JPS6041234B2 - 水流利用の発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は海水または河水の流速を利用した回転ドラムに
よる発電装置に関する。

近年波浪ヱネルギを利用した多くの発電装置が研究され
ているが、その多くは波の上下運動を利用したもので、
現在実用化されている代表的なブィ用発電装置を例にと
ると海面に下方に開放したブィを浮かべ海面の上下運動
を利用したものでちようと海面をピストンと考えた時の
ポンプと同じである。

プイには弁とタービンが設けられても、て海面の上下動
による空気圧の変化を利用して弁を開閉し外気を吸入し
てタービンを回わすようにしている。しかしながら上記
のような発電装置は効率が悪くその出力は数十ワットに
過ぎない。これは上記の装置の原理が往復運動を利用す
るためである。一般に動力の効率からみて往復運動は効
率が悪ろくそれに比して回転運動はそれの数倍の効率が
得られる。又波浪の上下運動利用率は運動ヱネルギのｉ
ｏ〜１５％であるのに反し水平運動では９０％のェネル
ギが利用される。更に上下運動を利用したのでは海水で
はともかく河水では上下運動が少ないため殆んど利用す
ることができない。また別に、円筒形回転ドラムを利用
するものも公知である。これはドラムの外側周面に倒伏
自在な翼を枢着させて、該回転ドラムの軸線を流水方向
に直交状に設置したときドラム回転周面の半周上にある
翼は翼の重量及びドラムの回転方向に従って各翼が倒伏
し流水圧による回転作用を減じ、これと同時に他方の半
周上にある翼は枢敷回転して翼面を半径方向に突出させ
、流水圧を捕捉（流水圧ェネルギをドラムの回転力に転
換せしめ、この転換ェネルギを地上に設置した発電装置
に蓄勢するようにした流水力発電装置が特開昭５１−７
５８４１号に開示されている。更にまた特関昭４７−２
１５び餅こは前掲公報と原理的に構想を同じくするェネ
ルギ変換装置を開示する。

このものは流水中に埋設した回転主軸上に放射状アーム
を突出固定しこれらアームの外端に翼板を回動自在に枢
着する。これらの翼板は回転主軸の半周回転期間にスト
ッパーを介して半径方向に突出するよう係合されて流水
圧を捕捉し主軸に対する回転トルクを発生し、またその
反対側、他方の半周回転期間において該ストッパーから
外されて流水方向に従って自由浮遊可能に解放されるも
のである。これらのものはいずれも回転体の半径方向外
側に設けたピポット軸上に枢着された羽根或は翼を利用
するもので各翼の松着回動部はいずれも流水中に曝され
ると共に翼体の重量と自由に橘着した流水中における一
方向回動作用を利用するものであるかな流水中に曝らさ
れたピポット軸受部は浮遊物を巻き込み或は微塵により
目詰りを起しその枢動回転機能を損じ耐用寿命に問題が
ある。更には発電設備等のェネルギ変換装置は地上に設
備されたものであるから、発電設備として所望河川或は
潮流中に容易には設置できない困難性があった。本発明
はこれら従来の欠陥を解消する変動効率の高い発電装置
を提供するものである。本発明の構成は水底に設置した
保留装簿により所望の流水中に回遊する左右一対をなす
両フロ−ト間を単一の静止軸により連続し、該静止軸上
に中空の円筒状回転ドラムを回転自在に麹装し、該中空
ドラムの回転軸受部に軸封シールを施して回転ドラム内
部を外界から密封状に遮断して、ドラム内部に発蝿菱鷹
を内蔵したものである。

このような回転ドラムにおいて萩中空ドラムの闇面外壁
に形成した複数個のボス部内には平板状羽根をもつ羽板
取付藤を旋回可能に鉄入して羽根面をドラム外方に突出
させ「かつ前記羽根取付軸の下端に垂下形成した２個の
支髄にカムローラを担持させると共に、該カムローラを
転勤案内せしめる案内カム溝をもつ変角館円筒カムを前
記静止軸上に固定して設け、前記変角用円筒カム上の案
内カム溝は略その半円周に亘り平行な２条の転動案内溝
とこれに儀統する１条の転勤用案内溝により形成させた
ものである。これにつて回転ドラムの半周上にある羽根
面はドラムの回転軸線を含む平面内に配向するように前
記案内溝カムにより規制され「その反対側半周上にある
羽根面は回転軸線に直交するように変角規制されるよう
に構成される。本発明の好適な実施の態様によれば前記
回転ドラムの回転動力を該ドラム内に内蔵せしめた発電
設備に効率的に蓄勢するために、ドラム内壁に内歯歯車
を形成して前記静止軸の周りに回転するようにし、該内
歯歯車には静止樹上に固定のブラケット支軸に遊鉄せし
めた中間歯車を噛合させ、次いで該中間歯車を静止軸周
りに遊鼓して回転する中心外歯歯車に噛み合せ、ドラム
回転を該中心外歯歯車上に増速して取り出すように構成
される。更に該中心外歯歯車の回転を入力回転部とし、
この回転を発電機の回転子に対し高速回転を伝動出力さ
せるために前記中心歯歯車とドラム壁体上に形成した複
数個の内歯歯車茂主間に増速形穣列遊星歯車機構を挿入
することにより、前記回転子取付軸に高速回転を引出す
ように構成される。以下図面を参照しながら実施例につ
き詳述する。

第１図において１は係留用支柱、２はブィ、３は碇絹、
４は碇「 ５は信号灯、６は係留素、ＩＱはフロート亀
１に懸吊された本発明の発電装置を全体的に示す。

発電装置は係留素によって支柱１につながれており、支
柱１は碇絹３と碇４によって海底又は河底に固定されて
いるので柱は海底又は河底にほぼ垂直状態に保たれる。
第２ａ図乃至２ｃ図において発電菱贋１０は夫々２個の
主フロート１１及び補助フロート１６により懸吊され水
面より一定の距離を保って沈むように浮力を調節されて
いる。

各フロート１１，１６は係留素６で支柱１につながれ発
電装置１０は常に流れの方向に流されて静止する。１２
は連結板で第２ｂ図に示すように回転ドラム１３と一定
の間隔を保ち回転ドラムと連結板１２の間に水流を押込
むよう横成されている。

第２ｃ図について説明すると、回転ドラム１３は耐蝕処
理をした金属製又はプラスチック製の中空円筒内で以下
詳述する羽根の変向機構、増速機構、発電機横を内藤し
ている。回転ドラムの外周には複数個の羽根１４が一列
以上設けられていて、後述するように水面に近い流速大
なる上方水流中では羽根面を回転軸線方向に向け、流速
が比較的小なる水流中では羽根面を回転軸線に直交せし
めるように羽根取付軸が旋回可動に形成されているので
流速があれば流速方向に対する羽根面の変角作用によっ
て回転ドラム１３を回転させる。回転ドラム１３を支承
する静止軸１５は水面に平行に補助フロート１６に固定
されている。補助フロート１６と主フロート１１とは左
右の垂直板１８により連結される。８３は発電装置によ
り発電された電力を外部に取出す電線である。

第２ｂ図に示すように流水整流板１９がほぼ連結板１２
の全幅にわたって水流の上流側に設けられていて水流を
上下に整流し、上流側より見て整流板１９に陰れた場所
で羽根が水流に対して００から９００の角度に旋回され
るようにしている。水流速度の比較的速い上方水流中で
羽根が水流に直角に並らぴ水流速度の比較的遅い下方水
流中で水流に平行に並らふく変角作用は後述する回転ド
ラム内の静止軸上に固定された変向カムによってドラム
回転に伴って自動的に達成される。第３図において回転
ドラム１３の端壁２１はオイルシール、ｏ−リングを介
して静止軸１５に関して完全に密封されている。

回転ドラム１３内には必要に応じて窒素ガス封入または
油が満されているから水中においても内部機構の酸化は
起こらない。羽根１４は羽線取付軸２２の上端にスプラ
ィン３３を介して固着され、羽根取付藤２２はボス２３
に支持され玉軸受２４、コロ軸受２５によって軽快に旋
回しオイルシール群２６によって外部からの侵水を防い
でいる。羽狼取付軸２２の回転ドラム内部にある下端に
はローラ支持腕２７が形成され、該支持腕２７を介して
２個のローラ支軸２８を備え、該支軸２８には玉軸受２
９を介してカムローラ３０が回転自在に担持する。次い
でこのカムロ−ラ３０‘ま静止軸１５側に固定的に設置
した変角円筒カム３１に係合している。従って羽根１４
は２個のカムローラ３０と円筒カム３１によって旋回さ
れる。羽線取付軸用ボス２３はボルト３２で回転ドラム
１３に締結されｏーリング３５で侵水を防止する。又ス
プラィン軸３３はカバー３４によって密封される。この
ように構成された回転ドラム１３は玉軸受４１、オイル
シール群４２を介して静止軸１５上に回転自在に軸承さ
れているから回転ドラム１３は水流によって所望のトル
クおよび回転数をうけて水中で回転される。静止軸１５
を補助フロート１６に固定する手段として補助フロート
１６にスプラィン軸４３、フランジ４４、ボルト４５を
使用する。次に羽根の旋回機構を説明する。

第３図、第４ａ図及び第４ｂ図において、前述したよう
に羽根１４は回転ドラム１３の上部にある時には水流に
直角に下部にある時は水流に平行に旋回する必要がある
。羽線取付軸は下端に２個のカムローラ３０を有し、こ
れと変向用円筒カム３１との相関運動により任意の角位
置で希望の方向へ羽根を旋回することができる。第５図
は変向用カム外周の展開図で、図において２個のーラ３
０１ま右から左に進入するものとする。

又変向用円筒カム３１は羽根１４の羽綬取付軸２２が旋
回して通過する中心軌跡Ｘ−Ｘ上に平行四辺形ＰＱＲＳ
の旋回用カム溝とそれに続く前記中心軌跡×−×に沿っ
た一条の転動案内用カム溝とにより形成される。尚平行
四辺形ＰＱＲＳのカムの長辺はＸ−Ｘに平行で該平行四
辺形の中点はＸ−Ｘ線上にあるように配置され、平行四
辺形カムの進入側端部ＳはＸ−Ｘ線より上方にまた退出
側端部Ｑは下方にオフセットされている。今入口部にお
ける２個の変向用円筒カムの中心を０′，０″、羽根の
中心をｏとし以下平行四辺形カムによる上記谷中心の変
位を１′，・・・・・・ｎ′ ｌｒ・・・ｎ″１・・・
ｎと表わして羽根の旋回運動を考察する。先づｏ′−ｏ
−ｏ″が進入して来た場合、羽根の中心ｏはＸ−Ｘ線上
に拘束され進むがｏ′，ｏ″は上下何れの方向にも自由
に移動し得る。ところがｏ″がカムの下方の壁に当って
下方への移動を拘束するのでｏ′は下方方向への移動の
みが自由となり、Ｓ点がＸ−Ｘ線に対しオフセットされ
ていることによりｏ′のローラは下方のカム溝を進む。
続いて中心が０から１に移動すると１′はカムの９１部
分により案内されるから１″は上方のカム溝を進まざる
を得なくなり、このようにして０，１，２…ｎに到って
羽根は完全に当初のｏｏの角度から９びに旋回する。次
に退出側ではげ，ｎ″は何れが先行するかは決らない。
即ち、退出側のカム溝の形状の都合上ｎ′を先行させる
必要がある。このため本発明では第５ａ図に示すように
平行四辺形カムの方向変換点Ｐ付近の箇所９２に孔を設
け絹球９３、コイルバネ９４、プラグ９５を内蔵し「
９３は孔から溝カムに僅か突出するように設けられてい
る。ｎ″を中心とするローラがこの付近に来るとｎ″の
進行を瞬間拘束する。しかしｎが更に進行するにつれて
この拘束は強制的に解かれるが、この拘束時間中にｎ′
‘まｎ″に先行する。以上の順序で回転ドラム１３は静
止された変向用カム３１に誘導されながら静止軸１５の
周りをサイクルを画いて回わる。平行四辺形カムは静止
鞠１５の上方に、単純直線状溝カムは静止軸の下方に配
設ごれているので溝カムに沿って羽根１４は静止軸の上
方では水流に直角方向、下方では水平方向の位置をとる
。次に増速装置について説明する。以上のように構成さ
れた発電装置１０を水中に配置すれば一定のトルク、回
転数をもつ水車が得られる。しかし一般に海又は河川の
流速は小さいので回転数は３仇ｐｍ位である。これを増
速して１００仇ｐｍ以上にしなければ実用にならない。
増速には理論効率の高い遊星歯車を使用することが望ま
しいが、本発明のように軸固定でドラム回転の場合は直
ちに遊星歯車増遠装置を入れることは困難である。以下
再び第３図について説明する。図において内歯歯車５１
は回転ドラム１３の端壁２１に固装され、数列の歯車群
を持っている。第１歯車列を支持するボス４６はキー４
７で静止軸１５に固着されている。ボス４６には１２０
ｏ分割に配置された３個の支軸４８を持ちニードルベア
リング蚤３を介して中間歯車５２を回転自在に軸架して
いる。このように第１歯車列は中間軸固定の内歯歯車原
動であるからこの回転力は中間歯車５２を介して中心外
歯歯車５４に伝達される。中心外歯歯車５４はそれと一
体のフランジ５５を回わし、フランジ５５はそれに植付
けられた同様に３本の軸５６、軸受５７を介して第２列
遊星歯車５８を内歯歯車５１に噛み合わせるから第２列
太陽歯車５９は強制的に回転される。太陽歯車５９はフ
ランジ６０と一体で支軸６１、ニードルベアリング６２
、歯車６３を介して第３列太陽歯車６４を廼わすのは第
２列と同様である。以上の内２列の太陽歯車は何れも静
止藤１５に固定されず浮いており、遊星歯車５８「歯車
６３も何れも浮いて太陽歯車５９，６４と内歯歯車５１
との間で自由に回転するから分割誤差やピッチ蓬誤差は
すべてそれに吸収されて零になり、遊星歯車の高い効率
を保証することができる。次に以上のように増速した回
転を前記遊星歯車列より発電装置の回転子に伝達する装
置を説明する。

本装置ではその構造上回転ドラムの内部左端に増速装置
「中央に固定した変向用円筒カム、右端に回転子を備え
ているから増速装置の太陽歯車６４の動力を回転子に伝
達するためには迂回路をとる必要がある。本発明ではこ
れを次に述べる。事Ｘ害の歯車列で増速し乍ら伝達して
ある。第３図において太陽歯車６４と一体のｅ歯車６５
は玉軸受６６を介して静止軸貴５の周りに遊鼓してｆ歯
車６７と噛合っている。ｆ歯車６７はボールベアリング
６８、ボス６９を変向用円筒カム３１の本体部を成すフ
ランジに固菱してあるので綾速取出騒？０によって動力
はｇ歯車７４に伝達される。取出軸７川ま前記カム本体
部に形成したばか孔を貫通して右方回転子側に引き出さ
れている。７４は右端で玉軸受６８′で受けられる。ｇ
歯車４はｈ歯車７５に噛合いｇ歯車７５は回転子取付鞠
７６、回転子７７と一体化されている。このようにして
回転ドラムの回転は伝達装置でも更に増速されて回転子
７７に達する。変向用円筒カム３審はスプラィン軸７１
、スリーブ７２、割ナット？３によって複数列が静止軸
１５上に固定化することができる。回転子７７は玉軸受
７８，７８′で静止軸１５上で回転する。また固定子８
１はボス７９「カップ形円板８０、キー８５によって静
止軸亀５と一体となっていて回転しない。静止軸事５の
右端を支持する方法は図の左端の支持方法と全く対称的
に形成される。静止軸１５の右端には孔８４を有し発電
装置より発生した電力を電線８２，８３を通じて軸外に
取出される。以上に述べた増速機構は３列の遊星歯車蟹
羊と平歯車茨ふ害を用し・て約８唯の増速比を得ること
ができる。

また有効効率は増速のための減量をｉｏ％と見込んだ場
合も０．７８が得られる。次に例題によって本発明の発
電装置による発電量を示す。

羽根面積 ・・・・・・Ａの有効半径
…・・・Ｒｍ 上方流側の有効羽根数 ・・・・・・乙 羽根車の列数 …．・・の 羽根車の回転数 ……ｎ ｒＰｍ 流れの水圧 …・・・ｐｋ９′の１回転当り
の有効羽根圧・・・・・・ｐｋ９発生トルク
・…・・Ｔｋｇ・川全系の効率 …．・・
り発生電力 ・・・…Ｎ側とすればＴ；Ｐ
Ｒ（ｋ９，机）Ｐ＝Ａｐ２，机（ｋ９） （公式
）Ｎ（ＫＷ）＝Ｔｎり／９７３ 本装置は黒潮（潮流の平均速度６０の／ｍｉｎ、潮流の
抵抗０．０５ｋ９ノの）の水流中に設置し第６図の各部
寸法を次の如く仮定する。

ＡＦ４９０×２２０＝１０７８ｃ椎、Ｒ＝０．３９の、
上方流側の有効羽根数Ｚ＝２，仇＝２とし、又り＝０．
７８とすると、ｎ＝ｖ／２ｍＲ＝６０／２竹×０．３９
＝２４．３ｐｍこれを公式に代入するとＰ＝ＡｐＺ．ｍ
；１０７８×０．０５×２×２＝２１５ｋ９Ｔ＝ＰＲ＝
２１５×０．３９：８４ｋ９・ｍＮ＝Ｔｎり／９ね＝８
４×２４．５×０．７８／９７３＝１．６９ＫＷ即ち外
蓬１の長さ１．１仇の発電装瞳で羽根数６×２列の場合
でも】．６弧Ｗの発電力が得られる。

これは潮流または河川流を利用して比較的小型の装置で
大馬力が得られることを示し、故障率は４・さくしかも
耐久力の大きい装置が得られることを証明している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概略全体図、第２ａ図、第２ｂ図及び
第２ｃ図は本発明の装置の一実施例を示す平面図、側面
図及び背面図、第３図は主要部の縦断面図、第４ａ図及
び第４ｂ図は夫々ドラム回転軸線に直交した場合と、軸
線に平行となる場合の変向可能な羽根の説明図、第５図
は変向用円筒カムの展開図、第５ａ図はカム溝内を通る
カムローラの一時停止装置の断面図、第６図は複数個の
羽根列をドラム軸線に沿って醜遣した大電力用発電装層
を示す。 １１，１６・・・フロート、１３・・・回転ドラム、１
４・・・羽根、１５・・・静止軸、２２・・・羽板取付
軸、３０・・・カムローラ、３１・・・変向用円筒カム
、４８・・・支軸、５１・・・内歯歯車、５２・・・中
間歯車、５４・・・中心外歯歯車、７６・・・回転子取
付軸、７７・・・回転子、８１・・・固定子。 第１図 第２ｂ図 第２ｏ図 第２ｃ図 第３図 第４ｏ図 第４０図 第５図 第５。 図第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 左右に対をなすフロート１１，１６間に常時水平状
   に保持浮場する静止軸１５を連結し、該静止軸１５上に
   軸封シールを施した中空ドラム１３を回転自在に軸装し
   、該ドラム外周に複数個の羽根を突設すると共にその内
   部に回転ドラム部分に連動して回転する回転子を有する
   発電機を内蔵せしめた水流利用の発電装置であつて、前
   記中空ドラム１３の胴壁周りに等角度間隔配置に形成し
   たボス２３内に羽根１４を固定した羽根取付軸２２が旋
   回可能に挿着され、該羽根取付軸２２の下端に所定の間
   隔を距てて垂下形成した２個の支軸にカムローラ３０，
   ３０を取着すると共に前記カムローラを転動案内する案
   内カム溝を有する変角用円筒カム３１が前記静止軸１５
   上に固定的に設置され、前記案内カム溝は該カム円筒周
   面の略半円周に亘り平行な２条の転動案内溝とこれに接
   続する１条の転動案内溝を以つて構成され、これにより
   回転ドラムの半周上にある羽根表面はドラムの回転軸線
   を含む平面の内に変向するように前記円筒カムにより規
   制され、その反対側半周上にある羽根面は回転軸線に直
   交するように変向規制されることを特徴とする水流利用
   の発電装置。 ２ 前記中空ドラムの壁体内面に内歯歯車５１を固定し
   、静止軸１５上に固定した支軸４８上に遊嵌した中間歯
   車５２を前記内歯歯車５１に噛合させ、次いで静止軸１
   ５に遊嵌させた中心外歯歯車５４を中間歯車５２に噛合
   させて中空ドラムの回転を前記中心外歯歯車５４に引出
   すように構成され、更に前記引出された中心外歯歯車５
   ４をドラム壁体内に形成した複数個の内歯歯車群との間
   に増速形複列遊星歯車機構による回転増速装置が形成さ
   れ、該増速装置の増速出力軸を発電機の回転子取付軸７
   ６に連結するようにしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の水流利用の発電装置。