JP2023509326A - スパイラルチューブ - Google Patents
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Abstract
本発明は、厚さを低減させながらも、内部と外部との圧力差によって発生する崩壊荷重に対する抵抗性能を向上させることができるスパイラルチューブに関するものであって、これは、ストリップがスパイラル状に連結され、先端で溶接されたチューブ本体、及び上記チューブ本体の内面に設置された補強材を含む。
Description
本発明は、内部と外部との圧力差によって発生する崩壊（Ｃｏｌｌａｐｓｅ）荷重に対する抵抗性能を向上させることができるスパイラルチューブに関するものである。
例えば、３００ｋｍ／ｈ以上の超高速列車システムでは、速度に応じて２つの抵抗を解決する必要がある。一つは、幾何級数的に上昇する空気抵抗を減少させるために空気力学的走行体を設計し、更に一つは、走行体と軌道の摩擦抵抗を減少させるために磁気浮上システムを導入する方向に進んでいる。
一方、２０１２年、イーロン・マスクが主導し、テスラ（Ｔｅｓｌａ）及びスペースエックス（ＳｐａｃｅＸ）の技術陣によって初めて紹介されたハイパーループコンセプト（Ｈｙｐｅｒｌｏｏｐ Ｃｏｎｃｅｐｔ）では、約０．００１気圧の状態で密閉された真空のチューブ内に小型走行体（通常２８人乗り）を挿入して空気の抵抗なしに最高１２００ｋｍ／ｈの速度で乗客を運送可能な技術を提案した。以後、このようなシステムを実際に具現するための様々な試みが行われている。
このような試みでは、電磁的及び機械的に走行体を浮上させて推進するシステムも重要であるが、初期投資費の約５０％以上を占めるインフラにおいて約０．００１気圧の亜真空状態を維持するためのチューブ構造を具現することも重要である。
チューブは内部において乗客または貨物を運ぶ走行体が移動する通路であるため、走行体の断面積より大きく設定され、通常、チューブの断面積に対する走行体の断面積で表される断面積比（Ｂｌｏｃｋａｇｅ Ｒａｔｉｏ）が０．３８～０．６０とされている。
例えば、２０１２年に提案されたハイパーループコンセプトでは、走行体の直径が１．３８ｍ、チューブの直径が２．２３ｍ、断面積比は０．３８と示されているが、走行体の直径が１．３８ｍになると、人が立ち上がることができない高さであって、乗客の搭乗性に不利である。最近、ヴァージン・ハイパーループ・ワン（Ｖｉｒｇｉｎ Ｈｙｐｅｒｌｏｏｐ Ｏｎｅ）などのアプローチでは、走行体の直径が２．４ｍ、チューブの直径が３．６６ｍと大型化する傾向にある。
チューブに求められる機械的性能としては幾つかが挙げられるが、そのうち一つとしては、約０．００１気圧の亜真空状態を維持するためにガス放出率（Ｏｕｔｇａｓｓｉｎｇ Ｒａｔｅ）が低い必要がある。例えば、鋼材は降伏強度、引張強度などの特徴にも優れているが、約０．００１気圧程度では、チューブの他の候補素材であるコンクリートやポリマー複合素材などに比べてガス放出率に優れており、鋼材で作製されたチューブが優先的に検討されている。
チューブの直径が大きくなるにつれて、チューブの厚さも相対的に増加するが、例えば、パイプラインの設計基準（ＤＮＶ－ＯＳ－Ｆ１０１規格）によると、直径が４ｍと大きくなるとき、安全率とともに崩壊荷重に対する抵抗性能を確保した安全厚さは２８．４ｍｍに増加するようになる。ここで、鋼材の厚さが２５ｍｍより厚くなると、チューブの生産方式に大きな制約が生じるようになる。
具体的に、鋼材の熱延コイルは、その厚さが２５ｍｍ以内で製造されるように生産設備が設定されており、通常厚さが２５ｍｍ以上である鉄鋼製品は厚板に作製されるべきである。チューブの作製時、厚板製品は連続工程が不可能な方法を使用するため、熱延コイルの連続工程に比べて生産コストが遥かに高い。したがって、チューブの作製において連続工程が可能となるように、且つ初期投資費を削減するために、チューブの厚さを２５ｍｍ以下とする必要がある。
関連する先行技術としては、韓国登録特許公報１７３１８６９ Ｂ１（２０１７年５月４日公告）に開示された発明がある。
そこで、本発明は、厚さを低減させながらも、内部と外部との圧力差によって発生する崩壊荷重に対する抵抗性能を向上させることができるスパイラルチューブを提供することにその目的がある。
本発明の一実施例によるスパイラルチューブは、ストリップがスパイラル状に連結され、先端で接合されたチューブ本体、及び上記チューブ本体の内面に設置された補強材を含むことを特徴とする。
以上のように本発明によると、チューブ本体内に補強材を位置させることにより、チューブの厚さを低減させながらも、崩壊荷重に対する抵抗性能を向上させることができる効果が得られる。
一般的なパイプラインは圧力流体を移送するため、内部圧力が外部圧力より大きくなり、崩壊よりは破裂（Ｂｕｒｓｔ）に対する抵抗性を強化することに重点を置いている。例えば、直径１ｍ以上のチューブを作製するときには、熱延コイルの連続工程として経済的なスパイラル溶接方式が主に用いられる。
このように作製されたスパイラルチューブにおいて、例えば、直径が４ｍで厚さが２８．４ｍｍであると、直径に対する厚さ比（Ｄ／ｔ）が１３０以上となり、一般的なパイプライン（例えば、直径が７６２ｍｍで厚さが２０ｍｍであって、Ｄ／ｔ＝３８の場合）に比べて直径は相対的に大きくて、非常に薄い構造を有することができる。このように直径に対する厚さ比（Ｄ／ｔ）が大きくなると、自重の影響により楕円度（Ｏｖａｌｉｔｙ）を制御することが非常に難しくなる。
一般的なパイプラインの楕円度制御量は、一例として、小径（直径＜５００ｍｍ、Ｄ／ｔ＜３０）の場合に０．５％以下とし、中径（直径＜１，３００ｍｍ、Ｄ／ｔ＜４５）の場合には１．５％以下に制御することができる。しかし、大径である４ｍ、及び直径に対する厚さ比（Ｄ／ｔ）が１３０の場合は、楕円度が約５．０％程度と予想される。圧力流体を移送するパイプラインの場合に、このような楕円度を制御する主な理由は個々のパイプ間の連結断面を一致させるためである。
一方、スパイラルチューブを作製する際には、例えば、鋼材材質の熱延コイルからなって一定の幅を有するストリップを長く伸ばして捻り巻いていき、所望の直径に応じて設定された角度でスパイラル状に溶接する。通常のスパイラルチューブは、ストリップの厚さに合わせて突き合わせ溶接で行い、チューブの内部及び外部に溶接ビードのみを残して、極力滑らかな表面を維持するように加工する。このような滑らかな表面は、特にスパイラルチューブの内部において流体（ガス、油、水など）の移動を円滑にするためのものである。
これに対し、本発明によるスパイラルチューブは、内面から一定の間隔をおいて走行体が動き、内部が真空であるチューブとして使用するためのものであって、このようなスパイラルチューブでは、崩壊荷重に対する抵抗性能を十分に確保しなければならない。
以下では、例示的な図面を通じて本発明を詳細に説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたり、同一の構成要素については、他の図面上に示されても可能な限り同一の符号を付していることに留意する必要がある。
また、本発明の説明において、関連する公知の構成または機能に対する具体的な説明が、本発明の要旨を不明瞭にする可能性があると判断される場合には、その詳細な説明は省略する。
図１は、本発明の一実施例によるスパイラルチューブの一部を示す斜視図であり、図２は、図１に示すスパイラルチューブの部分拡大図である。これらの図に示すように、本発明の一実施例によるスパイラルチューブは、ストリップがスパイラル状に連結され、先端で接合されたチューブ本体１、及びこのチューブ本体の内面に設置された補強材２を含んでいる。
チューブ本体１は、例えば、鋼材材質の熱延コイルからなって一定の幅を有するストリップを長く伸ばして捻り巻いていき、所望の直径に応じて設定された角度でスパイラル状に溶接して形成される。ストリップが鋼材などのような金属である場合に、このストリップは、例えば、約４００ＭＰａの降伏強度及び約４４０ＭＰａの引張強度を有することができる。ここで、本発明の一実施例によるスパイラルチューブは、流体の輸送を目的としないため、その内部または外部において滑らかな表面を必要としない。
補強材２は、チューブ本体１の内面に接合されてチューブ本体の放射状内側に突出するように設置されることができる。図１及び図２には、例えば、放射状の長さ（すなわち、補強材の幅）が約１００ｍｍで、厚さが約８ｍｍ程度である平坦な板状の補強材２が示されている。しかし、補強材の寸法は必ずしもこれに限定されず、スパイラルチューブの直径に応じて補強材の幅及び厚さは変更可能であることは勿論である。
このような補強材２は、チューブ本体１を形成するために、例えば、熱延コイルからなるストリップを連続工程によって捻り巻きながら溶接するとき、溶接線３に位置させることにより、更なる溶接工程なしでチューブ本体の内部にスパイラル状に結合されることができる。
図面には、補強材２がチューブ本体１の内側にあるスパイラル溶接線３上に略直交する方向に位置した例が示されているが、必ずしもこれに限定されない。例えば、補強材２は、溶接線からずれて位置してもよく、チューブ本体１の内面に対してやや傾斜して接合されてもよい。
また、チューブ本体１の形成時に、溶接線３を活用して補強材２を同時に溶接する連続工程が上述されているが、チューブ本体を作製した後に補強材を別途設置する工程も可能である。
図３は、本発明の一実施例によるスパイラルチューブの変形例の一部を示す斜視図であり、図４は、図２に示すスパイラルチューブの部分拡大図である。これらの図に示すように、本発明の一実施例によるスパイラルチューブの変形例では、折曲した略くの字状、コの字状や湾曲した⊂形状などの断面形状を有する補強材２が採用され、スパイラルチューブの剛性を補強する効果を更に増大させることができる。
このように、本発明の一実施例によるスパイラルチューブは、その内面に結合した補強材２を採択することにより、スパイラルチューブがほぼ真空である内部圧力と大気圧である外部圧力との間の圧力差によって発生する崩壊荷重に対する抵抗性能を安全に確保することができるようになる。
特に、通常のパイプラインにおいて、直径が４ｍと大きくなるとき、安全率とともに崩壊荷重に対する抵抗性能を確保した安全厚さは２８．４ｍｍに増加するようになるが、本発明の一実施例によるスパイラルチューブでは、補強材２によって同一性能を確保しながらもチューブ本体１の厚さを２５ｍｍ以下に低減させることができる。
次に、スパイラルチューブの崩壊荷重に対する抵抗性能に影響を与える重要な要因としては、チューブ自体の幾何学的な特性である楕円図が挙げられる。例えば、チューブ本体１が大径である４ｍの直径を有して約５．０％程度の楕円度を有した場合に、公称直径である４ｍに比べてチューブ本体の長軸径は約１００ｍｍ程度増加し、逆にチューブ本体の短軸径は約１００ｍｍ程度減少することにより、チューブ本体は楕円形の断面形状を有することができる。
このような楕円化現象は、チューブ本体１を形成する際に現れることがあり、チューブ本体を運搬したり、施工の途中で外部荷重によって更に悪化することもある。内部がほぼ真空状態に維持されるスパイラルチューブの場合には、このような楕円化現象により外部の大気圧が荷重として作用すると、短軸径の方向に崩壊が発生しやすくなるため、楕円化現象の制御が求められる。
楕円化現象が増加するほど崩壊荷重に対する抵抗性能が低下するため、本発明の一実施例によるスパイラルチューブは、チューブ本体１の形成時にその内面に結合した補強材２を採択することにより、楕円化現象を最小にして崩壊荷重に対する抵抗性能を安全に確保することができるようになる。
図５ａ及び図５ｂは、従来技術及び本発明によるスパイラルチューブの崩壊解析を示す図である。図５ａは、従来技術によるスパイラルチューブの崩壊に対する数値解析の形状であって、この従来技術のスパイラルチューブは直径が４ｍで厚さが２５ｍｍであり、楕円度は５％を適用した。また、降伏強度が４００ＭＰａで引張強度が４４０ＭＰａである鋼材を適用し、最大抵抗圧力は０．１７ＭＰａであった。
しかし、安全率２．０を考慮すると、従来技術によるスパイラルチューブは、その内部がほぼ真空状態であるとき、大気圧に抵抗することができず、崩壊することが分かる。言い換えれば、直径が４ｍであると、２５ｍｍの厚さを有するチューブは使用することができず、チューブの厚さを更に増加させなければならない。
図５ｂは、本発明によるスパイラルチューブの崩壊に対する数値解析の形状であって、この本発明のスパイラルチューブも直径が４ｍで、厚さが２５ｍｍであり、楕円度は５％を適用した。また、上述した従来技術のスパイラルチューブと同じ鋼材を使用した。
本発明によるスパイラルチューブでは、その内面に結合した補強材２により最大抵抗圧力が０．３０ＭＰａであって、安全率２．０を考慮しても、その内部が真空であるときに１気圧の外部の大気圧に抵抗することが分かる。
以上のように本発明によると、チューブ本体内に補強材を位置させることにより、チューブの厚さを低減させながらも、崩壊荷重に対する抵抗性能を向上させることができる効果が得られる。
以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲内で様々な修正及び変形が可能である。したがって、本発明に開示された実施例は、本発明の技術思想を限定するためものではなく説明するためのものであり、このような実施例によって本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は以下の特許請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
以上のように、本発明は、超高速列車システムまたはハイパーループコンセプト等において走行体が移動する通路を構成するのに有用である。
Claims (7)
- ストリップがスパイラル状に連結され、先端で接合されたチューブ本体、及び前記チューブ本体の内面に設置された補強材を含む、スパイラルチューブ。
- 前記ストリップは金属材質であり、
前記ストリップは溶接され、
前記補強材は、前記チューブ本体の内面に接合されて前記チューブ本体の放射状内側に突出するように設置された、請求項１に記載のスパイラルチューブ。 - 前記補強材は、前記チューブ本体の内部にスパイラル状に結合された、請求項２に記載のスパイラルチューブ。
- 前記補強材は、前記チューブ本体の溶接線に位置された、請求項３に記載のスパイラルチューブ。
- 前記補強材は平坦な板状であり、前記チューブ本体の内面に対して直交する方向に又は傾斜して接合された、請求項１に記載のスパイラルチューブ。
- 前記補強材は、折曲又は湾曲した形状の断面形状を有する、請求項１に記載のスパイラルチューブ。
- 前記チューブ本体の直径は１ｍ以上であり、厚さは０ｍｍを超え、２５ｍｍ以下である、請求項１から６のいずれか一項に記載のスパイラルチューブ。
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