可変浮力圧力容器

可変浮力圧力容器システムは、ダイビング システム用の剛性浮力制御装置の一種で、一定の容積を維持し、内容物の重量 (質量) を変更して密度を変化させます。変更は、剛性圧力容器の内外に周囲の流体を移動させるか、内部と外部の可変容積容器の間で貯蔵液体を移動させることによって行います。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。可変浮力圧力容器の内部圧力は、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、設計の選択に応じて、動作深度範囲内で正から負まで変化することも、圧力範囲全体で正または負のままにすることもできます。

可変浮力は、外部からの支援なしに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。

いくつかのアプリケーションでは、展開の間に深度まで潜って水面に戻るのに、正から負へ、そしてまた正へ戻る 1 サイクルだけが必要です。他のアプリケーションでは、1 回の展開中に数か月にわたって数十から数百のサイクルが必要になる場合や、変化する深度で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ではあるがごくわずかな調整が必要になる場合があります。この機能にはいくつかのメカニズムが利用できます。正と負の浮力間の複数サイクルに適したものもあれば、使用の合間に補充が必要なものもあります。それらの適合性は、特定のアプリケーションに必要な特性によって異なります。

外部からの支援なしに水中で動作する移動式水中システムには可変浮力が必要であり、^{[1]そのため、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ます。^{[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]}および大気圧および単一気圧の水中ダイバーなどがあります。 ^[4]

潜水艦は水中に沈んだ状態で平衡状態に近づくことができるが、深度内での安定性は本質的にない。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く、その結果、深度が増すにつれて浮力が失われる。^[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）が変化しても一定の深度を維持したりすることができ、トリムタンク間で水をポンプで送り、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]

水中車両の作動深度は、浮力を制御する（総重量または排水量のいずれかを変更する）か、または推力をベクトル化することで制御できます。浮力は、容積を一定にして車両の総重量を変更するか、^[7]車両重量を一定にして排水量を変更することで制御できます。結果として生じる浮力は、上下動速度とホバリング深度を制御するために使用され、^[7]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原動力として使用されます。

Aveloスキューバシステムは、可変浮力圧力容器を使用しています。これは、主な呼吸ガスシリンダーとスキューバ浮力補償装置の両方であり、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備えています。^{[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、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]

これまでに使用されてきた可変浮力システムにはいくつかの種類があり、ここでは簡単に説明します。一部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。

• 潜水艦のメインバラストタンクや、膨張式ダイバー浮力補正装置などの大気圧浮力/バラストタンク（深度の変化によって不安定になる）。^{[6] [4]}内容物が大気圧にあるため、これらは圧力容器ではない。

• 重量排出可変質量システム。これは一般的に、周囲よりも高密度のバラストを排出するシステムであり、排出されるとバラストは失われます。このシステムはシンプルで、展開中に非常に限られた数の浮力調整のみを行う必要がある車両に適しています。これは、フェイルセーフ排出メカニズムを配置するのが簡単なため、緊急時に正浮力を実現す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類似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ることができ、制御弁によって部分的または完全に浸水できる空のタンクです。タンクは、その後のダイビングのために水面で再び排水できますが、ダイビング中に圧力がかかっている間は排水できません。^{[10] : 24}

• ポンプ式定質量可変容量システム。この方法はより多くの電力を消費しますが、消耗品を排出しないため、電力が続く限り無期限に繰り返し使用できます。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ます。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ります。^{[10] : 24}

• • ピストン駆動のオイル充填定質量可変容量システム。これはポンプオイルシステムと非常によく似た仕組みだが、内部貯蔵庫はシリンダー内にあり、ピストンは機械的駆動（通常は電動モーターで駆動）によって容積を増減する。実質的にピストンはポンプの役割を果たす。^{[10] : 25}

• ポンプ水可変浮力システム。圧力容器の内外の水を移動させることで、容器全体の密度を変化させ、それによって容器を構成する車両の密度を変化させる。一方向では圧力差によってこの移動は可能かもしれないが、少なくとも一方向ではポンプで汲み上げなければならない。このプロセスは、バラストが周囲から引き出されるため、電力が続く限り繰り返し実行できる。^{[10] : 22}

潜水艦のように船体の圧力殻内にある浮力タンクは船体の内圧にさらされるため、タンクにかかる外圧負荷は比較的低い。この場合、タンクへのバラスト水の移送にポンプは必要ないかもしれないが、容​​積式ポンプは流入する水の量を正確に制御するのに依然として有用である。バラスト水の排出は外圧に逆らって行われるが、外圧は深度に依存し、通常はかなりの作業が必要となる。^[6]

浮力タンクが周囲の静水圧に直接さらされる場合、深度による外部負荷は高くなる可能性があるが、内部のガス圧が十分に高ければ、圧力差は低くなり、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負荷を受けず、構造重量を低く抑えることができる。極端な場合、内部圧力は、最大動作深度で水バラストを急速に排出するのに十分な高さであり、これは Avelo 統合型潜水シリンダーおよび浮力制御装置の場合と同様である。ポンプを使用して、内部圧力に逆らって周囲の水を圧力容器内に移動させ、体積減少に比例してガスをさらに圧縮するため、ガスの体積は減少するが、常にいくらかのガスの体積が残るため、内部容積全体をバラストを保持するために使用することはできません。圧力容器内の水と空気は、特定の方向で空気が排出されるのを防ぎ、高圧下で空気がバラスト水に溶解するのを防ぐために、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]}

• 自律型水中車両 – 自律誘導システムを備えた無人水中車両
• バラストタンク – 液体バラストを保管するための区画
• 底着陸船 – 海底の測定用プラットフォーム
• 浮力補正装置（ダイビング）  - ダイバーの浮力を制御するための装置
• 浮力エンジン – 推進力を得るために体の浮力を変化させる装置
• 潜水艇 – 水中を航行できる小型船舶
• 遠隔操作型水中車両 - 遠隔地の乗組員によって操作される有線式水中移動装置
• 水中グライダー – 自律型水中車両の一種
• 可変浮力推進 - 推進力を得るために浮力エンジンを使用する