JP5788570B2 - 船舶航行用解氷装置 - Google Patents

Description

本発明は、船舶に取り付けられ、海、湖や川の氷を溶かしながら航行することができるように構成された船舶航行用解氷装置に関する。

国家間の交易が拡大して輸送量需要が増加するにつれて、安価な物流コストに対する関心が高まっている。貨物生産量が相対的に多いアジアの北東部に位置する国から大陸の反対側に位置する国又はヨーロッパの国々に貨物船を送る場合、伝統的な航路は、大陸の南側である香港とシンガポールを経由してアフリカを迂回するものであった。それに対し、北極海を利用する場合、既存航路に比べて運航距離は約４０％、運航時間は約１０日短縮されることが知られている。このような運航距離の短縮は、莫大な物流コストの削減とエンジンに必要な燃料エネルギーの削減につながる。

砕氷船は、氷で覆われた海域の航行のために専用に開発された船舶であって、氷を割って航路を開く。このような砕氷船で航行する場合、一般的な砕氷船の平均速度は約２．５ノットであり、氷のない一般海域を運航する大型商船の平均速度である約１２ノットの約２０％である。それにより、距離が短縮されるにもかかわらず、運航時間の急増により経済性が劣るのが現状である。

よって、経済性の高い北極航路の開発においては、氷の除去をいかに低コストで容易に行えるかが鍵である。

砕氷船の欠点を克服するための特許文献１は、船舶の船首部に高圧スチームが流動するヒーティング部材を設けることを開示している。

韓国公開特許第１０−２０１２−５３２９２号公報

しかし、スチーム方式においては、高圧に耐えられるようにするためには、各種配管やバルブなどの構成が複雑になり、コストが上昇するだけでなく、熱容量が小さいので氷を溶かすのに長時間かかるという欠点があった。

本発明は、このような欠点を解決するためになされたものであり、砕氷船を用いるのではなく、航行する船舶に簡単に取り付けるだけで氷の除去を低コストかつ高効率で行える装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、氷を割るのではなく、熱容量の大きい熱媒体油を用いて瞬間的な接触で解氷を迅速に行えるように構成された船舶航行用解氷装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、熱媒体を加熱するためのボイラと、加熱された熱媒体を圧送するように形成された高温ポンプと、高温ポンプにより移送された熱媒体により加熱されるように構成され、船舶の船首に装着できるように形成されたヒーティングカバーユニットと、ヒーティングカバーユニットの前方に配置され、熱媒体により加熱された空気を噴射するように構成された熱気ジェットユニットとを含む、船舶航行用解氷装置を提供する。

本発明の一例として、高温ポンプは、モータ部と、モータ部により熱媒体を圧送するインペラ部とを含み、熱媒体は、モータ部の内部を循環するように構成されてもよい。

本発明の一例として、ヒーティングカバーユニットは、船首の左右面に対応する形状を有する翼型の金属パッドの形態で形成されてもよく、ヒーティングカバーユニットは、熱媒体との熱交換のために内部に備えられる第１熱交換部を含んでもよい。

本発明の一例として、船舶航行用解氷装置は、ヒーティングカバーユニットにおける船首との接触部分に備えられ、ヒーティングカバーユニットの熱を遮断するように形成された断熱パッドをさらに含んでもよい。

本発明の一例として、船舶航行用解氷装置は、熱気ジェットユニットを支持するように船首から熱気ジェットユニットに延びる延長フレームをさらに含んでもよい。

本発明の一例として、延長フレームは、熱気ジェットユニットを緩衝するように形成された緩衝部を含んでもよい。

本発明の一例として、熱気ジェットユニットは、船舶の進行方向と交差する方向に配置されてもよい。

本発明の一例として、熱気ジェットユニットは、空気を圧送するためのコンプレッサと、空気を熱媒体により加熱するように形成された第２熱交換部と、加熱された空気を高速噴射するように形成された複数のノズルとを含んでもよい。

本発明の一例として、船舶航行用解氷装置は、ヒーティングカバーユニットの前方に垂直方向に配置されたブレードの形態で形成され、熱媒体により加熱されて氷を融解するように形成されたヒーティングナイフユニットをさらに含んでもよい。

本発明の一例として、ヒーティングナイフユニットは、熱媒体との熱交換のための第３熱交換部を含んでもよい。

本発明の一例として、船舶航行用解氷装置は、ヒーティングナイフユニットの傾き及び深さを調整するための位置制御部をさらに含んでもよい。

本発明の一例として、熱媒体は、２５０〜４５０℃の温度で熱を運搬できるオイル系のものであってもよい。

また、本発明は、熱媒体を加熱するためのボイラと、加熱された熱媒体を圧送するように形成された高温ポンプと、高温ポンプにより移送された熱媒体により加熱されるように構成され、船舶の船首に装着できるように形成されたヒーティングカバーユニットと、ヒーティングカバーユニットの前方に垂直方向に配置されたブレードの形態で形成され、熱媒体により加熱されて氷を融解するように形成されたヒーティングナイフユニットとを含む、船舶航行用解氷装置を提供する。

さらに、本発明は、熱媒体を加熱するためのボイラと、加熱された熱媒体を圧送するように形成された高温ポンプと、高温ポンプにより移送された熱媒体により加熱されるように構成され、船舶の船首の前方に配置され、熱媒体により加熱された空気を噴射するように構成された熱気ジェットユニットと、熱気ジェットユニットの前方に垂直方向に配置されたブレードの形態で形成され、熱媒体により加熱されて氷を融解するように形成されたヒーティングナイフユニットとを含む、船舶航行用解氷装置を提供する。

本発明による船舶航行用解氷装置によれば、氷を割るのではなく、熱容量の大きい熱媒体を循環させる高温ポンプを用いて氷を溶かしていくので、迅速な解氷が可能であり、氷との衝突及び粉砕のために厚い鋼板を用いる必要がないので、コストが相対的に安価であり、効率の高い装置を構成することができる。それにより、氷のある海域を迂回するのに必要な莫大なエネルギーを削減することができる。

本発明による船舶航行用解氷装置の一例によれば、高温ポンプに熱媒体が循環する構造のキャンドモータタイプを適用することにより、振動がある場合や高温の環境でもシールを維持することができるので、極限環境でも安定した性能を発揮することができる。

本発明による船舶航行用解氷装置が設置された船舶により解氷中の状態を概念的に示す斜視図である。 本発明による船舶航行用解氷装置が設置された船舶により解氷中の状態を概念的に示す横断面図である。 本発明による船舶航行用解氷装置の構成図である。 本発明によるヒーティングカバーユニットの装着状態を示すための部分平断面図である。 本発明による熱気ジェットユニットの概略平断面図である。 本発明の一例による高温ポンプの断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明による船舶航行用解氷装置を詳細に説明する。

図１は本発明による船舶航行用解氷装置が設置された船舶により解氷中の状態を概念的に示す斜視図であり、図２は本発明による船舶航行用解氷装置が設置された船舶により解氷中の状態を概念的に示す横断面図であり、図３は本発明による船舶航行用解氷装置の構成図であり、図４は本発明によるヒーティングカバーユニットの装着状態を示すための部分平断面図であり、図５は本発明による熱気ジェットユニットの概略平断面図である。

同図に示すように、本発明による船舶航行用解氷装置１００は、船舶Ｓの船首に着脱できるようになっており、氷のある海域では装着し、氷のない一般海域では分離する。

船舶航行用解氷装置１００は、ヒーティングカバーユニット１１０、熱気ジェットユニット１２０及びヒーティングナイフユニット１３０を含み、これらのヒーティング部は船舶Ｓの内部に設置されたボイラ１５０及び高温ポンプ１６０に接続されている。ただし、船舶航行用解氷装置１００は、ヒーティングカバーユニット１１０、熱気ジェットユニット１２０及びヒーティングナイフユニット１３０の全てを含むように構成するのではなく、いずれか１つ又は２つの組み合わせにより構成してもよい。

ボイラ１５０は、熱媒体を加熱できるように構成される。熱媒体は、２５０〜４５０℃の温度で熱を運搬できる鉱物性オイル系を用いることができ、高温でも液相を維持して解氷のために十分な熱容量を供給する。

ボイラ１５０で加熱された熱媒体は、第１バルブ１７１を介して高温ポンプ１６０に供給される。高温ポンプ１６０は、高温の熱媒体を循環させるための部品であって、高温でも漏れがなく、絶縁性を維持し、高い圧力を発揮することが要求される。高温ポンプ１６０の詳細については図６を参照して後述する。

ヒーティングカバーユニット１１０は、高温ポンプ１６０により移送された熱媒体により加熱されるように構成され、船舶Ｓの船首に装着できるように形成されている。具体的には、図４に示すように、ヒーティングカバーユニット１１０は、船首の左右面に対応する形状を有する翼型の金属パッドの形態で形成されてもよい。ヒーティングカバーユニット１１０の内部には、熱媒体との熱交換のための第１熱交換部１１２が備えられてもよい。第１熱交換部１１２は、熱交換に適した複数の管又は複数の層の形態で構成されてもよい。また、ヒーティングカバーユニット１１０における船首との接触部分には、断熱パッド１１５が設けられてもよい。断熱パッド１１５は、２５０〜４５０℃の熱媒体との熱交換を通じて約２５０℃に加熱される高温のヒーティングカバーユニット１１０により船首部分に熱変性や疲労が生じることを防止できるように構成される。このような断熱パッド１１５としては、氷Ｃとの衝突による衝撃が船体に伝達されることを緩和できるように、弾性を有する樹脂、ゴム又はスプリング材質を用いてもよい。

熱気ジェットユニット１２０は、ヒーティングカバーユニット１１０の前方に配置され、熱媒体により加熱された空気を噴射するように構成されている。船舶航行用解氷装置１００は、熱気ジェットユニット１２０を支持するように船舶Ｓの船首から熱気ジェットユニット１２０に延びる延長フレーム１４１をさらに含んでもよい。延長フレーム１４１には、氷Ｃとの衝突により熱気ジェットユニット１２０やヒーティングナイフユニット１３０に加わる抵抗や衝撃力を緩和できるように、緩衝部１４２が備えられてもよい。緩衝部１４２は、弾性スプリングや作動流体式シリンダなどにより構成されてもよい。

熱気ジェットユニット１２０は、船舶Ｓの進行方向と交差する方向に配置され（図１参照）、その内部には空気を熱媒体により加熱するように形成された第２熱交換部１２２が備えられてもよい。熱気ジェットユニット１２０は、圧縮された空気を供給するためのコンプレッサ１２５（図３参照）と、氷に向けて加熱された空気を高速噴射できるように熱気ジェットユニット１２０の下面に備えられた複数のノズル１２１（図５参照）とを含んでもよい。

ヒーティングナイフユニット１３０は、ヒーティングカバーユニット１１０の前方に垂直方向に配置されたブレードの形態で形成され、熱媒体により加熱されて約５〜７ｍの氷を融解するように形成される。ヒーティングナイフユニット１３０の内部には、熱媒体との熱交換のための第３熱交換部１３２が備えられてもよい。また、熱気ジェットユニット１２０とヒーティングナイフユニット１３０との間には、氷の厚さや深さに応じてヒーティングナイフユニット１３０の傾き及び深さを調整するための位置制御部１３５が備えられてもよい。このような位置制御部１３５には、油圧モータや機械的リンクメカニズムなどを用いることができる。

船舶航行用解氷装置１００の支持又は着脱のために、船舶Ｓにはクレーン１０１及びケーブル１０２が備えられてもよい。

以下、このような船舶航行用解氷装置１００による作用を説明する。

図１に示すように、船舶Ｓが氷Ｃのある海域を航行することになると、まず、高温（２５０〜４５０℃）に加熱された熱媒体により、先端に位置するヒーティングナイフユニット１３０が約２５０℃に加熱される。ブレードの形態で形成されたヒーティングナイフユニット１３０は、その両側面が氷Ｃに接触し、短い瞬間に多量の熱を氷Ｃに供給して氷Ｃの融解温度である０℃に急加熱する。それにより、広く広がっている氷層が割れる。

熱気ジェットユニット１２０は、熱媒体により約２５０℃に加熱された高温の空気を氷Ｃに高速噴射する。それにより、氷Ｃは小さく割れやすい形態となる。

ヒーティングカバーユニット１１０は、前方のヒーティングナイフユニット１３０又は熱気ジェットユニット１２０により融解した氷が完全に融解されるようにするのを助ける。ただし、ヒーティングカバーユニット１１０、熱気ジェットユニット１２０及びヒーティングナイフユニット１３０の組み合わせのいずれかを省略してもよい。また、図３に示すように、ヒーティングカバーユニット１１０に供給される熱媒体の開閉のための第２バルブ１７２及び熱気ジェットユニット１２０又はヒーティングナイフユニット１３０に供給される熱媒体の開閉のための第３バルブ１７３により、解氷のためのヒーティング手段を選択的に使用できるようにしてもよい。

図６は本発明の一例による高温ポンプの断面図である。本例の高温ポンプ１６０は、高温に耐える高耐熱ポンプであって、極限環境でも漏れが生じないノンシールキャンドモータポンプを適用することができる。すなわち、高温ポンプ１６０は、モータ部とインペラ部とを含んでもよく、熱媒体がモータ部の内部へ循環するように構成されている。以下、高温ポンプ１６０をより具体的に説明する。

高温ポンプ１６０は、ケーシング１６０−１０、インペラ１６０−１５、フロントハウジング１６０−２１、リアハウジング１６０−２２、ステータユニット１６０−３０、ロータアセンブリ１６０−４０、ベアリング１６０−５１、１６０−５２、スリーブ１６０−５３、１６０−５４、補助インペラ１６０−６０、コネクタ１６０−７０などの構成要素を含んでもよい。このような高温ポンプ１６０は、場合によっては、これらの構成要素の一部を含まないものでもよく、他の形態に代替したものでもよい。

ケーシング１６０−１０は、インペラ１６０−１５を覆う部分であり、作動流体、すなわち液体の熱媒体などが流入する流入部１６０−１１、及び流入した作動流体がインペラ１６０−１５の遠心力により吐出される吐出部１６０−１２がそれぞれ形成されている。

インペラ１６０−１５は、ロータアセンブリ１６０−４０に結合される部品であって、ロータアセンブリ１６０−４０から供給される駆動力により回転して作動流体を遠心方向に強制的に誘導することにより、作動流体がケーシング１６０−１０の吐出部１６０−１２に向かうようにする。

フロントハウジング１６０−２１及びリアハウジング１６０−２２は、ベアリング１６０−５１、１６０−５２の取付座を提供できるように、それぞれ内側に延びた形態となっている。フロントハウジング１６０−２１及びリアハウジング１６０−２２を装着するために、ステータユニット１６０−３０にはそれぞれのフランジ１６０−３１、１６０−３２が備えられている。このうち、フロントフランジ１６０−３１は、ケーシング１６０−１０に直接装着するために、リアフランジ１６０−３２より大きい直径を有するように形成されてもよい。フロントフランジ１６０−３１とケーシング１６０−１０とは、フロントフランジ１６０−３１側から挿入されるフランジボルト１６０−３５により結合される。ステータユニット１６０−３０とケーシング１６０−１０との直接結合構造により、高い密封力を得ることができ、組立てを容易化することができる。フロントハウジング１６０−２１は、フロントハウジング１６０−２１側から挿入されるフランジボルト１６０−２５によりステータユニット１６０−３０のフロントフランジ１６０−３１に装着される。

ロータアセンブリ１６０−４０は、シャフト１６０−４１と、シャフト１６０−４１に固定されるロータコア１６０−４２と、ロータコア１６０−４２を密封するロータカン１６０−４３とを含む。

シャフト１６０−４１の中心には長手方向に貫通孔１６０−４１ａが形成されており、貫通孔１６０−４１ａには半径方向に側孔１６０−４１ｂが連通している。モータが作動すると、インペラ１６０−１５の作用により作動流体が貫通孔１６０−４１ａに流入して側孔１６０−４１ｂからモータの内部空間に流入する。

ロータアセンブリ１６０−４０の前端及び後端には、スリーブ１６０−５３、１６０−５４がそれぞれ挿入されており、スリーブ１６０−５３、１６０−５４は、それぞれのベアリング１６０−５１、１６０−５２により支持されている。ベアリング１６０−５１、１６０−５２には、螺旋方向及び軸方向に迷路１６０−５１ａが形成されており、迷路１６０−５１ａを流動する作動流体によりシャフト１６０−４１とベアリング１６０−５１、１６０−５２との摺動が円滑になる。つまり、別途の潤滑油を使用することなく、ポンプで送られる作動流体である熱媒体により潤滑作用を実現する。従って、シールリングなどが用いられないので、高温ポンプ１６０の運転中にシールの破損による熱媒体の漏れが発生しない。

ステータユニット１６０−３０は、鉄心コア１６０−３３に電線が巻き取られて形成され、ステータカン１６０−３４により密封されている。ステータユニット１６０−３０の前端部及び後端部には、前述したように、フロントハウジング１６０−２１及びリアハウジング１６０−２２にそれぞれ結合するためのフランジ１６０−３１、１６０−３２が備えられている。

補助インペラ１６０−６０は、ロータアセンブリ１６０−４０が取り付けられた内部空間に含まれる空気の流出のための通路を提供する。すなわち、装置が作動すると、インペラ１６０−１５の回転により内部空間に作動流体が流入するように、補助インペラ１６０−６０を通して空気を排出し、空気が全て排出されると補助インペラ１６０−６０を閉鎖する。

コネクタ１６０−７０は、ステータユニット１６０−３０の電線などを外部の端子に接続する部分であって、延長チューブにより高温のステータユニット１６０−３０から所定距離離隔している。

このように、ノンシールキャンドモータポンプタイプの高温ポンプ１６０は、熱媒体をその内部に流入させて循環させることで高温ポンプ１６０のモータ部の冷却作用及び潤滑作用を実現すると共に、モータ部の内部部品に影響を与えないので、シールが損傷せず高い耐久性を発揮することができる。

本発明による船舶航行用解氷装置は、上記実施形態の構成と方法に限定されるものではなく、各実施形態の全部又は一部を選択的に組み合わせて構成することで様々に変形することができる。

Ｓ 船舶
Ｗ 水
Ｃ 氷
１００ 船舶航行用解氷装置
１０１ クレーン
１０２ ケーブル
１１０ ヒーティングカバーユニット
１１２ 第１熱交換部
１１５ 断熱パッド
１２０ 熱気ジェットユニット
１２１ ノズル
１２２ 第２熱交換部
１２５ コンプレッサ
１３０ ヒーティングナイフユニット
１３２ 第３熱交換部
１３５ 位置制御部
１４１ 延長フレーム
１４２ 緩衝部
１５０ ボイラ
１６０ 高温ポンプ
１７０ 高温配管
１７１ 第１バルブ
１７２ 第２バルブ
１７３ 第３バルブ

Claims (14)

1. 熱媒体を加熱するためのボイラと、
   加熱された前記熱媒体を圧送するように形成された高温ポンプと、
   前記高温ポンプにより移送された熱媒体により加熱されるように構成され、船舶の船首に装着できるように形成されたヒーティングカバーユニットと、
   前記ヒーティングカバーユニットの前方に配置され、前記熱媒体により加熱された空気を噴射するように構成された熱気ジェットユニットとを含む、船舶航行用解氷装置。
2. 前記高温ポンプは、モータ部と、前記モータ部により前記熱媒体を圧送するインペラ部とを含み、
   前記熱媒体は、前記モータ部の内部を循環するように構成されている、請求項１に記載の船舶航行用解氷装置。
3. 前記ヒーティングカバーユニットは、前記船首の左右面に対応する形状を有する翼型の金属パッドの形態で形成され、
   前記ヒーティングカバーユニットは、前記熱媒体との熱交換のために内部に備えられる第１熱交換部を含む、請求項１に記載の船舶航行用解氷装置。
4. 前記ヒーティングカバーユニットにおける前記船首との接触部分に備えられ、前記ヒーティングカバーユニットの熱を遮断するように形成された断熱パッドをさらに含む、請求項３に記載の船舶航行用解氷装置。
5. 前記熱気ジェットユニットを支持するように前記船首から前記熱気ジェットユニットに延びる延長フレームをさらに含む、請求項１に記載の船舶航行用解氷装置。
6. 前記延長フレームは、前記熱気ジェットユニットを緩衝するように形成された緩衝部を含む、請求項５に記載の船舶航行用解氷装置。
7. 前記熱気ジェットユニットは、前記船舶の進行方向と交差する方向に配置されている、請求項１に記載の船舶航行用解氷装置。
8. 前記熱気ジェットユニットは、
   空気を圧送するためのコンプレッサと、
   前記空気を前記熱媒体により加熱するように形成された第２熱交換部と、
   加熱された前記空気を高速噴射するように形成された複数のノズルとを含む、請求項１に記載の船舶航行用解氷装置。
9. 前記ヒーティングカバーユニットの前方に垂直方向に配置されたブレードの形態で形成され、前記熱媒体により加熱されて氷を融解するように形成されたヒーティングナイフユニットをさらに含む、請求項１に記載の船舶航行用解氷装置。
10. 前記ヒーティングナイフユニットは、前記熱媒体との熱交換のための第３熱交換部を含む、請求項９に記載の船舶航行用解氷装置。
11. 前記ヒーティングナイフユニットの傾き及び深さを調整するための位置制御部をさらに含む、請求項９に記載の船舶航行用解氷装置。
12. 前記熱媒体は、２５０〜４５０℃の温度で熱を運搬できるオイル系のものである、請求項１に記載の船舶航行用解氷装置。
13. 熱媒体を加熱するためのボイラと、
    加熱された前記熱媒体を圧送するように形成された高温ポンプと、
    前記高温ポンプにより移送された熱媒体により加熱されるように構成され、船舶の船首に装着できるように形成されたヒーティングカバーユニットと、
    前記ヒーティングカバーユニットの前方に垂直方向に配置され、ブレードの形態で形成され、前記熱媒体により加熱されて氷を融解するように形成されたヒーティングナイフユニットとを含む、船舶航行用解氷装置。
14. 熱媒体を加熱するためのボイラと、
    加熱された前記熱媒体を圧送するように形成された高温ポンプと、
    前記高温ポンプにより移送された熱媒体により加熱されるように構成され、船舶の船首の前方に配置され、前記熱媒体により加熱された空気を噴射するように構成された熱気ジェットユニットと、
    前記熱気ジェットユニットの前方に垂直方向に配置されたブレードの形態で形成され、前記熱媒体により加熱されて氷を融解するように形成されたヒーティングナイフユニットとを含む、船舶航行用解氷装置。

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