JP6198919B2 - 球面継手 - Google Patents

Description

この発明は、洋上で風力発電装置等を支持する浮揚式構造物が波から受ける力を緩衝する球面継手に関する。

近年、風力発電事業は、陸上に比べ安定して強い風力が得られる洋上に活路を見出し、遠浅海域の少ない日本においては、コスト高となる着床式に代えて浮体式風力発電装置の実証実験が進められている。

ところが、現在進められている浮体式風力発電装置は、コスト面の問題を除いたその他の技術的問題を解決するための実証実験であり、商業ベースに乗せるための課題の多くを今後に残している。

そこで、本発明者は、このコスト的課題を解決するために鋭意検討を行ったところ、現在実証実験が進められている風力発電装置は、風車や変電所等の設備を１つずつ別の浮体に載置する形式（特許文献１参照）であることがコスト高の一因であると考え、複数の浮体を水平梁にて連結した複数の設備を載置可能な浮揚式構造物に想到した。

特開２０１２−２０１１９２号公報

しかし、かかる構造では浮体を連結する梁に大きな波の力が加わるため、継手部に多大な強度が要求されるという問題が有る。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、複数の風車や変電所を載置可能な大きさを備えるとともに、波から大きな力が加わっても破損しにくい浮揚式構造物を可能にする球面継手の提供を目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る球面継手は、浮力を確保するための複数の浮体、及び前記浮体を連結する複数の連結梁を含む複数の被結合部材と、前記複数の被結合部材のうち複数の被結合部材の位置関係を変更可能に当該複数の被結合部材を連結する複数の可動継手を備える浮揚式構造物の当該可動継手に用いられる。

このように、可動継手を用いた浮揚式構造物は、可動継手により浮体や連結梁等の被結合部材が互いの位置関係を変更可能に構成されているため、波のうねりに合わせて浮揚構造物の全体形状を変形させて波からの力を緩衝することができる。

前記複数の可動継手のうち少なくとも一部が球面継手であることが好ましい。こうすることで、当該可動継手に連結される被結合部材を連結方向に角度を有する前後左右全ての方向へ揺動させることができる。

前記複数の可動継手のうち少なくとも一部が弾性部材を備え、前記弾性部材により連結方向に伸縮可能に構成される伸縮継手であることが好ましい。こうすることで、当該可動継手に連結される被結合部材間において連結方向に加わる引張り力や圧縮力を緩衝することができる。

前記複数の可動継手のうち少なくとも一部が、球面継手であり、かつ弾性部材を備え、前記弾性部材により連結方向に伸縮可能に構成される伸縮継手を兼ねる球面継手であることが好ましい。こうすることで、可動継手に連結される被結合部材の位置関係をより自在に変更することが可能であるため、波による力をより効率的に緩衝することができる。

本発明の球面継手を用いた浮揚式構造物は、前記複数の浮体が平面視で正三角形の３つの頂点に配設された３つの外側浮体を含み、前記複数の連結梁は、当該正三角形の頂点に配設された浮体を連結する外枠用連結梁を含み、前記外側浮体と、前記外枠用連結梁とが前記伸縮継手を兼ねる球面継手で連結されていることが好ましい。こうすることで、当該正三角形をなす構成が変形可能となり、効率的に波の力を緩衝することができる。

前記複数の浮体は、前記正三角形の重心位置に配設される中央浮体をさらに含み、前記外枠用連結梁は、長さ方向の両端部をなす外枠両端部連結梁と、中間部分をなす外枠中間部連結梁とからなり、前記外枠両端部連結梁と前記外枠中間部連結梁とが前記伸縮継手を兼ねる球面継手により連結されており、前記複数の連結梁は、前記中央浮体から外側方へ放射状に延出して前記中央浮体と前記外枠中間部連結梁とを連結する内側連結梁とを含み、前記中央浮体と前記内側連結梁とが前記球面継手により連結されていることが好ましい。こうすることで当該正三角形の構造により大きい浮力と大きい強度を持たせることが可能となり、より多くの設備を載置することができる。

そして、本発明の球面継手は、浮力を確保するための複数の浮体、及び前記浮体を連結する複数の連結梁を含む複数の被結合部材を備えた浮揚式構造物の少なくとも２つの被結合部材の位置関係を変更可能に連結する球面継手であって、球面をなす外面、前記外面と同心の球面からなる内壁を備えた内室、及び前記内室と前記外面とを連絡する少なくとも２個の円錐孔を有する球形ソケットと、前記内室に収容される中心球と、前記中心球と前記内室の内壁との間に挿設され内面が前記中心球の表面を摺動するとともに外面が前記内室の内壁を摺動する球面板、及び前記球面板の外面から前記円錐孔を貫通するよう延出する連結桿を有する球面スタッドと、前記球形ソケットの外面に密着する凹球面を有し前記凹球面により前記球形ソケットを面摺動可能に挟持するとともに、前記球面スタッドを固定支持する少なくとも２個の球座と、前記球面スタッド、及び前記球座を固定支持する少なくとも２個の連結フランジと、を備え、前記中心球は、前記内室より小径かつ前記円錐孔の内室側開口より大径に形成され、前記球面スタッドの球面板の外周端は、前記円錐孔の内室側開口より大径の円形に形成されていることを特徴とする。
前記球形ソケットは、外面と内壁の間の部分が中空構造になっておりウレタンフォームが充填されていることが好ましい。

このように、本発明に係る球面継手は、球面スタッドが中心球の表面を摺動するように構成され、球面スタッドの連結桿が連結フランジに連結されているため、当該球面継手により連結された被結合部材に回転方向の力が加わった際に、連結フランジが中心球の回りに揺動し、被結合部材に加わる外力を緩衝することができる。また、本発明に係る球面継手は、中心球の表面を摺動する球面スタッドの球面板が外側から球形ソケットに覆われており、中心球は、内室より小径かつ円錐孔の内室側開口より大径に形成され、球面スタッドの球面板の外周端は、円錐孔の内室側開口より大径の円形に形成されているため、球面スタッドが球体ソケットから抜け難く、引っ張り方向の力に強い。

本発明の球面継手は、前記球座と前記連結フランジの間に弾性部材を有し、前記球座が、前記連結フランジに対し、離接可能に前記連結フランジに支持されていることが好ましい。こうすることで球面継手の連結方向に加わる引張り力や圧縮力を緩衝することができる。

本発明の球面継手は、前記少なくとも２個の連結フランジ間に設けられる筒状の蛇腹部材により水密に被包されていることが好ましい。こうすることで、球面継手の海水による腐食や貝類等の付着を抑制して耐用期間を延長できる。

以上説明したように、本発明の球面継手によれば、より多くの設備を載置可能な浮揚式構造物を提供することができるため、洋上風力発電装置のコストを大きく低減することができる。

本発明の第１実施形態の球面継手を用いた浮揚式構造物の平面図である。 図１に示した浮揚式構造物の正面図である。 図１に示した浮揚式構造物の外側浮体周辺を示す（ａ）部分平面図、（ｂ）部分正面図である。 図１に示した中央浮体周辺を示す（ａ）部分平面図、（ｂ）部分正面図である。 本発明の第１実施形態に係る球面継手を示す断面図である。 図５に示した球面継手が屈曲した様子を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る伸縮継手を兼ねる球面継手の断面図である。 図７の伸縮継手を兼ねる球面継手が伸長した様子を示す断面図である。 図７の伸縮継手を兼ねる球面継手が収縮した様子を示す断面図である。 図７の伸縮継手を兼ねる球面継手が屈曲した様子を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る球面継手を示す断面図である。

以下、適宜図面を用いながら本発明の実施形態について詳述する。
（第１実施形態）
図１、図２は、本発明の第１実施形態に係る球面継手６、及び球面継手７を用いた、風力発電装置Ｗ及び変電所Ｔを載置するための浮揚式構造物１００を示している。浮揚式構造物１００は、図１に示すように、平面視で略正三角形をなし、該正三角形の頂点に位置する３つの外側浮体１と、該正三角形の略重心部に位置する中央浮体２と、該正三角形の辺に相当する外枠を構成し、隣り合う外側浮体１を連結する外枠両端部連結梁３及び外枠中間部連結梁４からなる外枠用連結梁と、中央浮体２を外枠中間部連結梁４に連結する内側連結梁５と、中央浮体２を内側連結梁５に連結する３つの球面継手６と、外側浮体１を外枠両端部連結梁３に、又は外枠両端部連結梁３を外枠中間部連結梁４に連結する計１２個の伸縮継手を兼ねた球面継手７と、を主に備えている。

図１、図２に仮想線で示すように、外側浮体１に風力発電装置Ｗが載置される。３台の風力発電装置Ｗの風車部分は、風上側（図１の手前側、図２の左右）の風車の後流が、風下側（図１の奥側、図２の中央）の風車に干渉しないよう、左右の風車を低くし、図２中央の風車を高くしている。また、外側浮体１及び中央浮体２は、係留索９及びアンカー１０により海底に係留されている。尚、図中符号Ｆは、浮揚式構造物１００が設置される海
域を、より有効に利用するための養魚網を示している。

外側浮体１は、図３（ｂ）に示すように、上下端が密封された中空円筒状をなし海面に対し垂設される浮体本体１１と、浮体本体１１の側面から外側方へ放射状に延出する６本の連結枝１２と、連結枝１２を支持する傾斜梁１３，１４を備えている。連結枝１２の突出方向先端には、球面継手７を連結するための盲フランジ１２１が設けられている。浮体本体１１、連結枝１２．及び傾斜梁１３，１４は、端部や連結部が密封されて内部にウレタンフォームが充填されている。このように、浮体本体１１、連結枝１２．及び傾斜梁１３，１４は、内部にウレタンフォームを充填することで、内部に水が侵入しても浮力を維持することができる。尚、図３の仮想線は、浮体本体１１の上に立設される風力発電装置Ｗのタワー部である。

中央浮体２は、図４に示すように、外側浮体１と概ね同様の構成を有し、変電所Ｔ（図中の仮想線参照）を載置する床板部２５を備えている。

外枠両端部連結梁３、外枠中間部連結梁４及び内側連結梁５は、図５乃至図１１に示すように、鋼管の両端部を盲フランジ３１，４１，５１で密封して形成され内部にウレタンフォームが充填されている。

球面継手６は、図５に示すように、球形ソケット６１と、球形ソケット６１の内部に格納される中心球６２と、中心球６２を挟んで対向配置される１対の球面スタッド６３，６３と、球形ソケット６１を支承する一対の球座６４，６４と、球座６４を支持するとともに、中央浮体２や内側連結梁５に連結される一対の連結フランジ６５，６５とを主に備える他、一対の連結フランジ６５，６５間に設けられる筒状の蛇腹部材６６を備えている。

球形ソケット６１は、球体をなし、外面６１ａと同心の球面からなる内壁６１ｂを備えた内室６１ｃと、内室６１ｃを挟んで対向する一対の円錐孔６１ｄ，６１ｄとを有している。円錐孔６１ｄは内室６１ｃ側から拡径しながら外面６１ａ側へ貫通している。球形ソケット６１は、図５に示すように、内壁６１ｂと外面６１ａの間の部分が中空構造になっており、内部にウレタンフォーム６１ｅが充填されている。また、内室６１ｃと円錐孔６１ｄには、中心球６２、球面スタッド６３、及び球形ソケット６１の互いの摩擦を緩和するために、グリス材６１ｆが充填されている。

中心球６２は中実の鉄球からなり、一対の球面スタッド６３，６３に挟持された状態で球形ソケット６１の内室６１ｃに格納されている。中心球６２は、内室６１ｃより小径に形成され、かつ円錐孔６１ｄの内室側開口６１ｇより大径に形成されている。

球面スタッド６３は、図５に示すように、球形ソケット６１の内室６１ｃの内壁６１ｂと、中心球６２との間に挿設される球面板６３ａと、球面板６３ａの外面から円錐孔６１ｄを通って連結フランジ６５の方向へ延出する連結桿６３ｂとを有している。球面板６３ａの外周端は、円錐孔６１ｄの内室側開口６１ｇより大径の円形に形成され、球面継手６に連結方向（図５の上下方向）の引張力が加わっても球面スタッド６３が球形ソケット６１から抜けないように構成されている。球面スタッド６３は、球面板６３ａの内面が中心球６２の表面を摺動し、外面が内室６１ｃの内壁６１ｂを摺動することで、図６に示すように、連結桿６３ｂが対向する連結桿６３ｂに対し揺動する。連結桿６３ｂは、連結方向に対し角度を有する前後左右のあらゆる方向に揺動可能である。

球座６４は、図５に示すように、球形ソケット６１を挟んで連結方向に対向配置され、球形ソケット６１の外面６１ａを挟持するとともに支承する凹球面６４ａを有している。球座６４の先端周縁には、球形ソケット６１の円錐孔６１ｄからのグリス材６１ｆの漏れを防止するパッキン６４ｂが設けられている。また、球座６４には、球面スタッド６３の連結桿６３ｂが固定されており、球座６４と球面スタッド６３とは一体的に摺動する。

連結フランジ６５は、図５に示すように、円板状の盲フランジ部６５ａと、盲フランジ部６５ａから球座６４を外側から覆うように延出する外筒部６５ｂとを備えている。一対の連結フランジ６５，６５の外筒部６５ｂ，６５ｂは、球形ソケット６１を外側から覆う合成ゴム製からなる筒状の蛇腹部材６６により水密に連結されている。盲フランジ部６５ａは、球座６４を固定支持するとともに周縁部に設けられたボルト穴により隣接する中央浮体２や内側連結梁５の盲フランジ１２１、５１に連結される。盲フランジ部６５ａと盲フランジ１２１，５１は、図５に示すように、カバー８により水密に被覆される。

伸縮継手を兼ねた球面継手７は、図７乃至図１０に示すように、球形ソケット６１と、中心球６２と、球面スタッド７３，７３と、球形ソケット６１を挟持する一対の球座７４，７４と、外側浮体１や外枠両端部連結梁３，外枠中間部連結梁４に連結される一対の連結フランジ７５，７５と、球座７４と連結フランジ７５の間に配設される片側８個ずつ計１６個のコイルバネ（弾性部材）７７（図では片側４個ずつ計８個のみ表れる。）と、一対の連結フランジ７５，７５間を連結する筒状の蛇腹部材７６と、を備えている。尚、球面継手７において球面継手６と共通する部材については、共通する符号を付して説明を省略する。

連結フランジ７５は、図７に示すように、盲フランジ部７５ａと、外筒部７５ｂと、外筒部７５ｂの内部を軸方向に並ぶ２室に仕切る仕切部材７５ｃとを備えている。盲フランジ部７５ａと仕切部材７５ｃの間には４本の支柱７５ｅ（図７には２本のみ表れる）が固設されている。

球座７４は、凹球面７４ａと凹球面７４ａの反対側に延出する円筒状部を備えた球座本体部７４ｃと、盲フランジ部７５ａと仕切部材７５ｃの間を摺動する有底円筒状の摺動板７４ｄと、仕切部材７５ｃに設けられた摺動孔７５ｄを貫通し球座本体部７４ｃと摺動板７４ｄを連結する４本の支柱７４ｅ（図７には２本のみ表れる）とを備えている。尚、図７中、符号７４ｆ，７４ｇは、球座本体部７４ｃと仕切部材７５ｃの衝突や摺動板７４ｄと仕切部材７５ｃ、又は盲フランジ部７５ａの衝突を緩和する樹脂製のクッション材である。

球面スタッド７３は、球面板７３ａと連結桿７３ｂとを備え、連結桿７３ｂは、球座７４の球座本体部７４ｃと摺動板７４ｄの両方を貫通するよう設けられるとともに、球座本体部７４ｃと摺動板７４ｄに固設されており、図７乃至図９に示すように、球面スタッド７３、球座本体部７４ｃ、及び摺動板７４ｄは、一体的に連結フランジ７５の外筒部７５ｂの内部を軸方向に摺動する。

コイルバネ７７は、球座７４の球座本体部７４ｃと仕切部材７５ｃの間に４つ、摺動板７４ｄと盲フランジ部７５ａの間に４つの計８つ（図７では４つのみ表れる）が、支柱７４ｅ及び支柱７５ｅに外環挿することで連結棹７３ｄの周囲に等角度間隔となるよう配設されている。

上述した構造を有する浮揚式構造物１００に波の力が加わると、内側連結梁５及び外枠両端部連結梁３が一体的に球面継手６の周りに回動し外枠両端部連結梁３が球面継手７の周りに回動することにより、例えば、浮揚式構造物１００が、図１、又は図２に仮想線で示した形状に変形し、浮揚式構造物１００に加わる力が緩衝される。

浮揚式構造物１００は、図１に仮想線で示したように、複数を横一列に並べて連結することで、より多数の風力発電装置を搭載することができる。浮揚式構造物１００は、このように複数を連結した場合であっても、波の力に応じて変形するため、波から受ける力を緩衝することができる。

（第２実施形態）
図１１は、本発明の第２実施形態に係る球面継手２０６を用いた浮揚式構造物２００において、球面継手２０６の周辺部を示している。浮揚式構造物２００では、浮揚式構造物１００の中央浮体２を設けず、３本の内側連結梁５を球面継手２０６により連結している。尚、浮揚式構造物２００は、図１１に示した部分以外は、第１実施形態と共通するため、図示や説明は省略する。

球面継手２０６は、図１１に示すように、球形ソケット２６１と、球形ソケット２６１の内部に格納される中心球６２と、平面視において、中心球６２の周りに等角度間隔で配置される３個の球面スタッド６３と、球形ソケット２６１を支承する３個の球座６４と、球座６４を支持するとともに、内側連結梁５に連結される３個の連結フランジ６５とを主に備える他、３個の連結フランジ６５間に設けられる蛇腹部材２６６を備えている。尚、球面継手２０６において、球面継手６と共通する部材については、同一符号を付して説明を省略する。

本発明の球面継手を用いた浮揚式構造物は、上記の実施形態に限らず、例えば平面視形状が、正三角形に限らず、他の多角形状を有していてもよい。可動継手は、球面継手に限らず、他の公知の継手により被結合部材どうしを揺動させるようにしてもよい。伸縮継手の弾性部材には、オイルダンパー等の他の弾性部材を用いることもできる。

本発明の球面継手は、波の力を効率的に緩衝することができるので、洋上風力発電装置等、洋上に設置されて、波の力を受ける全ての浮揚式構造物に好適に採用できる。

１００，２００ 浮揚式構造物
１ 外側浮体（浮体、被結合部材）
２ 中央浮体（浮体、被結合部材）
３ 外枠両端部連結梁（連結梁、被結合部材）
４ 外枠中間部連結梁（連結梁、被結合部材）
５ 内側連結梁（連結梁、被結合部材）
６，２０６ 球面継手（可動継手）
７ 伸縮継手を兼ねる球面継手（可動継手、球面継手、伸縮継手）
６１，２６１ 球形ソケット
６１ａ 外面
６１ｂ 内壁
６１ｃ 内室
６１ｄ 円錐孔
６２ 中心球
６３，７３ 球面スタッド
６３ａ，７３ａ 球面板
６３ｂ，７３ｂ 連結桿
６４，７４ 球座
６４ａ，７４ｂ 凹球面
６５，７５ 連結フランジ
６６，７６，２６６ 蛇腹部材
７７ 弾性部材

Claims (4)

1. 浮力を確保するための複数の浮体、及び前記浮体を連結する複数の連結梁を含む複数の被結合部材を備えた浮揚式構造物の少なくとも２つの被結合部材の位置関係を変更可能に連結する球面継手であって、
   球面をなす外面、前記外面と同心の球面からなる内壁を備えた内室、及び前記内室と前記外面とを連絡する少なくとも２個の円錐孔を有する球形ソケットと、
   前記内室に収容される中心球と、
   前記中心球と前記内室の内壁との間に挿設され内面が前記中心球の表面を摺動するとともに外面が前記内室の内壁を摺動する球面板、及び前記球面板の外面から前記円錐孔を貫通するよう延出する連結桿を有する球面スタッドと、
   前記球形ソケットの外面に密着する凹球面を有し前記凹球面により前記球形ソケットを面摺動可能に挟持するとともに、前記球面スタッドを固定支持する少なくとも２個の球座と、
   前記球面スタッド、及び前記球座を固定支持する少なくとも２個の連結フランジと、
   を備え、
   前記中心球は、前記内室より小径かつ前記円錐孔の内室側開口より大径に形成され、
   前記球面スタッドの球面板の外周端は、前記円錐孔の内室側開口より大径の円形に形成されていることを特徴とする球面継手。
2. 前記球形ソケットは、外面と内壁の間の部分が中空構造になっておりウレタンフォームが充填されている請求項１に記載の球面継手。
3. 前記球面継手は、
   前記球座と前記連結フランジの間に弾性部材を有し、
   前記球座が、前記連結フランジに対し、離接可能に前記連結フランジに支持されている請求項１、又は請求項２に記載の球面継手。
4. 前記球面継手は、
   前記少なくとも２個の連結フランジ間に設けられる筒状の蛇腹部材により水密に被包されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の球面継手。

Images