JP6915550B2

JP6915550B2 - 水中機器

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Publication number: JP6915550B2
Application number: JP2018002842A
Authority: JP
Inventors: 泰大石黒
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2038-01-11
Also published as: JP2019123258A

Description

本発明は、水中機器に関する。

水中機器に設けられたバラストタンクへの注排水を利用して、水中機器の浮力を制御する構成が検討されている（例えば、特許文献１）。

国際公開第２０１４／１６３１４１号

しかしながら、バラストタンクからの排水の際に、バラストタンク内の気体が徐々に外部に排出されることにより、バラストタンクからの注排水が困難となる可能性がある。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、バラストタンクからの排水の際に外部へ気体が排出されることを防ぐ水中機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る水中機器は、バラストタンクと、前記バラストタンク内の水の排水を行う配管を有する排水部と、前記配管上に設けられ、前記配管を流れる水から気体を分離する気水分離部と、前記気水分離部により分離された気体を前記バラストタンクへ返送する気体返送部と、を有する。

上記の水中機器によれば、バラストタンクからの排水部の配管上に設けられた気水分離部により、水から気体が分離されて、気体返送部により気体がバラストタンクへ返送される。そのため、排水部により排出される水に含まれる気体が外部に排出されることを防ぐことが可能となる。

ここで、前記バラストタンク内の気圧を計測する圧力計測部を有し、前記気体返送部は、前記圧力計測部により計測される前記バラストタンク内の気圧が基準圧未満である場合に、前記バラストタンクへ前記気体を返送する態様とすることができる。

上記のように、圧力計測部により計測されるバラストタンク内の気圧が基準圧未満である場合に、バラストタンクへ気体を返送する構成とすることで、バラストタンク内の気圧が低下している際に気体を返送することができるため、バラストタンク内の気圧の低下を防ぐことができる。

また、前記バラストタンク内の水位を計測する水位計測部を有し、前記気体返送部は、前記水位計測部により計測される前記バラストタンク内の水位が基準水位である場合に、前記バラストタンクへ前記気体を返送する態様とすることができる。

上記のように、水位計測部により計測されるバラストタンク内の水位が基準水位である場合に、バラストタンクへ気体を返送する構成とすることで、バラストタンク内の水位が適切であるにもかかわらず気圧が低下している際に気体を返送することができるため、バラストタンク内の水位および気圧を適切に維持することができる。

また、前記基準圧は大気圧以下であって、前記気体返送部は、前記気水分離部と前記バラストタンクとを接続する気体配管と、前記気体配管上に設けられた開閉弁と、を有し、前記開閉弁の開閉により、前記バラストタンクへ気体を返送する態様とすることができる。

上記のように、基準圧が大気圧以下である場合、気体返送部の気体配管上に設けられた開閉弁の開閉により、バラストタンクへ気体を返送することが可能となる。したがって、気体返送部をより簡単な構成で実現することができる。

本発明によれば、バラストタンクからの排水の際に外部へ気体が排出されることを防ぐ水中機器が提供される。

水中機器の概略構成図である。気水分離部の概略構成図である。水中機器による排水および気体返送について説明するフロー図である。水中機器による排水時の動作を説明する図である。水中機器による気体返送時の動作を説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一形態に係る水中機器の概略構成図である。図１に示すように水中機器１は、海中等の水中において浮遊する装置である。水中機器１は、水中で浮遊して何らかの動作を行う装置であり、例えば、水中での情報を収集する装置等として実現される。また、水中機器１は、自機の浮力を調整する機能を有し、浮力を調整することで、浮上／沈降を行う。

図１に示すように、水中機器１は、筐体２と、バラストタンク１０と、バラストタンク１０に対する排水を行う排水部２０と、排水部２０による水の排水時に水に混合された気体を回収してバラストタンク１０へ返送する気体返送部４０と、排水部２０による注排水および気体返送部４０による気体の返送を制御する制御部５０と、を有する。バラストタンク１０、排水部２０、気水分離部３０、気体返送部４０、および、制御部５０は、筐体２内に設けられる。なお、水中機器１には、バラストタンク１０内へ水を注入する注水部が別途設けられるが、図１では記載を省略している。

バラストタンク１０は、水中機器１の浮力調整用に設けられ、内部に水を貯留する機能を有するタンクである。バラストタンク１０内の水量が変化すると、水中機器１の重量が変化する。そのため、水中機器１が受ける浮力も変化する。したがって、バラストタンク１０内の水量の変化に伴って、水中機器１は浮上／沈降を行うことができる。このように、バラストタンク１０内には、水Ｗと気体Ａとが存在することになる。水中機器１が海中で用いられる場合、水Ｗとしては水または海水が用いられる。気体Ａとしては例えば空気が挙げられるが、気体の種類は特に限定されない。

水中機器１は、バラストタンク１０内に、バラストタンク１０内の気体の圧力を計測する圧力センサＰＧ（圧力計測部）、および、バラストタンク１０内の水Ｗの液面の高さ計測する液面センサＬＧ１（水位計測部）を有する。圧力センサＰＧは、例えば、バラストタンク１０上方の気体Ａが滞留する領域に設けられて、バラストタンク１０内の気体Ａの気圧を計測する機能を有する。また、液面センサＬＧ１は、例えば、バラストタンク１０の側面に設けられて、バラストタンク１０内の水Ｗの液面の高さ位置を計測することで、バラストタンク１０内の水量および気体量を測定する機能を有する。圧力センサＰＧおよび液面センサＬＧ１で計測された圧力又は温度に係る情報は、制御部５０に対して送られる。制御部５０に対して送られる情報は、制御部５０におけるバラストタンク１０内の水Ｗの注排水および気体返送に係る制御を行う際の情報として用いられる。なお、本実施形態では、「水量」とは水の体積のことをいう。また、「気体量」は、気体の体積のことをいう。この場合の「体積」とは、バラストタンク１０内に存在する水又は気体の体積である。

排水部２０は、配管２１およびポンプＰを有し、制御部５０による制御によって、バラストタンク１０内の水の排水を行う。また、配管２１上には開閉弁Ｖ１が設けられる。さらに、配管２１上には、後述の気水分離部が設けられる。ポンプＰ、気水分離部、および開閉弁Ｖ１は、バラストタンク１０側からこの順になるように配管２１上に設けられる。なお、本実施形態において「配管上に設けられる」とは、対象の部品（例えば、気水分離部）が配管の一部または全体に設置されていることを示す。

気水分離部３０は、配管２１上に設けられて、配管２１上を流れるバラストタンク１０からの水に含まれる気体を回収する。気水分離部３０の例を図２に示す。気水分離部３０は、筐体３１の内部が空洞であり、その底面（後述の配管４１とは逆側）から上方（後述の配管４１側）に延びる邪魔板となる板状部材３２が設けられる。この板状部材３２を挟み込むように、バラストタンク１０側の配管２１と、開閉弁Ｖ１側の配管２１とが設けられる。また、後述の気体返送部４０に含まれる配管４１は、板状部材３４の上方に設けられる。バラストタンク１０から配管２１を流れて気水分離部３０内に導入された水が板状部材３４に衝突することで、水中の気体が分離して上方へ移動する。この結果、配管４１へ気体が移動すると共に、気体が分離された水が開閉弁Ｖ１側の配管２１へ流れることになる。なお、上記の気水分離部３０の構造は一例であり、上記に限定されず種々の変更を行うことができる。

気体返送部４０は、配管４１（気体配管）、エアタンク４２を有し、制御部５０による制御によって、バラストタンク１０からの排水を行った際に水に含まれる気体を回収された気体をバラストタンク１０へ返送する。配管４１は、一端が気水分離部３０を介して配管２１に対して接続されると共に、他端がバラストタンク１０に対して接続される。

エアタンク４２は、配管４１上に設けられ、バラストタンク１０から排出された水から回収された気体を貯留する。エアタンク４２には、エアタンク４２内の水Ｗの液面の高さ計測する液面センサＬＧ２を有する。液面センサＬＧ２は、例えば、エアタンク４２の側面に設けられて、エアタンク４２内の水の液面の高さ位置を計測することで、エアタンク４２内の気体量を計測する機能を有する。

配管４１上にはエアタンク４２を挟むように、開閉弁Ｖ２および開閉弁Ｖ３が設けられる。開閉弁Ｖ２は、エアタンク４２よりも気水分離部３０側の配管４１上に設けられる。また、開閉弁Ｖ３は、エアタンク４２よりもバラストタンク１０側の配管４１上（気体配管上）に設けられる。また、開閉弁Ｖ３とバラストタンク１０との間の配管４１上には逆止弁Ｃが設けられる。逆止弁Ｃは、バラストタンク１０から配管４１側（エアタンク４２側）へ気体が移動することを防ぐために設けられる。

なお、エアタンク４２は、配管４１のうちのエアタンク４２と気水分離部３０とを繋ぐ側の配管よりも上方となるように設けられる。このような構成とすることで、エアタンク４２内に分離された気体がエアタンク４２内に滞留しやすくなる。

排水部２０の配管２１および気体返送部４０の配管４１は、連続して設けられている。このように、排水部２０および気体返送部４０は一体的に設けられていて、配管２１，３１上に設けられた開閉弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉を制御することで、バラストタンク１０の注排水およびバラストタンク１０への気体返送等が行われる。

制御部５０は、バラストタンク１０内の水の注排水に係る制御および気体返送に係る制御を行う。制御部５０は、バラストタンク１０内の水量および気体量の変化を把握して、水中機器１が受ける浮力を把握する。また、所望の浮力を得るための、バラストタンク１０内の水の注排水を制御する機能を有する。また、制御部５０は、バラストタンク１０内の気体Ａの圧力が低下した場合には、気体返送部４０を制御することでエアタンク４２において貯留される気体をバラストタンク１０内へ返送する。このように、制御部５０は、排水部２０および気体返送部４０を制御して、バラストタンク１０を利用した水中機器１の浮力を適切に保ちながら、バラストタンクからの気体の排出を抑制する。

上記の制御部５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、およびＲＡＭ(Random Access Memory)等のハードウェアと、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアとから構成されたコンピュータとして実現することができる。

次に、図３を参照しながら、制御部５０の制御による水中機器１の浮力制御方法および気体回収方法について説明する。

図３では、水中機器１が通常運転を開始しているとする。通常運転時では、制御部５０は、バラストタンク１０に取り付けられた液面センサＬＧ１および圧力センサＰＧからの情報に基づいて、バラストタンク１０内の水量に基づいて、水中機器１が受ける浮力を把握する。また、通常運転時は、開閉弁Ｖ１〜Ｖ３は全て閉状態となっている。

ここで、制御部５０においてバラストタンク１０からの排水が必要であると判断したとする。具体的には、液面センサＬＧ１が計測するバラストタンク１０内の水位が、想定する浮力に対応する基準水位よりも高い状態である場合に、制御部５０は水位が基準水位となるように制御する。制御部５０は、排水部２０および気体返送部４０に対して排水運転を開始する旨の指令を出す（Ｓ０１）。排水部２０および気体返送部４０では、この制御部５０からの排水運転指令に基づいて、開閉弁Ｖ１，Ｖ２を開状態にする（Ｓ０２）と共に、ポンプＰを始動してバラストタンク１０からの排水を開始する（Ｓ０３）。

排水を開始した状態を図４に示す。ポンプＰの駆動によりバラストタンク１０から配管２１を経由して筐体２外へ水が排出される。このとき、配管２１を経由する水は、気水分離部３０を通過する。気水分離部３０において水中の気体が分離して上方の配管４１側へ移動する。したがって、筐体２外へ排出される水は、少なくとも一部の気体が除去された水となる。配管４１側へは、分離された気体が混合し、気体の混合量が増大した水が移動する。さらに気体は、水中で上方に移動する。その結果、エアタンク４２内に分離した気体Ａ２が滞留した状態となる。下方から水が供給される状態でエアタンク４２内に気体Ａ２が滞留することになるため、エアタンク４２内の気体Ａ２は大気圧よりも圧縮された状態で保持される。

なお、開閉弁Ｖ３は閉状態とされているので、エアタンク４２内に滞留する気体Ａ２は、バラストタンク１０までは移動しない。

エアタンク４２内には、ポンプＰの駆動によりバラストタンク１０内の水が排出された際に、気水分離部３０で分離された気体Ａ２と、気水分離部３０から上方へ移動した水とが存在することになる。エアタンク４２に取り付けられた液面センサＬＧ２によりエアタンク４２内の水位を計測することで、エアタンク４２内に滞留する気体Ａ２の気体量を計測することができる。

制御部５０では、液面センサＬＧ１の計測値が基準水位であるか否かを判断し（Ｓ０４）、基準水位になっていない場合（Ｓ０４−ＮＯ）は排水を継続する。一方、液面センサＬＧ１の計測値が基準水位となった場合（Ｓ０４−ＹＥＳ）には、排水を中止する。すなわち、制御部５０の制御により、ポンプＰの駆動が停止され（Ｓ０５）、開閉弁Ｖ１，Ｖ２が閉状態に変更される（Ｓ０６）。この結果、バラストタンク１０からの排水は停止される。

次に、制御部５０では、排水を中止した後のバラストタンク１０内の水位が基準水位であるか否かを確認する（Ｓ０７）。水位が基準水位ではない場合（Ｓ０７−ＮＯ）には、制御部５０は、通常運転とし（Ｓ０８）以降の処理を行わない。バラストタンク１０内の水位が基準水位である場合（Ｓ０７−ＹＥＳ）、制御部５０は、バラストタンク１０の圧力センサＰＧからの情報に基づいて、バラストタンク１０内の気体Ａの圧力（空気圧）が基準圧よりも小さいか否かを確認する（Ｓ０９）。基準圧とは、バラストタンク１０の注排水を好適に行うことができるバラストタンク１０内の気体Ａの圧力の下限を規定したものである。基準圧としては、例えば、大気圧を設定することができるが、水中機器１の使用環境等に基づいて適宜変更することができる。

バラストタンク１０内の気体Ａの圧力（空気圧）が基準圧以上である場合には、通常運転を継続する（Ｓ０８）。一方、バラストタンク１０内の気体Ａの圧力が基準圧未満である場合（Ｓ０９−ＹＥＳ）には、制御部５０は、バラストタンク１０内の気体Ａの圧力が基準圧以上となるように気体返送部４０による気体返送を行う。具体的には、開閉弁Ｖ３を開状態に変更する（Ｓ１０）。これにより、図５に示すように、エアタンク４２とバラストタンク１０とが接続された状態となる。上述のようにエアタンク４２内の気体Ａ２は圧縮された状態となっているのに対して、バラストタンク１０内の気体Ａの圧力は基準圧より小さくなっている（基準圧が大気圧とされている場合には、大気圧以下の圧力となっている）。そのため、気体Ａの圧力よりも気体Ａ２の圧力の方が高くなっている可能性が高い。したがって、開閉弁Ｖ３を開状態とすると、エアタンク４２内の気体Ａ２がバラストタンク１０内へ移動する。この結果、バラストタンク１０内の気体の圧力が上昇する。開閉弁Ｖ３が開状態となっていると、バラストタンク１０側からエアタンク４２側へ気体が移動する可能性もあるが、この方向の気体の移動は逆止弁Ｃによって防がれる。

制御部５０では、圧力センサＰＧにより計測されたバラストタンク１０内の気体の圧力（空気圧）が基準圧まで上昇することを確認する（Ｓ１１）。バラストタンク１０内の気体の圧力（空気圧）が基準圧までしたことを確認すると（Ｓ１１−ＹＥＳ）、開閉弁Ｖ３を閉状態に変更し（Ｓ１２）、通常運転に戻る。

一方、バラストタンク１０内の気体の圧力（空気圧）が基準圧まで到達しない場合（Ｓ１１−ＮＯ）は、引き続きエアタンク４２内の気体Ａ２がバラストタンク１０内へ移動するのを待つことになるが、エアタンク４２内の気体Ａ２の圧力がバラストタンク１０内の気体Ａの圧力と等しくなると、気体の移動が停止される。したがって、制御部５０では、エアタンク４２に取り付けられた液面センサＬＧ２において計測された結果から、エアタンク４２内の気体Ａ２のバラストタンク１０への移動が十分に行われ、エアタンク４２内の気体量（空気量）が一定となるか（液面センサＬＧ２が、エアタンク４２内の気体量の下限値に対応した値を示すか）を確認する（Ｓ１３）。エアタンク４２内の気体量（空気量）が一定となっていない（液面センサＬＧ２がエアタンク４２内の気体量の下限値を示していない）場合（Ｓ１３−ＹＥＳ）には、制御部５０により引き続き開閉弁Ｖ３を開状態として気体Ａ２の移動を促す。一方、エアタンク４２内の気体量（空気量）が一定である（液面センサＬＧ２がエアタンク４２内の気体量の下限値を示している）場合（Ｓ１３−ＮＯ）には、気体Ａ２の移動が終了したと判断し、制御部５０により開閉弁Ｖ３を閉状態に変更し（Ｓ１２）、通常運転に戻る。なお、バラストタンク１０内の気体Ａの圧力が基準圧と比べて非常に小さくなり、バラストタンク１０の注排水を好適に行うことができなくなる可能性がある場合には、制御部５０は水中機器１の緊急浮上等の動作に係る制御を行うが、通常運転に戻っても問題がないレベルであれば、通常運転を継続する。なお、液面センサＬＧ２に代えて圧力センサを取り付けることで、エアタンク４２内の圧力をモニタし、この結果から、エアタンク４２内の気体量（空気量）が一定となるかを、エアタンク４２に取り付けた圧力センサとバラストタンク１０に取り付けた圧力センサとの値から判定してもよい。

水中機器１では、バラストタンク１０からの排水を行う際に、上記のように気体の分離および返送が繰り返される。なお、気体の分離および返送を繰り返すことで、気水分離部３０とバラストタンク１０との間の気体返送部４０（配管４１およびエアタンク４２）内に気水分離部３０からの水が貯留する可能性がある。したがって、気体返送部４０内の水をバラストタンク１０側または水中機器１外へ排出する機構（配管等）を設けてもよい。この場合、制御部５０は、例えば、エアタンク４２の液面センサＬＧ２の計測値等に基づいて気体返送部４０からの水の排出を行う構成とすることができる。

以上のように、本実施形態に係る水中機器１によれば、バラストタンク１０に接続する排水部２０の配管２１上に設けられた気水分離部３０により、水から気体が分離される。そして、気水分離部３０において分離された気体は、気体返送部４０によりバラストタンク１０へ返送される。そのため、排水部２０により排出される水に含まれる気体が外部に排出されることが防がれる。

従来は、バラストタンク１０からの排水時に水中に混合した気体が水と共に外部に排出されると、バラストタンク１０内の気圧が低下する。バラストタンク１０内の気圧が低下すると、バラストタンク１０からの注排水ができなくなる可能性があり、緊急浮上等の対応が必要となる。したがって、水中機器１を水中で長期間運用することが困難となる。これに対して、上記の水中機器１では、バラストタンク１０から水中機器１の外部へ気体が排出されることを防ぐことができるため、水中機器１の運用も長期化が可能となる。

また、上記の水中機器１では、圧力計測部としての圧力センサＰＧにより計測されるバラストタンク１０内の気圧が基準圧未満である場合に、バラストタンク１０へ気体を返送する構成とされている。このような構成とすることで、バラストタンク１０内の気圧が基準圧から低下している際に気体を返送してバラストタンク１０内の気圧を高めることができるため、バラストタンク１０内の気圧の低下を防ぐ動作をより適切なタイミングで行うことができる。

また、上記の水中機器１では、水位計測部としての液面センサＬＧ１により計測されるバラストタンク１０内の水位が基準水位である場合に、バラストタンク１０へ気体を返送する構成とされている。このような構成とすることで、バラストタンク１０内の水位が適切であるにもかかわらず気圧が低下している際に気体を返送することができ、バラストタンク１０内の水位および気圧を適切に維持することができる。

また、上記の水中機器１のように、基準圧が大気圧以下である場合に、気体返送部４０の配管４１上の開閉弁Ｖ３の開閉により、バラストタンク１０へ気体を返送することが可能となる。したがって、気体返送部４０をより簡単な構成で実現することができる。なお、基準圧が大気圧より大きい場合であっても、気体返送部４０内の気体の圧力がバラストタンク１０内の気体の圧力よりも大きくすることができる場合には、上記の簡単な構成で気体返送部４０を構成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、上記の水中機器１における筐体２、バラストタンク１０等の形状は適宜変更される。また、バラストタンク１０における注排水を行う排水部２０、気水分離部３０、および、気体返送部４０等の機構についても、適宜変更することができる。

また、水中機器１は係留索等に係留されて浮遊している所謂水中浮遊式装置であってもよい。また、上記実施形態では、水中機器１が１つの筐体２を含む場合について説明したが、水中機器１が係留索に対して接続されている場合、プロペラをそれぞれ備えた２台の筐体２（ポッド）が連結部により連結されている構成としてもよい。この場合、２台の筐体２のそれぞれが係留索により水中の同一の固定点に対して係留される構成とすることができる。また、上記の構成は、海流等の水流を利用してプロペラの回転を電力に変換する浮遊式発電装置として実現されていてもよい。

また、上記の構造を有している場合、２台の筐体２のプロペラの回転方向を互いに異なる方向とすることで、２台の筐体２の姿勢を安定することができる。さらに、２台の筐体２を連結する連結部にさらに別の筐体２を有していてもよい。このように水中機器１が複数の筐体２を有している場合、バラストタンク１０、排水部２０、気水分離部３０および気体返送部４０に係る構成は、複数の筐体２のうちの少なくとも一つに設けられていればよい。

また、上記実施形態では、排水部２０が排水を行う場合について説明したが、注水に係る機構と排水に係る機構とが一体化されていてもよい。注水に係る機構および排水に係る機構の構成にかかわらず、気水分離部３０は、排水に使用される配管上に設けられる。

また、上記実施形態では、エアタンク４２において気体を貯留する構成について説明したが、気水分離部３０により分離された気体を貯留する構造は適宜変更することができる。例えば、エアタンク４２ではなく気体返送部４０に含まれる配管４１中に貯留する構造としてもよい。

また、気体返送部４０の配管４１は、バラストタンク１０の上部に接続されていない構成であってもよい。配管４１の配置および構造によっては、配管４１を介して気水分離部３０において分離された気体が、水と混合された状態でバラストタンク１０に返送される場合も考えられるが、このような構成であっても気体がバラストタンク１０に返送されることから水中機器１外への気体の排出を抑制することができる。

１水中機器
２筐体
１０バラストタンク
２０排水部
２１配管
３０気水分離部
４０気体返送部
４１配管
４２エアタンク

Claims

バラストタンクと、
前記バラストタンク内の水の排水を行う配管を有する排水部と、
前記配管上に設けられ、前記配管を流れる水から気体を分離する気水分離部と、
前記気水分離部により分離された気体を前記バラストタンクへ返送する気体返送部と、
を有する、水中機器。
前記バラストタンク内の気圧を計測する圧力計測部を有し、
前記気体返送部は、前記圧力計測部により計測される前記バラストタンク内の気圧が基準圧未満である場合に、前記バラストタンクへ前記気体を返送する、請求項１に記載の水中機器。
前記バラストタンク内の水位を計測する水位計測部を有し、
前記気体返送部は、前記水位計測部により計測される前記バラストタンク内の水位が基準水位である場合に、前記バラストタンクへ前記気体を返送する、請求項２に記載の水中機器。
前記基準圧は大気圧以下であって、
前記気体返送部は、前記気水分離部と前記バラストタンクとを接続する気体配管と、前記気体配管上に設けられた開閉弁と、を有し、
前記開閉弁の開閉により、前記バラストタンクへ気体を返送する、請求項２または３に記載の水中機器。