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塔状構造物支持浮体 - 三菱重工業株式会社
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発明の名称 塔状構造物支持浮体
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−63684(P2001−63684A)
公開日 平成13年3月13日(2001.3.13)
出願番号 特願平11−237820
出願日 平成11年8月25日(1999.8.25)
代理人 【識別番号】100078499
【弁理士】
【氏名又は名称】光石 俊郎 (外2名)
発明者 松浦 正己 / 太田 真
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 水面に浮揚する浮体本体と、前記浮体本体の上部に立設される塔状構造物と、前記浮体本体の下部に上端側を連結されて垂下された少なくとも一本の支持柱と、前記支持柱の下端側に取り付けられたウエイトとを備えてなることを特徴とする塔状構造物支持浮体。
【請求項2】 請求項1に記載の塔状構造物支持浮体において、下記の式(1)を満足することを特徴とする塔状構造物支持浮体。
B−G+M>0 (1)
ただし、B=(BF ΔF +BL ΔL )/(ΔF +ΔL
G=(GA A +GF F +GL L )/(WA +WF +WL
である。なお、Bは全体の浮心高さ、Gは全体の重心高さ、Mはメタセンタ(水線面積二次モーメント/排水容積量)、GA は塔状構造物の重心高さ、WA は塔状構造物の重量、GF は浮体本体の重心高さ、WF は浮体本体の重量、BF は浮体本体の浮心高さ、ΔF は浮体本体の浮力、GL はウエイトの重心高さ、WL はウエイトの重量、BL はウエイトの浮心高さ、ΔL はウエイトの浮力である。
【請求項3】 請求項2に記載の塔状構造物支持浮体において、全体の浮心高さ(B)が水面近傍に位置すると共に、全体の重心高さ(G)が全体の浮心高さ(B)よりも下方に位置していることを特徴とする塔状構造物支持浮体。
【請求項4】 請求項2に記載の塔状構造物支持浮体において、塔状構造物の重心高さ(GA )が当該塔状構造物の上方に位置することを特徴とする塔状構造物支持浮体。
【請求項5】 請求項1から4のいずれかに記載の塔状構造物支持浮体において、前記ウエイトが鉄塊、コンクリートブロック、砂、礫、土、屑鉄のうちの少なくとも一種を容器に充填したものであることを特徴とする塔状構造物支持浮体。
【請求項6】 請求項1から5のいずれかに記載の塔状構造物支持浮体において、前記塔状構造物が風車、ロケット発射台、送電塔または橋脚であることを特徴とする塔状構造物支持浮体。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、風車、ロケット発射台、送電塔、橋脚などのような塔状構造物を水面上で支持する塔状構造物支持浮体に関する。
【0002】
【従来の技術】環境問題による土地の確保の困難性や経済的な理由から、近年、風車、ロケット発射台、送電塔、橋脚などのような塔状構造物を水面上で支持する塔状構造物支持浮体のニーズが高まっている。このような塔状構造物支持浮体の一例である水上風車の概略構造を図9に示す。図9に示すように、水上風車110は、回転翼112aを取り付けられた発電機112bを塔112cの上部に設けた塔状構造物である風車112が箱型をなす浮体本体111上に立設され、当該浮体本体111の浮力により、風車112を転倒させることなく水面101上に浮揚することができるようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述したような水上風車110においては、支持する風車112の重心高さGA が水面101の位置よりもかなり高いため、水上風車110を転倒させないように浮体本体111の水平方向の面積をかなり大きくしなければならない。このため、浮体本体111の製造費が高くなってしまい、コスト的に実現が困難であった。
【0004】そこで、例えば、図10に示すように、水面101よりもかなり下方に重心高さGF が位置する鉛直方向に長い浮体本体121上に風車112を立設することにより、全体の重心高さを下げて水上風車120を構成することも考えられるが、このような水上風車120では、浮体本体121の浮心高さBF も水面101よりもかなり下方に位置してしまうため、安定性に欠けてしまう。
【0005】このようなことから、本発明は、低コストで安定性の高い塔状構造物支持浮体を提供することを目的とした。
【0006】
【課題を解決するための手段】前述した課題を解決するための、本発明による塔状構造物支持浮体は、水面に浮揚する浮体本体と、前記浮体本体の上部に立設される塔状構造物と、前記浮体本体の下部に上端側を連結されて垂下された少なくとも一本の支持柱と、前記支持柱の下端側に取り付けられたウエイトとを備えてなることを特徴とする。
【0007】上述した塔状構造物支持浮体において、下記の式(1)を満足することを特徴とする。
B−G+M>0 (1)
ただし、B=(BF ΔF +BL ΔL )/(ΔF +ΔL
G=(GA A +GF F +GL L )/(WA +WF +WL
である。なお、Bは全体の浮心高さ、Gは全体の重心高さ、Mはメタセンタ(水線面積二次モーメント/排水容積量)、GA は塔状構造物の重心高さ、WA は塔状構造物の重量、GF は浮体本体の重心高さ、WF は浮体本体の重量、BF は浮体本体の浮心高さ、ΔF は浮体本体の浮力、GL はウエイトの重心高さ、WL はウエイトの重量、BL はウエイトの浮心高さ、ΔL はウエイトの浮力である。
【0008】上述した塔状構造物支持浮体において、全体の浮心高さ(B)が水面近傍に位置すると共に、全体の重心高さ(G)が全体の浮心高さ(B)よりも下方に位置していることを特徴とする。
【0009】上述した塔状構造物支持浮体において、塔状構造物の重心高さ(GA )が当該塔状構造物の上方に位置することを特徴とする。
【0010】上述した塔状構造物支持浮体において、前記ウエイトが鉄塊、コンクリートブロック、砂、礫、土、屑鉄のうちの少なくとも一種を容器に充填したものであることを特徴とする。
【0011】上述した塔状構造物支持浮体において、前記塔状構造物が風車、ロケット発射台、送電塔または橋脚であることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明による塔状構造物支持浮体の実施の形態を以下に説明するが、本発明は、これらの実施の形態に限定されることはない。
【0013】[第一番目の実施の形態]本発明による塔状構造物支持浮体を水上風車に適用した場合である第一番目の実施の形態を図1を用いて説明する。図1は、その水上風車の概略構造図である。
【0014】図1に示すように、箱型をなす浮体本体11の上部には、回転翼12aを取り付けられた発電機12bを塔12cの上部に設けた塔状構造物である風車12が立設されている。浮体本体11の下部には、骨組型の支持柱13の上端が固定されている。支持柱13の下端には、ウエイト14が取り付けられている。
【0015】このような構造をなす水上風車10においては、風車12の重心高さGA が塔12cの上方に位置し、水面101の位置よりもかなり高いものの、水面101の近傍に浮体本体11の重心高さGF および浮心高さBF が位置すると共に、水面101よりも下方にウエイト14の重心高さGL および浮心高さBL が位置するため、全体の浮心高さを水面101の近傍に位置させながらも、全体の重心高さを全体の浮心高さよりも下方(水面101よりも下方)に位置させることができるので、水面101に安定して浮揚していることが可能となる。
【0016】この理由を図2,3を用いてさらに説明する。図2は、メタセンタについての説明図、図3は、安定性についての説明図である。
【0017】(1)メタセンタ例えば、図2に示すように、浮体Fが傾斜した場合、浮心B(水面下の体積中心)は、直立時の位置のB0 からB1 に移動する。浮体Fに作用する力は、重心Gを通って傾斜後の水面WL1 (傾斜前の水面はWL0 )に垂直な方向に作用する重量Wおよび浮力ρgVである。この重量Wおよび浮力ρgVは、互いの大きさが等しく、互いの向きが逆方向である。このときの浮心B1 を通る浮力ρgVの作用線と浮心B0 を通る浮力ρgVの作用線との交点がメタセンタMである。このメタセンタMは、浮体Fが自立するに際して、原則として重心Gよりも上に位置する必要がある。
【0018】なお、メタセンタ高さBMは、浮体Fの排水容量Vと浮面心を通る傾斜軸回りの水線面積二次モーメントIにより、下記の式(2)で表される。
BM=I/V (2)
【0019】(2)復元力また、浮体Fに作用する重量Wおよび浮力ρgVは、傾斜角を減ずる方向に作用する偶力、すなわち、復元力MSTを発生させる。この復元力MSTは、浮体Fの排水量Wおよび復元てこGZにより、下記の式(3)で表される。
ST=W・GZ (3)
【0020】(3)安定性以上のことをまとめると、下記の式(1)を満たす構造とすることにより、塔状構造物支持浮体を水面上に安定して浮揚させることができる(図3参照)。
B−G+M>0 (1)
ただし、B=(BF ΔF +BL ΔL )/(ΔF +ΔL
G=(GA A +GF F +GL L )/(WA +WF +WL
である。なお、Bは全体の浮心高さ、Gは全体の重心高さ、Mはメタセンタ(水線面積二次モーメント/排水容量)、GA は塔状構造物2の重心高さ、WA は塔状構造物2の重量、GF は浮体本体1の重心高さ、WF は浮体本体1の重量、BF は浮体本体1の浮心高さ、ΔF は浮体本体1の浮力、GL はウエイト4の重心高さ、WL はウエイト4の重量、BL はウエイト4の浮心高さ、ΔL はウエイト4の浮力である。
【0021】つまり、前記式(1)において、(a)B(全体の浮心高さ)を大きくする、(b)G(全体の重心高さ)を小さくする、(c)M(メタセンタ)を大きくすることにより、塔状構造物支持浮体を水面101上に安定して浮揚させることができるのである。
【0022】そこで、本発明は、図3に示すように、全体の浮心高さBを下げることなく全体の重心高さGを下げる、すなわち、浮体本体1の下部に垂下させた支持柱3を介してウエイト4を取り付けることにより、メタセンタMを大きくしなくても、すなわち、浮体本体1の水平面積を大きくしなくても前記式(1)を満足することができるようにしたのである。
【0023】具体的に説明すると、従来は、図4(a)に示すように、浮体本体111の水平面積を大きくすることにより、メタセンタMを大きくして前記式(1)を満足させていたため、浮体本体111が非常に大きくなってしまう。
【0024】例えば、風車112の重さが80t、高さが38mであるとすると、浮体本体111は、重さが1224t、水平長さが18mとなり、水上風車110の排水量が1304tとなってしまう。
【0025】これに対し、本発明では、図4(b),(c)に示すように、垂下した支持柱13を介してウエイト14を浮体本体11に取り付けることにより、全体の浮心高さBをあまり下げることなく全体の重心高さGを下げて前記式(1)を満足させたため、浮体本体11を小型化することができる。
【0026】例えば、風車12が従来の風車112と同様であれば、図4(b)に示すように、水面101からウエイト14までの深さを15m、ウエイトの重さを180tとすることにより、浮体本体11の重さを220t、水平長さを11mとして、水上風車10の排水量を480tとすることができる。
【0027】さらに、図4(c)に示すように、水面101からウエイト14までの深さを20m、ウエイトの重さを115tとすることにより、浮体本体11の重さを178t、水平長さを9mとして、浮体本体11の水平面積を従来の1/4に抑え、水上風車10の排水量を373tとすることができる。
【0028】このため、例えば、十分な風力の得られる海上に上記水上風車10を配設すれば、土地確保の困難性を解消することができると共に、建造やメンテナンスのための道路建設を不要にすることができる。さらに、離島などでは、本島から長距離にわたって送電線を敷設しなくても済むようになるので、送電損失の少ない電力供給が可能となる。
【0029】したがって、このような水上風車10によれば、安定性を維持しながらも浮体本体11が小さくて済むので、浮体本体11の製造費が抑えられ、十分な安定性と低コスト性とが兼ね備えられ、実用化が可能となる。
【0030】また、ウエイト14が鉄塊、コンクリートブロック、砂、礫、土、屑鉄のうちの少なくとも一種を容器に充填したものであれば、製造コストをさらに抑えることができる。
【0031】なお、例えば、海底から石油を採掘する北海油田などにおいては、図8に示すように、ロワーハル131a上にコラム131bを介してデッキ131cを設けて浮体本体131を構成し、そのデッキ131c上にやぐら132を立設した採掘船130が適用されている。
【0032】このような採掘船130においては、ロワーハル131aとデッキ131cとの間のコラム131b部分に水面101を位置させることにより水線面積を小さくし、悪天候などで大きな波浪を受けたときであっても、波によって受ける荷重を抑制することができる耐波構造としている。
【0033】これに対し、前述した水上風車10などのような本発明による塔状構造物支持浮体においては、先にも説明したように、塔状構造物を搭載した浮体本体部分に水面を位置させており、コラム131b部分に水面101を位置させるようにした上記採掘船130とは技術思想が異なるものである。
【0034】[第二番目の実施の形態]本発明による塔状構造物支持浮体を水上ロケット発射台に適用した場合である第二番目の実施の形態を図5を用いて説明する。なお、図5は、その水上ロケット発射台の概略構造図である。ただし、前述した実施の形態と同様な部材については、前述した実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【0035】図5に示すように、浮体本体11上には、ロケット25を発射させる塔状構造物であるロケット発射台22が搭載されている。
【0036】このような水上ロケット発射台20においても、前述した水上風車10の場合と同様に、支持柱13を介してウエイト14を浮体本体11に取り付けることにより、全体の浮心高さBをあまり下げることなく全体の重心高さGを下げて前記式(1)を満足させているので、浮体本体11を小型化することができる。
【0037】このため、例えば、赤道付近の低緯度の海上に当該水上ロケット発射台20を配設すれば、地球の自転による遠心力を最大限に利用したロケット25の発射が可能となる。
【0038】したがって、このような水上ロケット発射台20によれば、前述した水上風車10の場合と同様に、安定性を維持しながらも浮体本体11が小さくて済むので、浮体本体11の製造費が抑えられ、十分な安定性と低コスト性とが兼ね備えられ、実用化が可能となる。
【0039】[第三番目の実施の形態]本発明による塔状構造物支持浮体を水上送電塔に適用した場合である第三番目の実施の形態を図6を用いて説明する。なお、図6は、その水上送電塔の概略構造図である。ただし、前述した実施の形態と同様な部材については、前述した実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【0040】図6に示すように、浮体本体11上には、送電線35を支持する塔状構造物である送電塔32が立設されている。
【0041】このような水上送電塔30においても、前述した水上風車10等の場合と同様に、支持柱13を介してウエイト14を浮体本体11に取り付けることにより、全体の浮心高さBをあまり下げることなく全体の重心高さGを下げて前記式(1)を満足させているので、浮体本体11を小型化することができる。
【0042】このため、例えば、海上であっても送電線35を横断させることができるので、送電線35の配線経路を短縮することができ、設備費の節減や送電抵抗の低減を図ることができる。さらに、水深の深い(50m以上)海上に当該水上送電塔30を配設することもできるので、非常に困難な海底への基礎工事を行わなくても送電線35を横断させることができる。
【0043】したがって、このような水上送電塔30によれば、前述した水上風車10等の場合と同様に、安定性を維持しながらも浮体本体11が小さくて済むので、浮体本体11の製造費が抑えられ、十分な安定性と低コスト性とが兼ね備えられ、実用化が可能となる。
【0044】[第四番目の実施の形態]本発明による塔状構造物支持浮体を水上橋脚に適用した場合である第四番目の実施の形態を図7を用いて説明する。なお、図7は、その水上橋脚の概略構造図である。ただし、前述した実施の形態と同様な部材については、前述した実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【0045】図7に示すように、浮体本体11上には、橋梁45を支持する塔状構造物である橋脚42が立設されている。
【0046】このような水上橋脚40においても、前述した水上風車10等の場合と同様に、支持柱13を介してウエイト14を浮体本体11に取り付けることにより、全体の浮心高さBをあまり下げることなく全体の重心高さGを下げて前記式(1)を満足させているので、浮体本体11を小型化することができる。
【0047】このため、例えば、岸間が長くて(2km以上)吊橋等の建設が困難な海上で水深が深い(50m以上)場合に当該水上橋脚40を配設すれば、非常に困難な海底への基礎工事を行わなくても橋梁45を横断させることが可能となる。
【0048】したがって、このような水上橋梁40によれば、前述した水上風車10等の場合と同様に、安定性を維持しながらも浮体本体11が小さくて済むので、浮体本体11の製造費が抑えられ、十分な安定性と低コスト性とが兼ね備えられ、実用化が可能となる。
【0049】なお、本発明は、前述した各実施の形態の場合に限らず、重心位置が高い箇所に位置する塔状構造物を水面上で支持する場合であれば、前述した各実施の形態の場合と同様にして適用することができ、前述した各実施の形態の場合と同様な効果を得ることができる。
【0050】
【発明の効果】本発明による塔状構造物支持浮体は、水面に浮揚する浮体本体と、前記浮体本体の上部に立設される塔状構造物と、前記浮体本体の下部に上端側を連結されて垂下された少なくとも一本の支持柱と、前記支持柱の下端側に取り付けられたウエイトとを備えてなることから、全体の浮心高さをあまり下げることなく全体の重心高さを下げるようにして、メタセンタを大きくしなくても、すなわち、浮体本体の水平面積を大きくしなくても済むようにしたので、安定性を維持しながらも浮体本体を小さくすることができ、浮体本体の製造費を大幅に低減することができ、十分な安定性と低コスト性とを兼ね備えることができる。
【0051】また、前述した式(1)を満足するので、上述した効果を確実に得ることができる。
【0052】また、全体の浮心高さ(B)が水面近傍に位置すると共に、全体の重心高さ(G)が全体の浮心高さ(B)よりも下方に位置しているので、上述した効果を確実に得ることができる。
【0053】このため、塔状構造物の重心高さ(GA )が当該塔状構造物の上方に位置しているときに、上述した効果を確実に得ることができる。
【0054】また、前記ウエイトが鉄塊、コンクリートブロック、砂、礫、土、屑鉄のうちの少なくとも一種を容器に充填したものであるので、製造コストをさらに抑えることができる。
【0055】また、前記塔状構造物が風車であれば、水上風車を低コストで実現することができる。また、前記塔状構造物がロケット発射台であれば、水上ロケット発射台を低コストで実現することができる。また、前記塔状構造物が送電塔であれば、水上送電塔を低コストで実現することができる。また、前記塔状構造物が橋脚であれば、水上橋脚を低コストで実現することができる。




 

 


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