金属ホース

金属ホースは、柔軟な金属ライン要素です。金属ホースには、設計と用途が異なるストリップ巻きホースと波形ホースの 2 つの基本的なタイプがあります。

ストリップ巻きホースは、高い機械的強度（引張強度や引き裂き強度など）を備えています。コルゲートホースは、その材質のおかげで高圧に耐え、最大限の気密性を発揮します。また、コルゲートホースは、腐食性の海水や宇宙空間や冷却された液体ガスの輸送時のような極端な温度など、最も過酷な条件下でも耐腐食性と耐圧性を発揮します。特に、高温および低温の物質の輸送に適しています。

100 年以上の歴史を持つ金属ホースは、金属伸縮継手、金属ベローズ、半フレキシブルおよびフレキシブル金属パイプなど、他のフレキシブル ライン要素を生み出してきました。ドイツだけでも、金属ホースに関する 特許は約 3,500 件あります。

最初の金属ホースは、技術的にはストリップ巻きホースでした。これは、1885年にドイツのプフォルツハイムの宝飾品製造業者ハインリッヒ・ヴィッツェンマン（1829–1906）がフランスの技術者ウジェーヌ・ルヴァヴァッセールとともに発明しました。ホースは、絡み合った金属ストリップでできた宝飾品であるガチョウの喉のネックレスをモデルにしました。ホースの元の設計は、 S字型のプロファイルを持つらせん状に巻かれた金属ストリップに基づいていました。プロファイルは、らせんコイルの巻き線に沿って噛み合っていました。噛み合ったプロファイルの間に空洞があるため、しっかりとフィットしませんでした。空洞はゴム糸で密閉されていました。

その結果、高い機械的強度を持ち、長さと直径を自由に変更できる、永久的に柔軟で漏れのない鋼鉄ボディが誕生しました。フランスでは 1885 年 8 月 4 日に特許番号 170 479 で、ドイツでは 1885 年 8 月 27 日にドイツ国特許番号 34 871 で特許を取得しました。

1886 年から 1905 年にかけて、ハインリッヒ ヴィッツェンマンはホース製造用の数多くの注目すべきプロファイルを開発し続け、それらは今日でも技術的に重要な意味を持っています。1894 年、彼は 2 本の同軸金属ホースを反対方向にねじった二重金属ホースの特許を取得しました。元の形状のさらなる改良では、ゴム、繊維糸、アスベスト、ワイヤーなど、異なるホース材料とねじシール用の異なる物質の使用に重点が置かれました。

金属ホースの重要なバリエーションは、ドイツのフランクフルト出身の発明家ジークフリート・フランクによるものです。1894年、彼はらせん状の波形を滑らかで硬いパイプに巻く方法で特許を取得しました。ヴィッツェンマンは数年前にすでにこの方向で実験を行っていましたが、特許取得可能な結果を​​生み出す努力は続けませんでした。1920年代から1930年代になって、スイスのルツェルンのホテル経営者アルバート・ドレイヤーが、金属波形ホースの製造に適した環状波形を作り出すことに成功しました。

ハインリッヒ・ヴィッツェンマンの息子であるエミール・ヴィッツェンマンは、1909年に、ゴム、繊維、アスベストなど、あらゆる種類のシーリング糸を必要としない金属ホースの形状を開発しました。このタイプのホースでは、ストリップの端は噛み合わず、互いに接し、シームレスに溶接されています。 1920年、エミール・ヴィッツェンマンは、金属伸縮継手を発明しました。この発明は、半径方向に柔軟性のある二重壁の溶接波形金属ホース（傷口保護シース付き）に基づいていました。 1929年、初めて金属ベローズの製造が可能になりました。これらもルツェルンのアルバート・ドライヤーによって開発されましたが、ヴィッツェンマンとは無関係でした。

金属ベローズは、滑らかな押し出しまたは溶接パイプに環状の波形を巻き付けて作られます。1946 年に、Dreyer は軸方向の動きにも対応できるように設計された多層ジョイント、つまり軸方向伸縮ジョイントを開発しました。

ストリップ巻きホースは、緩く絡み合った螺旋で構成されています。これにより、柔軟性が非常に高くなります。これらのホースには、エンゲージド プロファイルまたはAgraffプロファイルなどの絡み合ったプロファイルの 2 つの基本的なバリエーションがあります。どちらのバリエーションも、プロファイル構造により、高い柔軟性を提供します。ただし、このため、漏れが完全に防止されるわけではありません。このため、これらのホースは、インナー チューブの周りの絶縁ホースまたは保護ホースとしてよく使用されます。

ストリップ巻きホースは、冷間圧延されたプロファイル金属ストリップをマンドレルにらせん状に巻き付けて作られます。マンドレルでは、らせんコイルが相互接続されていますが、プロファイルの種類により可動性があります。プロファイルコイル間の可動接続のこの原理により、金属ストリップ巻きホースは高い柔軟性と可動性を実現します。ほとんどのストリップは、亜鉛メッキ鋼、ステンレス鋼、または真鍮で作られており、オプションでクロムメッキまたはニッケルメッキ を施すことができます。

ストリップ巻きホースは、非常に高い引張強度と横方向の圧力耐性、高いねじり強度、優れた化学的安定性と熱的安定性を備えています。ただし、その構造上、100% の漏れ防止性はありません。

金属ホースの特性は、プロファイルの形状、ストリップの寸法、材質、および該当する場合はシールタイプなど、いくつかの要因によって決まります。

ストリップ巻きホースには、円形断面と多角形断面のものがあります。

自動車工学では、金属で密封されたストリップ巻きホースが最もよく使用されます。巻き取りプロセス中に、綿、ゴム、またはセラミックの密封糸を特別な形状のチャンバーに導入することで、密閉性が向上します。密閉性を最大限に高めるために、ストリップ巻きホースをPVCまたはシリコンで覆うこともできます。プロファイルの形状は、単純なエンゲージ プロファイルから、非常に安全な Agraff プロファイルまで多岐にわたります。

ストリップワインドホースは、排気装置、特にトラックやトラクターなどの特殊車両で、柔軟性があり耐熱性および耐老化性のある要素として頻繁に使用されます。また、光ファイバーの光導体や電線、または測定および制御機器の保護ホースとしても使用されます。直径が2.0～0.3 mmのミニチュアホースとして、内視鏡などの医療技術にも使用されます。

さらに、ストリップワインドホースは、煙、削りくず、粒状物などの物質の抽出と輸送に使用されます。また、ストリップワインドホースは、コルゲートラインの保護ホースとして適しており、過度の伸びを防ぎ、ライナー（コルゲートホース内のガイドホース）として機能して流れの状態を最適化します。

ストリップ巻き金属ホースには、「曲げられるアーム」または「スワンネック」も含まれます。これらは、三角形のワイヤが巻かれた丸いワイヤコイルで構成されています。任意の方向に曲げることができ、任意の位置で固定できます。これらは、たとえば、 ランプ、拡大鏡、マイクの柔軟なサポートに使用されます。

コルゲートホースは圧力と真空に対して密閉されています。小型ホースの許容動作圧力は380 bar に達します (破裂圧力安全係数は 3 倍)。大型ホースの耐圧性は技術的な理由により低くなります。ステンレススチールモデルは、圧力負荷に応じて最大約 600 °C の耐熱性があり、特殊な材料を使用すればさらに高い値も可能です。低温範囲では、ステンレススチールコルゲートホースは -270 °C まで使用できます。

波形ホースは、動き、熱膨張、振動を許容し、充填ホースとしても使用できる、経済的で柔軟な接続要素として使用されます。出発材料は、シームレスまたは縦方向に溶接された薄肉チューブで、特殊なツールを使用して機械的または油圧手段で波形を導入します。波形ホースは完全に漏れがなく、圧力をかけた液体またはガスを輸送したり、真空ラインとして使用したりするために使用します。圧力ホースとも呼ばれます。その特別な設計により、柔軟性と圧力耐性の両方が実現されています。

波形ホースには、波形の種類が異なる 2 つの基本的なバリエーションがあります。環状波形とらせん波形です。らせん波形のホースでは、通常、ホースの全長に沿って一定のピッチで右巻きのコイルが走っています。一方、環状波形は、主面がホースの軸に垂直な多数の等間隔の平行波形で構成されています。環状波形のホースには、らせん波形のホースに比べて次のような明確な利点があります。

• 適切に設置されていれば、圧力サージ時に損傷を与えるねじり歪みは発生しません。
• プロファイル形状により、接続継手とスムーズに接続できます。

これにより、導管の組み立てと使用中のプロセスの信頼性が向上します。このため、いくつかの例外を除いて、環状波形ホースがはるかに一般的です。

波形ホースを作成する最初のステップは、コイルから取り出した金属ストリップを、滑らかな縦方向の溶接チューブに成形することです。ストリップは、高精度のシールドガス溶接法を使用して連続的に溶接されます。次に、チューブを次のいずれかの手順で波形にします。

• 油圧コルゲーション法は、チューブを内側から外側に拡張します。この方法は、環状のコルゲートホースを作成するために使用されます。
• 一方、機械的な波形成形法は、環状およびらせん状の波形ホースの両方の製造に使用されます。通常、複数のプロファイル付き圧力ローラーがチューブの周囲にオフセットで配置され、外側から内側に向​​かってチューブに希望の波形プロファイルを巻き込むことができます。どちらの波形成形法でも材料が硬化するため、波形ホースの圧力と疲労耐性が向上します。

さらに、波形ホースは、ストリップ巻きホースの製造と密接に関連する特殊な方法で製造できます。この手順では、開始ストリップに縦方向に波形プロファイルが与えられます。次に、このプロファイルストリップをらせん状に巻き、重なり合ったコイルをらせん状の継ぎ目に沿ってしっかりと溶接します。波形加工後、ホースに編組シースを取り付けることができます (以下を参照)。この場合、ホースは、円周状のワイヤコイルホルダー、いわゆるボビンを備えた編組機を通過します。

ワイヤー束は、ホースの周りに螺旋状に巻き付けられ、また、交互に重ねられます。これにより、特徴的な十字形の管状編組が形成されます。継手を取り付けたら、ホース ラインは完成です。生産関連のテストは、製造プロセスの不可欠な部分です。これには、出発材料の受け入れテスト、完成した導管の寸法、漏れ、圧力テストが含まれます。

ホースの柔軟性は、波形プロファイルの弾性挙動によって実現されます。ホースを曲げると、外側の波形が分離し、内側の波形が圧縮されます。波形ホースの柔軟性、曲げ挙動、圧力安定性は、選択したプロファイル形状によって異なります。プロファイルの高さが増し、波形間隔が狭くなると柔軟性が増しますが、圧力耐性は低下します。頻繁に必要とされる半柔軟な曲げ挙動は、フラット プロファイルによって実現されます。ホースの用途に応じて、アプリケーション固有の特別なプロファイル形状を実装できます。

壁の厚さを変えることで、耐圧性と柔軟性も変えることができます。壁の厚さを薄くすると曲げ能力は高まりますが、ホースの耐圧性は低下します。

直径がわずか数ミリのミニチュアホースは、柔軟性が高く、非常に頑丈です。特殊なシースを装着すれば、低侵襲手術に使用できます。インナーライナー（下記参照）と特殊コネクタを備えたモデルは、レーザーや光電子工学の用途に使用されます。ミニチュアホースの最小直径は 1.8 mm です。

熱い物質や冷たい物質を輸送するという高い要求を満たす能力を備えたこの最新技術には、次のような主要な応用分野があります。

• 電気産業および機械工学：電気ケーブルまたは光導体の保護ホースとして
• 吸引、搬送、冷却ホースとして、例えば液体ガスの搬送や輸送時
• 自動車産業：排気システムにおける振動減衰器として機能する排気ガスホースとして
• 技術建築設備の換気ホースとして
• 業界
• 計測・制御機器
• 医療機器
• 航空と宇宙旅行
• 原子炉技術
• 代替エネルギー（太陽熱、風力タービンなど）

金属ホースは、その製造に使用されている材料のおかげで、高圧に耐え、最大限の気密性を提供します。柔軟性があるため、引張強度と引裂強度に優れています。また、腐食性と耐圧性に優れており、腐食性の海水、強い振動、宇宙空間や冷却された液体ガスの輸送時などの極端な温度にさらされる場合など、極端な条件下でも耐腐食性と耐圧性を備えています。

耐圧性を高めるために、金属ホースに 1 層または 2 層の編組を装備することができます。編組は両側のホース継手にしっかりと接続され、内部圧力によって生じる縦方向の力を吸収します。編組は本質的に柔軟性があるため、ホースの動きに合わせて完璧に変形します。ホース編組は、右巻きと左巻きのワイヤ束を交互に重ねて巻いたものです。これにより、内部圧力によるホースの伸長が防止されるだけでなく、外部からの張力を吸収し、ホースの外側が保護されます。ワイヤ編組の基本材料は、通常、波形ホースと同じです。耐腐食性を高めるため、または経済性を考慮して、異なる材料を選択することもできます。

編組により、ホースの内部圧力に対する耐性も大幅に向上します。編組はホースの動きに合わせて柔軟に変形します。これは、2 番目の編組を使用した場合でも当てはまり、圧力耐性がさらに向上します。編組を接続フィッティングに接続する方法は、フィッティングの種類とホースの要件によって異なります。過酷な動作条件下では、編組の上に追加の丸線コイルを巻き付けたり、編組を保護ホースで覆ったりすることができます。

図: 車両排気システム用デカップラーとしての編組保護付き金属ホース

ワイヤー編組は、レイジー トング原理に基づいて機能します。ホースに軸方向の張力がかかると、編組は伸びの限界に達します。つまり、ワイヤーは最小の交差角度で密に間隔を空けて配置され、可能な限り最小の直径と最大の長さのホース編組が作成されます。ホースが軸方向に圧縮されると、交差角度と直径は最大値まで増加します。

• コッホ、ハンス・エーバーハルト: 100 Jahre Metallschlauch Pforzheim、1995
• ウィッツェンマングループ: 企業アーカイブ
• グレゴール・ミュールターラー著、ウィッツェンマン GmbH の会社沿革
• Reinhard Gropp、Marc Seckner、Bernd Seeger:フレキシブル金属パイプ。掲載: Die Bibliothek der Technik 382。南ドイツ連合協定、ミュンヘン、2016 年。
• Carlo Burkhardt、Bert Balmer:自動車デカップリング要素技術: Die Bibliothek der Technik 237。Süddeutscher Verlag onpact、ミュンヘン、2008。
• メタルホースの説明書。ヴィッツェンマン、プフォルツハイム、2007。