JP2011504981A - 流体流から電力を発生させる装置 - Google Patents

Abstract

流体流から電力を発生させる装置であって、ピボットによって支持体に接続されたフォイル・アームと、第１および第２の縁を備え、ピボットから離間してフォイル・アームに接続された双方向フォイルと、双方向フォイルとフォイル・アームの間に接続されたアクチュエータであり、フォイルとフォイル・アームの間の角度を調整するように適合されたアクチュエータとを備える装置。

Description

本発明は、流体流から電力を発生させる装置に関する。より具体的には、本発明は、限定はされないが、流体流から電力を発生させる装置であって、フレームにピボット接続されたフォイル・アームと、ピボットから離間してフォイル・アームに接続された双方向フォイルと、フォイル・アームと双方向フォイルの間の角度を調整するリニア・アクチュエータとを備える装置に関する。

米国特許第５８９９６６４号（特許文献１）は、流体流から電力を発生させる装置を開示している。この装置は、一端がピボットによってフレームに接続され、もう一端がフォイル(foil)に接続されたフォイル・アームを備える。アームを横に振動させることによって発電機を駆動し、それによって電気を発生させる。それぞれの振動の終わりに、フォイル・アームをその長さに沿って回転させ、フォイルの方向を逆にし、それによってフォイル・アームが反対方向に移動できるようにする。
フォイル・アームをその長さに沿って回転させることによってフォイルを逆にするプロセスは、大きな程度のエネルギーを必要とする比較的に効率の悪いプロセスである。さらに、この方法は、うまくスケールアップすることができず、単一のフォイル・アームによって支持することができる比較的に小さなフォイルでの使用にしか適さない。より大きなフォイルは、必要な高い程度の剛性を維持するため、フォイルの長さに沿った複数の点で支持する必要がある。前述のようにフォイルを回転させる必要がある場合には、こうすることによって問題が発生することがある。フォイル・アームの１つをその長さを軸に回転させることはできる。しかしながら、残りのフォイル・アームを、その回転軸を中心とする円弧に沿って回転させる必要がある。これには、製造および保守に費用がかかる複雑なリンク機構が必要となる。

米国特許第５８９９６６４号明細書

したがって、本発明は、
流体流から電力を発生させる装置であって、
ピボットによって支持体に接続されたフォイル・アームと、
第１および第２の縁を備え、ピボットから離間してフォイル・アームに接続された双方向フォイルと、
双方向フォイルとフォイル・アームの間に接続されたアクチュエータであり、フォイルとフォイル・アームの間の角度を調整するように適合されたアクチュエータと
を備える装置を提供する。

このような装置は、フォイル・アームに対してフォイルを小さく動かすだけで、流れの中で、フォイル・アームの振動方向を変化させることができる。これは非常に効率的である。さらに、この装置はうまくスケールアップすることができる。それぞれがアクチュエータを有する複数のアームにフォイルを接続することによって、大きなフォイルを使用することができ、所望の程度の剛性を維持することができる。フォイルのサイズを増大させるときには、単純にフォイル・アームの数を増やすことができ、デバイスの複雑さはあまり増大しない。

好ましくは、フォイルの第１および第２の縁が翼弦平面を画定する。

フォイルは、翼弦平面に関して対称にすることができる。好ましくは、翼弦平面の両側のフォイルの２つの面が凸面である。

あるいは、フォイルが翼弦平面に関して非対称である。

翼弦平面の両側の２つの面を凸面にすることができ、一方の面の曲率はもう一方の面よりも大きい。

あるいは、フォイルの一方の側を凹面にし、もう一方の側を凸面にすることができる。

好ましくは、フォイルが、低圧凸面側の方が高圧凹面側よりも湾曲の程度が大きいキャンバ形である。

あるいは、フォイルの厚さが、第１の縁と第２の縁の間で一定である。

他の代替実施形態では、フォイルの一方の側が凸面であり、もう一方の側が平面である。

好ましくは、フォイルが、翼弦平面に対して垂直な、翼弦平面を２等分する平面に関して対称である。

好ましくは、この装置が、複数のフォイル・アームを備え、フォイル・アームがそれぞれ、そのフォイル・アームに接続された双方向フォイルを有する。

好ましくは、フォイル・アームのうちの少なくとも２つのフォイル・アームが同じ双方向フォイルに接続されている。

好ましくは、この装置が、複数の双方向フォイルを備え、少なくとも１つのフォイルが単一のフォイル・アームに接続されている。

好ましくは、この装置がさらに、それぞれのフォイル・アームとその関連フォイルとの間のアクチュエータを備える。

好ましくは、フォイル・アームのうちの少なくとも２つのフォイル・アームの振動の位相がずれている。

次に、添付図面を参照して、本発明を、限定する意図は一切になしに、単に例として説明する。

流体流から電力を発生させる知られている装置の概略図である。 本発明に基づく装置の透視図である。 図２のフォイル・アーム、フォイルおよびアクチュエータの詳細図である。 本発明に基づいていない装置のフォイル、フォイル・アームおよびアクチュエータの透視図である。 滴形フォイルおよび双方向フォイルを含む複数のフォイルを示す図である。

図１に、流体流２から電力を発生させる公知の装置１を示す。装置１は、ピボット４に接続されたフォイル・アーム３を備える。フォイル・アーム３には、ピボット４から離間して、フォイル５が接続されている。

ピボット４はフレーム６に取り付けられている。フレーム６には発電機（図示せず）が接続されている。リンク機構（図示せず）が、フォイル・アーム３を発電機に接続し、フォイル・アーム３のピボット回転運動を、クランク（図示せず）の回転に変換する。クランクは、発電機の一部分を回転させ、その結果、電力を発生させる。

使用時には、流れている流体流２の中にフォイル５が位置するように、装置１を配置する。フォイル５は、フォイル５の表面を横切って流れる流体２がフォイル５を横へ変位させて、フォイル・アーム３をピボット４を軸にピボット回転させるような形状を有する。フォイル・アーム３が１つの振動の端に到達したときに、フォイル・アーム３をその長さを軸に回転させ、フォイル５の方向が逆になるようにする。その後、流体２の流れは、フォイル・アーム３を反対方向に押し動かす。フォイル・アーム３が移動範囲の反対端に到達したときに、このプロセスを繰り返し、その結果、フォイル・アーム３が横に振動するようにする。

それぞれの振動端でフォイル・アーム３を回転させることは、比較的に効率が悪い。フォイル・アーム３をピボット回転させるために使用することができる流れ２から抽出したエネルギーを、そうする代わりに、フォイル５を回転させるために使用しなければならない。さらに、この装置は、フォイル５が小さなときにしか十分に機能しない。フォイル５は、１点でしかフォイル・アーム３に接続されていないため、フォイルを長くすると、その点にかかる応力は急速に増大する。このことは、フォイルの最大長、したがって発電能力を限定する。剛性を増大させようとしてフォイル５を複数のフォイル・アーム３に接続すると、全てのフォイル・アーム３が共通の軸の周りを回転し、それでもなおクランク・アームを駆動することができるようにしなければならないため、機構が複雑になる。

図２に、流体流から電力を発生させる本発明に基づく装置１０を示す。図１の装置とは対照的に、フォイル・アーム１１は、水平面内ではなく、鉛直面内で振動する。本発明の代替実施形態では、この装置が、水平面内で横に振動するフォイル・アーム１１を備える。

装置１０は、それぞれピボット１２のところでフレーム１３に接続された複数のフォイル・アーム１１を備える。フレーム１３にはさらに、リンク機構１５によってフォイル・アーム１１に接続された発電機１４が接続されている。フォイル・アーム１１が上下に振動することによって発電機１４のクランク・アーム１６が回転し、その結果、電力が発生する。

それぞれのフォイル・アーム１１には、ピボット１２から離間して、双方向フォイル１７が接続されている。それぞれのフォイル１７は、その関連フォイル・アーム１１に、フォイル・ピボット１８によって接続されている。示されているように、それぞれのフォイル・アーム１１と関連フォイル１７の間にアクチュエータ１９が延びている。それぞれのアクチュエータ１９は、使用中に伸びまたは縮むことによって、関連フォイル・アーム１１とフォイル１７の間の角度を調整するように適合されている。

図３に、それぞれのフォイル・アーム１１の端部をより詳細に示す。フォイル１７は、第１および第２の縁２０、２１を有する双方向フォイルである。流体が第１の縁２０から第２の縁２１へ、または第２の縁２１から第１の縁２０へ流れているとき、双方向フォイル１７は、使用可能なかなりの力（揚力）を発生させることができる。

使用時、フォイル・アーム１１は、一般に流体流の速度よりもはるかに速い速度でフォイル１７を変位させる。図２に示すように、この実施形態のフォイル１７は、実質的に鉛直な平面内に配置される。流体とフォイル１７の間には速度差があるため、フォイル１７の基準フレームからは、流体が、フォイル１７の第１の縁２０から後縁２１へ流れるように見える。フォイル１７は、アクチュエータ１９によって、鉛直面に対してわずかに傾けられており、そのため、流体は非対称にフォイル１７の表面を横切って流れ、フォイル１７は揚力を発生させる。フォイル・アーム１１がその移動範囲の端に到達すると、アクチュエータ１９が、フォイル１７を鉛直面のもう一方の側にわずかに変位させる。その後、流体は、反対方向にフォイル１７の表面を横切って流れ、フォイル１７は、反対方向の揚力を発生させる。フォイル・アーム１１がその移動範囲のもう一方の端に到達すると、アクチュエータ１９は、フォイル１７を鉛直面のもう一方の側へ再び変位させ、振動が再び始まる。

フォイル１７の双方向性のため、それぞれの振動端においてフォイル１７を非常に小幅に変位させるだけで、フォイル１７を鉛直面の一方の側からもう一方の側へ変位させることができる。この小さな変位は、フォイル１７の表面を横切る流れの方向を逆転させ、その結果、揚力の方向を逆転させるのに十分である。これは非常に効率的であり、リニア・アクチュエータ１９のエネルギーをほとんど必要としない。

図４に、図３のフォイル・アーム１１の実施形態に類似しているが、本発明に基づく実施形態ではない実施形態のフォイル・アーム１１の端部を示す。この実施形態では、フォイル２２が、公知の一方向滴形フォイルである。フォイル２２は、流体が第１の縁２３から第２の縁２４へ流れているときに、使用可能な揚力を発生させる。逆方向において、フォイル２２は、（たとえ生成されるにしても）ごくわずかな揚力しか生成しない。使用時、フォイル・アーム１１の各振動の終わりに、フォイル２２を１８０度回転させなければならない。本発明の実施形態と比較して、これは相対的に効率が悪い。さらに、フォイル２２を１８０度回転させる必要があるため、アクチュエータ２５はロータリ・アクチュエータとなる。ロータリ・アクチュエータは高価になりがちであり、保守が難しく、図３に示した配置よりも低いトルク能力を有する。

図２および３に示した実施形態では、フォイル・アーム１１がその振動端の近くにあるときに、リニア・アクチュエータ１９が、フォイル・アーム１１に対するフォイル１７の角度を調整する。振動の残りの部分の間、フォイル１７は、フォイル・アーム１１に対して固定されたままである。代替実施形態では、リニア・アクチュエータ１９が、フォイル・アーム１１の振動の全体を通じて、フォイル１７とフォイル・アーム１１の間の角度を連続的に調整する。これは、流れの中に位置するフォイル１７の迎え角が常にその最適な値をとることを保証する。このことは効率をさらに増大させる。

図２に示した実施形態は、それぞれが単一のフォイル１７に接続された複数のフォイル・アーム１１を備える。フォイル１７の結合出力が、クランク・アーム１６によって駆動されるシャフトに安定したトルクを与えるように、この実施形態では、フォイル１７が、示されているように、互いに位相を約９０度ずらして振動する。代替実施形態では、フォイル１７間の異なる位相関係が可能であり、その場合も、フォイルの位相が互いにずれていることが好ましい。

代替実施形態（図示せず）では、それぞれのフォイル１７が、複数のアーム１１および関連アクチュエータ１９に接続される。こうすることによって、複雑さをあまり増大させることなく、より大きなフォイル１７を使用することができる。

図５に、複数のフォイル断面を示す。図５（ａ）は、本発明に基づく装置ではない装置で使用される知られている滴形フォイル３０を示す。滴形フォイル３０は、前縁３１および後縁３２、ならびに前縁３１と後縁３２の間に広がる第１および第２の表面３３、３４を備える。第１および第２の表面３３、３４はともに凸面である。

前縁３１から後縁３２まで延びる翼弦表面３５、ならびに翼弦表面３５を２等分する翼弦表面３５に垂直な垂直表面３６を画定することができる。滴形フォイル３０は垂直表面３６に関して非対称である。

滴形フォイル３０が、流体流の方向とまっすぐに向かい合う場合、流体は、対称に、第１および第２の両方の面３３、３４を横切って流れるため、滴形フォイル３０は揚力を一切発生させない。示された最小迎え角と最大迎え角の間の迎え角をとるように、フォイル３０を流体流に対してわずかに傾けた場合には、流体はなめらかに、しかし非対称に流れ、一方の面３３、３４を横切る流体は、もう一方の面３３、３４を横切る流体よりも速く流れる。表面３３、３４は、これによって高圧側と低圧側とに別れ、揚力を発生させるような形状を有する。

流体流から電力を得る装置内で、フォイル以外の部材を使用することも可能である。例えば、流体流の方向に対して傾けた単純な平面部材（図示せず）を使用することができる。流体が平面部材の表面に当たると、流体の方向の変化が、平面部材に力を加え、この力を使用して、アームを変位させ、したがって電力を発生させることができる。しかしながら、この場合、平面部材は、両方の表面を横切って流れる実質的になめらかな流れが揚力を発生させるフォイルの働きをするわけではない。流体は平面部材の周りを流れるため、部材の下流側に、複雑な乱流パターンを発生させ、これは非常に効率が悪い。

滴形フォイル３０に戻ると、フォイル３０は一方向フォイルであり、前縁３１が流れの方向に実質的に面するときにだけフォイルとして機能するような形状を有する。後縁３２が流れの方向に面する場合、フォイルとしての振舞いは得られない。したがって、このようなフォイル３０を使用するデバイスは、図４を参照して前に説明したように、それぞれのストロークの終わりにフォイル３０を１８０度回転させなければならない。

図５（ｂ）に、本発明に基づく装置で使用するのに適した双方向フォイル１７を示す。フォイル１７は、第１および第２の縁２０、２１、ならびに第１の縁２０と第２の縁２１の間に広がる第１および第２の凸面３７、３８を備える。滴形フォイル３０とは対照的に、双方向フォイル１７は、翼弦表面３５を２等分する垂直表面３６に関して対称である。

双方向フォイルであるため、フォイル１７は、第１の縁２０と第２の縁２１のどちらが流体流に実質的に面したときでも、フォイル１７の迎え角が、最小迎え角と最大迎え角の間（受容範囲内）にありさえすれば、揚力を発生させることができる。本発明に基づく装置でこのフォイルを使用するためには、単に、鉛直面の一方の側から、もう一方の側およびフォイル・アーム１１のそれぞれの振動の端へ、フォイル１７を傾ければよい。流体は次いで、反対方向に、フォイル１７の表面を横切って流れ、それによって揚力の方向が逆転し、その結果、振動を継続することができる。

図５（ｂ）に示したフォイル１７は、翼弦表面３５に関して対称である。このようなフォイル１７は、たとえ流体流の方向が逆になった場合でも同じように十分に機能するため、潮流の中で使用するのに特に適している。

本発明の代替実施形態（図示せず）では、装置が、両面ともに凸面だが、一方の面がもう一方の面よりも中高である双方向フォイル１７を使用する。

図５（ｃ）に、本発明に基づく装置とともに使用する別の双方向フォイル１７を示す。この場合も、フォイル１７は、翼弦平面３５を２等分する垂直平面３６に関して対称である。この実施形態では、示されているとおり、２つの面３７、３８のうちの一方が平面であり、もう一方の面が湾曲している。翼弦平面に関して対称でないこのようなフォイルはキャンバ形（ｃａｍｂｅｒｅｄ）と呼ばれる。これらのフォイルは、非キャンバ形フォイルに比べ、抗力を増大させることなくより多くの揚力を発生させることができるが、より限定された受容範囲を有する。より限定された受容範囲を有することは、流体流に対してフォイル１７の向きを連続的に変化させるシステム内で、このフォイル１７を使用することが好ましいことを意味する。

図５（ｄ）は、本発明に基づく双方向フォイル１７の別の実施形態を示す。フォイル１７は、下面３８が凹面であることを除き、図５（ｃ）のフォイル１７と同様である。示されているように、一方の側の曲率は、もう一方の側の曲率とはわずかに異なり、低圧凸面側３７の方が、高圧凹面側３８よりも大きな曲率を有し、そのため、フォイル１７の厚さがその長さに沿って変化する。

図５（ｅ）の実施形態は、図５（ｄ）の実施形態に似ているが、キャンバ形ではない。このフォイル１７はその長さに沿って均一な厚さを有する。このようなフォイル１７はヨットの帆に似ている。このフォイル１７は、図５（ｄ）のフォイル１７よりも受容範囲が狭く、効率が低いが、製造がより単純である。

これらのフォイル１７の面３７、３８に対していくつかの異なる曲面が可能である。好ましい実施形態では、表面３７、３８が楕円形である。

以上に説明した双方向フォイル１７は全て、垂直平面３６に関して対称である。この垂直平面３６に関して非対称な双方向フォイル１７も、本発明に基づく装置とともに使用するのに適する。

１０：装置、１１：フォイル・アーム、１２：ピボット、１３：フレーム、１４：発電機、１６：クランク・アーム、１７：双方向フォイル、１９：アクチュエータ、２０：第１の縁部、２１：第２の縁部

Claims (18)

1. 流体流から電力を発生させる装置であって、
   ピボットによって支持体に接続されたフォイル・アームと、
   第１および第２の縁を備え、前記ピボットから離間して前記フォイル・アームに接続された双方向フォイルと、
   双方向フォイルとフォイル・アームの間に接続されたアクチュエータであり、フォイルとフォイル・アームの間の角度を調整するように適合されたアクチュエータと
   を備える装置。
2. 前記フォイルの前記第１および第２の縁が翼弦平面を画定する、請求項１に記載の装置。
3. 前記フォイルが前記翼弦平面に関して対称である、請求項２に記載の装置。
4. 前記翼弦平面の両側の前記フォイルの２つの面が凸面である、請求項３に記載の装置。
5. 前記フォイルが前記翼弦平面に関して非対称である、請求項２に記載の装置。
6. 前記翼弦平面の両側の２つの面が凸面であり、一方の面の曲率がもう一方の面よりも大きい、請求項５に記載の装置。
7. 前記フォイルの一方の側が凹面であり、もう一方の側が凸面である、請求項５に記載の装置。
8. 前記フォイルが、前記低圧凸面側の方が前記高圧凹面側よりも湾曲の程度が大きいキャンバ形である、請求項７に記載の装置。
9. 前記フォイルの厚さが、第１の縁と第２の縁の間で一定である、請求項７に記載の装置。
10. 前記フォイルの一方の側が凸面であり、もう一方の側が平面である、請求項５に記載の装置。
11. 前記フォイルが、前記翼弦平面に対して垂直な前記翼弦平面を２等分する平面に関して対称である、請求項２から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 複数のフォイル・アームを備え、前記フォイル・アームがそれぞれ、そのフォイル・アームに接続された双方向フォイルを有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記フォイル・アームのうちの少なくとも２つのフォイル・アームが同じ双方向フォイルに接続された、請求項１２に記載の装置。
14. 複数の双方向フォイルを備え、少なくとも１つのフォイルが単一のフォイル・アームに接続された、請求項１２または１３に記載の装置。
15. それぞれのフォイル・アームとその関連フォイルとの間のアクチュエータをさらに備える、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記フォイル・アームのうちの少なくとも２つのフォイル・アームの振動の位相がずれている、請求項１２に記載の装置。
17. 本明細書に実質的に記載された装置。
18. 図面を参照して本明細書に実質的に記載された装置。