(57)【要約】      （修正有）【課題】水車の回転動力を発電機の固定子と回転子に伝えて効率良く発電する小型水力発電装置を提供する。【解決手段】水車２と動力伝達機構３と発電機４を備えて構成する。水車は円筒形状とし外周面には水流を受けて水車本体を回転させる複数の羽根２ａを形成し、羽根を水流に浸漬させた状態では水流に直角な軸芯周りに回転するように構成する。動力伝達機構は水車の回転軸の両端に取り付けた左第１、右第１プーリーの回転を水面より高い位置に取り付けた左第２、右第２プーリーにチェーンで伝える。左第２プーリー８ｃの回転軸にはその反対側出力軸を反対方向に回転させる遊星歯車機構１０を取りつける。発電機には回転子と固定子が独立して回転する構造のものを使用し、遊星歯車機構の出力軸と左第２プーリーの回転軸により回転子と固定子を互いに反対方向に回転駆動させる。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
水流に直角な軸周りに回転する水車の回転動力を利用して発電する水力発電装置であって、
該水力発電装置は水車と、該水車の回転動力を発電機に伝える動力伝達機構と、発電機を備えて構成され、
前記水車は円筒形状で外周面には水流を受けて水車本体を回転させる複数の羽根が形成され、羽根を水流に浸漬させた状態では水流に直角な軸芯周りに回転するように構成されており、
前記動力伝達機構は前記水車の回転軸の両端に取り付けた左第１、右第１プーリーと、水面より高い位置に取り付けられ前記左第１、右第１プーリーの回転をチェーンを介して受け、それらと同一方向に回転する左第２、右第２プーリーと、左第２プーリーの回転軸を入力軸として回転し、反対側の出力軸を入力軸とは反対方向に回転させる遊星歯車機構からなり、
前記発電機はその回転子と固定子が共に独立して回転する構造で、前記遊星歯車機構の出力軸と前記右第２プーリーの回転軸により互いに反対方向に回転駆動されるように取り付けられていることを特徴とする水力発電装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、水流のある開放された用水路などへの設置が容易で、水位が変動しても効率良く発電できる小型の水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
東日本大震災に端を発した原子力発電所の事故以来、安全で環境にやさしい自然エネルギーを利用した発電方式への関心が高まっている。自然エネルギーを利用した代表的発電方式には、太陽光発電、風力発電、水力発電、地熱発電がある。この中の水力発電については大規模なものは従来より知られているが、近年、水流のある身近な場所で昼夜を問わず発電できる小型水力発電に関心が高まっている。
【０００３】
身近で水流のある流れとしては各種用水路があり、そうした水路に設置して使用する小型水力発電装置が各種提案（特許文献１〜３参照）されている。例えば特許文献１には、内部に中空フロート部、外周面に水掻き板が植設されたドラム型水車、その車軸に直結した動力増幅装置及び発電機を備え、水面に浮かべて回転させる水力式発電機が開示されている。また、特許文献２にも流動する水面に下半分の一部が浸漬された状態で一定経路に沿って自由上下動可能に浮上支持され、水路の水位変動に応じて自重追従して上下動する水車と、水車を横向きの軸心周りに回転自在に支承する支軸と、水車の回転によって回転駆動される発電機機構とを備えた水力発電装置が開示されている。しかし、これらの水力発電装置は発電機が水車内、あるいは水車回転軸に直結された状態で設置されるため、発電機が水に漬かる心配があり、メンテナンスも難しい問題がある。
【０００４】
特許文献３には発電機を水車回転軸に直結するのではなく高い所に設置し、水車回転軸の回転をチェーンを介して発電機に伝達する方式の水車型発電方式が開示されている。しかし、水車の回転速度は低速なため、単純にその回転をチェーンで発電機に伝えて発電するだけでは効率的な発電はできない。特許文献４にはその問題をなくすため、水車の回転軸片側から取り出した動力をチェーンで増速して発電機に伝える小型水力発電装置が開示されている。しかし、チェーンでの増速では発電機の回転速度を大きく高めることは困難である。また、駆動力を水車回転軸の片側からだけ取り出す方法では、装置の左右がアンバランスになる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４０２１７号公報
【特許文献２】特開２０１４−５８９４４号公報
【特許文献３】特開２００７−２０５３４２公報
【特許文献４】特開２０１３−９６２６４公報
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
本考案は従来技術のこうした問題点を解決するためになされたもので、その課題は水流のある開放された用水路などへの設置が容易で、水位が変動しても効率良く発電できる小型の水力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための請求項１に記載の考案は、水流に直角な軸周りに回転する水車の回転動力を利用して発電する水力発電装置であって、該水力発電装置は水車と、該水車の回転動力を発電機に伝える動力伝達機構と、発電機を備えて構成され、前記水車は円筒形状で外周面には水流を受けて水車本体を回転させる複数の羽根が形成され、羽根を水流に浸漬させた状態では水流に直角な軸芯周りに回転するように構成されており、動力伝達機構は水車の回転軸の両端に取り付けた左第１、右第１プーリーと、水面より高い位置に取り付けられ左第１、右第１プーリーの回転をチェーンを介して受け、それらと同一方向に回転する左第２、右第２プーリーと、左第２プーリーの回転軸を入力軸として回転し、反対側の出力軸を入力軸とは反対方向に回転させる遊星歯車機構からなり、発電機はその回転子と固定子が共に独立して回転する構造で、遊星歯車機構の出力軸と右第２プーリーの回転軸により互いに反対方向に回転駆動されるように取り付けられていることを特徴とする水力発電装置である。
【０００８】
このような構成の水力発電装置では、水車に生じた回転駆動力をプーリー、チェーン、遊星歯車を使用して発電機の両側で互いに反対方向に回転する二つの軸に導く。そして、その二つの軸により発電機の固定子と回転子を互いに反対方向に回転駆動させる。このため発電機内における磁束とコイルの単位時間当たりの磁束交差数が著しく増加して小さな発電機でも大きな出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本考案に係る水力発電装置１の斜視図である。
【図２】水力発電装置１の上方から見た平面図である。
【図３】水力発電装置１の左側面図である。
【図４】遊星歯車機構１０の断面図である。
【図５】水力発電装置１の各部の回転方向を示す図である。
【考案を実施するための形態】
【００１０】
以下、本考案に係る小型水力発電装置の構成例について図面を参照して説明する。図１は水力発電装置１の斜視図、図２は水力発電装置１の上方から見た平面図、図３は左側面図である。水力発電装置１は水車２、動力伝達機構３、発電機４を備えて構成されている。
【００１１】
水車２は円筒形状で、外周面には水流を受けて水車本体を回転させる複数の羽根２ａが形成されており、中心には回転軸が固定取り付けされている。羽根２ａを含む水車本体は発泡スチロールで製作されている。水車２は図３に示すように回転軸が水流５に直角で、円筒部の下部分を水流５に漬けた状態で設置され、水流５により回転駆動される。
【００１２】
動力伝達機構３は、水流５による回転により発生した水車２の回転動力を発電機４に伝える部分である。動力伝達機構３は支持体６、チェーン、プーリー、回転軸、遊星歯車機構１０を備えて構成されている。支持体６は水車２と発電機４を支持する部分であり、平鋼、溝形鋼等を用いて平面視コ状に形成されている。平面視コ状の平行に突出した２本の腕部の先端部間には水車２の回転軸が回転可能に取りつけられている。水車２の回転軸の両端は腕部の先端部外側に突出しており、その突出部には左第１プーリー８ａ、右第１プーリー８ｂが取り付けられている。支持体６の２本の腕部の基端部外側には左第２プーリー８ｃ、右第２プーリー８ｄが取り付けられており、それらと左第１プーリー８ａ、右第１プーリー８ｂとの間には左チェーン７ａ、右チェーン７ｂが懸け渡されている。水車２が回転すると４個のプーリー８は何れも水車２と同一方向に回転駆動される。左第２プーリー８ｃ、右第２プーリー８ｄの回転軸９はコ状形状の２本の腕部の内側に伸びており、その回転軸である左回転軸９ａ、右回転軸９ａは何れも水車２と同一方向に回転する。
【００１３】
左回転軸９ａの先端には遊星歯車機構１０が取りつけられている。この遊星歯車機構１０には、左回転軸９ａを入力軸として反対側の出力軸９ｃを左回転軸９ａとは反対方向に回転させる機構を採用している。遊星歯車機構は入力軸の回転速度を増速あるいは減速して反対側の出力軸に出力するもので、出力軸の回転方向を入力軸の回転方向と同じにするものと反対方向にするものとがあり車の減速機等として広く採用されている。図４は本実施形態で採用しているスター型と呼ばれる遊星歯車機構１０の一例の断面図である。遊星歯車機構１０は外歯車１０ａ、内歯車１０ｂ、遊星歯車１０ｃ、キャリア１０ｄから構成されている。スター型遊星歯車機構では、遊星歯車１０ｃの回転軸は固定されたキャリア１ｄに取り付けられており、遊星歯車１０ｃは自転するのみで公転はしない。左回転軸９ａを入力軸として外歯車１０ａを回転させると、内歯車１ｂは外歯車１０ａとは反対方向に増速された回転速度で回転する。内歯車１ｂには出力軸９ｃが接続されており、出力軸９ｃは左回転軸９ａとは反対方向、水車２とは反対方向に回転する。
【００１４】
発電機４は動力伝達機構３の支持体６に取りつけてある。通常の発電機は固定取り付けした固定子の内側で回転子を回転させる構造であるが、本実施形態で使用している発電機４は固定子も回転子と同じ軸芯回りに独立して回転する方式の発電機である。前述のように遊星歯車機構１０の出力軸９ｃは水車２と反対方向、右第２プーリー８ｄで駆動される右回転軸９ａは水車２と同方向に回転する。発電機４の固定子と回転子を、この互いに反対方向に回転する二つの回転軸により互いに反対方向に回転させている。発電機の起電力は、固定子と回転子の何れか一方が作る磁束と、他方に取り付けたコイル捲線の単位時間当たりの磁束交差数に比例する。従って、固定子と回転子を互いに反対方向に回転させれば、固定子が動かない発電機に比べて単位時間当たりの磁束交差数が著しく増加するため小さな発電機でも大きな出力が得られる。小型で大きな出力を得るため本実施形態では、このように固定子も回転する構造の発電機を採用している。
【００１５】
図５に本実施形態の水力発電装置１の各部の回転方向を矢印で示す。水力発電装置１は図３に示すような水路両岸に設けた一対の支持台１２間に回転する梁１３を掛け渡し、その梁１３に上下揺動可能に取りつける。水流５の水位変動に対処するため水車２の浸漬深さを調整する調整装置１５を取りつける。水車２は発泡スチロール製で水に浮くため、水車２以外の部分の重量を調整して水車２の上下揺動角度が水位に自動追従し、浸漬深さが一定に保たれるようにしてもよい。
【００１６】
以上説明した本実施形態の水力発電装置１では、水車２の回転駆動力をプーリー、チェーン、遊星歯車機構を使用した動力伝達機構３により発電機４の両側で互いに反対方向に回転する二つの軸に導く。そして、その二つの軸により発電機４の固定子と回転子を互いに反対方向に回転駆動させる。このため発電機４内における磁束とコイルの単位時間当たりの磁束交差数が著しく増加して小さな発電機でも大きな出力が得られる利点を有する。
【符号の説明】
【００１７】
図面中、１は水力発電装置、２は水車、２ａは羽根、３は動力伝達機構、４は発電機、７ａ、７ｂはチェーン、８ａは左第１プーリー、８ｂは右第１プーリー、８ｃは左第２プーリー、８ｄは右第２プーリー、９ａ、９ｂは回転軸、９ｃは遊星歯車機構の出力軸、１０は遊星歯車機構を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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