JP5696105B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水力発電装置に関する。

垂直軸型水車（貫流水車）を用いた発電装置では、水位（水面）が上下に変化したとしても、水車（羽部）を常に水面下に配置する（水没させる）必要がある。水車の一部が水面上に露出すると、水車にかかる負荷が不均一となって、水車に不具合が生じるおそれがある。

そこで、水面上に浮かせた浮上体に発電機を固定し、浮上体の底面側（下方側）に水車を配置することにより、垂直軸型水車を常に水面下に配置する技術が提案されている（特許文献１）。

実公平１−１０４４６号公報

しかしながら、従来の技術では、発電機を含む垂直軸型水力発電装置の全体を浮上体で支持するため、十分な浮力が得られる大型の浮上体が必要となる。このため、装置が大型化してしまうという問題がある。
また、垂直軸型水力発電装置の全体が水面上に浮かんでいるため、水車を含む装置全体の姿勢が不安定になり、発電が不安定になりやすいという問題がある。また、装置全体の姿勢が不安定なので、メンテナンス性や信頼性に劣るという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、装置を大型化させることなく、水車を確実に水面下に配置することができる水力発電装置を提案することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明に係る水力発電装置は、水面下に配置される水車と、前記水車の回転により発電を行う発電機と、前記水車の回転軸に一体的に形成された軸体と、前記軸体に対して軸回りに回転不能に嵌合しつつ、前記軸体が相対的に直線運動可能である筒体と、前記筒体を水面よりも上方において回転可能に支持する軸受と、水位の変動に合わせて前記軸体を上下方向に移動させる水車位置調整部と、を備え、前記発電機は、前記筒体に連結される磁石部と、前記磁石部の外周側を取り囲むコイル部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、装置を大型化させることなく、水車を確実に水面下に配置することができる水力発電装置が得られる。

垂直軸型水力発電装置の概略構成を示す図である。 運動案内部及び固定部を示す図である。 ロータリーボールスプライン軸受の一部の詳細構成を示す図である。 水位が上下に変化した際の垂直軸型水力発電装置の動作を示す図である。 水車位置調整部の第一変形例を示す図である。 水車位置調整部の第二変形例を示す図である。

図１は、本発明の第一実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１の概略構成を示す図である。
図２は、運動案内部３０及び固定部５０を示す図である。

垂直軸型水力発電装置１は、例えば、農業、工業、水道等に用いられる用水路Ｃに設置されることができる。
垂直軸型水力発電装置１では、垂直軸型水車１０が用水路Ｃの水面Ｗｓよりも下方に配置される。つまり、垂直軸型水車１０は、用水路Ｃにおいて水没するように配置される。また、垂直軸型水車１０は、中心軸（回転中心）Ａである回転軸１３が鉛直方向を向くように配置される。そして、水上に露出した回転軸１３には、発電機５５が間接的に連結される。発電機５５は、垂直軸型水車１０の回転力（機械エネルギー）を電気エネルギーに変換する。つまり、用水路Ｃを流れる水Ｗの力を用いて発電を行う。

垂直軸型水力発電装置１は、垂直軸型水車１０、運動案内部３０、固定部５０及び水車位置調整部６０から構成される。
運動案内部３０は、垂直軸型水車１０の回転を発電機５５に伝達しつつ、垂直軸型水車１０を上下方向に移動可能である。
固定部５０は、用水路Ｃの上方に配置されて垂直軸型水車１０及び運動案内部３０を支持すると共に後述する発電機５５にて発電を行う。
水車位置調整部６０は、水位（水面Ｗｓ）の変化に対応して、運動案内部３０を作動させる。

垂直軸型水車１０は、所謂ジャイロミル型風車であるが、これに限定されない。
垂直軸型水車１０は、矩形板状又は帯板状をなし、鉛直方向に延びるブレード１１を複数有する。また、垂直軸型水車１０は、中心軸Ａに沿って配置された回転軸１３を有する。
複数のブレード１１は、中心軸Ａ回りに、周方向に均等に間隔をあけて配設される。各ブレード１１は、両端に接続された一対のアーム１２を介して、回転軸１３の外周面に連結される。複数のブレード１１は、水Ｗを受けると揚力を発生する形状に形成されている。この揚力によって、垂直軸型水車１０（回転軸１３）は、中心軸Ａ回りに回転する。
垂直軸型水車１０は、水の流れの方向に対して依存性がない。すなわち、どの方向からの水Ｗに対しても、垂直軸型水車１０は、中心軸Ａ回りに回転可能である。

運動案内部３０は、垂直軸型水車１０と共に回転しつつ、垂直軸型水車１０を中心軸Ａ方向に移動可能である。そして、垂直軸型水車１０の回転を発電機５５に伝達しつつ、垂直軸型水車１０を水位（水面Ｗｓ）の変化に対応して上下方向に移動可能にする。
運動案内部３０は、回転軸１３に一体的に形成されたスプライン軸（軸体）３１と、スプライン軸３１に配置された二つのスプラインナット（筒体）３２,３３と、スプラインナット３２に嵌合する軸受３４，３５、スプラインナット３３に嵌合する軸受３６から構成される。軸受３４，３５，３６は、スプラインナット３２，３３を固定部５０に対して回転可能に支持する。
つまり、運動案内部３０は、一つのスプライン軸３１を共用する、二つのロータリーボールスプライン軸受４０を備える。

図３は、ロータリーボールスプライン軸受４０の一部（スプライン軸３１、スプラインナット３２、軸受３４，３５）の詳細構成を示す図である。
図３（ａ）は、スプライン軸３１及びスプラインナット３２の内部構造等を示す図である。図３（ｂ）は、スプラインナット３２及び軸受３４，３５の内部構造等を示す図である。

図３（ａ）に示すように、スプライン軸３１の外周面には、その延在方向に沿って延びる転動体転走溝３１Ａが複数形成される。これらの転動体転走溝３１Ａは、少なくともスプラインナット３２に対応する位置に形成されており、互いに周方向に間隔を開け配置される。転動体転走溝３１Ａには、スプラインナット３２のボール４４が転動可能に配置されることから、これらボール４４に対する機械的強度を確保するために焼き入れが施されてる。

スプラインナット３２は、スプライン軸３１に遊嵌された円筒状の外筒４３と、スプライン軸３１と外筒４３との間に転がり運動可能に介在される複数のボール４４と、外筒４３に組み込まれて複数のボール４４を扁平した環状又はサーキット状をなすボール循環路に整列する保持器４５と、を備える。

外筒４３の内周面には、スプライン軸３１の転動体転走溝３１Ａに対向して、その延在方向に延びる複数条の負荷転動体転走溝が形成される。外筒４３の軸線方向の両端には、外筒４３に保持器４５を組み付けるための止め輪４６が夫々設けられている。

ボール循環路は、負荷転動体転走路、一対の方向転換路４７及び戻し通路（無負荷転動体転走路）４８から構成されて、扁平した環状又はサーキット状をなす。負荷転動体転走路は、スプライン軸３１の転動体転走溝３１Ａと外筒４３の負荷転動体転走溝とから構成される。一対の方向転換路４７は、保持器４５に形成される。戻し通路４８は、保持器４５と外筒４３との間に形成される。

スプラインナット３２に対するスプライン軸３１の相対的な直線運動に伴い、ボール４４が負荷転動体転走路を転がり運動する。負荷転動体転走溝の一端まで転がったボール４４は、保持器４５により転動体転走溝３１Ａから掬い上げられ、Ｕ字状の方向転換路４７を経由した後、向きを変えて負荷転動体転走溝と平行に延びる戻し通路４８に入る。戻し通路４８を通過したボール４４は、反対側の方向転換路４７を経由した後、再び転動体転走溝３１Ａに戻される。戻し通路４８は保持器４５と外筒４３との間に形成されているので、戻し通路４８においてボール４４が転動体転走溝３１Ａに接触しない。

スプラインナット３２とスプライン軸３１は、相対的に直線移動可能である。
その一方で、スプラインナット３２の負荷転動体転走溝とスプライン軸３１の転動体転走溝３１Ａとの間には複数のボール４４が介在するので、スプラインナット３２はスプライン軸３１がその軸線の回りに回転するのを制限する。すなわち、スプラインナット３２とスプライン軸３１とは、互いの軸周りの相対回転が規制される。

また、図３（ｂ）に示すように、外筒４３の外周面の両端側には、軸受３４，３５が設けられる。
これにより、スプライン軸３１及びスプラインナット３２が一体となって軸周りに回転することが可能である。スプラインナット３２とスプライン軸３１は、互いの軸周りの相対回転が規制された状態で、一体となって軸周りに回転する。つまり、スプライン軸３１が軸周りに回転すると、スプラインナット３２（３３）も一体となって軸周りに回転する。

図１及び図２に戻り、運動案内部３０の軸受３４，３５，３６は、固定部５０に対して固定される。つまり、軸受３４，３５，３６は、一つのスプライン軸３１を共用する、二つのロータリーボールスプライン軸受４０を、固定部５０に対して回転可能に支持する。
二つのスプラインナット３２，３３は、水面Ｗｓよりも上方において鉛直方向に並んで配置される。そして、二つのスプラインナット３２，３３に対してスプライン軸３１の上端側が挿通される。
軸受３４，３５は、一対のアンギュラ軸受である。軸受３６は、ラジアル軸受である。一対のアンギュラ軸受３４，３５は固定部５０の下方側に、ラジアル軸受３６は固定部５０の上方側に配設される。
そして、二つのスプラインナット３２，３３の間に発電機５５が配置される。発電機５５は、スプラインナット３２，３３に連結される。

一対のアンギュラ軸受３４，３５は、内輪を有していない。スプラインナット３２の外筒の外周面に、アンギュラ軸受３４，３５のボールが転走する走行溝が直接形成される。
スプラインナット３２の外筒の両端には、それぞれフランジ３２Ｆが設けられる。軸受３４，３５のボールが転走する走行溝は、それぞれフランジ３２Ｆの近傍に形成される。
また、一対のアンギュラ軸受３４，３５の外輪同士の間には、円筒形の間座３７が設けられる。

ラジアル軸受３６は、スプラインナット３３の外筒に嵌合する。スプラインナット３３の外筒の一端（下端）には、フランジ３３Ｆが設けられる。このフランジ３３Ｆにラジアル軸受３６の内輪が当接する。

固定部５０は、支持フレーム５１及び発電機５５等から構成される。
支持フレーム５１は、用水路Ｃの両岸の間に架け渡されて、垂直軸型水車１０と運動案内部３０を支持する。そして、支持フレーム５１の内部に発電機５５が設けられる。

支持フレーム５１は、用水路Ｃの両岸の間に架け渡される支持板５２、支持板５２の上面に配置される円筒形のケーシング部５３、ケーシング部５３の上端面に配置されるリング部材５４から構成される。

支持板５２には、円形の貫通孔５２Ａが垂直方向に沿って形成される。貫通孔５２Ａには、スプラインナット３２が軸受３４，３５を介して配置される。つまり、貫通孔５２Ａは、スプラインナット３２とほぼ同一長さを有しており、この貫通孔５２Ａの内周面に軸受３４，３５の外輪が嵌合配置される。貫通孔５２Ａの下方側に軸受３４が、上方側に軸受３５が配置される。
軸受３５の外輪には、フランジ３５Ｆが形成される。このフランジ３５Ｆが支持板５２の上面に当接し、ボルトにより支持板５２に固定される。

ケーシング部５３は、支持板５２の貫通孔５２Ａの中心軸に同軸配置される。
ケーシング部５３の中心孔５３Ｈの内径は、軸受３５の外輪のフランジ３５Ｆの直径よりもやや大きい。したがって、中心孔５３Ｈの下方側には、軸受３５の外輪のフランジ３５Ｆが収容される。
中心孔５３Ｈの上方側には、スプラインナット３３が軸受３６を介して配置される。つまり、中心孔５３Ｈの内周面に軸受３６の外輪が嵌合配置される。
ケーシング部５３の上端面には、リング部材５４が配置される。リング部材５４の一部がケーシング部５３の中心孔５３Ｈに嵌合しつつ、軸受３６の外輪に当接する。そして、リング部材５４フランジ５４Ｆがケーシング部５３の上端面に当接し、ボルトによりケーシング部５３に固定される。

発電機５５は、スプライン軸３１の回転によって得られる回転力（機械エネルギー）を電気エネルギーに変換して電力を発電する。
発電機５５は、マグネットロータ５６及びコイルステータ５７を備える。マグネットロータ５６は、二つのスプラインナット３２，３３の間に配置される。コイルステータ５７は、固定部５０のケーシング部５３の内部に配置される。

マグネットロータ（磁石部）５６は、二つのスプラインナット３２，３３の端面同士の間に挟持される。なお、マグネットロータ５６は、二つのスプラインナット３２，３３の間に挟持される場合に限らない。例えば、マグネットロータ５６は、フランジ３２Ｆ，３３Ｆに対してボルト等の締結手段を用いて結合される場合であってもよい。
マグネットロータ５６は、スプライン軸３１から僅かな隙間を隔てて配置される。このため、マグネットロータ５６は、二つのスプラインナット３２，３３と一体となって中心軸Ａ回りに回転する。
その一方で、マグネットロータ５６は、スプライン軸３１が上下方向に移動したとしても移動することなく、二つのスプラインナット３２，３３と一体となって固定部５０に保持される。

マグネットロータ５６は、複数の磁石５６Ｍを備える。複数の磁石５６Ｍは、中心軸Ａ回りの周方向に均等に間隔をあけて配設される。各磁石５６Ｍは、支持部材５６Ｓにより、外周側に露出するように保持される。そして、支持部材５６Ｓが二つのスプラインナット３２，３３の端面同士の間に挟持される。

コイルステータ（コイル部）５７は、ケーシング部５３の内部に配置される。コイルステータ５７は、マグネットロータ５６の外周側に僅かな隙間を隔てて、マグネットロータ５６を取り囲むように配置される。
コイルステータ５７は、複数のコイル５７Ｃを備える。複数のコイル５７Ｃは、中心軸Ａ回りに周方向均等に間隔をあけて配設される。各コイル５７Ｃは、ケーシング部５３の中心孔５３Ｈの内周側に露出するように配置される。つまり、中心軸Ａから各コイル５７Ｃの表面までの距離は、中心孔５３Ｈの半径とほぼ同一となるように設定される。

このような構成により、垂直軸型水車１０が水Ｗを受けてスプライン軸３１を中心軸Ａ回りに回転させると、スプライン軸３１に連結された二つのスプラインナット３２，３３が中心軸Ａ回りに回転する。また、マグネットロータ５６も、二つのスプラインナット３２，３３と一体となって、中心軸Ａ回りに回転する。
そして、マグネットロータ５６がコイルステータ５７に対して中心軸Ａ回りに回転することにより、マグネットロータ５６とコイルステータ５７との間で電磁誘導が発生して、電力が発電される。

水車位置調整部６０は、スプライン軸３１の上端に、軸受６２を介して水平に配置された連結板６１、連結板６１と固定部５０の間に配置された一対の電動シリンダ６３、用水路Ｃの水面Ｗｓの位置（水位）を検出する水位センサ６４、水位センサ６４からの検出結果に基づいて一対の電動シリンダ６３を駆動制御する駆動制御部（不図示）等を備える。

スプライン軸３１の上端には、軸受６２が嵌合し、さらに板形の連結板６１が軸受６２を介して連結される。このため、連結板６１は、スプライン軸３１が回転したとしても、回転することはない。
連結板６１の両端には、一対の電動シリンダ６３のロッド６３Ａが連結される。
一対の電動シリンダ（リニアアクチュエータ）６３は、それぞれ垂直方向に沿って、スプライン軸３１の中心軸Ａに対して対称に配置される。
一対の電動シリンダ６３のシリンダ部６３Ｂは、固定部５０のリング部材５４の上面に固定される。なお、一対の電動シリンダ６３は、ブレーキ付きであり、シリンダ部６３Ｂから突出したロッド６３Ａの位置（突出長）を保持可能である。

水位センサ６４は、地上から水面Ｗｓの位置をレーザ光を用いて検出する光学式センサーである。光学式センサーに代えて、用水路Ｃの底面に配置して、水Ｗの水圧から水面Ｗｓの位置を計測する圧力センサーを用いてもよい。
そして、水位センサ６４からの検出結果に基づいて駆動制御部（不図示）が一対の電動シリンダ６３を駆動制御することにより、スプライン軸３１の位置を水位に合わせて上下動することができる。このような制御のサンプリング周波数は、例えば数分周期であればよい。

図４は、水位（水面Ｗｓ）が上下に変化した際の垂直軸型水力発電装置１の動作を示す図である。図４（ａ）は、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が低い場合を示す図、図４（ｂ）は、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が高い場合を示す図である。

垂直軸型水力発電装置１では、垂直軸型水車１０が水面Ｗｓよりも下方に位置する。つまり、垂直軸型水車１０は完全に水没する。このため、スプライン軸３１も下端側は水没するが、水車位置調整部６０により垂直軸型水車１０に連結されたスプライン軸３１を上下させるので、スプライン軸３１の上端側は常に水面Ｗｓよりも上方に位置する（図１参照）。
垂直軸型水車１０は、用水路Ｃを流れる水Ｗを受けて中心軸Ａ回りに回転する。垂直軸型水車１０に連結したスプライン軸３１も同様に中心軸Ａ回りに回転する。これにより、スプライン軸３１に配置した二つのスプラインナット３２，３３、さらに二つのスプラインナット３２，３３に挟持されたマグネットロータ５６も同様に中心軸Ａ回りに回転する。つまり、垂直軸型水車１０、ロータリーボールスプライン軸受４０及びマグネットロータ５６は、一体となって中心軸Ａ回りに回転する。
このように、ロータリーボールスプライン軸受４０に連結された発電機５５（マグネットロータ５６）には、垂直軸型水車１０の回転が伝達される。

そして、図４（ａ）に示すように、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が低くなった場合には、垂直軸型水力発電装置１では、水車位置調整部６０により運動案内部３０が作動して、垂直軸型水車１０を水位に合わせて下方に移動させる。すなわち、水Ｗの水位が低くなると、垂直軸型水車１０、スプライン軸３１、連結板６１及び電動シリンダ６３のロッド６３Ａが一体となって下方に移動する。
水車位置調整部６０が水面Ｗｓの変化（水位の低下）を検出し、その変化に合わせて電動シリンダ６３を制御するので、垂直軸型水車１０及びスプライン軸３１を水位の低下に合わせて用水路Ｃの下方に向かって移動させる。
一方、スプラインナット３２，３３及び発電機５５は、水Ｗの水位が低くなったとしても、その位置姿勢は変わらずに維持する。つまり、スプライン軸３１がスプラインナット３２，３３に対して移動するので、スプラインナット３２，３３及び発電機５５の位置姿勢は変化しない。
このため、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が低くなったとしても、垂直軸型水力発電装置１では、垂直軸型水車１０が水面Ｗｓ上に露出しないので、垂直軸型水車１０は均等に水Ｗを受けて回転する。したがって、垂直軸型水車１０が損傷等を受けることなく、効率的な発電を維持し続けることができる。

また、図４（ｂ）に示すように、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が高くなった場合には、垂直軸型水力発電装置１では、水車位置調整部６０により運動案内部３０が作動して、垂直軸型水車１０を水位に合わせて上方に移動させる。すなわち、水Ｗの水位が高くなると、垂直軸型水車１０、スプライン軸３１、連結板６１及び電動シリンダ６３のロッド６３Ａが一体となって上方に移動する。
水車位置調整部６０が水面Ｗｓの変化（水位の上昇）を検出し、その変化に合わせて電動シリンダ６３を制御するので、垂直軸型水車１０及びスプライン軸３１を水位の上昇に合わせて用水路Ｃの上方に向かって移動させる。
上述したように、スプラインナット３２，３３及び発電機５５は、水Ｗの水位が高くなったとしても、その位置姿勢は変わらずに維持する。スプライン軸３１がスプラインナット３２，３３がに対して移動するので、スプラインナット３２，３３及び発電機５５の位置姿勢は変化しない。
このため、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が高くなったとしても、垂直軸型水力発電装置１では、垂直軸型水車１０の水面Ｗｓからの位置（水没深さ）が一定なので、垂直軸型水車１０は均等に水Ｗを受けて効率的な発電を維持し続けることができる。

以上説明したように、垂直軸型水力発電装置１は、用水路Ｃを流れる水Ｗの水位が上下に変化したとしても、水車位置調整部６０により運動案内部３０が作動するので、垂直軸型水車１０を常に水没させておくことができる。このため、垂直軸型水車１０が水面Ｗｓ上に露出して、不均一な水力を受けて損傷する事態を確実に回避できる。そして、垂直軸型水車１０を常に水没させておくことにより、垂直軸型水車１０が均等に水Ｗを受けて回転するので、効率的な発電を維持し続けることができる。

また、垂直軸型水力発電装置１は、運動案内部３０がロータリーボールスプライン軸受４０を有するので、垂直軸型水車１０を水面Ｗｓの変動に合わせて円滑に上下移動させることができる。また、垂直軸型水車１０の回転を確実に発電機５５に伝達することができ、効率的な発電を維持し続けることができる。

また、発電機５５のマグネットロータ５６を運動案内部３０（ロータリーボールスプライン軸受４０）のスプラインナット３２，３３に連結したので、垂直軸型水車１０の回転を確実に発電機５５に伝達することができる。
また、発電機５５のマグネットロータ５６を一対のスプラインナット３２，３３で挟持するので、マグネットロータ５６をスプラインナット３２，３３に確実に連結することができる。

水車位置調整部６０として、運動案内部３０（スプライン軸３１）に対して電動シリンダ６３を連結したので、水位の変動に合わせて垂直軸型水車１０を能動的、かつ、確実に水没させることができる。また、水車位置調整部６０が固定部５０に配置されるので、メンテナンス性に優れる。
電動シリンダ６３に代えて、他のリニアアクチュエータを用いていもよい。例えば、多段階式又は無段階式のエアシリンダを用いてもよい。例えば、回転モータとボールネジを組み合わせた直動機構を用いてもよい。このように、多種多様のリニアアクチュエータを用いることができるので、垂直軸型水車１０の重量等に合わせて適切な水車位置調整部１６０を構築することができる。

次に、水車位置調整部の第一変形例について説明する。
図５は、水車位置調整部１６０を示す図である。
水車位置調整部１６０は、スプライン軸３１の外周側に配置された円環形のフロート１６１及びスプライン軸１３１とフロート１６１の内周面の間に配置された軸受１６２から構成される。
軸受１６２の内輪は、垂直軸型水車１０よりもやや上方において、スプライン軸３１に対して固定される。軸受１６２には、例えば防水型のベアリングが用いられる。

フロート（浮体）１６１は、例えば、発砲スチロール等の合成樹脂素材からなり、水面Ｗｓに浮く低密度部材である。フロート１６１は、その浮力により、スプライン軸３１の上端側を水面Ｗｓよりも上方に露出させる。フロート１６１の形状、浮力等は、スプライン軸３１の上端側を水没させない範囲で適宜変更可能である。したがって、フロート１６１は、発砲スチロールで形成する場合に限らず、浮き輪のような袋体であってもよい。また、金属材料により形成したタンク形状の部材であってよい。

このように、フロート１６１は、その浮力により、スプライン軸３１の上端側を水面Ｗｓよりも上方に露出させるので、水位（水面Ｗｓ）が上下に変化したとしても、スプライン軸３１の下端側に連結された垂直軸型水車１０は常に水没した状態となる。

また、フロート１６１は、スプライン軸３１に対して中心軸Ａ周りに軸受１６２を介して回転可能に接続されるので、スプライン軸３１が中心軸Ａ周りに回転したとしても、フロート１６１は回転しない。このため、フロート１６１の存在により、垂直軸型水車１０の回転が阻害されることはない。したがって、発電機５５は、損失を受けることなく良好に回転する垂直軸型水車１０からの回転力（機械エネルギー）を受けて、発電を行うことができる。よって、垂直軸型水力発電装置１は、効率のよい発電を行うことができる。

水車位置調整部１６０として、運動案内部３０（スプライン軸３１）に対して軸受１６２を介して連結されたフロート１６１を用いたので、水位の変動に合わせて垂直軸型水車１０を確実に水没させることができる。
また、円環形のフロート１６１が軸受１６２を介してスプライン軸３１（垂直軸型水車１０）に連結されているので、垂直軸型水車１０の回転を阻害することなく、効率のよい発電を行うことができる。
また、発電機５５が水位に合わせて上下しないのでメンテナンス性に優れる。また、発電機５５に接続されるケーブル類も上下しないので、信頼性が向上する。

次に、水車位置調整部の第二変形例について説明する。
図６は、水車位置調整部２６０を示す図である。
水車位置調整部２６０は、スプライン軸３１の上端外周面に形成されたラック２６１、
ラック２６１に噛合う一対のピニオンギア２６２、一対のピニオンギア２６２を回転させる一対の回転モータ２６３、一対の回転モータ２６３をラック２６１（スプライン軸３１）に対して密着及び離間させる一対のリニアモータ２６４、用水路Ｃの水面Ｗｓの位置（水位）を検出する水位センサ２６５、水位センサ２６５からの検出結果に基づいて回転モータ２６３及びリニアモータ２６４を駆動制御する駆動制御部（不図示）等を備える。

ラック２６１は、スプライン軸３１の上端外周面の全面（全周）に形成される。また、ラック２６１は、スプライン軸３１のほぼ上端から下方に向けて、スプライン軸３１の上下移動距離に対応する長さ（範囲）に形成される。一対のピニオンギア２６２は、それぞれ回転軸が水平方向を向き、スプライン軸３１の中心軸Ａに対して対称に配置される。
一対の回転モータ（回転アクチュエータ）２６３は、水平方向を向くようにして、固定部５０のリング部材５４の上面に配置される。
一対の回転モータ２６３とリング部材５４の間には、一対のリニアモータ２６４が配置される。一対のリニアモータ２６４は、それぞれの回転モータ２６３に連結されたピニオンギア２６２をラック２６１に対して密着させたり、離間させたりするために用いられる。
なお、回転モータ２６３に連結されたピニオンギア２６２をラック２６１から離間させた際に、スプライン軸３１の落下を防止する不図示の落下防止部が設けられる。

水位センサ２６５は、水位センサ１６４と同様に、地上から水面Ｗｓの位置をレーザ光を用いて検出する光学式センサーである。光学式センサーに代えて、用水路Ｃの底面に配置して、水Ｗの水圧から水面Ｗｓの位置を計測する圧力センサーを用いてもよい。
そして、水位に変化がある場合には、水位センサ２６５からの検出結果に基づいて駆動制御部（不図示）が一対のリニアモータ２６４を駆動して、回転モータ２６３に連結されたピニオンギア２６２をスプライン軸３１に形成されたラック２６１に密着させる。さらに、駆動制御部が回転モータ２６３を駆動制御することにより、スプライン軸３１の位置を水位に合わせて上下動することができる。
一方、水位に変化がない場合には、駆動制御部（不図示）が一対のリニアモータ２６４を駆動して、回転モータ２６３に連結されたピニオンギア２６２をスプライン軸３１（ラック２６１）から離間させた状態を維持する。
このような制御のサンプリング周波数は、例えば数分周期であればよい。

水車位置調整部２６０として、運動案内部３０（スプライン軸３１）に対してラックアンドピニオン機構を連結したので、水位の変動に合わせて垂直軸型水車１０を能動的、かつ、確実に水没させることができる。また、水車位置調整部２６０が固定部５０に配置されるので、メンテナンス性に優れる。

水車位置調整部の他の変形例として、スプライン軸３１の上端にアイボルトを締結し、このアイボルトにクレーン等を連結して、スプライン軸３１を上下移動させてもよい。

上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

垂直軸型水車１０は、ジャイロミル型に限らない。直線翼型、ダリウス型、サボニウス型、パドル型、クロスフロー型、Ｓ型ロータ型等であってもよい。

ロータリーボールスプライン軸受４０のうち、スプライン軸及びスプラインナットについては変更可能である。例えば、スプライン軸及びスプラインナットに代えて、フェザーキーやセレーション、すべりスプラインを用いてもよい。

ロータリーボールスプライン軸受４０は、いわゆるエンドキャップ形式のボールスプライン軸受であってもよい。

回転軸１３とスプライン軸３１を一本の軸部材で形成する場合について説明したが、これに限らない。回転軸１３とスプライン軸３１を別個の軸部材で形成し、これら複数の軸部材を溶接する場合であってもよい。

スプラインナット３２に対してアンギュラ軸受３４，３５を直接組み込むのと同様に、スプラインナット３３に対してラジアル軸受３６を直接組み込んでもよい。

軸受６２は、スラスト軸受に限らず、アンギュラ軸受であってもよい。

１…垂直軸型水力発電装置、 １０…垂直軸型水車（水車）、 １３…回転軸、 ３０…運動案内部、 ３１…スプライン軸（軸体）、 ３２，３３…スプラインナット（筒体）、 ３４，３５…アンギュラ軸受、 ３６…ラジアル軸受、 ４０…ロータリーボールスプライン軸受、 ５５…発電機、 ５６…マグネットロータ（磁石部）、 ５７…コイルステータ（コイル部）、 ６０…水車位置調整部、 ６１…フロート（浮体）、 ６２…軸受、 １６０…水車位置調整部、 １６２…軸受、 １６３…電動シリンダ（リニアアクチュエータ）、 ２６０…水車位置調整部、 ２６１…ラック、 ２６２…ピニオンギア、 ２６３…回転モータ（回転アクチュエータ）、 Ａ…中心軸（回転中心）、 Ｃ…用水路、 Ｗ…水、 Wｓ…水面

Claims (4)

1. 水面下に配置される水車と、
   前記水車の回転により発電を行う発電機と、
   前記水車の回転軸に一体的に形成された軸体と、
   前記軸体に対して軸回りに回転不能に嵌合しつつ、前記軸体が相対的に直線運動可能である筒体と、
   前記筒体を水面よりも上方において回転可能に支持する軸受と、
   水位の変動に合わせて前記軸体を上下方向に移動させる水車位置調整部と、を備え、
   前記発電機は、
   前記筒体に連結される磁石部と、
   前記磁石部の外周側を取り囲むコイル部と、
   を備えることを特徴とする水力発電装置。
2. 前記水車位置調整部は、前記軸体に対して軸受を介して連結されたリニアアクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記水車位置調整部は、
   前記軸体に形成されたラックと、
   前記ラックに係合するピニオンと、
   前記ピニオンを回転させる回転アクチュエータと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
4. 前記水車位置調整部は、前記軸体に対して軸受を介して連結された浮体であることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。

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