JP5215144B2 - 発電装置 - 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を用いて発電する発電装置に関する。

従来より、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（タービン）として、ベーンモーターが知られている。ベーンモーターは、簡単な構成からなり、流体の圧力を直接回転力に変換するため、小型でありながら大出力を得ることができる回転装置である。

従来のベーンモーターについて、図７を用いて説明する。図７は、従来のベーンモーターについて説明するための図である。なお、図７において、上段の図は、ベーンモーターを上から見た場合の俯瞰図であり、下段の図は、上段の俯瞰図に示すベーンモーターを直線Ａで切断した場合の断面図である。

図７に示すように、従来のベーンモーターとしてのタービン５は、流体の吸入口５５および吸出口５６を有し内壁が円形のケーシング５１（外筒部材）と、ケーシング５１の中に偏心されて配置されたローター５２とから構成される。また、ローター５２には、複数のベーン（図７では、ベーン５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆの６枚）が収納されており、各ベーン５３ａ〜５３ｆは、遠心力もしくはバネによって押されるなど、様々な方法によって引き出されることにより、常にケーシング５１の内壁と接触し、流体の流路を完全に隔絶している。

吸入口５５内の流体と排出口５６内の流体とに圧力差が発生すると、各ベーン５３ａ〜５３ｆに「断面積×圧力」の力がかかり、その力がローター５２の回転力となる。例えば、吸入口５５の圧力が高くなった時、各ベーン５３ａ〜５３ｆに圧力がかかるが、ローター５２の中心は、ケーシング５１に対して偏心の位置にあるため、ローター５２から突出している各ベーン５３ａ〜５３ｆの長さがそれぞれ異なることとなり、各ベーン５３ａ〜５３ｆにおいて力を受ける断面積も異なる。ローター５２は、各ベーン５３ａ〜５３ｆ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、図７に示す構成において、ローター５２は、結果として時計回りの回転を開始する。

ここで、流体のエネルギーによって回転するローターの中心軸を取り出して回転発電機に接続することにより発電を行なう技術が一般的に知られている（例えば、非特許文献１参照）。

水力発電のしくみ, [online], [平成２０年１１月２０日], インターネット<URL: http://www.kepco.co.jp/kids/search/page28.html >

ところで、上記した従来の技術は、発電を行なうためにローターの中心軸の一部をケーシング外部に出す必要があり、その際、作動流体が軸と軸受けの隙間から漏れないようにシーリングをする必要がある。しかし、シーリングすることによるトルク損失が発生トルクに対して比較的大きいと、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換効率が悪くなるという課題があった。

また、上記した従来の技術は、ベーンモーター外部に発電機を設置するスペースや、発電機とローターの中心軸とを連結するためのスペースが必要であり、狭い場所では使用が困難であるという課題があった。

そこで、この発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへの変換効率が高く、かつ、狭い場所でも使用できるように小型化されたベーンモーター型の発電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、この装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、前記外筒部材の内部に偏心されて設けられ、着磁された、もしくは内部に複数の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、前記外筒部材の外側において、前記ローターの着磁部分、もしくは前記複数の磁石それぞれの磁極近傍に分散して配置される複数のコイルからなるコイル群と、前記コイル群を前記外筒部材とともに挟み込むように当該コイル群に対して平行に配置された磁性体板と、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前記ベーンに受けて前記ローターを回転させ、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群を通過する磁束密度を変化させて電圧を発生させ、前記コイル群それぞれは、前記外筒部材に埋め込まれている、もしくは、前記外筒部材に設けられ当該コイル群それぞれの厚みと同一の深さを有する複数の窪みそれぞれに収納され、前記磁性体板は、前記外筒部材において前記ローターが配置される範囲を全て網羅するように密着して配置されることを要件とする。

開示の装置は、流体の満たされた内部から外部の空気中にローターの回転軸を発電のために取り出す必要が無いため、ローターを外筒部材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トルク損失をなくすことができ、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換効率を高くすることが可能となる。また、流体エネルギーを回転エネルギーに変換する回転装置（ベーンモーター）と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機の一部（ローターの着磁部分、または、複数の磁石）とを一体化させることができ、狭い場所でも使用できるように小型化することが可能となる。

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。

実施例１における発電装置は、ベーンモーターとしてのタービン（回転装置）に発電機能が付加された装置である。以下、これについて、図１〜３を用いて説明する。なお、図１は、実施例１における発電装置の水平方向の断面図であり、図２は、実施例１における発電装置を上から見た場合の概観図であり、図３は、実施例１における発電装置の垂直方向の断面図である。ここで、図３は、実施例１における発電装置を、図１に示す直線Ｂで切断した場合の垂直方向の断面図である。

図１に示すように、実施例１における発電装置としてのタービン１は、内壁が円形のケーシング１１（外筒部材）の中に回転自在のローター１２が偏心されて配置される。ケーシング１１は、流体の吸入口１５と排出口１６を有し、また、ローター１２には、複数のベーン（図１では、ベーン１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆの６枚）が収納されている。ローター１２に対して突没自在に設けられた各ベーン１３ａ〜１３ｆは、例えば、図示しないバネによって押されることにより、常にケーシング１１の内壁と接触し、流体の流路を完全に隔絶している。

そして、図１に示すように、実施例１における発電装置としてのタービン１は、図７に示す従来のベーンモーターとしてのタービン５とは異なり、ローター１２の内部に複数の磁石（磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆの６個）を有する。ここで、６個の磁石１４ａ〜１４ｆは、図１に示すように、ローター１２の回転軸を中心にして、角度６０度ごとに配置される。

そして、図２に示すように、実施例１における発電装置としてのタービン１は、ケーシング１１の外側（上面）において、複数のコイル（コイル群１７）を有する。ここで、コイル群１７である６個のコイルそれぞれは、図２に示すように、ローター１２の回転軸を中心にして、角度６０度ごとに配置される。

これにより、コイル群１７の各コイルは、図１に示した６個の磁石１４ａ〜１４ｆの磁極近傍に分散して配置される。すなわち、図３に示すように、コイル群１７の各コイルは、ケーシング１１を挟んで、ローター１２の内部にある磁石（図中では、磁石１４ｆおよび磁石１４ｃ）と向かい合うように配置され、その結果、ローター１２内部の磁石１４ａ〜１４ｆによる磁力線は、コイル群１７それぞれのコイルを貫くことが可能となる。

なお、図３に示すように、磁石１４ｃは、Ｎ極が上面となっており、磁石１４ｆは、Ｓ極が上面となっている。また、図には示さないが、磁石１４ｃと同様に、磁石１４ａおよび磁石１４ｅは、Ｎ極が上面となっており、磁石１４ｆと同様に、磁石１４ｂおよび磁石１４ｄは、Ｓ極が上面となっている。すなわち、ローター１２内の６個の磁石１４ａ〜１４ｆは、ローター１２の回転軸に対して対向する磁石（例えば、磁石１４ｆおよび磁石１４ｃ）の磁極の向きが互いに反対となるように配置されている。

かかる構成において、吸入口１５内の流体と排出口１６内の流体とに圧力差が発生すると、ローター１２は、各ベーン１３ａ〜１３ｆにかかる力の回転方向成分の総和によって回転し始め（図１においては、時計回り）、ローター１２の内部に組み込まれた磁石１４ａ〜１４ｆも回転し、交番磁界が発生する。この交番磁界により、コイル群１７のコイルそれぞれを貫通する磁束密度が変化して各コイルに誘導起電力が発生し、電力を取り出すことができる。例えば、図２に示すように、各コイルを並列に接続したうえで、発生した誘導起電力を取り出すことができる。なお、本発明はこれに限定されるものではなく、各コイルを直列に接続したうえで、発生した誘導起電力を取り出す場合であってもよい。

このようなことから、実施例１における発電装置としてのタービン１は、流体の満たされた内部から外部の空気中に動力軸（ローター１２の回転軸）を発電のために取り出す必要が無いため、ローター１２をケーシング１１の中に完全に密閉することができる。すなわち、実施例１における発電装置としてのタービン１は、Ｏリングなどのシーリングに係るトルク損失をなくすことができ、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換効率を高くすることが可能となる。

また、実施例１における発電装置としてのタービン１は、回転エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機の一部である磁石１４ａ〜１４ｆをローター１２に内蔵することができる。すなわち、実施例１における発電装置としてのタービン１は、流体エネルギーを回転エネルギーに変換するベーンモーターと発電機の一部とを一体化させることができ、狭い場所でも使用できるように小型化することが可能となる。

上述した実施例１にて説明したタービン１の構成においては、ローター１２内部の磁石１４ａ〜１４ｆそれぞれから発生した磁力線は、放射状に伸びて別の磁石の磁極に向かうこととなるが、その際、コイル群１７のいずれかのコイルを貫通せずに横方向に漏れてしまう場合がある。この場合、コイル群１７を貫通する磁束の量が減ることとなり、発電量が減少してしまうこととなる。

このため、実施例２における発電装置としてのタービン２は、以下に図４を用いて説明するように構成される。ここで、図４は、実施例２における発電装置を説明するための図である。なお、図４は、図１に示す直線Ｂに対応する直線でタービン２を切断した場合の垂直方向の断面図となる。

実施例２における発電装置としてのタービン２は、図１を用いて説明したタービン１と同様の構成、すなわち、図４に示すように、吸入口および排出口を有するケーシング２１、６個の磁石（図中では、磁石２４ｆおよび磁石２４ｃのみを示す）が埋め込まれたローター２２、６個のコイルからなるコイル群２７を有する。また、ローター２２は、図には示さないが、実施例１と同様に、突没自在に設けられた６個のベーンを有する。

しかし、実施例２においては、図４に示すように、磁性体板２８が、コイル群２７をケーシング２１とともに挟み込むようにコイル群２７に対して平行に配置される。

これにより、実施例２における発電装置としてのタービン２において、ローター２２の磁極（例えば、磁石２４ｆ）から発生した磁力線は、コイル群２７のいずれかのコイルを垂直方向に貫通したうえで磁性体板２８を通り、さらにコイル群２７の別のコイルを垂直方向に貫通したうえで別の磁極（例えば、磁石２４ｃ）に戻るという磁路を形成する。したがって、磁力線が横方向に漏れてしまうことなく、コイル群２７を貫通する磁束の量を増加させて発電量を増加することができるので、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換効率をさらに高くすることが可能となる。

また、実施例２における発電装置としてのタービン２は、磁性体板２８を配置することにより磁力線の外部への漏れを防止することができ、外部の金属と引き付けあったり、外部の電子機器や磁気カードなどへ悪影響を及ぼしたりすることを防止する磁気シールドとしての機能も併せもつことが可能となる。

もしくは、実施例１におけるタービン１と同程度の発電量を得ることを目的とするならば、実施例２における発電装置としてのタービン２においては、必要となる磁石の体積を減らすことができるため、ローター２２を軽量化して流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換効率をより高くすることが可能となる。なお、磁石ではなく、ローター２２自身を着磁することによって、磁場を作りだす構成とする場合であっても、タービン２を発電装置として機能させることが可能である。この場合であっても、必要となる着磁部分の体積を減らすことができるため、ローター２２を軽量化して流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換効率をより高くすることが可能となる。

上述した実施例２にて説明したタービン２の構成においては、ローター２２内部に埋め込まれた磁石と磁性体板２８との間に引力が発生する。これにより、ローター２２が傾いて、ローター２２の回転軸とケーシング２１との間に摩擦が発生して電気エネルギーへのエネルギー変換効率が低下する場合がある。

また、実施例２にて説明したタービン２の構成において、ローター２２の下側の磁極では、磁路を形成するような磁性体はないため、下側の磁極から出た磁力線は、空気中を通り、別の磁極へと還ってくる。このような下側で発生する磁力線も、発電システムの外部へと漏れ出し、外部の金属と引き付けあったり、もしくは、外部の電子機器や磁気カードなどへ悪影響を及ぼしたりする可能性がある。すなわち、実施例２にて説明したタービン２の構成においては、下側で発生して外部に漏れる磁束の量を減らすために磁気シールドを設置する必要がある。

このため、実施例３における発電装置としてのタービン３は、以下に図５を用いて説明するように構成される。ここで、図５は、実施例３における発電装置を説明するための図である。なお、図５は、図１に示す直線Ｂに対応する直線でタービン３を切断した場合の垂直方向の断面図となる。

実施例３における発電装置としてのタービン３は、図１を用いて説明したタービン１と同様の構成、すなわち、図５に示すように、吸入口および排出口を有するケーシング３１、６個の磁石（図中では、磁石３４ｆおよび磁石３４ｃのみを示す）が埋め込まれたローター３２を有する。また、ローター３２は、図には示さないが、実施例１と同様に、突没自在に設けられた６個のベーンを有する。

しかし、実施例３においては、図５に示すように、第一のコイル群３７ａおよび第二のコイル群３７ｂそれぞれが、ケーシング３１を挟み込むように上面と下面とに配置される。すなわち、実施例３では、ケーシング３１の上面と下面とのそれぞれおいて、６個ずつのコイルからなる第一のコイル群３７ａおよび第二のコイル群３７ｂが、ケーシング３１の内部にある６個の磁石の磁極近傍に分散して配置される。

さらに、実施例３においては、図５に示すように、第一の磁性体板３８ａが、第一のコイル群３７ａをケーシング３１とともに挟み込むように配置され、第二の磁性体板３８ｂが、第二のコイル群３７ｂをケーシング３１とともに挟み込むように配置される。

これにより、実施例３においては、第一の磁性体板３８ａおよび第二の磁性体板３８ｂそれぞれとローター３２内部に埋め込まれた磁石との距離が等しいことから、第一の磁性体板３８ａとケーシング３１内部にある磁石との間で発生する引力および第二の磁性体板３８ｂとケーシング３１内部にある磁石との間で発生する引力は、等しく対称となり相殺される。

したがって、実施例３における発電装置としてのタービン３において、第一の磁性体板３８ａおよび第二の磁性体板３８ｂと磁石との間で発生する引力は零となり、ローター３２の回転軸とケーシング３１との間に摩擦が発生することを防止できる。

また、実施例３における発電装置としてのタービン３において、ケーシング３１内部にある６個の磁石から出た磁力線は、そのほとんどが第一の磁性体板３８ａおよび第二の磁性体板３８ｂの中を通過することから、実施例２と比較して、磁力線が外部へと漏れることをさらに防止できる。

したがって、実施例３における発電装置としてのタービン３は、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換効率をより一層高くすることが可能となる。

さらに、実施例３における発電装置としてのタービン３は、より強固な磁気シールドとしての機能も併せもつことが可能となる。

また、実施例３における発電装置としてのタービン３においては、第一のコイル群３７ａおよび第二のコイル群３７ｂそれぞれで発電する。したがって、第一のコイル群３７ａおよび第二のコイル群３７ｂを直列につなげれば、実施例２の構成と比較して２倍の発電電圧を得ることができ、第一のコイル群３７ａおよび第二のコイル群３７ｂを並列につなげれば、２倍の電流を得ることができ、発電量を増大することが可能になる。

上述した実施例１〜３では、コイル群がケーシングの表面に配置される場合について説明したが、実施例４では、コイル群がケーシング内部に配置される場合について、図６を用いて説明する。ここで、図６は、実施例４における発電装置を説明するための図である。なお、図６は、図１に示す直線Ｂに対応する直線で実施例４における発電装置としてのタービン４を切断した場合の垂直方向の断面図となる。

実施例４における発電装置としてのタービン４は、図５を用いて説明したタービン３と同様の構成、すなわち、図６に示すように、吸入口および排出口を有するケーシング４１、６個の磁石（図中では、磁石４４ｆおよび磁石４４ｃのみを示す）が埋め込まれたローター４２、第一のコイル群４７ａ、第二のコイル群４７ｂ、第一の磁性体板４８ａおよび第二の磁性体板４８ｂを有する。また、ローター４２は、図には示さないが、実施例１と同様に、突没自在に設けられた６個のベーンを有する。

しかし、実施例４における発電装置としてのタービン４は、ケーシング４１の上面および下面において、図６に示すように、第一のコイル群４７ａおよび第二のコイル群４７ｂの各コイルの厚みと同一の深さを有する複数の窪みが形成されている。そして、第一のコイル群４７ａおよび第二のコイル群４７ｂの各コイルは、ケーシング４１の上面および下面の窪みに収納されている。

これにより、実施例４における発電装置としてのタービン４は、第一のコイル群４７ａおよび第二のコイル群４７ｂを、磁束密度が最も大きくなる場所である磁石の近傍により近づけることができ、発電量をさらに増加することが可能となる。

また、実施例４における発電装置としてのタービン４は、第一のコイル群４７ａおよび第二のコイル群４７ｂをケーシング４１に収容することから、例えば、実施例３におけるタービン３と比較して、コイルの厚さ分だけ発電装置を薄型化することが可能となる。

また、従来、薄型化のためや、コイルを磁石に近づけるためにケーシングを薄くすると、ケーシングの強度が減り、タービン内部の圧力により耐えられずにケーシングがたわんでしまう場合があった。しかし、実施例４における発電装置としてのタービン４において、第一の磁性体板４８ａは、第一のコイル群４７ａおよびケーシング４１と密着され、第二の磁性体板４８ｂは、第二のコイル群４７ｂおよびケーシング４１と密着されることとなる。したがって、実施例４における発電装置としてのタービン４は、磁性体板（第一の磁性体板４８ａおよび第二の磁性体板４８ｂ）がケーシング４１と第一のコイル群４７ａおよび第二のコイル群４７ｂとに密着しているために強度を向上させることができ、薄型化とともにタービン内部の圧力に対する耐久性を増強することが可能となる。

なお、本実施例で説明した構成は、実施例１および２においても適用することが可能である。すなわち、実施例１または実施例２においては、ケーシング１１またはケーシング２１の上面に設けた６個の窪みにコイル群１７またはコイル群２７が収納される。

また、本実施例では、コイルの厚さと同一の深さを有する窪みによって複数のコイルそれぞれを収納する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第一のコイル群４７ａおよび第二のコイル群４７ｂそれぞれが、ケーシング４１の上面および下面それぞれに埋め込まれて作製される場合であってもよい。さらに、コイル群がケーシングに埋め込まれる構成についても、実施例１および２においても適用することが可能である。すなわち、実施例１または実施例２においては、コイル群１７またはコイル群２７がケーシング１１またはケーシング２１の上面に埋め込まれて作製される。

なお、上述の実施例１〜４に示した構成および動作はあくまで一例であり、本発明は実施例に限定されること無く適宜変形して利用することができるものである。例えば、実施例１〜４では、ローター内部に磁石を埋め込む構造を例に説明を行ったが、ローター自身を着磁することによって、磁場を作りだす構成としても本発明を実施することは可能である。このほか、磁石とコイルの数、タービンの大きさなどの細かい形状などは実際の使用状況によって変更可能である。

このように、本発明にかかわる発電装置は、流体の圧力のエネルギーから効率よく電気エネルギーへの変換することができるので、摩擦抵抗を無視できるくらい大きな圧力や高回転を得るための大きな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して発電できるようになる。それは例えば、風力や、波力や、人の運動などに起因する力である。

また、本発明にかかわる発電装置は、その大きさを小型化、特に薄型化ができるので、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、狭い壁の中など）でも利用できるようになる。また、小型軽量化して人体の身体に取り付け、人の運動によって流体が入ったタンクに圧力をかけてタービンを回転させ、その回転力を利用して発電を行なって、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、本発明に係る発電装置は、流体の持つエネルギーを回転エネルギーに変換して発電する場合に有用であり、特に、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへの変換効率が高く、かつ、狭い場所でも使用できることに適する。

実施例１における発電装置の水平方向の断面図である。 実施例１における発電装置を上から見た場合の概観図である。 実施例１における発電装置の垂直方向の断面図である。 実施例２における発電装置を説明するための図である。 実施例３における発電装置を説明するための図である。 実施例４における発電装置を説明するための図である。 従来のベーンモーターについて説明するための図である。

符号の説明

１、２、３、４、５ タービン
１１、２１、３１、４１、５１ ケーシング
１２、２２、３２、４２、５２ ローター
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆ ベーン
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、２４ｃ、２４ｆ、３４ｃ、３４ｆ、４４ｃ、４４ｆ 磁石
１５、５５ 吸入口
１６、５６ 排出口
１７、２７ コイル群
２８ 磁性体板
３７ａ、４７ａ 第一のコイル群
３７ｂ、４７ｂ 第二のコイル群
３８ａ、４８ａ 第一の磁性体板
３８ｂ、４８ｂ 第二の磁性体板

Claims (2)

1. 流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、
   前記外筒部材の内部に偏心されて設けられ、着磁された、もしくは内部に複数の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、
   前記外筒部材の外側において、前記ローターの着磁部分、もしくは前記複数の磁石それぞれの磁極近傍に分散して配置される複数のコイルからなるコイル群と、
   前記コイル群を前記外筒部材とともに挟み込むように当該コイル群に対して平行に配置された磁性体板と、
   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前記ベーンに受けて前記ローターを回転させ、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群を通過する磁束密度を変化させて電圧を発生させ、
   前記コイル群それぞれは、前記外筒部材に埋め込まれている、もしくは、前記外筒部材に設けられ当該コイル群それぞれの厚みと同一の深さを有する複数の窪みそれぞれに収納され、
   前記磁性体板は、前記外筒部材において前記ローターが配置される範囲を全て網羅するように密着して配置されることを特徴とする発電装置。
2. 前記コイル群として、前記外筒部材を挟み込むように配置された第一のコイル群および第二のコイル群と、
   前記磁性体板として、前記第一のコイル群を前記外筒部材とともに挟み込むように配置された第一の磁性体板および前記第二のコイル群を前記外筒部材とともに挟み込むように配置された第二の磁性体板と、
   をさらに備え、
   前記第一の磁性体板および前記第二の磁性体板それぞれは、前記複数の磁石との距離が等しくなる位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。

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