JP6497693B2 - 管体 - Google Patents

Description

本発明は、農業用水等の流体輸送に用いられる管路を構成する管体に関するものである。

一般に、内部を流体が流通し互いに接続されて管路を構成する管体には、管体内壁面と流体との間のせん断抵抗を減少させるため、管体内壁面に塗装を施すことが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、内壁面に滑面が得られる管材を開発し、流れの抵抗を最小化する方策がとられてきた。内壁面に凹凸がなく円滑な管路では、摩擦係数が比較的小さいため、多量の流体を流通させることができる。一方、流量が多くなるにつれ、内壁面と流体との間の摩擦係数が大きくなると、流体は管路内壁面との摩擦により渦流が発生し、流水抵抗が増大する。渦流の発生を抑制すれば、流水抵抗が減少するため、従来、管路内壁の内周面の全周に、管軸方向の全長にわたってその管軸方向に沿って延びる凹条および凸条を周方向に交互に形成した流体輸送管が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−２５１２３４号公報 特開平６−３３１０６６号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載の従来の流体輸送管では、周方向に多数の凹条および凸条が形成されているため、流体との接触面が増大しそれに伴い摩擦抵抗が増大してしまう。また、人間が人孔より入って維持管理する大口径の管路には凹凸条の内周面の応用は難しい。このため、乱流が発生する大口径管路の輸送では、摩擦が増大し、効率的な輸送や維持管理が行えないという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、簡素な構造で、摩擦抵抗を低減させ輸送効率を向上させることができる管体とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る管体は、内部を流体が流通し互いに接続されて管路を構成する管体であって、この管体の内周面に互いに向き合う箇所に管軸方向に沿って延びる整流手段を設け、流れの横断方向に２次流を発生させることを特徴としている。

本発明の請求項１に係る管体では、内部を流体が流通し互いに接続されて管路を構成する管体であって、この管体の内周面に互いに向き合う箇所に管軸方向に沿って延びる整流手段を設け、流れの横断方向に２次流を発生させるようにしたことにより、管軸の直交方向に２次流を発生させることができ、流れの摩擦損失を低減させ、管体内面に付着したり管底に沈積する浮遊物質を掃き流すことができる。また、流速係数を高めることができるので、管路内の維持管理にかかる作業を低減し、管路の水理機能の老朽化を抑制することができる。

本発明の請求項２に係る管体は、整流手段は、中心側に突出する尖頭状整流突部から構成されることを特徴としている。

本発明の請求項３に係る管体は、管体は内周面が滑らかな直線状円管から構成されるとともに、尖頭状整流突部を管頂部と管底部とに設けたことを特徴としている。

本発明の請求項４に係る管体は、管体は内周面が滑らかな曲線状円管から構成されるとともに、尖頭状整流突部を管軸上の水平面で向き合う左右にそれぞれ設けたことを特徴としている。

本発明の請求項５に係る管体は、尖頭状整流突部は、管軸方向に直交する断面がほぼ三角形状のフィンから構成されることを特徴としている。

本発明の請求項６に係る管体は、フィンは、頂部が切り欠かれた平頭状に形成されることを特徴としている。

本発明の請求項７に係る管体は、フィンは、両側面が内側に凹む湾曲部を有することを特徴としている。

本発明の請求項８に係る管体は、フィンは、管体と別体に形成され、底部が管体に形成された凹溝に嵌合されることを特徴としている。

本発明の請求項９に係る管体は、フィンは、管体側両端を切り欠いて形成した立壁部を有し、この立壁部が管体に形成された凹溝に取り付けられることを特徴としている。

本発明の請求項１０に係る管体は、フィンは、管体の内径Ｄに対して、管体内周面から突出し露出した部位のほぼ三角形状断面の底辺ｂ１をｂ１＝（０．１×Ｄ）、前記部位のほぼ三角形状断面の高さｈ１をｈ１＝（０．０５５×Ｄ）の寸法となるよう設定されることを特徴としている。

本発明の請求項１１に係る管体は、フィンは、管体に一体に成型されることを特徴としている。

本発明の請求項１２に係る管体は、フィンは、管体の内径Ｄに対して、管体内周面から突出する部位のほぼ三角形状断面の底辺ｂ２をｂ２＝（０．１×Ｄ）、ほぼ三角形状断面の高さｈ２をｈ２＝（０．０５５×Ｄ）の寸法に設定されることを特徴としている。

本発明の請求項１に係る管体は、内部を流体が流通し互いに接続されて管路を構成する管体であって、この管体の内周面に互いに向き合う箇所に管軸方向に沿って延びる整流手段を設け、流れの横断方向に２次流を発生させるようにしたので、乱流の発生が抑制され、流体の整流化、層流化を図ることができ、流れの流水抵抗を低下させて、輸送効率を向上させることができる。また、２次流により、管体内面に付着したり管底に沈積する浮遊物質を掃き出す自浄効果も発揮でき、維持管理にかかる作業を低減でき、管路寿命を長期化することができる。

本発明の第１実施形態に係る管体を示す断面図である。 図１のフィンを管体の凹溝に取り付けた状態を示す一部省略断面図である。 本発明の第２実施形態に係る管体を示す要部拡大断面図である。 本発明の第３実施形態に係る管体のフィンを示す断面図である。 管体における湾曲部の２次流の発生を示す説明図である。 図１の管体とほぼ同一の構成を有し実際に水理実験を行った装置により管路を構成し、この管路に上流水槽から水を流入させるベルマウス構造の流入部を示す断面図である。 図１の管体とほぼ同一の構成を有する装置により実際に水理実験を行った測定装置の概要を示す説明図である。 水理実験の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態である管体を示す縦断面図である。本発明の第１実施形態に係る管体２は、内部を流体が流通し互いに接続されて管路を構成する管体である。管路は多数の管体２を接続して形成される。本実施形態に係る管体２は、内径が寸法Ｄを有する合成樹脂製の直線状円管から構成される。管体２の内周面３は、滑らかに形成される。

ところで、本実施形態に係る管体２は、内周面３の管頂部３Ｔと管底部３Ｂとに、すなち、管軸Ｏ１を含む垂直面と交差する部位に、尖頭状整流突部としてのフィン（整流手段）４Ａ、４Ｂが互いに向き合って設けられる。フィン４Ａ、４Ｂは、断面が三角形状に形成された合成樹脂製細棒状体から構成される。管体２の管頂部３Ｔと管底部３Ｂとにはそれぞれ、凹溝５が管軸Ｏ１方向に沿って形成される。この凹溝５には、フィン４Ａ、４Ｂの底部が嵌め入れられて取り付けられるようになっている。フィンの４Ａ、４Ｂの尖頭状頂部が管軸Ｏ１に向かって突出するようになっている。

フィン４Ａ、４Ｂはそれぞれ、管体の内径Ｄに対して、管体の内周面３から突出し露出した部位の三角形状断面の底辺ｂ１をｂ１＝（０．１×Ｄ）、前記部位の三角形状断面の高さｈ１をｈ１＝（０．０５５×Ｄ）の寸法となるよう設定される。すなわち、管体の凹溝５は、管体２にフィン４Ａ、４Ｂが取り付けられた際、フィン４Ａ、４Ｂが上記寸法ｂ１、ｈ１となるよう形成される。

次に、上記実施態様に係る管体２の作用について説明する。管体２は、内周面３の管頂部３Ｔと管底部３Ｂとに互いに向かって尖頭状整流突部としてのフィン４Ａ、４Ｂを設けているので、管体２を接続して構成される管路に流体が流れると、管軸Ｏ１の直交方向、すなわち、流れの横断方向に２次流を発生させることができる。このため、流れの摩擦損失を低減させ、管体内面に付着したり管底に沈積する浮遊物質を掃き流すことができる。また、流速係数を高めることができるので、管路内の維持管理にかかる作業を低減し、管路の水理機能の老朽化を抑制することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る管体１２について説明する。本実施形態に係る管体１２は、上記第１実施形態に係る管体２が、管体２とフィン４Ａ、４Ｂとを別体に構成しているのに対し、図３に示すように、管体１２とフィン１４Ａ、１４Ｂを一体に成型している点を除き、上記第１実施形態とほぼ同一の構成を有している。すなわち、直線状円管の管体１２の管頂部と管底部に互いに向き合ってフィン１４Ａ、１４Ｂが形成されるようになっている。フィン１４Ａ、１４Ｂはそれぞれ、管体１２の内径Ｄに対して、管体１２の内周面１３から突出した部位の三角形状断面の底辺ｂ２をｂ２＝（０．１×Ｄ）、前記部位の三角形状断面の高さｈ２をｈ２＝（０．０５５×Ｄ）の寸法となるよう形成される。

なお、上記第１第２実施形態に係る管体２、１２は、直線状円管について述べたが、管体が曲線状の円管の場合、尖頭状整流突部としてのフィンを管軸を含む水平面で向き合う左右の２箇所に設けることが好ましい。

次に、本発明の第３実施形態に係る管体２２、３２について説明する。本実施形態に係る管体２２は、上記第１第２実施形態に係る管体２、１２が、フィン４Ａ、４Ｂおよび１４Ａ、１４Ｂを断面二等辺三角形状としているのに対し、図４に示すように、フィン２４Ａ、２４Ｂは、頂部２６が切り欠かれた平頭状に形成され、両側面２７Ａ、２７Ｂが内側に弧状に凹む湾曲部を有して構成される外は、上記第１第２実施形態とほぼ同一の構成を有している。すなわち、第２実施形態のようにフィン２４Ａ、２４Ｂを、管体２２と一体に形成される場合、ほぼ三角形状の断面について底辺ｂ３は底辺ｂ２と同じ寸法に、高さｈ３は高さｈ２と同じ寸法が確保されるようになっている。また、第１実施形態のようにフィン３４Ａ、３４Ｂを管体３２と別体に構成する場合、フィン３４Ａ、３４Ｂの管体側両端を切り欠いて形成した立壁部３８、３８を形成し、この立壁部３８、３８が管体３２に形成された凹溝３５に取り付けられるようになっている。フィン３４Ａ、３４Ｂが内周面３３から突出し露出したほぼ三角形状の断面について底辺ｂ３は底辺ｂ２と同じ寸法に、高さｈ３は高さｈ２と同じ寸法が確保されるようになっている。フィン２４Ａ、２４Ｂ、３４Ａ、３４Ｂの頂部２６を平頭状としたのは鋭角にした場合に刃こぼれの恐れがあり、それを避けるためである。両側面２７Ａ、２７Ｂとしたのは、流れの横断方向に発生する２次流をより円滑に発生させやすくするためである。

図５は、管体における湾曲部の２次流の発生を示す説明図である。図６は、図１の管体とほぼ同一の構成を有し実際に水理実験を行った装置により管路を構成し、この管路に上流水槽から水を流入させるベルマウス構造の流入部を示す断面図である。また、図７は、図１の管体とほぼ同一の構成を有する装置により実際に水理実験を行った測定装置の概要を示す説明図、図８は、水理実験の測定結果を示すグラフである。図８から明らかなように、底辺を０．１×Ｄ、高さを０．０５５×Ｄの断面三角形状のフィンを水平管路において鉛直方向に管頂と管底の２カ所に管軸方向に沿って設けると、ヘーゼン・ウィリアムス公式の流速係数Ｃは、約１．１％〜３．４％（平均２．２４％）向上した。

なお、上記各実施形態では、管体を断面円形の円管で構成しているがこれに限られるものではなく、真円の上下が若干撓んで扁平になった形状や楕円形状であってもよい。また、上記各実施形態では、管体を合成樹脂製の塩化ビニール管から構成しているがこれに限られるものではなく、金属製やコンクリート製であってもよいことはいうまでもない。

２ 管体
３ 内周面
３Ｂ 管底部（互いに向き合う箇所）
３Ｔ 管頂部（互いに向き合う箇所）
４Ａ、４Ｂ フィン（尖頭状整流突部、整流手段）
Ｏ１ 管軸

Claims (12)

1. 内部を流体が流通し互いに接続されて管路を構成する管体であって、
   この管体の内周面の互いに向き合う２箇所に、管軸方向に沿って平行に延びる２つの尖頭状整流突部を設け、
   ２つの尖頭状整流突部が、管体の内周面から管軸に向けて突出し、流れの横断方向に２次流を発生させることを特徴とする管体。
2. 内部を流体が流通し互いに接続されて管路を構成する管体であって、
   露出する内周面に、互いに向き合う２つのフィンが設けられ、
   ２つのフィンが、内周面から管軸方向に向けて突出するとともに、管軸方向に沿って平行 に延びていることを特徴とする管体。
3. 管体は露出する内周面が滑らかな直線状円管から構成されるとともに、２つの尖頭状整流突部を管頂部と管底部とにことを特徴とする請求項１に記載の管体。
4. 管体は露出する内周面が滑らかな曲線状円管から構成されるとともに、２つの尖頭状整流突部を管軸上の水平面で向き合う左右にそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１に記載の管体。
5. ２つの尖頭状整流突部は、管軸方向に直交する断面がほぼ三角形状のフィンから構成されることを特徴とする請求項１、３、４のうちいずれか１に記載の管体。
6. フィンは、頂部が切り欠かれた平頭状に形成されることを特徴とする請求項５に記載の管体。
7. フィンは、両側面が内側に凹む湾曲部を有することを特徴とする請求項５または６に記載の管体。
8. フィンは、管体と別体に形成され、底部が管体に形成された凹溝に嵌合されることを特徴とする請求項５ないし７のうちいずれか１に記載の管体。
9. フィンは、管体側両端を切り欠いて形成した立壁部を有し、この立壁部が管体に形成された凹溝に取り付けられることを特徴とする請求項８に記載の管体。
10. フィンは、管体の内径Ｄに対して、管体内周面から突出し露出した部位のほぼ三角形状断面の底辺ｂ１をｂ１＝（０．１×Ｄ）、前記部位のほぼ三角形状断面の高さｈ１をｈ１＝（０．０５５×Ｄ）の寸法となるよう設定されることを特徴とする請求項５ないし９のうちいずれか１に記載の管体。
11. フィンは、管体に一体に成型されることを特徴とする請求項５ないし７のうちいずれか１に記載の管体。
12. フィンは、管体の内径Ｄに対して、管体内周面から突出する部位のほぼ三角形状断面の底辺ｂ２をｂ２＝（０．１×Ｄ）、ほぼ三角形状断面の高さｈ２をｈ２＝（０．０５５×Ｄ）の寸法に設定されることを特徴とする請求項１１に記載の管体。
    

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