JP6887554B1

JP6887554B1 - 段階減圧式耐圧管

Info

Publication number: JP6887554B1
Application number: JP2020181928A
Authority: JP
Inventors: 義英土橋
Original assignee: 義英土橋
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2021-06-16
Anticipated expiration: 2040-10-29
Also published as: JP2022072470A; WO2022091671A1

Abstract

【課題】本発明は耐圧管において、管の中に管を入れ、内側の管と外側の管との間の隙間を支えによって保持し、外側の管の両端の径を小さくすることによって軽量な耐圧管を提供するものである。【解決手段】耐圧管において、管の中に管を入れ、内側の管と外側の管との間の隙間を支えによって保持し、外側の管の両端の径を小さくすることによって、内側の管と外側の管を流れる流体に圧力差を作り出し、外部との圧力比率を段階的に縮小させることにより圧力を分散させ、また、管内部を流れる流体自体を耐圧力として使うことを特徴とするものである。【選択図】図１

Description

本発明は、耐圧管において、管の中に管を入れ、内側の管と外側の管との間の隙間を支えによって保持し、外側の管の両端の径を小さくし、管内部を流れる流体の圧力自体を耐圧力として使うことで、耐圧管を軽量化させる段階減圧式耐圧管に関するものである。

従来の耐圧管は積層構造を用いて管の強度を高めたり、また管の耐圧性を高めるために管の肉厚を厚くしたり、管の径を大きくするなどの手法が用いられていた。

特願２０２０−１８００４８特願２０２０−１８０９６８

本発明は、管の外側を、管の外径より大きい内径の管で覆い、内側の管より外側の管で圧力低い流体を流すことで、内側の管から外側の管へ段階的に圧力を減じる耐圧管を提供するものである。

上記目的を達成するために、段階減圧式耐圧管において請求項１に係るものは、耐圧管に設けた段階減圧式耐圧管であって、前記段階減圧式耐圧管は両端を耐圧管に接続され、前記耐圧管よりも内径が大きい外側の管と、前記外側の管よりも内径が小さい外側の管の中に挿入され、前記外側の管との間の間隙を支えによって保持される内側の管とからなり、前記内側の管は外側の管よりも長く、前記内側の管の両端は前記耐圧管内に間隙を設けて挿入されており、前記耐圧管の中に流通した流体が前記内側の管と外側の管に流入して前記内側の管と外側の管で圧力差を生じ、前記内側の管から外側の管へ段階的に圧力差を生じ、内側の管から外側の管へ圧力を減じ、耐圧性能を向上させることを特徴とするものである。

本発明は、以上説明したように構成されており、以下に記載されるような効果を有する。請求項１に係る仕組みを用いた場合、耐圧管に設けた段階減圧式耐圧管であって、前記段階減圧式耐圧管は両端を耐圧管に接続され、前記耐圧管よりも内径が大きい外側の管と、前記外側の管よりも内径が小さい外側の管の中に挿入され、前記外側の管との間の間隙を支えによって保持される内側の管とからなり、前記内側の管は外側の管よりも長く、前記内側の管の両端は前記耐圧管内に間隙を設けて挿入されており、前記耐圧管の中に流通した流体が前記内側の管と外側の管に流入して前記内側の管と外側の管で圧力差を生じ、前記内側の管から外側の管へ段階的に圧力差を生じ、内側の管から外側の管へ圧力を減じ、耐圧性能を向上させることができる。

管の圧力限界を求める式はＰ＝（２ｔσ）/Ｄで表される。Ｐは内圧、ｔは管の肉厚、σは管の素材の引っ張りの強度、Ｄは外径である。この式から、管の肉厚ｔを大きくすれば、比例して圧力限界のＰの値も大きくなることが分かる。つまり、管の肉厚を２倍にしたら圧力限界は約２倍になり、管の肉厚を３倍にしたら圧力限界は約３倍になる。

上記の式での圧力限界Ｐの内圧とは外気圧が１気圧においてである。仮に外気圧が１気圧で圧力限界が１０気圧の管があった場合、水深９０ｍにおいては管の外側に約１０気圧の力がかかるので、管の内側から１０気圧を掛けても破裂することはない。その管を破裂させるためには管の内圧を１０気圧の１０倍の１００気圧以上をかける必要がある。

つまり、１０気圧に耐えうる管の肉厚を倍にしても２０気圧までしか耐えられないが、１０気圧に耐えうる管を二重構造にして管の間を１０気圧で満たせば、内側の管は１００気圧までの内圧に耐えることができるようになる。

管の外径より大きい内径の管で覆い、内側の管の外周部と外側の管の内周部に隙間を設ける。また外側を覆う管において、両側部以外の径を両側部より大きくすることにより、内側の管と外側の管に流体を同じ圧力で流した場合、ベルヌーイの定理によって、外側の管の径を大きくした中間部分の流速は遅くなり圧力は低下する。これによって、内側の管の耐圧力と外側の管の耐圧力を掛けた値の圧力が内側の管の耐圧力となる。管内部を流れる流体自体を耐圧力として使うことで、耐圧管の軽量化が出来る。

発明を実施するための形態を示す断面の斜視図である。発明を実施するための形態を示す斜視図である。発明を実施するための形態を示す概略図である。実施例１を示す概略図である。実施例１を示す断面の斜視図である。実施例１を示す斜視図である。実施例２を示す斜視図である。実施例３を示す概略図である。実施例３を示す断面の斜視図である。

本発明を実施するための形態を図１、図２、図３に基づいて説明する。図１は図２の第一減圧管の漏斗状部分（３）と第一減圧管の減圧維持部（４）を断面にし、内部構造を示した斜視図である。太さの変わらない中心管（１）が、同じく太さの変わらない第一減圧管の減圧維持部（４）の中に入れられている。第一減圧管の減圧維持部（４）の両側には、多孔円盤（２）が取り付けられている。そして、多孔円盤（２）の中心部には穴が空いており中心管（１）が通されている。多孔円盤（２）によって中心管（１）は第一減圧管の減圧維持部（４）との隙間を一定に保つことができている。第一減圧管の漏斗状部分（３）の形状は名称の通り漏斗のようになっており、漏斗の足に相当する部分の内径は、中心管（１）の外径より一回りほど大きく、漏斗の円錐状に開いた口に相当する部分の外径は第一減圧管の減圧維持部（４）の外径と同じである。そして、第一減圧管の漏斗状部分（３）は、多孔円盤（２）の第一減圧管の減圧維持部（４）が取り付けられている面の反対側に取り付けられている。図１、図２では多孔円盤（２）の直径は第一減圧管の減圧維持部（４）の外径と同じであるが、第一減圧管の減圧維持部（４）の内径と同じにして、第一減圧管の減圧維持部（４）の中に格納してもよい。多孔円盤（２）には円周上に沿って６つの穴が開いている。この６つの穴の合計面積は、中心管（１）と第一減圧管の漏斗状部分（３）の隙間の断面積より大きい。

図３は本発明を実施するための形態を説明するための概略図である。説明を簡単にするために、中心管（１）、第一減圧管の漏斗状部分（３）、第一減圧管の減圧維持部（４）は線で示し、多孔円盤（２）は省略している。ａ１、ａ２、ｂ１、ｃ１、ｃ２、ｃ３はそれぞれ管を流れる一定時間当たりの流体の流量を示す。また、図中にｃ１、ｃ２、ｃ３が二か所に記載されているが、管の中心軸線に沿った断面であるため、空間として繋がっている。

仮にａ１から流体を隙間なく流した場合、ベルヌーイの定理により、一定時間当たりの流体の流量が、ａ１＝ａ２であることが分かる。また、ａ１＝ｂ１＋ｃ１、ａ２＝ｂ１＋ｃ３であることも分かる。またそれによって、ｃ１＝ｃ２＝ｃ３であることが証明される。ただし、ｃ２は、ｃ１、ｃ３と比べて管の隙間が広いため流速は遅くなる。中心管（１）は径が変わらないためどの部分でも圧力は変わらないためｂ１だけで表記される。

管内を流れる流体の流量と流速の関係は、Ｑ＝Ｃ×Ａ×Ｖで表される。Ｑは流量、Ｃは流体係数、Ａは流路断面積、Ｖは流速とする。ＱとＣが変わらない場合、流路断面積Ａが２倍になれば、流速は１／２になる。また、Ｐｖ＝１／２ｐｖ＾２によって、動圧（Ｐｖ）は速度（ｖ）の二乗に比例するので、流体密度（ｐ）がそれほど変わらないのであれば、流速が１／２になると管内の圧力は１／４に下がる。仮に図３で、ｃ２の流路断面積がそれぞれ、ｃ１やｃ３に比べて２倍、外気圧を１気圧≒１０００ｈｐａだとした場合、ａ１に１０００００ｈｐａ（約１００気圧）相当の圧力で、流体を流すと、第一減圧管の漏斗状部分（３）の足に相当する部分は、約１００気圧の内圧に耐えられる強度が必要である。また、中心管（１）のｃ１、ｃ３にあたる部分は、管の内外の圧力が釣り合っているので、あまり強度は必要でない。しかし、第一減圧管の減圧維持部（４）は約２５気圧の圧力がかかるので、中心管（１）の第一減圧管の減圧維持部（４）の中にある部分は１００／２５＝４で、約４気圧の内圧に耐えられる強度が必要になる。そして、第一減圧管の減圧維持部（４）は約２５気圧の内圧に耐えられる強度が必要である。また、仮に図３で、ｃ２の流路断面積がそれぞれ、ｃ１やｃ３に比べて３．１６倍にして、他を先述した条件と同じとすれば、第一減圧管の減圧維持部（４）の流速は１／３．１６になり、管内の圧力は約１／１０になる。そして、第一減圧管の減圧維持部（４）の中にある部分は１００／１０＝１０で、約１０気圧の内圧に耐えられる強度が必要になり、また第一減圧管の減圧維持部（４）も約１０気圧の内圧に耐えられる強度が必要となる。

実施例１を図４、図５、図６を基に説明する。図４は実施例１を示す概略図であり、図３の外側にさらに減圧管を設けたものである。具体的には、第一減圧管の減圧維持部（４）の外に、第二減圧管の減圧維持部（６）を設け、第二減圧管の減圧維持部（６）の両側に第二減圧管の漏斗状部分（５）を設けている。これによって、中心管（１）に流れる流体の圧力を３つに分散でき、同様に外側に減圧管を増やせばその分だけ中心管（１）の圧力を分散できるようになる。仮にｂ１が１０００気圧、ｃ２が１００気圧、ｄ２が１０気圧になるようにした場合、中心管（１）と第一減圧管の減圧維持部（４）と第二減圧管の減圧維持部（６）はそれぞれ内側からの１０気圧の圧力に耐えられる強度があればよい。

図５は、図４の片側を立体的にした断面図であり、内部構造を示した図である。中心管（１）の外側を第一減圧管の減圧維持部（４）が覆い、さらにその外側を第二減圧管の減圧維持部（６）が覆っている。第一減圧管の減圧維持部（４）と第二減圧管の減圧維持部（６）の端に多孔円盤（２）が備えられ、多孔円盤（２）の中心を中心管（１）が貫いている。多孔円盤（２）の第一減圧管の減圧維持部（４）と第二減圧管の減圧維持部（６）が取り付けられていない面に、第一減圧管の漏斗状部分（３）と第二減圧管の漏斗状部分（５）がとりつけられている。管の両端は同様の構造であるため、もう一方の端の描画は省略する。

図６は図５の分解図である。ただし各部分を断面にしていない。

実施例２を図７を基に説明する。多孔円盤（２）の代わりに支持部（７）を用いて管の隙間を保持している。多孔円盤（２）の役割は入れ子になっている管の隙間を保持することである。管の隙間を保持できるならば円盤でなくても構わない、またなるべく流体の流れを阻害しない手段で管の隙間を保持した方がよい。

実施例３を図８、図９を基に説明する。図８は実施例３を示す概略図である。仮にａ１から流体を隙間なく流した場合、ベルヌーイの定理により、一定時間当たりの流体の流量が、ａ１＝ａ２であることが分かる。また、ａ１＝ｂ１＋ｃ１、ａ２＝ｂ１＋ｃ５であることも分かる。またそれによって、ｃ１＝ｃ２＝ｃ４＝ｃ５、ｃ２＝ｄ２＋ｃ３＝ｃ４、およびｄ１＝ｄ２＝ｄ３であることが証明される。また、図中にｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４、ｃ５、ｄ１、ｄ２、ｄ３が二か所に記載されているが、管の軸線に沿った断面であるため、空間として繋がっている。実施例１と異なり第一減圧管（８）の両端に漏斗状の部分がなく径が小さくなっていないが、第二減圧管の漏斗状部分（５）を利用して、減圧された流体を確保する。そして、第二減圧管の漏斗状部分（５）を延長することによって、ｄ１をさらにｄ２へと減圧している。

仮に管の外の部分を１気圧とし、ａ１、ａ２の部分を１０００気圧、断面積を１平方メートル、直径を約１．１３ｍとし、ｂ１の断面積を０．６平方メートル、直径約０．８７ｍ、ｃ１、ｃ５を０．４平方メートルとした場合について説明する。ただし、管の肉厚の面積や抵抗による損失については考慮しないものとする。また、断面積と述べた場合は管の中心軸と直交方向の断面積である。

断面積でａ１＝ａ２、ａ１＝ｂ１＋ｃ１、ａ２＝ｂ１＋ｃ５なので、ｂ１、ｃ１、ｃ５の部分の気圧も１０００気圧である。次にｕ１からｕ２の破線とｖ１からｖ２の破線で挟まれた部分においてｂ１の断面積は変わらないが、ｃ２の断面積は０．４平方メートルから３．１６倍の約１．２６平方メートルになり、ｖ１からｖ２の破線の部分でｃ２の気圧は１０分の１の１００気圧に下がる。また断面積はｂ１＋ｃ２＝約１．８６平方メートルになるので、直径は約１．５３ｍになる。

次にｖ１からｖ２の破線の部分において、ｃ２（１．２６平方メートル）をｃ３（０．９平方メートル）とｄ１（０．３６平方メートル）に分ける。そして、ｗ１からｗ２の破線の部分において、ｄ１の断面積は０．３６平方メートルから約３．１６倍の約１．１４平方メートルになり、気圧は１０分の１の１０気圧に下がる。また、ｗ１からｗ２の破線の部分の断面積は、ｂ１（０．６平方メートル）＋ｃ３（０．９平方メートル）＋ｄ１（約１．１４平方メートル）＝約２．６４平方メートルとなり、直径は約１．８３ｍとなる。ｘ１からｘ２の破線の部分より下は上記の説明と逆となる。これによって、中心管（１）が１０００気圧、第一減圧管（８）が１００気圧、第二減圧管の減圧維持部（６）が１０気圧となり、各管を内側からの１０気圧の圧力に耐えられるようにすればよい。

図９は、図８の片側を立体的にした断面図であり、内部構造を示した図である。第二減圧管の中に第一減圧管（８）があり、第一減圧管（８）の中に中心管（１）がある。第二減圧管は、第二減圧管の漏斗状部分（５）と第二減圧管の減圧維持部（６）に分けられる。中心管（１）と、第一減圧管（８）と、第二減圧管はそれぞれ、支持部（７）によって固定されている。また、第二減圧管の漏斗状部分（５）や、その部分にかかる中心管（１）、第一減圧管（８）は圧力に応じた対処が必要であるため、管の肉厚が厚くなっている。

この段階減圧式耐圧管は従来のストレートの管と比べて構造が複雑すぎるのでコストは非常に高くなる。そして普通であれば、管の径を広くするだけで流体の圧力に対処できるので、段階減圧式耐圧管を使う意味はほぼない。しかし、宇宙産業においては利用価値があると思われる。なぜなら段階減圧式耐圧管を用いてロケットの重量を軽くすることができるのであれば、高コストに見合うだけの効果が見込まれるからである。

１中心管
２多孔円盤
３第一減圧管の漏斗状部分
４第一減圧管の減圧維持部
５第二減圧管の漏斗状部分
６第二減圧管の減圧維持部
７支持部
８第一減圧管
ａ１流体の流量
ａ２流体の流量
ｂ１流体の流量
ｃ１流体の流量
ｃ２流体の流量
ｃ３流体の流量
ｃ４流体の流量
ｃ５流体の流量
ｄ１流体の流量
ｄ２流体の流量
ｄ３流体の流量
ｅ１流体の流量
ｅ２流体の流量

Claims

耐圧管に設けた段階減圧式耐圧管であって、前記段階減圧式耐圧管は両端を耐圧管に接続され、前記耐圧管よりも内径が大きい外側の管と、前記外側の管よりも内径が小さい外側の管の中に挿入され、前記外側の管との間の間隙を支えによって保持される内側の管とからなり、前記内側の管は外側の管よりも長く、前記内側の管の両端は前記耐圧管内に間隙を設けて挿入されており、前記耐圧管の中に流通した流体が前記内側の管と外側の管に流入して前記内側の管と外側の管で圧力差を生じ、前記内側の管から外側の管へ段階的に圧力差を生じ、内側の管から外側の管へ圧力を減じ、耐圧性能を向上させることを特徴とする段階減圧式耐圧管。