可変浮力圧力容器

可変浮力圧力容器システムは、潜水システム用の剛性浮力制御装置の一種であり、一定の容積を維持し、内容物の重量（質量）を変化させることで密度を変化させます。これは、周囲の流体を剛性圧力容器内外に移動させるか、内部と外部の可変容積容器間で貯蔵液体を移動させることによって行われます。圧力容器は、水中環境の静水圧に耐えるために使用されます。可変浮力圧力容器は、設計上の選択に応じて、内部圧力を周囲圧力より高くすることも低くすることもでき、圧力差は動作深度範囲内で正から負まで変化することも、圧力範囲全体にわたって正または負のいずれかを維持することもできます。

可変浮力は、外部サポートなしで水中で動作するあらゆる移動式水中システムの有用な特性です。[ 1 ]例としては、潜水艦、潜水艇、底生着陸船、遠隔操作型および自律型水中車両、水中ダイバーなどがあります。

いくつかの用途では、展開間の深度到達と水面復帰に正浮力から負浮力への1サイクル、そしてその逆1サイクルのみが必要です。一方、1回の展開中に数か月かけて数十から数百サイクルを必要とする用途や、変化する深度において一定の深度または中性浮力を維持するために、両方向への継続的な微調整を必要とする用途もあります。この機能にはいくつかの機構があり、正浮力と負浮力の間の複数サイクルに適したものもあれば、使用と使用の間に補充が必要なものもあります。これらの機構の適合性は、特定の用途に求められる特性によって異なります。

ダイビングシステムにおける可変浮力の用途

外部支援なしで水中で動作する移動式水中システムは可変浮力を必要とするため、[ 1 ] 、これらのシステムは水中車両の分野における主要な研究テーマとなっている。[ 2 ]例としては、潜水艦、潜水艇、底生着陸船、遠隔操作型および自律型水中車両、 [ 3 ]常圧および単気圧水中ダイバーなどが挙げられる。 [ 4 ]

潜水艦は水中に沈んだ状態では平衡状態に近づくことができるが、深度内では本質的に安定していない。密閉された耐圧殻構造は通常、水よりもわずかに圧縮性が高いため、深度が増すにつれて浮力を失う。[ 5 ]深度での浮力とトリムを正確かつ迅速に制御するために、潜水艦は深度制御タンク（DCT ）を使用する。これはハードタンク（高圧に耐えられるため）またはトリムタンクとも呼ばれる。これらは可変浮力圧力容器である。深度制御タンク内の水の量を制御することで船の浮力を変更し、水柱内で船を上下に移動させたり、外部条件（主に水の密度）の変化に応じて深度を一定に保ったりすることができる。また、トリムタンク間で水を送り込むことで、浮力に影響を与えずに縦方向または横方向のトリムを制御することができる。[ 6 ]

水中機の航行深度は、浮力制御（総重量または排水量のいずれかを変化させること）または推力ベクトル制御によって制御できます。浮力は、容積一定で機体総重量を変化させる[ 7 ]か、機体重量一定で排水量を変化させることによって制御できます。得られた浮力は、上下動速度とホバリング深度を制御するために用いられます[ 7 ]。また、水中グライダーでは、正または負の正味浮力が前進運動の駆動力として用いられます。

Aveloスキューバシステムは、主呼吸ガスシリンダーとスキューバ浮力補償器の両方として機能する可変浮力圧力容器と、シリンダーから取り外し可能な充電式バッテリー駆動のポンプとダンプバルブユニットを使用しています。[ 4 ] [ 8 ]

可変浮力システムは、係留海流タービン発電の深度制御に利用されることが検討されている。[ 9 ]

アプリケーションに最適な可変浮力システムのタイプは、必要な制御の精度、必要な変化の量、および展開中に必要な浮力変化のサイクル数によって異なります。[ 10 ]

可変浮力システムの種類

ポンプオイル定質量可変容量システム上：低容量、低浮力状態下：大容量、高浮力状態PV = 圧力容器Bi = 内部ベローズBo = 外部ベローズP = ポンプCV = チェックバルブV = バルブ
ピストン作動式オイル充填定質量可変容積システム上：低容積、低浮力状態下：高容積、高浮力状態PV = 圧力容器Bo = 外部ベローズP = ピストンC = シリンダーR = ピストンロッドM = モーター
揚水定容・可変質量システム左：低内圧、両方向に揚水右：高内圧、バラストは内部ガス圧により排出PV = 圧力容器LP = 低内圧HP = 高内圧P = ポンプCV = チェックバルブIV = 入口バルブOV = 出口バルブ

これまでに様々なタイプの可変浮力システムが使用されており、ここではそれらについて簡単に説明します。いくつかのシステムは、比較的非圧縮性の圧力容器をベースとしており、静水圧の変化に対してほぼ安定しています。

  • 重り排出可変質量システム。これは一般的に、周囲よりも密度の高いバラストを排出するシステムであり、排出後はバラストは消失します。このシステムはシンプルで、展開中に浮力調整を非常に限られた回数しか必要としない車両に適しています。フェイルセーフ排出機構の設置が容易なため、緊急時に正浮力を得るための一般的な方法です。固定された低密度物質を放出するための同様のシステムも可能です。[ 10 ]：21 重りまたは非圧縮性ブイは大気圧で保管されるため、これらも圧力容器ではありません。
  • 一方向タンク浸水可変質量システム。これは、外部作動圧力に耐えられる空のタンクであり、制御弁によって部分的または完全に浸水させることができる。タンクは、次の潜水のために水面で再び排水することができるが、潜水中に圧力がかかっている間は排水できない。[ 10 ] : 24
  • ポンプ式定質量可変容量オイルシステム。この方式は消費電力は大きいが、消耗品を排出しないため、電力が持続する限り無期限に繰り返し使用可能である。容積式ポンプは、ガス充填圧力容器内の可変容量容器に貯蔵されたオイルを外部の可変容量容器に移送し、車両の容積を非圧縮的に増加させる。戻り移送は、バルブによって制御される圧力差によって行われる場合もあれば、ポンプによって行われる場合もある。[ 10 ] : 24
    • ピストン駆動式のオイル充填定質量・可変容積システム。ポンプ式オイルシステムと非常によく似た仕組みですが、内部のオイル貯蔵部はシリンダー内にあり、ピストンは機械式駆動（通常は電動モーター）によって容積を増減します。実質的にピストンはポンプとして機能します。[ 10 ] : 25
  • ポンプ水可変浮力システム。周囲の水を圧力容器内外に送り出すことで、容器全体の密度を変化させ、ひいてはそれを構成部品とする車両の密度を変化させる。一方向への水の移動は圧力差によって可能となる場合もあるが、少なくとも一方向への水の移動はポンプで行わなければならない。このプロセスは、電力が持続する限り繰り返し実行可能であり、バラストは周囲から引き出される。[ 10 ] : 22

機構

潜水艦のように、船体の圧力殻内に設置された浮力タンクは、船体の内圧にさらされるため、タンクへの外圧負荷は比較的低くなる可能性があります。この場合、タンクへのバラスト水の移送にはポンプは不要ですが、流入する水量を正確に制御するために容積式ポンプが役立つ場合があります。バラスト水の排出は外圧に逆らって行われますが、その圧力は深度に依存し、通常はかなりの作業が必要となります。[ 6 ]

浮力タンクが周囲の静水圧に直接さらされる場合、深度による外部荷重は大きくなる可能性がありますが、内部のガス圧が十分に高ければ圧力差は小さくなり、圧力容器は座屈不安定性を引き起こす可能性のある高い正味外部圧力荷重を受けないため、構造重量を軽減できます。極端なケースでは、Avelo一体型潜水シリンダーと浮力制御装置の場合のように、内部圧力が最大作動深度で水バラストを急速に排出するほど高くなります。ポンプを用いて周囲の水を内部圧力に逆らって圧力容器内に送り込み、容積の減少に比例してガスをさらに圧縮するため、ガスの容積は減少しますが、常にいくらかのガスが残るため、内部容積全体をバラストを保持することはできません。圧力容器内の水と空気は、特定の方向での空気の排出を防止し、高圧下での空気のバラスト水への溶解を防止するために、膜またはフリーピストンによって分離される場合があります。[ 10 ] [ 4 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b Jensen, Harold Franklin III (2009年6月). 「2.2. 可変浮力の利点」 .可変浮力システムメトリック（論文）. マサチューセッツ工科大学. pp.  19– 20.
  2. ^ Ranganathan, Thiyagarajan; Thondiyath, Asokan.選択的水中展開のためのカスケード型可変浮力システムの設計と解析(PDF) . 第13回国際制御・自動化・ロボティクス情報科学会議 (ICINCO 2016) 議事録. 第2巻. SCITEPRESS – Science and Technology Publications, Lda. pp.  319– 326. doi : 10.5220/0005979903190326 . ISBN 978-989-758-198-4。
  3. ^ Worall, Mark; Jamieson, AJ; Holford, A.; Neilson, RD; Player, Michael; Bagley, Phil (2007年7月).深海探査機用可変浮力システム. OCEANS 2007 - Europe. doi : 10.1109/OCEANSE.2007.4302317 – ResearchGate経由.
  4. ^ a b c d「テクノロジー：Aveloソリューション」 . diveavelo.com . Avelo Labs. 2021年11月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年11月24日閲覧。
  5. ^ Moore, CS (1974年8月). 「無傷安定性：水没時の平衡：深度安定性」. コムストック, ジョン・P. (編). 『造船学の原理（改訂版）』. ニューヨーク州ニューヨーク：造船技術者協会. pp.  111– 112.
  6. ^ a b c「艦隊型潜水艦オンライン：潜水艦のトリムと排水システム。Navpers 16166」。maritime.org 。 2022年1月1日閲覧。サンフランシスコ海洋国立公園協会経由。
  7. ^ a b Tiwari, Brij Kishor; Sharma, Rajiv (2020年4月8日). 「状態フィードバック制御器を用いた水中車両の効率的なホバリング制御のための可変浮力システムの設計と分析」 . Journal of Marine Science and Engineering . 8 (4). MDPI: 263. Bibcode : 2020JMSE....8..263T . doi : 10.3390/jmse8040263 .
  8. ^ 「新型タンクでスキューバダイバーはBCD不要に」スキューバダイビングPADIメディア 2021年11月22日
  9. ^ハサンカニ、アレズー;ヴァンツヴィーテン、ジェームズ。タン、ユーフェイ。ブロック、ダンラップ。デ・ルエラ、アレクサンドラ。スルタン、コーネル。ニコラオス、シロス（2021年7月）。「浮力制御海流タービンのモデリングと数値シミュレーション」。国際海洋エネルギージャーナル。4 (2): 47–58 .土井: 10.36688/imej.4.47-58。S2CID 238999433。 
  10. ^ a b c d e f g Jensen, Harold Franklin III (2009年6月). 「3. 現在のVBシステム」 .可変浮力システムメトリック（論文）. マサチューセッツ工科大学. pp.  21– 26.
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