JP4763520B2

JP4763520B2 - 回転装置

Info

Publication number: JP4763520B2
Application number: JP2006159008A
Authority: JP
Inventors: 陽平鳥海; 康通金井; 松本　　聡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-06-07
Also published as: JP2007327410A

Description

この発明は、発電機の原動機として利用可能な回転装置に関し、特に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に関するものである。

現在のほとんどの火力発電所や水力発電所、風力発電所、原子力発電所では、流体の運動エネルギーと圧力エネルギーによりタービンを回し、その回転力によって交流発電機を駆動させ、電力を得ている。

火力発電所と原子力発電所では蒸気タービンが用いられ、そのほとんどは蒸気が軸方向に流れる軸流タービンと呼ばれるものである（例えば非特許文献１参照。）。

また、水力発電所ではフランシス水車やペルトン水車等のタービンが用いられ（例えば非特許文献２〜４参照。）、風力発電所では、プロペラ型タービンが一般的に用いられている（例えば非特許文献５，６参照。）。
「蒸気タービン」http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%92%B8%E6%B0%97%E3%82%BF%E3%83%BC%E3%83%93%E3%83%B3 「水車形式」http://www.pref.mie.jp/dmise/hp/suisya.htm 「水車の話し」http://www.ne.jp/asahi/kazzbon/iminonaihp/wt.html 「水車の種類および特性」http://www.geocities.jp/spwks280/gtest1.html 「風力発電」http://www.tepco.co.jp/custom/LapLearn/ency/new01_03-j.html 「風力発電」http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%A2%A8%E5%8A%9B%E7%99%BA%E9%9B%BB

しかし、これらのタービンはどれも流体に対して安定した流量と圧力が求められ、定格回転数から外れると効率が悪くなってしまう。特に定格よりも回転数が下回ったときには著しく効率は低下する。そのため、流量が少ない状況では使用できないことが多かった。

そのため、波の力や人の歩行、ビルの間に吹く風など流速や流量が大きく変化するエネルギー源を有効に利用することのできる技術の実現が重要な課題となっていた。

本発明は、上述した従来技術における問題点を解消し、課題を解決するためになされたものであり、流量と圧力が大きく変化する状況でも損失が少ない回転装置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、本発明に係る回転装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、前記外筒部材の中心に対して偏心した位置に設けられた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、を備え、前記ベーンの突端は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する。

また、本発明に係る回転装置は、上記発明において、前記ベーンを突没させる突没機構は、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差が所定値以上である場合に前記ベーンを突出させて前記内壁に接触させ、前記圧力差が所定値未満である場合には前記ベーンを前記ローター内部に格納してベーン突端を前記内壁から離隔することを特徴とする。

また、本発明に係る回転装置は、上記発明において、前記突没機構は、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差によって摺動するピストン部材を備え、前記ベーンは前記ピストン部材の位置に対応して突出することを特徴とする。

また、本発明に係る回転装置は、上記発明において、前記ローターの回転を用いて発電する発電手段をさらに備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る回転装置は、上記発明において、外部からの加重によって内容積が変化する２以上の液体用タンクと、利用者の動作に伴って前記液体用タンクに対する加重が変化するように前記利用者の体に装着するための装着手段と、前記内容積の変化に基づき前記２以上の液体用タンクの間で液体を流動させる流動経路とを備え、前記流動経路上に前記外筒部材を設けたことを特徴とする。

また、本発明に係る回転装置は、上記発明において、前記装着手段は靴であり、前記利用者の足の爪先近傍に体重がかかる状態と踵近傍に体重がかかる状態とで異なる液体用タンクに加重が加わることを特徴とする。

本発明によれば回転装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材の中に偏心ローターを設け、偏心ローターに対して突没自在に設けられたベーンの突端を外筒部材の内壁に接触させて吸入口側と排出口側とを隔絶し、吸入口側と排出口側との流体の圧力差をベーンに与えるので、流量と圧力が大きく変化する状況でも損失が少ない回転装置を得ることができるという効果を奏する。

また、本発明によれば回転装置は、吸入口側と排出口側との流体の圧力差によってベーンの突没を制御して、圧力差が所定値未満である場合には吸入口側から排出口側への流体を直接移動させるので、ローターの慣性回転を阻害することなく、さらにエネルギーの変換効率をさらに向上した回転装置を得ることができるという効果を奏する。

また、本発明によれば回転装置は、吸入口側と排出口側との流体の圧力差によってスライドするピストン部材によってベーンの突没を制御するので、簡易な構成でエネルギー変換効率の高い回転装置を得ることができるという効果を奏する。

また、本発明によれば回転装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材の中に偏心ローターを設け、偏心ローターに対して突没自在に設けられたベーンの突端を外筒部材の内壁に接触させて吸入口側と排出口側とを隔絶し、吸入口側と排出口側との流体の圧力差をベーンに与え、発電に使用するので、流量と圧力が大きく変化する状況でも効率的に発電可能な回転装置を得ることができるという効果を奏する。

また、本発明によれば回転装置は、利用者の動作によって液体を流動させ、流動の圧力と運動量を効率的に利用して発電するので、人間の日常生活の何気ない動作の中で意識的な作業なしに効率的に発電可能な回転装置を得ることができるという効果を奏する。

また、本発明によれば回転装置は、利用者の体重移動によって液体を流動させ、流動の圧力と運動量を効率的に利用して発電するので、歩行などの動作を利用して効率的に発電可能な回転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、この発明に係る回転装置の好適な実施例について詳細に説明する。

本発明は、流速や流量が大きく変化するエネルギー源から回転エネルギーをとりだすものであるが、本実施例では、人間の歩行から流動を発生させ、かかる流動をエネルギー源として取り出した回転エネルギーを発電に利用する場合について説明する。

図１は、本発明の実施例である回転装置を有した靴の概要構成を説明する説明図である。同図に示すように、靴の内部には歩行時に最も圧力がかかる２点、例えば踵と、足の親指の付け根の辺りにそれぞれやわらかいタンク１とタンク２を配置する。そしてタンク１とタンク２は液体で満たし、パイプ４１で接続する。

従って、歩行動作によってタンク１とタンク２に交互に圧力が加わると、パイプ４１内を液体が移動する。この移動経路上に回転装置であるタービン３を設け、タービン３と発電機を接続することで発電機を動作させて発電を行なうことができる。

タービン３は、円形のケーシング（外筒）３１の中にローター３２が偏心されて配置されている。ローター３２には複数のベーン（同図ではベーン３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの４つ）が収納されていて、各ベーンはバネによって押されて常にケーシング３１の内壁と接触している。バネは、ベーンに対してそれぞれ設け、例えばベーン３３ｄにはバネ３４ｄを対応する。

ローター３２の軸３５は、ケーシング３１の外部へ漏れのないシーリングによって引き出され、発電機へとつながっている。吸入口３６と排出口３７は、ケーシング３１の仮面から液体を内部に出し入れできるようにつながっている。

次に動作について説明する。吸入口３６の部分の液体と排出口３７の部分の液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。ベーン３３ｄの両側には吸入口の圧力と排出口の圧力がかかることによって、その力に不均衡が生じ、ローター３２には回転するように（図では反時計回り方向に）力がかかり、回りだす。

ローター３２が回転するにつれてケーシング３１内部の各ベーンで挟まれた空間の体積は変化していく。吸入口側ではその体積が増えることにより液体は空間内部に流れ込み、排出口側ではその体積が減ることにより、液体は外へと押し出されていく。この一連の流れで液体はその圧力差と体積の積に当たるエネルギーを各ベーンを介してローター３２に伝えることができる。

高圧側と低圧側がベーンによって完全に仕切られているので、従来の例えばプロペラタービンなどのように流体がエネルギーをロスすることなく確実に圧力を回転エネルギーに変換することができる。

つづいて、靴内部の構造例について、図２を参照してさらに詳しく説明する。同図に示すように、タンク１とタンク２は、パイプ４１およびパイプ４２によって繋がれる。さらにパイプ４３がパイプ４１と４２とを接続し、逆止弁５１，５２，５３，５４により、パイプ４３には常に一方向にしか液体は流れない。

例えば、タンク１に圧力をかけたときは、逆止弁５１，５３が閉じて逆止弁５２からパイプ４３を通り逆止弁５４へ液体が流れる。同様に、タンク２に圧力を掛けた場合には、逆止弁５２，５４が閉じて逆止弁５１からパイプ４３を通り逆止弁５３へ液体が流れる。

パイプ４３の途中にあるタービン３は、パイプ４３に流れる液体の圧力と運動量によって回転する。この回転がプーリー９によって発電機６に伝えられる。プーリーを用いるのは、靴底という狭いスペースにおいてタービンと発電機が軸を共有しておくスペースが無い場合や、タービンと発電機の回転数を違うものにしたい場合などである。状況によってはプーリーを用いずタービンと発電が軸を共用しても良い。

発電機６は、タービン３の動力によって交流電流を発生する。また、蓄電素子８は発生した電力を蓄える素子である。充電回路７は、発電機６と蓄電素子８の間にあり、発電機６で発生する交流電流を整流する機能と蓄電素子８の電圧を調整する機能を有する。

なお、ここでは発生した電源を一旦蓄電素子８に蓄積する場合の構成を例に説明を行なっているが、例えば発電機６で発生した電流を直接外部に出力するなど、任意の構成とすることもできる。

以上説明してきたように、高圧側と低圧側がベーンによって完全に仕切って圧力差をベーンに伝えることで、流量と圧力が大きく変化する状況でも効率的に回転エネルギーへの変換を行なうことができる。

ところで、一旦ローター３２が回転を開始した後、吸入口側と排出口側との圧力差が所定値（具体的な値はローターの回転速度に依存する値）未満となった場合、ベーンにかかる圧力がローターの回転を減速・停止させる方向への力として作用する可能性がある。

そこで、吸入口側と排出口側との圧力差が所定値以上である場合にはベーンを突出させてケーシング内壁に接触させることで吸入口側と排出口側とを隔絶して流体からエネルギーを取り出し、圧力差が所定値未満である場合にはベーンをローター内部に格納してベーン突端をケーシング内壁から離隔し、流体がローターの回転に作用することなく吸入口から排出口に移動することができるように制御することが望ましい。

圧力差に基づくベーン突没制御の具体例について図３〜図５を参照して説明する。図３〜５に示す構成では、ベーン１１２はローター１１３内部側が斜めの形状になっており、流体の圧力によって上下に動くピストン１１６にその斜面が接している。

ピストン１１６は吸入口１１５と排出口１１８を隔てるように位置し、その圧力差によって上下する。ピストン１１６が下に動くと、ベーン１１２は外側に押し出されるようにスライドする機構になっている。

まず吸入口１１５に高圧がかかると、ピストン１１６の上面の圧力が下面の圧力を上回るのでピストン１１６は下へ移動する。するとピストン１１６に押されてベーン１１２は外側へと押し出される。（図４の状態）ベーン１１２は流体の圧力を受けてローターと共に回転をする。

次に吸入口１１５と排出口１１８との間に圧力差が無くなると、回転によってローター１１３とケーシング１１１とに挟まれて一度ローター１１３の中に収納されたベーン１１２は外へと突出することなく、ローター１１３の中に収納されたまま回転をする。（図５の状態）すなわちこの機構により、慣性によってローター１１３が回る時にベーン１１２が回転を妨げないようにすることが出来る。これによって断続的な圧力変化を伴う流体エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換することができるようになる。

上述してきたように、本発明にかかる発電装置は、ケーシング３１の内部に偏心状態で配置されたローター３２と、ローター３２に作られた溝から突没自在な複数のベーンを持つ原動機の、吸入口３６から入る流体と排出口３７から出る流体との間の圧力差でベーンに力を加えることにより回転エネルギーを得ることができる。ベーンはケーシング３１の壁に接しながら回ることにより、吸入側と排出側とが繋がることなく完全に隔てられている。これにより、流量が少なく極低回転でも流体の持つ圧力によりタービンを回転させることができる。

また、流体に圧力差が無いときにはベーンがローター内部に収納されたままであることによって、ローターが慣性で回る時の抵抗を減らすことができる。なお、本実施例ではピストンを用いてベーンの突没を制御する構成を例に説明したが、例えばパネなどの他の弾性部材を利用したり、電子的に制御を行なう構成であってもよい。

そのため、安定した流速、流量が得られないために利用することができなかった様々なエネルギーを利用できるようになる。それは例えば、波の力や、人の歩行などに起因する力、ビルの間に吹く突風などである。

すなわち、本実施例に示した構成はあくまで一例であり、適宜変更して実施することができるものである。例えば、設置場所も靴の中に限らず、圧力差を生じさせる場所、例えば股関節などに設置し、股関節を曲げたり伸ばしたりする動作によって発電をすることも可能である。

さらに利用者が手回しなどで発電を行なう場合や、波の力、ビル風を利用するにも、本発明を適用することで効率的にエネルギーを取り出すことが可能となる。

以上のように、本発明にかかる回転装置は、発電機の電動機として利用可能であり、特に流体の持つエネルギーの回転エネルギーへの変換に適している。

本発明の実施例である回転装置を有した靴の概要構成を説明する説明図である。図１に示した靴内部の構造例について説明する説明図である。ベーンの突没制御機構について説明する説明図である。ベーンの突没制御動作について説明する説明図である（その１）。ベーンの突没制御動作について説明する説明図である（その２）。

符号の説明

１，２タンク
３タービン
３１，１１１ケーシング
３２，１１３ローター
３３ａ〜３３ｄ，１１２ベーン
３４ｄバネ
３５軸
３６，１１５吸入口
３７，１１８排出口
４１〜４３パイプ
５１〜５４逆止弁
６発電機
７充電回路
８蓄電素子
９プーリー
１１６ピストン

Claims

流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、
前記外筒部材の中心に対して偏心した位置に設けられた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、
を備え、
前記ベーンを突没させる突没機構は、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差が所定値以上である場合に前記ベーンを突出させて前記内壁に接触させ、前記圧力差が所定値未満である場合には前記ベーンを前記ローター内部に格納してベーン突端を前記内壁から離隔し、
前記ベーンの突端は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することを特徴とする回転装置。
前記突没機構は、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差によって摺動するピストン部材を備え、前記ベーンは前記ピストン部材の位置に対応して突出することを特徴とする請求項１に記載の回転装置。
前記ローターの回転を用いて発電する発電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に記載の回転装置。
外部からの加重によって内容積が変化する２以上の液体用タンクと、
利用者の動作に伴って前記液体用タンクに対する加重が変化するように前記利用者の体に装着するための装着手段と、
前記内容積の変化に基づき前記２以上の液体用タンクの間で液体を流動させる流動経路とを備え、
前記流動経路上に前記外筒部材を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転装置。
前記装着手段は靴であり、前記利用者の足の爪先近傍に体重がかかる状態と踵近傍に体重がかかる状態とで異なる液体用タンクに加重が加わることを特徴とする請求項４に記載の回転装置。