JP2011195027A

JP2011195027A - 浮沈体

Info

Publication number: JP2011195027A
Application number: JP2010064394A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sawada; 信一澤田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: JP5477096B2

Abstract

【課題】海中データを観測する際に、目標到達点の深深度まで沈降でき、その後、自力で海上に浮上できる浮沈体を提供する。
【解決手段】浮沈本体１１と、浮沈本体１１に設けられた海洋データの観測センサ１８と、浮沈本体１１に設けられた深度計１９と、その観測データと深度データを送信すると共に測位を計測する通信機器１４とを備えた浮沈体１０において、浮沈本体１１の一部に形成され浮沈本体１１に浮力を付与する耐圧殻１２と、その耐圧殻１２に設けられ、その耐圧殻１２から出没自在に設けられた浮量調整ロッド２３と、その浮量調整ロッド２３の出没量を制御する浮量調整機構２４とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、海中に投下され、目標到達深度まで沈降し、その後、海中の温度、塩分濃度などの海洋データを観測しながら海上に自己浮上できる浮沈体に関するものである。

海洋開発、海洋環境調査、海洋監視のために海中の温度等の海洋データを観測するには、特許文献１に示されるように、海底から立ち上げた係留索に各種センサを取り付けた係留型観測装置により観測を実施したり、特許文献２に示されるように海面に浮遊するブイに吊下ケーブルを介して接続した観測装置により観測を実施したりしていた。

特開昭６２−２８８５９４号公報特開平０９−１５６５８４号公報

しかしながら、数百ｍを超える大水深の海域においては、係留型では装置が大掛かり（大重量、昇降機構等）となり費用も大きかった。

一方、浮遊型は小型軽量で安価に観測を実現できるが、ブイが潮流により漂流するため特定の海域を継続的に観測できない問題がある。また軽量小型のためセンサの吊下装置も小型となり、深深度までセンサを吊下出来ない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、海中データを観測する際に、目標到達点の深深度まで沈降でき、その後、自力で海上に浮上できる浮沈体を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、浮沈本体と、浮沈本体に設けられた海洋データの観測センサと、浮沈本体に設けられた深度計と、その観測データと深度データを送信すると共に測位を計測する通信機器とを備えた浮沈体において、浮沈本体の一部に形成され浮沈本体に浮力を付与する耐圧殻と、その耐圧殻に設けられ、その耐圧殻から出没自在に設けられた浮量調整ロッドと、その浮量調整ロッドの出没量を制御する浮量調整機構とを備えたことを特徴とする浮沈体である。

請求項２の発明は、浮沈本体は縦長円筒状に形成され、その浮沈本体の中央部に上記耐圧殻が形成され、その耐圧殻の下方の浮沈本体は、海水が導入されるよう海中に開放され、前記浮量調整ロッドは、前記耐圧殻の下面からその浮沈本体内の海水中に出没するようにされる請求項１記載の浮沈体である。

請求項３の発明は、前記浮量調整ロッドは、耐圧殻内に設けられた浮量調整機構で可動され、その浮量調整機構は、浮量調整ロッドの出没量を調節して沈降・浮上速度を調節する請求項１記載の浮沈体である。

請求項４の発明は、浮沈本体の下部外側には、沈降中に目標海中到達点に向かって沈降位置を調整する可動翼が設けられる請求項２又は３記載の浮沈体である。

請求項５の発明は、浮沈本体の上部外側には固定翼が設けられる請求項２〜４いずれかに記載の浮沈体である。

請求項６の発明は、前記通信機器は、浮沈本体の上部に設けられ、浮上時にその通信機器が海上に位置するように耐圧殻の容積が設定される請求項１〜５いずれかに記載の浮沈体である。

本発明によれば、潮流に左右されず浮沈本体自体を浮沈できることから、吊り下げ装置がなくても目標深深度まで沈降でき、その後、海洋の観測データを測定しながら海面まで自己浮上できると共にその観測データを送信できるという優れた効果を発揮するものである。

本発明の一実施の形態を示す図である。図１における浮沈体の制御システム構成図である。本発明において、浮量調整ロッドによる耐圧殻の沈降速度を説明する図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の浮沈体１０の海面Ｓに浮かんだ状態の概略と、その海面Ｓから沈降・浮上する浮沈状態の概略を示したものである。

図１（ａ）において、浮沈体１０は、縦長円筒状の浮沈本体１１からなり、その上下中央部に浮沈本体１１と一体に耐圧殻１２が設けられて形成される。

耐圧殻１２の上部の上部浮沈本体１１ａの周囲には、例えば４枚の固定翼１３が設けられ、その上部浮沈本体１１ａの上部には、観測データを衛星通信や無線ＬＡＮなどで送信する送信機と浮沈体１０の海面Ｓでの位置をＧＰＳで測位する測位計とを備えた通信機器１４が設けられ、その通信機器１４の周囲に保護カバー１５が設けられる。

耐圧殻１２の下部の下部浮沈本体１１ｂは、有底縦長円筒状に形成され、その外周に、浮沈体１０の沈降時の姿勢を制御する２〜４枚の可動翼１６が設けられ、下部浮沈本体１１ｂ内には、これら可動翼１６の翼角度を調整する沈降姿勢制御モータ１７が設けられる。

また下部浮沈本体１１ｂは、その内部に海水が導入できるように開放され、その下部浮沈本体１１ｂ内に海水の温度、塩分濃度、電気伝導度、ｐＨ等の海洋データを観測する観測センサ１８が設けられると共に深度を計測する深度計１９が設けられる。

耐圧殻１２は、その厚さが、数１００〜数１０００ｍの深深度の圧力に耐え得る肉厚で形成され、その内部にジャイロからなる慣性航法装置２０、制御装置２１、バッテリ２２が収納される。

この耐圧殻１２には、その耐圧殻１２から下部浮沈本体１１ｂ内に出没自在な浮量調整ロッド２３が設けられる。耐圧殻１２内には、浮量調整ロッド２３の出没量を調整する浮量調整機構２４が設けられる。浮量調整機構２４は、浮量調整ロッド２３が、例えばボールネジで形成した場合にはナット、ラックで形成した場合にはピニオンで形成されると共にそのナットやピニオンを回転する浮量調整用モータで構成される。また、浮量調整ロッド２３は、耐圧殻１２から出没する際に耐圧殻１２内に海水が浸入しないように耐圧シール２５を通して出没できるようになっている。

耐圧殻１２は、浮沈体１０の通信機器１４が海面Ｓ上になるように浮沈体１０に浮力を付与する容積に形成されると共に、浮沈体１０が海中で垂直に保つように、浮力中心Ｂが、浮沈体１０の重心Ｇより上になるように浮沈本体１１の上部に形成される。

図２は、浮沈体１０に搭載された各種機器の制御システム構成図を示したものである。

制御装置２１は、バッテリ２２から電源供給されて、可動翼１６、浮力調整機構２３を駆動制御できるようにされる。この制御装置２１には、観測センサ１８の観測値と深度計１９の深度が入力されると共に慣性航法装置２０のデータが入力される。また制御装置２０は、通信機器１４からの測位データが、慣性航法装置２０を介して或いは直接入力され、さらに観測センサ１８と深度計１９の観測値と深度が通信機器１４から衛星通信や無線ＬＡＮなどで送信できるようになっている。

次にこの浮沈体１０による海洋観測を説明する。

先ず図１（ａ）に示したように、浮上時にはＧＰＳにより通信機器１４で、現在位置を測位する。

制御装置２１は、通信機器１４で受信した目標とする海中到達点が入力され、現在の測位位置と海中到達点の位置との位置関係を把握した後、沈降を開始する。

沈降を開始する際には、制御装置２１が、浮力調整機構２４を介して、浮量調整ロッド２３を耐圧殻１２内に引き上げることで、耐圧殻１２の浮力が小さくなり、沈降を開始する。この沈降は、１．５〜３．０ｍ／ｓｅｃ程度の沈降速度となるように浮量調整ロッド２３を調整する。この沈降速度を利用して、制御装置２１は、可動翼１６を制御して、図１（ｂ）に示すように浮沈体１０が、図１（ｃ）の目標海中到達点に沈降できるように浮沈体１０の姿勢を制御して沈降位置を調整する。

この際、沈降速度を１．５〜３．０ｍ／ｓｅｃとすることで、潮流に抗してその上流側にも、横断するようにも沈降させることが可能であり、これにより目標海中到達点に向かって沈降させることができる。

図１（ｃ）に示した目標深度と位置に到達すると、制御装置２１は、可動翼１６により減速し、浮量調整ロッド２３の浮力調整により沈降を停止する。

次に、制御装置２１は、正浮量状態で、図１（ｄ）に示すように目標海中到達点の直上海面に向かって、かつ慣性航法装置２０で検出したデータを基に可動翼１６を制御して垂直を保ちながら浮上する。この浮上中に、制御装置２１は、観測センサ１８と深度計１９により計測される深度に応じた海中の科学諸量を記憶し、図１（ｅ）に示すように海面Ｓに浮上後、ＧＰＳにより位置を確認し、通信により位置情報及び記憶した計測結果を伝送する。

この図１（ａ）と図１（ｅ）の測位位置の結果から、潮流の方向とその速さも認識でき、潮流の影響による目標海中到達点の正確な位置も決定することができる。

その後、浮沈体１０は、点線の矢印で示したように潮流に流され、再度その位置を測位し、再度沈降と浮上を上述のように自律的に繰り返して海洋観測を行う。

この沈降・浮上は例えば４時間を１サイクルとして、１日当たり４，５回の観測を行う。

この浮沈体１０の沈降速度の制御は、目標海中到達点に到達させるために重要なファクターである。そこで、この沈降速度ｕを説明する。

図３に示すように、浮沈体の質量をＭ、耐圧殻の容積をＶ、断面積をＡとし、浮沈体の浮力をＢ、沈降力をＷ、沈降の際の抗力をＤとし、重力加速度をｇとすると、
浮沈体の沈降力Ｗは、
Ｗ＝Ｍｇ
また浮沈体の浮力Ｂは、海水の密度をρとすると、
Ｂ＝ρＶｇ
次に、沈降時に浮沈体が受ける抗力Ｄは、抗力係数をＣ_Dとし、沈降速度をｕとすると、
Ｄ＝Ｃ_D×１／２×ρｕ²Ａ
となる。

よって、力のつり合いＦは、次式（数１）

となる。

いま、沈降力Ｗが浮力Ｂより大きい場合、浮沈体は沈降するが、沈降速度が上昇するに従い抗力Ｄ（圧力抵抗、等）が発生し、沈降速度は一定に収束する。

この時、沈降力、浮力と抗力がつりあっており、Ｆ＝０であり、上式では括弧内が０となる。

この時の沈降速度ｕは、次式（数２）を満たす。

よって沈降速度ｕは次式（数３）で求められる。

上式より、浮沈体１０の質量Ｍ、耐圧殻の断面積Ａは一定であり、海水密度ρも略一定とみなすことができるため、浮沈体１０の形状に基づく抗力係数Ｃ_Dを予め決定しておけば、耐圧殻の容積Ｖを変えることで沈降速度ｕを求めることができる。

そこで、制御装置２１で、浮量調整ロッド２３の出没量による耐圧殻１０内の容積Ｖの変化を入力し、また海面Ｓから目標深度に達するまでの時間を測定すれば、沈降速度ｕは決定でき、これにより抗力係数Ｃ_Dも決定することができる。

よって、制御装置２１は、潮流や到達目標深度に応じて沈降速度ｕを自在に設定することが可能となり、浮上している位置と目標到達点の位置と深度に応じて、可動翼１６の調整で、目標到達点に沈降できる最適な沈降速度ｕも決定できる。

このように、本発明は、浮量調整機構２４を設けることで浮沈体１０を浮沈できることから、吊下装置が無くても深深度に観測センサ１８を移動できるようになる。また、浮遊型であり潮流に流されるが、可動翼１６を制御し、沈降時の沈降速度ｕを制御し、また浮上時の浮上速度を利用し、潮流の上流方向に浮沈体１０を移動させることが可能であり、浮沈体１０を目標到達地点の位置に到達させることが可能となる。

なお、上述の実施の形態では目標到達点に達した後、海面に浮上する間に海洋観測する例で説明したが、沈降中に海洋観測するようにしても、沈降と浮上の両方で観測するようにしてもよい。

１０浮沈体
１１浮沈本体
１２耐圧殻
１４通信機器
１８観測センサ
１９深度計
２３浮量調整ロッド
２４浮量調整機構

Claims

浮沈本体と、浮沈本体に設けられた海洋データの観測センサと、浮沈本体に設けられた深度計と、その観測データと深度データを送信すると共に測位を計測する通信機器とを備えた浮沈体において、浮沈本体の一部に形成され浮沈本体に浮力を付与する耐圧殻と、その耐圧殻に設けられ、その耐圧殻から出没自在に設けられた浮量調整ロッドと、その浮量調整ロッドの出没量を制御する浮量調整機構とを備えたことを特徴とする浮沈体。
浮沈本体は縦長円筒状に形成され、その浮沈本体の中央部に上記耐圧殻が形成され、その耐圧殻の下方の浮沈本体は、海水が導入されるよう海中に開放され、前記浮量調整ロッドは、前記耐圧殻の下面からその浮沈本体内の海水中に出没するようにされる請求項１記載の浮沈体。
前記浮量調整ロッドは、耐圧殻内に設けられた浮量調整機構で可動され、その浮量調整機構は、浮量調整ロッドの出没量を調節して沈降・浮上速度を調節する請求項１記載の浮沈体。
浮沈本体の下部外側には、沈降中に目標海中到達点に向かって沈降位置を調整する可動翼が設けられる請求項２又は３記載の浮沈体。
浮沈本体の上部外側には固定翼が設けられる請求項２〜４いずれかに記載の浮沈体。
前記通信機器は、浮沈本体の上部に設けられ、浮上時にその通信機器が海上に位置するように耐圧殻の容積が設定される請求項１〜５いずれかに記載の浮沈体。