JP2023514004A - 乗り物用の補助推進システム - Google Patents

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Abstract

【課題】本開示は、風力エネルギベースの乗り物推進システムに関連するシステム、装置、及び方法を提供する。【解決手段】乗り物用の補助推進システムは、フレットナーロータが含んでよい。フレットナーロータは、水平又は垂直に、乗り物上に搭載された回転可能なシリンダを含む。気流デフレクタは、フレットナーロータに隣接して乗り物上に位置しており、気流デフレクタは、乗り物の向かい風を向け直すように構成され、向かい風に対して横断する方向にシリンダを通過した気流を発生させる。電子コントローラは、モータを制御するように構成されてよく、シリンダを回転させる。いくつかの実施例では、シリンダの回転速度は、シリンダを通過した気流の速度の選択された倍数で維持される。【選択図】図１

Description

［相互参照］
次の出願及び素材は、それらの全体において、すべての目的のために、本明細書に組み込まれる：米国仮特許出願第６２／９４７，１７６号、及び米国特許第１０，８５９，０６５号。
［技術分野］
本開示は、陸上乗り物、航洋船、及び他の形態の交通機関の推進力を補助するためのシステム及び方法に関する。より具体的には、開示された各実施形態は、フレットナーロータベースの乗り物用の補助推進システムに関する。
［序論］
大気循環によって引き起こされる自然の風は、長い間、人類の文明のための再生可能エネルギの解決策の一つの源であった。海上交通機関では、風力を動力化して帆船を推進することは、数千年前に遡る。風の状態の厳しい変動性にもかかわらず、プロペラベースの推進力が帆に取って代わるまで、風の推進力は何世紀にもわたって標準であった。
１９２０年代には、通常は甲板から１８から３０メートルの高さのシリンダ群である動力付きの垂直フレットナーロータ群を利用して、航洋船を推進させる試みが行われた。これらのロータ群は、マグヌス効果の利点を活かしたものであり、横風中の垂直回転シリンダは、等しい基準面積の帆よりもはるかに大きな推進力を作り出すことができる。これらのロータ船のうちバーデンバーデン号及びバーバラ号と名付けられた２隻は、それぞれ、１９２０年及び１９２６年に建造された。ロータ群は、燃料消費量を削減するための補助推進力源として使用された。これらの船の成功は、ロータセイルの効率性と耐航性を証明した。残念ながら、長期にわたる減価償却の懸念と荒天時の安定性に関する推定リスクのため、プロジェクトは、商業的採用がなされることなく終了した。
近年、ロータ船への関心が復活し、多くのロータセイルが商用船で使用されている。ただし、ロータセイルの使用に対する古典的な障壁は残っている。悪天候下での船の構造的完全性と安定性は、依然として最大の関心事である。資本コストと燃料節約の可能性に関する検証可能なデータの不足は、もう１つの重要な障壁である。船用の１つのフレットナーロータユニットは、その巨大なサイズのために２００万ドル以上かかる可能性がある。
現在の風力エネルギ変換技術は、速度、方向、及び持続時間、また、地域的及び季節的変化において、劇的に変動する自然の風にもっぱら焦点を当てている。この変動性は、風力エネルギ変換の有効性に大きな影響を及ぼす。
［要旨］
本開示は、風力エネルギベースの乗り物推進システムに関連するシステム、装置、及び方法を提供する。
いくつかの実施形態では、乗り物用の補助推進システムは、乗り物に搭載された回転可能なシリンダを含み、シリンダの長手が乗り物の進行方向に対して横断する方向に配向されたフレットナーロータと、フレットナーロータに隣接して乗り物上に配置され、乗り物の向かい風を向け直して進行方向に対して横断する方向にシリンダを通過した気流を発生させるように構成された気流デフレクタと、を含んでよい。
いくつかの実施形態では、乗り物に補助推進力を提供するための方法は、乗り物に結合された気流デフレクタを用いて、乗り物の向かい風を向け直して向かい風に対して横断する方向に向け直された気流を発生させることと、向け直された気流中に配置されたシリンダを回転させることにより、乗り物にマグヌス力を発生させることと、を備える。
特徴、機能、及び利点は、本開示の様々な実施形態において独立して達成されてもよいし、又は、さらに他の実施形態においては組み合わされてもよく、これらのさらなる詳細は、以下の説明及び図面を参照して見ることができる。
図１は、本教示による風力エネルギベースの乗り物推進システムの概略図である。 図２は、本開示のロータシステムを有する例示的な乗り物の側面図である。 図３は、図２の乗り物及びロータシステムの正面図である。 図４は、本開示の態様による第１の形態の要素を有する第１の例示的なデフレクタの概略側面図である。 図５は、本開示の態様による第２の形態の要素を有する第２の例示的なデフレクタの概略側面図である。 図６は、本開示の態様による例示的な風力エネルギベースの乗り物推進システムの概略側面図である。 図７は、選択された力ベクトルが記載された図６のシステムを示す。 図８は、シミュレートされたモデルシステムのチャートであり、デフレクタの迎え角に対するセミトラックの予想燃料節約を示す。 図９は、昇降するように構成された例示的なロータシステムの概略図であって、システムは、使用中構成と収容構成との間で変位可能である。 図１０は、収容構成に折りたたむように構成された例示的なロータシステムの概略図である。 図１１は、本開示のシステムで使用するのに好適な例示的なシリンダの概略図であって、様々な任意の特徴を示す。 図１２は、本教示による例示的な水平フレットナーロータシステムを搭載するための様々な好適な位置を示すトラクタトレーラの概略側面図である。 図１３は、トラクタトレーラの概略側面図であって、本教示による例示的な垂直フレットナーロータシステムを示す。 図１４は、図１３のトラクタトレーラ及びロータシステムの上面図である。 図１５は、本開示の態様による例示的な風力エネルギベースの乗り物推進システムの概略側面図であって、気流デフレクタの他の実施形態を示す。 図１６は、シミュレートされたモデルシステムの第１のチャートであって、乗り物の速度に対するロータの速度を示す。 図１７は、シミュレートされたモデルシステムの第２のチャートであって、乗り物の速度に対するモータ出力を示す。 図１８は、シミュレートされたモデルシステムの第３のチャートであって、乗り物の速度に対するモータトルクを示す。 図１９は、シミュレートされたモデルシステムの第４のチャートであって、乗り物の速度に対する燃料節約を示す。 図２０は、陸上ベースの乗り物における燃料消費を低減するための例示的な方法のステップを示すフローチャートである。
［詳細な説明］
風力エネルギベースの補助推進システムの様々な態様と実施例、及び関連する方法は、以下に説明され、かつ、添付された図面に示されている。別段の指定がない限り、本教示による補助推進システム、及び／又はその様々な構成要素は、本明細書に記載され、図示され、及び／又は組み込まれた構造、構成要素、機能性、及び／又は変形の少なくとも１つを含んでよい。さらに、特に除外されない限り、本教示に関連して本明細書に記載され、図示され、及び／又は組み込まれた方法のステップ、構造、構成要素、機能性、及び／又は変形は、開示された各実施形態間で置換可能であることを含め、他の同様のデバイス及び方法に含まれてよい。以下の様々な実施例の説明は、本質的に単なる例示であり、開示、その適用、又は使用を限定することを決して意図するものではない。さらに、以下に説明する各実施例及び各実施形態によって提供される利点は、本質的に例示的なものであり、すべての実施例及び実施形態が同じ利点又は同じ程度の利点を提供するわけではない。
この詳細な説明は、すぐ下に続く次のセクション、すなわち、（１）定義、（２）概観、（３）実施例、構成要素、及び代替案、（４）利点、特徴、及び便益、（５）結語が含まれる。（３）実施例、構成要素、及び代替案のセクションは、サブセクションＡからＣにさらに分割され、それぞれにラベルが付されている。
［定義］
特に明記しない限り、以下の定義が本明細書において適用される。
「備える（comprising）」、「含む（including）」、及び「有する（having）」（及びそれらの活用形）は、含むが必ずしも限定されないという意味で置換可能に使用されており、追加の、引用されていない要素又は方法のステップを除外することを意図しない非制限語句（open-ended terms）である。
「第１の（first）」、「第２の（second）」、及び「第３の（third）」などの語句は、一つのグループ又は同様のものの様々なメンバーを区別又は識別するために使用されており、連続的又は数値的な制限を示すことを意図しない。
「ＡＫＡ」は、「としても知られている（also known as）」を意味しており、与えられた要素又は要素の代替的又は対応する語句を示すために使用されてよい。
「細長い（elongate）」又は「伸長された（elongated）」は、幅が均一である必要はないが、それ自体の幅よりも大きい長さを有する物体又は開口を指す。例えば、細長いスロットは楕円形又は競技場の形状であってよく、細長いろうそく立てはその先細りの直径よりも大きい高さを有してよい。否定的な例として、円形の開口部は、細長い開口部とは見なされない。
「内側の／に（inboard）」、「外側の／に（outboard）」、「前方の／に（forward）」、「後方の／に（rearward）」及び同様の語句は、本明細書に記載されたシステムが搭載又は他の手段で取り付けられてよい主体となる乗り物に関する文脈の中で理解されることを意図している。例えば、「外側の／に」は、乗り物の中心線から横方向に遠い相対的位置、又は乗り物の中心線から離れる方向を示してよい。逆に、「内側の／に」は、中心線に向かう方向、又は中心線に近い相対的位置を示してよい。同様に、「前方の／に」は乗り物の前方部分に向かうことを意味し、「後方の／に」は乗り物の後方に向かうことを意味する。主体となる乗り物がない場合は、乗り物が存在すると仮定して、同じ方向を示す語句が使用されてよい。例えば、あるデバイスを単独で見た場合でも、当該デバイスが、議論されているエッジが主体となる乗り物の前方部分の方向を向くように実装されるであろうという事実に基づいて、当該デバイスは「前方の」エッジを有するとしてよい。
「結合された（coupled）」は、永続的に又は解放可能に、直接的又は介在する構成要素を介して間接的に、接続されていることを意味する。
「弾力性のある（resilient）」は、弾性的に変形し、除荷時に元の形状又は位置に戻ることによって、通常の動作荷重（例えば、圧縮されたとき）に応答するように構成された材料又は構造を表す。
「剛性（rigid）」は、通常の動作条件下で、剛性、変形不能、又は実質的に柔軟性に欠けるように構成された材料又は構造を表す。
「処理論理回路（processing logic）」は、１つ以上の論理及び／又は算術演算を実行（例えば、コード化された命令を実行）することによってデータを処理するように構成された任意の好適なデバイス又はハードウェアを意味する。例えば、処理論理回路は、１つ以上のプロセッサ（例えば、中央処理装置（ＣＰＵｓ）及び／又はグラフィック処理装置（ＧＰＵｓ））、マイクロプロセッサ、処理コアのクラスタ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）、人工知能（Ａｌ）アクセラレータ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰｓ）、及び／又は論理回路ハードウェアの任意の他の好適な組み合わせを含んでよい。
「コントローラ（controller）」又は「電子コントローラ（electronic controller）」は、制御要素に関して制御機能を実行するための命令でプログラムされた処理論理回路を含む。例えば、電子コントローラは、入力信号を受信し、入力信号を選択された制御値又は設定値と対比し、その対比に基づいて、制御要素（例えば、モータ又はアクチュエータ）への出力信号を決定して、修正処置を提供するように構成されてよい。別の例では、電子コントローラは、ホストデバイス（例えば、デスクトップコンピュータ、メインフレームなど）と周辺デバイス（例えば、メモリデバイス、入力／出力デバイスなど）との間をインターフェースで接続し、周辺デバイスとの間の入出力信号を制御及び／又は監視するように構成されてよい。
「上に（up）」、「下に（down）」、「垂直の（vertical）」、「水平の（horizontal）」及び同様の方向性のある語句は、議論されている特定の物体に関する文脈の中で理解されるべきである。例えば、物体は、定義されたＸ、Ｙ、及びＺ軸を中心に配向されてよい。これらの実施例では、Ｘ－Ｙ平面は水平を定義し、「上」は正のＺ方向として定義され、「下」は負のＺ方向として定義される。
方法に関する文脈の中での「提供する（providing）」は、受け取る、取得する、購入する、製造する、発生する、処理する、前処理する、及び／又は同様のものを含んでよく、提供された物体又は材料は、実行されるべき他のステップのための状態及び構成にある。
本開示において、１つ以上の刊行物、特許、及び／又は特許出願は、参照により組み込まれてよい。ただし、そのような素材は、組み込まれた素材と本明細書に明らかにされている記載及び図面との間に矛盾が存在しない範囲でのみ組み込まれる。用語法の矛盾を含め、そのような矛盾が生じた場合は、本開示が優先される。
［概観］
概観を述べると、本教示による風力エネルギベースの補助的な乗り物推進システムは、乗り物の向かい風によってもたらされる気流に向かって開放された場所で乗り物に搭載されたフレットナーロータと、乗り物の進行方向に対して横断する方向に気流を向け直すように構成されたデフレクタと、を含んでよい。この向け直された気流は、回転するロータを通過し、そして、概して乗り物の進行方向に力を発生させる。いくつかの実施例では、フレットナーロータは、水平に搭載されており、デフレクタは、ロータを通過した気流を上向きに（又は、下向きに）向け直す。いくつかの実施例では、フレットナーロータは、垂直に搭載されており、デフレクタは、ロータを通過した気流を側方に（すなわち、横向きに）向け直す。選択された要素に応じ、ロータと気流の間の相互作用は、揚力又は負の揚力という結果を得てもよい。
地上交通機関では、移動する乗り物は、静止空気の中を通過し、乗り物の運動エネルギの一部を空気に伝達する。乗り物によって失われたエネルギは、空力抵抗と呼ばれる。空気中に失われる運動エネルギは、乗り物の速度とともに指数関数的に増加し、乗り物の運動エネルギ損失の半分以上を占める可能性がある。既知の空力技術は、例えば、乗り物の本体形状を改変することによって、抗力係数を低減することに焦点を合わせてきた。
自然の風とは根本的に異なり、乗り物の向かい風は、局所的な又は乗り物の規模で人工的に作り出された空気の動きである。乗り物の向かい風は、乗り物と一般的に静止空気との間の相対的運動によってもたらされるものであり、その一方で、自然の風は、地球上の気候帯間の太陽エネルギ吸収の違いに起因する。自然の風とは対照的に、乗り物の向かい風は、乗り物に関して固定された方向で高速度を有しており、全行程にわたって持続する。このことは、乗り物の向かい風をして、再生可能エネルギの優れた源とする。
本開示は、燃料消費を低減するように構成された地上交通機関用（例えば、セミトラック用）の風力アシスト付き補助推進装置について説明する。燃料節約は、乗り物の速度とともに指数関数的に増加する。いくつかの実施例では、例えば、典型的なクラス８の乗り物（例えば、内燃機関（ＩＣＥ）セミトラック）の場合、４５ｍｐｈ（マイル毎時）、６５ｍｐｈ、及び７５ｍｐｈの速度で、それぞれ、燃料節約は、約１７％、２８％、及び３４％とすることができる。電気セミトラックの場合の燃料節約は、ＩＣＥセミトラックよりも概して３％から５％上回る。複数のデバイスが実装されれば、さらなる燃料節約が実現され得る。
燃料節約は、気流デフレクタとフレットナーロータの組み合わせを用いて、乗り物の動きによって発生した風力エネルギ、すなわち、乗り物の向かい風を動力化することによって達成される。気流デフレクタは、向かい風の気流を長手方向（すなわち、乗り物の長さに沿う方向）から横断する方向に、例えば、概して垂直に又は概して側方に（すなわち、横向きに）向け直す。フレットナーロータは、能動的に回転するように構成されており、マグヌス力が乗り物に補助推進力（例えば、前向きに）を提供する。前向きに指向するマグヌス力は、二次的な推進力を提供し、場合によっては、上向きのマグヌス力は、大きなデフレクタの迎え角に対して相対的に小さいが、乗り物のタイヤの転がり抵抗を低減する。モータは、例えば、自立型の及び／又は乗り物ベースの電源を用いて、ロータを高速度で駆動する。コントローラは、乗り物の速度及び／又は風速に関して選択された設定値又は範囲にロータの速度を調整し維持する。例えば、回転速度は、気流の速度の３倍に保持されてよい。
長手方向の気流は、気流デフレクタを用いて、変更される。水平ロータの各実施例では、デフレクタは、追加的な空気抵抗という代償を払った上で、概して上向き又は垂直の気流を創出するように構成される。垂直ロータの各実施例では、デフレクタは、やはり追加的な空気抵抗という代償を払った上で、概して横向き又は側方の気流を創出するように構成される。いくつかの実施例では、デフレクタの抗力係数は最大１．２であり、これは、空力の観点からは高いが、発生した有益なマグヌス力に比べると相対的に小さい。回転するフレットナーロータシリンダ、例えばエンドプレートを備えるシリンダは、向き直された気流中に位置しており、進行方向に推進力を、場合によっては、上向きに揚力を発生させる。高い回転数毎分（ＲＰＭ）及びレイノルズ数で動作するこのようなフレットナーロータは、８以上の揚力係数を発生させることができ、ロータの設計によっては１４に達するようにしてもよい。移動中の乗り物に対する空気抵抗力と同様に、このような揚力は、風速の２乗に比例し、特に高い風速では、乗り物全体の空気抵抗以上にカウントすることができる。
地上交通機関の場合、従来の燃料燃焼低減技術は、乗り物の動きによってもたらされる乱気流を低減することにより、乗り物の空気抵抗を低減することに焦点を置いている。本開示では、付加されるデバイスは、追加的な乱気流を低減する代わりに、それを創出する。ただし、ロータと気流デフレクタの組み合わせによって発生したマグヌス力の便益は、生じた追加的な抗力という代償をはるかに上回る。したがって、本開示は、従来の考え方からの離脱を意味しており、地上交通機関のための従来の燃料節約アプローチとは根本的に異なる。
［実施例、構成要素、及び代替案］
以下のセクションは、例示的な乗り物用の補助推進システムの選択された態様、及び関連するシステム及び／又は方法について説明する。これらのセクションの各実施例は、説明を目的としたものであり、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。各セクションは、１つ以上の別個の実施形態又は実施例、及び／又は文脈上の又は関連する情報、機能、及び／又は構造を含んでよい。
［Ａ．例示的な乗り物用の補助推進システム］
図１から１８に示されるように、このセクションは、例示的な乗り物用の補助推進システムについて説明する。これらのシステムは、上記の「概観」で説明した補助推進システムの各実施例である。水平フレットナーロータシステムが以下で説明される場合、同様の特徴及び結果が垂直の（又は他の任意の）方向に適用可能であり、逆もまた同様であることを理解されたい。さらに、空気ではなく水が流体媒体である場合（例えば、潜水艦やボートの場合）においても、同様の効果が達成できることを理解されたい。
図１は、蹴上げ板又はロータの取付台１０４に回転可能に結合されたシリンダ状のロータ１０２を含むシステム１００の概略システム図である。取付台１０４は、向かい風に対して横断する方向（すなわち、乗り物の進行方向に対して横断する方向）にロータを通過した乗り物の向かい風を向け直すように構成された気流デフレクタ１０８の風上において乗り物１０６に結合される。この方向は、デフレクタとロータの配向に応じて、上向き、下向き、又は横向きであってよい。気流デフレクタ１０８は、向かい風を横断する方向に向け直すように構成された表面を有する任意の好適なデバイスを含んでよい。例えば、気流デフレクタ１０８は、平面状の広がりを含む平坦なシート、曲線状の側面形状を含むシート、及び／又は空気ダクト又は管状構造を含んでよい。いくつかの実施例では、気流デフレクタ１０８は、トラックの運転台の前部などの乗り物本体の表面を含む（図１２に示される例を参照）。
ロータ１０２は、モータ１１０によって駆動され、モータ１１０は、電気モータ及び／又はハブモータなどの任意の好適なモータ又はモータの組み合わせを含んでよい。いくつかの実施例では、モータ１１０は、ギアボックス、トランスミッション、及び／又は同様のものによってロータに結合された外部モータである。モータ１１０及びシステム１００の他の構成要素は、電源１１２によって電力を供給され、電源１１２は、バッテリ電力、太陽光電力、乗り物発生電力、及び／又は同様のものなどの任意の好適な電源を含んでよい。電子コントローラ１１４は、風速計１１６からの風速入力及び／又は乗り物１０６からの乗り物の速度入力などの入力を受信し、モータ１１０を介してロータ１０２の回転速度を制御するように構成される。例えば、ロータの速度は、設定値で、又はロータを通過した風速に関する範囲内で制御されてよい。風速計１１６は、向かい風の速度及び／又は向け直された気流の速度（すなわち、ロータの近傍における）を測定してよい。乗り物１０６及びシステム１００は、道路（例えば、ハイウェイ又はフリーウェイ）を走行している間、屋外などの環境１１８で動作する。
図２及び３は、システム１００の実施例である補助推進システム２０２が搭載された、乗り物１０６の実施例である例示的な乗り物２００を示している。この実施例では、乗り物２００は、トラックであり、システム２０２は、トラックの運転台２０６の後方のトラックのルーフ２０４に結合されている。図２及び３に示されるように、システム２０２は、乗り物の進行方向（Ｄ）に対して横断する方向（例えば、直角）に配向された長軸をもって配置された細長いシリンダ２１０を有する水平に搭載されたフレットナーロータ２０８を含む。シリンダ２１０は、ロータ取付台２１２によってルーフ２０４の上に保持されている。
気流デフレクタ２１４は、フレットナーロータ２０８に隣接して乗り物に搭載されている。この実施例では、気流デフレクタ２１４は、ロータ２０８のすぐ後ろで乗り物２００に搭載されており、向け直された風は、シリンダを通過していく。この実施例では、気流デフレクタ２１４は、概して平坦な（例えば、平面状の）プレートであり、ルーフ２０４に対して横断する角度で搭載されており、デフレクタの上部がデフレクタの基部よりもさらに後方になる。ドライブ及びセンサアセンブリ２１６は、好適な位置、例えば、デフレクタ２１４の後ろで、乗り物２００及び／又はシステム２０２に結合される。ドライブ及びセンサアセンブリ２１６は、風速計及び電子コントローラなどの、システム１００に関して上述した構成要素を含む。いくつかの実施例では、ドライブ及びセンサアセンブリ２１６は、モータを含む。いくつかの実施例では、モータは、ハブモータであり、シリンダ２１０の内部又は隣接して配置される。いくつかの実施例では、ギアボックスが、モータからロータへの速度及びトルク変換を提供するために用いられてよい。
いくつかの実施形態では、第１のモータ２２６Ａは、図３に示されるように、シリンダ２１０の一方端に配置される。追加的に又は代替的に、第２のモータ２２６Ｂは、第１のモータ２２６Ａに対して反対側の他方端に配置されてよい。第２のモータ２２６Ｂは、第１のモータ２２６Ａと同じ又は異なっていてもよく、第１のモータ２２６Ａのサイズ及び重量とのバランスをとり、及び／又は、始動トルクを提供するように機能してよい。例えば、モータ２２６Ｂは、適切な始動トルクを提供するように構成されたモータでよく、その一方で、モータ２２６Ａは、ロータを引き継いでより高速で回転させるように構成される。
いくつかの実施形態では、システム２０２は、シリンダ２１０とルーフ２０４との間を通過する気流を調節するように構成された気流アジャスタ２２８を更に含む。図３に示された実施例では、気流アジャスタ２２８は、シリンダ２１０とルーフ２０４との間に配置されたプレートである。気流アジャスタ２２８は、より大きなマグヌス力が作り出されるように、シリンダ２１０とルーフ２０４との間の気流を制限する（例えば、減速する）又は妨げるように構成される。
図４及び５は、気流デフレクタの他の実施例、すなわち、気流デフレクタ２１４Ａ及び気流デフレクタ２１０Ｂの側面形状を示しており、それぞれ、曲線状の側面形状及び異なる迎え角を持つ風上面を有する。
図６及び７は、補助推進システム２０２の概略図である。気流デフレクタ２１４は、ルーフ表面に対して横断する任意の好適な角度（例えば、鋭角又は直角）を含んでよい迎え角θでルーフ２０４に搭載されており、乗り物の向かい風を上向きに向け直すように構成されている。例えば、迎え角θは、ほぼ（又は正確に）７０度であってよい。ただし、図８に示されるように、ある範囲の迎え角θの値も、燃料節約という結果を得てよい。図８に示されている実施例では、５度以上の迎え角が燃料節約を達成しており、好ましくはほぼ３５度以上の角度である。
図７に示されるように、システムが動作しているときには様々な力が存在する。例えば、回転するロータ（この図では時計回り）を通過した気流は、気流の方向に直交するマグヌス力と、気流の方向に抗力をもたらす。図７に示されるように、シリンダ２１０は、気流に関して逆回転し、気流の方向に直交するマグヌス力をもたらす。つまり、このようにして創出されたマグヌス力は、前向き成分と上向き成分を有し、前向き成分が乗り物に補助推進力を提供する。気流デフレクタに関しては、乗り物の向かい風の全般的な方向に抗力が創出されるとともに、負の揚力、すなわち下向き方向に揚力が創出される。
いくつかの実施形態では、シリンダ２１０は、気流の観点からみて順回転（図７では反時計回りに）し、気流は、図７に示される方向とは反対の方向になるマグヌス力をもたらす。制動時又は旋回時などの運転条件によっては、後向き成分及び下向き成分を伴うマグヌス力は、乗り物の速度を落とすために望ましい。したがって、システム２０２は、乗り物の減速及び／又は乗り物の旋回の容易化に資するために、シリンダ２１０を選択的に順回転させるように構成されてよい。
図９及び１０は、ロータアセンブリが展開構成（図２、３、６、及び７を参照）と収容又は折りたたみ構成との間で遷移可能であるシステム２０２の例示的なバージョンを示している。図９に示される実施例では、システム２０２は、乗り物２００のルーフに関して昇降されるように構成されているが、システムは、乗り物の異なる場所に搭載されていてもよい（図１２から１４を参照）。例えば、アクチュエータ２２０は、一切のアセンブリを全体として乗り物の凹陥２２２の内外に昇降させるように利用されてよい。アクチュエータ２２０は、リニアアクチュエータ（例えば、空気圧又は油圧シリンダ）、エレベータ、ウォームギア、リードスクリュ、昇降機構に結合された片持ち式プラットフォームなどの任意の好適なデバイスを含んでよい。図１０の実施例では、システム２０２は、ルーフ２０４に対して平らに（又は相対的に平らに）枢動するように構成される。例えば、ロータ取付台及び気流デフレクタは、ルーフに関して解放可能に枢動可能であってよい。選択的には、システム２０２が折りたたみ可能であるかどうかにかかわらず、着脱可能な（例えば、空力用の）カバー２２４（ハウジングとも呼ばれる）が、構成要素を保護し、及び／又は使用されない場合にシステム２０２によってもたらされるであろう抗力を低減するために利用されてよい。いくつかの実施例では、図９及び１０の特徴は、組み合わされてもよい。例えば、構成要素は、ルーフ又は乗り物の他の場所に形成された凹陥の中に折りたたまれるように構成されてよい。図９及び１０の特徴、又は同様の機構は、例えば、橋の下を通過するとき、又は低速で走行するときに、乗り物の全高を低減することに役立ててよい。
図１１は、フレットナーロータ２０８（又は本開示の任意の他のフレットナーロータ）において使用に好適な例示的なシリンダ３００を示している。シリンダ３００は、全長Ａ及び直径Ｂを有する細長いシリンダ又はチューブである。選択的には、シリンダ３００は、それぞれが直径Ｂよりも大きい直径を有するエンドプレート３０２を含んでよい。いくつかの実施例では、シリンダ３００は、１つ以上のスパン方向に間隔が空けられたディスク３０４を含む。いくつかの実施例では、シリンダ３００は、１つ以上の表面特徴３０６を含む。例えば、表面特徴３０６は、任意の好適な軸方向のスプライン、突起、表面の粗面化及び／又はテクスチュアリング、溝、コーティング、及び／又は同様のものなどを含んでよい。いくつかの実施例では、シリンダ３００は、例えば、自動回転を容易にするために、非円形の断面を有してよい。
いくつかの実施例では、本明細書に記載された補助的な風力推進システムは、少なくとも４つの動作モードを有し、それらのいくつか又はすべては、電子コントローラによって自動的に選択可能であってよい。
・パワーダウンモード：電源は供給されない。システムは、収容構成にある、及び／又は空力カバーによって外部環境から遮断されている。このモードは、降雨又は降雪時、駐車中などに利用されてよい。
・スタンバイモード：システムは、電力供給されているが、ロータは回転していない。このモードは、乗り物が２０ｍｐｈ未満などの低速で移動しているときに利用されてよい。
・前進モード：モータは、シリンダを第１の回転方向に高速で一定の相対速度比で回転させ、乗り物に補助推進力を提供する。
・後退モード：モータは、シリンダを第２の回転方向に高速で一定の相対速度比で回転させ、乗り物に補助的な制動力を提供する。
図１２から１４に戻り、例示的な乗り物に関して、本開示のシステムの様々な好適な構成及び搭載位置について説明する。図１２は、アメリカの道路で典型的に見られるトラクタトレーラの形態の乗り物３２０を示している。示されるように、補助的な乗り物推進システム１００の各実施例は、乗り物上の任意の好適な場所又は場所に水平に搭載されてよい。例えば、システムは、図２及び３の例と同様に、位置Ａ及び位置Ｂにおいて乗り物のルーフの頂上に示されている。いくつかの実施例では、システムは、位置Ｃにおいて示されるように、運転台の上面で乗り物３２０に搭載されてよい。いくつかの実施例では、システムは、位置Ｄにおいて示されるように、反転してトレーラの下に搭載されてよい。いくつかの実施例では、システムは、位置Ｅにおいて示されるように、運転台の前面に搭載されてよく、その場合、運転台の前面は、気流デフレクタとして利用されてよい。いくつかの実施例では、図１２の位置Ｆにおいて示されるように、気流は、運転台とトレーラの間で、その空間に配置されたロータを通過して下向きに向け直されてよい。
図１３及び１４は、本開示による垂直に搭載されたフレットナーロータシステム群３４０、３６０を示している。この実施例では、２つのシステムが例示的な乗り物３４２の頂上に搭載される。各システムにおいて、２つの回転するロータ群３４４、３６４が、角度付きデフレクタ３４６、３６６の風上に搭載される。ロータ群３４４、３６４は、乗り物の全高を考慮して、水平に搭載されたロータ群より長さにおいて短くされてよい。図１３及び１４に見ることができるように、各デフレクタ３４６、３６６は、上面視においてＹ字形であり、デフレクタの２つの面は、向かい風に対して横断する方向に配向されている。この実施例では、ダブルロータ群を有するＹ字形デフレクタ群が示され、説明されているが、単一の横断する方向のデフレクタ及び単一の随伴するロータが利用されてもよい。いくつかの実施形態では、気流デフレクタ３４６及び３６６は、Ｖ字形であってよい。
本開示の補助的な乗り物推進システムは、トラクタトレーラ、ピックアップトラック、セダン、及び／又はＳＵＶを含むがこれらに限定されない様々な乗り物において使用されてよいことが評価されるべきである。これらのシステムは、また、列車、船、及び／又は航空機でも使用されてよい。
図１５は、例示的な補助推進システム５０２の概略図である。システム５０２は、乗り物の進行方向（Ｄ）に対して横断する方向（例えば、直角）に配向された長軸を持つ細長いシリンダ５１０を有する水平に搭載されたフレットナーロータ５０８を含む。フレットナーロータ５０８は、下地板５０４の上に搭載されるように示されている。下地板５０４は、ルーフ、搭載構造、及び／又は乗り物本体の任意の適切な部分であってよい。
気流デフレクタ５１４は、フレットナーロータ５０８に隣接して乗り物に搭載される。この実施例では、気流デフレクタ５１４は、向かい風Ｗを向け直させるように構成された空気ダクト又はチューブであり、向かい風は、向かい風に対して横断する方向にシリンダ５１０を通過する。気流デフレクタ５１４は、下地板５０４に対して横断する角度で搭載され、シリンダ５１０は、ダクト内に配置される。この実施例では、シリンダ５１０は、下地板ではなく、ダクトの床に結合されている。この構成（シリンダ又はロータ取付台をデフレクタに結合すること）は、本明細書に記載された任意の好適な実施形態において利用されてよい。
気流デフレクタ５１４の断面は、長方形、正方形、楕円形、円形、又は不規則な形状を有してよい。空気ダクト５１４は、それを通過する気流を向け直して制御するのに好適な任意の適切な形状を有してよいことが評価されるべきである。例えば、空気ダクトの断面積は、その長さ又は乗り物の長手方向に沿って変化してよい。いくつかの実施例では、気流デフレクタ５１４は、シリンダのところで、又はシリンダの手前で切り詰められてよく、空気ダクトは、空気をシリンダに向けるが、シリンダを完全には包み込まない。換言すると、いくつかの実施例では、気流デフレクタは、ブロワとして機能してよい。
この実施例では、シリンダ５１０は、気流デフレクタ５１４の内部に配置され、気流デフレクタ５１４を通過する気流中で回転又はスピンする。図示の実施例では、シリンダ５１０は、気流に関して逆回転し、前向き及び上向きの方向のマグヌス力という結果を得る。空気ダクト５１４の上壁５１６及び下壁５１８は、気流を閉じ込め、その流量及び／又は速度の制御を提供する。いくつかの実施例では、上壁５１６と下壁５１８は平行である。いくつかの実施例では、少なくとも下壁５１８が迎え角θを形成する。上壁５１６とシリンダ５１０の間の距離、及び下壁５１８とシリンダ５１０の間の距離は、上壁５１６とシリンダ５１０の間を通過する気流と、下壁５１８とシリンダ５１０の間を通過する気流との間の所望の圧力差又は乱気流が特定的に実現化されるように構成されてよい。
図１６から１９は、本開示の態様による水平フレットナーロータを有するシステムについての様々なシミュレートされたパラメータ及び性能をプロットしたチャートである。図１６は、乗り物の速度に対するＲＰＭによるフレットナーロータの速度を示しており、相対速度比は３に設定されている。ここでは説明のために３という比率を使用しているが、その値の範囲は、燃料節約に帰着する。図１７は、乗り物の速度に対するフレットナーロータモータの出力の例を示している。図１８は、乗り物の速度に対するフレットナーロータモータのトルクの例を示している。図１９は、乗り物の速度に対する予測される燃料節約を示している。示されているように、乗り物が速く進行するほど、より多くの出力がロータを駆動するために必要になるとともに、より多くのエネルギ節約が結果として生じる。トルクの必要量は、直径２０ｃｍのシミュレートされたシリンダの場合、常に相対的に小さい。７５ｍｐｈの乗り物の速度で、ロータの速度、トルク、及び出力の必要量のピーク要求は、それぞれ、８０００ＲＰＭ、６Ｎｍ（ニュートンメートル）、及び７．８ＫＷ（キロワット）であり、これらはすべて、既製の電気モータで満たすことができる。エネルギ節約は、乗り物の速度とともに指数関数的に増加する。セミトラックの平均速度が４５ｍｐｈの場合、モータは１．７ＫＷの出力を消費し、結果として生じるエネルギ節約は、電気乗り物（ＥＶ：electric vehicle）トラックの場合で約２０％、ＩＣＥトラックの場合で約１７％である。州間ハイウェイでは、セミトラックは６５から７５ｍｐｈの制限速度で巡航することが多く、ＥＶトラックの場合、それぞれ、５．１ＫＷと７．８ＫＷのモータ出力を消費しながら、３３％と３９％のエネルギ節約に帰着する。ＩＣＥトラックの場合の対応するエネルギ節約は、ほぼ３％から５％少なくなる。
任意の好適な長さと直径が利用されてよいが、上記のシミュレーションでは、長さ２ｍ、直径２０ｃｍのフレットナーロータが選択された。したがって、この実施例のアスペクト比は、１０：１である。マグヌス力を高めるために（すなわち、ロータ揚力係数によって）、それぞれがシリンダの直径の２倍の直径を持つ２つのエンドプレートが利用された。速度比３：１で回転する場合、フレットナーロータは、１４以上の揚力係数と約１．２の抗力係数を発生させる。
この実施例について続けると、垂直の層流気流を発生させるために、ロータの３倍の断面積を持つ気流デフレクタが選択される。したがって、デフレクタのアスペクト比は、約３．３となる。また、迎え角は、７０度に設定されている。この構成の単純なプレートは、１．０未満の抗力係数、０．４の揚力係数を有する。これらの値は、概算として用いられている。層流気流を維持するために単純なプレートよりもスムーズな移行部を持つにつれ（例えば、図４及び５を参照）、デフレクタの実際の抗力係数及び揚力係数は、乱流気流が減少するため、大幅に小さくすることができる。
ロータシステムが実装されている場合、燃料節約は、動的乗り物モデルを用いて推計される。移動中の乗り物は、空力上の抗力、摩擦、道路勾配からの重力、及び慣性からの抵抗力を克服するためにエネルギを必要とする。電気乗り物の場合、エネルギのかなりの部分が、乗り物の減速中の回生ブレーキによって回収される。本明細書における動的乗り物モデルでは、回生ブレーキが仮定されている。内燃機関（ＩＣＥ）乗り物の場合には、ブレーキ効率は、モデル中で単にゼロに設定される。
フレットナーロータシステムが実装されていないセミトラックに求められる総エネルギは、次の式で与えられる。
Figure 2023514004000002
 ここで、ECは総エネルギ消費量、vは乗り物の平均速度、ρは大気の密度、Aはトラックの正面面積、Cdは抗力係数、Crrは転がり抵抗係数、WTは乗り物総重量、Zは道路勾配、gは重力加速度、aは乗り物の平均加速度及び／又は減速度、ηtwはタンク・トゥ・ホイール効率、ηbrkはブレーキ効率、及び、Tは総移動時間を表す。
速度vで巡航する場合、フレットナーロータは、揚力と抗力を乗り物に発生させるが、図７に示されるように、それらは、回転するフレットナーロータと気流デフレクタからの合成された揚力と抗力である。CLC及びCDCをそれぞれフレットナーロータの揚力係数及び抗力係数とする。CLD及びCDDをそれぞれ気流デフレクタの揚力係数及び抗力係数とする。それらの合成力は、次のようになる。
Figure 2023514004000003
Figure 2023514004000004
 ここで、θは気流デフレクタの迎え角である。Fxによって創出された出力と、Fyによって提供された重量の軽量化は、次のような正味のエネルギ節約に帰着する。
Figure 2023514004000005
 ここで、NCは実装されているロータ群の数である。典型的なセミトラックの長さを考えると、２つ以上のロータシステム群が、それらの間に大きな空力上の干渉を創出することなく実装されてよい。式（４）の最後の項は、次の２つの理由でゼロに設定される。（１）乗り物が巡航速度まで加速する時間は通常短く、この時間中はロータがまだ動作していないと想定される。それでも、慣性を克服するために費やされるエネルギは、空力上の抗力及び転がり抵抗のエネルギと比較して通常非常に小さい。（２）ロータが最初から動作している場合、力Fyは乗り物の速度を加速する関数であり、最後の項は大まかな推計にすぎない。最後の項をゼロに設定することは、エネルギ節約の観点からみてロータシステムのパフォーマンスを過小推計することにつながり、これらの計算を控えめにする。
一方、ロータを駆動するために必要なエネルギErは、次のとおりである。
Figure 2023514004000006
 ここで、ηは電気モータの効率、Cpはロータの出力係数である。
Figure 2023514004000007
 ここで、αはロータ速度比、Cfは表面摩擦係数である。エネルギ節約率は次の式で与えられる。
Figure 2023514004000008
 上記の動的乗り物モデルは、すべてのタイプの乗り物に適用することができる。回生ブレーキのない乗り物の場合、ηbrk = 0に設定する。タンク・トゥ・ホイール効率ηtwは、乗り物の燃料とエネルギの種類によって大幅に異なるが、エネルギ節約パラメータGは、ηtwにわずかに依存する程度である。これは、ECとESがηtwに同様に依存しているためであり、ηtwは、それらの比率で部分的にキャンセルされる。Er項は、EC及びESよりもはるかに小さく、Gにはほとんど影響を与えない。したがって、推計されるエネルギ節約は、電気及びＩＣＥセミトラックの双方にとって同様となる。
［Ｂ．例示的な方法］
このセクションは、乗り物に補助推進力を提供するための例示的な方法４００のステップについて説明する。図２０を参照されたい。上記のシステムの態様は、以下に説明する方法のステップに利用されてよい。妥当な場合には、各ステップの実行に用いられてよい構成要素及びシステムについて、参照がされてよい。これらの参照は説明のためのものであり、方法のいずれかの特定のステップを実行する潜在的な手段を限定することを意図するものではない。
図２０は、例示的な方法で実行されるステップを示すフローチャートであり、方法の完全なプロセス又はすべてのステップを列挙しているとは限らない。方法４００の様々なステップは、以下に説明され、図２０に示されているが、ステップは必ずしもすべて実行される必要はなく、場合によっては、同時に又は示されている順序とは異なる順序で実行されてよい。
方法４００のステップ４０２は、乗り物の向かい風を向け直すことを含み、乗り物に結合された気流デフレクタを用いて、向かい風に対して横断する、すなわち、乗り物の長手方向軸に対して横断する、又は進行方向に対して横断する（例えば、上向き又は横向きの流れ）気流を発生させる。いくつかの実施例では、乗り物は、トラクタトレーラ又はセミトラックであってよい。いくつかの実施例では、気流デフレクタは、乗り物のルーフに対して横断する方向に配向された平面状の広がりを含む。いくつかの実施例では、気流デフレクタは、曲線状の側面形状を有する。いくつかの実施例では、気流デフレクタは、少なくとも５度、少なくとも３５度、又は少なくとも７０度の迎え角を有する。いくつかの実施例では、横断する気流の全般的な方向は、乗り物の長手方向軸に関して９０度未満の角度である。いくつかの実施例では、複数の気流デフレクタ群とロータ群が利用されてよく、追加的な節約に帰着する。それらの実施例では、より低い迎え角が利用されてよく、同様の全体的な節約を達成する。
方法４００のステップ４０４は、横断する気流中に配置された水平又は垂直のシリンダを回転させることによって、乗り物にマグヌス力を発生させることを含む。水平方向の各実施例では、シリンダは、長手方向が乗り物の幅にわたって配向されている。垂直方向の各実施例では、シリンダは、長手が垂直に延在するように配向されている。いくつかの実施例では、シリンダを回転させることは、電気モータ、例えば、ハブモータを用いてシリンダを回転させることを含む。いくつかの実施例では、シリンダは、シリンダの直径よりも大きいサイズ（例えば、少なくとも２倍の大きさ）の一対のエンドプレートを含む。
方法４００のステップ４０６は、電子コントローラを用いて、回転するシリンダの速度を制御することを含む。いくつかの実施例では、速度を制御することは、風速計から入力された気流の速度に少なくとも部分的に基礎づけられている。いくつかの実施例では、速度を制御することは、乗り物の速度に少なくとも部分的に基礎づけられている。いくつかの実施例では、速度を制御することは、乗り物の速度の倍数に基づいてシリンダの回転速度を維持することを含んでよい。いくつかの実施例では、速度を制御することは、シリンダを通過した気流の速度の倍数に基づいてシリンダの回転速度を維持することを含んでよい。いくつかの実施例では、電子コントローラは、モータコントローラとして参照されてよい。
［Ｃ．例示的な組合せと追加的な実施例］
このセクションは、乗り物用の補助推進システムの追加的な態様と特徴について説明しており、一連の段落群として限定することなく提案するものであって、段落群のいくつか又はすべては、明確性と効率性のためにアルファベット順に指定されてよい。これらの段落群のそれぞれは、１つ以上の他の段落群と、及び／又は、相互参照により組み込まれた素材を含めて本願明細書の他の箇所からの開示と、任意の適切な方法で組み合わせることができる。以下の段落群のいくつかは、他の段落群を明示的に参照及びさらに限定しているが、これらに限定することなく、適切な組合せのいくつかの実施例を提供するものである。
Ａ０． 乗り物用の補助推進システムであって、乗り物に搭載された回転可能なシリンダを含み、シリンダの長手が乗り物の進行方向に対して横断する方向に配向されたフレットナーロータと、フレットナーロータに隣接して（例えば、後ろで）乗り物上に配置され、乗り物の向かい風を向け直して進行方向に対して横断する方向にシリンダを通過した気流を発生させるように構成された気流デフレクタと、を備える、システム。
Ａ１． フレットナーロータのシリンダは、水平方向に搭載される、段落Ａ０に記載のシステム。
Ａ２． フレットナーロータのシリンダは、垂直方向に搭載される、段落Ａ０に記載のシステム。
Ａ３． ロータは、電気モータ、例えばハブモータによって駆動される、段落Ａ０に記載のシステム。
Ａ４． シリンダは、１０：１（又はそれ以上）の長さ対直径比を有する、段落Ａ０からＡ３のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ５． シリンダは、それぞれがシリンダの直径以上の横断する方向の寸法を有する一対のエンドプレートを更に備える、段落Ａ０からＡ４のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ６． エンドプレートは、シリンダの直径の少なくとも２倍の直径を有する、段落Ａ５に記載のシステム。
Ａ７． シリンダを回転させるように構成されたモータと、モータを制御するように構成され、シリンダの回転速度がシリンダを通過した横断する方向の気流の速度の選択された倍数に維持される電子コントローラと、を更に備える、段落Ａ０に記載のシステム。
Ａ８． 電子コントローラと通信する風速計を更に備え、風速計は、向け直された気流の速度を測定するように構成される、段落Ａ７に記載のシステム。
Ａ９． 電子コントローラは、シリンダの回転速度を風速計から受信した気流の速度情報に少なくとも部分的に基礎づける、段落Ａ８に記載のシステム。
Ａ１０． 向け直された気流の速度は、乗り物の速度に基づいて推計される、段落Ａ７に記載のシステム。
Ａ１１． 選択された倍数は、３である、段落Ａ１０に記載のシステム。
Ａ１２． 選択された倍数は、少なくとも３である、段落Ａ１１に記載のシステム。
Ａ１３． システムは、シリンダと気流デフレクタが乗り物の向かい風に露出される展開構成と、シリンダと気流デフレクタが空力ハウジングで覆われる収容構成との間で遷移可能である、段落Ａ０からＡ１２のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ１４． システムは、シリンダと気流デフレクタが乗り物の向かい風に露出される展開構成と、シリンダと気流デフレクタが向かい風を脱して乗り物の凹陥に降下される収容構成との間で遷移可能である、段落Ａ０からＡ１３のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ１５． システムは、シリンダと気流デフレクタが乗り物の向かい風に露出される展開構成と、シリンダと気流デフレクタが乗り物の表面に対して下向きに枢動される収容構成との間で遷移可能である、段落Ａ０からＡ１３のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ１６． シリンダは、１つ以上の、スパン方向に間隔が空けられたディスク、軸方向のスプライン、突起、表面の粗面化、溝、及び／又はコーティングを更に備える、段落Ａ０からＡ１５のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ１７． シリンダは、非円形の断面を有する、段落Ａ０からＡ１６のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ１８． 気流デフレクタは、平面状の広がりを備える、段落Ａ０からＡ１７のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ１９． 気流デフレクタは、乗り物の側面から見たときに曲線状の側面形状を有する、段落Ａ０からＡ１８のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ２０． 気流デフレクタは、５度以上（例えば、３５度以上）の迎え角を有する、段落Ａ０からＡ１９のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ２１． ロータ及び気流デフレクタは、乗り物上に配置され、シリンダが発生した気流中でモータによって逆回転するとき、ロータ及び気流デフレクタが共同して乗り物の進行方向に推進力を発生させる、段落Ａ０からＡ２０のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ２２． ロータ及び気流デフレクタは、乗り物上に配置され、シリンダが発生した気流中で順回転するとき、ロータ及び気流デフレクタが共同して乗り物の進行方向と反対の力を発生させる、段落Ａ０からＡ２１のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ２３． 気流デフレクタは、平面状の広がりを備えるとともに、フレットナーロータの後ろに配置される、段落Ａ０からＡ２２のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ２４． 気流デフレクタは、平面状の広がりを含む湾曲した側面形状を備えるとともに、フレットナーロータの後ろに配置される、段落Ａ０からＡ２３のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ２５． 気流デフレクタは、空気ダクトを備え、フレットナーロータは、空気ダクト内に配置される、段落Ａ０からＡ２４のいずれか１つに記載のシステム。
Ａ２６． シリンダは、乗り物の本体に搭載されるとともに、乗り物の本体の２つの表面によって形成される任意のエッジから離間している、段落Ａ０からＡ２５のいずれか１つに記載のシステム。
Ｂ０． 乗り物に補助推進力を提供するための方法であって、乗り物に結合された気流デフレクタを用いて、乗り物の向かい風を向け直して向かい風に対して横断する方向の気流を発生させることと、向け直された気流中に配置されたシリンダを回転させることにより、乗り物にマグヌス力を発生させることと、を備える、方法。
Ｂ１． 乗り物は、トラクタやトレーラなどの陸上ベースのモータ乗り物を含む、段落Ｂ０に記載の方法。
Ｂ２． シリンダは、長手方向が乗り物の幅にわたって配向される、段落Ｂ０に記載の方法。
Ｂ３． 気流デフレクタは、乗り物のルーフに対して横断する方向に配向された平面状の広がりを備え、例えば、向かい風方向に対して横断する方向に配向された面を有する、段落Ｂ２に記載の方法。
Ｂ４． 気流デフレクタは、曲線状の側面形状を有する、段落Ｂ０に記載の方法。
Ｂ５． 水平のシリンダを回転させることは、電気モータ、例えばハブモータを用いてシリンダを回転させることを備える、段落Ｂ０に記載の方法。
Ｂ６． 電子コントローラを用いて、回転するシリンダの速度を制御することを更に備える、段落Ｂ４に記載の方法。
Ｂ７． 速度を制御することは、風速計から入力された気流の速度に少なくとも部分的に基礎づけられる、段落Ｂ６に記載の方法。
Ｂ８． 速度を制御することは、乗り物の速度に少なくとも部分的に基礎づけられる、段落Ｂ６に記載の方法。
Ｂ９． 気流デフレクタは、少なくとも５度の迎え角を有する、段落Ｂ０に記載の方法。
Ｂ１０． 気流デフレクタは、少なくとも３５度の迎え角を有する、段落Ｂ９に記載の方法。
Ｂ１０． シリンダは、シリンダの直径よりも大きいサイズの一対のエンドプレートを含む、段落Ｂ０に記載の方法。
Ｂ１１． 乗り物の速度の倍数に基づいてシリンダの回転速度を維持することを更に含む、段落Ｂ０に記載の方法。
Ｂ１２． 乗り物の進行方向に関して向け直された気流の全般的な方向は、９０度未満の角度である、段落Ｂ０からＢ１１のいずれか１つに記載の方法。
Ｃ０． いくつかの実施例では、フレットナーロータは、平板、薄い楕円形のシリンダ、十字形のプレート、三角プリズム、正方形の断面を有する直角プリズム、サボニウスロータなど、自動回転を容易にするように構成された幾何学的形状、及び／又は、モータを使用せずにロータ機能を容易にする他の適切な形状を有してよい。自動回転可能なフレットナーロータは、モータなしで、又は、低速での乗り物効率を高めるためにモータと組み合わせて、使用されてよい。
Ｄ０． いくつかの実施例では、フレットナーロータは、ロータの揚力係数及びトルク係数を高めるように構成された選択された表面テクスチャを含んでよい。
Ｄ１． いくつかの実施例では、これらの表面テクスチャは、研磨された金属、滑らかな金属、木材、及び／又は他の適切なロータ材料など、使用されるロータ材料に起因してよい。
Ｄ２． いくつかの実施例では、これらの表面テクスチャは、コーティング（例えば、酸化アルミニウム粒子による）、ディンプル（ゴルフボールの表面と同様）、軸方向のフィン及び／又はスプラインの包含、及び／又はシリンダの周りの気流に影響を与えるように構成された他の適切な表面改質に起因してよい。
Ｅ０． いくつかの実施例では、フレットナーロータは、トムロータのように、ロータシリンダの長手に沿ってスパン方向に間隔が空けられたディスクを含んでよい。いくつかの実施例では、ディスクは、ロータシリンダの直径の０．７５倍とロータシリンダの直径の１．２５倍との間の間隔で配置されてよい。
Ｆ０． 乗り物用の補助推進システムであって、乗り物に搭載された回転可能なシリンダを含み、シリンダの長手が乗り物の進行方向に対して横断する方向に配向されたフレットナーロータと、フレットナーロータの後ろで乗り物上に配置され、乗り物の向かい風を向け直して進行方向に対して横断する方向にシリンダを通過した気流を発生させるように構成された気流デフレクタと、シリンダを回転させるように構成されたモータと、モータを制御するように構成され、シリンダの回転速度がシリンダを通過した横断する方向の気流の速度の選択された倍数に維持される電子コントローラと、を備える、システム。
［利点、特徴、及び便益］
本明細書に記載された乗り物用の補助推進システムの異なる各実施形態及び各実施例は、既知の解決策に勝るいくつかの利点を提供する。例えば、本明細書に記載された例示的な各実施形態及び各実施例は、低コストで、航洋船、航空機、及び／又は陸上（例えば、中型及び大型の）乗り物を含め、既存の乗り物に付加され、及び／又は、新しい乗り物に組み込まれることができる。
さらに、他の便益として、本明細書に記載された例示的な各実施形態及び各実施例は、新しいグリーン技術を創出して、空気中を通過する地表面上の乗り物又は船舶の動きによって失われる人工風力エネルギをリサイクルし、しかも、再生可能エネルギの新しい源と見なすことができる。原則として、あらゆる種類の地表面上（地上及び洋上）及び地表面下の交通機関に適用されることができる。広く採用された場合、この技術は、乗り物の燃料効率を大幅に改善し、かつ、人為的な炭素排出を劇的に削減して、気候への人的影響を低減することができる。
さらに、他の便益として、本明細書に記載された例示的な各実施形態及び各実施例は、現状では乗り物の抗力の形で否定的に寄与するのみの既存の風力エネルギ源（すなわち、乗り物の向かい風）を動力化する。
さらに、他の便益として、本明細書に記載された例示的な各実施形態及び各実施例は、シリンダの回転方向を反転させることによってエアブレーキとして使用することができる。このようなブレーキの性能は、気流からのマグヌス力を用いて乗り物を停止するため、道路状況に依存しない。
さらに、他の便益として、気流デフレクタとロータとの間に可変な構成を用いることにより、本明細書に記載されたデバイスは、追加的な道路牽引力を提供するために使用されることができる。
さらに、他の便益として、本明細書に記載された例示的な各実施形態及び各実施例は、中型及び大型トラックなどの乗り物のエネルギ効率を改善し、それにより、それらの排気ガスを削減する。これは、経済的な問題であるのみならず、公衆衛生、環境、及びエネルギ安全保障の問題でもある。
さらに、他の便益として、本明細書に記載された例示的な各実施形態及び各実施例は、平均州間速度を６０ｍｐｈと仮定すると、２５％の燃料節約を提供する。年間走行距離が１００Ｋマイル、燃費が６ｍｐｇ（１ガロンあたりの走行マイル数）、ディーゼル価格が３ドル／ガロンであると仮定すると、これは、セミトラックあたりの年間燃料コスト削減で１２，５００ドル以上、又はトラックあたり年間４６ＵＳトンのＣＯ２排出量に換算される。
既知のシステム又はデバイスは、これらの機能を達成することはできない。ただし、本明細書に記載されたすべての実施形態及び実施例が、同じ利点又は同じ程度の利点を提供するわけではない。
［結語］
上記で明らかにした開示は、独立した有用性を有する複数の別個の実施例を包含してよい。これらのそれぞれは、その好ましい形態で開示されているが、本明細書に開示及び示されているその特定の各実施形態は、多数の変形が可能であるため、限定的な意味で考慮されるべきではない。この開示の中でセクション見出しが使用されている場合はその限りにおいて、それらの見出しは、本明細書の構成上の目的のためだけのものである。本開示の主題は、本明細書に開示された様々な要素、特徴、機能、及び／又は特性について、そのすべての新規で非自明な組合せ及び下位組合せを含む。後記するクレームは、新規で非自明であると考えられる確かな組合せ及び下位組合せを指摘している。特徴、機能、要素、及び／又は特性の他の組合せ及び下位組合せは、この又は関連する出願から優先権を主張する出願において、クレームされてよい。そのようなクレームは、また、オリジナルのクレームの範囲に対して、広い、狭い、等しい、又は異なるかどうかにかかわらず、本開示の主題に含まれると考えられる。

Claims (30)

  1. 乗り物用の補助推進システムであって、
    乗り物に搭載された回転可能なシリンダを含み、前記シリンダの長手が前記乗り物の進行方向に対して横断する方向に配向されたフレットナーロータと、
    前記フレットナーロータに隣接して前記乗り物上に配置され、前記乗り物の向かい風を向け直し、前記乗り物への追加的な空気抗力という代償を払った上で、前記進行方向に対して横断する方向に前記シリンダを通過した気流を発生させるように構成された気流デフレクタと、を備え、
    前記ロータ及び前記気流デフレクタは、前記乗り物上に配置され、前記シリンダが発生した前記気流中で逆回転するとき、前記ロータ及び前記気流デフレクタが共同して前記乗り物の前記進行方向に推進力を発生させる、システム。
  2. 前記フレットナーロータの前記シリンダは、水平方向に搭載される、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記フレットナーロータの前記シリンダは、垂直方向に搭載される、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記シリンダは、１０：１以上の長さ対直径比を有する、請求項１に記載のシステム。
  5. 前記シリンダは、前記シリンダの直径以上の同じ直径を有する一対のエンドプレートを更に備え、前記エンドプレートは、前記シリンダと共に回転するように構成される、請求項１に記載のシステム。
  6. 前記シリンダを回転させるように構成されたモータと、
    前記モータを制御するように構成され、前記シリンダの回転速度が前記シリンダを通過した前記気流の速度の選択された倍数に維持される電子コントローラと、を更に備える請求項１に記載のシステム。
  7. 前記モータは、ハブモータを備える、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記電子コントローラと通信する風速計を更に備え、前記風速計は、前記シリンダを通過した前記気流の速度を測定するように構成される、請求項６に記載のシステム。
  9. 前記電子コントローラは、前記シリンダの回転速度を前記風速計から受信した前記気流の速度情報に少なくとも部分的に基礎づける、請求項８に記載のシステム。
  10. 前記シリンダを通過した前記気流の速度は、前記乗り物の速度に基づいて推計される、請求項６に記載のシステム。
  11. 前記気流デフレクタは、平面状の広がりを備える、請求項１に記載のシステム。
  12. 前記気流デフレクタは、５度以上の迎え角を有する、請求項１に記載のシステム。
  13. 前記シリンダは、前記乗り物の本体に搭載されるとともに、前記乗り物の前記本体の２つの表面によって形成される任意のエッジから離間している、請求項１に記載のシステム。
  14. 前記気流デフレクタは、空気ダクトを備える、請求項１に記載のシステム。
  15. 前記フレットナーロータは、前記ダクト内に少なくとも部分的に配置される、請求項１４に記載のシステム。
  16. 乗り物に補助推進力を提供するための方法であって、
    前記乗り物に結合された気流デフレクタを用いて、前記乗り物の向かい風を向け直し、前記乗り物への追加的な空気抗力という代償を払った上で、前記向かい風に対して横断する方向に向け直された気流を発生させることと、
    向け直された前記気流中に配置されたシリンダを逆回転させることにより、前記乗り物にマグヌス力を発生させることと、を備え、
    前記気流デフレクタ及び前記シリンダは、前記シリンダ及び前記気流デフレクタが共同して前記乗り物の進行方向に推進力を発生させるように配置される、方法。
  17. 前記シリンダは、長手方向が前記乗り物の幅にわたって配向される、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記気流デフレクタは、前記向かい風に対して横断する方向に配向された面を有する平面状の広がりを備える、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記気流デフレクタは、曲線状の側面形状を有する、請求項１６に記載の方法。
  20. 電気モータに結合された電子コントローラを用いて前記シリンダの回転速度を制御することを更に備える、請求項１６に記載の方法。
  21. 前記回転速度を制御することは、風速計から入力された前記気流の速度に少なくとも部分的に基礎づけられる、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記回転速度を制御することは、前記乗り物の速度に少なくとも部分的に基礎づけられる、請求項２０に記載の方法。
  23. 前記気流デフレクタは、少なくとも５度の迎え角を有する、請求項１６に記載の方法。
  24. 乗り物に補助推進力を提供するための方法であって、
    前記乗り物に結合された気流デフレクタを用いて、前記乗り物の向かい風を向け直して前記向かい風に対して横断する方向に向け直された気流を発生させることと、
    向け直された前記気流中に配置されたシリンダを回転させることにより、前記乗り物にマグヌス力を発生させることと、を備え、
    前記気流デフレクタは、前記向かい風に対して横断する方向に配向された面を有する平面状の広がりを備える、方法。
  25. 乗り物に補助推進力を提供するための方法であって、
    前記乗り物に結合された気流デフレクタを用いて、前記乗り物の向かい風を向け直して前記向かい風に対して横断する方向に向け直された気流を発生させることと、
    向け直された前記気流中に配置されたシリンダを回転させることにより、前記乗り物にマグヌス力を発生させることと、を備え、
    前記気流デフレクタは、少なくとも５度の迎え角を有する、方法。
  26. 乗り物に補助推進力を提供するための方法であって、
    前記乗り物に結合された気流デフレクタを用いて、前記乗り物の向かい風を向け直して前記向かい風に対して横断する方向に向け直された気流を発生させることと、
    向け直された前記気流中に配置されたシリンダを回転させることにより、前記乗り物にマグヌス力を発生させることと、
    電気モータに結合された電子コントローラを用いて前記シリンダの回転速度を制御することであって、風速計から入力された前記気流の速度に少なくとも部分的に基礎づけられる前記回転速度を制御することと、を備える方法。
  27. 乗り物用の補助推進システムであって、
    乗り物に搭載された回転可能なシリンダを含み、前記シリンダの長手が前記乗り物の進行方向に対して横断する方向に配向されたフレットナーロータと、
    前記フレットナーロータの後ろで前記乗り物上に配置され、前記乗り物の向かい風を向け直すように構成された平面状の広がりを備え、前記進行方向に対して横断する方向に前記シリンダを通過した気流を発生させる気流デフレクタと、を備えるシステム。
  28. 乗り物用の補助推進システムであって、
    乗り物に搭載された回転可能なシリンダを含み、前記シリンダの長手が前記乗り物の進行方向に対して横断する方向に配向されたフレットナーロータと、
    前記フレットナーロータの後ろで前記乗り物上に配置され、前記乗り物の向かい風を向け直すように構成され、前記進行方向に対して横断する方向に前記シリンダを通過した気流を発生させる気流デフレクタと、を備え、
    前記気流デフレクタは、５度以上の迎え角を有する、システム。
  29. 乗り物用の補助推進システムであって、
    乗り物に搭載された回転可能なシリンダを含み、前記シリンダの長手が前記乗り物の進行方向に対して横断する方向に配向されたフレットナーロータと、
    前記フレットナーロータの後ろで前記乗り物上に配置され、前記乗り物の向かい風を向け直すように構成され、前記進行方向に対して横断する方向に前記シリンダを通過した気流を発生させる気流デフレクタと、
    前記シリンダを回転させるように構成されたハブモータと、
    前記モータを制御するように構成され、前記シリンダの回転速度が前記シリンダを通過した前記気流の速度の選択された倍数に維持される電子コントローラと、を備えるシステム。
  30. 乗り物用の補助推進システムであって、
    乗り物に搭載された回転可能なシリンダを含み、前記シリンダの長手が前記乗り物の進行方向に対して横断する方向に配向されたフレットナーロータと、
    前記フレットナーロータの後ろで前記乗り物上に配置され、前記乗り物の向かい風を向け直すように構成され、前記進行方向に対して横断する方向に前記シリンダを通過した気流を発生させる気流デフレクタと、
    前記シリンダを回転させるように構成されたモータと、
    前記モータを制御するように構成され、前記シリンダの回転速度が前記シリンダを通過した前記気流の速度の選択された倍数に維持される電子コントローラと、
    前記電子コントローラと通信し、前記シリンダを通過した前記気流の速度を測定するように構成された風速計と、を備えるシステム。

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