(57)【要約】【課題】排気ガスのエネルギを用いて気泡となる空気を圧縮し、水中の船体外表面へと安定して供給することができる船体抵抗低減システムおよび船体の抵抗低減方法を提供することを目的とする。【解決手段】主機関１と、主機関１の排気ガスの一部が導かれて動作する排気タービン圧縮機２０と、排気タービン圧縮機２０から導かれた圧縮空気を船舶の水中の船体外表面へと導くための吐出ノズル２４と、を備え、排気タービン圧縮機２０は、導かれた排気ガスによって回転駆動される排気タービン２０ｂと、排気タービン２０ｂの回転駆動力を得て空気を圧縮するコンプレッサ２０ａと、排気タービン２０ｂによる発電およびコンプレッサ２０ａの加勢を行う電動発電機２１と、を備えていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主機関と、
前記主機関の排気ガスの一部が導かれて動作する排気タービン圧縮機と、
該排気タービン圧縮機から導かれた圧縮空気を船舶の水中の船体外表面へと導くための吐出ノズルと、
を備え、
前記排気タービン圧縮機は、導かれた排気ガスによって回転駆動される排気タービンと、該排気タービンの回転駆動力を得て空気を圧縮するコンプレッサと、前記排気タービンによる発電および前記コンプレッサの加勢を行う電動発電機と、を備えていることを特徴とする船体抵抗低減システム。
【請求項２】
前記吐出ノズルから吐出される圧縮空気の圧力が所定値を下回った場合に、前記電動発電機により前記コンプレッサの加勢を行うことを特徴とする請求項１に記載の船体抵抗低減システム。
【請求項３】
吐出ノズルから吐出される圧縮空気の圧力が所定値を上回る場合には、前記電動発電機を発電機として動作させて電力を船内に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の船体抵抗低減システム。
【請求項４】
前記主機関の排気ガスの一部を前記排気タービン圧縮機に導く前記排気バイパス管には、制御弁が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の船体抵抗低減システム。
【請求項５】
前記電動発電機は、インバータ制御により可変速駆動とされることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の船体抵抗低減システム。
【請求項６】
主機関の排気ガスの一部を導入することで排気タービン圧縮機を駆動する工程と、
該排気タービンの駆動によりコンプレッサを駆動させることで空気を圧縮する工程と、
該圧縮した空気を吐出ノズルにより水中の船体外表面へと導く工程と、を備えた船体の抵抗低減方法であって、
前記吐出ノズルから吐出される空気の圧力が所定値を下回った場合に、前記電動発電機により前記コンプレッサの加勢を行う工程と、
を備えていることを特徴とする船体の抵抗低減方法。
【請求項７】
主機関の排気ガスの一部を導入することで排気タービン圧縮機を駆動する工程と、
該排気タービンの駆動によりコンプレッサを駆動させることで空気を圧縮する工程と、
該圧縮した空気を吐出ノズルにより水中の船体外表面へと導く工程と、を備えた船体の抵抗低減方法であって、
前記吐出ノズルから吐出される空気の圧力が所定値を上回る場合には、前記電動発電機を発電機として動作させて電力を船内に供給する工程と、
を備えていることを特徴とする船体の抵抗低減方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば汎用される船舶に用いられて好適な船体抵抗低減システムおよび船体の抵抗低減方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
船舶における省エネルギ技術として、船底から水中に吹き出した気泡で船体表面を覆うことで船体に作用する摩擦抵抗を低減するということが知られている。気泡を発生させるブロワなどの送気装置を船舶に搭載し、これを別途の動力によって駆動させるというものである。この場合には、ブロワ等の駆動に要するエネルギが必要となっていた。
【０００３】
送気装置の駆動には、燃料が必要とされるため船舶の主機関とは別に送気装置の燃料も確保しなければならないという課題があった。また、船舶の抵抗が低減することで削減される主推進機関の燃料よりも、送気装置の消費燃料が少なくなければならないという課題もあった。
【０００４】
これらの上述した課題の対策について開示された文献として、下記特許文献１がある。
【０００５】
特許文献１には、船舶の水中の船体外表面に気泡を放出して航行時の摩擦抵抗を低減する船体抵抗低減装置が示されている。船体抵抗低減装置は、船舶の主機関からの排気ガスによって駆動され、主機関に燃焼用空気を圧送する過給機を備え、過給機から主機関へ供給される燃焼用空気を抽気して船体外表面に放出するとともに、過給機が、排気流速を２段階に調整可能な可変ノズルを備え、燃焼用空気を抽気して船体外表面に放出する場合は可変ノズルを絞り、燃焼用空気を抽気して船体外表面に放出しない場合は可変ノズルを開くことが示されている。
【０００６】
これにより、気泡放出にエネルギを消費する駆動源が不要になるので、余分な動力を消費することなく気泡を放出できる省エネルギ効果の高い船体抵抗低減装置が示されている。また、過給機は、排気流速を２段階に調整可能な可変ノズルを備えているので、可変ノズルの２段階切替によるシンプルな制御が可能となることが示されている。さらに、過給機に２段階に調整可能な可変ノズル付過給機を採用して気泡停止時高負荷運転モードを設けると、気泡を放出しない高負荷運転領域でも燃焼用空気圧力の上昇を抑制する無駄な抽気が不要になって主機関の効率改善が可能になることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１７１５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１には、ディーゼル主機関の掃気の一部を船底に導くことが記載されている。しかし、掃気の圧力は機関負荷によって変化するが、気泡放出に必要な空気の圧力と空気量は略一定である。したがって、低負荷では圧力、空気量が不足し、高負荷では気泡となる空気を減圧しなければならない必要があるというおそれがある。
【０００９】
また、主機関の掃気を用いている場合には、低負荷運転時に圧力や空気量が減少するのを補う補助的な圧縮機を用いている。これにより、コストや燃料にかけるコストが多くなるという問題があった。また、補助圧縮機と掃気のバランスの制御が困難であるという問題があった。
【００１０】
また、掃気圧が必要な気泡放出用空気圧力より高い場合は、減圧弁で圧力を調整する必要がある。これにより、系全体ではエネルギの損失となるという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、排気ガスのエネルギを用いて気泡となる空気を圧縮し、水中の船体外表面へと安定して供給することができる船体抵抗低減システムおよび船体の抵抗低減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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の船体抵抗低減システムおよび船体の抵抗低減方法は以下の手段を採用する。
本発明の船体抵抗低減システムは、主機関と、前記主機関の排気ガスの一部が導かれて動作する排気タービン圧縮機と、該排気タービン圧縮機から導かれた圧縮空気を船舶の船体外表面へと導くための吐出ノズルと、を備え、前記排気タービン圧縮機は、導かれた排気ガスによって回転駆動される排気タービンと、該排気タービンの回転駆動力を得て空気を圧縮するコンプレッサと、前記排気タービンによる発電および前記コンプレッサの加勢を行う電動発電機と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
主機関に用いられる過給機とは別に、船体抵抗を低減させる気泡となる空気を圧縮するための排気タービン圧縮機が設けられる。この過給機の動力源は、主機関の排気ガス系統（例えば、排気ガスマニフォールド）から抽気した一部の排気ガスが用いられる。排気ガス系統から抽気された排気ガスは、過給機の排気タービンへと供給される。これにより、排気ガスのエネルギの一部を空気の圧縮に利用する排熱回収の効果によって、気泡となる空気を圧縮するために必要な動力を削減することができる。排気ガスにより過給機の排気タービンを駆動して安定してコンプレッサにより気泡となる空気を昇圧することができる。これにより、船体外表面に安定して圧縮空気（気泡となる空気）を供給することができるので、船体と海水との摩擦を安定して低減することができる。
なお、排気タービン圧縮機としては、過給機に電動発電機が設けられたハイブリッド過給機が好適に用いられる。
【００１４】
本発明の船体抵抗低減システムは、前記吐出ノズルから吐出される圧縮空気の圧力が所定値を下回った場合に、前記電動発電機により前記コンプレッサの加勢を行うことを特徴とする。
【００１５】
吐出ノズルから吐出される圧縮空気の圧力が所定値を下回る場合には、電動発電機を電動機として動作させてコンプレッサを加勢することができる。これにより、排気タービン圧縮機に導かれた排気ガスのエネルギを十分に回収したうえで、電動発電機を補助的に稼働することができ、電動発電機を駆動させる電力の消費を抑えることができる。
【００１６】
本発明の船体抵抗低減システムは、吐出ノズルから吐出される圧縮空気の圧力が所定値を上回る場合には、前記電動発電機を発電機として動作させて電力を船内に供給することを特徴とする。
【００１７】
吐出ノズルから吐出される圧縮空気の圧力が所定値を上回る場合には、排気タービン圧縮機に導かれた排気ガスのエネルギのみで所望の圧縮空気圧力が得られるので、余剰の排気ガスのエネルギを電動発電機の発電にて回収させることができる。このように発電した電力を船内に供給することで、船内の需要電力を賄うために必要な燃料の消費を抑えることができる。
【００１８】
本発明の船体抵抗低減システムは、前記主機関の排気ガスの一部を前記排気タービン圧縮機に導く前記排気バイパス管には、制御弁が設けられていることを特徴とする。
【００１９】
排気バイパス管に制御弁を設けることにより、排気バイパス管内に流れる排気ガスの流量を調整することができる。これにより、主機関の負荷が所定値を上回る状態で電動発電機による発電が行われている場合は、排気バイパス管内を流れる排気ガスの流量を絞り主機関側の過給機へと排気ガスを供給する。これにより、排気ガスのエネルギを主機関の状態に合わせて制御することができるので、主機関の効率を向上させることができる。
【００２０】
本発明の船体抵抗低減システムは、前記電動発電機は、インバータ制御により可変速駆動とされることを特徴とする。
【００２１】
電動発電機は、インバータ制御とされている。これにより、主機関の状態等に応じて回転周波数を可変とすることができ、さらに電力の消費を抑えることができる省エネ制御とすることができる。
【００２２】
本発明の船体の抵抗低減方法は、主機関の排気ガスの一部を導入することで排気タービン圧縮機を駆動する工程と、該排気タービンの駆動によりコンプレッサを駆動させることで空気を圧縮する工程と、該圧縮した空気を吐出ノズルにより水中の船体外表面へと導く工程と、を備えた船体の抵抗低減方法であって、前記吐出ノズルから吐出される空気の圧力が所定値を下回った場合に、前記電動発電機により前記コンプレッサの加勢を行う工程と、を備えていることを特徴とする。
【００２３】
本発明の船体の抵抗低減方法は、主機関の排気ガスの一部を導入することで排気タービン圧縮機を駆動する工程と、該排気タービンの駆動によりコンプレッサを駆動させることで空気を圧縮する工程と、該圧縮した空気を吐出ノズルにより水中の船体外表面へと導く工程と、を備えた船体の抵抗低減方法であって、前記吐出ノズルから吐出される空気の圧力が所定値を上回る場合には、前記電動発電機を発電機として動作させて電力を船内に供給する工程と、を備えていることを特徴とする。
【００２４】
これらの船体の抵抗低減方法を用いることにより、排気ガスのエネルギの一部を空気の圧縮に利用する排熱回収の効果によって、気泡となる空気を圧縮するために必要な動力を削減することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、気泡となる空気を圧縮するための排気タービン圧縮機を設けることとした。この排気タービン圧縮機の動力源は、主機関の排気ガス系統から抽気した一部の排気ガスが用いられる。これにより、排気ガスのエネルギの一部を空気の圧縮に利用する排熱回収の効果によって、気泡となる空気を圧縮するために必要な動力を削減することができる。排気ガスにより排気タービン圧縮機のタービンを駆動して安定してコンプレッサによる気泡となる空気を昇圧することができる。これにより、水中の船体外表面に安定して圧縮空気（気泡となる空気）を供給することができるので、船体と海水との摩擦を安定して低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る船体抵抗低減システムを示す概略構成図である。
【図２】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る船体抵抗低減システムにおいて、機関負荷と動力との関係を示したグラフである。（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る船体抵抗低減システムにおいて、機関負荷と掃気圧との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明に係る船体抵抗低減システムおよび船体の抵抗低減方法の一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
船体抵抗低減システム３０は、水上を航行する船舶の水中の船体外表面上に対し、特に、喫水線より下で航行時に水中となる船体の船底部外表面上に対し、微小な気泡を放出しながら航行することにより船体の摩擦抵抗を低減するシステムである。
【００２８】
図１には、本発明に係る船体抵抗低減システム３０の概略構成が示されている。
船体抵抗低減システム３０に設けられた主機関１は、排気ガス系統２（排気マニフォールド）と、過給機５とエアクーラ４及び掃気室３から構成される。
【００２９】
また、主機関１に設けられた過給機５とは別に排気タービン圧縮機２０が設けられている。排気ガス系統２から抽気した排気ガスが流れる排気バイパス管９が排気タービン圧縮機２０の排気タービン２０ｂ側に接続される。また、排気タービン圧縮機２０のコンプレッサ２０ａ、排気タービン２０ｂ及び電動発電機２１は、回転軸２０ｃで連結され、コンプレッサ２０ａの吐出側には、水中の船体外表面へと延在する吐出ノズル２４が接続される。
【００３０】
主機関１は、例えば、船舶に設けられた主機駆動用のディーゼルエンジンとされている。主機関１は、図示しない燃料噴射ポンプから導かれた燃料と、過給機５から導かれた圧縮空気とが筒内に供給されることによって駆動される。
【００３１】
過給機５は、主機関１の排気ガス系統２と掃気室３の間に設けられる。過給機５は、主機関１から導かれた排気ガスにより回転駆動されるタービン５ｂと、一端にタービン５ｂが接続された回転軸５ｃと、回転軸５ｃの他端に接続されたコンプレッサ５ａとを備えている。このコンプレッサ５ａは、タービン５ｂによって得られた回転力が回転軸５ｃを介して伝達されて回転駆動させられるようになっており、これにより図示されない吸入口から吸入された吸入空気を圧縮する。コンプレッサ５ａによって圧縮された圧縮空気は、エアクーラ４にて冷却された後に、主機関１の掃気室３へと供給される。
【００３２】
タービン５ｂは、排気ガスを受けて回転するタービン翼から構成されており、タービンケーシング内に収容されている。タービンケーシングは、主機関１の排気ガス系統２（排ガスマニフォールド）から排気ガスが導かれる過給機吸入配管６と、タービン翼を通過した排気ガスをタービン５ｂの外へと導く過給機出口配管８とに対して接続されている。過給機出口配管８は、船体外へと排気するための排気管１０に接続されている。
【００３３】
コンプレッサ５ａは、図示しない吸入配管がコンプレッサ５ａの吸入側に接続され、コンプレッサ５ａの吐出側には、圧縮空気が流れる吐出配管７の一端に接続されている。また、吐出配管７の他端には、エアクーラ４が接続され、エアクーラ４は掃気室３に接続されている。
【００３４】
主機関１の排気ガス系統２には、排気バイパス管９が接続され、抽気された排気ガスにより駆動される排気タービン圧縮機２０の排気タービン２０ｂ側へと接続されている。また、排気バイパス管９には、制御弁１１が設けられる。排気タービン圧縮機２０は、電動発電機２１を有する点を除き過給機５と同様の構成とされ、排気タービン圧縮機２０の排気タービン２０ｂの吐出側には、過給機出口配管２３が接続されている。
【００３５】
排気タービン圧縮機２０のコンプレッサ２０ａ側には、水中の船体外表面に延在する吐出ノズル２４が接続されている。また、吐出ノズル２４の他方の端部には、例えば、船底等の船体外表面に備えられ、船体外表面に開いた開口から圧縮空気（気泡となる空気）を気泡として船体外表面付近の水中に噴出する気体噴出口（図示せず）が接続される。例えば、排気タービン圧縮機２０は機関室に設けられているので、吐出ノズル２４は、船舶の船首まで伸ばされて用いられる。
【００３６】
また、排気タービン圧縮機２０のコンプレッサ２０ａ、排気タービン２０ｂ及び電動発電機２１は、同軸とされた回転軸２０ｃにより連結される。排気タービン圧縮機２０は、排気タービン圧縮機２０により駆動されて発電する１台の電動発電機２１を備えている。そして、排気タービン圧縮機２０は、電動発電機２１、コンプレッサ２０ａ及び排気タービン２０ｂ間を回転軸２０ｃにより接続することで直列に配置され、電動発電機２１は、排気タービン圧縮機２０により駆動され、発電される。
【００３７】
次に上記構成の船体抵抗低減システムの動作について説明する。
主機関１において、複数の気筒（図示せず）からの排気ガスをまとめて排気管１０に渡すための排気マニフォールド２から抽気された排気ガスが過給機吸入配管６を介して過給機５のタービン５ｂへと導かれる。タービン５ｂに供給された排気ガスにより、タービン５ｂを回転駆動させて、タービン５ｂによって得られた回転力が回転軸５ｃを介して伝達されてコンプレッサ５ａを回転駆動させる。これにより吸入空気を圧縮する。空気圧縮機によって圧縮された圧縮空気は、エアクーラ４にて冷却された後に、主機関１の掃気室３へと供給される。タービン５ｂへと供給された排気ガスは、回転軸５ｃを回転させた後に、過給機出口配管８から排気管１０へと導かれる。なお、排気管１０から排出される排気ガスは、必要な排ガス処理を施した後、煙突（図示せず）から大気に放出される。
【００３８】
一方、排気タービン圧縮機２０の排気タービン２０ｂは、排気バイパス管９を介して導かれた一部の排気ガスにより駆動される。排気タービン２０ｂにより得られた回転力は、排気タービン圧縮機２０の排気タービン２０ｂと同軸とされるコンプレッサ２０ａ及び電動発電機２１へと伝達される。
【００３９】
排気タービン圧縮機２０のコンプレッサ２０ａは、排気タービン２０ｂから得られる回転力で回転駆動されて吸入する気泡となる空気が圧縮される。また、コンプレッサ２０ａには、水中の船体外表面に延在する吐出ノズル２４が接続され、機関室から船舶の船首まで伸ばされた吐出ノズル２４を介して船体外表面に開いた開口部から圧縮空気（気泡となる空気）を気泡として船体外表面付近の水中に噴出される。
【００４０】
排気タービン圧縮機２０は、電動発電機２１、コンプレッサ２０ａ，排気タービン２０ｂ間を回転軸２０ｃにより接続することで直列に配置される。電動発電機２１は、制御装置２２により、インバータ制御されるとともに、排気タービン圧縮機２０により駆動されて発電される。
【００４１】
さらに、電動発電機２１は、排気タービン圧縮機２０により駆動され、周波数の高い電力が発電され、船内常用電力の電圧及び周波数を有する交流電源に変換するための制御装置２２により制御される。また、電動発電機２１が制御装置２２によりインバータ制御されるため、例えば、可変速駆動とされる。
【００４２】
図２（ａ）には、機関負荷と動力との関係が示される。主機関１の機関負荷率を横軸に示し、縦軸に動力を示す。
主機関１の機関負荷が上昇すると、排気タービン圧縮機２０の排気タービン２０ｂの出力が上昇する。必要な空気を得る為の動力を示す線と、排気タービン２０ｂの出力を示す線が交差する箇所を、例えば機関負荷５０％とする。この場合、機関負荷５０％以下の時に電動発電機２１を船内の電力で駆動させて、排気タービン圧縮機２０を加勢する。また、機関負荷５０％以上の時は、余剰となった排気タービン圧縮機２０の出力を電動発電機２１へと伝達させて発電される。
【００４３】
図２（ｂ）には、機関負荷と掃気圧との関係が示されている。必要な圧力は、気泡となる空気の必要量により多少の変化はあるが、ほぼ一定の０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）程度であり、主機関１の機関負荷率を横軸に示し、縦軸に掃気圧を示す。
潤滑空気を圧縮する必要な圧力を確保するため、排気タービン圧縮機２０のコンプレッサ２０ａの吐出圧が調整される。機関負荷が５０％よりも低い場合は、船内の電力を用いて電動発電機２１により、必要な圧力となるように加勢される。また、吐出圧が余剰となる場合は、例えば、必要な圧力程度まで制御弁１１を操作して排気タービン２０ｂへと供給される排気ガスを主機関１側にまわすために絞るように調整される。
【００４４】
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
排気タービン圧縮機２０の動力源は、主機関１の排気ガス系統２から抽気した一部の排気ガスが用いられる。排気ガス系統２から抽気された排気ガスは、排気タービン圧縮機２０の排気タービン２０ｂへと供給される。これにより、排気ガスのエネルギの一部を空気の圧縮に利用する排熱回収の効果によって、気泡となる空気を圧縮するために必要な動力を削減することができる。
【００４５】
また、排気ガスにより排気タービン圧縮機２０の排気タービン２０ｂを駆動して安定してコンプレッサ２０ａによる気泡となる空気を昇圧することができる。これにより、水中の船体外表面に安定して圧縮空気（気泡となる空気）を供給することができるので、船体と海水との摩擦を安定して低減することができる。
なお、排気タービン圧縮機２０としては、過給機に電動発電機２１が設けられたハイブリッド過給機とすることが好ましい。
【００４６】
吐出ノズル２４から吐出される圧縮空気の圧力が所定値を下回る場合には、電動発電機２１を電動機として動作させてコンプレッサ２０ａを加勢することができる。これにより、排気タービン圧縮機２０に導かれた排気ガスのエネルギを十分に回収したうえで、電動発電機２１を補助的に稼働することができ、電動発電機２１を駆動させる電力の消費を抑えることができる。
【００４７】
また、吐出ノズル２４から吐出される圧縮空気の圧力が所定値を上回る場合には、排気タービン圧縮機２０に導かれた排気ガスのエネルギのみで所望の圧縮空気圧力が得られるので、余剰の排気ガスのエネルギを電動発電機２１の発電にて回収させることができる。このように発電した電力を船内に供給することで、船内の需要電力を賄うために必要な燃料の消費を抑えることができる。さらに、吐出ノズル２４は、機関室から船舶の船首まで延存して設けられるので、機関から船首までの間に圧縮空気を自然冷却することができる。これにより、圧縮空気を冷却するエアクーラ４を設ける必要がなく、コストを削減することができる。
【００４８】
排気バイパス管９に制御弁１１を設けることにより、排気バイパス管９内に流れる排気ガスの流量を調整することができる。これにより、主機関１の負荷が所定値を上回る状態で電動発電機２１による発電が行われている場合は、排気バイパス管９内を流れる排気ガスの流量を絞り主機関１側の過給機５へと排気ガスを供給する。これにより、排気ガスのエネルギを主機関１の状態に合わせて制御することができるので、主機関１の効率を向上させることができる。
【００４９】
電動発電機２１は、制御装置２２にインバータ制御されることとした。これにより、主機関１の状態等に応じて回転周波数を可変とすることができ、さらに電力の消費を抑えることができ、省エネ制御とすることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  主機関
２  排気系統（排気マニフォールド）
３  掃気室
４  エアクーラ
５  過給機
５ａ  コンプレッサ
５ｂ  タービン
５ｃ  回転軸
６  過給機吸入配管
７  吐出配管
８  過給機出口配管
９  排気バイパス管
１０  排気管
１１  制御弁
２０  排気タービン圧縮機
２０ａ  コンプレッサ
２０ｂ  排気タービン
２０ｃ  回転軸
２１  電動発電機
２２  制御装置
２３  過給機出口配管
２４  吐出ノズル
【図１】
2014076783.tif 000003
【図２】
2014076783.tif 000004