(57)【要約】【課題】帆船復活による、化石燃料節約と二酸化炭素削減。【解決手段】船舶に、流体加圧装置と、それを駆動するための風車と予備動力と、流体のベクトルを制御するための装置を搭載する。風車も用途に合わせて最適化する。【選択図】図２
2007298016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車と原動機を併用して推力を得る船舶。
【請求項２】
無反動砲の原理を用いて推力を調整する、風車によって駆動するポンプを用いた船舶用の推進装置。
【請求項３】
風車で空気圧縮機を駆動して圧縮した空気を空気ボンベに蓄え、その空気を任意の方向へ噴射して推力を生む船舶用の推進装置。
【請求項４】
無反動砲の原理を応用して、容器と外部の流体のやり取りの際に生じる反動を抑制するために、容器の開口部に追加する覆い。
【請求項５】
空気圧縮用のアップウィンド水平軸風車で、風に合わせて回転するナセルの内側のマスト構造材に固定した風車駆動の空気圧縮機と、プロペラの風下のナセルカバーに開けられた吸気口による負圧が、翼回転面への空気流入を促進するもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明群は、水上交通と流体工学に属するものである。
【特許文献】不明
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】［請求項１］から［請求項３］に対応する従来技術は通常船舶であり、機船は二酸化炭素または放射性廃棄物を放出したり、帆船は風向きによって進路が限定されたり操帆が必要だったりする。［請求項４］に対応する従来技術は流体を収めた容器の開口部で、流体が出入りするときの反動が問題。［請求項５］の従来技術である風車には、吸気口の位置など改良の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００３】［請求項１］の回転帆機船では、従来の船舶に風車を積んで風の力を利用して燃料を節約、［請求項２］の回転帆船用ウォータージェット推進装置では、風車と直結したポンプを利用して船舶の推進装置とし、［請求項３］の回転帆船用エアジェット推進装置では風車によってコンプレッサを駆動し空気を圧縮して貯蔵し、それを噴射する反作用を船舶の推進力とする。【０００４】［請求項４］の無反動口金は、流体の噴射や吸入の反動の抑制のための発明で、バズーカの原理を安全弁などに応用するため、流体の流れを均等に正反対に偏向させるもの。【０００５】［請求項５］の後流吸入式空気圧縮用水平軸風車は、アップウィンド式風車の改良型で、風車の後流を空気圧縮機で吸入し、ラビリンスパッキンの使用を限定できるよう圧縮機が風向に関わらず固定されるようにするなど、空気圧縮用に特化したもの。
【発明の効果】
【０００６】［請求項１］、［請求項２］、［請求項３］では、風車を動力源とするので、推進剤も燃料も全くあるいはほどんど積まなくて良いので、火災のリスクが減ってペイロードも増加する可能性があり、環境にもやさしい。また、複数の風車を１つの船舶に搭載し、出力制限無しでそれぞればらばらに動かすことが許容される。【０００７】［請求項４］では、容器に流体を出し入れする際の反動を理論上全くなくす事ができる。【０００８】［請求項５］では、風車後流の吸入により、出力増強効果が期待でき、更に、空気漏れによるエネルギーロスを低減することが可能である。
【発明の実施の最良の形態】
【０００９】［請求項１］の回転帆機船は、言語的な定義からすれば、回転帆船と機船の合成語である。回転帆船は、従来の帆船を飛行機でいう固定翼機とするならば、オートジャイロとヘリコプター、つまり回転翼機に相当する、風の力を風車によって一日トルクに変え、そのトルクを推進力に変換とする船舶の事である。
【００１０】回転帆機船は、船の動力源として、風車とその他の予備動力源、例えばディーゼルエンジンを組み合わせて使うものである。
【００１１】風車のトルクは、発電するか、推進装置を直接動かす用途に使い、予備動力源は、風車のパワーが不足する場合に同様の用途に用いる。予備動力の種類は、原動機のほか、風車の余剰エネルギーを、電気エネルギーか、その他の形態、例えば気体の圧力として蓄える形式もありうる。
【００１２】従来の内燃機関を用いる船舶、例えばディーゼル電気推進船に追加のエネルギーユニットとして風車を搭載する場合には、発電用のものを搭載したほうが改造の手間が少ないだろうが、最初から回転帆機船として建造するのであれば、［請求項２］か［請求項３］をメインに用いるほうが、エネルギー変換工程が少なくなるため、推進力の点で有利になると予想される。
【００１３】風車を用いて船を風上にまっすぐ進めるためには、揚力利用の水平軸風車の場合、翼全体の発生する揚力の回転方向成分を風下側成分より大幅に大きくしなければならないので、そのため風車の性能に制限が生じる。これはおおよその数値だが、翼弦の回転面に対する傾きが４５度以上で周速比が１以下になるよう風車を設計しなければならず、既存風車に比べて回転数もトルク低下するが、それは翼面積の増大と多翼化で補わなければならない。
【００１４】［請求項２］の回転帆船用ウォータージェット推進装置は、風車を動力源として推進力を得る回転帆船のための推進装置であり、風車でポンプを駆動することによって水に作用を及ぼし、その反作用で推進力を得る。
【００１５】普通のウォータージェット推進装置との違いは、風車を動力源にするという点に配慮し、ポンプの出力が全く制御不能でも、船の速度を調整できるようにした点である。
【００１６】装置は大まかに区分すると、水の吸入排出のための設備であり、それを制御する装置も付属し、必ず２つ１組になっている噴射口室、噴射口室の吸入弁からポンプまで水を送る吸水本管、水に作用を及ぼすおおもとであるポンプが付属する動力ユニット、ポンプから噴射口室の排水弁まで水を送る排水本管、の４つの部分からなる。
【００１７】水の流れを解説すると、船がある方向に進もうとしている場合、その船が進みたい方向に噴射口を向けている噴射口室をノズル１とし、逆方向へ向いているものをノズル２とすれば、ノズル１から取り込まれた水は、吸水弁から吸水本管を経由してポンプの吸入口へ至り排出本管にはきだされ、ノズル２から外部へと放出される。船が逆の方向へと進む場合には、水はノズル２からノズル１へ送られる。ポンプを止めずに船を停止させるには、ノズル１からノズル２へ送られる水の運動量と、ノズル２からノズル１へ送られる水の運動量を同じにすればよい。
【００１８】動力ユニットは、風車を動力源としたポンプと、風の強度が足りないときにポンプを動かす予備動力源からなる。ポンプはなるべく低い位置に配置し、風車のトルクはベルトなどを用いて伝達すると良い。ポンプには逆止弁を付属させる。
【００１９】船に風上へ直線的に航行する能力を持たせるときは、風車の周速比がおおよそ１以下に制限される。予備動力源は、エンジンやモーターなど、複数の形態が考えられる。エンジンを用いる場合には燃料槽が、モーターを用いる場合には蓄電装置が必要となる。また、［請求項３］の回転帆船用エアジェット推進装置との併用も考えられる。
【００２０】風車のサイズを考えれば、入型船舶の動力を１つの風車でまかなう事は、非常に困難であるので、複数の風車を搭載する事になるが、あるポンプが与えられたとき、それを動かす風車は常に１つである。しかし、風車は複数のポンプを動かしてよい。
【００２１】また、本発明では無反動砲の原理を応用した方法で船の推進力を制御するので、基本的に、風車やポンプの出力を制限したり、複数のポンプを同じ出力にしたりする機構を組み込まなくても良い。ポンプを停止させる必要があるのは点検時のみである。
【００２２】予備動力は、風車の回転を妨げない形でポンプに接続される。風車とポンプを共有する場合には、予備動力とポンプの間にラチェットを用いる必要がある。
【００２３】予備動力は省略可能であるし、ポンプ全てに対して用意する必要は無い。風車の内、甲板からの高度が低く、出力不足になりやすいものに接続されたポンプにつないで置くと、利用価値が高い。
【００２４】吸水本管と、排水本管は、１つの船舶に付き基本的に１つずつ必要である。これらは基本的に単なる水道管であり、吸水本管は噴射口室の吸水弁とポンプの吸水口を結び、排水本管は噴射口室の排水弁とポンプの排水口を結ぶ。管の直径は同じである事が望ましい。
【００２５】動力ユニットも２つ１組の噴射口室からなる噴射口室ユニットも１つずつしか使用しないときにはふたつをただ直結すればよいので、吸水本管と排水本管は特に必要ない。
【００２６】動力ユニットと噴射口室をそれぞれ複数用いる場合には、吸水本管と排水本管から支管がそれぞれの機能単位へと接続される。つまり、船体各所に配置された噴射口室の吸水弁から吸引された水はいったん吸水本管で合流した後にポンプへとつながる支管に吸い込まれ、ポンプの排水口からその先の支管へと排出された後にまた排水本管で合流、また噴射口室の排水弁へとつながる支管に押し込まれて、船外へと排出される。
【００２７】また、吸水本管と排水本管の間に自在に開閉が可能なバイパスを作れば、そこに水力発電機を設置して航法装置や制御装置、予備動力源のための電力を得る事が可能である。
【００２８】吸水本管と排水本管は、複数の別々に動くポンプの圧力を、複数の弁へと均等に配分する必要があるので、水の運動量を必要最小限にするため、ポンプへと続く支管の合計断面積よりも、口径の大きな配管である必要があるし、ポンプへの支管と弁への支管の距離は、ある程度離れている必要がある。
【００２９】噴射口室は、先にも書いたとおり、必ず二つ一組になっている。噴射口室の構成要素は、内と外を隔てる殻と、複数の開口部と、それに付属する弁である。
【００３０】開口部は推進装置の他の部分に通じるもの２種類と、対になる噴射口室をつなぐものと、外部に通じるものの４種類である。
【００３１】外部に通じるものは噴射口で、各噴射口室に付き、１方向にのみ口をあける。対になる噴射口室の噴射口は、正反対の方向に向かって口をあける。噴射口には弁が付属しない。
【００３２】対になる噴射口室をつなぐ開口部は、確実に船を止めるためのものであり、開閉のための弁または水門が付属する。この開口部は推力を小さくしたいときに開いて、上げたいときには閉じる。特に停船時には全開にする。この開口部はなるべく大きいほうが良いし、できれば噴射口以上の大きさが良い。しかし、原理的には省略も可能ではある。
【００３３】残る２種類の開口部は、吸水本管と排水本管に関する説明で言及した吸水弁と排水弁であり、吸水弁は吸水本管と、排水弁は排水本管とつながり、これらの弁は連続的に開閉可能であり、その開閉の度合いと組み合わせによって推力の方向と強度が決定する。
【００３４】弁の開き具合を百分率であらわした開度に注目すると、同じ噴射口室にある吸水弁と排水弁の開度の合計は原則として１００％である。また、排水弁は、対になる噴射口室の吸水弁と対になっており、開度は常に等しい。
【００３５】つまり、ある噴射口室をＡとし、それと対になる噴射口室をＢとするなら、排水弁Ａの開度＝吸水弁Ｂの開度、吸水弁Ａの開度＝排水弁Ｂの開度、排水弁Ａの開度＋吸水弁Ａの開度＝排水弁Ｂの開度＋吸水弁Ｂの開度＝１００％である。
【００３６】推力の発生方向についていえば、噴射口室の噴射口が外部へと水を噴射するときに発生する推力をプラスの推力とすれば、プラスの推力を発生させるためには排水弁の開度を吸水弁の開度より大きくすれば良い。また、上記の規則に従って弁を操作すれば、対になる噴射口室は、その室から見てマイナスの推力を発生させる事になるが、対になる室の噴射口は反対方向を向いているので、元の室から見れば、プラスの推力が発生している事になる。
【００３７】推力を発生させない場合には、対になる２つの室で、吸水弁と排水弁全ての開度を同じにして、ついでに２つの室を隔てる弁も全開にして、２つの室が同量の推力を正反対の方向に向けるようにすれば良い。
【００３８】同じ噴射口室の、排水弁から排水本管につながる支管と、吸水弁から吸水本管につながる支管の断面積は、同じである必要がある。また、ある噴射口室と対になる室は、噴射方向に直交する面を基準として、元の室と線対称の形をしていなければならない。
【００３９】吸水弁と排水弁は、制御を難しくする余計な推力を発生させないよう、水の出入りの向きが噴射方向から直角になるよう配置するとよい。位置は、噴射口室の長軸中間線上に一直線になるよう配置すると良いだろう。
【００４０】そして、対になる噴射口室のそれぞれの弁からポンプまでの経路は、できるだけ同じ長さになる事が望ましい。
【００４１】この装置では出力変動が大きいので、推力の制御を効果的に行うためには、直径の異なる間をひとまとめにして同じ用途に用いて、それぞれの管に独自に開閉可能な弁を取り付けると良いかもしれない。ただし、このようにすると抵抗が大きくなるが。
【００４２】噴射口室が推力を発生させる原理は銃の反動が発生する原理と同様であり、噴射口が銃口に相当し、排水弁が炸薬に相当する。なので、噴射口と排水弁は縦長の室の端と端に可能な限り間隔をあけて配置する。この間隔と最大推進力は比例する。
【００４３】噴射口と排水弁の間のどこかに、吸水弁を設ける。また、ポンプが異物を吸引して性能が低下しないように、噴射口と吸水弁の間には、フィルターを設ける必要がある。吸水弁の入り口にのみフィルターを設けても良いが、その場合フィルターの掃除が大変になる。噴射口と吸水弁の間にフィルターがあれば、噴射口から水を噴射するときに汚れを吹き飛ばせるが、吸水弁だけを覆うフィルターだと、その手が使えないからである。
【００４４】なお、噴射口室ユニットは、１つの船に複数用いてよい。特に、メインの推進装置に使うほかに、噴射口が両舷を向いているものを用いると、理論的にメインスラスターと同じだけの推力を発生可能なサイドスラスターとして使用可能である。
【００４５】サイドスラスターとして使用可能なように設置した噴射口室ユニットは、吸水弁と排水弁とは別に、吸水本管や排水本管との間に開閉可能な弁を設けて、使わない時はきっちりと分離しておかないと、エネルギーが無駄に浪費されてメインスラスターの推力に悪影響が出る。逆に、推力を中立にして開放すれば、一種の安全弁として使える。
【００４６】装置全体についていえば、ポンプや管の強度は内外の圧力差に耐えられるように丈夫でなければならないし、その他の部分も振動や塩分に強い必要がある。
【００４７】配管の直径は、なるべく大きくすると、抵抗が少なくなってエネルギー効率が良くなる。
【００４８】また、ポンプ、吸水本管、排水本管、噴射口のいずれかまたは全てに、流量計や圧力計を設置して操舵室でその数値が読み取れるようにする必要がある。
【００４９】安全のためには、開度の操作量と加速度変化量の対応や、その時点における最大加速能力を自動的に計算し表示するシステムが必要である。と言うのも、当発明を用いれば、推力の発生方向を、全速前進から間を置かずに全速後進に切り替える操作も理論上は不可能では無いからである。０．１Ｇ加速からいきなり−０．１Ｇ加速に移ったら、転倒事故で死者が出かねない。
【００５０】安全性に対するその他の配慮としては、風車は従来と同様な安全対策など設計上の配慮が必要であるし、ポンプ排水口付近や排水本管には、必要なら安全弁を設ける必要がある。安全弁が推進力の方向になるべく影響を与えないよう配慮が必要である。
【００５１】ポンプの種類は、構造が単純である事や風車と出力特性が似通っている事から、遠心ポンプが適していると思われるが、その場合にはポンプが噴射口室の吸水弁より下に来るようにする必要がある。もちろん他の種類のポンプを使っても良い。
【００５２】また、ポンプと排水本管と吸水本管と噴射口室は、そのほとんどが大量の水を内部に含む配管からなっているので重く、水の漏出の危険もあるため、隔壁を隔てた浮体構造の外の船底、長軸中心線上に配置すると良い。この位置ならば、バラストタンクの代用にもなるし、危険も少ない。しかし、配管が傷ついて水が勝手に出入りすると推力の発生方向を思うように制御できなくなるし、手動で直接弁を操作する事態も考えられなくも無いので、丈夫な流線型の殻でなるべく囲って水から隔てておく必要がある。
【００５３】推進装置の各部に属する弁の操作は通常操舵室から行う事になるので、弁には開閉のために何らかのサーボ機構を組み込む必要がある。弁の種類は平行滑り弁が良いだろう。
【００５４】推力の最大値は、風速により変動するが、その値は噴射口における流量と流体の密度を計測する事により得られる。そして、ある噴射口室の噴射口から水が排出されるときに発生する推力をプラスと定義すれば、排水弁の開度から吸水弁の開度を引いた数値が、その時点の最大推力に対する発生推力の比率となる。
【００５５】以上の点に留意したプログラムを用いれば、単純な演算装置でも、噴射口室と外部の水のやり取りと装置全体の寸法さえ正確に人力されれば、その時点における推力の強度を計算可能である。
【００５６】従って、推力の制御は間に演算装置を含んだ電子的制御方式に加速度やその変化の制限、停止時の流量校正など安全機構を組み込んで行うのが理想的と思われる。
【００５７】［請求項３］の回転帆船用エアジェット推進装置を構成する部品は、コンプレッサとその動力源である風車、大容量の高圧空気ボンベ、ボンベに付属する安全弁、空気を噴射して推力を得るためのノズル、ノズルの出力を調整するためのバルブと付属計器、空気の圧縮時に生じる熱を、装置の外部やノズルへ分散させるための熱交換器、推力の発生量を算出する演算機を含む制御装置、風力の不足時にコンプレッサを駆動する、省略可能な予備動力源とその付属機器、である。
【００５８】装置の作動原理は、風車とコンポレッサからなるユニットを複数または単数用いて圧縮した空気を逆止弁を介して共通の空気ボンベに貯蔵し、必要量をノズルから外部へ噴射する事により必要な推力を得るというものである。
【００５９】ノズルの個数と向きは任意であり、メインスラスターとしての用途のほかにもサイドスラスラーとしての使用も可能である。
【００６０】圧縮空気は、ノズルで水面下に水平に空気を噴射するほかに、ホバー装置の使用も考えられる。ノズルから噴射するついでに発電もできる。
【００６１】熱交換器は、ボンベの冷却の用途のほかに、大量の圧搾空気が噴出する事により温度を奪われるノズルや安全弁の保温の用途にも用いる。
【００６２】ノズルに付属する流量調整弁には何らかのサーボ機構を付属させ、操舵室から遠隔操作する。
【００６３】推力は、調整弁の開度が同じでも、空気ボンベ内の圧力により変化するので、ボンベ内には圧力計を配置し、その圧力計の数値と、そこから算出した弁の開度と加速度の対応関係を、操舵室で把握できるようにする必要がある。
【００６４】ボンベには圧力が過剰になってしまわないよう、安全弁を設ける必要があるが、この安全弁は、空気の放出時に操船に悪影響を与えないよう工夫が必要である。
【００６５】ノズルや安全弁のほかにボンベから外部へつながる開閉可能な弁を設け、その内側にタービン発電機を設置し蓄電しておけば、制御や予備動力のための電力が得られる。この発電用の弁でも、操船に悪影響を与えないよう工夫が必要である。
【００６６】予備動力源は、従来の電気モーターやエンジンを使用する場合、予備動力源を使用する際には、蓄電装置や燃料タンクが必要であるが、最も単純かつ効率が良いのは、空気ボンベ内に爆発ポンプ式コンプレッサーを配置する方法である。
【００６７】［請求項４］の無反動口金は、［請求項２］や［請求項３］などで、外部との圧力差がある容器内または配管内で大量の流体を取り扱う際に、装置の耐圧性能を超える圧力がかからないようにする安全弁や、外部と流体をやり取りするほかの弁にかぶせて用いるものである。
【００６８】材質に関しては、当発明が付属する容器と同じ材質でよいだろう。別に金属でなくとも良い。
【００６９】原理はバズーカ、つまり無反動砲と同じもので、同じ質量の物体を同じ速度で正反対の方向に飛ばせば、反作用が打ち消しあう性質と、流体の圧力が一様になろうとする性質を利用する。
【００７０】従って、装置の形状を、当発明を用いない開口部との比較で述べると、当発明を用いない開口部が、真下から真上へ流体を流出させる場合、当発明は、流れの方向が、当初と直角の左右方向に流体が均等に偏向する形の覆いをつけることによって完成する。
【００７１】覆いの形は、流出する流れの方向が直角正反対方向に均等に偏向させられるなら、単なる屋根型の覆いでもかまわないし、Ｔ字型の中空の管でも、Ｔ字管を二つ合わせて上から見て十字型になるようにしても、もっと複雑な形状でも良い。
【００７２】［請求項５］の後流吸入式空気圧縮用水平軸風車は、大きく分けて、風車を支え風向に追随させるために回転する、風車の頭部にあたるナセルと、それを支えるマストの２つの部位に分かれる。
【００７３】ナセルは、風車と、それに付属するギアボックス、風向追随装置、ギアボックスに寄生する風向追随装置用発電機、そして、それらの要素を統合しマスト構造材につなぎとめるためのカバーや骨組みと、回転部でのマスト構造材との摩擦を最小化するためのベアリング、カバーのプロペラから風下に位置する部位で風上に向かって口を開けるフィルター付きの吸気口、正吸気口とは別の方向を向いた開閉機能付きの副吸気口、の８種の要素からなる。ナセルの内部は空気の流れを妨げないように、基本的に空洞である。
【００７４】マスト構造材には、ナセルを接続するための円盤状の出っ張りと、ナセルカバーに隠れる形で配置された、空気圧縮機とそれに付属するフィルター、ナセルから空気圧縮機に動力を伝達する動力伝達装置の２つの機能単位と、空気圧縮機からマスト下まで圧縮空気を送る高圧空気管が付属する。
【００７５】動力伝達装置は、マストの周りを囲むように水平に張り渡された、３種類の機能を果たす２組から３組のベルトとそのベルトに張力を与えるための機構、その途中または終端に位置するギアボックスからなる。これらは風車から空気圧縮機まで回転力を伝えるのだが、風車の回転が最初に伝わるベルトを第一ベルト、次に伝わるのを第二ベルト、最後を第三ベルトと呼称する。
【００７６】風車の回転は、まずギアボックスに属する傘歯車によって水平方向から垂直方向に変換されるが、この傘歯車は第一ベルトのナセル側の歯車と軸を共有する。
【００７７】第一ベルトの役割は、ナセルからマストへの回転力伝達であり、その歯車はナセル側とマスト側双方にあり、それらの外周を囲む形でベルトが張り渡される。ベルトの張力を保つためのバネの先についた歯車は、ナセルに固定され傘歯車と位置関係を保って共に回転する。
【００７８】第二ベルトの役割は、第一ベルトから伝達された回転力をマストの周囲を囲うベルトを支える歯車全てに伝えることである。従って、マストに属する第一ベルトの歯車と第二ベルトの歯車は軸を共有する。
【００７９】第三ベルトは第二ベルトから空気圧縮機まで回転力を伝達する部品であり、第三ベルトの歯車の軸は第二ベルトから回転力を得るが、第二ベルトは第三ベルトとの兼用が可能。
【００８０】空気圧縮機は、第三ベルトまたは第二ベルトの軸の回転が、ギアボックスを介してかあるいは直接に回転軸に伝達される事により、駆動される。なお、動力伝達にベルトを用いるのは、大型のマスト直径が大きい風車を想定しての事であり、小型のものならば傘歯車とシャフトで事足りるだろう。
【００８１】ベルトを支える歯車のシャフトに注目すると、標準的な仕様ではこのシャフトには、第一ベルト用と第二ベルト用の二つの歯車が付属するものと、第一、第二、第三のベルトすべての歯車が付属するものの２種類あるということになる。第一、第二ベルトを支える、マストに属するシャフトは、マストが対角線の交点に位置する正多角形の形に配置される。
【００８２】空気圧縮機とその吸気口は、マスト構造材に固定され、吸気口にはフィルターが付属する。吸気口は、ナセルにあいた正副の吸気口を介して外部とつながる、ナセルカバー内部のマストの周囲の空洞に向かって均等に口を向ける。
【００８３】空気は空気圧縮機の作用により、ナセルカバーの風車後方に位置する吸気口から、カバー内部の空洞に流入し、マスト構造材に空けられた圧縮機の吸気口に吸入され圧縮された後、そこからマストの下までは、空気管によって輸送される。空気管には、逆止弁と安全弁が必要である。
【００８４】空気管は、可動部を持たないので、ラビリンスパッキンなどの複雑な機構は必要ないし、空気圧縮機の駆動軸に関しても、低圧側からトルクを供給すれば、軸とフィルターの間の工作精度はあまり重要でなくなるだろう。
【００８５】ちなみに本発明は、比較的取り扱いやすい空気をエネルギー伝達媒体として使用し、空気管が可動部を持たなくても良く、風向に追随して回転するのは風車と付属のギアボックスと動力伝達機構の一部とそれを支えるナセルカバーだけという基本設計なので、ナセルをマスト構造材が突き抜ける設計にする事も容易であり、集合風車化が比較的簡単に可能である。
【００８６】必要な安全対策としては、風車の過剰回転防止と、圧縮空気の圧力と流量の適正化、圧縮機の異物吸引防止の３点が主な課題になるだろう。
【００８７】風車の過剰回転防止の方法は、従来風車と同じくブレーキによって風車の回転を抑制するほかに、空気吸入による風力増強の度合いを弱める方法がある。具体的には、ナセルカバーにあいた吸気口の面積を必要に応じて増やすために、開閉可能な副吸気口を設けて、風車の回転速度が過剰になりそうなときには、そこを開放して正吸気口とエネルギーを分散すると言うものである。
【００８８】圧縮空気の圧力と流量の適正化のためには、風車の過剰回転防止のための技術のほか、空気圧縮機から出てすぐのナセルカバー内部に口をあける安全弁を設けるやり方がある。
【００８９】圧縮機の異物吸引防止のための工夫としては、フィルターの装着のほかに、吸気を下から上へ行うよう設計する事と、ギアボックスやベルトの破損時に破片の飛散を防ぐため、それらと内部吸気口の間になるべく隔壁を設けておくことがあげられる。なお、フィルターは、大きいもの、例えば鳥やビニール袋などを食い止めるための剛体素材の金網と、細かい粒子の吸引を防ぐための目の細かい網を併用すると良いだろう。
【００９０】組み立てるときには、まずマスト構造材を完成させ、次に空気圧縮機と内部の吸気口と配管を仕上げ、ナセル取り付け用のターレットのマスト側を配置してから動力伝達用ベルトのマスト側の歯車を設置、次は第二と第三のベルトを張り、その後ナセルカバーの下部と側面と上面の一部の骨組みを付け足し、風車の軸とギアボックスを追加してから第一ベルトを張り、最後は外側のカバー付属の吸気口と一緒にナセルカバーを全て仕上げて、風車の翼を加えて仕上げるという順番に作業を進めると良いのではないかと思われる。
【００９１】使用上の注意としては、定期的にフィルター掃除をして効率の低下を防ぐほかは、すでに商業利用されている風車と同じく各風車の仕様にあわせて安全運転を行えばよい。なお、頭部を回転させ、風車を風向に正対させるための機構は、従来の風車と同じでよい。
【００９２】ちなみに、風車の後流を吸入する事による出力増強効果は、吸気口における空気圧縮機の作り出す負圧による風力エネルギーの面積あたりの密度が、自然風による風力エネルギーのそれを上回る事によって発現する。具体的には、吸気口の面積が、風車の回転面面積と風車の効率と動力伝達装置の効率と空気圧縮機の効率の積より充分小さければ、出力増強効果が発現する。吸気口は風車と適度な距離を開けて配置すると効果的だろう。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】は、［請求項２］の回転帆船用ウォータージェット推進装置の風車と予備動力を除く、推力発生に直接関わる部分の図である。
【００９４】
【図２】は、［請求項３］の回転帆船用エアジェット推進装置の図であるが、予備動力は省略してある。
【００９５】
【図３】の上部は、［請求項４］、無反動口金の１つの型である、屋根型無反動口金の図であり、［図３］の下部は、同じく［請求項４］の１つの型である、Ｔ字型無反動口金の図である。
【００９６】
【図４】は、［請求項５］、後流吸入式空気圧縮用水平軸風車の図であり、図中のマストと空気管が標準と外れた形をしているのは、集合風車の一部を拡大した図という設定だからである。
【符号の説明】
【００９７】［図１］、［請求項２］回転帆船用ウォータージェット推進装置の中での水の流れは、図中に振った番号の通りに流れる。
【００９８】まずは１番の噴射口の片方から、２のフィルターで８のポンプの性能劣化の原因となる浮遊物と分離されて、３の噴射口室に入り、４の吸水弁から５の吸水支管に吸い込まれ、６の吸水本管で、元の噴射口室ユニットの別の吸水弁か、他の噴射口室ユニットの吸水弁から吸い込まれた水と合流、そこからまた船に積まれた風車の数に比例してあるポンプユニットに送られる。つまり、７のポンプ吸水管に吸われて、水に作用を及ぼす元である８のポンプを通過、９のポンプ排水管に押し出される。ポンプには逆止弁が付属する。
【００９９】水は１０の排水本管で全て再合流し、１１の排水支管で分散し、１２の排水弁を経て、３の噴射口室に出るか、あるいは、１０の排水本管から１３の水力発電装置のための水路に流れ、６の吸水本管に戻る。３の噴射口室に出たものは、２のフィルターの汚れを吹き飛ばして１の噴射口から外へ流れ出るか、あるいは４の吸水弁から再び装置の中へ戻る。
【０１００】停船時には、１４の停船弁を全開にして、４番の吸水弁と、１２番の排水弁全ての開度を等しくするが、この時に、吸水弁から入る水の運動量と、排水弁から出る水の運動量の絶対値が同じになり、なおかつ対になる噴射口室同士の間で自由に水が行き来すると、噴射口室ユニットが発生させる推力がゼロになる。
【０１０１】ちなみに噴射口室ユニットとは、１、２、４、１２、１４の各部分と、外殻からなる３の噴射口室が、噴射口が正反対を向くように配置され、１４の停船弁によって仮に隔てられたものの事である。
【０１０２】図中の弁が白黒に塗り分けられているのは、対になって同調して動く弁を示すためである。
【０１０３】なお、図中では、ポンプの主な動力源である風車と予備動力、船体、推進装置のカバーなど、推進装置本体以外は省略してある。
【０１０４】［図２］の１は風車であり、３のコンプレッサを駆動する主な動力源である。予備動力は図中では省略してある。３のコンプレッサによって、２の吸気口から吸い込まれた空気は、５のボンベに蓄えられる。過剰な圧力は、４の無反動安全弁から放出される。推力は、７のノズルから蓄えられた空気が放出される事によって発生するが、その量はボンベとノズルを隔てる６のバルブによって調整される。
【０１０５】［図２］の８の熱交換器は、ボンベとノズルと装置外部の三体間での熱交換を容易にし、加熱や過冷却による装置の破損を防ぐためのものである。
【０１０６】なお、［図２］の４、無反動安全弁とは、［請求項４］、無反動口金を安全弁に用いたものの名称である。
【０１０７】［図３］の１、屋根型無反動口金は、２つの開口部を持つ、容器から口金までの首の部分を持たない最も単純な形の無反動口金の図であり、５のＴ字型無反動口金は、陽気と口金の間に首のある２つの開口部を持つ無反動口金の図である。
【０１０８】［図３］の１と５は、いずれも図中の２で管または容器の外殻として示した、流体を収める管または容器の開口部に付属させて用いるものであり、その開口部にある、図中の３、流量調整弁から、図中の４で示した口金の１組の開口部までの流路の形状、距離、断面積が、全く同じであることが、発明の機能が完全に発揮される条件である。
【０１０９】［図４］、［請求項５］の図。後流吸入式空気圧縮用水平軸風車の部品は、図中の番号で１番のマスト構造材か、２番のナセルカバーのいずれかに付属する。マスト構造材は装置全体の荷重を支える部品であり、ナセルカバーは、風向に追随して向きを変える風車などの部品を搭載する、風車の頭部に相当する部品である。
【０１１０】［図４］の３番から９番の部品、水平軸風車、風車ギアボックス、風向追随装置、発電装置、電線、フィルター付き吸気口、副吸気口は、２番のナセルカバーに付属する。これらの部品の総体としての名称は、頭部、風車頭部、または、ナセル、である。１０番の第一ベルトの一部もナセルに付属する。
【０１１１】ナセルは５番の風向追随装置により、風向に応じて水平面で回転し、風車を風上に向ける。図中では既存の商業機の大半と同じように、風車に寄生した６番の発電機による電力を７番の電線で供給し風向追随装置を駆動する電動式として描いたが、実際には尾翼や側方風車による旧式な機械的なものを採用してもよい。
【０１１２】［図４］の１番、マスト構造材に付属するのは、１０番から１２番の第一から第三のベルトと図中では省略したそれらに付属するギアボックスにより構成される、ナセル付属の風車の回転力をマストまで伝えるための動力伝達装置と、それによって伝えられた回転力で稼動する１３番の空気圧縮機と、それによって製造した圧搾空気を輸送するための１４番の空気管と、空気管に付属して逆流を防ぐ１５番の逆止弁である。総体としての名称はマスト、または、タワーである。
【０１１３】［図４］の３の水平軸風車によって風力は回転エネルギーに変換され、回転は４の風車ギアボックスに伝達され、ギアボックス付属の傘歯車などの機構によって回転軸が水平から垂直になる。
【０１１４】垂直軸回りに変わった回転エネルギーは、１０番の第一ベルトによってマストまで伝達される。第一ベルトの張力を保つための機構は、ナセルの回転を妨げないよう、ナセルカバーに付属する。
【０１１５】１０番の第一ベルトと１１番の第二ベルトは歯車を支える軸を共有しているので、第一ベルトから第二ベルトへ回転が伝わる。第一ベルトはナセルとの間に張り渡されているので、第一ベルトだけでは動力伝達が不可能な角度が発生してしまうが、第二ベルトは正多角形に近い形を描いてマストを囲んで張られているので、第一ベルトの回転は、マストの全周にわたって満遍なく伝達される。
【０１１６】第二ベルトに伝わった回転は、シャフトまたはギアを通じて、１２番の第三ベルトを支える歯車に伝わり、そのエネルギーを第三ベルトが１３番の空気圧縮機に伝わるが、そこで回転エネルギーは空気の圧力エネルギーに変換され、１４番の空気配管によって負荷まで輸送される。
【０１１７】１４番の空気圧縮機の作動により起こる空気の流れは、以下のようになる。即ち、２番のナセルカバー外部の空気は、ナセルに開けられた［図４］中の８番のフィルター付き吸気口から、ナセル内部に流入し、そこからマストに固定された空気圧縮機付属のフィルター付き吸気口から圧縮機へ、更に空気配管へ流れる。空気配管から圧縮機への逆流を防止するためには、１５番の逆止弁が必要である。
【０１１８】ナセルカバーに付属するもう１種類の吸気口である、９番の副吸気口は、空気圧縮機に流入する空気のエネルギー密度を薄めて風車の過回転を抑制するための安全装置であり、通常運転時は閉鎖するのでそのための機構が必要である。［請求項５］、後流吸入式空気圧縮用水平軸風車に必要な安全装置の例としては、他に４番のギアボックスに取り付ける風車用のブレーキ、１４番の空気配管の、ナセルカバー内の逆止弁手前の区間に取り付ける安全弁が挙げられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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