JP2009191640A

JP2009191640A - 発電装置

Info

Publication number: JP2009191640A
Application number: JP2008030620A
Authority: JP
Inventors: Yohei Chokai; 陽平鳥海; Satoshi Matsumoto; 松本　　聡; Takahisa Masashiro; 尊久正代
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: JP4921394B2

Abstract

【課題】発電中に発電量と羽根車の負荷トルクが変動しても正確に流量を測ることができる流量計の機能を備え、テレメーター用通信機器をはじめとする各種電子機器に電力を供給する発電機を提供すること。
【解決手段】ケーシング１１の内部にローター１２を偏心状態で配置し、ローター１２に設けたベーンによって吸入口１５から入る流体と排出口１６から出る流体との間を隔絶し、吸入口側と排出口側との圧力差をベーンに与えることでローターを回転させる。このローターに磁石を設け、ローターの回転によって生じる交番磁界によってコイルに交流電圧を発生させる。また、発生した電流の周波数から流量を算出する回路を駆動する。
【選択図】図１

Description

この発明は、水や空気など流体の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するための回転装置の一つであるベーンモーターを用いて発電する技術に関するものである。

水道メーターやガスメーターなどにおいて、人件費を減らすことを主な目的としてテレメーターが提案されている。テレメーターにおいては、有線もしくは無線にて通信を行い、情報を外部のサーバーに送信するために電力が必要である。その動力源としては、有線ケーブルで給電する方法や、一次電池もしくは二次電池にて給電する方法、さらには流体のエネルギーを用いて発電する方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００１−３５６０３６号公報

しかしながら従来の技術では、流量計の羽を用いて発電をすると、羽根車に負荷トルクが発生するために回転数が低下し、流量が正確に測れないという問題点があった。この問題は上述の特許文献１の中でも指摘されている。

特に、無線通信を行うなどして消費電力が高い場合には発電量も増えるため上記の問題は顕著であった。

本発明は、上述した従来技術における問題を解決するためになされたものであり、発電中に発電量と羽根車の負荷トルクが変動しても正確に流量を測ることができる流量計の機能を備え、テレメーター用通信機器をはじめとする各種電子機器に電力を供給する発電機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明に係る発電装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、前記外筒部材の内側に設けられ、着磁された、もしくは内部に磁石を有する回転自在のローターと、前記ローターに対して突没自在に設けられたベーンと、前記外筒部材の内部、もしくは外側に設けられたコイルと、前記コイルに発生した交流電圧を整流する整流手段と、前記整流された直流電圧を蓄える蓄電素子と、を備え、前記ベーンの先端が前記外筒部材の内壁に接して前記吸入口側と前記排出口側とを隔絶し、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差をベーンに受けて前記ローターの回転に変換し、当該ローターの回転によって生じた交番磁界によって前記コイルを通過する磁束密度を変化させて前記交流電圧を発生させることを特徴とする。

また、請求項２の発明に係る発電装置は、請求項１に記載の発明において、前記交流電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数から前記流体の流量を計算する流量計算手段と、をさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項３の発明に係る発電装置は、請求項１または２に記載の発明において、外部の情報端末と通信する通信手段をさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項４の発明に係る発電装置は、請求項２または３に記載の発明において、前記周波数検出手段、前記流量算出手段、前記通信手段のうち少なくともいずれか一つは前記蓄電素子に蓄えられた電力によって駆動されることを特徴とする。

請求項１の発明によれば発電装置は、流体のエネルギーから効率よく電力を得ることができる。特に低流量しか流体が流れていない場合においても高効率に電力を得る発電装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項２の発明によれば発電装置は、ベーンにかかる負荷の度合いにかかわらずローターの回転数と流量は比例するので、発電中にも正確に流量を測定する発電装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項３の発明によれば発電装置は、発電装置およびその電力を用いて駆動する流量計をはじめとする各種電子機器を外部の情報端末から制御でき、またそれらの電子機器が発する情報を得ることができる発電装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項４の発明によれば発電装置は、発電した電力によって流量算出や通信を行うことで、外部からの電力供給を受けることなく動作する発電装置を得ることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る発電装置の好適な実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例である回転型の発電装置（タービン）の概要構成を示す概要構成図であり、横断面図およびＡ−Ａ線断面図を示している。図１に示したようにタービン１は、円形のケーシング（外筒）１１の中にローター１２が偏心されて配置されている。

また、ローター１２には複数のベーン（同図では１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ）が収納されていて、各ベーンは遠心力もしくはバネ１４によって押されるか、その他の方法によって引き出されることにより常にケーシング１１の内壁と接触している。そのため、吸入口１５と排出口１６との間の流体の流路は、ローター１２（及びベーン）によって完全に隔絶される。

そして、吸入口１５の部分の流体と排出口１６の部分の流体に圧力差が発生すると、各ベーンに断面積×圧力の力がかかる。その力がローター１２の回転力となる。例えば、吸入口１５の圧力が高くなった時、各ベーンに圧力がかかるが、ローター１２はケーシングに対して中心が偏心の位置にあるため、ローター１２から突出している長さがそれぞれ異なり、力を受ける断面積も異なる。ローター１２は各ベーンにかかる力の回転方向成分の総和によって回転をするため、結果として同図では反時計回りに回りだす。

このタービン１は流体の静圧を利用して回転するため流量を必要とせず、低回転時にも高効率にて流体のエネルギーを回転エネルギーに変換することができる。

さらに、ローター１２は内部に磁石１７ａ〜１７ｆを有している。そして、ケーシング１１の外側にはコイル１９ａ〜１９ｆが配置されている。コイルコア１８ａ〜１８ｆはケーシング１１をはさんでローター内部の磁石と向き合っており、磁石による磁力線が効率よくコイルを貫くように配置されている。

したがって、流体に圧力差が発生してローター１２が回転を始めると、ローター１２に埋め込まれた磁石も回転し、交番磁界が発生する。この交番磁界によりコイルコア１８ａ〜１８ｆの中の磁束密度が変化し、コイル１９ａ〜１９ｆに誘導起電力が発生し、電力を得ることができる。

ここで発生した電力は交流であり、図２に示すように発電機であるタービン２１で発生した電力を整流回路２２を通して直流に変換し、二次電池やコンデンサなどの蓄電素子２３に蓄えることができ、蓄えた電力を用いることにより様々な電子機器を駆動することができる。

このように、流体エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを一体化させることにより、装置を小型化することができ、狭い場所に組み込むのに最適になる。

また、流体の満たされたタービン内部から外部の空気中に動力軸を取り出す必要がないため、ローターをケーシングの中に完全に密閉することができ、Ｏリングなどのシーリングに係る損失をなくすことが出来る。

なお、本実施例に示したタービンの構成はあくまで一例であり、タービンのベーン、磁石、コイルなどの数、配置、形状などは使用の形態（流体の流量・圧力、必要電圧・電流、大きさ、使用場所）に合わせて変更することができる。

さらに、本発明にかかるタービンは、発電のみならず流体の流量の算出にも用いることができる。図３は、タービンを用いて流体の流量を算出する装置構成を示す概要構成図である。

同図に示した装置構成では、タービン３１と整流回路３２の間に、発生した交流電圧の周波数を測定する周波数検出回路３４と、測定した周波数から流体の流量を計算する流量算出回路３５を有している。なお、電力ラインは太線、情報ラインは細線で示している。

周波数検出回路３４および流量計算回路３５は、発電によって得られた電力によって駆動される。周波数測定回路３４と流量計算回路３５は、カウンタＩＣやロジック回路を用いて設計してもよいし、マイコンを用いても簡単に設計することができる。

本発明にかかるタービンでは、タービンの隙間を流体が通ることが無いため、いかなる圧力、回転数のときも、タービンの回転数と流体の流量は比例し、その流量はタービンの一回転あたりに流れる流量（吐出量）に回転数をかけることで正確に算出することができる。

また、タービン３１の回転数検出および流量算出における消費電力は、タービン３１が発電した電力を用いるので、外部からの電力供給が不要である。

図４は、タービンの流量を通信によって出力する場合の装置構成を示す概要構成図である。同図の構成は、図２もしくは図３に示した構成に、外部の情報端末４８と通信する通信装置４７を加えた構成となっている。電力ラインは太線、情報ラインは細線で示している。これにより、流体の流量情報、もしくは周辺に設置したセンサなどの電子機器４６から得られた情報を外部の情報端末４８に送信することができる。

通信手段は例えば有線でも無線でもよいし、通信方向は発電装置側から情報端末だけでなく双方向通信によって、外部情報端末から制御信号を送ることができるようにしてもよい。

例えば、一定時間置きに自動的に情報を外部情報端末へ送信するという間欠動作にすれば、待機時の消費電力を著しく減らすことが出来る。

また、例えば、外部の情報端末から要求を受けたときに情報を外部情報端末に返信するという動作にすれば、外部からの要求信号を監視するために待機時の消費電力は増えるものの、必要なときに情報が得られ、また必要最低限の通信のみを行うため消費電力も制御しやすい。

上述してきたように、本実施例に係る発電装置は、管の中を流れる流体の力を用いて電力を得ることができる。そのためこれまで電源が無いために設置することができなかった様々な場所に電子機器を設置することができるようになる。

特に、本発明によれば発電をしている最中にも正確に流量が測定できるため、外部電源を必要とせず、電池交換もいらない自立型の流量計として使用することができる。

また、外部との通信手段を備えることにより、通常人間が近寄ることができない様々な場所にて電子機器やセンサを使うことができるようになり、その場所の情報を得ることができるようになる。それは例えば、壁の中、天井裏、床下、地面の中、水中、高温にさらされる場所、放射能に汚染されている区域、など様々である。

以上のように、本発明に係る発電装置は、流体の持つエネルギーを効率よく回転エネルギーに変換して発電する装置として有用であり、流量測定用の電源に適している。

本発明の実施例である回転型の発電装置の概要構成を示す概要構成図である。タービンで発生した電流を整流して蓄積する構成について説明する構成図である。タービンを発電と流量測定に用いる装置構成を示す概要構成図である。通信手段を備えた発電装置の装置構成を示す概要構成図である。

符号の説明

１，２１，３１，４１タービン
１１ケーシング
１２ローター
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆベーン
１５吸入口
１６排出口
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆ磁石
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆコイルコア
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆコイル
２２，３２，４２整流回路
２３，３３，４３蓄電素子
３４，４４周波数検出回路
３５，４５流量計算回路
４６電子機器
４７通信装置
４８外部情報端末

Claims

流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、
前記外筒部材の内側に設けられ、着磁された、もしくは内部に磁石を有する回転自在のローターと、
前記ローターに対して突没自在に設けられたベーンと、
前記外筒部材の内部、もしくは外側に設けられたコイルと、
前記コイルに発生した交流電圧を整流する整流手段と、
前記整流された直流電圧を蓄える蓄電素子と、
を備え、
前記ベーンの先端が前記外筒部材の内壁に接して前記吸入口側と前記排出口側とを隔絶し、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差をベーンに受けて前記ローターの回転に変換し、当該ローターの回転によって生じた交番磁界によって前記コイルを通過する磁束密度を変化させて前記交流電圧を発生させることを特徴とする発電装置。
前記交流電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数から前記流体の流量を計算する流量計算手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
外部の情報端末と通信する通信手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
前記周波数検出手段、前記流量算出手段、前記通信手段のうち少なくともいずれか一つは前記蓄電素子に蓄えられた電力によって駆動されることを特徴とする請求項２または３に記載の発電装置。