(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022185459
(43)【公開日】2022-12-14
(54)【発明の名称】タービン装置及び発電装置
(51)【国際特許分類】
F03D 1/04 20060101AFI20221207BHJP
F03D 80/00 20160101ALI20221207BHJP
F03B 3/04 20060101ALI20221207BHJP
F03B 3/12 20060101ALI20221207BHJP
【ＦＩ】
F03D1/04 Z
F03D80/00
F03B3/04
F03B3/12
【審査請求】有
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021093161
(22)【出願日】2021-06-02
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2022-01-20
(71)【出願人】
【識別番号】521241188
【氏名又は名称】谷口 伸幸
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100175019
【弁理士】
【氏名又は名称】白井 健朗
(74)【代理人】
【識別番号】100195648
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 悠太
(74)【代理人】
【識別番号】100104329
【弁理士】
【氏名又は名称】原田 卓治
(74)【代理人】
【識別番号】100194179
【弁理士】
【氏名又は名称】中澤 泰宏
(72)【発明者】
【氏名】谷口 伸幸
【テーマコード（参考）】
3H072
3H178
【Ｆターム（参考）】
3H072AA09
3H072AA21
3H072BB24
3H072BB31
3H072CC28
3H072CC43
3H178AA03
3H178AA22
3H178AA43
3H178BB31
3H178CC02
3H178DD28X
(57)【要約】
【課題】流体のエネルギーを効率良くタービンの回転動力に変換できるタービン装置及び発電装置を提供する。
【解決手段】タービン装置２は、タービン１０及び複数の流路部４０を備える。タービン１０は、複数のブレード１２を有し、軸線ＡＸを中心に回転可能である。複数の流路部４０は、外側に向く第１開口Ｈ１、及び、タービン１０に向き且つ第１開口Ｈ１よりも開口面積が小さい第２開口Ｈ２を各々が有し、軸線ＡＸを中心とする円周方向に沿って配置されている。複数の流路部４０は、各々の第１開口Ｈ１から第２開口Ｈ２に流れる流体がタービン１０を同じ回転方向Ｄに回転させるように、各々の第２開口Ｈ２が軸線ＡＸよりも回転方向Ｄに偏った位置に設けられている。この位置は、タービン１０が回転する過程で複数のブレード１２のうち任意のブレード１２と向かい合う位置である。
【選択図】図２
【解決手段】タービン装置２は、タービン１０及び複数の流路部４０を備える。タービン１０は、複数のブレード１２を有し、軸線ＡＸを中心に回転可能である。複数の流路部４０は、外側に向く第１開口Ｈ１、及び、タービン１０に向き且つ第１開口Ｈ１よりも開口面積が小さい第２開口Ｈ２を各々が有し、軸線ＡＸを中心とする円周方向に沿って配置されている。複数の流路部４０は、各々の第１開口Ｈ１から第２開口Ｈ２に流れる流体がタービン１０を同じ回転方向Ｄに回転させるように、各々の第２開口Ｈ２が軸線ＡＸよりも回転方向Ｄに偏った位置に設けられている。この位置は、タービン１０が回転する過程で複数のブレード１２のうち任意のブレード１２と向かい合う位置である。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のブレードを有し、軸線を中心に回転可能なタービンと、
外側に向く第１開口、及び、前記タービンに向き且つ前記第１開口よりも開口面積が小さい第２開口を各々が有し、前記軸線を中心とする円周方向に沿って配置された複数の流路部と、を備え、
前記複数の流路部は、各々の前記第１開口から前記第２開口に流れる流体が前記タービンを同じ回転方向に回転させるように、各々の前記第２開口が前記軸線よりも前記回転方向に偏った位置であって前記タービンが回転する過程で前記複数のブレードのうち任意のブレードと向かい合う位置に設けられている、
タービン装置。
外側に向く第１開口、及び、前記タービンに向き且つ前記第１開口よりも開口面積が小さい第２開口を各々が有し、前記軸線を中心とする円周方向に沿って配置された複数の流路部と、を備え、
前記複数の流路部は、各々の前記第１開口から前記第２開口に流れる流体が前記タービンを同じ回転方向に回転させるように、各々の前記第２開口が前記軸線よりも前記回転方向に偏った位置であって前記タービンが回転する過程で前記複数のブレードのうち任意のブレードと向かい合う位置に設けられている、
タービン装置。
【請求項2】
前記複数の流路部に対応して複数ある前記第１開口は、前記タービン装置の全周に渡って配置されている、
請求項１に記載のタービン装置。
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項3】
前記複数のブレードは、前記円周方向に沿って等間隔に設けられ、各々が、流体を主に受ける主面部と、前記主面部の外縁から迫り出す迫出部とを有する、
請求項１又は２に記載のタービン装置。
請求項１又は２に記載のタービン装置。
【請求項4】
前記複数の流路部のうち隣り合う流路部を仕切る仕切り部を備え、
前記複数の流路部のうち所定の流路部を挟んで隣り合う前記仕切り部を、第１仕切り部及び第２仕切り部とすると、前記第１仕切り部及び前記第２仕切り部の各々の前記所定の流路部に向く面は、前記所定の流路部における前記第１開口から前記第２開口に向かって徐々に曲がる曲面を有する、
請求項１～３のいずれか１項に記載のタービン装置。
前記複数の流路部のうち所定の流路部を挟んで隣り合う前記仕切り部を、第１仕切り部及び第２仕切り部とすると、前記第１仕切り部及び前記第２仕切り部の各々の前記所定の流路部に向く面は、前記所定の流路部における前記第１開口から前記第２開口に向かって徐々に曲がる曲面を有する、
請求項１～３のいずれか１項に記載のタービン装置。
【請求項5】
前記仕切り部は、一対の壁部を有し、
前記一対の壁部は、前記タービンに向く各々の内側端部が開放されている一方で、各々の外側端部が閉塞されている、
請求項４に記載のタービン装置。
前記一対の壁部は、前記タービンに向く各々の内側端部が開放されている一方で、各々の外側端部が閉塞されている、
請求項４に記載のタービン装置。
【請求項6】
前記タービンは、前記軸線が縦方向に沿う縦軸型である、
請求項１～５のいずれか１項に記載のタービン装置。
請求項１～５のいずれか１項に記載のタービン装置。
【請求項7】
請求項１～６のいずれか１項に記載のタービン装置と、
前記タービンの回転に基づいて発電する発電機と、を備える、
発電装置。
前記タービンの回転に基づいて発電する発電機と、を備える、
発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、タービン装置及び発電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
流体のエネルギーによりタービンを回転させるタービン装置が、例えば、特許文献１、２に記載されている。特許文献１に記載の装置は、水平方向の風を受けてプロペラ型のタービンを回転させる水平軸風車である。特許文献２に記載の装置は、タービンの円周方向から風を入れる一つの吸入口と、吸入口から入ってタービンを回転させた風を排出する一つの排出口とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００５－１８８４５５号公報
【特許文献2】登録実用新案第３１９６０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１、２の記載の装置の構成では、タービンの回転させる風などの流体の向きが非常に限定される。そのため、これらの装置は、自然界では様々な方向に流れる流体のエネルギーを充分に活かせているとは言えない。
【0005】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、流体のエネルギーを効率良くタービンの回転動力に変換できるタービン装置及び発電装置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】
【0006】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るタービン装置は、
複数のブレードを有し、軸線を中心に回転可能なタービンと、
外側に向く第１開口、及び、前記タービンに向き且つ前記第１開口よりも開口面積が小さい第２開口を各々が有し、前記軸線を中心とする円周方向に沿って配置された複数の流路部と、を備え、
前記複数の流路部は、各々の前記第１開口から前記第２開口に流れる流体が前記タービンを同じ回転方向に回転させるように、各々の前記第２開口が前記軸線よりも前記回転方向に偏った位置であって前記タービンが回転する過程で前記複数のブレードのうち任意のブレードと向かい合う位置に設けられている。
複数のブレードを有し、軸線を中心に回転可能なタービンと、
外側に向く第１開口、及び、前記タービンに向き且つ前記第１開口よりも開口面積が小さい第２開口を各々が有し、前記軸線を中心とする円周方向に沿って配置された複数の流路部と、を備え、
前記複数の流路部は、各々の前記第１開口から前記第２開口に流れる流体が前記タービンを同じ回転方向に回転させるように、各々の前記第２開口が前記軸線よりも前記回転方向に偏った位置であって前記タービンが回転する過程で前記複数のブレードのうち任意のブレードと向かい合う位置に設けられている。
【0007】
前記複数の流路部に対応して複数ある前記第１開口は、前記タービン装置の全周に渡って配置されている、ようにしてもよい。
【0008】
前記複数のブレードは、前記円周方向に沿って等間隔に設けられ、各々が、流体を主に受ける主面部と、前記主面部の外縁から迫り出す迫出部とを有する、ようにしてもよい。
【0009】
前記タービン装置は、
前記複数の流路部のうち隣り合う流路部を仕切る仕切り部を備え、
前記複数の流路部のうち所定の流路部を挟んで隣り合う前記仕切り部を、第１仕切り部及び第２仕切り部とすると、前記第１仕切り部及び前記第２仕切り部の各々の前記所定の流路部に向く面は、前記所定の流路部における前記第１開口から前記第２開口に向かって徐々に曲がる曲面を有する、ようにしてもよい。
前記複数の流路部のうち隣り合う流路部を仕切る仕切り部を備え、
前記複数の流路部のうち所定の流路部を挟んで隣り合う前記仕切り部を、第１仕切り部及び第２仕切り部とすると、前記第１仕切り部及び前記第２仕切り部の各々の前記所定の流路部に向く面は、前記所定の流路部における前記第１開口から前記第２開口に向かって徐々に曲がる曲面を有する、ようにしてもよい。
【0010】
前記仕切り部は、一対の壁部を有し、
前記一対の壁部は、前記タービンに向く各々の内側端部が開放されている一方で、各々の外側端部が閉塞されている、ようにしてもよい。
前記一対の壁部は、前記タービンに向く各々の内側端部が開放されている一方で、各々の外側端部が閉塞されている、ようにしてもよい。
【0011】
前記タービンは、前記軸線が縦方向に沿う縦軸型であってもよい。
【0012】
上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る発電装置は、
前記タービン装置と、
前記タービンの回転に基づいて発電する発電機と、を備える。
前記タービン装置と、
前記タービンの回転に基づいて発電する発電機と、を備える。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、流体のエネルギーを効率良くタービンの回転動力に変換できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【0016】
図１に示す発電装置１は、風力発電を行うものであり、タービン１０を有するタービン装置２と、タービン１０の回転に基づいて発電する発電機３と、を備える。図１では、タービン装置２を側面図で表すとともに、発電機３を模式的に示している。
【0017】
【0018】
タービン１０は、軸線ＡＸを中心に回転可能であり、回転部１１と、複数のブレード１２とを備える。回転部１１は、軸線ＡＸに沿う円柱状に形成されている。回転部１１は、基板２０及び天板２１の各々に、図示せぬベアリングを介して軸線ＡＸを中心に回転可能に支持されている。図２に示すように、複数のブレード１２の各々は、基端が回転部１１に固定されて先端が軸線ＡＸを中心とする半径方向に延びている。複数のブレード１２は、軸線ＡＸを中心とする円周方向に沿って等間隔に設けられている。この実施形態では、４枚のブレード１２がタービン１０に設けられている。ブレード１２の詳細形状については後述する。
【0019】
基板２０及び天板２１は、図１に示すように、軸線ＡＸが延びる方向に間隔を開けて互いに対向する。基板２０及び天板２１は、各々が正方形状であり、互いに平行に配置されている。基板２０と天板２１の間に、複数の流路部４０及び複数の仕切り部５０が位置する。
【0020】
収容室３０は、図２に示すように、複数の流路部４０及び複数の仕切り部５０に囲まれた空間部であり、内部にタービン１０を収容する。
【0021】
複数の流路部４０は、図２に示すように、軸線ＡＸを中心とする円周方向に沿って設けられ、各々が外部から流入した風（流体）をタービン１０に導くダクト状の部分である。複数の流路部４０の各々は、タービン装置２の外側（詳しくは、側面方向の外側）に向く第１開口Ｈ１と、タービン１０に向く第２開口Ｈ２とを有する。つまり、一つの流路部４０は、一つの第１開口Ｈ１と一つの第２開口Ｈ２を有する。複数の流路部４０の各々は、第２開口Ｈ２を介して収容室３０と連通する。
【0022】
この実施形態では流路部４０が４つ設けられている。タービン装置２の外側に向く第１開口Ｈ１は、正方形状の基板２０の各辺に対応して設けられている。つまり、複数の流路部４０に対応して複数ある第１開口Ｈ１は、タービン装置２の全周に渡って配置されている。この実施形態では、４つの第１開口Ｈ１の幅の合計は、タービン装置２の全周と略等しい。より詳細には、４つの第１開口Ｈ１の幅の合計と、後述するように４つある仕切り部５０の外周端の厚みの合計とを合算した長さが、タービン装置２の全周の長さである。
【0023】
また、第２開口Ｈ２は、第１開口Ｈ１よりも開口面積が小さい。第１開口Ｈ１及び第２開口Ｈ２の各々の開口面積は、流路部４０に風（流体）が流れる断面と見なせる。ここで、第１開口Ｈ１における断面積をＡ１、風速（流速）をＵ１とし、第２開口Ｈ２における断面積をＡ２、風速（流速）をＵ２とする。すると、流体力学における連続の式により、Ｕ２＝Ａ１／Ａ２×Ｕ１が成り立つ。そのため、流路部４０に第１開口Ｈ１から入って第２開口Ｈ２からタービン１０に向かう流体の流速は、第１開口Ｈ１の通過時点よりも（Ａ１／Ａ２）倍だけ速くなる。第１開口Ｈ１及び第２開口Ｈ２の各々の開口面積は、Ａ１＞Ａ２の条件を満たせば任意であるが、例えば、第２開口Ｈ２は、第１開口Ｈ１の１／３の開口面積に設定されている。第２開口Ｈ２を第１開口Ｈ１の１／３の開口面積に設定すれば、流路部４０を経てタービン１０に到達する風を３倍に加速させることができるため、例えば、１．５ｍ／ｓ程度の風速であってもタービン１０を充分に回転させることができる。これは、ある程度大きな風速が必要である従来の風力発電用の風車に比べて大きな利点である。
【0024】
流路部４０が有する第２開口Ｈ２は、図１に示すように、軸線ＡＸよりもタービン１０の回転方向Ｄに偏った位置であって、図２に示すように、タービン１０が回転する過程で前記複数のブレード１２のうち任意のブレード１２と向かい合う位置に設けられている。なお、この実施形態におけるタービン１０の回転方向Ｄは、図２に示すように反時計方向であって、図１に示すようにタービン装置２を側面方向から見た場合には右方向である。
【0025】
上述の第２開口Ｈ２の位置は、複数の流路部４０の各々について成り立つ。つまり、複数の流路部４０は、各々の第１開口Ｈ１から第２開口Ｈ２に流れる流体がタービン１０を同じ回転方向Ｄに回転させるように、各々の第２開口Ｈ２が軸線ＡＸよりも回転方向Ｄに偏った位置であってタービン１０が回転する過程で複数のブレード１２のうち任意のブレード１２と向かい合う位置に設けられている。
【0026】
仕切り部５０は、隣り合う流路部４０を仕切る。したがって、この実施形態では、仕切り部５０は、流路部４０と同数の４つ設けられている。なお、一つの流路部４０は、隣り合う仕切り部５０、基板２０及び天板２１に囲まれた部分によって形成される。
【0027】
ここで、図２に示すように、複数の流路部４０のうち所定の流路部４０を挟んで隣り合う仕切り部５０を、第１仕切り部５１及び第２仕切り部５２とする。ここでの説明では、所定の流路部４０を図２での６時方向に向く第１開口Ｈ１を有するものとしている。第１仕切り部５１及び第２仕切り部５２の各々の所定の流路部４０に向く面５１ａ，５２ａは、所定の流路部４０における第１開口Ｈ１から第２開口Ｈ２に向かって徐々に曲がる曲面を有する。つまり、流路部４０の幅方向の形状を定める面５１ａ，５２ａがこのような曲面を有することで、第１開口Ｈ１から第２開口Ｈ２に流体を効率良く導くことができる。
【0028】
複数の仕切り部５０の各々は、一対の壁部６１，６２を有する。一対の壁部６１，６２において、壁部６１は壁部６２よりも回転方向Ｄに偏って位置する。一対の壁部６１，６２は、タービン１０に向く各々の内側端部が開放されている一方で、各々の外側端部が閉塞されている。これにより、１つの仕切り部５０を構成する一対の壁部６１，６２の間には、タービン装置２の外部から流れ込んだ流体のうち、タービン１０の回転に不要な成分の流体を収容室３０から逃がす退避室６０が形成される。この実施形態では、１つの仕切り部５０を構成する一対の壁部６１，６２の外側端部は、正方形状の基板２０の角に至っている。
【0029】
前述した第１仕切り部５１が有する面５１ａは、具体的には、第１仕切り部５１の壁部６１の壁面によって構成される。また、第２仕切り部５２が有する面５２ａは、第２仕切り部５２の壁部６２の壁面によって構成される。以上に説明した、タービン装置２における複数の流路部４０及び複数の仕切り部５０の形状は、軸線ＡＸを中心として４回対称（４相対称）の回転対称性を有する。
【0030】
ここで、ブレード１２の詳細形状について説明する。ブレード１２は、流体を主に受ける主面部１２０と、主面部１２０の外縁から迫り出す迫出部１２１とを有する。
【0031】
主面部１２０は、矩形の平板状に形成され、タービン１０が回転する過程で任意の第２開口Ｈ２と対向する主面を有する部分である。つまり、この実施形態では、当該主面は平坦面である。また、当該主面の法線は、軸線ＡＸと直交する。
【0032】
迫出部１２１は、図１に示すように、主面部１２０の上端に接続された第１部分１２１ａと、主面部１２０の下端に接続された第２部分１２１ｂと、主面部１２０の先端（軸線ＡＸを中心とする半径方向の外端）に接続された第３部分１２１ｃとを有する。図２及び図３に示すように、迫出部１２１は、主面部１２０から回転方向Ｄの反対方向に迫り出している。このように形成された迫出部１２１により、ブレード１２の外縁部に当たる流体を主面部１２０に集めることができる。なお、主面部１２０に対する迫出部１２１の傾きは任意であり、理論計算と実験の少なくともいずれかを経て、適切に設定されればよい。
【0033】
以上に説明した主面部１２０及び迫出部１２１は、複数のブレード１２の各々が有する。したがって、タービン装置２における複数のブレード１２の形状は、軸線ＡＸを中心として４回対称（４相対称）の回転対称性を有する。
【0034】
この実施形態のタービン１０は、軸線ＡＸが縦方向に沿う縦軸型であり、主に水平方向に流れる流体のエネルギーにより回転する。「軸線ＡＸが縦方向に沿う」とは、タービン装置２が設置される設置面（地面など）の法線方向に軸線ＡＸが概ね沿っていればよく、軸線ＡＸが鉛直方向に一致することだけでなく、タービン装置２の設置環境に応じて、軸線ＡＸが鉛直方向からある程度傾いて設定されること、山、丘陵などの傾斜面の法線方向に沿って設定されること等を含む。したがって、縦軸型のタービン１０とは、軸線ＡＸが鉛直方向に設定されたタービン１０だけでなく、軸線ＡＸと概ね直交する方向から流れ込む流体によって回転可能に構成されたタービン１０を含む。この実施形態のタービン１０は、主に水平方向に流れる流体のエネルギーにより回転する。
【0035】
複数のブレード１２は、水平方向から流体を受けた際に、軸線ＡＸと平行な方向に揚力ができるだけ生じない形状に形成される。これにより、流体のエネルギーが回転動力に変換される際のエネルギーロスを抑制でき、タービン１０の回転部１１とこれを支持する部分とに無用な応力が生じることを抑制できる。
【0036】
図１に示す発電機３は、タービン１０の回転部１１の回転を電気に変換する。発電機３としては、周知の構成を適宜採用することができる。なお、発電機３と回転部１１の間に、図示せぬ増速機が設けられてもよい。発電機３で発電された電気は、変圧器で昇圧されて送電線又は配電線に流されてもよいし、バッテリーに蓄電されてもよい。発電装置１の構成の説明は以上である。
【0037】
続いて、タービン装置２の動作を主に図２を参照して説明する。
【0038】
（第１の場合）
まず、複数の流路部４０のうち、一つの流路部４０に風が流れ込む第１の場合について考える。ここでは説明便宜上、図２の下から上に向かい風が吹くものとする。
まず、複数の流路部４０のうち、一つの流路部４０に風が流れ込む第１の場合について考える。ここでは説明便宜上、図２の下から上に向かい風が吹くものとする。
【0039】
図２の６時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に、第１開口Ｈ１から風が入ると、前述の連続の式を用いて説明したように、当該流路部４０の第２開口Ｈ２から加速された風がタービン１０に向かって流れ出す。
【0040】
タービン１０は、第２開口Ｈ２からの風をブレード１２が受けて回転方向Ｄ（反時計方向）に回転する。前述のように、第２開口Ｈ２は軸線ＡＸよりも回転方向Ｄに偏った位置に設けられているため、タービン１０が回転する過程で、複数のブレード１２が順次、第２開口Ｈ２と向かい合い、当該第２開口Ｈ２から風を受ける。つまり、タービン１０は、各ブレード１２が第２開口Ｈ２と向かい合う位置関係になる度に、水平方向の風を受ける。なお、水平方向の風が任意のブレード１２に当たる際、当該ブレード１２が有する迫出部１２１によって、風が主面部１２０に集められる。これにより、タービン１０は、水平方向の風をブレード１２の主面部１２０で効率良く受けることができる。
【0041】
上述のように、６時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に入り込んでタービン１０を回転させた風は、他の３つ流路部４０（第１開口Ｈ１が９時、１２時、３時の各方向に向く３つの流路部４０）の少なくともいずれかを通って、タービン装置２の外部に排出される。この際、外側に向く第１開口Ｈ１は第２開口Ｈ２よりも開口面積が大きいため、少ない流体抵抗でタービン装置２の外部に風を排出することができる。
【0042】
なお、即座にタービン装置２の外部に排出されない風であって、タービン１０の回転に不要な成分の風（例えば、ブレード１２で跳ね返った風など）については、各仕切り部５０に設けられた退避室６０に逃がすことができる。
【0043】
（第２の場合）
続いて、複数の流路部４０のうち、二つの流路部４０に風が流れ込む第２の場合を考える。ここでは説明便宜上、図２の左下から右上に向かって斜めに風が吹くものとする。
続いて、複数の流路部４０のうち、二つの流路部４０に風が流れ込む第２の場合を考える。ここでは説明便宜上、図２の左下から右上に向かって斜めに風が吹くものとする。
【0044】
上記のように風が斜めに吹くと、風の一部は６時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に入り込み、風の他の一部は９時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に入り込む。
【0045】
６時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に入り込んだ風は、当該流路部４０によって風向きが制御された上で加速され、当該流路部４０の第２開口Ｈ２からタービン１０に向かって流れ出す。９時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に入り込んだ風は、当該流路部４０によって風向きが制御された上で加速され、当該流路部４０の第２開口Ｈ２からタービン１０に向かって流れ出す。
【0046】
図２に示すように、タービン１０の各ブレード１２が、各流路部４０の第２開口Ｈ２と対向している状態を用いて説明すると、６時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に入り込んだ風は、当該流路部４０の第２開口Ｈ２から、図２で３時方向に延びるブレード１２に当たり、タービン１０を回転方向Ｄに回す。また、９時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に入り込んだ風は、当該流路部４０の第２開口Ｈ２から、図２で６時方向に延びるブレード１２に当たり、タービン１０を回転方向Ｄに回す。このように、双方の流路部４０の各々の第２開口Ｈ２からタービン１０に向かう風は、タービン１０の回転方向Ｄへの回転を妨げるように干渉せず、いずれのエネルギーもタービン１０の回転方向Ｄへの回転動力に変換される。双方の流路部４０に入り込んでタービン１０を回転させた風は、他の２つの流路部４０（第１開口Ｈ１が１２時、３時の各方向に向く２つの流路部４０）の少なくともいずれかを通って、タービン装置２の外部に排出される。
【0047】
（第３の場合）
ここで、タービン装置２の設置環境によっては、互いに逆向きに進む風がタービン装置２に入り込む第３の場合も想定される。この場合を考慮して、図２の下から上に向かう風と、上から下に向かう風との双方がタービン装置２に入り込む事態を考える。
ここで、タービン装置２の設置環境によっては、互いに逆向きに進む風がタービン装置２に入り込む第３の場合も想定される。この場合を考慮して、図２の下から上に向かう風と、上から下に向かう風との双方がタービン装置２に入り込む事態を考える。
【0048】
６時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に入り込んだ風（図２の下から上に向かう風）は、当該流路部４０によって風向きが制御された上で加速され、当該流路部４０の第２開口Ｈ２からタービン１０に向かって流れ出す。１２時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に入り込んだ風（図２の上から下に向かう風）は、当該流路部４０によって風向きが制御された上で加速され、当該流路部４０の第２開口Ｈ２からタービン１０に向かって流れ出す。
【0049】
図２に示すように、タービン１０の各ブレード１２が、各流路部４０の第２開口Ｈ２と対向している状態を用いて説明すると、６時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に入り込んだ風は、当該流路部４０の第２開口Ｈ２から、図２で３時方向に延びるブレード１２に当たり、タービン１０を回転方向Ｄに回す。また、１２時方向に向く第１開口Ｈ１を有する流路部４０に入り込んだ風は、当該流路部４０の第２開口Ｈ２から、図２で９時方向に延びるブレード１２に当たり、タービン１０を回転方向Ｄに回す。このように、双方の流路部４０の各々の第２開口Ｈ２からタービン１０に向かう風は、タービン１０の回転方向Ｄへの回転を妨げるように干渉せず、いずれのエネルギーもタービン１０の回転方向Ｄへの回転動力に変換される。双方の流路部４０に入り込んでタービン１０を回転させた風は、他の２つの流路部４０（第１開口Ｈ１が３時、９時の各方向に向く２つの流路部４０）の少なくともいずれかを通って、タービン装置２の外部に排出される。
【0050】
以上に説明した第１～第３の場合を勘案すると、この実施形態に係るタービン装置２は、全周に渡るあらゆる方向から流れ込む風のエネルギーをタービン１０の回転動力に効率良く変換できることが分かる。つまり、タービン装置２を備える発電装置１によれば、流体のエネルギーを電気に効率良く変換できる。
【0051】
本願発明者による試算では、このタービン装置２における、流体の運動エネルギーの機械的なエネルギーへの変換効率は、ベッツの法則から導かれる５９．３％（ベッツ係数）を超えることができる可能性がある。このタービン装置２により実現可能なエネルギーの高効率変換については、今後の詳細な理論計算、実験、シミュレーションを経て、解明が待たれる。
【0052】
なお、本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、実施形態に適宜の変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。
【0053】
以上では発電装置１が風力発電を行う例を示したが、発電装置１は水力発電を可能に構成されてもよい。水力によりタービン装置２のタービン１０を回転させる仕組みは、風力と同様である。また、発電装置１及びこれを構成する各部の大きさ、材質、形状は、発明の目的を達成することができる限りにおいては限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択可能である。
【0054】
以上ではタービン装置２に流路部４０を４つ設けた例を示したが、流路部４０は複数あれば良く、その数は任意である。例えば、タービン装置２は、３つの流路部４０を備えてもよい。この場合、タービン装置２は、軸線ＡＸが延びる方向から見て三角形状に構成され、当該三角形の各辺に相当する箇所に各流路部４０の第１開口Ｈ１が配置されればよい。また、タービン装置２は、６つの流路部４０を備えてもよい。この場合、タービン装置２は、軸線ＡＸが延びる方向から見て六角形状に構成され、当該六角形の各辺に相当する箇所に各流路部４０の第１開口Ｈ１が配置されればよい。なお、軸線ＡＸと直交する種々の方向から流体を取り込み可能とすべく、複数の流路部４０に対応して複数ある第１開口Ｈ１は、タービン装置２の全周に渡って配置されることが好ましい。したがって、流路部３０は、３つ以上あることが好ましい。また、タービン装置２は、軸線ＡＸが延びる方向から見て円形に構成されてもよい。
【0055】
複数の流路部４０の各々の形状は、外側に向く第１開口Ｈ１と、第１開口Ｈ１よりも開口面積が小さい第２開口Ｈ２とを備え、タービン１０を同じ回転方向Ｄに回転させることができれば、任意に変更可能である。例えば、第１開口Ｈ１に入り込む流量を調節する流量調節板をタービン装置２に設け、この流量調節板を環境に応じて制御する構成を採用してもよい。当該構成によれば、例えば台風などの強風時にタービン装置２の破損を防ぐこともできる。以上では、隣り合う仕切り部５０の面５１ａ，５２ａが曲面を有することにより、これらに挟まれる流路部４０の幅方向の形状も曲面を有する例を示したが、流路部４０の幅方向の形状は、平面を含んだ形状（傾きが異なる複数の平面を組み合わせた形状も含む）に形成されていてもよい。また、以上では、仕切り部５０が一対の壁部６１，６２で構成され、一対の壁部６１，６２の間に退避室６０が形成される例を示したが、仕切り部５０の形状はこれに限られず任意である。例えば、仕切り部５０は、退避室６０に相当する部分が埋められた形状をなし、退避室６０を備えていなくともよい。また、基板２０及び天板２１の流路部４０を挟み込む部分の形状も、任意に変更可能である。また、タービン装置２における複数の流路部４０及び複数の仕切り部５０の形状は、軸線ＡＸを中心とした回転対称性を有していなくともよい。例えば、タービン装置２の設置環境によっては流体が流れ込む方向に指向性がある場合もある。これを考慮して、特定の方向からの流体を効率良くタービン１０を収容する収容室３０に引き込むべく、各流路部４０の形状を最適化してもよい。
【0056】
以上では、タービン１０が４つのブレード１２を備える例を示したが、ブレード１２は複数あれば良く、その数は任意である。また、ブレード１２の断面形状は、図３に示す例に限られず目的に応じて変更可能である。例えば、ブレード１２の断面形状は、回転方向Ｄに向かって凹む湾曲した形状であってもよい。つまり、ブレード１２の主面部１２０は平板状に限られず、また、迫出部１２１は主面部１２０の外縁から迫り出す格好であれば、その形状は任意に変更可能である。さらには、各図において、各ブレード１２の背面の形状を模式的に平坦面で表したが、各ブレード１２の形状は図面に表された形状に限定されない。当該背面の形状は、タービン１０が回転する際に流体から受ける抵抗を低減すべく、スプーンの裏のように湾曲した曲面（回転方向Ｄに膨らむ曲面）を有していることが好ましい。なお、ここで言うブレード１２の背面とは、タービン１０が回転する過程で第２開口Ｈ２と対向する主面の裏側に位置する面である。また、以上では、流路部４０の数とブレード１２の数が等しい例を示したが、双方の数は異なっていてもよい。例えば、流路部４０が４つあり、タービン１０のブレード１２が６つある構成などを採用することもできる。また、以上では、回転方向Ｄが反時計方向の例を示したが、タービン装置２はタービン１０を時計方向に回転させるように構成されてもよいことは勿論である。
【0057】
また、発電装置１の設置場所は目的に応じて任意である。例えば、風力発電を行う発電装置１をＥＶ（Electric Vehicle）等の自動車に設け、発電機３で発電した電気を自動車のバッテリーに蓄電する構成を採用することができる。この場合、例えば、自動車の天井又は床下にタービン装置２を設置すればよい。また、例えば、水力発電を行う発電装置１を、海、河川、堤防に設置することもできる。また、都市計画で、ビル等の建物を複数の仕切り部５０として機能するように配置すると共に、それらの中央部にタービン１０を設置する構成を採用することで、都市の一区画を利用して風力発電を行う発電装置１も実現可能である。例えば、風力発電を行う発電装置１を地上に設置すれば、数十ｍの高さにも及ぶ支柱を介して設置されていた従来の風車のように景観を損ねることを防止できる。発電装置１を地上に設置すれば、高所や洋上にある従来の風車に比べてメンテナンスの容易化を図ることもできる。また、発電装置１は、その設置箇所を目的に応じて設定可能であるため、例えば洋上に設けられていた従来の風車に比べて送電ロスを抑制できる。例えば、発電装置１を家屋、ビルなどの建物内に設置すれば、落雷による被害を回避できる。また、発電装置１によれば、夜間でも発電可能であるため、太陽光発電の欠点を補うことができる。なお、鳥獣などの動物がタービン１０に入り込む虞があれば、動物保護の観点から、タービン装置２の周りに柵を設けることもできる。
【0058】
タービン装置２においてタービン１０の回転に伴い発生する虞のある騒音は、タービン１０の回転部１１を軸支するベアリングによって充分に抑えることができると考えられるが、必要に応じて、タービン装置２に防音壁、振動吸収シートなどを設けて騒音対策を施すこともできる。
【0059】
また、タービン装置２は、発電用途に限られず、流体のエネルギーを有用な機械的動力に変換する原動機として用いられてもよく、その用途は任意である。
【0060】
以上で説明したタービン装置２の主な効果を以下に説明する。
【0061】
（１）以上に説明したタービン装置２は、タービン１０と、外側に向く第１開口Ｈ１、及び、タービン１０に向き且つ第１開口Ｈ１よりも開口面積が小さい第２開口Ｈ２を各々が有し、軸線ＡＸを中心とする円周方向に沿って配置された複数の流路部４０と、を備える。タービン１０は、複数のブレード１２を有し、軸線ＡＸを中心に回転可能である。複数の流路部４０は、各々の第１開口Ｈ１から第２開口Ｈ２に流れる流体がタービン１０を同じ回転方向Ｄに回転させるように、各々の第２開口Ｈ２が軸線ＡＸよりも回転方向Ｄに偏った位置であってタービン１０が回転する過程で複数のブレード１２のうち任意のブレード１２と向かい合う位置に設けられている。
上記（１）の構成によれば、複数の流路部４０のいずれに入り込んだ流体によっても、タービン１０を回転方向Ｄに回転させることができる。また、流路部４０に第１開口Ｈ１から入って第２開口Ｈ２から流れ出す流体は、第１開口Ｈ１の通過時点よりも加速されてタービン１０に向かう。したがって、流体のエネルギーを効率良くタービン１０の回転動力に変換でき、タービン１０のトルクを稼ぐことができる。また、ある流路部４０を通ってタービン１０を回転させた流体は、他の流路部４０の第２開口Ｈ２を通って第１開口Ｈ１から排出される。この際、外側に向く第１開口Ｈ１は第２開口Ｈ２よりも開口面積が大きいため、少ない流体抵抗でタービン装置２の外部に風を排出することができる。このように流体が排出されることで、タービン１０の回転方向Ｄへの回転を妨げる流体の圧力を良好に低下させることができる。つまり、タービン１０の回転方向Ｄへの回転の抵抗になる流体を低減することができる。また、タービン装置２が３つ以上の流路部４０を有していれば、ある流路部４０に入り込んでタービン１０を回転させた流体を、２つ以上の他の流路部４０から排出することができるため、タービン１０の回転方向Ｄへの回転の抵抗になる流体をより良好に低減することができる。
上記（１）の構成によれば、複数の流路部４０のいずれに入り込んだ流体によっても、タービン１０を回転方向Ｄに回転させることができる。また、流路部４０に第１開口Ｈ１から入って第２開口Ｈ２から流れ出す流体は、第１開口Ｈ１の通過時点よりも加速されてタービン１０に向かう。したがって、流体のエネルギーを効率良くタービン１０の回転動力に変換でき、タービン１０のトルクを稼ぐことができる。また、ある流路部４０を通ってタービン１０を回転させた流体は、他の流路部４０の第２開口Ｈ２を通って第１開口Ｈ１から排出される。この際、外側に向く第１開口Ｈ１は第２開口Ｈ２よりも開口面積が大きいため、少ない流体抵抗でタービン装置２の外部に風を排出することができる。このように流体が排出されることで、タービン１０の回転方向Ｄへの回転を妨げる流体の圧力を良好に低下させることができる。つまり、タービン１０の回転方向Ｄへの回転の抵抗になる流体を低減することができる。また、タービン装置２が３つ以上の流路部４０を有していれば、ある流路部４０に入り込んでタービン１０を回転させた流体を、２つ以上の他の流路部４０から排出することができるため、タービン１０の回転方向Ｄへの回転の抵抗になる流体をより良好に低減することができる。
【0062】
（２）また、複数の流路部４０に対応して複数ある第１開口Ｈ１は、タービン装置２の全周に渡って配置されている。
上記（２）の構成によれば、タービン装置２の全周に渡るいずれの方向から流体が流れ込んでも、流体のエネルギーをタービン１０の回転動力に変換することができる。したがって、当該構成は、流体の流れの方向（風向き、水流の方向など）の制約が少なく、自然界の流体のエネルギーを効率良く用いることができる。
上記（２）の構成によれば、タービン装置２の全周に渡るいずれの方向から流体が流れ込んでも、流体のエネルギーをタービン１０の回転動力に変換することができる。したがって、当該構成は、流体の流れの方向（風向き、水流の方向など）の制約が少なく、自然界の流体のエネルギーを効率良く用いることができる。
【0063】
（３）複数のブレード１２は、軸線ＡＸを中心とする円周方向に沿って等間隔に設けられ、各々が、流体を主に受ける主面部１２０と、主面部１２０の外縁から迫り出す迫出部１２１とを有する。
上記（３）の構成によれば、前述の通り、ブレード１２の外縁部に当たる流体を主面部１２０に集めることができる。
上記（３）の構成によれば、前述の通り、ブレード１２の外縁部に当たる流体を主面部１２０に集めることができる。
【0064】
（４）タービン装置２は、複数の流路部４０のうち隣り合う流路部を仕切る仕切り部５０を備える。複数の流路部４０のうち所定の流路部４０を挟んで隣り合う仕切り部５０を、第１仕切り部５１及び第２仕切り部５２とすると、第１仕切り部５１及び第２仕切り部５２の各々の所定の流路部４０に向く面は、所定の流路部４０における第１開口Ｈ１から第２開口Ｈ２に向かって徐々に曲がる曲面を有する。
上記（４）の構成によれば、第１開口Ｈ１から入り込んだ流体の向きを制御して、効率良くタービン１０に導くことができる。
上記（４）の構成によれば、第１開口Ｈ１から入り込んだ流体の向きを制御して、効率良くタービン１０に導くことができる。
【0065】
（５）仕切り部５０は、一対の壁部６１，６２を有し、一対の壁部６１，６２は、タービン１０に向く各々の内側端部が開放されている一方で、各々の外側端部が閉塞されている。
上記（５）の構成によれば、一対の壁部６１，６２の間に前述の退避室６０が形成されるため、タービン装置２の外部から流れ込んだ流体のうち、タービン１０の回転に不要な成分の流体を収容室３０から逃がすことができる。
上記（５）の構成によれば、一対の壁部６１，６２の間に前述の退避室６０が形成されるため、タービン装置２の外部から流れ込んだ流体のうち、タービン１０の回転に不要な成分の流体を収容室３０から逃がすことができる。
【0066】
（６）タービン１０は、軸線ＡＸが縦方向に沿う縦軸型である。
上記（６）の構成によれば、タービン１０及びタービン１０を回転可能に支持する部分の各々において、軸線ＡＸと直交する方向に負荷がかかることを抑制できる。したがって、ラジアル荷重が顕著に発生する従来の水平軸風車に比べて、装置に生じる歪みを抑制することができる。
上記（６）の構成によれば、タービン１０及びタービン１０を回転可能に支持する部分の各々において、軸線ＡＸと直交する方向に負荷がかかることを抑制できる。したがって、ラジアル荷重が顕著に発生する従来の水平軸風車に比べて、装置に生じる歪みを抑制することができる。
【0067】
（７）タービン装置２は、発電装置１に備えられてもよい。この発電装置１は、タービン装置２と、タービン１０の回転に基づいて発電する発電機３と、を備える。
【0068】
以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略した。
【符号の説明】
【0069】
１…発電装置、２…タービン装置、３…発電機
１０…タービン、Ｄ…回転方向
１１…回転部、ＡＸ…軸線
１２…ブレード、１２０…主面部、１２１…迫出部
２０…基板、２１…天板、３０…収容室
４０…流路部、Ｈ１…第１開口、Ｈ２…第２開口
５０…仕切り部、５１…第１仕切り部、５２…第２仕切り部、５１ａ，５２ａ…面
６０…退避室、６１，６２…壁部
１０…タービン、Ｄ…回転方向
１１…回転部、ＡＸ…軸線
１２…ブレード、１２０…主面部、１２１…迫出部
２０…基板、２１…天板、３０…収容室
４０…流路部、Ｈ１…第１開口、Ｈ２…第２開口
５０…仕切り部、５１…第１仕切り部、５２…第２仕切り部、５１ａ，５２ａ…面
６０…退避室、６１，６２…壁部
【図1】
【図2】
【図3】
【手続補正書】
【提出日】2021-11-01
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のブレードを有し、軸線を中心に回転可能なタービンと、
外側に向く第１開口、及び、前記タービンに向き且つ前記第１開口よりも開口面積が小さい第２開口を各々が有し、前記軸線を中心とする円周方向に沿って配置された複数の流路部と、
前記複数の流路部のうち隣り合う流路部を仕切る仕切り部と、を備え、
前記複数の流路部は、各々の前記第１開口から前記第２開口に流れる流体が前記タービンを同じ回転方向に回転させるように、各々の前記第２開口が前記軸線よりも前記回転方向に偏った位置であって前記タービンが回転する過程で前記複数のブレードのうち任意のブレードと向かい合う位置に設けられ、
前記仕切り部は、一対の壁部を有し、
前記一対の壁部は、前記タービンに向く各々の内側端部が開放されている一方で、各々の外側端部が閉塞されており、
前記複数の流路部のうち所定の流路部を挟んで隣り合う前記仕切り部を、第１仕切り部及び第２仕切り部とすると、前記第１仕切り部及び前記第２仕切り部の各々の前記所定の流路部に向く面は、前記所定の流路部における前記第１開口から前記第２開口に向かって徐々に曲がる曲面を有する、
タービン装置。
外側に向く第１開口、及び、前記タービンに向き且つ前記第１開口よりも開口面積が小さい第２開口を各々が有し、前記軸線を中心とする円周方向に沿って配置された複数の流路部と、
前記複数の流路部のうち隣り合う流路部を仕切る仕切り部と、を備え、
前記複数の流路部は、各々の前記第１開口から前記第２開口に流れる流体が前記タービンを同じ回転方向に回転させるように、各々の前記第２開口が前記軸線よりも前記回転方向に偏った位置であって前記タービンが回転する過程で前記複数のブレードのうち任意のブレードと向かい合う位置に設けられ、
前記仕切り部は、一対の壁部を有し、
前記一対の壁部は、前記タービンに向く各々の内側端部が開放されている一方で、各々の外側端部が閉塞されており、
前記複数の流路部のうち所定の流路部を挟んで隣り合う前記仕切り部を、第１仕切り部及び第２仕切り部とすると、前記第１仕切り部及び前記第２仕切り部の各々の前記所定の流路部に向く面は、前記所定の流路部における前記第１開口から前記第２開口に向かって徐々に曲がる曲面を有する、
タービン装置。
【請求項2】
前記複数の流路部に対応して複数ある前記第１開口は、前記タービン装置の全周に渡って配置されている、
請求項１に記載のタービン装置。
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項3】
前記複数のブレードは、前記円周方向に沿って等間隔に設けられ、各々が、流体を主に受ける主面部と、前記主面部の外縁から迫り出す迫出部とを有する、
請求項１又は２に記載のタービン装置。
請求項１又は２に記載のタービン装置。
【請求項4】
前記タービンは、前記軸線が縦方向に沿う縦軸型である、
請求項１～３のいずれか１項に記載のタービン装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載のタービン装置。
【請求項5】
請求項１～４のいずれか１項に記載のタービン装置と、
前記タービンの回転に基づいて発電する発電機と、を備える、
発電装置。
前記タービンの回転に基づいて発電する発電機と、を備える、
発電装置。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0006】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るタービン装置は、
複数のブレードを有し、軸線を中心に回転可能なタービンと、
外側に向く第１開口、及び、前記タービンに向き且つ前記第１開口よりも開口面積が小さい第２開口を各々が有し、前記軸線を中心とする円周方向に沿って配置された複数の流路部と、
前記複数の流路部のうち隣り合う流路部を仕切る仕切り部と、を備え、
前記複数の流路部は、各々の前記第１開口から前記第２開口に流れる流体が前記タービンを同じ回転方向に回転させるように、各々の前記第２開口が前記軸線よりも前記回転方向に偏った位置であって前記タービンが回転する過程で前記複数のブレードのうち任意のブレードと向かい合う位置に設けられ、
前記仕切り部は、一対の壁部を有し、
前記一対の壁部は、前記タービンに向く各々の内側端部が開放されている一方で、各々の外側端部が閉塞されており、
前記複数の流路部のうち所定の流路部を挟んで隣り合う前記仕切り部を、第１仕切り部及び第２仕切り部とすると、前記第１仕切り部及び前記第２仕切り部の各々の前記所定の流路部に向く面は、前記所定の流路部における前記第１開口から前記第２開口に向かって徐々に曲がる曲面を有する。
複数のブレードを有し、軸線を中心に回転可能なタービンと、
外側に向く第１開口、及び、前記タービンに向き且つ前記第１開口よりも開口面積が小さい第２開口を各々が有し、前記軸線を中心とする円周方向に沿って配置された複数の流路部と、
前記複数の流路部のうち隣り合う流路部を仕切る仕切り部と、を備え、
前記複数の流路部は、各々の前記第１開口から前記第２開口に流れる流体が前記タービンを同じ回転方向に回転させるように、各々の前記第２開口が前記軸線よりも前記回転方向に偏った位置であって前記タービンが回転する過程で前記複数のブレードのうち任意のブレードと向かい合う位置に設けられ、
前記仕切り部は、一対の壁部を有し、
前記一対の壁部は、前記タービンに向く各々の内側端部が開放されている一方で、各々の外側端部が閉塞されており、
前記複数の流路部のうち所定の流路部を挟んで隣り合う前記仕切り部を、第１仕切り部及び第２仕切り部とすると、前記第１仕切り部及び前記第２仕切り部の各々の前記所定の流路部に向く面は、前記所定の流路部における前記第１開口から前記第２開口に向かって徐々に曲がる曲面を有する。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】