JP2013137012A - 水力発電用増速装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水力発電用として入力軸と出力軸を同一軸線上に配置でき、さらに、最適な発電量を得るための速比が対応することができる増速装置を提供する。
【解決手段】本発明は、河川又は溜池等の用水路の流水Ｗを受け回転するスクリュウ７の回転を変速して発電機３に連結する変速機４において、前記変速機４は、入力軸１０を流水の落下または流れを受けて回転するスクリュウ軸６と連結し、出力軸１６を入力軸１０の回転数に比べて高回転にする増速機構にして発電機３に連結し、前記入力軸１０と出力軸１６を同心軸に配置し、前記出力軸１６は、入力軸１０の回転が前記増速機構を介して３倍から１３倍の領域の回転数で構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、河川又は溜池等の用水路に設置して、この用水路や河川水路を流れる流水を受けて回転するスクリュウ（回転体）を備え、このスクリュウの回転が変速機を介して発電機に伝達する水力発電用増速装置に関する。さらには、この発電機に伝達する最適な回転領域の増速機構にするために、速比を変えた複数機種の増速機構を備え、又は、この増速機構の取付け寸法を同一形状にした水力発電用増速装置に関する。

従来の遊星歯車装置は、風力発電設備の風車の回転を増速する増速機として備えられ、遊星歯車装置の軽量化を可能にし、軽量化により必要部分の寸法への影響や機能低下を伴うことが無いものとして、風力発電設備の軽量化と小型化を図ったものが提供されている。軽量化は、入力側の遊星歯車を回転自在に支承する軸を中空軸として、複数段に連結して高速用に増速している。

特開２００６−００９５７５号公報

しかし、この遊星歯車装置は入力軸と出力軸を同一軸線上に配置できなく、軸径方向に広がり、風力発電設備を大きくする欠点がある。さらに、この遊星歯車装置は、水力発電装置の水の流れの傾斜方向に配置して利用するとき、水田作業の工程とか季節とかに合わせて、週ごとに河川の環境が変化しているが、最適な発電量を得るための速比が対応することができない問題があった。

本発明は、河川又は溜池等の用水路を流れる流水をスクリュウが受けて回転運動に変換し、この回転運動の回転数を変速して、発電機に適した回転に増速領域で設置し、流水に合わせたスクリュウの回転の機種を揃え、容易に取付け可能にすることができる水力発電用増速装置を提供することを目的としている。この増速装置は、速比を３倍から１３倍に増幅するものである。さらには、増速機構の複数機を同一の取付け寸法にして、軸径も同じで同軸心の形状にし、水量変化に対応する機種を容易に交換する水力発電用増速装置（水力発電用増速機）を提供するものである。

請求項１に係る発明では、用水路又は河川水路の流水によりスクリュウを回転させて、この回転を増速して発電機に連結する変速機（増速機構）が備えられている。この変速機は、入力軸を流水の落下または流れを受けて回転するスクリュウ軸と連結し、出力軸を入力軸の回転数に比べて高回転にする増速機構にして発電機に連結する。この変速機の入力軸と出力軸は、同心軸に配置し、この出力軸の回転が増速機構を介して入力軸の回転より３倍から１３倍の領域の回転数の機種にする構成とする。

請求項２に係る発明では、請求項１の水力発電用増速装置において、増速機構は、増速比が異なる複数の機種から選定され、出力軸の回転数が発電機の高効率回転数となるように入力軸の回転数を増幅することを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項２の水力発電用増速装置において、複数の機種は、それぞれ同一の入力軸径、出力軸径、及び、取付けベース位置に構成されている。

請求項４に係る発明では、請求項１から３のいずれかの水力発電用増速装置において、増速機構は、内歯車の中心に出力軸の歯車を配置して、該歯車に噛合う３点遊星歯車である構成とする。

請求項５に係る発明では、請求項１から４のいずれかに記載の水力発電用増速装置において、スクリュウ軸と入力軸とを連結する連結軸と、連結軸の一端に設けられ、連結軸とスクリュー軸とを屈折させて連結する第１連結部と、連結軸の他端に設けられ、連結軸と入力軸とを屈折させて連結する第２連結部と、をさらに備え、スクリュウが水流に対向して回転するように配置され、スクリュウの回転が第１連結部、連結軸及び第２連結部を介して入力軸に伝達されることを特徴とする。

請求項１に係る発明の構成では、スクリュウの回転数を３倍〜１３倍の範囲の増速比にすることで、河川の状態や流水の量に応じて、回転数を選定することができ、環境状態に適した必要な回転数の変速機を設置することができる作用がある。これにより、用水路又は河川水路の形状やその流水量の変化に対応させて、スクリュウ軸の回転数を、３倍〜１３倍の範囲で増速比を最適に選択して出力軸で増幅させることができ、より効率的に発電できるという効果がある。

請求項２に係る発明の構成では、用水路又は河川水路の流水の速度で決定するスクリュウ軸の回転を、発電機の高効率回転数に合わせることにより、最適な発電性能を発揮することができる。

請求項３に係る発明の構成では、増速比の変更で機種を交換する時に、取付け寸法が同一であるため、容易に変速可能に交換ができる作用がある。これにより、河川の流量の状況変化による変速機の速比変更でも、同一寸法であるため、スクリュウ軸と発電機を今までのもので連結可能であり、変速機の機種の交換が容易にできる効果がある。

請求項４に係る発明の構成では、太陽歯車である出力軸の歯車の歯数、または、内歯車の歯数を変更しても軸径と取付けベースの寸法を同一にすれば、スクリュウ軸も発電機も同じもので変更することなく、速比を変えた変速機を容易に交換することができる作用がある。これにより、入力軸径と出力軸径と取付けベースを同一にして、太陽歯車の出力軸の歯数を少なくする噛合わせと、変速機の内歯車の歯数を大きくする噛合わせにより、より増速することができる速比に変更する機種にすることができる効果がある。

請求項５に係る発明の構成では、第１連結部及び第２連結部によって、スクリュウ軸と入力軸とを屈折させ、且つ、入力軸と出力軸とを屈折させることにより、用水路又は河川水路の流水に合わせてスクリュウを最も効率的に回転するように河川の流水に対向させて配置することができる。さらに、第１及び第２連結部の２点で屈折しているため、全ての軸を直線的に配置する場合と比較して、発電機の配置箇所等についても選択の幅が拡がり、河川環境に対応して、最適な発電性能を発揮することができる。

本発明の一実施例の変速機を採用した水力発電用増速装置の説明図。 変速機の構造を示す断面図。 本発明の別実施例の水力発電用増速装置の斜視図。 図３の水力発電用増速装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図。 水力発電用増速装置のスクリュウの変形例を示す図。 水力発電用増速装置のスクリュウの変形例を示す図。 水力発電用増速装置のスクリュウの変形例を示す図。

（実施例１）
本発明の一実施例の水力発電用増速装置（水力発電装置又は水力発電用増速機）１は、変速機（増速機構）４が河川又は溜池等の用水路Ｋを流れる流水Ｗを受けて回転するスクリュウ７を駆動源に入力軸１０を回転させるときに、変速機４の出力軸１６を増速回転させ、発電機３に入力回転することで発電させる。このスクリュウ７は、河川の用水路Ｋの流水Ｗの量により大きく影響するもので、高トルクの回転を得る流量から低トルクの回転を得る流量があり、環境により変速機４の速比を変更する必要がある。速比の変更は、変速機４を取り替えることで、容易に速比変えることを目的にして、変速機４の交換を可能にする取付け寸法を共通化する構造を提供するものである。

図１は、河川又は溜池等を流れる水を別途に設ける用水路Ｋに導き、その用水路Ｋに段差Ｄを付けて水量に落下速度つけることで、流水Ｗのエネルギーを増大させて、回転エネルギーに変換して発電させるようにした設備である。用水路Ｋの水は、河川から引き入れる水門に流木・空缶・袋・紐等のごみを遮断する網が入口に設置してあり、水だけが流れるものである。落下する水は、縦方向の鉛直に設置してあるスクリュウ７が回転可能に軸着してある。

スクリュウ７は、用水路Ｋの床面にスクリュウ軸受２７を備え、鉛直にスクリュウ軸６を備え、継手５を介して固着した変速機４に連結して、変速機４から継手５ａを介して発電機３に駆動回転させる。スクリュウ軸６は、スクリュウ７の回転を正確に効率よく伝達しなければならず、上部をベース８ａの軸受２１に支持させ、このベース８を用水路Ｋの両岸から鋼材のフレームを渡して固着して支持している。

変速機４は、落下水の流水Ｗを駆動源にして、低速回転の大きなトルクを得るスクリュウ７の回転数を高速回転に変える増速機であり、速比を3倍速から１３倍速までの機種を備えている。

例えば、発電機３の最効率（又は高効率）回転数を１５００ｒｐｍのもので、スクリュウ軸６の回転数が３７５ｒｐｍの時に変速機４を４倍速に選定する。また、スクリュウ軸６の回転数が１５０ｒｐｍのときは、１０倍速の変速機４を選定する。変速機の選定は、入力軸１０の回転数と出力軸１６の回転数により算出できるが、用水路Ｋを流れる流水Ｗを受けるスクリュウ７の回転トルクがどのくらいかにより、小さければ３倍速になり大きければ１３倍速まで選定でき、発電機３の効率の高い１５００〜３６００ｒｐｍを選定でき、出力も１．５〜１８ＫＷまでを選定することができる。

なお、変速機４による増速比が３倍未満であると、発電機３の入力における回転（すなわち出力軸１６での回転）が不十分であるため、発電機３が十分な発電性能を発揮することができない。他方、増速比を１３倍より大きくすると、スクリュウ軸６を回転させるためのエネルギーもその分大きくなるため、通常の用水路Ｋ（又は河川水路）の流水Ｗではスクリュウ７及びスクリュウ軸６を回転させるのが困難となる。すなわち、本発明における３倍から１３倍までの増速比が、用水路Ｋの流水Ｗに対して発電機３を有効に作動可能であり、尚且つ、発電機３に優れた発電効率を発揮させるのに最適な範囲である。

上述した選定は、取付け寸法を同一にすることで、容易に取り替えをすることができ、環境の変化による流水Ｗが増加してスクリュウ軸６のトルクが増加した時、変速機４の倍速値を変えることで、発電機３の出力に最効率回転数を選定することで、取付け寸法が同一のため、目的の設定値に容易に交換することができ、最適な発電を発生させることができる。

図２は、変速機４を説明するもので、ケース本体９の下面に備えた軸受１７から入力軸１０を突出して、上面に備えた軸受１７ａから出力軸１６を突出する同心軸である。入力軸１０は、流水Ｗにより回転する駆動力のあるスクリュウ７に連結してあり、スクリュウ軸６に継手５を介してトルクを伝達する。出力軸１６は、入力軸１０の高トルクの低回転を増速することで、低トルクの高回転に変速して、最適の回転数を同心上の発電機３に伝達している。同心の軸は、出力軸１６の高速回転と、入力軸１０の高トルク回転が同じ中心で回転するため、振れ・振動の発生が少なく、小型にできる作用があり、効率よく伝達する。

変速機４の内部は、入力軸１０が円板状のキャリア１１の中心に嵌着して、スクリュウ軸６の回転をキャリア１１に伝達して、キャリア１１に３等分して遊着された遊星歯車１２を回転させる。この遊星歯車１２は、キャリア１１に連動ピン１３を固着して、この連動ピン１３に遊星歯車１２が回転可能にメタル・ベアリングを介して支承され、外周面に噛合う内歯車１４に沿ってピニオン１５に増速した回転を伝達する。

ピニオン１５は、出力軸１６と一体に備えてあり、軸受１７に支承されて高速回転で出力軸１６を回転させる。ケース本体９は、用水路Ｋに設置されたベース８に搭載して固着される取付けベース１８を備え、インロー２０により正確に容易に取付け孔１９にボルトで締結される。

増速比は、３倍〜１３倍にして、ピニオン１５と内歯車１４の歯数を変更することで速比が変わり、介在する遊星歯車１２を噛合うように設置すればよい。例えば、内歯車１４の歯数を９９枚にして、ピニオンの歯数を４５枚にすると３倍の増速になり、ピニオンの歯数を９枚にして、内歯車１４を歯数を１０５枚に変えることで１３倍に変更することができる。また、内歯車の歯数を９９枚〜１３２枚のものを数点備え、ピニオンの歯数を９枚〜４５枚のものに変化させることで、機種が多種類にでき、あらゆる用水路Ｋと流水Ｗの環境に対する用途に応えることができる。

水力発電用増速装置１は、スクリュウ７に流水Ｗの流れる抵抗を受けて回動をし、スクリュウ軸６を回転させて駆動力として変速機４に高トルクの低回転数を入力軸１０に伝達することで、変速機４の出力軸１６から低トルクの高回転数を得ることができ、発電機３に伝達することで電気を発生させることができる。入力軸１０は、始動時に大きなトルクを必要として、スクリュウ７の羽根の角度を変化させより高トルクの入力を得るようにして、増速比の低いものでは可能であり、増速比が高くなると流水Ｗだけでは入力軸１０を駆動回転ができないので、外部からの駆動力を付加することになる。

外部の付加は、水力発電用増速装置１の発電機３を電動モータの作用にして、初期時だけ発電機３を駆動させて変速機４の出力軸１６を回転させて、高トルクの低回転を入力軸１０に伝達して、スクリュウ軸６を回転させる。このスクリュウ軸６の回転は、起動時の初期回転をすることで、流水を受けて駆動力を得ることができ、発電機３を発電作用に切り替えて発電装置としての機能を発揮する。

（実施例２）
実施例１の水力発電用増速装置１では、スクリュウ軸６から出力軸１６まで直線的に延びており、当該出力軸１６の上に発電機３が配置されている。さらに、用水路Ｋの水流Ｗが垂直下方向に流れ落ちるように段差Ｄを設けている。これに対して、実施例２の水力発電用増速装置１０１では、図３に示すとおり、スクリュウ軸１０６と入力軸１１０との間に、その両端に第１及び第２連結部１３１及び１３２を備えた連結軸１３０を介在させている。さらに、用水路（又は河川水路）Ｋには、人工的な段差Ｄが設けられておらず、水流Ｗが用水路Ｋに沿って上流から下流に向けて発生している。

すなわち、水力発電用増速装置１０１は、用水路Ｋの流水Ｗに対向して回転するプロペラ形のスクリュウ１０７と、当該スクリュウ１０７が軸接されたスクリュウ軸１０６と、当該スクリュウ軸１０６の一端に第１連結部１３１を介して屈折（直交）して接続された連結軸１３０と、当該連結軸１３０の他端に第２連結部１３１を介して屈折（直交）して接続された入力軸１１０と、当該入力軸１１０の回転を増速可能に構成された変速機（増速機構）１０４と、入力軸１１０と同心軸に配置されていると共に当該変速機１０４の出力を発電機１０３に伝達する出力軸１１６と、を備えている。つまり、用水路Ｋの水中にスクリュウ軸１０６が配置され、当該スクリュウ軸１０６の端部（第１連結部１３１）から連結軸１３０が用水路Ｋの水面の垂直上方に延び出て、さらに、連結部１３０の端部（第２連結部１３２）から入力軸１１０が用水路Ｋの沿岸にまで延びている。そして、入力軸１１０が接続される変速機１０４、及び、変速機１０４の出力を受ける発電機１０３が沿岸に配置されている。なお、変速機１０４は、実施例１の変速機４と同様の構造を有し得るため、その説明を省略する。

図４（ａ）に示すとおり、用水路Ｋの流水Ｗに沿って配置されたスクリュウ軸１０６の回転が第１連結部１３１を介して上方に折れ曲がって直交する連結軸１３０に伝達される。図４（ｂ）に示すとおり、連結軸１３０の回転が第２連結部１３２を介して側方に直交する入力軸１１０に伝達される。このとき、第１及び第２連結部１３１及び１３２は、その内部にベベルギヤ（かさ歯車）又はハイポイドギヤを有しており、直交（屈折）方向にスクリュウ軸１０６からの回転を効率的に伝達可能である。そして、当該伝達された入力軸１１０の回転が、変速機１０４を介して３〜１３倍に増幅され、この増幅した回転が同心軸に配置された出力軸１１６に伝達され、当該出力軸１１６からの出力が発電機１０３に入力されることによって、発電機１０３が電力を発電する。なお、本発明の屈折角は直角に限定されず、流水Ｗの方向に応じて最大発電効率を達成するように任意に変更可能である。例えば、流水Ｗの方向に合わせるために、ベベルギヤを交換して軸間の屈折角を変更することができる。あるいは、即時に屈折角を調節して固定できるように角度調節手段を追加することもできる。このような角度調節手段として、第１及び第２連結部１３１、１３２で各軸を９０度以上に折曲可能にするために、従来式の自在継手（ユニバーサルジョイント）を採用することができるが、本明細書では図示することを省略する。

また、図３及び４のスクリュウ（回転体）１０７は、プロペラ式のものが採用されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５のようなアルキメディアン・スクリュー１０７Ａを採用してもよい。また、図６のようなタービン式のスクリュウ１０７Ｂであってもよい。あるいは、図７のように水車式の回転体１０７Ｃを選択することができる。この場合、回転体１０７Ｃが用水路Ｋの流水Ｗに対向して回転するように配置されているので、スクリュウ軸１０６Ｃが用水路Ｋの流水Ｗと直交するように配置される。そして、第１連結部１３１Ｃがスクリュウ軸１０６Ｃと連結軸１３０Ｃとを直交するように連結し、且つ、第２連結部１３２Ｃが連結軸１３０Ｃと入力軸１１０Ｃとを直交するように連結して、スクリュウ軸１０６Ｃの回転を、同様に、陸上に配置された変速機１０４Ｃまで伝達することができる。

本実施例２の水力発電用増速装置１０１では、回転伝達機構（ベベルギヤ又はハイポイドギヤ）を有する第１連結部１３１及び第２連結部１３２によって、スクリュウ軸１０６と入力軸１１０とを直交させ、且つ、入力軸１１０と出力軸１１６とを直交させることにより、各軸の角度関係を用水路Ｋの流水に合わせて調節することができるので、スクリュウ１０７を最も効率的に回転させるように用水路Ｋの流水Ｗに対向させて配置することができる。

さらに、この各軸の屈折関係により、変速機（増速機）１０４及び発電機１０３を水上の沿岸部に配置することができる。すなわち、実施例１の水力発電用増幅装置１では、各軸が一直線に配置され、変速機４及び発電機３が水面近傍に設置されているため、外枠２及びケース９によって内部を密閉する防水処理を十分に施さなければ、変速機４及び発電機３の内部に水が入り込んで装置が故障する虞があった。さらに、鋼性のワイヤによって、水力発電用増幅装置１及び発電機３を宙に浮いた状態でしっかりと支持しなくてはならなかった。これに対して、実施例２の水力発電用増幅装置１０１では変速機１０４及び発電機１０３を陸上に配置可能であるので、装置内に水が入り込んで故障する虞を著しく軽減させることができる。さらに、実施例１のようにワイヤ等で装置自体を水上に固定する必要がなくなるため、設置が容易であると共に安定して設置可能であるという利点を有する。

したがって、実施例２の水力発電用増速装置１０１によれば、発電効率を犠牲にすることなく、変速機１０４及び発電機１０３の設置箇所を任意に選択し、当該水力発電用増速装置１０１を容易に設置可能であるという効果を奏する。

本発明は上述した実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限りにおいて種々の態様で実施しうるものである。

１、１０１ 水力発電用増速装置
２ 外枠
３、１０３ 発電機
４、１０４ 変速機（増速機構）
５ 継手
６、１０６ スクリュウ軸
７、１０７ スクリュウ
８ ベース
９ ケース本体
１０、１１０ 入力軸
１１ キャリア
１２ 遊星歯車
１３ 連動ピン
１４ 内歯車
１５ ピニオン
１６、１１６ 出力軸
１７ 軸受
１８ 取付けベース
１９ 取付け孔
２０ インロー
２７ スクリュウ軸受
１３０ 連結軸
１３１ 第１連結部
１３２ 第２連結部
Ｗ 流水
Ｏ 軸心
Ｋ 用水路（河川水路）

Claims (5)

1. 用水路又は河川水路において、その流水を受けて回転するスクリュウの回転を変速し、発電機に連結する水力発電用増速装置であって、
   前記スクリュウが着設し、流水の落下または流れを受けて回転するスクリュウ軸と、
   前記スクリュウ軸の回転が伝達される入力軸と、
   前記入力軸の同心軸に配置されていると共に、前記発電機に連結した出力軸と、
   前記入力軸と前記出力軸との間に介在し、前記入力軸から入力した回転を３倍から１３倍の範囲で増幅して前記出力軸に出力する増速機構と、を備えることを特徴とする水力発電用増速装置。
2. 前記増速機構は、増速比が異なる複数の機種から選定され、前記出力軸の回転数が前記発電機の高効率回転数となるように前記入力軸の回転数を増幅することを特徴とする請求項１に記載の水力発電用増速装置。
3. 前記複数の機種は、それぞれ同一の入力軸径、出力軸径、及び、取付けベース位置に構成されていることを特徴とする請求項２記載の水力発電用増速装置。
4. 前記増速機構は、内歯車の中心に出力軸の歯車を配置して、該歯車に噛合う３点遊星歯車であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の水力発電用増速装置。
5. 前記スクリュウ軸と前記入力軸とを連結する連結軸と、
   前記連結軸の一端に設けられ、前記スクリュー軸と前記連結軸とを屈折させて連結する第１連結部と、
   前記連結軸の他端に設けられ、前記連結軸と前記入力軸とを屈折させて連結する第２連結部と、をさらに備え、
   前記スクリュウが水流に対向して回転するように配置され、前記スクリュウの回転が前記第１連結部、前記連結軸及び前記第２連結部を介して前記入力軸に伝達されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の水力発電用増速装置。

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