(57)【要約】 【課題】高い効率を有するパイプ内に配置される流体発電用のタービンを提供する。【解決手段】  本発明の極流線型のカップを備えた流体発電タービンにおいて、前記カップの角度は、中央の先端から周囲の後端に至る角度が、４５度未満である。前記タービンは、パイプ内に配置される。本発明のパイプ内に配置される流体発電用のタービンは、（ａ）プロペラと、（ｂ）前記プロペラの上流方向に配置される中央円錐台構造とを有する。前記円錐台構造は、前記プロペラに接続された構造物あるいは別個の構造物のいずれかにより、支持される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極流線型のカップを備えた流体発電タービンにおいて、
前記カップの角度は、中央の先端から周囲の後端に至る角度が、４５度未満である
ことを特徴とする流体発電用のタービン。
【請求項２】
前記タービンは、パイプ内に配置される
ことを特徴とする請求項１記載のタービン。
【請求項３】
カップを有する流体発電タービンにおいて、
前記カップの前方向断面は、鋭角で伸びた点を有する
ことを特徴とする流体発電用のタービン。
【請求項４】
前記タービンは、パイプ内に配置される
ことを特徴とする請求項３記載のタービン。
【請求項５】
カップを有する流体発電用のタービンにおいて、
前記カップの前端と後端は、同じ形状ではなく、前記後端は前記先端よりも浅くなている
ことを特徴とする流体発電用のタービン。
【請求項６】
前記タービンは、パイプ内に配置される
ことを特徴とする請求項５記載のタービン。
【請求項７】
前記カップは、前端部分と後端部分の間が中空になっている
ことを特徴とする請求項５記載のタービン。
【請求項８】
前記カップの前方向断面は、鋭角で１個の延長ポイントとなる
ことを特徴とする請求項５記載のタービン。
【請求項９】
パイプ内に配置される流体発電用のタービン用のカップにおいて、
前記カップの内側周囲と外側周囲は非対称である
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用のタービンのカップ。
【請求項１０】
前記後部段部は、非対称である
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用のタービンのカップ。
【請求項１１】
前記後部段部は、後部断面積の５％以上の断面積を有する
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用のタービンのカップ。
【請求項１２】
前記後部断面の面は、前記カップの運動方向に直交していない
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用のタービンのカップ。
【請求項１３】
前記タービンがパイプ内に配置される
ことを特徴とする請求項１２記載のパイプ内の流体発電用のタービンのカップ。
【請求項１４】
前記カップは、前記タービンの直径の５０％以下である
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用のタービンのカップ。
【請求項１５】
前記カップの外側周囲は、前記タービンの壁に沿い、
前記カップの内側周囲は、前記タービンの壁に沿わない
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用のタービンのカップ。
【請求項１６】
（ａ）プロペラと、
（ｂ）前記プロペラの上流方向に配置される中央円錐台構造と、
を有し、
前記円錐台構造は、前記プロペラに接続された構造物あるいは別個の構造物のいずれかにより、支持される
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用のタービン。
【請求項１７】
（ｃ）発電機を前記中央構造物内に更に有する
ことを特徴とする請求項１６記載のパイプ内に配置される流体発電用のタービン。
【請求項１８】
（ｄ）導電性ワイヤと、
前記導電性ワイヤは、前記発電機から前記パイプに沿って伸び、
（ｅ）電気出力システムと、
前記電気出力システムは、前記ワイヤの電気出力を、前記ワイヤの２本の電気出力を１本の電気出力に結合する
ことを特徴とする請求項１７記載のパイプ内に配置される流体発電用のタービン。
【請求項１９】
（ｃ）プロペラから上流方向に配置される周辺狭構造物を更に有する
ことを特徴とする請求項１６記載のパイプ内に配置される流体発電用のタービン。
【請求項２０】
（ｃ）前記プロペラの周囲に取り付けられたマグネットを更に有する
前記マグネットは、前記コイルの外側リングに接続される
ことを特徴とする請求項１６記載のパイプ内に配置される流体発電用のタービン。
【請求項２１】
（ｄ）前記プロペラの上流方向に配置された周辺狭構造物を更に有し
これにより、前記マグネットを、前方から来る流体流から保護する
ことを特徴とする請求項２０記載のパイプ内に配置される流体発電用のタービン。
【請求項２２】
前記パイプ内に配置される流体発電用のタービンのブレード・ホルダーにおいて、      前記ブレード・ホルダーは、前記タービンの動きの線では、細い
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用のタービン。
【請求項２３】
（ａ）垂直軸タービン・ブレードを有する
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用のタービン。
【請求項２４】
前記タービン・ブレードは、ギャップがあるSavonius型である
ことを特徴とする請求項２３記載のパイプ内に配置される流体発電用のタービン。
【請求項２５】
前記タービンの軸は、横方向を向いている
ことを特徴とする請求項２３記載のパイプ内に配置される流体発電用のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体発電用タービンに関し、特に、パイプ等の内の限られたスペース内に配置されるタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の流体（水力）発電タービンとは異なるパイプ・システム内に設けられるタービン用ブレードを設計することは、２百年以上に渡る挑戦的事項であった。パイプ内に配置されるタービンは、大気中を通って水をブレードに当てるのではなく、水を水内を通過させ、極めて高い抵抗に会いながら、ブレードに当てている。しかし、この方法は、時にシステム内で背圧が発生することがある。
【０００３】
パイプ内のタービンに関しては、本発明者の文献を含めて特許文献は少なくない。本発明のブレードは、独自の構造を有する。文献には、幾つかの変形例も記載されているが、流速、高さ等の様々な条件により様々な構造を必要とするが、これらは、限られたスペース内を流れる水から効率よく如何にエネルギーを得るか、かつタービンの前後の圧力減少を生成させることに全て答えようとするものである。３つの一般的なブレードの構造、即ちカップ、プロペラ、垂直軸について、以下説明する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、従来技術の欠点を解決することであり、本発明は、パイプ内の流体発電用タービン用に極流線型をした一連のブレードを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施例によれば、本発明の極流線型のカップを備えた流体発電タービンにおいて、前記カップの角度は、中央の先端から周囲の後端に至る角度が、４５度未満である。
本発明の一実施例によれば、本発明のタービンは、パイプ内に配置される。
本発明の一実施例によれば、本発明のカップを有する流体発電タービンにおいて、前記カップの前方向断面は、鋭角で伸びた点を有する。
本発明の一実施例によれば、本発明のタービンは、パイプ内に配置される。
本発明の一実施例によれば、本発明のカップを有する流体発電用のタービンにおいて、前記カップの前端と後端は、同じ形状ではなく、前記後端は前記先端よりも浅くなている。
本発明の一実施例によれば、本発明のタービンは、パイプ内に配置される。
本発明の一実施例によれば、本発明のカップは、前端部分と後端部分の間が中空になっている。
本発明の一実施例によれば、本発明のカップの前方向断面は、鋭角で１個の延長ポイントとなる。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用のタービン用のカップにおいて、前記カップの内側周囲と外側周囲は非対称である。
本発明の一実施例によれば、本発明の前記後部段部は、非対称である。
本発明の一実施例によれば、本発明の前記後部段部は、後部断面積の５％以上の断面積を有する。
本発明の一実施例によれば、本発明の前記後部断面の面は、前記カップの運動方向に直交していない。
本発明の一実施例によれば、本発明の前記タービンがパイプ内に配置される。
本発明の一実施例によれば、本発明の前記カップは、前記タービンの直径の５０％以下である。
本発明の一実施例によれば、前記カップの外側周囲は、前記タービンの壁に沿い、前記カップの内側周囲は、前記タービンの壁に沿わない。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用のタービンは、  （ａ）プロペラと、（ｂ）前記プロペラの上流方向に配置される中央円錐台構造と、
を有する。前記円錐台構造は、前記プロペラに接続された構造物あるいは別個の構造物のいずれかにより、支持される。
本発明の一実施例によれば、（ｃ）発電機を前記中央構造物内に更に有する。
本発明の一実施例によれば、（ｄ）導電性ワイヤと、前記導電性ワイヤは、前記発電機から前記パイプに沿って伸び、（ｅ）電気出力システムと、前記電気出力システムは、前記ワイヤの電気出力を、前記ワイヤの２本の電気出力を１本の電気出力に結合する。
本発明の一実施例によれば、（ｃ）プロペラから上流方向に配置される周辺狭構造物を更に有する。
本発明の一実施例によれば、（ｃ）前記プロペラの周囲に取り付けられたマグネットを更に有すし、前記マグネットは、前記コイルの外側リングに接続される。
本発明の一実施例によれば、（ｄ）前記プロペラの上流方向に配置された周辺狭構造物を更に有し、これにより、前記マグネットを、前方から来る流体流から保護する。
本発明の一実施例によれば、本発明の前記パイプ内に配置される流体発電用のタービンのブレード・ホルダーにおいて、前記ブレード・ホルダーは、前記タービンの動きの線では、細い。
本発明の一実施例によれば、（ａ）垂直軸タービン・ブレードを有する。
本発明の一実施例によれば、前記タービン・ブレードは、ギャップがあるSavonius型である。
本発明の一実施例によれば、前記タービンの軸は、横方向を向いている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】ＣＦＤ（computational fluid dynamics）のブレード解析の構造図。
【図２】対称形状のカップの斜視図。
【図３】リップ形状のカップの斜視図。
【図４】peripheral shark 形状のカップの斜視図。
【図５】clown smile shark形状のカップの斜視図。
【図６】thin peripheral shark 形状のカップの斜視図。
【図７】cone 形状カップの斜視図。
【図８】前方バンドを具備した楕円形カップの斜視図。
【図９】shark 形状カップの部分要素を表す図。
【図１０】よりshark 形状のカップの部分要素を表す図。
【図１１】ブレードカップ部分要素番号が１のブロック図。
【図１２】ブレードカップ部分要素番号が２のブロック図。
【図１３】ブレードカップ部分要素番号が３のブロック図。
【図１４】peripheral リングカップの斜視図。
【図１５】発電機を具備したイン・パイプ・プロペラの斜視図。
【図１６】コイルを具備したイン・パイプ・プロペラの斜視図。
【図１７】イン・パイプの垂直軸タービンの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明は、イン・パイプ・タービン用のブレード形状とその構造関係に関する。
本発明は、特に断りのない限り、あらゆる種類の流体、例えば水、オイル、ガスで利用可能である。
「ブレード」は、「カップ」と同形状をしている場合は、どちらの用語も使用する。
【０００８】
図１に、ノズル３を具備するパイプ２内に配置されるカップ１を具備するタービンのＣＦＤ（computational fluid dynamics）シミュレーションを示す。ノズル３は、流体発電用タービンで用いられ、タービンのブレードに入る水の速度を上げる役目をする。
場所４が、最高流速の領域を示す。場所５が、水がブレードに接触すると、高流速の領域が変形する場所を示す。これは、本発明が解決しようとする主な課題である。
流体が充填された環境内（これはエネルギーを搬送する流体と、エネルギーを流す流体とを含む）で、ブレードの形状により如何に効率を上げるかというのが、課題となっている。
図１に示すように、流体環境とブレードとは、複雑な三次元の相互作用関係を有する。後続ブレードの先端部分は、高速流体をカップから周囲に流しているように見える。タービンブレードのパス全部に渡って、より高速な流れが周囲に現れる。これは白黒写真では見ることは難しい。この新たな問題は、従来の流体機械が取り組んで来なかった問題である。
【０００９】
最も単純な解決方法は、ノズルからカップの後部までの距離を減らし、カップの先端を流線型にすることである。これは、今までは行われなかったことである。
流線型にすることの一部として、パイプの断面積とブレードに専有される断面積との相互作用関係と、ブレードからパイプへのスペースの形状関係（例えば周囲と中心）とがある。
【００１０】
図２は、対称形状のhalf-globe型のカップ６を示す。中心には分割線が存在しない。これは通常の流体機械では一般的である。これらは、（動きの線に沿って）細い離れた構造体７により保持される。構造体７はシャフトに取り付けられている。
図３はlip-shaped型のカップ８を示す。
図４はperipheral shark 型のカップを示す。前端９は極端に流線型をしている。外側周囲１０は、タービン・チェンバの内側に沿った形状をしている。カップの後部１１は、diamond-shoped型をしているが、前端９よりも広い他の形状も採ることもできる。これらは、細い構造物１２によりシャフトに取り付けられている。
【００１１】
図５はclown smile shark型のカップを表す。この変形例は、鋭い前方断面部１３を有するが、一点になるのではなく広がっており、その外側周囲１４も、タービンのチェンバに近似する形状である。内側周囲１５は湾曲しており、これはタービン・チェンバの形状とほぼ同じ形をしている。その結果、平滑な表面が、タービンの内側で、タービン流体に表れることになる。これは、回転する際に均一の表面を形成する。
【００１２】
図６は、細いperipheral shark型のカップを表す。このカップは、非常に細い前方端１６と細いボディ１７とを有する。隣接するブレードの間のスペース１８は、重量を減らす役目をしている。
図６は、カップのサイズを大幅に減らして、パイプ内の流れを邪魔しないようにしながら、ある機器に対し最小のパワーを得て、そして、圧力を所定量だけ減らす。
【００１３】
図７は、cone型カップを示す。このcone型カップは、鋭角の前端１９と後部カップ２０とを有し、理想的では、前端１９は、後部カップ２０の中に一部が入っている。
図８は、前方バンド２１を具備する楕円形のカップを示す。同図において、１個の細い構造物２２がブレードをシャフトに連結する。これはブレードの設計に必要なものではないが、あらゆる構造で用いることができる。
図９は、shark型カップの形状の部分要素を示す。内側周囲２３と外側周囲２４は、前方で鋭角のポイントで交わる。後部でカップ２５で一部が切り込まれることにより、後部のカップがノズルに近づくようになる。
【００１４】
図１０は、shark型のカップのより多くの部分要素を示す。カップの外側周囲２７と前方端２６とタービンの内側周囲２８とは、前に示したとうりである。
図１０では、カップの後部２９，３０の角度は、別の部分要素である。部分２７と部分２８の間の角度は、ブレードとノズルとの関係と、他のタービンの状態に応じて、調整される。両方の場合とも、後部のカップの方向は、ブレードの前方移動に対し鋭角をなしている。
【００１５】
図１１は、ブレードカップの部分要素番号１を示す。前方のカップ形状３１と後方のカップ形状３２は、一点になるのではなく、厚く段のある形状（platform-like）の領域３３を有する。これらは基本的に類似する形状だからである。
図１２は、ブレードカップの部分要素番号２を示す。前方カップ形状３４と後方カップ形状３５は、異なる曲率の円弧である。
【００１６】
図１３は、ブレードカップ部分要素番号３を示す。前方ポイント３６を有するコーン形状は、非合同のリアカップ３８を有する。ユニークな点は、カップの内側に中空部３７を形成できる点である。前記コーン形状の変形例と同一の技術概念は、３９で示されている。
この様な変形例においては、リアカップとその段部は、後部の断面で、対称形状である。しかし必ずしもその必要はない。
shark型の他のブレードは、内側周囲４２と、外側周囲４３と、リアカップ４４とを有する。このリアカップ４４は、前方の断面では対称ではない。その結果、対称の外側断面４５は、内側の対称断面４６とは同心ではなく、段のある部分４７を、対称ではなくなる。
図１４は、周囲がリングのカップを示す。チューブ状の内側断面４８は、丸められたカップ４９により包囲されている。
【００１７】
上記のことから幾つかの共通の原理が導き出される。内側領域は、開いた状態であり、ブレードの内側半分はフリーである。これは、ブレード形状がある領域では少しオーバーラップし、他の領域では面積を減らすという結果になる場合である。遅い流速領域が内側にある。これは図に示したシミュレーションと一致する。これにより、内側に極流線型したブレードを用い、外側領域が、パイプとその側面チェンバの形状に適合するという技術思想となる。これにより、流体をゆっくりと中心に向かわせる。
それを可視化する良好な方法は、shark型のヘッドの形状である。後端部は、一実施例においては、カップ形状をしており、流体がそれに当たり、その結果ブレードの内側は中空となる。
他の実施例においては、後部のカップ形状は開いた状態にある。後部のくぼみ即ちカップは、浅く、フロントエッジよりも最小部では薄く、これにより、流体源へより近づくことができる。
【００１８】
一変形例では、後部表面２９，３０は、ノズルの方向で、パイプの外側表面に直交する面から最大２０度傾けさせ、これによりより、高い流速を得ることができる（図１）。この構成は、後部表面の角度は、最高流速のベクトルに直交させることである。
【００１９】
図１５は、発電機に連結されたイン・パイプ・プロペラを示す。パイプ５０は、構造物５１を有する。この構造物５１は、プロペラ５２を保持する。周囲にあるリング５３と中心構造物５４は、理想的には円錐台形状をしているが、その中心で流れを集める。
一実施例においては、中央のコーンである中心構造物５４は発電機５５を保持する。一実施例においては、ワイヤがパイプの内側で適宜の場所まで伸びて、他の電力源と結合される、或いは出力される。
【００２０】
ブレードは、ブレードの上方にある構造物により保持されている。この構造物の一例はパイプである。これにより、流速検出器が中心にあるハブ上に配置される。その結果、流れを周辺にかつ対称に偏向する。その理由は、ハブ上の流体の動きは役に立たないからである。ブレードの上流方向への固定と中央にある流速検出器の組み合わせは、周囲にある流速検出器の有無を問わず、独自のものであり、理想的にはそれらは対称でもある。
【００２１】
図１６は、コイルを具備したイン・パイプのプロペラを示す。構造物５８は、パイプ内のプロペラ５７を保持する。一部に漏斗システム５９がある。相違点は、漏斗システムにより保護されているブレードの端部は、マグネット６０とコイル用の外側リング６１とを有する点である。
別のシステムは、ギア又はギア・ベルトに取り付けられたプロペラ・シャフトを具備し、このギア又はベルトは、発電機のシャフトを直接あるいは磁気カップリングを介して回転させる。
下流と上流との間の圧力差を受け入れるために、プロペラの形状とサイズを変える装置及び方法は、ここに開示したとおりである。
【００２２】
図１７は、パイプ内の垂直軸タービン（in-pipe vertical axis turbine）を示す。このタービンは、Ｓ字形状の２枚ブレード６３，６５を示す。Savonius wind 型の中央ギャップを具備した２枚のブレードの変形例を使用することも可能である。シャフトの軸は、垂直方向６２あるいは水平方向６４である。この理由は、理論的な構成ｂ（６４）は、図１のノズルでより良好に作動する。図１のノズルは、タービンの回転と重力が、流体を外側に押し出す。この方向において、底部全体が、その動作方向に増加した流れの領域を収納する。いずれの場合も、ブレードは、必ずしもパイプの断面を近似する必要はなく、通常小さい。
以下に、関連するカップの部分要素を示す。
カップの断面とパイプの断面の関係
カップの周囲位置。
前方構造物の形状、角度、サイズ。
後部構造物の形状、角度、サイズ。
周辺サイドの形状、角度、サイズ。
中央サイドの形状、角度、サイズ。
カップを保持する構造物。
【００２３】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。
【符号の説明】
【００２４】
１  カップ
２  パイプ
３  ノズル
４，５  場所
６  半球のカップ
７  分離された構造体
８  リップ形状のカップ
９  前端
１０  外側周囲
１１  後部
１２  細い構造物
１３  前方断面部
１４  外側周囲
１５  内側周囲
１６  前方端
１７  細いボディ
１８  スペース
１９  フォワードポイント
２０  後部カップ
２１  前方バンド
２２  細い構造物
２３  内側周囲
２４  外側周囲
２５  カップ
２６  前方端
２７  外側周囲
２８  内側周囲
２９，３０  カップの後部
３１，３４  前方のカップ形状
３２，３５  後方のカップ形状
３３  領域
３６  前方ポイント
３７  内側
３８  リアカップ
４２  内側周囲
４３  外側周囲
４４  リアカップ
４５  外側断面
４６  対称断面
４７  段部
４８  内側断面
４９  丸められたカップ
５０  パイプ
５１  構造物
５２  プロペラ
５３  リング
５４  中心構造物
５５  発電機
５８  構造物
５９  集中システム
６０  マグネット
６１  外側リング
６２  垂直方向
６３，６５  ブレード
６４  水平方向
【図１】
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【図２】
2012528273.tif 000004
【図３】
2012528273.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012528273.tif 000009
【図８】
2012528273.tif 000010
【図９】
2012528273.tif 000011
【図１０】
2012528273.tif 000012
【図１１】
2012528273.tif 000013
【図１２】
2012528273.tif 000014
【図１３】
2012528273.tif 000015
【図１４】
2012528273.tif 000016
【図１５】
2012528273.tif 000017
【図１６】
2012528273.tif 000018
【図１７ａ】
2012528273.tif 000019
【図１７ｂ】
2012528273.tif 000020
【国際調査報告】
2012528273.tif 000021