JP7512907B2

JP7512907B2 - 水中機器

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Publication number: JP7512907B2
Application number: JP2021004275A
Authority: JP
Inventors: 泰大石黒
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2024-07-09
Anticipated expiration: 2041-01-14
Also published as: JP2022108995A

Description

本発明は、水中機器に関する。

従来、水中で用いられる水中機器として、例えば、国際公開第２０１４／１６３１４１号に記載されるように、バラストタンクを備え、バラストタンクへ注排水することにより浮力調整を行うものが知られている。この水中機器は、圧縮空気を充填したタンクを有しており、バラストタンクの排水時にバラストタンクへ圧縮空気を供給して排水を促している。

国際公開第２０１４／１６３１４１号

このような水中機器は、水中活動を継続して行うことが難しい。例えば、バラストタンクの排水時に圧縮空気が必要であり、圧縮空気を使い切ってしまうと圧縮空気の補充が必要となる。このため、陸上へ移動したり支援船舶により支援を受けるなどして圧縮空気の補充を行うことが必要となり、水中活動を中断せざるを得ない。

そこで、水中活動を継続して行える水中機器の開発が望まれている。

そこで、本開示の一態様に係る水中機器は、水中で用いられる水中機器において、注排水により浮力調整を行うバラストタンクと、バラストタンクに対し注排水を行う注排水部と、バラストタンク内の気圧を計測する気圧計測部と、バラストタンクと外部を連通し、バラストタンクにエアを供給するための配管と、配管に設けられ配管の連通状態と遮断状態を切り替える開閉弁と、バラストタンクへのエア補充の制御を行う制御部とを備え、制御部は、バラストタンクの基準水位時の気圧を基準気圧に設定し、注排水を行うバラストタンク内の気圧が基準気圧以下に設定される閾値未満となった場合に水面への浮上を行わせ、開閉弁を作動させ配管を連通状態とし配管を通じ外部からバラストタンクへエアを補充させるように構成されている。この水中機器によれば、圧縮空気を用いることなく、バラストタンクへエアを供給することができる。このため、圧縮空気の補充を行うことなく、継続して水中活動を行うことができる。また、圧縮空気を貯留するためのタンクが不要であり、圧縮空気をバラストタンクへ送り込む設備も不要である。このため、水中機器の小型化を図ることができ、圧縮空気のタンク等の設置のためのスペースを他の用途に有効利用することができる。

また、本開示の一態様に係る水中機器において、基準気圧は大気圧であってもよい。この場合、配管を通じてバラストタンクの内部を水中機器の外部と連通することにより、バラストタンクの基準水位時の気圧を容易に基準気圧に設定することができる。

また、本開示の一態様に係る水中機器において、水中機器は、水流により発電する水流発電装置であってもよい。

本開示に係る発明によれば、水中機器の水中活動を継続して行うことができる。

本開示の実施形態に係る水中機器の概要を示す図である。図１の水中機器の電気的構成の概要を示す図である。図１の水中機器の動作を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本開示の実施形態に係る水中機器の概要を示す図である。図２は、水中機器の電気的構造の概要図である。

図１に示すように、水中機器１は、水中で用いられる機器であり、水中で作動する水流発電装置に適用したものである。例えば、水中機器１は、水中に本体１１を浮遊させ、本体１１に設けられたタービン１２を水流によって回転させ、タービン１２の回転によって発電を行う。この水中機器１は、例えば海洋に設置され、海流によって発電する。本体１１は、係留ロープ１３によりアンカ１４に係留されている。アンカ１４は、海底に設置される重量物である。本体１１には、図示しないケーブルが接続され、このケーブルを通じて発電した電力が伝送される。水中機器１は、浮力調整により、水面への浮上及び水中への沈降を行うことができる。なお、水中機器１は、水中で用いられる機器であり、潜行せず水上のみを移動する船舶、移動体などを含まない。

図２に示すように、水中機器１は、バラストタンク２、注排水部３、気圧計測部４、液位計測部５、配管６、開閉弁７及び制御部８を備えている。水中機器１の本体１１内には、バラストタンク２が設けられている。バラストタンク２は、注排水により水中機器１の浮力調整を行うタンクである。例えば、バラストタンク２は、水中機器１の外部の海水を注水して浮力を低下させ、内部の海水を排水して浮力を上昇させる。注排水部３は、バラストタンク２に対し注排水を行う注排水ユニットである。注排水部３は、バラストタンク２と水中機器１の外部を連通する管体３１の途中に設けられている。例えば、注排水部３はポンプを有し、このポンプの作動により管体３１を通じバラストタンク２に対する注排水を行う。注排水部３は、制御部８に電気的に接続され、制御部８の制御信号に従って作動する。なお、図２では説明の便宜上、管体３１として一本の管のみを図示しているが、管体３１は注水用と排水用の複数の管により構成されていてもよい。

気圧計測部４は、バラストタンク２内の気圧を計測する気圧計測器である。例えば、気圧計測部４としては、気圧を計測可能な気圧センサが用いられる。この気圧計測部４としては、バラストタンク２内の気圧を計測できるものであれば、いずれのタイプの気圧センサを用いてもよい。気圧計測部４は、バラストタンク２に設けられ、バラストタンク２の内部のエアの気圧を計測する。気圧計測部４は、制御部８に電気的に接続され、制御部８に対し計測信号を出力する。

液位計測部５は、バラストタンク２内の水位を計測する液位計測器である。例えば、液位計測部５としては、水位を計測可能な液位センサが用いられる。この液位計測部５としては、バラストタンク２内の水位を計測できるものであれば、いずれのタイプの液位センサを用いてもよい。液位計測部５は、バラストタンク２に設けられ、バラストタンク２の内部の水位を計測する。液位計測部５は、制御部８に電気的に接続され、制御部８に対し計測信号を出力する。

配管６は、バラストタンク２と水中機器１の外部を連結し、バラストタンク２に外部からエアを供給するための管体である。例えば、配管６の一端はバラストタンク２の上部に接続され、配管６の他端は水中機器１の上部で水中機器１の外部と連なっている。このため、バラストタンク２内の気圧が大気圧より低い場合、配管６を通じてバラストタンク２内へエアを取り込むことができる。

開閉弁７は、配管６に設けられ、配管６の連通状態と遮断状態を切り替えるバルブである。開閉弁７としては、例えば電磁弁が用いられ、制御信号に応じて開閉する。開閉弁７が閉弁している場合、配管６は遮断状態となり、バラストタンク２には外気のエアが供給されない。一方、開閉弁７が開弁している場合、配管６は連通状態となり、バラストタンク２には外気のエアが供給される。開閉弁７は、制御部８に電気的に接続され、制御部８の制御信号に従って開閉する。

制御部８は、水中機器１の作動を制御する制御器又は電子制御ユニットであり、特に水中機器１におけるバラストタンク２のへのエア供給の制御を行う。また、制御部８は、水中機器１の浮力調整の制御及びバラストタンク２の注排水制御を行う。制御部８としては、例えばＣＰＵ（CentralProcessing 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が用いられる。

制御部８は、各種センサの計測信号を読み込んで記録する。例えば、制御部８は、気圧計測部４から出力される計測信号を読み込んで記録する。また、制御部８は、液位計測部５から出力される計測信号を読み込んで記録する。この記録処理は、所定の周期で繰り返し行われる。制御部８は、基準気圧の設定処理を行う。基準気圧は、バラストタンク２内の基準となる気圧であり、例えば大気圧が基準気圧とされる。具体的には、制御部８は、バラストタンク２内の海水が基準水位となっており水中機器１が水面に浮上している場合に、開閉弁７を開くことにより配管６を通じてバラストタンク２の内部を外気と連通させる。これにより、バラストタンク２内の気圧が大気圧となり、基準気圧が大気圧として設定される。ここで基準水位は、例えばバラストタンク２における最低水位とされる。

制御部８は、気圧の閾値を設定する。例えば、制御部８は、基準気圧以下の気圧値を気圧の閾値として設定する。この閾値は、バラストタンク２内の気圧が低下したことを認識するための気圧値である。制御部８は、注排水制御を行う。例えば、制御部８は、水中機器１の沈降及び浮上の指令に応じて、水中機器１の浮力を調整すべく、バラストタンク２の注排水制御を行う。具体的には、制御部８は、注排水部３に制御信号を出力して注排水部３を作動させる。注排水部３は、水中機器１を沈降させる場合、管体３１を通じてバラストタンク２内へ海水を注入する。一方、注排水部３は、水中機器１を浮上させる場合、管体３１を通じてバラストタンク２から海水を排水する。このとき、注排水部３は、圧縮空気を用いることなく、ポンプなどの動力により海水をバラストタンク２から排出する。

制御部８は、気圧の判定処理を行う。気圧の判定処理は、バラストタンク２内の気圧が閾値未満であるか否かを判定する処理である。制御部８は、気圧計測部４により計測される気圧が閾値未満であるか否かを判定する。制御部８は、水中機器１の浮上制御を行う。この浮上制御は、バラストタンク２にエアの補充が必要な時に水中機器１を水面へ浮上させる制御である。例えば、制御部８は、バラストタンク２から海水を排出し水中機器１の浮力を増大させて水中機器１を浮上させる。制御部８は、エアの補充処理を行う。この補充処理は、バラストタンク２内へエアを補充させる処理である。例えば、制御部８は、水中機器１が水面へ浮上している場合に、開閉弁７を開く。これにより、バラストタンク２の内部と外気が連通し、配管６を通じてバラストタンク２内へエアが供給される。

制御部８は、例えば、上述した気圧の設定処理、注排水制御、気圧の判定処理、浮上制御及びエアの補充処理を機能させるプログラムを導入することにより、それぞれの処理及び制御を実行する。また、制御部８は、それぞれの処理又は制御を実行する個別の制御ユニットを備えて構成されていてもよい。例えば、制御部８は、気圧設定部、注排水制御部、気圧判定部、浮上制御部及びエア補充部というように、個別の制御ユニットを備えるように構成されていてもよい。

次に、本実施形態に係る水中機器１の動作について説明する。

図３は、水中機器１のエア補充制御を示すフローチャートである。図３のフローチャートは、例えば水中機器１の作動時に制御部８によって実行される。まず、ステップＳ１０（以下、単に「Ｓ１０」という。以降のステップについても同様とする。）に示されるように、基準気圧の設定処理が行われる。この設定処理は、バラストタンク２内の海水が基準水位である時の基準気圧を設定する処理である。例えば、制御部８は、バラストタンク２内の海水が基準水位（例えば最低水位）となっており水中機器１が水面に浮上している場合に、開閉弁７を開くことにより配管６を通じてバラストタンク２の内部を外気と連通させる。これにより、バラストタンク２内の気圧が大気圧となり、基準気圧が大気圧として設定される。

次いで、Ｓ１２に制御処理が移行し、注排水制御が行われる。注排水制御は、水中機器１を沈降又は浮上させるためにバラストタンク２に対し注排水を行う制御である。例えば、水中機器１を沈降させる場合、制御部８は、注排水部３に制御信号を出力し注排水部３を作動させ、管体３１を通じてバラストタンク２内へ海水を注入させる。一方、水中機器１を浮上させる場合、制御部８は、注排水部３に制御信号を出力し注排水部３を作動させ、管体３１を通じてバラストタンク２内から海水を排出させる。

このようにバラストタンク２に対する注排水を行うことにより、バラストタンク２内のエアが海水に溶け込みその海水が排出される。これにより、バラストタンク２内のエアが減ることでバラストタンク２内の気圧が徐々に低下し基準気圧より低下することとなる。

そして、Ｓ１４に制御処理が移行し、制御部８により、バラストタンク２内の気圧が閾値未満であるか否かが判定される。すなわち、制御部８は、気圧計測部４により計測される気圧が予め定めた閾値未満であるか否かを判定する。このように、バラストタンク２内の気圧が閾値未満であるか否かを判定することにより、バラストタンク２にエアを補充すべき時であるか否かを判断することができる。

Ｓ１４において、バラストタンク２内の気圧が閾値未満でないと判定された場合、Ｓ２０に制御処理が移行する。一方、Ｓ１４において、バラストタンク２内の気圧が閾値未満であると判定された場合、浮上制御が行われる（Ｓ１６）。浮上制御は、バラストタンク２にエアを補充するために水中機器１を水面へ浮上させる制御である。例えば、制御部８は、注排水部３に制御信号を出力して注排水部３を作動させバラストタンク２内の海水を排出させる。これにより、水中機器１の浮力が増大して、水中機器１が水面に向けて浮上する。

そして、水中機器１が水面まで浮上したら、エアの補充処理が行われる（Ｓ１８）。エアの補充処理は、バラストタンク２内へ外気を導入しエア補充する処理である。例えば、制御部８は、開閉弁７に制御信号を出力し、開閉弁７を開き、配管６を連通状態とする。これにより、バラストタンク２の内部と外気が連通し、配管６を通じてバラストタンク２内へエアが供給される。このとき、バラストタンク２内の気圧は、大気圧より低くなっているため、開閉弁７を開くだけで、バラストタンク２内にエアを容易に補充することができる。このとき、バラストタンク２の水位は、例えば基準水位とされる。このように、外気を用いてバラストタンク２のエア補充を行うことにより、水中機器１に圧縮空気を搭載する必要がない。このため、水中機器の小型化を図ることができる。また、圧縮空気のタンク等の設置のためのスペースが不要であるため、水中機器１の内部スペースを他の用途に有効利用することができる。

そして、Ｓ２０に制御処理が移行し、水中機器１の作動を完了するか否かが判定される。水中機器１の作動を完了する場合とは、水中機器１の稼働を停止する場合であって、例えば水中機器１のメンテナンスを行う場合や水中機器１を撤収する場合などである。水中機器１の作動を完了しない場合とは、水中機器１を継続して稼働させる場合である。Ｓ２０において水中機器１の作動を完了しないと判定された場合、Ｓ１２に制御処理が戻り、注排水制御が実行される。一方、Ｓ２０において水中機器１の作動を完了すると判定された場合、図３の一連の制御処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る水中機器１によれば、圧縮空気を用いることなく、バラストタンク２へエアを供給することができる。このため、圧縮空気の補充を行うことなく、継続して水中活動を行うことができる。つまり、圧縮空気を使い切った時に稼働を中断して圧縮空気を補充する必要がない。従って、水中機器１の水中活動が効率良く行うことができる。

また、本実施形態に係る水中機器１によれば、圧縮空気を貯留するためのタンクが不要であり、圧縮空気をバラストタンク２へ送り込む設備も不要である。このため、水中機器１の小型化を図ることができ、圧縮空気のタンク等の設置のためのスペースを他の用途に有効利用することができる。

また、本実施形態に係る水中機器１において、基準気圧を大気圧とする場合、配管６を通じてバラストタンク２の内部を水中機器１の外部と連通することにより、バラストタンク２の基準水位時の気圧を容易に基準気圧に設定することができる。

このように、本開示は、例えば、国連が主導する持続可能な開発目標（Sustainable Development Goals：SDGｓ）の目標14海の豊かさを守ろう「海洋と海洋資源を持続可能な開発に向けて保全し、持続可能な形で利用する」に貢献することができる。

以上のように、本開示の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様で実施することができる。

例えば、上述した実施形態においては、水中機器１を海中に設置して発電する場合について説明したが、河川などの水中に設置して発電を行うものであってもよい。この場合であっても、上述した実施形態と同様な作用効果を得ることができる。

また、上述した実施形態においては、水中機器１を水流発電装置に適用した場合について説明したが、水中機器１を水流発電装置以外の機器に適用してもよい。例えば、水中機器１を潜水調査船、水中探査船、潜水艦などに適用してもよい。この場合であっても、上述した実施形態と同様な作用効果を得ることができる。

１水中機器
２バラストタンク
３注排水部
４気圧計測部
５液位計測部
６配管
７開閉弁
８制御部
１１本体
１２タービン
１３係留ロープ
１４アンカ
３１管体

Claims

水中で用いられる水中機器において、
注排水により浮力調整を行うバラストタンクと、
前記バラストタンクに対し注排水を行う注排水部と、
前記バラストタンク内の気圧を計測する気圧計測部と、
前記バラストタンクと外部を連通し、前記バラストタンクにエアを供給するための配管と、
前記配管に設けられ、前記配管の連通状態と遮断状態を切り替える開閉弁と、
前記バラストタンクへのエア補充の制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記バラストタンクにエアを補充するために前記水中機器を水面へ浮上させる浮上制御を行い、
前記バラストタンクの基準水位時の気圧を基準気圧に設定し、注排水を行う前記バラストタンク内の気圧が基準気圧以下に設定される閾値未満となった場合に前記浮上制御により前記水中機器の全体の水面への浮上を行わせ、前記開閉弁を作動させ前記配管を連通状態とし前記配管を通じ外部から前記バラストタンクへエアを補充させる、
水中機器。
前記制御部は、前記浮上制御として、前記バラストタンクから水を排出し前記水中機器の浮力を増大させて前記水中機器を水面へ浮上させる、請求項１に記載の水中機器。
前記基準気圧は、大気圧である、請求項１又は２に記載の水中機器。
前記水中機器は、水流により発電する水流発電装置である、請求項１～３の何れか一項に記載の水中機器。