JPH0380989B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般的には、風、水その他の流体の
流れによつて作動させられる装置に関し、特に、
それぞれの回転軸の周りに回動可能であつて、タ
ーンテーブル上に、その回転軸から離隔して、か
つ同回転角と概ね平行をなして配設された複数の
ベーンつまりブレードを備える流体エネルギ利用
装置に関する。より具体的に云うと、本発明は、
上記ターンテーブルが１回転する間に、各ベーン
が、その回転軸周りに傾動もしくは揺動するよう
になつている流体エネルギ利用装置に関する。

船舶用のサイクロイドプロペラと呼ばれるも
の、或いは、西ドイツ国特許第742788号明細書に
示されているように、多数のベーンをターンテー
ブルに支持し、流体の流れによつて、各ベーンが
発生する流体力学的浮力、すなわち揚力をもつて
ターンテーブルを回転させ、これにより、流体の
流れからエネルギを得るようにした装置は、既に
公知である。このような装置は、流体の流れの向
きに関係なく作動することができる。

しかしながら、このような公知の装置で風力を
利用しようとすると、何枚かの羽根が、風向きに
対して直交するため、風速の大きな暴風時等に、
羽根が破損するという欠点がある。また、羽根の
位置が固定されているために、ターンテーブルの
回転速度を、極く限られた狭い範囲内においてし
か調節できないという欠点もある。

風力を利用する装置は、通常、ある特定の風に
対して、最適条件の作動をするように設計されて
いる。すなわち、風の方向、強さ、その他のパラ
メータが適正でなければならず、さもないと、装
置が全く使用不能になつたり、仮りに使用できた
としても、その効率が極めて悪くなるのが常であ
る。

本発明の目的の１つは、流体の流れの向きが大
きく変化しても、具合よく作動して、流体の流れ
のエネルギを有効に利用することができる装置を
提供することにある。

本発明の第２の目的は、流体の流れの条件の変
化に拘わらず、例えば交流発電機を厳格に制御さ
れた一定の回転速度で駆動する場合に必要な、制
御された一定の回転出力を発生し得る流体エネル
ギ利用装置を提供することにある。

本発明の第３の目的は、流体の流速が極端に大
きくなつた場合にも、損傷を受けにくい流体エネ
ルギ利用装置を提供することにある。

本発明の第４の目的は、ターンテーブルが回転
するに伴つて、ベーンが、単なる回転ではなく、
往復揺動運動を行なうようにした流体エネルギ利
用装置を提供することにある。

本発明のこれら及び他の目的並びに長所は、以
下の説明により、具体的に、或いは示唆的に明ら
かになることと思う。

本発明に基づく、流体の流れのエネルギを利用
するための装置は、中心軸周りに回転可能に支承
され、中心軸と平行をなすとともに、該中心軸か
ら離隔している回動軸周りに回動可能な複数のベ
ーンつまりブレードを支持するターンテーブル
と、各ベーンのターンテーブルに対する相対的回
転速度の平均値が、ターンテーブルの回転速度と
等しく、しかも、ターンテーブルが１回転する
間、ベーンの、その回動軸周りにおけるターンテ
ーブルに対する相対的回転速度が、或る時間は、
ターンテーブルの回転速度よりも大きく、それ以
外の時間は、ターンテーブルの回転速度よりも小
さくなるように、中心軸周りに回転するターンテ
ーブルに対して、ベーンのそれ自体の回動軸周り
の回動を同期させるようにした装置を含んでい
る。

普通、ベーンのターンテーブルに対する回転速
度は、ターンテーブルが１回転する時間の半分の
時間は、ターンテーブルの回転速度よりも大き
く、残りの半分の時間は、ターンテーブルの回転
速度よりも小さくなるようにする。ベーンのター
ンテーブルに対する相対的回転速度が、ターンテ
ーブルの回転速度と異なる度合は、調節し得るよ
うになつている。

かくして、本発明によれば、風力その他の流体
力を利用する装置において、ベーンもしくはブレ
ードの向きを、どのようにして流体の流れの条件
に常時適合させるかという問題が解決される。

本発明によれば、ターンテーブルが１回転する
間に、各ベーンが、調節装置によつて調節可能に
された量をもつて、流体の流れの向きの両側方向
に傾動し得るように、各ベーンの翼弦の方向を、
流体の流れの向きに対して調節可能にすることに
より、上記したような問題が解決される。

また、従来からある同種の装置では、ターンテ
ーブルが１回転する間に、各ベーンは１回転する
ようになつているのに対して、本発明に基づく流
体エネルギ利用装置におけるベーンは、ターンテ
ーブルが１回転する間に、流体の流速その他の諸
条件に従つて選ばれた最大量をもつて、流体の流
れの向きに対して、左右に、不均等な速度で、そ
の回動軸周りに、その中立位置から傾動するよう
になつている。

従つて、発電機を駆動するのに必要な同期速度
のような、或る所定の回転速度をもつて、ターン
テーブルを回転させることができる。本発明を利
用すれば、風その他の流速に拘わらず、或る一定
の出力を得ることも、或る程度可能である。

本発明に基づく装置を風力発電に利用する場
合、暴風時には、すべてのベーンの、風に対する
迎角を小さくするために、ベーンを風向きと平行
にすることができる。

本発明に基づく装置を、海洋における海流、潮
の干満による流れ等を利用する水力発電に利用す
る場合、ベーンを、各瞬間における海流の方向及
び強さに対して、簡単に適合させることができ
る。

本発明の原理を理解すれば、ベーンの傾動を制
御するための機構を、種々に構成しうることがわ
かると思う。例えば、各ベーン毎に、或いは、す
べてのベーンに、機械的或いは油圧式制御装置を
連係し、かつそれに加えて電気式制御装置をも利
用することもできる。

例えば、適当な制御装置を備えるサーボモータ
を各ベーンに付設し、ターンテーブルの回転に対
応する作動を行なわせることができる。各ベーン
の傾動を同期させることも、適当な制御装置を介
在させることにより可能である。

以下、本発明を、その好適実施例について詳し
く説明するが、本発明は、それに何ら限定される
ものではない。また、以下の説明中における符号
は、各図における同一部分を共通に示すものであ
る。

添付の図面、特に第３図に最もよく示されてい
るように、本発明に基づく装置においては、各ベ
ーン１の回動中心を通り、かつその翼弦２０と直
交する直線が、回転円板すなわちメインテーブル
２の中心Ｍを通り、かつ流体の流れの方向Ｗと直
交する半径方向の直線と、ベーン１の描く円軌跡
（ベーン円）の外側方の点Ｎで交わるように、ベ
ーンの運動が定められている。

この交点Ｎは、流体の流れる方向Ｗと直交し、
かつメインテーブル２の回転中心Ｍを通る半径方
向の線上にある。各ベーン１の傾動量は、この交
点Ｎの、メインテーブル２の回転中心Ｍからの離
隔量に応じて変化する。点Ｎが無限遠にある場合
には、第４図に示すように、各ベーン１は、常に
流体の流れる向きＷと平行となる。

本発明のある好適実施例においては、各ベーン
１を所望に傾動させるために、スライダークラン
ク機構の原理が応用されている。このことは、以
下のような構成により達成されている。

(a) 各ベーン１を、アーム３、及びアーム３に沿
つて摺動するクロスヘツドすなわちスライダー
４、並びにスプロケツト６よりなるスライダー
クランク機構をもつて駆動する。

(b) 各ベーン１のスプロケツト６を、ベルト、チ
エーン５、ギヤその他の連結手段により互いに
連結する。

(c) 同期駆動機構１０，１１，１２ａ，１２ｂに
より駆動され、かつベーン１が枢枝されている
メインテーブル２と同期して回転する軸受円
板、すなわちサブテーブル９に、前記スプロケ
ツト６を枢支する。

(d) ベーン１の回転軸Ｋとスプロケツト６の軸Ｐ
は、同じ円周上に配設されており、かつスプロ
ケツト６を枢支する点Ｐと、ベーン１の回転軸
Ｋとの間の距離、即ち、オフセツト量ｅを、例
えば第６図に示す機構によつて、調節しうるよ
うにする。

(e) 各ベーン１のスプロケツト６を、装置全体の
向きを、流体の流れ方向Ｗに適応させるため
に、ウオーム歯車機構１３によつて回動させら
れる以外には静止している中央スプロケツト８
に、直接的もしくは連結部材７を介して間接的
に連結する。

本実施例においては、各ベーン１に、オフセツ
ト量ｅを調節しうるスライダークランク機構を利
用した駆動機構を設けてあるため、各ベーン１に
所望の運動をさせることができる。

すなわち、スプロケツト６の枢支点Ｐと、スラ
イダー４の中心との距離をａとした場合に、λ＝
ａ／ｅと表わすことのできる、ベーン１の運動にと つて重要であるピツチは、ｅを零に近づけると大
きくなり、無限大に近づく。λが無限大の時、即
ち、ｅ＝０の時、各ベーン１は、メインテーブル
２に対して、メインテーブル２と等速で逆方向に
定速回転を行ない、その絶対回動速度は零とな
り、第４図に示すように、その向きは、一定に維
持される。

各ベーン１のスプロケツト６が、ベルト、チエ
ーン５その他の連結部材で互いに連結されている
ため、各ベーンは、同一の運動を行なう。ベーン
１の傾動量、即ち、迎角βは、各ベーンのスプロ
ケツト６の枢支点Ｐと当該ベーン１の枢支点Ｋと
の距離ｅにより定まる。もしメインテーブル２お
よびサブテーブル９が互いに傾動している場合、
距離ｅは変化し、同様に、ベーン１の流体の流れ
る方向Ｗに対する迎角βの範囲も変化する。第２
図および第５図からベーン１がスライダ４等から
なる連結機構により旋回される方法を理解し得る
であろう。枢支点Ｐ（スプロケツト６の回転軸）
がサブテーブル９へ固定されており、かつ枢支点
Ｋ（ベーン１の回転軸）がメインテーブル２（第
１図）へ固定されている点に注意されたい。スプ
ロケツト６の枢支点Ｐの直上にベーン１の枢支点
Ｋを位置させると、すなわち、ｅ＝０の場合、第
４図に示すように、すべてのベーン１が、常時互
いに平行するようになる。

ベーンの枢支点Ｋに対して、スプロケツト６の
枢支点Ｐを、メインテーブル２の周方向に偏位さ
せると、メインテーブル２が１回転する間に、風
その他の流体の流れる向きＷに対して、ベーンの
迎角βが変化する。

静止している中央スプロケツト８は、すべての
ベーン１を平行にしたり、或いは、所定の傾動運
動を行なわせるように、その回動方向を制御する
働きをする。

各ベーン１のスプロケツト６は、前記したよう
に、他の均等手段によつて置換可能であるが、本
実施例においては、すべてのスプロケツト６を、
単に１本のチエーン５を巻回することにより連結
し、かつ、スプロケツト６の中の１つを、中央ス
プロケツト８にさらにもう１本のチエーン７を巻
回することにより連結してある。

第３図に示されている位置にベーンが到達する
のは、(i)メインテーブル２およびサブテーブル９
のいずれも傾動しない場合（ｅ＝０の場合）；お
よび(ii)中央スプロケツト８を、ベーンが第３図に
示されている位置に達するまで回転させる場合
（この際、メインテーブル２もサブテーブル９も
回転しない）、である。距離ｅは、所望の大きさ
に調節可能である。

また、本実施例においては、メインテーブル２
とサブテーブル９との間に、周方向のオフセツト
量ｅを調整し得るように連結する従動はすば歯車
１２ａ，１２ｂと内歯歯車１０，１１とから成る
調節機構が設けられている。これは、第６図に示
すように、両テーブルに取付けられた、傾斜した
歯を有する内歯歯車１０，１１に対して、その軸
線方向に可動に噛合し、しかも互いに逆向きの傾
斜をもつ歯を有する２枚の従動はすば歯車１２
ａ，１２ｂよりなるものである。

この機構によれば、２枚の従動はすば歯車１２
ａ，１２ｂを、その軸線方向に移動させることに
より、サブテーブル９上のスプロケツト６を枢支
する点Ｐと、メインテーブル２上でベーン１を枢
支する点Ｋとの距離ｅを調節することができ、そ
の結果、ベーン１の迎角を容易に設定することが
できる。

従動はすば歯車１２ａ，１２ｂを、その軸線方
向に移動させるためには、機械式もしくは油圧式
駆動機構１６等を用いるとよい。

図示した好適実施例においては、４枚もしくは
６枚のベーン１が、メインテーブル２に支持され
ている。各ベーン１は、アーム３により傾動され
るようになつており、各アーム３に沿つて、スラ
イダー４が摺動する。

第２図から、ベーン１の回動中心の軌跡の接線
角αについて、次の公式が得られる。

但し、ｅ／ａ＝１／λ 第１図と第２図とにおいて、距離ｅは、長さの
調節が可能である静止クランクの長さを示し、ま
た、スプロケツト６の回動中心Ｐからスライダー
４までの距離を示すａは、コネクチングロツドの
長さを表わす。アーム３は、スライダー４が、ア
ームの回転と同時に摺動する軌跡を定める。スラ
イダ４の軸とベーン１の回転軸Ｋとの間の距離
は、メインテーブル２が１回転する間に、スライ
ダ４とスプロケツト６の枢着点Ｐとの間の固定距
離ａと変化し得る距離ｅとの和から、固定距離ａ
と変化し得る距離ｅとの差、即ち、（ａ＋ｅ）か
ら（ａ−ｅ）までの距離を変化する。

また角度αは、ベーン円すなわち、ベーンの回
動中心軸の描く円軌跡の接線に対するベーンの傾
斜角であり、角度は、ベーン円の基線に対する
ベーンの回動中心Ｋの回転角を示す。従つて、α
−＝βは、流体の流れる方向に対するベーンの
傾斜角すなわち迎角βを表わしている。

第３図は、λ＝ａ／ｅ＝2.5の場合のベーンの向 き、第４図は、λ＝∞の場合のベーンの向きをそ
れぞれ示している。

ここで、λ＝∞の場合、流体の流れＷは、ベー
ンに対して流体力学的な浮力すなわち揚力を生じ
させないため、テーブル２は回転しない。しか
し、∞＞λ＞１の場合、ベーンに揚力が発生し、
λの値が小さければ小さい程、テーブル２の回転
速度は大きくなる。

第１図と第２図とから、所望のベーン１の運動
を得るためには、スライダー４が枢着されている
スプロケツト６を、サブテーブル９に対して、点
Ｐの周りを−ωの回転速度で回転させる必要があ
ることがわかる。すなわち、スプロケツト６のメ
インテーブル２に対する平均回転速度は、メイン
テーブル２の回転速度と等しく、しかもその向き
が逆でなければならない。

さらに、ｅの大きさを、零から0.8aまでに亘つ
て連続的に調節しうるようにする必要がある。本
実施例の構成による場合には、ｅ＝ａとすること
はできない。

第３図と第４図とに示すように、本実施例の場
合、メインテーブル２上のすべてのベーン１は、
同一回転位置においては、同一の傾きを有する。
矢印Ｗは、風その他の流体の方向を示し、ベーン
の迎角βは、この流れの方向Ｗに対するベーンの
翼弦線のなす角である。

第５図は、どのようにして、各ベーンに均等な
傾きを与えるかを示す。チエーン５が、すべての
スプロケツト６に巻回されており、すべてのスラ
イダー４に同一の角速度を与え得るようにしてあ
る。もう１本のチエーン７が、固定された中央ス
プロケツト８と、前記スプロケツト６の１つとに
巻回されており、しかも、これら両スプロケツト
のピツチを同一としてあるので、各スプロケツト
６は、メインテーブル２及びサブテーブル９と同
一の角速度ωをもつて逆向きに回転する。この角
速度は、すべてのスプロケツト６について等し
い。

メインテーブル２が回転する間に、各ベーン１
が均等な傾動運動を行なうように、各ベーン１の
回動中心軸Ｋは、対応するスプロケツト６の回動
中心軸Ｐに対して同じ方向に偏位させられてい
る。例えば、点Ｋを、点Ｐに対して時計周りに偏
位させた場合、その位置関係は、第２図に示した
ようであつて、ベーン１は、第３図と第５図とに
示したようになる。その結果、本発明に基づく流
体エネルギ利用装置の全体は、反時計周りに回転
するようになる。

本発明に基づく流体エネルギ利用装置の原理的
な構造を第１図に示してある。各ベーン１に対応
するスプロケツト６は、サブテーブル９に枢支さ
れている。

サブテーブル９は、メインテーブル２に周設さ
れた、内歯歯車１０からなる同期駆動装置によつ
て駆動される。この同期駆動装置は、さらに、サ
ブテーブル９に周設された内歯歯車１１と、これ
ら２枚の内歯歯車１０，１１を連結するように、
共通の軸１２に嵌装された２枚の従動はすば歯車
１２ａ，１２ｂとを含んでいる。このようにし
て、サブテーブル９は、メインテーブル２と同一
の回転速度をもつて回転するようになつている。

第６図に最も明瞭に示してあるように、メイン
テーブル２とサブテーブル９との相対回転角度
は、２枚の従動はすば歯車１２ａ，１２ｂを、そ
の軸線方向に移動することにより変化させられ
る。これは、云うまでもなく、これら２枚のはす
ば歯車１２ａ，１２ｂの傾斜が反対向きであるた
めであつて、これら歯車の歯の傾斜の向きの差異
を、図中に明示してある。

これら２枚のはすば歯車１２ａ，１２ｂの軸受
は、本装置の基板に固定されてあるため、機械
式、油圧式等の単純な駆動機構によつて、はすば
歯車１２ａ，１２ｂを、軸線方向に簡単に移動さ
せることができる。図面においては、ピストン−
シリンダー機構１６の力によつて、はすば歯車１
２ａ，１２ｂを、軸線方向へ所望通りに移動させ
うるようになつている。

このようにして、スプロケツト６の回動中心Ｐ
とベーン１の回動中心Ｋとの間の距離ｅが調節さ
れ、各ベーン１の傾きの大きさが決定される。

このような調節機構によつて、メインテーブル
２の回転速度及びエネルギの出力を変化させるこ
とができる。必要に応じ、風速に応じてこれらの
パラメータを変化させるための調整装置を設け、
これにより、さまざまな設定条件を得ることがで
きる。

風その他の流体の流れの方向Ｗに対する補償作
用を得るために、各ベーン１の翼弦が流れの方向
Ｗを向き、その状態から、所望の傾動運動を行な
うように、ベーン１の向きを調節することができ
る。このような調節は、中央スプロケツト８をウ
オーム歯車１３の作用により回動させることによ
つて可能となる。その回動運動は、チエーン７に
伝達され、各ベーン１に、対応した回動運動を引
き起こす。

勿論、チエーン７が、チエーン５と同様に、ベ
ーン１のスプロケツト６と噛合するようにしても
よく、或いは、スプロケツト６に対して動かない
ようにしつかりと連結された別のスプロケツトと
噛合するようにしてもよい。

メインテーブル２の回転力は、流体の流れの自
然エネルギを利用して電気エネルギを発生するよ
うに、発電機１５に、一連の動力伝達装置１４を
介して伝達することができる。

以上、流体の流れのエネルギを利用する本発明
に基づく新規な装置が、前記した目的を達成し、
かつ上記したような特徴を有するものであること
を明らかにしたが、その具体的な形状及び詳細に
ついては、特許請求の範囲において明示した本発
明の精神から逸脱することなく、変形及び変更を
加えることは、当業者にとつて可能であることは
云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に基づく流体エネルギ利用装
置の作動原理を示すための模式的縦断正面図、第
２図は、第１図の−線における横断面図、第
３図及び第４図は、ベーンの位置を示すための単
純化した要部の平面図、第５図は、４枚のベーン
を備える、本発明に基づく流体エネルギ利用装置
を単純化して示す平面図、第６図はメインテーブ
ルとサブテーブルの相対角度を調整するための機
構を示す拡大部分図である。 １……ベーン、２……メインテーブル、３……
アーム、４……スライダー、５……チエーン、６
……スプロケツト、７……チエーン、８……中央
スプロケツト、９……サブテーブル、１０，１１
……内歯歯車、１２ａ，１２ｂ……従動はすば歯
車、１３……ウオーム歯車機構、１４……動力伝
達機構、１５……発電機、１６……ピストン−シ
リンダー機構、２０……翼弦。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中心軸Ｍにより回転可能に支承されたメイン
   テーブル２と、前記中心軸Ｍと概ね平行で、かつ
   当該中心軸から離隔して前記メインテーブル２上
   に回動可能に設けられ、かつ当該メインテーブル
   が１回転する間に流体の流れの向きＷに対する迎
   角βが変化し得るようにした複数のベーン１から
   成る流体エネルギ利用装置において、 (イ) 前記複数のベーン１を枢支しているメインテ
   ーブル２と同軸でかつ軸方向に離隔しているサ
   ブテーブル９と、 (ロ) 前記サブテーブル９上に載置され、かつ前記
   複数のベーン１のそれぞれに応じて周辺に等し
   く離隔されている機構、即ち、前記ベーン１に
   固定されたアーム３と、スプロケツト６に枢着
   されたスライダ４とからなるスライダークラン
   ク機構が構成されており、前記メインテーブル
   ２および前記サブテーブル９の回転軸Ｍと同軸
   の中央スプロケツト８と、前記中央スプロケツ
   ト８と少くとも前記個々のスプロケツト６を結
   合し、後者６を旋回させるための可撓性のある
   連結部材７と、前記メインテーブル２およびサ
   ブテーブル９を同期して回転させるための結合
   ギア１０，１１，１２ａ，１２ｂとから成つて
   いる同期駆動装置と、 前記ベーン１およびスプロケツト６の各軸が
   同じ円周軌跡を画くように配設され、前記スプ
   ロケツト６がベーン１の軸Ｋから変化し得る距
   離ｅにある点Ｐに枢着されており、 前記メインテーブル２およびサブテーブル９
   を互いに関しての相対角度を調節することによ
   り前記距離ｅを調節するための調節装置１０，
   １１，１２ａ，１２ｂ，１６とから成ることを
   特徴とする流体エネルギ利用装置。 ２ 前記サブテーブル９が、前記各ベーン１を回
   転可能に支持する部材を含む複数のスプロケツト
   ６をその周囲上に備え、該それぞれのスプロケツ
   ト６の中心軸Ｐと前記各ベーン１の回転軸Ｋと
   は、一直線上に並び得、かつ両軸が同じ軸線上に
   整列した時には（ｅ＝０）、各ベーン１の迎角β
   は、前記両テーブル２，９が完全に１回転する
   間、実質的に零であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の流体エネルギ利用装置。 ３ 前記スライダ４の軸と前記ベーン１の回転軸
   Ｋとの間の距離は、前記メインテーブル２が１回
   転する間に、前記スライダ４と前記スプロケツト
   ６の枢着点Ｐとの間の固定距離ａと前記変化し得
   る距離ｅとの和から、前記固定距離ａと前記変化
   し得る距離ｅとの差、即ち、（ａ＋ｅ）から（ａ
   −ｅ）までの距離の間を変化することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の流体エネルギ利
   用装置。 ４ メインテーブル２とサブテーブル９とが、１
   対の同軸１２でかつ同一ピツチのはすば歯車１２
   ａ，１２ｂによつて同期して回転するようにして
   あり、しかも前記はすば歯車の歯の傾斜が互いに
   逆向きであり、そのために、前記はすば歯車の軸
   線方向への移動により前記メインテーブル２とサ
   ブテーブル９との相対角度が変化するようになつ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の流体エネルギ利用装置。 ５ ベーン１が、流体の流れる方向Ｗと正しく整
   列するように、中央スプロケツト８を回転させる
   ことによりそれに連結されたスプロケツト６を回
   転させるための装置１３を含むことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の流体エネルギ利用
   装置。