特許 7473230 タービン発電構造

(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】

(24)【登録日】2024-04-15

(45)【発行日】2024-04-23

(54)【発明の名称】タービン発電構造

(51)【国際特許分類】

   F03D 3/04 20060101AFI20240416BHJP

【ＦＩ】

F03D3/04 B

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022076363

(22)【出願日】2022-05-04

(65)【公開番号】P2023165427

(43)【公開日】2023-11-16

【審査請求日】2022-05-04

(73)【特許権者】

【識別番号】504387425

【氏名又は名称】梅 正新

(74)【代理人】

【識別番号】100143720

【弁理士】

【氏名又は名称】米田 耕一郎

(72)【発明者】

【氏名】梅正新

【審査官】高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－２１４３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１９３６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２２７４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国登録特許第１０－１６３７９０７（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】特開２００１－１６５０３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２５７２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１１７４６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｄ ３／０４

Ｆ０３Ｄ ９／３９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒チャンバ(1)と、駆動機構(2)と、発電機構(3)と、を備えたタービン発電構造であって、
前記円筒チャンバ(1)の垂直壁面には複数の流体入口(11)が設けられ、前記円筒チャンバ(1)の頂面または底端の中央部には流体出口(12)が設けられ、
前記流体入口(11)により、外部流体が当該流体入口(11)を通って当該円筒チャンバ(1)の接線方向に沿って当該円筒チャンバ(1)に流入し、
前記円筒チャンバ(1)の内壁(15)により、外部流体が前記流体入口(11)から前記円筒チャンバ(1)内に進入した後、流入流体が前記円筒チャンバ(1)の内壁(15)に沿って流れ、
前記流体出口(12)により、流入流体の流れが螺旋形経路に沿って前記円筒チャンバ(1)の内壁(15)から前記円筒チャンバ(1)の軸線(16)に向かって進み、最終的に前記流体出口(12)に向かって向きを変えて流出し、
前記駆動機構(2)は、前記円筒チャンバ(1)内に設けられ、
前記駆動機構(2)は、回転軸(21)及び羽根群(22)を含み、
前記回転軸(21)は、前記円筒チャンバ(1)の軸線(16)位置に設けられ、
前記羽根群(22)は、複数の透過性羽根(222)及びフレーム(221)を含むとともに、前記回転軸(21)に接続され、
前記複数の透過性羽根(222)により、流入流体(41)の流れが透過性羽根(222)と当たって当該駆動機構(2)の回転軸(21)の回転駆動を促し、それとともに、流入流体(41)の流れが螺旋形経路を維持できるようにし、
前記発電機構(3)は、前記駆動機構(2)に接続されるとともに、前記駆動機構(2)により駆動され、
前記発電機構(3)で発電する
ことを特徴とするタービン発電構造。

【請求項2】

請求項1に記載のタービン発電構造において、
前記流入流体(41)は、接線方向で前記円筒チャンバ(1)に流入された後、前記螺旋形経路(51)に沿って加速され、軸線(16)に進んだ後、出口に向かって方向転換して排出され、流体を自動的に加速させる
ことを特徴とするタービン発電構造。

【請求項3】

請求項1に記載のタービン発電構造において、
前記流体入口(11)には、流量調節部(13)が設けられ、
前記流量調節部(13)は、前記流体入口(11)を調節し、外部流体が前記円筒チャンバ(1)に進入する流量を制御する
ことを特徴とするタービン発電構造。

【請求項4】

請求項1に記載のタービン発電構造において、
前記発電機構(3)は、前記円筒チャンバ(1)の何れか一端に設置され、
前記発電機構(3)は、前記円筒チャンバ(1)の内部又は外部に位置する
ことを特徴とするタービン発電構造。

【請求項5】

請求項1に記載のタービン発電構造において、
前記羽根群(22)は、放射線状に配設されたフレーム(221)及び複数の透過性羽根(222)を有し、
前記フレーム(221)は、前記回転軸(21)に接続され、
前記羽根(222)は、前記フレーム(221)上に設けられるか、前記回転軸(21)上に直接固定される
ことを特徴とするタービン発電構造。

【請求項6】

請求項1に記載のタービン発電構造において、
前記透過性羽根(222)は、網状、格子状、棒状又は分離した板状を呈する
ことを特徴とするタービン発電構造。

【請求項7】

請求項1に記載のタービン発電構造において、
前記流体入口(11)の外側には、流入流体(41)の流量及び流速を増やす導流体(19)が取り付けられる
ことを特徴とするタービン発電構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、タービン発電構造に関し、特に、円筒チャンバを利用して渦流を発生させ、それを加速させる機構を指すとともに、円筒チャンバ内で透過性羽根群を使用して渦流中の運動エネルギーを収集するタービン発電構造に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の大型水平軸風力発電機は、羽根の強度が弱く、重心が高く、構造が複雑で、製造、搬送、建設及びメンテナンスが困難で、鳥類にとって危険であり、騒音が発生する上、交換、解体及び回収が困難であり、使用寿命が短くて高コストであるという欠点があった。

【0003】

従来の垂直軸風車は、強度が弱い垂直軸及び羽根が強風に耐えることができないため、大型化が困難であるという欠点があった。

【0004】

従来のタービン発電構造には、例えば特許文献１があり、この特許文献１と本願との明白な差異は以下の通りである。

【0005】

特許文献１の集風塔は内壁及び外壁を有し、内壁と外壁との間には空間が設けられ、集風塔の頂端が完全に開かれ、底部と下方の進風室とが連通し、方形状の進風室に進入した気流が渦流を形成しないため、気流は竜巻のように自動的に加速しない。

【0006】

一方、本願の円筒チャンバは、単層壁構造であり、その頂端は中心部以外が全て覆われ、その底端には開口及び進風室が設けられておらず、気流が円筒チャンバ側面の複数の流体入口から進入した後、頂端中心の流体出口から排出される。そのため、円筒チャンバ内には竜巻に似た完全な風場が形成される。特許文献１のタービン及び回転軸は集風塔と進風室との間に設けられ、タービンの羽根が透過性を有する構造でないため、気流が羽根を１回通るだけでは、羽根は、運動エネルギーをフィードバックさせて気流を加速させることはできなかった。

【0007】

一方、本願は複数の透過性羽根及び駆動軸が円筒チャンバ内部に設けられ、進風室が設けられていないため、流入流体が複数の透過性羽根に当たった後でも、螺旋形経路を保持しながら加速し、竜巻のように渦流を増強させることができる。

【0008】

本発明者は、本発明中の円筒チャンバ内の流体をＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）シミュレーションした結果、円筒チャンバ内に渦流が発生し、渦流の流速は外周が遅くて中心が速いため、外周が高圧となって中心が低圧となり、渦流の中心は出口に向かった。上述した６つの特徴は、サイクロン及び竜巻と同じである。そのため上述した原理に基づき、新しい装置を研究開発し、従来技術の風力発電の問題を解決した。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】米国特許出願公開第４４５２５６２Ａ号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の目的は、竜巻が大きな運動エネルギーを有することを利用し、簡素な構造からなる円筒チャンバ内に小さな竜巻を発生させ、円筒チャンバ内の透過性羽根群を利用して竜巻の運動エネルギーを収集して発電を行うタービン発電構造を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、円筒チャンバ、駆動機構及び発電機構を備えた、タービン発電構造であって、前記円筒チャンバの垂直壁面には、複数の流体入口が設けられ、前記円筒チャンバの頂面中央部には、流体出口が設けられ、外部流体が接線方向で流体入口から前記円筒チャンバ内に進入した後、前記円筒チャンバの内壁に沿って前進してから、螺旋形経路で流向中心の軸線で、最終的に方向転換して流体出口に向かって排出され、前記円筒チャンバ内にサイクロンのような風場が形成され、前記駆動機構は、前記円筒チャンバ内に設けられるとともに、回転軸及び羽根群を含み、前記回転軸は、前記円筒チャンバの軸線位置に設けられ、前記羽根群は、複数の透過性羽根及びフレームを含むとともに、前記回転軸に接続され、流入流体が前記羽根群を押動すると前記回転軸が回転し、流入流体が複数の前記透過性羽根に当たった後でも、前記螺旋形経路を保持しながら加速し、前記羽根は、回転の運動エネルギーをフィードバックして渦流を加速させ、前記発電機構は、前記駆動機構に接続されるとともに、前記駆動機構により駆動され、前記発電機構で発電することを特徴とする、タービン発電構造を提供する。

【0012】

前記流入流体は、接線方向で前記円筒チャンバに流入された後、前記螺旋形経路に沿って加速され、軸線に進んだ後、出口に向かって方向転換して排出され、流体を自動的に加速させることが好ましい。

【0013】

前記流体入口には、流量調節部が設けられ、前記流量調節部は、前記流体入口を調節し、外部流体が前記円筒チャンバに進入する流量を制御することが好ましい。

【0014】

前記発電機構は、前記円筒チャンバの何れか一端に設置され、前記発電機構は、前記円筒チャンバの内部又は外部に位置することが好ましい。

【0015】

前記円筒チャンバ内には、ヒーターが設けられることが好ましい。

【0016】

前記羽根群は、放射線状に配設されたフレーム及び複数の透過性羽根を有し、前記フレームは、前記回転軸に接続され、前記羽根は、前記フレーム上に設けられるか、前記回転軸上に直接固定されることが好ましい。

【0017】

前記透過性羽根は、網状、格子状、棒状又は分離した板状を呈することが好ましい。

【0018】

前記駆動機構の前記回転軸の少なくとも一端には、接続部が設けられ、積層された円筒チャンバに使用するとき、その中の前記駆動機構に接続され、各前記円筒チャンバ間の頂面中央部には、流体を自由に通過させる開口部が形成されることが好ましい。

【0019】

前記流体入口の外側には、流入流体の流量及び流速を増やす導流体が取り付けられることが好ましい。

【0020】

前記発電機構は、複数の発電機の組み合わせにより各等級の風力に対応することが可能な複数の発電機を含むことが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の第１実施形態に係るタービン発電構造を示す斜視図である。

【図1a】本発明の第１実施形態に係る円筒チャンバを示す上面図である。

【図1b】本発明の第１実施形態に係る円筒チャンバを示す側面図である。

【図2a】本発明の第１実施形態に係る駆動機構及び各種羽根を示す説明図である。

【図2b】本発明の第１実施形態に係る駆動機構及び各種羽根を示す説明図である。

【図2c】本発明の第１実施形態に係る駆動機構及び各種羽根を示す説明図である。

【図2d】本発明の第１実施形態に係る駆動機構及び各種羽根を示す説明図である。

【図2e】本発明の第１実施形態に係る駆動機構及び各種羽根を示す説明図である。

【図3a】本発明の第１実施形態に係る発電機構を示す上面図である。

【図3b】本発明の第１実施形態に係る発電機構を示す側面図である。

【図4a】本発明の第１実施形態に係る円筒チャンバ内の流体経路を示す上面図である。

【図4b】本発明の第１実施形態に係る円筒チャンバ内の流体経路を示す側面図である。

【図4c】図４ａのＡ部分の作用力の分析図である。

【図5a】本発明の第２実施形態に係る円筒チャンバ内の流体経路を示す上面図である。

【図5b】本発明の第２実施形態に係る円筒チャンバ内の流体経路を示す側面図である。

【図6】本発明の第３実施形態に係る多数の円筒チャンバ及び駆動機構を積層して組み合わせたタービン発電構造を示す説明図である。

【図7】本発明の第１実施形態に係るタービン発電構造の外側に導流板を増設し、流入流体の流量及び流速を増やす説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

図１～図６を参照する。図１～図６に示すように、本発明の一実施形態に係るタービン発電構造は、少なくとも円筒チャンバ１、駆動機構２及び発電機構３から構成されてなる。

【0023】

図１を参照する。図１に示すように、円筒チャンバ１の側壁には、複数の流体入口１１が設けられる。円筒チャンバ１の頂面中央部には、流体出口１２が設けられ、外部流体が接線方向で流体入口１１から進入した後、流体出口１２から流出する。図１ａ及び図１ｂに示すように、流体入口１１には、流量調節部１３が設けられる。流量調節部１３は、流体入口１１の開閉を制御し、流入流体の流量、圧力及び流速を調節することができる。

【0024】

図１を参照する。図１に示すように、駆動機構２は、円筒チャンバ１内に設けられる。

【0025】

（第１実施形態）
図２ａを参照する。図２ａに示すように、本発明の第１実施形態に係る駆動機構２は、回転軸２１及び羽根群２２を含む。回転軸２１は、円筒チャンバ１の軸線位置に設けられる。羽根群２２は、回転軸２１上に固定され、羽根群２２を押動すると回転軸２１が駆動され、駆動機構２に運動エネルギーが生じる。

【0026】

図２ｂを参照する。図２ｂに示すように、羽根群２２は、放射線状に配設されたフレーム２２１及び複数の透過性羽根２２２を有する。フレーム２２１は、回転軸２１に接続される。複数の羽根２２２は、フレーム２２１上に取付けられるか、回転軸２１上に直接取付けられ（図２ｄに示す）、透過性羽根２２２は網状（図２ｂに示す）、格子状（図２ｃに示す）、棒状（図２ｄに示す）又は分離した板状（図２ｅに示す）を呈してもよい。羽根２２２は、透過性を有するため、流入流体４１が通過可能であり、その螺旋形経路５１を保持しながら加速させることができる。羽根２２２は、運動エネルギーをフィードバックして渦流を加速させることができる。

【0027】

図３ａ及び図３ｂを参照する。図３ａ及び図３ｂに示すように、円筒チャンバ１の内部には、流体を加速させるヒーター２３が設けられる。ヒーター２３は、各種熱源又は廃熱を使用してもよい。

【0028】

図３ｂを参照する。図３ｂに示すように、発電機構３は、駆動機構２に接続されるとともに、駆動機構２により駆動され、発電機構３内の発電機で発電することができる。

【0029】

図４ａ及び図４ｃを参照する。図４ａ及び図４ｃに示すように、本発明は外部流体（例えば風）を接線方向で円筒チャンバ１に導入し、流入流体４１が後方の継続的な圧力が円筒チャンバ内壁１５に沿って前進した後、螺旋形経路５１で軸線１６の近くに進んだ後、流体出口１２に向かって方向転換し、流体入口１１から流体出口１２に至る流場が円筒チャンバ１内に形成される。流体入口１１及びチャンバ内壁１５の気圧が最高であり、流出流体４２の方向が、大気の風向きに対して必ず垂直であるため、流体出口１２の圧力は最低である（ベルヌーイの定理）。圧力はチャンバ内壁１５から軸線１６に近づくに伴って徐々に減り、流速はチャンバ内壁１５から軸線１６に近づくに伴って徐々に増え、円筒チャンバ１の内部には、渦巻のような加速した流場が形成される。

【0030】

図４ａ及び図４ｃを参照する。図４ａ及び図４ｃに示すように、チャンバ内壁１５と軸線１６との間の気圧が下がり、螺旋形経路５１上の流体分子４３が軸線１６指向の気圧傾度力５２を受けるとともに、螺旋形経路５１に対して垂直なコリオリの力５３を受ける。コリオリの力５３及び気圧傾度力５２の両者に発生するベクトル合成５４は、流体分子４３の速度νを高め、流体分子４３の回転半径は螺旋形経路５１に沿って縮小し、角速度ωを増大させ、コリオリの力Ｆ＝－２ｍ（ων）の式に基づき、Ｆ、ω、νの三者が互いにフィードバックし合って同期で増加し、円筒チャンバ１の特殊な構造により、流入流体４１を自動的に加速させる。

【0031】

（第２実施形態）
図５ａ及び図５ｂを参照する。図５ａ及び図５ｂに示すように、本発明の第２実施形態では、円筒チャンバ１内の流入流体４１を自動的に加速する構造の流体入口１１が漏斗状に形成され、流量を増やすことができる。

【0032】

図４ａを参照する。図４ａに示すように、流入流体４１が螺旋形経路５１に沿って加速すると、羽根群２２が回転するが（図２ａに示す）、羽根群２２の内側が外側より大きな押圧力を受けるため、羽根群２２が流入流体４１をさらに加速させ、流入流体４１と羽根群２２との間で交互にフィードバックし合う。

【0033】

（第３実施形態）
図６を参照する。図６に示すように、本発明の第３実施形態において、駆動機構２の回転軸２１の少なくとも一端には、接続部（図示せず）が設けられ、積層された複数の円筒チャンバ１をタービン発電構造として用いる際、接続部を利用して積層された複数の円筒チャンバ１中の複数の駆動機構２を接続し、終端部の接続部が発電機構３に接続され、複数の円筒チャンバ１の端面中央部には、流体を通過させる開口部が形成される。発電機構は、複数の発電機の組み合わせにより、それぞれの等級の風力に対応することが可能である。

【0034】

（第１実施形態）
図７を参照する。図７に示すように、本発明の第１実施形態において、流体入口１１の外側には、流入流体４１の流量及び流速を増やす導流体１９が取り付けられてもよい。

【0035】

本発明の第１実施形態において、水を流入流体４１として用いる場合、円筒チャンバ１を河川流又は海流に設置可能であり、発電機構３は円筒チャンバ１の頂端に設置可能であり、流体出口１２が底端中央に位置するとともに、導管により下流に案内する。チャンバ内壁１５は、低めの流速と高めの圧力を有し、流入流体４１のコリオリの力５３と気圧傾度力（又は水圧傾度力）５２のベクトル合成５４とにより、流入流体４１を加速させて軸線１６に案内した後、下向きに流体出口１２に至り、流入流体４１が羽根群２２及び回転軸２１を押動し、発電機構３の回転軸２１を駆動させて発電する。

【0036】

上述したことから分かるように、本発明のタービン発電構造は、円筒チャンバの垂直壁面には、複数の流体入口が設けられ、円筒チャンバの頂面中央部には、流体出口が設けられ、外部流体が接線方向で流体入口から円筒チャンバ内に進入した後、頂端の流体出口から排出され、円筒チャンバ内に設けられた駆動機構は、回転軸及び透過性の羽根群を含み、流入流体が透過性羽根に当たると回転軸を回転させ、複数の透過性羽根を使用しているため、螺旋形経路を保持するとともに加速させ、発電機により効率良く発電することができる。

【符号の説明】

【0037】

１ 円筒チャンバ
２ 駆動機構
３ 発電機構
１１ 流体入口
１２ 流体出口
１３ 流量調節部
１４ 回転軸フレーム
１５ チャンバ内壁
１６ 軸線
１７ 径方向線
１８ 同心円
１９ 導流体
２１ 回転軸
２２ 羽根群
２３ ヒーター
４１ 流入流体
４２ 流出流体
４３ 流体分子
５１ 螺旋形経路
５２ 気圧傾度力
５３ コリオリの力
５４ ベクトル合成
２２１ フレーム
２２２ 羽根

【図1】

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図2c】

【図2d】

【図2e】

【図3a】

【図3b】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【図5a】

【図5b】

【図6】

【図7】