内部反動質量及びバネを用いた波力エネルギ変換器
【課題】水塊の中に設置するのに適したシェルを有する波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）を提供する。
【解決手段】このシェル１０は、「反動質量」２０及び反動質量とシェルとの間を結合するバネ機構３０を具える内部振動子を収容する。シェル及び内部振動子は、水塊の中に設置された場合に水塊の波に応答して、シェルと内部振動子の質量との間に相対運動を生じさせるように構成されている。パワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置４０が、内部振動子とシェルとの間を結合して、それらの相対運動を電気エネルギに変換する。バネ機構は、その変位又は動作が反動質量の変位又は動作よりも小さくなるように構成されている。バネ機構は、バネ機構の変位又は動作が反動質量の変位又は動作よりも小さい状態で、反動質量が所定の代わりとなるものを受け得るようにする装置である。このような特性により、ＷＥＣの大きさをより簡単に制御（例えば、より小さくする）できる。
【解決手段】このシェル１０は、「反動質量」２０及び反動質量とシェルとの間を結合するバネ機構３０を具える内部振動子を収容する。シェル及び内部振動子は、水塊の中に設置された場合に水塊の波に応答して、シェルと内部振動子の質量との間に相対運動を生じさせるように構成されている。パワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置４０が、内部振動子とシェルとの間を結合して、それらの相対運動を電気エネルギに変換する。バネ機構は、その変位又は動作が反動質量の変位又は動作よりも小さくなるように構成されている。バネ機構は、バネ機構の変位又は動作が反動質量の変位又は動作よりも小さい状態で、反動質量が所定の代わりとなるものを受け得るようにする装置である。このような特性により、ＷＥＣの大きさをより簡単に制御（例えば、より小さくする）できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年１２月１日に出願されその教示が参照することにより本書に盛り込まれている仮出願番号第６０／７４１，１０８号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、大きな水塊の表面波に存在するエネルギを有用な電気エネルギに変換するための装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
様々な波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）システムが知られている。例えば、本出願の出願人に譲渡され、「Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ」と題される１９９９年８月２１に出願された米国特許出願番号Ｓ／Ｎ ０９／３７９，４２１号の教示が参照することにより本書に盛り込まれている。
【０００４】
既知のＷＥＣシステムは、一般に、「フロート」（又は「シェル」）と、「スパー（ｓｐａｒ）」（又は「シャフト」又は「支柱」又は「ピストン」）とを有しており、これらは互いに相対移動して機械的エネルギに波の力を変換するよう構成されている。これらのシステムでは、フロートが、一般に移動部材として表現又は言及され、スパーが非移動式又は機械的に接地した部材として表現又は言及される。しかしながら、逆のことも言える。代替的に、スパー及びフロートの双方が互いに相対移動してもよい。
【０００５】
これらの従来技術のＷＥＣシステムは、フロート及びスパーが水の要素及び力にさらされる。図１に示すように、ＷＥＣは、一般に、フロート（ＷＥＣシェル）とスパー（シャフト又は支柱）との間に結合されたパワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置を有しており、ＷＥＣから利用できる機械的な出力を電気的な出力に変換する。ＰＴＯ装置は、フロートとスパーとの間の相対運動を電気エネルギに変換し得る装置であってよい。例えば、ＰＴＯ装置が、回転発電機に結合されたリニア回転変換器（例えば、ラック及びピニオンのギヤアッセンブリ、ボールねじアッセンブリ、油圧シリンダ及びモータアッセンブリ、又は空気シリンダ及びモータアッセンブリ）であってよい。また、ＰＴＯ装置は、電磁誘導を用いて機械的出力を電気的出力に直接的に変換するリニア発電機とすることができる。
【０００６】
あるＷＥＣシステムは、ＰＴＯ装置が水中に設置されており、フロート及びスパーに結合されている。他のシステムでは、フロート及びスパーのうちの一方に結合された機械的な結合（例えば、「プッシュロッド」）が、フロート及びスパーのうちの他方の中に設置されたＰＴＯ装置に取り付けられており、プッシュロッドが気密シールを貫通する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水の表面波の中に含まれるエネルギを利用するためのこのようなシステムの構成の中に多くの問題が存在する。これらの問題のうちのいくつかは、以下のようになっている：
・フロートとスパーとの間のベアリングが、水中で動作することを必要として海洋生成物、汚染物質及び腐食にさらされるため、複雑且つ高価である。
・パワーテイクオフ装置及びそのベアリングが、水中で動作することを必要として海洋生成物、汚染物質及び腐食にさらされるため、複雑且つ高価である。
・内蔵されたＰＴＯにフロートを結合する機械的結合が、海洋生成物、腐食及び汚染物質にさらされる。
・波力及び粘性減衰がフロート及びスパーが互いに相対移動できる範囲を制限するため、エネルギ集積の可能性を減らす。「ｐｏｉｎｔ ａｂｓｏｒｂｅｒ」型のＷＥＣの効果が、水の粘性減衰によって多くの場合制限される。
・ＷＥＣのための水及び波と直接接触する２又はそれ以上の物体から成る係留（固定）システムの構造が、多くの場合複雑である。
上記の問題のいくつかが認められており、例えば、（１）Ｔｅｍｅｅｖ，Ａ．、Ａｎｔｕｆｙｅｖ，Ｂ．、及びＴｅｍｅｅｖ，Ｓ．による「Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｙ Ｄｒｉｖｅ ｆｏｒ Ｆｌｏａｔ Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」と題されるＦｉｆｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ ＆ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｒｅ，Ｃｏｒｋ，Ｉｒｅｌａｎｄ，ｐｐ．３８６−３９１，２００３で議論され、及び（２）Ｆｒｅｎｃｈ，Ｍ．Ｊ．及びＢｒａｃｅｗｅｌｌ，Ｒ．Ｈ．による「Ｈｅａｖｉｎｇ Ｐｏｉｎｔ− Ａｂｓｏｒｂｅｒｓ Ｒｅａｃｔｉｎｇ Ａｇａｉｎｓｔ ａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｍａｓｓ」と題されるＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｏｃｅａｎ Ｗａｖｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｕｔｉｌｉｓａｔｉｏｎ，Ｌｉｓｂｏｎ，Ｐｏｒｔｕｇａｌ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，ｐｐ２４７−５５，１９８５で議論されているように、従来技術で扱われている。これらの参考文献で示唆されているように、上記の問題のいくつかは、波によって動作する「フロート」と、フロートの中に全体的に収容された「反動」質量と、フロートに反動質量を結合するバネ及びパワーテイクオフ装置とを具えたＷＥＣを構成することによって克服する可能性がある。このようなタイプのシステムでは、密閉された質量（ｍ）が、フロートに結合されたバネから垂下又はバネに支持され、ＷＥＣの所望の固有周期（Ｔｎ）を与えるようそのバネ定数（ｋ）が調整される。
【０００８】
このような方法（すなわち、特有のバネ定数を選択して所望の固有周期を生じさせる）の問題点は、バネの長さが一般に長く、フロートの中にこのような長いバネを構成及び収容するのが現実的でないことである。以下の２つの式を同時に解くことによって静水（ｘ０）におけるバネの長さを決定できる。
式１は、静止状態において、反動質量の（ｍ・ｇ）下向きの力がバネの上向きの力（ｋ・ｘ）に等しいことを示している。式２は、質量（ｍ）及びバネ定数（ｋ）を選択して卓越波の振動数に近い固有振動振動数をバネ質量振動子に与え得ることを示しており；Ｔｎは、波の振動数に等しい。
【０００９】
２つの式を同時に解くと、静水バネ長さ（ｘ０）は：
バネ質量システムを４秒の周期（Ｔ）に調整する場合、バネの長さ（ｘ０）は約４メートルである。バネ質量システムを８秒の周期（Ｔ）に調整する場合、バネの長さ（ｘ０）は約１６メートルである。フロートの中にこのような大きなバネを製造且つ設置すると多くの問題を与える。
【００１０】
上記のように非常に長いバネを必要とする問題は、本発明を実施する以下のようなシステムで克服される。本発明は、表面波にさらされる「フロート」と、質量とバネとによって形成された内部「振動子」と、質量とフロートとの間に繋がれたパワーテイクオフ装置と、を有する波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明を実施する波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）システムが、「シェル」（「フロート」又は「外殻（ｈｕｌｌ）」と、「反動質量」及びバネ機構を具える内部振動子とを有する。パワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置が、シェルと内部振動との間を結合しており、電気エネルギにそれらの相対運動を変換する。シェル及び内部振動子は、水塊の中に設置されたときに水塊の波に応答して、シェルと内部振動子の質量との間の相対運動が生じるように構成されている。本発明を実施するシステムでは、シェルに反動質量を結合するバネ機構が、コイルバネ、板バネ又はトーションバネといった物理的なバネとすることができる。代替的に、ＰＴＯがバネのように挙動するようにＰＴＯを制御することによって（すなわち、逆力が変位とともに増加する）；又はＰＴＯとバネとを組み合わせることによって、バネ機構の機能を得てもよい。バネ機構は、本発明を実施するシステムでは、バネ機構の変位がバネ機構及び反動質量を運動させる力に応答して反動質量の直線変位よりも小さくなるように構成される。これは、本発明を実施するのに必要なバネの長さが「単一」又は「合成」の機械又は機構を用いることによって短くなるという点で、本発明を従来技術と区別する本発明の重要な態様である。
【００１２】
ＰＴＯ装置は、リニアの発電機（ＬＥＧ）、又は、回転型発電機に結合され回転運動及びトルクを直線運動及び力を変換する変換器含む、多くの装置のうちの１つとすることができる。
【００１３】
本発明を実施するシステムでは、ＷＥＣが水面に浮いて通過波による浮力の変化に応答するように、ＷＥＣが「正の」システムの浮力を有してよく、あるいは、ＷＥＣが水塊のボリュームの中にとどまって通過波による流体力学上の圧力の変化に応答するように、ＷＥＣが「釣り合う」のシステムの浮力を有してもよい。
【００１４】
本発明の１つの実施例によれば、「ブロック及びテークル」プーリシステムによって、物理的なバネが反動質量に結合されている。このようなシステムでは、プーリシステムの増大比（ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｒａｔｉｏ）だけ、バネの剛性が増加しバネの変位が減少する。短くて強いバネを構成するのは、長くて弱いバネを構成するのよりも非常に簡単である。また、のような短くて強いバネをＷＥＣのブイの中に嵌めるのは簡単である。たとえ適切な力−変位特性を具えた長いバネを構成するのが可能であっても、バネ及び反動質量によって占められるＷＥＣブイの容積によりＷＥＣブイが長くなり、その流体力学的性能に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１５】
本発明の別の実施例によれば、バネが長い梁によって反動質量に結合されている。このようなケースでは、短くて強いバネが反動質量に直接取り付けられた長くて弱いバネと同じような方法で反動質量と作用するように、バネを支点の近くに設置する。このような実施例の別の利点は、反動質量の釣り合いの位置が所望の位置に位置するように、バネのシェル側の端部を上下させることができることである。
【００１６】
また、本発明は、所望の静水変位及び動作の弾力性をシミュレートする他の実施例を有する。例えば、大きなアキュムレータに結合された油圧シリンダを使用し得る。所望の初期変位及び弾力性（すなわち、弾性及び／又は有効バネ剛性）を与えるような方法で、アキュムレータの大きさ及び予充填を選択可能である。アキュムレータの容量は弾力性を決定する。アキュムレータの予充填圧力は、機械的に負荷をかけた油圧シリンダの初期変位を決定する。
【００１７】
以下にさらに説明するように、本出願人によって他の実施例が考え出されており、実用の範囲内にバネの大きさ及び剛性を保つのに役立っている。
【００１８】
ＷＥＣの設置前又は「乾燥」質量を最小限に抑えるために、反動質量を、ＷＥＣを水中に設置してから満たす水槽とすることができる。また、ＷＥＣブイバッテリを反動質量として使用できる。また、（変換されたエネルギを蓄えるよう機能する）ＷＥＣブイバッテリを反動質量として使用できることに留意されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１及び図２に参照して上記のように、及び上記で引用された参考文献（１）及び（２）に記載のように、波によって動く「シェル」（フロート）を具えたＷＥＣを構成して、バネ及び反動質量をフロートに結合するパワーテイクオフ装置とともに全体的にフロートの中に収容される「応答」質量を使用することによって、スパー、フロート及びＰＴＯ装置が水にさらされるＷＥＣに存在する問題を克服することが示唆されている。このようなタイプのシステムでは、密閉された質量（ｍ）が、フロートに結合されたバネから垂下又はバネに支持され、ＷＥＣの所望の固有周期（Ｔｎ）を与えるようそのバネ定数（ｋ）が調整される。このような方法（すなわち、特有のバネ定数を選択して所望の固有周期を生じさせる）の問題点は、バネの長さが一般に長く、フロートの中にこのような長いバネを構成及び収容するのが現実的でないことである。以下の２つの式を同時に解くことによって静水（ｘ０）におけるバネの長さを決定できる。
式１は、静止状態において、反動質量の（ｍ・ｇ）下向きの力がバネの上向きの力（ｋ・ｘ）に等しいことを示している。式２は、質量（ｍ）及びバネ定数（ｋ）を選択して卓越波の振動数に近い固有振動数をバネ質量振動子に与え得ることを示している。
【００２０】
２つの式を同時に解くと、静水バネ長さ（ｘ０）は：
となる。バネ質量システムを４秒の周期（Ｔ）に調整する場合、バネの長さ（ｘ０）は約４メートルである。バネ質量システムを８秒の周期（Ｔ）に調整する場合、バネの長さ（ｘ０）は約１６メートルである。
【００２１】
図２は、約８秒の振動周期を与えるようバネを調整したＷＥＣの説明図である。図示するように、静止状態におけるバネの長さが非常に長い。
【００２２】
長い及び／又は大きいバネを有する必要性に関する問題が、本発明を実施するシステムにおいて克服される。
【００２３】
図３に示すように、本発明を実施するＷＥＣが、表面波にさらされる「フロート」（「シェル」又は「外殻構造」）１０と、反動質量２０及びバネ３０によって形成された内部「振動子」と、質量２０とフロート１０との間で結合され機械的エネルギを電気的エネルギに変換するパワーテイクオフ装置（ＰＴＯ）４０と、を有している。
【００２４】
シェル及び内部振動子は、水塊に設置された場合に水塊の波に応答してシェル１０と内部振動子の質量２０との間の相対移動が生じるように構成されている。例えば、シェルが波の上下動に応じて上下移動する。そして、位相遅延の後に、質量がこれに応じて移動する。フロートと質量／バネとの相対移動がＰＴＯによって電気エネルギに変換される。ＰＴＯ装置は、リニア発電機（ＬＥＧ）、又は回転発電機に結合されて直線移動及び力を回転移動及びトルクに変換する変換装置を含む多くの装置のうちの１つとすることができる。
【００２５】
反動質量２０をシェル１０に結合するバネ３０は、コイルバネ、板バネ又はトーションバネといった物理的なバネとすることができる。代替的に、ＰＴＯがバネのように挙動する（すなわち、変位とともに逆力が増加する）ようにＰＴＯを制御することによって、バネ３０の機能を得てもよい。さらに、物理的及びこれに相当する装置を組み合わせることによって、バネ３０の機能を得てもよい。
【００２６】
従来技術と本発明を区別する本発明に係る重要な態様は、「単一」又は「組み合わせた」機械又は機構を用いて、バネの長さを減らすことができるという認識である。一例は、図３に示すように、「ブロック及びテークル」プーリシステムによって反動質量に結合されたバネである。このようなシステムでは、プーリシステムの比を増加させることによって、バネの剛性（スティフネス）が増加し、バネの変位（移動量）が減少する。短くて強いバネを構成するのは、長くて弱いバネを構成するのよりも非常に簡単である。また、このような短くて強いバネをＷＥＣのブイの中に嵌めるのは簡単である。たとえ適切な力−変位特性を具えた長いバネを構成するのが可能であっても、バネ及び反動質量によって占められるＷＥＣブイの容積によりＷＥＣブイが長くなり、その流体力学的性能に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００２７】
図３に示す本発明を実施するＷＥＣでは、フロート（１０）が海底（１１）に緩く固定されており、波とともに上下動し得る。「反動」質量（２０）が、シェル（１０）の中に収容されている。その動きが１組の低摩擦レール又はガイド（１３）によって案内される。１組のエンドストッパ（下部ストッパ１５及び上部ストッパ１７）によって、反動質量の動きが制限されるが、それらは、バネ又はダンパのセット（１５，１７）又はそれらの組み合わせとすることができる。反動質量（２０）は、１組のプーリを通るケーブル又はロープに「振動子」バネ（３０）を繋ぐケーブル（１９）又はロープに接続される。振動子バネ（３０）は、一端が（プーリ構成を介して）ケーブル（１９）の一端に接続されており、その他端がフロート（１０）に接続されている。
【００２８】
バネ定数（ｋ）の最適値を設定することができる。（図３に示すように）４：１のプーリのマルチプリケーション比（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）を用いる場合、バネの長さを短くすることができ、プーリのマルチプリケーション比の分だけバネ定数を大きくさせることが可能である。利点は、所要のバネの長さはプーリが無い場合の４分の１である。さらに、所望の場所に反動質量（２０）の釣り合い位置を移動させる方法で振動子バネ（３０）のフロート（１０）への接続ポイントの位置を調整することが実用的である。例えば、慣性質量を具えたプーリシステム及びバネを搭載できる。この質量は、初めはフロートの低部にある。バネが張力を保持しながら、質量が所望の釣り合い位置に位置するように質量が上昇してケーブルが短くなる。プーリ及びバネの多くの代替的な配置がある。
【００２９】
図３Ａ及び３Ｂを使用して本発明を実施する図３のシステムの動作を示す。図３Ａは静止状態のシステムを示す。このような状態では、バネ３０ａが梁３０１の中間点３１５と固定点３１３との間に繋がれており、片持ちアーム３０１が端点３１１で固定されている。質量２０ａが片持ち梁３０１の他方の端点３１７に取り付けられている。この図は、点３１１と点３１５との間の距離ｄ１と、点３１５と点３１７の間の距離ｄ２とを示す。概念的及び実際には、バネを中間点に取り付ける必要がない；すなわちｄ１はｄ２と等しくなくてもよい。
【００３０】
図３Ｂは、質量２０ａが距離「２ｘ」だけ下動し、バネ３０ａが距離「ｘ」だけ伸長している場合を示す。ｄ１とｄ２との比を変えることにより、バネの変位が反動質量の変位の可変関数になることが図から明らかである。しかしながら、本発明を実施する全ての例において、質量の直線変位は、バネの有効変位よりも常に大きい。
【００３１】
フロート（１０）及び／又は反動質量（２０）の急激な加速によりケーブル（１９）が弛んだりプーリの中に詰まったりしないように、プーリシステム及び質量を構成してもよい。
【００３２】
図４は、フロート（１０）と質量（２０）との間にシザー機構（５０）が設置されたシステムを示す。バネ（３０ａ及び３０ｂ）のセットがフロートの上部とシザー機構の選択ポイントとの間に繋がれている。所要のバネ力は、１つの長いバネのバネ力にシザー機構の機械力のマルチプリケーション比（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）を乗じたものに等しい。バネの長さが同じ比の分だけ短くなる。また、バネをシザーアッセンブリの異なるポイント（例えば、下部）に取り付けることができる。
【００３３】
図５は、比較的短いバネが非常に長いバネと同じように機能し得る別の構成を示す。このようして、バネの長さを短くしてもよい。図５では、長い梁（６０ａ，６０ｂ）のセットを介して振動子バネ（３０ａ，３０ｂ）を反動質量（２０）に取り付けている。このような実施例では、より短くて強いバネが反動質量（２０）に直接取り付けられた長くて弱いバネと同じような方法で反動質量と作用するように、バネ（３０ａ，３０ｂ）を梁（３１）の支点の近くに設置する。このような方法の利点は、所望の位置に質量の釣り合い位置を配置するように、フロートに取り付けられたバネの端部を上下させることができることである。
【００３４】
油圧バネの実施例（図６）
図６は、物理的なバネを油圧シリンダ７０と油圧アキュムレータ８０との組み合わせで代えたものを示す。このように、大きなアキュムレータに結合された油圧シリンダを使用可能である（図６参照）。３つの代替的な油圧システム構成を図１０ａ，１０ｂ及び１０ｃに示す。図６及び図１０ａに示すような最も単純な構成では、油圧シリンダ（７０）が反動質量（２０）とフロート（１０）との間に設けられている。油圧シリンダ（７０）の１つのポート（７１）が油圧アキュムレータ（８０）に接続されている。（図１０ｂ及び１０ｃに示すように、より良好な又は滑らかな動作のために油圧シリンダと油圧アキュムレータとの他の相互接続を成し得る。）所望の初期変位及び弾力性（すなわち、有効バネ剛性）を生じる方法で、アキュムレータの大きさ及び予充填を選択できる。アキュムレータの容量は弾力性を決定する。アキュムレータの予充填圧力が、機械的に負荷をかけた油圧シリンダの初期変位を決定する。
【００３５】
所望の静水変位及び動作弾力性をバネに具えるためのいくつかの他の方法があることに留意されたい。
【００３６】
このように、本発明は、非常に短いバネ又はバネセットによって及び／又は必要以上にスペースを取らないでバネ機能を果たすことができる装置を導入することによって、（ＷＥＣを効果が無いものにする）長いバネに代えるという認識を一つに有する。さらに、バネをより短くすることによってフロートへのバネの取付点を上げて、システムの動作にとって最も良い場所に反動質量を位置決めできる。
【００３７】
ＷＥＣの設置前又は「乾燥」質量を最小限に抑えるために、反動質量を、ＷＥＣを水中に設置してから満たす水槽とすることができる。また、ＷＥＣブイバッテリを反動質量として使用できる。
【００３８】
油圧シリンダ及びアキュムレータのサイズを決める方法を以下のように概説する。図１１ａ，１１ｂ及び１１ｃは、フロート（シェル）と反動質量との間の位相がずれた相対運動に関するシステムの動作を示しており（図１１ｄ参照）、システムのいくつかのサイジングパラメータを規定する。
Ｋ＝反動質量Ｍとともに選択して、卓越波の周期に近い固有振動周期を与えるバネ定数（式２を参照）。
Ｍ＝バネ定数Ｋとともに選択して、卓越波の周期に近い固有振動周期を与える反動質量（式２を参照）。
Ｌ＝反動質量のストローク（又は移動距離）
ｇ＝重力加速度（９．８ｍ／ｓ２）
Ｆ０＝静水の油圧シリンダにかかる力
Ｆ１＝反動質量が上死点（ｔｏｐ ｏｆ ｓｔｒｏｋｅ）にある場合の油圧シリンダにかかる力
Ｆ２＝反動質量が下死点（ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｓｔｒｏｋｅ）にある場合の油圧シリンダにかかる力
Ｐ０＝静水状態の油圧シリンダ及びアキュムレータにかかる圧力
Ｐ１＝反動質量が上死点にある場合の油圧シリンダ及びアキュムレータにかかる圧力
Ｐ１＝反動質量が下死点にある場合の油圧シリンダ及びアキュムレータにかかる圧力（例えば、３０００ｐｓｉ又は１８０ｂａｒ）
Ｖ０＝静水状態の油圧アキュムレータの中のガスの容量；アキュムレータにガスを充填又は予充填して所望の結果を得ることに留意されたい。
Ｖ１＝反動質量が上死点にある場合の油圧アキュムレータの中のガスの容量
Ｖ２＝反動質量が下死点にある場合の油圧アキュムレータの中のガスの容量
ΔＶ＝反動質量の最大ストロークにおける油圧シリンダのガス容量の変化
【００３９】
ＷＥＣが静水Ｆ０にある場合に油圧シリンダに掛かる力は、以下のように求められる：
【００４０】
反動質量が上死点にある場合の油圧シリンダにかかる力Ｆ１は、以下のようになる：
【００４１】
反動質量が下死点にある場合の油圧シリンダにかかる力Ｆ２は、以下のようになる：
【００４２】
所望の最大圧力Ｐ２を生じる油圧シリンダの「動作」領域Ａｃは、以下のようになる：
【００４３】
式（６）の中に式（５）を代入して、シリンダの動作領域に関する以下の式を得る：
【００４４】
反動質量のストローク（移動距離）にわたるアキュムレータのガス容量の変化が以下のようにして求められる：
【００４５】
アキュムレータのガスが理想的な二原子気体（窒素を仮定してよい）で熱伝達が最小限の場合（すなわち、断熱）、反動質量の移動距離の各端部におけるアキュムレータの圧力及び容量は以下のような関係にある：
【００４６】
γの大きさは１．４である。Ｖ２＝Ｖ１−ΔＶであるため、式（７），（８）及び（９）を整理して、反動質量が上死点に有る場合の大きなガス容量に関する式を得る：
【００４７】
油圧アキュムレータの容量を、Ｖ１よりもわずかに大きく選択すべきである。
【００４８】
トーションバネの実施例（図７及び７Ａ）
図７及び図７Ａは、従来のコイルバネ又は板バネをトーションバネに代え得ることを示す。図７では、反動質量（２０）がガイドレール（１３）によって鉛直方向に案内される。これらのガイドレール（１３）は、反動質量（２０）が上下動する際に反動質量（２０）が回転しないようにする。反動質量（２０）は、回転トルク及び速度にリニアの力及び速度を変換する変換機構に取り付けられている。ボールネジがこのような変換装置のうちの１つである。反動質量（２０）が上下動する際に変換器が回転する。発電機が変換器に取り付けられている。質量が上下動すると、変換器が時計方向及び反時計方向に回転し、電力が発生する。また、図７では、１又はそれ以上のトーションバネが変換器に取り付けられている。バネのトルク定数が選択されて、卓越波の周期に近い固有周期をＷＥＣに与える所要のバネ定数Ｋを与える。反動質量（２０）の直線運動の範囲を、トーションバネの角運動の範囲が非常に大きくなるようにすることが可能である。このようなケースでは、トーションバネの所要の運動範囲を減らすように、リニア回転装置（例えば、ボールネジ）間にギヤボックス（例えば、図７の符号７２６）を挿入することが可能である。図７Ａはこのような構成を図式的に示す。トーションバネの所要の運動範囲を減らすと、トーションバネが強くなる（例えば、トーションバネの単位変位定数当たりのトルクが増加する。）。
【００４９】
装置の設置
本発明を実施するためのシステムでは、ＷＥＣが水面上を浮いて通過波による浮力の変化に応答するように、ＷＥＣが「正の」システムの浮力を有してよい。エネルギ変換をもたらす運動を妨げないようにしつつ関心のある範囲にＷＥＣを保持するタイプの係留装置とともにＷＥＣを設置してもよい。ＷＥＣが水塊のボリュームの中にとどまって通過波による流体力学上の圧力の変化に応答するように、ＷＥＣが「釣り合う」システムの浮力を有してよい。このようなケースでは、ＷＥＣが所望の深さに確実にとどまるようにするためのタイプのシステムとともにＷＥＣを配置する。ＷＥＣを所望の深さにとどまらせるこのようなシステムはアクティブ（例えば、深さ検出器及び調整可能なバラストタンクを具えたシステム）でよく、あるいは、それはパッシブ（例えば、海底に向けて垂れるチェーン）であってもよい。
【００５０】
解析結果（図８及び図９）
図８は、反動質量、バネ定数及びＰＴＯダンピングの１つの組み合わせに関するコンピュータ・シミュレーションの結果を示す。最上段の波形（Ａ）では、波の振幅を越える反動質量の運動の振幅を示す。２番目の波形（Ｂ）は、フロートに対する反動質量の速度を示す。３番目の波形（Ｃ）は、パワーテイクオフユニットに加えられる反動質量の力を示す。４番目の波形（Ｄ）は、本発明を実施するＷＥＣによって発生する瞬時電力を示す。
【００５１】
図９は、いくつかの「海面状態」及びいくつかのブイの形態に関するいくつかのコンピュータ・シミュレーションの実行結果を示す。本実施例では、フロートの質量及びバネ定数が一定であり、反動質量の質量が変化する。図示するように、出力が、バネ定数、反動質量及び海面状態に依存する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
添付図面は、等尺に描かれてはいないが、同じ符号が同じ部品を示す。
【００５３】
【図１】図１は、従来技術の波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）の一般的なバージョンである。
【図２】図２は、フロート、反動質量、ＰＴＯ及び非常に長いバネを有する従来技術のＷＥＣのいくつかの形態を示す。
【図３】図３は、プーリ構成を使用して「短い」（コンパクトな）バネを使用し得る本発明を実施するＷＥＣを示す。
【図３Ａ】図３Ａは、質量及びバネが固定されている片持ち梁の簡略図を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、例えば、質量の２Ｘの変位によりバネがＸだけ伸長することを示す片持ち梁の簡略図を示す。
【図４】図４は、シザー機構を使用することで「短い」（小型の）バネを使用し得る本発明を実施する別のＷＥＣの理想的な図である。
【図５】図５は、片持ち梁を使用することで「短い」（小型の）バネを使用し得る本発明を実施するさらに別のＷＥＣの理想的な図である。
【図６】図６は、油圧シリンダ及びアキュムレータがバネとして機能して必要とする物理的なバネに代わる本発明を実施するさらに別のＷＥＣの理想的な図である。
【図７】図７は、ボールねじ及びトーションバネを使用して「短い」バネを与える本発明を実施するさらに別のＷＥＣの理想的な図である。
【図７Ａ】図７Ａは、ボールねじ及びトーションバネを使用して「短い」バネを与え、ギヤボックスを使用してトーションバネの角変位の範囲を減らすことで、トーションバネのトルク応答を増やす本発明を実施するＷＥＣの理想的な図である。
【図８】図８は、本発明を実施するＷＥＣに関するシミュレーション結果を示す波形図である。
【図９】図９は、本発明を実施するＷＥＣのいくつかの異なる形態について発生する出力を示す図である。
【図１０ａ】図１０ａは、油圧シリンダと付随するアキュムレータとの様々な相互接続を示す、図６のシステムのパーツの理想的な表現である。
【図１０ｂ】図１０ｂは、油圧シリンダと付随するアキュムレータとの様々な相互接続を示す、図６のシステムのパーツの理想的な表現である。
【図１０ｃ】図１０ｃは、油圧シリンダと付随するアキュムレータとの様々な相互接続を示す、図６のシステムのパーツの理想的な表現である。
【図１１】図１１ａ−ｄは、様々な波浪状態に応答してフロートと反動質量との間の相対運動を生じさせる油圧シリンダ及びアキュムレータの様々な位置を示す、図６及び図１０ａのシステムのパーツの理想的な表現である。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年１２月１日に出願されその教示が参照することにより本書に盛り込まれている仮出願番号第６０／７４１，１０８号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、大きな水塊の表面波に存在するエネルギを有用な電気エネルギに変換するための装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
様々な波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）システムが知られている。例えば、本出願の出願人に譲渡され、「Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ」と題される１９９９年８月２１に出願された米国特許出願番号Ｓ／Ｎ ０９／３７９，４２１号の教示が参照することにより本書に盛り込まれている。
【０００４】
既知のＷＥＣシステムは、一般に、「フロート」（又は「シェル」）と、「スパー（ｓｐａｒ）」（又は「シャフト」又は「支柱」又は「ピストン」）とを有しており、これらは互いに相対移動して機械的エネルギに波の力を変換するよう構成されている。これらのシステムでは、フロートが、一般に移動部材として表現又は言及され、スパーが非移動式又は機械的に接地した部材として表現又は言及される。しかしながら、逆のことも言える。代替的に、スパー及びフロートの双方が互いに相対移動してもよい。
【０００５】
これらの従来技術のＷＥＣシステムは、フロート及びスパーが水の要素及び力にさらされる。図１に示すように、ＷＥＣは、一般に、フロート（ＷＥＣシェル）とスパー（シャフト又は支柱）との間に結合されたパワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置を有しており、ＷＥＣから利用できる機械的な出力を電気的な出力に変換する。ＰＴＯ装置は、フロートとスパーとの間の相対運動を電気エネルギに変換し得る装置であってよい。例えば、ＰＴＯ装置が、回転発電機に結合されたリニア回転変換器（例えば、ラック及びピニオンのギヤアッセンブリ、ボールねじアッセンブリ、油圧シリンダ及びモータアッセンブリ、又は空気シリンダ及びモータアッセンブリ）であってよい。また、ＰＴＯ装置は、電磁誘導を用いて機械的出力を電気的出力に直接的に変換するリニア発電機とすることができる。
【０００６】
あるＷＥＣシステムは、ＰＴＯ装置が水中に設置されており、フロート及びスパーに結合されている。他のシステムでは、フロート及びスパーのうちの一方に結合された機械的な結合（例えば、「プッシュロッド」）が、フロート及びスパーのうちの他方の中に設置されたＰＴＯ装置に取り付けられており、プッシュロッドが気密シールを貫通する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水の表面波の中に含まれるエネルギを利用するためのこのようなシステムの構成の中に多くの問題が存在する。これらの問題のうちのいくつかは、以下のようになっている：
・フロートとスパーとの間のベアリングが、水中で動作することを必要として海洋生成物、汚染物質及び腐食にさらされるため、複雑且つ高価である。
・パワーテイクオフ装置及びそのベアリングが、水中で動作することを必要として海洋生成物、汚染物質及び腐食にさらされるため、複雑且つ高価である。
・内蔵されたＰＴＯにフロートを結合する機械的結合が、海洋生成物、腐食及び汚染物質にさらされる。
・波力及び粘性減衰がフロート及びスパーが互いに相対移動できる範囲を制限するため、エネルギ集積の可能性を減らす。「ｐｏｉｎｔ ａｂｓｏｒｂｅｒ」型のＷＥＣの効果が、水の粘性減衰によって多くの場合制限される。
・ＷＥＣのための水及び波と直接接触する２又はそれ以上の物体から成る係留（固定）システムの構造が、多くの場合複雑である。
上記の問題のいくつかが認められており、例えば、（１）Ｔｅｍｅｅｖ，Ａ．、Ａｎｔｕｆｙｅｖ，Ｂ．、及びＴｅｍｅｅｖ，Ｓ．による「Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｙ Ｄｒｉｖｅ ｆｏｒ Ｆｌｏａｔ Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」と題されるＦｉｆｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ ＆ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｒｅ，Ｃｏｒｋ，Ｉｒｅｌａｎｄ，ｐｐ．３８６−３９１，２００３で議論され、及び（２）Ｆｒｅｎｃｈ，Ｍ．Ｊ．及びＢｒａｃｅｗｅｌｌ，Ｒ．Ｈ．による「Ｈｅａｖｉｎｇ Ｐｏｉｎｔ− Ａｂｓｏｒｂｅｒｓ Ｒｅａｃｔｉｎｇ Ａｇａｉｎｓｔ ａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｍａｓｓ」と題されるＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｏｃｅａｎ Ｗａｖｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｕｔｉｌｉｓａｔｉｏｎ，Ｌｉｓｂｏｎ，Ｐｏｒｔｕｇａｌ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，ｐｐ２４７−５５，１９８５で議論されているように、従来技術で扱われている。これらの参考文献で示唆されているように、上記の問題のいくつかは、波によって動作する「フロート」と、フロートの中に全体的に収容された「反動」質量と、フロートに反動質量を結合するバネ及びパワーテイクオフ装置とを具えたＷＥＣを構成することによって克服する可能性がある。このようなタイプのシステムでは、密閉された質量（ｍ）が、フロートに結合されたバネから垂下又はバネに支持され、ＷＥＣの所望の固有周期（Ｔｎ）を与えるようそのバネ定数（ｋ）が調整される。
【０００８】
このような方法（すなわち、特有のバネ定数を選択して所望の固有周期を生じさせる）の問題点は、バネの長さが一般に長く、フロートの中にこのような長いバネを構成及び収容するのが現実的でないことである。以下の２つの式を同時に解くことによって静水（ｘ０）におけるバネの長さを決定できる。
式１は、静止状態において、反動質量の（ｍ・ｇ）下向きの力がバネの上向きの力（ｋ・ｘ）に等しいことを示している。式２は、質量（ｍ）及びバネ定数（ｋ）を選択して卓越波の振動数に近い固有振動振動数をバネ質量振動子に与え得ることを示しており；Ｔｎは、波の振動数に等しい。
【０００９】
２つの式を同時に解くと、静水バネ長さ（ｘ０）は：
バネ質量システムを４秒の周期（Ｔ）に調整する場合、バネの長さ（ｘ０）は約４メートルである。バネ質量システムを８秒の周期（Ｔ）に調整する場合、バネの長さ（ｘ０）は約１６メートルである。フロートの中にこのような大きなバネを製造且つ設置すると多くの問題を与える。
【００１０】
上記のように非常に長いバネを必要とする問題は、本発明を実施する以下のようなシステムで克服される。本発明は、表面波にさらされる「フロート」と、質量とバネとによって形成された内部「振動子」と、質量とフロートとの間に繋がれたパワーテイクオフ装置と、を有する波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明を実施する波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）システムが、「シェル」（「フロート」又は「外殻（ｈｕｌｌ）」と、「反動質量」及びバネ機構を具える内部振動子とを有する。パワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置が、シェルと内部振動との間を結合しており、電気エネルギにそれらの相対運動を変換する。シェル及び内部振動子は、水塊の中に設置されたときに水塊の波に応答して、シェルと内部振動子の質量との間の相対運動が生じるように構成されている。本発明を実施するシステムでは、シェルに反動質量を結合するバネ機構が、コイルバネ、板バネ又はトーションバネといった物理的なバネとすることができる。代替的に、ＰＴＯがバネのように挙動するようにＰＴＯを制御することによって（すなわち、逆力が変位とともに増加する）；又はＰＴＯとバネとを組み合わせることによって、バネ機構の機能を得てもよい。バネ機構は、本発明を実施するシステムでは、バネ機構の変位がバネ機構及び反動質量を運動させる力に応答して反動質量の直線変位よりも小さくなるように構成される。これは、本発明を実施するのに必要なバネの長さが「単一」又は「合成」の機械又は機構を用いることによって短くなるという点で、本発明を従来技術と区別する本発明の重要な態様である。
【００１２】
ＰＴＯ装置は、リニアの発電機（ＬＥＧ）、又は、回転型発電機に結合され回転運動及びトルクを直線運動及び力を変換する変換器含む、多くの装置のうちの１つとすることができる。
【００１３】
本発明を実施するシステムでは、ＷＥＣが水面に浮いて通過波による浮力の変化に応答するように、ＷＥＣが「正の」システムの浮力を有してよく、あるいは、ＷＥＣが水塊のボリュームの中にとどまって通過波による流体力学上の圧力の変化に応答するように、ＷＥＣが「釣り合う」のシステムの浮力を有してもよい。
【００１４】
本発明の１つの実施例によれば、「ブロック及びテークル」プーリシステムによって、物理的なバネが反動質量に結合されている。このようなシステムでは、プーリシステムの増大比（ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｒａｔｉｏ）だけ、バネの剛性が増加しバネの変位が減少する。短くて強いバネを構成するのは、長くて弱いバネを構成するのよりも非常に簡単である。また、のような短くて強いバネをＷＥＣのブイの中に嵌めるのは簡単である。たとえ適切な力−変位特性を具えた長いバネを構成するのが可能であっても、バネ及び反動質量によって占められるＷＥＣブイの容積によりＷＥＣブイが長くなり、その流体力学的性能に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１５】
本発明の別の実施例によれば、バネが長い梁によって反動質量に結合されている。このようなケースでは、短くて強いバネが反動質量に直接取り付けられた長くて弱いバネと同じような方法で反動質量と作用するように、バネを支点の近くに設置する。このような実施例の別の利点は、反動質量の釣り合いの位置が所望の位置に位置するように、バネのシェル側の端部を上下させることができることである。
【００１６】
また、本発明は、所望の静水変位及び動作の弾力性をシミュレートする他の実施例を有する。例えば、大きなアキュムレータに結合された油圧シリンダを使用し得る。所望の初期変位及び弾力性（すなわち、弾性及び／又は有効バネ剛性）を与えるような方法で、アキュムレータの大きさ及び予充填を選択可能である。アキュムレータの容量は弾力性を決定する。アキュムレータの予充填圧力は、機械的に負荷をかけた油圧シリンダの初期変位を決定する。
【００１７】
以下にさらに説明するように、本出願人によって他の実施例が考え出されており、実用の範囲内にバネの大きさ及び剛性を保つのに役立っている。
【００１８】
ＷＥＣの設置前又は「乾燥」質量を最小限に抑えるために、反動質量を、ＷＥＣを水中に設置してから満たす水槽とすることができる。また、ＷＥＣブイバッテリを反動質量として使用できる。また、（変換されたエネルギを蓄えるよう機能する）ＷＥＣブイバッテリを反動質量として使用できることに留意されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１及び図２に参照して上記のように、及び上記で引用された参考文献（１）及び（２）に記載のように、波によって動く「シェル」（フロート）を具えたＷＥＣを構成して、バネ及び反動質量をフロートに結合するパワーテイクオフ装置とともに全体的にフロートの中に収容される「応答」質量を使用することによって、スパー、フロート及びＰＴＯ装置が水にさらされるＷＥＣに存在する問題を克服することが示唆されている。このようなタイプのシステムでは、密閉された質量（ｍ）が、フロートに結合されたバネから垂下又はバネに支持され、ＷＥＣの所望の固有周期（Ｔｎ）を与えるようそのバネ定数（ｋ）が調整される。このような方法（すなわち、特有のバネ定数を選択して所望の固有周期を生じさせる）の問題点は、バネの長さが一般に長く、フロートの中にこのような長いバネを構成及び収容するのが現実的でないことである。以下の２つの式を同時に解くことによって静水（ｘ０）におけるバネの長さを決定できる。
式１は、静止状態において、反動質量の（ｍ・ｇ）下向きの力がバネの上向きの力（ｋ・ｘ）に等しいことを示している。式２は、質量（ｍ）及びバネ定数（ｋ）を選択して卓越波の振動数に近い固有振動数をバネ質量振動子に与え得ることを示している。
【００２０】
２つの式を同時に解くと、静水バネ長さ（ｘ０）は：
となる。バネ質量システムを４秒の周期（Ｔ）に調整する場合、バネの長さ（ｘ０）は約４メートルである。バネ質量システムを８秒の周期（Ｔ）に調整する場合、バネの長さ（ｘ０）は約１６メートルである。
【００２１】
図２は、約８秒の振動周期を与えるようバネを調整したＷＥＣの説明図である。図示するように、静止状態におけるバネの長さが非常に長い。
【００２２】
長い及び／又は大きいバネを有する必要性に関する問題が、本発明を実施するシステムにおいて克服される。
【００２３】
図３に示すように、本発明を実施するＷＥＣが、表面波にさらされる「フロート」（「シェル」又は「外殻構造」）１０と、反動質量２０及びバネ３０によって形成された内部「振動子」と、質量２０とフロート１０との間で結合され機械的エネルギを電気的エネルギに変換するパワーテイクオフ装置（ＰＴＯ）４０と、を有している。
【００２４】
シェル及び内部振動子は、水塊に設置された場合に水塊の波に応答してシェル１０と内部振動子の質量２０との間の相対移動が生じるように構成されている。例えば、シェルが波の上下動に応じて上下移動する。そして、位相遅延の後に、質量がこれに応じて移動する。フロートと質量／バネとの相対移動がＰＴＯによって電気エネルギに変換される。ＰＴＯ装置は、リニア発電機（ＬＥＧ）、又は回転発電機に結合されて直線移動及び力を回転移動及びトルクに変換する変換装置を含む多くの装置のうちの１つとすることができる。
【００２５】
反動質量２０をシェル１０に結合するバネ３０は、コイルバネ、板バネ又はトーションバネといった物理的なバネとすることができる。代替的に、ＰＴＯがバネのように挙動する（すなわち、変位とともに逆力が増加する）ようにＰＴＯを制御することによって、バネ３０の機能を得てもよい。さらに、物理的及びこれに相当する装置を組み合わせることによって、バネ３０の機能を得てもよい。
【００２６】
従来技術と本発明を区別する本発明に係る重要な態様は、「単一」又は「組み合わせた」機械又は機構を用いて、バネの長さを減らすことができるという認識である。一例は、図３に示すように、「ブロック及びテークル」プーリシステムによって反動質量に結合されたバネである。このようなシステムでは、プーリシステムの比を増加させることによって、バネの剛性（スティフネス）が増加し、バネの変位（移動量）が減少する。短くて強いバネを構成するのは、長くて弱いバネを構成するのよりも非常に簡単である。また、このような短くて強いバネをＷＥＣのブイの中に嵌めるのは簡単である。たとえ適切な力−変位特性を具えた長いバネを構成するのが可能であっても、バネ及び反動質量によって占められるＷＥＣブイの容積によりＷＥＣブイが長くなり、その流体力学的性能に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００２７】
図３に示す本発明を実施するＷＥＣでは、フロート（１０）が海底（１１）に緩く固定されており、波とともに上下動し得る。「反動」質量（２０）が、シェル（１０）の中に収容されている。その動きが１組の低摩擦レール又はガイド（１３）によって案内される。１組のエンドストッパ（下部ストッパ１５及び上部ストッパ１７）によって、反動質量の動きが制限されるが、それらは、バネ又はダンパのセット（１５，１７）又はそれらの組み合わせとすることができる。反動質量（２０）は、１組のプーリを通るケーブル又はロープに「振動子」バネ（３０）を繋ぐケーブル（１９）又はロープに接続される。振動子バネ（３０）は、一端が（プーリ構成を介して）ケーブル（１９）の一端に接続されており、その他端がフロート（１０）に接続されている。
【００２８】
バネ定数（ｋ）の最適値を設定することができる。（図３に示すように）４：１のプーリのマルチプリケーション比（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）を用いる場合、バネの長さを短くすることができ、プーリのマルチプリケーション比の分だけバネ定数を大きくさせることが可能である。利点は、所要のバネの長さはプーリが無い場合の４分の１である。さらに、所望の場所に反動質量（２０）の釣り合い位置を移動させる方法で振動子バネ（３０）のフロート（１０）への接続ポイントの位置を調整することが実用的である。例えば、慣性質量を具えたプーリシステム及びバネを搭載できる。この質量は、初めはフロートの低部にある。バネが張力を保持しながら、質量が所望の釣り合い位置に位置するように質量が上昇してケーブルが短くなる。プーリ及びバネの多くの代替的な配置がある。
【００２９】
図３Ａ及び３Ｂを使用して本発明を実施する図３のシステムの動作を示す。図３Ａは静止状態のシステムを示す。このような状態では、バネ３０ａが梁３０１の中間点３１５と固定点３１３との間に繋がれており、片持ちアーム３０１が端点３１１で固定されている。質量２０ａが片持ち梁３０１の他方の端点３１７に取り付けられている。この図は、点３１１と点３１５との間の距離ｄ１と、点３１５と点３１７の間の距離ｄ２とを示す。概念的及び実際には、バネを中間点に取り付ける必要がない；すなわちｄ１はｄ２と等しくなくてもよい。
【００３０】
図３Ｂは、質量２０ａが距離「２ｘ」だけ下動し、バネ３０ａが距離「ｘ」だけ伸長している場合を示す。ｄ１とｄ２との比を変えることにより、バネの変位が反動質量の変位の可変関数になることが図から明らかである。しかしながら、本発明を実施する全ての例において、質量の直線変位は、バネの有効変位よりも常に大きい。
【００３１】
フロート（１０）及び／又は反動質量（２０）の急激な加速によりケーブル（１９）が弛んだりプーリの中に詰まったりしないように、プーリシステム及び質量を構成してもよい。
【００３２】
図４は、フロート（１０）と質量（２０）との間にシザー機構（５０）が設置されたシステムを示す。バネ（３０ａ及び３０ｂ）のセットがフロートの上部とシザー機構の選択ポイントとの間に繋がれている。所要のバネ力は、１つの長いバネのバネ力にシザー機構の機械力のマルチプリケーション比（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）を乗じたものに等しい。バネの長さが同じ比の分だけ短くなる。また、バネをシザーアッセンブリの異なるポイント（例えば、下部）に取り付けることができる。
【００３３】
図５は、比較的短いバネが非常に長いバネと同じように機能し得る別の構成を示す。このようして、バネの長さを短くしてもよい。図５では、長い梁（６０ａ，６０ｂ）のセットを介して振動子バネ（３０ａ，３０ｂ）を反動質量（２０）に取り付けている。このような実施例では、より短くて強いバネが反動質量（２０）に直接取り付けられた長くて弱いバネと同じような方法で反動質量と作用するように、バネ（３０ａ，３０ｂ）を梁（３１）の支点の近くに設置する。このような方法の利点は、所望の位置に質量の釣り合い位置を配置するように、フロートに取り付けられたバネの端部を上下させることができることである。
【００３４】
油圧バネの実施例（図６）
図６は、物理的なバネを油圧シリンダ７０と油圧アキュムレータ８０との組み合わせで代えたものを示す。このように、大きなアキュムレータに結合された油圧シリンダを使用可能である（図６参照）。３つの代替的な油圧システム構成を図１０ａ，１０ｂ及び１０ｃに示す。図６及び図１０ａに示すような最も単純な構成では、油圧シリンダ（７０）が反動質量（２０）とフロート（１０）との間に設けられている。油圧シリンダ（７０）の１つのポート（７１）が油圧アキュムレータ（８０）に接続されている。（図１０ｂ及び１０ｃに示すように、より良好な又は滑らかな動作のために油圧シリンダと油圧アキュムレータとの他の相互接続を成し得る。）所望の初期変位及び弾力性（すなわち、有効バネ剛性）を生じる方法で、アキュムレータの大きさ及び予充填を選択できる。アキュムレータの容量は弾力性を決定する。アキュムレータの予充填圧力が、機械的に負荷をかけた油圧シリンダの初期変位を決定する。
【００３５】
所望の静水変位及び動作弾力性をバネに具えるためのいくつかの他の方法があることに留意されたい。
【００３６】
このように、本発明は、非常に短いバネ又はバネセットによって及び／又は必要以上にスペースを取らないでバネ機能を果たすことができる装置を導入することによって、（ＷＥＣを効果が無いものにする）長いバネに代えるという認識を一つに有する。さらに、バネをより短くすることによってフロートへのバネの取付点を上げて、システムの動作にとって最も良い場所に反動質量を位置決めできる。
【００３７】
ＷＥＣの設置前又は「乾燥」質量を最小限に抑えるために、反動質量を、ＷＥＣを水中に設置してから満たす水槽とすることができる。また、ＷＥＣブイバッテリを反動質量として使用できる。
【００３８】
油圧シリンダ及びアキュムレータのサイズを決める方法を以下のように概説する。図１１ａ，１１ｂ及び１１ｃは、フロート（シェル）と反動質量との間の位相がずれた相対運動に関するシステムの動作を示しており（図１１ｄ参照）、システムのいくつかのサイジングパラメータを規定する。
Ｋ＝反動質量Ｍとともに選択して、卓越波の周期に近い固有振動周期を与えるバネ定数（式２を参照）。
Ｍ＝バネ定数Ｋとともに選択して、卓越波の周期に近い固有振動周期を与える反動質量（式２を参照）。
Ｌ＝反動質量のストローク（又は移動距離）
ｇ＝重力加速度（９．８ｍ／ｓ２）
Ｆ０＝静水の油圧シリンダにかかる力
Ｆ１＝反動質量が上死点（ｔｏｐ ｏｆ ｓｔｒｏｋｅ）にある場合の油圧シリンダにかかる力
Ｆ２＝反動質量が下死点（ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｓｔｒｏｋｅ）にある場合の油圧シリンダにかかる力
Ｐ０＝静水状態の油圧シリンダ及びアキュムレータにかかる圧力
Ｐ１＝反動質量が上死点にある場合の油圧シリンダ及びアキュムレータにかかる圧力
Ｐ１＝反動質量が下死点にある場合の油圧シリンダ及びアキュムレータにかかる圧力（例えば、３０００ｐｓｉ又は１８０ｂａｒ）
Ｖ０＝静水状態の油圧アキュムレータの中のガスの容量；アキュムレータにガスを充填又は予充填して所望の結果を得ることに留意されたい。
Ｖ１＝反動質量が上死点にある場合の油圧アキュムレータの中のガスの容量
Ｖ２＝反動質量が下死点にある場合の油圧アキュムレータの中のガスの容量
ΔＶ＝反動質量の最大ストロークにおける油圧シリンダのガス容量の変化
【００３９】
ＷＥＣが静水Ｆ０にある場合に油圧シリンダに掛かる力は、以下のように求められる：
【００４０】
反動質量が上死点にある場合の油圧シリンダにかかる力Ｆ１は、以下のようになる：
【００４１】
反動質量が下死点にある場合の油圧シリンダにかかる力Ｆ２は、以下のようになる：
【００４２】
所望の最大圧力Ｐ２を生じる油圧シリンダの「動作」領域Ａｃは、以下のようになる：
【００４３】
式（６）の中に式（５）を代入して、シリンダの動作領域に関する以下の式を得る：
【００４４】
反動質量のストローク（移動距離）にわたるアキュムレータのガス容量の変化が以下のようにして求められる：
【００４５】
アキュムレータのガスが理想的な二原子気体（窒素を仮定してよい）で熱伝達が最小限の場合（すなわち、断熱）、反動質量の移動距離の各端部におけるアキュムレータの圧力及び容量は以下のような関係にある：
【００４６】
γの大きさは１．４である。Ｖ２＝Ｖ１−ΔＶであるため、式（７），（８）及び（９）を整理して、反動質量が上死点に有る場合の大きなガス容量に関する式を得る：
【００４７】
油圧アキュムレータの容量を、Ｖ１よりもわずかに大きく選択すべきである。
【００４８】
トーションバネの実施例（図７及び７Ａ）
図７及び図７Ａは、従来のコイルバネ又は板バネをトーションバネに代え得ることを示す。図７では、反動質量（２０）がガイドレール（１３）によって鉛直方向に案内される。これらのガイドレール（１３）は、反動質量（２０）が上下動する際に反動質量（２０）が回転しないようにする。反動質量（２０）は、回転トルク及び速度にリニアの力及び速度を変換する変換機構に取り付けられている。ボールネジがこのような変換装置のうちの１つである。反動質量（２０）が上下動する際に変換器が回転する。発電機が変換器に取り付けられている。質量が上下動すると、変換器が時計方向及び反時計方向に回転し、電力が発生する。また、図７では、１又はそれ以上のトーションバネが変換器に取り付けられている。バネのトルク定数が選択されて、卓越波の周期に近い固有周期をＷＥＣに与える所要のバネ定数Ｋを与える。反動質量（２０）の直線運動の範囲を、トーションバネの角運動の範囲が非常に大きくなるようにすることが可能である。このようなケースでは、トーションバネの所要の運動範囲を減らすように、リニア回転装置（例えば、ボールネジ）間にギヤボックス（例えば、図７の符号７２６）を挿入することが可能である。図７Ａはこのような構成を図式的に示す。トーションバネの所要の運動範囲を減らすと、トーションバネが強くなる（例えば、トーションバネの単位変位定数当たりのトルクが増加する。）。
【００４９】
装置の設置
本発明を実施するためのシステムでは、ＷＥＣが水面上を浮いて通過波による浮力の変化に応答するように、ＷＥＣが「正の」システムの浮力を有してよい。エネルギ変換をもたらす運動を妨げないようにしつつ関心のある範囲にＷＥＣを保持するタイプの係留装置とともにＷＥＣを設置してもよい。ＷＥＣが水塊のボリュームの中にとどまって通過波による流体力学上の圧力の変化に応答するように、ＷＥＣが「釣り合う」システムの浮力を有してよい。このようなケースでは、ＷＥＣが所望の深さに確実にとどまるようにするためのタイプのシステムとともにＷＥＣを配置する。ＷＥＣを所望の深さにとどまらせるこのようなシステムはアクティブ（例えば、深さ検出器及び調整可能なバラストタンクを具えたシステム）でよく、あるいは、それはパッシブ（例えば、海底に向けて垂れるチェーン）であってもよい。
【００５０】
解析結果（図８及び図９）
図８は、反動質量、バネ定数及びＰＴＯダンピングの１つの組み合わせに関するコンピュータ・シミュレーションの結果を示す。最上段の波形（Ａ）では、波の振幅を越える反動質量の運動の振幅を示す。２番目の波形（Ｂ）は、フロートに対する反動質量の速度を示す。３番目の波形（Ｃ）は、パワーテイクオフユニットに加えられる反動質量の力を示す。４番目の波形（Ｄ）は、本発明を実施するＷＥＣによって発生する瞬時電力を示す。
【００５１】
図９は、いくつかの「海面状態」及びいくつかのブイの形態に関するいくつかのコンピュータ・シミュレーションの実行結果を示す。本実施例では、フロートの質量及びバネ定数が一定であり、反動質量の質量が変化する。図示するように、出力が、バネ定数、反動質量及び海面状態に依存する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
添付図面は、等尺に描かれてはいないが、同じ符号が同じ部品を示す。
【００５３】
【図１】図１は、従来技術の波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）の一般的なバージョンである。
【図２】図２は、フロート、反動質量、ＰＴＯ及び非常に長いバネを有する従来技術のＷＥＣのいくつかの形態を示す。
【図３】図３は、プーリ構成を使用して「短い」（コンパクトな）バネを使用し得る本発明を実施するＷＥＣを示す。
【図３Ａ】図３Ａは、質量及びバネが固定されている片持ち梁の簡略図を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、例えば、質量の２Ｘの変位によりバネがＸだけ伸長することを示す片持ち梁の簡略図を示す。
【図４】図４は、シザー機構を使用することで「短い」（小型の）バネを使用し得る本発明を実施する別のＷＥＣの理想的な図である。
【図５】図５は、片持ち梁を使用することで「短い」（小型の）バネを使用し得る本発明を実施するさらに別のＷＥＣの理想的な図である。
【図６】図６は、油圧シリンダ及びアキュムレータがバネとして機能して必要とする物理的なバネに代わる本発明を実施するさらに別のＷＥＣの理想的な図である。
【図７】図７は、ボールねじ及びトーションバネを使用して「短い」バネを与える本発明を実施するさらに別のＷＥＣの理想的な図である。
【図７Ａ】図７Ａは、ボールねじ及びトーションバネを使用して「短い」バネを与え、ギヤボックスを使用してトーションバネの角変位の範囲を減らすことで、トーションバネのトルク応答を増やす本発明を実施するＷＥＣの理想的な図である。
【図８】図８は、本発明を実施するＷＥＣに関するシミュレーション結果を示す波形図である。
【図９】図９は、本発明を実施するＷＥＣのいくつかの異なる形態について発生する出力を示す図である。
【図１０ａ】図１０ａは、油圧シリンダと付随するアキュムレータとの様々な相互接続を示す、図６のシステムのパーツの理想的な表現である。
【図１０ｂ】図１０ｂは、油圧シリンダと付随するアキュムレータとの様々な相互接続を示す、図６のシステムのパーツの理想的な表現である。
【図１０ｃ】図１０ｃは、油圧シリンダと付随するアキュムレータとの様々な相互接続を示す、図６のシステムのパーツの理想的な表現である。
【図１１】図１１ａ−ｄは、様々な波浪状態に応答してフロートと反動質量との間の相対運動を生じさせる油圧シリンダ及びアキュムレータの様々な位置を示す、図６及び図１０ａのシステムのパーツの理想的な表現である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）システムであって、
水塊の波動運動に応答するシェルと、
反動質量と、前記反動質量と前記シェルとの間に結合される油圧バネ機構とを有する内部振動子であって、前記油圧バネ機構が、アキュムレータに結合された油圧シリンダを含み、前記反動質量が前記シェルの中に取り付けられ、前記シェル及び前記内部振動子が波浪状態にさらされる水塊の中に設置された場合に前記シェルに対して位相差を有して相対運動する内部振動子と、
前記シェルと前記内部振動子との間に結合され、それらの相対運動を電気エネルギに変換するパワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置とを具え、
前記ＰＴＯ及び前記内部振動子が、前記水塊から全体的に隔離されるように、前記シェルの中に設置されており、
前記油圧バネ機構が、前記反動質量が前記シェル内で直線的に上下動するように取り付けられた前記反動質量に結合されていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記アキュムレータが油圧アキュムレータを含み、前記油圧バネ機構が、前記油圧シリンダと前記油圧アキュムレータを相互に連結してそれらの間に流体を通過させる管路を含むことを特徴とする請求項１に記載のＷＥＣ。
【請求項３】
前記アキュムレータにガスが充填されており、前記アキュムレータの大きさが、前記油圧バネ機構の所望の初期変位及び弾力性を与えるように選択されていることを特徴とする請求項１に記載のＷＥＣ。
【請求項４】
波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）システムであって、
水塊の波動運動に応答するシェルと、
反動質量と、前記シェルに前記反動質量を結合するための油圧バネ機構とを有する内部振動子であって、前記内部振動子が前記シェルの中に取り付けられ、前記反動質量が前記シェルに対して位相差を有して相対運動するように構成され、前記シェル及び前記内部振動子が、水塊の中に設置された場合に水塊の波に応答して、前記シェルと前記内部振動子との間に相対運動が生じるよう構成された内部振動子と、
前記シェルと前記内部振動子との間に結合され、前記シェルと前記内部振動子の間の運動を電気エネルギに変換するパワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置とを具え、
前記ＰＴＯ及び前記内部振動子が、前記水塊から全体的に隔離されるように、前記シェルの中に設置されており、
前記シェルと当該シェル内に収容される前記内部振動子が、水塊の表面の上下に延在するように構成され、前記反動質量が、前記シェル内で直線的に上下動するように取り付けられ、前記シェルが、水没し、前記ＰＴＯ及び前記内部振動子を収容する耐水性の空洞を有するよう構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項５】
前記ＷＥＣが、前記ＷＥＣが釣り合った状態で水中にとどまり得るように、前記ＷＥＣの浮力を調整するための部品を有することを特徴とする請求項４に記載のＷＥＣ。
【請求項１】
波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）システムであって、
水塊の波動運動に応答するシェルと、
反動質量と、前記反動質量と前記シェルとの間に結合される油圧バネ機構とを有する内部振動子であって、前記油圧バネ機構が、アキュムレータに結合された油圧シリンダを含み、前記反動質量が前記シェルの中に取り付けられ、前記シェル及び前記内部振動子が波浪状態にさらされる水塊の中に設置された場合に前記シェルに対して位相差を有して相対運動する内部振動子と、
前記シェルと前記内部振動子との間に結合され、それらの相対運動を電気エネルギに変換するパワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置とを具え、
前記ＰＴＯ及び前記内部振動子が、前記水塊から全体的に隔離されるように、前記シェルの中に設置されており、
前記油圧バネ機構が、前記反動質量が前記シェル内で直線的に上下動するように取り付けられた前記反動質量に結合されていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記アキュムレータが油圧アキュムレータを含み、前記油圧バネ機構が、前記油圧シリンダと前記油圧アキュムレータを相互に連結してそれらの間に流体を通過させる管路を含むことを特徴とする請求項１に記載のＷＥＣ。
【請求項３】
前記アキュムレータにガスが充填されており、前記アキュムレータの大きさが、前記油圧バネ機構の所望の初期変位及び弾力性を与えるように選択されていることを特徴とする請求項１に記載のＷＥＣ。
【請求項４】
波力エネルギ変換器（ＷＥＣ）システムであって、
水塊の波動運動に応答するシェルと、
反動質量と、前記シェルに前記反動質量を結合するための油圧バネ機構とを有する内部振動子であって、前記内部振動子が前記シェルの中に取り付けられ、前記反動質量が前記シェルに対して位相差を有して相対運動するように構成され、前記シェル及び前記内部振動子が、水塊の中に設置された場合に水塊の波に応答して、前記シェルと前記内部振動子との間に相対運動が生じるよう構成された内部振動子と、
前記シェルと前記内部振動子との間に結合され、前記シェルと前記内部振動子の間の運動を電気エネルギに変換するパワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置とを具え、
前記ＰＴＯ及び前記内部振動子が、前記水塊から全体的に隔離されるように、前記シェルの中に設置されており、
前記シェルと当該シェル内に収容される前記内部振動子が、水塊の表面の上下に延在するように構成され、前記反動質量が、前記シェル内で直線的に上下動するように取り付けられ、前記シェルが、水没し、前記ＰＴＯ及び前記内部振動子を収容する耐水性の空洞を有するよう構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項５】
前記ＷＥＣが、前記ＷＥＣが釣り合った状態で水中にとどまり得るように、前記ＷＥＣの浮力を調整するための部品を有することを特徴とする請求項４に記載のＷＥＣ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図７Ａ】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１０ｃ】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図７Ａ】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１０ｃ】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−８３２６７（Ｐ２０１３−８３２６７Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−７０５８（Ｐ２０１３−７０５８）
【出願日】平成２５年１月１８日（２０１３．１．１８）
【分割の表示】特願２００８−５４３４７４（Ｐ２００８−５４３４７４）の分割
【原出願日】平成１８年１２月１日（２００６．１２．１）
【出願人】（５０１０６３４２７）オーシャン パワー テクノロジーズ，インク． (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月１８日（２０１３．１．１８）
【分割の表示】特願２００８−５４３４７４（Ｐ２００８−５４３４７４）の分割
【原出願日】平成１８年１２月１日（２００６．１２．１）
【出願人】（５０１０６３４２７）オーシャン パワー テクノロジーズ，インク． (24)
【Ｆターム（参考）】
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