JP2001206276A - 磁場を利用した摩擦抵抗低減船 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロバブルの位置や動きを効果的に制御
して、航行時の動力を低減することができる摩擦抵抗低
減船を提供する。 【解決手段】 水中に勾配磁場を形成する磁場形成手段
４０を、船体の外側から船体外板１０に設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水中の船体外板表
面に気泡を放出しながら航行する摩擦抵抗低減船に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】特開昭５０−８３９９２号、特開昭５３
−１３６２８９号、特開昭６０−１３９５８６号、特開
昭６１−７１２９０号、実開昭６１−３９６９１号、及
び実開昭６１−１２８１８５号等に、摩擦抵抗低減船に
係わる技術が開示されている。この摩擦抵抗低減船は、
船体（船体外板）から空気等の気体を水中に放出して、
船体外板上の境界層内に多数の気泡（マイクロバブル）
を介在させ、これにより船体と水との間に作用する摩擦
抵抗を低減させて、少ない動力コストで航行することを
目的とするものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】こうした摩擦抵抗低減
船において、より少ない動力コストでの航行を実現する
には、水中への気体の放出に要する動力をなるべく少な
くするとともに、水中に介在するマイクロバブルを効果
的に摩擦抵抗の低減に利用する必要がある。従来より、
マイクロバブルを効果的に利用することを目的として、
船体外板上の水の流れを制御し、これによりマイクロバ
ブルの位置や動きを制御する試みがなされている。しか
しながら、無理に水の流れを制御しようとすると船体の
造波抵抗が増大してしまうなど、マイクロバブルの位置
や動きを水の流れで効果的に制御するのは困難であっ
た。

【０００４】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、マイクロバブルの位置や動きを効果的に
制御して、航行時の動力を低減することができる摩擦抵
抗低減船を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本出願人は、特開平８−
１３１７１０号公報において触れているように、液体と
気体（気泡）との体積磁化率の相違に着目し、液体を勾
配磁場中に置くことで、体積磁化率の差に起因する浮力
のような力を利用して、気泡の移動などの制御が可能に
なることを見出した。本発明は、この磁場による力を利
用して、下記技術により上記課題を解決するものであ
る。すなわち、請求項１に係る発明は、水中の船体外板
表面に気泡を放出しながら航行する摩擦抵抗低減船であ
って、船体の外側から前記船体外板に設置され、水中に
勾配磁場を形成する磁場形成手段を備える技術が採用さ
れる。また、請求項２に係る発明は、請求項１の摩擦抵
抗低減船において、前記磁場形成手段は、水との摩擦抵
抗が他に比べて大きい船体外板の所定領域に設置される
技術が採用される。また、請求項３に係る発明は、請求
項１または２の摩擦抵抗低減船において、前記磁場形成
手段は、前記船体外板の塗料に混入される粉体状の磁石
である技術が採用される。また、請求項４に係る発明
は、請求項１または２の摩擦抵抗低減船において、前記
磁場形成手段は、薄い板状部材である技術が採用され
る。

【０００６】

【作用】本発明の摩擦抵抗低減船は、水中に勾配磁場を
形成する磁場形成手段を備えているため、気泡（マイク
ロバブル）に磁場浮力を与えてマイクロバブルの動きを
制御することが可能である。海水は、水と同様、反磁性
体であり、勾配磁場が形成された海水中に介在する気泡
は、磁場が増加する方向に力（磁場浮力）を受ける。よ
って、摩擦抵抗低減船が海洋を航行する場合には、船体
外板に近づくほど磁場強度が増大する勾配磁場を形成す
ることで、船体外板に向かう力を勾配磁場中のマイクロ
バブルに与えることが可能となる。また、マイクロバブ
ルを用いた摩擦抵抗低減船では、船体外板に近いマイク
ロバブルほど、摩擦抵抗の低減に効果的に作用すること
が知られている。本発明の摩擦抵抗低減船では、前記磁
場形成手段が船体の外側から船体外板に設置されるた
め、船体外板の表面近傍に勾配磁場を効率的に形成する
ことができる。したがって、マイクロバブルの位置や動
きを効果的に制御して、航行時の動力を低減することが
可能となる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る摩擦抵抗低減
船の一実施形態について図面を参照して説明する。図１
には、本実施形態に係る摩擦抵抗低減船Ｓの船首近傍の
要部構成が示されており、符号１０は船体外板、Ｌは水
面（喫水線）を示している。

【０００８】この摩擦抵抗低減船Ｓには、喫水線Ｌ下の
船首１０ａから船底１０ｂにかけて所定角度で傾斜する
水導入管２０が設けられている。この水導入管２０は、
船首１０ａの船体幅方向中央部で喫水線Ｌから所定深さ
の部位に設けられた円形もしくは楕円形状の水取り入れ
口２０ａと、船首１０ａ近傍の船底１０ｂの船体幅方向
中央部に設けられた楕円形状の水排出口２０ｂとを接続
するものである。水導入管２０の途中には、ドーム形状
の第１の気体放出部２１が水導入管２０の軸心に向かっ
て突出するように配設され、第１の気体放出部２１の頂
部には気体を放出するための第１の放出口２１ａが設け
られている。また、船首１０ａ近傍の右舷および左舷に
は、前記第１の気体放出部２１とほぼ同一形状の第２の
気体放出部２２が船体から水中に突出するように設けら
れ、この第２の気体放出部２２の頂部には第２の放出口
２２ａが設けられている。

【０００９】第１および第２の気体放出部２１、２２
は、図２に示されるように、内部に空間を有するチャン
バー形状に形成されており、縁部を船体（船体外板１
０）に当接された状態で船体との当接部を接合剤ＰＡに
よって充填されて固定されている。また、船体（船体外
板１０）の内側には気体導入パイプ（ＡＩＰ：Air Indu
ction Pipe）２３、２４が溶接され、これにより、気体
導入パイプ２３、２４内の空間と第１および第２の気体
放出部２１、２２内の空間とが連通し、喫水線上の一端
（気体吸入口２５ａ、２６ａ、図１参照）が大気中に開
放されかつ喫水線Ｌ下の他端が放出口２１ａ、２２ａを
介して水中（喫水線下）に開放される気体通路２５、２
６が形成されるようになっている。

【００１０】また、第１および第２の気体放出部２１、
２２の３次元形状は、外表面に沿って流れる水の流速を
大きくするとともに、表面に沿って流れる水に対する抗
力が極力小さくなるように、つまり抗力係数が最小とな
るように定められている。この気体放出部２１、２２の
高さ寸法、および配設される喫水線Ｌからの深さは、所
定航行速度Ｖｓでの航行状態において第１および第２の
放出口２１ａ、２２ａにおける水圧（静圧）が気体吸入
口２５ａ、２６ａの圧力（大気圧）に対して負圧状態と
なるように、例えば数値流体力学（ＣＦＤ：Computatio
nal Fluid Dynamics）による流場解析により定められて
いる。また、第１および第２の放出口２１ａ、２２ａ
は、本実施形態では、水の流れ方向に長軸を有する楕円
状に形成されている。この放出口２１ａ、２２ａの形状
は、楕円状に限るものではなく、例えば十字状、あるい
は複数の孔からなる多孔質状でもよい。

【００１１】また、気体通路２５、２６を形成している
気体放出部２１、２２、気体導入パイプ２３、２４は、
内壁が海水で腐食されないように耐食性のある材質で形
成されるかもしくは十分な耐食処理がそれぞれ施され、
さらに通路内を流れる流体になるべく余分な圧力損失を
与えないように断面積および形状が定められている。な
お、接合剤ＰＡは、気体放出部２１、２２を船体外板１
０に固定することのほかに、船体外板１０と気体放出部
２１、２２の外表面とがなるべく滑らかに連なるように
して両者の境目を流れる水の乱れを抑制することを目的
とするものである。

【００１２】図１に戻り、この摩擦抵抗低減船Ｓには、
船体外板１０に近づくほど磁場強度が増大する勾配磁場
を水中に形成するための磁場形成手段４０が船体の外側
から設置されている。ここでは、磁場形成手段４０は、
粉体状の永久磁石であり、塗料に混入された状態で船体
外板１０の所定箇所に塗布された状態にある。また、こ
の磁場形成手段４０は、船体外板１０における一領域も
しくは複数の領域に集中して配されており、ここでは、
水排出口２０ｂの周辺で船幅方向および船尾方向に分か
れた３つの領域、および船底１０ｂの船幅方向中央部で
水排出口２０ｂから船尾方向に延びた１つの領域に配さ
れている。こうした磁場形成手段４０の塗布領域は、水
との摩擦抵抗が所定値（例えば平均値や、予め設定され
る基準値など）を超えるなど、他に比べて摩擦抵抗が大
きい領域であり、これらは前述した数値流体力学などに
よる流場解析により求められる。また、磁場形成手段４
０は、例えばネオジウム−鉄−ホウ素系など、磁力が強
くかつ水中に磁場を十分に形成可能なものが用いられ、
永久磁石２０の強度や形状は、船体の形状や標準航行速
度などに応じて設計される。

【００１３】このように構成される摩擦抵抗低減船Ｓ
は、停船状態において、気体通路２５、２６内に船体周
りの水面Ｌと同じ高さまで海水が入り込んでいる。航行
状態になると、水導入管２０内および船体外板１０上に
水が流れるようになり、図２に示されるように、水中に
突出している第１および第２の気体放出部２１、２２の
近傍を流れる水の流線が局所的に狭まる。これにより、
第１および第２の放出口２１ａ、２２ａの圧力（静圧）
が低くなり、所定の航行速度Ｖｓにおいて気体吸入口２
５ａ、２６ａの圧力（大気圧）に対して負圧になる。そ
して、気体通路２５、２６内の海水が排出された後、連
続的に大気中から気体吸入口２５ａ、２６ａを介して気
体通路２５、２６内に気体（空気）が流入し、この空気
が放出口２１ａ、２２ａから水中に排出されて、マイク
ロバブルＭＢが発生する。

【００１４】第１の放出口２１ａから発生したマイクロ
バブルＭＢは、水導入管２０を抜けて水排出口２０ｂか
ら船底１０ｂに排出される。また、第２の放出口２２ａ
から発生したマイクロバブルＭＢは、その多くが船側に
沿って船底１０ｂに流れる。このマイクロバブルＭＢが
船尾方向に流れ、船体外板１０を覆うことで、船体外板
１０と水との摩擦抵抗が低減されるようになる。

【００１５】図３に示す座標軸は、横軸が磁場強度
（Ｈ）を表し、縦軸が船体外板１０からの法線方向の距
離（ｙ）を表している。磁場形成手段４０により、水中
には、船体外板１０に近づくほど磁場強度が増大する勾
配磁場が、船体外板１０から例えば約１０ｍｍ程度の領
域内に形成されている。海水は反磁性体であるので、勾
配磁場中のマイクロバブルＭＢには、空気と海水との体
積磁化率の差に起因する磁場浮力が作用し、マイクロバ
ブルＭＢは磁石に引き付けられるように振る舞う。この
とき、所定径のマイクロバブルＭＢに対し、重力場にお
ける浮力は、船体外板１０からの距離に関わらずほぼ一
定の大きさでマイクロバブルＭＢに作用する。一方、磁
場浮力は、図中矢印Ｍで示すように、磁場強度と磁場勾
配との積に比例して船体外板１０に近づくほど大きくマ
イクロバブルＭＢに作用する。そのため、勾配磁場中の
マイクロバブルＭＢは、船体外板１０に近いマイクロバ
ブルＭＢほど大きな磁場浮力Ｍを受けて船体外板１０に
近づきやすくなり、近づくほど船体外板１０から離れに
くくなる。これらにより、この摩擦抵抗低減船Ｓでは、
勾配磁場が形成されていない場合に比べて、船体外板１
０近傍にマイクロバブルがより多く介在するようになる
とともに、船体外板１０に近い領域ほどマイクロバブル
が集まりやすくなる。

【００１６】マイクロバブルを用いた摩擦抵抗低減船で
は、境界層の底部付近、すなわち船体外板に近いマイク
ロバブルほど、摩擦抵抗の低減に効果的に作用すること
が知られている。しかも、所定領域内に占めるマイクロ
バブルの割合、いわゆるボイド率が大きいほど摩擦低減
の効果が大きいことが本出願人によって明らかにされて
いる。すなわち、本実施形態の摩擦抵抗低減船Ｓによれ
ば、空気と海水との体積磁化率の差に起因する磁場浮力
の作用によって、より多くのマイクロバブルを船体外板
１０上に介在させることができ、しかも船体外板１０に
近づくほどボイド率が増大するので、船体と水との間に
作用する摩擦抵抗を効果的に低減することができる。

【００１７】ところで、一般に、磁場は磁場形成手段か
ら離れるにしたがってその磁場強度が急速に低下する。
そのため、仮に船体外板１０の内側に磁場形成手段を設
置し、所定の厚みを有する船体外板１０およびその塗料
を介して勾配磁場を形成した場合、磁場形成手段から水
中までの距離が長くなってしまい、水中に強い磁場を形
成するのは難しい。本実施形態の摩擦抵抗低減船Ｓで
は、塗料に磁石を混入してそれを塗布することにより、
船体の外側から磁場形成手段４０を設置し、水に直接接
するように磁場形成手段４０を配しているため、船体外
板１０を介することによる磁場強度の減衰を回避して、
強い磁場を水中に効率的に形成することができる。した
がって、マイクロバブルの位置や動きを効果的に制御し
て航行時の動力を低減することができる。

【００１８】また、本実施形態の摩擦抵抗低減船Ｓで
は、水との摩擦抵抗が大きい領域、すなわちマイクロバ
ブルによる摩擦抵抗の低減効果が大きい領域に磁場形成
手段４０が設置されるため、磁場浮力を利用してその領
域の摩擦抵抗を効果的に低減することができる。しか
も、磁場形成手段４０の設置面積を効果的に少なくでき
るため、材料コストや作業コストの低減を図ることがで
きる。また、勾配磁場の形成には永久磁石を利用するた
め新たなエネルギーを必要としない。さらに、塗料に磁
石を混入させたものを用いるため、この塗料を塗布する
だけで、所望の領域に勾配磁場を容易に形成することが
できる。

【００１９】なお、上述した実施形態において示した各
構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発
明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づ
き種々変更可能である。例えば上述した実施形態では、
磁石を混入した塗料を船体外板に塗布することにより勾
配磁場を形成しているが、本発明はこれに限るものでは
なく、図４に示されるように、薄い板状部材の永久磁石
からなる磁場形成手段４１を船底１０ｂに設置してもよ
い。この場合、すでにある船体に追加して磁場形成手段
４１を設置できるなど、船体の外側に勾配磁場を容易に
形成することができ、メンテナンスなどの作業も容易に
行うことが可能となる。また、磁場形成手段４１を設置
する領域は、前述したように摩擦抵抗の大きいところに
設置するのが効果的であるが、この図４のように、船首
から船尾方向に帯状の領域を並べて配したり、あるいは
マイクロバブルの流れの方向に多数に分布させて配して
もよい。さらに、勾配磁場を形成するための永久磁石も
しくは電磁石を、船体の内側にも設置しておき、それを
補強するように船体の外側からこれまで説明した磁場形
成手段を設けてもよい。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
以下の効果を得ることができる。請求項１に係る摩擦抵
抗低減船は、磁場形成手段を備えているため、気泡が介
在する水中に勾配磁場を形成し、気泡と液体との体積磁
化率の差に起因する磁場浮力を気泡に作用させ、気泡の
位置や動きを適切に制御することで、船体と水との摩擦
抵抗を効果的に低減することができる。しかも、磁場形
成手段は、船体の外側から設置されるため、船体外板の
表面近傍に勾配磁場を効率的に形成することができる。
したがって、マイクロバブルの位置や動きを効果的に制
御して、航行時の動力を低減することができる。

【００２１】請求項２に係る摩擦抵抗低減船では、水と
の摩擦抵抗が大きい領域に磁場形成手段が設置されるた
め、磁場浮力を利用してその領域の摩擦抵抗を効果的に
低減することができる。しかも、磁場形成手段の設置面
積を効果的に少なくできるため、材料コストや作業コス
トの低減を図ることができる。

【００２２】請求項３に係る摩擦抵抗低減船では、磁場
形成手段が船体外板の塗料に混入される粉体状の磁石で
あるので、この塗料を塗布するだけで、船体の外側から
しかも所望の領域に勾配磁場を容易に形成することがで
きる。

【００２３】請求項４に係る摩擦抵抗低減船では、磁場
形成手段が薄い板状部材であるので、船体外板に簡単に
磁場形成手段を設置でき、船体の外側に勾配磁場を容易
に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る摩擦抵抗低減船の一実施形態を
示しており、（ａ）は船首近傍の要部構成図、（ｂ）は
船底の様子を示す図である。

【図２】 図１の気体放出部を示す縦断面図である。

【図３】 船体外板近傍の勾配磁場を説明するための図
である。

【図４】 本発明の他の実施形態を示しており、船底の
様子を示す図である。

【符号の説明】

ＭＢ マイクロバブル Ｓ 摩擦抵抗低減船 １０ 船体外板 ２１ 第１の気体放出部 ２１ａ 第１の放出口 ２２ 第２の気体放出部 ２２ａ 第２の放出口 ２３、２４ 気体導入パイプ ２５、２６ 気体通路 ４０、４１ 磁場形成手段

フロントページの続き (74)上記２名の代理人 100064908 弁理士 志賀 正武 （外１名） (72)発明者 若山 信子 茨城県つくば市東１丁目１番地 工業技術 院物質工学工業技術研究所内 (72)発明者 高橋 義明 東京都江東区豊洲二丁目１番１号 石川島 播磨重工業株式会社東京第一工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水中の船体外板表面に気泡を放出しなが
   ら航行する摩擦抵抗低減船であって、 船体の外側から前記船体外板に設置され、水中に勾配磁
   場を形成する磁場形成手段を備えることを特徴とする磁
   場を利用した摩擦抵抗低減船。
2. 【請求項２】 前記磁場形成手段は、水との摩擦抵抗が
   他に比べて大きい船体外板の所定領域に設置されること
   を特徴とする請求項１記載の磁場を利用した摩擦抵抗低
   減船。
3. 【請求項３】 前記磁場形成手段は、前記船体外板の塗
   料に混入される粉体状の磁石であることを特徴とする請
   求項１または２記載の磁場を利用した摩擦抵抗低減船。
4. 【請求項４】 前記磁場形成手段は、薄い板状部材であ
   ることを特徴とする請求項１または２記載の磁場を利用
   した摩擦抵抗低減船。