JP2019055671A - ウォータージェット推進機、船舶及び水陸両用車 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータによる損失を防ぐことで、発動機９５１による消費電力と主発動機９２０の発電能力の差を少なくし、主発動機９２０の発電能力が小さくても動作するウォータージェット推進機を提供することにある。【解決手段】始動器盤１５２に含まれるコンバータとしてマトリクスコンバータ１５２ａを使用する。マトリクスコンバータ１５２ａは高速かつ正確な制御が必要とされるが、それを満たせば損失の少ない理想的なコンバータとして使用することができる。結果、主発電機１２０を小型のモノにすることができ、船内容量の確保や燃費の軽減に資することができる。【選択図】図４

Description

本発明はウォータージェット推進機、特にモータで動作するウォータージェット推進機に関する。

ウォータージェット推進機は、船底から汲み上げた水を、主機（動力源）により動作する高圧ポンプで、後方のノズルから勢い良く吐出する事で推進力を得る機関である（Ｗｉｋｉｐｅｄｉａより一部修正）。ウォータージェット推進機の特徴としては高速、静粛性の面で優れているが、推進効率及び航続距離の面でプロペラに劣る。

図１は、従来の機械式駆動方式によるウォータージェット推進機の構成を表すブロック図である。また図２は、ポンプジェットスラスター９０１及びその中に含まれるインペラ９０２の周辺を表す断面図である。

このウォータージェット推進機は、ポンプジェットスラスター９０１、インペラ９０２、カップリング９０３、エンジン９０４、制御装置９１０、遠隔操縦装置送受信部９１１、遠隔盤９１２、主発電機９２０を含んで構成される。

ポンプジェットスラスター９０１は、一種の軸流水ポンプである。カップリング９０３より伝達される回転トルクによってインペラ９０２を回転させ、船底の開口部９５１から水を吸い込む。以下ポンプジェットスラスターの簡単な動作を説明する。

インテーク９９１から吸い込まれた水は、インペラ９０２によって圧縮されディフューザ９９２を通り、ノズル９９３で絞られてジェット噴流として、噴出される。この反動推力が推進力となる。

カップリング９０３は、エンジン９０４の発生する回転トルクを伝達する為の軸継手及び変速器である。なお、図２では軸継手のみを記載している。本出願は後述する電動機でインペラを回動させるものであり、変速機は基本不要だからである。但し、変速機があっても本願の射程から外れることはない。

エンジン９０４は、インペラ９０２に回転トルクを与えるための発動機である。カップリング９０３を介してエンジンで発生したトルクはインペラ９０２に伝達される。

制御装置９１０は、エンジン９０４の制御を行うためのコントローラである。

遠隔操縦装置送受信部９１１は、制御装置９１０を遠隔操作する為の図示しないリモコンからの無線信号を受信し、ステータスデータ等を送信する送受信部である。遠隔制御や遠隔でのステータスの監視を行わない場合には、遠隔操縦装置送受信部１１１が不要になることは言うまでもない。

遠隔盤９１２は、制御装置９１０を遠隔操作する為の制御盤である。制御装置９１０との間は有線で接続される。

主発電機９２０は、制御装置９１０を動作させるための電力を供給するための発電機である。

図３は、従来の電気式駆動方式によるウォータージェット推進機の構成を表すブロック図である。

図１と図３の相違点は、モータで動かすか、エンジンで動かすか、である。すなわち図３はモータ（発動機９５１）でインペラ９０２を動かしているのである。ここでは、図１と図３の相違点のみ説明する。

発動機９５１はインペラ９０２を動かすモータである。

始動器盤９５２は、発動機９５１を始動する際に操作者の手を煩わせずに徐々に負荷を上げていくことで発動機９５１や発動機９５１の発生する駆動力を伝達するベルト等（あればだが）が壊れることを防ぐスタータ及びその操作盤である。具体的には始動器盤９５２とは主発電機９２０から発動機９５１へ供給される電力を制御するモノである。

主発電機９２０は、制御装置９１０を動作させるための電力を供給するための発電機である。図３では発動機９５１へ供給される電力も用意する為、図１の主発電機９２０よりも出力は大きくする必要がある。

図１の形態と図３の形態の良否は運用の形態によってさまざまである。しかし主発電機９２０を常時パワーバンドで稼働するようにし、図示しない蓄電池等に充電するようにすれば、高効率で動作できる。よって、最近では図３の実施形態を採用する場合が増えている。

特開２００２−０８７３８９（特許文献１）には、モータで駆動するサイドスラスターが記載されている。

特開２００２−０８７３８９

しかし、特許文献１記載の発明では、モータを用いることのみが記載されていない。しかし、実装する際には色々と問題がある。

電動機９５１を動かすには、インバータ制御を行う。すなわち、主発電機９２０の出力の周波数と電動機９５１の動作周波数が異なる場合には、主発電機９２０の出力を一旦直流に変換したのちに、電動機９５１の動作周波数をもつ交流に再変換する必要がある。図３では始動器盤９５２がこの役割を果たす。

このインバータ制御は交流を直流に変換するときに高調波を生じる。そしてこの高調波の発生により電力損失が生じることになる。

本発明の目的は、インバータによる損失を防ぐことで、発動機９５１による消費電力と主発電機９２０の発電能力の差を少なくし、主発電機９２０の発電能力が小さくても動作するウォータージェット推進機を提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本発明に関わる代表的なウォータージェット推進機は、電動機によってポンプジェットスラスターを動作させるものであって、マトリクスコンバータを介して主発電機からの電力を電動機に供給することを特徴とする。

このウォータージェット推進機において、電動機がポンプジェットスラスターのインペラを回動させることを特徴としても良い。

このウォータージェット推進機において、マトリクスコンバータが始動器盤に含まれることを特徴としても良い。

このウォータージェット推進機において、始動器盤が電動機を保護することを特徴としても良い。

このウォータージェット推進機において更に制御装置を含み、この制御装置が電動機を制御することを特徴としても良い。

このウォータージェット推進機において、制御装置に遠隔操縦装置送受信部を含むことを特徴としても良い。

このウォータージェット推進機において、遠隔操縦装置送受信部を介して制御装置が遠隔制御可能なことを特徴としても良い。

これらのウォータージェット推進機を用いた主推進機を持つ船舶またはこれらのウォータージェット推進機を用いたサイドスラスターを持つ船舶も本発明の射程に含まれる。

また、これらのウォータージェット推進機を用いた主推進機を持つ水陸両用装甲車も本発明の射程に含まれる。

本明細書記載の発明によって、熱損失等の電力のロスを防ぎ、より小型の主発電機で動作するウォータージェット推進機を実現することにある。

また本発明記載の発明によって主発電機の小型化が可能になり、結果船内容量の確保が容易になる。

従来の機械式駆動方式によるウォータージェット推進機の構成を表すブロック図である。 ポンプジェットスラスター及びインペラの周辺を表す断面図である。 従来の電気式駆動方式によるウォータージェット推進機の構成を表すブロック図である。 本発明に関わるウォータージェット推進機の構成を表すブロック図である。 従来の始動器盤の概念図である。 本発明の始動器盤の概念図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を説明する。
図４は、本発明に関わるウォータージェット推進機の構成を表すブロック図である。
本発明に関わるウォータージェット推進機は、ポンプジェットスラスター１０１、それに含まれるインペラ１０２、カップリング１０３、制御装置１１０、遠隔制御装置送受信部１１１、遠隔盤１１２、主発電機１２０、電動機１５１、始動器盤１５２を含んで構成される。

ポンプジェットスラスター１０１は、ポンプジェットスラスター９０１同様に軸流水ポンプである。図２に表した構成とほぼ同一である。

インペラ１０２は、ポンプジェットスラスター１０１の構成要素の一である。電動機１５１によってインペラ１０２は回動する。その回動によって水が圧縮される。ディフューザ９５２を通り、ノズル９５３で絞られてジェット噴流として、噴出される。この反動推力が推進力となる。図1の相違点とすれば、インペラ１０２を回動させるのが電動機１５１か、エンジン９０４かという相違しかない。

カップリング１０３は、電動機１５１の駆動軸とインペラ１０２を回す従動軸をつなぎ、動力を伝達する軸継手である。

制御装置１１０は、電動機１５１及びその他の制御対象を制御するためのコントローラである。主発電機１２０から供給される電力によって制御装置１１０は動作する。

遠隔操縦装置送受信部１１１は、制御装置１１０を遠隔操作する為の図示しないリモコンからの無線信号を受信し、ステータスデータ等を送信する送受信部である。従来例同様、遠隔制御や遠隔でのステータスの監視を行わない場合には、遠隔操縦装置送受信部１１１が不要になることは言うまでもない。

遠隔盤１１２は、制御装置１１０を遠隔操作する為の制御盤である。制御装置１１０との間は有線で接続されるのは従来例と同様である。

主発電機１２０は、電動機１５１、制御装置１１０他に電力を供給するための発動機である。主発電機１２０は交流出力となるので、電動機１５１で用いる周波数で発電するのが良いが、費用や設置スペースの都合でそのようにはいかないことが多い。なお、制御装置１１０は直流で動くことが想定されるが、本図においては制御装置１１０内に交流直流変換回路が用意されているものとする。

始動器盤１５２は、主発電機１２０が発電した交流電力を一旦直流に変換せずに、電動機１５１が求める異なる周波数に変換する直接式周波数変換器（マトリクスコンバータ１５２ａ）を含むスタータ及びその操作盤である。

始動器盤１５２と図３の始動器盤９５２の相違点を説明する。図５は始動器盤９５２の内部構成を表す概念図であり、図６はマトリクスコンバータ９５２の概念図である。

図５からも明らかなとおり、図３の始動器盤９５２における交流の周波数変換ではコンバータ９５２ａが周波数ｆ１の交流を一旦直流に変換する。そして、その変換した直流をインバータ９５２ｂが周波数ｆ２の交流に変換する。

しかし、このような変換を行うと発熱等による損失が極めて大きなものになる。すなわち、周波数ｆ２の所望の交流電力を得ようとすると、周波数ｆ１の交流を発生させる主発電機９２０の発電電力量はその所望の電力の数倍〜十数倍が必要になる。このような損失は好ましくないのは言うまでもない。

一方本願発明では、始動器盤１５２はマトリクスコンバータ１５２ａによって交流・交流変換を行う。

マトリクスコンバータ１５２ａは図５の間接式周波数変換方式と異なり直流リンク部をもたず、直接周波数変換を行うため、唸り周波数の発生や入出力電流波形のひずみが懸念される。但し、１２０度ごとの位相差を持つ平衡した三相の瞬時電力は一定になることを利用すれば、入出力のうなりを抑制しながら、ひずみのない入出力電流を得ることができる。

いずれにしても、マトリクスコンバータ１５２ａを有効なコンバータとして機能させるにはスイッチングを高速かつ的確に行う必要があるが、実現できれば損失の少ない高性能なコンバータになる。そして、その高性能なコンバータをウォータージェット推進機に適用すれば、主発電機１２０の出力を大きくしなくとも十分な推進力を船に与えることが可能になる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。

例えば、サイドスラスターとしてウォータージェット推進機を用いる場合が考えられる。船の主推進機と異なり、接岸や離岸、港内の方向転換での使用が主な目的となるサイドスラスターの場合、その目的に叶うだけ主発電機１２０の出力を必要なだけ小さくすることで、船の自重を軽くすることができる。結果燃費の向上や船内容積の確保が容易になる。

本発明は船や水陸両用車、水陸両用装甲車等で用いるウォータージェット推進機に用いることが可能である。また、主推進機として用いるだけでなくサイドスラスターなどの補助的な推進機関として使用することも視野に含まれる。

また、高速性や正確性をそれほどシビアに見ない用途であれば、始動器盤１５２内のマトリクスコンバータ１５２ａをサイクロコンバータに置き換えることも本発明の射程に含まれる。

１０１、９０１：ポンプジェットスラスター、
１０２、９０２：インペラ、
１０３、９０３：カップリング、
１１０、９１０：制御装置、
１１１、９１１：遠隔制御装置送受信部、
１１２、９１２：遠隔盤、
１２０、９２０：主発電機、
１５１：電動機、
１５２、９５２：始動器盤、
１５２ａ：マトリクスコンバータ、
９０４：エンジン、
９５１：電動機、
９５２ａ：コンバータ、
９５２ｂ：インバータ、
９９１：インテーク、
９９２：ディフューザ、
９９３：ノズル。

Claims (10)

1. 電動機によってポンプジェットスラスターを動作させるウォータージェット推進機であって、
   マトリクスコンバータを介して主発電機からの電力を前記電動機に供給することを特徴とするウォータージェット推進機。
2. 請求項１記載のウォータージェット推進機において、
   前記電動機が前記ポンプジェットスラスターのインペラを回動させることを特徴とするウォータージェット推進機。
3. 請求項２記載のウォータージェット推進機において、前記マトリクスコンバータが始動器盤に含まれることを特徴とするウォータージェット推進機。
4. 請求項３記載のウォータージェット推進機において、前記始動器盤が前記電動機を保護することを特徴とするウォータージェット推進機。
5. 請求項４記載のウォータージェット推進機において更に制御装置を含み、前記制御装置が前記電動機を制御することを特徴とするウォータージェット推進機。
6. 請求項５記載のウォータージェット推進機において、前記制御装置に遠隔操縦装置送受信部を含むことを特徴とするウォータージェット推進機。
7. 請求項６記載のウォータージェット推進機において、前記遠隔操縦装置送受信部を介して前記制御装置が遠隔制御可能なことを特徴とするウォータージェット推進機。
8. 請求項１乃至７記載のウォータージェット推進機を用いた主推進機を持つ船舶。
9. 請求項１乃至７記載のウォータージェット推進機を用いた主推進機を持つ水陸両用車。
10. 請求項１乃至７記載のウォータージェット推進機を用いたサイドスラスターを持つ船舶。
    

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