JPH0193690A - 積層高圧ホース - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は積層高圧ホース、例えば、高い油圧または水圧
を用いる流体機械、または深海の高い外圧下で用いる流
体機械等で使用する配管、連結管等の積層高圧ホースに
関する。

（従来の技術） 最近、流体機械に用いる油圧あるいは水圧等の流体圧は
高圧化され、これら流体機械に用いる配管、連結管等に
は耐圧性能の高い管またはホース（以下、管という）が
使用されている。これらの管では、管内を流れる高い正
圧の流体が管の内面を高圧で押圧するので、この押圧力
に耐えるものが要求される。また、深海の高い外圧下で
使用する流体機械に用いる配管、蓮結管等には、水深の
増加とともに高い外圧が作用し、外圧に対する耐圧性能
の高い管が使用されている。これらの管において、管外
からの高い外圧により管壁を外部から押圧する押圧力は
管内を高い負圧の流体が流れるに対応している。以下、
代表として正圧の流体が導入され、流れる管につき説明
する。

従来、管はその耐圧性能を高めるためには管の肉厚を増
加することにより実施してきた。すなわち、金属管にあ
っては、管を２重管にしたり、管壁の厚さを増加したり
、ホースにあっては、ホースの編組み層数を増加するこ
とがなされている。

（些明が解決しようとする問題点） しかしながら、管の肉厚を増加すると′、管壁の部材量
が増加して、管の重量が増加し、価格が上昇するという
問題点がある。

そこで本発明は、管の管壁に発生する応力を半径方向に
一様に分布させることにより、管壁の部材の使用効率を
増加し、管の耐圧性能を増加して、管の重量の増加およ
び価格の上昇の少ない積層高圧ホースを提供することを
目的とする。

−（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、高い流体圧の流体を配送し、連結し、ま
たは保持する管について、管壁の厚さと昇圧時の破壊現
象、管の疲労破壊等につき種々研究を重ねた。

その結電、単一部材からなる管はその管壁の厚さを増加
しても、管の疲労破壊に対して顕著な性能の向上は見ら
れない、すなわち、管はその管の管壁の厚さを増加する
のみでは耐圧性能は向上しないことが判明した。また、
一方、管の破壊は、主に管の内側で起こる場合が多く、
このことは管の内側に加わる応力が管の外側に加わる応
力より高いことであり、管の半径方向に応力が一定に分
布していないことを示している。さらに、管の半径方向
の応力と管の部材との関係につき研究し、管の応力分布
を管の半径方向に均一にすることにより管壁の強度の使
用効率を増加し、管の耐圧性能を大幅に向上できること
を見出した。

そして、本発明者らは、管の応力分布を半径方向に均一
にするものとして、管が複数の管状層を積層した積層高
圧ホースからなり、その管状層の少なくとも１つの管状
層が螺旋状に形成されている線状部材によりなるものと
して、それらの管状層の弾性率を変えることにより実施
できることを見出した。以下、本発明に係る積層高圧ホ
ースの構成が必要となる理由について説明する。

一般に、平均半径Ｒの管壁を有する円管が管内の内圧に
より拡径し半径方向にＵだけ変位すると、このときの円
周方向の歪である円周歪ｅは次式％式％（１） となる、フックの法則により円周方向の応力である円周
応力Ｓは次式 ％式％（２） ここに、Ｅは管壁の円周方向の見掛けの弾性率（以下、
単に弾性率という）である。

したがって、前記（１）、　（２）式により円周応力Ｓ
は次式 ％式％（３） で表せる。また、器壁の抗張力をσで表し、式（３）の
両辺を抗張力σで除すと、次式　　　。

Ｓ／σ＝Ｅ／σ・Ｕ／Ｒ・・・・・・（４）を得る。

内圧が作用する単一部材からなる管において、管の破壊
が主に管の内側で起こるのは、管の内側の円周応力Ｓが
最大になるためである。そこで、この破壊を避けるため
には管内の円周応力Ｓを分散させ、管の半径方向で円周
応力Ｓを一様にするのが望ましい。

積層高圧ホースにおいて、積層高圧ホースを構成する任
意の２つの内側および外側の管状層ｉ。

ｊに作用する円周応力Ｓｉ、Ｓｊは、各管状層ｉ。

ｊで前述の式（４）が成立するので、次式（Ｓ　ｊ／σ
ｊ）÷（Ｓｉ／σ１） ＝（（Ｅｊ／σｊ−Ｕｊ）÷（Ｅｉ／σ１−Ｕｉ））・
　（Ｒｉ／Ｒｊ）　　・・・・・・（５）の関係がある
。ここに、Ｅｉ、Ｅｊ、　　σｉ、σｊ。

Ｕｉ、Ｕｊ、Ｒｔ、　Ｒｊはそれぞれ管状層ｉ、ｊの弾
性率、抗張力、変位、平均半径であり、Ｒｉ〈Ｒｊの関
係がある。

そこで、積層高圧ホースにおいても、前述の単一部材か
らなる管と同様に、管の内側の破壊を避けるためには、
第３図に示すように、管の内側に生ずる円周応力のピー
クＳｐを低下させ、管内の円周応力を分散させることが
望ましく、管の半径方向で円周応力Ｓｉ、Ｓｊ　　（以
下、単に応力という）を−様にすることが望ましい。す
なわち、式％式％） が１に近いことが望ましい。

内圧が作用する積層高圧ホースにおいて、管の半径方向
に応力を−様にするためには、式（５）において、Ｒｉ
＜Ｒｊであるので、各管状層の弾性率Ｅｉ、Ｅｊの内、
管の内側の管状層の弾性率Ｅｉを小さくすればよい。

すなわち、管に内圧が作用する場合、例えば、管内に正
圧の流体が導入され流体圧を作用する場合、管の内側の
管状層の見掛けの弾性率Ｅｉを管の外側の管状層の見掛
けの弾性率Ｅｊより小さくすればよい。

また、管に外圧が作用する場合、例えば、管外からの外
圧により管内に負圧の流体が導入され流体圧が作用する
場合、管の外側の管状層の見掛けの弾性率Ｅｊを管の内
側の管状層の見掛けの弾性率Ｂｉより小さくすればよい
。

このようにすると、積層高圧ホースの管壁には管の半径
方向に−様な応力Ｓｉ、Ｓｊが分布し、管の内側の応力
のピークは減少し、かつ応力は平均化されて管の耐圧性
能は向上する。

本発明者らはさらに鋭意研究を重ね本発明に到達した。

すなわち、本発明に係る積層高圧ホースは、複数の管状
層が積層され管外圧に対して正圧となる流体あるいは管
外圧に対して負圧となる流体の導入される流路を形成す
る積層高圧ホースにおいて、前記複数の管状層が異種の
部材からなるとともに少なくとも一つの管状層が螺旋状
に形成されている線状部材からなり、前記流路内の流体
の流体圧が積層高圧ホースに作用したとき、高圧側とな
る管状層の見掛けの弾性率を低圧側となる管状層の見掛
けの弾性率より小さくしたことを特徴としている。

ここに、見掛けの弾性率とは、管内に流体圧を作用させ
たとき、管径の拡径または縮径に対応する円周方向の弾
性率である。管状層が金属管のように単一部材の場合は
その単一部材の弾性率と同じである。管状層が、ワイヤ
等の線状部材を螺旋状に形成してなるものでは、線状部
材は管状層の中心軸線に対して約５４．７°の打込角度
で配置される。この場合、管状層の円周方向の見掛けの
弾性率Ｅは、線状部材の引張方向の弾性率Ｅ０の約半分
となる。

また、本発明においては、管状層の見掛けの弾性率を変
えるためにその線状部材の打込角度を変えることはしな
い。その打込角度を変えると、耐疲労性能が低下するた
めである。本発明における管状層の打込角度は、用いる
材料の如何にかかわらず、略５４．７°である。

（作用） 積層高圧ホースの管内の流路に管外圧に対して正圧とな
る高圧の流体が導入され、管壁に流体圧が作用すると、
本発明の積層高圧ホースは管状層が異種の部材からなる
とともに少なくとも一つの管状層が螺旋状に形成された
線状部材からなり、高圧側となる管状層の見掛けの弾性
率が低圧側となる管状層の見掛けの弾性率より小さくし
ているので、積層高圧ホースの発生する応力は管の半径
方向で略−様に近づくように分布する。このため、管の
内側の管壁に発生する応力のピークは低減し、かつ応力
は平均化される。このため、積層高圧ホースの耐圧性能
は増加する。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１．２図は本発明に係る積層高圧ホースの一実施例を
示す図である。

まず、構成について説明する。第１．２図において、１
１は積層高圧ホースであり、積層高圧ホース１１は異種
の線状部材からなり、２層の管状層としての補強層Ａ１
３および補強層Ａ１３の内側に補強ＪｉｉＡ１３と同一
軸線を有するよう積層された補強層Ｂ１２を有している
。補強層Ａ１３および補強ＪｉｉＢ１２はそれぞれ線状
部材としてのカーボン繊維１８およびアラミド繊維１９
の異種の部材からなっている。

補強）ｉＡ１３の外側には例えば、ポリウレタン等の合
成樹脂からなる外管１５が補強層Ａ１３の外表面を覆う
よう設けられ、補強層Ａ１３を外傷から保護している。

補強層Ｂ１２の内劇には例えば、ナイロン樹脂等の合成
樹脂からなる内管１６が補強層Ｂ１２の内面に密着する
よう設けられ、内管１６の内側に流路１７を形成し、流
路１７を流れる流体が外部に漏れるのを密封している。

積層高圧ホース１１の流路１７には管外圧に対して正圧
となる高圧の流体が導入され、この流路１７内の流体の
流体圧が積層高圧ホース１１に作用したとき、補強層Ｂ
１２は高圧側となり、補強層Ａ１３は低圧側となる。

補強層Ａ１３および補強層Ｂ１２は、それぞれ、互いに
半径方向に密着して積層した内側から第１．２層１３ａ
、１３ｂおよび第１．２層１２ａ、１２ｂの各２層から
形成されている。各層は、線状部材１８．１９をそれぞ
れ互いに周方向に密着させ、積層高圧ホース１１の軸線
に対して約５４．７°の静止角度で螺旋状に形成して設
けられている。各層のカーボン繊維１８およびアラミド
繊維１９の螺旋の方向は、各第１層１３ａ、１２ａがＳ
方向または各第２層１３ｂ、１２ｂがＺ方向であり、各
層で交互に交差するようになっている、いわゆるスパイ
ラル構造である。

また、各層において、Ｓ方向および２方向に螺旋状にな
ったいわゆるブレード構造でもよい。

積層高圧ホース１１の外径ＤＩ１ｍは２４ｍ５＋、内径
り、ｂは１０＋ｉ−である、補強ＪｉＡ１３の外径ＤＩ
３ｍは２２−一、内径り３１．は１層ｍｍであり、平均
半径ＤＩ！ｃは１０＋ｕ＋である。補強層Ｂ１２の外径
Ｄ１□は１８＋ａｎ＋、内径ＤＩａｋは１４＋ｓ麟であ
り、平均半径ＤＩ！ｃは８１ＩＩＩＩ＋である。外管１
５および内管１６はそれぞれ厚さＩＩＩＩＩ＋および２
ａ＋麟である。補強層Ａ１３はカーボン繊維１８を螺旋
状に形成したものであり、補強層Ａ１３の円周方向の見
掛けの弾性率Ｅｌはカーボン繊維１８の引張り弾性率の
１６．０００ｋｇｆ　／ｍがの半分の８．３００ｋｇｆ
／ｓｅａ”である。補強層Ｂ１２はアラミド繊維１９を
螺旋状に形成したものであり、補強層Ｂ１２の円周方向
の見掛けの弾性率Ｅｌ！はアラミド繊維１９の引張り弾
性率１３．３００ｋｇ　ｆ　７ｍｍ”の半分の６．６５
０ｋｇｆ　／　ｍｍ”である。

すなわち、積層高圧ホース１１の内側の管状層である補
強層Ｂ１２の弾性率Ｅ１！は積層高圧ホース１１の外側
の管状層である補強層Ａ１３の弾性率Ｅ１３より小さい
。

次に、作用について説明する。

積層高圧ホース１１の流路１７に高圧の流体が導入され
ると、流体の流体圧が内管１６を介して補強層Ｂ１２に
作用して補強層Ｂ１２の直径を太き（しようとして補強
層Ｂ１２内に応力を発生する。補強層Ｂ１２の応力ＳＩ
！は、さらに補強層Ａ１３に作用し、補強層Ａ１３の直
径を大きくしようとして補強層Ａ１３内に応力Ｓ１３を
発生する。しかしながら、本発明の積層高圧ホース１１
は高圧側の補強層Ｂ１２の見掛けの弾性率Ｅｔｚが低圧
側の補強層Ａ１３の弾性率Ｅ１．より小さいので、補強
層Ｂ１２に発生する応力ＥＩ□は大幅に低下する。この
ため、補強層Ｂ１２の内側の部分に発生する応力の最大
値がＳｐａ大幅に小さくなり、応力は平均化され、応力
が管内で分散され、管壁の使用効率は増加し、管の耐久
性能が向上する。

また、本発明に係る積層高圧ホースの重量は大幅に軽減
された。さらにまた、積層高圧ホースの単位肉厚当りの
耐圧力が大幅に向上した。このため、積層高圧ホースの
重量／圧力および価格／圧力の比を大幅に低減できた。

次に、積層高圧ホースの試験体１〜３を３種類（実施例
、比較例１．２）準備して本発明の効果を確認したので
説明する。

試験体ｌは前述の第１．２図に示す実施例と同じ、試験
体２．３は、それぞれ試験体１において、積層高圧ホー
スの内側および外側の２つの管状層が共に補強層Ｂおよ
び補強層Ａの場合である。すなわち、試験体２において
は積層高圧ホースの内側および外側の管状層の弾性率が
共に６，６５０ｋｇｆ／−２であり、試験体３において
は、とにも８，３００ｋｇｆ／ｓｓ冨である。

これらの試験体について、試験体内の流路に内圧１．０
００　ｋｇ　ｆ　／ａｉの高圧の流体を導入したとき各
管状層に発生する円周方向の円周応力Ｓの分布を比較し
た。結果を第３図に示す、試験体１　（実施例）のもの
は試験体２．３（それぞれ比較例１．２）に比較し、試
験体の内側の応力のピークｓｐ０が大幅に低下するとと
もに、試験体２．３に比較して応力分散され、平均化さ
れている。

また、このときの試験体の各部の半径方向の変位を第４
図に示す、半径方向の変位の差は、試験体の間で極めて
小さく、管状層の弾性率の変化による差は少ない。

（効果） 以上説明したように、本発明によれば、管を複数の管状
層を積層した積層高圧ホースとし、管状層の見掛けの弾
性率を特定して管壁に発生する応力を半径方向に一様に
分布させることにより、管壁の部材の使用効率を増加し
、管の耐圧性能を大幅に増加できる。また、管の重量の
増加および価格の上昇を少な（でき、重量／圧力および
価格／圧力の比が大幅に低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１．２図は本発明に係る積層高圧ホースの一実施例を
示す図であり、第１図はその一部縦断面図、第２図はそ
の一部横断面図である。第３．４図は本発明の効果を示
すグラフであり、第３図はその円周方向の応力を示すグ
ラフ、第４図はその半径変位を示すグラフである。 １１・・・・・・積層高圧ホース、 １２・・・・・・補強層Ｂ（管状層）、１３・・・・・
・補強層Ａ（管状層）、１５・・・・・・外管、 １６・・・・・・内管、 １７・・・・・・流路、 １８・・・・・・カーボン繊維（線状部材）、１９・・
・・・・アラミド繊維（線状部材）、Ｅ、３．Ｅ、！・
・・・・・見掛けの弾性率。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の管状層が積層され管外圧に対して正圧となる流体
   あるいは管外圧に対して負圧となる流体の導入される流
   路を形成する積層高圧ホースにおいて、前記複数の管状
   層が異種の部材からなるとともに少なくとも一つの管状
   層が螺旋状に形成されている線状部材からなり、前記流
   路内の流体の流体圧が積層高圧ホースに作用したとき、
   高圧側となる管状層の見掛けの弾性率を低圧側となる管
   状層の見掛けの弾性率より小さくしたことを特徴とする
   積層高圧ホース。