(57)【要約】【課題】  船舶用の有効な制動手段が乏しいこととエネルギーの有効利用のために、有効な船舶用回生制動機構を開発する。また、船舶の有効な旋回手段としてこれを活用する。【解決手段】  推進時には発電機に結合したロータを水中または流線を乱さない船体内またはフィンなどの構造内に格納し、制動時には水中で回転することによって大きな制動効果を得る。また、両舷に同機構を設け、片側だけに制動作用をさせることにより旋回に活用する。【選択図】図６
2019098905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機に伝達機構でつながったロータを、船舶の推進時には、水上に保持、または船体の水面下にある可動式フィンスタビライザーやアーム等に固定して格納、あるいは水面下の格納されないフィンスタビライザーやセンターボードや舵などの船体のフィン型構造に固定し、船舶の制動時には、前記水上ロータを着水、または水面下より前記ロータを結合したフィンスタビライザーやアーム等を格納状態から展開して回転を許すこと、または水面下の前記フィン型構造に固定されていた状態から前記ロータの回転を許すことにより、発電しつつ船体を減速させることを特徴とする船舶用回生制動機構。
【請求項２】
前記格納式／固定式フィンスタビライザーやセンターボードや舵などのプロペラ以外のフィン型構造に支持されるロータは２回回転対称な２枚羽ロータであり、前記フィン型構造の上流側あるいは下流側あるいはそれらの中間位置のいずれかに一つあるいはそれらの組み合わせの位置に複数支持され、前記ロータの回転軸が前記フィン型構造内にあり、推進時には前記ロータの２枚羽が前記フィン構造の面や断面輪郭線に近い位置に収まる形で固定されることにより流線を乱さないが、制動時には前記面や輪郭線を超えて回転動作して流れのエネルギーをしっかり受けることを特徴とする請求項１に記載の船舶用回生制動機構。
【請求項３】
前記ロータがギャロッピングの原理で回転する断面形状を持つロータであることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の船舶用回生制動機構。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一つあるいはそれらを組み合わせた船舶回生制動機構が少なくとも船舶の左右両舷に設けられ、制動時には両舷で同時に回生制動動作させて効果的な減速を行う、および／または、右舷または左舷一方のみの制動動作を行うことで旋回を有効に行うことを特徴とする船舶。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか一つあるいはそれらを組み合わせた複数の船舶用回生制動機構を少なくとも左右両舷に複数有し、一部の回生制動動作で得られた電力を他の非制動状態にあるロータの逆推進回転に用いて制動を効果的に行う、かつ／または片舷の回生制動動作で得られた電力を他の舷の非制動状態にあるロータの推進回転に用いて旋回を効果的に行うことを特徴とする船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶の制動を実現しつつ発電し蓄電池の充電を行う回生制動機構及びそれを活用した旋回機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン駆動の自動車の制動には摩擦力を用いるディスクブレーキや、エンジンの抵抗によって制動を行うエンジンブレーキが用いられている。電気自動車の普及の中で、駆動に用いるモーターを発電機として用いることで制動し、得られる電力で車載バッテリーの充電を行う回生ブレーキが利用されている。例えば、特許文献１に開示される技術がそれである。
【０００３】
船舶においては水の抵抗による制動に加えてスクリューを逆回転することで制動の一助とすることが行われている。電気推進式船舶においても電気自動車と同様に、プロペラやサイドスラスタを回生ブレーキとして用いる技術が開示されている。例えば、特許文献２や３がそれである。
【０００４】
水中で回転して発電可能なプロペラ状のものとしては、特許文献４に開示されるプロペラ、特許文献５中に図示される潮流発電用ロータなどの翼型の断面形状を持つロータのほか、ギャロッピングの原理で回転する断面形状を持つロータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５―１７６４０６号公報
【特許文献２】特開２０１４―１２９０４８号公報
【特許文献３】特開２０１７―１９３２２４号公報
【特許文献４】特開２０１５―２１４８９８号公報
【特許文献５】特開２０１３―５０８５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
化石燃料駆動の船舶の制動でプロペラを逆回転することが行われているが、それは水の抵抗による速度低下である程度減速してから行われる。一般的に、流線型に形成される船尾にあるプロペラの逆回転で大きな制動力を与えることは難しい。サイドスラスタも制動手段としては大きな寄与を期待できない。特許文献２や３に開示されるように電気推進船舶ではメインプロペラを回生ブレーキとして用いる技術はあるが、回生ブレーキの効率を考えると流れをより直接受ける船体前方や側部に回生制動機構をつけることが好ましい。
【０００７】
タンカーなど慣性の大きい船舶ではプロパラで逆回転を用いた場合でも最高速度から停止までに１５分以上の時間を要し、その間に船舶は３キロメートル近く移動することが知られている。したがって、自動車と異なり船舶においては効果的な制動手段は装備されているとは言い難く、危険回避の観点では解決すべき問題である。
【０００８】
船舶の前方に逆推進力を与える技術を導入することは可能であるが、単にこれらの機構を導入するだけではエネルギーの消費や推進時の抵抗を増やしてしまう。エネルギー有効利用の観点では推進時には抵抗とならず、制動時にエネルギーを回収し活用できる回生制動機構があることが好ましい。
【０００９】
また、船の大きさによらず舵では最大舵角は３５度であることが知られており。推進時には小回りが効きにくい。制動を活用することでエネルギーの浪費をせずに大きな舵角をとることができればより好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の船舶用回生ブレーキは、メインプロペラを用いるのではなく、別途設置するものである。推進時には抵抗とならないが、制動時には流水の力を受けてロータが回転して速度を効果的に落としながら発電し、運動エネルギーを電気エネルギーとして回収し活用する。
【００１１】
このため請求項１に記載の本発明の船舶用回生制動機構では、船の水面上に保持または船体の水面下のフィンなどに流線を乱さない形でロータをつけた発電システムを設置し、制動時のみ流水抵抗を受けるようにする。これは可動式フィンスタビライザーと機能を兼ねることができる。またヨットで用いられているセンターボード、舵などの既存の船に装備されたフィン型構造、あるいは本発明のために新たに設けられたフィン型構造に取り付けたロータで発電することで回生制動する。
【００１２】
請求項２に示されるように、推進時に抵抗を増やさないが制動時には大きな減速を可能にするためには、フィン型構造に一体化するようにロータの形状は２回回転対称（すなわち棒状に近い）２枚羽となることが望ましい。推進時にはフィン構造の面や断面輪郭線に近い位置にロータ外形が収まることにより流線を乱さないが、制動時にはフィン面や断面輪郭線を超えて回転動作してしっかり回生制動できるようになる。
【００１３】
ロータのブレード断面は、プロペラや潮流発電ロータに見られる翼型でその目的を果たすことはできこれは逆推進力を得る場合には有効である。しかし、制動のみを効果的に行うためには請求項３に記載されるとおり、より減速能力の高いギャロッピングの原理で回転する断面形状（以下ギャロッピング型と記述する）を持つロータの活用が好適である。
【００１４】
請求項４に示されるように、船の左舷と右舷に上記の回生制動機構をつけることにより、双方で流れを受けて回生制動しするほか、一方のみで流れを受けてエネルギーのロスを少なく船体の旋回を行うことが可能となる。
【００１５】
また、請求項５に示されるように、両舷の回生制動で得た電力を船舶のプロペラや未使用の他の回生制動ロータの逆推進方向の回転に用いることにより、制動をさらに効果的に行うことができる。旋回においても、片方の舷の回生制動で得た電力で反対側の舷のロータを推進方向に回転させることで旋回はさらに効果的に行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、推進時には抵抗とならないが、制動時には流水の力を受けてロータが回転して速度を効果的に落としながら発電し、運動エネルギーを電気エネルギーとして回収することが可能になる。また、両舷に同制動機構を設置することにより、旋回を効果的に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態の船舶用回生機構を備えた船舶の図である。
【図２】フィン構造に一体化するロータの（a）側面図  (b)背面図である。
【図３】第２実施形態の船舶用回生機構を備えた船舶の図である。
【図４】第３実施形態のフィン一体型回生機構を備えた船舶の図である。
【図５】ロータの断面（a）翼型と（b）ギャロッピング型を示す図である。
【図６】船舶の推進・制動・旋回の動作図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る船舶用回生制動機構についての実施実態を挙げ、添付の図面を基に説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１に、第１実施形態に係る船舶用回生制動機構を活用した水中翼船を示す。水中翼船である船舶１は船体下に水中翼を持ち、推進速度の上昇とともに水中翼の揚力で船体が水上に引き上げられ、より小さい抵抗で推進することができる。高速推進時には水面３下には水中翼の一部または全部のみが存在する。
【００２０】
この水中翼で持ち上げられた船体下の空間に本発明の回生制動機構２を設置すると、高速推進時には水上に保たれ、制動時には水中で作動する請求項第一に記載の発明が実現される。
【００２１】
この時、発電機に伝達機構で結ばれたロータの形状や羽の枚数は利用可能な技術、たとえば特許文献４や５など、のいずれを用いても良い。また、発電機の種類、生成された電力の制御系、蓄電方法も公知の多様な技術を用いることが可能である。
【００２２】
ロータのピッチ角を変えて、あるいはロータの向きを変えて、あるいは羽の形状を工夫して回転方向によらず作動するようにして、発電機に電力を供給して推進用補助プロペラとして活用するようにすれば、低速推進状態で当該回生制動機構は推進の障害とはならない。
【００２３】
船体下の回生制動機構に昇降機構を設け、高速推進時から制動を発揮させることも可能である。水中翼線に限らず、双胴船のように船体下に空間を持つ船舶の制動でも同様に活用可能である。
【００２４】
上記水中翼構造（支持柱および／または水中翼）に本発明の請求項２に記載のフィン型構造に一体化するロータを適用することで、推進時には妨げとならず制動時には直ちに高い回生制動を実現することが可能であるのでこれについて説明する。
【００２５】
図２にフィン構造に一体化するロータの（a）側面図と(b)背面図を示す。ロータの形状は２回回転対称（すなわち直線状の）２枚羽とすることにより、推進時には図中でロータを描かれた角度に固定すれば流線を乱さないようにすることができる（これを以降、フィン一体型回生制動機構と呼ぶ）。制動時には回転を許すことによりロータはフィンの断面積を大きく超えて(b)の点線円の軌道で動くので水の流れのエネルギーを大きく受ける。これによって推進と制動を効果的に切り替えることができる。
【００２６】
ここで用いられる発電機は公知のいかなるものを用いても良い。発電機はフィン内に設置してもよく、ギアやベルト、チェーン、油圧・水圧などの公知の変換伝達機構を適切に選んで船体内の発電機に伝達することも可能である。  ロータを推進時には所定の角度に戻して固定必要があるため、発電機をモーターとして用いるようにすることが望ましい。また、推進時には積極的に駆動方向に回転させ推進補助としても良い。なお、所定角度で保持するためにはロック機構を設けることが望ましい。
【００２７】
フィンの形状は多様であって良い。上記水中翼構造に上記フィン一体型回生制動機構を適用する場合、水中翼の支持部や水中翼の一部または全部を形成するようにしても良い。複雑になるがフィンを３回回転対称にして３枚羽を収めるなども必要に応じて可能である。利用材料、制御系は目的に沿った如何なる技術を用いても良い。
【００２８】
（第２実施形態）
図３に、第２実施形態に係るアームを用いて船舶用回生制動機構を使用／不使用を切り替える船舶を示す。推進時には水上に回生機構を保持し、制動時には水面下に回生制動機構を浸水させる。水上に保持する方法としてのアーム等の構造は強度と高さ調整が可能な機構であれば任意に選ぶことができる。水上の空間または水上の船体内に保持する方法も自由度がある。また、アームによって船体の水中部から格納されていた回生制動機構を展開しても良い。
【００２９】
図２を用いて説明された上記のフィン一体型回生発電機構を用いることも可能である。フィンの浸水による第一段階の制動、ロータ回転を用いた第二段階の制動を有効に活用することが可能になる。
【００３０】
上記第２実施形態においても、発電機構、伝達機構、利用材料、制御系は目的に沿った如何なる技術を用いても良い。
【００３１】
（第３実施形態）
図４にフィン一体型回生制動機構を積極的に既存の船体構造と一致させた実施形態として示す。図４の(a)は可動式／固定式フィンスタビライザーの一部を形成するように用いている。(b)ではヨット等で用いられるセンターボードの一部として用いている。既存構造に一体化させると、従来の推進上工夫された流体的な設計を妨げずに導入ができ、かつ制動や後述するように旋回性能向上が可能になる。
【００３２】
上記に限定されず、既存の船舶構造には舵の他に、竜骨の張り出した構造など既存のフィン状構造に組み込むほか、回生制動のために新たに導入しても良い。
【００３３】
上記第３実施形態においても、発電機構、伝達機構、利用材料、制御系は目的に沿った如何なる技術を用いても良い。
【００３４】
上記のいずれの実施形態においても、ブレードの形状をより制動能力の高いものにすることが可能である。特に、請求項３に記載されるギャロッピング型ロータ（図５の（b））はその効果が高い。ギャロピング型は水流の上流側に凹面または平面を持ち、流れの剥離効果を活用しながら回転する。発明者の検討によれば、発電力には大きな差がないが、より大きな効力を受けるので制動に適している。
【００３５】
ギャロッピング型は構造が簡単でフィン一体型回生制動機構にもより流れを乱さない状態からより大きな抗力を受ける状態に変換できるので本発明の目的に適している。ただし、電力を与えたときの推進プロペラとしての能力はピッチ角を持ち翼型断面を持つプロペラ型(a)の方が優れているので、これらを組み合わせて推進力と制動力の両方を得ることも可能である。
【００３６】
図６は本発明の回生制動機構を制動だけでなく旋回にも活用できることを説明するものである。図６ではフィン一体型回生制動機構を用いた図４（a）に近い構造で示しているが他の実施形態でも同様である。
【００３７】
船体の左舷と右舷両方に本発明の回生制動機構を設置することにより、図６（a）のように推進時には抵抗が少なく、（b）のように制動時にはしっかりと回生制動を行うことができる。さらに、請求項４および図６（c）に示されるように型舷の制動のみを活用することで、旋回を有利に行うことができる。片側に抵抗があり、反対側は抵抗がない状態により、制動側を軸にした回転力が生じる。
【００３８】
旋回を有効に行うためには、船体の左右の回生制動機構は船体中心よりなるべく離れている方が好ましい。図６（c）のように二軸ある片舷の推進プロペラも旋回の一助とする場合、これらも中心より距離が離れている方が有利である。
【００３９】
請求項５に記載されるように、本発明の回生制動装置を左右両舷に複数設け、一部の回生制動で得た電力を他の非制動状態にあるロータの推進回転／逆推進回転に用いて制動／旋回を有効に活用することが可能である。これは請求項４に記載の制動や旋回の能力を高めるものであり、制動の場合は進行方向に対して均等に制動力が生じるようにバランスを取り、また旋回の場合は偏りを強化与えることで旋回力を生じるようにする。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱することなく改造、変形及び変更を行うことができることは理解すべきである。
【符号の説明】
【００４１】
１  船舶
２  船舶用回生制動機構
３  水面
４  フィン
５  回転軸
６  フィンと一体化した回生制動機構
【図１】
2019098905.tif 000003
【図２】
2019098905.tif 000004
【図３】
2019098905.tif 000005
【図４】
2019098905.tif 000006
【図５】
2019098905.tif 000007
【図６】
2019098905.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月22日(2019.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機に伝達機構でつながったロータを有する水中翼船において、前記水中翼船の推進時には、船底または水中翼の左右支柱に設置された前記ロータを水中翼の揚力で浮上させることで水上に保持し、前記水中翼船の制動時には、前記ロータを着水して流水の抵抗によりその回転を許すことにより、発電しつつ船体を減速させることを特徴とする船舶用回生制動機構。 
【請求項２】
発電機に伝達機構でつながったフィンの厚みに収まる２回の回転対象な形状を持つロータを、従来より船体に取り付け活用されてきた平板型構造、すなわち船体の水面下にあるフィンスタビライザーやセンターボードや舵や水中翼、に一体的に取り付け、推進時には前記ロータ端部が平板型構造の面や断面輪郭に近い位置に収まる形で固定されることにより流線を乱さないが、制動時には前記ロータの回転を許すことにより船舶の進行方向から見た前記平平板型構造の断面積を大きく超える回転面積を出現させて抗力を生み出し、発電しつつ船体を減速させることを特徴とする船舶用回生制動機構。
【請求項３】
前記ロータがギャロッピングの原理で回転する断面形状、すなわち進行方向に流れの剥離を引き起こすエッジを持ち、後方にエッジのない曲面を持つ構造、を持つことにより、推進時には前記アームや前期平板型構造に滑らかに一体化して流線を乱さず、制動時には大きな抗力を生み出すことを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の船舶用回生制動機構。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つあるいはそれらを組み合わせた船舶回生制動機構が少なくとも船舶の左右両舷に設けられ、制動時には両舷で同時に回生制動動作させて効果的な減速を行う、および／または、右舷または左舷一方のみの制動動作を行うことで旋回を有効に行うことを特徴とする船舶用回生制動機構およびそれを用いた船舶。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一つあるいはそれらを組み合わせた複数の船舶用回生制動機構を少なくとも左右両舷に有し、一部の回生制動動作で得られた電力を他の非制動状態にあるロータの逆推進回転に用いて制動を効果的に行う、かつ／または片舷の回生制動動作で得られた電力を他の舷の非制動状態にあるロータの推進回転に用いて旋回を効果的に行うことを特徴とする船舶用回生制動機構およびそれを用いた船舶。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
ロータのピッチ角を変えて、あるいはロータの向きを変えて、あるいは羽の形状を工夫してロータを制動のみでなく推進にも使える状態にし、発電機に電力を供給して推進用補助プロペラとして活用するようにすれば、当該回生制動機構は推進にも役立つ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
船体下の回生制動機構に昇降機構を設け、水上から水中へローターを着水し、制動を発揮させることも可能である。すなわち水中翼線に限らず、双胴船のように船体下に空間を持つ船舶の制動でも同様に活用可能である。