JP2018069881A

JP2018069881A - 浮沈式観測ブイ

Info

Publication number: JP2018069881A
Application number: JP2016210657A
Authority: JP
Inventors: 雅明市川; Masaaki Ichikawa; 研吾小林; Kengo Kobayashi; 中川　敏彦; Toshihiko Nakagawa; 敏彦中川; 真田川; Makoto Tagawa
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-05-10

Abstract

【課題】浮沈に伴う電力消費を抑えることができる浮沈式観測ブイの提供。
【解決手段】一実施形態に係る浮沈式観測ブイ４は、長手方向が水流の進行方向に配置される本体部４１と、本体部４１の長手方向の一端部４１Ａに膨縮可能に設けられた浮袋４２ａと、本体部４１に収容され、浮袋４２ａを膨縮させるオイルを貯溜するオイルタンク４１ｂと、を備え、オイルタンク４１ｂは、浮袋４２ａの膨縮に伴う本体部４１の浮心１００の移動に、オイルの移動による本体部４１の重心１０１の移動を同期させる位置に配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、浮沈式観測ブイに関するものである。

浮沈式観測ブイとして、例えば、下記特許文献１に記載の有索式水中浮沈体が知られている。この有索式水中浮沈体は、索体に接続された状態で水中を浮沈可能に構成され、前後方向に延伸した形状を有する本体部と、本体部に配置された翼部と、本体部に配置され翼部の迎角を調整する迎角調整手段と、を備えている。

本体部は、略円筒形状を有し内部に水が浸入しないように水密に形成された胴部と、胴部の先端に配置され水中に曝露した曝露部を形成するノーズコーンと、を有する。ノーズコーンの内部には、膨縮可能な浮袋が配置され、胴部の内部には、浮袋に作動液（例えば、シリコンオイル）を注排液するオイルポンプと、作動液を貯蔵するオイルタンクとが配置されている。

浮袋に作動液を注液すると、浮袋が膨張してノーズコーン内の水が外部に押し出され、有索式水中浮沈体の見かけ上の体積が増大し、有索式水中浮沈体の比重が低下して浮力が増大することで浮上する。逆に、浮袋から作動液を排液すると、浮袋が収縮してノーズコーン内に水が流入し、有索式水中浮沈体の見かけ上の体積が減少し、有索式水中浮沈体の比重が上昇して浮力が低下することで沈降する。

特開２０１６−６８８７７号公報

ところで、浮袋が膨縮すると、本体部の見かけ上の体積が増大するため、本体部の長手方向における浮心の位置が変動する。また、浮袋の膨縮に伴って作動液が移動するため、本体部の長手方向における重心の位置も変動する。ここで、本体部の長手方向において浮心の位置と重心の位置がずれると、本体部がモーメントを受けて、本体部の仰角が変動する。本体部の仰角が変動し、例えば、本体部が水平姿勢から頭下がり等になると、本体部が水流から負荷を受ける面積が大きくなり、水流が変化する度に本体部の深度補正を強いられる。

このため、上記従来技術では、本体部の内部に前後方向に移動可能に配置された質量体により構成される仰角調整手段を備えている。この仰角調整手段は、質量体（電池パック）と、リニアガイド及びボールねじによって構成され、当該質量体を本体部の長手方向に移動させることにより、本体部の重心を変動させ、本体部の迎角を調整する。しかしながら、この構成では、浮袋を膨縮させる度に、質量体を移動させる必要があり、電池パックの電力を消費し、電池寿命が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、浮沈に伴う電力消費を抑えることができる浮沈式観測ブイの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、長手方向が水流の進行方向に配置される本体部と、前記本体部の長手方向の一端部に膨縮可能に設けられた浮袋と、前記本体部に収容され、前記浮袋を膨縮させる流体を貯溜する流体貯溜部と、を備え、前記流体貯溜部は、前記浮袋の膨縮に伴う前記本体部の浮心の移動に、前記流体の移動による前記本体部の重心の移動を同期させる位置に配置されている、浮沈式ブイを採用する。

また、本発明においては、前記浮袋の膨縮の前後で、前記本体部の長手方向における前記本体部の浮心の位置と重心の位置が一致している、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記本体部は、前記浮袋を覆うと共に、周囲の水を注排水可能な開口部が設けられたカバーを備え、前記本体部の浮心から前記流体貯溜部までのモーメントアームをｌ_１とし、前記本体部の浮心から前記浮袋までのモーメントアームをｌ_２とし、前記流体の密度をρ_１とし、前記カバーの内部に注水された周囲の水の密度をρ_２としたときに、以下の関係を満たす、という構成を採用する。

本発明では、浮袋を膨縮させる流体を貯溜する流体貯溜部の配置を調整し、浮袋の膨縮に伴う本体部の浮心の移動に、流体の移動による本体部の重心の移動を同期させ、浮袋の膨縮の前後で、本体部の長手方向における本体部の浮心の位置と重心の位置が大きくずれることがない構成を採用する。これにより、浮袋を膨縮させる度に、質量体を移動させる必要がなくなり、電力消費を抑えることができる。
したがって、本発明では、浮沈に伴う電力消費を抑えることができる浮沈式観測ブイが得られる。

本発明の実施形態における海洋情報収集システムを示す全体構成図である。図１に示した浮沈式観測ブイの詳細図であり、（ａ）は浮上時、（ｂ）は沈降時、を示している。本発明の実施形態におけるオイルタンクの配置を示す模式図であり、（ａ）は浮袋最大膨張時、（ｂ）は浮袋最小収縮時、を示している。比較例として従来のオイルタンクの配置を示す模式図であり、（ａ）は浮袋最大膨張時、（ｂ）は浮袋最小収縮時、を示している。オイルタンクの配置の決め方を説明する説明図であり、（ａ）は浮袋最大膨張時、（ｂ）は浮袋最大膨張時でない時、を示している。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、省略した部分がある。

図１は、本発明の実施形態における海洋情報収集システムを示す全体構成図である。図２は、図１に示した浮沈式観測ブイの詳細図であり、（ａ）は浮上時、（ｂ）は沈降時、を示している。
本実施形態の海洋情報収集システムは、図１に示すように、海底に配置されるアンカー１と、アンカー１に接続され海中に浮遊する中間ブイ２と、中間ブイ２に一端が接続された係留索３と、係留索３の他端に接続された浮沈式観測ブイ４と、を有する。

アンカー１は、中間ブイ２及び浮沈式観測ブイ４を海底に繋ぎ留めておくための部品である。アンカー１は、例えば、潮流によって移動しない重量を有する載置式の錘であってもよいし、杭等によって海底に固定されるものであってもよい。アンカー１は、海洋情報を取得したいエリア内の海底に配置される。

中間ブイ２は、浮沈式観測ブイ４の浮沈の起点を構成する部品である。中間ブイ２は、係留索２１によりアンカー１と接続されており、係留索２１の中間部には水中切離装置２２が配置されている。水中切離装置２２により、中間ブイ２の設置及び回収を容易に行うことができる。中間ブイ２は、アンカー１に対して略鉛直上の位置に浮遊可能な浮力を有する。

係留索３は、中間ブイ２と浮沈式観測ブイ４とを接続する部品である。係留索３の長さは、浮沈式観測ブイ４の海中待機位置の深度、浮沈式観測ブイ４が配置される潮流の速度、係留索３の潮流に対する抵抗の大きさ等の条件により、浮沈式観測ブイ４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。

浮沈式観測ブイ４は、海洋情報を取得したいエリア内で浮沈し所定の海洋情報を取得する部品である。浮沈式観測ブイ４は、潮流（水流）の進行方向に長手方向が配置される本体部４１と、本体部４１に配置された比重調整部４２と、本体部４１に配置されデータ転送を行うアンテナ４３と、本体部４１に配置され所定の海洋情報を取得する観測部４４と、を有する。

本体部４１は、密閉空間を形成する円筒形状の容器であり、その内部空間には、図２に示すように、オイル（流体）を注排液するオイルポンプ４１ａ、オイルを貯溜するオイルタンク４１ｂ（流体貯溜部）、電子機器に電力を供給する電池パック４１ｃ、アンテナ４３や観測部４４等の制御を行う制御部４１ｄ等が配置されている。

本体部４１は、潮流に対して略平行な姿勢を維持できるように細長い形状を有し、長手方向が潮流の進行方向に沿って配置される。このように浮沈式観測ブイ４の長手方向を潮流の進行方向に配置することにより、浮沈式観測ブイ４の潮流を受ける受圧面積を低減することができる。この本体部４１には、海中における浮沈式観測ブイ４の姿勢を保持する安定翼４１ｅが設けられている。

本体部４１の長手方向の一端部４１Ａには、比重調整部４２が設けられ、本体部４１の長手方向の他端部４１Ｂには、アンテナ４３及び観測部４４が設けられている。比重調整部４２は、浮袋４２ａを膨張させることによって浮沈式観測ブイ４を浮上させ、比重調整部４２の浮袋４２ａを収縮させることによって浮沈式観測ブイ４を沈降させ海中に待機させるようにしたものである。

アンテナ４３は、観測部４４により取得した海洋情報データを地上基地局や観測船等の主装置にデータ伝送する部品である。アンテナ４３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。また、アンテナ４３は、浮沈式観測ブイ４が海面に浮上した時にアンテナ４３から定期的にデータ伝送するようにしてもよい。

観測部４４は、所定の海洋情報を収集する部品である。観測部４４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）、海水のサンプリング採集を行う採水装置の他、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。

比重調整部４２は、本体部４１の長手方向の一端部４１Ａにおいて膨縮可能な浮袋４２ａと、浮袋４２ａの外周を覆うカバー４２ｂと、本体部４１内に配置されるオイルポンプ４１ａと、により構成される。浮袋４２ａは、海水に対して耐性を有する柔らかい素材（例えば、ゴム等）により構成される。

カバー４２ｂは、浮袋４２ａの破損を抑制する部品であり、外周面に複数の開口部４２ｃが形成されている。したがって、カバー４２ｂ内は海水で満たされた状態になっている。オイルポンプ４１ａは、本体部４１の長手方向において接続配管４１ｆを介して接続されたオイルタンク４１ｂと浮袋４２ａとの間で、オイルを移動させるものである。なお、オイルポンプ４１ａの作動は、例えば、制御部４１ｄによって制御される。

浮袋４２ａにオイルポンプ４１ａを作動させてオイルを注液すると、図２（ａ）に示したように、浮袋４２ａはカバー４２ｂ内で膨張し、カバー４２ｂ内の海水が開口部４２ｃから海中に押し出される。その結果、浮沈式観測ブイ４の見かけ上の体積が増大し、浮沈式観測ブイ４の比重が低下し、浮力が増大する。したがって、浮沈式観測ブイ４を浮上させることができる。

オイルポンプ４１ａを作動させて浮袋４２ａからオイルを排液すると、図２（ｂ）に示したように、浮袋４２ａはカバー４２ｂ内で収縮し、開口部４２ｃからカバー４２ｂ内に
海水が流入する。その結果、浮沈式観測ブイ４の見かけ上の体積が減少し、浮沈式観測ブイ４の比重が上昇し、浮力が低下する。したがって、浮沈式観測ブイ４を降下させることができる。

図３は、本発明の実施形態におけるオイルタンクの配置を示す模式図であり、（ａ）は浮袋最大膨張時、（ｂ）は浮袋最小収縮時、を示している。図４は、比較例として従来のオイルタンクの配置を示す模式図であり、（ａ）は浮袋最大膨張時、（ｂ）は浮袋最小収縮時、を示している。
浮沈式観測ブイ４は、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、浮袋最大膨張時、すなわち海面浮上時に水平姿勢になるよう、本体部４１の長手方向における浮心１００の位置と重心１０１の位置とを一致させるように機器配置を行っている。

ここで、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、浮袋４２ａを収縮させると、本体部４１の見かけ上の体積が減少するため、本体部４１の長手方向において、本体部４１の浮心１００の位置が他端部４１Ｂ側に変動する。
また、浮袋４２ａが収縮すると、浮袋４２ａからオイルタンク４１ｂにオイルが移動するため、本体部４１の長手方向において、本体部４１の重心１０１の位置も他端部４１Ｂ側に変動する。

従来の浮沈式観測ブイ４では、図４（ｂ）に示すように、オイルタンク４１ｂが浮袋４２ａの近くに配置されているため、本体部４１の重心１０１の位置変動が、本体部４１の浮心１００の位置変動よりも小さくなる。そうすると、本体部４１の長手方向において浮心１００の位置と重心１０１の位置がずれ、本体部４１がモーメントを受けて、例えば、本体部４１が水平姿勢から頭下がりになる。

一方、本実施形態の浮沈式観測ブイ４では、図３（ｂ）に示すように、オイルタンク４１ｂが浮袋４２ａから離れて配置されているため、本体部４１の重心１０１の位置変動が、本体部４１の浮心１００の位置変動と同期する（同じになる）。このため、浮袋４２ａの膨縮の前後で、本体部４１の長手方向における本体部４１の浮心１００の位置と重心１０１の位置が大きくずれることがない。このため、従来のように仰角調整手段を作動させることなく、本体部４１を水平姿勢に保つことができる。

本体部４１の長手方向における浮心１００の位置と重心１０１の位置のずれ量は、本体部４１の仰角に影響する。本体部４１の仰角が０度以外の場合、本体部４１は潮流から揚力や降力を受ける。経験上、本体部４１に許容される仰角は、およそ０〜＋５［ｄｅｇ］である（プラスは頭上がりである）。よって、ここで定義する「浮袋４２ａの膨縮に伴う本体部４１の浮心１００の移動に、オイルの移動による本体部４１の重心１０１の移動が同期する」とは、浮袋４２ａの膨縮の前後で、本体部４１の仰角が０〜＋５［ｄｅｇ］の範囲に収まることを言う。

本実施形態では、図４（ｂ）に示すように、浮袋４２ａの膨縮の前後で、本体部４１の長手方向における本体部４１の浮心１００の位置と重心１０１の位置が一致するように、オイルタンク４１ｂの配置を調整している。この構成によれば、浮袋４２ａの膨縮の前後で、理論上、本体部４１の仰角が殆ど変動しないため、海中待機中の深度の補正回数を減らすことができ、電池パック４１ｃの電力消費が抑えられ、電池寿命が延びる。また、潮流計測における計測誤差を低減し、計測精度を高めることができる。

次に、このようなオイルタンク４１ｂの配置について、図５を参照して詳しく説明する。
図５は、本発明の実施形態におけるオイルタンクの配置の決め方を説明する説明図であり、（ａ）は浮袋最大膨張時、（ｂ）は浮袋最大膨張時でない時、を示している。

図５（ａ）に示す符号Ｂは、本体部４１の先端まで含めた排水体積から決まる浮力を示す。この浮力中心位置（浮心１００）は、動かないと、計算上仮定する。すなわち、カバー４２ｂに形成された開口部４２ｃを閉塞した状態を考える。この状態で、図５（ａ）に示すように、本体部４１の長手方向において、本体部４１の浮心１００の位置と重心１０１の位置が一致するように機器を配置したとする。すなわち、浮力Ｂの真下に重力Ｇが作用した状態を前提条件とする。

次に、本体部４１の浮心１００からオイルタンク４１ｂまでのモーメントアームをｌ_１とし、本体部４１の浮心１００から浮袋４２ａまでのモーメントアームをｌ_２する。そして、浮袋４２ａ及びカバー４２ｂの内部に注水された海水によって発生するモーメントをＦ_ｗｌ_２、オイルタンク４１ｂで発生するモーメントをＦ_ｂｌ_１とする。さらに、浮袋４２ａ及びそれを取り囲む海水、及び、オイルタンク４１ｂを除く部品が発生するモーメントをＦ_０ｌ_０としてバランスさせると、下式（１）が成立する。

次に、浮袋４２ａの収縮に伴いオイルの体積ΔＶが移動した場合に、図５（ｂ）に示すように、本体部４１の重心１０１がｘだけずれたとすれば、その時のモーメントの関係は、下式（２）の通りになる。すなわち、浮袋４２ａが縮んだ分、カバー４２ｂの内部に海水が入ってくるので、オイルの密度ρ_ｏｉｌと海水の密度ρ_ｗの差分だけ重量は増える。

この式（２）を展開すると、下式（３）の通りになる。

この式（３）の左辺から、式（１）を差し引けば、残りは下式（４）の通りになる。

この式（４）から、ΔＶに依らず、ｘが０である条件を考えると、下式（５）の通りになる。

すなわち、モーメントアームｌ_１とモーメントアームｌ_２が、下式（６）の通りの比率になっていれば、浮心１００／重心１０１は動かない。

したがって、本体部４１の浮心１００からオイルタンク４１ｂまでのモーメントアームをｌ_１とし、本体部４１の浮心１００から浮袋４２ａまでのモーメントアームをｌ_２とし、オイルの密度をρ_ｏｉｌとし、カバー４２ｂの内部に注水された周囲の海水の密度をρ_ｗとしたときに、下式（７）の関係を満たすようにすればよい。

以上のように、浮袋４２ａを膨縮させるオイルを貯溜するオイルタンク４１ｂの配置を調整し、浮袋４２ａの膨縮に伴う本体部４１の浮心１００の移動に、オイルの移動による本体部４１の重心１０１の移動を同期させ、浮袋４２ａの膨縮の前後で、本体部４１の長手方向における本体部４１の浮心１００の位置と重心１０１の位置とを一致させることにより、浮沈式観測ブイ４がどの位置にいてもほぼ水平姿勢を保持することが可能となる。

このように、上述の本実施形態によれば、長手方向が水流の進行方向に配置される本体部４１と、本体部４１の長手方向の一端部４１Ａに膨縮可能に設けられた浮袋４２ａと、本体部４１に収容され、浮袋４２ａを膨縮させるオイルを貯溜するオイルタンク４１ｂと、を備え、オイルタンク４１ｂは、浮袋４２ａの膨縮に伴う本体部４１の浮心１００の移動に、オイルの移動による本体部４１の重心１０１の移動を同期させる位置に配置されている、という構成を採用することによって、浮沈に伴う電力消費を抑えることができる浮沈式観測ブイ４が得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、浮袋４２ａを膨縮させる流体としては、表１に示す比重を有するものを使用することができる。このため、当該流体の比重に応じて、モーメントアームｌ_１とモーメントアームｌ_２の長さは変更され得る。

また、例えば、本実施形態に係る浮沈式観測ブイ４は、例えば、所定の海域に配置され塩分濃度等の海洋情報を取得する海洋情報収集システムに用いられる観測用ブイであるが、かかるブイに限定されるものではない。また、有索式水中浮沈体１は、海中で使用されるものに限定されず、川や湖等で使用されるものであってもよい。
また、例えば、浮沈式観測ブイ４は、索体を介して船舶等の水上移動体に曳航された水中曳航体であってもよい。

４浮沈式観測ブイ
４１本体部
４１Ａ一端部
４１ｂオイルタンク（流体貯溜部）
４２ａ浮袋
４２ｂカバー
４２ｃ開口部
１００浮心
１０１重心

Claims

長手方向が水流の進行方向に配置される本体部と、
前記本体部の長手方向の一端部に膨縮可能に設けられた浮袋と、
前記本体部に収容され、前記浮袋を膨縮させる流体を貯溜する流体貯溜部と、を備え、
前記流体貯溜部は、前記浮袋の膨縮に伴う前記本体部の浮心の移動に、前記流体の移動による前記本体部の重心の移動を同期させる位置に配置されている、ことを特徴とする浮沈式観測ブイ。
前記浮袋の膨縮の前後で、前記本体部の長手方向における前記本体部の浮心の位置と重心の位置が一致している、ことを特徴とする請求項１に記載の浮沈式観測ブイ。
前記本体部は、前記浮袋を覆うと共に、周囲の水を注排水可能な開口部が設けられたカバーを備え、
前記本体部の浮心から前記流体貯溜部までのモーメントアームをｌ_１とし、前記本体部の浮心から前記浮袋までのモーメントアームをｌ_２とし、前記流体の密度をρ_１とし、前記カバーの内部に注水された周囲の水の密度をρ_２としたときに、

の関係を満たす、ことを特徴とする請求項１または２に記載の浮沈式観測ブイ。