(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
湾曲頂部（Ｔ）および湾曲底部（Ｂ，Ｂ’）を有し全体的にベル形状を有する１つまたは複数の波形の回旋（２）を備え、最大６０ミリメートルの内径を有する可撓性管状金属製装置であって、前記回旋（２）の外表面の曲率は、数字上、前記底部（Ｂ，Ｂ’）よりも前記湾曲頂部（Ｔ）において小さく、前記可撓性管状装置の外表面（４）と前記可撓性管状装置の長手方向軸（８）を通る平面との交差として画定される曲線（６）から得られ、前記曲線の曲率は、前記湾曲頂部（Ｔ）と隣接した前記底部（Ｂ，Ｂ’）との間に位置する変化位置（Ｐ，Ｐ’）において、一回のみ符号を変え、前記曲線（６）の第１のセクション（７）の長さが前記曲線（６）の第２のセクション（９）の長さよりも少なくとも１０％長く、前記第１のセクション（７）は前記変化位置（Ｐ）から前記湾曲頂部（Ｔ）を経て隣接した前記変化位置（Ｐ’）に延び、前記第２のセクション（９）は前記変化位置（Ｐ）から前記底部（Ｂ，Ｂ’）を経て隣接した前記変化位置（Ｐ’）に延びる、可撓性管状金属性装置において、
前記回旋が前記可撓性管状金属製装置の前記長手方向軸（８）に対し垂直に位置することと、前記第１のセクション（７）及び前記第２のセクション（９）の前記曲線（６）が連続であると共に一定の曲率を有さないこととを特徴とする可撓性管状金属製装置。
【請求項２】
前記曲線（６）の前記第１のセクション（７）の長さは前記曲線（６）の前記第２のセクション（９）の長さよりも少なくとも５０％長く、前記第１のセクション（７）は前記変化位置（Ｐ）から前記湾曲頂部（Ｔ）を経て隣接した前記変化位置（Ｐ’）に延び、前記第２のセクション（９）は前記変化位置（Ｐ）から前記底部（Ｂ，Ｂ’）を経て隣接した前記変化位置（Ｐ’）に延びることを特徴とする請求項１に記載の可撓性管状金属製装置。
【請求項３】
前記回旋の曲率は、数字上、前記底部（Ｂ，Ｂ’）によるものよりも前記湾曲頂部（Ｔ）によるもののほうが、少なくとも２０％小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の可撓性管状金属製装置。
【請求項４】
ピッチ−高さ比（ｑ）は、０．７〜１．０の間であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の可撓性管状金属製装置。
【請求項５】
前記底部（Ｂ，Ｂ’）と、隣接した底部セクション（Ｂ’，Ｂ）との間の前記曲線（６）は、前記湾曲頂部（Ｔ）に配置された１つの最適値と、前記底部（Ｂ，Ｂ’）によって配置された２つの最小値とを有し、
前記曲線（６）の最大値による曲率は、極小値を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の可撓性管状金属製装置。
【請求項６】
頂部（Ｔ）及び隣接する前記底部（Ｂ’，Ｂ）間の前記曲線（６）の曲率は、極小値を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の可撓性管状金属製装置。
【請求項７】
前記底部（Ｂ）から、隣接した前記底部（Ｂ’）までの１つの回旋に対応する前記曲線（６）のセクションは、前記長手方向軸（８）に垂直な軸に関して対称であり、前記湾曲頂部（Ｔ）内の前記最適値を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の可撓性管状金属製装置。
【請求項８】
前記回旋の大部分が同一であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の可撓性管状金属製装置。
【請求項９】
前記可撓性管状装置は、押出成形合金パイプから成り、
前記回旋は、エラストマー成形または水力成形のような深絞り工程にて形成される
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の可撓性管状金属製装置。
【請求項１０】
前記合金は、ステンレス鋼またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項９に記載の可撓性管状金属製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湾曲頂部および湾曲底部を有する全体的にベル形状を有している１つまたは複数の波形の回旋（corrugated convolutions）を備え、最大６０ミリメートルの内径を有する例えばベローズのような可撓性管状金属製装置であって、前記回旋の外表面の曲率は、数字上、前記底部よりも前記頂部において小さく、前記可撓性管状装置の外表面と前記可撓性管状装置の長手方向軸を通る平面との交差として画定される曲線から得られ、前記曲線の曲率は、頂部と隣接した底部との間に位置する変化位置において、一回のみ符号を変え、前記曲線の第１のセクションの長さが前記曲線の第２のセクションの長さよりも少なくとも１０％長く、前記第１のセクションは或る変化位置から頂部を経て隣接した変化位置に延び、前記第２のセクションは或る変化位置から底部を経て隣接した変化位置に延びる、可撓性管状金属製装置に関する。
【０００２】
１つまたは複数の回旋を有するベローズのような可撓性管状装置は、ガス、空気、水、蒸気、石油化学製品、または任意の他の物質を様々な温度および圧力で搬送する配管に対して、ある程度の可撓性を与える。タービン、ポンプ、コンプレッサ、熱交換器、リアクター、および弁は、ベローズを用いて接続配管との間の相対移動を吸収することができる典型的なタイプの機器である。これらの寸法の変化に対し何らかの補償がなされなければ、機器または配管に高応力が生じ、システム故障につながるおそれがある。固有の可撓性により、ベローズが２つ以上の方向の移動を吸収することが可能となるため、ベンドおよびループ（bends and loops）のような従来の装置を用いることに比べて、配管システムのレイアウトを設計する際により多くの自由度が残される。
【０００３】
概して、ベローズは、４つの基本的な移動モード、すなわち、軸方向、角度方向、側方向、およびねじれ方向（またはこれらの組み合わせ）に適応することができる。しかしながら、ねじれ方向モードは、他のモードを吸収する能力を低減させるようにして回旋を不安定にさせるため、望ましくない場合が多い。ベローズの耐久性は、幾何学形状、材料特性、製造時の製造プロセス、および境界ならびに負荷条件に大きく依存し、例えば、無制限に圧縮されたベローズは長手方向に膨張するが、軸方向に拘束されたベローズはその寸法長さを変えることなくシステムからの圧力推進力（pressure thrust）を抑制する。したがって、各回旋の耐用寿命は、種々の要因に依存するが、特に、局所的なピーク負荷を回避する幾何学形状を有するとともに移動を吸収する能力に依存する。
【０００４】
回旋形状は多くの場合、十分な工学的原理と長年の経験に基づいている。そのため、このノウハウを用いて、例えば、機器の起動、組立下での１回の伸張、または作動時の多数の動きの際に、周囲温度および圧力の大きな変化にさらされることに耐えるよう要求され得るベローズを設計する。よって、配管システム用のベローズを設計することは、後にベローズの故障につながる可能性のある好ましくない状況を回避するために、徹底したシステム応答試験を要求する場合が多い。
【０００５】
業界内では通常、ベローズの故障につながる原因は、設置の際の疲労または１回の損傷によることが認められている。どちらの場合においても、ベローズに固有閾値を超えた応力がかかり、このことが故障につながる。このような故障の類を解決する方法、及びそれにより製品の信頼性を高める方法は、改良された回旋形状を与えることにより、変形の際の応力を減らすことである。ベローズ形状は、全長、スカート長、壁厚、及び内径ばかりでなく、回旋の数にも依存する。回旋形状は、回旋高さ、ピッチ、及び壁厚に依存する。これらは一般的な設計変数（design variables）であり、安全率および長年の経験に基づき、経験的に特定用途に合わせて調整することができる。多くの場合、設計は、「Ｕ」スパン、「Ｓ」スパン、「Ｖ」スパン、または「Ω」スパンの変更（modifications）に基づくものであり、それらから、工学設計データおよび安全率が生成される。これらの形状は、直線および環状部のような単純な幾何学形状（基本形状）から「構成（built-up）」され、描写や分析が容易であり、成形工具用金属を切削する前に、ＣＮＣインタフェースに容易にプログラム可能である。多くの場合ステンレス鋼である材料および製造プロセスと組み合わせられたこのような回旋形状が、顧客の要件および期待を満たす場合、設計は、最良の解決策はなくとも、特定範囲内で最良の実施となる。
【０００６】
よって、成形プロセスの結果として回旋ノーズチップ領域（convolution nose-tip area）内で薄くなる材料のような壁厚の変動よりも、支配的な幾何学的応力の上昇（geometrical stress raisers）により、回旋が疲労故障を受けやすくなる。このような理由のため、ベローズの故障モードにより、高価な高級材料、例えばステンレス鋼製のベローズが製造されるようになっており、これにより不十分な回旋の設計でも許容可能な性能持続性を提供することができる。
【０００７】
ベローズは、稼動するエンジンからの負荷サイクルのような、非常に多くの負荷サイクルに耐えるよう要求される場合がある。サイクル応力範囲がベローズの疲労寿命全体を規制しており、エンジンが複数回の起動及び停止段階を経る場合、その応力範囲は累積疲労寿命を規制することになる。どちらの段階を経る場合も、疲労寿命は、完全サイクルの総数、およびベローズが受ける平均応力ならびに全応力範囲に依存する。応力の量が減少するに伴い、ベローズは、故障する前の繰返し回数の大幅な増加に耐えるが、より高い応力レベルでは、比較的少ない数の反転の後に故障が生じる。
【０００８】
ベローズが高サイクル寿命用に特別に設計される必要がある場合、最適な回旋形状のための固有設計変数または寸法範囲を明記した文献は見つかりにくい。これらの場合では、ベローズ製造業者は、予想サイクル数を助言されねばならず、また、評価された材料及び製造定数とともに長年の功による設計から経験的に生成された設計データに基づき、安全な回旋設計が出現することになるかもしれない。さらに、文献は、現在の標準期間の寿命を計算するために疲労データを評価することに関して限定されており、例えば、データは、ピッチ−高さの回旋比が変化すると、大きく変化する。
【０００９】
ベローズ等の設計に関する手引きは、例えば「伸張継手製造業者協会規格（Standards of the Expansion Joint Manufacturers Association, Inc.）」〒１０５９１  ニューヨーク市タリータウンノースブロードウェイ２５（25 North Broadway, Tarry-town, New York 10591）に見ることができる。
米国特許第６，００６，７８８号明細書には、螺旋状波形を有する金属管が開示されている。
【００１０】
本発明の１つの目的は、既知の設計に比べて、長い寿命および／または代替材料を使用する選択肢を得るために、ベローズのような可撓性装置の改良された設計を提供することである。もう１つの目的は、より低コストの材料および／またはより軽量の材料を使用する選択肢を提供することである。
【００１１】
本発明による可撓性装置の新規かつ進歩的な態様は、回旋が可撓性装置の長手方向軸に対し垂直に位置することと、第１のセクション及び第２のセクションの曲線が連続であると共に一定の曲率を有さないこととを含む。
【００１２】
すべての幾何学的な遷移（transitions）および曲げにより応力上昇が生じ、このような不可避の応力上昇の程度を低減するデザインが得られなければならない。標準的なＵ字形状の回旋に比べて、回旋幅を著しく増加することなく回旋をより高くすることによって可撓性が高くなる。同時に、頂部の曲率がより小さいことにより、この領域の応力上昇が低減し、回旋の変形の際の全応力レベルが低減する。頂部と隣接した底部との間に位置する変化位置において、一回のみ符号を変える曲率を有する曲線によるデザインは、頂部と底部との間に滑らかな遷移を与える。頂部による応力レベルを最小にするためには、曲線の第１のセクションの長さが曲線の第２のセクションの長さよりも少なくとも１０％長く、これらのセクションはどちらも曲率が符号を変える位置から延びている。このようにして、曲率が符号を変える位置は、底部の方にシフトされることで、底部が狭く、頂部がより広く滑らかであるデザインが与えられる。このデザインは、全体的な応力レベルを著しく低減する。これにより、可撓性装置の改良された設計が提供され、寿命期間を延長できる。また、改良された設計により、既知の設計に比べて、例えばステンレス鋼に代えてアルミニウムの代替材料を使用する選択肢が与えられる。このようにして、より低コストおよび／またはより軽量の材料を用いることもできる。
【００１３】
別の実施形態では、曲線の第１のセクションの長さは曲線の第２のセクションの長さよりも少なくとも５０％長くすることができ、この第１のセクションは或る変化位置から頂部を経て隣接した変化位置に延び、第２のセクションは或る変化位置から底部を経て隣接した変化位置に延びる。これは、頂部の形状にさらなる優先度を与え、全体的な応力レベルをさらに低減させる。
【００１４】
他の一実施形態では、回旋の曲率は、数字上、底部によるものよりも頂部によるものの方が少なくとも２０％小さくすることができ、この結果、全体的な応力レベルが低減する。
【００１５】
ピッチ−高さ比（ｑ）は、好適な実施形態では、０．７〜１．０の間とすることができる。
【００１６】
さらなる一実施形態では、底部と、隣接した底部セクションとの間の曲線は、頂部に配置された１つの最適値（global optimum）と、底部によって配置された２つの最小値（global mimima）とを有し、この曲線の最大値（global maximum）による曲率は、極小値（local minimum）を有してもよい。これにより、応力上昇の作用を著しく減少した改良された形状が与えられ、材料の利用度が高くなる。
【００１７】
さらに他の実施形態では、曲線は好ましくは連続であり、少なくとも２回微分可能である。これにより、急激な幾何学的変化のない滑らかな形状が与えられる。
【００１８】
本発明の好適な一実施形態では、或る底部から、隣接した底部までの１つの回旋に対応する曲線のセクションは、長手方向軸に垂直な軸に関して対称であってもよく、頂部内の大域的最適値を通ってもよい。
【００１９】
別の好適な実施形態では、回旋の大部分は実質的に同一であってもよい。
【００２０】
さらに好適な実施形態では、可撓性装置は、押出し成形された合金パイプからできていてもよく、回旋は、エラストマー成形（elastometric forming）または水力成形（hydro forming）のような深絞り工程（deep drawing process）にて形成されてもよい。
【００２１】
さらに他の好適な実施形態では、合金は、ステンレス鋼またはアルミニウム合金であってもよい。
【００２２】
本可撓性装置は、車両、例えば自動車のパイプまたは管の可撓性継手、好ましくは空調システムのパイプまたは管の継手に用いることができる。本可撓性装置は、例えば給気冷却システム等、多くの他の用途を有する。
【００２３】
以下に本発明を、本発明の実施形態の例を示す図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、複数の回旋２を有する可撓性管状装置を示す。可撓性管状装置の外表面は参照符号４で示される。回旋のピッチおよび高さは参照符号ｑおよびｗで示される。可撓性管状装置の長手方向軸は参照符号８で示される。
【００２５】
高さｗは、くびれ（necking）が起こる前の材料の最大伸びで決まる。くびれは、壁厚が局所的に非常に薄くなる現象であり、その結果、深絞り工程、例えばエラストマー成形の際、材料がクラッキングを起こすおそれが生じる。
【００２６】
図２は、湾曲頂部Ｔおよび湾曲底部ＢおよびＢ'を有する曲線６を示す。頂部Ｔは、曲線６の最適値によって位置づけられる。底部Ｂ、Ｂ'は、曲線６の全体的な最小値によって位置づけられる。頂部Ｔの曲率は、底部Ｂ、Ｂ'の曲率よりも小さい。ライン１０は、曲率が約ゼロである場合を示す。これはさらに変化位置ＰおよびＰ'によって示される。セクション７は、変化位置Ｐから頂部Ｔを経て変化地点Ｐ'まで延びる。セクション７は、変化位置Ｐから底部Ｂ、Ｂ'を経て変化位置Ｐ'に延びるセクション９よりも長い。
【００２７】
回旋は、可撓性管状装置の長手方向軸８に対し垂直に位置してもよく、または長手方向軸に沿った螺旋として形成してもよい。
【００２８】
図３は、純粋にＵ字形状の回旋を示す曲線２２を示している。曲線２２は単に、基本的な直線１６および円弧１４によって構成されている。このデザインは、位置１８および２０にて深刻な応力上昇を伴う。このことは簡単に、例えばＣｏｓｍｏｓ（登録商標）またはＡｎｓｙｓ（登録商標）のような市販されたソフトウェアを用いて、例えばＦＥ分析により確かめてもよい。
【００２９】
図４は、純粋にＵ字形状の回旋を示す曲線２４を示している。基準試験である比較例Ａ（図４）及び比較例Ｂ（図５）については、下記の表２の測定値を用いた。図５は曲線２６を示しており、同様に純粋なＵ字形状を示している。図４および図５の構造は、この産業の先端技術であると考えられ、インドのランフレックスインディア社（RANFLEX India Pvt. Ltd.）により提供される。比較例Ａのデザインは、長年の経験に基づいた幾度もの製造試行の結果によるものである。比較例Ｂのデザインもまた、ベローズの製造における長年の経験に基づいているが、まだ製造されてはいないため、実際の最終デザインが１０分の１ミリメートル（１／１０ｍｍ）ほど変わる可能性のあることを意味している。しかしながら、このことは、表２に記載された結果を著しく変えることはないであろう。有益な理由で、図４および図５による形状ばかりでなく実施例において示された形状を製造することは、最新の製造工具および製造技術を要することを強調しなければならない。例えば、クラッキングを生じさせる材料の過伸張を回避するために、十分な量の材料を使用できることを確実にする必要がある。
【実施例】
【００３０】
以下に、本発明によるデザインの複数の実施例を示す。表１は、実施例ごとの内径、壁厚、および材料を示す。各実施例では、１つの回旋のデザインが示されるとともに、そのデザインに関する対応する曲率が示されている。デザインおよび曲率は、一連の地点として示されており、該地点を通る滑らかな図示しない曲線上の点として理解されるべきである。各実施例では、回旋のデザインは丸印で示されており、曲率は三角印で示されている。水平軸は、底部Ｂから始まり（図２を参照）、１つの頂部Ｔを経て底部Ｂ’で終わる、回旋の一方の側からもう一方の側までの幅を示す。左側の垂直軸は高さを示す。高さおよび幅はどちらもミリメートル単位である。右側の垂直軸は曲率を示し、単位は１／ｍｍ（ｍｍ−１）である。
【００３１】
【表１】
0004426973.tif 000002
［実施例１］
【００３２】
【表２】
0004426973.tif 000003
［実施例２］
【００３３】
【表３】
0004426973.tif 000004
［実施例３］
【００３４】
【表４】
0004426973.tif 000005
［実施例４］
【００３５】
【表５】
0004426973.tif 000006
［実施例５］
【００３６】
【表６】
0004426973.tif 000007
［実施例６］
【００３７】
【表７】
0004426973.tif 000008
［実施例７］
【００３８】
【表８】
0004426973.tif 000009
【００３９】
実施例３および４は形状が類似しているが、実施例４の回旋の高さの方がより大きいことを留意するとよい。これは、ステンレス鋼とアルミニウム合金との材料特性の違いによるものである。
【００４０】
【表９】
0004426973.tif 000010
【００４１】
「Ｆｌｅｘ」と印された表２の縦列は、或る回旋の可撓性を示し、この可撓性は、底部Ｂ（図２）における一端が固定されると共に、底部Ｂ’における他端が、圧縮状態で降伏（yielding）が起こる直前の第１の状況及び引張状態で降伏が起こる直前の第２の状況間でずれるときに、全体の撓み（deflection）として表される。このずれは、可撓性装置の長手方向軸８（図２）に対し平行である。第１の状況では、Ｂ’は第２の状況（引張）におけるよりもＢ（圧縮）に近い。可撓性は、材料および製造（薄化等）パラメータを考慮して、ＦＥ分析により見つけ出され、製造された可撓性装置の実際の挙動に非常に近似した値を示す。
【００４２】
また、表２には、２つの基準である比較例Ａおよび比較例Ｂが示されている。比較例Ａについて、材料および壁厚は実施例３と同じ、すなわち材料はＡＡ５０４９で壁厚は０．５ミリメートルであるが、そのデザインは、図４に対応する純粋なＵ字形である。ピッチｑおよび高さｗは比較的等しいものの、０．１０ミリメートルの可撓性から０．３２ミリメートルの可撓性への改良は２００％の改良を構成する。比較例Ｂについては、材料および壁厚は図７と同じ、すなわち材料はＡＡ５０４９で壁厚は１．０ミリメートルであるが、そのデザインは図５に対応する純粋なＵ字形状である。ここでもまたピッチｑおよび高さｗは比較的等しいものの、０．５２ミリメートルの可撓性から１．３５ミリメートルの可撓性への改良は２００％近い改良を構成する。
【００４３】
本明細書では、「曲率半径」という用語は、その凹側の地点の曲線と接する円の半径として理解されるべきであり、その円とその曲線が上記地点の両側に共通の接線を有するようなサイズである。
【００４４】
「曲率」という用語は、曲率半径の逆数として理解されるべきである。
【００４５】
実際、曲率半径および曲率は、凹面および凸面の双方に見ることができる。高解像度光学測定技術を用いて、曲率半径および製造された回旋上の面の曲率を決定するために、目的のデータを生成することができる。そのデータは、市場で見られる任意の回旋が保護範囲に反しているかどうかを決定するのにも用いることができる。今日まで、このようなシステムは、ミリメートルの１００分の１までの測定地点距離で走査して１２ビット解像度を容易に生成する。そしてこのデータを用いて、標準ＣＡＤソフトウェアまたはＭａｔｈｃａｄ（登録商標）のような数学的分析ソフトウェアとともにさらに分析することができる。
【００４６】
ピッチ−高さ比は、ピッチｑを高さｗの２倍で割ったもの、すなわち（ｑ／２ｗ）として定義される。
【００４７】
本明細書および図面に開示されている本発明は、改変および変更してもよいが、請求項として記載された本発明の範囲内にあればよいことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】可撓性管状装置の長手方向軸を通る平面に沿って切り取られた、該可撓性管状装置の断面の一部を示す図である。
【図２】可撓性管状装置の外表面と該可撓性管状装置の長手方向軸を通る平面との交差として画定された曲線を示す図である。
【図３】従来技術による可撓性管状装置の外表面と該可撓性管状装置の長手方向軸を通る平面との交差として画定された曲線を示す図である。
【図４】現在の先端技術による可撓性管状装置の外表面と該可撓性管状装置の長手方向軸を通る平面との交差として画定された曲線を示す図である。
【図５】現在の先端技術による可撓性管状装置の外表面と該可撓性管状装置の長手方向軸を通る平面との交差として画定された曲線を示す図である。
【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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