JP7197639B2 - 変速機構、発電システム - Google Patents

Description

本考案は変速機構、及び、高効率な発電システムに関する。

近年、サステナビリティ（持続可能）社会の実現に向けて、環境負荷の小さなエネルギー源に注目が集まっている。原子力発電は、ＣＯ２を排出しないため、ベースロード電源として期待されていたが、核分裂反応に伴い発生する高レベル放射性廃棄物の処理問題は解決しておらず、多くの懸念事項が先送りされている。

このため各国とも自然エネルギー、特に太陽光発電や風力発電等へ依存度を高めている。しかしながら、特に風力発電は出力の大きな変動が避けられないため、発電効率の変動が大きい。具体的には発電機自体の効率が、ブレードの回転数によって大きく変動してしまう。したがって風力発電機のナセルと呼ばれる部分には、変速機構と発電機が内蔵されているが、変速機構が複雑な構成であると発電システム全体として高価になり、特に発展途上国における導入は難しくなる。

図６には、直径、及び、歯数の異なるスプロケットの組で構成された最も簡単な変速機構の説明図を示す。変速機構２０１は小スプロケット２２０と大スプロケット２１０とチェーン２３０を備える。大スプロケット２１０の中心軸は原動機、例えば風車に接続され、また小スプロケット２２０の中心軸は発電機に接続される。具体的には変速機構２０１は、増速機として機能し、小スプロケット２２０の中心軸は発電機にとって高効率な回転速度を実現する。この事情は、原動機が風車以外の場合、例えば水車やガスタービン、ディーゼルエンジン等の場合であっても同様である。

特になし

前述の如く、発電システムにおいては、原動機と発電機の回転速度のマッチングが発電効率を決めるため、変速機構が極めて重要になる。しかし変速機構を構成するスプロケットが巨大になるとその重量は、例えば数トンにも及ぶことになり、その慣性モーメントも巨大になるため、それ変速機構における損失が無視できなくなる。また直径が１０ｍを越えるような巨大で十分な強度を持った歯車を作製するには、高度な加工技術が必要になる。

本考案は、斯かる実情に鑑み、大型であっても軽量、且つ、十分な強度を持ち、簡便に作製でき、安価な変速機構とそれを用いた高効率な発電システムを提供しようとするものである。

（１）本発明は、直径の異なる２つのスプロケットと前記２つのスプロケット間で力を伝達する環状部材とを備える変速機構であって、前記２つのスプロケットのうち、直径の大きなスプロケットを大スプロケットと定義し、直径の小さなスプロケットを小スプロケットと定義するとき、前記大スプロケットと前記環状部材の間には、前記環状部材と前記大スプロケットを係合する係合機構が設けられ、前記係合機構は、前記大スプロケット側に設けられる押圧部材と、前記環状部材に設けられた受け部材とを有することを特徴とする変速機構を提供する。

出力の大きな発電機のための変速機として、スプロケットの噛み合わせを用いたギア機構を採用するためには、十分な強度を持った巨大な歯車を作製する技術が必要になってくる。上記（１）に記載の考案によれば、精度が低い加工技術であっても、十分な強度と速度変換比率を持った変速機構を構成できるという極めて優れた効果を奏する。

（２）本発明は、前記大スプロケットの直径は８ｍ以上であることを特徴とする上記（１）に記載の変速機構を提供する。

上記（２）に記載の考案によれば、巨大な風車のような原動機の場合でも、その大きなトルクに耐えられ、回転速度を変速することが可能な変速機構を実現できるという優れた効果を奏する。

（３）本発明は、前記小スプロケットの直径は２ｍ以下であることを特徴とする上記（２）に記載の変速機構を提供する。

発電機は一般に回転速度が遅いと、発電効率が低下する。上記（３）に記載の考案によれば、変速比が４以上の変速機構を実現できるので、発電効率を高く保つことができるという極めて優れた効果を奏する。

（４）本発明は、前記環状部材は、金属製のワイヤを有することを特徴とする上記（１）乃至上記（３）のうちのいずれかに記載の変速機構を提供する。

上記（４）に記載の考案によれば、比較的容易に入手可能な金属製ワイヤによって、変速機構でのエネルギー伝達が可能になるので、安価で、且つ、低い加工精度で十分な強度を持った変速機構が実現できるという優れた効果を奏する。

（５）本発明は、前記受け部材は略直方体であって、前記スプロケットと相対する底面における周方向の両周縁について丸み面取りがなされていることを特徴とする上記（１）乃至上記（４）のうちのいずれかに記載の変速機構を提供する。

上記（５）に記載の考案によれば、それぞれのスプロケットにおいて、環状部材が外れやすくなるため、メンテナンスが容易で、損失の少ない変速機が実現できるという優れた効果を奏する。

（６）本発明は、前記受け部材の一辺の大きさは５０ｍｍ以上であることを特徴とする上記（１）乃至上記（５）のうちのいずれかに記載の変速機構を提供する。

上記（６）に記載の考案によれば、十分な大きさの受け部材を提供ができるので、環状部材とスプロケットが確実に係合することができるという優れた効果を奏する。

（７）本発明は、前記環状部材は、少なくとも２本のワイヤを有することを特徴とする上記（１）乃至上記（６）のうちのいずれかに記載の変速機構を提供する。

一本のワイヤのみで環状部材を構成すると、そのワイヤがねじれを生じた場合に、受け部材と、押圧部材が十分な係合をできない場合が生じ得る。上記（７）に記載の考案によれば、複数のワイヤにより、受け部材の向きが定まるので、受け部材と、押圧部材が常に係合するという極めて優れた効果を奏し得る。

（８）本発明は、前記大スプロケットは、前記環状部材と対面する側に、周方向に延在する凹部を持つ外周部と、中心軸と、前記外周部から前記中心軸へ向かって、径方向に延在する複数の支持体とを有し、前記凹部には、前記環状部材の移動方向と垂直方向に棒状の前記押圧部材が保持されることを特徴とする上記（１）乃至上記（７）のうちのいずれかに記載の変速機構を提供する。

上記（８）に記載の考案によれば、十分な強度を持ち、且つ、軽量で大型のスプロケットを実現するという極めて優れた効果を奏し得る。

（９）本発明は、上記（１）乃至上記（８）のうちのいずれかに記載の変速機構を備える発電システムを提供する。

上記（９）に記載の考案によれば、精度が低い加工技術であっても、十分な強度と速度変換比率を持った変速機構を作製できるので、損失が少なく発電効率の高い発電システムを容易に構築できるという極めて優れた効果を奏する。

本考案の請求項１～９記載の変速機構、及び、発電システムによれば、損失が少なく高効率な変速機構、及び、発電システムが実現できるという優れた効果を奏し得る。

（Ａ）本考案の第一実施形態に係る変速機構を備える発電システムの説明図である。（Ｂ）変速機構の概念図である。 変速機構が有するスプロケットの説明図である。 （Ａ）変速機構が有する係合機構の断面図である。（Ｂ）係合機構の動作説明図である。 （Ａ）本考案の第二実施形態に係る変速機構が有する係合機構の断面図である。（Ｂ）本考案の第三実施形態に係る変速機構が有する係合機構の断面図である。 （Ａ）本考案の第四実施形態に係る変速機構を備える発電システムの説明図である。（Ｂ）変速機構の概念図である。 直径、及び、歯数の異なるスプロケットの組で構成された最も簡単な変速機の説明図である。

以下、本考案の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

図１～図５は考案を実施する形態の一例であって、図中、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成は図に示す従来のものと同様である。

図１（Ａ）は、本考案の第一実施形態に係る変速機構５を備える発電システム１の説明図である。発電システム１は、原動機３０と、発電機４０を備え、原動機３０と発電機４０の間に、変速を行う変速機構５が設けられる。発電機４０は商用電力系統５０に接続される。原動機３０の中心軸１２は、大スプロケット１０の中心に固定され、発電機４０の中心軸２５は、小スプロケット２０の中心に固定される。大スプロケット１０と小スプロケット２０は、環状部材１５によって力が伝達される。具体的には原動機３０の回転トルクが環状部材１５で伝達されて、発電機４０で発電をおこなう。原動機３０としては、風車、水車、ガスタービン等が好ましい。

図１（Ｂ）は、変速機構５の概念図である。変速機構５は、大スプロケット１０と、小スプロケット２０と、環状部材１５を備える。具体的には、変速機構５は、直径の異なる２つのスプロケットと２つのスプロケット間で力を伝達する環状部材１５とを備える変速機構であって、大スプロケット１０と環状部材１５の間には、環状部材１５と大スプロケット１０を係合する係合機構８０（後述する図３（Ａ）等を参照）が設けられ、係合機構８０は、大スプロケット１０側に設けられる押圧部材６０（後述する図３（Ａ）等を参照）と、環状部材１５に設けられた受け部材９０（後述する図３（Ａ）等を参照）とを有する。大スプロケット１０の直径は、例えば８ｍ以上であり、小スプロケット２０の直径は
、例えば２ｍ以下である。環状部材１５は、例えば鉄製の金属製のワイヤを有する。ワイヤの直径は例えば１０ｍｍ以上が望ましい。

図２は、変速機構５が有する大スプロケット１０の説明図である。大スプロケット１０は、環状部材１５と対面する側に、周方向に延在する凹部を持つ外周部５５と、中心軸７５と、外周部５５から中心軸７５へ向かって、径方向に延在する複数の支持体６５とを有し、凹部には、環状部材１５の移動方向と垂直に棒状の押圧部材６０が保持される。中心軸７５と支持体６５は結節部材７０を介して接続されることが望ましい。

図３（Ａ）は、変速機構５が有する係合機構８０の断面図である。係合機構８０は、大スプロケット１０の外周部５５の凹部８５に設けられる。外周部５５としては、断面がＨ字状の、いわゆるＨ形鋼が望ましい。凹部８５には押圧部材６０が、凹部８５を横断するように設けられ留め部材９２で固定される。具体的には、押圧部材６０は十分な強度を保つために、例えば直径２０ｍｍ以上のボルトが好ましい。受け部材９０は、例えば二つ割りになっており、下部の受け部材９０Ａが押圧部材６０に押圧されることで、力の伝達をおこなう。下部の受け部材９０Ａと、上部の受け部材９０Ｂは結合部材９４と留め部材９２により結合される。具体的にはボルトとナットが好ましい。環状部材１５であるワイヤ１００を下部の受け部材９０Ａと、上部の受け部材９０Ｂが挟みこむことで、受け部材９０全体は、ワイヤ１００に固定保持される。接着材等を用いて、受け部材９０をワイヤ１００に固定しても良い。受け部材９０は、十分な強度を持つために、例えば鉄製で一辺の大きさは５０ｍｍ以上であることが望ましい。

図３（Ｂ）は、係合機構８０の動作説明図である。係合機構８０は、押圧部材６０と受け部材９０を備え、受け部材９０はワイヤ１００に固定される。押圧部材６０は、大スプロケット１０の外周縁に沿って等間隔に設けられ（図２参照）、大スプロケット１０は、原動機３０によって回転されて、例えば図３（Ｂ）の矢印方向に移動する。ワイヤ１００に複数配設される受け部材９０の一つは、押圧部材６０は押圧する。具体的には、押圧部材６０は、受け部材９０の被押圧面１１０を押圧することで、力を伝達する。

受け部材９０は略直方体であって、大スプロケット１０と相対する底面における周方向の両周縁について丸み面取り１１５がなされている。

なお本考案の第一実施形態においては、変速機は増速機として機能させているが、低速度で発電効率の良い発電機を用いる場合には、大スプロケット１０と小スプロケット２０の位置を逆転させても良い。その場合には受け部材９０が押圧部材６０を押圧することになり、環状部材１５により小スプロケット２０から大スプロケット１０に、力が伝達されることになる。

出力の大きな発電機のための変速機として、スプロケットの噛み合わせを用いたギア機構を採用するためには、十分な強度を持った巨大な歯車を作製する技術が必要になってくる。本発明の第一実施形態に係る変速機構５によれば、精度が低い加工技術であっても、十分な強度と速度変換比率を持った変速機構５を構成できるという極めて優れた効果を奏する。

本発明の第一実施形態に係る変速機構５によれば、巨大な風車のような原動機の場合でも、その大きなトルクに耐えられ、回転速度を変速することが可能な変速機構を実現できるという優れた効果を奏する。

発電機は一般に回転速度が遅いと、発電効率が低下する。本発明の第一実施形態に係る変速機構５によれば、変速比が４以上の変速機構を実現できるので、発電効率を高く保つことができるという極めて優れた効果を奏する。

本発明の第一実施形態に係る変速機構５によれば、比較的容易に入手可能な金属製ワイヤによって、変速機構５でのエネルギー伝達が可能になるので、安価で、且つ、低い加工精度で十分な強度を持った変速機構が実現できるという優れた効果を奏する。

本発明の第一実施形態に係る変速機構５によれば、それぞれのスプロケットにおいて、環状部材が外れやすくなるため、メンテナンスが容易で、損失の少ない変速機が実現できるという優れた効果を奏する。

本発明の第一実施形態に係る変速機構５によれば、十分な大きさの受け部材９０を提供ができるので、環状部材とスプロケットが確実に係合することができるという優れた効果を奏する。

本発明の第一実施形態に係る変速機構５によれば、十分な強度を持ち、且つ、軽量で大型のスプロケットを実現するという極めて優れた効果を奏し得る。

図４（Ａ）は、本考案の第二実施形態に係る変速機構５が有する係合機構８０の断面図である。本考案の第二実施形態に係る変速機構５の備える環状部材１５は、ワイヤ１００を２本有する。具体的には外周部５５の凹部８５の底面に平行にワイヤ１００Ａと１００Ｂが張られ、受け部材９０は２本のワイヤ１００Ａとワイヤ１００Ｂを挟み込むことで固定される。受け部材９０が押圧部材６０と係合して力の伝達をおこなうことについては、第一実施形態に係る変速機構５と同様である。本考案の第二実施形態に係る変速機構５は、他の特徴については第一実施形態と同様であるため、記載を省略する。

一本のワイヤのみで環状部材を構成すると、そのワイヤがねじれを生じた場合に、受け部材９０と、押圧部材６０が十分な係合をできない場合が生じ得る。本考案の第二実施形態に係る変速機構５が有する係合機構８０によれば、複数のワイヤにより、受け部材９０の向きが定まるので、受け部材９０と、押圧部材６０が常に係合するという極めて優れた効果を奏し得る。

図４（Ｂ）は、本考案の第三実施形態に係る変速機構５が有する係合機構８０の断面図である。本考案の第二実施形態に係る変速機構５の備える環状部材１５には、断面が円盤状の受け部材９０が固定される。

本考案の第三実施形態に係る変速機構５が有する係合機構８０によれば、ワイヤ１００がねじれた場合でも、受け部材９０と押圧部材６０の係合が維持されるので、受け部材９０と、押圧部材６０が常に係合するという極めて優れた効果を奏し得る。

図５（Ａ）は、本考案の第四実施形態に係る変速機構５を備える発電システム１の説明図である。発電システム１は、原動機３０と、発電機４０と、変速機構５を備える。発電機４０は、低速度の回転において発電効率が高まる発電機であることが望ましい。発電機４０は商用電力系統５０に接続される。原動機としては、例えば油圧装置、ガスタービン、風車、水車等が考えられる。

図５（Ｂ）は、変速機構５の概念図である。変速機構５は小スプロケット１２５と、第一大スプロケット１２０と、第二大スプロケット１３０を備え、小スプロケット１２５と
第一大スプロケット１２０は、第一環状部材１３２により、力の伝達がおこなわれ、第一大スプロケット１２０と第二大スプロケット１３０は、第二環状部材１３４によって力の伝達がおこなわれる。小スプロケット１２５と第一大スプロケット１２０は減速機を構成し、その減速比は、例えば４以上である。第一大スプロケット１２０と、第二大スプロケット１３０は、直径、歯数（押圧部材６０の数）とも略同一であってよい。第二大スプロケット１３０の構造は、本考案の第一実施形態における大スプロケット１０と同様であってよい（図２参照）。第一大スプロケット１２０については、フライホイールの役目を果たすために、通常のスプロケットであっても良い。

本考案の第四実施形態に係る発電システム１によれば、十分な強度と速度変換比率を持った変速機構５を作製できるので、損失が少なく発電効率の高い発電システム１を容易に構築できるという極めて優れた効果を奏する。

尚、本考案の変速機構、及び、発電システムは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本考案の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 発電システム
５ 変速機構
１０ 大スプロケット
１２ 中心軸
１５ 環状部材
２０ 小スプロケット
２５ 中心軸
３０ 原動機
４０ 発電機
５０ 商用電力系統
５５ 外周部
６０ 押圧部材
６２ 留め部材
６４ 押圧部材頭部
６５ 支持体
７０ 結節部材
７５ 中心軸
８０ 係合機構
８５ 凹部
９０ 受け部材
９２ 留め部材
９４ 結合部材
１００ ワイヤ
１１０ 被押圧面
１１５ 丸み面取り部
１２０ 第一大スプロケット
１２５ 小スプロケット
１２７ 台座
１３０ 第二大スプロケット
１３２ 第一環状部材
１３４ 第二環状部材
２０１ 変速機構
２１０ 大スプロケット
２２０ 小スプロケット
２３０ チェーン

Claims (8)

1. 直径の異なる２つのスプロケットと、
   前記２つのスプロケット間で力を伝達する環状部材と、
   を備える変速機構であって、
   前記２つのスプロケットのうち、直径の大きなスプロケットを大スプロケットと定義し、直径の小さなスプロケットを小スプロケットと定義するとき、
   前記大スプロケットと前記環状部材の間には、前記環状部材と前記大スプロケットを係合する係合機構が設けられ、
   前記係合機構は、
   前記大スプロケット側に設けられる押圧部材と、
   前記環状部材に設けられた受け部材と
   を有し、
   前記大スプロケットは、
   前記環状部材と対面する側に、周方向に延在する凹部を持つ外周部と、
   中心軸と、
   前記外周部から前記中心軸へ向かって、径方向に延在する複数の支持体と
   を有し、
   前記凹部には、前記環状部材の移動方向と垂直方向に棒状の前記押圧部材が保持されることを特徴とする変速機構。
2. 前記大スプロケットの直径は８ｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の変速機構。
3. 前記小スプロケットの直径は２ｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の変速機構。
4. 前記環状部材は、金属製のワイヤを有することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の変速機構。
5. 前記受け部材は略直方体であって、前記スプロケットと相対する底面における周方向の両周縁について丸み面取りがなされていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載の変速機構。
6. 前記受け部材の一辺の大きさは５０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか一項に記載の変速機構。
7. 前記環状部材は、少なくとも２本のワイヤを有することを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか一項に記載の変速機構。
8. 請求項１から請求項７のうちのいずれか一項に記載の変速機構を備える発電システム。

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