(57)【要約】  装置（１０）はインペラ（２２）を有するタービン（２２，３４）と、インペラ（２２）と同軸上に円筒面（Ｘ）の周囲に配置したスタータ巻線を設けたスタータ（１２）と、ステータ（１２）に対して相対的に回転可能で、インペラ（２２）と共に回転するように駆動可能に連結された永久磁石（２４）と、を備える。インペラ（２２）は永久磁石（２４）内に収容され、インペラ（２２）と永久磁石（２４）とによって形成された組立品は、ステータ（１２）内に収容される。永久磁石（２４）は逆極性の高磁束密度材料からなる単一の中空円筒体に形成されている。
2013531964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラ（２２）を有するタービン（２２，３４）と、
インペラ（２２）と同軸上に、円筒面（Ｘ）の周囲に配置されたステータ巻線を備えたステータ（１２）を有する発電機（１２，２４）、及び、ステータ（１２）に対して相対的に回転可能で、インペラ（２２）に回転駆動可能に連結された永久磁石（２４）と、
を備え、
前記インペラ（２２）は、永久磁石（２４）内に収容され、前記インペラ（２２）と前記永久磁石（２４）によって形成された組立品は、ステータ（１２）内に収容され、
前記永久磁石（２４）は、逆極性の高磁束密度材料からなる単一の中空円筒体に形成されていることを特徴とする、加圧下の、空気又は他の気体、あるいは、液体の供給源から電力を生成するための装置（１０）。
【請求項２】
前記タービン（２２，３４）は、軸流タービンであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記インペラ（２２）と前記永久磁石（２４）は、締まり嵌めによって互いに連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記永久磁石（２４）を覆うスリーブ（３２）をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記スリーブ（３２）は、カーボンファイバーを含む合成材料で形成したことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記インペラ（２２）の上流側に配置される入口本体（１６）と、加圧下で、空気又は他の気体の供給源と接続するための入口嵌合部（１８）と、インペラ（２２）の下流に配置される出口本体（２０）とを設けられ、前記タービン（２２，３４）は、前記入口本体（１６）に保持されたディストリビュータ（３４）を備え、雰囲気に空気又は気体を排出するための少なくとも１つの開口（４８）を有する出口ディスク（４６）をさらに備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記ディストリビュータ（３４）と前記出口ディスク（４６）とは、前記インペラ（２２）に向かう軸方向の対向面で、前記インペラ（２２）と前記永久磁石（２４）とによって形成された組立品が回転するために支持されることにより、軸受（４２，５２）を収容する各キャビティ（４０，５０）を有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記入口本体（１６）と前記出口本体（２０）とは、ステータ（１２）の軸方向の反対側に配置された分離ピースでそれぞれ形成され、分離可能な連結手段によって互いに固定されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧下で、空気又は他の気体、あるいは、液体の供給源から電力を生成するための装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、加圧下の空気によって得られるエネルギーを使用する、低電圧（例えば、２４Ｖ）の電力を生成するための装置が市場に出ている。基本的に、その装置は、発電機と、発電機のロータを回転させるために連結された放射状のマイクロタービンと、発電機のロータと共にマイクロタービンを回転させるために、加圧下の空気をマイクロタービンのブレードとは反対方向に流動させるノズルとを備え、加圧下での空気流れの圧力及び運動エネルギーから電力を生成する。さらに、その装置は、接続される電気負荷、及び、供給される空気圧の変化とは関係なく、一定の出力電圧を保証するために設けた電子制御装置を備える。発電機に連なってマイクロタービンを配置することにより、その装置は、特に、軸方向（すなわち、マイクロタービンと発電機のロータの軸方向）に大型化する
【０００３】
空気工具のための発電機が、米国特許公開２００５／０２５８６９４号公報で公知であり、それはブレードを備えたロータと、そのロータを指示するベアリングとを有する。ロータは、ステータに対向する軸方向の端面に、多数の円筒キャビティを有し、それはロータの軸と平行に延び、カップ状の（例えば、亜鉛、アルミニウム、あるいは、真鍮で形成された）各非磁性本体に挿入された、円筒状の（例えば、ネオジウム・鉄・ホウ素磁石で形成された）各永久磁石本体を収容する。しかしながら、ステータがロータの側方で軸方向に配置されているので、この公知のものも又軸方向のサイズが大きくなるという欠点の影響を受ける。また、この公知の発電機は非常に多くの部品を有する。
【０００４】
請求項１の前段に記載された特徴を有する、加圧下で、空気又は他の気体、あるいは、液体から電力を生成するための装置が、米国特許公開２００９／０２２４５４４号公報で公知である。この公知のものでは、装置は、タービンのインペラが挿入された円筒支持構造の外表面に搭載された多数の永久磁石を備えている。その永久磁石は異方性で、磁化固定軸を有し、放射状の磁界を生成することができるだけである。したがって、各一対の永久磁石が２つの極を生成する結果、装置は永久磁石の数に比例した数の複数対の極を有する。生成される電流の周波数が回転速度と、対になる極の数とに比例し、かつ、電流の高周波がブリッジ整流器のダイオードに高いヒステリシスと大きなロスとを引き起こす恐れがあるため、そのような公知の装置は高速で駆動させるのには適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開２００５／０２５８６９４号公報
【特許文献２】米国特許公開２００９／０２２４５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、小さくて、部品点数が最小で、インペラを高速で回転させることができる、加圧下で、空気又は他の気体、あるいは、液体から電力を生成するための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的及び他の目的は、独立した請求項１に記載された、加圧下で、空気又は他の気体、あるいは、液体から電力を生成するための装置によって達成される。
【０００８】
本発明において、加圧下で、空気又は他の気体、あるいは、液体から電力を生成するための装置の好ましい実施形態は、独立項の主要部、すなわち、発明の詳細な説明の組み合わせ及び部分的な組み合わせとして考えられている内容を構成する。
【０００９】
要するに、本発明は、加圧下で、空気又は他の気体、あるいは、液体から電力を生成するための装置を提供するアイデアに基づいており、ステータとロータとを備え、ステータは、円当面の周囲に螺旋状に配置され、ロータはステータの内部に同軸上に配置され、軸流タービンのインペラと、インペラが保持され、逆極性の高磁束密度材料からなる単一の中空円筒体に形成された永久磁石と、を備える。インペラが中空円筒体に形成したステータに保持され、かつ、インペラ及び永久磁石によって形成された組立品が内方円筒キャビティを有するステータに保持されているので、装置は軸方向のサイズを抑制すると同時に、部品点数を最小とする。また、逆極性の中空円筒体状の単一の永久磁石が使用されているので、極の対を最小数（１極対のみ）として、インペラ及び永久磁石によって形成された組立品を、上述の大きなロスを招くことなく高速回転させることができる。
【００１０】
インペラは軸流インパルスタービンのインペラとして形成されているのが好ましく、他の種類のタービンのように特殊利用に特化していなくてもよい。
【００１１】
前記装置は、入口溝を開閉し、空気流動路を調整可能とするために適切な形状のディスクを備えることができるのが好ましく、その結果、電力が生成される。
【００１２】
本発明に係る電力生成装置により、ケーブルの必要なしに電力を提供することができ、遠隔地あるいは爆発のリスクのある場所（例えば、製油所）等の到達するのが困難な場所で、センサや他の装置、ワイヤレス送受信ノード、形態自動ユニットのプログラマブル論理コントローラ、あるいは、定電力空気弁に電力を供給するために使用するのに適している。さらに採用可能な分野は、例えば、非常照明である。すなわち、通常開放しており、駆動したソレノイドによって閉鎖状態に維持される排出バルブを備えた加圧空気の貯蔵器は、停電時に発電装置に加圧空気を供給することを保証し、光源（例えば、高輝度ＬＥＤ）に電力を供給可能とする。また、本発明に係る電力生成装置は、ディスプレイや、小型の空気圧式又は手動式工具での補助照明を駆動したり、あるいは、空気圧式装置のための音又は光式アラームに電力を供給したりするために使用することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、小型で、部品点数が少なく、しかもインペラを高速回転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る、加圧下で、空気又は他の気体、あるいは、液体から電力を生成するための装置の軸方向断面図である。
【図２】図１の装置のロータのインペラの斜視図である。
【図３】図１の装置のディストリビュータの斜視図である。
【図４】図１の装置の出口ディスクの正面図である。
【図５】図１の装置の出口ディスクの軸方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の説明では、用語「軸方向」と「径方向」は、電力生成装置のロータの回転軸と平行な方向と垂直な方向とをそれぞれ示すように使用されている。
【００１６】
図１において、本発明の好ましい実施形態に係る電力を生成するための装置（以下、単に「装置」と記載する。）は、全体を１０で示され、基本的に、
軸Ｘの中空円筒表面の周囲に配置されたステータ巻線を備えた従来公知のステータ１２と、
ステータ１２内に同軸上で回転可能に設けたロータ１４と、
ステータ１２とロータ１４によって形成された組立品の上流側に配置され、加圧下で、空気又は他の気体、あるいは、液体の供給源に接続するために（図示せず)、入口嵌合部１８（部分的にのみ図示）を設けた入口本体１６と、
ステータ１２とロータ１４によって形成された組立品の下流側に配置された出口本体２０と、
を備える。
【００１７】
ロータ１４は、図示された実施形態では、軸流タービンのインペラとして構成されるインペラ２２と、インペラ２２を内側に保持する単一の中空円筒体として構成される永久磁石２４とを順に備える。インペラ２２と永久磁石２４とは、単一体として回転するために、締まり嵌めによって互いに強固に連結されている。インペラ２２は、例えば、磁性材料、非磁性の、金属、合金又は樹脂で形成されている。インペラ２２は、図２の斜視図でより適切に見ることができ、特に、ブレード２６と、それらの間に形成される溝２８の形状を理解することができる。また、インペラ２２には、軸Ｘの周囲のステータ１２内に回転可能に配設されるシャフト３０が設けられている。永久磁石２４は、ステータ１２と共に発電機を構成し、ネオジウム・鉄・ホウ素、サマリウム・コバルト等の高い磁束密度を有する磁性材料で構成するのが都合がよい。永久磁石２４の材料は、例えば、使用温度や機械的強度等の他のパラメータにも依存してケース・バイ・ケースで選択すればよい。永久磁石２４は完全に磁化されている。さらに、ロータ１４は複合材料、特に、カーボンファイバーの複合材料からなるスリーブ３２を備えているのが好ましい。スリーブ３２は永久磁石２４を覆い、その機械的強度を増大させ、使用時、遠心力に対する応力と、インペラ２２と永久磁石２４の材料の熱膨張間の違いに対する応力の両方を作用させる。
【００１８】
ディストリビュータ３４は、インペラ２２に対向する軸方向の端部で入口本体１６に保持され、インペラ２２と共に軸流タービン、好ましくは軸流インパルスタービンを構成する。ディストリビュータ３４は、図３の斜視図でよりよく見ることができ、特に、ブレード３６や、それらの間に形成される溝３８の形状を理解することができる。インペラ２２に向かって軸方向に対向するディストリビュータ３４の表面には円筒キャビティ４０が設けられ、インペラ２２のシャフト３０の入口側の端部を支持する（例えば、ラジアルボールベアリング等で構成される）転がり軸受４２を保持する。これに代えて、非常に高速の回転速度、長い非停止の駆動時間等、特別な状況で使用する場合には、例えば、気体軸受や磁気軸受等の他のタイプの軸受を使用してもよい。圧力バランスチャンバ４４は、入口嵌合部１８とディストリビュータ３４の間の入口部材１６によって構成されている。
【００１９】
出口ディスク４６は、インペラ２２に向かって軸方向に対向する端部で出口本体２０に保持され、インペラ２２から来る空気を雰囲気中に排出する多数の開口４８を有する。出口ディスク４６は、図４及び図５に正面図及び軸方向断面図が図示されている。円筒キャビティ５０は、インペラ２２に向かって軸方向に対向する出口ディスク４６の表面に設けられ、インペラ２２のシャフト３０の出口側端部を支持する転がり軸受５２を保持する（特に、軸受は、例えば、傾斜玉軸受や、上述の他のタイプの軸受のうちの１つ等、径及び軸方向の荷重を耐えることができる軸受であればよい）。特に適した形状のディスク（図示せず）は、取り込んだ空気（又は他の気体あるいは液体）の流速を調整するためにディストリビュータ３４の上流側に挿入することができる。
【００２０】
図示された実施形態では、入口本体１６及び出口本体２０は、ステータ１２の軸方向の反対側に配置された分離ピースで形成され、（例えばネジにより）一体化されている。
【００２１】
以下に、装置１０の動作を簡単に記載する。例えば、２から４バールの圧力で加圧された空気源によって生成された加圧空気が、入口嵌合部１８を介して装置１０の入口本体１６の加圧バランスチャンバ４４に進入する。この連結では、加圧バランスチャンバ４４は、軸流タービンの上流側を一定圧とすることを保証する。そして、その空気は、インペラ２２の溝２８の入口で音速に到達するまで、ディストリビュータ３４の溝３８を通過する際に加速され、100,000〜200,000rpmの回転速度に到達するまで加速されたインペラ２２に進入し、最後に出口ディスク４６の開口４８を介して雰囲気に排出される。永久磁石２４は、インペラ２２と共に回転するために駆動可能に連結され、回転して、ステータ１２のステータ巻線で起電力を誘導する回転磁束を生成する。
【００２２】
そのようにして誘導された起電力は、ダイオードブリッジで整流されて、それぞれ供給圧力と負荷とに変更するＤＣ−ＤＣコンバータによって適切な安定状態となる。コンバータは、プリント基板に搭載され、例えば、超過速度又は超過電圧に対する保護、センサ信号を読み取るためのアナログ入力、検出データの記憶、遠隔ユニットにデータを送信するためのワイヤレスモジュールを組み込んだ低消費等の補助機能を提供できるのが好ましい。コンバータ（第１コンバータ）は、広範囲の電圧（たとえば、０から３０Ｖ）の入力を受けるのに適した設計となっており、生成された電圧は、タービンの回転速度によって変化し、タービンの回転速度は、入力圧及び負荷によって変化する。また、このコンバータは内部の電子部品に電力を供給する。第２ＤＣ−ＤＣコンバータは、ユーザの負荷（例えば、センサ）に電力を供給するために第１コンバータの安定電圧から２４Ｖの工業用電圧を生成する。
【００２３】
調整バルブ、好ましくは受動バルブは、取り込んだ空気の圧力をタービン出力の最適値に調整するために、装置の上流に設けるようにしてもよい。
【００２４】
前記説明の結果として、本発明に係る装置は、最小部品数、小型サイズ、及び、高出力を有する。最後の形態に関して、タービンのインペラと、単一部品からなる発電機のロータとの組み合わせにより、これらの部品を機械的に組み立てたため、ロスを削減することができる。
【００２５】
また、上述のように、絞り弁として機能する、特殊な穴を形成されたディスクにより、装置によって生成される電力を調整することができる。このように、装置は、短時間で高出力を必要とする用途（例えば、アラーム、障害信号等）、あるいは、長期に亘って低電力を必要とする用途（例えば、センサ、モニタ装置等）に適した設計とすることができる。
【００２６】
当然、本発明の原理は不変のままであるが、実施形態及び構造の詳細は、貼付された特許請求の範囲に記載されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、記載されて図示された範囲で広く変更することができる。
【００２７】
例えば、本発明は、軸流インパルスタービンとして形成されたタービンに関して説明及び図示されているが、タービンは特別な用途に応じて異なるタイプとしてもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１２…ステータ
１６…入口本体
１８…入口嵌合部
２０…出口本体
２２…インペラ
２４…永久磁石
３２…スリーブ
【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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【国際調査報告】
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