JP2005533718A - 視程障害流体用の視界増強装置 - Google Patents

Abstract

濁水や煙が充満した部屋等の視程障害流体用の視界増強装置（１０）は、流体透過性側壁（８６）と、第１及び第２ハウジング端部間に延出する軸心（６２）を有する合流キャビティ（９０）を形成するハウジング（４０）とを有する。前記両ハウジング端部は前記側壁によって接続されている。前記第２ハウジング端部は開口（４４）している。前記側壁は、前記第１ハウジング端部側の近端部と前記第２ハウジング端部側の遠端部とを有する。前記ハウジングは、前記側壁を包囲するとともに、濁水環境で作業する場合には典型的には清浄水である観察用流体源（３４）に接続可能な供給キャビティ（７２）を備える。前記側壁は、それを通過する前記観察用流体の流れに対して当該側壁の位置によって変化する抵抗を有する。前記観察用流体は前記合流キャビティを通過して前記第２ハウジング端部から出る。これによって、第２ハウジング端部から出る観察用流体に対して選択されたベロシティ・プロファイル（１２２）が作り出される。

Description

本発明は、例えば、ダイバーやビデオシステムが、泥水、又はその他の濁水を通して見ることを可能にするために使用される水中観察システムに関する。本発明は、又、煙、油、泡立つ液体など、その他視程障害流体においても利用可能である。

濁水中において、観察システムは、通常、沈泥、油又は泥の茶色のもやしか見えない。もしもその濁り度が高く濃度が高ければ、それを光も通過することができず、この状態を潜水界ではブラック・ウオーター（ＢＷ）と呼んでいる。ＢＷは、嵐の作用を受けている海底、ミシシッピ川の激流する底部、工業用タンク若しくは不透明な液体を運ぶ導管、不透明なスラリ、煙若しくはその他の視程障害ガス、又は、泡立つ液体、等の場所においていたるところに存在しうる。ＢＷは、又、単に、ダイバーの移動や、遠隔操作車両が沈泥海底で通常に作業を行う際にその海底を攪拌することによっても起こりうる。ダイバーにとって、その他唯一の入力は自分の触感のみであり、これは、低温又は汚染された水中でグラブを着用する場合には改善の余地が大いにある。作業の質が劣化し、生産性が低下する可能性がある。ビデオカメラのみに依存する、遠隔操作車両（ＲＯＶ）等のシステムの場合には、色彩感覚とビデオ画像のクローズアップ解像能を備えないＳＯＮＡＲ以外の代替知覚はない。

混濁を通して見る最も単純な方法は、その混濁を、例えばそれを通してダイバーやビデオシステムが作業を見ることが可能な清浄水の照射自由ジェット流によって置き換えるために透明流水システム（transparent hydraulic system）を使用することである。

しかし、ジェット流を単純に静止する流体に発射するだけではそのジェット流は、ほとんど即座に乱流へと分解されてしまうので、そのジェット流をいかに構成するかについて注意深くなければならない。乱流は非常に効率的な混合状態であり、清浄水ジェットはほとんど即座にその周囲のブラック・ウォーターと混ざり合い、それによって透明なコラムが分解されてしまう。

本発明の第１の態様は、濁水や煙が充満した部屋の煙等の視程障害流体用の視界増強装置に関する。この装置は、流体透過性側壁と、第１及び第２ハウジング端部間に延出する軸心を有する合流キャビティを形成するハウジングとを有する。前記両ハウジング端部は前記側壁によって接続されている。前記第２ハウジング端部は開口している。前記側壁は、前記第１ハウジング端部側の近端部と前記第２ハウジング端部側の遠端部とを有する。前記ハウジングは、前記側壁を包囲する供給キャビティを形成している。前記供給キャビティは、濁水環境で作業する場合には典型的には清浄水である観察用流体源に接続可能である。前記側壁は、それを通過する前記観察用流体の流れに対して当該側壁の位置によって変化する抵抗を有する。前記観察用流体は、前記供給キャビティに入り、前期側壁を通過し、前記合流キャビティを通過して前記第２ハウジング端部から出る。これによって、第２ハウジング端部から出る観察用流体に対して選択されたベロシティ・プロファイルが作り出される。

本発明の第２の態様は、視程障害流体を通して観察するための方法に関する。視界増強装置は、観察用流体源に接続される。前記装置は、流体透過性側壁と、第１及び第２ハウジング端部間に延出する軸心を有する合流キャビティを形成するハウジングとを有し、前記両ハウジング端部は前記側壁によって接続され、前記第１ハウジング端部は光透過性であり、前記第２ハウジング端部は開口し、前記側壁は前記第１ハウジング端部側の近端部と前記第２ハウジング端部側の遠端部とを有し、前記ハウジングは、前記側壁を包囲する供給キャビティを形成し、前記供給キャビティは、前記観察用流体源に接続される。清浄水などの観察用流体は、前記供給キャビティに流入し、前記側壁を通過し、前記合流キャビティを通過して、前記第２ハウジング端部を通して流出する。前記側壁を通過する前記観察用流体の流れに対して可変抵抗を有する。前記抵抗は、当該側壁の位置に応じて変化し、前記観察用流体が前記第２ハウジング端部から出るときに前記観察用流体の選択されたベロシティ・プロファイルが作り出される。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して好適実施例が詳細に説明されている以下の記載から明らかになるであろう。

図１は、潜水ヘルメットに取り付けられた本発明による清浄水観察装置の全体図である。

図２は、図３の２−２線に沿った断面図である。

図３は、図２の３−３線に沿った断面図である。

図４は、図２の４−４線に沿った断面図であり、ほぼ円錐状のベロシティ・プロファイルを有する清浄水路の形成を図示している。

図５は、可変抵抗ディフューザーリングを通る水の流れを図示している。

図６は、整流ハニカムの使用を図示している。

図７は、前記ディフューザーリングの片側を圧縮することによる流体流の片側への偏向を図示している。

図８は、横断流羽根の使用に対して流体を偏向させる別の方法を図示している。

図９は、二つの異なる可変抵抗ディフューザーリングを含む別実施例を図示している。

図１０は、ビデオ用途に使用される別実施例を図示している。

図１０ａは、１０ａ−１０ａ線に沿った断面図である。

図１１は、楕円状断面を有する可変抵抗ディフューザーリングの曲率半径の変化の作用を図示している。

図１１ａ及び図１１ｂは、それぞれ、図１１の１１ａ−１１ａ線、１１ｂ−１１ｂ線に沿った分解断面図であり、種々の周方向位置における流れ抵抗クロスの数の異なる層を図示している。

図１１ｃは、図１１ａと類似しているが、前記ディフューザーリング上に流れ抑制又は流れ阻止材料の帯部を配置することによる流れに対する可変抵抗の形成を図示している。

ジェット流とその周囲の静止流体との間の界面における流体圧（hydraulic）せん断応力によって、乱流の発生が引き起こされると考えられる。従って、層流を破る初期応力は、以下のように書き表すことができる。
［数１］
Τ＝μ（▽×Ｖ） （１）
ここで、Τは、せん断応力、μは、絶対粘度、Ｖは局部ジェット流速度、そして、ベクタ▽×Ｖは、速度勾配又はせん断速度である。 ここで、「ベロシティ・プロファイル」という用語は、ジェット流の半径を横切るジェット流の局所速度を記載するのに使用される。せん断速度は、そのプロファイルの勾配である。もしも、標準的な層流ジェットのオリフィスにおける初期ベロシティ・プロファイルを図示するならば、それは、ほぼ径方向に均一な速度部を有するものとなるだろう。すなわち、その縁部が界面の外側の静止外界を表すシルクハットのように見え、その高いシルクハットがジェット流の速度を表す（エス・シー・クロウ（S.C. Crow）他，Orderly Structure In Jet Turbulence, J. Fluid Mech., v. 48, pp.547-591, 1971）。前記界面における勾配▽×Ｖは非常に大きいので、シルクハット状プロファイルは、界面において非常に大きな破壊的せん断を有することが容易に理解される。クロウ（Crow）他，の図１を参照。互いに混合する流体の自然粘度では、その混合の原因である渦流を減衰するにはまったく不十分である。

本発明の一態様は、ジェット流混合を防止するには、粘度μに渦流を減衰させる機会を提供するべくせん断速度▽×Ｖを低減しなければならないという認識にある。このことは、ジェット流は、ちょうどパイプ内部での層流のように、そのジェット流の周部から内方にその中心線に向かってずっと漸次的同軸状に増加する速度を有さなければならない、ということを意味している。そのプロファイルが漸次的であればあるほど、その半径からジェット流が残る遠方のいずれの場所においてもせん断速度は低くなる。図解的に、前記ベロシティ・プロファイルは、好ましくは、内側へほぼ円錐状又はパラボラ状にテーパーされている。即ち、それは、「ダービーハット」のような外観を有する。このようにすることで、前記勾配▽×Ｖは、常に有限となる。

ブラック・ウォーター観察には、潜水・ヘルメット市場と水中ミニカム市場との、二つの強力な市場が存在する。一実施例は、Ｋｉｒｂｙ ＭｏｒｇａｎタイプＳＬ２７潜水ヘルメット（Diving Systems International社、カリフォルニア州、サンタバーバラ）に取り付けられるプロトタイプに倣って構成される。図１−図４。第２実施例は、ＲＯＶに取り付けられるか、若しくは、ダイバーによって手で持たれる、例えば３３００フィート潜水深度の、水中ミニ−カメラのまわりの水中エンクロージャに関する。図１０を参照。

（仕様、潜水ヘルメット適用例）
図１を参照。先ず潜水ヘルメット６４と、それに付随する空気供給バルブ、副バルブ１４と、供給ライン１８をコントロールする定流バルブ１６から始める。ヘルメット１２は、ベースロック２０によって位置保持される。供給ライン１８は、デマンド・レギュレータ２２に供給する。観察ガラス２４が、ヘルメットのボルト止めリング３２に固定されている。

清浄水ビューワ１０が、溶接シールド２６に固定され、このシールドはヒンジ２８によって前記真鍮製のボルト止めリング３２にヒンジ止めされ固定されている。従って、例えば航行船（tender barge）上にいる時に、前記ビューワ１０を跳ね上げて、ダイバーは自分の足元をよりよく見ることができる。前記ビューワは、１^１／_２”の波形ホース３０を備え、このホースは、ダイバーの背中上に、ダイバーの腰に固定されたコントロール・バルブ３６へと延出している。前記バルブ３６は、３／４”ホース３８によって供給され、このホースは、航行船（tender barge）（図示せず）によって供給されるダイバーの臍近くの空気ホースパッケージ（図示せず）にテープ止めされている。前記ホース３８は、清浄水ポンプ／フィルタ３４に固定されている。前記波形供給ホース３０は、入力マニホルド４６において前記ビューワ１０に固定されている。ビューワ１０のオリフィス４４は、ダイバー（図示せず）が光又は観察中心線４２に沿って透明プレキシガラスバッキングプレート５６を通して見るとき、水の出口及び観察ポートとしての二つの作用を提供する。フロントカバー４８は、Velcro（登録商標）フック／ループファスナストラップ５０によって位置保持される。

図２及び図３を参照する。水供給ホース３０が導入マニホルド４６に取り付けられ、前記マニホルドは、ファイバガラス又はその他均等物のケース４０の一体部分として構成されている。マニホルド４６は、エルボを有する。マニホルド４６とケース４０との交差部分には、内部予備ディフューザー６６が設けられている。前記ケース４０内には、前記ケースの内面とリングディフューザー８６ａの外面とによって環状空間７２が形成されている。前記環状空間７２は、一連のスクープ羽根７８によって６つの副コンパートメントに分割されている。前記羽根のうちの二つ７６，８４は固定であり、前記環状空間を二つの半部分に分割している。残りの４つの羽根７８は調節可能なキャッチャ羽根であり、これらはそれぞれ、点８２において枢支され、調節ネジ８０によって調節可能に位置決めされる。前記ディフューザーリング８６ａは、枢支点８２の内部にぴったりと取り付けられ、但し、付着はされていない。ディフューザーリング８６ａのすぐ内部には、中空で、円錐台状のディフューザーリング８６ｂが取り付けられている。両リングは同じ長さで、かつ、バッキングプレート１０８とフロントカバー４８との間に楔止めされることによる軽い圧縮力によって位置保持されている。両ディフューザーリング８６ａ及び８６ｂは、例えば、大半の金物店で購入可能な、Scotch Brite（登録商標）等のたわし（scouring pads）（細かい）から構成することができる。これらのパッドは、ランダムな迷路のようなファイバから構成されている。その遠端側では、円錐部８６ｂの大径がカバープレート４８に隣接して配置されている。円錐部８６ｂの小さい、近位側の小径端部には、遠端部以下の外径を有する１／１６”インチ厚のフレキシブルワッシャ１０６が接着されている。前記リングの目的は、薄い近端部が圧力によって倒壊することを防止することにある。二つのディフューザーリングがある理由は、単純に、内側と外側のリング表面上に正しい円筒表面を維持しながら前記円筒状迷路内部にテーパーをカットすることが容易であることによるものであり、その外側表面は前記枢支部８２にぴったりとフィットし、内側面は、合流キャビティ９０への適切な流体力流の流入を容易にする。カバー４８は、その中心に大きな中心穴が切り抜かれ、これは、ディフューザー円錐部８６ｂの全内面を露出させるのに十分な大きさである。その結果、図１，図３及び図４に示されているようにオリフィス４４が形成される。

バッキングプレート１０８は、その中心部分が切り取られ、そこに観察ガラス５６が取り付けられている。前記観察ガラスには二つの穴があけられ、上側の穴は泡抜き５４として作用し、下側の穴はネジ山が形成されて集光アセンブリ５２を受け入れる。ビューワ１０は、シールド２６とバッキングプレート１０８の間に配置されたVelcro（登録商標）ストラップ５０によって溶接シールド２６に対して保持されている。シールド２６は、ヘルメット１２に組み込まれた真鍮製ヘルメットリング３２にボルト止めされるヒンジ２８によってダイバーのヘルメットに固定され、同じリングは、又、ヘルメットの観察ポート２４を恒久的に保持している。最後に、多孔リング１０４が、溶接シールドを作業位置まで下げたときに、図４に図示されているように、リング１０４が丁度観察ポート２４に触れるように、バッキングプレート１０８に固定されている。

図６を参照する。前記円錐台部８６ｂが、合流キャビティ９０（オリフィス４４）の遠端部において固定されているハニカム整流器１１６を露出するべく半部分状態で図示されている。このハニカムには、観察目的のために観察スロット１２８が切り欠き形成されている。整流器１１６の使用法について次に説明する。

図７を参照する。押し棒１３６で前記円錐部８６ｂの片側を圧縮することによって、流れ９２は、中心線４２から逸れる。圧縮中に壁が厚くなることを防止するために、円錐部８６ｂの内側には、スタビライザリング１５２が接着されている。これによって、ファイバ密度が増加し、円錐部のその部分の抵抗が増大する。その結果生じる時計回り方向又は方位非対称性によって、高速流が径方向反対側の流れに打ち勝つ。これによってコア９２が中心線から傾斜離間する。もしも図６のハニカムを追加すれば、流れは再び中心線とほぼ平行にはなるが、今度は、流れは中心から外れる。これによって流れ９２は、横断流へと「傾斜（lean）」し、側流侵食（side stream errosion）を減少させる。

図８を参照する。円錐台部８６ｂは、枢支部１１２周りで移動可能である。前記円錐部は、横断流を感知するために前記ケース４０の外側に位置する横断流羽根１２６によって揺動される。これにより、円錐部は、前記枢支点周りで「浮動」することができる。合流キャビティ９０内の水が円錐部の近端部内に流入することを防止するために、典型的には、Plexiglas（登録商標）又はその他適切な材料から成る観察ポート１３２が、前記円錐部の遠端部に固定され、これにより、キャビティ９０内の流れ全体が、強制的に、前記中心線４２に対して角度を有してオリフィス４４から出される。前記ジェット流９２及びそれに付随のオフセンター水中心線６２は、このジェット流が前記光中心線４２に出会うまで進行するときに、横断流１２４がこのジェット流を側方に押すにことよって湾曲して戻される。これによって、ダイバーの目５８は、丁度、より大きな飛距離を得るために上方かつ水平にボールを投げるように、標的１２０に対してより遠方を見ることが可能となる。ディフューザー８６ｃは、混濁１００を排除するべく、オリフィス４４の内部の回転空間１３４内に少量の清浄水を流出する。

図９を参照する。流れプロファイル１２２は、ダイバーによって、単にレバー１４２を出し入れすることによってその場で変更することができる。「入」の位置はゲートバルブ１３８が環状キャビティ７２ｂを閉じる。これによって、全ての流れ６８が環状領域７２ａに流入する。その後、この流れは円錐台部８６ａに入り、これが合流キャビティ９０ａを充満する。流れの分布は、ベロシティ・プロファイル１２２ａがオリフィス４４を介して径方向に均一となるように構成される。これは、広角視野で短い距離を見るために利用することが可能であろう。レバー１４２を引き出すと、ゲートバルブ１３８が７２ａを閉じて７２ｂを開放する。これが合流キャビティ９０ｂに流れ込む。キャビティ９０ａと９０ｂはタンデムに設けられるとともに、その中心に９０ａを９０ｂと接続するための穴を有する非多孔性膜１４０によって互いに分離されている。その結果生じるベロシティ・プロファイルは、長距離観察のためによりダービーハット状（プロファイル１２２ｂ）になる。所望の場合、円錐台部８６ａを、乱流を形成するように構成することが可能であろう。これによって、ユーザは、例えば、最初にゲートバルブ１３８を実線の位置に置き、汚濁部位を排出するために乱流ジェットを利用し、その後、ユーザがゲートバルブ１３８を破線の位置に移動させて排出された領域を見ることが可能となる。この先ず排出し、その後に見るシステムによって、排出目的のための圧力水流用の別のホースを不要とすることができる。

低速の周部境界層９２ｂが吹き飛ばされる可能性のある強度の横断流の場合のように、シルクハット状ベロシティ・プロファイルが使用される場合には、擾乱粉砕を防止するために、ダイバーは、擬似塑性材の１％溶液を導入ライン３０の供給流６８に注入することができる。擬似塑性材は、せん断速度▽×Ｖに応じてその粘度μを変化させる。これに対して水のようなニュートン流体はそうではない。したがって、Goodyear社製のBingham plastic Carbopol等の攪拌希釈（stir-thinning）擬似塑性材を用いた非ニュートン流体を、たとえシルクハット状プロファイルの場合でも、非常に有効な抗擾乱安定材として使用することが可能である。１％の擬似塑性材がニュートン的環境に放出されるジェット流に注入されることにより、３０−５０オリフィス直径の非混合層流ジェット流が測定された。ダイバーは、自分のスーツのどこかに供給タンクを必要とする。又は、それは、清浄水ポンプ３４で供給することが可能である。

このタイプの注入材の問題は、それらによって環境が汚染されること、そしてその注入材の供給に限りがあることである。グリセリンや蜂蜜などの粘性ニュートン流体が使用可能であるが、その注入ポイントは、オリフィスの近くでなければならないであろう。そうでなければ、高粘度によって、ポンピング速度が劇的に低下してしまう。

図示されている楕円形オリフィスは、成形可能な形状の一例である。もしも、ビューワ１０が導管内でＲＯＶに取り付けられ、オリフィス４４が、幅対高さのアスペクト比が１０又は２０の矩形のスリットであるならば、ビューワ１０が高さＹ方向（導管の長さに沿って）にＲＯＶによって物理的に搬送されながら、ビデオシステムは、側方走査ＳＯＮＡＲが海底を記録するのと非常に類似して、幅Ｘ方向（導管の曲率）で走査することができる。次に、モニターによって、導管の全表面を最小時間で記録することができる。もしも時間が非常に短い場合、一回のパスで導管の全周部と長さを光学視力と色とにおいて記録するように複数のビューワによってＲＯＶを取り囲むことが可能である。

もしも亀裂が見つかり、それが洩れているかどうかを知りたい場合には、オリフィスのエッジ、画像中にインク注入システムを置き、その亀裂の周りの不透明なインクによって、そのインク流の特徴により、その流体が洩れ込んでいるか、それとも洩れ出ているかが示される。これによって、導管の外側の状態も示されることになる。その亀裂の形状又は傾斜によって、調査技術者は、導管が受けている応力のタイプについてのアイデアを得る。これは、導管が作業流体で満たされていても行うことが可能である。

成形オリフィスの別の利用法は、ビューワをシャベル、ほうき又はスクレーパに取り付けて、考古学者がその掘削物をリアルタイムで見ることを可能にする。これによって、インテリジェントなリアルタイム掘削が提供され、これは時間依存気象ウインドウ（time dependent weather window）で作業する場合、及び、非常に壊れやすい廃墟又は電気ケーブルの周りで掘削している場合に重要である。又、考古学調査又は探索及び救助活動における視覚触感検査用に、ビデオビューワを自分の手首に取り付けることも可能である。

周部の曲率Ｋがその全周で均一な円形のオリフィスの場合、流れ９６は、合流キャビティ９０に径方向に流れ込み、その後、方位均一又は対称ジェット流９２として軸心方向に方向転換する。しかし、楕円形のオリフィスの場合、その曲率Ｋは、その短軸又は中間部分よりも長軸（楕円端部）においてのほうが大きい、図１１。従って、曲率半径τ＝１／Ｋは、その領域において小さく、そして、たとえファイバリング８６ａの制御供給領域ｌｃが同じであったとしても（この図面において）、向かい合う領域ｒｃは、楕円端部におけるほうが中心におけるよりも小さい。これによって、端部流が中間楕円流よりも強力になり、楕円端部においてシルクハット状プロファイルを形成する可能性がある。これを避けるために、ファイバマトリクスリング８６ａの楕円端部（ａ）を、図１１ａ及び図１１ｂにそれぞれ図示するように、楕円の中心（ｂ）よりも、より多くの抵抗クロス１５４の層によってマスキングすることができる。複数層の均一抵抗のクロスの代わりに、適当な抵抗プロファイルを達成するためにドップラー塗料（doppled paint）又は接着剤パターンを使用することも可能である。又、高抵抗（遠）端部においてはぴったりと巻回され、近端部においてはオープン状態で巻回された巻回不透明テープ、図１１ｃ、も使用可能である。流れ抑制又は流れ防止材のその他の帯材も使用可能である。

（仕様、ビデオ適用例）
図１０を参照する。ビデオ適用例がブラックウォータビデオビューワ１０として図示されている。導入ホース３０がケース４０の近端部に取り付けられている。ケース４０の遠端部には、中空の中心部を有する円錐部８６が設けられている。前記中心の近位側は、カメラシステムによってブロックされ、遠端部は開放され、オリフィス４４として構成されている。その内部は合流キャビティ９０として構成されている。前記カメラシステムは、レンズ１４４を備える、Outland Tech Mini，モデル４００カラー、又はその均等物（Outland Technology, Slidell, Louisiana）のビデオカメラ１４２を有する。前記カメラには、電力入力および信号出力のためのビデオケーブル１４８が取り付けられている。前記カメラレンズ１４４は、水中心線６２に沿って標的１２０にフォーカスされる。水中心線は、光中心線４２でもある。光源５２は同じ中心線４２及び６２にそってフォーカスされる。Edmund ２５ミリ、非偏光キューブなどのガラスキューブ１４６に収納されたスプリットビームミラーによって、光源５２を、光軸４２に対して垂直に離間配置することができる。前記キューブは、合流キャビティ９０の近端部において、典型的にはLexan（登録商標）ポリカーボネート、又はその他の材料から成るディスクによって、手荒な扱いから保護されている。パイプ３０を通る流入流６８は、軸心方向に入るのでスパイダーシステム７８は不要である。図１０ａは、ビデオディフューザー円錐部８６に供給するために使用される均一方位ジオメトリを図示している。

（作動、ダイバー使用例）
図１を参照する。清浄水６８が清浄水源からポンプ３４によって供給される。ただ単に、典型的なコントロール箇所においては既にあまりも多くのバルブが存在していることにより、流れは、ダイバーの腰３６のバルブによって制御される。又、もしも、ライン３８中に空気が存在する場合には、そのラインは、最初に入り状態にされた時にがくがくするかもしれないが、この動きはダイバーのヘルメットには伝えられるべきではない。

図２及び図３を参照する。次に、流れ６８は、マニホルド４６に入る。ラインは、ダイバーの背中の後ろからヘルメットに近づくので、流れ６８は角度を有して４６に入る。これは、それによって、ビューワ１０の前端部（遠端部）にあまりにも大きな動圧がかかることから望ましくない。そこで、エルボ６４によって、流れ６８をマニホルドの中心部に向けて、逆流７０として戻す。６８と７０の間の平均流は、予備ディフューザー６６によって混合され、部分的に円滑化され、これにより流れは、垂直流７４としてケース４０に流入する。次に、流れ７４は、環状空間７２の周りで方位的に分布される。この分布がすべての周りで同等になるように、ネジ８０によってスクープ羽根７８を調節することができる。流れ７４が外側のディフューザーリング８６ａに入ると、ネジ８２に対するディフューザーの圧力によって、１つの副コンパートメント又は四分円から別の四分円への洩れが防止される。前記四分円は、隣接するスクープ羽根７８間の空間によって形成される。このように、各スクープ羽根は、その四分円に流入する流れ７４の一部分を完全にコントロールする。

図２，図３及び図４を参照する。ファイバディフューザーリング８６を使用する理由は複数ある。非常に低い圧力のデバイス（１−２ｐｓｉ）であり製造コストが低いことに加えて、ファイバリングセット８６ａ，８６ｂを入れ子状に使用することによって、細かいファイバ迷路を通過する粘性水の単純な減衰作用によって、小さな渦を除去することが出来る （ドライデン（Dryden）他，Growth And Delay of Vortex Motion, pp. 212-218, chapter 3.4, Hydrodynamics, Dover Publications, 1956.）。層流状、非混合ジェット流においては、不要な渦下流を除去するために、その出力において渦流が可能な限り少ないことが必須である。

前記ファイバリングを使用するもう１つの理由は、予備流７４が、流出流１１４及び９６がそれぞれ垂直に出るために、リング８６ａ及び８６ｂの外表面に垂直に入る必要がないことにある。これは、二つの隣接する多孔性材料間の多孔性媒質界面を通る屈折流のIrmayの法則に記載されている（Bear, Discontinuity In Permeability, pp.263-269, 第7, 1.10章、Dynamics Of Fluids A Porous Medium, Dover Publications, 1972）。従って、ディフューザー８６ｂの内部の全周囲において、流出流９６は、合流キャビティ９０内に位置する水中心線６２に向かって、径方向かつ非回転状態で内側に流れる。

図５を参照する。水の粘度により、次の段落で説明するように、臨界レイノルズ数を超えない限り、流れ９６が中心に向かって集中する際に、追加の渦減衰を生じることができる。この集中減少は、渦ピンチ効果（Vortical Pinch Effect）と呼ばれている。

ディフューザー８６ｂの外側形状は、図５に示されているように、近位側流を遠位側流よりも高速で流出させるように円錐状である。合流キャビティ９０への流れ９６は、ポット（pot）の表面に対して垂直であるので、局所速度は次のように書き表すことができる。
［数２］
Ｖ_９６ ＝Δｐ／Ｚυ （２）
ここで、
［数３］
Ｚ＝ＲＴ （３）

ここで、Ｖ_９６は、径方向内方垂直流、Δｐは、中間キャビティ９４と合流キャビティ９０との間の局所圧力差、Ｒは、多孔性材８６ｂの抵抗、そして、Ｔは局所厚、υは動粘度である。流れ９６は、中心線６２に向かって径方向内方に流出し、その後、それはそれ以外どこも行くところがないので、中心線に沿って軸流９２になる。流線は交差しないので、高速近位側流９６ｐは方向転換して高速軸コア９２ｃになる。低速遠位側流９６ｄは方向転換して低速軸心方向シュラウド又は境界層９２ｂになり、これが前記高速コア９２ｃを包囲し、このコア９２ｃを周囲の混濁１００から保護する。式（１）のせん断速度▽×Ｖは、ダービーハット状プロファイルが維持されるように、ジェット流の半径に沿って連続的であるべきである。

レイノルズ数４Ｑ／πＤυが１０^４以上のオリフィスの場合、レイノルズ応力が相当なものになって、コアの回転が生じるかもしれない。ここで、Ｑはポンピング速度、Ｄはオリフィスの直径。回転の防止に役立たせるために、ハニカム１１６等の整流器を使用することができる、図６を参照。例えば４平方インチオリフィスを通って毎分２０ガロンでポンピングされるような比較的低速のオリフィス流速の場合を除いて、図１−図５に図示されているような単純な開口オリフィスで十分である。

式（２）中の実験流れパラメータを含む計算は、図４のような類似のダービーハット状プロファイルを示しており、これは、浅い海洋水テストランにおいても見られた。二つのタイプのランがあった。最初のものは、ホース３０に流入し、オリフィス４４を出て、ベロシティ・プロファイル１２２を非常にはっきりしたものとするインク注入に関するものであった。第２のタイプは、丁度ダイバーがそれを見るように、ブラックウオーター中での物体のコアを通した光観察を含むものであった。前記ピンチ効果に補助され式（２）に記載されている線形テーパーによる非常に強力なコアが観察された。

ビューワの成功の多くは円錐部８６ｂに依存している。しかし、円錐部は必ずしも必要でない。それは、例えば、シリンダ８６ａの周りに巻きつけて、戦略的に配置された複数の層の抵抗クロス１５４によって置き換えることができ、これによって円錐部８６ｂの必要性を完全に無くする。これについて図１１−図１１ｂを参照しながら説明する。それは、単純に、流れ９６に対する、抵抗勾配▽Ｚを容易にするための代替手段である。この場合、合流キャビティ９０とオリフィス４４は、８６ａの内面、カバー４８及びバッキングプレート１０８によって形成されることになる。図１１ｃは、抵抗勾配▽Ｚの変形例を図示し、ここでは抵抗クロス１５４の層がリング８６ａの外表面に固定されている。クロス１５４をカバーするために一連の互いに離間された流れバリアテープ１５８が固定され、隣接するテープ間の距離を調節することによって、リング８６ａを通る流れ抵抗を増減する。流れバリアテープ１５８は、これらテープを通る流体流を完全に阻止するものであってもよいし、あるいは、これらテープを通る流体流を遅延させるものであってもよい。

前記オリフィスは、二つの理由で楕円形状にすることができる。即ち、１）長軸によって、ビューワの目の間の距離を調整する、そして、２）オリフィス高さ短軸によってオリフィスの断面積を減少させる。

楕円形オリフィスは、風の中での空気力学的支柱のオリフィスようなものである。即ち、到来水平横断流１２４を有するジェット流の正面断面積が減少するので、抵抗、従って、ジェット流コラム９２の偏向が減少する。又、短軸によって有効コア速度ｖ_９２が増加し、それによって、流れが安定化し、粘度がジェット流をあまりにも急速に拡散させることを防止する。消滅が起こるまでにコアが移動する距離を最大化させる、最適なコア速度対粘度比が存在するものと考えられる。大半のダイバーは、最小長軸直径が３−４インチの３フィートのコア距離に興味を持っている。オリフィスの面積減少によって、瞬間横断流屈折が生じる時の回復時間を減少させる。

（作動、ビデオ適用例）
清浄水６８が導入ホース３０に入って中間マニホルド４６に供給される。本体４０のすぐ内側の環状空間７２とカメラシステムの外側表面が内側流１１４が多孔性コア８６に入る供給ルートを形成する。図５を参照する。前記ヘルメットシステムと同様に、円錐部８６が、低速境界層９２ｂを有する非混合層流コア９２ｃを形成する。作動、ダイビング、を参照。

もしも、導入パイプ３０をビューワケース（図示せず）の側に接続する必要があるならば、円錐部８６に対する方位供給をコントロールするために、図２に図示した予備流スクープ羽根システムを使用することが必要になるであろう。

図６−図９に図示の全ての変形例は、ビデオシステム及び１つの変形例に適用可能である。もしもビデオシステムを回転円錐部８６ｂの近端部に接続するのであれば、その場合、システムは、回転面１３２の後部に取り付けられ、その後、カメラを本体４０に対して回転させて、例えば、導管の内面を走査することができる。これは図示はされていないが理解されるものと推定される。この場合、横断流羽根１２６は、左右を選択的に観察するための遠隔操作コントローラによって置き換えられるであろう。

下記のクレームに定義された本発明の課題から逸脱するとなく、ここに開示した実施例に対してその他の改造及び改変を行うことが可能である。例えば、混濁水中での作業において、観察用流体は通常は清浄水であり、或いは、その他の環境、例えば、煙が充満した部屋での作業には、清浄空気、等のその他の流体を使用することが可能である。

上述したすべての特許、特許出願及び印刷刊行物をここに参考文献としてまとめる。

潜水ヘルメットに取り付けられた本発明による清浄水観察装置の全体図 図３の２−２線に沿った断面図 図２の３−３線に沿った断面図 図２の４−４線に沿った断面図 可変抵抗ディフューザーリングを通る水の流れ 整流ハニカムの使用 流体流の片側への偏向 横断流羽根の使用に対して流体を偏向させる別の方法 二つの異なる可変抵抗ディフューザーリングを含む別実施例 ビデオ用途に使用される別実施例 図１０の１０ａ−１０ａ線に沿った断面図 楕円状断面を有する可変抵抗ディフューザーリングの曲率半径の変化の作用 図１１の１１ａ−１１ａ線に沿った分解断面図 図１１の１１ｂ−１１ｂ線に沿った分解断面図 流れに対する可変抵抗の形成

Claims (43)

1. 視程障害流体用の視界増強装置であって、以下を有する、
   流体透過性側壁、
   第１及び第２ハウジング端部間に延出する軸心を有する合流キャビティを形成するハウジング、前記両ハウジング端部は前記側壁によって接続され、前記第２ハウジング端部は開口している、
   前記側壁は、前記第１ハウジング端部側の近端部と前記第２ハウジング端部側の遠端部とを有する、
   前記ハウジングは、前記側壁を包囲する供給キャビティを形成している、前記供給キャビティは、観察用流体源に接続可能である、
   前記側壁は、それを通過する前記観察用流体の流れに対して当該側壁の位置によって変化する抵抗を有する、そして、
   前記供給キャビティに入り、前記側壁を通り、前記合流キャビティを通過して前記第２ハウジング端部から出る前記観察用流体の選択されたベロシティ・プロファイルが、前記観察用流体が前記第２ハウジング端部から出る時に作り出される。
2. 請求項１の装置であって、前記第１ハウジング端部は、泡抜き穴を有する。
3. 請求項１の装置であって、前記側壁は、楕円断面形状を有する。
4. 請求項１の装置であって、前記抵抗は、前記軸心に沿った位置に応じて変化する。
5. 請求項３の装置であって、前記抵抗は、前記軸心に沿った位置と、前記軸心周りでの周方向位置に応じて変化する。
6. 請求項１の装置であって、前記第１ハウジング端部は、光透過性であり、前記装置は、更に、前記第１ハウジング端部近傍に光源を有する。
7. 請求項１の装置であって、前記供給キャビティは、流れ案内部材を有する。
8. 請求項１の装置であって、前記供給キャビティは、前記観察用流体の流れの前記側壁の異なる領域への調節を可能にするべく調節可能な位置流れ案内部材を有する。
9. 請求項１の装置であって、前記供給キャビティは、流れを前記側壁の異なる領域へバランスさせるための手段を有する。
10. 請求項１の装置であって、前記抵抗は、前記近端部での低抵抗から前記遠端部での高抵抗へと変化する。
11. 請求項１０の装置であって、前記変化する抵抗は、前記観察用流体が前記第２ハウジング端部を出る時に、前記観察用流体の内向きテーパーされたベロシティ・プロファイルを形成する。
12. 請求項１１の装置であって、前記変化する抵抗は、ほぼ円錐状のベロシティ・プロファイルを形成する。
13. 請求項１の装置であって、前記抵抗は、前記近端部と遠端部間で連続的に変化する。
14. 請求項１の装置であって、前記抵抗は、前記近端部での高抵抗から前記遠端部での低抵抗へと変化する。
15. 請求項１の装置であって、前記抵抗は、前記近端部及び遠端部間で均一に変化し、この変化する抵抗によって、前記観察用流体が前記第２ハウジング端部を出る時に、前記観察用流体のほぼ径方向に対称なベロシティ・プロファイルが形成される。
16. 請求項１の装置であって、前記側壁は、前記近端部側の第１抵抗プロファイルと、前記遠端部側の第２抵抗プロファイルとを有する。
17. 請求項１６の装置であって、更に、観察用流体を、前記第１及び第２抵抗プロファイルのいずれか選択された一方に選択的に案内するための手段を有する。
18. 請求項１６の装置であって、前記第１抵抗プロファイルは、前記第１ハウジング端部から前記第２ハウジング端部に向けて増加する。
19. 請求項１６の装置であって、前記第２抵抗プロファイルは、前記第１ハウジング端部から前記第２ハウジング端部に向けて減少する。
20. 請求項１の装置であって、前記側壁は、流れ分散材を含む。
21. 請求項２０の装置であって、前記流れ分散材は、流れ規制材を含む。
22. 請求項１の装置であって、更に、前記ハウジングを潜水ヘルメットに取り付けるように構成された潜水ヘルメット取り付け金具を有する。
23. 請求項２２の装置であって、前記取り付け金具は、前記ハウジングが前記潜水ヘルメットを観察ポートをカバーする第１位置と、前記潜水ヘルメットの前記観察ポートから離間した第２位置との間で移動することを可能にするヒンジを含む。
24. 請求項１の装置であって、更に、前記流れ軸心の方向を前記ハウジングに対して変化させるための手段を有する。
25. 請求項１の装置であって、更に、前記側壁の流体流に対する抵抗を前記軸心周りの周方向位置に応じて変化させるための手段を有する。
26. 請求項２５の装置であって、更に、前記第２ハウジング端部側、又は第２ハウジング端部に整流器を有する。
27. 請求項１の装置であって、更に、前記第２ハウジング端部側、又は第２ハウジング端部に整流器を有する。
28. 視程障害流体用の視界増強装置であって、以下を有する、
    観察用流体源、
    流体透過性側壁、
    第１及び第２ハウジング端部間に延出する軸心を有する合流キャビティを形成するハウジング、前記両ハウジング端部は前記側壁によって接続され、前記第１ハウジング端部は光透過性であり前記第２ハウジング端部は開口している、
    前記側壁は、前記第１ハウジング端部側の近端部と前記第２ハウジング端部側の遠端部とを有する、
    前記ハウジングは、前記側壁を包囲する供給キャビティを形成している、前記供給キャビティは、前記観察用流体源に接続可能である、
    前記側壁は、それを通過する前記観察用流体の流れに対して当該側壁の位置によって変化する抵抗を有する、そして、
    前記供給キャビティに入り、前記側壁を通り、前記合流キャビティを通過して前記第２ハウジング端部から出る前記観察用流体の選択されたベロシティ・プロファイルが、前記観察用流体が前記第２ハウジング端部から出る時に作り出される。
29. 請求項２８の装置であって、前記観察用流体は水を含む。
30. 請求項２８の装置であって、前記観察用流体は、水と増粘剤とを含む。
31. 請求項３０の装置であって、前記増粘剤は、擬似塑性材を含む。
32. 視程障害水用の視界増強装置であって、以下を有する、
    第１及び第２ハウジング端部間に延出する軸心を有する合流キャビティを形成するハウジング、前記両ハウジング端部は水透過性流れ分散側壁によって接続され、前記第１ハウジング端部は光透過性であり前記第２ハウジング端部は開口している、
    前記側壁は、前記第１ハウジング端部側の近端部と前記第２ハウジング端部側の遠端部とを有する、
    前記ハウジングは、前記側壁を包囲する供給キャビティを形成している、前記供給キャビティは、観察用流体源に接続可能である、
    前記供給キャビティは、前記側壁の異なる領域を通して流体流を選択的に調節するためのユーザ操作手段を含む、
    前記側壁は流れ分散材を含む、そして、
    前記側壁は、それを通過する前記観察用流体の流れに対して抵抗を有する、前記抵抗は、前記近端部での低抵抗から前記遠端部での高抵抗へほぼ連続的に変化し、これによって、前記観察用流体が前記第２ハウジング端部を出る時に、内向きにテーパーされたベロシティ・プロファイルを形成する。
33. 請求項３２の装置であって、前記流れ調節手段は、前記観察用流体の流れの前記側壁の異なる領域への調節を可能にするべく調節可能な位置流れ案内部材を有する。
34. 請求項３２の装置であって、前記流れ調節手段は、前記側壁の一部を選択的に圧縮するための手段を含む。
35. 視程障害流体を通して観察するための方法であって、以下の工程を有する、
    視界増強装置を観察用流体源に接続する、前記装置は以下を有する、
    流体透過性側壁、
    第１及び第２ハウジング端部間に延出する軸心を有する合流キャビティを形成するハウジング、前記両ハウジング端部は前記側壁によって接続され、前記第１ハウジング端部は光透過性であり、前記第２ハウジング端部は開口している、
    前記側壁は前記第１ハウジング端部側の近端部と前記第２ハウジング端部側の遠端部とを有し、そして、
    前記ハウジングは、前記側壁を包囲する供給キャビティを形成し、前記供給キャビティは、前記観察用流体源に接続される、
    観察用流体を前記供給キャビティに流しこみ、前記側壁と前記合流キャビティを通して前記第２ハウジング端部から流出させる、そして、
    前記側壁を通過する前記観察用流体の流れに対して可変抵抗を有する、この抵抗は、前記側壁の位置に応じて変化し、前記第２ハウジング端部から出る前記観察用流体の選択されたベロシティ・プロファイルが作り出される。
36. 請求項３５の方法であって、前記接続工程は、水を含む前記観察用流体で行われる。
37. 請求項３５の方法であって、前記接続工程は、前記観察用流体として水と増粘剤とで行われる。
38. 請求項３５の方法であって、前記可変抵抗提供工程は、前記抵抗が、前記近端部での低抵抗から前記遠端部での高抵抗へとほぼ均一に変化して、前記観察用流体が前記第２ハウジング端部を出る時に、ほぼ円錐状のベロシティ・プロファイルを形成するように行われる。
39. 請求項３５の方法であって、更に、前記観察用流体の流れを前記側壁の異なる領域に対して調節する工程を有する。
40. 請求項３５の方法であって、更に、前記側壁を通る前記観察用流体の流れを、前記軸心周りの前記周方向位置に応じて選択的に調節する工程を有する。
41. 請求項４０の方法であって、前記選択的調節工程は、前記供給キャビティに関連つけられた少なくとも１つの流れ案内部材の位置を選択的に調節することを含む。
42. 請求項４０の方法であって、前記選択的調節工程は、前記側壁の一部を選択的に圧縮する工程を含む。
43. 視程障害水を通して観察するための方法であって、以下の工程を有する、
    視界増強装置を観察用流体源に接続する、前記装置は以下を有する、
    流体透過性側壁、
    第１及び第２ハウジング端部間に延出する軸心を有する合流キャビティを形成するハウジング、前記両ハウジング端部は前記側壁によって接続され、前記第１ハウジング端部は光透過性であり、前記第２ハウジング端部は開口している、
    前記側壁は前記第１ハウジング端部側の近端部と前記第２ハウジング端部側の遠端部とを有し、そして、
    前記ハウジングは、前記側壁を包囲する供給キャビティを形成し、前記供給キャビティは、前記観察用流体源に接続される、
    観察用流体を前記供給キャビティに流しこみ、前記側壁と前記合流キャビティを通して前記第２ハウジング端部から流出させる、
    前記側壁を通過する前記観察用流体の流れに対して可変抵抗を有する、この抵抗は、前記側壁の位置に応じて変化し、前記第２ハウジング端部から出る前記観察用流体の選択されたベロシティ・プロファイルが作り出される、
    前記可変抵抗提供工程は、前記抵抗が、前記近端部での低抵抗から前記遠端部での高抵抗へとほぼ均一に変化して、前記観察用流体が前記第２ハウジング端部を出る時に、ほぼ円錐状のベロシティ・プロファイルを形成するように行われる、そして、
    前記ほぼ円錐状のベロシティ・プロファイルを径方向にシフトするべく、前記側壁を通る前記観察用流体の流れを、前記軸心周りの前記周方向位置に応じて選択的に調節する。
    

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