JP5176531B2 - 水中音源装置 - Google Patents

Description

本発明は、油圧系への気体の浸入を防止する水中音源装置に関する。

海洋・湖沼・河川などにおいて音響を用いて、様々の学術・技術的調査を行うことができる。例えば、水中で音波を放射したとき反射して返ってくる音波を測定して水底の地形や水底を構成する物質の性状を調べることができる。

この目的に使用される音源装置は、水中音源装置と呼ばれ、エンクロージャの開口部に振動板を取り付け、エンクロージャの内部には振動板を加振する油圧式アクチュエータを設け、水中において振動板を振動させることで水中に音波を放射する。音波の周波数が低周波である場合、水中においてこのような低周波で振動板を加振するために、油圧式アクチュエータには油圧で往復運動するものが使用される。

水中音源装置は、水中に浸漬した状態で使用されるため、高い水圧にさらされる。この水圧に対抗するために、エンクロージャは空気あるいは窒素ガスによる内部気圧を高圧にさせて内部気圧を外部水圧と均衡させる。

一方、振動板も高い水圧に抗して振動させる必要があるので、油圧式アクチュエータの動作油も高圧にさせて動作油圧を外部水圧と均衡させる。このとき、動作油の均圧装置は、動作油の温度変化による体積変化を吸収する機能を併せ持つ。

ところで、油圧式アクチュエータは、振動板に連結されたピストンロッドと、該ピストンロッドが挿通されたシリンダとを備え、該シリンダの室内へ動作油を給排することにより、上記ピストンロッドをストロークさせて振動板を加振するようになっている。このために、シリンダには、ピストンロッドをストローク自在に保持するピストン通路が形成されている。ピストンロッドは、ピストン通路を通って動作油が充満されたシリンダ室と気体雰囲気のエンクロージャ内とを行き来する。

このような油圧式アクチュエータにおいては、ピストン通路を伝って作動油がエンクロージャ内に漏れないように、ピストン通路にシール部材を設けるのが好ましい。シール部材の製造会社が推奨するシール方式は、ピストン通路の２箇所にシール部材を設置するダブルシールと呼ばれる方式である。そして、ダブルシール方式を採用するときは、２箇所のシール部材の間にドレン回路を接続してシール部材間に溜まる動作油を排出することが必要とされている（非特許文献１，２）。ドレン回路は、動作油タンクに通じており、シール部材間の動作油をそのまま動作油タンクに導くものである。

特開平８−２５１６８７号公報 ＮＯＫ株式会社カタログ Ｃａｔ．Ｎｏ．０３５−０６−９９ ＮＯＫ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮカタログ Ｃａｔ．Ｎｏ．０３８−１２−９９

本発明者は、水中音源装置の油圧式アクチュエータに対して製造会社の推奨のとおりダブルシール方式を採用すると共にドレン回路を設置するものである。

ところが、水中音源装置の場合には、一般的な油圧装置にはない特殊な問題があることが分かった。すなわち、一般的な油圧装置は大気中に設置されて稼働する。これに対して水中音源装置は、前述のように、動作油圧を外部水圧と均衡させていると共に、その一方で外部水圧と同等の高圧に制御されたエンクロージャ内雰囲気中で油圧式アクチュエータが稼働する。

図４に示されるように、油圧式アクチュエータのシリンダ６には、ピストンロッド５をストローク自在に保持するピストン通路１１が形成されており、ピストン通路１１のシリンダ室側に内側シール部材１２が配置され、ピストン通路１１の開口部側に外側シール部材１３が配置されている。ドレン回路１４はピストン通路１１の内側シール部材１２と外側シール部材１３との間から動作油タンク９に至る。

エンクロージャ２の内部気圧をＰｅ、動作油タンク９における動作油圧をＰｔとする。２箇所のシール部材１２，１３間と動作油タンク９とがドレン回路１４によって連通しているので、２箇所のシール部材１２，１３間における動作油圧は動作油タンク９における動作油圧Ｐｔと同じである。

エンクロージャ２の内部気圧Ｐｅは内部気圧調節手段（図示せず）によって、動作油タンク９における動作油圧Ｐｔは油圧均圧装置（図示せず）によって、それぞれ外部水圧と均衡させている。しかし、これら２つの圧力Ｐｅ，Ｐｔはそれぞれ別の系統によって制御されているので、全く同じ圧力になるとは限らない。ここで、エンクロージャ２の内部気圧Ｐｅが動作油タンク９における動作油圧Ｐｔよりも高いとする。

図４に示されるように、エンクロージャ２内の内部気体がピストン通路１１から外側シール部材１３を抜けてドレン回路１４に入る。内側シール部材１２や外側シール部材１３は、本来、油分を封止するためのものであり、材質や性状がその目的に適合する仕様となっており、気体を封止するようには構成されていない。このため圧力差によって気体が浸入することは避けられない。このようにしてドレン回路１４に入った気体は動作油タンク９に入る（破線矢印で気体の流入経路を示す）。

前述したように、動作油の均圧装置は、動作油の温度変化による体積変化を吸収する機能を併せ持つ。温度によらず体積が一定になるよう調整することによって油圧式アクチュエータにおいて適正なストローク範囲が確保できる。しかし、密閉構造で動作油が充満された動作油タンクに気体が流入すると、動作油に見込み以上の体積変化が生じたのと等価な事態となる。このため、均圧装置の体積変化吸収機能が不全になり、油圧式アクチュエータにおけるストローク制御に不具合が生じる。また、動作油に見込み以上の体積変化が生じると、動作油タンクの破損の原因となる。さらに、油圧ポンプが気体を吸入してしまうと、キャビテーションの原因となる。

このように、水中音源装置では、エンクロージャの内部気圧Ｐｅを内部気圧調節手段により、動作油タンクにおける動作油圧Ｐｔを油圧均圧装置により、それぞれ外部水圧と均衡させているため、一般的な油圧装置にはない特殊な問題として、外側シール部材からの気体の浸入によって油圧式アクチュエータに不具合が生じる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、油圧系への気体の浸入を防止する水中音源装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、水中に浸漬される中空のエンクロージャと、該エンクロージャに形成された開口部を塞ぐ振動板と、上記エンクロージャ内に配置され上記振動板に連結されたピストンロッドと、該ピストンロッドが挿通されたシリンダとを備え、該シリンダの室内へ動作油を給排することにより、上記ピストンロッドをストロークさせて上記振動板を加振して水中に音波を放射する水中音源装置において、上記エンクロージャの内部気圧を外部水圧と均衡させるための内部気圧調節手段と、上記動作油を満たした動作油タンクと、該動作油タンク内の動作油圧を外部水圧と均衡させるための油圧均圧装置と、上記シリンダの上記ピストンロッドをストローク自在に保持するピストン通路のシリンダ室側から開口部側までに配置され、動作油漏れを防止する複数のシール部材と、上記ピストン通路のシール部材間から上記動作油タンクに至るドレン回路と、上記シール部材間の動作油圧がエンクロージャの内部気圧よりも高いときのみ上記ドレン回路を開通させるドレン規制弁と、を備えたものである。

上記ドレン規制弁は、リリーフ弁、チェック弁、絞り弁等の油圧抵抗を有する弁からなり、上記シール部材間の動作油圧が上記動作油タンクの動作油圧よりも所定の圧力高いときのみ開通してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）油圧系への気体の浸入を防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

ここでは、シール部材が内側シール部材と外側シール部材の２個である場合について説明する。

図１に示されるように、本発明に係る水中音源装置１は、水中に浸漬される中空のエンクロージャ２と、エンクロージャ２に形成された開口部３を塞ぐ振動板４と、エンクロージャ２内に配置され振動板４に連結されたピストンロッド５と、ピストンロッド５が挿通されたシリンダ６とを備え、シリンダ６の室内へ動作油７を給排することにより、ピストンロッド５をストロークさせて振動板４を加振して水中に音波を放射する水中音源装置１において、エンクロージャ２の内部気圧を外部水圧と均衡させるための内部気圧調節手段８と、動作油７を満たした動作油タンク９と、動作油タンク９内の動作油圧を外部水圧と均衡させるための油圧均圧装置１０と、シリンダ６のピストンロッド５をストローク自在に保持するピストン通路１１のシリンダ室側に配置され、動作油漏れを防止する内側シール部材１２と、ピストン通路１１の開口部側に配置され、動作油漏れを防止する外側シール部材１３と、ピストン通路１１の内側シール部材１２と外側シール部材１３との間から動作油タンク９に至るドレン回路１４と、内側シール部材１２と外側シール部材１３間の動作油圧がエンクロージャ２の内部気圧よりも高いときのみドレン回路１４を開通させるドレン規制弁１５と、を備えたものである。

エンクロージャ２の開口部３と振動板４との間には、振動板４の振動を許容しつつ水密を保持するダイヤフラム等の可撓性シール部材１６が設けられている。

シリンダ６の内部は、ピストンロッド５と一体化されたピストンヘッド１７により、前部シリンダ室１８と後部シリンダ室１９に区画されている。シリンダ６には、前部シリンダ室１８と後部シリンダ室１９に動作油を給排するサーボ弁２０が取り付けられている。サーボ弁２０が前部シリンダ室１８に動作油を供給すると前部シリンダ室１８の体積が増加してピストンヘッド１７が後方（図示右方向）へ移動し、ピストンロッド５が後方へストロークする。サーボ弁２０が後部シリンダ室１９に動作油を供給すると後部シリンダ室１９の体積が増加してピストンヘッド１７が前方（図示左方向）へ移動し、ピストンロッド５が前方へストロークする。これらピストンロッド５、シリンダ６、サーボ弁２０は、振動板４を加振するための油圧式アクチュエータを構成する。

動作油タンク９は密閉型のものであり、動作油タンク９内には、動作油７中に油圧ポンプ２１が設けられている。油圧ポンプ２１からサーボ弁２０まで給油配管２２が設けられ、サーボ弁２０から動作油タンク９内まで戻り配管２３が設けられている。

油圧均圧装置１０は、動作油タンク９に対して隘路を介して連通する拡縮チャンバを備える。外部水圧一定のとき動作油７が熱膨張すると動作油タンク９から拡縮チャンバに動作油７が流入し、動作油７が熱収縮すると拡縮チャンバから動作油タンク９に動作油７が流入することで、動作油７の体積変化分が拡縮チャンバ内の油量変化に充てられるようになっている。また、温度一定のとき、外部水圧が高くなると拡縮チャンバから動作油タンク９に動作油７が流入し、外部水圧が低くなると動作油タンク９から拡縮チャンバに動作油７が流入することで、動作油圧は常に外部水圧と均衡するようになっている。

内部気圧調節手段８は、高圧の気体を貯留するガスボンベ２４と、ガスボンベ２４からエンクロージャ２内へ気体を導入する給気弁２５と、エンクロージャ２内から水中へ気体を排出する排気弁２６とを有する。また、内部気圧調節手段８は、エンクロージャ２外の水圧を検出する水圧センサ（図示せず）、エンクロージャ２内の気圧を検出する気圧センサ（図示せず）、その水圧と気圧の差に応じて給気弁２５、排気弁２６を制御してエンクロージャ２の内部気圧を外部水圧と均衡させる制御部（図示せず）を有する。

内側シール部材１２及び外側シール部材１３は、公知の油圧機器用シール部材であり、例えば、Ｏリングとレアフロンリングを組み合わせて構成される。ピストン通路１１の２箇所にこれらのシール部材１２，１３を設置することでダブルシールが構成されている。ドレン回路１４は、これらダブルシールを構成する内側シール部材１２と外側シール部材１３との間に溜まる動作油を動作油タンク９に排出することによって、ダブルシールの動作油封止機能を低下させないようにするためのものである。

本発明においては、このドレン回路１４中にドレン規制弁１５が設置されている。ドレン規制弁１５は、リリーフ弁、チェック弁、絞り弁等の油圧抵抗を有する弁からなり、内側シール部材１２外側シール部材１３間の動作油圧が動作油タンク９の動作油圧よりも所定の圧力高いときのみ開通するようになっている。

次に、本発明の水中音源装置１の動作を説明する。

油圧式アクチュエータにおいてサーボ弁２０がシリンダ６の室内へ動作油７を給排することにより、ピストンロッド５が前後にストロークする。ピストンロッド５によって振動板４が加振されることにより、水中に音波が放射される。

このとき、動作油７は、動作油タンク９に内蔵された油圧ポンプ２１からサーボ弁２０を介してシリンダ６に供給される。動作油タンク９に設けられた油圧均圧装置１０は、動作油７の熱膨張・熱収縮による体積変化を吸収し、かつ動作油タンク９内の動作油圧を外部水圧と均衡させる。

一方、エンクロージャ２内には気体が封入されており、エンクロージャ２の内部気圧は内部気圧調節手段８によって外部水圧と均衡される。しかし、内部気圧調節手段８では、内部気圧と外部水圧との差分が所定値以内になるよう制御しているため、内部気圧と外部水圧との間に一定範囲の誤差が許容される。したがって、エンクロージャ２の内部気圧が動作油タンク９における動作油圧よりも高くなる場合がある。

ここで、既に説明したように、図４の従来構成では、エンクロージャ２内の気体がピストン通路１１から外側シール部材１３を抜けてドレン回路１４に入り、ドレン回路１４を経由して動作油タンク９に入る。

これに対し、本発明では、図２に示されるように、ドレン回路１４にドレン規制弁１５が設けられている。ドレン規制弁１５は、例えば、リリーフ弁のクラッキング圧力を利用してシール部材間の動作油圧Ｐｄをエンクロージャの内部気圧Ｐｅよりも高くする。具体的には、リリーフ弁において所定の圧力差が生じるようにしておき、シール部材１２，１３間の動作油圧Ｐｄが動作油タンク９の動作油圧Ｐｔよりも所定の圧力だけ高くなるようにしておく。この圧力差が内部気圧調節手段８による内部気圧Ｐｅと外部水圧との間の誤差の上限を超えるようにしておけば、動作油タンク９の動作油圧Ｐｔは外部水圧と均衡しているので、シール部材間の動作油圧Ｐｄはエンクロージャの内部気圧Ｐｅよりも高くなる。

これにより、エンクロージャ２内の気体がピストン通路１１から外側シール部材１３を抜けてドレン回路１４に入ることが防止され、気体が動作油タンク９に入ることは回避される。

上記実施形態において、ドレン規制弁１５は、シール部材間の動作油圧Ｐｄを高めるために設けるものであるから、リリーフ弁に限らず、チェック弁、絞り弁であってもよい。また、ドレン回路１４は、直接、動作油タンク９に引き込むのでなく、戻り配管２３に接続してもよい。

上記実施形態では、振動板４及び油圧式アクチュエータを１組設けた構成としたが、これらは複数組設けてもよい。上記実施形態では、シール部材は内側シール部材１２と外側シール部材１３の２個としたが、シール部材を３個以上設ける場合にも本発明は適用可能である。

図３に示した水中音源装置３１は、振動板４及び油圧式アクチュエータ３２を２組設けたものである。２つの油圧式アクチュエータ３２においてそれぞれ振動板４を加振したときに生じる反力を相殺できるように、２つの油圧式アクチュエータ３２でピストンロッド５のストロークの方向を逆向きとし、同じ大きさのストロークを行う。この場合でも、図１の場合と同様に、各ピストン通路にダブルシール３３を設け、それぞれのダブルシール３３の中間から動作油タンク９までドレン回路１４を設け、各ドレン回路１４にドレン規制弁１５を設ける。

本発明の一実施形態を示す水中音源装置の構成図である。 図１の水中音源装置の部分拡大図である。 本発明の他の実施形態を示す水中音源装置の構成図である。 従来の水中音源装置の部分拡大図である。

符号の説明

１ 水中音源装置
２ エンクロージャ
３ 開口部
４ 振動板
５ ピストンロッド
６ シリンダ
７ 動作油
８ 内部気圧調整手段
９ 動作油タンク
１０ 油圧均圧装置
１１ ピストン通路
１２ 内側シール部材
１３ 外側シール部材
１４ ドレン回路
１５ ドレン規制弁

Claims (2)

1. 水中に浸漬される中空のエンクロージャと、該エンクロージャに形成された開口部を塞ぐ振動板と、上記エンクロージャ内に配置され上記振動板に連結されたピストンロッドと、該ピストンロッドが挿通されたシリンダとを備え、該シリンダの室内へ動作油を給排することにより、上記ピストンロッドをストロークさせて上記振動板を加振して水中に音波を放射する水中音源装置において、
   上記エンクロージャの内部気圧と外部水圧との差分が所定値以内となるように内部気圧を制御する内部気圧調整手段と、
   上記動作油を満たした動作油タンクと、
   該動作油タンク内の動作油圧を外部水圧と均衡させるために動作油圧を制御する油圧均圧装置と、
   上記シリンダの上記ピストンロッドをストローク自在に保持するピストン通路のシリンダ室側から開口部側までに配置され、動作油漏れを防止する複数のシール部材と、
   上記ピストン通路のシール部材間から上記動作油タンクに至るドレン回路と、
   上記シール部材間の動作油圧がエンクロージャの内部気圧よりも高いときのみ上記ドレン回路を開通させるドレン規制弁と、
   を備えたことを特徴とする水中音源装置。
2. 上記ドレン規制弁は、リリーフ弁、チェック弁、絞り弁等の油圧抵抗を有する弁からなり、上記シール部材間の動作油圧が上記動作油タンクの動作油圧よりも所定の圧力高いときのみ開通することを特徴とする請求項１記載の水中音源装置。

Images