JP5651829B2 - 摩擦低減船およびマイクロバブル発生ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、船首側の水面下において大量のマイクロバブル（微細気泡）を発生させ、船の底面および側面の水に接する外板表面を微細気泡で覆うことによって、航行時の船体の摩擦抵抗を低減し、高い省エネ効果を得る装置に関する。

従来は、船体の表面をマイクロバブルで覆って摩擦抵抗を低減させるための手段として、船首側に設けた細いスリットや多数の噴出口およびノズルにより空気を吹き出させる方法などがある。例えば、吹き出し口がスリット形状では特許文献１、多数の噴出口形状では特許文献２や特許文献３、ノズル形状では特許文献４などが開示されている。

空気吹き出し口の形状は種々あるが、いずれも吐き出される気泡径は微小とは言い難く、浮上速度の影響が大きいこと、また吹き出しによる流れは乱れが大きく、剥離などを起こし、船体に沿って流れ難いなどの問題がる。特に船の側面に噴出口がある場合、吹き出される気泡は、浮力の影響や乱れの影響もあり、安定して船尾まで船の側面を気泡流で覆うことは困難である。従ってマイクロバブルによる顕著な省エネ効果は得られ難い。

非特許文献１によれば、吹き出し気泡群の粒子径を微小にすることが難しいため、気泡群の浮力の影響が大きいこと、船首側の船底に設けた細いスリットからの空気気吹き出し法では、吹き出し気泡は不安定で剥離なども生じるため、船尾まで船底を安定して覆うのは困難などの理由から、船底外板の外側に端板を設けて船底の側面からの気泡の流出を抑える手法を示している。

特開平９−１５６５７６号公報 特開平９−２０７８７３号公報 特開平１１−４９０８０号公報 特開２００８−１８７８１号公報 児玉良明「空気潤滑法による船舶の抵抗低減技術の実用化にむけて」日本機械学会誌，１１２−１０８６（２００９−５），４６−４９．

従来のマイクロバブルの生成技術では、気泡の微細化が不十分であり、浮上速度が速く効率が悪い。また、安定した微細気泡流が得られない。これらの問題点を解決するためには、さらに微細化した気泡が得られる発生装置とともに気泡流を船体表面に沿う流れとして安定的に供給できる摩擦低減技術が求められる。

本発明は従来技術の問題点を解決するために、マイクロバブル発生用に開発した新規の貫流ポンプ（クロスフロ−ポンプ）を船首側の水面下に設置したものである。貫流ポンプ内部で発生させた大量の微小気泡は、ポンプ内部で流れに一様に混入しながら吐き出される。この微小気泡を大量に含む吐出し気泡流は、貫流ポンプ特有の流れの特性により、吐出し部において一様で乱れの少ない幅広の層状的な流れとなり、その流れは船体表面に沿って船尾に向かって安定した流れを形成し、船体を微小バブルで覆うことになる。このようにして、効率良く摩擦低減を図ることができる。

図１に本特許で開発した貫流ポンプ本体の断面図を示す。（ａ）は貫流ポンプ（クロスフロ−ポンプ）本体５０の断面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ矢視断面図でマイクロバブル発生ポンプ５５を示す。貫流ポンプ本体５０は、基本的には円筒状の多翼羽根車７を収容したケ−シング３０と流れを制御する舌部８および散気孔５を有する中空回転軸３からなる。マイクロバブル発生ポンプ５５は貫流ポンプ本体５０にエアなどを供給するためにホ−ス１３により接続されたエアポンプ１１と液体ポンプ１１ｂおよび該中空回転軸３に接続した駆動用モ−タ１２からなる。

流れは図１（ａ）のポンプ断面図に示すように吸込み側９から吐出し側１０に向って２回羽根６を通過する。即ち流れは吸込み側９では、羽根車７の外側から内側へ、吐出し側１０では内側から外側へ流出して羽根車７を横断する。羽根車７は幅方向に長くとれること、また、流れが羽根車に接線方向に吐出されることから、吐出し流れは従来技術と異なり、幅広のシ−ト状で乱れも少なく、拡散せずに遠くまで達することができるので、船首側から船尾に向かって全体的に微小気泡の流れが船体表面に沿って行き渡る。

また、吸込み側における羽根６の入口と出口が吐出し側では逆になるため、物が羽根間に詰まりにくい構造であることは運転上、優れた強みである。

微細気泡を発生させる構造は、図１の（a）、（ｂ）に示すように羽根車７内の中空回転軸３の外周面に多数の散気孔５を窄孔、あるいは追加の多孔質材を貼り付け、中空回転軸３を通して羽根車外部のホ−ス１３に接続したエアポンプ１１および液体ポンプ１１ｂにより、気体や液体を供給できるようになっている。外部から羽根車内に供給された気体が該中空回転軸３の散気孔５からＳで示される噴出によって気泡となって放出されることになるが、気泡は回転を伴って散気孔５から放出されるため、回転を伴う効果により気泡は微小径となり、さらに回転する羽根６の間を通過することにより細分化され、理想的な微小気泡となって吐出し水流とともに船体表面に沿って吐出される。回転数は大きいほど微細化される。このように回転する羽根車７内の中空シャフト３の散気孔５からの気泡供給方法は、一様で均一な微細気泡を得るための手法として優れている。

液体ポンプ１１ｂは貫流ポンプに貝などが附着するのを防ぐために薬液を注入したり、ポンプ内部を洗浄するときに洗浄液を注入するためのものである。

図２はポンプ吸込み側９にエア分散発生器17を設置した場合の例を示す。気体は前述の図１と同様にエアポンプ１１によりエア分散発生器17に供給される。この場合、エア分散発生器１７から放出された気泡の大部分は流れと共に、吸込み側９から吐出し側１０に向って２度、羽根６を通過して羽根車７を横断することになる。気泡は回転する羽根６を通過する毎に細分化されるために、吐出し側では微細化した気泡が得られる。エア分散発生器１７はポンプの吐出側に取付けたり、ケ−シング壁面に取り付けてもても良いが均一な微細気泡が得られ難い。

図３と図４は散気孔５から放出される気泡径をさらに小さくするための手法を示す。図３は貫流ポンプ羽根車７の散気孔を有する中空回転軸３の外周面に多数の棒状の小さな突起２８を放射状に突き出した構造、図４は中空回転軸３の外周面の外側に隙間を空けて数本の細長パイプ状の棒２９を中空回転軸３に平行で略同芯状に配列して羽根車幅方向に差し渡した構造であることを特徴とする。羽根車の回転に伴い、前記２種の棒状体の後流乱れが散気孔５から放出された気泡を局部的に乱すことによってさらに微細化した状態でポンプ吐出し口から船体表面に沿って放出されることになる。

摩擦抵抗を低減させるためには、基本的には、水面下の船体表面の薄い境界層を微小気泡で覆えば良い。本発明では、微小気泡を含む吐出し流れを船体表面に沿ってシ−ト状に供給できるのとコアンダ効果（流れが物体表面の曲面に沿って流れる効果）により、確実に境界層を覆うことができるので効率が良い。また、貫流ポンプ本体の吸込み口と吐出し口を含むケ−シング形状や舌部の構造を適切にアレンジすることによって船体の形状あった流れの状態を得ることが出来るという優れた特徴を持っている。

また、ポンプからの微細気泡を含む吐出し流れは、船の推進にも寄与することが出来るので無駄がない。

本発明のマイクロバブル発生ポンプによれば従来の技術では得られなかった微細気泡を含む幅広でシ−ト状の安定した流れを船体表面に沿って供給することが出来るため、航行時の船の摩擦抵抗を効率良く減らすための技術として貢献できる。

図１は本発明のマイクロバブル発生ポンプの基本的構造を示す。（ａ）は貫流ポンプ本体の構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ矢視のマイクロバブル発生ポンプの断面図である。 図２は図１とは異なる別形態のマイクロバブル発生ポンプの基本的構造を示す。（ａ）は貫流ポンプ本体の構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ矢視のマイクロバブル発生ポンプの断面図である。 図３（a）は羽根車の散気孔を有する中空回転軸の外周表面に多数の棒状の小突起を放射状に突き出した構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ矢視の羽根車断面図である。 図４（a）は数本の細長パイプ状の棒を回転軸に平行で略同芯状に配列して羽根車幅方向に差し渡した構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ矢視の羽根車断面図である。 図５はマイクロバブル発生ポンプを船首部の船の側面と底面に複数台連結して設置した場合の摩擦低減船の据付け状態を示す。（ａ）はポンプからの吐出し気泡流が船体の表面に沿って流れる状態を示す平面断面図、（ｂ）は側面図である。（実施例１） 図６は図５（ａ）のマイクロバブル発生ポンプ５５ｂのポンプ部の拡大断面図で、微細気泡を含む流れの状態を示す。 図７は図５（ｂ）のマイクロバブル発生ポンプ５５ｃのポンプ部の拡大断面図で、微細気泡を含む流れの状態を示す。 図８は図５の実施例１とは異なる別形態の船７１にマイクロバブル発生ポンプを複数台連結して設置した場合の摩擦低減船の形態を示す。（ａ）は船体の表面に沿って流れる気泡流の状態を示す平面断面図、（ｂ）は側面図である。（実施例２） 図９は図８（ａ）のマイクロバブル発生ポンプ５５ｄのポンプ部の拡大断面図で、微細気泡を含む流れの状態を示す。 図１０は図８（ｂ）のマイクロバブル発生ポンプ５５ｅのポンプ部の拡大断面図で、微細気泡を含む流れの状態を示す。 図１１は羽根車を４個連結した一体型のマイクロバブル発生ポンプを、船の側面と底面に設置した形態を示す。（ａ）はポンプからの吐出し気泡流が船体の表面に沿って流れる状態を示す平面断面図、（ｂ）は側面図である。（実施例３） 図１２は図１１のマイクロバブル発生ポンプ５５ｆ（５５ｇ）のポンプ部の拡大図を示す。 図１３はポンプを３台連結したマイクロバブル発生ポンプ５５ｈを本体装置は船内に据付け、取水口と吐出し口を船腹外板を通して外部に開口した構成示す。（ａ）は微細気泡を含む流れの状態を示す平面断面図、（ｂ）は側面図である。（実施例４） 図１４はマイクロバブル発生ポンプ５５ｉを本体装置は船内底部に据付け、取水口と吐出し口を船底外板を通して外部に開口した構成示す。（ａ）は装置の据付け状態と微細気泡を含む流れの状態を示す断面図、（ｂ）はＹ−Ｙ矢視図である。（実施例５）

以下に本発明の実施の形態を図５〜図１４を参照して説明する。

図５は本発明の第１実施例で、請求項１に記載のマイクロバブル発生ポンプ５５ｂを船７０にセットし、一体化したときの摩擦低減船８０の形態を示す。（ａ）は平面断面図、（ｂ）は側面図である。本発明では船首部の水面下の船の左舷と右舷の外板にポンプを２台接続したマイクロバブル発生ポンプ５５ｂ、船底外板に水中モ−タ１２ｂの両端軸にポンプを２台ずつ接続したマイクロバブル発生ポンプ５５ｃを設置している。図６と図７にマイクロバブル発生ポンプの５５ｂと５５ｃの拡大断面図を示す。図５並びに図６、図７の拡大図により大量の微小気泡を含む流れが船体表面に沿って流れる状態を示す。エアは前述の図１と同様にエアポンプ１１からホ−ス１３により、図６と図７に示すマイクロバブル発生ポンプ５５ｂと５５ｃの中空回転軸３に供給され、羽根車７の内部において、中空回転軸外周部に穿孔された散気孔５から回転を伴いながら微細気泡となって放出され、流れとともに吐出し気泡流として供給される。

この実施の形態によれば、図５（ａ）に示すように船首部の左舷と右舷の外板に設置したマイクロバブル発生ポンプ５５ｂのポンプ内で生成された微小気泡を含む吐出し流れがコアンダ効果（流れが物体表面に沿って流れる）によって曲率のある船体表面に沿って流れる。微細気泡を含む吐出し流れは、貫流ポンプの特性により、幅広のシ−ト状で乱れも少なく、また拡散することなく、一様な流れとなって遠くまで達することができる。従って船首側から船尾まで船体表面を微細気泡で覆うことが出来るので、効率よく摩擦抵抗を低減できる。船底の外板に設置したマイクロバブル発生ポンプ５５ｃのポンプから吐き出される微細気泡を含む流れも同様の手法で船体表面を微細気泡流で覆うことができる。

摩擦抵抗低減のためには、前述のように基本的には船体表面が水と接する薄い境界層を気泡で覆えばよく、厚い層で覆う必要はない。従って、貫流ポンプの吐出し流れＤは前述のように幅広のシ−ト状で乱れも少なく、また拡散することなく、一様な流れとなって遠くまで達することができるので都合がよい。ポンプ吐出し口からの流出速度はポンプの回転数を変えることによって増減できるので、外流Ｆ（船体近傍を通り過ぎる流れで、船の速度や海流に関係）との関係で吐き出し流れが最も拡散し難い速度に設定すれば良い。いずれにしても、コアンダ効果を有効にするために、吐出し流れＤの流速は外流Ｆの速度よりも速くする必要がある。

図５に描いたマイクロバブル発生ポンプ５５ｂと５５ｃの大きさは分かりやすく説明するために実際とは異なり船体に対して大きな比率で描いている。基本的には船体表面の薄い境界層を微小気泡で覆えばよいので、ポンプの羽根径の大きさは船の大きさにもよるが、１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度でよいと考えられる。ポンプの大きさや台数と駆動用モ−タの組み合わせは、船の大きさによって異なる。

液体ポンプ１１ｂは前述のようにポンプに貝などが附着するのを防いだり、ポンプ内部を洗浄したりするときにホ−ス１３を通じて薬液や洗浄液をホ−ス１３によって、ポンプ内に供給するときに使用する。

図８は本発明の第２実施例で、請求項１に記載のマイクロバブル発生ポンプを船にセットし、一体化したときの摩擦低減船８１の形態を示す。（ａ）は平面断面図、（ｂ）は側面図である。船の構造は船体の外板にマイクロバブル発生ポンプ５５ｄ、５５ｅを収容して設置するための窪み７５、７５ｂを設けた構造になっている。ポンプ５５ｄは船首部の左舷と右舷の水面下の窪み７５の外板にポンプ２台を連結して設置したもの、ポンプ５５ｅは船底の窪み７５ｂの外板に水中モ−タ１２ｂの両端軸にポンプを２台ずつ連結して設置した場合を示す。ポンプ台数やモ−タ台数との組合わせは船の大きさによって異なる。

ポンプの吸込み口のすぐ上流側には、ゴミ除け用のスクリ−ン３５を設置している。前述のように、貫流ポンプでは、構造上羽根間に物が詰り難い構造なので、スクリーンの網目はある程度粗くて良い。以後の実施例では、ゴミ除けスクリ−ンは省略している。

この実施の形態によれば、マイクロバブル発生ポンプの５５ｄと５５ｅが船体外板から突出していないため、ポンプ本体が流れの障害物になることもないので微細気泡の流れを船体表面に沿ってスム−ズに流すことが出来る。また、スクリ−ン３５によってゴミやクラゲなどの浮遊物の吸込み口への侵入を防ぐことが出来る。スクリ−ン３５を船体に沿って斜めに取り付けているのは、ゴミなどが後方に流れやすくするためである。

なお、船腹部の外板に設置したマイクロバブル発生ポンプ５５ｂはタンカーなど船体の長さが大きい場合に、途中で微細気泡を増強するためのものであるが、ポンプを窪みに設置していないため、ポンプ本体が外板から突出している。この場合は接岸時などの損傷を防ぐための補強枠が必要である。

図９と図１０はマイクロバブル発生ポンプの５５ｄと５５ｅの据付け状態と微細気泡含む流れが船体表面に沿って流出する状態を示す拡大断面図である。いずれもポンプの吸込み口と吐出し口の方向を船体に沿うようにケ−シング形状をアレンジしている。特に吐出し口からの流出方向は微細気泡を含む流れが船体表面に沿うように細心の注意を払う必要がある。また、前述のようにポンプ吐出し流れＤの流速は外流Ｆよりも速くする必要がある。吐出し流速はポンプの回転数を変えることによって行う。微細気泡の発生メカニズムは、前述の実施例１と同様である。

図１１は本発明の第３実施例で、第１実施例とは異なり羽根車７を４個連続して一体化したマイクロバブル発生ポンプ５５ｆと５５ｇを船首側の船の側面と底面の外板に設置したときの摩擦低減船８２の形態を示す。（ａ）は平面断面図、（ｂ）は側面図である。ポンプ吐出し口の形状と方向は微細気泡を含む流れが船体表面に沿って流れるようにアレンジしている。図１２はマイクロバブル発生ポンプ５５ｆ（５５ｇ）の構造を示す拡大図である。微細気泡の発生メカニズムと微細気泡を含む流れが船体表面に沿って放出される状態は実施例１と同様である。

図１３は本発明の第４実施例で、ポンプを３台連結したマイクロバブル発生ポンプ５５ｈの本体は船内に据付け、取水口４２と吐出し口４３を船腹外板を通して外部に開口した構成示す。（ａ）は平面断面図、（ｂ）は側面図である。図（ａ）に示すように船外から取水口４２を通してタンク４０に流れを取り込み、タンク４０に接続したマイクロバブル発生ポンプ５５ｈを通して吐出し口４３より船外へ吐き出される構造になっている。微細気泡は前述のように羽根車７の内部で生成され、吐出しダクト４７を通して吐出し口４３から微細気泡を含む流れが船体表面に沿って流出するようになっている。吐出しダクト４７および吐出し口４３の形状は微細気泡を含む流れが船体表面に沿って流れるように調整している。本構造では、ポンプが船内に設置されているため、流れの障害とならず、ゴミなどの影響を直接受けないこと、またポンプのメンテナンスにも都合が良い。

図１４は本発明の第５実施例で、マイクロバブル発生ポンプ５５ｉの本体は船内底部に据付け、取水口４２と吐出し口４３を船底外板を通して外部に開口した構造を示す。（ａ）は装置の据付け状態を示す断面図、（ｂ）はＹ−Ｙ矢視図で、対称図面の半分を描いた平面図である。装置の構成は図１３の実施例４と基本的に同じで、船外から取水口４２を通してタンク４０ｂに流れを取り込み、タンク４０ｂに接続したマイクロバブル発生ポンプ５５ｉから吐出しダクト４７を通して吐出し口４３より、船外へ吐き出す構造になっている。本実施例では船底において、吐出し口４３から微細気泡を含む流れが船体表面に沿って流れることによって、船底表面を微細気泡で覆うことができる。

本発明のマイクロバブル発生ポンプの技術は、羽根車内中空回転軸の散気孔を通して生成される大量の微細気泡を含む流れを船体表面に沿って幅広でシ−ト状の安定した吐出し流れとして供給し、船体表面を微小気泡で覆うことができることから、船舶航行時の摩擦低減に有効である。

３ 散気孔を有する羽根車中空回転軸
５、５ｂ 散気孔
６ 羽根
７ 貫流ポンプ羽根車
８ ケ−シング舌部
９ ポンプ吸込側
１０ ポンプ吐出側
１１ エアポンプ
１１ｂ 液体ポンプ
１２ 駆動用モ−タ
１２ｂ 駆動用水中モ−タ
１３ ホ−ス
１４ 水面
１７ エア分散発生器
２８ 中空回転軸３の外周面から放射状に突き出した棒状の小突起
２９ 中空回転軸３に平行で羽根車幅に渡って設置した細長パイプ状の棒
３０，３０ｂ ポンプケ−シング
３５ ゴミ除けスクリ−ン
４０，４０ｂ タンク
４１ 取水パイプ
４２ 取水口
４３ ポンプ吐出し口
４５ 取水バルブ
４６ 吐出しバルブ
４７ 吐出しダクト
５０ 貫流ポンプ本体
５５、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅ、５５ｆ、５５ｇ、５５ｈ、５５ｉ マイ
クロバブル発生ポンプ
７０，７１ 船
７５ スクリュ−
８０，８１，８２，８３，８４ 摩擦低減船
Ｂ 微小気泡
Ｄ ポンプ吐出し口から船体表面に沿って流出する微小気泡を含む流れ
Ｆ 外流（船の速度や海流に関係する船体近傍を通り過ぎる流れ）
Ｓ 散気孔５および散気孔５ｂから微細気泡（液体）となって噴出する流れ

Claims (1)

1. 羽根車形状が円筒状で多翼の貫流ポンプ（クロスフロ−ポンプ）羽根車内の回転軸を中空にして、羽根車内回転軸の外周面に多数の散気孔を穿孔、あるいは追加の多孔質材を貼付けた構造とし、羽根車外部より該中空回転軸へ接続したホ−スを通して空気を羽根車内中心部に供給できるようにし、該散気孔より回転を伴いながら羽根車内に微細気泡を噴出させる構造のマイクロバブル発生機構付き貫流ポンプを船首側水面下の船体の側面や底面の外板に設置し、微細気泡を含む吐出し流れが船尾に向かって船体表面に沿うように吸込み口を含む吐出しケ−シング形状をアレンジしたことを特徴とする摩擦低減船およびマイクロバブル発生ポンプ
   

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