JP6470685B2 - 翼形帆アセンブリ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［技術分野］
本発明は、概して、水上船舶の推進に関する。一実施形態では、制御が実質的に自動化された翼形帆（ａｅｒｏｆｏｉｌ ｓａｉｌ）が提供される。
［背景技術］
商用輸送に起因する、燃料消費及びその結果としてのＣＯ_２排出、並びに他の炭化水素副生成物の現レベルは著しく高い。本発明者は、この問題に対処する必要があることを認識し、燃料消費及び排出の両方を低減するために役立つ、商用輸送用の補助電源を考案した。
［概要］
本発明の第１の態様によれば、水上船に動力を提供するための翼形帆が提供され、帆は、前方翼形部分及び後方翼形部分を備え、かつ、スパー構造を備え、翼形部分の少なくとも一方は回動可能に位置決め可能であり、帆は、スパー構造に対して翼形部分の少なくとも一方の角度位置を個々に制御するコントローラを備え、スパーは、スパーの長手軸を中心として回動可能に位置決め可能である。

コントローラは、好ましくは手動介入が全く無いか又は最小の状態で、少なくとも一方の翼形部分及びスパーの自動化制御を実施することが好ましい。コントローラは、適切な制御信号を決定するために、１つ又は複数のセンサ（帆に組み込まれるか、帆に接続されるか、又は、帆に影響を及ぼす）からのフィードバック信号を使用してもよい。

翼形部分の一方は、スパーに対して固定されてもよく、また、他方の翼形部分は、スパーの周りで回動可能に位置決めされ得る。
スパーは、必要とされる（角度）位置まで、スパーの長手軸を中心に回動可能に位置決め可能とされてもよい。

両翼形部分は、スパーの周りで旋回可能に位置決めされてもよい。
整列させられると、前方部分及び後方部分は翼形プロファイルを形成し得る。
前方部分と後方部分との間に空間又は間隙が設けられて、そこを通る、好ましくは実質的に妨げられない空気の流れを可能にする。

平面図で観察されると、後方部分は、好ましくは前方部分より長い。平面図で観察されると、前方部分は、後方部分より長くてもよい。
平面図で観察されると、前方部分は、後方部分の最大幅と比較して、前方部分の最も幅広の地点においてより大きい幅を有していてもよい。

帆翼は、好ましくは、前方部分及び後方部分の複数組を備え、前方部分及び後方部分の各組は互いに対して上下に配列される。
各組の前方部分及び後方部分は、実質的に同じ垂直方向位置にある。

前記後方部分及び前記前方部分の各々は、前方フラップ及び後方フラップを備える。
好ましくは、前方部分及び後方部分の少なくとも一方は、約６０°まで旋回可能である。

前方部分及び後方部分の各々は、湾曲軌道上で駆動可能であってもよい。
前方部分及び後方部分は、フラップと見なされ得る。
好ましくは、前方部分及び後方部分のそれぞれは、歯車機構によって旋回可能である。好ましくは、歯車機構のそれぞれは、ラックアンドピニオンを備える。

好ましくは、帆の効果中心は、スパーの中心線の前方に位置する。
スパーの内部体積は、スパーに入る作業者アクセスを可能にするサイズとされる。スパーは、スパーの長さの大部分について、スパー内での作業者アクセスを可能にするサイズに作られる。スパーの内部空間は、好ましくは、スパーの異なる部分に対するアクセスを可能にする少なくとも１つの梯子を備える。

本発明の一実施形態では、航行中の帆の保守は、甲板レベルで又は主スパーの内部で遂行される。人のサイズに作られたハッチが、作業甲板レベルの近くの上部軸受の上に位置決めされて、スパーの内部領域へのアクセスを可能にしてもよい。一連の千鳥配置の（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ）梯子が位置決めされて、内部空間内で降下し過ぎるという危険性を減少させる。航海中又は接岸中に保守を必要とする全てのシステム及びモータは、内部梯子からアクセスされ得る。ハーネスライン及び軌道システムが、健康安全のために供給されてもよい。

本発明の別の態様は、本発明の第１の態様の複数の帆を備える帆アセンブリ／帆装に関する。
一実施形態では、スパーは、船内の２つの軸受上で回動し、甲板レベルでギヤードモータによって回動させることができる。前縁（ＬＥ）及び後縁（ＴＥ）フラップは、好ましくは、主スパーに取付けられる、１フラップあたり２つ設けられる軌道上に取り付けられる。フラップは、主スパー中心線に対して、及び該主スパー上の軌道と係合するフラップ上のスライダーに対して約９０°の位置に持ち上げられる。配置されると、フラップは、中心線が整列するように回動される。

帆は、好ましくは実質的に剛体の構造である。前方部分及び後方部分は、好ましくは剛体構造である。
本発明の一実施形態では、帆は主中心スパーを備え、該主中心スパーは、船の主甲板及び内部構造内に配置された２つの軸受上で回動し、また、ギヤードモータによって回動させられ得る。帆は、これもギヤードモータによって駆動される、主スパーの周りで回動可能な複数のＬＥ及びＴＥフラップを有する。ＬＥ及びＴＥフラップは、船舶の左舷側又は右舷側から非対称揚力面を生成するように駆動され得る。フラップは、効率的な揚力面である一方で、帆の効果中心を移動させて主スパーの中心軸に整列させ、「自己バランスをとる」こともできるように、構成することもできる。ＬＥ及びＴＥフラップが中心線上にある状態の帆の効果中心は、好ましくは、主スパーの中心線から十分に離れており、したがって、常に、フェイルセーフ位置として風上に向く／風と合致する。

帆は、詳細な説明において及び／又は図面において示す１つ又は複数の特徴を含み得る。
本発明の第３の態様によれば、本発明の第１の態様の少なくとも１つの帆を備える水上船舶が提供される。

船舶は貨物船であってもよい。
本発明の上記の又は更なる態様は、上記特徴ならびに／又は詳細な説明及び／もしくは図面において述べる特徴の任意の組合せを含んでいてもよい。

本発明の種々の実施形態について、以下の図面を参照して、単に例として説明される。

翼形帆の側面図である。 第１の状態における図１の帆の横断面図である。 第２の状態における図１の帆の横断面図である。 図１の帆の斜視図である。 図１の翼形帆を備える船舶の側面図である。 帆アセンブリの正面斜視図である。 帆アセンブリの背面斜視図である。 図７の帆アセンブリの帆の第１の位置における前縁及び後縁の平面図である。 図７の帆アセンブリの帆の第２の位置における前縁及び後縁の平面図である。 図７の帆アセンブリの帆の第３の位置における前縁及び後縁の平面図である。 図７の帆アセンブリを備える船舶の側面図である。 動力曲線グラフである。

［詳細な説明］
最初に図１を参照すると、船又は水上船舶用の、また特に貨物船用の、翼形又は「翼」帆１が示される。以下で説明するように、帆は、推進器駆動式船舶に補助動力を提供し、それにより、推進器に動力を供給するために必要とされる燃料を減少させる。概して、動作原理は、非常に効率の高い翼形帆装を使用して風の力を利用することであり、該翼形帆装は、船のブリッジから、大部分は自動的に簡単に制御されることができ、航行中に保守可能である。

帆１は、前方部分及び後方部分の組が取り付けられるスパー２を備え、前方部分及び後方部分の各々は、スパー２のそれぞれの高さに位置するそれぞれの対を形成する。前方部分及び後方部分の各々は、剛性材料で形成され、また、中空であってもよく、中実であってもよい。前縁及び後縁部分３ａ及び３ｂ、前縁及び後縁部分４ａ及び４ｂ、並びに前縁及び後縁部分５ａ及び５ｂが設けられる。図１から分かるように、前方及び後方部分の最も下方の組３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂは平行プロファイルであり、一方、最も上方の組５ａ及び５ｂはテーパ付きプロファイルである。

後方部分の最も上の部分５ｂにはウィングレット１４が設けられる。
前縁及び後縁部分は、それらの部分のそれぞれの角度位置が制御できるように、全体が符号１０にて示されるラックアンドピニオン機構によって、スパーの周りで旋回可能か又は回動可能に取り付けられる。このような機構のそれぞれは、ラック及びスライダの形態であってもよい。前縁及び後縁部分の各々は、上側ラックアンドピニオン装置及び下側ラックアンドピニオン装置を備える。ラックアンドピニオン装置の各対は、スパー２に対するそれらの部分の角度位置を制御するように構成される。各ラックアンドピニオン装置について、ラック要素及びピニオン要素の一方が前方／後方部分に取り付けられ、ラック要素及びピニオン要素の他方がスパーに取り付けられる。

前縁及び後縁部分のそれぞれの角度位置は、それぞれのラックアンドピニオン機構又は他のアクチュエータによって個々に制御可能である。ラックアンドピニオン機構の各対用の駆動装置は、指向性の駆動力を提供する液圧源又は電圧源によって提供される。

図２及び図３を参照すると、各部分についての移動の角度範囲が示されており、この場合、各前縁及び後縁部分は、６０°の範囲内で、中心線の両側に３０°まで移動することが可能である。図示されるように、後縁部分は前縁部分よりも長い。それらの部分が整列すると、全体的な翼形状が形成される。

スパー２は、実質的に中空の構造であり、テーパ形状をなす基底部分２ａを備える。基底部分２ａは、甲板２０の穴内に受容され、その長手軸を中心に回動するように構成される。回動を可能にする上側軸受１５ａ及び下側軸受１５ｂが設けられる。回動は、液圧で動力供給され得る駆動機構によってもたらされる。駆動機構（図示せず）は、駆動コグ又は同様のものによって駆動される、スパーの周りに設けられる歯付き鍔を備えていてもよい。駆動機構はギヤードモータを提供する。

帆の保守を可能にするために、スパーは、作業者がスパー２に入ることを可能にする開口１７を備える。スパー２の内部体積は、作業者が内部空間内で移動し、スパーの内壁に取付けられた千鳥配置（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ）の梯子（図示せず）によって内部空間内の異なる高さにアクセスできるようなものである。好適には、このように、作業者が、外部から帆にアクセスしなければならない場合よりも安全に保守作業を実施できる。例えば、このような内部へのアクセスを可能にすることによって、作業者は、スパー２内の比較的安全な場所からラックアンドピニオン装置の修理、交換、又は検査の作業を行うことができる。

帆２の前方及び後方部分の各々の設置にあたり、その部分が中心線上に位置決めされると、モータギヤが、スパーの内側から嵌合し、フラップの後部表面上で半円形水平ラックギアと噛み合う。モータギヤが回転するにつれて、フラップは、所望の位置まで軌道上を摺動する。軌道及びスライダは、負荷下でスパーが屈曲しつつも動作することを好適に可能にするように、自己整列式であるように機械加工される。

帆アセンブリ３０を備える本発明の更なる実施形態を以下に説明する。
帆アセンブリ３０は、３つの離間した翼形帆（並んだ配置構成で配列される）３１ａ、３１ｂ、及び３１ｃを備える。各帆は、前方部分及び後方部分の組を備え、各前方部分３５ａ及び各後方部分３５ｂは、スパー２のそれぞれの高さに位置するそれぞれの対を形成する。前方部分及び後方部分の各々は、剛性材料で形成され、中空であってもよく、中実であってもよい。

帆３１ｂは中央帆であり、スパー３２によって支持される。スパー３２から延在する支持部材３２ａは、帆３１ａ及び３１ｃを支持する。スパー３２は、帆３１ｂを貫通して延在し、支持部材３２ａは、外側帆３１ａ及び３１ｃの前方部分を貫通して延在するスパー（図示せず）を支持する。帆は、外側帆の前方部分を中央帆の前方部分に連結する連結部分３７によって離間した位置関係にて維持される。

後縁部分は、（例えば、ラックアンドピニオン機構によって）旋回可能な又は回動可能な移動のために取り付けられて、それにより、それらの部分のそれぞれの角度位置を制御することができる。このようなそれぞれの機構は、ラック及びスライダの形態であってもよい。

後方部分のそれぞれの角度位置は、それぞれのアクチュエータによって個々に制御可能である。各後方部分用の駆動装置は、指向性の駆動力を提供する液圧源又は電力によって提供されてもよい。

図８、図９、及び図１０を参照すると、各後方部分についての移動の角度範囲が示されており、この場合、各後縁部分は、６０°の範囲内で、中心線の両側に３０°まで移動することが可能である。図示されるように、前方部分は後方部分より長い。アクチュエータ３６は、例えばラムを備える往復動可能なロッドを備えていてもよい。

前方部分及び後方部分の各々は翼形状を形成する。各後方部分は、２つのアーム３５ｃによって、その後縁に接続される。各アーム３５ｃの遠位端は旋回軸３７に接続され、アームは、旋回軸の周りで制御可能に駆動されることが可能である。後方部分及び前方部分が整列位置にある（図１０に示す）状態では、前記部分は、互いから離間する。旋回軸連結部分３７の位置は、好ましくは、帆の全体の（すなわち、後方部分の遠位端から前方部分の遠位端までの）長さに沿って１０〜３０％の位置である。

スパー３２は、実質的に中空の構造であり、テーパ付き形状である基底部分（基底部分２ａに類似する）を備える。基底部分は、甲板２０の穴内に受容され、その長手軸を中心に回動するように構成される。スパーの回動を可能にする、甲板レベルの上側軸受、及び、甲板レベルより下の下側軸受が設けられる。回動は、液圧で動力供給され得る駆動機構によってもたらされる。駆動機構（図示せず）は、駆動コグ又は同様のものによって駆動される、スパーの周りに設けられる歯付き鍔を備えていてもよい。駆動機構はギヤードモータを提供する。これは、帆アセンブリ全体が制御可能に回動されることを可能にする。帆アセンブリは球面軸受上に設けられ、該球面軸受は、好ましくは、軸受を潤滑状態に維持するために、定量再循環注油ポンプを備える。

保守ハッチ４０は、スパーの上部に設けられて、吊り綱の環索の取り付け又は取り外しを可能にする。
帆アセンブリ３０は、好適には、後方部分上を通り過ぎる加速された流れによって効率を向上させ、揚力係数を著しく増加させることを可能にする。帆アセンブリ３０の揚力係数が帆１についての１．４と比較して２．５であることを本発明者は見出した。

その又は各帆は、鉄系金属及び非鉄系金属の組合せから、また同様に繊維強化プラスチック等の複合材料から形成することができる。帆が航海中に受けることになる力のせいで、その高強度鋼が最も適するであろうことが想定される。

前方及び後方部分の３つの対が、その／各帆について示されているが、別の実施形態では、より多数の又は少数の対が設けられ得ることが理解されよう。
使用時において、帆又は帆アセンブリの１つ以上が、船の甲板上に搭載される。帆／帆アセンブリは、船舶の中心線と整列して、又は中心線から（すなわち、右舷側又は左舷側に）オフセットして、又はそれらを組合せた状態で設けられ得る。各帆の前方部分及び／又は後方部分各々の制御を可能にするために、制御システムが設けられる。その又は各スパーと組み合わされる負荷センサを使用するフィードバックシステムを用いて、スパーの回動位置と共に、それぞれの前方及び後方部分の角度位置を制御してもよい。他のセンサ、また実際には他のタイプのセンサからの情報を使用するフィードバックが、付加的に又は代替的に使用されてもよい。実行可能命令を含むデータプロセッサを備える制御システムは、センサからの信号を処理し、また、センサからのフィードバック情報を使用して、前縁及び後縁部分のそれぞれに対する制御信号、並びに、スパーの回動位置用の制御信号を出力するように構成される。このように、帆の制御は、大部分は自動的に制御され得る。しかしながら、制御システムが、必要に応じて、また必要とされるときに、手動介入を可能にすることが理解されよう。その点に関して、制御は、船舶のブリッジから、また、その（又は各）帆／帆アセンブリに隣接する第２の制御ポイントからのものであってもよい。

船舶の中心線に沿って４つの帆１を備える貨物船１００を示す図５、及び、船舶２００を示す図１１を参照する。
前方及び後方部分の各々が個々に制御可能であるため、各帆の構成は、（オンボードセンサによって示される）利用可能な風況を最大にし、それにより、帆によって提供される推進力を最大にするように調節され得る。しかしながら、特定の状況では、例えば船舶が動力を減少させる必要があるか又は動力を実質的に全く必要としないときに、帆は、推進力を最小にするように構成される必要がある場合がある。

帆が船の両端にある場合、好適には、長い航路上で船を操舵し、大型船舶に関してはかなり大きくなる舵抗力を減少させるのに役立つことが可能である。更に、港においては、帆は、好適には、操縦するためのスラスタとして利用されることができ、また、航海中においては、帆は、船の動的横揺れを大幅に安定させるのに役立つ。

複数の翼用の制御システムは、こうした強力な装置の安全運転を保証する。帆から利用され得るこのような動力によって、必要とされる燃料消費が、好適には大幅に低減され得る。図１２は、帆アセンブリ３０の２つについての種々の動力曲線を示す（エアロテストデータからの３０％損失を考慮に入れる）。

複数の帆／帆アセンブリが、船に適合され、船積み作業及び積荷降ろし作業について障害を最小にするように位置決めされることが想定される。好適には、帆は、頑丈で、高く、アスペクト比が高く、また、ほとんどのオーバヘッドクレーンの邪魔をすべきでない。

商用船の排水量は大きいため、傾斜力に抗する復元力は非常に大きくなり、翼による安定した５°傾斜が最大であるべきである。これは、明らかに、ケースバイケースでそれぞれの船に依存する。現実には、船が大きければ大きいほど、このシステムがうまく働く。

横力、及びこれが補助電源であるため、船は、常に、約１３ノット（標準的な商用速度）で進むことになる。約１３ノットで水を切って進む船体によって生成される横力が常に存在することになり、したがって、翼の横力はほとんど影響を及ぼさないはずである。

剛体である帆は、好適には、非常に予測可能であり、また大いに自己バランス式であり、帆を制御する力は非常に低いことになる。制御システムはフェイルセーフ式であることになる。すなわち、翼は自動的に風と整列する。鋼でできており、液圧モータによって動力が供給される場合、これらがよく理解されており、また、非常に信頼性のある技術であるため、これは、海運業界にとってより魅力的である。

代替の実施形態では、各対の後方部分は、スパーにしっかり固定され、前方部分は、後縁に対する制御された角度移動を可能にするように取り付けられる。スパーがそれ自身の周りで回動可能であるため、スパーの長手軸に対する固定部分の角度位置は、制御された方式で変更することができる。

一実施形態では、１つの帆／複数の帆の外面には、ソーラーパネルが設けられ、該ソーラーパネルから電力を得て、角度的に制御可能な部分を駆動するために使用され得る。
別の実施形態では、スパーを搭載する軸受は共に、スピゴット又はソケットハウジングによって甲板の上方に設けられる。３つ以上の軸受を設けてもよいことが理解されるであろう。

上記実施形態用のスパー軸受は、自己整列式であり、水密完全性をもたらすためにスパー軸受同士を接続する管体を有し、帆／帆アセンブリが所定位置に揚げられるときに自己整列を可能にする。

上記実施形態は、風上に向くことになるフェイルセーフ機構を備え、作動可能な前方／後方部分は、液圧式又は電気式の、送りネジを使用したアクチュエータを備え、該アクチュエータは、それらの部分を解放し、それらの部分が自然に中立位置を見出すことを可能にする。

好ましくは、その又は各スパーは、作業者による保守又は検査を可能にするために、スパーの全ての高さにおいてアクセス可能である。これは、人用の大きさに作られた開口、及び１つの／複数のスパーに対する／中に進入路を設けることによって達成される。

Claims (20)

1. 貨物船に動力を提供するための、少なくとも２つの翼形帆を備える翼形帆アセンブリであって、各帆は、前方翼形部分及び後方翼形部分を備え、前記帆アセンブリはさらにスパーを備え、前記翼形部分の少なくとも一方は回動可能に位置決め可能であり、前記帆アセンブリはさらに、前記スパーに対して前記翼形部分の少なくとも一方の角度位置を個々に制御するコントローラを備え、前記スパーは、該スパーの長手軸を中心に回動可能に位置決め可能であり、前記前方翼形部分は前記後方翼形部分よりも長く、前記前方翼形部分と前記後方翼形部分との間には間隙が設けられ、前記少なくとも２つの翼形帆が離間した位置関係で並んで設けられる、翼形帆アセンブリ。
2. 前記コントローラは、少なくとも一方の翼形部分及び前記スパーの自動化制御を実施する、請求項１に記載の翼形帆アセンブリ。
3. 前記コントローラは、適切な制御信号を決定するために、１つ又は複数のセンサ（帆に組込まれるか、帆に接続されるか、又は、帆に影響を及ぼす）からのフィードバック信号を使用し得る、請求項２に記載の翼形帆アセンブリ。
4. 前記翼形部分の一方が前記スパーに関して固定され、前記翼形部分の他方が前記スパーに対して回動可能に位置決め可能である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。
5. 両翼形部分が、前記スパーに対して旋回可能に位置決め可能である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。
6. 整列すると、前記前方部分及び前記後方部分が翼形プロファイルを形成する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。
7. 平面図で観察されると、各部分は翼形状である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。
8. 前記少なくとも１つの回動可能に位置決め可能な翼形部分は、回動可能に（固定）翼形部分に連結される、請求項７に記載の翼形帆アセンブリ。
9. 前方部分及び後方部分の複数の組を備え、前方部分及び後方部分の各組は互いに対して上下に配列される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。
10. 各組の前方部分及び後方部分は実質的に同じ垂直位置にある、請求項９に記載の翼形帆アセンブリ。
11. 前記後方部分及び前記前方部分の各々は、前方フラップ及び後方フラップを備える、請求項９に記載の翼形帆アセンブリ。
12. 前記前方部分及び前記後方部分の少なくとも一方は、約６０°の範囲内で旋回可能である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。
13. 前記前方部分及び前記後方部分の各々は、旋回軸を中心に旋回可能である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。
14. 前記前方部分及び前記後方部分の各々は、歯車機構によって旋回可能である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。
15. 歯車機構の各々は、ラックアンドピニオンを備える、請求項１４に記載の翼形帆アセンブリ。
16. 帆の効果中心は、前記スパーの中心線の前方に位置する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。
17. 前記スパーの内部体積は、前記スパーへの作業者アクセスを可能にするサイズとされる、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。
18. 前記スパーは、該スパーの長さの大部分について、該スパー内での作業者アクセスを可能にするサイズに作られる、請求項１７に記載の翼形帆アセンブリ。
19. 前記帆が実質的に剛体構造である、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。
20. 前記スパーは前記翼形部分を支持する、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の翼形帆アセンブリ。

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