專利名稱：在有浸水部分結(jié)構(gòu)物浸水表面上形成空氣膜的方法及構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主要以降低船舶等的流體摩擦阻力為目的的在具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水表面上形成空氣膜的方法及浸水表面上的膜體構(gòu)造。
一般，具有浸水表面，即與水接觸的表面的結(jié)構(gòu)物，如船舶及輸液管路那樣，隨著船舶的移動及液體的輸送，會產(chǎn)生沿著其表面的水流，它的流速在浸水表面上為零。在這浸水表面附近的速度梯度與流體的粘度有關(guān)，這時的抗剪阻力構(gòu)成流體摩擦阻力。
上述的流體摩擦阻力，例如在船舶上是非常大的。就是說，船舶航行時所受的阻力，除上述流體摩擦阻力之外，還有興波阻力、形狀阻力及空氣阻力等，但在大型船的情況下流體摩擦阻力占總阻力的60～70%。
從這樣的阻力的比例來看，要在節(jié)省船舶的推進動力的同時又想取得高速，降低流體摩擦阻力的方法是最適宜的，因此，在本技術(shù)領(lǐng)域里希望開發(fā)這方面的技術(shù)。
作為謀求降低船舶流體摩擦阻力的方法，曾提出在船底上設(shè)置突起物，形成框狀空氣室，將空氣供到這個空氣室內(nèi)，從而在船底表面上形成空氣層的方法;或把空氣噴在船體表面上，并使船體表面上發(fā)生許多氣泡的所謂微氣泡法等。但是，前者存在的問題是船舶航行時，使保存在空氣室內(nèi)的空氣流出，就需要用很大的動力來進行空氣的補充。
而后者存在的問題是，如果不利用設(shè)置在船側(cè)及船底上的噴嘴供給大量的空氣，就不能減小摩擦阻力，因此必須設(shè)置大型的空氣壓縮機，這就使設(shè)備費用增加，同時為了驅(qū)動它，還需要較大的動力。就是說，把供給的空氣成為氣泡，沿著船側(cè)及船底流動，能使流體摩擦阻力降低，但是，隨著行進到下流側(cè)，許多氣泡不斷反復(fù)地合成一體，同時逐漸成為大氣泡，因此使覆蓋船體的氣泡面積減少，降低流體摩擦阻力的效果也就減小。所以上述兩種提案存在的問題是，為了在整個船體上能較大地降低流體摩擦阻力，必需供給大量的空氣，又不能有效地降低流體摩擦阻力，因此任何一種提案都不能供實際使用。
另一方面，在船舶停船時及例如駁船等浮體結(jié)構(gòu)物或水中鋼管樁等固定設(shè)置的結(jié)構(gòu)物的浸水表面上，有附著水中生物或發(fā)生腐蝕等問題。解決這個問題的一些方法中的那種涂敷防污、防腐蝕涂料的方法是公知的。采用這種方法時，不僅涂膜的維持管理麻煩，而且會使涂膜中的有害物質(zhì)溶出，有產(chǎn)生公害問題的可能。
本發(fā)明人特別注重于那種即使用較少的動力就能大幅度降低流體摩擦阻力的方法，并對此作了精心研究，結(jié)果導(dǎo)致了本發(fā)明。即本發(fā)明提供了一種在具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水表面上形成空氣膜的方法及膜體結(jié)構(gòu)，它是用一種膜體覆蓋具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水表面，這種膜體的表面上具有細微的凹凸，并且用防水性材料至少形成上述凹凸的凸部的頂部;將空氣供到上述膜體表面，以便在這浸水表面與水之間形成薄空氣膜。
這里所說的膜體，是指貼附在結(jié)構(gòu)物表面上的薄膜、片狀物或在結(jié)構(gòu)物表面上形成的涂料層，是指在這些表面上有上述細微凹凸形成。
在上述具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物浸水表面上形成的膜體，在水中保持住薄的空氣膜，使這空氣膜不能簡單地剝離，因此，只用極少的動力供給少量的空氣，就能保持這空氣膜，由于這空氣膜阻礙水與結(jié)構(gòu)物的直接接觸，因而可以在降低流體摩擦阻力的同時，能防污及防腐蝕。
就是說，在結(jié)構(gòu)物的浸水部分上形成的膜體表面上，形成細微的凹凸，至少使凹凸的凸部形成的表面具有防水性。因此，將空氣供到膜體表面時，這空氣容易流入凹部內(nèi)，這空氣在水壓與水的表面張力以及膜體的防水性的作用下，就成為被保持在這些凹部內(nèi)的狀態(tài)。
這樣，由于本發(fā)明的膜體具有在水中在它的表面上形成的凹凸的凹部內(nèi)能保存有微量空氣的性質(zhì)，將空氣供到這膜體表面時，空氣就使水與空氣的表面能減少，因此，與已存在的空氣合成一體，使膜體表面、即浸水表面上有效地形成難以剝離的薄的空氣膜。
而且即使相反地在受到干擾后膜體表面上形成的空氣膜要成為氣泡而分離的情況下，這層空氣膜會發(fā)生留住氣泡的吸引力的作用。其結(jié)果，在與浸水表面接觸的位置上的空氣膜幾乎不剝離而成為附著狀態(tài)。而離開這浸水表面上形成的膜體表面位置的流水一側(cè)的空氣層，受流水的粘連而流動，但通過供給隨同流水流走的少量的空氣量，就能保持良好的空氣膜。
本發(fā)明的特征可列舉如下1)本發(fā)明在具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水部分上形成薄的空氣膜。因此，其特征在于在具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水部分上形成膜體表面，這種膜體表面具有細微的凹凸，并且用防水性材料至少形成上述凹凸的凸部的頂部，將空氣供到這膜體表面上，以便在這膜體表面與水之間形成薄的空氣膜。
就是說，通過將空氣供到浸水表面上形成的膜體表面上，使空氣貼附在這膜體表面?zhèn)壬希瑥亩纬杀〉目諝饽ぁ?br> 2)本發(fā)明的第1結(jié)構(gòu)要素是在浸水表面上形成的膜體表面的狀態(tài)。此膜體表面本質(zhì)上是用防水性材料形成，與最終加工好的表面上的水的接觸角必須在90°以上，最好在110°以上。
上述的膜體表面也有全部用具有規(guī)定的接觸角的防水性材料構(gòu)成的場合，但是，排除將要與其表面接觸的水的那部分，即使用防水性材料至少構(gòu)成上述凹凸的凸部的頂部，也可以充分發(fā)揮它的效果。
防水性材料可選用說明書中記載的材料，但重要的是，要進一步通過電鍍法(電解分散電鍍法、非電解分解電鍍法)、機械加工法(模壓法、注射模塑成形法、用具有細微的凹凸的輥子進行的復(fù)制法、壓制法、篩網(wǎng)法)、噴涂法(涂敷混合著粉末的樹脂的方法、把粉末噴射或投射到表面上的方法、靜電噴涂法)、高密度能量法(使用激光及等離子體使表面粗糙的方法)、貼附法(局部或全部貼附防水性薄膜或片材的方法)等各種方法在這防水性材料上形成細微的凹凸。
另外，即使是親水性材料，也可通過表面處理使其具有上述特性那樣地具有防水性，因此能加以有效地利用。
3)本發(fā)明的第2結(jié)構(gòu)要素是凹凸的尺寸大小。
膜體表面必須形成細微的凹凸，而這些凹凸的尺寸大小則是凸部的間隔s為0.3～30μm，凸部的高度h與間隔的比h/s為0.3～3的范圍。
在凸部的間隔s大于30μm時，則難以長時間把空氣穩(wěn)定地保持在其表面上。另外，在小于0.3μm時，則保持在凹部內(nèi)的空氣量少，會出現(xiàn)比較容易剝離的傾向。
凸部的高度h與間隔s有關(guān)，不能唯一地進行決定。因此，根據(jù)兩者的比h/s來限定其高度h的范圍。
這些細微的凹凸的狀態(tài)，如果在基底面上形成，則適用于小規(guī)模的浸水表面上形成的膜體表面，在用于船舶、浮式消波堤、水中樁及沉箱之類大型裝置的情況下，最好采用具有比較大的凹凸與進而在這些凹凸上形成的細微凹凸的混合形成的復(fù)合凹凸表面。
在特別細微的凹凸的情況下，雖然保持空氣膜的能力是足夠的，但是缺乏將供給的空氣普遍地分配到膜體表面上的功能。因此，對基底表面來說，也可利用先形成較大的凹凸，并把這些大的凹凸作為基礎(chǔ)，在其上形成細微凹凸的方法來形成復(fù)合凹凸表面。
比較大的凹凸起到使空氣分散到膜體表面上的通路的作用，因而，通過使此較大的凹凸形成網(wǎng)眼狀，有使空氣均勻分散的效果。
4)本發(fā)明的第3結(jié)構(gòu)要素是，從外部把空氣供到上述那樣加工成的在浸水表面上形成的膜體表面上。
所用的噴嘴必須是使供給的空氣量盡可能地減少的構(gòu)造。如說明書中所記載的那樣，本發(fā)明與供給大量的空氣來改變水的密度，以降低流體摩擦阻力的以往的技術(shù)不同，其意義在于局限于在膜體表面上形成薄的空氣膜，因此，可以采用在容易被膜體表面捕捉、接受的狀態(tài)下薄薄地供給空氣的方法。
噴出空氣的噴嘴有將多個小直徑的噴嘴加以排列配置的及狹縫狀的等。特別象船舶那樣，與水相對之間有大的速度差的情況下，由于有難以將空氣均勻地供到膜體表面上的時候，因而必須考慮船體形狀及船速等條件分別設(shè)計噴嘴。
另外，在船舶的情況下，由于水流及渦流等條件，從噴嘴噴出的空氣有背離船側(cè)的傾向，因此，在使噴出的空氣盡量接近膜體表面，采用由多孔的物體構(gòu)成的噴嘴，及在船體表面上設(shè)置用水壓壓向船體表面上的片狀物，從這片狀物的背面噴出空氣的裝置時，能形成良好的空氣膜。
在象船體那樣，具有長的膜體表面的浸水體上，最好沿船體的長度方向橫貫船體地配置噴嘴，根據(jù)在船側(cè)發(fā)生的渦流的壓力變化，考慮噴嘴的形狀、大小及配置部位等條件后設(shè)計、配置噴嘴。
5)能有效地利用本發(fā)明的最有效的用途在于使船舶的流體摩擦阻力降低，以節(jié)省船舶推進所需要的動力。因此，在船體的表面上形成膜體表面，并將空氣供到此膜體表面上，形成水盡可能不接觸的薄空氣膜，這種空氣膜在停船中有防止水中生物附著的效果。另外，還能防止水中生物及污物附著在象棧橋及沉箱那樣固定地設(shè)置的結(jié)構(gòu)物的表面上。
其他用途是適用于輸液管及流槽那樣的輸液管路。在輸液管內(nèi)有流體摩擦阻力，因此，在液體輸送時需要大的動力，通過將本發(fā)明用于發(fā)電設(shè)備的取水管上，能大幅度地降低其流體摩擦阻力。由于這一效果，可以縮小管道的直徑，同時還可以降低泵的動力。另外，在流槽的情況下，也同樣能減小其斷面積。而且由于有上述的防污效果，可以延長管道等輸液管路的壽命。
6)可以把本發(fā)明有效地用于船舶的底部，但在船側(cè)部那樣的傾斜面及船底有大的傾斜的情況下，由于有空氣容易流失的傾向，因此可以作一些安排形成防止空氣流失的形狀的、例如屏蔽板及屏蔽用階梯部分，以形成空氣的通道;考慮空氣的流失而把噴嘴配置成多級的等等。
本發(fā)明是借助小量的空氣來發(fā)揮降低流體摩擦等效果的，因此為了向噴嘴供給必要的最小量的空氣，可在各個部位設(shè)置傳感器，測定空氣膜的狀態(tài)，以便供給最適量的空氣。
從上述的說明可清楚地看出，本發(fā)明是用一種膜體覆蓋具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水表面，這種膜體的表面上具有細微的凹凸，并且用防水性材料至少形成上述凹凸的凸部的頂部，將空氣供到上述膜體表面上，以便在這膜體表面與水之間形成薄的空氣膜。
因此在膜體表面上形成的薄的空氣膜不容易從膜體表面上剝離，只用極少的動力供給少量的空氣就能保持這空氣膜，用這空氣膜的作用可以降低流體摩擦阻力及防污、防腐蝕。
具體地講，本發(fā)明的膜體表面，被形成細微的凹凸的同時，至少其凸部的頂部用防水性材料形成的膜體加以覆蓋著。因此在膜體表面上有防水作用，所以沿其表面供給空氣時，這空氣容易流入凹部內(nèi)，這空氣借助水壓及水的表面張力被保持在凹部內(nèi)。
這樣，當微量的空氣保存在細微的凹凸的凹部內(nèi)，再供給其他的空氣的情況下，由于使水與空氣的表面能減小，而成為穩(wěn)定的狀態(tài)，因此，所供給的其他的空氣被吸向凹部內(nèi)的空氣，兩者容易地合成一體，能在浸水表面上有效地形成薄的空氣膜，并能借助這空氣膜降低流體摩擦阻力。
再有，還能防止水中生物及污物附著于安放在規(guī)定位置上的結(jié)構(gòu)物的浸水部分的表面上。


圖1是表示本發(fā)明的實施例的船舶的局部剖開表示的側(cè)視圖。
圖2是說明膜體用的剖面圖。
圖3是說明膜體表面保持著空氣的狀態(tài)的剖面圖。
圖4是表示在膜體表面上形成空氣層的剖面圖。
圖5是膜體的剖面圖。
圖6是膜體的剖面圖。
圖7是膜體的剖面圖。
圖8是多層結(jié)構(gòu)膜體的剖面圖。
圖9是本發(fā)明的試驗中使用的模型船的說明圖。
圖10是把圖9的Y部分放大的剖面圖。
圖11是把圖9的B向放大的底面圖。
圖12是表示空氣量等級與DR量之間的關(guān)系的圖表。
圖13是表示船速與所需動力之間的關(guān)系的圖表。
圖14是說明管內(nèi)流體摩擦阻力試驗裝置的示意圖。
圖15是說明管內(nèi)電鍍裝置的示意圖。
圖16是用圖15的電鍍裝置所獲得的膜體的剖面圖。
圖17是表示管內(nèi)的試驗區(qū)段之間差壓測定結(jié)果。
圖18是表示管內(nèi)平均流速與DR量之間的關(guān)系的圖表。
圖19是表示凸部間隔與空氣層的耐久時間之間的關(guān)系的圖表。
圖20是表示尺寸比h/s與空氣層的耐久時間之間的關(guān)系的圖表。
圖21是說明膜體表面上形成空氣膜的確認試驗的示意圖。
圖22是說明膜體表面上形成空氣膜的確認試驗的示意圖。
圖23是說明將本發(fā)明用作棧橋的防污、防腐蝕方法的情況下的示意圖。
圖24是說明將本發(fā)明用作取水管的防污、防腐蝕方法的情況下的示意圖。
(實施例1)下面根據(jù)圖1-圖24來說明本發(fā)明的在具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水表面上形成空氣膜的方法及其浸水表面膜體結(jié)構(gòu)的實施例。
圖1是用于實施本發(fā)明的船舶的側(cè)視圖，1為船體，此船體1的底部2及船側(cè)部2a的至少浸水表面被膜體3、3a覆蓋，噴嘴4從船體前方向后方設(shè)置，以便由空氣壓縮機5供給的空氣從此噴嘴4沿著膜體3(3a)噴出而供給。
如圖2所示，膜體3(3a)是在表面上形成一些細微的凹部6及凸部7的同時，至少凸部7的頂部7′用與水的接觸角為90°以上的防水性材料8形成。這些細微的凸部7之間的間隔s做成0.3～30μm，凸部7的高度h與凸部7的間隔s的比h/s做成0.3～3的程度。
上述的防水性材料可以用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、或聚丙烯或防水性涂覆劑以及如使用CF4氣體的等離子體處理過，使其有防水性的聚氯乙烯那樣的親水性樹脂。另外，也可以使用那些用全氟烴基硅烷等表面處理劑處理過的硅石等防水性微粒，用樹脂使其一部分表面突出地固定而成的。
在使用防水性微粒時，樹脂是用來固定粒子的，因此不必一定是防水性，例如聚酯樹脂、苯基樹脂、氨基樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯樹脂及氨基甲酸乙酯樹脂等涂料都能適用。
防水性材料8是設(shè)置在與水13接觸部分的頂部7′上的，當然亦可用防水性材料8形成凹部6的全部表面。
如果利用本發(fā)明的在具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水表面上形成空氣膜的方法，由于浸水表面是細微的凹凸形狀，而且至少凸部7的頂部7′是用與水的接觸角為90°以上的防水性材料形成，所以具有以下的作用。就是說，如圖3所示，由于膜體表面10至少凸部7的頂部7′是用防水性材料形成，具有防水作用，因此，將空氣a供到此膜體表面10時，此空氣a就容易進入凹部6內(nèi)。
實際上，這樣的膜體表面10是在陸地上形成的，因此，如圖3所示，當此膜體表面10浸入水中時，由于浸水位置的水壓P及水的表面張力，空氣a就自然穩(wěn)定地保持在凹部6內(nèi)。
而且與形成細微的凹凸面的膜體表面10上的水的接觸角是90°以上，最好是110°以上，這個接觸角愈大，本發(fā)明的效果就愈大。
圖4是上述現(xiàn)象的模型圖，將由防水性材料構(gòu)成的、在其表面上具有凹部6、凸部7構(gòu)成的凹凸的膜體表面10浸入水13中，并將空氣a′供到膜體表面10上時，空氣a′即容易地流入在膜體表面10上形成的凹部6內(nèi)，成為空氣a而被保持。實際上，在空中附著于此膜體表面10上的空氣a在水13的壓力及其表面張力作用下就形成封閉在凹部6內(nèi)的狀態(tài)。如果不是如圖2所示那樣，至少凸部7或此凸部7的頂部7′是由防水性材料形成時，則空氣a不會象圖3那樣被封閉在凹部6內(nèi)。
在空氣a被這樣保持在凹部6內(nèi)的狀態(tài)下，如圖4那樣，當再供給空氣a′時，則空氣a′由于表面能減少的作用，容易與空氣a合成一體并在膜體表面10上形成薄的空氣膜12，從而形成膜體表面10、空氣膜12與水13的三層結(jié)構(gòu)。在這樣的三層結(jié)構(gòu)上，當水13向X方向流動時，與膜體表面10接觸的那部分空氣膜12被保持著，而水13一側(cè)的空氣膜12a與水13一起流走。因此，只要供給與水13一起流走的少量空氣量，空氣膜12即能形成并保持在良好的狀態(tài)。
如上述那樣在表面上具有細微凹凸的膜體，例如可由合成樹脂構(gòu)成的薄片或涂料層形成。詳細地說，如圖5所示，在由合成樹脂構(gòu)成的薄片15的表面上，借助具有細微凹凸的輥子形成細微凹凸的復(fù)制法、使用具有細微凹凸的金屬模的壓制法、復(fù)制用細微的線織成的網(wǎng)的網(wǎng)眼圖案的篩網(wǎng)法或用激光及等離子體等高密度能量法等形成細微的凹凸15a。
這樣形成的薄片15如果是防水性樹脂時，保持原樣就有防水性;而是親水性樹脂時，則進行表面處理，使其具有防水性。
圖6～圖8是表示用涂料層形成膜體3時的實施例。
在圖6中，膜體3是將防水性微粒18附著在結(jié)構(gòu)物16的表面上形成的涂料17的表面上而構(gòu)成的。即將作為粘接劑的涂料17涂敷在結(jié)構(gòu)物16的表面上，并用噴涂及投射等方法使微粒18附著于涂料17的表面上，或是用有微粒18分散著的涂料17進行涂敷，并使微粒18露出在涂料表面上等方法形成膜體3。而且當微粒18如果是由親水性材料構(gòu)成時，要通過表面處理使其具有防水性。
圖7是表示用其他方法形成的膜體3的剖面圖，膜體3是用噴涂及投射等方法使由防水性材料或親水性材料構(gòu)成的微粒18a的薄層附著在結(jié)構(gòu)物16的表面上形成的涂料17上;或是將微粒18a混合在涂料中，并涂敷這涂料以形成混入微粒18a的薄層，進而用覆蓋膜20覆蓋表層的微粒18a的表面而形成的，這種情況與上述相同，如果覆蓋膜20是親水性材料時，要通過表面處理，使其具有防水性。
圖8是表示用另一種方法形成的膜體3的剖面圖，其特征在于膜體3是形成含有較大粒子21(例如玻璃球)的第1膜體21a，并使具有防水性的微粒22突出在以第1膜體21a為基礎(chǔ)而形成的膜體的表面上，或是用具有防水性的覆蓋膜覆蓋微粒22(如圖7那樣)而形成具有細微凹凸的表面23的。如上所述，通過在形成具有較大粒子21的第1膜體21a的基礎(chǔ)上，再形成具有微粒22的表面層的多層結(jié)構(gòu)，就形成由較大的凹凸23a及細微的凹凸23b構(gòu)成的所謂有復(fù)合凹凸表面。采用這樣的膜體3的結(jié)構(gòu)，目的是形成一種使得向膜體表面23的規(guī)定部位供給的空氣能以較大的凹凸23a作為通道，以細微的凹凸23b作為空氣保持面而一舉擴散到它的整個膜體表面23的空氣膜。
除這些以外，還可用圖上沒有表示的、電解或非電解分散的電鍍法形成具有細微凹凸的膜體。即用分散有聚四氟乙烯粒子的電解液，在基板上進行電鍍時，使聚四氟乙烯粒子與金屬基體一起共析而覆蓋表面，形成細微的凹凸。
本發(fā)明人為了確認具有細微凹凸的膜體對于降低船舶的流體摩擦阻力的影響，進行了模型試驗。
當然，本發(fā)明可適用于船舶的船底、船側(cè)等所有的浸水表面，但為了使進行的試驗較早地確認，只把船底部分的表面用具有防水性材料構(gòu)成的細微凹凸的膜體加以覆蓋而進行了試驗。其試驗內(nèi)容如下。
(試驗例1)圖9是為了確認本發(fā)明的效果的試驗中所使用的模型船的概略圖，圖10是圖9中的Y部分放大圖，圖11是將圖9中箭頭B所指的噴嘴部分加以放大表示的底面圖。
在圖9中，用與船體25分別設(shè)置的空氣壓縮機26使被壓縮的空氣a經(jīng)由閥門27及管道28，用流量計29一面監(jiān)測流量一面由管道30導(dǎo)入船體25的底部?？諝鈇在船體25的底部25a上，借助分支管31分成多個管道，各管道分別通過閥32，如圖10及圖11所示那樣，從多個噴嘴33(用直徑為0.6mm的細管構(gòu)成)，沿著下述的試片TP的表面噴出。使噴嘴33的噴出方向是從船體25的進行方向的上游朝向下游。另外，如圖11所示，多個噴嘴33按照一定的間隔配置成直線狀。
在此試驗中所用的試片TP是在寬400mm，長500mm，厚1mm的鋁平板(相當于結(jié)構(gòu)物16)上進行過涂覆的。
這個防水性材料的涂層(膜體)是使用圖8所示的多層結(jié)構(gòu)，它具有復(fù)合凹凸表面。利用由這防水性材料構(gòu)成的涂層得到的浸水表面(膜體3)與水的接觸角是165°，其表面的第1膜體21a的較大凹凸的平均高度為6.3μm，平均間隔s為25.1μm，而細微凹凸的平均高度為0.9μm，平均間隔s為3.0μm。
在上述涂層中，形成了下述的三層結(jié)構(gòu)即具有由粒徑為50μm的玻璃球構(gòu)成的粒子21的第1膜體21a;具有在第1膜體21a上形成的粒徑為12μm的疏水性硅石37a的中間膜體;具有粒徑為1.4μm的疏水性硅石(細微粒子22)的表面膜體。
將這樣制作的14片平板狀試片TP接合起來作成寬800mm、長3500mm，使上述試片TP的前緣與離船頭1.45m的位置對齊地安裝在圖9所示的全長7.276m，型寬1.28m，型深0.6m的模型船的船體25的船底部25a上。
然后如圖10及圖11所示，將噴出空氣用的、由內(nèi)徑為0.6mm的注射針制成的噴嘴33沿試片的寬度方向上等間隔(約20mm)地設(shè)置在試片TP的前緣上。
在壓艙載荷狀態(tài)下的船體25的吃水深度是200mm。而且在這狀態(tài)下，供試驗的船體25的浸水面積S為9.81m2，試片TP的面積St為2.82m2，面積比St/S為0.285。
在船體阻力試驗中，使用長220m，寬14m，深6.5m的拖曳水池，將船體安裝在曳行車上，一面從40個注射針噴嘴33，與各個船速相對應(yīng)地把規(guī)定流量的空氣以細微氣泡形式從船頭向船尾方向供給，一面用阻力儀測定船體25的阻力。
表1表示各種船速時粘性阻力基準的阻力降低量(DR量)與試片TP部分的摩擦阻力降低量(DR′量)。這里，DR量及DR′量由下式表示DR＝-(Ct-Ct0)/Cv0×100%DR′＝(1+K)·DR/(St/S)式中Ct-供試驗的船體的總阻力系數(shù);Cv-供試驗的船體的粘性阻力系數(shù);下標0-不使用防水性平板的通常試驗的場合;K-形狀影響系數(shù)，K＝0.222。
由表1可知，在船速U＝2.11m/s時，可得到DR量最大值19.4%。另外，圖12表示了在船速U＝2.11m/s時的DR量與作為表示平均空氣膜厚度的指標的空氣量等級的關(guān)系。
所謂空氣量等級是表示假定由保持在膜體的表面凹部內(nèi)的空氣膜與所供給的空氣形成的空氣膜以與船速同樣的速度同樣地流動的情況下進行計算時的平均空氣膜厚度的指標，在船速U＝2.11m/s(傅汝德數(shù)Fr＝0.25)時，實際的空氣供給量Qa如表2所示。
由圖12可知，供給少量的空氣就有摩擦阻力降低的效果，在平均空氣膜厚度達到0.24mm(空氣量等級5)為止，DR量%隨空氣量的增加而增大，超過此值，DR量%顯示出大致一定的傾向。在本實施例的情況下，在空氣量等級20時，DR成為最大值，可得到19%程度。另外，只以試片TR部分為對象的DR′量達到83%程度的較大數(shù)值。
另一方面，觀察由噴嘴33噴出空氣流時，可以確認，所供給的空氣a是在沿著試片TP的表面附著的狀態(tài)下，一面展寬一面成為膜狀而流向船尾側(cè)的。
為了比較，用沒進行本發(fā)明那樣表面處理的具有平滑表面的聚四氟乙烯板代替上述試片TP時，可以確認，由噴嘴33供給的空氣是成為氣泡，而且不粘貼在這聚四氟乙烯板上，以各自分離的狀態(tài)向下游側(cè)流去的。
由此，被判斷的問題可被確認，即通過在試片TP、即膜體表面上形成細微的凹凸，并且用防水性材料至少形成上述凹凸的凸部的頂部，使其具有規(guī)定范圍的防水性，又通過將空氣供到膜體表面與水之間，不僅能在膜體表面與水之間形成空氣膜，而且能把形成空氣膜的空氣保持在膜體表面上，一部分，即流水一側(cè)的那部分空氣隨同水一起流走。
這樣，根據(jù)流體力學(xué)可明確地得知，在膜體表面上形成空氣膜時，膜體表面與水就不直接接觸，這在降低流體摩擦阻力上會起很大效果。
由此可知，它能節(jié)省推進動力。圖13表示根據(jù)上述模型船得到的試驗結(jié)果，船體25的速度與所需要的推進動力之間的關(guān)系。圖中，實線是表示裝有平滑的聚四氟乙烯板的情形，虛線是表示利用本發(fā)明的膜體表面形成空氣膜時所需要的動力(包含空氣供給動力)，顯然是隨著船速增加，動力降低相應(yīng)加大。
在實際的船舶上，船體在航行中會發(fā)生各種搖晃，在船體搖晃的情況下，必需把空氣膜有效地保持在經(jīng)上述那樣加工過的膜體表面上。
在上述試驗中所使用的船體25上，以緩慢的周期在±3°的范圍內(nèi)進行橫搖，與上述同樣，使空氣從噴嘴33噴出。其結(jié)果，可以確認這一點，即從噴嘴33噴出的空氣一面沿著試片TP展寬，一面流動，并在其表面上形成薄的空氣膜，盡管有橫搖，性能有些降低，但是這空氣膜是能可靠地形成的。
如上所述，可以確認這一點，即不論在船體25發(fā)生橫搖的情況下，還是在不發(fā)生橫搖的情況下，在設(shè)置著有本發(fā)明形成的膜體表面10的試片TP的船體25上，通過供給少量的空氣，就能可靠地形成空氣膜，并且能將其保持住?？梢哉J為這在降低船舶航行時的流體摩擦上是有很大效果的。
(試驗例2)圖14是在具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物是一種輸液通路的輸液管的情況下，用來確認流體摩擦降低的試驗裝置的系統(tǒng)圖，35是圓銅管，在這圓銅管35上設(shè)置有水系統(tǒng)A及空氣系統(tǒng)B兩個系統(tǒng)的管路。即對于水系統(tǒng)A來說，在合成樹脂制造的容器36內(nèi)的水W經(jīng)過泵37、閥門38、流量計39流至圓銅管35內(nèi)，由此回到容器36內(nèi)，成為一個閉環(huán)系統(tǒng)。另一方面，對于空氣系統(tǒng)B來說，借助小型空氣壓縮機40，使空氣經(jīng)由閥門41、流量計42，然后由位于圓銅管35的水W流入一側(cè)端部上的圖中未表示的注射針噴嘴供給。這些注射針噴嘴是在圓周方向上相隔一定的間隔地配置在8個部位上。作為圓銅管35的浸水表面的內(nèi)面，用電解分散電鍍法，使表面具有細微的凹凸，而且凸部用防水性材料形成的膜體覆蓋著。
下面對具有用電鍍法得到的細微凹凸表面的膜體形成方法進行說明，如圖15所示，這種電鍍裝置中，電解液槽45與圓銅管35是由具有泵46、流量調(diào)節(jié)閥47及流量計48的管路C與管路D連接在一起，直流電源50連接在配置在圓銅管35內(nèi)的作為正極的鎳棒49上。其中，51是加熱器，52是攪拌機。
電解液槽45內(nèi)的分散液L的組成如下氨基磺酸鎳350克/升氯化鎳45克/升硼酸40克/升聚四氟乙烯粒子200克/升在下列條件下進行電解分散電鍍分散液溫度45℃電流密度 4.5A/dm2通電時間30分分散液在管內(nèi)的平均流速45～50m/s用激光顯微鏡確認圓銅管35的內(nèi)表面的鍍層(膜體)的凹凸形狀，如圖16所示，在圓銅管35上形成的鎳層35a的表面上有聚四氟乙烯粒子35b突出著，各個粒子35b之間的間隔s是在0.3～30μm的范圍內(nèi)，而且其高度h與間隔s的比h/s在0.3～3范圍內(nèi)。
把這樣處理過的在內(nèi)表面上覆蓋有表面上具有細微的凹凸，并且凸部是由防水性材料聚四氟乙烯粒于35b形成的鍍層(膜體)的圓銅管35，如圖14那樣地配置，并進行壓力損失測定試驗。就是說，使小型空氣壓縮機40及泵37動作，將空氣及水供到圓銅管35內(nèi)，用差壓計53檢測這時的試驗段間的差壓，通過低通濾波器54用筆式記錄器55連續(xù)地進行記錄。
試驗范圍定成管內(nèi)平均流速V為0.5～3m/s，導(dǎo)入空氣與水流量比RQ為0.5～3Vol%。作為這樣的壓力損失測定試驗結(jié)果的一個例子，在給出V＝1.6m/s的情況下，如圖17所示，顯示出由于空氣的導(dǎo)入，使壓力損失下降了。而且得知，導(dǎo)入空氣量愈少，壓力損失的減少就愈大。
圖18是根據(jù)壓力損失測定試驗結(jié)果計算出管摩擦系數(shù)，表示管內(nèi)平均流速V與管摩擦阻力降低量(DR量)之間的關(guān)系的圖表。由這個試驗得知在V＝1.6m/s，空氣/水的流量比RQ僅有0.5Vol%(圖中黑圓點)時，能取得23%的阻力降低。
這以后，分別制作與水的接觸角為90°以上的防水性材料的內(nèi)表面平滑的聚四氟乙烯的圓管及接觸角不到90°的親水性材料的使內(nèi)表面形成細微凹凸的圓銅管，進行了與上述同樣的試驗，這點被確認，即兩者都是壓力損失增大，并且傾向于空氣量愈增加就愈顯著。
還對凸部間隔s對于空氣膜耐久時間的影響進行了研究，其結(jié)果如圖19所示。
在此試驗中，準備了用復(fù)制方式在聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等三種樹脂板的表面上進行過細微的凹凸加工的試片(2×5cm)，將試片浸入水深10cm處，確認空氣膜附著于全部試片的表面上。而且把試片的全部面積的10%部分的空氣膜消失的時間作為耐久時間，對它們進行了比較。
在圖19中，分別表示著曲線a為聚丙烯的數(shù)據(jù)，曲線b為聚四氟乙烯的數(shù)據(jù)，曲線C為聚氯乙烯的數(shù)據(jù)。由此圖得知，聚丙烯及聚四氟乙烯兩種樹脂可用于本發(fā)明，聚氯乙烯不適用。
由上述的耐久時間試驗的結(jié)果表明表明，若把凸部間隔縮小，就使耐久時間急劇地增加，特別是在防水性性能好的聚四氟乙烯的情況下，當凸部的間隔在30μm以下時，可得到300天以上那么長的耐久時間。
另外，還對凸部的高度h與間隔s的比h/s對于保持空氣膜的耐久性進行了研究，結(jié)果如圖20所示。由此圖可清楚地得知，當凸部的高度h與間隔s的比h/s在0.3以上時，就具有長時間保持空氣膜的耐久性。
從另一個試驗結(jié)果來看，判明凸部的高度h過于加大、間隔s過于減小時，流體摩擦阻力增加，實用上的h/s可選定在0.3～3的范圍內(nèi)。
(試驗例3)本發(fā)明人還針對在膜體表面上形成的空氣膜的保持狀態(tài)的確認及具有凹凸的浸水表面的形成方法進一步進行了實驗。
就是說，如圖21所示那樣，制作了在作為基底的鋁板56的表面上形成具有圖8所示的本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合凹凸表面的膜體57(涂敷含有較大粒徑的玻璃球的底涂料，形成第1膜體，在這第1膜體上涂敷含有平均粒徑為12μm的防水性硅石的樹脂，形成中間膜體，再在其上涂敷含有平均粒徑為1.4μm的防水性硅石22的樹脂，形成上層膜。在其表面上具有較大的凹凸23a及以這些凹凸23a為基礎(chǔ)的細微的凹凸23b的復(fù)合的凹凸表面)的試片TP。
然后將此試片TP浸入水中，使膜體57表面位于上方，將橡皮球吹氣管(スポィド)58接近膜體57表面后供給空氣a時，可以觀察到空氣a不浮起而一舉全面地擴展到膜體57的表面上，形成空氣膜F并被保持住的情形。然后當把空氣供給到試片TP的表面上能保持的量以上時，可以觀察到它的一部分成為氣泡，并從膜體57的表面脫離而浮起。
另一方面，如圖22所示，將這些試片TP傾斜地浸入裝有水的水槽60中，使用細管61從試片TP的下端部將空氣a供到其表面上時，空氣a并不離開試片TP的表面后沿垂直方向浮起，而是形成沿著表面向上方擴展成三角形的空氣膜F。
可以確認在繼續(xù)供給空氣a時，供到空氣膜F能保持在試片TP表面上的量以上時，在這試片TP的上端部就形成空氣包f，此空氣包f局部地膨脹后，形成的氣泡v進行分離并浮起。
(實施例2)如實施例1中所說明的那樣，因為這點是顯然的，即通過將空氣供到用本發(fā)明處理過的膜體表面上，就會在其表面上相當牢固地形成空氣膜，因此，能利用這一現(xiàn)象，來發(fā)揮它的優(yōu)異的防污、防腐蝕效果。
這種防污、防腐蝕作用也適用于船舶處于停船狀態(tài)時，或是固定地設(shè)置在水中的浮式消波堤及駁船、堤防、水中打樁設(shè)施等，并都能得到很好的效果。
圖23是在棧橋上形成本發(fā)明的膜體表面后，用來防止水中生物附著于這膜體表面上的例子。
在棧橋(水中結(jié)構(gòu)物)80的直立在海底81上的腳部82的下部，環(huán)狀地設(shè)置空氣噴出裝置83，由這個空氣噴出裝置83使空氣G從多個小孔噴出。至少在腳部82的表面上，形成覆蓋有與實施例1同樣的膜體的膜體表面，此膜體的表面上具有凹凸，并且至少這凸部的頂部是用防水性材料形成的。
如上所述構(gòu)成的棧橋80上，經(jīng)由空氣壓縮機84、控制閥85，流量計86及管路87與上述空氣噴出裝置83連接，一面由控制裝置88進行控制，一面由空氣噴出裝置83的噴嘴將壓縮空氣噴出到腳部82的周圍，在其表面上形成薄的空氣膜。借助這空氣膜，海中生物及海草就不能接觸腳部82的表面，能有長時間的防污效果。
(實施例3)圖24是表示將本發(fā)明用于發(fā)電設(shè)備的取水管的例子，表示在取水管90的內(nèi)表面上形成本發(fā)明的膜體表面，在其底面上設(shè)置噴嘴91，由這噴嘴91將二次空氣G噴射到取水管90的內(nèi)表面上，從而形成空氣膜的狀態(tài)。
最好把這噴嘴91盡可能設(shè)置在取水管90的全長上，而且不僅在底部上的一個部位上，在中間部位上也盡可能設(shè)置，采用這種把空氣噴射在整個管的內(nèi)表面上的結(jié)構(gòu)。
當然，本發(fā)明不局限于上述實施例，顯然是能夠進行各種變換或補充追加的。
權(quán)利要求
1.一種在具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水表面上形成空氣膜的方法，用一種膜體覆蓋具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水表面，這種膜體的表面上具有細微的凹凸，并且用防水性材料至少形成上述凹凸的凸部的頂部，將空氣供到上述膜體表面上，以便在這膜體表面與水之間形成空氣膜。
2.如權(quán)利要求1所述的在浸水表面上形成空氣膜的方法，其特征在于上述的具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物是船舶。
3.如權(quán)利要求1所述的在浸水表面上形成空氣膜的方法，其特征在于上述的具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物是輸液管路，它的浸水表面是這輸液管路的內(nèi)表面。
4.如權(quán)利要求1所述的在浸水表面上形成空氣膜的方法，其特征在于，上述的具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物是浮體，或是打設(shè)在水底，固定地設(shè)置的結(jié)構(gòu)物。
5.如權(quán)利要求1所述的在浸水表面上形成空氣膜的方法，其特征在于上述的防水性材料是由聚四氟乙烯、疏水性硅石粉末、聚乙烯、聚丙烯、或是親水性樹脂通過表面處理而具有防水性的材料中的一種或兩種以上構(gòu)成的。
6.如權(quán)利要求1所述的膜體的凹凸表面，其特征在于它是借助于水壓和膨脹出的水的表面張力，使空氣保持在浸水表面上形成的細微凹凸的凹部內(nèi)而形成的。
7.如權(quán)利要求1所述的膜體的凹凸表面，其特征在于，凸部的間隔s為0.3-30μm，并且高度h與間隔s的比h/s為0.3～3而形成的。
8.如權(quán)利要求1所述的膜體表面，其特征在于，具有在比較大的凹凸表面上，形成比這凹凸表面細微的凹凸的二重凹凸結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的在浸水表面上形成空氣膜的方法，其特征在于，在具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水表面上，按規(guī)定的間隔配置多個噴嘴，從這些噴嘴沿著具有細微凹凸的膜體表面供給空氣。
10.如權(quán)利要求1所述的在浸水表面上形成空氣膜的方法，其特征在于使一次空氣保持在具有細微凹凸的膜體表面的凹部里，再從外部把二次空氣供到這膜體表面上。
11.如權(quán)利要求1所述的膜體，其特征在于通過復(fù)制方法對防水性合成樹脂片的表面進行細微的凹凸加工制成。
12.如權(quán)利要求1所述的膜體，其特征在于在結(jié)構(gòu)物表面上形成涂料層，使微粒突出這涂料層表面而加以固定，至少由上述涂料層而突出的微粒的頂部具有防水性。
13.如權(quán)利要求1所述的膜體，其特征在于，在結(jié)構(gòu)物表面上形成涂料層，在這涂料層的表面上形成由微粒構(gòu)成的凹凸，并用具有防水性的材料覆蓋這微粒。
14.如權(quán)利要求1所述的膜體，其特征在于結(jié)構(gòu)物表面上形成的底層含有較大粒徑的微粒，在這底層上方形成含有直徑小于上述微粒的微粒的上涂層，并形成在表面上的大凹凸上形成小凹凸的二重結(jié)構(gòu)的細微凹凸。
全文摘要
本發(fā)明是提供一種降低船體及輸液管路的流體摩擦阻力，使具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物能防污、防腐蝕的方法。這是一種在具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物的浸水表面上形成空氣膜的方法，它是把空氣供到用表面上具有凹凸6、7，并且至少用防水性材料8形成凹凸的凸部7的頂部7′的膜體3覆蓋具有浸水部分的結(jié)構(gòu)物(船體1)的浸水表面后形成的膜體表面10上，使這膜體表面10與水13之間形成空氣膜12的。
文檔編號F15D1/00GK1095030SQ9311961
公開日1994年11月16日 申請日期1993年11月4日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月7日
發(fā)明者德永純一郎, 熊田誠, 杉山洋一, 渡邊信淳, 鄭容寶, 松原直樹 申請人:三井造船株式會社