(57)【要約】【課題】水中に気体を排出することによって船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法を提供する。【解決手段】船体２０の船殻３０の前縁部に位置する喫水線ＷＬおよびその下方に気体排出に用いる排気口４０を配置するステップａと、排気口４０から気体を排出し、気体を船殻３０に付着させて傾斜壁に沿って上昇させ、船殻３０と水との接触を部分的に隔離し、船殻３０に接触する水の平均密度を降下させるステップｂと、気体を排出する位置を選択し、排出された気体を船殻３０の表面に付着させ、所定の流線に沿って所定の位置から水面に浮上させるステップｃと、排出された気体を高圧区間と低圧区間の緩衝層にあてて、高圧区間において船殻３０に対する水の圧力を降下させ、低圧区間において船殻３０に対する水の吸引力を減少させるステップｄと、を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
船体の船殻の前縁部に位置する喫水線およびその下方に気体排出に用いる排気口を配置するステップａと、
排気口から気体を排出し、気体を船殻に付着させて傾斜壁に沿って上昇させ、船殻と水との接触を部分的に隔離し、船殻に接触する水の平均密度を降下させるステップｂと、
気体を排出する位置を選択し、排出された気体を船殻の表面に付着させ、所定の流線に沿って所定の位置から水面に浮上させるステップｃと、
排出された気体を高圧区間と低圧区間の緩衝層にあてて、高圧区間において船殻に対する水の圧力を降下させ、低圧区間において船殻に対する水の吸引力を減少させるステップｄと、
を含むことを特徴とする船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法。
【請求項２】
気体は、空気、エンジンの排気ガスまたは気化した気体のいずれか一つから構成されることを特徴とする請求項１に記載の船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法。
【請求項３】
気体とエンジンの排気ガスは、船殻の内部に装着される気体加圧供給室から管線によって排気口へ輸送されることを特徴とする請求項２に記載の船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法。
【請求項４】
排気口は、数多くの区間より形成され、それぞれの区間の開閉は気体加圧供給室によって制御されることを特徴とする請求項３に記載の船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法。
【請求項５】
気化した気体は、船殻の内部に設置される電力供給室が電線によって電源を排気口の周辺の加熱装置に出力し、水を気化させることによって形成された気体を含み、それぞれの区間の開閉は電力供給室によって制御されることを特徴とする請求項２に記載の船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法。
【請求項６】
船体は、軍用、商用、レジャーまたはスポーツ用のいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法に関し、特に水中に気体を排出することによって船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般の船体は、動力で動く船舶、軍艦、航空母艦、郵船、貨物船、タンカー、プレジャーボート、水上バイク、模型船、水上飛行機および、無動力の石油用ボーリングとバージなどを含む。
【０００３】
それぞれの船体は、機能性が異なるため、形体の設計が異なる。軍艦の場合、高速度が求められるため、造形は細長い流線形に設計される一方、積載量および喫水量は小さくなる。商船の場合、大積載量および大喫水量が求められるため、造形は幅広形に設計される一方、速度は遅くなる。なぜならば、水（海水および淡水を含む。以下、それらを総称して“水”という）の抵抗力が船舶の航行を阻害する主因となるからである。
【０００４】
図１に示すのは船舶９００の斜視図である。図２と図３はその側面図および平面図である。このような商用の船舶は、長さＬ´が数百メートル（ｍ）で、幅Ｂ´が約６０から７０メートル（ｍ）である。喫水の深さＤ´は、荷物を満載するか否かに関係し、一般的に１５ｍから２５ｍである。このような大型の商用の船舶は、水との接触面積が非常に大きい。流体力学（Fluid Mechanics）原理による摩擦抵抗力の数式は、次の通りである。
ＦD＝ＣDＡ１／２ρＵ2
ＣD（drag coefficient）：抵抗係数
Ａ：流体との接触総面積
ρ：流体密度
Ｕ：航速（m/s）
【０００５】
船舶９００の船殻９３０を海水に接触する平板と見なし、その長さＬ´が３６０ｍ、幅Ｂ´が７０ｍ、喫水の深さＤ´が２５ｍであり、かつ１３ノットの速度で１０℃の海水を航行する場合、船殻９３０の表面摩擦抵抗力はＦD＝ＣDＡ１／２ρＵ2数式によって算出することが可能である。またPurdue University（バーデュ大学）Robert W.FOX教授らが著作した非特許文献１によると、上述したＬ´、Ｂ´、Ｄ´およびＵなどのデータによってＦD数値を算出している。
【０００６】
航速が１３ノット（一時間に一浬進む速さ）である場合、
航速Ｕ＝１３ｎｍ／ｈｒ×６０７６ｆｔ／ｎｍ×０．３０５ｍ／ｆｔ×ｈｒ／３６００ｓ＝６．６９ｍ／ｓ。
また、１０℃海水を航行する場合、
動粘度ν＝１．３７×１０-6ｍ2／ｓ。
【０００７】
また、文献の付録に記載されたデータと数式によってＣD、ρを計算すると、
ＣD＝０．００１４７  ρ＝１０２０ｋｇ／ｍ3
また、海水に接触する船殻９３０の長さＬ´と、海水に接触する船殻９３０の幅（Ｗ´＝Ｂ´＋２Ｄ´）によって海水との接触総面積Ａを計算すると、
Ａ＝（３６０ｍ）×（７０＋５０）ｍ＝４３２００ｍ2
【０００８】
上述した数式によって算出される数値は次の通りである。
ＦD＝ＣDＡ１／２ρＵ2
＝０．００１４７×４３２００ｍ2×１／２×１０２０ｋｇ／ｍ3×（６．６９）2ｍ2／ｓ2×Ｎ・ｓ2／ｋｇ・ｍ
ＦD＝１．４５ＭＮ
【０００９】
対応動力は次の通りである。
Ｐ＝ＦDＵ＝１．４５×１０6Ｎ×６．６９ｍ／ｓ×Ｗ・ｓ／Ｎ・ｍ
Ｐ＝９．７０ＭＷ  （  約１３０００馬力）
このデータにより、船舶９００は表面摩擦抵抗力を克服するために非常に大きい動力を要することが証明された。
【００１０】
上述した例から次のことが判明した。陸上を走行する場合、抵抗力は空気、タイヤと路面の間の摩擦力によって生じ、水上を走行する場合、抵抗力は空気の抵抗力と、船殻と水の間の摩擦抵抗力とによって生じる。動力が同じである場合、陸上を走行する速度が水上を走行する速度より速い。温度が摂氏２０℃で、気圧が一大気圧である場合、水の密度は１となり、空気の約８００倍である。
【００１１】
従って、多くの研究者は船殻と水の間の摩擦抵抗力ＦDを減少させるための方法を積極的に研究している。従来の方法は、ノーズコーンおよび水中翼を装着することによって船殻と水の間の摩擦抵抗力を減少させる。ノーズコーンは船首のさざなみおよび波反射による抵抗力を減少させることが可能である。水中翼船は水中翼によって船体を高く支持し、船体と水の間の接触面積を減少させることが可能であるが、小型船舶にしか適用できない。またホバークラフトの場合、船体を支持するには極めて大きい気体を要するため、小型船舶にしか適用できない。それは水の密度ρを小さくすることができず、水と船殻の間の摩擦抵抗力、高圧区間の圧力と低圧区間の吸引力が解決されず依然として存在しているからである。
【００１２】
図３に示すように、船殻９３０は、船首９３１の前端ａ´からｂ´、から胴部を経由し、船尾ｃ´点までの部位と水との間に一層の薄い境界層（Boundary Layer）があるため、境界層に摩擦力が生じると抵抗力を生じさせ、物体が図３のｃ´点前の破線に示す航跡（wake）９３２を生じる。そのうちｃ´点は分離点（Separation Point）で、物体から離れた流体粒子に軌跡を生じさせ、かつｃ´点の内側に尾流９３３を生成することが可能である。つまり、ａ´点からｂ´点までの流線は高圧区間となり、ｂ´点以降の小区間は乱流または低圧区間を生成し、ｃ´点以降の尾流９３３は低圧区間を生成する。高圧区間の水流は船殻９３０に対し圧力を生成し、低圧区間の水流は船殻９３０に対し吸引力を生成する。「圧力」または「吸引力」などのいずれでも、船殻に前進を阻止する抵抗力をきたすため、克服しないと船体の効率を向上させることができない。
【００１３】
摩擦抵抗力を減少させる別の従来の技術は、コンピューターと水工試験によって船型を設計し、水波に有効に干渉することであるが、速度が限られた範囲内でなければ効果がない。それは、船型は異なる速度に伴い形体を変動させることによって水波に有効に干渉することはできないからである。従って効果は限られる。
上述した通り、従来の造船技術は水の抵抗力を克服しなくてはならないという問題を有する。
【００１４】
【非特許文献１】Purdue University（バーデュ大学）Robert W.FOX他。“INTRODUCTION TO FLUID MECHANICS (Sixth Edition)”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の主な目的は、水中に気体を排出することによって船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、気体が船底から排出され、上昇する際に圧縮可能な気体の体積は圧力に反比例するという原理に基づいて水圧を漸減させる一方、気体の体積を膨張させることである。
【００１６】
本発明のまたもう一つの目的は、気体が船底から排出され、上昇する際に船殻は曲線が大きくなり、排出された気体は船底から水面に浮上する行程が長くなるという現象によって抵抗力を降下させる効率を向上させることである。
本発明のまたもう一つの目的は、船底または船首から気体が排出され、船殻に付着させて船殻の傾斜壁に沿って上昇する際、上昇した気体で船殻を拭き掃除することを可能にする機能によって、海中生物の付着や繁殖を減少させ、メンテナンスの期限を延長することである。
【００１７】
（効果）
本発明は、特に船体の全長、航速および喫水の深さなどのパラメーターに基づいて船体の前縁部の喫水線（Water Level）の下方の所定の位置に気体を排出し、有効な干渉を生成することにより、船体に接触する水面の平均密度ρを小さくし、かつ排出された気体によって高圧区間において船殻に対する水の圧力を降下させ、低圧区間において船殻に対する水の吸引力を減少させ、二重の効果を果たすことを可能にする方法である。
【００１８】
本発明の原理は、気体が水底から排出されると垂直に上昇する特性によって船底から気体を排出し、気体を船殻に付着させて船殻の傾斜壁に沿って上昇させ、上昇した気体によって船殻と水との接触を部分的に隔離し、船殻に接触する水の平均密度を降下させること、および気体が水底から排出されると垂直に上昇する特性と気体の圧縮性（compressible）とによって船体に対する水の高圧区間と低圧区間において気体を排出し、緩衝層を生成し、かつ排出された気体によって高圧区間において船殻に対する水の圧力を降下させ、低圧区間において船殻に対する水の吸引力を減少させことである。これにより、航行際の圧力および吸引力などの二重の抵抗力を降下させる方法を達成することが可能である。
【００１９】
また、本発明は船体の造形を変更することを必要とせず、船首の所定の位置に気体排出に用いる排気口を配置し、かつ航速と喫水の深さなどのパラメーターに合わせて排出位置を選択することにより、排出された気体を船殻の表面に付着させ、所定の流線（Flow line）に沿って所定の位置から水面に浮上させるため、船殻の表面抵抗力を降下させる効率を最良に達成することが可能である。
さらに、本発明は、（気泡が３０ｍ深度から排出され、水面に浮上すると４倍膨張する特性によって）喫水が深い大型船舶に対し気体排出を行う場合、排出された気体は倍数で摩擦抵抗力を降下させる効果を得ることが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述の目的を達成するために、本発明による船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法は、次のステップを含む。
ステップａは、船体の船殻の前縁部に位置する喫水線およびその近くの下方の一定の位置に気体排出に用いる排気口を配置する。
ステップｂは、気体が水底から排出されると垂直に上昇するという自然現象に基づいて水底から気体を排出し、気体を船殻に付着させて傾斜壁に沿って上昇させることにより、船殻と水との接触を部分的に隔離し、船殻に接触する水の平均密度を降下させる。
【００２１】
ステップｃは、船殻の形体、航速、喫水の深さおよび水温などのパラメーターに合わせて気体排出位置を選択することにより、排出された気体を船殻の表面に付着させ、所定の流線に沿って所定の位置から水面に浮上させる。
ステップｄは、気体の圧縮性によって排出された気体を高圧区間と低圧区間の緩衝層にあてて、高圧区間において船殻に対する水の圧力を降下させ、低圧区間において船殻に対する水の吸引力を減少させる。
これにより、航行の際に生じる圧力および吸引力などの二重の抵抗力を同時に降下させる。かつ排出された気体はステップｂに述べられた特性を有する。従って、同じ動力で航速をより速くし、燃料費を大量削減し、二酸化炭素の減量を達成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法は、ステップａとして、図４に示すように船体の船殻３０の前縁部に位置する喫水線（Water Level，ＷＬ）およびその近くの下方に気体排出に用いる排気口４０を配置する。本実施形態では、船体は船舶２０であるが、それに限らず軍用、商用、レジャーまたはスポーツなどの任意の造形の船体または積載可能な物体である。船殻３０の長さはＬで表示され、幅はＢで表示され、喫水の深さはＤで表示され、航速はＵで表示される。
本実施形態では、図５Ａと図５Ｂに示すように、船殻３０の船首３１から後方に延伸する中央稜線３０１の互いに隣り合って対応する両側面に気体排出に用いる排気口４０を配置する。
【００２３】
船殻３０の中央稜線の近くの両側上に排気口４０を配置した本実施形態の断面図を図８に示す。以下、本実施形態をもとに、排気口４０を説明する。
本実施形態における排気口４０は、船殻３０の表面に固着される管体から構成する。管体は数多くの気孔を有し、気孔は円形または細長い形を示す。船殻３０の外側に設けられた管体から構成される排気口４０の長所は、船殻３０の変更を必要とせず、出荷後に排気口４０を装着できることである。また、出荷前に船殻３０の表面に数多くの排気口４０を配置することもできる。
【００２４】
次に、ステップｂとして、排気口４０を使用して船殻３０の喫水線ＷＬの下方に気体を排出する。
図６に示すのは本実施形態における排気口４０を使用するときの状態である。船殻３０の内部に設置される気体加圧供給室５０は、管線５１によって空気またはエンジン室に生じる排気ガスを排気口４０に送る。本実施形態は、排気口４０を数多くの区間に形成し、気体加圧供給室５０の管線５１によって数多くの区間の排気口４０のうちの一つを選んで気体を排出する。
【００２５】
図７に示すように、船殻３０の内部に設置される電力供給室６０は、電線６１によって電源を排気口４０の周辺の加熱装置４１に出力し、水を気体に変化させて排出する。水の気化によって形成された気体は気泡を生成し、船殻３０の表面に付着し流線に沿って上昇する。本実施形態は、排気口４０を数多くの区間に形成し、電力供給室６０によって数多くの区間の開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御する。
【００２６】
次に、ステップｃとして需要に応じて排気口４０を選んで気体を排出する。
図８に示すように、船殻３０が前進する際、前述したとおり、船首３１は水に接触するａ点からｂ点までの部分が高圧区間であり、特にｂ点の位置に乱流および小区間の低圧区間を生成するため、船殻３０がある一定の航速で走行するとｂ点に極めて大きい表面摩擦抵抗力を生じさせる。このとき、本実施形態は喫水線ＷＬの位置に近い排気口４０を選んで気体７０を大量に排出する。
次に、ステップｄとして、排出された気体を高圧区間と低圧区間の緩衝層にあてる。排出された気体７０は、喫水線ＷＬに浮上するとｂ点に位置するため、高圧区間に生じる水の圧力だけでなく低圧区間に生じる水の吸引力を降下させ、同時に二種の抵抗力を同時に解消することができる。
【００２７】
本実施形態において、上述した気体の排出に用いる排気口４０の状態を図９から図１２に示す。
船殻３０が静止状態になり、航速Ｕが０であるとき、排気口４０から排出される気体７０は、図９に示すように船殻３０の表面に付着して船底の殻面に沿って上昇する。
【００２８】
図１０に示すのは、船殻３０の長さが３００ｍ、喫水が１５ｍ、航速が５ノットであるときの状態である。気体は水中から上昇する速度が１８ｍ／ｍｉｎである（気体が水深１５ｍから排出される際、気体が船殻の弧線径路に沿った行程は１８ｍである）ため、船首の喫水線ＷＬより１５ｍ下方から気体を排出すると、上昇した気体７０は図１０に示す流線上の船首から１５０ｍ離れるｗのあたりの水面に浮上する。
【００２９】
図１１に示すのは、船殻３０の長さが３００ｍ、喫水が１５ｍ、航速が１０ノット（３００ｍ／ｍｉｎ）である時の状態である。気体は水中から上昇する速度が１８ｍ／ｍｉｎである（気体が１５ｍ水深から排出される際、気体が船殻の弧線径路に沿った行程は１８ｍである）ため、船首の下方の喫水線ＷＬより１５ｍ下方から気体を排出すると、気体７０は船尾ｃのあたりの水面に浮上する。
【００３０】
図１２に示すのは、船殻３０の長さが３００ｍ、喫水が１０ｍ、航速が１５ノット（４６０ｍ／ｍｉｎ）である時の状態である。本実施形態は、航速が１５ノットであり、前述した実施形態より速いため、船首の下方の喫水線より約１０ｍ下方から気体を排出すれば、気体７０は船尾ｃのあたりの水面に浮上する。
【００３１】
以上の四つの状態において、気体を排出するとき、最適な気体排出位置に適量の気体を排出し、気体の流線を外殻の表面に付着および上昇させ、作用区域を最良にするために、船体の長さＬ、喫水の深さＤおよび航速Ｕなどのパラメーターだけでなく当時の水温を考慮しなければならないことを説明した。つまり、高圧区間において船殻３０に対する水の圧力を降下させ、低圧区間において船殻３０に対する水の吸引力を降下させることにより航行際の圧力と吸引力などの二種の抵抗力を同時に降下させ、効率を向上させることができる。
【００３２】
（他の実施形態）
また、図１３Ａと図１３Ｂに示すように、船殻３５の船首３６から後方に延伸する突出縁部３０２の中央底面に排気口４５を配置することもできる。これにより、排気口４５を真中に位置付け、両側から気体７０を排出することができる。
【００３３】
また特殊な船殻３７、例えば図１４Ａと図１４Ｂに示す平底船の場合、船首３８の前縁部に沿って排気口４７を配置するほかに、さらに平底面３０３の前側に一列の横方向の排気口４７を配置することができる。これにより、後に気体７０を排出し、平底面３０２全体と水との接触面に緩衝層を生成し、抵抗力を降下させることができる。
【００３４】
本発明による船体と水の間の摩擦抵抗力を減少させる方法は、排気口の配置を船殻の形体によって選択可能であり、かつ位置が喫水線の下方でさえあればよい。
上述した通り、本発明は前述した排気口によって船底から気体を排出し、船殻と水との間の摩擦抵抗力を降下させるため、同じ馬力で航行する際の航速を増大させることが可能である。言い換えれば、本発明は比較的大きい馬力または推進力を要することなく、同じ所定の航速に達するため、燃料費と二酸化炭素の排気量を大量削減し、エネルギー不足の時代において経済効率と環境保護などを積極的に果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の船舶の斜視図。
【図２】従来の船舶の側面図。
【図３】従来の船舶の平面図。
【図４】本発明の一実施形態における船殻の側面図。
【図５Ａ】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図６】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図７】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図８】本発明の一実施形態において、気体を排出する状態を示す模式図。
【図９】本発明の一実施形態において、船殻が静止しているときの状態を示す説明図。
【図１０】本発明の一実施形態において、船殻の航速が５ノットの時の状態を示す説明図。
【図１１】本発明の一実施形態において、船殻の航速が１０ノットの時の状態を示す説明図。
【図１２】本発明の一実施形態において、船殻の航速が１５ノットの時の状態を示す説明図。
【図１３Ａ】本発明の他の実施形態において、排気口が船殻の突出縁部の中央に配置された状態を示す模式図。
【図１３Ｂ】本発明の他の実施形態において、排気口が船殻の突出縁部の中央に配置された状態を示す模式図。
【図１４Ａ】本発明の他の実施形態において、排気口が平底船に配置された状態を示す模式図。
【図１４Ｂ】本発明の他の実施形態において、排気口が平底船に配置された状態を示す模式図。
【符号の説明】
【００３６】
２０：船舶、３０：船殻、３１：船首、３０１：中央稜線、３０２：突出縁部、３０３：平底面、４０：排気口、４１：加熱装置、５０：気体加圧供給室、５１：管線、６０：電力供給室、６１：電線、７０：気体
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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