JP2003035247A

JP2003035247A - 波力発電用空気整流装置とタービンシステム

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Publication number: JP2003035247A
Application number: JP2001252141A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Taniguchi; 茂谷口
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2003-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、既に技術が確立し大量生産されてい
る自動車のターボチャージャーのタービン部を利用し、
本発明である空気整流装置で空気流を制御することによ
り、一次吸収装置によってもたらされる圧縮、不圧流を
何方もエネルギーにかえて一定方向回転する非常に安価
で効率の高い波力発電用ターボタービンシステムを提供
する。【構成】ターボチャージャーのタービン部を利用し、ス
クロール（６）に４枚弁（１８）式の空気整流装置の送
風側配管（７）を連結し、通常のタービン空気排出口
（２２）に排出側配管（１４）を連結する。タービンの
同軸上にベアリング部（３）を経て発電機（５）を設置
したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔産業上の利用分野〕この発明は波力発電
に係わり、波力の一次吸収装置によりもたらさせる圧縮
空気と吸引空気を整流し、適時に大気を流入させたり、
排気を行う空気整流装置とタービン連結システムに関す
るものである。

【０００２】〔従来の技術〕従来の波力発電タービンシ
ステムに関しては、ブイの中で２枚弁、４枚弁の開閉に
より作動する軸流タービン、バビンチェフ式衝動タービ
ン、フィリペンココ式衝動タービン、二重ボリュート式
衝動タービン、フラップ．ノーズ式衝動タービン、マコ
ーミック式衝動タービン、貫流形タービン、二重プロペ
ラ形タービン、二重渦巻き形タービン、サボニウスター
ビン、ウェールズタービン等があった。ブイ方式等で使
用された軸流タービンは、弁箱の弁で空気の流れを制御
する際、弁の故障、不良が相次いだ。又、修理の際、中
に入いると気圧の変化が耳などに過酷な状態をもたらし
た。無弁式衝動タービン系は、静翼や案内羽根等多少構
造が複雑であり、現在の所、単純な構造で高速回転する
ウェールズタービンが最も期待されている。複葉式ウェ
ールズタービンや取付け角を有する複葉式タービン、縦
型に二枚配置したダンデムウェールズタービンなど発展
を続けている。又、リンク機構で作動する「自己可変ピ
ッチ案内羽根を有する衝動タービン」の設計法が１９９
５年にほぼ確立され実験されており、将来最も有望視さ
れている。現在世界最高の効率を誇るこのタービンも、
予備実験結果によれば、波のパワー１００ｋＷに対し、
平均パワー出力は１５ｋＷ程度とのこと。案内羽根の保
守の面でも不安と耐久性の確認という問題をかかえてい
る。特許庁の電子図書館に於ける検索結果では、タイシ
ャフトで連結された空気タービン２個と逆支弁により一
定回転する先願が一件見受けられるが、これはターボチ
ャージャーに対する気体の流れとは反対に、通常は空気
排出口にあたる出口から空気を吹き込む構造に成ってお
り、使用方は全く違っている。それ故、スクロールで気
体が絞りこまれ、ベーンで方向性をもたせた空気をター
ビンに吹きつけるといった完成された技術を利用するこ
とが出来ない。又、本発明者も先願で出願したのだが、
タイシャフトに２個のタービンを付け片方を空回りさせ
るという方式は、常に片方が抵抗になるのでタービンと
しての最高効率を引き出す事が出来ない。ターボタービ
ンに付いては、自動車のターボチャージャーとして利用
され一般的に大量生産され普及している。しかしなが
ら、この使用は、排気ガスの高温に晒され、さらにその
回転でコンプレッサーを回すという使命をもっている。
そのため材質の選定が限られたり、コンプレッサーが空
気の抵抗を受けてしまう。空気整流装置に関しては、壮
大な配管経路の中での弁制御とか、ブイ式にあってはブ
イの内部全体を利用して弁制御を行うなど、本発明にお
けるような一箇所で弁制御する空気整流装置というよう
な概念は無かった。そこで、本発明者は先願において圧
縮、不圧だけを制御する空気整流装置を数種発明し出願
しておいた。しかしながら、今回の発明における大気吸
入、圧縮空気排出というような機能はなかった。現在ま
で波力に付いては、色々な発明や設計図面などが見かけ
られるが、何れにせよ、コストを下げ、効率を高めて商
業上採算が合う様にならなければ実験の域を出ることが
できない。

【０００３】〔発明が解決しようとする課題〕本発明
は、そのような欠点を無くす為に、空気整流装置と既に
完成されて大量生産されている自動車のターボチャージ
ャーのタービン部や軸流タービンを利用し、波力発電の
為に非常にシンプルで効率が高くコストの安い波力発電
用空気整流装置とタービンシステムを提供することを課
題にしている。

【０００４】〔課題を解決するための手段〕自動車のタ
ーボチャージャーのタービン部を利用し（コンプレッサ
ー部は撤去する。）、スクロール（６）に４枚弁（１
８）、３枚弁（２１）又は２枚弁（２３）式のいずれか
の空気整流装置の送風側配管（７）を連結し、通常のタ
ービン空気排出口（２２）に排出側配管（１４）を連結
する。タービンの同軸上にベアリング部（３）を経て発
電機（５）を設置する。特に、タービンの空気排出口か
ら不圧による吸引でスクロールに大気を吹き込み、ター
ビンを回すというターボタービンの使用法はかってない
新しい発想に基くものである。ベアリングは通常の汎用
性の高いフルフロートベアリングを使用する事になるの
で、オイルポンプ、オイルパン、フイルター等が必要に
なるが既存の技術なのでここでは省略する。将来は、マ
イクロタービンなどで使用されている空気ベアリング
（フォイルジーナルフォイルベアリング、フォイルスラ
ストベアリング）の利用も試みられるべきであろうと思
っている。又、ターボチャージャーは、通常はエンジン
の高温の排気ガスに晒されるので冷却水の管路を持って
いるが、波力においては熱は発生しないので必要がな
い。空気整流装置に付いては、４弁弁式（図１、２の下
部、請求項６）、３枚弁式（図４のＡ，Ｂ請求項７）、
２枚弁式（図５のＡ，Ｂ請求項８）等を発明している
が、これが過去に例の無い進歩性を持つものであり、単
なる弁の寄せ集めではない。不圧と圧縮だけを制御する
ものは、先願で発明したものだが、請求項１１の参照の
ため図面を載せた（図６）。この先願に比べると、一つ
の空気整流装置で圧縮、不圧はもとより大気の吸入、圧
縮空気の排出までおこなうのでかなり進歩したことにな
る。しかも、４枚弁から始まり３枚弁、２枚弁と弁数を
減らすというように、この発明出願を進める内にも着実
に進歩している。弁の形状に付いては、通常の二枚弁
（図６のＡ）、ボール状の形態の弁（図６のＢ）や、圧
力センサーとスイッチを利用して磁気の吸引や反発を利
用（図６のＣ）する一枚弁式や圧縮、不圧を使うアクチ
ュエーターで開閉させるもの（図６のＤ）もある。現実
は試作実験の結果、空気の圧力差だけで確実に作動す
る。

【０００５】〔作用〕本発明は以上の様な物なので、空
気式であれば一次変換装置の形式を問はず波の持つ力を
最大限に発揮する事ができる。ブイ式であっても閉鎖し
たブイの空気出入り口に配管することで同様の効果をだ
せる。作用を図１にて説明すれば、圧縮時、空気整流装
置の空気出入り口（１２）に一次吸収装置から圧縮空気
（１３）が送られ、空気整流装置内右側の不圧時用逆支
弁（１０）を開け、圧縮時用逆支弁（１６）を閉じる。
その際大気吸入弁（８）は内圧により閉じられる。圧縮
空気は送風側配管（７）スクロール（６）を経てタービ
ン（２）を回し、排出側配管（１４）を経て圧縮空気排
出弁（１５）を開け外に排出される。不圧時、一次吸収
装置が空気整流装置の空気出入り口から強烈に空気を引
き込むので、空気整流装置を含む管路、タービン内は不
圧になる。結果、空気整流装置内の左側圧縮時用逆支弁
は下方に引かれて開かれ、右側の不圧時用逆支弁はスト
ッパーに引きつけられ閉鎖される。圧縮時空気排出弁は
大気に押され（不圧により引きつけられ）閉じられる。
又、大気吸入弁が大気の圧力（不圧による吸引）によっ
て開放され、大気が送風側配管から吹きつけスクロー
ル、タービン、排出側配管、空気整流装置を通り抜け、
一次吸収装置に吸引される。（図２）（請求項１）尚、
本図面は、タービンと空気整流装置と発電機の位置関係
に空気の流れを分かりやすく示したものなので、実際の
配管は曲げるとかエルボとかを入れて空気整流装置は水
平に設置したほうが、弁の自重が無くなるので適してい
る。管内の僅かな摩擦を考えれば、大気吸入弁はスクロ
ールの側に、圧縮空気排出弁はタービンの空気排出口の
側に設置したほうが良い場合もある（請求項１０、１
１））。このタービンの同軸上に、フルフロートベアリ
ングを経て発電機を設置する。又、通常一次吸収装置の
上部は狭く絞りこまれ、管路を抜けスクロールもカタツ
ムリ管と言われる様に根元が太く、段々細く絞り込まれ
るので風速は非常に早くなる。従ってタービンの回転速
度は高速回転になるので、発電機はマイクロタービン等
で使用されている高速発電機が適すると思われる。これ
までは４枚弁式の空気整流装置に付いて説明してきた
が、３枚弁式に付いて述べる。不圧時用逆支弁を大気吸
入弁と兼用するので、圧縮時は不圧時用逆支弁としては
圧縮空気に押され開く、大気流入弁としては閉じる。圧
縮空気排出弁は、管内の圧縮空気により押され開放され
る（図４のＡ）。不圧時は、不圧時用逆支弁として閉
じ、大気吸入弁としては開いて大気を吸い込む。この
際、圧縮空気排出弁は管内の不圧により引きつけられ閉
鎖することにより大気は一次吸収装置に吸引される。従
って４枚弁と全く同じ効果を発揮出来る。（図４のＢ）
（請求項２）これにより弁１枚の節約、空気整流装置の
小型化ということで僅かでもコストの削減といった効果
がある。更に、２枚弁は、圧縮空気排出弁と圧縮時用逆
支弁を１枚の弁にして中央のヒンジで自由に動くように
した。当然不圧時用逆支弁と大気吸入弁は兼用できるの
で２枚の弁で上記と同じ効果を上げる事ができる。図５
のＡは、圧縮時の空気の流れである。左の圧縮時用逆支
弁と圧縮空気排出弁を兼ねる弁（２６）が、押されて管
路を塞いでいる。その際、圧縮空気排出弁としては開放
されている。圧縮流は右の不圧時用逆支弁と大気吸入弁
を兼ねる弁を押し倒して大気流入口を塞ぎタービンに向
かって回転を与え、排出側配管を抜けて排出される。図
５のＢは不圧時である。不圧時用逆支弁と大気吸入弁を
兼ねる弁（２０）が管内の不圧に引かれ管路を塞ぎ大気
流入口を開ける。大気流入口から引き込まれた大気が、
送風側配管、スクロールを通ってタービンを回し、排出
側管路を抜け空気出入り口から一次吸収装置に吸引され
る。その際、圧縮時用逆支弁と圧縮空気排出弁を兼ねる
弁は不圧に引かれ（圧縮空気排出弁は大気に押され）横
たわり、管路を開けて圧縮空気排出口である開口部を塞
ぐ（請求項３）。少しでも可動部分が少ないと故障の発
生を軽減できる。以上により、圧縮時、不圧時共タービ
ンに対する管内に於ける空気の流れは同じになるので、
圧縮、不圧に係わらず一定方向回転する波力用ターボタ
ービンシステムとなる。又、空気整流装置の送風側配管
と排出側配管を連結して管路内の内部に軸流タービンを
設置する方法（請求項５）に付いては、本発明の空気整
流装置にあっては、以上述べて来たように圧縮時も不圧
時も送風側配管から排気側配管を抜けて排気又は吸引さ
れ、一定方向に空気が流れるので、軸流タービンも常に
一定方向回転する、軸流タービンは多段式であっても、
ガイドベーンが付いていても予算との関係だけで、効率
の為には良い。（図３は圧縮時の空気の流れを示してい
る。不圧時の図面は省略、図５のＢを参照の事。）

【０００６】〔実施例〕本発明は以上述べてきたよう
にＯＷＣ振動水柱式一次吸収装置によりもたらされる圧
縮、負圧流を整流装置にて利用し何方もエネルギーに替
え、効率良く発電するものである。いずれも空気整流装
置で圧縮流と負圧流を仕分けし、大気吸入弁と圧縮空気
排出弁を組み合わせ、一つのターボタービン（又は軸流
タービン）で一定方向回転を起こす事が出来る。同軸上
に二つの空気タービンを置いて交互に使用するものなど
に比べ、片方を空回りさせる抵抗が無い分効率が高い上
にシンプルである。空気整流装置に付いては、個別に配
管やスクロール入り口に逆支弁を設置していっても同様
の効果を上げることは出来るが、空気整流装置をバラシ
て弁の位置を離したにに過ぎず、配管の位置関係は変わ
らないので本発明の範囲内である（請求項１０、１
１）。又、空気整流装置そのものが本発明における進歩
性であるので、そのタービンとの間における配管経路自
体も発明となる（請求項９）。結局本発明の核心は、３
種の空気整流装置とタービン回りの配管路と言うことに
なるが、これらの空気整流装置のおかげで空気流を制御
する為の壮大な配管が節約できる。つまり、一次吸収装
置の空気出入り口と、空気整流装置付きタービンシステ
ムの空気出入り口を連結すれば設置が完了し、現場に於
ける配管経路の設計や施工が省略できる。一次吸収装置
とタービンシステムの関係が非常にシンプルになる。又
設置にあたっては、海岸線や防波堤の上に建設された建
屋に設置する事もあるが、インバーター等の電子機器等
も組み込んだパッケージセットとして提供する場合もあ
る。その際は、パッケージを始めから風雪雨に耐えうる
構造にすると建屋を建設する必要が無くなり、現場にお
ける工事のスピードアップや経済性を高める（請求項
５）。ターボタービンにあってはベーンレスの場合可変
ターボの技術（タービン側のノズルの絞りを空気量に応
じて変化させる。）とか可変ノズルタービン（ベーンを
採用している場合）、バリアブルノズル型、可変ウイン
グ式とかの空気量に応じて制御することのできる既存の
技術を必要に応じて役立てることができる。一次吸収装
置が大規模で空気室が大きい場合は、大型のタービンを
制作しなくてはならなくなるが、その際にはタービンや
スクロールなども熱が掛からないので、融点が低く加工
がしやすく塩害に強いアルミの５０００番系やアルブラ
ックなどの合金なども利用できる。空気整流装置も鋳
鉄、合金ダイキャスト、熱がかからないのでＦＲＰなど
の高分子系などで出来るだけ滑らかに抵抗なく空気が
出入り出来るように設計されるべきで、タービンハウジ
ングと一体になってもなんら差し支えない。又、波力
は、圧縮時の頂点、負圧時の最下点で一瞬のタイムラグ
が起きる場合があり、タービンやシャフトに充分な慣性
力がないと失速する恐れがあるので、フライホイールも
必要になる場合がある。

【０００７】〔発明の効果〕本発明は現在まで人類が獲
得し、しかも長年に渡って改良実用化してきた実績のあ
るタービン技術を基に、コンプレッサーを撤去した代わ
りに発電機を設置し、空気整流装置による空気の制御を
加えただけで一次吸収装置から送られる圧縮、不圧流を
何方もエネルギーに変えて一定方向回転させることに成
功した。それ故、一次吸収装置への設置が容易な上にタ
ービンに於ける信頼性や効率は保証済であり実用化が促
進される。フルフロートベアリングもターボチャージャ
ーでは当たり前の普及された技術で高速回転に向く。高
熱がかからないのでターボチャージャーに比べてオイル
の劣化も少ない。コンプレッサーが無いので空気抵抗が
無く、通常のターボチャージャーよりは当然の事ながら
高効率になる。冷却水の回路も不要なのでシンプルでも
ある。ターボチャージャーのタービンやスクロール及び
周辺の部品は、自動車産業界が大量生産で生産している
ので非常に安価に求める事ができるのも利点である。現
在世界一の効率と言われている「自己可変ピッチ案内羽
根を有する衝動タービン」に比べてみても、既に実績の
あるターボチャージャーのタービンは技術的に信頼がお
け、保守や耐久性に対する不安も解消される。軸流ター
ビンに関しては、ジェットタービンやガスタービンなど
の技術を生かす事が出来、シュラウドや軸端シールなど
漏れ防止の技術やガイドベーンとか多段式とかの効率を
上げる技術なども利用していくことが出来る。ターボチ
ャージャーや軸流タービンは、既にあらゆる面で研究さ
れているので基礎的な研究が大幅に省略出来るし、各メ
ーカー、大学、研究所等にも風洞実験室など実験態勢が
整っているのも利点である。空気整流装置は空気の流れ
を制御するものであるが、弁を配管の所々にバラバラに
設置するよりも、保守や管理の面でも一箇所にまとまっ
ている方が全体の作動状況を把握しやすく管理し易い。
なによりも空気整流装置付きのタービンパッケージセッ
トがあれば、一次吸収装置の空気出入り口と空気整流装
置の空気出入り口を連結すればセットが完了するという
ところにあり、現場に於ける経済性を発揮する。又、海
岸線に設置しなくてはならないという本発明の性格上、
コンピュータ回路で遠隔管理しなくてはならない場合も
多くなると思われるが、そのような場合のセンサーの取
り付けや管理する際にも利点になる。弁の故障に際して
も修理が楽で、元々シンプルな構造である上に空気圧の
変化で確実に作動するので、機構として信頼がおける。
ブイ式の場合は、弁の故障のさいブイの中に入っての過
酷な修理が必要になったと言われているが、そのような
必要もなくなる。以上述べてきたように、本発明空気整
流装置は、シンプルなもので構成されており、タービン
も波力という特殊なタービンとしては、基本的に既製品
を利用するので性能が高く保証されているにもかかわら
ず安いので、システム全体としても非常にコストを下げ
ることが可能である。そのような意味でも、本発明はそ
の分電気の製造コストを下げるという効果を持ち貢献す
ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明波力用ターボタービンと４枚弁式空気整
流装置の圧縮時の空気の流れを示す断面図である。

【図２】本発明波力用ターボタービンと４枚弁式空気整
流装置の不圧時の空気の流れを示す断面図である。

【図３】２枚式空気整流装置と軸流タービンの配置と圧
縮時の空気の流れを示す断面図である。

【図４のＡ】本発明３枚弁式空気整流装置の圧縮時の弁
の作動を示す図である。

【図４のＢ】本発明３枚弁式空気整流装置の不圧時の弁
の作動を示す図である。

【図５のＡ】本発明２枚弁式空気整流装置の圧縮時の弁
の作動を示す図である。

【図５のＢ】本発明２枚弁式空気整流装置の不圧時の弁
の作動を示す図である。

【図６のＡ】圧縮、不圧だけを制御する２枚弁式空気整
流装置の断面図。

【図６のＢ】圧縮、不圧だけを制御するボール状の弁を
持つ空気整流装置の断面図。

【図６のＣ】圧縮、不圧だけを制御する圧力センサーと
磁気で作動する１枚弁式空気整流装置の断面図。

【図６のＤ】圧縮、不圧を利用するアクチュエーターで
作動する圧縮不圧だけを制御する空気整流装置の断面
図。

【符号の説明】

（１）はタービン部ケーシング（２）はタービン
（３）はベアリング部（４）は軸（５）は発電機（６）はスクロール
（７）は送風側配管（８）は大気吸入弁（９）は開口部（１０）は不圧
時用逆支弁（１１）はストッパー（１２）は空気出
入口（１３）は圧縮時空気の流れ（１４）は排出側
配管（１５）は圧縮時空気排出弁（１６）は圧縮時
用逆支弁（１７）はヒンジ（１８）は４枚弁式空気整流装置
（１９）は不圧時空気の流れ（２０）は不圧時用逆支
弁と大気吸入弁を兼ねる弁（２１）は３枚弁式空気整
流装置（２２）はタービンの空気排出口（２３）は
２枚弁式空気整流装置（２４）は軸流タービン（２
５）はガイドベーン（２６）は圧縮時用逆支弁と圧縮
空気排出弁を兼ねる弁（２７）はボール状の弁（２
８）は一枚弁式（２９）はアクチュエーター（３
０）はスライド式弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ターボタービンに、４枚弁を持つ空気整
流装置の送風側配管をタービンスクロールに、排出側配
管をタービンの空気吹き出し口にそれぞれ配管した波力
発電用ターボタービン。
【請求項２】ターボタービンに、３枚弁を持つ空気整
流装置の送風側配管をタービンスクロールに、排出側配
管をタービンの空気吹き出し口にそれぞれ配管した波力
発電用ターボタービン。
【請求項３】ターボタービンに、２枚弁を持つ空気整
流装置の送風側配管をタービンスクロールに、排出側配
管をタービンの空気吹き出し口にそれぞれ配管した波力
発電用ターボタービン。
【請求項４】請求項１、２、３、の空気整流装置の送
風側配管と排出側配管を連結し、管路内に軸流タービン
を設置した波力用タービン。
【請求項５】請求項１、２、３、４のタービンとタイ
シャフトで連結される発電機と共にパッケージして提供
される波力発電用タービンシステム。
【請求項６】負圧時用逆支弁、圧縮時用逆支弁、大気
吸入弁、圧縮空気排出弁の４枚の弁からなる空気整流装
置。
【請求項７】負圧時用逆支弁と大気吸入弁を兼ねる
弁、圧縮時用逆支弁、圧縮空気排出弁の３枚の弁からな
る空気整流装置。
【請求項８】負圧時用逆支弁と大気吸入弁を兼ねる
弁、圧縮時用逆支弁と圧縮空気排出弁を繋げた弁の２枚
の弁からなる空気整流装置。
【請求項９】請求項１、２、３、４における空気整流
装置とターボタービンの配管経路に関する方式。
【請求項１０】請求項６、７、８の弁を空気整流装置
内に入れこまず、請求項９の配管の中にそれぞれ設置す
る方法。
【請求項１１】圧縮、不圧だけを制御する空気整流装
置を使用し、大気吸入弁を送風側配管に、圧縮空気排出
弁を排出側配管に設置する方法。