JP7599548B2 - 自在プロペラ、操作方法、及びその好適な利用 - Google Patents

Description

本発明は、シャフトに回転可能に取り付けられるハブを備える、新規の自在プロペラに関する。ハブは、互いに対向して配置された２枚の回転翼、又は、互いに星形を形成するよう配置された少なくとも３枚の回転翼を備える。ハブには、回転翼のそれぞれの縦軸が３６０度回転した際に直円錐の周面を描くよう、回転翼が、縦軸の端部において、シャフトの中心軸に対して、角度αをなして配置されている。ハブは、回転翼をその縦軸周りに回転させるタイミングギアを備える。

本発明はさらに、こうした自在プロペラの操作方法及びその好適な利用に関する。

プロペラ（「推進する」を意味するラテン語「ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｅ」に由来）は、一般的には、シャフト周りに放射状に（星形に）配置される羽根（以下では回転翼と称される）を有する動力源としての機械要素である。

流体力学又は空気力学において、流体中に運動を生成するためにプロペラを利用する、あるいは、移動する流体を利用してプロペラを駆動する。流体中の運動への、典型的な適用例としては、船舶のスクリュープロペラとして利用されるプロペラが挙げられる。航空機の場合、プロペラは、エアスクリュープロペラと称されることがある。ヘリコプターの場合、上昇動作によって推進力を得るが、ここでは、ロータという用語が使用される。移動する流体によって駆動されるプロペラの、典型的な適用例としては、風力装置又は水力装置が挙げられる。これらは、推進力や揚力（Ａ）を得るために動力を生成するのではなく、空気の流れや水流から動力を得るという点が異なるものの、同様の原理で機能する。このように利用されるプロペラは、リペラーとも呼ばれる。

風力装置における初期のプロペラは、１１世紀にまで遡るため、約１，０００年の歴史がある。水平軸を有する現代の風力装置（ＨＡＷＴ）においても、風力エネルギーの抗力成分（Ｗ）を消失させ、揚力成分（Ａ）のみを利用して、空気の流れからエネルギーを生み出している。特に、回転翼が２倍になればロータ面積が４倍になるという円の公式からも分かるように、より大きな電力を生み出すため、ロータ直径が次第に巨大化してきた。１９９０年代の終わりごろに新設された施設では、一般的な直径は５０メートル未満であったが、２００３年以降においては、６０メートル～９０メートルのものが主流となった。２０１８年には、平均ロータ直径は１１８メートル、平均ハブ高さは１３２メートルまで巨大化した。しかし、こうした発展に伴い、突風や暴風によって風力装置の損傷事例が増加するというデメリットが生じている。

一方、いわゆるサボニウス型ロータ、つまり、垂直軸風力装置（ＶＡＷＴ）は、ＨＡＷＴ風力装置と比較すると、高さを必要としない設計である分、抗力成分（Ｗ）のみを利用し、揚力成分（Ａ）の全てを無駄にしてしまう。

稼働時、ＶＡＷＴ装置の多くは、特定の風速、例えば、立ち上がり速度又はカットイン速度を上回らないと、費用対効果を発揮できないという問題に直面する。立ち上がり速度を下回ると、ＶＡＷＴ装置は、アイドリング状態になるものの、制御電子機器及びアクチュエータは、例えば、回転翼のピッチングのため、依然として電力を供給する必要があり、装置は継続して電力を消費する。こうした問題に対処するため、特許文献１の風力装置が知られている。該風力装置は、サボニウス型ロータに類似しているが、ソーラーコンバータが回転翼に対して垂直に設けられている。このソーラーコンバータによって、太陽エネルギーが太陽エネルギーとは異なるエネルギー形態に、好ましくは、電気エネルギーに変換される。低風速時、ソーラーコンバータによって生成されたエネルギーを、装置に供給する点において有利である。このため、起動速度を下回っても、電力網から独立したかたちで、上記装置設備を稼働することができる。

ＶＡＷＴ装置における、立ち上がり速度の問題に対する他の解決策として、風や流体の流れに対して、回転翼の整列を最適化することが検討される。こうした目的において、特許文献２では、複数の回転翼を備えるＶＡＷＴ装置が開示されている。一方の回転翼は、回転垂直主軸に対して、３０度～６０度の角度をなしており、また他方の回転翼は、上記装置の空力効率を有利に増加させる、いわゆる「二次誘起流」を生成することを意図した、特別な空気力学的外形を有している。ここでの回転翼は、それ自体が、開示のＶＡＷＴ装置のハブにしっかりと接続されている。一方、特許文献３に開示のＶＡＷＴ装置も知られている。該ＶＡＷＴ装置は、垂直面から角度をつけて形成される回転翼を同様に備えているが、特別な外形ではなく、その材料組成に特徴がある。この回転翼は、柔軟性を有する素材からなり、ある程度の自己調整力を有する。つまり、風圧及びそれ自体の復元力に応じて、ある程度、独立して方向転換ができる。ここでもまた、回転翼は、上述のＶＡＷＴ装置のハブに、しっかりと接続されている。

さらに、特許文献４及び特許文献５に開示されるように、風や流体の流れそれぞれに対して、回転翼の機械的アラインメントを調節するタービン、プロペラ、あるいは装置が知られている。最後に、特許文献６及び特許文献７には、回転垂直軸に対して角度が付けられた回転翼を備えるＶＡＷＴ装置が開示されている。ここで、回転翼の迎角は、風の流れに対し、ある程度、機械的に整列し得る。特許文献６は、独立型の駆動装置、特に、電動モータや空気圧駆動装置を提供するものであり、これにより、回転翼の迎角を変化させる。最後の特許文献７は、同様の目的において、遊星ギアを提供するものである。該遊星ギアは、ハブに配置した回転翼とともに、ハブが３６０度回転する間、回転翼をハブに対して縦軸周りにそれぞれ１８０度回転させるよう構成されている。しかしながら、ここに記載のギア構成では、中央の固定歯車、いわゆる太陽ギアに対する、回転翼に接続された歯車のサイズ比が、２～１に限定されるため、ギア展開が早い段階で巨大化してしまい、さらには、回転翼数が増加すると、ハブのサイズに大きく影響してしまう。場合によっては、ハブ上に回転翼が３枚しかない配置であっても、従来技術におけるギア設計では問題になりうる。

欧州特許出願公開第１６２６１７６号明細書 国際公開第２０１７／１８７２２９号 米国特許第４３５５９５６号明細書 米国特許出願公開第２０１１／００７６１４４号明細書 国際公開第２０１４／１８８２８９号 中国特許出願公開第１０５８６３９５７号明細書 英国特許出願公開第２４９５７４５号明細書

こうした状況に鑑みて、本発明は、従来技術から改善したプロペラを提供することを目的としている。該プロペラは、特に、従来のプロペラと比較して、コンパクトでありながら、同時に、できるだけ多数の回転翼を配置でき、好ましくは、揚力（Ａ）及び抗力（Ｗ）成分の両方を利用し、特に好ましくは、風力又は水力によるエネルギー生成と、船舶又は航空機の駆動との両方に対し、汎用的に好適に利用されるものである。

本目的は、請求項１の特徴を備えた自在プロペラによって実現される。さらなる有利な改良及び発展は、個別に、又は、互いに組み合わせて適用され得るが、従属項において示される。

本発明に係る自在プロペラにおいて、回転翼のそれぞれには、タイミングギアの基準歯車と直接動作的に接続された歯車があり、タイミングギアは、ハブギアと動作的に接続され、ハブギアは、ハブの回転運動の角速度ω_ｎを検知及び処理するよう構成され、Ｓ_ｒｏｔが回転翼の歯車の大きさであり、Ｓ_ｒが基準歯車の大きさとしたとき、基準歯車の角速度ω_ｒの、ハブの回転運動の角速度ω_ｎに対する比が、ω_ｒ／ω_ｎ＝１±（１／２）×（Ｓ_ｒｏｔ／Ｓ_ｒ）を満たすよう、タイミングギアにおける回転翼の基準歯車及び歯車を設計する。以上の点において、自在プロペラは、従来のプロペラとは一線を画すものである。

特に、この場合、歯車の半径、直径、及び／又は、歯数は、それぞれの歯車の大きさを決定するパラメータとして利用され得る。

さらに、本発明の文脈において、「歯車」という用語は、非常に幅広い種類の形状や素材からなる、目視可能な歯を有する従来の歯車だけでなく、いわゆる「フリクションギア」、つまり、互いに接触する非摺動歯車であって、摩擦によって互いを駆動可能なものを含む、と理解されるべきである。

タイミングギアにおける回転翼の基準歯車及び歯車を上述の式に当てはめて設計することにより、従来技術と異なり、タイミングギアにおける回転翼の基準歯車及び歯車の間に、方向歯車を設ける必要性がなくなるため、回転翼の基準歯車及び歯車間の直接動作接続が実現できるという点で有利であり、これにより、さらにコンパクト設計のハブを提供することができる。次に、従来技術と比較すると、上述の式に応じたタイミングギア及びハブギアの相互作用により、タイミングギア歯車で使用される歯車、つまり、回転翼の基準歯車及び歯車に対するサイズ制限を取り除くことができるため、有利である。これによりハブ上に回転翼を３枚以上配置できるだけでなく、ハブの設計を、小型、堅牢、かつフレキシブルなものにできる。したがって、本発明に従って構築した自在プロペラのハブ上に実際に配置される回転翼数は、特に、風力装置、水力装置、船舶又は航空機の動力部等に有利に適用され得る。

さらに、各回転翼の縦軸が３６０度回転すると、直円錐の周面を画定するため、コンパクト設計のプロペラが実現する。これは、各回転翼が、直円錐の周面に沿って回転する際、揚力成分（Ａ）及び抗力成分（Ｗ）の両方を交互に利用できるためである。

本発明の第１改良例では、基準歯車は、タイミングギアの中央に配置され、回転翼の歯車に囲まれていてもよい。こうした「内側構成」の場合、Ｓ_ｒｏｔが回転翼の歯車の大きさであり、Ｓ_ｒが基準歯車の大きさとしたとき、基準歯車の角速度ω_ｒの、ハブの回転運動の角速度ω_ｎに対する比が、ω_ｒ／ω_ｎ＝１＋（１／２）×（Ｓ_ｒｏｔ／Ｓ_ｒ）を満たすよう、回転翼の基準歯車及び歯車を設計することが好ましいとされ得る。「内側構成」により、回転翼の基準歯車及び歯車を、異なる大きさのもので、種々に組み合わせながら、歯車を選択することができ、複数の回転翼をハブ上に配置することができるため、有利である。また、選択される、回転翼の歯車に対する基準歯車の特定のサイズ比は、本発明に係る式を変形し、選択した回転翼数に合わせて、決定され得る。こうした「内側構成」では、基準歯車は、ハブよりも速く回転する。

また、本発明の改良例では、基準歯車は、遊星歯車、リングギア、又は冠歯車として実現することが好ましく、タイミングギアの中央から外れて配置される一方、回転翼の歯車を囲んでいてもよい。こうした「外側構成」の場合、Ｓ_ｒｏｔが回転翼の歯車の大きさであり、Ｓ_ｒが基準歯車の大きさとしたとき、基準歯車の角速度ω_ｒの、ハブの回転運動の角速度ω_ｎに対する比が、ω_ｒ／ω_ｎ＝１－（１／２）×（Ｓ_ｒｏｔ／Ｓ_ｒ）を満たすよう、回転翼の基準歯車及び歯車を設計することが好ましいとされ得る。「外側構成」も、「内側構成」と同様、回転翼数や可能とされる歯車組合わせに関して、柔軟であるが、さらに歯車の摩耗摩擦を低減することができる。上述した、本発明に係る式を変形してものを用いると、「外側構成」の基準歯車は、ハブよりも回転が遅くなる。

本発明のさらなる改良例では、シャフトの中心軸に対して、各回転翼の縦軸がなす角度αは、３０度～６０度、３５度～５５度、又は、４０度～５０度であってもよい。本発明によれば、４５度とすることで、揚力成分（Ａ）及び抗力成分（Ｗ）の両方を最大限利用できる利点があるため、好ましいとされている。

この点において、ハブがシャフト周りに回転した際、第１中継点（Ｔ１）において、各回転翼が自在プロペラに関する３次元座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の垂直平面（ｘ，ｚ）に沿っている場合、有用であることが証明されている。回転翼を、好ましくは、空気流又は水流に対して垂直な垂直平面に整列させると、（理論上の）最大値で抗力成分（Ｗ）を利用できるため、有利である。

この場合、第１中継点（Ｔ１）では、各回転翼の縦軸は、垂直平面（ｘ，ｚ）から最大＋／－１５度の垂直ずれが許容され得る。

さらに、ハブがシャフト周りに回転した際、第３中継点（Ｔ３）において、各回転翼が、自在プロペラに関する３次元座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の水平面（ｘ，ｙ）に沿っている場合、有用であることが証明されている。回転翼を、好ましくは、空気流又は水流に対して平行な水平面に整列させると、（理論上の）最大値で揚力成分（Ａ）を利用できるため、有利である。

この場合、第３中継点（Ｔ３）では、各回転翼の縦軸は、水平面（ｘ，ｙ）から最大＋／－１５度まで水平ずれが許容され得る。

本発明のさらなる好ましい改良例では、各回転翼は、少なくともその一部が、２つの略平面上部を有している場合、有用であることが証明されている。

略平面上部上に、太陽電池を配置することで、太陽エネルギーからさらに発電ができるため、有利である。

本発明のさらなる好ましい改良例では、各回転翼の横縁部が円形又は円錐形である場合、有用であることが証明されている。円形又は円錐形の横縁部は、抗力係数を減少又は最小化するうえで有利である。

回転翼の振動による性能低下を防ぐ目的において、互いに隣接する、及び／又は、互いに対向する回転翼が、ケーブルによって互いに接続されていると有用であることが証明されている。ここで、ケーブルは、中央位置及び端部位置の間、好ましくは、回転翼先端の領域又はそれに隣接した領域で、回転翼に取り付けられ得る。こうしたケーブルにより、回転翼に対してさらなる安定性、支持、そして強度を持たせることができるため、有利である。

本発明は、シャフトの中心軸が、自在プロペラに関する取付座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の水平方向（Ｘ）に対して、０度～３６０度、好ましくは、４５度の角度βをなす取付配置において、特に適している。角度β＝４５度で配置することによって、高台の上、傾斜屋根や平屋根の上、建築物の壁やほぼ垂直な面上であっても、本発明に係る自在プロペラを設置できるため、有利である。従来のマストの取付配置の場合であっても、シャフトの中心軸を、角度β＝４５度で配置することによって、本発明に係る自在プロペラを、マストから離して取り付けることができるため、有利である。これにより、突風や暴風時、既知のＨＡＷＴ装置で普段発生するような、マスト上の回転翼の損傷や破損を防ぐことができるため、特に有利である。

本発明は、さらに、上述の自在プロペラを操作する方法に関する。該方法において、ギア機構によって、縦軸周りの回転翼の回転が、円錐の周面に沿った回転翼の３６０度回転に同期して実行される。

この方法の改良例において、回転翼の、縦軸周りの回転速度が、円錐の周面に沿った回転翼の３６０度回転の速度の半分であると有用であることが、証明されている。したがって、円錐の周面に沿った回転翼の回転速度は、ハブの回転速度、又は、自在プロペラ全体の回転速度と同期している。それに対し、回転翼は、縦軸周りに、好ましくは、円錐の周面に沿った回転翼の３６０度回転の方向とは逆方向に、回転する。これは、回転翼が円錐の周面に沿って３６０度回転する際、常時、揚力成分（Ａ）又は抗力成分（Ｗ）を最大限利用できる整列となるため、有利である。

本発明は、特に、好適な利用として、風力装置、水力装置、船舶又は航空機の動力部等での利用に適している。

本発明の追加の詳細とさらなる利点については、添付の図面と組み合わせて、好ましい実施形態をもとにした説明において、明らかにするものとするが、本発明はこれに限定されるものではない。
概略図は、以下の通りである。
図１は、自在プロペラの斜視図を示す。 図２は、図１の自在プロペラの側面図を示す。 図３は、例として選択した４つの中継点Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４とともに、各回転翼の回転によって形成された円錐を示す。 図４は、丸みを帯びた回転翼先端とともに、自在プロペラの側面図を示す。 図５は、想定される回転翼外形の概要を示す。 図６は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図７は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図８は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図９は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図１０は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図１１は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図１２は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図１３は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図１４は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図１５は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図１６は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図１７は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図１８は、本発明に係る自在プロペラの、種々の取付状況及び特定の用途を示す。 図１９は、従来技術のタイミングギアの一例を示す。 図２０は、「内側構成」としてタイミングギアを備える、本発明のプロペラの改良例を、断面図で示す。 図２１は、「外側構成」としてタイミングギアを備える、本発明のプロペラの改良例を、断面図で示す。

本発明の好ましい実施形態に関する以下の説明において、同一又は同等とみなされる構成要素については、同一の符号を付す。

図１は、自在プロペラ１の斜視図を示す。該自在プロペラ１は、シャフト２０に回転可能に取り付けられるハブ１０を備える。ハブ１０は、互いに対向して配置された２枚の回転翼３０、又は、互いに星形を形成するように配置された少なくとも３枚の回転翼３０を備える。星形に配置された４枚の回転翼３０が設けられたものが、特に好ましい実施形態として、示されている。本発明によれば、ハブ１０には、回転翼３０のそれぞれの縦軸３１が３６０度回転した際に直円錐７０の周面７１を描くよう、回転翼３０が、縦軸３１の端部において、シャフト２０の中心軸２１に対して、角度αをなして配置されている。

図２は、図１の自在プロペラ１の側面図を示す。各回転翼３０の縦軸３１が３６０度回転した際、直円錐７０の周面７１を画定するため、コンパクト設計のプロペラ１が実現することが、この図から理解される。これは、各回転翼３０が、直円錐の周面に沿って回転する際、揚力成分Ａ及び抗力成分Ｗ（太矢印で表示）の両方を交互に利用できるためである。

本発明の改良例において、シャフト２０の中心軸２１に対して、各回転翼３０の縦軸３１がなす角度αは、３０度～６０度、３５度～５５度、又は、４０度～５０度であってもよい。本発明によれば、図示のように、４５度で配置することによって、揚力成分Ａ及び抗力成分Ｗの両方を最大限利用できるため、有利であり、好ましいと証明されている。

この点において、ハブ１０がシャフト２０周りに回転した際、第１中継点Ｔ１において、各回転翼３０が自在プロペラ１に関する３次元座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の垂直平面（ｘ，ｚ）に沿っている場合、有用であることが証明されている。回転翼３０を、好ましくは、空気流又は水流に対して垂直な垂直平面に整列させると、（理論上の）最大値で抗力成分Ｗを利用できるため、有利である。

この場合、第１中継点Ｔ１では、各回転翼３０の縦軸３１は、垂直平面（ｘ，ｚ）（図示せず）から最大＋／－１５度の垂直ずれが許容され得る。

さらに、ハブ１０がシャフト２０周りに回転した際、第３中継点Ｔ３において、各回転翼３０が、自在プロペラ１に関する３次元座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の水平面（ｘ，ｙ）に沿っている場合、有用であることが証明されている。回転翼３０を、好ましくは、空気流又は水流に足して平行な水平面に整列させると、（理論上の）最大値で揚力成分Ａを利用できるため、有利である。

この場合、第３中継点Ｔ３では、各回転翼３０の縦軸３１は、水平面（ｘ，ｙ）（図示せず）から最大＋／－１５度まで水平ずれが許容され得る。

回転翼３０の振動による性能低下を防ぐ目的において、互いに隣接する、及び／又は、互いに対向する回転翼３０が、ケーブル４０によって互いに接続されていると有用であることが証明されている。ここで、ケーブル４０は、中央位置及び端部位置の間、好ましくは、回転翼先端３４の領域又はそれに隣接した領域で、回転翼３０に取り付けられ得る。こうしたケーブル４０により、回転翼３０に対してさらなる安定性、支持、そして強度を持たせることができるため、有利である。

図３は、例として選択した４つの中継点Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４とともに、各回転翼３０の回転によって形成された円錐７０を示す。一般に知られているように、円錐とは、平面内にある限られた連続した表面部のすべての点が、平面外の頂点７２に直線で接続されたときに形成される、幾何学的体である。表面部が、例示のように、円板７３である場合、本体部は円錐７０と称される。頂点７２が、例示のように、円板７３に対して垂直である場合、本体部は直円錐７０と称される。本発明に係る自在プロペラ１の場合、頂点７２は、ハブ１０によって形成される。

自在プロペラ１の改良例では、回転翼３０が選択された中継点Ｔ１乃至Ｔ４を通過すると、（限定はされないが、少なくとも理論上は）以下の抗力Ｗ及び揚力Ａの値を得るため、有利である。

図４は、丸みを帯びた回転翼先端３４とともに、自在プロペラ１の側面図を示す。各回転翼３０は、少なくともその一部が、２つの略平面上部３２を有している場合、有用であることが証明されている。略平面上部３２上に、太陽電池を配置することで、太陽エネルギーからさらに発電ができるため、有利である（図示せず）。また、タイミングギア５０（ここでは、機能的に正確に、又は、実際の縮尺で示されていない）が設けられていることで、回転翼３０を縦軸３１周りに回転可能にしている。本発明に係るタイミングギア５０のより詳細の説明については、２つの改良例をもとに、図１９乃至図２１の参照して説明する。

上述の自在プロペラ１を操作する方法は、タイミングギア５０（図４及び図８では、機能的に正確に、又は、実際の縮尺で示されていない）によって、縦軸３１周りの回転翼３０の回転が、円錐７０の周面７１に沿った回転翼３０の３６０度回転に同期して実行される、という点に特徴がある。

該方法の改良例において、回転翼３０の、縦軸３１周りの回転速度が、円錐７０の周面７１に沿った、回転翼の３６０度回転の速度の半分である場合、有用であることが証明されている。したがって、円錐７０の周面７１に沿った回転翼３０の回転速度は、ハブ１０の回転速度、又は、自在プロペラ１全体の回転速度と同期している。それに対し、回転翼３０は、縦軸３１周りに、好ましくは、円錐７０の周面７１に沿った回転翼３０の３６０度回転の方向とは逆方向に、回転する（回転翼３０の回転方向及びハブ１０の回転方向は、それぞれ、図２に矢印で示されている。これは、回転翼３０が円錐７０の周面７１に沿って３６０度回転する際、常時、揚力成分Ａ又は抗力成分Ｗを最大限利用できる整列となるため、有利である。

図５は、好ましい回転翼外形の概要を示す。ここで、図５ａは、略長方形の回転翼３０を示す。図５ｂに示す回転翼は、丸みを帯びた横縁部３３を備えている点で、異なっている。それに対して、図５ｃは、同様に丸みを帯びた横縁部３３を備える、略菱形の回転翼３０を示す。最後に、図５ｄは、円錐形の横縁部３３を有する、略楕円の回転翼３０を示す。円形又は円錐形の横縁部３３は、抗力係数を減少又は最小化するうえで有利である。さらに、超平坦回転翼３０を使用してもよい。図５ｅ乃至図５ｈは、種々の実施形態を示しており、ここにおいて、安定化のため、回転翼３０の中央及び／又は端部に補剛材３５を設けてもよい。図５ａ乃至図５ｈに示す回転翼３０は、既知の複合繊維材料から構成されていてもよい。また、特に、図５ｅ乃至図５ｈに示す回転翼３０の場合、補剛材３５によって引っ張られる繊維材料も適している。

本発明は、特に、好適な利用として、風力装置（図６乃至図９）、水力装置（図１０乃至図１４）、船舶（図１５）又は航空機（図１６乃至図１８）の動力源等に適している。この場合の好適な取付配置として、シャフト２０の中心軸２１が、水平面に対して、０度～３６０度、好ましくは４５度の角度をなす場合が挙げられる。

図６は、タンデム風力装置の一部としての、２枚の自在プロペラ１の好ましい取付配置
を示す。同図から、マスト８１が自在プロペラ１に関する取付座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の垂
直面Ｚに沿って地面８０から立設する様子が見て取れる。また、マスト８１には本発明に係る自在プロペラ１のハブ１０によってそれぞれ駆動される、発電するよう構成された２基の発電機６０が搭載されている。この場合、シャフト２０の中心軸２１（図示せず）は、水平面Ｘに対して好ましい角度β＝４５度をなして、マスト８１から離間して配置している。回転翼３０の縦軸３１周りの回転、円錐７０の周面７１に沿った回転翼３０の３６０度回転、及び／又は、発電機６０の駆動を同期させるため、例えば、ハブ１０自体に（図４参照）、又は、ハブ１０及び発電機６０の間に、１つ以上のタイミングギア５０（図４及び図８では、機能的に正確に、又は、実際の縮尺で示されていない）を設けてもよい。

図７は、クアトロ風力装置の一部としての、４枚の自在プロペラ１の好ましい取付配置を示す。明らかなように、自在プロペラ１は、揚力成分Ａ及び抗力成分Ｗによってマスト８１にかかる力のバランスが可能な限り取れるよう、星形にグループ化されている。さらなる詳細は、図６に説明する通りである。

図８は、タンデム風力装置の一部としての、２枚の自在プロペラ１の好ましい取付配置を示す。本例では、マスト８１上ではなく地面８０上に配置された一般的な発電機６０が、タイミングギア５０（ここでは、機能的に正確に、又は、実際の縮尺で示されていない）を介して、駆動されている。

無論、本発明に係る自在プロペラ１を１枚、マスト８１の端部、特に、移動電話機マストの端部に、配置してもよい（図９）。この場合、シャフト２０の中心軸２１（図示せず）は、マスト８１の端部において、水平面Ｘに対して、好ましい角度β＝９０度で配置される。

図９ａ乃至図９ｃは、種々の建築物８２における個々の自在プロペラ１の好ましい取付配置をさらに示す。

図９ａから分かるように、本発明に係る自在プロペラ１は、建築物８２の正面８２１に対して横方向に配置され得る。この場合、シャフト２０の中心軸２１（図示せず）は、建築物８２の正面８２１から離間して、水平面Ｘに対して、好ましい角度β＝４５度で配置される。

代替的に、又は、追加的に、本発明に係る自在プロペラ１はまた、建築物８２の傾斜屋根８２２（図９ｂ）又は平屋根８２３（図９ｃ）上に配置される風力装置の一部であってもよい。この場合、シャフト２０の中心軸２１（図示せず）は、建築物８２の屋根８２２又は８２３上に、水平面Ｘに対して、４５度～９０度の好ましい角度βで配置される。

図１０は、水力装置の一部としての自在プロペラ１の好ましい取付配置を示す。同図から、本発明に係る自在プロペラ１が、水域８３の底面８３１に固定された軸受８４上に配置される様子が分かる。こうした配置は、図示される中継点Ｔ１において、水流に対する抗力成分Ｗが最も大きい回転翼３０が完全に水域８３内に浸り、残りの回転翼３０が、少なくとも部分的に、又は、好ましくは全体的に、水位８３２よりも上で回転するよう、構成されることが好ましいとされ得る。水域８３は、河川、海峡、あるいは、ダムの放水口や水力発電所の水圧管といった、その他の流水域であってもよい。

図１１は、各自在プロペラ１に対して別個の軸受８４を備えるタンデム水力装置の一部としの、２枚の自在プロペラ１の好ましい好ましい取付配置を示す。さらなる詳細は、図１０に説明する通りである。

図１２は、水底８３１に固定された一般的な軸受マスト８５を備えるタンデム水力装置の一部としての、２枚の自在プロペラ１の好ましい取付配置を示す。さらなる詳細はまた、図１０に説明する通りである。

図１３は、図１１のタンデム水力装置が橋梁８６下に好ましく配置される様子、及び、軸受８４が橋梁脚８６１の一部である様子を示す。さらなる詳細はまた、図１０に説明する通りである。

図１４は、橋梁要素８６２の下に配置される軸受８４を備える、別のタンデム水力装置を示す。さらなる詳細は、図１０に説明する通りである。

図１５は、船舶８７の動力源として自在プロペラ１を２枚使用する、好ましい使用例を示す。発電用途の場合と異なり、各自在プロペラ１のシャフト２０は、ここでは、モータ９０（ここでは示されない）又は同等の駆動源によって、駆動される。船舶がまっすぐ前進する場合、自在プロペラ１によって船舶８７にかかる力の全てのバランスが取れるよう、駆動源によって自在プロペラ１が回転することが理解される。

図１６は、動力付き凧８８の一部として自在プロペラ１を４枚使用する、好ましい使用例を示す。図７に係る実施形態と同様に、ここでも、自在プロペラ１は、揚力成分Ａ及び抗力成分Ｗによって動力付き凧８８にかかる力のバランスが可能な限り取れるよう、星形にグループ化されている。各自在プロペラ１のハブ１０によって、それぞれの発電機６０が駆動される様子が見て取れる。ここで、自在プロペラ１は、自在プロペラ１の力のバランスが取れるよう、中央軸受８４周りに、星形にグループ化されている。その他の点においては、上記の説明と同様に参照され得る。

図１７及び図１８は、航空機８９（輸送用ドローン）の動力源として自在プロペラ１を２枚使用する、好ましい使用例を示す。発電用途の場合と異なり、各自在プロペラ１のシャフト２０は、ここでは、モータ９０又は同等の駆動源によって、駆動される。航空機がまっすぐ前進する場合、自在プロペラ１によって航空機８９にかかる力の全てのバランスが取れるよう、駆動源によって自在プロペラ１が回転することが理解される。この場合、図１７に示す航空機８９は、追加の翼を必要としないため、有利である。むしろ、航空機の外側ハウジング上に自在プロペラ１を直接配置してもよい。これにより、航空機８９の機動性を限りなく高めることがきるため、有利である。必要に応じて、図１８に示す航空機８９の場合においては、自在プロペラ１の、航空機８９の外側ハウジングへの境界として、短翼を設けてもよい。これにより、航空機８９の飛行安定性が向上するため、有利である。

以下の図１９乃至図２１には、種々の改良例及び構成例をもとに、本発明に係る自在プロペラ１の基本的な操作、特に、タイミングギア５０及びハブギア１２の相互作用について、示されている。

そのため、図１９では、従来技術のタイミングギア５０の例を示す。

ここで、５枚の回転翼３０を制御するタイミングギア５０が例示されている。ここでは、回転翼３０の基準歯車５１及び５つの歯車５２に加えて、基準歯車５１及び歯車５２に位置する５つの方向歯車５３をさらに設ける必要がある。方向歯車５３は、特に、力を伝達し、回転翼３０の歯車５２の回転方向を調節するためのものである。また、Ｓ_ｒｏｔが回転翼３０の歯車５２の大きさであり、Ｓ_ｒが基準歯車５１の大きさとしたとき、回転翼３０の基準歯車５１及び歯車５２の間において、Ｓ_ｒｏｔ／Ｓ_ｒ＝２／１のサイズ関係が保たれる必要がある。これにより、縦軸３１周りの回転翼３０の回転が、円錐７０の周面７１に沿った回転翼３０の３６０度回転に同期して確実に実行される。従来技術の場合、前述の設計要件を満たすと、同様のタイミングギア５０を備えるハブ１０の構造が比較的大きなものになってしまう。さらに、複数の大型歯車５１、５２、及び５３を、比較的小型のハブ１０に配置しようとすると、多くの場合、経済的に実現不可能かつ技術的に困難であり、構成によっては、技術的に不可能である。

それに対して、図２０は、いわゆる「内側構成」としてタイミングギア５０を備える、本発明に係るプロペラ１の改良例を、断面図で示す。

明らかなように、ハブ１０は、回転翼３０を縦軸３１周りに回転可能にするタイミングギア５０を備える。各回転翼３０上には、タイミングギア５０の基準歯車５１に直接動作的に接続された歯車５２が配置される。従来技術とは対照的に、方向歯車５３を必要としないという利点がある。タイミングギア５０は、ハブギア１２に動作的に接続され、ハブギア１２は、ハブ１０の回転運動の角速度ω_ｎを検知して処理するよう、構成されている。タイミングギア５０及びハブギア１２の間の動作接続は、種々の方法により実現され得るが、本例では、タイミングギア５０の基準歯車５１が、接続要素５１１を介して、ハブギア１２、特に、ハブギア１２の歯車のうち１つと動作的に接続される。ハブギア１２は、遊星ギア又は簡易的な歯車ギアとして設計されることが好ましいとされ得る。

ここで示すタイミングギア５０の「内側構成」では、基準歯車５１がタイミングギア５０の中央に配置され、回転翼３０の歯車５２に囲まれる。本発明によれば、Ｓ_ｒｏｔが回転翼３０の歯車５２の大きさであり、Ｓ_ｒが基準歯車５１の大きさとしたとき、基準歯車５１の角速度ω_ｒの、ハブ１０の回転運動の角速度ω_ｎに対する比が、ω_ｒ／ω_ｎ＝１±（１／２）×（Ｓ_ｒｏｔ／Ｓ_ｒ）を満たすよう、回転翼３０の基準歯車５１及び歯車５２を設計する。

ここで示すタイミングギア５０の「内側構成」の場合、Ｓ_ｒｏｔが回転翼３０の歯車５２の大きさであり、Ｓ_ｒが基準歯車５１の大きさとしたとき、基準歯車５１の角速度ω_ｒの、ハブ１０の回転運動の角速度ω_ｎに対する比が、ω_ｒ／ω_ｎ＝１＋（１／２）×（Ｓ_ｒｏｔ／Ｓ_ｒ）を満たすよう、回転翼３０の基準歯車５１及び歯車５２を設計することが好ましい。

以下の表では、種々の歯車サイズ組合わせと、前述した、本発明に係る式を利用して計算した基準歯車５１の角速度ω_ｒと、それぞれの組合わせでハブ１０上に配置され得る回転翼３０の最大可能個数と、の例が示されている。ここで、ハブ１０の回転運動の角速度ω_ｎは、１に設定されている（したがって、ω_ｒの値は、ω_ｎに対する相対速度である）。

この表を参照すると、例えば、サイズ比Ｓ_ｒｏｔ／Ｓ_ｒが１：１の場合、ハブ１０の回転運動の角速度ω_ｎに対する、基準歯車５１の角速度ω_ｒは、１．５となり、対応して設計・選択されたハブギア１２に、技術的に収容可能となる。例えば、上述した「内側構成」におけるタイミングギア５０の設計、ハブギア１２の設計、そして本発明に係る式によって計算された両者間の相互作用を鑑みると、最終的に、最大４～５枚の回転翼３０をハブ１０上に配置できる。

この場合の上記表は、理論上可能とされる組合わせの一部のみを示しており、タイミングギア５０の設計が用途に応じて任意に選択可能であるという利点が得られる。

最後に、図２１は、「外側構成」としてタイミングギア５０を備える、本発明に係るプロペラ１の改良例を、断面図で示す。

ここで、図２０に示す「内側構成」との違いは、遊星歯車、リングギア、又は冠歯車として実現されることが好ましい基準歯車５１が、タイミングギア５０の中央から外れて配置される一方、回転翼３０の歯車５２を囲んでいる点にある。こうした構造に関しても、図２０で説明した事項が本改良例に適用される。この場合、Ｓ_ｒｏｔが回転翼３０の歯車５２の大きさであり、Ｓ_ｒが基準歯車５１の大きさとしたとき、基準歯車５１の角速度ω_ｒの、ハブ１０の回転運動の角速度ω_ｎに対する比が、ω_ｒ／ω_ｎ＝１－（１／２）×（Ｓ_ｒｏｔ／Ｓ_ｒ）を満たすよう、回転翼３０の基準歯車５１及び歯車５２を設計することが好ましい。

以下の表では、種々の歯車サイズ組合わせと、前述した、本発明に係る式を利用して計算した基準歯車５１の角速度ω_ｒと、それぞれの組合わせでハブ１０上に配置され得る回転翼３０の最大可能個数と、の例が示されている。ここで、ハブ１０の回転運動の角速度ω_ｎは、１に設定されている（したがって、ω_ｒの値は、ω_ｎに対する相対速度である）。

この表を参照すると、例えば、サイズ比Ｓ_ｒｏｔ／Ｓ_ｒが１：４の場合、ハブ１０の回転運動の角速度ω_ｎに対する、基準歯車５１の角速度ω_ｒは、０．８７５となり、対応して設計・選択されたハブギア１２に、技術的に収容可能となる。例えば、上述した「外側構成」におけるタイミングギア５０の設計、ハブギア１２の設計、そして本発明に係る式によって計算された両者間の相互作用を鑑みると、最終的に、最大４～６枚の回転翼３０をハブ１０上に配置できる。

上記表の最後の行に示された組合わせは、回転翼３０の歯車５２が、基準歯車５１の大きさＳ_ｒの２倍になっているものだが、従来技術（図１９参照）のタイミングギア５０においては、物理的に（技術的に）まったく実現可能性のないものであり、仮に実現できたとしても、チェーンドライブ又は歯付きベルトドライブを用いる必要がある。

ここでもまた、上記の表は、理論上可能とされる組合わせの一部のみを示しており、「外側構成」の場合もまた、タイミングギア５０の設計が用途に応じて任意に選択可能であるという利点が得られる。

本発明は、新規の自在プロペラ１に関する。回転翼３０のそれぞれには、タイミングギア５０の基準歯車５１と直接動作的に接続された歯車５２があり、タイミングギア５０は、ハブギア１２と動作的に接続され、ハブギア１２は、ハブ１０の回転運動の角速度ω_ｎを検知及び処理するよう構成され、Ｓ_ｒｏｔが回転翼３０の歯車５２の大きさであり、Ｓ_ｒが基準歯車５１の大きさとしたとき、基準歯車５１の角速度ω_ｒの、ハブ１０の回転運動の角速度ω_ｎに対する比が、ω_ｒ／ω_ｎ＝１±（１／２）×（Ｓ_ｒｏｔ／Ｓ_ｒ）を満たすよう、タイミングギア５０における回転翼３０の基準歯車５１及び歯車５２を設計する。以上の点において、自在プロペラ１は、従来のプロペラ１とは一線を画すものである。

本発明は、特に、風力装置、水力装置、船舶又は航空機の動力部等での利用に適している。

１ 自在プロペラ
１０ ハブ
１１ ハブ１０の中心軸
１２ ハブギア
２０ シャフト
２１ シャフト２０の中心軸
３０ 回転翼
３１ 回転翼３０の縦軸
３２ 回転翼３０の上部
３３ 回転翼３０の側部
３４ 回転翼先端
３５ 補剛材
４０ ケーブル
５０ タイミングギア
５１ 基準歯車
５１１ 接続要素
５２ 回転翼（３０）の歯車
５３ 方向歯車（従来技術のみ）
６０ 発電機
７０ 円錐
７１ 円錐７０の周面
７２ 円錐７０の頂点
７３ 円錐７０の円板
８０ 土台
８１ マスト
８２ 建築物
８２１ 正面
８２２ 傾斜屋根
８２３ 平屋根
８３ 水域
８３１ 水域底
８３２ 水面
８４ 軸受
８５ 軸受マスト
８６ 橋梁
８６１ 橋梁脚
８６２ 橋梁要素
８７ 船舶
８８ 動力付き凧
８９ 航空機
９０ モータ
Ａ 揚力成分
Ｗ 抗力成分
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４ 中継点
α 自在プロペラ１の３次元座標における、縦軸３１及び中心軸２１間の角度
β 自在プロペラ１の取付座標系における、シャフト２０の中心軸２１と水平面Ｘとの間の角度
ｘ，ｙ，ｚ 自在プロペラ１の３次元座標系
ｘ 水平面の第１方向
ｙ 水平面又は垂直面の第２方向
ｚ 垂直面の第１方向
Ｘ，Ｙ，Ｚ 自在プロペラ１の取付座標
Ｘ 水平面
Ｙ 水平面（Ｘに垂直）
Ｚ 垂直面

Claims (14)

1. シャフト（２０）に回転可能に取り付けられるハブ（１０）を備える自在プロペラ（１）であって、
   前記ハブ（１０）は、互いに対向して配置された２枚の回転翼（３０）、又は、互いに星形を形成するよう配置された少なくとも３枚の回転翼（３０）を備え、
   前記ハブ（１０）には、前記回転翼（３０）のそれぞれの縦軸（３１）が３６０度回転した際に直円錐（７０）の周面（７１）を描くよう、前記回転翼（３０）が、前記縦軸（３１）の端部において、前記シャフト（２０）の中心軸（２１）に対して、角度αをなして配置されており、
   前記ハブ（１０）は、前記回転翼（３０）をその前記縦軸（３１）周りに回転させるタイミングギア（５０）を備え、
   前記回転翼（３０）のそれぞれには、前記タイミングギア（５０）の基準歯車（５１）と直接動作的に接続された歯車（５２）があり、
   前記タイミングギア（５０）は、ハブギア（１２）と動作的に接続され、
   前記ハブギア（１２）は、前記ハブ（１０）の回転運動の角速度ωｎを検知及び処理するよう構成され、
   前記基準歯車（５１）は、前記タイミングギア（５０）の中心に配置され、前記回転翼（３０）の前記歯車（５２）に囲まれており、
   Ｓ _ｒｏｔ が前記回転翼（３０）の前記歯車（５２）の大きさであり、Ｓ _ｒ が前記基準歯車（５１）の大きさとしたとき、前記基準歯車（５１）の角速度ω _ｒ の、前記ハブ（１０）の回転運動の角速度ω _ｎ に対する比が、ω _ｒ ／ω _ｎ ＝１＋（１／２）×（Ｓ _ｒｏｔ ／Ｓ _ｒ ）を満たすよう、前記タイミングギア（５０）における前記回転翼（３０）の前記基準歯車（５１）及び前記歯車（５２）を設計するか、又は、
   前記基準歯車（５１）は、前記タイミングギア（５０）の中央から外れて配置される一方、前記回転翼（３０）の前記歯車（５２）を囲んでおり、
   Ｓ _ｒｏｔ が前記回転翼（３０）の前記歯車（５２）の大きさであり、Ｓ _ｒ が前記基準歯車（５１）の大きさとしたとき、前記基準歯車（５１）の角速度ω _ｒ の、前記ハブ（１０）の回転運動の角速度ω _ｎ に対する比が、ω _ｒ ／ω _ｎ ＝１－（１／２）×（Ｓ _ｒｏｔ ／Ｓ _ｒ ）を満たすよう、前記タイミングギア（５０）における前記回転翼（３０）の前記基準歯車（５１）及び前記歯車（５２）を設計する、
   ことを特徴とする、自在プロペラ（１）。
2. 前記基準歯車（５１）は、前記タイミングギア（５０）の中央から外れて配置される一方、前記回転翼（３０）の前記歯車（５２）を囲んでおり、遊星歯車、リングギア、又は冠歯車として実現する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の自在プロペラ（１）。
3. 前記シャフト（２０）の前記中心軸（２１）に対して、各回転翼の前記縦軸（３１）がなす角度αは、３０度～６０度、３５度～５５度、４０度～５０度、又は、４５度である、
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の自在プロペラ（１）。
4. 前記ハブ（１０）が前記シャフト（２０）周りに回転すると、第１中継点（Ｔ１）において、前記回転翼（３０）のそれぞれは、前記自在プロペラ（１）に関する３次元座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の垂直平面（ｘ，ｚ）に沿う、
   ことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の自在プロペラ（１）。
5. 前記第１中継点（Ｔ１）において、前記回転翼（３０）のそれぞれの前記縦軸（３１）は、前記垂直平面（ｘ，ｚ）から最大＋／－１５度まで垂直ずれが許容される、
   ことを特徴とする、請求項４に記載の自在プロペラ（１）。
6. 前記ハブ（１０）が前記シャフト（２０）周りに回転すると、第３中継点（Ｔ３）において、前記回転翼のそれぞれは、前記自在プロペラ（１）に関する３次元座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の水平面（ｘ，ｙ）に沿う、
   ことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の自在プロペラ（１）。
7. 前記第３中継点（Ｔ３）において、前記回転翼（３０）のそれぞれの前記縦軸（３１）は、前記水平面（ｘ，ｙ）から最大＋／－１５度まで水平ずれが許容される、
   ことを特徴とする、請求項６に記載の自在プロペラ（１）。
8. 前記回転翼（３０）のそれぞれは、少なくともその一部が、２つの略平面上部（３２）を有し、
   前記回転翼（３０）のそれぞれの前記平面上部（３２）に、好ましくは、太陽電池が配置される、
   ことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の自在プロペラ（１）。
9. 前記回転翼（３０）のそれぞれの横縁部（３３）は、円形又は円錐形である、
   ことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の自在プロペラ（１）。
10. 互いに隣接する、及び／又は、互いに対向する回転翼（３０）は、ケーブル（４０）によって互いに接続され、該ケーブル（４０）は、中央位置及び端部位置の間、好ましくは、回転翼先端（３４）の領域又はそれに隣接した領域で、前記回転翼（３０）に取り付けられていることが好ましい、
    ことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の自在プロペラ（１）。
11. 前記シャフト（２０）の前記中心軸（２１）は、前記自在プロペラ（１）に関する取付座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の水平方向（Ｘ）に対して、０度～３６０度、好ましくは４５度の角度で配置される、
    ことを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の自在プロペラ（１）。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の自在プロペラ（１）を操作する方法であって、
    タイミングギア（５０）によって、縦軸（３１）周りの回転翼（３０）の回転が、円錐（７０）の周面（７１）に沿った前記回転翼（３０）の３６０度回転に同期して実行される、
    ことを特徴とする、方法。
13. 前記回転翼（３０）の、前記縦軸（３１）周りの回転速度は、前記円錐（７０）の前記周面（７１）に沿った前記回転翼（３０）の３６０度回転の速度の半分である、
    ことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 風力装置、水力装置、船舶又は航空機の動力部等における、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の自在プロペラ（１）の利用。

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