(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間部から先端部に向かうにしたがって幅狭になる形状を有する単胴船からなる物体を推進させるための物体推進装置であって、
前記単胴船の先端部から中間部までの左右両側に、前後方向に沿って設けられた一対の垂直整流板を備え、
各垂直整流板の前部は、前記単胴船の中心線に対して平行となる形状を有しており、前記単胴船の前面部に沿って流れる流体を加速させることにより、前記単胴船前面部に推進抵抗力として作用する流体の静圧を減少させ、
また、各垂直整流板の後部は、前記単胴船との間の距離が後方へ向かうにしたがって増大してゆく形状を有しており、前記単胴船の後面部に沿って流れる流体を減速させることにより、前記単胴船後面部に推進力として作用する流体の静圧を増大させ、
前記単胴船前面部に推進抵抗力として作用する減少した静圧と前記単胴船後面部に推進力として作用する増大した静圧との静圧差により、前記単胴船の推進力を生じさせる
ことを特徴とする物体推進装置。
【請求項２】
双胴船からなる物体を推進させるための物体推進装置であって、
前記双胴船の一対の船体の前部の内側面は、両内側面間の距離が後方へ向かうにしたがって減少してゆく形状を有しており、前記双胴船の前面部に沿って流れる流体を加速させることにより、前記双胴船前面部に推進抵抗力として作用する流体の静圧を減少させ、
また、前記一対の船体の後部の外側面は、両外側面間の距離が後方へ向かうにしたがって減少してゆく形状を有しており、前記双胴船の後面部に沿って流れる流体を減速させることにより、前記双胴船後面部に推進力として作用する流体の静圧を増大させ、
前記双胴船前面部に推進抵抗力として作用する減少した静圧と前記双胴船後面部に推進力として作用する増大した静圧との静圧差により、前記双胴船の推進力を生じさせる
ことを特徴とする物体推進装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記物体の先端部付近に推進器が配設され、該推進器により、前記物体の前面部に沿って流れる流体を更に加速させることを特徴とする物体推進装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、船舶、潜水艦、航空機のように流体の中を移動する物体に推進力を与えるための物体推進装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流体の中を進む物体の推進方法は、プロペラやスクリューのように流体の中で翼型断面を持つ推進器を回転させ推進器が流体から受ける揚力で前進させたり、あるいは、ウォータージェットやジェットエンジンなどのように流体を物体の後方に向けて吹き出し、その反力で前進させたり、あるいは、ヨットなどのように大気の流れから帆に揚力を発生させて船体を推進させるなどの方法であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの推進方法には、スクリューやプロペラ、あるいはジェットエンジンそのものの中に渦や粘性抵抗など推進のためのエネルギーをロスする要素が含まれており、推進の効率はそれほど高くはなかった。
【０００４】
さらには、推進器の着装位置や物体そのものの形状とも微妙に流体力学的に影響しあい、全体として効率が最も高い形に出来上がっているということは言い難かった。
【０００５】
また、流体中を進む物体は相対的に起こる流れによっていろいろの力を受ける。
【０００６】
これらの力としては、例えば、渦や摩擦あるいは粘り、波を造ることによる抵抗や、水との相対的速度によって生じる動圧によって変化する静圧がある。
【０００７】
しかし、今までの船舶や航空機などでは、この動圧換言すると静圧は、前後にほぼ等しい力なので、あまり注目されていなかった。実際には、この動圧換言すると静圧により生ずる前後の圧力差は小さい力ではあるが、物体の全面積に作用する力なので寄せ集めると無視できない力となるにもかかわらずである。
【０００８】
また、船舶などでは最大の抵抗である造波抵抗についても、それを減少させることに殆ど注意は向けられず、まして積極的に波を造ったエネルギーを推進力に変換させることは勿論のこと、大半の船舶ではこのエネルギーをただ捨て去っていた。
【０００９】
そこで、本発明者は、今まであまり省みられることのなかった流速による動圧や、造波抵抗などを積極的に推進力として利用できる方法はないかとさまざまの実験を進めるうちに以下のような発明に至った。
【００１０】
本発明では、流体中を進む物体の形状とその推進方法を一体に考え、推進器を別に取り付けるだけではなく、推進のためのエネルギーや物体の形状を用いて、前進するときに物体の周りに起きる流れを積極的に制御することによって物体そのものに推進力を持たせようとする考えである。
【００１１】
物体が流体中を前進するとき、相対的に流れが生まれる。
【００１２】
一定の速度で前進する物体でも、その形状によって部分部分で流速は異なる。
【００１３】
一般に、靜止している流体の中を前進しているときには、物体の前面部（物体の前方から見える面）と物体の後面部（物体の後方から見える面）の平均流速は、ほぼ等しい。
【００１４】
本発明では、物体の表面のこの流速を前面部と後面部とで積極的に変えて、流れから物体が受ける力（動圧によって変わるその点の静圧）を偏らせて推進力を得ることを主眼とする。
【００１５】
また船舶においては、動圧によって変わるその点の静圧の差を推進力とすると同時に、波を造るために使った膨大なエネルギーを船の前面部の流速を増大させることに使用し、動圧差を増大させ、推進力の一部として作用させることを考えた。
【００１６】
物体が流体から受ける全圧力には、流体の位置圧と呼ばれる圧力( 船舶であれば深さに応じた水圧であるし、航空機であればその高度の気圧) と、流れの速度とその流体の密度によって変わる動圧と、動圧によって変わる静圧とがある（ベルヌーイの定理）。
【００１７】
静止した流体中を進む物体の周りで、ある点での流速Ｖと、その点で流体が与える静圧Ｐ、位置Ｚとの関係について、次式が成り立つ。
【００１８】
ρＶ2 ／２＋Ｐ＋ρｇＺ＝Ｐｒ（一定）（ベルヌーイの定理）
（ρ：流体密度、ｇ：重力加速度、Ｚ：位置( 高さ) ）
なお、上記の式は、圧縮不可能で粘性がないという特殊な流体に対して成立する。
【００１９】
位置圧ρｇＺは、前後左右ともほぼ同じ圧力なので、物体の運動には影響が無いということで、ここでは０とする。
【００２０】
すると、次の式が残る。
【００２１】
ρＶ2 ／２＋Ｐ  ＝Ｐｒ（一定）
上記の式から、流体の速度Ｖが大きい点（動圧の大きい点）ほど、その点での静圧Ｐは小さいことが分かる。
【００２２】
動圧という言葉は、一般的に使用されることは少ないが、流体力学や、船舶や航空機関係ではしばしば使用される言葉で、私たちの身の回りにあるものとしては、「霧吹き」（昔ながらの口で吹くもの）の水が、下のタンクから吸い上げられる力（動圧が増えるとその場所の静圧が減るために生じる負圧）や、自動車などの負圧倍力装置の負圧を得るために、流路を狭め流速を増やすためのスロート管などがあげられる。
【００２３】
動圧は、流速Ｖの二乗と流体の密度ρの積に比例する大きさをもち、静圧Ｐを減らすので、物体の前面部と後面部に偏りが出来ると、この物体の運動に大きな影響を及ぼす。
【００２４】
したがって、この物体の推進のためのエネルギーや物体の形状を、積極的にこの動圧を前面部と後面部で差を生じさせ動圧差を作るように工夫することで、推進力を発生させることが可能となる。
【００２５】
例えば、ウォータージェットで推進のエネルギーとして流体を吹き出す位置を物体の前面部に設け、表面を流れる流速を上げ、中央付近で物体の形状や導流器を設けるなどして、その流れを物体から吹き出す流れとしてその反力を得るとともに、後面部との流速差を積極的に作るようにする。
【００２６】
また、船舶においては、造波抵抗の代償としてできた定在波を流速に変える位置を前面部に設けることで、動圧差の増大、すなわち、推進力の増大を図ることができる。
【００２７】
これらの方法を用いて、前面部と後面部に流速差を生じさせることで、流体から受ける負圧を、前面部で大きく、後面部で小さくすることにより、この力を物体の推進力にする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の物体推進装置は、中間部から先端部に向かうにしたがって幅狭になる形状を有する単胴船からなる物体を推進させるための物体推進装置であって、前記単胴船の先端部から中間部までの左右両側に、前後方向に沿って設けられた一対の垂直整流板を備え、各垂直整流板の前部は、前記単胴船の中心線に対して平行となる形状を有しており、前記単胴船の前面部に沿って流れる流体を加速させることにより、前記単胴船前面部に推進抵抗力として作用する流体の静圧を減少させ、また、各垂直整流板の後部は、前記単胴船との間の距離が後方へ向かうにしたがって増大してゆく形状を有しており、前記単胴船の後面部に沿って流れる流体を減速させることにより、前記単胴船後面部に推進力として作用する流体の静圧を増大させ、前記単胴船前面部に推進抵抗力として作用する減少した静圧と前記単胴船後面部に推進力として作用する増大した静圧との静圧差により、前記単胴船の推進力を生じさせることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明による第２の物体推進装置は、双胴船からなる物体を推進させるための物体推進装置であって、前記双胴船の一対の船体の前部の内側面は、両内側面間の距離が後方へ向かうにしたがって減少してゆく形状を有しており、前記双胴船の前面部に沿って流れる流体を加速させることにより、前記双胴船前面部に推進抵抗力として作用する流体の静圧を減少させ、また、前記一対の船体の後部の外側面は、両外側面間の距離が後方へ向かうにしたがって減少してゆく形状を有しており、前記双胴船の後面部に沿って流れる流体を減速させることにより、前記双胴船後面部に推進力として作用する流体の静圧を増大させ、前記双胴船前面部に推進抵抗力として作用する減少した静圧と前記双胴船後面部に推進力として作用する増大した静圧との静圧差により、前記双胴船の推進力を生じさせることを特徴とする。
【００３３】
さらに、前記物体の先端部付近に推進器が配設され、該推進器により、前記物体の前面部に沿って流れる流体を更に増大させることが、推進力の一層の増大を図る上で好ましい。。
【００３４】
【発明の作用効果】
本発明によると、物体が進むときに生じる流速や造波抵抗を推進力に変えるようにしたため、エネルギー効率が高くなる。また、物体に対し広い面積にわたって推進力が発生するため、応力集中がなく強度的に優れる。
【００３５】
ちなみに、この動圧の差による力ががどのくらいの大きさを持つのかということを図７に示すモデルを使って試算してみる。
【００３６】
図７に示したモデルは、双胴船の平面図（図２（Ａ）参照）のような縦断面をもつ物体１と、この物体１の手前側と奥側をそれぞれ囲む平板１０とで構成されるモデルであると考えて頂きたい。
【００３７】
内部流路は、前面部１ａにおいて、後にゆくほど流路断面積が小さくなるように作られている。また、物体１の後面部１ｂは、通常の船舶の尾部のように後端に向かって徐々に幅狭になっており、後部の中央に内部流路が開いている。
【００３８】
静止した流体の中をこの物体１を進めている状態で、流体の粘性抵抗が零であり、圧縮不可能な水のような流体で物体の周りが満たされていると仮定する。
【００３９】
また、この内部流路内に推進器４を設けて流体を加速させるものとする。
【００４０】
これにより、内部流路における前面部１ａの平均流速と後面部１ｂの平均流速とに１０％の差が生じたと仮定する。
【００４１】
この場合に起きる動圧差を近似的にざっと計算してみると、乱暴な近似ではあるが、前面部１ａでの平均速度をＶｆとすると、後面部１ｂでの平均速度は０．９Ｖｆであるから、前面部１ａでの動圧Ｐｆは、
0003671330.tif 000002
となり、後面部１ｂの動圧Ｐｒは、
0003671330.tif 000003
となり、したがってその動圧差Ｐｔは、
0003671330.tif 000004
となる。ここで、動圧差Ｐｔによって変化する静圧Ｐは、物体１の面に垂直に働くので、推進力Ｆは、前面部１ａと後面部１ｂの面積とその平均勾配によって決まる。
【００４２】
このモデルの場合、前面部１ａ、後面部１ｂともに面積を各々１ｍ2 、平均勾配を３０°と仮定すると、推進力Ｆは、動圧差Ｐｔにより、
0003671330.tif 000005
となる。
【００４３】
ここで、Ｖｆを１ｍ／ｓｅｃ、ρを１０００ｋｇ／ｍ3 とすると、
0003671330.tif 000006
となり、これは流路の抵抗や粘性抵抗、流体が圧縮されることの誤差、渦などを差し引いても十分大きな値となり、大きな推進力Ｆといえる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４５】
図１は、第１の実施形態に係る物体推進装置を示し、（Ａ）は、物体推進装置の平面図、（Ｂ）は、物体推進装置の側面図をそれぞれ示す。
【００４６】
この物体推進装置は、物体１が通常の船舶（本明細書では単胴船という。）であり、単胴船１の先端部から中間部までの左右両側に、前後方向に沿った一対の垂直整流板２が支持腕３を介して設けられている。一対の垂直整流板２の前部は、物体１の前面部１ａに沿って流れる流体を加速させる流速増大手段として構成される。換言すると、一対の垂直整流板２は、各整流板２と単胴船１との間の流路断面積を単胴船１の断面積の増大により減少させることによって、単胴船１の前面部１ａに沿って流れる流体の速度を増大させてゆくとともに、各整流板２と単胴船１との間に生じる定在波の位置エネルギーも利用して単胴船１の前面部１ａに沿って流れる流体を加速させる。この流体の加速により、物体前面部１ａに推進抵抗力として作用する流体の静圧は減少し、物体１の後面部１ｂに推進力として作用する流体の静圧と、物体前面部１ａに推進抵抗力として作用する流体の静圧との静圧差により、物体１の推進力が生じる。ここで、一対の垂直整流板２の後部は、図示のように、後方に向かうにしたがって単胴船１との間の距離が増大してゆく形状を有する。流速減少手段は、一対の垂直整流板２の後部側に沿って流れる流体を減速させ、一対の垂直整流板２の後部側換言すると単胴船１の後部側に推進力として作用する流体の静圧を増大させる。
【００４７】
図２は、第２の実施形態に係る物体推進装置を示し、（Ａ）は、物体推進装置の平面図、（Ｂ）は、物体推進装置の側面図をそれぞれ示す。
【００４８】
この物体推進装置は、物体１が双胴船であり、一対の船体１Ａの前部の内側面１ｃを、図２（Ａ）に示すように、後方に向かうにしたがって両者１ｃの間隔が狭くなるよう構成している。これらの内側面１ｃは、上記の一対の垂直整流板２と同様、流速増大手段を構成しており、一対の船体１Ａ間の流路断面積を減少させることによって、双胴船１の前面部１ａに沿って流れる流体の速度を増大させてゆくとともに、一対の船体１Ａ間に生じる定在波の位置エネルギーも利用して双胴船１の前面部１ａに沿って流れる流体を加速させ、物体１に推進力を生じさせる。また、双胴船１の一対の船体１Ａの後部の外側面は、図示のように、後方に向かうに従って断面積が減少してゆく形状を有しているため、一対の船体１Ａの外側面に沿って流れる流体の速度は減少する。この流体速度の減少は動圧の減少であるため、一対の船体１Ａの後部の推進力として作用する静圧は増大するようになる。
【００４９】
図３は、第３の実施形態に係る物体推進装置を示し、（Ａ）は、物体推進装置の平面図、（Ｂ）は、物体推進装置の側面図を示す。
【００５０】
この物体推進装置は、図１に示した物体推進装置に、推進器４を付加して構成され、推進器４は、単胴船１の先端部付近に配設される。この推進器４により、単胴船１の前面部１ａに沿って流れる流体は更に加速される。
【００５１】
図４は、第４の実施形態に係る物体推進装置を示し、（Ａ）は、物体推進装置の平面図、（Ｂ）は、物体推進装置の側面図を示す。
【００５２】
この物体推進装置は、図２に示した物体推進装置に、推進器４を付加して構成され、推進器４は、双胴船１の先端部付近に支持腕５を介して配設される。この推進器４により、双胴船１の前面部１ａに沿って流れる流体は更に加速される。
【００５３】
図５は、第５の実施形態に係る物体推進装置の斜視図を示す。
【００５４】
この物体推進装置は、航空機や潜水艦のように周りが全て流体で囲まれながら流体中を進む物体１の推進装置であり、この物体１は、先端部から中間部に向かうにしたがって断面積が増大してゆく形状を有し、また、流速増大手段は、物体１の先端部から中間部までを覆う円筒状整流板６により構成される。さらに、物体１の先端部付近に推進器４が配設され、該推進器４により、物体１の前面部１ａに沿って流れる流体を更に加速させる。また、物体１は、図示のように、中間部から後端部に向かうにしたがって断面積が減少してゆく形状を有している。
【００５５】
図６は、第６の実施形態に係る物体推進装置の斜視図を示す。
【００５６】
この物体推進装置は、図５に示した物体推進装置と同様、航空機や潜水艦のように周りが全て流体で囲まれながら流体中を進む物体１の推進装置であり、この物体１は、筒状物体であり、内周面１ｄが後方に向かうにしたがって縮径してゆくよう構成され、この内周面１ｄによって流速増大手段が構成される。さらに、物体１の先端部付近に推進器４が配設され、該推進器４により、物体１の前面部１ａに沿って流れる流体を更に加速させる。また、物体１の外周面は、図示のように、後方へ向かうに従って縮径してゆく。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る物体推進装置の構成を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る物体推進装置の構成を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る物体推進装置であって、図１の実施形態に推進器を付加した物体推進装置の構成を示し、（Ａ）はその平面、（Ｂ）はその側面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る物体推進装置であって、図２の実施形態に推進器を付加した物体推進装置の構成を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る物体推進装置の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る物体推進装置であって、図５の実施形態に推進器を付加した物体推進装置の構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の作用効果を説明するためのモデルの斜視図である。
【符号の説明】
１    物体
１Ａ    双胴船の船体
１ａ    前面部
１ｂ    後面部
１ｃ    内側面（流速増大手段）
１ｄ    内周面（流速増大手段）
２    垂直整流板（流速増大手段）
４    推進器
【図１】
0003671330.tif 000007
【図２】
0003671330.tif 000008
【図３】
0003671330.tif 000009
【図４】
0003671330.tif 000010
【図５】
0003671330.tif 000011
【図６】
0003671330.tif 000012
【図７】
0003671330.tif 000013