金属ベローズ

金属ベローズは、容器の外側に圧力をかけると圧縮できる、または真空下では伸長できる弾性容器です。圧力または真空が解放されると、材料が降伏強度を超えて応力を受けていない限り、ベローズは元の形状に戻ります。ベローズは、圧力下で変形する能力と、動きを可能にする密閉シールを提供する両方の目的で使用されます。

20 世紀と 21 世紀の精密なふいご技術は、要求の少ない用途ではゴム製やプラスチック製のふいごを使用する金属製のふいごが中心となっています。これらの製品は、暖炉や鍛冶場で伝統的に使用されていたオリジナルの革製ふいごにはほとんど似ていません。

金属ベローズには、成形、溶接、電気鋳造の 3 つの主なタイプがあります。

成形ベローズは、通常は深絞りで製造されるチューブを、冷間成形（ローリング）、ハイドロフォーミングなどのさまざまなプロセスで再加工して製造されます。渦巻きベローズまたはシルフォンとも呼ばれます。

溶接ベローズ（エッジ溶接ベローズ、またはダイヤフラムベローズとも呼ばれる）は、個別に形成された多数のダイヤフラムを互いに溶接することによって製造されます。2 種類のベローズの比較は、一般的にコストと性能を中心に行われます。ハイドロフォームベローズは一般にツールコストが高いですが、大量生産すると 1 個あたりの価格が低くなる可能性があります。ただし、ハイドロフォームベローズは壁が比較的厚く剛性が高いため、性能特性が低くなります。溶接金属ベローズは、初期のツールコストが低く、高い性能特性を維持して製造されます。溶接ベローズの欠点は、溶接時の高温により溶接接合部の金属強度が低下することです。^[1]

電気鋳造ベローズは、金属層をモデル（マンドレル）にメッキ（電気鋳造）し、その後マンドレルを除去することによって製造されます。適度なツールコストと薄い壁（25マイクロメートル以下）で製造できるため、多くの厳格な用途で高い感度と精度を備えたベローズを実現し、他の方法ではほとんど追加の困難なしに製造するのが非常に難しい形状でも製造できます。^{[2] [3]}

比較対象となるもう 1 つの分野は、構造用金属です。ハイドロフォームおよびロール成形ベローズは、塑性伸び特性の高い金属に限定されますが、溶接ベローズは、ステンレス鋼やチタンなどのさまざまな標準合金や特殊合金、およびその他の高強度で耐腐食性のある材料から製造できます。電気成形ベローズは、ニッケル、ニッケルの高強度合金、および銅から製造できます。

金属ベローズは、さまざまな産業用途で使用されています。以下にいくつか例を挙げます。

• ロードセル; ロードセルは、圧力またはひずみの形で一定の負荷がかかると変形します。この変形は、低電圧の直流が流れるひずみゲージによって検出されます。電圧の変化が検出され、制御パネルに表示されます。ゲージを外部の影響から保護するために、ベローズがゲージ上に取り付けられています。
• 真空遮断器。変電所で非常に高い電圧を切り替える場合、動作中は接点の周囲に高真空または高圧の絶縁ガスを維持し、接点を損傷して安全な回路遮断を妨げる可能性のあるアークの発生を軽減する必要があります。ここでは、ベローズにより、信頼性の高い気密シールを維持しながら接点の出し入れが可能です。
• メカニカルシール。これらは主に、ポンプの内部を外部から遮断して漏れを防ぐために使用されます。この目的のために、メカニカルシールがポンプシャフトに取り付けられます。ポンプシャフトが回転すると、固定リングと回転リングで構成されるシール要素が必要になります。2 つのリングに十分な圧力をかけるために、スプリングが取り付けられており、ベローズによりスプリングが漏れなく自由に動くことができます。ベローズは、スプリングとしても機能するように構成することもできます。
• 圧力計: 腐食性の液体またはガスの圧力を測定する場合、圧力計を流れから隔離する必要があります。重要な用途では、圧力計にブルドン管の代わりにダイヤフラム シーリングを使用します。これにより、腐食性の媒体が漏れないという安全性が高まります。ダイヤフラムは自己完結型のセンサーで、変位を測定装置に伝達します。
• センサー: このアプリケーションでは、ダイヤフラムまたは渦巻き状のベローズが完全に密閉され、特定のガスで満たされています。2 本の電極がベローズの内部を貫通しています。この 2 本の電極の電流を変化させることで、ベローズ内の温度を調節できます。ベローズの膨張または収縮は、特定の動きを制御するアクチュエータとして使用されます。
• バルブの密閉: ハウジングとバルブ ステムの間にベローズが使用され、内部を外界から完全に密閉します。ヨーロッパでは、TA Luftなどの規制により漏れが禁止されているため、これは特に重要です。
• ステッピング モーターとサーボ モーターのカップリング: ずれを補正できる柔軟な部分はベローズで作られています。これにより、2 つのカップリング ハーフ間の角度位置の差がなくなります。これは、位置決め精度を極めて正確にする必要がある場合に不可欠です。
• 排気ベローズ: エンジンが稼働すると、自己振動が発生します。この動きと熱膨張による温度差を補正するために、排気ガスパイプをファンネルに接続するためにベローズが使用されます。
• 配管伸縮継手: この用途では、ベローズの短いセクションがパイプ間に接続され、熱による動きや振動を吸収します。これは、高真空、高温、極低温、または高純度のシステム、および長い耐用年数にわたって内部へのガスの漏れや内部からのガスの漏れを許してはならない工場で密封されたシステムに典型的に使用されます。
• 金属ベローズは、埋め込み型薬剤ポンプなどの医療用途、産業用アクチュエータ、高度センサーや流体管理装置 (アキュムレーター、サージアレスター、容積補償器、流体貯蔵)などの航空宇宙用途など、他の製品や市場セグメントでも使用されています。金属ベローズは宇宙用途にも使用されており、飲料水用の貯水槽や廃水を収集するアキュムレーターとして使用されています。

溶接ベローズはさまざまな特殊金属や合金から製造できますが、成形ベローズは伸びの良い合金に限定されます。主な例は真鍮です。溶接ベローズは真鍮で製造されません。なぜなら、真鍮は基本的に溶接性が悪いからです。溶接ベローズのその他の利点としては、コンパクトさ (より小さなパッケージでより高い性能)、損傷なく固体の高さまで圧縮できること、傷やへこみに対する耐性、および大幅に高い柔軟性が挙げられます。

金属ベローズの溶接は顕微鏡レベルの溶接プロセスであり、通常は実験室条件下で高倍率で実行されます。

ハイドロフォームベローズは、ベローズ型の金型内で金属管を油圧で膨張させて、金型の渦巻き形状を形成することによって製造されます。

電気鋳造ベローズは、ベローズ形状のモデル（マンドレル）に金属をメッキし、その後化学的または物理的手段でマンドレルを除去することによって製造されます。ツールコストが低く、製造サイクルが短いため、ベローズの電気鋳造は安価な製造方法であるだけでなく、完璧な試作ツールでもあります。

伸縮継手にはさまざまな種類があり、それぞれが同じ種類のたわみに対応できるわけではありません。たわみの種類には、軸方向、横方向、角度方向、ねじれ方向、周期的、または同時に発生する可能性のあるあらゆる組み合わせがあります。^[4]