JP7391663B2 - 海洋物体周りの長期流れ制御のためのコーティング - Google Patents

Description

本発明は、没水している物体周りの水流を滑らかにする人工柔毛に関する。

没水した（海洋）物体は、静止し周りに水流を受けているか、静水または流水中で航行しているかにかかわらず、その周囲の水から力を受ける。流体力学者は、これらの表面の表面特性を変化させることによってこれらの力を最小限に抑えようと試みている。この目的のために、自然がしばしば着目されている。最もよく知られている例は、いわゆる「鮫肌効果」である（たとえば、Ｂｅｃｈｅｒｔ， Ｄ．， Ｂｒｕｓｅ， Ｍ．， Ｈａｇｅ， Ｗ． ｅｔ ａｌ． Ｎａｔｕｒｗｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔｅｎ （２０００） ８７： １５７． ｄｏｉ：１０．１００７／ｓ００１１４００５０６９６）。別の例は、魚の滑りやすい表皮を模倣した一種の「究極的に滑らかな表面」として非常に滑りやすい表面を生み出すことである（たとえば、Ｙａｎｇ Ｗｕ ｅｔ ａｌ．， Ｂｉｏｍｉｍｉｃｋｉｎｇ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｔｏ ｆｉｓｈ ｓｋｉｎ ｕｓｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ， ＮＰＧ Ａｓｉａ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ （２０１４） ６， ｅ１３６）。大抵、模倣の対象は完全に水中の動物である。これらの動物では、体の流体力学的形状の他に、表皮の上での摩擦抵抗が優位である。しかし、表面では、表皮摩擦より波抵抗がはるかに重要である。水中で泳ぐとき、抗力は、造波抗力の不足のため４分の１に減少する。

異なる目的のためには、環境に関連して表面の特性を変化させるために、繊維被覆された材料が海洋物体に対して使用されることがある。

ＷＯ１９９３０２５４３２Ａ１は、海洋構築物に対する汚れ止めとして高密度の細く短い繊維を有する繊維フロック（fiber flock）の使用について教示している。これは、繊維の密度５０～３００本／ｍｍ²、０．１ｍｍ未満の繊維太さ、および０．５～５ｍｍの繊維長さについて述べている。しかし、特許ＷＯ２００７／１０８６７９の比較例ＩＩは、密度に基づいて、短い繊維だけが使用され、そのような表面の汚れ止め性能が限られていることを示している。その代わりに、ＷＯ２００７／１０８６７９は、「とげのようなもの」として特徴付けられる比較的短く太い繊維に基づく、汚れ止め特性を有する繊維被覆された海洋材料について記載している。これらは、依然としていくらかの繊維運動を可能にすることになるが、藻類および貝甲殻類の胞子、遊走子、または幼生生物は、概して、特に比較的硬質なほとんど動かないものに付着すると言われている。これらの汚れ止め繊維コーティングを他の目的に使用する記録は述べられていない。しかし、実用的な理由で、船体の現在の慣行は、汚れ止めから必要なとき清掃することに向かいつつある。遠隔操作車両による清掃が潜水清掃に置き換わりつつあり、その工程はますます効率的になっている。この開発は、清掃しやすい表面の必要を増大している。

また、従来技術において流れ特性を変えるために繊維フロックについても記載されている。流体力学ではなく空気力学に対する注目にかかわらず、米国特許第７，３１８，６１９号は、抗力および騒音を低減することを含めて－フロック加工のない表面に対して空気力学的特性を調整するように上を空気が流れる表面にフロック加工を加えることについて記載している。米国特許第７，３１８，６１９号は、長さ０．５、１．０、および２．５ｍｍの繊維でフロック加工されたＮＡＣＡ２４１２エーロフォイルを使用して、高い迎え角で増大された揚力および低減された抗力について報告している。しかし、迎え角ゼロでは、ベアのエーロフォイルに比べて、繊維で被覆されたエーロフォイルについて測定された抗力係数Ｃ_Dは、長さ０．５ｍｍの繊維について４０％高く（Ｃ_D０．７対滑らかなフォイルについてＣ_D０．５）、長さ１．５ｍｍの繊維について６０％高く（Ｃ_D０．８対滑らかなフォイルについてＣ_D０．５）、長さ２．５ｍｍの繊維について８０％高い（Ｃ_D０．９対滑らかなフォイルについてＣ_D０．５）ことも示されている。さらに、繊維はエアフォイルの揚力側にのみ適用されており、一方、船舶の場合、それは揚力によってではなく摩擦抗力によって大部分支配される他方の側である。その情報に基づいて、当業者は、ゼロ度の迎え角で航行する水上に浮かぶ船舶の動きに含まれる流体力学を改善するために空気力学に対する知見を推測しないであろう。実際、あったとしても、当業者に対して別の方向に教示することになり、フロック加工のないものに比べて、繊維被覆された水上に浮かぶ船舶についてより高い抗力係数を期待するであろう。

米国特許第３，５５４，１５４号は、水線より下方でその外側表面から突出する複数の剛毛を有するボートについて記載しており、これらの剛毛は、水上のボートによって生成されるキャビテーション渦を減衰させるために十分に密集している。キャビテーションの効果は、所与の温度についての蒸気飽和圧力未満の圧力低下によって引き起こされる。この文献によれば、ボートの外側表面を剛毛で覆うことにより、キャビテーション効果が減衰され、水上のボートの動きによって生成される摩擦が低減される。しかし、専門家にとっては、キャビテーションポイントより上方での船体の流れ特性は、キャビテーションポイントより下方での（通常の）流れ特性とは著しく異なることが明らかである。キャビテーションは、プロペラおよび付加物にとって重要であるが、そのような圧力低下条件が存在しない船舶の動きについての抗力にほとんど関連がない。

ＤＥ１９７０４２０７は、浮体の水の抵抗（表皮摩擦）を、その外側表面を繊維が広げられた繊維パターンで被覆することによって低減することについて記載している。水中の電荷とは反対の正電荷を印加するために、繊維のための支持層内に導体が組み込まれている。この高電圧は、マグネシウムカソードを有する制御システムによって印加される。正電荷は、繊維の接着剤層内に埋め込まれたワイヤによって、または導電性接着剤を使用することによって印加され得る。繊維は、ローラによる塗布中に必要とされるパターンにされる。ＤＥ１９７０４２０７には、この構造は、流れに対して直交する、またはおそらくは傾斜する繊維と共に、空気クッション／空気潤滑として機能する繊維が小さな渦を生み出すことに基づいて、抵抗低減効果をもたらすことも記載されている。空気潤滑は、表皮摩擦抵抗を低減するという知られている概念である。船体上の空気の薄い層が、水に比べてより低い空気の粘性により表皮摩擦を実質的に低下させ得る。この空気層は、この場合には船体と水の間で、空気ベアリングのような潤滑剤として働く。しかし、大部分の船体の形状は、必然的に空気クッションを高速で逃がすことになり、そのような空気層を維持するために、一定の空気の補充（泡注入）が必要とされることになる。これは、エネルギー節約モードになると思われない。

２０１１年のミュンヘンにおける第２１回Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｏｃｋ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍにおいて、Ｈｏｆｍａｎｎは、空気の閉じ込め（空気潤滑）に基づいて表皮摩擦を低減するフロック加工された表面について述べている。しかし、空気の閉じ込めは、空気の補充の速度を修正することはできるが、連続的な空気供給の必要を解消しない。したがって、閉じ込められた（たとえば、フロック内に）空気だけに依拠する受動的なシステムは、船舶が動き始めた後すぐにその効果を失うことになる。

上記のいずれも、没水した（海洋）物体に蓄積された力の低減について教示していない。あったとしても、当技術分野は、増大された摩擦抵抗について教示しており、概して水中の移動物体に繊維を適用することから離れる。

大部分の人工構造物は水面にあるので、本発明は、前記構造物の流体力学を改善するために海洋哺乳類表皮を模倣することに基づく。哺乳類は、しばしば表面で泳ぎ、優勢の抗力に効率的に対処する。流体力学全体を改善するために海洋哺乳類の毛皮を模倣することは、それ自体まったく新しい手法であり、当技術分野は長さの効果について論じているが、剛性の効果（剛毛対柔毛を比較する）は対処されていない。本発明者は、思いがけなく、０．３～４ｍｍの平均繊維長および５～８０ミクロンの平均繊維太さを有する柔らかい繊維フロック材料を、水流の迎え角が本質的に０度である可動もしくは移動中の船舶の船体など水中構造物または洋上風力モノパイル（monopile）および海洋掘削装置など水中静止構造物に適用したとき、全体的な抗力は、負の影響を受けず、（表皮）摩擦が著しく増大するにつれて、これらの繊維フロック材料は、総抗力の低減さえもたらし得る優れた残留抗力低減特性を有することを見出した。

例では、より細い繊維は、より太い繊維に比べて低い摩擦抵抗を有し、より長い繊維は、より短い繊維に比べてより高い表面摩擦を有し、したがって、繊維長および直径に基づいて流れ特性を最適化するためのツールをもたらすことが示されている。また、表面構造の効果は、単に表面に汚れがない限り効果があるので、汚れないように保つことが重要であり、汚れが生じた場合、清掃するのは容易である。本発明者は、これらの２つの目的は、繊維長および太さ、および任意選択で本発明の太さ対長さ比に働きかけるとき合体され得ることを見出した。繊維は、清掃するのが容易である。

一実施形態では、構造物は、移動中の、または（自己）可動の航海船舶である。それに関連して、本発明は、水上を通る航海船舶の燃料消費の削減に関する。別の実施形態では、構造物は、洋上風力モノパイルまたは海洋掘削装置など静止構造物である。

関連の態様では、本発明は、残留抗力を低減するための、可動もしくは移動中の航海構造物など構造物または洋上風力モノパイルもしくは海洋掘削装置など静止構造物の水中表面上の繊維被覆された材料に関し、前記材料は、本明細書および添付の特許請求の範囲に定義された平均繊維長および平均繊維太さを有する繊維を含む、またはそれらからなる。

繊維被覆された材料は、改善された清掃性特性を有し、すなわち好ましくは清掃しやすい。

船舶の速度－長さ比（Ｖ／（√Ｌ））に対する総抗力係数Ｃ＿ｔｏｔａｌの依存性を示す概略図。（「１」）表皮摩擦抗力係数、（「２」）残留抗力係数、（「３」）層流のライン、（「４」）乱れへの移行、（「５」）乱流、（「６」）完全な乱流、（「７」）造波抵抗によるＣ＿ｔｏｔａｌの山、（「８」）造波抵抗によるＣ＿ｔｏｔａｌのくぼみ。 排水モードにおける特定のエンジン回転数で達成される船舶速度（単位ノット）に対する繊維フロックの効果の図。菱形（「２」）は、長繊維（平均長さ２．５～３ｍｍ）での結果を示し、方形（「１」）は、短繊維（平均長さ０．５～１．５ｍｍ）を表し、円（「３」）は、被覆なしの船舶表面で得られたものである。

一態様では、本発明は、（流体力学的）残留抗力を低減するための構造物の水中表面上での繊維被覆された材料の使用に関し、前記材料は、０．３から４ｍｍの間の平均繊維長および５から８０ミクロンの間の平均繊維太さを有する繊維を含む、またはそれらからなる。別の態様では、本発明は、水中に沈められた構造物の残留抗力を低減するための方法に関し、構造物の水中表面の少なくとも一部は、繊維被覆された材料を備え、前記材料は、０．３から４ｍｍの間の平均繊維長および５から８０ミクロンの間の平均繊維太さを有する繊維を含む、またはそれらからなる。

一実施形態では、繊維は、好ましくは０．５と３．５ｍｍの間、より好ましくは０．５と３ｍｍの間、より好ましくは２．５ｍｍ未満、さらに好ましくは２ｍｍ未満、最も好ましくは１ｍｍ未満、最も好ましくは０．５から１ｍｍの範囲内の平均長さを有する。

一実施形態では、改善された清掃性のために、繊維は、８０μｍ未満、好ましくは７５μｍ未満、好ましくは７０μｍ未満、より好ましくは６０μｍ未満、より好ましくは５０μｍ未満、さらに好ましくは４５μｍ未満、最も好ましくは３０μｍ未満の平均太さを有することが好ましい。

好ましい一実施形態では、上記の好ましい平均繊維長と平均繊維太さが組み合わされる。これらの範囲内で、平均太さと長さの実際の組合せは、特定の応用例のために抗力と清掃性の最適に応じて選択され得る。別の実施形態では、改善された清掃性のために、平均繊維長は、好ましくは少なくとも１ｍｍ、より好ましくは少なくとも２ｍｍ、最も好ましくは２から４ｍｍの間、より好ましくは少なくとも２．５ｍｍであり、好ましくは、ここで上記に定義されている平均繊維太さを有する。しかし、これらのより長い繊維のための改善された清掃性は、残留抗力低減にとってあまり有利でない。本発明の範囲内において、残留抗力問題に取り組むことがより重要である場合、平均繊維長は、好ましくは３．５ｍｍ未満、より好ましくは３．０ｍｍ未満、最も好ましくは２．５ｍｍ未満、さらに好ましくは２．０ｍｍ未満である。より短い繊維長の場合、清掃は、より注意を要することになる。

前述の範囲内では、本発明による繊維は、好ましくは０．０５以下、好ましくは０．０４未満、より好ましくは０．０３未満の（平均繊維長および平均繊維太さに基づく）太さ対長さ比（すなわち、平均直径／平均長さ）を有する。太さ対長さ比は、好ましくは少なくとも０．００５、より好ましくは少なくとも０．００９、最も好ましくは少なくとも０．０１である。

哺乳類の柔毛を模倣するためには、柔らかい繊維が物体の表面上に静電フロック加工によって堆積される。この技法の場合、装填可能な繊維が繊維容器とフロック加工対象の（接地された）物体との間の高電圧電界内で装填され得る。電界により、繊維は物体へ直接流れ、繊維は直交に近づいている。物体に適用された接着剤が繊維を捉え、乾燥および架橋プロセスの後、繊維は永続的に付着する。繊維は、流れ方向の位置決めを可能にするように、方向性のフロック加工がなされ得る。繊維材料は、多様であり、たとえばビスコース、ポリエステル、およびポリアミドとすることができ、また、それらの寸法および密度は、大きく変わり得る。異なる繊維は、水流と、繊維の材料ならびに寸法（長さ、直径、太さ対長さ比）とのことで異なる挙動を受けることになることは明らかである。また、異なる哺乳類は、異なる柔毛の毛を有し、その結果、流体力学を最適化するために正しい繊維を見出すためには、選択および最適化が欠かせない。

繊維被覆された表面での流体力学的現象を理解するために、特に繊維の抗力低減特性から別の方向へ教示する従来技術における残念な結果に照らして、抗力の異なる成分間で見分けなければならない。抗力の水中部分は、本質的に摩擦および残留抗力からなる。これらの抗力成分は、互いに独立して様々である。

物体に対する流体（水）の相対運動だけが重要であるため、流体中で動くボディに関する有利な残留抗力低減効果について述べられるあらゆる事項は、流体が静止（水中）構造物周りを流れる状況に自動的に変わる。

摩擦抗力は、水の内部粘性によるものであり、物体の付近における水体積の剪断運動に由来する。ボディが流体中を動くとき、境界層がその露出表面上で発達する。すなわち、固体表面のすぐ近くの流体層は、ボディに対して無流であり、すなわち、ボディに付着し、その速度（ノンスリップ境界条件）で動き、隣接する流体層は、ボディから遠く離れて流体が完全に静止するまで、徐々に低下する速度を有する。（逆に、流体は、静止構造物周りで動くとき、構造物の表面でゼロ速度が得られるまで境界層内で遅くなる。）境界層内の摩擦は、流体（水）の粘性によって示され、ボディの摩擦抵抗を支配する。流体中で動く船舶の摩擦抵抗は、船体の濡れたエリアに比例し、境界層の厚さに依存する。境界層の状態および厚さは、船速と共に、また船舶の最前部の点を基準とする船体に沿った位置と共に変化する。低速および前部近くにて、境界層は層流である（隣接する流体層間での拡散性の伝達）。高速で、および／または前部から遠く離れると、境界層は乱流になる（渦の創出および流体特性のカオス的な変化に関連する、隣接する流体層間での対流的な伝達）。当技術分野では、摩擦抗力とそれを低減する方法に多くの注意が払われてきた。

残留抗力は、主に形状抗力（「圧力」抗力としても知られる）および「造波」抗力（ｗａｖｅ ｏｒ ｗａｖｅ－ｍａｋｉｎｇ ｄｒａｇ）から形成される。
１．移動中の航海船舶での実施形態では、形状抗力は、船舶の形状に依存し、船舶の前部と後部との圧力の差に由来する。船舶が水上で移動するとき、その前部で水は分割され、船舶周りを強制的に移動し、この現象は、局所的な圧力上昇に関連付けられる。反対に、船舶の後部では、水は再結合し、船舶の通過後に残される空所を埋める。これが効率的に行われない場合、局所的に低い圧力が船舶の後ろに形成される。これらの圧力の差は、船舶断面積に作用し、速度を低下させる力－形状抗力を加える。形状抗力は、船体の形状、および船舶の後ろに形成される伴流に依存する。境界層剥離は、伴流を増大し、効率を低減し、それに伴って後部圧力が回復し、したがって形状抗力増大をもたらす。
２．造波抗力（造波抗力）は、波の形成に関係する。穏やかな水域では、船舶が通過した後、水面にウェーブシステム（wave system）が発達する。したがって、船舶のエネルギーの一部が、このウェーブシステムを攪拌するために使用された。これは、抗力－造波抗力に関連する。造波抗力は、船舶の前部および後部での圧力の差に依存し、したがって船舶の長さ、船体の形状に依存するが、境界層内の粘性消散にも依存する。

図１は、水上に浮かぶ船舶の速度（Ｖ）長さ（√Ｌ）比に関して異なる抗力成分（総抗力係数で表す）を示す。低い速度長さ比では、低いレイノルズ数（Ｒｅ＝ρＶＬ／μ、ここでρは流体の密度でありμはその粘性であり、Ｖは流体に対する船舶の速度であり、Ｌは船舶の長さである）にも関連し、摩擦抗力（「１」）が優勢である。さらに、摩擦抗力係数は、Ｖ／（√Ｌ）と共に減少する。総抗力係数は、最初、同じ傾向に従うが、より高いＶ／（√Ｌ）では、残留抗力（「２」）の貢献が増大し、最終的に優位を占める。典型的な船舶の巡航速度では、残留抗力は、その船舶が受ける総抗力の５０％超に貢献する。

本発明者の知見では、全体的な抗力は、例４、例５、および例７に示されているように中立であったが、例１に示されているように摩擦抗力が増大したとき、残留抗力は、本質的に増大したはずである。

残留抗力に関する本発明者の知見は、水上で移動する船舶について、残留抗力低下を維持しながら摩擦の貢献を低減するように本発明者の初期知見における繊維から繊維長および太さが変えられる場合、有利に維持された、またはさらにはより低い全体的な抗力特性、および関連の燃料低減をもたらし得る。

例１は、異なる長さおよび太さを有する繊維被覆された 円板に対する摩擦抗力の差を明確に示す。繊維が短いほど摩擦抗力が低くなり、同じ平均長さで繊維が細くなるほど摩擦抗力が低くなる。これらの知見は、摩擦抗力を低減するためには、繊維が可能な限り短く細くあるべきであることを暗示する。しかし、寸法は、残留抵抗の低減が依然として存在し、したがって、特に繊維の長さの最小値があるように、慎重に選択されるべきである。摩擦抗力によって支配される長く細身の船舶については、抗力は、０．７ｍｍの繊維について中立であることを例７が示すように、これは依然として、残留抗力特性が存在する繊維である。例４および例５について中立抗力が長さ３ｍｍの太い繊維について見出されたということは、この長さ領域では依然として、船舶形状に応じて、残留抗力低下は摩擦抗力増大と一致し得ることを示す。

残留抗力の利益を最適化するためには、より柔らかい繊維の方がより剛性の繊維より好ましく、より短い繊維の方がより長い繊維より好ましい。平均繊維太さは、５～８０μｍ、より好ましくは５～７５μｍ、特に５～７０μｍ、好ましくは６０μｍ未満、より好ましくは５０μｍ未満、最も好ましくは４５μｍ未満、特に好ましくは１０～３０μｍである範囲内にあることが好ましい。

抗力に対する効果が持続するためには、表面は、異物（生物学的、化学的、沈積物）のないままにするべきである。この態様では、本発明の第２の態様は、表面を容易に清掃する必要について教示している。人工毛皮の繊維は、汚染が断熱された物体の表面に容易に到達しないようにする。汚染－本質的に有機または無機－は、繊維の上部を「汚す」ことになり、その場所に堆積層を生み出すことになる。繊維の上部でのこの付着は、汚れの下に空間を残し、この空間は、清掃具が繊維のマット内に容易に圧入され得、上部からではなく底部から除去を可能にするので、容易な清掃を可能にする。

繊維の長さは、清掃性において重要な役割を果たすことが見出された。短繊維は、清掃具を配置するには下にほとんど余地を残さず、熱帯生物によって分泌される接着剤が厚くなり得、３～４ｍｍの長繊維でさえ完全に埋めることができるので、堅い付着をもたらすことさえあり得る。例６は、従来の汚れ止めコーティングに比べて、比較可能な北欧水域条件での短繊維タイプと長繊維タイプとの清掃の差を示す。

さらに別の態様では、船舶または構造物の遊休時の場合、汚れが発生し得、清掃性が重要になる。これらの場合には、より長い可撓性の繊維の方が、より短い繊維より、またより太い繊維より好ましい。例６は、異なる繊維の清掃性を比較している。

繊維のフロックの密度（「フロック密度」）は、従来のものであることが好ましく、被覆率約２５％までの実際的なフロック密度を達成するための当業者の能力内にある。フロックのような特性を得るために、３％の最低密度が好ましい。残留抗力低減が達成される密度の点で明瞭な限界はないが、フロック密度は、好ましくは３～２５％の範囲内、より好ましくは５～１５％の範囲内である。

あらゆる種類の繊維形成材料が使用され得る。親水性ポリマーも疎水性ポリマーも使用され得る。繊維は、一般にポリエステル、ポリアミド、またはポリアクリレートから構成され、ポリ（エチレン）テレフタレートおよびポリ（ブチレン）テレフタレートなどポリエステル、ナイロン６、１１、１２、６６、および６１０によって代表されるポリアミド、しかしまたポリウレタン、（改質）ポリ（ビニルアルコール）、ポリエチレンもしくはポリプロピレンなどポリアルキレン、またはそれらの改質（共重合された）形態をも含む。また、レーヨンなど天然繊維が適用されてもよい。繊維は、好ましくはポリエステル、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリレート、ポリシロキサン、フルオロポリマー、およびそれらの組合せからなる群から選択される合成繊維材料製であることが好ましい。また、繊維は、前述のタイプの改質形態、コポリマー、または混合物を含んでもよい。繊維は、ポリアミドまたはポリプロピレンを含むことが好ましい。

一実施形態では、残留抗力低減は、摩擦抗力増大を補償し、さらには置き換わり、好ましくは少なくとも１％、より好ましくは少なくとも２．５％、最も好ましくは少なくとも５％だけ置き換わり、したがって総抗力を低減する。

船舶の船体など構造物の水中部分（水線より下方）の少なくとも５％、より好ましくは少なくとも１０％が繊維フロック材料によって覆われることが好ましい。一実施形態では、（船体の）水中部分のすべて、好ましくは９０％未満、より好ましくは８０％未満、さらにより好ましくは７０％未満、より好ましくは６０％未満、好ましくは５０％未満が繊維フロック材料によって覆われることが好ましい。これは、経済的な観点からであり、船舶の場合、合理的なレベルで平坦な底部と垂直な側部に主に起因する摩擦抗力を維持するためでもある。

本発明は、予測可能な浅喫水および比較的短い船体を有する小型（航海）船舶または可変の喫水および長い船体を有する大排水量船舶に使用されるように適合された、抗力問題に対する解決策を提供する。一実施形態では、繊維フロックは、水上を通過する物体に適用される。

また、本発明は、構造物周りの、または構造物を通る水流が、水と構造物の間の相対運動によって抗力が引き起こされるとき構造物に対して力を加える水中に沈められた静止構造物のための解決策を提供する。繊維フロックの使用は、残留抗力および構造物に対して加えられる力の量を低減することが有利である。好ましい（水中）静止構造物は、洋上風力モノパイルおよび海洋掘削装置だけでなく、プラットフォーム、石油掘削装置、係船柱、およびブイである。

したがって、本発明は、水中で使用するための繊維被覆された構造物に関し、表面の少なくとも一部は、摩擦抗力を低く保つために４ｍｍ未満の平均長さを有するが残留抗力の低下を可能にするために０．３ｍｍより長い繊維を有する繊維フロックで覆われる。好ましくは、平均繊維長はより短く、すなわち０．５ｍｍから４ｍｍの間、抗力最適化のために好ましくは０．５から１．５ｍｍの間、清掃性最適化のために好ましくは２から３ｍｍの間である。繊維の密度および太さは、必要とされる速度、または（それだけには限らないが）（無機ならびに生物学的）汚れの清掃の容易さのような追加の要件に応じて最適化され得る。

別段指定されない限り、本説明および特許請求の範囲を通じて与えられる太さ、長さ、密度、および比の値は、平均である。個々の繊維の５％未満のアンダーカットおよびオーバーカットは許容される。

本発明は、汚染によって表面が汚れていない場合のみ適正に機能し得る。あらゆる表面は最終的に汚れることになることは知られているので、得るべき最良の表面は、清掃しやすい表面である。したがって、本発明は、繊維の清掃しやすい効果にも関する。清掃に関して最適化するためには、より長くより柔らかい繊維の方が、剛性の繊維ならびに短繊維より好ましい（例６参照）。

例
例１－回転円板の設定による摩擦抵抗の測定
水中で回転する、繊維で被覆された回転ＰＶＣ円板を使用して、摩擦抗力テストが研究室環境で実施された。平坦なＰＶＣ円板を測定する他に、２組の円板、すなわち、同じ平均直径、異なる平均長さ（０．５および１．０ｍｍ）を有する短繊維、および異なる平均直径（２７、５０、および７０μｍ）を有する長繊維（平均３ｍｍ）が比較された。指定されたトルクに起因する回転速度が測定された。いくつかのトルク値が使用され、それぞれあらゆる場合において特性トルクが測定された。平板条件があるので、抵抗は純粋に摩擦関連のものである。測定は、異なるトルクで実施された。

ある特性測定では、滑らかなＰＶＣ円板に対して、長さ０．５ｍｍの繊維に覆われた表面は、回転速度において２９％の減少となり、一方、長さ１．０ｍｍの繊維に覆われた表面は、回転速度において３５％の低減となり、より短い繊維の方がより低い摩擦増大となることを示した。長さ３ｍｍの繊維の組についての別の特性測定では、滑らかなＰＶＣ円板に比べて、直径２７ｍｍの繊維に覆われた表面は、４６％低い回転速度となり、直径５０ｍｍの繊維に覆われた表面は、４８％低い回転速度となり、７０ｍｍの繊維に覆われた表面は、５１％低い回転速度となり、より太い繊維の方がより高い摩擦増大となることを示した。

例２－清掃特性
洋上停泊中の船舶が平均で３ｍｍの繊維（４４μｍの平均繊維太さを有する）で覆われた膜で被覆され、船舶は、水中で２．５年の間試験され、これは石油プラットフォーム近くの停泊位置で遊休であり、ごくたまに航行することを意味していた。２年後、ほとんど汚れはなく（水中検査）、２．５年後、船舶は乾ドックに入れられた。乾ドック中、存在する汚れは、容易に除去することができた。厚さ３ｍｍの繊維層を貫通する接着剤の厚い層では、汚れの小部分が永続的に付着していた。

例３－抗力
フロック繊維のシート（平均長さ３ｍｍ、直径平均７０μｍ、従来のフロック密度）がアルミニウム製パイロットボートに取り付けられ、速力試運転が実施された。潮流および風の影響を防止するために、速力試運転は、２方向で実施された。速力試運転後、シートは除去された、同じ速力試運転が滑らかな船体で実施された。各試験回の前に、船舶は燃料補給された。滑らかな船体での試運転後、第２のシートが船体に取り付けられ、このときは、短繊維（長さが平均長さ０．７ｍｍ、平均直径１３μｍ）から構成され、同様のフロック密度であった。

試験は、以下のように進められた。すなわち、最初に、エンジンの所望の回転数（毎分回転数）が実施され、したがって推進力を固定し、その後、船舶が一定の速度となることを可能にした。５秒ごとに、エンジン回転数、船舶の座標、方向、および表面に対する速度を含むデータが記録された。所与のエンジン回転数について、２回、すなわち卓越気候条件の方向での１回、および反対方向での２回目から、船舶の速度が平均として計算された。各エンジン回転数について、速度誤差が個々の測定から統計的に計算され、当該２回のうち大きい方が妥当なものとして受け入れられた。

図２は、試験結果を示す。船が排水モードにある限り、特定のエンジン出力に起因する速度は、滑らかな船体および長繊維について同じであることが明らかである。短繊維の結果を見ると、７％（高速時）の速度増大から２０％超（低速時）までの、同じエンジン出力で速度の大きな増大が得られている。

例４－抗力
フロック繊維のシート（平均長さ３ｍｍ、直径平均７０μｍ、従来のフロック密度）がハーバータグに取り付けられ、通常の汚れ止め塗料が同一のハーバータグに適用された。タグは、キール冷却チャネルを有し、船舶の長さは、１９．６ｍである。達成可能な最大速度を確立するために、両船舶での速力試運転が実施された。繊維フロックのシートを有するタグは、１１．０ノットの最大速度を達成し、一方、通常の汚れ止め塗料を有するタグは、１１．２ノットの最大速度を達成した。例１における実験の結果に基づいて、これは残留抵抗の大きな低減によって達成されたと結論づけられ得る。

例５－抗力
フロック繊維のシート（平均繊維長３ｍｍ、直径平均７０μｍ、従来のフロック密度）が長さ３４ｍの鋼製のクルーテンダ（crew tender）に取り付けられ、それを用いて、通常の汚れ止め塗料を有する速力試運転は、１６．０ノットの最大達成可能速度をもたらした。達成可能な最大速度を確立するために、この船舶を用いた速力試運転がフロック繊維のシートの適用後に実施された。達成された最大速度は、１６．５ノットであった。例３における実験の結果に基づいて、これは残留抵抗の大きな低減に関連付けられた。

例６－清掃
２つの平均繊維長（０．７および３ｍｍ）を有するフロック繊維のシートが冷水内で２つの船舶に取り付けられ、２か月後（０．７ｍｍの繊維シート）および１．５年後（３ｍｍの繊維シート）に検査された。３ｍｍの繊維シートで被覆されたものと同一の船舶が、比較のために通常の汚れ止め塗料で被覆され、１．５年間、比較可能な状態で使用された。３つの船舶すべてがある程度汚れを示し、清掃が実施された。短繊維は、平坦な板金の清掃具を必要とし、汚れの下に板金を押し込むことによって容易に清掃された。長繊維については、１．５年後でさえ、清掃は単純に素手で可能であった。通常の汚れ止め塗料については、ダイブナイフを用いた清掃は、コーティングシステム全体の除去をさえもたらし、繊維が存在しない表面を清掃することができないことを示した。

例７－抗力
フロック繊維のシート（平均長さ０．７ｍｍ、直径平均１４μｍ、従来のフロック密度）が長さ２２０ｍの細身の船舶に取り付けられ、それを用いて、通常の汚れ止め塗料を有する速力試運転は、２１．６ノットの最大達成可能速度をもたらした。達成可能な最大速度を確立するために、この船舶を用いた速力試運転がフロック繊維のシートの適用後に実施された。達成された最大速度は、２１．３ノットであった。比較例３の実験の結果に基づいて、この繊維については３０～３５％の範囲の摩擦抵抗の増大があり、等しい速度は、繊維で被覆された船舶について残留抵抗の大きな低減に関連付けられる。

ここに、出願当初の特許請求の範囲の記載事項を付記する。
［１］ 残留抗力を低減するための構造物の水中表面上での繊維被覆された材料の使用であって、前記材料は、０．３から４ｍｍの間の平均繊維長および５から８０μｍの間の平均繊維太さを有する繊維を含む、またはそれらからなる、使用。
［２］ 構造物の前記水中表面は、（自己）可動もしくは移動中の船舶の船体、または洋上風力モノパイルおよび海洋掘削装置など静止構造物の水中部分である、［１］に記載の使用。
［３］ 水上を通る航海船舶の燃料消費を削減するための、［１］または［２］に記載の使用。
［４］ 前記平均繊維長は、０．５から３．５ｍｍの範囲内、好ましくは０．５から３ｍｍの間、より好ましくは２．５ｍｍ未満、さらに好ましくは２ｍｍ未満、最も好ましくは１ｍｍ未満、最も好ましくは０．５から１ｍｍの範囲内である、［１］から［３］のいずれか一項に記載の使用。
［５］ 前記平均繊維太さは、５から７５μｍの間、好ましくは５から７０μｍの間、より好ましくは５から５０μｍの間、最も好ましくは５から３０μｍの間である、［１］から［４］のいずれか一項に記載の使用。
［６］ 前記繊維は、０．０５以下、好ましくは０．０４未満、より好ましくは０．０３未満、および好ましくは少なくとも０．００５、より好ましくは少なくとも０．００９、最も好ましくは少なくとも０．０１の（平均繊維長および平均繊維太さに基づく）太さ対長さ比を有する、［１］から［５］のいずれか一項に記載の使用。
［７］ 繊維フロック密度は、３から２５％の間である、［１］から［６］のいずれか一項に記載の使用。
［８］ 船舶の没水表面の少なくとも５％は、前記繊維被覆された材料によって覆われる、［１］から［７］のいずれか一項に記載の使用。
［９］ 前記繊維は、合成繊維材料であり、ポリエステル、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリレート、ポリシロキサン、フルオロポリマー、およびそれらの組合せから選択される、［１］から［８］のいずれか一項に記載の使用。
［１０］ 前記繊維は、堆積物の清掃の容易さを提供する、［１］から［９］のいずれか一項に記載の使用。
［１１］ 前記繊維は、少なくとも１ｍｍ、より好ましくは少なくとも２ｍｍ、より好ましくは少なくとも２．５ｍｍ、最も好ましくは少なくとも３ｍｍの平均繊維長を有する、［１０］に記載の使用。
［１２］ 水上を通る航海船舶の全体的な抗力を低減するための、［１］から［１１］のいずれか一項に記載の使用。
［１３］ 水中に沈められた構造物の残留抗力を低減するための方法であって、構造物の水中表面の少なくとも一部は、柔らかい繊維被覆された材料を備え、前記材料は、０．３から４ｍｍの間の平均繊維長および５から８０μｍの間の平均繊維太さを有する繊維を含む、またはそれらからなる、方法。
［１４］ 残留抗力を低減するための可動もしくは移動中の航海構造物の水中表面上の繊維被覆された材料であって、０．３から４ｍｍの間の平均繊維長および５から８０μｍの間の平均繊維太さを有する繊維を含む、またはそれらからなる、材料。
［１５］ 前記平均繊維長は、０．５から３．５ｍｍの範囲内、より好ましくは２．５ｍｍ未満、さらに好ましくは２ｍｍ未満、最も好ましくは１ｍｍ未満、最も好ましくは０．５から１ｍｍの範囲内である、［１４］に記載の繊維被覆された材料。
［１６］ 前記繊維は、０．０５以下、好ましくは０．０４未満、より好ましくは０．０３未満、および好ましくは少なくとも０．００５、より好ましくは少なくとも０．００９、最も好ましくは少なくとも０．０１の（平均繊維長および平均繊維太さに基づく）太さ対長さ比を有する、［１４］または［１５］に記載の繊維被覆された材料。

Claims (17)

1. 残留抗力を低減するための構造物の水中表面上での繊維被覆された材料の使用であって、前記材料は、０．３から４ｍｍの間の平均繊維長および５から８０μｍの間の平均繊維太さを有する繊維を含む、またはそれらからなるものであって、前記繊維は前記構造物の水中表面に直交するように配置され、水流の迎え角が０度である、使用。
2. 構造物の前記水中表面は、（自己）可動もしくは移動中の船舶の船体、または静止構造物の水中部分である、請求項１に記載の使用。
3. 水上を通る航海船舶の燃料消費を削減するための、請求項１または２に記載の使用。
4. 前記平均繊維長は、０．５から３．５ｍｍの範囲内である、請求項１から３のいずれか一項に記載の使用。
5. 前記平均繊維太さは、５から７５μｍの間である、請求項１から４のいずれか一項に記載の使用。
6. 前記繊維は、０．００５から０．０５の間の（平均繊維長および平均繊維太さに基づく）太さ対長さ比を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の使用。
7. 繊維フロック密度は、３から２５％の間である、請求項１から６のいずれか一項に記載の使用。
8. 船舶の没水表面の少なくとも５％は、前記繊維被覆された材料によって覆われる、請求項１から７のいずれか一項に記載の使用。
9. 前記繊維は、合成繊維材料であり、ポリエステル、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリレート、ポリシロキサン、フルオロポリマー、およびそれらの組合せから選択される、請求項１から８のいずれか一項に記載の使用。
10. 前記繊維は、堆積物の清掃の容易さを提供する、請求項１から９のいずれか一項に記載の使用。
11. 前記繊維は、少なくとも１ｍｍの平均繊維長を有する、請求項１０に記載の使用。
12. 水上を通る航海船舶の全体的な抗力を低減するための、請求項１から１１のいずれか一項に記載の使用。
13. 水中に沈められた移動中の航海船舶の残留抗力を低減するための方法であって、移動中の航海船舶の水中表面の少なくとも一部は、柔らかい繊維被覆された材料を備え、前記材料は、０．３から４ｍｍの間の平均繊維長および５から８０μｍの間の平均繊維太さを有する繊維を含む、またはそれらからなるものであって、前記繊維は前記移動中の航海船舶の水中表面に直交するように配置され、前記航海船舶は水流の迎え角が０度で移動する、方法。
14. 残留抗力を低減するための可動もしくは移動中の航海構造物の水中表面のための繊維被覆された材料であって、０．５から２．５ｍｍ未満の平均繊維長および１０から３０μｍの間の平均繊維太さを有する繊維を含む、またはそれらからなるものであって、前記繊維は前記航海構造物の水中表面に直交するように配置されることができ、前記繊維の（平均繊維長および平均繊維太さに基づく）太さ対長さ比が０．００５から０．０３未満である、繊維被覆された材料。
15. 前記平均繊維長は、２．５ｍｍ未満である、請求項４に記載の使用。
16. 前記平均繊維太さは、５から５０μｍの間である、請求項５に記載の使用。
17. 前記平均繊維太さは、１０から３０μｍの間である、請求項１６に記載の使用。

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