JP4615924B2 - 自己支持型低風圧ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、ケーブル本体を支持する吊り線を有する自己支持型ケーブルに関し、特に、架設された場合に風圧負荷の小さい自己支持型低風圧ケーブルに関する。

背景技術となる低風圧電線としては、特許2952480号公報に開示されるものがあり、以下説明する。この低風圧電線は、被覆表面に長さ方向と平行に溝を所要間隔をおいて複数本設けたものであって、上記溝の横断面の縁線形状は円弧状であり、電線の外径をDとすると、上記溝の曲率半径R、溝深さH、溝が電線の外周面と接合する部分の曲率半径r、および溝本数Nが、0.009≦H/D≦0.026、0.026≦R/D≦0.105、R/2≦r≦R、12≦N≦24、但し、H/R≦0.75の範囲内において、5≦5.55／（N^0.7×（H/D）^0.45×（R/D）^0.2）≦12を満足するよう選ばれたものである。この低風圧電線によれば、最低でも33[%]以上という高い低減率で風圧荷重の低減が可能になり、コンクリート柱や鉄塔等の支持物を小型化でき、線路建設コストの低減、台風被害の減少に大きく貢献できるものである。

また、背景技術となる一般的な自己支持型ケーブルは、ケーブル本体のケーブルコアと吊り線の鋼撚り線とをプラスチック樹脂により断面がダルマ状に成形されたケーブルである。この一般的な自己支持型ケーブルは、断面が丸型の電線ケーブルと比べると、風抗力係数が大きいため、架線後、人手による高所作業にてケーブルに２、３回のねじりを加えていた。このねじりにより、風圧荷重が低減されることが知られている。
特許第2952480号公報

しかしながら、前記低風圧電線は、断面が丸型の電線についての技術であり、断面がダルマ型となっている自己支持型ケーブルでは、吊り線が大きな突起として作用するため、どのような表面あらさを設ければ効果的に風圧を低減できるのか明らかにされていなかった。

また、前記自己支持型ケーブルをねじる工法では、断面がダルマ型となっている自己支持型ケーブルであっても、ある程度の風圧荷重の低減が見込まれるが、高所において、剛性の高い鋼より線をねじる作業は非常に労力を要し、ケーブルに損傷をまねく可能性も高かった。

本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、自己支持型ケーブルの低風圧化を実現すると共に、作業性を改善することができる自己支持型低風圧ケーブルを提供することを目的とする。

本発明に係る自己支持型低風圧ケーブルは、ケーブル本体外径D₁が16［ｍｍ］ないし35［ｍｍ］であり、吊り線外径D₂が（0.107×D₁＋4.8）≦D₂≦（0.107×D₁＋6.8）、ケーブル本体と吊り線の連結部の高さBが1.4≦B≦4.7なる範囲であり、ケーブル本体表面に長さ方向と平行に溝を所定間隔において複数本設け、当該溝の断面の縁線形状は円弧状であり、溝の本数N（Nは自然数とする）、溝の曲率半径R、溝の深さHが、18≦N≦24、0.012≦H/D₁≦0.034、及び、0.038≦R/D₁≦0.047の範囲において、5.8≦[7.57×10⁶／（N^1.7×H×R）]^0.29−11.2≦12.2の条件を満たすものであるので、高所作業でねじることなく低風圧化を実現し、作業性を改善することができる。また、前記式を用いれば、自己支持型低風圧ケーブルを容易に設計、開発することができる。

本発明の実施形態に係る自己支持型低風圧ケーブルについて、図１ないし図９に基づき説明する。図１は本実施形態に係る自己支持型低風圧ケーブルの断面図、図２ないし図７は本実施形態に係る実験に用いた自己支持型低風圧ケーブルの断面図、図８は前記図２ないし図４の自己支持型低風圧ケーブルの実験結果のグラフ、並びに、図９は前記図５ないし図７の自己支持型低風圧ケーブルの実験結果のグラフである。

本実施形態に係る自己支持型低風圧ケーブルは、図１に示すようにケーブル本体bのケーブルコア3と吊り線aの鋼撚り線1とをプラスチック樹脂2により断面がダルマ型に成形されたケーブルであって、ケーブル本体外径D₁が16［ｍｍ］ないし35［ｍｍ］であり、吊り線外径D₂が（0.107×D₁＋4.8）≦D₂≦（0.107×D₁＋6.8）、ケーブル本体と吊り線の連結部の高さBが1.4≦B≦4.7なる範囲であり、ケーブル本体b表面に長さ方向と平行に溝4を所定間隔において複数本設け、この溝4の断面の縁線形状は円弧状であり、溝4の本数N（Nは自然数とする）、溝の曲率半径R、溝の深さHが、18≦N≦24、0.012≦H/D₁≦0.034、及び、0.038≦R/D₁≦0.047の範囲において、5.8≦[7.57×10⁶／（N^1.7×H×R）]^0.29−11.2≦12.2の条件を満たすものである。なお、溝の曲率半径と外周との接合部は押出成形上わずかな丸みをもたせることが好ましい。以下、これらの条件、及び、式の導出過程を説明する。

架空布設する自己支持型ケーブルには、ケーブル本体bの外径は様々なものがあり、吊り線aの外径も様々なものがある。しかしながら、風圧が問題となるケーブルサイズは比較的サイズが大きなものであり、且つ、ケーブル本体サイズが大きくなると吊り線外径も大きくなる傾向がある。これらの要因から、本発明者は、低風圧にすべき自己支持型ケーブルとして、一般に使用される自己支持型ケーブル本体外径から比較的大きなサイズとなる16[mm]ないし35[mm]の自己支持型ケーブルに絞り込んで研究対象とした。

また、吊り線外径についても一般的自己支持型ケーブルの本体外径と吊り線外径の比率とし、ケーブル本体bと吊り線aの連結部cの高さBについても実用的寸法とし、研究対象を下記の通り絞り込みを行った。

前記より、
ケーブル本体外径D₁：16［ｍｍ］ないし35［ｍｍ］
となり、吊り線外径D₂およびケーブル本体bと吊り線aの連結部cの高さBは下記の関係式により定義した。
（0.107×D₁＋4.8）≦D₂≦（0.107×D₁＋6.8）・・・（式１）
1.4≦B≦4.7
このようなケーブル本体外径D₁、吊り線外径D₂、及び、連結部cの高さBの定義域内においてレイノルズの相似則に基づき多くのケーブル構造モデルを製作し、最適な自己支持型低風圧ケーブルを得るべく風洞実験を継続して実施した。ケーブル構造モデルには、ケーブル本体bとして外径D₁45[mm]のアルミパイプを使用し、吊り線aとして外径D₂11[mm]、16[mm]、24[mm]のそれぞれのアルミパイプを使用し、ケーブル本体bと吊り線aの連結部cは幅を5[mm]に固定し、高さBが4[mm]、5[mm」、6[mm]のアルミブロックを用意し、適宜各構成要素を組合せ、異なる構造モデルを容易に製作できるようにした。実験風速としては、概ね、9〜26[m/s]の環境を構築した。この構成要素により決定されるレイノルズ数は、3.5×10⁴〜1.27×10⁵の範囲である。

なお、レイノルズ数は、次式により求められる。
Re=(U×L)/ν・・・（式２）
但し、
U：風速[m/s]
L：ケーブル外径（本体外径＋吊り線外径＋連結部高さ）
ν：空気の動粘度=1.54×10^-5[m²/s]（20［℃］のとき）
である。
風洞実験において、モデルの配置方法は、吊り線aが本体の真上に来るよう配置し、投影面積が最大となるようにした。

以下に風洞実験を行ったモデルのうち、ケーブル本体外径が45[mm]、吊り線外径が16[mm]、連結部cの高さが５[mm]とし、ケーブル本体bの溝4の本数及び溝4の大きさを変化させて得られた実験結果を図８、図９に示す。溝4の形状寸法は下表の通りである。なお、溝の曲率半径と外周との接合部はわずかな丸みをもたせている。

図８、図９ともに、溝4を形成することで抗力係数Cdが低下することが分かる。また、溝4を大きく形成することでCdが最も低下するレイノルズ数領域が徐々に低レイノルズ数側へ移行していくことがうかがえる。

発明者は、このCdが最も低下する領域に着目し、溝4の本数、形状との関係を導き出すことを試みた。その結果、次の式に形状、寸法値を代入することで、Cdが最も低下するレイノルズ数領域を導き出せることを発見した。
[[7.57×10⁶／（N^1.7×H×R）]^0.29−11.2]×10⁴・・・（式３）
また、溝の本数N（Nは自然数とする）、溝の曲率半径R、溝の深さHが、
18≦N≦24
0.012≦H/D₁≦0.034
0.038≦R/D₁≦0.047
であれば、Cdの最小値は1.4以下に抑制されることも確認した。
さらには、ケーブル本体bと吊り線aの関係を上記式の範囲で変化させてもほとんど差異がなく、連結部cの高さも4〜6[mm]の範囲であればほとんど無関係であることを確認した。

次に、本実施形態が対象とする範囲における最小レイノルズ数を求める。ここで、発明者が今対象としているケーブルのサイズは最も小さいケースでケーブル本体bが16[mm]である。そうすると、前記（式１）の左辺を用いると、
D₂=0.107×16+4.8=6.5[mm]
が求まる。

さらに、連結部cは実験で確認した最小である4mmであり、ケーブル本体bの相似比に基づき、
B=4×16/45＝1.4[mm]
となる。したがって、ケーブル外径（投影高さ）は、
D₁+D₂+B=16+6.5+1.4＝23.9[mm]
となる。

また、架空ケーブルの風圧荷重は、設計風速40[m/s]として計算されることが一般的であることから、最小レイノルズ数は（式２）から以下の通りとなる。
Re_min＝U×L÷ν
＝40×(23.9/1000)/(1.64×10^-5)
＝5.8×10⁴
但し、ν＝1.64×10^-5[m²/s]は、台風時の大気状態より求めた空気の動粘度である。

次に、本実施形態が対象とする範囲における最大レイノルズ数を求める。ここで、発明者が今対象としているケーブルのサイズは最も大きなケースでケーブル本体bが35[mm]である。そうすると、前記（式１）の右辺を用いると、
D₂=0.107×35＋6.8＝10.5[mm]
が求まる。

さらに、連結部cは実験で確認した最大である6mmであり、ケーブル本体の相似比に基づき、
B=6×35/45＝4.7[mm]
となる。したがって、投影高さは、
D₁+D₂+B=35+10.5+4.7＝50.2[mm]
となる。

また、前記した通り、架空ケーブルの風圧荷重は、設計風速40[m/s]として計算されることが一般的であることから、最大レイノルズ数は（式２）から以下の通りとなる。
Re_max＝U×L÷ν
＝40×(50.2/1000)÷(1.64×10^-5)
＝1.22×10⁵
但し、ν＝1.64×10^-5[m²/s]は、台風時の大気状態より求めた空気の動粘度である。

以上の最小レイノルズ数及び最大レイノルズ数から、発明者が対象とし、実験確認したレイノルズ範囲は、
5.8×10⁴≦Re≦1.22×10⁵・・・（式４）
の範囲となる。

以上の内容より、レイノルズ数が
5.8×10⁴≦Re≦1.22×10⁵
の範囲にあり、指定した溝の本数、寸法範囲であればＣｄは確実に１．４を下回ることになる。

図８、図９には、本体を滑面とした従来型ケーブルの実験結果も記載しているが、前記レイノルズ数の範囲でほとんど１．６を維持しており、高い風圧荷重がかかることがわかる。

一方、発明者が導き出した（式３）を用いて、指定寸法範囲の溝寸法の中から任意に溝の本数N、溝の曲率半径R、溝の深さHを選べば、Cdが最も低下するレイノルズ数が導きだせ、逆に、低風圧化したいケーブルの寸法を元に風速40m/s時のレイノルズ数を予め求め、その値になるように（式３）を用いて溝の本数N、溝の曲率半径R、溝の深さHを選択すれば理想的形状を導き出せることになる。

ここで、下記式が適用できるのは、少なくとも発明者が実験確認した範囲であり、前記（式３）及び（式４）から、下式のように本実施形態に係る自己支持型低風圧ケーブルが満たすべき不等式が求められる。
5.8×10⁴≦［｛7.57×106／(Ｎ^1.7×Ｈ×Ｒ)｝^0.29−11.2］×１０⁴≦1.22×10⁵
となる。式を整理すると
5.8≦｛7.57×106／(Ｎ１．７×Ｈ×Ｒ)｝^0.29−11.2≦12.2・・・（式５）
が導き出される。

すなわち、この（式５）を満たすような寸法範囲であれば、対象レイノルズ数で確実にCdが1.4以下に抑制することができる自己支持型低風圧ケーブルを設計、開発することができる。

次に、本実施形態に係る自己支持型低風圧ケーブルの製造工程について説明する。予め、ケーブルコア３及び鋼撚り線１を用意する。ケーブルコア３は、電力線、通信線、光ファイバースロット等が考えられる。

次に、樹脂の押出ヘッド部分にダルマ型に加工されたダイスを配設し、ダルマ型に押出される樹脂と共に、同一速度で前記形成したケーブルコア３及び鋼撚り線１を引き込んで本実施形態に係る自己支持型低風圧ケーブルを形成する。本発明の特徴となる溝４を形成するには、ダルマ型ダイスに細かい細工を施したダイス、すなわち、ダイスの下側の円筒内面に本実施で説明した条件に対応した突起が奥手方向に延出して形成されたダイスを用いることにより実現している。

次に、上記式が導かれた実験に係る図８及び図９について説明する。本実験では、図２ないし図７に示すように、溝の本数N、溝の曲率半径R、溝の深さHのパラメーターを変化させた自己支持型低風圧ケーブルを製作して風洞実験を行った。図２ないし図４に記載された自己支持型低風圧ケーブルは溝の本数Nが24[本]で溝の曲率半径Rが1.7[mm]であって共通であり、図５ないし図７に記載された自己支持型低風圧ケーブルは溝の本数Nが18[本]で溝の曲率半径Rが1.7[mm]であって共通であり、実験結果を比較容易なものとしている。

実験結果は、図２ないし図４に記載された自己支持型低風圧ケーブルについては図８のグラフの通りであり、図５ないし図７に記載された自己支持型低風圧ケーブルについては図９のグラフの通りである。

図８及び図９から導出できる関係は、溝を大きくするとCdが低下するレイノルズ数は徐々に下がっている傾向があること、さらに、図８及び図９の比較から図８の方が低レイノルズ数側で下がっている傾向があることである。前者の傾向から溝の深さH及び溝の曲率半径Rとレイノルズ数は反比例に近い関係があり、後者の傾向から溝の本数NとCdが低下するレイノルズ数は反比例に近い関係であることが分かる。これらの関係及び各値のCdが低下するレイノルズ数への寄与度を考慮することにより前記（式３）が導出された。

このように本実施形態に係る自己支持型低風圧ケーブルによれば、ケーブル本体外径D₁が16［ｍｍ］ないし35［ｍｍ］であり、吊り線外径D₂が（0.107×D₁＋4.8）≦D₂≦（0.107×D₁＋6.8）、ケーブル本体と吊り線の連結部の高さBが1.4≦B≦4.7なる範囲であり、ケーブル本体表面に長さ方向と平行に溝を所定間隔において複数本設け、当該溝の断面の縁線形状は円弧状であり、溝の本数N（Nは自然数とする）、溝の曲率半径R、溝の深さHが、18≦N≦24、0.012≦H/D₁≦0.034、及び、0.038≦R/D₁≦0.047の範囲において、5.8≦[7.57×10⁶／（N^1.7×H×R）]^0.29−11.2≦12.2の条件を満たすものであるので、自己支持型低風圧ケーブルが架設状態でねじることなく低風圧化を実現し、作業性を改善することができる。また、本実施形態で示した（式５）を用いれば、自己支持型低風圧ケーブルを容易に設計、開発することができる。

なお、本実施形態に係る自己支持型低風圧ケーブルは以上のように構成されているが、吊り線aの表面にもあらさ要素を施すことも検討しており、一例を挙げると、図１０に示すように記号２４中と同じ構造を有するモデルに対して吊り線aの表面に厚さ約１[mm]のねん着テープを貼り付け、吊り線aの円周上30°間隔にテープをはぎ取った構成にすることができる。

そして、この構成のモデルを製作して風洞実験を行った。図１１は、図３の２４中モデルと図１０の２４中モデルにテープを貼ったときの実験データを重ねて示したものであり、双方を比較すると、Cdが最小になるレイノルズ数は変化がなく、Cdはテープがないケースに比べて0.1ポイント低下していることがわかる。発明者は、この他のケースとして厚さ１[mm]を上限として吊り線aの表面に様々なあらさ要素を施したが結果にほとんど差異がなく、出願に係る発明の形状であれば、吊り線aの表面にあらさ要素を追加しても風圧特性を同等以上に維持できることを確認した。

さらに、この自己支持型低風圧ケーブルに加えて連結部cに溝を形成した構成にすることもできる。

本発明の実施形態に係る自己支持型低風圧ケーブルの断面図である。 本発明の実施形態に係る実験に用いた自己支持型低風圧ケーブルの断面図である。 本発明の実施形態に係る実験に用いた自己支持型低風圧ケーブルの断面図である。 本発明の実施形態に係る実験に用いた自己支持型低風圧ケーブルの断面図である。 本発明の実施形態に係る実験に用いた自己支持型低風圧ケーブルの断面図である。 本発明の実施形態に係る実験に用いた自己支持型低風圧ケーブルの断面図である。 本発明の実施形態に係る実験に用いた自己支持型低風圧ケーブルの断面図である。 図２ないし図４の自己支持型低風圧ケーブルの実験結果のグラフである。 図５ないし図７の自己支持型低風圧ケーブルの実験結果のグラフである。 本発明の実施形態に係る実験に用いた自己支持型低風圧ケーブルのうち、吊り線にあらさ要素を施したものの断面図である。 図３及び図１０の自己支持型低風圧ケーブルの実験結果のグラフである。

符号の説明

１ 鋼撚り線
２ プラスチック樹脂
３ ケーブルコア
４ 溝
a 吊り線
b ケーブル本体
c 連結部

Claims (1)

1. ケーブル本体外径D₁が16［ｍｍ］ないし35［ｍｍ］であり、吊り線外径D₂が（0.107×D₁＋4.8）≦D₂≦（0.107×D₁＋6.8）、ケーブル本体と吊り線の連結部の高さBが1.4≦B≦4.7なる範囲であり、
   ケーブル本体表面に長さ方向と平行に溝を所定間隔において複数本設け、当該溝の断面の縁線形状は円弧状であり、
   溝の本数N（Nは自然数とする）、溝の曲率半径R、溝の深さHが、
   18≦N≦24、
   0.012≦H/D₁≦0.034、
   0.038≦R/D₁≦0.047、
   の範囲において、
   5.8≦[7.57×10⁶／（N^1.7×H×R）]^0.29−11.2≦12.2
   の条件を満たすことを特徴とする自己支持型低風圧ケーブル。
   
   

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