JP2024021241A - 船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】帆走時における推進効率を向上できる船舶を提供する。
【解決手段】船舶１は、風力によって船体１１を推進させる複数の風力推進部１０を備える。そのため、船舶１は、風が吹いたときには、風力推進部１０による推進力で帆走を行うことができる。ここで、複数の風力推進部１０は、他の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ（第１の風力推進部）に比して小さい制御帆１０Ｄ（第２の風力推進部）を有する。これにより、船舶１は、小さい制御帆１０Ｄにてモーメントを調整することで、他の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃによるモーメントとの釣り合いを調整することができる。従って、舵の操作（当て舵）によらず、帆走時における船体１１の旋回を抑制することができる。以上により、帆走時における推進効率を向上できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、船舶に関するものである。

近年、ＣＯ_２等のＧＨＧガスの削減のために、風力等の再生可能エネルギーを用いて推力を発生する船舶が知られている。例えば、特許文献１に記載された船舶は、プロペラによる推進器に加えて、船体上に、風力によって船体を推進させる風力推進部を備えている。

特開２０２０－４５０１８号公報

ここで、上述のような船舶は、ロータ帆などを有する風力推進部を船体に複数備えている。船舶は、全ての風力推進部において最大の推力が得られるように各風力推進部を制御する。船舶においては、風速の変化によって船体が旋回してしまうことがあり、当該旋回に対して舵の操作（当て舵）を行うことで、当該旋回に対処していた。しかしながら、このような当て舵の抵抗によって帆走の推進効率が低下するという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、帆走時における推進効率を向上できる船舶を提供することを目的とする。

本発明に係る船舶は、船体と、風力によって船体を推進させる複数の風力推進部と、を備え、複数の風力推進部は、他の第１の風力推進部に比して小さい第２の風力推進部を有する。

本発明に係る船舶は、風力によって船体を推進させる複数の風力推進部を備える。そのため、船舶は、風が吹いたときには、風力推進部による推進力で帆走を行うことができる。ここで、複数の風力推進部は、他の第１の風力推進部に比して小さい第２の風力推進部を有する。これにより、船舶は、小さい第２の風力推進部にてモーメントを調整することで、他の第１の風力推進部によるモーメントとの釣り合いを調整することができる。従って、舵の操作（当て舵）によらず、帆走時における船体の旋回を抑制することができる。以上により、帆走時における推進効率を向上できる。

複数の風力推進部は、船体に前後方向に並ぶように配置され、第２の風力推進部は、前後方向における端部側に配置されてよい。この場合、第２の風力推進部は、前後方向における端部側の位置にて、他の第１の風力推進部によるモーメントとの釣り合いの調整を行うことができるため、効率よく旋回のモーメントを抑制することができる。

少なくとも第２の風力推進部は、エネルギーの供給によって駆動してよい。第２の風力推進部の小型化を図ることができる場合、当該第２の風力推進部に対するエネルギー供給機構の小型化を図ることができる。すなわち、第１の風力推進部と同じ大きさの風力推進部を設けて、当該風力推進部へのエネルギーを低減してモーメントを調整する場合、エネルギー供給機構が過剰となるが、第２の風力推進部を小さくすることで、エネルギー供給機構が過剰となることを抑制できる。

本発明によれば、帆走時における推進効率を向上できる船舶を提供できる。

本発明の実施形態に係る船舶の一例を示す概略断面図である。 （ａ）はロータ帆の原理について説明する図であり、（ｂ）は船舶の平面図である。 制御システムを示すブロック図である。 モーメントについて説明するための概略平面図である。 変形例を示す図である。 変形例を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、「前」「後」の語は船体の船首と船尾を結ぶ方向に対応するものであり、「横」の語は船体の左右（幅）方向に対応するものであり、「上」「下」の語は船体の上下方向に対応するものである。

図１は、本発明の実施形態に係る船舶の一例を示す概略断面図である。船舶１は、例えば原油や液体ガス等の石油系液体貨物を運搬する船舶であり、例えば、オイルタンカーである。なお、船舶は、オイルタンカーに限定されず、例えば、バルクキャリア、その他、様々な種類の船舶であってよい。

船舶１は、図１に示すように、船体１１と、推進器１２と、複数の風力推進部１０と、を備えている。船体１１は、船首部２と、船尾部３と、機関室４と、貨物室６と、を有している。船体１１の上部には（または船内には）上甲板１９が設けられている。船首部２は、船体１１の前方側に位置している。船尾部３は、船体１１の後方側に位置している。

船首部２は、例えば満載喫水状態における造波抵抗の低減が図られた形状を有している。推進器１２は、船体１１の推力を機械的に発生させるものであり、例えばスクリューシャフトが用いられている。推進器１２は、推進時に船尾部３における喫水線（海Ｗの水面）よりも下方に設置される。また、船尾部３における喫水線よりも下方には、推進方向を調整するための舵１５が設置されている。

機関室４は、船尾部３の船首側に隣り合う位置に設けられている。機関室４は、推進器１２に駆動力を付与するためのメインエンジン１６を配置するための区画である。上甲板１９上には、機関室４の上方に居住区２２、及び排気用の煙突２３が設けられる。貨物室６は、船首部２と機関室４との間に設けられている。貨物室６は、貨物を収容するための区画である。貨物室６は、外板２０と内底板２１の二重船殻構造を採用することによって、複数の貨物室２６と複数のバラストタンク２７とに区画されている。バラストタンク２７は、船の大きさ等に応じた量のバラスト水を収容する。

風力推進部１０は、風力によって船体１１を推進させる機構である。本実施形態では、風力推進部１０としてロータ式の風力推進機構が採用されている。風力推進部１０は、船体１１の上甲板１９上に前後方向に並ぶように複数（ここでは四個）設けられている。図２（ａ）に示すように、風力推進部１０は、上下方向に延びる円柱状のロータ帆３１と、ロータ帆３１を回転させる電動機３２と、を備える。ロータ帆３１に対して横側から風ＷＤが吹き込むと、後側ではロータ帆３１の回転方向と風ＷＤの向きが互いに反対となり、前側ではロータ帆３１の回転方向と風ＷＤの向きが一致する。これによって、ロータ帆３１の前後で圧力差が発生することで、前側へ向かう推力ＰＦが発生する（マグナス効果）。図２（ｂ）に示すように、船体１１に対して横側から風ＷＤが吹くことで、各風力推進部１０の推力ＰＦにより、船体１１は前方へ進む。なお、以降の説明においては、複数の風力推進部１０を前から順に「主帆１０Ａ」「主帆１０Ｂ」「主帆１０Ｃ」「制御帆１０Ｄ」と称する場合がある。

図３を参照して、制御装置５０を備える制御システム１００について説明する。制御装置５０は、上述のような複数の風力推進部１０を有する船舶１を制御する装置である。制御装置５０は、複数の風力推進部１０を制御することで、船体１１を旋回させるモーメントを抑制する。

具体的に、制御システム１００は、前述の複数の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ（第１の風力推進部）と、制御帆１０Ｄ（第２の風力推進部）と、推進器１２と、舵１５と、を備える。また、制御システム１００は、これらの機器を制御する制御装置５０と、情報検出部５１と、を備える。

制御装置５０は、プロセッサ、メモリ、ストレージ、通信インターフェースを備え、一般的なコンピュータとして構成されている。プロセッサは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算器である。メモリは、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶媒体である。ストレージは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶媒体である。通信インターフェースは、データ通信を実現する通信機器である。プロセッサは、メモリ、ストレージ、通信インターフェースを統括し、後述する制御部３０の機能を実現する。制御部３０では、例えば、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより各種の機能を実現する。制御部３０は、複数のコンピュータから構成されていてもよい。

制御装置５０は、主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの電動機３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ、及び制御帆１０Ｄの電動機３２Ｄへ制御信号を出力することで、ロータ帆３１を所望の回転数で回転させる。制御装置５０は、推進器１２の駆動部（メインエンジン１６等）へ制御信号を出力することで、推進器１２を動作させる。制御装置５０は、舵１５の駆動部へ制御信号を出力することで、舵が所望の角度となるように動作させる。

情報検出部５１は、制御装置５０の演算に必要な各種情報を検出する。情報検出部５１は、風向き、及び風速などの風に関する情報を検出可能な風向風速計５２を有する（図１参照）。情報検出部５１は、舵１５の角度を検出する舵角計５３を有する（図１参照）。また、情報検出部５１は、船体１１の姿勢・動揺などの船体運動や方位を計測する計測器５４を備える（図１参照）。その他、情報検出部５１は、天気予報等の予め風の状態を把握しておくことができるような情報受信部を備える。情報検出部５１は、ＧＰＳなど、船体１１の位置を検出可能な計測器を備える。情報検出部５１は、検出した情報を制御装置５０へ送信する。

次に、主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ、及び制御帆１０Ｄについて、図４（ａ）を参照して詳細に説明する。制御帆１０Ｄは、他の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに比して小さい帆である。

上述のように、ロータ帆３１を有する風力推進部１０は、電動機３２に対するエネルギーの供給によって駆動する。制御帆１０Ｄは、他の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃよりも小さいため、エネルギーの供給量も少なくてよく、それに比例して電源や油圧容量、送風機容量、モーターサイズ等のエネルギー供給機構も小型化することができる。そのため、制御帆１０Ｄの電動機３２Ｄは、他の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの電動機３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃよりも小さくてよい。その他、制御帆１０Ｄのエネルギー供給機構として関わる機器、機能全般を、他の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのものより小さくすることができる。

制御帆１０Ｄは、前後方向における端部側に配置される。制御帆１０Ｄは、船体１の後端部側に配置される。本実施形態では、制御帆１０Ｄは、居住区２２よりも後側に配置される。従って、主帆１０Ｃと制御帆１０Ｄとの間の離間距離は、主帆１０Ｂと主帆１０Ｃとの間の離間距離、及び主帆１０Ａと主帆１０Ｃとの間の離間距離よりも大きい。このように、最後端の制御帆１０Ｄを居住区２２の後ろに配置することで、居住区２２直前の主帆１０Ｃと操作室との距離が拡がり、視覚的に好影響となる。ただし、制御帆１０Ｄは、居住区２２より前側に配置されてもよい。

ここで、制御帆１０Ｄが主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに比してどの程度小さいかについて説明する。制御帆１０Ｄの大きさは、船体の設計条件に依存するが、例えば８万トンのタンカーでロータ帆３１を四本有するものを想定するものとする。この場合、本発明の考え方に基づいて主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと制御帆１０Ｄの役割を切り分けると、重心から最も遠い場所に設置される船体後方の制御帆１０Ｄは他の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと比較して最大揚力で約２０％分小さくすることができる。揚力を小さくする方法としてロータ帆３１の物理的サイズ（直径・高さ、面積など）を小さくする、物理的なサイズは同じで運転条件（ロータ帆３１の場合は最大回転数）などを小さくする、あるいはその双方をバランスよく採用するなどの対策が考えられる。このような制御帆１０Ｄの採用により、造船所は帆の装置本体の物量のみならず発電機の小型化、船体補強の容易化や配置の柔軟性といったメリットを享受できる。船の運航者は実際には最大出力で運転する事が少ない帆の剰余仕様分の初期コストと、運用コスト、メンテナンスコストを削減できる。

次に、本実施形態に係る船舶１の船体１１に作用するモーメントを説明するために、図４（ｂ）を参照して、比較例に係る船舶２００の船体１１に作用するモーメントについて説明する。比較例に係る船舶２００の最後端の風力推進部１０は、小さい制御帆１０Ｄに代えて、他の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと同じ大きさの主帆１０Ｅが設けられる。ここでは、主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの三本の帆の合力中心Ｐ１に作用するモーメントと、最後端の主帆１０Ｅの着力点Ｐ２に作用するモーメントとの関係について説明する。船舶１に向かって横側から風ＷＤが吹くと、主帆１０Ｅにて揚力、及び抗力が発生する。従って、主帆１０Ｅの着力点Ｐ２に揚力と抗力の合力Ｆ_ａｆｔが作用する。この合力Ｆ１の前方の成分が推進力Ｆｘ_ａｆｔとなり、船幅方向の成分が横力Ｆｙ_ａｆｔとなる。船舶１に向かって横側から風ＷＤが吹くと、主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの三本の帆の合力中心Ｐ１に三本の帆分の推進力Ｆｘ_ｆｏｒｅが前方に作用し、横力Ｆｙ_ｆｏｒｅが船幅方向に作用する。

このときの重心Ｐ３周りの回頭モーメントについて説明する。重心Ｐ３と最後端の主帆１０Ｅの着力点Ｐ２の前後方向の距離は「距離ｘ_ａｆｔ」であるため、着力点Ｐ２に作用するモーメントは「ｘ_ａｆｔ・Ｆｙ_ａｆｔ」となる。重心Ｐ３と三本の帆の合力中心Ｐ１の前後方向の距離は「距離ｘ_ｆｏｒｅ」であるため、合力中心Ｐ１に作用するモーメントは「ｘ_ｆｏｒｅ・Ｆｙ_ｆｏｒｅ」となる。比較例においては、最後端の主帆１０Ｅによるモーメントが過剰であるため、「ｘ_ａｆｔ・Ｆｙ_ａｆｔ＞ｘ_ｆｏｒｅ・Ｆｙ_ｆｏｒｅ」という関係が成り立つ。そのため、船体１１に対して左回頭の回頭モーメントＭＴが作用する。このような回頭モーメントＭＴを打ち消して船体１１の旋回を回避するために舵１５を切った場合（図４（ｂ）の仮想線の舵１５参照）、舵１５による抵抗が増加してしまい、船舶１が減速してしまう。

次に、図４（a）を参照して、本実施形態に係る船舶１の船体１１に作用するモーメントを説明する。本実施形態に係る船舶１の最後端の風力推進部１０は、小さい制御帆１０Ｄである。この場合、制御帆１０Ｄの着力点Ｐ２に作用する横力Ｆｙ_ａｆｔが小さくなる。そのため、着力点Ｐ２に作用する「ｘ_ａｆｔ・Ｆｙ_ａｆｔ」のモーメントも小さくなる。従って、「ｘ_ａｆｔ・Ｆｙ_ａｆｔ＝ｘ_ｆｏｒｅ・Ｆｙ_ｆｏｒｅ」という関係が成り立つ。そのため、モーメントが釣り合うことによって、回頭モーメントＭＴが抑制され、船体１１に直進する推力ＰＦが作用する。このため、回頭モーメントＭＴを打ち消すための舵１５による当て舵が不要となる。制御帆１０Ｄの配置を主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの力の中心位置からできるだけ距離を離して設置することで、小さな力でも十分なモーメントを確保する事ができる。

次に、本実施形態に係る船舶１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る船舶１は、風力によって船体１１を推進させる複数の風力推進部１０を備える。そのため、船舶１は、風が吹いたときには、風力推進部１０による推進力で帆走を行うことができる。ここで、複数の風力推進部１０は、他の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ（第１の風力推進部）に比して小さい制御帆１０Ｄ（第２の風力推進部）を有する。これにより、船舶１は、小さい制御帆１０Ｄにてモーメントを調整することで、他の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃによるモーメントとの釣り合いを調整することができる。従って、舵の操作（当て舵）によらず、帆走時における船体１１の旋回を抑制することができる。以上により、帆走時における推進効率を向上できる。

複数の風力推進部１０は、船体１１に前後方向に並ぶように配置され、制御帆１０Ｄは、前後方向における端部側に配置されてよい。この場合、制御帆１０Ｄは、前後方向における端部側の位置にて、他の主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃによるモーメントとの釣り合いの調整を行うことができるため、効率よく旋回のモーメントを抑制することができる。

少なくとも制御帆１０Ｄは、エネルギーの供給によって駆動してよい。制御帆１０Ｄの小型化を図ることができる場合、当該制御帆１０Ｄに対するエネルギー供給機構の小型化を図ることができる。例えば、主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと同じ大きさの風力推進部１０を設けて、当該風力推進部１０へのエネルギーを低減してモーメントを調整する場合、エネルギー供給機構が過剰となる。エネルギーの供給量に応じて推進力を調整可能な帆では、大型の帆を搭載すればそれに比例して電源や油圧容量、送風機容量、モーターサイズ等も大型化する。つまり大型の帆を搭載しているのに推進力最大で使用しないと、装置の能力を十分に活用しない使い方となり過剰な仕様という事にもなりうる。これに対し、制御帆１０Ｄを小さくすることで、エネルギー供給機構が過剰となることを抑制できる。このように、制御帆１０Ｄの役割を針路の制御と明確化する事で、最大で推力で運転する機会の少ない端部の帆は小型化が可能である。なお、ロータ帆３１を有する風力推進部１０の場合、小型の帆はそれだけ慣性モーメントも小さいため、制御帆１０Ｄの細やかな制御への追従も可能となる。

本発明は、上述の実施形態に限定されない。

例えば、風力推進部の数や配置など、船体に対してどのように設けるかなどは特に限定されない。例えば、横方向にずれるような風力推進部を設けてもよい。

また、推力を増減させる風力推進部１０の数は一つに限定されない。例えば、図５（ａ）に示すように五本の風力推進部１０を有してもよく、それ以上の風力推進部１０を有してもよい。また、制御帆は複数本存在してもよい。図５（ａ）では、二本の制御帆１０Ｄ，１０Ｆが設けられている。また、図５（ａ）に示すように、制御帆１０Ｆは船首側に存在してもよい。なお、重心から最も遠い帆が必ずしも制御帆である必要はない。最遠の帆が主帆で、例えば遠い順の２・３番目が制御帆でもよい。なお、重心からの距離の順序に沿って制御帆のサイズが並ぶ必要はない。図５（ａ）の場合、制御帆１０Ｆをさらに備えることで、制御帆１０Ｄ単独の場合よりもさらに旋回モーメントの抑制制御を行いやすくできる。さらに、図４（ａ）の場合と比較して、制御帆１０Ｆがある分、制御帆１０Ｄのさらなる小型化が可能となる。なお、図５（ａ）では、制御帆１０Ｆと制御帆１０Ｄの実施例を紹介したが、主帆１０Ａ～１０Ｃと制御帆との距離が離れていれば旋回モーメントは解消できるので、船主側に制御帆１０Ｆのみ配置しても良い。

制御帆１０Ｄは必ずしも主帆１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと同じタイプの帆を小型化する必要はなく、例えば図５（ｂ）に示すように、三角帆のような異なるタイプの帆を使用してもよい。更に、主帆および制御帆は船体中心線上に設置されていなくても良い。また、帆は一列に並んでいなくてもよい。図５（ｃ）に示すように、三角帆のタイプの制御帆１０Ｄが船体中心線からずれた位置に一対設けられている。なお、図５（ａ）の船尾側の制御帆１０Ｄは、図６に示すように、船体中心からずれた位置に一対設けられるように構成してもよい。船尾側は、居住区２２が設けられるが、船舶のセンターライン上に制御帆１０Ｄが配置されると、居住区２２から後ろが制御帆１０Ｄによって視界が遮られる可能性がある。このため、制御帆１０Ｄを船体中心からずれた位置に一対設けることで、居住区２２からの視界も確保することができる。また、複数本の制御帆が存在するとき、それぞれの帆のサイズやタイプが異なってもよい。また、実施形態に係る風力推進部１０は、電動機３２に対するエネルギーの供給によって駆動していた。ただし、駆動態様は、必ずしも電動に限定されない。

船体１１の構造も図１に示すものに限定されず、用途等に応じて適宜変更してよい。

１…船舶、１１…船体、１０…風力推進部、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…主帆（第１の風力推進部）、１０Ｄ…制御帆（第２の風力推進部）。

Claims (3)

1. 船体と、
   風力によって前記船体を推進させる複数の風力推進部と、を備え、
   前記複数の風力推進部は、他の第１の風力推進部に比して小さい第２の風力推進部を有する、船舶。
2. 前記複数の風力推進部は、前記船体に前後方向に並ぶように配置され、
   前記第２の風力推進部は、前記前後方向における端部側に配置される、請求項１に記載の船舶。
3. 少なくとも前記第２の風力推進部は、エネルギーの供給によって駆動する、請求項１又は２に記載の船舶。
   

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