(57)【要約】【課題】ロータの回転に必要なトルクを小さくしても十分な発電量を得ることのできる発電装置を提供する。【解決手段】複数のロータ２０，３０によって発電するようにしたので、個々のロータ２０，３０を小型で軽量にすることができ、各ロータ２０，３０の回転に必要なトルクをそれぞれ小さくすることができる。これにより、各ロータ２０，３０の回転に必要なトルクを小さくしても複数のロータ２０，３０によって十分な発電量を得ることができる。また、互いに反対方向に回転する第１及び第２のロータ２０，３０を流体流通方向に同軸状に配列したので、上流側のロータ２０（３０）から流出する流体の旋回流によって下流側のロータ３０（２０）の羽根３１（２１）に加わる流体圧の垂直成分を増加させることができる。これにより、各ロータ２０，３０を回転させるための力を高めることができ、発電効率の向上を図ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流路中に配置される円筒状のロータの内周面に流体流通方向に対して傾斜した複数の羽根を設け、羽根が受ける流体圧によりロータを回転させて発電するようにした発電装置において、
互いに反対方向に回転するロータを少なくとも一つずつ流体流通方向に同軸状に配列した
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
互いに反対方向に回転するロータを交互に配置した
ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記ロータの流体流入側流路の内周面にロータの羽根の傾斜角度と反対向きに傾斜した流体案内部を設けた
ことを特徴とする請求項１または２記載の発電装置。
【請求項４】
前記流体流通方向下流側のロータを回転させるトルクが上流側のロータを回転させるトルクよりも小さくなるように構成した
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の発電装置。
【請求項５】
前記下流側のロータの羽根の長さを上流側のロータの羽根の長さよりも短くすることにより、下流側のロータを回転させるトルクが上流側のロータよりも小さくなるようにした
ことを特徴とする請求項４記載の発電装置。
【請求項６】
前記下流側のロータの羽根の傾斜角度を上流側のロータの羽根の傾斜角度よりも小さくすることにより、下流側のロータを回転させるトルクが上流側のロータよりも小さくなるようにした
ことを特徴とする請求項４記載の発電装置。
【請求項７】
前記各ロータの外周面側に発電機の回転子をなす回転子要素を設けるとともに、回転子要素の周囲に発電機の固定子をなす固定子要素を設け、回転子要素及び固定子要素によって発電するように構成した
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば水路や排水管の水流を利用した小規模発電に用いられる発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止等の観点から、中小水力発電等の再生可能エネルギーをエネルギー源とする発電が注目されている。例えば、小規模な水力発電設備は、幅の狭い水路、工場や集合住宅の排水管路等であっても発電が可能であるため、様々な場所での発電が期待できる。
【０００３】
このような小規模水力発電に用いられる水車としては、回転軸にプロペラ状の羽根を取り付け、水流によって羽根を回転させることにより発電機を駆動するものが一般的である。しかしながら、プロペラ状の羽根を用いたものでは、屋外の水路や排水管等のように流水中に塵芥その他の異物が混在する場合、異物が羽根の隙間に引掛かったり、繊維状の異物が羽根の回転軸に巻き付くなど、異物により羽根の回転が妨げられるおそれがある。このため、水中に異物を含まないように処理するために、例えば排砂設備やスクリーン等の異物除去装置を用いる必要があるが、このような異物除去装置は製造や設置のコストを要するとともに、設置場所も限られるという問題がある。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１に記載されているように、流体の流路中に配置される円筒状のロータの内周面に流体流通方向に対して傾斜した複数の羽根を設け、羽根が受ける流体圧によりロータを回転させて発電するようにした発電装置が知られている。この発電装置では、羽根がロータの内周面に設けられているため、羽根を取り付ける回転軸がなく、ロータの径方向中央側を中空状に形成することができる。これにより、水中に含まれる異物をロータ内の径方向中央側を通過させることができ、異物によりロータの回転が妨げられないようにすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５６９６２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述のような円筒状のロータを回転させるためには、力学上、回転軸に取り付けた羽根を回転させるものよりも大きいトルクを必要とするため、水流の運動量が小さいとロータを回転させることができない場合がある。そこで、羽根の長さを短くしたり、羽根の傾斜角度を小さくするなど、ロータの回転に必要なトルクの最低値が低くなるように設定すれば、ロータの回転に必要な水流の運動量の範囲は大きくなるが、トルクが小さい分だけ発電量も小さくなり、十分な発電量が得られないという問題点があった。
【０００７】
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ロータの回転に必要なトルクを小さくしても十分な発電量を得ることのできる発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前記目的を達成するために、流体の流路中に配置される円筒状のロータの内周面に流体流通方向に対して傾斜した複数の羽根を設け、羽根が受ける流体圧によりロータを回転させて発電するようにした発電装置において、互いに反対方向に回転するロータを少なくとも一つずつ流体流通方向に同軸状に配列している。
【０００９】
これにより、流体に塵芥等の異物が混在していても、各ロータの径方向内側における各羽根の存在しない中空部分を異物が通過することから、異物によりロータの回転が妨げられることがない。また、複数のロータによって発電されることから、個々のロータが小型で軽量になり、各ロータの回転に必要なトルクがそれぞれ小さくなる。更に、互いに反対方向に回転するロータが流体流通方向に同軸状に配列されることから、上流側のロータから流出する流体の旋回流によって下流側のロータの羽根に加わる流体圧の垂直成分が増加する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、流体に塵芥等の異物が混在していても、異物によりロータの回転が妨げられることがないので、水中に異物を含まないように処理するための異物除去装置を用いる必要がなく、屋外の水路や各種施設の排水管路等、水流を発電に利用可能な場所に幅広く低コストで設置することができる。また、各ロータを小型で軽量にすることができるので、各ロータの回転に必要なトルクをそれぞれ小さくすることができる。これにより、各ロータの回転に必要なトルクを小さくしても複数のロータによって十分な発電量を得ることができるので、流体の流量が少ない場合や流速が遅い場合など、流体の運動量が小さい場合に極めて有利である。更に、上流側のロータから流出する流体の旋回流によって下流側のロータの羽根に加わる流体圧の垂直成分を増加させることができるので、各ロータを回転させるための力を高めることができ、発電効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す発電装置の斜視図
【図２】発電装置の側面断面図
【図３】発電装置の一部断面斜視図
【図４】第１のロータの斜視図
【図５】第２のロータの斜視図
【図６】第１のロータの平面図
【図７】第２のロータの平面図
【図８】発電装置の動作を示す概略側面図
【図９】本発明の第２の実施形態を示す発電装置の側面断面図
【図１０】発電装置の動作を示す概略側面図
【図１１】本発明の第３の実施形態を示す発電装置の概略側面図
【図１２】本発明の第４の実施形態を示す発電装置の概略側面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１乃至図８は本発明の第１の実施形態を示すもので、例えば水路や排水管の水流を利用した小規模発電に用いられる発電装置を示すものである。
【００１３】
この発電装置は、円筒状のケーシング１０内に互いに反対方向に回転する第１のロータ２０及び第２のロータ３０を２つずつ設けたものであり、第１のロータ２０及び第２のロータ３０はケーシング１０の軸方向に一つずつ交互に同軸状に配列されている。
【００１４】
ケーシング１０は、各ロータ２０の外径よりも大きい内径を有する円筒状に形成され、その軸方向一端側から流体が流入し、軸方向他端側から流体を流出するようになっている。ケーシング１０の内周面と各ロータ２０の外周面との間には、各ロータ２０を回動自在に支持する複数のベアリング１１が設けられている。各ベアリング１１は環状に形成されたボールベアリングからなり、各ロータ２０の軸方向一端側と他端側にそれぞれ設けられている。
【００１５】
第１のロータ２０は、軸方向の長さが外径よりも小さい円筒状に形成され、その内周面には複数の羽根２１が設けられている。各羽根２１は、第１のロータ２０の軸方向（流体流通方向）に対して所定角度θをなすように設けられ、互いに第１のロータ２０の周方向に間隔をおいて配置されている。各羽根２１は第１のロータ２０の径方向に十分な間隔をおいて設けられ、第１のロータ２０の径方向内側に各羽根２１の存在しない中空部分が形成されている。また、第１のロータ２０の外周面側には発電機の回転子をなす環状の回転子要素２２が設けられ、図示を簡略化したが、回転子要素２２は成層鉄心、短絡環等の周知の回転子要素からなる。
【００１６】
第２のロータ３０は、第１のロータ２０と同様、軸方向の長さが外径よりも小さい円筒状に形成され、その内周面には複数の羽根３１が設けられている。各羽根３１は、第２のロータ３０の軸方向（流体流通方向）に対して所定の傾斜角度θをなすように設けられ、互いにロータ３０の周方向に間隔をおいて配置されている。この場合、第２のロータ３０の各羽根３１は第１のロータ２０の各羽根２１に対して反対向きに傾斜するように設けられている。各羽根３１は第２のロータ３０の径方向に十分な間隔をおいて設けられ、第２のロータ３０の径方向内側に各羽根２１の存在しない中空部分が形成されている。また、第２のロータ２０の外周面側には発電機の回転子をなす環状の回転子要素３２が設けられ、図示を簡略化したが、回転子要素３２は成層鉄心、短絡環等の周知の回転子要素からなる。
【００１７】
ケーシング１０の内周面には、発電機の固定子をなす複数の環状の固定子要素４０が設けられ、図示を簡略化したが、固定子要素４０は巻線等の周知の固定子要素からなる。固定子要素４０はロータ２０，３０ごとに設けられ、それぞれ各ロータ２０，３０の回転子要素２２，３２に僅かな隙間をおいて対向するように配置されている。これにより、各ロータ２０，３０が回転すると、各回転子要素２２，３２及び各固定子要素４０によって交流電力が発生し、図示しないリード線から電力が出力させるようになっている。
【００１８】
以上のように構成された発電装置においては、図８の白抜き矢印に示すように、ケーシング１０の軸方向一端側から流体が流入し、各ロータ２０，３０の径方向内側を通過してケーシング１０の軸方向他端側から外部に流出する。これにより、第１及び第２のロータ２０，３０の羽根２１，３１が受ける流体圧によって各ロータ２０，３０が回転し、各回転子要素２２，３２及び各固定子要素４０によって発電される。その際、各ロータ２０，３０の径方向内側には各羽根２１，３１の存在しない中空部分が形成されていることから、流体に塵芥等の異物が混在していても、異物はロータ２０，３０に引掛かることなく各ロータ２０，３０内を通過する。
【００１９】
また、前記発電装置では、複数の第１及び第２のロータ２０，３０がそれぞれ独立して回転するようになっているので、個々のロータ２０，３０が小型で軽量になり、各ロータ２０，３０の回転に必要なトルクがそれぞれ小さくなる。
【００２０】
更に、第１及び第２のロータ２０，３０の羽根２１，３１が互いに反対向きに傾斜していることから、第１及び第２のロータ２０，３０は互いに反対方向に回転する。その際、ロータ２０（３０）を通過する流体は、羽根２１（３１）の傾斜に案内されてロータ２０（３０）の回転方向とは反対方向の旋回流となるが、その下流側のロータ３０（２０）の羽根３１（２１）はその上流側のロータ２０（３０）の羽根２１，３１と反対方向に傾斜しているため、ロータ３０（２０）の羽根３１（２１）に加わる流体圧の垂直成分が増加する。即ち、流体の進行方向が羽根３１（２１）の受圧面に垂直であるほどロータ３０（２０）を回転させる力は大きくなる。
【００２１】
このように、本実施形態によれば、流体の流路中に配置される円筒状の第１及び第２のロータ２０，３０の内周面に流体流通方向に対して傾斜した複数の羽根２１，３１を設け、羽根２１，３１が受ける流体圧により各ロータ２０，３０を回転させて発電するようにしたので、流体に塵芥等の異物が混在していても、各ロータ２０，３０の径方向内側における各羽根２１，３１の存在しない中空部分を異物が通過し、異物によりロータ２０，３０の回転が妨げられることがないという利点がある。これにより、水中に異物を含まないように処理するための異物除去装置を用いる必要がなく、屋外の水路や各種施設の排水管路等、水流を発電に利用可能な場所に幅広く低コストで設置することができる。
【００２２】
また、それぞれ独立して回転する複数のロータ２０，３０によって発電するようにしたので、個々のロータ２０，３０を小型で軽量にすることができ、各ロータ２０，３０の回転に必要なトルクをそれぞれ小さくすることができる。これにより、各ロータ２０，３０の回転に必要なトルクを小さくしても複数のロータ２０，３０によって十分な発電量を得ることができるので、流体の流量が少ない場合や流速が遅い場合など、流体の運動量が小さい場合に極めて有利である。
【００２３】
更に、互いに反対方向に回転する第１及び第２のロータ２０，３０を流体流通方向に同軸状に配列したので、上流側のロータ２０（３０）から流出する流体の旋回流によって下流側のロータ３０（２０）の羽根３１（２１）に加わる流体圧の垂直成分を増加させることができる。これにより、各ロータ２０，３０を回転させるための力を高めることができ、発電効率の向上を図ることができる。
【００２４】
この場合、互いに反対方向に回転するロータ２０，３０を流体流通方向に一つずつ交互に配置したので、流体の旋回流を効果的に利用することができ、発電効率の向上に極めて有利である。
【００２５】
また、各ロータ２０，３０の外周面側に発電機の回転子をなす環状の回転子要素２２，３２を設けるとともに、ケーシング１０の内周面に発電機の固定子をなす環状の固定子要素４０を設け、回転子要素２２，３２及び固定子要素４０によって発電するようにしたので、ギヤ等を用いて各ロータ２０，３０の回転力を外部に取り出すことなく発電することができ、装置全体の小型化及び簡素化を図ることができる。
【００２６】
図９及び図１０は本発明の第２の実施形態を示すものであり、前記実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付して示す。
【００２７】
本実施形態では、ケーシング１０の流体流入側流路１２の内周面に、最も上流側の第１のロータ２０の羽根２１と反対向きに傾斜した螺旋状の流体案内部１２ａを設けている。これにより、最も上流側の第１のロータ２０に流入する流体にロータ２０の回転方向と反対方向の旋回流を流体案内部１２ａによって発生させることができるので、最も上流側の第１のロータ２０を回転させるための力も高めることができる。尚、流体案内部１２ａは、螺旋状に延びる凹部または凸部によって形成することができる。
【００２８】
図１１は本発明の第３の実施形態を示すものであり、前記実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付して示す。
【００２９】
本実施形態では、各ロータ２０，３０を、下流側のロータ３０（２０）の羽根３１（２１）の長さが上流側のロータ２０（３０）の羽根２１（３１）よりも段階的に短くなるように形成することにより、下流側のロータ３０（２０）を回転させるトルクが上流側のロータ２０（３０）よりも小さくなるようにしている。即ち、各ロータ２０，３０の軸方向の長さ（羽根２１，３１の長さに比例）を上流側から順にＬ1，Ｌ2，Ｌ3, Ｌ4とすると、Ｌ1＞Ｌ2＞Ｌ3＞Ｌ4の関係になっている。
【００３０】
これにより、各ロータ２０，３０の回転に必要なトルクが上流側から順に小さくなるので、各ロータ２０，３０を流通する流体の運動エネルギーが各ロータ２０，３０の上流側から下流側に流通するにしたがって低下しても下流側のロータ２０，３０を回転させることができ、ロータ２０，３０の停止による発電量の低下を回避することができる。
【００３１】
図１２は本発明の第４の実施形態を示すものであり、前記実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付して示す。
【００３２】
本実施形態では、各ロータ２０，３０を、下流側のロータ３０（２０）の羽根３１（２１）の傾斜角度が上流側のロータ２０（３０）の羽根２１（３１）よりも段階的に小さくなるように形成することにより、下流側のロータ３０（２０）を回転させるトルクが上流側のロータ２０（３０）よりも小さくなるようにしている。即ち、各ロータ２０，３０の流体流通方向に対する傾斜角度を上流側から順にθ1，θ2，θ3, θ4とすると、θ1＞θ2＞θ3＞θ4の関係になっている。
【００３３】
これにより、第３の実施形態と同様、各ロータ２０，３０の回転に必要なトルクが上流側から順に小さくなるので、各ロータ２０，３０を流通する流体の運動エネルギーが各ロータ２０，３０の上流側から下流側に流通するにしたがって低下しても下流側のロータ２０，３０を回転させることができ、ロータ２０，３０の停止による発電量の低下を回避することができる。
【００３４】
尚、下流側のロータを回転させるトルクが上流側のロータよりも小さくなるようにしたものであれば、例えば下流側のロータの羽根の枚数を上流側のロータの羽根の枚数よりも少なくするなど、第３または第４の実施形態以外の構成を用いることも可能である。
【００３５】
また、前記各実施形態では第１のロータ２０及び第２のロータ３０をそれぞれ２つずつ設けたものを示したが、各ロータの数はこれに限定されるものではない。
【００３６】
また、本発明の発電装置の用途としては、例えばケーシング１０の軸方向両端にフランジを設けて各種管路の途中に接続可能に構成することにより、集合住宅や大規模オフィスビル等の雑排水集合管、下水処理場の沈砂地以降の管路、雨量の多い場所の橋梁用排水管集合部、樋門の管路等に設けることができる。また、単体で設置可能に構成することにより、例えば屋外水路の水中に設置したり、潮力や波力を利用した発電用に海中に設置することができる。更に、可搬式に構成することにより、例えば川の中に配置してアウトドア用または非常用の電源として利用することも可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…ケーシング、１２…流体流入側流路、１２ａ…流体案内部、２０…第１のロータ、２１…羽根、２２…回転子要素、３０…第２のロータ、３１…羽根、４０…固定子要素。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2018159275.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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