JP5095757B2 - 自動ピッチ制御機能を有するエアフォイル - Google Patents

Description

本発明は、エアフォイル（エーロフォイル：airfoil）に対する様々な方向の流体の流れの中で用いるために配置されるエアフォイルに関するものである。本発明は、回転クロスフロー装置、振動装置、力発生装置およびフロー制御装置にまでも及ぶものである。

回転クロスフロー装置を潮汐流のような自由に流れる流体内で発電機として使用すること、あるいはプロパルサまたはプロペラとして使用することが提案されている。

回転クロスフロー装置は、流れ方向に対して垂直な回転軸を有し、優れた回転軸タービン／プロペラ装置よりも理論上は効率的であることが分かっている。回転クロスフロー装置は、広い長方形の掃引領域（swept area）を対象とすることができるという利点を有し、発電機として使用されるときは、動力伝達装置（drive train）を水位より上に配置できるという固有の利点を有する。

しかしながら、回転クロスフロー装置の潜在的な効率は、当該装置が取り組まなくてはならない非常に複雑な流体流れ場によって、実際にはほとんど達成不可能なものとなっている。作動中、かような回転クロスフロー発電装置の翼は、絶えず変化する見掛け流れ方向（apparent flow direction）に遭遇し、その流れ方向は、翼（またはブレード）の回転の弧に対する接線の両側に行き来し、速度も絶えず変化する。このような回転クロスフロー装置を潮汐流のような流体の流れの中で最も良く働かせるためには、低い先端速度比における翼の失速を回避するために、回転翼またはブレードの効率的なピッチ制御が必要とされる。

さらに、翼（またはフォイル）は、本明細書においてはエアフォイルとして言及することがあるが、この翼が遭遇する流れの複雑さのため、ピッチ制御が、遭遇する流動態様のすべての複雑さを受け入れるのが理想的である。

従来より、ピッチが固定された翼を有する回転クロスフロータービンがよく知られている。

それら装置の翼は、高い先端速度比で、望ましい“迎角”（以下、ＡＯＡと称する。）の近くで作動するようにしてもよいが、動きの速い流れにおいて、高い見掛け流動速度は、非常に高い揚力や、翼に損傷を与える負荷を作り出し、またはキャビテーションを引き起こす可能性がある。また、それら装置の翼は、低い先端速度比においてストールするとともに、装置を起動して運転速度に引き上げるためのモータを必要とする。

回転クロスフロータービンのために、機械的可変ピッチ制御機構が提案されている。それら機構は、装置の回転中、回転翼のピッチを一般に正弦波的に変動させる。しかしながら、異なる先端速度比は、異なる振幅を必要とし、潮汐流のような交互の流れにおいては、潮汐方向の変化による位相シフトも必要とされる。それらピッチ制御システムは、翼が遭遇する流れをあまりにも簡略化し過ぎる、タービンを通じた一定の流動速度および平行流を前提としている。さらに、それら装置は、費用がかかり、また潜在的に信頼することができない複雑で精巧な制御システムを必要とする。

ブレードまたは翼が単一の回動軸を中心に回動できる場合において、様々な流体動的自動ピッチ制御機構も提案されている。翼の空力中心の僅かに前方か後方に回動軸が移動され、運転ＡＯＡで翼を維持するために、翼に作用する揚力および抗力によって回動軸まわりに生成されるモーメントの抵抗が様々な方法で行われる。このアプローチは、見掛け流れ方向だけでなく見掛け流動速度によっても、モーメントの大きさが影響を受け、またそれが、回動を通じて非常に変わり易いために、問題がある。このため、ＡＯＡは所望のＡＯＡから絶えず変化することとなり、よって、それに対抗する精巧な制御システムが必要とされる。

本発明は、従来の幾つかの問題を少なくとも軽減することを目的とする。

本発明は、添付の特許請求の範囲に記載されているようになる。

本発明の第１態様は、エアフォイルに対する様々な流れ方向の流体の流れの中で用いるために配置されるエアフォイルであって、当該エアフォイルがそのピッチ角の自動調整のために、多軸ヒンジ（plural axis hinge）上に配置されていることを特徴とする。

本発明の利点は、エアフォイルが変動または交互に変化する見掛け流れ方向に直面するときに効果的なエアフォイルの自動ピッチ制御が与えられることである。エアフォイルのピッチは、エアフォイルが配置される流体の流れの流体動的力だけに応答し、多軸ヒンジは、必要なときだけエアフォイルのピッチを変えるために機能することができる。また、多軸ヒンジは、流れのすべての条件下で、流動態様のすべての複雑性に応答することができる。多軸ヒンジは、外部制御システムまたは外部機構を必要とすることなく、ピッチ制御を提供する。外部機構および制御システムが無いことにより、従来よりも非常に安価な小型自動ピッチ制御手法を実現する。

多軸ヒンジは、横方向に間隔を置いて配置された第１および第２回動中心を規定する固定部材（fixed component）と、ヒンジを開放するために第１および第２回動中心の各々を中心に回動可能な可動部材（moving component）とを備え、この可動部材と共に回動運動を行うためにエアフォイルが可動部材上に配置されるものとすることができる。このように、エアフォイルのピッチは、エアフォイルが直面する見掛け流れ方向に応じて、ヒンジの可動部材により自動的に調整することができる。

代替的には、多軸ヒンジは、固定部材および可動部材を備え、可動部材が、第１回動中心とこの第１回動中心から横方向に間隔を置いて配置された第２回動中心の各々を中心に回動可能であり、その回動により、第１回動中心と第２回動中心の何れかを中心にヒンジを開くとともに、このヒンジの開放中に、第１回動中心と第２回動中心の各位置が固定部材に対して可変であり、また、可動部材と共に回動運動を行うためにエアフォイルが可動部材上に配置されるものであってもよい。

第１回動中心と第２回動中心の一方を中心にヒンジが開放している状態と、第１回動中心と第２回動中心の他方を中心にヒンジが開放している状態との間で移行中の可動部材の動作は、実質的に即時に行われるものであってもよい。

代替的には、ヒンジの動作は、緩やかな回動運動であってもよい。

可動部材は、第１回動中心と第２回動中心の間で移行動作中に、複数の中間位置の回動中心を中心に回動するように配置されるものであってもよい。

多軸ヒンジは、第１回動中心と第２回動中心の各々において、可動部材と固定部材との間に延びる交差リンクをさらに備えるものであってもよい。交差リンクは、第１回動中心と第２回動中心の何れかを中心にヒンジを開放することを可能にするとともに、多軸ヒンジの可動部材と固定部材とを一体に固定する手段を提供する。交差リンクは、実質的に剛体であっても、可撓性を有するものであってもよい。各種類の交差リンクによって、ヒンジが第１回動中心を中心に開放している状態と、第２回動中心を中心に開放している状態との間の移行を急速および迅速なものとすることができるように、あるいはより緩やかな回動プロセスとすることができるように、ヒンジを構成することができる。

代替的には、第１回動中心と第２回動中心との間で可動部材の移行を可能にするとともに両部材を固定するために、ラッチ機構を提供するようにしてもよい。この実施形態は、ヒンジの高さを低減して、ヒンジの前面面積を減少させることができ、これによりヒンジによって発生する抗力を低減することができる、という利点を有する。ラッチは、指向性ベーン（directional vane）によって制御可能とするようにしても、あるいは圧力作動スイッチを介して制御可能とするようにしてもよい。それら実施形態の各々においては、ラッチの制御によって、ヒンジを使用する装置の通常運転条件下で、風上の回動軸のみを中心に多軸ヒンジが回動するようになる。

一実施形態においては、多軸ヒンジが、可動部材に連結された少なくとも１つの油圧ダンパをさらに備えるようにしてもよい。ダンパが存在することによって、ジャイブが生じることとなる先端速度比でヒンジ要素にストレスが加えられるのを防止することができる。第１回動中心と第２回動中心の各々で、可動部材に結合される油圧ダンパを設けるようにしてもよい。

第１回動中心と第２回動中心の各々で、油圧ダンパが可動部材に結合される場合には、それらをさらに、交差リンクまたはラッチ機構の代わりに、第１回動中心と第２回動中心との間で可動部材の移行を可能にするとともにヒンジ要素を固定するために、使用するようにしてもよい。この実施形態も、ヒンジの高さを低減して、ヒンジの前面面積を減少させることができ、これによりヒンジによって発生する抗力を低減することができる、という利点を有する。

１または複数の油圧ダンパは、減衰率が変化するものであってよい。ヒンジに加わる衝撃荷重を和らげるために、ヒンジが完全に開いた位置または閉じた位置に達したときに、減衰が主に必要とされる。これに対して、それら位置の間では減衰の要求は少ない。

１または複数の油圧ダンパの作動は、遅延装置によって遅延させるようにしてもよい。このような装置によって、ヒンジを使用する装置の通常運転条件下で、風上の回動軸のみを中心にヒンジが回動するようになる。

第１回動中心と第２回動中心の各々で、油圧ダンパが可動部材に結合される場合には、どの時点においても、どのダンパを作動させるべきかを決定するために自動セレクタを使用するようにしてもよい。このように、油圧ダンパが存在することによって、ヒンジを使用する装置の通常運転条件下で、風上の回動軸のみを中心にヒンジが回動するようになる。自動セレクタは、回転バルブまたは線形バルブを有するものであってもよい。自動セレクタは、指向性ベーンによって制御可能なものであっても、圧力作動スイッチを介して制御可能なものであってもよい。

多軸ヒンジの固定部材からの、移動部材の開放範囲を制限するために、それを配置するようにしてもよい。一実施形態において、他の手段を用いるようにしてもよいが、この目的のために１または複数の油圧ダンパを使用するようにしてもよい。回転クロスフロー発電機は、動力伝達機構のメンテナンス等を実施できるように電流を流している間に、静止位置で発電機を維持するためにブレーキまたはロックを必要とする。ブレーキのサイズを最小化するために、発電機の静止始動トルクを減少させることが望ましい。ヒンジ開放角を最大約３０度に制限することによって、翼のピッチと、翼によって生成される起動トルクも制限することができる。

流体は水であってもよい。流体の流れは、潮汐流のように方向が変わるものであっても、波における水の軌道運動のように軌道を描くものであってもよく、あるいは、流れ方向が、川の流れや海流のようにほぼ一定であってもよい。

一実施例において、エアフォイルは前縁および後縁を有し、エアフォイルを使用する装置の通常運転条件下で、前縁が近づいてくる流れ方向を常に向き、後縁が流れ方向から背ける方向を常に向くようにしてもよい。このようなエアフォイルは、以下の説明では、“タッキング”フォイル（tacking foil）と称する。タッキングフォイルは、薄くて平らなブレード、対称的なエアフォイル部、上に反らせた薄いブレード、または上に反らせたエアフォイル部として一般に形成することができる。

多軸ヒンジの回動中心線は、第１および第２回動中心を通る仮想線として定義するようにしてもよく、その場合に、ヒンジが閉じたときに回動中心線がエアフォイルの翼弦とほぼ垂直に配置されるように、ヒンジがタッキングフォイルに取り付けられている。多軸ヒンジは、回動中心線がエアフォイルの空力中心の翼弦幅の±２５％以内を通るようにタッキングフォイルに取り付けるようにしてもよい。さらに、回動中心線は、エアフォイルの空力中心の翼弦幅の±１０％以内を通るようにしてもよい。それら範囲では、特定のエアフォイルのための必要設計ＡＯＡでエアフォイルが釣り合う可能性が高い。正確な位置は、主にエアフォイルの揚抗比によって決定され、理想的な取付位置自体は変わり得るが、それらの境界内で通常は見付けられる。

代替的な実施形態において、エアフォイルは、対向面、前縁および後縁を有し、通常高い流体圧力に面するエアフォイルの表面を常に同じ面とし、且つ低い流体圧力に面するエアフォイルの表面を常に同じ面で維持するために、対向面、前縁および後縁が、それらの使用時に交互に入れ替えられるように配置されるものであってもよい。そのようなエアフォイルは、以下の説明では、“切換”フォイル（shunting foil）と称する。切換フォイルは、薄くて平らなプレート、対称的なレンズ部、上に反らせた薄いプレート、または上に反らせたレンズ部として一般に形成することができる。

多軸ヒンジの回動中心線は、第１および第２回動中心を通る仮想線として定義するようにしてもよく、ヒンジは、当該ヒンジが閉じたときに回動中心線がエアフォイルの翼弦とほぼ平行に配置されるように、切換フォイルに取り付けるようにしてもよい。

本発明の第２態様は、様々な見掛け流れ方向の流体の流れの中で用いるために配置される回転クロスフロー装置であって、当該装置が、流体の流れに対してほぼ垂直に配置された回転シャフトと、このシャフトと平行に回動可能に配列された少なくとも１つのタッキングフォイルとを備え、エアフォイルが、シャフトに連結された支持部上でシャフトから間隔を空けるような位置関係で配置され、エアフォイルが、本発明の第１態様に係る多軸ヒンジ上に配置されていることを特徴とする。

回転クロスフロー装置は、回転クロスフロー発電機であってもよい。この実施形態において、多軸ヒンジは、その横軸が、装置の使用中にエアフォイルの回転の弧に対する接線に接近して留まるように、またはその接線で実質的に留まるように、支持部に強固に固定されるようにしてもよい。

回転クロスフロー装置は、回転クロスフロープロペラであってもよい。この実施形態において、多軸ヒンジは、その横軸が、推進力（thrust）の望ましい方向に向けられた状態のまま配置されるように、支持部に対して回動可能に取り付けるようにしてもよい。

多軸ヒンジの可動部材は、エアフォイルを使用する装置の通常運転条件下で、固定部材の上流に位置するように、エアフォイル上に取り付けるようにしてもよい。かかる構成は、回転クロスフロー装置や振動プロパルサとともに使用するのに適している。

本発明の第３態様は、振動装置が様々な見掛け流れ方向の流体の流れの中で用いるために提供されており、上記装置が、往復部材と、少なくとも１つのエアフォイルとを備えており、往復部材がその中間ストローク位置にあって、ヒンジが完全に閉じた位置にあるときに、エアフォイルがタッキングフォイルである場合には、その翼弦が中間の流体の流れ方向に対して実質的に平行に配置されるように、一方、エアフォイルが切換フォイルである場合には、中間の流れ方向に対して実質的に垂直に配置されように、エアフォイルが往復部材上に配置されており、且つ、エアフォイルが、本発明の第１態様に係る多軸ヒンジ上に配置されていることを特徴とする。

振動装置は発電機であってもよい。代替的には、上記装置は、プロパルサであってもよい。上記装置が発電機である場合には、多軸ヒンジの可動部材は、固定部材の下流側に位置するように、エアフォイルに取り付けるようにしてもよい。

本発明の第４態様は、交互に方向が変わる流体の流れの中で用いるための力発生装置であって、当該装置が、そのピッチ角の自動調整のために、回動ヒンジ上に配置された切換フォイルを備えることを特徴とする。

本発明の第５態様は、交互に方向が変わる流体の流れの中で用いるためのフロー制御装置であって、当該装置が、そのピッチ角の自動調整のために、回動ヒンジ上に配置された切換フォイルを備えることを特徴とする。

力発生装置および／またはフロー制御装置の回動ヒンジは、多軸ヒンジであって、横方向に間隔を置いて配置された第１および第２回動中心を規定する固定部材と、第１および第２回動中心の各々を中心に回動可能であって、その回動によりヒンジを開放する可動部材とを備え、この可動部材と共に回動運動を行うためにエアフォイルが可動部材上に配置されるような多軸ヒンジであってもよい。このヒンジは、第１および第２回動中心を通る仮想線により定義される回動中心線を含むものであってもよく、その場合に、ヒンジが完全に閉じた位置にあるときに回動中心線がエアフォイルの翼弦と実質的に平行に配置されるように、ヒンジが取り付けられている。かような構成は、密集したタービン間のダクトのような密閉領域で使用することができる。

力発生装置および／またはフロー制御装置は、エアフォイルのピッチ角を制限する制限手段をさらに備えるようにしてもよい。制限手段は、装置の設計ＡＯＡでエアフォイルを維持するために使用される。

力発生装置および／またはフロー制御装置の回動中心線は、エアフォイルの翼弦と共直線上に配置されるようにしてもよく、あるいは、回動中心線は、エアフォイルの翼弦からオフセットしたものであってもよい。その距離は、ヒンジスパン（ヒンジの第１回動中心と第２回動中心との間の距離として定義される）とともに、設計ＡＯＡで翼のピッチがその限界に達するように設計することができる。

代替的には、力発生装置および／またはフロー制御装置のヒンジは、単一の回動軸を有し、それは、エアフォイルの翼弦からオフセットしたものであってもよい。このような構成は、非密閉の応用、例えば、ダウンフォース発生装置のような力発生装置上や、非密閉領域内にあるフロー制御装置上で使用することができる。エアフォイルからのヒンジのオフセットの距離は、設計ＡＯＡでその限界に達する翼の能力に影響を与える。

力発生装置および／またはフロー制御装置のエアフォイルは、上反りしたものであってもよい。

力発生装置および／またはフロー制御装置は、エアフォイルのピッチ角を調整するための補助として与えられる追加的な外力を有するものであってもよい。このような追加的な力は、負のピッチ角からピッチ角ゼロにエアフォイルを回動させるのに必要である可能性があり、その場合、流体動的力は、その後、変更された流れ方向に対する新たな負のピッチ角にエアフォイルを自然に回動させるために引き継ぐことができる。追加的な外力は、水撃ポンプを有するものであってもよい。

力発生装置および／またはフロー制御装置は、潮汐流内で使用するようにしてもよい。

力発生装置および／またはフロー制御装置は、回転クロスフロー発電機に隣接して設けるようにしてもよい。

有利には、一組のフロー制御装置は、回転クロスフロー発電機の両側および回転クロスフロー発電機に隣接して使用することにより、発電機を通る流量を向上させることができる。潮汐流が一方向であるときには、発電機下流に拡散ダクトを形成するために、エアフォイルをＡＯＡに傾けることができる。潮流が変わったときには、発電機の下流側であった方が上流側となる。１８０度ダクトの向きを変えることなく、反対方向に拡散ダクトを形成することができるように、翼のピッチを変えることができ、これにより、大きな空間とコストを節約することができる。

同様に有利には、一組のフロー制御装置が、隣接する発電機間のギャップ内に互いに近接して設けられた、複数の回転クロスフロー発電機または回転クロスフロー発電機アレイであってもよい。例えば、発電機のフリーフロー潮流アレイにおいて、起こり得る問題は、水頭がアレイの上流および下流領域の間で増加し、それにより、発電機を通してよりもアレイの側部周囲の流れを迂回させる傾向があることである。本発明が隣接する発電機の間に設けられるとき、一組のフロー制御装置が、アレイを通る流量をさらに向上させることもできるベンチュリ型の流路を形成する。

本発明が、流体動的圧力下での多軸ヒンジの交互動作にあり、多くの異なる方法によって実現できることが、当業者にとって明らかとなるであろう。本明細書に記載されている多くの具体的な構成は、非限定の例示的な実施形態として意図したものであり、以下の添付図面を参照しながら説明することとする。

図１は、本発明の一態様に係る回転クロスフロー発電機の概略斜視図である。 図２は、多軸ヒンジを示す、回転クロスフロー発電機の回転アームの概略斜視図である。 図３は、本発明に係る多軸ヒンジ上に取り付けられたタッキングフォイルの概略図で、ヒンジの移動プレートがヒンジの固定プレートの上流にある状態を示している。 図４は、剛体リンクを有する多軸ヒンジの概略図を示している。 図５は、可撓リンクを有する多軸ヒンジの概略図を示している。 図６は、滑りラッチ機構を有する多軸ヒンジの概略図を示している。 図７は、揚力と抗力の合力によって、風上の回動軸まわりに翼がバランスを取れるように多軸ヒンジに取り付けられたタッキングフォイルの概略図である。 図８は、先端速度比０．５で１回転を経たヒンジと垂直軸回転クロスフロー発電機エアフォイルの概略平面図である。 図９は、図８の回転の各段階のエアフォイルのＡＯＡのプロットを示している。 図１０は、図８の回転の各段階のエアフォイルのピッチ角を示すプロットである。 図１１は、先端速度比２で１回転を経たヒンジと垂直軸回転クロスフロー発電機エアフォイルの概略平面図である。 図１２は、図１１の回転の各段階のエアフォイルのＡＯＡのプロットを示している。 図１３は、図１１の回転の各段階のエアフォイルのピッチ角を示すプロットである。 図１４は、先端速度比３で１回転を経たヒンジと垂直軸回転クロスフロー発電機エアフォイルの概略平面図である。 図１５は、図１４の回転の各段階のエアフォイルのＡＯＡのプロットを示している。 図１６は、図１４の回転の各段階のエアフォイルのピッチ角を示すプロットである。 図１７は、交差リンクを有しないが油圧ダンパを有する多軸ヒンジの概略図を示している。 図１８は、指向性ベーンによって制御される油圧ダンパを含む、エアフォイル上に取り付けられた交差リンクを有する多軸ヒンジおよびエアフォイルの概略図である。 図１９ａは、先端速度比０．８で１回転を経た垂直軸回転クロスフロープロペラのヒンジとエアフォイルの概略平面図である。 図１９ｂは、先端速度比０．８で、逆推進で１回転を経た垂直軸回転クロスフロープロペラのヒンジとエアフォイルの概略平面図である。 図２０は、本発明に係る多軸ヒンジおよびタッキングエアフォイルを有する振動プロパルサの概略図である。 図２１は、図２０の振動プロパルサのストロークサイクルの概略図である。 図２２は、様々な振動プロパルサ装置に取り付けられた多軸ヒンジの概略図を示している。 図２３ａは、ピッチ制御用の多軸ヒンジおよび切換フォイルを備える振動プロパルサの概略図、図２３ｂは、ストロークターンの終了用の多軸ヒンジおよび切換フォイルを備える振動プロパルサの概略図である。 図２４は、切換フォイルと多軸ヒンジの概略図を示している。 図２５は、多軸ヒンジ上でバランスが取られた切換フォイルの概略図である。 図２６は、本発明に係る振動発電機の概略図である。 図２７は、本発明に係る振動発電機のストロークサイクルを経た概略図である。 図２８は、本発明に係る力発生装置の概略図である。 図２９ａは、多軸ヒンジを有するフロー制御装置または力発生装置の概略図、図２９ｂは、１軸ヒンジを有するフロー制御装置または力発生装置の概略図をそれぞれ示している。 図３０は、本発明に係るフロー制御装置を有する垂直軸回転クロスフロー発電機潮汐アレイの概略平面図を示している。

本発明の一実施形態において、図１は、潮汐流のような自由流動流体内で使用するのに適した回転クロスフロー発電機１を示している。発電機１は、回転軸１０を有するシャフト５を備え、使用中に発電機全体が回転軸１０を中心に回転するようになっている。複数の上部および下部支持アーム２０は、均等に間隔を空けた角度でシャフト５の上端および下端から外側に放射状に延びている。タッキングフォイル３０は、フォイルの縦軸が回転軸１０と平行に配置されるようにシャフトと間隔を空けて、各組の上部および下部支持アームの間に延びている。示される実施形態は３つの翼３０を有するが、実際には、特定の電力条件および特定の装置設計に照らして適当とされるような、任意の所望数量の翼３０および支持アーム（上部および下部、またはミッドスパン）を設けることができる。回転クロスフロー発電機の回転軸力は、動力伝達装置（図示省略）またはギアボックス（図示省略）を介して発電機（図示省略）に伝達されて、従来から周知のように、電力が生成される。代替的には、回転クロスフロー発電機の回転軸力を、低速運転用に設計された発電機に直接伝達するようにしてもよい。

回転クロスフロー発電機の運転中、翼のＡＯＡは、翼が過剰抗力の不利益を被ることなく最大の揚力および電力を生じるように、最適ＡＯＡの近傍で維持される。翼の最適ＡＯＡは、回転中の様々なポイントにおいて、最大設計ＡＯＡであっても、あるいはそれより小さいＡＯＡであってもよい。これは、翼の回転の弧の接線に対する、見掛け流れ方向の走行角（striking angle）に依存する。この走行角が設計ＡＯＡよりも大きいときには、最適ＡＯＡは設計ＡＯＡとなる。走行角が設計ＡＯＡよりも小さいときには、最適ＡＯＡは走行角となる。設計ＡＯＡは、翼が使用される装置の種類および／または翼設計に従い変化し、通常は８度と１５度の間になる。本実施形態において、設計ＡＯＡは約１３度となる。翼の性能および生成される電力は、最適ＡＯＡのどちらかの側への数度の小さい変動によっても急速に低下し得るため、翼のＡＯＡを常に最適ＡＯＡになるべく接近させて維持することが重要である。

図２に示すように、翼３０のピッチは、多軸ヒンジ５０を使用して制御される。この多軸ヒンジ５０は、その横軸が装置の使用中に翼の回転の弧に対する接線に接近して留まるように、またはその接線で実質的に留まるように、フェアリング６０に強固に取り付けられている。多軸ヒンジの横軸は、ヒンジの回動中心線の中間点を通り、ヒンジの回動中心線に対して垂直な仮想直線によって定義することができる。ヒンジの横軸の正確な位置決めは、使用されるヒンジ、翼および発電機の具体的な特性によって決まり、通常は、回転の弧の接線に対して５度以内であることが分かる。しかしながら、これは、特に大きな翼弦が小さい発電機直径で使用されるときに、より大きくなる可能性がある。フェアリング６０は、シャフト５の各端部で支持アーム２０に結合または一体化されている。ヒンジ５０およびその翼３０との連携は、図３ａ〜図３ｃに概略的に示されている。

図３ａ〜図３ｃの各々において、翼はタッキングフォイルであり、このタッキングフォイルにあっては、翼を使用する装置の通常運転条件下において、前縁３３が常に矢印によって示される流れ方向を向き、後縁３６が流れ方向から背ける方向を向いている。

ヒンジは、フェアリング６０に固着され、よって回転装置１の支持アーム２０に固着された固定プレート５２を備える。ヒンジは可動プレート５５をさらに備え、この可動プレート５５は、翼３０に固着されて、翼に作用する流体動的力に応じて開放および閉鎖する。

図３ａに見られるように、固定プレート５２と可動プレート５５との間に回動交差リンク５６，５８が位置する。交差リンク５６，５８は細長いバーで、それぞれの端部が回動中心６２，６４となっている。回動中心６２，６４間のスパンは、一方では、ヒンジによって生成される抗力を最小化する必要性によって、また他方では、翼のバランスを達成する必要性によって決定される。前者においては、スパンが大きくなるほど翼のバランス安定性が改善されるが、小さいヒンジスパンが要求される。このような課題は、具体的な要件に従って当業者が裁量する範囲内のものである。

ヒンジ５０は、翼３０に作用する流体動的力および見掛け流れ方向に応答する。このため、ヒンジ５０の横軸の両側の方向に行き来する見掛け上の流れにおいて、ヒンジ５０は、図３ａに示すように、回動中心６２まわりに、あるいは図３ｃに示すように、回動中心６４まわりに、それぞれ開放することができる。見掛け上の流れ方向がヒンジの横軸とほぼ一致するときは、図３ｂに示すように、ヒンジ５０は閉位置で留まり、交差リンク５６，５８は、一方の上に他方が同軸方向に配置される。

ここで図４を参照すると、ヒンジ５０の動作の順序がより明瞭に分かる。図４の実施形態において、交差リンク部材５６，５８は剛部材である。

図４ｂに見られるように、交差リンク部材５６は、可動プレート５５の回動中心６４ｂとともに固定プレート５２の回動中心６２ａに連結されている。同様に、交差リンク部材５８は、可動プレート５５の回動中心６２ｂとともに固定プレート５２の回動中心６４ａに連結されている。このように、ヒンジプレートは、各回動中心６２，６４まわりのヒンジ動作を許容しつつ、互いに固定されている。

図４ａにおいては、ヒンジが、可動プレート５５の回動中心６２ｂが固定プレート５２の回動中心６２ａから離れて回転するように、回動中心６４まわりに開放している状態で示されている。図４ｃにおいては、ヒンジが完全に閉じていて、回動中心６２または６４のどちらまわりでも開放できる状態にある。図４ｅにおいては、ヒンジが、可動プレート５５の回動中心６４ｂが固定プレート５２の回動中心６４ａに向かって回転するように、回動中心６２まわりに閉じている状態で示されている。図４ｂにおいては、ヒンジが回動中心６４まわりに閉じている状態で示され、図４ｆにおいては、ヒンジが回動中心６２まわりに開いている状態で示されている。

図４ａ，図４ｃおよび図４ｅにおいて、交差リンク回動中心６２ｂ−６４ａと６２ａ−６４ｂ間の距離は、固定および可動プレート５２，５５の回動中心６２，６４間のスパンと同じである。これら現実の回動中心６２，６４の一方または他方を中心にヒンジは常に回動しなければならないため、一方の回動中心まわりの開放と、他方の回動中心まわりの開放との間で急速および迅速な移行が存在する。このような構成は、回転クロスフロー装置、振動発電機、力発生装置およびフロー制御装置に適している。

図４ｂ，図４ｄおよび図４ｆにおいて、交差リンク部材５６，５８の回動中心６２ｂ−６４ａと６２ａ−６４ｂ間の距離は、固定および可動プレート５２，５５の回動中心６２，６４間のスパンよりも大きい。交差リンクが長いため、回動中心６２ａと６２ｂまたは６４ａと６４ｂが正確に一致するはずがなく、そのため、ヒンジが、それら回動中心の何れかを中心に正確に回動するはずもない。代わりに、ヒンジは、絶えず変化する回動中心６２ａと６２ｂまたは６４ａと６４ｂの組合せとなる仮想回動中心であって、絶えず位置が変化することとなる仮想回動中心を中心に回動する。ヒンジが実質的に回動中心６２，６４のどちらかの側を中心に開くときは、仮想回動中心は、その側に配置され、さらに開くのに伴い、僅かな量変化する。しかしながら、一方の側から他方の側に移行する間は、仮想回動中心は、一方の側から他方の側に瞬時に位置を変え、一方の回動中心側まわりの開放から、他方の回動中心まわりの開放への円滑な移行を提供することができる。この代替例は、振動プロパルサにより適している。図４ｄにおいては、ヒンジは閉じた状態で示されている。

ここで図７を参照すると、ヒンジの２つの回動中心６２，６４を連結する仮想回動中心線８０が、空力中心８５の近傍に収まるような方法で、翼弦３５に対して概ね垂直に延びるように、多軸ヒンジ５０がタッキングフォイル３０上に取り付けられている。多くの場合、回動中心線８０は、空力中心から翼弦幅のプラスまたはマイナス１０％の距離の範囲内に収まる。しかしながら、その距離は、特に大きなヒンジスパンが用いられた場合には、非常に大きくなる可能性がある。

多軸ヒンジをピッチ制御手段として効率良く作動させるためには、設計ＡＯＡで釣り合いが取れるように翼をヒンジに取り付ける必要がある。本実施形態においては、それが最初に選択した設計ＡＯＡ、すなわち、翼の作動目標となる設計ＡＯＡによって達成される。このＡＯＡにおいて翼３０に作用する揚力と抗力の合力８７は、翼の空力中心８５を介して延びる作用線を有している。近づいてくる流れ方向に対して風上の回動中心６２が図７に示されている。回動中心６２の位置が揚力と抗力の合力８７の作用線と一致するように配置される場合には、翼は、設計ＡＯＡで風上の回動中心６２まわりでバランスを取ることとなる。翼の反対側における風下の回動中心６４は、風上の回動中心６２と対称的に配置されている。しかしながら、他の実施形態においては、必ずしもそうである必要はない。

当業者であれば、揚力と抗力の合力の方向は、翼の揚抗比および見掛け上の流れの方向に依存するが、見掛け上の流れの速度によっては影響を受けないことに気が付くであろう。回転中、見掛け上の流れの速度は、合力の大きさを絶えず変えながら、常に変化している。しかしながら、合力の作用線は常に設計ＡＯＡで回動中心を介して作用するため、遭遇する見掛け上の流れ速度に関係なく、また精巧な外部制御システムをさらに必要とすることもなく、翼は常にそのＡＯＡで釣り合うこととなる。この特性により、多軸ヒンジを使った流体動的ピッチ制御は、前述した単一回動中心タイプよりも遙かに優れたものとなる。

回転クロスフロー発電機は、動力伝達機構のメンテナンス等を実施できるように電流を流している間、発電機を静止位置で維持するために、ブレーキまたはロックを必要とする。ブレーキのサイズを最小化するために、発電機の静止始動トルクを減少させることが望ましい。これは、ヒンジ５０の最大開放角度を約３０度に制限することによって達成され、それは同様に、翼のピッチと、それによって生成される起動トルクを制限する。かかる制限は、低い先端速度比で起動する間にヒンジに加わるジャイブ衝撃荷重も有益に低減する。

多軸ヒンジ５０は、ピッチ制御手段として以下のように作動する。使用の際に、回転クロスフロー発電機１は、潮汐流のような流体の流れの中に沈められる。翼に作用する流体動的力は、発電機１を回転させる。各翼３０が発電機の回転を通じて動作するとき、それによって受ける流れの速度は絶えず変化し、使用される実際の流体の流動速度および翼の接線速度のような因子によって影響を受ける。各翼３０が受ける流れの方向も絶えず変化し、翼の回転の弧に対する接線の両側を行き来する。

図８乃至図１０は、運転の起動フェーズ中に起こり得る、実際の流動速度に比べて低い接線回転速度、すなわち、低い先端速度比での回転クロスフロー発電機のエアフォイルの回転を示している。先端速度比は０．５である。

図８において、エアフォイル３０は、タッキングフォイルであり、発電機の回転中の様々な位置で示されている。図８の矢印は、発電機のこの具体的な実施形態の翼が受ける見掛け流れ方向および速度を示している。この低い先端速度比において、サイクルの殆どでヒンジが開いていることが分かる。

ここで図９および図１０も参照して、ロータの翼３０の回転を説明する。０度と２０度の間において、翼のＡＯＡは、図９に示すように、１３度の設計ＡＯＡの範囲内にある。このため、ヒンジ５０は、閉じた状態で留まり（図１０を参照）、翼のピッチは、０度で留まり、ピッチ制御が不要であることを意味している。翼が約２０度と６５度との間で作動するとき、ヒンジは、限度の３０度まで徐々に開き（図１０）、それにより翼のピッチを増加させて、そのＡＯＡを設計ＡＯＡの１３度で維持する。

６５度と約２２０度の間では、ヒンジは翼のピッチを最大限度の３０度に制限し、見掛け上の流れの変化によって、ＡＯＡが確実に設計ＡＯＡの１３度以上となる。２０度と１８０度の間の回転の上流セクタにおいて、見掛け流れ方向は、風上の回動中心６２まわりにヒンジ５０を開く。

１８０度を丁度過ぎた角度の下流回転セクタにおいて、風上の回動中心６２であったものがその後風下の回動中心６２となるように、見掛け流れ方向がなり、そのためヒンジが暫くの間、風下の回動中心まわりに開く。１９５度において、見掛け上の流れは、翼の後縁と交差し、翼は、潜在的に不安定な方法ではあるが、風下の回動中心６２まわりにバランスを取り続ける。約２２０度において、見掛け上の流れを変えることは、風下の回動中心６２まわりの翼の安定性を損ない、その結果、ヒンジが突然に閉じて、反対の回動中心６４まわりに再び開き、その後、回動中心６４が新たな風上の回動中心となる。翼の突然の不安定化は、見掛け流れ方向が翼の後縁と交差したときのみ起こり、ジャイブとして知られている。そして、回転クロスフロー発電機にとって、ジャイブは、先端速度比が１．０未満でのみ生じる。

ヒンジは、２３５度と約２９５度の間の限度において完全に開いた状態で留まり、見掛け上の流れが変わることにより、ＡＯＡが設計ＡＯＡの１３度に向けて徐々に減少し、約２９５度でそれに達する。約２９５度乃至約３４０度においては、ヒンジは徐々に閉じ、これにより、翼のピッチを減少させて、そのＡＯＡを設計ＡＯＡの１３度で再び維持する。

約３４０度では、ヒンジが再び完全に閉じ、翼ＡＯＡが設計ＡＯＡの限度内となり、そのため、ピッチ制御がもはや不要となる。約２３０度と３４０度の間の回転の下流セクタにおいて、見掛け流れ方向は、風上の回動中心６４まわりにヒンジ５０を開く。

約０度では、見掛け流れ方向が翼の前縁３３と交差し、ヒンジが閉じた状態のまま翼が効果的にタックする。これが生じている間ヒンジが閉じた状態で維持されるため、タッキング（tacking）は、ジャイブと違って、非常に円滑なプロセスとなる見込みがある。ヒンジは、約２０度で再びピッチ制御が必要になるまで、閉じた状態のままとなる。

ここで図１１、図１２および図１３を参照すると、低い動作速度で生じ得る増加した先端速度比２．０で、発電機の更なる回転が記載されている。この先端速度比で発電機の回転中に翼が受ける見掛け流れ方向は、図１１に見られるように、低い先端速度比でのそれよりも、翼３０の回転の弧に対する接線により近いものとなっている。図１２および図１３に見られるように、回転の始め４０度と、１６５度と１９５度の間と、その後再び３２０度と３６０度の間においては、ヒンジが閉じた状態で留まり、翼のＡＯＡが設計ＡＯＡの１３度以内に留まる。

この先端速度比では、ヒンジ５０はその開放限界に達することはなく、そのため、回転の殆どを通じて、ヒンジが様々な量で開き、その結果として、そのＡＯＡを設計ＡＯＡの１３度で維持するように翼のピッチを自動的に調整することとなる。

さらに、回転の下流セクタにおいて、見掛け流れ方向は翼の後縁を交差することはなく、そのため、翼はジャイブすることはなく、また、ヒンジは、開くときには、風上の回動中心まわりでのみ開き、当該回動中心が、上流セクタでは回動中心６２、下流セクタでは回動中心６４となる。

見掛け上の流れの走行角が設計ＡＯＡを超えるときのみ多軸ヒンジが開き、それ以外は閉じた状態を維持するため、前述した変化する最適ＡＯＡ条件を、翼の回転中、遭遇する流れのすべての条件下で維持することができることに、当業者であれば気が付くであろう。

図１４、図１５および図１６を参照すると、通常の動作速度で生じ得る先端速度比３．０では、翼が受ける見掛け流れ方向は、翼の回転の弧に対する接線にさらに近いものとなり、そのため、５５度乃至１５０度、および２１０度乃至３０５度の回転を通じてのみピッチ制御が必要とされる。回転のそれら範囲中は、ヒンジ５０は風上の回動中心まわりで開き、当該回動中心が、上流セクタでは回動中心６２、下流セクタでは回動中心６４となり、約６度または７度よりも開くことはない。

この運転モードにおいて、６度または７度のピッチ角は非常に小さいように思われるかもしれないが、この先端速度比で、固定ピッチの発電機よりも、見込みで４０％の電力の増加を示すことができる。

任意の所与の流体流速に対して、先端速度比が最大の約５．０まで増加するに連れて、発電機の電力出力が増加する。予測されるより高い流体流速では、当該流速が非常に高い見掛け流れ速度および翼上に作用する揚力を作り出し、それが、過剰な負荷またはキャビテーションにより翼に簡単に損傷を与えてしまう可能性がある。したがって、発電機のオーバースピードを防止することが重要である。多軸ヒンジは、追加的な外部制御システムを全く有しない完全に独立した存在であるため、発電機の回転速度に対する制御は、回転シャフトにかかる動力取り出し負荷（power take-off load）を制御することによって達成される。

上述したように、タッキングは非常に円滑なプロセスとなる可能性があるが、ヒンジの助け無しに毎回そうなる訳ではない。翼がタック（tack）する少し前に、ヒンジは閉じる。ヒンジが閉じるとき、翼のＡＯＡは設計ＡＯＡであり、翼は風上の回動中心まわりに、まだバランスを取った状態となっている（すなわち、その回動中心まわりにモーメントは生じていない）。しかし、ヒンジを閉じるとき、翼は、風下の回動中心まわりに自由に回動できるようにもなる。揚力と抗力の合力８７の方向が、図７に見られるように、ヒンジを開く傾向にある方向で、風下の回動中心６４まわりのモーメント８８を生成するような配置となる場合には、翼は風下の回動中心まわりに急速に回動し、非常に高い（ストールした）ＡＯＡ（通常約２５度）に迅速に変化する。以外にも、翼はこの位置で安定的にバランスを取る。これは発電機が回転している間、見掛け流れ方向の変化によって風下の回動中心が再び風上の回動中心になるまで、短時間続き、翼は再び正しくバランスを取ることができる。

風下の回動中心まわりのこの突然の望ましく無い回動は、以下の説明では“風下ストール”と称するが、これは、大きな抗力を生じ、性能に悪影響を及ぼすものであり、回避、低減または防止しなければならない。ヒンジがまだ閉じている間に翼がタックした後も、風下ストールは危険である可能性がある。この場合、開放モーメントは、反対の回動中心まわりとなり、このため、風下ストールが反対方向に生じる可能性がある。

風下の回動中心まわりのモーメントの向きは、上述したように、風下の回動中心まわりにヒンジを開く傾向にある可能性もあるし、あるいは、閉じた状態で維持する傾向にある可能性もあるし、若しくはモーメントが存在しない可能性もある。これは、回動中心線の翼弦３５との交点８９に対する翼の空力中心８５（図７）の位置に依存する。空力中心８５が交点８９の上流側にある場合には、モーメントの向き８８は、ヒンジを開く傾向があり、空力中心８５が下流側にある場合には、モーメントの向きは、ヒンジを閉じた状態で維持する傾向があり、モーメントが存在しない場合には影響は無い。

交点８９に対する空力中心８５の位置は、設計ＡＯＡにおける翼の揚抗比に依存する。数多くの変数が存在するが、一般的に言えば、低い設計ＡＯＡ（５度未満）では、低い揚抗比を生じ、空力中心を下流側に位置させ、風下ストールが回避される。しかしながら、より高い、より実用的な設計ＡＯＡでは、高い揚抗比を生じ、空力中心を上流側に位置させ、風下ストールを促進する。

本実施形態のヒンジは、図１７に見られるように、一対のダンパとともに提供するようにしてもよい。それらダンパは、ジャイブが生じる先端速度比で、ヒンジ上に作用する衝撃荷重を緩和するために使用される。ダンパ７０は、一対の油圧駆動ロッド７０ａ，７０ｂを備える。ロッド７０ａの遠位端は、ヒンジの可動部材の回動中心６２に取り付けられ、ロッド７０ｂの遠位端は、ヒンジの可動部材の回動中心６４に取り付けられている。ロッド７０ａ，７０ｂは、油圧シリンダ７１ａ，７１ｂ内で摺動する。それらシリンダは（図示のように）ヒンジの固定部材側のフェアリング６０に固定するようにしてもよい。代替的には、油圧シリンダ７１ａ，７１ｂがヒンジの可動部材上のフェアリング（図示省略）に固定されるよう、ダンパの向きを逆方向にしてもよい。また、他の制限手段を採用するようにしてもよいが、ダンパのロッドの長さによって規定されるヒンジの開口範囲を制限するためにダンパを使用することもできる。

ダンパは、可変比率で減衰効果を与えるものであってもよい。ヒンジ上に作用する衝撃荷重を緩和するためには、ヒンジが完全に開いた位置または閉じた位置に達するときに減衰が主に必要とされる。それら両位置間では、ヒンジのバランス感度に及ぼす影響を最小限とするために、減衰効果が極僅かまたはゼロであるのが理想的である。

油圧ダンパロッドは、任意の適当な手段によって駆動することができる。

一実施形態においては、ダンパの特定駆動手段は必要無く、ダンパの存在によって風下ストールを軽減するようにしてもよい。ヒンジが閉じた後にヒンジが開く速度を減速させることによって、風下ストールが生じる速度も減速させる。それが生じるとき、そのプロセスを減速することによって、その影響が低減される。

その他の実施形態において、ダンパロッドの駆動は、従来から知られている市販の油圧または空気圧装置のような時間遅延装置（図示省略）によって遅延させるようにしてもよい。時間遅延装置は、ヒンジが閉じる時と、ヒンジが再び開放可能になる時との間でダンパロッドの駆動を遅延させるために使用される。このような遅延により、危険が去るまでヒンジの開放を抑制することができ、よって風下ストールを防止することができる。

さらにその他の実施形態においては、ダンパロッドを駆動するために（図１８に見られる）指向性ベーン７２が用いられている。指向性ベーンは、どちらのロッド７０ａ，７０ｂを駆動するか、つまりどちらの回動中心６２，６４まわりにヒンジを回動させるか、を決定する自動セレクタとして機能する回転バルブ７３（図１８）を制御するために用いられる。このように、風下ストールを防止するようにしてもよい。回転バルブの代わりに、例えば線形バルブなど、別の種類のバルブを制御するために指向性ベーン７２を使用できることが予想される。回転バルブ７３（または線形バルブまたはその他の種類のバルブ）および指向性ベーン７２は、時間遅延装置とともに使用することが可能である。

バルブおよび指向性ベーンに対する代替的な実施形態においては、ダンパロッドを駆動して、どちらの回動中心まわりにヒンジを回動させるかを決定する自動セレクタとして、圧力作動スイッチ（図示省略）が使用される。このように、風下ストールを防止するようにしてもよい。圧力作動スイッチは、見掛け上の流れが回転中に翼の両面に交互にあたるときに翼が受ける交互に起きる圧力差に応答するものであってもよい。圧力差は、２軸ヒンジに取り付けられた電力または推力生成翼から直接的に決定されるものであっても、あるいは、この目的のために特別に設けられたフェアリング６０（図２）に固着された追加的なスケグ状翼部（図示省略）から間接的に決定されるものであってもよい。圧力駆動スイッチは、回転中に見掛け流動速度が正弦的に変動するときに、圧力の変化率のようなその他の信号に応答するものであってもよい。圧力駆動スイッチは、風下ストールを防止するために時間遅延装置とともに使用することも可能である。

使用中、ヒンジ５０は、これに作用する揚力および抗力と、翼の浮力とにより、軸および非軸方向の両負荷にさらされることとなる。特に軸方向の負荷は高い可能性があり、十分な大きさのマリンベアリング（marine bearings：図示省略）によって対応するようにしてもよい。理想的には、翼はニュートラルに近い浮力を有し、そのため、非軸方向のスラスト荷重が最小となり、磁力ベアリングまたはその他の適当なベアリング形式（図示省略）によって対応することができる。

ヒンジ１５０の代替的な実施形態においては、図５に見られるように、ヒンジ交差リンク１５６，１５８が可撓性を有するものとなっている。一方の回動中心側から他方への遷移は、可動部材と固定部材双方の隣接面が平坦である場合（図５ａ）には、急速および迅速なものとすることができ、隣接面の一方または他方（または両方）が凸状に屈曲している場合（図５ｂ）には、緩やかな回動プロセスとすることができる。可撓交差リンク１５６，１５８は、適当な織物、プラスチック、天然またはその他の適切な材料によって形成される。ヒンジの可動部材が固定部材と平行に配置されたときに、ヒンジが閉じた状態となる。

図３，図４および図５には、各々の場合において、２つの交差リンクの最低限の要件のみが示されている。ヒンジを補強するためには、交差リンクを用いるすべての場合において、示される２つの交差リンクのどちらかの回動中心、寸法、および作動を重複させる追加的な交差リンクを用いるようにしてもよい。これはヒンジの高さ、前面面積、ヒンジによって生成される抗力を増加させることとなるが、例えば単一のミッドスパンヒンジ上で翼が回動する場合には、上記のような補強が必要になる可能性がある。

図６に見られるようなヒンジ２５０のさらにその他の実施形態においては、ヒンジプレートを固定するために交差リンクが使われていない。その代わりに、摺動ラッチ機構２８０を使用して、固定プレート２５２および可動プレート２５５が一体に保持されている。図６ａ，図６ｂおよび図６ｃを参照すると、図６ａは、回動中心２６４まわりに開口するヒンジを示している。図６ｂは、閉じた位置にあるヒンジを示し、図６ｃは、回動中心２６２まわりに開口するヒンジを示している。この実施形態において、固定プレート２５２は、回動中心２６２ａ，２６４ａ間のプレートに切り込まれた細長いスロット２８１を含む。固定プレート２５２は、さらに、回動中心２６２ａ，２６４ａの各々において、ブラケット２７２，２７４を備える。ブラケット２７２，２７４は、固定プレート２５２から横方向に延び、その各々が、一対の平行な平坦状プレートを備え、それらプレートが、可動プレート２５５に対向するプレートの縁部にそれぞれ形成されたスロット２８２，２８４を有している。

ブラケットは２部結合（two-part coupling）の第１部分を形成し、スロット２８２，２８４は、可動プレート２５５の突出部２９２，２９４に固着された栓状突起（peg）２６３，２６５を受け入れるように設計されている。

突出部２９２，２９４は、回動中心２６２ｂ，２６４ｂの位置で可動部材２５５から横方向に延び、ヒンジが回動中心２６２，２６４の何れか一方まわりに閉じるとき、または両回動中心２６２，２６４まわりに閉じたとき（図６ｂ）に、ブラケット２７２，２７４の一対の平坦状プレート間で受け入れ可能に配置されている。栓状突起２６３，２６５は、突出部２９２，２９４のそれぞれの側部から延びるように、回動中心２６２，２６４の各々の回動軸に沿って延びる。栓状突起２６３，２６５は、ブラケット２７２，２７４のスロット２８２，２８４内に配置可能となっており、これにより上記２部結合の第２部分を提供する。

摺動ラッチ２８０は、その各端部に、ラッチの縦軸方向に延びる円い先端の突出部２８３，２８５を有する細長いバーからなる。ラッチ２８０は、ラッチ２８０の中間点から延び、固定プレート２５２のスロット２８１内に配置可能な横方向の突起２８７をさらに含む。この突起２８７は、スロット２８４内の適所で円い先端の突出部２８５が栓状突起２６５を保持するとともに、円い先端の突出部２８３が栓状突起２６３とは離れていてヒンジ２５０が回動中心２６４まわりに回動可能となっている第１位置（図６ａ）と、スロット２８２内の適所で円い先端の突出部２８３が栓状突起２６３を保持するとともに、円い先端の突出部２８５が栓状突起２６５とは離れていてヒンジ２５０が回動中心２６２まわりに回動可能となっている図６ｃに示される第２位置との間において、スロット２８１内で摺動可能となっている。これら極端な２位置間においては、ヒンジ２５０が回動中心２６２，２６４のどちらまわりにも開放不能（図６ｂ）で閉じた状態のままとなるように、スロット２８２，２８４内の適所で円い先端の突出部２８３，２８５の各々が栓状突起２６３，２６５を保持する中間位置となっている。

図１７に見られるヒンジのさらにその他の実施形態においては、ヒンジプレートを固定するために交差リンクが使われていない。この場合においては、一方のプレートの栓状突起が上述した他方のプレートのスロットのあるブラケット内で受け入れ可能となっているが、固定部材と可動部材を一体に保持するラッチ機構を使用する代わりに、前述した役割を果たすのに加えて、この目的のために、２つの油圧ダンパを使用することができる。両ダンパが同時に作動してヒンジがバラバラになるのを防止するために、油圧連結機構（図示省略）が設けられ、これにより、一方または他方のダンパが作動することが可能であるが、両ダンパが同時には作動しないようになっている。代替的には、前述したように、ダンパロッドを駆動して、どちらの回動中心まわりにヒンジを回動させるかを決定するために、自動セレクタを用いるようにしてもよい。

回転クロスフロー発電機とともに使用される翼部は、薄くて平らなブレード、あるいは、本実施形態に示すような対称的なエアフォイル部、上に反らせた薄いブレード、または上に反らせたエアフォイル部の形態をとるようにしてもよい。対称的な翼は、流体が通る経路がサイクロイド形または屈曲しているときに、ピッチングモーメントを生成する。ピッチングモーメントは翼の所望ＡＯＡを変化させ、その抗力を加えるが、翼の中間の反り曲線の凹側が回動中心を向くようにヒンジ上に配置された上に反らせた翼の使用により、モーメントを低減または除去することができる。高い先端速度運転のためには、上に反らせた翼は、発電機の半径の範囲まで上に反らせるのが理想的であり、一方、低い先端速度運転のためには、上に反らせた翼は、発電機の半径よりも１０％乃至１５％の範囲大きく上に反らせるのが理想的である。

回転クロスフロー発電機においては、先端速度が１．０より大きいときはいつでも、通常運転条件を適用する。

本発明の更なる実施形態において、多軸ヒンジ３５０は、ボートまたはその他の船舶上で使用するための回転クロスフロープロペラまたはサイクロイドプロペラのタッキングフォイルに取り付けられている。単一軸プロペラとは異なり、サイクロイドプロペラは、その推進力を任意の方向に向けることができ、通常は、高い機動性能を必要とする、低速のタグボートやフェリーで用いられる。それらとともに、通常、プロペラは、低ピッチ、１．０よりも大きい高先端速度比で作動する。本実施形態のプロペラは、トロコイド型のサイクロイドプロペラであり、コンテナー船等のような高速船で使用するために設計されている。トロコイド型プロペラは、通常、高ピッチ、１．０よりも小さい低先端速度比で作動する。

トロコイド型プロペラ３００の回転シーケンスの概略図が、船舶の巡航速度で生じるような先端速度比０．８として、図１９ａに示されている。ヒンジ３５０は、ヒンジの横軸３５１が推進力の望ましい方向に向けられた状態を保つように、支持アーム３２０の端部に枢動可能に取り付けられている。推進力の望ましい方向は変わらないままであり、ヒンジの配置は、プロペラの回転を通して一定のままである。したがって、ヒンジは、プロペラが回転するときには、位置を維持するために、その回動中心３５３内で回転しなければならない。

通常運転下では、ヒンジの横軸３５１は、推進力の望ましい方向と接近して位置決めされる。図１９ａにおいて、船舶は、翼が最大揚力および最小抗力を生成しながら、前方の推進力により、左に向かって真っ直ぐに進行しており、ヒンジの横軸も、進行方向と一直線となるように位置決めされる。

回転クロスフロー発電機と同様に、多軸ヒンジ３５０は、翼３３０の自動ピッチ制御手段として使用され、回転クロスフロー発電機の実施形態で述べたのと同様の方法で達成される。すでに述べたように、ヒンジ３５０の可動プレート３５５は、固定プレート３５２の上流に取り付けられている。固定プレート３５２は、支持アームの端部に回動可能に取り付けられ、一方、翼３３０は、可動プレート３５５に固着されている。本実施形態において、ヒンジ３５０は、最大４５度までの開口角度に制限されており、これにより、プロペラの回転を通じて最適ＡＯＡで翼を作動させることが可能となっている。

図１９ａおよび図１９ｂにおいて、プロペラアームまたは舵３３３は、全３６０度の範囲の調節機能を介して、ヒンジ３５０の位置決めを制御する。アーム３３３の調整により、対応するヒンジ３５０の位置調整がなされ、よって推進力の方向の調整がなされる。これは、ベルト車または歯車配列（図示省略）を使用することにより実現することができる。このように、プロペラは、反対方向に推進力を生成することができ、あるいは進行方向または反対方向に対してある角度で推進力を生成することができる。

図１９ｂは、巡航先端速度比０．８として、プロペラの逆推進時の回転シーケンスの概略図を示している。この巡航速度において、プロペラの逆方向の推進力は、進行方向に対して翼を９０度に設定して、最大抗力を生じさせることにより、実現することができる。これを達成するためには、ヒンジがプロペラの回転を通じて最大幅限度の４５度で維持されるため、舵を１３５度回動させる必要があり、よってその差異を補うことができる。

逆推進は、この４５度の場合における差異により、ヒンジの横軸が常に推進力の望ましい方向と一直線になる訳ではないことを示している。実際に、ヒンジが回動したときに、位置決め差異は増大する。これは、翼が、揚力の生成と抗力の生成の２方法で使用されるためである。ヒンジの横軸が真っ直ぐに０度で設定されるとき、翼は最小抗力で最大揚力を生じさせるために使用されるとともに、推進力の方向は、ヒンジの横軸と一直線となるように位置決めされる。ヒンジが回動すると、翼は抗力を増加させつつ揚力を低下させ、推進力の方向は、ヒンジの回動よりも大きな量、変化する。ヒンジが１３５度回動するとき、僅かな揚力が生成されて殆どが抗力となり、完全な逆推進が達成される。通常のステアリング操作で使用されるように、その関係は、小さなヒンジ回動角（２０度未満）のための、それらの間の小さな差異に対して、非線形である。

回転クロスフロー発電機においては、装置の運転速度が上昇すると、先端速度比も増加する。しかしながら、トロコイド型プロペラにおいては、それとは反対で、船舶の運転速度が上昇すると、先端速度比が低下する。ジャイブはトロコイド型プロペラでも生じるが、それらによって、すべての先端速度比が１．０より大きいときに起きる。

回転クロスフロー発電機と同様、油圧ダンパ（図示省略）は、ヒンジ３５０上に作用する衝撃荷重を低減するために使用するようにしてもよい。これは、巡航速度までの殆どの速度で翼は１回転毎にジャイブし、衝撃荷重が大きなものとなり得るため、プロペラにとっては、特に重要である。回転クロスフロー発電機は、ジャイブ段階を介して非常に急速に加速することができるのに対して、プロペラは、巡航速度に達し得る前にこの段階で非常に長い時間を費やす。プロペラにおいては、油圧ダンパは可変減衰率を有するようにしてもよく、風下ストールも、危険であるが、これは、回転クロスフロー発電機ととも使用する任意の方法によって低減または防止するようにしてもよい。

プロペラの翼は、流体を介してサイクロイド形のまたは屈曲する経路を辿るため、翼は、回転クロスフロー発電機と同様に上に反らせるようにしてもよい。しかしながら、薄い平らなブレードまたは対称的な翼部を用いることも可能である。

プロペラは、垂直なまたは水平な回転軸を有することができる。垂直軸プロペラは、大きな遠心力が想定される場合に利点となり得るより大きなプロペラ直径のための可能性を有する。水平軸プロペラが使用される場合、水平面における推進力ベクトル化に追加的な舵が必要とされる。

回転クロスフロープロペラにおいては、ヒンジが真っ直ぐな位置から２０度未満回動され、翼のＡＯＡも見掛け流れ方向に対して２０度未満であり、選択速度比が１．０未満である場合のみ、通常運転条件を適用する。

最高性能のためには、回転クロスフロー装置は、通常運転速度での回転のかなりの割合の間、多軸ヒンジが完全に閉じた状態のままとされることが要求される。これは、一方の回動中心から他方への急速で迅速な移行を有するヒンジの種類を利用することによって最も容易に達成される。したがって、図４ａ，図４ｃおよび図４ｅに示すような種類の剛体交差リンクを有するヒンジ、または図５ａに示す種類の可撓交差リンクを有するヒンジを用いることができる。

多軸ヒンジは、例えば流体ポンプ等の振動発電機、あるいは例えばスカルオール（sculling oar）または水泳補助具等の振動プロパルサなどのような振動装置に取り付けることもできる。図２０において、多軸ヒンジ４５０は、往復式トレイリングアーム（reciprocating trailing arm）４２０およびその一端に取り付けられるタッキングフォイル４３０を有する回動クロスフロー型の振動プロパルサ４００に取り付けられている。使用時には、往復式アーム４２０が回動軸４２５を中心に回動し、流体を介して往復運動で移動する。

上述した回転クロスフロー装置と同様に、多軸ヒンジ４５０は、ストロークの間、翼４３０の自動ピッチ制御手段として使用され、回転クロスフロー装置の実施形態で述べたのと同じように、達成される。同様に、可動プレート４５５は、ヒンジ４５０の固定プレート４５２の上流に取り付けられている。

この場合において、多軸ヒンジは、翼４３０の“ストロークターンの終了（end of stroke turning）”を補助するためにさらに利用される。図２１を参照すると、“ストロークターンの終了”は次のように達成される。往復アーム４２０のストロークの間、翼４３０は、風上の回動中心４６２まわりに回動して、バランスを取る。ストロークの終わりにおいて、往復アームの進行方向は反転し、流れは翼の反対側にあたる。これにより、風上の回動中心だったものは風下の回動中心となり、変化した見掛け流れ方向がこの回動中心まわりにモーメントを生じ、それは、翼を回動させて新たな見掛け上の流れに向ける。このように、翼の空力中心に配置された単一の回動中心まわりでバランスする場合にそうであるように、変化する見掛け流れ方向により自然に翼は回動する。

多軸ヒンジは、ストロークターンの終了も補助する。翼の進行方向が反転するとき、図２１ａに示す風下回動中心４６４まわりのモーメントは、翼の空力中心またはその近傍に配置される単一の回動中心まわりのそれよりも大きくなり、その結果、ターンを補助することができる。回転クロスフロー装置と同様、この場合、ヒンジの開口は約６０度に制限する必要がある。

図２０に示すヒンジ４５０は、一方の回動中心４６２から他方の回動中心４６４へ急速且つ迅速に移行するタイプのもので、剛体交差リンク４５６，４５８を有している。これは、“ストロークターンの終了”でヒンジ要素にストレスを加え、動作中にぎくしゃくした動きを引き起こす。これは、回転クロスフロー装置によって用いられているように１またはそれ以上のダンパを含むことによって軽減することができる。代替的には、あるいはさらには、これは、一方の回動中心から他方への緩やかな移行を可能にするタイプのヒンジを利用することによっても軽減することができる。剛体交差リンクを有するこのようなタイプのヒンジは、図４ｂ，図４ｄおよび図４ｆに示され、可撓交差リンクを有するタイプのヒンジは、図５ｂに示されている。

図２２に示すように、多軸ヒンジは、直線的または軸方向に振動するプロパルサ５００、クロスフロー・リーディングアーム（leading arm）プロパルサ６００、クロスフロー・シーソーアーム（seesaw arm）プロパルサ７００とともに使用することもできる。さらに、多軸ヒンジは、それら振動装置の何れかの切換フォイルとともに使用することもできる。図２３は、クロスフロー・トレイリングアーム（trailing arm）振動プロパルサを示している。この実施形態において、必要な多軸ヒンジの開放動作は、ストロークターンの終了（図２３ｂ）によってよりも、ピッチ制御（図２３ａ）によって異なり、このため、多軸ヒンジは、一方または他方の制御に使用することができるが、同時に両方の制御には使用することができない。

振動プロパルサにおいては、加えられた推進力の方向が推進物体の進行方向と同じかそれに近い場合にのみ、通常運転条件を適用する。

本発明のその他の使用において、多軸ヒンジは、例えば流体ポンプなどの振動発電機の切換フォイルまたはタッキングフォイルに取り付けられる。加圧されたポンプの流れは、従来よりよく知られているように、回転タービンおよび発電機を駆動するのに使用することができる。

切換フォイルが使用される場合、回動中心線８８０が翼弦線から翼８３０の一側または他側にオフセットするように、回動中心線８８０が翼弦と平行にヒンジ８５０が取り付けられる（図２４）。

ヒンジ８５０の固定プレート８５２は、図２６に見られるように、振動発電機９００の支持アーム８２０に連結されている。ヒンジ８５０の可動プレート８５５は、ブラケットを有し、このブラケットの上には、切換フォイル８３０が取り付けられている。示されるヒンジは、剛体クロスリンク８５６，８５８を有するタイプのものとなっている。

切換フォイル８３０は、前縁および後縁が交代して、通常高い流体圧力に面している翼の側部を同じ側に常に維持するとともに、低い流体圧力に面している翼の側部を同じ側に常に維持するように、設計されている。そのため、翼は“切り換える”ことができ、これを達成するために、その縁を交換することができる。タッキングフォイル３０（図７）と同様に、切換フォイル８３０（図２５）は、回動中心８６２の位置が揚力と抗力の合力８８７の作用線と一致するように配置される場合に、設計ＡＯＡで風上の回動中心８６２まわりにバランスを取ることとなる。上に反っていない切換フォイル６３０のバランスを取る方法は、タッキングフォイル３０の回動中心が翼弦の何れかの側に配置される場合に、風上の回動中心８６２と風下の回動中心８６４が翼８３０の横軸中心線８９０（図２５）の何れかの側に対称的に配置されるように、切換フォイル８３０の両回動中心が翼の同じ側に配置される点を除いて、タッキングフォイル３０について上述した方法と同じである。

小さいキャンバー（反り）を有する切換フォイルは、回動中心８６２，８６４の位置を少し調節してキャンバー生成ピッチングモーメントを相殺することにより、バランスさせることができる。大きいキャンバーの翼をバランスさせるためには、追加的な安定化手段（図示省略）が必要となる可能性がある。

図２６の実施形態において、振動クロスフロー発電機９００は、回動中心９２５まわりに揺動する往復式トレイリングアーム９２０を用いている。

多軸ヒンジ９５０の固定プレート９５２は、往復式アーム９２０の自由端に取り付けられている。切換フォイル９３０は、翼弦が仮想回動中心線９８０に対して実質的に平行に位置するようにヒンジ９５０の可動プレート９５５に固着されたブラケットを含む。多軸ヒンジ９５０は、翼の自動ピッチ制御および／または自動ストロークターンの終了のために使用することができる。ストロークの終わりにおいて、翼がバランスを失って反対方向のストローク上の新たな位置に動くように、図２７に見られるように、ヒンジは閉じるように設計されている。

往復アーム９２０のストローク中、翼９３０（図２７ａ）は、風上の回動中心９６２まわりに回動してバランスを取り、その回動中心まわりにモーメントは生じない。ストロークの終わりに向かって、ヒンジ９５０は閉じるように設計されている。ヒンジが閉じるとき、風下の回動中心９６４まわりのモーメントは、風上の回動中心９６２まわりのゼロのモーメントよりも大きくなり、その結果、翼９３０が回動し、回動中心が変わり、風下の回動中心９６４まわりに回動する（図２７ｂ）。翼は、その設計ＡＯＡに達するまで動き続けて、反対方向に揚力を生じ、これにより、戻りのストロークで往復アームを反対に駆動することができる。この過程において、風下の回動中心９６４であったものが、翼９３０が再び方向を変えるときの次のストロークの終わりまで、風上の回動中心９６４となる。

各ストロークを終了するために所望位置でヒンジ９５０が閉じるように装置を設計しなければならないことに、当業者は気付くであろう。これは幾何学的な事項であり、装置に、所望位置でヒンジが閉じるようにするために追加的な幾何学的構成要素を組み込むようにしてもよい。例えば、往復アーム９２０がストロークを通じて動くとき、ヒンジの閉鎖を実現するためには、ヒンジの取付方向を異なる量、移動させなければならない可能性がある。これは、例えば非平行の複数アーム（図示省略）またはその他の適切な手段の使用によって配置することができる。

振動プロパルサにおいては、ヒンジの開口を約６０度に制限することが有利である場合がある。ストロークターンの終了は、非常に迅速な動作となる可能性があり、その結果、その開口限界の位置でヒンジに過度のストレスを与える可能性がある。これは、回転クロスフロー装置と同様、ダンパの使用により軽減することができる。

多軸ヒンジは、図２２に示すような構成と同等の構成を用いる振動プロパルサ用の振動発電機とともに使用することもできる。このため、多軸ヒンジは、直線的または軸方向に振動する発電機、クロスフローリーディングアーム発電機、クロスフローシーソーアーム発電機とともに使用することもできる。上述したように、これら構成を適用するのは、当業者の能力の範囲内の幾何学的事項であり、装置に、所望位置でヒンジが閉じるようにするために追加的な幾何学的構成要素を組み込むようにしてもよい。これは、例えば非平行の複数アーム（図示省略）、ベルトおよび不均等プーリ手段（図示省略）、またはその他の適切な手段の使用によって配置することができる。

ほとんどの設計構成および先端速度比においては、風下ストールは、通常は振動装置に危険を引き起こすものではないが、危険を引き起こす可能性のある極端な場合には、回転クロスフロー装置で用いた任意の手段によって対応するようにしてもよい。

タッキングフォイルが振動装置に使用される場合、回転クロスフロー発電機とともに使用できる如何なる形態をとるようにしてもよい。タッキングフォイルを上に反らせる場合、翼のキャンバーは、見掛け上の流れの方向に従って、方向を交互に切り換える必要がある。翼は、ゴム、軟質プラスチックまたはその他の適切な材料のような可撓性を有する材料から形成することができる。切換フォイルが振動装置とともに使用される場合、薄くて平らなプレート、対称的なレンズ状部、上に反らせた薄いプレート、または上に反らせたレンズ部として形成することができる。

振動発電機の場合には、装置の使用中はいつでも、通常運転条件を適用する。

さらにその他の実施形態においては、多軸ヒンジが、力発生装置のピッチ制御装置として、あるいは潮汐流のように様々な方向の流体の流れにあるフロー制御装置として使用されている。

図２８の実施形態においては、多軸ヒンジ１０５０が、装置にダウンフォースを生成するために使用される切換フォイル１０３０に取り付けられている。上記装置は、海底に取り付けられた振動発電機であってもよく、その場合、エアフォイルによって生成されるダウンフォースは、海底の発電機に作用する非常に大きな抗力に対抗するために使用される。切換フォイル１０３０は発電機１０００の基部１０２０に取り付けられている。図２８ａにおいて、多軸ヒンジ１０５０は、風下の回動中心１０６４まわりに回動して、矢印によって示される近づいてくる流れ方向に対して負のＡＯＡに翼を傾け、これによりエアフォイル上にダウンフォースを引き起こす状態で示されている。切換フォイル１０３０は、上に反っていて、反っていないエアフォイルに追加的なダウンフォースを生成する。一対のストップ１０４０が切換フォイル１０３０の直ぐ下の、基部１０２０上に配置されている。その他の制限手段を用いるようにしてもよいが、ストップ１０４０は、要望通りに、エアフォイル１０３０のピッチの角度を設計ＡＯＡに制限する。このため、回転および振動装置と同様、翼１０３０はバランスを取らなくてもよい。したがって、この場合、多軸ヒンジの回動中心線は、切換フォイルの翼弦からオフセットする必要はなく、十分な回動スパンが与えられている場合には、図２８に示すように、切換フォイルの翼弦と共直線上に配置されるようにしてもよい。

図２８ｂにおいて、潮汐流は緩やかで、主な方向は存在せず、このため、僅かに正の浮力を有するエアフォイル１０３０の動作によって、ヒンジ１０５０が閉じており、その結果、ピッチ角０度で静止している。すなわち、浮力はセンタリング力として機能する。図２８ｃにおいては、潮汐は矢印で示すように向きが変わっている。このとき、ヒンジ１０５０は風下の回動中心１０６２まわりに開口し、それにより、エアフォイル１０３０は、変わった流れ方向に対して負のＡＯＡで再び傾けられる。ストップ１０４０は、所望ＡＯＡにエアフォイル１０３０のピッチ角を制限する。

キャンバー、ヒンジスパン、および翼１０３０からのヒンジ１０５０のオフセットに関するある構成において、翼は、変化する流れ方向のみの動作によって向きを変えるようにしてもよく、センタリング力は不要である。図２９ａは、エアフォイルからのより大きなオフセット距離を有するヒンジの概略例を示している。しかしながら、特に高いキャンバーが使われる多くの場合において、翼は、変化する流れのみによっては自然に向きを変えることはなく、よって、更なるセンタリング力を用いてピッチングモーメントに対抗する必要がある。

センタリング力は、必要な場合には、流れが停止したときに、ヒンジを閉じて、翼１０３０をピッチ角０度に戻すために使用される。ピッチ角０度から、翼１０３０は必要な揚抗モーメントをより容易に生成して、変化した流れ方向に対する負のＡＯＡに再び転換することができる。

力発生装置またはフロー制御装置の代替的な実施形態において、ヒンジ１１５０は、図２９ｂに概略的に示すように単一の回動中心を有する１軸ヒンジである。ヒンジ１１５０は、センタリング力を与えるために翼の浮力を僅かに負にすべきである点を除いて、多軸ヒンジ１０５０と同様に動作する。

力発生装置においては、翼によって生成される力がダウンフォースではなく揚力である場合に、翼の浮力は反転される。生成される力が横力である場合には、バネまたはその他適切なドアまたはゲート閉鎖手段の使用のような、センタリング力を与える代替手段が必要になる可能性がある。力の方向のすべての場合において、センタリング力は、水圧ラムによって与えるようにしてもよい。

多軸ヒンジは、図３０に示すようにフロー制御装置１２１０とともに使用するようにしてもよい。フロー制御装置１２１０は、装置近傍の範囲内の流れの速度および方向を変更することを目的とするものである。ある実施形態においては、交互の流れ変更が必要とされたときにはいつでも、単一のフロー制御装置を使用するようにしてもよい。

更なる実施形態においては、一対のフロー制御装置がダクトを提供するために使用され、その内部に、回転クロスフロー発電機が設置されている。図３０ａを参照すると、回転クロスフロー発電機１２００が平面図に示されている。回転クロスフロー発電機は潮汐流内で設置可能となっている。発電機は、単一のスタンドアロンユニットであっても、複数の発電機または発電機アレイの一部を形成するものであってもよい。一対のフロー制御装置は、一対の切換フォイル１２３０ａ，１２３０ｂを含み、それらが発電機１２００のどちらかの側にごく接近して設けられ、各切換フォイル１２３０が多軸ヒンジ上に取り付けられている。翼１２３０は、ヒンジ１２５０の回動中心１２６２，１２６４間に延びる仮想回動中心線１２８０がエアフォイルの翼弦に対して実質的に平行になるように、取り付けられている。翼１２３０は上に反っていて、各翼の凸側１２３３が回転クロスフロー発電機に対向するように発電機のどちらかの側に配置されている。

キャンバーに加えて、翼の各々のＡＯＡはダクトの形状を決定する。発電機を通る流速を高めるために、近づいてくる流れ方向において、ダクトの上流側の入口よりも下流側の出口の方が、ダクトが広くなっていることが一般に望ましい。このため、図３０ａにおいて、ヒンジ１２５０ａは、下流の回動中心１２６４ａまわりに開口して翼１２３０ａを負のＡＯＡに傾ける一方、ヒンジ１２５０ｂは、下流の回動中心１２６４ｂまわりに開口して翼１２３０ｂを正のＡＯＡに傾け、拡散形状を達成する。先の力発生装置と同様、エアフォイルのＡＯＡおよびピッチ角を制限するために、制限手段を使用することができる。

図３０ｂにおいては、主な流れ方向は存在せず、発電機は静止しており、センタリング力が、ヒンジを閉じて翼をピッチ角０度に戻している。力発生装置と同様、フロー制御装置は、前述したようにその鉛直／水平方向付けに適した任意のセンタリング力手段を必要とする可能性がある。

図３０ｃにおいては、図３０ａと比べて反対の方向に水が流れるように、潮流の向きが変わっている。発電機を介して流れを引き入れるべくダクトを拡散器として成形するために、翼１２３０の向きは反転されている。これは、翼に作用する流体動的力に応答する多軸ヒンジ１２５０ａ，１２５０ｂだけで、もたらされる。ここで、回動ヒンジ１２５０ａは、回動中心１２６２ａまわりに開口し、その回動中心が下流の回動中心に変わる。ヒンジ１２５０ｂは回動中心１２６２ｂまわりに開口する。

発電機１２００およびフロー制御装置１２１０は、潮汐流内で、間隔を空けずに設けられた、複数の回転クロスフロー発電機または回転クロスフロー発電機アレイの一部であってもよい。ある実施形態においては、２つのフロー制御装置が、隣接する発電機間のギャップに設けられて、それらの間にベンチュリ状の流路が形成されている。図３０において、翼１２３０ｂは、隣接する発電機の翼１２３０ｃにごく接近して配置されて、それら２つの翼が、それらの間にベンチュリ状の流路を形成するようになっている。導管組織は、設けられる場合、アレイを通して水の流れを引き入れるために使用される。発電機間にベンチュリ状の流路を設けることにより、さらにアレイを通る流れを向上させ、アレイの上流および下流部分の間で増加した水頭を緩和することもできる。例えば、このようなアレイに配置される翼の発電機側に作用する静圧は、ベンチュリ側に作用する静圧よりも大きい可能性がある。すなわち、下流のベンチュリの流れは、下流の発電機の流れよりも速い可能性がある。速いベンチュリの流れが遅い発電機の流れと合流するときに、その速度を速めることとなり、これは、アレイを通る流れを増進させることとなる。制限手段が設計ＡＯＡで翼を保持する圧力場の利点を得るために、回動中心の位置を設計できることに当業者は気付くであろう。

力発生装置のように、多軸ヒンジの回動中心線は、十分な回動スパンが与えられる場合、切換フォイルの翼弦と一直線となるように配置するようにしてもよい。これは、非常に狭いベンチュリ流路が想定される場合または構造上の要件である場合に有利となる可能性がある。

上述した力発生装置およびフロー制御装置の翼は、図３０に示すように正のキャンバーを有するものであっても、負のキャンバーまたはゼロのキャンバーを有するものであってよく、また、薄くて平らなプレート、対称的なレンズ状部、上に反らせた薄いプレート、または上に反らせたレンズ部として形成することができる。フロー制御装置においては、流路の望ましいタイプに応じて、ヒンジをベンチュリ状の流路内に配置するようにしても、あるいはベンチュリ状の流路の外に配置するようにしてもよい。

具体的な装置設計およびエアフォイルが使用される流体媒質によれば、エアフォイルは、本発明のすべての態様において、圧延鋼材または剛体合成物のような実質的に剛体材料によって形成するようにしても、あるいはゴム、軟質プラスチックまたは帆布などのような可撓性を有する材料によって形成するようにしてもよい。さらに、エアフォイルは任意の数量のヒンジに取り付けるようにしてもよく、それらは、エアフォイルの長さ方向に沿った任意の位置、あるいはエアフォイルの端部に配置することができる。非軸装置の場合には、エアフォイルは、その端部に配置された一対のヒンジ上に取り付けるようにしても、あるいはエアフォイルのミッドスパンに配置されたヒンジ上に取り付けるようにしてもよい。

多軸ヒンジの簡素化のために、本発明を具体化する任意の装置は、本格的な実用性無しに、子供のおもちゃや可動彫像等のような装置としてさらに用いるようにしてもよいことは、当業者にとって明らかである。

また、当業者にとって当然のことながら、本発明に係る多軸ヒンジを組み入れた回転クロスフロー装置おとびエアフォイルの使用によって、翼のピッチ制御の従来の解決策よりも大きな恩恵を有するクロスフロー装置の利用し易さを高めることができる。例えば、多軸ヒンジは装置外周部に取り付けられて全く別個の存在となるため、装置の回転軸との関連性または装置の回転軸との連結は必要無い。これは、同様に、回転シャフトの各端部は、自由に外部から各端部の位置で支えられることを意味している。このため、より大きな装置を使用することが可能である。複雑な機械類や制御システムが存在しないことにより、装置をより容易に取り付けまたは取り外すことができ、これは、装置が水流で使用される場合に大きな利点となる。

Claims (28)

1. エアフォイルに対する様々な方向の流体の流れの中で用いるために配置されるエアフォイルであって、
   当該エアフォイルのピッチ角の自動調整のために、多軸ヒンジ上に配置され、
   前記多軸ヒンジが、固定部材および可動部材を備え、
   前記可動部材が、流体動的圧力下で、第１回動中心およびこの第１回動中心から横方向に間隔を置いて配置された第２回動中心の各々を中心に回動可能であり、その回動により、前記第１および第２回動中心の各々を中心に前記ヒンジを使用中交互に開くとともに、
   前記エアフォイルが、前記可動部材と共に回動運動を行うために前記可動部材上に配置されていることを特徴とするエアフォイル。
2. 請求項１に記載のエアフォイルにおいて、
   前記多軸ヒンジの固定部材が、横方向に間隔を置いて配置された前記第１および第２回動中心を規定することを特徴とするエアフォイル。
3. 請求項１に記載のエアフォイルにおいて、
   前記ヒンジの開放中、前記第１回動中心と前記第２回動中心の各位置が前記固定部材に対して可変であることを特徴とするエアフォイル。
4. 請求項２または３に記載のエアフォイルにおいて、
   前記第１回動中心と前記第２回動中心の一方を中心とする前記ヒンジの開放と、前記第１回動中心と前記第２回動中心の他方を中心とする前記ヒンジの開放との間の移行中における前記可動部材の動作が、実質的に即時に行われるものであることを特徴とするエアフォイル。
5. 請求項２または３に記載のエアフォイルにおいて、
   前記第１回動中心と前記第２回動中心の一方を中心とする前記ヒンジの開放と、前記第１回動中心と前記第２回動中心の他方を中心とする前記ヒンジの開放との間の移行中における前記可動部材の動作が、緩やかな回動運動であることを特徴とするエアフォイル。
6. 請求項２乃至５の何れか１項に記載のエアフォイルにおいて、
   前記可動部材が、前記第１回動中心と前記第２回動中心との間の移行動作中に、複数の中間位置の回動中心を中心に回動するように配置されることを特徴とするエアフォイル。
7. 請求項２乃至６の何れか１項に記載のエアフォイルにおいて、
   前記多軸ヒンジが、前記固定部材と前記可動部材との間に延びる交差リンクをさらに備えることを特徴とするエアフォイル。
8. 請求項２に記載のエアフォイルにおいて、
   前記固定部材と前記可動部材を一体に固定するとともに、前記第１回動中心まわりの開放と、前記第２回動中心まわりの開放との間で前記可動部材の移行を可能にするラッチ機構が設けられていることを特徴とするエアフォイル。
9. 請求項２に記載のエアフォイルにおいて、
   前記第１および第２回動中心の各々で前記可動部材に連結された第１および第２油圧ダンパをさらに備え、
   それら油圧ダンパが、前記固定部材と前記可動部材を一体に固定するとともに、前記第１回動中心まわりの開放と、前記第２回動中心まわりの開放との間で前記可動部材の移行を可能にするように配置されていることを特徴とするエアフォイル。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載のエアフォイルにおいて、
    前記流体が水であることを特徴とするエアフォイル。
11. 請求項１０に記載のエアフォイルにおいて、
    前記水が流れまたは動き、その水が、潮汐流、河川流、波内の水の軌道運動、海流等であることを特徴とするエアフォイル。
12. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載のエアフォイルにおいて、
    前縁および後縁を有し、前記エアフォイルを使用する装置の通常運転条件下で、前記前縁が近づいてくる流れ方向を常に向き、前記後縁が前記近づいてくる流れ方向から背ける方向を常に向くように、前記前縁および後縁が配置されていることを特徴とするエアフォイル。
13. 請求項１２に記載のエアフォイルにおいて、
    前記多軸ヒンジの回動中心線が、前記第１および第２回動中心を通る仮想線として定義され、
    前記ヒンジが完全に閉じた位置にあるときに前記回動中心線が前記エアフォイルの翼弦に対して実質的に垂直に配置されるように、前記ヒンジが前記エアフォイルに取り付けられていることを特徴とするエアフォイル。
14. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載のエアフォイルにおいて、
    当該エアフォイルが、対向面、前縁および後縁を有し、
    通常高い流体圧力に面する前記エアフォイルの表面を常に同じ面とし、且つ低い流体圧力に面する前記エアフォイルの表面を常に同じ面で維持するために、前記対向面、前記前縁および前記後縁が、それらの使用時に交互に入れ替えられるように配置されることを特徴とするエアフォイル。
15. 請求項１４に記載のエアフォイルにおいて、
    前記多軸ヒンジの回動中心線が、前記第１および第２回動中心を通る仮想線として定義され、
    前記ヒンジが完全に閉じた位置にあるときに前記回動中心線が前記エアフォイルの翼弦に対して実質的に平行に配置されるように、前記ヒンジが前記エアフォイルに取り付けられていることを特徴とするエアフォイル。
16. 様々な見掛け流れ方向の流体の流れの中で用いるための回転クロスフロー装置であって、
    前記流体の流れに対して実質的に垂直に配置された回転シャフトと、
    前記回転シャフトと平行に回動可能に配置された少なくとも１の、請求項２乃至１３の何れか１項に記載のエアフォイルとを備え、
    前記エアフォイルが、前記回転シャフトに連結された支持部上で前記回転シャフトから間隔を空けるような位置関係で配置されていることを特徴とする回転クロスフロー装置。
17. 請求項１６に記載の回転クロスフロー装置において、
    当該装置が回転クロスフロー発電機であることを特徴とする回転クロスフロー装置。
18. 請求項１６に記載の回転クロスフロー装置において、
    当該装置が回転クロスフロープロペラであることを特徴とする回転クロスフロー装置。
19. 流体の流れの中で使用するための振動装置であって、
    往復部材と、この往復部材上に配置された少なくとも１の、請求項２乃至１３の何れか１項に記載のエアフォイルとを備え、
    前記往復部材がその中間ストローク位置にあって、前記ヒンジが完全に閉じた位置にあるときに、前記エアフォイルの翼弦が、中間の流体の流れ方向に対して実質的に平行に配置されていることを特徴とする振動装置。
20. 流体の流れの中で使用するための振動装置であって、
    往復部材と、この往復部材上に配置された少なくとも１の、請求項２乃至１１または請求項１４乃至１５の何れか１項に記載のエアフォイルとを備え、
    前記往復部材がその中間ストローク位置にあって、前記ヒンジが完全に閉じた位置にあるときに、前記エアフォイルの翼弦が、中間の流体の流れ方向に対して実質的に垂直に配置されていることを特徴とする振動装置。
21. 請求項１９または２０に記載の振動装置において、
    当該装置が発電機であることを特徴とする振動装置。
22. 請求項１９または２０に記載の振動装置において、
    当該装置がプロパルサであることを特徴とする振動装置。
23. 様々な方向の流体の流れの中で使用するための力発生装置であって、
    請求項１に記載のエアフォイルを備え、
    前記エアフォイルが、対向面、前縁および後縁を有し、
    通常高い流体圧力に面する前記エアフォイルの表面を常に同じ面とし、且つ低い流体圧力に面する前記エアフォイルの表面を常に同じ面で維持するために、前記対向面、前記前縁および前記後縁が、それらの使用時に交互に入れ替えられるように配置されることを特徴とする力発生装置。
24. 請求項２３に記載の力発生装置において、
    前記多軸ヒンジの固定部材が、横方向に間隔を置いて配置された第１および第２回動中心を規定し、
    前記ヒンジが、前記第１および第２回動中心を通る仮想線として定義される回動中心線を含み、
    前記ヒンジが完全に閉じた位置にあるときに、前記回動中心線が前記エアフォイルの翼弦と実質的に平行に配置されるように、前記ヒンジが取り付けられていることを特徴とする力発生装置。
25. 請求項２３または２４に記載の力発生装置において、
    回転クロスフロー発電機に隣接して設けられていることを特徴とする力発生装置。
26. 交互に方向が変わる流体の流れの中で用いるためのフロー制御装置であって、
    請求項１に記載のエアフォイルを備え、
    前記エアフォイルが、対向面、前縁および後縁を有し、
    通常高い流体圧力に面する前記エアフォイルの表面を常に同じ面とし、且つ低い流体圧力に面する前記エアフォイルの表面を常に同じ面で維持するために、前記対向面、前記前縁および前記後縁が、それらの使用時に交互に入れ替えられるように配置されることを特徴とするフロー制御装置。
27. 請求項２６に記載のフロー制御装置において、
    前記多軸ヒンジの固定部材が、横方向に間隔を置いて配置された第１および第２回動中心を規定し、可動部材が前記第１および第２回動中心を中心に回動可能となっており、
    前記ヒンジが、前記第１および第２回動中心を通る仮想線として定義される回動中心線を含み、
    前記ヒンジが完全に閉じた位置にあるときに、前記回動中心線が前記エアフォイルの翼弦と実質的に平行に配置されるように、前記ヒンジが取り付けられていることを特徴とするフロー制御装置。
28. 請求項２６または２７に記載のフロー制御装置において、
    回転クロスフロー発電機に隣接して設けられていることを特徴とするフロー制御装置。

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