(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流の運動エネルギーを仕事に転換するための方法であって、該方法は、
流体流中にフォイルの列を配置する工程と、
該フォイルを自由度が少なくとも２であるように支持構造体に載置する工程と、
前記フォイルをフラッタ振動させるために、前記流体流を該フォイルに通す工程と、
該フラッタ振動を安定化させ維持するために、該フォイルの列に慣性を与える工程とを含む、流体流の運動エネルギーを仕事に転換するための方法。
【請求項２】
前記フォイルの列に慣性を与える工程が、前記フラッタ振動の変動を最小化するためにはずみ車手段を設ける工程を含む、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項３】
前記フォイルに作用する前記流体流の速度及び量を増加させるために、追加の流体を該フォイルを通過するように指向する工程をさらに含む、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項４】
前記追加の流体を指向する工程を、前記流体流中の前記フォイルの上流側に隣接した位置に分流バリアを配置することによって行う、請求の範囲第３項に記載の方法。
【請求項５】
流体流の運動エネルギーを仕事に転換するための装置であって、該装置は、
フォイルの列と、
自由度が少なくとも２となるように該フォイルを支持構造体に載置するための手段と、
前記フォイルをフラッタ振動させるために、流体流を該フォイルに通すための手段と、
該フラッタ振動を安定化させ維持するため、該フォイルの列に連結された、該フォイルに慣性を与えるための手段とを備える、流体流の運動エネルギーを仕事に転換するための装置。
【請求項６】
前記フォイルに慣性を与えるための手段が、前記フラッタ振動の変動を最小化するために、該フォイルに連結されたはずみ車手段を含む、請求の範囲第５項に記載の装置。
【請求項７】
前記フォイルを通る前記流体流の速度及び量を増加させるために、前記フォイルの上流側に配置する分流バリアをさらに備える、請求の範囲第６項に記載の装置。
【請求項８】
前記はずみ車手段が、前記フォイルに連結された一連の歯合する歯車部材と、フラッタ振動中のフォイルの振動によって該歯車部材を回転させる手段とを含む、請求の範囲第７項に記載の装置。
【請求項９】
前記フォイルを通る前記流体流の速度及び量を増加させるために、前記フォイルの上流側に配置する分流バリアをさらに備える、請求の範囲第５項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、本発明者の先の米国特許第４，１８４，８０５号（１９８０年１月）及び同第４，３４７，０３６号（１９８２年８月）に開示した方法及び装置の改良を含み、一般的には振動翼列パワー系統（ＯＣＰＳ）に使用することができる。
発明の分野
本発明は、動いている流体流の運動エネルギーを利用するための技術及び装置に関し、より詳細には動いている流体流中で振動するエアロフォイル又はハイドロフォイルの翼列に関する。このようなフォイルは、流れからエネルギーを取り出して、例えば発電等の有用な仕事を行なったり、外部からエネルギーを加えることによって推進力を発生し、負の抗力を発生したりする。
従来技術の説明
エネルギーの代替源を求めて従来から研究が行われているが、その結果、風、流れ、河川、及び海流等の動いている流体から得られる基本的に無尽蔵な運動エネルギーの利用が再度注目されている。これらのエネルギーは、太陽放射加熱によって生じる動きであるという点で、太陽エネルギー源から派生したものであると言える。風車は、このようなエネルギーを利用することができる装置のわかりやすい例であるが、大型の羽根が回転することによって大きな遠心力が発生し、操作振動数が風速に依存し、自然発生的な風の流れから充分な力を発生させるためには広い発生場所、つまり羽根の回転によって形成される円が必要であるために、その利用には限界がある。
Peter R. Payneの米国特許第４，０２４，４０９号は、風車の一つの代替物を開示している。この特許には、渦の剥離によって振動するワイヤを含み、この振動を有用な仕事に転換する装置が開示されている。風鳴琴、タコマ・ナローズ（Tacoma Narrows）橋、突風ではためく道路標識等のように、このような動きは、柱状の物体からその物体の固有振動数と共鳴する振動数で渦が剥離する時に誘発される。この特許はまた、風の条件に応じて振動する単一のブレードを使用することも開示している。しかしながら、風車と同様、利用できるエネルギー量は限られている。さらに、このような振動はカルマン渦列現象によるものであって、フラッタの空気弾性的現象によるものではない。
米国特許第３，９９５，９７２号は、風の流れの中に設置した、積み重ねられ互いに堅固に連結されたエアロフォイルを備える装置を開示している。翼の迎え角を周期的に変化させることにより、ロッドを往復動させる均一な振動動作が発生し、このロッドによって出力装置を駆動する。この装置の欠点は、風車と同様に、風速の変化を補って実質的に均一な振動数で実質的に一定の出力を保証するための手段がないということである。
単一の振動エアロフォイルで負の抗力を発生させることについて幾つかの研究がなされている。１９３６年５月発行のI.E. Garrickの「Propulsion of a Flapping and Oscillating Airfoil」, NACA Rep.No. 567を参照のこと。
エアロフォイルを空気弾性的フラッタ現象に付すと、大量のエネルギーを得られるということは、以前から知られている。この現象は充分に速い流速の水中に配置したハイドロフォイルにも当てはまるが、自然界では観察されていない。さらに、もしこの現象を制御せずに放っておいたならば、最終的にはエアロフォイルが破壊されてしまうため、この現象の研究は、単にこの現象を防止する方向でしか行われていない。本発明者の米国特許第４，３４７，０３６号及び同第４，１８４，８０５号では、エネルギー発生及び推進のためにこの現象を有効に応用することに触れている。これらの特許は本明細書中に援用される。
発明の要旨
本発明は、本発明者の先の特許に開示した内容をさらに発展させて、自然発生的な流体流中における効率及び適用範囲を改善するものである。本発明によれば、流体流の運動エネルギーを仕事に転換するための方法であって、該方法は、流体流中にフォイルの列を配置する工程と、該フォイルを自由度が少なくとも２であるように支持構造体に載置する工程と、前記フォイルをフラッタ振動させるために、前記流体流を該フォイルに通す工程と、該フラッタ振動を安定化させ維持するために、該フォイルの列に慣性を与える工程とを含む、流体流の運動エネルギーを仕事に転換するための方法が提供される。
さらに本発明によれば、前記フォイルの列に慣性を与える工程が、前記フラッタ振動の変動を最小化するためにはずみ車手段を設ける工程を含む、上記の方法が提供される。
さらに本発明によれば、前記フォイルに作用する前記流体流の速度及び量を増加させるために、追加の流体を該フォイルを通過するように指向する工程をさらに含む、上記の方法が提供される。
さらに本発明によれば、前記追加の流体を指向する工程を、前記流体流中の前記フォイルの上流側に隣接した位置に分流バリアを配置することによって行う、上記の方法が提供される。
また本発明によれば、流体流の運動エネルギーを仕事に転換するための装置であって、該装置は、フォイルの列と、自由度が少なくとも２となるように該フォイルを載置するための手段と、前記フォイルをフラッタ振動させるために、流体流を該フォイルに通すための手段と、該フラッタ振動を安定化させ維持するため、該フォイルの列に連結された、該フォイルに慣性を与えるための手段とを備える、流体流の運動エネルギーを仕事に転換するための装置が提供される。
さらに本発明によれば、前記フォイルに慣性を与えるための手段が、前記フラッタ振動の変動を最小化するために、該フォイルに連結されたはずみ車手段を含む、上記の装置が提供される。
さらに本発明によれば、前記フォイルを通る前記流体流の速度及び量を増加させるために、前記フォイルの上流側に配置する分流バリアをさらに備える、上記の装置が提供される。
さらに本発明によれば、前記はずみ車手段が、前記フォイルに連結された一連の歯合する歯車部材と、フラッタ振動中のフォイルの振動によって該歯車部材を回転させる手段とを含む、上記の装置が提供される。
さらに本発明によれば、前記フォイルを通る前記流体流の速度及び量を増加させるために、前記フォイルの上流側に配置する分流バリアをさらに備える、上記の装置が提供される。本発明によれば、フォイルの翼列を動いている流体流中に配置して、その流体流から利用可能な大量のエネルギーを効率的に利用するための新規な方法及び装置によって、先行技術の欠点を回避する。特定の流体について特に言及しない限り、以下で使用する「エアロフォイル」という術語は、例えば空気系を水系に置換える等の用語の適切な変更を伴って、ハイドロフォイルの概念をも含むものである。このようなフォイルを、航空機の揚力ではなく、エネルギー発生のために使用することを強調するために、より一般的に使用される「エアフォイル」という術語ではなく、「エアロフォイル」という術語を使用する。
本発明の他の特徴は、この新規な方法を水系の環境に応用したことにある。自然発生的な水の流速では一般にフラッタは観察されていないが、発電機、又はハイドロフォイルと発電機システムとの間に取りつけたはずみ車を使用することによって、システムの慣性を増加させれば、水系においてフラッタが生じることを実験によって立証した。
本発明の別の特徴によれば、薄いエアロフォイルの翼列を動いている流れの中に配置して、空気力学的システムを設定することによって、空気流の運動エネルギーを有用な仕事に転換するための新規な方法が提供される。エアロフォイルに外乱を与えていない場合には、エアロフォイルの迎え角は０度であり、各エアロフォイルの自由度は２であり、隣接するエアロフォイルは互いに異なる位相で動くことができる。次に流体流の流速が、システムがフラッタ振動を誘発するのに充分な臨界速度に達するまで、このシステムを調節する。次いでエアロフォイルに外乱を与えて振動させ、この振動を利用して有用な仕事を行う。流速の変化を検出し、臨界速度と安定な振動状態を維持するように、システムを制御する。
本発明のさらに別の特徴によれば、流体流の運動エネルギーを有用な仕事に転換するための装置が提供され、該装置は、流体流が通過できるように対向する端部が開放している支持構造体を含み、該支持構造体は、複数の薄いエアロフォイルと、このエアロフォイルを、外乱を与えられていない場合には迎え角０度である翼列として支持構造体内に載置するための手段とを備える。さらに、エアロフォイルの自由度は少なくとも２であり、隣接するエアロフォイルは互いに異なる位相で動くことができる。支持構造体はバリアを有するフレームからなり、このバリアはフレーム下方及び／又は上方及び側方に設けられ、流れを構造体内へ導く。それにより、流速を増加させ、システムの効率を増加させる。この装置はさらに、エアロフォイルの振動動作を利用して有用な仕事を行うための手段を含む。
エアロフォイルは、好ましくは互い違いにした二つのフォイルサブシステムとして配置する。各サブシステム中のエアロフォイルは、互いに連結され、同じ位相で振動する。サブシステム同士を互いに連結して、１８０度異なる位相で動かしてもよく、若しくはフラッタ振動を維持、強化し、且つ流体流中で初期外乱を与える、反対方向に作用する機械的振動子のみと互いに連結してもよい。
流体の流速が変化した時でもフラッタ振動を維持するために、制御システムを設けてもよい。
本発明のさらに別の特徴によれば、一対の平行な板と、各板から等間隔の位置に配置され、流体流中で自由度が少なくとも２である薄いエアロフォイルとを備える装置を配置することによって、流体流の運動エネルギーを有用な仕事に転換する方法が提供される。この板は、自由流に対して平行に配置され、エアロフォイルは外乱を与えられていない場合には迎え角０度で、空気力学的システムを規定する。次いで、流体がフラッタ振動を誘発させるのに充分な流速となるまで、このシステムを調節し、エアロフォイルに外乱を与え、その結果生じた振動を利用して有用な仕事を行う。
本発明のさらに別の特徴によれば、流体流の運動エネルギーを有用な仕事に転換するための装置が提供され、該装置は、流体流が通過できるように対向する端部が開放している支持構造体を含み、該支持構造体は、流体流の方向に平行に延在する等間隔に配置した複数の平板と、支持構造体内に翼列として設けた複数のエアロフォイルとを備え、各エアロフォイルの自由度は少なくとも２であり、外乱を受けていない場合の迎え角を０度として、隣接する平板の間に両平板から等間隔の位置に配置され、前記支持構造体はさらに、エアロフォイルが同じ位相で振動するように互いに連結する手段と、エアロフォイルの振動動作を利用して有用な仕事を行うために、エアロフォイルと操作的に関連付けられた手段とを備える。
本発明のさらに別の特徴によれば、拘束された流体中に配置した単一のエアロフォイル、若しくは動いている流体流中に配置したエアロフォイルの翼列のいずれかが提供される。エアロフォイルを機械的に振動させ、流体の推進作用を発生又は増加させる。機械的駆動手段は、フラッタ振動に付されたエアロフォイルの翼列からの出力等のいかなる手段であってもよい。
以下の詳細な説明をより理解しやすくするため、また当業界に対する本発明の貢献をより評価しやすくするために、発明のより重要な特徴を広めに概説してきた。本発明にはさらに追加的特徴があることは言うまでもなく、このような特徴は以下に説明され、請求の範囲の主題を構成する。本発明を、本発明の幾つかの目的を実行するための他の構造体又は方法を設計するための基礎として用いることができるということは、当業者には理解できるであろう。従って、本発明の請求の範囲を、本発明の範囲から逸脱することなく、そのような均等な構造及び方法を含むものであると理解すべきであるということが重要である。
【図面の簡単な説明】
明細書の一部をなす添付図面に示すとおり、本発明のいくつかの実施態様及びその改善例を例示及び説明のために選択した。図面において、
図１は、分離した若しくは取りつけた状態のモジュールの斜視図であり、それぞれ本発明による垂直又は水平なフォイルの翼列を含む。ａ）はバリア上に載置したモジュールを示し、ｂ）はバリアの側面に載置したモジュールを示し、ｃ）は自由に枢動して流れに対向するモジュールを示す。
図２は、所定の一組のパラメーターについて、フラッタ振動を誘発するのに必要な臨界速度は、単一フォイルよりもフォイルの翼列のほうが低いことを示すグラフである。
図3は、フラッタ振動にさらされるシステムに実用装置を導入することによって、どのようにしてエネルギーを回収するかを示すグラフである。
図４及び図５は、図１の断面図であり、外乱を受ける前後の、臨界速度にさらされたフォイルの位置を示す。フォイルは空気力学的に形成しても、丸めた前後縁を有する平板であってもよい。
図６は、第一実施態様によるフォイルの載置を示す、水平フォイルを備えるシステムモジュールの一部概略斜視図であり、フォイルの前縁及び後縁の両方に連結している互い違いの連動機構を示す。
図７は、はずみ車のシャフトに巻きつけた予め付勢されているケーブルによって、若しくははずみ車のシャフト上にあるギアに取りつけたストレートラチェットを有する細いバーによって、はずみ車に連結されたフォイル系統の部分概略図である。設計をより解りやすく説明するために、フレームは削除してある。
図８は、はずみ車及び、支持はずみ車シャフトに取り付けた二つ一組のフォイルそれぞれの前縁及び後縁に効果的な慣性を与えるためにアームに取りつけた錘の部分概略図である。バーは大型はずみ車の頂部を、発電機を回すクランクシャフトに連結する。
図9は、フォイルの偶数／奇数組の前／後縁を発電機に連結する代表的な連動装置の部分概略図であり、この後には重いはずみ車が続く。
図１０は、補助翼と共に空気力学的フォイルを用いる、本発明の別の実施態様を示す部分概略斜視図である。
図１１は、図１０の実施態様のフォイルを示す断面図である。
図１２は、本発明の別の実施態様を示す部分概略斜視図である。
図１３は、フォイルの翼列を動いている流体流中で振動させて推進力を与えることによって達成される効率の向上を示すグラフである。
図１４は、本発明の推進力発生装置の一実施態様の概略断面図である。
図１５は、推進力発生装置の別の実施態様の概略断面図である。
好ましい実施態様の詳細な説明
図１は、種々の設定の垂直又は水平フォイル２を有するフレーム１を備える、一連（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のエネルギー転換装置つまりシステム（ＯＣＰＳ）を示す。図１（ａ）は、円筒形又は楕円筒径のバリア３の上に載置したシステムを示す。システム上に載置された円筒形シリンダー４は、連動機構、クランクシャフト、及び発電機を収容し、これらを自然力から保護する。図１（ｂ）は、サイロ、貯水塔５等の既存の構造体の側面に取りつけたシステムを示す。ここで、この実施態様では塔５の側方に取りつけられている円筒体４は、連動機構、クランクシャフト、及び発電機を収容する。最後に、図１（ｃ）は、旋回軸６上に載置された自立型システムを示し、システム頂部に設けた円筒体４は、連動機構、クランクシャフト、及び発電機を収容し、円筒体頂部に設けたフィン７は、システムを流体流に対して横断方向に指向させる。各エネルギー転換装置は、フォイルが外乱を受けていない時には迎え角０度で支持構造体１内に配置されている、等間隔に配置した複数のフォイル２1，２2，２3，２4，２5，２6，２7，２8を備える。末端のフォイルは、隣接する支持構造体壁から、隣り合うフォイル間の距離の半分だけ離隔している。後に説明するように、フォイルは、フラッタ振動を誘発するような条件下で外乱を受けると、隣接するフォイル同士が実質的に１８０°異なる位相で振動するように載置されており、この振動動作を用いて有用な仕事を行う。各フォイルは対称的な形状であり、丸みをつけた前縁および後縁を有し、残りの部分はその全幅に渡って平坦であってもよく、揚力を低下させるためにゼロキャンバを有し、平面形状が矩形である。八つのフォイルの翼列を例示として示したが、翼列として配置するフォイルの数は、装置の使用目的によって変更可能であることは言うまでもない。フォイルは、垂直に重ねて翼列としても、水平に重ねて翼列としてもよく、外乱を受けていない時に通常迎え角０度であれば、どの方向に重ねてもよい。
本発明は、一般にフラッタとして知られる空力弾性現象と関連する自励フィードバック現象を利用している。この現象は空気中で生じることがよく知られているが、水中でも同様な現象が生じる。水中の場合は、密度の差が大きいため、自然発生的水流から利用可能なエネルギー量は、自然発生的空気流から利用可能なエネルギー量よりもはるかに大きい。以下の説明では空気流についての用語を使用するが、後に別に説明する特定の制限下では水流にも応用可能である。
この現象は、エアロフォイルの弾性、慣性、及び散逸性の力と、エアロフォイルが流体流中で動くことによって生じる不定の空気力学的力との相互作用を含む。エアロフォイルが横軸周りの揺動（角度的回転）及び並進（並進的動作）方向に振動すると、後縁から互い違いの渦が複雑に発生することとなり、この渦によって伴流が生じる。伴流の渦度は、アエロフォイルにフィードバックし、エアロフォイルの動作とプラス又はマイナス９０度異なる位相の成分を有する力及び動作を与える。この異なる位相の成分はエアロフォイルを見かけ上減衰させる。臨界速度（Ｖｃ）において、この空気力学的減衰成分は負となり、振動するエアロフォイルの正の機械的減衰と平衡して、翼の調波振動を生じさせる。臨界速度よりも高い速度では、空気力学的エネルギーの増加により、不安定度が高まり、最終的には空気力学的エネルギーが大きくなりすぎてエアロフォイルを破壊することになる。フラッタ現象については多くの研究がなされており、フラッタ中に生じる大きなエネルギーについても早くから認識されているが、航空機の航行中このようなフラッタ振動を制御することはできず、最終的に航空機の翼が破壊されるまで蓄積してしまうため、この破壊的な結果を避ける方向での研究のみが圧倒的に多く行われている。しかしながら、本発明では、翼フラッタ状況に通常伴う不安定性及び破壊を防止する制御システムを設けたことにより、フラッタ現象の利用を可能とした。そのため、この現象を利用して、制御下でエネルギーを発生させることができる。
翼列を使用することによって、単一のエアロフォイルをフラッタさせるよりも明らかに利点が得られる。所定のパラメーター群において、翼列を振動させるのに必要な臨界速度は、単一のエアロフォイルを振動させるのに必要な臨界速度よりも遅いことがわかる。さらに、隣接するエアロフォイルが互いに１８０度異なる位相で振動するようにエアロフォイルを配列すると、特定のパラメーター群についての臨界速度は可能な限り最低となる。
しかしながら、二つの重要な要因を考える必要がある。自然発生的な風の流れから電気的エネルギーを経済的に発生させるためには、流体流に対して露出される断面積を大きくするか（風車的解決法）若しくは流体速度を上げる、つまり本明細書に記載するバリア的解決法を採用する。自然の流れにバリアを設け、同じ量の流体をより小さい領域を通るようにさせれば、流体速度は増加する。利用可能なエネルギーは流体速度の3乗に比例するので、バリアを利用することは非常に効率的である。水流の場合、フラッタが生じる速度は一般に自然には見られない。しかしながら、例えばパワーをハイドロフォイルの並進及び回転運動から発電機へ伝える回転シャフトにはずみ車を取り付けることによって、システムの有効質量が増加すると、フラッタに必要な臨界速度は世界中の川、流れ、海流から自然に得られる値まで低下する。これらの二つの改良点は本発明の根幹をなす。
図２は翼列の利点を示すグラフである。この図面では横軸に示すパラメーターＳ／Ｃは、翼列に配置したフォイルの間隔を示し、Ｓは、隣接するフォイル間の距離であり、Ｃは図４に示す弦である。縦軸は、隣接するフォイルが互いに１８０度異なる位相で振動する翼列の臨界速度Ｖ（Ｓ／Ｃ）の、単一フォイルの臨界速度Ｖ∞に対する無次元比を示す。特定のパラメーター群について、Ｓ／Ｃが約１／３の場合、翼列の臨界速度は、単一フォイルでフラッタが生じるのに必要な臨界速度の約１／２であることがわかる。従って、流体流からフラッタ加振によるエネルギーを取り出すために翼列を使用することによって、単一フォイルの場合よりもずっと低い流体速度でフラッタを起こすことができる。実際には、パラメーターを後述するように制御することによって、調波振動を誘発するために必要な空気中での臨界速度を、時速１マイル（１ｍ．ｐ．ｈ．）まで低くすることができる。これは、後述するように追加の慣性をシステムに加えれば、水中でのフラッタにも適用できる。
図３は、電気ネットワーク等の実用装置を振動翼列に組込むことによる利点を示すグラフである。縦軸は無次元フラッタ速度（Ｖ／Ｗαｂ）を示し、Ｖは流体速度、Ｗαは、Ｖが０且つｂがエアロフォイルの翼半弦の場合の純粋な横軸周りの揺動に伴う固有振動数を示す。横軸は、Ｗｈ対Ｗαの比であり、Ｗｈは、Ｖが０の時の純粋な並進動に伴う固有振動数を示す。各曲線の下方の領域は、空気力学的エネルギーＥAが機械的エネルギーＥMよりも小さい領域を規定している。所定のＷｈ、Ｗαの値の組について、臨界速度ＶCを得ることができる。臨界速度ＶCを示す各曲線の上方では、ＥAはＥMよりも大きく、よって不安定性を有する領域であることを示している。下方の曲線は単一エアロフォイルの臨界速度を示し、上方の曲線は、実用装置をシステムに組込んだ場合の臨界速度を示す。このグラフは、実用装置を加えることにより、空気力学的エネルギーは、システムを不安定な領域に陥らせるのではなく、システムがまだ安定領域にあるうちに実用装置によって吸収されることを示す。翼列については、臨界速度が特定のパラメーターの場合よりも低いので、これに関連する曲線は、図3に単一フォイルについて示したものよりも下にある。
図４及び図５は、この実施態様では10枚示されているエアロフォイルの翼列が、臨界速度Ｖｃ、つまりフラッタにおいて、流体流に接した時に生じる調波振動を示す。これらは垂直フォイルの場合には頂面図（水平フォイルの場合には側面図）であり、この実施態様では代表的な対称的エアロフォイル断面を有するものとして示されている。上述したように、「エアロフォイル」という術語は、本明細書において空気流に対して使用するフォイルに対して用いられ、「ハイドロフォイル」という術語は水流に対して使用する。これらの両方又は一方を「フォイル」という術語で示す。これらのフォイルの断面は、対称的でありさえすればよく、他の図面に示すように、丸くした前後縁を有する平板とすることもできる。「エアロフォイル」という術語は航空機に使用する代表的な断面について使用する。図４において、エアロフォイルは、外乱を与えられる前は、迎え角０度である。風速が臨界レベルであっても、輪郭が対称的であるので、フォイルは全く動かない。しかしながら、少なくとも一つのフォイルを動かすことによってシステムに外乱を与えるとすぐに、流れの場が隣接するフォイルを連動する効果を生み出し、図５に概略的に示すように互いに約１８０度異なる位相で振動し始める。互い違いになっているフォイルは、偶数及び奇数のフォイル前縁において８ｅ、８ｏで、及び偶数及び奇数の後縁において９ｅ、９ｏでそれぞれロッド又はケーブルによって連結される。（これらの図面では下方ロッド又はケーブルは上方ロッド又はケーブルに隠れている。）図６に最もわかりやすく示されるように、これらのロッドまたはケーブル８，９は、ピン１０1，１０2等によってフォイルの前面及び背面に取り付けられている。臨界速度で生じる振動動作は、コンプレッサーの羽根を回転させた時に生じるフラッタの悪影響を研究している時に最初に発見された。
図６には、エアロフォイルを載置する第一実施態様を示す。発明を容易に理解することができるように、この図には、参照番号１で概略的に示す支持構造体内に設けた本発明のエアロフォイルのうち、便宜上２3，２4，２5，２6の番号を付した四枚のみを示すが、以下の説明では全てのフォイルを示しているものとする。これらのフォイルは水平位置で示されるが、同様に垂直位置で載置することもできる。図６に示すように、フォイルは、奇数番号のフォイル２3、２5と偶数番号のフォイル２4、２6との二つのサブシステムに分けて配置してある。システム全体は全てのフォイルからなる。各サブシステムのフォイルは互いに連結されていて、同じ位相で動き、フラッタ振動を誘発させるためには自由度が少なくとも２は必要であるので、各フォイルの自由度は少なくとも２である。フォイルの両端は支持ばね１２によってフレームに取り付けられており、これを便宜上フォイル２3の両端のものは１２3等で示す。垂直フォイルの場合には、下方ばねは、支持のためには必要ないので、ドラグラインで置換えても良い。二つ一組のロッド又はケーブル８ｅ、８ｏは、フォイル２4，２3等の前面の両端に又はその付近で一つづつ、ピン１０4、１０3に取りつけられ、背面では同様なロッドまたはケーブル９ｅ、９ｏ、がピン１１4、１１3に取り付けられている。ロッド又はケーブルは、穴１３ｅ、１３ｏを通してフレームを越えて延長し、発電機（図示せず）に接続する。これらの穴は緊縛を防ぐよう十分に大きい。圧縮力及び引張り力を伝達するために充分な剛性を有するロッドを使用する場合には、他の支持は不要であるが、フォイルの動作を発電機において使用する連動機構に伝達するために、引張り力は伝達するが圧縮力は伝達しない可撓性ケーブルを使用する場合には、ケーブルをフレームに連結する追加のばね１４ｅ、１４ｏを使用してこのケーブルをあらかじめ付勢しておく。図面の残りの部分を明瞭に示すために図には示さないが、ストッパーを設けて、システム内における移動量を制限してもよい。
上記のことから、二つのサブシステムは、相対的に横軸周りの揺動及び並進動方向に自由に振動し、装置全体を臨界速度の流体流に付すと、隣接するフォイルが図５に示すように互いに約１８０度異なる位相で振動することは明らかであろう。従って、臨界流体速度は、特定のパラメーター群について可能な限り最も低い。
所望の調波振動を得るためにはフォイルに外乱を与えることが必要なので、少なくとも一つの機械的振動子をサブシステムの一方に設ける。これはサブシステムに直接設けてもよく、サブシステムのロッド又はケーブルを取りつけた電気機械的発電機（図示せず）に与えてもよい。初期外乱を与えるのに加えて、これらの振動子を操作することによって振動動作が維持され、強化される。よって、後述する制御装置がシステムを臨界速度に維持するには低すぎる値まで流速が落ちた場合には、流体速度が臨界速度の流れを回復するのに充分な速度まで上昇するまで、機械的振動子によってフォイルの振動を維持する。本発明では、流体の自然速度を臨界速度として使用する。従って、この流速によってフラッタ振動を誘発するためには、発電機を含むシステムのパラメーターの一つ以上を変更する必要がある。さらに、流体速度は時間とともに変化することがあるので、主な速度によって振動を維持できるように、これらのパラメーターを流体速度の変化に応じて変更する必要がある。システムのパラメーターを変更するために、風速を計るための風速計等の流体速度を検出するための検出器（図示せず）や、振動の振幅を検出するための検出器等の制御装置を設ける。この検出器からの信号でシステムへフィードバックを与え、システムの少なくとも一つのパラメーターを変更する。臨界速度はフォイルの剛性及び重心の位置に依存するので、これらのパラメーターは、例えばばねの有効剛性や錘の有効重心を変更することによって、若しくは各サブシステムの前縁及び後縁に別個に取りつけた発電機のインピーダンスを変更することによって、つまり偶数及び奇数のエアロフォイルの各サブシステム自体を、前縁ロッド又はケーブルと後縁ロッド又はケーブルと、これらを接続したエネルギー転換装置全体の残りの部分とを含む、それぞれ二つの「サブ」サブシステムから構成することによって、変更することができる。
上記では、エネルギー転換装置に関するパラメーターを制御するが、フォイルに一定の速度が連続的に適用されるように、流体速度の変動を制御するのも本発明の範囲内である。
図７は、はずみ車を使用してシステムに慣性を与える一つの方法を示す。先の図面と同じ参照番号を用いて、連結ロッド又はケーブル８ｅ、８ｏ、９ｅ、９ｏは、それぞれ前縁及び後縁の「サブ」サブシステムのためのシャフト１５ｅ、１５ｏ、１６ｅ、１６ｏに連結される。この連結は、堅固な連結ロッドの場合には歯車で行い、可撓性ケーブルの場合にはチェーン−スプロケットで行う。このケーブルは、引張り力と圧縮力の両方を伝達できるように予め付勢しておく。これらのシャフトは次に、サブシステムの動作と同じ振動数で回転する重いはずみ車１７ｅ、１７ｏ、１８ｅ、１８ｏに連結される。これら大型はずみ車は次に、歯車によって一組の小型はずみ車１９ｅ、１９ｏ、２０ｅ、２０ｏに連結され、これらの小型はずみ車は半径が異なるため、サブシステムの振動数の倍数で回転する。小型はずみ車には、アーム２３ｅ、２３ｏ、２４ｅ、２４ｏ上に延長する追加の錘２１ｅ、２１ｏ、２２ｅ、２２ｏが取りつけられ、この錘はサブシステムにより大きな慣性を与え、この錘のアーム上での位置を制御してサブシステムの有効慣性を変更することができる。支持フレーム及びもしあったとしても他のフォイルは、連結及びはずみ車を強調するために、示していない。
図８は、上記図７で説明したはずみ車と錘の組合せを、前縁「偶数」フォイル「サブ」サブシステムについてさらに詳細に示す。シャフト１５ｅは大型はずみ車１７ｅを駆動し、この大型はずみ車は、アーム２３ｅ上に設けた錘２１ｅを備える小型はずみ車１９ｅに歯合してこれを駆動する。この実施態様の大型はずみ車はまた、ピン２７ｅを介して連動機構２５ｅにも連結している。連結アームがクランクシャフト２９ｅを回転させ、発電機３１ｅを駆動する。この組合せを、前縁奇数フォイル「サブ」サブシステム、後縁偶数「サブ」サブシステム、及び後縁奇数「サブ」サブシステムについて繰り返す。
図9は、サブシステムに慣性を追加するための別の方法を示す。連動機構は、この場合には「偶数」前縁フォイルに連結する堅固なロッド８ｅであるが、この機構をピン３３ｅによって第二ロッド３５ｅに取りつけ、この第二ロッドはクランクシャフト２９ｅを回転させ、このクランクシャフトは同じクランクシャフト上にあるはずみ車３７ｅと共に発電機３１ｅを回転させる。この図において、明瞭に示すためにはずみ車は発電機の後ろに位置しているが、代表的には発電機の前に配置する。
ＯＣＰＳのさらに別の実施態様を、同様なエレメントを同様な参照番号で指して、図１０に示す。先の実施態様では、フォイルは横軸周りの揺動方向及び並進動方向に自由に動くことができたが、この実施態様ではフォイルは横軸周りの揺動方向にのみ自由に動くことができ、別個のフラップ３９1、３９2、３９3等を各フォイル２1、２2、２3等に枢動的に連結して、自由度を２とする。各フォイルには近位端にピン４０1、４０2、４０3を設け、遠位端にピン４１4、４１2、４１3を設けて、支持構造体１にフォイルを載置する。これらのピンは横軸周りの揺動方向の動きを許容するが、フォイルを支持して並進動方向の動きは防止する。フラップは、ばね付勢することによって、静止時には図面に示す位置に確実に配置するが、フォイルが横軸周りの揺動方向に振動すると、流体流の流体動的力によって動くようにしてもよい。前縁及び後縁、偶数及び奇数フォイルそれぞれに取りつけた一組のロッド８ｅ及び８ｏ、９ｅ及び９ｏは、サブシステムを相互に連結する。明瞭に示すために、この図面には代表的なフォイルの組のみを示す。図１１はフォイルの断面を示す。
図１２は、同様なエレメントを同様な参照番号で示した、本発明のさらに別の実施態様を示す。先の実施態様においては、ＯＣＰＳは二つのフォイルサブシステムを含み、これらは互いに実質的に１８０度異なる位相で動くものであった。隣接するフォイル間が距離ｓだけ離れていて、且つ互いに１８０度異なる位相で振動する二つのサブシステムは、対称性のためにｓ／２において非外乱流を生じるので、外乱を受けていない状態で、一対の平板の間に両方から等間隔のところに配置した単一フォイルは、無限翼列として機能することがわかる。フォイルの翼列の代わりに、フォイルの上下ｓ／２のところに平板を配置すると、これと同じタイプの流れが生じる。これは以下の説明から明らかである。
隣接するフォイル間が距離ｓだけ離れている、互いに１８０度異なる位相で振動する二つのサブシステムの場合には、流体はｓ／２、つまり隣接するフォイル間の中間点では、外乱を受けない。フォイルの翼列の代わりに、単一フォイルの上下それぞれｓ／２の位置に平板を配置すると、同じタイプの流れが生じる。従って、図１２では、両端の支持フレームからｓ／２だけ離隔し、フォイル同士は距離ｓだけ離隔しているフォイルの翼列が設けられている。フォイル、ピン、ロッド又はケーブル、フレーム等は上述の通りであり、同じ番号を付してある。しかしながら、薄い平板４３1、４３2、４３3等は、フォイル（静止時）間の中間つまりｓ／２の所に挿入されており、ロッド又はケーブルは板に設けた開口４４に、緊縛されないように通してある。
制限されている各フォイルが無限翼列として機能する、つまり特定のパラメーター群について可能な限り低い臨界速度を有することは明らかである。さらに、各サブシステムはロッドで連結されているので、各サブシステムにおける各フォイルによって吸収されるエネルギーは、単一の実用装置に適用することができる。この実用装置は、二つの発電機システムを含んでいてもよく、一方は前縁に、他方は後縁に接続して、発電機システムの各インピーダンスを変更することによって動作を制御する方法を提供する。
同様に、本発明では自由度を２に限定する意図はないので、上記全ての実施態様では、自由度を3以上とするように構成することができることがわかるであろう。例えば、横軸周りの揺動方向及び並進動方向に自由に動くことができるフォイルと組合せてフラップを設け、自由度３のＯＣＰＳを提供することもできる。
操作において、ＯＣＰＳは流体流に付される場所に設置する。その後、流体の速度に基づいて、流体速度がシステムの臨界速度となるように種々のパラメーターを調節する。次いで、少なくとも一つのフォイルに外乱を加え、調波振動を開始させ、実用装置で流体流からのエネルギーを利用し、このエネルギーを電気エネルギーの発生やポンプ作動等の有用な仕事に転換する。制御システムを設けるので、流体速度の変化を検出し、主な速度によるフラッタによって調波振動を継続させるように、システムは自動的に調節される。
上述の通り、本発明を、動いている流体流のみによって駆動して、有用な仕事を行うフォイルの翼列を含むものとして説明してきた。しかしながら、速度Ｖで動いている流体流による推進力を増加させるために、翼列を機械的にも振動させてもよい。I.E. Garrickの１９３６年の論文によれば、単一のエアロフォイルを動いている空気の流れの中で振動させると、負の抗力が得られる。図１３はこの現象を示すグラフである。縦軸は、単位時間当たりの平均仕事量（ＰｘＶ）と、空気力学的力と横軸周りの揺動モーメントに抗して振動を維持するための単位時間当たりの平均仕事量（Ｗ）との比を示す。横軸は、無次元的関係Ｖ／（Ｗｂ）を示し、Ｗは純粋な並進動における振動数、ｂは翼弦を示す。曲線１０４は、Ｓ／Ｃが無限大である場合の単一エアロフォイルの純粋な並進動に関するGarrickの発見を表している。Ｓ／Ｃが１／３である翼列については、曲線１０５で表している。例えば、Ｖ＝１０フィート／秒、ｂ＝１／２フィート、Ｗ＝４０ｒａｄ／秒とすると、Ｖ／（Ｗｂ）＝１／２である。図１３より、単一フォイルの場合には（Ｓ／Ｃ＝∞）、（ＰｘＶ）／Ｗ＝０．５３であり、翼列の場合には（Ｓ／Ｃ＝１／３）、（ＰｘＶ）／Ｗ＝０．９であることがわかる。従って、翼列を動いている流体流によって振動させると、生じる推進力エネルギーの効率は、単一フォイルの場合の約１．７倍となる。翼列を純粋な横軸周りの揺動で振動させる、又は横軸周りの揺動と並進動との組合せで振動させる、若しくはフラップを単独で、又は横軸周りの揺動及び／又は並進動と組合せて設けることにより、同様な効率の向上が見られる。翼列はここでは翼列を設置した流体の推進力を補助するためのみに使用しているので、フラッタ及び臨界速度は重要なファクターではない。
図１４及び図１５は、動いている流れの推進力を増加させるための本発明の実施態様を示している。図１４は、導管４７を通してポンプ送りされる流体流４６中に、二つのサブシステム（偶数と奇数）を規定するように配置したフォイル４５1、４５2、４５3等の翼列を示す。サブシステムは、二つの機械的駆動源４８1、４８2によって、純粋な並進動で互いに１８０度異なる位相で振動させる。駆動源は、他のＯＣＰＳ等どのような形式のものでもよい。従って、フラッタで流体によって駆動される翼列を使用して、フォイルを振動させるための機械的動きを発生させることも、本発明の範囲内である。このような構造では、第一の翼列を臨界速度に維持されている第一の流体流中に設け、これを使用して第二の翼列を振動させ、第二の流れの推進力を高める。
図１５は、動いている流れの推進力を高めるための装置の別の実施態様を示す。先の図と同様に、流体流４６は導管４７を通してポンプ送りされ、フォイルは二つのサブシステムに配列されている。各サブシステムは、二つの機械的駆動装置源４８1、４８2の一方に応答し、互いに１８０度異なる位相で操作される。この実施態様において、各サブシステムは横軸周りの揺動と並進動の両方で振動する。
上述したように、拘束流体の対向壁から等間隔の所に配置された単一フォイルは無限翼列として作用するので、単一フォイルを拘束流体中で振動させ、推進力を高めることができる。図１４及び図１５に示すフォイルの翼列は拘束流体中に配置するように示されているが、このような翼列を、例えば河川や風の流れ等の自然に流れる非拘束流体流中で使用することも、本発明の範囲内である。
上述のとおり本発明及びその改良例を、好ましい形態を特に参照して説明してきたが、添付請求項によって規定される本発明の元来の範囲から逸脱することなく、種々の変更及び改変を行うことができることは、本発明を理解した、本発明が属する技術の当業者には明らかである。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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