WO1994007740A1

WO1994007740A1 - Method of forming air film on submerged surface of submerged part-carrying structure, and film structure on submerged surface

Info

Publication number: WO1994007740A1
Application number: PCT/JP1993/001392
Authority: WO
Inventors: Junichiro Tokunaga; Makoto Kumada; Yoichi Sugiyama; Nobuatsu Watanabe; Yong-Bo Chong; Naoki Matsubara
Original assignee: Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd.
Priority date: 1992-09-29
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1994-04-14
Also published as: JP2890340B2; GR3023606T3; BR9305682A; JPH0717476A; EP0616940A1; DE69309655T2; EP0616940A4; EP0616940B1; AU4834393A; US5476056A; TW261592B; HK1000349A1; SG78259A1; DK0616940T3; KR100188358B1; DE69309655D1; NO941964L; NO308456B1; NO941964D0

Description

明細書

没水部分を有する構造物の没水表面に空気膜を形成する方法及び没水表面の膜体構造

技術分野

本発明は、主として船舶等の流体摩擦抵抗を低減することを目的とした没水部分を有する構造物の没水表面に空気膜を形成する方法及び没水表面の膜体の構造に関するものである。 '

背景技術

一般に船舶や液体輸送路の如き没水表面、即ち水と接する表面を有する構造物は船舶の移動や液体の輸送, に伴なつてその表面に沿つた水の流れが生じ、その流速は没水表面でゼ口となる。この没水表面の近傍での速度勾配は流体の粘性に依存し、その際の剪断抵抗が流体摩擦抵抗となる。

この流体摩擦抵抗は、例えば船舶においては極めて大きなものである。即ち、船舶が航行する際に受ける抵抗は前記した流体抵抗摩擦のほか、造波抵抗、形状抵抗や空気抵抗等があるが、流体摩擦抵抗は大型船の場合の全抵抗の 6 0 〜 7 0 %も占めている。

このような抵抗の割合からこの船舶の推進動力を節減するとともに高速化を図るためには、この流体摩擦抵抗を低減させる方法が最も適しており、その技術の開発がこの業界において強く望まれている。ところで、この船舶の流体摩擦抵抗の低減を図る方法とし船底に突起物を設けて枠状の空気室を形成し、この空気室内に空気を供給して船底表面上に空気層を形成する方法あるいは空気を船体表面に噴出し、船体表面に多数の気泡を発生させる所謂マイクロバブル法等が提案されている。しかし、前者においては船舶が航行すると空気室内に保有されている空気が流出し、この空気の補給に大きな動力が必要になるという問題がある。

また後者において船側や船底に設けたノズルより大量の空気を供給しないと摩擦抵抗が減少しないことから大型のコンプレッサを設置しなければならず、設備費の増加と共にこれを駆動するために大きな動力が必要とな ¾。即ち、供給された空気は気泡となって船側や船底に沿つて流れて流体摩擦抵抗を低減させるが、下流側に行くにしたがって複数の気泡が合体を繰り返しながら次第に大きな気泡となるため船体を覆う気泡の面積が減少し、流体摩擦抵抗低減効果が小さくなるという問題がある。したがって船体全体で大きな流体摩擦抵抗低減を得るためには大量の空気を供給する必要があり、効果的な流体摩擦抵抗低減を図ることができないという問題があり、そのため何れも実用に供することができないものであった。

一方、船舶の停船時や例えばバージ等の浮体構造物又は水中鐧管杭などの定置される構造物の没水表面には水中生物が付着したり、又は腐食が生ずる等の問題があり、この問題を解決する手段としては防汚、防食塗料を塗布することが知られているが、この方法によると塗膜の維持管理が面倒なばかりでなく、塗膜中の有害物質が溶出し、公害問題が発生する恐れがあった発明の開示

本発明者等は、特には主として少ない動力でもって大幅な流体摩擦抵抗の低減を図る方法について鋭意研究の結果本発明をなすに至った。即ち本発明は没水部分を有する構造物の没水表面を、表面に微細な凹凸を有し、かつ少なくとも前記凹凸の凸部の頂部を撥水性材料で形成した膜体で被覆し、前記膜体表面に空気を供給してこの没水表面と水との間に薄い空気膜を形成するようにした没水部分を有する構造物の没水表面に空気膜を形成する方法と膜体構造を提供するものである。

ここでいう膜体は、構造物の表面に貼付されるフィルム、シート状物あるいは構造物の表面に形成される塗料の層を意味し、その表面に前記のように微細な凹凸が形成されているものを意味する。

前記没水部分を有する構造物の没水表面に形成した膜体は、水中において薄く空気膜を保持し、この空気膜は簡単に剥離することがなく、したがって極めて少ない動力により少量の空気を供給するのみでその空気膜を保持することができ、この空気膜が水と構造物との直接の接触を妨げるので、流体摩擦抵抗を低減する 5 と共に防汚や防食を図ることができる。

即ち、構造物の没水部分に形成された膜体の表面には微細な凹凸が形成され、この凹凸の少なくとも凸部によって形成された表面が撥水性を有している。そのために膜体の表面に空気を供給するとその空気は容易 10 に凹部内に流入し、この空気は水圧と水の表面張力、そして膜体の撥水性の作用でこの凹部内に保持された状態となる。

このように本発明の膜体は、水中においてその表面に形成された凹凸の凹部内に僅かな空気を保有する性

15 質を持っているために、この膜体表面に空気を供給するとこの空気は水と空気との表面エネルギーを減少させようとするために既に存在していた空気と合体して膜体表面、即ち没水表面に剝離しがたい薄い空気膜を効果的に形成する。

20 そしてこの空気膜は、逆に外乱を受けて膜体表面に形成されている空気膜から気泡として分離しようとしても気泡を引き留める吸引力が作用する。その結果、没水表面に接する位置において空気膜が殆ど剝離することなく付着した状態となる。この没水表面に形成された膜体の表面より離れた位置にある流水側の空気層はこの流水に引かれて流れる力く、この流水に同伴して流れる少量の空気量を供給することによって良好な空気膜を保持することができるのである。

図面の簡単な説明

第 1図は本発明の実施例を示す船舶の一部切開して示す側面図である。

第 2図は膜体の説明用断面図である。 ' 第 3図は膜体表面が空気を保持している状態の説明用断面図である。

第 4図は膜体表面に形成される空気層を示す断面図である。

第 5図は膜体の断面図である。

第 6図は膜体の断面図である。

第 7図は膜体の断面図である。

第 8図は多層構造の膜体の断面図である。

第 9図は本発明の試験に使用した模型船の説明図である。

第 1 0図は第 9図の Y部の拡大断面図である。

第 1 1図は第 9図の B矢視拡大底面図である。

第 1 2図は空気量レベルと D R量との関係を示すグラフである。

第 1 3図は船速と所要動力との関係を示すグラフである。第 1 4図は管内流体摩擦抵抗試験装置の説明図である。

第 1 5図は管内のメツキ装置の説明図である。

第 1 6図は第 1 5図のメツキ装置で得られた膜体の 5 断面図である。

第 1 7図は管内の試験区間差圧測定結果である。第 1 8図は管内平均流速と D R量との関係を示す図である。

第 1 9図は凸部間隔と空気層の耐久時間との関係を 10 示すグラフである。

第 2 0図は寸法比 h / s と空気層の耐久時間との関係を示すグラフである。

第 2 1図は膜体表面に形成された空気膜の確認実験の説明囪である。

15 第 2 2図は膜体表面に形成された空気膜の確認実験の説明図である。

第 2 3図は本発明を桟橋の防汚 · 防食方法として適用した場合の説明図である。

第 2 4囪は本発明を取水管の防汚 · 防食方法として 20 適用した場合の説明図である。発明を実施するための最良の形態

〔実施例 1 〕

以下図 1乃至図 2 4 に基づき本発明による没水部分を有する構造物の没水表面に空気膜を形成する方法及びその没水表面膜体構造の実施例を説明する。図 1 は本発明を実施するための船舶の側面図であつて、 1 は船体で、この船体 1 の底部 2及び船側部 2 a 5 の少なくとも没水表面は膜体 3， 3 a で被覆され、その前方から後方に向かってノズル 4 が配設され、コンプレッサ 5 から供給された空気がこのノズル 4 から膜体 3 ( 3 a ) に沿って噴出するように供給されるようになっている。

10 膜体 3 ( 3 a ) は図 2 にも示されるように、表面に微細な凹部 6 と凸部 7 とが形成されるとともに少なくとも凸部 7 の頂部 7 ' は水との接触角 9 0 ° 以上の撥水性材料 8で形成されている。そしてこの微細な凸部 7 の間隔 s 力 0 . 3〜 3 0 mで、凸部 7 の高さ h と凸

15 部 7 の間隔 s の比 h / s が 0 . 3 〜 3程度に形成されている。

そしてこの撥水性材料はボリテトラフルォロェチレン、ポリエチレン、ポリスチレン、又はポリプロピレンあるいは撥水性コーティング剤やポリ塩化ビュルの 20 如き親水性樹脂であっても例えば、 C F ₄ ガスを用いたプラズマ処理により撥水性を持たせても良い。また、パーフルォロアルキルシラン等の表面処理剤で処理したシリカ等の撥水性微細粒子を、表面の一部が突出するように樹脂により固定したものであっても良い。そして撥水性微細粒子を用いる場合、樹脂はこの粒子を固定するために用いられるものであり、必ずしも撥水性である必要はなく、例えばポリエステル樹脂、フヱニル樹脂、ァミノ樹脂、エポキシ樹脂、ビニル系樹脂、ウレタン樹脂等の塗料に適しているものであれば良い。

この撥水性材料 8 は水 1 3 と接する部分である頂部 7 ' に設けられる力勿論凹部 6 の表面を全面的にこの撥水性材料 8 で形成しても良い。

本発明の没水部分を有する構造物の没水表面に空気膜を形成する方法によれば没水表面が微細な凹凸形状であり、少なくとも凸部 7 の頂部 7 ' が水との接触角 90 ° 以上の撥水性材料で形成されているため次のような作用をなす。即ち、図 3 に示すように膜体表面 1 0 は少なくとも凸部 7 の頂部 7 ' が撥水性材料で形成されているために撥水性作用があり、したがつてこの膜体表面 1 0 に空気 a を供給すると、この空気 a は容易に凹部 6 内に入ることになる。

実際にはこのような膜体表面 1 0 は陸上で形成されているので、図 3 に示す如くこの膜体表面 1 0 が水中に没水すると自らこの凹部 6 内に没水位置における水圧 P と水の表面張力により安定して空気 a が保持されしとしなる。

そして微細な凹凸面が形成された膜体表面 1 0 における水との接触角は 90 ° 以上、好ましくは 1 10 ° 以上であり、この接触角は大きければ大きい程、本発明の効果が期待できる。

図 4 は前記現象のモデル図であって、撥水性材料からなり、その表面に凹部 6 , 凸部 7からなる凹凸を有する膜体表面 1 0 を水 1 3 中に浸漬し、空気 a ' を膜体表面 1 0 に供給するとこの空気 a ' は容易にこの膜体表面 1 0 に形成されている凹部 6 内に流入し、空気 a となって保持される。実際的には空中においてこの膜体表面 1 0 に付着していた空気 a が水 1 3 の圧力と、その表面張力で凹部 6 内に閉じ込められた状態となる。なお、少なくとも図 2 の如く凸部 7 あるいはこの凸部 7 の頂部 7 ' が撥水性材料で形成されていないと図 3 の如く凹部 6 内に空気 a が閉じ込められることはない。

このように凹部 6内に空気 a が保持された状態において、図 4 の如く更に次の空気 a ' が供給されるとこの空気 a ' は表面エネルギー減少作用により容易に合体して膜体表面 1 0上に薄い空気膜 1 2 を形成して膜体表面 1 0 と空気膜 1 2 と水 1 3 の三層構造を形成することになる。そしてこのような三層構造において水 1 3 が X方向に流れると膜体表面 1 0 に接する空気膜 1 2 の部分は保持され、水 1 3側の空気膜 1 2 a は水 1 3 とともに流れさることになる。したがつてこの水 1 3 とともに流される少量の空気量を供給するのみで空気膜 1 2 は良好な状態で形成保持される。

そして前記したような表面に微細な凹凸を有する膜体は、例えば合成樹脂よりなるシ一ト又は塗料層によ 5 り形成される。詳述すれば図 5 に示すように合成樹脂よりなるシート 1 5 の表面に微細な凹凸を有する口一ルによって微細な凹凸を形成する転写法や、微細な凹凸を有する金型を使用したプレス法、微細な糸で織られたメッシュの網目パターンを転写するスクリーンメ 10 ッシュ法、又はレーザーやプラズマ等高密度エネルギ —法等により微細な凹凸 1 5 a が形成される。

そしてこのように形成されたシート 1 5が撥水性樹脂のときはそのままで、又親水性樹脂のときは表面処理が施されて撥水性が付与される。

15 図 6〜図 8 は膜体 3 を塗料層により形成した場合の実施例を示すものである。

図 6 において膜体 3 は、構造物 1 6 の表面に形成した塗料 1 Ί の表面に撥水性微細粒子 1 8 が付着されて構成される。即ち、構造物 1 6 の表面には接着材とし 20 ての塗料 1 7 が塗布され、この塗料 1 7 の表面に微細粒子 1 8 を吹付けや投射等の方法で付着したり、又は微細粒子 1 8 を分散した塗料 1 7 を塗布し、この微細粒子 1 8 を塗料表面に露出させる等によって膜体 3 が形成される。そしてこの微細粒子 1 8 が親水性材料からなるときは、表面処理により攛水性が付与される。図 7 は他の方法により形成された膜体 3 の断面図であって、この膜体 3 は構造物 1 6 の表面に形成した塗料 1 7 の上に撥水性材料又は親水性材料からなる微細粒子 1 8 a の層を吹付けや投射等の方法で付着したり、又は塗料中に微細粒子 1 8 a を混合し、これを塗布して微細粒子 1 8 a が混入した層を形成し、更に表層の微細粒子 1 8 a の表面を被膜 2 0 で被覆したものであって、この場合も前記と同様に被膜 2 0が親水性材料であるときは表面処理によって撥水性が付与されるのである。

図 8 は更に他の方法により形成された膜体 3 の断面図を示すものであって、この膜体 3 は比較的大きな粒子 2 1 (例えばガラスビーズ）を舍有する第 1 の膜体 2 1 a を形成し、この第 1 の膜体 2 1 a をベースとして形成された膜体の表面に撥水性を有する微細粒子 2 2 を突出させるか、又は微細粒子 2 2 を撥水性を有する被膜によって被覆（図 7 のように）した微細な凹凸を有する表面 2 3 を形成したものである。前記のように比較的大きな粒子 2 1 を有する第 1 の膜体 2 1 a を形成した上に微細粒子 2 2 を有する表面層となる多層構造を形成することによって、比較的大きな凹凸 2 3 a と微細な凹凸 2 3 b よりなる、所謂複合凹凸表面を形成している。このような膜体 3 の構造によれば膜体表面 2 3 の所定の箇所へ供給される空気は大きな凹凸 2 3 a を通路とし、微細な凹凸 2 3 bを空気保持面として一挙にその膜体表面 2 3 の全域に拡散されて目的とする空気膜を形成する特徴がある。

これらの他に図示しないが、電解または無電解分散メツキ法により微細な凹凸を有する膜体を形成することができる。即ち、ポリテトラフルォロエチレン粒子を分散したメツキ液で基板にメツキをすると金属マトリックスとともにポリテトラフルォロエチレン粒子が共折して表面を覆い、微細な凹凸を形成する。

本発明者等は、この微細な凹凸を有する膜体が船舶の流体摩擦抵抗の低減に及ぼす影響について確認するために模型試験を試みた。

勿論、本発明は船舶の船底、船側等全ての没水表面に適用可能であるが、試験の早期確認を行うため取敢えず船底部分のみ表面が撥水性材料よりなる微細な凹凸を有する膜体で被覆して試験した。その試験内容は次の通りであった。

(試験例 1 )

図 9 は本発明の効果の確認のための試験に使用した模型船の概略図であり、図 1 0 は図 9 における Y部の拡大図、図 1 1 は図 1 0 に矢印 Bで示すノズル部分を拡大して示す底面図である。

図 9 において船体 2 5 とは別置きされたコンプレツサ 2 6で圧縮された空気 a をバルブ 2 7 とパイプ 2 8 を経由し、更に流量計 2 9で流量を監視しながらさらにノイプ 3 0 により船体 2 5 の底部に導いた。空気 a は船体 2 5 の底部 2 5 a において分岐管 3 1 で多数のノ、 'イブに分岐され、各パイプはそれぞれバルブ 3 2を介して図 1 0及び図 1 1 に示されるように、多数のノズル 3 3 (直径が 0. 6 m mの細管で構成されている）から後述する試験片 T Pの表面に沿って噴出するようになっている。なお、ノズル 3 3の吹出し方向ば船体 2 5 の進行方向の上流から下流に向くようにする。また、多数のノズル 3 3 は図 1 1 に示すように直線状に一定の間隔で配置されている。

この実験に使用した試験片 T Pは、幅 400m m、長さ 500 m m、厚さ l m mのアルミニウム平板（構造物 1 6 に相当する）にコーティングをしたものを用意した。

この撥水性材料のコーティング層（膜体）は図 8 に示した多層構造で複合凹凸表面を有するものを使用した。この撥水性材料からなるコーティングによる没水表面（膜体 3 ) は水との接触角は 165 ° の撥水性を示し、その表面の第 1 の膜体 2 1 a の大きな凹凸の平均高さは 6. 3 μ mで平均間隔 s は 25.1 m、そして微細な凹凸の平均高さは 0. 9 ^ m、平均間隔 s は 3. 0 m であった。前記コーティング層には、粒径が 50 ^ mのガラスビ —ズからなる粒子 2 1 を有する第 1 の膜体 2 1 a と、この第 1 の膜体 2 1 a に形成された粒径が 12 // mの疎水性シリカ 3 7 a を有する中間膜体と、粒径が 1.4 mの疎水性シリカ（微細粒子 2 2 ) を有する表面膜体の三層構造が形成されている。

このようにして製作した平板状の試験片 T Pを 1 4 枚つなぎ合わせて幅 800m m、長さ 3500m mとし、図 9 に示すような全長 7, 276 m、型幅 1.28m、型深 0.6 mの模型船の船体 2 5 の船底部 2 5 a に船首から 1.45 mの位置に前記試験片 T Pの前緣がー致するように取付けた。

そして図 1 0及び図 1 1 に示すように、この試験片 T Pの前緣に幅方向に等間隔（約 20m m) に空気吹出し用の内径が 0.6m mの注射針からなるノズル 3 3 を設置した。

船体 2 5 の吃水はバラストロ一ド状態の 200 m mとした。そしてこの状態では供試船体 2 5 の没水面積 S は 9.81m² 、試験片 T Pの面積 S t は 2.82m² で面積比 S tZ S は 0.285であつた。

船体抵抗試験では長さ 220m、幅 14m、深さ 6.5m の曳航水槽を用い、船体 2 5 を曳引車にセットして、各船速に対して所定流量の空気を 40本の注射針ノズル 3 3 から微細気泡として船首から船尾方向へ供給しながら船体 2 5 の抵抗を抵抗動力計を用いて測定した。種々の船速の場合の粘性抵抗基準の抵抗低減量（ D

R量）と試験片 T P部分の摩擦抵抗低減量（ D R ' 量

) を表 1 に示す。ここで D R量及び D R ' 量は次の式で示される。

D R = - ( C t - C to ) / C vo X I 0 0 %

D R ' = ( 1 + K ) - D R / ( S t / S ) . 式中、 C t ：供試船体の全抵抗係数、 Cv : 供試船体の粘性抵抗係数、添字 0 ：撥水性平板を使用しない通常の試験の場合、 K ：形状影響係数で K = 0.222 をそれぞれ意味する。

表 1 から分かるとおり、船速 U

の場合に D R量最大値 19.4%が得られている。また、船速 U = 2.11m/s の場合の D R量と、平均空気膜厚さを示す指標である空気量レベルとの関係を図 1 2 に示した。

空気量レベルとは、膜体の表面凹部に保持される空気膜と供給される空気とで形成される空気膜が船速と同一の速度で一様に流れると仮定して計算した場合の平均空気膜厚さを示す指標で、船速 U =2.11m/_S ( フルード数 Fr =0, 2 5 ) の場合には実際の空気供給量 Qa は表 2 で示されるとおりである。

図 1 2 から明らかなとおり、少量の空気の供給によつて摩擦抵抗の低減効果が現れ、平均空気膜厚さ 0.24 m m (空気量レベル 5 ) までは空気量を増加させるとともに D R量％が高まるが、それ以上では D R量％はほぼ一定となる傾向を示している。本実施例の場合、空気量レベル 20で D R最大値として 19 %程度が得られている。なお、試験片 T P部分だけを対象とした D R ' 量は 83 %程度の大きな値となっている。

一方、ノズル 3 3 より噴出する空気流れを観察すると供給された空気 a は試験片 T Pの表面に沿って付着した状態で広がりながら膜状になって船尾側に流れることが確認された。

比較のために本発明のように表面処理しない平滑な面を有するポリテトラフルォ口エチレン板を前記試験片 T Pに代えて使用した場合には、ノズル 3 3 から供給され空気は気泡となってこのポリテトラフルォロェチレン板に張りつくことなく、個々に分離した状態で下流側に流れさることが確認された。

このことから判断されることは、試験片 T P、即ち、膜体表面に微細な凹凸を形成し、かつ少なくとも前記凹凸の凸部の頂部を撥水性材料で形成することによつて所定の範囲の撥水性を持たせ、そしてこの膜体表面と水との間に空気を供給することによってこの膜体表面と水との間に空気膜を形成できるばかりでなく、その空気膜を形成する空気は膜体表面に保持され、一部、即ち流水側の一部の空気が水とともに流れ去ることが確認された。

このように膜体表面に空気膜が形成されると、流体力学から明らかなように膜体表面と水とが直接に接触しなくなり、流体摩擦抵抗の低減に大きな効果を発揮することが分かる。

このことから推進動力の節減を可能とするものであることが分かる。図 1 3 は前記模型船による実験結果に基づいて船体 2 5 の速度と推進に必要な動力との関係を示したものである。図中、実線は平滑なポリテトラフルォロエチレン板を装着した場合であり、破線は本発明による膜体表面により空気層を形成させた場合の所要動力（空気供給動力を舍む）を示したものであり、船速が増加するに伴ない対照的に動力低減が大きくなっていることが明らかである。

実際の船舶においては、船体が航走中に各種の揺れが発生しているが、船体が揺れた場合に前記のように加工した膜体表面に効果的に空気膜が保持されることが必要である。

そこで前記実験で使用した船体 2 5 に緩やかな周期で ± 3 ° の範囲で横揺れを行ない、前記と同様にノズル 3 3 から空気を噴出させた。その結果、ノズル 3 3 から噴出した空気は試験片 T Pに沿って広がりながら流れてその表面に薄い空気膜が形成され、横揺れにもかかわらず、若千の性能低下はあるものの、この空気膜は確実に形成されていることが確認された。

前記のように船体 2 5 が横揺れをしている場合も、横揺れをしていない場合も本発明によって形成された膜体表面 1 0 を有する試験片 T Pを設けた船体 2 5 においては少量の空気の供給によつて確実に空気膜が形成され、そしてこれが保持されることが確認できた。このことは、船舶が航行する際の流体摩擦の低減に大きな効果があることが理解できる。

(試験例 2 )

図 1 4 は没水部分を有する構造物が液体輸送路のーつである液体輪送管である場合の流体摩擦低減を確認するための実験装置の系統図であって、 3 5 は銅円管で、この銅円管 3 5 には水系 Aと空気系 Bの 2系統の配管が施されている。即ち、水系 Aでは合成樹脂製容器 3 6 内の水 Wがポンプ 3 7、バルブ 3 8、流量計 3 9 を経て銅円管 3 5 に至り、ここから容器 3 6 に戻る閉ループ系となっている。一方、空気系 Bではミニコンプレッサ 4 0 により空気がバルブ 4 1 、流量計 4 2 を経て銅円管 3 5 の水 Wの流入側端部に図示しない注射針のノズルから供給されるようになっている。この注射針ノズルは円周方向に 8 ケ所所定の間隔を置いて配置されている。この銅円管 3 5 の没水表面である内面は、電解分散メツキ法により表面が微細な凹凸を有し、かつ凸部が撥水性材料より形成された膜体により被覆されている。

このメツキ法による微細な凹凸表面を有する膜体の形成方法について説明すれば、図 1 5 に示すようにメッキ浴槽 4 5 と銅円管 3 5 とはポンプ 4 6、流量調節弁 4 7及び流量計 4 8 を有するライン C とライン Dとにより連結され、銅円管 3 5 内に配置された陽極としてのニッケル棒 4 9 に直流電源 5 0が連結して構成している。なお、 5 1 はヒータ、 5 2 は攪拌機である。

そしてメッキ浴槽 4 5 内の分散液 Lの組成を次の通りとした。

スルファミン酸ニッケル 350 g / リットル塩化ニッケル 45 gノリットルほう酸 40 g / リットルポリテトラフルォロエチレン粒子： 200 g /リットル

そして次の条件で電解分散メツキをした

分散液温度 45て

電流密度 4. 5 A / dm 通電時間 30分

分散液の管内平均流速： 45 〜50 m/s そして銅円管 3 5 の内面のメツキ層（膜体）の凹凸形状をレーザ一顕微鏡を用いて確認したところ、図 1 6 に示すように銅円管 3 5上に形成されたニッケル層 3 5 a の表面にポリテトラフルォロエチレン粒子 3 5 bが突出しており、この各粒子 3 5 b間の間隔 s は、 0.3〜30〃 mの範囲内であり、かつその高さ h と間隔 s との比 h Z s は 0. 3 〜 3の範囲内であった。

このように内面に、表面に微細な凹凸を有し、かつ凸部が撥水性材料であるボリテトラフルォロエチレン粒子 3 5 bにより形成されたメツキ層（膜体）で被覆された銅円管 3 5を図 1 4 のように配置して圧力損失測定試験を行なった。即ち、ミニコンプレッサ 4' 0及びポンプ 3 7を作動させて銅円管 3 5内に空気と水とを供給し、そのときのテストセクション間の差圧を差圧計 5 3で計測し、ローパスフィルタ 5 4を介してべンレコーダ 5 5で連続的に記録した。

試験範囲は管内平均流速 Vが 0. 5 〜 3 m/s, 導入空気/水流量比 R _Q が 0. 5〜 3 Vol%とした。このような圧力損失測定試験の結果の一例として V =1.6 m/s の場合を示せば図 1 7 の通りであり、空気の導入により圧力損失が降下したことを示している。しかも導入空気量が少ないほど圧力損失の低下が大きいことが分かる。

また、図 1 8 は圧力損失測定試験結果から管摩擦係数を計算し、管内平均流速 Vと管摩擦抵抗低減量（D R量）との関係を示したものである。この試験では V が 1. 6 m/s で空気ノ水流量比 R _Q がわずか 0. 5 Vol % (図中黒丸）のとき 2 3 %程度の抵抗低減が得られていることが分かる。

このようなことから水との接触角が 90 ° 以上の撩水性材料である内面が平滑なポリテトラフルォロェチレン円管と、接触角が 90 ° 未満の親水性材料で内面に微細な凹凸を付与した銅円管をそれぞれ製作し、前記と同様の試験を行なったが、何れも圧力損失はむしろ増加し、その傾向は空気量が増加するほど顕著になることが確認された。

ところで、この凸部間隔 s が空気膜耐久時間に及ぼす影響について調べたところ図 1 9に示す通りであつた。

この試験にはポリプロピレン、ポリ塩化ビュル、ボリテトラフルォロエチレンの 3種類の樹脂板の表面に転写方式によつて微細な凹凸加工した試験片（ 2 X 5 cm ) を準備し、これを水深 1 0 c m に浸漬して全試験片の表面に空気膜が付着していることを確認した。そしてこの試験片の全面積の 1 0 %の部分の空気膜が消失した時間を耐久時間としてこれを比較した。

図 1 9 において曲線 a はポリプロピレン、曲線 b はポリテトラフルォ口エチレン、曲線 c はポリ塩化ビニルのデ一タをそれぞれ示すものである。この図からポリプロピレンとポリテトラフルォロエチレンの 2 つの樹脂は本発明に利用できるが、ポリ塩化ビニルは適さないことが分かる。この耐久時間の実験の結果、凸部間隔を小さくすると耐久時間が急速に向上しており、特に撥水性の高いポリテトラフルォロエチレンの場合は凸部の間隔が 30 m以下では 300日以上の長い耐久時間が得られている。

更に凸部の高さ h と間隔 s との比 h Z s から空気膜保持耐久性に及ぼす影響について調べたところ、図 2 0 に示す通りであった。この図から明らかなように凸部の高さ h と間隔 s との比 h / s 力 0 . 3以上であれば長期にわたって空気膜を保持する耐久性があることが分かった。

別の試験結果によれば、凸部の高さ hが大きくなり、間隔 s が小さくなりすぎると流体摩擦抵抗が増加することが判明しており、実用上の hノ s は 0 . 3〜 3 の範囲内で選定するのが良い。

〔試験例 3 〕

本発明者等は、この膜体表面上に形成される空気膜の保持状態の確認と凹凸を有する没水表面の形成方法について更に実験を進めた。

即ち、図 2 1 に示すように基板であるアルミニウム板 5 6 の表面に図 8 に示した本発明の多層構造の複合凹凸表面を有する膜体 5 7 (比較的大きな粒径のガラスビーズを舍有するプライマ一を塗布して第 1 の膜体を形成し、この第 1 の膜体上に平均粒径 1 2 / mの撥水性シリカを舍有する樹脂を塗布して中間膜体を形成し、更にこれの上に平均粒径 1 . 4 i mの撥水性シリカ 2 2を舍有する樹脂を塗布して上層膜形成した。その表面には比較的大きな凹凸 2 3 a とこの凹凸 2 3 aをベースとする微細な凹凸 2 3 bを有する複合凹凸表面を有している）を形成した試験片 T Pを製作した。そしてこの試験片 T Pを膜体 5 7面が上に位置するように水中に浸漬し、スボイド 5 8を膜体 5 7面に接近して空気 aを供給すると、その空気 a は浮上することなく一挙に膜体 5 7の表面に全面的に広がって空気膜 Fを形成して保持される様子が観察できた。そしてこの空気が試験片 T Pの表面に保持できる量以上に供給されると、その一部が気泡となって膜体 5 7 の表面から剥離して浮上することが観察できた。

また一方、これらの試験片 T Pを図 2 2に示すように水を入れた水槽 6 0中に傾斜させて没水させ、試験片 T Pの下端部から細いチューブ 6 1 を用いてその表面に空気 aを供給すると、この空気 a は試験片 T Pの表面から離れて垂直方向に浮上することなく表面に沿つて上方へ三角形に広がった空気膜 Fが形成された。更に空気 aを供給するとこの空気膜 Fは試験片 T P の表面に保持される量以上となり、この試験片 T Pの上端部に空気溜り f が形成され、この空気溜り f が局部的に膨張して気泡 Vが分離して浮上することが確認された。

〔実施例 2 )

実施例 1 で説明したように本発明によって処理された膜体表面に空気を供給することによってその表面に 5 空気膜がかなり強固に形成されることが明らかであるから、この現象を利用することによって優れた防汚，防食効果を発揮させることが可能である。

この防汚，防食作用は船舶の停船状態になるとき、あるいは水中に定置されて設置される浮消波堤やバー 10 ジ、堤防、水中打設杭等にも適用して有効な効果が期待できるものである。

図 2 3 は桟橋に本発明の膜体表面を形成してこの膜体表面に水中生物が付着するのを防止するようにした例である。

15 桟橋（水中構造物） 8 0 の海底 8 1 に植立された脚部 8 2 の下部にリング状に空気噴出装置 8 3 を設け、この空気噴出装置 8 3 から空気 Gを多数の小孔から噴出するように構成した。脚部 8 2 の少なくとも膜体表面には表面に凹凸を持ち、かつ少なくともその凸部の

20 頂部は撥水性材料で形成された実施例 1 と同様な膜体を被覆した膜体表面が形成されている。

前記のように構成された桟橋 8 0 において、コンプレッサ 8 4、制御バルブ 8 5、流量計 8 6 とパィプ 8 7 を経由して前記空気噴出装置 8 3 と接続し、制御装置 8 8で制御しながら圧力空気を空気噴出装置 8 3 のノズルから脚部 8 2 の周囲に噴出してその表面に薄い空気膜を形成した。この空気膜によって海中生物や海草が脚部 8 2 の表面に接触することができず、長期にわたって防汚効果を奏することができた。

〔実施例 3 〕

図 2 4 は発電ブラントの取水管に本発明を適用した例を示すものであって、取水管 9 0 の内面に本発明の膜体表面を形成し、その底面にノズル 9 1 を設け、こ

10 のノズル 9 1 より二次空気 Gを取水管 9 0の内面に噴射して空気膜を形成する状態を示している。

このノズル 9 1 はなるべく取水管 9 0の全長に設けておくのが好ましく、底部に 1 ケ所でなく、中間部にも設けてなるべく管の内面に全体的に空気が噴射され

15 る構造を採用するのが良い。勿論本発明は前記実施例に限定されるものではなく種々の変更又は追加することができることは明らかである。本発明の特徴を列記すると次の通りである。 20 1 ) 本発明は没水部分を有する構造物の没水部分に薄い空気膜を形成するものである。そのために没水部分を有する構造物の没水部分に膜体表面を形成し、この膜体表面は微細な凹凸を有し、この凹凸の少なくとも凸部の頂部を撥水性材料で形成するとともに、この膜体表面に空気を供給して膜体表面と水との間に薄い空気膜を形成する点に特徴がある。

即ち、没水表面に形成した膜体表面に空気を供給することによって、この膜体表面側に空気が張り付くように付着して薄い空気膜が形成されるのである。

2 ) 本発明の構成要素の第 1 は没水表面に形成される膜体表面の状態である。この膜体表面は本質的には撥水性材料で形成され、最終的に加工された表面における水との接触角が 90 ° 以上、好ましくは 1 10 ° 以上であることが必要である。

この膜体表面は全面的に所定の接触角を持つ撥水性材料で構成されている場合もある力、'、その表面に接触しょうとする水を排除する部分、少なくとも凹凸の凸部の頂部が撥水性材料で構成されていても充分な効果を発揮することが可能である。

撥水性材料は明細書中に記載したものを選択的に使用するが、この撥水性材料に更にメツキ法（電解分散メツキ法、無電解分散メツキ法）、機械加工法（型押法、射出成形法、微細な凹凸を持つロールによる転写法、プレス法、スクリーンメッシュ法）、塗装法（粉体を混合した樹脂を塗布する方法、表面に粉体を噴射ないしは投射する法、静電塗装法）、高密度エネルギ一法（レーザやプラズマを使用して表面を荒らす方法 ) 、張り付け法（撥水性フィルムやシートを局部的あるいは全面的に貼り付ける方法）等の各種の方法により微細な凹凸を形成することが重要である。

また、親水性材料であっても表面処理により前記の特性を持つように撥水性を付与させることによって有効に利用することができる。

3 ) 本発明の構成要素の第 2 は、凹凸の大きさである。

膜体表面は微細な凹凸が形成されることが必須である力、この凹凸の大きさは凸部の間隔 s が 0 . 3 〜30 mであって、凸部の高さ h との比 h s が 0. 3 〜 3の ¾2囲でめる。

凸部の間隔 sが 30 tf mより大きい場合には、その表面に長期にわたって空気を安定保持することが困難である。また、 0. 3 mより小さい場合には凹部内に保持する空気量が少なく、比較的剝離しゃすい傾向がある。

凸部の高さ hは間隔 s との関係があり、一義的に決定することができない。そこで両者の比 h / s からその高さ hの範囲を限定している。

この微細な凹凸の状態は基板の片面に形成されている場合は小規模な没水表面に形成する膜体表面に適しているが、船舶や浮消波堤や水中杭ゃケーソンのような大型の装置に適用する場合は比較的大きな凹凸と、更にこれの上に形成された微細な凹凸とが混合して形成されている複合凹凸表面を有するものを採用するのが好ましい。

特に微細な凹凸の場合には空気膜を保持する能力は充分にあるものの、供給される空気を膜体表面にまんべんなく配分する機能に欠けている。そこで基板表面に対して先ず比較的大きな凹凸を形成し、この大きな凹凸をべ一スとしてその上に微細な凹凸を形成する手法によって複合凹凸表面を形成しても良い。

比較的大きな凹凸は膜体表面に対して空気を分散させる通路の役目をするものであり、更にこの比較的大きな凹凸を網目状に形成することによって空気を均一に分散させる効果がある。

4 ) 本発明の構成要素の第 3 は、前記のように加工された没水表面に形成された膜体表面に対して空気を外部から供給することである。

供給される空気の量はなるべく少なくなるような構造のノズルを使用することが必要である。明細書中に記載したように、本発明は大量の空気を供給して水の密度を変化させて流体摩擦抵抗を低減する従来の技術とは異なり、膜体表面に限定して薄い空気膜を形成することに意義があるものであり、そのためにはこの膜体表面に捕捉され易い状態に空気を薄く供給する手段を採用するのが良い。

空気を噴出するノズルは小径のものを多数配列したもの、スリット状のもの等がある。特に船舶のように水との間に相対的に大きな速度差がある場合には膜体表面に均一に空気を供給することに困難を伴う場合があるので、このノズルは船体形状と船速等の条件を考慮して個々に設計する必要がある。

また、船舶の場合には水流や渦流等の条件からノズルから噴出した空気が船側より離反する傾向にあるので、なるべく膜体表面に接近して空気を噴出するように多孔質体からなるノズルや、水圧によって船体表面に押圧されるシート状物を船体表面に設け、このシ一卜の背面から空気を噴出する装置を採用すると良好な空気膜を形成することができる。

船体のように長い膜体表面を持つ没水体においては、船体の長さ方向で船体を横断するようにノズルを配置したり、船側に発生する渦流の圧力変化に応じてノズルの形状や大きさや配置場所等の諸条件を考慮してノズルを設計し、配置するのが良い。

5 ) 本発明を効果的に利用できる最も有効な用途は、船舶の流体摩擦抵抗を低減させてその船舶の推進に要する動力を節減することにある。そのために船体の表面に膜体表面を形成し、これに空気を供給して水がなるべく接触しないように薄い空気膜を形成しているが、この空気膜は停船中に水中生物が付着するのを防止する効果がある。また、桟橋ゃケーソンのように定置される構造物の表面に水中生物の付着や汚れの付着を防止することができる。

別の用途は液体の輸送管やトイの如き液体輸送路への適用である。液体の輪送管には流体摩擦抵抗があり、そのために液体の輸送に大きな動力を必要としているが、発電設備の取水管等に本発明を適用することによって、その流体摩擦抵抗を大幅に低減することが可能である。この効果によって配管の径を縮小することができるとともに、ポンプの動力を低減することも可能である。また、トイの場合も同様にその断面積を小さくすることができる。そして前記のように防汚効果も有していることから、配管等の液体輸送路の寿命を延長することができる。

6 ) 本発明を船舶の底部に有効に適用することが可能であるが、船側部のような傾斜面や船底であっても大きく傾斜する場合には空気が逃げ易い傾向にあるので、この空気の逃げを防止する形状、例えば遮蔽板や遮蔽用段部を形成して空気の通路を形成したり、空気の逃げを考慮してノズルを多段に配置する等の配慮をするのが良い。

本発明は小量の空気によって流体摩擦の低減等の効果を発揮させるものであるが、そのために必要最小量の空気をノズルに供給するように各所にセンサ一を設けて空気膜の状態を測定して最適量の空気を供給するようにする。

(発明の効果）

本発明は、没水部分を有する構造物の没水表面を、表面に微細な凹凸を有し、かつ少なくとも前記凹凸の 5 凸部の頂部を撥水性材料で形成した膜体で被覆し、前記膜体表面に空気を供給してこの膜体表面と水との間に薄い空気膜を形成するように構成している。従って、膜体表面に形成された薄い空気膜は膜体表面から容易に剝離することなく、したがって極めて少 10 ない動力により少量の空気を供給するのみでその空気膜を保持することができ、この空気膜の作用により流体摩擦抵抗の低減や防汚、防食を図ることができる。

具体的には、本発明による膜体表面は微細な凹凸が形成されるとともに少なくともその凸部の頂部は撥水 15 性材料で形成された膜体で被覆されている。したがつて膜体表面には撥水作用があり、そのためその表面に沿って空気を供給するとその空気は容易に凹部内に流入し、この空気は水圧と水の表面張力とによってこの凹部内に保持される。

20 このように微細な凹凸の凹部内に僅かな空気が存在すると、更に別の空気が供給された場合、水と空気の表面エネルギーを減少させより安定な状態になろうとするため、供給された別の空気は凹部内の空気に引き寄せられ、両者は容易に合体して没水表面に薄い空気膜を効果的に形成することができ、この空気膜によつて流体摩擦抵抗を低減されることができる。

更に、所定の位置におかれる構造物の没水部分の表面に水中生物や汚れが付着することを防止できる。

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20 表 1. Αδϋととの ί¾

表 2. m MQa L/min

^登レベル 1 2 5 10 20 平さ, 0.05 0.10 0.24 0.48 0.95 腸^ MQa L/min 4.8 9.6 24.1 48.1 96.2

Claims

34

請求の範囲

1 . 没水部分を有する構造物の没水表面を、表面に微細な凹凸を有し、かつ少なくとも前記凹凸の凸部の頂部を撥水性材料で形成した膜体で被覆し、前記膜体表面に空気を供給してこの膜体表面と水との間に空気膜を形成するようにした没水部分を有する構造物の没水表面に空気膜を形成する方法。

2 . 没水部分を有する構造物が船舶である請求の範囲第 1項に記載の没水表面に空気膜を形成する方法

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3 . 没水部分を有する構造物が液体輸送路であつて、その没水表面がこの液体輸送路の内面である請求の範囲第 1項に記載の没水表面に空気膜を形成する方法。 '

15 4 . 没水部分を有する構造物が浮体であるか、又は水底に打設され、定置された構造物である請求の範囲第 1項に記載の没水表面に空気膜を形成する方法。

5 . 撥水性材料がポリテトラフルォロエチレン、疎水性シリカの粉末、ポリエチレン、ポリプロピレン

20 、又は親水性樹脂の表面処理により撥水性を付与した材料の一種又は二種以上よりなる請求の範囲第 1 項に記載の没水表面に空気膜を形成する方法。

6 . 没水表面に形成した微細な凹凸の凹部内に水圧によって膨出する水の表面張力とにより空気を保持するように形成した請求の範囲第 1項に記載の膜体の凹凸表面。

7 . 凸部の間隔 s が 0. 3〜 30 mで、かつ高さ h と間隔 s との比 h Z sが 0 . 3 〜 3 となるように形成された請求の範囲第 1項に記載の膜体の凹凸表面。

8 . 比較的大なる凹凸表面に、この凹凸表面より微細な凹凸が形成された二重凹凸構造を有する請求の範囲第 1項に記載の膜体表面。

9 . 没水部分を有する構造物の没水表面に複数のノズルを所定の間隔に配置し、このノズルから微細な凹凸を有する膜体表面に沿わせて空気を供給するようにした請求の範囲第 1項に記載の没水表面に空気膜を形成する方法。

1 0 . 微細な凹凸を有する膜体表面の凹部に一次空気を保持させ、更にこの膜体表面に外部から二次空気を供給するようにした請求の範囲第 1項に記載の没水表面に空気膜を形成する方法。

1 1 . 撥水性合成樹脂シートの表面を転写により微細な凹凸加工して製作した請求の範囲第 1項に記載の膜体。

1 2 . 構造物表面に塗料層を形成し、この塗料層の表面に微粒子を突出するように固定し、少なくとも前記塗料層より突出している微粒子の頂部が撥水性を有している請求の範囲第 1項に記載の膜体。 36

1 3 . 構造物表面に塗料層を形成し、この塗料層の表面に微細粒子による凹凸を形成し、この微細粒子を撥水性を有する材料で被覆してなる請求の範囲第 1 項に記載の膜体。

1 4 . 構造物表面に形成した下地層に比較的大きな粒径の粒子を舍み、この下地層の上に前記粒子より小径の微粒子を舍む上塗り層を形成して表面に犬なる凹凸に小なる凹凸を形成した二重構造の微細な凹凸を形成した請求の範囲第 1項に記載の膜体。

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