JP2022141245A - らせん型翼およびマイクロ水力発電装置。 - Google Patents
らせん型翼およびマイクロ水力発電装置。 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高効率な変換効率を得られるらせん状翼の提供。【解決手段】柱状の軸部および前記軸部の側面にらせん状に配置された羽部を有するらせん型翼であって、前記羽部の端部にウィングレットを有するらせん型翼である。【選択図】図1
Description
本発明は、らせん型翼および前記らせん型翼を具備するマイクロ水力発電装置に関する。
近年、欧州、およびアジア等の新興国において、環境性、および再生エネルギーの有効活用の観点から、出力100kW以下のマイクロ水力発電が普及し始めてきているが、メンテンナンス性やコスト等を満足できるものは提供されていない。その要因の一つとして、マイクロ水力発電装置は、それぞれの水路の形状、大きさ、水量等に合わせたオーダーメイドな設計が必要であり、そのため、部品コストがかかってしまうという問題がある。
一般に水流を回転動力に変換するための回転体は、水流方向に対して垂直に近く、また水流の抵抗を受ける面が大きいほど、回転動力への変換効率が高い一方で、上記のようなマイクロ水力発電の場合、狭い流路や落差の小さい場所に設置して使用されることも想定され、その場合は大きな回転体を用いることができない。
狭い流路にも設置可能な回転体として、らせん翼が挙げられるが、らせん翼は水車やプロペラ形状の回転体よりも変換効率が悪いため、効率的な発電を行うことができないという課題がある。
上記課題を解決するための本発明のらせん型翼が提供される。本発明のらせん型翼は、柱状の軸部および前記軸部の側面にらせん状に配置された羽部を有し、前記羽部の端部にウィングレットを有するものである。
本発明によれば、水流を従来よりも高効率で回転動力に変換することが可能ならせん型翼を提供することができる。またそれにより、低水流の狭い流路や、落差の小さい水路に設置しても効率の高い発電をすることが可能なマイクロ水力発電装置を提供することができる。
<1>らせん型翼
本発明の一側面において、らせん型翼が提供される。本開示において「らせん型翼」とは、柱状の構造体の側面に、らせん形状に羽が設置された回転体を意味する。らせん型翼は、水流を回転動力に変換するための回転体として用いる場合はらせん式水車などとも呼ばれる。らせん型翼は、柱状構造体の長軸方向に平行な流体圧(例えば水流や風力など)を、柱状構造体の長軸を中心とした回転動力に変換することが可能である。本開示においては、かかる柱状構造体をらせん型翼の「軸部」と称し、らせん形状に設置された羽を「羽部」と称する。
本発明の一側面において、らせん型翼が提供される。本開示において「らせん型翼」とは、柱状の構造体の側面に、らせん形状に羽が設置された回転体を意味する。らせん型翼は、水流を回転動力に変換するための回転体として用いる場合はらせん式水車などとも呼ばれる。らせん型翼は、柱状構造体の長軸方向に平行な流体圧(例えば水流や風力など)を、柱状構造体の長軸を中心とした回転動力に変換することが可能である。本開示においては、かかる柱状構造体をらせん型翼の「軸部」と称し、らせん形状に設置された羽を「羽部」と称する。
一態様において、本発明のらせん型翼は、羽部の端部にウィングレットを有する。本開示において「ウィングレット」とは、羽部の端部に設けられた、小さな羽状構造のことを言う。ウィングレットを有することにより、らせん状の羽部に沿って流体圧が逃げるのを妨げることができ、流体圧を効率的に回転動力に変換することが可能となる。ウィングレットの大きさは、特に限定されないが、小さすぎれば流体圧が逃げるのを防ぐことができず、大きすぎれば流体の流れを妨げることになる。したがって好ましくは、ウィングレットの幅と羽部の幅の比率は、ウィングレットの幅に対して羽部の幅が5倍~100倍となるように設計される。
ウィングレットは、羽部の端部において、羽部に対して所定の角度を為すように設けられており、かかる角度を羽部に対するウィングレットの傾斜角と称する。かかる傾斜角は、小さすぎれば流体圧が逃げるのを防ぐことができず、大きすぎれば流体の流れを妨げやすくなる。好ましい傾斜角は、5°~80°であり、より好ましくは10°~50°であり、さらに好ましくは10°~30°である。
ウィングレットの形状は、特に制限されず、羽部と同程度の厚みで形成されてもよいし、羽部よりも薄く成型されてもよい。また端部にあるウィングレットの数も特に制限されず、羽部の端部に複数のウィングレットが存在してもよい。例えば、羽部の端部が二股に分かれたような形状をしていてもよく、この場合羽部の端部に2つのウィングレットが存在することになる。ウィングレットは、好ましくは端部に1つまたは2つ存在する。
ウィングレットが端部に2つ存在する場合、それぞれのウィングレットの傾斜角は、同じであっても異なっていてもよい。好ましくは、一方のウィングレットの傾斜角が、もう一方のウィングレットの傾斜角に対して1倍~8倍であり、特に好ましくは1倍~3倍である。
ウィングレットは、羽部に取り付けるように設置されてもよいし、羽部と一体成型されてもよい。好ましい一態様において、ウィングレットは羽部と同じ材料により羽部と一体成型されている。
本発明の別の一態様において、軸部および/または羽部が、リブレット構造を有している。本発明において「リブレット構造」とは、流体摩擦を低減するための、周期的で微細な凹凸構造を意味する。天然に存在するリブレット構造としては、例えばサメなどの魚の鱗の構造などが挙げられ、これを模倣した周期的な凹凸構造が、流体摩擦を低減できることが知られている。
リブレット構造は流体摩擦を低減するためのものであり、したがって本発明のらせん型翼は、リブレット構造を有することにより、摩擦による動力のロスを低減することが可能となる。本発明のらせん型翼に採用し得るリブレット構造は特に制限がなく、リブレット構造として公知の、種々の構造を採用することができる。リブレット構造の典型的な例としては、所定のパターンで連続する凹凸形状であり、例えばU字型またはV字型の溝構造が周期的に繰り返される形状や、矩形波もしくは正弦波の繰り返し形状などである。また、かかる溝構造が、三日月状または円状の構造により区切られ、鱗様の繰り返し形状をさらに有していてもよい。
凹凸形状の高さの最大値と最小値の差は、50μm~2mmであることが好ましく、100μm~500μmであることがより好ましい。
本発明のらせん型翼の好ましい一態様において、上記ウィングレットおよびリブレット構造を両方具備している。
凹凸形状の高さの最大値と最小値の差は、50μm~2mmであることが好ましく、100μm~500μmであることがより好ましい。
本発明のらせん型翼の好ましい一態様において、上記ウィングレットおよびリブレット構造を両方具備している。
本発明のらせん状翼の軸部は、柱状構造体であればいかなるものを用いてもよいが、典型的には円柱状である。円柱の長軸方向に沿って流体が流れ、羽部を流体が推すことにより、らせん状翼が回転する構造となる。
本発明のらせん状翼の羽部は、板状構造物が軸部の周囲(側面)をらせん状に取り巻くように形成されている。羽部は一定のねじれ角で形成されていてもよいし、羽部の一部が異なるねじれ角を有するように形成されていてもよい。例えば、羽部のねじれ角を途中で所定量増加させる(すなわち羽の傾斜を緩くする)ように設計することができ、これにより、らせん状翼の出口付近で羽部に係る流体圧を下げることができる。また羽部の末端部分の角を丸くすることにより、さらに抵抗を下げることもできる。これらによっても、より効率の良い動力変換が可能である。
本発明のらせん型翼を形成する材質としては、十分な強度が担保される限り特に制限されず、金属なども用い得るが、強度と重量のバランスや成型性に鑑みて、好ましくは樹脂が用いられる。樹脂としては、例えば熱可塑性樹脂、光硬化性樹脂、またはこれらを金属またはシリカなどの硬質材料でコーティングしたものが挙げられる。
熱可塑性樹脂としては、使用環境において硬化状態である限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。かかる熱硬化性樹脂の例としては、これに限定されるものではないが、例えば、ポリアミド12(PA12)、ポリアミド11(PA11)、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリアミド9T(PA9T)、ポリアミド10T(PA10T)、熱可塑性ポリウレタン(TPU)、熱可塑性エラストマー(TPE)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
上記熱可塑性樹脂を含む熱可塑性樹脂組成物を用い、例えばHSS(High speed sintering)方式、選択的レーザー焼結(SLS)方式などによって、らせん型翼を造形することができる。
上記熱可塑性樹脂を含む熱可塑性樹脂組成物を用い、例えばHSS(High speed sintering)方式、選択的レーザー焼結(SLS)方式などによって、らせん型翼を造形することができる。
光硬化性樹脂としては、硬化状態で十分な硬度を有する限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。かかる光硬化性樹脂の例としては、これに限定するものではないが、例えば、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アルキド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、アクリル樹脂、およびメタクリル樹脂、あるいはそれらの混合物またはコポリマーなどが挙げられる。
上記光硬化性樹脂の前駆体および重合開始剤を含む硬化型組成物を用い、例えばステレオリソグラフィー(SLA)方式によって、らせん状翼を造形することができる。
前記硬化型組成物は、ステレオリソグラフィー(SLA)方式に好適に用いられるが、ステレオリソグラフィー以外の方式にも用いることが可能である。例えば、インクジェット方式での使用も考えられるが、硬化型組成物の粘度やナノファイバーの繊維径に対応できる吐出機構を考慮する必要がある。
上記光硬化性樹脂の前駆体および重合開始剤を含む硬化型組成物を用い、例えばステレオリソグラフィー(SLA)方式によって、らせん状翼を造形することができる。
前記硬化型組成物は、ステレオリソグラフィー(SLA)方式に好適に用いられるが、ステレオリソグラフィー以外の方式にも用いることが可能である。例えば、インクジェット方式での使用も考えられるが、硬化型組成物の粘度やナノファイバーの繊維径に対応できる吐出機構を考慮する必要がある。
また、前記熱可塑性樹脂もしくは光硬化性樹脂を金属またはシリカでコーティングすることによって、さらに強度を付与することもできる。金属またはシリカのコーティング膜厚は、例えば1μm以上200μm以下であってよく、20μm以上200μm以下が好ましい。金属またはシリカの膜厚が1μm以上200μm以下であると、耐久性に優れたらせん状翼が得られる。
金属のコーティング方法としては、例えば金属コーティング液を用いたディップ法、電解めっき法などが挙げられる。したがってコーティングに用いられる金属は、これらの方法に用い得る金属であれば特に限定されず、例えば、銀、金、白金、銅、亜鉛、コバルト、ニッケル、鉄、またはこれらの合金などが挙げられる。シリカのコーティングとしては、シリカコーティング液を用いたディップ法などが挙げられる。
上記光硬化性樹脂は、さらにナノファイバーを含んでもよい。光硬化性樹脂内にナノファイバーが内包された樹脂を用いることにより、耐熱性および強度をより向上させることができる。前記ナノファイバーとしては、例えばセラミック、ガラス、セルロース、アルミナ、チタニア、カーボン、およびシロキサンなどから構成され得る。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。また、上記の他にも、強度および耐熱性向上の点から、例えば、国際公開第2008/057844号パンフレットに記載のナノファイバーなどが挙げられる。
ナノファイバーの形状としては、特に制限はなく、必要に応じて適宜変更することが可能である。ナノファイバーの繊維径は1μm以上30μm以下が好ましく、2μm以上25μm以下がより好ましく、4μm以上15μm以下がさらに好ましい。
ナノファイバーの繊維長は50μm以上が好ましく、100μm以上がより好ましく、300μm以上がさらに好ましい。ナノファイバーの繊維長の上限としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、3,000μm以下が好ましい。
ナノファイバーの繊維径および繊維長が上記数値範囲であると、らせん状翼の耐熱性および強度をより向上させることができると共に、らせん状翼の表面の粗さをナノファイバーが無添加である場合の硬化物と同程度にすることができる。
ナノファイバーの繊維長は50μm以上が好ましく、100μm以上がより好ましく、300μm以上がさらに好ましい。ナノファイバーの繊維長の上限としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、3,000μm以下が好ましい。
ナノファイバーの繊維径および繊維長が上記数値範囲であると、らせん状翼の耐熱性および強度をより向上させることができると共に、らせん状翼の表面の粗さをナノファイバーが無添加である場合の硬化物と同程度にすることができる。
ナノファイバーの繊維径および繊維長は、平均値を表し、らせん状翼において、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope;SEM)により測定を行い、5箇所の平均を求めて得ることができる。
ナノファイバーと樹脂成分との密着性を向上させる観点から、収束剤の添加やナノファイバーの表面処理を行ってもよい。これらの中でも、表面が疎水化処理されたナノファイバーが好ましく用いられる。
疎水化処理に用いる疎水化剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、ジメチルジクロロシラン(DMDS)等のシランカップリング剤、ジメチルシリコーンオイル、アミノ変性シリコーンオイル等のシリコーンオイルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、シランカップリング剤が好ましい。
疎水化処理に用いる疎水化剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、ジメチルジクロロシラン(DMDS)等のシランカップリング剤、ジメチルシリコーンオイル、アミノ変性シリコーンオイル等のシリコーンオイルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、シランカップリング剤が好ましい。
ナノファイバーの含有量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、らせん状翼の全量に対して、5質量%以上が好ましい。ナノファイバーを5質量%以上含むことにより、耐熱性および強度の向上効果が得られる。
一方、ナノファイバーの含有量は、らせん状翼の全量に対して、合計で90質量%以下であることが好ましい。この場合、ナノファイバーが多く含まれることによって造形が困難になることを防ぐことができる。
ナノファイバーの含有量は、らせん状翼を構成する硬化型組成物の粘度との兼ね合いから、10質量%以上60質量%以下がより好ましい。また、回転体の強度をより向上させるために、20質量%以上60質量%以下がさらに好ましい。
一方、ナノファイバーの含有量は、らせん状翼の全量に対して、合計で90質量%以下であることが好ましい。この場合、ナノファイバーが多く含まれることによって造形が困難になることを防ぐことができる。
ナノファイバーの含有量は、らせん状翼を構成する硬化型組成物の粘度との兼ね合いから、10質量%以上60質量%以下がより好ましい。また、回転体の強度をより向上させるために、20質量%以上60質量%以下がさらに好ましい。
本発明のらせん状翼は、好ましくは付加造形法により製造される。付加造形法を用いることにより、ウィングレットやリブレット構造などの複雑で微細な形状を一体的に成型することができる。
<2>マイクロ水力発電装置
本発明の別の側面において、上記らせん状翼を有するマイクロ水力発電装置が提供される。マイクロ水力発電装置は、本発明のらせん状翼と、水をらせん状翼に導入するための導水手段と、らせん状翼に接続された発電手段とを有し、異物分離手段、異物回収手段、異物分解手段、および異常通報手段を有することが好ましく、さらに必要に応じてその他の手段を有する。
本発明の別の側面において、上記らせん状翼を有するマイクロ水力発電装置が提供される。マイクロ水力発電装置は、本発明のらせん状翼と、水をらせん状翼に導入するための導水手段と、らせん状翼に接続された発電手段とを有し、異物分離手段、異物回収手段、異物分解手段、および異常通報手段を有することが好ましく、さらに必要に応じてその他の手段を有する。
導水手段は、水車を水流の水力によって回転運動するように水車軸で支え、かつ前記水路中に配置される金属または樹脂製の手段である。
金属としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、ステンレス鋼、チタン、ニッケル合金、炭素鋼、クロム鋼、マンガン鋼などが挙げられる。
樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂、テフロン(登録商標)、MCナイロン樹脂、超高分子量ポリエチレン樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリスチレン樹脂、スチレン-アクリロニトリル共重合体、スチレン-ブタジエン共重合体、スチレン-無水マレイン酸共重合体、ポリエステル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、塩化ビニル-酢酸ビニル共重合体、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリアリレート樹脂、フェノキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリビニルトルエン樹脂、ポリ-N-ビニルカルバゾール、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
導水手段は、水車のらせん状翼に水を導水することができるものであれば、その形状、大きさ、構造などについては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
金属としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、ステンレス鋼、チタン、ニッケル合金、炭素鋼、クロム鋼、マンガン鋼などが挙げられる。
樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂、テフロン(登録商標)、MCナイロン樹脂、超高分子量ポリエチレン樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリスチレン樹脂、スチレン-アクリロニトリル共重合体、スチレン-ブタジエン共重合体、スチレン-無水マレイン酸共重合体、ポリエステル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、塩化ビニル-酢酸ビニル共重合体、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリアリレート樹脂、フェノキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリビニルトルエン樹脂、ポリ-N-ビニルカルバゾール、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
導水手段は、水車のらせん状翼に水を導水することができるものであれば、その形状、大きさ、構造などについては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
発電手段としては、水車のらせん状翼の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換することができるものであれば特に制限はなく、交流発電機または直流発電機のどちらであってもよく、目的に応じて適宜選定することができ、例えば、回転磁石式の交流発電機、整流子付直流発電機、マグネットポンプなどが挙げられる。
回転磁石式の交流発電機としては、特に制限はないが、例えば、自転車の照明などに用いるダイナモなどを用いることができる。
マグネットポンプは、ローターに内蔵された従動マグネットが、該マグネットと磁石結合された駆動マグネットの回転により同期回転して流体を吸入圧送することができるものであり、回転磁石が磁力によりらせん状翼の回転と連動して回転可能であり、該回転磁石と該らせん状翼とが、水の流通が不能に隔離されて配置されている。このマグネットポンプは、メカニカルシールなどの軸封装置を用いていないため、長期間使用してもポンプの腐食やポンプ回りの汚れがなく、メカニカルシールの劣化などによる水漏れが生じないものである。
回転磁石式の交流発電機としては、特に制限はないが、例えば、自転車の照明などに用いるダイナモなどを用いることができる。
マグネットポンプは、ローターに内蔵された従動マグネットが、該マグネットと磁石結合された駆動マグネットの回転により同期回転して流体を吸入圧送することができるものであり、回転磁石が磁力によりらせん状翼の回転と連動して回転可能であり、該回転磁石と該らせん状翼とが、水の流通が不能に隔離されて配置されている。このマグネットポンプは、メカニカルシールなどの軸封装置を用いていないため、長期間使用してもポンプの腐食やポンプ回りの汚れがなく、メカニカルシールの劣化などによる水漏れが生じないものである。
マイクロ水力発電装置は、液体中の異物を分離する異物分離手段を導水手段上に有することが好ましい。異物分離手段を導水手段上に有することによって、水車に導入される水から異物を分離することができ、らせん状翼が壊れるのを防止でき、長期間に亘って効率よく発電を行うことができる。
前記異物分離手段の大きさ、形状、構造、材質などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
異物分離手段としては、例えば、網、スクリーン、フィルタなどが挙げられる。
前記異物分離手段の大きさ、形状、構造、材質などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
異物分離手段としては、例えば、網、スクリーン、フィルタなどが挙げられる。
マイクロ水力発電装置は、液体中の異物を回収する異物回収手段を有することが好ましい。
マイクロ水力発電装置は、上記異物回収手段によって回収した異物を分解する異物分解手段を有することが好ましい。
前記異物分解手段の大きさ、形状、構造、材質などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
異物分解手段としては、異物の種類に応じて異なり適宜選定することができ、例えば、マイクロバブル発生装置、紫外線(UV)照射機、平均孔径が0.1μm以下の濾過フィルタなどが挙げられる。
マイクロ水力発電装置は、上記異物回収手段によって回収した異物を分解する異物分解手段を有することが好ましい。
前記異物分解手段の大きさ、形状、構造、材質などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
異物分解手段としては、異物の種類に応じて異なり適宜選定することができ、例えば、マイクロバブル発生装置、紫外線(UV)照射機、平均孔径が0.1μm以下の濾過フィルタなどが挙げられる。
マイクロ水力発電装置は、異常の発生を通報する異常通報手段を有することが好ましい。異常としては、例えば、マイクロ水力発電装置の動作不良、動作不能、流路の詰まり、水路の水量の減少などが挙げられる。
異常通報手段としては、例えば、ディスプレイ、メール、スピーカー、ライト、Wi-Fi(登録商標)を利用した携帯アプリなどが挙げられる。
異常通報手段としては、例えば、ディスプレイ、メール、スピーカー、ライト、Wi-Fi(登録商標)を利用した携帯アプリなどが挙げられる。
その他の手段としては、例えば、制御手段、蓄電手段などが挙げられる。
制御手段は、本発明のマイクロ水力発電装置の動作を制御するための手段である。制御手段にはROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などの記憶手段およびCPU(Central Processing Unit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)などの計算手段を含んでよい。記憶手段には、水車や導水手段に特定の動作を行わせるためのプログラムが記憶されていてよく、かかるプログラムに基づいて各手段の動作を制御する。
制御手段は、本発明のマイクロ水力発電装置の動作を制御するための手段である。制御手段にはROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などの記憶手段およびCPU(Central Processing Unit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)などの計算手段を含んでよい。記憶手段には、水車や導水手段に特定の動作を行わせるためのプログラムが記憶されていてよく、かかるプログラムに基づいて各手段の動作を制御する。
蓄電手段は、マイクロ水力発電装置によって発電された電力を蓄える手段であり、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池などが挙げられる。
本発明のマイクロ水力発電装置は、従来導入することが困難であった、小さな用水路に導入することができる低落差低流量対応型であり、例えば、河川、農業用水、農業用水路、工業用水、工場、ビル、下水処理場等の排水路、プラント内の導水路などに設置することができる。
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
例1.らせん状翼の作製
熱可塑性樹脂(PA12、ヒューレット・パッカード(HP)社製)を用い、HSS(High speed sintering)方式により、以下の形状を有するらせん状翼1~10を作製した。
図1は、例1におけるNo.4のらせん状翼の模式図、図2Aは、例1におけるウィングレットの形状1を示す部分拡大図、図2Bは、ウィングレットの形状2を示す部分拡大図である。
ここで、羽のピッチは、羽部のねじれのピッチを意味し、ピッチが1であれば軸部の上端から下端まででちょうど1周するピッチであることを意味する。羽の条数は、1つの軸部に設置されている羽部の枚数であり、3条であればらせん状の羽部が3つ付いていることになる。羽の幅はNo.1のらせん状翼を基準値としたときの相対的な数値で表されている。ウィングレットの形状は、どちらも2股のウィングレットであるが、形状1の方が、流体圧がかかる側のウィングレットが傾斜角30°、流体圧がかからない側のウィングレットが傾斜角11°であり、形状2はどちらのウィングレットの傾斜角も11°である。
熱可塑性樹脂(PA12、ヒューレット・パッカード(HP)社製)を用い、HSS(High speed sintering)方式により、以下の形状を有するらせん状翼1~10を作製した。
図1は、例1におけるNo.4のらせん状翼の模式図、図2Aは、例1におけるウィングレットの形状1を示す部分拡大図、図2Bは、ウィングレットの形状2を示す部分拡大図である。
ここで、羽のピッチは、羽部のねじれのピッチを意味し、ピッチが1であれば軸部の上端から下端まででちょうど1周するピッチであることを意味する。羽の条数は、1つの軸部に設置されている羽部の枚数であり、3条であればらせん状の羽部が3つ付いていることになる。羽の幅はNo.1のらせん状翼を基準値としたときの相対的な数値で表されている。ウィングレットの形状は、どちらも2股のウィングレットであるが、形状1の方が、流体圧がかかる側のウィングレットが傾斜角30°、流体圧がかからない側のウィングレットが傾斜角11°であり、形状2はどちらのウィングレットの傾斜角も11°である。
例2.性能試験
上記らせん状翼を用いて、流速に対する羽の回転トルクを測定した。その結果、羽のピッチは狭い方が、羽の幅は長い方が、ウィングレットは形状1が、羽の条数は多い方が、それぞれトルクが大きくなることがわかった。特にウィングレットを設けた場合、ウィングレットを設けなかった場合よりも大きなトルクを得ることができ、またウィングレットも形状により流体圧がかかる側をより傾斜させることで高い効率を得ることができることがわかった。また、鮫肌状のリブレット構造を形成した場合、リブレット構造を形成しない場合よりも大きなトルクを得ることができた。
上記らせん状翼を用いて、流速に対する羽の回転トルクを測定した。その結果、羽のピッチは狭い方が、羽の幅は長い方が、ウィングレットは形状1が、羽の条数は多い方が、それぞれトルクが大きくなることがわかった。特にウィングレットを設けた場合、ウィングレットを設けなかった場合よりも大きなトルクを得ることができ、またウィングレットも形状により流体圧がかかる側をより傾斜させることで高い効率を得ることができることがわかった。また、鮫肌状のリブレット構造を形成した場合、リブレット構造を形成しない場合よりも大きなトルクを得ることができた。
本発明の態様としては、例えば、以下のとおりである。
<1> 柱状の軸部および前記軸部の側面にらせん状に配置された羽部を有するらせん型翼であって、前記羽部の端部にウィングレットを有することを特徴とするらせん型翼である。
<2> 前記ウィングレットの幅に対して、前記羽部の幅が5倍~100倍である、前記<1>に記載のらせん型翼である。
<3> 前記ウィングレットの、前記羽部に対する傾斜角が、5°~80°である、前記<1>または<2>に記載のらせん型翼である。
<4> 前記ウィングレットが、羽部端部が二股に分かれた形状をしている、前記<1>から<3>のいずれか一項に記載のらせん型翼である。
<5> 前記二股にわかれたウィングレットのうち一方のウィングレットの羽部曲面に対する傾斜角が、もう一方のウィングレットの羽部曲面に対する傾斜角の1倍~8倍である、前記<4>に記載のらせん型翼である。
<6> 前記軸部および前記羽部の少なくとも一方が、リブレット構造を有する、前記<1>から<5>のいずれか一項に記載のらせん型翼である。
<7> 前記リブレット構造が、所定のパターンで連続する凹凸形状である、前記<6>に記載のらせん型翼である。
<8> 前記リブレット構造の凹凸形状が、U字型またはV字型の周期的な溝構造である、前記<7>に記載のらせん型翼である。
<9> 前記リブレット構造の凹凸形状が、周期的な矩形波もしくは正弦波の形状である、前記<7>に記載のらせん型翼である。
<10> 前記凹凸形状の高さの最大値と最小値の差が、50μm~2mmである、前記<7>から<9>のいずれか一項に記載のらせん型翼である。
<11> 前記<1>から<10>のいずれか一項に記載のらせん型翼を有する、マイクロ水力発電装置である。
<1> 柱状の軸部および前記軸部の側面にらせん状に配置された羽部を有するらせん型翼であって、前記羽部の端部にウィングレットを有することを特徴とするらせん型翼である。
<2> 前記ウィングレットの幅に対して、前記羽部の幅が5倍~100倍である、前記<1>に記載のらせん型翼である。
<3> 前記ウィングレットの、前記羽部に対する傾斜角が、5°~80°である、前記<1>または<2>に記載のらせん型翼である。
<4> 前記ウィングレットが、羽部端部が二股に分かれた形状をしている、前記<1>から<3>のいずれか一項に記載のらせん型翼である。
<5> 前記二股にわかれたウィングレットのうち一方のウィングレットの羽部曲面に対する傾斜角が、もう一方のウィングレットの羽部曲面に対する傾斜角の1倍~8倍である、前記<4>に記載のらせん型翼である。
<6> 前記軸部および前記羽部の少なくとも一方が、リブレット構造を有する、前記<1>から<5>のいずれか一項に記載のらせん型翼である。
<7> 前記リブレット構造が、所定のパターンで連続する凹凸形状である、前記<6>に記載のらせん型翼である。
<8> 前記リブレット構造の凹凸形状が、U字型またはV字型の周期的な溝構造である、前記<7>に記載のらせん型翼である。
<9> 前記リブレット構造の凹凸形状が、周期的な矩形波もしくは正弦波の形状である、前記<7>に記載のらせん型翼である。
<10> 前記凹凸形状の高さの最大値と最小値の差が、50μm~2mmである、前記<7>から<9>のいずれか一項に記載のらせん型翼である。
<11> 前記<1>から<10>のいずれか一項に記載のらせん型翼を有する、マイクロ水力発電装置である。
前記<1>から<10>のいずれかに記載のらせん型翼、および前記<11>に記載のマイクロ水力発電装置によると、従来における諸問題を解決し、本発明の目的を達成することができる。
Claims (11)
- 柱状の軸部および前記軸部の側面にらせん状に配置された羽部を有するらせん型翼であって、前記羽部の端部にウィングレットを有することを特徴とするらせん型翼。
- 前記ウィングレットの幅に対して、前記羽部の幅が5倍~100倍である、請求項1に記載のらせん型翼。
- 前記ウィングレットの、前記羽部に対する傾斜角が、5°~80°である、請求項1または2に記載のらせん型翼。
- 前記ウィングレットが、羽部端部が二股に分かれた形状をしている、請求項1から3のいずれか一項に記載のらせん型翼。
- 前記二股にわかれたウィングレットのうち一方のウィングレットの羽部曲面に対する傾斜角が、もう一方のウィングレットの羽部曲面に対する傾斜角の1倍~8倍である、請求項4に記載のらせん型翼。
- 前記軸部および前記羽部の少なくとも一方が、リブレット構造を有する、請求項1から5のいずれか一項に記載のらせん型翼。
- 前記リブレット構造が、所定のパターンで連続する凹凸形状である、請求項6に記載のらせん型翼。
- 前記リブレット構造の凹凸形状が、U字型またはV字型の周期的な溝構造である、請求項7に記載のらせん型翼。
- 前記リブレット構造の凹凸形状が、周期的な矩形波もしくは正弦波の形状である、請求項7に記載のらせん型翼。
- 前記凹凸形状の高さの最大値と最小値の差が、50μm~2mmである、請求項7から9のいずれか一項に記載のらせん型翼。
- 請求項1から10のいずれか一項に記載のらせん型翼を有する、マイクロ水力発電装置。
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