(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
喫水線より上方の船首前端部に、操舵室(船橋)を含み船巾以下の外径を有する中空球体の1/4〜1/2の船首構造物を設け、前記船首構造物の後部を最上層甲板並びに舷側に連続して繋いだ、空気抵抗の少ない喫水線より上方の構造物を有する低燃費型輸送船。
【請求項２】
前記構造物の船巾方向断面が、両肩部が連続した凸状曲線断面である請求項１に記載の低燃費型輸送船。
【請求項３】
前記船首構造物の上部に船橋を有し、後続する構造物に滑らかに連なる構造である請求項１または２に記載の低燃費型輸送船。
【請求項４】
前記船橋より下方の前記船首構造物の構造が、透明なガラスないし合成樹脂でなる開閉可能な窓の他に喫水線に略平行に拡がる開口部を付設し、乗組員のウォッチングと揚錨係船用具の取扱操作用の構造を有する、前甲板機能を有する請求項３に記載の低燃費型輸送船。
【請求項５】
金属ないし合成樹脂あるいは炭素繊維補強材等でなるリモートコントロールによって角度調節可能な垂直尾翼を後甲板上に備える請求項１ないし４のいずれか一項に記載の低燃費型輸送船。
【請求項６】
前記垂直尾翼は、後甲板上部に配置され、平面視で略中央部に煙突を内蔵し、風向きに対し角度調節可能な前縁フラップないし後縁フラップを備える請求項５に記載の低燃費型輸送船。
【請求項７】
前記垂直尾翼の各部角度調節が、予め蒐集されたデータに基づいて準備されるプログラムに従って自動制御されるコンピュータによるプログラム自動制御である請求項５または６に記載の低燃費型輸送船。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は低燃費型輸送船に関し、より詳しくは主として自動車運搬船(PCC)やコンテナ船又は客船等の喫水線上構造物の比較的大きな輸送船において、空気抵抗を減じるのみでなく、更に水中抵抗の低減を図った低燃費型輸送船に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、船首水中先端部のバルバスバウ形状の改善等によって水中抵抗を減じた輸送船が各種提案されており、これらはそれなりの効果を上げているものの、自動車運搬船(PCC)やコンテナ船又は客船等のように、喫水線上構造物が比較的大きく、その空気抵抗が無視出来ない輸送船について、その対策を講じた先行技術は見当たらない。それだけに要求される貨物収容機能に対して、空気抵抗と水中抵抗を少なくする事が困難であったと言える。
【０００３】
そこで本発明では、従来技術によって水中抵抗を減じるのみでなく、喫水線上構造物の形状においても、上部船首部を１個の中空球体の1/４〜１/２の船首構造として、この部分に船橋等を収納して空気抵抗を減じる上に、船尾にエンジンの煙突を内蔵する対称翼断面の垂直尾翼を設け、これを回動調節可能とし、必要に応じて、その後端部を前ヒンジのフラップ乃至補助翼とし、更に前縁フラップを該垂直尾翼に加える事等により、斜め前方ないし横風によって船体に生じる回頭モーメントを減殺し、従来行っていた修正舵（当て舵）によって生じる水中抵抗を減じ、さらに垂直尾翼に生じる揚力によって風力を推進力として利用する等の工夫を加える事により、船体の水中抵抗を小さくし、全体として貨物収納機能を維持しつつ省エネを図った低燃費型輸送船を提供する。
[特許文献１、２]
特許文献１、２は共にＳＫＹＳＡＩＬと称される帆船の帆のようなパラシュート型風力利用補助装置であって、船首部を空力的に整形して空気抵抗を減殺する本発明１とも、更に当て舵によって生ずる水中抵抗を煙突内蔵の後部垂直尾翼によって斜行時に生ずる回頭モーメントを相殺ないし減殺して水中抵抗の減殺を図る本発明２とも、目的、構成、効果共に異なるものであり、本発明のほうが遥かに現実的で実施容易であり、風力の強弱に拘らずその効果が得られる点で明らかに発明思想が異なり、本発明は特許文献1,2の存在に拘らず進歩性を備えている。
[非特許文献１]
新愛徳丸は新しいタイプの帆船として開発された。これは甲板に数本の金属製マストを立て、これにやはり金属製のセールを吊るし、帆船の場合と同様に風力を利用するが、帆の操作は非人力でありコンピュータによって自動制御するものであるが、旧来の帆船よりも進歩はしていても、甲板状の自由面積が少なくなる事が避けられず、クレーン等の設置も困難であり、喫水線上構造物の大きい自動車運搬船(ＰＣＣ)やコンテナ船に応用する事は出来なかった。
【０００４】
新愛徳丸の名前で代表されるこのタイプの機械帆船は、省エネ性には優れるものの、数隻の試作船を除いて後に続かない点で、全面的に運搬業界において受け入れられているとは云い難い。
【０００５】
【特許文献１】ＰＣＴ  ＷＯ2005／100147Ａ1
【特許文献２】ＰＣＴ  ＷＯ2005／100150Ａ1
【非特許文献１】百科辞典ＷＩＫＩＰＥＤＩＡ  新愛徳丸
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、自動車運搬船(PCC)やコンテナ船ないし客船等では、その用途から構造上比較的喫水線上構造物の面積が大きいため、空気抵抗を減らす事が困難であった。加えてその空気抵抗によって生じる船体の回頭モーメントを当て舵によって修正しなければならない故に、必然に走行時少なからず水中抵抗が増加していた。一方自動車運搬船(PCC)やコンテナ船等において、積載物の収容内容積を減らさないで、全体の空気抵抗を減殺しつつ、従来船橋と前甲板とに分かれていた操舵室機能と船体繋留時に必要な錨やロープ操作機能(前甲板機能)とを、共に船首部に集約する事は考えられてもいず、従来型の輸送船ではその実施は困難であった。
【０００７】
以下に本発明を詳細に説明する。
【０００８】
本発明者等は船首前端部に操舵室(船橋)を含み船巾以下の外径を有する中空球体の１/４〜１/２の船首構造物を設け空気抵抗を少なくし、その下部に常時開口もしくは必要時開口可能な閉鎖可能開口部を有する前甲板機能部を上下に接近して設け、錨は船体前部側面に収納可能にして吊り下げ固定し、ついで、後部エンジンルーム上方に立上がる鉛直軸を中心として回動可能な、煙突内蔵の垂直尾翼を設け、斜め前および横方向から風を受けた場合に生ずる斜行修正当て舵によって発生する前述の水中抵抗を少なくするために、鉛直に立ち上がる固定煙突を対称翼断面の垂直尾翼中に内蔵し、その垂直尾翼を水平面上にあって回動する煙突内蔵の垂直尾翼とした。なお船橋部をなす中空球体の１/２〜１/４の船首構造物はセグメント鋼板をすべて同径の曲率半径を持った雌雄ダイセットで塑性加工して製造出来るメリットがあるので、大小セグメントの溶接仕上げを条件として、一定の範囲で造船プロセスにおいてこれを大きくする事も小さくする事も容易に出来る利益がある。
【０００９】
船橋は両翼部を船巾一杯両舷に突き出した形状とし、前甲板作業を船橋直下で行えるようにしたので、船橋作業をして、航行時及び離接岸、離接舷時共に作業管理し易くする事が出来る。従来は独立した前甲板を設けて作業を行っていたため、船橋位置とのズレがあって離接岸、離接舷時に船橋との連絡が困難な場合があったが、本発明ではこれが改善された。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明により、
喫水線より上方の船首前端部に、操舵室(船橋)を含み船巾以下の外径を有する中空球体の1/4〜1/2の船首構造物を設け、前記船首構造物の後部を最上層甲板並びに舷側に連続して繋いだ、空気抵抗の少ない喫水線より上方の構造物を有する低燃費輸送船(請求項１)、
前記構造物の船巾方向断面が、両肩部が連続した凸状曲線断面である請求項１に記載の低燃費型輸送船(請求項２)、
前記船首構造物の上部に船橋を有し、後続する構造物に滑らかに連なる構造である請求項１または２に記載の低燃費型輸送船(請求項３)、
前記船橋より下方の前記船首構造物の構造が、透明なガラスないし合成樹脂でなる開閉可能な窓の他に喫水線に略平行に拡がる開口部を付設し、乗組員のウォッチングと揚錨係船用具の取扱操作用の構造を有する、前甲板機能を有する請求項３に記載の低燃費型輸送船(請求項４)、
金属ないし合成樹脂あるいは炭素繊維補強材等でなるリモートコントロールによって角度調節可能な垂直尾翼を後甲板上に備える請求項１ないし４のいずれか一項に記載の低燃費型輸送船(請求項５)、
前記垂直尾翼は、後甲板上部に配置され、平面視で略中央部に煙突を内蔵し、風向きに対し角度調節可能な前縁フラップないし後縁フラップを備える請求項５に記載の低燃費型輸送船(請求項６)
および    
前記垂直尾翼の各部角度調節が、予め蒐集されたデータに基づいて準備されるプログラムに従って自動制御されるコンピュータによるプログラム自動制御である請求項５または６に記載の低燃費型輸送船（請求項７）
が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明を実施する事により、次のような発明の効果が得られる。
（１）海上走行時空気抵抗を減らす事が出来る。
（２）従来風向きに対し、斜行する場合に発生する回頭モーメント（ヨーモーメント）を打ち消すために風向きより船首を進行方向に保つ目的で当て舵（水中）をしなければならなかったが、これを垂直尾翼で以て、空中で行えるので、従来船よりも水中抵抗を減殺出来る。しかも垂直尾翼に発生する揚力で船体の推進力を加勢することが出来る。
（３）離接岸、離接舷、錨吊り上げ、吊り下げ作業が容易化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
この実施の形態は、本発明のうち船首部に半球体構造、最上層の甲板の両サイドにその半球体の直径と同じ曲率を有する構造を自動車運搬船(PCC)に適用した場合であり、図１に本発明実施例である自動車運搬船(PCC)の船体斜視図、図１７に従来の自動車運搬船(PCC)の船体斜視図を示す。
【００１４】
また本発明船の船首部の側面図を図２Ａに、平面図を図２Ｂに示し、最上層の甲板の両サイドの部位を船体幅方向に切断した時の断面模式図を図３に示す。
【００１５】
この自動車運搬船(PCC)実施例（図2Ａ，2Ｂ）において、半球体は、側面から見た下端が喫水線より上方に位置し、水面下の船体形状の変更を必要としない位置とする。また上部（ドーム状部分）には船橋（操舵室）を配置し、他の部分は自動車搭載区域とし、船橋下部とその隣接スペースは揚錨係船機器類スペース、船用倉庫類に充てる。
【００１６】
図１において、半球体の後部に連続する船体１１は、最上層甲板１４の両サイドをラウンド形状とし、半球体は後部の舷側１７および最上層甲板１４へスムーズに繋ぐ。最上層甲板１４の前方において、最上層甲板より上方に位置する半球体頂部に繋がる部分は、前記頂部に向けて上向きに傾斜しており、船橋（操舵室）の一部、居住区域の一部の天井とする。
【００１７】
また、下半分の部分は、半球体後部の船体外板１７ヘスムーズに繋ぐ。
【００１８】
従来例（図１７参照）では、多数の変形矩形型外形の排風機１９を船倉上甲板に設置していたが、本発明実施例（図１）ではこれらを出来るだけ各排風機の全体露出を避け、空力整形された集合排気ルーバーを最上層甲板サイドにおけるラウンド部に配置するようにしたので全体の空気抵抗は貨物収容室換気機能を維持しつつ全体の空気抵抗を低くする事が出来た。
（風洞実験）
次に本発明実施例である自動車運搬船が空気抵抗の軽減に効果があることを、先ず風洞実験結果から説明する。
【００１９】
風洞実験は、九州大学応用力学研究所、風工学実験設備の大型境界層風洞で行った。同設備の測定寸法は長さ15.0ｍｘ幅3.6ｍｘ高さ2.0ｍ、最大発生風速は、30ｍ／ｓである。供試船型は、風洞の幅を考慮し縮率を1／100とし、模型長さ（実船の喫水線長さ135ｍ）を1.３５ｍとした。
模型は、次の３種類を準備した。
（1）本発明実施例：本発明の船首部に半球を適用した自動車運搬船(PCC)の船体模型
（2）従来例：従来型の自動車運搬船(PCC)の船体模型
（3）検出器の検定用直方体ブロック
本実験は、風速10m/sで行った。風による風圧力は、実験設備のフロア上に固定された三分力計（検出器）で計測された。風向きは、正面風向きを0°とし、+90°まで（左舷側からの風）と-90°まで（右舷からの風）を10°ごとに計測した。
【００２０】
回転中心は船体中央である。
【００２１】
また、流れの可視化を行うため、風速1.0m/sで煙法により実験を行った。
尚、実験対象となる自動車運搬船(PCC)の実際の主要寸法は次の通りである。
全長：139.9m
喫水線長さ：135.0m
垂線間長：131.0m
船幅：22.4m
深さ：29.6m
喫水:6.5m
風洞実験において得られた風圧力は、船体水線面の中央を原点とした船体固定座標系における風圧力としてまとめた。
【００２２】
その座標系を図１０に示す。
【００２３】
また風圧力は、次に示す無次元化係数によりまとめた。
CX:抵抗係数  CX=FX/(0.5pU2AＦ)
CY:抵抗係数  CY=FY/(0.5pU2AＬ)
CN:回頭モーメント  CＮ=N/(0.5pU2AＬ・L)
ここで
FX:抵抗(kg)
FY：横力(kg)
N：回頭モーメント(kg-m)
p：空気密度(kg・S2/m4)
U：風速(m/s)
AＦ:正面投影面積(m2)
AＬ:側面投影面積(m2)
L:喫水線長さ(m)
本実験結果は次の通りである。
抵抗係数(CX)を図１４に示す。従来例と本発明実施例とを比べると、全般的に本発明実施例の抵抗係数の方が低い。+/-30°の間で比較すると以下のようになり、本発明実施例では正面からの風ではCXは30%減少し、斜め20°〜30°からの風ではCXは50％以下となる。
α(°)  CXの比(本発明船/従来船)
-30  0.456
-20  0.455
-10  0.506
0  0.714
10  0.525
20  0.377
30  0.366
ここで左右舷で比が異なるのは、切欠部２４が右舷後部のみにあって、接岸時自動車出入のための船体開口部である切欠部24が右舷後部のみにあって、主として船尾端構造の形状が左右対称でないことによる。即ち右舷のみが擬似翼型効果を示している。
船首を球状にすることで、斜め正面からの風向きの場合、先端部を回る流れの剥離が減少し、また最上層の甲板の両サイドを空力整形したことにより気流の剥離が減少し、従来船に比べ本発明船は全般的に風圧力が減少している。
【００２４】
また、左舷45°から真横90°までの間で、本発明船の抵抗はプラス（船首方向の力）で推力を得ていることになる。これは前述の通り、右舷船尾端が平面図上三角形状にカットされた構造（図1，図2Ａ，図2Ｂ参照）であり、船体が一つの翼を形成したことに起因するものである。したがって、この反対の右舷-45°から真横-90°までの間では推力は発生していない。
従来船においては、左舷70°から真横90°間での抵抗がほとんど零であり推力を得ていない。
【００２５】
横力抵抗係数(CY)を図15に示す。従来例と本発明実施例を比べると、全般的に傾向は一致しているが、+/-90°付近(真横からの風)では本発明船が約15%程度風圧力が低い。
回頭モーメント係数(CN)を図13に示す。0°から+/-50°付近まで本発明実施例の回頭モーメントが従来例に比して小さくなっており、これがために進路保持の為の当て舵量を小さくすることが可能であり、また舵に働く水の力(抵抗)を減ずることが可能となる訳である。
【００２６】
ここに流れの可視化を記録した動画の一例である静止画を図4,図5，図6，図7，図8，図9に示す。
正面からの風の場合、船首端部から最上層甲板に回り込む空気の流れが、従来例（図５）と本発明実施例（図４）で差が見られる。本発明実施例は乱流は殆どなく、気流は
球面に沿ってスムーズに流れるが、従来例では角を通過したあと剥離を生じ、強い渦が生成される領域が広い。
斜め正面からの風を従来例と本発明実施例を比較すると、両船型の差は顕著であり、風上の舷から風下の舵に回りこむとき、従来例は風下側に大きな剥離域が形成され事が、本発明実施例ではこれがない。特に風向きが+/-30°の場合、両船型の剥離域の差は大きい。
【実施例２】
【００２７】
本発明実施例では、最上層甲板の上方の空気の流れが従来例にくらべて剥離域が少ない。この性質を利用した実施例として、中央部に煙突22を内蔵しさらに角度調整可能な前縁フラップ22Ｂおよび後縁フラップ2３Ｃを有する垂直船尾翼22Ａについて図面11，12及び図17を用いて説明する。
【００２８】
この実施の形態は、本発明のうち船首部に半球体構造、最上層の甲板の両サイドに半球体の直径と同じ曲率を有する構造を自動車運搬船にリモートコントロール可能な垂直尾翼を装備した場合であり、図１６に本発明による自動車運搬船(PCC)の船体斜視図を示す。
また、発明船の垂直尾翼に角度調整可能な前縁フラップおよび後縁フラップを装備した場合の平面図を図11に示し、また垂直尾翼、前縁フラップ、後縁フラップの角度を調整した場合の風の流れの平面図を図12に示す。
この図によれば、前方斜めからの風により揚力が発生し、この揚力は推進力と船体回頭モーメントを減ずる横力に分けられる。この横力により当て舵角度を減少させ、当て舵による水中抵抗を減少させることが出来る。
この実施例によると、垂直尾翼に働く力を検出し、コンピュータにより垂直尾翼、前縁フラップおよび後縁フラップの角度を制御することにより、航海中最適な推進力ならびに横力を得ることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
造船・海運業界において、省エネ・ＣＯ2削減が叫ばれている中、本発明は構造上・制御システム上、従前技術で対応することが可能であり、この発明を適用すれば、その効果も長期間に亘って航海する船舶に対し、多大なる利益をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明実施例である自動車運搬船(PCC)の船体斜視図。
【図２Ａ】本発明実施例の側面図。
【図２Ｂ】本発明実施例の平面図。
【図３】図２ＡのＡ−Ａ断面図。
【図４】本発明実施例の風洞実験における流線側面図。
【図５】従来例の同図流線側面図。
【図６】本発明実施例の風向き30°における流線平面図。
【図７】従来例の流線平面図。
【図８】本発明実施例の風向-30°における流線平面図。
【図９】従来例の流線平面図。
【図１０】風洞実験並びに説明に用いる座標系を示す図。
【図１１】本発明実施例垂直尾翼（船首方向0°）の平面図。
【図１２】本発明実施例垂直尾翼（船首方向に対しβ°角度調整）の平面図。
【図１３】本発明実施例と従来例の回頭モーメント係数CNの比較図。
【図１４】本発明実施例と従来例の抵抗係数CXの比較図。
【図１５】本発明実施例と従来例の横力係数CYの比較図。
【図１６】本発明他の実施例を示す斜視図。
【図１７】従来例（自動車輸送船）の船体斜視図。
【符号の説明】
【００３１】
１０      マスト
１１      船体
１２      船首
１３      船尾
１４      最上層甲板
１５      操舵室（船橋）
１６      居住区
１７      舷側
１８      最上層甲板サイドにおけるラウンド部
１９      在来型排風機
ＷＬ      喫水線
２０      前甲板
２１      錨
２２      煙突
２２Ａ    垂直尾翼
２２Ｂ    前縁フラップ
２３      排気管
２３Ｃ    後縁フラップ
２４      船体切欠部（船荷車輌出入口）
２５      バルバスバウ形状
２６      揚力
２７      横力
２８      推進力
３０      整流
３１      乱流
β        船首方向と垂直尾翼の角度
【図１】
0004933487.tif 000002
【図２Ａ】
0004933487.tif 000003
【図２Ｂ】
0004933487.tif 000004
【図３】
0004933487.tif 000005
【図４】
0004933487.tif 000006
【図５】
0004933487.tif 000007
【図６】
0004933487.tif 000008
【図７】
0004933487.tif 000009
【図８】
0004933487.tif 000010
【図９】
0004933487.tif 000011
【図１０】
0004933487.tif 000012
【図１１】
0004933487.tif 000013
【図１２】
0004933487.tif 000014
【図１３】
0004933487.tif 000015
【図１４】
0004933487.tif 000016
【図１５】
0004933487.tif 000017
【図１６】
0004933487.tif 000018
【図１７】
0004933487.tif 000019