スロッシング抑制装置
【課題】地震波等による揺動エネルギーをより効果的に吸収することにより、スロッシングを抑制することができ、しかも簡単な構造で、かつ低コストでこれを実現する。
【解決手段】貯留容器２内の液体３のスロッシングを抑制するスロッシング抑制装置１であって、液体３の液面に浮遊させる平板状の浮体１２と、浮体１２の表面又は底面に対して略平行方向に弾性伸縮自在に張設されたバネ１７と、バネ１７の少なくとも一端に取り付けられた錘１８とを有する同調型振動系１３とを備える。
【解決手段】貯留容器２内の液体３のスロッシングを抑制するスロッシング抑制装置１であって、液体３の液面に浮遊させる平板状の浮体１２と、浮体１２の表面又は底面に対して略平行方向に弾性伸縮自在に張設されたバネ１７と、バネ１７の少なくとも一端に取り付けられた錘１８とを有する同調型振動系１３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石油タンク、上水道用タンク、農業用水用タンク、工業用水道用タンク等の各種液体貯留タンクあるいは貯液槽などの液体を収容した貯留容器内に設けられ、当該液体によるスロッシングを抑制するためのスロッシング抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体が入った貯留容器が地震波等により揺動すると、液体表面に大波が立ち、この大波が容器の壁面や屋根を衝撃するスロッシング現象が発生する。このようなスロッシングによる震災例として、（１）新潟地震（１９６４年６月１６日）による石油タンク火災、（２）日本海中部地震（１９８３年５月２６日）による石油タンク火災、（３）十勝沖地震（２００３年９月２６日）による石油タンク火災等が知られている。
【０００３】
地震の入力値（速度応答スペクトル（ｃｍ／ｓｅｃ．））に伴ってスロッシング波高は大きくなり、震災例をみると地震の周期が長く（長周期地震動）内容液のスロッシング周期と近いことから共振を起こしたと考えられる。特に、貯留容器と液体とによって定まる固有振動数と、地震等の振動数とが一致すると、共振現象により激しいスロッシングが生じ、貯留容器が破損することもありえる。この激しいスロッシング現象を防止ないしは抑制するための方法が従来において提案されてきた。
【０００４】
また、複数の流体流通孔を有する上下の多孔板を貯留槽内壁に固定し、上下の多孔板間に複数の金属製球体を転動可能に配置して、液体の移動に伴う金属製球体の移動によって液体の移動エネルギーを吸収しスロッシングを抑制するようにする方法も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、内容液表面に袋を設置し、袋内に圧力空気を注入することで内容液の圧力を高めることによりスロッシング振動数を高めてタンクと共振しないようにする方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
また、浮屋根式タンクにおいて浮屋根に板状体とスプリングによる抵抗体を取り付け、スロッシングを防止する方法が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００７】
また、浮き屋根にバネを介して錘を吊り下げることで、貯蔵タンクの固有周期が短周期化するとともに、浮き屋根の揺動エネルギーをバネと液体の抵抗を受け上下運動を行う錘によって吸収する技術も開示されている（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】実開平６−７６１９１号公報
【特許文献２】特開平８−２６３８８号公報
【特許文献３】特開平９−１４２５７５号公報
【特許文献４】特開２００５−３３００１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、この特許文献１の開示技術では、地震時に金属製球体が液体貯留層の横方向一方に偏り、或いは他方に偏る場合がある。このため金属製球体が偏った場合には、それ以外の部分についてはエネルギー吸収効果が小さくなるという問題がある。また、金属製球体であるので、貯留容器内壁の金属製内壁面と衝突した場合に、金属音が生じ騒音公害を生じ、適用地域が限定される。また、上下の多孔板は加工費用も高くなるという問題点もある。
【０００９】
また、特許文献２の開示技術では、上水、農水のような容器では水位変動（高水位〜低水位）を毎日繰り返すため適用し難く、袋の反力を貯留容器が負担するため補強が伴う。更に圧力により内容液の振動数を高めると貯留容器と共振する恐れもある。
【００１０】
また、特許文献３の開示技術では、固定屋根式タンクにはそのまま適用できず、適用範囲が限定されるとともに費用が高くつくという問題点がある。
【００１１】
また、特許文献４の開示技術では、錘が液体の抵抗を受け、現位置を保持しようとしているが揺動エネルギーに釣り合うには巨大な抵抗面積を持つ錘が必要となり不経済であり、その揺動エネルギーを屋根が負担する必要がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、地震波等による揺動エネルギーをより効果的に吸収することにより、スロッシングを抑制することができ、しかも簡単な構造で、かつ低コストでこれを実現可能なスロッシング抑制装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明を適用したスロッシング抑制装置は、上述した課題を解決するために、貯留容器内の液体のスロッシングを抑制するスロッシング抑制装置において、上記液体の液面に浮遊させる平板状の浮体と、上記浮体の表面又は底面に対して略平行方向に弾性伸縮自在に張設された弾性伸縮体と、上記弾性伸縮体の少なくとも一端に取り付けられた錘とを有する同調型振動系とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明を適用したスロッシング抑制装置は、上述した課題を解決するために、貯留容器内の液体のスロッシングを抑制するスロッシング抑制装置において、上記液体の液面に浮遊させる平板状の浮体と、上記浮体の略中心底面に吊り下げられ、又は略中心表面に倒立させた振り子からなる同調型振動系とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明を適用したスロッシング抑制装置は、上述した構成を有するために、地震が発生すると、液体の液位が変動し、これに追随して浮体が傾いて錘が振動することになる。このとき液体に伝達された振動のエネルギーは、このバネと錘とを有する同調型振動系に移動し、錘の振動を介して当該エネルギーを吸収することが可能となる。
【００１６】
その結果、地震により液体へと伝達された振動エネルギーは、低減されることになり、液体における液位の変動量を抑えることが可能となる。その結果、液体が周壁から超えてしまうことを防止することが可能となり、スロッシングをより効果的に抑制することが可能となる。しかも本発明では、あくまでバネと錘等を中心とした同調型振動系を新設又は既設の浮屋根に設ければ所期の効果を奏することから、装置を構成する上での労力の軽減を大幅に低減させ、コストも抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、貯留容器内の液体によるスロッシングを抑制するためのスロッシング抑制装置について、図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００１８】
第１の実施の形態としてのスロッシング抑制装置１は、例えば図１に示すように貯留容器２に対して適用される。このスロッシング抑制装置１は、貯留容器２内に貯留された液体３の液面に浮遊させる浮体１２と、浮体１２の底面１２ｂに設けた同調型振動系１３とを備えている。
【００１９】
貯留容器２は、底板２１と、底板２１の周囲において立設されている周壁２２とを備えている。この貯留容器２は、断面円形で構成されているが、これに限定されるものではなく、いかなる断面形状で構成されていてもよい。この貯留容器２は、例えば、石油タンク、上水道用タンク、農業用水用タンク、工業用水道用タンク等の各種液体貯留タンク等に適用される。この貯留容器２は、貯留される液体３の液面高さが最大Ｈとなるように調整される。
【００２０】
浮体１２は、例えば、所定板厚からなる薄肉構造の平板状で構成される。この浮体１２は、例えば鋼板からなる二重構造で、上下の鋼板二重板に挟まれた空間の浮力により、液体３の液面上において浮遊可能とされている。一重構造の鋼板の場合は、浮き構造を付加することで浮遊可能とできる。液体３の比重より軽い材料により構成されてもよい。浮体１２は、貯留容器２に貯留されている液体３の増減に伴う液面高さの変動に伴い、貯留容器２内を上下動するようになっている。この浮体１２は、断面略円形で構成され、その直径は、貯留容器２の直径よりも短くなるように構成されている。このため、浮体１２の外周と、周壁２２との間が離間することになる。地震等の急激な液面の変動により浮体１２と周壁２２が衝突するのを防止する観点から、浮体１２と、周壁２２との間に図示しない弾性シール部材を介装させるようにしてもよい。
【００２１】
なお、この浮体１２は、例えば浮屋根と兼用とされていてもよい。この浮屋根は、貯留容器２内に貯留されている液体３の蒸発を抑制するとともに、液体３への雨水や異物の混入を防止するために設けられている。特に貯留容器２が石油タンクに適用される場合には、原油やナフサ等の液体３がこれに貯留されることになるが、これらが外気に直接的に接触するのを防止することができ、火災の発生などの危険を回避することが可能となる。
【００２２】
このとき、浮体１２は、新設の浮屋根と兼用とされていてもよいし、既に浮屋根として用いられているものに対して新たにこれを浮体１２として適用するようにしてもよい。
【００２３】
同調型振動系１３は、浮体１２の表面１２ａに対して略平行方向に弾性伸縮自在に張設されたバネ１７と、バネ１７の少なくとも一端に取り付けられた錘１８と、バネ１７の他端に取り付けられた柱１９と有している。
【００２４】
バネ１７は、一端が自由端としての役割を果たすとともに、他端が固定端として柱１９に支持されることにより、当該一端が浮体１２の底面１２ｂに対して略平行方向に弾性伸縮自在となるように構成されている。本発明においては、この自由端としての一端に上記錘１８を取り付ける。その結果、この錘１８は、バネ１７の伸縮動作に伴って、浮体１２の底面１２ｂに対して略平行方向に振動することになる。この図１の例では、２本のバネ１７の長手方向が互いに一直線状となるように配置し、固定端を外周側に、また自由端を中心付近となるようにし、その自由端にそれぞれ錘１８を取り付けている。なお、このバネ１７の具体的な例としては、弾性伸縮可能な材料であればいかなるもので構成されていてもよく、例えば、金属性のバネで構成されていてもよいし、その代替としてゴム等で構成されていてもよいことは勿論である。
【００２５】
錘１８は、例えば球形状、円筒形状、矩形状で構成されている。錘１８の材質は、例えば鋼鉄製であってもよいが、液体３の比重より重い材料であり、また液体３に対する腐食性等の相性を考慮した上で好適なものが選定されることになる。この錘１８にはバネ１７を取り付けるための図示しない取付金具が設けられている。錘１８は、浮体１２の略中心に位置するように設けられることが望ましい。
【００２６】
図２は、本発明を適用したスロッシング抑制装置１において、同調型振動系１３を、浮体１２の表面１２ａに設けた形態を示している。即ち、同調型振動系１３を構成するバネ１７と、錘１８と、柱１９とは、それぞれ表面１２ａ上に設けられる。この図２において、上述した図１と同一の構成について同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。
【００２７】
バネ１７は、一端が浮体１２の表面１２ａに対して略平行方向に弾性伸縮自在となるように構成されている。その結果、この錘１８は、バネ１７の伸縮動作に伴って、浮体１２の表面１２ａに対して略平行方向に振動することになる。
【００２８】
即ち、本発明を適用したスロッシング抑制装置１は、あくまで同調型振動系１３は、浮体１２の表面１２ａ又は底面１２ｂの何れかにおいて設けられていればよい。
【００２９】
ちなみに、上述した同調型振動系１３においては、地震による加震方向が図１(b)に示す方向である場合を仮定したものである。かかる加震方向へと振動が伝達され、これに対応するために当該加震方向と平行となるようにバネ１７が延長した、最もシンプルな形態を例示したものである。
【００３０】
次に、本発明を適用したスロッシング抑制装置１の動作について、同調型振動系１３を浮体１２の底面１２ｂに設けた場合を例にとり、詳細に説明をする。
【００３１】
本発明を適用したスロッシング装置１は、上述した構成を備えることにより、図３(a),(b)に示すように液体３に対して振動が伝わったときに、錘１８がこれに追随するようにして、浮体１２の底面１２ｂに対して略平行方向に振動する。例えば図３(a)に示すように、地震等により液体３の液位が変動し、左下がりとなるように変化した場合には、これに伴って浮体１２が左下に傾き、錘１８がこれに追随して左側へと移動することになる。また図３(b)に示すように、液位が右下がりとなるように変化した場合には、これに伴って浮体１２が右下に傾き、錘１８がこれに追随して右側へと移動することになる。
【００３２】
地震等による振動が液体３に伝わった場合には、その液体３の液位は、図３(a)と図３(b)の状態が繰り返し起きることになる。これに伴って錘１８は、左側、右側へと繰り返し振動することになる。特に錘１８は両側からバネ１７により固定されていることから、錘１８が左側に寄った場合には、右側へと引っ張ろうとする力が作用し、錘１８が右側に寄った場合には、左側へと引っ張ろうとする力が作用することになる。これが繰り返し実行されることにより、バネ１７により錘１８を振動させることが可能となる。
【００３３】
実際に、地震が発生すると、液体３の液位が変動し、これに追随して浮体１２が傾いて錘１８が振動することになる。このとき液体３に伝達された振動のエネルギーは、このバネ１７と錘１８とを有する同調型振動系１３に移動し、錘１８の振動を介して当該エネルギーを吸収することが可能となる。
【００３４】
その結果、地震により液体３へと伝達された振動エネルギーは、低減されることになり、液体３における液位の変動量を抑えることが可能となる。その結果、液体３が周壁２２から超えてしまうことを防止することが可能となり、スロッシングをより効果的に抑制することが可能となる。しかも本発明では、あくまでバネ１７と錘１８等を中心とした同調型振動系１３を新設又は既設の浮屋根に設ければ所期の効果を奏することから、装置を構成する上での労力の軽減を大幅に低減させ、コストも抑えることが可能となる。
【００３５】
特に、同調型振動系１３を浮体１２の表面１２ａに設けることにより、浮体１２の裏面１２ｂにこれを設ける場合と比較して、液体３による流体抵抗を受けることは無くなる。同調型振動系１３を浮体１２の裏面１２ｂに設ける場合には、仮に液体３の液面が貯留容器２の底板２１付近まで低下した場合に、これを機能させることができなくなる場合もあるが、同調型振動系１３を浮体１２の表面１２ａに設ける場合には、かかる水深による影響を受けることも無くなる。
【００３６】
なお、貯留容器２内の液体３におけるスロッシングの一次固有振動数ｆは、円筒形の場合、以下の式で表される。
ｆ：固有振動数、ω：一次円振動数、ｇ：重力加速度、Ｒ：貯留容器２の内径、Ｈ：液体３の高さ
【００３７】
即ち、このスロッシング固有振動数は、貯留容器２内径と、液体３の高さＨにも支配されることになる。液体３の高さＨは、上述した最高液面高さＨとすることが望ましい。このとき、その液面高さが最大Ｈのときの固有振動数ｆに合わせて、上述したバネ１７のバネ定数や錘１８の重さ等、振動を規定する物理的パラメータを設定する。これにより、スロッシングの危険度が最も高い、最大液面高さＨまで液体３が貯留容器２内に満たされている場合に、本発明を適用したスロッシング抑制装置１による振動エネルギー吸収量を最も高くすることができる。
【００３８】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図４に示すように、バネ１７の本数や配置、錘１８の個数や配置はいかなるものであってもよい。図４(a)は、１個の錘１８を浮体１２中心に位置させた上で、バネ１７（柱１９）を１２０°間隔で配置した例を示している。また、図４(b)は、１個の錘１８を浮体１２８中心に位置させた上で、バネ１７（柱１９）を９０°間隔で配置した例を示している。更に図４(c)は、９０°間隔でそれぞれ設置された各バネ１７と、４個の錘１８により構成したものである。即ち、この図４(c)の形態においては、浮体１２の中心から柱１９へと延長されているバネ１７の中間において錘１８を介在させている。
【００３９】
このような図４に示す形態においても同様に、地震により液体３の液位が変動した場合に、これに追随して浮体１２が傾き、錘１８が振動することになる。このとき、錘１８は、１２０°間隔、又は９０°間隔でバネ１７に接続されていることから、あらゆる方向から地震による振動が伝わってきた場合においてもこれに対応する方向へ錘１８を振動させることができる。これにより、あらゆる方向からの振動に対する液位の変動を抑制することができ、スロッシング抑制効果を全方向に亘って発揮させることが可能となる。
【００４０】
また、本発明においては、浮体１２についても上述したように、断面円形状の平板で構成される場合に限定されるものではない。例えば図５に示すように浮体４１、４２を適用するようにしてもよい。
【００４１】
浮体４１は、断面略円形状の平板４０に対して、４箇所に亘って開口部４３を形成させたものである。この開口部４３の数、配置、形状、大きさはいかなるものであってもよい。
【００４２】
浮体４２は、平板で構成する代替として、骨組形状としたものである。即ち、この浮体４２は、外周に配される円形状の外筋４４と、内周に配される円形状の内筋４５と、この外筋４４と内筋４５を連結するための連結筋４６とを備えている。これらの骨組みを構成する外筋４４、内筋４５、連結筋４６はそれぞれ木材により構成されていてもよいし、その他液体３の比重より軽い材料により構成されてもよいし、液体３の比重より重い金属材料を用いる場合、中空の円形や矩形とすることで浮力をもつ構成としてもよい。
【００４３】
特に、貯留容器２に飲料水としての液体３が貯留されている場合であって、しかもその直上に固定屋根が設けられており、雨水等が入らない構造とされている場合には、浮屋根を液面に浮遊させる必要も無くなる。かかる場合には浮屋根のように平板状にする必要も無くなることから、浮体４１の如く開口部４３を設け、或いは浮体４２の如く骨組構造とすることにより、材料を節減することができ、ひいてはコストを低減させることも可能となる。特に浮体４２の如く骨組構造とすることにより、固定屋根や周壁に設けられた人孔から資材を投入して組み立てれば既存の貯留容器２を分解することなく設置することも可能となる。
【００４４】
また、本発明においては、図６に示すように、錘１８の振動をレール５１により案内するようにしてもよい。錘１８は、柱１９から延長されてきたバネ１７に接続され、その結果、バネ１７を介して柱１９間を振動することになるが、その振動方向は柱１９間を直線で結んだ方向となる。レール５１は、図６(a)に示すように、その長手方向が、柱１９を直線で結んだ方向に沿って浮体１２上に設けられる。ちなみに、この例では、レール５１は浮体１２上に完全に固定された状態としている。
【００４５】
図６(c)は、図６(a),(b)のＡ−Ａ´断面図である。錘１８の底面には、嵌合凹部１８ａが開削されている。この嵌合凹部１８ａはレール５１に嵌合可能なサイズ、形状で構成されているが、錘１８がレール５１により案内されて移動自在可能とするために、嵌合凹部１８ａの断面は、レール５１の断面よりも若干広めに設定されている。
【００４６】
このようなレール５１を設けることにより、錘１８は、レール５１により案内することが可能となることから、振動方向が反れてしまうのを防止し、一直線上で振動することが可能となる。錘１８による一直線上でコンスタントな振動を実現することができれば、振動エネルギーを効率的に吸収することも可能となる。ちなみに、このレール５１は浮体１２の表面１２ａに設けられている場合以外に、裏面１２ｂにおいて設けられていてもよい。なお、このレール５１の代替として、浮体１２の表面１２ａにおいて図示しない溝を形成させ、これに錘１８を遊嵌させてもよく、錘１８を一直線上で安定した状態で振動させることにより上述した所期の効果を得ることが可能となる。
【００４７】
このとき、図７に示すように、レール５１の長手方向が加震方向となるように自動的に調整できる支持体５２を設けるようにしてもよい。支持体５２は、浮体１２のほぼ中心に設けられ、その上端にはレール５１が支持されている。このとき、レール５１が支持体５２を中心軸として回転可能となるような形状が、この支持体５２に対して具現化されている必要がある。このため、支持体５２は、例えば上端に軸を形成させ、その軸を介してレール５１を回転可能に支持するようにしてもよい。
【００４８】
ここで図７(a)に示す加震方向へ地震による振動が伝わった場合には、加震される前に図中点線方向に向いていたレール５１が加震方向へと回転する。そのメカニズムとして、地震による振動が伝わると、浮体１２は、加震方向に振動し、これに伴って錘１８も加震方向へ移動しようとする。その結果、レール５１に対しては、錘１８が加震方向へ移動しようとする力が作用し、レール５１自体が支持体５２を中心として、その長手方向が加震方向となるように回転することになる。かかる状態の下で錘１８はレール５１に案内されて加震方向に振動を繰り返すことになる。
【００４９】
このように、錘１８を、加震方向へ自動的に合わせて、しかも一直線上で振動させることができるため、振動エネルギーをより効率的に吸収することも可能となる。特に本発明では、かかる加震方向への回転動作を、支持体５２を設けるのみで極めて簡易な構成で自動的に実現することができることから、装置のコストを大幅に低減することも可能となる。
【００５０】
なお本発明においては、平板状の浮体１２の代替として、図８に示すように断面湾曲形状となるように形成された浮体５３、５４を適用するようにしてもよい。図８(a)に示す浮体５３は上に凸となるように断面を湾曲させた形状としている。また、図８(b)に示す浮体５４は下に凸となるように断面を湾曲させた形状としている。
【００５１】
浮体５３は、上に凸となるように湾曲させることにより、錘１８の振動に対するバネ１７の復元力が作用する方向に対して反対方向の力を付加することができる。このため湾曲させない場合に比べて、小さな錘１８によって固有周期を長周期化することができる。錘１８の軽量化により、浮体１２への荷重が低減される。浮体５３は鋼板からなる二重構造としてもよく、上の鋼板を湾曲させ、下の鋼板を平板としてもよい。二重構造とすることで、必要な浮力を確保する空間を得ることができる。
【００５２】
浮体５４は、下に凸となるように湾曲させることにより、一重構造であっても浮力を得ることができる。
【００５３】
次に、本発明における第２の実施の形態としてのスロッシング抑制装置について、図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００５４】
図９(a)は、第２の実施の形態を適用したスロッシング抑制装置７の構成を示している。このスロッシング抑制装置７は、液体３の液面に浮遊させる浮体１２と、浮体１２の底面から張設されたワイヤー６０、並びにワイヤー６０の下端に取り下げられた振り子６１からなる同調型振動系６４とを備えている。このスロッシング装置７において、上述したスロッシング装置１と同一の構成要素、部材については同一の符号を付すことにより上述した説明を引用し、以下での説明を省略する。
【００５５】
ワイヤー６０は、金属系、炭素繊維系等の非伸縮材料で構成されたロープ等である。このワイヤー６０は、一端が図９に示すように浮体１２の底面１２ｂの複数箇所に取り付けられ、他端が浮体１２の略中心底面において集結させた上で振り子６１が取り付けられる。浮体１２の略中心底面に１本のワイヤー６０を用いて振り子６１を取り付けてもよい。ちなみに、このワイヤー６０の長さは、低減すべき振動エネルギーの固有振動数に応じて予め調整されている。
【００５６】
振り子６１は、錘１８と同様に、例えば鋼鉄製の球形状、円筒形状、矩形状で構成される。但し、この振り子６１は、液体３の比重より重い材料で構成されている必要がある。振り子６１は、浮体１２の略中心において集結されたワイヤー６０の下端に取り付けられていることから、結果として、浮体１２の略中心底面に吊り下げられた状態とされる。
【００５７】
図９(b)は、同調型振動系６６を浮体１２の表面１２ａ上に配設した例を示している。この図９(b)は、いわゆる逆さ振り子としての構成を具体化したものであって、弾性率の高い金属線６５を複数本に亘って浮体１２の表面１２ａへと取り付け、これを浮体１２の中心付近に集結させてその先端を鉛直上方へと突出させている。この突出させた金属線６５の先端に振り子６１を取り付ける。浮体１２の略中心表面に１本の金属線６５を用いて振り子６１を取り付けてもよい。その結果、金属線６５の弾性変形に伴って振り子６１を振動させることが可能となる。
【００５８】
次に、本発明を適用したスロッシング抑制装置７の動作について、同調型振動系６４を浮体１２の底面１２ｂに設けた場合を例にとり、詳細に説明をする。
【００５９】
本発明を適用したスロッシング抑制装置７は、上述した構成を備えることにより、図１０(a),(b)に示すように液体３に対して振動が伝わったときに、振り子６１がこれに追随するようにして振動する。例えば図１０(a)に示すように、地震等により液体３の液位が変動し、左下がりとなるように変化した場合には、これに伴って振り子６１も左へと揺れることになる。また図１０(b)に示すように、液位が右下がりとなるように変化した場合には、これに伴って振り子６１も右へと揺れることになる。これが繰り返し実行されることにより、地震による液位の変動に応じて振り子６１を左右に振動させることが可能となる。
【００６０】
その結果、地震により液体３へと伝達された振動エネルギーは、低減されることになり、液体３における液位の変動量を抑えることが可能となる。その結果、液体３が周壁２２から超えてしまうことを防止することが可能となり、スロッシングをより効果的に抑制することが可能となる。しかも本発明では、あくまで振り子６１とワイヤー６０を中心とした同調型振動系６４を新設又は既設の浮屋根に設ければ所期の効果を奏することから、装置を構成する上での労力の軽減を大幅に低減させ、コストも抑えることが可能となる。特に、この振り子６１は、加震方向がいかなる方向であってもその加震方向へ向けて揺動することが可能となる。即ち、この振り子６１を利用したスロッシング抑制装置７は、加震方向による制限を受けないという利点もある。また、振り子６１とワイヤー６０又は金属線６５は、浮体１２の中心近傍のみに配置しても所期の作用効果を発揮することができる。
【００６１】
また、逆さ振り子とした図９(b)の構成とすることにより、振り子６１の復元力と反対方向の力が作用するため、振り子の固有周期を長周期化することができるという利点がある。
【００６２】
なお、同調型振動系６４を浮体１２の表面１２ａに設けた場合についても、逆さ振り子と同様の動作を発揮し得ることから、上述と同様の効果を得ることが可能となる。
【００６３】
図１１は、先端に振り子６１を取り付けた金属線６５に対して、更にバネ１７を取り付けたスロッシング抑制装置８の構成例を示している。金属線６５の下端には図示しない移動手段が設けられ、この移動手段により金属線自体６５が表面１２ａ上を移動自在とすることができる。そしてこの金属線６５には、バネ１７が複数方向から接続されている。金属線６５は浮体１２の表面に移動手段を設けず固定してもよい。
【００６４】
このようなスロッシング抑制装置８では、逆さ振り子とバネ１７とを組み合わせた構成からなる。このため、地震により振動エネルギーが伝達された場合には、振り子６１が取り付けられた金属線６５自体をバネ１７により、加震方向へ振動させることが可能となる。また、金属線６５の先端に取り付けられた振り子６１も加震方向へと揺動させることが可能なる。このため、振動エネルギーの吸収効果をより向上させることが可能となる。また、振り子６１を利用するため、いかなる加震方向であっても、その方向へ振り子６１を揺動させて、振動エネルギーを吸収することが可能となる。
【実施例１】
【００６５】
以下、本発明を適用したスロッシング抑制装置１の効果を確認するために行った実験結果について説明をする。
【００６６】
実験系は、図１２に示すように、外径６００ｍｍ、内径５８０ｍｍ、内容液高さ５００ｍｍ、周壁高さが８００ｍｍからなるアクリル製円筒タンク模型８１に、スロッシング抑制装置７に対応する模型８３を設置した。
【００６７】
この模型８３は、振動系としての振り子として、振り子長さによって容易に固有振動数を変化させることができるものを用いた。液面に硬質発泡スチロール製の平板８４（浮体１２に対応する）を浮かべ、平板８４下面に糸８５を３本を取り付け、先端を束ね三角錐を形成した。その先端に糸を取り付け、振り子状に錘８６を吊り下げた。錘８６は平板８４の中心に合致するように調整した。
【００６８】
平板８４は、直径５８０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、質量２６６ｇである。錘８６は、直径４９．６ｍｍ、質量５００ｇの鋼球である。糸８５により形成される三角錐は、長さ６．４ｃｍ、振子長は１２．７ｃｍである。
【００６９】
このような模型８３をタンク模型８１に貯留した液体の液面に浮かべ、さらにこのタンク模型８３を図示しない振動台８２に設置し、２ｇａｌの正弦波による加振とした。抑制装置がない状態での１次スロッシングの固有振動数は１．２４４Ｈｚ、その時の最大波高は６．７ｃｍであった。振動台実験は１．１５Ｈｚ〜１．３５Ｈｚまで０．０１Ｈｚ刻みのスポット加振を行った。その結果、波高は、１．２ｃｍであった。比較のため平板８４のみを液体に浮かべて、同一条件の下で振動台実験を行ったところ、波高は４ｃｍであった。このため、本発明を適用することにより、波高は２．８ｃｍも低減できたことが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１の実施の形態としてのスロッシング抑制装置の構成図である。
【図２】本発明を適用したスロッシング抑制装置において、同調型振動系を、浮体の表面に設けた形態を示す図である。
【図３】本発明を適用したスロッシング抑制装置の動作について説明するための図である。
【図４】本発明を適用したスロッシング抑制装置の第１の実施の形態の他の構成例を示す図である。
【図５】(ａ)は、断面略円形状の平板に対して、４箇所に亘って開口部を形成させた例を示す図である。(ｂ)は、平板で構成する代替として、骨組形状とした例を示す図である。
【図６】錘の振動をレールにより案内する構成について説明するための図である。
【図７】レールの長手方向が加震方向となるように自動的に調整できる支持体を設けた例を示す図である。
【図８】平板状の浮体の代替として、断面湾曲形状となるように形成された浮体を適用する例について説明するための図である。
【図９】本発明を適用したスロッシング抑制装置の第２の実施の形態の構成図である。
【図１０】本発明を適用したスロッシング抑制装置の第２の実施の形態の動作について説明するための図である。
【図１１】先端に振り子を取り付けた金属線に対して、更にバネを取り付けたスロッシング抑制装置の構成図である。
【図１２】本発明を適用したスロッシング抑制装置の効果を確認するために行った実験系について説明するための図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ スロッシング抑制装置
２ 貯留容器
３ 液体
１２ 浮体
１３ 同調型振動系
１７ バネ
１８ 錘
１９ 柱
２１ 底板
２２ 周壁
５１ レール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石油タンク、上水道用タンク、農業用水用タンク、工業用水道用タンク等の各種液体貯留タンクあるいは貯液槽などの液体を収容した貯留容器内に設けられ、当該液体によるスロッシングを抑制するためのスロッシング抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体が入った貯留容器が地震波等により揺動すると、液体表面に大波が立ち、この大波が容器の壁面や屋根を衝撃するスロッシング現象が発生する。このようなスロッシングによる震災例として、（１）新潟地震（１９６４年６月１６日）による石油タンク火災、（２）日本海中部地震（１９８３年５月２６日）による石油タンク火災、（３）十勝沖地震（２００３年９月２６日）による石油タンク火災等が知られている。
【０００３】
地震の入力値（速度応答スペクトル（ｃｍ／ｓｅｃ．））に伴ってスロッシング波高は大きくなり、震災例をみると地震の周期が長く（長周期地震動）内容液のスロッシング周期と近いことから共振を起こしたと考えられる。特に、貯留容器と液体とによって定まる固有振動数と、地震等の振動数とが一致すると、共振現象により激しいスロッシングが生じ、貯留容器が破損することもありえる。この激しいスロッシング現象を防止ないしは抑制するための方法が従来において提案されてきた。
【０００４】
また、複数の流体流通孔を有する上下の多孔板を貯留槽内壁に固定し、上下の多孔板間に複数の金属製球体を転動可能に配置して、液体の移動に伴う金属製球体の移動によって液体の移動エネルギーを吸収しスロッシングを抑制するようにする方法も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、内容液表面に袋を設置し、袋内に圧力空気を注入することで内容液の圧力を高めることによりスロッシング振動数を高めてタンクと共振しないようにする方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
また、浮屋根式タンクにおいて浮屋根に板状体とスプリングによる抵抗体を取り付け、スロッシングを防止する方法が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００７】
また、浮き屋根にバネを介して錘を吊り下げることで、貯蔵タンクの固有周期が短周期化するとともに、浮き屋根の揺動エネルギーをバネと液体の抵抗を受け上下運動を行う錘によって吸収する技術も開示されている（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】実開平６−７６１９１号公報
【特許文献２】特開平８−２６３８８号公報
【特許文献３】特開平９−１４２５７５号公報
【特許文献４】特開２００５−３３００１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、この特許文献１の開示技術では、地震時に金属製球体が液体貯留層の横方向一方に偏り、或いは他方に偏る場合がある。このため金属製球体が偏った場合には、それ以外の部分についてはエネルギー吸収効果が小さくなるという問題がある。また、金属製球体であるので、貯留容器内壁の金属製内壁面と衝突した場合に、金属音が生じ騒音公害を生じ、適用地域が限定される。また、上下の多孔板は加工費用も高くなるという問題点もある。
【０００９】
また、特許文献２の開示技術では、上水、農水のような容器では水位変動（高水位〜低水位）を毎日繰り返すため適用し難く、袋の反力を貯留容器が負担するため補強が伴う。更に圧力により内容液の振動数を高めると貯留容器と共振する恐れもある。
【００１０】
また、特許文献３の開示技術では、固定屋根式タンクにはそのまま適用できず、適用範囲が限定されるとともに費用が高くつくという問題点がある。
【００１１】
また、特許文献４の開示技術では、錘が液体の抵抗を受け、現位置を保持しようとしているが揺動エネルギーに釣り合うには巨大な抵抗面積を持つ錘が必要となり不経済であり、その揺動エネルギーを屋根が負担する必要がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、地震波等による揺動エネルギーをより効果的に吸収することにより、スロッシングを抑制することができ、しかも簡単な構造で、かつ低コストでこれを実現可能なスロッシング抑制装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明を適用したスロッシング抑制装置は、上述した課題を解決するために、貯留容器内の液体のスロッシングを抑制するスロッシング抑制装置において、上記液体の液面に浮遊させる平板状の浮体と、上記浮体の表面又は底面に対して略平行方向に弾性伸縮自在に張設された弾性伸縮体と、上記弾性伸縮体の少なくとも一端に取り付けられた錘とを有する同調型振動系とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明を適用したスロッシング抑制装置は、上述した課題を解決するために、貯留容器内の液体のスロッシングを抑制するスロッシング抑制装置において、上記液体の液面に浮遊させる平板状の浮体と、上記浮体の略中心底面に吊り下げられ、又は略中心表面に倒立させた振り子からなる同調型振動系とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明を適用したスロッシング抑制装置は、上述した構成を有するために、地震が発生すると、液体の液位が変動し、これに追随して浮体が傾いて錘が振動することになる。このとき液体に伝達された振動のエネルギーは、このバネと錘とを有する同調型振動系に移動し、錘の振動を介して当該エネルギーを吸収することが可能となる。
【００１６】
その結果、地震により液体へと伝達された振動エネルギーは、低減されることになり、液体における液位の変動量を抑えることが可能となる。その結果、液体が周壁から超えてしまうことを防止することが可能となり、スロッシングをより効果的に抑制することが可能となる。しかも本発明では、あくまでバネと錘等を中心とした同調型振動系を新設又は既設の浮屋根に設ければ所期の効果を奏することから、装置を構成する上での労力の軽減を大幅に低減させ、コストも抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、貯留容器内の液体によるスロッシングを抑制するためのスロッシング抑制装置について、図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００１８】
第１の実施の形態としてのスロッシング抑制装置１は、例えば図１に示すように貯留容器２に対して適用される。このスロッシング抑制装置１は、貯留容器２内に貯留された液体３の液面に浮遊させる浮体１２と、浮体１２の底面１２ｂに設けた同調型振動系１３とを備えている。
【００１９】
貯留容器２は、底板２１と、底板２１の周囲において立設されている周壁２２とを備えている。この貯留容器２は、断面円形で構成されているが、これに限定されるものではなく、いかなる断面形状で構成されていてもよい。この貯留容器２は、例えば、石油タンク、上水道用タンク、農業用水用タンク、工業用水道用タンク等の各種液体貯留タンク等に適用される。この貯留容器２は、貯留される液体３の液面高さが最大Ｈとなるように調整される。
【００２０】
浮体１２は、例えば、所定板厚からなる薄肉構造の平板状で構成される。この浮体１２は、例えば鋼板からなる二重構造で、上下の鋼板二重板に挟まれた空間の浮力により、液体３の液面上において浮遊可能とされている。一重構造の鋼板の場合は、浮き構造を付加することで浮遊可能とできる。液体３の比重より軽い材料により構成されてもよい。浮体１２は、貯留容器２に貯留されている液体３の増減に伴う液面高さの変動に伴い、貯留容器２内を上下動するようになっている。この浮体１２は、断面略円形で構成され、その直径は、貯留容器２の直径よりも短くなるように構成されている。このため、浮体１２の外周と、周壁２２との間が離間することになる。地震等の急激な液面の変動により浮体１２と周壁２２が衝突するのを防止する観点から、浮体１２と、周壁２２との間に図示しない弾性シール部材を介装させるようにしてもよい。
【００２１】
なお、この浮体１２は、例えば浮屋根と兼用とされていてもよい。この浮屋根は、貯留容器２内に貯留されている液体３の蒸発を抑制するとともに、液体３への雨水や異物の混入を防止するために設けられている。特に貯留容器２が石油タンクに適用される場合には、原油やナフサ等の液体３がこれに貯留されることになるが、これらが外気に直接的に接触するのを防止することができ、火災の発生などの危険を回避することが可能となる。
【００２２】
このとき、浮体１２は、新設の浮屋根と兼用とされていてもよいし、既に浮屋根として用いられているものに対して新たにこれを浮体１２として適用するようにしてもよい。
【００２３】
同調型振動系１３は、浮体１２の表面１２ａに対して略平行方向に弾性伸縮自在に張設されたバネ１７と、バネ１７の少なくとも一端に取り付けられた錘１８と、バネ１７の他端に取り付けられた柱１９と有している。
【００２４】
バネ１７は、一端が自由端としての役割を果たすとともに、他端が固定端として柱１９に支持されることにより、当該一端が浮体１２の底面１２ｂに対して略平行方向に弾性伸縮自在となるように構成されている。本発明においては、この自由端としての一端に上記錘１８を取り付ける。その結果、この錘１８は、バネ１７の伸縮動作に伴って、浮体１２の底面１２ｂに対して略平行方向に振動することになる。この図１の例では、２本のバネ１７の長手方向が互いに一直線状となるように配置し、固定端を外周側に、また自由端を中心付近となるようにし、その自由端にそれぞれ錘１８を取り付けている。なお、このバネ１７の具体的な例としては、弾性伸縮可能な材料であればいかなるもので構成されていてもよく、例えば、金属性のバネで構成されていてもよいし、その代替としてゴム等で構成されていてもよいことは勿論である。
【００２５】
錘１８は、例えば球形状、円筒形状、矩形状で構成されている。錘１８の材質は、例えば鋼鉄製であってもよいが、液体３の比重より重い材料であり、また液体３に対する腐食性等の相性を考慮した上で好適なものが選定されることになる。この錘１８にはバネ１７を取り付けるための図示しない取付金具が設けられている。錘１８は、浮体１２の略中心に位置するように設けられることが望ましい。
【００２６】
図２は、本発明を適用したスロッシング抑制装置１において、同調型振動系１３を、浮体１２の表面１２ａに設けた形態を示している。即ち、同調型振動系１３を構成するバネ１７と、錘１８と、柱１９とは、それぞれ表面１２ａ上に設けられる。この図２において、上述した図１と同一の構成について同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。
【００２７】
バネ１７は、一端が浮体１２の表面１２ａに対して略平行方向に弾性伸縮自在となるように構成されている。その結果、この錘１８は、バネ１７の伸縮動作に伴って、浮体１２の表面１２ａに対して略平行方向に振動することになる。
【００２８】
即ち、本発明を適用したスロッシング抑制装置１は、あくまで同調型振動系１３は、浮体１２の表面１２ａ又は底面１２ｂの何れかにおいて設けられていればよい。
【００２９】
ちなみに、上述した同調型振動系１３においては、地震による加震方向が図１(b)に示す方向である場合を仮定したものである。かかる加震方向へと振動が伝達され、これに対応するために当該加震方向と平行となるようにバネ１７が延長した、最もシンプルな形態を例示したものである。
【００３０】
次に、本発明を適用したスロッシング抑制装置１の動作について、同調型振動系１３を浮体１２の底面１２ｂに設けた場合を例にとり、詳細に説明をする。
【００３１】
本発明を適用したスロッシング装置１は、上述した構成を備えることにより、図３(a),(b)に示すように液体３に対して振動が伝わったときに、錘１８がこれに追随するようにして、浮体１２の底面１２ｂに対して略平行方向に振動する。例えば図３(a)に示すように、地震等により液体３の液位が変動し、左下がりとなるように変化した場合には、これに伴って浮体１２が左下に傾き、錘１８がこれに追随して左側へと移動することになる。また図３(b)に示すように、液位が右下がりとなるように変化した場合には、これに伴って浮体１２が右下に傾き、錘１８がこれに追随して右側へと移動することになる。
【００３２】
地震等による振動が液体３に伝わった場合には、その液体３の液位は、図３(a)と図３(b)の状態が繰り返し起きることになる。これに伴って錘１８は、左側、右側へと繰り返し振動することになる。特に錘１８は両側からバネ１７により固定されていることから、錘１８が左側に寄った場合には、右側へと引っ張ろうとする力が作用し、錘１８が右側に寄った場合には、左側へと引っ張ろうとする力が作用することになる。これが繰り返し実行されることにより、バネ１７により錘１８を振動させることが可能となる。
【００３３】
実際に、地震が発生すると、液体３の液位が変動し、これに追随して浮体１２が傾いて錘１８が振動することになる。このとき液体３に伝達された振動のエネルギーは、このバネ１７と錘１８とを有する同調型振動系１３に移動し、錘１８の振動を介して当該エネルギーを吸収することが可能となる。
【００３４】
その結果、地震により液体３へと伝達された振動エネルギーは、低減されることになり、液体３における液位の変動量を抑えることが可能となる。その結果、液体３が周壁２２から超えてしまうことを防止することが可能となり、スロッシングをより効果的に抑制することが可能となる。しかも本発明では、あくまでバネ１７と錘１８等を中心とした同調型振動系１３を新設又は既設の浮屋根に設ければ所期の効果を奏することから、装置を構成する上での労力の軽減を大幅に低減させ、コストも抑えることが可能となる。
【００３５】
特に、同調型振動系１３を浮体１２の表面１２ａに設けることにより、浮体１２の裏面１２ｂにこれを設ける場合と比較して、液体３による流体抵抗を受けることは無くなる。同調型振動系１３を浮体１２の裏面１２ｂに設ける場合には、仮に液体３の液面が貯留容器２の底板２１付近まで低下した場合に、これを機能させることができなくなる場合もあるが、同調型振動系１３を浮体１２の表面１２ａに設ける場合には、かかる水深による影響を受けることも無くなる。
【００３６】
なお、貯留容器２内の液体３におけるスロッシングの一次固有振動数ｆは、円筒形の場合、以下の式で表される。
ｆ：固有振動数、ω：一次円振動数、ｇ：重力加速度、Ｒ：貯留容器２の内径、Ｈ：液体３の高さ
【００３７】
即ち、このスロッシング固有振動数は、貯留容器２内径と、液体３の高さＨにも支配されることになる。液体３の高さＨは、上述した最高液面高さＨとすることが望ましい。このとき、その液面高さが最大Ｈのときの固有振動数ｆに合わせて、上述したバネ１７のバネ定数や錘１８の重さ等、振動を規定する物理的パラメータを設定する。これにより、スロッシングの危険度が最も高い、最大液面高さＨまで液体３が貯留容器２内に満たされている場合に、本発明を適用したスロッシング抑制装置１による振動エネルギー吸収量を最も高くすることができる。
【００３８】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図４に示すように、バネ１７の本数や配置、錘１８の個数や配置はいかなるものであってもよい。図４(a)は、１個の錘１８を浮体１２中心に位置させた上で、バネ１７（柱１９）を１２０°間隔で配置した例を示している。また、図４(b)は、１個の錘１８を浮体１２８中心に位置させた上で、バネ１７（柱１９）を９０°間隔で配置した例を示している。更に図４(c)は、９０°間隔でそれぞれ設置された各バネ１７と、４個の錘１８により構成したものである。即ち、この図４(c)の形態においては、浮体１２の中心から柱１９へと延長されているバネ１７の中間において錘１８を介在させている。
【００３９】
このような図４に示す形態においても同様に、地震により液体３の液位が変動した場合に、これに追随して浮体１２が傾き、錘１８が振動することになる。このとき、錘１８は、１２０°間隔、又は９０°間隔でバネ１７に接続されていることから、あらゆる方向から地震による振動が伝わってきた場合においてもこれに対応する方向へ錘１８を振動させることができる。これにより、あらゆる方向からの振動に対する液位の変動を抑制することができ、スロッシング抑制効果を全方向に亘って発揮させることが可能となる。
【００４０】
また、本発明においては、浮体１２についても上述したように、断面円形状の平板で構成される場合に限定されるものではない。例えば図５に示すように浮体４１、４２を適用するようにしてもよい。
【００４１】
浮体４１は、断面略円形状の平板４０に対して、４箇所に亘って開口部４３を形成させたものである。この開口部４３の数、配置、形状、大きさはいかなるものであってもよい。
【００４２】
浮体４２は、平板で構成する代替として、骨組形状としたものである。即ち、この浮体４２は、外周に配される円形状の外筋４４と、内周に配される円形状の内筋４５と、この外筋４４と内筋４５を連結するための連結筋４６とを備えている。これらの骨組みを構成する外筋４４、内筋４５、連結筋４６はそれぞれ木材により構成されていてもよいし、その他液体３の比重より軽い材料により構成されてもよいし、液体３の比重より重い金属材料を用いる場合、中空の円形や矩形とすることで浮力をもつ構成としてもよい。
【００４３】
特に、貯留容器２に飲料水としての液体３が貯留されている場合であって、しかもその直上に固定屋根が設けられており、雨水等が入らない構造とされている場合には、浮屋根を液面に浮遊させる必要も無くなる。かかる場合には浮屋根のように平板状にする必要も無くなることから、浮体４１の如く開口部４３を設け、或いは浮体４２の如く骨組構造とすることにより、材料を節減することができ、ひいてはコストを低減させることも可能となる。特に浮体４２の如く骨組構造とすることにより、固定屋根や周壁に設けられた人孔から資材を投入して組み立てれば既存の貯留容器２を分解することなく設置することも可能となる。
【００４４】
また、本発明においては、図６に示すように、錘１８の振動をレール５１により案内するようにしてもよい。錘１８は、柱１９から延長されてきたバネ１７に接続され、その結果、バネ１７を介して柱１９間を振動することになるが、その振動方向は柱１９間を直線で結んだ方向となる。レール５１は、図６(a)に示すように、その長手方向が、柱１９を直線で結んだ方向に沿って浮体１２上に設けられる。ちなみに、この例では、レール５１は浮体１２上に完全に固定された状態としている。
【００４５】
図６(c)は、図６(a),(b)のＡ−Ａ´断面図である。錘１８の底面には、嵌合凹部１８ａが開削されている。この嵌合凹部１８ａはレール５１に嵌合可能なサイズ、形状で構成されているが、錘１８がレール５１により案内されて移動自在可能とするために、嵌合凹部１８ａの断面は、レール５１の断面よりも若干広めに設定されている。
【００４６】
このようなレール５１を設けることにより、錘１８は、レール５１により案内することが可能となることから、振動方向が反れてしまうのを防止し、一直線上で振動することが可能となる。錘１８による一直線上でコンスタントな振動を実現することができれば、振動エネルギーを効率的に吸収することも可能となる。ちなみに、このレール５１は浮体１２の表面１２ａに設けられている場合以外に、裏面１２ｂにおいて設けられていてもよい。なお、このレール５１の代替として、浮体１２の表面１２ａにおいて図示しない溝を形成させ、これに錘１８を遊嵌させてもよく、錘１８を一直線上で安定した状態で振動させることにより上述した所期の効果を得ることが可能となる。
【００４７】
このとき、図７に示すように、レール５１の長手方向が加震方向となるように自動的に調整できる支持体５２を設けるようにしてもよい。支持体５２は、浮体１２のほぼ中心に設けられ、その上端にはレール５１が支持されている。このとき、レール５１が支持体５２を中心軸として回転可能となるような形状が、この支持体５２に対して具現化されている必要がある。このため、支持体５２は、例えば上端に軸を形成させ、その軸を介してレール５１を回転可能に支持するようにしてもよい。
【００４８】
ここで図７(a)に示す加震方向へ地震による振動が伝わった場合には、加震される前に図中点線方向に向いていたレール５１が加震方向へと回転する。そのメカニズムとして、地震による振動が伝わると、浮体１２は、加震方向に振動し、これに伴って錘１８も加震方向へ移動しようとする。その結果、レール５１に対しては、錘１８が加震方向へ移動しようとする力が作用し、レール５１自体が支持体５２を中心として、その長手方向が加震方向となるように回転することになる。かかる状態の下で錘１８はレール５１に案内されて加震方向に振動を繰り返すことになる。
【００４９】
このように、錘１８を、加震方向へ自動的に合わせて、しかも一直線上で振動させることができるため、振動エネルギーをより効率的に吸収することも可能となる。特に本発明では、かかる加震方向への回転動作を、支持体５２を設けるのみで極めて簡易な構成で自動的に実現することができることから、装置のコストを大幅に低減することも可能となる。
【００５０】
なお本発明においては、平板状の浮体１２の代替として、図８に示すように断面湾曲形状となるように形成された浮体５３、５４を適用するようにしてもよい。図８(a)に示す浮体５３は上に凸となるように断面を湾曲させた形状としている。また、図８(b)に示す浮体５４は下に凸となるように断面を湾曲させた形状としている。
【００５１】
浮体５３は、上に凸となるように湾曲させることにより、錘１８の振動に対するバネ１７の復元力が作用する方向に対して反対方向の力を付加することができる。このため湾曲させない場合に比べて、小さな錘１８によって固有周期を長周期化することができる。錘１８の軽量化により、浮体１２への荷重が低減される。浮体５３は鋼板からなる二重構造としてもよく、上の鋼板を湾曲させ、下の鋼板を平板としてもよい。二重構造とすることで、必要な浮力を確保する空間を得ることができる。
【００５２】
浮体５４は、下に凸となるように湾曲させることにより、一重構造であっても浮力を得ることができる。
【００５３】
次に、本発明における第２の実施の形態としてのスロッシング抑制装置について、図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００５４】
図９(a)は、第２の実施の形態を適用したスロッシング抑制装置７の構成を示している。このスロッシング抑制装置７は、液体３の液面に浮遊させる浮体１２と、浮体１２の底面から張設されたワイヤー６０、並びにワイヤー６０の下端に取り下げられた振り子６１からなる同調型振動系６４とを備えている。このスロッシング装置７において、上述したスロッシング装置１と同一の構成要素、部材については同一の符号を付すことにより上述した説明を引用し、以下での説明を省略する。
【００５５】
ワイヤー６０は、金属系、炭素繊維系等の非伸縮材料で構成されたロープ等である。このワイヤー６０は、一端が図９に示すように浮体１２の底面１２ｂの複数箇所に取り付けられ、他端が浮体１２の略中心底面において集結させた上で振り子６１が取り付けられる。浮体１２の略中心底面に１本のワイヤー６０を用いて振り子６１を取り付けてもよい。ちなみに、このワイヤー６０の長さは、低減すべき振動エネルギーの固有振動数に応じて予め調整されている。
【００５６】
振り子６１は、錘１８と同様に、例えば鋼鉄製の球形状、円筒形状、矩形状で構成される。但し、この振り子６１は、液体３の比重より重い材料で構成されている必要がある。振り子６１は、浮体１２の略中心において集結されたワイヤー６０の下端に取り付けられていることから、結果として、浮体１２の略中心底面に吊り下げられた状態とされる。
【００５７】
図９(b)は、同調型振動系６６を浮体１２の表面１２ａ上に配設した例を示している。この図９(b)は、いわゆる逆さ振り子としての構成を具体化したものであって、弾性率の高い金属線６５を複数本に亘って浮体１２の表面１２ａへと取り付け、これを浮体１２の中心付近に集結させてその先端を鉛直上方へと突出させている。この突出させた金属線６５の先端に振り子６１を取り付ける。浮体１２の略中心表面に１本の金属線６５を用いて振り子６１を取り付けてもよい。その結果、金属線６５の弾性変形に伴って振り子６１を振動させることが可能となる。
【００５８】
次に、本発明を適用したスロッシング抑制装置７の動作について、同調型振動系６４を浮体１２の底面１２ｂに設けた場合を例にとり、詳細に説明をする。
【００５９】
本発明を適用したスロッシング抑制装置７は、上述した構成を備えることにより、図１０(a),(b)に示すように液体３に対して振動が伝わったときに、振り子６１がこれに追随するようにして振動する。例えば図１０(a)に示すように、地震等により液体３の液位が変動し、左下がりとなるように変化した場合には、これに伴って振り子６１も左へと揺れることになる。また図１０(b)に示すように、液位が右下がりとなるように変化した場合には、これに伴って振り子６１も右へと揺れることになる。これが繰り返し実行されることにより、地震による液位の変動に応じて振り子６１を左右に振動させることが可能となる。
【００６０】
その結果、地震により液体３へと伝達された振動エネルギーは、低減されることになり、液体３における液位の変動量を抑えることが可能となる。その結果、液体３が周壁２２から超えてしまうことを防止することが可能となり、スロッシングをより効果的に抑制することが可能となる。しかも本発明では、あくまで振り子６１とワイヤー６０を中心とした同調型振動系６４を新設又は既設の浮屋根に設ければ所期の効果を奏することから、装置を構成する上での労力の軽減を大幅に低減させ、コストも抑えることが可能となる。特に、この振り子６１は、加震方向がいかなる方向であってもその加震方向へ向けて揺動することが可能となる。即ち、この振り子６１を利用したスロッシング抑制装置７は、加震方向による制限を受けないという利点もある。また、振り子６１とワイヤー６０又は金属線６５は、浮体１２の中心近傍のみに配置しても所期の作用効果を発揮することができる。
【００６１】
また、逆さ振り子とした図９(b)の構成とすることにより、振り子６１の復元力と反対方向の力が作用するため、振り子の固有周期を長周期化することができるという利点がある。
【００６２】
なお、同調型振動系６４を浮体１２の表面１２ａに設けた場合についても、逆さ振り子と同様の動作を発揮し得ることから、上述と同様の効果を得ることが可能となる。
【００６３】
図１１は、先端に振り子６１を取り付けた金属線６５に対して、更にバネ１７を取り付けたスロッシング抑制装置８の構成例を示している。金属線６５の下端には図示しない移動手段が設けられ、この移動手段により金属線自体６５が表面１２ａ上を移動自在とすることができる。そしてこの金属線６５には、バネ１７が複数方向から接続されている。金属線６５は浮体１２の表面に移動手段を設けず固定してもよい。
【００６４】
このようなスロッシング抑制装置８では、逆さ振り子とバネ１７とを組み合わせた構成からなる。このため、地震により振動エネルギーが伝達された場合には、振り子６１が取り付けられた金属線６５自体をバネ１７により、加震方向へ振動させることが可能となる。また、金属線６５の先端に取り付けられた振り子６１も加震方向へと揺動させることが可能なる。このため、振動エネルギーの吸収効果をより向上させることが可能となる。また、振り子６１を利用するため、いかなる加震方向であっても、その方向へ振り子６１を揺動させて、振動エネルギーを吸収することが可能となる。
【実施例１】
【００６５】
以下、本発明を適用したスロッシング抑制装置１の効果を確認するために行った実験結果について説明をする。
【００６６】
実験系は、図１２に示すように、外径６００ｍｍ、内径５８０ｍｍ、内容液高さ５００ｍｍ、周壁高さが８００ｍｍからなるアクリル製円筒タンク模型８１に、スロッシング抑制装置７に対応する模型８３を設置した。
【００６７】
この模型８３は、振動系としての振り子として、振り子長さによって容易に固有振動数を変化させることができるものを用いた。液面に硬質発泡スチロール製の平板８４（浮体１２に対応する）を浮かべ、平板８４下面に糸８５を３本を取り付け、先端を束ね三角錐を形成した。その先端に糸を取り付け、振り子状に錘８６を吊り下げた。錘８６は平板８４の中心に合致するように調整した。
【００６８】
平板８４は、直径５８０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、質量２６６ｇである。錘８６は、直径４９．６ｍｍ、質量５００ｇの鋼球である。糸８５により形成される三角錐は、長さ６．４ｃｍ、振子長は１２．７ｃｍである。
【００６９】
このような模型８３をタンク模型８１に貯留した液体の液面に浮かべ、さらにこのタンク模型８３を図示しない振動台８２に設置し、２ｇａｌの正弦波による加振とした。抑制装置がない状態での１次スロッシングの固有振動数は１．２４４Ｈｚ、その時の最大波高は６．７ｃｍであった。振動台実験は１．１５Ｈｚ〜１．３５Ｈｚまで０．０１Ｈｚ刻みのスポット加振を行った。その結果、波高は、１．２ｃｍであった。比較のため平板８４のみを液体に浮かべて、同一条件の下で振動台実験を行ったところ、波高は４ｃｍであった。このため、本発明を適用することにより、波高は２．８ｃｍも低減できたことが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１の実施の形態としてのスロッシング抑制装置の構成図である。
【図２】本発明を適用したスロッシング抑制装置において、同調型振動系を、浮体の表面に設けた形態を示す図である。
【図３】本発明を適用したスロッシング抑制装置の動作について説明するための図である。
【図４】本発明を適用したスロッシング抑制装置の第１の実施の形態の他の構成例を示す図である。
【図５】(ａ)は、断面略円形状の平板に対して、４箇所に亘って開口部を形成させた例を示す図である。(ｂ)は、平板で構成する代替として、骨組形状とした例を示す図である。
【図６】錘の振動をレールにより案内する構成について説明するための図である。
【図７】レールの長手方向が加震方向となるように自動的に調整できる支持体を設けた例を示す図である。
【図８】平板状の浮体の代替として、断面湾曲形状となるように形成された浮体を適用する例について説明するための図である。
【図９】本発明を適用したスロッシング抑制装置の第２の実施の形態の構成図である。
【図１０】本発明を適用したスロッシング抑制装置の第２の実施の形態の動作について説明するための図である。
【図１１】先端に振り子を取り付けた金属線に対して、更にバネを取り付けたスロッシング抑制装置の構成図である。
【図１２】本発明を適用したスロッシング抑制装置の効果を確認するために行った実験系について説明するための図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ スロッシング抑制装置
２ 貯留容器
３ 液体
１２ 浮体
１３ 同調型振動系
１７ バネ
１８ 錘
１９ 柱
２１ 底板
２２ 周壁
５１ レール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯留容器内の液体のスロッシングを抑制するスロッシング抑制装置において、
上記液体の液面に浮遊させる平板状の浮体と、
上記浮体の表面又は底面に対して略平行方向に弾性伸縮自在に張設された弾性伸縮体と、上記弾性伸縮体の少なくとも一端に取り付けられた錘とを有する同調型振動系とを備えること
を特徴とするスロッシング抑制装置。
【請求項２】
上記浮体は、上記同調型振動系における錘が嵌合され、これを案内するためのレールが形成されていること
を特徴とする請求項１記載のスロッシング抑制装置。
【請求項３】
上記レールは、浮体の略中心を軸として回転自在とされていること
を特徴とする請求項２記載のスロッシング抑制装置。
【請求項４】
上記浮体は、上に凸又は下に凸となるように湾曲されてなること
を特徴とする請求項１記載のスロッシング抑制装置。
【請求項５】
貯留容器内の液体のスロッシングを抑制するスロッシング抑制装置において、
上記液体の液面に浮遊させる平板状の浮体と、
上記浮体の略中心底面に吊り下げられ、又は略中心表面に倒立させた振り子からなる同調型振動系とを備えること
を特徴とするスロッシング抑制装置。
【請求項６】
上記浮体は、開口部が形成され、又は平板状とする代替として骨組形状とされていること
を特徴とする請求項１又は５記載のスロッシング抑制装置。
【請求項１】
貯留容器内の液体のスロッシングを抑制するスロッシング抑制装置において、
上記液体の液面に浮遊させる平板状の浮体と、
上記浮体の表面又は底面に対して略平行方向に弾性伸縮自在に張設された弾性伸縮体と、上記弾性伸縮体の少なくとも一端に取り付けられた錘とを有する同調型振動系とを備えること
を特徴とするスロッシング抑制装置。
【請求項２】
上記浮体は、上記同調型振動系における錘が嵌合され、これを案内するためのレールが形成されていること
を特徴とする請求項１記載のスロッシング抑制装置。
【請求項３】
上記レールは、浮体の略中心を軸として回転自在とされていること
を特徴とする請求項２記載のスロッシング抑制装置。
【請求項４】
上記浮体は、上に凸又は下に凸となるように湾曲されてなること
を特徴とする請求項１記載のスロッシング抑制装置。
【請求項５】
貯留容器内の液体のスロッシングを抑制するスロッシング抑制装置において、
上記液体の液面に浮遊させる平板状の浮体と、
上記浮体の略中心底面に吊り下げられ、又は略中心表面に倒立させた振り子からなる同調型振動系とを備えること
を特徴とするスロッシング抑制装置。
【請求項６】
上記浮体は、開口部が形成され、又は平板状とする代替として骨組形状とされていること
を特徴とする請求項１又は５記載のスロッシング抑制装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１４３５７５（Ｐ２００９−１４３５７５Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２０１５０（Ｐ２００７−３２０１５０）
【出願日】平成１９年１２月１１日（２００７．１２．１１）
【出願人】（５００１７１８１１）日鉄パイプライン株式会社 (34)
【出願人】（５０３３６１８１３）学校法人 中村産業学園 (26)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１１日（２００７．１２．１１）
【出願人】（５００１７１８１１）日鉄パイプライン株式会社 (34)
【出願人】（５０３３６１８１３）学校法人 中村産業学園 (26)
【Ｆターム（参考）】
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