KR102630623B1 - 해양 물체 주변의 장기 흐름 제어를 위한 코팅 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표유동물의 털가죽을 모방하고, 잔류 항력을 감소시키기 위하여 구조물의 수중 표면 상에 사용되는 세정이 용이한 연질의 섬유 코팅된 재료의 용도에 관한 것으로서, 상기 재료는 0.3 내지 4 mm의 평균 섬유 길이 및 5 내지 80 μm의 평균 섬유 두께를 갖는 섬유를 포함하거나 그것으로 구성된다. 구조물의 수중 표면은 좋기로는 이동가능한 또는 이동하는 선박의 선체, 또는 연안 풍력 모노파일 및 연안 굴착기와 같은 정적 구조물의 수중 부분이다. 일부 구현예에서, 본 발명은 물을 통과하는 해상 선박의 연료 소비의 감소에 관한 것이다.
Description
본 발명은 물에 잠긴 물체 주변의 물 흐름을 부드럽게 하는 인공 퍼(fur)에 관한 것이다.
잠수 (해양) 물체는, 정지해 있으면서 물의 흐름을 경험하거나, 정적이거나 흐르는 물에서 항해하든 간에, 그들을 둘러싸는 물로부터 힘을 경험한다. 수력학자들은 표면의 표면 특성을 변경함으로서 이러한 힘을 최소화하기 위해 노력해왔다. 종종 자연은 이 목적을 위해 연구되었다. 가장 잘 알려진 예로는 소위 "상어-피부 효과"이다(예를 들어, Bechert, D., Bruse, M., Hage, W. 등. Naturwissenschaften (2000) 87: 157. doi:10.1007/s001140050696). 다른 일례로는 미끄러운 물고기 피부를 모방하는 "궁극적으로 매끄러운 표면(ultimately smooth surface)"의 일종으로서 매우 미끄러운 표면의 생성이 있다(예를 들어, Yang Wu 등, Biomimicking lubrication superior to fish skin using responsive hydrogels, NPG Asia Materials (2014) 6, e136). 모방되는 것은 거의 완전히 잠수된 동물이다. 이들 동물에 있어서는, 몸체의 유체역학적 형태 외에, 피부에 대한 마찰 저항이 지배적이다. 그러나, 표면에서 파도 저항은 피부 마찰보다 훨씬 더 중요하다. 잠수 수영시, 항력(drag)은 조파 항력(wave drag)의 결핍 때문에 4배 감소한다.
다른 목적으로, 섬유 코팅된 재료는 환경과 관련하여 표면의 성질을 변화시키기 위해 해양 물체에 때때로 사용되어 왔다.
WO1993025432A1은 고밀도의 얇은 단섬유를 갖는 섬유 플록의 해양 구조물 상의 방오제로서의 용도에 관한 것이다. 이는 50 - 300 fibers/mm2의 밀도, 0.1 mm 미만의 섬유 두께, 및 0.5 - 5 mm의 섬유 길이를 언급한다. 그러나, WO 2007/108679의 비교예 II는 밀도를 기반으로 단지 단섬유가 사용되고 그러한 표면의 방오 성능은 제한됨을 보여준다. 대신, WO 2007/108679는 "가시 같은" 것으로 특징되는 비교적 짧고 두꺼운 섬유를 기반으로 방오 특성을 갖는 섬유 코팅된 해양 재료를 기술한다. 이들은 여전히 약간의 섬유 운동을 허용할 것이지만, 조류 및 조개류의 포자, 운동 포자 또는 유생(larval) 유기체는 일반적으로 비교적 거의 움직이지 않는 물질에 특히 정착한다. 이들 방오 섬유 코팅의 사용은 다른 목적으로의 사용이 언급되지 않았다. 그러나, 실용적인 이유로 선박 선체의 현재 관행은 방오에서 필요시-세정(cleaning-when-needed)까지로 이동하고 있다. 원격으로 작동하는 비히클로 세정하는 것은 다이빙 세정을 대신하고 있으며, 과정은 점점 더 효율적이다. 이러한 개선은 세정이 용이한 표면에 대한 수요를 증가시킨다.
부수적으로, 섬유 플록은 종래 기술에서 흐름 특성을 변화시키기 위한 것으로 기술되었다. 유체 역학보다는 공기 역학에 중점을 두고 있음에도 불구하고, US 7,318,619는 항력 및 소음을 감소시키는 것을 포함하여, 플록킹이 없는 표면에 대비하여 공기 역학적 특성을 조정하기 위하여 공기 흐름을 갖는 표면에 결합된 플록을 적용하는 것을 기술한다. US 7,318,619는 길이가 0.5, 1.0 및 2.5 mm인 섬유를 갖는 플록킹된 NACA 2412 에어로호일을 사용하여 높은 공격각에서 증가된 양력(lift) 및 감소된 항력을 보고한다. 그러나, 제로의 공격각에서 섬유로 덮인 에어로호일에 대해 측정된 항력 계수 CD는, 노출된 에어로호일에 비해, 0.5mm 길이의 섬유에서 40% 더 높고(CD 0.7 대비 매끄러운 호일의 경우 CD 0.5), 1.5mm 길이의 섬유에서 60% 더 높고(CD 0.8 대비 매끄러운 호일의 경우 CD 0.5), 2.5mm 길이의 섬유에서 80% 더 높다(CD 0.9 대비 매끄러운 호일의 경우 CD 0.5). 더욱이, 섬유는 에어호일의 리프트면에만 적용되는 반면, 선박의 경우 이는 양력 대신 마찰 항력에 의해 주로 지배되는 다른 면이다. 이러한 정보에 기초하여, 숙련된 당업자는 공기 역학에 대한 발견을, 제로의 공격각에서 항해하는 수상 선박 움직임과 관련된 유체 역학을 개선하기 위해 외삽하지 않을 것이다. 사실, 어떤 경우라도, 이는 섬유 코팅된 수상 선박에 대해 플록킹이 없는 것과 비교하여 더 큰 항력 계수를 숙련된 당업자가 기대하도록 교시하지 않을 것이다.
US 3,554,154는 워터 라인 아래의 외부 표면으로부터 돌출된 다수의 억센털(bristles)을 갖는 보트를 기술하는데, 억센털은 보트가 물을 통해 움직임으로써 생성된 캐비테이션 소용돌이를 약화시키기에 충분히 서로 가깝다. 캐비테이션의 효과는 주어진 온도에서 증기 포화 압력 미만의 압력 감소에 의해 발생한다. 상기 문헌에 따르면, 보트의 외부 표면을 억센털로 덮으면 캐비테이션 효과를 약화시키고 보트가 물을 통해 이동함으로써 발생하는 마찰을 감소시킨다. 그러나, 전문가의 경우, 캐비테이션 포인트보다 위의 선체의 흐름 특성은 캐비테이션 포인트 아래의 (정상) 흐름 특성과 현저히 다르다. 캐비테이션은 프로펠러 및 부속기에 중요하지만, 압력-강하 조건이 없는 선박의 움직임에 대한 항력과 거의 관련이 없다.
DE19704207은 섬유가 평평하게 놓인 섬유 패턴으로 외부 표면을 코팅함으로써 부유 몸체의 물 저항성(피부 마찰)의 감소시키는 것을 기술한다. 전도체(Conductors)는 섬유의 지지층에 혼입되어 물의 전하와 반대인 양전하를 적용한다. 고전압은 마그네슘 캐소드를 갖는 제어 시스템에 의해 인가된다. 양전하는 섬유의 접착층 내에 매립된 와이어에 의해 또는 전도성 접착제를 사용함으로써 적용될 수 있다. 섬유는 롤러에 의한 적용 중에 필요한 패턴으로 놓여진다. DE19704207에서는, 흐름에 직각이거나 기울어진 섬유만을 갖는 구조는, 섬유가 공기 쿠션/공기 윤활 작용을 하는 작은 소용돌이를 생성한다는 사실을 기반으로, 저항 감소 효과를 제공한다고 기술된다. 공기 윤활은 피부 마찰 저항을 감소시키는 것으로 알려진 개념이다. 선체 상의 얇은 공기 층은 물과 비교하여 공기의 점도가 낮기 때문에 피부 마찰을 실질적으로 낮출 수 있다. 공기 층은 이 경우 선체와 물 사이에서 공기 베어링과 같은 윤활제로서 작용한다. 그러나, 대부분의 선박 선체의 형태는 자연적으로 에어 쿠션의 빠른 이탈을 야기할 것이고, 이러한 공기 층을 유지하기 위해서는 일정한 공기 보충(버블-인젝션)이 필요할 것이다. 이는 에너지 절약 모드로 보이지 않는다.
2011년 뮌헨에서 열린 제21회 국제 플록 심포지엄에서, Hofmann은 공기 포집(공기 윤활)을 기반으로 피부 마찰을 감소시키는 플록킹된 표면을 기술한다. 그러나, 공기 포집은 공기 보충 속도를 수정할 수 있지만 공기 공급의 필요성을 제거하지 않을 것이다. 따라서, 포획된 공기(예를 들어, 플록 내에서)에만 의존하는 수동 시스템은 선박이 이동한 직후에 그 효과를 잃을 것이다.
위의 어느 것도 잠수 (해양) 물체에 누적된 힘의 감소를 가르치지 않는다. 무엇보다도, 이 기술은, 일반적으로 물 속에서 이동하는 물체 상에 섬유를 적용하도록 유도하지 않는, 증가된 마찰 저항을 가르친다.
대부분의 인공 구조물이 물 표면에 있기 때문에, 본 발명은 해양 포유동물 피부를 모방하여 상기 구조물의 유체 역학을 개선하는 것이다. 포유동물은 종종 표면에서 수영하며 우세한 항력을 효율적으로 처리한다. 전반적인 유체 역학을 개선하기 위하여 해양 포유동물 털가죽(pelage)을 모방하는 것은 완전히 새로운 접근법이며, 이 기술은 길이의 효과를 논의하지만 뻣뻣함의 효과(억센털 대비 퍼를 비교)는 다루지 않는다. 본 발명자는, 이동가능한 또는 이동하는 선박의 선체와 같은 수중 구조물에, 또는 연안 풍력 모노파일(offshore wind monopile) 및 연안 굴착기(off-shore rig)와 같은 수중 정적 구조물에 0.3 - 4 mm의 평균 섬유 길이 및 5 - 80 마이크론의 평균 섬유 두께를 갖는 연질의(soft) 섬유 플록 재료를 적용할 때, 물 흐름의 공격각이 본질적으로 0도이면, 전체 항력은 부정적으로 영향을 받지 않고, (피부) 마찰이 현저하게 증가함에 따라 이들 섬유 플록 재료는 총 항력의 감소를 야기할 수 있는 우수한 잔류 항력 감소 특성을 갖는다는 것을 뜻밖에 발견하였다.
실시예에서, 더 얇은 섬유가 더 두꺼운 섬유에 비해 감소된 마찰 저항을 갖고, 더 긴 섬유가 더 짧은 섬유에 비해 높은 표면 마찰을 가지므로, 섬유 길이 및 직경을 기반으로 흐름 특성을 최적화하는 도구를 제시한다. 또한, 표면 구조물의 효과는 표면에 오염이 없는 한 우세하기 때문에, 오염을 멀리 하는 것이 중요하거나 오염이 발생하면 세정하기 쉽다. 본 발명자는 본 발명의 섬유 길이 및 두께 및 선택적으로 두께 대 길이 비율을 연구할 때 이들 두 목적이 합쳐질 수 있음을 발견하였다. 상기 섬유는 청소하기 쉽다.
일 구현예에서, 구조물은 이동하는 또는 (자체)이동가능한 해상 선박이다. 이와 관련하여, 본 발명은 물을 통과하는 해상 선박의 연료 소비의 감소에 관한 것이다. 다른 일 구현예에서, 구조물은 연안 풍력 모노파일 또는 연안 굴착기와 같은 정적 구조물이다.
관련된 측면에서, 본 발명은 잔류 항력을 감소시키기 위한, 이동가능한 또는 이동하는 해상 구조물 또는 연안 풍력 모노파일 또는 연안 굴착기와 같은 정적 구조물의 수중 표면 상의 섬유 코팅된 재료에 관한 것으로서, 상기 재료는 본 명세서 및 청구범위에 정의된 평균 섬유 길이 및 평균 섬유 두께를 갖는 섬유를 포함하거나 그로 구성된다.
섬유 코팅된 재료는 개선된 세정 특성을 가지며, 즉 좋기로는 세정이 용이하다.
도 1: 선박의 속도-길이 비율(V/(√L) 상의 총 항력 계수 Ctotal의 의존성을 보여주는 개략도: ('1') 피부 마찰 항력 계수, ('2') 잔류 항력 계수, ('3') 층류(laminar flow)의 선, ('4') 난류로 전이, ('5') 난류, ('6') 완전 난류, ('7') 파도 생성 저항에 대한 Ctotal의 언덕(hump), ('8') 파도 생성 저항으로 인한 Ctotal의 움푹 꺼짐(hollow).
도 2: 이동 모드에서 특정 엔진 회전수로 달성된 선박 속도(노트)에 대한 섬유 플록의 효과. 다이아몬드('2')는 긴 섬유(평균 길이 2.5 - 3 mm)의 결과를 표시하고, 사각형('1')은 단섬유(평균 길이 0.5 - 1.5 mm)를 표시하고, 원('3')은 코팅되지 않은 선박 표면에서 얻은 것이다.
도 2: 이동 모드에서 특정 엔진 회전수로 달성된 선박 속도(노트)에 대한 섬유 플록의 효과. 다이아몬드('2')는 긴 섬유(평균 길이 2.5 - 3 mm)의 결과를 표시하고, 사각형('1')은 단섬유(평균 길이 0.5 - 1.5 mm)를 표시하고, 원('3')은 코팅되지 않은 선박 표면에서 얻은 것이다.
일 측면에서, 본 발명은 (유체 역학적) 잔류 항력을 감소시키기 위하여 섬유 코팅된 재료를 구조물의 수중 표면 상에 사용하는 것에 관한 것으로, 상기 재료는 0.3 내지 4 mm의 평균 섬유 길이 및 5 내지 80 마이크론의 평균 섬유 두께를 갖는 섬유를 포함하거나 그로 구성된다. 다른 일 측면에서, 본 발명은 물에 잠긴 구조물의 잔류 항력을 감소시키기 위한 방법에 관한 것으로, 구조물의 수중 표면의 적어도 일부에는 섬유 코팅된 재료가 제공되며, 상기 재료는 0.3 내지 4 mm의 평균 섬유 길이 및 5 내지 80 마이크론의 평균 섬유 두께를 갖는 섬유를 포함하거나 그로 구성된다.
일 구현예에서, 섬유의 평균 길이는 좋기로는 0.5 내지 3.5 mm, 더욱 좋기로는 0.5 내지 3 mm, 더욱 좋기로는 2.5 mm 미만, 더더욱 좋기로는 2 mm 미만, 가장 좋기로는 1 mm 미만, 가장 좋기로는 0.5 내지 1 mm이다.
일 구현예에서, 개선된 세정성(cleanability)을 위하여, 섬유의 평균 두께는 좋기로는 80 μm 미만, 좋기로는 75 μm 미만, 좋기로는 70 μm 미만, 더욱 좋기로는 60 μm 미만, 더욱 좋기로는 50 μm 미만, 더더욱 좋기로는 45 μm 미만, 가장 좋기로는 30 μm 미만이다.
바람직한 일 구현예에서, 상기 바람직한 평균 섬유 길이 및 평균 섬유 두께는 조합된다. 이들 범위 내에서, 평균 두께와 평균 길이의 실제 조합은 특정 용도에 대한 최적의 항력 및 세정성에 따라 선택될 수 있다. 다른 일 구현예에서, 개선된 세정성을 위하여, 평균 섬유 길이는 좋기로는 적어도 1 mm, 더욱 좋기로는 적어도 2mm, 가장 좋기로는 2 내지 4 mm, 더욱 좋기로는 적어도 2.5 mm, 및 좋기로는 앞서 정의된 바와 같은 평균 섬유 두께를 갖는다. 하지만, 이들 긴 섬유에 있어 개선된 세정성은 잔류 항력 감소에 덜 유리하다. 만일 본 발명의 범위 내에서 잔류 항력 문제를 해결하는 것이 보다 중요하다면, 평균 섬유 길이는 좋기로는 3.5 mm 미만, 더욱 좋기로는 3.0 mm 미만, 가장 좋기로는 2.5 mm 미만, 더더욱 좋기로는 2.0 mm 미만이다. 섬유 길이가 짧으면, 세정에 더 많은 주의가 필요할 것이다.
전술한 범위 내에서, 본 발명에 따른 섬유는 두께 대 길이 비율(평균 섬유 길이와 평균 섬유 두께에 기반함)이 좋기로는 0.05 이하, 좋기로는 0.04 미만, 더욱 좋기로는 0.03 미만(즉, 평균 직경/평균 길이)이다. 두께 대 길이 비율은 좋기로는 적어도 0.005, 더욱 좋기로는 적어도 0.009, 가장 좋기로는 적어도 0.01이다.
포유동물의 퍼를 모방하기 위하여, 연질 섬유가 정전기 플록킹에 의해 물체의 표면 상에 도포된다. 이 기술에 의해, 하전가능한(chargeable) 섬유는 섬유 용기와 플록킹될 (접지된) 물체 사이의 고전압 전기장에서 하전될 수 있다. 전기장으로 인해, 섬유는 물체로 직접 흐르고 섬유는 수직으로 접근한다. 물체 상에 적용된 접착제는 섬유를 잡고, 건조 및 가교 공정 후 섬유는 영구하게 붙는다. 섬유는 방향이 있게 플록킹될 수 있어, 스트림 방식 위치설정이 가능하다. 섬유 재료는 예를 들어 비스코스, 폴리에스테르 및 폴리아미드와 같이 다양할 수 있고, 치수 및 밀도는 크게 다양할 수 있다. 서로 상이한 섬유가 물 흐름에서 서로 상이한 거동을 경험할 것이고, 섬유 재료와 치수(길이, 직경, 두께 대 길이 비율) 둘다 중요함은 분명하다. 또한, 서로 상이한 포유동물은 서로 상이한 퍼 헤어를 가지므로, 유체 역학을 최적화하는 올바른 섬유를 찾기 위해서는 선택 및 최적화가 필수적이다.
섬유 코팅된 표면에서의 유체 역학 현상을 이해하기 위하여, 특히 섬유의 항력 감소 특성에 반대로 교시하는 선행기술의 실망스러운 결과를 보면, 항력의 서로 상이한 구성요소들을 분별해야 한다. 항력의 수중 부분은 본질적으로 마찰 및 잔류 항력으로 구성된다. 이러한 항력 구성요소들은 서로 독립적이다.
중요한 것은 물체와 관련된 유체(물)의 상대적인 움직임이기 때문에, 유체를 통해 움직이는 몸체에 대한 유리한 잔류 항력 감소 효과에 대해 기술된 모든 것은 유체가 정적 (수중) 구조물 주변으로 흐르는 상황으로 자동 변환된다.
마찰 항력은 물의 내부 점도에 기인하고 물체 주변의 물 체적의 전단 운동에 기인한다. 몸체가 유체를 통해 이동할 때 경계 층은 노출된 표면 상에 발생한다: 고체 표면에 바로 근접한 유체 층은 몸체와 관련하여 움직이지 않는다. 즉 유체 층은 몸체에 부착되며 그 속도로 움직인다(논-슬립 경계 조건); 인접한 유체 층들은 몸체로부터 멀리 떨어져 유체가 완전히 정지될 때까지 점차 감소하는 속도를 갖는다. (반대로, 유체가 정적 구조물 주변으로 이동할 때, 구조물 표면에서 제로 속도에 이를 때까지 경계 층 내에서 속도가 느려진다.) 경계 층 내의 마찰은 유체(물)의 점도에 의해 결정되고, 몸체의 마찰 저항을 지배한다. 유체를 통해 이동하는 선박의 마찰 저항은 선박 선체의 젖은 면적에 비례하며 경계 층의 두께에 따라 달라진다. 경계 층의 상태 및 두께는 선박 속도에 따라 변하고 선박의 최대 전방 점을 기준으로 하여 선체를 따르는 위치에 따라 변한다. 저속에서 전방 경계 층에 가깝게 층류가 있다(인접한 유체 층들 사이의 확산 이동). 고속 및/또는 전방 경계 층에서 멀리 난류가 발생한다(소용돌이의 생성 및 유체 특성의 혼란스러운 변화와 관련된 인접한 유체 층들 사이의 대류 이동). 이 기술에서, 마찰 항력 및 이를 감소시키는 방법에 대해 많은 주의가 집중되었다.
잔류 항력은 주로 형상 항력(form drag)('압력' 항력으로도 알려짐) 및 조 파(wave)(또는 '파도 생성') 항력으로 이루어진다:
1. 이동하는 해상 선박을 갖는 구현예에서, 형상 항력은 선박의 형태에 의존하며, 선박의 전방 및 후방에서의 압력 차이로부터 유래한다. 선박이 물을 통해 이동할 때, 선박의 전방에서의 물은 갈라져서 선박 주위로 이동하게 되며, 이러한 현상은 국부적인 압력 상승과 관련이 있다. 반대로, 선박의 후방에서 물은 재결합하여 선박이 지나간 후 남은 공백을 채운다. 이것이 효율적으로 수행되지 않으면, 국부적인 낮은 압력이 선박 뒤에 형성된다. 이러한 압력 차이는 선박 단면적에 작용하고 감속하는 힘의 형상 항력을 발휘한다. 형상 항력은 선체의 형태 및 선박 뒤에 형성된 후류(wake)에 의존한다. 흐름 분리는 후류를 증가시키고 후방 압력이 회복되는 효율을 감소시키므로, 형상 항력의 증가를 초래한다.
2. 조파 항력(파도 생성 항력)은 파도의 형성과 관련이 있다. 잔잔한 물에서 파도 시스템은 선박이 지나간 후 물 표면에서 발달한다. 따라서, 선박의 에너지 일부는 이러한 파도 시스템을 동요시키는데 사용되었다. 이는 항력-조파 항력과 관련이 있다. 조파 항력은 선박의 전방 및 후방에서의 압력 차이에 의존하므로, 선박의 길이, 선체의 형태에 의존하고, 뿐만 아니라 경계 층 내의 점성 소실에 의존한다.
도 1은 수상 선박의 속도-길이 비율에 대한 서로 상이한 항력 요소(총 항력 계수에 있어서)를 입증한다. 낮은 속도-길이 비율에서 낮은 레이놀즈 수(Reynolds numbers)(Re=ρVL/μ, 여기서 ρ는 유체의 밀도이고, μ는 점도이고, V는 유체에 대한 선박의 속도이고, L은 선박의 길이임)와 관련된, 마찰 항력('1')이 지배적이다. 또한, 마찰 항력 계수는 V/(√L)에 의해 감소한다. 총 항력 계수는 초기에는 동일한 추세를 따르지만, 높은 V/(√L)에서는 잔류 항력('2') 기여는 증가하여 결국 지배적이다. 전형적인 선박 순항 속도에서 잔류 항력은 선박이 경험한 총 항력의 50%를 초과하여 기여할 수 있다.
본 발명자의 발견에 따르면, 실시예 4, 5 및 7에서 보인 바와 같이 전반적인 항력은 중립적(neutral)이었고, 실시예 1에 보인 바와 같이, 마찰 항력이 증가함에 따라 잔류 항력이 본질적으로 감소했다.
잔류 항력에 대한 본 발명자의 발견은, 잔류 항력 감소를 유지하는 동안 마찰 기여를 감소시키기 위하여 섬유 길이 및 두께가 발명자의 초기 발견 섬유로부터 변화된 경우, 물을 통해 이동하는 선박에 있어서 전체 항력 특성 및 그와 관련된 연료 감소를 유리하게 유지하거나 심지어 낮추는 것을 초래할 수 있다.
실시예 1은 서로 상이한 길이 및 두께를 갖는 섬유 코팅된 디스크 상의 마찰 항력의 차이를 명확히 보여준다. 섬유가 짧을수록 마찰 항력이 낮아진다; 섬유가 동일한 평균 길이에서 더 얇을수록 마찰 항력이 낮아진다. 이러한 발견은 마찰 항력을 감소시키기 위해서는 섬유가 가능한 짧고 얇아야 함을 의미한다. 그러나, 잔류 저항의 감소가 여전히 존재하도록, 따라서 특히 섬유 길이의 최소값이 존재하도록, 치수는 주의 깊게 선택되어야 한다. 실시예 7에서 보인 바와 같이, 마찰 항력에 의해 지배되는 길고 가느다란 선박의 경우 항력은 0.7 mm 섬유에 대해 중립적이며, 이는 잔류 항력 특성이 존재하는 섬유이다. 실시예 4 및 5의 경우 중립 항력이 3 mm 길이와 두께의 섬유에서 발견되었다는 사실은 이 길이 영역에서 여전히 선박 형태에 의존하여, 잔류 항력 감소가 마찰 항력 상승과 매치될 수 있음을 보여준다.
잔류 항력 효과를 최적화하기 위하여, 더 연질의 섬유가 더 단단한 섬유보다 바람직하고, 더 짧은 섬유가 더 긴 섬유보다 바람직하다. 좋기로는, 평균 섬유 두께는 5-80 μm, 더욱 좋기로는 5 - 75 μm, 특히 5 - 70 μm, 좋기로는 60 μm 미만, 더욱 좋기로는 50 μm 미만, 가장 좋기로는 45 μm 미만, 특히 좋기로는 10 - 30 μm 범위이다.
항력 효과가 지속되기 위해서는, 표면이 오염(생물학적, 화학적, 침전) 없이 유지되어야 한다. 이러한 측면에서, 본 발명의 제2 측면은 표면을 쉽게 세정할 필요를 교시한다. 인공 털가죽의 섬유는 오염이 절연된 물체의 표면에 쉽게 도달하는 것을 방지한다. 자연적으로 유기물 또는 무기물인 오염은 섬유의 상부를 "오염"시켜 그 위치에 퇴적층을 생성할 것이다. 섬유 상의 이러한 정착은 오염 아래에 공간을 남겨 두며, 이러한 공간은, 세정 도구가 쉽게 섬유 매트에서 눌러져서 상부 대신 바닥면으로부터 제거를 가능하게 할 수 있기 때문에, 용이한 세정을 가능하게 한다.
섬유의 길이가 세정성에 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 단섬유는 세정 도구를 배치할 하부 공간을 거의 남기지 않으며, 열대 유기체에 의해 분비된 접착제가 두껍고 3-4 mm 길이 섬유를 완전히 매립할 수 있기 때문에 심지어 단단한 부착을 초래할 수 있다. 실시예 6은 종래의 방오 코팅과 비교하여, 북유럽 수역 조건에서 단섬유와 장섬유 형태 사이의 세정 차이를 보여준다.
또 다른 측면에서, 선박 또는 구조물의 유휴 시간의 경우, 오염이 일어날 수 있고 세정성이 더욱 중요해진다. 이들 경우, 더 긴 유연성 섬유가 짧은 것보다 및 두꺼운 것보다 바람직하다. 실시예 6은 서로 상이한 섬유의 세정성을 비교한다.
섬유 플록의 밀도('플록 밀도')는 좋기로는 통상적인 것이며, 숙련된 사람의 능력 안에서 최대 약 25% 범위의 실제 플록 밀도를 달성한다. 플록 같은 특성을 얻기 위해서는 3%의 최소 밀도가 바람직하다. 잔류 항력 감소가 달성되는 밀도에 있어서 명확한 제한은 없지만, 플록 밀도는 좋기로는 3 - 25% 범위, 더욱 좋기로는 5-15% 범위이다.
모든 종류의 섬유 형성 재료가 사용될 수 있다. 친수성 및 소수성 폴리머가 둘다 사용될 수 있다. 섬유는 일반적으로 폴리에스테르, 폴리아미드 또는 폴리아크릴레이트, 예를 들어 폴리에스테르, 예컨대 폴리(에틸렌) 테레프탈레이트 및 폴리(부틸렌) 테레프탈레이트, 나일론 6, 11, 12, 66 및 610로 대표되는 폴리아미드, 폴리우레탄, (개질된) 폴리(비닐 알코올), 폴리알킬렌, 예컨대 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 또는 이들의 개질된 (공중합) 형태로 구성된다. 또한, 레이온과 같은 천연 섬유가 적용될 수 있다. 섬유는 좋기로는 좋기로는 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴레이트, 폴리실록산, 플루오로폴리머 및 이들의 조합으로부터 선택된 합성 섬유 재료로 이루어진다. 섬유는 전술한 유형의 개질제, 공중합체 또는 혼합물을 포함할 수도 있다. 섬유는 좋기로는 폴리아미드 또는 폴리프로필렌을 포함한다.
일 구현예에서, 잔류 항력 감소는 마찰 항력 증가를 좋기로는 적어도 1%, 더욱 좋기로는 적어도 2.5%, 가장 좋기로는 적어도 5%까지 보상하거나 심지어 대체하여, 총 항력을 감소시킨다.
선박 선체와 같은 구조물의 수중 부분(워터라인 아래)의 좋기로는 적어도 5%, 더욱 좋기로는 적어도 10%는 섬유 플록 재료로 덮인다. 일 구현예에서, (선박 선체의) 수중 부분의 좋기로는 전부, 좋기로는 90% 미만, 더욱 좋기로는 80% 미만, 더더욱 좋기로는 50% 미만이 섬유 플록 재료로 덮인다. 이는 경제적 관점에서도 그렇고, 선박의 경우 주로 평평한 바닥과 수직면에서 발생하는 마찰 항력을 합리적 수준으로 유지하기 위해서도 그렇다.
본 발명은 예측가능한 경흘수(shallow draft)를 갖는 소형 (해상) 선박 및 비교적 짧은 선체 또는 가변 흘수 및 긴 선체를 갖는 큰 배수량 선체에 사용되기에 적합한 항력 문제에 대한 해결책을 제공한다. 일 구현예에서, 섬유 플록은 물을 통과하는 물체에 적용된다.
또한, 본 발명은, 물과 구조물 사이의 상대 운동에 의해 항력이 야기될 때, 구조물 주변으로 또는 구조물을 통하는 물의 흐름이 구조물에 힘을 가하는, 물에 잠긴 정적 구조물에 대한 해결책을 제공한다. 섬유 플록의 사용은 유리하게 잔류 항력 및 구조물에 작용하는 힘의 양을 감소시킨다. 바람직한 (수중) 정적 구조물로는 연안 풍력 모노파일 및 연안 굴착기, 뿐만 아니라 플랫폼, 석유 굴착기, 계선주(mooring post) 및 부표가 있다.
따라서, 본 발명은 물에서 사용하기 위한 섬유 코팅된 구조물에 관한 것이며, 여기서 표면의 적어도 일부는 마찰 항력을 낮게 유지하기 위하여 4 mm 미만이고, 잔류 항력의 감소가 가능하도록 0.3 mm보다 긴 평균 길이를 갖는 섬유의 섬유 플록으로 덮인다. 좋기로는, 평균 섬유 길이는 짧고, 즉 0.5 mm 내지 4 mm, 항력 최적화를 위해 좋기로는 0.5 내지 1.5 mm, 세정성 최적화를 위해 좋기로는 2 내지 3 mm이다. 섬유의 밀도 및 두께는 요구되는 속도 또는 오염(무기 및 생물학적)의 세정 용이성과 같은(그러나 이에 국한되지 않음) 추가 요건에 따라 최적화될 수 있다.
달리 명시되지 않는한, 설명 및 청구항 전반에 걸쳐 주어진 두께, 길이, 밀도 및 비율의 값은 평균이다. 개별 섬유의 5% 미만의 언더컷 및 오버컷이 허용된다.
본 발명은 오염물이 표면을 오염시키는 경우에만 적절하게 기능할 수 있다. 결국 모든 표면이 오염될 것이므로, 얻어질 최선의 표면은 세정이 용이한 표면이다. 따라서, 본 발명은 섬유의 세정이 용이한 효과에 관한 것이다. 세정과 관련하여 최적화를 위하여, 더 길고 연질의 섬유가 단단하고 짧은 섬유보다 바람직하다 (실시예 6 참조).
실시예
실시예
1 - 회전 디스크
셋업에
의한 마찰 저항의 측정
마찰 항력 시험은 물에서 회전하는, 섬유로 코팅된 회전 PVC-디스크를 사용하여, 실험실 환경에서 수행되었다. 평평한 PVC-디스크를 측정하는 것 외에도, 두 세트의 디스크를 비교하였다: 동일한 평균 직경, 상이한 평균 길이(0.5 및 1.0 mm)를 갖는 단섬유와 상이한 평균 직경(27, 50 및 70 μm)을 갖는 장섬유(평균 3 mm). 특정한 토크로부터 얻은 회전 속도가 측정되었다. 몇 개의 토크 값이 사용되었고, 각 경우에 특징적인 토크가 측정되었다. 평판 조건이 있을 경우, 저항은 순전히 마찰과 관련된다. 측정은 서로 상이한 토크에서 수행되었다.
하나의 특징적 측정에서, 0.5 mm 길이의 섬유로 덮인 표면은 매끄러운 PVC 디스크에 비해 회전 속도에서 29%의 감소를 가져왔지만, 1.0 mm 길이의 섬유로 덮인 표면은 회전 속도에서 35%의 감소를 가져왔으며, 이는 더 짧은 섬유가 더 낮은 마찰 증가를 가져옴을 보여준다. 다른 일 특징적 측정에서, 3 mm 길이 섬유 세트의 경우, 27 mm 직경의 섬유로 덮인 표면은 매끄러운 PVC 디스크에 비해 46% 더 낮은 회전 속도를 얻었고, 50 mm 직경의 섬유로 덮인 표면은 48% 더 낮은 회전 속도를 얻었고, 70 mm 직경의 섬유로 덮인 표면은 51% 더 낮은 회전 속도를 얻었는데, 이는 두꺼운 섬유가 더 높은 마찰 증가를 가져옴을 보여준다.
실시예
2 - 세정 특성
연안 대기 선박은 평균 3 mm 섬유(44μm의 평균 섬유 두께)로 덮인 필름으로 코팅되었고, 선박은 물에서 2.5년 시험되었는데, 이는 오일 플랫폼 근처의 대기 위치에서 유휴 상태이고 때때로 항해하는 것을 뜻한다. 2년 후 오염은 거의 존재하지 않았고(수중 검사), 2.5년 후 선박은 건조 도크(dry docked)되었다. 건조 도크 중에, 존재하는 오염은 용이하게 제거될 수 있었다. 오염의 작은 분획은 3 mm 두께 섬유 층을 관통하는 두꺼운 접착제 층에 의해 영구적으로 붙었다.
실시예
3 - 항력
플록 섬유(평균 길이 3 mm, 평균 직경 70 μm; 통상적인 플록 밀도)의 시트를 알루미늄 파일럿 보트에 부착하였고, 속도 시험을 수행하였다. 해류 및 바람의 영향을 방지하기 위하여, 속도 시험은 2 방향으로 수행하였다. 속도 시험 후, 시트를 제거하고 동일한 속도 시험을 매끄러운 선체에 대해 수행하였다. 각 시운전 전에, 선박에 연료를 재급유하였다. 매끄러운 선체에 대한 시험 후, 제2 시트를 선체에 부착하였는데, 이번에는 유사한 플록 밀도를 갖는 단섬유(평균 길이 0.7 mm, 평균 직경 13 μm)를 포함하였다.
시험은 다음과 같이 진행되었다: 먼저 엔진의 원하는 rpm(분당 회전수)으로 실시하고, 추진력을 고정시킨 다음 선박이 인정한 속도를 내도록 하였다. 표면에 대한 엔진 rpm, 선박의 좌표, 방향 및 속도를 비롯한 데이터를 5초 마다 기록하였다. 주어진 엔진 rpm에 대하여, 선박의 속도를 2회의 운전으로부터의 평균으로 계산하였다: 하나는 주된 기상 조건의 방향이고; 두 번째는 반대 방향으로 운전하였다. 각 엔진 rpm에 대하여, 속도 오차(speed errors)를 개별 측정값으로부터 통계학적으로 계산하였고, 2회의 운전 중 큰 값을 적절한 것으로 인정하였다.
도 2는 시험 결과를 보여준다. 배가 변위 모드로 유지되는 한 특정 엔진 출력으로 얻은 속도는 매끄러운 선체와 장섬유에 있어 동일하다는 것이 명백하다. 단섬유의 결과를 보면, 동일한 엔진 출력에서 7% (고속에서)로부터 20% 초과(저속에서)까지 속도의 큰 증가가 달성된다.
실시예
4 - 항력
플록 섬유 시트(평균 길이 3 mm; 평균 직경 70 μm, 통상적인 플록 밀도)를 항만 예인선에 부착하고 일반 방오 페인트를 동일한 항만 예인선에 적용하였다. 예인선은 용골 냉각 채널을 갖고 선박의 길이는 19.6 m이다. 도달가능한 최대 속도를 설정하기 위하여 이들 두 선박에 대하여 속도 시험을 수행하였다. 섬유 플록 시트를 갖는 예인선은 11.0 노트의 최대 속도에 도달하는 반면, 일반 방오 페인트는 11.2 노트의 최대 속도에 도달하였다. 실시예 1의 실험 결과를 기반으로, 잔류 항력이 크게 감소한 것으로 결론 내릴 수 있었다.
실시예
5 - 항력
플록 섬유 시트(평균 길이 3 mm; 평균 직경 70 μm, 통상적인 플록 밀도)를 34 m 길이의 스틸 크루 텐더(steel crew tender)에 부착하였다. 일반 방오 페인트에 대한 속도 시험은 16.0 노트의 최대 도달가능 속도를 얻었다. 도달가능한 최대 속도를 설정하기 위하여 플록 섬유 시트를 적용한 후 선박에 대하여 속도 시험을 수행하였다. 달성된 최대 속도는 16.5 노트였다. 실시예 3의 실험 결과를 기반으로, 이는 잔류 항력의 큰 감소와 관련이 있다.
실시예
6 - 세정
2가지 평균 섬유 길이(0.7 및 3 mm)를 갖는 플록 섬유 시트를 차가운 물 속의 두 선박에 부착하고, 2개월 후(0.7 mm 섬유 시트) 및 1.5년 후(3 mm 섬유 시트) 검사하였다. 3 mm 섬유 시트로 코팅된 것과 동일한 선박을 비교를 위하여 일반 방오 페인트로 코팅하고, 1.5년 동안 유사한 방식으로 사용하였다. 이들 3 선박은 어느 정도의 오염을 나타내었고, 세정을 수행하였다. 단섬유는 평평한 금속 시트 세정 도구가 필요했으며, 음속 시트를 오염물 아래로 밀어냄으로써 쉽게 세정되었다. 장섬유 시트의 경우 1.5년 후에도, 세정이 간단하게 맨손으로 가능하였다. 일반 방오 페인트의 경우, 다이브 나이프로 세정해도 전체 코팅 시스템이 제거되었고, 이는 섬유가 존재하지 않는 표면을 세정하는 것이 불가능함을 보여준다.
실시예
7 - 항력
플록 섬유 시트(평균 길이 0.7 mm; 평균 직경 14 μm, 통상적인 플록 밀도)를 220 m 길이의 가느다란 선박에 부착하였다. 일반 방오 페인트에 대한 속도 시험은 21.6 노트의 최대 도달가능 속도를 얻었다. 도달가능한 최대 속도를 설정하기 위하여 플록 섬유 시트를 적용한 후 선박에 대하여 속도 시험을 수행하였다. 달성된 최대 속도는 21.3 노트였다. 비교예 3의 실험 결과를 기반으로, 이 섬유의 경우 30-35% 범위의 마찰 저항이 증가하였고, 동등한 속도는 상기 섬유로 코팅된 선박에 있어 잔류 항력의 큰 감소와 관련이 있다.
Claims (17)
- 물에 잠긴 구조물의 잔류 항력(residual drag)을 감소시키기 위한 방법으로서,
구조물의 수중 표면의 적어도 일부에는 연질의 섬유 코팅된 재료가 제공되고, 상기 재료는 0.3 내지 4 mm의 평균 섬유 길이 및 5 내지 80 μm의 평균 섬유 두께를 갖는 섬유를 포함하거나 그것으로 구성되는 것이고,
상기 섬유는 상기 구조물의 수중 표면에 수직으로 위치하고,
물 흐름의 공격각(angle of attack)은 0도인 것인, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 구조물의 수중 표면은 이동가능한 또는 이동하는 선박의 선체, 또는 연안 풍력 모노파일(offshore wind monopiles) 및 연안 굴착기와 같은 정적 구조물의 수중 부분인 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 물을 통과하는 해상 선박의 연료 소비를 감소시키기 위한 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 물을 통과하는 해상 선박의 전체 항력(drag)을 감소시키기 위한 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 평균 섬유 두께는 5 내지 30μm인 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 섬유는, 평균 섬유 길이 및 평균 섬유 두께에 기반하여, 두께 대 길이 비율이 0.03 이하인 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 섬유는, 평균 섬유 길이 및 평균 섬유 두께에 기반하여, 두께 대 길이 비율이 0.01 이하인 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 섬유는 평균 섬유 길이가 2 mm 미만인 것인, 방법.
- 잔류 항력을 감소시키기 위한 이동가능한 또는 이동하는 해상 구조물의 수중 표면 상의 섬유 코팅된 재료로서,
상기 재료는 0.3 내지 4 mm의 평균 섬유 길이 및 5 내지 80 μm의 평균 섬유 두께를 갖는 섬유를 포함하거나 그것으로 구성되는 것이고,
상기 섬유는 상기 구조물의 수중 표면에 수직으로 위치하고,
물 흐름의 공격각(angle of attack)은 0도인 것인, 섬유 코팅된 재료. - 제9항에 있어서, 평균 섬유 길이는 0.5 내지 3 mm 범위인 것인 섬유 코팅된 재료.
- 제9항에 있어서, 평균 섬유 길이는 2 mm 미만인 것인, 섬유 코팅된 재료.
- 제9항에 있어서, 상기 구조물의 수중 표면은 이동가능한 또는 이동하는 선박의 선체, 또는 연안 풍력 모노파일(offshore wind monopiles) 및 연안 굴착기와 같은 정적 구조물의 수중 부분인 것인, 섬유 코팅된 재료.
- 제9항에 있어서, 물을 통과하는 해상 선박의 연료 소비를 감소시키기 위한 것인, 섬유 코팅된 재료.
- 제9항에 있어서, 평균 섬유 두께는 5 내지 30μm인 것인, 섬유 코팅된 재료.
- 제9항에 있어서, 섬유는, 평균 섬유 길이 및 평균 섬유 두께에 기반하여, 두께 대 길이 비율이 0.03 이하인 것인, 섬유 코팅된 재료.
- 제9항에 있어서, 섬유는, 평균 섬유 길이 및 평균 섬유 두께에 기반하여, 두께 대 길이 비율이 0.01 이하인 것인, 섬유 코팅된 재료.
- 제9항에 있어서, 섬유는 합성 섬유 재료이고, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴레이트, 폴리실록산, 플루오로폴리머 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 섬유 코팅된 재료.
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