(57)【要約】【課題】受風効率が高く、既存施設に対して後付け可能な排気発電装置を提供する。【解決手段】排気発電装置１は、断面矩形の風洞部Ｄに対して設置される風車１１が、風洞部Ｄの通風方向に垂直な方向に延在する主軸と、主軸の両端に配置される軸受と、を備える。風洞部Ｄの排気口Ｅに配置されて、軸受を介して主軸の両端を支持する主軸支持部材を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面矩形の風洞部に対して設置される風車を用いて発電する排気発電装置において、
前記風車は、
前記風洞部の通風方向に垂直な方向に延在する主軸と、
前記主軸の両端に配置される軸受と、
を備えることを特徴とする排気発電装置。
【請求項２】
前記風車は、前記風洞部の排気口に配置されて、前記軸受を介して前記主軸の両端を支持する主軸支持部材と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気発電装置。
【請求項３】
前記風車は、前記排気口よりも通風下流側に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気発電装置。
【請求項４】
前記排気口と前記排気口を覆う網蓋との間に介在して、前記風車を収容する空間を形成する断面矩形の風洞部材を備えることを特徴とする請求項３に記載の排気発電装置。
【請求項５】
前記風洞部材は、前記主軸支持部材を兼ねることを特徴とする請求項４に記載の排気発電装置。
【請求項６】
前記風車の受風面積は、前記排気口の断面積の８０％〜１２０％であることを特徴とする請求項３から５のうちいずれか一項に記載の排気発電装置。
【請求項７】
前記風車は、前記排気口よりも通風上流側に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気発電装置。
【請求項８】
前記風車の受風面積は、前記排気口の断面積の８０％〜１００％以下であることを特徴とする請求項７に記載の排気発電装置。
【請求項９】
前記軸受は、深溝玉軸受であることを特徴とする請求項１から８のうちいずれか一項に記載の排気発電装置。
【請求項１０】
前記風洞部は地下鉄の排気ダクトであり、前記排気口は地上に開口することを特徴とする請求項１から９のうちいずれか一項に記載の排気発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流れを利用して発電を行う流体発電装置として、風力発電装置が開発されている。このような垂直軸型風力発電装置は、軸体と、軸体の中心軸回りに間隔をあけて配列されるとともに、該軸体に接続される複数のブレード（羽根）と、軸受を介して軸体を中心軸回りに回転可能に支持する支持体と、軸体が周方向に回転することで得られる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発電させる発電機と、を備えている。
【０００３】
近年では、地下鉄の排気ダクト等の既存施設に風力発電装置（風車）を取付けて発電を行うことが検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７０１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
既存施設に取付ける風車には、発電の高効率化、装置の低価格化が要請される。また、既存施設（排気ダクトなど）に対して、風車を後付けできることが要請される。
しかしながら、従来の風力発電装置（排気発電装置）には、このような要請を満たすものはない。
【０００６】
本発明は、受風効率が高く、装置の低価格化を図ることができる排気発電装置を提供することを目的とする。また、既存施設に対して後付け可能な排気発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る排気発電装置は、断面矩形の風洞部に対して設置される風車を用いて発電する排気発電装置において、前記風車は、前記風洞部の通風方向に垂直な方向に延在する主軸と、前記主軸の両端に配置される軸受と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、断面矩形の風洞部に対して受風効率の高い風車を設置することができる。風車の主軸の両端を支持するので、主軸の径及び軸受を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一実施形態に係る排気発電装置を排気口に設置した状態を示す斜視図である。
【図２】排気発電装置の主要部を示す斜視図である。
【図３】排気発電装置の主要部を示す図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る排気発電装置を排気口に設置した状態を示す斜視図である。
【図５】本発明の第三実施形態に係る排気発電装置を排気口に設置した状態を示す斜視図である。
【図６】風車の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態に係る排気発電装置１について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の第一実施形態に係る排気発電装置１を排気口Ｅに設置した状態を示す斜視図である。
図２は、排気発電装置１の主要部を示す斜視図である。
図３は、排気発電装置１の主要部を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【００１１】
歩道や中央分離帯等の地面Ｇ（地表）には、地下鉄施設からの排気ダクトＤに連通する排気口Ｅが開口する。
排気ダクト（風洞部）Ｄの断面形状は、例えば、短辺が０．５〜１ｍ程度、長辺が１〜２ｍ程度の矩形である。排気口Ｅの形状は、排気ダクトＤの断面形状と同一である。
【００１２】
排気口Ｅの地面G側には、風洞部材４０が排気口Ｅに一致するように配置される。風洞部材４０は、例えば、亜鉛めっき鋼板を角環形（枠形）の筒状に形成したものである。風洞部材４０の水平断面形状は、排気口Ｅの形状にほぼ一致する。
風洞部材４０の上空側の開口４１には、網蓋Ｆが嵌め合わされる。網蓋Ｆは、鋼材を格子状（網目状）に組んだものである。網蓋Ｆは、一般的にはグレーチング（Grating）と呼ばれる。
排気ダクトＤ、排気口Ｅ及び網蓋Ｆは、既存設備の一部である。
【００１３】
風洞部材４０の内側の空間（地表側の空間）には、排気発電装置１が配置される。
排気発電装置１は、風車１１と発電機５０を備える。風車１１は、ブレード２１、回転軸（主軸）２２、ブレード支持プレート２３、軸受２５を備える。
排気発電装置１（風車１１）は、さらに支柱フレーム３０及び風洞部材４０も備える。
【００１４】
風車１１は、所謂ジャイロミル型風車である。風車１１は、風向きに対して依存性がない。どの方向からの風に対しても風車１１を回転軸２２の中心軸Ｃ回りに回転可能である。
風車１１は、矩形板状又は帯板状を有して、地面（地上）Ｇに対して水平方向に延びる複数（３つ）のブレード２１を有する。ブレード２１は、排気口Ｅの長辺に沿って配置される。
複数のブレード２１は、回転軸２２の中心軸Ｃ回りに、周方向均等に間隔をあけて、配設される。複数のブレード２１は、これらの両端を支持するブレード支持プレート２３を介して回転軸２２に連結される。
ブレード２１は、排気Wを受けると揚力を発生する形状に形成される。この揚力によって、風車１１が回転軸２２の中心軸Ｃ回りに回転する。
【００１５】
風車１１の回転軸２２は、中心軸Ｃが地面Ｇに対して水平に延びる。回転軸２２は、排気口Ｅの一対の短辺のそれぞれの中央を通って、排気口Ｅの長辺に沿って配置される。回転軸２２の長さは、排気口Ｅの長辺と同一又はそれ以上の長さである。
回転軸２２の両端は、軸受２５を介して支柱フレーム３０に連結される。回転軸２２は、軸受２５により支柱フレーム３０に対して回転可能に軸支される。
【００１６】
ブレード支持プレート２３は、回転軸２２の両端に取付けられた一対の円形板部材である。ブレード支持プレート２３の中心には、回転軸２２が嵌め合わされる。ブレード支持プレート２３には、径方向外方へ向けて複数（３つ）のアーム部２３ａが突設される。
【００１７】
アーム部２３ａは、回転軸２２の周方向均等に間隔をあけて配設される。アーム部２３ａの先端には、ブレード２１の端部が連結される。１つのブレード２１に対して、一対のブレード支持プレート２３のアーム部２３ａが中心軸Ｃ方向に離間して平行に設けられる。
一対のブレード支持プレート２３の間隔は、ブレード２１の長さと同一である。
【００１８】
回転軸２２には、その両端側にそれぞれ軸受２５が配置される。回転軸２２に対して軸受２５の内輪（不図示）が嵌め合わされる。一対の軸受２５の間隔は、排気口Ｅの長辺とほぼ同一の長さである。
軸受（深溝玉軸受）２５は、支柱フレーム３０に支持される。これにより、回転軸２２は、支柱フレーム３０に対して回転可能に支持される。
軸受２５は、回転軸２２の中心軸Ｃ方向に互いに離間する一対のラジアル軸受（深溝玉軸受）である。回転軸２２は、軸受２５を介して両端支持されるので、軸受２５にはスラスト荷重が加わらない。このため、軸受２５には、深溝玉軸受を好適に用いることができる。
【００１９】
支柱フレーム（主軸支持部材）３０は、回転軸２２の両端にそれぞれ設置される。一対の支柱フレーム３０は、軸受２５を介して風車１１（回転軸２２）を水平に支持する。一対の支柱フレーム３０の間隔は、一対の軸受２５の間隔と同一である。つまり、一対の支柱フレーム３０の間隔は、排気口Ｅの長辺とほぼ同一の長さである。
支柱フレーム３０は、排気口Ｅの短辺に沿って水平方向に横たわる水平部材３１及び水平部材３１の中央から垂直方向に立設する支柱部材３２から構成される。支柱部材３２は、軸受２５の外輪（不図示）を支持する。
このように、支柱フレーム３０は、それぞれ排気口Ｅに対して密接に配置される。つまり、一対の支柱フレーム３０は、排気口Ｅの短辺に沿って配置される。
【００２０】
一対の支柱フレーム３０のうちの一方（支柱フレーム３０Ａ）には、発電機５０が配置される。発電機５０は、軸受２５に嵌合した回転軸２２の先端に連結される。回転軸２２の先端と発電機５０は、カップリング（不図示）を介して連結される。
【００２１】
そして、排気発電装置１の風車１１は、地下鉄の排気ダクトＤを介して排気口Ｅから大気に開放される排気Wを受ける。
風車１１が排気Wを受けて回転軸２２を中心軸Ｃ回りに回転させると、回転軸２２に連結された発電機５０のマグネットローター（不図示）も中心軸Ｃ回りに回転する。これにより、発電機５０のマグネットローターとコイルステータ（不図示）との間で電磁誘導が発生して、電力が発電される。
【００２２】
排気発電装置１の風車１１は、排気ダクトＤ及び排気口Ｅの断面形状に対する受風面積の割合が、８０〜１２０％程度に設定されている。
風車１１の受風面積は、排気Ｗのエネルギーを余すことなく取得するために、排気口Ｅの断面積（開口面積）に近似させることが望ましい。
このため、風車１１を排気口Eよりも通風下流側（地上側）に配置した場合には、風車１１の全体に排気Wを行きわたらせて発電効率を維持するために、風車１１の受風面積を排気口Ｅの断面積の１２０％以下に設定することが好ましい。
また、風洞部材４０を排気口Ｅの開口に合わせて形成した場合には、風車１１と風洞部材４０の干渉を避ける必要があるため、風車１１の受風面積を排気口Eの断面積よりも小さくせざるを得ない。もっとも、発電効率を維持するために、風車１１の受風面積を排気口Ｅの断面積の８０％以上に設定することが好ましい。
このように、排気発電装置１は、風車１１の受風面積を排気口Ｅの断面積の８０〜１２０％程度に設定したので、地下鉄の排気ダクトＤを介して排気口Ｅから大気に開放される排気Wを最大限に利用することができる。
【００２３】
排気発電装置１の風車１１の回転軸２２は、両端支持されるので、片持ち支持構造の場合のように回転軸２２に曲げモーメントやスラスト荷重が作用しない。このため、回転軸２２を支持する軸受２５には、深溝玉軸受を好適に用いることができる。深溝玉軸受は、流通性、入手性が高く、安価であるので、装置コストの低減、メンテナンス性の向上が図られる。
【００２４】
排気発電装置１の風車１１（支柱フレーム３０）は、排気口Ｅに対して配置される。このため、地下鉄の排気ダクトＤの様な既存の施設（設備）に対して、後付け配置することが容易である。特に、排気口Eよりも、通風下流側（地上側）に排気発電装置１（風車１１）を配置するので、後付け配置が容易である。
【００２５】
排気口Ｅの地面G側に風洞部材４０を配置したので、排気口Ｅから大気に開放される排気Wの全てを風車１１に向けて送ることができる。風洞部材４０は、風車１１に対する防風装置、整流装置、安全柵及び排気ダクトＤへの雨水浸入防止装置としても機能する。排気口Ｅと網蓋Ｆの間に、風洞部材４０を配置できるので、既存設備に変更を加えることなく、そのまま利用することができる。
【００２６】
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態に係る排気発電装置２について、図を参照して説明する。
図４は、本発明の第二実施形態に係る排気発電装置２を排気口Ｅに設置した状態を示す斜視図である。
第一実施形態に係る排気発電装置１と同一の部材等については、同一の符号を付して、その説明を省略等する。
【００２７】
排気発電装置２は、風車１２と発電機５０を備える。風車１２は、ブレード２１、回転軸２２、ブレード支持プレート２３、軸受２５を備える。
排気発電装置２（風車１２）は、さらに風洞部材４５も備える。排気発電装置２（風車１２）は、支柱フレーム３０を備えない点で、排気発電装置１（風車１１）とは異なる。
【００２８】
風洞部材（主軸支持部材）４５は、風洞部材４０と同一材料、同一形状である。
風洞部材４５は、４つの壁部のうち、排気口Ｅの短辺に沿って立設する一対の壁部４５ｓに軸受２５を支持する軸受支持部４６を備える。軸受支持部４６は、壁部４５ｓに貫通孔を形成した上で軸受２５の外輪を支持するものである。
軸受支持部４６は、支柱フレーム３０と同一の高さ（垂直方向）位置において、軸受２５を支持する。
一対の壁部４５ｓのうちの一方には、発電機５０が配置される。
【００２９】
そして、排気発電装置２は、排気発電装置１と同一の効果を奏する。
また、排気発電装置２（風車１２）では、風洞部材４５は、支柱フレーム３０と同様の機能を備える。つまり、風洞部材４５は、支柱フレーム３０を兼ねる。排気発電装置２（風車１２）は、支柱フレーム３０を省いているので、製造コスト、組立工数を低減することができる。
【００３０】
排気発電装置１の風車１１（風洞部材４５）は、排気口Ｅに対して配置される。このため、地下鉄の排気ダクトＤの様な既存の施設（設備）に対して、後付け配置することが容易である。特に、排気口Eよりも、通風下流側（地上側）に排気発電装置１（風車１１）を配置するので、後付け配置が容易である。
【００３１】
風洞部材４５は、風洞部材４０と同様に排気口Ｅの地面G側に配置される。このため、排気口Ｅから大気に開放される排気Wの全てを風車１１に向けて送ることができる。風洞部材４５は、風車１１に対する防風装置、整流装置、安全柵及び排気ダクトＤへの雨水浸入防止装置としても機能する。排気口Ｅと網蓋Ｆの間に、風洞部材４５を配置できるので、既存設備に変更を加えることなく、そのまま利用することができる。
【００３２】
〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態に係る排気発電装置２について、図を参照して説明する。
図５は、本発明の第三実施形態に係る排気発電装置３を排気口Ｅに設置した状態を示す斜視図である。
第一、第二実施形態に係る排気発電装置１，２と同一の部材等については、同一の符号を付して、その説明を省略等する。
【００３３】
排気発電装置３は、風車１３と発電機５０を備える。風車１３は、ブレード２１、回転軸２２、ブレード支持プレート２３、軸受２５を備える。
排気発電装置３（風車１３）は、さらに支柱フレーム３５も備える。排気発電装置３（風車１３）は、風洞部材４０，４５を備えない点で、排気発電装置１，２（風車１１，１２）とは異なる。
排気発電装置３（風車１３）は、排気発電装置１，２（風車１１，１２）とは異なって、排気ダクトＤの内部に配置される。
風車１３は、排気ダクトＤ及び排気口Ｅの断面形状に対する受風面積の割合が、８０〜１００％未満程度に設定される。
風車１１の受風面積は、排気Ｗのエネルギーを余すことなく取得するために、排気口Ｅの断面積（開口面積）に近似させることが望ましい。
しかし、風車１１を排気口Eよりも通風上流側（地下側）に配置した場合には、風車１１と排気ダクトＤの干渉を避ける必要があるため、風車１１の受風面積を排気口Eの断面積よりも小さく（１００％未満に）せざるを得ない。もっとも、発電効率を維持するために、風車１１の受風面積を排気口Ｅの断面積の８０％以上に設定することが好ましい。
このように、排気発電装置３は、風車１１の受風面積を排気口Ｅの断面積の８０〜１００％未満程度に設定したので、地下鉄の排気ダクトＤを介して排気口Ｅから大気に開放される排気Wを最大限に利用することができる。
【００３４】
支柱フレーム（主軸支持部材）３５は、回転軸２２の両端にそれぞれ設置されると共に、軸受２５を介して風車１１（回転軸２２）を水平に支持する点で、支柱フレーム３０と同一である。支柱フレーム３５は、風車１１（回転軸２２）を吊り下げ支持する点で、支柱フレーム３０と異なる。
一対の支柱フレーム３５の間隔は、排気口Ｅの長辺よりも短い。
支柱フレーム３５は、一端が排気口Ｅに嵌め合わされた網蓋Ｆに対して連結し、他端は排気ダクトＤの内部に向けて延びる。支柱フレーム３５の他端は、軸受２５の外輪（不図示）を支持する。
【００３５】
一対の支柱フレーム３５は、風車１３を排気ダクトＤの内部において、水平に吊り下げて支持する。一対の支柱フレーム３５は、風車１３を網蓋Ｆから吊り下げて、排気口Ｅの内部に配置する。
一対の支柱フレーム３０のうちの一方には、発電機５０が配置される。
【００３６】
そして、排気発電装置３は、排気発電装置１，２と同一の効果を奏する。
また、排気発電装置３（風車１３）では、風洞部材４０，４５を省いているので、製造コスト、組立工数を低減することができる。
【００３７】
排気発電装置３（風車１３）を排気ダクトＤの内部に設置したので、地面Ｇから突出することがなく、歩道などに開口する排気口に好適に用いることができる。また、排気ダクトＤを流れる排気Wの全てを風車１３で受けることができる。
支柱フレーム３５は、排気ダクトＤの排気口Ｅを覆う網蓋Ｆに対して連結されるので、排気発電装置３（風車１３）の後付け配置が容易である。
【００３８】
上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３９】
図６は、風車の変形例を示す図である。
風車１１〜１３は、ブレード２１の両端をブレード支持プレート２３により支持するものに限らない。図６に示すように、風車１１〜１３として、ブレード２１の両端よりも内側（中央側）を支持するものを用いてもよい。
【００４０】
風車（垂直軸型風車）としては、ジャイロミル型に限らない。直線翼型、ダリウス型、サボニウス型、パドル型、クロスフロー型、Ｓ型ロータ型等であってもよい。
【００４１】
断面矩形の風洞部として、地下鉄の排気ダクトを例にして説明したが、これに限らない。
排気口Ｅが地面Ｇに開口する場合に限らない。ビル等の屋上や側壁（垂直面等）に開口する場合であってもよい。
【００４２】
網蓋Ｆは、既存設備をそのまま用いてもよいし、既存設備に代えて新たに形成してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１，２，３…排気発電装置、  １１，１２，１３…風車、  ２２…回転軸（主軸）、  ２５…軸受（深溝玉軸受）、  ３０…支柱フレーム（主軸支持部材）、  ３５…支柱フレーム（主軸支持部材）、  ４０…風洞部材、  ４５…風洞部材（主軸支持部材）、  ５０…発電機、  Ｄ…排気ダクト（風洞部）、  Ｅ…排気口、  Ｆ…網蓋、  Ｇ…地面（地上）、  W…排気
【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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