JP2019108046A - 空中翼を有する船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】風により推進力を得る新規で有用な船舶を提供する。【解決手段】船体１１の両側にそれぞれ設けられた空中翼１２、１３であって、長手方向に垂直な断面形状が前縁部１６と後縁部１８とで異なる形状を有する、上記空中翼と、上記空中翼の制御手段３３と、風向を測定する風向測定手段３２と、を備え、上記制御手段は、上記風向測定手段によって測定した風向に応じて、上記両側のいずれか一方の側の空中翼を起立し、その空中翼の前縁部から該風を迎えるようピッチを制御して、その空中翼に働く揚力により推進力を得る、船舶が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、空中翼を帆走に利用する船舶に関する。

近年、化石燃料の高騰への対応と地球温暖化対策としての二酸化炭素削減の観点から、近代的帆走技術開発の取り組みが行われている。我が国においても総合工学的な取り組みが続けられている（例えば、非特許文献１参照。）

甲板上に配置された硬帆で形成される横帆を備え、横帆が後方からの風を受けて働く推進力を、主機関の補助的な推進手段とする船舶が知られている。船舶は、帆を必要としないときに、帆の存在を無視できる程度まで格納して、向かい風の下での空力抵抗の低減を図っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２４０５３９号公報

大内一之、「船舶風力利用「ウィンドチャレンジャー計画」、Ｊ．ｏｆ ｔｈｅ ＪＩＭＥ、２０１２、Ｖｏｌ．４７、ｐ５６６−５７１

しかしながら、特許文献１の船舶では主機関により駆動され、風力はあくまでも補助的に利用されるであるので、重油等の化石燃料を消費し二酸化炭素を排出するため、エネルギー資源問題および地球環境問題の観点からは好ましくない。

本発明の目的は、上記の課題およびその他の課題に鑑みてなされたもので、風により推進力を得る新規で有用な船舶を提供することである。

本発明の一態様によれば、船舶であって、船体の両側にそれぞれ設けられた空中翼であって、長手方向に垂直な断面形状が前縁部と後縁部とで異なる形状を有する、上記空中翼と、上記空中翼の制御手段と、風向を測定する風向測定手段と、を備え、上記制御手段は、前記風向測定手段によって測定した風向に応じて、上記両側のいずれか一方の側の空中翼を起立し、上記空中翼の前縁部から該風を迎えるようピッチを制御して、上記空中翼に働く揚力により推進力を得る、上記船舶が提供される。

上記態様によれば、船体の両側に空中翼を備え、その長手方向に垂直な断面形状が前縁部と後縁部とで異なる形状を有しており、制御部が、風向測定手段によって測定した風向に応じて、いずれか一方の側の空中翼を起立し、空中翼の前縁部から風を迎えるようピッチを制御することで、空中翼に働く揚力により推進力が得られる船舶が提供できる。

本発明の一実施形態に係る船舶の概略構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る船舶の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る船舶の帆走原理を概略説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る船舶の前方から風が流入する場合の帆走手法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る船舶の後方から風が流入する場合の帆走手法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る船舶の水中翼の作用を説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係る船舶の概略構成を示す斜視図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る船舶の概略構成を示す斜視図である。図１を参照するに、本実施形態に係る船舶１０は、船体１１の両側に空中翼１２、１３を備える。空中翼１２、１３は、船体１１の両側に一対あるいは複数対設けられてもよい。

空中翼１２、１３は、その長手方向に垂直な断面形状が前縁部と後縁部とで異なる形状、つまり非対称な形状を有しており、航空機の空中翼のように、前縁部から流入する空気流により揚力（後の図３に示す空気力Ｆａ）が発生し、この分力として船舶１０の推進力を得る。

船舶１０は、流入する風の方向に応じて、一方の側、例えば、走行方向に対して右側の空中翼１２を起立してその空中翼１２の揚力により推進力を得る。この際、他方の側である左側の空中翼１３は、転倒されていることが好ましく、これにより、その空中翼１３には風による抵抗が生じない。

空中翼１２、１３は、その基部に回転（旋回）自在の支持部１４を有し、空中翼１２、１３のピッチを変更可能である。ピッチは、空中翼１２、１３の長手方向に沿った軸の周りの回転に対する角度である。ピッチは風の方向に応じて制御される。

支持部１４には空中翼１２、１３の駆動部１５が結合されている。駆動部１５は、例えば、甲板に設けられる。駆動部１５は、制御部（図２に示す制御部３３）の制御によって、空中翼１２、１３の起立、転倒およびピッチの設定が行うことができる。駆動部１５は、例えば、旋回ドライブ（ｓｌｅｗｉｎｇ ｄｒｉｖｅ）装置を用いてもよい。空中翼１２、１３は、起立、転倒を容易に行えるようにカウンターウエイト１２ａ、１３ａを有してもよい。

空中翼１２、１３は、その前縁部にスラット１６とその後縁部にフラップ１８とを有することが好ましい。スラット１６およびフラップ１８は、制御部（図２に示す制御部３３）の制御によって駆動部１５が翼本体部１７との間隙や角度を設定可能である。なお、空中翼１２、１３は可動のスラット１６およびフラップ１８の代わりに固定翼でもよい。

空中翼１２、１３は、船舶１０が停船時、例えば接岸時や港内等での機走時は、両側の空中翼１２、１３は倒すことが好ましく、さらに甲板内あるいは船内に収容することが、貨物の上げ下ろしが容易になる点で好ましい。

船橋１９は、船体１１の船首、中央部、船尾のいずれに設けられてもよい。船橋１９は、空中翼１２、１３が起立していても視界がより確保できるため、船首に設けられることが好ましい。

船体１１の底部には、その中央にセンターボードあるいはキールと称する水中翼が設けられる。その代わりに、特に大型船では、水中翼は、船体１１の両側に少なくとも一対の水中翼２２が設けられてもよい。水中翼２２は、その主面が船体１１の長手方向に対して平行で、鉛直方向から４５度だけ船体１１の上方を向くように傾斜している。これにより、空中翼１２、１３による横力（図３に示す横力Ｎａ）に対抗して船体１１の傾きが抑制される。水中翼２２は、例えば甲板に設けられた支軸によって懸架され、左右の水中翼２２をそれぞれ独立に前後のセット角を調整できるようにしてもよい。これにより、水中翼２２は水流の迎え角を設定できる。船体１１の底部には、舵２０が設けられてもよい。

船舶１０は、水中回転翼２４を備えてもよい。水中回転翼２４は、船体１１の底部のいずれの位置に設けてもよいが、船首の底部に少なくとも一方に設けることが、流速低下が少ない点で好ましい。水中回転翼２４は、一つあるいは複数設けられてもよい。水中回転翼２４は、発電部（図２に示す発電部３４）に結合されており、船舶１０の走行に伴って回転し、その回転エネルギーを用いて発電部（図２の３４）によって発電できる。

甲板上のマスト、船橋１９の屋根等に風向風速計を設けてもよく、また、船舶１０の位置や速度を測定するため、グローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）を設けてもよい。

なお、船舶１０の全長と空中翼１２、１３の長手方向の長さは図１に示す関係に限定されない。また、空中翼１２、１３の数も図１に限定されない。

図２は、本発明の一実施形態に係る船舶の概略構成を示すブロック図である。図２を図１と合わせて参照するに、船舶１０は、空中翼の駆動部１５と、水中翼の駆動部２３と、水中回転翼２４と、舵駆動部３１と、風向風速計およびＧＰＳ３２と、制御部３３と、発電部３４と、蓄電部３５とを備える。

制御部３３は、風向風速計およびＧＰＳ３２等の情報、すなわち、風向、風力、船舶１０の位置および走行方向に基づいて、船舶１０を制御する。制御部３３は、風向風速計およびＧＰＳ３２が測定した風向に基づいて、空中翼駆動部１５を介して、空中翼１２、１３の起立および転倒と、ピッチの制御、スラット１６およびフラップ１８の制御を行う。これにより、船舶１０に流入する風の風向に応じて帆走速度を制御できる。この際、制御部３３は、風向風速計およびＧＰＳ３２が測定した風力にさらに基づいてこれらの制御を行ってもよい。また、制御部３３は、舵駆動部３１を介して舵２０を制御して帆走方向（帆走の際の走行方向）を制御できる。

発電部３４は、水中回転翼２４と結合しており、水中回転翼２４で生じた回転エネルギーにより発電することができ、生み出された電力は蓄電部３５に充電され、制御部３３、その他の船舶１０の様々な機器で利用される。

船舶１０は、様々な発生源から回収された二酸化炭素（例えば、ＣＣＳ（Ｃａｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ Ｃａｐｕｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ）由来の二酸化炭素）を輸送する容器またはタンクと、発電部３４あるいは蓄電部３５からの電力を用いて水電解により水素を生成し、二酸化炭素および水素から触媒等を用いてメタノールに変換する設備（不図示）とを備えてもよい。これにより、風力で帆走する船舶１０の推進力を電気エネルギーに変換し、さらに燃料に変換することで、二酸化炭素の低減と燃料生成とを行うことができ、地球環境問題およびエネルギー資源問題への貢献を図れる。

船舶１０は、機走のためのエンジン（不図示）あるいはモータを備えてもよい。エンジンは、上述したメタノールを燃料とすることができ、モータは発電された電力を用いることができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る船舶の帆走原理を概略説明するための図である。図３を参照するに、風が船体１１の左側前方から流入する場合、空中翼１２を起立する。空中翼１２は、そのキャンバーの内側の面（以下、この面ば、航空機に用いられる空中翼の下面に相当するので、「下面」と称し、その反対側の面を「上面」と称する。）が船体１１の中央側、上面が船体１１から外側を向くように設定される。風速（船体が停止していると仮定した場合の相対風速）χで流入する場合、揚力である空気力Ｆａが発生する。空気力Ｆａは、帆走方向の力つまり推進力Ｔａと、船体の横方向への空気力による横力Ｎａに分解できる。これにより、船舶１０は推進力Ｔａにより船速ｖで紙面左方向に帆走する。なお、船速ｖで帆走する船舶１０に流入する風の風速（真風速）はｕとなる。

この原理により、船舶１０は、流入する風の方向に応じて、空中翼１２のピッチを調整することで空気力Ｆａを制御して推進力Ｔａを制御できる。

空中翼１２の前縁部にスラット１６が設けられることが好ましい。スラット１６を前方に押し出して、翼本体部１７との間に間隙（スロット）を形成し、スラット下面１６ａの空気流を翼本体部上面１７ｂに流す。スラット１６を下面１６ａに折るようにして迎え角（スラット角）を増加する。これにより、空気流が翼本体部上面１７ｂから剥がれて失速することを抑制して迎え角を増加できるので、空気力Ｆａをさらに増加して推進力Ｔａを増加できる。

また、空中翼１２の後縁部にフラップ１８が設けられることが好ましい。フラップ１８を後方に押し出して、フラップ下面１８ａに折るようにしてフラップ角を増加させる。これにより、空中翼１２全体のキャンバーを増加させて、翼本体部下面１７ａおよび上面１７ｂおよびフラップ１８の周囲の圧力分布を変えることで、空気力Ｆａをさらに増加して推進力Ｔａを増加できる。

本実施形態の船舶１０の空中翼１２、１３は、前縁部のスラット１６および後縁部のフラップを有することで、最大揚力係数３．０が実現できる。これにより船舶１０は、十分な推進力Ｔａが得られる。

図４は、本発明の一実施形態に係る船舶の前方から風が流入する場合の帆走手法を説明するための図であり、（ａ）は船体の前方右側から風が流入する場合、（ｂ）は船体の前方左側から風が流入する場合である。図示の便宜のため、船体と空中翼との大きさの比は適宜変更し、また、倒している空中翼の図示を省略している。以下、図３も合わせて参照する。

図４（ａ）を参照するに、船体１１の右側（右舷）前方から風が流入する場合、左側の空中翼１３を起立させる。空中翼１３は、支持部１４を駆動部１５により駆動して前縁部（スラット１６）が右側前方からの風Ｗｄを迎え入れるようにピッチＰｔを設定する。これにより、空中翼１３に空気力Ｆ_ａが発生し、その分力の推進力Ｔ_ａにより船体１１は前方に走行する。なお、この際、右側の空中翼を倒している。

図４（ｂ）を参照するに、船体１１の左側（左舷）前方から風が流入する場合、右側の空中翼１２を起立させる。空中翼１２は、支持部１４を駆動部１５により駆動して前縁部（スラット１６）が左側前方からの風Ｗｄを迎え入れるようにピッチＰｔを設定する。これにより、空中翼１２に空気力Ｆ_ａが発生し、その分力の推進力Ｔ_ａにより船体１１は前方に走行する。なお、この際、左側の空中翼を倒している。

図５は、本発明の一実施形態に係る船舶の後方から風が流入する場合の帆走手法を説明するための図である。図５は、図４と同様に、船体と空中翼との大きさの比は適宜変更し、また、倒している空中翼の図示を省略し、図３も合わせて参照する。

図５を参照するに、船体の後方から風Ｗｄが流入する場合、両側の空中翼１２、１３を起立させ、その下面（キャンバーの内側の面）を後方に向けるようにピッチＰｔを設定する。これによりキャンバーの内側が後方から風を受けるので、前方への推進力を得て走行する。なお、後方からの風に対して、図４と同様にして、空中翼１３は、支持部１４を駆動部１５により駆動して空中翼１３の前縁部（スラット１６）から後方の風を迎え入れるようにピッチＰｔを設定して発生する揚力（空気力Ｆａ）によっても走行可能である。

図６は、本発明の一実施形態に係る船舶の水中翼の作用を説明するための図である。図６を参照するに、船舶１０は船体１１の底部の両側に一対の水中翼２２を備える。水中翼２２は、その主面が船体１１の長手方向（紙面に対して垂直方向）に対して平行で、鉛直方向から４５度船体１１の上方を向くように傾斜している。これにより、空中翼による横力Ｎａと水面からの高さＨ１と積であるモーメントに対して、水中翼２２の抗力Ｎｆと水面からの高さＨ２との積であるモーメントが対抗することで、船体１１の傾きが抑制される。

本実施形態によれば、船舶１０は、船体１１の両側に空中翼１２、１３を備え、その長手方向に垂直な断面形状が前縁部と後縁部とで異なる形状を有しており、流入する風の方向に応じて、いずれか一方の側の空中翼１２、１３を起立し、空中翼１２、１３の前縁部から風を迎えるようピッチを設定することで、空中翼１２、１３に働く揚力により推進力が得られる。

本実施形態の船舶１０は、その全長は特に限定されないが、例えば３５０ｍ級あるいはそれ以上の大型船とすることで、空中翼１２、１３をより多く、および／または長手方向のより長い空中翼１２、１３を備えることができ、同じ風力でもより多くの推進力、つまり効率を高めることができる。それにより、発電能力を高めることができ、その電力により船舶の機走を補助し、また、蓄電でき、さらに上述したメタノール生成設備を運用可能となる。また、本実施形態の船舶１０は、一般の船舶、例えば、物や人を運ぶ商船に加えて、海上発電設備として用いることができる。太平洋では、三陸沖からアリューシャン列島沿いの海域には年間を通して北西風が優勢であるので、日本の太平洋沿岸の港から出港し、その海域へ往路では左舷から、港に戻る復路では右舷から安定しかつ強い風を受けることになる。この風を利用して本実施形態の船舶１０により発電、水素製造、メタノール製造等が可能となる。

図７は、本発明の他の実施形態に係る船舶の概略構成を示す斜視図である。図７を参照するに、本実施形態に係る船舶１００は、２つの左右の船体１０１と、その２つの船体１０１に支持された本体部１０２と、２つの左右の船体１０１に空中翼１２、１３を支持する支持部１４と、支持部１４を駆動する駆動部１１５と、舵２０と、水中翼２２とを有する。空中翼１２、１３は、図１に示す空中翼１２、１３と同様の構造を有する。船舶１００は、本体部１０２の下側に水中回転翼２４が設けられており、本体部１０２内に発電部３４および蓄電部３５を備える。

本実施形態に係る船舶１００は、例えば全長１２ｍ程度の小型船である。船舶１００は、港の周辺を帆走することで発電を行い蓄電部３５に蓄電する。その電力を離島のような化石燃料を使用する発電所のない地域で電力源として用いることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、それぞれの実施形態を組み合わせてもよい。本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内および発明を実施するための形態の欄に記載した事項において、種々の変形・変更が可能である。

１０、１００ 船舶
１１、１０１ 船体
１２、１３ 空中翼
１４ 支持部
１５ 駆動部
１６ スラット
１７ 翼本体部
１８ フラップ
２２ 水中翼
２４ 水中回転翼
３２ 風向風速計・ＧＰＳ
３４ 発電部

Claims (11)

1. 船舶であって、
   船体の両側にそれぞれ設けられた空中翼であって、長手方向に垂直な断面形状が前縁部と後縁部とで異なる形状を有する、該空中翼と、
   前記空中翼の制御手段と、
   風向を測定する風向測定手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記風向測定手段によって測定した風向に応じて、前記両側のいずれか一方の側の空中翼を起立し、前記空中翼の前縁部から該風を迎えるようピッチを制御して、前記空中翼に働く揚力により推進力を得る、前記船舶。
2. 前記制御手段は、前記起立した空中翼の他方の側の空中翼を転倒するように制御する、請求項１記載の船舶。
3. 前記制御手段は、前記風向測定手段によって測定した風向が当該船舶の右側前方から流入する風向の場合は前記船体の左側の空中翼を起立し、前記風向が当該船舶の左側前方から流入する風向の場合は前記船体の右側の空中翼を起立するように制御する、請求項１または２記載の船舶。
4. 前記空中翼は、前記前縁部にスラットと前記後縁部にフラップとを有する、請求項１〜３のうちいずれか一項記載の船舶。
5. 前記制御手段は、前記スラットおよびフラップをそれぞれ適応的に制御する、請求項４記載の船舶。
6. 前記船体の底部の両側に設けられた一対の水中翼であって、その主面が船体の長手方向に対して平行で、鉛直方向に対して船体側に傾斜してなる、該水中翼をさらに備え、
   前記一対の水中翼により船体の傾きが抑制される、請求項１〜５のうちいずれか一項記載の船舶。
7. 前記制御手段は、当該船舶の進行方向に対して前記水中翼の向きを制御する、請求項６記載の船舶。
8. 前記船体の底部に設けられた水中回転翼と、
   前記水中回転翼に結合された発電部と、をさらに備え、
   当該船舶の走行によって前記水中回転翼が回転し、前記発電部により発電を行う、請求項１〜７のうちいずれか一項記載の船舶。
9. 前記制御手段は、前記風向測定手段によって測定した風向が後方から流入する風向の場合は、前記両側の空中翼を起立するように制御して、推進力を得る請求項１〜８のうちいずれか一項記載の船舶。
10. 前記制御手段は、当該船舶が停船する際は、前記両側の空中翼を転倒するように制御する、請求項１〜９のうち、いずれか一項記載の船舶。
11. 当該船舶は、２つの船体と、該２つの船体に支持された本体部とを有する双胴船であり、該２つの船体のそれぞれに前記空中翼が支持されてなる、請求項１〜１０のうち、いずれか一項記載の船舶。

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