(57)【要約】【課題】フィンに当たる流体の損失を低減し、効率のよい回転運動を可能としたクロスフロー型発電装置を提供する。【解決手段】クロスフロー型発電装置１であって、円形プレート２の外周に沿って複数枚のフィン３が立設され、複数枚のフィン３の内側に空洞４が形成されたクロスフロー型の羽根車５と、円形プレート２の中心に設けられた羽根車５の回転軸６と連結された発電機７と、を備え、羽根車５は、回転軸６を回転自在に支承した片持ち式とし、円形プレート２によって空洞４の一方の面が閉塞され、他方の面が開口されており、開口面８から、整流板９を空洞４に挿入し、羽根車５を、回転軸６を中心に回転させた状態で、整流板９は空洞４内で静止状態に固定されている。【選択図】図１
2016079892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロスフロー型発電装置(1)であって、
円形プレート(2)の外周に沿って複数枚のフィン(3)が立設され、該複数枚のフィン(3)の内側に空洞(4)が形成されたクロスフロー型の羽根車(5)と、
前記円形プレート(2)の中心に設けられた前記羽根車(5)の回転軸(6)と連結された発電機(7)と、
を備え、
前記羽根車(5)は、前記回転軸(6)を回転自在に支承した片持ち式とし、前記円形プレート(2)によって前記空洞(4)の一方の面が閉塞され、他方の面が開口されており、
前記開口面(8)から、整流板(9)を前記空洞(4)に挿入し、
前記羽根車(5)を、前記回転軸(6)を中心に回転させた状態で、前記整流板(9)は前記空洞(4)内で静止状態に固定されてなるクロスフロー型発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載のクロスフロー型発電装置であって、
前記整流板(9)が、複数枚を離間して設けてなるクロスフロー型発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のクロスフロー型発電装置であって、
前記回転軸(6)が、水平姿勢に支承されてなるクロスフロー型発電装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のクロスフロー型発電装置であって、
前記回転軸(6)が、鉛直姿勢に支承されてなるクロスフロー型発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一に記載のクロスフロー型発電装置であって、
複数の前記羽根車(5)を、各前記羽根車(5)の回転軸(6)を同軸にして並べてなるクロスフロー型発電装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一に記載のクロスフロー型発電装置であって、
複数の前記羽根車(5)を、各前記羽根車(5)の回転軸(6)を平行にして並べてなるクロスフロー型発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロスフロー型の発電装置に関し、特に効率のよい回転運動を可能としたクロスフロー型発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、小水力発電用の羽根車として、図７に示すクロスフロー型発電装置２０に係る羽根車２１が知られている。このタイプは、最初に流水が羽根車２１の外側から羽根に当たって流水の圧力を羽根で捉えた後に、 内部に形成された空洞２２に流体を取り込んで、再度羽根車２１の内側から外側に向かう流水で羽根に当たり、外部に放出する方式である。この方式において従来例では上記羽根車２１が備える羽根２３に対して流体が一度外側から羽根に当たった後に、内部に形成された空間を流水が通過する際に乱流状態になり易く、二度目に流水が内側から羽根に当たるときに効率良く羽根に当たらないために損失が大きいという欠点があった。
【０００３】
そこで、発電効率を高めるべく、従来から種々のクロスフロー型発電装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。特許文献１に開示された垂直流路型クロスフロー水車は、液体流入管及び液体流出管を一直線上に配設し、上方から下方へ下る水路上に設置できるようにする。水車室を水車外形寸法と略同容積とし、流入する液体を受け入れる水車室受水部を設け、液体流入管と水車室受水部の間に流路仕切板を介設することによって、液体が持つエネルギーの回収効率の向上を図っている。
【０００４】
また、特許文献２に開示されたクロスフロー水車は、開閉することによりランナ（羽根車）に流入する水量を調整するガイドベーンをランナの上流側に備えたクロスフロー水車において、ガイドベーンに流入する水を分流する分流ベーンをガイドベーンの上流側に設けたことを特徴とする。当該構成によって、ガイドベーンの上流側で水を分流することができると共に、分流位置をランナの流入位置から離すことができるため、ガイドベーンでの分流損失及び衝突損失を防止することができると共に、分流による流れの乱れの影響を少なくし、回転効率の向上を図っている。
【０００５】
しかしながら、これら特許文献１及び特許文献２に開示されたクロスフロー型の水車においても、水車（羽根車）の内部に流入した流体が外部へ流出する際には乱流が発生する可能性があり、図７に示した従来の羽根車２１の場合と同様、損失が生じて回転効率が低下する問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１８９９６９号公報
【特許文献２】特開２００５−１１３１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来のこのような背景に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、フィンに当たる流体の損失を低減し、効率のよい回転運動を可能としたクロスフロー型の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】
上記目的を達成するため、本発明の第１の側面に係るクロスフロー型発電装置によれば、円形プレート２の外周に沿って複数枚のフィン３が立設され、該複数枚のフィン３の内側に空洞４が形成されたクロスフロー型の羽根車５と、前記円形プレート２の中心に設けられた前記羽根車５の回転軸６と連結された発電機７と、を備え、前記羽根車５は、前記回転軸６を回転自在に支承した片持ち式とし、前記円形プレート２によって前記空洞４の一方の面が閉塞され、他方の面が開口されており、前記開口面８から、整流板９を前記空洞４に挿入し、前記羽根車５を、前記回転軸６を中心に回転させた状態で、前記整流板９を前記空洞４内で静止状態に固定することができる。
【０００９】
また、第２の側面に係る本発明のクロスフロー型発電装置によれば、前記整流板９を、複数枚を離間して設けることができる。
【００１０】
さらに、第３の側面に係るクロスフロー型発電装置によれば、前記回転軸６を、水平姿勢に支承することができる。
【００１１】
さらにまた、第４の側面に係るクロスフロー型発電装置によれば、前記回転軸６を、鉛直姿勢に支承することができる。
【００１２】
さらにまた、第５の側面に係るクロスフロー型発電装置によれば、前記羽根車５の回転軸６を同軸にして複数並べることができる。
【００１３】
さらにまた、第６の側面に係るクロスフロー型発電装置によれば、前記羽根車５の回転軸６を平行にして複数並べることもできる。
【発明の効果】
【００１４】
第１の側面に係るクロスフロー型発電装置によれば、回転する羽根車の内部の空洞に、静止状態とした整流板を配置することで、外部から羽根車の内部に案内された流体を整流板でもって整流でき、流体を再度羽根車のフィンを通じて外部に排出する際の損失を低減でき、効率のよい回転運動が実現される。
【００１５】
第２の側面に係るクロスフロー型発電装置によれば、整流板が複数枚を離間して設けられることによって、上記の損失低減効果の向上が図られ、より高効率の回転運動が実現される。
【００１６】
第３の側面に係るクロスフロー型発電装置によれば、回転軸を水平姿勢に支承することによって、滝や堰等の高低差のある場所における水力発電装置として適用することができる。
【００１７】
第４の側面に係るクロスフロー型発電装置によれば、回転軸を鉛直姿勢に支承することによって、河川等の水平方向の流れのある場所における水力発電装置や風力発電装置として適用することができる。
【００１８】
第５の側面に係るクロスフロー型発電装置によれば、羽根車の回転軸を同軸にして複数並べてなることによって、高低差のある場所における発電効率の更なる向上が図られる。
【００１９】
第６の側面に係るクロスフロー型発電装置によれば、羽根車の回転軸を平行にして複数並べてなることによって、鉛直方向や水平方向の流体を利用した発電装置の発電効率の更なる向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態１に係るクロスフロー型発電装置を示す概略断面図である。
【図２】図１に示すクロスフロー型発電装置のＩＩ−ＩＩ線概略断面図である。
【図３】本発明の実施形態２に係るクロスフロー型発電装置を示す概略断面図である。
【図４】図３に示すクロスフロー型発電装置のＩＶ−ＩＶ線概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係るクロスフロー型発電装置を示す概略断面図である。
【図６】図５に示すクロスフロー型発電装置のＶ−Ｖ線概略断面図である。
【図７】従来のクロスフロー型発電装置を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのクロスフロー型発電装置を例示するものであって、本発明はクロスフロー型発電装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（実施形態１）
【００２２】
図１に本発明の実施形態１に係るクロスフロー型発電装置１の概略断面図を示し、図２に、図１に示した本実施形態１のクロスフロー型発電装置１におけるＩＩ−ＩＩ線概略断面図を示す。なお、以下では、本実施形態１に係るクロスフロー型発電装置１を水力発電装置として適用する場合について説明する。
【００２３】
図１及び図２に示すクロスフロー型発電装置１は、円形プレート２の外周に沿って複数枚のフィン３が立設され、複数枚のフィン３の内側に空洞４が形成されたクロスフロー型の羽根車５と、円形プレート２の中心に設けられた羽根車５の回転軸６と連結された発電機７とを備える。
【００２４】
羽根車５は、回転軸６を水平姿勢で回転自在に支承した片持ち式とし、流体としての水の給水口１１と排水口１２とを備えるケーシング１０内に配設されており、円形プレート２によって空洞４の一方の面が閉塞され、他方の面が開口されている。回転軸６は円形プレート２の中心から羽根車５の外側に向かって、即ち空洞４の反対側に向かって設けられている。そして、羽根車５に係る開口面８側から、整流板９が空洞４に挿入されている。
【００２５】
本実施形態１に係るクロスフロー型発電装置１では、整流板９が２枚、空洞４に挿入されており、何れの整流板９も、空洞４に挿入された状態でケーシング１０に固定された状態で取り付けられている。つまり、羽根車５を回転軸６を中心に回転させた状態で、２枚の整流板９は、空洞４内で静止状態に固定されてなる。
【００２６】
以上の構成からなる本実施形態１のクロスフロー型発電装置１による発電方法は以下の通りである。まず、高低差のある水域に設置したクロスフロー型発電装置１に、給水口１１から水を流入させる。給水口１１からケーシング１０内に流入した水は、羽根車５の配設箇所の手前に設置されたガイドベーン１３によって整流され、羽根車５に係る複数枚のフィン３の間から羽根車５内の空洞４に流入する。
【００２７】
ここで、従来であれば空洞４に流入した水に乱流が生じて損失が生じる。しかしながら、本実施形態１のクロスフロー型発電装置１では、空洞４に固定式の整流板９が挿入されているため、空洞４に流入した水流に乱れを生じさせることなく、スムーズに羽根車５に係る複数枚のフィン３の間から外部に排出され、排出口１２からクロスフロー型発電装置１外へ排出されることとなる。
【００２８】
そして、水流による羽根車５の回転トルクが、水平姿勢に支承された回転軸６を介して発電機７に伝達され、発電されることとなる。
【００２９】
以上のように、本実施形態１のクロスフロー型発電装置１によると、回転する羽根車５の内部の空洞４に、静止状態とした整流板９を配置することで、外部から羽根車５の内部に案内された水流を整流板９でもって整流でき、水流を再度羽根車５に係る複数枚のフィン３の間から外部に排出する際の損失を低減できるため、効率のよい回転運動が実現される。
【００３０】
また、本実施形態１のクロスフロー型発電装置１では、２枚の整流板９を離間して設けているため、上記の損失低減効果の向上が図られ、より高効率の回転運動が実現できる。なお、本発明において整流板の設置数は特に限定されず、１枚の整流板９が空洞４に挿入固定されてもよく、２枚以上の整流板９が離間して空洞４に挿入固定されてもよい。
【００３１】
更に、本実施形態１のクロスフロー型発電装置１では、回転軸６を水平姿勢に支承することによって、滝や堰等の高低差のある水域における水力発電装置として好適である。
（実施形態２）
【００３２】
次に、本発明の実施形態２に係るクロスフロー型発電装置１ａについて説明する。図３に本発明の実施形態２に係るクロスフロー型発電装置１ａの概略断面図を示し、図４に、図３に示した本実施形態２のクロスフロー型発電装置１ａにおけるＩＶ−ＩＶ線概略断面図を示す。なお、以下でも、本実施形態２に係るクロスフロー型発電装置１ａを水力発電装置として適用する場合について説明する。
【００３３】
図３及び図４に示すクロスフロー型発電装置１ａは、上記実施形態１のクロスフロー型発電装置１と同様、クロスフロー型の羽根車５と、羽根車５の回転軸６と連結された発電機７と、を備える。
【００３４】
羽根車５は、回転軸６を鉛直姿勢で回転自在に支承した片持ち式とし、流体としての水の給水口１１と排水口１２とを備えるケーシング１０内に配設されており、円形プレート２によって空洞４の一方の面（上面）が閉塞され、他方の面（下面）が開口されている。回転軸６は円形プレート２の中心から羽根車５の外側に向かって、即ち空洞４の反対側に向かって設けられている。そして、羽根車５に係る開口面８側から、整流板９が空洞４に挿入されている。
【００３５】
本実施形態２に係るクロスフロー型発電装置１ａでも、整流板９が２枚、空洞４に挿入されており、何れの整流板９も、空洞４に挿入された状態でケーシング１０に固定された状態で取り付けられている。つまり、羽根車５を、回転軸６を中心に回転させた状態で、２枚の整流板９は、空洞４内で静止状態に固定されてなる。
【００３６】
以上の構成からなる本実施形態２のクロスフロー型発電装置１ａによる発電方法は以下の通りである。まず、河川等の水平方向の流れのある場所に設置したクロスフロー型発電装置１ａに、給水口１１から水を流入させる。給水口１１からケーシング１０内に流入した水は、羽根車５の配設箇所の手前に設置された左右のガイド１４によって整流され、羽根車５に係る複数枚のフィン３の間から羽根車５内の空洞４に流入する。
【００３７】
そして、本実施形態２のクロスフロー型発電装置１ａにおいても、空洞４に固定式の整流板９が挿入されているため、空洞４に流入した水流に乱れを生じさせることなく、スムーズに羽根車５に係る複数枚のフィン３の間から外部に排出され、排出口１２からクロスフロー型発電装置１ａ外へ排出されることとなる。
【００３８】
そして、水流による羽根車５の回転トルクが、鉛直姿勢に支承された回転軸６を介して発電機７に伝達され、発電されることとなる。
【００３９】
以上のように、本実施形態２のクロスフロー型発電装置１ａによると、河川等の水平方向の流れがある水域においても効率のよい回転運動が実現でき、このような水域における水力発電装置として好適である。
【００４０】
また、本実施形態２のクロスフロー型発電装置１ａにおいても、２枚の整流板９を離間して設けているため、上記実施形態１のクロスフロー型発電装置１と同様、損失低減効果の向上が図られ、より高効率の回転運動が実現できる。
（実施形態３）
【００４１】
次に、本発明の実施形態３に係るクロスフロー型発電装置１ｂについて説明する。図５に本発明の実施形態３に係るクロスフロー型発電装置１ｂの概略断面図を示し、図６に、図５に示した本実施形態２のクロスフロー型発電装置１ｂにおけるＶ−Ｖ線概略断面図である。なお、以下でも、本実施形態３に係るクロスフロー型発電装置１ｂを水力発電装置として適用する場合について説明する。
【００４２】
図５及び図６に示すクロスフロー型発電装置１ｂは、上記実施形態１のクロスフロー型発電装置１等と同様、クロスフロー型の羽根車５と、羽根車５の回転軸６と連結された発電機７と、を備える。そして、本実施形態３に係るクロスフロー型発電装置１ｂでは、羽根車５の回転軸６を平行にして２機の羽根車５が並べられることによって構成されている。
【００４３】
各羽根車５は、回転軸６を鉛直姿勢で回転自在に支承した片持ち式とし、流体としての水の給水口１１と排水口１２とを備えるケーシング１０内に並んで配設されており、円形プレート２によって空洞４の一方の面（上面）が閉塞され、他方の面（下面）が開口されている。回転軸６は円形プレート２の中心から羽根車５の外側に向かって、即ち空洞４の反対側に向かって設けられている。そして、羽根車５に係る開口面８側から、整流板９が空洞４に挿入されている。
【００４４】
本実施形態３に係るクロスフロー型発電装置１ｂでも、整流板９が２枚ずつ、各羽根車５の空洞４に挿入されており、何れの整流板９も、空洞４に挿入された状態でケーシング１０に固定された状態で取り付けられている。つまり、羽根車５を、回転軸６を中心に回転させた状態で、整流板９は空洞４内で静止状態に固定されてなる。
【００４５】
以上の構成からなる本実施形態３のクロスフロー型発電装置１ｂによる発電方法は、上記実施形態２に係るクロスフロー型発電装置１ａと同様であり、本実施形態３のクロスフロー型発電装置１ｂによると、複数の羽根車５を並べて構成することによって、河川等の水平方向の流れがある水域における発電効率の更なる向上が図られる。
【００４６】
なお、上記実施形態３のクロスフロー型発電装置１ｂでは、各羽根車５に係る回転軸６を鉛直方向に支承した状態で各回転軸６が平行となるように２機の羽根車５を並べたが、各羽根車５に係る回転軸６を水平方向に支承した状態で各回転軸６が平行となるように、２機以上の羽根車５が鉛直方向或いは水平方向に並べられたクロスフロー型発電装置であってもよい。当該構成によると、高低差のある水域における水力発電装置として、上記実施形態１に係るクロスフロー型発電装置１に比べ発電効率の更なる向上が図られる。
【００４７】
以上、本発明のクロスフロー型発電装置の種々の実施形態について詳述したが、本発明のクロスフロー型発電装置の実施形態は上記のものに限定されない。例えば、本発明の実施形態１に係るクロスフロー型発電装置１と同様、羽根車５に係る回転軸６を水平方向に支承するに態様において、２機以上の羽根車５を、各羽根車５の回転軸６を同軸にして並べることによって構成されてもよい。
【００４８】
当該構成を備える本発明のクロスフロー型発電装置によると、高低差のある水域における水力発電装置として、また、高低差がなくても流量が確保できる用水等の条件においても、発電効率の更なる向上が図られる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のクロスフロー型発電装置は、水力発電用として好適であるが、風力発電にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１，１ａ，１ｂ…クロスフロー型発電装置
２…円形プレート
３…フィン
４…空洞
５…羽根車
６…回転軸
７…発電機
８…開口面
９…整流板
１０…ケーシング
１１…給水口
１２…排水口
１３…ガイドベーン
１４…ガイド
２０…クロスフロー型発電装置
２１…羽根車
２２…空洞
２３…羽根
【図１】
2016079892.tif 000003
【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】
2016079892.tif 000009