JP5412505B2 - ホースポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ホースポンプに関し、特に、ホースポンプに適したホースの設計に関する。

ホースポンプは、例えば、発電システムを含む様々なシステムにおいて用途を有する。

伸長及び弛緩させると共に、伸長時に収縮し、弛緩時に再び拡張するように構成されたホースを備えるホースポンプを提供することが知られている。この収縮及び拡張は、ホース内の液体を送り出すために使用される。

ホースポンプ用ホースの要件は、他の殆どの種類のホースのものとは異なっている。特に、ホースポンプ用ホースは、軸線方向の伸長時に著しく収縮すること、及び比較的容易且つ比較的大量に伸長して径方向の収縮及びポンピング効果を発生可能であることが望ましい。通常、ホースポンプのホースは、約２０％伸長するように構成し得る。これは、例えば、約２％のみの伸長が見込まれる油輸送用のホース等、より一般的なホースとは対照的である。この種のホースに求められる高度な伸長のため、ホースは、付随する歪みのレベルに耐え、良好な疲労寿命を有することが可能であることが望ましい。

軸線方向剛性及びヒステリシス減衰といったホースの他の特性は、特定の用途に合わせて調整する必要がある。例えば、ホースポンプが波力エネルギ発生システムの一部である場合、こうしたパラメータは、システムからのエネルギ捕捉効率を最大化するために調整する必要がある。

したがって、本発明は、充填材層により分離された内側プライ及び外側プライを備え、前記内側及び外側プライは反対方向へ螺旋状に巻かれており、前記内側プライは前記外側プライより浅い角度を有し、前記充填材層は、弾性体を有し、前記ホースの収縮及び伸長を可能とするように弾力的に伸縮自在である、ホースポンプ用ホースを提供する。

プライは、ワイヤ、特に金属線、例えば鋼線により作成される。

内側プライのホースの中心からの半径は、外側プライの半径の２０％乃至９０％の範囲にし得る。

プライの角度と、充填材層の厚さとは、ホースを伸長させることにより発生する内側及び外側プライの捻り効果が実質的にバランスを保つように選択し得る。これにより、使用中に伸長させた際に、ホースの捻れ防止を促進できる。

本発明は、更に、本発明によるホースと、端部取付具とを備えるホース組立体を提供し、端部取付具は、ホースの端部が乗り越えて延びる第一の端部と、取付フランジが配置された第二の端部とを有する管状部を含み、取付具は、内側及び外側プライをそれぞれ保持するために、管状部の外面に形成された第一及び第二の保持ビーズを有する。

充填材層は、ホースの端部に向かって厚さが減少することが好ましい。

本発明は、更に、内側及び外側プライをプライ間の充填材層と共に有するホースと、端部取付具とを備えたホース組立体を提供し、端部取付具は、ホースの端部が乗り越えて延びる第一の端部と、取付フランジが配置された第二の端部とを有する管状部を含み、取付具は、内側及び外側プライをそれぞれ保持するために、管状部の外面に形成された第一及び第二の保持ビーズを有し、充填材層は、ホースの端部に向かって厚さが減少する。

充填材層は、端部取付具の第一の端部を越えたホースの少なくとも一部に渡って、厚さが減少し得る。ホースのその部分は、端部取付具により支持されない状態にし得る。充填材層は、取付具の第一の端部から第一の保持ビーズまで、実質的に一定の厚さにし得る。充填材層は、第一及び第二の保持ビーズ間において、その距離の全体又は一部に渡って、連続的又は段階的に厚さが減少し得る。

本発明は、更に、ホース内に位置するように構成された第一の端部と、接続フランジが設けられた第二の端部とを有する管状部材を備えたホース端部取付具を提供し、取付具の第一の端部には、可撓性延長部が設けられる。

可撓性延長部は、管状部材とは異なる材料により形成し得る。例えば、管状部材より可撓性の高い材料により形成し得る。延長部は、管状にし得る。延長部は、少なくともその長さの一部に渡り、自由端部に向かって厚さが減少し得る。

本発明の実施形態によるホースポンプを示す概略図である。 図１のホースポンプの動作サイクルを示す図である。 図１のポンプの一枚の壁の概略断面図である。 図３のホースの径方向の収縮に必要なエネルギに対する充填材層の厚さの影響を示す図である。 図２のホースの補強巻線の概略図である。 図２のホースの補強巻線の概略図である。 図２のホースのホース端部取付具の断面図である。 本発明の他の実施形態によるホース端部取付具の断面図である。

以下、次の添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を一例としてのみ説明する。

図１を参照すると、ホースポンプは、水面に浮くように構成された浮遊ブイ１０と、上端部１２がブイ１０に接続され、下端部１３がアンカポイント１４に接続されて実質的に固定された、一本のホース１１とを備える。作動中、水面の波により、ブイ１０は上昇及び下降し、これによりホース１１を伸長及び弛緩させて、径方向に収縮及び拡張させる。ホース１１は、上端及び下端において密閉されており、ホースの内部は、吸入弁１７及び吐出弁１８を介して発電機１５に接続されている。収縮及び拡張は、ホース１１内部の容積を変化させ、これによりホースから吐出弁１８を介して水を送り出し、吸入弁１７を介して内部へ戻すことで、発電機１５に水を通過させる。

図２を参照すると、ホース１１が水で満たされた状態を起点として、ホースポンプは、そのポンピングサイクルにおいて、主に三種類の段階を通過する。図２において１により示した第一の段階では、両方の弁１７、１８は閉じており、ホースは伸長している。この結果、ホース内の水の圧力は増加する。次に、吐出弁１８が開き、ホースを更に伸長させ、ホース内の水は、その一部が送出されつつ、一定の圧力を維持した状態となる。これを図２において段階２として示している。軸線方向の伸長サイクルの最高点、即ち、ホース１１の最大延長状態において、水の圧力は下降する。その後、吐出弁が閉じ、吸入弁１７が開いて、ホースは段階３を開始し、その間に再び当初の長さへ収縮して、吸入弁１７を介してホース内へ水を引き込む。ホースにはヒステリシスが存在するため、ホースの軸線方向の伸長及び弛緩の仕事が終了すると、ヒステリシス減衰効果が生じる。

図３を参照すると、図１のホースポンプに使用されたホースは、充填材２４の層により分離された内側プライ２０と外側プライ２２とを備える。内側及び外側パイル２０、２２のそれぞれは、ここでは厚さ２．５ｍｍであるポリマ材料、例えば、ＳＢＲゴムの層に埋め込まれた、螺旋状に巻かれた直径１．５乃至２．０ｍｍの一連のワイヤコードを備える。ワイヤの密度は、ここでは１００ｍｍ当たり３９端部である。当然ながら、これらの値は、様々な特性のホースにおいて変化する。ブレーカ２５及びライナ２６が、内側プライ２０の内部に設けられ、ライナ２６は、ホースの内面を形成する。サブカバー２８ａと、ブレーカ２８ｂと、主外側カバー２８ｃとを備えたカバー２８が、外側プライ２２の外側に設けられ、主外側カバー２８ｃは、ホースの外面を形成する。

本実施形態において、ホースの様々な層の寸法及び特性は、以下の表にまとめられる。

ホースの構造は、様々な層の寸法及び材料を含め、様々な形で特性に影響を与えるため、選択した構造を利用して、必要に応じてホースの特性を調整することができる。次に、様々な構造パラメータがホースの特性にどのように影響するかを説明する。

ホースの軸線方向の伸長により、二枚のプライ２０、２２の径方向内側への変位が発生することは理解されよう。これは、ワイヤ製であるプライの非弾力性によるものであり、ホースの伸長により両端部を引き離した時、プライは、伸長不可能であるため、径方向内側へ強制される。

充填材層の厚さは、軸線方向伸長時のホース内面の径方向収縮に影響を与える。充填材層２４の軸線方向の伸長を無視し、その断面積が一定のままであると仮定すると、径方向収縮に応答して、充填材層２４の径方向厚さは増加する必要があることが計算できる。この効果を使用して、ホースを伸長させることにより発生するポンピング効果を増幅する機械的利点の形態を提供する。更に、後述するように、内側及び外側プライ２０、２２の差動的な径方向収縮と協働するように構成することも可能である。

充填材層２４の厚さは、ホース１１の軸線方向の剛性に影響する。二枚のプライ２０、２２間の充填材の層が厚いほど、伸長時の内側及び外側プライ間の半径の変化における差が大きくなるため、径方向収縮を発生させるために行われる仕事が大きくなり、したがって、伸長する際のホースの剛性が大きくなることは理解されよう。これは、数学的に次のように記述可能である。

軸対称に負荷を加えた中空円筒における、半径ｒの関数とした変位ｕの一般解は、

となり、ここで、ａ及びｂは、定数である。

内径がｉｎｎｅｒｒａｄｉｕｓであり、外径がｏｕｔｅｒｒａｄｉｕｓである中空円筒における歪みの成分は、次のように与えられる。

平面歪み状態において、ヤング率Ｅ及びポアソン比νの関数としての剛性は、次の通りである。

歪みσは、次のように与えられる。

（ε、σは、応力及び歪みテンソルを表す）

積分定数ａ及びｂは、円筒の内面及び外面の固定変位（変形）を強制することにより決定される。

幾何学的特性、材料特性、及び強制された変位の関数としての変形のエネルギＦは、次のように計算することができる。

図４を参照すると、このように計算された、ホースを径方向に収縮させるために必要なエネルギ（即ち、行われた仕事）は、ホース内面の径方向の撓みと、充填材の厚さとの関数としてプロット可能である。任意の特定のホースは、一定の充填材厚さの線に従い、図示したように、計算によるホース収縮のためのエネルギは、上述したように、充填材厚さと共に増加する。

ホースの伸長剛性における別の要素は、充填材層及び他の構成要素の軸線方向の伸長により生じるものである。しかしながら、軸線方向の収縮による剛性は、多くの設計において、少なくとも軸線方向の伸長による剛性と同程度になることが分かっている。

再び図２を参照すると、ホースポンプにおけるヒステリシス損失の量は、ある程度は緩和弾性率により決まる。一般には、緩和弾性率が低いほど、ヒステリシス損失は大きくなる。更に、体積弾性率が高いほど、システム全体の効率は良好になる。したがって、充填材層２４の材料を選択して、こうしたホースの特性を調整することができる。ゴムは応力歪みにおいて高度に非線形であるため、様々な歪みの範囲において異なる特性を発生させる複合物又は二種類の複合物を選択することが可能である。例えば、充填材層は、軸線方向の歪みに対して一般的な０乃至２０％の歪みの範囲において一組の特性を有するが、径方向の歪みに対して一般的な２０％乃至５０％の範囲内では、異なる特性、例えば、より低い弾性率を有するように選択し得る。

本実施形態において利用される別の重要な作用は、螺旋巻きプライ２０、２２の軸線方向の伸長により生じる捻れ効果である。螺旋巻きプライを軸線方向に伸長させた場合には、巻きが解けて、ホースに対する捻り効果を発生させる傾向にあることは理解されよう。この捻り効果は、長手方向に対するプライの角度の変化と共に変化する。非常に浅い角度、即ち、長手（軸線）方向に近い角度では、捻り効果は、より開いた角度、即ち周方向に近い角度に比べて大きくなる。しかしながら、捻りトルクに影響する別の要素には、ホースの中央長手軸線から測定した、プライの管状形態の直径がある。これには、二つの理由がある。第一に、プライが位置する場所の半径が大きくなるほど、プライの層の外周は大きくなるため、より多くのプライが層に存在することになり、そのため、プライが発生させる捻れ効果は大きくなる。第二に、捻り効果はトルクであるため、伸長時に特定の力を与える任意の特定の数のプライでは、トルクは、ホースの中心軸線からの距離と共に増加する。したがって、プライの内側層及び外側層が同じ角度のプライを同じ密度で有する場合、外側プライの捻れ効果は、内側プライの捻れ効果より大きくなる。

図５ａ及び５ｂを参照すると、本実施形態において、内側及び外側プライ２０、２２は、反対方向に巻かれている。これは、ホースの伸長時、内側及び外側プライがホースを反対方向に捻る傾向を有し、そのため、二層のプライの捻り効果が少なくとも部分的には互いに相殺されることを意味する。更に、内側層２０のプライは、より開いた角度で巻かれた外側層２２のプライの角度γに比べ、浅い角度βで巻かれている。二組のプライの角度を選択し、二層のプライ間の直径の差に角度を一致させることにより、二層の捻り効果は、実質的にバランスがとれるように構成される。

一般に、利用される角度は、３０°乃至７０°の範囲であり、通常は３６°乃至５０°の範囲内である。プライの内側層及び外側層の直径の差は、当然ながら、必要な特性に応じて変化するが、一般に、内側プライの層の直径は、外側パイルの層の直径の５０％乃至９０％の間であるが、通常は６０％より大きく、実際には、殆どの場合、７０％より大きくなる。プライ間の充填材層２４の厚さは、一般に、ホース壁の総厚さの少なくとも２０％であり、実際には、通常、３０％より大きく、多くの場合には、４０％より大きい。一部の好適な実施形態では、充填材層は、弛緩状態において、ホース壁の厚さの５０％より大きい。

関連する別の作用は、螺旋プライの軸線方向伸長により生じる径方向収縮である。プライが非弾性であるとすると、伸長時の径方向収縮は、プライの巻き角により決まる。非常に開いた角度を有するプライでは、伸長時の径方向収縮は、より浅い角度を有するプライに比べ少なくなる。そのため、本実施形態において、浅い角度の内側プライは、より開いた角度の外側プライに比べ、伸長時に径方向に多く収縮する傾向を有する。これは、この径方向収縮の差が、ホースの長軸方向への伸長時に、内側プライの半径を外側プライの半径よりも多く減少させる上で役立つことを意味している。したがって、これは、径方向内側に収縮する際に厚さを増加させる傾向を充填材層に与える上述した作用と一致しており、これにより、二層のプライ２０、２２間において、径方向収縮に対する充填材層の抵抗により生じた、プライに対する径方向の負荷のバランスをとることが可能となる。

充填材層の弾性率と、充填材層の厚さと、更にワイヤ結束角度等、ホースの他のパラメータとを調整することにより、ホースの特性を調整して必要な使用を満たすことが可能であることは理解されよう。本実施形態において、ホースの特性は、効率的な波力ホースポンプを提供するように選択される。これには、特定の海面状態におけるシステムによるエネルギ抽出効率を最適化するために選択された、最適なヒステリシス損失の度合いと軸線方向剛性とが必要であり、更に、剛性及び減衰特性に一致した最大ポンピング量が必要となる。本実施形態の別の重要な特徴は、ホースが耐えるように設計された歪みの範囲の少なくとも一部に渡って、歪みの増加と共に弾性率が減少するように構成されることである。再び図４を参照すると、この目的は、歪み／負荷特性の非線形性を減少させることであり、更には、これにより、ホースの体積変位と軸線方向伸長との間において恒常性の高い関係の維持を支援することができる。

図６を参照すると、図２及び３のホース用の鋼製端部取付具３８は、ホース端部へ挿入するように構成された第一の端部４２と、取付具が幅を増して接続フランジ４６が形成される位置にある第二の端部４４とを有する管状部４０を備える。二つの周方向保持ビーズ４８、５０は、管状部４０の外面に設けられ、第一のビーズ４８は、管状部材の第一の端部４２の側にあるが、第一の端部４２から間隔を空けており、第二のビーズ５０は、フランジ４６の側にある。ホースのライニング２６は、取付具の第一の端部４２と最初に接触する場所では端部取付具３８と同じ内径を有し、その後、端部取付具３８の外面上に延びる場所では直径が増加している。内側プライ２０は、ホースの主要部分から、第一のビーズ４８の上面５２まで、実質的に一定の半径、或いは非常に緩やかに変化する半径を有して延びる。内側充填材層５４は、ライニング２６と内側プライ２０との間に設けられ、ライニング２６と内側プライ２０との間の距離の変化に従って、端部取付具の第一の端部４２を越えた位置にあるホースの主要部分における厚さに比べ、端部取付具の第一のビーズ４８と第一の端部４２との間において薄くなっている。内側充填材層５４は、第一のビーズ４８の位置で停止し、二つのビーズ４８、５０間の端部取付具の領域５６において、内側プライ２０は、結束線５８により端部取付具に結束される。

主充填材層２４は、取付具３８の第一の端部４２を過ぎた位置にあり且つ端部取付具３８から軸線方向に間隔を空けた境界点６０と、取付具３８の第一の端部４２との間において、厚さが減少する。これは、充填材層２４を形成するポリマ材料の層の端部をずらして、端部取付具上で直接支持されないホース領域に渡って、充填材層の総厚さを段階的に減少させることにより達成される。したがって、外側プライ２２の直径も、境界点６０と取付具の端部４２との間で段階的に減少する。端部取付具の内側端部４２と第一のビーズ４８との間の部分に渡って、主要充填材層２４は、実質的に一定の厚さを有し、したがって、外側プライは、実質的に一定の直径を有する。主充填材層２４は、主充填材層２４が結束線５８の上に延びる、二つのビーズ４８、５０間において、再び厚さが減少し、第二のビーズ５０の内側で終了する。

外側プライ２２の直径の緩やかな減少と、充填材層２４の厚さの緩やかな減少との利点は、端部取付具の領域にあるホース内の応力が徐々に変化し、充填材層が長さに沿って急に厚さを変化させた際に生じがちな急激な変化を発生させないことである。この緩やかな変化又は半径は、ホースの伸長及び弛緩時に、補強線の著しい屈曲を回避する上でも役立つ。充填材層２４の厚さの緩やかな変化の他の利点は、その厚さにおける剪断歪みの緩やかな変化を可能にすることである。これは、剪断歪みの急速な変化が疲労寿命にとって有害であることから重要である。

第二のビーズ５０を通り過ぎて、第二のビーズ５０とフランジ４６との間にある場所において、内側及び外側プライ２０、２２は、互いに接触している。第二のビーズ５０を越えた領域において、二層のプライ２０、２２は、外側の一組の結束線６２により端部取付具に結束される。内側の結束線５８は、第一のビーズ４８と共に、内側プライ２０の固定の大部分をもたらし、外側の一組の結束線６２は、第二のビーズ５０と共に、外側プライ２２の固定の大部分をもたらす。

ここではＫｅｖｌａｒ^TM等のアラミド製であるストラッピング６４は、取付具３８の端部４２と第一のビーズ４８との間の領域において、内側プライ２０に巻き付けられている。同様のストラッピングは、取付具の端部４２から第二のビーズ５０の内側までの全体で、外側プライ２２上に設けられる。このストラッピング６４は、端部取付具３８と相対的なホース構成要素の運動を制御された形で緩やかに変化させ、これにより、歪みの急速な変化を防止するように構成される。更に、ビーズ上など、フレッティングが生じる恐れのある領域でのホースの著しい運動を防止する。ストラッピングは、端部取付具３８の全長に渡って必要な制御が提供されるように、取付具３８の端部まで延びる。

ホース取付具４２の端部の最後の地点には、ホース取付具３８により支持されて径方向に収縮できないホースの部分と、支持されていないため径方向に収縮可能なホースの部分との間での急激な移行が存在することは理解されよう。これにより、ホースのその部分には多くの歪みが加わる可能性がある。したがって、本発明の他の実施形態では、図７に示したように、鋼製端部取付具７２の内端部に、可撓性延長部７０が設けられる。延長部７０は、鋼製端部取付具よりも可撓性の高い材料により作成され、ここでは、ポリマ材料により作成される。延長部７０は、更に、鋼製端部取付具から離れる内向きの方向で可撓性が増加するように構成される。これを達成するために、延長部は、鋼製端部取付具７２と同じ一定の内径を有し且つ同軸となる管状であり、鋼製端部取付具から離れる方向で厚さが減少するように構成される。これは、端部取付具７２に支持されたホースが伸長力を受けた時、鋼製端部取付具に支持されたホースの部分と、延長部７０の端部を過ぎたホースの部分との間で、収縮可能となる容易さが徐々に変化し、したがって、ホースが受ける径方向収縮の度合いとが、徐々に変化することを意味する。これは、端部取付具の端部において、ホースの歪みの減少を支援するため、ホース組立体の耐久性を高める。ここでは、延長部は、端部取付具の長さの約１０％であるが、５％乃至２０％にすることも可能であり、或いは２％の短いもの、又は３０％の長いものにすることもできる。

一実施形態において、延長部は、一定の厚さにしてよく、或いは、その長さの一部に沿って厚さのみが変化してもよい。

この端部取付具の仕組みは、伸長の度合いが通常のホースよりも著しく高いホースポンプシステムに特に望ましいが、油輸送ホース等、他のタイプのホースシステムにおいても使用できる。

Claims (12)

1. 充填材層により分離された内側プライ及び外側プライを備えるホースポンプ用ホースであって、
   前記内側及び外側プライは、反対方向へ螺旋状に巻かれており、
   前記内側プライは、前記外側プライより浅い角度を有し、
   前記充填材層は、弾性体を有し、前記ホースの収縮及び伸長を可能とするように弾力的に伸縮自在である、
   ホース。
2. 前記プライは、前記充填材層より弾性が少ない、請求項１に記載のホース。
3. 前記プライは、ワイヤにより作成される、請求項１または請求項２に記載のホース。
4. 前記内側プライの前記ホースの中心からの半径は、前記外側プライの半径の２０％乃至９０％の範囲である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のホース。
5. 前記充填材層は、ポリマ材料製である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のホース。
6. 前記プライの角度と、前記充填材層の厚さとは、前記ホースを伸長させることにより発生する前記内側及び外側プライの捻り効果が実質的にバランスを保つように選択される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のホース。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のホースと、端部取付具とを備えるホース組立体であって、
   前記端部取付具は、前記ホースの端部が乗り越えて延びる第一の端部と、取付フランジが配置された第二の端部とを有する管状部を含み、
   前記端部取付具は、前記内側及び外側プライをそれぞれ保持するために、前記管状部の外面に形成された第一及び第二の保持ビーズを有する、
   ホース組立体。
8. 前記充填材層は、前記ホースの前記端部に向かって厚さが減少する、請求項７に記載のホース組立体。
9. 内側及び外側プライを前記プライ間の充填材層と共に有するホースと、端部取付具とを備えたホース組立体であって、
   前記端部取付具は、前記ホースの端部が乗り越えて延びる第一の端部と、取付フランジが配置された第二の端部とを有する管状部を含み、
   前記端部取付具は、前記内側及び外側プライをそれぞれ保持するために、前記管状部の外面に形成された第一及び第二の保持ビーズを有し、
   前記充填材層は、前記ホースの前記端部に向かって厚さが減少する弾性体を有し、
   前記充填材層は、前記ホースの収縮及び伸長を可能とするように弾力的に伸縮自在である、
   ホース組立体。
10. 前記充填材層は、前記端部取付具の前記第一の端部を越えた前記ホースの一部に渡って、厚さが減少する、請求項８または請求項９に記載のホース組立体。
11. 前記充填材層は、前記取付具の前記第一の端部から前記第一の保持ビーズまで、実質的に一定の厚さである、請求項８〜１０のいずれかに記載のホース組立体。
12. 前記充填材層は、前記第一及び第二の保持ビーズ間において厚さが減少する、請求項１０または請求項１１に記載のホース組立体。

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