維クロスであるガラスクロスは、ベローズ材としての連続最高使用温度が約５５０℃程度とされている。

このため、シール層が、その設計値を超える高温の流体により熱損傷を受けた場合であっても、ガラスクロス等の外皮材には損傷が見られないことがあり、外観観察でシール層の熱損傷を検知することは難しいのが実情であった。

ベローズ材の劣化を検知する方法としては、導電性のカーボン繊維クロスとシール層である膜状のＰＴＦＥとを融着させておき、前記カーボン繊維クロスが徐々に断裂していく時の電気抵抗を測定する方法（例えば、特許文献３参照）などがある。しかし、こうした電気的な測定方法では、ダクト系に複数ある非金属製伸縮継手のそれぞれに測定端子や接続機器が必要であり、装置費用や測定機器のメンテナンスも必要となる。また、ベローズ材全体の劣化状態は測定できるものの、一部分が熱損傷を受けて流体が漏えいし始めたといった早期段階を検知し、損傷部位を特定して補修を試みるといったことは難しかった。

本発明は上記２つの課題を同時に克服することを目的としたものであり、すなわち、優れた耐候性を有し、かつ簡易な態様により、シール層の熱損傷を検知できるベローズ材を提供するものである。

上述した目的を達成するための本発明は、高温の流体が流通する一対のダクトの間を接続する、伸縮継手用のベローズ材であって、流体側から順に、シール層、補強層、樹脂フィルム層が配置されており、前記シール層は、膜状のポリテトラフルオロエチレン樹脂であり、前記補強層は、金網、金属繊維クロス、無機繊維クロスから選択される１種又は２種以上であり、前記樹脂フィルム層は、膜状のポリテトラフルオロエチレン樹脂である、伸縮継手用ベローズ材である。

本発明によれば、優れた耐候性を有し、かつ簡易な外観観察により内部のシール層の熱損傷を検知できるベローズ材を実現することができる。

本発明の適用する非金属製伸縮継手の一例を示す図である。 本発明の適用する非金属製伸縮継手の別の一例を示す図である。 本実施の形態１のベローズ材の層構成を示す断面図である。 本実施の形態２のベローズ材の層構成を示す断面図である。 本実施の形態３のベローズ材の層構成を示す断面図である。 本実施の形態４のベローズ材の層構成を示す断面図である。

以下、本発明のべローズ材の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
まず、本実施の形態のべローズを適用する非金属製伸縮継手の例を説明する。図１は、非金属製伸縮継手の一例を示す図であり、図２は、非金属製伸縮継手の別の一例を示す図である。

非金属製伸縮継手は、図示省略する一対のダクト配管に挟まれるように配置される。非金属製伸縮継手は、一対のフランジ１ａ，１ｂと、筒状のベローズ材３とを備えている。一対のフランジ１ａ，１ｂはそれぞれ、高温の流体が内部を流通する対応するダクト配管に接続される。ベローズ材３は、一対のフランジ１ａ，１ｂの間にあり、これら一対のフランジ１ａ，１ｂを気密に接続している。

一対のフランジ１ａ，１ｂおよびベローズ材３は、適用対象となる物件のダクト配管の形状に合わせて、図１に示されるように、角筒形に構成されていたり、図２に示されるように、円筒形に構成されている。ベローズ材３は、非金属製伸縮継手の両端部（ダクト配管との接続面）間の距離が、接続するダクト配管の離間距離よりも十分長くなるのに必要な寸法を有している。そして、ベローズ材を弛ませた状態で非金属製伸縮継手をダクト間に取付けることにより、ダクト系の熱伸縮および振動等を吸収することができる。

次に、ベローズ材について説明する。図３は、本実施の形態１のベローズ材の層構成を示す断面図である。ベローズ材３は、流体側から順に、シール層５、補強層７、外皮層９、樹脂フィルム層１１が積層されて構成されている。最外気側である樹脂フィルム層１１は、シール層５と同材質の層である。

シール層５としては、膜状に加工した耐熱性の樹脂が好適に用いられ、中でも耐熱温度が高く、柔軟性があり、かつ耐薬品性に優れることから、膜状のＰＴＦＥが適している。膜状のＰＴＦＥは、単独で、シール層として用いることも可能であるが、補強層の無機繊維クロスに融着させた複合材として用いることもできる。また、柔軟性を確保する目的で、厚さの薄いものを複数層重ねて使用することもできる。シール層の厚さは、０．１ｍｍ～２ｍｍの範囲で適宜選定することができる。０．１ｍｍ未満では強度不足であり、２ｍｍより厚いと柔軟性が不足してベローズ材としての加工性、伸縮性に悪影響がある。

補強層７および外皮層９としては、金網、金属繊維クロス、無機繊維クロスから選択される１種又は２種以上が用いられ、中でもセラミッククロスおよびガラスクロスなどの無機繊維クロスが好適である。特にガラスクロスは種々の厚さや品種のものが豊富に市販されており、汎用のガラスクロスの他、耐熱性ガラスクロス、ＳＵＳ線入りガラスクロス、アルミ箔付ガラスクロスなどを適宜選定することができる。

補強層７の役割は、シール層５である膜状樹脂の強度、特に高温域における強度不足を補うためのものであり、シール層５の柔軟性を阻害しないようなものが好適に用いられる。また、補強層７としては、シール層５である膜状樹脂を無機繊維クロス等に融着させた複合材を使用することもできる。補強層７に用いられる無機繊維クロス等の厚さは０．３ｍｍ～２ｍｍの範囲で適宜選定することができる。０．３ｍｍ未満では強度不足で十分な補強効果が得られず、２ｍｍより厚いと柔軟性が不足となりベローズとしての加工性、伸縮性に悪影響がある。

外皮層９の役割は、外気側からの加重や衝撃および気候等の影響から内部を保護することが目的であり、強度に加え耐候性が求められる。このため、耐熱塗装などの耐候性処理を施したガラスクロス、ＳＵＳ線入りガラスクロスなどが好適に用いられる。外皮層９に用いられる無機繊維クロス等の厚さは０．３ｍｍ～３ｍｍの範囲で適宜選定することができる。０．３ｍｍ未満では強度が不足し、３ｍｍより厚いと柔軟性が不足となりベローズとしての加工性、伸縮性に悪影響がある。

最外気側に設ける樹脂フィルム層１１は、シール層５と同材質の膜状樹脂であることを基本とする。樹脂フィルム層１１とシール層５とが同材質であることで、樹脂としての耐熱温度が同等であることから、もし、シール層５が設計温度以上の熱履歴を受けて損傷した場合に、それと同様の変化が最外層である樹脂フィルム層にも現れることになる。また、何らかのトラブル等で外気側からベローズ材に過度の熱が加わった場合にも、最外層の樹脂フィルム層１１の損傷状態から内部のシール層５への影響度合いを推測することができる。シール層５としては膜状のＰＴＦＥが最も適しており、したがって当該樹脂フィルム層１１にも膜状のＰＴＦＥが適している。

上述した本実施の形態１のベローズ材によれば、次のような優れた利点が得られる。まず、ガラスクロス等無機繊維クロスの外皮材は、十分な強度とベローズ材に必要な柔軟性を有しているが、シール層の膜状樹脂に比べて耐熱温度が高い。このため、シール層が熱損傷を受けても外観上の変化は現れにくい。これに対し、本実施の形態１では、最外気側にシール層と同材質の樹脂フィルム層を設けることで、耐熱温度が同じである内部のシール層が設計以上の高温に曝されて熱損傷が生じた場合に、最外層である樹脂フィルム層にも同様な損傷が現れることなり、ベローズ材において外観上の変化が認められるようになる。また、何らかのトラブル等で外気側からベローズ材に過度の熱が加わった場合にも、熱損傷の痕跡が外観に現れることになる。このため、目視検査によりシール層の熱損傷を検知することが可能となる。すなわち、外観観察によってシール層の熱損傷の兆候を見つけることができる利点がある。また、これにより、シール層の損傷を早期に発見し、対応することができるようになるため、メンテナンス性の向上も得られる。

また、ガラスクロスは細いガラス繊維の束を収束剤と呼ばれる樹脂を用いて束ねたロービングを織った織布であるが、外気に曝される場合、海岸地域における塩害の影響や、結露水・雨水が浸透しやすく、さらに紫外線によって収束剤が劣化することから繊維束がほどけやすくなり柔軟性が失われる欠点がある。耐候処理を施すことでこれらを抑制することはできるが、必ずしも十分とは言えない場合があった。これに対し、本実施の形態１では、膜状のＰＴＦＥからなる樹脂フィルム層が最外層に用いられている。ＰＴＦＥは、非常に優れた耐候性を持ち、耐薬品性およびシール性も高い。特に、海岸地域においては、塩害の影響や外気側の環境変化による結露水・雨水の浸入も防ぐことができる。したがって、本発明においては、外皮層または補強層である無機繊維クロスの劣化を抑えてベローズ材全体の耐候性を向上させることもできる。

以上より、本実施の形態１によれば、優れた耐候性を有し、かつ簡易な外観観察により内部のシール層の熱損傷を検知できるベローズ材を実現することができる。

最外気側に設ける樹脂フィルム層１１としては、シール層５が高い温度履歴を受けた場合の感度を良くする目的から、比較的薄いものが好適である。しかし、外気側からの影響から保護するという面からはある程度の強度を持つことが望まれる。この観点により、樹脂フィルム層１１としては、ポリテトラフルオロエチレン樹脂のスカイブフィルム（円筒形のブロック材から桂剥きの要領で削り出したもの。以下、ＰＴＦＥスカイブフィルム）も使用できるが、より好ましくは、薄くてもより強度が優れているポリテトラフルオロエチレン樹脂の積層フィルム（延伸状態のポリテトラフルオロエチレン樹脂フィルムを加圧下で重ねてラミネート加工したものであり、すなわち、ＰＴＦＥ積層フィルム）が適している。

最外気側に設ける樹脂フィルム層１１の厚さは０．１ｍｍ～０．５ｍｍが適している。０．１ｍｍ以下では強度不足により損傷を受けやすく、０．５ｍｍ以上ではシール層５が熱損傷を受けた際の検知感度が低下する。また、外観観察時の視認性を向上させる目的から、当該樹脂フィルム層１１として用いる膜状のＰＴＦＥにカーボンなどの顔料が添加されたものを使用し、濃色のフィルムとすることで、すぐ下にある無機繊維クロス（通常は白色系）の外皮層または補強層とのコントラスト差を大きくすることも有効である。

実施の形態２．
次に、図４に基づき、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本実施の形態２のベローズ材の層構成を示す断面図である。なお、本実施の形態２は、以下に説明する内容を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

本実施の形態２のベローズ材１０３は、上記実施の形態１のベローズ材３の層構成において、シール層５のさらに流体側に、保護層１３が設けられている。保護層１３を設けることにより、流体に含まれる粒子状物質等によるシール層の摩耗を防いだり、流体の温度がシール層である膜状のＰＴＦＥの耐熱温度より高い場合において、流体の熱がシール層に直接伝わるのを防止したりすることができる。本実施態様においても最外気側にシール層と同材質である樹脂フィルム層を重ねることで、耐熱温度が同じである内部のシール層が設計以上の高温に曝されて熱損傷が生じた場合に外観上の変化が認められるようになる。また、何らかのトラブル等で外気側からベローズ材に過度の熱が加わった場合にも、熱損傷の痕跡が外観に現れることになる。このため、目視検査によりシール層の熱損傷を検知することが可能となる。また、最外気側の樹脂フィルム層が結露水の浸入などを防止するため外皮層または補強層である無機繊維クロス等の劣化を抑制し、従来のベローズ材に比べ耐候性を向上することができる。

保護層１３としては、物理的保護の目的からは金網、金属繊維クロス、無機繊維クロス等が用いられ、熱的保護の目的からは無機繊維断熱材等が用いられる。無機繊維断熱材を使用する場合には、内部流体の作用で断熱材の綿状無機繊維が飛散するのを防止するため、無機繊維クロスで無機繊維断熱材を包み込んだ布団状のもの等を使用する。なお、ダクト内を流れる流体の性状に合わせ、必要に応じこれらを複数層重ねて保護層とすることもできる。

実施の形態３．
次に、図５に基づき、本発明の実施の形態３について説明する。図５は、本実施の形態３のベローズ材の層構成を示す断面図である。なお、本実施の形態３は、以下に説明する内容を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

本実施の形態３のベローズ材２０３は、流体側から順に、シール層５、補強層７、樹脂フィルム層１１が積層されて構成されている。本実施の形態３によっても、優れた耐候性を有し、かつ簡易な外観観察により内部のシール層の熱損傷を検知できるベローズ材を実現することができる。

実施の形態４．
次に、図６に基づき、本発明の実施の形態４について説明する。図６は、本実施の形態４のベローズ材の層構成を示す断面図である。なお、本実施の形態４は、以下に説明する内容を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

本実施の形態４のベローズ材３０３は、流体側から順に、保護層１３、シール層５、補強層７、樹脂フィルム層１１が積層されて構成されている。本実施の形態４によっても、優れた耐候性を有し、かつ簡易な外観観察により内部のシール層の熱損傷を検知できるベローズ材を実現することができる。

以下に、上述した各実施の形態の層構成の具体例を示す。
まず、本実施の形態１のベローズ材は次のような構成とした（図３）。
シール層 ＰＴＦＥスカイブフィルム 厚さ０．３ｍｍ
補強層 ガラスクロス 厚さ１．５ｍｍ
外皮層 ＳＵＳ線入りガラスクロス 厚さ１．５ｍｍ
樹脂フィルム層 ＰＴＦＥ積層フィルム（クロスフィルム） 厚さ０．２５ｍｍ

また、本実施の形態２のベローズ材は次のような構成とした（図４）。
保護層 グラスフェルト厚さ１００ｍｍをガラスクロス厚さ０．５ｍｍで包んだもの
シール層 ＰＴＦＥ積層フィルム（クロスフィルム） 厚さ０．２５ｍｍ×２層
補強層 ガラスクロス 厚さ１．５ｍｍ
外皮層 ＳＵＳ線入りガラスクロス 厚さ１．５ｍｍ
樹脂フィルム層 ＰＴＦＥ積層フィルム 厚さ０．２５ｍｍ

さらに、本実施の形態３のベローズ材は次のような構成とした（図５）。
シール層および補強層 ＰＴＦＥスカイブフィルム融着ガラスクロス 厚さ１．６ｍｍ（(株)エーアンドエーマテリアル「エフベストＧ」）
樹脂フィルム層 ＰＴＦＥ積層フィルム（クロスフィルム） 厚さ０．２５ｍｍ

さらに、本実施の形態４のベローズ材は次のような構成とした（図６）。
保護層 グラスフェルト厚さ１００ｍｍをガラスクロス厚さ０．５ｍｍで包んだもの
シール層 ＰＴＦＥ積層フィルム（クロスフィルム） 厚さ０．２５ｍｍ
外皮層 ＳＵＳ線入りガラスクロス 厚さ１．５ｍｍ
樹脂フィルム層 ＰＴＦＥ積層フィルム（クロスフィルム） 厚さ０．２５ｍｍ

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

１ａ，１ｂ 一対のフランジ、３ ベローズ材、５ シール層、７ 補強層、９ 外皮層、１１ 樹脂フィルム層、１３ 保護層。

Claims (7)

1. 高温の流体が流通する一対のダクトの間を接続する、伸縮継手用のベローズ材であって、
   流体側から順に、シール層、補強層、樹脂フィルム層が配置されており、
   前記シール層は、膜状の耐熱性樹脂であり、
   前記補強層は、金網、金属繊維クロス、無機繊維クロスから選択される１種又は２種以上であり、
   前記樹脂フィルム層は、前記シール層と同材質の膜状の耐熱性樹脂であり、
   前記樹脂フィルム層の外観の変化により、前記シール層の損傷が検知可能に構成されている、
   伸縮継手用ベローズ材。
2. 高温の流体が流通する一対のダクトの間を接続する、伸縮継手用のベローズ材であって、
   流体側から順に、シール層、補強層、樹脂フィルム層が配置されており、
   前記補強層と、前記樹脂フィルム層との間には、外皮層が配置されており、
   前記シール層は、膜状の耐熱性樹脂であり、
   前記補強層は、金網、金属繊維クロス、無機繊維クロスから選択される１種又は２種以上であり、
   前記樹脂フィルム層は、前記シール層と同材質の膜状の耐熱性樹脂であり、
   前記樹脂フィルム層の外観の変化により、前記シール層の損傷が検知可能に構成されている、
   伸縮継手用ベローズ材。
3. 前記補強層は、白色の前記無機繊維クロスからなり、
   前記樹脂フィルム層の色は、前記補強層に対しコントラストが大きい濃色である、
   請求項１に記載の伸縮継手用ベローズ材。
4. 前記外皮層は、白色の前記無機繊維クロスからなり、
   前記樹脂フィルム層の色は、前記外皮層に対しコントラストが大きい濃色である、
   請求項２に記載の伸縮継手用ベローズ材。
5. 前記樹脂フィルム層は、耐熱性樹脂の積層フィルムである、
   請求項１～４の何れかの伸縮継手用ベローズ材。
6. 前記シール層および前記樹脂フィルム層は、ともに、耐熱性樹脂の積層フィルムである、
   請求項１～４の何れかの伸縮継手用ベローズ材。
7. 前記シール層のさらに流体側に保護層を備える、
   請求項１～６いずれか一項の伸縮継手用ベローズ材。

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