JP2007503345A - 浮力調節システム - Google Patents

Abstract

本発明は浮力調節システム、特に水中潜水装置の浮力を調節するための浮力調節システムに関する。浮力調節システムは、海水注入口（５Ａ）及び海水排出口（１１Ａ）を有する浮力チャンバ（５）と、システムの少なくとも１つの電気部品に電力を供給するために用いられる電源供給装置（３１）と、チャンバから排出口を介して海水をポンプで排水する油圧システムとを備える。油圧システムは油圧ポンプ（２８）と、圧力増幅器（３４）とを備え、油圧ポンプは圧力増幅器に圧力を加え、圧力増幅器はさらに油圧ポンプによって加えられる圧力を増幅し、海水に増圧された圧力を加えてチャンバからそれゆえに海水をポンプで排出する。

Description

本発明は浮力調節システム、特に水中潜水装置の浮力を調節するための浮力調節システムに関する。

無人潜水装置は水中環境を調査するために用いられる。そのような潜水装置には２つの主要な形式、遠隔操縦型潜水艇（ＲＯＶｓ）と自律型水中潜水艇（ＡＵＶｓ）がある。

ＲＯＶｓは、ＲＯＶに電力および／またはテレメトリ情報を供給するアンビリカルケーブルリンクで船に繋がれた、航行型潜水艇である。ＲＯＶｓは、例えば、石油産業において水中探査や作業のために用いられる。しかしながら、水上艦艇及び乗員の常駐を必要とするため、ＲＯＶの運航費用は高価である。

ＲＯＶｓは、高い運航費用のために、ＡＵＶｓへ次第に切り替えられている。ＡＵＶのそのような形式の１つは、いわゆる「ドリフター」である。すなわち、データを収集するため既定の深度で水中における位置を固定するために浮力調節を用いるＡＵＶである。データを収集し終わると、ドリフターはホームステーションにデータを伝送するために水面に上昇し、その後さらなるデータ、例えば異なる位置でのデータを記録するために再潜水する。

ＡＵＶの他の形式はいわゆる「ランダー」であり、データを収集するために海底に着底して、その後ホームステーションにデータを伝送するために水面に上昇する。他のＡＵＶの形式もまたよく知られており、例えば、動力付き無人潜水艇である。ＡＵＶはＧＰＳシステムを用いてその位置を調査するために水面に戻ることが時には必要となる。このように、ＡＵＶが採る正確な行程、つまりミッションプロファイルは、自然およびデータが収集される手法により変化する。

しかしながら、従来のＡＵＶｓに関する問題は、「トリム」の問題、すなわち水中における浮力の問題である。従来のＡＵＶｓは、長行動時間をもたらすが機動力を減少する、典型的にわずか数キログラム（例えば２あるいは３キログラム）の正浮力で浮くように設計される。さらに、機材がＡＵＶに取り付けられあるいは取り外されるときは常に、貴重な船上時間を消費する、ＡＵＶは手作業でトリム調整がなされなければならない。さらに、ＡＵＶが任務中に物体を下ろしたり拾ったりすることが要求されるとき、その結果、浮力は影響を受け、水面への急速浮上、あるいは悪しくは海底への落下となりうる。確かに、ＡＵＶの浮力はわずかな海水密度の変化によりＡＵＶが浮上できない程度にまで影響されうるが、このように浮力は回復される。

さらに、ＡＵＶランダー特有の問題は、海底への着陸による衝撃である。この衝撃は、ランダーが記録する予定であった環境を乱し、従って誤った値を示す。例えば、潜航するランダーの前の船首波は、ランダーが調査しようとする、海底表面の表面上の沈殿物を散らし、そして海底に到達するランダーの騒音は調査しようとする動物の生態に影響を与える。

無人（および有人）の潜水装置に関する問題は、深度（例えば、３０００ｍ、あるいはより深い）における浮力調節にあり、そのような深度での海水による圧力に起因する。この場合には、２つの主な公知の浮力調節システムの形式がある。

第１の浮力調節システム形式は、有人潜水艇で浮力調節に従来用いられていた圧縮空気を用いるものである。このシステムでは、水でバラストタンクを満たすことにより浮力が減少され、圧縮空気を用いてタンクから水を押し出すことにより浮力が増加される。圧縮空気システムの欠点は、第１に、大量の動力を必要とする（従って、大きい、高出力の有人潜水艇で用いられる）ことであり、第２に数百メータの深度までのみ動作可能なことである。大深度における圧縮空気の使用は、大変な高圧を必要とするために効率が悪く、危険である。

第２の浮力調節システムは、閉回路オイルポンプシステムを用いる。このシステムでは、オイルはフレキシブルバッグにポンプで出し入れされ、それによりバッグの体積を増減させ、潜水艇の浮力を増減させる。オイルポンプシステムの長所は相対的に小さな力を必要として、それゆえ小さい潜水艇に用いることができ、圧縮空気システムよりも大深度、例えば３０００ｍ以上で稼働しうる。しかしながら、オイルポンプシステムにより与えられる浮力変化は相対的に小さく、例えば１ｋｇ以下である。

ＡＵＶｓにより頻繁に生じる問題は、電源供給装置の大きさである。ＡＵＶを小さくそして相対的に軽量にすることがＡＵＶの設計の目的である。この目的は、それゆえに、大きい電源供給装置が要求されるならば、合致しない。したがって、電源供給装置の大きさ（および重量）とＡＵＶの大きさ（および重量）との間に妥協点を作ることがしばしば必要である。選択された電源供給装置の大きさは、ＡＵＶのミッションプロファイルに限界点を置くことにもなる。最終的に設けられる妥協点は、ＡＵＶに用いられる浮力調節システムに影響を与える。このように、浮力調節のために用いられるいかなるシステムにおいても、過度の充電池重量及び体積を潜水艇に搭載せずに電気的に動作する様々な操縦装置、および他の部品を駆動するに必要な電気エネルギーを十分に供給するという点で困難が生じる。これらの問題は、ＡＵＶが例えば２０００メータ以上の深海に潜航しなければならないときに特に関連がある。

それゆえに、ＡＵＶの重量が減らされ、あるいはより柔軟性をミッションプロファイルに対してもたらされるために、電源供給装置に削減を要求する、浮力調節システムを供給することの必要性がある。

それゆえに、エネルギー効率のよい方法で電源供給装置を用いる浮力調節システムを供給することが本発明の目的である。

本発明によれば、水中潜水艇の浮力を調節するための浮力調節システムが提供される。システムは、
海水注入口および海水排出口を有する浮力チャンバと、
システムの少なくとも１つの電気部品に電力を供給するために用いられる電源供給装置と、
チャンバから排出口を介して海水をポンプで排水する油圧システムとを備え、油圧システムは油圧ポンプと圧力増幅器とを備え、油圧ポンプは圧力増幅器に圧力を加え、圧力増幅器はさらに油圧ポンプによって加えられる圧力を増幅し、海水に増圧された圧力を加えてチャンバからそれゆえに海水をポンプで排出する。

本発明における他の利点および特徴は、付随する請求項において定義される。

本発明によれば、エネルギー効率のよい方法で電源供給装置を用いる浮力調節システムを得ることができる。

本発明による一つの例は、付随する図面を参照して詳細に説明される。

図1は本発明を具体化した浮力調節システムの概要である。

図２は、３００ｂaｒで異なる体積である圧縮空気シリンダを用いて、３０００メータの深度で浮力を生じるに必要であるエネルギーの推定値を示す。

図1を参照すると、浮力調節システムは、中空であって球体内部６を内包する球体５の形状内に浮力チャンバを備える。球体５は、例えばガラス、鉄あるいはチタン球体であってもよい。球体５は、その圧力下で動作するに十分な強度を有さねばならず、そして本実施形態においては、２５ｋｇ以上、例えば３４ｋｇまでの浮力変化量を提供するに十分な大きさである容積を有する。球体５は第１の注入口５Ａ、第２の注入口７Ａ、および排出口１１Ａと共に設けられる。膨張性フレキシブルバッグ７は球体５の球体内部６に設けられ、球体の第２注入口７Ａに接続される注入口を有する。

ガスシリンダ１０は球体５に隣接して設けられ、気体には圧力ＧＰがかけられている。シリンダ１０は導管８により第２注入口７Ａに接続される。電気制御ソレノイドバルブ９は導管に沿うガスの流れを調節するために導管８に含まれる。

導管３は浮力調節システムを取り巻く海水に開口する注入口２を有して設けられる。導管３は球体５の注入口５Ａに接続され、導管３に沿う海水の流れを調節するための電気制御ソレノイドバルブ４、および球体５に導管３に沿って海水が流れる間に発電するような、タービン（図示しない）を有する可変負荷型発電機３３を含む。

符号３４によって一般に示される圧力増幅器は、二段シリンダと二段ピストンとを備えて設けられる。二段ピストンは、一端に設けられ相対的に小径であるプレート２０とロッド２２により接続され、相対的に大径であるプレート２５を他端に備える。二段シリンダは、相対的な大径（大径シリンダ）および大径プレートが往復運動をする容積２３を有する端部２４と、相対的な小径（小径シリンダ）および小径プレートが往復運動をする容積１９を有する端部１８とを有して形成される。図示のように、２つのプレートは左方行程の限界から図示のように右方限界まで共に往復運動をするように接続される。近接スイッチ２６および２１は大径プレート２５の左方及び右方限界を検知するために設けられる。

油圧ポンプ２８は導管２７により大径シリンダ２４の左端に接続され、一方で排出口１６は小径シリンダ１８の右端に設けられる。油圧ポンプ２８は電気モータ３２により駆動され、導管２９により接続されるオイルリザーバ３０を有する。

注入口１７もまた小径シリンダ１８に開口して設けられる。この注入口は球体５の排出口１１Ａに接続する導管１１に接続される。電気制御ソレノイドバルブ１２は導管１１に設けられる。小径シリンダ１８の排出口１６は、浮力調節システムを取り囲む海水に開口する排出口１３を有する導管１５に接続される。導管１５は逆止弁１４を有する。

小径プレート２０の排出面は大径プレート２５の取入面よりも少ない表面積を有し、そのため圧力増幅器により生成される圧力増加は排水および取入面の表面積の比によって決定される。

バッテリ３１は、マイクロプロセサ制御電子制御システム３５に電力を供給し、電力が電気モータ３２および各種電子制御ソレノイドバルブに供給される。

圧力変換器３６は海水圧、およびそれにより海水の深度を監視することを可能にするための制御システム３５に接続される。さらなる圧力変換器３７は球体５の内部圧を監視するために導管８に接続される。

本発明による浮力調節システムはＡＵＶのような機械に設けられる。ＡＵＶの動作に先立ち、バッテリ３１は完全に充電され、シリンダ１０は気体、例えば空気または窒素もしくはアルゴンといった不活性ガスで圧力ＧＰまで充填される。フレキシブルバッグ７は、球体５の球体内部６を実質的に満たすように、大気圧以下では気体で拡張される。二段ピストンはその左方限界に位置し、すべてのソレノイドバルブは閉位置にある。この時点では、浮力調節システムが取り付けられたＡＵＶは中性浮力に調節される。

ＡＵＶを沈めるためには、負浮力が得られなければならない。従って、制御システム３５は、海水が導管３に沿って球体５内へ移動するようにソレノイドバルブ４を開く。球体５内の水は、フレキシブルバッグ７の体積が減少してそれにより負浮力を生成するように、フレキシブルバッグ７に圧力をかける。フレキシブルバッグ７は、気体が高圧で海水に溶解することを防止するため、その中の気体を海水から分離するための機能を果たす。

ＡＵＶが海に潜航すると、制御システム３５は圧力変換器３６により深度を監視し、必要に応じてソレノイドバルブ４を調節することにより、より多くの海水を球体５内へ流入させて、さらに負浮力を供給する。ある時点で要求深度、例えば３０００メータに到達する。この時点で、局所圧ＬＰは３００ｂaｒである。潜航速度が速すぎると、ソレノイドバルブ９はフレキシブルバッグ７を拡張させるために気体が流入するよう開かれ、それにより正浮力が生成される。従って、ＡＵＶの安定した潜航が達成される。

正浮力が積極的に要求されるとき、すなわち局所圧ＬＰで球体５内の海水の体積が減らされなければならないとき、上記のように制御システムはソレノイドバルブ９を開くよう動作して、シリンダ１０からの気体はフレキシブルバッグ７へ導管８を伝わる。フレキシブルバッグ７内の圧力は、局所圧ＬＰで浮き袋に少量の体積しかないことを第1に仮定すれば、実質的にＧＰである。しかしながら、フレキシブルバッグ７の体積が増加するとき、フレキシブルバッグ７が拡張するにつれて圧力ＧＰは低下する。このとき、制御システム３５は、海水が球体５から圧力増幅器３４の小シリンダ１８へと導管１１を流れるように、ソレノイドバルブ１２をまた開く。ソレノイドバルブ１２はその後閉じられ、電気モータ３２は、容器１９内の海水を増圧する右方向にプレート２５および２０を駆動するために圧力増幅器３４に油圧をかける、油圧ポンプ２８を駆動するために始動される。このように、小シリンダ１８内の容積１９における海水は、導管１５及び逆止弁１４を通じて排出口１３から空にされる。

近接スイッチ２１がプレート２５の右方向位置を検出するとき、バルブ１２は容器１９へ球体５から海水を流すために再び開かれ、この働きは圧力増幅器を元の位置に強制的に戻す。近接スイッチ２６がプレート２５が左位置にあることを検出するとき、信号が制御システム３５に送られ、再びソレノイドバルブ１２が閉まり、上記したサイクルが繰り返される。これはつまり、海水が小シリンダ１８から排出されているとき、電子制御システム３５は圧力増幅器３４が元の位置に戻るようにして、その後、球体５からより多くの海水を排出するサイクルを繰り返す。

圧力増幅器３４は、海水が球体５から容器１９に入る第１の位置と、容器１９内の海水が流出口１６を通って容器１９から排出される第２の位置との間で往復運動するという点で、好ましくは往復式の圧力増幅器である。

このように、球体５内の圧力は、フレキシブルバッグ７が拡張して正浮力を生じるように減らされ得る。そのような圧力増幅器３４を用いることにより、球体５内部の圧力を減少するために必要な電力は、低減される。さらに、圧縮気体の源泉としてシリンダ１０を用いることにより、圧力バランスは球体の中で達成され、その中の海水の圧力を減らすために求められるポンピング動作の量は減らされ、言い換えると、電気モータ３２により消費されるエネルギーの量が減らされる。図２は、３００ｂaｒで異なる体積の圧縮空気シリンダを用いて、深度３０００メートルで浮力を生成するに必要なエネルギーの推定値を示す。シリンダ１０の圧力及び体積は、ＡＵＶがその任務において活動する特定の深度でもっとも効果的であるように選択されることがわかる。

ＡＵＶがその任務の間に潜航しなければならない深度に依存して、シリンダ気体の圧力ＧＰは最大深度における海水圧ＬＰよりも小さくなり、そしてシリンダの体積は同様に異なることがわかる。

当業者にとって明らかであるように、シリンダ１０を用いる前述の有利なエネルギー節約効果は機械式スプリングを用いることによってもまた達成される。

負浮力が再び要求されるとき、すなわち局所圧ＬＰでの球体内の海水の体積が増やされなければならないとき、制御システム３５は上記のように、海水が導管３に沿って球体５内へ伝わるよう、再びソレノイドバルブ４を開く。球体内の水はフレキシブルバッグ７の体積が減少してそれゆえに負浮力を生じるようにバッグを加圧する。

この場合、可変負荷型発電機３３は、海水が導管３に沿って球体５内へ流れる間、電気を生成するために駆動される。制御システム３５は、制御システム３５によって監視されながら必要に応じてバッテリ３１に充電電流を供給する内部充電回路（図示しない）に印加するに適した、平滑化電気信号を生成する内部平滑回路（図示しない）を経由して、発電機３３の電気出力に繋がる。

その結果、負浮力が要求されるとき、正浮力を得るために費やされるエネルギーのいくらかは回生、すなわち回復される。導管３に沿う流速が変化するため、発電機３３は、最適な効率を生じるために負荷が動的に変更されるシステムを好ましくは有する。発電機は実際には回生ポンプであって、回生ポンプを通過する大きな圧力差があるとき、負荷（バッテリー充電強度）は、回生ポンプを動作させるために用いうる大量のエネルギーに応じて非常に高く設定しうる（すなわち、低い充電強度よりも高い充電強度で回生ポンプを動作させることの方が困難である）。反対に、低い圧力差では、充電強度は回生ポンプが動作しうるほど低く設定される。

好ましくは、可変負荷型回生ポンプは、任務の間、ＬＰと球体５内の圧力との連続充電圧力差に応じて負荷特性を動的に変化しうる。マイクロプロセサ制御システム３５はこれをなし得ることがわかる。

負及び正浮力を得るための上記の動作は、制御システム３５をあらかじめプログラムすることによって、あるいはホームステーションのコントローラにより送られる信号に反応する電子制御システム３５によって、あるいは外部状況（例えば、深度計からの深度情報）に自動的に反応して、得られることがわかる。

従って、本発明は低エネルギー消費（２４Ｖバッテリー、１５０Ｗ電気モータ）で６０００メータにおける３４ｋｇの浮力変化を可能にする、浮力調節システムを供給することもできる。さらに、本システムは相対的に軽量かつコンパクトであり、言い換えると公知の水中潜水艇に”ボルトオン”として用いられることを可能にする。

上記の実施形態は説明の目的のためにのみ本発明の一つの実施形態を示したものである。実施において、本発明は多くの改良がなされうるが、詳細な実施形態は当業者にとって自明である。

本発明を具体化した浮力調節システムの概要である。 ３００ｂaｒで異なる体積を有する圧縮空気シリンダを用いて、３０００メータの深度で浮力を生じるに必要であるエネルギーの推定値を示したグラフである。

符号の説明

２ 海水注入口
３ 導管
４ ソレノイドバルブ
５ 浮力チャンバ
７ フレキシブルバッグ
９ ソレノイドバルブ
１０ シリンダ
１２ ソレノイドバルブ
１３ 海水排出口
１４ 逆止弁
２２ ピストン
３４ 圧力増幅器
２８ 油圧ポンプ
３５ 電子制御システム

Claims (18)

1. 水中潜航艇の浮力を調節する浮力調節システムにおいて、
   海水注入口と海水排出口とを有する浮力チャンバと、
   前記システムが有する少なくとも１つの電気部品に電力を供給するために用いられる電源供給装置と、
   前記海水排出口を通じて前記チャンバから海水をポンプで排水する流体圧システムとを備え、
   前記流体圧システムは流体圧ポンプと圧力増幅器とを備え、前記流体圧ポンプは圧力増幅器に圧力を加え、圧力増幅器は流体圧ポンプによりさらに加えられる圧力を増幅し、および海水に増幅された圧力を加えて前記チャンバからそれにより海水をポンプで排出する、
   浮力調節システム。
2. 前記注入口に向かう海水流が電源供給装置を充電するための電気エネルギーに変換される回生手段をさらに備える請求項１に記載の浮力調節システム。
3. 前記システムが前記潜水艇が潜航するために用いられるとき、前記回生手段が動作するように構成される請求項２に記載の浮力調節システム。
4. 前記回生手段は電気出力を供給するための、海水流により駆動されるタービンを有する、請求項２または３に記載の浮力調節システム。
5. 前記電気出力は、充電回路に印加するための平滑化電気信号を生成するよう構成される受電回路によって局所的に処理される請求項４に記載の浮力調節システム。
6. 前記充電回路は前記バッテリに充電電流を供給するための電子制御システムにより制御される請求項５に記載の浮力調節システム。
7. 前記回生手段は、前記海水が流れるときに通過する圧力差に応じて動的に調節される請求項２から６のいずれかに記載の浮力調節システム。
8. 前記浮力チャンバはガラス、鉄、あるいはチタン製の球体を備える、請求項１から７のいずれかに記載の浮力調節システム。
9. 前記浮力チャンバは水深３０００ｍ以上で圧力に耐えることができ、そして海水を３４ｋｇまで支える能力を有する、請求項１から８のいずれかに記載の浮力調節システム。
10. 前記圧力増幅器は圧力を伝達する関係にある取入面及び排出面を備え、
    前記排出面は取入面の表面積よりも小さい表面積を有し、
    前記圧力増幅器によって生み出される前記圧力増加は、前記取入面及び排出面の表面積の比によって決定される、請求項１から９のいずれかに記載の浮力調節システム。
11. 前記取入面はプレートを備える請求項１０に記載の浮力調節システム。
12. 前記排出面はプランジャすなわちピストンを備える請求項１０又は１１に記載の浮力調節システム。
13. 前記圧力増幅器は排出口を有し、前記排出口とともに少なくとも１つの逆止弁を備える、請求項１２に記載の浮力調節システム。
14. 前記浮力チャンバ内部に設けられるフレキシブルバッグと、
    前記フレキシブルバッグを拡張するための拡張手段とをさらに備える請求項１から１４のいずれかに記載の浮力調節システム。
15. 前記拡張手段は、前記フレキシブルバッグに気体を供給するための加圧容器を備える、請求項１４に記載の浮力調節システム。
16. 前記加圧容器の容積およびその内部の気体の圧力は、前記システムが一部をなす潜水艇のミッションプロファイルに応じて選択される、請求項１５に記載の浮力調節システム。
17. ホームステーションに前記システムの作動状況に関する情報を伝達するための手段を有する電子制御システムをさらに備える、請求項１から１６のいずれかに記載の浮力調節システム。
18. 請求項１から１７のいずれかに記載の浮力調節システムを有する潜水艇。

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