JP6403400B2 - 排風発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビルや工場などの排風を利用して発電を行う排風発電装置に関する。

近年、クリーンエネルギーである風力発電が普及しつつあるが、自然風を利用する場合には気象条件の影響を大きく受けるため、安定した発電が困難である。そこで、自然風ではなく、ビルや工場などから排出される排風を利用した排風発電が、従来から検討されている。

例えば、特許文献１に開示された電力回収装置は、集塵装置が備える排風機の排風口に増速用ダクトを設け、増速用ダクトから翼車に排風を噴射して翼車を回転させることにより、翼車主軸に連結された発電機で発電するように構成されている。

特開２０１０−１７８６１０号公報

ところが、上記従来の電力回収装置は、インペラの周囲に間隙を形成する構成であるため、この間隙が大きくなるとインペラの回転効率が低下する一方、この間隙を小さくすると排気圧力が高まって排風機の負荷が大きくなるおそれがあり、排風機の余分な電力消費が発生するという問題があった。

そこで、本発明は、排風を利用した発電を効率良く行うことができる排風発電装置の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に配置された翼車と、前記翼車の回転により駆動される発電機とを備え、前記ケーシング内に排風が導入されることにより前記翼車が回転して発電する排風発電装置であって、 前記ケーシングは、前記翼車が収容される収容部と、前記収容部に排風を導入する導入部と、前記収容部から排風を排出する排出部とを備え、前記導入部および前記排出部は、いずれも流路断面が矩形状に形成され、それぞれの開口中心線が、前記翼車の回転軸に垂直な断面において互いに直交しており、 前記翼車は、湾曲した複数の翼部材が円筒状を構成するように周方向に間隔をあけて配置されたクロスフロー型であり、前記排出部は、前記翼車の回転軸と平行な一対の内壁のうち、前記翼車の回転方向下流側の内壁を前記排出部の上流側に向けて凸となるように湾曲させる一方、前記翼車の回転方向上流側の内壁を断面直線状として前記翼車の接線方向に延びるように形成することで、流路が流れ方向に沿って徐々に拡がるように、内壁面における前記翼車の回転方向下流側を外方に膨出させた膨出部を備える排風発電装置により達成される。

この排風発電装置において、前記導入部は、前記収容部に向けて先細に形成されていることが好ましい。また、前記収容部は、内壁面と前記翼部材の先端とのクリアランスが、前記排出部から前記導入部までの前記翼車の回転方向に沿った全体にわたって、翼車半径の０．００５〜０．０５倍に設定されていることが好ましい。

また、この排風発電装置は、一端側が前記導入部に接続され、他端側が排風設備に接続可能な給気ダクトと、一端側が前記排出部に接続され、他端側が大気に開放される排気ダクトと、前記給気ダクトと前記排気ダクトとを前記収容部を迂回するように接続し、ダンパの操作により排風流路を切り替え可能なバイパスダクトとを更に備えることができる。

本発明の排風発電装置は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に配置された翼車と、前記翼車の回転により駆動される発電機とを備え、前記ケーシング内に排風が導入されることにより前記翼車が回転して発電する排風発電装置であって、 前記ケーシングは、前記翼車が収容される収容部と、前記収容部に排風を導入する導入部と、前記収容部から排風を排出する排出部とを備え、前記翼車は、湾曲した複数の翼部材が円筒状を構成するように周方向に間隔をあけて配置されており、前記排出部は、流路が流れ方向に沿って徐々に拡がるように、内壁面における前記翼車の回転方向下流側を外方に膨出させた膨出部を備える構成において、前記翼車と前記発電機との間に可変駆動装置が介在されることが好ましい。前記可変駆動装置は、駆動側プーリと、従動側プーリと、前記駆動側プーリおよび従動側プーリの間で動力を伝達するベルト部材とを備えている。前記駆動側プーリは、前記翼車の回転軸に固定された固定プーリと、前記翼車の回転軸に沿って移動可能に支持された可動プーリとの間に前記ベルト部材が係合され、前記翼車の回転軸に固定された保持部材と前記可動プーリとの間に保持された錘部材に遠心力が作用することにより、前記可動プーリが前記錘部材に押圧されて移動し、前記ベルト部材のベルト径を大きくするように構成されている。前記従動側プーリは、前記発電機の回転軸に固定された固定プーリと、前記発電機の回転軸に沿って移動可能に支持された可動プーリとの間に前記ベルト部材が係合され、前記駆動側プーリにおける前記ベルト部材のベルト径が大きくなると、前記ベルト部材の張力によって、前記発電機の回転軸に固定された保持部材と前記可動プーリとの間に介在されたばね部材の付勢力に抗して前記可動プーリが移動し、前記ベルト部材のベルト径を小さくするように構成されている。

本発明の排風発電装置は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に配置された翼車と、前記翼車の回転により駆動される発電機とを備え、前記ケーシング内に排風が導入されることにより前記翼車が回転して発電する排風発電装置であって、 前記ケーシングは、前記翼車が収容される収容部と、前記収容部に排風を導入する導入部と、前記収容部から排風を排出する排出部とを備え、前記翼車は、湾曲した複数の翼部材が円筒状を構成するように周方向に間隔をあけて配置されており、前記排出部は、流路が流れ方向に沿って徐々に拡がるように、内壁面における前記翼車の回転方向下流側を外方に膨出させた膨出部を備える構成において、前記排出部は、前記膨出部の下流側に熱サイフォンユニットを備えることが好ましい。前記熱サイフォンユニットは、ケーシングの内部が伝熱仕切板により仕切られて作動室および冷却室が形成されおり、前記作動室は、内部に封入された作動流体が前記排出部を通過する排風により加熱されるように、前記排出部内に配置されており、前記冷却室は、前記排出部の外部に配置され、前記伝熱仕切板を介して前記作動流体から伝熱される被加熱流体が通過することが好ましい。前記熱サイフォンユニットは、鉛直方向に延びる前記排出部の内部に複数設けられることが好ましく、互いに間隔をあけて平行に配置されることが好ましい。

本発明によれば、排風を利用した発電を効率良く行うことができる排風発電装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る排風発電装置の概略構成を示す断面図である。 図１に示す排風発電装置の要部平面図である。 図１に示す排風発電装置の他の要部断面図である。 図１に示す排風発電装置の変形例を示す概略構成図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る排風発電装置の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、排風発電装置１は、ケーシング１０と、ケーシング１０内に回転可能に配置された翼車２０と、翼車２０の回転に連動して駆動される発電機（図示せず）とを備えており、ケーシング１０に排風を導入することにより翼車２０が回転して発電するように構成されている。

ケーシング１０は、翼車２０が収容される収容部１２と、収容部１２に排風を導入する導入部１４と、収容部１２から排風を排出する排出部１６とを備えている。導入部１４は、一端側にフランジ１４ａが設けられ、他端側が収容部１２に接続されており、一端側から他端側に向けて先細になるように、断面視が湾曲状に形成されている。また、排出部１６は、一端側にフランジ１６ａが設けられ、他端側が収容部１２に接続されており、収容部１２との接続部から一端側に向けて流路が徐々に拡がるように、膨出部１６ｂが設けられている。

翼車２０は、両端に配置される円板状の端板２２（図１では一方のみを図示）の間に、円弧状に形成された複数の翼部材２４が周方向に間隔をあけて配置されたクロスフロー型であり、円筒状に構成されて回転軸２６を中心に回転自在に配置されている。各翼部材２４の形状は、排風を受け易い形状であれば円弧状以外の湾曲形状であってもよく、隣接する翼部材２４，２４間の通風抵抗が小さくなるように設計されることが好ましい。

図２は、図１に示す排風発電装置１の要部平面図であり、排出部１６の一端側を示している。図２に示すように、排出部１６は流路断面が矩形状に形成されており、膨出部１６ｂは、回転軸２６と平行に配置された一対の内壁１６ｃ，１６ｄ同士の間隔を、排風の流れ方向に沿って徐々に拡げるように形成されている。導入部１４も、排出部１６と同様に矩形状の流路断面を有している。導入部１４および排出部１６のそれぞれの開口中心線ｃ１，ｃ２は、図１に示す回転軸２６に垂直な断面において、互いに直交している。

本実施形態の排風発電装置１は、上記の構成に加えて、給気ダクト５０、排気ダクト５２およびバイパスダクト５４を備えている。給気ダクト５０は、例えばビルや工場等に設置された集塵装置、換気装置、乾燥装置、排熱装置などの排風設備（図示せず）の排気口に一端側が接続され、他端側が導入部１４のフランジ１４ａに接続される。排気ダクト５２は、一端側が排出部１６のフランジ１６ａに接続され、他端側が大気に開放される。また、バイパスダクト５４は、収容部１２を迂回するように給気ダクト５０と排気ダクト５２とを接続しており、ダンパ５６の操作により排風流路を切り替えることができる。ダンパ５６は、通常時はバイパスダクト５４を閉じており、バイパスダクト５４を開いて導入部１４を閉じるように操作することで、メンテナンス作業などを容易に行うことができる。ダンパ５６は、給気ダクト５０に導入される排風の流量が変動し易い場合に、収容部１２に導入される排風流量が一定となるように開度制御を行うものであってもよい。

上記の構成を備える排風発電装置１によれば、給気ダクト５０から導入部１４に導入された排風が、収容部１２を通過する際に翼車２０を図１および図２の矢示方向に回転させて、排出部１６から排気ダクト５２を経て外部に排出される。これにより、排気設備の排風を利用して翼車２０を継続的に回転させることができ、電力回収を行うことができる。

特に本実施形態の排風発電装置１は、翼車２０をクロスフロー型の構成にすると共に、排出部１６に膨出部１６ｂを形成することにより、排風発電装置１の設置に伴う排気設備の負荷を最小限に抑制することができる。本発明者らの実験によれば、クロスフロー型の翼車２０を気流により回転させると、翼車２０から放出された気流は、排出部１６の内壁面における翼車２０の回転方向下流側に主として衝突し、これが乱流を生じさせて圧力損失の増加を招いていることが明らかになった。そこで、本発明においては、排出部１６の内壁面における翼車２０の回転方向下流側を外方に膨出させて、流路が流れ方向に沿って徐々に拡がるように膨出部１６ｂを形成することで、翼車２０からの気流が排出部１６の内壁に沿ってスムーズに流れるようにして、圧力損失の増大を防止している。これにより、排風発電装置１により排気設備に新たな負荷をかけることなく、従来は単に大気放出していた排風エネルギーを効率良く回収することができる。

膨出部１６ｂの形状は、図１に示すように排出部１６の上流側に向けて凸となるような湾曲形状であることが好ましく、これによって排出部１６内での流れ剥離や乱流を効果的に抑制することができる。本実施形態においては、図１および図２に示すように、回転軸２６と平行な一対の内壁１６ｃ，１６ｄのうち、翼車２０の回転方向下流側の内壁１６ｃを、上流側に凸となるように円弧状に湾曲させて、膨出部１６ｂを形成している。

また、本実施形態の排風発電装置１は、導入部１４を先細に形成し、排風を増速しながら導入部１４の開口中心線ｃ１に沿って収容部１２に導入すると共に、導入部１４および排出部１６の開口中心線ｃ１，ｃ２が互いに直交するように構成することで、排風を翼車２０の回転に最大限利用することができ、発電効率を高めることができる。

収容部１２の内壁面は、図１に示すように、翼部材２２の先端との間に生じるクリアランスＣが、翼車２０の回転方向に沿って排出部１６から導入部１４までの間で最小限となるように円弧状に形成することが好ましく、これによって、クリアランスＣ内での渦流の発生を確実に防止して、翼車２０の回転負荷の増大を防止することができる。このクリアランスＣは、具体的には、排出部１６から導入部１４までの全体にわたって、翼車２０の半径の０．００５〜０．０５倍（すなわち、クリアランスＣ ＝ 翼車半径ｒ × ０．００５〜０．０５）であることが好ましい。

図１および図２に示す翼車２０の回転軸２６は、図３（ａ）に示すように、可変駆動装置１１０を介して、発電機１００に連結することができる。可変駆動装置１１０は、駆動側プーリ１２０と、従動側プーリ１３０と、これら駆動側プーリ１２０および従動側プーリ１３０の間で動力を伝達するＶベルト等のベルト部材１４０とを備えている。

駆動側プーリ１２０は、翼車の回転軸２６の先端に固定された固定プーリ１２１と、回転軸２６に沿って移動可能に支持された可動プーリ１２２とを備えており、固定プーリ１２１と可動プーリ１２２との間にベルト部材１４０が係合されている。回転軸２６において、可動プーリ１２２の基端側には保持部材１２３が固定されており、保持部材１２３に形成された案内溝１２３ａと可動プーリ１２２との間に、複数のウエイトローラからなる錘部材１２４が保持されている。

従動側プーリ１３０は、発電機１００の回転軸１０１の先端に固定された固定プーリ１３１と、回転軸１０１に沿って移動可能に支持された可動プーリ１３２とを備えており、固定プーリ１３１と可動プーリ１３２との間にベルト部材１４０が係合されている。回転軸１０１において、可動プーリ１３２の基端側には、コイルばね等からなる複数のばね部材１３４を介して保持部材１３３が固定されている。本実施形態においては、ベルト部材１４０を駆動側プーリ１２０と従動側プーリ１３０との間に掛け渡しているが、中間プーリ等を介して動力を伝達するように構成してもよい。

上記の構成を備える可変駆動装置１１０は、排風設備の始動直後など、翼車の回転軸２６の回転数が小さい場合には、錘部材１２４は、図３（ａ）に示す位置から変化せず、ベルト部材１４０は、駆動側プーリ１２０のベルト径が小さい一方、従動側プーリ１３０のベルト径が大きくなる。したがって、小さなトルクで発電機１００の回転軸１０１を確実に回転させることができる。

そして、翼車の回転軸２６の回転数が徐々に増加していくと、錘部材１２４が遠心力によって案内溝１２３ａに沿って径方向外方へと移動し、図３（ｂ）に示すように、駆動側プーリ１２０の可動プーリ１２２が錘部材１２４の押圧により矢示方向に移動するので、ベルト部材１４０は、駆動側プーリ１２０のベルト径が大きくなる。これに伴い、従動側プーリ１３０においては、ベルト部材１４０の張力によって、可動プーリ１３２がばね部材１３４の付勢力に抗して矢示方向へと移動し、ベルト径が小さくなる。こうして、翼車の回転軸２６の回転数を増速させて、発電機１００の回転軸１０１に伝達することができ、発電効率を高めることができる。排風設備の停止等により翼車の回転軸２６が低下した場合には、錘部材１２４は径方向内方に移動すると共に、従動側プーリ１３０の可動プーリ１３２がばね部材１３４により押圧されて、再び図３（ａ）に示すように、駆動側プーリ１２０のベルト径が小さく、従動側プーリ１３０のベルト径が大きくなる。

このように、可変駆動装置１１０は、排風発電において特に困難な発電機１００の始動を確実に行いつつ、定常時においては発電機１００の発電量をより向上させることができる。

また、図１に示す排風発電装置１においては、排出部１６と排気ダクト５２との間に、図４に示すように中間ダクト１５０を介在させて排出部１６の一部を構成し、この中間ダクト１５０の内部に熱サイフォンユニット１５１を配置してもよい。熱サイフォンユニット１５１は、図５にＡ−Ａ断面図で示すように、平板状に形成されたケーシング１５２の内部が伝熱仕切板１５３により仕切られて、作動室１５４および冷却室１５５が形成されている。

作動室１５４は、中間ダクト１５０の内部に配置されており、エタノール等のアルコールや純水、フロン等の作動流体Ｆが封入されて減圧される。作動流体Ｆは、作動室１５４の底部に液状で存在しており、中間ダクト１５０を上昇する高温の排風により加熱されて、作動室１５４内で蒸発する。一方、冷却室１５５は、中間ダクト１５０の外部に突出するように配置されており、冷却水等の被加熱流体が入口部１５６から導入されて伝熱仕切板１５３に沿って上昇し、出口部１５７から排出されるように構成されている。作動流体Ｆと被加熱流体とは伝熱仕切板１５３を介して熱交換され、被加熱流体が作動流体Ｆにより加熱されると共に、作動流体Ｆの蒸気は、伝熱仕切板１５３の表面で凝縮されて、液滴が仕切板１５３に沿って落下する。こうして、作動流体Ｆの蒸発と凝縮の相変化の際の潜熱を利用して、排風の熱を、作動流体Ｆを介して被加熱流体に効率良く伝達することができ、排熱回収を良好に行うことができる。

熱サイフォンユニット１５１は、鉛直方向に延びる中間ダクト１５０の内部に複数設けられていることが好ましく、互いに間隔をあけて平行に配置されることが好ましい。これにより、熱サイフォンユニット１５１を排熱回収だけでなく整流板としても機能させることができ、膨出部１６ｂの下流側における排風の流れを安定させて、効率の良い発電を促すことができる。

１ 排風発電装置
１０ ケーシング
１２ 収容部
１４ 導入部
１６ 排出部
１６ｂ 膨出部
２０ 翼車
２４ 翼部材
１００ 発電機
１１０ 可変駆動装置
１２０ 駆動側プーリ
１３０ 従動側プーリ
１４０ ベルト部材
１５１ 熱サイフォンユニット
ｃ１，ｃ２ 開口中心線
Ｃ クリアランス

Claims (7)

1. ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に配置された翼車と、前記翼車の回転により駆動される発電機とを備え、前記ケーシング内に排風が導入されることにより前記翼車が回転して発電する排風発電装置であって、
   前記ケーシングは、前記翼車が収容される収容部と、前記収容部に排風を導入する導入部と、前記収容部から排風を排出する排出部とを備え、
   前記導入部および前記排出部は、いずれも流路断面が矩形状に形成され、それぞれの開口中心線が、前記翼車の回転軸に垂直な断面において互いに直交しており、
   前記翼車は、湾曲した複数の翼部材が円筒状を構成するように周方向に間隔をあけて配置されたクロスフロー型であり、
   前記排出部は、前記翼車の回転軸と平行な一対の内壁のうち、前記翼車の回転方向下流側の内壁を前記排出部の上流側に向けて凸となるように湾曲させる一方、前記翼車の回転方向上流側の内壁を断面直線状として前記翼車の接線方向に延びるように形成することで、流路が流れ方向に沿って徐々に拡がるように、内壁面における前記翼車の回転方向下流側を外方に膨出させた膨出部を備える排風発電装置。
2. 前記導入部は、前記収容部に向けて先細に形成されている請求項１に記載の排風発電装置。
3. 前記収容部は、内壁面と前記翼部材の先端とのクリアランスが、前記排出部から前記導入部までの前記翼車の回転方向に沿った全体にわたって、翼車半径の０．００５〜０．０５倍に設定されている請求項１または２に記載の排風発電装置。
4. 一端側が前記導入部に接続され、他端側が排風設備に接続可能な給気ダクトと、
   一端側が前記排出部に接続され、他端側が大気に開放される排気ダクトと、
   前記給気ダクトと前記排気ダクトとを前記収容部を迂回するように接続し、ダンパの操作により排風流路を切り替え可能なバイパスダクトとを更に備える請求項１から３のいずれかに記載の排風発電装置。
5. ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に配置された翼車と、前記翼車の回転により駆動される発電機とを備え、前記ケーシング内に排風が導入されることにより前記翼車が回転して発電する排風発電装置であって、
   前記ケーシングは、前記翼車が収容される収容部と、前記収容部に排風を導入する導入部と、前記収容部から排風を排出する排出部とを備え、
   前記翼車は、湾曲した複数の翼部材が円筒状を構成するように周方向に間隔をあけて配置されており、
   前記排出部は、流路が流れ方向に沿って徐々に拡がるように、内壁面における前記翼車の回転方向下流側を外方に膨出させた膨出部を備え、
   前記翼車と前記発電機との間に可変駆動装置が介在され、
   前記可変駆動装置は、駆動側プーリと、従動側プーリと、前記駆動側プーリおよび従動側プーリの間で動力を伝達するベルト部材とを備えており、
   前記駆動側プーリは、前記翼車の回転軸に固定された固定プーリと、前記翼車の回転軸に沿って移動可能に支持された可動プーリとの間に前記ベルト部材が係合され、前記翼車の回転軸に固定された保持部材と前記可動プーリとの間に保持された錘部材に遠心力が作用することにより、前記可動プーリが前記錘部材に押圧されて移動し、前記ベルト部材のベルト径を大きくするように構成されており、
   前記従動側プーリは、前記発電機の回転軸に固定された固定プーリと、前記発電機の回転軸に沿って移動可能に支持された可動プーリとの間に前記ベルト部材が係合され、前記駆動側プーリにおける前記ベルト部材のベルト径が大きくなると、前記ベルト部材の張力によって、前記発電機の回転軸に固定された保持部材と前記可動プーリとの間に介在されたばね部材の付勢力に抗して前記可動プーリが移動し、前記ベルト部材のベルト径を小さくするように構成されている排風発電装置。
6. ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に配置された翼車と、前記翼車の回転により駆動される発電機とを備え、前記ケーシング内に排風が導入されることにより前記翼車が回転して発電する排風発電装置であって、
   前記ケーシングは、前記翼車が収容される収容部と、前記収容部に排風を導入する導入部と、前記収容部から排風を排出する排出部とを備え、
   前記翼車は、湾曲した複数の翼部材が円筒状を構成するように周方向に間隔をあけて配置されており、
   前記排出部は、流路が流れ方向に沿って徐々に拡がるように、内壁面における前記翼車の回転方向下流側を外方に膨出させた膨出部を備え、
   前記排出部は、前記膨出部の下流側に熱サイフォンユニットを備え、
   前記熱サイフォンユニットは、ケーシングの内部が伝熱仕切板により仕切られて作動室および冷却室が形成されおり、
   前記作動室は、内部に封入された作動流体が前記排出部を通過する排風により加熱されるように、前記排出部内に配置されており、
   前記冷却室は、前記排出部の外部に配置され、前記伝熱仕切板を介して前記作動流体から伝熱される被加熱流体が通過する排風発電装置。
7. 前記熱サイフォンユニットは、鉛直方向に延びる前記排出部の内部に複数設けられ、互いに間隔をあけて平行に配置される請求項６に記載の排風発電装置。

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