(57)【要約】【課題】内圧の変化が繰り返し生じても長期間に亙ってベローズが破損しない伸縮継手を提供することを課題とする。【解決手段】伸縮継手３１におけるベローズ４１は、全体が径方向内側に配置されるフッ素樹脂層と径方向外側に配置されるガラスクロス層とから形成され、一対の被固定部５１と、それらの間に露出するように形成されたベローズ本体部５３とを備える。さらに、そのようなベローズ本体部は、一対のベース部５５と、それらの間に位置すると共に一対のベース部を包含する曲率の仮想面よりも外側且つ弧状に膨出した筒状膨出部５７とを備える。ガラスクロス層の糸密度は、２５ｍｍ四方の領域に縦糸、横糸それぞれが６〜１０本の範囲に設定され、且つ、繊維方向は、縦糸、横糸それぞれがベローズ軸心方向に対して傾斜している。【選択図】　　　　図１
2004060736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の被接続部材に対応して設けられる一対の継手本体と、これら一対の継手本体を接続するベローズとを備えた、２００℃以上の高温環境下用の伸縮継手であって、
前記ベローズは、該ベローズの上流端部及び下流端部を構成する一対の被固定部と、これら一対の被固定部の間に位置すると共に前記一対の継手本体から露出するベローズ本体部とを備え、
前記ベローズ本体部は、該ベローズ本体部の上流端部及び下流端部を構成する一対のベース部と、これら一対のベース部の間に位置すると共にこれら一対のベース部を包含する曲率の仮想面よりも外側且つ弧状に膨出した筒状膨出部とを備え、
前記ベローズは、径方向内側に配置されるフッ素樹脂層と径方向外側に配置されるガラスクロス層とから形成され、
前記ガラスクロス層の糸密度は、２５ｍｍ四方の領域に縦糸、横糸それぞれが６〜１０本の範囲に設定され、且つ、該ガラスクロス層の繊維方向は、縦糸、横糸それぞれが前記ベローズ軸心方向に対して傾斜している、
ことを特徴とする高温環境下用の伸縮継手。
【請求項２】
前記ベローズは、前記一対の被固定部及び前記ベローズ本体部の間と、前記一対のベース部及び前記筒状膨出部の間との、二段階で曲がっていることを特徴とする請求項１に記載の高温環境下用の伸縮継手。
【請求項３】
前記一対のベース部及び前記筒状膨出部は均一な厚さに形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温環境下用の伸縮継手。
【請求項４】
前記筒状膨出部はその全周方向に関して角のない弧状に膨出していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の高温環境下用の伸縮継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の管状物を接続する伸縮継手に関し、特に管状物の内圧に起因した伸縮継手の変形に対処する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４〜図６に従来の伸縮継手の構造を示す。伸縮継手１は、上流側ダクト３及び下流側ダクト５の間に配設され、一対のフランジ付き本体７、９と、これら一対の本体７、９を連結するベローズ１１とを備える。一対の本体７、９はそれぞれ、対応するダクト３、５に接続するような管状部材からなる。また、一対の本体７、９は相互に離隔しており、ベローズ１１はこれら本体が離隔した空間を覆っている。ベローズ１１は、本体７、９の押え部７ａ、９ａと、対応するベローズ押え板１３、１５とに挟まれて固定されており、通常はゴム材から構成されている。
【０００３】
流れ方向に沿って見た場合の図５に示されるように、ベローズ１１は（従って、押え部７ａ、９ａやベローズ押え板１３、１５も）、流れ方向に直交する断面形状がほぼ矩形の筒状部材からなる。すなわち、ベローズ１１は、上下方向に延長し且つ流れ方向から見た投影形状が直線である一対のストレート部１７ａ、１７ｂと、横方向に延長し且つ流れ方向から見た投影形状が直線である一対のストレート部１９ａ、１９ｂと、それぞれ隣接するストレート部を接続し且つ流れ方向から見た投影形状が曲線である４つのコーナー部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ（一コーナー部を示す図６も参照）とを備えている。
【０００４】
以上のように、一対の本体７、９を離隔させ、それらの間をベローズ１１で接続しているため、ダクト内の流体の温度変化や圧力変化に起因して一対の本体７、９の位置関係に変化が強いられるような状態でも、ベローズ１１が変形して本体７、９の位置関係の変化を好適に吸収することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した構造のベローズ１１を有する従来の伸縮継手においては、ダクト３、５内の流体の内圧が継手外部の外気圧よりも高くなると、ベローズ１１が変形し、場所によって膨らんだり窪んだりする現象が生じる。図７は、ベローズ１１における図６と同じ部分であり、内圧による変形後の状態を示す。図７に一コーナー部周辺が示されるように（他のコーナー部でも同様な変形が発生）、ダクト３、５内の内圧が高い場合には、ベローズ１１の４つのストレート部１７ａ、１７ｂ、１９ａ、１９ｂでは、径方向外側に膨出する部分２３が発生する。一方、４つのコーナー部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄでは、ストレート部と同様、径方向外側に膨出する部分２５が発生しながら、ベローズの変形前と変形後の周長が不変であることに起因して、当該部分２５における流れ方向のほぼ中央位置には、他の部分が膨出した分だけ逆に内側に向けて窪んだ凹み部分２７が発生する。
【０００６】
そして、このような膨出部分２３、２５や凹み部分２７は、ベローズ１１の内圧が低下すると元の平坦なストレート部１７ａ、１７ｂ、１９ａ、１９ｂや平坦なコーナー部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに戻る。したがって、ベローズ１１の内圧の上昇及び降下が繰り返し生じると、ベローズの流れ方向の伸縮、半径方向の膨らみや窪み、振動なども繰り返し生じ、短期間でベローズが破損する恐れがある。特に、内側に向けて窪む凹み部分２７は、鋭角的に折れるため、上記の繰り返しの変形に際してより破損が起こりやすくなっており、また、ベローズ内側の保温材などに食い込むといった問題も起こり得る。
【０００７】
また、従来のベローズ１１は、前述したようにゴム材から構成されているため、プラントなどにおいて内部に非常に高温な流体を流通させるような態様では使用しにくく、特に高温条件下に加えて上記のような圧力変動に伴う伸縮・振動が繰り返し生じる場合には、尚更、その耐久性が問題となる恐れがあった。
【０００８】
従って、本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであり、内圧の変化が繰り返し生じても長期間に亙ってベローズが破損しない高温環境下用の伸縮継手を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明は、一対の被接続部材に対応して設けられる一対の継手本体と、これら一対の継手本体を接続するベローズとを備えた、２００℃以上の高温環境下用の伸縮継手であって、前記ベローズは、該ベローズの上流端部及び下流端部を構成する一対の被固定部と、これら一対の被固定部の間に位置すると共に前記一対の継手本体から露出するベローズ本体部とを備え、前記ベローズ本体部は、該ベローズ本体部の上流端部及び下流端部を構成する一対のベース部と、これら一対のベース部の間に位置すると共にこれら一対のベース部を包含する曲率の仮想面よりも外側且つ弧状に膨出した筒状膨出部とを備え、前記ベローズは、径方向内側に配置されるフッ素樹脂層と径方向外側に配置されるガラスクロス層とから形成され、前記ガラスクロス層の糸密度は、２５ｍｍ四方の領域に縦糸、横糸それぞれが６〜１０本の範囲に設定され、且つ、該ガラスクロス層の繊維方向は、縦糸、横糸それぞれが前記ベローズ軸心方向に対して傾斜している、ことを特徴とする。
【００１０】
また、前記ベローズは、前記一対の被固定部及び前記ベローズ本体部の間と、前記一対のベース部及び前記筒状膨出部の間との、二段階で曲がっていてもよい。
好適には、前記一対のベース部及び前記筒状膨出部は均一な厚さに形成されている。
好適には、前記筒状膨出部はその全周方向に関して角のない弧状に膨出している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１にこの発明の実施の形態に係る高温環境下用の伸縮継手を示す。伸縮継手３１は、被接続部材としての上流側ダクト３及び下流側ダクト５の間に配設され、一対のフランジ付き継手本体３７、３９と、これら一対の本体３７、３９を連結する筒状のベローズ４１とを備える。一対の本体３７、３９はそれぞれ、対応するダクト３、５に接続するような管状部材からなる。第１の本体３７の上流側には、ダクトフランジ部３７ａが形成されている。一方、上流側ダクト３の下流側にも同様なフランジ部３ａが形成されており、フランジ部３７ａとフランジ部３ａとを図示しない締結手段により接続することにより、第１の本体３７は上流側ダクト３に気密に接続されている。なお、第１の本体３７の管路内側には、バッフル３３が設けられている。また、第２の本体３９の下流側及び下流側ダクト５の上流側にも同様なダクトフランジ部３９ａ及びフランジ部５ａが形成されており、これらフランジ部３９ａ及びフランジ部５ａを図示しない締結手段により接続することにより、第２の本体３９は下流側ダクト５に気密に接続されている。
【００１３】
第１及び第２の本体３７、３９にはそれぞれ、環状の押え部３７ｂ、３９ｂが形成されている。これらの押え部３７ｂ、３９ｂにはそれぞれ、ベローズ４１の上流端及び下流端が係合している。さらに、押え部３７ｂ、３９ｂに係合したベローズ４１の上流端及び下流端の外側には、本体３７、３９の一構成部材である押え板３７ｃ、３９ｃが配設されている。すなわち、ベローズ４１は、その上流端及び下流端が押え部３７ｂ、３９ｂ及び押え板３７ｃ、３９ｃの間に挟まれ、これら押え部及び押え板が締結手段３５によって連結されることによって、一対の本体３７、３９の間に固定される。また、一対の押え板３７ｃ、３９ｃは、図中概念的に示されたシッピングボルト４３によって連結されている。さらに、ベローズ４１の内側には、適当な断熱手段４５が配設されている。
【００１４】
次に、図１及び図２をもとにベローズ４１について説明する。なお、図２は、図７と同様な図である。ベローズ４１は、大別して、一対の被固定部５１と、それら被固定部５１の間に位置するベローズ本体部５３とから構成されている。また、ベローズ４１は全体がほぼ一定の厚さを有する膜状部材であり、したがって、一対の被固定部５１及びベローズ本体部５３が同じ厚さで構成されている。なお、図２においては、ベローズ本体部５３の厚さが省略されて図示されているが、これはベローズ本体部５３の湾曲形状を明瞭に示すことを優先したためであり、実際にはベローズ４１全体がほぼ均一な厚さを有する。
【００１５】
一対の被固定部５１は、ベローズ４１の流れ方向の最上流端部と最下流端部とに位置しており、押え板３７ｃ、３９ｃと継手本体３７、３９の押え部３７ｂ、３９ｂとの間に挟まれる。また、一対の被固定部５１は、一平面（図２に符号Ｇで示される仮想平面）上に沿って延長した平坦面からなり、本実施の形態では押え板３７ｃ、３９ｃ及び押え部３７ｂ、３９ｂによって覆われている。
【００１６】
一方、ベローズ本体部５３は、その全体が押え板３７ｃ、３９ｃ及び押え部３７ｂ、３９ｂに覆われずに露出している部分であって、一対のベース部５５と、それらベース部の間に位置し弧状に膨らんだ変形抑制用の筒状膨出部５７とから構成されている。一対のベース部５５は、ベローズ本体部５３の流れ方向の最上流端部と最下流端部とに位置した平坦部である。また、本実施の形態では、一対のベース部５５は、一対の被固定部５１を包含する仮想平面Ｇに沿って配置されるのではなく、仮想平面Ｇよりも若干径方向外側に膨らんでいる。これは、ダクト内の流体の温度変化や圧力変化に起因して一対の継手本体３７、３９の位置関係に変化が強いられるような状態を考慮し、ベローズ本体部５３を継手本体３７、３９の間でピンと張らずに余裕を持たせるためである。したがって、従来のベローズの中には、一対の被固定部の間に位置するベローズ本体部分の全体が一定の曲率で膨らんだ態様のものもあるが、本発明では余裕確保のための一対のベース部５５はベローズ本体部５３における両端部のみに形成されていると共に、その間には、変形抑制用の筒状膨出部５７が設けられている。
【００１７】
筒状膨出部５７は、一対のベース部５５の間に位置しそれらベース部５５よりも更に外側に膨出している。より詳細には、筒状膨出部５７の膨出態様は、一対のベース部５５の本来の曲率を持った仮想面Ｈ（図１参照）、すなわち両ベース部５５を包含するように両ベース部５５を結ぶような仮想面Ｈに対して、さらに外側に弧状に膨出している。したがって、被固定部５１に対してベース部５５が角度をもっている場合には、ベローズ４１全体としては、被固定部５１とベース部５５との間、ベース部５５と筒状膨出部５７との間という二段階で曲がっているような形態を備える。また、筒状膨出部５７は、その周方向のいずれの位置にも角がないよう、すべてのストレート部からコーナー部に渡って弧状の湾曲を有する。したがって、角の部分から損傷が広がることを防止することができる。さらに、筒状膨出部５７における最膨出部は、ベローズの流れ方向中央部に位置しており、上述した一対のベース部５５及び一対の被固定部５１は当該最膨出部を基準に流れ方向上流側及び下流側に対称的に形成されている。
【００１８】
また、上述した一対の被固定部５１、一対のベース部５５及び筒状膨出部５７は全て、流れ方向からみた投影形状が矩形に形成されている。すなわち、一対の被固定部５１、一対のベース部５５及び筒状膨出部５７の各々は、流れ方向から見た投影形状が直線状に形成されている４つのストレート部５１ａ、５５ａ、５７ａと、隣接するストレート部を接続すると共に、流れ方向から見た投影形状が曲線状に形成されている４つのコーナー部５１ｂ、５５ｂ、５７ｂとからなる。
【００１９】
ベローズ４１は、高温環境下で内圧の変化が繰り返し生じても、長期間に亙って破損しないよう、ガラスクロス層とフッ素樹脂層（テフロン（登録商標）層）とから構成されている。具体的には、フッ素樹脂層（テフロン（登録商標）層）がベローズ４１の径方向内側を構成し、フッ素樹脂層と熱融着させて一体化したガラスクロス層がベローズ４１の径方向外側を構成する。なお、上記の高温環境の範囲は、その下限状態はベローズ内を流通する流体温度が約２００℃の状態とし、上限状態はベローズ自体の温度が約２６０℃となる状態とする。ベローズ自体の温度が約２６０℃となるこの上限状態は、ベローズの内側に設ける断熱手段の種類や厚さなどの構成によって左右され、ベローズ内を流通する流体温度で約１０００℃となる状態もある。また、ベローズ４１は、図２に一点鎖線領域Ｊで概念的に示されるように、ガラスクロス層を構成する縦糸５９、横糸６１がともに、流れ方向（ベローズ軸心方向）Ｋに対して傾いた方向となるように、配置される。なお、図２における一点鎖線領域Ｊ以外に付された格子状の線は、ベローズの曲面を理解しやすく表すためのものであり、繊維方向を示すものではない。さらに、ガラスクロス層を構成するガラスクロスの糸密度は、縦糸、横糸ともに直径２〜０．６ｍｍの太さのものを使用して、２５ｍｍ四方の領域に縦糸、横糸それぞれが６〜１０本の範囲に選択される（ＪＩＳ　Ｒ　３４２０）。これにより、高温環境下、特にベローズ軸心方向と直交するような方向の移動量が引き起こす、ベローズ４１の複雑な変形にも追従でき、長期に亙って破損を防止することができる。
【００２０】
次に、以上説明した本実施の形態に係る伸縮継手の作用について説明する。伸縮継手３１によって接続された一対のダクト３、５内には、上流側ダクト３から下流側ダクト５に向かって所定の流体が流れる。ここで、ダクト３、５や継手の内側の流体の圧力が外側の圧力よりも高い場合には、前述したようにベローズの流れ方向ほぼ中央部付近のコーナー部で、鋭角的な窪みが生じる恐れがある。しかしながら、本実施の形態の伸縮継手３１では、ベローズ４１の流れ方向ほぼ中央部付近に、もともと外側且つ弧状に突出した形状であってガラスクロス層及びフッ素樹脂層の二層構造で且つそのガラスクロス層の糸密度及び繊維方向が前述した態様である、筒状膨出部５７が設けられているため、ベローズ内側の圧力が上昇しても、ベローズ４１のコーナー部には、鋭角的に内側に窪む部分が発生しない。よって、ベローズ４１内側の圧力の上昇降下が繰り返し起きても、短期間でベローズ４１が破損することを確実に防止できる。
【００２１】
次に、耐屈曲試験を行い、糸密度の条件を除いて上記と同様な構成を有する本発明の伸縮継手のベローズ（以下、本願ベローズと称する）と、従来からある筒状膨出部を持たない既存の形態にガラスクロス層を付加したベローズ（以下、従来ベローズと称する）とを比較した結果を以下に示す。従来ベローズ及び本願ベローズとしては、無負荷状態の幅（流れ方向寸法）が２８５ｍｍ、被固定部を基準とした直径が４００ｍｍのものを使用する。まず、従来ベローズ及び本願ベローズをそれぞれ、２６０℃で３時間加熱し、上記２００℃以上の高温使用環境下の状態を与える。その後、ベローズの一端を他端に向けて往復させるような伸縮試験機にセットし、伸縮幅１００ｍｍ、伸縮速度１００回／分の条件で、ベローズを伸縮させ、１００００回伸縮終了毎に、破損状況などを含めた観察を行い、最終的には５００００回の伸縮を行って、その後で、ＪＩＳ　Ｒ　３４２０に準拠した引張り強度試験を行った。まず、従来ベローズについては、２６０℃で３時間加熱後に図３に示されるようにベローズに生じる折れジワを対称的に整えたような折れジワ６３（すなわち、図７で示した窪みに等しい）を付与し、伸縮を開始する。一方、本願ベローズについては、上述した一対の被固定部、一対のベース部及び筒状膨出部から構成された形態により、２６０℃で３時間加熱後にも折れジワは出現しなかったため、図１及び図２に示した形態のまま、伸縮を開始する。なお、本願ベローズの例としては、
（１）本願ベローズＡ：ガラスクロス層の厚さ０．６ｍｍ、糸密度が縦糸７本、横糸８本、
（２）本願ベローズＢ：ガラスクロス層の厚さ０．６ｍｍ、糸密度が縦糸１１本、横糸１１本、及び
（３）本願ベローズＣ：ガラスクロス層の厚さ０．６ｍｍ、糸密度が縦糸５本、横糸５本、
の３タイプを用意した。
一方、従来ベローズの例としては、ガラスクロス層の厚さ２．０ｍｍ、糸密度が縦糸１５本、横糸１１本、のものを使用した。
【００２２】
まず、１００００回伸縮毎のベローズ外観の観察を行ったところ、以下の表１のような結果が得られた。
【００２３】
【表１】
2004060736.tif 000003
【００２４】
表１から分かるように、従来ベローズでは、１００００回の伸縮終了後に、ベローズ可動部側の折れジワ箇所のガラス繊維部に毛羽立ちが発生し、５００００回の伸縮終了時点には、さらに加えて他の部分にも毛羽立ちや糸切れが発生した。また、本願ベローズＢでは、１００００回の伸縮終了後の状態では異常がなかったが、５００００回の伸縮終了時点では、ベローズ中央部に毛羽立ちが発生した。また、本願ベローズＣでは、１００００回の伸縮終了後の状態では異常がなかったが、５００００回の伸縮終了時点では、フッ素樹脂層の方の中央部に亀裂が発生していた。これは、ガラスクロス層の糸密度が少なく十分な耐伸縮性が確保できなかったためである。これらに対し、本願ベローズＡでは、５００００回の伸縮終了時点でも異常がまったく生じなかった。
【００２５】
また、５００００回の伸縮終了後の引張り強度試験を行ったところ、以下の表２のような結果が得られた。なお、引張り強度試験を行う試験片は５個用意し、従来ベローズでは、図３に示されるようにベローズ軸心に対して傾斜した折りジワ部を含む領域６５から帯状（長さ１５０ｍｍ、幅２５ｍｍ）に５本切り出し、本願ベローズＡでは従来ベローズの領域６５に相当する位置の領域から同様に５本切り出して試験片とした。
【００２６】
【表２】
2004060736.tif 000004
【００２７】
表２から分かるように、従来ベローズでは、引張り強度の平均値は２５ｍｍ四方の領域で０．６４ｋＮであるのに対し、本願ベローズＡでは、引張り強度の平均値は２５ｍｍ四方の領域で１．１８ｋＮであった。すなわち、本願ベローズＡでは、５００００回の伸縮終了後でも、従来ベローズの約２倍の引張り強度が確保されていることが分かる。また、伸縮を与える前のベローズに関する同態様の試験片による引張り強度平均値は、１．２７ｋＮであり、本願ベローズＡでは、５００００回の伸縮終了後も、ほとんど破損につながるような強度の低下が生じていないことが了解される。
【００２８】
このように、耐屈曲試験の結果からも分かるように、本願の伸縮継手に採用されるベローズは、高温環境下で内圧の変化が繰り返し生じても、長期間に亙って破損しないような耐久性が確保されている。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の伸縮継手によれば、高温環境下で内圧の変化が繰り返し生じても、長期間に亙ってベローズの破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る伸縮継手の要部縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る伸縮継手に関し、矩形ベローズの一コーナー部近傍の形状を示す斜視図である。
【図３】比較例としてのベローズの一コーナー部近傍の形状を示す斜視図である。
【図４】従来の伸縮継手の要部縦断面図である。
【図５】従来の伸縮継手に関し、ベローズ近傍を流れ方向からみた図である。
【図６】従来の矩形ベローズの一コーナー部近傍であって、内圧による変形前の形状を示す斜視図である。
【図７】従来の矩形ベローズの一コーナー部近傍であって、内圧による変形後の形状を示す斜視図である。
【符号の説明】
３１…伸縮継手、３７、３９…筒状継手本体、４１…ベローズ、５１…被固定部、５３…ベローズ本体部、５５…ベース部、５７…筒状膨出部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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