JP2002147362A - ベローズおよびベローズ式ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ベローズ式ポンプ装置に使用されるベローズ
は、長期に亘って繰り返し伸縮作動を受け、蛇腹の山部
と谷部に応力が集中する。このため、蛇腹の山部と谷部
の劣化によって耐久性が決定されてしまう。 【解決手段】 ベローズ２には、蛇腹の山部２ａと谷部
２ｂの間に、１つの中間折部２ｃが形成されている。こ
の中間折部２ｃは、全て同一方向に向いて曲折したもの
であり、断面が略く字形を呈するものである。ベローズ
２が伸縮した際、蛇腹の山部２ａと谷部２ｂの他に、中
間折部２ｃにも応力が分散して発生する。このため、従
来に比較してベローズ２の耐久性を向上することができ
る。また、中間折部２ｃの曲折角度θを９０°〜１１０
°の範囲内で、且つ中間折部２ｃの曲率半径ｒを０．５
〜０．７ｍｍの範囲内に設けたことにより、ベローズ２
に発生する応力を、山部２ａ、谷部２ｂ、中間折部２ｃ
に効率的に分散させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸方向に弾性的に
伸縮する蛇腹状の筒形を呈したベローズ、およびこのベ
ローズの伸縮による容積変化を利用して作動流体の吸引
と圧送を行うベローズ式ポンプ装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ベローズ式ポンプ装置等に使用されるベ
ローズとして、蛇腹の山部および谷部の形状が断面Ｕ字
形のＵ字ベローズやネスティングベローズが一般に用い
られている。これらのベローズは、長期に亘って繰り返
し伸縮作動を受ける。ベローズは、伸縮を受けると、蛇
腹の山部と谷部に応力が集中するため、蛇腹の山部と谷
部の劣化によって耐久性が決定される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】蛇腹の山部と谷部にお
ける応力集中を緩和して、耐久性を向上させる技術とし
て、特開平１０−１４８２５８号公報に開示された技術
が知られている。この技術は、ベローズの端部に装着さ
れるフランジ等の接合部材と蛇腹との間に隙間を設け、
接合部材に最も近い蛇腹の山部に集中する応力を緩和す
るものである。しかるに、この技術は、接合部材に最も
近い蛇腹の山部の応力集中を緩和することを目的とした
ものであって、蛇腹の山部と谷部に発生する応力を軽減
する効果はない。このため、従来の技術では、蛇腹の山
部と谷部に応力が集中することは回避できず、蛇腹の山
部と谷部の劣化によって耐久性が決定されていた。本発
明の目的は、蛇腹の山部と谷部に発生している応力を分
散させて、耐久性を向上させることのできるベローズ、
および耐久性に優れたベローズ式ポンプ装置の提供にあ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】〔請求項１の手段〕請求
項１の手段を採用することにより、ベローズが伸縮した
際、蛇腹の山部と谷部の他に、中間折部にも応力が分散
して発生する。つまり、中間折部に応力が分散されるた
め、山部と谷部に発生する応力を緩和することができ
る。このように、ベローズが伸縮した際に発生する応力
が、山部と谷部と中間折部に分散するため、従来に比較
してベローズの耐久性を向上することができる。

【０００５】〔請求項２の手段〕請求項２の手段を採用
することにより、ベローズの伸縮時に、ベローズの内側
に配置される部材（例えば、死容積埋部材）と、ベロー
ズの内周とが接触しても、蛇腹の内周の傾斜によってベ
ローズが外側に逃げるため、ベローズが破損する不具合
を回避できる。

【０００６】〔請求項３の手段〕請求項３の手段を採用
することにより、ベローズに発生する応力が、山部、谷
部、中間折部にほぼ均等に分散できるため、ベローズの
耐久性を向上することができる。

【０００７】〔請求項４、５の手段〕請求項４または請
求項５の手段を採用することにより、耐久性に優れたベ
ローズを搭載するため、従来に比較してベローズ式ポン
プ装置の耐久性を向上させることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、複数の実
施例および変形例を用いて説明する。 〔第１実施例〕図１はベローズ式ポンプ装置に搭載され
るベローズユニット１の概略断面図である。なお、この
実施例に示すベローズユニット１は、例えば、水素供給
用ポンプに用いられるものであり、水素を透過せず、耐
被毒性および耐久性に優れた金属材料（例えばステンレ
ス）によって構成されるものである。

【０００９】ベローズユニット１は、軸方向に弾性的に
伸縮する蛇腹状の筒形を呈したベローズ２、このベロー
ズ２の駆動端側に固着されたキャップ３、ベローズ２の
内部に配置された死容積埋部材４を備え、ベローズ２の
伸縮による内部の容積変化を利用して作動流体の吸引と
圧送を行うものである。

【００１０】ベローズ２は、図１中の右側端部が伸縮駆
動を受ける駆動端であり、図１中の左側端部が固定端で
ある。ベローズ２の駆動端は、円盤状のキャップ３にろ
う付けや溶接等の接合技術によって接合されたものであ
り、キャップ３の受ける往復動によってベローズ２の駆
動端が往復駆動されるものである。ベローズ２の固定端
は、略円柱形状を呈した死容積埋部材４の図示左側に設
けられたフランジ４ａに、ろう付けや溶接等の接合技術
によって接合されたものであり、ベローズ２、キャップ
３、死容積埋部材４に囲まれて外部と遮断された空間に
よって、作動流体を吸入、圧縮するための作動室５が形
成される。

【００１１】図２は図１のＡ部の拡大図を示すものであ
り、この図２に示すように、ベローズ２は、蛇腹の山部
２ａ（外周側の折り返し部）と谷部２ｂ（内周側の折り
返し部）の間に、断面が略く字形を呈した中間折部２ｃ
が形成されている。この中間折部２ｃは、同方向に曲折
したものであり、全ての山部２ａと谷部２ｂとの間に１
つづつ形成されている。

【００１２】ベローズ２の内周側の谷部２ｂは、図１に
示すように、ベローズ２の駆動端側に向いている。これ
によって、ベローズ２の伸縮時に、ベローズ２の内側に
配置される死容積埋部材４とベローズ２の内周とが接触
しても、蛇腹の内周側の傾斜によってベローズ２が外側
に逃げる。このため、ベローズ２が破損する不具合を回
避できる。

【００１３】中間折部２ｃの曲折角度θは、好ましくは
９０°〜１１０°の範囲内、さらに好ましくは１００°
前後に設けられている。図３に、中間折部２ｃの曲折角
度θと、応力の発生量との関係を示す。なお、図３は、
応力の発生度合を振幅量で表すものであり、縦軸の応力
振幅量は、山部２ａ、谷部２ｂ、中間折部２ｃのうちの
最も大きい振幅値を示すものである。

【００１４】この図３から読み取ることができるよう
に、中間折部２ｃの曲折角度θを１８０°（曲げなし）
から徐々に小さくしていき、曲折角度θが１２０°より
小さくなると、応力振幅量が急に減少し始める。曲折角
度θが１００°前後で応力振幅量が最小になる。そし
て、中間折部２ｃの曲折角度θが９０°より小さくなる
と、応力振幅量の減少度合が小さくなる。このように、
中間折部２ｃの曲折角度θを９０°〜１１０°の範囲内
とすることにより、ベローズ２の伸縮によって発生する
応力を、山部２ａ、谷部２ｂ、中間折部２ｃに分散させ
ることができ、応力の集中度合を下げることができる。
さらに、中間折部２ｃの曲折角度θを１００°前後とす
ることにより、応力振幅量を最小にできる。

【００１５】ここで、ベローズ２は、０．２ｍｍ厚のス
テンレス製のものであるとすると、中間折部２ｃの曲率
半径ｒは、好ましくは０．４〜１．０ｍｍの範囲内、さ
らに好ましくは０．５〜０．７ｍｍの範囲内に設けられ
ている。図４に、中間折部２ｃの曲率半径ｒと、中間折
部２ｃに発生する応力との関係を示す。なお、図４でも
応力の発生度合を振幅量で表すものであり、縦軸の応力
振幅量は、山部２ａ、谷部２ｂ、中間折部２ｃのうちの
最も大きい振幅値を示すものである。

【００１６】この図４から読み取ることができるよう
に、中間折部２ｃの曲率半径ｒを０．４〜１．０ｍｍの
範囲内とすることにより、応力振幅量を小さくでき、ベ
ローズ２に発生する応力を山部２ａ、谷部２ｂ、中間折
部２ｃに分散させることができる。そして、中間折部２
ｃの曲率半径ｒを０．５〜０．７ｍｍの範囲内とするこ
とにより、応力振幅量をさらに小さくできる。

【００１７】死容積埋部材４は、ベローズ２の内部空間
に生じる死容積を埋め、作動室５の作動流体圧縮比を向
上させて適切な圧縮比を得るための部材である。死容積
埋部材４の内部には、作動室５へ作動流体を導くための
吸入通路６、および作動室５から圧送された作動流体を
外部へ導くための吐出通路７が形成されている。これに
より、ベローズユニット１における吸入通路６および吐
出通路７の取回しがシンプルになる。

【００１８】吸入通路６と作動室５を連通する部分に
は、吸入通路６から作動室５に向かってのみ作動流体を
流す一方向弁である吸入弁８が設けられている。また、
吐出通路７と作動室５を連通する部分には、作動室５か
ら吐出通路７に向かってのみ作動流体を流す一方向弁で
ある吐出弁９が設けられている。なお、吸入弁８および
吐出弁９は、リード弁あるいはチェック弁など、周知の
一方向弁を用いたものである。

【００１９】次に、ベローズ式ポンプ装置における上記
ベローズユニット１の駆動機構について説明する。この
実施例の駆動機構は、図５に示すように、回転動力を発
生する電動モータ１１と、この電動モータ１１の発生す
る回転動力を、キャップ３の軸方向の往復動に変換する
往復動機構１２とから構成される。ベローズ式ポンプ装
置は、上述したベローズユニット１を、図６に示すよう
に複数（この実施例では８つ）搭載するものであり、電
動モータ１１によって回転駆動される回転シャフト１３
の周りに、ベローズユニット１を４つづつ対向配置した
ものである。

【００２０】往復動機構１２は、回転シャフト１３と一
体に回転する斜板１４を用いた斜板式のものであり、こ
の斜板１４は、軸方向に対向するベローズユニット１の
間に配置されている。斜板１４には、斜板１４の揺動を
各キャップ３に伝える駆動軸１５が取り付けられてお
り、斜板１４と駆動軸１５との間には斜板１４の揺動を
駆動軸１５の往復移動に変換するためのシュー１６が配
置されている。なお、駆動軸１５は、シリンダ１７内に
配置されて軸方向のみに移動可能に設けられている。

【００２１】次に、吸入通路６と吐出通路７の接続構造
を図７に示す。この図は、各死容積埋部材４に固着され
るデリバリプレート１８を示すものであり、このデリバ
リプレート１８には、作動流体を各ベローズユニット１
に分配するように吸入通路６が形成されるとともに、各
ベローズユニット１で圧縮された作動流体を集合するよ
うに吐出通路７が形成されている。

【００２２】ベローズ式ポンプ装置の全体の断面を図５
に示す。この図に示すように、８つのベローズユニット
１は、両端のデリバリプレート１８と矩形ケーシング１
９に囲まれる空間内に収納される。ここで、矩形ケーシ
ング１９は、電動モータ１１に近い側の４つのベローズ
ユニット１の周囲を覆う第１枠体１９ａと、吸入通路６
に連通する吸入ポート６ａ、および吐出通路７に連通す
る吐出ポート７ａが形成された第２枠体１９ｂと、第３
枠体１９ｃと、電動モータ１１から離れた側の４つのベ
ローズユニット１の周囲を覆う第４枠体１９ｄとから構
成される。なお、第２、第３枠体１９ｂ、１９ｃの内部
には、駆動軸１５を軸方向のみに摺動保持するためのシ
リンダ１７が配置されている。

【００２３】〔第１実施例の作動〕電動モータ１１が作
動すると、回転シャフト１３の回転に伴って斜板１４が
傾斜した状態で回転する。すると、斜板１４の端部の揺
動が駆動軸１５を介してキャップ３に伝わり、キャップ
３が軸方向に往復駆動される。キャップ３の往復動に伴
って、ベローズ２が伸縮する。ベローズ２が伸びる際
は、作動室５の容積の増大によって、吸入通路６から作
動室５内に作動流体が流入する。続いて、ベローズ２が
収縮すると、作動室５の容積の減少によって、作動室５
の作動流体が圧縮され、圧縮された作動流体が吐出通路
７を介して外部へ圧送される。つまり、キャップ３が連
続して伸縮駆動されることで、各ベローズユニット１が
ポンプ作動を行う。

【００２４】この実施例では、回転シャフト１３の回り
に、４つのベローズユニット１を９０度間隔で配置し、
それを斜板１４を用いて駆動しているため、各ベローズ
ユニット１の動作の位相が９０度づつずれることにな
る。この結果、作動流体の吸入および吐出の脈動が平均
化される。

【００２５】〔第１実施例の効果〕上記の実施例で示し
たように、ベローズ２の蛇腹の山部２ａと谷部２ｂの間
に中間折部２ｃを形成したことにより、ベローズ２が伸
縮した際、蛇腹の山部２ａと谷部２ｂの他に、中間折部
２ｃにも応力が分散して発生する。このように、応力が
山部２ａと谷部２ｂと中間折部２ｃに分散されるため、
従来に比較してベローズ２の耐久性を向上することがで
きる。特に、中間折部２ｃの曲折角度θを、９０°〜１
１０°の範囲内で、且つ中間折部２ｃの曲率半径ｒを
０．５〜０．７ｍｍの範囲内に設けたことにより、ベロ
ーズ２に発生する応力を、山部２ａ、谷部２ｂ、中間折
部２ｃに効率的に分散させることができる。このため、
ベローズ２の耐久性を飛躍的に高めることができる。あ
るいは、伸縮量を大きくとることが可能になるため、ベ
ローズ２に生じる死容積を小さくすることができる。こ
の死容積の低減により、ポンプ効率（体積効率）が向上
するので、ベローズユニット１の体格を小型化できる。

【００２６】また、ベローズ２の内周側の谷部２ｂをベ
ローズ２の駆動端側に向けて配置したことにより、ベロ
ーズ２の伸縮時に、ベローズ２の内側に配置される死容
積埋部材４とベローズ２の内周とが接触しても、蛇腹の
内周側の傾斜によってベローズ２が外側に逃げる。この
ため、ベローズ２が破損する不具合を回避できる。ま
た、この技術によって、ベローズ２と死容積埋部材４と
のクリアランスを小さくできるため死容積を小さくで
き、ベローズユニット１を小型化できる。さらに、ベロ
ーズ式ポンプ装置は、耐久性に優れたベローズ２を用い
たものであるため、ベローズ式ポンプ装置としての耐久
性が向上する。

【００２７】〔第２実施例〕図８のベローズユニット１
の概略断面図を参照して、第２実施例を説明する。な
お、図中において第１実施例と同一符号は、同一機能物
を示すものである。この第２実施例は、ベローズユニッ
ト１の駆動機構に用いられる往復動機構１２に関するも
のである。この実施例の往復動機構１２は、電動モータ
１１（符号、第１実施例参照）によって回転駆動される
クランク２１と、クランク２１の回転運動をキャップ３
の軸方向移動に変換するクランクシャフト２２とから構
成されるものであり、クランク２１が回転駆動される
と、キャップ３が軸方向に往復動するものである。

【００２８】〔第３実施例〕図９のベローズユニット１
の概略断面図を参照して、第３実施例を説明する。な
お、図中において第１実施例と同一符号は、同一機能物
を示すものである。この第３実施例も、往復動機構１２
に関するものである。この実施例の往復動機構１２は、
電動モータ１１（符号、第１実施例参照）によって回転
駆動されるカム２３を備え、カム２３はベローズ２の復
元力に抗してキャップ３を押し付けるものであり、この
カム２３が回転駆動されると、キャップ３が軸方向に往
復動するものである。

【００２９】〔変形例〕上記の実施例では、本発明を水
素供給用ポンプに適用した例を示したが、例えば可燃性
ガス、毒性ガス等の気体圧送用ポンプや、可燃性液体、
毒性液体等の液体圧送用ポンプに適用しても良い。上記
の実施例では、ベローズ２の一例として山部２ａおよび
谷部２ｂがＵ字形状を呈したＵ字ベローズ２を用いた例
を示したが、皿バネ状に設けられたリング円盤を交互に
重ね合わせて接合して構成されるベローズ２に本発明を
適用しても良い。上記の実施例では、ベローズユニット
１の材質として、金属を用いた例を示したが、ベローズ
ユニット１の構成部材の一部、あるいは全部を樹脂やゴ
ムを用いて構成しても良い。つまり、例えば、適用され
る作動流体に応じて、ベローズ２等を樹脂やゴムを用い
て構成しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】ベローズユニットの概略断面図である（第１実
施例）。

【図２】図１のＡで囲まれた部分の拡大断面図である
（第１実施例）。

【図３】中間折部の曲折角度と応力振幅量との関係を示
すグラフである（第１実施例）。

【図４】中間折部の曲率半径と応力振幅量との関係を示
すグラフである（第１実施例）。

【図５】ベローズ式ポンプ装置の断面図である（第１実
施例）。

【図６】ベローズユニットの配置を示す斜視図である
（第１実施例）。

【図７】デリバリプレートにおける吸入通路および吐出
通路の配置を示す説明図である（第１実施例）。

【図８】ベローズユニットの概略断面図である（第２実
施例）。

【図９】ベローズユニットの概略断面図である（第３実
施例）。

【符号の説明】

１ ベローズユニット ２ ベローズ ２ａ 山部 ２ｂ 谷部 ２ｃ 中間折部 ３ キャップ ４ 死容積埋部材 ６ 吸入通路 ７ 吐出通路 ８ 吸入弁 ９ 吐出弁

フロントページの続き (72)発明者 木本 幸博 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 3H077 AA01 AA11 BB03 BB05 CC03 DD02 DD12 EE21 EE34 FF02 FF09 FF10 FF22 3J045 AA04 AA20 BA02 BA03 BA04 CB04 CB25 EA10

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸方向に弾性的に伸縮する蛇腹状の筒形を
   呈したベローズであって、 このベローズは、蛇腹の山部と谷部の間に、断面が略く
   字形を呈した１つの中間折部を備えることを特徴とする
   ベローズ。
2. 【請求項２】請求項１のベローズにおいて、 前記ベローズの内周側の谷部は、前記ベローズの駆動端
   側に向いて設けられたことを特徴とするベローズ。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２のベローズにおい
   て、 前記中間折部の曲折角度は、９０°〜１１０°の範囲内
   であることを特徴とするベローズ。
4. 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかのベロ
   ーズと、 このベローズの一端を軸方向に向けて往復駆動させる駆
   動機構とを備え、 前記ベローズの伸縮による内部容積の変化を利用して、
   作動流体を搬送するベローズ式ポンプ装置。
5. 【請求項５】請求項１ないし請求項３のいずれかのベロ
   ーズと、 このベローズの駆動端側に固着されたキャップと、 このベローズの固定端側が固着されるとともに、前記ベ
   ローズ内に配置され、前記ベローズ内の容積の増大変化
   によって作動流体を前記ベローズの内部に供給する吸入
   通路および吸入弁、前記ベローズ内の容積の減少変化に
   よって作動流体を前記ベローズの外部に排出する吐出通
   路および吐出弁を備えた死容積埋部材と、 前記キャップを往復駆動させる駆動機構とを備え、 前記ベローズの伸縮による内部容積の変化を利用して、
   作動流体を搬送するベローズ式ポンプ装置。