JP2008230439A - フィンスラスター - Google Patents

Abstract

【課題】フィンの特性を見直し、船舶等の推進器として利用できる推進システムを構築することにより、船舶等の航行における高速性、経済性、安全性および快適性を追求する。
【解決手段】フィンを船舶等の航行する構造体の底部もしくは喫水線下に取り付け、フィンを高速振動させることによって、高速かつ高効率に航行可能な推進方法を実現させるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、船舶等の推進方法としてフィンを採用するものである。

従来船舶等の推進力は、風力によるヨットなどの帆船を除けば、内燃機関を動力としたスクリューによるものが中心で、フィンは横揺れ防止用のスタビライザーとしての利用はよく知られているが、これには推進のための推力は無く、玩具や研究室レベルのイルカロボットなどの中にはフィンを主動力に利用しているものが散見されるものの、実用化されている一般船舶等にはフィンを主推進力として採用しているものは存在しなかった。

これまで推進用として研究あるいは特許申請されたフィンは、１枚あるいは複数程度での使用を前提としていたため、船舶等の大きさに応じた大きな推力を得るためには必然的にフィンも大型となり、フィンの強度や駆動力等の制約から、一定時間あたりの振動数は極めて低い数値とならざるを得なかったことから、必要な速度を得られず玩具や遊具などを除けば実用化には至らなかったものである。

フィンの設計に当たり、基本的な作動モデルを魚類やイルカなどに求めた事案が主流で、生物体の柔軟性のある尾ビレの構造を模することに拘泥するあまりに、フィンの基本性能をフィンの柔軟性に求めたものが多かったため、実用域の性能に達せず、大型船等への実用化には至らない状況であった。

現在多くの船舶等で、推進するために必要な推力を得る方法としてスクリューが採用されているが、大きな船体をスクリューの比較的小さな翼面で推進させるため、翼面に急激に過大な負荷を生じてキャビテーションやベンチレーションが発生する等性能向上に向けては解決しがたい問題を抱えていた。
そのため、例えば大型タンカーの速度は約１５ノット程度と他の交通運輸手段と比較して非常に低速度のままであり、特殊な船舶を除くと、一般的に大型船舶は低速度を強いられる状況となっている。

スクリューでは大きな船体を後ろから押すようにして進行する構造であることから、船体全体から生じる大きな摩擦や造波抵抗のため、大出力のエンジンを備えているにもかかわらず、他の交通機関等に比較すると格段の低速度という地位に置かれる状況であった。

水の抵抗を減らすため、船底の面積を少なくする必要からその断面形状は半円形に近い形状であるため、風波のある海上では横揺れが大きく、航行の安全性や乗り心地には改善すべき余地が大きい状況であった。

推進器および操舵機が後部に集中しているため、大型船では狭い港内などでは操船が困難で、曳航用のタグボートがなければ入港できないなど、運用上の制約が大きく、運行コストもそれだけ高額となっていた。

港内や沿岸部で強い横風などを受けると、船の操船が非常に困難となり、岸壁への衝突や座礁等の海難事故が避けがたいものとなる場合が多く発生していた

推進器としてのスクリューは、水中でむき出しの状態で回転するという特性から、海洋漂流物や海草などが絡んで航行不能となったり、航行に障害を来たす恐れを常に内在しており、また、転落した乗員等や遊泳中の人間などが巻き込まれて重大な災害に至るケースも見られた。

多くの船舶等には、スクリューは一基備えられているが、漂流物や暗礁等への接触で破損すると直ちに航行不能となり、座礁や漂流事故につながることとなっていた。
また、動力機関は１基または２基程度で、主機関に故障が発生すると航行不能に陥るか、大幅に速度が低下することとが避けられなかった。

船舶安全法による定期検査では、エンジンの分解整備が義務づけられているが、大きくて重量のあるエンジンを搬出して分解整備する作業は、多くの労力と時間を要することとなり、これに伴う多額の直接経費が必要となるだけでなく、船舶等を長期間使用できないことによる間接的な経済的負担も重ねて強いられることとなる状況にある。

船舶等の構造体の底面を中心に、多くの推進用フィンと操船用フィンを配置し、これらを効率よく高速振動させることにより大きな推進力を得るフィンスラスターを採用することで、これまで船舶等が解決困難な問題としていた既述の多くの課題が解決可能となる。

船舶等の構造体の底面に相当数配置されたフィンを、それぞれに取り付けられた振動軸を船底面を通じて水密性のもとに船舶等の内部に引き込み、この振動軸に取り付けたレバーを電気または内燃機関等の動力により一定の角度で往復運動させることで、船底面外部に接続したフィンを振動させ、これにより推進力を得て船舶等を走行させるものである。

フィンスラスターを船舶等の船体の前後左右に船外機の形状で取り付ける場合は、船舶等の構造体の内部に引き込むことなく、フィンの振動軸に取り付けたレバーを動力で往復運動させることで水中のフィンを振動させ推進力を得ることとなる。

フィンに取り付けられている振動軸について、ギアや歯車等により駆動力を転移、伝達させることも可能である。

平板状のフィンでは、振動数が増加してフィンの周囲を流れる水流が速くなると、ある一定の速度でフィンが生み出す推進力とフィン自体から生じる抵抗とが同等となるため、船舶等の速度は全体に掛かる摩擦抵抗等のため更に遅い速度で均衡して、速度が上がらない状態に至ってしまうこととなる。
これを避けるため、本件フィンスラスターではフィンの断面形状をくさび形とし、くさび形の鋭角部分のなす角度をあまり越えないか同程度の狭い角度の範囲内でフィンを振動させることにより、高速水流下でもより以上の速度でフィンを高速振動させて更なる推進力を獲得することを可能としたものである。

フィン１基の推進力は従来主流のスクリューに比較すると相対的には弱いものであるが、フィンの断面形状をくさび形状にし小型化することで、振動の高速化と、高速水流下での推進効率を確保し、船首から船尾にかけて多数のフィンを配置してこれらをそれぞれの位置で順次振動数を上げて最適振動数に制御することにより、全体として従来型のスクリューなどの推進器を大きく上回る高速推進性能を発揮させるものである。
くさび形の鋭角部分の角度によって振動角度と後方へ向かうベクトルが変化するため、推進力特性と高速性特性とが変化することとなるが、船底のフィン設置位置によりこのくさび形の角度を変化させて水流の速度に応じた性能を確保する。

フィンの両側に必要に応じて整流板を配置して推進効率を高めたり、フィン同士を隣り合わせに配置して逆位相で振動させることでより強い水流を発生させる方法、およびフィンを交互に千鳥状に配置する方法、複数以上の整流板の間に高圧空気等を流して船底の摩擦抵抗を劇的に減少させる方法などによりフィンの利用効率を向上させ、全体としての性能向上を図る。

船首部、船尾部および両側の外縁部等にフィンを配置し、個別に３６０度の全方向に回転制御が可能な構造とすることで、通常は船舶等の推進力として使用するほか、船舶等の進路変更や停止・後進にとどまらず、停止状態での横移動や旋回などあらゆる操船が自立的に可能となり、どのような狭い港や水路でも希望する方向に操船しての自力航行が可能となる。

本発明を利用することにより、船舶等の速度が大幅に向上し、海運経済全体の向上に大きく寄与する。

船舶等の底部に多数のフィンや整流板が取り付けられることから、船舶等の横揺れやヨーイングが大幅に減少し、乗り心地や安全性が格段に向上する。

操船の自由度が大きく改善されて、あらゆる方向に自由に航行することが可能となることから、小さい港や水路、運河、河川など水深と船幅巾さえ許容すれば、利用航行が可能となり、船舶等の行動範囲が大きく拡大する。

大型の主機関を廃し、多数の小型の機関か、複数以上の発電機による電気を利用した小型の振動子を利用して多数のフィンを制御、駆動する方式となることから、一部機関の故障や、一定の外部フィンの破損等を生じても、航行の継続に大きな打撃を与える可能性が極めて少なくなり、航行の安全性が飛躍的に向上する。

港内や狭い航路域で突風や強風を受けても、操船による対応力が高くなることから、安全な航行を維持・継続することが従来よりも容易になる。

漂流物や漁網、海藻などがスクリューに絡まるような状況でも、三角形状の保護プレートの作用で絡まることなく後方へ受け流すことができ、安全に航行することが可能となる。

船首と船尾でそれぞれ別方向に操舵することが可能となることから、航行中の船体の旋回性能が向上して緊急時の危険回避能力が改善される。

航行中の船舶等が急に旋回する際には、船体が大きく外側に傾斜することとなって転覆の危険を生じる状況に至ることがあるが、船底の両側に全方向に旋回可能なフィンを設置することで、旋回と同時に船舶等の傾斜を押さえて戻す方向にフィンを駆動させて船体等を安定させ、緊急時の安全性を高めることが可能となる。

大型の主機関を廃することで、これらによる振動や騒音が格段に改善され、船舶等の居住性や乗員等に対する健康上の悪影響が払拭される。

従来個別に設計・製造されるケースが多かった高価格な主機関やスクリューが廃され、小さなフィンのユニットが汎用化されることとなり、船舶等の建造費用の低価格化に寄与することが見込まれる。

発電機による電力で航行するタイプのフィンを採用した船舶等の場合は、内燃機を汎用の発電機とすることで、船舶の定期検査では、発電機を交換するだけで済むこととなり、大幅な費用と期間の短縮が可能となる。

沿岸接岸時に、船内動力を維持する必要から、発電機を回すなどのために主機関を継続的に運転することによって生じる騒音や排気ガス等の環境問題が大きく改善される。

主機関を廃し小型の動力源に切り替えることで、機関の占有空間を大幅に削減し、船舶等の利用可能空間が拡大される。

大型タンカー等は二重船底構造が義務化されているが、バラストタンクとなっている船底部分の一部にフィンの駆動体を設置し、一定数の防水区画に分けて配置することで、船体全体の利用効率が向上し、全体の積載能力の増加と安全性の向上が見込まれる。

大型の船舶等では、船底の全面にフィンを設置することで必然的に二重船底構造となり、船舶の安全性が大きく向上する。

主機関および操舵機が廃されるため、ブリッジの設置自由度が格段に向上し、最適配置が可能となる。

従来のスクリューの特性から、喫水が少ない場合に生じていた推進効率低下の問題が無くなるため、燃料消費が増加するバラスト水の使用などが大きく軽減されるほか、積載量等の多少による航行への影響が少なくなり、船舶等の運用の自由度および経済性が格段に向上する。

船体全体が水没する潜水艦の場合は、表面全面にフィンスラスターを設置可能であり、キャビテーションがネックとなるスクリューとは異なり、フィンの振動性能に上限がないことから、電動型のフィンを採用して本件発明全体を有効活用すれば、発電能力最大電流にバッテリーやキャパシタの電力を加えることで一定時間であれば飛躍的に高速での航行が可能となり、また、低速域においてはスクリューに比較してフィンが発生する音波が極めて小さくなることで探知回避性能が格段に向上する。

船底の船首近くから船尾付近にかけて、振動方向固定型のフィンスラスターのフィンを一列に一定間隔で設置し、これを複数列以上並べ、その列の長さと同等程度の整流板をフィンの列を挟むように設置する。
これらのフィンや整流板の周囲を、推進力を全方向回転可能型のフィンスラスターで囲むように配置し、全てのフィンスラスターの駆動や方向回転制御は、設置された場所によって細かなコントロールが必要なことから、発電機やバッテリーからの電力で行うのがもっとも効率的である。

整流板と整流板の間を通過するように、整流板の船首側先端付近の船底から高圧気体を噴出させることで、フィンスラスターが生成する高速水流と船底や整流板との間にこの気体がベアリングのように入り込むため、水流と船体との間で発生する摩擦抵抗が大幅に減少し、フィンスラスターの性能向上に大きく寄与する。

図１はフィンスラスターを装備した船舶を横から見たイメージを描いたものである。

図２はフィンスラスターのユニットを船底部分を省略して船内側と船底の外側を分かりやすく図示したものである。
図中の防護プレートは上面部は船底に固定される。
電磁石を駆動・制御する配線は省略されている。

図４と図５は、推進力を平面上の全方向に回転可能なフィンスラスターの側面図と平面図であり、防護プレートは船底に固定されてはおらず、航行中にフィンと共に方向転換することがあり、大きな水の抵抗を受けるため固定型の防護プレートよりも多少面積が少なくなる。

現在はパイプ内の送風や液体の圧送などには、主としてスクリューやプロペラが使用されているが、フィンの構造が単純である点や、拍動があるため内部で沈殿しにくいことなどが利点となる分野では、新たな圧送機構として利用されることが十分に期待できる。

フィンスラスターの基本的なイメージである フィンスラスターの最小ユニットとなる単体を、船底面を省略して見やすく表示したものである フィンスラスターの船底下と船内の側面の断面図である。 上記に同じであるが、全方向可変型のフィンスラスターを例示している。 全方向可変型のフィンスラスターを上から見た概要図である。波線は船底下の防護プレートとフィンを示している。 船底面にフィンスラスターを２列配置し、その両側に整流板を取り付けた例を示している。整流板の外側船底に推進方向可変型のフィンスラスターを配しており、整流板が２枚のため圧縮空気等の噴出口は１カ所となった例である。 船首側から見たフィンスラスターと整流板の状況である。この例ではフィンスラスターのそれぞれの列について整流板を設けた場合を例示している フィンスラスターの基本的な作動部分であるフィンと防護プレートとの配置、組合せ状況を示したものである。 上記組合せの状況を船首側と船尾側から見た外観図。 フィンスラスターと整流板との取り付け状況を船尾側から見た設置例。

Claims (11)

1. 金属等硬質材料で作られた長方形の板の１辺に沿ってその板を振動させるための軸棒を取り付けたフィンを、フィンに接続する軸棒を船底を通して船内に引き込む方法により、船舶等の航行する構造体の底部もしくは喫水線下に取り付け、この軸棒を動力により狭い角度で往復回転運動させることで、軸棒につながったフィンを振動させて船舶等の推進力を得るフィンスラスターで、これを単独または複数個以上並べ、フィンを高速振動させることによって大きな推力を発生させるフィンスラスター
2. フィンスラスターのフィンの形状について、軸部分が一番厚みがあり、軸から離れる方向の先端部に向かって徐々に薄くなっていく断面がくさび形の請求項１のフィンスラスターのフィンの形状
3. フィンスラスターのフィンを高速振動させる場合に、請求項２により振動軸部分と軸から離れる方向の先端部分とのフィンの厚みの違いによって生じるくさび型の鋭角の角度相当程度を越えない範囲内の角度でフィンを往復振動させる振動方法
4. 請求項１のフィンスラスターの推力向上を図るため、単独または複数以上のフィンスラスターのフィンを左右から一定の間隔で挟むように設置する整流板
5. 請求項４の整流板について、より多くの推力が得られるよう板のフィン側断面が弧状をなしている請求項４の整流板の形状
6. 請求項４の整流板について、先頭のフィンスラスターから末尾のフィンスラスターにかけての連続した一枚の板とし、これを複数以上設置することによって生じる整流板と整流板との間の船首側末端付近の船底に、それぞれ高圧空気や排気ガス等の気体噴出口を設け、噴出された空気等が進行に伴う水流によって整流板の間に閉じこめられた状態で船尾方向へ移動することにより、船底と海水等との摩擦係数を減少させ、その結果フィンによって生じる水流速度がより高速となって全体としてのフィンスラスターの性能を向上させる気体活用方法
7. 船舶等の推進および操船、姿勢制御、または安定性確保のために設置する振動軸を垂直とする平面上の全方向に推力を向けることが操作可能な構造のフィンスラスター
8. 請求項１のフィンスラスターについて、船首側にある先頭のフィンより後方のフィンに向けて、順次フィンの振動数を上昇させることにより、フィンスラスターで生成される水流を徐々に加速させて、より強い推進力を獲得する制御方法
9. 請求項１のフィンスラスターについて、フィンの前方側に、振動軸に近接して取り付けるフィンと反対側の前縁が傾斜した三角形状で、前縁部は薄く、フィンの振動軸に接する部分は振動軸部分の厚みと同等または軸に近い厚みを持つ防護プレート
10. 請求項１のフィンについて、振動軸の根本側の船底に沿った辺と、その辺と向かい合うフィンの先端側の辺について、水流が船尾方向に効率よく流れることを補助する目的で、上下の両辺部全体に短い翼状の突起を設けた請求項１のフィンスラスターのフィン
11. 推進用のフィンを有する船舶等で、前記１から10までの請求項のいずれかに記載の特徴を有するフィンスラスター

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