JP4916592B1 - 整流装置および水中発電機を内蔵した水流コーン体 - Google Patents

Abstract

【課題】水流コーン体を備えた水中発電装置の水力エネルギーの利用効率の低減防止と向上が可能である整流装置および水中発電機を内蔵した水流コーン体を提供する。
【解決手段】円錐筒状に形成された水流コーン体１の内部に、先端側から後端側へ拡径するテーパーバー２ａと、該部位に軸方向に伸びるガイドベーン２ｂとを有し、かつテーパーバー２ａが、テーパーバー拡径部２０ａと、該部位から後端部２ｄまで外面２０ｃが凹弓状に漸次縮径するテーパーバー窄み部２０ｂとを有する整流装置２を内蔵させる。水流コーン体１は、先端部１ｃの口径が後端部１ｄよりも小さく、コーン体拡径部１０ａと、該部位から後端部１ｄまで円弧状に漸次縮径するコーン体窄み部１０ｂとを有する。整流装置２のテーパーバー拡径部２０ａの先端側に、この部位と同径の水中発電機１１が取り付けられ、水中発電機１１の先端部にプロペラ水車９が取り付けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、河川、海等の水中に設置され、流水エネルギー（河流、潮流、海流）を利用した水中発電装置に用いる筒状の水流コーン体に整流装置および水中発電機を内蔵したものに関する。

従来技術として、水流コーン体を複数備えた水中発電装置が開示されている。水流コーン体は、装置外部の河川等の水を先端側から吸引して後端側から放出するものであり、円錐状に形成された筒状をなす。また、水流コーン体の内面は、先端側に窄んだ漏斗状に形成され、先端側がテーパ状になっている（例えば、特許文献１）。

この水中発電装置は、水流コーン体の先端付近で水流を高速にして、河川等の流水による水力エネルギーを効率よく活用できる。

実用新案登録第３１３８３７３号

しかしながら、特許文献１に記載の水流コーン体は、円錐筒状をなすため、水流コーン体内面のテーパ角度が広く設計されるので、水流コーン体内部を通過する吸引水は、水流コーン体の内面に衝突して渦流を発生させながら下流側へ流れる。この渦流が、水力エネルギー損失を生じさせ、水中発電装置の水力エネルギーの利用効率の低下を招くという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、整流装置により、水流コーン体内部で吸引水の渦流が発生するのを防止し、水流コーン体の後端部からの吸引水の放出量を増大させることにより、水流コーン体を備えた水中発電装置の水力エネルギーの利用効率の低減防止と向上が可能である整流装置および水中発電機を内蔵した水流コーン体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の整流装置および水中発電機を内蔵した水流コーン体は、筒状をなし、先端側から後端側に向けて送水するための水流コーン体と、該水流コーン体の内部に配置された整流装置と、前記水流コーン体の内部に配置され、前記水流コーン体の内部に流入する水により発電を行う羽根車を備えた水中発電機とを備え、前記水流コーン体は、先端部の口径が後端部の口径よりも小さく、かつ外面および内面が先端側から後端側に向けてテーパ状に拡径するコーン体拡径部と、該コーン体拡径部から後端部まで外面および内面が凹状になることなく漸次縮径するコーン体窄み部とを有し、前記整流装置は、前記水流コーン体の軸方向に沿って伸びるテーパーバーと、該テーパーバーに軸方向に伸びるように形成されたガイドベーンとを含み、前記テーパーバーは、外面が先端側から後端側に向けてテーパ状に拡径するテーパーバー拡径部と、該テーパーバー拡径部から後端部まで外面が凹状に漸次縮径するテーパーバー窄み部とを有し、前記整流装置は、前記テーパーバー拡径部から前記水流コーン体の先端部に向けて伸びる前記水中発電機を含み、該水中発電機は、径方向寸法が、前記テーパーバー拡径部の先端側部位の径方向寸法と同径か、もしくは前記テーパーバー拡径部から前記水流コーン体の先端部に向けて漸次縮径し、前記水中発電機の先端部に、前記水流コーン体の内部に流入する水によって回転する前記羽根車が取り付けられていることを特徴とする。

また、本発明の整流装置を内蔵した水流コーン体は、前記コーン体窄み部と前記テーパーバー窄み部は曲線状とするのが好ましい。

本発明の整流装置および水中発電機を内蔵した水流コーン体によれば、整流装置におけるテーパーバーとガイドベーンにより、水流コーン体内部を軸方向に沿って分割することができるため、水流コーン体の内面に水流コーン体内部を通過する吸引水が衝突しにくくなり、吸引水の渦流発生を抑制できる。これにより、水流コーン体内部での吸引水の流れが高速化し、水流コーン体内部での水力エネルギーの損失を抑制できる。その結果、水流コーン体を備えた水中発電装置の水力エネルギーの利用効率を向上させることができる。

また、水流コーン体は、先端部の口径を後端部の口径よりも小さくしているため、口径の狭い先端側から口径の広い後端側に向けて送水でき、周知であるベルヌーイの定理によって、先端付近で高速の水流を得ることができる。そのため、水流コーン体を備えた装置の水力エネルギーの利用効率の向上に貢献する。

また、水流コーン体を、外面および内面が先端側から後端側に向けてテーパ状に拡径するコーン体拡径部と、コーン体拡径部から後端部まで外面および内面が凹状になることなく漸次縮径するコーン体窄み部とを有し、整流装置のテーパーバーは、外面が先端側から後端側に向けてテーパ状に拡径するテーパーバー拡径部と、該テーパーバー拡径部から後端部まで外面が凹状に漸次縮径するテーパーバー窄み部とを有するため、水流コーン体の後端側の内部では流れる吸引水が高圧になり、水流コーン体の後端側の外部では、流水が低圧になる。そのため、水流コーン体の後端部では、内部と外部で大きな圧力差が生じ、この圧力差で、水流コーン体の内部の吸引水が水流コーン体の外部の水流に吸引されやすくなる。この結果、水流コーン体後端部からの水の放出量を増大させて、水流コーン体を備えた水中発電装置の水力エネルギーの利用効率の向上に貢献する。

さらに、水流コーン体の内部の先端側に、水流コーン体の内部に流入する水によって回転する羽根車が配置されることになるため、河川等の水を蛇行させることなく水流コーン体の内部に流入させることができ、さらに言えば、河川等の水を蛇行させることなく水流コーン体内部の羽根車に当てることができるため、水力エネルギーの利用効率の低減を防止できる。また、水中発電機は、整流装置のテーパーバー拡径部から水流コーン体の先端部に向けて伸び、径方向寸法が、テーパーバー拡径部の先端側部位の径方向寸法と同径か、もしくは前記テーパーバー拡径部から前記水流コーン体の先端部に向けて漸次縮径しているため、蛇行することなく滑らかに水流コーン体の内部を水流コーン体の後端側に向けて流れるため、水力エネルギーの利用効率の低減防止に貢献する。

また、本発明の整流装置を内蔵した水流コーン体は、コーン体窄み部とテーパーバー窄み部を曲線状にすると、流体の流れがスムーズになり、水流コーン体の後端部で圧力差を生じさせやすくなり、水流コーン体の内部の水が水流コーン体の外部の水に吸引されやすくなる。この結果、水流コーン体後端部からの水の放出量が増大しやすくなり、水流コーン体を備えた装置の水力エネルギーの利用効率の向上に貢献する。

本発明の第１の実施形態を示す正面図である。 図１に示す水流コーン体の拡大断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。

以下、図１〜図４を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１に本発明の第１の実施形態として、整流装置２および水中発電機１１を内蔵した水流コーン体１を備える水中発電装置Ｇを示す。この水中発電装置Ｇは、水流コーン体１と、水流コーン体１の内部に配置された整流装置２と、水流コーン体１の内部に配置され、水流コーン体１の内部に流入する水により発電を行う、整流装置２に取り付けられた水中発電機１１と、この水中発電機１１に取り付けられたプロペラ水車９（羽根車）と、水中発電機１１から電力が送電される送電コード１２とで主要部が構成されている。水中発電装置Ｇは、フロート２３に支持板２４を介して取り付けられており、アンカーブロック２２を用いて、水深の深い川底Ｒに潜水状態で係留されている。

図１および図２の矢印３は、水流コーン体１の外部を含む水中発電装置Ｇの外部を流れる流水を示し、矢印４は、水流コーン体１の先端側から吸い込まれ、プロペラ水車９を介して水流コーン体１の内部を通過する吸引水を示す。また、図１中の符号５は、流水面を示している。

図２に水流コーン体１の拡大図を示す。この水流コーン体１は、円錐状に形成された筒状をなし、水流コーン体１は、先端側（図２中左側）で窄んだ漏斗状で、先端部１ｃの口径が後端部１ｄよりも小さく、先端側から後端側（図２中右側）に向けて送水する。また、水流コーン体１は、円筒状の先端筒部１０ｄと、この先端筒部１０ｄから後端側に向かって伸び、外面１ａおよび内面１ｂが先端側から後端側に向けてテーパ状に拡径するコーン体拡径部１０ａと、このコーン体拡径部１０ａから後端側に向かって伸び、コーン体拡径部１０ａから後端部１ｄまで外面１ａおよび内面１ｂが凹状でない滑らかな円弧状（曲線状）に漸次縮径するコーン体窄み部１０ｂとを有する。この水流コーン体１の内部に水流コーン体１の軸方向に伸びる整流装置２が配置されている。水流コーン体１の材質は、内部を流れる水圧に耐え得る剛性を備えたものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、鉄などの金属やプラスチックなどで成形することができる。なお、図２に示す水流コーン体１のＡ−Ａ線断面図を図３に示し、図２に示す水流コーン体１のＢ−Ｂ線断面図を図４に示した。

整流装置２は、図２に示すように、軸方向に沿って伸びるテーパーバー２ａと、テーパーバー２ａに軸方向に伸びるように形成され、かつテーパーバー２ａに周方向で９０°間隔に配置された４つのガイドベーン２ｂとを有する。テーパーバー２ａは、外面２０ｃが先端側からコーン体窄み部１０ｂの軸方向開始端１０ｃと軸方向位置が対応する部位（以下、テーパーバー窄み部２０ｂの軸方向開始端２０ｄとする）に向けて後端側へテーパ状に拡径するテーパーバー拡径部２０ａと、テーパーバー拡径部２０ａから後端部２ｄまで外面２０ｃが滑らかな凹弓状（曲線状）に漸次縮径するテーパーバー窄み部２０ｂとを有する。テーパーバー拡径部２０ａのテーパ角度は、テーパーバー拡径部２０ａの外面２０ｃと水流コーン体１のコーン体拡径部１０ａの内面１ｂとの間の吸引水４用通路の幅が先端側から後端側に向けて大きくなるように設計されており、テーパーバー拡径部２０ａの軸方向領域にガイドベーン２ｂが設けられている。

整流装置２の水流コーン体１内部への固定は、水流コーン体１の後端部１ｄから整流装置２を、整流装置２に取り付けられた水中発電機１１のプロペラ水車９を先頭にして押し込んでいくことにより行う。そのため、ガイドベーン２ｂは、軸方向で水流コーン体１の内面１ｂに密着するように吸引水４用通路の幅に応じて成形されており、先端側から後端側に向けて径方向寸法が大きくなっている。整流装置２は、水流コーン体１の内部を流れる吸引水４の水圧に耐え得る剛性を備えたものであれば特に限定されるものではなく、例えば、鉄やプラスチックなどで成形することが可能である。

本実施形態の場合、水流コーン体１の内部に整流装置２を配置しているため、整流装置２のテーパーバー２ａと４つのガイドベーン２ｂとで水流コーン体内部の空間を周方向に、かつ、軸方向に沿って分割することができ、これにより、水流コーン体１のテーパ角度を低減することができる。その結果、水中発電装置Ｇが作動して水流コーン体１内部に吸い込まれた吸引水４は、水流コーン体１の内面１ｂに衝突しにくくなり、渦流発生が抑制される。これにより、水流コーン体１内部での吸引水４の流れが高速化し、水流コーン体１内部での水力エネルギーの損失を抑制できる。その結果、水中発電装置Ｇの水力エネルギーの利用効率を向上させることができる。

水流コーン体１の外面１ａに沿って流れる流水３は、コーン体窄み部１０ｂの軸方向開始端１０ｃに達して屈曲する際に、周知のコアンダ効果によって低圧水流になり（図中矢印Ｌ１で示す）、そのまま、コーン体窄み部１０ｂの外面１ａに沿って後端側へ惰性で流れる。そのため、また、水中発電装置Ｇが作動して水流コーン体１の内部に水が吸い込まれると、水流コーン体１の内面１ｂと整流装置２の外面２０ｃとの間を流れる吸引水４がテーパーバー２ａの後端部２ｄ側に吸引され、水流コーン体１の外部に放水される。

一方、吸引水４において、水流コーン体１の内面１ｂに沿って流れる吸引水４は、コーン体窄み部１０ｂの軸方向開始端１０ｃに達して屈曲する際、周知である流線曲率の定理によって、高圧水流となる（図中矢印Ｈ１で示す）。また、吸引水４において、整流装置２のテーパーバー２ａの外面２０ｃ側を流れる吸引水４は、テーパーバー窄み部２０ｂの軸方向開始端２０ｄに達して屈曲する際、周知である流線曲率の定理によって、高圧水流となる（図中矢印Ｈ２で示す）。この矢印Ｈ２で示す高圧水流は、矢印Ｈ１で示した高圧水流（水流コーン体１の内面１ｂに沿って流れる吸引水４）と合流する。

この結果、水流コーン体１の後端側では、水流コーン体１の外側を流れる流水３と内側を流れる吸引水４との間で圧力差が生じ、高圧の吸引水４が低圧の流水３に吸引されやすくなり、吸引水４は、水流コーン体１の後端部１ｄから放出されやすくなる。そのため、水流コーン体１に本実施形態にかかる整流装置２を配置しない場合と比べて、水流コーン体１の後端部１ｄから放出される水の量が増大し、水中発電装置Ｇの水力エネルギーの利用効率の向上に大きく貢献する。

また、水流コーン体１のコーン体窄み部１０ｂは外面１ａおよび内面１ｂを円弧状にしており、整流装置２のテーパーバー２ａのテーパーバー窄み部２０ｂは凹弓状に成形されているため、流水３および吸引水４の流れがスムーズになり、水流コーン体１の後端部１ｄで流水３と吸引水４との間の圧力差を生じさせやすくなり、水流コーン体１内部の吸引水４が水流コーン体１外部の流水３に吸引されやすくなる。この結果、水流コーン体１の後端部１ｄからの水の放出量が増大しやすくなり、水流コーン体１を備えた装置の水力エネルギーの利用効率の向上に貢献する。

また、吸引水４は、口径の狭い先端部１ｃから口径の広い後端部１ｄに向けて放水されるため、周知であるベルヌーイの定理によって、先端部１ｃ付近で高速の水流を得ることができる。そのため、水中発電装置Ｇの水力エネルギーの利用効率の向上に貢献する。

以上のように、本実施形態の水流コーン体１は、先端側が窄んだ円錐筒状の形状による吸引水４の先端側での高速化、整流装置２のテーパーバー２ａおよびガイドベーン２ｂによる吸引水４の渦流の発生防止、および、水流コーン体１のコーン体窄み部１０ｂと整流装置２のテーパーバー窄み部２０ｂで水流コーン体１の後端側で吸引水４の圧力を高圧にして流水３の圧力を低圧にすることによる、水流コーン体１の後端部１ｄからの吸引水４の放出量の増大により、水中発電装置Ｇの水力エネルギーの利用効率を大きく向上させることができる。

また、本実施形態では、整流装置２のテーパーバー拡径部２０ａから水流コーン体１の先端部１ｃに向けて伸びる水中発電機１１を含み、水中発電機１１は、径方向寸法が、前記テーパーバー拡径部２０ａの先端側部位の径方向寸法と同径であり、テーパーバー拡径部２０ａの先端側にネジ固定などにより取り付けられている。水中発電機１１の先端部に、水流コーン体１の内部に流入する吸引水４によって回転するプロペラ水車９が取り付けられており、整流装置２のテーパーバー拡径部２０ａから伸びるガイドベーン２ｂを備えている。

この構成により、プロペラ水車９が水流コーン体１の内部の先端側に配置されることになるため、河川等の水を蛇行させることなく水流コーン体１の内部に流入させることができ、さらに言えば、河川等の水を蛇行させることなく水流コーン体１内部の水中発電機１１のプロペラ水車９に当てることができるため、水力エネルギーの利用効率の低減を防止できる。また、水中発電機１１は、整流装置２のテーパーバー拡径部２０ａから水流コーン体の先端部に向けて伸び、径方向寸法が、テーパーバー拡径部２０ａの先端側部位の径方向寸法と同径であるため、水流コーン体１の内部に流入した吸引水４は、蛇行することなく滑らかに水流コーン体１の内部を水流コーン体１の後端側に向けて流れ、これにより水力エネルギーの利用効率の低減防止に貢献する。なお、本実施形態では、水中発電機１１の径方向寸法は、テーパーバー拡径部２０ａと同じにしているが、テーパーバー拡径部２０ａから水流コーン体１の先端部に向けて漸次縮径するようにしてもよい。

また、本実施形態では、水流コーン体１の後端部１ｄにおける径方向寸法をＣとする環状の開口部の面積を、水流コーン体１のコーン体窄み部１０ｂの軸方向開始端１０ｃにおける内面１ｂと整流装置２のテーパーバー窄み部２０ｂの軸方向開始端２０ｄにおける外面２０ｃとで形成される径方向寸法をＤとする環状の流路のうちガイドベーン２ｂを除いた部分の面積以上の面積としている。これにより、水流コーン体１の内部に吸引した吸引水４を、水流コーン体１の後端側の内部で停滞させることなく、水流コーン体１の後端部１ｄから放出できるので、水力エネルギーを利用効率の向上に貢献する。なお、本実施形態では、整流装置２のテーパーバー拡径部２０ａへの水中発電機１１の取り付けをネジ取り付けにより行ったが、特に限定されるものではなく、例えば、溶接などによっても可能である。また、本実施形態では、整流装置２と水中発電機１１を別体としたが、一体にすることも可能である。

なお、本実施形態では、水流コーン体１では、コーン体拡径部１０ａの軸方向長さをコーン体窄み部１０ｂの長さの約３倍の長さとし、整流装置２では、テーパーバー拡径部２０ａの長さをテーパーバー窄み部２０ｂの長さの約２．５倍としている。しかし、水流コーン体１の後端部１ｄからの吸引水４の放出量の増大という目的が達成できるのであれば、水流コーン体１のコーン体拡径部１０ａやコーン体窄み部１０ｂの長さ、整流装置２のテーパーバー拡径部２０ａやテーパーバー窄み部２０ｂの長さは特に限定されるものではない。

また、本実施形態では、水流コーン体１を１つのみ使用しているが、配置スペースや用途に応じて、複数使用することも可能である。

また、本発明は、ここで挙げた水中発電装置Ｇの形態に限らず、他の形態の水中発電装置であってもよい。

１ 水流コーン体
１ａ 外面
１ｂ 内面
１ｃ 先端部
１ｄ 後端部
２ 整流装置
２ａ テーパーバー
２ｂ ガイドベーン
２ｄ 後端部
３ 流水
４ 吸引水
５ 流水面
９ プロペラ水車
１０ａ コーン体拡径部
１０ｂ コーン体窄み部
１０ｃ コーン体窄み部の軸方向開始端
１０ｄ 先端筒部
１１ 水中発電機
１２ 送電コード
２０ａ テーパーバー拡径部
２０ｂ テーパーバー窄み部
２０ｃ 外面
２０ｄ テーパーバー窄み部の軸方向開始端
２２ アンカーブロック
２３ フロート
２４ 支持板
Ｇ 水中発電装置
Ｒ 川床

Claims (2)

1. 筒状をなし、先端側から後端側に向けて送水するための水流コーン体と、該水流コーン体の内部に配置された整流装置と、前記水流コーン体の内部に配置され、前記水流コーン体の内部に流入する水により発電を行う羽根車を備えた水中発電機とを備え、
   前記水流コーン体は、先端部の口径が後端部の口径よりも小さく、かつ
   外面および内面が先端側から後端側に向けてテーパ状に拡径するコーン体拡径部と、
   該コーン体拡径部から後端部まで外面および内面が凹状になることなく漸次縮径するコーン体窄み部とを有し、
   前記整流装置は、
   前記水流コーン体の軸方向に沿って伸びるテーパーバーと、該テーパーバーに軸方向に伸びるように形成されたガイドベーンとを含み、
   前記テーパーバーは、
   外面が先端側から後端側に向けてテーパ状に拡径するテーパーバー拡径部と、
   該テーパーバー拡径部から後端部まで外面が凹状に漸次縮径するテーパーバー窄み部とを有し、
   前記整流装置は、前記テーパーバー拡径部から前記水流コーン体の先端部に向けて伸びる前記水中発電機を含み、
   該水中発電機は、径方向寸法が、前記テーパーバー拡径部の先端側部位の径方向寸法と同径か、もしくは前記テーパーバー拡径部から前記水流コーン体の先端部に向けて漸次縮径し、
   前記水中発電機の先端部に、前記水流コーン体の内部に流入する水によって回転する前記羽根車が取り付けられている
   ことを特徴とする整流装置および水中発電機を内蔵した水流コーン体。
2. 前記コーン体窄み部と前記テーパーバー窄み部は曲線状である請求項１記載の整流装置および水中発電機を内蔵した水流コーン体。

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