JP4781768B2 - 水中用ロープ - Google Patents

Description

本発明は海中など流れのある水中での係留索あるいは支索として好適な水中用ロープに関する。

定点海洋観測や浮魚礁などブイを伴う係留手段としてロープが汎用されている。こうした水中で使用されるロープとして、通常の繊維ロープやワイヤロープのほか、腐食防止、外的な損傷に対する保護などを目的として、ワイヤロープや繊維ロープのロープ本体表面にプラスチックで被覆されたものが使用されている。

こうした被覆型のロープは、図２のように通常平滑な円形断面を持っており、前記腐食防止、外的な損傷に対する保護についてはそれなりの効果があるが、かかる被覆ロープを係留索Ｒとして使用し、流れのある水中に物体を係留した場合、一定の流速を超えると係留索の下流側にカルマン渦Ｇが発生し、それによって係留索Ｒに振動を生ずると共に、係留索に働く抵抗が大きくなり、係留上あるいは観測精度上の不具合が生じる問題があった。

従来、空気中でのレインバイブレーションと称するカルマン渦に起因する現象を起こりにくくする対策として、吊橋のハンガーロープや斜張橋のメインケーブルでは、面に多数のゴルフボールの様な窪み(ディンプル)を刻印している。
しかしながら、水及び海水は空気よりも粘性が高く、絶対流速が空気より小さく、しかも水中用のロープは、橋梁用ケーブルに比較してロープ径が通常小さいので、先行技術のようなディンプルを水中用ロープに付したとしても断面形状の変化の小さいのでカルマン渦の発生防止に大きな効果を期待することは難しいという問題があった。

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、流れのある水中における係留索類として使用したときにカルマン渦の発生を効果的に防止できる構造簡易な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の水中用ロープは、流れのある水中で係留索あるいは支索として用いられるロープであって、ロープ本体２に条体４をらせん状に巻装することで異形断面形状とし、その異形断面形状をそのまま呈するように被覆層３を設けることにより、前記被覆層３はロープ本体２の外周を囲む主層と条体を囲み前記条体の形状に沿った部分を有しており、ロープ全体がロープ本体２の断面形状に即応した凹部３２とこれを底として半径方向に突出し条体４の形状に沿った凸部３１がらせん状に連続した異形断面となっており、かつ、前記異形断面は、ロープを囲む被覆主層とこれから半径方向に突出する部分を有して全体が凹凸形状となっており、凸部の外接円直径：Ａ、凸部高さ：Ｈにおいて、Ｈ／Ａ＝０．０３〜０．５であり、前記らせんのピッチ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であることを特徴としている。

本発明によれば、ロープの断面を真円ではなく変化の比較的大きな異形断面に構成しているので、粘性が空気よりも高く、絶対流速が空気より小さい水中において、ロープに作用する水の流れに乱れが生じ、係留索の下流側にカルマン渦が発生しにくくなる。したがって、振動が的確に防止される。

第１の態様においては、ロープ本体の外周に、カルマン渦の発生抑止用の異形断面を有する樹脂被覆層を一体に設けている。
被覆はロープ外周に接着一体化させた樹脂製であり、射出成形機あるいは押出し機などにより連続的に施すことができるので、必要長を安価に製作することができる。
第２の態様においては、ロープ本体に条体がらせん状に巻き付けられ、樹脂被覆層がロープ本体および前記条体を囲繞することにより異形断面を構成している。
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度どの方向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、かつ、被覆により条体の位置ずれが防止されるので形状安定性もよいものとなる。

異形断面は、ロープを囲む被覆主層とこれから半径方向に突出する部分を有して全体が凹凸形状となっており、凸部の外接円直径：Ａ、凸部高さ：ＨとするとＨ／Ａ＝０．０３〜０．５である。
これによれば、水の流れを乱しやすくしつつ、流れと直角方向の投影面積を大きくせず、流れに対する抗力を不必要に増さないですむ。

凹と凸の幅の全周に対する割合は、凹部幅:Ｗ１，凸部幅:Ｗ２において、０．９９＞ΣＷ２／（ΣＷ２＋ΣＷ1））＞０．０１である。
これによれば、カルマン渦の発生を効果的に防止するこことができる。
また、好ましくは、凸部の表面は外接円に接する円弧状となっている。これによれば、リールに巻き取る際やロープの途中に海洋観測機器をクランプ等で物理的に取り付ける場合に扱いやすい利点がある。

凹凸がロープ長手方向にらせん状となっている場合のらせんのピッチ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。

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は本発明を適用した海洋観測係留システムを例示しており、１００は海底に設置されたアンカー、１０１は計測用のブイ、１０２は係留型自動昇降装置、１０３は超音波式切離し装置であり、それらは本発明にかかる水中ロープ１で連結されており、ブイ１０１は海中待機時には係留型自動昇降装置１０２と機械的に結合され、観測時には仮想線のようにロープを繰り出し、ブイ１０１を海面まで浮上させる機能を有している。Ｋは水中ロープ１に作用する潮流や海流である。

本発明にかかる水中ロープ１は図３に示されており、ロープ本体２の外周に合成樹脂質の被覆層３を設けているが、長手方向と直角の断面が真円形ではなく、変化の比較的大きな溝を付けた異形断面としており、被覆層３の内面側はロープ本体２に接着一体化されている。
ロープ本体２は繊維ロープあるいはワイヤロープのいずれをも含む。繊維ロープは、汎用の合成繊維あるいは高強力高弾性繊維など任意である。ロープ構造は限定はないものの、１点係留に適用される場合には、張力が作用しても回転トルクが発生しにくい形式のものが好ましい。繊維ロープの場合、組紐構造の八つ打ち,１２打ち,二重組紐構造などが好適である。ワイヤロープの場合は、トルクバランスを取りやすいストランドロープが最適であるが、特に限定はない。ロープの太さは、繊維ロープの場合６〜１５０ｍｍ程度、ワイヤロープの場合６〜１００ｍｍ程度である。
被覆層３はロープの表面に射出ないし押出し成形可能な軟質の熱可塑性樹脂、たとえばポリエチレン、塩化ビニル、ポリウレタン、ナイロン、テフロン(登録商標)などからなっている。

前記被覆層３は、全体が凹凸形状の異形断面となっている。詳しくは、被覆層３はロープ本体２の外周を所定の厚さを持って囲む主層３０を有し、この主層３０の外面を底として半径方向に突出する凸部（凸条）３１を周方向で間隔的に設けており、凸部３１、３１の間は凹部（溝）３２となっている。
この例では、凸部３１と凹部３２はそれぞれ４つであり、ロープ長手方向に平行に走っている。

前記凸部３１と凹部３２は、図４と図５のように、らせん状であってもよい。このようにらせん状にすれば、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。
このような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、１〜１２°の範囲が実用的である。
なお、図５は、らせんの方向がたとえば右回りから左回りとなるがごとき途中で切り替わっている例を示している。

図６と図７は上記のようなロープ軸線と平行状あるいはらせん状の凹凸における好ましい条件を示している。
図６は異形部の凸部３１の高さ関係を示しており、各凸部３１の外接円で構成される直径をＡとし、最低被覆主層厚さ（直径）をＢとし、ロープ本体の直径をＣとし、異形部としての凸部高さを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。

図７は凸部３１と凹部３２の全周に対する幅の割合の関係を示しており、カルマン渦の発生防止効果のある幅の割合は、凸部３１と凹部３２の本数に関わりなく、凹部幅:Ｗ１，凸部幅:Ｗ２において、０．９９＞ΣＷ２／（ΣＷ２＋ΣＷ１））＞０．０１が好適である。
この範囲であればロープ表面に突起物や溝を付けると効果的にカルマン渦の発生をコントロールすることができ、かつ製作も容易に行なえる。

いずれの態様においても、凸部３１の表面３１０は、図６のように外接円Ａに接する円弧状にすることが好ましい。それは、リールに巻き取る場合や、ロープの途中に海洋観測機器をクランプ等で物理的に取り付ける場合に扱いやすいからである。
すなわち、リールにロープ状のものを巻きつけていくときに断面が円形でなくいびつな形状では、隙間なく並列巻きが困難となるが、一部が外接円の円弧でらせん状に溝が付いていれば、並列巻きが可能となる。また、クランプ手段も、外接円と同じ曲率で内面を加工しておけば、ロープとクランプ手段内面が面接触となり、効率よく掴むことができる。

なお、上記のようならせん状の凸部３１と凹部３２を有する樹脂被覆層３を得る方法は任意であるが、例を挙げると図１０のごとくであり、スクリュー式などの押出し機ないし射出成形機９の端部にノズル９１を含む回転盤９２を組み込んでいる。
ノズル９１は凹部３２を形成するための内径方向に凸となった型部９１１と凸部３１を成形するための外径方向で凹となった型部９１０が周方向で交互に繰り返された貫通孔を有しており、かかるノズル９１は外周に歯車を持つ回転盤９２に周り止めされている。回転盤９２はウォームホイールなどの駆動手段９３により押出し木軸線の周りで回転されるようになっており、下流の引き取りキャプスタンなどと同期回転されるように駆動系に組み込まれ、ロープ本体２の引き出し速度と回転盤９２の回転が同期するようになっている。

ロープ本体２を押出し機９のノズル９１に挿通し、引き取りキャプスタンを駆動してロープ本体を引き出しつつ押出し機９で加熱溶融した樹脂３００を加圧すれば、ノズル９１の型部９１１，９１０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本体２の周りに形成される。しかも引き取りキャプスタンの動力を伝達された駆動手段９３により回転盤９２およびこれと一体化しているノズル９１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ロープ本体２の周りに被覆されるのである。
なお、図３のような凹部と凸部が軸線と平行な形態にしたい場合には、回転盤９２の駆動を停止させておけばよい。

本発明は、図示する態様に限定されるものではない。
１）被覆層３は必ずしも１層である場合に限られない。図８のようにロープ本体１を囲繞する第１層３ａの外周に、異形断面形状を有する第２層３ｂを設けてもよく、これも本発明に含まれる。この態様は、テフロンなどの高価な樹脂を用いて異形断面を形成する場合に適しており、第１層３ａには取り扱いが容易で価格の安い樹脂を被覆し、さらにその上に第２層３ｂとしてテフロンなど目的の樹脂を被覆すれば、コストを下げることができる。

２）本発明の異形断面は、他に種々の態様を取り得る。図９（ａ）のように凸部３１と凹部３２は１つづつであってもよいし、（ｂ）のように凸部形状は富士山に類するような先端に向かうほど細くなった形状であってもよい。また、（ｃ）のように凸部３１と凹部３２が２つづつ、（ｄ）のように凸部３１と凹部３２が３つづつでもよい。またこれらがロープ軸線方向でスパイラル状となっていてもよい。
３）さらに、（e）のように多数の凸部３１と凹部３２を有していてもよく、（ｆ）のようにその多数の凸部３１と凹部３２の断面が三角状をなしていてもよい。

４）（ｇ）のように、凸部３１が、幅の狭い第１種３１ａと、幅の広い第２種３１ｂから構成されていてもよいし、（ｈ）のように凸部３１が幅の狭い第１種３１ａと、それよりも幅の広い第２種３１ｂと、さらに幅の広い第３種３１ｃから構成され、凹部３２の幅が不均一となっていてもよい。さらに、（ｉ）のように、凸部３１の幅が多種からなっていてしかも非対称断面となっていてもよい。
５）また、（ｊ）（ｋ）のように凸部３１の幅が広く、凹部３２の幅が狭いものも含まれる。
６）また、異形断面は、場合によっては、（ｌ）、（ｍ）のように流線型翼に類する断面形状をなしていてもよいし、（ｎ）ないし（ｑ）のような多角形断面をなしていてもよい。

図１１ないし図１３は本発明の第２実施例を示している。
この実施例においては、被覆層それ自体を異形断面形状にするのでなく、ロープ本体２に条体４をらせん状に巻装することで異形断面形状とし、その異形断面形状をそのまま呈するように被覆層３を設けていることが特徴である。
詳しく説明すると、ロープ本体２は繊維ロープあるいはワイヤロープのいずれをも含む。繊維ロープは、汎用の合成繊維あるいは高強力高弾性繊維など任意である。被覆層３はロープ本体２の表面に射出ないし押出し成形可能な軟質の熱可塑性樹脂、たとえばポリエチレン、塩化ビニール、ポリウレタン、ナイロン、テフロンなどからなっていて、条体４およびロープ本体２の周りに密着して施されている。

ロープ構造の限定はなく、繊維ロープの場合、組紐構造の八つ打ち,１２打ち,二重組紐構造などが好適であるが、三つ打ち、四つ打ち、六つ打ちなどの一方向撚りタイプも後述する異形断面形成用の条体の収まりないし位置決めが容易である点から好適である。ワイヤロープの場合は、トルクバランスを取りやすいストランドロープが最適であるが特に限定はない。
図１２は、ロープ本体２としてストランド４０を複数本撚りあわせた７×７構造のワイヤロープを例としており、前記条体４はこの例では２本用いられ、ロープ本体２のストランド４０，４０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４０，４０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、条体４，４は１８０度位相をずらして配置されている。
条体４は柔軟である程度の硬さのあるもの、たとえば鋼線、銅線、合成樹脂のソリッドロッド、繊維の紐あるいは細いロープなどが選択的に用いられる。断面形状も円形に限定されない。

被覆層３は、図１２のように、ロープ本体２の断面形状に沿った部分つまりロープ本体外周を所定の厚さで囲む主層と、条体４を囲み条体の形状に沿った部分を有し、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、ロープ本体２の断面形状に即応した凹部（溝）３２と、これを底として半径方向に突出し条体４，４の形状に沿った凸部（凸条）３１がらせん状に連続している。被覆層３が断面形状どおりに密着しているので、条体４のらせんの位置ずれすることがない。

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１２（ｂ）のように、条体４，４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、第１実施例と同様であり、すなわち、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条体４の太さや被覆層３の厚さを選定すればよい。

前記被覆層３は、ロープ本体２に条体４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、条体４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、ストランドと条体４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、これに代えて、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を用い、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方法をとってもよい。
こうすれば、型部により凸部と凹部を外径側に有する被覆層３がロープ本体２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。

第２実施例は前記態様に限定されるものではない。
１）らせん状に巻装する条体４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１３（ａ）は１本の条体４を用いた場合を、（ｂ）は３本の条体４を用いた場合を、（ｃ）は４本の条体を用いた場合をそれぞれ示している。
ただし、細い条体を複数本密に巻き付け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、太目の条体を比較的大きなピッチで巻き付けるとよい。

２）ロープ本体２がワイヤロープである場合、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条体４の納まりが良いので好ましい。図１３（ａ）は３ストランドタイプ、（ｃ）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。

本発明の作用を説明すると、本発明の水中用ロープは、図１のような海洋観測系、漁礁などブイを構成要素として含むシステムの係留索や支索として使用する。設置海域に潮流や海水の流れがある場合、その流れは海底から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、図２のように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こす。
これに対して、本発明は第１実施例ではロープに凹部３２と突部３１を有する異形断面の樹脂被覆を設け、第２実施例では、ロープ本体２に条体４をらせんに巻き付けそれをほぼ一様な厚みの被覆層３で覆うことでらせん状の凹部３２と凸部３１を設けているので、水流が凹部３２と突部３１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。

本発明による水中用ロープの適用例を示すシステム図である。 従来の水中用ロープを流れにおいた場合の流れ状態を示す説明図である。 （ａ）は図１のロープ（第１実施例）の部分的拡大斜視図、（ｂ）はその横断面図である。 （ａ）は本発明の他の態様を示す部分的側面図、（ｂ）はその横断面図である。 第１実施例の他の態様を示す部分的側面図である。 凸部の高さに関する説明図である。 凸部幅に関する説明図である。 被覆層の他の態様を示す横断面図である。 （ａ）〜（ｑ）は第１実施例の他の態様を示す横断面図である。 第１実施例のロープの製作法を示す説明図、（ｂ）は（ａ）におけるノズル部分の断面図である。 本発明の第２実施例にかかる水中用ロープの部分的斜視図である。 （ａ）は図１１の拡大断面図、（ｂ）は凸部の高さに関する説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は第２実施例の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１ 本発明にかかる水中用ロープ
２ ロープ本体
３ 被覆層
４ 条体
３０ 主層
３１ 凸部（突条）
３２ 凹部（溝）

Claims (1)

1. 流れのある水中で係留索あるいは支索として用いられるロープであって、ロープ本体２に条体４をらせん状に巻装することで異形断面形状とし、その異形断面形状をそのまま呈するように被覆層３を設けることにより、前記被覆層３はロープ本体２の外周を囲む主層と条体を囲み前記条体の形状に沿った部分を有しており、ロープ全体がロープ本体２の断面形状に即応した凹部３２とこれを底として半径方向に突出し条体４の形状に沿った凸部３１がらせん状に連続した異形断面となっており、かつ、前記異形断面は、ロープを囲む被覆主層とこれから半径方向に突出する部分を有して全体が凹凸形状となっており、凸部の外接円直径：Ａ、凸部高さ：Ｈにおいて、Ｈ／Ａ＝０．０３〜０．５であり、前記らせんのピッチ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であり、凸部３１の表面は外接円に接する円弧状となっている、ことを特徴とする水中用ロープ。
   

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