特許 6935110 回流水槽の水位調整装置および水位調整方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6935110

(24)【登録日】2021年8月27日

(45)【発行日】2021年9月15日

(54)【発明の名称】回流水槽の水位調整装置および水位調整方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 10/00 20060101AFI20210906BHJP

【ＦＩ】

   G01M10/00

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2020-110736(P2020-110736)

(22)【出願日】2020年6月26日

【審査請求日】2020年8月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】590005874

【氏名又は名称】株式会社西日本流体技研

(74)【代理人】

【識別番号】100197642

【弁理士】

【氏名又は名称】南瀬 透

(74)【代理人】

【識別番号】100099508

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 久

(74)【代理人】

【識別番号】100182567

【弁理士】

【氏名又は名称】遠坂 啓太

(72)【発明者】

【氏名】▲柳▼本 亮仁

【審査官】 瓦井 秀憲

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０７６１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１８３３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１９８３２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１１２５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１１１３０７４１０（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｍ １０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回流水槽における水流の流速に対応する定在波の腹の位置の水位を測定する水位測定手段と、
前記水位測定手段により測定された水位に応じて前記回流水槽の水を給排水して、前記回流水槽を適正水位とする給排水手段とを備えた回流水槽の水位調整装置。

【請求項2】

前記水位測定手段は、前記回流水槽の水位を測定する水位測定装置と、前記回流水槽の流速に対応する定在波の腹の位置に、前記水位測定装置を流れ方向に平行に移動させる平行移動装置とを備えた請求項１記載の回流水槽の水位調整装置。

【請求項3】

前記水位測定手段により、前記回流水槽における水流の流速が０のときの流れ方向に沿った水位を適正水位として格納されると共に、流速ごとの定在波の腹の位置が格納される記憶部を備え、
前記水位測定手段は、流速に対応する定在波の腹の位置を前記記憶部から読み出し、定在波の腹の位置の水位を測定し、
前記給排水手段は、測定された腹の位置の水位と前記適正水位との大小関係により、給水または排水を行う請求項１または２記載の回流水槽の水位調整装置。

【請求項4】

水位測定手段が、回流水槽における水流の流速に対応する定在波の腹の位置の水位を測定するステップと、
給排水手段が、前記水位測定手段により測定された水位に応じて前記回流水槽の水を給排水して、前記回流水槽を適正水位とするステップとを含む回流水槽の水位調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回流水槽の水流の水位を適正水位に調整する水位調整装置および水位調整方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

回流水槽では、模型船を使用して様々な検証が行われている。そのため、水位が変化すると、検証結果が影響を受け、精度よい検証を行うことが困難となる。
従って、回流水槽を使用した各種試験において、計測精度を向上させるためには、試験状態の再現性を高めることが非常に重要である。

【0003】

この試験状態の再現性に影響を与える要因の一つとして、定在波と呼ばれる波があり、この定在波は観測部の水位を適正に調整することによって小さくすることが可能となる。
この水位の調整は、水槽への給排水により行われているが、目視にて定在波を観測しながら給排水を行う作業は、適正水位とする判断には熟練した技術が必要である。

【0004】

このような回流水槽の水位調整について特許文献１に記載されたものが知られている。
特許文献１に記載の回流水槽の水位調整装置は、回流水槽のインペラ軸に備えたエンコーダ等によって得られるインペラ回転数と、設定インペラ回転数との回転数差から補正水量を演算し、補正水量によって給水系或いは排水系のいずれかの流体制御弁を選択し、開動作させる、というものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平４−１０４０３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、特許文献１に記載の回流水槽の水位調整装置では、インペラの回転数から補正のための給排水の水量を決定している。定在波は、流速以外に観測部に設置される模型船などの供試体の形状、さらには供試体によって生じる波などの様々な要因によっても影響を受ける。回流水槽における船型開発試験では、波高数ｍｍの定在波が試験結果に大きな影響を与えるが、仮に容量が１００トンの大型の回流水槽であっても、わずか数リットルの容量の変化により定在波の波高は数ｍｍ単位で変化してしまう。
従って、特許文献１に記載の回流水槽の水位調整装置では、正確に定在波を抑え込むことが難しい。

【0007】

リアルタイムに定在波を計測しながら給排水を行い、適正水位を設定することが可能となれば、より再現性の高い試験が実施可能となる。

【0008】

そこで本発明は、リアルタイムに定在波を計測しながら給排水を行い、適正水位を設定することが可能な回流水槽の水位調整装置および水位調整方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の回流水槽の水位調整装置は、回流水槽における水流の流速に対応する定在波の腹の位置の水位を測定する水位測定手段と、前記水位測定手段により測定された水位に応じて前記回流水槽の水を給排水して、前記回流水槽を適正水位とする給排水手段とを備えたことを特徴とする。

【0010】

また、本発明の回流水槽の水位調整方法は、水位測定手段が、回流水槽における水流の流速に対応する定在波の腹の位置の水位を測定するステップと、給排水手段が、前記水位測定手段により測定された水位に応じて前記回流水槽の水を給排水して、前記回流水槽を適正水位とするステップとを含むことを特徴とする。

【0011】

本発明によれば、水位測定手段が、水流の流速に対応する定在波の腹の位置の水位を測定するので、回流水槽に供試体が浮かべられ、測定環境が変わっても、測定された水位に応じて、給排水手段が給排水することで適正水位を保つことができる。

【0012】

前記水位測定手段は、前記回流水槽の水位を測定する水位測定装置と、前記回流水槽の流速に対応する定在波の腹の位置に、前記水位測定装置を流れ方向に平行に移動させる平行移動装置とを備えたものとすることができる。
回流水槽の水位を測定する水位測定装置が、平行移動装置により、流れ方向に沿って移動するので、１台の水位測定装置により流速に応じて発生する定在波の腹の水位を、細かなステップで測定することができる。

【0013】

前記水位測定手段により、前記回流水槽における水流の流速が０のときの流れ方向に沿った水位を適正水位として格納されると共に、流速ごとの定在波の腹の位置が格納される記憶部を備え、前記水位測定手段は、流速に対応する定在波の腹の位置を前記記憶部から読み出し、定在波の腹の位置の水位を測定し、前記給排水手段は、測定された腹の位置の水位と前記適正水位との大小関係により、給水または排水を行うものとすることができる。
予め適正水位と、流速ごとの定在波の腹の位置とが測定されて記憶部に格納されているため、流速が決まれば水位の測定位置が決定され、その位置の水位を適正水位に合わせるように回流水槽の水を給排水すればよいので、迅速に適正な水位に調整することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明は、測定環境が変わっても、測定された水位に応じて、給排水手段が給排水することで適正水位を保つことができるので、リアルタイムに定在波を計測しながら給排水を行い、適正水位を設定することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施の形態に係る水位調整装置が設置された回流水槽を示す図である。

【図2】図１に示す水位調整装置の制御装置の構成を説明するための図である。

【図3】図１に示す水位調整装置により水位検定を行った結果を示す図であり、（Ａ）は、結果を示す表、（Ｂ）は定在波を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の実施の形態に係る回流水槽の水位調整装置を図面に基づいて説明する。
図１に示す本実施の形態に係る回流水槽１００の水位調整装置１は、リアルタイムに定在波を計測しながら給排水を行い、適正水位を設定することを可能とするものである。

【0017】

（回流水槽の構成）
まず、回流水槽１００の構成について説明する。
回流水槽１００は、一定方向の水流が循環する水槽１１０と、水槽１１０内の水を強制的に循環させる水流を生じさせる水流発生装置１２０と、観測部１１１における水深方向の流速分布を均一にするための表面加速装置１３０とを備えている。
水槽１１０は、例えば、垂直型タイプつまり上下回りに循環する水槽である。水槽１１０は、その上部側には各種の実験を計測する観測部１１１が形成されている。観測部１１１は、外側から観測できるよう、上方が開放され、側方は透明な樹脂板やガラス板による観測窓１１１ａが配置されている。

【0018】

観測部１１１内の上流側には、観測部１１１内に循環流入する水の流入口が開口されている。観測部１１１内の下流側には、観測部１１１内を流れた水を排出する排出口が開口されている。これら流入口及び排出口が形成された観測部１１１両端の外側には、流入管路１１２および排出管路１１３が各々設けられ、一端側が接続されている。

【0019】

流入管路１１２および排出管路１１３の他端側には、下側方向に向かって約９０度湾曲された上部コーナー部１１５，１１５がそれぞれ形成され、一端側が接続されている。上部コーナー部１１５，１１５の下方に向かって湾曲された他端側には、内向きの水平方向に向かって約９０度湾曲された下部コーナー部１１６，１１６が設けられ、一端側が接続されている。そして、下部コーナー部１１６，１１６の他端部は、観測部１１１の下方に配設された連通管路１１７と接続されている。

【0020】

水流発生装置１２０は、連通管路１１７の内部に設けられた送流用インペラ１２１と、送流用インペラ１２１を駆動するためのインペラシャフト１２２と、インペラシャフト１２２が水槽１１０から外側へ延びて回転軸に連結するモーター１２３とを備えている。

【0021】

（水位調整装置の構成）
このような回流水槽１００の水位を調整する水位調整装置１の構成について説明する。
本実施の形態に係る水位調整装置１では、回転数検出装置２と、水位測定装置３と、平行移動装置４と、給排水装置５と、制御装置６を備えている。

【0022】

回転数検出装置２は、インペラシャフト１２２に設けられたロータリーエンコーダなどとすることができる。ロータリーエンコーダは、光電式、磁気式、静電容量式などとすることができる。回転数検出装置２は、測定した信号を制御装置６に出力する。

【0023】

水位測定装置３は、観測部１１１の上方に配置され、波高を測定するものである。水位測定装置３は、レーザ変位計とすることができる。
平行移動装置４は、観測部１１１の上方に流れ方向Ｆ１に平行に配置されている。平行移動装置４は、水位測定装置３を流れ方向と平行に一次元移動させる。平行移動装置４は、水位測定装置３（レーザ変位計）が装着された取付部が流れ方向と平行に配置された軸部を移動する、Ｘ軸トラバーサ（一次元トラバーサ）とすることができる。
水位測定装置３は、測定した信号を制御装置６に出力する。また、平行移動装置４は、制御装置６からの指示によって水位測定装置３を移動させる。

【0024】

給排水装置５は、回流水槽１００に、指示された水量の給水をしたり、排水をしたりする。本実施の形態では、給排水装置５は、貯水タンク５１と、給水ポンプ５２と、排水ポンプ５３と、給水用流量計５４と、排水用流量計５５とを備えたものとすることができる。

【0025】

貯水タンク５１は、水槽１１０に給水する水が貯留され、水槽１１０から排水された水が貯留される。
給水ポンプ５２は、貯水タンク５１から水槽１１０へ導水する。排水ポンプ５３は、水槽１１０から貯水タンク５１へ汲み上げる。
給水用流量計５４は、貯水タンク５１から給水ポンプ５２を介して水槽１１０までの管路に配置され、給水ポンプ５２による流量を測定する。排水用流量計５５は、水槽１１０から給水ポンプ５２を介して貯水タンク５１までの管路に配置され、排水ポンプ５３による流量を測定する。

【0026】

図２に示すように、制御装置６は、水位調整装置１の全体を統括制御するものである。制御装置６は、検定演算部６１と、流速指定部６２と、位置指定部６３と、水位演算部６４と、給排水指示部６５と、入力部６６と、表示部６７と、記憶部６８とを備えている。

【0027】

検定演算部６１は、事前に調整用テーブル（検定データ）を作成する際に、各種の演算を行うものである。
流速指定部６２は、所望とする流速が入力されると、流速に応じた回転数となるようモーター１２３（図１参照）に指示する。流速指定部６２は、回転数検出装置２（ロータリーエンコーダ）からのパルス信号に基づいて回転数を計数し、入力された流速となるよう回転数を調整する。

【0028】

位置指定部６３は、回流水槽のおける水流の流速に対応する定在波の腹の位置を指定する。
水位演算部６４は、水位測定装置３により測定された水位から、流速０のときの水位を減算して差分（相対値）を算出して通知する。
給排水指示部６５は、水位演算部６４から通知された差分に基づいて、記憶部６８から給排水量を読み出し、差分に応じた給排水量を給水ポンプ５２または排水ポンプ５３に指示する。

【0029】

入力部６６は、キーボードやマウス、タッチパネルとすることができる。
表示部６７は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイとすることができる。
記憶部６８は、ハードディスクドライブやフラッシュメモリとすることができる。記憶部６８には、ＯＳやアプリケーションソフトの他、各種の設定、調整用テーブルが格納されている。

【0030】

このように水位調整装置１が構成されていることで、本発明における水位測定手段は、レーザ変位計による水位測定装置３と、Ｘ軸トラバーサによる平行移動装置４と、位置指定部６３と、水位演算部６４とにより形成することができる。また、本発明における水位調整手段は、給排水指示部６５と、貯水タンク５１と、給水ポンプ５２と、排水ポンプ５３とにより形成することができる。

【0031】

（水位調整装置の動作および使用状態）
以上のように構成された本発明の実施の形態に係る回流水槽の水位調整装置１の動作および使用状態について図面に基づいて説明する。まず、流速に対する定在波を予め測定する。

【0032】

（ゼロ点計測）
流速０とし、図１に示す観測部１１１の上流側端部を位置Ｘ＝０として、Ｘ＝０から平行移動装置４により水位測定装置３を流れ方向Ｆ１（Ｘ軸方向）に移動させて、連続サンプリングを行い、静止水位ｈ₀（Ｘ）を測定する。水位ｈ₀（Ｘ）は、位置Ｘ＝０における水位を０とした相対値とする。また、この水位ｈ₀（Ｘ）が適正水位となる。

【0033】

（水位検定（定在波測定））
（１）流速Ｖを入力部６６により入力することで、流れ方向Ｆ１のサンプリング周期、測定範囲を自動演算する。
ここで、サンプリング周期ｄＸは、ｄＸ＝λ／２０としている。また、流れ方向Ｆ１の最大測定範囲の位置Ｘ_maxは、Ｘ_max＝波長λ／２または波長λとしている。そして、波長λは、λ＝２πＶ²／ｇで求められる。但し、Ｖは流速、ｇは重力加速度である。

【0034】

（２）平行移動装置４（Ｘ軸トラバーサ）により流れ方向Ｆ１（Ｘ軸方向）に水位測定装置３（レーザ変位計）を移動させて、ｄＸ刻みでＸ_maxまで連続サンプリングして、ｈ_m（Ｘ）を測定する。

【0035】

（３）次に、水位ｈ（Ｘ）＝ｈ_m（Ｘ）‐ｈ₀（Ｘ）を、流速Ｖに関連付けて記憶部６８（図２参照）に格納すると共に、表示部（図示せず）にグラフで表示する。これにより、流速０における水位との差分の相対値が算出できる。但し、ｍは、正の整数であり、流速Ｖを変えての測定回数を示す。

【0036】

（４）そして、操作者は、（２），（３）を繰り返して、ｈ_m（Ｘ）を測定して、流速Ｖごとの水位ｈ（Ｘ）を算出する。

【0037】

（５）操作者は、水位ｈ（Ｘ）が算出されると、流速Ｖにおける定在波の腹の位置であるＸ_Vと、Ｘ_Vにおける適正水位ｈ_Vとを決定する。ｈ_Vは、Ｘ_Vの位置のｈ₀（Ｘ）である。
（６）操作者は、流速Ｖごとに（１）〜（５）を行い、流速Ｖごとの腹の位置Ｘ_V（Ｖ）と適正水位ｈ_V（Ｖ）とによる調整用テーブル（検定データ）を、入力部６６を操作して入力して、記憶部６８に格納させる。

【0038】

図３に、定在波データの一例を示す。図３に示す例では、流速Ｖが１ｍ／ｓ、定在波の波長λが０．６４１ｍ、サンプリング周期を２００μｓとしたときのデータである。
図３（Ｂ）に示すグラフからも判るように、位置Ｘが２５０ｍｍのときに、定在波の腹に対応することが判る。従って、流速Ｖが１ｍ／ｓのときに、Ｘ＝２５０ｍｍの位置で測定すれば、定在波の腹の位置の水位を測定することができる。

【0039】

（水位調整）
以上のようにして定在波データが決定されると、運用が可能となる。
図１に示す回流水槽１００を運転するときには、まず、図２に示す入力部６６を操作して流速Ｖを入力することで、流速指定部６２は、流速Ｖに応じた回転数となるようモーター１２３（図１参照）に指示する。また、流速指定部６２は、回転数検出装置２からの信号に基づいて、モーター１２３への回転を微調整する。

【0040】

次に、位置指定部６３は、流速Ｖに基づいて調整用テーブルから、定在波の腹の位置Ｘ_V（Ｖ），適正水位ｈ_V（Ｖ）を記憶部６８から読み出す。

【0041】

次に、記憶部６８から読み出された定在波の腹の位置であるＸ_V（Ｖ）に基づいて位置指定部６３は、平行移動装置４に移動を指示する。
平行移動装置４は、水位測定装置３を移動させて、Ｘ_V（Ｖ）における現在の水位ｈ（Ｘ）を測定する。Ｘ_V（Ｖ）における水位ｈ（Ｘ）が測定されると、水位演算部６４が、ｈ（Ｘ）‐ｈ₀（Ｘ）を演算する。

【0042】

このとき、給排水指示部６５は、ｈ_V（Ｖ）と、ｈ（Ｘ）との関係を判定する。例えば、ｈ_V（Ｖ）＞ｈ（Ｘ）であれば給水を、給水ポンプ５２に指示する。また、ｈ_V（Ｖ）＜ｈ（Ｘ）であれば排水を、排水ポンプ５３に指示する。
このようにして、給排水指示部６５は、測定された水位と適正水位との大小関係により給水または排水を指示している。

【0043】

このとき、給排水指示部６５は、必要な給排水量を、供給時間または排水時間で決定してもよいし、給水用流量計５４と排水用流量計５５とにより給排水量を監視して所定の水量になったら、給水ポンプ５２および排水ポンプ５３の動作を停止するようにしてもよい。
そして、給排水指示部６５は、｜ｈ_V（Ｖ）−ｈ（Ｘ）｜≦閾値ｈ_Errであれば水位調整完了である。例えば、この閾値ｈ_Errは、１ｍｍとすることができる。

【0044】

以上のように、本実施の形態に係る水位調整装置１によれば、水位測定装置３と平行移動装置４とにより、水流の流速に対応する定在波の腹の位置の水位を測定するので、回流水槽１００に供試体が浮かべられることにより、測定環境が変わっても、測定された水位に応じて、給排水指示部６５から給水ポンプ５２と排水ポンプ５３とに給排水を指示することができる。従って、水位調整装置１は、リアルタイムに定在波を計測しながら給排水を行い、適正水位を設定することが可能である。

【0045】

水位を測定するために、水位測定装置３を流れ方向Ｆ１に沿って並べてもよいが、多数の水位測定装置３を配置する必要がある。しかし、水位調整装置１では、回流水槽の水位を測定する水位測定装置３が、平行移動装置４により、流れ方向Ｆ１に沿って移動するので、１台の水位測定装置３により流速に応じて発生する定在波の腹の水位を、細かなステップで測定することができる。

【0046】

記憶部６８には、適正水位ｈ_V（Ｖ）と、流速ごとの定在波の腹の位置Ｘ_V（Ｖ）が格納されている。位置指定部６３が、Ｘ_V（Ｖ）が示す位置に水位測定装置３を移動するように、平行移動装置４に指示する。この位置で、水位測定装置３が水位を測定する。そして、給排水指示部６５が、測定された腹の位置の水位ｈ（Ｘ）と、適正水位ｈ_V（Ｖ）との大小関係により、給水または排水を行う。
予め適正水位と、流速ごとの定在波の腹の位置とが測定されているため、流速が決まれば水位の測定位置が決定され、その位置の水位を適正水位に合わせるように水槽１１０の水を給排水すればよいので、迅速に適正な水位に調整することができる。

【0047】

なお、本実施の形態では、給排水手段として貯水タンク５１から給水ポンプ５２に水槽１１０へ給水したり、水槽１１０から排水ポンプ５３により貯水タンク５１に排水したりしているが、貯水タンク５１を上下させて水槽１１０の水位より高く位置させて給水したり、低く位置させて排水したりするようにしてもよい。

【0048】

また、本実施の形態では、回流水槽１００は垂直型タイプであったが、本発明は水槽が水平方向に延びて環状に形成された水平型タイプの回流水槽でも適用可能である。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明は、水流を発生させ、観測部に供試体を浮かべて、様々な検証を行う回流水槽に好適である。

【符号の説明】

【0050】

１ 水位調整装置
２ 回転数検出装置
３ 水位測定装置
４ 平行移動装置
５ 給排水装置
５１ 貯水タンク
５２ 給水ポンプ
５３ 排水ポンプ
５４ 給水用流量計
５５ 排水用流量計
６ 制御装置
６１ 検定演算部
６２ 流速指定部
６３ 位置指定部
６４ 水位演算部
６５ 給排水指示部
６６ 入力部
６７ 表示部
６８ 記憶部
１００ 回流水槽
１１０ 水槽
１１１ 観測部
１１１ａ 観測窓
１１２ 流入管路
１１３ 排出管路
１１５ 上部コーナー部
１１６ 下部コーナー部
１１７ 連通管路
１２０ 水流発生装置
１２１ 送流用インペラ
１２２ インペラシャフト
１２３ モーター
１３０ 表面加速装置
Ｆ１ 流れ方向

【要約】

【課題】リアルタイムに定在波を計測しながら給排水を行い、適正水位を設定することが可能な回流水槽の水位調整装置および水位調整方法を提供する。
【解決手段】回流水槽１００の水位調整装置１は、制御装置６の位置指定部が、平行移動装置４に指示して、回流水槽１００における水流の流速に対応する定在波の腹の位置の水位を、水位測定装置３を流れ方向Ｆ１に平行に移動させて測定する。水位測定装置３により測定された水位に応じて、制御装置６の給排水指示部が、回流水槽１００の水を給水ポンプ５２と排水ポンプ５３とにより給排水して、回流水槽１００を適正水位とする。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】