JP2016155392A - 水中移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】系外への作動液の漏洩及び系内への空気の混入を抑制することができる、水中移動体を提供する。
【解決手段】水中と水面との間を往来可能な水中移動体１であって、膨縮可能な浮袋２１と、浮袋２１に液体を供給するポンプユニット２２と、ポンプユニット２２を介して浮袋２１に供給される作動液を貯留する液体タンク２３と、を備えた比重調整部２を有し、ポンプユニット２２は、液体タンク２３内の作動液中に浸漬されており、液体タンク２３は、浮袋２１への作動液の供給量に応じて容量可変に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水中移動体に関し、特に、水中と水面との間を往来可能な水中移動体に関する。

水圏（海洋、湖沼、河川）は、地球表面の約７０％を占めており、その熱容量は大気の約１０００倍といわれている。特に、最も広大な海洋の水温が大きく変化した場合には、大気の状態に大きな影響を及ぼし、世界各地の天候や気候に大きな変化をもたらすこととなる（例えば、エルニーニョ現象等）。そこで、海洋情報の変動を把握するために、水温を含む海洋情報を調査する必要がある。また、航海安全、防災・環境保全、海洋権益保全等のために、潮流観測、海底地殻変動観測、海底活断層調査、大陸棚調査等を行う必要もある。

これらの海洋調査では、水中に潜水可能なブイ、水中を自走可能な水中航走体や水中グライダー、水中で曳航可能な水中曳航体等の水中移動体が使用されることが多い。これらの水中移動体は、一般に、水中移動体を浮上又は沈降させる浮沈機構を有している（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された水中移動体の浮沈機構は、耐圧容器内に配置された伸縮自在のバラストオイルタンクと、ポンプユニットと、を耐圧容器外に配置された伸縮自在の可変バラストレシーバーと、を有している。そして、ポンプユニットによりバラストオイルをバラストオイルタンクから可変バラストレシーバーに送入したり、バラストオイルタンクに戻したりすることによって、可変バラストレシーバーを膨縮させ、海中で占める体積を変化させるように構成されている。

特許第２７３９５３４号公報

特許文献１に記載されたような浮沈機構では、ポンプの回転軸におけるシール性能が低く、シール部からオイルが漏れやすい、空気が混入しやすいという問題があった。また、油圧系統が密閉系であることから、ドレインポートを大気開放することができず、シール部の圧力が不安定になり、シール性能がさらに低下してしまうという問題があった。また、水中移動体は水中で上下が不確かな状態で使用されることから、油圧系統に空気が混入した場合には、空気抜きが困難であるという問題もあった。

本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、系外への作動液の漏洩及び系内への空気の混入を抑制することができる、水中移動体を提供することを目的とする。

本発明によれば、水中と水面との間を往来可能な水中移動体において、膨縮可能な浮袋と、該浮袋に液体を供給するポンプユニットと、該ポンプユニットを介して前記浮袋に供給される作動液を貯留する液体タンクと、を備えた比重調整部を有し、前記ポンプユニットは、前記液体タンク内の作動液中に浸漬されており、前記液体タンクは、前記浮袋への作動液の供給量に応じて容量可変に構成されている、ことを特徴とする水中移動体が提供される。

前記水中移動体は、前記液体タンク外の前記浮袋と前記ポンプユニットとの間に配置された逆止弁を備えていてもよい。前記液体タンクは、筒形状のシリンダと、該シリンダの先端に配置されたヘッダ部と、前記シリンダの内周面に沿って移動可能に配置されたピストンと、を有し、前記ポンプユニットに接続される配線及び配管は前記ヘッダ部に集約されて配置されていてもよい。さらに、前記水中移動体は、前記ピストンの位置を計測する位置センサを有していてもよい。

上述した本発明の水中移動体によれば、ポンプユニットが作動液中に浸漬されていることから、回転軸のシール部から作動液が漏洩したとしても、液体タンクに還流されるだけであり、系外への作動液の漏洩を抑制することができる。また、ポンプユニットが空気中に曝露されていないことから、系内への空気の混入を抑制することができる。

本発明の第一実施形態に係る水中移動体を示す全体構成図であり、（ａ）は浮上状態、（ｂ）は降下状態、を示している。 図１に示した水中移動体の使用状態を示す概念図である。 本発明の第二実施形態に係る水中移動体を示す全体構成図であり、（ａ）は浮上状態、（ｂ）は降下状態、を示している。 図３に示した水中移動体の使用状態を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について図１〜図４を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る水中移動体を示す全体構成図であり、（ａ）は浮上状態、（ｂ）は降下状態、を示している。図２は、図１に示した水中移動体の使用状態を示す概念図である。

本発明の第一実施形態に係る水中移動体１は、図１（ａ）及び（ｂ）に示したように、水中と水面との間を往来可能な水中移動体であって、膨縮可能な浮袋２１と、浮袋２１に液体を供給するポンプユニット２２と、ポンプユニット２２を介して浮袋２１に供給される作動液を貯留する液体タンク２３と、を備えた比重調整部２を有し、ポンプユニット２２は、液体タンク２３内の作動液中に浸漬されており、液体タンク２３は、浮袋２１への作動液の供給量に応じて容量可変に構成されている。

水中移動体１は、例えば、海洋、湖沼、河川等の水圏に配置される、ブイ、水中航走体、水中グライダー、水中曳航体等であって、水中と水面との間を往来可能、すなわち、浮沈可能に構成された水中機器である。かかる水中移動体１は、配置された水圏における、現在位置、水温、塩分濃度、水圧、磁力、放射線濃度等のデータを取得するデータ取得部３及び地上基地局と通信するアンテナ部４を有している。以下、水中移動体１を海洋に配置して、海洋情報を取得する場合について説明する。

水中移動体１の本体部１１は、例えば、略円筒形状の筐体を有している。本体部１１の内部には、比重調整部２、制御部１２、蓄電池１３等が格納されている。また、本体部１１の外部には、データ取得部３、アンテナ部４、安定翼１４等が配置されている。

データ取得部３は、例えば、塩分濃度等の基礎情報を取得するＣＴＤセンサ（電気伝導度：Conductivity、温度：Temperature、深度：Depthを計測するセンサ）、圧力センサ、磁気センサ、放射線測定器、ソナー等、種々の計測・観測用のセンサや装置により構成される。これらのセンサ及び装置は、観測又は計測を行う海洋において取得したい海洋情報の種類に応じて適宜選択される。また、データ取得部３は、海水をサンプリング採取する海水採取装置を含んでいてもよい。なお、データ取得部３は、センサや装置の種類に応じて、本体部１１の後尾部に配置されていてもよいし、下部や上部に配置されていてもよい。

アンテナ部４は、データ取得部３により取得した海洋情報を地上基地局や観測船等の主装置にデータ伝送する通信機器である。アンテナ部４は、主装置のアンテナと直接的に交信してもよいし、通信衛星を介して主装置と交信するようにしてもよい。なお、アンテナ部４は、水中移動体１の種類や形状に応じて、本体部１１の後尾部に配置されていてもよいし、上部に配置されていてもよい。

比重調整部２は、上述した浮袋２１、ポンプユニット２２及び液体タンク２３の他に、浮袋２１の外周を覆うカバー２４を有している。浮袋２１は、海水に対して耐性を有する柔らかい素材（例えば、樹脂等）により構成される。カバー２４は、浮袋２１の破損を抑制する部品であり、外周面に複数の開口部２４ａが形成されている。したがって、カバー２４内は海水で満たされた状態になっている。なお、液体タンク２３に収容された作動液は、例えば、シリコンオイルである。

ポンプユニット２２は、例えば、オイルポンプ２２ａと駆動モータ２２ｂとにより構成される。かかるオイルポンプ２２ａ及び駆動モータ２２ｂは、液体タンク２３内の作動液内に浸漬されている。オイルポンプ２２ａは、浮袋２１と配管２２ｃを介して接続されており、液体タンク２３内の作動液を浮袋２１に注液したり排液したりすることができるように構成されている。

配管２２ｃの中間部には逆止弁２２ｄが配置されている。すなわち、逆止弁２２ｄは、液体タンク２３外の浮袋２１とポンプユニット２２との間に配置されている。かかる逆止弁２２ｄを配置することにより、浮袋２１にかかる水圧による作動液の逆流を抑制することができる。

液体タンク２３は、例えば、筒形状のシリンダ２３ａと、シリンダ２３ａの先端に配置されたヘッダ部２３ｂと、シリンダ２３ａの内周面に沿って移動可能に配置されたピストン２３ｃと、を有し、ポンプユニット２２に接続される配線及び配管２２ｃはヘッダ部２３ｂに集約されて配置されている。シリンダ２３ａ、ヘッダ部２３ｂ及びピストン２３ｃにより囲まれた空間に作動液が充填されている。

また、ヘッダ部２３ｂの中心部からシリンダ２３ａに沿ってガイドロッド２３ｄが配置されており、ピストン２３ｃはガイドロッド２３ｄに嵌装されている。ピストン２３ｃは、作動液の増減に応じて、ガイドロッド２３ｄに沿ってシリンダ２３ａ内を摺動する。ピストン２３ｃとガイドロッド２３ｄ及びシリンダ２３ａとの間にはＯリング等のシール材が必要に応じて適宜配置される。また、ヘッダ部２３ｂに配線や配管２２ｃを集約することにより、シリンダ２３ａの周面部から配線や配管２２ｃを引き出す必要がなく、ピストン２３ｃの円滑な動作とシール性の向上を図ることができる。

また、ピストン２３ｃ内にはマグネット２３ｅが配置されており、ガイドロッド２３ｄは通電可能に構成されている。ガイドロッド２３ｄに通電すると、ピストン２３ｃ内のマグネット２３ｅの磁界が歪み、その位置を計測することができる。すなわち、液体タンク２３は、ピストン２３ｃの位置を計測する位置センサ（例えば、磁歪式リニアセンサ）を有している。かかる位置センサを配置することにより、ピストン２３ｃの位置を正確に制御することができ、浮袋２１に供給される作動液の流量を正確に制御することができる。

上述した比重調整部２によれば、オイルポンプ２２ａを作動させて、液体タンク２３から浮袋２１に作動液を注液すると、浮袋２１はカバー２４内で膨張し、カバー２４内の海水が海中に押し出される。その結果、水中移動体１の見かけ上の体積を増大させることができ、水中移動体１の比重が低下して浮力が増大し、水中移動体１を浮上させることができる。

また、オイルポンプ２２ａを作動させて、浮袋２１から液体タンク２３に作動液を排液すると、浮袋２１はカバー２４内で収縮し、カバー２４内に海水が流入する。その結果、水中移動体１の見かけ上の体積を減少させることができ、水中移動体１の比重が上昇して浮力が低下し、水中移動体１を降下させることができる。

蓄電池１３は、制御部１２、ポンプユニット２２、ガイドロッド２３ｄ、逆止弁２２ｄ、データ取得部３、アンテナ部４等に接続されており、各機器に必要な電力を供給する。また、制御部１２は、蓄電池１３、ポンプユニット２２、ガイドロッド２３ｄ、逆止弁２２ｄ、データ取得部３、アンテナ部４等に接続されており、水中移動体１の浮沈、海洋情報の取得、データ通信等の処理に応じて各機器を制御する。具体的には、制御部１２に接続された記憶部（メモリ）には、データ取得部３の各センサ等の操作スケジュールや水中移動体１の浮沈スケジュール等が保存されており、これらのスケジュールに従って制御部１２が計測や浮沈に必要な所定の操作を行う。

ここで、図２は、図１に示した水中移動体１を用いた海洋情報収集システムの一例を示している。かかる海洋情報収集システムは、例えば、海底に配置されるアンカー５と、アンカー５に接続され海中に浮遊する中間ブイ６と、中間ブイ６に一端が接続された係留索７と、係留索７の他端に接続された水中移動体１と、を有している。なお、水中移動体１の通信状態を実線、水中移動体１の観測状態を一点鎖線で図示している。

アンカー５は、水中移動体１を海底に繋ぎ留めておくための部品である。中間ブイ６は、水中移動体１の浮沈の起点を構成する部品である。中間ブイ６は、係留索６１によりアンカー５と接続されている。係留索７は、中間ブイ６と水中移動体１とを接続する部品である。係留索７の長さは、水中移動体１の海中待機位置の深度、水中移動体１が配置される海流の速度、係留索７の長さ等の条件により、水中移動体１が浮上して海面に到達することができるように設定される。

また、係留索７は、水中移動体１の全長の中央部よりも前方かつ先端部よりも後方の位置の本体部１１に接続される。かかる位置に係留索７を接続することにより、水中移動体１を海流の進行方向に対して略平行となるように支持し易くすることができる。

図２において一点鎖線で示した観測状態では、水中移動体１は海中に沈降した状態に保持されており、海流によって中間ブイ６の下流側に位置している。水中移動体１が所定の海洋情報を取得すると、そのデータを地上側に送信するために、アンテナ部４を海面上に露出させる必要がある。水中移動体１を浮上させる場合は、図１（ａ）に示したように、ポンプユニット２２を作動させて、液体タンク２３から浮袋２１に作動液を注液すればよい。

図２において実線で示したように、アンテナ部４が海面上に露出すると、アンテナ部４は通信衛星等と通信を開始し、取得した海洋情報を地上基地局に送信する。次に、再び観測状態に戻るためには、水中移動体１を降下させる必要がある。水中移動体１を降下させる場合は、図１（ｂ）に示したように、ポンプユニット２２を作動させて、浮袋２１から液体タンク２３に作動液を排液すればよい。

上述した本実施形態に係る水中移動体１によれば、ポンプユニット２２が作動液中に浸漬されていることから、回転軸のシール部から作動液が漏洩したとしても、液体タンク２３に還流されるだけであり、系外への作動液の漏洩を抑制することができる。また、ポンプユニット２２が空気中に曝露されていないことから、系内への空気の混入を抑制することができる。

次に、水中移動体１の第二実施形態について、図３及び図４を参照しつつ説明する。ここで、図３は、本発明の第二実施形態に係る水中移動体を示す全体構成図であり、（ａ）は浮上状態、（ｂ）は降下状態、を示している。図４は、図３に示した水中移動体の使用状態を示す概念図である。なお、上述した第一実施形態と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。また、各図において、データ取得部３の図を省略してある。

図３（ａ）及び（ｂ）に示した第二実施形態に係る水中移動体１は、フロート式のブイに本発明を適用したものである。かかるフロート式の水中移動体１は、例えば、水中で略鉛直方向に長手方向が沿うように浮遊する略円筒形状の本体部１１を有し、下端部に浮袋２１を備え、上端部にアンテナ部４を備えている。水中移動体１の内部構成は、図１（ａ）及び（ｂ）に示した第一実施形態に係る水中移動体１と同一であるため、ここでは説明を省略する。

図４は、図３に示した水中移動体１を用いた海洋情報収集システムの一例を示している。かかる海洋情報収集システムは、例えば、海中と海面との間を往来可能な水中移動体１によって構成される。フロート式の水中移動体１を海洋情報収集システムに使用した場合には、水中移動体１にＧＰＳ（Global Positioning System：衛星航法）機能を持たせることによって、水中移動体１の位置を観測することができる。したがって、水中移動体１の移動を追跡することによって、海流調査を行うことができる。

図４において一点鎖線で示した観測状態では、水中移動体１は海中に沈降した状態に保持されている。このとき比重調整部２により、水中移動体１の浮力と重力のバランスを制御し、所定の水深に水中移動体１を留まらせることができる。水中移動体１が所定の海洋情報を取得すると、そのデータを地上側に送信するために、アンテナ部４を海面上に露出させる必要がある。水中移動体１を浮上させる場合は、図３（ａ）に示したように、ポンプユニット２２を作動させて、液体タンク２３から浮袋２１に作動液を注液すればよい。

図４において実線で示したように、アンテナ部４が海面上に露出すると、アンテナ部４は通信衛星等と通信を開始し、取得した海洋情報を地上基地局に送信する。このときＧＰＳ機能によって水中移動体１の位置を把握することができ、追跡調査を行うことができる。次に、再び観測状態に戻るためには、水中移動体１を降下させる必要がある。水中移動体１を降下させる場合は、図３（ｂ）に示したように、ポンプユニット２２を作動させて、浮袋２１から液体タンク２３に作動液を排液すればよい。

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ 水中移動体
２ 比重調整部
２１ 浮袋
２２ ポンプユニット
２２ｃ 配管
２２ｄ 逆止弁
２３ 液体タンク
２３ａ シリンダ
２３ｂ ヘッダ部
２３ｃ ピストン

Claims (4)

1. 水中と水面との間を往来可能な水中移動体において、
   膨縮可能な浮袋と、該浮袋に液体を供給するポンプユニットと、該ポンプユニットを介して前記浮袋に供給される作動液を貯留する液体タンクと、を備えた比重調整部を有し、
   前記ポンプユニットは、前記液体タンク内の作動液中に浸漬されており、
   前記液体タンクは、前記浮袋への作動液の供給量に応じて容量可変に構成されている、
   ことを特徴とする水中移動体。
2. 前記液体タンク外の前記浮袋と前記ポンプユニットとの間に配置された逆止弁を備えている、ことを特徴とする請求項１に記載の水中移動体。
3. 前記液体タンクは、筒形状のシリンダと、該シリンダの先端に配置されたヘッダ部と、前記シリンダの内周面に沿って移動可能に配置されたピストンと、を有し、前記ポンプユニットに接続される配線及び配管は前記ヘッダ部に集約されて配置されている、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水中移動体。
4. 前記ピストンの位置を計測する位置センサを有する、ことを特徴とする請求項３に記載の水中移動体。