JP4505613B2 - 船舶の浮力制御システム - Google Patents

Description

本発明は、船舶の浮力制御システム（Buoyancy Control System）に関するものであり、より詳細には、バラスト水を船外海水と置換するバラスト水交換装置又はバラスト水交換方法として使用し、或いは、ノンバラスト船の船体構造として使用し得る船舶のノンバラスト(Ballast-Free)浮力制御システムに関するものである。

一般に、空荷状態又は軽荷状態で航行する船舶は、バラスト水を搭載して一定の喫水を確保し、船体を安定させるとともに、船底スラミングや、プロペラレーシング等を防止している。バラストタンクは、通常は、荷揚地で漲水され、荷積地で排水される。荷揚地の海洋生物がバラストタンク内のバラスト水によって荷積地に移送され、荷積地の海域に排出される結果、生態系変化、生態系破壊等の問題が荷積地の海域に発生する。バラスト水は地球規模で移動し、排出されることから、バラスト水中に混入したプランクトン等の海洋生物は、本来の生息地でない海域に移動し、その海域の生態系や水産業等の経済活動に深刻な影響を与える可能性がある。このため、バラスト水の移動は、海洋環境を保護する上で世界共通の課題であると認識され、これは、近年殊に、問題視されている。

このような課題を解決するための手段として、不要バラスト水を洋上に排出せずに陸上施設で処理する方式、バラスト水を滅菌処理又は浄化処理する方式（例えば、特開２００４−２８４４８１号公報、特開２００２−２３４４８７号公報、特開２００６−７１８４号公報）、ポンプ等の強制循環装置を使用して洋上でバラスト水を強制交換する方式（例えば、特開２００２−３３１９９１号公報、特開２００１−２０６２８０号公報）等の各種方式のものが提案されている。

しかし、不要バラスト水を陸上施設で処理する方式を採用した場合、バラスト水を処理するための陸上施設を新設する必要が生じる。また、バラスト水を滅菌処理する方式は、滅菌・浄化によって確実に微生物を捕獲する技術が未完成であることから、未だ実用化に至っておらず、滅菌に薬剤を使用した場合には、二次汚染等の問題も懸念される。このため、不要バラスト水の陸上処理及び滅菌・浄化処理には、解決し難い課題が依然として残されている。

他方、洋上でバラスト水を強制交換するバラスト水交換（Ballast Water Exchange）の技術は、バラストタンクを完全に空にした後に海水をタンク内に再注入する逐次法（Sequential Method）、バラストタンクに注水し、バラスト水のオーバーフローによりバラスト水を交換する溢出法（Flow-Through Method）、バラストタンクに注水しながら同時にバラスト水を排水する希釈法（Dilution Method）として知られており、既に実施されている。

しかしながら、このような強制交換方式においては、強制循環装置及び船内パイプラインを含む海水交換設備を船体に装備し、海水交換設備を駆動して海水を交換しなければならない。しかも、現状では、海水交換設備を用いてタンク容量の３倍の水をバラストタンクに注入したとしても、８３％程度の海水置換率を達成し得るにすきず、９５％以上の海水置換率を達成するには、少なくともタンク容量の５倍以上の海水をバラストタンクに注入しなければならない。従って、強制交換方式のバラスト水交換装置により十分な海水置換率を達成しようとすると、ポンプ等の機器類を駆動する多量の燃料及び動力を消費し、しかも、設備のオペレーションのために多大な時間及び労力を費やす必要が生じる。

強制循環装置等の駆動装置に依存しないバラスト水交換装置として、船首部分に作用する比較的高い水圧を利用して海水を取水する構成を備えたバラスト水交換システムが、例えば、特開平１１−２９０８９号公報及び特開２００５−５３６４０２号公報に記載されている。
特開２００４−２８４４８１号公報 特開２００２−２３４４８７号公報 特開２００６−７１８４号公報 特開２００２−３３１９９１号公報 特開２００１−２０６２８０号公報 特開平１１−２９０８９号公報 特開２００５−５３６４０２号公報

しかしながら、このような従来のバラスト水交換装置は、航行時に船首部分に作用する高い水圧を利用して海水を船首部分からバラストタンク内に取水するように構成されていることから、船体廻りの海水の流れに影響を及ぼさないように船首の取水開口面積を制限しなければならない。しかも、従来のバラスト水交換装置は、船内パイプラインを介して海水をバラストタンク内に給送するように構成されていることから、パイプラインの管路抵抗が海水に作用するので、十分な換水量及び排水量が得られない。このため、バラスト水を効率的に交換し難く、十分な海水置換率を達成することも極めて困難である。

また、船舶は、必ずしも海上に水平に浮いた状態で航走するとは限らず、積荷やバラスト水の積み方に相応して船体縦軸方向の縦傾斜 (トリム)が船体に生じる。一般に、バラスト水を積んだ船舶は、喫水が浅く（小さく）、しかも、船舶のエンジンは、一般に船体後部に配置されることから、多くの場合、船舶は、船尾トリムの状態（船尾喫水が深い状態）で海洋を航行する。このため、船首バルバス（球状船首）又はその近傍に配置された取水開口から海水を取水し難い状況が航行中に生じ易い。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、強制循環装置等の駆動装置に依存せずに簡易な構成でバラスト水を海水に交換するとともに、バラスト水の高い海水置換率を達成することができるバラスト水交換装置及びバラスト水交換方法を提供することにある。

本発明は又、バラストタンクによるバラスト水の保持に依存することなく、船体浮力を制御することができる船舶の船体構造及び船体浮力制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成すべく、バラストタンクを備えた船舶のバラスト水交換装置において、
前記バラストタンク内に配置され且つ上部が開放した隔壁と、船底に開口した流入口及び流出口とを有し、
前記隔壁は、船体の幅方向に延びる堰を前記バラストタンク内に形成し、該バラストタンク内の領域を流入領域及び流出領域に区画し、
前記流入口及び流出口は、船体の前進運動を用いて前記流入口から船外海水を前記バラストタンク内に取水し且つ該バラストタンク内の海水を前記流出口から船外に流出するように、前記流入領域及び流出領域に夫々配置され且つ船体の進行方向に間隔を隔てて配置されることを特徴とする船舶のバラスト水交換装置を提供する。

本発明は又、バラストタンク内のバラスト水を船舶の航行中に船外の海水と交換するバラスト水交換方法において、
前記バラストタンク内の領域は、船体の幅方向に延びる堰によって流入領域及び流出領域に区画され、船底に開口した流入口及び流出口が、前記流入領域及び流出領域に夫々配置され、
船体の前進時に発生する前記流入口及び流出口の水圧差によって前記流入口から船外海水を前記バラストタンク内に取水し且つ該バラストタンク内の海水を前記流出口から船外に流出させることを特徴とするバラスト水交換方法を提供する。

本発明の上記構成によれば、バラストタンクは、船底部分から直に船外海水を取水し、船底部分から直にバラスト水を船外に排出する。船体の前進運動により流入口及び流出口に水圧差が発生するので、流入口及び流出口を航行中に常時開放することにより、新鮮な海水が常にバラストタンク内を循環する。流入口からバラストタンク内に流入した海水は、隔壁の堰によって上向きに変向し、船体幅方向（舷方向）の軸線廻りに旋回する海水旋回流が流入領域及び流出領域に発生する。このため、バラストタンク内に死水領域が発生し難く、９０％を超える十分な海水置換率が得られる。本発明のバラスト水交換装置の構成では、航行時間又は航行距離の増大に相応してタンク内を循環する海水流量が増大するので、航行時間又は航行距離の増大により、実質的に１００％の海水置換率を達成することが可能となる。

本発明のバラスト水交換装置及びバラスト水交換方法によれば、複雑な循環装置系、煩雑なオペレーション、薬品の使用等を要することなく、バラスト航海中に流入口及び流出口を開放することにより、バラスト水を自然に船外海水と置換することができ、従って、荷積地におけるバラスト排水手段の使用等が必要とされるにすぎない。しかも、航走海域の海水と同一条件の海水をバラスト水として常に使用することができるので、荷揚地の海洋生物を荷積地に移送することにより生じる環境問題は、確実に解消する。

本発明は、上記のとおり、逐次法（Sequential Method）、溢出法（Flow-Through Method）及び希釈法（Dilution Method）の３つの方式とは異なる第４の方式のバラスト水交換（Ballast Water Exchange）技術を提供するものであるが、上記バラストタンクは、船外海水に開放し且つ受動的に海水を循環させるように構成されていることから、これをノンバラスト(Ballast-Free)方式の船体構造として把握することができる。このような観点より、本発明の技術思想は、バラスト水の保持に依存せずに空荷状態又は軽荷状態の航行時に船体浮力を低減することができるノンバラスト方式の船体構造（又は船舶のバラスト装置）、或いは、船体浮力制御方法（又は船舶のバラスト方法）として以下のとおり定義することができる。

即ち、本発明は、空荷状態又は軽荷状態の航行時に船体の浮力を低減する船舶の船体構造において、
船底に開口可能な流入口及び流出口を船底部分に備えた海水循環タンクを有し、
前記流入口は、前記流出口に対して船体進行方向前方に配置され、前記流出口は、船体進行方向後方に前記流入口から所定間隔を隔てて配置されており、
空荷状態又は軽荷状態の航行時に前記流入口及び流出口を船底に開口させ、流入口及び流出口の水圧差によって船外海水を前記タンク内に循環させるとともに、積荷を積載した航行状態において前記タンク内空間の空気によって船体浮力を確保するように前記流入口及び流出口を閉鎖する開口閉鎖手段が、前記流入口及び流出口に設けられたことを特徴とする船舶の船体構造を提供する。

本発明は又、空荷状態又は軽荷状態の航行時に船体の浮力を低減するノンバラスト方式の船体浮力制御方法において、
船体進行方向に所定間隔を隔てて配置された流入口及び流出口を船底部分に備えた海水循環タンクを使用し、
空荷状態又は軽荷状態の航行時に前記流入口及び流出口を船底に開口させ、流入口及び流出口の水圧差によって船外海水を前記タンク内に循環させるとともに、積荷を積載した航行状態において前記流入口及び流出口を開口閉鎖手段によって閉鎖し、前記タンク内空間の空気によって船体浮力を確保することを特徴とする船体浮力制御方法を提供する。

好ましくは、上記海水循環タンクは、船体の幅方向に延びる堰によって流入領域及び流出領域に区画される。

本発明の上記構成によれば、積荷を積載した航行状態では、タンク内空間の空気によって船体浮力が得られ、空荷状態又は軽荷状態の航行時には、船外海水が常にタンク内を循環し、船体浮力は、低減する。即ち、船体浮力は、開口閉鎖手段の開閉によって制御される。このような構成によれば、バラストタンクによるバラスト水の保持に依存することなく、船体浮力を制御することができる。

本発明のバラスト水交換装置及びバラスト水交換方法によれば、強制交換用の駆動装置に依存せずに簡易な構成でバラスト水を海水に交換するとともに、バラスト水の高い海水置換率を達成することができる。

また、本発明の船体構造及び船体浮力制御方法によれば、バラストタンクによるバラスト水の保持に依存することなく、船体浮力を制御することができる。

本発明に係るバラスト水交換装置を備えた船舶の実施例を示す部分縦断面図である。 図１に示す船舶の横断面図である。 図１及び図２に示す船舶の航行過程を概略的に示す縦断面図であり、荷積地から荷揚地に至る船舶の航行過程が示されている。 図１及び図２に示す船舶の航行過程を概略的に示す縦断面図であり、荷揚地から荷積地に至る船舶の航行過程が示されている。 バラストタンクの構造を概略的に示す斜視図である。 バラストタンクの構造を概略的に示す縦断面図である。 流入口の形態及び構造と、海水置換率との関係を示す概略縦断面図、図表及び線図である。 流出口の形態及び構造と、海水置換率との関係を示す概略縦断面図、図表及び線図である。 流入口の位置、流出口の位置、隔壁の有無および海水置換率の関係を示す概略縦断面図及び図表である。 流出口の位置を例示するバラストタンクの概略縦断面図である。 隔壁の位置を例示するバラストタンクの概略縦断面図である。 バラストタンクの構造を概略的に示す斜視図であり、流入口の幅を拡大した構成が示されている。 バラストタンクの構造を概略的に示す斜視図であり、流出口を隔壁の後側面に接近させた構成が示されている。 バラストタンクの構造を概略的に示す斜視図であり、隔壁を進行方向前側に偏倚させた構成が示されている。 バラストタンクの構造を概略的に示す斜視図であり、流入口の幅を拡大し、流出口を隔壁の後側面に接近させ、隔壁を進行方向前側に偏倚させた構成が示されている。 隔壁の両側部分に垂直スリットを形成したバラストタンクの構造を概略的に示す斜視図である。 図１〜図４に示すバラスト水交換装置の変形例を示す船舶の部分縦断面図である。 図１７に示す船舶の横断面図である。 図１〜図４に示すバラスト水交換装置の他の変形例を示す船舶の横断面図である。 図１〜図４に示すバラスト水交換装置の更に他の変形例を示す船舶の部分縦断面図である。 図２０に示す船舶の横断面図である。 喫水線の上方まで海水をバラストタンク内に流入させる過程を示す断面図である。 海水をバラストタンクから強制的に排出する過程を示す断面図である。 隔壁の高さ変化と関連した海水置換率の変化を説明するための概略縦断面図及び線図である。

符号の説明

１ 船舶
２ 隔壁（堰）
３ 流入領域（前方領域）
４ 流出領域（後方領域）
６ 流入口
７ 流出口
８ ビルジ部分
９ 開口閉鎖手段
１０ バラストタンク
１３ 船底部分
Ｗ１ 船外海水
Ｗ２ バラスト水
ＬＬ タンク内水面
ＷＬ 海面レベル

本発明の好ましい実施形態によれば、上記流入口は、船底の幅方向中央部に配置され、上記流出口は、左右のビルジ部に夫々配置される。左右のビルジ部には、船底中央部に比べて比較的低い水圧が航行中に作用するので、バラストタンク内に循環流を形成する流入口及び流出口の圧力差が確実に得られる。

好ましくは、流入口は、流入開口を船体前方に差し向ける回動式の外蓋を備える。外蓋は、開口閉鎖手段を構成する。変形例として、船底面を流線形に窪ませ、船底面から引っ込んだ位置に流入口を位置決めしても良い。流入口の開口は、窪み領域に水平に配置され又は船体前方に差し向けられる。このような流入口の構造を採用した場合、スライド式扉等の開閉装置（開口閉鎖手段）が流入口に配設される。

好ましくは、流出口は、流出開口を船体後方に差し向ける回動式の外蓋を備える。外蓋は、開口閉鎖手段を構成する。変形例として、船底面を流線形に下方に膨出させ、船底面から突出した位置に流出口を位置決めしても良い。流出口の開口は、膨出領域に水平に配置され又は船体後方に差し向けられる。他の変形例として、点検・整備時における船舶のドック収容作業を考慮し、船底面を流線形に窪ませた凹所部分を流出口の前側に形成しても良い。なお、変形例に係る流出口の構造を採用した場合、スライド式扉等の開閉装置（開口閉鎖手段）が流出口に配設される。

本発明の更に好適な実施形態において、バラストタンクの前方壁面と隔壁との間の距離（Ｌ１）は、船体縦軸方向のバラストタンク全長（Ｌ）の１／３以下に設定される。好ましくは、流入口は、バラストタンクの前方壁面に隣接して配置され、流出口は、バラストタンクの後方壁面に隣接して配置され、或いは、隔壁の後側面（船体後方側の面）に隣接して配置される。

望ましくは、本発明のバラスト水交換装置を構成する各部構造及び各部寸法は、バラストタンク内のバラスト水が航行時間３０分以内又は航行距離１０ｋｍ以内に海水置換率９５％以上の効率で海水に置換されるように設定される。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図１は、本発明に係るバラスト水交換装置を備えた船舶の実施例を示す部分縦断面図であり、図２は、図１に示す船舶の横断面図である。

船舶１は、隔壁２をタンク内に備えたバラストタンク１０を有する。隔壁２は、軽荷時又は空荷時のタンク内水面ＬＬよりも低い高さ寸法ｈを有し、船体の幅方向（左右舷方向）に延びる。隔壁２の上端と頂壁面１４とは所定間隔を隔てて離間する。好ましくは、高さ寸法ｈは、バラストタンク１０の全高Ｈに対し、Ｈ×０．２以上の寸法に設定される。

タンク内水面ＬＬ（自由表面）は、タンク内と船外の水圧バランスにより、船外の喫水線（海面レベルＷＬ）と実質的に同一のレベルに位置する。頂壁面１４は、タンク内水面ＬＬの上方に配置され、空間Ｓが、タンク内水面ＬＬと頂壁面１４との間に形成される。船舶１は、漲水時に空間Ｓを大気開放可能なオーバーフロー管（又は空気抜き管）１１を備える。オーバーフロー管１１は、頂壁面１４において空間Ｓに開口する。

バラストタンク１０内の領域を流入領域３及び流出領域４に区画する堰が、隔壁２によってバラストタンク１０内に形成される。領域３、４は、隔壁２の上方域において相互連通する。船舶１の進行方向前方に配置された流入領域３には、海水Ｗ１をバラストタンク１０内に取込むための流入口６が配置され、流入口６は、海面（海面レベルＷＬ）下において船底部分１３に開口する。船舶１の進行方向後方に配置された流出領域４には、バラストタンク１０内の海水Ｗ２を排出するための流出口７が配置され、流出口７は、海面（海面レベルＷＬ）下において船底部分１３に開口する。

好ましくは、流入口６は、図２に示すように船底の幅方向中央部に配置され、流出口７は、図２に示すように左右のビルジ部８に夫々配置される。流入口６及び流出口７は、開閉操作可能な開口閉鎖手段（図示せず）を備える。流入口６及び流出口７の水圧差が船体の前進時に発生し、船外海水Ｗ１が流入口６から流出口７に流通する。

一般には、「ビルジ部」は、船底側部の湾曲部及びその周辺の部分を意味するが、本明細書においては、ビルジ部８は、船幅Ｊの約１／１０の寸法Ｋ１、Ｋ２（湾曲部を除く寸法範囲Ｋ１、Ｋ２）だけ湾曲部から上方及びキール側に拡がる帯域β(湾曲部を含む)を意味するものとする。また、船底の幅方向中央部は、船体中央キールラインを中心として船幅Ｊの約１／４の寸法Ｋ３だけ左舷側及び右舷側に夫々拡がった範囲の帯域αを意味するものとする。

図３及び図４は、船舶１の航行過程を概略的に示す縦断面図である。

図３（Ａ）には、積荷積載時又は満載時の航行過程が例示され、図３（Ｂ）には、荷役時の船舶１の状態が例示され、図３（Ｃ）には、バラストタンク漲水後の状態が例示されている。

図３（Ａ）に示すように、積荷積載状態又は満載状態の船舶１は、開口閉鎖手段９によって流入口６及び流出口７を閉鎖し且つバラストタンク１０からバラスト水を排出した状態で海洋を航行する。バラスト排水により浮力が増大した船舶１には、積荷の積載荷重Ｐが作用することから、十分な喫水が確保されるので、船舶１は、船位が安定した状態で航行する。

船舶１が荷降し港に到着し、積荷の荷降しによって積載荷重Ｐが軽減すると、過剰な浮力により船位が不安定化する。開口閉鎖手段９及びオーバーフロー管１１は開放され、船外の海水が、タンク内及び船外の水位差によって船底部分の流入口６及び流出口７からタンク内に自然流入する。従って、バラストタンク１０は、図３（Ｂ）に示す如く荷役作業と実質的に同時に漲水され、タンク内水位は、図３（Ｂ）に示すように喫水線（海面レベルＷＬ）と実質的に同じ水位（タンク内水面ＬＬ）に上昇し、この結果、所望の喫水が確保される。

図４（Ａ）には、軽荷時又は空船航行時の航行過程が例示されている。

軽荷状態又は空荷状態で荷揚地を出港した船舶１は、図４（Ａ）に示すように、開口閉鎖手段９を開放した状態のまま海洋を航行する。海水Ｗ１は、図４（Ａ）に矢印で示すように流入口６から流入領域３に流入し、隔壁２の堰を乗り越えて流出領域３に流動し、流出口７から船外に流出する。荷降し港においてバラスト水と一緒にバラストタンク１０内に流入した動植物プランクトン等は、荷降し港の港内又はその近海で船外に排出される。隔壁２、流入口６及び流出口７の位置、構造、形状及び寸法を適切に設定することにより、航行する船舶１の前進速度を利用してバラストタンク１０内の海水Ｗ２を船外の海水Ｗ１と常に同一状態に維持するとともに、バラストタンク１０内に死水領域を形成することなく、バラストタンク１０内の全領域を常に新鮮な海水Ｗ１に交換しながら船舶１を航行することができる。

図４（Ｂ）には、荷積み港に停泊した船舶１のバラスト水排出過程が示され、図４（Ｃ）には、バラスト水排出後の船舶１の状態が示されている。

荷積み港に到着した船舶１には、新たな積荷が荷積みされる。積載荷重Ｐの増大に相応して所望の浮力を確保すべく、図４（Ｂ）に示すように流入口６及び流出口７が開口閉鎖手段９によって閉鎖され、図４（Ｃ）に示すようにバラストタンク１０内の海水Ｗ２が船外に排水される。排水には、排水ポンプ及び排水管等の排水設備１２が使用される。

従来は、バラスト排水によって荷積み港に排水されるバラスト水は、荷降し港から荷積み港に移送された海水であり、荷降し港の海域の微生物や細菌等によって荷積み港の海域の生態系に影響が顕れることがある。このため、このようなバラスト水の排出は、近年殊に問題視されている。しかしながら、船舶１が船外に排出する海水Ｗ２は、入港直前の海域、例えば、荷積み港の港内又はその近海の海域において取水した海水である。このため、荷積み港の海域の生態系は、バラスト水排出の影響を受けない。

図１７及び図１８は、図１〜図４に示すバラスト水交換装置の変形例を示す船舶の部分縦断面図及び横断面図である。図１に示すバラスト水交換装置においては、タンク内水面ＬＬは、船外の喫水線（海面レベルＷＬ）と実質的に同一のレベルに位置し、頂壁面１４は、タンク内水面ＬＬの上方に配置されているが、図１７及び図１８に示すバラスト水交換装置においては、頂壁面１４は、喫水線（海面レベルＷＬ）の下方に位置し、タンク内水面ＬＬは、頂壁面１４のレベルと一致する。即ち、図１〜図４に示すようにバラスト水の自由表面（水面ＬＬ）をタンク内に形成するバラストタンク１０の構造によれば、多量のバラスト量を確保し、或いは、バラスト量設定の自由度を確保する上で有利であるのに対し、図１７及び図１８に示すようにバラストタンク１０の天井面まで海水が満たされるバラストタンク１０の構造によれば、タンク内に自由表面が形成されないことから、タンク内のバラスト水が航行中に暴れるのを防止することができ、しかも、船体の復原性も向上する。

図１９は、図１〜図４に示すバラスト水交換装置の他の変形例を示す船舶の横断面図である。バラストタンク１０は、図１９に示すように、船体縦軸方向に延びる隔壁５によって船体幅方向に分割される。流入口６及び流出口７は、各々のバラストタンク１０に配設される。このような構成によれば、バラストタンク１０内の自由表面（水面ＬＬ）の幅寸法が縮小するので、船体の復原性は向上する。

図２０及び図２１は、図１〜図４に示すバラスト水交換装置の更に他の変形例を示す船舶の部分縦断面図及び横断面図である。

図２０及び図２１に示すバラスト水交換装置においては、頂壁面１４は、喫水線（海面レベルＷＬ）の上方に位置するとともに、タンク内水面ＬＬは、頂壁面１４のレベルと一致する。バラスト水交換装置は、バラストタンク１０の天井面まで海水を満たすためにポンプ及びパイプライン等の海水導入手段又は海水圧送手段を備える。このようなバラストタンク１０の構造によれば、多量のバラスト水量を確保し、或いは、バラスト水量設定の自由度を向上することができる。また、このようなタンク構造によれば、タンク内のバラスト水が航行中に暴れるのを防止するとともに、船体の復原性を向上することができる。しかも、このようなタンク構成を採用することにより、バラストタンク１０を平面的にコンパクトに設計することができる。

タンク内水面ＬＬを喫水線（海面レベルＷＬ）の上方に上昇させる方法が図２２及び図２３に例示されている。図２２には、荷降し港等において海水Ｗ１をバラストタンク１０内に流入させる過程が示されており、図２３には、荷積み港等においてバラストタンク１０内の海水Ｗ２を船外に流出させる過程が示されている。船舶１は、タンク内水面ＬＬを強制的に上昇させるために、海水圧送用のポンプ２１、２２を介装したパイプライン２３、２４を備える。船舶１は又、開閉弁２５を介装した通気管２６を備える。通気管２６も又、前述の海水導入手段を構成する。通気管２６は、一端が頂壁面１４においてタンク内空間Ｓに開口し、他端が大気に開放される。前述のオーバーフロー管１１を通気管２６として使用しても良い。また、ポンプ２１、２２として単一又は共通の加圧・圧送機器を使用しても良い。更には、パイプライン２３、２４を単一又は一組の配管系として設計しても良い。

図２２（Ａ）には、バラストタンク１０からバラスト水を排出した船舶１の状態が示されている。流入口６、流出口７及び開閉弁２５が開放すると、船外海水Ｗ１は流入口６及び流出口７からタンク内に流入する。タンク内の空気は、通気管２６によって大気に放出される。タンク内水面ＬＬは、船外の喫水線（海面レベルＷＬ）と実質的に同一のレベルまで上昇する。開口閉鎖手段９によって流入口６及び流出口７を閉鎖して海水導入用パイプライン２３のポンプ２１を作動させると、図２２（Ｂ）に示すように海水Ｗ１が強制的にバラストタンク１０内に給送され、タンク内水面ＬＬは、図２２（Ｃ）に示す如く頂壁面１４のレベルまで上昇する。

この状態で開閉弁２５を閉鎖すると、図２２（Ｄ）に示す如く、海水Ｗ２をバラストタンク１０内に保持した状態で流入口６及び流出口７を開放することができる。即ち、開閉弁２５が閉鎖され、タンク内領域と大気との連通（通気）が遮断されると、船舶１は、流入口６及び流出口７を開放した状態で航走することができる。この状態では、船外海水Ｗ１は、船舶１の前進運動に相応して流入口６からバラストタンク１０内に流入し、バラストタンク１０内を循環して流出口７から船外に流出する。

図２３（Ａ）には、頂壁面１４まで海水Ｗ２を充填した船舶１の状態が示されている。この状態で流入口６、流出口７及び開閉弁２５が開放すると、船外海水Ｗ１は流入口６及び流出口７からタンク外に流出する。船外の大気が、通気管２６からタンク内に流入する。タンク内水面ＬＬは、図２３（Ｂ）に示すように、船外の喫水線（海面レベルＷＬ）と実質的に同一のレベルまで降下する。開口閉鎖手段９によって流入口６及び流出口７を閉鎖して海水導入用パイプライン２４のポンプ２２を作動させると、図２３（Ｃ）に示すようにタンク内海水Ｗ２を強制的に船外に排出することができる。タンク内水面ＬＬは、図２２（Ｄ）に示す如く船底部分１３のレベル又はその近傍まで降下する。

図５及び図６は、図１〜図４に示すバラストタンク１０の構造を概略的に示す斜視図及び縦断面図である。図７は、流入口６の形態及び構造と、海水置換率との関係を示す概略縦断面図、図表及び線図であり、図８は、流出口７の形態及び構造と、海水置換率との関係を示す概略縦断面図、図表及び線図である。

図５及び図６に示す如く、船外の海水Ｗ１は、流入口６から船底部分１３の上面に沿ってバラストタンク１０内に流入し、流れＦ１として示すように隔壁２の前側面に沿って上向きに変向し、隔壁２の上端部付近で逆流Ｆ２及び順流Ｆ３に分流する。逆流Ｆ２は、流入領域３の自由表面ＬＬ又は頂壁面１４に沿って船体前方に流動し、流入領域３の前方壁面１５に沿って降下し、流入口６から流入する海水の流れＦ１とともに隔壁２に向かって流動する。他方、順流Ｆ３は、隔壁２を超えて流出領域４に流入する。順流Ｆ３は、流出領域４の自由表面ＬＬ又は頂壁面１４に沿って船体後方に流動し、流出領域４の後方壁面１６に沿って降下する。海水の多くは、流れＦ４として示すように流出口７から船外に流出し、海水の残部は、流れＦ５として示す如く隔壁２に向かって船体前方に変向する。流れＦ５は、船底部分１３上を前方に流動し、隔壁２の後側面に沿って上向きに変向し、順流Ｆ３とともに流出領域４に還流する。従って、流入領域３及び流出領域４には、幅方向（舷方向）の軸線廻りに旋回する逆向きの旋回流が形成され、バラストタンク１０内の死水領域は、実質的に解消する。

図５及び図６に示すバラストタンク１０は、高さＨ、全長Ｌ及び幅Ｄの直方体形状を有し、隔壁２は、前方壁面１５から距離Ｌ１の位置において船体の幅方向に配置される。隔壁２は、高さｈの直立平板として船底部分１３に立設される。隔壁２として、平板にスチフナ等の補強用骨組を取付けた構造の平板型隔壁を使用し得る。補強用骨組がタンク内に露出する場合には、タンク内の流体の流れを考慮し、補強用骨組を平板の後側に配置することが望ましい。

前述の如く、幅Ｄ１を有する流入口６は、船体の中央部底面（本例では、バラストタンク１０の幅方向中央部）において前方壁面１５の近傍に好適に配置される。流出口７は、バラストタンク１０の左右の側壁面１７に隣接して後方壁面１６の近傍に配置される。前述の如く、流出口７は、船体のビルジ部８（図２）に好適に配置される。

図７には、流入口６の構造及び形態と、海水置換率との関係が示されている。図７（Ａ）には、二次元流体解析に用いたバラストタンク１０の断面が示されており、図７（Ｂ）〜図７（Ｅ）には、二次元流体解析において採用した流入口６の構造及び形態が示され、図７（Ｆ）には、二次元流体解析において設定した寸法値及び角度値が示されている。

図７（Ｂ）に示す流入口６は、枢軸９ａを中心に枢動可能な外蓋９ｂを有し、図７（Ｃ）に示す流入口６は、枢軸９ｃを中心に枢動可能な内蓋９ｄを有する。枢軸９ａ、９ｃ、外蓋９ｂ及び内蓋９ｄは、開口閉鎖手段９を構成するとともに、船外の海水Ｗ１を流入領域３内に案内するガイド手段を構成する。図７（Ｄ）に示す流入口６は、船底面を流線形に窪ませる前後の傾斜壁１３ａ、１３ｂを有し、流入口６は、船底面から引っ込んだ位置において水平に開口する。図７（Ｅ）に示す流入口６は、船底面を流線形に窪ませる前側傾斜壁１３ａを有し、流入口６は、斜め下方且つ前方に向かって開口する。なお、図７（Ｄ）及び図７（Ｅ）に示す流入口６は、開口閉鎖手段９を構成するスライド式扉等（図示せず）を備える。

船速を１５ｋｎｏｔに設定して二次元流体解析を行った結果、図７（Ｇ）に示す海水置換率の時間変化が得られた。海水置換率は、バラストタンク１０内の海水Ｗ２が船外の海水Ｗ１と置換された割合を示す指標であり、海水Ｗ２の濃度変化として求めたものである。

外蓋９ｂを備えた外蓋型流入口６（図７（Ｂ））と、前側にのみ傾斜壁１３ａを備えた前後非対称な窪み型流入口６（図７（Ｅ））は、良好な海水置換率を示した。前後対称な傾斜壁１３ａ、１３ｂを備えた対称な窪み型流入口６（図７（Ｄ））も又、比較的良好な海水置換率を示した。内蓋９ｄを備えた内蓋型流入口６（図７（Ｃ））においては、海水置換率は低下した。

図８には、流出口７の構造及び形態と、海水置換率との関係が示されている。図８（Ａ）には、二次元流体解析に用いたバラストタンク１０の断面が示されており、図８（Ｂ）〜図８（Ｅ）には、二次元流体解析において採用した流出口７の構造及び形態が示され、図８（Ｆ）には、二次元流体解析において設定した寸法値及び角度値が示されている。

図８（Ｂ）に示す流出口７は、枢軸９ｅを中心に枢動可能な外蓋９ｆを有する。枢軸９ｅ及び外蓋９ｆは、開口閉鎖手段９を構成するとともに、バラストタンク１０内の海水Ｗ２を船外に案内するガイド手段を構成する。図８（Ｃ）に示す流出口７は、船底面を流線形に膨出してなる傾斜壁１３ｃ、１３ｄを有し、流出口７は、船底面から下方に突出した位置において水平に開口する。図８（Ｄ）に示す流出口７は、船底面を流線形に膨出してなる前側傾斜壁１３ｃを有し、流出口７は、斜め下方且つ後方に向かって開口する。図８（Ｅ）に示す流出口７は、船底面を流線形に窪ませてなる凹所部分１３ｅを流出口７の前側に形成した構成を有する。なお、図８（Ｃ）〜図８（Ｅ）に示す流出口７は、開口閉鎖手段９を構成するスライド式扉等（図示せず）を備える。

船速を１５ｋｎｏｔに設定して二次元流体解析を行った結果、図８（Ｇ）に示す海水置換率の時間変化が得られた。外蓋９ｆを備えた外蓋型流出口７（図８（Ｂ））と、対称及び非対称の膨出型流出口７（図８（Ｃ）、図８（Ｄ））は、良好な海水置換率を示した。

凹所部分１３ｅを流出口７の前側に形成した前方凹所型流出口７（図８（Ｅ））においては、海水置換率は、若干低下した。しかし、前方凹所型流出口７の構造は、船体外方に突出部分を形成しないことから、船舶の点検・整備時のドック収容過程を考慮すると、有利である。

図９には、流入口６の位置、流出口７の位置、隔壁２の有無および海水置換率の関係が示されている。図９（Ａ）は、二次元流体解析に用いたバラストタンク１０の概略断面図であり、図９（Ｂ）は、二次元流体解析によって得られた海水置換率を示す図表である。図９（Ｂ）には、航行開始後３００秒経過時の海水置換率が示されている。

隔壁２を設けた場合（Case-1〜6）の海水置換率と、隔壁２を設けない場合（Case-7〜12）の海水置換率とを対比することによって容易に把握し得るように、隔壁２は、海水置換率を顕著に向上させた。

また、流入口６を流入領域（前方領域）３に配置し且つ流出口７を流出領域（後方領域）４に配置する本発明の構成（Case-1〜3）では、流入口６を後方領域４に配置し且つ流出口７を前方領域３に配置した構成（Case-4〜6）と比べ、海水置換率は明確に向上した。

図１０は、流出口７を配置可能な位置を例示するバラストタンク１０の概略縦断面図である。

本発明者は、外蓋型流入口６の位置を位置Ｘ１（前方壁面１５に隣接した位置）に固定し、外蓋型流出口７の位置を位置Ｘ７〜Ｘ１１に変化させて二次元流体解析を行った。隔壁２の後側面に隣接した位置Ｘ７に流出口７を配置した場合、或いは、後方壁面１６に隣接した位置Ｘ１１に流出口７を配置した場合、航行開始後３００秒経過時の海水置換率は、９０％を超えた。位置Ｘ７及び位置Ｘ１１の間の位置Ｘ８、Ｘ９、Ｘ１０に流出口７を配置した場合、航行開始後３００秒経過時の海水置換率は、８５〜９０％の範囲内に低下した。

図１１は、隔壁２を配置可能な位置を例示するバラストタンク１０の概略断面図である。

本発明者は、外蓋型流入口６の位置を位置Ｘ１に固定し、外蓋型流出口７の位置を位置Ｘ１１に固定し、隔壁２の位置を位置Ｘ１２〜Ｘ１６に変化させて二次元流体解析を行った。隔壁２を位置Ｘ１３、Ｘ１４及びＸ１５に配置した場合、航行開始後３００秒経過時の海水置換率は、９０％を超えた。位置Ｘ１２又は位置Ｘ１６に隔壁２を配置した場合、航行開始後３００秒経過時の海水置換率は、８５〜９０％の範囲内に低下した。

以上の二次元流体解析の結果によれば、流出口７は、隔壁２の後側面に隣接した位置Ｘ７、或いは、後方壁面１６に隣接した位置Ｘ１１に配置することが望ましく、隔壁２は、位置Ｘ１３、Ｘ１４及びＸ１５に位置決めすることが望ましい。隔壁２は、後述する三次元流体解析の結果をも考慮すると、中心位置（Ｘ１４）よりも若干前側の位置（位置Ｘ１３）に位置決めすることが望ましいと考えられ、前方壁面１５と隔壁２との間の距離Ｌ２は、例えば、バラストタンク全長Ｌの１／３以下の寸法に好ましく設定される。

図１２、図１３及び図１４は、バラストタンク１０の構造を概略的に示す斜視図である。

図１２に示すバラストタンク１０は、隔壁２を位置Ｘ１４（図１１）に配置し、流入口６及び流出口７を位置Ｘ１及びＸ１１（図１０）に夫々配置した構成を有する。本発明者は、流入口６の幅を寸法Ｄ１から寸法Ｄ２に拡大して三次元流体解析を行った。幅Ｄ２を幅Ｄ１の２倍に拡大した場合（２ｍから４ｍに拡大した場合）、航行開始後３００秒経過時の海水置換率は、約６５％増大した。

図１３に示すバラストタンク１０は、隔壁２を位置Ｘ１４に配置し、流入口６を位置Ｘ１に配置した構成を有する。本発明者は、流出口７の位置を位置Ｘ１１から位置Ｘ７（図１０）に変更し、三次元流体解析を行った。流出口７の位置を位置Ｘ１１から位置Ｘ７に変更した場合、航行開始後３００秒経過時の海水置換率は、約４５％増大した。

図１４は、流入口６及び流出口７を位置Ｘ１及びＸ１１に夫々配置した構成を有する。本発明者は、隔壁２の位置を位置Ｘ１４から位置Ｘ１３（図１１）に変更し、三次元流体解析を行った。隔壁２の位置を位置Ｘ１４から位置Ｘ１３に変更した場合、航行開始後３００秒経過時の海水置換率は、約５０％増大した。

図１５は、このような解析結果に基づいて設計した好適なバラストタンク１０の構成例を概略的に示す斜視図である。

バラストタンク１０は、隔壁２を位置Ｘ１３に配置し、流入口６及び流出口７を位置Ｘ１及びＸ７に夫々配置し、流入口６の幅を寸法Ｄ１から寸法Ｄ２に拡大した構成を有する。

図２４は、隔壁２の高さ変化と関連した海水置換率の変化を説明するための概略縦断面図及び線図である。

本発明者は、図２４（Ａ）に示すように外蓋９ｂ、９ｆを備えた流入口６及び流出口７を位置Ｘ１、Ｘ１１に配置し、隔壁２を位置Ｌ１に配置したバラストタンク１０に関し、隔壁２の高さを変化させた状態で得られる海水置換率の時間変化を二次元流体解析により検討した。検討結果が、図２４（Ｂ）に示されている。なお、本発明者は、二次元流体解析において、船速を１５ｋｎｏｔに設定し、図２４（Ａ）に示す寸法Ｌ、Ｌ１及びＨを２０ｍ、１０ｍ、１０ｍに夫々設定し、隔壁２の高さｈを０〜６ｍの範囲内で変化させた。

図２４（Ｂ）に示される如く、海水置換率は、隔壁高さｈ≧０．５ｍにおいて９０％（３００秒経過時）を超える。また、外蓋９ｂ、９ｆを使用した流入口６及び流出口７を位置Ｘ１、Ｘ１１に配置した条件の下では、海水置換率は、隔壁高さｈ＝０ｍに設定した場合（即ち、堰を設けない場合）においても、８０％（３００秒経過時）を超える。これは、隔壁高さｈを僅かな高さに設定し、或いは、隔壁（堰）の設置を完全に省略したとしても、開口の位置及び構造を適切に設定することができれば、十分な海水置換率が得られるということを意味する。このような場合、図１２に示すように、流入口６を幅広（例えば２ｍ）に形成し、流出口７を左右のビルジ部に夫々配置することが望ましい。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。

例えば、図１６に示す如く、隔壁２の両側部分に垂直スリット１９を形成することも可能である。

また、隔壁２、流入口６、流出口７及びバラストタンク１０の形態、構造、寸法等は、本発明に従って適宜設計変更し得るものである。

更に、上記実施例においては、海水置換率向上の観点より、流入口６は船体中央部に配置され、流出口７は、左右のビルジ部８に夫々配置されているが、流入口６及び流出口７の位置は、必ずしも船体中央部及びビルジ部８に限定されるものではなく、船体構造等に応じて適宜設定し得るものである。

また、上記実施例は、本発明の技術を適用したバラスト水交換装置及びバラスト水交換方法に関するものであるが、本発明の技術は、バラストタンクによるバラスト水の保持に依存しない船体構造及び船体浮力制御方法としても使用し得るものである。

本発明は、バラストタンク内のバラスト水を航海中に船外の海水と交換するバラスト水交換装置及びバラスト水交換方法に適用される。本発明によれば、強制循環装置等の駆動装置に依存せずに簡易な構成でバラスト水を海水に交換するとともに、バラスト水の高い海水置換率を達成することができる。

本発明は又、空荷状態又は軽荷状態の航行時に船体浮力を低減する船舶の船体構造及び船体浮力制御方法として、その概念を応用し得るものである。本発明の船体構造及び船体浮力制御方法によれば、バラストタンクによるバラスト水の保持に依存することなく、船体浮力を制御することができる。

Claims (22)

1. バラストタンクを備えた船舶のバラスト水交換装置において、
   前記バラストタンク内に配置され且つ上部が開放した隔壁と、船底に開口した流入口及び流出口とを有し、
   前記隔壁は、船体の幅方向に延びる堰を前記バラストタンク内に形成し、該バラストタンク内の領域を船体進行方向前方の流入領域と船体進行方向後方の流出領域とに区画し、
   前記流入口は、前記流入領域に配置され、前記流出口は、前記流出領域に配置されており、前記流入口及び流出口は、船体の前進運動を用いて前記流入口から船外海水を前記バラストタンク内に取水し且つ該バラストタンク内の海水を前記流出口から船外に流出して前記バラストタンク内に海水循環流を形成するように、船体の進行方向に間隔を隔てて配置されることを特徴とする船舶のバラスト水交換装置。
2. バラストタンク内のバラスト水を船舶の航行中に船外の海水と交換するバラスト水交換方法において、
   前記バラストタンク内の領域は、船体の幅方向に延びる堰によって船体進行方向前方の流入領域と船体進行方向後方の流出領域とに区画され、船底に開口した流入口及び流出口が、前記流入領域及び流出領域に夫々配置され、
   船体の前進時に発生する前記流入口及び流出口の水圧差によって前記流入口から前記流入領域に船外海水を流入させて、船外海水を前記バラストタンク内に取水するとともに、該バラストタンク内の海水を前記流出口から船外に流出させ、バラストタンク内に海水循環流を形成することを特徴とするバラスト水交換方法。
3. 空荷状態又は軽荷状態の航行時に船体の浮力を低減する船舶の船体構造において、
   開口可能な流入口及び流出口を船底部分に備えた海水循環タンクを有し、
   前記流入口は、前記流出口に対して船体進行方向前方に配置され、前記流出口は、船体進行方向後方に前記流入口から間隔を隔てて配置されており、
   空荷状態又は軽荷状態の航行時に前記流入口及び流出口を開口させ、流入口及び流出口の水圧差によって船外海水の循環流を前記タンク内に形成するとともに、積荷を積載した航行状態においては前記タンク内空間の空気によって船体浮力を確保するように前記流入口及び流出口を閉鎖する開口閉鎖手段が、前記流入口及び流出口に設けられたことを特徴とする船舶の船体構造。
4. 空荷状態又は軽荷状態の航行時に船体の浮力を低減する船体浮力制御方法において、
   船体進行方向に間隔を隔てて配置された流入口及び流出口を船底に備えた海水循環タンクを使用し、
   空荷状態又は軽荷状態の航行時に前記流入口及び流出口を船底に開口させ、流入口及び流出口の水圧差によって船外海水を前記タンク内に循環させ、該タンク内に海水の循環流を形成するとともに、積荷を積載した航行状態においては前記流入口及び流出口を開口閉鎖手段によって閉鎖し、前記タンク内空間の空気によって船体浮力を確保することを特徴とする船体浮力制御方法。
5. 前記海水循環タンクは、船体の幅方向に延びる堰によって流入領域及び流出領域に区画され、前記流入口及び流出口は、前記流入領域及び流出領域に夫々配置されることを特徴とする請求項３に記載の船体構造。
6. 前記海水循環タンクは、船体の幅方向に延びる堰によって流入領域及び流出領域に区画され、前記流入口及び流出口は、前記流入領域及び流出領域に夫々配置されることを特徴とする請求項４に記載の船体浮力制御方法。
7. 前記流入口は、船底の幅方向中央部に配置され、前記流出口は、左右のビルジ部に夫々配置されることを特徴とする請求項１に記載のバラスト水交換装置。
8. 前記バラストタンクの前方壁面と前記隔壁との間の距離（Ｌ１）は、船体縦軸方向のバラストタンク全長（Ｌ）の１／３以下に設定されることを特徴とする請求項１又は７に記載のバラスト水交換装置。
9. 前記隔壁の高さ（ｈ）は、前記バラストタンクの高さ（Ｈ）の０．２倍以上の寸法に設定されることを特徴とする請求項１、７又は８に記載のバラスト水交換装置。
10. 前記タンクの頂壁面は、喫水線よりも上方に位置しており、
    前記タンク内の水面レベルを前記喫水線よりも上方に上昇させるように船外海水を前記タンク内に導入する海水導入手段と、前記流入口及び流出口を閉鎖可能な開口閉鎖手段とが設けられたことを特徴とする請求項１、７、８又は９に記載のバラスト水交換装置。
11. 前記タンク内の水面レベルを前記喫水線よりも下方に降下させるためにタンク内上部域を大気と連通させる通気手段が更に設けられたことを特徴とする請求項１０に記載のバラスト水交換装置。
12. 船体幅方向の軸線廻りに旋回する海水の旋回流を前記流入領域及び流出領域に夫々形成することを特徴とする請求項２に記載のバラスト水交換方法。
13. 前記海水循環タンクは、船体の幅方向に延びる堰によって流入領域及び流出領域に区画され、前記タンクの前方壁面と前記堰との間の距離（Ｌ１）は、船体縦軸方向のタンク全長（Ｌ）の１／３以下に設定されることを特徴とする請求項３に記載の船体構造。
14. 前記流入口は、船底の幅方向中央部に配置され、前記流出口は、左右のビルジ部に夫々配置されることを特徴とする請求項３、５又は１３に記載の船体構造。
15. 前記開口閉鎖手段は、前記流入口の開口を船体前方に差し向けるように開放可能な流入側の外蓋と、前記流出口の開口を船体後方に差し向けるように開放可能な流出側の外蓋とを有することを特徴とする請求項３、５、１３又は１４に記載の船体構造。
16. 前記タンクの前方壁面と前記堰との間の距離（Ｌ１）は、船体縦軸方向のタンク全長（Ｌ）の１／３以下に設定されることを特徴とする請求項５に記載の船体構造。
17. 前記堰の高さ（ｈ）は、前記タンクの高さ（Ｈ）の０．２倍以上の寸法に設定されることを特徴とする請求項５に記載の船体構造。
18. 船体幅方向の軸線廻りに旋回する海水の旋回流を前記流入領域及び流出領域に夫々形成することを特徴とする請求項６に記載の船体浮力制御方法。
19. 前記流入口及び流出口に外蓋を夫々配設して前記開口閉鎖手段を形成し、
    前記流入口の外蓋を開放することによって、該流入口の開口を船体前方に差し向けるとともに、前記流出口の外蓋を開放することよって、該流出口の開口を船体後方に差し向けることを特徴とする請求項４、６又は１８に記載の船体浮力制御方法。
20. 前記タンク内の水面レベルを喫水線よりも上方に上昇させた状態で船体を前進させることを特徴とする請求項４、６、１８又は１９に記載の船体浮力制御方法。
21. 前記タンク内の上部域を大気と連通させる通気手段が更に設けられたことを特徴とする請求項３に記載の船舶の船体構造。
22. 通気手段によって前記タンク内の上部域を大気と連通させることを特徴とする請求項４に記載の船体浮力制御方法。

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