CN1049396C - 在有浸水部分结构物浸水表面上形成空气膜的方法及构造 - Google Patents

Abstract

本发明是提供一种降低船体及输液管路的流体摩擦阻力，使具有浸水部分的结构物能防污、防腐蚀的方法，这是一种在具有浸水部分的结构物的浸水表面上形成空气膜的方法，它是把空气供到用表面上具有凹凸6、7，并且至少用防水性材料8形成凹凸的凸部7的顶部7′的膜体3覆盖具有浸水部分的结构物(船体1)的浸水表面后形成的膜体表面10上，使这膜体表面10与水13之间形成空气膜12的。

Description

在有浸水部分结构物浸水表面上形成空气膜的方法及构造

本发明涉及一种主要以降低船舶等的流体摩擦阻力为目的的在具有浸水部分的结构物的浸水表面上形成空气膜的方法及浸水表面上的膜体构造。

一般，具有浸水表面，即与水接触的表面的结构物，如船舶及输液管路那样，随着船舶的移动及液体的输送，会产生沿着其表面的水流，它的流速在浸水表面上为零。在这浸水表面附近的速度梯度与流体的粘度有关，这时的抗剪阻力构成流体摩擦阻力。

上述的流体摩擦阻力，例如在船舶上是非常大的。就是说，船舶航行时所受的阻力，除上述流体摩擦阻力之外，还有兴波阻力、形状阻力及空气阻力等，但在大型船的情况下流体摩擦阻力占总阻力的60～70％。

从这样的阻力的比例来看，要在节省船舶的推进动力的同时又想取得高速，降低流体摩擦阻力的方法是最适宜的，因此，在本技术领域里希望开发这方面的技术。

作为谋求降低船舶流体摩擦阻力的方法，曾提出在船底上设置突起物，形成框状空气室，将空气供到这个空气室内，从而在船底表面上形成空气层的方法；或把空气喷在船体表面上，并使船体表面上发生许多气泡的所谓微气泡法等。但是，前者存在的问题是船舶航行时，使保存在空气室内的空气流出，就需要用很大的动力来进行空气的补充。

而后者存在的问题是，如果不利用设置在船侧及船底上的喷嘴供给大量的空气，就不能减小摩擦阻力，因此必须设置大型的空气压缩机，这就使设备费用增加，同时为了驱动它，还需要较大的动力。就是说，把供给的空气成为气泡，沿着船侧及船底流动，能使流体摩擦阻力降低，但是，随着行进到下流侧，许多气泡不断反复地合成一体，同时逐渐成为大气泡，因此使覆盖船体的气泡面积减少，降低流体摩擦阻力的效果也就减小。所以上述两种提案存在的问题是，为了在整个船体上能较大地降低流体摩擦阻力，必需供给大量的空气，又不能有效地降低流体摩擦阻力，因此任何一种提案都不能供实际使用。

另一方面，在船舶停船时及例如驳船等浮体结构物或水中钢管桩等固定设置的结构物的浸水表面上，有附着水中生物或发生腐蚀等问题。解决这个问题的一些方法中的那种涂敷防污、防腐蚀涂料的方法是公知的。采用这种方法时，不仅涂膜的维持管理麻烦，而且会使涂膜中的有害物质溶出，有产生公害问题的可能。

本发明人特别注重于那种即使用较少的动力就能大幅度降低流体摩擦阻力的方法，并对此作了精心研究，结果导致了本发明。即本发明提供了一种在具有浸水部分的结构物的浸水表面上形成空气膜的方法及膜体结构，它是用一种膜体覆盖具有浸水部分的结构物的浸水表面，这种膜体的表面上具有细微的凹凸，并且用防水性材料至少形成上述凹凸的凸部的顶部；将空气供到上述膜体表面，以便在这浸水表面与水之间形成薄空气膜。

这里所说的膜体，是指贴附在结构物表面上的薄膜、片状物或在结构物表面上形成的涂料层，是指在这些表面上有上述细微凹凸形成。

在上述具有浸水部分的结构物浸水表面上形成的膜体，在水中保持住薄的空气膜，使这空气膜不能简单地剥离，因此，只用极少的动力供给少量的空气，就能保持这空气膜，由于这空气膜阻碍水与结构物的直接接触，因而可以在降低流体摩擦阻力的同时，能防污及防腐蚀。

就是说，在结构物的浸水部分上形成的膜体表面上，形成细微的凹凸，至少使凹凸的凸部形成的表面具有防水性。因此，将空气供到膜体表面时，这空气容易流入凹部内，这空气在水压与水的表面张力以及膜体的防水性的作用下，就成为被保持在这些凹部内的状态。

这样，由于本发明的膜体具有在水中在它的表面上形成的凹凸的凹部内能保存有微量空气的性质，将空气供到这膜体表面时，空气就使水与空气的表面能减少，因此，与已存在的空气合成一体，使膜体表面、即浸水表面上有效地形成难以剥离的薄的空气膜。

而且即使相反地在受到干扰后膜体表面上形成的空气膜要成为气泡而分离的情况下，这层空气膜会发生留住气泡的吸引力的作用。其结果，在与浸水表面接触的位置上的空气膜几乎不剥离而成为附着状态。而离开这浸水表面上形成的膜体表面位置的流水一侧的空气层，受流水的粘连而流动，但通过供给随同流水流走的少量的空气量，就能保持良好的空气膜。

本发明的特征可列举如下：

1)本发明在具有浸水部分的结构物的浸水部分上形成薄的空气膜。因此，其特征在于：在具有浸水部分的结构物的浸水部分上形成膜体表面，这种膜体表面具有细微的凹凸，并且用防水性材料至少形成上述凹凸的凸部的顶部，将空气供到这膜体表面上，以便在这膜体表面与水之间形成薄的空气膜。

就是说，通过将空气供到浸水表面上形成的膜体表面上，使空气贴附在这膜体表面侧上，从而形成薄的空气膜。

2)本发明的第1结构要素是在浸水表面上形成的膜体表面的状态。此膜体表面本质上是用防水性材料形成，与最终加工好的表面上的水的接触角必须在90°以上，最好在110°以上。

上述的膜体表面也有全部用具有规定的接触角的防水性材料构成的场合，但是，排除将要与其表面接触的水的那部分，即使用防水性材料至少构成上述凹凸的凸部的顶部，也可以充分发挥它的效果。

防水性材料可选用说明书中记载的材料，但重要的是，要进一步通过电镀法(电解分散电镀法、非电解分散电镀法)、机械加工法(模压法、注射模塑成形法、用具有细微的凹凸的辊子进行的复制法、压制法、筛网法)、喷涂法(涂敷混合着粉末的树脂的方法、把粉末喷射或投射到表面上的方法、静电喷涂法)、高密度能量法(使用激光及等离子体使表面粗糙的方法)、贴附法(局部或全部贴附防水性薄膜或片材的方法)等各种方法在这防水性材料上形成细微的凹凸。

另外，即使是亲水性材料，也可通过表面处理使其具有上述特性那样地具有防水性，因此能加以有效地利用。

3)本发明的第2结构要素是凹凸的尺寸大小。

膜体表面必须形成细微的凹凸，而这些凹凸的尺寸大小则是：凸部的间隔s为0.3～30μm，凸部的高度h与间隔的比h/s为0.3～3的范围。

在凸部的间隔s大于30μm时，则难以长时间把空气稳定地保持在其表面上。另外，在小于0.3μm时，则保持在凹部内的空气量少，会出现比较容易剥离的倾向。

凸部的高度h与间隔s有关，不能唯一地进行决定。因此，根据两者的比h/s来限定其高度h的范围。

这些细微的凹凸的状态，如果在基底面上形成，则适用于小规模的浸水表面上形成的膜体表面，在用于船舶、浮式消波堤、水中桩及沉箱之类大型装置的情况下，最好采用具有比较大的凹凸与进而在这些凹凸上形成的细微凹凸的混合形成的复合凹凸表面。

在特别细微的凹凸的情况下，虽然保持空气膜的能力是足够的，但是缺乏将供给的空气普遍地分配到膜体表面上的功能。因此，对基底表面来说，也可利用先形成较大的凹凸，并把这些大的凹凸作为基础，在其上形成细微凹凸的方法来形成复合凹凸表面。

比较大的凹凸起到使空气分散到膜体表面上的通路的作用，因而，通过使此较大的凹凸形成网眼状，有使空气均匀分散的效果。

4)本发明的第3结构要素是，从外部把空气供到上述那样加工成的在浸水表面上形成的膜体表面上。

所用的喷嘴必须是使供给的空气量尽可能地减少的构造。如说明书中所记载的那样，本发明与供给大量的空气来改变水的密度，以降低流体摩擦阻力的以往的技术不同，其意义在于局限于在膜体表面上形成薄的空气膜，因此，可以采用在容易被膜体表面捕捉、接受的状态下薄薄地供给空气的方法。

喷出空气的喷嘴有将多个小直径的喷嘴加以排列配置的及狭缝状的等。特别象船舶那样，与水相对之间有大的速度差的情况下，由于有难以将空气均匀地供到膜体表面上的时候，因而必须考虑船体形状及船速等条件分别设计喷嘴。

另外，在船舶的情况下，由于水流及涡流等条件，从喷嘴喷出的空气有背离船侧的倾向，因此，在使喷出的空气尽量接近膜体表面，采用由多孔的物体构成的喷嘴，及在船体表面上设置用水压压向船体表面上的片状物，从这片状物的背面喷出空气的装置时，能形成良好的空气膜。

在象船体那样，具有长的膜体表面的浸水体上，最好沿船体的长度方向横贯船体地配置喷嘴，根据在船侧发生的涡流的压力变化，考虑喷嘴的形状、大小及配置部位等条件后设计、配置喷嘴。

5)能有效地利用本发明的最有效的用途在于使船舶的流体摩擦阻力降低，以节省船舶推进所需要的动力。因此，在船体的表面上形成膜体表面，并将空气供到此膜体表面上，形成水尽可能不接触的薄空气膜，这种空气膜在停船中有防止水中生物附着的效果。另外，还能防止水中生物及污物附着在象栈桥及沉箱那样固定地设置的结构物的表面上。

其他用途是适用于输液管及流槽那样的输液管路。在输液管内有流体摩擦阻力，因此，在液体输送时需要大的动力，通过将本发明用于发电设备的取水管上，能大幅度地降低其流体摩擦阻力。由于这一效果，可以缩小管道的直径，同时还可以降低泵的动力。另外，在流槽的情况下，也同样能减小其断面积。而且由于有上述的防污效果，可以延长管道等输液管路的寿命。

6)可以把本发明有效地用于船舶的底部，但在船侧部那样的倾斜面及船底有大的倾斜的情况下，由于有空气容易流失的倾向，因此可以作一些安排：形成防止空气流失的形状的、例如屏蔽板及屏蔽用阶梯部分，以形成空气的通道；考虑空气的流失而把喷嘴配置成多级的等等。

本发明是借助小量的空气采发挥降低流体摩擦等效果的，因此为了向喷嘴供给必要的最小量的空气，可在各个部位设置传感器，测定空气膜的状态，以便供给最适量的空气。

从上述的说明可清楚地看出，本发明是用一种膜体覆盖具有浸水部分的结构物的浸水表面，这种膜体的表面上具有细微的凹凸，并且用防水性材料至少形成上述凹凸的凸部的顶部，将空气供到上述膜体表面上，以便在这膜体表面与水之间形成薄的空气膜。

因此在膜体表面上形成的薄的空气膜不容易从膜体表面上剥离，只用极少的动力供给少量的空气就能保持这空气膜，用这空气膜的作用可以降低流体摩擦阻力及防污、防腐蚀。

具体地讲，本发明的膜体表面，被形成细微的凹凸的同时，至少其凸部的顶部用防水性材料形成的膜体加以覆盖着。因此在膜体表面上有防水作用，所以沿其表面供给空气时，这空气容易流入凹部内，这空气借助水压及水的表面张力被保持在凹部内。

这样，当微量的空气保存在细微的凹凸的凹部内，再供给其他的空气的情况下，由于使水与空气的表面能减小，而成为稳定的状态，因此，所供给的其他的空气被吸向凹部内的空气，两者容易地合成一体，能在浸水表面上有效地形成薄的空气膜，并能借助这空气膜降低流体摩擦阻力。

再有，还能防止水中生物及污物附着于安放在规定位置上的结构物的浸水部分的表面上。

图1是表示本发明的实施例的船舶的局部剖开表示的侧视图。

图2是说明膜体用的剖面图。

图3是说明膜体表面保持着空气的状态的剖面图。

图4是表示在膜体表面上形成空气层的剖面图。

图5是膜体的剖面图。

图6是膜体的剖面图。

图7是膜体的剖面图。

图8是多层结构膜体的剖面图。

图9是本发明的试验中使用的模型船的说明图。

图10是把图9的Y部分放大的剖面图。

图11是把图9的B向放大的底面图。

图12是表示空气量等级与DR量之间的关系的图表。

图13是表示船速与所需动力之间的关系的图表。

图14是说明管内流体摩擦阻力试验装置的示意图。

图15是说明管内电镀装置的示意图。

图16是用图15的电镀装置所获得的膜体的剖面图。

图17是表示管内的试验区段之间差压测定结果。

图18是表示管内平均流速与DR量之间的关系的图表。

图19是表示凸部间隔与空气层的耐久时间之间的关系的图表。

图20是表示尺寸比h/s与空气层的耐久时间之间的关系的图表。

图21是说明膜体表面上形成空气膜的确认试验的示意图。

图22是说明膜体表面上形成空气膜的确认试验的示意图。

图23是说明将本发明用作栈桥的防污、防腐蚀方法的情况下的示意图。

图24是说明将本发明用作取水管的防污、防腐蚀方法的情况下的示意图。

(实施例1)

下面根据图1-图24来说明本发明的在具有浸水部分的结构物的浸水表面上形成空气膜的方法及其浸水表面膜体结构的实施例。

图1是用于实施本发明的船舶的侧视图，1为船体，此船体1的底部2及船侧部2a的至少浸水表面被膜体3、3a覆盖，喷嘴4从船体前方向后方设置，以便由空气压缩机5供给的空气从此喷嘴4沿着膜体3(3a)喷出而供给。

如图2所示，膜体3(3a)是在表面上形成一些细微的凹部6及凸部7的同时，至少凸部7的顶部7′用与水的接触角为90°以上的防水性材料8形成。这些细微的凸部7之间的间隔s做成0.3～30μm，凸部7的高度h与凸部7的间隔s的比h/s做成0.3～3的程度。

上述的防水性材料可以用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、或聚丙烯或防水性涂覆剂以及如使用CF₄气体的等离子体处理过，使其有防水性的聚氯乙烯那样的亲水性树脂。另外，也可以使用那些用全氟烃基硅烷等表面处理剂处理过的硅石等防水性微粒，用树脂使其一部分表面突出地固定而成的。

在使用防水性微粒时，树脂是用来固定粒子的，因此不必一定是防水性，例如聚酯树脂、苯基树脂、氨基树脂、环氧树脂、乙烯树脂及氨基甲酸乙酯树脂等涂料都能适用。

防水性材料8是设置在与水13接触部分的顶部7′上的，当然亦可用防水性材料8形成凹部6的全部表面。

如果利用本发明的在具有浸水部分的结构物的浸水表面上形成空气膜的方法，由于浸水表面是细微的凹凸形状，而且至少凸部7的顶部7′是用与水的接触角为90°以上的防水性材料形成，所以具有以下的作用。就是说，如图3所示，由于膜体表面10至少凸部7的顶部7′是用防水性材料形成，具有防水作用，因此，将空气a供到此膜体表面10时，此空气a就容易进入凹部6内。

实际上，这样的膜体表面10是在陆地上形成的，因此，如图3所示，当此膜体表面10浸入水中时，由于浸水位置的水压P及水的表面张力，空气a就自然稳定地保持在凹部6内。

而且与形成细微的凹凸面的膜体表面10上的水的接触角是90°以上，最好是110°以上，这个接触角愈大，本发明的效果就愈大。

图4是上述现象的模型图，将由防水性材料构成的、在其表面上具有凹部6、凸部7构成的凹凸的膜体表面10浸入水13中，并将空气a′供到膜体表面10上时，空气a′即容易地流入在膜体表面10上形成的凹部6内，成为空气a而被保持。实际上，在空中附着于此膜体表面10上的空气a在水13的压力及其表面张力作用下就形成封闭在凹部6内的状态。如果不是如图2所示那样，至少凸部7或此凸部7的顶部7′是由防水性材料形成时，则空气a不会象图3那样被封闭在凹部6内。

在空气a被这样保持在凹部6内的状态下，如图4那样，当再供给空气a′时，则空气a′由于表面能减少的作用，容易与空气a合成一体并在膜体表面10上形成薄的空气膜12，从而形成膜体表面10、空气膜12与水13的三层结构。在这样的三层结构上，当水13向X方向流动时，与膜体表面10接触的那部分空气膜12被保持着，而水13一侧的空气膜12a与水13一起流走。因此，只要供给与水13一起流走的少量空气量，空气膜12即能形成并保持在良好的状态。

如上述那样在表面上具有细微凹凸的膜体，例如可由合成树脂构成的薄片或涂料层形成。详细地说，如图5所示，在由合成树脂构成的薄片15的表面上，借助具有细微凹凸的辊子形成细微凹凸的复制法、使用具有细微凹凸的金属模的压制法、复制用细微的线织成的网的网眼图案的筛网法或用激光及等离子体等高密度能量法等形成细微的凹凸15a。

这样形成的薄片15如果是防水性树脂时，保持原样就有防水性；而是亲水性树脂时，则进行表面处理，使其具有防水性。

图6～图8是表示用涂料层形成膜体3时的实施例。

在图6中，膜体3是将防水性微粒18附着在结构物16的表面上形成的涂料17的表面上而构成的。即将作为粘接剂的涂料17涂敷在结构物16的表面上，并用喷涂及投射等方法使微粒18附着于涂料17的表面上，或是用有微粒18分散着的涂料17进行涂敷，并使微粒18露出在涂料表面上等方法形成膜体3。而且当微粒18如果是由亲水性材料构成时，要通过表面处理使其具有防水性。

图7是表示用其他方法形成的膜体3的剖面图，膜体3是用喷涂及投射等方法使由防水性材料或亲水性材料构成的微粒18a的薄层附着在结构物16的表面上形成的涂料17上；或是将微粒18a混合在涂料中，并涂敷这涂料以形成混入微粒18a的薄层，进而用覆盖膜20覆盖表层的微粒18a的表面而形成的，这种情况与上述相同，如果覆盖膜20是亲水性材料时，要通过表面处理，使其具有防水性。

图8是表示用另一种方法形成的膜体3的剖面图，其特征在于：膜体3是形成含有较大粒子21(例如玻璃球)的第1膜体21a，并使具有防水性的微粒22突出在以第1膜体21a为基础而形成的膜体的表面上，或是用具有防水性的覆盖膜覆盖微粒22(如图7那样)而形成具有细微凹凸的表面23的。如上所述，通过在形成具有较大粒子21的第1膜体21a的基础上，再形成具有微粒22的表面层的多层结构，就形成由较大的凹凸23a及细微的凹凸23b构成的所谓复合凹凸表面。采用这样的膜体3的结构，目的是形成一种使得向膜体表面23的规定部位供给的空气能以较大的凹凸23a作为通道，以细微的凹凸23b作为空气保持面而一举扩散到它的整个膜体表面23的空气膜。

除这些以外，还可用图上没有表示的、电解或非电解分散的电镀法形成具有细微凹凸的膜体。即用分散有聚四氟乙烯粒子的电解液，在基板上进行电镀时，使聚四氟乙烯粒子与金属基体一起共析而覆盖表面，形成细微的凹凸。

本发明人为了确认具有细微凹凸的膜体对于降低船舶的流体摩擦阻力的影响，进行了模型试验。

当然，本发明可适用于船舶的船底、船侧等所有的浸水表面，但为了使进行的试验较早地确认，只把船底部分的表面用具有防水性材料构成的细微凹凸的膜体加以覆盖而进行了试验。其试验内容如下。

(试验例1)

图9是为了确认本发明的效果的试验中所使用的模型船的概略图，图10是图9中的Y部分放大图，图11是将图9中箭头B所指的喷嘴部分加以放大表示的底面图。

在图9中，用与船体25分别设置的空气压缩机26使被压缩的空气a经由阀门27及管道28，用流量计29一面监测流量一面由管道30导入船体25的底部。空气a在船体25的底部25a上，借助分支管31分成多个管道，各管道分别通过阀32，如图10及图11所示那样，从多个喷嘴33(用直径为0.6mm的细管构成)，沿着下述的试片TP的表面喷出。使喷嘴33的喷出方向是从船体25的进行方向的上游朝向下游。另外，如图11所示，多个喷嘴33按照一定的间隔配置成直线状。

在此试验中所用的试片TP是在宽400mm，长500mm，厚1mm的铝平板(相当于结构物16)上进行过涂覆的。

这个防水性材料的涂层(膜体)是使用图8所示的多层结构，它具有复合凹凸表面。利用由这防水性材料构成的涂层得到的浸水表面(膜体3)与水的接触角是165°，其表面的第1膜体21a的较大凹凸的平均高度为6.3μm，平均间隔s为25.1μm，而细微凹凸的平均高度为0.9μm，平均间隔s为3.0μm。

在上述涂层中，形成了下述的三层结构：即具有由粒径为50μm的玻璃球构成的粒子21的第1膜体21a；具有在第1膜体21a上形成的粒径为12μm的疏水性硅石37a的中间膜体；具有粒径为1.4μm的疏水性硅石(细微粒子22)的表面膜体。

将这样制作的14片平板状试片TP接合起来作成宽800mm、长3500mm，使上述试片TP的前缘与离船头1.45m的位置对齐地安装在图9所示的全长7.276m，型宽1.28m，型深0.6m的模型船的船体25的船底部25a上。

然后如图10及图11所示，将喷出空气用的、由内径为0.6mm的注射针制成的喷嘴33沿试片的宽度方向上等间隔(约20mm)地设置在试片TP的前缘上。

在压舱载荷状态下的船体25的吃水深度是200mm。而且在这状态下，供试验的船体25的浸水面积S为9.81m²，试片TP的面积St为2.82m²，面积比St/S为0.285。

在船体阻力试验中，使用长220m，宽14m，深6.5m的拖曳水池，将船体安装在曳行车上，一面从40个注射针喷嘴33，与各个船速相对应地把规定流量的空气以细微气泡形式从船头向船尾方向供给，一面用阻力仪测定船体25的阻力。

表1表示各种船速时粘性阻力基准的阻力降低量(DR量)与试片TP部分的摩擦阻力降低量(DR′量)。这里，DR量及DR′量由下式表示：

DR＝-(Ct-Ct₀)/Cv₀×100％

DR′＝(1+K)·DR/(St/S)

式中：Ct-供试验的船体的总阻力系数；Cv-供试验的船体的粘性阻力系数；下标0-不使用防水性平板的通常试验的场合；K-形状影响系数，K＝0.222。

由表1可知，在船速U＝2.11m/s时，可得到DR量最大值19.4％。另外，图12表示了在船速U＝2.11m/s时的DR量与作为表示平均空气膜厚度的指标的空气量等级的关系。

所谓空气量等级是表示假定由保持在膜体的表面凹部内的空气膜与所供给的空气形成的空气膜以与船速同样的速度同样地流动的情况下进行计算时的平均空气膜厚度的指标，在船速U＝2.11m/s(傅汝德数Fr＝0.25)时，实际的空气供给量Qa如表2所示。

由图12可知，供给少量的空气就有摩擦阻力降低的效果，在平均空气膜厚度达到0.24mm(空气量等级5)为止，DR量％随空气量的增加而增大，超过此值，DR量％显示出大致一定的倾向。在本实施例的情况下，在空气量等级20时，DR成为最大值，可得到19％程度。另外，只以试片TR部分为对象的DR′量达到83％程度的较大数值。

另一方面，观察由喷嘴33喷出空气流时，可以确认，所供给的空气a是在沿着试片TP的表面附着的状态下，一面展宽一面成为膜状而流向船尾侧的。

为了比较，用没进行本发明那样表面处理的具有平滑表面的聚四氟乙烯板代替上述试片TP时，可以确认，由喷嘴33供给的空气是成为气泡，而且不粘贴在这聚四氟乙烯板上，以各自分离的状态向下游侧流去的。

由此，被判断的问题可被确认，即通过在试片TP、即膜体表面上形成细微的凹凸，并且用防水性材料至少形成上述凹凸的凸部的顶部，使其具有规定范围的防水性，又通过将空气供到膜体表面与水之间，不仅能在膜体表面与水之间形成空气膜，而且能把形成空气膜的空气保持在膜体表面上，一部分，即流水一侧的那部分空气随同水一起流走。

这样，根据流体力学可明确地得知，在膜体表面上形成空气膜时，膜体表面与水就不直接接触，这在降低流体摩擦阻力上会起很大效果。

由此可知，它能节省推进动力。图13表示根据上述模型船得到的试验结果，船体25的速度与所需要的推进动力之间的关系。图中，实线是表示装有平滑的聚四氟乙烯板的情形，虚线是表示利用本发明的膜体表面形成空气膜时所需要的动力(包含空气供给动力)，显然是随着船速增加，动力降低相应加大。

在实际的船舶上，船体在航行中会发生各种摇晃，在船体摇晃的情况下，必需把空气膜有效地保持在经上述那样加工过的膜体表面上。

在上述试验中所使用的船体25上，以缓慢的周期在±3°的范围内进行横摇，与上述同样，使空气从喷嘴33喷出。其结果，可以确认这一点，即从喷嘴33喷出的空气一面沿着试片TP展宽，一面流动，并在其表面上形成薄的空气膜，尽管有横摇，性能有些降低，但是这空气膜是能可靠地形成的。

如上所述，可以确认这一点，即不论在船体25发生横摇的情况下，还是在不发生横摇的情况下，在设置着有本发明形成的膜体表面10的试片TP的船体25上，通过供给少量的空气，就能可靠地形成空气膜，并且能将其保持住。可以认为这在降低船舶航行时的流体摩擦上是有很大效果的。

(试验例2)

图14是在具有浸水部分的结构物是一种输液通路的输液管的情况下，用来确认流体摩擦降低的试验装置的系统图，35是圆铜管，在这圆铜管35上设置有水系统A及空气系统B两个系统的管路。即对于水系统A来说，在合成树脂制造的容器36内的水W经过泵37、阀门38、流量计39流至圆铜管35内，由此回到容器36内，成为一个闭环系统。另一方面，对于空气系统B来说，借助小型空气压缩机40，使空气经由阀门41、流量计42，然后由位于圆铜管35的水W流入一侧端部上的图中未表示的注射针喷嘴供给。这些注射针喷嘴是在圆周方向上相隔一定的间隔地配置在8个部位上。作为圆铜管35的浸水表面的内面，用电解分散电镀法，使表面具有细微的凹凸，而且凸部用防水性材料形成的膜体覆盖着。

下面对具有用电镀法得到的细微凹凸表面的膜体形成方法进行说明，如图15所示，这种电镀装置中，电解液槽45与圆铜管35是由具有泵46、流量调节阀47及流量计48的管路C与管路D连接在一起，直流电源50连接在配置在圆铜管35内的作为正极的镍棒49上。其中，51是加热器，52是搅拌机。

电解液槽45内的分散液L的组成如下：

氨基磺酸镍      350克/升

氯化镍          45克/升

硼酸            40克/升

聚四氟乙烯粒子  200克/升

在下列条件下进行电解分散电镀：

分散液温度              45℃

电流密度                4.5A/dm²

通电时间                30分

分散液在管内的平均流速  45～50m/s

用激光显微镜确认圆铜管35的内表面的镀层(膜体)的凹凸形状，如图16所示，在圆铜管35上形成的镍层35a的表面上有聚四氟乙烯粒子35b突出着，各个粒子35b之间的间隔s是在0.3～30μm的范围内，而且其高度h与间隔s的比h/s在0.3～3范围内。

把这样处理过的在内表面上覆盖有表面上具有细微的凹凸，并且凸部是由防水性材料聚四氟乙烯粒子35b形成的镀层(膜体)的圆铜管35，如图14那样地配置，并进行压力损失测定试验。就是说，使小型空气压缩机40及泵37动作，将空气及水供到圆铜管35内，用差压计53检测这时的试验段间的差压，通过低通滤波器54用笔式记录器55连续地进行记录。

试验范围定成管内平均流速V为0.5～3m/s，导入空气与水流量比R_Q为0.5～3Vol％。作为这样的压力损失测定试验结果的一个例子，在给出V＝1.6m/s的情况下，如图17所示，显示出由于空气的导入，使压力损失下降了。而且得知，导入空气量愈少，压力损失的减少就愈大。

图18是根据压力损失测定试验结果计算出管摩擦系数，表示管内平均流速V与管摩擦阻力降低量(DR量)之间的关系的图表。由这个试验得知：在V＝1.6m/s，空气/水的流量比R_Q仅有0.5Vol％(图中黑圆点)时，能取得23％的阻力降低。

这以后，分别制作与水的接触角为90°以上的防水性材料的内表面平滑的聚四氟乙烯的圆管及接触角不到90°的亲水性材料的使内表面形成细微凹凸的圆铜管，进行了与上述同样的试验，这点被确认，即两者都是压力损失增大，并且倾向于空气量愈增加就愈显著。

还对凸部间隔s对于空气膜耐久时间的影响进行了研究，其结果如图19所示。

在此试验中，准备了用复制方式在聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等三种树脂板的表面上进行过细微的凹凸加工的试片(2×5cm)，将试片浸入水深10cm处，确认空气膜附着于全部试片的表面上。而且把试片的全部面积的10％部分的空气膜消失的时间作为耐久时间，对它们进行了比较。

在图19中，分别表示着曲线a为聚丙烯的数据，曲线b为聚四氟乙烯的数据，曲线C为聚氯乙烯的数据。由此图得知，聚丙烯及聚四氟乙烯两种树脂可用于本发明，聚氯乙烯不适用。

由上述的耐久时间试验的结果表明表明，若把凸部间隔缩小，就使耐久时间急剧地增加，特别是在防水性性能好的聚四氟乙烯的情况下，当凸部的间隔在30μm以下时，可得到300天以上那么长的耐久时间。

另外，还对凸部的高度h与间隔s的比h/s对于保持空气膜的耐久性进行了研究，结果如图20所示。由此图可清楚地得知，当凸部的高度h与间隔s的比h/s在0.3以上时，就具有长时间保持空气膜的耐久性。

从另一个试验结果来看，判明凸部的高度h过于加大、间隔s过于减小时，流体摩擦阻力增加，实用上的h/s可选定在0.3～3的范围内。

(试验例3)

本发明人还针对在膜体表面上形成的空气膜的保持状态的确认及具有凹凸的浸水表面的形成方法进一步进行了实验。

就是说，如图21所示那样，制作了在作为基底的铝板56的表面上形成具有图8所示的本发明的多层结构的复合凹凸表面的膜体57(涂敷含有较大粒径的玻璃球的底涂料，形成第1膜体，在这第1膜体上涂敷含有平均粒径为12μm的防水性硅石的树脂，形成中间膜体，再在其上涂敷含有平均粒径为1.4μm的防水性硅石22的树脂，形成上层膜。在其表面上具有较大的凹凸23a及以这些凹凸23a为基础的细微的凹凸23b的复合的凹凸表面)的试片TP。

然后将此试片TP浸入水中，使膜体57表面位于上方，将橡皮球吹气管(スポイド)58接近膜体57表面后供给空气a时，可以观察到空气a不浮起而一举全面地扩展到膜体57的表面上，形成空气膜F并被保持住的情形。然后当把空气供给到试片TP的表面上能保持的量以上时，可以观察到它的一部分成为气泡，并从膜体57的表面脱离而浮起。

另一方面，如图22所示，将这些试片TP倾斜地浸入装有水的水槽60中，使用细管61从试片TP的下端部将空气a供到其表面上时，空气a并不离开试片TP的表面后沿垂直方向浮起，而是形成沿着表面向上方扩展成三角形的空气膜F。

可以确认在继续供给空气a时，供到空气膜F能保持在试片TP表面上的量以上时，在这试片TP的上端部就形成空气包f，此空气包f局部地膨胀后，形成的气泡v进行分离并浮起。

(实施例2)

如实施例1中所说明的那样，因为这点是显然的，即通过将空气供到用本发明处理过的膜体表面上，就会在其表面上相当牢固地形成空气膜，因此，能利用这一现象，来发挥它的优异的防污、防腐蚀效果。

这种防污、防腐蚀作用也适用于船舶处于停船状态时，或是固定地设置在水中的浮式消波堤及驳船、堤防、水中打桩设施等，并都能得到很好的效果。

图23是在栈桥上形成本发明的膜体表面后，用来防止水中生物附着于这膜体表面上的例子。

在栈桥(水中结构物)80的直立在海底81上的脚部82的下部，环状地设置空气喷出装置83，由这个空气喷出装置83使空气G从多个小孔喷出。至少在脚部82的表面上，形成覆盖有与实施例1同样的膜体的膜体表面，此膜体的表面上具有凹凸，并且至少这凸部的顶部是用防水性材料形成的。

如上所述构成的栈桥80上，经由空气压缩机84、控制阀85，流量计86及管路87与上述空气喷出装置83连接，一面由控制装置88进行控制，一面由空气喷出装置83的喷嘴将压缩空气喷出到脚部82的周围，在其表面上形成薄的空气膜。借助这空气膜，海中生物及海草就不能接触脚部82的表面，能有长时间的防污效果。

(实施例3)

图24是表示将本发明用于发电设备的取水管的例子，表示在取水管90的内表面上形成本发明的膜体表面，在其底面上设置喷嘴91，由这喷嘴91将二次空气G喷射到取水管90的内表面上，从而形成空气膜的状态。

最好把这喷嘴91尽可能设置在取水管90的全长上，而且不仅在底部上的一个部位上，在中间部位上也尽可能设置，采用这种把空气喷射在整个管的内表面上的结构。

当然，本发明不局限于上述实施例，显然是能够进行各种变换或补充追加的。

表1.船速与阻力降低量的关系

傅汝德数Fr	船速Um/s	最大DR量％(粘性阻力基准)	最大DR′量(试片摩擦阻力基准)
				0.100.150.200.250.30	0.841.271.692.112.53	16.46.513.319.416.9	70.327.957.083.272.5

表2.供给空气量QaL/min

空气量等级	1	2	5	10	20
						平均空气膜厚度mm	0.05	0.10	0.24	0.48	0.95
供给空气量Qa L/min	4.8	9.6	24.1	48.1	96.2

Claims (32)

1.一种用于在具有被浸没的部分的结构物的浸水表面之上形成空气膜的方法，包括：用一种膜体履盖具有被浸没部分的结构物的浸水表面，所述膜体在其表面具有细微的凹凸，并且，至少上述凸部的顶部用防水材料形成，连续向膜体表面供应空气以在膜体表面和水之间形成空气膜。

2.如权利要求1所述的形成空气膜的方法，其特征在于，具有被浸没的部分的所述结构物是船。

3.如权利要求1所述的形成空气膜的方法，其特征在于，具有被浸没的部分的结构物是浮体。

4.如权利要求1所述的形成空气膜的方法，其特征在于，上述防水材料选自聚四氟乙烯，疏水性硅石粉末，聚乙烯，聚丙烯或是亲水性树脂通过表面处理而具有防水性的材料或其混合物。

5.如权利要求1所述的形成空气膜的方法，其特征在于，在水的表面张力和水压作用下，空气被保持在形成于浸水表面上的细微凹部中。

6.如权利要求1所述的形成空气膜的方法，其特征在于，膜体表面的凹凸如此形成，使凸部的间隔S的范围在0.3-30μm，所述凸部的高度与间隔的比h/s在0.3-3的范围。

7.如权利要求1所述的形成空气膜的方法，其特征在于，在具有被浸没的部分的结构物的所述浸水表面上，按规定的间隔配置多个喷嘴，从这些喷嘴沿着具有细微凹凸的膜体表面供给空气。

8.如权利要求1所述的形成空气膜的方法，其特征在于，一次空气被保持在膜体表面的所述凹部中，而二次空气被从外部供应给膜体表面。

9.如权利要求1所述的形成空气膜的方法，其特征在于，防水合成树脂片的表面通过复制方法形成细微凹凸。

10.如权利要求1所述的形成空气膜的方法，其特征在于，包括：在所述结构物的所述表面上形成所述涂料层；和

在所述涂料层的表面上固定微粒，使微粒突出所述表面，其中，至少从所述涂料层突出的微粒的顶部具有防水性。

11.如权利要求1所述的形成空气膜的方法，其特征在于，具有被浸没的部分的所述结构物是打设在水底，固定设置在给定位置的结构物。

12.一种用于在具有被浸没的部分的结构物的浸水表面之上形成空气膜的方法，包括：用一种膜体覆盖具有被浸没部分的结构物的浸水表面，所述膜体在其表面具有细微的凹凸，并且，至少上述凸部的顶部用防水材料形成，向膜体表面供应空气以在所述膜体表面和水之间形成空气膜，具有被浸没的部分的结构物是输液管路，它的浸水表面是这输液管路的内表面。

13.一种用于在具有被浸没的部分的结构物的浸水表面之上形成空气膜的方法，包括：用一种膜体覆盖具有被浸没部分的结构物的浸水表面，所述膜体在其表面具有细微的凹凸，并且，至少上述凸部的顶部用防水材料形成，向膜体表面供应空气以在所述膜体表面和水之间形成空气膜，所述膜体为双层结构，包括较大凹凸的表面和较小凹凸的表面。

14.一种用于在具有被浸没的部分的结构物的浸水表面之上形成空气膜的方法，包括：用一种膜体覆盖具有被浸没部分的结构物的浸水表面，所述膜体在其表面具有细微的凹凸，并且，至少上述凸部的顶部用防水材料形成，向膜体表面供应空气以在所述膜体表面和水之间形成空气膜，所述浸水表面的覆盖包括有在结构物表面上形成涂料层和在该涂料层表面形成由微粒构成的细微凹凸，所述微粒由防水材料覆盖。

15.一种用于在具有被浸没的部分的结构物的浸水表面之上形成空气膜的方法，包括：用一种膜体覆盖具有被浸没部分的结构物的浸水表面，所述膜体在其表面具有细微的凹凸，并且，至少上述凸部的顶部用防水材料形成，向膜体表面供应空气以在所述膜体表面和水之间形成空气膜，所述膜体具有两层细微凹凸结构，其形成步骤包括有在结构物表面上形成底层，底层含有较大粒径的微粒；在底层上方形成含有直径小于上述底层微粒的微粒的顶层，使两层之细微凹凸结构具有形成在各层的各自表面上的较大凹凸和较小凹凸。

16.一种减低船舶和水之间的摩擦阻力的方法，包括：

使船舶的至少触水部分带有具有保持空气特性的表面；

在所述表面的上游位置设置空气喷射区；

提供一种装置，当船舶航行时，用通过所述空气喷射区所喷射的空气在所述触水部分的所述表面上形成薄的空气膜，通过具有细微表面不规则物的膜体形成所述装置，用防水材料形成所述表面不规则物的至少顶部部分；所述膜体在水中保持住一次空气；

从所述空气喷射区向一次空气膜供给二次空气，允许二次空气被汇入合并所述一次空气并在所述表面扩展而形成薄空气膜；和

船舶航行时，在触水表面部分的薄空气膜的被向船尾移走的一部分空气由通过所述空气喷射区喷射的二次空气所补充。

17.一种具有减低与水的摩擦阻力的船舶，包括：

船体，使其至少触水部分带有具有保持空气特性的表面；

在所述表面的上游位置设置的空气喷射区；

一种装置，当船舶航行时，用通过所述空气喷射区所喷射的空气在所述表面上形成薄的空气膜，所述装置包括具有细微表面不规则物的膜体，用防水材料形成所述表面不规则物的至少峰部或顶部部分；所述膜体具有在水中保持住包括薄空气膜的一次空气的特性；

在所述船体宽度方向延伸的空气喷射区，位于所述膜体的上游位置，所述空气喷射区可以将二次空气喷射到膜体的表面附近；

其结构为向保持在膜体的表面的一次空气供给二次空气，允许在所述膜体的表面扩展而形成薄空气膜，该空气膜在船舶的触水部分上保持稳定，由于船舶的航行从船舶的尾部被脱离和移走的那部分空气，由供给的二次空气所补充。

18.如权利要求17所述的船舶，其特征在于，所述空气喷射区包括位于上游且在膜体附近的多个空气喷射喷嘴，使得二次空气流在船体宽度方向按一定间隔排列而喷射。

19.如权利要求17所述的船舶，其特征在于，所述空气喷射区包括位于上游位置且接近膜体的狭缝状空气喷射喷嘴，所述狭缝状空气喷射喷嘴在船体的宽度方向延伸。

20.如权利要求17-19中任一项所述的船舶，其特征在于，所述空气喷射区设置成在船舶的从船头到船尾的方向喷射空气。

21.如权利要求17所述的船舶，其特征在于，用于在触水部分的表面形成薄空气膜的装置包括防水材料的膜体并具有细微表面不规则物，其与水的接触角为90°或以上。

22.如权利要求17或21所述的船舶，其特征在于，所述防水材料是从由聚四氟乙烯，疏水性硅石粉末，聚乙烯，聚丙烯及其混合物构成的组中选择的。

23.如权利要求17或21所述的船舶，其特征在于，所述防水材料是一种具有经防水性表面处理的亲水表面的材料。

24.如权利要求17所述的船舶，其特征在于，所述表面不规则物的顶部或峰部隔开，其间隔的范围在0.3-30μm内，其高度为h，所述高度与间隔的比h/s在0.3-3的范围内。

25.如权利要求17所述的船舶，其特征在于，所述船体的表面用涂料层形成，其表面用微粒形成细微不规则物，其外露表面带有用防水材料覆盖的细微不规则物。

26.如权利要求17所述的船舶，其特征在于，所述船体表面形成底层，底层包括含有较大粒径的微粒的涂料层；在这底层上方形成含有较小粒径的上涂层，所述上涂层由防水材料覆盖，所述表面由防水材料覆盖，具有由所述较大的粒径的微粒形成的大的不规则物和由所述较小的粒径的微粒形成的细微的不规则物。

27.如权利要求17所述的船舶，其特征在于，至少所述表面不规则物的顶部或峰部的表面与水的接触角为90°或以上，所述膜体具有这样的特性，即当从水中处于相对于垂直方向倾斜的位置且其外表面朝上的膜体的下端侧供给少量的二次空气时，被供给的二次空气汇入合并在保持在膜体表面的细微不规则物的少量一次空气中，向上流动并扩展形成薄空气膜，从膜体的上端部分离开膜体并形成气泡进入水中。

28.如权利要求17所述的船舶，其特征在于，形成在所述船体表面的所述膜体包括涂料层。

29.如权利要求17所述的船舶，其特征在于，形成在所述船体表面的所述膜体包括结合在船体表面的片状物。

30.如权利要求17项所述的船舶，其特征在于，具有细微表面不规则物的所述膜体利用具有细微表面不规则物的模具或具有细微表面不规则物的压辊通过压制而形成。

31.如权利要求17所述的船舶，其特征在于，具有细微表面不规则物的所述膜体利用筛网法形成，所述筛网转印有细微网眼图案。

32.如权利要求17所述的船舶，其特征在于，具有细微表面不规则物的所述膜体利用激光束或等离子体的高密度能量照射使合成树脂片的表面粗糙的方法而形成。

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