JP5730003B2

JP5730003B2 - 流体回転車

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Publication number: JP5730003B2
Application number: JP2010283532A
Authority: JP
Inventors: 鈴木政彦
Original assignee: Bellsion KK
Current assignee: Bellsion KK
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: JP2012132335A

Description

本発明は、流体回転車に係り、特に流体の流速を高めて、翼車の回転効率を高めるようにした、流体回転車に関する。

従来の水力発電機は、ダムの貯水を大きな落差で落下させて、縦軸翼車を回転させるようになっているものが一般的であり、この水力発電機は、水中にそのまま設置されている。
また、水力発電機を用水路に配置し、水力発電機の直前における水路を隘路として、流速を早めるようにしたものが、例えば特許文献１で知られている。
更に、送風機のファンをリングで囲んだものが、特許文献２に開示されている。

特開２００９−２３６１１８号公報特開２００２−２９５８６４号公報

従来の水力発電機においては、翼車のブレードが、主軸に対して大きく捻れているため、高速回転に伴い、主軸周りにおいてキャビテーションが生じ、乱流により回転速度が抑制され、また翼車のブレードの回転方向における幅、すなわち弦長が大で、回転抵抗が大となり、高速回転しにくいという問題がある。
水力発電機の直前において、水路を隘路としたものにおいては、出水路の断面積が小となり、水の利用量が限定される。特許文献２のリングは、水滴の飛散を防止するためのものである。
本発明は、流体回転車において、流体の流速を高めて翼車の回転効率を高めることを目的としている。

本発明の具体的な内容は、次の通りである。

（１）支柱体に、水平に支持された軸受筐体の内部に横架され、後端部を軸受筐体の後方へ突出させた主軸の後端部に、複数の揚力型ブレードを備える翼車を設け、各揚力型ブレードは、翼根から先端にかけて次第に弦長を長くし、最大弦長部分から先端へかけて細くするとともに、上流側で回転軸心線に対して、後縁方向へ斜め向きに傾斜する傾斜部とされ、軸受筐体の外周に、放射方向へ突出し、前後方向を向く複数の板状支持体をもって案内環を設け、この案内環は、前部の直径より後部の直径を小さくしたものとし、かつ縦断端面は、平坦な外周面に対して、内周面は前縁部を内方へ膨出させた湾曲面として、案内環の後端縁をブレードから離間させ、案内環の内外周面の前後に沿う延長線が、交叉してブレードの傾斜部に当るように対向させた流体回転車。

（２）前記軸受筐体の前面に、前頭部を中心として、左右端部を流体により揺動可能とした防塵網を設けてなる前記（1）に記載の流体回転車。

（３）前記軸受筐体を略紡錘形とし、その前縁周面に立設した支柱体を昇降可能に発電筐体に取付け、発電筐体の底部をフロートとした前記（1）又は（2）に記載の流体回転車。

（４）前記軸受筐体の、支柱体を外し、かつ案内環の上面に携帯用の把持体を付設して、携帯可能とした前記（1）に記載の流体回転車。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載の発明においては、翼車のブレードの前方に、案内環を離間して配置してあり、案内環の内周面の前部の直径よりも、後部の直径を小としてあるので、案内環を通過する流体は、案内環内で圧縮される。
従って案内環から後方へ出る流体は、流体圧の差によって勢いよく後方へ拡散される。
また、翼車のブレードの翼端に、前方を向く傾斜部を形成し、この傾斜部の最大弦長部より先に、案内環の後端面が離間して対面しているため、案内環の内外周面の前後に沿って、勢いよく通過する流体は、その傾斜部に当って、最大弦長部で受け止められ、梃子の原理でブレードは勢いよく回転する。

前記（2）に記載の発明においては、軸受筐体の前面に、前頭部を中心として左右端部を流体により揺動可能とした防塵網を設けてあるので、水流によって防塵網の左右が揺動して、付着しようとする塵埃を振払って除去する。

前記（3）に記載の発明においては、軸受筐体を略紡錘形とし、その前縁周面に立設した支柱体を、昇降可能に発電筐体に取り付け、発電筐体の底部をフロートとしたので、発電筐体を水面に浮設することができる。
一般の水路では、水深がそれぞれ異なるが、支柱体を昇降可能として発電筐体に取付けたので、水路の水深に合わせて、軸受筐体を配設することができる。

前記（4）に記載の発明においては、軸受筐体の、支柱体を外し、かつ案内環の上面に携帯用の把持体を付設してあるので、ピクニックや緊急時に、携帯して、用水路や河川において、容易に発電させることができる。

本発明に係る流体回転車の実施例１の正面図である。図１における中央縦断側面図である。図１に示す流体回転車の翼車におけるブレードの拡大正面図である。図３の右側面図である。図３の平面図である。図３におけるVI−VI線横断平面図である。図３におけるVII−VII線横断平面図である。図３におけるVIII−VIII線横断平面図である。図１〜図８に示すブレード周りの水流の状態を示す平面図である。本発明に係る流体回転車の実施例２の一部縦断側面図である。図１０に示す流体回転車を用水路に設置した状態を示す側面図である。本発明に係る流体回転車の実施例３の側面図である。本発明に係る流体回転車の実施例４の側面図である。本発明に係る流体回転車の実施例５の側面図である。

以下、本発明を、実施例を参照して説明する。

図１に示す本発明の実施例１に係る流体回転車１は、水流によって作動させられるもので、図２に示すように、前後方向を向く紡錘形の軸受筐体２の内部に、前後方向を向く主軸３が、軸受２Ａを介して横架されている。
主軸３の後端部は、軸受筐体２の後端から後方へ突出されている。

軸受筐体２の前部上面に、管状の支柱体４を立設してあり、その内部には、軸受４Ａをもって枢支した、縦方向を向く伝動軸５が設けられている。
主軸３の前端と伝動軸５の下端には、それぞれ互いに噛合する傘歯車６Ａ、６Ｂを固着して、伝動手段６を形成してある。

主軸３の後端には、翼車７のハブ８を固着してある。翼車７は、ハブ８から放射方向を向く複数（図で５枚）の揚力型ブレード９（以下単にブレードという）を備えている。ブレード９は、正面視において、翼根から先端へかけて次第に弦長を大きくし、翼端付近に最大弦長部９Ｂが位置するように形成し、最大弦長部９Ｂから翼端へかけて、やや先細に形成してある。

ブレード９の側面形は、図４に示すように、翼根から翼端へかけて、前面線９ｅと背面線９ｆとは平行で、回転軸心線Ｓと直交している。また最大弦長部９Ｂを基点として、翼端部を前面方向へ傾斜する傾斜部９Ａとしてある。
この傾斜部９Ａの傾斜角度は、図４においては、前面線９ｅに対して３５度〜４５度としてある。

この傾斜部９Ａは、図５における前縁９Ｃと後縁９Ｄを結ぶ翼弦線に対して、直角方向へ傾斜している。回転方向に対してキャンバが、後縁９Ｄを背面方向へ１０度傾斜している時には、傾斜部９Ａの先端が向く方向は、回転軸心線Ｓに対して、後縁方向へ１０度斜め向きに傾斜する。

ブレード９の翼端を、上向きとした状態におけるブレード９は、平面視において、図５、図６に示すように、背面９Ｆは、回転軸心線Ｓに対して直交し、かつ平坦面としてある。ブレード９の前面９Ｇは、回転方向の前端縁９Ｃに近い部分に、最大翼厚部９Ｅを有し、ここから後縁９Ｄにかけて、次第に背面９Ｆ方向へ薄くなるように傾斜する傾斜面としてある。

図１、図２に示すように、軸受筐体２の外周後端部に、複数の板状支持体１１を介して、案内環１０を、軸受筐体２を囲むように、かつ後端部がブレード９と接しないようにして設けてある。板状支持体１１は、軸受筐体２から放射方向を向き、かつ軸心方向へ向けて固定してある。

案内環１０の外周面の直径は、前縁よりも後縁へ向かって、漸次小径となっており、かつ、その内周面１０Ａは、図２に示すように、前部から後部へかけて、その延長線が、ブレード９の傾斜部９Ａの前面に当るように傾斜している。

上記の構成において、前方から案内環１０に当るＡ矢示の水流は、後縁がやや小径となっている案内環１０の内周面１０Ａで加圧されて、ブレード９に向かって流れる。
各ブレード９に当る水流は、前向き傾斜部９Ａにおける傾斜面を滑り、最大弦長部９Ｂに高速で集合し、後方、すなわち図６におけるＺ矢示方向へ通過するので、回転効率は高まる。

この場合、ブレード９の翼端部が、案内環１０の中に位置しているものは、案内環１０内を、高速で通過しようとする流体の進路を阻むことになり、特に高速回転をすると、ブレード９による遮蔽壁が、案内環１０の中に形成されることになる。

その点、案内環１０の後端面とブレード９の翼端前面とは、適度な間隔で前後に離間しているため、案内環１０の内周面１０Ａに沿って通過する流体１０ａは、後方へ怒濤のように流れることができ、その勢いで、翼車７は高速回転させられる。

特に、案内環１０の内周面１０Ａに沿って通過する水流１０ａ（図２）は、案内環１０の、後縁の直径が小となっているため、圧縮されて、他の部分よりも水圧が高まり、かつ案内環１０の後縁から、常圧の後方へ出るときに、水流１０ａは、図２で示すように、遠心後方向へ拡散するため、流体は外周方向へ勢いよく拡散する。

この流体圧の高い水流１０ａは、ブレード９の前向き傾斜部９Ａの前面で、最大弦長部９Ｂに当るので、翼車７の回転効率が高まる。
すなわち、最大弦長部９Ｂは翼端にあり、ここに多量の流水が当ると、その動圧により、梃子の原理で主軸３の回転効率が高められる。

また流水は、物体の外形に沿って流れるため、案内環１０の傾斜した外周面に沿う流水も、内周面に沿う流水と交叉して、直進する水流よりも加速され、ブレード９の最大弦長部９Ｂに当る。

図２に示すように、軸受筐体２の側面形は、前部の直径が大で、後端へかけて次第に小径に形成してあるので、この軸受筐体２の周面に沿って流れる流水は、コアンダ効果によって次第に加速されて、ブレード９の翼根部に当る。この流水は、図８におけるＸ矢示流となって、ブレード９を回転方向へ押す。

ブレード９の前面９Ｇに当たるＡ矢示水流は、翼端方向へ拡散するが、翼根部、中間部、翼端においては、それぞれ図６、図７、図８に示すように、Ｘ矢示、Ｙ矢示、Ｚ矢示流となって、ブレード９を回転方向へ押す。

図９は、図６〜図８における流体の方向を示すものである。ブレード９の翼長は、翼根から翼端へかけて長くしてあるので、回転時におけるブレード９の周速は、翼根よりも翼端の方が速くなり、その表面を滑るＸ流、Ｙ流、Ｚ流の流体も、それに比例して早くなる。例えば、図９に示すＸ流に比して、Ｚ流は３．５倍以上速くなる。

図９におけるＸ矢示、Ｙ矢示、Ｚ矢示の流体による、ブレード９に対する作用の反作用として、ブレード９は左方、すなわち回転方向へ回転させられる。ブレード９の回転に伴って、ブレード９の前縁９Ｃは、Ｂ矢示方向の相対流を受け、Ｂ矢示水流は、ブレード９の前縁において、ブレード９の表裏に分岐する。

図９における、ブレード９の背面９Ｆに沿うｂ矢示水流は、回転軸心線Ｓと直交方向に進む。ブレード９の前面９Ｇに沿う水流は、最大翼厚部９Ｂ部が前面にあり、背面よりもｂ矢示水流の流れる距離が長くなるため、背面９Ｆよりも前面９Ｇの水流が高速となり、流体圧は低下する。

従って、前面９Ｇを通過する水流は、最大翼厚部９Ｂを通過すると共に、後縁９Ｄへ向けて高速となり、流体圧が小となって通過し、Ｘ矢示、Ｙ矢示、Ｚ矢示水流となる。周囲よりも負圧となるこのＸ矢示、Ｙ矢示、Ｚ矢示流に対して、常圧のＡ矢示流が、流体圧の差でブレード９の前面９Ｇの後部に集合して当り、ブレード９の回転効率を高める。

このように、ブレード９の最大弦長部９Ｂを基点として、前向き傾斜部９Ａを形成し、かつ、案内環１０のやや小径となっている後端部を、傾斜部９Ｂのやや前向で、傾斜部９Ｂに対向させてあるため、流体圧の差で拡散する力を利用して、ブレード９は高速回転をする。
これにより、同じ流体を利用しても、流体回転車１の高速回転をさせることができ、水力や風力を広い分野で、活用する事ができる。

図１０は、流体回転車１の実施例２の側面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。
図１０において、前記した流体回転車１の軸受筐体２の前部に、取付部材１２Ｃを介して、軸受筐体２の板状支持体１１に、着脱可能の防塵網１２を装着してある。

防塵網１２は、前後２重とし、前網１２Ａは中心から放射方向を向く長杆１２ａの簾とし、後網１２Ｂは、同じく間隙を狭くした長杆１２ａの簾としてある。前網１２Ａは、後端部を前後方向を向く圧縮バネ１２Ｄにより支持され、水中で、波により前頭部１２Ｅを中心に、前後左右に揺動させて、付着した塵を振払うようになっている。

なお図１０において、管状の支柱体４の上部には、発電筐体１４を装着してある。符号１３は、案内環１０と発電筐体１４の後部とを連結する補助支柱である。発電筐体１４の中に発電機１５を配設してあり、図示しない傘歯車を介して、主軸に連携した伝動軸５の上端を、回転体１７に固定した発電部１６の中央部へ、貫通させて固定してある。回転体１７の中には、発電部１６における、発電コイル１８に対応する磁石１９を配設してある。符号２０は蓄電池である。

このように形成された流体回転車１を、例えば図１１に示すように、用水路２１の両岸に跨って架設した支持橋２２から吊設して、翼車７を水中に沈設させておくと、図２におけるＡ矢示流は、案内環１０の内周面１０Ａにおける傾斜面で圧縮され、高速でブレード９の傾斜部９Ａに衝突し、最大弦長部９Ｂに集合して、翼車７を効率良く回転させる。

翼車７の回転に伴い、図２における主軸３の回転力は、伝動軸５を介して、発電機１５の回転体１７を回転させる。これによって、回転体１７における磁石１９の磁束が、間欠的に下の発電コイル１８に作用して発電し、蓄電池２０に蓄電される。

常に水が流れている用水路２１に、流体回転車１を、適度の間隔置きに列設することによって、一つの用水路２１に、流体回転車１を多数設置して、大量の発電をさせることができる。

この場合、流体回転車１のやや上流において、用水路２１に塵埃除去装置２３を配設しておけば、流体回転車１の防塵網１２をなくすことができる。用水路２１の大きさや断面形によって、流体回転車１の大きさや設置個所を設定する。

図１２は、流体回転車１の実施例３の側面図である。前例と同じ部材には同じ符号を付して、説明を省略する。この実施例は、発電筐体１４を船型とし、底部をフロート１４Ｄとして、水面に浮かべるものである。符号１４Ａは、アンカー兼舵板である。支持体４を昇降可能にすることにより、翼車７の水没の深さを調節することができる。

発電筐体１４の上部に設けた係留部１４Ｂに、ワイヤ１４Ｃを連結し、ワイヤ１４Ｃの先端部を、水中に設けた図示しない係留柱に係留しておく。
例えば、潮流のある海中に、図示しない係留柱を立設し、これに係留すると、上げ潮にも対応することができ、舵板１４Ａによって発電筐体１４を、海流の向きに対応させることができる。

図１３は、流体回転車１の実施例４を示す側面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。この実施例は、軸受筐体２内に、主軸３と連結した発電機１５を配設し、把持体２４により携帯可能にしたものである。

発電機１５は、発電部１６と主軸３の先端部に固定した回転体１７とで構成してある。回転体１７には磁石１９が装着され、その磁石１９と対応するように、発電部１６には発電コイル１８を配設している。符号１５Ａは、発電機１５に連結する導電コード、２５は支持脚である。

これにより、翼車７の直径を、例えば１０ｃｍ〜２０ｃｍの小径として、野山に携帯し、谷川や小川などの水中に設置するだけで、容易に発電させることができる。
従って、キャンピング、登山、災害用、林業用、農業用、軍事用など、広範囲の利用が可能となる。また、風のある所に置いて、風上に軸受筐体２の前端部を対面させると、風力発電も可能となる。

図１４は、実施例５の流体回転車１を示す側面図である。前例と同じ部位には、同じ符号を付して説明を省略する。
この実施例５は、軸受筐体２の前部に、垂直の回転受体２６を装着したものである。回転受体２６を、陸地に立設した支柱２７に装着すると風車となる。

風向が変ると、軸受筐体２の後部にある案内環１０が、方向舵の役割を果たし、軸受筐体２の後部が旋回して、翼車７の前面は風上を向く。水中においては、水流の向きの変化に対応して、案内環１０は方向舵の役割を果たす。

なお、実施例１〜実施例６の、それぞれの好ましい部分を、適宜組合わせることができる。

翼車の回転効率が高いので、産業用動力、水力発電機、風力発電機など広い分野で利用することができる。

１．流体回転車
２．軸受筐体
２Ａ．軸受
２Ｂ．蓋体
３．主軸
４．支柱体
４Ａ．軸受
５．伝動軸
６．伝動手段
６Ａ．６Ｂ．傘歯車
７．翼車
８．ハブ
９．ブレード
９Ａ．前向傾斜部
９Ｂ．最大弦長部
９Ｃ．前縁
９Ｄ．後縁
９Ｅ．最大翼厚部
９Ｆ．背面
９Ｇ．前面
９ｅ．前面線
９ｆ．背面線
１０．案内環
１０Ａ．内周面
１０ａ．水流
１１．板状支持体
１２．防塵網
１２ａ．長杆
１２Ａ．前網
１２Ｂ．後網
１２Ｃ．取付部材
１２Ｄ．バネ
１２Ｅ．前頭部
１３．補助支柱
１４．発電筐体
１４Ａ．舵板
１４Ｂ．係留部
１４Ｃ．ワイヤ
１４Ｄ．フロート
１５．発電機
１５Ａ．コード
１６．発電部
１７．回転体
１８．発電コイル
１９．磁石
２０．蓄電池
２１．用水路
２２．支持橋
２３．塵埃除去装置
２４．把持体
２５．支持脚
２６．回転受体
２７．支柱
Ｓ．回転軸心線

Claims

支柱体に、水平に支持された軸受筐体の内部に横架され、後端部を軸受筐体の後方へ突出させた主軸の後端部に、複数の揚力型ブレードを備える翼車を設け、各揚力型ブレードは、翼根から先端にかけて次第に弦長を長くし、最大弦長部分から先端へかけて細くするとともに、上流側で回転軸心線に対して、後縁方向へ斜め向きに傾斜する傾斜部とされ、軸受筐体の外周に、放射方向へ突出し、前後方向を向く複数の板状支持体をもって案内環を設け、この案内環は、前部の直径より後部の直径を小さくしたものとし、かつ縦断端面は、平坦な外周面に対して、内周面は前縁部を内方へ膨出させた湾曲面として、案内環の後端縁をブレードから離間させ、案内環の内外周面の前後に沿う延長線が、交叉してブレードの傾斜部に当るように対向させたことを特徴とする流体回転車。
前記軸受筐体の前面に、前頭部を中心として、左右端部を、流体により揺動可能とした防塵網を設けてなることを特徴とする請求項１に記載の流体回転車。
前記軸受筐体を略紡錘形とし、その前縁周面に立設した支柱体を昇降可能に発電筐体に取付け、発電筐体の底部をフロートとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体回転車。
前記軸受筐体の、支柱体を外し、かつ案内環の上面に携帯用の把持体を付設して、携帯可能としたことを特徴とする請求項１に記載の流体回転車。