JP6933827B2 - 流体エネルギー変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、気流や水流など流体の運動エネルギーを機械的回転動力（回転運動のエネルギー）に変換する流体エネルギー変換装置に関し、特に風力発電や潮流発電に利用して好適な流体エネルギー変換装置に関する。

従来、風力を利用して風車プロペラを回し、該風車プロペラの回転力により発電機を駆動して電気エネルギーを取り出す風力発電装置であって、プロペラ回転軸を首振りさせることなくあらゆる方向の風からエネルギーを獲得できる装置が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載された風力発電装置は、周方向に沿ってそれぞれ区画された複数の風取込口を有すると共に、頂部に屋根を有し、これら各風取込口から取込んだ風をそれぞれ収束して上記屋根部中心に形成した風吹出口に流す案内セルを有する風取込ブースと、その風取込ブースの風吹出口に設けられ内部に鉛直軸を中心に回転する風車プロペラが収容された筒体を備えるものである。

前記特許文献１に記載された風力発電装置によれば、風をどの方向から取り込んでも筒体内では風向が上向きになり、風車プロペラを回転させて発電することができる。また、風取込ブース内に取り込んだ風は収束されて増速されるので、低風速であってもエネルギーの取り出しが容易となり、安定して発電することができる。

前記特許文献１に記載された風力発電装置の方式は、どの方向からの風からもエネルギーを獲得できるという点で、水平配置されるプロペラ回転軸を鉛直軸まわりに首振りさせる首振り機構を具備する水平軸方式と同じ機能を有する。そして、前記特許文献１に記載された風力発電装置は、多方向の風への対応のために装置の一部を動かすことが不要でこの動作に起因する不具合発生の可能性を排除できる点で前記水平軸方式に比べて優れる。

また、水平軸方式では定常風であっても鉛直方向の風速分布によりプロペラの各部にあたる風速が時間的に変動し、このため装置に作用する風荷重が変動するのに対して、前記特許文献１に記載された風力発電装置ではプロペラの各部にあたる風速と装置に作用する風荷重が変動しない点、及び、装置に作用する風荷重に対して水平軸方式では装置の抵抗モーメントと地中に根入れ部分の地盤の水平抵抗力で対応するのに対し、前記特許文献１に記載された風力発電装置では装置全体の抵抗モーメントと装置の接地部分を支える地盤の鉛直方向支持力で対応するため装置接地部の特に外周部に大重量を配置することで対応できる点で、前記特許文献１に記載された風力発電装置は水平軸方式に比べて明らかに優れる。

ところで、前記特許文献１に記載された風力発電装置において、ある方向の風取入口から取り込まれて案内セルにより風取込ブースの中心に案内され、風吹出口を抜けて筒体内に上昇した風は、その一部が前記風車プロペラを回転させて上方へ抜けていく一方で、前記風車プロペラ自体が抵抗体となり、他の一部が前記風吹出口から他の案内セルに向け下降して他の方向の風取入口から漏洩・流出するため、風のエネルギーを効率よく利用することができない問題がある。

特開平１０−４７２２６号公報

そこで、本発明は、気流や水流など流体の運動エネルギーを効率よく機械的回転動力に変換することができる流体エネルギー変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の流体エネルギー変換装置は、
鉛直壁により周方向に区画される複数の空間を有し、前記空間の上下に接して水平な底板と上板が配置され、外側方から前記各空間に流体が流入する流体流入部と、
前記流体流入部の上方に配設される流体貯留部であって、前記上板に接して気密に配置される円筒部材を有し、前記円筒部材は内部に前記流体流入部の前記各空間のそれぞれと逆止弁を介して連通する流体貯留空間を形成し、前記各空間からは流体が流入するが前記各空間へは流体が流出しない流体貯留部と、
前記流体貯留部の上方に配設される流体排出部であって、前記円筒部材の上部中央に鉛直に配置され、前記円筒部材の水平断面と不連続に変化する水平断面を有し、前記円筒部材に比べ小さな流路断面積を有する筒体であって前記流体貯留部の前記流体貯留空間と連通し内部に回転体が配設される前記筒体を有し、前記流体貯留部の前記流体貯留空間から前記筒体を通して排出される流体により前記回転体を回転駆動する流体排出部と、
を備えることを特徴とする。

本発明の流体エネルギー変換装置は、
鉛直壁により周方向に区画される複数の空間を有し、外側方から前記各空間に流体が流入する流体流入部と、
前記流体流入部の前記各空間のそれぞれと逆止弁を介して連通する流体貯留空間を有し、前記各空間からは流体が流入するが前記各空間へは流体が流出しない流体貯留部と、
前記流体貯留部の前記流体貯留空間と連通し内部に回転体が配設される筒体を有し、前記流体貯留部の前記流体貯留空間から前記筒体を通して排出される流体により前記回転体を回転駆動する流体排出部と、
を備え、
前記流体貯留部は前記流体流入部の上方に配設され、前記流体貯留部の前記流体貯留空間は鉛直方向に伸びる複数のベンチュリ形状のパイプを介して前記流体流入部の前記各空間と連通し、前記逆止弁は前記各パイプのディフューザ部を弁座面とする。

本発明の流体エネルギー変換装置は、
前記流体排出部が前記流体貯留部の上方に配設され、前記流体排出部の前記筒体が前記流体貯留部の前記流体貯留空間の上部中心に鉛直に配設されることが好ましい。

本発明の流体エネルギー変換装置は、大気中に設置することで風力発電に利用することが好ましい。
また、本発明の流体エネルギー変換装置は、海洋中に設置することで潮流発電に利用することが好ましい。

本発明の流体エネルギー変換装置は、流体流入部の各空間のそれぞれと逆止弁を介して連通する流体貯留空間を有し、前記各空間からは流体が流入するが前記各空間へは流体が流出しない流体貯留部を備えるので、前記流体流入部の特定の空間から前記流体貯留部の流体貯留空間へ流入する流体が、前記流体流入部の他の空間へ漏洩・流出することを防止できる。
また、本発明の流体エネルギー変換装置は、鉛直壁により周方向に区画される複数の空間を有し、外側方から前記各空間に流体が流入する流体流入部を備えるので、すべての方向の流れに対してエネルギー変換することができる。
したがって、本発明の流体エネルギー変換装置によれば、気流や水流など流体の運動エネルギーを効率よく機械的回転動力（回転運動のエネルギー）に変換することができる。

本発明の流体エネルギー変換装置は、前記流体貯留部が前記流体流入部の上方に配設され、前記流体貯留部の前記流体貯留空間が鉛直方向に伸びる複数のベンチュリ形状のパイプを介して前記流体流入部の前記各空間と連通し、前記逆止弁が前記各パイプのディフューザ部を弁座面とすることとすれば、逆流防止機能に加え、前記各パイプに流れの剥離防止機能（整流機能）を持たせることができるので、流体の運動エネルギーをさらに効率よくエネルギー変換することができる。

本発明の流体エネルギー変換装置は、前記流体排出部が前記流体貯留部の上方に配設され、前記流体排出部の前記筒体が前記流体貯留部の前記流体貯留空間の上部中心に鉛直に配設されるので、すべての方向の流れに対して等しくエネルギー変換することができる。

本発明の流体エネルギー変換装置は、前記流体排出部における前記筒体が、前記流体貯留部の流体貯留空間に比べ小さな流路断面積を有するので、前記流体貯留部の流体貯留空間を通過する流体のエネルギー束を収斂して前記回転体を回すことができるため、大きなエネルギー利得が可能となる。

本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置の斜視図。 図１の流体エネルギー変換装置の立面図。 図１の流体エネルギー変換装置の平面図。 図２のＡ−Ａ断面図。 図２のＢ−Ｂ断面図。 図３のＣ−Ｃ断面図。 図６のＤ部拡大図。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置の斜視図を示す。図２は図１の流体エネルギー変換装置の立面図、図３は図１の流体エネルギー変換装置の平面図、図４は図２のＡ−Ａ断面図、図５は図２のＢ−Ｂ断面図、図６は図３のＣ−Ｃ断面図をそれぞれ示す。図７は図６のＤ部拡大図であって逆止弁付きの流通パイプの説明図を示す。

本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置１は、流体流入部２、流体貯留部３及び流体排出部４を備える。

前記流体流入部２は、中心から放射状に伸びた鉛直な複数の導流壁２１と、隣り合う前記導流壁２１の間に挟まれて流れを受け止め滞留させる複数の流体滞留空間２２を有し、前記流体滞留空間２２の上下に接して水平な底板２３と上板２４が配置されている。

前記流体貯留部３は、前記上板２４に立設されて前記流体滞留空間２２からの上向きの流れをつくる逆止弁付きの複数の流通パイプ３１と、前記上板２４に接して気密に配置される円筒部材３２を有し、前記円筒部材３２は内部に複数の前記流通パイプ３１を収容し加圧流体貯留空間３３を形成する。

前記流通パイプ３１は、鉛直方向に伸びるベンチュリ形状のパイプであって、ディフューザ部３１１を弁座面とし弁体として球体３４が配設され逆止弁３５が形成される。

前記流体排出部４は、前記円筒部材３２の上部中央に鉛直に配置され内側に鉛直軸を中心に回転するタービン翼車４１を収容した流体排出パイプ４２を備える。

本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置は、風や潮流の流体が任意の方向から流れてくるとき、上流側にある流体滞留空間２２に前記流体を閉じ込める。このとき、前記流体滞留空間２２には淀み圧に匹敵する高い圧力が生じており、前記流体は流通パイプ３１を通して上方に位置する円筒部材３２の内部の加圧流体貯留空間３３に送られる。

一方、前記流体の流れに対し下流側にある前記流体滞留空間２２は弱い負圧が生じた状態にあり、前記流通パイプ３１の逆止弁３５の作用により前記流体滞留空間２２と前記加圧流体貯留空間３３の連通は遮断されている。

こうして、内部を高圧で維持された前記加圧流体貯留空間３３内の流体は、上部中央に立設される流体排出パイプ４２を通って装置外へ排出される。このときに、前記タービン翼車４１を回転させることで、流体の運動エネルギーを機械的エネルギー（機械的回転動力）に変換する。

本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置は、流体流入部２の各流体滞留空間２２のそれぞれと逆止弁３５を介して連通する加圧流体貯留空間３３を有し、前記各流体滞留空間２２からは流体が流入するが前記各流体滞留空間２２へは流体が流出しない流体貯留部３を備えるので、前記流体流入部２の特定の流体滞留空間２２から前記流体貯留部３の加圧流体貯留空間３３へ流入する流体が、前記流体流入部２の他の流体滞留空間２２へ漏洩・流出することを防止できる。

また、本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置は、鉛直な導流壁２１により周方向に区画される複数の流体滞留空間２２を有し、外側方から前記各流体滞留空間２２に流体が流入する流体流入部２を備えるので、すべての方向の流れに対してエネルギー変換することができる。

したがって、本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置によれば、気流や水流など流体の運動エネルギーを効率よく機械的回転動力（回転運動のエネルギー）に変換することができる。

本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置は、前記流体貯留部３が前記流体流入部２の上方に配設され、前記流体貯留部３の前記加圧流体貯留空間３３が鉛直方向に伸びる複数のベンチュリ形状の流通パイプ３１を介して前記流体流入部２の前記各流体滞留空間２２と連通し、前記逆止弁３５が前記各パイプ３１のディフューザ部３１１を弁座面とし弁体として球体３４を配設することで構成されるので、逆流防止機能に加え、前記各パイプ３１に流れの剥離防止機能（整流機能）を持たせることができる。
したがって、本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置によれば、気流や水流など流体の運動エネルギーをさらに効率よくエネルギー変換することができる。

本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置は、前記流体排出部４が前記流体貯留部３の上部中央に鉛直に配置され内側にタービン翼車４１を収容した流体排出パイプ４２を備えるので、すべての方向の流れに対し等しくエネルギー変換することができる。

本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置は、大気中に設置することで風力発電に利用することができる。また、本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置は、海洋中に設置することで潮流発電に利用することができる。
本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置は、流れの向きが変わりやすい風や潮流に対して可動部を必要とせず、すべての方向の流れに対して等しく動力変換することが可能である。

本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置は、前記加圧流体貯留空間３３に比べ小さな流路断面積を有する流体排出パイプ４２を備えるので、前記加圧流体貯留空間３３を通過する流体のエネルギー束を収斂してタービン翼車４１を回すことができるため、大きなエネルギー利得が可能となる。

本発明の実施の形態における流体エネルギー変換装置は、エネルギーをもつ流体を前記流体滞留空間２２に閉じ込め、逆止弁３５付きの流通パイプ３１を通して前記加圧流体貯留空間３２に一旦貯留した後に前記タービン翼車４１を回す仕組みであり、前記流体が漏洩することがなく、気流や水流など流体の運動エネルギーを効率よく機械的回転動力に変換することができる。

上記本発明の実施の形態では、流体流入部２の各流体滞留空間２２のそれぞれと流体貯留部３の加圧流体貯留空間３３を、ベンチュリ形状のパイプであって、ディフューザ部３１１を弁座面とし弁体として球体３４が配設される逆止弁３５付きの流通パイプ３１により連通することとしたが、前記流体貯留部３の加圧流体貯留空間３３へ流入する流体が、前記流体流入部２の流体滞留空間２２へ漏洩・流出することを防止できるのであれば、必ずしもベンチュリ形状のパイプを用いる必要はなく、その場合、前記逆止弁３５の構成を適宜変更することができる。また、前記流体流入部２の各流体滞留空間２２と前記流体貯留部３の加圧流体貯留空間３３とを逆止弁を介して連通し、前記流体貯留部３の加圧流体貯留空間３３へ流入する流体が、前記流体流入部２の流体滞留空間２２へ漏洩・流出することを防止できるのであれば、必ずしも前記流通パイプ３１を用いる必要はない。

次に配置方法の工夫について述べる。風力発電でも潮流発電でも発電装置自体が流れの抵抗体となるため、単一の発電装置の場合、空気や水は当該発電装置を迂回して流れ、前記空気や水の流れを有効に活用してエネルギーを効率的に獲得することは困難である。このことへの対応として、本発明の実施の形態における柱体形基調の流体エネルギー変換装置を互いに隣接した状態で風や潮流の主方向を横断する向きに連続配置することが有効である。これはたとえば河川を塞き止めるのに単一の石では何の効力も発揮しないが川を横断する方向に密に石を並べると効果的であることと同じ原理である。
また、柱体形基調の流体エネルギー変換装置の場合、装置を接して密に配置することができ、その状態では流体エネルギー変換装置群設置域全体の流れへの投影範囲で流れを完全に遮蔽する。水平軸方式の装置ではプロペラの旋回面が円形のためこれが不可能である。
具体的には流体エネルギー変換装置の対角線状に設置された導流壁の両端が最接近するよう流体エネルギー変換装置同士を配置すればよい。この場合、流体エネルギー変換装置が接する形態でも、間隔をおいて配置する形態のどちらでもよい。間隔をおいて流体エネルギー変換装置を列配置する場合、その間隔の流体エネルギー変換装置の導流壁長さに対する比が小さいほど連続配置の効果が大きいが、既往研究の結果から、この比が1/5程度以下であればかなりの効果があると判断される。（参考文献：浦島三朗，外2名，“スリット壁の損失水頭係数と見掛けのオリフィス長さについて”，苫小牧工業高等専門学校紀要第19号（1984年），p.97-102）

また、本発明のエネルギー変換装置は柱体形基調であり水平流を遮蔽するため、これを密に並べて、ある区域を取り囲むようにすると、有効なエネルギー変換とその区域の静穏を達成することができる。このような配置は防風林と同じ効果を発揮し、前記区域の強風による被害を軽減するのに効果的である。台風の場合、どの地点においても台風の進行に伴なって風向きが変わるので、この配置はその区域の静穏確保に有効といえる。

本発明は、上記実施の形態に限るものでなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいてその構成を適宜変更できることはいうまでもない。

本発明の流体エネルギー変換装置は、気流や水流など流体の運動エネルギーを効率よく機械的回転動力に変換することができるものであり極めて実用性が高い。

１ 流体エネルギー変換装置
２ 流体流入部
２１ 導流壁
２２ 流体滞留空間
２３ 底板
２４ 上板
３ 流体貯留部
３１ 流通パイプ
３１１ ディフューザ部（弁座面）
３２ 円筒部材
３３ 加圧流体貯留空間
３４ 球体（弁体）
３５ 逆止弁
４ 流体排出部
４１ タービン翼車（回転体）
４２ 流体排出パイプ

Claims (3)

1. 鉛直壁により周方向に区画される複数の空間を有し、前記空間の上下に接して水平な底板と上板が配置され、外側方から前記各空間に流体が流入する流体流入部と、
   前記流体流入部の上方に配設される流体貯留部であって、前記上板に接して気密に配置される円筒部材を有し、前記円筒部材は内部に前記流体流入部の前記各空間のそれぞれと逆止弁を介して連通する流体貯留空間を形成し、前記各空間からは流体が流入するが前記各空間へは流体が流出しない流体貯留部と、
   前記流体貯留部の上方に配設される流体排出部であって、前記円筒部材の上部中央に鉛直に配置され、前記円筒部材の水平断面と不連続に変化する水平断面を有し、前記円筒部材に比べ小さな流路断面積を有する筒体であって前記流体貯留部の前記流体貯留空間と連通し内部に回転体が配設される前記筒体を有し、前記流体貯留部の前記流体貯留空間から前記筒体を通して排出される流体により前記回転体を回転駆動する流体排出部と、
   を備えることを特徴とする流体エネルギー変換装置。
2. 鉛直壁により周方向に区画される複数の空間を有し、外側方から前記各空間に流体が流入する流体流入部と、
   前記流体流入部の前記各空間のそれぞれと逆止弁を介して連通する流体貯留空間を有し、前記各空間からは流体が流入するが前記各空間へは流体が流出しない流体貯留部と、
   前記流体貯留部の前記流体貯留空間と連通し内部に回転体が配設される筒体を有し、前記流体貯留部の前記流体貯留空間から前記筒体を通して排出される流体により前記回転体を回転駆動する流体排出部と、
   を備え、
   前記流体貯留部は前記流体流入部の上方に配設され、前記流体貯留部の前記流体貯留空間は鉛直方向に伸びる複数のベンチュリ形状のパイプを介して前記流体流入部の前記各空間と連通し、前記逆止弁は前記各パイプのディフューザ部を弁座面とする流体エネルギー変換装置。
3. 前記流体排出部は前記流体貯留部の上方に配設され、前記流体排出部の前記筒体は前記流体貯留部の前記流体貯留空間の上部中心に鉛直に配設される請求項２記載の流体エネルギー変換装置。
   

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