JP2004524207A - 表面上のくぼみ - Google Patents

Abstract

本発明は、物体周囲の媒体に対する抵抗を減らすための物体表面の構造体に関する。この構造体には、複数のくぼみ（１・２０・４０・６０）が形成されている。表面上のくぼみは貫通していない。またくぼみは、ディスラプションエッジ（５・２５・４４・６６）を有している。これらのディスラプションエッジは、穴に近接している。またくぼみの上流に位置しているディスラプションエッジは、流動媒体がディスラプションエッジを通過したとき、表面に対して最も近い流動媒体を乱流に変化させる。またくぼみの深さは、表面から計測して少なくとも約２ミリである。
【選択図】図３

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体周囲の媒体に対する抵抗を減らすための物体表面の構造体に関する。特に、本発明は、船における水や空気の抵抗を減らすための構造体に関する。また本発明における物体表面の構造体は、以下におけるパイプの内部においても適用可能でもある。例えばガスや液体を運ぶパイプ、換気システム用のパイプ、炭化水素用のパイプ、貯水庫から水力発電所へ水を運ぶためのパイプ、波力発電所にあるダウンパイプなどである。
【０００２】
自然界において、多くの動物が流体抵抗を減らす表面構造体を有していることが知られている。例えば、鳥は表面が荒れた羽を有している。また一般的な魚、鮫、そしてエイは、鱗を有している。これらの表面構造体に共通なことは、体の表面上の空気や水の層流を乱して、乱流を発生させることである。物体に対する流動媒体の速度は、物体表面近くにおいて概ねゼロになるので、層流は高い流動抵抗を発する。このように、物体の表面近くに薄い流体の層が形成されるので、物体に対して抵抗力が発生する。そして、荒れた表面がこの薄い層を乱すことにより、小さな乱流を作るのである。これにより、流動抵抗がかなり減ることになる。
【０００３】
上記の効果をもたらすことのできる、いくつかの表面構造体が知られている。
【０００４】
例えば特許文献１には、飛行機の翼の上側で使われている表面構造体を開示している。表面はパンチされて穴があいている。パンチされた部分は、表面に対し、ある角度で舌のように突き出ている。穴の形に従って、空気が翼の内側から穴を通りぬけて出てくる。この空気流は、上方向の力を作りだし、機体に揚力を与える。
【特許文献１】
米国特許第３１８４１８５号明細書
【０００５】
特許文献２は、特許文献１と類似の装置を開示している。特許文献２では、湾曲した薄板が、翼の上部に配置されている。細長い穴（スロット）が、薄板の間に作られている。空気が翼の内側からこのスロットを通して流出し、薄板の曲線に沿って流れる。
【特許文献２】
米国特許第３４５１６４５号明細書
【０００６】
特許文献３は、物体の表面上にある要素を開示している。各々の要素は開口部８を有していて、その開口部８の上には、リブ４が配置され、リブ４の間には、浅い溝５がある。同文献において、いくつかの要素は順々に配置されているので、開口部８とリブ４は一列に並んでいる。各要素の間にはスリット９が形成されていて、このスリット９は、開口部８により形成されたパッセージ６Ａを通過してパッセージ６Ｂへとつながっている。低圧の流体が通過するとき、その流体はパッセージ６Ａおよびパッセージ６Ｂへと流入する。高圧の流体が通過する場合は、流体はパッセージ６Ａとパッセージ６Ｂへと流入する。この働きにより、流動抵抗を減らすことができる。
【特許文献３】
米国特許第４７５３４０１号明細書
【０００７】
特許文献４は、三角リブの形をした突起物で構成されている表面を開示している。比較的大きなリブがいくつか配置されていて、多くの小さなリブが、大きなリブの間に配置されている。また、ある実施形態においては、この三角リブは、流れの下流に行くほど断面が大きくなっている。
【特許文献４】
米国特許第５３８６９５５号明細書
【０００８】
特許文献５は、様々な船体の表面上の構造体を開示している。ある実施形態において、これらの構造体は波状の突出物である。また他の実施形態において、これらの構造体は不規則な波状の突出物である。さらに空気層を形成するために、空気を表面に送りこんでいる。
【特許文献５】
米国特許第５４７６０５６号明細書
【０００９】
これまでに紹介してきた幾つかの構造は、流動抵抗を減らすことに関して、ある程度の効果はあるものの、まだ多くの欠点を有している。特許文献１および特許文献２に開示されている装置は、表面に空気が出てくるくぼみが必要である。また特許文献４には、高さ７０マイクロメートルで、ほぼ三角形のとても小さいリブを設置することが開示されている。同文献のある実施形態において、この三角リブは、空気の流動方向を横切るように配置され、またある実施形態において、この三角リブは、空気の流動方向に沿って配置されている。三角リブがある場所において乱流が発生するが、三角リブのサイズの影響で、この乱流からは限られた効果しか得られない。また、この三角リブは、速度が約マッハ０．５前後の高速時にしか効果がない。つまり、例えば普通の船や速度が速いタイプのボートに対しては、ほとんど効果がない。さらに悪いことに、この三角リブは船体用の汚れ止めにより完全に覆われてしまうので、効果はゼロになってしまう。
【００１０】
また特許文献５において、船体の表面に対して空気を流出することが記載されているが、これを実現させるためには、高価なポンプを導入したり、動作させるためのエネルギーが必要となってくる。
【００１１】
特許文献３における発明が、以上の中では最も優れたものであろうが、理想とは程遠い。更に構造上において、かなり複雑なため製造が難しい。
【００１２】
また特許文献６は、タービン・ブレード（翼）用の表面構造体を開示している。これらブレードは、髪の形をしているか、あるいは隆起体の形をしている。この隆起体は、錐体が半分に切られた形で表面に付いている形をしている。
【特許文献６】
英国特許出願公開第２０６８５０２号明細書
【００１３】
また特許文献７においても、ブレード（翼）用の表面構造体が開示されている。これらブレードは、表面から突き出ている細い翼の形か、あるいは流れの下流に行くにつれて高さが高くなる三角の形をしている。
【特許文献７】
西独国特許出願公開第３５３４２６８号明細書
【００１４】
これまでに挙げてきた隆起した形の構造体の不利益な点は、まず外部からの力により簡単に損傷を受けやすいということである。さらに、くぼみと比べて、あまり大きな効果は期待できない。
【００１５】
そこで本発明は、上記の不利益な点を克服すると共に、効率面、経済面、製造面、そしてメンテナンス面に関して最大限の効果をもたらすことを目的とする。また、船やボート、水力発電のパイプなどの低中速度での使用に適した表面構造、または中速度の旅客機に適した表面構造を提供することを目的とする。
【００１６】
以下、添付されている図面を参照しながら、本発明に関する詳細な説明を以下に記載する。
【００１７】
図１は表面構造体の斜視図を示し、図２は流動方向に沿った断面図を示す。表面構造体１は、表面３（例えば船体）に作られたくぼみである。各々の表面構造体１は、傾斜した滑走面２を有している。この滑走面２は、ある角度で表面３から伸びているものであり、詳しくは表面３の面上にある下流エッジ４から、表面３から少し下に位置する上流のディスラプションエッジ５へ伸びている。この深さは最低１ミリ、好ましくは５〜１５ミリである。しかしながら、表面構造体１を通過する流れの速度によって、最高２５ミリまで許容される。また滑走面２の全長の長さは、１５〜６０ミリまたはそれ以上が好ましい。しかしながら、表面構造体１を通過する流れの速度に応じて、この範囲外であってもよい。
【００１８】
エッジ６とエッジ７は、下流エッジ４および上流のディスラプションエッジ５の間から伸びている。これらのエッジ６とエッジ７が、下流エッジ４から上流のディスラプションエッジ５へ収束していることにより、滑走面２は、上流側が下流側より広くなっている。側壁９は、エッジ６と表面３との間、またエッジ７と表面３との間にある。上流のディスラプションエッジ５、およびエッジ６とエッジ７は、表面構造体１を通過する媒体に対し、ディスラプションエッジとして作用する。
【００１９】
上流のディスラプションエッジ５から表面３に対して、端壁８が伸びている。端壁８は湾曲しているので、表面構造体１の水平な部分はパイのような形をしている。しかしながら、端壁８は真っ直ぐでもよい。この場合、表面構造体１は、先端の切られた三角形になる。
【００２０】
矢印１０は、例えば喫水線下にある船体の表面上にある表面構造体１上を通過する流体の方向を示している。水は、ディスラプションエッジ５およびエッジ６とエッジ７を流れている。このとき、層流が乱されて、表面３に対する水の付着力が、かなり削減される。
【００２１】
図３は、図１の表面構造体１とほぼ似通った表面構造体２０を示しているが、図１と違う点は、エッジ２６とエッジ２７が、収束しているのではなく、広がっている点である。また表面構造体２０は、下流エッジ２４から上流エッジ２５の表面へ、斜めに伸びている底面２２を有している。エッジ２６とエッジ２７は、下流エッジ２４と上流エッジ２５の間を伸びている。エッジと表面の間には、側壁２９がある。
【００２２】
上記のエッジ２６と２７は、上流のエッジから下流のエッジに向かって広がっているので、下流側の底辺が上流側の底辺より大きくなっている。
【００２３】
端壁２８が、上流エッジ２５から、かつ表面３から下に向かって伸びている。端壁２８は湾曲しているので、表面構造体２０の水平な部分はパイのような形をしている。しかしながら、端壁２８は真っ直ぐでもよい。その場合、表面構造体２０は先の切られた三角形になる。また垂直的に見たとき、表面構造体２０は、表面構造体１と同じ形状である。
【００２４】
図３において、矢印３０は、表面構造体２０上を流れている流体の方向を示している。もし表面構造体２０が、例えば船体で使用されたら、層流がディスラプションエッジとしての働きをしている上流エッジ２５により乱され、表面構造体２０により作成されたくぼみの中に渦流３１が発生する。
【００２５】
このくぼみの最大の深さは、少なくとも１ミリ、好ましくは５〜１５ミリであるが、しかしながら表面構造体２０における流れの速度によって、１５ミリ以上であってもよい。底面２２の長さは、好ましくは１５〜６０ミリであるが、表面構造体２０における流れの速度によって、この範囲を超えてもよい。
【００２６】
図３における表面構造体２０は、約４０ノット前後以上の高速時に、最も適した構造となっている。
【００２７】
図４と図５は、滴状のくぼみ４１の形をしている表面構造体４０を示している。滴状のくぼみ４１において最も幅の広い端４２は、円の一部分の形をしていて、下流に面している。一方、最も幅の狭い端４３は、先端が上流に面している錐形の形を成している。広い方の端において、表面３との境がエッジ４４である。このエッジ４４は、表面３を流れる媒体に対して、ディスラプションエッジとして作用する。流動媒体は、矢印５０に方向に流れ、エッジ４４において乱されて渦流になる。このくぼみ４１の最大の深さは、少なくとも１ミリ、好ましくは５〜１５ミリであるが、しかしながら表面構造体４０における流れの速度によって、２５ミリ以上であってもよい。また、くぼみの流れ方向における長さは、１５〜６０ミリであることが望ましい。
【００２８】
このくぼみは、下流方向に向かって先細りになるのではなく、図３の実施形態において示されている通り、下流方向に向かって広がっていてもよい。
【００２９】
図６は、他の表面構造体を示している。この構造は、１５ノットより低い速度において最も適している。表面構造体６０は、スクリーン型の壁６１により形成されている。また壁６１は、円錐台の１部、あるいは斜めになった円柱の壁の１部であってもよい。このように壁６１により、上流側は凸型の形、下流側は凹型の形をしたくぼみ６２となる。先端エッジ６６、および２つの側面エッジ６７と６８が、壁６１上に形成されている。これらのエッジは、流動媒体に対するディスラプションエッジとして働く。
【００３０】
好ましい実施形態において、壁６１は、プレート６４にパンチングすることにより作られ、これで穴６５が作成される。次に、このプレート６４が表面３に対して固定されて、穴６５が塞がれる。固定させるためのエージェント(媒体)は、糊、釘、ねじ、あるいは溶接などが可能であるが、その媒体は、プレート６４と表面３の素材により決定される。流動媒体は、矢印７０の方向に向かって流れる。流動媒体、例えば水が壁６１に当たった時、流動媒体は、スクリーン型の壁６１の横側、あるいは上側のどちらか一方に流れる。そして水が、ディスラプションエッジとしての働きを有している側面エッジ６７と側面エッジ６８、および先端エッジ６６を通過するとき、渦流７１、渦流７２及び渦流７３が発生する。このようにして、表面３を流れていた層流は乱されることになる。
【００３１】
表面構造体６０の高さは、少なくとも１ミリ、好ましくは５〜１５ミリであるが、しかしながら、表面構造体６０における流れの速度によって、２５ミリ以上であってもよい。また表面構造体の流れ方向の長さは、１５〜６０ミリであることが望ましい。
【００３２】
図１、図３、図４、および図６に示されている通り、表面構造体は、千鳥格子状に（更に好ましくは列をなして）に配置されているので、ある列における表面構造体は、隣の列の表面構造体の間に位置している。
【００３３】
導入部分で言及した通り、本発明は、パイプトレンチやそれに類似したもの等、パイプの内部にも適用可能である。例えば排気煙突について、これまでの実施形態で述べた表面構造体を用いたストリップが、テープで排気煙突内の適当な場所に留められていてもよい。この場合ストリップは、例えば、プラスチックで作られてもよい。また流体を運ぶ新型のパイプについて、類似の表面構造体が、パイプの終端に、リングの形で設置されてもよい。このリングは、各々のパイプ接合部において、乱流を発生させる働きを有している。さらにリング同士が接近するにつれて、流動速度もアップする。またリングの材質、例えばプラスチックは、層流層を壊すくらいの硬さが必要がある。なぜなら、もし材質が柔らかいと、本発明における効果は期待できないからである。
【００３４】
また本発明における表面構造体は、飛行機の翼や風車の羽根の風を切る部分にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による表面構造体の断面から見た斜視図を示している。
【図２】図１における表面構造体を縦から見た断面図を示している。
【図３】本発明による表面構造体の別の実施形態を示している。
【図４】本発明による表面構造体の第３実施形態を示している。
【図５】図４における表面構造体を縦から見た断面図を示している。
【図６】更なる表面構造体を示している。
【符号の説明】
【００３６】
１・２０・４０・６０……表面構造体、２……滑走面、３……表面、４・２４……下流エッジ、５……ディスラプションエッジ、６・７・２６・２７・４４……エッジ、８・２８……端壁、９・２９……側壁、１０・３０・５０・７０……矢印、２２……底面、２５……上流エッジ、３１・７１・７２・７３……渦流、４１……滴状のくぼみ、４２……最も幅の広い端、４３……最も幅の狭い端、６１……壁、６２……凸型(上流側)および凹型(下流側)の形をしたくぼみ、６４……プレート、６５……穴、６６……先端エッジ、６７・６８……側面エッジ

Claims (7)

1. 物体周囲の媒体に対する抵抗を減らすための物体表面の構造体で、かつ複数のくぼみを有する前記構造体において、
   表面は貫通しておらず、前記くぼみはディスラプションエッジを有し、前記くぼみは前記ディスラプションエッジに近接し、前記くぼみの上流に位置している前記ディスラプションエッジは、流動媒体が前記ディスラプションエッジを通過したとき、前記表面に対して最も近い前記流動媒体を乱流に変化させ、前記くぼみの深さは、前記表面から計測して少なくとも約２ミリであることを特徴とする構造体。
2. 前記くぼみの底面は、流れの下流に行くにつれて広くなることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
3. 前記くぼみの底面は、湾曲した端壁における前記ディスラプションエッジから始まることを特徴とする請求項２に記載の構造体。
4. 前記くぼみは、前記表面上に下流エッジ、および下流に行くにつれて浅くなる上流部分を有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
5. 前記くぼみは、通常流れの下流に行くにつれて先端が狭くなる、滴状の形状をしていることを特徴とする請求項４に記載の構造体。
6. 前記くぼみは、流れの下流で表面と交わる、平らな底面を有していることを特徴とする請求項４に記載の構造体。
7. 前記くぼみの深さは、最低５ミリ、好ましくは５〜１５ミリであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の構造体。

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