JP5389082B2 - 水車羽根型発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば河川や海等の水流や海流等を利用して水力発電を得る水車羽根型発電装置に関する。

水車羽根型発電装置として、特許文献１が挙げられる。この構造は、発電機に動力を伝達する回転軸と、この回転軸に固定された回転体と、この回転体の外周に設けられ、流体の流れを受けて前記回転体を回転させる羽根とを備えており、回転軸は装置枠体の側板に軸受を介して回転自在に支承されている。前記羽根は前記回転体に回動自在に配設された流体受け部と、この流体受け部より短いストッパー部とがＬ字形状に形成され、かつ前記流体受け部が前記流体通路の流体圧を受ける側で、前記ストッパー部が前記流体受け部の起立を維持するように配設されている。
特開２０１０−１５１１１７号公報

回転軸は装置枠体の側板に軸受を介して回転自在に支承されているので、軸受には回転体及び該回転体に設けられた多数の羽根等の重量が加わる。また本装置は水中又は海中に設置するのでステンレス材よりなっている。回転体が小型の場合には問題とならないが、例えば回転体の回転ドラムが直径１ｍ程度、幅１．８ｍ程度で、羽根の流体受け部の長さが０．４ｍ程度である場合には、回転体、羽根の重量は約４５０Ｋｇとなり、この重量が回転軸を介して軸受に加わる。このように軸受には重荷重が加わるので、軸受の寿命が短くなるという問題があった。

本発明の課題は、水中に長期に設置される前記回転体や羽根を支持する前記軸受に加わる荷重負担を装置自体でもって軽減して軸受の長寿命化を図ることができる水車羽根型発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の請求項１は、発電機に動力を伝達する回転軸と、前記回転軸に固定した回転体と、前記回転体の外周に設けられ流体の流れを受けて前記回転体を回転させる羽根と、を備えた水車羽根型発電装置であって、前記羽根は、前記回転体に回動自在に配設され、流体受け部とこの流体受け部より短いストッパ部とがＬ字形状に形成され、かつ、当該流体受け部を流体の上流方向に配設して構成し、前記回転軸は、底板の両側に固定された側板に軸受を介して回転自在に支承され、また両方の側板上には天板が固定されているとともに、前記底板、前記側板及び前記天板で装置の枠体を構成し、前記天板の前端部には、前記回転体の下方部に位置する前記羽根に流体を導くように上方より前記回転体の下方に向けて傾斜し、かつ、流体流れ方向の流体を前記回転軸より下方の羽根に導くように傾斜した長さに形成した流体ガイド板が設けられ、当該流体ガイド板に導かれた流体及び流体ガイド板の下方を流れる流体が、前記回転軸より下方の羽根の前記流体受け部に当たるように構成し、前記回転体や羽根の中に泥、砂、ゴミ等が溜まることなく前記回転体及び回転軸を回転させるように構成し、前記流体受け部は、前記ストッパ部より長くて重く形成されて前記回転軸より上方における羽根がその自重で自然に倒れることで、当該羽根の流体を受ける流体受け面積が著しく小さくなるようにして、復動側における羽根の流体に対する抵抗を軽減するように構成したとともに、前記回転軸より上方における羽根が倒れた場合、前記流体受け部が次の羽根のストッパ部と流体受け部の下方部を覆って、流体受け部がストッパ部に当接するようにして、復動側における羽根の流体に対する抵抗を一層軽減するように構成し、前記回転体内には、その内部に空気又は浮力の大きい窒素ガスや炭酸ガスを密封して密閉気体室を形成した密閉中空枠体を前記回転軸に固定して構成したとともに、当該密閉気体室の体積を回転体の重量と回転体に設けた羽根の重量に合致する浮力を得る大きさに構成しつつ、回転体内に形成した上記密閉気体室自体によって浮力を生じさせて、回転体及びこれに設けた羽根の重量が前記軸受に加わる荷重を軽減するように構成し、水中に長期に設置される前記回転体や羽根を支持する前記軸受に加わる荷重負担を装置自体でもって軽減して軸受の長寿命化を図るようにしたことを特徴とする。

回転体の内部に気体を密封した密閉気体室を形成すると、この密閉気体室によって浮力が生じ、回転体及び該回転体に設けられた羽根等の重量が軸受に加わる荷重を軽減することができる。密閉気体室の体積は、回転体の重量と該回転体に設けられた羽根等の重量に合致する浮力を得る大きさにするのが好ましいが、これに限定されるものではない。

本実施の形態は、本願出願人の特願２０１０−１７０６７８号に改良を加えたものである。そこで、まず前記出願の構成について説明し、その後に本願発明の特徴とする構成について説明する。

図３及び図４に示すように、回転体１は、外周が１２面体に形成されたドラム体２と、このドラム体２の両側面にそれぞれ固定された側板３とからなっており、側板３の外径はドラム体２の外径より大きく形成されている。側板３は回転軸４に固定具５で固定されている。側板３のドラム体２より上方に突出した部分には１２面体にそれぞれ対応して軸受６が固定されている。

回転体１には、図５に示す羽根１０が取付けられている。羽根１０は、短い長さのストッパ部１１と、このストッパ部１１より立ち上がった流体受け部１２とからなり、流体受け部１２は流体上流側に配設されている。羽根１０の支軸１３は固定具１４により固定されており、支軸１３の両端部は、相対向して配設された前記軸受６に回転自在に支承されている。流体受け部１２は、ストッパ部１１が回転体１のドラム体２に当接して起立した時は、流体を多く受けるように、流体受け面側はＲ形状に窪んだ形状となっている。また流体受け部１２は、図１に示すように、羽根１０が倒れた場合、倒れる側の羽根１０のストッパ部１１と流体受け部１２の下方部を覆う長さとなっている。

図１及び図２に示すように、羽根１０が取付けられた回転体１の回転軸４は、底板２０の両側に固定された側板２１に軸受２２を介して回転自在に支承されている。また両方の側板２１上には天板２３が固定されている。即ち、底板２０、側板２１及び天板２３で装置の枠体を構成している。天板２３の前端部には、内側に傾斜して流体ガイド板２４が固定されている。ここで、流体ガイド板２４は、流体流れ方向Ａの流体を回転軸４より下方の羽根１０に導くように傾斜した長さとなっている。

天板２３上には、発電機３０の入力軸３１が回転軸４と平行になるように発電機３０が固定されている。回転軸４の一端部及び入力軸３１にはそれぞれ歯車３２、３３が固定されており、歯車３２、３３にはチェーン３４が掛け渡されている。

次に作用について説明する。流体ガイド板２４が流体流れ方向Ａに向くように、本装置を水中又は海中の所定位置に固定すると、流体ガイド板２４に導かれた流体及び流体ガイド板２４の下方を流れる流体は、回転軸４より下方の羽根１０（１０１〜１０５）の流体受け部１２に当たり、回転体１及び回転軸４は矢印Ｂ方向に回転させられる。回転軸４の回転は、歯車３２、３３及びチェーン３４を介して入力軸３１に伝達され、発電機３０によって発電される。

また流体受け部１２はストッパ部１１より長くて重いので、回転軸４より上方の羽根１０（１０７〜１１２）は自重により自然に倒れる。即ち、羽根１０が倒れると、羽根１０の流体を受ける流体受け面積が著しく小さくなるので、復動側では抵抗が軽減する。また羽根１０が倒れた場合、流体受け部１２が次の羽根１０のストッパ部１１と流体受け部１２の下方部を覆うので、流体受け部１２がストッパ部１１に当接する。この点からも復動側では羽根１０の流体に対する抵抗は軽減される。

本装置は、上記効果の他に次のような効果も得られる。流体ガイド板２４によって流体は回転体１の下方側に流れるので、水車（回転体１、羽根１０等）の中に川の中の泥、砂、ゴミ等が溜まらない。また回転体１は単純な形状よりなり、更にストッパ部１１及び流体受け部１２は同一部材で製作できるので、装置の大幅なコストダウンが図れる。

次に本願発明の特徴とする構成について説明する。本実施の形態においては、ドラム体２と両側板３、３とで構成する回転体１の内部には、密閉気体室４０を形成するように円筒形状でステンレス材よりなる密閉中空枠体４１が回転軸４に固定されている。密閉気体室４０内には空気を密封するか、または浮力の大きい窒素ガス、炭酸ガス等のガスを密封する。

このように、回転体１の内部に気体を密封した密閉気体室４０を形成すると、この密閉気体室４０によって浮力が生じ、回転体１及び該回転体１に設けられた羽根１０等の重量が軸受２２に加わる荷重を軽減することができる。密閉気体室４０の体積は、回転体１の重量と該回転体１に設けられた羽根１０等の重量に合致する浮力を得る大きさにするのが好ましい。例えば回転体１と該回転体１に設けられた羽根１０等の重量が４５０Ｋｇの場合においては、体積を０．４５ｍ³ （０．４５のメートルの３乗）程度にする。しかし、本実施の形態は、軸受２２に加わる荷重と密閉気体室４０による密閉気体室浮力を合致させる必要はない。というのは、要するに軸受２２に加わる荷重を軽減すればよい。

なお、上記各実施の形態においては、ドラム体２を１２面として１２個の羽根１０を設けたが、羽根１０の数は特に限定されるものではない。またドラム体２は角型ではなく円形状に形成しても良い。

本発明の水車羽根型発電装置の一実施の形態の概略構成を示す断面図である。 図１の正面図である。 回転体の側面図である。 図３の断面図である。 羽根を示し、（ａ) は側面図、（ｂ）は正面図である。

１ 回転体
２ ドラム体
３ 側板
４ 回転軸
１０ 羽根
１１ ストッパ部
１２ 流体受け部
１３ 支軸
２１ 側板
２２ 軸受
３０ 発電機
４０ 密閉気体室
４１ 密閉中空枠体

Claims (1)

1. 発電機に動力を伝達する回転軸と、
   前記回転軸に固定した回転体と、
   前記回転体の外周に設けられ流体の流れを受けて前記回転体を回転させる羽根と、
   を備えた水車羽根型発電装置であって、
   前記羽根は、前記回転体に回動自在に配設され、流体受け部とこの流体受け部より短いストッパ部とがＬ字形状に形成され、かつ、当該流体受け部を流体の上流方向に配設して構成し、
   前記回転軸は、底板の両側に固定された側板に軸受を介して回転自在に支承され、また両方の側板上には天板が固定されているとともに、前記底板、前記側板及び前記天板で装置の枠体を構成し、
   前記天板の前端部には、前記回転体の下方部に位置する前記羽根に流体を導くように上方より前記回転体の下方に向けて傾斜し、かつ、流体流れ方向の流体を前記回転軸より下方の羽根に導くように傾斜した長さに形成した流体ガイド板が設けられ、当該流体ガイド板に導かれた流体及び流体ガイド板の下方を流れる流体が、前記回転軸より下方の羽根の前記流体受け部に当たるように構成し、前記回転体や羽根の中に泥、砂、ゴミ等が溜まることなく前記回転体及び回転軸を回転させるように構成し、
   前記流体受け部は、前記ストッパ部より長くて重く形成されて前記回転軸より上方における羽根がその自重で自然に倒れることで、当該羽根の流体を受ける流体受け面積が著しく小さくなるようにして、復動側における羽根の流体に対する抵抗を軽減するように構成したとともに、前記回転軸より上方における羽根が倒れた場合、前記流体受け部が次の羽根のストッパ部と流体受け部の下方部を覆って、流体受け部がストッパ部に当接するようにして、復動側における羽根の流体に対する抵抗を一層軽減するように構成し、
   前記回転体内には、その内部に空気又は浮力の大きい窒素ガスや炭酸ガスを密封して密閉気体室を形成した密閉中空枠体を前記回転軸に固定して構成したとともに、当該密閉気体室の体積を回転体の重量と回転体に設けた羽根の重量に合致する浮力を得る大きさに構成しつつ、回転体内に形成した上記密閉気体室自体によって浮力を生じさせて、回転体及びこれに設けた羽根の重量が前記軸受に加わる荷重を軽減するように構成し、
   水中に長期に設置される前記回転体や羽根を支持する前記軸受に加わる荷重負担を装置自体でもって軽減して軸受の長寿命化を図るようにしたことを特徴とする水車羽根型発電装置。