JP2009019532A - Phase inversion cross-flow type super-small power generator - Google Patents

Phase inversion cross-flow type super-small power generator Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a super-small power generator utilizing water flow energy to the utmost at a low drop difference, a low flow amount or a low flow velocity in a brook or the like. <P>SOLUTION: The power generator comprises: a type 1 blade wheel and a type 2 blade wheel which rotate oppositely each other; a first rotation shaft coaxial with the first and second type blade wheel and rotated engaged with the type 1 blade wheel; a second rotation shaft rotated engaged with the type 2 blade wheel; a power generating means containing one or more magnets which integrally rotate with either the first rotation shaft or the second rotation shaft, and one or more coils which integrally rotate with another; a first and a second nozzles for accelerating the flowed-in water flow towards the type 1 and the type 2 blade wheels; and a casing for sealing the generating means in watertight. A movable mechanism is provided in which each blade of the type 1 blade wheel and the type 2 blade wheel is erected in a blade wheel radial direction in a location received with the water flow by a nozzle to rotate the shaft received with the above-described water flow, and then changes the arrangement by a water force or mechanically so as to lay in a direction following the water flow in a part close to a location without receiving the water flow by the above-described nozzle. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、相反転クロスフロー型超小形発電装置に関する。   The present invention relates to a phase inversion cross flow type micro power generator.

水力や風力のエネルギを電気エネルギに変換する水力発電や風力発電、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽光発電は、地球資源を消費せず環境汚染を伴わない発電方式であり、地球環境の保全が重要視される昨今、その重要性が再認識されつつある。
特に、例えば、田畑へ水を供給するための水路、民家近くにある河川、住宅・マンションから共通溝(本管)までに至る配管のように、比較的流れが遅く浅いあるいは狭幅の水路、さらには潮流のある海中などに設置し、水流を利用して比較的小規模の発電が可能な超小型の簡易発電装置の出現が期待され、キャンプ等のレジャー用や、災害時のライフライン確保等の面から注目されつつある。
Hydroelectric and wind power generation, which converts hydropower and wind energy into electric energy, and solar power generation, which converts solar energy into electric energy, are power generation methods that do not consume global resources and are free from environmental pollution. Now that conservation is important, its importance is being recognized again.
In particular, for example, waterways for supplying water to fields, rivers near private houses, pipes from houses and apartments to common grooves (mains), relatively slow and shallow or narrow waterways, In addition, it is expected that an ultra-compact simple power generator that can be installed in the tidal current sea and can generate relatively small-scale power generation using water currents will be used for leisure activities such as camping, and securing a lifeline in the event of a disaster. It is attracting attention from such aspects.

従来から知られた簡易発電装置は大別して、回転子の回転軸方向に水を流す「軸流型」のものと、回転子(ロータ)の回転軸を流れに交わる方向に設置する「クロスフロー型」とに分けられる。   Conventionally known simple power generators can be broadly divided into an “axial flow type” in which water flows in the direction of the rotation axis of the rotor and a “cross flow” in which the rotation axis of the rotor (rotor) is installed in the direction intersecting the flow It is divided into “type”.

軸流型の簡易発電装置は例えば特許文献1に開示されている。
クロスフロー型の簡易発電装置は例えば特許文献2に開示されている。
これら簡易発電装置による発電は、水流により翼車を回転させ、この翼車を回転子(ロータ)としてこれに固定的に設けた磁石と、固定子(ステータ)に設けたコイルとの相対変位により、コイルに電圧を誘起させることにより行われるが、コイルに誘起される起電力が「コイルを横切る磁束の時間的な変化率」に比例し、この変化率が磁石とコイルとの相対速度に比例する点に鑑み、コイルを固定したステータと回転子とを「互いに逆向き」に回転させて起電力の増大を図る「軸流型の発電機」が非特許文献1に報告されている。
An axial flow type simple power generator is disclosed in Patent Document 1, for example.
A cross-flow type simple power generator is disclosed in Patent Document 2, for example.
The power generation by these simple power generators is based on the relative displacement between a magnet provided on the stator (stator) and a magnet fixed on the rotor by rotating the impeller by water flow. This is done by inducing a voltage in the coil, but the electromotive force induced in the coil is proportional to the "time rate of change of magnetic flux across the coil", and this rate of change is proportional to the relative speed between the magnet and the coil. In view of the above, Non-Patent Document 1 reports an “axial-flow generator” that increases the electromotive force by rotating a stator and a rotor with coils fixed in “opposite directions”.

超小型の簡易発電装置の利点として、例えばダムや堰、水路や配管等といった発電に必要な付帯設備を新たに設ける必要がなく、インフラ整備に必要な時間と経費を節約できる点を上げることができる。さらに、河川や水路の底に設置して水没した状態でも発電可能なものが実現できれば、水位や流量の変化に左右されず、自然を保護し景観を損なわないものとして期待されるが、軸流形発電装置を除いては未だ実現されていない。また、現存の軸流形発電装置のエネルギ変換効率は最大20%以下に留まる。   As an advantage of the ultra-compact simple power generator, there is no need to install additional facilities necessary for power generation such as dams, weirs, waterways, and pipes, etc., and it is possible to save the time and cost required for infrastructure development. it can. Furthermore, if it can be installed at the bottom of a river or waterway and can generate electricity even when it is submerged, it is expected to protect nature and not damage the landscape, regardless of changes in water level and flow rate. It has not been realized yet except for the power generator. Further, the energy conversion efficiency of the existing axial flow power generator remains at a maximum of 20% or less.

すなわち、実現が期待されている超小形のマイクロ発電装置は、田畑や市街地などの、低落差・低流量・低流速の水路に設置するだけで発電可能であり、付帯設備を必要とせず、しかも、一家庭を賄える1kW程度の発電量を確保できるものである。
このような超小型のマイクロ発電装置の実現を困難にする最大の問題として、流水が低落差・低流量・低流速であるため、要求を満たす発電量の確保に必要な発電機の回転数が得られないことが挙げられる。さらに、超小形であるが故に発電効率が悪い点や、季節により流量と水深が変化すると発電効率も変動しやすい等の問題もある。
In other words, the ultra-small micro power generator expected to be realized can be generated by simply installing it in a low-head, low-flow-rate, low-flow-rate water channel such as in a field or urban area, and does not require any additional equipment. It is possible to secure a power generation amount of about 1 kW that can cover one family.
The biggest problem that makes it difficult to realize such an ultra-compact micro power generator is that the running water has a low drop, low flow rate, and low flow rate, so the number of revolutions of the generator required to secure the required power generation amount It cannot be obtained. Furthermore, there are problems such as poor power generation efficiency due to its ultra-small size, and that the power generation efficiency tends to fluctuate when the flow rate and water depth change according to the season.

特開2001−248532JP 2001-248532 A 特開2003−120499JP2003-120499A 日本機会学会流体工学部門講演会講演概要集608頁「相反転方式水力発電機の開発」(2003.9.11〜20)Proceedings of the Japan Opportunity Society Fluid Engineering Division Lecture Summary Page 608 “Development of Phase Inverted Hydroelectric Generators” (2003. 9.11-20)

本発明の課題は、小川などを流れる低落差、低流量あるいは低流速の水のエネルギを最大限活用して電気エネルギに変換し、1kW程度の発電量を確保可能な超小型の相反転クロスフロー型小型発電装置の提供にある。
本発明の課題はまた、水没させた状態で設置しても発電可能な超小型かつ簡便な超小型の相反転クロスフロー型小型発電装置の提供にある。
The object of the present invention is to make the most of the energy of water with a low head, low flow rate or low flow rate flowing through a stream or the like to convert it into electrical energy, and to achieve a power generation amount of about 1 kW. To provide a small-sized power generator.
Another object of the present invention is to provide an ultra-compact and simple ultra-small phase-inversion cross-flow type small power generator that can generate power even when installed in a submerged state.

上記課題を解決するために、本発明では以下の相反転クロスフロー型超小型発電装置が提供される。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides the following phase-inversion cross-flow type micro power generator.

<1> 水流に交わる方向に回転軸を持つクロスフロー型の発電装置であって、水流を受けて第1の向きに回転する第1種翼車と、水流を受けて上記第1の向きと逆の第2の向きに回転する第2種翼車と、上記第1および第2種翼車に同軸で、第1種翼車に係合して回転される第1回転軸と、上記第2種翼車に係合して回転され、上記第1の回転軸の内側に軸心方向に貫通された第2回転軸と、これら第1回転軸および第2回転軸の一方と一体的に回転する磁石、及び、他方と一体的に回転するコイルとを含み、円周上の1個の磁石と1個のコイルとからなる極を有する発電手段と、流入する水流を上記第1種翼車に向けて加速する第1のノズルと、流入する水流を上記第2種翼車に向けて加速する第2のノズルと、上記発電手段を水密に密閉するケーシングとを有し、さらに、第1種翼車および第2種翼車の各翼が、ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、上記水流を受けて軸を回転させたのち、上記ノズルによる水流を受けない部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように水力でまたは機械的に態位を変化させる可動機構を第1種翼車および第2種翼車に設け、落差が2m以下の水路に設置し、水没させて使用する場合でも水の運動エネルギの50%以上を翼車の回転エネルギに変換可能なものであることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。   <1> A cross-flow power generation device having a rotation axis in a direction intersecting with a water flow, the first type impeller rotating in a first direction by receiving the water flow, and the first direction receiving the water flow, A second type impeller that rotates in a reverse second direction, a first rotating shaft that is coaxial with the first and second type impellers and is rotated by engaging with the first type impeller, and the first type A second rotating shaft that is engaged with and rotated by the type 2 impeller and penetrates in the axial direction inside the first rotating shaft, and one of the first rotating shaft and the second rotating shaft. A power generation means including a rotating magnet and a coil rotating integrally with the other, and having a pole composed of one magnet and one coil on the circumference, and the inflowing water flow as the first type blade A first nozzle that accelerates toward the vehicle, a second nozzle that accelerates the inflowing water stream toward the second type impeller, and the power generation means are tightly sealed. And the blades of the first type impeller and the second type impeller stand in the radial direction of the impeller at the portion that receives the water flow from the nozzle and rotate the shaft in response to the water flow. The first type impeller and the second type impeller are provided with a movable mechanism that changes the position by hydraulic force or mechanically so as to lie in a direction following the water flow at a portion that is not subjected to the water flow by the nozzle. Is a phase-inverted cross-flow type ultra-compact power generation that can convert 50% or more of the kinetic energy of water into the rotational energy of the impeller even when installed in a water channel of 2m or less Device.

<2> <1>に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、発電手段が円周上の1個の磁石と1個のコイルとからなる極を少なくとも24個有するものであることを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置である。   <2> In the phase inversion cross-flow type micro power generator according to <1>, the power generation means has at least 24 poles composed of one magnet and one coil on the circumference. This is a featured phase-inversion cross-flow type small power generator.

<3> <1>または<2>に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第1種翼車および第2種翼車をそれぞれ構成する各翼が、第1回転軸および第2回転軸のそれぞれに設けられた可動機構に直接固定されて可動としたことを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置である。 <3> In the phase inversion cross-flow type micro power generation device according to <1> or <2>, the blades constituting the first-type impeller and the second-type impeller respectively include the first rotating shaft and the second rotating shaft. A phase inversion cross-flow type small power generator characterized in that it is directly fixed to a movable mechanism provided on each of the rotating shafts and is movable.

<4> <1>乃至<3>のいずれか1に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第1種翼車、第2種翼車を囲繞し、第1および第2のノズルからの水流を受け入れる流入口と、上記第1、第2種翼車を回転させた水流を排出する第1排出口と第2排出口とを持つハウジングを有することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。   <4> In the phase inversion cross-flow type micro power generation device according to any one of <1> to <3>, the first and second nozzles surround the first type impeller and the second type impeller. And a housing having a first outlet and a second outlet for discharging the water flow obtained by rotating the first and second type impellers. Type micro power generator.

<5> <4>に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第1排出口と第2排出口がディフューザ形状であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。   <5> The phase inversion crossflow type micro power generator according to <4>, wherein the first outlet and the second outlet have a diffuser shape. .

<6> <1>乃至<5>のいずれか1に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、前記可動機構に固定された前記各翼が支持部材に支持され、1対の前記支持部材が第1回転軸、第2回転軸のそれぞれの両端部に固定されて同軸に回転するようにしたことを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。   <6> In the phase inversion cross-flow type micro power generation device according to any one of <1> to <5>, each of the blades fixed to the movable mechanism is supported by a support member, and the pair of the supports A phase inversion cross-flow type micro power generator characterized in that members are fixed to both ends of a first rotating shaft and a second rotating shaft and rotated coaxially.

<7> <6>に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、前記支持部材がリング状または円板形状であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。   <7> The phase inversion crossflow type micro power generation device according to <6>, wherein the support member has a ring shape or a disk shape.

<8> <6>または<7>に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第1回転軸および第2回転軸に同軸に、第1種翼車および第2種翼車の翼の態位を変化させるカムが前記支持部材内側空間に固装され、第1種翼車および第2種翼車の各翼が、その翼車半径方向の一部を軸支されて揺動自在であり、翼車半径方向の一端部をカムフォロワとして上記カムに従動することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。   <8> In the phase inversion cross-flow type micro power generation device according to <6> or <7>, the first type impeller and the second type impeller are arranged coaxially with the first rotating shaft and the second rotating shaft. A cam for changing the position of the blade is fixed in the inner space of the support member, and each blade of the first type impeller and the second type impeller is pivotally supported by a part of the radial direction of the impeller. The phase inversion cross-flow type micro power generator is characterized in that the cam follower is used as one cam follower in the radial direction of the impeller.

<9> <8>に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、カムが、第1種翼車、第2種翼車のハウジング側に固定されて設けられていることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。   <9> The phase inversion cross-flow type micro power generator according to <8>, wherein the cam is fixedly provided on a housing side of the first type impeller and the second type impeller. This is a phase inversion cross-flow type ultra-small power generator.

<10> <6>乃至<9>のいずれか1に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第1種翼車、第2種翼車は、回転軸と同軸に翼端部係止手段が固装され、上記第1種翼車、第2種翼車の各翼は、翼車半径方向の外端部側を軸支されて揺動自在であり、該係止手段は複数の係止機構からなり、水流による翼の揺動を前記係止手機構により係止する構成であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。   <10> In the phase inversion cross-flow type micro power generation device according to any one of <6> to <9>, the first type impeller and the second type impeller are connected to the blade end portion coaxially with the rotation axis. Stop means is fixedly mounted, and each blade of the first type impeller and the second type impeller is swingably supported on the outer end side in the radial direction of the impeller, and a plurality of the stop means are provided. The phase-inverted cross-flow type micro power generator is characterized in that the swinging movement of the wing caused by the water flow is locked by the locking hand mechanism.

<11> <10>に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、前記係止機構は係止ピン又は係止溝からなり、各翼が可動に取り付けられる円板形状の支持部材の内周部、回転軸に別途固装した円板部材の周辺部または回転軸の外周表面部に設けられることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。   <11> In the phase inversion cross-flow type micro power generation device according to <10>, the locking mechanism includes a locking pin or a locking groove, and a disk-shaped support member to which each blade is movably attached. A phase inversion cross-flow type micro power generator characterized in that it is provided on a peripheral part, a peripheral part of a disk member separately mounted on a rotary shaft, or an outer peripheral surface part of the rotary shaft.

<12> <1>乃至<11>のいずれか1に記載記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、可動機構が翼をピンあるいは溝によって固定し可動とするものであることを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置である。   <12> The phase inversion cross-flow type micro power generation device according to any one of <1> to <11>, wherein the movable mechanism is configured to be movable by fixing a blade with a pin or a groove. This is a phase inversion cross-flow type small power generator.

<13> <1>乃至<12>のいずれか1に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、翼車を構成する翼として断面が平板翼、半円弧翼、曲線翼もしくはNACA翼形のものを用いることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。   <13> In the phase-inversion cross-flow type micro power generator according to any one of <1> to <12>, the blades constituting the impeller have a cross section of a flat blade, a semicircular blade, a curved blade, or a NACA airfoil This is a phase inversion cross-flow type ultra-compact power generator characterized by using the above.

<14> <1>乃至<13>のいずれか1に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第1および第2のノズルに向けて水流を加速する補助ノズルを有することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。   <14> The phase inversion cross-flow type micro power generation device according to any one of <1> to <13>, including an auxiliary nozzle that accelerates a water flow toward the first and second nozzles. This is a phase-inversion cross-flow type micro power generator.

本発明者は、上記課題を解決するために、数値計算による翼の可動機構の検討と模型機を用いた検証実験を行ない、その結果に基づいて鋭意検討を重ね、本発明の創出に至ったものである。数値計算と検証実験の具体的内容については後述する。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor conducted an examination of a movable mechanism of a wing by numerical calculation and a verification experiment using a model machine, and repeated earnest studies based on the result, leading to the creation of the present invention. Is. Specific contents of the numerical calculation and the verification experiment will be described later.

本発明者は、先ず「1kW程度の発電量を得るに必要な条件」を理論計算により求め、落差:2m(18kJ)に相当するエネルギを水から得るためには、発電装置の入口の流速として約6m/秒を確保する必要があることを確認した後、数値計算と検証実験を行ない、その結果得られた知見を用い、かつ以下の構想に基づいて検討を重ね、本発明の超小型発電装置を創出するに至った。   The present inventor first obtains “a necessary condition for obtaining a power generation amount of about 1 kW” by theoretical calculation, and in order to obtain energy corresponding to a head: 2 m (18 kJ) from water, After confirming that it is necessary to secure about 6 m / sec, numerical calculations and verification experiments were performed, and the results obtained were used and the study was repeated based on the following concept. The device was created.

「水没型発電装置に関して」
1.水没した状態で発電可能な水没形発電装置を本発明の基本的構成とする。
2.水のエネルギを回転力に換えるための最適な翼形状と取り付け方とする。
3.水没した状態で使用するために発電装置は防水処理を必要とする。
4.水没した場合、翼が抵抗となる領域が存在するため可動翼機構を導入する。
5.可動翼の固定方法と位置決め精度の良い可動翼機構を提案する。
“About submerged generators”
1. A submerged power generator capable of generating power in a submerged state is a basic configuration of the present invention.
2. The wing shape and mounting method are optimal for converting water energy into rotational force.
3. In order to use it in a submerged state, the power generator needs to be waterproofed.
4). When submerged, there is a region where the wing becomes a resistance, so a movable wing mechanism is introduced.
5). We propose a movable blade fixing method and a movable blade mechanism with good positioning accuracy.

「可動翼機構に関して」
1.翼車およびケーシングの最適設計を行なう。
2.翼の可動範囲を最大とするメカニズムの提案を行なう。
3.翼が抵抗を受ける領域で揚力を得る工夫をする。
"About the movable wing mechanism"
1. Optimize the design of the impeller and casing.
2. We propose a mechanism that maximizes the movable range of the wing.
3. Devise to obtain lift in the area where the wing is subjected to resistance.

「相反型発電装置に関して」
1.発電機のロータとステータの相対速度を上げるために相反型発電機とする。
2.発電機と、相反する翼車をそれぞれユニット構造にする。
3.相反転する翼車が2ユニット、相反転発電機1ユニットを基本構成とする。
4.上記3ユニットが同軸で結合されるものとする。
5.流れ場の状況に応じてユニットを増減と組み合わせの変換が可能なものとする。
“Reciprocal power generator”
1. A reciprocal generator is used to increase the relative speed between the rotor and stator of the generator.
2. The generator and the opposite impeller are unitized.
3. The basic structure consists of two units of phase-inverted impellers and one unit of phase-inverted generator.
4). Assume that the above three units are connected coaxially.
5). Units can be increased and decreased and combined and converted according to the flow field conditions.

すなわち、本発明の相反転クロスフロー型超小型発電装置は「水流に交わる方向に回転軸を持つクロスフロー型の発電装置」であって、第1種翼車、第2種翼車、第1回転軸、第2回転軸、発電手段、第1および第2のノズル、ケーシングを有するものである。
「第1種翼車」は、水流を受けて第1の向きに回転する翼車であり、「第2種翼車」は、水流を受けて「第1の向きと逆の第2の向き」に回転する翼車である。
「第1回転軸」は、第1及び第2種翼車に同軸で第1種翼車に係合して回転される。
「第2回転軸」は、第2種翼車に係合して回転され、第1の回転軸の内側に軸心方向に貫通されて設けられる。
That is, the phase inversion cross-flow type micro power generator of the present invention is a “cross-flow type power generator having a rotating shaft in the direction intersecting the water flow”, which is a first-type impeller, second-type impeller, first A rotating shaft, a second rotating shaft, power generation means, first and second nozzles, and a casing are provided.
The “type 1 impeller” is an impeller that rotates in a first direction in response to a water flow, and the “type 2 impeller” receives a water flow in a “second direction opposite to the first direction”. It is a rotating impeller.
The “first rotation shaft” is rotated coaxially with the first and second type impellers and engaged with the first type impeller.
The “second rotating shaft” is engaged with the second type impeller and rotated, and is provided inside the first rotating shaft and penetrating in the axial direction.

「発電手段」は、第1回転軸および第2回転軸の一方と一体的に回転する磁石、及び、他方と一体的に回転するコイルとから構成される。もちろん、磁石・コイルの相対的な位置関係は、磁石とコイルとの相対変位により、コイルに電圧を誘起させることができるように設定され、発電手段が円周上の1個の磁石と1個のコイルとからなる極を有するものである。
この磁石とコイルとのからなる極の数は「低落差・低流量・低流速の水流で一家庭を賄える1kW程度の発電量」を確保するためには、少なくとも24個設けることが特に有効である。
The “power generation means” includes a magnet that rotates integrally with one of the first rotating shaft and the second rotating shaft, and a coil that rotates integrally with the other. Of course, the relative positional relationship between the magnet and the coil is set so that a voltage can be induced in the coil by the relative displacement between the magnet and the coil, and the power generation means has one magnet and one on the circumference. It has the pole which consists of a coil.
It is particularly effective to provide at least 24 poles composed of magnets and coils in order to secure “a power generation amount of about 1 kW that can cover one household with a low head, low flow rate, and low flow rate water flow”. is there.

さらに、本発明の相反転クロスフロー型超小形発電装置は、第1種翼車および第2種翼車の各翼が、ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、上記水流を受けて軸を回転させたのち、上記ノズルによる水流を受けない部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように水力でまたは機械的に態位を変化させるために、第1種翼車および第2種翼車に可動機構を設けることが必要である。
この可動機構としては、ピン等により翼の一部を固定して、翼を可動としたものを挙げることができるが、特にピンで固定した翼を用い流体力を利用した可動機構が、構成上簡易であり好ましい。
本発明の前記小形発電装置に用いる「翼」の形は、平板翼、NACA翼形の非対称形、円弧形翼等の公知のものが適用可能である。
Furthermore, the phase inversion crossflow type micro power generator according to the present invention is configured such that each blade of the first type impeller and the second type impeller stands in the radial direction of the impeller at a portion where the water flow from the nozzle is received and receives the water flow. In order to change the position by hydraulic force or mechanically so as to lie down in a direction following the water flow after the shaft is rotated, the first type impeller and the second type It is necessary to provide a movable mechanism for the seed wheel.
Examples of the movable mechanism include one in which a part of the wing is fixed by a pin or the like and the wing is made movable. In particular, a movable mechanism using fluid force using a wing fixed by a pin is structurally different. Simple and preferable.
As the shape of the “wing” used in the small power generator of the present invention, known ones such as a flat blade, an asymmetric shape of a NACA airfoil, and an arcuate blade can be applied.

また、本発明の相反転クロスフロー型発電装置は、必須の構成要件として「第1のノズル」と「第2のノズル」を有し、「第1のノズル」は、流入する水流を第1種翼車に向けて加速させ、「第2のノズル」は、流入する水流を第2種翼車に向けて加速させ、さらに、発電手段を水密に密閉する「ケーシング」を有する。   In addition, the phase inversion cross-flow power generation device of the present invention has “first nozzle” and “second nozzle” as indispensable components, and the “first nozzle” The “second nozzle” has a “casing” for accelerating the inflowing water stream toward the second type impeller and watertightly sealing the power generation means.

本発明の相反転クロスフロー型発電装置は、落差が2m以下の水路に設置し、水没させて使用する場合でも、水の運動エネルギの50%以上を翼車の回転エネルギに変換可能なものであり、発電量として最大1kWを狙った「超小型」のものである。
一般的に、回転数が低く小型になるほどこのエネルギ変換率は低下するが、本発明の超小型発電装置は変換率が50%以上であり、特に50〜70%以上を確保できるものである。
また、第1種翼車と第2種翼車の相対回転数が200rpm程度でも、水の運動エネルギの50%以上を回転エネルギに変換することが可能となる発電装置である。
The phase inversion cross-flow power generator of the present invention can convert 50% or more of the kinetic energy of water into the rotational energy of the impeller even when installed in a water channel with a head of 2 m or less and submerged. Yes, it is an “ultra-small” one that aims at a maximum power generation of 1 kW.
In general, the energy conversion rate decreases as the number of revolutions decreases and the size decreases. However, the ultra-small power generator of the present invention has a conversion rate of 50% or more, and can particularly ensure 50 to 70% or more.
Moreover, even if the relative rotation speed of the first type impeller and the second type impeller is about 200 rpm, it is a power generator that can convert 50% or more of the kinetic energy of water into rotational energy.

本発明の超小型発電装置を構成する相反転するユニット構造は、低回転速度では発電機の発電能力が著しく低下するのを防ぐために、発電機の固定子(ステータ)と回転子(ロータ)の相対速度を上げること、すなわち、発電機の回転速度を相対的に速くして発電能力を確保するのに有効である。   The phase-inverted unit structure constituting the ultra-small power generator of the present invention prevents the generator's power generation capability from being significantly reduced at a low rotation speed, so that the generator's stator (stator) and rotor (rotor) It is effective to increase the relative speed, that is, to ensure the power generation capacity by relatively increasing the rotational speed of the generator.

このような構成にすることにより、市街地近くの「落差の小さい流れ場」に設置して発電することができる。落差の小さい流れ場では水のもつ運動エネルギが小さいため、超小型発電装置上流にノズルを設け、流れを加速させることによって水の運動エネルギを大きくすることができる。
発電装置を設置する流れ場の流量と流速は、設置する市街地により、また、季節により異なることから、さらに大きな流速を得るためには、発電装置上流に設けたノズルの更に上流に、ブーストノズルを設置することによって、流れをさらに加速させて水の運動エネルギを大きくして発電装置に導くことができる。
一方、発電装置下流をディフューザ形状にすると、水の抜けが良くなって、翼車に当たる水の減速を防ぐ効果を呈するため、水の運動エネルギを有効利用することができる。
By adopting such a configuration, it is possible to generate electricity by installing it in a “flow field with a small drop” near an urban area. Since the kinetic energy of water is small in the flow field with a small head, the kinetic energy of water can be increased by providing a nozzle upstream of the micro power generator and accelerating the flow.
Since the flow rate and flow velocity of the flow field where the power generator is installed vary depending on the urban area where it is installed and the season, in order to obtain a larger flow velocity, a boost nozzle is installed further upstream of the nozzle provided upstream of the power generator. By installing, the flow can be further accelerated and the kinetic energy of water can be increased and led to the power generation device.
On the other hand, if the downstream side of the power generation device is formed in a diffuser shape, the water escape is improved and the effect of preventing the deceleration of the water hitting the impeller is exhibited. Therefore, the kinetic energy of the water can be effectively used.

また、本発明の相反転クロスフロー型超小形発電装置は、第1種翼車、第2種翼車を囲繞し、第1および第2のノズルからの水流を受け入れる流入口と、上記第1、第2種翼車を回転させた水流を排出する第1排出口と第2排出口とを持つハウジングを有することができ、さらに、第1排出口と第2排出口はそれぞれディフューザ機能を有するディフューザ形状にすると、水の抜けが良くなって翼車に当たる水が減速することを極力防止できて、水の運動エネルギを確保する構造となるので、水を翼車から速やかに排出できるので好ましい。
上記ハウジングは第1及び第2のノズルおよび第1排出口と第2排出口と一体に作製でき、第1及び第2のノズルはハウジングの一部として構成することができる。
The phase inversion cross-flow type micro power generator of the present invention surrounds the first-type impeller and the second-type impeller, and receives the water flow from the first and second nozzles, and the first And a housing having a first discharge port and a second discharge port for discharging a water flow obtained by rotating the second type impeller, and the first discharge port and the second discharge port each have a diffuser function. A diffuser shape is preferable because water can be prevented from decelerating and the water impinging on the impeller can be prevented from decelerating as much as possible, and the kinetic energy of the water can be ensured, so that water can be quickly discharged from the impeller.
The housing can be manufactured integrally with the first and second nozzles and the first and second discharge ports, and the first and second nozzles can be configured as a part of the housing.

本発明の相反転クロスフロー型超小型発電装置の第1の態様として、可動機構を第1回転軸および第2回転軸のそれぞれに設け、その可動機構に第1種翼車および第2種翼車をそれぞれ構成する各翼を直接固定して可動としたものとすることができる。
この第1の態様の発電装置に設置する翼として、流入する水量を最大限受け止めそのエネルギを活用するためには、パケット構造であることが好ましい。
As a first aspect of the phase inversion cross-flow type micro power generator of the present invention, a movable mechanism is provided on each of the first rotating shaft and the second rotating shaft, and the first type impeller and the second type blade are provided in the movable mechanism. Each wing constituting each vehicle can be directly fixed and movable.
The blades installed in the power generator of the first aspect preferably have a packet structure in order to receive the maximum amount of inflowing water and utilize the energy.

また、本発明の該小型発電装置の第2の態様として、第1回転軸と第2回転軸のそれぞれの両端部に1対の円形支持部材(単に、支持部材とも言う)を同軸に固定し、この支持部材に翼車の各翼を可動機構によって取り付けて、回転軸と同軸にこの支持部材を回転するようにして、各翼を可動としたものとすることができる。   Further, as a second aspect of the small power generator of the present invention, a pair of circular support members (also simply referred to as support members) are coaxially fixed to both ends of the first rotation shaft and the second rotation shaft. Each blade can be made movable by attaching each blade of the impeller to the support member by a movable mechanism and rotating the support member coaxially with the rotation shaft.

この円形支持部材としては、例えば、リング形状のものと円板形状のものを挙げることができる。しかしながら、本発明者の検証によると、リング形状の場合、個々の水車から水が漏れないようにパケット構造にする必要があって、水車の加工が難しくなり重量が重くなる場合もあり、その結果、翼形の設計の自由度が低くなって、翼の可動範囲が制限されることになるため、円板形状の方が有効である。
円板形状の円形支持部材の場合、水車がパケット構造でないために、水が側板との隙間から漏れる可能性があるが、数値計算によると、損失は5%程度以下と極めて小さいことが確認された。
円形支持部材が回転軸の端部に固定されることを鑑み、円板形状の支持部材を、以後、単に側板と称する場合がある。
Examples of the circular support member include a ring-shaped member and a disk-shaped member. However, according to the inventor's verification, in the case of a ring shape, it is necessary to have a packet structure so that water does not leak from each individual water turbine, and it may be difficult to process the water turbine, resulting in a heavy weight. Since the freedom of design of the airfoil is reduced and the movable range of the airfoil is limited, the disk shape is more effective.
In the case of a circular support member in the shape of a disk, water may leak from the gap with the side plate because the water wheel is not a packet structure, but numerical loss confirms that the loss is as small as about 5% or less. It was.
In view of the fact that the circular support member is fixed to the end of the rotating shaft, the disc-shaped support member may be simply referred to as a side plate hereinafter.

円形支持部材として側板を用いた前記第2の態様の小型発電装置については、翼の設計および製作の自由度が高くなり、設置する流れ場の状況に応じて翼形状や翼枚数を容易に変更することができる利点がある。
また、各翼の側板上の取り付け位置は、特に限定的でないが、該側板の外周側の方が中心側よりも好ましい。その理由は、可動機構としてピンを用い各翼を支持して可動とした場合、ピンが翼の回転中心となるが、側板の外周側に取り付けた場合、側板の中心側にピンを設ける場合と比較して、翼の可動範囲を大きくでき、残りの半周期における翼の抵抗を軽減することができることが挙げられる。
For the small power generator of the second aspect using the side plate as a circular support member, the degree of freedom in the design and manufacture of the blades is increased, and the blade shape and the number of blades can be easily changed according to the flow field conditions to be installed. There are advantages that can be done.
Moreover, although the attachment position on the side plate of each wing | blade is not specifically limited, the outer peripheral side of this side plate is more preferable than the center side. The reason for this is that when using a pin as a movable mechanism and supporting each wing to make it movable, the pin becomes the rotation center of the wing, but when it is attached to the outer peripheral side of the side plate, a pin is provided on the center side of the side plate and In comparison, it is possible to increase the movable range of the blade and reduce the resistance of the blade in the remaining half cycle.

さらに、側板と可動翼の間に生じる隙間による水漏れの影響が考えられるが、数値解析結果によると、漏れは5%程度以下で影響が少なく、むしろ翼形状の自由度を向上させる効果の方が大きいことが確認された。   In addition, the effect of water leakage due to the gap between the side plate and the movable blade is considered, but according to the numerical analysis results, the leakage is less affected at about 5% or less, rather the effect of improving the flexibility of the blade shape. Was confirmed to be large.

また、本発明の該小型発電装置では、第1回転軸、第2回転軸に同軸に、第1種翼車および第2種翼車の翼の態位を変化させるカムを装置空間に固定的に設け、第1種翼車および第2種翼車の各翼を、その翼車半径方向の一部を軸支して揺動自在とし、翼車半径方向の一端部をカムフォロワとしてカムに従動する構成とすることができる。
即ち、揺動自在な翼をカムにより態位変化させることにより「ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、水流を受けて軸を回転したのち、ノズルによる水流を受ける部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝る」ようにする。カムは「第1種翼車、第2種翼車の軸側」に設けることもできる。
相反転クロスフロー型発電装置が「第1種翼車、第2種翼車を囲繞し、第1および第2のノズルからの水流を受け入れる流入口と、第1、第2種翼車を回転させた水流を排出する排出口とを持つハウジング」を有する場合には、カムを「ハウジングの内壁に設ける」
構成とすることもできる。
「ハウジングの内壁に設けられるカム」は、ハウジングの「内壁自体の形状で構成された固定カム」でもよい。
In the small power generator of the present invention, the cam for changing the state of the blades of the first type impeller and the second type impeller is fixed to the apparatus space coaxially with the first rotating shaft and the second rotating shaft. The blades of the first and second type impellers are swingably supported by supporting a part in the radial direction of the impeller and the cam follower is used as a cam follower. It can be set as the structure to do.
In other words, by changing the position of the swingable blade by a cam, a portion that stands in the radial direction of the impeller at the portion that receives the water flow by the nozzle, rotates the shaft by receiving the water flow, and approaches the portion that receives the water flow by the nozzle So let's sleep in a direction that follows the water flow. " The cam can be provided on the “shaft side of the first type impeller and the second type impeller”.
The phase-inverted cross-flow type power generator “rotates the first and second type impellers, and the inlet that surrounds the first and second type impellers and receives the water flow from the first and second nozzles. If the housing has a discharge port for discharging the flow of water, the cam is provided on the inner wall of the housing.
It can also be configured.
The “cam provided on the inner wall of the housing” may be a “fixed cam configured in the shape of the inner wall itself” of the housing.

この場合も、ハウジングは第1及び第2のノズルと一体でもよく、第1及び第2のノズルをハウジングの一部として構成することができる。
第1回転軸および第2回転軸に同軸に、第1種翼車および第2種翼車の翼の態位を変化させるカムを前記支持部材内側空間に固装し、第1種翼車および第2種翼車の各翼が、その翼車半径方向の一部を軸支されて揺動自在であり、翼車半径方向の一端部をカムフォロワとして上記カムに従動させることができる。カムは、第1種翼車、第2種翼車のケーシング側に固定し設けることができる。
Again, the housing may be integral with the first and second nozzles, and the first and second nozzles may be configured as part of the housing.
A cam for changing the state of the blades of the first type impeller and the second type impeller coaxially with the first rotating shaft and the second rotating shaft is fixed to the inner space of the support member, and the first type impeller and Each wing of the second type impeller is swingably supported by a part of the radial direction of the impeller, and can be driven by the cam with one end portion in the radial direction of the impeller as a cam follower. The cam can be fixedly provided on the casing side of the first type impeller and the second type impeller.

このカムは円形支持部材を設けた第2の態様の発電装置に設置可能であり、円板形状(側版)あるいはリング形状の円形支持部材に取り付けた可動翼の回転軸方向の一端部をカムに従動させることができる。   This cam can be installed in the power generator of the second mode provided with a circular support member, and cams one end of the movable blade attached to the disk-shaped (side plate) or ring-shaped circular support member in the rotational axis direction. Can be driven.

本発明の該小型発電装置においては、第1種翼車、第2種翼車に、回転軸と同軸に翼端部係止手段を固装し、第1種翼車、第2種翼車の各翼を、翼車半径方向の外端部側を軸支されて揺動自在であり、該係止手段は円板形状体に複数の係止機構を設けたものからなり、水流による翼の揺動を前記係止手段の係止機構により係止する構成にすることができる。該翼端部係止手段を構成する円板形状体として、第2の態様の前記発電装置における側板を兼用し、該側板の外周部に翼を取り付けた可動機構を設け、該側板の回転軸側に複数の係止ピンを植設したものとすることができる。
また、該翼端部係止手段を構成する円板形状体として回転軸を兼用し、回転軸表面に複数の係止ピンを植設するか、あるいは複数の係止溝を形成して該翼端部係止手段とし、第2の態様の前記発電装置に設けることができる。
In the small power generator according to the present invention, the first-type impeller and the second-type impeller are fixed to the first-type impeller and the second-type impeller with wing end locking means coaxially with the rotation shaft. Each of the blades is pivotably supported by being supported on the outer end side in the radial direction of the impeller, and the locking means includes a disk-shaped body provided with a plurality of locking mechanisms. Can be configured to be locked by the locking mechanism of the locking means. As the disk-shaped body constituting the blade end locking means, a movable mechanism is provided which also serves as a side plate in the power generation device of the second aspect, and a blade is attached to the outer peripheral portion of the side plate, and the rotating shaft of the side plate A plurality of locking pins may be implanted on the side.
Further, the disk-shaped body constituting the blade end locking means also serves as a rotating shaft, and a plurality of locking pins are implanted on the surface of the rotating shaft, or a plurality of locking grooves are formed to form the blade. It can be provided as the end locking means in the power generator of the second aspect.

また、本発明の相反転クロスフロー型超小型発発電装置の翼車を構成する翼として、例えば、平板型、半円弧型、曲線翼および翼形(例えばNACA翼)を用いることができるが、特に半円弧型を用いると、平板型に比して軸トルクが2倍程度高くなって、水の運動エネルギの「翼車回転エネルギへの変換率50%以上」を達成させるのに有効である。翼形を用いた場合も半円弧翼と同等の軸トルクが得られていることが確認された。
例えば、可動機構としてピン、「翼」としてNACA翼形の非対称形を組み合わせて用いる場合に、翼のピンを設置する位置を、翼の前縁部ではなく下流の最大翼厚さ部にすると、翼が1周回転し最初の半周期に再度さしかかる際に、翼前縁部に当たって翼の腹側に流入した水が、その流体力によって翼を立ち上がらせる効果をもたらす。
In addition, as a blade constituting the impeller of the phase inversion crossflow type ultra-small power generator of the present invention, for example, a flat plate type, a semicircular arc type, a curved blade and a blade shape (for example, NACA blade) can be used. In particular, when a semicircular arc type is used, the shaft torque is about twice as high as that of a flat plate type, which is effective in achieving a “kinetic conversion rate of 50% or more of impeller rotational energy” of water kinetic energy. . It was confirmed that the same axial torque as that of the semicircular wing was obtained even when the airfoil was used.
For example, in the case of using a pin as a movable mechanism and an asymmetrical shape of NACA airfoil as a “wing”, if the position where the blade pin is installed is not the leading edge of the blade but the maximum blade thickness portion downstream, When the wing rotates once and reappears in the first half cycle, the water flowing into the ventral side of the wing against the leading edge of the wing brings about the effect of raising the wing by its fluid force.

本発明の相反転クロスフロー型超小型発電装置は、第1および第2のノズルに向けて水流を加速する「補助ノズル」または「案内翼」を有することができる。
「補助ノズル」または「案内翼」を用いることにより「より大きな流速をもった水流」を第1種・第2種翼車に供給でき、翼車の回転速度を増大させることができる。この場合にもハウジング排出口のディフューザ形状が有効に作用する。
The phase-inversion cross-flow type micro power generation device of the present invention can have “auxiliary nozzles” or “guide vanes” that accelerate the water flow toward the first and second nozzles.
By using the “auxiliary nozzle” or the “guide vane”, a “water flow having a larger flow velocity” can be supplied to the first and second type impellers, and the rotational speed of the impeller can be increased. Also in this case, the diffuser shape of the housing discharge port works effectively.

第1種翼車は第1回転軸に係合し、水流を受けて第1の向きに回転することにより第1回転軸を回転させる。第2種翼車は第2回転軸に係合し、水流を受けて「第1の向きとは逆の第2の向き」に回転して第2回転軸を回転させる。第1種翼車・第2種翼車は上の如くに定義される翼車であり、その具体的な形態としては、第1種・第2種翼車とも単一の翼車で構成することもできるし、第1種・第2種翼車の一方もしくは双方を2以上の翼車で構成することもできる。   The first type impeller is engaged with the first rotation shaft, receives the water flow, and rotates in the first direction to rotate the first rotation shaft. The second type impeller is engaged with the second rotation shaft, receives the water flow, rotates in the “second direction opposite to the first direction”, and rotates the second rotation shaft. The first and second type impellers are the impellers defined as described above. As specific forms, both the first and second type impellers are constituted by a single impeller. In addition, one or both of the first-type and second-type impellers can be constituted by two or more impellers.

即ち、第1種翼車を例にとると、第1種翼車は「単一の翼車」で構成することもできるが、「第1回転軸に共通に固装され、水流を受けて第1の向きに回転する2以上の同種の翼車」により第1種翼車を構成することもできる。第2種翼車も同様である。最大軸トルクを得るには平板翼の場合6〜10枚、半円弧翼の場合は枚数が多いほど最適である。   In other words, taking the type 1 impeller as an example, the type 1 impeller can be configured as a “single impeller”, but it is “fixed in common to the first rotating shaft and receives a water flow. The first type impeller can also be constituted by two or more same type of impellers rotating in the first direction. The same applies to the type 2 impeller. In order to obtain the maximum axial torque, it is optimal that the number of flat blades is 6 to 10 and that of semicircular blades is larger.

「発電手段」は、上述の如く、1以上の磁石と1以上のコイルとを含み、1以上の磁石は「第1回転軸および第2回転軸の一方」と一体的に回転し、コイルは他方と一体的に回転する。例えば、1以上の磁石が第1回転軸と一体に回転するならば、1以上のコイルは第2回転軸と一体的に回転する。この場合であれば、磁石の回転は前記「第1の向き」に
生じ、コイルの回転は前記「第2の向き」に生じる。
なお先述したように、この磁石とコイルとからなる極の数は、低落差・低流量・低流速の水流で一家庭をまかなえる1kW程度の発電量を確保するためには、少なくとも24個設けることが特に有効である。
As described above, the “power generation means” includes one or more magnets and one or more coils, and the one or more magnets rotate integrally with “one of the first rotating shaft and the second rotating shaft”. Rotates integrally with the other. For example, if one or more magnets rotate together with the first rotating shaft, the one or more coils rotate integrally with the second rotating shaft. In this case, the rotation of the magnet occurs in the “first direction”, and the rotation of the coil occurs in the “second direction”.
As described above, the number of poles made up of magnets and coils is at least 24 in order to secure a power generation amount of about 1 kW to cover one household with a low head, low flow rate, and low flow rate water flow. Is particularly effective.

磁石・コイルを、第1、第2回転軸の一方・他方と一体的に回転させるには、磁石やコイルを回転軸に直接的に固装してもよいが、例えば「フランジ状の支持手段」を回転軸に固定もしくは回転軸と一体に設け、これら支持手段に磁石やコイルを固定するようにしてもよい。このように、磁石やコイルを「支持手段を介して回転軸に固定」すると、磁石やコイルの回転速度が大きくなる。   In order to rotate the magnet / coil integrally with one or the other of the first and second rotating shafts, the magnet or coil may be directly fixed to the rotating shaft. May be fixed to the rotating shaft or provided integrally with the rotating shaft, and a magnet or a coil may be fixed to these supporting means. Thus, when the magnet or coil is “fixed to the rotating shaft via the support means”, the rotational speed of the magnet or coil increases.

即ち、第1回転軸(コイルと一体に回転するものとする。)の角速度を「W1」、第2回転軸(磁石と一体に回転するものとする。)の角速度を「−W2」とすれば、第1回転軸から見た第2回転軸の角速度は「W1+W2」であり、支持手段を介して固定的に保持されたコイルの回転半径を「r1」、磁石の回転半径を「r2」とすると、両者の相対速度は「r1・W1+r2・W2」となる。   That is, the angular velocity of the first rotating shaft (assuming to rotate integrally with the coil) is “W1”, and the angular velocity of the second rotating shaft (assuming to rotate integrally with the magnet) is “−W2”. For example, the angular velocity of the second rotating shaft viewed from the first rotating shaft is “W1 + W2”, the rotating radius of the coil fixedly held via the support means is “r1”, and the rotating radius of the magnet is “r2”. Then, the relative speed of both is “r1 · W1 + r2 · W2”.

回転半径:r1、r2が大きくなるほどコイル・磁石間の相対速度は大きくなり、コイルを横切る磁束の時間的変化も大きくなる。従って、磁石やコイルは、発電手段部分のサイズを過大にせず、翼車の回転が重くならない範囲で適宜に大きく設定するのがよい。   As the radii of rotation: r1 and r2 increase, the relative speed between the coil and the magnet increases, and the temporal change in the magnetic flux across the coil also increases. Therefore, it is preferable to set the magnet and the coil appropriately large within the range in which the rotation of the impeller does not become heavy without increasing the size of the power generation means portion.

第1・第2回転軸と一体に回転させる磁石・コイルの数としては、少なくとも24個設けることが好ましいことが数値解析の結果確認された。
換言すれば、発電機のステータとロータが相反転すると相対速度が上がるが、翼車を構成する翼を水力による可動性にすると、回転速度を大きく取ることは困難であるので、発電量を確保するためには、磁石・コイルの数、すなわち発電機の極数は多ければ多いほど好ましく、少なくとも24極有することが好ましい。
なお、ステータとロータが相反転すると脈動の発生が懸念されるが、極数が多くなればステータとロータがより小型になって脈動の発生が減ずることが確認された。カムを用いた可動機構の場合も、小形化して発電量を確保するためには、磁石・コイルの数、すなわち発電機の極数は多ければ多いほど好ましい。
As a result of numerical analysis, it was confirmed that it is preferable to provide at least 24 magnets / coils to be rotated integrally with the first and second rotating shafts.
In other words, the relative speed increases when the stator and rotor of the generator are phase-inverted. However, if the blades that make up the impeller are made hydraulically movable, it is difficult to increase the rotational speed, so the amount of power generation is secured. For this purpose, the number of magnets / coils, that is, the number of poles of the generator is preferably as large as possible, and it is preferable to have at least 24 poles.
It should be noted that pulsation may be generated when the stator and the rotor are phase-inverted, but it has been confirmed that if the number of poles is increased, the stator and the rotor become smaller and the generation of pulsation is reduced. Also in the case of a movable mechanism using a cam, it is preferable that the number of magnets / coils, that is, the number of poles of the generator is larger in order to reduce the size and secure the amount of power generation.

また、相反転クロスフロー型超小型発電装置が「ハウジング」を有する場合には、ハウジングの排出口は「ディフューザ形状」であることが好ましい。   Further, when the phase-inversion cross-flow type micro power generator has a “housing”, it is preferable that the outlet of the housing has a “diffuser shape”.

水流は、第1および第2のノズルにより流速を加速され、翼車を回転させたのち、ハウジングの排出口から排出されるのであるが、翼車を回転させたあとも、水流の流速はハウジング外部の流速よりも大きい値を保っており、このため、排出口に向かう水流の圧力水頭はハウジング外部の圧力水頭より低く、排出口を単なる開口としてハウジングに形成したのでは「翼車を回転させた後の水流」がハウジング外部へ排出されにくい。   The water flow is accelerated by the first and second nozzles, rotated after the impeller, and then discharged from the discharge port of the housing. Even after the impeller is rotated, the flow velocity of the water flow remains in the housing The pressure head of the water flow toward the discharge port is lower than the pressure head outside the housing, and if the discharge port is formed as a mere opening in the housing, “ It is difficult for the “water flow after” to be discharged outside the housing.

従って、排出口を「ディフューザ形状」として、この形状の作用により動圧を漸次弱めて圧力水頭を増大させることにより、翼車を回転させた後の水流をハウジング外部へ確実に排出することができる。   Therefore, the water flow after rotating the impeller can be surely discharged to the outside of the housing by setting the discharge port to “diffuser shape” and gradually decreasing the dynamic pressure by the action of this shape to increase the pressure head. .

本発明の「相反転クロスフロー型超小型発電装置」は水没した状態でも発電可能な「水没型」であるため、翼車の翼が「固定翼」であると、翼車が駆動用水流の作用を受けた後、再び水流の作用を受ける位置へ戻る部位では、水圧が抵抗力として作用する。従って、駆動用水流の作用を受けない「戻り部位」では、上記抵抗力をなるべく減ずるようにするのがよい。   The “phase-inverted cross-flow type micro power generator” of the present invention is a “submersible type” capable of generating power even in a submerged state. After receiving the action, the water pressure acts as a resistance force at the portion returning to the position where the action of the water flow is again received. Therefore, it is preferable to reduce the resistance as much as possible at the “return portion” that is not affected by the driving water flow.

第1種翼車および第2種翼車の各翼を可動とし、ノズルによる水流を受ける部位では「翼車半径方向に立たせて水流を十分に受ける」ようにし、水流を受けて軸を回転させたのち、ノズルによる水流を受ける部位に近づく部分では「水流に倣う方向に寝る」ように態位を変化させる構成とすることにより、戻り部位での抵抗を有効に減じて回転力を高めることができる。   Make each blade of Type 1 and Type 2 impellers movable, and at the part that receives the water flow from the nozzle, make it stand up in the radial direction of the wheel and sufficiently receive the water flow, receive the water flow and rotate the shaft After that, it is possible to increase the rotational force by effectively reducing the resistance at the return part by adopting a configuration that changes the position so that it `` sleeps in the direction following the water flow '' in the part that is close to the part that receives the water flow by the nozzle. it can.

さらに、本発明の相反転クロスフロー型超小型発電装置における好ましい構成を挙げて説明する。   Further, a preferred configuration of the phase inversion cross flow type micro power generator of the present invention will be described.

「翼に関して」
1.翼の形状をサイクロイド曲線にすると、翼の可動範囲を広くすることができる。
2.翼に厚み分布を持たせると、翼間の圧力分布を改善して大きな軸トルクを得ることができる。
3.円形支持部材に取り付けた翼の回転軸方向の端部と回転軸とに間隔が形成されるように、翼のサイズを設定すると、翼間に水が流れず淀む領域(死水領域)を最小限にできて、水のエネルギを効率よく活用し軸トルクを向上させることができる(図8)。
“Wings”
1. If the shape of the wing is a cycloid curve, the movable range of the wing can be widened.
2. If the blades have a thickness distribution, the pressure distribution between the blades can be improved and a large shaft torque can be obtained.
3. When the wing size is set so that there is a gap between the rotation axis direction end of the wing attached to the circular support member and the rotation axis, the area where water does not flow between the wings (dead water area) is minimized. It is possible to improve the shaft torque by efficiently using the energy of water (FIG. 8).

「可動機構に関して」
1.翼車上流に導水ノズルまたは案内翼を設けると、1枚の可動翼をスムーズに立ち上げさせることができる(図9)。
2.翼車のケーシング形状を、入る水量に比べて出る水量の方が少ないように、入口と出口の大きさを調整して、翼車の回転方向と同方向のスワールを誘起する3次元構造にして、軸トルクを向上させる(図10)。
3.前記1.2の構成にすると、翼車が回転方向の力を長時間受けることができる。
“Moveable mechanism”
1. If a water guide nozzle or a guide blade is provided upstream of the impeller, one movable blade can be started up smoothly (FIG. 9).
2. The casing shape of the impeller is a three-dimensional structure that induces swirl in the same direction as the rotation direction of the impeller by adjusting the size of the inlet and outlet so that the amount of water coming out is smaller than the amount of water entering. The shaft torque is improved (FIG. 10).
3. With the configuration of 1.2, the impeller can receive a force in the rotational direction for a long time.

「軸トルクに関して」
翼が水から力を受けない部位を、揚力を得る翼形状と迎え角をもつように可動機構の可動範囲となる構造とする。
“About shaft torque”
The part where the wing does not receive force from water has a structure that becomes a movable range of the movable mechanism so as to have a wing shape and an angle of attack for obtaining lift.

以上に説明したように、本発明によれば新規な「相反転クロスフロー型発電装置」を実現することができる。この「相反転クロスフロー型発電装置」はクロスフロー型であるので、翼車の翼形状が軸流型のものに比して単純な形状でよく、例えば、板形状とか断面が半弧型のようなものは製造が容易である。また相反転式であるので、大きな起電力を得ることができる。
また、本発明の超小型発電装置は、水没した状態で発電が可能な「水没型」であり、自然を保護し、景観を損なわない発電装置であるとともに、例えばダムや堰、水路や配管等の「発電装置のための付帯設備」を新たに設ける必要がないため、インフラ整備に必要な時間と経費を節約できる。
さらに、水没型の発電装置の利点として、落差が大きいビルの冷却用配管や、宇宙ステーションの貴重な水を有効利用してバックアップ電源とし、既存の配管内に本発電装置を設置して発電することが可能であり、用途の拡張が期待できる。
As described above, according to the present invention, a novel “phase-inverted cross-flow power generator” can be realized. Since this “phase-inverted crossflow power generator” is a crossflow type, the blade shape of the impeller may be simpler than that of the axial flow type, for example, a plate shape or a semi-arc type cross section. Such is easy to manufacture. Moreover, since it is a phase inversion type, a large electromotive force can be obtained.
Further, the micro power generator of the present invention is a “submersible type” capable of generating power in a submerged state, is a power generator that protects nature and does not damage the landscape, and includes, for example, a dam, a weir, a waterway, a pipe, and the like This eliminates the need to newly install the “accompanying facilities for power generation equipment”, thereby saving the time and cost required for infrastructure development.
In addition, as an advantage of the submerged power generator, cooling pipes for buildings with large heads and valuable water from the space station are used as backup power sources, and this power generator is installed in the existing pipes to generate electricity. It is possible to expand the application.

水車翼が可動機構を有するために、水と一緒に流入する土砂や汚染物を、自動的に取り除くことが可能で、メインテナンス回数を削減することができる。
本発明の超小型発電装置は、第1種翼車、第2種翼車および発電機が、それぞれ「防水されたユニット構造」を持つ。第1種翼車、第2種翼車および発電機が各1機で基本構成される。しかし、流速および水路の幅等の条件により、第1種翼車を1機以上連結し、同様に第2種翼車を1機以上連結して発電機との構成で発電することが可能である。また、第1種翼車を1機以上連結し、同様に第2種翼車を1機以上連結して更に1機以上の発電機との構成で発電することも可能である。
Since the turbine blade has a movable mechanism, it is possible to automatically remove earth and sand and contaminants that flow in with water, and the number of maintenance can be reduced.
In the micro power generator of the present invention, the first type impeller, the second type impeller, and the generator each have a “waterproof unit structure”. The first type impeller, the second type impeller, and the generator are basically composed of one each. However, depending on conditions such as the flow velocity and the width of the water channel, it is possible to connect one or more first-type impellers and similarly connect one or more second-type impellers to generate power with a generator. is there. It is also possible to connect one or more first-type impellers, similarly connect one or more second-type impellers, and further generate power in a configuration with one or more generators.

以下、実施の形態を説明する。
図1は「相反転クロスフロー型発電装置」の実施の1形態を説明するための図である。
図1(a)は相反転クロスフロー型発電装置を水流の流入側から見た概観図である。
図1(a)において、符号31は発電手段を水密に密閉するケーシング、符号41は第1のノズル、符号42は第2のノズル、符号50はハウジングを示している。
図1(b)は、図1(a)のb−b断面図、図1(c)は同じくc−c断面図であり、図1(d)は、相反転クロスフロー型発電装置を水流の流出側から見た概観図である。
Hereinafter, embodiments will be described.
FIG. 1 is a diagram for explaining one embodiment of a “phase-inversion cross-flow power generation device”.
Fig.1 (a) is the general | schematic figure which looked at the phase inversion crossflow type power generator from the inflow side of the water flow.
In FIG. 1A, reference numeral 31 denotes a casing for hermetically sealing the power generation means, reference numeral 41 denotes a first nozzle, reference numeral 42 denotes a second nozzle, and reference numeral 50 denotes a housing.
1 (b) is a cross-sectional view taken along line bb of FIG. 1 (a), FIG. 1 (c) is a cross-sectional view taken along line cc, and FIG. It is the general-view figure seen from the outflow side.

この実施の形態では、図1(a)、(d)の左右方向のサイズが500mm、高さ方向のサイズが300mm、図1(b)、(c)の左右方向のサイズが700mm程度である。
図1(a)に示すように、相反転クロスフロー型発電装置を水流の流入側から見ると、ケーシング31とハウジング50とが左右方向に並び、ハウジング50には第1及び第2のノズル41、42が連結され、ケーシング31は「発電手段」を水密に密閉している。水流は、図1(a)の図面に直交する方向において、図面の表側から裏側へ向かうように流れる。
In this embodiment, the horizontal size in FIGS. 1A and 1D is 500 mm, the height size is 300 mm, and the horizontal size in FIGS. 1B and 1C is about 700 mm. .
As shown in FIG. 1A, when the phase-reversed cross-flow power generation device is viewed from the inflow side of the water flow, the casing 31 and the housing 50 are arranged in the left-right direction, and the housing 50 includes first and second nozzles 41. , 42 are connected, and the casing 31 seals the “power generation means” in a watertight manner. The water flow flows from the front side to the back side of the drawing in a direction orthogonal to the drawing of FIG.

図1(b)において、符号12は第2種翼車、符号22は第2回転軸、符号51はハウジング50の排出口をそれぞれ示している。図1(c)において、符号11は第1種翼車、符号21は第1回転軸をそれぞれ示している。これらの図に示されたように、第1のノズル41、第2のノズル42は、ハウジング50の一部としてハウジング50と一体に形成されている。
また、図1(b)において、第2種翼車12を構成する各翼121は、第2種翼車12の基部12Aに設けた可動機構(図示していない)に直接固定され、同様に、図1(c)において、第1種翼車11を構成する各翼111は、第1種翼車11の基部11Aに設けた可動機構(図示していない)に直接固定され、各翼が水の運動エネルギを効率的に受けて翼車の回転エネルギを最高にするために、該可動機構によって水流に対する各翼の角度を変化させる必要がある。
図1(b)および図1(c)に示す翼車に設ける翼の数は6枚であるが、限定的でなく、翼の数は6〜8枚程度が好ましく、また、可動させる翼の前記角度は、45〜60°が好ましい。
以上、可動機構を翼車の基部に設け、各翼を該可動機構に取り付ける場合を述べたが、可動機構を回転軸に設け、各翼を該可動機構に取り付けることも可能であり、本発明においては前者も後者の一種と扱うものとする。
In FIG. 1B, reference numeral 12 denotes a second type impeller, reference numeral 22 denotes a second rotating shaft, and reference numeral 51 denotes a discharge port of the housing 50. In FIG.1 (c), the code | symbol 11 has shown the 1st type impeller, and the code | symbol 21 has each shown the 1st rotating shaft. As shown in these drawings, the first nozzle 41 and the second nozzle 42 are formed integrally with the housing 50 as a part of the housing 50.
In FIG. 1B, each blade 121 constituting the second type impeller 12 is directly fixed to a movable mechanism (not shown) provided on the base 12A of the second type impeller 12, and similarly In FIG. 1C, each blade 111 constituting the first type impeller 11 is directly fixed to a movable mechanism (not shown) provided on the base 11A of the first type impeller 11, and each wing is In order to efficiently receive the kinetic energy of water and maximize the rotational energy of the impeller, it is necessary to change the angle of each blade relative to the water flow by the movable mechanism.
The number of blades provided in the impeller shown in FIGS. 1 (b) and 1 (c) is six, but is not limited, and the number of blades is preferably about 6 to 8, and the movable blades are movable. The angle is preferably 45 to 60 °.
As described above, the case where the movable mechanism is provided at the base of the impeller and each blade is attached to the movable mechanism has been described. However, it is also possible to provide the movable mechanism on the rotating shaft and attach each blade to the movable mechanism. The former is treated as a kind of the latter.

図1(c)に示すように、水流WIは図の左方から第1のノズル41に流入する。第1のノズル41は流入口から第1種翼車11側の噴出口41Aへ向かって流路断面が狭くなっており、流入した水流WIは、第1のノズル41内を噴出口41Aへ向かって流れつつ「流れの断面積」が小さくなることにより加速される。加速されて流速を増大された水流は、噴出孔41Aから第1種翼車11の翼111に向けて噴出し、第1種翼車11を反時計回りに回転させたのち水流WFとなり、排出口51から排出されて水流WOとなる。   As shown in FIG. 1C, the water flow WI flows into the first nozzle 41 from the left side of the figure. The flow path cross section of the first nozzle 41 is narrowed from the inlet toward the jet nozzle 41A on the first type impeller 11 side, and the inflowing water flow WI travels through the first nozzle 41 toward the jet outlet 41A. The flow is accelerated by decreasing the “flow cross-sectional area”. The water flow accelerated and increased in flow velocity is ejected from the ejection hole 41A toward the blade 111 of the first type impeller 11, and after rotating the first type impeller 11 counterclockwise, becomes a water flow WF. It is discharged from the outlet 51 and becomes a water flow WO.

図1(b)に示すように、水流WIは図の左方から第2のノズル42に流入する。第2のノズル42は流入口から第2種翼車12側の噴出口42Aへ向かって流路断面が狭くなっており、流入した水流WIは、第2のノズル42内を噴出口42Aへ向かって流れつつ「流れの断面積」が小さくなることにより加速される。加速されて流速を増大された水流は、噴出孔42Aから第2種翼車12の翼121に向けて噴出し、第2種翼車12を時計回りに回転させたのち水流WFとなり、排出口51から排出されて水流WOとなる。   As shown in FIG. 1B, the water flow WI flows into the second nozzle 42 from the left side of the figure. The flow path section of the second nozzle 42 becomes narrower from the inlet toward the jet outlet 42A on the second type impeller 12 side, and the inflowing water flow WI travels through the second nozzle 42 toward the jet outlet 42A. The flow is accelerated by decreasing the “flow cross-sectional area”. The water flow accelerated and increased in flow velocity is ejected from the ejection hole 42A toward the blade 121 of the second type impeller 12, and after rotating the second type impeller 12 clockwise, becomes a water flow WF. It is discharged from 51 and becomes a water stream WO.

図1(d)に示すように、ハウジング50内において、第1種翼車11と第2種翼車12とは、ハウジング50の隔壁52により分離され、各翼車を回転させる水流が互いに干渉しないようになっている。ハウジング50に形成された排出口51は、第1種翼車11、第2主翼車12を回転させた水流に対して共通に開口しており、図1(b)、(c)に示すように「排出側端部に向かって断面積が漸増するディフューザ形状」となっている。
また、図1(b)〜(d)に示すように、第1種翼車11は第1回転軸21に基部11Aを固定されており、第2種翼車12は第2回転軸22に基部12Aを固定されている。第1回転軸21は中空シリンダ状であり、第2回転軸22は第1回転軸11の内側に、第1回転軸21を軸心方向(図1(b)、(c)において図面に直交する方向)へ貫通するように設けられている。
As shown in FIG. 1D, in the housing 50, the first-type impeller 11 and the second-type impeller 12 are separated by a partition wall 52 of the housing 50, and water flows that rotate the respective impellers interfere with each other. It is supposed not to. The discharge port 51 formed in the housing 50 is opened in common with respect to the water flow in which the first-type impeller 11 and the second main impeller 12 are rotated, as shown in FIGS. 1B and 1C. The “diffuser shape whose cross-sectional area gradually increases toward the discharge side end” is used.
Further, as shown in FIGS. 1B to 1D, the first type impeller 11 has a base 11 </ b> A fixed to the first rotating shaft 21, and the second type impeller 12 is attached to the second rotating shaft 22. The base 12A is fixed. The first rotating shaft 21 has a hollow cylinder shape, the second rotating shaft 22 is disposed inside the first rotating shaft 11, and the first rotating shaft 21 is orthogonal to the drawings in the axial direction (FIGS. 1B and 1C). In the direction in which it is inserted).

これら第1回転軸21、第2回転軸22は相互に「軸心の周りに回転自在」に係合されており、第1回転軸21は第1種翼車11と一体に第1の向き(図1(c)において反時計回り)に回転し、第2回転軸22は第2種翼車12と一体に第2の向き(図1(b)において時計回り)に回転する。以下に説明するように、発電手段が有する1以上の磁石と1以上のコイルは、これら第1回転軸21および第2回転軸一体的に回転する。   The first rotating shaft 21 and the second rotating shaft 22 are engaged with each other so as to be “rotatable around the axis”, and the first rotating shaft 21 is integrated with the first type impeller 11 in the first direction. The second rotating shaft 22 rotates in a second direction (clockwise in FIG. 1B) integrally with the second type impeller 12. As will be described below, the one or more magnets and the one or more coils included in the power generation means rotate integrally with the first rotating shaft 21 and the second rotating shaft.

なお、第1種・第2種翼車の翼111、121は、図示の簡単のために平面状に描いてあるが、実際には、水流を有効に受けることができるように形成されていることは言うまでもない。   In addition, although the wings 111 and 121 of the first and second type impellers are drawn in a planar shape for the sake of simplicity of illustration, they are actually formed so that the water flow can be effectively received. Needless to say.

図2は、発電装置内部の様子を説明図的に示している。
図の如く、第1種翼車11はその基部11Aを第1回転軸21に固装され、第2種翼車12はその基部12Aを第2回転軸22に固装されている。
第1回転軸21は中空であり、第2回転軸22は第1回転軸21の内側に軸心方向に貫通している。第1回転軸21と第2回転軸22との間は、水密性の軸受け210により結合され、第1回転軸21と第2回転軸22とが「互いに任意の回転方向へ回転自在」となっている。水密性の軸受け210は、例えば「撥水性の潤滑材」等である。
FIG. 2 illustrates the inside of the power generation apparatus in an explanatory manner.
As shown in the figure, the first type impeller 11 has its base portion 11A fixed to the first rotating shaft 21, and the second type impeller 12 has its base portion 12A fixed to the second rotating shaft 22.
The first rotating shaft 21 is hollow, and the second rotating shaft 22 penetrates inside the first rotating shaft 21 in the axial direction. The first rotating shaft 21 and the second rotating shaft 22 are coupled by a watertight bearing 210 so that the first rotating shaft 21 and the second rotating shaft 22 are “rotatable in any rotation direction with respect to each other”. ing. The watertight bearing 210 is, for example, a “water-repellent lubricant”.

第1回転軸21の、図で左方の端部には、フランジ状の支持手段300が一体的に設けられ、その半径方向端部に形成された中空シリンダ状の折り曲げ部の内周面に複数個の磁石301が周方向へ等間隔に固装されている。磁石の数は特に限定的でなく、適宜に選択できるが、例えば10個〜32個程度であり、前述したように、少なくとも24個有することが好ましい。   A flange-like support means 300 is integrally provided at the left end of the first rotating shaft 21 in the drawing, and is formed on the inner peripheral surface of a hollow cylinder-like bent portion formed at the radial end thereof. A plurality of magnets 301 are fixed at equal intervals in the circumferential direction. The number of magnets is not particularly limited and can be appropriately selected. For example, it is about 10 to 32, and it is preferable to have at least 24 as described above.

一方、第2回転軸22の図で左方の端部近傍には、フランジ状の支持手段303が、第2回転軸22と一体に設けられ、その半径方向端部に形成された中空シリンダ状の折り曲げ部は、その外周面部分が支持手段303の折り曲げ部の内周面に対向し、この外周面部分に磁石301と対応する複数個のコイル304が固設されている。コイルの数は特に限定的でなく、適宜に選択できるが、例えば10個〜32個程度であり、前述したように、少なくとも24個有することが好ましい。   On the other hand, in the vicinity of the left end portion of the second rotating shaft 22, a flange-like support means 303 is provided integrally with the second rotating shaft 22 and is formed in a hollow cylinder shape formed at the radial end portion thereof. The outer peripheral surface portion of the bent portion is opposed to the inner peripheral surface of the bent portion of the support means 303, and a plurality of coils 304 corresponding to the magnets 301 are fixed to the outer peripheral surface portion. The number of coils is not particularly limited and can be appropriately selected. For example, the number is about 10 to 32, and as described above, it is preferable to have at least 24 coils.

コイル304は導線305により整流子306に連結され、この整流子306に摺接するブラシ307の電圧を、蓄電器308と負荷309に印加するようになっている。
フランジ状の支持手段300、303、複数の磁石301、複数のコイル304、導線305、整流子306、ブラシ307は「発電手段」を構成し、ケーシング31内に水密に密閉されている。なお、整流子とブラシからなるものに替えて、回転子と固定子を構成要素とするベアリングレスのものを用いることができる。
The coil 304 is connected to a commutator 306 by a conducting wire 305, and the voltage of the brush 307 that is in sliding contact with the commutator 306 is applied to the capacitor 308 and the load 309.
The flange-shaped support means 300, 303, the plurality of magnets 301, the plurality of coils 304, the conducting wire 305, the commutator 306, and the brush 307 constitute “power generation means” and are sealed in the casing 31 in a watertight manner. In addition, it can replace with what consists of a commutator and a brush, and can use the bearingless thing which has a rotor and a stator as a component.

即ち、図1、図2に実施の形態を示す発電装置は、水流に交わる方向に回転軸を持つ相反転クロスフロー型小型発電装置であって、水流を受けて第1の向き(図1(c)において反時計回り)に回転する第1種翼車11と、水流を受けて第1の向きと逆の第2の向き(図1(b)において時計回り)に回転する第2種翼車12と、第1および第2種翼車11、12に同軸で、第1種翼車11に係合して回転される第1回転軸21と、第2種翼車12に係合して回転され、第1回転軸21の内側に軸心方向に貫通された第2回転軸22と、これら第1回転軸21および第2回転軸22の一方と一体的に回転する1以上の磁石301、及び、他方と一体的に回転する1以上のコイル304とを含む発電手段と、流入する水流WIを第1種翼車11に向けて加速する第1のノズル41と、流入する水流WIを第2種翼車12に向けて加速する第2のノズル42と、発電手段を水密に密閉するケーシング31とを有する。   That is, the power generator shown in FIG. 1 and FIG. 2 is a phase inversion cross-flow type small power generator having a rotation axis in the direction intersecting the water flow, and receives the water flow in the first direction (FIG. 1 ( a first-type impeller 11 that rotates counterclockwise in c) and a second-type blade that rotates in a second direction opposite to the first direction (clockwise in FIG. 1B) upon receiving a water flow. It is coaxial with the vehicle 12, the first and second type impellers 11, 12, is engaged with the first type impeller 11, and is engaged with the first type impeller 11 and the second type impeller 12. The second rotating shaft 22 that is rotated in the axial direction inside the first rotating shaft 21 and one or more magnets that rotate integrally with one of the first rotating shaft 21 and the second rotating shaft 22 301 and one or more coils 304 that rotate integrally with the other, and the inflowing water flow WI as a first type impeller 11 It has a first nozzle 41 to accelerate toward, a second nozzle 42 to accelerate toward the water flow WI Second Tanetsubasasha 12 flowing, and a casing 31 for sealing the power generating unit in a watertight manner.

また、第1種翼車11、第2種翼車12を囲繞し、第1および第2のノズル41、42からの水流を受け入れる流入口41A、42Aと、第1種翼車11、第2種翼車12を回転させた水流WEを排出させる排出口51とを持つハウジング50を有し、ハウジング50の排出口51はディフューザ形状である。   Further, the inlets 41A and 42A that surround the first-type impeller 11 and the second-type impeller 12 and receive the water flow from the first and second nozzles 41 and 42, and the first-type impeller 11 and the second The housing 50 has a discharge port 51 for discharging the water flow WE obtained by rotating the seed impeller 12, and the discharge port 51 of the housing 50 has a diffuser shape.

図3は、本発明の相反転クロスフロー型発電装置の実施の1形態を説明するための図で
ある。
この実施の形態においては、図1、図2に即して上に実施の形態を説明した相反転クロスフロー型発電装置に、第1および第2のノズル41、42に向けて水流を加速する補助ノズル400を有する。
補助ノズル400は、水流WIの流入口(図の左端部)から第1、第2のノズル41、42の流入口に連結する部分に向かって断面積が漸減しており、流入する水流WIを加速させて第1、第2のノズル41、42に流入させる。補助ノズル400は、相反転クロスフロー型発電装置の本体とは別体であって、例えば、相反転クロスフロー型発電装置本体水流の流速や落差が小さい部分に設置されるような場合に、第1、第2のノズル側に連結するように配設する。
FIG. 3 is a diagram for explaining an embodiment of the phase-inversion cross-flow power generator according to the present invention.
In this embodiment, the water flow is accelerated toward the first and second nozzles 41 and 42 in the phase-inversion cross-flow power generator described above with reference to FIGS. 1 and 2. An auxiliary nozzle 400 is provided.
The auxiliary nozzle 400 has a cross-sectional area that gradually decreases from the inlet of the water flow WI (the left end in the figure) to the portion connected to the inlets of the first and second nozzles 41 and 42, and the incoming water flow WI is reduced. It is accelerated and flows into the first and second nozzles 41 and 42. The auxiliary nozzle 400 is separate from the main body of the phase-inverted crossflow power generator, and is installed in a portion where the flow velocity or the drop of the water flow of the phase-inverted crossflow power generator main body is small. 1. It arrange | positions so that it may connect with the 2nd nozzle side.

第1、第2のノズル41、42の流入した水流は、各ノズル41、42により「更に加速され」て第1種・第2種翼車11、12に噴射される。これにより、図1、図2の実施の形態の場合よりもさらに「翼車の回転速度を増大させる」ことができる。   The water flows flowing in from the first and second nozzles 41 and 42 are “accelerated further” by the nozzles 41 and 42, and are injected to the first and second type impellers 11 and 12. Thereby, it is possible to “increase the rotational speed of the impeller” further than in the case of the embodiment of FIGS.

図4は、カムを用いた本発明の発電装置の説明図であり、図4(a)は内輪カムを、図4(b)は外輪カムを用いる場合を示している。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものに付いては、図1、図2におけると同一の符号を付する。
図4(a)の形態は「第2種翼車の部分」を示している。第2回転軸22に同軸に、第2種翼車の翼121の態位を変化させるカム122が装置空間に固定的に設けられ、翼121は、リング状の支持部材120に「翼車半径方向の一部を軸Jにより揺動自在に軸支され」ており、翼車半径方向の一端部をカムフォロワとしてカム122に従動させる構成となっている。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the power generation device of the present invention using a cam. FIG. 4 (a) shows the case where an inner ring cam is used, and FIG. 4 (b) shows the case where an outer ring cam is used. In order to avoid confusion, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 are attached to those which are not likely to be confused.
The form of FIG. 4A shows “part of the second type impeller”. A cam 122 that changes the state of the blade 121 of the second type impeller coaxially with the second rotating shaft 22 is fixedly provided in the device space, and the blade 121 is attached to the ring-shaped support member 120 on the “impeller radius”. A part of the direction is pivotally supported by the shaft J ”, and the cam 122 is driven by the cam 122 as one end in the radial direction of the impeller.

リング状の支持部材120は、図面に直交する方向へ1対設けられ、翼121の幅方向(図面に直交する方向)の両端部を軸支して「軸Jの周りに揺動自在」としている。支持部材120は第2回転軸22と一体であり、第2回転軸22を回転させる。   A pair of ring-shaped support members 120 are provided in a direction orthogonal to the drawing, and support both ends of the blade 121 in the width direction (direction orthogonal to the drawing) to be “swingable about the axis J”. Yes. The support member 120 is integral with the second rotation shaft 22 and rotates the second rotation shaft 22.

翼121は「翼車半径方向の一端部がカムフォロワとしてカム122に従動する」ことにより、水流W1を受ける部分(図4(a)の上の部分)では翼車半径方向に立ち、水流W1を受けて軸を回転させたのち、ノズルによる水流W1を受ける部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように揺動し、態位を変化させる。この態位変化により、水流W1を受ける部位では、水流W1を有効に受けて有効なトルクを発生させて第2回転軸22を回転させるが、第2種翼車を回転させた水流W2が翼に作用しなくなると、翼121が水流に倣う方向に寝る態位となって抵抗を軽減させる。   The blades 121 stand in the radial direction of the impeller at the portion (the upper portion in FIG. 4A) that receives the water flow W1 by “the one end portion in the radial direction of the impeller follows the cam 122 as a cam follower”. After receiving and rotating the shaft, it swings so as to lie down in a direction following the water flow at a portion close to the portion that receives the water flow W1 by the nozzle, and changes its position. Due to this change in position, the portion that receives the water flow W1 effectively receives the water flow W1 and generates an effective torque to rotate the second rotating shaft 22, but the water flow W2 obtained by rotating the second type impeller is the blade. When it does not act on the wing, the wing 121 is in a position to sleep in a direction following the water flow, and the resistance is reduced.

図4(b)の実施の形態においては、第2回転軸22に一体化された1対のリング状の支持部材に翼121が、図4(a)の場合と同じく、「翼車半径方向の一部を軸Jにより揺動自在に軸支され」ている。
この形態においては、第1種翼車、第2種翼車を囲繞し、第1および第2のノズルからの水流W1を受け入れる流入口と、第1、第2種翼車を回転させた水流W2を排出する排出口とを持つハウジングを有し、翼121の揺動を制御するカム123は、ハウジングの内壁に設けられている。
In the embodiment of FIG. 4B, the wing 121 is attached to the pair of ring-shaped support members integrated with the second rotating shaft 22 as in the case of FIG. Is pivotally supported by a shaft J ”.
In this embodiment, the first type impeller and the second type impeller surround the inlet that receives the water flow W1 from the first and second nozzles, and the water flow obtained by rotating the first and second type impellers. A cam 123 having a housing having a discharge port for discharging W2 and controlling the swing of the blade 121 is provided on the inner wall of the housing.

水流W1は、翼121に流圧を作用させて支持部材120もろともに第2回転軸22を回転させる。このとき、翼121が水流W1を有効に受ける部分では、翼車半径方向に立ち、水流を受けて軸22を回転させたのち、再度水流W1を受ける部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように態位を変化させる。カム123は、翼121の翼車半径方向端部に作用して、上記態位変化を行わせるように翼121の揺動を制御する。
第1種翼車の翼の駆動も上記と同様である。
図4に実施の形態を示した相反転クロスフロー型発電機は、第1種・第2種翼車を、例えば、300rpm〜2400rpm程度で高速回転せる場合に有効である。
The water flow W1 causes the fluid pressure to act on the blade 121 to rotate the second rotating shaft 22 together with the support member 120. At this time, the portion where the blade 121 effectively receives the water flow W1 stands in the radial direction of the impeller, rotates the shaft 22 in response to the water flow, and then sleeps in a direction following the water flow at a portion approaching the portion receiving the water flow W1 again. To change the position. The cam 123 acts on the end of the blade 121 in the radial direction of the impeller and controls the swing of the blade 121 so as to cause the above-described change of position.
The driving of the blades of the first type impeller is the same as described above.
The phase inversion crossflow generator shown in the embodiment in FIG. 4 is effective when the first and second type impellers are rotated at a high speed, for example, at about 300 to 2400 rpm.

図5(a)と図5(b)は、それぞれ内輪カムと外輪カムを示す模式図である。符号は、図4におけると同一の符号を付する。
図6は、本発明の相反転クロスフロー型発電装置の実施の1形態を示している。煩雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものに付いては、図1、図2、図4におけると同一の符号を付する。
FIG. 5A and FIG. 5B are schematic views showing an inner ring cam and an outer ring cam, respectively. The reference numerals are the same as those in FIG.
FIG. 6 shows an embodiment of the phase-inversion crossflow power generator of the present invention. In order to avoid complications, the same reference numerals as those in FIGS. 1, 2, and 4 are attached to those that are not likely to be confused.

第2種翼車の回転につき説明すると、第2種翼車は、回転軸と同軸に1対の翼端部係止手段23を有する。翼端部係止手段23は、円板形状で第2回転軸22に固装され、その周辺部に、複数の係止ピン230を等間隔に植設されている。
各翼121は、翼車半径方向の外端部側を、1対のリング状の支持部材120Aに軸J1により軸支されて揺動自在であり、水流W1による翼の揺動を翼端部係止手段23により係止されるようになっている。
The rotation of the type 2 impeller will be described. The type 2 impeller has a pair of blade end locking means 23 coaxially with the rotation axis. The blade end locking means 23 is disk-shaped and fixed to the second rotating shaft 22, and a plurality of locking pins 230 are implanted at equal intervals around the periphery thereof.
Each blade 121 is swingable on the outer end side in the radial direction of the impeller by being pivotally supported by the pair of ring-shaped support members 120A by the axis J1, and the blade end is caused to swing by the water flow W1. It is locked by the locking means 23.

水流W1は、翼121に流圧を作用させて支持部材120Aもろともに第2回転軸22を回転させる。このとき、翼121が水流W1を有効に受ける部分では、図示のごとく、翼121の自由端部側が係止ピン230に係止されることにより、翼車半径方向に立つが、水流W1を受けて軸22を回転させたのち、ノズルによる水流を受ける部位に近づく部分では翼121の係止ピン230による係止が解除され、欲121は「水流に倣う方向に寝る」ように態位を変化させ、この部位での水の提供を有効に軽減させる。
この型の形態は、第1種・第2種翼車を、例えば、80rpm〜300rpm程度の回転速度で回転せる場合に有効である。
The water flow W1 applies a flow pressure to the blades 121 to rotate the second rotating shaft 22 together with the support member 120A. At this time, at the portion where the blade 121 effectively receives the water flow W1, as shown in the drawing, the free end side of the blade 121 is locked by the locking pin 230, so that the blade 121 stands in the radial direction of the impeller, but receives the water flow W1. After rotating the shaft 22, the lock by the locking pin 230 of the wing 121 is released at a portion close to the portion that receives the water flow by the nozzle, and the greedy 121 changes its position to “sleep in the direction following the water flow”. To effectively reduce the water supply at this site.
This type of form is effective when the first and second type impellers are rotated at a rotational speed of, for example, about 80 rpm to 300 rpm.

図7は、本発明の第2の態様の発電装置であって、側板を設けた翼車を示す概念図である。なお、混同の恐れが無いと思われるものに付いては、図1〜図6におけると同一の符号を付する。
該翼車は、これを第2種翼車として説明すると、第2回転軸22の両端部に1対の円板形状の円形支持部材(側板)551(片側の側板は図示されていない。)が同軸に固定され、NACA翼形の翼111はピン552を可動機構として2枚の側板551の外縁近傍に揺動可能に取り付けられている。
翼111はピン552によって可動性であるため、ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、上記水流を受けて回転軸22を回転させたのち、上記ノズルによる水流を受けない部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように態位を変化させる。
側板551は翼111がとらえた水を保持する効果を奏し、翼111と側板551の間の隙間553から漏れる量は5%以下であり、所期の発電装置としては問題ではない。
FIG. 7 is a conceptual diagram showing an impeller provided with a side plate, which is a power generation device according to a second aspect of the present invention. In addition, the same code | symbol as in FIGS. 1-6 is attached | subjected about what does not seem to have the possibility of confusion.
When this impeller is described as a second type impeller, a pair of disc-shaped circular support members (side plates) 551 are provided at both ends of the second rotating shaft 22 (one side plate is not shown). Are fixed coaxially, and the NACA airfoil blade 111 is swingably attached to the vicinity of the outer edges of the two side plates 551 using the pin 552 as a movable mechanism.
Since the blade 111 is movable by the pin 552, the portion that receives the water flow by the nozzle stands in the radial direction of the impeller, rotates the rotary shaft 22 by receiving the water flow, and then approaches the portion that does not receive the water flow by the nozzle. In the part, the posture is changed to sleep in the direction following the water flow.
The side plate 551 has an effect of holding water captured by the wing 111, and the amount of leakage from the gap 553 between the wing 111 and the side plate 551 is 5% or less, which is not a problem as the intended power generator.

図8は、本発明の第2の態様の発電装置を構成する翼車の1例を示す模式図である。
図8も図7と同様に概念図であり、翼111がピン552を可動機構として側板551の外縁近傍に揺動可能に取り付けられた状態を示す。
この例では、回転軸22の外周部に翼端部係止手段23として複数の係止溝23−1が形成され、ピン552を支点として回転する翼の端部を係止する効果を持たせている。
図示する翼の形状は、翼111−1を立ち上げる水の流れ(1)を形成すると共に、翼111−2に揚力(2)を生じさせるのに有効である。
図示していないが、翼端部係止手段として複数の係止ピンを側板551上の回転軸22側内周部取り付けて、前記係止溝23−1と同じ効果をもたらすことができる。
FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of an impeller that constitutes the power generation device according to the second aspect of the present invention.
FIG. 8 is a conceptual diagram similar to FIG. 7, and shows a state in which the wing 111 is swingably attached to the vicinity of the outer edge of the side plate 551 using the pin 552 as a movable mechanism.
In this example, a plurality of locking grooves 23-1 are formed as blade tip locking means 23 on the outer peripheral portion of the rotating shaft 22, and the effect of locking the end of the blade rotating around the pin 552 is given. ing.
The shape of the wing shown in the figure is effective for forming a flow of water (1) for raising the wing 111-1, and generating lift (2) in the wing 111-2.
Although not shown, a plurality of locking pins can be attached as the blade end locking means on the inner peripheral portion of the rotating shaft 22 on the side plate 551 to bring about the same effect as the locking groove 23-1.

図9は、本発明の第2の態様の発電装置を構成する翼車における翼と回転軸の取り付け位置の説明図である。
翼111は、ピン552を可動機構として、側板551の外縁近傍に取り付けられている。円形支持部材に取り付けた翼111の一端部Aと回転軸22との間には間隔が設けられている。この間隙が殆んど無い場合には、翼間に水が流れず淀む領域(死水領域)が生じて水のエネルギを効率よく活用できない場合があるが、図9の例では上記「間隔」が設けられるため死水領域が形成されることがなく、軸トルクを向上させることができる。
FIG. 9 is an explanatory diagram of the attachment positions of the blades and the rotary shaft in the impeller that constitutes the power generation device according to the second aspect of the present invention.
The wing 111 is attached in the vicinity of the outer edge of the side plate 551 using the pin 552 as a movable mechanism. A space is provided between one end A of the blade 111 attached to the circular support member and the rotary shaft 22. When there is almost no gap, there may be a region where water does not flow between the blades (dead water region), and water energy may not be used efficiently. In the example of FIG. Since it is provided, a dead water region is not formed, and the shaft torque can be improved.

図10は、本発明の発電装置を構成する翼車の水導入ノズルの変形例を示した模式図である。
翼111は、ピン552を可動機構として側板551の外縁近傍に揺動可能に取り付けられている。ノズル42に導水溝42−1を設けることによって、可動翼111−1をスムーズにかつ早く立ち上げさせることができる。
FIG. 10 is a schematic view showing a modified example of the water introduction nozzle of the impeller constituting the power generator of the present invention.
The wing 111 is swingably attached near the outer edge of the side plate 551 using the pin 552 as a movable mechanism. By providing the water guide groove 42-1 in the nozzle 42, the movable blade 111-1 can be started up smoothly and quickly.

図11は、本発明の発電装置を構成し、スワールを誘起するケーシング構造を示している。(a)は断面図、(b)は模式図である。
翼車のケーシング形状を、入る水量に比べて出る水量の方が少ないように、入口と出口の大きさを調整して、一部の水が出口から出るのでなく翼車の回転方向の流れを形成して、同方向のスワールを誘起する3次元構造にして軸トルクを向上させる。
FIG. 11 shows a casing structure that constitutes the power generation device of the present invention and induces swirl. (A) is sectional drawing, (b) is a schematic diagram.
Adjust the size of the inlet and outlet so that the casing shape of the impeller is less than the amount of water entering, so that some of the water does not exit the outlet but flows in the rotational direction of the impeller. The three-dimensional structure is formed to induce the swirl in the same direction to improve the axial torque.

本発明を創出する過程で行なった数値計算と検証実験について具体的に説明する。
「数値計算による可動翼機構の検討」
数値計算は、市販の汎用流体数値計算用ソフトウェアの「SCRYU/Tetra ver.6(株式会社 ソフトウェアクレイドル)」を用いて、下記1〜8の考えに基づいて行なった。
1.翼車が1回転する間に翼に働く力を平均する。
2.使用する翼は、長さ:135mm、幅:170mmの平板翼とする。
3.軸径を90mmとし、軸に発電機を組込む場合の可能性を考える。
4.平板翼の縦横比の影響と半円弧翼の相違を比較する。
5.基本形態のケーシング形状を平行平板とする。
6.流入条件に合わせ、ハウジング形状を後方ステップ状にする。
7.翼形状と枚数を変化させて、流れ場の圧力分布と速度分布を求める。
8.翼が受ける力の平均値を求める。
The numerical calculation and verification experiment performed in the process of creating the present invention will be specifically described.
"Investigation of movable wing mechanism by numerical calculation"
The numerical calculation was performed based on the following ideas 1 to 8 using “SCRYU / Tetra ver. 6 (Software Cradle Co., Ltd.)”, a commercially available general-purpose fluid numerical calculation software.
1. The force acting on the wing during one revolution of the impeller is averaged.
2. The blade used is a flat blade having a length of 135 mm and a width of 170 mm.
3. Consider the possibility when the shaft diameter is 90 mm and the generator is built into the shaft.
4). The effect of flat blade aspect ratio and the difference of semi-arc blades are compared.
5). The casing of the basic form is a parallel plate.
6). In accordance with the inflow conditions, the housing is shaped like a rear step.
7). The pressure distribution and velocity distribution of the flow field are obtained by changing the blade shape and the number of blades.
8). Find the average force applied to the wing.

汎用ソフトウェアの特性を調べるために、直管路における管内流れを数値計算し、速度分布が実験値に近い値となるように計算メッシュ数とタイムステップを決めた。実際の発電装置をシミュレートして流体力から翼車の回転力を得る計算ができないため、翼車の1回転を所定の回転角度毎に分割し、位相を変化させて計算し「回転する翼車1周期分の平均値」を算出した。
可動翼車の始めの半周期で翼が流体力を得るが、残りの半周期で翼は回転に対する抵抗となり「この半周期」に翼が存在すると翼車が回転しないため、この半周期は「翼が存在しない状態(翼を折畳んだ状態)」として計算した。
In order to investigate the characteristics of general-purpose software, the flow in the pipe in the straight pipe was calculated numerically, and the number of meshes and the time step were determined so that the velocity distribution was close to the experimental value. Since it is not possible to calculate the rotational force of the impeller from the fluid force by simulating an actual power generation device, one rotation of the impeller is divided for each predetermined rotation angle, the phase is changed, and the calculation is performed. The average value for one vehicle cycle was calculated.
In the first half cycle of the movable impeller, the blade gains fluid force, but in the remaining half cycle, the blade becomes resistance to rotation, and if there is a blade in this half cycle, the impeller does not rotate. The calculation was made on the assumption that the wing was not present (the wing was folded).

図12は検証実験に用いた模形機に設けた翼車の模式図であり、(a)は模式図、(b)は数値解析に用いた計算モデル、(c)は模形機の様子を示す。
(a)に示すように、翼111はピン552を可動機構として回転軸22の外周に、揺動可能に取り付けられる。
翼111はパケット構造をでなく、かつ「側板を持たない平板翼」である。
翼枚数は6枚で、ピン552によって可動性であるため、ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、上記水流を受けて回転軸22を回転させたのち、上記ノズルによる水流を受けない部位に近づく部分では「水流に倣う方向に寝る」ように態位を変化させる。
図12(b)に示す数値解析モデルは、パケット構造をもつ3枚の平板翼111であって、ノズルによる水流を受ける部位で翼車が半径方向に立っている状態を示す。
FIG. 12 is a schematic diagram of the impeller provided in the model machine used in the verification experiment, (a) is a model diagram, (b) is a calculation model used for numerical analysis, and (c) is a model machine. Indicates.
As shown to (a), the wing | blade 111 is attached to the outer periphery of the rotating shaft 22 by the pin 552 as a movable mechanism so that rocking | fluctuation is possible.
The wing 111 does not have a packet structure and is a “flat wing without a side plate”.
Since the number of blades is six and is movable by the pin 552, the portion receiving the water flow by the nozzle stands in the radial direction of the impeller, receives the water flow, rotates the rotating shaft 22, and then receives the water flow by the nozzle. The position is changed to “sleep in a direction that follows the water flow” in a portion that approaches a non-existing portion.
The numerical analysis model shown in FIG. 12B shows a state in which the three blades 111 have a packet structure and the impeller stands in a radial direction at a portion that receives a water flow from the nozzle.

図13は、翼車軸トルクを縦軸、翼枚数を横軸として、数値計算の結果を表した図である。この図から明らかなように、平板翼の場合、枚数が6枚から15枚の場合に高い軸トルクが得られることが判った。また、同じ翼面積を持つ「横長の平板翼」と「縦長の平板翼」とでは、前者の場合では9枚から12枚で高い軸トルクが得られるが、後者の場合翼枚数の影響が小さく、10枚を除き「6枚から15枚の間で平板翼より高い軸トルクが得られる」ことが判った。
さらに、断面が半円弧形状を持つ「横長の半円弧翼」の軸トルクは、水の流速が同一の場合、平板翼の約2倍で、翼枚数が多い程「高い軸トルク」を得ることが可能であることが判った。
FIG. 13 is a diagram showing the results of numerical calculations, with the blade axle torque as the vertical axis and the number of blades as the horizontal axis. As is clear from this figure, it was found that in the case of flat blades, high shaft torque can be obtained when the number of blades is 6 to 15. In addition, in the case of “horizontal plate blades” and “vertical plate blades” having the same blade area, high torque can be obtained with 9 to 12 blades in the former case, but the influence of the number of blades is small in the latter case. With the exception of 10 sheets, it was found that “between 6 and 15 sheets, a higher shaft torque can be obtained than with flat plate blades”.
Furthermore, the axial torque of the “horizontal semicircular wing” with a semicircular cross section is approximately twice that of a flat wing when the water flow rate is the same. The higher the number of blades, the higher the “torque”. Was found to be possible.

図14は、翼形の違いによる数値計算結果を表わすグラフで、横軸が流れ方向距離、縦軸が流路幅、すなわち発電装置のケーシングの幅を示す。
計算は、流路幅(縦軸の長さをDとする)を1として無次元化し、計算領域は、翼車上流に10D、翼車下流に20Dとした。入口速度は「一様流入条件」とし、流れは左から右へ2m/sで流入するものとし、翼車の下方半分は「翼が折畳まれた状態」の可動機構をシミュレートするため「翼を取り付けていない」ものとした。
図は「翼形が異なる翼車の周りの流れの様子」を明らかにするために、(a)横長の平板翼、(b)縦長の平板翼および(c)半円弧翼としているが、何れも投影面積(翼車を正面から見たときの面積)が等しい場合を示している。
図は、圧力分布と速度ベクトルを表わしている。圧力分布は「濃度の高い領域が高い圧力」を示し、「濃度の低い領域が低い圧力」を示す。この結果から、翼の上流側で高い濃度の領域の割合が多い場合に、高い軸トルクを得られることが期待できる。
速度ベクトルは翼間内の流れの様子を明らかにし、また、ベクトル図は、翼車に当たる流れの方向を示している。
FIG. 14 is a graph showing the result of numerical calculation based on the difference in airfoil, in which the horizontal axis indicates the flow direction distance, and the vertical axis indicates the flow path width, that is, the width of the casing of the power generator.
The calculation was made dimensionless with the flow path width (the length of the vertical axis being D) as 1, and the calculation region was 10D upstream of the impeller and 20D downstream of the impeller. The inlet velocity is assumed to be “uniform inflow conditions”, the flow is assumed to flow from left to right at 2 m / s, and the lower half of the impeller simulates a movable mechanism in which the wings are folded. “No wings attached.”
The figure shows (a) a horizontally long flat blade, (b) a vertically long flat blade, and (c) a semi-circular blade in order to clarify "the flow around an impeller with different airfoils." Also shows a case where the projected areas (areas when the impeller is viewed from the front) are equal.
The figure shows the pressure distribution and the velocity vector. The pressure distribution indicates “a high concentration region has a high pressure” and “low concentration region has a low pressure”. From this result, it can be expected that a high shaft torque can be obtained when the ratio of the high concentration region on the upstream side of the blade is large.
The velocity vector reveals the flow between the blades, and the vector diagram shows the direction of the flow hitting the impeller.

「模型機を用いた検証実験」
長さ:135mm、幅:710mmのアルミニウム製の「パケット構造」の翼6枚を、直径:90mmの回転軸にピンで揺動可能に設けて可動性とした翼車1ユニットを模型機として準備した。
図12は該模型機を表わし、図12−1は正面図、図12−2は斜視図であり、6枚のパケット構造(P)の翼111が回転軸に可動機構に固定された状態を示している。
該模型機を、長野県茅野市街地河川の5箇所に順次設置し、翼車を回転させて「落差がある場合とない場合」の双方について、バネ秤を用いて軸トルクを計測した。
"Verification experiment using model machine"
Prepared as a model machine, a single impeller unit that is movable by providing six "packet structure" wings made of aluminum with a length of 135 mm and a width of 710 mm, with a pin on the rotating shaft with a diameter of 90 mm. did.
FIG. 12 shows the model machine, FIG. 12-1 is a front view, FIG. 12-2 is a perspective view, and shows a state in which six packet structure (P) blades 111 are fixed to a movable mechanism on a rotating shaft. Show.
The model machines were sequentially installed at five locations in the river in the Chino city, Nagano Prefecture, and the impeller was rotated to measure the axial torque using a spring balance for both cases with and without a head.

図15は、縦軸が翼車軸トルク、横軸が河川の流速であり、実験結果をプロットするとともに、数値計算結果を実線で表したグラフである。
図16は、縦軸が発電量、横軸が翼車軸トルクであり、「実験によって得られた軸トルクの値から算出した発電量」をプロットするとともに、数値計算結果を実線で表したグラフである。いずれも、実験結果と数値解析結果が良く一致していることがわかる。
落差のある流れ場に比べて、落差のない流れ場では得られる軸トルクが低いことが明らかであり、特に、落差の低い又はない流れから有効な電力を取り出すことが簡単ではないので、所期の発電量を得るために、発電装置の水の取り入れ口に「流れを加速させるノズル」を設けたり翼形などを工夫したりする必要がある。
FIG. 15 is a graph in which the vertical axis represents the impeller torque and the horizontal axis represents the flow velocity of the river, the experimental results are plotted, and the numerical calculation results are represented by solid lines.
FIG. 16 is a graph in which the vertical axis indicates the power generation amount and the horizontal axis indicates the blade axle torque, and plots the “power generation amount calculated from the value of the shaft torque obtained by the experiment” and the numerical calculation result is represented by a solid line. is there. In both cases, it can be seen that the experimental results and the numerical analysis results are in good agreement.
It is clear that the axial torque obtained with a flow field without a head is lower than that with a head, especially because it is not easy to extract effective power from a flow with low or no head. In order to obtain the amount of electricity generated, it is necessary to provide a “nozzle for accelerating the flow” at the water intake of the power generation device or to devise the airfoil.

相反転クロスフロー型発電装置の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of a phase inversion crossflow type electric power generating apparatus. 図1の実施形態における発電手段の部分を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the part of the electric power generation means in embodiment of FIG. 本発明の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の特徴部分を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic part of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の特徴部分を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic part of embodiment of this invention. 本発明の第2の態様の発電装置の翼車を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the impeller of the electric power generating apparatus of the 2nd aspect of this invention. 本発明の第2の態様の発電装置の翼車の1例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the impeller of the electric power generating apparatus of the 2nd aspect of this invention. 本発明の発電装置の側板を設けた場合の翼車における翼と回転軸の取り付け位置の説明図である。It is explanatory drawing of the attachment position of the wing | blade and rotating shaft in an impeller at the time of providing the side plate of the electric power generating apparatus of this invention. 本発明の発電装置の翼車の翼と回転軸の取り付け位置を示し、翼の一端部と回転軸との間隔を設け他た場合の模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a mounting position of a blade and a rotary shaft of the impeller of the power generator according to the present invention, in which an interval between the one end of the blade and the rotary shaft is provided. 本発明の発電装置において、導水溝を設ける水導入ノズルの変形例を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the modification of the water introduction nozzle which provides a water conduit in the electric power generating apparatus of this invention. 本発明の発電装置を構成し、スワールを誘起するケーシング構造を示し、(a)は断面図、(b)は模式図である。The casing structure which comprises the electric power generating apparatus of this invention and induces a swirl is shown, (a) is sectional drawing, (b) is a schematic diagram. 検証実験に用いた模形機に設けた翼車であって、(a)は模式図、(b)は数値解析に用いた計算モデル、(c)は模形機の写真を示す。It is the impeller provided in the model machine used for verification experiment, (a) is a schematic diagram, (b) is a calculation model used for numerical analysis, (c) shows the photograph of a model machine. 数値計算結果を表したグラフである。It is a graph showing a numerical calculation result. 数値計算結果を表したグラフである。It is a graph showing a numerical calculation result. 検証実験結果と数値計算結果を比較したグラフである。It is the graph which compared the verification experiment result and the numerical calculation result. 検証実験結果と数値計算結果を比較したグラフである。It is the graph which compared the verification experiment result and the numerical calculation result.

符号の説明Explanation of symbols

11 第1種翼車
12 第2種翼車
21 第1回転軸
22 第2回転軸
30 発電手段
41 第1のノズル
42 第2のノズル
31 ケーシング
551 円形支持部材(側板)
552 ピン(可動機構)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 1st type impeller 12 2nd type impeller 21 1st rotating shaft 22 2nd rotating shaft 30 Electric power generation means 41 1st nozzle 42 2nd nozzle 31 Casing 551 Circular support member (side plate)
552 pin (movable mechanism)

Claims (14)

水流に交わる方向に回転軸を持つクロスフロー型の発電装置であって、
水流を受けて第1の向きに回転する第1種翼車と、
水流を受けて上記第1の向きと逆の第2の向きに回転する第2種翼車と、
上記第1および第2種翼車に同軸で、第1種翼車に係合して回転される第1回転軸と、
上記第2種翼車に係合して回転され、上記第1の回転軸の内側に軸心方向に貫通された第2回転軸と、
これら第1回転軸および第2回転軸の一方と一体的に回転する磁石、及び、他方と一体的に回転するコイルとを含み、円周上の1個の磁石と1個のコイルとからなる極を有する発電手段と、
流入する水流を上記第1種翼車に向けて加速する第1のノズルと、
流入する水流を上記第2種翼車に向けて加速する第2のノズルと、
上記発電手段を水密に密閉するケーシングとを有し、
さらに、第1種翼車および第2種翼車の各翼が、ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、上記水流を受けて軸を回転させたのち、上記ノズルによる水流を受けない部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように水力でまたは機械的に態位を変化させる可動機構を第1種翼車および第2種翼車に設け、
落差が2m以下の水路に設置し、水没させて使用する場合でも水の運動エネルギの50%以上を翼車の回転エネルギに変換可能なものであることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
A cross flow type power generator having a rotation axis in the direction intersecting the water flow,
A first type impeller that rotates in a first direction in response to a water flow;
A second type impeller that receives a water flow and rotates in a second direction opposite to the first direction;
A first rotating shaft that is coaxial with the first and second type impellers and is rotated by engaging with the first type impeller;
A second rotating shaft that is engaged with and rotated by the second type impeller and penetrates in the axial direction inside the first rotating shaft;
A magnet that rotates integrally with one of the first rotating shaft and the second rotating shaft, and a coil that rotates integrally with the other, and includes one magnet and one coil on the circumference. Power generation means having poles;
A first nozzle for accelerating the inflowing water stream toward the first type impeller,
A second nozzle for accelerating the inflowing water stream toward the second type impeller,
A casing for watertight sealing the power generation means,
Furthermore, each blade of the first type impeller and the second type impeller stands in the radial direction of the impeller at a portion that receives the water flow by the nozzle, receives the water flow, rotates the shaft, and then receives the water flow by the nozzle. A movable mechanism is provided in the first-type impeller and the second-type impeller to change the position by a hydraulic force or mechanically so as to sleep in a direction following the water flow in a portion approaching the non-existing portion,
A phase-reversed cross-flow type ultra-compact, characterized in that it can convert 50% or more of the kinetic energy of water into the rotational energy of the impeller even when installed in a water channel with a head of 2m or less and submerged. Power generation device.
請求項1記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
発電手段が円周上の1個の磁石と1個のコイルとからなる極を少なくとも24個有するものであることを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置。
In the phase inversion cross flow type micro power generator according to claim 1,
A phase inversion cross-flow type small power generator characterized in that the power generation means has at least 24 poles composed of one magnet and one coil on the circumference.
請求項1または2に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第1種翼車および第2種翼車をそれぞれ構成する各翼が、第1回転軸および第2回転軸のそれぞれに設けられた可動機構に直接固定されて可動としたことを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置。
In the phase inversion crossflow type micro power generator according to claim 1 or 2,
Each of the blades constituting the first-type impeller and the second-type impeller is directly fixed to a movable mechanism provided on each of the first rotating shaft and the second rotating shaft and is movable. Inverted cross flow type small power generator.
請求項1乃至3のいずれか1に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第1種翼車、第2種翼車を囲繞し、第1および第2のノズルからの水流を受け入れる流入口と、上記第1、第2種翼車を回転させた水流を排出する第1排出口と第2排出口とを持つハウジングを有することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
In the phase inversion cross flow type micro power generator according to any one of claims 1 to 3,
An inlet that surrounds the first and second type impellers and receives the water flows from the first and second nozzles, and a first discharge that discharges the water flow that rotates the first and second type impellers. A phase-inversion cross-flow type micro power generator having a housing having a discharge port and a second discharge port.
請求4に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第1排出口と第2排出口がディフューザ形状であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
In the phase inversion cross flow type micro power generator according to claim 4,
A phase inversion cross-flow type micro power generator characterized in that a first discharge port and a second discharge port have a diffuser shape.
請求項1乃至5のいずれか1に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
前記可動機構に固定された前記各翼が支持部材に支持され、1対の前記支持部材が第1回転軸、第2回転軸のそれぞれの両端部に固定されて同軸に回転するようにしたことを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
In the phase inversion crossflow type micro power generator according to any one of claims 1 to 5,
Each of the wings fixed to the movable mechanism is supported by a support member, and the pair of support members are fixed to both ends of the first rotating shaft and the second rotating shaft so as to rotate coaxially. A phase inversion cross-flow type micro power generator characterized by
請求項6に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
前記支持部材がリング状または円板形状であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
In the phase inversion crossflow type micro power generator according to claim 6,
A phase inversion cross flow type micro power generator characterized in that the support member has a ring shape or a disk shape.
請求項6または7に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第1回転軸および第2回転軸に同軸に、第1種翼車および第2種翼車の翼の態位を変化させるカムが前記支持部材内側空間に固装され、
第1種翼車および第2種翼車の各翼が、その翼車半径方向の一部を軸支されて揺動自在であり、翼車半径方向の一端部をカムフォロワとして上記カムに従動することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
In the phase inversion crossflow type micro power generator according to claim 6 or 7,
A cam that changes the state of the blades of the first type wheel and the second type wheel is coaxially mounted on the inner space of the support member, coaxially with the first rotating shaft and the second rotating shaft.
Each blade of the first type impeller and the second type impeller is swingably supported by a part of the impeller radial direction, and is driven by the cam using one end portion in the radial direction of the impeller as a cam follower. A phase inversion cross-flow type micro power generator characterized by the above.
請求項8記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
カムが、第1種翼車、第2種翼車のハウジング側に固定されて設けられていることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
In the phase inversion cross flow type micro power generator according to claim 8,
A phase inversion cross-flow type micro power generator characterized in that a cam is provided fixed to the housing side of the first type impeller and the second type impeller.
請求項6乃至9のいずれか1に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第1種翼車、第2種翼車は、回転軸と同軸に翼端部係止手段が固装され、
上記第1種翼車、第2種翼車の各翼は、翼車半径方向の外端部側を軸支されて揺動自在であり、該係止手段は複数の係止機構からなり、水流による翼の揺動を前記係止機構により係止する構成であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
In the phase inversion crossflow type micro power generator according to any one of claims 6 to 9,
The first-type impeller and the second-type impeller are provided with blade end locking means coaxially with the rotating shaft,
Each blade of the first type impeller and the second type impeller is pivotally supported on the outer end side in the radial direction of the impeller and is swingable. The locking means includes a plurality of locking mechanisms. A phase inversion cross-flow type micro power generation device characterized in that the swinging movement of a blade by water flow is locked by the locking mechanism.
請求項10に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
前記係止機構は係止ピン又は係止溝からなり、各翼が可動に取り付けられる円板形状の支持部材の内周部、回転軸に別途固装した円板部材の周辺部または回転軸の外周表面部に設けられることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
In the phase inversion crossflow type micro power generator according to claim 10,
The locking mechanism is composed of a locking pin or a locking groove, and an inner peripheral portion of a disk-shaped support member to which each wing is movably attached, a peripheral portion of a disk member separately mounted on a rotating shaft, or a rotating shaft. A phase inversion cross-flow type micro power generator characterized by being provided on an outer peripheral surface portion.
請求項1乃至11のいずれか1に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
可動機構が翼をピンあるいは溝によって固定し可動とするものであることを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置。
In the phase inversion crossflow type micro power generator according to any one of claims 1 to 11,
A phase inversion crossflow type small power generator characterized in that a movable mechanism is fixed by moving a wing by a pin or a groove.
請求項1乃至12のいずれか1に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
翼車を構成する翼として断面が平板翼、半円弧翼、曲線翼もしくはNACA翼形のものを用いることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
In the phase inversion crossflow type micro power generator according to any one of claims 1 to 12,
A phase inversion cross-flow type micro power generator characterized in that the blades constituting the impeller have a cross section of a flat blade, a semi-arc blade, a curved blade or a NACA airfoil.
請求項1乃至13のいずれか1に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第1および第2のノズルに向けて水流を加速する補助ノズルを有することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
In the phase inversion crossflow type micro power generator according to any one of claims 1 to 13,
A phase-inversion cross-flow type micro power generator having an auxiliary nozzle for accelerating a water flow toward the first and second nozzles.
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