JP2003155970A - 水中発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】水中に設置することができる水中発電装置の提
供 【解決手段】第1実施形態に係る水中発電装置10を示す
図１において、11は気体室としての空気室、12は空気室
11内に配設された発電機、13は流水中に配設されて流水
のエネルギを得て回転する水車、14は増速機、15は動力
伝達軸である。水車13の出力軸16は動力伝達手段として
の動力伝達軸15及び増速機14を介在させて、空気室11内
に配設された発電機12の入力軸17に連結されており、発
電機12は水車13で得た回転トルクで駆動し発電する。こ
の水中発電装置10は、図１に示すように、例えば、川な
どの流水中に固定的に配設され、水車13で得た回転トル
クを空気室11内に配設された発電機12に伝達し、発電機
12で発電することができるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は川などの流水中に配
設され、流水からエネルギを得ながら発電する水中発電
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】流水のエネルギを得て発電する水力発電
装置は、一般に水流を受けて回転する水車（タービン）
と発電装置を備えており、水車（タービン）で得た回転
トルクを発電機に伝達し、発電機のローターを回転させ
て発電するようになっている。水車（タービン）は水が
流れている場所に設置されているが、発電機は電気を発
生させるので漏電が生じないように、水から離れた場所
に設置されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、水力発
電装置は、水から離れた場所に発電機を設置するスペー
スが必要であり、また周辺の景観が損なわれるという問
題がある。

【０００４】そこで、本発明は、発電装置全体を水中に
設置することができる水中発電装置を提供することを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の水中発電装置
は、流水中に配設された気体室と、前記気体室内に配設
された発電機と、水車と、前記気体室の気密性を保持し
つつ前記水車の出力軸から前記発電機の入力軸に動力を
伝達する動力伝達手段とを備えていることを特徴とす
る。この水中発電装置は水中に設置することができるか
ら設置スペースや周辺の景観を損なわせるなどの問題が
低減される。

【０００６】なお、気体室は単に空気を充填する空気室
としてもよいが、気体室内部での発電機の発火を防止す
るために窒素などの絶縁性を有する安定した気体を充填
するようにしてもよい。

【０００７】上記の構成において、水中発電装置は、前
記気体室の壁面に気体室内から気体室外にのみ通気可能
な逆止弁を設けるとともに、前記気体室に圧縮空気を送
るコンプレッサを備えた構成にしてもよい。

【０００８】さらに上記構成において、前記コンプレッ
サを前記気体室の室内に配設して、前記水車の出力軸か
ら得られる動力により駆動するようにしてもよい。ま
た、前記コンプレッサを前記気体室の室内に配設して、
前記発電機で発電された電力で駆動するようにしてもよ
い。

【０００９】さらに、上記構成において、水上を浮遊す
る浮遊体と、前記浮遊体に取り付けられた空気取込口
と、前記空気取込口と気体室内のコンプレッサの吸気口
との間に配設したホースとを備えた構成にしてもよい。

【００１０】また、動力伝達手段は、水車の出力軸に取
り付けた主動側磁石と、発電機の入力軸に取り付けた従
動側磁石を、前記気体室の壁面を挟んで配設したマグネ
ットドライブ機構を備えた構成にしてもよい。

【００１１】また、前記水車は、流水中に配設され流水
のエネルギを軸部材の回転トルクとして出力するもので
あれば、本発明の水中発電装置に採用することができ
る。

【００１２】本発明者らは、水中発電装置に好適な水車
として、軸部材と、前記軸部材の周方向所定間隔に複数
の羽部材が取り付けられた水車であって、前記羽部材が
軸部材に弾性的に回動可能に、かつ、前記各羽部材にお
ける流水のエネルギが作用する作用点が前記羽部材の回
動軸よりも前記軸部材の円周方向の一方の側に隔たるよ
うに取り付けられており、前記羽部材で受けた流水のエ
ネルギを軸部材の回転トルクとして出力する構成の水車
を提案する。

【００１３】この水車によれば、羽部材が弾性的に回動
可能に支持されているので、水車の回転方向に対しては
羽部材でより大きな回転トルクを得ることができ、また
羽部材が受ける水の抵抗が少ないので、水車全体を水中
に設置しても回転トルクをえることができる。

【００１４】また、羽部材において、軸部材の回転方向
後方に流水のエネルギが作用する作用点が在るから、水
の流れの方向に関係なく一定方向に回転トルクを受け、
軸部材から常に一定方向の回転トルクを出力することが
できる。従って、川の河口付近や防波堤の近傍のように
潮の干満で流れ方向が変わるような場所にも水中発電装
置を設置することができる。

【００１５】前記軸部材が水の流れ方向に直交するよう
に配設されており、かつ、前記軸部材の半径方向に延在
した延在部に、前記羽部材が回動軸を前記軸部材の軸方
向に延在させて取り付けられている構成にしてもよい。
この水車は、軸部材の半径方向の流れに対して、流れ方
向に関係なく、一定の方向に回転トルクを出力すること
ができる。さらに、前記軸部材が配設された軸線を中心
とし、延在部に羽部材の回動軸を取り付けた位置までの
距離を半径とする円周を考えた場合に、前記羽部材の作
用面が前記円周の接線方向に延在するように、羽部材の
回動が弾性的に支持するようにしてもよい。

【００１６】また、上記構成の水車の上流に、前記羽部
材が水の流れ方向に対して逆行する側へ流れる水の流れ
を遮る整流部材を備えた構成にしてもよい。より好まし
くは、この整流部材は、羽部材が水の流れ方向に対して
逆行する側へ流れる水を、羽部材が水の流れ方向に順行
する側へ流すように構成するとよい。

【００１７】前記羽部材は前記軸部材の半径方向に延在
した延在部に、回動軸を軸方向に延在させて取り付けら
れた構成にしてもよい。この水車は、軸部材の半径方向
の流れに対して、流れ方向に関係なく、一定の方向に回
転トルクを出力することができる。さらに、前記軸部材
が配設された軸線を中心とし、延在部に羽部材の回動軸
を取り付けた位置までの距離を半径とする円周を考えた
場合に、前記羽部材の作用面が前記円周の接線方向に延
在するように、羽部材の回動が弾性的に支持するように
してもよい。

【００１８】また、前記軸部材が水の流れ方向に沿って
配設されおり、かつ、前記羽部材が前記羽部材の回動軸
を前記軸部材の半径方向に延在させて取り付けられた構
成にしてもよい。この水車は、軸部材の軸方向に平行な
流れに対して、流れ方向に関係なく、一定の方向に回転
トルクを出力することができる。さらに、前記羽部材の
作用面が軸方向に向くように、羽部材の回動を弾性的に
支持するようにしてもよい。

【００１９】水車は、流水のエネルギが所定以上である
場合に、前記羽部材を回動自在な状態になるように構成
してもよい。この構成によれば、例えば、水勢が大きい
場合に羽部材が水の流れから受ける抵抗が最小になるよ
うに回動するから、水の抵抗を受けて壊れるのを防ぐこ
とができる。

【００２０】水車は、前記羽部材の重心を回動軸が配設
された軸線上に設定することにより、遠心力の影響を少
なくすることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
水中発電装置を図面に基づいて説明する。

【００２２】第1実施形態に係る水中発電装置10を示す
図１において、11は気体室としての空気室、12は空気室
11内に配設された発電機、13は流水中に配設されて流水
のエネルギを得て回転する水車、14は増速機、15は動力
伝達軸である。

【００２３】水車13の出力軸16は動力伝達手段としての
動力伝達軸15及び増速機14を介在させて、空気室11内に
配設された発電機12の入力軸17に連結されており、発電
機12は水車13で得た回転トルクで駆動し発電する。この
水中発電装置10は、図１に示すように、例えば、川など
の流水中に固定的に配設され、水車13で得た回転トルク
を空気室11内に配設された発電機12に伝達し、発電機12
で発電することができるようになっている。以下、この
水中発電装置10を詳細に説明する。

【００２４】空気室11は気密性を有する壁面で囲って形
成した部屋である。空気室11の底部にはアンカーボルト
装着部(図示省略)があり、この空気室11はアンカーボル
ト（図示省略）で水車13と共通の共通フレーム21に設置
され、さらに一体として川底に設置した土台22に設置さ
れるようになっている。空気室11内には、高圧の空気が
充填され、発電機12、及び、増速機14が設置されてい
る。また、空気室11の壁面には、動力伝達軸15と送電線
23を挿通させるための穴が形成されており、それぞれの
穴には空気室11の気密性を確保するためにシール24、25
が装着されている。

【００２５】発電機12は空気室11の床面に設置した基台
26上に設置されている。発電機12の入力軸17は、増速機
14及び動力伝達軸15を介在させて水車13の出力軸16に連
結されている。増速機14は、水車13の出力軸16の回転数
を発電機12の入力軸17に入力する前に所要の回転数に増
速するものである。動力伝達軸15は、一端が水車13の出
力軸16に連結され、他端が増速機14に連結された軸部材
で、水車13で得た回転トルクを増速機14を介して発電機
12に伝達するものであり、空気室11の壁面に取り付けら
れた軸受26に軸支されている。送電線23は発電機12で発
電した電気を空気室11の外部に送り出すための配線であ
る。

【００２６】この水車13は、川などの流水中に配設され
て水の流れを受けて回転し、流水のエネルギを回転トル
クに換えて出力する装置である。なお、水車13の好適な
実施形態を後で詳述する。水車13の出力軸16は、回転ト
ルクを出力する部材で、軸受27、28によって共通フレー
ム21に回転自在に軸支されている。出力軸16の空気室側
の一端は軸継手29で動力伝達軸15に連結されており、水
車13で得た回転トルクが、出力軸16、動力伝達軸15、増
速機14を介して発電機12に伝達されるようになってい
る。

【００２７】この水中発電装置10は、上記構成により、
水車13で得た回転トルクを発電機11の入力軸17に伝達し
て発電機11を駆動させて発電する。発電機11で発電され
た電気は送電線23を通して、例えば、陸上に設置された
変電施設に送電され通常の電力として利用することが可
能である。この水中発電装置10によれば発電装置全体を
川の中に設置でき、陸上における設置スペースを縮小化
することができ、また、発電装置全体を水中に設置する
ことができるので、周辺の景観が損なわれるといった問
題がない。また、川の流れは高低差があれば絶えること
がなく、下流では水勢が復元される。従って、一の水中
発電装置を設けた場所から少し下流に他の水中発電装置
を設けることが可能であり、一つの川に対し複数の水中
発電装置を数キロごとに設けることが可能であり、一つ
の川から莫大な電力を供給することが期待できる。

【００２８】また、従来、川の水勢が大きい場所では堤
防や土手を保護するために防波ブロックなどを設置して
川の水勢を減らしていたが、このような場所にこの水中
発電装置10を設置すれば、水勢を減らすとともに発電が
できるようになり、水力のエネルギの有効利用を図るこ
とができるようになる。

【００２９】以下、上記の水中発電装置の変形例を説明
する。

【００３０】動力伝達手段は上記の動力伝達軸15による
構成に限定されない。例えば、図２に示すように、空気
室11の壁面を挟んでマグネットドライブ機構30を設け、
水車13の出力軸16からマグネットドライブ機構30を介し
て発電機12の入力軸17に回転トルクを伝達するようにし
てもよい。

【００３１】このマグネットドライブ機構30は、水車13
の出力軸16に軸継手29で連結した軸部材31と、増速機14
の入力軸32に、空気室11の壁面を挟んで対向するよう
に、マグネットカップリングの主動側磁石33と従動側磁
石34を配設したものである。

【００３２】軸部材31は、空気室11の外壁面に取り付け
たソケット35に囲まれ、ソケット35に取り付けた軸受36
に回動自在に軸支されている。ソケット35内には、軸部
材31の端部にマグネットカップリングの主動側磁石33が
取付けられている。上記構成によりマグネットカップリ
ングの主動側磁石33は、水車13の出力軸16、軸部材31と
ともに一体となって回転するようになっている。

【００３３】マグネットカップリングの従動側磁石34
は、増速機14の入力軸32の先端に取り付けられており、
空気室11の内側において主動側磁石33に空気室11の壁面
を挟んで対向するように配設されている。この従動側磁
石34は、主動側磁石33に連れられて増速機14の入力軸32
と一体になって回転するようになっており、これにより
空気室11内でマグネットカップリングの従動側磁石34が
取り付けられた増速機14の入力軸32に、水車13の回転ト
ルクが伝達されるようになっている。このマグネットド
ライブ機構30によれば、空気室11の壁面に動力伝達のた
めの穴を開けることがないので、空気室11の気密性を向
上させることができる。

【００３４】また、空気室11の気密性を向上させる他の
実施の形態として、空気室11の壁面（例えば、底部の壁
面）に取り付けた空気室11内から空気室11外にのみ通気
可能な逆止弁と、空気室11内に圧縮空気を供給するコン
プレッサとを備え、空気室11内を常に回りの水圧よりも
高い圧力に保持するようにしてもよい。コンプレッサ41
を設けることにより、空気室11内の気圧を常に空気室11
の周りの水圧よりも高くすることができ、空気室11の壁
面に設けた各シールに微小な隙間ができても容易に水が
侵入しないようにすることができる。また、空気室11内
に侵入した水や空気室11内で結露した水を空気室11の底
部に設けた逆止弁40から排出することができるようにな
る。

【００３５】この場合、図３に示すように、コンプレッ
サ41を空気室11内に取付てもよい。このように空気室11
内にコンプレッサ41を取り付けることにより、陸上にコ
ンプレッサを配設するスペースが不要になる。また、空
気室11内の気圧を測定する気圧センサと、空気室11内の
気圧が空気室の周りの水圧よりも高くなるように、コン
プレッサの駆動を制御する制御手段を設けて、コンプレ
ッサを必要なときだけ駆動させるようにしてもよい。こ
れにより、コンプレッサを作動させることによる流水の
エネルギの損失を少なくすることができ、コンプレッサ
を設けたことによる水力発電の効率の低下を防ぐことが
できる。

【００３６】また、空気室11内にコンプレッサ41を取り
付ける場合は、コンプレッサ41の吸気は、水上に浮遊す
る浮遊体42と、浮遊体42に設けた空気取込口43と、空気
取込口43からコンプレッサ41の吸気口に空気を送るよう
に配設したホース44とを備える吸気手段を設けてもよ
い。この吸気手段は、浮遊体42が常に水面上を浮遊する
ので、水嵩が増えても問題なくコンプレッサ41に空気を
送ることができる。なお、空気室11の壁面にホース44を
挿通させる場合は、空気室11の壁面に開けたホース44を
挿通させる穴にシール（図示省略）を装着するとよい。

【００３７】なお、このコンプレッサ41は、図３に示す
ように、発電機12で発電された電力の一部でモータを駆
動させて圧縮空気を作りだすものでもよいが、図４に示
すように、動力伝達軸15から分岐した駆動軸47で水車13
の回転トルクの一部を得てピストンを駆動させて圧縮空
気を作るものでもよい。

【００３８】以下、本発明に係る水中発電装置の水車を
説明する。

【００３９】水車は、川などの流水中に配設されて水の
流れを受けて回転し、流水のエネルギを回転トルクに換
えて出力する装置であれば、本発明に係る水中発電装置
に採用することができる。

【００４０】本発明者らは、本発明の水中発電装置に好
適な水車として以下の水車50を提案する。

【００４１】この水車50は、図５及び図６に示すよう
に、軸部材としての出力軸51と、出力軸51の半径方向に
延在した延在部としての２枚の円盤52、53と、円盤52、53
に円周方向等間隔に配設した複数（例えば、９枚）の羽
部材55と、羽部材55の受圧面が円周接線方向に沿って配
設される（受圧面の法線が軸心を向く）ように羽部材55
を弾性支持する弾性支持機構57とを備えている。

【００４２】出力軸51は水の流れ方向に対して直交する
ように配設される。

【００４３】出力軸51に装着される2枚の円盤52、53は、
図５及び図６に示すように、羽部材55を取り付けるため
に、出力軸51から半径方向に延在した部材であって、円
盤52、53の中心に軸装着穴61、62を設けて出力軸51に装着
している。2枚の円盤52、53の外径側には、円周方向等間
隔に複数の羽部材55を装着するための羽装着穴63、64を
羽部材55の数と同じ数形成している。また、一方の円盤
52には、羽装着穴63のそれぞれ半径方向内径側の位置
に、後述する弾性支持機構57の構成部材たるばね81を係
合させるためのばね係合ピン65が取り付けてある。ばね
係合ピン65は、ばね81を係合させるためのばね係合部65
aを備えている。なお、2枚の円盤52、53は、後述するよ
うに羽部材55を取り付けたアッセンブリ状態で出力軸51
に装着する。

【００４４】羽部材55は、図７(a)(b)に示すように、厚
さが一定の矩形の平板状の部材であり、矩形の作用面の
図心Xを通る軸方向の軸線L1から幅方向に所定距離ずれ
た軸方向の軸線L2に沿って上下両側に、羽部材55を円盤
52、53に装着するための回動軸71、72が取り付けてある。
一方の回動軸71は、図５に示すように、円盤52を貫通し
て延在するようになっており、円盤52を貫通した部分
に、後述する弾性支持機構57の構成部材たるばね装着部
材73が取り付けられるようになっている。ばね装着部材
73は、羽部材55から内径側に向け、羽部材55の面に対し
て直交させて固定的に取り付けてある。ばね装着部材73
には、後述する弾性支持機構57の構成部材たるばね81を
係合させるばね係合部73aが設けてある。２枚の円盤52、
53に対する羽部材55の取り付けは以下のように行う。

【００４５】まず、一方の円盤53を水平に配設し、円盤
53の各羽装着穴64に羽部材55の回動軸72を装着し、円盤
53に羽部材55を回動自在に立設する。このとき、羽部材
55の回動軸72の摺動性を高めるため、円盤53の羽装着穴
64に摺動性を高める鍔付きブッシュ76を装着し、鍔つき
ブッシュ76の内周面に羽部材55の回動軸72を装着する。

【００４６】次に、この状態で各羽部材55の上側にある
回動軸71に他方の円盤52の各はね装着穴63を装着し、円
盤52を水平に装着する。このとき、羽部材55の回動軸71
の摺動性を高めるため、円盤52の羽装着穴63に摺動性を
高める鍔付きブッシュ77を装着し、鍔付きブッシュ77の
内周面に羽部材55の回動軸71を装着する。

【００４７】上記のように羽部材55を組み付けたアッセ
ンブリ状態の円盤52、53を出力軸51に装着し、固定部材7
8、79、80で出力軸51に円盤52、53を固定する。

【００４８】次に、弾性支持機構57について説明する。
弾性支持機構57は、図５及び図６に示すように、円盤52
の内径側に取り付けたばね係合ピン65と、羽部材55に取
り付けたばね装着部材73と、両者の間に取り付けるばね
81とを構成部材として備えている。弾性支持機構57を取
り付けるときは、まず羽部材55を回動軸71、72を設けた
回動中心をなす軸線L2で分けた場合に、面積が大きい側
の面と面積が小さい側の面の向きが円周方向に一様にな
るように、各羽部材55の向きを揃える。この状態で、羽
部材55の回動軸71の円盤52から外方に延在した部分に、
羽部材55の面に対して直角で、かつ、内径側に向けて、
ばね装着部材73を取り付ける。そして、円盤52の内径側
に取り付けたばね係合ピン65のばね係合部65aと、羽部
材55に取り付けたばね装着部材73のばね係合部73aとの
間に、ばね81を伸長させた状態で取り付ける。

【００４９】羽部材55は、弾性支持機構57のばね81の弾
性力により、出力軸51を配設した軸線L3を中心とし、こ
の軸線L3から羽部材55の回動軸71までの半径方向距離を
半径とする円C1を考えた場合に、かかる円C1の円周接線
方向に沿って羽部材55の作用面が延在するように弾性的
に支持された状態になっている。

【００５０】さらに、各羽部材55の回動中心をなす軸線
L2で羽部材55を円周方向に分けた場合に、各羽部材55の
面積の大きい側と面積が小さい側との向きを揃えてい
る。これは、各羽部材55に作用する水力の作用点となる
作用面の図心Xが存在する面積の大きい側の面の向き
を、円周方向において揃えるためである。なお、このよ
うに羽部材55の向きを揃えることにより、円周方向にお
いて羽部材55の作用点が配設された側が、常にこの水車
50の回転方向の後ろ側になる。

【００５１】以下、この水車50の作用を説明する。

【００５２】水の流れがない状態では、図８に示すよう
に、弾性支持機構57の作用により、羽部材55の作用面は
円C1の円周接線に沿って延在している。水の流れがある
状態では、図９に示すように、羽部材55には、主に羽部
材55が水の流れを変化させることによる反力（Ｆ1〜Ｆ
6）が作用して、回動軸71、72が設けてある軸線L2を回動
中心として各羽部材55が回動する。羽部材55の傾きは、
この水の作用によって羽部材55の回動中心（L2）に生じ
るモーメントと、羽部材55が内径側又は外径側に傾くこ
とにより伸ばされるばね81の弾性反力によって羽部材55
の回動中心（L2）に生じるモーメントとが釣り合う傾き
に定まる。そして、水力は、羽部材55の作用面の図心Ｘ
（L1）を水力の作用点として、羽部材55の作用面に対し
て直角方向に作用する。

【００５３】以下、便宜上、羽部材55の公転軌道におけ
る水の流れに対する最上流の位置を０°とし、出力軸51
に対して反時計回り方向を正の方向として羽部材55の回
転角を規定して説明する。

【００５４】羽部材55が水の流れの最上流（0°）の位
置から90°の位置までの間にあるときは、図９において
55aで示すように、羽部材55aの外径側の作用面に水力Ｆ
2が作用し、羽部材55aが円C1の円周接線よりも内径側に
傾く。羽部材55aに作用する水力Ｆ2は、同図に矢印で示
すように、羽部材55aの作用面の図心X（L1）を作用点と
し、内径側に向けて羽部材55aの作用面に対して直角に
作用する。この水力Ｆ2は、羽部材55a及び円盤52、53を
介して、出力軸51に反時計回り方向の回転トルクを作用
させる。また、羽部材55aが円周接線よりも内径側に傾
くことにより、円C1の円周接線方向に延在している場合
に比べて、水の流れに対する羽部材55aの外径側の面が
増大する。このため、羽部材55aが円周接線方向に延在
している場合に比べて、羽部材55aにより大きな水力Ｆ2
が作用し、出力軸51により大きな回転トルクが生じると
考えられる。

【００５５】なお、羽部材55aが最上流（0°）の位置か
ら90°の位置に移動するにつれて、水の流れに対する羽
部材55aの外径側の作用面の面積が減少し、その分、羽
部材55aに作用する水力Ｆ2が減少する。このため、羽部
材55aは次第に円C1の円周接線方向に近づいていく。そ
して、羽部材が90°の位置に移動すると、図９において
55bで示すように、羽部材55bは略円C1の円周接線方向に
延在するようになり、水の流れ方向に略平行になる。こ
のとき、羽部材55bの内径側及び外径側のいずれの作用
面にもほとんど水力が作用しない。

【００５６】次に、羽部材55が90°の位置から最下流
（180°）の位置までの間にあるときは、図９において5
5cで示すように、羽部材55cの内径側の作用面に水力Ｆ3
が作用し、羽部材55cは円C1の円周接線方向よりも外径
側に傾く。羽部材55cに作用する水力Ｆ3は、同図に矢印
で示すように、羽部材55cの作用面の図心X（L1）を作用
点とし、外径側に向けて羽部材55cの作用面に対して直
角に作用する。この水力Ｆ3は、羽部材55c及び円盤52、5
3を介して、出力軸51に反時計回り方向の回転トルクを
作用させる。また、羽部材55cが円周接線よりも外径側
に傾くことにより、円C1の円周接線方向に延在している
場合に比べて、水の流れに対する羽部材55cの内径側の
作用面の面積が増大する。このため、羽部材55cが円C1
の円周接線方向に延在している場合に比べて、羽部材55
cにより大きな水力Ｆ3が作用し、出力軸51により大きな
回転トルクが生じると考えられる。

【００５７】次に、羽部材55が流れの最下流（180°）
の位置から270°の位置までの間にあるときは、図９に5
5dで示すように、羽部材55dの内径側の作用面に水力F5
が作用し、羽部材55dは円C1の円周接線よりも外径側に
傾く。羽部材55dに作用する水力F5は、同図に矢印で示
すように、羽部材55dの作用面の図心X（L1）を作用点と
し、内径側に向けて羽部材55dの作用面に対して直角に
作用する。この水力F5は、羽部材55d及び円盤52、53を介
して、出力軸51に反時計回り方向の回転トルクを作用さ
せる。ただし、羽部材55dが円C1の円周接線よりも外径
側に傾くことにより、円C1の円周接線方向に延在してい
る場合に比べて、水の流れに対する羽部材55dの内径側
の作用面の面積が減少する。このため、羽部材55dが円C
1の円周接線方向に延在している場合に比べて、羽部材5
5dに作用する水力Ｆ5が小さくなり、出力軸51に作用す
る回転トルクも小さいと考えられる。

【００５８】なお、羽部材55dが最下流（180°）の位置
から270°の位置に移動するにつれて、水の流れに対す
る羽部材55dの内径側の作用面の面積が減少し、その
分、羽部材55dに作用する水力F5が減少する。このた
め、羽部材55dは次第に円C1の円周接線方向に近づいて
いく。そして、羽部材55dが270°の位置に移動すると、
図９において55eで示すように、羽部材55eの傾きは略円
C1の円周接線方向に延在するようになり、水の流れ方向
に略平行になる。このとき、羽部材55eの内径側及び外
径側のいずれの作用面にもほとんど水力が作用しない。

【００５９】次に、羽部材55が270°の位置から最上流
（360°）の位置までの間にあるときは、図９において5
5fで示すように、羽部材55fの外径側の作用面に水力F6
が作用し、羽部材55fは円C1の円周接線よりも内径側に
傾く。羽部材55fに作用する水力F6は、同図に矢印で示
すように、羽部材55fの図心(L1)を作用点とし、内径側
に向けて羽部材55fの作用面に対して直角に作用する。
この水力F6は、羽部材55f及び円盤52、53を介して出力軸
51に反時計回り方向の回転トルクを作用させる。ただ
し、羽部材55fが円C1の円周接線よりも内径側に傾くこ
とにより、円C1の円周接線方向に延在している場合に比
べて、水の流れに対する羽部材55fの外径側の作用面の
面積が減少する。このため、羽部材55fが円C1の円周接
線方向に延在している場合に比べて、羽部材55fに作用
する水力F6が小さくなり、出力軸51に作用する回転トル
クも小さいと考えられる。

【００６０】また、水の流れ方向に沿って回転する0°
から180°の間と、水の流れ方向に逆らって回転する180
°から360°（０°から−180°）の間の羽部材55の角度
と水力との関係を比較してみると、0°から90°では羽
部材55aが内径側に傾き、水の流れに対する羽部材55aの
外径側の作用面の面積が増えてより大きな回転トルクが
得られるようになっている。これに対して、0°から−9
0°では羽部材55fが内径側に傾き、水の流れに対する羽
部材55fの外径側の作用面の面積が減少して羽部材55fが
水から受ける抵抗が小さくなるようになっている。ま
た、90°から180°では羽部材55cが外径側に傾き、水の
流れに対する羽部材55cの内径側の作用面の面積が増え
てより大きな回転トルクが得られるようになっている。
これに対して、−90°から−180°では羽部材55dが外径
側に傾き、水の流れに対する内径側の作用面の面積が減
少して羽部材55dが水から受ける抵抗が小さくなるよう
になっている。これにより、この水車50は、水の流れ方
向に沿って回転する0°から180°の間では、より流水の
エネルギが受けられるようになっており、反対に水の流
れ方向に逆らって回転する−０°から−180°の間で
は、水の抵抗が少なくなるようになっている。このた
め、全体として効率よく水力を受けて回転するようにな
っている。

【００６１】すなわち、この水車50は、水の流れが軸方
向である場合を除き、水の流れの方向に関係なく回転す
るようになっている。また、円周方向において羽部材55
の回動軸（L2）より水力の作用点がある側が、常に水車
の回転方向の後ろ側になる。また、この水車50は、羽部
材55で囲まれた円筒領域から外側に流れ出る水流によっ
ても、回転方向のトルクを得ることができ、そのときの
回転方向は、円周方向において羽部材55の回動軸よりも
水力の作用点がある側が回転方向の後ろ側になる。

【００６２】従って、この水車50によれば、羽部材が水
から受ける抵抗が少ないので、図１に示すように、水車
を流水中に完全に沈めた状態で配設することができるか
ら、設置スペースを縮小できるとともに、周辺の景観を
損なわせるといった問題がない。また、水の流れ方向に
関係なく回転トルクを得ることができるので、川の河口
に近いところに水中発電装置を設ける場合に、潮の干満
により水の流れが逆転しても常に一定方向の回転トルク
を得ることができるようになる。

【００６３】以上、水車50を説明したが、本発明に係る
水中発電装置の水車は上記の構成のものに限定されな
い。

【００６４】例えば、羽部材55は、上記の形状に限定さ
れない。羽部材55は図心Xに水力が作用するようになっ
ており、図心Xと回動軸（L2）との距離に応じてモーメ
ントが大きくなり、ばね81に生じる弾性反力が大きくな
る。このため、図心Xと回動軸（L2）との距離を小さく
すれば、ばね81の負担を小さくすることができる。例え
ば、回動軸（L2）は、羽部材55の回転方向の一端に設け
ても良い。また、羽部材55は、平板状の部材に限定され
ず、湾曲しているものや、断面翼形状のものを採用して
も良い。この場合は、水の流れに沿って投影的に観察さ
れる羽部材の作用面の図心が水力の作用点となると考え
られる。

【００６５】また、水車50が回転すれば羽部材55に遠心
力が作用する。例えば、上記の羽部材55のように図心X
と重心の位置が一致しているものでは、水車50の回転が
速くなると遠心力の作用により羽部材55がより外径側に
傾く可能性がある。この遠心力の作用を最小にするた
め、羽部材55の重心を回動軸（L2）に一致させ、又は、
回動軸（L2）の近くに設定することが好ましい。

【００６６】また、所定の場合に羽部材55を回動自在と
する回動制限解除機構を備えることにより、例えば、水
の勢いが想定よりも大きくなった場合に、回動制限解除
機構により羽部材55を回動自在として、水車50に対する
水の抵抗を最小にして、水車50が壊れるのを防ぐように
しても良い。このような回動制限解除機構は、例えば、
水の流速を測る流速センサと、羽部材55の回動規制を解
除する解除機構（例えば、上記のばね81の一端の係合を
解除する機構）と、水の流速が所定の流速を超えた時に
解除機構を動作させる制御手段とを備えたものとするこ
とができる。

【００６７】次に、弾性支持機構57は、上記の形態にお
いてばね81を空気ばね（例えば、エアシリンダ）として
も良い。この場合、エアシリンダを開放すれば弾性支持
状態を解除することができ、回動制限解除後に、エアシ
リンダに空気を供給すれば、いつでも弾性支持機構57を
復帰させることができる。これにより、弾性支持機構57
を復帰させる作業を低減させることができる。

【００６８】また、弾性支持機構57は上記の形態に限定
されず、例えば、羽部材55の上下の回動軸71、72をトー
ションバーやコイルばねとし、一端を円盤52、53の羽装
着穴63、64に固定して、羽部材55が水力を受けた場合に
弾性的に回動するようにしても良い。

【００６９】また、円盤52、53は、出力軸51から半径方
向に延在し、羽部材55を支持する部材であるので、羽部
材55を設ける位置に向けて半径方向に延在していれば足
りる。これにより、円盤52、53の一部を開口させて、水
車50に対する上下方向の流れに対して羽部材55で囲まれ
た円筒領域に水を取り込み、円筒領域から外側に流れ出
る水流で回転するようにしても良い。

【００７０】また、上記の水車においても円盤52、53に
取付けた羽部材55が水の流れ方向に逆行する側では、水
の流れから抵抗を受けており、流水のエネルギの損失が
大きいという問題がある。かかる問題を解決する手段と
しては、図10に示すように、円盤52、53に取付けた羽部
材55が水の流れ方向に逆行する側で、羽部材55に水流が
直接当たらないように、水の流れを遮る整流部材85を取
付けるとよい。この整流部材85によれば、羽部材55が水
の流れ方向に逆行する側には羽部材55に水流が直接当た
らないので、羽部材55が水の流れ方向に逆行するときに
受ける抵抗が低減される。また、上記整流部材85は、図
10に示すように、水車の上流側において、水の流れを、
羽部材55が水の流れ方向に逆行する側から羽部材55が水
の流れ方向に順行する側へ流すものであることが望まし
い。この整流部材85によれば、羽部材55が水の流れ方向
に逆行する側で水から受ける抵抗を低減させ、かつ、羽
部材55が水の流れ方向に順行する側で水から得る回転ト
ルクが大きくなるので、流水のエネルギの回収効率をよ
り一層向上させることができる。

【００７１】次に、本発明の他の実施形態の水車90を説
明する。

【００７２】この水車90は、図10に示すように、出力軸
91と、出力軸91の半径方向において円周方向等間隔に回
動自在に配設した羽部材93と、羽部材93の回動軸を外径
側で支持する枠部材94と、羽部材93の回動を弾性的に支
持する弾性支持機構95とを備えている。この水車90は、
軸方向の流れに対して一定方向に回転し、水力エネルギ
を出力軸91の回転トルクとして出力することができる。
以下、この水車90を詳細に説明する。

【００７３】出力軸91は水の流れ方向に平行に配設す
る。出力軸91には、羽部材93を取り付けるための固定部
材92が取り付けてある。

【００７４】羽部材93は、扇形の部材で出力軸91に回動
自在に装着する部材で、羽部材93に水力が作用する作用
点（図心）から円周方向に所定距離ずれた位置に、内径
方向及び外径方向に延在した回動軸101、102を備えてい
る。羽部材93の内径側の回動軸101は出力軸91に設けた
固定部材92に取り付け、羽部材93の外径側の回動軸102
は羽部材93の外径側に配設された円筒形状の枠部材94に
取り付ける。この実施形態では、羽部材93は、4枚の羽
部材93が円周方向等間隔に配設され、それぞれ出力軸91
の固定部材92から半径方向に延在し、さらに、羽部材93
の作用点（作用面の図心）が回動軸よりも円周方向右側
に位置するように、羽部材93の向きを揃えて取り付けて
ある。

【００７５】弾性支持機構95は、作用面が軸方向に向い
て、羽部材93が水平に延在するように羽部材65の回動を
弾性的に支持する機構である。弾性支持機構95は、例え
ば、各羽部材93の内径側の回動軸101をトーションバー
として、出力軸91の固定部材92にそれぞれ固定したもの
でも良い。また、弾性支持機構95は、図11に示すよう
に、羽部材93の内径側の回動軸101にコイルばね103を装
着し、羽部材93の作用面を軸方向に向けた状態で、回動
軸101を回動自在に固定部材92に取り付け、コイルばね1
03の一端103aを固定部材92に取り付け、コイルばね103
の他端103bを羽部材93の内径側の端部に取り付けた構造
としもよい。このコイルばね103の弾性力により、羽部
材93が円周方向に延在するように弾性支持する。

【００７６】この水車90は、軸部材91を水の流れに平行
に設置することにより、水力の作用で回転する。図12
(a)に示すように、羽部材93に対して上流側から下流側
に水の流れがある場合、羽部材93が下流側に傾く。そし
て、同図に矢印で示すように、羽部材93の図心を作用点
とし、上方に向けて羽部材93の作用面に対して直角に水
力Ｆが作用する。この水力Ｆは、羽部材93及び回動軸10
1を介して反時計回り方向の回転トルクを出力軸91に作
用させる。このときの羽部材93の角度は、水力Fが羽部
材93の回動軸101に作用させるモーメントと、弾性支持
機構（例えば、トーションバー）が羽部材93の回動軸10
1に反作用させるモーメントとが釣り合う角度となる。
羽部材93の角度は、流速に応じて回転トルクを得るのに
最適な角度になる。

【００７７】なお、図12(b)に示すように、羽部材93に
対して下流側から上流側に流れる水の流れがある場合
は、羽部材93が上流側に傾く。そして、同図に矢印で示
すように、羽部材93の図心を作用点とし、上流側に向け
て羽部材93に対して直角に水力Fが作用する。この水力F
は、羽部材93及び回動軸101を介して反時計回り方向の
回転トルクを出力軸91に作用させる。従って、この水車
90は、本発明の水中発電装置が河口付近に設けられた場
合に、潮の干満で川の流れの方向が逆転した場合でも、
回転トルクを発生させることができる。

【００７８】以上、第2実施形態の水車90を説明した
が、第2実施形態の水車90は上記に限定されるものでは
ない。

【００７９】例えば、羽部材93が内径側の回動軸101に
よって出力軸91の固定部材92に、十分な安全性を備えて
取り付けられていれば、枠部材94及び外径側の回動軸10
2は省略できる。

【００８０】第2実施形態の水車90は、出力軸91にさら
に上記の第1実施形態の水車50を組み付ければ、3次元的
にどの方向の水の流れに対しても出力軸91を一定の方向
に回転させる水車を実現することができる。この場合、
第1実施形態の水車50と第2実施形態の水車90によって、
出力軸91に作用する回転トルクの方向を揃えて、第1実
施形態の水車50と第2実施形態の水車90を組み付ける。
例えば、第1実施形態の水車50の羽部材55に作用する水
力の作用点の位置が回動軸よりも円周方向左側になるよ
うに各羽部材55の向きを揃えて、出力軸91に反時計回り
の回転トルクが作用するように組み付け、これに合わせ
て、第2実施形態の水車50も、羽部材93に作用する水力
の作用点の位置が回動軸101よりも円周方向左側になる
ように各羽部材93の向きを揃えて、出力軸91に反時計回
りの回転トルクが作用するように組み付ける。

【００８１】これにより、軸方向の水の流れに対して
は、第２実施形態の水車90により出力軸91に反時計回り
の回転トルクが作用し、半径方向の水の流れに対して
は、第1実施形態の水車50により出力軸91に反時計回り
の回転トルクが作用するようになる。この水車90によれ
ば、軸方向及び半径方向のいずれの方向の水の流れに対
しても、出力軸91に反時計回りの回転トルクを作用させ
ることができるので、この水車90は、流れの方向が一様
でない波の海洋波エネルギを回収する水車とすることが
できる。また、上下方向の水の流れを回収することがで
きるので、防波堤などの岸壁に設置し、防波堤にあたっ
て上下に流動する波のエネルギを効率良く回収すること
ができる。従って、本発明の水中発電装置に上記のよう
な水車を採用すれば、流水の方向が変化しても一定方向
に回転トルクを得て発電することができ、川の河口付近
や、海の防波堤に設置することができる。

【００８２】以上、本発明に係る水中発電装置に好適な
水車の実施形態を説明したが、本発明の水車は、上記の
ものに限定されない。

【００８３】

【発明の効果】請求項１に記載の水中発電装置は、流水
中に配設された気体室と、前記気体室内に配設された発
電機と、水車と、前記気体室の気密性を保持しつつ前記
水車の出力軸から前記発電機の入力軸に動力を伝達する
動力伝達手段とを備えているので、発電装置全体を川の
中に設置でき、陸上における設置スペースを縮小化する
ことができ、また、発電装置全体を水中に設置すること
ができるので、周辺の景観が損なわれるといった問題が
ない。

【００８４】請求項２に記載の水中発電装置は、気体室
の壁面に気体室内から気体室外にのみ通気可能な逆止弁
を設けるとともに、前記気体室に充填気体を供給するコ
ンプレッサを備えているので、気体室内に水が入り難く
気体室の気密性が向上する。

【００８５】請求項３に記載の水中発電装置は、コンプ
レッサが気体室の室内に配設されており、前記水車の出
力軸から得られる動力により駆動するので、流水のエネ
ルギでコンプレッサを駆動させることができる。

【００８６】請求項４に記載の水中発電装置は、コンプ
レッサが気体室の室内に配設されており、前記発電機で
発電された電力で駆動するので、流水のエネルギでコン
プレッサを駆動させることができる。

【００８７】請求項５に記載の水中発電装置は、気体室
が空気が充填された空気室であって、水上を浮遊する浮
遊体と、浮遊体に取り付けられた空気取込口と、空気取
込口と気体室内のコンプレッサの吸気口との間に配設し
たホースとを備えているので、水嵩が増えても浮遊体に
取り付けた空気取込口からコンプレッサに空気を供給す
ることができる。

【００８８】請求項６に記載の水中発電装置は、動力伝
達手段を気体室の壁面に取り付けたシールを通る動力伝
達軸で構成したので、気体室の気密性を確保することが
できる。

【００８９】請求項７に記載の水中発電装置は、動力伝
達手段が、水車の出力軸に取り付けた主動側磁石と、発
電機の入力軸に取り付けた従動側磁石を気体室の壁面を
挟んで配設したマグネットドライブ機構を備えているの
で、気体室の気密性をより高度に確保することができ
る。

【００９０】請求項８に記載の水中発電装置は、水車
が、軸部材と、前記軸部材の周方向所定間隔に複数の羽
部材が取り付けられた水車であって、羽部材が軸部材に
弾性的に回動可能に、かつ、各羽部材における流水のエ
ネルギが作用する作用点が羽部材の回動軸よりも軸部材
の円周方向の一方の側に隔たるように取り付けられてお
り、前記羽部材で受けた流水のエネルギを軸部材の回転
トルクとして出力するように構成されているので、羽部
材が水から受ける抵抗が少なく、水車を流水中に完全に
沈めた状態で配設することができるから、設置スペース
を縮小できるとともに、周辺の景観を損なわせるといっ
た問題がない。

【００９１】請求項９に記載の水中発電装置は、前記軸
部材を水の流れ方向に直交するように配設し、かつ、前
記軸部材の半径方向に延在した延在部に、前記羽部材を
回動軸を前記軸部材の軸方向に延在させて取り付けた構
成としたものである。

【００９２】請求項１０に記載の水中発電装置は、前記
水車の上流に、前記羽部材が水の流れ方向に対して逆行
する側へ流れる水の流れを遮る整流部材を備えているの
で、羽部材が水の流れ方向に逆行する側には羽部材に水
流が直接当たらないので、羽部材が水の流れ方向に逆行
するときに受ける抵抗が低減され、流水のエネルギの回
収効率が向上する。

【００９３】請求項１１に記載の水中発電装置は、上記
の構成において、整流部材が、羽部材が水の流れ方向に
対して逆行する側へ流れる水を、羽部材が水の流れ方向
に順行する側へ流すようにものであるので、羽部材が水
の流れ方向に逆行する側で水から受ける抵抗を低減さ
せ、かつ、羽部材が水の流れ方向に順行する側で水から
得る回転トルクが大きくなるので、流水のエネルギの回
収効率をより一層向上させることができる。

【００９４】請求項１２に記載の水中発電装置は、前記
軸部材を水の流れ方向に沿って配設し、かつ、前記羽部
材の回動軸を前記軸部材の半径方向に延在させて羽部材
を取り付けた構成にしたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る水中発電装置の横
断側面図。

【図２】 本発明に係る水中発電装置の変形例を示す横
断側面図。

【図３】 本発明に係る水中発電装置の変形例を示す横
断側面図。

【図４】 本発明に係る水中発電装置の変形例を示す横
断側面図。

【図５】 水車の一実施形態を示す横断側面図。

【図６】 水車の一実施形態を示す平面図。

【図７】 （a）は羽部材の側面図、(b)は羽部材の正面
図。

【図８】 一実施形態に係る水車を示す概略図。

【図９】 一実施形態に係る水車の水の流れがある状態
における概略図。

【図１０】 整流部材を設けた水車を示す平面図。

【図１１】 水車の他の実施形態を示すの平面図。

【図１２】 水車の他の実施形態における弾性支持機構
を示す図。

【図１３】 （a）及び(b)は、それぞれ水の流れがある
状態における他の実施形態に係る水車の羽部材を示す図
である。

【符号の説明】

10 水中発電装置 11 空気室 12 発電機 13 水車 14 増速機 15 動力伝達軸 16 水車の出力軸 17 発電機の入力軸 21 共通フレーム 22 土台 23 送電線 24、25 シール 26 基台 27、28 軸受 29 軸継手 30 マグネットドライブ機構 31 軸部材 32 増速機の入力軸 33 主動側磁石 34 従動側磁石 35 ソケット 36 軸受 40 逆止弁 41 コンプレッサ 42 浮遊体 43 空気取込口 44 ホース 46 送電線 47 駆動軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平賀 憲太郎 新潟県長岡市信濃１−５−30 国土交通省 信濃川工事事務所内 (72)発明者 山▲崎▼ 昭雄 新潟県長岡市信濃１−５−30 国土交通省 信濃川工事事務所内 (72)発明者 石田 啓 石川県金沢市田上新町６番地 (72)発明者 高地 健 大阪市西淀川区佃３丁目16番22号 エル・ ダブリュー・ジェイ株式会社内 (72)発明者 大貝 秀司 大阪市西淀川区佃３丁目16番22号 エル・ ダブリュー・ジェイ株式会社内 Ｆターム(参考） 3H074 AA08 BB10 BB19 BB30 CC11 CC50

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流水中に配設された気体室と、前記気体室
   内に配設された発電機と、水車と、前記気体室の気密性
   を保持しつつ前記水車の出力軸から前記発電機の入力軸
   に動力を伝達する動力伝達手段とを備えていることを特
   徴とする水中発電装置。
2. 【請求項２】前記気体室の壁面に気体室内から気体室外
   にのみ通気可能な逆止弁を設けるとともに、前記気体室
   に充填気体を供給するコンプレッサを備えていることを
   特徴とする請求項１に記載の水中発電装置。
3. 【請求項３】前記コンプレッサが前記気体室の室内に配
   設されており、前記水車の出力軸から得られる動力によ
   り駆動するものであることを特徴とする請求項２に記載
   の水中発電装置。
4. 【請求項４】前記コンプレッサが前記気体室の室内に配
   設されており、前記発電機で発電された電力で駆動する
   ものであることを特徴とする請求項２に記載の水中発電
   装置。
5. 【請求項５】前記気体室が空気が充填された空気室であ
   って、水上を浮遊する浮遊体と、前記浮遊体に取り付け
   られた空気取込口と、前記空気取込口と気体室内のコン
   プレッサの吸気口との間に配設したホースとを備えてい
   ることを特徴とする請求項３又は４に記載の水中発電装
   置。
6. 【請求項６】前記動力伝達手段が、前記気体室の壁面に
   取り付けたシールを通る動力伝達軸を備えていることを
   特徴とする請求項１に記載の水中発電装置。
7. 【請求項７】前記動力伝達手段が、水車の出力軸に取り
   付けた主動側磁石と、発電機の入力軸に取り付けた従動
   側磁石を、前記気体室の壁面を挟んで配設したマグネッ
   トドライブ機構を備えていることを特徴とする請求項１
   に記載の水中発電装置。
8. 【請求項８】前記水車が、軸部材と、前記軸部材の周方
   向所定間隔に複数の羽部材が取り付けられた水車であっ
   て、 前記羽部材が軸部材に弾性的に回動可能に、かつ、前記
   各羽部材における流水のエネルギが作用する作用点が前
   記羽部材の回動軸よりも前記軸部材の円周方向の一方の
   側に隔たるように取り付けられており、前記羽部材で受
   けた流水のエネルギを軸部材の回転トルクとして出力す
   るものであることを特徴とする請求項１に記載の水中発
   電装置。
9. 【請求項９】前記軸部材が水の流れ方向に直交するよう
   に配設されおり、かつ、前記軸部材の半径方向に延在し
   た延在部に、前記羽部材が回動軸を前記軸部材の軸方向
   に延在させて取り付けられていることを特徴とする請求
   項８に記載の水中発電装置。
10. 【請求項１０】前記水車の上流に、前記羽部材が水の流
    れ方向に対して逆行する側へ流れる水の流れを遮る整流
    部材を備えていることを特徴とする請求項９に記載の水
    中発電装置。
11. 【請求項１１】前記整流部材が、羽部材が水の流れ方向
    に対して逆行する側へ流れる水を、羽部材が水の流れ方
    向に順行する側へ流すものであることを特徴とする請求
    項１０に記載の水中発電装置。
12. 【請求項１２】前記軸部材が水の流れ方向に沿って配設
    されおり、かつ、前記羽部材が前記羽部材の回動軸を前
    記軸部材の半径方向に延在させて取り付けられているこ
    とを特徴とする請求項８に記載の水中発電装置。