JP2796185B2 - 流体モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、空気又は水の如き流体の運動エネルギーに
よって駆動するモータに関する。本発明は、風力発電、
水力タービン等の装置の構造において実用化することが
できる。

［背景技術］ 風の運動エネルギーを、機械的又は電気的エネルギー
に変換するには、効率の点で技術的に未解決な問題があ
り、いまだに満足すべき成果が得られていないものが実
情である。風力発電装置は、これまでにも幾種類もの構
造が提案されているが、いずれも効率が低いために、水
力、火力、原子力発電のように電気を大量に発生させる
装置と代替するには至っていない。

［発明の目的］ 本発明は、空気又は水の如き流体の運動エネルギーに
よって駆動するモータに関し、既存の装置よりも効率が
すぐれるモータを提供することを目的とする。

［発明の概要］ 本発明にかかるモータは、ロータを備え、該ロータに
少なくとも１つのベーンが取り付けられている。ベーン
は、駆動流体の流れ方向に対するベーンの位置に応じ
て、その表面が変化する。より具体的に説明すると、ベ
ーンは可動の主パネルを２つ有しており、主パネルは、
流体の流れ方向とほぼ向い合った関係（face−to−fac
e）となり、閉じ位置となる。また流体の流れ方向と交
叉するときは、主パネルは開位置となるようにしてい
る。この装置の場合、ベーンが流体の流れ方向に動いて
いるときは、開位置にあり、流体はロータに対してスラ
スト（thrust）、すなわち推力を発生する。一方、ベー
ンが流体の流れと反対方向に動いているとき、ベーンは
閉位置にあって実質的な表面が小さくなるため、ベーン
はロータに対して非常に僅かな抗力（drag）を発生する
にすぎない。

さらに、ベーンは、少なくとも１つの二次パネルを有
する。該パネルは、ベーンの長軸に対して、角度をつけ
て取り付けられ、流体の流れ方向がベーンの長軸と準平
行（quasi−parallel）であるとき、ベーンに推力を生
じるようにしている。望ましい実施例では、２つの二次
パネルを配備しており、該パネルは主パネルによって形
成された構造体の側部のいずれか一側に取り付けられ
る。これによって、駆動流体がベーンの長軸と準平行な
軸線に沿って流れるとき、その準平行軸のどちらかの方
向に、ベーンに推力（スラスト）を発生する。

本発明の望ましい実施例において、モータには、適当
な個数の補助機構が配備される。補助機構には、ロータ
を停止したり速度を減じるためのブレーキ装置、ベーン
の主パネルの開閉を同時に行なうための同期化装置、及
びベーンの主パネルの開き動作を開始させるための作動
パネルが含まれる。さらに、パネルの激しい開閉動作に
よって生じる衝撃を抑えるために、１つ又は２つ以上の
緩衝装置を配備する。さらに、ベーンの開閉を容易にす
るため、緩衝装置に釣合いおもり（counter−weights）
を設けることもできる。

ベーンには、主パネルの開き角度を調節するための調
節可能なストッパーを設けることが望ましい。主パネル
の開き角度を制限することにより、モータの回転速度を
小さくすることができる。流体駆動装置によって、当り
位置の調節がなされる。

他の速度コントロール装置として、一連のウエイトを
ロータに取り付けて慣性を大きくし、速度変化が鋭敏に
なることを防ぐこともできる。

［発明の概要］ 要約すると、本発明は一般的な用語では、流体駆動モ
ータとして規定することができ、該モータは、ロータ
と、該ロータに取り付けられ、流体作用によって生じる
推力によりロータを駆動するベーンを備えており、該ベ
ーンは、支持体と、駆動流体によってベーンに発生させ
る推力が開位置の方が閉位置よりも大きくなるように、
隣り合う長手縁部が、開位置と閉位置との間を移動する
支持体に回動可能に取り付けられた一付のパネルと、支
持体に取り付けられ、ベーンの長軸に関してある角度に
て伸びるパネルであって、駆動流体がベーンの長軸とほ
ぼ平行な方向に流れるときに、ベーン上に推力を発生さ
せる手段を構成する側部パネルを含むものである。

［実施例］ 第１図及び第２図を参照すると、モータは符号（10）
で示している。モータ（10）は、主ロータ（12）を有し
ており、該ロータは、その下端部がベアリング（16）を
介して回転可能にベース（14）に嵌め込まれている。ロ
ータ（12）の上端部は、支持装置（18）により、適当な
位置に維持される。支持装置（18）は、ビーム（20）と
夫々の放射状アーム（22）の組合せによって構成され、
ロータ（12）を受けるベアリング（24）はアーム（22）
によって担持される。

ロータ（12）の両端部間の中間高さ位置には、略円形
の主フライホイール（26）が、取り付けられる。フライ
ホイール（26）には、モータを駆動する６つのベーン
（28）が取り付けられる。

ロータ（12）の回転速度を小さくしたり、又はロータ
の回転を停止させるために、ベース（14）の近傍にブレ
ーキ装置（30）を設ける。ブレーキ装置（30）は、ロー
タに固定されたディスク（32）と、各流体シリンダー
（36）によって半径方向に可動なブレーキパッド（34）
とを具えている。これらは、夫々の支持体（38）に取り
付けられる。ブレーキ装置（30）はケーシングに収容さ
れ、該ケーシングの上面（39）をロータ（12）が貫通し
ている。

第３図及び第４図を参照すると、各ベーン（28）は断
面略円形の主ビーム（40）を備え、該ビームにベーンの
動作に必要な種々の要素が取り付けられている。より具
体的に説明すると、ベーンはその一端部に、横断面が略
円錐形のリード部（leading edge）（42）が設けられて
おり、駆動流体（空気又は水）中へのベーンの進入を容
易ならしめている。リード部（42）は、重量軽減を図る
ため、中空の構造としている。

ビーム（40）には、リード部（42）の近傍に回動軸
（46）を用いて、２枚の主パネル（44）を取り付けてい
る。各パネル（44）の表面（48）は、僅かに凹面形状を
しており、孔あき材（perforated member）（50）によ
り剛性をもたせている。孔あき材（50）は、釣合いおも
り（52）の支持体を構成する。なお、おもり（52）は、
回動軸（46）に対してパネル（44）のバランスをとるこ
とを目的として配備される。

主パネル（44）は、ビーム（40）上を摺動可能な往復
部材（56）を備えた機構（54）に対応して動作する。往
復部材（56）には、２本の変調アーム（58）を突設し、
夫々の主パネル（44）に繋いでいる。各調節アーム（5
8）の詳細な構造を第７図及び第８図に示している。各
アームは、Ｙ字状に形成され、その下端部には、往復部
材（56）に連結する回動軸（62）を受けるための孔（6
0）を開設している。アーム（58）の上端部にも同様な
枢止構造を形成し、アームを夫々の主パネル（44）に連
結できるようにしている。

往復部材（56）のビーム（40）上での移動は、２つの
緩衝装置（64）（66）によって制限される。各緩衝装置
は、ビーム（40）の周りに捲回したコイルバネによって
構成される。これらのコイルバネは、主パネル（44）が
開閉動作を行なう間、往復部材（56）がアバットメント
に突き当たったときの衝撃を軽減する作用を有する。

ベーンが他の形式のものを第５図、第６図及び第6a図
に示している。より具体的に説明すると、ベーン（2
8′）は、２つの流体シリンダー（500）を備えており、
該シリンダーによってビーム（40）上のアバットメント
（502）を移動させ、主パネル（44）間の開き角度を最
大に調節することができる。アバットメント（502）が
緩衝装置（66）（第６図及び第6a図には示さず）に接近
すればするほど、パネル（44）間の開き角度は小さくな
る。このため、駆動流体からベーンに作用する推力（ス
ラスト）は小さくなる。この装置によって、モータの回
転速度をコントロールすることができる。

各々の主パネル（44）の開き動作は、作動パネル（7
2）によって開始する。作動パネル（72）は、パネル（4
4）の後縁部（trailing edge）に回動軸（74）で取り付
けられている。スプリング（76）を配備し、作動パネル
（72）を、夫々の主パネル（44）に対して鈍角に取り付
ける。しかし、作動パネル（72）は、バネの作用力に抗
して、第６図の破線で示すように主パネル（44）と同一
平面内の位置に移動することができる。

主パネル（44）が形成する構造体の一方の側部には、
折畳み式の側部パネル（77）が取り付けられ、流体の流
れ方向がベーンの長軸と準平行であるとき、駆動流体が
ベーンに推力（スラスト）を発生させるようにしてい
る。第３図及び第５図に示すように、各側部パネル（7
7）は、複数のプレート（78）を組み合わせて構成され
る。プレート（78）どうしはヒンジで連結されており、
ヒンジ（80）を用いて夫々の主パネル（44）に取り付け
られる。

ベーンが、第４図に示すように、開位置にあるとき、
パネル（77）は開いて、表面はベーン（28）の長軸に関
して90に近い角度の向きとなる。流体が、第３図の矢印
（82）で示す方向に流れるとき、側部パネル（77）の背
後に乱流ゾーンが形成される。この乱流ゾーンによっ
て、ベーンに推力（スラスト）が発生する。

側部パネル（77）は、第１図に示すように、ベーンの
動く方向に関して収束する方向（convering directio
n）に向けられる。２つのパネル（77）を設けるのは、
駆動流体がベーンの長軸と準平行な軸に沿って流れると
き、駆動流体の進む方向を利用するためである。より具
体的に説明すると、流体が矢印（84）で示す方向に流れ
るとき、外側の側部パネル（77）が発生する推力（スラ
スト）によって、ロータを駆動すことができる。もし、
流体が反対の方向、すなわち矢印（86）で示す方向に流
れるとき、内側の側部パネル（77）が必要な推力を発生
してロータを駆動する。

第１図ないし第２図を参照し、また、モータ（10）の
ベーンの異なる状態を示した第６図ないし第6a図を参照
すると、流体シリンダー（500）には、モータ（10）を
運転していないとき、電気モータ（94）によって駆動す
るポンプ（92）から、加圧された流体が供給される。こ
れら要素を結ぶ流体ラインは、第１図において、点線で
示している。ポンプ（92）とモータ（94）は、フライホ
イール（26）内に設けられる。モータ（94）の電気接続
は図示していないが、従来の要領にて行なえばよい。

加圧された作動流体は、モータ（10）の運転中は、第
９図に示すような機械的装置（95）を用いて供給するこ
とができる。この装置は、主フライホイール（26）から
内向きに取り付けられ、表面（39）上に載っているホイ
ール（98）からベルト（100）を通じて駆動するポンプ
（96）を備えている。ホイール（98）は、可動部材（10
2）によってフライホイール（26）に取り付けられる。
可動部材にはアーム（104）（106）が配備され、該アー
ムは、主フライホイール（26）に接続された回動軸（10
8）に連結される。アーム（104）（106）の他端部は、
ホイール（98）のスピンドル部及び流体シリンダー（11
0）の伸縮ピストンロッドに夫々枢止される。テンショ
ン装置（112）は、バネ（116）の端部に取り付けられた
ローラ（114）を備え、アーム（106）に取り付けられ
る。テンション装置（112）は、流体シリンダー（110）
によってホイール（98）が垂直運動する間、ベルト（10
0）にある程度の張力を加えるために設けられる。

ポンプ（96）は、ベーン（28′）のシリンダー（50
0）に接続される（図示せず）。

流体ブレーキシリンダー（36）を作動させるための加
圧流体は、ポンプ（118）（第２図に示す）によって発
生する。このポンプは。表面（39）の上に固定されてい
る点以外は、装置（95）と同じような構造であり、ポン
プ駆動ホイールはフライホィール（26）の上に載ってい
る。

モータ（10）の他の実施例を第10図、第11図ないし第
12図に示している。フライホィール（26）には、一連の
ウエイト（600）を連接する。これは、ウエイトによっ
てロータ（12）の慣性を大きくし、安定した速度を得ら
れるようにするためである。より具体的に説明すると、
各ウエイト（600）は、ウエイト（602）を備え、アーム
（604）によりフライホィール（26）に対して回動可能
に取り付けられる。各ウエイト（602）は、細長い形状
で、端部を丸くしており、ロータ（12）の回転中、駆動
流体への進入を容易ならしめている。各アーム（604）
は、緩衝装置（606）によりフライホィール（26）に接
続される。緩衝装置は、公知の構造のもので、アームの
上昇中はほとんど抵抗を与えず、アームの下降中は抵抗
を大きくするように作用する。これによって、ロータ
（12）が突然停止した場合、ウエイト（602）のフライ
ホィール（26）に及ぼす衝撃を制限するようにしてい
る。

モータ（10）の運転方法を次に説明する。運転開始
は、ブレーキ装置（30）を解除し、第６図及び第6a図に
示すベーンを用いている場合は、ストッパー（502）を
後退させることにより行ない、主パネル（44）間の開き
角度が最大となるようにする。この動作を実行するため
の加圧流体は、電気モータ（94）によって駆動するポン
プ（92）によって発生する。

駆動流体は、例えば空気であると水であるに拘わら
ず、ベーンに推力（スラスト）を発生させ、モータ（1
0）を所定の方向に駆動できるようにしている。より具
体的に説明すると、作動パネル（72）上に作用した流体
圧力は、第４図に示すように主パネル（44）の開き動作
を開始する効果がある。この位置では、駆動流体に対す
るベーン（28）の表面は広く大きいため、フライホィー
ル（26）には相当量のトルクが伝達される。側部パネル
（77）は、駆動流体がベーンの長軸と準平行な軸線方向
に流れる位置にベーンが達するとき、ベーンに推力（ス
ラスト）を与える作用がある。ベーンが駆動流体の流れ
方向と反対方向に戻り始める角度位置を通過すると、主
パネル（44）にはパネルを閉じるように流体圧力が作用
し、第６図に示すように互いに背き合う位置関係に変化
する。この位置では、作動パネル（72）は流体圧力によ
って、主パネル（44）（破線で示す）の各平面内を伸
び、このため、ベーンには僅かな抗力しか生じない。

モータ（10）が所定の速度に達すると、アバットメン
ト（502）が伸びて、主パネル（44）の開き角度を制限
する。このため、ベーンの表面積は小さくなり、モータ
の速度は遅くなる。

モータが運転中のとき、ポンプ装置（95）から、流体
シリンダー（500）の作動に必要な加圧流体が供給され
る。作動モータでは、流体シリンダー（110）のアーム
が伸びて、ホイール（98）を表面（39）と接触状態に維
持する。ホイール（98）の回転によって、ベルト（10
0）を介してポンプ（96）が駆動する。装置（95）の作
動を停止するには、従来から使用されている制御装置
（図示せず）により、シリンダー（110）のピストンロ
ッドを後退させ、ホイール（98）と表面（39）との連動
関係を解除する。

モータ（10）を用いて、発電機、ポンプその他同様な
装置の如き種々の負荷を駆動することができる。第２図
は、発電機を駆動させるのに使用される伝達機構を示し
ている。ギヤ列（200）が設けられる。ギヤ列はロータ
（12）によって駆動され、減速機（204）を通じて、ク
ラッチ（202）によりジェネレータ（300）に連結され
る。ジェネレータ（300）は、ユーティリティグリッド
（図示せず）の中に電流を発生し、モータ（10）の運転
開始中、一連のバッテリー（400）を通じて、電気モー
タ（94）に電力を与える。

当該分野の専門家であれば、ロータ（12）に複数のベ
ーン装置を設け、各フライホィールに取り付けることに
より、モータ（10）の出力を大きくすることができるこ
とは明らかであろう。第13図にこの実施例を示してい
る。

モータは、例えば風によって駆動することができる。
この場合、高度の高い方がほぼ一定の風の流れを得るこ
とができるため、より高い位置に設置するのが望まし
い。また、モータを駆動するのに水を用いることができ
ることは明らかであろう。後者の場合、用途に応じて適
当な位置に設置するればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるモータの平面図、第２図は第１
図に示すモータを一部省略し、かつ一部を破断して示す
縦断面図、第３図は第１図及び第２図に示すモータのベ
ーンの一部の概略図、第４図は第３図の４−４線に沿う
断面図、第５図は他の状態におけるベーンの一部を示す
概略図、第６図は第５図の６−６線に沿う断面図、第6a
図は第６図のベーンの拡大部分断面図であって、ベーン
の開き角度を調節するための調節アバットメントを示す
図、第７図は第３図に示すベーンの要素の平面図、第８
図は第７図に示す要素の側面図、第９図は第１図に示す
モータを用いて流体ポンプを駆動するための伝達機構の
概略図、第10図は慣性ウエイトを設けた他の態様におけ
るモータを一部破断して示す平面図、第11図は各慣性ウ
エイトの構造を詳細に示す拡大側面図、第12図は慣性ウ
エイトの平面図、及び第13図は他の態様におけるモータ
の正面図である。 （10）……モータ、（12）……ロータ （28）……ベーン、（30）……ブレーキ装置 （42）……リード部、（44）……主パネル （56）……往復部材 （64）（66）……緩衝装置、（72）……作動パネル （76）……スプリング、（77）……側部パネル （78）……プレート （502）……アバットメント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F03D 7/06 F03D 3/06 F30B 17/06

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】支持装置に回転可能に支承されたロータ
   （12）と、 該ロータに取り付けられ、駆動流体の作用により生じる
   推力によってロータを駆動するベーン（28）を備えてお
   り、 該ベーン（28）は、 支持体と、 互いに対向して配置され夫々の長手方向の縁部が支持体
   に回動可能に取り付けられ、互いに対称的に回動して開
   位置及び閉位置の開き状態となる一対の主パネル（44）
   （44）と、 一対の主パネル（44）の開閉回動に連動してベーンの長
   手方向に関して所定角度をなすように主パネル（44）
   （44）へ回動可能に取り付けられ、駆動流体がベーンの
   長手方向とほぼ平行な方向に流れるときに、ベーンに推
   力を発生させる側部パネル（77） を備えている流体によって駆動する流体モータ。
2. 【請求項２】主パネル（44）（44）は互いにほぼ対向す
   るように取り付けられ、開位置ではパネルどうしが互い
   に離間し、閉位置ではパネルどうしがほぼ向い合せとな
   る請求項１に記載のモータ。
3. 【請求項３】ベーンの長手方向の各端部に側部パネル
   （77）を設けている請求項２に記載のモータ。
4. 【請求項４】主パネルを開位置と閉位置との間で同時に
   移動させるための同期装置（54）を備えている請求項１
   に記載のモータ。
5. 【請求項５】開位置において、主パネルどうしが形成す
   る角度を調節するための手段（502）を備えている請求
   項１に記載のモータ。
6. 【請求項６】夫々の主パネルの後縁に取り付けられ、主
   パネルの開位置への移動を補助するための作動パネル
   （72）を備えている請求項１に記載のモータ。
7. 【請求項７】ロータに取り付けられ、ロータの慣性を大
   きくするためのウエイト（26）を備えている請求項１に
   記載のモータ。
8. 【請求項８】側部パネル（77）はベーンの移動方向に互
   いに収束する請求項３に記載のモータ。
9. 【請求項９】側部パネル（77）は、折畳み構造で主パネ
   ル（44）に取り付けられ、主パネルが開位置にあるとき
   は開き、主パネルが閉位置にあるときは折り畳まれるよ
   うにしている請求項８に記載のモータ。
10. 【請求項１０】支持体は、 細長いビーム（40）と、 該ビームに摺動可能に取り付けられた往復部材（56）
    と、 各々の主パネル及び往復部材に回動可能に取り付けら
    れ、主パネルの開位置と閉位置との間の移動を同期させ
    るためのアーム（48）、 を備えている請求項４に記載のモータ。
11. 【請求項１１】ビーム（40）に取り付けられ、主パネル
    （44）が開位置と閉位置との間を移動するとき、往復部
    材（56）と接触して衝撃を軽減するための緩衝手段（6
    6）を備えている請求項10に記載のモータ。
12. 【請求項１２】ビームに摺動可能に取り付けられ、往復
    部材（56）の移動を調節して、主パネルが開位置にある
    とき、パネル間に形成される角度を調節するためのアバ
    ットメント（502）を備えている請求項10に記載のモー
    タ。
13. 【請求項１３】アバットメント（502）をビーム（40）
    上にて摺動させるための流体ピストンシリンダー（50
    0）を備えている請求項12に記載のモータ。
14. 【請求項１４】作動パネル（72）は、夫々の主パネルに
    回動可能に取り付けられる請求項６に記載のモータ。
15. 【請求項１５】作動パネル（72）が主パネルに対して鈍
    角となるように作動パネルを付勢する弾性手段（76）を
    備えている請求項14に記載のモータ。