(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の一方向または双方向の流れからエネルギーを抽出するための回転子装置であって、
回転軸を中心に、第一の回転方向に回転するように取り付けられ、この回転軸に沿った方向に小さくなっていくピッチを有する少なくとも１つの螺旋形のブレードを備える第一の回転子と、
同一の前記回転軸を中心として反対の回転方向に回転するように取り付けられ、同一の前記回転軸に沿った方向に大きくなっていくピッチを有する少なくとも一つの螺旋形のブレードを備える第二の回転子とを有しており、
前記第一の回転子から流出する流体が前記第二の回転子へと流入する、回転子装置。
【請求項２】
潮汐流からエネルギーを抽出するための回転子装置である、請求項１に記載の回転子装置。
【請求項３】
前記第一の回転子および／または前記第二の回転子が、当該回転子装置の流入口端部または流出口端部に、おおむね軸方向に沿って流れる流体を受け入れる、または放出する開口を有する、請求項１または２に記載の回転子装置。
【請求項４】
前記第一の回転子および前記第二の回転子が、それらの対向する端部に、半径方向の成分および軸方向の成分を有して流れる流体を受け入れる、または放出するように適合された開口を有する、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の回転子装置。
【請求項５】
前記第一の回転子および前記第二の回転子が同一直径の、対向する端部を有する、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の回転子装置。
【請求項６】
前記第一の回転子および／または前記第二の回転子が、内側のつるまき線と外側のつるまき線との間に延在する面により形成される１以上のブレードを有し、この内側のつるまき線およびこの外側のつるまき線の各々が、螺旋の半径の大きさが大きくなるにつれて減少するピッチを有する、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の回転子装置。
【請求項７】
前記第一の回転子および前記第二の回転子は、直径が大きく、かつ同じ大きさとなる互いに対向する端部を有する、請求項６に記載の回転子装置。
【請求項８】
前記第一の回転子および前記第二の回転子が、相似するつるまき線により形成された同一形状となる１以上のブレードを有する、請求項６または７に記載の回転子装置。
【請求項９】
前記第一の回転子および前記第二の回転子を取り囲むハウジングを備えており、
前記ハウジングが、前記回転軸を中心に回動自在となるように前記第一の回転子および前記第二の回転子を支持する請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の回転子装置。
【請求項１０】
前記第一の回転子および前記第二の回転子の前記ハウジングが流入口部および流出口部を有しており、
前記第一の回転子および前記第二の回転子の前記ハウジングの前記流入口部の幾何学的形状が、液体の流れが回転子の入口に流入するにつれて液体の流れの直線速度を上げるように構成されているとともに、前記第一の回転子および前記第二の回転子の前記ハウジングの前記流出口部が、液体の流れの速度を制御して下げるように構成される、請求項９に記載の回転子装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のうちのいずれか１項に記載の前記回転子装置を備えるジェネレータ。
【請求項１２】
流体の流れからの回転運動エネルギーの生成のために請求項１から１０のうちのいずれか１項に記載の回転子装置または請求項１１に記載のジェネレータを用いるステップを含む方法。
【請求項１３】
潮汐流からエネルギーを生成するために２段式の前記回転子装置を用いるステップを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
２段式回転子装置を製造する方法であって、
回転軸に沿った方向に向かって小さくなっていくピッチを有する少なくとも１つの螺旋形のブレードを備えた第一の回転子を、前記回転軸を中心として回転するように取り付けるステップと、
同一の前記回転軸に沿った方向に向かって大きくなっていくピッチを有する少なくとも１つの螺旋形のブレードを備えた第二の回転子を、同一の前記回転軸を中心として反対の回転方向に回転するように取り付けるステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流れている液体、たとえば潮汐流からエネルギーを抽出するための回転子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体はその運動により運動エネルギーを有している。自然に発生する流体の流れとしては、潮流、海岸流または海流、河川流、熱気流、気流、および他の現象などで見られる。人も直接的にまたは間接的に流れを発生させることができる。たとえば、川のダムなどのように自然に発生した流体の流れに障害物を置くことによりその上流側または下流側に二次流れを発生させることが可能である。さらにまた、パイプラインによる流体の輸送により流体の流れを生成することもできるし、列車、船または自動車に搭載される流体システムなどのように機械により流体の流れを発生させることもできる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
空気流などの気体の流れ、すなわち風力からのエネルギー変換技術は、十分に発達している。つまり、風からエネルギーを抽出する特定用途用に設計されたタービンが数多く開発されている。しかしながら潜在的なエネルギーレベルについていえば、流体の密度の方が通常高いので、気体の流れよりも液体の流れのほうがはるかに大きくなる。たとえば、潮流においては、一般的な速度が１．５〜２．５ｍ／ｓの範囲にあるが、５ｍ／ｓの速度を超える気体の流れを発生させることが可能である。つまり、海水の密度が約１０００ｋｇ／ｍ３であるとすれば、潮流のエネルギー密度は一般的には約４０００Ｗ／ｍ２程度となる。それに対して、空気の密度は約１．２ｋｇ／ｍ３であり、この速度の風のエネルギー密度は一般的には約５Ｗ／ｍ２となる。これは、対応する潮流から入手可能なエネルギー密度よりも約８００倍小さい。 
【０００４】
したがって、潮汐流などの液体の流れからエネルギーを抽出することができるデバイスを改良する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第一の態様によれば、流体の双方向の流れからエネルギーを抽出するための回転子装置を提供する。この回転装置は、第一の回転方向に回転軸を中心として回転するように取り付けられた第一の回転子を備える。第一の回転子は、回転軸に沿った方向に小さくなっていくピッチを有する少なくとも１つの螺旋形のブレードを備える。また、回転装置は、同一の回転軸を中心として反対の回転方向に回転するように取り付けられた第２の回転子を備える。第２の回転子は、この同一の回転軸に沿った方向に大きくなっていくピッチを有する少なくとも一つの螺旋形のブレードを備える。そして、第一の回転子から流出する流体が第二の回転子へと流れるように構成されている。
【０００６】
螺旋形のブレードの螺旋ピッチは、各回転子の最適な流れ方向となる一方向に小さくなっている。なお、最適な流れ方向とは、ピッチが大きくなっている端部からピッチが小さくなっている端部に向かう方向である。流体が、縦軸に平行かつ螺旋ピッチが大きくなる端部に向けて流れ込むと、受ける抵抗が少なく、回転子の中へと緩やかに案内される。また、流体が螺旋形のブレードに沿って流通すると、ピッチが小さくなっていくので、その流体の流れからのエネルギーを効率的に抽出させることができる。流体が、縦線と平行に流れているものの、好ましくない方向に向かって流れ込んでいる場合は、電力の抽出は最適なものとはならない。というのは、傾いた回転子のブレードに対して流入してくる流体の流れを初期調整する際に多くのエネルギーを浪費するからである。したがって、従来の回転子は好ましい流れ方向を備えた設計となっている。流れの方向が逆になる場合、従来の装置には、新たな流れ方向に合うように再度位置調整する手段が設けられている。再度位置調整する手段としては、タレットマウント（tarret mounting）、流れの中に配されたテザーフロート（tethered float）、またはブレードの角度を変える何らかの手段などが挙げられる。
【０００７】
回転子装置はジェネレータの回転子であることが好ましい。このため、好ましい実施形態では、回転子装置を備えているジェネレータ、たとえば潮汐流から電気を発生させるためのジェネレータを備えるものとする。
【０００８】
上述の２段式双方向回転子は非自明な認識から導かれたものである。この非自明な認識とは、流体が、一方向の螺旋形のブレードを備えた回転子から流出する時、縦成分と半径方向の成分とを有しており、これらの２つの回転子が、ピッチが小さくなるにつれて同じ方向の回転となるブレードを有している場合（すなわち、両方の回転子がピッチが小さくなるにつれて時計回りの回転となるブレードを有している場合または両方の回転子がピッチが小さくなるにつれて反時計回りの回転となるブレードを有している場合）、この半径方向の成分は、他の一方向の螺旋形のブレードを備えた回転子の小さな螺旋ピッチに流入するのに非常に適している。したがって、第二の回転子では、流体の流れの方向は、螺旋ピッチの小さな端部から入り、螺旋ピッチの大きな端部に向けて流れるようになっていてもよい。生じる電力の抽出量は最初のケースの場合と同じだが、方向が逆であり、流体は、縦成分だけを有して回転子から流出する。これら２つの回転子が、お互いに逆方向に回転し、対向するようになっているので、流体は、反対方向に流れ、同じ結果をもたらすことができる。したがって、この態様にかかる２段式回転子を用いることにより、パワーの生産レベルを妥協することなく軸線に沿っていずれの方向の流れからでもエネルギーを抽出することができる。好ましい実施形態では、潮汐流からエネルギーを抽出して好ましくは電気を発生させるための回転子装置を提供している。すなわち、この回転子装置は潮汐タービンとして機能する。したがって、本発明は、回転子装置を備えている潮汐タービンの形態をとりうる。適切な双方向の流体の流れは、船または自動車の定期的な前後方向または上下方向の移動によっても生成されうる。
【０００９】
好ましい実施形態では、第一の回転子および／または第二の回転子は、回転子装置の流入口端部または流出口端部に、流体の軸方向への流れに対して配置された開口を有している。したがって、この開口は回転子装置の回転軸に対して垂直となっており、好ましくは、ブレードは、おおむね軸方向に沿って、任意選択的には軸方向に沿って流れている流体のみを受け入れる、または放出するように形成されている。このため、螺旋ピッチが大きい流入口端部および流出口端部は、軸線に沿った流れを主として受け入れる、または軸線に沿った流れだけを受け入れるので、効率が上がる。
【００１０】
好ましくは、第一の回転子および第二の回転子は、それらの対向する端部に軸線方向に沿った流れのみに対して配置されているだけではなく、その移動方向に対する半径方向の成分を有して流れる流体をも受け入れる、または放出するように適合された開口を有していてもよい。２つの対向する端部では回転子ブレードのピッチが小さいため、流れが半径方向の成分と軸方向の成分とを有している場合に２つの回転子間で流れの移動がもっとも効率的となるため、半径方向の流れ成分は有用である。
【００１１】
また好ましい実施形態において、流体の流れが半径方向の成分だけを有して軸方向の成分を有していない場合、この流体の流れは回転子のいずれの開口をも通ることができない。
【００１２】
好ましくは、第一の回転子および第二の回転子は、直径が同じでかつ対向している端部を有している。第一の回転子および／または第二の回転子は、シリンダ形状の螺旋より形成されたブレードを有するシリンダ形状の回転子であってもよい。しかしながら、好ましい実施形態では、第一の回転子および第二の回転子は、内側のつるまき線と外側のつるまき線との間に延在する面により形成される１つ以上のブレードを有し、これらのつるまき線の各々は、螺旋半径の増大につれて小さくなるピッチを有している。これらの回転子は、本発明の第四の態様に関して後述されるような特徴、たとえばつるまき線の形状および形態、ブレードの数、外周リムおよび内周面、ジェネレータなどの特徴を備えていてもよい。第一の回転子および第二の回転子がつるまき線の間に形成される１つ以上のブレードを有している好ましい実施形態では、２つの回転子は、直径が大きくかつ同じ大きさの互いに対向する端部を有している。
【００１３】
第一の回転子および第二の回転子は、流体が一方の回転子から他方の回転子へと流れるように、互いに対向する端部を有している。好ましくは、互いに対向する端部は、一直線上に対向している。すなわち、２つの回転子の間のギャップが最小限に抑えられるようになっている。このことにより、一方の回転子から流れ出して他方の回転子へと流れ込む流れの半径方向の成分を、最もうまく利用することができる。しかしながら、潮汐タービンの用途では、水生生物にとっての危険を減らすため、回転子と回転子との間で切断される恐れを減らすために２つの回転子間のギャップを大きくするようにしてもよい。このようにすると、水生生物は、渦巻く流れによって運ばれ無事にデバイスを通り抜けることが可能となる。
【００１４】
好ましくは、第一の回転子および前記第二の回転子は、同様のつるまき線により形成される同じ形状の１つ以上のブレードを有している。このことにより双方向で最大値を担保することができる。というのは、２段式回転子装置のいずれの端部から同じ流れを取り入れた場合であっても、同じ電力を得ることができるからである。
【００１５】
かかる回転子装置は、第一の回転子および第二の回転子を取り囲むハウジングを備えていてもよい。好ましくは、ハウジングは、回転軸線を中心として回転可能に回転子を支えるようになっている。この回転子用のハウジングは、さまざまな機能を実行するように構成されている。たとえば、この回転子用のハウジングは、回転子を完全に収容し、回転子に低摩擦で自由に回転させることを可能とする機械的ベアリング、磁気ベアリング、または他のタイプの能動的もしくは受動的ベアリングシステムによる支持を提供するように構成されてもよい。液体の流れが回転子用のハウジング内のベアリングまたは電機部品に達するのを回避するために、リップシール、ラビリンスシールもしくは他のタイプのシール装置などのようなシール装置が適所にさらに設けられてもよい。あるいは、流体の流れによっては、ベアリングおよび電気部品の熱交換器の方に向けて流され、必要ならば冷却材として用いられる場合もある。
【００１６】
ハウジングはさらにジェネレータの部品、制御システムなどを取り囲むようになっていてもよい。いかなる適切な形状のハウジングが用いられてもよい。好ましい実施形態では、回転子用のハウジングは流入口部と流出口部とを有している。回転子用のハウジングは回転子の性能を強化するために用いられてもよい。回転子用のハウジングの流入口の幾何学形状は、先細部または他の幾何学形状を用いることにより液体の流れが回転子の入口に流入するにつれて液体の流れの線形速度を増大させるように構成されていてもよい。このことにより、入手可能なエネルギー量を増加させる有効な手段を提供することができる。なぜならば、液体の流れから入手可能な電力は液体の流れの速度の３乗に比例するからである。回転子用のハウジングの流出口も、拡散部を用いて、または粘性損失および乱流損失を最小限に抑え、流体を、流体の主要な流れに緩やかに戻せるように特別に構成された幾何学形状を用いて、液体の流れを減速させるように制御するよう構成されていてもよい。
【００１７】
本発明の第二の態様によれば、流体の流れから回転運動エネルギー生成するために上述の２段式回転子装置を用いるステップを含む方法が提供されている。好ましくは、かかる方法では、潮汐流からエネルギーを生成するために２段式回転子装置を用いるステップを含んでおり、さらに好ましくは、潮汐流から電気エネルギーを生成するために回転子を用いるステップを含んでいる。
【００１８】
本発明の第三の態様によれば、２段式回転子装置を製造する方法は、回転軸線に沿った方向に向かって小さくなっていくピッチを有する少なくとも１つの螺旋形のブレードを備えた第一の回転子を回転軸を中心として回転するように取り付けるステップと、同一の回転軸方向に向かって大きくなっていくピッチを有する少なくとも１つの螺旋形のブレードを有している第二の回転子を、同一の回転軸を中心として反対の回転方向に回転するように取り付けるステップとを含んでいる。
【００１９】
かかる方法では、第一の態様に関して上述したような回転子装置の特徴を提供するステップを含んでいてもよい。回転子の形状および形態は、第六の態様にかかる方法に関して後述するように選択することができる。
【００２０】
本発明の第四の態様によれば、回転軸を中心として回転するように配置されている少なくとも１つのブレードを有する回転子が提供されており、このブレードは、内側のつるまき線と外側のつるまき線との間に延在する面により形成されており、これらのつるまき線はそれぞれ螺旋半径が大きくなるにつれ小さくなっていくピッチを有している。
【００２１】
この態様によれば、つるまき線は、おおむね円錐形の本体の表面に形成された３次元の曲線である。おおむね円錐形の本体の表面は、円錐形、円錐台形、あるいは半径が大きくなるまたは小さくなる回転面として形成されるいかなる他の形状であってもよい。したがって、この面は、真っ直ぐな側面を有する円錐形に特に限定されるわけではなく、それに代えて、ゾーンまたはＳ字曲線のノーズコーン形状などのように、凸形状の側面を有する円錐形状もしくは円錐台形状であってもよいし、それに代えて、この円錐形は、凹形状の側面を有する円錐形状または円錐台形状であってもよい。本発明の回転子にとって重要なことは、各つるまき線が、回転子の軸線に沿って半径が大きくなっていき、半径が大きくなるにつれてピッチが小さくなっていくということである。内側のつるまき線と外側のつるまき線とのピッチは同じように小さくなっていくことが好適である。しかしながら、内側のつるまき線と外側のつるまき線とのピッチが異なるサイズで、小さくなっていくように用いることも可能である。
【００２２】
本明細書では、「内側」および「外側」は、回転子の回転軸からより小さいおよびより大きい半径の位置にある回転子部分を用いる。
【００２３】
回転子は、液体の流動による運動エネルギーを回転力またはトルクに変換し、続いて電気エネルギーの如きさらに便利なエネルギー形態に変換することにより、液体の流動または液体の流動システムから運動エネルギーを抽出するものである。好ましくは、回転子は潮汐流から電気発生させるためのものである。
【００２４】
ブレードの外縁の近傍に位置し、外側が形成される面に対応する外周リムが設けられていてもよい。また、ブレードの内縁の近傍に位置し、内側が形成される面に対応する内周面がよい。したがって好ましくは、回転子は、円錐形ヘリックスのパス（径路）に対応する内側および外側のおおむね円錐形状の回転面であるブレードを取り囲む内面および外面を有している。したがって、回転子は、内部に、ブレード表面、ブレード裏面、外周リムおよび内周面の間に形成される１つ以上の流路を有している。これらの流路は、流動流体を効果的に収容し、によるエネルギー損失を防ぐようになっている。
【００２５】
ブレードの回転を可能にするために、ブレードは、外周リムおよび／または内周面に設けられておりブレードは、たとえばベアリングおよび固定シャフトにより回動自在に取り付けられる。好ましい実施形態では、ブレードは、外周リムと内周面との間に延設され、これら外周リムおよび内周面の両方に取り付けられている。このことにより、流体の流れを取り囲み、先端損失を最小限に抑えることができる。この構成に代えて、ブレードを外周リムおよび内周面のうちの一方のみに取り付け、外周リムおよび内周面のうちの他方を固定したままにしておいてもよい。この後者の構成では損失は大きくなる可能性があるが、回転子の製造を簡単とすることができる。
【００２６】
好ましい実施形態では、回転子は、この回転子の直径が小さくなる端部に、軸方向の流体の流れに応じて配置されている開口を有している。したがって、開口は回転子の回転軸に対して直角になっており、好ましくは、ブレードは、おおむね軸方向に沿って流れる流体を受け入れる、または放出するように形成されている。好ましくは、回転子は、直径が大きくなる端部に、回転子の回転軸に対して直角となる開口をさらに有している。しかしながら、好ましい実施形態では、直径が大きくなる端部においてブレードは、軸方向の流れだけに応じて配置されているのではなく、流れ方向に対して半径方向の成分を有している流動流体をも受け入れる、または放出するように適合された構成であってもよい。好ましい実施形態では、流体の流れが半径方向の成分のみを有していて軸方向の成分を有していない場合、この流体は、回転子のいずれの開口を通って流れることもできない。
【００２７】
好ましくは、内側のつるまき線および外側のつるまき線は、回転子の回転軸に沿った同じ縦方向の位置から始まって、回転子の回転軸方向に沿って延びている。また好ましくは、内側のつるまき線および外側のつるまき線は、回転子の回転軸方向に沿ってほぼ同じ軸長さだけ延びている。このように構成すると、回転子の外周リムが存在する場合、当該外周リムは、必然的に、流体の流れの軸方向の成分が通過しなければならない開口を取り囲むようになる。
【００２８】
つるまき線は、上述のように半径が大きくなるとともにピッチが減少する３次元の曲線とすることができるいかなる適切な形状であってもよい。好ましい１つの選択肢としては、半径が線形に増大するアルキメデスの螺線を用いることであり、真っ直ぐな側面を有する円錐台形状に基づいた単純な形状を備えている回転子の製造に用いることができる。しかしながらそれに代えて、つるまき線は、オイラー（Euler）の螺旋、フィボナッチ（Fibonacci）の螺旋、双曲螺旋、リチュウス（Lituus）の螺旋、対数螺旋、セオドラス（Theodorus）の螺旋、または、極座標のθに関する関数として半径ｒが変化し、極座標のθに関する関数として第三の変数である長さＩも変化する他の公知のいかなる螺旋に基づくものであってもよい。いくつかの曲線および／または、非線形半径の利用を増大させていくと、結果として上述のように、凸形状の側面または凹形状の側面を有した円錐形状に基づくつるまき線となる。
【００２９】
内側のつるまき線および外側のつるまき線は、初期半径および最終半径が異なる同一の形態の螺旋または曲線に基づくものであってもよい。それに代えて、さらに複雑なブレードの形状を形成するために、内側のつるまき線および外側のつるまき線として異なる形態の曲線または螺旋が用いられてもよい。
【００３０】
単一のブレードが用いられてもよいが、複数のブレードを用いることが有利である。このことにより、複数の流路が形成され、回転子のバランスを容易に保つことも可能となる。回転子ブレードの数を２つにするか、３つにするか、またはそれ以上にするかの選択は、回転子の強度と、製造の容易さと、摩擦によるエネルギーの損失との間のバランスに依存しうる。本実施形態では、回転子ブレードの数は３つが好ましい選択である。というのは、３つの回転子ブレードによって、強く、バランスが取れ、摩擦による損失を最小限に抑えることができる３点構造を実現することができるからである。
【００３１】
これら１つ以上のブレードは、回転子の回転軸方向に沿った、同じ縦方向の長さで、内側のつるまき線部分と外側のつるまき線部分との間の直線からなる面として形成されることが好ましい。したがって、ブレード面は、一対のつるまき線同士を半径方向に接続するものであってもよい。それに代えて、ブレードは、回転子の回転軸の方向に沿った同じ縦方向の長さでの内側のつるまき線部分と外側のつるまき線部分との間の曲線からなる面として形成されてもよい。このように構成すると、ブレード表面は、回転子の直径の大きな端部から見た場合に、たとえば凹形状となる。
【００３２】
内側のつるまき線および外側のつるまき線では、円錐面がおおむね平行に形成されるように、半径が同じ割合で増大するようになっていてもよい。しかしながら、内側のつるまき線および外側のつるまき線の直径を異なる割合で増大させることによって回転子の性能を調節することが有利な場合もある。内側のつるまき線は、回転子により生成される流体力学的な反力およびねじれ力を減少または制限するために、外側のつるまき線の半径を大きくさせる割合よりも小さな割合で半径を大きくさせるようになっていてもよい。それに代えて、内側のつるまき線の半径は、流体力学的な反力、およびねじれ力を増大させるように、外側のつるまき線の半径よりも大きな割合で半径の大きさが大きくなるようになっていてもよい。
【００３３】
つるまき線の半径、つるまき線のピッチ、および内側のつるまき線の半径と外側のつるまき線の半径との相対的な大きさの増大を含む上述のパラメータは、回転子の長さに応じて線形に変わることが好ましい。しかしながら、半径、ピッチおよび相対的半径を非線形に変えることも可能である。
【００３４】
好ましい実施形態では、回転子は、外周リムの近傍に設けられているハウジングを有している。ハウジングは、回転子を取り囲み、回転子を回動自在とするベアリングまたはシャフトを支えるようになっている。ハウジングは、流体が回転子に流入する前に流体の流れを調節するための先細形状の流入口および／または末広形状の流出口を有していてもよい。 
【００３５】
回転子には、回転子の回転運動を電気エネルギーに変換するための１つ以上のジェネレータが設けられていてもよい。回転子の回転する外周リムは、電気ジェネレータ内の回転子として作用するように構成されていてもよい。この場合、静止ハウジングの一部が固定子となっている。それに代えて、内周面が回転子として作用するように構成されていてもよい。この場合、回転子の回転軸に沿った静止部品が固定子として作用する。このように構成すると、回転子および固定子は、液体の流れにより駆動され、回転力をさらなるデバイスに転送することを必要とすることなく回転子の運動を直接電気エネルギーに変換する電気ジェネレータセットを形成することができる。この目的のため、回転子の外周リムおよび回転子用ハウジングの内面に永久磁石または電気磁石がマウントされてもよい。形成される固定子および回転子は、効率的に交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）を生成するようにいかなる適切な方法で構成されてもよい。電気ネットワークまたはバッテリー設備などのような格納施設（Storage facility）への接続を容易とするために、電子機器および信号調整機器が回転子用のハウジングに、あるいは他の場所に組み入れられるように構成されていてもよい。
【００３６】
しかしながら、磁石の使用は、低速用途にとって理想的であるとは考えられない。流速の小さい用途では、低速の流体から高レベルのトルクを取り出すことができる直径の大きな回転子を用いる方が効率的である。このことにより、回転子の回転速度は比較的小さくなる。一般的な配電網と直接接続するために、正確な周波数で生成するには多数の磁石が必要となる。少数の磁石しか用いられていない場合、配電網と一致させるように電気信号を調節するにはさらなる電気機器が必要となる。
【００３７】
したがって、低トルク、高速度かつ高効率のジェネレータ、たとえば非同期ジェネレータを複数用いることが好ましい。非同期ジェネレータは、速度が可変でありかつ周波数が一定である用途において役立つ。このタイプのジェネレータにとって、トルクレベルが高く、回転速度が小さいということは有利なことである。非同期ジェネレータは、正確な周波数で配電網に直接供給されうる電力を生成することができる。
【００３８】
この場合の回転子が、回転する内周リムおよび外周リムを備えている回転子であるので、複数の高速かつ低トルクのジェネレータへの接続に広い表面積を利用することが可能である。したがって、好ましい実施形態は、これらのジェネレータの使用が必要とされるものであり、単一のジェネレータが中央の回転軸に接続されたものではない。回転する外周リムの外周面のまわりに複数のジェネレータを設けて最大電力を抽出するようにする、および／または、回転子の内部中央空間に複数のジェネレータを設けて回転する内周面から電力を抽出するようにしてもよい。ジェネレータといずれか一方のリムとの間の接続は、単純な歯車装置またはランナーホイールを用いることにより形成することができる。
【００３９】
好ましい実施形態における外周リムおよび内周面は、回転子の長さに沿って変わる直径を有しているので、複数のジェネレータは、外周リムまたは内周面の直径が異なる部分に接続されることで回転子の回転速度に対してさまざまな回転速度で動作するように構成される。
【００４０】
１つの好ましい実施形態では、外周リムおよび／または内周面がおおむね円錐形状の表面を有している。また、円錐形状の表面に沿って移動することにより当該ジェネレータへのさまざまな回転速度の入力が可能となるように、複数のジェネレータが円錐形状の表面に対して平行に移動できるように取り付けられていてもよい。この装置は、連続可変トランスミッションデバイスと同じように動作する。適切なフレームおよびステッピングモータを用いて、これらのジェネレータを表面に沿って移動させることが可能である。これらのジェネレータは、たとえば回転子の内側の円錐体の内面に取り付けられてもよいし、または回転子の外周リムの外面に取り付けられてもよい。
【００４１】
他の構成では、複数のジェネレータは、内周面または外周リムの階段状の面、すなわち直径が異なる複数の積層されたシリンダから構成される表面に取り付けられるようになっていてもよい。このように構成すると、直径の異なる階段状の面に取り付けられるリング状に並んだジェネレータが複数組存在しうる。異なる速度において電気を効率的に生成するために、１つ以上の組のリング状に並んだジェネレータをさまざまな回転速度で係合または離脱させるようにできことが好ましい。
【００４２】
このように回転子への可変速度接続を可能とすることによって、ある範囲の流体の流量全体にわたって、ジェネレータの可変範囲内において比較的一定のジェネレータ速度の達成が可能となる。
【００４３】
とくに好ましい実施形態では、上述のような第一の回転子と上述のような第二の回転子とが、一方の回転子の直径の大きな端部から流出した流体が他方の回転子の直径の大きな端部の中に流入するよう、第一の回転子の直径の大きな端部および第二の回転子の直径の大きな端部が互いに対向するように設けられている。このように構成すると、第一の回転子および第二の回転子は、単一の軸線を中心に回転するように取り付けられ、好ましくは互いに反対の方向に向けて回転するように、すなわち第一の回転子が第二の回転子とは反対の方向に向けて軸線を中心に回転するように配置され、取り付けられる。この場合、第一の回転子および第二の回転子は、半径が大きくなるにつれ同じ向きで回転するつるまき線から形成されるブレード、すなわち第一の回転子および第二の回転子が両方ともつるまき線の半径が大きくなるにつれて時計回りとなるように形成されているブレードを有してもよいし、それに代えて、両方の回転子は反時計回りのブレードを有してもよい。好ましい２段式回転子装置のさらに可能な特徴を以下に説明する。
【００４４】
本発明の第五の態様によれば、流体の流れから回転運動エネルギーを生成するために上述の回転子を用いることを含む方法が提供されている。かかる方法は、好ましくは潮汐流からエネルギーを生成するため上述の回転子を用いるステップ、さらに好ましくはたとえば潮汐流から電気エネルギーをジェネレータで生成するために上述の回転子を用いるステップとを含んでいる。
【００４５】
本発明の第六の態様によれば、回転軸を中心として回転するように構成された少なくとも１つのブレードを備えている回転子を製造する方法は、螺旋半径が大きくなるにつれ減少するピッチを有している内側のつるまき線および外側のつるまき線を形成するステップと、内側のつるまき線と外側のつるまき線との間に延在する面としてブレードを形成するステップとを含んでいる。
【００４６】
かかる方法は、上述の回転子およびつるまき線の特徴を提供するステップを含んでいてもよい。これらの特徴には、外周リム、内周面、シャフト、つるまき線の開始位置および長さ、つるまき線の形状、つるまき線の半径の変化、内側のつるまき線および外側のつるまき線の半径の相対変化、つるまき線のピッチの変化、ブレードの数、ハウジング、ジェネレータ、第二の回転子などのうちの１つ以上が含まれる。
【００４７】
好ましい実施形態では、かかる方法は、回転子の性能の所望の特性に基づいて回転子の特徴を選択するステップを含んでいる。たとえば、かかる方法は、前もって決められた流れ条件における所望のねじれ力出力に基づいて一方のつるまき線または両方のつるまき線の半径を変える割合を選択するステップを含んでいてもよい。前もって決められた流れ条件とは、たとえば意図された設置場所における平均潮汐流量であってもよく、所望のねじれ力は、ジェネレータまたは複数のジェネレータで実現できるように意図されている出力デバイスの最適入力トルクと一致していてもよい。同様に、かかる方法は、前もって決められた流れ条件における所望のねじれ力出力に基づいて、内側のつるまき線および外側のつるまき線の半径の相対な変化量を選択するステップまたは一方のつるまき線もしくは両方のつるまき線のピッチの変化量を選択するステップをも含んでいてもよい。
【００４８】
回転子の長さに従って変わる直径を有している面を備えた回転子に取り付けられている複数の、低トルクで、高速、かつ高効率のジェネレータを用い、これら複数のジェネレータを表面の直径が異なる部分に接続することによって回転子の回転速度とは異なる回転速度で動作するように構成することは、それ自体、新規性があり、進歩性があると考えられる。したがって、本発明の他の態様によれば、流体の流れから電力を生成するための回転子は、当該回転子の長さに従って変わる直径を有する表面を備えており、複数のジェネレータは、表面の直径が異なる部分の回転から回転力を受け取るように取り付けられている。上述のように、この表面は、おおむね円錐形状の面であってもよいし、または階段状の面であってもよい。ここで、「おおむね円錐」という文言は、完全な円錐だけでなく、円錐台、凸形状の側面を有する円錐、および凹形状の側面を有する円錐をも含むよう意図される。ジェネレータは、上述のような非同期ジェネレータなどのような低トルクで、高速かつ高効率なジェネレータであってもよい。回転する外周リムの外周面のまわりに複数のジェネレータを設けて最大電力を抽出する、および／または、回転子の内部中央空間内に複数のジェネレータを設けて回転する内周面から電力を抽出するようにしてもよい。ジェネレータといずれか一方のリムとの間の接続は、単純な歯車装置またはランナーホイールもしくはなんらかの他の手段を用いることにより形成することができる。回転子は、回転子および２段式回転子装置に関して先に説明したような特徴を有していてもよい。とくに好ましい実施形態では、複数のジェネレータは、上述のような円錐形状の表面に沿って移動することで当該ジェネレータへのさまざまな回転速度の入力が可能となるように、おおむね円錐形状の表面に対して平行に移動可能となるように取り付けられていてもよい。
【００４９】
また、本発明は、流体の流れから電気を生成するために上述の回転子を用いることをさらに包含している。
【００５０】
下記には、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態が例示のみを意図して記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ】ある実施形態にかかる回転子を示す側面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの実施形態にかかる回転子を示す端面図である。
【図２Ａ】回転子の構成の詳細が視認可能となるように外周リムが部分的に切り取られている図１Ａの回転子を示す図である。
【図２Ｂ】回転子の構成の詳細が視認可能となるように外周リムが部分的に切り取られている図１Ｂの回転子を示す図である。
【図３Ａ】外周リムを部分的に取り除いた図１および図２の回転子を示す斜視図である。
【図３Ｂ】外周リムを完全に取り除いた図１および図２の回転子を示す斜視図である。
【図４Ａ】内側円錐形ヘリックスの半径が外側円錐形ヘリックスの半径よりも小さな割合で増大する他の実施形態にかかる回転子を示す図である。
【図４Ｂ】内側円錐形ヘリックスの半径が外側円錐形ヘリックスの半径よりも小さな割合で増大する他の実施形態にかかる回転子を示す図である。
【図５Ａ】内側円錐形ヘリックスの半径が外側円錐形ヘリックスの半径よりも大きな割合で増大するさらに他の実施形態にかかる回転子を示す図である。
【図５Ｂ】内側円錐形ヘリックスの半径が外側円錐形ヘリックスの半径よりも大きな割合で増大するさらに他の実施形態にかかる回転子を示す図である。
【図６Ａ】図１および図２の回転子よりも螺旋ピッチが小さい割合で減少する他の実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】図１および図２の回転子よりも螺旋ピッチが小さい割合で減少する他の実施形態を示す図である。
【図７Ａ】図１および図２の回転子よりも螺旋ピッチが大きい割合で減少する他の実施形態を示す図である。
【図７Ｂ】図１および図２の回転子よりも螺旋ピッチが大きい割合で減少する他の実施形態を示す図である。
【図８Ａ】外周リムを部分的に取り除いたある実施形態にかかる２段式回転子装置を示す側面図である。
【図８Ｂ】外周リムを部分的に取り除いたある実施形態にかかる２段式回転子装置を示す端面図である。
【図９Ａ】外周リムを部分的に取り除いた図８の２段式回転子装置を示す斜視図である。
【図９Ｂ】外周リムを完全に取り除いた図８の２段式回転子装置を示す斜視図である。
【図１０】ジェネレータが回転子の外面に設けられている、ハウジング内に設置された２段式回転子装置を示す図である。
【図１１】ジェネレータが円錐形の回転子の内面に設けられている、ハウジングに設置された２段式回転子装置を示す図である。
【図１２】ジェネレータが回転子の階段状の内面に設けられている他の構成を示す図である。
【図１３】海底で用いられるタワータイプの構造体に設置されている一対の２段式回転子装置の構成を示す図である。
【図１４】円錐形ヘリックスの最小半径ｄｏと最大半径Ｄｏとの比の変化に対する２段式回転子装置により生成されるねじれ力の変化を示すグラフである。
【図１５】外側円錐形ヘリックスの半径と比べた内側円錐形ヘリックスの半径の増大する割合の変化に対する２段式回転子装置により生成されるねじれ力の変化を示すグラフである。
【図１６】螺旋周波数の増大する割合を変えることにより螺旋ピッチの減少する割合を調節する時の２段式回転子装置により生成されるねじれ力の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１Ａおよび図１Ｂには、外周リム１と、ブレード２と、内周面３とを有している回転子の実施形態が例示されている。回転子を用いて液体の流れにより回転運動させ、この回転運動を用いて電気を起こすことができる。たとえば好ましい実施形態では、上述の回転子をタービン内に用いて潮汐流から電気が起こすようになっている。ブレード２は、内周面３と外周リム１との間に延設されており、取り囲まれた流路を形成することができる。この実施形態では、ブレード２の形状を形成する基本的な螺旋は、極座標のθに関する半径ｒがリニアに大きくなるアルキメデス螺旋に基づくものである。したがって、得られる回転子は、円錐台の形状を有している。後述のように、他のタイプの曲線が用いられてもよい。回転子内に３つの回転子ブレード２２および内周面３が設けられていることが分かる。回転子の縦軸４が中心線によって示されている。図面全体にわたって、回転子の最大外径がＤｏで示され、最小外径がｄｏで示される。回転子の長さはＬで示され、回転子内の長さ（local length）ｌは回転子における最小外径ｄｏを有している端部から測定される。
【００５３】
図２Ａおよび図２Ｂには図１Ａおよび図１Ｂの回転子が示されており、明瞭さのため、外周リム１が部分的に隠されている。また、内周リム３も示されている。３つの回転子ブレード２は一対のつるまき線により形成される形状を有している。外側のつるまき線５は、外周リム１の内周面に形成される螺旋であり、ブレード２の変化する外側半径ｒｏを形成している。内側のつるまき線６は、内側円錐体３の外面に形成される螺旋であり、ブレードの変化する内側半径ｒｉを形成している。これら一対の螺旋は両方とも、縦軸４に沿って、半径が大きくなっていくにつれ、螺旋ピッチが小さくなっている。ブレード２では、螺旋による周波数が高くなると螺旋のピッチが小さくなる。一対のつるまき線５および６は、時計回り方向となるように形成され、異なる初期半径を有しており、これらの異なる初期半径の大きさは、同一の割合で大きくなっており、一対の平行に並んだつるまき線を形成している。
【００５４】
図３Ａおよび図３Ｂは、図１および図２の回転子の斜視図であり、ブレード２の形状のさらなる詳細が示されている。
【００５５】
図４Ａおよび図４Ｂには、上述の回転子の変形例が示されている。この実施形態では、一対のつるまき線５および６が時計回り方向に形成され、上述のようなブレード２の形状が形成されている。しかしながら、内側のつるまき線６の半径ｒｉの大きさが外側のつるまき線５の半径ｒｏよりも小さな割合で大きくなっている。このため、回転子の、小さな直径となる端部における間隔よりも回転子の、大きな直径となる端部における間隔の方がより離れた、一対の非平行に並んだつるまき線が形成されている。
【００５６】
図５Ａと図５Ｂにはさらなる変形例が示されており、内側のつるまき線６の半径ｒｉが外側のつるまき線５の半径ｒｏよりも大きな割合で大きくなっているので、回転子、小さな直径となる端部における間隔よりも回転子の大きな直径となる端部における間隔よりも狭くなる一対の非平行に並んだつるまき線が形成されている。
【００５７】
図６Ａと図６Ｂには、図１および図２の内側円錐体および外側円錐体が並列に並べられているものの、先に記載されている実施形態よりも螺旋ピッチが小さな割合で減少するさらなる変形例が示されている。このことにより、螺旋の周波数が小さな割合で増大する。図７Ａおよび図７Ｂには、螺旋ピッチが大きな割合で減少することにより螺旋の周波数が大きな割合で増大するという反対の変形例が示されている。
【００５８】
図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａおよび図９Ｂには、潮汐タービンとして機能しうる２段式回転子装置内の一対の回転子が示されている。図８Ａおよび図８Ｂは、外周リム１が部分的に取り除かれている側面図および端面図である。図９Ａおよび図９Ｂは、外周リム１が部分的におよび完全に取り除かれている同じ一対の回転子を示す斜視図である。図８Ａから分かるように、２つの回転子は、回転軸４を共通とし端と端とを接続して取り付けられている。使用時、これらの回転子は、上述のように互いに反対方向に回転する。これらの図面に示されている回転子は、本明細書の図１、図２および図３に記載されている回転子と類似しているが、いうまでもなく、２段式回転子装置は、本明細書に記載の回転子の他の実施形態および変化例のうちのいずれかの回転子などのように必要な螺旋形のブレード形状を有しているいかなる一対の回転子を備えた構成であってもよい。
【００５９】
図１０には、共通の縦軸４に沿ってハウジング９内に設けられている一対の二重反転回転子７および８を備えた潮汐タービンとして機能しうる２段式回転子装置の実施形態が示されている。ここではハウジング９の断面が示され、また回転子７および８の部分断面が示されている。回転子７および８は、ハウジング９に固定され、かつベアリング１０により支えられる共通の固定シャフト１１を中心として回転するようになっている。流れが回転子７、８のみを通り抜けるようにするために、回転子７の一方の端部および回転子８の一方の端部のそれぞれにおいて、ラビリンスシール１５が、ハウジング９の内面と、各回転子７、８の外周リム１の外面との間に設けられている。この実施形態では、ハウジング９の２つの端部は、流体の速度を増大／減少させ、かつ２段式回転子装置の性能を増強させるように構成されている先細／末広の幾何学構造１６を有している。
【００６０】
２段式回転子装置は、２つの回転子を組み合わせて一方向流および可逆流または循環流に対応するように用いられる。第一段の回転子は、縦成分を有する流入してきた液体の流れを受け入れ、それを第一段の回転子を回転させる回転力または回転トルクに変換することにより、運動エネルギーの一部を抽出する。第二段の回転子は、第一段の回転子と同様に構成された幾何学形状を有し、第一段の回転子と同じ縦軸を中心として回転するものの、第一段の回転子に対して１８０°回転されているものである。したがって、第二段の回転子は、縦軸を中心として反対方向に向けて回転する。流体の流れは、回転子の出口の螺旋ピッチにより決まる角度で第一段の回転子から流出し、次に、第二段の回転子により受け入れられる。第二段の回転子の流入口は同様の角度および螺旋ピッチを有している。この段階では、流体は縦方向（回転軸方向）の成分と半径方向の成分とを有している。第二段の回転子は、液体流からさらなる運動エネルギーを抽出する。流体は、第二段階の回転子から流出する時、縦成分のみを有し、干渉を最小限に抑えて主流に戻ることができることが理想的である。
【００６１】
図１０の実施形態では、ハウジング９は、回転子７および８の外側に配置される複数の低トルク、高速かつ高効率のジェネレータ１３のための取付領域を提供するように構成されている。複数のジェネレータ１３は、適切な歯車装置により回転子７および８の外周リム１の外側で回転運動により駆動されるようになっている。
【００６２】
図１１は、ハウジング９内に設置される２段式回転子装置の他の実施形態を示す断面図である。図１１に示されている実施形態では、図１０の構成とは対照的に、ジェネレータ１３を、外側円錐体の外側に設置する代わりに内側円錐体内に設置する。固定取付ブロック１２は、回転子７および８内の固定シャフト１１に取り付けられている。これらは、複数の低トルクであり、高速かつ高効率なジェネレータ１３のための取付領域を提供している。このジェネレータ１３は、適切な歯車装置により、回転子７および８の内側円錐体３の内面で駆動されるようになっている。
【００６３】
上述のように、基本的な螺旋が、極座標のθに関する半径ｒがリニアに大きくなるアルキメデスの螺旋に基づいたものである本実施形態では、回転子自体は円錐台に似た形状を形成している。この形状の特徴は、外側半径が縦軸４に沿って変わっていくため、内周リム３の線形速度が縦軸４に沿って変わることである。この実施形態では、ジェネレータ１３が、内側円錐体３の内面に対して平行な表面を有するブロック１２にマウントされているので、適切なフレームおよびステッピングモータ１４によってジェネレータ１３を上述の表面に沿って移動することができる。ジェネレータ１３を、共通の可動フレーム組立体に固定するか、またはステッピングモータによって円錐台表面に沿って別々に移動することができるようにし、これを、ハードワイヤード監視設備もしくは無線監視設備および／またはＣＰＵによって起動することができるようにすることにより、２段式回転子装置が回転子７、８の回転速度の変化に応じて円錐台に沿ってジェネレータの縦の位置を調節することができるようになる。このことにより、回転子７、８の回転速度の変化に応じてジェネレータ１３を回転子７、８内で移動させることができるようになる。このようにして、ある範囲の流体流量全般にわたって、ジェネレータ１３の可変範囲内で比較的一定のジェネレータ速度を達成することができるようになる。低速流量の場合、ジェネレータの接続点を線形速度の大きい方の端部に形成することができる。線形速度の大きい方の端部とは回転子の直径の大きい方の端部のことである。高速流量の場合、ジェネレータ接続点を線形速度の小さい方の端部に形成することができる。線形速度の小さい方の端部とは回転子の直径の小さい方の端部のことである。このことは重要な利点をもたらす。というのは、複雑なギアケースの必要性がなくなり、費用および複雑さが著しく軽減されるからである。
【００６４】
図１２は、ハウジング９内に搭載される他の実施形態にかかる２段式回転子装置を示す断面である。図１２に示されている実施形態では、図１０の構成とは対照的に、ジェネレータ１３は、外側円錐体の外側ではなく固定モータマウント１６にマウントされている。固定モータマウント１２は、回転子７、８内の固定シャフト１１に取り付けられている。このことにより、複数の低トルク、高速かつ高効率のジェネレータ１３用のマウント領域が提供されている。ジェネレータ１３は、適切な歯車装置により、回転子７、８の内側円錐体３の内側回転面により駆動されるようになっている。 
【００６５】
上述のように、基本的な螺旋が、極座標のθについての半径ｒがリニアに大きくなるアルキメデス螺旋に基づいたものである本実施形態では、回転子自体は円錐台に似た形状を形成している。この形状の特徴は、縦軸４に沿って外側半径が変わっていくため、内周リム３の線形速度が縦軸４に沿って変わるということである。この実施形態のジェネレータ１３が固定モータマウント１６にマウントされているので、ジェネレータ１３は、縦軸４に沿ったさまざまな位置で必要に応じて係合または離脱させることができる複数の組のリング状に並ぶジェネレータとして搭載することができる。複数の組のリング状に並ぶジェネレータ１３は、ハードワイヤードにより接続されているまたは無線式の監視設備および／またはＣＰＵによりトリガーされるステッピングモータにより係合または離脱することにより、２段式回転子装置が回転子７の回転速度の変化に応じて、所与の時間において複数の組のリング状に並ぶジェネレータ１３のうちの何組を使用するかを調節することができるようになっている。
【００６６】
このことにより、回転子７、８の回転速度の変化に応じて回転子７、８内で複数のリング状に並ぶジェネレータ１３を選択的に係合または離脱することができるようになる。このようにして、ある範囲の流体流量全般にわたって、複数の組のリング状に並ぶジェネレータ１３の変更可能範囲内で比較的一定のジェネレータ出力を達成することができるようになる。それに加えて、動作範囲外にある複数の組のリング状に並ぶジェネレータ１３の動作を制御することができる。もちろん、２段式タービンが異常流量により過負荷となった場合には、すべてのジェネレータを切断することができる。 
【００６７】
一般的に、低速の流体の流れの場合、線形速度の大きい方の端部の複数の組のリング状に並ぶジェネレータ１３を係合させることができる。線形速度の大きい方の端部とは回転子の直径の大きい方の端部のことである。高速の流体の流れ場合、線形速度の小さい方の端部の複数の組のリング状に並ぶジェネレータを係合させることができる。線形速度の小さい方の端部とは回転子の直径の小さい方の端部のことである。また、複数の組のリング、たとえば、線形速度の小さい方の端部で二つ以上の組のリング状に並ぶジェネレータまたは線形速度の大きい方の端部で二つ以上の組のリング状に並ぶジェネレータを係合させることも可能である。このことは、図１１の実施形態に比べて、重要な利点をもたらす。というのは、複雑な位置決めデバイスの必要性がなくなり、費用および複雑さが著しく軽減される。図１２にはシールされたコンパートメント１７がさらに示されている。このシールされたコンパートメント１７には、ジェネレータ用の制御歯車や、修理およびサービスのために２段式タービンを水面まで安全に回収することを可能とする浮力デバイスなどが搭載されていてもよい。
【００６８】
２段式回転子装置は、水平液体流動方向および鉛直液体流動方向で用いられても、また流入口および流出口の向きならびに回転子の向きを変えることにより水平液体流動方向と鉛直液体流動方向との間の流動方向で用いられても効果的である。潮汐タービンの用途では、回転子用のハウジングは、流体の流れを回転子に向け、小規模な交差流ズレを修正するようにも機能する。交差流ズレが大規模な場合、回転子用のハウジングは、ステアリング・サスペンションシステムを備え、性能を最適化するため、または、液体ストリーム中に沈んでいるような場合には、水面にまで浮上させてメンテナンスするために、当該システムがハウジングの流れ場内での位置を調節するためのフィン、歯車装置および浮力調節デバイスを有していてもよい。ステアリング・サスペンションシステムは、流れ方向の変更に関してある自動調整機能を提供している。
【００６９】
回転子用のハウジング内に直列に配置または搭載される２段式回転子装置をさらに有するようにしてもよい。しかしながら、第一の２段式タービンから流出してくる液体の流れに残っている電力の量は、元の液体の流れに含まれている電力の量よりも少ない。したがって、複数の２段式回転子装置を並列に並べるのが経済的であると考えられる。
【００７０】
動作時、とくに潮汐タービンの用途では、２段式回転子装置は、床、たとえば海底により坦持されるようになっていてもよいし、または、海底もしくは浮遊いかだに係留もしくはいかりで固定される構成を用いて液体の流れの中に浮遊されるようになっていてもよい。あるいは、２段式回転子装置は、メンテナンスのために海上の船によりまたはタワー内の伸縮式に延びる装置により海から回収することができるように、海底に設置されたタワーに取り付けされてもよい。あるいは、２段式回転子装置は、流体の流れの中で浮遊したままでいるように中性浮力（neutral buoyant）を有するように構成されてもよく、装置の浮力を変えることにより、２段式タービン装置が水面まで浮上させられるようにまたは海底まで沈められるようになっていてもよい。あるいは、タービン装置の小部分しかメンテナンスのために回収する必要がないようにタービン装置全体を構成するようにしてもよい。この場合、タービン装置において、回転子と電気部品とを有しているサブユニットを主要設置構造物から分離してこの主要設置構造物をそのまま残しておくようにしてもよい。このことにより、メンテナンス作業が単純化される。
【００７１】
図１３には、潮汐タービンとしての２段式回転子装置の１つの可能な利用方法が示されている。図１０、図１１または図１２に示されているような２つのハウジング９内の回転子７、８が、海底に設置しうるタワー構造物に搭載されている。潮流システムの如き可逆的または周期的な流れの中で有効に動作することを可能とするために、複数の回転子用のハウジングを主要な流動方向と平行になるように配置してもよい。２段式回転子装置がいずれの方向に向かう流れに対してでも効率的に動作することができるので、潮汐流が方向を変えた時にタワーを回転させる機構を用意する必要がない。
【００７２】
他の構成（図示せず）は、流体が流れるパイプ内のハウジング内に２段式回転子装置をマウントすることである。いずれの方向に向かう流体の流れであっても、ジェネレータにより、回転運動に効率的に変換され、回転子の好ましい実施形態によれば、電力に変換される。ダム、水力電力ステーションまたは防潮堰の水路内にパイプを設置してもよい。それに代えて、パイプが、一方の容器から他方の容器への液体の移動を可能とするように接続されている２つ液体容器を有する閉ざされた液流システム内に設けられてもよい。自然の力または人間が作り出した力を外部から加えることにより、２つの容器の間に液体の流れが誘発されるようになっていてもよい。このような外部からの力は、横方向の運動および／もしくは縦方向の運動を生じる船または電車もしくは自動車の如き他の移動物体に横方向にまたは縦方向に搭載することにより受けうる。
【００７３】
したがって、本明細書に記載の回転子は、回転子用のハウジング内に搭載される好ましい実施形態にかかる２段式回転子装置内で用いられる。２段式回転子装置がさまざまなシナリオの液体の流れ、たとえば潮汐流を受ける場合、回転子は、液体の流れから運動エネルギーを抽出し、それを回転力またはトルクに変換する。これらの回転力またはトルクにより、１対の特定の形状を有する回転子が回転されている。
【００７４】
好ましい潮汐流の実施形態では、このトルクが上述のような電気ジェネレータを働かせるために用いられる。それに代えて、このトルクを用いて回転力もしくはトルクを必要とするポンプ、コンプレッサまたは他のデバイスを働かすようにしてもよい。
【００７５】
回転子の幾何学形状は、液体の流れの運動エネルギーを回転力またはトルクへ変換するのを促進する。回転子の幾何学形状は、縦軸４に沿って極座標のθについての半径ｒの値が増大し、各螺旋５、６は異なる初期半径を有した一対のつるまき線５、６に基づくものとなる。また、一対のつるまき線５、６では、極座標のθについての半径が増大するに従ってピッチが減少する。螺旋ピッチが減少すると螺旋周波数が増大する。このタイプのつるまき線は、極座標のθに関する関数として半径ｒ極座標が変化し、極座標のθに関する関数として第三の変数である長さｌも変化する３次元の螺旋として定義されてもよい。
【００７６】
一対のつるまき線は、時計回りの方向にまたは反時計回りの方向に向けて生成されてもよく、図６Ａおよび図６Ｂに示されているように、螺旋ピッチをどれだけ減少させると螺旋の周波数をどれだけ増大させるかという割合を変えることにより単位長さ当たりの最適な螺旋ピッチの減少値を得ることが可能である。抽出される電力に対して直接影響を与える他の変数は、一対のつるまき線の初期半径および最終半径（したがって、回転子の最小および最大の内側直径および外側直径）ならびに回転子の全長である。これらの変数が、所与の流れ状況について最適化されてもよい。たとえば、パイプラインの用途では、空間は既存のパイプラインの直径に制限、制約されるので、比較的小さな最小外側直径および最大外側直径、たとえばそれぞれ１ｍおよび２ｍの直径を有する回転子が好ましい。この場合、たとえば電力の出力を最適化するために一対のつるまき線を延ばすための空間の提供を可能とするよりも長い回転子の方が有益である。潮汐タービンの用途では、空間は問題ではなく、大きな直径、たとえば１０ｍ、２０ｍを用いて電力の出力を増大させることができる。その場合、設置費用および設置面積を削減させるために短い回転子を用いることができる。
【００７７】
一対のつるまき線が半径方向に接続されると、回転子の回転子ブレード面が形成される。図示されている回転子では、同じ回転子ブレード２が３つ設けられている。それに代えて、回転子のまわりに等間隔に並べられる、より少ない数のまたはより大きい数の同じ回転子ブレード２が設けられてもよい。回転子ブレード２は、内周面３と外周リム１との間に延設され、内周面３または外周リム１のいずれかに固定されてそれとともに回転するようになっている。
【００７８】
固体表面を流れる流体が運動量の変化を受けるとき、流体力学的な反力が固体表面に生じる。特定の方向に向けて流体に作用する流体力学的な正味の力は、ニュートンの第二法則により決まる特定の方向の流体の運動量の変化率に等しい。ニュートンの第三法則によれば、等しくかつ反対方向の流体力学的な反力が流体に隣接する固体表面に作用する。このような流体力学的な反力の例としては、水流が壁に衝突した時に生じる流体力学的な反力、流体がパイプラインシステムにおいて屈曲部をまわる時に生じる流体力学的な反力、または固形物を流動流体の中に入れて流体が固形物のまわりを流れる時に生じる流体力学的な反力が挙げられる。
【００７９】
本明細書に記載の回転子では、流動流体と境界をなす固体表面は、一対の回転子ブレードの前面および後面ならびに回転子の内周リムおよび外周リムによって形成されている。流体が特定の形状の回転子およびその複雑な流路を流通する際に、当該流体は、ブレードの形状に起因して、ならびに螺旋ピッチが流入口から流出口に向かって減少していくことで螺旋の周波数が増大することに起因して流れの方向の変化が常に強いられる。このため、運動量の変化率が連続したものとなる。この運動量の変化率により、回転子の固体面に作用する流体力学的な反力が必ず生じることになる。つるまき線が時計回りまたは反時計回りなどのように所定の幾何学的な方向を有しているので、流体力学的な反力は反対方向に向けて作用し、流体力学的な反力の中心が縦軸から半径方向に沿って、ある距離でズレるため、回転子の縦軸を中心として作用して回転子を回そうとするねじれ力が生じる。
【００８０】
つるまき線の基本的な数学的螺旋は、アルキメデスの螺旋、オイラーの螺旋、フィボナッチの螺旋、双曲螺旋、リチュウスの螺旋、対数螺旋、セオドラスの螺旋であってもよい。あるいは、極座標のθに関する関数として半径ｒが変化し、極座標のθに関する関数として第三の変数である長さｌも変化する他の公知のいかなる螺旋に基づくものであってもよい。上述の理由により、極座標のθについての内側半径ｒおよび外側半径ｒがより急速に変化する基本的な螺旋が運動量のより大きな変化率を誘発すことになり、必然的に、流体力学的な反力が増大することは明白である。このことは、鈍いカーブを鋭いカーブと比較するのと同じようなものである。パイプシステムにおいて生じる力は、流体が２つの曲線のうちのより鋭い方の曲線をまがる時により増大することはよく知られている。
【００８１】
上述の実施形態では、分かり易いように、基本的な螺旋は、極座標のθについての半径ｒがリニアに増大するアルキメデスの螺旋に基づくものである。しかしながら、異なる基本的な数学的螺旋を用いて極座標のθについての内側半径ｒおよび外側半径ｒが非線形に増大するような回転子を構築してもよい。異なる基本的な数学的螺旋は、アルキメデスの螺旋、オイラーの螺旋、フィボナッチの螺旋、双曲螺旋、リチュウスの螺旋、対数螺旋、セオドラスの螺旋、または、極座標のθに関する関数として半径ｒが変化し、極座標のθに関する関数として第三の変数である長さｌも変化する他の公知のいかなる螺旋であってもよい。極座標のθについて半径ｒがリニアに増大するアルキメデス螺線を用いることにより、図面に記載されているような真っ直ぐな側面を有する円錐台のまわりに形成されるつるまき線を提供することができる。それに対して、極座標のθについて内側半径ｒおよび外側半径ｒが非線形に増大すると、異なる形状が形成される。たとえば、外側および内側の円錐面が湾曲される。
【００８２】
本明細書に例示の好ましい実施形態では、縦軸に沿って極座標のθについて半径ｒがリニアに増大し、各々が異なる初期半径を有している一対のつるまき線が選択されている。実施形態によっては、図４Ａ〜図５Ｂに示されているように、いずれか一方の螺旋の半径がより大きな割合で、またはより小さな割合で増大するようにすることにより１対の非平行なつるまき線が形成される場合もある。他の実施形態では、図１Ａ〜図３Ｂに示されているように、両方の螺旋の半径が同一の割合で増大するようにすることにより一対の平行なつるまき線が形成されている場合もある。同時に、ｌを縦軸４に沿って連続的なステップまたは離散的なステップのθの関数として変化させることにより、螺旋ピッチを減少させる。図面に記載の実施形態では、螺旋ピッチの減少率（割合）または螺旋の周波数の上昇率（割合）は線形である。それに代えて、螺旋ピッチの減少率または螺旋の周波数の上昇率を非線形としてもよい。
【００８３】
螺旋形状、半径の大きさの増大およびピッチの減少の組み合わせにより、回転子に対する総合的な流体力学的な反力、ひいてはトルクおよび電力の出力が決まる。これらのパラメータを最適化することにより、所定の流体の流れから抽出される電力を最大化させることが可能である、または必要ならば所定の流体の流れから抽出される電力を制限するようにしてもよい。以下の一組の方程式は生成される流体力学的な反力およびトルクを示している。
【００８４】
【数１】
0006038809.tif 000002
式［１］に記載のように、回転子を流れる質量流量
【数２】
0006038809.tif 000003
は一定である。螺旋ピッチが連続的に減少するので、または換言すれば流体の流れの方向が連続的に変わるので、すなわち回転子内の第一の任意の断面および第二の任意の断面における速度成分間の流体の速度成分ｕ、ｖ、ｗが変わるので、流体力学的な反力Ｆｘ、ＦｙおよびＦｚが必然的に生じる。第一の任意の断面および第二の任意の断面は回転子の長さに沿って異なる距離にある。このことにより、式［２．１］〜［２．３］で示されるような運動量の変化率および流体力学的な反力が生じる。右手の法則によれば、回転子の軸線ｘ、ｙおよびｚのまわりのトルク、Ｔｘ、ＴｙおよびＴｚが、流体力学的な反力の成分と、式［３．１］〜［３．３］によって示されるようにトルク、Ｔｘ、ＴｙおよびＴｚが作用する縦軸からの関連する距離ｘ、ｙおよびｚとの不均等なクロス積（the out of balance cross product）により求められる。
【００８５】
この一組の式によれば、螺旋ピッチの減少率が変わると、ねじれ力および電力の出力が増大または減少することが分かる。ねじれ力の減少は螺旋ピッチをより小さい割合で減少させることにより達成することができ、また、ねじれ力の増大は螺旋ピッチをより大きい割合で減少させることにより達成することができる。
【００８６】
流体力学的な反力が作用する縦軸からの距離は、一対のつるまき線の半径の変化により連続的に増大または減少する。複雑な流路の各々について、異なる組のねじれ力が得られ、回転子の長手方向の軸線の総ねじれ力とは、回転子の長手方向の軸線に作用するすべてのねじれ力の合計である。
【００８７】
一対のつるまき線の半径が同一の割合で増大して一対の平行なつるまき線を形成する場合、このことにより、流体力学的な反力が作用する縦軸からの距離、ひいては式［３．１］〜［３．３］により求められるようなねじれ力および電力の出力の増幅率が同じだけ増大する。この場合、回転子内の第一の任意の断面および第二の任意の断面における断面積は一定の割合で増大し、質量流量が一定なので、生じる速度差、ひいては流体力学的な反力は一定である。ねじれ力および電力の出力の増幅率は、一対のつるまき線の半径が増大する割合にのみ依存する。
【００８８】
一対のつるまき線の半径がより大きい割合で、またはより小さい割合で増大して一対の非平行なつるまき線を形成する場合、このことは、回転子内の第一の任意の断面および第二の任意の断面における断面積が増大する割合を変える効果がある。内側のつるまき線の半径の方が外側のつるまき線の半径よりも小さい割合で増大する場合、前述の任意の断面積はより大きな割合で増大することとなる。このことは、速度成分の変化量を減少させる効果があり、質量流量が一定であるので、生じる流体力学的な反力はより小さくなる。内側のつるまき線の半径が外側のつるまき線の半径よりも小さな割合で増大する時、前述の任意の断面積はより小さい割合で増大する。このことは、速度成分の変化量を増大させる効果があり、質量流量が一定であるので、生じる流体力学的な反力はより大きくなる。したがって、回転子のパラメータを操作することにより、抽出される電力の出力を制御し、それを必要に応じて最適化または制限することが可能となる。
【００８９】
それに加えて、一対のつるまき線間の接続が直線であることに制限されない。たとえば、当該接続は湾曲していてもよい。特別に成形された回転子ブレードの表面の表面積を増大させることにより、得られた流体力学的な力を広い領域に分散させ内部応力を減らすために凹面が用いられてもよい。同様に、一対のつるまき線は、簡単にいえばおおむね軸方向に沿って整列しているが、つるまき線の表面特性を変更して有益な効果をもたらすようにわずかに位置ずれさせてもよい。
【００９０】
上述のように、回転子およびブレード形状のさまざまなパラメータについては、回転子の目的、および回転子が晒される流速などの動作条件などに依存して変えることができる。図１４〜図１６には、これらのパラメータに対する変更がどのように回転子の性能に影響を与えるかについて示す。
【００９１】
図１４は、回転子の最小外側直径ｄｏに対する最大外側直径Ｄｏの比率を変える効果を示すグラフである。この場合、一対のつるまき線の半径は同じ割合で増大されて一対の平行なつるまき線を形成している。直径が増大すると、流体力学的な反力が作用する縦軸からの距離が増大して、ねじれ力が増幅される。ねじれ力の増幅率は、一対のつるまき線の半径が増大する割合に依存する。
【００９２】
ベースラインとして、図１４では、直径が変化しない構成、すなわち最大半径と最小半径の比率［Ｄｏ／ｄｏ］が１である構成が用いられている。これは、一対のつるまき線の半径が増大しない回転子、すなわちつるまき線ではなくシリンダ形状の螺旋に基づいた回転子のことである。本明細に記載の回転子は、つるまき線により形成されるブレードに基づいており、１よりも大きな比率を有しておいる。このことは、図示されているようなトルクの増大、および効率の向上をもたらす。
【００９３】
上述の変形例のうちの一部では、内側のつるまき線および外側のつるまき線は非平行な円錐面上に形成されている。図１５は、一対の非平行なつるまき線を形成するために一対のつるまき線の相対的な半径を増大または減少させる効果を示すグラフである。外側のつるまき線の半径の増大よりも小さな割合で内側のつるまき線の半径が増大する場合（すなわち、［Δｒｉ／Ｌ］／［Δｒｏ／Ｌ］＜１）、回転子に沿った縦方向の第一の距離および第二の距離における任意の断面積はより大きな割合で増大する。このことは、速度成分の変化量を減少させる効果があり、質量流量が一定であるので、生じる流体力学的な反力、およびねじれ力はより小さくなる。内側のつるまき線の半径が外側のつるまき線の半径よりも大きな割合で増大する場合（すなわち、［Δｒｉ／Ｌ］／［Δｒｏ／Ｌ］＞１）、回転子内の任意の断面積はより小さな割合で増大する。これは、速度成分の変化量を増大させる効果があり、質量流量が一定であるので、生じる流体力学的反力およびねじれ力はより大きくなる。［Δｒｉ／Ｌ］／［Δｒｏ／Ｌ］＝１であるポイントは、一対のつるまき線の半径が同じ割合で増大して一対の平行なつるまき線を形成する回転子のことである。
【００９４】
上述の他の変形例は、つるまき線のピッチの減少ために異なるピッチの変化量を用いることを含んでいる。図１６は、螺旋の周波数の増大割合の変化量Δｆに対する螺旋ピッチの減少割合の変化量の影響を示すグラフである。図１６に示されているように、この特性を変えるとねじれ力、ひいては電力の出力が増大または減少する。ねじれ力の減少は螺旋ピッチがより小さい割合で減少すること、または螺旋の周波数がより小さな割合で増大することにより達成される。また、ねじれ力の増大は螺旋ピッチがより大きい割合で減少すること、または螺旋の周波数がより大きな割合で増大することにより達成される。図１６では、Δｆ＝０．１と記載されている回転子は、図１Ａ〜図３Ｂに記載の回転子に基づくものである。それに対して、Δｆ＝０．０５と記載されている回転子は図６Ａおよび図６Ｂに記載の回転子に基づき、Δｆ＝０．２５と記載されている回転子は図７Ａおよび図７Ｂに記載の回転子に基づくものである。
【００９５】
要約すると、本明細書に記載の好ましい実施形態により、潮汐流から電気を生成するのに理想的なコンパクトで低複雑度の２段式回転子装置が提供されている。また一方、この２段式回転子装置は、一方向の液流特性、可逆的な液流特性または循環的な液流特性を有するいかなる液流システムに適用することもできる。この回転子およびブレードの構成は、上述のようにパラメータを変えることにより個々の用途に合わせることができる。パラメータは、本明細書に記載の値またはそれらを組み合わせたものに限定されるわけではない。もっと正確にいえば、パラメータ値は、所望の性能特性を達成するために必要に応じて単独でまたは組み合わせて変えることができる。これらの特徴により、生じるうるさまざまな条件およびシナリオの液流に対する２段式回転子装置の効率的な動作を担保することができるようになる。
【図１Ａ】
0006038809.tif 000004
【図１Ｂ】
0006038809.tif 000005
【図２Ａ】
0006038809.tif 000006
【図２Ｂ】
0006038809.tif 000007
【図３Ａ】
0006038809.tif 000008
【図３Ｂ】
0006038809.tif 000009
【図４Ａ】
0006038809.tif 000010
【図４Ｂ】
0006038809.tif 000011
【図５Ａ】
0006038809.tif 000012
【図５Ｂ】
0006038809.tif 000013
【図６Ａ】
0006038809.tif 000014
【図６Ｂ】
0006038809.tif 000015
【図７Ａ】
0006038809.tif 000016
【図７Ｂ】
0006038809.tif 000017
【図８Ａ】
0006038809.tif 000018
【図８Ｂ】
0006038809.tif 000019
【図９Ａ】
0006038809.tif 000020
【図９Ｂ】
0006038809.tif 000021
【図１０】
0006038809.tif 000022
【図１１】
0006038809.tif 000023
【図１２】
0006038809.tif 000024
【図１３】
0006038809.tif 000025
【図１４】
0006038809.tif 000026
【図１５】
0006038809.tif 000027
【図１６】
0006038809.tif 000028