(57)【要約】  建物または坑換気排気からエネルギーを生成するための装置及び関連する方法を、本明細書において開示する。一実施形態において、換気排気からエネルギーを抽出するための装置は、少なくとも部分的に翼（例えば、ＮＡＣＡまたはＳＧ６０ＸＸ翼）である、複数のタービンブレードを有する、タービンロータを含む。流れ調整器は、排気をタービンに方向付けるように位置付けられ得る。一部の実施形態において、タービンロータは、高いＲＰＭで回転するように構成され得る。したがって、タービンの回転シャフトは、介在ギアボックスを伴うことなく発電機と接続させることができる。一部の実施形態において、発電機によって生成される電気は、換気システムのエネルギー消費を補正するように、建物または坑の電気配線に直接送給することができる。
2017520703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
換気排気からエネルギーを抽出するためのエネルギー回収装置であって、
複数のタービンブレードを有するタービンロータであって、前記タービンブレードが、少なくとも部分的に翼である、タービンロータと、
排気流を前記タービンに方向付けるように位置付けられる、流れ調整器と、
前記タービンを発電機と接続させる、回転シャフトと、
を備え、
前記流れ調整器が、前記排気流の出口から流れ方向においてオフセットされることを特徴とする前記エネルギー回収装置。
【請求項２】
前記タービンブレードが、少なくとも部分的にＮＡＣＡ翼であることを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項３】
前記ＮＡＣＡ翼が、ＮＡＣＡ  ４４１５翼であることを特徴とする請求項２に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項４】
前記タービンブレードが、少なくとも部分的にＳＧ６０ＸＸ翼であることを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項５】
前記ＳＧ６０ＸＸ翼が、ＳＧ６０４３翼であることを特徴とする請求項４に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項６】
前記タービンロータが、２つのタービンブレードを有することを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項７】
前記タービンロータが、４０％超の電力係数を有することを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項８】
前記タービンブレードが、固定ピッチを有することを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項９】
前記タービンブレードが、概して、以下の不等式に従う、ツイスト角度（θ）を有し、
【数１】
2017520703.tif 000009
式中、Ｒは、前記タービンブレードの総スパンであり、ｒは、前記総スパンに沿った場所であることを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項１０】
前記タービンブレードが、概して、以下の不等式に従う、コード（ｃ）を有し、
【数２】
2017520703.tif 000010
式中、Ｒは、前記タービンブレードの総スパンであり、ｒは、前記総スパンに沿った場所であることを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項１１】
前記タービンロータが、タービンインセット面及び略円錐形のタービンインセット側を有する、タービンインセットを含み、
前記回転シャフトが、前記タービンインセット面及び略円錐形のシャフト側に対向するように位置付けられる、シャフト面を含むことを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項１２】
前記流れ調整器が、概して、以下の多項式に従う、流れ方向の外形を有し、
【数３】
2017520703.tif 000011
式中、ρは、中心軸に沿った位置ｘにおける前記流れ調整器の半径であり、Ｄmaxは、前記流れ調整器の入口直径であり、Ｄminは、前記流れ調整器の出口直径であり、Ｌは、前記流れ調整器の深さであることを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項１３】
前記流れ調整器が、前記流れ調整器の入口直径の２５％〜２００％に相当する距離分、前記排気流の前記出口から前記流れ方向においてオフセットされることを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項１４】
前記タービンロータ及び前記発電機のロータが、同じ角速度を伴って回転するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項１５】
電圧変換器を更に備え、前記電圧変換器からの電圧出力が、エネルギーを換気ファンに提供するように構成される配線キャビネットにおける電圧に相当することを特徴とする請求項１に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項１６】
換気排気からエネルギーを抽出するためのエネルギー回収装置であって、
翼に少なくとも部分的に相当する、２つ以上のタービンブレードを有する、タービンと、
排気流を前記タービンに方向付けるように位置付けられる、流れ調整器と、
前記タービンを発電機と接続させる、回転シャフトと、
前記発電機からの第１の電圧を、ファンに電力を提供するために好適な第２の電圧に変換するように構成される、電圧変換器と、
を備え、
前記流れ調整器が、前記排気流の出口から流れ方向においてオフセットされることを特徴とする前記エネルギー回収装置。
【請求項１７】
前記回転シャフトが、約１５００〜３５００ＲＰＭの範囲内で回転するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項１８】
前記第２の電圧が、３相４８０Ｖ電圧であることを特徴とする請求項１６に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項１９】
前記タービンブレードが、前方掃引されることを特徴とする請求項１６に記載の前記エネルギー回収装置。
【請求項２０】
空気排気から廃エネルギーを回収するための方法であって、
前記空気排気から流れ調整器の中へ空気の流れを提供することであって、前記流れ調整器が、前記空気排気の出口から流れ方向においてオフセットされる、提供することと、
前記空気流を、前記流れ調整器を通って、複数のタービンブレードを有するタービンロータに方向付けることと、
前記タービンロータを回転させることであって、前記タービンロータが、回転シャフトに取設される、回転させることと、
前記回転シャフト上で発電機を回転させて、電気を発生させることと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記電気を換気（ｖｅｎｔｉａｌａｔｉｏｎ）ファンに好適な電圧に調整することを更に含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記タービンブレードが、少なくとも部分的にＮＡＣＡ系翼であることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記タービンブレードが、少なくとも部分的にＳＧ６０ＸＸ系翼であることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記空気排気から前記流れ調整器までの距離が、少なくとも部分的に流れ調整器の入口直径に基づいて選択されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記タービンが、前記排気流から運動エネルギー束の３０〜５０％を抽出するように構成されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、概して、換気排気のためのエネルギー回収システム、ならびに関連する装置及び方法に関する。具体的には、本技術のいくつかの実施形態は、排気ベントに位置付けられるタービンを使用して、電気エネルギーを生成することを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
空気タービンは、空気から機械的トルクへの運動エネルギーを変換するように構成され得る。具体的には、空気がタービンのブレードを過ぎて流れる際、ブレード上に揚力が創出される。揚力は、ブレードが取設されるシャフトを回転させることができるトルクを創出する。発電機が、例えば、ギアボックスを介して駆動シャフトに連結されるとき、シャフトの回転は、電気エネルギーを発生させる。したがって、空気タービン及び発電機の組み合わせは、空気流から（即ち、風から）エネルギーを抽出して、電気エネルギーを生成することができる。風タービンは、持続可能な方法で、かつ最小の環境汚染を伴って、電気を発生させることができるため、かかるエネルギー抽出の既知の利点は、その低い環境影響である。風速は、実際に、広く変動するため、経済的な風タービンは、様々な風速においてかなり効率的であるはずである。したがって、多くの実用規模の風タービンは、風の速度に基づいて、ブレードピッチを調節することによって、風からのエネルギー抽出を最大化するように、可変ブレードピッチを有するタービンブレードを使用する。しかしながら、ブレードピッチを変動させる機構は、高価であり、かつ故障しやすい可能性がある。
【０００３】
空気タービンはまた、コンピュータ、サーバ、坑、及び／または建物の廃空気排気からエネルギーを抽出するために使用することができる。しかしながら、排気から電気エネルギーを生成する多くのかかる従来のシステムは、移動空気からエネルギーを抽出する際に非効率的である。例えば、図１は、コンピュータまたはサーバ１９からの排気に基づいて電気エネルギーを発生させるように構成される従来のエネルギー回収システム１０の部分的に概略的な等角図である。動作中、冷却空気の流れは、コンピュータ上の開口１８を通って排気される。スタンド１２は、タービン１４を冷却空気の空気流経路に保持するように、コンピュータ１９に取設される。シャフト１５は、タービン１４の回転を発電機１６に伝達するように構成される。ここで、開口１８から入って来る冷却空気のいくらかの部分は、例えば、発電機１６が冷却空気の経路において背圧を創出するため、タービン１４を抜出することができる。冷却空気のこの抜出は、例解される従来のシステムの効率性を低減する。
【０００４】
図２は、コンピュータの冷却空気から電気エネルギーを生成するための別の従来のシステム２０の部分的に概略的な等角図である。この配設において、シュラウド２７は、コンピュータ２９の冷却空気排気（図示せず）上に直接取設される。タブ２３は、シュラウド２７をコンピュータ２９に取設するために使用される。タービン（図示せず）は、シュラウド２７の内側に位置付けられ、発電機２１に取設される。冷却空気がコンピュータ２９を出る際、それは、シュラウドに進入し、シャフトを通って発電機２１と接続されるタービンを回転させ、タービン２１とシュラウド２７との間の空間を通って排気する。システム２０は、空気流損失を最小化させるように構成されるが、発電機、及びシュラウド２７の内側のタービンは、著しい背圧を発生させることができ、これは、冷却空気の流れを低減させる。
【０００５】
図３は、建物または坑の廃空気から電気エネルギーを生成するための従来のシステム３０の部分的に概略的な断面図である。動作中、廃空気の流れ３１は、換気または空調システムによって典型的に生成される。流れ３１は、シュラウド３７に進入し、シャフト３５上に装着される一対のタービン３４に向かって方向付けられる。廃空気は、出口シュラウド３３ａを通ってシステム３０から排気される。タービン３４を通過する排気の量は、シュラウド３３ａと３３ｂとの間の横方向オフセットを通じて調節することができる。例えば、シュラウド３３ａと３３ｂとの間の横方向オフセットを増加させることは、タービン３４に到達する前に、より多くの空気が抜出することを可能にする。シャフト３５からの回転エネルギーは、一対のプーリ３２ａ及び３２ｂ、ならびにベルト３８を通って、発電機３６に伝達される。システム３０において、発電機３６は、流れ３１の空気流経路内になく、したがって、背圧は、発電機３６によって典型的に増加しない。しかしながら、タービン３４の比較的高い堅牢性（即ち、空気流経路内の比較的大きくかつ多数のタービンブレード）は、シュラウド３７及び更なる上流における背圧を増加させる。システム３０に伴う別の欠点は、プーリ／ベルト伝送が、典型的に、タービンシャフト配設に対して、発電機の直接シャフトマウントよりも小さいトルク伝達能力及び高い機械的損失を有するということである。更に、従来のシステム３０は、比較的大きい数の従来のタービンブレードを含む。かかるブレードは、空気流をトルクに伝達する際、比較的非効率的であり、したがって、システム３０の全体の効率性に悪影響を及ぼす。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本開示の多くの態様は、以下の図面を参照してより良好に理解することができる。図面中の構成要素は、必ずしも縮尺通りではない。代わりに、本開示の原理を明確に例解することが重要視される。更に、構成要素は、例解の明確性のみのために、ある図面において透明として図示され得、例解される構成要素が必ず透明であるということを示すものではない。
【０００７】
【図１】従来の技術に従って構成されるエネルギー回収システムの部分的に概略的な等角図である。
【図２】従来の技術に従って構成される別のエネルギー回収システムの部分的に概略的な等角図である。
【図３】従来の技術に従って構成されるエネルギー回収システムの部分的に概略的な断面図である。
【図４】本技術に従って構成されるエネルギー回収システムの部分的に概略的な側面図である。
【図５】図４のタービンアセンブリの等角図である。
【図６Ａ】図４のタービンロータの等角図である。
【図６Ｂ】本技術に従って構成されるタービンブレードの断面図である。
【図７】本技術の実施形態に従って構成されるタービンブレード及びシャフトの部分的な断面図である。
【図８】本技術の実施形態に従う流れ調整器の断面図である。
【図９】本技術に従って構成されるタービンに対する先端速度比率の関数として電力係数及びトルク係数を例解するグラフである。
【図１０】本技術に従って構成されるタービンに対する角速度の関数として理論的及び測定された電力を例解するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本技術は、概して、高流量排気のためのエネルギー回収システム、ならびに関連する装置及び方法に関する。例えば、排気された空気は、建物または坑の空調または換気システムから出て来ている場合がある。具体的には、本技術の一部の実施形態は、略一定の速度の排気空気流のために最適化されるタービンブレードを有するシステムを対象とする。例えば、少なくとも一部の実施形態において、固定空気速度で動作するように特別に設計されるタービンブレードは、様々な速度にわたって動作するように最適化されるタービンブレードよりも優れた効率性を有し得る。更に、本技術の一部の実施形態において、タービンブレードのピッチ角度は、固定され得る。この配設は、タービンブレードのピッチ角度を変更するための追加の機構に対する必要性を排除することが予想される。一部の実施形態において、タービンは、ＮＡＣＡまたはＳＧ６０ＸＸ翼（「ＳＧ６０」は、翼系を識別し、「ＸＸ」は、系の特定のメンバを指す）のいずれかに基づく、２つのブレードを有することができる。
【０００９】
本技術に従って構成されるタービンは、１０を超過する先端速度比率（即ち、ブレードの先端の速度対風速の比率）で動作することができるが、ほとんどの従来の風タービンは、５〜７の先端速度比率で動作する。本技術の一部の実施形態において、タービンは、排気の運動エネルギーをタービン仕事に変換する上で約３０％〜５０％の効率性を達成することが予想される。更に、本技術の比較的厚いタービンブレードは、排気中に通常存在する塵埃及び他の粒子の蓄積に対してあまり敏感ではないことが予想される。更に、ブレードの厚さにより、ブレードは、安価な技術及び材料（例えば、圧縮成形）を使用して作製することができる。
【００１０】
本技術の一部の実施形態において、流れ調整器は、（ａ）排気の流れをタービンに向かって方向付け、（ｂ）タービン周囲の空気抜出を低減させるために、使用することができる。例えば、流れ調整器及びタービンは、依然として排気から出て来るほとんどの空気をタービンに向かって方向付けつつ、空気流源から離れて位置付けることができる。本技術の一部の実施形態において、タービンは、発電機の入力ＲＰＭ（例えば、１，５００〜３，５００ＲＰＭ）に一致する、比較的高い角速度（毎分回転数またはＲＰＭ）で動作することができる。これは、タービンのシャフト及び発電機を接続するギアボックスに対する必要性を排除することが予想される。一部の実施形態において、発電機は、建物または坑の電気システムへの直接送給（直接接続）に好適な電圧／周波数で電気を出力するように構成され得、それによって、供給される外部エネルギーに対する必要性を低減させる。
【００１１】
本技術のいくつかの実施形態の具体的な詳細は、図４〜１０を参照して本明細書において説明される。実施形態のうちの多くが、建物または坑排気からエネルギーを生成することに関して以下で説明されるが、他の用途は、本技術の範囲内である。更に、本技術の他の実施形態は、本明細書において説明されるとは異なる構成、構成要素、または手順を有することができる。例えば、他の実施形態は、本明細書において説明されるものを超える追加の要素及び特性を含むことができるか、または他の実施形態は、本明細書において図示及び説明される要素及び特性のうちのいくつかを含まなくてもよい。
【００１２】
Ａ．エネルギー回収システムの選択された実施形態
図４は、本技術の実施形態に従って構成されるエネルギー回収システム１００（「システム１００」）の部分的に概略的な側面図である。システム１００は、建物または坑の排気ダクト１１８から出て来る排気流１４０からエネルギーを抽出するために構成される。システム１００は、例えば、複数のタービンブレード１２６を有する、タービンロータ１４５を含む、タービンアセンブリ２００を含むことができる。以下で更に詳細に説明されるように、タービンブレード１２６は、翼を備える。システム１００はまた、排気流１４０をタービンロータ１４５に方向付けるように位置付けられる流れ調整器１２４と、タービンロータ１４５を発電機１５０と接続させる回転シャフト１２９と、を含むことができる。
【００１３】
排気流１４０は、空調または換気システムによって提供することができるが、それはまた、異なる源から来ることができる。排気ダクト１１８から出て来る排気流１４０は、地面（図示せず）に対して水平、垂直、または別の角度であり得る。排気流１４０は、ファンモータ１１４によって給電されるファン１１６によって提供することができる。排気流１４０は、ほとんどの部分が、一定またはほぼ一定の速度によって特徴付けられる。明確性のために、単一のファン１１６のみが図示されるが、システム１００は、いくつかの追加のファン１１６、ならびに換気または空調システムの一部としての他の換気または空調構成要素を含んでもよいことが理解されよう。ファンモータ１１４は、ファンモータ１１４に電力を提供するように構成される配線キャビネット１１０に接続される電気フィード１１２を通じて電力を受容するように構成されてもよい。
【００１４】
動作中、排気ダクト１１８を出ると、排気流１４０は、流れ調整器１２４に向かって流れるジェット１４２に発達する。本技術の一部の実施形態において、流れ調整器１２４は、距離Ｌ分、排気ダクト１１８の出口からオフセットされ得る。一部の実施形態において、距離Ｌは、流れ調整器の入口直径の２５％〜２００％に相当してもよい。流れ調整器１２４は、下流タービンロータ１４５に向かって、排気流１４０の流れを方向付ける及び濃縮するように位置付けられる。
【００１５】
先で記載されるように、タービンロータ１４５は、２つ以上のタービンブレード１２６を有することができる。少なくとも一部の実施形態において、タービンブレード１２６は、ＮＡＣＡ翼またはＳＧ６０ＸＸ翼（例えば、ＮＡＣＡ４４１５翼、ＳＧ６０４３翼）に基づき得る。しかしながら、他の実施形態において、タービンブレード１２６は、他の構成を有してもよい、及び／またはタービンロータ１４５は、異なる数のタービンブレード１２６を含んでもよい。
【００１６】
本技術の少なくとも一部の実施形態において、タービンシャフト１２９の回転は、タービンシャフト１２９の回転（ＲＰＭ）の速度を変更するために、追加のギアボックスまたは類似のデバイスに対する必要性を伴うことなく、タービンシャフト１２９の回転（ＲＰＭ）が、発電機１５０に、必要とされる周波数及び相の電圧を生成させるように、特定の発電機に一致させることができる。更に、発電機１５０によって生成される電気エネルギーは、電圧調節器１６０において更に調整される。一部の実施形態において、例えば、電圧調節器１６０は、配線キャビネット１１０の入力電圧及び相、例えば、３相、４８０Ｖ電圧に相当する電圧／相を生成することが可能な変圧器であり得る。他の実施形態において、電圧調節器１６０は、他の目的に好適な電圧／相（例えば、他の線間電圧）を生成することができる。電圧調節器１６０から出て来る電気が、線１７０を通って配線キャビネット１１０と電気的に連結される配設において、建物または坑空調及び／または換気システムのエネルギー消費の少なくとも一部分は、システム１００によって提供することができる。この配設は、空調及び／または換気の全体のエネルギー消費を低減させることが予想される。
【００１７】
図５は、図４のタービンアセンブリ２００の等角図である。図５において最良に見えるように、タービンアセンブリは、水平または略水平方向において、空気の排気流（例えば、図４の排気流１４０）を受容するために構成される。排気流は、流れ調整器１２４によって、タービンロータ１４５に向かって方向付けることができる。タービンロータ１４５は、タービンブレード１２６と、メッシュ１８１によって少なくとも部分的に保護することができるタービンハブ１２７と、を含むことができる。先で記載されるように、タービンロータ１４５は、２つのタービンブレード１２６を含むが、他の実施形態において、タービンロータ１４５は、異なる数のタービンブレード１２６を含んでもよい。また上で記載されるように、本技術の少なくとも一部の実施形態において、タービンロータ１４５の回転は、いかなる追加の機器、例えば、タービンのシャフト及び発電機を接続するギアボックスを伴うことなく、発電機１５０に直接伝達することができる。タービンアセンブリ２００は、水平表面（例えば、建物の平屋根）にアセンブリ２００を固設するように構成される、タービンマウント１８０を含むことができる。他の実施形態において、タービンアセンブリ２００は、異なる特性を含んでもよい、及び／または異なる配設を有してもよい。一部の実施形態において、例えば、タービンアセンブリ２００は、垂直の及び／または傾斜した排気流のために構成されてもよい。
【００１８】
図６Ａは、図４及び５のタービンロータ１４５の等角図である。本技術の少なくとも一部の実施形態において、タービンブレード１２６は、例えば、圧縮成形を使用して、単一の材料片から製造することができる。比較的厚いタービンブレード１２６は、排気流内の塵埃及び他の粒子に対してより低い敏感性を有することが予想される。比較的小さい幅を有する比較的小さい数のタービンブレード（例えば、２つのブレード）は、タービンロータ１４５の低い堅牢性をもたらす。他の全てが同じに維持されるとき、タービンの低い堅牢性は、その効率性を改善する。角度θは、タービンブレード１２６のツイスト角度を示す（かつ表１を参照して以下でより詳細に述べられる）。図６Ａにおいて最良にみられるように、各タービンブレード１２６は、全スパンＲを有する。要素「ｒ」は、中心線１２８と全スパンＲとの間のタービンブレード１２６上の場所を示す。一般的に、動作中、排気流は、中心線１２８に略平行な流れ経路に沿ってタービンロータ１４５に近付き、タービンハブ１２７を過ぎて、タービンブレード１２６に向かって進み、これは、次いで、中心線１２８周囲で回転する。一部の実施形態において、タービンブレード１２６は、タービンブレードが、流れの圧力の下で真っすぐになるように、入って来る流れの中へ前方掃引され得、動作時の略真っすぐなタービンブレードをもたらす。タービンブレード１２６の代表的な断面を図６Ｂに示す。
【００１９】
図６Ｂは、図６Ａの線Ａ−Ａに沿って取られたタービンブレード１２６の断面図である。図６Ａ及び６Ｂをともに参照すると、角度αは、翼６００が中心線１２８周囲で回転する際のその角度またはタックを示す（図６Ａ）。翼６００は、前縁１９１と、後縁１９２と、を備える。翼６００はまた、下表面１９４と、上表面１９５と、を含む。コード線「ｃ」は、前縁１９１を後縁１９２と接続する直線である。
【００２０】
上で言及されるように、本技術の一部の実施形態において、翼６００は、ＮＡＣＡ及び／またはＳＧ６０ＸＸ翼系、例えば、ＮＡＣＡ４４１５またはＳＧ６０４３に少なくとも部分的に基づき得る。しかしながら、他の実施形態において、他の好適な翼もまた、使用することができる。これらの及び他の翼の使用は、入って来る排気流の運動エネルギーのタービンシャフトのトルクへの変換において、より優れた効率性をもたらすことが予想される。
【００２１】
一部の場合において、タービンブレード１２６のツイスト角度θ及びコードｃは、タービンロータ１４５の性能を最適化するように、タービンブレード１２６のスパンＲに沿って変化することができる。タービンブレード１２６のスパンＲに沿った場所の関数としてのツイスト角度θ及びコードｃの一部の値を、以下の表１に示す。
【００２２】
【表１】
2017520703.tif 000003
【００２３】
例として、タービンブレードの全体の長さの０〜２５％に相当する（即ち、ｒ／Ｒ＝０％〜２５％）タービンブレード１２６の長さに沿った場所に関して、ツイスト角度θは、１０°〜３０°であり得るが、タービンブレードの長さに対するコードの比率（即ち、ｃ／Ｒ）は、８．５％〜２５％であり得る。タービンロータ１４５の中心線１２８から離れると、例えば、タービンブレード１２６の長さの２５％〜５０％において、ツイスト角度θは、１°〜１０°であり得るが、コード対タービンブレード１２６の長さの比率は、４．５％〜８．５％であり得る。タービンブレード１２６の長さの５０％〜７０％において中心線１２８からなお更に離れると、ツイスト角度θは、（−１．５）°〜１°であり得るが、タービンブレード１２６の長さに対するコードの比率は、３％〜４．５％であり得る。最後に、タービンブレード１２６のスパンの７０％〜１００％において、ツイスト角度θは、マイナスの範囲、例えば、−（１）°〜−（１．５）°であり得、コード対タービンブレード１２６の全長の比率は、０％〜３％であり得る。表１中のθ及びｃ／Ｒの値は、以下の不等式１及び２に示されるように、ｒ／Ｒの関数として計算することができる。
【００２４】
【数１】
2017520703.tif 000004
【００２５】
タービンブレードの長さに沿ったθ及びｃ／Ｒの上の組み合わせは、略一定の速度の排気流に対する、タービンの改善された効率性をもたらすことが予想される。例えば、本技術の一部の実施形態において、ツイスト角度、及びコード対タービンブレードの長さの比率の上の組み合わせは、約３０％〜約５０％の範囲のタービンの全体の効率性をもたらすことが予想される。対照的に、従来の風タービンは、一般的に、約３０％以下の全体の効率性を有する。タービンブレード１２６が、他の実施形態において、異なる配設及び／または寸法を有してもよいことが理解されよう。
【００２６】
図７は、本技術の実施形態に従って構成される、タービンロータ１４５の配設の部分的な断面図である。例解される実施形態において、タービンシャフト１２９及びタービンロータ１４５は、中心線１２８周囲に中心化される。タービンロータ１４５は、タービンシャフト１２９の端部を受容するように構成される、タービンインセット１３０ａを含むことができる。タービンインセット１３０ａは、略円錐形のタービンインセット側１３１ａを含むことができる。タービンシャフト１２９はまた、タービンインセット側１３１ａに補助的な相当する略円錐形シャフト側１３１ｂを含むことができる。タービンインセット１３０ａの配設、及びタービンシャフト１２９の端部の形状は、タービンシャフト１２９に対してタービンロータ１４５を中心化するのに役立つように設計される。他の実施形態において、タービンインセット側１３１ａ及びシャフト側１３１ｂは、多様な他の好適な補助的形状（例えば、円筒形、半球形、または他の形状）を有してもよい。
【００２７】
図８は、本技術の実施形態に従って構成される、図４及び５の流れ調整器１２４の断面図である。例解される流れ調整器１２４は、収束流れ調整器である。動作中、空気流１４４は、流れ調整器１２４に、その入口（より大きい直径Ｄmaxを伴う）において進入し、出口（下流直径Ｄminを伴う）に向かって、空気流経路に沿って進む。流れ１４４は、圧力が流れ調整器１２４の中心線に沿って減少するにつれて、加速する。一部の実施形態において、タービンロータ（図示せず）は、流れ調整器１２４の出口に近接して位置付けることができる。流れ調整器１２４は、半径ρ及び深さＬを含む。中心軸に沿った位置ｘにおける半径ρは、圧力損失を最小化するのに役立てるように、及び流れ調整器１２４の効率性を改善するように、例えば、以下の方程式３を使用して、選択することができる。
【００２８】
【数２】
2017520703.tif 000005
【００２９】
例解される実施形態において、半径ρは、左から右に、即ち、流れ調整器１２４の空気流入口から空気流出口に、非線形に減少する。しかしながら、他の実施形態において、半径ρは、異なるパラメータを使用して選択されてもよい。
【００３０】
図９は、本技術に従って構成されるタービンに対する先端速度比率の関数として電力係数及びトルク係数を例解するグラフである。グラフにおいて、先端速度比率は、水平軸上にあり、電力係数（Ｃp）及びトルク係数（ＣT）は、垂直軸上にある。先端速度比率は、タービンブレードの先端の速度対入って来る空気速度の比率を表す。グラフの水平軸上の先端速度比率範囲は、ゼロ（タービンが回転しないことを意味する）〜約１９（タービンブレード先端の速度が、入って来る排気の速度よりも約１９倍大きいことを意味する）の範囲である。理論によって束縛されることを望むことなく、電力係数は、単位時間当たりの、入って来る空気流から抽出されるエネルギー及び入って来る空気流中の総可用運動エネルギーの比率として理解され得る。同様に、トルク係数は、タービンシャフトにおいて測定されるトルク対入って来る空気の流れから理論的に抽出可能な最も高いトルクの比率として理解され得る。本技術の１つの特定の実施形態において、線２５５は、タービンに対する最大電力係数が約４７％であり、約１０．５の先端速度比率において達成されることを示す。線２４５は、約５０％においてこの実施形態に対する最大トルク係数を示し、約７．５の先端速度比率において達成される。本技術に従って構成されるタービンによって達成されるピーク効率性先端速度比率とは対照的に、典型的な従来のタービンは、領域６０内で動作する。先端速度比率は、領域６０の下、約５〜７であり、かかる従来のタービンに対するピーク電力係数及びトルク係数に対して、ブレード先端の相応に低い速度をもたらす。
【００３１】
図１０は、本技術に従って構成されるタービンに対する角速度の関数として理論的及び測定された電力を例解するグラフである。グラフにおいて、角速度（ＲＰＭ）は、水平軸上にあり、電力（Ｗ）は、垂直軸上にある。例えば、グラフは、約１０ｍ／ｓ〜約１７ｍ／ｓの範囲の入って来る排気流のいくつかの速度における、理論的及び測定された結果を含む。１つの特定の実施形態において、排気流から抽出される電力は、排気の速度とともに増加し、約１７ｍ／ｓの最も高い測定された排気速度に対して約１，６００ワットに到達する。入って来る排気の速度の固定値に関して、タービンによって発生される電力は、その角速度とともに変化する。入って来る排気の測定された速度のうちのほとんどに関して、最大電力抽出は、１，５００〜３，５００ＲＰＭで生じ、これは、介在ギアボックスに対する必要性を伴うことなく、タービンシャフト及び発電機の直接接続に好適な角速度である。測定された電力（記号によって図示される）は、一般的に、排気の所与の速度に対するタービン電力（線によって図示される）の理論的値に十分に相当する。より低い範囲の排気速度（例えば、約１０ｍ／ｓ〜約１４ｍ／ｓの範囲）に関して、測定された電力の値は、それらの相当する理論的値よりも高い、または排気流の所与の速度に対するピーク電力に近接する傾向がある。入って来る排気流の最も高い速度（１７ｍ／ｓ）に関して、測定された電力の値は、それらの理論的対応値よりもいくらか低い、またはほぼピーク電力である傾向がある。
【００３２】
Ｂ．実施例
１．換気排気からエネルギーを抽出するためのエネルギー回収装置であって、
複数のタービンブレードを有するタービンロータであって、前記タービンブレードが、少なくとも部分的に翼である、タービンロータと、
排気流を前記タービンに方向付けるように位置付けられる、流れ調整器と、
前記タービンを発電機と接続させる、回転シャフトと、を備え、
前記流れ調整器が、前記排気流の出口から流れ方向においてオフセットされる、前記エネルギー回収装置。
【００３３】
２．前記タービンブレードが、少なくとも部分的にＮＡＣＡ翼である、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００３４】
３．前記ＮＡＣＡ翼が、ＮＡＣＡ  ４４１５翼である、実施例２に記載の前記エネルギー回収装置。
【００３５】
４．前記タービンブレードが、少なくとも部分的にＳＧ６０ＸＸ翼である、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００３６】
５．前記ＳＧ６０ＸＸ翼が、ＳＧ６０４３翼である、実施例４に記載の前記エネルギー回収装置。
【００３７】
６．前記タービンロータが、２つのタービンブレードを有する、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００３８】
７．前記タービンロータが、４０％超の電力係数を有する、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００３９】
８．前記タービンブレードが、固定ピッチを有する、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００４０】
９．前記タービンブレードが、概して、以下の不等式に従う、ツイスト角度（θ）を有し、
【００４１】
【数３】
2017520703.tif 000006
【００４２】
式中、Ｒは、前記タービンブレードの総スパンであり、ｒは、前記総スパンに沿った場所である、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００４３】
１０．前記タービンブレードが、概して、以下の不等式に従う、コード（ｃ）を有し、
【００４４】
【数４】
2017520703.tif 000007
【００４５】
式中、Ｒは、前記タービンブレードの総スパンであり、ｒは、前記総スパンに沿った場所である、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００４６】
１１．
前記タービンロータが、タービンインセット面及び略円錐形のタービンインセット側を有する、タービンインセットを含み、
前記回転シャフトが、前記タービンインセット面及び略円錐形のシャフト側に対向するように位置付けられる、シャフト面を含む、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００４７】
１２．前記流れ調整器が、概して、以下の多項式に従う、流れ方向の外形を有し、
【００４８】
【数５】
2017520703.tif 000008
【００４９】
式中、ρは、中心軸に沿った位置ｘにおける前記流れ調整器の半径であり、Ｄmaxは、前記流れ調整器の入口直径であり、Ｄminは、前記流れ調整器の出口直径であり、Ｌは、前記流れ調整器の深さである、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００５０】
１３．前記流れ調整器が、前記流れ調整器の入口直径の２５％〜２００％に相当する距離分、前記排気流の前記出口から前記流れ方向においてオフセットされる、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００５１】
１４．前記タービンロータ及び前記発電機のロータが、同じ角速度を伴って回転するように構成される、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００５２】
１５．電圧変換器を更に備え、前記電圧変換器からの電圧出力が、エネルギーを換気ファンに提供するように構成される配線キャビネットにおける電圧に相当する、実施例１に記載の前記エネルギー回収装置。
【００５３】
１６．換気排気からエネルギーを抽出するためのエネルギー回収装置であって、
翼に少なくとも部分的に相当する、２つ以上のタービンブレードを有する、タービンと、
排気流を前記タービンに方向付けるように位置付けられる、流れ調整器と、
前記タービンを発電機と接続させる、回転シャフトと、
前記発電機からの第１の電圧を、ファンに電力を提供するために好適な第２の電圧に変換するように構成される、電圧変換器と、を備え、
前記流れ調整器が、前記排気流の出口から流れ方向においてオフセットされる、前記エネルギー回収装置。
【００５４】
１７．前記回転シャフトが、約１５００〜３５００ＲＰＭの範囲内で回転するように構成される、実施例１６に記載の前記エネルギー回収装置。
【００５５】
１８．前記第２の電圧が、３相、４８０Ｖ電圧である、実施例１６に記載の前記エネルギー回収装置。
【００５６】
１９．前記タービンブレードが、前方掃引される、実施例１６に記載の前記エネルギー回収装置。
【００５７】
２０．空気排気から廃エネルギーを回収するための方法であって、
前記空気排気から流れ調整器の中へ空気の流れを提供することであって、前記流れ調整器が、前記空気排気の出口から流れ方向においてオフセットされる、提供することと、
前記空気流を、前記流れ調整器を通って、複数のタービンブレードを有するタービンロータに方向付けることと、
前記タービンロータを回転させることであって、前記タービンロータが、回転シャフトに取設される、回転させることと、
前記回転シャフト上で発電機を回転させて、電気を発生させることと、を含む、前記方法。
【００５８】
２１．前記電気を換気（ｖｅｎｔｉａｌａｔｉｏｎ）ファンに好適な電圧に調整することを更に含む、実施例２０に記載の前記方法。
【００５９】
２２．前記タービンブレードが、少なくとも部分的にＮＡＣＡ系翼である、実施例２０に記載の前記方法。
【００６０】
２３．前記タービンブレードが、少なくとも部分的にＳＧ６０ＸＸ系翼である、実施例２０に記載の前記方法。
【００６１】
２４．前記空気排気から前記流れ調整器までの距離が、少なくとも部分的に流れ調整器の入口直径に基づいて選択される、実施例２０に記載の前記方法。
【００６２】
２５．前記タービンが、前記排気流から運動エネルギー束の３０〜５０％を抽出するように構成される、実施例２０に記載の前記方法。
【００６３】
Ｃ．結論
本技術の実施形態の上の詳細な説明は、包括的であること、または本技術を上で開示される正確な形態に制限することを意図しない。本技術の具体的な実施形態、及び実施例が、例解目的で上に説明されるが、当業者が認識するであろうように、種々の同等の修正が、本技術の範囲内で可能である。更に、工程は、所与の順序で提示されるが、代替的な実施形態は、異なる順序で工程を実施し得る。本明細書において説明される種々の実施形態はまた、更なる実施形態を提供するように組み合わされ得る。
【００６４】
上記から、本技術の具体的な実施形態が、例解目的で本明細書において説明されているが、本技術の実施形態の説明を不必要に曖昧にすることを回避するために、公知の構造及び機能は、詳細には図示または説明されていないことが認識されよう。文脈が許容する場合、単数形または複数形の用語はまた、それぞれ、複数形または単数形の用語を含み得る。
【００６５】
更に、「または」という語が、２つ以上の項目の一覧に関連して、他の項目から排他的な単一の項目のみを意味するように明示的に制限されない限り、かかる一覧における「または」の使用は、（ａ）一覧における任意の単一の項目、（ｂ）一覧における項目の全て、または（ｃ）一覧における項目の任意の組み合わせを含むとして解釈されるものとする。更に、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、いずれのより大きい数の同じ特性及び／または追加の種類の他の特性も除外されないように、少なくとも列挙される特性（複数を含む）を含むことを意味するために、全体を通して使用される。具体的な実施形態が、例解目的で本明細書において説明されているが、種々の修正が、本技術から逸脱することなく行われ得ることもまた、理解されよう。更に、本技術のある実施形態と関連付けられる利点が、それらの実施形態の文脈において説明されており、他の実施形態もまた、かかる利点を呈し得、全ての実施形態が、本技術の範囲内にあるように、かかる利点を必ずしも呈することが必要というわけではない。したがって、本開示及び関連する技術は、本明細書において明示的に図示または説明されない他の実施形態を包含することができる。
【図１】
2017520703.tif 000012
【図２】
2017520703.tif 000013
【図３】
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【図４】
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【図５】
2017520703.tif 000016
【図６Ａ】
2017520703.tif 000017
【図６Ｂ】
2017520703.tif 000018
【図７】
2017520703.tif 000019
【図８】
2017520703.tif 000020
【図９】
2017520703.tif 000021
【図１０】
2017520703.tif 000022
【国際調査報告】
2017520703.tif 000023
2017520703.tif 000024
2017520703.tif 000025