JP2006144587A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体輸送管路の内部を流れる液体の圧力と流速の運動エネルギーを回転運動に変換して発電することにより、設備コストが安価で稼動コストが少なく、しかも、天候等の条件に左右されることなく効率的に発電することができる発電方法を提供する。
【解決手段】流体輸送管路１の途中に、この管路１内を流れる液体によって回転が付与される羽根車２を設置し、この羽根車２の回転を増速機構３と増速回転伝達手段４で増速して発電機５を駆動することにより発電する。
【選択図】図１

Description

この発明は、流体輸送管路の内部を流れる流体（以下、液体という）のエネルギーを利用して羽根車を回転させ、この回転で発電機を駆動して発電するようにした発電装置に関する。

例えば、各種工場の施設において、給排水管やプラント配管のような、内部を一定の流速で各種液体が流れる流体輸送管路が多く存在し、また、これと同様、内部を液体が流れる流体輸送管路のような給排水管、冷却用水管、洗浄用水管、その他の目的による液体等の存在として、公共施設、大型店舗、ホテルやマンション等を挙げることができる。

通常、これらの流体輸送管路は、液体の輸送を目的とし、給排水、冷却、洗浄、その他の目的に対して使用されているのであり、内部を流れる液体の持つ運動エネルギーは全く利用されていないのが現状である。

ここで、従来の大規模な発電方法としては、水力発電、火力発電、原子力発電等があり、また、この発明が対象とする比較的小規模設備の発電方法として、太陽光発電、風力発電等がある。

ところで、この発明が対象とする比較的小規模設備において、太陽光発電や風力発電は天候等の条件に大きく左右され、夜間や無風時には作動しないので有効な稼働時間が短く、このため、発電能率が悪いという問題がある。

また、比較的小規模設備といっても太陽光発電や風力発電の実施には、設置場所に制約があると共に、設備コストが高くつくことになり、投資する経費の割りに発電能率が低いという問題がある。

そこで、この発明の課題は、流体輸送管路の内部を流れる液体の持つ運動エネルギーに着目し、この液体の運動エネルギーを回転運動に変換して発電することにより、提供する発電設備が標準化して量産化ができるため、設備コストが安くその上稼動コストが少なく、しかも、天候等の条件に左右されることなく効率的に発電することができる発電装置を提供することにある。

上記のような課題を解決するため、請求項１の発明は、流体輸送管路の途中に、流体輸送管路と接続するケーシング内に納まり、前記管路からケーシング内を流れる液体によって回転が付与される羽根車を設置し、このケーシングの羽根車に対する上流側の位置に流速を速くするベンチュリー機構を設け、前記羽根車の回転を増速機構で増速して発電機を駆動するようにした構成を採用したものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、上記増速機構が、羽根車に同軸心となるよう固定したインナー歯車と、このインナー歯車に噛み合せた出力軸の平歯車によって形成され、出力軸と発電機の入力軸を直結もしくは増速回転伝達手段で連動することにより、羽根車の回転を発電機に増速して伝えるようになっている構成を採用したものである。

請求項３の発明は、流体輸送管路の途中に、流体輸送管路と接続するケーシング内に納まり、前記管路からケーシング内を流れる液体によって回転が付与される羽根車を設置し、このケーシングの羽根車に対する上流側の位置に流速を速くするベンチュリー機構を設け、前記羽根車の回転をクランク機構で取出し、これを増速して発電機を駆動するようにした構成を採用したものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れかの発明において、上記羽根車は、回転軸の周囲に液体圧を受ける多数の羽根板を一定間隔の配置で設けて形成され、この羽根車を略半径の羽根板に流体の流れが作用するようケーシング内に設置した構成を採用したものである。

この羽根車に設けた羽根板は、受圧面側が液体の圧力を受けやすく、背面側が抵抗の発生が少ない形状に形成され、この羽根車を流体輸送管路内の液体流れに対して略半径が臨む配置とすることで、液体の運動エネルギーが効率よく水車の回転に変換されるようになっている。

請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れかの発明において、上記ベンチュリー機構の内周面に、羽根車へ向かう流体を旋回させる螺旋ガイドを設けた構成を採用したものである。

ここで、上記流体輸送管路としては、各種工場の施設において、給排水管やプラント配管のほか、これと同様、内部を液体が流れる流体輸送管路として、工事現場、水道設備、公共施設、大型店舗、ホテルやマンション等の給水管、排水管、冷却用水管、洗浄用水管、給湯用管等を挙げることができる。

この発明によると、流体輸送管路の途中に、この管路内を流れる液体によって回転が付与される羽根車を設置し、この羽根車の回転を増速機構で増速して発電機を駆動することにより発電するようにしたので、流体輸送管路の内部を流れる液体の持つ運動エネルギーを羽根車の回転運動に変換し、これを増速して発電することにより、少ない稼動コストで発電することができ、しかも、管路の途中に羽根車を組み込むだけでよいので、設備コストが安くつき、液体の流れがあれば発電できるので天候等の条件に左右されることなく効率的に発電することができる。

また、流体輸送管路の液体で羽根車を回転させるので、流体輸送管路本来の給、排水機能を全く阻害することがなく、流体輸送管路のあらゆる箇所から低コストでクリーンな電力を得ることができる。

更に、羽根車の回転を増速機構で増速して発電機を駆動するので、発電機を駆動するための回転トルクを上げると共に、発電機の回転数を増やすことで十分な発電量を得ることができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１（ａ）と（ｂ）はこの発明の発電装置Ａを用いた発電方法の基本構成を示し、液体が圧送される流体輸送路１の途中に、この管路１内を流れる水流によって回転が付与される羽根車２を設置し、この羽根車２の回転を増速機構３と必要に応じて増速回転伝達手段４で増速して発電機５を駆動することにより発電するようにしたものである。

図２は、発電装置Ａの第１の実施の形態として缶胴型を示し、ケーシング６が筒状のストレートな水流通路７の途中に略半円形の羽根車収納部８を設けて形成され、流体輸送管路１の分断した部分に前記水流通路７の両端を接続することによって流体輸送管路１の途中に組み込み、水流通路７が流体輸送管路１の一部を構成するようになっていると共に、上記羽根車２は、このケーシング６内に回転可能に収納されている。

この羽根車２は、図２や図４のように、二枚の円形側板２ａと、この円形側板２ａ間に一定の間隔で配置した多数枚の円板２ｂと、円形側板２ａと円板２ｂの間及び各円板２ｂの対向面間にそれぞれ配置した多数の羽根板２ｃを、軸方向に貫通する結合ピン２ｄで重なり状に結合して組み立て、これをケーシング６で回転可能に支持された回転軸９に固定した構造になっている。

図３（ｂ）は、羽根車２の他の例を示し、二枚の円形側板２ａ間に多数の羽根板２ｃを周方向に一定の間隔で配置し、これを結合ピン、ビス、皿ビス、ボルト等（図示省略）で結合し、上記円板２ｂを省略したような構造にしたものである。

上記羽根車２の羽根板２ｃは、回転軸９を中心として半径方向に放射状で回転方向に一定間隔となるよう配置され、水流通路７内を流れる水流を受ける受圧面側が水流の圧力を受けやすく、背面側が水流に対して抵抗の発生が少ない形状に形成され、この羽根車２は、ケーシング６内に、水流通路７を流れる水流に対して略半径が浸漬するような配置とし、液体の運動エネルギーが効率よく羽根車２の回転に変換されるようになっている。

この発明の発電装置Ａは、水平、傾斜をもった流体輸送路１に取付けを行い、図２（ａ）のように、上記ケーシング６において、羽根車収納部８の上半部内に圧力調整弁１０を有する圧力空気の供給路１１を接続し、流体輸送管路１の羽根車２よりも上流側に、圧力計１２と圧力空気の制御盤１３を接続し、この制御盤１３を前記圧力調整弁１０と電気的に接続し、圧力調整弁１０を制御することで、羽根車収納部８の上半部内に流体輸送管路１の管内圧力より少し下げた圧力空気を供給し、羽根車収納部８の上半部内に圧力空気を入れて空間を保ち、羽根車２の回転に対する抵抗の発生を低減することができるようにしている。

上記ケーシング６の水流通路７で羽根車２に対する上流側の位置に、水流の流速を速くするベンチュリー機構１４を設け、羽根車２の回転速度を向上させるようにしている。

図２に示すベンチュリー機構１４は、水流通路７に端部から別体のベンチュリー管１５を挿入し、ケーシング６と流体輸送管路１及びベンチュリー管１５をフランジ構造で結合している。このような別体のベンチュリー管１５の採用は、流体輸送管路１内の流速に合わせて取り替えができるという利点がある。

図５（ａ）と（ｂ）に示すベンチュリー機構１４は、断面円形の流体輸送管路１とケーシング６の羽根車収納部８が角型の場合の接続において、水流の流れを円滑にするようにしたものであり、水流通路７の内周にベンチュリー部１５ａを一体に設け、このベンチュリー部１５ａの内径を前半の上流側は円形にし、下流側となる後半の内径は羽根車収納部８の角型に向けて、円形から角型に滑らかに移行する面に形成している。

図１（ａ）は、上記増速機構３を示し、羽根車２の円形側板２ａにインナー歯車１６を同軸心となるよう固定し、上記回転軸９と平行する出力軸１７を支持台で軸受を介して水平に支持し、この出力軸１７に固定した平歯車１８をインナー歯車１６に噛み合せることによって形成され、出力軸１７とその近傍に配置した発電機５の入力軸を直結し、羽根車２の回転を発電機５に増速して伝えるようになっている。

図１（ｂ）は、増速機構３に更に増速回転伝達手段４を組み合わせた例を示し、出力軸１７と発電機５の入力軸を、チェーンとスプロケットやベルトとプーリ、複数組の歯車等で連動することにより、羽根車２の回転を発電機５に対して更に増速して伝えるようになっている。

図３（ａ）は、発電装置Ａの第２の実施の形態として９０°エルボ型を示し、この発電装置Ａは、水平、傾斜をもった流体輸送路１に取付けを行い、第１の実施の形態のケーシング６における水流通路７を９０°の角度で弧状に屈曲させた以外は、第１の実施の形態と同様の構造を有している。なお、この第２の実施の形態では、圧力調整弁を取付ける必要がない。

図６は、発電装置Ａの第３の実施の形態として軸流型を示し、両端を流体輸送管路１の途中に接続する円筒状ケーシング１９の途中に、内径を小径に絞ったベンチュリー部２０を形成し、この円筒状ケーシング１９内に回転軸２１を複数の軸受機構２２による支持によって同軸心状に配置し、回転軸２１のベンチュリー部２０内に位置する部分に、水流によって回転を得るためのプロペラ型の羽根車２３を取付け、回転軸２１の回転をクランク機構２４でケーシング１９の外部に取出し、増速機構３を介して発電機５を駆動するようになっている。

上記クランク機構２４は、回転軸２１の途中にクランク２５を設け、このクランク２５に一端を連結したクランクロッド２６の他端と、円筒状ケーシング１９の周壁を水密状態で軸方向に移動可能となるよう貫通する直進ロッド２７の内端を、折れ曲がり可能なジョイントで連結し、図６（ｃ）のように回転軸２１の回転によって直進ロッド２７が往復動するようにし、図６（ｂ）のように円筒状ケーシング１９の外部に配置した回転円板２８の偏心位置と直進ロッド２７の他端をロッド２９で連結し、直進ロッド２７の往復動で回転円板２８が連続回転をするようになっている。

なお、直進ロッド２７の往復運動でロッド２９を介して回転円板２８を回転させるとき、死点が生じないよう、図６（ｂ）のように、直進ロッド２７の軸心延長線と回転円板２８の回転軸心とは少し変位させたオフセット構造になっている。

上記回転円板２８の回転を取出して発電機５を駆動する増速機構３は、図１で示したものと同様の構造を採用すればよい。

また、上記円筒状ケーシング１９の内周面には、ベンチュリー機構の内周もしくはその上流側に、羽根車２３へ向かう水流を羽根車２３の回転方向に旋回させる螺旋ガイド１９ａを設けている。

なお、各実施の形態において、発電装置Ａは、流体輸送管路１の途中に複数台を適宜間隔で並べた多連状の配置としたり、また、羽根車２が破損した場合に流体輸送管路１の休止をさせないために、流体輸送管路１にバイパス管を設け、このバイパス管に発電装置Ａを開閉弁と組み合わせて組込むようにしてもよい。

ここで、図７乃至図１０は、上記流体輸送管路１の種類とその途中への発電装置Ａの組み込みの幾つかの例を示している。

図７は、各種工場の施設の例を示し、機械３０の冷却水タンク３１と機械３０をつなぐ冷却水配管３２、工業用水配管３３と接続した受水槽３４と薬品混合槽３５及び冷却水タンク３１をつなぐ給水配管３６、工業用水配管３３に設けたバイパス管３７、冷却水タンク３１と排水管３８をつなぐ排水パイプ３９のそれぞれの途中に発電装置Ａを組み込むようにしている。

図８（ａ）は、マンション、ホテル、大型ビル等の排水管４０、図（ｂ）はポンプアップされた水を蓄える受水槽４２に接続された給水管４３の途中に発電装置Ａを組み込むようにしている。

図９は、工事現場の例を示し、（ａ）はトンネル４４のポンプアップされた水を収納する貯留槽４５の排水管４６、（ｂ）はシールド掘進工事の湧き水を泥水プラント４７にポンプアップする泥水管４８、（ｃ）は建築現場層の湧き水を貯める貯留槽４９の排水管５０のそれぞれの途中に発電装置Ａを組み込むようにしている。

図１０（ａ）は水道施設の例を示し、上部取水場５１と下部取水場５２をつなぐ水道管５３の途中に、（ｂ）は水管橋５４で支持した水道管５５の途中にそれぞれ発電装置Ａを組み込むようにしている。

この発明の発電装置は上記のような構成であり、圧力と流速を持つ液体の運動エネルギーを利用するため、内部を液体が流れる流体輸送管路１の所望の位置に発電装置Ａを組み込み、その羽根車２と発電機５を増速機構３及び増速回転伝達手段４を介して連動しておく。

上記流体輸送管路１内を水流が流れることにより、この水流の流圧を受けた羽根車２は流速に対応した速度で回転し、羽根車２に固定したインナー歯車１６が回転することでこれに噛み合う平歯車１８によって出力軸１７が増速回転し、回転時のトルクを上げると共に、更に、出力軸１７の回転を増速回転伝達手段４で発電機５に伝えることにより、発電機５は高速回転して発電することになり、この発電機５の発電による電力は、例えば整流器や制御装置を介して蓄電装置に蓄え、インバータで交流に変換して各種電気機器や照明、工事現場の機器等の電源として使用する。

ちなみに、発電条件の一例としては、流体輸送管路１のパイプ呼び径１５０Ａにおいて、管内流速（管内限界沈澱流速）を２．８ｍ／ｓｅｃ、管内面積を４９．４５６ｃｍ^２、羽根車２の外周を９４．２ｃｍ、増速比を１：６に設定すると、羽根車２の回転数は２．９７回／ｓｅｃ、発電機５の回転数は１７．８回／ｓｅｃとなり、発電量は２．９１ＫＷ（Ｍ）となる。

（ａ）と（ｂ）はこの発明の発電装置を用いた発電方法を示す模式図 （ａ）は発電装置の第１の実施の形態として缶胴型を示す縦断正面図、（ｂ）は同横断平面図、（ｃ）は羽根車と増速機構の関係を示す拡大した横断平面図 （ａ）は発電装置の第２の実施の形態として９０°エルボ型を示す縦断正面図、（ｂ）は羽根車と増速機構の関係を示す斜視図 （ａ）は羽根車の要部構造を示す拡大した横断平面図、（ｂ）は同じく斜視図 （ａ）発電装置に設けるベンチュリー機構の他の例を示す拡大した縦断正面図、（ｂ）は（ａ）の矢印ｂ−ｂに沿う縦断側面図 （ａ）は発電装置の第３の実施形態として軸流型を示す縦断正面図、（ｂ）は同上に用いたクランク機構の一部を示す側面図、（ｃ）はクランク機構におけるクランクの回転運動を直線運動に変換する部分の作動説明図 この発明の発電装置の使用場所として各種工場の施設を示す説明図 （ａ）はこの発明の発電装置の使用場所としてマンション、ホテル、大型ビルの排水管の例を示す説明図、（ｂ）は同じくポンプアップされた水を蓄える受水槽が接続された給水管の例を示す説明図 （ａ）はこの発明の発電装置の使用場所として工事現場のトンネルの例を示す説明図、（ｂ）はシールド掘進工事の泥水管の例を示す説明図、（ｃ）は建築現場層の湧き水を貯める貯留槽の排水管の例を示す説明図 （ａ）はこの発明の発電装置の使用場所として水道施設の例を示す説明図、（ｂ）は同じく水管橋で支持した水道管の例を示す説明図

符号の説明

１ 流体輸送管路
２ 羽根車
３ 増速機構
４ 増速回転伝達手段
５ 発電機
６ ケーシング
７ 水流通路
８ 羽根車収納部
９ 回転軸
１０ 圧力調整弁
１１ 圧力空気の供給路
１２ 圧力計
１３ 制御盤
１４ ベンチュリー機構
１５ ベンチュリー管
１６ インナー歯車
１７ 出力軸
１８ 平歯車
１９ 円筒状ケーシング
２０ ベンチュリー部
２１ 回転軸
２２ 軸受機構
２３ プロペラ型の羽根車
２４ クランク機構
２５ クランク
２６ クランクロッド
２７ 直進ロッド
２８ 回転円板
２９ ロッド

Claims (5)

1. 流体輸送管路の途中に、流体輸送管路と接続するケーシング内に納まり、前記管路からケーシング内を流れる流体の圧力と流速により回転が付与される羽根車を設置し、この羽根車に対する上流側の位置に流速を速くするベンチュリー機構を設け、前記羽根車の回転を増速機構で増速して発電機を駆動するようにしたことを特徴とするクリーンな電力を得る発電装置。
2. 上記増速機構が、羽根車に同軸心となるよう固定したインナー歯車と、このインナー歯車に噛み合せた出力軸の平歯車によって形成され、出力軸と発電機の入力軸を直結もしくは増速回転伝達手段で連動することにより、羽根車の回転を発電機に増速して伝えるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のクリーンな電力を得る発電装置。
3. 流体輸送管路の途中に、流体輸送管路と接続するケーシング内に納まり、前記管路からケーシング内を流れる流体の圧力と流速により回転が付与される羽根車を設置し、この羽根車に対する上流側の位置に流速を速くするベンチュリー機構を設け、前記羽根車の回転をクランク機構で取出し、これを増速して発電機を駆動するようにしたことを特徴とするクリーンな電力を得る発電装置。
4. 上記羽根車は、回転軸の周囲に流体圧を受ける多数の羽根板を一定間隔の配置で設けて形成され、この羽根車を略半径の羽根板に流体の流れが作用するようケーシング内に設置したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の発電装置。
5. 上記ベンチュリー機構の内周面に、羽根車へ向かう流体を旋回させる螺旋ガイドを設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のクリーンな電力を得る発電装置。

Images