JP5541760B1 - 没水式発電機 - Google Patents
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Abstract
【課題】 安定して水中に係留することができ、大型化を招くことなく高起電圧が得られる没水式発電機を提供する。
【解決手段】 没水式発電機であって、外側回転電機子と外側回転電機子に対峙し外側回転電機子とは逆方向に回転する内側回転電機子とを有する内外二重回転電機子形発電機構と、軸心を一致させて配設され軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向の一組のプロペラとを備え、前記一組のプロペラの一方は前記内外の回転電機子の一方に、前記一組のプロペラの他方は前記内外の回転電機子の他方に、それぞれ連結されており、更に、内外二重回転電機子形発電機構を外部環境に対して密閉して収容するケーシングを備え、没水状態で水流中に置かれて稼働し、稼働時に没水式発電機に働く浮力Ｆは没水式発電機に働く重力Ｗよりも大（係留索を用いて係留する場合にはＦ>Ｗ＋係留索に働く重力-係留索に働く浮力）である。
【選択図】 図１
【解決手段】 没水式発電機であって、外側回転電機子と外側回転電機子に対峙し外側回転電機子とは逆方向に回転する内側回転電機子とを有する内外二重回転電機子形発電機構と、軸心を一致させて配設され軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向の一組のプロペラとを備え、前記一組のプロペラの一方は前記内外の回転電機子の一方に、前記一組のプロペラの他方は前記内外の回転電機子の他方に、それぞれ連結されており、更に、内外二重回転電機子形発電機構を外部環境に対して密閉して収容するケーシングを備え、没水状態で水流中に置かれて稼働し、稼働時に没水式発電機に働く浮力Ｆは没水式発電機に働く重力Ｗよりも大（係留索を用いて係留する場合にはＦ>Ｗ＋係留索に働く重力-係留索に働く浮力）である。
【選択図】 図１
Description
本発明は、没水式発電機に関するものである。
相対回転する内外電機子と内外電機子を相対回転駆動するプロペラと電機子を収容するケーシングとを備える没水式発電機であって、前後二段の外側回転電機子と内側固定電機子とを有する発電機構と、互いに逆方向に回転して前後二段の外側回転電機子を互いに逆方向に回転駆動する前後二段のプロペラと、前後二段の内側固定電機子を外部環境に対して密閉して収容するケーシングとを備え、没水状態で水流中に置かれて稼働し、没水式発電機に働く浮力は没水式発電機に働く重力よりも大であることを特徴とする没水式発電機が、特許文献１に開示されている。
上述の没水式発電機においては、前段プロペラにより回転駆動される前段外側回転電機子と後段プロペラにより回転駆動される後段外側回転電機子とは作動係合していないので、発電時に前段外側回転電機子が対峙する前段内側固定電機子に印加する回転トルクと、発電時に後段外側回転電機子が対峙する後段内側固定電機子に印加する回転トルクとは、互いに力学的および電磁気学的に独立しており、両回転トルクの大きさは必ずしも一致しない。従って、上述の没水式発電機は安定して水中に係留することができない。
発電機構の起電圧は回転電機子が磁界を切る速度に比例する。没水式発電機においてはプロペラキャビテーションの発生を抑制する観点からプロペラ回転速度の上昇を抑制する必要がある。従って、対峙する外側回転電機子と内側固定電機子の組がそれぞれ独立して配設されている上記没水式発電機において高起電圧を得るためには、増速ギアやプーリ機構を取り付けて、プロペラの回転を増速して外側回転電機子に伝達する必要があり、発電機の大型化を招く。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、安定して水中に係留することができ、大型化を招くことなく高起電圧が得られる没水式発電機を提供することを目的とする。
発電機構の起電圧は回転電機子が磁界を切る速度に比例する。没水式発電機においてはプロペラキャビテーションの発生を抑制する観点からプロペラ回転速度の上昇を抑制する必要がある。従って、対峙する外側回転電機子と内側固定電機子の組がそれぞれ独立して配設されている上記没水式発電機において高起電圧を得るためには、増速ギアやプーリ機構を取り付けて、プロペラの回転を増速して外側回転電機子に伝達する必要があり、発電機の大型化を招く。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、安定して水中に係留することができ、大型化を招くことなく高起電圧が得られる没水式発電機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明においては、相対回転する内外電機子と内外電機子を相対回転駆動するプロペラと電機子を収容するケーシングとを備える没水式発電機であって、外側回転電機子と外側回転電機子に対峙し外側回転電機子とは逆方向に回転する内側回転電機子とを有する内外二重回転電機子形発電機構と、軸心を一致させて配設され軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向の一組のプロペラとを備え、前記一組のプロペラの一方は前記内外の回転電機子の一方に、前記一組のプロペラの他方は前記内外の回転電機子の他方に、それぞれ連結されており、更に、内外二重回転電機子形発電機構を外部環境に対して密閉して収容するケーシングを備え、没水状態で水流中に置かれて稼働し、稼働時に没水式発電機に働く浮力Ｆは没水式発電機に働く重力Ｗよりも大（係留索を用いて係留する場合にはＦ>Ｗ＋係留索に働く重力-係留索に働く浮力）であり、子午面（プロペラ回転軸を含む鉛直面）上で見て、没水式発電機に働く前記浮力Ｆと前記重力Ｗと水流中で没水式発電機に働く抗力Ｄとによる回転モーメントの和が零になる回転モーメント中心が、ケーシング上に存在することを特徴とする没水式発電機を提供する。
本発明に係る没水式発電機においては、発電中、内外二重回転電機子に働く相反回転トルクの大きさは、運動の第３法則（作用反作用）から力学的および電磁気学的に一致し、ひいては、内側回転電機子と当該電機子に連結されたプロペラが形成する内側回転系と、外側回転電機子と当該電機子に連結されたプロペラが形成する外側回転系に働く相反トルクは一致し、相殺するので、ケーシングには反作用としての回転トルクは一切発生しない。従って、本発明に係る没水式発電機は発電量や流速に関わらず、プロペラ軸心回りのケーシングの回転を惹起することなく、安定して水中に係留することができる。
本発明に係る没水式発電機においては、軸心を一致させて配設され軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向の一組のプロペラが互いに逆方向に回転して、内外回転電機子を互いに逆方向に回転駆動するので、プロペラの回転速度の上昇を抑制しつつ内外回転電機子の相対回転速度を上昇させて、内外回転電機子が磁界を切る速度を増加させることができ、その結果、増速ギヤやプーリ機構の配設等による大型化を招くことなく従来の没水式発電機に比べて高起電圧を得ることができる。他方、内外回転電機子が磁界を切る速度が従来の没水式発電機に比べて大きいので、起電圧を従来の没水式発電機と同等にする場合には、電機子の巻線数の低減や、同期発電機の電機子を形成する永久磁石の小型化や、電機子の回転半径の低減等により、従来の没水式発電機に比べて発電機を小型化できる。
稼働時に没水式発電機に働く浮力Ｆが没水式発電機に働く重力Ｗよりも大（係留索を用いて係留する場合にはＦ>Ｗ＋係留索に働く重力-係留索に働く浮力）なので、浮体を別個に取り付けることなく、係留索等で簡単に水中に安定して保持することができる。
子午面上で見て、回転モーメント中心がケーシング上に存在すれば、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上でケーシングを何らかの手段で支持することにより、没水式発電機を安定して水中に保持することができる。
本発明に係る没水式発電機においては、発電中、内外二重回転電機子に働く相反回転トルクの大きさは、運動の第３法則（作用反作用）から力学的および電磁気学的に一致し、ひいては、内側回転電機子と当該電機子に連結されたプロペラが形成する内側回転系と、外側回転電機子と当該電機子に連結されたプロペラが形成する外側回転系に働く相反トルクは一致し、相殺するので、ケーシングには反作用としての回転トルクは一切発生しない。従って、本発明に係る没水式発電機は発電量や流速に関わらず、プロペラ軸心回りのケーシングの回転を惹起することなく、安定して水中に係留することができる。
本発明に係る没水式発電機においては、軸心を一致させて配設され軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向の一組のプロペラが互いに逆方向に回転して、内外回転電機子を互いに逆方向に回転駆動するので、プロペラの回転速度の上昇を抑制しつつ内外回転電機子の相対回転速度を上昇させて、内外回転電機子が磁界を切る速度を増加させることができ、その結果、増速ギヤやプーリ機構の配設等による大型化を招くことなく従来の没水式発電機に比べて高起電圧を得ることができる。他方、内外回転電機子が磁界を切る速度が従来の没水式発電機に比べて大きいので、起電圧を従来の没水式発電機と同等にする場合には、電機子の巻線数の低減や、同期発電機の電機子を形成する永久磁石の小型化や、電機子の回転半径の低減等により、従来の没水式発電機に比べて発電機を小型化できる。
稼働時に没水式発電機に働く浮力Ｆが没水式発電機に働く重力Ｗよりも大（係留索を用いて係留する場合にはＦ>Ｗ＋係留索に働く重力-係留索に働く浮力）なので、浮体を別個に取り付けることなく、係留索等で簡単に水中に安定して保持することができる。
子午面上で見て、回転モーメント中心がケーシング上に存在すれば、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上でケーシングを何らかの手段で支持することにより、没水式発電機を安定して水中に保持することができる。
本発明の好ましい態様においては、一組のプロペラの一方の極慣性モーメントが他方の極慣性モーメントよりも小さな値に設定されている。
一組のプロペラの一方の極慣性モーメントを他方の極慣性モーメントよりも小さな値に設定することにより、水流中での前記一方のプロペラの起動を促進し、ひいては発電機の起動を促進することができる。
本発明の好ましい態様においては、没水式発電機に働く抗力Ｄの作用線上に回転モーメント中心をとり、当該回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上でケーシングを前記軸線回りに回転自在に支持する。
上記構成により、流速によらず没水式発電機を水平状態に保持することができる。
本発明においては、上記の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられた係留索を介して水中に係留されていることを特徴とする没水式発電システムを提供する。
本発明に係る没水式発電システムにおいては、没水式発電機は、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられた係留索を介して水中に係留されるので、発電量や流速に関わりなく子午面上で見ても安定して水中に保持される。
本発明の好ましい態様においては、係留索は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、ケーシングに取り付けられている。
上記構成により、没水式発電機は抗力Ｄにより左右方向の首振り運動を惹起されることなく安定して水中に保持される。
本発明の好ましい態様においては、二股のアームが回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられ、係留索が相対回転可能に又は相対枢動可能にアームに取り付けられる。
二股のアームを回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付け、係留索を相対回転可能に又は相対枢動可能にアームに取り付けることにより、一本の係留索で安定して発電機を水中に保持することができる。
本発明の好ましい態様においては、係留索は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、アームに取り付けられている。
上記構成により、没水式発電機は抗力Ｄにより左右方向の首振り運動を惹起されることなく安定して水中に保持される。
本発明の好ましい態様においては、二股のアームの自由端のプロペラ方向への揺動を規制するストッパーがケーシングに取り付けられている。
二股のアームの自由端のプロペラ方向への揺動を規制するストッパーをケーシングに取り付けることにより、当該自由端に取り付けられた係留索がプロペラと干渉するのを防止することができる。
本発明の好ましい態様においては、没水式発電機に働く前記浮力Ｆの作用線が前記重力Ｗの作用線より上流側に位置する。
浮力Ｆの作用線が重力Ｗの作用線より上流側に位置すると、回転モーメント中心は浮力Ｆの作用線よりさらに上流側に位置することになるので、係留索がプロペラから遠ざかり、係留索とプロペラとの干渉が更に効果的に防止される。
本発明においては、上記の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上で、水底に固定されて上方へ延びる支柱によって支持されていることを特徴とする没水式発電システムを提供する。
本発明においては、上記の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上で、水面上のフロートから下方へ延びる支柱によって支持されていることを特徴とする没水式発電システムを提供する。
上記没水式発電システムにおいては、支柱には、没水式発電機の浮力と重力の差分の上向きの力と、当該力に直交する抗力以外には、没水式発電機からは力が印加されないので、支柱と没水式発電機のケーシングとの連結部の構成を簡素化できる。
一組のプロペラの一方の極慣性モーメントを他方の極慣性モーメントよりも小さな値に設定することにより、水流中での前記一方のプロペラの起動を促進し、ひいては発電機の起動を促進することができる。
本発明の好ましい態様においては、没水式発電機に働く抗力Ｄの作用線上に回転モーメント中心をとり、当該回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上でケーシングを前記軸線回りに回転自在に支持する。
上記構成により、流速によらず没水式発電機を水平状態に保持することができる。
本発明においては、上記の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられた係留索を介して水中に係留されていることを特徴とする没水式発電システムを提供する。
本発明に係る没水式発電システムにおいては、没水式発電機は、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられた係留索を介して水中に係留されるので、発電量や流速に関わりなく子午面上で見ても安定して水中に保持される。
本発明の好ましい態様においては、係留索は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、ケーシングに取り付けられている。
上記構成により、没水式発電機は抗力Ｄにより左右方向の首振り運動を惹起されることなく安定して水中に保持される。
本発明の好ましい態様においては、二股のアームが回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられ、係留索が相対回転可能に又は相対枢動可能にアームに取り付けられる。
二股のアームを回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付け、係留索を相対回転可能に又は相対枢動可能にアームに取り付けることにより、一本の係留索で安定して発電機を水中に保持することができる。
本発明の好ましい態様においては、係留索は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、アームに取り付けられている。
上記構成により、没水式発電機は抗力Ｄにより左右方向の首振り運動を惹起されることなく安定して水中に保持される。
本発明の好ましい態様においては、二股のアームの自由端のプロペラ方向への揺動を規制するストッパーがケーシングに取り付けられている。
二股のアームの自由端のプロペラ方向への揺動を規制するストッパーをケーシングに取り付けることにより、当該自由端に取り付けられた係留索がプロペラと干渉するのを防止することができる。
本発明の好ましい態様においては、没水式発電機に働く前記浮力Ｆの作用線が前記重力Ｗの作用線より上流側に位置する。
浮力Ｆの作用線が重力Ｗの作用線より上流側に位置すると、回転モーメント中心は浮力Ｆの作用線よりさらに上流側に位置することになるので、係留索がプロペラから遠ざかり、係留索とプロペラとの干渉が更に効果的に防止される。
本発明においては、上記の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上で、水底に固定されて上方へ延びる支柱によって支持されていることを特徴とする没水式発電システムを提供する。
本発明においては、上記の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上で、水面上のフロートから下方へ延びる支柱によって支持されていることを特徴とする没水式発電システムを提供する。
上記没水式発電システムにおいては、支柱には、没水式発電機の浮力と重力の差分の上向きの力と、当該力に直交する抗力以外には、没水式発電機からは力が印加されないので、支柱と没水式発電機のケーシングとの連結部の構成を簡素化できる。
本発明の実施例に係る没水式発電機および没水式発電システムを説明する。
図１に示すように、没水式発電機Ａは、筒状の外軸１ａと、軸心を一致させて外軸１ａに内挿された内軸１ｂと、外軸１ａに固定された外側回転電機子２ａと、内軸１ｂに固定されて外側回転電機子２ａに対峙する内側回転電機子２ｂとを有する内外二重回転電機子形発電機構３と、外軸１ａに固定されて外軸１ａひいては外側回転電機子２ａを回転駆動する前段プロペラ４ａと、図１に白抜き矢印で示す水流の方向に関して前段プロペラ４ａの後方に且つ軸心を一致させて前段プロペラ４ａに整列して配設され、内軸１ｂに固定されて内軸１ｂひいては内側回転電機子２ｂを回転駆動する後段プロペラ４ｂと、内外二重回転電機子形発電機構３を外部環境に対して密閉して収容する砲弾形状のケーシング５とを備えている。前段プロペラ４ａと後段プロペラ４ｂとは、軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向に設定されている。後段プロペラ４ｂの極慣性モーメントは前段プロペラ４ａの極慣性モーメントよりも小さな値に設定されている。
図２に示すように、没水式発電機Ａが没水して図２に白抜矢印で示す水流中に置かれた時に没水式発電機Ａに働く浮力をＦとし、没水式発電機Ａに働く重力をＷとし、没水式発電機Ａに働く抗力をＤとした時に、Ｆ>Ｗ（係留索を用いて係留する場合にはＦ>Ｗ＋係留索に働く重力-係留索に働く浮力）となるように構成機器の寸法形状と重量とが設定されている。また、子午面（プロペラ回転軸を含む鉛直面）上で見て、鉛直上方に向く浮力Ｆと鉛直下方に向く重力Ｗと流れに平行な抗力Ｄとによる回転モーメントの和を零にする点である回転モーメント中心が、ケーシング５上に存在するように、構成機器の寸法形状と重量とが設定されている。尚、図２に示すように、前記各力Ｆ、Ｗ、Ｄをそれぞれの作用点を通るベクトル（作用線）で表示し、前段プロペラ４ａの中心からベクトルＦ、Ｗまでの距離をＳＦ、ＳＷとし、抗力Ｄの作用線上に回転モーメント中心をとると、プロペラ４ａの中心から軸方向に測った回転モーメント中心Ｃまでの距離Ｓは次式で与えられる。
Ｓ=(Ｆ・ＳＦ-Ｗ・ＳＷ)/(Ｆ-Ｗ)
なお、回転モーメント中心Ｃの位置は前記子午面に平行な面上で見ても前記子午面上で見た位置と同じである。
図３に示すように、没水式発電機Ａは、プロペラ軸心延在方向からみて左右対称の二股のアーム６を、回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５の両側部に取り付け、スリップリング７を介して相対回転可能に且つ図３（ｂ）から分かるように、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、アーム６の自由端に係留索８の一端を取り付け、係留索８の他端を海底や河底１００に設置したテトラポット等のアンカー９に連結することにより、抗力Ｄによってプロペラ４ａ、４ｂを図３に白抜矢印で示す水流の下流側へ自動的に差し向け、それに伴ってケーシング５のプロペラ４ａ、４ｂから離隔する砲弾頂部形状の端部を自動的に水流の上流側へ差し向けて、水平に水中に係留され、没水式発電システムＢを形成している。
没水式発電システムＢの係留索８が形成する曲線は、子午面上で見て、流速、前述の浮力Ｆ、重力Ｗ、抗力Ｄおよび係留索８に加わる重力と浮力により決まる懸垂曲線であり、流速の低下と共に曲率が減少し、流速が零になると係留索８はアンカー９から鉛直上方向に向けて延在する。従って、流速や流れの方向が変化しても係留索８はプロペラ４ａ、４ｂに干渉しない。
図１に示すように、没水式発電機Ａは、筒状の外軸１ａと、軸心を一致させて外軸１ａに内挿された内軸１ｂと、外軸１ａに固定された外側回転電機子２ａと、内軸１ｂに固定されて外側回転電機子２ａに対峙する内側回転電機子２ｂとを有する内外二重回転電機子形発電機構３と、外軸１ａに固定されて外軸１ａひいては外側回転電機子２ａを回転駆動する前段プロペラ４ａと、図１に白抜き矢印で示す水流の方向に関して前段プロペラ４ａの後方に且つ軸心を一致させて前段プロペラ４ａに整列して配設され、内軸１ｂに固定されて内軸１ｂひいては内側回転電機子２ｂを回転駆動する後段プロペラ４ｂと、内外二重回転電機子形発電機構３を外部環境に対して密閉して収容する砲弾形状のケーシング５とを備えている。前段プロペラ４ａと後段プロペラ４ｂとは、軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向に設定されている。後段プロペラ４ｂの極慣性モーメントは前段プロペラ４ａの極慣性モーメントよりも小さな値に設定されている。
図２に示すように、没水式発電機Ａが没水して図２に白抜矢印で示す水流中に置かれた時に没水式発電機Ａに働く浮力をＦとし、没水式発電機Ａに働く重力をＷとし、没水式発電機Ａに働く抗力をＤとした時に、Ｆ>Ｗ（係留索を用いて係留する場合にはＦ>Ｗ＋係留索に働く重力-係留索に働く浮力）となるように構成機器の寸法形状と重量とが設定されている。また、子午面（プロペラ回転軸を含む鉛直面）上で見て、鉛直上方に向く浮力Ｆと鉛直下方に向く重力Ｗと流れに平行な抗力Ｄとによる回転モーメントの和を零にする点である回転モーメント中心が、ケーシング５上に存在するように、構成機器の寸法形状と重量とが設定されている。尚、図２に示すように、前記各力Ｆ、Ｗ、Ｄをそれぞれの作用点を通るベクトル（作用線）で表示し、前段プロペラ４ａの中心からベクトルＦ、Ｗまでの距離をＳＦ、ＳＷとし、抗力Ｄの作用線上に回転モーメント中心をとると、プロペラ４ａの中心から軸方向に測った回転モーメント中心Ｃまでの距離Ｓは次式で与えられる。
Ｓ=(Ｆ・ＳＦ-Ｗ・ＳＷ)/(Ｆ-Ｗ)
なお、回転モーメント中心Ｃの位置は前記子午面に平行な面上で見ても前記子午面上で見た位置と同じである。
図３に示すように、没水式発電機Ａは、プロペラ軸心延在方向からみて左右対称の二股のアーム６を、回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５の両側部に取り付け、スリップリング７を介して相対回転可能に且つ図３（ｂ）から分かるように、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、アーム６の自由端に係留索８の一端を取り付け、係留索８の他端を海底や河底１００に設置したテトラポット等のアンカー９に連結することにより、抗力Ｄによってプロペラ４ａ、４ｂを図３に白抜矢印で示す水流の下流側へ自動的に差し向け、それに伴ってケーシング５のプロペラ４ａ、４ｂから離隔する砲弾頂部形状の端部を自動的に水流の上流側へ差し向けて、水平に水中に係留され、没水式発電システムＢを形成している。
没水式発電システムＢの係留索８が形成する曲線は、子午面上で見て、流速、前述の浮力Ｆ、重力Ｗ、抗力Ｄおよび係留索８に加わる重力と浮力により決まる懸垂曲線であり、流速の低下と共に曲率が減少し、流速が零になると係留索８はアンカー９から鉛直上方向に向けて延在する。従って、流速や流れの方向が変化しても係留索８はプロペラ４ａ、４ｂに干渉しない。
没水式発電機Ａ及び没水式発電システムＢの作動を説明する。
軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向に設定された前後段のプロペラ４ａ、４ｂが、図３に白抜矢印で示す水流により互いに逆方向に回転し、外内軸１ａ、１ｂを介して外内回転電機子２ａ、２ｂを互いに逆方向に回転駆動し、発電する。発生した電力はアーム６、スリップリング７、係留索８と一体にした図示しないケーブルを介して外部に取り出され、更に水底に這わせたケーブルを介して陸上の電気機器に供給され、或いは水上へ立ち上げたケーブルを介して水上の電気機器に供給される。
没水式発電機Ａにおいては、発電中、内外二重回転電機子２ｂ、２ａに働く相反回転トルクは一致し、ひいては、内側回転電機子２ｂと当該電機子に連結された内軸１ｂと後段プロペラ４ｂとが形成する内側回転系と、外側回転電機子２ａと当該電機子に連結された外軸１ａと前段プロペラ４ａとが形成する外側回転系に働く相反トルクの大きさは、運動の第３法則から力学的および電磁気学的に一致し、相殺するので、ケーシング５には反作用としての回転トルクは一切発生しない。この結果、本発明に係る没水式発電機Ａは、発電量や流速に関わらず、プロペラ軸心回りのケーシング５の回転を惹起することなく、安定して水中に係留することができる。
没水式発電機Ａにおいては、発電機構３は外側回転電機子２ａと外側回転電機子とは逆方向に回転する内側回転電機子２ｂとを有し、互いに逆方向に回転する前後二段のプロペラ４ａ、４ｂが対峙している外内回転電機子２ａ、２ｂを互いに逆方向に回転駆動するので、プロペラ４ａ、４ｂの回転速度の上昇を抑制しつつ外内回転電機子２ａ、２ｂの相対回転速度を上昇させて、回転電機子２ａ、２ｂが磁界を切る速度を上昇させることができ、その結果、増速ギヤやプーリ機構の配設等による大型化を招くことなく従来の没水式発電機に比べて高起電圧を得ることができる。他方、回転電機子２ａ、２ｂが磁界を切る速度が従来の没水式発電機に比べて大きいので、起電圧を従来の没水式発電機と同等にする場合には、電機子２ａ、２ｂの巻線数の低減や、同期発電機の電機子を形成する永久磁石の小型化や、電機子の回転半径の低減等により、従来の没水式発電機に比べて発電機を小型化できる。
稼働時に没水式発電機Ａに働く浮力Ｆが没水式発電機Ａに働く重力Ｗよりも大（係留索を用いて係留する場合にはＦ>Ｗ＋係留索に働く重力-係留索に働く浮力）なので、浮体を別個に取り付けることなく、没水式発電機Ａを水中に安定して保持することができる。
後段プロペラ４ｂの極慣性モーメントは前段プロペラ４ａの極慣性モーメントよりも小さな値に設定されているので、水流中での後段プロペラ４ｂの起動が促進され、ひいては発電機Ａの起動が促進される。
軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向に設定された前後段のプロペラ４ａ、４ｂが、図３に白抜矢印で示す水流により互いに逆方向に回転し、外内軸１ａ、１ｂを介して外内回転電機子２ａ、２ｂを互いに逆方向に回転駆動し、発電する。発生した電力はアーム６、スリップリング７、係留索８と一体にした図示しないケーブルを介して外部に取り出され、更に水底に這わせたケーブルを介して陸上の電気機器に供給され、或いは水上へ立ち上げたケーブルを介して水上の電気機器に供給される。
没水式発電機Ａにおいては、発電中、内外二重回転電機子２ｂ、２ａに働く相反回転トルクは一致し、ひいては、内側回転電機子２ｂと当該電機子に連結された内軸１ｂと後段プロペラ４ｂとが形成する内側回転系と、外側回転電機子２ａと当該電機子に連結された外軸１ａと前段プロペラ４ａとが形成する外側回転系に働く相反トルクの大きさは、運動の第３法則から力学的および電磁気学的に一致し、相殺するので、ケーシング５には反作用としての回転トルクは一切発生しない。この結果、本発明に係る没水式発電機Ａは、発電量や流速に関わらず、プロペラ軸心回りのケーシング５の回転を惹起することなく、安定して水中に係留することができる。
没水式発電機Ａにおいては、発電機構３は外側回転電機子２ａと外側回転電機子とは逆方向に回転する内側回転電機子２ｂとを有し、互いに逆方向に回転する前後二段のプロペラ４ａ、４ｂが対峙している外内回転電機子２ａ、２ｂを互いに逆方向に回転駆動するので、プロペラ４ａ、４ｂの回転速度の上昇を抑制しつつ外内回転電機子２ａ、２ｂの相対回転速度を上昇させて、回転電機子２ａ、２ｂが磁界を切る速度を上昇させることができ、その結果、増速ギヤやプーリ機構の配設等による大型化を招くことなく従来の没水式発電機に比べて高起電圧を得ることができる。他方、回転電機子２ａ、２ｂが磁界を切る速度が従来の没水式発電機に比べて大きいので、起電圧を従来の没水式発電機と同等にする場合には、電機子２ａ、２ｂの巻線数の低減や、同期発電機の電機子を形成する永久磁石の小型化や、電機子の回転半径の低減等により、従来の没水式発電機に比べて発電機を小型化できる。
稼働時に没水式発電機Ａに働く浮力Ｆが没水式発電機Ａに働く重力Ｗよりも大（係留索を用いて係留する場合にはＦ>Ｗ＋係留索に働く重力-係留索に働く浮力）なので、浮体を別個に取り付けることなく、没水式発電機Ａを水中に安定して保持することができる。
後段プロペラ４ｂの極慣性モーメントは前段プロペラ４ａの極慣性モーメントよりも小さな値に設定されているので、水流中での後段プロペラ４ｂの起動が促進され、ひいては発電機Ａの起動が促進される。
没水式発電機Ａにおいては、子午面上で見て、水流中で没水式発電機Ａに働く浮力Ｆと重力Ｗと抗力Ｄとによる回転モーメントの和が零になる回転モーメント中心が、ケーシング５上に存在するので、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上でケーシング５を何らかの手段で支持することにより、没水式発電機Ａを子午面上でも安定して水中に保持することができる。
没水式発電システムＢにおいては、抗力Ｄの作用線上に回転モーメント中心をとり、回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに回転自在にケーシング５の両側部を支持したので、流速によらず没水式発電機Ａを水平状態に保持することができる。
没水式発電システムＢにおいては、没水式発電機Ａは、回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付けられた係留索８を介して水中に係留されるので、発電量や流速に関わらず安定して水中に保持される。係留索８は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、ケーシング５に取り付けられるので、没水式発電機Ａは抗力Ｄにより左右方向の首振り運動を惹起されることなく安定して水中に保持される。
没水式発電システムＢにおいては、二股のアーム６を回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付け、スリップリング７を介して相対回転可能に且つ抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、アーム６に係留索８を取り付けることにより、発電量や流速に関わらず一本の係留索８で安定して発電機Ａを水中に保持することができる。
没水式発電システムＢにおいては、抗力Ｄの作用線上に回転モーメント中心をとり、回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに回転自在にケーシング５の両側部を支持したので、流速によらず没水式発電機Ａを水平状態に保持することができる。
没水式発電システムＢにおいては、没水式発電機Ａは、回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付けられた係留索８を介して水中に係留されるので、発電量や流速に関わらず安定して水中に保持される。係留索８は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、ケーシング５に取り付けられるので、没水式発電機Ａは抗力Ｄにより左右方向の首振り運動を惹起されることなく安定して水中に保持される。
没水式発電システムＢにおいては、二股のアーム６を回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付け、スリップリング７を介して相対回転可能に且つ抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、アーム６に係留索８を取り付けることにより、発電量や流速に関わらず一本の係留索８で安定して発電機Ａを水中に保持することができる。
本発明は上記実施例に限定されない。
回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに回転自在に、ケーシング５の両側部に、且つ抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称位置に、一対の係留索８を取り付け、当該一対の係留索８を介して、没水式発電機Ａを水中に係留しても良い。
ユニバーサルジョイントを介して相対枢動可能にアーム６の自由端に係留索８を取り付けても良い。
複数の係留索８をアーム６に取り付けても良い。この場合、係留索８の一端をアーム６の自由端に取り付ける位置は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に配設するのが望ましい。
図３に一点鎖線で示すように、二股のアーム６の自由端のプロペラ４ａ、４ｂ方向への揺動を規制するストッパー１０をケーシング５に取り付けても良い。
二股のアーム６の自由端のプロペラ４ａ、４ｂ方向への揺動を適正値に規制することにより、当該自由に取り付けられた係留索８がプロペラ４ａ、４ｂと干渉するのを容易に防止することができる。
図２に示すように、浮力Ｆの作用線を重力Ｗの作用線より上流側に位置させると、回転モーメント中心Ｃは浮力Ｆの作用線よりさらに上流側に位置することになるので、係留索８がプロペラ４ａ、４ｂから遠ざかり、係留索８とプロペラ４ａ、４ｂとの干渉が流速によらず効果的に防止される。
図４に示すように、二股のアーム６’を回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付け、海底や河底１００に固定されて上方へ延びる支柱１１によって、上下軸線回りに回転可能にアーム６’の基部を支持しても良く、或いは図５に示すように、二股のアーム６’を回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付け、水面上のフロート２００から下方へ延びる支柱１１によって、上下軸線回りに回転可能にアーム６’の基部を支持しても良い。上記の没水式発電システムにおいては、没水式発電機Ａの浮力Ｆと重力Ｗの差分の上向きの力と、当該力に直交する抗力Ｄ以外には、没水式発電機Ａから支柱１１へ力が印加されないので、支柱１１と没水式発電機Ａのケーシング５との連結部の構成を簡素化できる。また、フロート２００の係留も容易である．
上下軸線回りに回転可能にアーム６’の基部を支持することにより、没水式発電機Ａを水流に沿わせることができる。
支柱１１を伸縮可能にすることにより、水深方向の最適位置に没水式発電機Ａを位置決めすることができる。
回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに回転自在に、ケーシング５の両側部に、且つ抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称位置に、一対の係留索８を取り付け、当該一対の係留索８を介して、没水式発電機Ａを水中に係留しても良い。
ユニバーサルジョイントを介して相対枢動可能にアーム６の自由端に係留索８を取り付けても良い。
複数の係留索８をアーム６に取り付けても良い。この場合、係留索８の一端をアーム６の自由端に取り付ける位置は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に配設するのが望ましい。
図３に一点鎖線で示すように、二股のアーム６の自由端のプロペラ４ａ、４ｂ方向への揺動を規制するストッパー１０をケーシング５に取り付けても良い。
二股のアーム６の自由端のプロペラ４ａ、４ｂ方向への揺動を適正値に規制することにより、当該自由に取り付けられた係留索８がプロペラ４ａ、４ｂと干渉するのを容易に防止することができる。
図２に示すように、浮力Ｆの作用線を重力Ｗの作用線より上流側に位置させると、回転モーメント中心Ｃは浮力Ｆの作用線よりさらに上流側に位置することになるので、係留索８がプロペラ４ａ、４ｂから遠ざかり、係留索８とプロペラ４ａ、４ｂとの干渉が流速によらず効果的に防止される。
図４に示すように、二股のアーム６’を回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付け、海底や河底１００に固定されて上方へ延びる支柱１１によって、上下軸線回りに回転可能にアーム６’の基部を支持しても良く、或いは図５に示すように、二股のアーム６’を回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付け、水面上のフロート２００から下方へ延びる支柱１１によって、上下軸線回りに回転可能にアーム６’の基部を支持しても良い。上記の没水式発電システムにおいては、没水式発電機Ａの浮力Ｆと重力Ｗの差分の上向きの力と、当該力に直交する抗力Ｄ以外には、没水式発電機Ａから支柱１１へ力が印加されないので、支柱１１と没水式発電機Ａのケーシング５との連結部の構成を簡素化できる。また、フロート２００の係留も容易である．
上下軸線回りに回転可能にアーム６’の基部を支持することにより、没水式発電機Ａを水流に沿わせることができる。
支柱１１を伸縮可能にすることにより、水深方向の最適位置に没水式発電機Ａを位置決めすることができる。
本発明は、海洋、河川を問わず没水式発電機及び没水式発電システムに広く利用可能である。
Ａ 没水式発電機
Ｂ 没水式発電システム
１ａ 外軸
１ｂ 内軸
２ａ 外側回転電機子
２ｂ 内側回転電機子
３ 発電機構
４ａ 前段プロペラ
４ｂ 後段プロペラ
５ ケーシング
６、６’ アーム
７ スリップリング
８ 係留索
９ アンカー
１０ ストッパー
１１ 支柱
１００ 海底や河底
２００ フロート
Ｂ 没水式発電システム
１ａ 外軸
１ｂ 内軸
２ａ 外側回転電機子
２ｂ 内側回転電機子
３ 発電機構
４ａ 前段プロペラ
４ｂ 後段プロペラ
５ ケーシング
６、６’ アーム
７ スリップリング
８ 係留索
９ アンカー
１０ ストッパー
１１ 支柱
１００ 海底や河底
２００ フロート
Claims (11)
- 相対回転する内外電機子と内外電機子を相対回転駆動するプロペラと電機子を収容するケーシングとを備える没水式発電機であって、外側回転電機子と外側回転電機子に対峙し外側回転電機子とは逆方向に回転する内側回転電機子とを有する内外二重回転電機子形発電機構と、軸心を一致させて配設され軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向の一組のプロペラとを備え、前記一組のプロペラの一方は前記内外の回転電機子の一方に、前記一組のプロペラの他方は前記内外の回転電機子の他方に、それぞれ連結されており、更に、内外二重回転電機子形発電機構を外部環境に対して密閉して収容するケーシングを備え、没水状態で水流中に置かれて稼働し、稼働時に没水式発電機に働く浮力Ｆは没水式発電機に働く重力Ｗよりも大（係留索を用いて係留する場合にはＦ>Ｗ＋係留索に働く重力-係留索に働く浮力）であり、子午面（プロペラ回転軸を含む鉛直面）上で見て、没水式発電機に働く前記浮力Ｆと前記重力Ｗと水流中で没水式発電機に働く抗力Ｄとによる回転モーメントの和が零になる回転モーメント中心が、ケーシング上に存在することを特徴とする没水式発電機。
- 一組のプロペラの一方の極慣性モーメントが他方の極慣性モーメントよりも小さな値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の没水式発電機。
- 没水式発電機に働く抗力Ｄの作用線上に回転モーメント中心をとり、当該回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上でケーシングを前記軸線回りに回転自在に支持することを特徴とする請求項１又は２に記載の没水式発電機。
- 請求項１乃至３の何れか１項に記載の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられた係留索を介して水中に係留されていることを特徴とする没水式発電システム。
- 係留索は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、ケーシングに取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の没水式発電システム。
- 二股のアームが回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられ、係留索が相対回転可能に又は相対枢動可能にアームに取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の没水式発電システム。
- 係留索は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、アームに取り付けられていることを特徴とする請求項６に記載の没水式発電システム。
- 二股のアームの自由端のプロペラ方向への揺動を規制するストッパーがケーシングに取り付けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の没水式発電システム。
- 没水式発電機に働く前記浮力Ｆが前記重力Ｗより上流側に位置することを特徴とする請求項４乃至８の何れか１項に記載の没水式発電システム。
- 請求項１乃至３の何れか１項に記載の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上で、海底や河底に固定されて上方へ延びる支柱によって支持されていることを特徴とする没水式発電システム。
- 請求項１乃至３の何れか１項に記載の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上で、水面上のフロートから下方へ延びる支柱によって支持されていることを特徴とする没水式発電システム。
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