JP7064212B2

JP7064212B2 - 気泡生成装置

Info

Publication number: JP7064212B2
Application number: JP2018003688A
Authority: JP
Inventors: 豊阿部; 昌俊池; 伸一郎上澤
Original assignee: APPTEX LLC; University of Tsukuba NUC
Current assignee: APPTEX LLC; University of Tsukuba NUC
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2038-01-12
Also published as: JP2019123282A

Description

本発明は、気泡生成装置に関する。

従来、船舶に取付けられる気泡生成装置として、例えば下記特許文献１に示すような、船底に固定翼を取付ける構成が知られている。
この気泡生成装置では、船底と固定翼との間の空間に負圧域を発生させるとともに、大気を前記空間に供給して負圧域に吸い込ませることで、水と空気との混相流体内に微細気泡を生成する。
そして、このように生成された微細気泡を、船体と水との界面に介在させることにより、船舶が水から受ける摩擦抵抗を低減し、船舶の燃費の向上を実現することを目的としている。

特開２００７－１３１２８３号公報

しかしながら、前記従来の気泡生成装置では、固定翼を船底に取付けることで、船舶が水から受ける抵抗力が増加し、かえって燃費が悪くなるおそれがあった。また、船舶の推進動作により、船底と固定翼との間の空間に水が流入される為、船舶の推進速度が低い場合には、前記空間を充分に負圧にすることができず、微細気泡を確実に生成できないおそれがあった。

本発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、船舶が水から受ける抵抗力を増加させることなく、微細気泡を確実に生成することができる気泡生成装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、船舶の船体内部における喫水線より下方に位置する部分に設けられ、前記船舶の船首尾方向に沿って延びる筒状の気泡生成装置であって、水が内部に流入する流入口と、この気泡生成装置の内側に気体を供給する給気部と、前記流入口から後方に向かうに従い、縮径する第１縮径部と、前記第１縮径部から後方に向かうに従い、拡径する第１拡径部と、前記第１拡径部から後方に向かうに従い、縮径する第２縮径部と、前記第２縮径部から後方に向かうに従い、拡径する第２拡径部と、前記第２拡径部から、水と気体との混相流体を排出する排出口と、を備え、前記流入口は、前記船体における船首もしくは船底に開口しており、前記排出口は、前記船体における船底もしくは側面に開口しており、前記第１拡径部は、前記第１縮径部から前記第２縮径部まで、後方に向かうに従い漸次、拡径しており、前記第２拡径部は、前記第２縮径部から前記排出口まで、後方に向かうに従い漸次、拡径しており、前記第１縮径部および前記第２縮径部それぞれにおける流体の流速は、気泡生成装置全体における流体の平均流速と比べて増大しているとともに、前記第２縮径部における流体の流速は、超音速となっている。

また、本発明の一態様は、前述した気泡生成装置において、第２縮径部における流体の流速は、第１縮径部における流体の流速よりも速い。
また、本発明の一態様は、前述した気泡生成装置において、前記流入口は、前記船体における船首から前方に向けて開口している。

また、本発明の一態様は、前述した気泡生成装置において、前記排出口は、前記船体における船底から外部にむけて開口している。
また、本発明の一態様は、前記給気部はマニホールドを備え、前記給気部には、前記船舶の機関部からの排気が流下してもよい。

また、本発明の一態様は、船舶の船体内部における喫水線と同等の位置に設けられ、前記船舶の船首尾方向に沿って延びる筒状の気泡生成装置であって、水および空気が内部に流入する流入口と、前記流入口から後方に向かうに従い、縮径する第１縮径部と、前記第１縮径部から後方に向かうに従い、拡径する第１拡径部と、前記第１拡径部から後方に向かうに従い、縮径する第２縮径部と、前記第２縮径部から後方に向かうに従い、拡径する第２拡径部と、前記第２拡径部から、水と気体との混相流体を排出する排出口と、を備え、前記流入口は、前記船体における船首に開口しており、前記排出口は、前記船体における船底もしくは側面に開口しており、前記第１拡径部は、前記第１縮径部から前記第２縮径部まで、後方に向かうに従い漸次、拡径しており、前記第２拡径部は、前記第２縮径部から前記排出口まで、後方に向かうに従い漸次、拡径しており、前記第１縮径部および前記第２縮径部それぞれにおける流体の流速は、気泡生成装置全体における流体の平均流速と比べて増大しているとともに、前記第２縮径部における流体の流速は、超音速となっている。

また、本発明の一態様は、前記気泡生成装置の内側に気体を供給する給気部を備えている。

本発明によれば、船舶が水から受ける抵抗力を増加させることなく、微細気泡を確実に生成することができる気泡生成装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る気泡生成装置を備えた船舶の側面概略図である。本発明の一実施形態に係る気泡生成装置の縦断面図である。図２に示す気泡生成装置のうち、第２縮径部および第２拡径部における混相流体の挙動を示す模式図である。図３に示す混相流体の挙動を撮影した図である。

以下、図１から図４を参照し、本発明の一実施形態に係る気泡生成装置１について説明する。
図１に示すように、気泡生成装置１は、船舶５０の船体５０Ａのうち、喫水線Ｌより下方に位置する部分に設けられている。図示の例では、気泡生成装置１は、図１に２点鎖線で示すように、船舶５０の船体５０Ａにおける喫水線Ｌより下方に位置する部分の下側に配置されている。

図２に示すように、気泡生成装置１は、筒状をなしている。気泡生成装置１の中心軸線Ｏは、船舶５０の船首尾方向に沿って延びている。以下の説明において、船首尾方向における船舶５０の船首側を前方、船尾側を後方という。また、船首尾方向から見た平面視で、中心軸線Ｏと交差する方向を径方向といい、中心軸線Ｏ回りに周回する方向を周方向という。

気泡生成装置１は、水が内部に流入する流入口１０と、この気泡生成装置１の内側に気体を供給する給気部１２と、を備えている。
流入口１０は、船体５０Ａにおける船首から前方に向けて開口している。図１に示すように、船体５０Ａの船首には、前方に向けて突出する半球体状をなし、船舶５０の造波抵抗を低減するバルバス・バウ５０Ｂが設けられている。流入口１０は、バルバス・バウ５０Ｂから、前方に向けて開口している。

給気部１２は、マニホールド１６を備えている。給気部１２には船舶５０の機関部からの排気が流下する。マニホールド１６は、機関部と接続された筒状の本管１６Ａと、本管１６Ａの内周面から径方向の内側に向けて延びる複数の分岐管１６Ｂと、を備えている。
本管１６Ａは、例えば、中心軸線Ｏと同軸に配置されている。分岐管１６Ｂは本管１６Ａの周方向および船首尾方向の双方向に間隔をあけて、複数配置されている。複数の分岐管１６Ｂは、後述する第１拡径部１３の前端部内面に接続されている。

図２に示すように、気泡生成装置１はまた、流入口１０から後方に向かうに従い、連続的に滑らかに縮径する第１縮径部１１と、第１縮径部１１から後方に向かうに従い、連続的に滑らかに拡径する第１拡径部１３と、を備えている。第１縮径部１１および第１拡径部１３は、船首尾方向に連続して形成されている。

第１縮径部１１の後端部における内径Ｄ２は、第１縮径部１１の前端部における内径Ｄ１よりも小さくなっている。第１拡径部１３の後端部における内径Ｄ３は、第１拡径部１３の前端部における内径Ｄ２よりも大きくなっている。
第１縮径部１１の前端部内径Ｄ１は、後方に向かうに従い、変化しないか若しくは連続的に滑らかに縮径している。
第１拡径部１３は、後方に向かうに従い漸次、拡径している。

気泡生成装置１はまた、第１拡径部１３から後方に向かうに従い、縮径する第２縮径部１４と、第２縮径部１４から後方に向かうに従い、拡径する第２拡径部１５と、を備えている。第２縮径部１４および第２拡径部１５は、船首尾方向に連続して形成されている。また、第２縮径部１４は、第１拡径部１３と船首尾方向に連続して形成されている。

第２縮径部１４の後端部における内径Ｄ４は、第２縮径部１４の前端部における内径Ｄ３よりも小さくなっている。第２拡径部１５の後端部における内径Ｄ５は、第２拡径部１５の前端部における内径Ｄ４よりも大きくなっている。
第２縮径部１４の前端部は、後方に向かうに従い漸次、縮径している。第２拡径部１５は、後方に向かうに従い漸次、拡径している。

気泡生成装置１はまた、第２拡径部１５から外部に向けて、水と気体との混相流体を排出する排出口１７を備えている。排出口１７は、船体５０Ａにおける船底５０Ｃから外部に向けて開口している。なお、図２では、船底５０Ｃにおける排出口１７の構成の図示を省略している。

そして、本実施形態では、第１縮径部１１および第２縮径部１４における混相流体の流速は、気泡生成装置１全体における流体の平均流速と比べて増大している。また、第２縮径部１４における混相流体の流速は、超音速となっている。以下、この点について気泡生成装置１の作用と併せて詳述する。

図１に示す状態から船舶５０が前方に向けて推進すると、図２に示すように、流入口１０から水（符号Ｌ）が第１縮径部１１の内側に流入する。ここで、第１縮径部１１が縮径していることにより、水の流速が速くなり、図中矢印方向の圧力が低下する。そして、水の流速は、第１縮径部１１から第１拡径部１３に至る流体の経路において、第１直筒部１１Ａで速くなる。また、第１直筒部１１Ａ内の水の圧力は、流入口１０の前方に位置する水の圧力に対して負圧となる。

次に、水が第１縮径部１１から第１拡径部１３に入ると、第１拡径部１３が次第に拡径していることにより、水の流速が次第に低下するとともに、図中矢印方向の圧力が上昇する。
この際、給気部１２を通して、船舶５０の機関部からのＣＯ_２を含む排気ガス（符号Ｇ）が第１拡径部１３の内部に供給される。これにより、気体である排気ガスと水とが混ざり合い、気泡Ｂを含む気液の混相流体となる。

次に、混相流体が第２縮径部１４に差し掛かると、第１縮径部１１と同様に、混相流体の流速が速くなるとともに、混相流体の図中矢印方向の圧力が低下する。
そして、混相流体の流速は、流入口１０から排出口１７に至る流体の経路において、第２直筒部１４Ａ付近で大きくなる。また、第２直筒部１４Ａ内の混相流体の図中矢印方向の圧力は、第１拡径部１３内の混相流体の圧力に対して負圧となる。

そして、混相流体が第２縮径部１４から第２拡径部１５に入ると、気泡が圧壊される。気泡が圧壊されて細分化することで、微細気泡（符号ＭＢ）が生成される。微細気泡の気泡径は、例えば１０μｍ～１００μｍである。

下記の参考文献に示すように、気体と液体との混相流体では音速が低下することが知られている。このため、流体の速度が音速を超えやすい状態となっており、第２縮径部１４で流体の流速が速くなると、流体の流速が超音速となり、衝撃波が発生する。
＜参考文献＞混相流、２７巻、５号、２０１４年、ｐｐ.５３１－５３８

このため、第２縮径部１４および第２拡径部１５にて微細気泡が顕著に生成される状態となる。
また、第２縮径部１４における流速は、第１縮径部１１における流速よりも速くなっている。すなわち、気泡生成装置１の内側において、後方に位置する第２縮径部１４の図中矢印方向の圧力が、第１縮径部１１における同方向の圧力よりも低くなっている。この圧力差に基づいて、混相流体が後方に向けて順次流下してゆく。

そして、排出口１７から船体５０Ａの外部に微細気泡を含む混相流体が排出される。微細気泡は、気泡径が小さいため浮力が小さく、気泡体積に対する表面積の割合が大きいため、水中を漂いながら船体５０Ａと水との界面に長時間介在する。この微細気泡の存在効果により、船体５０Ａと水との間の摩擦抵抗を低減させることができる。これにより船舶５０の燃費を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る気泡生成装置１によれば、流入口１０が前方に向けて開口しているので、船舶５０の前方に向けた推進に伴って、気泡生成装置１の内側に水を流入させることができる。
また、第１縮径部１１で水が船首から船尾を向く方向に減圧されることで負圧となり、この負圧の作用により給気部１２から気体を円滑に第１拡径部１３の内部に供給することができる。これにより、気体を気泡生成装置１の内側に送り出すための動力が必要なく、効率的に気泡生成装置１の内側に水と気体とを流入させることができる。

また、気泡生成装置１が船体５０Ａの内部に設けられているので、船体５０Ａの外部に例えば固定翼のような他の部材を取付ける構成と比較して、船体５０Ａ全体が水から受ける抵抗力を小さくすることができる。このため、船舶５０が推進する際に、気泡生成装置１が原因となって、船舶５０が水から受ける抵抗力を増加させることがない。
さらに、気泡生成装置１が筒状であるため、固定翼と比較して製造コストとメンテナンスコストが抑えられる。
そして、第２縮径部１４および第２拡径部１５を経て、微細気泡を確実に生成することができる。

また、第２縮径部１４における流体の流速が、第１縮径部１１における流体の流速よりも速くなっている。このため、気泡生成装置１の内側において、後方に位置する第２縮径部１４の圧力が、第１縮径部１１における圧力よりも低くなり、気泡生成装置１の前方から後方に向かう流体の流れを形成することが可能になる。これにより、仮に船舶５０の前方に向けた推進速度が低い場合であっても、円滑に気泡生成装置１により微細気泡を生成し、排出口１７から排出することができる。

また、流入口１０が船体５０Ａにおける船首から前方に向けて開口しているので、船舶５０が前方に向けて推進した際に、船舶５０の船体５０Ａのうち、最も水が衝突する部分に流入口１０を設けることとなり、効率的に流入口１０から水を取り込むことができる。

また、排出口１７が船体５０Ａにおける船底５０Ｃから開口しているので、微細気泡を、船体５０Ａの側面よりも表面積の大きい船底５０Ｃの近傍に排出することができる。これにより、より効率的に微細気泡を船体５０Ａと水との界面に介在させることが可能になり、微細気泡による燃費向上の効果を、顕著に奏功させることができる。

また、給気部１２がマニホールド１６を備えているので、マニホールド１６を通して円滑に第１縮径部１１に気体を供給することができる。
また、マニホールド１６に機関部から排出されるＣＯ_２が供給される。このため、ＣＯ_２含む微細気泡を生成し、水中に排出することで、機関部から排気されるＣＯ_２を大気に排気することなく、水に溶け込ませることができる。これにより、船舶５０からのＣＯ_２の排出を抑制し、環境負荷を低減することができる。
ここで、微細気泡は気泡径が小さいため、単位体積当たりの表面積が大きい。このため水と接する面積が大きくなることで、気泡が船体５０Ａに付着する効果が高くなるとともに、効率的にＣＯ_２を水に溶け込ませることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記実施形態においては、船舶５０の船首にバルバス・バウ５０Ｂが設けられ、バルバス・バウ５０Ｂの内部に気泡生成装置１が設けられている構成を示したが、このような態様に限られない。船舶５０の船首にバルバス・バウが設けられなくてもよい。

また、上記実施形態においては、第２縮径部１４における混相流体の流速は、第１縮径部１１における混相流体の流速よりも速い構成を示したが、このような態様に限られない。第１縮径部１１における混相流体の流速は、第２縮径部１４における混相流体の流速よりも速くても同等であってもよい。

また、第１縮径部１１および第２縮径部１４それぞれにおける最小内径は、互いに異なっていても同じであってもよい。
また、上記実施形態においては、流入口１０は、船体５０Ａにおける船首から前方に向けて開口している構成を示したが、このような態様に限られない。流入口１０は、船体５０Ａにおける船首以外の部分、例えば船底５０Ｃ等から、下方かつ前方に向けて開口してもよい。

また、上記実施形態においては、排出口１７は船体５０Ａにおける船底５０Ｃから外部に向けて開口している構成を示したが、このような態様に限られない。排出口１７は、船体５０Ａにおける船底５０Ｃ以外の部分、例えば船体５０Ａの側面等から、外部に向けて開口してもよい。また、排出口１７が船体５０Ａに向けて開口してもよい。

また、上記実施形態においては、給気部１２がマニホールド１６を備えている構成を示したが、このような態様に限られない。給気部１２はマニホールド１６を備えていなくてもよい。
また、上記実施形態においては、機関部からの排気がマニホールド１６を通して第１縮径部１１に供給される構成を示したが、このような態様に限られない。例えば大気を取り込むことにより、気体を第１縮径部１１に供給してもよい。
また、気泡生成装置１が取付けられる船舶５０としては、海上や河川上を航行する船舶５０の他、水中を潜航する潜水艇であってもよい。

また、上記実施形態においては、気泡生成装置１が、船舶５０の船体５０Ａにおける喫水線Ｌより下方に位置している構成を示したが、このような態様に限られない。例えば、気泡生成装置１は、船舶５０の船体５０Ａにおける喫水線Ｌと同等の位置に設けられてもよい。
ここで、喫水線Ｌと同等の位置とは、気泡生成装置１における流入口１０の上下方向の内側に、喫水線Ｌが位置していることを意味する。このため、流入口１０から水と空気とを気泡生成装置１の内側に流入させることができる。このような場合には、気泡生成装置１が給気部１２を備えなくてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１気泡生成装置
１０流入口
１１第１縮径部
１２給気部
１３第１拡径部
１４第２縮径部
１５第２拡径部
１７排出口
５０船舶
５０Ａ船体
５０Ｂバルバス・バウ
５０Ｃ船底

Claims

船舶の船体内部における喫水線より下方に位置する部分に設けられ、前記船舶の船首尾方向に沿って延びる筒状の気泡生成装置であって、
水が内部に流入する流入口と、
この気泡生成装置の内側に気体を供給する給気部と、
前記流入口から後方に向かうに従い、縮径する第１縮径部と、
前記第１縮径部から後方に向かうに従い、拡径する第１拡径部と、
前記第１拡径部から後方に向かうに従い、縮径する第２縮径部と、
前記第２縮径部から後方に向かうに従い、拡径する第２拡径部と、
前記第２拡径部から、水と気体との混相流体を排出する排出口と、を備え、
前記流入口は、前記船体における船首もしくは船底に開口しており、
前記排出口は、前記船体における船底もしくは側面に開口しており、
前記第１拡径部は、前記第１縮径部から前記第２縮径部まで、後方に向かうに従い漸次、拡径しており、
前記第２拡径部は、前記第２縮径部から前記排出口まで、後方に向かうに従い漸次、拡径しており、
前記第１縮径部および前記第２縮径部それぞれにおける流体の流速は、気泡生成装置全体における流体の平均流速と比べて増大しているとともに、
前記第２縮径部における流体の流速は、超音速となっている気泡生成装置。
第２縮径部における流体の流速は、第１縮径部における流体の流速よりも速い請求項１に記載の気泡生成装置。
前記流入口は、前記船体における船首から前方に向けて開口している請求項１又は２に記載の気泡生成装置。
前記排出口は、前記船体における船底から外部にむけて開口している請求項１から３のいずれか１項に記載の気泡生成装置。
前記給気部はマニホールドを備え、
前記給気部には、前記船舶の機関部からの排気が流下する請求項１から４のいずれか１項に記載の気泡生成装置。
船舶の船体内部における喫水線と同等の位置に設けられ、前記船舶の船首尾方向に沿って延びる筒状の気泡生成装置であって、
水および空気が内部に流入する流入口と、
前記流入口から後方に向かうに従い、縮径する第１縮径部と、
前記第１縮径部から後方に向かうに従い、拡径する第１拡径部と、
前記第１拡径部から後方に向かうに従い、縮径する第２縮径部と、
前記第２縮径部から後方に向かうに従い、拡径する第２拡径部と、
前記第２拡径部から、水と気体との混相流体を排出する排出口と、を備え、
前記流入口は、前記船体における船首に開口しており、
前記排出口は、前記船体における船底もしくは側面に開口しており、
前記第１拡径部は、前記第１縮径部から前記第２縮径部まで、後方に向かうに従い漸次、拡径しており、
前記第２拡径部は、前記第２縮径部から前記排出口まで、後方に向かうに従い漸次、拡径しており、
前記第１縮径部および前記第２縮径部それぞれにおける流体の流速は、気泡生成装置全体における流体の平均流速と比べて増大しているとともに、
前記第２縮径部における流体の流速は、超音速となっている気泡生成装置。
前記気泡生成装置の内側に気体を供給する給気部を備えている請求項６に記載の気泡生成装置。