JP2012061907A

JP2012061907A - 繊維強化複合材を用いた浮力体とそれを備えた水中潜水機

Info

Publication number: JP2012061907A
Application number: JP2010206333A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Yuasa; 鉄二湯浅; Koichi Fukui; 厚市福井
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-03-29

Abstract

【課題】繊維強化複合材を用いて、小さな体積で大きな浮力を得ることができる浮力体を提供する。
【解決手段】所定の深度まで潜水する海中探査機に装備する浮力体２０を、中空状の気密内容器２３と、この気密内容器２３の外面を覆う繊維強化複合材外殻２４とで中空浮力体容器２５を形成し、この中空浮力体容器２５の内部空間３０に、気体で潜水圧以上の内圧を掛けて形成する。これにより、海中探査機における浮力体２０を小型化して、他の機器等を含む全体の装備効率を向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、水中行動用ビークルや水中探査機などの水中（海中を含む）で行動する潜水機に用いる浮力体とそれを備えた水中潜水機に関する。

従来、水中行動用ビークル（有人及び無人）や水中探査機などの水中潜水機（この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「水中潜水機」は、「水中行動用ビークル」、「海中探査機」等の水中に潜って行動する機械を全て含む）によって、海底の探査等が行われている。例えば、海中行動用ビークルの場合、海中における水圧に耐える金属製の耐圧容器に、人又は制御装置を入れる構造を基本としている。

一方、このような海中行動用ビークルの耐圧容器は、より深い海中に対応させるために、より大きな外圧に耐えうる物を製作しようとする考えもある。しかし、この場合、補強材の増加や板厚の増加等により水中潜水機の水中重量が増加してしまう。そのため、海中行動用ビークル等の水中潜水機には、水中において浮力を得るための浮力体が設けられている。

図４は、上記したような水中潜水機の一例である水中探査機である。図示するように、この水中探査機１００には、本体部１０１にテレビカメラ１０２や投光器１０３、マニピュレーター１０４，１０５、姿勢制御用プロペラ１０６等が設けられて水中重量が重いため、上記浮力を得るための浮力体１０７が本体部１０１の上部に設けられている。

この浮力体１０７としては、例えば、比重が約１より小さい密閉タンクを用いることで、排水される水と同体積の浮力を得ることができる。しかし、密閉タンクは、例えば水中での水圧に耐えうるように金属で製作すると、重量物となって浮力体とはならない。また、金属以外の樹脂等で製作する場合、強度を確保するためには中空にするのは困難で、中実で形成すると比重が大きくなって浮力体とはならない。

そのため、この種の水中潜水機に用いられる浮力体として、一般的に、ガラスマイクロバルーン浮力体が用いられている。このガラスマイクロバルーン浮力体としては、ガラスマイクロバルーンを樹脂で成形したシンタクチックフォーム等の浮力体が用いられており、その比重は０．４〜０．５程度となっている。

この種の浮力体を製造する技術として、ガラスマイクロバルーンを成形、硬化させる際に、モールド内のガラスマイクロバルーンの動きをシリコーンゴムブロックの熱膨張圧力で押えて成形、硬化させることによりシンタクチックフォームの浮力体を製造するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−６４８１８号公報

ところで、近年、水中行動用ビークル等は、水中でのサンプル採取や行動等を行うための機器が多く設けられるようになっている。そのため、本体重量が増し、従来に比べてより大きな浮力体を備えさせる必要性が生じている。

しかしながら、上記特許文献１に記載されたようなシンタクチックフォーム浮力体は、比重が約０．４〜０．５程度であるため、水中潜水機の大きさや動作機能などに応じて所定の浮力が得られるようにするには、上記図４に示す浮力体１０７のように体積を大きく形成する必要があり、水中潜水機の操作性、水中行動範囲の制限などを伴うことがある。

しかも、上記ガラスマイクロバルーン浮力体は浮力が一定であるため、水中潜水機の重量増加に対応して所定の浮力を得るために浮力体を大型化する必要があるとともに、その浮力体を設けるために多くのスペースが必要となる。その上、空中重量が増すとともに水中潜水機の大型化を招いて、地上での扱いも難しくなる。また、深海（例えば、数千ｍ）に潜る水中潜水機の場合、ガラスマイクロバルーンの厚みを増すので比重が０．５以上となる場合もあり、浮力体の更なる大型化を招く。

このように、水中潜水機の浮力体は、水中潜水機の操作性等を制限してしまう場合があり、大浮力で小型、且つ高水圧に耐え得る浮力体が望まれている。

そこで、本発明は、繊維強化複合材を用いて、小さな体積で大きな浮力を得ることができる浮力体とそれを備えた水中潜水機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の繊維強化複合材を用いた浮力体は、所定の深度まで潜水する水中潜水機に装備する浮力体であって、中空状の気密内容器と、該気密内容器の外面を覆う繊維強化複合材外殻とで中空浮力体容器を形成し、該中空浮力体容器の内部空間に、気体で潜水圧以上の内圧を掛けたことを特徴とする。これにより、気密内容器の外面を覆った繊維強化複合材外殻で地上においては内圧に耐え得る強度を保つとともに、その気密内容器内に掛けた潜水圧以上の気体内圧で潜水水位における浮力を保つことができ、小型の浮力体で大きな浮力を得ることができる。しかも、気密内容器の形状を水中潜水機に適した形状に形成することで、水中潜水機に応じて大きな浮力を得ることができる浮力体を容易に形成することができる。

また、前記繊維強化複合材が炭素繊維強化複合材であるのが好ましい。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「炭素繊維強化複合材」は、例えば、強化繊維に炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製テープ、クロス等をいう。このようにすれば、より強度が高い炭素繊維強化複合材によって浮力体の外殻を形成するので、外殻の厚みを減らして浮力体をより軽量化することができる。

さらに、前記炭素繊維強化複合材が、炭素繊維強化複合材テープであり、該炭素繊維強化複合材テープを前記気密内容器の外面に巻回することで前記外殻を形成してもよい。このようにすれば、炭素繊維強化複合材テープで中空内容器の外面に外殻が形成されるので、薄い外殻に大きな強度を持たせることができ、浮力体の更なる軽量化を図ることができる。

また、前記気密内容器は、所定長さの円筒部と、該円筒部の両端を塞ぐ鏡板部とを有する長円筒形に形成されていてもよい。このようにすれば、高水圧に耐えるために中空内容器内を高内圧とする場合でも、圧力容器の形態で高内圧に耐え得る容器を薄肉で形成して、軽量化した浮力体を形成することができる。

一方、本発明の水中潜水機は、所定の深度まで潜水する水中潜水機であって、前記いずれかの水中潜水機用浮力体を備えていることを特徴とする。これにより、小さな体積の浮力体で大きな浮力をえることができ、浮力体の配置や大きさの自由度が増し、水中潜水機の設計自由度を増すことができる。

本発明によれば、水中潜水機における浮力体を小型化することができ、他の機器等を含む全体の装備効率を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る水中潜水機用浮力体を備えた遠隔操作無人探査機の一例を示す斜視図である。図１に示す浮力体の中央縦断面図である。図２に示す浮力体の外面図である。従来の遠隔操作無人探査機の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、水中潜水機の一例として、海底等を探査する海中探査機を例に説明する。また、繊維強化複合材外殻として、炭素繊維強化複合材外殻を例に説明する。

図１に示すように、この実施形態の海中探査機１としては、矩形状の枠状に形成された本体部２を有し、この本体部２が海上の母船から延びるケーブル３に吊下げられている。この本体部２の内部には、テレビカメラ４、投光器５、ソナー６、圧力センサ７等が設けられ、前部には探査用のマニピュレーター８，９が設けられている。

また、上記ケーブル３には、母船から海中探査機１に電力を供給する電力線、海中探査機１のテレビカメラ４からの映像を母船に送信する送信線、その他の配線等が配設されている。このケーブル３は、母船から繰り出すことで海中探査機１がより深い位置に沈められ、巻き上げることにより海中探査機１が浮上させられる。

さらに、本体部２の前面以外の両側面と後面には、姿勢制御用プロペラ１０が配設されている。これらの姿勢制御用プロペラ１０により、ケーブル３で吊下げられた状態の海中探査機１が遠隔操作で姿勢制御できるようになっている。この実施形態の海中探査機１によれば、これらの姿勢制御用プロペラ１０を制御することで、上下・左右・に前後に微妙な位置調整ができる。これらの姿勢制御用プロペラ１０の配置は、他の配置であってもよい。

そして、この海中探査機１の上部には、海中で所定の浮力を得るための浮力体２０が設けられている。この例の浮力体２０は、長円筒形状の圧力容器となっている。各浮力体２０は小型に形成され、複数個が海中探査機１の上部に並設されている。

また、この例では、平面視が矩形状に形成された本体部２の上面長手方向（前後方向）と、浮力体２０の円筒部軸心方向とが一致するように並設されている。このように、各浮力体２０を小型で形成し、複数個を本体部２の上面に配設することで、所定の浮力が得られるようにしている。この図では、上部の浮力体２０の配置スペース（特に高さ方向スペース）が小さくなった状態を示している。

図２に示すように、上記浮力体２０は、中空状の気密内容器２３と、その外面を覆う炭素繊維強化複合材外殻２４とによって中空浮力体容器２５が形成されている。上記気密内容器２３は、円筒部２１の両端が鏡板部２２で塞がれた容器となっており、炭素繊維強化複合材で外面を覆うときの内型となる。この気密内容器２３の外面に沿うように、炭素繊維強化複合材で外殻２４が形成されている。また、この気密内容器２３は、浮力体２０を形成後に内部空間３０に掛ける潜水圧以上の気体圧を気密できるものとなっている。気密内容器２３としては、例えば、アルミニウム等の軽金属製容器、樹脂製容器、ゴム製容器等で、上記内型としての機能と気密容器としての機能とを備えたものであればよい。

また、図３に示すように、上記気密内容器２３の外面を覆う炭素繊維強化複合材外殻２４は、炭素繊維強化複合材テープ２６を巻回することで覆い、その外面を接着剤で固めている。この外殻２４の厚みとしては、後述するように設定される内圧に耐え得る厚みで形成される。この炭素繊維強化複合材テープ２６の巻き方としては、図示するように、気密内容器２３の長手方向軸心に対して斜め螺旋状に巻き、端部で逆方向の斜め螺旋状に巻くクロス巻きとすればよい。このように巻くことで、炭素繊維が交差した状態で炭素繊維強化複合材テープ２６が巻かれて外殻２４が形成されるので、その外殻２４は、非常に強度が高いとともに、耐圧力も高く、薄い外殻２４でも十分な強度を持たせることができる。図では、斜め螺旋状に巻いた炭素繊維強化複合材テープ２６を簡略化して平行線で示す。

上記中空浮力体容器２５は、引張り強度が高い炭素繊維強化複合材によって気密内容器２３の外面に外殻２４を形成しているので、高内圧に対して非常に高い強度を有した容器となっている。中空浮力体容器２５の内部空間３０に掛ける気体内圧としては、海中探査機１では、潮流等を考慮すると少なくとも約１０ｍの変化の余裕を持った圧力に設定される。例えば、深度外圧に対して約０．１ＭＰａ以上で約２倍程度の内圧に設定される。潜水深度が１００ｍの海中では約１．１ＭＰａの外圧が作用するので、潜水圧以上の気体内圧としては、潮流等の変化による深度変化を含めて約１．２ＭＰａ以上、２倍程度の安全をみて２．０ＭＰａ程度に設定すればよい。気体としては、空気や窒素、その他の気体が用いられる。

さらに、上記実施形態では、気密内容器２３を大きく形成することで浮力体２０の自重に対する浮力を大きくすることができる。これにより、浮力体２０の軽量化を図ることができる。この浮力体２０の浮力としては、好ましくは、海中探査機１の水中重量が０となる浮力か、少し沈む程度の重量となる浮力に設定される。これにより、海中に沈めた海中探査機１は、自身の姿勢制御用プロペラ１０による姿勢制御が正確に行える。

しかも、浮力体２０の大きさや配置を任意に調整することで水中における海中探査機１の重心位置を調整することもでき、重量物であるマニピュレーター８，９等の大きさや配置等、海中探査機１の設計自由度を増すことができる。

以上のように、上記海中探査機１によれば、気密内容器２３の外面を覆った炭素繊維強化複合材外殻２４（繊維強化複合材外殻）で地上において内圧に耐え得る強度を保つとともに、その気密内容器２３内に掛けた潜水圧以上の気体内圧で潜水水位において所望の浮力を保つことができるので、小型の浮力体２０で大きな浮力を得ることが可能となる。しかも、気密内容器２３の形状を海中探査機１に適した形状に形成することで、海中探査機１に応じて大きな浮力を得ることができる浮力体２０を容易に形成することができる。

また、浮力体２０は、内圧が海中探査機１（水中潜水機）の潜る深度以上の圧力となっているため、その深度まで潜水させても浮力体２０に作用する外圧は内圧以下であるので、浮力体２０の形態を作業深度で安定して保ち、常に安定した浮力を保つ浮力体２０を構成することができる。

なお、上記実施形態では、水中潜水機の一例として無人の海中探査機１を例に説明したが、有人の水中探査機、その他、海中航行用ビークル等でも同様に適用することができ、海中探査機１に限定されるものではない。

また、浮力体２０の形態も、高圧容器の形態に限定されるものではなく、水中潜水機に応じて好ましい形態に形成すればよい。

さらに、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

本発明に係る繊維強化複合材を用いた浮力体は、有人及び無人の水中行動用ビークルや水中探査機などに利用できる。

１海中探査機（水中潜水機）
２本体部
３ケーブル
４テレビカメラ
５投光器
６ソナー
７圧力センサ
８，９マニピュレーター
１０姿勢制御用プロペラ
２０浮力体
２１円筒部
２２鏡板部
２３気密内容器
２４炭素繊維強化複合材外殻（繊維強化複合材外殻）
２５中空浮力体容器
２６炭素繊維強化複合材テープ
３０内部空間

Claims

所定の深度まで潜水する水中潜水機に装備する浮力体であって、
中空状の気密内容器と、該気密内容器の外面を覆う繊維強化複合材外殻とで中空浮力体容器を形成し、
該中空浮力体容器の内部空間に、気体で潜水圧以上の内圧を掛けたことを特徴とする繊維強化複合材を用いた浮力体。
前記繊維強化複合材が炭素繊維強化複合材である請求項１に記載の繊維強化複合材を用いた浮力体。
前記炭素繊維強化複合材が、炭素繊維強化複合材テープであり、該炭素繊維強化複合材テープを前記気密内容器の外面に巻回することで前記外殻を形成した請求項２に記載の繊維強化複合材を用いた浮力体。
前記気密内容器は、所定長さの円筒部と、該円筒部の両端を塞ぐ鏡板部とを有する長円筒形に形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維強化複合材を用いた浮力体。
所定の深度まで潜水する水中潜水機であって、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維強化複合材を用いた浮力体を備えていることを特徴とする水中潜水機。