(57)【要約】  風等の流体運動からパワーを発生させるためのシステム、装置および方法が提供される。装置はカップ形くぼみを有する翼形状のエアフォイルである。カップ形くぼみは、広範囲にわたる風速全域にわたり、そして、様々な風向から、エアフォイルが風力エネルギーを利用することを可能とする。くぼみが低風速時の風力エネルギーを利用する一方、翼形は高風速時に揚力を生成して風力エネルギーを利用する。システムは、空で略円筒形状に形成されリングフレームに接続された装置を１以上備えている。システムは、リングフレームの中心を通り抜けている軸の回りを回転する。システムの回転運動は、発電機を介して電力を生成する。方法は、システムの回転運動から電力を生成する方法である。
2010520414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が第一の方向に横断して流れるとき揚力を生じることができるボデーを備え、
上記ボデーは上面及び下面を含み、上記上面または下面の少なくとも一方はカップ形くぼみを含み、
上記カップ形くぼみは、流体が上記第１の方向と異なる第２の方向に流れるとき、その流体を捕えて、運動量を生成することを特徴とするエアフォイル。
【請求項２】
請求項１のエアフォイルにおいて、
上記流体は、空気または風であるエアフォイル。
【請求項３】
請求項１のエアフォイルにおいて、
上記第２の流体流れ方向が上記第１の流体流れ方向と略反対であるエアフォイル。
【請求項４】
請求項１のエアフォイルにおいて、
上記エアフォイルは、上記上面および下面の両方に少なくとも１つのくぼみを含むエアフォイル。
【請求項５】
請求項４のエアフォイルにおいて、
上記上面の少なくとも１つのくぼみは、上記下面の少なくとも１つのくぼみと一列に並んでいるエアフォイル。
【請求項６】
請求項４のエアフォイルにおいて、
上記上面の少なくとも１つのくぼみは、上記下面の少なくとも１つのくぼみと位相を異にするエアフォイル。
【請求項７】
エネルギーを流体運動から回転運動に変換するシステムであって、
流体運動から揚力を生成することができる少なくとも１つのエアフォイルと、
上記少なくとも１つのエアフォイルの一端に接続されたリングフレームと
を備えて、
上記少なくとも１つのエアフォイルおよびリングフレームが上記リングフレームの中心を通って延びる回転軸の回りを回転するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項７のシステムにおいて、
上記少なくとも１つのエアフォイルの他端に接続されたリングギアをさらに備えて、
上記少なくとも１つのエアフォイル、リングギア、およびリングフレームのすべてが上記回転軸の回りを回転するようにしたシステム。
【請求項９】
請求項７のシステムにおいて、
上記回転軸は、上記少なくとも１つのエアフォイルの上記一端から他端まで延びる線と略平行であるシステム。
【請求項１０】
請求項８のシステムおいて、
動作可能な状態で上記リングギアに接続している歯車と、
上記歯車を発電機に接続しているシャフトと
をさらに備えたシステム。
【請求項１１】
請求項７のシステムにおいて、
上記少なくとも１つのエアフォイルは、
流体が第一の方向に横断して流れるとき揚力を生じることができるボデーを備え、
上記ボデーは上面及び下面を含み、上記上面または下面の少なくとも一方はカップ形くぼみを含み、
上記カップ形くぼみは、流体が上記第１の方向と異なる第２の方向に流れるとき、その流体を捕えて、運動量を生成することを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項７のシステムにおいて、
上記エアフォイルは、上記上面及び下面に少なくとも１つのくぼみを含むシステム。
【請求項１３】
請求項７のシステムにおいて、
上記システムは、建物の２つの階の間に、回転可能に取り付けられているシステム。
【請求項１４】
請求項７のシステムにおいて、
上記システムは、２つの建物の間に回転可能に取り付けられているシステム。
【請求項１５】
請求項８のシステムおいて、
上記リングギアおよびリングフレームの一方または両方が建物の２つの階の間に回転可能に取り付けられているシステム。
【請求項１６】
請求項８のシステムにおいて、
上記リングギアおよびリングフレームの一方または両方が２つの建物の間に回転可能に取り付けられているシステム。
【請求項１７】
請求項８のシステムにおいて、
上記少なくとも１つのエアフォイルは、上記リングフレーム及び上記リングギアの回りに略等間隔で配置された少なくとも２つのエアフォイルを備えているシステム。
【請求項１８】
請求項８のシステムおいて、
上記少なくとも１つのエアフォイルは、上記リングフレーム及び上記リングギアの回りに略等間隔で配置された少なくとも４つのエアフォイルを備えているシステム。
【請求項１９】
流体運動から揚力を生成することができる少なくとも１つのエアフォイルをリングギアに接続するステップと、
上記少なくとも１つのエアフォイルおよび上記リングギアを、上記リングギアの中心を通って延びる回転軸の回りに回転させるステップと、
発電機に動作可能な状態で接続され上記リングギアと協働するギアを回転させるステップとを備えたことを特徴とするパワーを発生する方法。
【請求項２０】
請求項１９の方法において、
上記ギアは、シャフトを介して上記発電機に動作可能な状態で接続している方法。
【請求項２１】
請求項１９の方法において、
上記少なくとも１つのエアフォイルは、
流体が第一の方向に横断して流れるとき揚力を生じることができるボデーを備え、
上記ボデーは上面及び下面を含み、上記上面または下面の少なくとも一方はカップ形くぼみを含み、
上記カップ形くぼみは、流体が上記第１の方向と異なる第２の方向に流れるとき、その流体を捕えて、運動量を生成する方法。
【請求項２２】
請求項２１の方法において、
上記エアフォイルは、上記上面及び下面の両方に少なくとも１つのくぼみを含む方法。
【請求項２３】
請求項１９の方法において、
上記発電機を介して、上記少なくとも１つのエアフォイルの回転運動を電力に変換するステップをさらに備えた方法。
【請求項２４】
請求項１９の方法において、
上記少なくとも１つのエアフォイル、リングギア、およびリングフレームの形状が略円筒状となるように上記エアフォイルの末端部をリングフレームに接続するステップをさらに備えた方法。
【請求項２５】
エネルギーを流体運動から回転運動に変換するシステムであって、
エネルギーを流体運動から回転運動に変換する第１のシステムを備え、
上記第１のシステムは、
(a)流体運動から揚力を生成することができる少なくとも１つのエアフォイルを備え、(b)また、上記少なくとも１つのエアフォイルの一端に接続されたリングフレームを備えて、上記少なくとも１つのエアフォイルおよびリングフレームが上記リングフレームの中心を通って延びる回転軸の回りを回転するようにし、(c)また、上記少なくとも１つのエアフォイルの他端に接続されたリングギアを備えて、上記少なくとも１つのエアフォイル、リングギア、およびリングフレームのすべてが上記回転軸の回りを回転するようにし、
上記第１のシステムは第１の方向に回転し、
また、エネルギーを流体運動から回転運動に変換する第２のシステムを備え、
上記第２のシステムは、
(a)流体運動から揚力を生成することができる少なくとも１つのエアフォイルを備え、(b)また、上記少なくとも１つのエアフォイルの一端に接続されたリングフレームを備えて、上記少なくとも１つのエアフォイルおよびリングフレームが上記リングフレームの中心を通って延びる回転軸の回りを回転するようにし、(c)また、上記少なくとも１つのエアフォイルの他端に接続されたリングギアを備えて、上記少なくとも１つのエアフォイル、リングギア、およびリングフレームのすべてが上記回転軸の回りを回転するようにし、
上記第２のシステムは第２の方向に回転することを特徴とするシステム。
【請求項２６】
請求項２５のシステムにおいて、
上記第１のシステムの回転軸は、上記第２のシステムの回転軸に平行であるシステム。
【請求項２７】
請求項２５のシステムにおいて、
上記第１のシステムの回転軸は、上記第２のシステムの回転軸と一列になっているシステム。
【請求項２８】
請求項２５のシステムにおいて、
上記第１のシステムおよび上記第２のシステムは、発電機に接続されているシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願についてのクロスリファレンス】
【０００１】
この出願は、２００７年３月６日に出願の同時係属米国仮特許出願第６０／８９３，３１１号に基づく優先権を主張し、それの全ての開示は本願明細書に引用により入れ込まれている。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般には流体運動からパワーを発生させるための、そして、特に、風からパワーを発生させるためのシステム、装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
単純な帆から複雑な風車まで、パワーのために風を利用するというアイデアが何千年にもわたり存続している。風力エネルギーの収穫の大部分は、パワーを必要とする地域から遠く離れたところで起こる。したがって、都市および産業の中心部等の場所において風力エネルギーを集めるための方法を提供することは、有益である。
【０００４】
従来の「塔」風車は、当該技術において周知である。風車は、軸を回すために中央の回転可能構造（ハブ）に取り付けられた翼（ブレード）を用いて、パワーを風の流れ即ち気流から引き出す。翼に突き当たってその周辺を流れる気流の塊は、力を翼に送る。そして、その力は、翼が回転する駆動軸回りのトルクに変換され、ポンプ、発電機（ジェネレータ）、圧縮機等に動力を与える。気流も含めていかなる流体流からでもパワーを引き出すために、同様の原理が使用されるかもしれない。
【０００５】
さまざまなデザインが、風車のために考えられた。いくつかは、気流と略平行して配向される水平シャフトを中心として回転するハブに接続しているプロペラ様の翼を用いている。このタイプの機械は、遠隔場所にあるポンプ等に動力供給するために一般的に農場にある。この種の風車については、翼を適切に気流にさらして回転力を生成させるために、軌道を回っている翼を風の方向に対して垂直に置くことが必要である。この方向感受性は、不安定な強い突発的な気流を有しているいかなる領域においても、これらのタイプの風車の効率を減らす。それは、また、上記翼を位置決めするためにステアリング機構が用いられることを要求する。さらに、近年、現在のニーズ、特に発電のためのニーズを満たすのに必要なパワーを発生するために十分に大きいサイズのこれらの機械を作る上において、構造上の問題点が見つかっている。これらの問題点は、十分な風の流れの中に翼を配置するのに必要な構造のタイプおよび高さからだけでなく、回転翼が受ける大きい遠心力からも生じている。
【０００６】
他のデザインは、カルーセル式に回転可能な構造のまわりに円形に取り付けられる多くの翼を有する。その構造は、シャフトを含み、このシャフトは、シャフトの軸が翼の軸と略平行であり、風の流れに対して垂直に配置される。これらのタイプの機械（一般にクロス・ウィンド・アクシス風力タービンと呼ばれる）には、通常、地盤面に垂直に配置される翼およびシャフトが取り付けられている。このコンフィギュレーションにおいては、翼面は、いかなる方向から吹いてくるものであっても気流にさらされるので、風向に感受性を有するステアリング装置を必要とすることなく、風向きを変える風から、瞬間的に反応してエネルギーを取り出すことができるようにさせられる。さらに、回転シャフトの立て向き姿勢のため、風車の支持構造上の高い位置に、被駆動装置または直角ドライブ、例えばギアボックス、を取り付けることは不必要である。
【０００７】
風力機械の翼は、翼の下流の自由流風速を減速することによって、風からパワーを得る。風車または風力タービンの設計において、２つの主要原動力がこの風速変化から生成されて、回転シャフト回りのトルクを提供することができる。一つ目は翼に作用する抗力（ドラッグフォース）であり、翼の表面に衝突する気流によって生じる。風が翼形状の回りを流れるときその気流が翼表面との接触によって減速されるので、この抗力は移動風質量の運動エネルギーの翼への移動によって生成される。抗力タイプの風力機械は、自己起動式であり、一般に、低回転速度を通じてそれらのスタートモードから高いトルクを発生する。
【０００８】
しかしながら、抗力タイプの風力機械は、固有の制限を有する。回転翼の先端速度は風の速度より速くありようがなく、通常、それは幾分遅い。この特徴は、翼が取り付けられるシャフトの回転速度を制限する。そして、それは、所望の仕事を実行するために必要な回転速度を得るためにトランスミッションを必要とするかもしれない。
【０００９】
風速に対する翼先端速度の比は、「先端速度比」として一般に知られている。この値は、風力機械の効率的動作の機能的範囲の尺度として用いられる。一般に、抗力タイプの機械は、その翼の先端速度が自由流風速のそれに近づくとき、つまり、その先端速度比が１に接近しているとき、最適パワーを発生する。しかしながら、達成可能な最大先端速度の限界は、生成され得るパワーの量の限界でもある。抗力タイプ風力機械は、最大理想先端速度比が１に制限され、それによって、パワーを発生する能力及び効率において制限される。抗力タイプ風力機械で入手できる最高効率は、約３０％（通常は幾分小さい）という中程度の値である。
【００１０】
風力機械を推進するために使用される第２の原動力は、気流がエアフォイルを流れ過ぎるとき生成される揚力（リフトフォース）である。この種の風力機械はエアフォイルの形状に形成された翼を用いる。この翼は、翼の上を流れる気流によって生成された揚力がある方向に作用して翼をその軌道に乗って移動させるように、配置される。回転方向の揚力の成分は、ロータ構造を介して回転シャフトに与えられ、シャフトの回りのトルクを生成する。
【００１１】
揚力タイプ風力タービンは、自由流風速のそれよりかなり高い翼速度を有することが知られている。それらは、したがって、１より大きい、しばしば４〜６の範囲の先端速度比を有する。これは、翼速度が風速成分に直接依存しているのでなく、むしろ揚力成分に依存しているからである。一般に、先端速度比が高ければ高いほど、風力機械がパワーを産生する動作は効率的となる。揚力タイプ風力機械の非常に高い回転速度は、揚力タイプ風力機械を、ジェネレータ（発電機）等の高速を必要とするアクセサリと共に使用するのに適合させる。また、高回転速度は、より高い効率度およびより大きなパワー生産を提供する。
【００１２】
一般に、揚力タイプ機械効率は、３５〜４５％の範囲内にある。先端速度比は、１未満（これは典型的農場タイプ風車にとって一般的）から、ジー・ジェイ・エム・ダリウス（G. J. M. Darrieus）の米国特許第１８３５０１８号（それの全ての開示は、参照により本願明細書に援用する）に記載されたような縦軸タイプ風力タービンについて一般的であるように、４〜６にわたるかもしれない。
【００１３】
先端速度比は、揚力タイプ機械、特にダリウスタイプ風力タービンの臨界パラメータである。このタイプの機械のための効率対先端速度比の値曲線はピーク値が高いので、風速の小さい変化は、効率の大きい変化となり、そしてその結果として、利用可能なパワーの損失となり得る。この効果は、ロータに全く回転するのを止めさせるくらいひどくありえる。風力タービンのこのいわゆるストール（失速、停止）は、突風による先端速度比の変化（すなわち風速の増加）及び風停滞からの先端速度比の変化から生じるかもしれない。この特徴を打破するためには、通常、制御系がタービンに置かれる負荷を変化させるか、または、翼のピッチ角をより直接的にそれらの相対風流の方へと変化させて、機械が完全に停止するのを防止することが必要である。
【００１４】
加えて、効率的動作範囲が狭いために、いくつかの一般的な揚力タイプ風力機械デザインは自己起動せず、回転を開始してタービンの速度を自給自足の動作の先端速度比まで上げるために被駆動シャフトへのパワー入力を必要とする。回転を開始して効率的回転速度に加速することができないことは、ダリウス揚力タイプ（横風軸）風力タービンに関して厳しい。そのことが、自己起動するための補助方法をもたらした。この自己起動するための補助方法は、回転を開始するために、ロータ構造に対する、風力エネルギーとは別の外部電源の追加、そして、ボリー（Bolie）の米国特許第４，２０４，８０５号（それの全ての開示は、本願明細書に引用したものとする）に記載されているように、揚力タイプ翼を搭載した抗力タイプ翼形態の追加を含む。
【００１５】
ダリウスタイプ風力タービンを自己起動させるためのますます一般的になっている方法は、ロータ上の可変ピッチ翼の使用である。これらの可変ピッチ翼は、自己のカルーセル形のルートの回りを移動するときの相対的な気流を参照して自己のピッチ角を変えるために関節でつながれている。翼関節は、それらの軌道サイクルの全体にわたってより長い期間、翼上の最大揚力を提供することによって、風力タービンの総合効率を増加させる。翼は、回転（旋回）可能なように、通常、被駆動回転シャフトの軸に平行な自己の縦方向の軸にヒンジで連結されている。
【００１６】
過去のデザインは、自己起動できる能力を揚力タイプ風力タービンに提供することに成功した。過去のデザインは更に、特定のタービン回転速度（回転数）での効率およびパワーを強化し、かつ、タービン最大回転速度を制限して超過回転数状態での遠心力からの損害を防止する関節動作式翼機構を提供することができた。中には、自己起動することができ、その全動作速度範囲において若干一層効率的である風力タービンを記載さえしているものもある。例えば、リレグレン（Liljegren）に対する米国特許第４，４３０，０４４号（それの全ての開示は、本願明細書に引用したものとする）である。必要なことは、自己起動することができ、広範囲にわたる風速（低風速を含む）の全体にわたって効率的であり、そして、エネルギー生成からエネルギーユーザまでの距離を減らすべく新たな市建造物および既存の市建造物に容易に設置されることができる風車設計である。また、必要なことは、ねじり振動が最小化された風車設計であって、比較的低コストかつ地表面に近接した境界層に関連した問題を回避するよう設置することができる風車設計である。
【発明の概要】
【００１７】
本発明の目的は、風力エネルギーを電気に変換する装置、システムおよび／または方法を提供することである。当業者は、本発明が流体運動を受けるいかなる環境においても適用できることを容易に認識するであろう。流体は、空気、水、または、流体運動の特性を有する他のいかなる物質であってもよい。便宜上、そして、制限的ではなく、明細書および請求の範囲の全体にわたって流体運動を「風」と言う。本発明の他の目的は、いかなる方向に流れている風であってもその風からパワーを利用することができる装置を提供することである。本発明の他の目的は、低風速を含む広範囲にわたる風速で流れる風からパワーを利用することができる装置を提供することである。本発明の他の目的は、流体運動から回転運動にエネルギーを変換するシステムを提供することである。本発明の他の目的は、自己起動することができ、広範囲にわたる風速（低風速を含む）の全体にわたって効率的であり、および／または、エネルギー生成からエネルギーユーザまでの距離を減らすべく新たな市建造物および既存の市建造物に容易に組み込まれることができる風車システムを提供することである。本発明の他の目的は、ねじり振動が最小化された風車設計であって、比較的低コストで、かつ／または、地表面に近接した境界層に関連した問題を回避するように、設置することができる風車設計を提供することである。本発明の他の目的は、気流を回転運動に、電力に変換することによってパワーを生成する方法を提供することである。
【００１８】
本発明の目的は、気流がそれを横断して第一の方向に高風速で流れるときに揚力を作り出すことができるエアフォイルを用いることにより達成される。上記エアフォイルは、気流が第２の方向に低風速で流れるとき風を捕えて運動量を生成するカップ形の上面および下面くぼみを含む。一実施形態において、第１および第２の風の流れ方向は、互いに反対である。他の実施形態において、上記上面くぼみは、上記下面くぼみと位相を異にする。他の実施形態において、上記上面くぼみは、上記下面くぼみに整列させされる。好ましい実施形態では、エアフォイルは、空気が第１の速度範囲内で流れるときに、揚力を作り出すことによって、第１の方向に流れている風からのパワーを利用する。別の好ましい実施形態では、エアフォイルは、空気が第２の速度範囲内で流れるときに、上記カップ形のくぼみに風を捕えることによって、第２の方向に流れている風からパワーを利用する。
【００１９】
本発明の他の目的は、エネルギーを流体運動から回転運動に変換するシステムを用いることにより達成される。このシステムは、揚力を生成することができる少なくとも１つのエアフォイルを含み、上記エアフォイルは、根元部がリングフレームに接続し、末端部がリングギアに接続している。上記システムは、リングギアおよびリングフレームの中心を貫通している軸のまわりに回転する。一実施形態において、回転軸は、エアフォイルの末端部から根元部まで延びる想像線と平行である。好ましい実施形態において、リングギアは、シャフトを介してジェネレータに接続するギアと回転連結している。他の実施形態において、上記システムのエアフォイルは、気流がそのエアフォイルを横切って第１の方向に流れるとき揚力を生じる。また、このエアフォイルは、気流が反対方向に流れるときに風を捕えて運動量を生成するカップ形くぼみを含む。好ましい実施形態では、上記システムは、略円筒形状となるように等間隔に設置された４つのエアフォイルを備え、上記円筒形状の内部は空であるか、そうでなければこのシステムとは無関係（すなわち、ハブレス）である。他の実施態様においては、エアフォイルは必ずしも回転軸と平行でないが、それでもなお上記システムの中心は空であるかそうでなければシステムとは無関係である（ハブレス）。好ましい実施形態では、上記エアフォイルは略先細形状であり、一端側が他端側よりも、厚みが大きく、かつ／または、回転軸からの半径が大きい。他の好ましい例として、上記エアフォイルは、中央部分が、端部の一方または両方よりも、回転軸からの半径が大きいか又は小さいような略湾曲形状である。
【００２０】
他の好ましい実施形態では、構造抵抗トルクが減らされるように、本発明の２つ以上のシステムが配列されるかもしれない。いくつかの好ましい実施形態においては、図４に示す２つのシステムが、異なる方向へ回転するように配列される。いくつかの好ましい実施形態において、２つのシステム（１つは図４に示され、他は図４に示されるシステムの鏡像）は同じ回転軸を共有するように配列されるが、両システムは逆方向に回転する。他の好ましい実施形態では、図４で示すシステムおよび図４のシステムの鏡像は、それらが逆方向に回転するように配置され、それらの回転軸は平行であるが、同一ではない。
【００２１】
本発明の他の目的は、本明細書において説明される１または２以上のシステムの配置によって達成される。いくつかの実施形態において、このシステムは、風のトンネル効果を利用するために、単一の建物の２つのフロアの間に、または、２つの異なる建物の間に配置される。他の実施形態において、２つのシステムが、異なる方向又は逆の方向に回転する。一実施形態において、円筒形状のシステムの中心は、空の空間である。他の一実施形態において、円筒形状のシステムの中心は、無関係な利用可能部分、例えば煙突、通信アンテナまたはスカイウォーク等である。いくつかの好ましい実施形態において、回転軸は垂直である。他の好ましい実施形態では、回転軸は水平である。他の実施態様において、エアフォイルは必ずしも回転軸と平行でない。しかし、それでも、システムの中心は空であるかそうでなければシステムとは無関係である。いくつかの好ましい実施形態において、上記システムは、新設又は既存の無関係な建造物に回転軸受によって取付けられられる。他の実施態様において、上記システムは、リングフレームおよび／またはリングギアの中央にハブを含み、上記ハブから上記リングフレームおよび／またはリングギアまで支持スポークが延びている。当業者は、システムが多くの手段によって支持構造に取り付けられてもよいことを容易に認識するであろう。
【００２２】
本発明の他の目的は、パワーを生成する方法を用いることにより達成される。一実施形態において、この方法は、エアフォイルの根元部をリングギアに接続すること、及び、リングギアの中心を通って延びる軸のまわりにリングギアおよびエアフォイルを回転させることを含む。リングギアは、シャフトを介して発電機に動作可能に接続しているギアと回転連結(rotational communication)している。一実施形態において、上記エアフォイルは、気流が第１の方向にエアフォイルを横断して流れるときに揚力を生成する。また、このエアフォイルは、気流が反対方向に流れるときに風を捕えて運動量を生成するカップ形くぼみを含む。他の実施形態において、上記方法は、エアフォイル、リングフレームおよびリングギアの形状が略円筒状となるように、エアフォイルの末端部をリングフレームに接続することを含む。風速の一（より低い）範囲内においては、上記カップ形くぼみが空中からパワーを取り込み、システムを回転運動に置く。（より高い）閾値以上の風速では、エアフォイルの翼の形が「揚」力を生成し、くぼみよりも効果的かつ効率的に風からのパワーを利用し始める。システムの運動が回転運動であるので、くぼみを用いて（上記第１の方向に流れている風から）パワーを変換することから、翼の形からの揚力を用いて（反対方向に流れている風から）パワーを変換することに移行するにもかかわらず、システムは同じ方向に回転し続ける。
【００２３】
ハブレス（ハブのない）風車のコンセプトは多大なエネルギー需要を有する高層建築にとって特に魅力のあるものである。なぜならば、ハブレス風車はいかなる地上空間も占めることなく電気を生成するからである。本発明は、トンネル効果のために自然の風の風速が高いスカイウォークおよび橋の周辺に配置されることができる。また、それは、建物および都市スカイライン双方に、独自性と美観とを付加する。不動産会社は、グリーンイメージを利用することができて、オフィスのためにより高い料金を請求することができる。産業上の用途には、煙突のための風車に投資する発電所が含まれる。発電所は、正味パワー生成能力を増大させると共に生成される単位当たりの温室効果ガス（グリーンハウスガス）放出量を減らす一方、州によって一部助成金が支給されるグリーンエネルギーを用いることができる。本発明は、最小の追加構造および不動産ニーズしか伴わない。ハブレス風車は、野原から都市へと風車を持ってくることによって、日常生活における風力の使用に革命をもたらすことができる。
【００２４】
前述及び他の目的は、本発明を説明するためのものであって、限定的な意味に解されるべきではない。本発明の多くの可能な実施形態が作られてもよく、それらは、以下の説明およびその一部を備えている添付図面を検討すると容易に明らかになるであろう。発明のさまざまな特徴およびサブコンビネーションは、他の特徴およびサブコンビネーションに準拠することなく使用されてもよい。本発明の他の目的および利点は、添付図面に関連して行われる以下の説明から明らかになるが、それらの図面には、本発明の実施形態およびそのさまざまな特徴が例示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明の好ましい実施形態（出願人が原理を適用する上でベストモードと考えるものを例示）が、以下の説明に記載され、図面に示され、そして、添付の請求の範囲に詳細にかつ明確に指摘され表されている。
【図１】図１は、本発明のエアフォイルの一実施形態の上面図、底面図、および断面図を示す。
【図２】図２は、本発明のエアフォイルの別の実施形態別の上面図、底面図、および断面図を示す。
【図３】図３は、本発明のシステムの一実施形態の斜視図を示す。
【図４】図４は、本発明のシステムの別の実施形態の斜視図を示す。
【図５】図５は、本発明のシステムのさらに別の実施形態の斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
要求に応じ、本発明の詳細な実施形態を本明細書に開示している。しかしながら、開示された実施形態は本発明の原理を単に例示しているだけのものであり、様々な形態で具体化してもよいことは理解されるべきである。したがって、本願明細書に開示される特定の構造および機能的詳細は制限的に解釈されるべきでなく、単に請求の範囲の根拠として、そして、本発明を細部を適切に設計した殆どすべての構造で種々用いることを当業者に教示するための代表的な基礎としてのみ、解釈されるべきである。
【００２７】
図１を参照すると、本発明のエアフォイルの実施形態が示されている。図１は、新規な翼形の空気力応用ボデーつまりエアフォイル装置（２）を示す。エアフォイル（２）は、従来の翼またはエアフォイルのそれにかなり類似した断面形状を含む。その断面形状では、前縁が横断面において全体的に丸くまたは幅広で、後縁が横断面において全体的にシャープまたは幅狭である。一定範囲の比較的高速の風速で風が前縁から後縁へとエアフォイルを横断して一方向に流れるとき、この翼の形によって、この装置はこの風からエネルギーを変換することができる。風速のこの高速範囲の中で、装置の翼の形は、エアフォイル上にリフティング運動を生成する。
【００２８】
図１のエアフォイルは、エアフォイルの長さ（エアフォイルの上面または下面から見たときのもの）を横断する横断面が均一ではない。図１は、エアフォイルの上面（３）および下面（４）のいくつかのカップ形くぼみを表す。風が第２の風速範囲内で、一般には低速で、後縁から前縁までエアフォイルを横断して一方向に流れるとき、空気は上記カップ形くぼみ（（３）及び（４）) に入って停滞し、これにより抗力がエアフォイル（２）を押して前進させるようにする。上面スロット（３）および下面スロット（４）は、０ｍｐｈを超えるいかなる風速であっても風力エネルギーを前進速度に変換する。
【００２９】
図１は、エアフォイルの長さ方向の２つの異なる場所でのエアフォイルの断面も示す。図１の実施形態では、断面図（Ａ）及び（Ｂ）から分かるように、上面くぼみ（３）は下面くぼみ（４）とは一列に並んでいない。上記断面は、また、全体的に翼様の形状と、エアフォイルの上面スロット（３）および下面スロット（４）とを示す。
【００３０】
図１に示す装置は、本発明のエアフォイルの好ましい一実施形態に過ぎない。図１において、この装置は、３つの上面スロット（３）および２つの下面スロット（４）を有する。図１に示されたものの代替物として、エアフォイル（２）のサイズまたは形状を変えたもの、および／または、上面スロット（３）または下面スロット（４）のサイズ、形状、又は数を変えたものも、本発明の精神および範囲から逸脱することなく利用されてもよいことはいうまでもない。
【００３１】
図２を参照すれば、本発明のエアフォイルの他の実施形態が示されている。図２において、上面スロット（３）および下面スロット（４）は、エアフォイル（２）の長手方向に整列している。横断面（Ｂ）は、エアフォイル（２）の翼形状を示す。横断面（Ａ）は整列配置された上面スロット（３）及び下面スロット（４）を示す。
【００３２】
図３〜５は、本発明のエアフォイルが風力エネルギーをシステムの回転運動量に変換するために利用されるかもしれないシステムのいくつかの実施形態を示す。図３〜５に示されるシステムにおいては、エアフォイルがシステムと共に回転してこのシステムの回転を生じさせるように、少なくとも１つのエアフォイルがシステムの回転可能なフレームに取り付けられている。図３〜５で分かるように、エアフォイルの前縁は、システムの回転の半分の間中は略第１の方向に向けられ、その後、回転の残り半分の間中、上記第１の方向とは略逆の第２の方向に向けられる。この為、上記第１または第２の方向に吹く風は、システムの回転の半分の間中、エアフォイルに影響を及ぼす。回転運動量への風力エネルギーの変換は、異なる風速および回転速度で異なって達成される。低風速および低（例えばゼロ）回転速度では、翼形状のエアフォイルによってつくられる「揚力」は効率が低く、システムの回転運動を自己起動（または、維持）するには十分でない場合がある。低風速および低回転速度では、上記カップ形くぼみによってつくられる「抗力」は効率が高く、システムの回転運動を自己起動（かつ維持）するのに十分である。
【００３３】
しかしながら、上述した通り、カップ形くぼみによってつくられる「抗力」は、相当な限界を有する。より高い風速およびより高い回転速度では、カップ形くぼみによってつくられる「抗力」は、最終的に最大回転速度に到達する。より高い風速およびより高い回転速度では、翼形状のエアフォイルによってつくられる「揚力」は、カップ形くぼみによってつくられる「抗力」よりも効率的となる。より高い風速およびより高い回転速度では、翼形状のエアフォイルによってつくられる「揚力」が、風力エネルギーをシステムの回転運動量に変換することを引き継ぐ。
【００３４】
図３を参照すると、エネルギーを流体運動から回転運動に変えるシステムの実施形態が示されている。図３のシステムは、２つのリングフレーム（１）と、大略シリンダ形状に配置された４つのエアフォイル（２）で構成されている。４つのエアフォイル（２）は、互いから等間隔に設置される。各エアフォイル（２）は、高風速において揚力を生成することができる。図３のシステムは、上記２つのリングフレーム（１）の中心を通って上記４つのエアフォイル（２）に略平行に延びる回転軸のまわりを回転する。
【００３５】
図３の各エアフォイルは、図１において示されるエアフォイルと同様に、３つの上面スロット（３）および２つの下面スロット（４）を含む。図３に示すシステムは、単に本発明のシステムの一実施形態に過ぎない。エアフォイル（２）の数、サイズまたは形状を変えたもの、または、上面スロット（３）または下面スロット（４）のサイズ、形状、又は数を変えたもの、またはリングフレーム（１）の数、サイズまたは形状を変えたものも、本発明の精神および範囲から逸脱することなく利用されてもよいことはいうまでもない。
【００３６】
特定の風速範囲（０ｍｐｈを上回る任意の風速）内で、風が（エアフォイルに対して）第１の方向に流れるとき、風からのエネルギーは、上記エアフォイルのうちの少なくとも１つの、少なくとも１つの上面スロット（３）または下面スロット（４）によって捕えられて、システム全体を、リングフレーム（１）の中心（図３に示すように複数のリングフレームがある場合にはこれらのリングフレームの中心）を通る軸の回りに回転させるように、リングフレーム（１）とエアフォイル（２）は配置される。風が第２の、より高い風速範囲内で（エアフォイルに対して）第２の方向（例えば逆方向）にエアフォイルを横切って流れるとき、エアフォイルは風からのエネルギーを抗力に変える。そして、この抗力がシステムを回転運動させ続ける。エアフォイルがシステムと共に回転するので、エアフォイルは回転全体にわたって種々の点で第１の方向および第２の方向に対して正しい方向に置かれる。このように、単一方向に作用している風は、風速に関係なく、システムの一回転の間、どこかの点で各エアフォイルに影響を及ぼす。
【００３７】
図４を参照すれば、本発明のシステムの他の実施形態が示されている。図４は図３と略同じである。しかし、図４においては、一側面に歯を有するリングギア（５）が描かれている。図４ではリングギア（５）の環の小さいセグメントに沿ってほんの少数の歯だけが示されているが、いうまでもなく、好ましい実施形態においては、リングギア（５）の歯はリングギア（５）の環全体にわたっている。
【００３８】
図４に示すような４つのエアフォイル（２）とリングフレーム（１）とリングギア（５）からなるアセンブリは、リングフレーム（１）およびリングギア（５）の中心を通る軸の回りに回転する。この回転運動は、低風速およびゼロ風速時には、上面スロット（３）および下面スロット（４）に捕えられている風によって生成される。また、回転運動は、より高風速時には、翼形状のエアフォイル（２）によって生成される揚力によって生成される。
【００３９】
上記アセンブリが回転するとき、リングギア（５）の歯はギア（６）の歯に係合する。ギア（６）は、シャフト（７）に接続されており、それによって、シャフト（７）を回す。シャフト（７）は、発電装置（８）に接続されている。エアフォイル（２）が風からのエネルギーを回転運動に変えるので、リングギア（５）はギア（６）に係合し、そのギアがシャフト（７）を回し、発電機（８）がその回転運動を電力に変換する。
【００４０】
図５を参照すると、本発明のシステムの他の実施形態が示されている。図５は図４と略同じである。しかし、図５は、２つのリングフレーム（１）とその中間のリングギア（５）を示している。回転軸は、リングフレーム（１）およびリングギア（５）の中心を通って延びる。４つのエアフォイル（２）は、第１のリングフレーム（１）とリングギア（５）との間に、等間隔に配置される。４つの更なるエアフォイル（２）が第２のリングフレーム（１）とリングギア（５）との間に、等間隔で配置される。全てのものが、全体としてシリンダの形状に配置される。図５において、リングギア（５）は、リングギア（５）の内側に沿って歯を有する。そして、ギア（６）、シャフト（７）、および発電機（８）の位置は図４のものとわずかに異なる。図４および５は、本発明のシステムの例であって、そのコンフィギュレーションおよびアセンブリを制限するものではない。当業者は、これらの要素を備えているシステムが多くのコンフィギュレーションで配列されることができ、しかも請求項の意図された範囲に入ることができると認識することができる。
【００４１】
前述の説明においては、簡潔さ、明瞭さ、および理解のために特定の用語を用いた。しかし、先行技術の要件を越えてそれらの用語から不必要な限定が意味されるべきでない。なぜならば、そのような用語は、説明目的で用いられるのであり、広く解釈されることが意図されているからである。さらに、本発明の説明および図示は例示であって、本発明の範囲は図示または記述された詳細に限定されるものではない。
【００４２】
本発明の上記詳細な説明を例示的な実施形態を参照して記載し、また本発明を実施するために考えられる最良の形態を図示し記載したが、当然のことながら、上記発明を具体化する際に変更、修正・変更が行われてもよく、また、その構造において、本願明細書に具体的に記載されたもの以外のものが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、当業者によって達成されてもよく、このような変更、修正等は本発明の全範囲内にあると考えられねばならない。したがって、本発明及びここに開示されクレームされた内在する原理の真の精神および範囲に入るすべての変更、修正、バリエーション、均等物をカバーすることが意図される。従って、本発明の範囲は添付の請求の範囲だけによって限定されることが意図されており、上記説明に含まれ添付図面に示されたすべての事項は例示であり限定的意味ではないと解釈されるべきである。
【００４３】
本発明の特徴、発見および原理、本発明が造られ用いられる態様、構造の特徴、および、得られた有利、新規かつ有用な結果をここで説明したが、新規かつ有用な建造、装置、要素、配置、部品、および組合せは、添付の請求の範囲に記載される。
【００４４】
また、当然のことであるが、以下に続く請求の範囲は、上述した本発明の一般的および特定の特徴のすべてと、言語の問題としてこれらの間にあると言える本発明の範囲のすべてのステートメントとをカバーすることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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