JP6871625B2 - 発電装置及び吸気装置 - Google Patents

Description

本発明は、液流を用いて発電を行う発電装置、及び、液流を用いて吸気を行う吸気装置に関するものである。

発電装置としては、風力発電や水力発電などの各種発電方法を用いた装置が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

風力発電では、風の力を利用して発電を行うため、風が生じていない状態では発電を行うことができない。したがって、風力発電には、連続的に発電を行うことができないという課題がある。

一方、水力発電では、一般的に大きな高低差を利用するため、大きな設備が必要となる。小さな高低差で水力発電を行うことも可能ではあるが、その場合、発電規模は小さくなり流水中の異物を取り除いたり、増速機のような消耗する機械の維持管理の負担が便益に見合わないことが多い。また増速機の機械損失が生じるため発電効率が落ちることがある。また形式によっては発電部が浸水するリスクがあるという課題がある。

特開昭５８−１８５６９号公報

上記のように、従来の発電装置では、風力においては連続的に発電を行うことができない、水力においては流水中の異物の処理、消耗する機械の維持管理、増速機の機械損失による発電電力の低下、発電部の浸水のリスクという課題があった。また、発電装置に限らず、外気を吸気するための吸気装置においても、電源を必要とせず連続的に安定した吸気を行うことができるような構成が望まれている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、連続的に吸気を行い、発電を行うことができる発電装置を提供することを目的とする。また、本発明は、流水中の異物の処理や消耗する機械の維持管理を軽減し、かつ発電部の浸水のリスクを低減した発電を行うことができる発電装置を提供することを目的とする。また、本発明は、電源を用いずに連続的に安定した吸気を行うことができる吸気装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る発電装置は、外気の吸気口を有する本体を備える。前記発電装置は、液流を用いて前記本体内を負圧にすることにより、前記吸気口から外気を吸い込ませて発電する。

このような構成によれば、液流を用いて直接発電を行うのではなく、液流を用いて本体内に外気を吸い込ませ、その外気の流れを用いて発電を行うことができる。したがって、川などの常に液流がある場所に本発明の発電装置を設置すれば、連続的に吸気を行い、発電を行うことができる。

（２）前記発電装置は、前記吸気口から外気が吸い込まれることにより回転する気流回転体をさらに備えていてもよい。この場合、前記発電装置は、液流を用いて前記本体内を負圧にすることにより、前記吸気口から外気を吸い込ませ、それに伴う前記気流回転体の回転により発電してもよい。

このような構成によれば、液流を用いて本体内に外気を吸い込ませ、その外気の流れを用いて気流回転体を回転させることにより発電を行うことができる。これにより、液流を用いて回転体を直接回転させるよりも流水中の異物の処理や消耗する機械の維持管理を軽減し、かつ発電部の浸水のリスクを低減して効率よく気流回転体を回転させて発電を行うことができる。また前記吸気口の大きさを調整し外気の流速を早くすることで、気流回転体の回転速度を上げることが可能であり、低落差の水力発電で用いられる増速装置を省略することができ、消耗する機械の維持管理を低減することができる。また増速機を用いた場合の効率より水力を風力に変換する効率が勝る条件においてはより効率の高い発電ができる。

（３）前記発電装置は、液流により回転する液流回転体をさらに備えていてもよい。この場合、前記発電装置は、前記吸気口から外気を吸い込ませることによる発電に加え、前記液流回転体の回転により発電してもよい。

このような構成によれば、液流を用いて気流回転体及び液流回転体を回転させ、それぞれの回転により発電を行うことができるため、より多様な発電特性を有する発電装置となる。またそれぞれの発電機に接続する電力負荷を変化させることで液流回転体、気流回転体、吸気量のより複雑な調整が可能となる。

（４）前記発電装置は、前記液流回転体の回転に対する負荷を調整する電気的もしくは動力的な負荷調整機構をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、液流回転体の回転に対する負荷を調整することにより、液流を制御することができる。例えば発電装置を水門に設置した場合、水門を通過する液流により液流回転体を回転させて発電を行うことができるとともに、液流回転体に対する負荷を大きくすれば、水門を通過する液流を減少又は遮断させ、水門としての機能を実現することができる。また同様の負荷調整により吸気能力も調整することができる。

（５）前記吸気口から吸い込まれる外気が、液体中に気泡となって取り込まれてもよい。

このような構成によれば、河川などで使用した場合、水中に気泡となって取り込まれる外気により曝気が起きることで微生物による水中の有機物の分解が進み、流水を浄化することができる。これにより、浄化装置としての機能を発電装置に付加することができる。

（６）本発明に係る吸気装置は、外気の吸気口を有する本体と、液流により回転する液流回転体とを備える。前記吸気装置は、液流により前記液流回転体を回転させ、前記本体内を負圧にすることにより、前記吸気口から外気を吸い込ませる。

このような構成によれば、液流を用いて液流回転体を回転させ、本体内を負圧にすることにより、電源を用いずに吸気を行うことができる。また、川などの常に液流がある場所に本発明の吸気装置を設置すれば、連続的に安定した吸気を行うことができる。

本発明に係る発電装置によれば、液流を用いて本体内に外気を吸い込ませ、その外気の流れを用いて発電を行うことにより、連続的に吸気を行い、発電を行うことができる。また前記吸気口の大きさを調整し外気の流速を早くすることで、気流回転体の回転速度を上げることが可能であり、低落差の水力発電で用いられる増速装置を省略することができ、消耗する機械の維持管理を低減することができる。また増速機を用いた場合の効率より水力を風力に変換する効率が勝る条件においてはより効率の高い発電ができる。
また、本発明に係る吸気装置によれば、液流を用いて液流回転体を回転させ、本体内を負圧にすることにより、電源を用いずに連続的に安定した吸気を行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る発電装置の斜視図である。 図１の発電装置の正面図である。 図２の発電装置のＡ−Ａ断面図である。 発電装置の設置例を示した概略図である。 本発明の第２実施形態に係る発電装置の斜視図である。 図５の発電装置の正面図である。 図６の発電装置のＢ−Ｂ断面図である。 発電装置の設置例を示した概略図である。

１．発電装置の第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る発電装置１の斜視図である。図２は、図１の発電装置１の正面図である。図３は、図２の発電装置１のＡ−Ａ断面図である。図４は、発電装置１の設置例を示した概略図である。この発電装置１は、円筒状の本体２を備えており、当該本体２を液中に設置することにより、その液流を用いて発電を行うことができる。本体２は、川などの水の中に設置されてもよいし、水以外の液体の中に設置されてもよい。

本体２の一方の端面は、第１端面壁２１により覆われている。また、本体２の他方の端面は、第２端面壁２２により覆われている。第１端面壁２１には、流入口２３が形成されており、当該流入口２３から本体２内に液体を流入させることができる。第２端面壁２２には、流出口２４が形成されており、本体２内の液体は当該流出口２４から流出する。すなわち、この発電装置１は、流入口２３から本体２内を介して流出口２４へと流れる液体の液流を用いて、発電を行うことができるようになっている。

本体２内には、流入口２３から流入する液体の液流により回転する液流回転体３が設けられている。液流回転体３は、円筒状の軸部３１と、軸部３１の外周面に形成された羽根部３２とを有している。軸部３１は、本体２の中心軸線に沿って延びる回転軸３３に対して同軸上に取り付けられている。回転軸３３の両端部は、本体２の外部に設けられた軸受３４により、それぞれ回転可能に保持されている。

羽根部３２は、軸部３１の外周面に対して螺旋状に形成されている。具体的には、羽根部３２は、軸部３１の一端部から他端部まで、均一な高さで軸部３１の外周面上を螺旋状に延びている。羽根部３２の基端縁は軸部３１の外周面に結合され、羽根部３２の先端縁は本体２の内周面に対向している。羽根部３２の先端縁と本体２の内周面との隙間は非常に小さく、羽根部３２を挟んで軸線方向に隣り合う空間３５同士で液体が容易に流れ込むのを防止できるようになっている。

図２に示すように、流入口２３は、本体２の円形の端面における下半分に対向する領域内に設けられている。したがって、流入口２３から本体２内に流入する液体は、本体２内における中心軸線よりおおよそ下側の領域を通って流出口２４側へと送られ、流出口２４から本体２の外部に流出する。より具体的には、本体２内の中心軸線よりも下側の領域において羽根部３２を挟んで軸線方向に隣り合う複数の空間３５内に、それぞれ液体が溜まった状態となり、液流により羽根部３２が流出口２４側に押されて液流回転体３が回転する。この液流回転体３の回転に伴って、各空間３５内の液体が流出口２４側へと順次送られる。

第１端面壁２１には、本体２の円形の端面における上半分に対向する領域内に吸気口２５が形成されている。この吸気口２５は、本体２内に外気を取り込むための開口である。液流によって液流回転体３が回転すると、本体２内が負圧となり、吸気口２５から外気が吸い込まれる。吸気口２５から本体２内に吸い込まれた外気は、本体２内の中心軸線よりも上側の領域において、羽根部３２を挟んで軸線方向に隣り合う複数の空間３６内を通って、第２端面壁２２側から排気される。

吸気口２５の近傍には、気流回転体４が設けられている。気流回転体４は回転可能に保持されており、吸気口２５から本体２内に吸い込まれる外気の風力によって回転する。発電装置１は、気流回転体４の回転に伴って発電を行う発電部（図示せず）を備えている。このように、本実施形態に係る発電装置１は、液流を用いて本体２内を負圧にすることにより、吸気口２５から外気を吸い込ませ、それに伴う気流回転体４の回転により発電を行うことができるようになっている。

流入口２３は、本体２の円形の端面における下半分に対向する領域内において、回転軸３３を中心とする円弧状に形成されることにより、大きく開口している。一方、吸気口２５は、流入口２３よりも小さい開口であり、本体２の円形の端面における上半分に対向する領域内において、できるだけ流入口２３から離した位置に形成されている。

図４に示すように、流入口２３は、当該流入口２３に流入する液体の液面６よりも低い位置に設けられ、吸気口２５は、流入口２３に流入する液体の液面６よりも高い位置に設けられている。気流回転体４は、吸気口２５の近傍に設けられることにより、流入口２３に流入する液体の液面６よりも高い位置に設けられている。ただし、吸気口２５に連通する配管内に気流回転体４を設けるような構成の場合には、気流回転体４は吸気口２５の近傍に設けられていなくてもよい。

本実施形態では、液流を用いて直接発電を行うのではなく、液流を用いて本体２内に外気を吸い込ませ、その外気の流れを用いて発電を行うことができる。したがって、川などの常に液流がある場所に本実施形態の発電装置１を設置すれば、連続的に吸気を行い、発電を行うことができる。また、本体２内に吸い込まれる外気の流れを利用することにより、発電部を液流から遠ざけることができ、発電部が液流に接触するリスクを低減できる。

特に、本実施形態では、液流を用いて本体２内に外気を吸い込ませ、その外気の流れを用いて気流回転体４を回転させることにより発電を行うことができる。吸気口２５の大きさを調整し外気の流速を早くすることで、気流回転体４の回転速度を上げることが可能であり、低落差の水力発電で用いられる増速装置を省略することができ、消耗する機械の維持管理を低減することができる。また増速機を用いた場合の効率より水力を風力に変換する効率が勝る条件においてはより効率の高い発電ができる。なお、図４に示すように、発電装置１の設置位置には、多少の高低差があることが好ましい。

上記発電部（図示せず）は、気流回転体４の回転に伴う発電に加え、液流回転体３の回転により発電を行うものであってもよい。この場合、液流を用いて気流回転体４及び液流回転体３を回転させ、それぞれの回転により発電を行うことができるため、より多様な発電特性を有する発電装置となる。またそれぞれの発電機に接続する電力負荷を変化させることで液流回転体３、気流回転体４、吸気量のより複雑な調整が可能となる。

また、図３に示すように、回転軸３３には負荷調整機構５により電気的、機械的に負荷を作用させることができる。負荷調整機構５は、回転軸３３への抵抗を変化させることにより、液流回転体３の回転速度を調整することができる。このように液流回転体３の回転速度を調整することにより、液流を制御することができる。例えば発電装置１を水門に設置した場合、水門を通過する液流により液流回転体３を回転させて発電を行うことができるとともに、液流回転体３に対する負荷を大きくすれば、水門を通過する液流を減少又は遮断させ、水門としての機能を実現することができる。また同様の負荷調整により吸気能力も調整することができる。

なお、発電装置１ではなく、吸気装置として上記のような構成を採用することも可能である。すなわち、液流により液流回転体３を回転させ、本体２内を負圧にすることにより、吸気口２５から外気を吸い込ませる吸気装置として機能させることができる。この場合、気流回転体４は省略されてもよい。

２．発電装置の第２実施形態
図５は、本発明の第２実施形態に係る発電装置１０１の斜視図である。図６は、図５の発電装置１０１の正面図である。図７は、図６の発電装置１０１のＢ−Ｂ断面図である。図８は、発電装置１０１の設置例を示した概略図である。この発電装置１０１は、矢形状の本体１０２を備えており、当該本体１０２を液中に設置することにより、その液流を用いて発電を行うことができる。本体１０２は、川などの水の中に設置されてもよいし、水以外の液体の中に設置されてもよい。

本体１０２は、円筒状の軸部１２１と、軸部１２１の外周面に形成された羽根部１２２とを有するホウキ型に形成されている。羽根部１２２は、軸部１２１の軸線方向における一端部に設けられている。羽根部１２２は、軸部１２１を中心として周方向に複数設けられており、互いに等間隔を隔てて配置されることにより、隣り合う羽根部１２２の間に空間１２３が形成されている。

各羽根部１２２の基端縁は軸部１２１の外周面に結合され、各羽根部１２２は軸部１２１の径方向に真っ直ぐ延びている。各羽根部１２２の先端縁は、尖った形状に形成されている。このような本体１０２の構成により、液中のゴミなどが各羽根部１２２に引っ掛かりにくく、かつ、各羽根部１２２が液流を阻害するのを防止することができる。この例では、側面視三角形状の羽根部１２２が６つ設けられているが、羽根部１２２の形状及び数は任意である。

各羽根部１２２内にはスリット１２４が形成されており、各スリット１２４が本体１０２の軸部１２１内に連通している。本体１０２は、各羽根部１２２が液中に挿入された状態で保持される。これにより、各空間１２３を液流が通過するときに、ベルヌーイの定理に基づいて各スリット１２４から軸部１２１内の空気が引き出され、本体１０２内が負圧となる。これらスリット１２４を放射状に設けることで、液流とスリット１２４の接触部分を大きくし、引き出す空気量を大きくすることができる。

軸部１２１の軸線方向における他端部には、吸気口１２２が形成されている。この吸気口１２２は、本体１０２の軸部１２１内に外気を取り込むための開口である。液流によって本体１０２内が負圧になると、吸気口１２２から外気が吸い込まれる。吸気口１２２から本体１０２内に吸い込まれた外気は、軸部１２１内を通って各羽根部１２２のスリット１２４から排気される。

吸気口１２２の近傍には、気流回転体１０４が設けられている。気流回転体１０４は回転可能に保持されており、吸気口１２２から本体１０２内に吸い込まれる外気の風力によって回転する。発電装置１０１は、気流回転体１０４の回転に伴って発電を行う発電部（図示せず）を備えている。このように、本実施形態に係る発電装置１０１は、液流を用いて本体１０２内を負圧にすることにより、吸気口１２２から外気を吸い込ませ、それに伴う気流回転体１０４の回転により発電を行うことができるようになっている。

図８に示すように、本体１０２の各羽根部１２２は、液体の液面１０６よりも低い位置に設けられ、吸気口１２２は、液体の液面１０６よりも高い位置に設けられている。気流回転体１０４は、吸気口１２２の近傍に設けられることにより、液体の液面１０６よりも高い位置に設けられている。ただし、吸気口１２２に連通する配管内に気流回転体１０４を設けるような構成の場合には、気流回転体１０４は吸気口１２２の近傍に設けられていなくてもよい。

本実施形態においても、液流を用いて直接発電を行うのではなく、液流を用いて本体１０２内に外気を吸い込ませ、その外気の流れを用いて発電を行うことができる。したがって、川などの常に液流がある場所に本実施形態の発電装置１０１を設置すれば、連続的に吸気を行い、発電を行うことができる。また、本体１０２内に吸い込まれる外気の流れを利用することにより、発電部を液流から遠ざけることができ、発電部が液流に接触するリスクを低減できる。

特に、本実施形態では、液流を用いて本体１０２内に外気を吸い込ませ、その外気の流れを用いて気流回転体１０４を回転させることにより発電を行うことができる。吸気口１２２の大きさを調整し外気の流速を早くすることで、気流回転体１０４の回転速度を上げることが可能であり、低落差の水力発電で用いられる増速装置を省略することができ、消耗する機械の維持管理を低減することができる。また増速機を用いた場合の効率より水力を風力に変換する効率が勝る条件においてはより効率の高い発電ができる。なお、図８に示すように、発電装置１０１の設置位置には、多少の高低差があることが好ましい。

本実施形態では、各スリット１２４が液体の液面１０６よりも低い位置に設けられている。そのため、吸気口１２２から本体１０２内に取り込まれて各スリット１２４から排気される外気は、液体中に気泡となって取り込まれる。したがって河川などで利用した場合、水中に気泡となって取り込まれる外気により、曝気が起きることで微生物による水中の有機物の分解が進み、流水を浄化することができる。これにより、浄化装置としての機能を発電装置１０１に付加することができる。

３．その他の変形例
本発明に係る発電装置又は吸気装置の構成は、上述のような構成に限られるものではなく、他の各種構成を採用することができる。例えば、軸部３１，１２１を中心に羽根部３２，１２２が設けられた構成に限らず、ベルトコンベアのような構成を採用してもよいし、吸気口２５，１２２の位置も特に限定されるものではない。

また、例えば液体が流れる管を本体として、その管の途中部に外気の吸気口を形成してもよい。このような構成によれば、管内を液体が流れることにより管内が負圧となり、その結果、吸気口から外気が吸い込まれて発電されることとなる。この場合、吸気口に接続された外気の流路に気流回転体が設けられていてもよい。また、管（本体）における吸気口が形成された領域は、他の領域よりも内径が小さいことが好ましい。これにより、吸気口の近傍における管内（本体内）の流速を速くすることができるため、より効率よく発電を行うことができる。

１ 発電装置
２ 本体
３ 液流回転体
４ 気流回転体
５ 負荷調整機構
６ 液面
２１ 第１端面壁
２２ 第２端面壁
２３ 流入口
２４ 流出口
２５ 吸気口
３１ 軸部
３２ 羽根部
３３ 回転軸
３４ 軸受
３５ 空間
３６ 空間
１０１ 発電装置
１０２ 本体
１０４ 気流回転体
１０６ 液面
１２１ 軸部
１２２ 吸気口
１２２ 羽根部
１２３ 空間
１２４ スリット

Claims (11)

1. 外気の吸気口を有する本体を備え、
   液流を用いて前記本体内を負圧にすることにより、前記吸気口から外気を吸い込ませて発電し、
   前記本体は、円筒状の軸部と、前記軸部の外周面に形成された羽根部とを有し、前記羽根部に形成されたスリットから液流を用いて前記軸部内の空気が引き出されることにより、前記本体内が負圧になることを特徴とする発電装置。
2. 液体の流入口及び外気の吸気口を有する円筒状の本体と、
   液流により回転する液流回転体とを備え、
   液流を用いて前記本体内を負圧にすることにより、前記吸気口から外気を吸い込ませて発電し、
   前記吸気口から外気を吸い込ませることによる発電に加え、前記液流回転体の回転により発電し、
   前記液流回転体は、軸部と、前記軸部の外周面に形成された螺旋状の羽根部とを有し、前記軸部を中心に回転可能に保持されており、
   前記流入口から前記本体内に流入する液体が、前記本体内の中心軸線よりも下側の領域を通過可能であり、
   前記吸気口から前記本体内に吸い込まれる外気が、前記本体内の前記中心軸線より上側の領域を通過可能であることを特徴とする発電装置。
3. 前記吸気口は、前記中心軸線よりも上側に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
4. 前記吸気口は、前記流入口よりも小さいことを特徴とする請求項２又は３に記載の発電装置。
5. 前記液流回転体の回転に対する負荷を調整する負荷調整機構をさらに備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の発電装置。
6. 前記吸気口から外気が吸い込まれることにより回転する気流回転体をさらに備え、
   液流を用いて前記本体内を負圧にすることにより、前記吸気口から外気を吸い込ませ、それに伴う前記気流回転体の回転により発電することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電装置。
7. 前記吸気口から吸い込まれる外気が、液体中に気泡となって取り込まれることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電装置。
8. 液体の流入口及び外気の吸気口を有する円筒状の本体と、
   液流により回転する液流回転体とを備え、
   液流により前記液流回転体を回転させ、前記本体内を負圧にすることにより、前記吸気口から外気を吸い込ませ、
   前記液流回転体は、軸部と、前記軸部の外周面に形成された螺旋状の羽根部とを有し、前記軸部を中心に回転可能に保持されており、
   前記流入口から前記本体内に流入する液体が、前記本体内の中心軸線よりも下側の領域を通り、
   前記吸気口から前記本体内に吸い込まれる外気が、前記本体内の前記中心軸線より上側の領域を通ることを特徴とする吸気装置。
9. 前記吸気口は、前記軸部の外周面よりも上側に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の吸気装置。
10. 前記吸気口は、前記流入口よりも小さいことを特徴とする請求項８又は９に記載の吸気装置。
11. 外気の吸気口を有する本体を備え、
    前記本体の近傍を流れる液体の液流により、前記本体内を負圧にすることで、前記吸気口から外気を吸い込ませ、
    前記本体は、円筒状の軸部と、前記軸部の外周面に形成された羽根部とを有し、前記羽根部に形成されたスリットから液流を用いて前記軸部内の空気が引き出されることにより、前記本体内が負圧になることを特徴とする吸気装置。

Images