JP5660640B2 - 流体を利用した発電 - Google Patents

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Description

これらの機械的装置は、シャフトの周りに力の不均衡を発生させるよう発明されている。ホイールといった回転装置にベーン（図１の１）又は「水箱」（図８の３７）を組み込むことによって、そして、一方向にのみ河川が流れるという事実を利用することによって、このような力の不均衡が発生する。回転装置の上部（下部）のベーン又は水箱は、河川が流れる方向に向けて横方向に押す圧力を発生させるよう設計される一方、回転装置の他方の側は、いずれの方向にも横方向に押す圧力を発生せずに河川の流れが通過するよう設計される。このように発生した力の不均衡は、シャフトの周りにトルクを発生させ、これによりシャフトが回転する。シャフトの回転エネルギは、発電機によって電気エネルギに変換される。
図１は、ベーン（１，１３）、シャフト（３）、及び一連のプーリ（５，１２，６，及び７）から成る河川流発電（ＲＩＦＥＧ）システムの一選択肢（選択肢１）を示す。 図２は、エネルギ収集（図１の５３）機構の構造を示す。 図３は、クラッチ（図１の４）の基本的な構造を示す。 図４は、クラッチの動作方法を示す。 図５は、係合した場合のクラッチ（４）機構の詳細を示す。 図６は、解放された場合のクラッチ（４）機構の詳細を示す。 図７は、水箱（図８の３６）、ホイール（図７の３５）、シャフト（３）及び一連のプーリ（５，１２，６，及び７）から成る河川流発電（ＲＩＦＥＧ）システムを示す別の選択肢（選択肢２）を示す。 図８は、力の不均衡がホイールにどのようにして発生するのかを説明する。 図９は、水箱（図１０の３７）、コンベヤベルト（図１０の４５）、ドラムホイール（４７，４８）、シャフト（３）及び一連のプーリ（５，１２，６，及び７）から成る河川流発電（ＲＩＦＥＧ）システムの好適な選択肢（選択肢３）を示す。 図１０は、力の不均衡がドラムホイール（４７，４８）にどのようにして発生するのかを説明する。 図１１は、選択肢１のＲＩＦＥＧシステムを川床にどのように設置するのかを示す。 図１２は、選択肢２のＲＩＦＥＧシステムを川床にどのように設置するのかを示す。 図１３は、選択肢３のＲＩＦＥＧシステムを川床にどのように設置するのかを示す。
図１は、ＲＩＦＥＧシステムの選択的な実施例（選択肢１）の斜視図を示しており、ホイール（４７）の周縁にベーン（１）を組み込むことによる河川流の動力の回転エネルギへの変換方法を示す。矢印（２）で示す方向の河川流の場合、水圧が、ホイールの上部で河川流の方向に横方向に押す圧力をベーン（１）に発生させる一方、ホイール（４７）の下部のベーン（１３）がカバー（１４）の中に畳まれ、横方向に押す圧力はホイール（４７）の下部に発生しない。このため、力の不平衡が発生し、これによりホイール（４７）及びシャフト（３）が回転する。シャフト（３）は、クラッチボックス（４）の水封シャフト（米国特許４３９８７２５の図３の５４）に結合されており、回転運動をクラッチボックス（４）に伝える。水封シャフト（米国特許４３９８７２５の図３の５４）は、機構の残りの部分を河川から隔離する。クラッチボックスの内側の機構は、後で説明することとする。
クラッチボックス（４）の出力軸（２３）が、プーリ（５）に結合されており、プーリ（１２）の直径に対するプーリ（５）の直径の比（Ｒ１）をより大きくすることによって、プーリ（５）の回転数が、Ｘ ＲＰＭ（１分当たりの回転数）からＹ ＲＰＭに増加する。Ｙ ＲＰＭは、プーリ（１２）の回転数である。プーリ（１２）及びプーリ（６）は同じ軸（１１）を共有しているため、プーリ（６）もまた、Ｙ ＲＰＭで回転する。プーリ（６，７）の隣接対は、プーリ（７）の直径に対するプーリ（６）の直径の比をより大きくすることによって、Ｙ ＲＰＭからＺ ＲＰＭに増加する。Ｚ ＲＰＭは、プーリ（７）の回転数である。ここで、Ｚ ＲＰＭは、Ｒ１及びＲ２及びＸ ＲＰＭの積に等しい（すなわち、Ｚ ＲＰＭ＝Ｒ１＊Ｒ２＊Ｘ ＲＰＭ）。Ｒ１及びＲ２は、電気を発生させるために発電機のＲＰＭの要求に合うよう決定される。発電機（９）のシャフトは、ギヤ（７）シャフトに結合されており、電線（８）が防水されている。
図２は、エネルギ収集機構の構成を示す。この図で、左から右への河川流及びこの方向への水流が、ホイール（４７）のベーン（１）を押し、ホイール（４７）を時計方向に回転させる。ベーン（１）がカバー（１４）の入口（５５）を通過すると（図２の右側を参照）、カバー（１４）の入口（５５）の固定具が、ホイール（４７）の中心に向けてベーンを押し下げ、ベーンがカバー（１４）の内側に移動できる。同時に、それは、小さな分銅（１５）及びバネ（１６）を同じ方向に下方に押すことができる。カバーの内側のベーンは、カバー（１４）の出口（５６）に達するまで折り畳まれたままである。ベーンがカバー（１４）の出口（５６）を通過すると、押し下げられたバネ（１６）がその圧縮エネルギを解放し、ベーンを遠心方向に向けて押してベーン（１）を展開させる。この図では、３つのベーン（１）が展開し、５つのベーン（１３）がカバー（１４）の内側に折り畳まれている。このような構成では、ベーン（１）が展開するときに横方向に押す圧力がホイール（４７）の上部に発生する一方、ベーン（１３）がカバーの内側に折り畳まれたときには横方向に押す圧力がベーン（１３）の下部に発止しないため、力の不均衡を発生させる。このように発生する力の不均衡により、ホイール（４７）が回転する。ベーンのストッパ（１８）が水圧に抗してベーンを保持する。
図３は、クラッチボックス（４）の内側の基本的構造を示す。シャフト（２０）は、水封シャフト（米国特許第４３９８７２５号の図３の５４）を介してシャフト（図１の３）に結合された入力軸である。入力軸（２０）の角速度は、図の２つの矢印で示すように一貫性がない。（一貫性がないのは、河川が一定の速さで流れないという事実によるものである。）しかしながら、出力軸（２３）の角速度は、特定の角速度に達すると比較的一定である。機構（１９，２１）の構成を図４に示す。
図４は、ギヤ（１９）及びギヤ（２１）がどのように係脱（２２）するのかを示す。ギヤ（１９）が反時計方向に回転すると、ギヤ（１９）の歯がギヤ（２１）の歯を押すことでギヤ（２１）が時計方向に回転する（ギヤ（１９）とギヤ（２１）との間の接触（２２）を参照）。河川流が一方向にのみ流れるため、ギヤ（１９）は時計方向に回転しないが、その反時計方向の回転速さが河川流の速さに応じて変動する。機構の係脱は、出力の回転数（２３）が特定の回転数に達すると、入力の回転数（２０）が出力の回転数（２３）を下回って減少したときでも、その回転数を保持するように構成される。機構を図５及び図６で説明する。
図５は、２つのギヤ（１９，２１）が係合するケースを示す。ギヤ（図４の１９）が反時計方向（２９）に回転すると、歯（２６）が右に移動し、右（３０）にギヤ（２１）の歯（２４）を押すことで、ギヤ（図４の２１）が時計方向に回転する。
図６は、２つのギヤ（１９，２１）が解放されるケースを示す。ギヤ（１９）がギヤ（２１）よりも遅く回転すると、ギヤ（図４の１９）の歯（２６）が下方（ギヤの中心に向かって）にギヤ（図４の２１）の歯（２４）を押す。歯（２４）の下方にバネ（２５）があるため、下方に押すことが可能である。歯（２４）を最後まで下方に押した後に、歯（２６）は、歯（２４）を右（３１）に押さずに、歯（２４）を通過することで、解放が行われる。
図７は、ＲＩＦＥＧシステムの選択的な実施例（選択肢２）の斜視図を示しており、ホイール（３５）の周縁に水箱（３７）を組み込むことによる河川流の動力の回転エネルギへの変換方法を示す。河川が矢印（２）によって示す方向に流れると、ホイール（３５）の最上部Ａの水箱（３７）が、正面の開口（３６）を通って流入する水を集める。集められた水は、河川の水圧によってドア（詳細は図８の３８を参照）が閉じて、水が流出するのを止めるため、箱の中にとどまる。ストッパ（３９）が設けられる位置を超えてドア（３８）が回動するのを防止するストッパ（３９）が設けられている。また、水箱（３７）の中の水塊が、右に（横方向に）水箱（３７）を押し、時計方向にホイール（３５）を回転させる。河川流により横方向に押すことが上部「Ａ」（３２）で生じる一方、下部「Ｂ」（３４）の水箱は開口（３６）の前後に水を通過させる。ドア（３８）が時計方向に回転するときには、ストッパがないため、ドアの開放が生じる（詳細は図８の下部を参照）。ここで、上部「Ａ」（３２）及び下部「Ｂ」（３４）間の力の不平衡により、ホイール（３５）及びシャフト（３）が時計方向に回転する（詳細は図８を参照）。シャフト（３）は、水封シャフト（米国特許第４３９８７２５号の図３の５４）に結合されており、回転運動をクラッチボックス（４）に伝える。水封シャフト（米国特許第４３９８７２５号の図３の５４）は、機構の残りの部分を河川から隔離する。
クラッチボックス（４）の出力軸（２３）が、プーリ（５）に結合されており、プーリ（１２）の直径に対するプーリ（５）の直径の比（Ｒ１）をより大きくすることによって、プーリ（５）の回転数が、Ｘ ＲＰＭ（１分当たりの回転数）からＹ ＲＰＭに増加する。Ｙ ＲＰＭは、プーリ（１２）の回転数である。ここで、プーリ（１２）及びプーリ（６）は同じ軸（１１）を共有しているため、プーリ（６）もまた、Ｙ ＲＰＭの回転数で回転する。プーリ（６，７）の隣接対は、プーリ（７）の直径に対するプーリ（６）の直径の比（Ｒ２）をより大きくすることによって、Ｙ ＲＰＭからＺ ＲＰＭに増加する。Ｚ ＲＰＭは、プーリ（７）の回転数である。ここで、Ｚ ＲＰＭは、Ｒ１及びＲ２及びＸ ＲＰＭの積に等しい（すなわち、Ｚ ＲＰＭ＝Ｒ１＊Ｒ２＊Ｘ ＲＰＭ）。Ｒ１及びＲ２は、電気を発生させるために発電機のＲＰＭの要求に合うよう決定される。
図８は、ホイール（３５）の回転方法を説明する。水箱（３７）（右上図を参照）は、正面に開口（３６）を背面にドア（３８）を上部にヒンジ（４０）を有する。それは、前方に回動し、通路を開放する。しかしながら、開放位置から後方に回動するときに、ストッパ（３９）がドア（３８）を止め水流を遮断する。
ホイール（３５）の上部「Ａ」（３２）の水箱（３７）は、河川の圧力によってドア（３８）が後方に向かって押されたときに、ドア（３８）を閉じる。水箱（３７）の水塊が右に移動すると、それは右に水箱（３７）を押すことで、ホイール（３５）が時計方向に回転する。一方、下部「Ｂ」（３４）の水箱（３７）のドア（３８）は、河川流の圧力によって強制的に開けられ、河川流を水箱（３７）に通すことで、下部「Ｂ」（３４）に対抗力は発生しない。このため、力の不均衡が発生し、それがホイール（３５）を回転させる。
図９は、ＲＩＦＥＧシステムの好適な実施例（選択肢３）の斜視図を示しており、２つのドラムホイール（４７，４８）に巻かれたコンベヤベルト（４５）に水箱（３７）を組み込むことによる河川の流動力の回転エネルギへの変換方法を示す。河川が矢印（２）によって示す方向に流れると、上部「Ｃ」（４４）の水箱（３７）が、開口（３６）を通って流入する水を集める。集められた水は、河川の水圧によってドア（図１０の３８）が閉じて、水が流出するのを止めるため、箱の中にとどまる。ストッパ（３９）が設けられた位置を超えてドア（３８）が回動するのを防止するストッパ（３９）が、それぞれの水箱（３７）に設けられている。また、水箱（３７）の中の水塊が、河川が流れる方向に（横方向に）水箱（３７）を押し、同じ方向にコンベヤベルト（４５）を移動させ、時計方向にドラムホイール（４７，４８）を回転させる。河川流により横方向に押すことが上部「Ｃ」（４４）で生じる一方、下部「Ｄ」（４６）の水箱は開口（３６）の前後に水を通過させる。ドア（３８）が時計方向に回動するときには、ストッパがないため、ドアの開放が生じる（詳細は図１０を参照）。このため、上部「Ｃ」（４４）と下部「Ｄ」（４６）との間に力の不均衡が発生し、これにより、コンベヤベルト（４５）及びシャフト（３）が時計方向に回転する（詳細は図１０を参照）。シャフト（３）は、水封シャフト（米国特許４３９８７２５の図３の５４）に結合されており、回転運動をクラッチボックス（４）に伝える。水封シャフト（米国特許第４３９８７２５号の図３の５４）は、機構の残りの部分を河川から隔離する。
クラッチボックス（４）の出力軸（２３）が、プーリ（５）に結合されており、プーリ（１２）の直径に対するプーリ（５）の直径の比（Ｒ１）をより大きくすることによって、プーリ（５）の回転数が、Ｘ ＲＰＭ（１分当たりの回転数）からＹ ＲＰＭに増加する。Ｙ ＲＰＭは、プーリ（１２）の回転数である。ここで、プーリ（１２）及びプーリ（６）は同じ軸（１１）を共有しているため、プーリ（６）もまた、Ｙ ＲＰＭの回転数で回転する。プーリ（６，７）の隣接対は、プーリ（７）の直径に対するプーリ（６）の直径の比（Ｒ２）をより大きくすることによって、Ｙ ＲＰＭからＺ ＲＰＭに増加する。Ｚ ＲＰＭは、プーリ（７）の回転数である。ここで、Ｚ ＲＰＭは、Ｒ１及びＲ２及びＸ ＲＰＭの積に等しい（すなわち、Ｚ ＲＰＭ＝Ｒ１＊Ｒ２＊Ｘ ＲＰＭ）。Ｒ１及びＲ２は、電気を発生させるために発電機のＲＰＭの要求に合うよう決定される。
図１０は、ドラムホイール（４７，４８）の回転方法を説明する。水箱（３７）（図右上を参照）は、正面に開口（３６）を背面にドア（３８）を上部にヒンジ（４０）を有する。それは、前方に回動し、通路を開放する。しかしながら、開放位置から後方に回動するときに、ストッパ（３９）がドア（３８）を止め水流を遮断する。
コンベヤベルト（４５）の上部「Ｃ」（４４）の水箱（３７）は、河川の圧力によってドア（３８）が後方に向かって押されたときに、ドア（３８）を閉じる。ドア（３８）が水流を遮断するため、水箱（３７）の中の水は中にとどまっている。水箱（３７）の水塊が右に移動すると、それは右に水箱（３７）及びコンベヤベルト（４５）を押すことで、ドラムホイール（４７，４８）が時計方向に回転する。一方、コンベヤベルト（４５）の下部「Ｄ」（４６）の水箱（３７）のドア（３８）は、河川流の圧力によって押し開けられ、河川流を水箱（３７）に通すことで、下部「Ｄ」（４６）に対抗力は発生しない。このため、上部「Ｃ」と下部「Ｄ」との間の力の不平衡が発生し、これによりコンベヤベルト（４５）が回転する。ヒンジ（４２）、アーム１（４１）、及びアーム２（４３）は、水箱（３７）のパーツであり、これらの機能は、水箱（３７）をコンベヤベルト（４５）に結合し、水箱（３７）が右に移動するときに、コンベヤベルト（４５）をそれに沿って引っ張り、水箱（３７）がドラム（４７，４８）の周縁の円形の面に沿って移動できるようにすることである。
図１１は、選択肢１のＲＩＦＥＧシステムを組み込む方法を示す。まず、ポール（４９）が川床の下部に下がり、システムを組み込むべき場所に固定される。選択肢１のＲＩＦＥＧシステムの穴（５１）は、ポール（４９）に沿って川床にシステムを下げる。降下は、バラスト（５２）の中に水パイプ（５０）を通して水を充填することによって行われる。バラスト（５２）の大きさは、水が充填されたときに、システム全体が組み込まれた場所にとどまるような大きさである。バラスト（５２）システムを使用してシステムを川床に下げ、そしてメンテナンスが必要なときに水上にシステムを上げるのをより容易にすることができる。
図１２は、ＲＩＦＥＧシステムが図７に示すような選択肢２であることを除いて、図１１と同じものを示す。
図１３は、ＲＩＦＥＧシステムが図９に示すような選択肢３であることを除いて、図１１と同じものを示す。

Claims (1)

  1. 発電システムであって、必須の機械的要素から成る機械的システムの軸の周りに力の不均衡を発生させることによって、流体の動力が回転動力に、さらには電気に変換され、
    （ａ）前記必須の機械的要素としてコンベヤベルトまたは回転運動機械システムに組み込まれた「流体箱」であって、正面に開口を有し、背面に上部がヒンジ結合されたドアを有し、前記ヒンジの反対側にストッパを有して、流体が通過できるように前記ドアを一方向に開けることができるが、逆方向に開けることができず、
    流体が左から右に流れる際に、前記コンベヤベルトまたは回転運動機械システムの上部の流体箱が流体で満たされ、流体が前記流体が流れる方向に前記流体箱を押すと同時に連結された前記コンベヤベルトまたは回転運動機械システムが押され、下部の前記流体箱が正面及び背面の開口を通して流体を通過させて横方向に押す圧力を発生させることができないことで、上部と下部との間に前記力の不均衡が発生することで、前記コンベアベルトまたは回転運動機械システムが時計回りで回転し、
    他方、流体が右から左に流れる場合、上部にある前記流体箱の背面のドアが前記流体の圧力に押されて開き、流体を通過させて圧力を発生させることがなく、また下部の流体箱の背面のドアが流体の圧力により閉じて流体が前記流体箱に入った流体のすべてが前記流体箱を左へと押し、前記コンベアベルトの上部と下部との間に前記力の不均衡が生じ、結果として前記コンベアベルトがここでも時計回りで回転する「流体箱」を具え、
    これにより流体の前後の方向が変化したときにも時計回りの回転に変換され、ここで前記流体の流速が一定でないと回転速度は一定とならないが、回転速度がエネルギを回収するために設けられたフライホイールより速くなった場合に係合するが回転速度がフライホイールより低くなった場合には解放されるクラッチ機構が設けられ、これにより回転エネルギが前記フライホイールに蓄積可能であり、これを用いて発電機を回して電力を生成可能であり、このようにして流体の圧力エネルギよりむしろ動力エネルギを電力エネルギに変換し、
    （ｂ）前記クラッチ機構は、２本のシャフトと、水封シャフトと、入力ギヤ（Ａ）と、背部にバネを有するピストン型のギア歯を有する出力ギヤ（Ｂ）とを具え、前記入力ギヤ（Ａ）が前記出力ギヤ（Ｂ）よりも速く回転するときに、前記入力ギヤ（Ａ）が前記出力ギヤ（Ｂ）に係合し、前記入力ギヤ（Ａ）が前記出力ギヤ（Ｂ）よりも遅く回転するときに解放され；
    （ｃ）前記クラッチ機構は、前記入力ギヤ（Ａ）及び前記出力ギヤ（Ｂ）のギヤ歯の面角が同じであり、前記出力ギヤ（Ｂ）の歯は固定されず上下に可動し、下方にバネを有し、２つの前記歯の面が互いに摺動するように、前記入力ギヤ（Ａ）の歯が一方の方向に移動するときに、前記入力ギヤ（Ａ）の歯が前記出力ギヤ（Ｂ）の中心の方向に下方に向けて前記出力ギヤ（Ｂ）の歯を押すが、前記入力ギヤ（Ａ）が移動する方向に押さないことで解放が生じる一方、前記入力ギヤ（Ａ）が相対的な意味で他の逆方向に移動する場合に、摺動する代わりに、前記２つのギヤ（Ａ及びＢ）の歯が互いに当接し、前記入力ギヤ（Ａ）の面が前記出力ギヤ（Ｂ）の面を前記入力ギヤ（Ａ）が移動する方向に押すことで、前記ギヤの係合が生じるクラッチ機構である；
    ことを特徴とする発電システム。
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