(57)【要約】 【課題】  河川や用水路等の流れの運動エネルギーを、効果的に集水増速させ大幅な出力向上を可能とし、ダムや導水管等の工事が不要で設置が容易な、低コストかつ環境に優しい流体機械および流体プラントを実現する。【解決手段】 相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出口の幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、このディフューザケーシング内側に配した動力発生装置とを具備する流体機械である。【選択図】  図１
2013130110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出口の幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置とを具備する流体機械。
【請求項２】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出側の高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置とを具備する流体機械。
【請求項３】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記動力発生装置は、翼の断面形状が一方の面が対となる面に比べて膨らみが大きい断面形状である複数個の羽根を有する軸流羽根車であることを特徴とする、流体機械。
【請求項４】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出口の幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記動力発生装置は、揚力を発生する複数個の羽根を有する軸流羽根車であることを特徴とする、流体機械。
【請求項５】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出側の高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記動力発生装置は、揚力を発生する複数個の羽根を有する軸流羽根車であることを特徴とする、流体機械。
【請求項６】
排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備えた、前記請求項１ないし５のいずれかに記載の流体機械。
【請求項７】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、排出口に対し吸入側の高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備えることを特徴とする、流体機械。
【請求項８】
前記ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部にフランジを備えた、前記請求項１ないし５のいずれかに記載の流体機械。
【請求項９】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および上方向にフランジを備えることを特徴とする、流体機械。
【請求項１０】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および下方向にフランジを備えることを特徴とする、流体機械。
【請求項１１】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向にフランジを備えることを特徴とする、流体機械。
【請求項１２】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、上方向または下方向にフランジを備えることを特徴とする、流体機械。
【請求項１３】
排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備え、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部にフランジを備えた、前記請求項１ないし５のいずれかに記載の流体機械。
【請求項１４】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備え、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および上方向にフランジを備えることを特徴とする、流体機械。
【請求項１５】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備え、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および下方向にフランジを備えることを特徴とする、流体機械。
【請求項１６】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備え、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向にフランジを備えることを特徴とする、流体機械。
【請求項１７】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備え、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、上方向または下方向にフランジを備えることを特徴とする、流体機械。
【請求項１８】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置と、前記動力発生装置によって生じた動力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記ディフューザケーシング吸入口に備えた、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルと、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部に備えたフランジと、を具備する、流体発電装置と、前記流体発電装置を複数個組み合わせて並列運転することを特徴とする、流体プラント。
【請求項１９】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出側の高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置と、前記動力発生装置によって生じた動力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記ディフューザケーシング吸入口に備えた、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルと、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部に備えたフランジと、を具備する、流体発電装置と、前記流体発電装置を複数個組み合わせて並列運転することを特徴とする、流体プラント。
【請求項２０】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置と、前記動力発生装置によって生じた動力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記ディフューザケーシング吸入口に備えた、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルと、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および上方向に備えたフランジと、を具備する、流体発電装置と、前記流体発電装置を複数個組み合わせて並列運転することを特徴とする、流体プラント。
【請求項２１】
前記軸流羽根車がフッ素樹脂加工を施したものであることを特徴とする、前記請求項３ないし５のいずれかに記載の流体機械。
【請求項２２】
前記ディフューザケーシングが繊維強化プラスチック材であることを特徴とする、前記請求項６ないし７のいずれかに記載の流体機械。
【請求項２３】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出側の高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置と、前記動力発生装置によって生じた動力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記ディフューザケーシング吸入口に備えた、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルと、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部に備えたフランジと、を具備する、流体機械において、前記発電機は水中仕様の永久磁石発電機であることを特徴とする、流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れを増速することで高出力のエネルギーを生成する流体機械および流体プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油・石炭等の枯渇性燃料の問題、電力需要の増加に伴う価格高沸、大規模災害時における電力系統全体の危機管理の観点等より、通常無益に消え去っている自然界に持続的に循環する、太陽光・風力・水力・地熱等の再生可能エネルギーの利用が求められている。
【０００３】
前記の水力に着目すると、流れによるエネルギーを水車や発電機により動力や電気エネルギーに変える従来の流体機械として、例えば、特開２００４−２２５５３３号公報や特開２０００−２４０５５２号公報に示すものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２２５５３３号  公報
【０００５】
【特許文献２】特開２０００−２４０５５２号  公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
流れエネルギーを利用した従来の流体機械では、管路による導水が必要である場合がほとんどであり、流体機械以外のダム等の周辺構築物とそれに付随する工事等が必要で高コストや環境負荷の原因となっている。また、使用場所の制約を受けるため、河川等の流れによるエネルギーは、自然界に持続的に循環するクリーンエネルギーにも関わらず、未利用のまま流れ去っている。
【０００７】
河川や用水路等の開水路流れに設置し、流れのエネルギー(運動エネルギー)を直接利用する場合は、プロペラ水車の場合、出力は羽根車の半径の２乗に比例し流速の３乗に比例する。よって、流れの緩やかな河川等では羽根の径を大きくする必要がある。水深が浅い場合は、羽根車の径が制限され実用的な出力を得るのが困難であり使用可能な場所も制限される。水深が深く大きな羽根を利用できる場合は、装置全体と設置に付随する工事等が大がかりになるという欠点がある。一方、流れの早い河川等では概ね水深が浅く、小さな径の羽根車を使用するため低出力となる。ゆえに、流れの運動エネルギーを直接利用する水車は、いかに流れを集水増速させて効率よくエネルギー変換を行えるかが重要となる。
前記両特許文献記載の発明は、水深が比較的浅く中低速の河川に設置して使用できる、高効率の流体機械や流体プラントには適していないという課題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の流れエネルギー利用の流体機械や流体プラントが有していた課題を解決しようとするものであり、未利用のまま流れ去る河川や用水路等の流れの運動エネルギーを、効果的に集水増速させ、大幅な出力向上を可能とし、ダムや導水管等の工事が不要で設置が容易な、低コストかつ環境に優しい流体機械および流体プラントを実現することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は下記のように構成したものである。
【００１０】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出口の幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置とを具備する流体機械である(請求項１)。
【００１１】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出側の高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置とを具備する流体機械である(請求項２)。
【００１２】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記動力発生装置は、翼の断面形状が一方の面が対となる面に比べて膨らみが大きい断面形状である複数個の羽根を有する軸流羽根車であることを特徴とする流体機械である(請求項３)。
【００１３】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出口の幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記動力発生装置は、揚力を発生する複数個の羽根を有する軸流羽根車であることを特徴とする流体機械である(請求項４)。
【００１４】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出側の高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記動力発生装置は、揚力を発生する複数個の羽根を有する軸流羽根車であることを特徴とする流体機械である(請求項５)。
【００１５】
排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備えた流体機械である(請求項６)。
【００１６】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、排出口に対し吸入側の高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備えることを特徴とする流体機械である(請求項７)。
【００１７】
前記ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部にフランジを備えた流体機械である(請求項８)。
【００１８】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および上方向にフランジを備えることを特徴とする流体機械である(請求項９)。
【００１９】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および下方向にフランジを備えることを特徴とする流体機械である(請求項１０)。
【００２０】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向にフランジを備えることを特徴とする流体機械である(請求項１１)。
【００２１】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、上方向または下方向にフランジを備えることを特徴とする流体機械である(請求項１２)。
【００２２】
排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備え、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部にフランジを備えた流体機械である(請求項１３)。
【００２３】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備え、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および上方向にフランジを備えることを特徴とする流体機械である(請求項１４)。
【００２４】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備え、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および下方向にフランジを備えることを特徴とする流体機械である(請求項１５)。
【００２５】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備え、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向にフランジを備えることを特徴とする流体機械である(請求項１６)。
【００２６】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に動力発生装置を備えた流体機械において、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、前記ディフューザケーシング吸入口に備え、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、上方向または下方向にフランジを備えることを特徴とする流体機械である(請求項１７)。
【００２７】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置と、前記動力発生装置によって生じた動力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記ディフューザケーシング吸入口に備えた、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルと、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部に備えたフランジと、を具備する、流体発電装置と、前記流体発電装置を複数個組み合わせて並列運転することを特徴とする流体プラントである(請求項１８)。
【００２８】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出側の高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置と、前記動力発生装置によって生じた動力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記ディフューザケーシング吸入口に備えた、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルと、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部に備えたフランジと、を具備する、流体発電装置と、前記流体発電装置を複数個組み合わせて並列運転することを特徴とする流体プラントである(請求項１９)。
【００２９】
相対流れのある流体中に配されるものであり、ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置と、前記動力発生装置によって生じた動力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記ディフューザケーシング吸入口に備えた、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルと、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および上方向に備えたフランジと、を具備する、流体発電装置と、前記流体発電装置を複数個組み合わせて並列運転することを特徴とする流体プラントである(請求項２０)。
【００３０】
前記軸流羽根車がフッ素樹脂加工を施したものであることを特徴とする流体機械である(請求項２１)。
【００３１】
前記ディフューザケーシングが繊維強化プラスチック材であることを特徴とする流体機械である(請求項２２)。
【００３２】
相対流れのある流体中に配されるものであり、吸入口に対し排出側の高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングと、前記ディフューザケーシング内側に配した動力発生装置と、前記動力発生装置によって生じた動力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記ディフューザケーシング吸入口に備えた、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルと、前記ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部に備えたフランジと、を具備する、流体機械において、前記発電機は水中仕様の永久磁石発電機であることを特徴とする、流体機械である(請求項２３)。
【００３３】
前記請求項に基づく作用を述べると、次のとおりである。
[請求項１〜５の発明]
相対流れのある流体中に配されたディフューザケーシングは、吸入口近傍の圧力が、排出口の圧力よりも低下する。排出口の圧力はディフューザケーシング外部の圧力とほぼ等しくなるため、吸入口近傍の流速は集水増速されてディフューザケーシング外部の流速よりも速くなる。
【００３４】
動力発生装置として軸流羽根車を備えた流体機械の出力は流速の３乗に比例するため、流速をα倍に増速させると出力はαの３乗倍に増大する(例えば、流速を２倍に増速した場合、出力は８倍となる)。
【００３５】
動力発生装置が、揚力を発生する複数個の羽根を有する軸流羽根車の場合は、高速回転可能となるため、動力を伝達するギア比低減や発電機の小型高効率化等が可能となり、流体が保有する流水エネルギー(運動エネルギー)を効率よく利用できる。
【００３６】
また、吸入口に対し排出側の高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングは、軸流羽根車の外径を水深とほぼ同一サイズまで大きくすることができ、河川等の流れのエネルギーを効率よく利用できる。
【００３７】
[請求項６〜７の発明]
排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、ディフューザケーシング吸入口に備えることで、ディフューザケーシングのみの場合に比べ集水増速作用が向上する。
【００３８】
[請求項８〜１２の発明]
ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部にフランジを備えることで、フランジによりディフューザケーシング排出口に低圧領域がより強く形成され、ディフューザケーシング吸入口の静圧がより低下することで増速効果が大きくなるため、ディフューザケーシングのみの場合に比べ増速作用が向上する。
【００３９】
[請求項１３〜１７の発明]
排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、ディフューザケーシング吸入口に備え、ディフューザケーシング排出口の外側の、全周または一部または複数部にフランジを備えることで、ディフューザケーシングのみの場合に比べ大幅な集水増速効果が得られ、ノズルまたはフランジのみを付加した場合より集水増速効果は大きい。
【００４０】
[請求項１８〜２０の発明]
流体発電装置単体では水深や流速により取り出せる流れのエネルギーに制限があるが、流体発電装置を複数個組み合わせて並列運転することで、流体プラントとして大容量のエネルギーを生成できる。
【００４１】
[請求項２１の発明]
軸流羽根車に、最少摩擦係数および耐食性を実現するフッ素樹脂加工を施すことで、回転効率および耐食性が向上する。
【００４２】
[請求項２２の発明]
ディフューザケーシングに繊維強化プラスチック材を用いることで、軽量、高強度、腐食防止を実現できる。
【００４３】
[請求項２３の発明]
発電機として水中仕様の永久磁石発電機を適用することで、防水性能の大幅な向上および外部電源無しでの発電が実現できる。また、動力発生装置によって生じた動力エネルギーを伝達する動力伝達部(シャフト等)に、発電機を直接またはギアを介し結合することができるため、動力伝達機構が比較的簡単な構造となり、軽量化およびコスト低減が実現できるという利点もある。
【発明の効果】
【００４４】
上述したように本発明によれば、未利用のまま流れ去る河川や用水路等の流れの運動エネルギーを、効果的に集水増速させ、大幅な出力向上を可能とし、ダムや導水管等の工事が不要で設置が容易な、低コストかつ環境に優しい流体機械および流体プラントを実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す流体機械である水車発電装置の側面から見た断面図。
【図２】図1の流体機械の一部を切り欠いた正面図。
【図３】図２における羽根のA−A線断面図。
【図４】吸入口に対し排出口の幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングの上面図。
【図５】吸入口に対し排出側の高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシングの背面図。
【図６】吸入口に対し排出側の高さを略一定とした形状のディフューザケーシングの側面図。
【図７】排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、図４のディフューザケーシング吸入口に備えた、ケーシング上面図。
【図８】排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、図５のディフューザケーシング吸入口に備えた、ケーシング背面図。
【図９】排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズルを、図６のディフューザケーシング吸入口に備えた、ケーシング側面図。
【図１０】排出口に対し吸入側の高さを略一定とした形状のノズルの側面図。
【図１１】排出口に対し吸入側の高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のノズルの正面図。
【図１２】図７のディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および上方向(または下方向)にフランジを備えた、ケーシング上面図。
【図１３】図８のディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および上方向(または下方向)にフランジを備えた、ケーシング背面図。
【図１４】図９のディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向および上方向(または下方向)にフランジを備えた、ケーシング側面図。
【図１５】図９のディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向にフランジを備えた、ケーシング側面図。
【図１６】図８のディフューザケーシング排出口の外側の、幅方向にフランジを備えた、ケーシング背面図。
【図１７】図９のディフューザケーシング排出口の外側の、上方向、幅方向、および下方向の全周にフランジを備えた、ケーシング側面図。
【図１８】図８のディフューザケーシング排出口の外側の、上方向、幅方向、および下方向の全周にフランジを備えた、ケーシング背面図。
【図１９】図１２、１３および１４のケーシングの等角投影図。
【図２０】流体機械(流体発電装置)を複数個組み合わせて並列運転することを特徴とする流体プラント。
【図２１】風洞に配したケーシング中心軸上の流速分布図。
【図２２】風洞に配したケーシング中心軸上の圧力分布図。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本発明の実施例を図１〜２２に基づいて説明する。
【００４７】
図１は本発明の実施形態の一例を示す流体機械である水車発電装置の側面から見た断面図、図２はその一部を切り欠いた正面図、図３は図２における羽根のA−A線断面図である。
これらの図に示すように、この流体機械(水車発電装置)２１は、ディフューザケーシング１、ノズル２、フランジ３(図1と図2では上方向フランジ３a、幅方向フランジ３bより成る)により構成されるケーシング２２内に、動力発生装置として複数個の羽根５から構成される軸流羽根車４、軸流羽根車４によって生じた動力を伝達する機構としてシャフトおよびシャフトを支持するベアリング等からなる第一動力伝達部９a、かさ歯車１０、シャフトおよびシャフトを支持するベアリング等からなる第二動力伝達部９bを備え、ケーシング２２の上方向６aに動力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機１１を有する。
【００４８】
支柱１３は、ケーシング２２内の第一動力伝達部９aを支え、また、かさ歯車１０を介した第二動力伝達部９bへの直角方向動力伝達機構の調整および軸流羽根車４の羽根５とケーシング２２内壁面が接触しないようクリアランスを調整する。流体機械２１は、ケーシング２２の下方向６bに配された支脚１２によって支持される。  
【００４９】
ここで、フランジ３として、このような上方向フランジ３aおよび幅方向フランジ３bに代えて、ケーシング２２排出口外側８の全周または一部または複数部に上方向フランジ３a、幅方向フランジ３bおよび下方向フランジ３cの組み合わせにより構成されるフランジ３を備えても良い。
【００５０】
また、動力伝達機構として、このようなかさ歯車１０と第二動力伝達部９bに代えて、ギアやこのギアに結合するチェーン、プーリおよびベルト、自在継手などを適用しても良い。
【００５１】
ケーシング２に好適な材料としては、例えば錆びにくいSUS材や、軽量かつ高強度であり腐食しない繊維強化プラスチック材(FRP)等が例示される。
【００５２】
軸流羽根車４は、翼の断面形状が一方の面が対となる面に比べて膨らみが大きい断面形状５aを特徴とする揚力を発生する複数個の羽根５より構成される。ここで、軸流羽根車４に好適な材料としては、例えば軽量かつ腐食しにくいアルミ材や、腐食しにくいSUS材、軽量かつ最少摩擦係数および耐食性を実現するフッ素樹脂加工を施したもの(例えばアルミ材)等が例示される。
【００５３】
本発明の発電機１１は、誘導発電機、外部電源無しで発電可能な永久磁石発電機、またはその水中仕様モデルを使用する。また、動力伝達機構であるかさ歯車１０と第二動力伝達部９bを排し、発電機１１(水中仕様永久磁石発電機)を第一動力伝達部９aに直接またはギアを介し結合しても良く、この場合においては、第二動力伝達部９bによるケーシング２２内の流体流れ阻害によるケーシング２２の性能低下を防ぎ、軽量化およびコスト低減が実現できるという利点がある。
【００５４】
以下、上記構成の動作を説明する。上記構成の流体機械２１を相対流れのある流体中に配すると、ディフューザケーシング１、ノズル２、フランジ３により構成されるケーシング２２内に、吸入口７aから流入する流体が軸流羽根車４に作用し動力を発生させ、生じた動力を第一動力伝達部９a、かさ歯車１０、第二動力伝達部９bを介して発電機１１に伝達作用させ、電気エネルギーに変換する。
【００５５】
この際、相対流れのある流体中に配されたケーシング２２は、吸入口７a近傍の圧力が、排出口７bの圧力よりも低下する。排出口７bの圧力はディフューザケーシング１外部の圧力とほぼ等しくなるため、吸入口７a近傍の流速はケーシング２２の外部の流速よりも増速されて速くなり、流れエネルギーの取り出し位置として軸流羽根車４が配される。
【００５６】
ここで、相対流れのある流体中とは、非管路における流れを意味し、河川や用水路等の開水路、(海)水中、空気中等での流れ、または固定設置した流体機械２１の内外を流体が流れるのではなく流体機械２１を船舶等に固定して移動または船舶により牽引して移動する場合の流れを意味する。特に、船舶等により移動する場合は、流速が大きくなるため、集水増速効果がより大きくなり、高出力を得ることができるという利点がある。また、デイフューザーとは、特に定義しない限り、拡がる流路を意味する。
【００５７】
さて、図１および２に示す流体機械２１において、ノズル２およびフランジ３を排し、ディフューザケーシング１のみよりケーシング２２を構成し、ケーシング２２内側に動力発生装置を備えた流体機械２１を第一の発明とする。
【００５８】
ここで増速作用を実現するディフューザケーシング１として、図４に示す、吸入口７aに対し排出口7bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１としている。例えば、円柱形状(円形の吸入口７aおよび排出口７bを底面として持つ筒状の空間図形)や角柱形状(多角形の吸入口７aおよび排出口７bを底面とし、側面が四角形の空間図形)、円形の吸入口７aと矩形ないしほぼ矩形または多角形の排出口７bを底面とする柱体、またはこれらの形状にひだ等をつけ変形を生じさせたもの等が例示される。また、ディフューザケーシング１の形状として、図４、５および６に示す、吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１を適用しても良い。後者の高さ略一定のディフューザケーシング１の場合、軸流羽根車４の外径を水深とほぼ同一サイズまで大きくすることができ、河川等の流れのエネルギーを効率よく利用できるという利点がある。
【００５９】
動力発生装置として、図３に示す、翼の断面形状が一方の面が対となる面に比べて膨らみが大きい断面形状５aである複数個の羽根５を有する軸流羽根車４、または、揚力を発生する複数個の羽根５を有する軸流羽根車４を適用しても良い。前者または後者の揚力を発生する複数個の羽根５を有する軸流羽根車４の場合は、高速回転可能となり、動力伝達ギア１０のギア比低減や発電機１１の小型高効率化等が可能となり、流体が保有する流水エネルギー(運動エネルギー)を効率よく利用できるという利点がある。また、軸流羽根車４を備えた流体機械２１の出力は流速の３乗に比例するため、流速をα倍に増速させると出力はαの３乗倍に増大する(例えば、流速を２倍に増速した場合、出力は８倍となる)という利点もある。
【００６０】
次に、図１および２に示す流体機械２１において、フランジ３を排し、ディフューザケーシング１およびノズル２よりケーシング２２を構成し、ケーシング２２内側に動力発生装置を備えた流体機械２１を第二の発明とする。
【００６１】
ここで集水増速作用を実現するケーシング２２として、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２を、ディフューザケーシング１(吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の吸入口７aに備えても良く、例えば、図７、８および９に示す排出口および吸入口の形状が円形のノズル２が例示される。また、ノズル２としてこのような排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２に代えて、図１０および１１に示すように排出口に対し吸入側の高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のノズル２を、ディフューザケーシング１(吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の吸入口７aに備えても良く、このような形状は、河川等の水深の制限される場所でケーシング２２を使用する際に、効率よく集水できるという利点がある。これらの排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２を、ディフューザケーシング１の吸入口７aに備えることで、ディフューザケーシング１のみの場合に比べ集水増速作用が向上する。
【００６２】
次に、図１および２に示す流体機械２１において、ノズル２を排し、ディフューザケーシング１およびフランジ３よりケーシング２２を構成し、ケーシング２２内側に動力発生装置を備えた流体機械２１を第三の発明とする。
【００６３】
ここでケーシング２２として、ディフューザケーシング１(吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の排出口の外側８の、全周または一部または複数部にフランジ３(フランジ３a、３b、または３cの組み合わせにより構成される)を備えても良い。結果、フランジ３によりディフューザケーシング1の排出口７bに低圧領域がより強く形成され、ディフューザケーシング１の吸入口７aの静圧がより低下することで増速効果が大きくなるため、ディフューザケーシング１のみの場合に比べケーシング２２の増速作用が向上する。
【００６４】
フランジ３として、図１２、１３、および１４に示すようにディフューザケーシング１(図のように吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の排出口外側８の、幅方向３bおよび上方向３a(または下方向３c)にフランジ３を備えても良い(ただし、図ではノズルも具備)。このような幅方向３bおよび上方向３aにフランジ３を備えた形状は、河川等の増水により想定水深より深くなった際や、船舶に流体機械２１の下方向６b部を固定して移動する際に、幅方向フランジ３bに加え、上方向フランジ３aによる負圧生成効果による更なる増速が期待できるという利点がある。また、このような幅方向３bおよび下方向３cにフランジ３を備えた形状は、水路等で蓋等の覆い構造物による高さ制限がある際や、これらの覆い構造物や河川等に設置した浮き島等のフロート(水面に浮かぶ構造物)にケーシング上方向６aを固定し、ケーシング幅方向６cおよび下方向６bの流れを幅方向３bおよび下方向３cフランジ３により有効利用できるという利点がある。また、上記フロートを船舶により牽引し移動させる場合においても効力を発揮する。
【００６５】
フランジ３として、図１５および１６に示すようにディフューザケーシング１(図のように吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の排出口外側８の、幅方向３bにフランジ３を備えても良い(ただし、図ではノズルも具備)。このような形状は、河川等の水深の制限される場所でケーシング２２を使用する際に、幅方向６cの増速効果を最大限に利用できるという利点がある。
【００６６】
フランジ３として、ディフューザケーシング１(吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の排出口外側８の、上方向３aまたは下方向３cにフランジを備えても良い。このような形状は、幅方向の制限される河川や水路等でケーシング２２を使用する際に、フランジ３による上下方向の増速効果を利用できるという利点がある。
【００６７】
フランジ３としては、図１７および１８に示すようにディフューザケーシング１(図のように吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の排出口外側８の、上方向３a、幅方向３bおよび下方向３cの全周にフランジ３を備えても良い。このような形状は、幅方向と水深の十分確保できる河川や水路等でケーシング２２を使用する際に、フランジ３による増速効果を最大限に利用できるという利点がある。
【００６８】
次に、図１および２に示す流体機械２１において、ディフューザケーシング１、ノズル２およびフランジ３よりケーシング２２を構成し、ケーシング２２内側に動力発生装置を備えた流体機械２１を第四の発明とする。
【００６９】
ここで集水増速作用を実現するケーシング２２として、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２をディフューザケーシング１(吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の吸入口７aに備え、ディフューザケーシング１の排出口の外側８の全周または一部または複数部にフランジ３(フランジ３a、３b、または３cの組み合わせにより構成される)を備えても良い。結果、ディフューザケーシング１のみの場合に比べ大幅な集水増速効果が得られ、ノズル２またはフランジ３のみを付加した場合より集水増速効果は大きい。
【００７０】
ノズル２およびフランジ３としては、図１２、１３、１４および１９に示すように排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２をディフューザケーシング１(図のように吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の吸入口７aに備え、ディフューザケーシング１の排出口外側８の幅方向３bおよび上方向３aにフランジ３を備えても良い。このような形状は、ノズル２による集水増速効果に加え、河川等の増水により想定水深より深くなった際や、船舶に流体機械２１の下方向６b部を固定して移動する際に、幅方向フランジ３bに加え、上方向フランジ３aによる負圧生成効果による更なる増速が期待できるという利点がある。
【００７１】
ノズル２およびフランジ３として、図１２、１３、１４に示すように排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２をディフューザケーシング１(図のように吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の吸入口７aに備え、ディフューザケーシング１の排出口外側８の幅方向３bおよび下方向３cにフランジ３を備えても良い。このような形状は、ノズル２による集水増速効果に加え、水路等で蓋等の覆い構造物による高さ制限がある場合や、これらの覆い構造物や河川等に設置した浮き島等のフロート(水面に浮かぶ構造物)にケーシング上方向６aを固定し、ケーシング幅方向６cおよび下方向６bの流れを幅方向３bおよび下方向３cフランジ３により有効利用できるという利点がある。また、上記フロートを船舶により牽引し移動させる場合においても効力を発揮する。
【００７２】
ノズル２およびフランジ３としては、図１５および１６に示すように排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２をディフューザケーシング１(図のように吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の吸入口７aに備え、ディフューザケーシング１の排出口外側８の幅方向３bにフランジ３を備えても良い。このような形状は、ノズル２による集水増速効果に加え、河川等の水深の制限される場所でケーシング２２を使用する際に、幅方向６cの増速効果を最大限に利用できるという利点がある。
【００７３】
ノズル２およびフランジ３として、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２をディフューザケーシング１(吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の吸入口７aに備え、ディフューザケーシング１の排出口外側８の上方向３aまたは下方向３cにフランジ３を備えても良い。このような形状は、ノズル２による集水増速効果に加え、幅方向の制限される河川や水路等でケーシング２２を使用する際に、フランジ３による上下方向の増速効果を利用できるという利点がある。
【００７４】
ノズル２およびフランジ３としては、図１７および１８に示すように排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２をディフューザケーシング１(図のように吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の吸入口７aに備え、ディフューザケーシング１の排出口外側８の上方向３a、幅方向３bおよび下方向３cの全周にフランジ３を備えても良い。このような形状は、ノズル２による集水増速効果に加え、幅方向と水深の十分確保できる河川や水路等でケーシング２２を使用する際に、フランジ３による増速効果を最大限に利用できるという利点がある。
【００７５】
次に、図１および２に示す、ディフューザケーシング１、ノズル２およびフランジ３よりケーシング２２を構成し、ケーシング２２内側に動力発生装置および動力発生装置によって生じた動力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機１１を備えた流体機械２１(流体発電装置)を、複数個組み合わせて並列運転することを特徴とする流体プラントを第五の発明とする。
【００７６】
ここで集水増速作用を実現するケーシング２２として、排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２をディフューザケーシング１(吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１、または、吸入口７aに対し排出口７bの幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１)の吸入口７aに備え、ディフューザケーシング１の排出口の外側８の全周または一部または複数部にフランジ３(フランジ３a、３b、または３cの組み合わせにより構成される)を備えても良い。フランジ３として、例えば、図１２、１３、１４および１９に示す、ディフューザケーシング１の排出口外側８の幅方向３bおよび上方向３aフランジ３を備えた流体機械２１を、複数個組み合わせて並列運転する場合の流体プラントを図２０に例示する。結果、流体機械２１(流体発電装置)単体では水深や流速により取り出せる流れのエネルギーに制限があるが、流体機械２１を複数個組み合わせて並列運転することで、大容量のエネルギーを生成する流体プラントが実現できる。
【実施例】
【００７７】
次に、図２１および２２に基づいて上記構成のケーシング２２の増速作用の結果を説明する。
【００７８】
図２１および２２は、流体中に配した下記第一から四の実施例のケーシング２２に対し、流速V0＝1.5[m/s]の水流が流入した場合の、ケーシング２２中心軸であるZ軸上(図４および６の吸入口７aと排出口７bの中心点(重心)を結んだ線をZ軸とする)の流速(流速Vを流入速度V0で割った値を増速率V/ V0とする)および圧力(P)分布である。ここでケーシング２２としては、吸入口７aに対し排出側７bの高さを略一定とし、幅方向を大きくした形状のディフューザケーシング１を第一の実施例の構成(図４、５および６)とし、このディフューザケーシング１に排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２を備えたものを第二の実施例の構成(図７、８および９)、ノズル2を排しディフューザケーシング１の排出口外側８に幅方向長さ200 [mm]の幅方向フランジ３bを備えたものを第三の実施例の構成(図１５および１６よりノズル２を排したもの)、ディフューザケーシング１に排出口に対し吸入口の断面積を大きくした形状のノズル２および幅方向長さ200 [mm]の幅方向フランジ３bを備えたものを第四の実施例の構成(図１５および１６)とする。ここで、吸入口７aの内径390 [mm]、排出口７bの最大内径671 [mm]、ノズル２の吸入口の内径465 [mm]である。
【００７９】
以下、Z＝0 (ノズル２とディフューザケーシング１の接続面)における平均流速より導出した増速率および出力増加率(増速率の３乗)を記す。
(1) 第一の実施例の構成(ノズル無し(nozzle X)、フランジ無し(flange X))によると、1.72倍の増速(出力は5.1倍)。
(2) 第二の実施例の構成(ノズル有り(nozzle ○)、フランジ無し(flange X))によると、2.01倍の増速(出力は8.1倍)。
(3) 第三の実施例の構成(ノズル無し(nozzle X)、フランジ(flange) 200 [mm])によると、1.83倍の増速(出力は6.1倍)。
(4) 第四の実施例の構成(ノズル有り(nozzle ○)、フランジ(flange) 200 [mm])によると、2.34倍の増速(出力は12.8倍)。
いずれの場合も大幅に増速され、開水路等の流れエネルギーをケーシング２２を用いることなく自然流下状態で増速せずに軸流羽根車４を回す場合に比べ、5.1〜12.8倍と大幅に出力が向上していることが分かる。
【００８０】
また、図２１および２２によれば、吸入口７a近傍の圧力が排出口７bの圧力よりも低下し負圧となり、それに対応して吸入口７a近傍の流速が増速されているのが分かる。また、第一の実施例の構成であるディフューザケーシング１のみの場合に比べ、第二の実施例の構成であるノズル２を備えることで増速作用が向上する。さらに、第三の実施例の構成であるディフューザケーシング１にフランジ３を備えることで、ディフューザケーシング１の排出口７bに低圧領域がより強く形成され(第二の実施例の構成と比較すると、圧力がゆっくりと緩和していることが分かる)、増速作用が向上していることが分かる。第四の実施例の構成であるディフューザケーシング１にノズル２およびフランジ３を備えることで、他の実施例の構成に比べ大幅な増速効果が得られる。
【符号の説明】
【００８１】
１  ディフューザケーシング
２  ノズル
３  フランジ
３a  上方向フランジ
３b  幅方向フランジ
３c  下方向フランジ
４  軸流羽根車
５  羽根
５a  羽根(翼)の断面形状
６a  上方向
６b  下方向
６c  幅方向
７a  吸入口
７b  排出口、排出側
８  排出口外側
９a  第一動力伝達部
９b  第二動力伝達部
１０  かさ歯車
１１  発電機
１２  支脚
１３  支柱
２１  流体機械
２２  ケーシング
【図１】
2013130110.tif 000003
【図２】
2013130110.tif 000004
【図３】
2013130110.tif 000005
【図４】
2013130110.tif 000006
【図５】
2013130110.tif 000007
【図６】
2013130110.tif 000008
【図７】
2013130110.tif 000009
【図８】
2013130110.tif 000010
【図９】
2013130110.tif 000011
【図１０】
2013130110.tif 000012
【図１１】
2013130110.tif 000013
【図１２】
2013130110.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2013130110.tif 000016
【図１５】
2013130110.tif 000017
【図１６】
2013130110.tif 000018
【図１７】
2013130110.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2013130110.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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