(57)【要約】【課題】受動的なスロッシング防止装置よりも幅広い周期においてスロッシングを制振することができ、かつ、能動的なスロッシング防止装置よりも安価に実現可能なスロッシング防止装置を提供する。【解決手段】スロッシング防止装置は、液体Ｌｉを収容する容器２と、液体Ｌｉのスロッシング固有周期を変化させる補助機構１１と、液体Ｌｉのスロッシングの位相の変化に応じて、液体Ｌｉのスロッシング固有周期を液体Ｌｉの液位の変動を抑制する値に変化させるように補助機構１１の動作を制御する制御装置１０とを備える。【選択図】図１
2007153438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容する容器と、
前記液体のスロッシング固有周期を変化させる補助機構と、
前記液体のスロッシングの位相に応じて前記スロッシング固有周期を前記液体のスロッシングが減少する値に変化させるように前記補助機構の動作を制御する制御手段と、
を備えたスロッシング防止装置。
【請求項２】
前記容器内は、当該容器の天井部から前記液体の所定深さまで延びる隔壁によって複数の区画に分割され、
前記複数の区画は、それぞれ前記液体の液面上に気相室を有し、前記液体の液面下において互いに連通されるとともに前記気相室において互いに連通され、
前記補助機構は、前記複数の区画の気相室間を連通する孔部の面積を変化させる
請求項１に記載のスロッシング防止装置。
【請求項３】
前記容器内は、前記液体の液面上から前記液体の所定深さまで延びる隔壁によって複数の区画に分割され、
前記複数の区画は前記液体の液面下において互いに連通され、
前記補助機構は、前記液体の液面下において前記複数の区画間を連通する孔部の面積を変化させる
請求項１又は２に記載のスロッシング防止装置。
【請求項４】
前記複数の区画は、前記隔壁下部と、前記容器の底部との隙間により互いに連通され、
前記補助機構は、前記隔壁下部から下方へ突出した位置と、当該位置から上方へ退避した位置との間で移動可能な可動隔壁により、前記孔部の面積を変化させる
請求項３に記載のスロッシング防止装置。
【請求項５】
前記複数の区画のうち少なくとも一つには、前記液体の液位を検出するセンサが複数箇所に設けられ、
前記制御手段は、前記複数箇所に設けられたセンサの検出結果に基づいて、前記液体のＵ字管モードのスロッシングの液位を特定し、当該特定した液位の変化に基づいて、前記補助機構の動作を制御する
請求項２〜４のいずれか１項に記載のスロッシング防止装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記液体のＵ字管モードのスロッシングの液位と当該液位の微分値との積が０より大きいとき、少なくとも一部の期間において、前記積が０より小さいときよりも前記スロッシング固有周期が短くなるように、前記補助機構の動作を制御する
請求項１〜５のいずれか１項に記載のスロッシング防止装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記液体のＵ字管モードのスロッシングの液位と当該液位の微分値との積が０より大きいとき、一部の期間においては、前記積が０より小さいときよりも前記スロッシング固有周期が短くなり、他の期間においては、前記一部の期間よりも前記スロッシング固有周期が長くなるように、前記補助機構の動作を制御する
請求項２に記載のスロッシング防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石油タンクや魚類搬送用の水槽等の容器内における液体のスロッシング（揺動）を防止するスロッシング防止装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地震時に液体タンクや容器類に貯蔵されている液体が大きく遥動する現象が数多く報告されている。この遥動はスロッシングと呼ばれている。浮き屋根式の石油タンクにおいては、浮き屋根がスロッシングによりタンク側壁等に衝突したり、変形して沈没したりして、火災になる事例が報告されている。2003年北海道苫小牧で生じた石油タンクの火災は記憶に新しいが、1983年の日本海中部地震、1964年の新潟地震でも石油タンクの大規模な火災が発生している。また、ビルの屋上等に設置されたFRP水槽では地震時に生じたスロッシングにより水槽天井板が破損した事例も報告されている。一方、液体の入った容器類をクレーン等により搬送するなどの荷役作業時においては、搬送時にスロッシングが生じると、スロッシングの減衰が小さいことから容器自体が大きく振れるので、安定な搬送が困難になることがある。また、活魚類搬送用水槽においては、水槽を積載しているトラック運転時に於ける加減速によってスロッシングが生じ、魚類が壁面に衝突することにより死んだり、傷ついたりする。従って、スロッシングの制振技術の開発は重要な課題である。
【０００３】
従来、多くのスロッシングの制振方法が提案されてきた。受動的（パッシブ）な制振方法として、タンクの下部から泡を吹出す方法、液面に逆Ｕ字管を設ける方法、ワイヤーロープにより浮き屋根の回転を抑える方法などが代表的なものである。船舶においては、油送船（タンカー）内タンクに隔壁を設ける方法が広く実施されている。また、衛星打ち上げ用のロケットに搭載されるタンクには、リング状のバッフル板が取り付けられている。非特許文献１では、容器内に下部が連通するように縦方向に固定隔壁を設ける技術が開示されている。
【０００４】
受動的な制振方法が、地震力等の想定される外力に対してスロッシングの固有周期を予めずらしておくなど、想定される外力に対応して予め液体タンクの構造等を設定するものであるのに対し、実際にスロッシングを生じさせている外力の変動に応じて、液体に他の外力を付与して制振する能動的な制振方法も提案されている。例えば、空気室で密閉されたＵ字管型タンク上部の空気室に送風機を取り付け、スロッシング波高に合わせて風の向きを切り替える方法（特許文献１）、スロッシング波高に合わせてタンク底部から空気を吹き出す方法などが代表的なものである。
【特許文献１】実開平５−３３０９９号公報
【非特許文献１】小林信之他、「隔壁を用いた円筒および二重円筒容器のスロッシング防止法」、日本機械学会論文集、平成８年２月、第６２巻、５９４号、ｐ．４８２−４８７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、受動的なスロッシング制振方法は、スロッシングの固有周期をずらすだけなので、想定された外力とは異なる周期の外力を受けた場合、地震や海洋波のように非定常な外力を受けた場合、広帯域の周期成分を持つ外力を受けた場合などには、共振して液面遥動が大きくなる可能性がある。また、受動的なスロッシング制振法は、一般に制振効果が十分でない場合も多い。
【０００６】
一方、能動的なスロッシング制振方法は、受動的な制振方法より幅広い周期帯域の外力に対して有効であるが、スロッシング制振のために液体に付与する外力（運動エネルギ）を生じさせなければならず、製造コストやランニングコストが高くなる。
【０００７】
本発明の目的は、受動的および能動的なスロッシング防止装置の欠点を改善できるスロッシング防止装置を提供することにある。すなわち、受動的なスロッシング防止装置よりも幅広い周期帯域においてスロッシングを制振することができ、かつ、能動的なスロッシング防止装置よりも安価に実現可能なスロッシング防止装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のスロッシング防止装置は、液体を収容する容器と、前記液体のスロッシング固有周期を変化させる補助機構と、前記液体のスロッシングの位相に応じて前記スロッシング固有周期を前記液体のスロッシングが減少する値に変化させるように前記補助機構の動作を制御する制御手段と、を備える。
【０００９】
好適には、前記容器内は、当該容器の天井部から前記液体の所定深さまで延びる隔壁によって複数の区画に分割され、前記複数の区画は、それぞれ前記液体の液面上に気相室を有し、前記液体の液面下において互いに連通されるとともに前記気相室において互いに連通され、前記補助機構は、前記複数の区画の気相室間を連通する孔部の面積を変化させる。
【００１０】
好適には、前記容器内は、前記液体の液面上から前記液体の所定深さまで延びる隔壁によって複数の区画に分割され、前記複数の区画は前記液体の液面下において互いに連通され、前記補助機構は、前記液体の液面下において前記複数の区画間を連通する孔部の面積を変化させる。
【００１１】
好適には、前記複数の区画は、前記隔壁下部と、前記容器の底部との隙間により互いに連通され、前記補助機構は、前記隔壁下部から下方へ突出した位置と、当該位置から上方へ退避した位置との間で移動可能な可動隔壁により、前記孔部の面積を変化させる。
【００１２】
好適には、前記複数の区画のうち少なくとも一つには、前記液体の液位を検出するセンサが複数箇所に設けられ、前記制御手段は、前記複数箇所に設けられたセンサの検出結果に基づいて、前記液体のＵ字管モードのスロッシングの液位を特定し、当該特定した液位と液位の変化に基づいて、前記補助機構の動作を制御する。
【００１３】
好適には、前記制御手段は、前記液体のＵ字管モードのスロッシングの液位と当該液位の微分値との積が０より大きいとき、少なくとも一部の期間において、前記積が０より小さいときよりも前記スロッシング固有周期が短くなるように、前記補助機構の動作を制御する。
【００１４】
好適には、前記制御手段は、前記液体のＵ字管モードのスロッシングの液位と当該液位の微分値との積が０より大きいとき、一部の期間においては、前記積が０より小さいときよりも前記スロッシング固有周期が短くなり、他の期間においては、前記一部の期間よりも前記スロッシング固有周期が長くなるように、前記補助機構の動作を制御する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、準能動的（セミアクティブ）にスロッシングを制振することから、受動的なスロッシング防止装置よりも幅広い周期帯域においてスロッシングを制振することができ、かつ、能動的なスロッシング防止装置よりも安価に実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態のスロッシング防止装置１を示す図であり、図１（ａ）は、上方から見た断面図（図１（ｂ）のＩａ−Ｉａ線矢視方向断面図）であり、図１（ｂ）は、側方から見た断面図（図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線矢視方向断面図）である。
【００１７】
スロッシング防止装置１は、液体Ｌｉを収容する容器２を備えている。容器２は、例えば円筒形に形成されている。なお、容器２の材質や大きさは、スロッシング防止装置１の利用目的等に応じて適宜に設定される。例えば、スロッシング防止装置１が石油タンクに適用されるものである場合、容器２は鋼板により形成され、一例として直径８０ｍ程度、鋼板の厚さ５０ｍｍ程度である。
【００１８】
容器２の内部は、隔壁２ｂによって２つの区画２１Ｌ及び２１Ｒ（以下、単に「区画２１」といい、両者を区別しないことがある）に分割されている。隔壁２ｂは、例えば、平面視において、円筒の径方向に配置されており、容器２の外周の一方側から他方側へ円筒の中央を通って直線状に延びるとともに、側面視において、容器２の天井部２ａから液体Ｌｉの所定深さまで直線状に延びている。隔壁２ｂは、容器２の底部２ｄまでは延びておらず、区画２１Ｌ及び２１Ｒは、隔壁２ｂの下部と、容器２の底部２ｄとの隙間により互いに連通している。
【００１９】
区画２１Ｌ及び２１Ｒは、液体Ｌｉの液面ＬＬ上に気相室２３Ｌ及び気相室２３Ｒ（以下、単に「気相室２３」といい、両者を区別しないことがある）を有している。気相室２３は、天井部２ａ、隔壁２ｂ、容器２の側面２ｃ、液面ＬＬにより形成され、内部は密閉空間となっている。気相室２３Ｌ及び２３Ｒは、隔壁２ｂに開口する貫通孔２ｅにより互いに連通している。
【００２０】
貫通孔２ｅには、貫通孔２ｅの開口面積（開度）を調整する弁４が設けられている。弁４は、スロッシング防止装置１の利用目的等に応じて適宜な方式のものを選択してよい。例えば、弁４は、貫通孔２ｅの径方向に延びる軸周りに回転する弁体を有するバタフライ弁、あるいは、隔壁２ｂに沿って平行移動するいわゆるスライド弁により構成され、貫通孔２ｅを開閉可能である。
【００２１】
なお、弁４は、例えばモータ６により駆動され、モータ６の動作は、モータドライバ８を介して制御装置１０により制御される。制御装置１０は、例えばコンピュータあるいは論理回路により構成されている。弁４及びモータ６は、液体Ｌｉのスロッシング固有周期を変化させる補助機構１１を構成している。
【００２２】
容器２内には、液面ＬＬの高さ（液体Ｌｉの液位）を検出するセンサ１２ＬＯ、１２ＬＩ、１２ＲＩ、１２ＲＯが設けられている。具体的には、区画２１Ｌにおいては、隔壁２ｂ側にセンサ１２ＬＩが、側面２ｃ側にセンサ１２ＬＯが設けられており、区画２１Ｒにおいては、隔壁２ｂ側にセンサ１２ＲＩが、側面２ｃ側にセンサ１２ＲＯが設けられている（なお、以下では、区画２１Ｌ、区画２１Ｒに対応する付加記号Ｒ、Ｌや、隔壁２ｂ側、側面２ｃ側に対応する付加記号Ｉ、Ｏを省略し、単に「センサ１２」等ということがある）。センサ１２は、平面視において、隔壁２ｂの中央に直交する線上に配置されている。
【００２３】
センサ１２は、適宜な方式のものを選択してよい。例えば、センサ１２は、液体Ｌｉの圧力を検出し、圧力と波高との相関から波高を検出する圧力式の波高計である。超音波式や静電容量式の波高計を容器内（気相室内又は液相室内）に配置するようにしてもよい。センサ１２は、検出結果に応じた電気信号を制御装置１０に出力する。なお、図１では、センサ１２ＬＯ、１２ＬＩ、１２ＬＬの信号線の図示を省略している。
【００２４】
図２は、スロッシング防止装置１の動作の概略を説明する概念図である。図２（ａ）に示すように、弁４により貫通孔２ｅが閉じられている状態において、左側の区画２１Ｌの液位が静水面から下降するとともに右側の区画２１Ｒの液位が静水面から上昇すると、気相室２３Ｌ、２３Ｒ間に気圧差が生じる。そして、矢印Ｆａで示すように、液体Ｌｉの液面ＬＬは、区画２１Ｒにおける液位の更なる上昇及び区画２１Ｌにおける液位の更なる下降を抑制する方向の力を受ける。換言すれば、気相室２３のばね効果により、液体Ｌｉは復元力が増加することになる。従って、スロッシングの固有周期は短くなる。区画２１Ｌの液位が静水面から上昇するとともに区画２１Ｒの液位が静水面から下降する場合も同様である。
【００２５】
一方、図２（ｂ）に示すように、弁４により貫通孔２ｅが閉じられていない状態において、区画２１Ｌの液位が静水面から下降するとともに区画２１Ｒの液位が静水面から上昇すると、気相室２３Ｒの気体は貫通孔２ｅを通過して気相室２３Ｌに逃げるから、図２（ａ）に比較して気相室２３Ｌ、２３Ｒ間には気圧差が生じない。従って、図２（ａ）に比較して、スロッシングの固有周期は長くなる。区画２１Ｌの液位が静水面から上昇するとともに区画２１Ｒの液位が静水面から下降する場合も同様である。
【００２６】
スロッシング防止装置１では、弁４の開閉によるスロッシング固有周期の切換を、液体Ｌｉの液位の変動に応じた適宜なタイミングで行うことにより、スロッシングを制振する。以下では、運動方程式等を示しつつ容器２におけるスロッシングの運動について詳述し、具体的な切換タイミングに言及する。
【００２７】
図３は、以下に説明する数式等における記号の定義を示しており、図３（ａ）は、図１（ａ）の紙面上半分に対応し、図３（ｂ）は、図１（ｂ）に対応している。なお、図中ハッチング部分は死水と考える領域である。
【００２８】
容器２におけるスロッシングは、隔壁２ｂを挿入することによって、Ｕ字管モードと隔壁内モードに分離することができる。
【００２９】
例えば、図４に示すように、区画２１Ｌにおいては、液面ＬＬＬの静水面ＬＬ０からの変動量（図４の上図）は、液面ＬＬＬの平均的な液位を示す液面ＬＬＬＵの静水面ＬＬ０からの変動量（図４の左下図）と、液面ＬＬＬの液面ＬＬＬＵからの局所的な液位の変動量（図４の右下図）との重ね合わせとして捉えることができる。
【００３０】
同様に、区画２１Ｒにおいては、液面ＬＬＲの静水面ＬＬ０からの変動量（図４の上図）は、液面ＬＬＲの平均的な液位を示す液面ＬＬＲＵの静水面ＬＬ０からの変動量（図４の左下図）と、液面ＬＬＲの液面ＬＬＲＵからの局所的な変動量（図４の右下図）との重ね合わせとして捉えることができる。
【００３１】
つまり、容器２におけるスロッシングは、容器２全体の静水面ＬＬ０を基準とした各区画の平均的な液位の変動（Ｕ字管モードのスロッシング）と、各区画における平均的な液位を基準とした局所的な液位の変動（隔壁内モードのスロッシング）との重ね合わせとして捉えられる。
【００３２】
そして、Ｕ字管モードの液位をＡ、隔壁モードの液位をＣとすれば、Lagrange方程式から、不減衰のＵ字管モードの運動方程式(1)および隔壁内モードの運動方程式(2)を得る（非特許文献１参照）。
【数１】
2007153438.tif 000003
【数２】
2007153438.tif 000004
【００３３】
ここで、Hは液高さ、R1は容器半径、hは開口部高さ、X0は容器の運動変位、gは重力加速度である。ＡやＣの文字上の１つ又は２つの傍点「・」「・・」は、ＡやＣの１回時間微分や２回時間微分を示す。なお、以下の説明では、電子出願のデータフォーマット上の制約から、傍点「・」「・・」に代えて、「′」や「″」をＡやＣに付すことがある。
【００３４】
隔壁内モードのスロッシングは、固有周期が短く、波高の成長もそれほど大きくないので、以下ではＵ字管モードのスロッシングについて説明する。
【００３５】
式(1)から、弁４を開位置にしている場合、換言すれば、各区画２１Ｌ、２１Ｒの液面上部に密閉された気相室がない場合のＵ字管モードの固有周期Tsは
【数３】
2007153438.tif 000005
となる。
【００３６】
液面上部に密閉された気相室がある場合における、断熱変化を伴う気相室の体積変化による等価なばね定数は、よく知られているように、式(4)で与えられる。
【数４】
2007153438.tif 000006
ここで、γはポリトロープ指数、p0は気相室内圧力、Haは静止液面から天井までの高さである。
【００３７】
式(1)に、このばね効果を導入すれば、液面上部に密閉された気相室がある場合の運動方程式、
【数５】
2007153438.tif 000007
が導かれる。
【００３８】
液面上部に密閉された気相室がある場合のＵ字管モードの固有周期Taは
【数６】
2007153438.tif 000008
となる。式(3)と式(6)の比較から、液面上部に密閉された気相室がある場合とない場合で気相室のばね効果の分だけ固有周期が違うことが分かる。
【００３９】
矩形容器や二重円筒容器等についても、同様に運動方程式が求まるが、制振方法の基本的原理は同じなので、以下は円筒容器についてのみ説明する。
【００４０】
隔壁右側の区画２１Ｒの液面が上昇するとき、弁４を開けておけば、気相室２３Ｒの気体は貫通孔２ｅを通して気相室２３Ｌに移動するので、式(4)に示した気相室のばね効果は生じない。隔壁左側の区画２１Ｌの液面が上昇するときも同様である。従って、Ｕ字管モードのスロッシングは式(3)に示した固有周期で表される。
【００４１】
弁４を閉じておけば、隔壁右側の区画２１Ｒの液面が上昇するときに気相室２３Ｒの気体は貫通孔２ｅを通して気相室２３Ｌに移動することは無いので、式(4)に示した気相室のばね効果を生じる。従って、このときのＵ字管モードのスロッシングは式(6)に示した固有周期で表される。
【００４２】
以上のことから、液面の応答にあわせて弁４を開閉することによって、固有周期を制御することができる。スロッシング波高が減少するように、固有周期を制御する方法について以下に説明する。今、qを重み関数として、Ｕ字管モードのスロッシング応答に関する評価関数Jを式(7)とおく。
【数７】
2007153438.tif 000009
【００４３】
評価関数Jが単調減少であるためには、その時間微分が負定である必要がある。すなわち、式(8)を満たす必要がある。
【数８】
2007153438.tif 000010
【００４４】
ここで、式(1)の質量項をms、ばね項をks、容器の運動加速度の係数項をmu、式(5)のばね項をkaとおけば、スロッシング波高加速度は、式(1)および(5)から
【数９】
2007153438.tif 000011
と表すことができる。レギュレータ問題と考えれば、式(9)における容器の運動加速度に関する項は外乱であるので省略することができ、これを式(8)に代入すれば、
【数１０】
2007153438.tif 000012
となる。
【００４５】
（２π／Ｔｓ）２＜ｑ＜（２π／Ｔａ）２になるようにｑを定めれば、式(10)より
Ａ′Ａ＞０のとき、弁４を閉じて固有周期がTaになるように、また、
Ａ′Ａ＜＝０のとき、弁４を開けて固有周期がTsになるようにすれば、評価関数Jは単調減少となる。すなわち、波高計や圧力計などの適切な方法で、スロッシング波高とその変化量を測定し、その値により弁４の開閉を行えば、スロッシングを抑制できる。なお、Ａ′Ａ＝０のときは、弁４を閉じるようにしてもよい。
【００４６】
図５（ａ）は、上記の弁４の開閉タイミングを説明する図である。横軸はＵ字管モードのスロッシングの位相を、縦軸はＡ及びＡ′の大きさを示している。図５（ａ）では、Ａを正弦関数、Ａ′を余弦関数により表現している。このようにＡ及びＡ′が表現される場合、上記のように弁４の開閉を行うと、位相に応じてスロッシング固有周期を変化させるように、具体的には１／４波長毎にスロッシング固有周期を変化させるように、弁４の開閉を行うことになる。また、Ｕ字管モードのスロッシングの液位（Ａ）と、当該液位の微分値（Ａ′）との積が０より大きいとき、積が０と等しいか０より大きいときよりもスロッシングの固有周期が短くなるように弁４の開閉を行うことになる。
【００４７】
ここでは、基本原理を説明するために簡略化した制御方法を示したが、実システムでは任意の波高で弁４が作動するので、弁４を閉じた際の静止液面が隔壁左右で異なる場合がある。すなわち、弁４の開閉を繰り返すうちに左右の静止液面に定常偏差が生じる可能性がある。そこで、以下に示すように、式(10)に補正項を導入する。
【００４８】
上述のように、弁４を開いた場合、すなわち、区画２１Ｌ、２１Ｒの液面上に密閉された気相室がない場合のＵ字管モードの運動方程式は式(1)であり、気相室のばね効果を考慮したU字管モードの運動方程式は式（５）であった。
【００４９】
今、開閉弁が閉じた瞬間における隔壁右側の液面の釣り合い状態からの偏差をA0とする。開閉弁が閉じた瞬間における左右の気相室２３Ｌ、２３Ｒの圧力は等しいので、波高がAになったときの気相室２３のばね力は
【数１１】
2007153438.tif 000013
で与えられる。
【００５０】
従って、弁４を閉じることにより隔壁左右の液面が等しくなくなった場合の運動方程式は式(5)に式(11)の効果を考慮して、式(12)により与えられる。
【数１２】
2007153438.tif 000014
【００５１】
変形すれば、式(9)第2式の代わりに式(13)が得られる。
【数１３】
2007153438.tif 000015
レギュレータ問題と考えて、弁４を開けた場合と式(13)を式(8)に代入すると、式(10)の代わりに、式(14)を得る。
【数１４】
2007153438.tif 000016
ただし、Tp2 = (2π)2(ms/ka)である。
【００５２】
（２π／Ｔｓ）２＜ｑ＜（２π／Ｔａ）２になるようにｑを定めれば、式(14)より
Ａ′Ａ＜＝０のとき（図５（ｂ）において（i）のとき）、弁４を開いて固有周期がTsになるように、また、
Ａ′Ａ＞０のときは、
Ａ′（（ｑ−（２π／Ｔａ）２）Ａ＋（２π／Ｔｐ）２Ａ０）＞＝０のとき（図５（ｂ）において（ii）のとき）、弁４を開けて固有周期がTsになるように
Ａ′（（ｑ−（２π／Ｔａ）２）Ａ＋（２π／Ｔｐ）２Ａ０）＜０のとき（図５（ｂ）において（iii）のとき）、弁４を閉じて固有周期がTaになるようにすれば、評価関数Jは単調減少となる。
【００５３】
図５（ｂ）は、上記の補正項を導入した弁４の開閉タイミングを説明する図である。横軸はＵ字管モードのスロッシングの位相を、縦軸はＡ及びＡ′の大きさを示している。図５（ｂ）では、Ａを正弦関数、Ａ′を余弦関数により表現している。このようにＡ及びＡ′が表現される場合、上記のように弁４の開閉を行うと、図５（ａ）に比較して、固有周期が長くなる期間が長くなることになる。すなわち、Ｕ字管モードのスロッシングの液位（Ａ）と、当該液位の微分値（Ａ′）との積が０より大きいとき、一部の期間（位相）においては、積が０と等しいか０より小さいときよりもスロッシングの固有周期が短くなり、他の期間においては、前記一部の期間よりもスロッシングの固有周期が長くなる（積が０と等しいか０より小さいときと同等の固有周期になる）ように弁４の開閉を行うことになる。
【００５４】
以上に説明した弁４の開閉制御は、センサ１２の検出する液位に基づいて、制御装置１０により実行される。制御装置１０は、センサ１２ＬＯ及び１２ＬＩの検出した液位を平均して、区画２１Ｌの液位（Ａ）を得ることができる。同様に、センサ１２ＲＯ及び１２ＲＩの検出した液位を平均して、区画２１Ｒの液位（Ａ）を得ることができる。制御装置１０は、区画２１Ｌの液位や区画２１Ｒの液位をＡとして利用する。また、制御装置１０は、検出されたＡを時間微分してＡ′を取得し、弁４を閉じたときに検出されたＡをＡ０とする。そして、上記のＡ′Ａの正負の判別を行う。
【００５５】
以上の実施形態によれば、容器２に収容された液体Ｌｉのスロッシング固有周期を変化させる補助機構１１（弁４、モータ６）を設け、液体Ｌｉのスロッシングの位相に応じて液体Ｌｉのスロッシング固有周期がスロッシングを抑制する値に変化するように補助機構１１の動作を制御することから、幅広い周期帯域においてスロッシングを制振することができる。しかも、固有周期を変化させる準能動的な装置であるので、液体Ｌｉに付与する外力を生じさせる必要のある能動的なスロッシング防止装置に比較して、駆動機構を小さくすることができ、また、電力等の消費エネルギーも低減されるから、製造コストやランニングコストを低減できる。また、万一、駆動機構や制御装置が故障しても受動的な制振装置として機能するので、制御性能が低下するだけでスロッシングを増大させることはない。
【００５６】
容器２内は、隔壁２ｂによって区画２１Ｌ、２１Ｒに分割され、区画２１Ｌ、２１Ｒは、それぞれ気相室２３Ｌ、２３Ｒを有し、液体Ｌｉの液面下において互いに連通されるとともに気相室２３Ｌ、２３Ｒにおいて互いに連通され、補助機構１１は、気相室２３Ｌ、２３Ｒ間を連通する貫通孔２ｅの面積を変化させる弁４を含んで構成されるから、隔壁２ｂを設けることによる制振効果が得られるとともに、弁４の開閉だけでスロッシング固有周期を変化させることができ、安価である。
【００５７】
液位を検出するセンサ１２が、各区画２１Ｌ、２１Ｒのそれぞれにおいて、複数箇所に設けられ、制御装置１０は、複数箇所に設けられたセンサ１２の検出結果に基づいて、Ｕ字管モードの液位（Ａ）を特定するから、各区画に一つのみセンサ１２を設ける場合に比較して、正確にＵ字管モードの液位（Ａ）を検出することができる。
【００５８】
制御装置１０は、Ｕ字管モードの液位（Ａ）と当該液位の微分値（Ａ′）との積が０より大きいとき、少なくとも一部の期間において、前記積が０と等しいか０より小さいときよりもスロッシング固有周期が短くなるように、補助機構１１の動作を制御するから、式(7)で示したようなＡ及びＡ′の絶対値を重み付けした評価関数を単調減少させることができる。これにより、Ａが大きくなることによる液体Ｌｉの天井部への衝突の発生や液漏れの発生、Ａ′が大きくなることによる液体の壁や天井部への衝突エネルギーの増大等を低減させることができる。
【００５９】
また、Ｕ字管モードの液位（Ａ）と当該液位の微分値（Ａ′）との積が０より大きいとき、一部の期間においては、前記積が０と等しいか０より小さいときよりもスロッシング固有周期が短くなり、他の期間においては、前記一部の期間よりもスロッシング固有周期が長くなるように、補助機構１１の動作を制御するから、区画２１における定常偏差をなくすことができる。
【００６０】
（第２の実施形態）
図６は第２の実施形態のスロッシング防止装置１０１を示す図であり、図６（ａ）は、上方から見た断面図（図６（ｂ）のＶＩａ−ＶＩａ線矢視方向断面図）であり、図６（ｂ）は、側方から見た断面図（図６（ａ）のＶＩｂ−ＶＩｂ線矢視方向断面図）である。なお、第１の実施形態と同様の構成については、第１の実施形態と同一符号を付す。
【００６１】
第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に円筒状の容器１０２に液体Ｌｉが収容されており、容器１０２内は、液体Ｌｉの液面上から液体Ｌｉの所定深さまで延びる隔壁１０２ｂによって区画１２１Ｌ、１２１Ｒに分割されている。ただし、液体Ｌｉの液面上には、密閉された気相室が設けられていない。
【００６２】
隔壁１０２ｂの下部には、可動隔壁１０４が設けられている。可動隔壁１０４は、隔壁１０２ｂ下端から下方へ突出した位置と、当該位置から上方へ退避した位置との間で上下方向に平行移動可能に設けられている。換言すれば、可動隔壁１０４は、区画１２１Ｌ、１２１Ｒを連通する孔部の面積を変化させることが可能に構成されている。
【００６３】
可動隔壁１０４は、例えばモータ１０６により駆動され、モータ１０６の動作は、モータドライバ１０８を介して制御装置１１０により制御される。制御装置１１０は、例えばコンピュータあるいは論理回路により構成されている。可動隔壁１０４及びモータ１０６６は、液体Ｌｉのスロッシング固有周期を変化させる補助機構１１１を構成している。
【００６４】
図７は、スロッシング防止装置１の動作の概略を説明する概念図である。図７（ａ）に示すように、可動隔壁１０４が上方へ退避した位置にある状態において、区画１２１Ｌの液位が静水面から下降するとともに区画１２１Ｒの液位が静水面から上昇する際には、流線ｙ１で示すように、区画１２１Ｌの液体Ｌｉが、隔壁１０２ｂの下方を回り込むようにして、区画１２１Ｒへ流れ込む。区画１２１Ｌの液位が静水面から上昇するとともに区画１２１Ｒの液位が静水面から下降する場合も同様である。
【００６５】
同様に、図７（ｂ）に示すように、可動隔壁１０４が下方へ突出した位置にある状態においても、区画１２１Ｌの液位が静水面から下降するとともに区画１２１Ｒの液位が静水面から上昇する際には、流線ｙ３で示すように、区画１２１Ｌの液体Ｌｉが、可動隔壁１０４の下方を回り込むようにして、区画１２１Ｒへ流れ込む。区画１２１Ｌの液位が静水面から上昇するとともに区画１２１Ｒの液位が静水面から下降する場合も同様である。
【００６６】
ただし、可動隔壁１０４が下方へ突出している場合には、可動隔壁１０４が上方へ退避している場合に比較して、流体Ｌｉの流路が長くなる。このため、流体Ｌｉのスロッシングにおける流体Ｌｉの質量は、見かけ上増加することになる。従って、可動隔壁１０４が下方へ突出した位置にある場合には、可動隔壁１０４が上方へ退避した位置にある場合に比較して、スロッシングの固有周期は長くなる。
【００６７】
スロッシング防止装置１０１では、可動隔壁１０４の上下移動によるスロッシング固有周期の切換を、液体Ｌｉの液位の変動に応じた適宜なタイミングで行うことにより、スロッシングを制振する。以下では、運動方程式等を示しつつ容器１０２におけるスロッシングの運動について詳述し、具体的な切換タイミングに言及する。
【００６８】
可変隔壁が高位置にあるときの開口部高さをh1とし、可変隔壁が低位置にあるときの開口部高さをh2とする。それぞれの運動方程式は、式(1)より
【数１５】
2007153438.tif 000017
【数１６】
2007153438.tif 000018
【００６９】
Ｕ字管モードのスロッシングの固有周期は式(3)で与えられるので、開口部高さhを変えることにより固有周期は変化する。
式(15) (16)より、それぞれの固有周期T1、T2は
【数１７】
2007153438.tif 000019
【数１８】
2007153438.tif 000020
となる。
【００７０】
すなわち、可変隔壁の位置を上下することによって、固有周期を制御することができる。Ｕ字管モードのスロッシング応答に関する評価関数Ｊを上述した式(7)とおくと、評価関数Ｊが単調減少であるためには、その時間微分が負定である必要がある。すなわち、式(8)を満たす必要がある。
【００７１】
式(15)および式(16)の質量項をms1、ms2、ばね項をks、容器の運動加速度の係数項をmu1、mu2、ばね項をkaとおけば、スロッシング波高加速度は
【数１９】
2007153438.tif 000021
と表すことができる。式(19)において、レギュレータ問題と考え、容器の運動加速度に関する項は外乱として省略し、式(8)に代入すれば、
【数２０】
2007153438.tif 000022
となる。
【００７２】
（２π／Ｔｓ2）２＜ｑ＜（２π／Ｔｓ１）２になるようにｑを定めれば、式(20)より
Ａ′Ａ＞＝０のとき、可動隔壁１０４を上げて固有周期がTｓ１になるように、また、
Ａ′Ａ＜０のとき、可動隔壁１０４を下げて固有周期がTｓ２になるようにすれば、評価関数Jは単調減少となる。
【００７３】
なお、可動隔壁１０４の上下動の制御は、第１の実施形態の弁４の開閉制御と同様に、センサ１２の検出する液位に基づいて、制御装置１１０により実行される。
【００７４】
以上の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、補助機構１１は、区画１２１Ｌ、１２１Ｒを液面下で連通する隙間の面積を変化させる可動隔壁１０４を含んで構成されるから、密閉された気相室を液面上に形成することができない場合にも準能動的なスロッシング制振方法を実現できる。
【００７５】
なお、第１の実施形態のスロッシング防止装置１に、第２の実施形態の可動隔壁１０４を設け、弁４による固有周期の変化と、可動隔壁１０４による固有周期の変化とを足し合わせることも可能である。
【００７６】
本発明は以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施してよい。
【００７７】
容器は、液体を収容することができる形状であればよく、隔壁を有しているものに限定されない。また、補助機構は、液体のスロッシング固有周期を変化させることができるものであればよく、区画間の連通面積を変化させるものに限定されない。例えば、図８に示すように、隔壁が設けられていない容器２０２において、隔壁の側壁から容器内側へ突出または退避する可動板２０３を設けてもよい。この場合、可動板２０３を容器内側へ突出させることにより、液体Ｌｉの見かけ上の質量が増加し、スロッシング固有周期が長くなる。
【００７８】
なお、本発明の補助機構は、地震等による強制力が容器へ付与されて生じる容器内の液体又は気体の流れに弁体や可動隔壁等の抵抗体を配置することにより、液体の見かけ上の質量や復元力等を変化させ、ひいてはスロッシング固有周期を変化させるものである。換言すれば、流れのない液体に強制力を付与するものではない。一方、特許文献１に記載の機構は、液体に運動エネルギーを付与するものであり、すなわち、強制力を変化させるものであり、本発明の補助機構とは明確に区別される。
【００７９】
容器に隔壁を設ける場合において、容器の形状、隔壁の配置、区画の数は適宜に設定してよく、例えば、図９に示す各種の変形例のようにしてもよい。図９は、変形例の容器を上方から見た断面図である。
【００８０】
図９（ａ）に示す容器２１１は矩形に形成されている。この場合であっても、隔壁２１２、隔壁２１２に設けられた弁や可動隔壁により、隔壁２１２に直交する方向に伝播するスロッシングを防止できる。
【００８１】
図９（ｂ）に示す容器２１５では、内部が隔壁２１６、２１７により４等分されている。そして、ｙ方向に伝播するスロッシングは、ｙ方向に直交する隔壁２１７、隔壁２１７に設けられた弁や可動隔壁により低減され、ｘ方向に伝播するスロッシングは、ｘ方向に直交する隔壁２１６、隔壁２１６に設けられた弁や可動隔壁により低減される。また、図９（ｃ）に示す容器２２０のように、３等分であっても、ｘ方向及びｙ方向の双方に対応することができる。
【００８２】
図９（ｄ）に示す容器２２２では、容器内を内周側と外周側とに分割するように隔壁２２３が設けられている。このように隔壁を設けることにより、あらゆる方向のスロッシングが低減される。また、径方向に延びる隔壁２２４により外周側の区画を更に分割し、一層のスロッシング低下を図ってもよい。
【００８３】
隔壁により分割された区画間の連通部（孔部）は、適宜に構成してよく、隔壁に設けられた気体用の貫通孔や、隔壁下部と容器底部との間の隙間に限定されない。例えば、図１０に示すように、気相管２２７により容器２２６の気相室を連通してもよい。また、隔壁２２８に液面下において貫通孔２２８ａを形成して、区画間を連通してもよい。液面下の連通部（孔部）の断面積を変化させる可動隔壁は、上下移動するものに限定されない。例えば、図１０に示すように、可動隔壁２２９を回転させることにより、上方に突出する位置と下方に退避した位置との間で可動隔壁２２９を移動させてもよい。また、可動隔壁は、第２の実施形態のように下方に突出して液体の流路を長くできるものが効果的であるが、開口面積を狭くするだけでも付加質量を増加させることができるから、平行移動や回転移動等の種々の移動方式の可動隔壁のいずれにおいても、第２の実施形態のように下方へ突出するように構成されてもよいし、図１０のように上方へ突出するように構成されてもよい。また、図１１のように、市松模様に穴を開けた板を２枚用意して、一枚を固定隔壁とし、もう１枚を可動隔壁としてスライドさせることによっても、隔壁の開口面積を変えることができる。
【００８４】
制御装置は、センサの検出値に基づいて補助機構の動作を制御する電子的なものに限定されず、機械的に補助機構の動作を制御するものであってもよい。例えば、液面に浮く浮体の動揺を補助機構に伝達して動作制御してもよい。
【００８５】
センサの検出値に基づいて補助機構の動作を制御する場合、センサは一の区画に複数箇所設けられなくてもよい。例えば、スロッシング防止装置の適用される分野によっては、想定される外力や容器の大きさから、隔壁モードのスロッシングがＵ字管モードのスロッシングに比較して非常に小さいことが明確な場合があり、このような場合には、一のセンサにより検出した液位をＵ字管モードのスロッシングの液位として扱うことができる。また、複数のセンサからＵ字管モードのスロッシングの液位を特定する場合、センサの検出値の平均により特定する方法に限定されず、例えば各センサの検出値に適宜な重み係数を乗じるなどして特定してもよい。
【００８６】
固有周期を変化させるタイミングは、液体のＵ字管モードの液位と当該液位の微分値との積に基づくものに限定されない。例えば、液位のみをパラメータとして評価関数を定義したり、液位の加速度をパラメータに含めて評価関数を定義し、固有周期を変化させるタイミングを求めてもよい。
【００８７】
固有周期を変化させる場合、弁を開状態又は閉状態に切り換えるような、２択式のものに限定されず、例えば、弁の開度を複数段階に切り換えて変化させてもよい。
【００８８】
本発明は、種々の技術分野に適用可能である。図１２は、本発明を容器底部における液体の動揺を抑制する目的に使用した場合を例示する図であり、海洋に設置された浮体式の浄化槽３０１を示している。浄化槽３０１内部は隔壁３０２により区画３０３、３０４に分割されており、区画３０３と区画３０４は、隔壁３０２の下部において連通している。区画３０３に導入された汚水は、矢印ｙ１１で示すように、隔壁３０２の下方を通過して区画３０４に流れる。その際、汚水に含まれる混合物３０６は区画３０３、３０４の底に沈殿し、汚水は浄化される。
【００８９】
浄化槽３０１が海洋波によって動揺すると、浄化槽３０１内部の汚水にはスロッシングが生じる。そして、浄化槽３０１の底部付近における汚水の動揺により、沈殿していた混合物３０６が舞い上がることになる。しかし、隔壁３０２の貫通孔３０２ｅを弁３０５により開閉するなど、本発明を適用することにより、浄化槽３０１の底部付近における汚水の動揺を防止し、沈殿した混合物が舞い上がることを防止できる。
【００９０】
本発明の別の適用例として、油送船（タンカー）や活魚輸送車などの移動体への積載が考えられる。図１３は、本発明をトラックに搭載した場合を例示する図であり、活魚輸送用水槽４０１を示している。水槽４０１内部は隔壁４０２により区画４０３、４０４に分割されており、区画４０３と区画４０４は、隔壁４０２の下部において連通している。
【００９１】
活魚輸送車走行時の加減速などの運動によって水槽４０１が動揺すると、水槽４０１内にスロッシングが励起され、活魚が壁面に衝突することにより死んだり、傷ついたりする。しかし、隔壁４０２の貫通孔４０２ｅを弁４０５により開閉するなど、本発明を適用することにより、水槽４０１内の水のスロッシングを抑制することができ、活魚の被害が抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１の実施形態のスロッシング防止装置を示す断面図。
【図２】図１のスロッシング防止装置の動作の概略を説明する概念図。
【図３】数式における記号の定義を示す図。
【図４】図１のスロッシング防止装置におけるスロッシングのモードを説明する概念図。
【図５】図１のスロッシング防止装置の弁の開閉タイミングを説明する図。
【図６】本発明の第２の実施形態のスロッシング防止装置を示す断面図。
【図７】図６のスロッシング防止装置の動作の概略を説明する概念図。
【図８】本発明の変形例のスロッシング防止装置を示す断面図。
【図９】本発明の変形例のスロッシング防止装置を示す断面図。
【図１０】本発明の変形例のスロッシング防止装置を示す断面図。
【図１１】本発明の変形例のスロッシング防止装置を示す断面図。
【図１２】本発明の変形例のスロッシング防止装置を示す断面図。
【図１３】本発明の変形例のスロッシング防止装置を示す断面図。
【符号の説明】
【００９３】
１…スロッシング防止装置、２…容器、４…弁、１０…制御装置、１１…補助機構。
【図１】
2007153438.tif 000023
【図２】
2007153438.tif 000024
【図３】
2007153438.tif 000025
【図４】
2007153438.tif 000026
【図５】
2007153438.tif 000027
【図６】
2007153438.tif 000028
【図７】
2007153438.tif 000029
【図８】
2007153438.tif 000030
【図９】
2007153438.tif 000031
【図１０】
2007153438.tif 000032
【図１１】
2007153438.tif 000033
【図１２】
2007153438.tif 000034
【図１３】
2007153438.tif 000035