特開 2024-23133 航海用低燃費航行方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024023133

(43)【公開日】2024-02-21

(54)【発明の名称】航海用低燃費航行方法

(51)【国際特許分類】

   B63B 43/06 20060101AFI20240214BHJP

【ＦＩ】

B63B43/06 A

【審査請求】有

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023103958

(22)【出願日】2023-06-26

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-08-21

(31)【優先権主張番号】P 2022126012

(32)【優先日】2022-08-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】521474753

【氏名又は名称】株式会社 ＡＳＣ

(74)【代理人】

【識別番号】100151208

【弁理士】

【氏名又は名称】植田 吉伸

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 満晴

(57)【要約】

【課題】低燃費で船を航行させる方法を提供することである。
【解決手段】貨物船舶航海用低燃費航行方法は、貨物を積載して航海する総トン数が４９９トン以下の貨物船舶において、貨物を載せた状態のＧＭ値を求める第１工程と、前記ＧＭ値が５０ｃｍとなるまでバラストの重量を調整することを繰り返し、前記ＧＭ値が５０ｃｍとなった状態で航海する第２工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

貨物を積載して航海する総トン数が４９９トン以下の貨物船舶において、貨物を載せた状態のＧＭ値を求める第１工程と、
前記ＧＭ値が５０ｃｍとなるまでバラストの重量を調整することを繰り返し、前記ＧＭ値が５０ｃｍとなった状態で航海する第２工程と、
を備えることを特徴とする貨物船舶航海用低燃費航行方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、航海用低燃費航行方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、船舶分野において、例えば、貨物船舶では、積載貨物が少ない状態、あるいは、貨物が全く存在しない空船状態のように船の喫水が浅い状態で航海すると、推進器や舵が水際にまで近づき、推進器の効率や舵効きが低下するという課題がある。例えば、空船状態では、船首の喫水が０．８ｍ、船尾の喫水が３．２ｍであって速力（４９９トン型、２０００馬力）が１３ノットである。満船状態では、船首の喫水が３．８ｍ、船尾の喫水が４．２ｍであり、速力（４９９トン型、２０００馬力）が１１ノットである。ゆえに、喫水が浅いという課題がある。このような障害を避けるには、バラストを積み、適切な喫水の確保と、トリム（船の前後喫水のつり合い）の調整等といった対策が講じられている。

【0003】

本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１には、複数の区画を有する船体の前後で隣接する区画の境界の舷側外板に面する部分に、これら区画とは別の損傷時導水区画と連通するダクトを備え、前記ダクトは、前記区画の境界となる隔壁と前記舷側外板とで形成されるコーナー部に配置され、前記舷側外板が当該ダクトの一部を形成していることを特徴とする船舶の復原力回復構造が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－５５６７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一般的に、バラストの重量を大きくする等のように重心が下方に位置するような対策を講じると船が安定すると考えられているが、重心が下方に位置して喫水が大きくなり過ぎると、海水の抵抗を受けて燃費が悪くなるという課題がある。

【0006】

本発明の目的は、低燃費で船を航行させる方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る船舶航行方法は、貨物を積載して航海する総トン数が４９９トン以下の貨物船舶において、貨物を載せた状態のＧＭ値を求める第１工程と、前記ＧＭ値が５０ｃｍとなるまでバラストの重量を調整することを繰り返し、前記ＧＭ値が５０ｃｍとなった状態で航海する第２工程と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、低燃費で船を航行させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明に係る実施形態の航海用低燃費航行方法において、船を航行する手順を示すフローチャートである。

【図2】本発明に係る実施形態の航海用低燃費航行方法において、船舶が傾いた際に元に戻るための復原力を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

【0011】

図１は、本発明に係る実施形態の航海用低燃費航行方法において、船を航行する手順を示すフローチャートである。図２は、本発明に係る実施形態の航海用低燃費航行方法において、船舶が傾いた際に元に戻るための復原力を説明する図である。

【0012】

船舶は、例えば、貨物船舶の場合、積載貨物が少ない状態か、貨物が全く存在しない空船状態などのように船の喫水が浅い状態で航海すると、複数の障害が生じる。

【0013】

ここで、船舶について説明すると、積載貨物の重量が４９９トンの貨物船である。４９９トン型貨物船は、例えば、全長が７５．００ｍ、型幅が１２．００ｍ、型深が５．７０ｍの船や全長が７５．２２ｍ、型幅が１２．５０ｍ、型深が７．００ｍの船や全長が７６．３８ｍ、型幅が１２．３０ｍ、型深が６．８５ｍの船などが存在するが、船舶の製造メーカによって多少サイズが異なる。

【0014】

ここでは、貨物船の型を４９９トンとして説明するが、後述するように４９９トン以下であればよく、例えば、１９９トンの型であってもよい。１９９トンの型の貨物船は、例えば、全長が５９．２３ｍで、型幅が９．４０ｍで、型深が５．５５ｍなどの船が存在するが、船舶の製造メーカによって多少サイズが異なる。

【0015】

喫水が浅い状態で航行する障害の１つとして、推進器や舵が水際にまで近づいて一部が水面上に露出することがあるため推進器の効率や舵効きが低下してしまうことがある。

【0016】

また、他の障害として、船体の水面上の高さが増ますと風波による影響が大きくなり、船は不安定となって危険な状態になりやすく、また激しい動揺で推進器の一部が水面上に露出し、空転や波による折損、さらには機関故障を誘発したりすることがある。

【0017】

このような障害を避けるために、従来、主機の回転を下げることや、バラストを積むことで適切な喫水を確保するといった対策がなされている。バラストには、バラストタンクおよびディープタンクなどに海水を搭載する水バラストと、船倉や中甲板などに枠で囲って搭載する固形バラストとがある。

【0018】

海を航行する船舶が波で傾いても元に戻るのは、船舶の重さの中心である重心位置と船を浮かべる力の中心である浮心位置との位置関係で、傾いている船を元の状態に戻そうとする力が働いているからである。この力は、復原力（Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）と呼ばれている。

【0019】

復原力は重心と浮心の位置関係で強く働く場合と、弱い場合があり、これが弱い場合は、大きな横波などを受けた時は転覆する恐れもあり、船を運航する人はこの復原力に最大の注意を払っている。

【0020】

図２（ａ）は、船舶が直立（Ｕｐ ｒｉｇｈｔ)して浮いている図である。直立状態では船の重心（Ｇ)と、浮心（Ｂ)は共に船の中心線（垂線）上にある。図２（ｂ）は、船が外力を受けて傾斜（Ｈｅｅｌ)した図である。船が傾くと重心の位置は変化しないが、浮心の位置が移動する。

【0021】

浮心は常に水線面（ＷＬ)下の船体容積の中心に有るから、図２（ａ）と図２（ｂ）では水線面下の形状が変化する。図２（ｂ）で水線面下の船体容積の中心が（Ｂ）点とすれば、（Ｇ）点の作用線（垂線）と（Ｂ）点の作用線（垂線）とは離れてしまい、浮力は上向きに、重力は下向きに作用するので、船はもとの中立の状態に戻る。これを安定平衡（Ｓｔａｂｌｅ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ)という。

【0022】

Ｂ点がＢ'点に移動するのは、船が傾斜したために三角形ｂ１ の面積 (容積）が三角形 ｂ２に移動したためである。Ｂ点とＢ'点の移動距離は、ｂ１点とｂ２点の距離×ｂ１の重量（Ｗ）÷船の重量（Ｗ)で、移動方向はｂ１点とｂ２点の方向に平行移動する。

【0023】

Ｂ'点の作用線と船の中心線の交点Ｍ点をメタセンター（Ｍｅｔａｃｅｎｔｅｒ)と言う。従って船の重心位置Ｇ点がＭ点の下方にある船は「安定平衡」な船であり、上方にある船は「不安定平衡」な船である。

【0024】

復原力の大きさはＧ点とＭ点の距離で表され、距離が大きい程、復原力は大きく、距離が小さい程、復原力は小さいことが分かる。従って、船の重心位置が下方ほど「復原力は強く」また、上方ほど「復原力は弱い」こととなる。復原力の目安として、船舶のＧＭ（メタセンタ高さ）が注目されている。

【0025】

ここで、図２（ｃ）を参照しながら、復原力の算出法について説明する。Ｍは船の傾斜角０～１５°位までの小角度傾斜では位置が変化しないものと考えられ、１５°位までの復原力を「初期復原力」という。初期復原力＝Ｗ×ＧＺ＝Ｗ×ＧＭｓｉｎθ（Ｗ：排水量、Ｚ：復原艇、ｓｉｎθ：船体傾斜角）の式を用いて算出する。

【0026】

次に、Ｇ（ＫＧ）の位置の求め方について説明する。空船状態のＧ_０は排水量等曲線図から求められるので、その後積載した貨物それぞれのｇ_１（Ｋｇ_１）を求め、ＫＧ＝｛（ＫＧ₀×Ｗ₀）＋（Ｋｇ_１×ｗ_１）｝／Ｗ（現排出量）の式を用いて算出する。なお、ＫＭおよびＫＧの高さは、排水量等曲線に記載されている。ＧＭ＝ＫＭ－ＫＧで求められる。

【0027】

次いで、ＧＭの実測による求め方について説明する。重さＷの重量物を距離ｄだけ、排出量Ｗの船の幅方向に移動させたとき、その傾斜角θから計算で求められている。ＧＭ＝ｗ・ｄ／ｗ・ｔａｎθで求めることが出来る。

【0028】

ＧＭの動揺周期から推算する方法としてＧＭ＝（４π^２・Ｋ^２）／（ｇ・Ｔ^２）（Ｔ：動揺周期（秒）、Ｂ：船の幅、Ｋ：環動半径（大型商船≒０．４Ｂ）、ｇ：重力加速度（９．８ｍ／秒^２）を用いて求めることが出来る。Ｋ≒０．４Ｂとした場合に、常用近似式として、ＧＭ≒０．６４×Ｂ^２／Ｔ^２、Ｔ≒０．８・Ｂ／（√ＧＭ）とすることが出来る。

【0029】

コンピュータでＧＭを計算する場合の利点として、ＧＭのエクセルを予め作成してあれば個々の製品の重さを入力するだけで直ぐにＧＭが求まる。

【0030】

コンピュータでＧＭを計算する場合の欠点として、あくまで人の手で入力する為、入力した数字が間違っていると間違ったＧＭが示される。コンピュータは間違うはずがないという思い込みにより、間違いに気づきにくい。個々の製品の数が多いと手間がかかる。

【0031】

船舶のドラスト（喫水）でＧＭを計算する場合の利点として、四か所の喫水を確認するだけで、短時間で計算できる。船舶のドラスト（喫水）でＧＭを計算する場合の欠点として、出港後旋回による傾きを確認する必要がある。

【0032】

ここで、４９９トン型と１４００トン型のコンテナ船について比較する。４９９トン型は、全長が７５ｍで型幅が１２．５ｍで型深が５．７ｍでハッチ（ＨＡＴＣＨ ＣＯＶＥＲＳ：雨風防止水密蓋）からの高さが５．５ｍでコンテナの側面積が２６０ｍ^２である。

【0033】

これに対し、１４００トン型は、全長が１１６ｍで型幅が９ｍで型深が１５ｍでハッチからの高さが８ｍでコンテナの側面積が５７５ｍ^２である。

【0034】

４９９トン型と１４００トン型を比較すると横風を受けたときの横傾斜は１４００型の船がより大きくなる。したがって、ＧＭの値を４９９トン型に比べて少し高め（ＧＭ０．８メートル）にする必要がある。ＧＭの値は５０ｃｍ（０．５ｍ）が最適な型は４９９トン型までである。なお、計算上は１４００トン型のコンテナ船は４９９トン型のコンテナ船の風圧の２．２倍受けることになる。

【0035】

また、長距離を航海する大型船は、ボトムの位置にあるタンクの燃料と水（生活水等に使用）を大量に消費する事になる。出港時のＧＭが入港時に大幅に小さくなる。長距離を航海する木材運搬船も同じく出港時のＧＭが入港時に小さくなる。あわせて木材船は雨や潮のしぶきを木材が吸込む事によって重心が上がり、ＧＭが小さくなる。

【0036】

以上の事は出港時と入港時のＧＭの値の差が大きいため、省エネの為のＧＭを５０ｃｍと限定する事は、又は、数値で確定することはできない。よって、省エネ走行のＧＭ＝５０ｃｍに適合する船型は比較的短距離のうち、船舶Ｇ／Ｔが、４９９トン以下が適切である。ここで言う「長距離」とは、ＧＭに影響がある距離の事である。４９９トン型、２０００馬力の船舶は１日の燃料の消費量が約６トン、乗組員５名であり、生活水１日２．５トン、その他１日２トンで合計１０．５トン／日必要とされている。１４００トン型７０００馬力の船舶は１日の燃料の消費量が約２０トン、乗組員１１名であり、生活水１日５．５トン、その他１日４トンであり合計２９．５トン／日必要とされている。１４００トン型のコンテナの貨物船で１０日間航海すると２９５トンの消費になり、ＧＭに及ぼす値は約１０ｃｍになる。アメリカまで約３週間、ロンドンまで約１ヶ月かかる。

【0037】

復原力は船幅（Ｂ）が広い船ほど大きく、同一船で横揺れ周期（Ｔ）が短いほど大きい。従って、大きな復原力が必要な船、例えば、タグ・ボート（曳船）などは船の長さに比べて幅が広く作られている。

【0038】

しかし、復原力が強すぎると横揺れ周期が短くなり、少しの波でもグラグラと横揺れして乗り心地が非常に悪くなる。この様に復原力が強すぎる船を軽頭船（Ｓｔｉｆｆ ｖｅｓｓｅｌ) または、ボトム・ヘビー（Ｂｏｔｔｏｍ ｈｅａｖｙ) という。

【0039】

ボトム・ヘビーの状態で航行すると、乗り心地が悪いばかりではなく、積荷が移動してしまって船内設備を破損する恐れがある。

【0040】

復原力が弱すぎると横揺れ周期が長くなり、片舷に傾き始めるとなかなか止まらず、このまま転覆するのではないかと不安になることがある。この様な復原力が弱すぎる船を重頭船（Ｔｅｎｄｅｒ ｖｅｓｓｅｌ) または、トップ・ヘビー（Ｔｏｐ ｈｅａｖｅｙ)という。

【0041】

復原力は、どの程度に設定するのかが重要であり、本発明者は、ＧＭ値を４０～５０ｃｍに設定することが最適であることが分かった。したがって、ＧＭ値が４０～５０ｃｍに収まるようにバラストの重量を調整する。

【0042】

続いて、本発明に係る実施形態の航海用低燃費航行方法の作用効果について説明する。一般的に、船の安定性を重視して、ＧＭ値を高く設定される傾向にある。例えば、「新訂 船舶載貨法（基本編）、著者：田中 岩吉、発行者：海文堂」には、横揺れ周期１４．５～１５．５ｓ、ＧＭ＝０．８５ｍ～１ｍの復原性を保持している時の航海状態が、最も安定かつ快適であったと報告されていると記載されている。

【0043】

しかしながら、ＧＭ値が大きいければ大きいほど、横揺れ周期が短くなって乗り心地が悪くだけでなく、喫水が深いと、水の抵抗力が大きくなるため、燃費が悪くなるという課題がある。

【0044】

そこで、発明者は、貨物船舶において、貨物を積載した状態で、ＧＭ値を求めて、ＧＭ値が４０～５０ｃｍとなるようにバラストの調整を行った。４０～５０ｃｍにＧＭ値を設定した状態で、貨物船舶の航行を実行した。

【0045】

このように、ＧＭ値を４０～５０ｃｍとすることで横揺れ周期を大きくして乗り心地を良くし、かつ、水の抵抗を小さくしながら喫水を確保することができるため、安定した状態で、かつ、低燃費で航行することが出来る。

【0046】

さらに、航海用低燃費方法について詳細に説明する。具体的には、通常の主機の回転負荷７５％が５５％となるように調整する。海水は、空気密度の８００倍であるため、バラスト錘を軽くする。なお、満載貨物のときは、この方法は使用できない。コンテナ船の載貨重量は５０％～８０％が通常である。

【0047】

日本近海は潮流があるから、その流れを利用する。瀬戸内海は潮の満ち、引きの潮があるから関門、速吸、鳴門、来嶋亜土の通行時間帯を運行に支障がなければ、機関の負荷を減じる。

【0048】

省エネ舵を合わせて使用する。荷物は軽いほど船の速力も速くなる。荷物の重さに応じて喫水は決まるので、プロペラが水面に近づいても最低船尾の喫水は３．５ｍ確保される。荒天のときはバラストを入れ喫水を確保又は機関の回転を減じる。

【0049】

発明者が実際に航海用低燃費方法を用いて運行した結果、４９９トン型、コンテナ貨物船、２０００馬力、速力１２．５ノットの船を平成３０年５月～令和４年４月まで運行させたときの燃料消費量、走行距離、海里当たり（Ｌ（リットル））等を計算した。

【0050】

上記期間のうち、年間の航走距離平均は５８，４００海里である。他社が通常の航海をした場合の海里当たり（Ｌ）を計算すると１６．６０～１７．８０（平均１７．２０）である。これに対し、本発明の実施形態に係る航海用低燃費方法は、上記期間内の年間の燃費を調べると、海里当たり（Ｌ）で１３．４２～１５．００（平均１４．２１）である。

【0051】

２０２２年８月時点においては、燃料の単価は、約８０円／Ｌであるため、１海里あたりの必要な燃料の金額の差額は、本発明の実施形態に係る航海用低燃費方法の方が（１７．２－１４．２１）×８０＝２３９．２円安い。したがって、年間の燃料費に換算しなおすと、年間の走行距離は平均して５８，４００海里であるため、本発明の実施形態に係る航海用低燃費方法の方が２３９．２×５８，４００＝１３，９６９，２８０円と一千万円以上の費用削減に寄与することが分かった。

【0052】

また、積載貨物の重量が４９９トン以下の貨物船を用い、バラストの調整により水の抵抗を減じた事によって速力が０．５ノット速くなったときの省エネの効果について検討する。例えば、大阪から沖縄までの距離は６７０マイルであるが、１１ノット（水の抵抗を減じない場合）、２６５ｒｐｍで大阪から沖縄まで運行したときは６１時間で到着する。この時、燃費が２０１リットル／ｈ、１８．３リットル／海里であるから消費燃料は１２，２６１リットルである。

【0053】

次に、同じ貨物船で水の抵抗を減じるようにバラストを調整し、１１．５ノット、２６０ｒｐｍで大阪から沖縄まで運行したときは５８時間で到着する。この時、燃費が１９５リットル／ｈ、１６．８リットル／海里であるから消費燃料は１１，２５６リットルである。このときの省エネ効果は、１２，２６１－１１，２５６＝１００５リットルであり、例えば、１リットル当たりの単価を８０円とすると８０，４００円で節約することができる。

【0054】

さらに、上記のように、水の抵抗を減じるようにバラストを調整し、５８時間ではなく６１時間で到着するように負荷を調整し、例えば、２４６ｒｐｍまで落として１１．２ノットで運行することが出来る。この時、燃費が１６４リットル／ｈ、１４．６リットル／海里であるから消費燃料は、１０，００４リットルである。

【0055】

大阪から沖縄までの移動時間は、６１時間かかってもよい場合には、上記のように、水の抵抗を減じるようにバラストを調整し、さらに負荷を調整することで２．２リットル／海里×６７０マイル×８０円＝１１７，９２０円を更に節約することが出来る。

【図1】

【図2】