JP4851421B2 - 回転装置 - Google Patents

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において、ベーンとケーシングの間の摩擦を減らし、よりエネルギー変換効率を高めると同時に、小形に作製可能にするための技術に関するものである。

流体のエネルギーを回転エネルギーに変換する回転装置として、ベーンモーターがある。ベーンモーターは、シンプルな構成で、流体の圧力を直接回転力に変換するため、小形で大出力を得ることができる回転装置である。

図４は、従来のベーンモーターの原理を説明する説明図であり、上面図と線Ａでの断面図を示している。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。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、各ベーンはバネによって押されて常にケーシング１１の内壁と接触している。バネは、各ベーンに対してそれぞれ設け、例えばベーン１３ｄにはバネ１４ｄが対応する。

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、ローターから突出しているベーンの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するため、結果として図では反時計回りに回りだす。

ここで、ベーンを外筒部材内壁に接するように伸縮させる方法としては、上述したようなバネによる方法（例えば特許文献１参照。）が一般的である。

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しかし、従来技術では、ローター内部にバネを収納するスペースが必要であるためローター半径はバネの縮小時の長さとベーンの長さの和より小さくすることができなかった。

また、バネはローター回転時に伸縮するが、バネが一番伸びているときにも流体を通過させないだけの押し付けがあるようにバネの長さとを定数を設定すると、バネが縮んでいるときには過度にケーシングに対して押し付けが発生してしまうという問題があった。特にベーンがローターに収納されているときはベーンをケーシングに押し付ける力は弱くてもよいにも関わらず、縮んだバネによってベーンは過度にケーシングに押し付けられ、摩擦係数の増加とベーン先端の磨耗の原因となっていた。

さらに、ローターの回転数が上がると、ベーンは遠心力によって外側に押し出され、バネによる押し付けと合わさって、ベーンを過度にケーシングに押し付けることになり、摩擦損失の増加とベーン先端の磨耗の原因となっていた。

本発明は、上述した従来技術における問題点を解決し、課題を解決するためになされたものであり、小形で摩擦損失が少なく、ベーン先端の磨耗の少ないベーンモーター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、本発明にかかる回転装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、前記外筒部材の内側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、前記ベーンの先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において、前記ベーンと前記外筒部材との一方に磁石を、他方に磁石または磁性体を配置し、前記磁石の磁界による引力によって前記ベーンを前記外筒部材方向に引き付けてローターから突出させることを特徴とする。

また、本発明にかかる回転装置は、前記ローターの回転中心を前記外筒部材の内部空間中心位置に対して偏心して配置し、前記外筒部材に配置する磁石もしくは磁性体は、前記ローターの回転中心が前記外筒部材の内部空間中心位置に比して遠い内壁近傍におけるベーンに対する引力が、前記ローターの回転中心が前記外筒部材の内部空間中心位置に比して近い内壁近傍におけるベーンに対する引力に比して強くなるように配置することを特徴とする。

また、本発明にかかる回転装置は、前記磁界の強さおよび／または方向をローターの回転状態に応じて調節するように前記磁石および／または磁性体の配置状態を変更する磁界調節機構をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば回転装置は、バネがない構造でベーンを外筒部材（ケーシング）に密接させることができるため、従来の構造に比べてバネの長さの分だけ小型化することができる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、ベーンが伸びているとき（ローターの回転中心が前記外筒部材の内部空間中心位置に比して遠い内壁側にベーンが突出しているとき）と縮んでいるとき（ローターの回転中心が前記外筒部材の内部空間中心位置に比して近い内壁側にベーンが突出しているとき）とで、ベーンがケーシングに押し付けられる力を変えることができることより、不必要な摩擦損失を減ら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、ベーンがケーシングに押し付けられる力をかんたんにローター変えることができるので、ローターの回転数に合わせて、押し付けられる力をその都度調整することにより、不必要な摩擦損失を減らした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。

図１は、本発明の回転装置の一例であるタービン２の概要構成を説明する概要構成図であり、上面図と線Ｂでの断面図を示している。このタービン２は図４に示したタービン１においてバネを取り去った構造である。その代わり、タービン２の各ベーン（２３ａ〜２３ｆ）は磁石を内部に有している。そして、ケーシング２１には、ケーシング２１内壁側面の外側のあたりに鉄で出来たリング状の板２４が配置されている。流入口２５と流出口２６は板２４の邪魔にならないようケーシング２１の下面に配置されている。

ベーン２３内部の磁石と、鉄の板２４は、相互に引力が働く程度に接近して配置されており、その間に働く引力によってベーン２３はローター２２から引き出され、ケーシング２１内壁側面に押し付けられることによって流体の高圧側と低圧側とを隔絶することができ、圧力差をベーン２３に受けてトルクに変換し、ローター２２は回転をすることが出来る。

これにより、タービン２はバネを用いずとも効率よく回転をすることができ、バネは不必要であるため、バネを収納するのに必要であった分だけローター２２の直径を小さくすることができる。

図２は、本発明の実施例２にかかる回転装置の一例であるタービン３の概要構成を説明する概要構成図である。タービン３は、実施例１に示したタービン２においてケーシング３１に埋め込む鉄の板を（図では３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆの６つに）分割した構造である。これにより、ローター３２の回転位置によって、ベーン３３内部の磁石とケーシング３１内部の鉄の板３４との間の引力を変えることができる。

引力の強さを変える方法としては、図に示すように、鉄の板３４の厚さを変えてもよいし、板３４の材料の磁性を変えても良い。また、ケーシング３１内壁側面からの距離を変えることによっても引力の強さを変えることができる。

これによって、ベーン３３とケーシング３１との間の不必要な摩擦を減らすことができる。例えば図２において、高圧側と低圧側とを隔てているのはベーン３３ｃ，３３ｄ，３３ｅだけである。この３枚は確実にケーシング３１に押さえつけられている必要はあるが、他のベーン、例えばベーン３３ａはケーシングに押し付けられる必要は無い。本発明によっていた３４ａを薄くしたり遠ざけたりすることによってベーンとケーシングとの間の引力を調整し、不必要な摩擦が発生しないようにすることができる。

また図２では、板３４を６分割しているが、これは６分割に限定されるものではなく、何分割でも構わない。細かく分割した方が作製コストはかかるが、より細かくベーン内部の磁石とケーシング内の鉄との間の引力を変えることができ、より低損失に設定することが出来るようになる。

図３は、本発明の実施例３にかかる回転装置の一例であるタービン４の概要構成を説明する概要構成図である。タービン４は、実施例２に示したタービン３の構造に加え、鉄の板４４の周りに空間４５を設けることにより、鉄の板４４とケーシング４１内壁側面との距離を簡単に変化させられる構造である。

実施例２に示した回転装置では、各部の引力を自由に設定し、不必要な摩擦損失を減らすことができる。しかし、仮に一度最適な引力に設定したとしても、その後回転数があがればベーンの遠心力が増加し摩擦は増加してしまう。また回転数が下がればベーンの遠心力が低下し、押し付ける力が足りず流体が漏れて損失となってしまう。

本実施例３に示した構成によれば、回転装置は鉄の板４４とケーシング４１内壁側面との距離を簡単に変化させられることにより、回転数が変化した場合でも、回転数の変化に合わせて鉄の板４４の位置を最適な位置に調整しなおすことにより、損失を最大限に抑えることができるようになる。

上述した実施例１〜３では、ベーン内部に磁石があり、ケーシングに鉄の板がある構造について説明したが、ベーンは、ベーン自体が磁化されている材料を用いて作製しても良い。また、ベーンが鉄で出来ていて、ケーシングの中に磁石の板を配置した構成としても良い。

また、ベーンとケーシングに磁石をＮ極とＳ極が向き合うように配置しても、本発明の効果を得ることができる。そして、回転数が極めて高く、遠心力だけでもベーンがケーシングに過度に押し付けられているような状況では、磁石の同極が向き合うように配置すれば、斥力によってベーンとケーシングとの間の摩擦損失を低減することも可能である。

上述してきたように、本発明に係る回転装置は、磁力の力を利用することによって、ベーンとケーシングを密着させる。これにより、バネ材料の長さと伸縮比に依存することなく、小形のローターを用いたベーンモーターを作製することができるようになる。また、磁界の強さを調整する機能を持つことで、損失を最低限に抑えることができ、また多様な回転数に対応できるようになる。

そのため安定した圧力、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、風力や、波力、人の運動などに起因する力などである。

また、低損失で高効率動作するため、小形高出力化にも有利であり、これまでタービンを設置できなかった狭い場所（水道管の中や、ガス管の中）で利用できる。また小型軽量化して人体の身体に取り付け、人の運動によってタンクに圧力をかけてタービンを回転させ、その力で発電して携帯機器に電力を供給することなどにも用いることができる。

以上のように、本発明に係る回転装置は、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する装置として有用であり、人力による発電、特に歩行などの日常動作による発電に適している。

本発明の実施例１であるベーンモーターの構造について説明する説明図である。 本発明の実施例２であるベーンモーターの構造について説明する説明図である。 本発明の実施例３であるベーンモーターの構造について説明する説明図である。 従来のベーンモーターの構造について説明する説明図である。

符号の説明

１〜４ タービン
１１，２１，３１，４１ 外筒部材（ケーシング）
１２，２２，３２，４２ ローター
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ ベーン
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆ，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆ 磁石を内蔵したベーン
２４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆ 鉄の板
１５，２５，３５，４５ 流入口
１６，２６，３６，４６ 流出口
４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄ，４７ｅ，４７ｆ 空間
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ バネ

Claims (1)

1. 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、回転中心が前記外筒部材の内部空間中心位置に対して偏心して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、
   前記ベーンの先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において、
   前記ベーンに磁石又は磁性体を配置し、
   前記外筒部材に、前記ローターの回転中心と前記内壁との距離が長くなるほど段階的に厚みを大きくさせた磁石又は磁性体を当該外筒部材の内壁の周方向に配置し、
   前記外筒部材に配置された磁石又は磁性体の前記内壁からの距離を、前記ローターの回転状態に応じて、段階的に変化させ、
   前記磁石の磁界による引力によって前記ベーンを前記外筒部材方向に引き付けてローターから突出させることを特徴とする回転装置。

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