JP5372720B2

JP5372720B2 - 回転装置および発電装置

Info

Publication number: JP5372720B2
Application number: JP2009278491A
Authority: JP
Inventors: 陽平鳥海; 松本　　聡; 尊久正代
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-12-08
Also published as: JP2011122468A

Description

本発明は、回転装置および発電装置に関し、特に、小形で摩擦損失が少なく、ベーン先端の磨耗の少ない回転装置および発電装置に関する。

流体のエネルギーを回転エネルギーに変換するタービン（回転装置）として、ベーンモータが知られている。ベーンモータは、流体の圧力を直接回転力に変換するため、簡易な構成で大出力を得ることができる。

図４は、従来のベーンモータの大まかな構成を示す図であり、図５は、図４に示すベーンモータのＡ−Ａ断面図である。図４に示すタービン１では、円筒状の空間を有するケーシング（外筒部材）１１の中にロータ１２が偏心されて配置されている。ロータ１２にはベーン１３ａ〜１３ｆが収納されており、ベーン１３ａ〜１３ｆは、それぞれ、バネ１４ａ〜１４ｆによって印加される圧力によって常にケーシング１１の内壁と接触した状態を保つ。

タービン１の吸入口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、ロータ１２から突出している部分の断面積とその部分での圧力差に応じた力がベーン１３ａ〜１３ｆに印加される。ここで、ロータ１２はケーシング１１に対して中心が偏心の位置にあるため、ベーン１３ａ〜１３ｆは、ロータ１２から突出している部分の断面積がそれぞれ異なる。このような突出部分の断面積の違いにより、ベーン１３ａ〜１３ｆは、流体の圧力によってそれぞれ異なる大きさの力を印加されることとなり、その結果、ロータ１２に回転力を与える。

そして、ベーン１３ａ〜１３ｆは、ロータ１２が回転しても、バネ１４ａ〜１４ｆによって印加される圧力によってケーシング１１の内壁と接触した状態を保ち、それぞれの突出部分は異なる断面積を有することとなる。このため、ベーン１３ａ〜１３ｆは、流体の圧力差が残存する間は、ロータ１２を一定方向に回転させる。例えば、吸入口１５の部分の流体の圧力が高くなった場合、ベーン１３ａ〜１３ｆは、ロータ１２を反時計回りに回転させる。

このようにベーン１３をケーシング１１の内壁に接するように突没させる技術としては、上述したようなバネ１４による技術が一般的である（例えば、特許文献１）。

実開平０２−１０３１８３号公報

しかしながら、上述した従来技術では、ロータ１２の内部にバネ１４を収納するスペースが必要であるため、ロータ１２の半径をバネ１４の縮小時の長さとベーン１３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１４は、ロータ１２の回転時に伸縮をするが、バネ１４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１４の長さと定数を設定すると、バネ１４が縮んでいるときには過度にケーシング１１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。ベーン１３がロータに収納されているときはベーン１３をケーシング１１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１４によってベーン１３は過度にケーシングに押し付けられ、このことが、摩擦損失の増加とベーン１３の先端の磨耗の原因となっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小形で摩擦損失が少なく、ベーン先端の磨耗の少ない回転装置および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に、本発明に係る回転装置および発電装置は、１つの態様において、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、前記外筒部材内部に回転自在に設けられたロータと、前記ロータに対して突没自在に設けられた第１のベーンと、前記第１のベーンと前記ロータの回転の中心を通る直線上の位置であって、該中心を挟んで前記第１のベーンと対向する位置に、前記ロータに対して突没自在に設けられた第２のベーンと、前記第１のベーンと前記第２のベーンが受ける前記吸入口側の流体の圧力と前記排出口側の流体の圧力の差が前記ロータの回転に変換されるように、前記第１のベーンの先端と前記第２のベーンの先端とを前記外筒部材の内壁に接触させるとともに、前記ロータの回転にともなって前記第１のベーンと前記第２のベーンとを前記直線上を連動して移動させる連結部とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る回転装置および発電装置は、小形で摩擦損失が少なく、ベーン先端の磨耗の少ない回転装置および発電装置を提供することができるという効果を奏する。

図１は、本実施例に係るタービンの大まかな構成を示す図である。図２は、本実施例に係るタービンのＢ−Ｂ断面図である。図３は、本実施例に係るタービンの変形例を示す図である。図４は、従来のベーンモータの大まかな構成を示す図である。図５は、従来のベーンモータのＡ−Ａ断面図である。

以下に、本発明に係る回転装置および発電装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１および２を参照しながら、本実施例に係るタービン（回転装置）２の構成について説明する。図１は、タービン２の大まかな構成を示す図であり、図２は、図１に示すタービン２のＢ−Ｂ断面図である。図１に示すタービン２では、円筒状の空間を有するケーシング（外筒部材）２１の中にロータ２２が偏心されて配置されている。タービン２には、ケーシング２１内の円筒状の空間に流体を導入する吸入口２５と、ケーシング２１内の円筒状の空間から流体を排出する排出口２６が設けられている。

ロータ２２には、ベーン２３ａ〜２３ｆがロータ２２に対して突没自在に設けられている。ベーン２３ａと２３ｄの組合せと、ベーン２３ｂと２３ｅの組合せと、ベーン２３ｃと２３ｆの組合せは、それぞれ、ロータ２２の回転軸２８を通る直線上において回転軸２８を挟んで対向する位置に存在し、ロータ２２の回転軸２８を通る直線上を一定以上の距離を保って同一方向に連動して移動するように構成されている。

ここで、ベーン２３ｂと２３ｅの組合せについてより詳細に構成を説明する。ベーン２３ｂとベーン２３ｅの間にはロッド２４ｂが設けられている。ロッド２４ｂは、回転軸２８を貫通してベーン２３ｂの方向またはベーン２３ｅの方向に摺動自在に構成され、一方の端はベーン２３ｂに固定されている。ロッド２４ｂの他方の端には、ベーン２３ｅに設けられている磁石２７ｆと同一極が対向して反発力が生じるように磁石２７ｅが設けられている。

このように、ロッド２４ｂとその端に設けられた磁石２７ｅにより、ベーン２３ｂと２３ｅは、一方のベーン２３がロータ２２の中心方向への圧力を受けると、回転軸２８を通る直線上を一定以上の距離を保ちながら他方のベーン２３の方向へ移動する。また、ベーン２３ｂと２３ｅは、磁石２７ｅと２７ｆの反発により常に一定以上の距離を保とうとするため、先端がケーシング２１の内壁に一定以上の圧力をともなって接触した状態を保つ。ベーン２３ａと２３ｄの組合せとベーン２３ｃと２３ｆの組合せも、同様の構成となっている。なお、ベーン２３の組合せの数は、３つである必要はない。

かかる構成のタービン２において、吸入口２５の部分の流体と排出口２６の部分の流体に圧力差が発生すると、ロータ２２から突出している部分の断面積とその部分での圧力差に応じた力がベーン２３ａ〜２３ｆに印加される。ここで、ロータ２２はケーシング２１に対して中心が偏心の位置にあるため、ベーン２３ａ〜２３ｆは、ロータ２２から突出している部分の断面積がそれぞれ異なる。このような突出部分の断面積の違いにより、ベーン２３ａ〜２３ｆは、流体の圧力によってそれぞれ異なる大きさの力を印加されることとなり、その結果、ロータ２２に回転力を与える。例えば、吸入口２５の部分の流体の圧力が高くなった場合、ベーン２３ａ〜２３ｆは、ロータ２２を時計回りに回転させる。

そして、例えば、ロータ２２の回転により、ベーン２３ｄがケーシング２１の内壁に押されてロータ２２内部へと収納されつつある状態となると、ベーン２３ｄは、磁石２７ａおよび２７ｂとロッド２４ａを介してベーン２３ａをロータ２２内部から押し出す。このように、ベーン２３ａ〜２３ｆは、ロータ２２が回転しても、ケーシング２１の内壁と接触した状態を保ち、それぞれの突出部分は異なる断面積を有することとなる。このため、ベーン２３ａ〜２３ｆは、流体の圧力差が残存する間は、ロータ２２を一定方向に回転させる。また、流体の高圧側と低圧側は、ベーン２３ａ〜２３ｆによって隔絶されるため、圧力差が回転力に変換されずに漏洩することがなく、高い変換効率が得られる。

上述してきたように、本実施例では、ロッド２４と磁石２７を用いて、ロータ２２の回転軸２８を挟んで対向する２つのベーン２３が、一定以上の距離を保って同一方向に連動して移動するように構成したので、２つのベーン２３の先端がケーシング２１の内壁に押し付けられる圧力がほぼ均等化される。このため、全てのベーン２３の先端にかかる圧力を最適化して、摩擦損失が少なく、ベーン先端の磨耗の少ないタービンを提供することができる。

また、ロータ２２の回転軸２８を挟んで対向する２つのベーン２３が一定以上の距離を保つようにするために、バネのような機械的な構造ではなく、磁石２７の反発を利用することとしたので、ロータ２２の内部に含める機械的な構造を少なくすることができ、タービンの小型化が容易となっている。

なお、図１および２に示した例では、ロータ２２の回転軸２８を挟んで対向する２つのベーン２３を連結させるロッド２４の一方の端に磁石２７を設け、そちらの側のベーン２３が有する磁石２７と反発させる構成としたが、ロッド２４の他方の端にも磁石２７を設け、そちらの側のベーン２３が有する磁石２７とも反発させる構成としてもよい。すなわち、ロッド２４の両方の端において、ロッド２４とベーン２３が反発し合う構成としてもよい。

また、図３に示すタービン３のように、ベーンとロッド自体を着磁させることとしてもよい。タービン３のロータ３２では、ロッド３４は、一端がＳ極となり他端がＮ極になるように着磁され、ベーン３３は、ロッド３４と近接する部分が着磁され、ベーン３３とロッド３４の間に反発力が発生するように配置されている。この反発力によってベーン３３は常にケーシング３１の内壁に押し付けられ、流入口側と流出口側を隔絶することができる。この構成では、図１および２に示した構成よりも部品点数が少なくて済むため、より小型化が可能であるとともに、組み立てが容易になりコストダウンが可能になる。

また、本実施例に係るタービンは、オルタネータやダイナモ等の発電機と組み合わせることにより、発電装置として構成することもできる。

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、小形のロータを用いた回転装置を作製することができるようになる。

また、本発明に係る回転装置は流入口と流出口を隔絶しているため流体の圧力を効率よく利用できる。低い回転数から高効率に動作するため安定した圧力、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、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。人体の身体にとりつけ、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、その力で発電を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。

１、２、３タービン
１１、２１、３１ケーシング
１２、２２、３２ロータ
１３ａ〜１３ｆ、２３ａ〜２３ｆ、３３ベーン
１４ａ〜１４ｆバネ
１５、２５吸入口
１６、２６排出口
２４ａ〜２４ｃ、３４ロッド
２７ａ〜２７ｆ磁石
２８回転軸

Claims

流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、
前記外筒部材内部に回転自在に設けられたロータと、
前記ロータに対して突没自在に設けられた第１のベーンと、
前記第１のベーンと前記ロータの回転の中心を通る直線上の位置であって、該中心を挟んで前記第１のベーンと対向する位置に、前記ロータに対して突没自在に設けられた第２のベーンと、
前記第１のベーンと前記第２のベーンが受ける前記吸入口側の流体の圧力と前記排出口側の流体の圧力の差が前記ロータの回転に変換されるように、前記第１のベーンの先端と前記第２のベーンの先端とを前記外筒部材の内壁に接触させるとともに、前記ロータの回転にともなって前記第１のベーンと前記第２のベーンとを前記直線上を連動して移動させる連結部とを備え、
前記連結部は、前記第１のベーンと前記第２のベーンの少なくとも一方のベーンに近接する部分が有する磁力が、該ベーンの有する磁力と反発することにより、前記第１のベーンの先端と前記第２のベーンの先端とを前記外筒部材の内壁に接触させることを特徴とする回転装置。
流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、
前記外筒部材内部に回転自在に設けられたロータと、
前記ロータに対して突没自在に設けられた第１のベーンと、
前記第１のベーンと前記ロータの回転の中心を通る直線上の位置であって、該中心を挟んで前記第１のベーンと対向する位置に、前記ロータに対して突没自在に設けられた第２のベーンと、
前記第１のベーンと前記第２のベーンが受ける前記吸入口側の流体の圧力と前記排出口側の流体の圧力の差が前記ロータの回転に変換されるように、前記第１のベーンの先端と前記第２のベーンの先端とを前記外筒部材の内壁に接触させるとともに、前記ロータの回転にともなって前記第１のベーンと前記第２のベーンとを前記直線上を連動して移動させる連結部とを備え、
前記第１のベーンと前記第２のベーンは、前記連結部と近接する部分が着磁され、
前記連結部は、一端がＳ極となり他端がＮ極になるように着磁され、それぞれの端が前記第１のベーンと前記第２のベーンのうち近接するベーンとの間で磁力による反発力が生じるように配置されることを特徴とする回転装置。
請求項１または２に記載の回転装置を備えることを特徴とする発電装置。