JP2015004278A - 排気エネルギー回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電の元となる上昇気流を安定した状態に保持しつつ、風車へ作用する気流を確保し、これによって、効率がよく安定した発電を行なうことのできる排気エネルギー回収装置を提供することを課題とする。
【解決手段】排気が低所から流入し、この排気を高所において大気へ放出する排気塔１と、この排気塔の下方に連通され、この排気塔内における前記排気の上昇気流によって外気を吸引する吸気管５と、この吸気管の上流側に連設されて、この吸気管によって吸引される外気流によって回転させられる風車６と、この風車によって回転駆動される発電機７とからなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は排気エネルギー回収装置に係わり、特に、加熱された排気の熱エネルギーを、前記加熱された排気の気流を利用して発電を行なうことにより、この排気の熱エネルギーを回収するようにした排気エネルギー回収装置に関するものである。

一般に、気体の流動性を利用したエネルギー回収装置として、前記気体としての自然の風を利用して大きな風車を回転させ、この風車の回転を発電機に伝達して発電を行なうことにより、前記風のエネルギーを回収するようにした、いわゆる風力発電が知られている。

このような風車を用いた風力発電においては、自然の風を利用しているが、この自然の風の風量や風向が一定でないことから、発電量にばらつきが生じ、電力の供給が安定しないという問題点がある。

このような問題点を改善する方法として、たとえば、特許文献１あるいは特許文献２に記載されているようなエネルギー回収装置が提案されている。

前者のエネルギー回収装置は、高層ビルに、低層階部位から屋上まで連通する垂直な風路を設け、この風路の低層階部分に空気取り入れ口を設けるとともに、屋上近傍に開口部を設け、さらに、前記風路内の所定階毎に風力発電機とその回転羽根を設置して構成したものである。

そして、前記空気が加熱空気であると、前記風路の空気取り入れ口に流入した空気密度が外気に比して小さく、これによって前記空気に浮力が生じ、前記風路内に上昇気流を生じさせ、この上昇気流によって前記各回転羽根を回転させ、この回転を用いて前記風力発電機において発電を行なうようにしている。

また、後者のエネルギー回収装置は、煙突内にその長さ方向に沿ってスパイラルファンを装着し、前記煙突の下部に連続して形成された吸気路内に発電機を設置し、前記吸気路の壁部を貫通して設置された回転伝達機構を介して、前記スパイラルファンの回転を前記発電機に伝達するようにしたものである。

そして、この技術も、前記煙突内に生成される加熱空気の上昇気流によって、前記煙突内に設けられているスパイラルファンを回転させるとともに、その回転を、回転伝達機構を介して前記発電機へ伝達して発電を行なうようにしている。

このような何れの技術も、加熱気体を排出する施設、たとえば、焼却施設や火力発電施設等に好適に適用される。

実用新案登録第３１５３０１５号公報 特開２００９−１２１４５１号公報

しかしながら、前述した技術においても、なお、つぎのような改善すべき点が残されている。

すなわち、前述した何れの技術においても、風路（煙突）の吸気口から排出口に至る上昇気流の流れの中に、前記回転羽根やスパイラルファンを設置していることから、前記上昇気流の大きな抵抗となるばかりでなく、この気流を大きく乱してしまい、回転羽根やスパイラルファンの効率的な回転が阻害され、また、これらの回転が不安定なものとなる。

この結果、発電効率の低下や、発電量が不安定なものとなるという不具合が生じるおそれがある。

また、前記スパイラルファンや風力発電機を風路（煙突）内に配置することにより、これらの機器の大きさや重量が、前記風路や煙突の形状によって規制されてしまい、使用できる発電機が制約されてしまう。

さらに、前述した上昇気流を形成する気体は高温であるために、前述した何れの技術においても、発電に使用される機器の全てが高温にさらされることとなり、その耐久性が損なわれるか、あるいは、高価な機器となる。

また、発電に使用される機器の保守・点検や交換を行なう場合、前記風路への排気の流入を停止すべく、併設されている施設の稼働をも停止させる必要があるが、このような作業時の施設の稼働停止により、この施設の稼働率を低下させてしまう懸念もある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、発電の元となる上昇気流を安定した状態に保持しつつ発電装置へ作用する気流を確保し、これによって、効率がよく安定した発電を行ない、また、発電に用いられる機器の諸元が、上昇気流を生成する手段に左右されることを回避し、さらに、前記上昇気流が、発電に用いられる機器に直接作用することを防止して、その耐久性を向上させることのできる排気エネルギー回収装置を提供することを解決課題とする。

前述した課題を解決するために、本発明の排気エネルギー回収装置は、加熱された排気を放出する施設に併設されて、前記排気の熱エネルギーを回収するようにした排気エネルギー回収装置であって、前記排気が低所から流入し、この排気を高所において大気へ放出する排気塔と、この排気塔の下方に連通され、この排気塔内における前記排気の上昇気流によって外気を吸引する吸気管と、この吸気管の上流側に連設されて、この吸気管によって吸引される外気流によって回転させられる風車と、この風車によって回転駆動される発電機とからなることを特徴とする。

このような構成とすることにより、排気塔において上昇気流が生成されると、その流れに引き込まれるようにして、前記排気塔の低所において、前記吸気管を介して外気が吸引される。

ここで、前記外気を吸引する前記吸気管の上流側に、発電に用いられる風車と発電機が設けられていることにより、前記吸気管を介して引き込まれる外気の気流によって前記風車が回転させられるとともに前記発電機において発電される。

したがって、前記施設からの排気の熱エネルギーが前記発電機による発電によって電気エネルギーとして回収される。

そして、前記排気は、前記排気塔内を上昇するのみで、前記風車や発電機に直接作用するようなことはなく、また、前記排気塔内に、前記排気の流れに対して抵抗となる機器はない。

これによって、前記上昇気流は、前記排気塔からの抵抗が常に一定に保持され、安定した均一な流れとなる。

一方、前述したように前記上昇気流が安定した状態に保持されることから、これによって引き込まれる前記吸気管内の外気の流れも安定する。
したがって、この外気の気流によって作動される風車の回転ならびに発電機の作動も安定したものとなり、安定した発電量を確保することができる。

前記発電に用いられる風車や発電機は、前記吸気管を介して前記排気塔の外部に離間して設けられるものであるから、これらの機器の形状が排気塔の形状に左右されることがなく、前記風車や発電機等を自由な諸元の元に作成することができる。

また、前記上昇気流の温度が高温である場合であっても、この上昇気流が前記風車や発電機に直接作用することがないことから、これらの風車や発電機の耐久性を損なうことはない。

したがって、排気エネルギー回収装置の健全性を長期にわたって保持することができるとともに、排気温度を極力高めて発電効率の向上や発電量の増加を容易に行なうことができる。

さらに、前記風車や発電機といった機器の保守・点検ないしは交換のための作業を行なう際に、前記排気塔へ吸引される前記機器内の気流を停止させる必要があるが、この気流を停止させた場合でも、前記排気塔内の排気の流れを停止させる必要はない。

したがって、併設されている施設の稼働を止めることなく前述した作業を行なうことができ、この施設の稼働率に影響を与えることはない。

本発明の好ましい形態として、前記風車と前記発電機との間に、両者の接続および切り離しを行なうクラッチ機構を設ける。

このような構成とすることにより、前記風車と前記発電機との接続状態を解除することにより、前記風車の回転を止めることなく、前記発電機の保守・点検作業、若しくは、交換作業を行なうことができる。

また、本発明の好ましい形態として、前記風車と前記発電機との間に、前記風車の回転を変速して前記発電機へ伝達する変速機構を設けることが挙げられる。

このような構成とすることにより、前記発電機に伝達される前記風車の回転力を前記変速機構によって調整して、前記風車において発生する回転力と、前記発電機への負荷とを適正に調製することができる。

これによって、前記風車において発生させられる回転力を、前記発電機の駆動に最適な駆動力に変換し、効率のよい発電を行なうことができる。

本発明によれば、発電の元となる上昇気流を安定した状態に保持しつつ、風車へ作用する安定した気流を確保し、これによって、効率がよく安定した発電を行ない、また、発電に用いられる機器の諸元が、上昇気流を生成する手段に左右されることのない、さらに、前記上昇気流が、発電に用いられる機器に直接作用することを防止して、その耐久性を向上させることのできる排気エネルギー回収装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の全体構成を示す一部を断面した斜視図である。 本発明の他の実施形態の全体構成を示す一部を断面した斜視図である。 本発明のさらに他の実施形態の全体構成を示す一部を断面した斜視図である。

以下、本発明の一実施形態について図１を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態の全体構成を示す斜視図であり、加熱された排気を排出する施設Ｂに併設され、前記排気による上昇気流を生成する排気塔１と、この排気塔１の下部に連設された発電ユニット２とを備えている。

前記施設Ｂは、たとえば、焼却施設や火力発電施設等であり、前記排気塔１の下部に、排気ダクトＤにより連通させられている。

前記排気塔１は、その下部に、前記施設Ｂから延設された前記排気ダクトＤの一端が接続された吸気部３が設けられ、上端に、高所の外気に開放された排気部４が設けられている。

前記発電ユニット２は、前記排気塔１の下部に、前記排気塔１の内部と連通させられた状態で接続され、かつ、前記排気塔１の外部へ延設された吸気管５と、この吸気管５に、前記排気塔１の外部において接続された風車６と、この風車６によって回転駆動される発電機７とを備えている。

前記排気塔１の内部で、前記吸気部３の上部には、前記排気塔１の内径を漸次狭めることによって形成されたオリフィス部Ｚが設けられ、このオリフィス部Ｚに対応して、前記吸気管５の一端部が取り付けられている。

すなわち、前記吸気管５は、前記排気塔１の周壁の、前記オリフィス部Ｚと前記吸気部３との間の部位において貫通して敷設され、その一端部が、前記排気塔１の中心部において前記排気部４へ向けて折曲されるとともに、その先端部が前記オリフィス部Ｚの最小径部近傍に位置させられている。

前記吸気管５に連設されている前記風車６は、ケーシング８内に回転自在に装着された構成となっており、このケーシング８には、その内部に外気を引き込む風導入管９が設けられ、さらに、この風導入管９には、引き込まれる外気に含まれる粉塵等を除去するフィルター１０が装着されている。

そして、前記ケーシング８に前記風導入管９を経て引き込まれた外気は、前記ケーシング８内の風車６に作用した後に、前記吸気管５から前記排気塔１内に引き込まれるようになっており、この外気がケーシング８内を通過する間に、前記風車６を回転させるようになっている。

前記風車６と前記発電機７との間には、本実施形態では、クラッチ機構および変速機構とからなる回転伝達機構１１が介装されており、前記クラッチ機構によって、前記風車６と発電機７との接続およびその解除を行ない、また、前記変速機構によって、前記風車６の回転を変速して前記発電機７へ伝達するようになっている。

本実施形態においては、前記吸気管５、風車６、発電機７、ケーシング８、風導入管９、フィルター１０、回転伝達機構１１によって発電ユニット２が構成されている。

このように構成された本実施形態に係わる排気エネルギー回収装置は、前記施設Ｂから排出される加熱された排気が、前記排気ダクトＤおよび吸気部３を経て前記排気塔１の内部下方へ流入させられる。

このように、加熱された排気が前記排気塔１の下部に流入すると、前記排気の密度が熱のために小さくなっており、これに起因して発生する浮力によって、前記排気が前記排気部４へ向かって上昇し、これによって、前記排気塔１内に上昇気流が生成される。

ここで、前記排気塔１は、その内部に、前述した上昇気流の流れに対して抵抗となる部材が存在せず、このため、均一な上昇気流が生成される。

このように、前記排気塔１内において上昇気流が生成されると、この上昇する気体が前記オリフィス部Ｚを通過する際に（図１に実線矢印で示す）、このオリフィス部Ｚにおいて圧力降下を生じさせ、このオリフィス部Ｚに大気圧より低い圧力の負圧領域を形成する。

このようにして前記オリフィス部Ｚが負圧状態となると、このオリフィス部Ｚの近傍に位置されている前記吸気管５の先端に負圧が作用し、この吸気管５内の気体が前記排気塔１内へと吸引され（図１に破線矢印で示す）、その内部の気体とともに上昇気流を生成しつつ、前記排気部４から外気へ放出される。

そして、前記吸気管５内の気体が前記排気塔１内に吸引されると、これに伴って、前記ケーシング８内の圧力が低下することから、このケーシング８内に、前記フィルター１０および風導入管９を経て外気が吸い込まれる。

これによって、前記フィルター１０から風導入管９、前記ケーシング８、および、吸気管５を経て前記排気塔１内へ至る気流が生じ、前記ケーシング８内を流れる気体によって前記風車６が回転させられ、この風車６の回転が、前記回転伝達軸１１を経て前記発電機７へ伝達されることにより、この発電機７が回転駆動させられて発電が行なわれる。

この結果、排気の熱エネルギーが、前記発電機７において発生させられる電力に変換されて回収される。

本実施形態においては、前記排気塔１と前記発電ユニット２とを吸気管５を介して連結し、前記発電ユニット２の主要構成部材を前記排気塔１から独立して設置した構成となっている。

これによって、前記発電ユニット２は、前記施設Ｂや前記排気塔１の形状や寸法等に係わらず、独立した諸元の元に製作することができ、その設計の自由度が極めて大きく、適切な諸元の排気エネルギー回収装置とすることができる。

ところで、本実施形態においては、前記風車６と前記発電機７との間にクラッチ機構を備えた回転伝達機構１１を設けてある。
このクラッチ機構により、前記風車６が回転状態にある場合においても、この風車６と前記発電機７との間の回転伝達を遮断することができるので、この発電機７の保守点検時等において、前記風車６の稼働状態に左右されることなく作業を行なうことができる。

また、前記回転伝達機構１１が変速機構を備えている。
この変速機構は、前記風車６の回転を変速して前記発電機７へ伝達するようにしたもので、この変速比を適宜設定することにより、前記風車６から前記発電機７へ加えられる駆動力を適切なものに調製して、この発電機７の稼働状態を安定化することができる。

さらに、前記風車や発電機といった機器の保守・点検ないしは交換のための作業を行なう際に、前記排気塔へ吸引される前記機器内の気流を停止させる必要があるが、この気流を停止させた場合でも、前記排気塔内の排気の流れを停止させる必要はない。

したがって、併設されている施設の稼働を止めることなく前述した作業を行なうことができ、この施設の稼働率に影響を与えることはない。

なお、前記実施形態において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。

たとえば、前記実施形態においては、前記吸気管５の先端を、前記排気塔１の中心部において上方へ折曲形成することにより、この先端を、前記オリフィス部Ｚに位置させた例について示したが、これに代えて、図２に示すように、前記吸気管５の先端を、前記オリフィス部Ｚの最小径部に開口させるように設置することも可能である。

また、図３に示すように、前記排気塔１を、前記排気ダクトＤと連続した内塔１ａと、この内塔１ａを、空間Ｓをおいて取り巻くように設けられた外塔１ｂとによって構成しておき、前記吸気管５を前記外塔１ｂの下部に接続した構成とすることも可能である。

この実施形態においては、前記施設Ｂから排出される加熱気体は、前記排気ダクトＤから、前記内塔１ａの下部に設けられている吸気部３を経て前記内塔１ａ内に流れ込み、その熱によって上昇して排気部４から外気へ放出される。

そして、前記加熱気体が前記内塔１ａ内を上昇する間に、この内塔１ａの壁面を介して前記空間Ｓ内の気体を暖め、これによって、前記空間Ｓ内に上昇気流を生じさせる。

このような空間Ｓ内の上昇気流により、前記外塔１ｂに接続されている吸気管５を介して外気が吸い込まれた後に上方へ押し上げられ、前記排気部４から外気へ放出される。

このような吸気管５を介して吸い込まれる外気の流れによって、前記風車６の回転および発電機７における発電が行なわれる。

そして、前述した内塔１ａと外塔１ｂとからなる排気塔１は、一般的な煙突構造であることから、前述した発電ユニットを、既存の外塔１ｂの下部に接続することによって、エネルギー回収装置を容易に構築することができる。

１ 排気塔
１ａ 内塔
１ｂ 外塔
２ 発電ユニット
３ 吸気部
４ 排気部
５ 吸気管
６ 風車
７ 発電機
８ ケーシング
９ 風導入管
１０ フィルター
１１ 回転伝達機構
Ｂ 施設
Ｄ 排気ダクト
Ｓ 空間
Ｚ オリフィス部

前述した課題を解決するために、本発明の排気エネルギー回収装置は、加熱された排気を放出する施設に併設されて、前記排気の熱エネルギーを回収するようにした排気エネルギー回収装置であって、前記施設に設けられ、この施設から放出される前記排気を高所において放出する排気塔の下部に、外気を導入する吸気管を連設し、この吸気管に、この吸気管を流れる前記外気によって回転させられる風車を設けるとともに、この風車に、その回転によって駆動される発電機を接続してなることを特徴とする。

前述した課題を解決するために、本発明の排気エネルギー回収装置は、加熱された排気を放出する施設に併設されて、前記排気の熱エネルギーを回収するようにした排気エネルギー回収装置であって、前記施設に設けられ、この施設から放出される前記排気を高所において放出する排気塔の下部に、外気を導入する吸気管を連設し、この吸気管に、この吸気管を流れる前記外気によって回転させられる風車を設けるとともに、この風車に、その回転によって駆動される発電機を接続してなり、かつ、前記風車と発電機は前記吸気管を介して前記排気塔の外部に離間して設けていることを特徴とする。

Claims (2)

1. 加熱された排気を放出する施設に併設されて、前記排気の熱エネルギーを回収するようにした排気エネルギー回収装置であって、前記排気が低所から流入し、この排気を高所において大気へ放出する排気塔と、この排気塔の下方に連通され、この排気塔内における前記排気の上昇気流によって外気を吸引する吸気管と、この吸気管の上流側に連設されて、この吸気管によって吸引される外気流によって回転させられる風車と、この風車によって回転駆動される発電機とからなることを特徴とする排気エネルギー回収装置。
2. 前記風車と前記発電機との間に、両者の接続および切り離しを行なうクラッチ機構と、前記風車の回転を変速して前記発電機へ伝達する変速機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気エネルギー回収装置。
   
   

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