JP4692964B2 - 水中ロープ - Google Patents

Description

本発明は海洋観測用ブイの係留索などに好適な水中ロープに関する。

海洋観測を行う場合、各種観測機器を搭載したブイを係留索により水底のアンカーに係留させるが、係留索には、水面直下から海中中間部たとえば５００〜７５０ｍの位置にかけて各種センサーが取り付け、水温、流向流速、コンダクティビティ（塩分濃度）などを計測している。
各センサーは一般に電源と記録装置（通常は電子的なメモリー）を内蔵しており、従来では、設置後、所定の観測期間経過した後、それぞれのセンサーを回収して観測したデータを取り出すバッチ処理を行っている。

しかし、この方式では、観測データを迅速にラグタイムなしに採ることができない点、センサーの回収は係留索の回収を伴うので手間と時間及びコストがかかる点などに問題があった。
この対策として、絶縁被覆ワイヤロープにサーミスタチエーンを沿わせて取り付け、ワイヤロープと海水で構成される電気回路を通じて、電磁誘導データ伝送により海上の信号処理装置に送信する、電磁誘導式の通信手段が実用化されているが、それぞれのセンサーに電磁モデムを装備させて信号を発信させるので、機器が高価でオペレーションシステムも大規模なものになる問題がある。

他の方策として、従来、有線伝送方式、すなわち電線入りワイヤロープを使用する方式が用いられていた。かかるワイヤロープに関して、従来では、ワイヤロープのストランドを構成するワイヤの一部を電線に置き換えて撚り合せた構造、ワイヤロープの中心にてコンダクターと称する電線を入れた構造が知れている。
しかし、前者は、電線をストランドに拠り込むので製造工程が煩雑になる点、ロープ強度が損なわれたり、荷重によって電線が切断されたりする危険がある点、さらに特定のストランドの特定の箇所だけに電線部分が露出するので、信号や電力の取り出しや授受の位置が制限され、事実上、端部で信号や電力の取り出しや授受を行なわざるを得なくなるので、各長さ単位でのセンサーの接続などが困難になる問題があった。
後者は、電線をビニールなどのシースで包むので構造が複雑化するとともにロープ径が大きくなり、また、信号や電力の取り出し・授受位置が端末部分に制限され、各長さ単位でのセンサーの接続などが困難である問題があった。

本発明は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、簡単な構造で、しかもケーブル中間部何れかの場所においても目視だけで目的電線の位置が確認できるとともに、所望の位置において信号や電力の取り出し・授受が可能であり、かつまた、流れがある場所においてカルマン渦抑止効果もあわせて得られる水中ロープを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、ワイヤロープ５の外周に樹脂被覆を持つ通信用ないし信号用、電力用電線６ａ、６ａをらせん状に巻装し、それら電線とワイヤロープ５の周りに透明もしくは半透明の樹脂を密着した樹脂被覆７を設けており、前記樹脂被覆７はワイヤロープ５の断面形状に沿った部分７０と電線６の形状に沿った部分７１を有し、ロープ全体が、ワイヤロープ５の断面形状に即応した凹部７０と、これを底として半径方向に突出し電線６ａ、６ａの形状に沿った凸部７１がらせん状に連続した異形断面形状となっており、かつ、前記らせん状の凹凸が電線６ａ、６ａの外接円で構成される直径Ａの凸部高さＨにおいて、Ｈ／Ａが０．０３〜０．５であることを特徴としている。

ワイヤロープの外周に電線をらせん状に巻き付け、それを樹脂で緊密に被覆しているので、防水と、外的な損傷に対する保護効果を得つつ電線を位置ずれを起させずにしっかりと保持させることができ、電線はロープ外周に連続してらせん状に表出しているので、いずれの位置において適当な手段でセンサーからの通信線や電力線を接触させるだけでセンサーが観測したデータを海面までリアルタイムで転送することが可能となる。

また、ワイヤロープの外周に電線を巻き付け、その外周を樹脂被覆することにより、ロープ全体が長手方向と直角の断面が凹凸のある異形状になり、粘性が空気よりも高く絶対流速が空気よりも小さい水中において、ロープ長手方向と直角状に作用する水の流れに乱れを創成することができるので、水中に張られたロープの下流側にカルマン渦が発生しにくくなり、これにより、索の振動が抑制され索に働く抵抗を小さくできる。しかも、凹凸はらせん状であり、３６０度の全方位に水の流れを乱す異形部が存するので、水の流れの方向によるカルマン渦発生防止効果の変化が小さくなり、安定した性能が期待でき、係留効果及びセンサーによる観測精度を良好にすることができる。

好適には、電線はそれぞれ被覆が異色に着色された複数本である。 これによれば、被覆が透明ないし半透明であることとあいまって目視により信号用、電力用などをきわめて容易に識別可能であり、ケーブル中間部何れかの場所においても目的とするセンサーと接続すべき電線を誤ることなく正確に選択して接続することができる。

好適には、電線とロープのらせんのピッチＰは、ロープ外径：Ｄ、ロープ周囲を一回りする長さ：Ｌにおいて、∞＞Ｐ＝Ｌ／Ｄ＞０．５である。
これによれば、流れの方向による性能変化が小さくなり３６０度のどの方向からの水流に対しても流れを乱してカルマン渦の発生を抑制する安定した性能が得られる。

以下添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１と図２は本発明を海洋観測用ブイの係留索に適用した実施例を示しており、１は観測ブイであり、風向・風速計，温・湿度計、気圧計、雨量計、日射計などの観測センサーが搭載され、計測データを送信アンテナから衛星などに送信するようになっている。２は観測ブイ１の下部に連結された本発明の水中ロープで、全長が５００〜８００ｍとなっている。３は前記水中ロープ２の下端に連結されたナイロンなどの合成繊維ロープであり、下端が海底のアンカー４に連結されている。
前記水中ロープ２には、所要の深度ごとにセンサーたとえば、流向流速計９ａ、電気伝導度・水温計（ＣＴ）９ｂ、電気伝導度・水温・深度計（ＣＴＤ）９ｃなどが取り付けられている。

前記水中ロープ２は、図３ないし図５に示されており、５は複数本の素線５００を撚り合せてなるストランド５０を複数本撚りあわせたワイヤロープであり、この例では中心に１本のストランドを配し、その周りに６本のストランドを配して撚合した７×７構造となっている。 ６ａと６ｂは前記ワイヤロープ５の外周にらせん状に巻装された２本の電線であり、通信用ないし信号用、電力用など所望のものが選択される。各電線は導体６０の周りに合成樹脂被覆６１を施している。
７は前記電線６ａ、６ｂ及びワイヤロープ５の周りに密着した樹脂被覆である。

前記電線６ａ、６ｂはこの例では２本用いられ、合成樹脂被覆６１はそれぞれ異なる色調たとえば赤と青からなっており、ワイヤロープ５における所望のストランド５０，５０の谷間に１本が、円周方向で位相のずれた別のストランド５０，５０間の谷間に他の１本がそれぞれ位置され、ストランド谷間に沿って巻装されている。この例では、電線６ａ、６ｂは１８０度位相をずらして配置されている。

樹脂被覆７は、図３（ａ）のように透明か、あるいは図３（ｂ）のように半透明（例えば乳白色）のものを用いる。樹脂はある程度の柔軟性と十分な絶縁性があれば種類を問わないが、一般に、比較的軟質の熱可塑性樹脂ポリエチレン、ポリ塩化ビニール、テフロン(登録商標)、ナイロン、ポリウレタン等が適当である。
樹脂被覆７は、図４と図５（ａ）のように、ワイヤロープ５の断面形状に沿った部分７０と電線6（６ａ、６ｂ）の形状に沿った部分７１を有し、この例ではひし形に類する断面が連続的に回転してゆく異形断面となっている。
したがって、ロープ全体が、ワイヤロープ５の断面形状に即応した凹部（溝）７０と、これを底として半径方向に突出し電線６ａ、６ｂの形状に沿った凸部（凸条）７１がらせん状に連続している。

前記らせん状の凹凸は比較的長いピッチでも効果があり、あまり短いピッチで施してもカルマン渦防止の効果の向上は期待できない。
有効な範囲は、ロープの外径：Ｄ、ロープ周囲を一回りする長さ：Ｌとすると、一般に、∞＞Ｌ／Ｄ＞０．５である。なお∞は真っ直ぐな状態を意味する。らせんをロープ軸線に対する角度で表現すれば、一般に、１〜１２°の範囲が実用的である。

上記のようならせん状の凹凸における好ましい条件は、図５（ｂ）のように、電線６ａ、６ｂの外接円で構成される直径をＡとし、凸部高さをＨとすると、Ｈ／Ａ＝０．０３〜０．５の範囲が望ましい。
この限定理由は、凸部高さが小さいと水流を乱す作用が脆弱となり、カルマン渦防止の効果を期待できず、凸部高さを大きくすると、カルマン渦防止の効果は期待できるが、流れと直角方向の投影面積が大きくなるので、流れに対する抗力が大きくなり、かえってロープの水中でのたわみが大きくなるなどの不具合を生ずるからである。Ｈ／Ａ＝０．０３〜０．５であれば、水流を乱す作用と流れと直角方向の投影面積による抗力とをバランスよく達成することができる。したがって、この条件となるように電線の太さや被覆厚さを選定すればよい。

前記樹脂被覆７は、ロープに電線を巻回したアセンブリーロープを熱収縮性の合成樹脂のチューブに通して加熱することで施してもよいが、好適には射出成形機ないしは押し出し機を用い、溶融した樹脂を加圧している槽内を、電線を巻回したアセンブリーロープを通過させることで施す。これによれば、ストランドと電線の形状によくなじんだものとなり、内層部分でストランドの谷間も埋めることができる利点がある。
この場合、前記アッセンブリーロープそのものを軸線の周りで回転させてもよいが、あるいは、ノズルとして、凹部を形成するための内径方向に凸となった型部と凸部を成形するための外径方向で凹となった型部を周方向で交互に形成した貫通孔を持つ回転ノズルが用いられ、かかるノズルを前記アッセンブリーロープの引き出し速度と同期回転させる。
こうすれば、型部により凸部と凹部を外径側に有する樹脂被覆層がロープの周りに形成される。しかもノズルが回転するので、凹部と凸部は継ぎ目のないらせん状となって連続的に被覆されるのである。

本発明は前記態様に限定されるものではない。
１）電線は２本に限定されず、１本でも３本以上でもかまわない。図６（ａ）は１本の電線６ａとした場合を、（ｂ）は４本の電線６ａ〜６ｄを用いた場合である。
ただ、細い電線を複数本密に巻き付け過ぎると前記したような異形断面による効果は薄くなるので、カルマン渦の防止が重視される場合には、太目の電線を比較的大きなピッチで巻き付けるとよい。

２）ワイヤロープ５は、ロープの表面にストランドとストランドの溝がある構造であることが電線６ａ、６ｂの納まりが良いので、好ましい。図６は他の例を示しており、（ａ）は３ストランドタイプ、（ｂ）は８ストランドタイプである。しかし、他の多重より構造であってもよいし、スパイラルロープのような一重よりで表面が比較的平滑な構造のロープでも適用可能である。
３）樹脂被覆７は内部の電線の色相が判別できればよいので、淡く着色してあってもよい。

実施例のロープの作用を説明すると、図１のように係留索として使用した場合、ロープ全体が樹脂被覆７を有しているため長手方向で水密であり、またこれが保護層となって電線６ａ、６ｂを外傷から保護することができるとともに、電線６ａ、６ｂの位置ずれを規制することができる。
ロープは、海洋観測に使用する場合、所定の水深ごとにセンサーを取り付けて電線６ａ、６ｂに対して信号や電力を授受あるいは取り出しするが、ロープ５の外周を電線６ａ、６ｂがらせん状に存しており、しかも、これを透明または半透明の樹脂被覆７が囲んでいるため、どの位置においても巻き付けられた電線の位置と色相判別が容易になる。したがって、それぞれの電線の色相を変えておくだけで、ケーブル中間部何れかの場所においても目視により通信用、電力用などの目的電線を識別、確認ができる。

そして、センサー側の導体を適当な手段で電線６ａまたは６ｂと接触させればよく、これは、たとえば先端の尖った針状などの電極を用い、これを樹脂被覆７と電線被覆６１を貫いて突き刺せば、導体６０に接続されるので容易であり、樹脂被覆７が軟質で電極に密接するため、防水性能も影響を受けない。
これにより、任意の位置で、電気信号のやり取りあるいは電力の取り出しが可能となり、海面上までデータを電送ができるので、無線あるいは衛星通信等の手段で陸上基地にデータを転送することが可能になる。なお、被覆樹脂で絶縁されるので、ロープ自体も信号電送に使用可能である。

さらに、設置海域に潮流や海水の流れがある場合、その流れは鉛直状に延びている水中ロープに対して交差状に作用する。
このときに水中ロープが真円形断面である場合には、水流が円弧に沿って整流状態で下流へと向かうことにより、互いに反対方向に回転するカルマン渦が発生し、それによる変動する負圧で水中ロープが振動を起す。
これに対して、本発明はロープ２の外周を電線６ａ、６ｂがらせん状に巻回していることで、ワイヤロープ５の断面形状に即応した凹部（溝）７０と、これを底として半径方向に突出し電線６ａ、６ｂの形状に沿った凸部（凸条）７１により異形断面が構成されているので、水流が凹部７０と突部７１に衝突、反射して乱流状態となり、それが拡散しながら下流へと流れる。このため、カルマン渦が発生しなくなり、ロープ下流側に負圧が発生しにくくなるので、ロープの振動が抑制される。ことに、らせんにより３６０度の全方位に水の流れを乱す異形部が存するので、水の流れの方向によるカルマン渦発生防止効果の変化が小さくなり、安定した性能が期待できる。

本発明による水中ロープの水中抵抗について水槽実験を行った。
実験水槽には水平循環型、全長９．６ｍ、全幅３．９６ｍ、全高２．２０ｍの回流水槽を用いた。試験に使用した供試体は、長さ６００ｍｍとし、本発明品は、構造が７×７のワイヤロープ本体に直径が２．３ｍｍの電線を２本、ピッチ１００ｍｍでらせん状に巻装し、全体を樹脂で被覆した径１２ｍｍのものとした。比較のため、構造が１×３７、直径が１０．３ｍｍのブイ用ワイヤロープに樹脂被覆を施した直径１６．３ｍｍの被覆ロープ（比較品）について試験を行った。

試験方法は検力計に取り付けた保持フレームの両端から下る翼板に供試体を取り付け、インペラにて流速を創成させ、没水深度４００ｍｍ、流向；供試体に直角、流速：０．５，１．０，１．５ｍ／Sで行い、抵抗値を防水型３分力計のうち、流れ方向の抵抗値（Fx：定格25Kgf）を計測した。計測は各条件について２回行い、平均を取った。
なお、抵抗値には保持フレームの抵抗値も含まれるため、予め各流速について供試体をつけずに抵抗値を計測し、供試体つきの抵抗値から差し引いた。また、比較品と本発明品は断面積が異なるので、抵抗値を次式によって無次元化した。
抗力係数ＣＦx＝Ｆｘ／（０．５＊ρ＊Ｖ²＊Ｓ）
ここで、Ｆｘ：抵抗値（Ｎ），ρ：水の密度（Ｎ・sec^２／ｍ^４）、V：流速（m/s）、S：供試体の正面投影面積（ｍ^２)である。
そして、供試体の振動の判定として、抵抗計測時系列データからのばらつきを示す分散（V）を測定した。V=（計測値―平均値）の２乗の総和／データ総数である。

抵抗試験結果（流速〜抗力係数）を示すと図７のとおりであり、抵抗試験結果（流速〜分散）を示すと図８のとおりである。図７と図８から明らかなように、本発明品は比較例と比べて抵抗値、抗力係数が小さく、振動が小さいことがわかる。これは、ロープ本体に電線をらせん状に巻装して被覆していることによる異形断面化でカルマン渦が抑制されたことによることが明らかである。

図９ないし図１１は本発明品の時系列データ（抗力・時間）を示している。図１２ないし図１４は比較品の時系列データを示している。図９と図１２はそれぞれ流速Vが０．５mのとき、図１０と図１３はそれぞれ流速Vが１．０mのとき、図１１と図１４はそれぞれ流速Vが１．５mのときである。なお、各図において（a）は試験の第１回目、（ｂ）は第２回目を示している。これら図から明らかなように、本発明ロープは、振動が小さく、しかも幅広い流速域で良好であることがわかる。

本発明を適用した係留索の概要を示す説明図である。 図１におけるセンサーの取り付け部分の拡大斜視図である。 （ａ）（ｂ）は本発明のロープの側面図である。 本発明ロープの部分切欠拡大側面図である。 （ａ）は図４のＸ−Ｘ線に沿う断面図、（ｂ）は好適な凸部高さ関係を示す説明図である。 （ａ）（ｂ）は本発明の他の例を示す断面図である。 本発明ロープと比較ロープの水槽中での抵抗試験結果（流速・抗力係数の関係）を示す線図である。 本発明ロープと比較ロープの水槽中での抵抗試験結果（流速・分散の関係）を示す線図である。 （a）は流速０．５ｍのときの、本発明ロープの抗力測定（第１回）の時系列データを示す線図である。（b）は同じく本発明ロープの抗力測定（第2回）の時系列データを示す線図である。 （a）は流速１．０mのときの、本発明ロープの抗力測定（第１回）の時系列データを示す線図である。（b）は同じく抗力測定（第2回）の時系列データを示す線図である。 （a）は流速１．５mのときの、本発明ロープの抗力測定（第１回）の時系列データを示す線図である。（b）は同じく抗力測定（第2回）の時系列データを示す線図である。 （a）は流速０．５ｍのときの、比較ロープの抗力測定（第１回）の時系列データを示す線図である。（b）は同じく抗力測定（第2回）の時系列データを示す線図である。 （a）は流速１．０ｍのときの、比較ロープの抗力測定（第１回）の時系列データを示す線図である。（b）は同じく抗力測定（第2回）の時系列データを示す線図である。 （a）は流速１．５mのときの、比較ロープの抗力測定（第１回）の時系列データを示す線図である。（b）は同じく抗力測定（第2回）の時系列データを示す線図である。

符号の説明

１ ブイ
２ 本発明ロープ
５ ワイヤロープ
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 電線
７ 樹脂被覆
６０ 導体
６１ 被覆
７０ 凹部
７１ 凸部

Claims (2)

1. ワイヤロープ５の外周に樹脂被覆を持つ通信用ないし信号用、電力用電線６ａ、６ａをらせん状に巻装し、それら電線とワイヤロープ５の周りに透明もしくは半透明の樹脂を密着した樹脂被覆７を設けており、前記樹脂被覆７はワイヤロープ５の断面形状に沿った部分７０と電線６の形状に沿った部分７１を有し、ロープ全体が、ワイヤロープ５の断面形状に即応した凹部７０と、これを底として半径方向に突出し電線６ａ、６ａの形状に沿った凸部７１がらせん状に連続した異形断面形状となっており、かつ、前記らせん状の凹凸が電線６ａ、６ａの外接円で構成される直径Ａの凸部高さＨにおいて、Ｈ／Ａが０．０３〜０．５であることを特徴とする水中ロープ。
2. 電線とロープのらせんのピッチＰが、ロープ外径：Ｄ、ロープ周囲を一回りする長さ：Ｌにおいて、∞＞Ｐ＝Ｌ／Ｄ＞０．５であることを特徴とする請求項１に記載の水中ロープ。