CN111741894A - 无人水上航行体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人水上航行体，即便是发热量较多的设备，也能够充分地被冷却，不会为了发热体的冷却而使用船内的能量，而且还能够改善冷却装置的平均故障间隔(MTBF)。无人水上航行体(1)具备：对构成作为发热体的中央处理装置(CPU)的图像识别用中央处理装置(CPU1)以及控制用中央处理装置(CPU2)进行冷却的冷却结构(CS)。冷却结构(CS)具备收纳发热体的防止容器(7)(将发热体以电绝缘的状态进行包围的绝缘包围体)，防止容器(7)以与存在于无人水上航行体(1)外侧的水接触的方式配置在：无人水上航行体(1)的没入到水中的没水部(3)的外侧。

Description

无人水上航行体

技术领域

本发明涉及一种具备用于冷却发热体的冷却结构的无人水上航行体。

背景技术

现在较盛行使用AUV(Autonomous Underwater Vehicle：自主型无人潜水机)来进行海中调查或海底调查。虽说还需要进一步提高调查精度、扩大调查范围、或降低调查成本，但存在着下面所述的课题，即：由于AUV需要有在水上航行的母船随行，如果想要运行多个AUV，就必须相应地增加这一部分数量的母船。母船是：为了进行音响定位或AUV的监控而由船员乘坐的船舶，从成本面考虑，增加母船很难。

因此，在最近，替代母船，开发出来了随行AUV的ASV(Autonomous SurfaceVehicle：也可称之为海面机器人或海面中转器的无人水上航行体)。ASV是无人随行AUV的机器人，通过卫星通信等的无线通信机构，用于在母船或者陆地上的控制中心与AUV之间进行中转。如果利用ASV，与母船相比，能够较低地抑制日费(每日作业费)，从而能够期待以低成本来实施调查。

ASV除了搭载有用于与母船等进行通信的通信设备、或用于与AUV进行通信的音响通信设备之外，还搭载有多个用于控制自主航行的微机、以及包括电源电路等电气设备以及/或者电子设备在内的发热体。在航行中，在ASV上必须对这些发热体进行冷却。

以往，使用了搭载在ASV内的空气调节器，来对设置在船内的包括电气设备以及/或者电子设备在内的发热体进行冷却。另外，作为ASV虽然没有特别确定，但是，对水上航行体所具备的发热体进行冷却的冷却装置的现有技术已经被日本特开2017－85063号公报(专利文献1)以及日本特开2015－196407号公报(专利文献2)所公开。

在专利文献1记载的技术中，具备：冷却配管在其内部通过的散热板、以及将海水向冷却配管输送的海水泵，通过使发热体接触于散热板，来对发热体进行冷却。在专利文献2记载的技术中，将作为发热体的散热器紧密接触于吃水部来进行配置，使发热体的热量经由吃水部而散发到水中，由此来对发热体进行冷却。

专利文献

专利文献1：日本特开2017－85063号公报

专利文献2：日本特开2015－196407号公报

发明内容

然而，上述的任意一现有技术的冷却方法都是使用ASV内的能量来对发热体进行冷却。亦即，空气调节器的的情况就不必说了，在专利文献1记载的技术的情况下，为了使输送海水的海水泵进行驱动，故而需要能量，在专利文献2记载的技术的情况下，为了使制冷介质在散热器内循环，故而需要能量。由于ASV在航行中无法从外部获取能量，因此，存在着下述这样的课题，即：在ASV那样的无人水上航行体中，就会极力地想控制住用在发热体的冷却方面的能量。

另外，还存在下述的问题，即：空气调节器或海水泵等使用频率偏高机器(高效设备)的故障是难免的，MTBF(Mean Time Between Failure(s)：平均故障间隔)的改善也很困难。

此外，在上述的任意一现有冷却技术的的情况下，发热体和冷却装置均设置在船内。由此，作业员不进入船内就无法进行维护保养。因此，作为作业员进入船内的前提，存在着对ASV进行如何设计的问题。

本发明的目的在于，提供一种下述这样的无人水上航行体，即：即便是发热量较多的发热体，也能够充分地被冷却，不会为了发热体的冷却而使用船内的能量，而且还能够改善冷却装置的平均故障间隔(MTBF)。

本发明的另一目的在于，提供一种不用进入船内就能够进行设备的维护保养的无人水上航行体。

本发明是涉及一种含有上述ASV的无人水上航行体，无人水上航行体具备：对包括电气设备以及/或者电子设备在内的发热体进行冷却的冷却结构。冷却结构具备将发热体以电绝缘的状态进行包围的绝缘包围体，绝缘包围体以与存在于无人水上航行体外侧的水接触的方式配置在：无人水上航行体的没入到水中的没水部的外侧。绝缘包围体只要是包围发热体即可，也可以紧密粘接于发热体，还可以是收纳发热体的容器。另外，即便发热体本身不在绝缘包围体内，也可以经由热管那样的热传递机构而将发热体与绝缘包围体进行热传递性连接。

根据本发明，包括电气设备以及/或者电子设备在内的发热体被绝缘包围体所包围，绝缘包围体即便与水接触(也包含绝缘包围体侵入水中的状态)，也不会在电气设备以及/或者电子设备内发生短路地进行动作。而且，由于绝缘包围体配置于无人水上航行体的没水部的外侧，发热体所发出的热量经由绝缘包围体而散热到水中。因此，本发明的无人水上航行体不必使用作为船内能量的电力，就能够对发热体进行冷却。另外，由于绝缘包围体需要传导热量，因此，绝缘包围体的至少与水接触的部分优选为热传导性呈优良。

另外，由于冷却结构不存在有海水泵等使用频率偏高的设备(高效设备)，因此，能够改善冷却结构的MTBF。此外，在需要进行发热体或冷却结构的维护保养的情况下，因为不需要进入到船内，所以，不需要设计成作业员能够进入船内的结构，从而从船外就能够进行维护保养作业。

绝缘包围体也可以是防水包围体。只要通过防水包围体被包围，水就不会浸入于包括电气设备以及/或者电子设备在内的发热体，从而能够达到上述的目的。另外，绝缘包围体也可以通过收纳发热体的防水容器来构成。在是防水容器的情况下，也可以在防水容器内封入空气等气体，另外，也可以填充绝缘油或氟系惰性液体(例如：Fluorinert(フロリナート)〔注册商标〕)等绝缘性液体，另外，也可以填充防水胶那样的固体物质。另外，Fluorinert不仅具有电绝缘性，其热传导性也呈现良好，因此，能够将发热体的热量良好地传递给防水容器，所以适合用于被封入到防水容器内。

绝缘包围体只要配置在无人水上航行体的没水部的外侧，可以不必拘泥于配置位置。另外，也可以在无人水上航行体的没水部形成有朝向外侧开口的凹部，绝缘包围体被收纳在凹部内。这样，能够降低绝缘包围体的流体阻力。特别是，只要使无人水上航行体的没水部与绝缘包围体处于同一面，就能够进一步降低绝缘包围体的流体阻力。

搭载于无人水上航行体内的设备、与绝缘包围体内的发热体可以以任何方式进行电连接。优选为，在没水部具有凹部，在将绝缘包围体收纳凹部内的情况下，设备与发热体经由配置在凹部内的连接器而被电连接。另外，只要是以能够从无人水上航行体的船体分离开的方式将绝缘包围体固定在凹部内，维护保养性就会得到提高。

从发热体朝向绝缘包围体的热传递可以通过任意的构成来进行。在绝缘包围体的至少与水接触的部分由金属部件来构成的情况下，只要是发热体以能够向绝缘包围体的与水接触的部分进行热传递的方式被固定于绝缘包围体内，就会高效地对发热体的热量进行散发。

关于无人水上航行体的没水部的凹部与绝缘包围体的形状以及结构也可以构成为：当无人水上航行体进行行驶时，在水被吸入到凹部内而在绝缘包围体的与水接触的部分的周围产生水流之后，将形成出水流的水排出到凹部的外部。根据这样的构成，能够在降低绝缘包围体的流体阻力的基础之上，增大绝缘包围体与水的接触面积，从而能够高效地进行散热。

具体而言，可以在绝缘包围体被收纳在凹部内的状态下，在凹部与绝缘包围体之间，形成有：前方间隙、后方间隙、以及将前方间隙与后方间隙连接起来的连接间隙，该前方间隙具有：形成在无人水上航行体的行驶方向前方侧且与外部连通的前方开口部，该后方间隙具有：形成在无人水上航行体的行驶方向后方侧且与外部连通的后方开口部，形成有：从前方开口部通过前方间隙、连接间隙以及后方间隙而朝向后方开口部的水的流路。

在形成出这样的间隙的情况下，只要预先下一些功夫就能够增大从前方开口部吸入的水的量。例如，根据伯努利定理可知，当流路变窄时，流体的速度会增加，压力就减少，也可以应用这种伯努利定理，以使得通过前方开口部以及前方间隙的水的压力高于通过后方开口部以及后方间隙的水的压力的方式，来确定前方开口部、前方间隙、后方开口部以及后方间隙的宽度尺寸。另外，因为发热体的热量，前方开口部周边的水的温度会上升，由此，可以确定发热体的安装位置，以便绝缘包围体的靠近前方开口部的部分的温度高于靠近后方开口部的部分的温度，以使得引起水的对流。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的无人水上航行体的一例的侧视图。

图2是表示无人水上航行体所搭载的包括电气设备以及/或者电子设备在内的发热体的框图。

图3是表示冷却结构的详情的截面图。

图4是表示第2实施方式的无人水上航行体的侧视图。

图5的(A)～(C)是表示冷却结构的示意图。

图6是表示第3实施方式的无人水上航行体所具备的冷却结构的截面图。

具体实施方式

下面，参照附图，详细说明本发明的无人水上航行体的实施方式。

＜第1实施方式＞

[整体构成]

图1是表示本发明的第1实施方式的无人水上航行体1的一例的侧视图，是为了从侧面能够观察到冷却结构部分而用截面仅仅显示了冷却结构部分的图。图2是无人水上航行体1所搭载的包括电气设备以及/或者电子设备在内的发热体6的框图。

在本实施方式中，无人水上航行体1是随行AUV(自主型无人潜水机)的ASV(海面机器人)。无人水上航行体1漂浮在图1的纸面中央所示的海面SS，朝向纸面左侧而在水上行驶。亦即，在本实施方式中，流水方向沿着箭头所示的方向。将无人水上航行体1的没入到水中的部分定义为没水部3。

无人水上航行体1的外包装是纤维强化塑料(FRP)制的。在没水部3形成有：朝向外侧(在本实施方式中，海底方向即为纸面下方)呈开口的凹部5。

凹部5是没水部3的一部分，不是贯通孔，而且是有底的。在凹部5内收纳有：构成绝缘包围体的防水容器7，该防水容器7能够收纳：包括电气设备以及/或者电子设备在内的发热体6。防水容器7是金属制的，是将金属板进行加工而构成配件，再对该配件进行组装而成。防水容器7的详情将在后面说明。防止容器7被收纳在凹部5内，通过底壁部7A与外侧所存在的水接触，来构成冷却结构CS。

无人水上航行体1具备图像识别用中央处理装置CPU1以及控制用中央处理装置CPU2，它们分析来自各种设备的数据的且构成控制各种设备的中央处理装置CPU。中央处理装置CPU1以及CPU2连接有：用于对无人水上航行体1的位置进行定位的GNSS(GlobalNavigation Satellite System：全球定位卫星系统)9、用于自动识别船舶的装置亦即AIS(Automatic Identification System：自动船舶识别装置)11、用于对无人水上航行体1的动作进行检测的IMU(Inertial Measurement Unit：惯性测量装置)13、用于与母船或者陆地上的控制中心进行通信的通信装置15、用于进行拍摄的相机17以及红外线相机19、用于进行周围的监视的雷达21、以及用于对无人水上航行体1的设备进行控制的执行器23等。在本实施方式中，中央处理装置CPU1以及CPU2是主要的发热源，被收纳于防水容器7内。

[冷却结构]

图3是表示冷却结构CS的详情的截面图。如上所述，防水容器7被收纳于凹部5内，通过防水容器7的底壁部7A与外侧所存在的水相接触，来构成冷却结构CS。

防水容器7是由板状的底壁部7A、以及容器主体7B构成，其中，容器主体7B又是由相对于底壁部7A而被固定的一面呈开口状的框体构成。容器主体7B以一体方式在其开口部具备凸缘部7C。在容器主体7B的凸缘部7C形成有：能够收纳环状的防水垫圈25的环状的沟部7D。通过由螺栓和螺母构成的固定件27而将底壁部7A与容器主体7B进行结合，成为对防水垫圈25进行压缩的状态，防水容器7内部被保持成水密状态。

在本实施方式中，在防水容器7内收纳有：构成中央处理装置CPU的图像识别用中央处理装置CPU1以及控制用中央处理装置CPU2。图像识别用中央处理装置CPU1被安装在印刷基板31上，其中，该印刷基板31配置于：固定在底壁部7A的电绝缘性良好的间隔件29上。从安装有图像识别用中央处理装置CPU1的印刷基板31延伸出来的电线32(省略部分图示)连接于：在防水容器7的容器主体7B设置的防水连接器半部33。与搭载在无人水上航行体1的设备(上述GNSS9、AIS11等)连接的电线34又与在凹部5内配置的防水连接器半部35进行电连接。通过防水连接器半部35与防水连接器半部33连接起来，而成为搭载在无人水上航行体1的设备与图像识别用中央处理装置CPU1被电连接的状态。图像识别用中央处理装置CPU1虽然未与防水容器7直接接触，但是，经由导热板37而与防水容器7的底壁部7A进行热传递性连接，其中，导热板37的一端与图像识别用中央处理装置CPU1的表面接触，导热板37的另一端与防水容器7的底壁部7A接触。控制用中央处理装置CPU2是与图像识别用中央处理装置CPU1同样地进行安装，印刷基板31'经由间隔件29'而被固定于底壁部7A，控制用中央处理装置CPU2被安装于印刷基板31'上。导热板37'以能够热传递的方式接触于控制用中央处理装置CPU2。导热板37'以能够热传递的方式被固定于底壁部7A。

防水容器7的容器主体7B被收纳于凹部5内，利用固定用螺丝39而被固定于无人水上航行体1的船底。当构成中央处理装置CPU的图像识别用中央处理装置CPU1与控制用中央处理装置CPU2进行动作而发热时，所产生的热量如图3所示的箭头那样，经由导热板37以及37'而传递于防水容器7的底壁部7A，从而散热到底壁部7A的外侧所存在的水中。

另外，在本实施方式中，从抬到陆地上或抬到母船上的状态下的无人水上航行体1的外侧拆卸下固定用螺丝39，就能够将防水容器7从无人水上航行体1的船体分离开。因此，无需为了进行防水容器7、或者防水容器7内的中央处理装置CPU的维护保养等而进入到无人水上航行体1内。

＜第2实施方式＞

图4是表示第2实施方式的无人水上航行体的侧视图。与图1同样地，为了从侧面能够观察到冷却结构部分，用截面仅仅显示了冷却结构部分。图5的(A)～(C)是冷却结构的示意图。关于与第1实施方式共通的部分，赋予了：对图1以及图3中标注的符号再加上100之后所得到的数字符号，并省略其说明。

在第2实施方式中，构成有冷却结构CS，以便当无人水上航行体101进行行驶时，在水被吸入到凹部105内而在防水容器107的周围产生水流之后，将水排出到凹部105的外部。具体而言，在防水容器107被收纳于凹部105内的状态下，在凹部105与防水容器107之间形成有：前方间隙143、后方间隙147、以及将前方间隙143与后方间隙147连接起来的连接间隙149，其中，前方间隙143具有：形成在无人水上航行体101的行驶方向前方侧并与外部连通的前方开口部141，后方间隙147具有：形成在无人水上航行体101的行驶方向后方侧并与外部连通的后方开口部145。通过该构成，形成出：从前方开口部141通过前方间隙143、连接间隙149以及后方间隙147而朝向后方开口部145的水的流路，如图4所示的箭头那样，水会通过流水而从前方开口部141被吸入。另外，连接间隙149也形成在：与容器主体107B的宽度方向相对置的一对侧壁部的外侧。

图5的(A)～(C)表示冷却结构CS的变形例。在图5的(A)～(C)中，只对无人水上航行体101进行了截面描画，没有对防水容器107进行截面描画。

在图5的(A)的例子中，前方间隙143与后方间隙147的宽度尺寸设定成相同。

在图5的(B)的例子中，以前方间隙143这一方间隙的宽度尺寸大于后方间隙147的间隙宽度尺寸的方式，来确定凹部105内的防水容器107的位置。根据伯努利定理可知，当流路变窄时，流体的速度会增加，压力就减少，可以应用这种伯努利定理。在图5的(B)所示的例子中，由于前方间隙143的宽度尺寸为后方间隙147的宽度尺寸的3倍大小，因此，当无人水上航行体1航行时，将水从前方开口部141抽吸上来的压力P变成：将水从后方开口部145抽吸上来的压力P的3倍，从而能够增大：从前方开口部141吸入的水量。

在图5的(C)的例子中，对防水容器107内的构成中央处理装置CPU的图像识别用中央处理装置CPU1以及控制用中央处理装置CPU2的配置位置进行调整，因为热量，靠近前方开口部141的部分这一方的温度高于靠近后方开口部145的部分的温度(在防水容器7的前方部分描画的圆是表示高温)。因为热量，前方开口部周边的水的温度呈现上升，由此能够引起水的对流，从而能够增大从前方开口部141吸入的水量。

＜第3实施方式＞

图6是表示第3实施方式的无人水上航行体所具备得冷却结构的截面图。关于与第1实施方式共通的部分，赋予了：对图3中标注的符号再加上200之后所得到的数字符号，并省略其说明。

在第3实施方式中，在防水容器207内填充有作为氟系惰性液体的Fluorinert(フロリナ一ト；注册商标)。Fluorinert的热输送效率较高，且具有绝缘性，因此，通过填充在防水容器207内，来自构成中央处理装置CPU的图像识别用中央处理装置CPU1以及控制用中央处理装置CPU2的热量经由Fluorinert而被传递给防水容器207的壁部。亦即，在这种构成的情况下，不需要图3中所使用的导热板37、37'。

＜其他＞

在上述实施方式中，虽然通过金属制的防水容器7来构成了绝缘包围体，但是，绝缘包围体只要具有电绝缘性且能够包围发热体，则可以是任意部件，例如，当然也可以通过固化的硅树脂来构成绝缘包围体。

在上述实施方式中，虽然通过金属制的防水容器7来构成了绝缘包围体，但是，当然也可以通过绝缘树脂制的防水容器来构成绝缘包围体。

另外，在上述实施方式中，作为包括电气设备以及/或者电子设备在内的发热体，虽然是以中央处理装置为对象的，但是，用于对驱动用马达进行驱动的驱动用半导体元件、或者像驱动用马达自身那样进行某种程度发热的电气设备或电子设备也可以被包含在包括所有电气设备以及/或者电子设备在内的发热体之中。

另外，在上述实施方式中，虽然在构成没水部的一部分的凹部内收纳有防水容器，但是，当然也可以不在没水部形成凹部，而是将防止容器固定在没水部的外表面。

以上，虽然具体地说明了本发明的实施方式，但是，本发明并非限定于这些实施方式，当然能够在本发明的技术思想的范围内进行变更。

工业上的利用可能性

根据本发明，能够提供一种下述这样的无人水上航行体，即：即便是发热量较多的发热体，也能够充分地进行冷却，并且，不会为了发热体的冷却而使用船内的能量，而且还能够改善冷却装置的平均故障间隔(MTBF)。此外，还能够提供一种不用进入到船内就能够进行设备的维护保养的无人水上航行体。

附图标记说明

1…无人水上航行体；3…没水部；5…凹部；6…发热体；7…防水容器；7A…底壁部；7B…容器主体；7C…凸缘部；7D…沟部；9…GNSS(全球定位卫星系统)；11…AIS(自动船舶识别装置)；13…IMU(惯性测量装置)；15…通信装置；17…相机；19…红外线相机；21…雷达；23…执行器；25…防水垫圈；27…固定件；29、29'…间隔件；31、31'…印刷基板；32…电线；33…防水连接器半部；34…电线；35…防水连接器半部；37、37'…导热板；39…固定用螺丝；CPU1…图像识别用中央处理装置；CPU2…控制用中央处理装置。

Claims (12)

1.一种无人水上航行体，该无人水上航行体具备：对包括电气设备以及/或者电子设备在内的发热体进行冷却的冷却结构，其特征在于，

所述冷却结构具备：将所述发热体以电绝缘的状态进行包围的防水包围体亦即绝缘包围体，

所述绝缘包围体以与存在于所述无人水上航行体外侧的水接触的方式配置在：所述无人水上航行体的没入到水中的没水部的外侧，

在所述无人水上航行体的所述没水部形成有朝向外侧开口的凹部，

所述绝缘包围体被收纳在所述凹部内。

2.一种无人水上航行体，该无人水上航行体具备：对包括电气设备以及/或者电子设备在内的发热体进行冷却的冷却结构，其特征在于，

所述冷却结构具备：将所述发热体以电绝缘的状态进行包围的绝缘包围体，

所述绝缘包围体以与存在于所述无人水上航行体外侧的水接触的方式配置在：所述无人水上航行体的没入到水中的没水部的外侧。

3.根据权利要求2所述的无人水上航行体，其特征在于，

所述绝缘包围体是防水包围体。

4.根据权利要求3所述的无人水上航行体，其特征在于，

所述绝缘包围体通过收纳所述发热体的防水容器来构成。

5.根据权利要求4所述的无人水上航行体，其特征在于，

在所述无人水上航行体的没水部形成有朝向外侧开口的凹部，

所述绝缘包围体被收纳在所述凹部内。

6.根据权利要求5所述的无人水上航行体，其特征在于，

搭载于所述无人水上航行体的设备、与所述绝缘包围体内的所述发热体经由配置在所述凹部内的连接器而被电连接。

7.根据权利要求5所述的无人水上航行体，其特征在于，

所述绝缘包围体以能够从所述无人水上航行体的船体分离开的方式被固定在所述凹部内。

8.根据权利要求5所述的无人水上航行体，其特征在于，

所述绝缘包围体的至少与所述水接触的部分由金属部件来构成，

所述发热体以能够向所述绝缘包围体的与所述水接触的部分进行热传递的方式被固定于所述绝缘包围体内。

9.根据权利要求5所述的无人水上航行体，其特征在于，

所述凹部与所述绝缘包围体的形状以及结构构成为：当所述无人水上航行体进行行驶时，在所述水被吸入到所述凹部内而在所述绝缘包围体的与所述水接触的部分的周围产生水流之后，将形成出所述水流的水排出到所述凹部的外部。

10.根据权利要求9所述的无人水上航行体，其特征在于，

在所述绝缘包围体被收纳在所述凹部内的状态下，在所述凹部与所述绝缘包围体之间形成有：前方间隙、后方间隙、以及将所述前方间隙与所述后方间隙连接起来的连接间隙，该前方间隙具有：形成在所述无人水上航行体的行驶方向前方侧且与外部连通的前方开口部，该后方间隙具有：形成在所述无人水上航行体的行驶方向后方侧且与外部连通的后方开口部，

形成有：从所述前方开口部通过所述前方间隙、所述连接间隙以及所述后方间隙而朝向所述后方开口部的水的流路。

11.根据权利要求10所述的无人水上航行体，其特征在于，

以使得通过所述前方开口部以及所述前方间隙的所述水的压力高于通过所述后方开口部以及所述后方间隙的所述水的压力的方式，来确定所述前方开口部、所述前方间隙、所述后方开口部以及所述后方间隙的宽度尺寸。

12.根据权利要求10所述的无人水上航行体，其特征在于，

通过所述发热体的热量，所述绝缘包围体的靠近所述前方开口部的部分的温度高于所述绝缘包围体的靠近所述后方开口部的部分的温度。

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