(57)【要約】  発電装置は、好ましくは水中での、移動流体、好ましくは水流または風による発電用のタービンロータを有する。タービンロータは、可撓性部分を有するタービン翼を有し、可撓性部分は、タービン翼の剛性部分の縁に取り付けられることが好ましい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動流体による発電用のタービンロータであって、
（ａ）中心軸線、上流端部および下流端部を有するタービンロータ基部であって、前記中心軸線に対して垂直な面においてほぼ円形の断面を有し、前記中心軸線に対して垂直な前記断面が前記タービンロータ基部の前記上流端部から前記タービンロータ基部の前記下流端部までサイズが増大する主部を有し、さらに、軸線方向シャフトに回転可能に取付可能である、タービンロータ基部と、
（ｂ）前記基部の側面から突出するタービン翼であって、可撓性部分を有するタービン翼と、
を具備するタービンロータ。
【請求項２】
前記タービンロータ基部が、円錐台形状の主部を有する、請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項３】
前記タービンロータ基部が、前記主部の下流に、円筒形状である副部を有する、請求項２に記載のタービンロータ。
【請求項４】
前記タービンロータ基部が、軸線方向中央ボアであってその内部を通して、前記タービンを軸線方向シャフトに摺動可能に取り付けるための軸線方向中央ボアを有する、請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項５】
前記タービンロータ基部が、軸線方向シャフトに固定して取り付けられる、請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項６】
前記タービン翼が、前記タービンロータ基部の外周にほぼ等しく隔置される、請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項７】
前記タービン翼が、前記基部の前記側面から直接突出する剛性部分を有し、そこに、前記タービン翼可撓性部分が取り付けられる、請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項８】
前記基部の前記側面から突出する前記タービン翼剛性部分が、各々、前記タービンロータ基部の前記下流端部より前記タービンロータ基部の前記上流端部の方が広い形状である、請求項７に記載のタービンロータ。
【請求項９】
前記基部の前記側面から突出する前記タービン翼剛性部分が、各々、前記タービンロータ基部の前記軸線からほぼ等距離にあるほぼ直線状の縁を有する形状である、請求項８に記載のタービンロータ。
【請求項１０】
前記タービン翼可撓性部分が、前記タービンロータ基部の前記軸線からほぼ等距離にある前記ほぼ直線状の縁に取り付けられる、請求項９に記載のタービンロータ。
【請求項１１】
前記タービン翼可撓性部分が、前記基部の前記側面から直接突出する、請求項１に記載のタービンロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置である。より詳細には、好ましくは水中での、移動流体、好ましくは水流による発電用のタービンロータ形状である。
【背景技術】
【０００２】
現在は、化石燃料および他の限られた資源が減少しているので、確実な、再生可能な、「環境に優しい」（生態学的に健全な）エネルギー源が必要である。これら資源は、人類が従来享受してきたものと同じ快適さおよび生産性を維持するために必要である。まだ十分に活用されていないこうした資源の１つは、移動する水である。川、潮波、湧水、湖流および海流は、すべて、持続可能な環境に優しい動力の供給源となり得る。
【０００３】
従来、水力の流れを獲得するための１つの手法は、貯水装置（ダム）を建設し、ダムの底部にタービンすなわち水車を配置してダムの上部にある発電機を駆動する、というものであった。上射式水車および下射式（胸掛け）水車等、他の多数の装置が貯水または流水によって動作していた。これらのうちのいくつかは、導水路を用いて、水を加速し、かつ水のエネルギーを使用するために、翼（ｂｌａｄｅ）が接触するのにより好適な領域に水を限定する。これら水力発電システムにはすべて、エネルギーを消費した水を、それが新たな抵抗源とならないような方法で排出する（ｕｎｌｏａｄ）という、同じ問題があった。このため、水が、背圧（追加摩擦）を増大させながら、水車すなわちタービンロータを妨げないように、場所を空けなければならない。翼または水車カップ（ｃｕｐ）は、装置に動力を供給するための新たな運動エネルギーが充満している水を次に充填するために、可能な限り完全に空いていることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の水力エネルギー源では、翼が、ほとんどかまたはまったく屈曲しない材料（鋼、木材、アルミニウム、真鍮、青銅等）からなる。不撓性の翼または水車受けは、その使用済みの水を完全に排出しない可能性がある。したがって、抵抗、または場合によってはキャビテーションをもたらす可能性ある設計パラメータを超えないように、水の流入を制限する制御が必要な場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、水等の移動流体により発電するための、可撓性の翼またはフィンを備えたタービンロータを提供する。これら可撓性の翼は、ただちに水流または波動の衝撃を吸収し、その後、波動が低減すると跳ね返ることができる。可撓性の翼であることにより、翼は、水の速度のわずかな変化によってそれ自体の構造を変化させることができる。タービンロータ形状はまた、風による発電にも好適である。
【０００６】
より詳細には、本発明は、移動流体による発電用のタービンロータであって、
（ａ）中心軸線、上流端部および下流端部を有するタービンロータ基部であって、中心軸線に対して垂直な面においてほぼ円形の断面を有し、中心軸線に対して垂直な断面がタービンロータ基部の上流端部からタービンロータ基部の下流端部までサイズが増大する主部を有し、さらに、軸線方向シャフトに回転可能に取付可能である、タービンロータ基部と、
（ｂ）基部の側面から突出するタービン翼であって、可撓性部分を有するタービン翼と、
を備えるタービンロータを提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図２の線１−１から見た、本発明によるタービンロータ用の円錐台状基部の一例の右側面、左側面、正面または背面図である。
【図２】図１の線２−２から見た、図１のタービンロータ基部の平面図である。
【図３】本発明によるタービンロータ用のタービン翼の形状の例である。
【図４】本発明によるタービンロータ用のタービン翼の形状の例である。
【図５】図６の線５−５から見た、タービンロータ基部と基部の側面から突出するタービン翼とを備えた、停止状態の本発明による組み立てられたタービンロータの右側面、左側面、正面または背面図である。
【図６】図５の線６−６から見た、停止状態の図５のタービンロータの平面図である。
【図７】図８の線７−７から見た、タービンロータ基部と基部の側面から突出するタービン翼とを備えた、使用状態の本発明による組み立てられたタービンロータの右側面、左側面、正面または背面図である。
【図８】図７の線８−８から見た、使用状態の図７のタービンロータの平面図である。
【図９】図１０の線９−９から見た、本発明による平滑ドーム型基部を備えたタービンロータの一例の右側面、左側面、正面または背面図である。
【図１０】図９の線１０−１０から見た、図９のタービンロータの平面図である。
【図１１】図１２の線１１−１１から見た、本発明による尖頭ドーム型基部を備えたタービンロータの一例の右側面、左側面、正面または背面図である。
【図１２】図１１の線１２−１２から見た、図１１のタービンロータの平面図である。
【図１３】図１４の線１３−１３から見た、本発明による長円錐状基部を備えたタービンロータの一例の右側面、左側面、正面または背面図である。
【図１４】図１３の線１４−１４から見た、図１３のタービンロータの平面図である。
【図１５】本発明で使用することができるタービンロータ基部の断面図の変形である。
【図１６】本発明で使用することができるタービンロータ基部の断面図の変形である。
【図１７】本発明で使用することができるタービンロータ基部の断面図の変形である。
【図１８】本発明で使用することができるタービンロータ基部の断面図の変形である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
タービンロータは、円錐台形状である主部（たとえば図１の基部１１）と、好ましくは、円筒形状である、主部の下流の副部（たとえば図１の部分１２）とを有するタービンロータ基部を備えることができる。
【０００９】
タービン翼は、基部の側面から直接突出する剛性部分（たとえば、図３および図７の部分２８）を有することが好ましく、それには、タービン翼可撓性部分（たとえば図３および図７の部分３１）が取り付けられている。基部の側面から突出するタービン翼剛性部分は、各々、タービンロータ基部の下流端部よりタービンロータ基部の上流端部の方が広い形状であることが好ましく、タービンロータ基部の外周にほぼ等しく隔置されていることが好ましい（あるいは、可撓性部分が、基部の側面から直接突出していてもよい）。タービン翼剛性部分は、存在する場合、各々が、タービンロータ基部の軸線からほぼ等距離であるほぼ直線状縁を含む形状であることが好ましく、その縁に、タービン翼可撓性部分が取り付けられている。
【００１０】
可撓性翼を、シリコーン類およびポリウレタン類等の長鎖高分子プラスチックから作製することができる。可撓性翼は、流れ／波動衝撃を吸収した後、衝撃が低減すると跳ね返ることができる。可撓性翼は、水流または風の速度のわずかな変化でその構造を変更することができる。可撓性翼はまた、より低速の移動する水からの動力の獲得も容易にする。
【００１１】
タービンロータを、メインシャフトに取り付けることができ、メインシャフトには１つまたは複数の発電機も取り付けられている。１つの好ましい形態によれば、タービンロータは、その内部を通して軸線方向中央ボア（たとえば図１の中央ボア１３）を有しており、それにより、タービンロータをメインシャフトに摺動可能に取り付けることができる。そして、タービンロータを、歯車機構に磁気的に結合することができ、歯車機構は、互いに平行に位置決めされかつ発電装置のメインシャフトを包囲する、３つまたは４つの発電機のシャフトを回転させる。そして、発電機からの電気出力を直接用いることができ、または後に使用するためにバッテリを充電することによって蓄えることができる。別の好ましい形態によれば、タービンロータはメインシャフトに固定して取り付けられており、メインシャフトがまた、メインシャフトを包囲する発電機のシャフトを回転させる歯車機構に結合される。
【００１２】
発電装置を永久的に水中に取り付けることにより、環境面で健全な発電方法として、川の流れまたは潮流等による水の自然移動を電流に変換することができる。あるいは、ヨット、漕ぎボート、カヌーまたはカヤック等のボートの下側に取り付けて、他の方法で電力を有していても有していなくてもよい大型の船において電源を提供することができる。いずれの状況においても、本発明による複数の発電機または複数の発電装置を電気的に並列に接続することにより、必要に応じてより大量の電流を供給することができる。
【００１３】
タービンロータは、２つの構造部品、すなわち基部と、基部の側面から突出する可撓性タービン翼とを有している。基部は、円錐台状であってもよく、または円錐状、平滑ドームすなわち半球、あるいは尖頭ドーム（飛行機の機首に類似する）等の別の形状であってもよい。基部は、高さおよび外径がほぼ等しくてもよいが、高さが基部の幅すなわち外径より大幅に長い、たとえばその４倍であることも企図される（部品を、構造部品として説明したが、別個に作製し後に組み立てる必要はなく、後述するように同時に一体に作製（たとえば成形）してもよい）。
【実施例】
【００１４】
実施例１−円錐台状基部を備えたタービンロータ
図１および図２に、タービン翼を挿入するスロットを備えた円錐台状基部を示す。図１は、図２の線１−１から見た、円錐台状基部の右側面、左側面、正面または背面図（図示する例では、すべて同一である）であり、図２は、図１の線２−２から見た、円錐台状基部の平面図である。図示するように、基部の小さい方の「頂部」は、タービンロータの上流端部であり、そこから水が流れ込んでタービン翼に接触し、基部の大きい方の「底部」は、タービンロータの下流端部であり、そこに、タービンロータの回転を促進した後の水が流れる。（タービンロータの「頂部」「底部」および「側面」という用語は、単に相対的に参照するためのものである。それは、使用状態のタービンロータのもっともあり得る構成では、「頂部」および「底部」がほぼ同じ高さになるため、すなわち、図１において垂直方向に示す中心線が使用状態では通常ほぼ水平になるためである。）
【００１５】
図３および図４に、タービン翼の形状の２つの例を示す。
【００１６】
図５および図６に、組み立てられたタービンロータを示し、図５は、組み立てられたタービンロータの右側面、左側面、正面または背面図であり、図６は、図５に示す、組み立てられたタービンロータの平面図である。
【００１７】
図７および図８に、使用状態での、組み立てられたタービンロータを示し、図７は、組み立てられたタービンロータの右側面、左側面、正面または背面図であり、図８は、図８に示す、組み立てられたタービンロータの平面図である。
【００１８】
基部１１を、硬質ゴムから成形または機械加工してもよく、または好適なプラスチック材料から成形してもよい。基部１１を、一部品として予め作製し、タービン翼とともに組み立てて完全なタービンロータを形成してもよく、円錐台状基部およびタービン翼をユニットとして合わせて成形してもよい。
【００１９】
基部１１は、その下流端部に短い円筒状部分１２を有することが好ましく、それにより、鋭角で終端した場合より強い強度が提供される。基部１１は、長さが７．６２センチメートル（３インチ）程度に小さく、かつ大端部径が７．６２センチメートル（３インチ）程度であってもよく、または各寸法が数十センチメートル（数フィート）程度に大きくてもよい。基部１１は、長さおよび大端部径がほぼ同じであることが好ましく、その結果、上部円錐角「∠Ｂ」が約１５度〜２５度となり、下部円錐角「∠Ａ」が約６５度〜７５度となる。基部１１は、シャフトを収容するように、内部を通る（図１に示すように垂直な）中央ボア１３を有していることが好ましい。基部１１は、ワッシャを収容する嵌込み部（ｉｎｓｅｔ）１４、１５を有することが好ましい。基部１１は、一連のスロット（図１および図２に示す実施形態の場合、４つ）１６（図１および図２）、１７および１８（図２のみ）ならびに１９（図１および図２）を有して、同じ数だけのタービン翼２１、２２、２３および２４（図５〜図８参照、図１および図２には図示せず）を収容することが好ましい。タービン翼（したがってタービン翼スロット１６〜１９）は、水の通路に露出される基部の断面の各部分として実質的に、翼面を提供するように、基部の周囲にほぼ等しく隔置されている。たとえば、図１、図２および図５〜図８に示すタービンロータ基部およびタービンロータには、４つのスロット１６〜１９および４つのタービン翼２１〜２４があり、各翼は、水の通路に露出される基部の断面の面積の１／４を覆っている。あるいは、６つ（または１２または２４等）のスロットおよび６つ（または１２または２４等）のタービン翼があってもよく、各翼は、タービンロータのサイズに応じて、水の通路に露出される基部の断面の面積の１／６（または１／１２または１／２４等）を覆う。
【００２０】
図３に、各翼２１〜２４の好ましい外形２０（ただし本装置はこうした外形に限定されない）を示す。図４に、図３に示す鋭利なコーナの代りに丸いコーナを備えた後縁部２６を有する、各翼２１〜２４の別の外形２５を示す。
【００２１】
各翼２１〜２４の係留部２７が、スロット１６〜１９のうちの１つに嵌め込まれる。図３に示すように、各翼の実質的に三角形状の剛性部分２８があってもよく、それは、タービンロータ基部１１から外側に突出し（翼がタービンロータ基部１１に取り付けられている時）、三角形状剛性部分２８の底辺２９が、タービンロータが露出される上流水に面している前縁であり、三角形状剛性部分２８の頂点３０が、下流水に面している後縁のタービンロータ側コーナである。各翼の可撓性部分３１は、三角形状剛性部分２８の外縁３２から延在している。可撓性部分３１は、タービンロータが停止状態にあるかまたは緩やかな水流にある時は基部の下流端部近くで折り曲げられるが、より激しい水流では各翼の可撓性部分３１が図７および図８に示すように外側に延在するように、剛性部分２８に接合されている。これには、タービンロータが、停止状態にあるかまたは緩やかな水流にある時、タービンロータの断面が小さくなり、したがって大きな抵抗にならないが、より激しい水流では、可撓性部分３１が図７および図８に示すように外側に延在するように伸張して、水流が押すためのより広い面積を提供し、したがって、三角形状剛性部分２８のみを有するタービンロータより、移動する水から多くのエネルギーを獲得する、という利点がある。
【００２２】
タービン翼を、その外側部分全体（すなわち、係留部分２７を除く）が可撓性であるよう構成してもよい。これは、図４に示すタービン翼の好ましい構成である。
【００２３】
タービンロータ翼２１、２２、２３および２４を、基部１１と実質的に同じ材料で（任意に実質的三角形状剛性部分２８において補強部材で補強される）、基部１１を形成する時に同時にタービンロータの一部として形成してもよく、または、別の材料から形成し、翼２１〜２４および基部１１を組み立ててタービンロータ全体を形成してもよい。別個に形成する場合、翼２１〜２４を、たとえば、ポリウレタンフィルムから形成し、実質的三角形状剛性部分２８と可撓性部分３１との間に折目を形成するように加熱してもよい。翼２１〜２４がポリウレタンフィルムから形成される場合、剛性を促進しかつ基部１１と翼２１〜２４との間の遷移を円滑にするために、実質的三角形状剛性部分２８の後方にポリウレタン樹脂を取り付けてもよい。基部１１と一体的に形成される場合、剛性を促進しかつ基部１１と翼２１〜２４との間の遷移を円滑にするために、実質的三角形状剛性部分２８の後方に基部１１および翼２１〜２４と同じ材料を提供してもよい。
【００２４】
直径が約７６．２センチメートル（３０インチ）を上回るタービンロータでは、三角形状部分２８の縁３２にヒンジ機構を追加してもよい。より小さいタービンロータでは、角度を形成するようにポリウレタンを成形するか、または平坦に成形して、ポリウレタンがある角度で屈曲することができるように加熱してもよい。いずれの場合も、縁３２が、水がタービン翼を通過して流れる際に翼の外側部分が外側に伸張することができるようにする枢動位置である。
【００２５】
実施例２−平滑ドーム型基部を備えたタービンロータ
図９および図１０は、平滑ドーム型基部を備えたタービンロータを示す。基部１１ａは半球の形状であるが、図１および図２の基部１１と同様に機能する。中央ボア１３ａ、嵌込み部１４ａおよび１５ａならびにスロット１６ａ、１７ａ、１８ａおよび１９ａは、図１および図２の中央ボア１３、嵌込み部１４および１５ならびにスロット１６、１７、１８および１９と同様に機能する。スロット１６ａ、１７ａ、１８ａおよび１９ａを提供する代りに、タービン翼（図９および図１０には図示せず）を基部１１ａと一体成形してもよい。
【００２６】
実施例３−尖頭ドーム型基部を備えたタービンロータ
図１１および図１２は、尖頭ドーム型基部を備えたタービンロータを示す。基部１１ｂは、尖頭ドームの形状であるが、図１および図２の基部１１と同様に機能する。中央ボア１３ｂおよび嵌込み部１４ｂおよび１５ｂは、図１および図２の中央ボア１３ならびに嵌込み部１４および１５と同様に機能する。スロットを、図１および図２のスロット１６、１７、１８および１９と同様に設けてもよく、またはタービン翼（図１１および図１２には図示せず）を基部１１ｂと一体成形してもよい。
【００２７】
実施例４−長円錐状基部を備えたタービンロータ
図１３および図１４は、長円錐状基部を備えたタービンロータを示す。基部１１ｃは、長円錐状基部の形状であるが、図１および図２の基部１１と同様に機能する。中央ボア１３ｃおよび嵌込み部１４ｃおよび１５ｃは、図１および図２の中央ボア１３ならびに嵌込み部１４および１５と同様に機能する。スロットを、図１および図２のスロット１６、１７、１８および１９と同様に設けてもよく、またはタービン翼（図１１および図１２には図示せず）を基部１１ｃと一体成形してもよい。
【００２８】
実施例５〜８−さまざまな断面を有するタービンロータ
図１５〜図１８は、さまざまな断面の基部１１ｄ、１１ｅ、１１ｆおよび１１ｇをそれぞれ備えたタービンロータを示す。
【００２９】
図９〜図１８に示す形状の各々に、図１、図５および図７の部分１２と同様の短い円筒状部分を設けてもよい。
【００３０】
上述した装置の他の変形を採用してもよい。たとえば、タービン翼２１〜２４は厚さが一定であってもよく、または翼の後縁の端部に向かってより狭くなっていてもよい。それらを、図１、図２および図６〜図１０に示すように、基部１１にまっすぐに取り付けてもよく、またはより空気力学的であるように湾曲させてもよく、たとえば、スロット１６〜１９を、タービン翼２１〜２４の上流端部では翼を流体流の方向に対して平行に位置合せし、下流方向の距離が増大するに従い流体流の方向に対して角度が増大するように翼を位置決めするように、湾曲させてもよい。タービン翼２１〜２４は、基部１１の円錐台状部分の底辺部で終端してもよく、または図７に示すように円筒状部分１２の底部までまたはそれを越えて延在してもよい。
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2010537100.tif 000017
【図１６】
2010537100.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
2010537100.tif 000021