JP2019534420A - 波エネルギー変換器ブイの動力取出しシステム - Google Patents

Abstract

波エネルギー変換器ブイに使用される動力取出しシステムは、運動の変換のために、噛み合うナットとスクリューシャフトとのアセンブリを利用する。すなわち、ブイ浮き具の運動は、ナットを、ナットが装着されたスクリューシャフトに沿って駆動するように連結される。ナットがシャフトに沿って線形運動することで、シャフトが回転し、次に、この回転運動が発電機を回転させるように連結される。【選択図】図４

Description

本特許出願は、２０１６年１１月９日に出願された米国仮特許出願第６２／４１９，９０３号の国内優先権を主張する。

本発明は、包括的には、長期間（例えば、２年を超える期間）にわたって水塊内に配備されることを意図される波エネルギー変換器（ＷＥＣ）ブイに関する。より詳細には、本発明は、水塊の波の動きを利用可能な電気エネルギーに変換するためにこのようなブイに使用される動力取出しシステム（ＰＴＯ）に関する。

本特許出願の譲受人が所有する米国特許第８，４８７，４５９号及び同第８，７２３，３５５号の開示は、引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。

ＷＥＣブイ（以下、「ＷＥＣ」とよぶ）は、動作のためにかなりの量の電気的動力を必要とするペイロードを含む。ペイロードは、例えば、レーダーシステム及び／又はソナーシステム、種々の波センサー及び／又は気候センサー、通信システム及び／又はリレー、種々の制御システム及び関連する要素、並びに制動システム等の多数の電気機器／電子機器及び電気機械デバイスを含む、複数の異なる負荷から構成される。ペイロードに動力供給してペイロードを動作させるために、各ＷＥＣブイは、ブイを含む水塊の波の動きに応じて（電気的）動力を生成する動力取出しシステム（ＰＴＯ）を備え、生成された動力は、その後、ペイロードを動作させるために使用することができる。

ＷＥＣブイ及びその関連機器は、ペイロードにほぼ一定の電気的動力を提供しながら、気候条件にかかわらず長期間にわたって配備され動作し続けなければならない。これらの気候条件は、生成されるとしても僅かな動力が生成される穏やかな海（波の振幅が小さいことを特徴とする）から、ブイの破壊を防止する（ブイの残存性を確実にする）ために制動システムによってブイの「固定」が必要となり得る、波の振幅が極端な値に達することを特徴とする「大しけ」の条件まで、大幅に変化し得る。全ての動作条件下において、貯蔵エネルギーは使い果たされてはならず、貯蔵エネルギーが使い果たされれば、ペイロードの動作は停止する。

本発明が用いられるＷＥＣブイは、（ａ）波に応じて互いに対して動く浮き具及びスパーと、（ｂ）それらの相対的な動きを電気エネルギーに変換するように浮き具とスパーとの間に連結される動力取出しシステム（ＰＴＯ）と、（ｃ）浮き具とスパーとの間の相対的な動きを選択的に、例えば大しけ条件下で、制止する制動システムとを備えることができる。相対的な動きが制止されない場合、ＰＴＯは、大幅に変動する条件下で確実かつ効率的に電気エネルギーを生成可能でなければならない。

過去において、ＷＥＣブイに使用されるＰＴＯは、ラックアンドピニオン機構を用いて浮き具の上下運動を回転運動に変換し、発電機を駆動していた。すなわち、ラックは、浮き具の運動を受けて、ピニオンを回転駆動するように連結され、ピニオンの回転運動は、次に、発電機のシャフトを駆動するように連結される。しかしながら、実質的な予測不能の横方向の動きを含む、極端に荒く予測不能の動きをラックが受けると、ラックとピニオンとの連続的で確実な噛み合いが困難となる。加えて、この機構が示す顕著な摩擦の結果、望ましくない摩耗が生じるだけでなく、エネルギー変換が非常に非効率なものとなる（通例、８０％未満の効率）。摩擦に打ち勝つために使用されるエネルギーは、電気を生成するために利用することができない。

広く述べると、本発明の目的は、波エネルギーを電気に変換する効率が向上した、ＷＥＣブイのＰＴＯを提供することである。また、本発明の目的は、ＷＥＣブイのＰＴＯの耐久性、信頼性及び持続性を向上させ、ＰＴＯが無人で自律動作するＷＥＣブイにおいて使用するのに特に魅力的になるようにすることである。

本発明の１つの態様によれば、ＷＥＣブイに使用されるＰＴＯは、運動の変換のために、噛み合うナットとスクリューシャフトとのアセンブリを利用する。すなわち、浮き具の運動は、ナットを、ナットが装着されたスクリューシャフトに沿って駆動するように連結される。ナットがシャフトに沿って線形運動することで、シャフトが回転し、次に、この回転運動が発電機を回転させるように連結される。ナット及びスクリューシャフトは、ボールねじアセンブリを備えることが好ましく、ボールねじアセンブリにおいて、内側螺旋溝を有するナットは、対応する螺旋溝を有するシャフトに取り付けられており、溝内の循環玉軸受は、ナットとシャフトとの間の接触面を形成する。この構成のＰＴＯは、９５％を超える効率、高い信頼性を示すことができ、耐用寿命内で顕著な摩耗を生じることがない。

本発明の別の態様によれば、ＷＥＣブイに使用されるＰＴＯは、運動の変換のために、噛み合うナットとスクリューシャフトとのアセンブリを利用し、スクリューシャフトと同心の駆動管は、ナットに固定される第１の端部と、浮き具の運動を受けるように連結されるように構築されている第２の端部とを有する。それにより、ナットに対する駆動力は、駆動力がボールねじに対して偏心している前述の実施形態とは対照的に、シャフトに対して同軸に与えられる。スクリューシャフトと駆動管と発電機とは、１つのユニットとして２軸ジンバルに取り付けられ、それにより、浮き具が駆動管に横方向の動きを加える場合であっても、ナットをスクリューシャフトに対して同軸に駆動することができることが好ましい。

本発明の上記の簡単な説明並びに更なる目的、特徴及び利点は、添付図面を参照しながら、本発明に係る目下好ましいが例示的な実施形態の以下の詳細な説明からより完全に理解される。

本発明の典型的な環境を示す概略図である。 本発明を組み込んでいるＰＴＯシステムの一実施形態１００の斜視図である。 ボールねじアセンブリの斜視図である。 本発明を組み込んでいるＰＴＯシステムの代替的な実施形態２００を示す概略的な断面図である。

ここで図面を参照すると、図１は、本発明の典型的な環境を示す概略図である。ＷＥＣブイ１０は、振幅及び周波数が変動する波の動きを受ける水塊Ｗ内に配置される。ＷＥＣは、２つの主要な波応答要素、すなわち浮き具２０及びスパー３０を備える。浮き具２０は、ＷＥＣ１０が配置されている波と概ね同相で動くように設計され、スパー３０は、静止するように設計されるか、又は、波に対して概ね位相がずれた状態で若しくは浮き具に対して遅延して動くように設計される。こうして、水塊Ｗ内の波に応じて、浮き具２０とスパー３０とが相対的に動く。スパー３０内において、動力取出しシステム（ＰＴＯ）４０は、浮き具２０とスパー３０との間に連結され、それらの相対的な動きを電気エネルギーに変換する。

うねり板５０は、任意の適した材料（例えば、鋼）から作製することができ、うねり板５０は、スパー３０の下部水没部分に取り付けられて示されている。うねり板５０は、かなりの量の「付加的な」質量をスパー３０に与え、スパー３０が比較的固定されたままであること又は波と概ね位相がずれて動くことを可能にする。この「付加的な」質量のほんの一部が、うねり板５０を構成する材料の質量によるものであり、この「付加的な」質量のほとんどが、うねり板によって上下に移動される又は押される同伴水によるものである。

図１において、浮き具２０は、ブリッジ構造体６０に連結され、ブリッジ構造体６０には、スラスト（プッシュ）ロッド６５が固定取付けされ、スラスト（プッシュ）ロッド６５は、スパー３０内に配置される動力取出し（ＰＴＯ）システム４０に連結される。波がＷＥＣ１０に衝突すると、浮き具は、上下に動き、その一方で、スパーは、比較的静止しているか又は浮き具に対して概ね位相がずれて若しくは遅延して動く。波の動きに対応し、波の動きと概ね同相の浮き具の動きは、スラストロッド６５のほぼ線形の（上下）運動に変換され、この運動は、浮き具とスパーとの間に本質的に接続されるＰＴＯ４０に伝達される。

ＰＴＯ４０は、電気的動力を出力し、この電気的動力がバッテリー７０を充電し、バッテリー７０がペイロード８０に動力を提供する。ここでは、ＰＴＯ４０がバッテリー７０を充電するとともにペイロード８０に動力供給するための動力を提供することができることを示すことが意図されている、非常に簡略化された図である。

図２は、ＰＴＯシステム４０の一実施形態１００の斜視図である。ＰＴＯは、便宜上水平に示されているが、ＰＴＯは、使用時には直立することが理解される。ＰＴＯは、構成要素の全てが取り付けられる単一のシャーシ１０２を備える。ガイドレール１０４がシャーシ上に設けられ、キャリッジ１０６がガイドレール１０４に乗ることができる。キャリッジ１０６の頂部には、ボールナット１０８が固定され、ボールナット１０８は、スクリューシャフト１１０に取り付けられる。シャフト１１０の端部は、適切な軸受を介してシャーシ１０２に取り付けられる。入力シャフト１１２は、片方の端部においてキャリッジ１０６に接続され、その反対側の端部において、ブリッジ６０（図１）に接続されるように構築されているアセンブリ１１４が設けられている。潤滑ユニット１１６は、ガイドレール１０４及びナット１０８を潤滑する。結合具１１８は、シャフト１１０の端部を発電機１２０のシャフトに接続する。

動作時、入力シャフト１１２が前後運動することで、キャリッジ１０６がレール１０４に沿って摺動する。キャリッジ１０６は、ナット１０８を保持しており、ナット１０８がシャフト１１０に沿って移動することで、シャフト１１０が回転する。この回転が結合具１１８を介して発電機１２０に伝達されることで、発電機が電気的動力を生成する。

ナット１０８及びシャフト１１０は、一緒にボールねじアセンブリを構成する。ボールねじアセンブリは、回転運動と線形運動とを変換するのに有用な機構である。ボールねじに基づくＰＴＯは、線形運動−回転運動変換（ボールねじ）、発電機、制動システム、線形シール、及び自動調心取付けを含む、ＷＥＣ ＰＴＯに必要な主要機能の全てを統合している。

図３は、典型的なボールねじアセンブリの斜視図である。ナット１０８は、内側螺旋溝を有し、シャフト１１０は、その表面に、対応する対向螺旋溝を有する。玉軸受Ｂは、ナット１０８内で循環するとともに、ナット及びスクリューシャフトの螺旋溝に沿って移動し、ナットとスクリューシャフトとの間に略摩擦の生じない接触面を形成する。ＰＴＯ１００においてこの構成を用いることにより、全ての動作条件下で顕著な摩耗が発生しない、信頼性のある機械的動作がもたらされる。略摩擦が生じないので、９５％を超える変換効率を得ることができる。

図４は、ＰＴＯシステム４０の代替的な実施形態２００を示す概略的な断面図である。この実施形態もまた、ナット１０８及びシャフト１１０を備えるボールねじアセンブリを利用する。この実施形態では、締まり嵌め式の駆動管２０２が、シャフト１１０上に同心に取り付けられる。管２０２は、上端部において（水平に描かれているが、ＰＴＯ２００は使用時実際には直立する）、ブリッジ６０（図１）への接続に適した継手２０４が設けられ、管２０２は、下端部において、フランジ２０６を介してナット１０８にしっかりと接続されている。管２０２は、両端部がシールされ、管とシャフト１１０との間の摩擦を最小限に抑えるように内側がコーティングされている。シャフト１１０の下端部は、軸受２０７を介して、ＰＴＯフレーム（図示せず）に支持される２軸ジンバル２０８に取り付けられる。ジンバルは、シャフト１１０に対して垂直な２つの直交軸の周りにシャフト１１０を旋回させて、その駆動が正確に軸方向でない場合に管２０２の自動調心を可能にするように構築されている。また、ジンバルは、ナット１０８のトルク反作用をもたらす。ジンバル２０８に取り付けられる結合具２１０は、シャフト１１０と発電機１２０のシャフトとの間の接続部を提供する。

動作時、駆動管２０２がナット１０８をシャフト１１０に沿って推進することで、シャフト１１０が回転する。この回転は、次に、結合具２１０を介して発電機１２０のシャフトに伝達され、電気エネルギーを生成する。

ジンバル２０８は、ナット１０８の駆動力が、シャフト１１０に対して本質的に軸方向であり、ナット１０８に旋回トルクを発生させないことを確実にする。対照的に、ＰＴＯ１００は、シャフト１１０に片側から力を与え、ナットに旋回トルクを加えていた。また、ＰＴＯ１００では、比較的大型のキャリッジ１０６及び入力シャフト１１２が、複雑かつ大型のフレームに必要とされていた。したがって、ＰＴＯ２００は、簡略化された構成を提供する。また、ＰＴＯ２００は、ブリッジ６０によって駆動管２０２に通して駆動される質量がはるかに小さい。したがって、より高い割合の駆動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

図４に示されている実施形態の重要な特徴として、（１）ロッドレスバックドライブＰＴＯをＷＥＣにおいて使用することと、（２）コーティング及びシールされたスラスト管をＰＴＯにおいて使用して、ＰＴＯを極端な海洋環境から内部機械環境への線形の機械的動力の伝達装置とすることと、（３）２軸ジンバルを使用して、ボールナットのトルク反作用をもたらすとともに、シャフトに沿ったナットのほぼ軸方向の駆動を達成するように、ＰＴＯの自動調心のための旋回軸を提供することとが挙げられる。

ボールねじＰＴＯの特徴として、（１）ＷＥＣ用途の自動調心ボールねじＰＴＯを使用することと、（２）モジュール性を提供しながら、制動システム及び線形シールとＰＴＯとを完全に統合することとが挙げられる。

１つのタイプの駆動装置が示されたが、本発明を具現するシステムにおいて、ナット又はスクリューシャフトのいずれかを線形駆動して他方を回転させることができ、この回転運動が発電機に連結されることが理解されるべきである。

本発明の好ましい実施形態を例示のために開示したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、上記で具体的に論じたものを含む、多くの追加、変更、及び置換が可能であることを理解する。

Claims (22)

1. 水塊内の波の動きを抽出する浮き具を備えるタイプの波エネルギー変換ブイ（ＷＥＣ）の動力取出しシステム（ＰＴＯ）であって、
   螺旋溝を内部に有するスクリューシャフトと、
   前記シャフトの溝に合致する内側螺旋溝を有し、前記シャフトと機械的に協働するような前記シャフト上のナットと、
   前記スクリューシャフト及び前記ナットのうちの一方に接続される駆動装置であって、その駆動装置は前記浮き具によって抽出される波の動きを受けるように連結されるようになっている駆動装置と、
   前記スクリューシャフト及び前記ナットのうちの他方に接続される結合具であって、その結合具は前記他方の回転運動を発電機に連結するように構築されている結合具と、
   を備える動力取出しシステム（ＰＴＯ）であって、
   それにより、前記駆動装置が受けた力は、前記一方を移動させるとともに前記他方を回転させ、該回転運動は、前記結合具に伝達され、該結合具から、接続された発電機に伝達される、ＰＴＯ。
2. 前記駆動装置は、前記ナットに接続され、前記駆動装置が受けた力は、前記ナットを前記スクリューシャフトに沿って移動させて前記シャフトを回転させる、請求項１に記載のＰＴＯ。
3. 前記ナット及び前記スクリューシャフトの前記溝内で、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に捕捉される複数の玉軸受を更に備え、該玉軸受は、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に転がり接触面を形成する、請求項１に記載のＰＴＯ。
4. 前記スクリューシャフトが回転運動するように取り付けられるシャーシと、
   なお、前記駆動装置は、
   前記スクリューシャフトに対してほぼ平行に線形運動するように前記シャーシに取り付けられるとともに前記ナットに固定される、キャリッジと、
   前記キャリッジに固定される第１の端部と、前記浮き具によって抽出される波の動きを受けるように連結されるように構築されている第２の端部とを有する入力シャフトと、
   を備え、前記結合具は、前記シャーシに取り付けられ、
   前記結合具を介して前記シャーシに取り付けられる発電機と、
   を備える、請求項２に記載のＰＴＯ。
5. 前記ナット及び前記スクリューシャフトの前記溝内で、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に捕捉される複数の玉軸受を更に備え、該玉軸受は、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に転がり接触面を形成する、請求項４に記載のＰＴＯ。
6. 前記駆動装置は、前記スクリューシャフトと同心の駆動管を備え、該駆動管は、前記ナットに固定される第１の端部と、前記浮き具によって抽出される波の動きを受けるように連結されるように構築されている第２の端部とを有する、請求項１に記載のＰＴＯ。
7. 前記ナット及び前記スクリューシャフトの前記溝内で、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に捕捉される複数の玉軸受を更に備え、該玉軸受は、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に転がり接触面を形成する、請求項６に記載のＰＴＯ。
8. 前記駆動管は、両端部がシールされ、前記スクリューシャフトに対する摩擦を小さくするように内側が整えられている、請求項６に記載のＰＴＯ。
9. 前記スクリューシャフトの軸に対してほぼ垂直な２つの直交軸の周りに回転運動するように前記ＰＴＯを取り付ける手段を更に備え、それにより、前記駆動管は、自動調心して、前記波の動きをほぼ軸方向に受ける、請求項６に記載のＰＴＯ。
10. 前記取り付ける手段は、２軸ジンバルであり、軸受手段が、前記スクリューシャフトを前記ジンバルにおいて回転するように取り付ける、請求項９に記載のＰＴＯ。
11. 前記結合具は、前記ジンバルに取り付けられ、前記ＰＴＯは、前記結合具を介して前記ジンバルに取り付けられる発電機を更に備える、請求項９に記載のＰＴＯ。
12. 浮き具及びスパーを備える波エネルギー変換ブイにおける、前記スパー内にある、請求項１に記載のＰＴＯ。
13. 水塊内の波の動きを抽出するスパー及び浮き具を備えるタイプの波エネルギー変換ブイ（ＷＥＣ）の動力取出しシステム（ＰＴＯ）の効率を向上させる方法であって、
    螺旋溝を有するスクリューシャフトを設けるステップと、
    前記シャフトの溝と合致するとともに該シャフトの溝と機械的に協働する内側螺旋溝を有するナットを、前記シャフト上に設けるステップと、
    スクリューシャフトと前記ナットとのうちの一方に接続される駆動装置を設けるステップであって、該駆動装置は、前記浮き具によって抽出される波の動きを受けるように連結されるステップと、
    前記スクリューシャフト及び前記ナットのうちの他方に接続される結合具を設けるステップであって、該結合具は、前記他方の回転運動を発電機に提供するステップと、
    を含み、それにより、前記駆動装置が受けた力は、前記一方を線形運動させるとともに前記他方を回転させ、該回転運動は、前記結合具に伝達され、該結合具から、接続された発電機に伝達される、方法。
14. 前記駆動装置は、前記ナットに接続され、前記駆動装置が受けた力は、前記ナットを前記スクリューシャフトに沿って移動させて前記スクリューシャフトを回転させる、請求項１３に記載のＰＴＯ。
15. 前記ナット及び前記スクリューシャフトの前記溝内で、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に捕捉される複数の玉軸受を設けることであって、該玉軸受は、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に転がり接触面を形成することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記スクリューシャフトが回転運動するように取り付けられているシャーシを設けるステップと、
    なお、前記駆動装置は、
    前記スクリューシャフトに対してほぼ平行に線形運動するように前記シャーシに取り付けられるとともに前記ナットに固定される、キャリッジと、
    前記キャリッジに固定される第１の端部と、前記浮き具によって抽出される波の動きを受けるように連結されるように構築されている第２の端部とを有する入力シャフトと、
    を備え、
    前記結合具を前記シャーシに取り付けるステップと、
    前記結合具を介して、発電機を前記シャーシに取り付けるステップと、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記ナット及び前記スクリューシャフトの前記溝内で、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に捕捉される複数の玉軸受を設けることであって、該玉軸受は、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に転がり接触面を形成することを更に含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記駆動装置は、前記スクリューシャフトと同心の駆動管を備え、該駆動管は、前記ナットに固定される第１の端部と、前記浮き具によって抽出される波の動きを受ける第２の端部とを有する、請求項１３に記載の方法。
19. 前記ナット及び前記スクリューシャフトの前記溝内で、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に捕捉される複数の玉軸受を設けることであって、該玉軸受は、前記ナットと前記スクリューシャフトとの間に転がり接触面を形成することを更に含む、請求項１８に記載の方法。
20. 両端部がシールされるとともに、前記スクリューシャフトに与える摩擦を小さくするように内側が整えられた駆動管を伴って実現される、請求項１８に記載の方法。
21. 前記スクリューシャフトの軸にほぼ垂直な２つの直交軸の周りに回転運動するように前記ＰＴＯを取り付ける手段を設けることであって、それにより、前記駆動管は、前記波の動きをほぼ軸方向に受けるように自動調心することを更に含む、請求項１８に記載の方法。
22. 前記取り付ける手段は、２軸ジンバルであり、前記スクリューシャフトを前記ジンバルにおいて回転するように取り付ける軸受手段が設けられる、請求項２１に記載の方法。