(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
砕氷システムを有する浮体（１）であって、
ａ）前記浮体の喫水線上に張り出した、少なくとも１つの浮体前部（２）と、
ｂ）前記浮体前部（２）と浮体後部のそれぞれに少なくとも１つ設けられたトリミングタンク（１０，１６）と、
ｃ）満たされた前記トリミングタンクで重量を増加させたり、空の前記トリミングタンクで重量を減少させたりするために、前記トリミングタンク（１０，１６）を流体で満たしたり、空にしたりする手段（１８，１９）と、
を有し、
ｄ）少なくとも前記浮体前部（２）の砕氷ピッチング動作を行い、
ｅ）少なくとも１つのトリミングチャネル（１２，１３）が、前部および後部トリミングタンク（１０，１６）を通流連結しており、
ｆ）２つのトリミングチャネル（１２，１３）が、浮体の相対向する側部に備えられ、
ｇ）前記トリミングタンク（１０，１６）およびトリミングチャネル（１２，１３）は、閉鎖型トリミングシステムとして形成され、
ｈ）前記トリミングタンク（１０，１６）および前記トリミングチャネル（１２，１３）は、前記浮体（１）の止水壁によって氷結から外的に保護され、
ｉ）前記トリミングタンクを満たしたり空にしたりする手段（１８，１９）は、前記トリミングタンク（１０，１６）間に少なくとも１つの流体付勢手段（１８，１９）を備え、
ｊ）砕氷ピッチング動作を行うために、前記前部および前記後部トリミングタンク（１０，１６）は重量が周期的に逆相となるように満たしたり空にしたりすることができ、
ｋ）前記前部または前記後部またはその双方のトリミングタンク（１０，１６）は、それぞれ複数個の小部分として設けられ、前記浮体（１）のヒーリング動作を行うための側部トリミングタンクとして操作される、
浮体。
【請求項２】
請求項１に記載の浮体であって、
前記浮体（１）は、前記浮体の長手方向に沿って少なくとも一箇所または、トリミング兼用に複数個所に対をなして対向配置された側部ヒーリングタンク（２１，２２）を備える、浮体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の浮体であって、前記閉鎖型トリミングシステム（１０，１６，１２，１３）は、高濃度塩水または氷点を下げる添加物が加えられた水を備える、浮体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の浮体あって、前記トリミングタンク（１０，１６）または前記トリミングチャネル（１２，１３）またはその双方のための加熱手段を備える、浮体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の浮体であって、前記浮体（１）の喫水線付近かそのやや上方に側方張出壁（２４，２５）が設けられている、浮体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の浮体であって、前記流体付勢手段（１８，１９）は、ハイドロメカニカル式、液圧式、または気圧式である、浮体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の浮体であって、前記前部および前記後部トリミングタンク（１０，１６）は、前記浮体（１）の首尾線（４）からできる限り距離を設けて、前記浮体（１）の前端部または後端部へと、できる限り離して設けられている、浮体。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の浮体であって、前記流体付勢手段（１８，１９）は、トリミング媒体の圧送速度が高速、特に１０〜３０秒あたり５００ｔ〜１０００ｔの範囲となるように設計されている、浮体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の浮体であって、前記浮体（１）の位置安定化手段と、あらゆる方向に好適に前記浮体（１）を操作する直接または間接駆動手段（３１）と、が備えられる浮体。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の浮体であって、砕氷機能を発揮することができるよう、喫水線上に張り出した張出船尾材（３）を後部に備える、浮体。
【請求項１１】
請求項９に記載の浮体であって、前記浮体（１）の前記位置安定化手段は、氷塊または海水またはその双方の流れを検出し、その流れに逆らって前記浮体（１）の向きおよび対抗する動きを制御するように設計された、浮体。
【請求項１２】
氷塊または海水の流れを判定するステップと、
氷塊または海水の流れの方向に逆らって浮体（１）の姿勢を調整するステップと、
浮体（１）に備わる砕氷システム（１０，１６，１８，１９，１２，１３）を稼動させるステップと、
氷塊または海水の流れに逆らいつつその流速に応じ浮体（１）を動的に相対運動させるステップと、を有し、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の砕氷システムを使用する、浮体（１）の位置安定化方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、前記砕氷システムが、砕氷効率が高まるような氷塊の流れに応じた周波数で稼動する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載された浮体用砕氷システム、並びに同システムを使用する請求項１２記載の位置安定化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
浮体用例えば船舶用の砕氷システムは従来から知られている。まず、特許文献１に記載のシステム及び方法では、船底の竜骨部等にあるバラストタンクを用い左舷から右舷へまた右舷から左舷へとバラスト水を揚水することで船体をヒーリング（側方傾斜）させる。更に、この重量移動で氷が破砕されるよう、船首部側面に凸部が形成されている。
【０００３】
特許文献２に記載のシステムでは、結氷域用採掘船の船首部に、海水を流し込めるトリミング（平衡化）タンクや、氷上に張り出す箆状の部分を設けると共に、その船底部や船側部に大きめの開口を設けている。従って、トリミングタンクに迅速に注水して船首部を通常時喫水線下まで喫水させ、船首部下方の氷を破砕することができる。トリミングタンクからの排水はトリミングタンク内への圧縮空気導入で行える。同様のトリミングタンクを左右両舷に設け船全体又は船首をヒーリングさせることもできる。反面、こうした構造の船舶では、注水時に氷片群が入り込みうるため、トリミングタンクの開口がその氷片群で塞がれ排水が妨げられる恐れがある。
【０００４】
特許文献３に記載のシステムでは、結氷域用採掘船の船首に爪状部分を設けると共に、注排水可能な船底室を船首寄り及び船尾寄りそれぞれに設けている。従って、船首部を上下動させて砕氷することができる。その難点としては、船底室で結氷が生じうる点や、排水用の圧縮空気を得るための装置が複雑な構成になる点がある。
【０００５】
特許文献４に記載の採掘塔付浮体では、横長な管状浮体を２個使用し水上に浮かばせた半潜水式リグの上に採掘塔を配置している。その管状浮体の前，後部には注排水可能な室がある。従って、そのうち前部室への注水で喫水線を下げ氷塊や流氷を破砕することができる。それに続き、前部室からの排水と後部室への注水を行うこともできる。その半潜水式リグで採掘塔のヒーリングも制御することができる。反面、それに必要な空気圧縮システムの構築に大量の資材が必要であり、管状浮体に備わる室が結氷する恐れも否めない。
【０００６】
特許文献５に記載のトリム装置では、固形バラストを首尾線沿いに船首部から船尾部へと移動させることで船体をピッチング（縦揺れ）させ、船首のうち氷上の部分で砕氷するようにしている。
【０００７】
特許文献６に記載の砕氷船では、船舶を横方向に移動させうるよう、ジェット式推進ユニット及び回転式推進ユニットを併設している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５９−１７９４９３号公報
【特許文献２】米国特許第３９３９７８９号明細書
【特許文献３】米国特許第３８５０１２５号明細書
【特許文献４】米国特許第３８７２３１４号明細書
【特許文献５】特開昭５８−２２４８８７号公報
【特許文献６】独国特許発明第４２０８６８２号明細書（Ｂ４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
残念なことに、これらの従来システムには、効率が低い、トリミングタンクが結氷しやすい、排水及び重量移動が非常にゆっくりになりがちである等の問題がある。
【００１０】
本発明は、上述した諸問題が発生せず、浮氷原、群氷、流氷等に囲まれる調査船、採掘船、プラットフォーム等を初め氷塊の付近乃至直中で使用される浮体に装備可能で、海上の所望位置に浮体例えば船舶をしっかり停留させ続けうる砕氷システム及び方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載された特徴を有するシステム及び請求項１２に記載された特徴を有する方法によれば、こうした目的を達成することができる。
【００１２】
まず、北極海は経済的に見合う油田や鉱床があると目されており、以前に増し注目を集めている。北極海でそうした素材源を探索するには、海水や流氷の流れに逆らい海上の所望位置に停留させ続けうる停留継続型の調査船、採掘船及び浮遊プラットフォームがあると非常に都合がよい。
【００１３】
本発明に係るシステム及び方法はこの要請に応えうるものである。その基本的な特質は、浮体前部例えば船首部に前部トリミングタンク、浮体後部に後部トリミングタンクを設け、前，後部トリミングタンク間を１本又は複数本のトリミングチャネルで通流連結した点にある。前部トリミングタンクは浮体前端の最寄り、首尾線の遙か上方に設けるのが望ましく、後部トリミングタンクは前部トリミングタンクに対し対称的な位置に設けるのが望ましい。トリミングチャネルの位置は、設ける本数が１本なら浮体中央例えば首尾線上方とするのが望ましく、２本なら相対向する浮体側部とするのが望ましい。
【００１４】
前，後部トリミングタンクはトリミングチャネルと協働し閉鎖型トリミングシステムを形成する。その位置は喫水線より上にするのが望ましい。装備先浮体に望まれる機能に応じトリミングタンクの構成を工夫すること、例えばエネルギ節減のため結霜防止型の構成にすることも可能である。−３５℃を下回ることさえある北極の極低温環境でもシステムが全面的に機能するよう、その氷点を大きく下げる物質が添加された水、例えば高濃度塩水をトリミング媒体として使用することもできる。トリミングタンクやトリミングチャネルを対外的に護る止水壁を設け結氷を防ぐことや、トリミングタンクやトリミングチャネルを随時加熱して結氷を防ぐことも可能である。
【００１５】
北極海地方で採掘孔の上方に非常に長期間に亘り船舶、プラットフォーム等の浮体を停留させ続けると、程度の差こそあれその周囲が結氷し又は漂流中の群氷で埋まるため、停留させ続けるべき浮体が氷塊と一緒に漂流するといった問題も発生する。氷塊の流速が約０．５ノット以下だと、浮体の姿勢が徐々に変化することになろう。この問題に対処するには、海水や氷塊の流動方向に対し斜交乃至直交する姿勢のまま海上の所望位置に動的に停留させ続けうるよう、その浮体を構成する必要がある。請求項１記載の特徴を有する砕氷システムを装備すればそうした浮体とすることができる。
【００１６】
また、本発明の方法は、請求項１記載の砕氷システムを用い、氷塊の付近乃至直中にある浮体例えば船舶の位置を安定化する方法である。本方法では、まず、海水、氷塊又はその双方の流れを判別する。そうした流れが認められた場合、その流動方向に応じ浮体の姿勢例えばその前部の向きを調整する。例えば、３６０°に亘り回転可能な推進ユニット、浮体前部乃至後部に配置されたジェット推進ユニット等、その浮体に備わる水面下推進ユニットを使用することで、海水や氷塊の流動方向に対し斜交乃至直交する適正な姿勢となるようその海上姿勢を調整、維持する。その後は、その浮体に備わる砕氷システムを稼働させ、浮体にヒーリング、ピッチング又はその双方を発生させることで、氷塊の直中でその浮体を停留させる。そして、海水や氷塊の流れに逆らいつつ、その流速に応じ浮体例えば船舶を動的に相対運動させることで、海上の所望位置例えば採掘孔上方にその浮体を停留させ続ける。
【００１７】
氷塊等の流動方向及び流速は、ＧＰＳ等の測位手段を用い浮体自体の位置を監視することで判別することができる。判明した流動方向及び流速に基づく浮体姿勢の調整は、その浮体の前部や後部にあるトリミングタンクにトリミング媒体を流入させ、砕氷につながるピッチングを発生させることで実行することができる。氷塊等の流れに対する浮体の速度が所要値になったら、その浮体に備わる推進ユニットを用い、所要姿勢を保ちつつその浮体を採掘孔等の上方に停留させ続けることができる。そのための推進ユニット、例えばジェット推進ユニットは、浮体の前部、後部又はその双方に装備するのが望ましい。電気機械式推進ユニットやディーゼル式推進ユニットをそれと併用することもできる。推進ユニットは、ポッド状にして浮体の底部に設けることも、その浮体の外殻と一体化させることも可能である。
【００１８】
また、浮体に備わるトリミングタンクにトリミング媒体を流入させ又はそこからトリミング媒体を排出させる動作（再トリミング）の周波数を、氷塊の流速に応じた周波数とすることで、砕氷効率を高めることができる。
【００１９】
浮体のヒーリングで砕氷効率を高めることもできる。例えば、側部トリミングタンクを側壁付近、できれば喫水線より上に設け、それに対する再トリミングで浮体をヒーリングさせればよい。その側部トリミングタンクは、浮体中心線を挟み対向するよう対をなし配置するのが望ましい。浮体のローリング（横揺れ）及びピッチングを考慮すると、特に望ましいのは、側部トリミングタンクを浮体長手方向沿いに複数対、分散して配置することである。前，後部トリミングタンクに対する再トリミングを通じ浮体をローリング及びピッチングさせつつ、側部トリミングに対する再トリミングを通じ浮体をヒーリングさせることで、トリミングによる砕氷の効果を更に高めることができる。
【００２０】
再トリミングに要する時間を更に短縮することも可能である。後部トリミングタンクから前部トリミングタンクに至る閉鎖型トリミングシステムにて使用されるトリミングチャネルの管径を大きくし、例えば直径１〜４ｍにすればよい。また、ハイドロメカニカル式ポンプ等のハイパワーな流体付勢手段を、閉鎖型トリミングシステムに組み込むようにしてもよい。ハイパワーな流体付勢手段を組み込んだ場合、例えば１０〜３０秒当たり５００〜１０００ｔといった高速で後部トリミングタンクから前部トリミングタンクへとトリミング媒体を圧送することができる。更に、ハイパワーな流体付勢手段に加え、振動水質量による運動エネルギを再トリミング、例えば前部トリミングタンクから後部トリミングタンクへのそれに利用することもできる。例えば、トリミング媒体の揚送に後部振動水質量を利用し、前部トリミングタンクから後部トリミングタンクへの再トリミングを迅速化することができる。
【００２１】
トリミングチャネルは、対応する流体付勢手段に全管路断面積がつながるよう、即ち全流量が再トリミングに速やかに使用されるよう構成するのが望ましい。トリミングチャネルには、相応の流路保持手段乃至還流防止手段、例えば双方向的に作動・スイッチングさせうるものを付加するのが望ましい。
【００２２】
使用するトリミング媒体の種類によっては、流体付勢手段を液圧式又は気圧式の構成にすることもできる。
【００２３】
前部及び後部トリミングタンクを浮体底部線例えば首尾線の遙か上方に設けることで、ピッチングによる砕氷の効果を高めることもできる。例えば、前，後部トリミングタンクをそれぞれ浮体前，後端に近づけると共に、主デッキ高に近い高さに設ければよい。その際には、止水壁を用いトリミングタンクやトリミングチャネルを外的に保護し、トリミング媒体の氷結を防ぐのが望ましい。
【００２４】
ヒーリングによる砕氷の効果を高めるため、前，後部トリミングタンクそれぞれに複数個の小部分を設けるようにしてもよい。その分割は例えば船体中心線を含む平面上で行う。重量負荷が浮体の左右に交番的にもたらされることとなるため、砕氷のためのヒーリングをより好適に実行することができる。
【００２５】
浮体にピッチングやローリングを発生させるだけなら、浮体に設けるトリミングタンクは１個だけ、例えば前部トリミングタンク１個だけでも十分である。これは、海水を注入して満たし、海水を排出して空にする、といった形態で使用される。或いは、閉鎖型トリミングシステムが形成されるよう、浮体中央付近に側部トリミングタンクを設け、当該単一のトリミングタンクを通流連結してもよい。この構成であれば、トリミング媒体を閉鎖型トリミングシステムから出さず揚送することができる。
【００２６】
トリミングタンクのうち浮体のピッチングに使用されるものについては、トリミングチャネルも含めシステム全体の機能を考慮し、できるだけ大きなトリミングモーメントが短時間のうちに浮体に及ぶよう、その個数及び配置を定めるのが望ましい。
【００２７】
浮体の用途が多種多様であることを踏まえ、外部開放型トリミングシステムの併用乃至代替使用で閉鎖型トリミングシステムを補強するようにしてもよい。例えば、前，後部トリミングタンクに海水を流通させる流路を設けて外部開放型トリミングシステムを形成し、閉鎖型トリミングシステムに代え又はそれを助け稼働させる構成であれば、修理を好適に進めることができる。
【００２８】
浮体の操作性を改善するため、主たる推進ユニットに加えて直接的又は間接的駆動手段を使用することもできる。例えば、浮体前部や浮体後部にジェット推進ユニットを設けて使用するとよい。ジェット推進ユニットと電気機械式推進ユニット、例えばポッド状の筐体に収まっていて０〜３６０°の回転角度域を有する電気機械式推進ユニットを併用するとよい。これらの推進ユニットを併有する複合的駆動システムは、装備先の浮体例えば船舶が海水や氷塊の流れに逆らい所望海上位置、例えば採掘孔の上方に精密に停留し続けることとなるよう、コンピュータ制御することが可能である。
【００２９】
本発明で形成される上述したトリミングシステムはそのコンピュータ制御が可能であり、また結氷の有無を問わず様々な水域で使用可能である。その際のトリミングは全自動で行ってもよいし半自動で行ってもよい。コンピュータ制御の許では、幾通りかのトリミング乃至調整動作を同時に制御すること、例えば浮体をローリング乃至ピッチングさせる動作とヒーリングさせる動作とを同時に制御することができる。ピッチング、ヒーリング或いはその双方が生じている間に、周期的動作の周波数をその浮体の目標姿勢（角度）に相応しい値に合わせ込むこともできる。
【００３０】
浮体挙動に求められる振動数に適合させつつ再トリミングを迅速化するため、トリミングチャネル内流速を約８ｍ／秒以下に抑えうる流体付勢手段を使用することもできる。但し、トリミングチャネル内流速が約３ｍ／秒に達しないと流体例えばバラスト水は揚送されない。気圧式の装置例えばブロワファンユニットのなかには、約１０ｍ／水頭でこのしきい値に達し流体付勢手段として使用できるものがある。作用方向と逆方向の制御をより迅速に行わねばならないが、遠心ポンプという更に優れた装置もある。こうしたプロペラ式乃至インペラ式駆動装置は再トリミングの迅速化にとみに適している。
【００３１】
氷塊等の流動速度に対する同期や浮体のピッチング周波数及びローリング周波数との関係で位置安定化動作を工夫することにより、砕氷機能を向上させることもできる。その外殻の前端及び後端に突出部分を設けることを初め、氷の種類に応じ外殻例えば船殻及び船底の全体構成を工夫することでも、砕氷機能を向上させることができる。例えば、浮体の側壁に突出部分を設けることで、ヒーリングによる砕氷の効果を強めることができる。更に、ローリング角及びヒーリング角の最大値を所要の砕氷機能に応じ予め設定しておき、当該最大値に従い浮体がローリング乃至ヒーリングするよう再トリミングを実行するのが望ましい。
【００３２】
圧送ポンプや排出側のトリミングタンクが空にならないよう、トリミングチャネルを常にトリミング媒体で満たしておくことで、再トリミングに要する時間を短縮することもできる。ポンプ内に空気が入らないようにすることは、トリミング媒体揚送時の気泡発生ひいてはポンプ損傷を避ける上で重要なことである。再トリミングを利用可能な全容積を使用し遅滞なく開始させるには、例えば１０〜２０秒当たり５００〜１０００ｔの速度で再トリミングを行えるよう、トリミングチャネルの直径を設定するとよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】船舶の主デッキ高に設けられた砕氷システムを上方から見た断面を、それに備わる前部トリミングタンク、後部トリミングタンク、２個の側部トリミングタンク並びにタンク間連結用のトリミングチャネルにハッチングを付して示す図である。
【図２】図１に示した船舶に備わる前，後部トリミングタンクの断面を右舷側トリミングチャネルに沿い示す縦断面図である。
【図３】図１に示した船舶の線３−３沿い縦断面図である。
【図４】図１に示した船舶の線４−４沿い縦断面図である。
【図５】ピッチングする船舶の船首部による砕氷動作の概要を三種類の輪郭線を用い示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、諸実施形態を示す模式的な図面を参照し本発明についてより詳細に説明する。
【００３５】
図１に船舶１の主デッキ高断面、特にそのトリミングシステムの主要構成部材を示す。そのうち船首部２にあるのは前部トリミングタンク１０、船尾部３にあるのは後部トリミングタンク１６であり、それぞれ船体の前端，後端の最寄りに配置されている（ハッチング部分参照）。また、タンク１０，１６は、図２に示す断面からわかる通り船底７乃至首尾線１０から離れた位置にある。タンク１０，１６をこのように端部配置することで、通常時喫水線より上方で氷塊に作用する力のモーメントを、顕著に強めることができる。
【００３６】
トリミングタンク１０，１６は、船側寄りにずれた位置を通る２本のトリミングチャネル１２，１３によって通流連結されている。チャネル１２，１３はタンク１０，１６の下部より低い位置にあるが、喫水線よりはなお上に位置している。チャネル１２，１３にはその内部のトリミング媒体を圧送できるハイパワーな圧送ポンプ１８，１９が連結されている。これとは別の圧送ポンプを図１に倣い設けること、例えば船尾寄りに配置しトリミングチャネルに連結することもできる。
【００３７】
船体をヒーリングさせる手段としては、右，左舷それぞれに側部トリミングタンク２１，２２が設けられている。これらのタンク２１，２２は、図２に示すように船体内の奥深く、船底部付近に配置されている。同図に示すように、船首部２は平坦、船尾部３も非常に平坦である。船首部２をスプーン状にすることも可能だが、船首材や船尾材が大きく張り出し砕氷機能が高まるため船首部２や船尾部３はこのように平坦部付の形状にしてある。同図中の右舷側縦断面からは、ほかに、駆動スクリュー３１やそのシャフトベアリング３２及び駆動ユニット３３の概略構成を看取することができる。
【００３８】
図３に示す縦断面からは、図１中の線３−３付近で、トリミングチャネル１２，１３が通る高さに船底部がかなり近づくことがわかる。下向きに突出しているのはシャフトベアリング３２，３５である。また、船舶１の左舷には側壁２４、右舷には側壁２５が張り出している。これらの側方張出壁２４，２５を設けるのはヒーリングによる砕氷の効果を高めるためである。図４に示す縦断面からは、線４−４付近で、後部トリミングタンク１６を構成している左右連結函にチャネル１２，１３が連通し、略Ｌ字状断面の流路が形成されることがわかる。チャネル１２，１３は、更に、圧送ポンプ１８，１９との連結に使用される円形断面部分を有している。その部分の直径は例えば１〜４ｍの範囲内である。そして、トリミングタンクやトリミングチャネルの外側には、それらを外威から護る止水壁が付加されている。
【００３９】
図５に船舶１の船首部２を示す。この図にその概要を示す通り、船首傾斜部３８に向かい氷塊４１が漂流してきたとき、前，後部トリミングタンクに対する再トリミングで船体をピッチングさせると、船首部２が上下動する結果、氷塊４１がより小さな氷片４２へと破砕されることになる。側方張出壁２４，２５が設けられているため、ヒーリングでもこれに似た効果を挙げることができる。
【００４０】
このように、本発明の実施形態に係る砕氷システム及び方法によれば、氷の厚みがある限界に達しない限り、北極海の結氷域にて浮体を海上の所望位置に停留させ続け、採掘等に使用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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