JP4783945B2 - ウォータージェット推進装置 - Google Patents

Description

本発明は、水流を後方に噴出してその反動で水上を航行する船に使用されるウォータージェット推進装置に関する。

船艇の推進方式としてプロペラ推進が一般に採用されている。ただし、高速航行時には効率が悪くなることから、高速航行に適した推進装置として、ウォータージェット推進装置が知られている。このウォータージェット推進装置は、導水管内に配されたインペラを回転することにより、水没させた吸込口から導水管内に水を吸引して加圧し、吐出口から加圧水を噴射して船艇を推進させるものとして知られている。

このようなウォータージェット推進装置としては、回転軸に配されたインペラを回転させるものが種々提案されている。しかし、インペラを高速回転させた状態で回転軸の剛性を維持するために、回転軸が大径になってしまい、導水管内で回転軸が水の抵抗となってしまう。また、導水管内に回転軸が配置されてしまうため、導水管と回転軸とのシールが必要になり、装置が大掛かりになる。そこで、インペラの代わりにインペラが配された管状のシュラウドを誘導電動機によって回転させるものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このウォータージェット推進装置は、内側に固定子が配されたハウジングに対して、インペラーと回転子とが配されたインペラー集合体をハウジングの中空部に配することにより、固定子と回転子とを誘導電動機として協働させ、ハウジングに対してインペラ集合体を回転駆動させている。これにより、ハウジング内に水流を発生させることができる。
特開平７−１８７０８１号公報

しかしながら、上記ウォータージェット推進装置において、回転子に磁界を発生させるためには大電流を流す必要があり、これによる排熱量も大きくなる。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、コイルからの発熱量を低減させてインペラを導水管に対して回転駆動させることができるウォータージェット推進装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、ウォータージェット推進装置に係る第１の解決手段として、船体に配された導水管の内部に設けられて前記導水管に対して回転する回転管部の内周面にインペラが固定されたウォータージェット推進装置であって、前記導水管に対して固定され、Ｎ極及びＳ極を形成する界磁コイルが配された界磁側固定子と、前記界磁コイルが形成するＮ極に対向して前記回転管部に設けられたＮ極誘導子、及び前記界磁コイルが形成するＳ極に対向して前記回転管部に設けられたＳ極誘導子と、前記導水管に対して固定され、前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子に回転磁界を作用させる電機子コイルが配された電機子側固定子とを備え、前記界磁コイル及び前記電機子コイルが超電導コイルであることを特徴とする手段を採用する。

この手段は、Ｎ極誘導子にＮ極を誘導し、かつＳ極誘導子にＳ極を誘導することができ、電機子コイルが発生する回転磁界との間で回転管部に導水管に対する回転力を発生させることができる。この際、界磁コイル及び電機子コイルが超電導コイルなので、コイルに電流が流れても発熱量を抑えることができる。また、導水管は回転しないので、界磁コイル及び電機子コイルを固定して配置することができ、超電導コイルへの給電又は超電導コイルからの配電や冷却の際に、スリップリングやロータリージョイント等の摺動部材や回転継手部材の使用を止めることができる。さらに、Ｎ極誘導子及びＳ極誘導子には常に一定の磁極をそれぞれ誘導させることができ、各誘導子を永久磁石の代わりに使用することができる。

また、ウォータージェット推進装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記Ｎ極誘導子と前記Ｓ極誘導子とが、前記界磁側固定子を間に挟んで前記回転管部の一端側と他端側とにそれぞれ分かれて周方向に複数配されていることが好ましい。

また、ウォータージェット推進装置に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子が、前記界磁側固定子と前記電機子側固定子との間に挟まれて配され、前記界磁側固定子と前記電機子側固定子とが、互いにそれぞれ一定の間隔を設けて、前記導水管に配されていることが好ましい。

本発明によれば、コイルからの発熱量を低減させて、インペラを導水管に対して回転駆動させることができる。

本発明の第１の実施形態について、図１を参照して説明する。
本発明の第１の実施形態に係るウォータージェット推進装置１は、図示しない船体に配された導水管２と、導水管２の内部の一部に導水管２に沿って設けられて導水管２に対して回転する回転管部３と、回転管部３の内周面に固定されたインペラ５とを備えている。

インペラ５の中心部には、導水管２の中心軸線Ｃ方向に沿って延びる第一支持軸６の一端６ａが接続されている。第一支持軸６の他端６ｂは、導水管２の内周面から中心軸線Ｃ方向に延びる第二支持軸７と軸受８を介して回転自在に接続されている。即ち、回転管部３は、この軸受８を介して導水管２に対して回転自在に接続されている。導水管２と回転管部３との間には、導水管２内に導入された海水の一部が挿通可能な隙間１０が形成されている。

ウォータージェット推進装置１は、超電導電動機１１を動力源として備えている。この超電導電動機１１は、導水管２に対して固定され、Ｎ極及びＳ極を形成する界磁コイル１２が配された界磁側固定子１３と、界磁コイル１２が形成するＮ極に対向して回転管部３に設けられたＮ極誘導子１５、及び界磁コイル１２が形成するＳ極に対向して回転管部３に設けられたＳ極誘導子１６と、導水管２に対して固定され、Ｎ極誘導子１５及びＳ極誘導子１６に回転磁界を作用させる電機子コイル１７が配された電機子側固定子１８とを備えている。

界磁側固定子１３は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体からなり、設置面に固定されるヨーク２０と、ヨーク２０に埋設されて界磁コイル１２を冷却する断熱冷媒容器２１とを備えている。
ヨーク２０は、回転管部３を取り囲むように環状に形成されている。
界磁コイル１２は、ビスマス系、イットリウム系といった超電導材から構成されており、ヨーク２０に沿って巻回されて断熱冷媒容器２１内に収納されている。

Ｎ極誘導子１５及びＳ極誘導子１６は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体から構成されており、界磁側固定子１３を間に挟んで回転管部３の一端３ａ側と他端３ｂ側とにそれぞれ分かれて、回転管部３の外周面の周方向に等間隔に八個ずつ配されている。
Ｎ極誘導子１５の一端面１５ａは、界磁コイル１２のＮ極発生位置と対向して配され、他端面１５ｂは、後述する磁性体延長部２３Ａと対向するように配される。一方、Ｓ極誘導子１６の一端面１６ａは、界磁コイル１２のＳ極発生位置と対向して配され、他端面１６ｂは、後述する磁性体延長部２３Ｂと対向するように配される。

電機子側固定子１８は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性体からなる固定子本体２２と、後述する円柱状磁性体２４の両端に一端面２３ａがそれぞれ対向するとともに、他端面２３ｂが径方向からＮ極誘導子１５又はＳ極誘導子１６に対向する一対の磁性体延長部２３Ａ，２３Ｂとを備えており、導水管２の内周面の周方向に等間隔に六個配されている。

固定子本体２２には、断熱冷媒容器２１が埋設されている。この断熱冷媒容器２１内には、ビスマス系、イットリウム系といった超電導材からなる電機子コイル１７が配されている。電機子コイル１７の中空部には、大きな界磁磁束密度を得るために、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の高透磁性材料からなる円柱状磁性体２４が配されている。

磁性体延長部２３Ａの一端面２３ａは、電機子コイル１７の円柱状磁性体２４と対向して配され、他端面２３ｂは、Ｎ極誘導子１５の他端面１５ｂと対向するように配されている。一方、磁性体延長部２３Ｂの一端面２３ａは、電機子コイル１７の円柱状磁性体２４と対向して配され、他端面２３ｂは、Ｓ極誘導子１６の他端面１６ｂと対向するように配されている。

界磁コイル１２には、図示しない船体に配された直流電源２５が直流電気配線２６を介して接続されている。また、電機子コイル１７には、船体に配された交流電源２７が交流電気配線２８を介して接続されている。
断熱冷媒容器２１には、船体に配されて液体窒素を冷媒とする冷却器３０が冷却配管３１を介して接続されている。この冷却器３０は、不図示の駆動電源と接続されている。

次に、本実施形態に係るウォータージェット推進装置１の作用・効果について説明する。
まず、冷却器３０を駆動して、界磁コイル１２及び電機子コイル１７をそれぞれ液体窒素によって冷却して超電導状態とする。

次に、直流電源２５から直流電流を界磁コイル１２に流す。このとき、界磁コイル１２の軸方向の端面にＮ極及びＳ極が形成される。これによって、界磁コイル１２のＮ極発生位置と対向するＮ極誘導子１５の一端面１５ａにはＳ極が誘導され、他端面１５ｂにＮ極が導出される。一方、界磁コイル１２のＳ極発生位置と対向するＳ極誘導子１６の一端面１６ａにはＮ極が誘導され、他端面１６ｂにＳ極が導出される。

この状態で、交流電源２７から三相交流を電機子コイル１７に流す。このとき、三相間の位相差によって、円柱状磁性体２４のまわりに回転する回転磁界が発生する。この回転磁界は、電機子コイル１７に対向する一対の磁性体延長部２３Ａ，２３Ｂの一端面２３ａから一対の磁性体延長部２３Ａ，２３Ｂに導入されて、他端面２３ｂに導出される。

この際、Ｎ極誘導子１５及びＳ極誘導子１６は、円周上に等間隔に八個ずつ配され、電機子コイル１７は、Ｎ極誘導子１５及びＳ極誘導子１６と対向するように円周上に等間隔に六個配されているので、Ｎ極誘導子１５及びＳ極誘導子１６と電機子コイル１７とは一部が重なり合うようにして対向する。従って、電機子コイル１７に発生する回転磁界がＮ極誘導子１５及びＳ極誘導子１６に対して、中心軸線Ｃ回りの回転力を発生させる。

こうして、回転管部３が導水管２内で中心軸線Ｃ回りに回転するのにともなってインペラ５が第一支持軸６とともに回転する。従って、導水管２及び回転管部３内に海水が導入され、インペラ５が回転することによって海水が加圧され、推進力を船体に発生させる。

このウォータージェット推進装置１によれば、Ｎ極誘導子１５にＮ極を誘導し、Ｓ極誘導子１６にＳ極を誘導することができ、電機子コイル１７が発生する回転磁界との間で回転管部３に導水管２に対する回転力を発生させることができる。この際、界磁コイル１２及び電機子コイル１７が超電導コイルなので、コイルに電流が流れても発熱量を抑えることができる。また、導水管２は回転しないので、界磁コイル１２及び電機子コイル１７を固定して配置することができ、超電導コイルへの給電や冷却の際に、スリップリングやロータリージョイント等の摺動部材や回転継手部材の使用を止めることができる。さらに、Ｎ極誘導子１５及びＳ極誘導子１６には常に一定の磁極をそれぞれ誘導させることができ、各誘導子１５，１６を永久磁石の代わりに使用することができる。

次に、第２の実施形態について図２を参照して説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係るウォータージェット推進装置４０のＮ極誘導子４１及びＳ極誘導子４２が、界磁コイル１２を有し、互いに対向するように導水管４３の内周面から径方向内方に突出して形成された一対の界磁側固定子４５Ａ，４５Ｂと電機子コイル１７を有する電機子側固定子４６との間に挟まれて配され、一対の界磁側固定子４５Ａ，４５Ｂと電機子側固定子４６とが、互いにそれぞれ一定の間隔を設けて、中心軸線Ｃに沿って配されているとした点である。

一対の界磁側固定子４５Ａ，４５Ｂは、ヨーク４７と、ヨーク４７に埋設されて互いに対向して配された断熱冷媒容器２１とを備えている。ヨーク４７は、円板状に形成され、中心部には回転管部４８を回転自在に支持する軸受５０が配されている。

回転管部４８には、円盤形状とされてＦＲＰやステンレス等の非磁性体からなり、回転管部４８の外周面から径方向外方に突出して形成された一対の回転子本体５１Ａ，５１Ｂが配されている。
Ｎ極誘導子４１は、回転管部４８に対して点対称となる位置に、一対の回転子本体５１Ａ，５１Ｂの板幅方向に貫通して形成されている。この際、Ｎ極誘導子４１の一端面４１ａが、界磁コイル１２のＮ極発生位置と対向するように、かつ、他端面４１ｂが、電機子コイル１７と対向するように配されている。

Ｓ極誘導子４２は、回転管部４８に対して点対称となる位置、かつ、Ｎ極誘導子４１とは９０度の位相差を有する位置に、一対の回転子本体５１Ａ，５１Ｂの板幅方向に貫通して形成されている。この際、Ｓ極誘導子４２の一端面４２ａが、界磁コイル１２のＳ極発生位置と対向するように、かつ、他端面４２ｂが、電機子コイル１７と対向するように配されている。

電機子コイル１７は、Ｎ極誘導子４１及びＳ極誘導子４２に対向するように、一対の界磁側固定子４５Ａ，４５Ｂに挟まれて導水管４３の内周面から径方向内方に突出して形成された電機子側固定子４６に配されている。
電機子側固定子４６は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性体からなる円板状の固定子本体５２を備えている。固定子本体５２の中心部には、回転管部４８が貫通する貫通孔５２ａが配されている。固定子本体５２の同心円上には、断熱冷媒容器２１が複数、かつ等間隔に埋設されている。この断熱冷媒容器２１内に電機子コイル１７が配されている。

次に、本実施形態に係るウォータージェット推進装置４０の作用・効果について説明する。
まず、冷却器３０を駆動して、界磁コイル１２及び電機子コイル１７をそれぞれ液体窒素によって冷却して超電導状態とする。

次に、直流電源２５から直流電流を界磁コイル１２に流す。このとき、例えば、界磁側固定子４５Ａでは、界磁コイル１２の径方向外側にＮ極及び径方向内側にＳ極が形成され、界磁側固定子４５Ｂでは、界磁コイル１２の径方向内側にＮ極及び径方向外側にＳ極が形成される。このように、一対の界磁側固定子４５Ａ，４５Ｂでは、直流電流の向きに応じてそれぞれ異なる磁極の向きを発生させる。これによって、電機子側固定子４６と対向するＮ極誘導子４１の一端面４１ａにはＳ極が誘導され、Ｎ極誘導子４１の他端面４１ｂにはＮ極が導出される。
一方、電機子側固定子４６と対向するＳ極誘導子４２の一端面４２ａにはＮ極が誘導され、Ｓ極誘導子４２の他端面４２ｂにはＳ極が導出される。

この状態で、交流電源２７から三相交流を電機子コイル１７に流す。このとき、三相間の位相差によって、電機子コイル１７には回転管部４８のまわりに回転する回転磁界が発生する。この回転磁界がＮ極誘導子４１及びＳ極誘導子４２に対して、一対の回転子本体５１Ａ，５１Ｂ間で同一方向の回転管部４８回りの回転力を発生させる。
こうして、回転管部４８が導水管４３内で中心軸線Ｃ回りに回転するのにともなってインペラ５が回転し、第１の実施形態と同様に推進力を船体に発生させる。

このウォータージェット推進装置４０によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。特に、界磁コイル１２や電機子コイル１７が中心軸線Ｃ方向に沿って並んで配されているので、アキシャルギャップ型の電動機として機能させることができ、高出力を発生させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明の第１の実施形態に係るウォータージェット推進装置の内部構造を示す断面概略図である。 本発明の第２の実施形態に係るウォータージェット推進装置の内部構造を示す断面概略図である。

符号の説明

１，４０ ウォータージェット推進装置、２，４３ 導水管、３，４８ 回転管部、５ インペラ、１２ 界磁コイル、１３，４５Ａ，４５Ｂ 界磁側固定子、１５，４１ Ｎ極誘導子、１６，４２ Ｓ極誘導子、１７ 電機子コイル、１８，４６ 電機子側固定子

Claims (3)

1. 船体に配された導水管の内部に設けられて前記導水管に対して回転する回転管部の内周面にインペラが固定されたウォータージェット推進装置であって、
   前記導水管に対して固定され、Ｎ極及びＳ極を形成する界磁コイルが配された界磁側固定子と、
   前記界磁コイルが形成するＮ極に対向して前記回転管部に設けられたＮ極誘導子、及び前記界磁コイルが形成するＳ極に対向して前記回転管部に設けられたＳ極誘導子と、
   前記導水管に対して固定され、前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子に回転磁界を作用させる電機子コイルが配された電機子側固定子とを備え、
   前記界磁コイル及び前記電機子コイルが超電導コイルであることを特徴とするウォータージェット推進装置。
2. 前記Ｎ極誘導子と前記Ｓ極誘導子とが、前記界磁側固定子を間に挟んで前記回転管部の一端側と他端側とにそれぞれ分かれて周方向に複数配されていることを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット推進装置。
3. 前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子が、前記界磁側固定子と前記電機子側固定子との間に挟まれて配され、
   前記界磁側固定子と前記電機子側固定子とが、互いにそれぞれ一定の間隔を設けて、前記導水管に配されていることを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット推進装置。
   

Images