JP2009535566A - 改良された特性を有するダンピング（ヒーブ）プレート - Google Patents

Abstract

ダンピング（またはヒーブ）プレートが、通過する表面波に反応して垂直方向に運動させられる構造部材に海面下で横向きに取り付けられる概略平坦なプレートを備える。このプレートは垂直方向の動きに抵抗する傾向があり、さらに、構造体に質量を付加する効果がある。垂直に延在する構造体がヒーブプレートの両方の主面に取り付けられ、プレートによって動かされる水の体積を増加させる。ダンピングプレートを使用することによって通常生み出される抵抗力を最小にするために、垂直に延在する構造体は、周りの水の乱流を最小にするような湾曲した流体力学的表面を含むような形状である。

Description

本発明はダンピングプレート（ヒーブプレート（ｈｅａｖｅ ｐｌａｔｅ）としても知られる）の改良に関し、限定はしないが、特に、水の表面上の波に含まれるエネルギーを有用なエネルギーに変換するための装置で使用されるダンピングプレートに関する。

ダンピングプレート、例えば浮遊式石油プラットフォームの水面下にある垂直スパーに取り付けられて水平方向に配置される平面プレートの使用は一般に知られている。プレートは、プレートが取り付けられる部材の質量および粘性抵抗を増大させる効果を有し、その結果、極端に強い表面波および風により部材が壊滅的に動かされる可能性が低くなる。

このようなダンピングプレートはまた、水の表面波がもつエネルギーを有用なエネルギーに変換するための、波エネルギー変換器（ｗａｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＷＥＣ））として知られるいくつかのタイプの装置においても有用である。

このＷＥＣの１つのタイプは、通過する表面波に応答して上下に揺れる１対のフロートを備える。これらのフロート間の相対運動は、例えば電気エネルギーまたは任意の他の有用なエネルギーを生成するためにこれらのフロートの間に連結される発電機などのエネルギー変換器を駆動するのに使用される。

所与のＷＥＣによって生成されるエネルギーの量は、特に、通過する波によって動かされるフロートの質量と相関関係がある。少なくとも１つのフロートの有効質量を増加させるために、水面下にあるダンピングまたはヒーブプレートをフロートから吊り下げるという手法がある。水中でプレートが加速および減速する際にはプレート周りのいくらかの量の水が必ず動くことから、ダンピングプレートが吊り下げられているフロートの有効質量は増加する。プレートによって動かされる水の量が増えると、フロートの質量が増加する。

所与のダンピングプレートによって動かされる水の量はプレートのサイズと相関関係にある。また、その主題事項が、完全に本発明書に記載されているかのように、参照により本明細書に組み込まれている、本出願の譲渡人に譲渡された「Ｈｅａｖｅ Ｐｌａｔｅ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ」と題される同時係属特許出願第＿号および「Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＷＥＣ） ｗｉｔｈ Ｈｅａｖｅ Ｐｌａｔｅｓ」と題される同時係属特許出願第＿号で開示されているように、例えばヒーブプレートの縁部に沿ったリップなどの垂直に延在する構造体を追加することにより、プレートによって動かされる水の量は大幅に増加し、その結果フロートに付加される質量の総量が増加する。

フロートに有効質量を付加するのに有用である一方、少なくともＷＥＣに関連するダンピングプレートの使用に付随する問題は、プレートに付随する粘性抵抗力が相対運動を妨害する傾向があり、したがって発電に悪影響を及ぼす傾向があることである。
米国仮出願第６０／７９６，３８８号 「Ｈｅａｖｅ Ｐｌａｔｅ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ」と題される同時係属特許出願第＿号 「Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＷＥＣ） ｗｉｔｈ Ｈｅａｖｅ Ｐｌａｔｅｓ」と題される同時係属特許出願第＿号 Ｃｈａｋｒａｂａｒｔｉ，Ｓ．Ｋ．、（１９８７）、「Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、ＷＩＴ Ｐｒｅｓｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｈｕａ，Ｋ．Ｈ．、Ｃｌｅｌｌａｎｄ，Ｄ．、Ｈｕａｎｇ，Ｓ．、およびＳｗｏｒｎ、（２００５）、「Ｍｏｄｅｌ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｒｃｅｓ ｏｎ Ｈｅａｖｅ Ｐｌａｔｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ａｒｔｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｈａｌｋｉｄｉｋｉ、Ｇｒｅｅｃｅ Ｆａｌｔｉｎｓｅｎ，Ｏ．Ｍ．、１９９０、「Ｓｅａ Ｌｏａｄｓ ｏｎ Ｓｈｉｐｓ ａｎｄ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ

本発明は、記載したタイプのダンピングプレートの使用に通常付随する抵抗力を最小にする手段を提供する。

概略平坦な形状のダンピング（ヒーブ）プレートは、プレートによって動かされる水の体積を増加させるために、通常はプレートの縁部に沿ったレッジまたはリップの形態である突出構造体を有する。本発明によれば、この突出構造体は、囲んでいる水の乱流およびそれに付随する抵抗力を最小にするための湾曲した流体力学的表面を含んだ流線形状である。

図面は概略的なものであって、縮尺に合わせて描かれたものではない。

図１に概略的に示すように、好適なＷＥＣが、概略平坦な形状の第１の環状フロート１０と、環状フロート１０を貫通している開口部２２を通って延在する、「スパー」フロートと称される第２の細長いフロート２０とを有する。既知の技術に従うと、これら２つのフロートは、通過する表面波に応答して一般には位相ずれの関係で上下に揺れるように構成される。動力取出装置（ｐｏｗｅｒ ｔａｋｅ ｏｆｆ ｄｅｖｉｃｅ（ＰＴＯ））１００がフロートとスパーとの間に連結されており、これらの相対運動を有用なエネルギー（例えば電気エネルギー）に変換する。

ダンピングプレート３０が、スパーフロート２０の有効質量を増加させるためにスパーフロート２０の下端のところに配置される。示すように、ダンピングプレートは、水中でのプレート３０の運動方向に対して横方向に延在する主面３２および３４を有する実質的に平坦なプレートを有する。

ダンピングプレート３０の効果は、プレート自体の質量を大幅に上回る質量をスパーフロート２０に付加することである。このような付加される質量は、プレートの加速または減速がプレート移動時のプレート周りの流体のいくらかの体積の移動を必要とすることに起因する。本明細書で開示する追加の構造体がなくプレート自体が移動する流体の体積は、プレートの対応する体積に実験によって定められるある係数を掛けたものと一致する（Ｃｈａｋｒａｂａｒｔｉ，Ｓ．Ｋ．、（１９８７）、「Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、ＷＩＴ Ｐｒｅｓｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ、を参照されたい）ことが立証されている。また、動かされる流体の体積は、プレートが動いているときの振動数と相関関係にある。このパラメータは本明細書では考察されない。

プレートの対応する体積はプレートの幾何形状によって決定されるが、一般には、この対応する体積は、例えば長方形プレートの幅または正方形プレートの辺または円形プレートの直径といったようなプレートの横方向寸法と等しい高さ寸法をプレートの面積に掛けたものと等しい。

ダンピングプレートによって生み出される加速流の慣性力は、系の付加質量（水の密度と対応する体積と実験によって定められる係数を掛けたもの）に系の加速度を掛けたものである。
すなわち、
Ｆ_{ｉｎｔａｒｎａｌ}＝（Ｃ_ｍＶ_{ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ}ρ）ａ＝ＡｄｄｅｄＭａｓｓ×ａ （式１）
ここで、Ｃ_ｍは実験により定められる係数であり、Ｖ_{ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ}は上で定義した対応する体積であり、ρは水の密度であり、ａは加速度である。質量の単位を有する項ＡｄｄｅｄＭａｓｓは括弧内の変数の組合せであることに留意されたい。

解析のために、粘性抵抗は、表面摩擦抵抗および形状抵抗として知られる２つの成分に分離されてよい。表面摩擦抵抗は、流体の中を移動している物体の表面（「スキン」）に対する流体の摩擦によって生じる。形状（あるいは、プロファイルまたは圧力）抵抗は、物体の形状すなわち形による流体の境界層剥離に主に起因する。形状抵抗は速度の２乗として変化（非線形的に）するため、非ゼロ速度のときのみ系の粘性抵抗は非ゼロとなる。

流体の境界層は、物体の表面に対する流体の摩擦により物体周りに生成される。流れ剥離、または境界層剥離は、流体の境界層が物体の表面から分離するときに起こる。分離が起こると、流体は小さな渦および渦（回転しており、しばしば乱流となる）を形成する。物体が流体の中を移動するときに流れ剥離により抵抗が増すことがある（ダンピングプレートの場合には抵抗は増す）。実験によって定められる抵抗係数は、相対的な流れ速度に対する粘性抵抗力の強さと関係がある。流れ剥離がない場合、抵抗係数は渦が形成されるときよりもずっと低くなる。プレートの薄さおよびプレートの多孔性は抵抗係数において重要な要素である。というのは、プレートの薄さおよびプレートの多孔性により、流動水が分離することができる一連の鋭角が形成されるからである（Ｃｈｕａ，Ｋ．Ｈ．、Ｃｌｅｌｌａｎｄ，Ｄ．、Ｈｕａｎｇ，Ｓ．、およびＳｗｏｒｎ、（２００５）、「Ｍｏｄｅｌ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｒｃｅｓ ｏｎ Ｈｅａｖｅ Ｐｌａｔｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ａｒｔｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｈａｌｋｉｄｉｋｉ、Ｇｒｅｅｃｅ、を参照されたい）。スパー・ダンピングプレート・ユニットが上下に動くとき、これらの尖った縁部を通過する水の流れは渦を生成する傾向があり、それにより乱流境界層が形成され、その結果、系の減衰が強まる。尖った角を有していない丸みを帯びた形状の円筒や球などの構造体の周りの流れは、尖った縁部とは異なり流れ剥離が起こらない場合もあり、さらには、渦離脱がない剥離、および、上下振幅（物体の直径によって正規化されて評価されることが多い（Ｆａｌｔｉｎｓｅｎ，Ｏ．Ｍ．、１９９０、「Ｓｅａ Ｌｏａｄｓ ｏｎ Ｓｈｉｐｓ ａｎｄ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ、を参照されたい））の増大を伴う渦離脱がある剥離が起こる場合もある。したがって、丸みを帯びた形状の物体がその直径に沿った摩擦のみによって動かされる場合、流れ剥離は起こらない。

系に質量を付加するという問題に戻ると、図２〜９に示したような垂直構造体がダンピングプレートに追加され、プレートによって動かされる流体の体積が増加する。各図は、既知のタイプのダンピングプレート３０が取り付けられているスパーフロート２０の下端を示している。これらの図面は単に概略的なものであり、複数の構成要素からなる「スパー」であるトラススパーを有することも可能である。スパーフロートは垂直方向に揺動するため、追加の構造体は、ダンピングプレートの上側表面および下側表面の両方を取り囲む。

上述したように、ダンピングプレート３０は、それ自体で、主にプレートの面積によって決まるプレートの「対応する体積」に一致する体積の流体を動かす。追加の垂直構造体を用いると、プレートおよび周囲の追加の構造体によって囲まれる体積、すなわち追加の構造体の高さにプレートの面積を掛けたもの、と相関関係にある追加の量の流体が動かされる。また、いくつかの例では、追加の構造体はプレートの有効面積を増加させる働きをし、さらにそれにより、プレートによって動かされる流体の量が増加する。

図２では、追加の構造体は、ダンピングプレート３０の端部に固定されておりダンピングプレート３０の縁部周り全体にわたって垂直に延在する複数の薄プレート４０を有する。これらのプレートは互いに接合されて境界を形成することができ、したがって、プレート３０を取り囲む円筒を構成することができる。垂直プレートにより得られる追加の付加質量は、上方向または下方向のどちらかに移動できるように、プレート３０の上方または下方にあるプレート４０のそれぞれの垂直高さにプレート３０の面積を掛けたものと一致する。図２に示した構造体は、上で引用した米国仮出願第６０／７９６，３８８号で開示されている。しかし、図２のダンピングプレート３０に付随する問題は、プレート４０が、望ましくない高抵抗力を発生させる傾向にある尖った縁部で終端していることである。逆に、図３〜９に示した構造体では、尖った縁部は回避されており、低抵抗力のみが存在する。

図３では、追加の構造体が、断面が円形であり外径Ｄがプレート３０の縁部に沿うように配置される筒状部５０を有する。これにより、図２と同様に、プレート３０の上方および下方にある筒状部５０の高さにプレート３０の面積を掛けたものと一致する付加質量が得られるが、円形筒状部５０の面積によってプレートの面積が増加するという付加的な効果も得られる。この実施形態の利点は、筒状部の壁の垂直部分が滑らかな円形状であることから、流体流れが構造体に接した状態を維持し、それにより抵抗係数が低下することである。

図４では、追加の構造体が、プレート３０を取り囲む楕円筒６０（長楕円形の断面を有する３次元物体）を有する。これにより、長い側がプレート３０に対して垂直方向を向いている場合、図２に示した構造体によって得られる付加質量を上回る付加質量がプレート３０に付加される。楕円筒の滑らかな形状は流体流れをこの構造体に接した状態に維持する傾向があり、それにより抵抗係数が低下する。

図５では、追加物が、垂直円筒６８（図２と同様）の上端および下端のところでプレート３０から離れた方を向いている半円形ビードまたはリム６６を有する。リム６６はダンピングプレートの面積を増加させ、それにより、ダンピングプレートの対応する体積が増加し、その結果ダンピングプレートによって動かされる流体の量が増加する。垂直円筒６８によって得られる追加の付加質量は、円筒の高さにダンピングプレートの面積を掛けたものと一致する。リムの湾曲形状により流体流れがこの構造体に接した状態を維持し、それにより抵抗係数が低下する。

図６では、追加の構造体は、リム７０がプレート縁部の内側を向いていることを除いて図５に示した構造体に類似する。この利点は、リムの内側にある流体がプレート構造体の周りの流体から分離され、それにより渦離脱の強さが弱まり、その結果抵抗係数が低下することである。

図７では、追加の部材が、Ｖ形断面の壁を有しており、したがって垂直要素と水平要素とを含んでいる円筒７２を有する。上述の実施例と同様に、水平要素によりプレート３０の対応する体積が増加してその結果付加質量が得られる。ここでは、垂直要素によって得られる付加質量は、垂直要素の高さにプレートの面積を掛けたものである。図７はまた、この場合では円筒７２の端部のところにある真円の筒状部７４である滑らかな（丸みを帯びた形状の）物体の配置を示しており、これは、流体流れを構造体に接した状態に維持しそれにより抵抗係数を低下させるためのものである。図５および６でそれぞれ示した半円形リム６６および７０などの他の特徴も使用されてよい。

図８および９では、スパー２０に向かってあるいはスパー２０から離れるように湾曲している垂直面を有する厚い円形部材８０または８４をそれぞれプレート３０に追加することにより、前の実施例と同様に、垂直寸法とプレートの面積との積の関数として付加質量が増加する。部材８０および８４は比較的厚い中空として示されている。別法として、円形部材は湾曲プレートを有してもよい。円形部材８０および８４の滑らかな形状は、流体流れが構造体に接した状態を維持するのを助ける。

一般に、プレートの縁部上からあるいはダンピングプレートに追加される垂直に延在する部材上から尖った角を取り除くことにより抵抗係数は低下する。このことはＷＥＣの場合には有利である。というのは、抵抗係数が低下することにより相対運動が大きくなり、その結果エネルギーをより効率的に得ることが可能となるからである。

本発明の別の使用法は、工業用混合処理（アクチュエータによりプレートが非混合液の容器内で揺動させられる）での使用であり、ここでは、小規模の渦が形成するのを抑制（または強化）することが望ましい。このことは、所望の結果を得るために上述した垂直に延在するリップ構造体を多少なりとも流線形にして使用することによって実現され得る。

下端にダンピングプレートが取り付けられている細長い「スパー」フロートを含む既知のタイプの波エネルギー変換器の側面図である。 ダンピングプレートに既知の修正がなされている、図１に示したスパーフロートの下端を示す図である。 本発明によるダンピングプレートを示している、図２と同様の図である。 本発明によるダンピングプレートを示している、図２と同様の図である。 本発明によるダンピングプレートを示している、図２と同様の図である。 本発明によるダンピングプレートを示している、図２と同様の図である。 本発明によるダンピングプレートを示している、図２と同様の図である。 本発明によるダンピングプレートを示している、図２と同様の図である。 本発明によるダンピングプレートを示している、図２と同様の図である。

Claims (9)

1. 液体の中にあるスパー状フロートの水面下にある端部に取り付けられて垂直方向に運動させられる第１のプレートを有するダンピングプレートであって、前記スパー状フロートの揺動方向を横切るように延在する１対の対向する表面を有しており、さらに、垂直に延在する構造体が、前記プレートが前記液体中を運動する際に押しのけられる液体の体積を増加させるために前記表面上に取り付けられ、さらに、前記垂直に延在する構造体が、前記ダンピングプレートによって生み出される抵抗量を最小にするために流線形状である、ダンピングプレート。
2. 前記構造体が滑らかで湾曲した表面を有する、請求項１に記載のダンピングプレート。
3. 前記構造体が楕円形の断面を有する、請求項１に記載のダンピングプレート。
4. 前記構造体が、前記第１のプレートの端部のところに配置されておりさらに前記第１のプレートの上方および下方で湾曲した壁を有するリムで終端している第２のプレートを備える、請求項１に記載のダンピングプレート。
5. 前記構造体が、前記第１のプレートの１つまたは複数の縁部のところに配置される１つまたは複数の半円形部材を有する、請求項１に記載のダンピングプレート。
6. 前記液体が水であり、前記運動が、通過する波に反応する揺動である、請求項１に記載のダンピングプレート。
7. 液体の中にあるスパー状フロートの水面下にある端部に取り付けられて垂直方向に運動させられる第１のプレートを有するダンピングプレートを含む装置であって、前記プレートが、前記スパー状フロートの揺動方向を横切るように延在する１対の対向する表面を有しており、さらに、垂直に延在する構造体が、前記プレートが前記液体中を運動する際に押しのけられる液体の体積を増加させるために前記表面上に取り付けられ、さらに、前記垂直に延在する構造体が、前記ダンピングプレートによって生み出される抵抗量を最小にするために流線形状である、装置。
8. 水の素面に沿って位置することを意図しておりさらに前記水の中に存在する前記波と同相で運動するように設計されたフロートをさらに有する装置であって、前記スパー状フロートが、前記フロートおよび前記水の素面に対して概略垂直になるように垂直方向に延在することを意図しており、前記スパー状フロートが、前記水の素面の下方で延在しておりさらに前記波と位相がずれて垂直方向を上下に運動することを意図しており、前記装置が、前記スパー状フロートと前記フロートとの間に連結されておりこれらの相対運動を有用なエネルギーに変換するためにこれらの相対運動に反応する動力取出装置（ｐｏｗｅｒ ｔａｋｅ ｏｆｆ ｄｅｖｉｃｅ（ＰＴＯ））をさらに有する、請求項７に記載の装置。
9. 水の中に存在する波と同相で運動するために前記水の素面上に浮遊するフロートと、
   前記波と位相がずれて運動するために前記水の中で垂直方向に浮遊する細長いスパーと、
   スパーとフロートとの間の相対運動を有用なエネルギーに変換するために前記スパーと前記フロートとの間に連結される動力取出装置（ｐｏｗｅｒ ｔａｋｅ ｏｆｆ ｄｅｖｉｃｅ（ＰＴＯ））と、
   前記スパーの水面下にある部分に連結されるヒーブプレートであって、前記スパーに対して垂直な平面内に延在し、さらに、前記スパーが運動する垂直方向を横切るように延在する１対の対向する表面を有する、ヒーブプレートと、
   ダンピングプレートが水の中を運動する際に押される水の有効質量を増加させるために前記対向する表面上に取り付けられる垂直構造体であって、前記ヒーブプレートの粘性抵抗を低下させるために湾曲表面を有する、垂直構造体と
   を有する波エネルギー変換器（ｗａｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＷＥＣ））。

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