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スマートボルテックスジェネレータ及びそれを備えた航空機、船舶、回転機械 コモンズ 外国出願あり

国内特許コード P110004924
整理番号 G20050015
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2007-528908
登録番号 特許第4940434号
出願日 平成17年12月28日(2005.12.28)
登録日 平成24年3月9日(2012.3.9)
国際出願番号 JP2005024290
国際公開番号 WO2007077620
国際出願日 平成17年12月28日(2005.12.28)
国際公開日 平成19年7月12日(2007.7.12)
発明者
  • 池田 忠繁
出願人
  • 国立大学法人名古屋大学
発明の名称 スマートボルテックスジェネレータ及びそれを備えた航空機、船舶、回転機械 コモンズ 外国出願あり
発明の概要

スマートボルテックスジェネレータ(1)は、流体の流れと境界をなす航空機の主翼等、物体表面に配設される、少なくとも一部が形状記憶合金よりなる本体(3)を備えている。本体(3)は、流体の昇・降温に応じて、形状記憶合金が高温側で安定な高温側安定相と低温側で安定な低温側安定相とに相変態することにより、渦の発生により流れの剥離を抑制しうる第1形体と、乱流を抑制しうる第2形体とに形体が変化する。このスマートボルテックスジェネレータ(1)は、温度変化に応じて多方向性特性を発揮し、外部からのエネルギー供給が不要で、構造が簡単であり、故障が発生し難く、かつ、修理及びメンテナンスや既存の翼に対する取り付けも容易である。

従来技術、競合技術の概要


航空機の翼は、飛行経路中で最も時間の長い巡航時に、翼形状が最適となるように設計されている。すなわち、巡航時に、高速で重量分の揚力を得ることができ、かつ、できるだけ抗力が小さくなるように、翼が設計されている。



一方、揚力は、対気速度、迎角又は翼の曲がりが大きくなるに連れて大きくなる。このため、離着陸時の低速飛行時や旋回時には、高い揚力を得るために、翼の迎角を大きくしたり、翼に設けられたヒンジ部分で翼形状を大きく曲げたりしている。しかしながら、翼の迎角が限度を越えて増したり、翼の曲げが大きくなりすぎると、流れが翼表面から剥がれて、抗力が大きくなるとともに、十分な揚力が得られなくなり、操縦性が低下するおそれがある。



そこで、翼の迎角や曲がりが大きくなる離着陸時に翼表面で発生する、流れの剥離を抑制すべく、航空機の翼表面にボルテックスジェネレータが設置されている。ボルテックスジェネレータは、翼面上のある位置から縦渦を発生させ、運動量の大きい境界層の外側の流れを翼表面の遅い流れと混ぜることにより、翼表面の流れの運動量を増加させて剥離の発生を抑制する。



航空機に使用されている通常のボルテックスジェネレータは、長方形や台形等の板状体よりなり、板面に流れが当たるように流れ方向に対して板面が斜めを向くとともに、翼面に対して板面が略垂直に起立した状態で設置される。なお、大型機用では、起立した板状体の長さは約55~75mm、高さは約20~23mm、厚さは約2mmであり、これらの板状体が、操縦翼の前方に、横方向(翼の長手方向)に間隔をおいて複数配置される。



ところで、ボルテックスジェネレータは、翼の迎角や曲がりが大きくなる離着陸時に翼面からの流れの剥離を抑制するという機能を発揮する一方で、翼の迎角や曲がりが小さくなる巡航時には、ボルテックスジェネレータにより発生する渦により、翼表面の流れを乱し、乱流により抗力を増大させるという欠点がある。飛行経路中で最も時間の長い巡航時に、ボルテックスジェネレータにより抗力が増大することは、航空機の運動性能や燃費の観点より大きな問題となる。



そこで、飛行状況に応じて、ボルテックスジェネレータの態様を調整する技術が知られている。



例えば、特許文献1(特開平5-16892号公報)には、図18に示されるように、翼80の翼表面81における流体の流れの状態、流体の流速又は流体の流れの中に発生する渦を検知するセンサ82と、センサ信号に基づいて剥離の状態を解析するとともに、剥離の状態に応じた制御信号を発する、CPU等よりなるデータ処理手段83と、データ処理手段83からの制御信号により作動する圧電アクチュエータ等の駆動手段84と、流れと境界をなす翼表面81に対する先端位置85が駆動手段84により昇降可能とされたボルテックスジェネレータ86とを備えた剥離制御装置が開示されている。



この剥離制御装置では、翼表面81における流体の流れの状態等をセンサ82で検知し、センサ信号に基づく剥離の状態に応じたデータ処理手段83からの制御信号により、駆動手段84を作動させて、翼表面81に対するボルテックスジェネレータの先端位置85を移動調整する。これにより、翼表面81に剥離が発生していない場合は、ボルテックスジェネレータ86の先端位置85が翼80内に退いた状態にする一方、翼表面81に剥離が発生している場合は、ボルテックスジェネレータ86の先端位置85が翼表面81から所定量突出した状態にすることで、流れの剥離を最適に制御することができる。



また、特許文献2(US6,427,948 B1)には、図19に示されるように、本体90と、自然状態で弓形の板ばね91と、電気抵抗による加熱要素92とを備えたボルテックスジェネレータが開示されている。本体90は、翼表面に固定される長方形状の台座部93と、台座部93の一端(前端)側の一側面に一体に連結されるとともに、台座部93から垂直に起立した起立面を有する長方形状のフィン部94とから構成されている。そして、フィン部94が形状記憶合金よりなり、この形状記憶合金の記憶処理された形状は、弓形ではなく、フィン部94の起立面が平坦となるように直状に伸びた形状である。また、フィン部94は、変態終了温度以下の温度で、板ばね91の弓形状に追従するように弓形に変形可能とされている。このため、変態終了温度以下の温度で、フィン部94の前縁部94a、後縁部94bに、板ばね91の係合クリップ部91a、91bが嵌め込まれることで、板ばね91のばね力により、フィン部94は板ばね91の弓形に追従するように弓形に変形した形状とされている。また、フィン部94の起立面には、導線95、96を介して電気が供給されて電気抵抗によりフィン部94を加熱する加熱要素92が接着されている。



このため、このボルテックスジェネレータでは、フィン部94は、形状記憶合金の変態終了温度以下のときは板ばね91のばね力により弓形とされるので、翼表面に渦を発生させて流れの剥離を抑制する。一方、フィン部94は、加熱要素92により逆変態終了温度以上に加熱されると、板ばね91のばね力に抗して、形状記憶された直状に伸びた形状となる。直状に伸びたフィン部94は、流体の流れに沿って平行に延びるため、翼表面に渦が発生せず、乱流による抗力増大を抑えることができる。したがって、このボルテックスジェネレータでは、加熱要素92に対する電気の供給を制御することで、フィン部94の形状を変化させて、流れの剥離を最適に制御することができる。



なお、このボルテックスジェネレータでは、電気系統の故障等により、加熱要素92への電気の供給が絶たれてフィン部94の温度が変態終了温度を下回ると、フィン部94は板ばね91のばね力により弓形に戻る。このため、このボルテックスジェネレータでは、何らかの理由で加熱要素92に電気を供給できなくなったとしても、板ばね91によりフィン部94を弓形にして、フィン部94の剥離抑制機能を発揮させることができるので、フェールセーフ機構が働く。ただし、この場合、巡航時においてもフィン部94が翼表面に渦を発生させることになるため、抗力の増大を招く。



しかしながら、上記特許文献1に記載の従来技術では、翼表面81における流体の流れの状態等を検知するセンサ82と、CPU等よりなるデータ処理手段83と、ボルテックスジェネレータ86を駆動させる圧電アクチュエータ等の駆動手段84とを要する。



また、上記特許文献2に記載の従来技術では、加熱要素92に対する電気の供給の制御により、形状記憶合金よりなるフィン部94の温度を調整して、フィン部94の形体を変化させている。さらに、この従来技術において、離着陸時と巡航時とでフィン部94の形体を確実に変化させようとすると、その変化時期を判断するためのセンサやデータ処理手段が必要となる。



このため、上記特許文献1及び2に記載の技術は、外部からのエネルギー供給が必要で、装置構造が複雑であり、電気系統等の故障が発生し易く、また修理及びメンテナンスや既存の翼に対する取り付けも面倒である、という問題がある。

産業上の利用分野


本発明は、流体の流れと境界をなす物体表面、例えば、航空機の翼表面、船舶の船体表面又は船体に取り付けられた翼の表面や回転機械の翼表面等に設置されて、該物体表面で発生する流れの剥離を抑制するスマートボルテックスジェネレータ及びそれを備えた航空機、船舶、回転機械に関し、より詳しくは少なくとも一部に形状記憶合金又は超弾性合金を含み、流体の温度変化又は流体力の変化に応じて多方向性特性を発揮するスマートボルテックスジェネレータ及びそれを備えた航空機、船舶、回転機械に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】 流体の流れと境界をなす物体表面に設置されて該物体表面で発生する流れの剥離を抑制し、該流体の温度変化に応じて多方向性特性を発揮するボルテックスジェネレータであって、
前記物体表面に配設される、少なくとも一部が形状記憶合金よりなる本体を備え、
前記流体の昇・降温に応じて、前記形状記憶合金が高温側で安定な高温側安定相と低温側で安定な低温側安定相とに相変態することにより、渦の発生により流れの剥離を抑制しうる第1形体と乱流を抑制しうる第2形体とに、前記本体の形体が変化するように構成されていることを特徴とするスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項2】 前記形状記憶合金が一方向性形状記憶効果を有し、
前記本体に対して所定の関係で配設され、前記多方向性特性の発揮に必要なバイアス力の少なくとも一部としての、所定の助力を前記形状記憶合金に付与する助力付与手段をさらに備え、
使用中に前記形状記憶合金に作用する外部荷重を受けた状態における該形状記憶合金の変態開始温度に前記流体の温度が降温過程で到達した時に、該形状記憶合金が前記高温側安定相から前記低温側安定相に変態し始め、かつ、該外部荷重を受けた状態における該形状記憶合金の逆変態開始温度に該流体の温度が昇温過程で到達した時に、該形状記憶合金が該低温側安定相から該高温側安定相に逆変態し始めるように構成されていることを特徴とする請求項1記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項3】 前記流体の温度が前記外部荷重を受けた状態における前記形状記憶合金の逆変態終了温度以上であるときに、前記本体が前記第1形体を維持し、かつ、該流体の温度が前記外部荷重を受けた状態における該形状記憶合金の変態終了温度以下であるときに、該本体が前記第2形体を維持するように構成されていることを特徴とする請求項2記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項4】 前記流体の温度が前記外部荷重を受けた状態における前記形状記憶合金の変態終了温度以下であるときに、前記本体が前記第1形体を維持し、かつ、該流体の温度が前記外部荷重を受けた状態における該形状記憶合金の逆変態終了温度以上であるときに、該本体が前記第2形体を維持するように構成されていることを特徴とする請求項2記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項5】 前記助力付与手段が前記助力としての弾力を前記形状記憶合金に付与する弾性体を備えていることを特徴とする請求項2、3又は4記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項6】 前記弾性体が板ばねよりなることを特徴とする請求項5記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項7】 前記形状記憶合金が一方向性形状記憶効果を有し、
前記多方向性特性の発揮に必要なバイアス力としての、前記流体の流体力が前記形状記憶合金に所定の方向から付与されるように、前記本体が構成され、
使用中に前記形状記憶合金に作用する外部荷重を受けた状態における該形状記憶合金の変態開始温度に前記流体の温度が降温過程で到達した時に、該形状記憶合金が前記高温側安定相から前記低温側安定相に変態し始め、かつ、該外部荷重を受けた状態における該形状記憶合金の逆変態開始温度に該流体の温度が昇温過程で到達した時に、該形状記憶合金が該低温側安定相から該高温側安定相に逆変態し始めるように構成されていることを特徴とする請求項1又は2記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項8】 前記流体の温度が前記外部荷重を受けた状態における前記形状記憶合金の逆変態終了温度以上であるときに、前記本体が前記第1形体を維持し、かつ、該流体の温度が該外部荷重を受けた状態における該形状記憶合金の変態終了温度以下であるときに、該本体が前記第2形体を維持するように構成されていることを特徴とする請求項7記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項9】 前記流体の温度が前記外部荷重を受けた状態における前記形状記憶合金の変態終了温度以下であるときに、前記本体が前記第1形体を維持し、かつ、該流体の温度が該外部荷重を受けた状態における該形状記憶合金の逆変態終了温度以上であるときに、該本体が前記第2形体を維持するように構成されていることを特徴とする請求項7記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項10】 前記形状記憶合金が多方向性形状記憶効果を有し、少なくとも該多方向性形状記憶効果により、前記本体の形体が前記第1形体と前記第2形体とに変化するように構成されていることを特徴とする請求項1記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項11】 前記流体の温度が使用中に前記形状記憶合金に作用する外部荷重を受けた状態における該形状記憶合金の逆変態終了温度以上であるときに、前記本体が高温側記憶形状たる第1形体を維持し、かつ、該流体の温度が該外部荷重を受けた状態における該形状記憶合金の変態終了温度以下であるときに、該本体が低温側記憶形状たる第2形体を維持するように構成されていることを特徴とする請求項10記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項12】 前記流体の温度が前記外部荷重を受けた状態における前記形状記憶合金の変態終了温度以下であるときに、前記本体が低温側記憶形状たる第1形体を維持し、かつ、該流体の温度が前記外部荷重を受けた状態における該形状記憶合金の逆変態終了温度以上であるときに、該本体が高温側記憶形状たる第2形体を維持するように構成されていることを特徴とする請求項10記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項13】 流体の流れと境界をなす物体表面に設置されて該物体表面で発生する流れの剥離を抑制し、該流体の流体力の変化に応じて多方向性特性を発揮するボルテックスジェネレータであって、
前記流体力が所定の方向から付与されるように前記物体表面に配設される、少なくとも一部が形状記憶合金よりなる本体を備え、
前記流体力の増・減に応じて、前記形状記憶合金が低負荷側で安定な低負荷側安定相と高負荷側で安定な高負荷側安定相とに相変態しながら超弾性変形することにより、渦の発生により流れの剥離を抑制しうる第1形体と乱流を抑制しうる第2形体とに、前記本体の形体が変化するように構成されていることを特徴とするスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項14】 流体の流れと境界をなす物体表面に設置されて該物体表面で発生する流れの剥離を抑制し、該流体の流体力の変化に応じて多方向性特性を発揮するボルテックスジェネレータであって、
前記流体力が所定の方向から付与されるように前記物体表面に配設される、少なくとも一部が超弾性合金よりなる本体を備え、
前記流体力の増・減に応じて、前記超弾性合金が相変態を伴わずに超弾性変形することにより、渦の発生により流れの剥離を抑制しうる第1形体と乱流を抑制しうる第2形体とに、前記本体の形体が変化するように構成されていることを特徴とするスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項15】 前記本体は、前記物体表面に固定される台座部と、該本体が前記第1形体にあるときに該台座部に対して所定の起立姿勢で起立して流れの剥離抑制機能を発揮するとともに、該本体が前記第2形体にあるときに該台座部に対して所定の傾倒姿勢となって乱流抑制機能を発揮する渦発生部とを有していることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一つに記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項16】 前記本体は、前記台座部と、該台座部の端縁から湾曲又は屈曲することで該台座部に対して所定の起立角度で起立する前記渦発生部とが一体的に形成された板状体よりなり、少なくとも該台座部と該渦発生部との境界部たる湾曲部又は屈曲部が前記形状記憶合金よりなることを特徴とする請求項15記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項17】 前記本体は、前記物体表面に固定される台座部と、該本体が前記第1形体にあるときに該台座部に対して所定の起立姿勢で起立して流れの剥離抑制機能を発揮するとともに、該本体が前記第2形体にあるときに該台座部に対して所定の傾倒姿勢となって乱流抑制機能を発揮する渦発生部とを有していることを特徴とする請求項14に記載のスマートボルテックスジェネレータ
【請求項18】 前記本体は、前記台座部と、該台座部の端縁から湾曲又は屈曲することで該台座部に対して所定の起立角度で起立する前記渦発生部とが一体的に形成された板状体よりなり、少なくとも該台座部と該渦発生部との境界部たる湾曲部又は屈曲部が前記超弾性合金よりなることを特徴とする請求項17記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項19】 前記形状記憶合金が一方向性形状記憶効果を有し、
前記渦発生部が前記台座部から湾曲又は屈曲することで該台座部に対して所定の起立角度で起立するように、前記形状記憶合金が形状記憶処理されていることを特徴とする請求項15又は16記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項20】 前記形状記憶合金が一方向性形状記憶効果を有し、
前記渦発生部が前記台座部に対して起立角度を小さくする方向に傾倒した所定の傾倒姿勢となるように、前記形状記憶合金が形状記憶処理されていることを特徴とする請求項15又は16記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項21】 前記形状記憶合金が多方向性形状記憶効果を有し、
前記渦発生部が前記台座部から湾曲又は屈曲することで該台座部に対して所定の起立角度で起立するように前記形状記憶合金が形状記憶処理され、かつ、該渦発生部が該起立角度を小さくする方向に傾倒した所定の傾倒姿勢となるように該形状記憶合金が形状記憶処理されていることを特徴とする請求項15又は16記載のスマートボルテックスジェネレータ。
【請求項22】 請求項1乃至21のいずれか一つに記載のスマートボルテックスジェネレータが翼表面に設けられた航空機であって、
前記本体は、離着陸中の少なくとも一部で前記第1形体を維持し、かつ、巡航中に前記第2形体を維持するように構成されていることを特徴とする航空機。
【請求項23】 請求項1乃至21のいずれか一つに記載のスマートボルテックスジェネレータが船体表面又は船体に取り付けられた翼の表面に設けられていることを特徴とする船舶。
【請求項24】 請求項1乃至21のいずれか一つに記載のスマートボルテックスジェネレータが翼表面に設けられていることを特徴とする回転機械。
産業区分
  • 機構・伝動
  • 船舶
  • 航空
国際特許分類(IPC)
画像

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JP2007528908thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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