(57)【要約】【課題】蒸発による潤滑水の液面低下を抑制して、補水回数を低減できる技術を提供する。【解決手段】立軸水車の主軸を支持する軸受が設置され、かつ、潤滑水を収容する軸受水槽と、少なくとも一部が前記潤滑水の水面より上に位置し、蒸発した潤滑水を冷却して前記軸受水槽内に還元する冷却部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立軸水車の主軸を支持する軸受が設置され、かつ、潤滑水を収容する軸受水槽と、
少なくとも一部が前記潤滑水の水面より上に位置し、蒸発した潤滑水を冷却して前記軸受水槽内に還元する冷却部と、を備える立軸水車の軸受装置。
【請求項２】
前記冷却部は、冷媒が流れる冷媒管によって構成され、冷媒管の一部は、潤滑水の水面よりも上に位置し、冷媒管の他部は、潤滑水の水面よりも下に位置する、請求項１に記載の立軸水車の軸受装置。
【請求項３】
前記冷却部は、水が流れる冷媒管によって構成され、当該冷媒管は、前記軸受水槽内の側面近傍に設置され、冷媒管の一部は、潤滑水の水面よりも上に位置し、冷媒管の他部は、潤滑水の水面よりも下に位置する、請求項１に記載の立軸水車の軸受装置。
【請求項４】
立軸水車の主軸を支持する軸受が設置され、かつ、潤滑水を収容する軸受水槽と、
少なくとも一部が、前記潤滑水の水面より上に位置し、蒸発した潤滑水を冷却する冷却部と、
前記主軸の一端側に接続された水車と、
前記主軸の他端側に接続された発電機と、を備える立軸水車発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立軸水車の軸受装置、及び立軸水車発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
立軸水車発電機には、潤滑剤に油を使用したものと、潤滑剤に水を使用したものがある。潤滑油を使用した立軸水車発電機では、河川への油の流出が懸念されることから、潤滑水を使用した立軸水車発電機が増えつつある。例えば、特許文献１には、摺接面に樹脂材料を用いた、回転機械の回転軸を支持する水潤滑ガイド軸受装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２５５６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
潤滑水を使用した立軸水車発電機によれば、潤滑剤に水を使用することから、河川へ油が流出することはない。一方で、立軸水車発電機は、主軸の回転に伴い、特に軸受装置内に熱が発生する。また、水は油よりも低い温度で蒸発する。そのため、潤滑水を使用した立軸水車発電機では、潤滑水の蒸発による液面低下を抑制するため、定期的な補水が必要とされていた。
【０００５】
ここで、潤滑油を使用した立軸水車発電機においても、水と比較すると少ないものの、潤滑油は蒸発する。従って、潤滑油の蒸発を抑制するためには、例えば、油槽内部に冷却部を設置して、油槽内部を冷却することが考えられる。但し、潤滑油を使用した立軸水車発電機では、冷却部が潤滑油の油面よりも上に位置すると、結露による水が潤滑油と混ざり、潤滑性能が低下し軸受装置が損傷することが懸念される。また、結露による水が潤滑油と混ざることで、水と油が混合した潤滑剤の液面が上昇し、油を含む潤滑剤の河川への流出が懸念される。
【０００６】
本発明では、上記の問題に鑑み、蒸発による潤滑水の液面低下を抑制して、補水回数を低減できる技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、上述した課題を解決するため、少なくとも一部が潤滑水の水面より上に位置するように、潤滑水を収容する軸受水槽内に冷却部を設置することとした。
【０００８】
より詳細には、本発明は、立軸水車の軸受装置に関し、立軸水車の主軸を支持する軸受が設置され、かつ、潤滑水を収容する軸受水槽と、少なくとも一部が前記潤滑水の水面より上に位置し、蒸発した潤滑水を冷却して前記軸受水槽内に還元する冷却部と、を備える。
【０００９】
本発明によれば、蒸発した潤滑水を冷却して液化することで、蒸発した潤滑水を再び軸受水槽内に戻すことができる。その結果、蒸発による潤滑水の液面低下を抑制して、補水回数を従来よりも低減することができる。本発明に係る冷却部は、少なくとも一部が潤滑水の水面よりも上に位置していればよい。冷却部の全部が潤滑水の水面よりも上に位置する場合、冷却部は、蒸発した潤滑水を冷却する。つまり、冷却部は、気中冷却を行う。一方で、冷却部は、他部が潤滑水の水面よりも下に位置していてもよく、この場合、冷却部
は、蒸発した潤滑水を冷却し、かつ、液中で潤滑水を直接冷却することができる。つまり、冷却部は、気中冷却、及び液中冷却を行うことができる。気中冷却と液中冷却の双方を行うことで、潤滑水の蒸発をより効果的に抑制することができる。上述したように、潤滑油を使用した立軸水車発電機においても、軸受油槽内部に冷却部を設置することは考えられる。但し、潤滑油を使用した立軸水車発電機では、潤滑性能の低下や河川への油の流出を抑制するため、冷却部が潤滑油の油面よりも下に位置する必要がある。これに対し、本発明では、潤滑剤として水を使用することに着目し、冷却部の少なくとも一部を潤滑水の水面よりも上に位置させることで、蒸発した潤滑水を冷却して軸受水槽内に還元し、潤滑水の液面低下を抑制し、補水回数を低減することができる。
【００１０】
前記冷却部は、冷媒が流れる冷媒管によって構成され、冷媒管の一部は、潤滑水の水面よりも上に位置し、冷媒管の他部は、潤滑水の水面よりも下に位置するようにしてもよい。
【００１１】
冷媒管の一部、すなわち、潤滑水の水面よりも上に位置する部分の冷媒管の表面には、蒸発した潤滑水の気体が冷やされて結露する。一方、冷媒管の他部、すなわち、潤滑水の水面よりも下に位置する部分の冷媒管は、液中で潤滑水を直接冷却する。そのため、潤滑水の蒸発そのものを抑制することができる。冷媒には、水が例示される。水は、河川の水を引き込む鉄管などから供給することができる。なお、冷媒には、冷媒ガス（例えば、二酸化炭素）等を用いることもできる。
【００１２】
また、前記冷却部は、水が流れる冷媒管によって構成され、当該冷媒管は、前記軸受水槽内の側面近傍に設置され、冷媒管の一部は、潤滑水の水面よりも上に位置し、冷媒管の他部は、潤滑水の水面よりも下に位置する、請求項１に記載の立軸水車の軸受装置。
【００１３】
冷媒管を軸受水槽内の側面近傍に設置することで、軸受装置の軸受構造に関わらず、潤滑水を冷却することができる。換言すると、本発明に係る立軸水車の軸受装置は、新規の立軸水車の軸受装置は勿論のこと、既設の立軸水車の軸受装置に好適に用いることができる。
【００１４】
前記冷媒管は、ステンレス製とすることが好ましい。これにより、緑青や錆の発生を抑制することができる。その結果、緑青や錆が軸受摺動面に付着することで懸念される軸受摺動面の損傷を抑制することができる。
【００１５】
ここで、本発明は、立軸水車発電機として特定することもできる。例えば、本発明は、立軸水車の主軸を支持する軸受が設置され、かつ、潤滑水を収容する軸受水槽と、少なくとも一部が、前記潤滑水の水面より上に位置し、蒸発した潤滑水を冷却する冷却部と、前記主軸の一端側に接続された水車と、前記主軸の他端側に接続された発電機と、を備える立軸水車発電機である。
【００１６】
本発明によれば、蒸発した潤滑水を軸受水槽内に還元することができる。その結果、蒸発による潤滑水の液面低下を抑制して、補水回数を従来よりも低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、立軸水車の軸受装置において、蒸発による潤滑水の液面低下を抑制して、補水回数を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、第一実施形態に係る立軸水車の軸受装置の断面図を示す。
【図２】図２は、第一実施形態に係る立軸水車の軸受装置の透過斜視図を示す。
【図３】図３は、第一実施形態に係る冷却管を構成する第一冷却ユニットの斜視図を示す。
【図４】図４は、第一実施形態に係る立軸水車の軸受装置において、冷却管の取り付け部の詳細断面図を示す。
【図５】図５は、第一実施形態に係る立軸水車の軸受装置における、潤滑水の還元サイクルを説明する図を示す。
【図６】図６は、潤滑水の水面位置の変化グラフを示す。
【図７】図７は、第二実施形態に係る立軸水車の軸受装置の透過斜視図を示す。
【図８】図８は、第三実施形態に係る立軸水車の軸受装置の透過斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。以下の説明は例示であり、本発明は以下に説明する事項に限定されない。
【００２０】
＜第一実施形態＞
＜＜構成＞＞
図１は、第一実施形態に係る立軸水車の軸受装置の断面図を示す。なお、主軸４を基準に図面左側と右側では、異なる断面図を示す。図１の右側は、冷却配管７を含む位置における断面図を示し、図１の左側は、冷却配管７を含まない位置における断面図を示す。図２は、第一実施形態に係る立軸水車の軸受装置の透過斜視図を示す。また、図３は、第一実施形態に係る冷却管を構成する第一冷却ユニットの斜視図を示す。第一実施形態に係る立軸水車の軸受装置１（以下、単に軸受装置ともいう。）は、立軸水車発電機の一部を構成し、軸受水槽２と、冷却管３とを備える。立軸水車の主軸４の先端側（上側）には発電機が設けられ、主軸４の基端側（下側）には水車６の羽根６１（ランナともいう）が設けられている。水車６の羽根６１の回転に伴って主軸４が回転することで、発電機が発電する。
【００２１】
軸受水槽２は、立軸水車の主軸４を支持する軸受５が設置されるとともに、潤滑水を収容する。軸受水槽２は、円筒形であり、主軸４の外面と平行な外壁２１、主軸４の外径よりも僅かに大きく形成され、主軸４の外面と平行な内壁２２、外壁２１と内壁２２の下端と接続された円形の底面２３、外壁２１の上端と接続された円形の蓋２４を備える。本実施形態では、内壁２２の上端が、外壁２１の上端よりも低く、かつ、潤滑水の水面よりも高い位置になるよう設計されている。
【００２２】
底面２３の中心には、主軸４の外径よりも僅かに大きい内径を有し、立軸水車の主軸４が貫通する、底面の貫通孔２５が設けられている。底面の貫通孔２５には、軸受水槽２の中心を通り、垂直方向に延びる主軸４が貫通している。また、底面２３と内壁２２は、取り外し自在な連結板２３１で連結されている。
【００２３】
蓋２４の中心には、主軸４の外径よりも大きい内径を有し、立軸水車の主軸４が貫通する、蓋の貫通孔２６が設けられている。蓋の貫通孔２６には、軸受水槽２の中心を通り、垂直方向に延びる主軸４が貫通している。蓋の貫通孔２６には、主軸４と蓋２４との隙間をシールするシールケース２４１が設置されている。シールケース２４１は、各先端にフェルト（図示せず）が設けられた上下２段に並ぶアーム２４２を有する。アーム２４２の先端のフェルトが主軸４の外面と接するようにシールケース２４１が設置され、主軸４と蓋２４との隙間がシールされている。また、蓋２４には冷却管３へ水を供給する冷却配管７を通す開口２４４の周囲に塞口板２４３が設置されている。
【００２４】
主軸４には、径方向の外側に突出し、かつ、下方に延びる主軸スカート４１が連なっている。主軸スカート４１は、先端が底面２３と間隔を空けて位置し、先端から基部近傍ま
でが潤滑水に浸っており、主軸４と共に回転する。主軸スカート４１の外面は、軸受５の軸受摺動部５１と接する摺動面となる。主軸スカート４１の内面は、主軸４の外面と間隔を空けて対向しており、主軸４の外面と主軸スカート４１の内面との間の隙間に、軸受水槽２の内壁２２が介在している。
【００２５】
軸受５は、放射状に互いに所定の間隔を空けて主軸スカート４１の外側近傍に設置され、主軸４の軸振れを抑制する。図２に示すように、第一実施形態では、軸受５が６０度間隔で６基設置されている。軸受５は、軸受摺動部５１、軸受台５２、押さえ５３、当て板５４、ガイド板５５、コッター５６、軸受支え５７、台座５８を備え、第一軸受取付台５１０、第二軸受取付台５２０によって、立軸水車の外壁２１の内面に固定されている。軸受摺動部５１は、主軸スカート４１の外面と接する摺動面であり、例えば樹脂によって構成される。軸受摺動部５１は、複合樹脂によって構成してもよい。軸受台５２は、軸受摺動部５１が固定される。軸受摺動部５１と軸受台５２は、上部において更に押さえ５３によって固定されている。押さえ５３により固定された軸受摺動部５１と軸受台５２は、更に、内側から外側に向けて、当て板５４、ガイド板５５、コッター５６、軸受支え５７の順に互いに固定されている。隣接する部材同士が互いに固定された、軸受摺動部５１、軸受台５２、押さえ５３、当て板５４、ガイド板５５、コッター５６、及び軸受支え５７は、台座５８上に設置され、軸受５を構成している。軸受５には、外側に位置する軸受支え５７の外面に径方向の外側に突出した第一軸受取付台５１０が接続されている。一方、軸受水槽２の外壁２１の内面には、径方向の内側に突出した第二軸受取付台５２０が接続されている。第一軸受取付台５１０と第二軸受取付台５２０とは、ボルト５９によって固定されている。
【００２６】
冷却管３は、蒸発した潤滑水を冷却するとともに、液中で潤滑水を直接冷却する。冷却管３は、上段冷却管３１、中段冷却管３２、下段冷却管３３の３段の冷却管によって構成されている。上段冷却管３１は、潤滑水の水面よりも上に位置し、蒸発した潤滑水を冷却して軸受水槽２内に還元する。中段冷却管３２、及び下段冷却管３３は、潤滑水の水面よりも下に位置し、液中で潤滑水を直接冷却する。
【００２７】
冷却管３は、図２、図３に示すように、上面視において半円状の二つの第一冷却ユニット３０１、及び第二冷却ユニット３０２が接続されることで構成されている。第一冷却ユニット３０１は、垂直な入口部３４、Ｌ字部３５、水平な下段冷却管３３、Ｕ字部３６、水平な中段冷却管３２、Ｕ字部３６、水平な上段冷却管３１、上段冷却管３１の開放端側から延びる水平な接続部３７によって構成されている。また、第二冷却ユニット３０２は、垂直な出口部３８、Ｌ字部３５、水平な下段冷却管３３、Ｕ字部３６、水平な中段冷却管３２、Ｕ字部３６、水平な上段冷却管３１、上段冷却管３１の開放端側から延びる水平な接続部３７によって構成されている。第一冷却ユニット３０１の接続部３７と第二冷却ユニット３０２の接続部３７が接続されることで、一続きの冷却管３が構成されている。入口部３４は、フレキシブルチューブから冷却配管７を構成する往き配管と接続されている。往き配管は、河川の水を引き込む鉄管（図示せず）に接続されており、例えば５℃から１５℃の水が流れる。往き配管には、水に含まれる塵等を除去するストレーナ（図示せず）が設置されている。出口部３８は、フレキシブルチューブからなる還り配管と接続されている。還り配管は、往き配管よりも下流側で河川に水を戻す鉄管と接続され、冷却後の水が流れる。なお、第一実施形態に係る冷却管３、及び冷却配管７は、ステンレス製である。但し、冷却管３、及び冷却配管７の材質は、ステンレスに限定されるものではない。
【００２８】
冷却管３は、冷却管の取り付け部材８によって、軸受水槽２内に固定されている。冷却管の取り付け部材８は、上段冷却管３１を支持する上段支持部８１、中段冷却管３２を支持する中段支持部８２、下段冷却管３３を支持する下段支持部８３を備え、各支持部は、
支持対象となる冷却管を挟持して支持する。上段支持部８１の下側の支持部は、中段支持部８２の上側の支持部を兼ねている。また、下段支持部８３の上側の支持部は、中段支持部８２の下側の支持部を兼ねている。各支持部には、冷却管３の両側に挟持用のボルト８４が貫通する挟持用の貫通孔（図示せず）垂直方向における同位置に設けられている。一方で、挟持用のボルト８４は、上段支持部８１、中段支持部８２、下段支持部８３を一気に固定できる長さを有している。下段支持部８３の上側の支持部（換言すると、中段支持部８２の下側の支持部）は、他の支持部よりも内側に突出した突出部８５を有している。この突出部８５には、冷却管の取り付け部材８を、第一軸受取付台５１０及び第二軸受取付台５２０に固定する取り付け用のボルト８６が貫通する取り付け用の貫通孔（図示せず）が設けられている。そして、取り付け用のボルト８６により、冷却管の取り付け部材８は、第一軸受取付台５１０及び第二軸受取付台５２０に固定されている。
【００２９】
上記以外の構成について説明すると、軸受装置１には、温度計９１、水面計９２、軸振れセンサ９３が更に設置されている。温度計９１は、軸受装置１内に設置され、軸受装置１の温度を検知する。水面計９２は、軸受水槽２に設置され、潤滑水の水面位置を検知する。軸振れセンサ９３は、シールケース２４１の上部に設置され、主軸４の軸振れを検知する。温度計９１、水面計９２、軸振れセンサ９３は、ケーブルを介してＣＰＵ及びメモリを有する情報処理装置（図示せず）と接続されており、検知した情報は情報処理装置に送られる。
【００３０】
＜＜作用効果＞＞
ここで、図５は、第一実施形態に係る立軸水車の軸受装置における、潤滑水の還元サイクルを説明する図を示す。図５に示すように、第一実施形態に係る軸受装置１では、潤滑水の蒸発、上段冷却管の結露、結露した水が軸受水槽内に還元、が繰り返し行われる。具体的には、水車６の羽根６１の回転に伴って主軸４が回転することで、発電機が発電する。主軸４の回転に伴う摩擦熱等の発生により、軸受水槽２内の潤滑水の温度が上昇し、潤滑水が蒸発する。蒸発した潤滑水の気体は、冷却管３のうち、上段冷却管３１の外面と接することで冷やされて液化する。つまり、気中に位置する上段冷却管３１の外面に結露が発生する。結露した水は、やがて軸受水槽２内に還元される。なお、第一実施形態に係る軸受装置１では、第二冷却管３及び第三冷却管３が潤滑水の水面よりも下に位置することから、液中で潤滑水が直接冷却され、蒸発そのものが抑制される。このように、第一実施形態に係る軸受装置１では、気中冷却、及び液中冷却が行われることから、潤滑水の蒸発をより効果的に抑制することができる。その結果、蒸発による潤滑水の液面低下を抑制して、補水回数を従来よりも低減することができる。
【００３１】
また、冷却管３をステンレス製とすることで、緑青や錆の発生を抑制することができる。その結果、緑青や錆が軸受摺動面に付着することで懸念される主軸スカート４１の外面の摺動面や軸受摺動部５１の摺動面の損傷を抑制することができる。
【００３２】
また、第一実施形態に係る軸受装置１では、軸受水槽２内の空きスペースを活用し、冷却管の取り付け部材８によって、冷却管３が軸受水槽２内に固定されている。また、固定には、第一軸受取付台５１０と第二軸受取付台５２０とを固定する固定孔が用いられている。また、冷却管３と接続される、冷却配管７を構成する往き配管や還り配管は、蓋２４に予め設けられている開口２４４を通されている。このように、第一実施形態に係る軸受装置１は、主軸４や軸受５を変更することなく、既存の立軸水車の発電機に用いることができる。
【００３３】
＜＜試験結果＞＞
ここで、第一実施形態に係る軸受装置１の試験結果について説明する。本試験では、第一実施形態に係る軸受装置１を実際に設置して潤滑水の温度と水面変位を観察した。第一
実施形態に係る軸受装置１の設置前では、発電機稼働後約１週間での軸受温度は約３８℃であったが、設置後では、発電機稼働後の約１週間後の軸受温度は約７℃で安定することが確認された。図６は、潤滑水の水面位置の変化グラフを示す。また、潤滑水の水面位置は、発電機稼働後の１週間においても−１０mmで安定しており蒸発による液面変動がほとんどないことが確認された。
【００３４】
＜第二実施形態＞
図７は、第二実施形態に係る立軸水車の軸受装置の透過斜視図を示す。第二実施形態に係る立軸水車の軸受装置は、冷却管３´の構成が異なる。それ以外の構成は、第一実施形態に係る軸受装置１と同様であるので説明は割愛する。第二実施形態に係る冷却管３´は、入口部３４´、Ｌ字部３５、凡そ円状の上段冷却管３１´、Ｕ字部３６、凡そ円状の中段冷却管３２´、Ｕ字部３６、凡そ円状の下段冷却管３３´、Ｌ字部３５、出口部３８´によって構成されて、一続きとなっている。第一実施形態と同じく、上段冷却管３１´が潤滑水の水面よりも上に設置され、中段冷却管３２´及び下段冷却管３３´が潤滑水の水面よりも下に設置されることで、第一実施形態と同じく、蒸発による潤滑水の液面低下を抑制して、補水回数を従来よりも低減することができる。
【００３５】
＜第三実施形態＞
図８は、第三実施形態に係る立軸水車の軸受装置の透過斜視図を示す。第三実施形態に係る立軸水車の軸受装置は、冷却管３´´の構成が異なる。それ以外の構成は、第一実施形態に係る軸受装置１と同様であるので説明は割愛する。第三実施形態に係る冷却管３´´は、入口部３４´´、垂直方向に振幅する波状の冷却管３９、出口部３８´´によって構成され、一続きとなっている。第三実施形態に係る軸受装置では、冷却管３´´の上部（例えば、波状の配管３９の上部３分の１）を気中に露出させ、冷却管３´´の上部を潤滑水の水面よりも上に設置させ、冷却管´´の上部よりも下の領域を潤滑水の水面よりも下に設置することで、第一実施形態と同じく、蒸発による潤滑水の液面低下を抑制して、補水回数を従来よりも低減することができる。
【００３６】
＜変形例＞
上述した実施形態では、既設の立軸水車の発電機に軸受装置１を適用する場合を例に説明したが、軸受装置１は、新規の立軸水車の発電機に用いてもよい。この場合、冷却管３の設置位置等の自由度が向上する。
【００３７】
また、冷却管３は、例えば軸受水槽２の外壁２１の内面に設置してもよい。また、冷却管３の一部を軸受水槽２の蓋２４に設置してもよい。また、例えば、軸受水槽２の外壁２１の外面にフィンを設置して、より冷却効果を高めるようにしてもよい。また、ファンを設置して、より冷却効果を高めるようにしてもよい。また、冬期における凍結防止のため、例えば蓋や外壁にヒータを設置してもよい。
【００３８】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明はこれらに限らず、可能な限りこれらの組合せを含むことができる。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・立軸水車の軸受装置
２・・・軸受水槽
３・・・冷却管
４・・・主軸
５・・・軸受
６・・・水車
７・・・冷却配管
８・・・冷却管の取り付け部材
２１・・・外壁
２２・・・内壁
２３・・・底面
２４・・・蓋
２５・・・底面の貫通孔
２６・・・蓋の貫通孔
４１・・・主軸スカート
５１・・・軸受摺動部
【図１】
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【図２】
2014214859.tif 000004
【図３】
2014214859.tif 000005
【図４】
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【図５】
2014214859.tif 000007
【図６】
2014214859.tif 000008
【図７】
2014214859.tif 000009
【図８】
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