(57)【要約】  単線式水中配電システムにおいて、分岐接続および分岐した枝線を、陸上にある電源に対し、直列ノードのように見せる方法を用いて並列に分岐したノードが付加される。ＤＣまで動作する理想的な変圧器として機能するＤＣ−ＤＣコンバータの一次側を、分岐する直列配線の所望の位置で、その直列配線に接続する。二次側の一端は、分岐した直列経路を形成する。この二次側の他端は、海水に接地され、それにより、局所的な海水接地点を新たに確立する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、
電力を必要とする水中にある複数のノードと、
第１の終端部と第２の終端部とを備えた単一導電線であって、この第１の終端部で、前記電源を幹線の前記複数のノードと直列に接続し、第２の終端部は前記水に接続する１つの導電線と、
前記幹線の単一導電線に、前記第１および第２の終端部間の選択された位置で接続し、かつ、少なくとも１つのノードに接続された枝線の単一導電線に接続するＤＣ−ＤＣコンバータとを備える単線式水中配電システム。
【請求項２】
前記ノードを前記水に接続する前記枝線の単一導電線をさらに備える請求項１記載の配電システム。
【請求項３】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側が、前記幹線の単一導電線と直列に接続される請求項１記載の配電システム。
【請求項４】
水に接続された前記ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側の一端と、前記枝線の単一導電線に接続された前記ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側の他端とをさらに備える請求項３記載の配電システム。
【請求項５】
接地点としての水に接続された陸上にある電源と、
電力を必要とする前記水中にある複数のノードと、
第１の終端部と第２の終端部とを備えた単一導電線であって、この第１の終端部で前記電源に接続し、幹線の前記複数のノードと直列に接続し、この単一導電線の前記第２の終端部が前記水に接続する単一導電線と、
前記幹線の単一導電線に、前記第１および第２の終端部間の選択された位置で接続する第１のＤＣ−ＤＣコンバータであって、このコンバータの一次側が前記ノードと直列に接続し、コンバータの二次側が、その二次側の一端で前記水に接続し、その二次側の他端で、第１および第２の終端部を有し、かつノードに接続された第１の枝線の単一導電線に接続する第１のＤＣ−ＤＣコンバータとを備える単線式水中配電システム。
【請求項６】
前記第１の終端部と、前記水に接続された前記第１の枝線の導電線の第２の終端部との間で、前記第１の枝線の導電線と直列に接続された複数のノードをさらに備える請求項５記載の配電システム。
【請求項７】
前記幹線の単一導電線に、前記第１および第２の終端部間の選択された位置で接続する第２のＤＣ−ＤＣコンバータであって、このコンバータの一次側が前記ノードと前記第１のコンバータの一次側とに直列に接続し、コンバータの二次側が、その二次側の一端で前記水に接続し、その二次側の他端で、第１および第２の終端部を有し、かつノードに接続された第２の枝線の単一導電線に接続する第２のＤＣ−ＤＣコンバータをさらに備える請求項６記載の配電システム。
【請求項８】
前記第１の終端部と、前記導電線に接続された前記第２の枝線の導電線の第２の終端部との間で、前記第２の枝線の導電線と直列に接続された複数のノードをさらに備える請求項７記載の配電システム。
【請求項９】
電源と、電力を必要とする水中にある前記複数のノードと、第１および第２の終端部を備える単一導電線であって、この第１の終端部で前記電源に接続し、前記複数のノードと直列に接続し、前記第２の終端部は前記水に接続する単一導電線とを備える単線式水中配電システムを分岐する方法であって、
ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側を、前記第１および第２の終端部間の選択された位置で接続するステップを含む方法。
【請求項１０】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側を、その一端で前記水に接続し、その他端で枝線の単一導電線に接続するステップをさらに含む請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側は、前記ノードと直列に接続される請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側を、その一端で水に接続し、その他端で、複数のノードを直列に接続する枝線の単一導電性の一方の終端部に接続するステップをさらに含む請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記枝線の単一導電線は、その他方の終端部で水と接続する請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
第２のＤＣ−ＤＣコンバータの一次側を、前記第１および第２の終端部間の選択された位置で接続するステップをさらに含む請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの二次側を、その一端で前記水に接続し、その他端で、第２の枝線の単一導電線に接続するステップをさらに含む請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの一次側が、前記ノードと直列に接続される請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側を、その一端で前記水に接続し、その他端で、複数のノードを直列に接続する第２の枝線の単一導電線の一方の終端部に接続するステップをさらに含む請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
第２の枝線の単一導電線が、その他方の終端部で水に接続する請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ソナーおよび他のセンサシステム用長距離水中配電システムの改善に関する。より詳細には、新規でかつ改善された単線式水中配電システムを分岐する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の一般的な単線式配電システム１１を図１に示す。この図１では、電力は、海水２５（塩水）中にある複数のノード１３、１５、１７に供給される。このノードは、通常は、ソナー、あるいは他のトランスデューサまたはセンサシステムであり、陸上または船上を基地とする電源１２から発生する動力源を必要とする。このような、水中ケーブルを利用する従来技術の配電システムは、帰路２３として海水２５自身を用いた単線２１の利用に対して最適化されている。このような手法は、２本の電力線の代わりに、ただ１本の電力線しか必要としないため、ケーブル重量を最小化できる。さらに、長距離経路の場合、海水により、実際のワイヤよりも低抵抗の帰路が実現される。
【０００３】
図１に示す従来技術のシステムでは、電力の流れは、陸上にある電源１２から、ケーブル中の導線２１、さらに各機器および付随する電子機器ノード１３、１５、１７を経由し、ケーブル端に到達するまでである。このケーブル端では、低インピーダンス接続１９が海水２５となされる。この具体的な方法では、任意の長さのケーブルを介し、あらゆる数の所望の機器または電子クラスタ（ノード）に、効率的な配電がなされる。陸上または船上の電源は、通常は、各直列ノードが定める供給電圧を備えた定電流源である。
【０００４】
この従来技術の直列配電システムの不便な点は、システムの長さに沿った任意の位置で、導電体２１を分岐できないことである。陸上または船上にある電源１２は定電流源である。この導体２１中で、仮に分岐または配線接続を行うと、各枝線での電流は確定できなくなる。両方の枝線は、それぞれ帰路用として海水に低インピーダンス１９、３３で接続される。図２に示すように、例えば、電流経路を点２７で分岐すると、１つのノード２９を有し、低い電圧降下の一方の導電体枝線３１が全電流を受け入れ、一方、２つのノード１３、１５を有し、高い電圧降下の他方の導電体枝線２１は、電流を全く受け入れない。このような並列経路システムは、機能しない。
【０００５】
また、多くの場合、電子ノードを、直列のみで接続するのは最適ではない。例えば、図３に示すように、海洋のある領域が、等間隔で格子状に機器で占められるとすると、直列のみの接続スキームでは、各種ノード１３、１５、１７、３５、３７間を、何度もジグザグに往復するケーブルが必要になり、結果として、電力損失や設置コストの増大につながる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図４に示すように、直列および並列接続が許容されるのであれば、全ケーブル長は短くて済む。図４から分かるように、分岐接続を並列に行うと、いかなる設置の仕方に対しても、最小のケーブル長が実現できる。しかし、並列経路システムをそのまま導入しても、上記に説明したように、機能は果たさない。
【０００７】
さらに、ケーブル設備は、設置後、頻繁に変更する必要がある。もし、全てのノードが直列の場合は、このような変更は大変難しくなる。つまり、新しいノードは、ケーブルの終点のみにしか追加できない。新しいノードを、ケーブルの中間、または始点、あるいは一端から外れた場所に追加するということは、新しいケーブルを完全に再敷設する方がよほど簡単である、というほど困難である。しかし、この再敷設という方法は、ケーブル自体および大洋中でのケーブルの敷設が、単線式システムにおける最大費用であることから、大変な費用となる。
【０００８】
基本的な配電要件を維持しながら、並列分岐を他の分岐と直列に効率的に配置できる本発明の方法および装置は、樹形構造のより効率的なカバレージ、つまり、任意の領域に対して、より少ないケーブル使用量を実現する広範囲の分岐により、より柔軟性に富み、より効率的なケーブル利用を可能にする。さらに、このケーブルは、ある形をした領域をカバーするのに、巻き戻したり、巻き出したりする必要は無い。このケーブル長は最小化され、したがって設置費用も最小化される。さらに、ケーブル長を最小化すれば、ケーブル抵抗は長さに比例するため、電力損失も最小化される。
【０００９】
本発明はまた、本来の設置状態を比較的容易に変更することができる。幹線に沿った任意の位置で、単にケーブルを切断すれば、並列分岐を導入することができる。必要に応じて、将来の並列分岐追加用として、幹線の設置時にその準備をしてもよく、その結果、将来、拡張に必要な出費をできるだけ低く抑えつつ、幹線を容易に変更できる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
幹線の電気特性を変化させることなく単線式配電システムへの並列枝線接続の形成方法であり、それは、この枝線を幹線に接続するのにＤＣ−ＤＣコンバータを用いることによって直列配線を得るような方法である。このＤＣ−ＤＣコンバータの一次側を、幹線と直列に接続する。二次側の一端を、新しい枝線に接続する。また、この二次側の他端を海水に接地する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図４のノード１３、１５、１７、３９、４１が示すようなセンサの概念的配置は、図５に示すような本発明の概念を用いることで容易に実現できる。
【００１２】
例えば、能動電力回路５３が、幹線２１に対し、ノード１５および１７の間の２点４９および５１に接続されて、幹線２１と直列に挿入される。この能動電力回路５３は、並列分岐接続を、陸上または船上に位置する主電源１２に対する直列接続であるかのように、効率的に変換する。この能動電力回路５３は、原則的には、一次側の巻数と電流との積は、二次側の巻数と電流との積に等しく、直流（ＤＣ）領域まで動作する理論的に理想的な電力変圧器である。しかし、電流と電圧とがＤＣであるため、帯域幅が制限される実際の変圧器は用いることができない。代わりに、ＤＣ領域まで動作する理想的な変圧器の動作を極めてよく模倣するＤＣ−ＤＣコンバータを用いる。以下の説明では、理想的な変圧器に関する場合もあるが、ＤＣ−ＤＣコンバータが、いかなる機能性をも失うことなく用いられていることを理解されたい。一次側の２本のリード線が、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力側であり、二次側の２本のリード線が出力側である。
【００１３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ５３の一次側は、幹線２１に対し、一次側の一端５５を挿入点４９に接続し、一次側の他端５７を挿入点５１に接続することで、ノード１３、１５、１７、４５と直列に接続される。
【００１４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ５３の二次側は、その二次側の一端６１を、複数のノード６５、６７に直列に接続することで新たな枝線直列経路６９を形成する。この枝線６９の終端部は、海水に接地７１される。また、変圧器５３の二次側の他端５９も、海水に接地６３され、それによって、この新たに形成された海水への２つの接地点間７１、６３で、新たな局所的海水帰路７３が枝線６９に対し形成される。
【００１５】
主電源１２もまた、海水に接地４３され、幹線２１の海水への接地点４７との間に、システム全体の主海水帰路７５を形成する。
【００１６】
並列分岐を形成するための図５に示すようなＤＣ−ＤＣコンバータの使い方は、必要に応じて数を増やすことも、段を重ねることもでき、それによって、幹線または枝線から別れた任意の数の分岐を形成することができる。その結果、各分岐は、本来の幹線である単一導線ケーブル２１内の直列接続のように見える。
【００１７】
この幹線およびＤＣ−ＤＣコンバータ５３は、新しくできた分岐およびその分岐内のあらゆる枝線の電圧降下全体を、本来の幹線内の直列電流と同様に処理できなければならない。この変圧器は、電圧や電流を調整する必要はない。従って、変圧器の設計は簡単になる。また、この変圧器は、固定デューティサイクルで動作するので、ゼロ電圧スイッチング、および／またはゼロ電流スイッチングを実施するのが容易である。この技術はよく知られており、装置サイズおよび装置の動作時の雑音やリップルを最小化するのにうまく利用され、それによって装置全体の効率が向上する。高電圧では、９５％を越える効率を得ることができる。
【００１８】
分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータの通常の入出力電圧は、数１００ボルト程度である。また、通常の出力レベルは、数百ワット程度である。容易に入手可能な既存のＤＣ−ＤＣコンバータは、このようなパラメータ範囲内での動作に対し容易に用いることができる。この装置は、システム内の電子センサあるいは電子ノードの大きさと比べて大変小さい。さらに、このコンバータの価格は、システム全体の費用と比べて非常に低く、このような分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータを幹線に付加しても、それを付加した結果得られる効果や節約を考えると、費用の観点から見てたいしたことではない、ということになる。
【００１９】
２本の枝線があるマルチノード配電システムの代表例を図６に示す。船上または陸上にある電源１２が、通常、最大出力電圧４５０ボルトで０．２アンペアの低電流を発生する。幹線２１は、直列ノード１５、１７、８１、８３に接続し、各ノードは、１０ワットの電力と５０ボルトの電圧降下とを必要とする。幹線２１以外に、２本の枝線２２、２４が企図される。枝線２２には、さらに３つのノード６５、６７、７７があり、各ノードは、５０ボルトの電圧降下で１０ワットの電力を必要とする。第２の枝線２４には２つのノード８７、８９があり、各ノードは、５０ボルトの電圧降下で１０ワットの電力を必要とする。この３本の線、つまり幹線、第１の枝線、および第２の枝線は、低インピーダンスでそれぞれ海水に接地８５、７１、９１される。幹線の海水接地点８５は、船上または陸上にある電源１２の海水接地点４３と相互作用する。また、枝線の海水接地点７１は、分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータ５３が作る海水接地点と相互作用し、海水接地点９１は、分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータ７９が作る海水接地点と相互作用する。
【００２０】
１０ワットで動作する各ノードが９つで、合計、最低９０ワットの電力が必要となる。
【００２１】
３つの１０ワット直列ノード６５、６７、７７がある第１の枝線２２を容易に形成する分岐用コンバータ５３は、最低でも、３０ワットの電力と合計１５０ボルトとを処理する必要がある。この分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータ５３は、１対１の巻線比と１対１の電圧電流比とを備えたほぼ理想的な条件で動作するので、ほとんど電力損失がなく、最低限の大きさであり、低雑音である。
【００２２】
それぞれ５０ボルトの電圧降下で１０ワットの電力を必要とする２つの直列ノード８７、８９を有す第２の枝線２４を容易に形成する第２の分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータ７９は、最大２０ワットと１００ボルトとを処理する必要がある。これは、最小の大きさ、高効率、および低雑音動作を実現する入出力コイル間が絶縁された１対１の巻線比と１対１の電圧電流比のコンバータにより容易に実現できる。
【００２３】
各分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータの全般的な定格は、その枝線のノードが必要とする合計電力およびその枝線のノードが必要とする合計電圧以上でなければならない。
【００２４】
分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータの電圧変換比は、新たな枝線ケーブルが付加された状態での全ケーブルシステムの電力消費量を最小にするように調整してもよいし、設定してもよい。分岐用変圧器の電圧比が変化すると、付加した枝線の反射インピーダンスが変化する。従って、この変圧器の電圧比は、付加した枝線の効率を最適化するように設定してもよい。
【００２５】
本発明の他の効果は、本発明により、ケーブルシステムに耐障害性機能を付加することができることである。幹線がある場所で切断されると、システム全体の障害となるので、耐障害性は重要である。従来技術では、そのような障害に対処する方法はない。さらに、障害の位置を見つけたり、障害を修理したりするのには、多くの時間や費用が必要となる。
【００２６】
本発明の分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータは、枝線が破損した場合に、この枝線を幹線から分離するのに用いることができる。この分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータは、枝線が破損した結果生じるゼロ電流を検出できる。それに応じて、コンバータの一次側が短絡し、幹線は運転を継続できる。多くの枝線を持つシステムでは、この種の障害検出・保護機能は、高い耐障害性を実現する。また、多くの枝線を持つシステムでは、１つの障害によって、どれか１つの枝線が切り離されるかもしれないが、システムの残りは機能し続ける。
【００２７】
従来技術のシステムでは、陸上にある電源により供給された電流は、システム全体の電力損失を最小化する最適値を持つ。この最適値は、ケーブルの電気抵抗に依存し、この電気抵抗はケーブル長の関数である。同様に、分岐用コンバータの電圧変換比は、新たにケーブルが付加された状態でのケーブルシステム全体の電力消費量を最小化するように設定することが可能である。分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータの電圧比を変化させると、付加された分岐系の反射インピーダンスが実効的に変化する。この電圧比を正しく設定することにより、付加された分岐系の効率を最適化することができる。
【００２８】
ケーブルの電圧定格は、配電システムにおける主要な制限要因である。陸上にある電源の電圧定格が高ければ高いほど、同じ電力レベル全体に対して流す電流は小さくなる。電流が小さければ小さいほど、ケーブルの電気抵抗に起因する損失は小さくなる。ケーブルの電気抵抗は、ケーブル長全体に対して数１００オームから１０００オームであり、使用するケーブルによって決まる。
【００２９】
最大電圧は、（海水に対する）ケーブルの絶縁破壊電圧定格により制限される。陸上の電源基地では、ケーブルには最大電圧がかかる。電力を供給するノードやケーブルの電気抵抗による電圧降下のため、海で固定された接地点近傍で、ケーブルの終端が電圧ゼロとなるまでケーブル長方向に沿って電圧は低下する。以下の表にこの概念を示す。
【表１】
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【００３０】
最大電圧とケーブルの電気抵抗とが与えられれば、電子機器に配電することができる最大電圧がわかる。電力の半分が負荷に供給され、残りの半分がケーブル中で損失する時が、最適な配電となる。したがって、通常のケーブルによる配電システムでは、効率は最大でも５０％である。
【００３１】
枝線を、既存ケーブルの中間地点で導入すると仮定する。この地点で利用可能な電圧は、陸上の電源基地での最大電圧のほぼ半分である。分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータの設定比率は、（ケーブルによって制限される）最大電圧をこの新たな枝線に供給するように設定する。そうすると、この新しい枝線は、実効的に、陸上基地での電圧と等しい初期電圧で運転できる。これにより、電圧を最大化すれば、新しい枝線の効率が最大化される。
【００３２】
分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータは、過去に５０％だったシステムの全体効率を向上させるように用いることもでき、また、最大配電線長を伸ばすこともできる。この例を以下に示す。
【表２】
2007500992.tif 000004
【００３３】
幹線ケーブルには、本来、２０ノードあり、その２０番目のノード後に電源電圧はゼロになる。５０％地点で、２：１の変圧比に設定された分岐用ＤＣ−ＤＣコンバータを、第１の枝線の始点で、５００ボルトの電圧を本来の電源電圧１０００ボルトになるように変圧するのに用いる。この第１の枝線は１５ノード有すことができ、全体で２６ノードとなり、本来の設備よりも６ノード多くなる。
【００３４】
さらに、もう１つ別の枝線を、第１の枝線の５０％地点で付加すれば（再度、電圧を２倍に変圧する）、全体で２８ノードとなる。
【００３５】
付加された各枝線によって、全体のノード数が徐々に増加する。各ノードに分岐用昇圧器を備えて極端に行えば、（直接関係する）ノード総数および効率は、最大で５０％増加できるであろう。ただ１つの分岐を用いると、上記のように、許容ノード総数は３０％増加した。ただし、ＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータの効率を考慮しなければならない。通常使用される電圧と電力レベルでは、それは、９５％を超える効率を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
本発明の性質、および目的や効果は、以下の詳細な説明を、添付の図面とともに検討すれば即座に理解できよう。なお、添付の各図面では、同じ参照番号は、同じ部品を表す。
【００３７】
【図１】従来技術の直列配電システムの概略図である。
【図２】従来技術の並列配電システムの概略図である。
【図３】従来技術の直列配電システムの概念図である。
【図４】本発明により実現可能な直列および並列配電を組み合わせたシステムの概念図である。
【図５】本発明による分岐可能な単線式配電システムの好適な実施形態の概略図である。
【図６】本発明による複数の枝線を有す単線式配電システムのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2007500992.tif 000011
2007500992.tif 000012