Improved panoramic vertical wind tunnel

本発明特許出願は、タイトル「目視機能を有する垂直風洞」に示されるように、風洞が特に最大限の安全性及び効果を有して構築されるための目的に適合する新たな構造、形状及び設計上の特徴である。

特に本発明はその垂直部で操作すべく設計された風洞に関し、言い換えると、適切な手段により発生した気流が、端部にある垂直領域で合流し、対象物をこの垂直領域で持ち上げることができる。 同時に、風洞が半透明材料から構築されているため、この持ち上げ効果を外側で見ることができる。 この導管で物体を目視すること及び持ち上げることにより、表示及び測定が共に可能になる。 本発明は、
− 風洞の幾何図形的配置の最適化− 風洞の構造形態− 風洞内でのエアプロペラの位置による、技術の現状における進歩である。

異なるタイプ及び構造の風洞が売りに出されており、そのためこれらは垂直位に試験室を有するものも考慮する必要がある。 しかしながら、内部で何が起こっているのか直接観察することは不可能であり、それ故これらは垂直部で何が起こっているのか外部に示すために人工的な視覚装置を備える必要がある。 これは、通常全ての実験形式に用いられており、例えば、スカイベンチャー社（Sky Venture, Inc）の欧州特許出願第９６９１９３６９．６号明細書に「パラシュートジャンプシミュレータ」が記載及び請求されており、その垂直壁の一つにビデオ映写画面及びその他の要素が設置され、飛行中の降下者を支えることができる円柱状の空気を有する垂直室を備えている。

会社エアーフライト社（Airflite Inc）の英国特許出願公開第２０９４１６２号明細書では、人間を浮かせるための、複雑な構造に基づいた空中浮揚場を説明している。 この構造の内部は、線形の空気導管によって形成される上昇気流がある室、及び人が中に入ることができ、人が気流の外側にいる周辺導管と共に離陸領域及び別の着陸領域を有する格子により形成される。

最後に、技術の現状を成す部分が国際公開第０４／０２２４２７号パンフレットに「フリーフォールフライトシミュレータ」により説明されており、下部に、中央パイプに出るセントリポッド（centripod）構造に配置された複数の換気装置のための端子を有する圧縮室を備えている。

英国特許出願公開第２０９４１６２号明細書

本発明の別の目的は、この風洞がレジャーの目的のために設置され、その結果一般の人々が、垂直部で物体又は人が持ち上げられて、どのように物体が持ち上げられるかを確認して、新たな感覚を経験して楽しむことができるようにすることである。

本発明の別の利点は、まず気流を発生させるプロペラの最小限の消費で最大限の性能を達成するための、次にパイプの外側に設置されたこれらのプロペラの操作方法を達成するための、風洞の様々な部分での幾何学的及び空間的設計である。 これは、様々な部分が、プロペラにより発生させられた気流を妨げず、気流を損なう仕事量の損失を避けることを意味する。 これらの損失は、プロペラを駆動する電動モータにより乱気流及び消費の拡大を発生させる。 操作すべく風洞に必要な動力もまたその設計次第である。 この二つを分けることは不可能であり、形状の最適化は結果的には同一の気流及び気圧でこの動力の減少を促す。

上に述べられた本発明は、三つの導管がそれらの端部で垂直部により結合されたループ状に形成され、この垂直部が好ましくは半透明部により形成される。 ループは、ねじのような対応する締め具又はそれに類する物により結合された複数の異なる導管部により形成される。 これら三つの部分は、ベルト、チェーン、径違い継手又は同等の技法を用いてプロペラの軸に接続された軸を有する対応する電動モータにより外部から操作されるプロペラを含む。

その結果もたらされた風洞のモデルは、基本的には以下の部分を備えて構築される。
− そのユーザが配置される風洞の垂直風部であり、流れが最大速度に達する位置である飛行室− 飛行室の出口から対応するパイプすなわち縮小パイプの入口まで可能な限り最小限の損失で流れを導く一連の直線部を含む三つの帰路− 飛行室から続く部分であり、気流が最大速度で飛行室に入るために速くなる三つの縮小パイプ

風洞の技術的設計は、一領域すなわちパイプの結合部の下部領域に合流すべくプロペラ及びそれらのモータにより発生させられた気流の助けとなることが意図されており、それ故、これらの流れによって発生させられた気流及び気圧の合計がこれらの導管の結合部の下部で共に追加され、この垂直領域で物体を持ち上げ、それらを内側へ移動させることができる空気の上昇流になる。

実験結果及び算出結果により、前記風洞を、これを用いるユーザのタイプに応じて二つの可能な方法で操作することができる。
− 気流速度が飛行室の入口で７０m/s に達し、地表面から略６ｍの高さで５０m/s に達する。 これにより、速度が６５m/s であるとき、水平位に配置されたユーザが一定してこの高さで且つ垂直位に保持されるエキスパートモード− 最大速度が飛行室の入口で５５m/s 、地表面から１.50 ｍの高さで５０m/s に達する非エキスパートモード

風洞の最適化は、その空気力学の作用のコンピュータシミュレーションによりなされる。 これは有限要素のソフトウェアでシミュレートされ、風洞の各部分の個別設計を可能にする。 乱気流を減少させ、うずを避けるために、内部の特に設計の最も湾曲した部分で気流に対する風洞の効果を調べて、各部分に対する異なる構造が研究された。 この最適化の結果により、風洞を操作するために必要とされるプロペラによる電力消費、すなわちこの設計でのようなより大きい装置での実行可能性を保証する重要なパラメータを減少させる。

その他の詳細及び特徴は、本発明の好ましい詳細が表され、例証すべく意図されたこの明細書に添付された図面を参照して以下の記載を通して示されるが、これに限定されない。

図１（１：１２.5の縮尺の実物大模型）に示されるような本出願での好ましい設置の一つでは、風洞（１０）は、ループ（２８）を形成すべく複数の異なるパイプを共に結合し、組み立てることにより形成され、これらのループは略１２０°で放射状に分かれている。 角のある導管（１１）は、上端が適切な結合部（２０）により星状に保持されるのに対して、下端（１１）は、径違い継手（１８）と径違い継手の軸を前記ファンの軸に結合するプーリ又はチェーンとを介して、その内側では不図示の相当するファンブレード（２４）に動的に接続された電動モータ（１７）により駆動が形成される円筒状駆動導管（１３）に結合されて組み立てられ、導管（１３）の下端、これもまた図示していない駆動導管（１４）が星状結合部（１９）に結合されて組み立てられる。 この設計はまた、図示していない、パイプ内に異なる複数の内部バッフルを含み、飛行領域の上部及び下部、特に星状結合部（１９）及び（２０）と、戻り導管（１１）の端部の角とに二重の流れで設けられている。 一方ではこれにより、空気の移動方向を変更して、これらの地点で発生した乱気流を避ける。 他方では風洞の垂直部の下に設けられたバッフルは、上昇速度が飛行領域の壁の近くで増大するように設計された飛行領域で気流速度の分布を変更することができる。 これは、保持力が飛行領域の中央部の壁の近くでより大きいことを意味し、それ故ユーザがフリーフォールフライトの不慣れにより知らずに飛行領域の壁に向けて移動した場合、壁に向かう速度のこの増加により生み出された速度勾配は、その人を風洞の中央領域に戻し、それにより壁に衝突する可能性を減らす。 この結果は図３に示される。

風洞（１０）の上部は下部に、具体的には領域（２０）は領域（１９）に、半透明パネル（２２）を収容する支柱（２１）により結合され、それにより吸気部（２５）を排気部（２７）と共に垂直部（２３）に結合し、風洞（１０）での垂直部（２３）を画定する。 この垂直部は、二つの異なる円錐を成すトランクにより形成された特定の形状を有する。 実際の縮尺では（０ｍ乃至３ｍの高さ）で設定された垂直部の下部では、壁は垂直から３.81 °の角度を成して、円錐の直径が５ｍから５.4ｍに増大するのに対して、（３ｍ乃至８ｍの高さ）の上部では、９.09 °の角度で壁を形成して、直径が５.4ｍから７ｍに増大する。 風洞の垂直部でのこの開度の変更は、気流速度の垂直分布を変化させて、エキスパートモードでの適度な高さで７０m/s 乃至５０m/s の変動を達成する。 装置が相当にその全体の高さを増大させる必要がないとしても、安定した流れを維持するために必要とされる駆動力を増大させるべく内部の空気路を増大するので、その結果として構造及び操作費用が増大する。

風洞（１０）は、以下の様態によって特徴付けられた表１に示された幾何図形的配置を有する。
− 循環路の横断面の形状は、風洞の垂直部で円形であり、上部で長円形であり、下部で円形であり、結合部（１９）の開口で１２０°の扇形である。
− 飛行室すなわち垂直部（２３）の吸気部（２５）は、地表面すなわち０ｍの高さにあり、下部の円錐より上部の円錐でより大きい開度を有する、開度の異なる二つの円錐状トランクにより形成される。
− 湾曲部分（１１）すなわち帰路の角（２６）は、略１３５°の角度である。
− 帰路は、その行程長に亘ってその横断面が異なる。

表１は、コンピュータにより装置の実際の縮尺に基づき発生させた画像である。

表２に示された風洞（１０）の原動力は、導管（１３）内に設けられたファン（２４）を操作する電動モータ（１７）から得て、（１０）内部の空気を駆動し、下部結合部（１９）への加圧された気流を生み出し、その中では、（１７及び２４）の組み合わされた作用により駆動された導管（１１）からの気流の合計が、空気を垂直部（２３）へ送り、それが半透明パネル（２２）により、人工的な目視装置の必要なく、内部の物体又は人を見せることができる。 これは、これらのパネルを前述の物体の出入りを容易にする実用的な扉に変えることを可能にする。

表２は、飛行室（この室のみが図示されている）内の地表面でのコンピュータシミュレーションの間に得られた垂直速度の値の表示である。 それにより、最大速度が壁の近くで達成されていることが分かる。

導管（１１）、（１３）、（１４）の結合部及び領域（１９及び２０）は、添付した図面には示されていない、必要に応じて圧縮結合で配置された対応する留めねじで締め具（１５）及びねじ（１６）に沿って延び、その結果エネルギー消費の少ない、高性能な閉路になる。

飛行領域への入口の直径が５ｍである実際の縮尺の装置に対するエネルギー消費は、デジタルシミュレーションから算出され、表２が最も重要な結果のいくつかを示す。 比較として、例えば前述のスカイベンチャー社（Sky Venture, Inc）の欧州特許出願第９６９１９３６９．６号明細書のように、空気が外部から直接取り入れられ、飛行領域に向けて垂直に駆動され、その後大気に放出される（戻りのない）開放風洞について消費を示す。

表３は、直径５ｍの風洞の操作動力の算出である。

前述の表３のデータを分析すると、デジタルシミュレーションの助けなしでは風洞（１０）の動作を予測し難いことが分かる。 しかしながら、本発明の目的である設計により、開放風洞を操作するために必要とされる電力の５０％以上を削減することができる。

このタイプの装置の別の本質的に重要な側面は、空気力学の法則が線形ではなく、装置の動作が、そのサイズを変更すると導管の形状が変わらないときでさえ変わることができることを考慮すると、シミュレーションが装置の実際の縮尺で行われる必要があることである。 この変更の基本的な効果は、特に装置のサイズを変更すると消費される電力が変わる点により分かる。

（空気が駆動力を節約するために再循環される）全ての閉鎖風洞に共通する特徴は、壁に擦れる空気の影響により、空気が風洞の連続操作には不適切に暖まることである。 実物大模型ではこの影響は気づかれないかもしれないが、実寸法の装置では、相当な量の電力が駆動処理の間空気に供給され、気温の変動が、特に外部の気温が高いとき非常に著しいことを考えれば、無視できない。 暖まった空気により、その密度が減少し、図示された装置ではこれは、結果として温度の上昇により引き起こされる不都合に加えて、ユーザを支える力が減少することを意味する。 装置でのこの望ましくない影響を避けるために、湾曲した導管（１１）はアルミニウム等の熱伝導性の良い材料を用いて構築され、その周りには外部の冷却装置から冷水を循環させるための冷却ジャケットが構築されている。 また、部分（２０）、（１１）及び（１９）の内側のバッフルはアルミニウム又は同様の熱伝導性が良い材料から形成され、穴が内側から冷水を循環すべくこれに組み込まれ、追加の熱交換器として機能する。 算出結果は、望ましくない状態（すなわち外部の温度が３０℃）でも、適切な冷却力によって風洞の垂直部すなわち飛行部の温度が非エキスパートモードでの２７℃とエキスパートモードでの３３℃との間で変わることを示し、装置の操作に適しているとみなされる。

添付図面を用いて本発明を十分に説明したが、適切であると判断されるあらゆる変更が上述した特許請求の範囲に要約される本発明の本質を変えない限り、変更がなされることは容易に理解される。

風洞（１０）及びその導管（１１）、（１３）、（１４）、上部結合領域（２０）及び下部結合領域（１９）を、全てループを形成する、示す斜視図である。

導管（１１）、（１３）及び（１４）の放射状配置を表す風洞（１０）を示す上面図である。

風洞（１０）の垂直部（２３）の1/3 でアームすなわち導管（１１）、（１３）又は（１４）の一つを示す斜視図である。

風洞（１０）内での導管ループ（２０）を示す正面図である。

符号の説明

（１０）風洞（１１）湾曲部分の導管（１２）プラットフォーム（１３）インパルス導管（１４）排気導管（１５）締め具（１６）ねじ（１７）電動モータ（１８）径違い継手（１９）下部導管結合要素（２０）上部導管結合部（２１）支柱（２２）半透明パネル（２３）風洞（１０）の垂直部（２４）換気装置（２５）吸気部（２６）帰路の角（２７）出力部