JP7466830B2 - Underwater Vehicles - Google Patents
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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。 The present invention relates to an underwater vehicle, and in particular to an underwater vehicle capable of moving between underwater and the water surface.
水圏（海洋、湖沼、河川等）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、海洋データの変動を把握するために、水温を含む海洋データ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。 The hydrosphere (oceans, lakes, rivers, etc.) occupies approximately 70% of the Earth's surface, and its heat capacity is said to be approximately 1,000 times that of the atmosphere. In particular, if the water temperature of the vastest ocean changes significantly, it will have a major impact on atmospheric conditions, bringing about major changes in the weather and climate around the world (for example, the El Niño phenomenon). Therefore, in order to understand the changes in ocean data, it is necessary to investigate ocean data, including water temperature. In addition, for the sake of navigation safety, disaster prevention and environmental protection, and protection of marine rights and interests, it is also necessary to conduct tidal current observations, observations of seafloor crustal movement, surveys of seafloor active faults, and continental shelf surveys.
これらの海洋調査では、例えば、特許文献１に記載されたように、海底に配置されるアンカーと、該アンカーに接続され海中に浮遊する中間ブイと、該中間ブイに一端が接続された係留索と、該係留索の他端に接続された水中移動体 と、を有する海洋データ収集システムが用いられる。かかる特許文献１に記載された水中移動体は、自身の浮力を調整することによって、水中と水面との間を往来することができるように構成されている。 In these marine surveys, as described in Patent Document 1, for example, a marine data collection system is used that has an anchor placed on the seabed, an intermediate buoy connected to the anchor and floating in the sea, a mooring line connected at one end to the intermediate buoy, and an underwater vehicle connected at the other end of the mooring line. The underwater vehicle described in Patent Document 1 is configured to be able to travel between underwater and the water surface by adjusting its own buoyancy.
しかしながら、上述した水中移動体は水中で係留索に繋がれていることから、水面近くに浮上するにしたがって係留索が海流に対して抵抗となり、水中移動体の浮上を妨げてしまうという問題がある。特に、海流の勢いが強く、水中移動体が水面に浮上できない場合には、水中移動体の通信を行うことができず、海洋データを収集することができないこともあり得る。また、水中移動体本体の浮力を大きくしようとすれば、水中移動体の本体が大型化してしまうという問題もある。 However, because the underwater moving body is tethered to a mooring line underwater, there is a problem in that as it rises closer to the water surface, the mooring line creates resistance to the ocean current, preventing the underwater moving body from surfacing. In particular, if the ocean current is strong and the underwater moving body cannot rise to the water surface, it may not be possible for the underwater moving body to communicate, and it may not be possible to collect oceanographic data. Another problem is that if the buoyancy of the underwater moving body itself is increased, the body of the underwater moving body will become larger.
本発明は、かかる問題点に鑑み創案されたものであり、水中移動体本体の大型化を抑制しつつ浮力を増大させることができる、水中移動体を提供することを目的とする。 The present invention was devised in consideration of these problems, and aims to provide an underwater vehicle that can increase buoyancy while preventing the main body of the underwater vehicle from becoming too large.
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であって、係留索に連結された本体部と、前記本体部の内部に配置された浮力調整部と、前記本体部の外部に配置された浮力補助装置と、を備え、前記浮力補助装置は、密封された空間を形成する耐圧部と、水中に晒される暴露部と、前記耐圧部内に配置された膨縮可能な内部袋体と、前記暴露部内に配置された膨縮可能な外部袋体と、前記内部袋体と前記外部袋体とを連結する流路と、該流路に配置された弁体と、前記内部袋体及び前記外部袋体の内部に封入された作動流体と、を備え、前記作動流体は、ポリトロープ変化可能な圧縮性流体である、ことを特徴とする水中移動体が提供される。
According to the present invention, there is provided an underwater moving body capable of moving between underwater and the water surface, comprising a main body connected to a mooring line, a buoyancy adjustment section arranged inside the main body, and a buoyancy assistance device arranged outside the main body, wherein the buoyancy assistance device comprises a pressure-resistant section forming a sealed space, an exposed section exposed to water, an inflatable and contractable inner bag arranged in the pressure-resistant section, an inflatable and contractable outer bag arranged in the exposed section, a flow path connecting the inner bag and the outer bag, a valve body arranged in the flow path, and a working fluid sealed inside the inner bag and the outer bag , wherein the working fluid is a compressible fluid that can change polytropically .
前記本体部は略円筒形状を有し、前記耐圧部及び前記暴露部は前記本体部の軸心方向に沿って隣接するように配置されていてもよい。 The main body may have a generally cylindrical shape, and the pressure-resistant portion and the exposed portion may be disposed adjacent to each other along the axial direction of the main body.
前記浮力補助装置は、前記本体部の外径よりも小さい外径を有していてもよく、できるだけ小さくすることが好ましい。 The buoyancy assist device may have an outer diameter smaller than the outer diameter of the main body, and preferably as small as possible.
前記浮力補助装置は、前記本体部の上半部に配置されていてもよい。 The buoyancy assist device may be located in the upper half of the main body.
前記浮力補助装置は、前記本体部の前方側に配置された第一浮力補助装置と、前記本体部の後方側に配置された第二浮力補助装置と、を備え、前記第一浮力補助装置の耐圧部と前記第二浮力補助装置の耐圧部とが隣接するように配置されていてもよい。 The buoyancy assisting device may include a first buoyancy assisting device arranged on the front side of the main body and a second buoyancy assisting device arranged on the rear side of the main body, and the pressure-resistant portion of the first buoyancy assisting device and the pressure-resistant portion of the second buoyancy assisting device may be arranged adjacent to each other.
前記内部袋体は、前記外部袋体よりも小さい容積を有していてもよい。 The inner bag may have a smaller volume than the outer bag.
上述した本発明に係る水中移動体によれば、本体部内に配置された浮力調整部に加えて、浮力補助装置を本体部に外付けしたことにより、本体部の大型化を抑制することができる。また、浮力補助装置は、耐圧部内に内部袋体を配置し、暴露部内に外部袋体を配置し、水圧に合わせて作動流体を内部袋体と外部袋体との間で流通させるだけで浮力を増大させることができる。また、既存の水中移動体の浮沈能力を簡便に増強することもできる。 According to the underwater moving body of the present invention described above, by attaching a buoyancy assist device to the outside of the main body in addition to the buoyancy adjustment section arranged inside the main body, it is possible to prevent the main body from becoming too large. Furthermore, the buoyancy assist device can increase buoyancy simply by arranging an inner bag inside the pressure-resistant section and an outer bag inside the exposed section, and circulating a working fluid between the inner bag and the outer bag in accordance with the water pressure. It is also possible to easily increase the floating and sinking capabilities of existing underwater moving bodies.
以下、本発明の実施形態について図１（ａ）～図５（ｄ）を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to Figs. 1(a) to 5(d). Fig. 1 is an overall configuration diagram showing an underwater moving body according to one embodiment of the present invention, with (a) showing the surfaced state and (b) showing the descended state. Fig. 2 is a conceptual diagram showing the underwater moving body shown in Fig. 1 in use.
本発明の一実施形態に係る水中移動体１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示したように、係留索２１に連結された本体部２と、本体部２の内部に配置された浮力調整部３と、本体部２の外部に配置された浮力補助装置４と、を備えている。なお、図１（ａ）及び図１（ｂ）において、説明の便宜上、本体部２及び浮力補助装置４については断面を図示してある。また、図２において、水中移動体１が水面に浮上した状態を実線で図示し、水中移動体１が水中に待機した状態を一点鎖線で図示してある。 As shown in Fig. 1(a) and Fig. 1(b), an underwater moving body 1 according to one embodiment of the present invention comprises a main body 2 connected to a mooring line 21, a buoyancy adjustment unit 3 disposed inside the main body 2, and a buoyancy assisting device 4 disposed outside the main body 2. For ease of explanation, Fig. 1(a) and Fig. 1(b) show cross sections of the main body 2 and the buoyancy assisting device 4. In Fig. 2, the state in which the underwater moving body 1 has risen to the water surface is shown by a solid line, and the state in which the underwater moving body 1 is waiting in the water is shown by a dashed line.
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、水中で浮沈可能に構成された水中機器である。 The underwater vehicle 1 is, for example, a buoy, an underwater vehicle, an underwater glider, an underwater towed vehicle, etc., that is placed in the hydrosphere, such as the ocean, lakes, and rivers, and is an underwater device that can travel between the water and the water surface, i.e., can float and sink in the water.
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５及び地上基地局と通信するアンテナ部６を有している。以下、水中移動体１を海洋に配置して、海洋データを取得する場合について説明する。 The underwater vehicle 1 has a data acquisition unit 5 that acquires data such as the current position, water temperature, salinity, water pressure, magnetic force, and radiation concentration in the hydrosphere in which it is located, and an antenna unit 6 that communicates with a terrestrial base station. Below, we will explain the case where the underwater vehicle 1 is placed in the ocean and ocean data is acquired.
水中移動体１の本体部２は、例えば、略円筒形状の筐体を有している。本体部２の内部には、浮力調整部３、制御部７、蓄電池８等が格納されている。また、本体部２の外部には、データ取得部５、アンテナ部６、安定翼９等が配置されている。 The main body 2 of the underwater vehicle 1 has, for example, a housing having a substantially cylindrical shape. Inside the main body 2, a buoyancy adjustment unit 3, a control unit 7, a storage battery 8, etc. are stored. In addition, outside the main body 2, a data acquisition unit 5, an antenna unit 6, a stabilizing wing 9, etc. are arranged.
データ取得部５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。 The data acquisition unit 5 is composed of various sensors and devices for measurement and observation, such as a CTD sensor (a sensor that measures electrical conductivity, temperature, and depth) that acquires basic information such as salinity concentration, a pressure sensor, a magnetic sensor, a radiation measuring device, a sonar, etc.
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データの種類に応じて適宜選択される。また、データ取得部５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５は、センサや装置の種類に応じて、本体部２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。 These sensors and devices are appropriately selected depending on the type of ocean data to be acquired in the ocean where observation or measurement is performed. The data acquisition unit 5 may also include a seawater sampling device that samples seawater. The data acquisition unit 5 may be located at the rear of the main body 2, or at the bottom or top, depending on the type of sensor or device.
アンテナ部６は、データ取得部５により取得した海洋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通信機器である。アンテナ部６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６は、水中移動体１の種類や形状に応じて、本体部２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。 The antenna unit 6 is a communication device that transmits the oceanographic data acquired by the data acquisition unit 5 to a main unit such as a ground base station or an observation ship. The antenna unit 6 may communicate directly with the antenna of the main unit, or may communicate with the main unit via a communication satellite. The antenna unit 6 may be located at the rear or upper part of the main body unit 2, depending on the type and shape of the underwater vehicle 1.
浮力調整部３は、例えば、膨縮可能な浮袋３１と、浮袋３１に液体を供給するポンプユニット３２と、ポンプユニット３２を介して浮袋３１に供給される作動液を貯留する液体タンク３３と、浮袋３１の外周を覆うカバー３４と、を有している。なお、浮力調整部３の構成は単なる一例であり、図示した構成に限定されるものではない。 The buoyancy adjustment unit 3 has, for example, an inflatable and deflated float 31, a pump unit 32 that supplies liquid to the float 31, a liquid tank 33 that stores the hydraulic fluid that is supplied to the float 31 via the pump unit 32, and a cover 34 that covers the outer periphery of the float 31. Note that the configuration of the buoyancy adjustment unit 3 is merely an example and is not limited to the configuration shown in the figure.
浮袋３１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３４は、浮袋３１の破損を抑制する部品であり、外周面に複数の開口部３４ａが形成されている。したがって、カバー３４内は、水中移動体１を海中に沈めたときに海水で満たされるように構成されている。なお、液体タンク３３に収容された作動液は、例えば、シリコーンオイルである。 The float 31 is made of a soft material (e.g., resin, etc.) that is resistant to seawater. The cover 34 is a component that prevents damage to the float 31, and has multiple openings 34a formed on its outer periphery. Therefore, the inside of the cover 34 is configured to be filled with seawater when the underwater vehicle 1 is submerged in the sea. The working fluid contained in the liquid tank 33 is, for example, silicone oil.
ポンプユニット３２は、例えば、オイルポンプと駆動モータとにより構成される。オイルポンプは、浮袋３１と配管３２ａを介して接続されており、液体タンク３３内の作動液を浮袋３１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。 The pump unit 32 is composed of, for example, an oil pump and a drive motor. The oil pump is connected to the float 31 via piping 32a, and is configured to inject and drain the hydraulic fluid in the liquid tank 33 into and from the float 31.
配管３２ａの中間部には逆止弁３２ｂが配置されている。すなわち、逆止弁３２ｂは、液体タンク３３外の浮袋３１とポンプユニット３２との間に配置されている。かかる逆止弁３２ｂを配置することにより、浮袋３１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。 A check valve 32b is disposed in the middle of the pipe 32a. That is, the check valve 32b is disposed between the float 31 outside the liquid tank 33 and the pump unit 32. By disposing the check valve 32b, it is possible to suppress backflow of the hydraulic fluid due to the water pressure acting on the float 31.
液体タンク３３は、例えば、筒形状のシリンダ３３ａと、シリンダ３３ａの先端に配置されたヘッダ部３３ｂと、シリンダ３３ａの内周面に沿って移動可能に配置されたピストン３３ｃと、を有し、ポンプユニット３２に接続される配線及び配管３２ａはヘッダ部３３ｂに集約されて配置されている。シリンダ３３ａ、ヘッダ部３３ｂ及びピストン３３ｃにより囲まれた空間に作動液が充填されている。 The liquid tank 33 has, for example, a cylindrical cylinder 33a, a header portion 33b arranged at the tip of the cylinder 33a, and a piston 33c arranged movably along the inner circumferential surface of the cylinder 33a, and the wiring and piping 32a connected to the pump unit 32 are arranged together in the header portion 33b. The space surrounded by the cylinder 33a, the header portion 33b, and the piston 33c is filled with hydraulic fluid.
また、ヘッダ部３３ｂの中心部からシリンダ３３ａに沿ってガイドロッド３３ｄが配置されており、ピストン３３ｃはガイドロッド３３ｄに嵌装されている。ピストン３３ｃは、作動液の増減に応じて、ガイドロッド３３ｄに沿ってシリンダ３３ａ内を摺動する。ピストン３３ｃとガイドロッド３３ｄ及びシリンダ３３ａ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。 A guide rod 33d is arranged along the cylinder 33a from the center of the header portion 33b, and the piston 33c is fitted into the guide rod 33d. The piston 33c slides inside the cylinder 33a along the guide rod 33d in response to an increase or decrease in the hydraulic fluid. Sealing materials such as O-rings are appropriately arranged between the piston 33c and the guide rod 33d and between the piston 33c and the cylinder 33a as necessary.
また、ピストン３３ｃ内にはマグネット３３ｅが配置されており、ガイドロッド３３ｄは通電可能に構成されている。ガイドロッド３３ｄに通電すると、ピストン３３ｃ内のマグネット３３ｅ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３３は、ピストン３３ｃ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。 A magnet 33e is disposed within the piston 33c, and the guide rod 33d is configured to be electrically conductive. When electrical current is applied to the guide rod 33d, the magnetic field of the magnet 33e within the piston 33c is distorted, allowing its position to be measured. In other words, the liquid tank 33 has a position sensor (e.g., a magnetostrictive linear sensor) that measures the position of the piston 33c.
上述した浮力調整部３によれば、ポンプユニット３２を作動させて、液体タンク３３から浮袋３１に作動液を注液すると、浮袋３１はカバー３４内で膨張し、カバー３４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。 According to the buoyancy adjustment unit 3 described above, when the pump unit 32 is operated to inject hydraulic fluid from the liquid tank 33 into the float bladder 31, the float bladder 31 expands within the cover 34, and the seawater within the cover 34 is pushed out into the sea. As a result, the apparent volume of the underwater moving body 1 can be increased, the specific gravity of the underwater moving body 1 decreases, and the buoyancy increases, allowing the underwater moving body 1 to float.
また、ポンプユニット３２を作動させて、浮袋３１から液体タンク３３に作動液を排液すると、浮袋３１はカバー３４内で収縮し、カバー３４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。 In addition, when the pump unit 32 is operated to drain the working fluid from the float 31 to the liquid tank 33, the float 31 contracts within the cover 34, and seawater flows into the cover 34. As a result, the apparent volume of the underwater moving body 1 can be reduced, the specific gravity of the underwater moving body 1 increases, and the buoyancy decreases, allowing the underwater moving body 1 to descend.
蓄電池８は、制御部７、ポンプユニット３２、ガイドロッド３３ｄ、逆止弁３２ｂ、データ取得部５、アンテナ部６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７は、蓄電池８、ポンプユニット３２、ガイドロッド３３ｄ、逆止弁３２ｂ、データ取得部５、アンテナ部６等に接続されており、水中移動体１の浮沈、海洋データの取得、データ通信等の処理に応じて各機器を制御する。 The storage battery 8 is connected to the control unit 7, pump unit 32, guide rod 33d, check valve 32b, data acquisition unit 5, antenna unit 6, etc., and supplies the necessary power to each device. The control unit 7 is also connected to the storage battery 8, pump unit 32, guide rod 33d, check valve 32b, data acquisition unit 5, antenna unit 6, etc., and controls each device in response to processing such as the floating and sinking of the underwater moving body 1, acquisition of oceanographic data, and data communication.
具体的には、制御部７に接続された記憶部（メモリ）には、データ取得部５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７が計測や浮沈に必要な所定の操作を行う。 Specifically, the storage unit (memory) connected to the control unit 7 stores operation schedules for each sensor of the data acquisition unit 5, a floating/sinking schedule for the underwater moving body 1, etc., and the control unit 7 performs the specified operations required for measurement and floating/sinking according to these schedules.
ここで、図２は、図１に示した水中移動体１を用いた海洋データ収集システムの一例を示している。かかる海洋データ収集システムは、例えば、海底に配置されるアンカー１０と、アンカー１０に接続され海中に浮遊する中間ブイ１１と、中間ブイ１１に一端が接続された係留索２１と、係留索２１の他端に接続された水中移動体１と、を有している。 Here, FIG. 2 shows an example of an oceanographic data collection system using the underwater vehicle 1 shown in FIG. 1. Such an oceanographic data collection system includes, for example, an anchor 10 placed on the seabed, an intermediate buoy 11 connected to the anchor 10 and floating in the sea, a mooring line 21 having one end connected to the intermediate buoy 11, and the underwater vehicle 1 connected to the other end of the mooring line 21.
アンカー１０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１１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１１は、索体１２によりアンカー１０と接続されている。係留索２１は、中間ブイ１１と水中移動体１とを接続する部品である。 The anchor 10 is a component for anchoring the underwater moving body 1 to the seabed. The intermediate buoy 11 is a component that constitutes the starting point for floating and sinking the underwater moving body 1. The intermediate buoy 11 is connected to the anchor 10 by a rope 12. The mooring rope 21 is a component that connects the intermediate buoy 11 and the underwater moving body 1.
したがって、水中移動体１は、係留索２１、中間ブイ１１及び索体１２によって海底に繋がれている。係留索２１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、索体１２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。 The underwater moving body 1 is therefore tethered to the seabed by a mooring line 21, an intermediate buoy 11 and a cable body 12. The length of the mooring line 21 is set so that the underwater moving body 1 can rise and reach the sea surface, depending on conditions such as the depth of the underwater waiting position of the underwater moving body 1, the speed of the ocean current in which the underwater moving body 1 is located, and the length of the cable body 12.
また、係留索２１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２に接続される。かかる位置に係留索２１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やすくすることができる。 The mooring line 21 is connected to the main body 2 at a position forward of the center of the overall length of the underwater moving body 1 and rearward of the tip. By connecting the mooring line 21 at such a position, it becomes easier to support the underwater moving body 1 so that it is approximately parallel to the direction of ocean current movement.
図２において一点鎖線で示した待機状態では、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１１の下流側に位置している。水中移動体１が所定の海洋データを取得すると、そのデータを地上側に送信するために、アンテナ部６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、浮力調整部３により浮力を大きくすればよい。 In the standby state shown by the dashed line in FIG. 2, the underwater moving body 1 is kept submerged in the sea and is positioned downstream of the intermediate buoy 11 by ocean currents. When the underwater moving body 1 acquires predetermined ocean data, the antenna unit 6 needs to be exposed above the sea surface in order to transmit the data to the land side. To make the underwater moving body 1 float, the buoyancy can be increased by the buoyancy adjustment unit 3.
図２において実線で示したように、アンテナ部６が海面上に露出すると、アンテナ部６は通信衛星等と通信を開始し、取得した海洋データ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、浮力調整部３により浮力を小さくすればよい。 As shown by the solid line in FIG. 2, when the antenna unit 6 is exposed above the sea surface, the antenna unit 6 starts communication with a communication satellite or the like, and transmits the acquired oceanographic data to a ground base station. Next, in order to return to the observation state again, the underwater vehicle 1 needs to be lowered. To lower the underwater vehicle 1, the buoyancy can be reduced by using the buoyancy adjustment unit 3.
ところで、水中移動体１は海中で係留索２１に繋がれていることから、海面近くに浮上するにしたがって係留索２１が海流に対して抵抗となり、水中移動体１の浮上を妨げてしまう場合がある。例えば、黒潮のように海流の勢いが強い海域では、水中移動体１が海面に浮上できない場合も想定される。この場合、アンテナ部６を海面上に露出させることができず、水中移動体１から海洋データを送信することができなくなる。 However, since the underwater moving body 1 is tethered to a mooring line 21 in the sea, as it rises closer to the sea surface, the mooring line 21 may provide resistance to the ocean current and prevent the underwater moving body 1 from surfacing. For example, in areas with strong ocean currents such as the Kuroshio Current, it is conceivable that the underwater moving body 1 may not be able to rise to the sea surface. In this case, the antenna unit 6 cannot be exposed above the sea surface, and ocean data cannot be transmitted from the underwater moving body 1.
このとき、浮袋３１を大きくすることも考えられるが、その分だけ作動液の量も増え、液体タンク３３も大きくせざるを得ない。したがって、水中移動体１の大型化・重量化を招くこととなる。水中移動体１が大型化すれば、運搬やメンテナンス等の取り扱いが困難になるだけでなく、海中における抵抗も大きくなる。また、水中移動体１が重量化すれば、その分だけ浮力が犠牲になってしまう。 At this time, it is possible to enlarge the float bladder 31, but this would require an increased amount of hydraulic fluid and the liquid tank 33 would also have to be made larger. This would result in the underwater vehicle 1 becoming larger and heavier. If the underwater vehicle 1 becomes larger, not only will it become more difficult to handle, such as for transportation and maintenance, but the resistance in the sea will also increase. Furthermore, if the underwater vehicle 1 becomes heavier, buoyancy will be sacrificed accordingly.
そこで、本実施形態では、水中移動体１に浮力補助装置４を外付けしている。浮力補助装置４は、例えば、図１（ａ）に示したように、密封された空間を形成する耐圧部４１と、水中に晒される暴露部４２と、耐圧部４１内に配置された膨縮可能な内部袋体４３と、暴露部４２内に配置された膨縮可能な外部袋体４４と、内部袋体４３と外部袋体４４とを流通可能に連結する流路４５と、流路４５に配置された弁体４６と、内部袋体４３及び外部袋体４４の内部に封入された作動流体（図示せず）と、を備えている。 Therefore, in this embodiment, a buoyancy assisting device 4 is attached externally to the underwater moving body 1. As shown in FIG. 1(a), for example, the buoyancy assisting device 4 includes a pressure-resistant portion 41 forming a sealed space, an exposed portion 42 exposed to water, an expandable and contractable inner bag 43 arranged in the pressure-resistant portion 41, an expandable and contractable outer bag 44 arranged in the exposed portion 42, a flow path 45 connecting the inner bag 43 and the outer bag 44 so that they can flow, a valve body 46 arranged in the flow path 45, and a working fluid (not shown) sealed inside the inner bag 43 and the outer bag 44.
また、本実施形態に係る浮力補助装置４は、本体部２の前方側に配置された第一浮力補助装置４ａと、本体部２の後方側に配置された第二浮力補助装置４ｂと、を備え、第一浮力補助装置４ａの耐圧部４１と第二浮力補助装置４ｂの耐圧部４１とが隣接するように配置されている。 The buoyancy assistance device 4 according to this embodiment also includes a first buoyancy assistance device 4a arranged on the front side of the main body 2 and a second buoyancy assistance device 4b arranged on the rear side of the main body 2, with the pressure-resistant portion 41 of the first buoyancy assistance device 4a and the pressure-resistant portion 41 of the second buoyancy assistance device 4b arranged adjacent to each other.
耐圧部４１は、略円筒形状の樹脂製又は金属製の筐体を備え、両端部を封止することによって、水圧に耐えうる密封された空間を形成している。内部袋体４３は、耐圧部４１によって形成された密封空間に配置されており、水圧による外圧を受けないように構成されている。 The pressure-resistant part 41 has a generally cylindrical resin or metal housing, and both ends are sealed to form a sealed space that can withstand water pressure. The internal bag body 43 is disposed in the sealed space formed by the pressure-resistant part 41, and is configured so as not to be subjected to external pressure due to water pressure.
暴露部４２は、略円筒形状の樹脂製のカバーを備え、表面に複数の開口部４２ａを形成することによって、内部に海水が流入できるように構成されている。外部袋体４４は、暴露部４２によって形成された暴露空間に配置されており、水圧による外力を受けるように構成されている。なお、本実施形態において、暴露部４２は、浮力補助装置４の両端部に位置することから、暴露部４２のカバーの端部を海流の抵抗を受け難い形状（例えば、球形、流線形等）に形成してもよい。 The exposed portion 42 has a resin cover having a substantially cylindrical shape, and is configured to allow seawater to flow into the interior by forming multiple openings 42a on the surface. The external bag body 44 is disposed in the exposed space formed by the exposed portion 42, and is configured to receive external forces due to water pressure. In this embodiment, since the exposed portion 42 is located at both ends of the buoyancy assisting device 4, the ends of the cover of the exposed portion 42 may be formed into a shape (e.g., spherical, streamlined, etc.) that is less susceptible to resistance from ocean currents.
耐圧部４１及び暴露部４２は、それぞれの空間を形成する隔壁を介して、本体部２の軸心方向に沿って互いに隣接するように配置されている。この隔壁には流路４５が貫通している。流路４５は、内部袋体４３の内部と外部袋体４４の内部とを連通するように構成された配管である。流路４５には、弁体４６として流量弁が配置される。 The pressure-resistant section 41 and the exposed section 42 are arranged adjacent to each other along the axial direction of the main body section 2, with a partition wall forming each space between them. A flow path 45 passes through this partition wall. The flow path 45 is a pipe configured to communicate between the inside of the inner bag body 43 and the inside of the outer bag body 44. A flow valve is arranged in the flow path 45 as a valve body 46.
作動流体は、ポリトロープ変化可能な圧縮性流体であり、例えば、シリコーンオイルである。作動流体を内部袋体４３と外部袋体４４との間を流通させる設定圧力は、耐圧部４１内の密封空間内に封入される気体又は液体の圧力によって設定される。 The working fluid is a compressible fluid that can change polytropically, such as silicone oil. The set pressure at which the working fluid flows between the inner bag 43 and the outer bag 44 is set by the pressure of the gas or liquid sealed in the sealed space in the pressure-resistant portion 41.
上述した構成を有する浮力補助装置４は、例えば、図１（ａ）に示したように、水中移動体１の本体部２の上部に配置される。具体的には、本体部２の外周に固定される環状部及び耐圧部４１の外周に固定される環状部を備えた金具４７により、浮力補助装置４が水中移動体１に固定される。このように浮力補助装置４を本体部２の上部に配置することにより、水中における本体部２の姿勢を安定させることができる。 The buoyancy assisting device 4 having the above-mentioned configuration is arranged, for example, on the upper part of the main body 2 of the underwater moving body 1, as shown in FIG. 1(a). Specifically, the buoyancy assisting device 4 is fixed to the underwater moving body 1 by a metal fitting 47 having a ring portion fixed to the outer periphery of the main body 2 and a ring portion fixed to the outer periphery of the pressure-resistant portion 41. By arranging the buoyancy assisting device 4 on the upper part of the main body 2 in this way, the posture of the main body 2 in the water can be stabilized.
なお、浮力補助装置４の配置は、本体部２の上部に限定されるものではなく、上半部（側部から上部の間）に配置することができる。また、浮力補助装置４を側部に配置する場合には左右対称に複数の浮力補助装置４を配置するようにしてもよい。 The placement of the buoyancy assisting device 4 is not limited to the top of the main body 2, but can be placed in the upper half (between the side and the top). In addition, if the buoyancy assisting device 4 is placed on the side, multiple buoyancy assisting devices 4 may be placed symmetrically on the left and right.
また、浮力補助装置４の外径は、水中移動体１の本体部２の外径よりも小さく形成されていてもよく、できるだけ小さくすることが好ましい。浮力補助装置４は、本体部２の上部空間を利用することができることから、大きな浮力が必要な場合であっても浮力補助装置４を軸心方向に延伸させることができ、その外径を小さくすることができる。浮力補助装置４の外径を小さくすることにより、水中における抵抗を低減することができる。 The outer diameter of the buoyancy assisting device 4 may be smaller than the outer diameter of the main body 2 of the underwater vehicle 1, and is preferably as small as possible. Because the buoyancy assisting device 4 can utilize the upper space of the main body 2, even when a large amount of buoyancy is required, the buoyancy assisting device 4 can be extended in the axial direction, making its outer diameter smaller. By reducing the outer diameter of the buoyancy assisting device 4, resistance in water can be reduced.
ここで、図３は、浮力補助装置の作用を示す図であり、（ａ）は水中に待機している状態、（ｂ）は浮上中又は降下中の中間部に位置する状態、（ｃ）は水面付近に位置する状態、を示している。また、図４は、浮力補助装置の浮力の変化を示す図である。なお、図３（ａ）～図３（ｃ）の各図において、説明の便宜上、暴露部４２内に流入した海水を灰色に塗り潰して図示してある。 Figure 3 shows the operation of the buoyancy assisting device, with (a) showing it waiting in the water, (b) showing it in the middle while ascending or descending, and (c) showing it near the water surface. Figure 4 shows the change in buoyancy of the buoyancy assisting device. For ease of explanation, in each of Figures 3(a) to 3(c), seawater that has flowed into exposed portion 42 is shown painted gray.
図３（ａ）に示したように、水中移動体１が水中に待機している状態では、水深が深く水圧が高いことから、外部袋体４４は水圧によって圧縮されており、ほとんどの作動流体は内部袋体４３に移動している。 As shown in FIG. 3(a), when the underwater moving body 1 is waiting in the water, the water is deep and the water pressure is high, so the outer bag body 44 is compressed by the water pressure and most of the working fluid moves to the inner bag body 43.
その後、水中移動体１が浮上するに連れて、水圧が低くなることから、内部袋体４３に移動していた作動流体が外部袋体４４に移動し、図３（ｂ）に示したように、外部袋体４４が膨張して浮力が増大する。 Then, as the underwater moving body 1 rises to the surface, the water pressure decreases, and the working fluid that had moved to the inner bag 43 moves to the outer bag 44, and as shown in Figure 3(b), the outer bag 44 expands, increasing the buoyancy.
さらに、水中移動体１が浮上して海面付近まで移動すると、ほとんどの作動流体が外部袋体４４に移動し、図３（ｃ）に示したように、外部袋体４４が最大限まで膨張して浮力が最大値まで増大することとなる。 Furthermore, when the underwater moving body 1 rises and moves close to the sea surface, most of the working fluid moves to the external bag body 44, and as shown in Figure 3 (c), the external bag body 44 expands to its maximum extent, increasing the buoyancy to its maximum value.
かかる浮力補助装置４の浮力と外部圧力（水圧）との関係は、図４に示したように表示される。図４において、横軸は外部圧力（ＭＰａ）、縦軸は浮力（Ｎ）を示している。いま、内部袋体４３の初期圧力をＰ、内部袋体４３の初期体積をＶとし、内部袋体４３の容量をＶｉとし、外部袋体４４の外部圧力をＰ′、外部袋体４４の初期体積をＶ′とし、外部袋体４４の容量をＶｏとすれば、ＰＶｎ＝Ｐ′（Ｖ－Ｖｉ）ｎの関係が成り立つ。ただし、ｎはポリトロープ係数である。また、Ｖｏ＝Ｖ′－Ｖｉであるから、Ｖｏ＝Ｖ′－Ｖ｛１－（Ｐ／Ｐ′）１／ｎ｝の関係式が導かれる。図４は、この関係式においてｎ＝１．２の場合を図示したものである。 The relationship between the buoyancy of the buoyancy assisting device 4 and the external pressure (water pressure) is shown in FIG. 4. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the external pressure (MPa), and the vertical axis indicates the buoyancy (N). If the initial pressure of the internal bag 43 is P, the initial volume of the internal bag 43 is V, the capacity of the internal bag 43 is Vi, the external pressure of the external bag 44 is P', the initial volume of the external bag 44 is V', and the capacity of the external bag 44 is Vo, then the relationship PV n =P'(V-Vi) n is established, where n is the polytropic coefficient. Also, since Vo=V'-Vi, the relationship Vo=V'-V{1-(P/P') 1/n } can be derived. FIG. 4 illustrates the case where n=1.2 in this relationship.
図４に示したように、外部圧力が大きい場合、すなわち、水深が深い場合には、浮力補助装置４の浮力は小さくなる。また、外部圧力が小さい場合、すなわち、水深が浅い場合には、浮力補助装置４の浮力は急激に大きくなる。したがって、水中移動体１の浮上に伴って係留索２１の抵抗が級数的に増大した場合であっても、それと同程度に浮力を増大させることができ、水中移動体１を海面まで浮上させることができる。 As shown in FIG. 4, when the external pressure is large, i.e., when the water is deep, the buoyancy of the buoyancy assisting device 4 becomes small. On the other hand, when the external pressure is small, i.e., when the water is shallow, the buoyancy of the buoyancy assisting device 4 increases rapidly. Therefore, even if the resistance of the mooring line 21 increases exponentially as the underwater moving body 1 floats up, the buoyancy can be increased to the same extent, and the underwater moving body 1 can be floated up to the sea surface.
次に、浮力補助装置４の変形例について、図５（ａ）～図５（ｄ）を参照しつつ説明する。ここで、図５は、浮力補助装置の変形例を示す図であり、（ａ）は第一変形例、（ｂ）は第二変形例、（ｃ）は第三変形例、（ｄ）は第四変形例、である。 Next, modified examples of the buoyancy assisting device 4 will be described with reference to Figures 5(a) to 5(d). Here, Figure 5 shows modified examples of the buoyancy assisting device, where (a) is a first modified example, (b) is a second modified example, (c) is a third modified example, and (d) is a fourth modified example.
図５（ａ）に示した浮力補助装置４の第一変形例は、内部袋体４３を含む一つの耐圧部４１と外部袋体４４を含む一つの暴露部４２とを有している。このように、浮力補助装置４は、少なくとも一つの内部袋体４３と少なくとも一つの外部袋体４４とを備えていれば、水中移動体１の浮力を増大させることができる。 The first modified example of the buoyancy assisting device 4 shown in FIG. 5(a) has one pressure-resistant portion 41 including an internal bag 43 and one exposed portion 42 including an external bag 44. In this way, the buoyancy assisting device 4 can increase the buoyancy of the underwater moving body 1 as long as it has at least one internal bag 43 and at least one external bag 44.
図５（ｂ）に示した浮力補助装置４の第二変形例は、それぞれ内部袋体４３を含む二つの耐圧部４１とそれぞれ外部袋体４４を含む二つの暴露部４２とを有し、二つの暴露部４２を内側に配置して連結し、その外側に耐圧部４１を配置したものである。 The second modified example of the buoyancy assisting device 4 shown in Figure 5 (b) has two pressure-resistant sections 41 each including an internal bag body 43 and two exposed sections 42 each including an external bag body 44, with the two exposed sections 42 positioned on the inside and connected together, and the pressure-resistant section 41 positioned on the outside.
図５（ｃ）に示した浮力補助装置４の第三変形例は、内部袋体４３を含む二つの耐圧部４１と外部袋体４４を含む二つの暴露部４２とを有し、耐圧部４１と暴露部４２とを交互に配置したものである。 The third modified example of the buoyancy assisting device 4 shown in Figure 5 (c) has two pressure-resistant sections 41 including an inner bag body 43 and two exposed sections 42 including an outer bag body 44, and the pressure-resistant sections 41 and exposed sections 42 are arranged alternately.
このように、浮力補助装置４は、耐圧部４１及び暴露部４２を任意に配置して構成することができる。例えば、図示しないが、図５（ａ）に示した浮力補助装置４を本体部２に複数配置するようにしてもよいし、図５（ｃ）に示した浮力補助装置４において三つ以上の耐圧部４１及び三つ以上の暴露部４２を交互に配置するようにしてもよい。 In this way, the buoyancy assisting device 4 can be configured with any arrangement of pressure-resistant sections 41 and exposed sections 42. For example, although not shown, multiple buoyancy assisting devices 4 shown in FIG. 5(a) may be arranged on the main body 2, or three or more pressure-resistant sections 41 and three or more exposed sections 42 may be arranged alternately in the buoyancy assisting device 4 shown in FIG. 5(c).
図５（ｄ）に示した浮力補助装置４の第四変形例は、内部袋体４３の長さＬ１を外部袋体４４の長さＬ２よりも小さくしたものである。作動流体は、耐圧部４１から暴露部４２に流入すると膨張する性質を有することから、外部袋体４４の容積と比較して内部袋体４３の容積を小さくすることができる。そこで、外径が同じ大きさの場合には、Ｌ１＜Ｌ２とすることにより、浮力補助装置４の全長Ｌを短くすることができ、浮力補助装置４の小型化を図ることができる。 The fourth modified example of the buoyancy assisting device 4 shown in FIG. 5(d) is one in which the length L1 of the internal bag 43 is made smaller than the length L2 of the external bag 44. Since the working fluid has the property of expanding when it flows from the pressure-resistant portion 41 into the exposed portion 42, the volume of the internal bag 43 can be made smaller than the volume of the external bag 44. Therefore, when the outer diameter is the same, by making L1 < L2, the overall length L of the buoyancy assisting device 4 can be shortened, and the buoyancy assisting device 4 can be made more compact.
また、図示しないが、水中移動体１の上部空間に余裕がある場合には、上述した実施形態及び変形例に係る浮力補助装置４を軸心方向又は外周方向に複数配置するようにしてもよい。 Although not shown, if there is sufficient space above the underwater vehicle 1, multiple buoyancy assist devices 4 according to the above-mentioned embodiments and modifications may be arranged in the axial or circumferential direction.
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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
１ 水中移動体
２ 本体部
３ 浮力調整部
４ 浮力補助装置
４ａ 第一浮力補助装置
４ｂ 第二浮力補助装置
５ データ取得部
６ アンテナ部
７ 制御部
８ 蓄電池
９ 安定翼
１０ アンカー
１１ 中間ブイ
１２ 索体
２１ 係留索
３１ 浮袋
３２ ポンプユニット
３２ａ 配管
３２ｂ 逆止弁
３３ 液体タンク
３３ａ シリンダ
３３ｂ ヘッダ部
３３ｃ ピストン
３３ｄ ガイドロッド
３３ｅ マグネット
３４ カバー
３４ａ 開口部
４１ 耐圧部
４２ 暴露部
４２ａ 開口部
４３ 内部袋体
４４ 外部袋体
４５ 流路
４６ 弁体
４７ 金具
Reference Signs List 1 Underwater moving body 2 Main body 3 Buoyancy adjustment unit 4 Buoyancy assisting device 4a First buoyancy assisting device 4b Second buoyancy assisting device 5 Data acquisition unit 6 Antenna unit 7 Control unit 8 Storage battery 9 Stabilizer 10 Anchor 11 Intermediate buoy 12 Cable 21 Mooring line 31 Float 32 Pump unit 32a Pipe 32b Check valve 33 Liquid tank 33a Cylinder 33b Header 33c Piston 33d Guide rod 33e Magnet 34 Cover 34a Opening 41 Pressure-resistant portion 42 Exposed portion 42a Opening 43 Inner bag 44 Outer bag 45 Flow path 46 Valve body 47 Metal fitting
Claims (6)
係留索に連結された本体部と、
前記本体部の内部に配置された浮力調整部と、
前記本体部の外部に配置された浮力補助装置と、を備え、
前記浮力補助装置は、密封された空間を形成する耐圧部と、水中に晒される暴露部と、
前記耐圧部内に配置された膨縮可能な内部袋体と、前記暴露部内に配置された膨縮可能な外部袋体と、前記内部袋体と前記外部袋体とを連結する流路と、該流路に配置された弁体と、前記内部袋体及び前記外部袋体の内部に封入された作動流体と、を備え、
前記作動流体は、ポリトロープ変化可能な圧縮性流体である、
ことを特徴とする水中移動体。 An underwater moving body capable of moving between underwater and the water surface,
A main body connected to a mooring line;
A buoyancy adjustment unit disposed inside the main body;
a buoyancy assist device disposed outside the main body,
The buoyancy assistance device includes a pressure-resistant portion that forms a sealed space, and an exposed portion that is exposed to water.
The pressure-resistant portion includes an expandable and contractable inner bag, the pressure-resistant portion includes an expandable and contractable outer bag, the exposed portion includes an expansion passage that connects the inner bag and the outer bag, a valve body that is disposed in the expansion passage, and a working fluid that is sealed inside the inner bag and the outer bag .
The working fluid is a compressible fluid capable of undergoing polytropic change.
An underwater vehicle characterized by:
The underwater vehicle according to claim 1 , wherein the inner bag has a smaller volume than the outer bag.
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