ベローズ｜伸縮・密封・振動吸収に強い柔構造

ベローズ

ベローズは、同心円状の山と谷（コルゲーション）を多数もつ薄肉の波形管であり、軸・横・角の三方向の変位を吸収しつつ密封を維持する柔軟要素である。配管の伸縮継手、バルブのグランドシール、真空機器の可動シール、シャフトのカップリングなどで広く用いられる。金属、ゴム、PTFEなど素材と製造法の選択により、圧力・温度・疲労寿命の要件に合わせた高い信頼性設計が可能である。

Table Of Contents

構造と機能

ベローズは、薄肉円筒に規則的な波形（ピッチp、山高h）を付与することで、軸方向のばね性を確保しつつ、漏れを許さない連続肉厚のシールを実現する構造である。軸方向変位（伸縮）を主用途とするが、横方向・角度変位も許容できる。形状・板厚t・有効径De・山数nによりばね定数kと許容変位Δx、座屈圧力が決まるため、力学特性と密封性を両立させる形状最適化が重要である。

種類

  • ベローズ（金属）: SUS304/316L、ニッケル合金、黄銅など。高温・高圧・真空に適し、疲労寿命が長い。
  • ベローズ（ゴム）: NBR、EPDMなど。耐振動・防振性に優れ、低圧・常温域で使用される。
  • ベローズ（PTFE）: 強い耐薬品性と低摩擦。半導体・薬液ラインに適する。
  • 製法: 成形（ハイドロフォーミング/メカニカル）と溶接（薄肉リングのTIG/レーザ）に大別される。

主な用途

  • 配管用伸縮継手（熱伸び・地震時変位の吸収、脈動緩和）
  • バルブのグランドシール（ゼロリーク化、環境規制対応）
  • 真空フィードスルー/ベローズシール付きステムの可動シール
  • ベローズカップリング（ねじり剛性とミスアライメント許容の両立）
  • 機器間の微小振動アイソレーション

設計パラメータ

  • 幾何: 有効径De、ピッチp、山高h、板厚t、山数n、層数（単層/多層）
  • 強度: 許容圧力P、座屈圧力Pb、ばね定数k、許容変位Δx、許容応力σa
  • 環境: 温度T、介質、腐食代c、所要サイクルNf、許容リーク

材料と特性

ベローズ用材料は、成形性・疲労強度・耐食性・溶接性のバランスで選定する。SUS316Lは耐食・溶接性に優れ汎用である。高温・塩化物環境ではNi基合金が有利である。ゴムは弾性と減衰に富み、低圧で防振効果が高い。PTFEは優れた耐薬品性と−10〜+200℃程度の温度域で安定である。薄肉化は柔軟性を高めるが座屈余裕を下げるため、補強リングや多層化で補う。

設計と計算の要点

ベローズの設計では、EJMAに準拠した応力評価と疲労寿命推定を行う。繰返し変位による膜応力・曲げ応力の合成を評価し、許容応力以下でNfを満たすよう形状を決める。軸ばね定数kは変位荷重と機器反力の整合に重要で、過小だと座屈、過大だと応力増大を招く。内圧によるスラスト力F=P×有効面積はアンカ設計に直結するため、配管系の固定点とガイドの配置設計を同時に行う。

信頼性と試験

ベローズは、耐圧（水圧/気圧）試験、気密（ヘリウムリーク）試験、繰返し変位試験、座屈試験、寸法検査、外観/溶接部の非破壊検査（PT、X線）を実施する。試験は製造ロットの変動や成形ひずみの影響を見極める目的も兼ねる。真空用途では1×10^-9Pa・m^3/s級のリーク基準を設定する場合がある。

製造方法

成形ベローズは円筒ブランクに内圧やロールで波形を賦形する。溶接ベローズは薄肉ダイアフラムリングを積層しTIG/レーザで連続溶接して波形を構成する。成形は生産性が高く、溶接は精密で高温高圧に強い。ゴムはコンプレッション/トランスファ成形で加硫し、PTFEはペースト押出・焼結で波形を形成する。

配管設計上の注意

ベローズ伸縮継手は、スラスト力を受ける固定点（アンカ）と、座屈防止のためのガイド・スライド支持を前提に配置する。初期偏心・捩れは疲労を促進するため、芯出しと取付姿勢を厳守する。外装カバーや内筒（ライナー）は高速流体によるフラッタや侵入物による損傷を低減する。

故障モードと対策

  • 疲労亀裂: 変位過大/応力集中→形状最適化、ストッパ併用、Nf余裕の確保
  • 圧力/真空座屈: 薄肉・長尺→補強リング、ガイド拘束、k最適化
  • 腐食・応力腐食割れ: 材料変更、表面処理、介質管理、温度低減
  • 溶接欠陥: WPS管理、NDT強化、熱入力最適化
  • 摩耗・擦れ: ミスアライメント修正、内筒/外装カバー追加

ベローズカップリングの特徴

回転機械では、ベローズカップリングが高いねじり剛性とゼロバックラッシュを実現しつつ、偏心・偏角・軸方向の微小変位を許容する。多層薄肉化によって曲げ柔軟性を高め、軸受荷重の増加を抑える。高回転ではバランスと疲労強度、ねじり固有振動数の管理が重要である。

選定手順

  1. 目的の定義（伸縮継手/シール/カップリング）
  2. 条件整理：圧力P、温度T、介質、必要変位（軸・横・角）、サイクルNf
  3. 材料/製法選定（SUS316L、Ni基、ゴム、PTFE、成形/溶接）
  4. 形状設計（De、p、h、t、n、層数）とk・許容変位の整合
  5. 配管/支持設計（固定点、ガイド、内筒/カバー）
  6. 試験/検証（耐圧、リーク、繰返し、座屈）

関連部品と接続

ベローズはフランジ・ガスケット・締結体と組み合わせて配管に接続する。締結体にはボルトとナットを用いるため、締付力の管理とガスケットの面圧設計が漏洩防止の鍵となる。真空・薬液では表面粗さ、面硬度、フッ素系シール材の適合も確認する。

用語補足：波形管とダイアフラム

波形管型ベローズは軸方向の可動を主目的とし、ダイアフラムは膜のひずみで容積変化や隔離を行う。いずれも漏洩経路を持たない連続肉厚のシール要素であり、疲労や座屈に対する評価手法に違いがある。

規格・指針

ベローズの設計・検査にはJISやEJMA、ASME系のプロセス配管規格が参照される。要求事項（圧力、温度、リーク基準、トレーサビリティ）を仕様書で明確化し、材料ミルシート、溶接WPS、検査記録を整備して品質を担保する。