(57)【要約】      （修正有）【課題】従来技術と全く異なる方法によって、浮体の動揺を防止あるいは抑制する新たな手段を提供する。【解決手段】一端に開口部を持ち、他端が閉じた筐体（流体杭という）を水中に沈めた後、筐体を上方に引き抜く際に自然に生じる抗力（流体杭力という）を利用して、浮体の慣性モーメントを増加させる。また、流体杭力を利用して浮体の鉛直変位、傾斜、回転を抑止することにより、浮体を利用した風力発電プラントや船舶のアンチローリングシステムを実現する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮体から、一端に開口部を持つ筐体を水中に沈下させ、筐体の他端を懸垂しつつ、上方に引き抜く際に生じる抗力を流体杭と呼び、流体杭を利用して、浮体の動揺を抑止することを特徴とする方法。
【請求項２】
浮体から、一対の流体杭を懸垂することによって、浮体の水平軸の周りの慣性モーメントを増加させること、および浮体が傾斜する際に自動的に生じる水平軸の周りの逆方向のモーメント（トルク）を利用して、浮体の傾きを抑制することを特徴とする方法。
【請求項３】
浮体の側面に、流体杭を傾斜して懸垂することによって、浮体の鉛直軸の周りの慣性モーメントを増加させること、および浮体が回転する際に自動的に生じる鉛直軸の周りの逆方向のトルクを利用して、浮体の回転を抑止することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
浮体の動揺を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
浮体の動揺を防止あるいは抑制するためには、一般に索による係留のほか、浮体が船舶である場合は、投錨、アンチローリング  タンク、フィンなどが用いられている。
【０００３】
アンチローリング  タンクは、左舷および右舷に置かれた一対の水タンクをパイプで接続し、ローリングの向きと逆向きに水を送ってトルクを与えることにより、動揺を抑制している。アンチローリング  フィンは、舷側にフィンを装備して、ローリングを抑制している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
流体中に置かれた浮体は、浮体に作用する波浪や風などの外力によって動揺するため、その抑制には上述の技術が用いられているが、これらとは全く異なる方法によって、浮体の動揺を防止あるいは抑制する技術が見出されれば、浮体を利用した風力発電プラント、洋上作業、通信塔、養殖などの分野で受ける利益は極めて大きい。また、船舶のローリング抑制に新たな手段を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
流体中に静止する浮体は、アルキメデスの原理を満足するよう力の平衡が成り立っている。今、図１に示すように、上端が閉じ下端が開いた筐体を水中に沈下させた後、筐体の上端を懸垂しつつ上方に引き抜いてゆくと、筐体の上端が水面より高くなった瞬間から、大気圧によって、水が筐体内の上端まで自動的に押し上げられる。説明の簡便のため、筐体の断面積を一定とし、その水面からの高さをHとする。この状態で筐体を静止させるためには、筐体の自重に、高さHの筐体内の水の重量を加えた力と等しい力で、懸垂する必要がある。このような懸垂状態にある筐体を便宜的に流体抗、また懸垂に必要な力を流体抗力と呼ぶ。なお、筐体の断面積が一定の場合は流体抗力は高さHに比例する。また、その最大値Hmaxは、その場所の大気圧によって一義的に決まり、１気圧の場合は約10mである。流体杭をHmaxを越えて引き抜くと、筐体内部の上部が真空となるが、流体杭力は最大値のままで、それを超えては増大しない。ちなみに、断面積が100m2流体杭の上端を水面上、H=10mまで懸垂すると、流体杭力は1000トンである。
【０００６】
次に、図２に示すように、あらかじめ浮体Fを任意の深度まで沈めた後、浮体から懸垂支持架を介して、同じ形状の一対の流体杭P1、P2を腕によって懸垂し、静止させる。
本発明は以下に説明するように、浮体の動揺を抑制および復元する特徴を持つ。
【０００７】
一つは、このような一対の流体杭を利用して、浮体の慣性モーメントを増大させることができるため、外力が浮体を傾斜させようとする回転モーメント（トルクという）を抑止させることができることである。
二つは、浮体が外力によって傾斜しようとする時、必ずその傾斜と逆向きのトルクが生じることを利用して、浮体の動揺を抑制できることである。
【０００８】
説明の簡便のため、浮体Fは円筒で自重はM、水面下の容積はV、流体杭P1、P2は同じ形状の円筒で断面積はS、自重はT、流体杭の腕の長さはLで、腕の自重はゼロとそれぞれ仮定する。また、流体杭の水面からの高さをH、流体の密度をρ、重力加速度をgとする。
【０００９】
図２で示す浮体を含む系を静止させるためには、系全体の鉛直方向の合力がゼロ、浮体の中心を通る水平軸および鉛直軸の回りのトルクの合力が、それぞれゼロとなるように調整することによって、実現できることは明白である。
すなわち、この系が静止するためには、鉛直方向の釣り合いは次の式が満たされる必要がある。
（M+2T+2SHρ）g= Vρg          （１）
【００１０】
次に、一対の流体杭P1、P2が持つ抗力による水平軸の周りのトルクはゼロであることは明白である。
【００１１】
また、鉛直軸の周りのトルクもゼロであることは自明である。
【００１２】
したがって、この浮体に、風や波浪などの外力が働いて、浮体を傾斜あるいは回転させようとする力が加わった時、それを打ち消すような逆方向のトルクが常に自動的に生じれば、それらが復元力として働くので、浮体の傾斜および回転による動揺を抑止できる。
【００１３】
先ず、浮体の傾斜が抑制される様子を図３に示す。浮体Fが僅かに回転し傾斜した場合（回転角をθとする）を考える。この時、流体杭P1は水中に沈下しようとし、P2は逆に水中から引き抜かれようとする。P2の水位H2は、P1の水位H1に比べて必ず高くなるので、P2による流体抗力は必ずP1より大きくなる。したがって、必ずP2を引き下げようとする方向にトルクが生じるので、外力による浮体の傾斜を元の状態に戻そうとする復元力が働く。すなわち、一対の流体杭が外的な鉛直面内の回転力に対して、常に復元力として作用するので、浮体を回転させようとする外力は抑制される。
【００１４】
この場合の系の回転角加速度と復元のトルクの関係を述べる。図３において、ΔH=H2-H1とすれば、P1とP2の流体抗力の差はΔH・Sρgとなるので、復元に寄与する正味のトルクNは、N= L・Cosθ・ΔH・Sρgとなる。
一方、この系の懸垂支持架点Cの周りの慣性モーメントIは、浮体自体の慣性モーメントと一対の流体杭の慣性モーメントの和となる。
したがって、系は次式を満足するように運動する。
I・ｄ2θ/ｄｔ2  ＝N＝ L・Cosθ・ΔH・Sρg            （２）
なお、ここでは浮体の傾斜により浮心が変化することによる復元力は考えていないが、その力は、浮体を復元する方向に作用することは自明である。
【００１５】
強調すべきことは、この系では、復元のトルクは、一対の流体杭の水面からの高さHの差に依存することである。したがって、初期のHがゼロでも、ΔHが同じであれば、同じトルクを生じる。 
【００１６】
このような系では、流体杭の懸垂支持架点Cの周りの慣性モーメントは、流体杭の高さHが大きいほど、Cの位置が高いほど、懸垂支持架の腕Lが長いほど、それぞれ大きくなる。したがって、流体杭の持つ慣性モーメントは、与えられた復元トルクNに対して、回転角加速度が小さくなるので、浮体の回転をより緩慢にすることができる。
【００１７】
今度は、浮体がその中心を通る鉛直軸の周りに水平面内で回転するのを抑止する技術について説明する。説明の簡便のため、図4に示すように、浮体は外半径がLの円筒、流体杭をPとする。また、Pを浮体側面に固定する際には、その接平面内で、鉛直から角度α傾斜させる。反時計回りの傾斜を正とする。 
【００１８】
このような浮体に鉛直軸の周りに回転させようとする外力が加わった場合を考える。反時計回りの外力の場合を考える。この時、回転の向きは流体杭には上方に引き抜く方向に回転が生じるので、流体杭力が生まれる。と同時に流体杭は傾きを持っているので、流体抗力は水平成分を持つ。この水平成分は時計回りなので、外力による反時計回りの回転を妨げるように働く。したがって、外力に対する復元のトルクを生じる。
【００１９】
しかしながら、このような浮体に時計回りの外力が加わる場合は、流体抗力は生じない。この場合は、流体杭を逆に傾斜させておけば、上述の議論から、やはり復元のトルクが生まれる。詰まるところ、反時計回りあるいは時計回りの外力を抑制するためには、一対の流体杭を傾斜の方向が対称となるように配置すれば良いことがわかる。例えば、図５のような配置が考えられる。
【００２０】
浮体の水平面内の運動を考える。１個の流体抗力をFとすると、 その水平成分はF・Sinαだから、トルクNは F・L・Sinαとなる。したがって、浮体および流体杭の鉛直軸の周りの慣性モーメントをI、回転角をθとすると、一対の流体杭を持つ浮体は、次式を満足するように回転運動をする。
I・ｄ2θ/ｄｔ2  ＝N＝2 F・L・Sinα                （３）
【発明の効果】
【００２１】
本発明を利用することによって、浮体を利用した風力発電プラント、浮体上での建築物、船舶のローリング抑制、浮体を利用した洋上作業、養殖施設などが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２２】
図６のような風力発電プラントの建設が可能である。風力発電プラントの代わりに、通信アンテナなども可能である。なお、プラントが海流などで移動するのを防ぐ必要がある場合は、碇や係留が必要である。
【実施例２】
【００２３】
図７のような風力発電プラントの建設が可能である。
【実施例３】
【００２４】
図８のような断面を持つ流体杭によって、船舶のローリングを抑止するシステムが可能である。
【実施例４】
【００２５】
流体杭を利用した浮体を用いれば、図９に示すような、波力発電が可能となるように発電装置を海面下に設置できる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
新たな原理に基づく動揺の少ない浮体を利用したシステムに関する産業に波及が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】流体杭と流体杭力の原理を示す概念図
【図２】流体杭力を利用した浮体の復元の原理を示す概念図
【図３】外力によって傾斜しようとする浮体に働く復元の原理を示す概念図
【図４】外力によって回転しようとする浮体に働く復元の原理を示す概念図
【図５】外力による回転を抑止する流体杭の配置例
【図６】風力発電塔から流体杭を斜めに懸垂したプラント例
【図７】風力発電塔の支持架を介して流体杭を懸垂したプラント例
【図８】流体杭力を利用した船舶のローリング抑制システム概念図
【図９】流体杭力を利用した波力発電システム概念図
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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