特許 6348458 縦軸クロスフロー水車発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6348458

(24)【登録日】2018年6月8日

(45)【発行日】2018年6月27日

(54)【発明の名称】縦軸クロスフロー水車発電機

(51)【国際特許分類】

   F03B 1/00 20060101AFI20180618BHJP

   F03B 7/00 20060101ALI20180618BHJP

【ＦＩ】

   F03B1/00 A

   F03B7/00

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-128295(P2015-128295)

(22)【出願日】2015年6月26日

(65)【公開番号】特開2017-8902(P2017-8902A)

(43)【公開日】2017年1月12日

【審査請求日】2017年5月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】599041606

【氏名又は名称】三菱電機プラントエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100147500

【弁理士】

【氏名又は名称】田口 雅啓

(74)【代理人】

【識別番号】100166235

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100179914

【弁理士】

【氏名又は名称】光永 和宏

(74)【代理人】

【識別番号】100179936

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 明日香

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 啓太

(72)【発明者】

【氏名】佐野 弘一

【審査官】 所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０９４４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１３９０３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０３３３３７０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｂ １／００

Ｆ０３Ｂ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

河川床の上を流通する水流によって回転させられる回転翼と、
前記回転翼に接続し、前記回転翼の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機構とを備え、
前記回転翼は、
前記回転の中心軸が前記河川床に対して起立して設けられるように配置されるとともに、
前記中心軸を中心として前記回転翼の周方向に１枚ずつ交互に配置される複数の第一羽根部と複数の第二羽根部とを有し、
前記複数の第一羽根部及び前記複数の第二羽根部の各々は、前記中心軸の延長方向に対して垂直な方向に円弧形状の断面を有し、
前記第二羽根部の前記断面の円弧に沿った第二の幅方向長さは、前記第一羽根部の前記断面の円弧に沿った第一の幅方向長さよりも大きく、
前記第二羽根部の前記中心軸側の端部は、前記第一羽根部の前記中心軸側の端部よりも前記中心軸に近い位置に設けられる縦軸クロスフロー水車発電機。

【請求項2】

前記回転翼の前記複数の第一羽根部及び前記複数の第二羽根部の径方向内側であって、前記中心軸の延長方向には、前記水流が流通する空間が形成される請求項１に記載の縦軸クロスフロー水車発電機。

【請求項3】

前記第一羽根部の径方向外側の端部と、前記第二羽根部の径方向外側の端部とは、同一円周上に設けられる請求項１又は２に記載の縦軸クロスフロー水車発電機。

【請求項4】

前記第二羽根部の前記第二の幅方向長さは、前記第一羽根部の前記第一の幅方向長さの５〜３５％分、前記第一羽根部の前記第一の幅方向長さよりも大きい請求項３に記載の縦軸クロスフロー水車発電機。

【請求項5】

前記第二羽根部の前記第二の幅方向長さは、前記第一羽根部の前記第一の幅方向長さの２５％分、前記第一羽根部の前記第一の幅方向長さよりも大きい請求項３に記載の縦軸クロスフロー水車発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、縦軸クロスフロー水車発電機に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、水流によって回転させられる羽根車の運動エネルギを電気エネルギに変換して発電を行う横軸型のクロスフロー水車発電機が記載されている。ここで、特許文献１のクロスフロー水車発電機の羽根車は、各々同一の形状をなす複数の羽根を有している。なお、このクロスフロー水車発電機は、河川の段差がある場所に設置されることにより、その段差から流れ落ちる水の位置エネルギを利用して発電を行う。

【0003】

一方、特許文献２には、回転翼の回転中心軸が水流に対して垂直になるように起立して配置される縦軸型のクロスフロー水車発電機が記載され、落差の少ない河川でも発電することができる。このクロスフロー水車発電機の回転翼も、各々同一の幅を有する短冊状の複数の羽根部を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４−１２５９０６号公報

【特許文献2】特開２０１１−０９４４８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献２に示すような縦軸型のクロスフロー水車発電機には、回転翼による流体エネルギの回収効率をさらに上げて、段差の少ない河川でも発電の効率を一層向上させたいという要請がある。

【0006】

この発明は、このような問題を解決するためになされ、発電効率をより向上させることができる縦軸クロスフロー水車発電機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するために、この発明に係る縦軸クロスフロー水車発電機は、河川床の上を流通する水流によって回転させられる回転翼と、回転翼に接続し、回転翼の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機構とを備え、回転翼は、回転の中心軸が河川床に対して起立して設けられるように配置されるとともに、中心軸を中心として回転翼の周方向に１枚ずつ交互に配置される複数の第一羽根部と複数の第二羽根部とを有し、複数の第一羽根部及び複数の第二羽根部の各々は、中心軸の延長方向に対して垂直な方向に円弧形状の断面を有し、第二羽根部の断面の円弧に沿った第二の幅方向長さは、第一羽根部の断面の円弧に沿った第一の幅方向長さよりも大きく、第二羽根部の中心軸側の端部は、第一羽根部の中心軸側の端部よりも中心軸に近い位置に設けられる。

【0008】

また、この発明に係る縦軸クロスフロー水車発電機の回転翼の複数の第一羽根部及び複数の第二羽根部の径方向内側であって、中心軸の延長方向には、水流が流通する空間が形成されてもよい。

【0009】

また、第一羽根部の径方向外側の端部と、第二羽根部の径方向外側の端部とは、同一円周上に設けられてもよい。
さらにその上で、第二羽根部の第二の幅方向長さは、第一羽根部の第一の幅方向長さの５〜３５％分、第一羽根部の第一の幅方向長さよりも大きくてもよい。
また、特に、第二羽根部の第二の幅方向長さは、第一羽根部の第一の幅方向長さの２５％分、第一羽根部の第一の幅方向長さよりも大きくてもよい。

【発明の効果】

【0010】

この発明に係る縦軸クロスフロー水車発電機によれば、発電効率をより向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】この発明の実施の形態１に係る縦軸クロスフロー水車発電機の使用状態を示す平面図である。

【図2】図１に示す縦軸クロスフロー水車発電機の外観形状を示す斜視図である。

【図3】図１に示す縦軸クロスフロー水車発電機を図２に示す切断線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って切断した断面図であり、当該縦軸クロスフロー水車発電機の内部構造を模試的に示す図である。

【図4】図３の断面図に示す縦軸クロスフロー水車発電機の回転翼の一部を拡大した図である。

【図5】図１に示す縦軸クロスフロー水車の側面図であり、当該縦軸クロスフロー水車発電機の内部構造を模式的に破線で示す図である。

【図6】従来の縦軸クロスフロー水車発電機に使用される回転翼を水流が流通する様子をシュミレーションし、その結果得られた水流の速度分布を濃淡によって示す図である。

【図7】図１に示す縦軸クロスフロー水車発電機に使用される回転翼を水流が流通する様子をシュミレーションし、その結果得られた水流の速度分布を濃淡によって示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、この実施の形態に係る縦軸クロスフロー水車発電機１００は、河川や用水路等の水路Ｃの途中に設けられて使用される。すなわち、縦軸クロスフロー水車発電機１００は、水路Ｃの河川床５の上に設けられる。ここで、水流は、河川床５の上を方向Ｄに沿って上流から下流に向かって流通する。

【0013】

水路Ｃには、水流の流通方向Ｄを横断して仕切り板４が固定して設けられる。そして、仕切り板４には縦軸クロスフロー水車発電機１００が取り付けられている。ここで、縦軸クロスフロー水車発電機１００は、後述する回転翼２０、エネルギ回収プーリ４０及び発電装置５０を内部に収容する略箱形状のケーシング１１と、ケーシング１１に取り付けられる板状の取付枠１３とを有している。すなわち、縦軸クロスフロー水車発電機１００のケーシング１１は取付枠１３を介して仕切り板４に取り付けられる。さらに、取付枠１３には、縦軸クロスフロー水車発電機１００の上流側の開口である入側開口１４が形成され、入側開口１４はケーシング１１の内部に連通する。また、ケーシング１１には、縦軸クロスフロー水車発電機１００の下流側の開口である出側開口１５が形成されている。そしてさらに、仕切り板４には縦軸クロスフロー水車発電機１００の入側開口１４に合わせて仕切り板開口４ａが形成されている。

【0014】

また図２に示すように、縦軸クロスフロー水車発電機１００のケーシング１１の上部には発電部２が設けられ、発電部２の下部には、回転翼２０が収容されるとともに水流が流通する流路部３が設けられる。ケーシング１１の内部の流路部３の出側開口１５寄りの箇所には複数の羽根部２１を有する略円筒形状の回転翼２０が配置されている。回転翼２０は水流によって回転方向Ｒに沿って回転させられる。

【0015】

次に、縦軸クロスフロー水車発電機１００の内部構造について、図３〜５を参照して説明する。
図３に示すようにケーシング１１の流路部３の内部には、水流を入側開口１４から回転翼２０まで案内する導水板３１，３２が設けられている。導水板３１は、水流が回転翼２０の回転方向Ｒに対応する方向に流れるよう、回転翼２０の側部に回りこむように湾曲して延びている。また、導水板３２も、導水板３１の側に湾曲するように延びる。従って、水路Ｃの上流から河川床５の上を方向Ｄに向かって流通してくる水は、仕切り板４の仕切り板開口４ａ及び取付枠１３の入側開口１４からケーシング１１内部に流入した後、導水板３１，３２に案内されて回転翼２０に向かって流通する（水流Ｗ１）。さらに、水流は回転翼２０の内部を流通して（水流Ｗ２）、出側開口１５から流出する（水流Ｗ３）。

【0016】

また、図５に示すように、回転翼２０の中心軸Ａは河川床５に対して起立して設けられる。そして、図３に示すように、回転翼２０は２４枚の羽根部２１を有しており、これらの羽根部２１は中心軸Ａを中心として回転翼の周方向に沿って略円筒形状に配置されている。さらに、２４枚の羽根部２１は、１２枚の第一羽根部２１ａと、１２枚の第二羽根部２１ｂを含む。第一羽根部２１ａ及び第二羽根部２１ｂの各々は断面が円弧形状の細長い金属板である。それぞれの羽根部２１は回転翼２０の中心軸Ａに平行に延びるとともに、円弧形状の凹部によって水の流れを受ける向きに配置され、全体で円筒形状をなすように配列されている。ここで、図４に示すように、第一羽根部２１ａの幅方向長さＬ１と第二羽根部２１ｂの羽根方向長さＬ２とを比較すると、第二羽根部２１ｂの羽根方向長さＬ２は第一羽根部２１ａの幅方向長さＬ１よりも大きい。なお具体的には、第二羽根部２１ｂの幅方向長さＬ２は第一羽根部２１ａの幅方向長さＬ１の２５％分大きい。すなわち、第二羽根部２１ｂは、第一羽根部２１ａの幅方向長さＬ１の１２５％分の幅方向長さＬ２を有する。また、第一羽根部２１ａと第二羽根部２１ｂとは、回転翼２０の中心軸Ａを中心として、各々交互になるように回転翼２０の周方向に配置されている。さらに、第二羽根部２１ｂの径方向内側の端部、すなわち中心軸Ａ側の端部Ｅ２は、第一羽根部２１ａの中心軸Ａ側の端部Ｅ１よりも中心軸Ａに近い位置に設けられる。一方、第一羽根部２１ａの径方向外側の端部Ｅ１’と第二羽根部２１ｂの径方向外側の端部Ｅ２’とは、回転翼２０の外周に沿って同一円周上に揃えられて設けられている。また、第一羽根部２１ａ及び第二羽根部２１ｂの各々の上端は及び下端は、各々、一対の羽根取付板２３ａ，２３ｂに固定されている。
なお、羽根部２１の幅方向長さとは、一枚の羽根部２１を長手方向に対して垂直に切断した際の断面の円弧に沿った長さをいう。

【0017】

また、図５に示すようにケーシング１１の発電部２の内部には、回転翼２０の上端の羽根取付板２３ａに接続される回転軸部４１と、回転軸部４１に取り付けられるエネルギ回収プーリ４０とが設けられている。すなわち、エネルギ回収プーリ４０は、羽根取付板２３ａ及び回転軸部４１を介して回転翼２０に接続される。また、発電部２の内部には発電装置５０も設けられており、発電装置５０に取り付けられる発電装置プーリ５０ａとエネルギ回収プーリ４０との間にはベルト４５が架け渡される。また、回転軸部４１の回転中心は回転翼２０の中心軸Ａと一致し、回転翼２０が水流によって回転させられると回転軸部４１及びエネルギ回収プーリ４０も共に回転する。そして、ベルト４５を介して発電装置５０の発電装置プーリ５０ａもエネルギ回収プーリ４０に同期して増速して回転させられ、発電装置５０において発電が行われる。すなわち、エネルギ回収プーリ４０、回転軸部４１、ベルト４５及び発電装置５０は、回転翼２０の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機構を構成する。

【0018】

また、回転翼２０は上端において接続する回転軸部４１を介して発電部２から吊り下げられるように支持されており、回転翼２０の下端の羽根取付板２３ｂとケーシング１１の内部の下面との間には隙間が存在する。さらに、回転軸部４１は回転翼２０の上部に設けられるため、図３に示すように、回転翼２０の内部において中心軸Ａに該当する部分には回転軸部４１に相当する構造はなく、水流の流通の障害となるものは設けられていない。すなわち、回転翼２０の複数の第一羽根部２１ａ及び第二羽根部２１ｂの径方向内側、かつ中心軸Ａの延長方向には、水流が障害なく流通することができる水流流通空間Ｘが形成される。

【0019】

次に、図６及び７を参照して、従来の縦軸クロスフロー水車発電機の例による回転翼１２０とこの実施形態に係る縦軸クロスフロー水車発電機１００の回転翼２０とを比較し、回転翼２０を通過する水流の速度のシミュレーション結果について説明する。なお、図６及び図７において、回転翼１２０及び回転翼２０はそれぞれ実験用のケーシング１１１に収納されている。そして、ケーシング１１１の内部には、縦軸クロスフロー水車発電機１００の導水板３１，３２に対応する形状及び配置の導水板１３１，１３２が設けられ、導水板１３１，１３２によって水流は回転翼１２０又は回転翼２０に案内される。
また、図６及び７は、図面中の濃淡が濃い程水流の速さが速い箇所を示し、薄い程水流の速さが遅い箇所を示している。

【0020】

まず、図６の回転翼１２０は、全て同じ幅方向長さを有する２４枚の羽根部１２１を有し、これらの羽根部１２１は回転翼１２０の周方向に並べられて設けられる。水流は上流から下流に向かって羽根部１２１の間を通り、回転翼１２０の径方向内側を流通した後、再び羽根部１２１の間を通って回転翼１２０の下流側Ｙに流出する。ここで、回転翼１２０の下流側Ｙに面する６枚の羽根部１２１を回転方向Ｒへ向かう順に１２１ａ〜１２１ｆとする。図６の濃淡分布を見ると、５枚の羽根部１２１ａ〜１２１ｅの各々の羽根部同士の間の途中までは濃淡が濃い箇所が延びているが、下流側Ｙに近づくにつれ濃淡が薄くなる。すなわち、水流は、羽根部１２１ａ〜１２１ｅの間では始めは比較的速い速さで流通しているものの下流側Ｙに放出されるまでに減速してしまうことが分かる。また、羽根部１２１ｅと１２１ｆとの間には、濃淡が濃い部分がほとんど見られない。

【0021】

一方、図７の回転翼２０でも、水流は上流から下流に向かって複数の第一羽根部２１ａと複数の第二羽根部２１ｂとの間を通り、回転翼１２０の径方向内側の水流流通空間Ｘを流通する。そして、再び水流は、交互に並んだ複数の第一羽根部２１ａと複数の第二羽根部２１ｂとの間を通って回転翼２０の下流側Ｚに流出する。ここで、回転翼２０の下流側Ｚに面する３枚の第一羽根部２１ａを回転方向Ｒへ向かう順に２１ａ１，２１ａ２及び２１ａ３とする。また、同様に回転翼２０の下流側Ｚに面し、第一羽根部２１ａ１〜２１ａ３と交互に配列される３枚の第二羽根部２１ｂを、回転方向Ｒへ向かう順にそれぞれ２１ｂ１，２１ｂ２及び２１ｂ３とする。そして図７の濃淡分布からは、水流は、それぞれ交互に配列される第一羽根部２１ａ１〜２１ａ３と第二羽根部２１ｂ１〜２１ｂ３との間を、比較的速い速度で流通していることが分かる。特に第一羽根部２１ａ１と第二羽根部２１ｂ２との間、第二羽根部２１ｂ２と第一羽根部２１ａ２との間、及び第一羽根部２１ａ２と第二羽根部２１ｂ３との間では、水流は、図６の回転翼１２０の場合と比べてより速い速度を保ったまま流通する。さらに水流は、２枚の第一羽根部２１ａ１，２１ｂ１及び２枚の第二羽根部２１ｂ２，２１ｂ３のそれぞれの凸状の面に沿ってより速い速度で流通している。従って、これにより、回転翼２０の第一羽根部２１ａ及び第二羽根部２１ｂには、従来の回転翼１２０の羽根部１２１に比べて大きな揚力が作用する。

【0022】

以上より、この実施の形態に係る縦軸クロスフロー水車発電機１００では、複数の第一羽根部２１ａと複数の第二羽根部２１ｂとが回転翼２０の周方向に１枚ずつ交互に配置される。また、第二羽根部２１ｂの中心軸Ａ側の端部Ｅ２は、第一羽根部２１ａの中心軸Ａ側の端部Ｅ１よりも径方向内側に設けられており、中心軸Ａにより近い。さらに、第二羽根部２１ｂの幅方向長さは第一羽根部２１ａの幅方向長さの２５％分長い。そして、回転翼２０がこのような形状をなすことにより、第一羽根部２１ａ及び第二羽根部２１ｂに作用する揚力が大きくなることが、シミュレーションによって確認されている。従って、水路Ｃを流通する所定の速度の水流に対する回転翼２０の回転のトルクが大きくなるため、水流の運動エネルギの回収効率が上がり、発電装置５０による発電効率が向上する。

【0023】

また、回転翼２０の複数の第一羽根部２１ａ及び複数の第二羽根部２１ｂの径方向内側であって中心軸Ａの延長方向には、水流が障害なく流通することができる水流流通空間Ｘが形成される。すなわち、水流流通空間Ｘにおいて回転翼２０の中心軸の部分には、軸部材等が存在しない。そのため、水流流通空間Ｘでは水がスムーズに流通することができ、水流の運動エネルギの回収効率がより向上する。

【0024】

さらに、第一羽根部２１ａの径方向外側の端部Ｅ１’と、第二羽根部２１ｂの径方向外側の端部Ｅ２’とは、回転翼２０の外周に沿って同一円周上に設けられている。すなわち、第二羽根部２１ｂの幅方向長さＬ２は第一羽根部２１ａの幅方向長さＬ１の２５％分、回転翼２０の径方向内側に向かって長い。そして、これによっても所定の速度の水流に対する回転翼２０の回転のトルクがより大きくなり、回転翼２０による水流の運動エネルギの回収効率が上がって、発電装置５０による発電効率もより向上する。

【0025】

なお、実施の形態において、第二羽根部２１ｂの幅方向長さＬ２が、第一羽根部２１ａの幅方向長さＬ１の２５％に限られず５〜３５％の範囲内で、第一羽根部２１ａの幅方向長さＬ１よりも長ければ、回転翼２０の発電効率は向上する。

【0026】

また、この実施の形態において、回転翼２０の羽根部２１の数は２４枚に限定されない。
さらにまた、発電機構に使用されるプーリは、発電部２のエネルギ回収プーリ４０及び発電装置プーリ５０ａのような一段式のものに限定されず、３個のプーリの間に２本のベルトが架け渡されて二段式として用いられていてもよい。また、発電機構は増速ギヤを有していてもよい。

【符号の説明】

【0027】

５ 河川床、２０ 回転翼、２１ａ 第一羽根部、２１ｂ 第二羽根部、４０ エネルギ回収プーリ（発電機構）、４１ 回転軸部（発電機構）、４５ ベルト（発電機構）、５０ 発電装置（発電機構）、１００ 縦軸クロスフロー水車発電機、Ａ 中心軸、Ｅ１ 第一羽根部の中心軸側の端部、Ｅ２ 第二羽根部の中心軸側の端部、Ｅ１’ 第一羽根部の径方向外側の端部、Ｅ２’ 第二羽根部の径方向外側の端部、Ｘ 空間（水流流通空間）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】