JP2005282702A - 金属蛇腹管複合ホース - Google Patents

Abstract

【課題】内圧の繰返し付加によって金属蛇腹管が径方向に過大に膨張・収縮変形し、これによって金属蛇腹管が早期に疲労破断に到る問題を解決し、良好な耐久性能を有する金属蛇腹管複合ホースを提供する。
【解決手段】金属蛇腹管２０を輸送流体の透過バリア層として有するとともに、金属蛇腹管２０の山部３８と山部３８との間の外周側の谷間空間４２を弾性充填材層２２で充填して成る金属蛇腹管複合ホース１０において、弾性充填材層２２を、谷間空間４２を山部３８の頂に到るまで完全充填する一方、山部３８の頂より径方向外側の部分の厚みが０．３ｍｍ以下の厚みとなるように構成する。
【選択図】 図２

Description

この発明は自動車の燃料輸送用，冷媒輸送用，燃料電池で使用される水素ガス等の電池燃料の輸送用その他に好適に使用可能な、金属蛇腹管を輸送流体の透過バリア層として有する金属蛇腹管複合ホースに関する。

自動車の燃料（ガソリン等エンジン用の燃料）輸送用ホース等として従来、振動吸収性，組付性等の良好な一般的なゴムホース、例えば耐ガソリン透過性の優れるＮＢＲ・ＰＶＣ（アクリロニトリルブタジエンゴムとポリ塩化ビニルとのブレンド）等が用いられて来たが、近年自動車用燃料等の透過規制は地球環境保全の観点から厳しく、今後もその規制の一層の強化が予想される。
従ってかかる燃料輸送用ホースにおいてはより一層の耐透過性が求められる。

また燃料電池で使用される水素ガス等の輸送用ホースや炭酸ガス冷媒の輸送用ホースにあっては、それら水素ガスや炭酸ガス等の輸送流体に対して極めて高い耐透過性が要求される。
こうした要求に対し、ゴムや樹脂等の有機材料のみで構成されたホースでは求められる要求性能を満足することは困難である。

このようなことから、金属蛇腹管を複合化し、これを輸送流体の透過バリア層として有する金属蛇腹管複合ホースが検討されている。
例えば下記特許文献１にこの種の金属蛇腹管複合ホースが開示されている。

ところで金属蛇腹管は蛇腹形状によって、即ち形状的な効果によって可撓性を有するものであり、材料自体は金属であるためゴム等と異なって弾性を有しない。

従ってこのような金属蛇腹管を複合化したホースの場合、流体の輸送に際して内圧が繰返し付加されて、金属蛇腹管が繰返し径方向に膨張・収縮変形すると、金属蛇腹管に働く応力によって金属蛇腹管が早期に疲労破断してしまい易い問題を内包する。

具体的には、金属蛇腹管が径方向に膨張する際、山部に最大の引張り応力がかかる。
そしてこれの繰返しによって山部が周方向に沿って割れを起し易い。
一方谷部は金属蛇腹管の径方向の膨張・収縮の繰返しに伴って屈曲変形し、そしてその繰返しによって同じく谷部においても周方向に沿って割れを起し易い。

従来提案されているこの種金属蛇腹管複合ホースにあっては、金属蛇腹管の山部と山部との間の外周側の谷間空間をゴム等の弾性材が埋めており、この谷間空間を埋めた弾性材は、結果として金属蛇腹管における山部，谷部の上記した変形を抑制する働きがある。
但し従来の金属蛇腹管複合ホースの場合、上記谷間空間を埋めた弾性材は蛇腹部の山部，谷部の過度の変形を抑制することを意図して設けたものではない。

そこで本発明者等は金属蛇腹管、詳しくは山部，谷部の過度の変形を抑制する意図をもって山部と山部との間の外周側の谷間空間を充填する弾性充填材層を設けて成る金属蛇腹管複合ホースを試作し、その評価を行った。

図７はその一例を比較例として示したものである。
同図において２００は金属蛇腹管複合ホース（以下単にホースとする）で、輸送流体の透過バリア層としての金属蛇腹管２０２が最内層に設けてあり、その径方向外側にゴム充填材層２０４，第１補強層２０６，中間ゴム層２０８，第２補強層２１０及び外面ゴム層（カバーゴム層）２１２が積層されている。
ここで第１補強層２０６は内圧作用時の耐圧性を受け持つ部分で、有機繊維から成る補強糸を編組して成る層であり、その編組角は静止角（約５５°）よりも大角度となしてある。

この第１補強層２０６は内圧作用時にホース２００全体が膨張変形するのを抑制する働きをなす。
その膨張抑制作用は金属蛇腹管２０２にも及んでおり、この第１補強層２０６の働きによって金属蛇腹管２０２の内圧の作用による膨張変形が抑制される。

図７（Ｂ）において、２１４は金属蛇腹管２０２詳しくはその蛇腹部における山部を、また２１６は谷部を表しており、更に２１８は隣接する山部２１４と２１４との間の外周側の谷間空間を表している。
上記ゴム充填材層２０４は、この谷間空間２１８を埋めることによって金属蛇腹管２０２の膨張変形及び山部２１４，谷部２１６の過度の変形を抑制する働きをなす。

即ち、（Ｂ）（イ）に示しているように金属蛇腹管における山部２１４と２１４との間の谷間空間２１８に何らの充填材も充填されておらず、谷間空間２１８が空洞状態であると、（Ｂ）（ロ）に示しているように内圧作用時に金属蛇腹管２０２が容易に変形を起しながら全体として拡径方向に膨張してしまう。
その際山部２１４には過大な引張り応力が働く。また谷部２１６は大きく屈曲変形する。

これに対して、（Ｃ）に示しているように谷間空間２１８がゴム充填材層２０４で充填されていると、そうした変形が抑制され、その抑制効果によって、山部２１４に過大な引張り応力が働いたり、或いはまた谷部２１６が過大に屈曲変形したりするのが防止され、これにより金属蛇腹管２０２の過大な膨張変形及び山部２１４，谷部２１６の過大な応力発生が防止されて、内圧が繰返し作用したときの金属蛇腹管２０２の破断に到る耐久性が向上することが期待される。

しかしながらこのホース２００に対して内圧を間欠的に繰返し付加する耐久性試験（インパルス耐久試験）を行ったところ、その耐久性は必ずしも十分なものではなかった。
その原因を追求したところ、（Ａ）に示すホース２００の場合、ゴム充填材層２０４が金属蛇腹管２０２における山部の外側に所定の肉厚を軸方向全長に亘って有していることから、第１補強層２０６による膨張抑制の効果が、金属蛇腹管２０２に対して十分効果的に働かず、ゴム充填材層２０４の弾性変形を伴って金属蛇腹管２０２が径方向外方に膨張変形してしまい、このことが内圧の繰返し付加によって金属蛇腹管２０２が比較的早期に耐久寿命に達し、破断してしまうことの理由であることが判明した。

尚、図７（Ｄ）に示しているように上記とは逆にゴム充填材層２０４の全体的なゴム量が少な過ぎて、かかるゴム充填材層２０４が谷間空間２１８を十分に埋めていない場合においても、金属蛇腹管２０２における良好な耐久性は得られない。
谷間空間２１８内にゴムの逃げる空間があるため、谷間空間２１８内のゴムが容易にその空間に逃げることによって、金属蛇腹管の変形抑制機能が十分に働かないからである。

特開２００１−１８２８７２号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、内圧の繰返し付加によって金属蛇腹管が径方向に過大に膨張・収縮変形し、これによって金属蛇腹管が早期に疲労破断に到る問題を解決し、良好な耐久性能を有する金属蛇腹管複合ホースを提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１のものは、金属蛇腹管を輸送流体の透過バリア層として有するとともに、該金属蛇腹管の山部と山部との間の外周側の谷間空間を弾性充填材層で充填して成る金属蛇腹管複合ホースにおいて、前記弾性充填材層を、前記谷間空間を前記山部の頂に到るまで完全充填する一方、該山部の頂より径方向外側の部分の厚みが０．３ｍｍ以下の厚みとなるように構成したことを特徴とする。

請求項２のものは、請求項１において、前記金属蛇腹管の径方向外側には、補強線材を編組して成る補強層が直接又は他層を介して設けてあり、該補強層はその編組角が静止角よりも大角度となしてあることを特徴とする。

発明の作用・効果

以上のように本発明は、弾性充填材層を、谷間空間を山部の頂に到るまで完全充填する一方、山部の頂から径方向外側の部分の厚みが０．３ｍｍ以下の厚みとなるように設けたものである。
上記したように山部と山部との間の谷間空間を弾性充填材層が完全に埋めていないと、即ち山部の頂に到るまで谷間空間に弾性充填材層が完全に充填されていないと、かかる弾性充填材層による金属蛇腹管、詳しくは山部及び谷部の過大な変形抑制機能が十分に働かず、金属蛇腹管が早期に疲労破断してしまう。

通常、弾性充填材層はホース製造に際して弾性材の押出しにより形成されるが、その際の押出量が不足すると上記のような谷間空間に対する弾性充填材層の不完全充填が生じ易い。
一方でこれを防止すべく弾性材の押出量が多くなれば、必然的に山部の頂より径方向外方側の弾性充填材層の厚みが厚くなる。
理想的にはその山部の頂より径方向外側の部分の厚みはゼロとすることであるが、製造上そうしたことは難しい。

そこで本発明者等は、山部の頂より径方向外側の部分の厚みと金属蛇腹管ホース、詳しくはその弱点部である金属蛇腹管の耐久性との関係を調べたところ、その厚みを０．３ｍｍ以下に制御するならば、繰返し加圧に対して十分な耐久性の得られることが判明した。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
ここで上記弾性充填材層は、好適にはゴム充填材層となしておくことができる。

本発明は、金属蛇腹管の径方向外側に補強線材を編組して成る補強層が直接又は他層を介して設けてあり、且つその補強層は編組角が静止角よりも大角度となしてある金属蛇腹管複合ホースに適用して大なる効果を奏する（請求項２）。

次に本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１及び図２において、１０は金属蛇腹管複合ホース（以下単にホースとする）で、１２はホース本体、１４はホース本体１２の端部に装着された継手金具である。
継手金具１４は、パイプ状のインサート金具１６と、スリーブ状のソケット金具１８とを有しており、そのソケット金具１８が縮径方向にかしめ付けられることによって、それらがホース本体１２の端部に固定されている。

ホース１０は金属蛇腹管２０を最内層に有し、この金属蛇腹管２０の径方向外側に弾性充填材層としてのゴム充填材層２２，硬質の樹脂層２４，第１補強層２６，中間ゴム層２８，第２補強層３０，最外層としての外面ゴム層（カバーゴム層）３２が積層されている。
金属蛇腹管２０は、蛇腹部３４と端部の直管状を成すストレート形状部３６とを有しており、そのストレート形状部３６の内側に上記インサート金具１６が嵌入されている。

最内層の金属蛇腹管２０は、輸送流体に対する透過バリア層としてのもので、蛇腹部３４によって可撓性を備えている。
ゴム充填材層（非発泡材のソリッドゴムの層）２２は、図３に示しているように蛇腹部３４における隣接した山部３８と３８との間の外周側の谷間空間４２を埋めて、蛇腹部３４の内圧作用時の膨張変形を抑制する層である。
本実施形態においてこのゴム充填材層２２は、山部３８の頂に到るまで谷間空間４２を完全充填する状態で、またその山部３８の頂と硬質の樹脂層２４との間の厚みｄが０．３ｍｍ以下の厚みで設けられている。

一方第１及び第２補強層２６及び３０は耐圧確保のための層で、このうち第１補強層２６は、ここでは補強糸等の補強線材を図４に示しているように静止角よりも大きい編組角θ_２で編組して成る層である。
一方外側の第２補強層３０は、ここでは金属ワイヤ等の補強線材を静止角よりも小さい編組角θ_１で編組して成る層である。
中間ゴム層２８は第１補強層２６と第２補強層３０との層間のずれ及び摩耗を防止し且つこれらを一体化する働きをなし、また最外層の外面ゴム層３２は補強層３０を保護する働きをなす。

一方樹脂層２４は、蛇腹部３４における山部３８と３８との間の外周側の谷間空間４２に充填されたゴム充填材２２Ａをその谷間空間４２に閉じ込め、金属蛇腹管２０の変形時にそのゴム充填材２２Ａが谷間空間４２から径方向外方にはみ出すのを防止する働きをなす。

尚この実施形態では樹脂層２４の外面に直接第１補強層２６が形成されている。
樹脂層２４と第１補強層２６の間にゴム層を介してもよいが、樹脂層２４外面に第１補強層２６を直接編組することにより、樹脂層２４と第１補強層２６が直接接して第１補強層２６の径変化を抑制する働きを樹脂層２４に有効に作用させることができる。

上記金属蛇腹管２０は、求められる柔軟性，可撓性からその肉厚については０．５ｍｍ以下とすることが望ましい。
一方で金属管加工の加工性から０．１ｍｍ以上が望ましい。
この金属蛇腹管２０は単層である場合の外、これを多層で構成することも可能である。

またその材質については鉄鋼，アルミニウム又はアルミニウム合金，銅又は銅合金，ニッケル又はニッケル合金，チタニウム又はチタニウム合金等を用いることができ、それらの中から輸送流体に対する耐性や振動・圧力による耐久性，金属管加工性等から適宜選択されるが、特にステンレス鋼を好適に用いることができる。

次に第１補強層２６，第２補強層３０は流体輸送の際に作用する内圧が低い場合等においては省略することも可能であるが、一般的には耐圧性を確保するためにこれら補強層を設けておくことが望ましい。

この実施形態では第１補強層２６，第２補強層３０は補強線材の巻付けの密度が８０％以下とされており、このことによって補強層自体の良好な柔軟性が確保されている。
尚これら第１補強層２６，第２補強層３０の補強線材の材質は有機繊維から成る補強糸その他様々な材質のものを用いることができ、必要に応じて金属ワイヤを用いることもできる。

上記中間ゴム層２８の厚みは０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲とすることができるが、第１補強層２６と第２補強層３０との摩耗防止及び一体化の観点から０．１〜０．５ｍｍの厚みとしておくことが望ましい。
またこの中間ゴム層自体も多層構造となしておくことができる。
これら中間ゴム層２８及びゴム充填材層２２の材質は隣接層との接着性，柔軟性，使用条件（外部からの液や衝撃）等に対する耐性，加工性等から適宜選択される。

例えばその材質として天然ゴム系、スチレン・ブタジエンゴム系，ブタジエンゴム系，イソプレンゴム系，クロロプレンゴム系，ブチルゴム系，ニトリルゴム系，エチレン・プロピレンゴム系，ハイパロンゴム系，アクリルゴム系，ウレタンゴム系，シリコンゴム系，フッ素ゴム系，ポリスルフィドゴム系，エピクロルヒドリンゴム系，プロピレンオキシドゴム系，アルフィンゴム系等から適宜選択して用いることができる。
また場合によって熱可塑性エラストマー等ゴム以外の弾性材をゴム充填材層２２，中間ゴム層２８に代えて用いることもできる。

次に外面ゴム層３２は使用条件によってこれを省略することも可能であるが、金属蛇腹管２０，第１補強層２６，第２補強層３０等の補強層の保護（外部からの液や衝撃等に対する保護）の観点からこれを設けておくことが望ましい。またその肉厚としては０．２〜２ｍｍ程度が望ましい。
更にその材質については隣接層との接着性，柔軟性，使用条件（外部からの液や衝撃）等に対する耐性，加工性等から適宜選択される。

例えばこの外面ゴム層３２の材質としては、天然ゴム系，スチレン・ブタジエンゴム系，ブタジエンゴム系，イソプレンゴム系，クロロプレンゴム系，ブチルゴム系，ニトリルゴム系，エチレン・プロピレンゴム系，ハイパロンゴム系，アクリルゴム系，ウレタンゴム系，シリコンゴム系，フッ素ゴム系，ポリスルフィドゴム系，エピクロルヒドリンゴム系，プロピレンオキシドゴム系，アルフィンゴム系等から適宜選択して用いることができる。
また場合によって熱可塑性エラストマー等ゴム以外の材質のものを用いることも可能である。

上記樹脂層２４は、求められる機能上ホース内圧によって発生する応力で変形しない剛性を有すること、またそのための必要な肉厚を有することが望ましい。その意味において肉厚は０．１５ｍｍ以上としておくことが望ましい。
一方その肉厚があまり厚くなるとホース全体の剛性が大きくなって柔軟性が損なわれることから、厚みの上限は０．３０ｍｍとしておくことが望ましい。

またその材質としては、ＰＡ６／ＥＰＤＭのアロイ材，ＰＥ，ＰＰ，ＰＡ６，ＰＡ１１，ＰＡ１２，ＰＥＴ，ＰＢＴ，ＰＢＮ，ＰＶＤＦ，ＥＴＦＥ，ＰＴＦＥ，ＰＰＳ，ＡＢＳ，ＥＶＡ等の樹脂を用いることができる。

［実施例］
表１に示す構成の金属蛇腹管複合ホース１０を製造し、これを図５に示すＵ字状に曲げて、以下に示す条件で内圧の繰返し加圧による耐久試験を実施した。
尚ゴム充填材層２２についてはその肉厚（山部３８より外側の肉厚）を１．０〜０．３ｍｍまで様々に変化させた。
その結果が表２及び図６に示してある。

＜耐久試験条件＞
曲げＲ（半径）：７０ｍｍ
温 度：１３０℃
圧 力：０⇔２２．５ＭＰａ
周波数：３０ｃｐｍ

これらの結果に示しているように、ゴム充填材層２２における山部３８の外側の厚みが０．３ｍｍよりも厚い場合には、耐久回数が目標であるところの１０万回に達しないものであるが、本発明に従ってゴム充填材層２２の厚みを０．３ｍｍとしたものについては目標回数である１０万回を超える良好な耐久性能が得られた。
これは、金属蛇腹管２０の膨張変形の原因となるゴム充填材層２２の厚みが薄くなることによって、その膨張変形が抑制されたことによる効果である。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその範囲を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。

本発明の一実施形態の金属蛇腹管複合ホースを示した図である。 図１の金属蛇腹管複合ホースの断面図である。 図２の要部拡大断面図である。 図１のホースの補強層の編組角を示した図である。 耐久試験の際のホースの曲げ形状を示した図である。 充填ゴム層の肉厚と耐久性との関係を示した図である。 金属蛇腹管複合ホースの比較例図である。

符号の説明

１０ 金属蛇腹管複合ホース
２２ ゴム充填材層
２６ 第１補強層
３０ 第２補強層
３８ 山部
４２ 谷間空間

Claims (2)

1. 金属蛇腹管を輸送流体の透過バリア層として有するとともに、該金属蛇腹管の山部と山部との間の外周側の谷間空間を弾性充填材層で充填して成る金属蛇腹管複合ホースにおいて、
   前記弾性充填材層を、前記谷間空間を前記山部の頂に到るまで完全充填する一方、該山部の頂より径方向外側の部分の厚みが０．３ｍｍ以下の厚みとなるように構成したことを特徴とする金属蛇腹管複合ホース。
2. 請求項１において、前記金属蛇腹管の径方向外側には、補強線材を編組して成る補強層が直接又は他層を介して設けてあり、該補強層はその編組角が静止角よりも大角度となしてあることを特徴とする金属蛇腹管複合ホース。

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