(57)【要約】本発明の水力発電装置は、水路に装着される上流側配管（１）及び下流側配管（２）と、上流側配管と下流側配管との間に挟装されるランナケーシング（３）と、ランナケーシングの軸心方向に配置されるボス（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、ランナケーシング内にランナケーシングの軸心周りに回転可能となるように収容されるランナ（５）と、を備え、ボスが、ランナケーシングの軸心方向に沿って、上流側配管及び下流側配管に固定される２ユニットの固定ボス（４ａ，４ｃ）とランナに嵌合される１ユニットの回転ボス（４ｂ）とに分割され、一方の固定ボス（４ｃ）には電機子（７０）が設置されるとともにランナケーシングの軸心方向に貫通する導水管（４０）が設置され、回転ボスには永久磁石界磁（８０）が設置される。
2013153763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水路に装着されて使用される水力発電装置において、
前記水路に装着される上流側配管及び下流側配管と、
前記上流側配管と前記下流側配管との間に挟装されるランナケーシングと、
前記ランナケーシングの軸心方向に配置されるボスと、
前記ランナケーシング内に前記ランナケーシングの軸心周りに回転可能となるように収容されるランナと、
を備え、
前記ボスは回転ボスと少なくとも１つの固定ボスとに分割され、
前記回転ボスは前記ランナに嵌合され、
前記少なくとも１つの固定ボスは前記回転ボスに対して前記ランナケーシングの軸心方向に所定間隔を隔てて固定配置され、
前記少なくとも１つの固定ボスには電機子が設置され、
前記回転ボスには前記少なくとも１つの固定ボスの前記電機子と対向するように永久磁石界磁又は電磁石界磁が設置され、
前記少なくとも１つの固定ボスには、軸心方向に貫通する導水管が設置されている、水力発電装置。
【請求項２】
前記上流側配管の内壁に固設されたガイドベーンを有し、
前記ボスは、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、
前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、
前記２ユニットの固定ボスのうち一方の固定ボスには、前記電機子及び前記導水管が設置され、
前記２ユニットの固定ボスのうち前記導水管を有した一方の固定ボスは、前記下流側配管の内壁に固設され、
前記２ユニットの固定ボスのうち前記導水管を有さない他方の固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、請求項１に記載の水力発電装置。
【請求項３】
前記ランナケーシング内の前記回転ボスの外周側の水流を、前記一方の固定ボスの前記導水管へと案内する取水口を有し、
前記取水口は、前記一方の固定ボスの上流側の端面の径を前記回転ボスの下流側の端面の径よりも長くし、且つ該一方の固定ボスの上流側の端面の外周縁部を上流側に湾曲させることにより形成される、請求項２に記載の水力発電装置。
【請求項４】
前記導水管を有した前記一方の固定ボスの上流側の端面には、該上流側の端面の外周縁部から前記電機子の間を通って前記導水管の流入口へと至る給水溝が形成される、請求項２又は３に記載の水力発電装置。
【請求項５】
前記２ユニットの固定ボス及び前記回転ボスの全てに前記導水管を有し、
前記２ユニットの固定ボス双方の導水管と前記回転ボスの導水管とは、前記ランナケーシングの軸心方向で同軸となるように配置される、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項６】
前記２ユニットの固定ボスの導水管の径は、前記回転ボスの導水管の径よりも長い、請求項５に記載の水力発電装置。
【請求項７】
前記上流側配管の内壁に固設されたガイドベーンを有し、
前記ボスは、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管に固定される１ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、
前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、
前記１ユニットの固定ボスには、前記電機子及び前記導水管が設置され、
前記１ユニットの固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、請求項１に記載の水力発電装置。
【請求項８】
前記１ユニットの固定ボス及び前記１ユニットの回転ボスの全てに前記導水管を有し、
前記１ユニットの固定ボスの導水管と前記１ユニットの回転ボスの導水管とは、前記ランナケーシングの軸心方向で同軸となるように配置される、請求項７に記載の水力発電装置。
【請求項９】
前記１ユニットの固定ボスの導水管の径は、前記回転ボスの導水管の径よりも長い、請求項８に記載の水力発電装置。
【請求項１０】
前記１ユニットの固定ボスの導水管から排出された水流を、前記回転ボスの外周側の前記ランナへと案内する排水口を有し、
前記排水口は、前記１ユニットの固定ボスの下流側の端面の外周縁部を下流側に湾曲させ、且つ前記回転ボスの上流側の端面の外周縁部を下流側に湾曲させて形成される、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項１１】
前記ボスは、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、
前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、
前記２ユニットの固定ボス双方に前記電機子が設置され、
前記２ユニットの固定ボス双方と前記回転ボスとは軸心方向に貫通する導水管を有し、
前記２ユニットの固定ボス双方の導水管と前記回転ボスの導水管とは、前記ランナケーシングの軸心方向で同軸となるように配置される、請求項１に記載の水力発電装置。  
【請求項１２】
前記ボスは、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、
前記２ユニットの固定ボスのうち一方の固定ボスには、界磁調整器と、前記界磁調整器から出力される交流電力を送電する送電コイルとが設置され、
前記１ユニットの回転ボスには、前記送電コイルと対向配置される受電コイルと、前記受電コイルにおいて受電された交流電力を整流する整流器と、前記整流器から出力される直流電力により励磁される電磁石界磁と、が設置され、
前記２ユニットの固定ボスのうち他方の固定ボスには、前記電磁石界磁と対向配置されるように電機子が設置され、
前記２ユニットの固定ボス双方と前記回転ボスとは、軸心方向に貫通する導水管を有し、
前記２ユニットの固定ボス双方の導水管と前記回転ボスの導水管とは、前記ランナケーシングの軸心方向で同軸となるように配置される、請求項１に記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水路（多くの場合、水管）に装着されて使用される水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示されているように、水車の外側に発電機部分をリング状に配置した構造となっており、ダムを造らずに、上下水道、小河川、農業用水路、及び工場排水路などの発電用途として従来活用されていなかった高低差のある水路に装着されて使用される水力発電装置が開発されている。この水力発電装置は、クリーンなエネルギー供給源であるとともに、山間部など既設発電所からの送電線の設置が困難な場所でのエネルギー地産地消を実現する手段の一つとして注目されている。【０００３】
図１７は、特許文献１に開示された水力発電装置及びその冷却機構の構造を示す断面図である。電機子鉄心３０５ｂに巻かれた電機子コイル３０５ａを備えた円環状の固定子３０６が、上流側水路ＷＴ１に装着される上流側配管３１０と下流側水路ＷＴ２に装着される下流側配管３１２とが係合されたケーシング３０８の外周を取り囲むように、設けられている。また、円環状の固定子３０６の外周を取り囲むように、電機子コイル３０５ａ及び電機子鉄心３０５ｂの発熱を冷却する冷却機構３１５が設けられている。【０００４】
また、外周に永久磁石３０４が貼付され且つ内周に該内周より径方向内側に突出したプロペラブレードを備えた円環状の回転子（ランナ）３０３が、固定子３０６の内側で回転可能となるように設けられている。また、上流側配管３１０と下流側配管３１２とが係合されたケーシング３０８の中心軸上には、上流側配管３１０の内壁側に水流を案内するボス３０２が固設されている。また、回転子３０３に入る水流を回転子３０３のプロペラブレードの傾きに適合する方向に案内するガイドベーン３０１が、ボス３０２の外周面と上流側配管３１０の内壁との間に設けられている。また、回転子３０３の外周中央部に盛り上がった円環の両方の側面と対向するように水潤滑軸受３０７が設けられている。【０００５】
なお、冷却機構３１５は、円環状の固定子３０６の外周を複数回周回するように敷設されたループ管３１６ａと、上流側配管３１０から迂回してループ管３１６ａの流入部に水を供給する水流入管３１６ｂと、ループ管３１６ａの排出部から排出される水を下流側配管３１２に戻す水排出管３１６ｃとを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１８９０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１７に示す水力発電装置の構造のままで発電容量の増加や発電機の高密度化を図ろうとする場合、電流が大きく且つ磁界が強くなり、固定子３０６における電機子コイル３０５ａの銅損や電機子鉄心３０５ｂの鉄損による発熱量が増加する。このため、前述の場合、より強力な冷却機構３１５が必要となる。そうすると、冷却機構３１５は円環状の固定子３０６の外周を複数回周回するように敷設されたループ管３１６ａ等の水路外設備を備えた構造なので、冷却機構３１５の大型化やその構造の複雑化によるコストアップを招くこととなる。  【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的は、発電容量の増加や発電機の高密度化に伴う発熱量増大に対して効率よく冷却可能な簡易且つ低コストの冷却機構付き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】
【０００９】
前記の課題を解決するために、本発明のある形態に係る水路に装着されて使用される水力発電装置は、前記水路に装着される上流側配管及び下流側配管と、前記上流側配管と前記下流側配管との間に挟装されるランナケーシングと、前記ランナケーシングの軸心方向に配置されるボスと、前記ランナケーシング内に前記ランナケーシングの軸心周りに回転可能となるように収容されるランナと、を備え、前記ボスは回転ボスと少なくとも１つの固定ボスとに分割され、前記回転ボスは前記ランナに嵌合され、前記少なくとも１つの固定ボスは前記回転ボスに対して前記ランナケーシングの軸心方向に所定間隔を隔てて固定配置され、前記少なくとも１つの固定ボスには電機子が設置され、前記回転ボスには前記少なくとも１つの固定ボスの前記電機子と対向するように永久磁石界磁又は電磁石界磁が設置され、前記少なくとも１つの固定ボスには、軸心方向に貫通する導水管が設置されている、ものである。【００１０】
前記構成によれば、例えば、発電機の永久磁石界磁を設置した回転ボスをランナに嵌合させ、且つ回転ボスとは別体の固定ボスに発電機の電機子を設置した構造であるため、ランナと発電機部分（回転ボス，固定ボス）とが独立して設計／製作可能である。この場合、水路のサイズに関わらず、水路の流量、流速に応じた適切な発電機部分を設計／製作することができる。【００１１】
また、水力発電装置の冷却機構として、電機子が設置された１ユニットの固定ボス又は２ユニットの固定ボスのうち一方の固定ボスに設置した導水管を採用している。電機子が設置された１ユニットの固定ボス又は２ユニットの固定ボスのうち一方の固定ボスの限られたスペースに電機子（例えば電機子鉄心に巻回された電機子コイル）が設置されているので、電機子が設置された固定ボスの軸心周りには熱が溜まりやすくなっている。そこで、前述のとおり電機子が設置された固定ボス内で軸心方向に導水管を貫通するようにすれば、電機子が設置された固定ボスの軸心周りに溜まった熱を効率よく冷却することが可能となる。特に、発電容量の増加や発電機の高密度化を図りたい場合には、電流が大きくなり且つ磁界が強くなるので、電機子の銅損や鉄損による発熱量が増加することとなる。したがって、固定ボス内を貫通する導水管によって固定ボスの軸心周りの発熱を効率よく冷却するようにすれば、これに伴って発電効率が向上するので、本発明による水力発電装置の導入コストのさらなる低減が可能となる。【００１２】
なお、従来の水力発電装置の冷却機構を導入しようとする場合、電機子が設置された固定ボス内に冷却水配管の敷設が必要となり、冷却機構全体の構造が複雑化し、また水路外設備の増加を招くこととなる。【００１３】
以上により、発電容量の増加や発電機の高密度化に伴う発熱量増大に対して効率よく冷却可能な簡易且つ低コストの冷却機構付き水力発電装置を提供することができる。【００１４】
前記水力発電装置において、前記上流側配管の内壁に固設されたガイドベーンを有し、前記ボスは、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、前記２ユニットの固定ボスのうち一方の固定ボスには、前記電機子及び前記導水管が設置され、前記２ユニットの固定ボスのうち前記導水管を有した一方の固定ボスは、前記下流側配管の内壁に固設され、前記２ユニットの固定ボスのうち前記導水管を有さない他方の固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、としてもよい。【００１５】
前記構成によれば、下流側の固定ボスに導水管が設けられない場合と比べると、回転ボスの外周から下流側の固定ボスの導水管に水流を案内する際、回転ボスと下流側の固定ボスとの間の隙間を通過する水流が増すので、下流側の固定ボスに設置された電機子を効率よく冷却することができる。また、発電時に発熱する電機子を設置した下流側の固定ボスのみに導水管を設置することで、簡易且つ低コストの冷却機構が実現されている。【００１６】
前記水力発電装置において、前記ランナケーシング内の前記回転ボスの外周側の水流を、前記一方の固定ボスの前記導水管へと案内する取水口を有し、前記取水口は、前記一方の固定ボスの上流側の端面の径を前記回転ボスの下流側の端面の径よりも長くし、且つ該一方の固定ボスの上流側の端面の外周縁部を上流側に湾曲させることにより形成される、としてもよい。【００１７】
前記構成によれば、取水口が設けられることにより、ランナケーシング内の回転ボスの外周側の水流（ランナを通過した水流）を下流側の固定ボスの導水管により多く案内することができるので、冷却機構の冷却性能がさらに向上する。【００１８】
前記水力発電装置において、前記導水管を有した前記一方の固定ボスの上流側の端面には、該上流側の端面の外周縁部から前記電機子の間を通って前記導水管の流入口へと至る給水溝が形成される、としてもよい。【００１９】
前記構成によれば、給水溝が設けられることにより、ランナケーシング内の回転ボスの外周側から下流側の固定ボスの導水管への水の流入量を増やすことができる。また、給水溝によって水と接触する固定ボスの表面積を広げることができるので、冷却機構の冷却性能をさらに向上することができる。【００２０】
前記水力発電装置において、前記２ユニットの固定ボス及び前記回転ボスの全てに前記導水管を有し、前記２ユニットの固定ボス双方の導水管と前記回転ボスの導水管とは、前記ランナケーシングの軸心方向で同軸となるように配置される、としてもよい。【００２１】
前記構成によれば、下流側の固定ボスに設置された電機子の周囲を、ランナケーシング内の回転ボスの外周側から回り込む水（ランナを通過した水）の他に、上流側の固定ボス及び回転ボスそれぞれの導水管を通過した水が流れることになるので、冷却機構の冷却能率をさらに向上することができる。【００２２】
前記水力発電装置において、前記２ユニットの固定ボスの導水管の径は、前記回転ボスの導水管の径よりも長い、としてもよい。【００２３】
前記構成によれば、上流側の固定ボスの導水管の径を回転ボスの径よりも長くすることにより、固定ボスの導水管の排水口から回転ボスの導水管の流入口へと向かう水流の他に、固定ボスの導水管の排水口から回転ボスの外周のランナへと向かう水流が生じやすくなる。このため、ランナに当たる水流が増加するので、冷却機構の冷却性能の向上と併せて、発電効率の向上が図られることとなる。【００２４】
一方、下流側の固定ボスの導水管の径を回転ボスの径よりも長くすることにより、下流側の固定ボスの導水管には、回転ボスの導水管から排出された水流に加えて、回転ボスの外周から回り込んだ水流が案内されやすくなる。このため、回転ボスと下流側の固定ボスとの間の隙間を通過する水流が増し、下流側の固定ボスに設置された電機子をより効率よく冷却することができる。【００２５】
前記水力発電装置において、前記上流側配管の内壁に固設されたガイドベーンを有し、前記ボスは、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管に固定される１ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、前記１ユニットの固定ボスには、前記電機子及び前記導水管が設置され、前記１ユニットの固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、としてもよい。【００２６】
前記構成によれば、上流側配管にはガイドベーンが通常固設されているため、上流側配管にこのガイドベーンを介して電機子が設置された固定ボスを固設した方が、水力発電装置の構成が簡素化される。具体的には、ガイドベーンの内部に電力ケーブルを挿入しておくことにより、固定ボスに設置された電機子に生じた起電力を前述の電力ケーブルを介して水路の外部に取り出すことが可能となる。【００２７】
また、固定ボスと回転ボスとの間の隙間では各ボスの径方向の水流が生じることにより、水と接触する電機子の表面積が広げられることになるので、冷却機構の冷却性能をさらに向上することができる。【００２８】
前記水力発電装置において、前記１ユニットの固定ボス及び前記１ユニットの回転ボスの全てに前記導水管を有し、前記１ユニットの固定ボスの導水管と前記１ユニットの回転ボスの導水管とは、前記ランナケーシングの軸心方向で同軸となるように配置される、としてもよい。【００２９】
前記構成によれば、上流側にある固定ボス内の導水管を通過する水が下流側にある回転ボス内の導水管にスムーズに案内されるので、固定ボスに設置された電機子の周囲を流れる水量が増し、該電機子を効率よく冷却することができる。【００３０】
前記水力発電装置において、前記１ユニットの固定ボスの導水管の径は、前記回転ボスの導水管の径よりも長い、としてもよい。【００３１】
前記構成によれば、上流側にある固定ボスの導水管の径を下流側にある回転ボスの導水管の径よりも長くすることにより、固定ボスの導水管の排水口から回転ボスの導水管の流入口へと向かう水流の他に、固定ボスの導水管の排水口から回転ボスの外周のランナへと向かう水流が生じやすくなる。このため、ランナに当たる水流が増加するので、冷却機構の冷却性能の向上と併せて発電効率の向上が図られる。【００３２】
前記水力発電装置において、前記１ユニットの固定ボスの導水管から排出された水流を、前記回転ボスの外周側の前記ランナへと案内する排水口を有し、前記排水口は、前記１ユニットの固定ボスの下流側の端面の外周縁部を下流側に湾曲させ、且つ前記回転ボスの上流側の端面の外周縁部を下流側に湾曲させて形成される、としてもよい。【００３３】
前記構成によれば、排水口を設置したことによりランナ内周のプロペラブレードに当たる水流を乱さないようにすることができる。つまり、水力発電装置の発電特性を損なうことなく簡易且つ低コストな冷却機構を実現することができる。  【００３４】
前記水力発電装置において、前記ボスは、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、前記２ユニットの固定ボス双方に前記電機子が設置され、前記２ユニットの固定ボス双方と前記回転ボスとは軸心方向に貫通する導水管を有し、前記２ユニットの固定ボス双方の導水管と前記回転ボスの導水管とは、前記ランナケーシングの軸心方向で同軸となるように配置される、としてもよい。  【００３５】
前記構成によれば、上流側配管及び下流側配管にそれぞれ固設された２ユニットの固定ボス双方に電機子を設置するため、発電容量をより大きくすることが可能となる。さらに、２ユニットの固定ボスの導水管及び回転ボスの導水管が同軸上に配置されているため、上流側の固定ボス内の導水管を通過する水が回転ボス及び下流側の固定ボス内それぞれの導水管にスムーズに案内されるので、上流側の固定ボスに設置された電機子及び下流側の固定ボスに設置された電機子の周囲を流れる水量が増し、これらの電機子を効率よく冷却することができる。【００３６】
前記水力発電装置において、前記ボスは、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、前記２ユニットの固定ボスのうち一方の固定ボスには、界磁調整器と、前記界磁調整器から出力される交流電力を送電する送電コイルとが設置され、前記１ユニットの回転ボスには、前記送電コイルと対向配置される受電コイルと、前記受電コイルにおいて受電された交流電力を整流する整流器と、前記整流器から出力される直流電力により励磁される電磁石界磁と、が設置され、前記２ユニットの固定ボスのうち他方の固定ボスには、前記電磁石界磁と対向配置されるように電機子が設置され、前記２ユニットの固定ボス双方と前記回転ボスとは、軸心方向に貫通する導水管を有し、前記２ユニットの固定ボス双方の導水管と前記回転ボスの導水管とは、前記ランナケーシングの軸心方向で同軸となるように配置される、ものである。【００３７】
前記構成によれば、永久磁石界磁式ではなく電磁石界磁式の同期発電機の構造となるため、発電容量を増加する場合に、電磁石界磁と比べると高価な永久磁石界磁を使用しなくて済む。また、界磁調整によって任意の発電容量に対応することが可能となり、個々の発電容量に応じた水力発電装置を設計／製作しなくて済む。また、上流側の固定ボス、回転ボス、及び下流側の固定ボスには熱源（送電コイル、受電コイル、電磁石界磁、電機子）が設置されているため、各ボス内を貫通する導水管が同軸上に配置されることにより、各ボスの軸心周りに溜まった熱を効率よく冷却することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、発電容量の増加や発電機の高密度化に伴う発熱量増大に対して効率よく冷却可能な簡易且つ低コストの冷却機構付き水力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は本発明の実施の形態１に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。
【図２】図２は図１に示す水力発電装置の回転子に設置される永久磁石界磁の設置例及び図１に示す水力発電装置の固定子に設置される電機子の設置例を示す図である。
【図３】図３は水力発電装置の固定子内の熱分布を模式的に示す図である。
【図４】図４は図１に示す水力発電装置の固定子に設定された導水管に案内される水流を示す図である。
【図５】図５は本発明の実施の形態１における取水口の設置例を示す図である。
【図６】図６は本発明の実施の形態１における給水溝の設置例を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは本発明の実施の形態１における給水溝のその他の設置例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは図７Ａに示す給水溝が設置された固定ボスの導水管に水が流れ込む状態を示す図である。
【図８】図８は本発明の実施の形態１における全てのボスを導水管により貫通させる設置例を示す図である。
【図９】図９は本発明の実施の形態１における全てのボスを導水管により貫通させるその他の設置例を示す図である。
【図１０】図１０は本発明の実施の形態２に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。
【図１１】図１１は本発明の実施の形態２における全てのボスを導水管により貫通させる設置例を示す図である。
【図１２】図１２は本発明の実施の形態２における全てのボスを導水管により貫通させるその他の設置例を示す図である。
【図１３】図１３は本発明の実施の形態２における排水口の設置例を示す図である。
【図１４】図１４は本発明の実施の形態３に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。
【図１５】図１５は本発明の実施の形態４に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。
【図１６】図１６は図１５に示す水力発電装置の２ユニットの固定ボス及び１ユニットの回転ボス内の構成例を示すブロック図である。
【図１７】図１７は従来の水力発電装置及びその冷却機構の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００４１】
（実施の形態１）
［水力発電装置の構成例］
図１は本発明の実施の形態１に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図２は図１に示す水力発電装置の回転子（後述の回転ボス４ｂ）に設置される永久磁石界磁の設置例及び図１に示す水力発電装置の固定子（後述の固定ボス４ｃ）に設置される電機子の設置例を示す図である。図３は水力発電装置の固定子内の熱分布を模式的に示す図である。図４は図１に示す水力発電装置の固定子に設定された導水管に案内される水流を示す図である。
【００４２】
図１に示す水力発電装置１００は、上流側水路ＷＴ１に装着（連結）される上流側配管１と、下流側水路ＷＴ２に装着（連結）される下流側配管２と、上流側配管１と下流側配管２との間に挟装される円環形状のランナケーシング３と、ランナケーシング３の軸心方向に配置され、上流側配管１の内壁方向に水流を案内して流速を増加させる流線形状のボス（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、ランナケーシング３内にランナケーシング３の軸心周りに回転可能となるように収容される円環形状のランナ５と、上流側配管１の内壁に固設されたガイドベーン６ａと、下流側配管２の内壁に固設されたボス固定部材６ｂとを備えている。なお、ランナ５の径方向内側から突出した複数のプロペラブレードが配設されており、ガイドベーン６ａはランナ５の複数のプロペラブレードの傾きに適合する方向に水流を案内する役割を果たす。
【００４３】
図１に示すように、流線形状のボス（４ａ，４ｂ，４ｃ）は、ランナケーシング３の軸心方向に、上流側配管１に固定される１ユニットのボス（以下、固定ボスと呼ぶ）４ａと、ランナ５の円形状の開口部に嵌合される１ユニットのボス（以下、回転ボスと呼ぶ）４ｂと、下流側配管２に固定される１ユニットのボス（以下、固定ボスと呼ぶ）４ｃと、に三分割されている。そして、固定ボス４ｃには電機子７０が設置され、回転ボス４ｂには電機子７０と対向配置されるよう複数の磁極を有した永久磁石界磁８０が設置される。具体的には、固定ボス４ａは上流側配管１の軸心側にあるガイドベーン６ａの面に固設されており、これにより固定ボス４ａは上流側配管１の内壁にガイドベーン６ａを介して固定された状態となっている。また、回転ボス４ｂは、ランナ５の円形状の開口部に嵌合されることにより、ランナ５と一体となって回転可能な状態となっている。また、固定ボス４ｃは下流側配管２の軸心側にあるボス固定部材６ｂの面に固設されており、これにより固定ボス４ｃは下流側配管２の内壁にボス固定部材６ｂを介して固定された状態となっている。
【００４４】
図２には回転ボス４ｂにおける永久磁石界磁８０を成す永久磁石８及び積層電磁鋼板９の設置例並びに固定ボス４ｃにおける電機子７０を成す電機子コイル７ａ及び電機子鉄心７ｂの設置例が示されている。
【００４５】
図２の中では、永久磁石８及び積層電磁鋼板９の設置例として、円柱形状の回転ボス４ｂの外周側面から見た配置と回転ボス４ｂの円形状の断面から見た配置とが破線により対応付けられている。回転ボス４ｂの円形状の断面から見て回転ボス４ｂの内部には複数の磁極を形成した永久磁石８が埋設されている。なお、回転ボス４ｂの断面から見て内側にある永久磁石８の両平面には複数の円環状の電磁鋼板を積層して形成された積層電磁鋼板９が貼付されている。永久磁石８の磁極による類型としては、２組のＮ極／Ｓ極が磁極毎に空隙を設けて分離配置された４極型である。この他に、１組のＮ極／Ｓ極が空隙を設けて分離配置された２極型、４組のＮ極／Ｓ極が磁極毎に空隙を設けて分離配置された８極型、又は４組のＮ極／Ｓ極が磁極毎に空隙を設けずにリング状に連続配置されたリング型形状の永久磁石を採用してもよいし、円状の積層電磁鋼板９の場合、４組の扇状のＮ極／Ｓ極が磁極毎に空隙を設けずに積層電磁鋼板９の円周方向に沿って連続配置された円柱型形状の永久磁石を採用してもよい。なお、極数は仕様によって決定されるので、上記のように例示した極数に限られない。
【００４６】
また、図２の中では、電機子コイル７ａ及び電機子鉄心７ｂの設置例として、ドーム形状の固定ボス４ｃの外周側面から見た配置と固定ボス４ｃの円形状の断面から見た配置とが破線により対応付けられている。固定ボス４ｃの円形状の断面には、複数（例えば６個）の電機子コイル７ａが該円形状の断面の円周方向に沿って等間隔（例えば６０度間隔）に離れて設置されている。また、電機子コイル７ａが巻かれた電機子鉄心７ｂの平面形状は円形状である。この他に、扇形又は長方形の平面形状となる電機子鉄心を採用してもよい。なお、電機子コイル７ａ及び電機子鉄心７ｂの個数は仕様によって決定されるため、上記のように例示した個数に限られない。また、電機子７０は、電機子鉄心７ｂの外周に電機子コイル７ａが巻回された形態に限定されず、電機子鉄心７ｂが無い空心の電機子コイル７ａの形態であってもよい。
【００４７】
また、図１に示す水力発電装置１００は、ランナ５の外周部に水潤滑軸受３０ａ，３０ｂを備えている。水潤滑軸受３０ａ，３０ｂは、水路を流れる水を利用して潤滑された軸受のことであり、ランナ５の完全非接触、振動及び騒音の抑制、及びオイルレスなどの特徴を具備している。なお、ランナ５の外周曲面との摺動面にはセラミックが溶射されている。この他に、水潤滑軸受３０ａ，３０ｂはセラミックソリッドで形成されてもよい。
【００４８】
さらに、図１に示す水力発電装置１００は、電機子７０が設置された固定ボス４ｃ内を固定ボス４ｃの軸心方向に貫通する導水管４０を備えている。図２に示すように、固定ボス４ｃの円形状の断面の限られたスペースに電機子７０を成す電機子コイル７ａ及び電機子鉄心７ｂが高密度に設置されているため、固定ボス４ｃの軸心周りには熱が溜まりやすくなっている。図３は水力発電装置の固定ボス４ｃ内の熱分布を模式的に示す図である。具体的には、濃淡が濃い程、温度が高くなっていることを表している。したがって、電機子７０が設置された固定ボス４ｃの軸心周りに溜まった熱を効率よく冷却するために、電機子７０が設置された固定ボス４ｃ内には軸心方向に貫通した導水管４０が備えられている。
【００４９】
なお、図４に示されるように、回転ボス４ｂの外周にあるランナ５を通過した水流が、回転ボス４ｂと固定ボス４ｃとの間の隙間を通過し、さらに固定ボス４ｃの導水管４０の流入口へと案内されている。したがって、導水管４０が設置されない場合と比べると、固定ボス４ｃに設置された電機子７０が水流と接触する面積は、導水管４０に接した面積の分増加している。
【００５０】
以上説明した構造を備えた水力発電装置１００は、発電機の永久磁石界磁８０を設置した回転ボス４ｂをランナ５に嵌合させ、且つ回転ボス４ｂとは別体の固定ボス４ｃに発電機の電機子７０を設置した構造であり、ランナ５と発電機部分（回転ボス４ｂ，固定ボス４ｃ）とが独立して設計／製作可能である。このため、水路のサイズに関わらず、水路の流量、流速に応じた発電機部分を適切に設計／製作することができる。
【００５１】
また、水力発電装置１００の冷却機構として、電機子７０が設置された固定ボス４ｃ内に固定ボス４ｃの軸心方向に貫通した導水管４０を採用している。これにより、電機子７０が設置された固定ボス４ｃの軸心周りに溜まった熱を効率よく冷却することが可能となる。特に、発電容量の増加や発電機の高密度化を図りたい場合には、電流が大きく且つ磁界が強くなるので、電機子コイル７ａの銅損や電機子鉄心７ｂの鉄損による発熱量が増加する。そこで、固定ボス４ｃ内を貫通する導水管４０により固定ボス４ｃの軸心周りの発熱を効率よく冷却し、これに伴って発電効率を増加することができるので、本発明に係る水力発電装置の導入コストのさらなる低減が可能となる。
【００５２】
また、水力発電装置１００は、固定ボス４ｃ内に導水管４０が設けられない場合と比べると、回転ボス４ｂの外周から固定ボス４ｃの導水管４０に水流を案内する際、回転ボス４ｂと固定ボス４ｃとの間の隙間を通過する水流が増すことになり、固定ボス４ｃに設置された電機子コイル７ａ及び電機子鉄心７ｂの表面をより効率よく冷却することができる。
【００５３】
また、発電時に発熱する電機子７０を設置した固定ボス４ｃのみに導水管４０を設置することにより、簡易且つ低コストの冷却機構が実現されている。
【００５４】
以上より、発電容量の増加や発電機の高密度化に伴う発熱量増大に対して効率よく冷却可能な簡易且つ低コストの冷却機構付き水力発電装置１００が実現されている。
【００５５】
［取水口の設置例］
図５は本発明の実施の形態１における取水口の設置例を示す図である。図５に示すように、図１に示す水力発電装置１００において、ランナケーシング３内の回転ボス４ｂの外周側の水流を、固定ボス４ｃの導水管４０へと案内する取水口５０が設けられる。なお、取水口５０は、固定ボス４ｃの上流側（電機子７０が設置された側）の端面の径ｒ２を回転ボス４ｂの下流側（永久磁石界磁８０が設置された側）の端面の径ｒ１よりも長くし、且つ固定ボス４ｃの上流側の端面の外周縁部を上流側に湾曲させることにより形成されている。なお、取水口５０の形状は、図５に示す形状に限られず、ランナケーシング３内の回転ボス４ｂの外周側の水流を固定ボス４ｃの導水管４０へと案内しやすい形状であればよい。
【００５６】
以上のような固定ボス４ｃの導水管４０へと水流を案内する取水口５０が設けられることにより、ランナケーシング３内の回転ボス４ｂの外周側の水流（ランナ５を通過した水流）を固定ボス４ｃの導水管４０により多く案内することができるので、水力発電装置１００の冷却性能をさらに向上することができる。
【００５７】
［給水溝の設置例］
図６は本発明の実施の形態１における給水溝の設置例を示す図である。
【００５８】
図６に示すように、図１に示す水力発電装置１００において、導水管４０を有した固定ボス４ｃの上流側の端面には、その外周縁部から電機子７０の間を通って導水管４０の流入口へと至る給水溝６０が形成されている。なお、図６に示す給水溝６０の長さ方向の形状（軌跡）は直線状である。言い換えると、図６に示す給水溝６０は、固定ボス４ｃの上流側の端面から見ると、導水管４０の流入口から放射線状に且つ真っ直ぐに形成されている。また、図６に示す給水溝６０は、導水管４０の流入口へとスムーズに且つ大量に水流が案内されるように、固定ボス４ｃの上流側の端面の外周縁側から導水管４０の流入口に向けて溝の深さが徐々に深くなっており、導水管４０の流入口付近の溝の深さが最大となるように形成されている。
【００５９】
図７Ａは本発明の実施の形態１における給水溝のその他の設置例を示す図である。図６に示す給水溝６０の長さ方向の形状は直線状となっているが、図７Ａに示す給水溝６２の長さ方向の形状（軌跡）は螺旋状となっている。言い換えると、図７Ａに示す給水溝６２は、固定ボス４ｃの上流側の端面から見ると、導水管４０の流入口から放射線状に且つ湾曲しながら形成されている。また、図６に示す給水溝６０と同様に、導水管４０の流入口へとスムーズに且つ大量に水流が案内されるように、固定ボス４ｃの上流側の端面の外周縁側から導水管４０の流入口に向けて溝の深さが徐々に深くなっており、導水管４０の流入口付近の溝の深さが最大となるように形成されている。図７Ｂは図７Ａに示す給水溝が設置された固定ボスの導水管に水が流れ込む状態を示す図である。
【００６０】
なお、図６、図７Ａに示す給水溝６０，６２の長さ方向の形状（軌跡）や掘り方（溝の深さの変化の付け方）に限られず、導水管４０の流入口へとスムーズに且つ大量に水流が案内されるものであれば、様々な長さ方向の形状及び掘り方を採用することができる。
【００６１】
以上のような直線状又は螺旋状の給水溝（６０，６２）が設けられることにより、給水溝（６０，６２）が設けられない場合と比べると、ランナケーシング３内の回転ボス４ｂの外周側から固定ボス４ｃの導水管４０への水の流入量を増やすことができる。また、給水溝（６０，６２）によって水と接触する固定ボス４ｃの表面積を広げることができる。したがって、水力発電装置１００の冷却性能をさらに向上することができる。
【００６２】
また、給水溝（６０，６２）が設けられることで、回転ボス４ｂと固定ボス４ｃとの間の隙間が狭くても、固定ボス４ｃの導水管４０への十分な水の流入量が得られやすくなっている。このため、回転ボス４ｂの永久磁石界磁８０と固定ボス４ｃの電機子７０との対向距離が短くて済むので、これに伴い漏れ磁束が減少し、水力発電装置１００の発電効率をさらに向上することができる。
【００６３】
なお、図１に示す水力発電装置１００において、図５に示すような取水口（５０）と図６、図７Ａに示すような給水溝（６０，６２）とを兼ね備えるようにすれば、取水口（５０）と給水溝（６０，６２）のうちいずれか一方のみを具備する場合と比べると、ランナケーシング３内の回転ボス４ｂの外周側から固定ボス４ｃの導水管４０への水の流入量をさらに増やすことができる。これにより、水力発電装置１００の冷却性能をさらに向上することができる。
【００６４】
［全てのボスを導水管により貫通させる設置例］
図８は本発明の実施の形態１における全てのボスを導水管により貫通させる設置例を示す図である。
【００６５】
図８に示すように、図１に示す水力発電装置１００において、電機子７０が設置された固定ボス４ｃに限らず、固定ボス４ａ及び回転ボス４ｂ内にもそれらの軸心方向に貫通する導水管４１，４２が備えられている。また、固定ボス４ａの導水管４１、回転ボス４ｂの導水管４２及び固定ボス４ｃの導水管４０は、ランナケーシング３の軸心方向で同軸となるように配置されている。なお、図８に示す水力発電装置１００のその他の構成については、図１に示す水力発電装置１００の構成と同じである。
【００６６】
以上のように、全てのボス（４ａ，４ｂ，４ｃ）を導水管（４１，４２，４０）により貫通させるようにすれば、固定ボス４ｃに設置された電機子７０には、ランナケーシング３内の回転ボス４ｂの外周側から回り込む水（ランナ５を通過した水）の他に、固定ボス４ａ及び回転ボス４ｂそれぞれの導水管４１，４２を通過した水が当たりやすくなるので、水力発電装置１００の冷却性能をさらに向上することができる。なお、上流側配管１から固定ボス４ａの外周を通過した水流は、ランナ５を回転させた後に、下流側配管２の固定ボス４ｃの外周へと通過している。このとき、ベルヌーイの定理により、下流側配管２を流れる水流の圧力は上流側配管１を流れる水流の圧力よりも低下するので、特別な循環機構を設けなくても、上流側配管１から下流側配管２に向けて全てのボス（４ａ，４ｂ，４ｃ）の導水管（４１，４２，４０）に水を圧送することができる。
【００６７】
図９は本発明の実施の形態１における全てのボスを導水管により貫通させるその他の設置例を示す図である。
【００６８】
図９に示すように、図１に示す水力発電装置１００において、固定ボス４ａの導水管４１の径は回転ボス４ｂの導水管４２の径よりも長くなるよう設計されている。これにより、固定ボス４ａの導水管４１の排水口から回転ボス４ｂの導水管４２の流入口へと向かう水流の他に、固定ボス４ａの導水管４１の排水口から回転ボス４ｂの外周のランナ５へと向かう水流が生じやすくなる。このため、ランナ５に当たる水流としては、固定ボス４ａの外周を上流から下流に向けて通過する通常の水流の他に、固定ボス４ａと回転ボス４ｂとの間の隙間を通過した水流が増えるので、図１４、図１５で後述するように固定ボス４ａと回転ボス４ｂとの間に電機子などを設置した際には、冷却性能の向上と併せて発電効率の向上が図られる。
【００６９】
一方、固定ボス４ｃの導水管４０の径は回転ボス４ｂの導水管４２の径よりも長くなるように設定されている。これにより、固定ボス４ｃの導水管４０には、回転ボス４ｂの導水管４２から排出された水流に加えて、回転ボス４ｂの外周から回り込んだ水流が案内されやすくなる。このため、回転ボス４ｂと固定ボス４ｃとの間の隙間を通過する水流が増し、固定ボス４ｃに設置された電機子７０をより効率よく冷却することができる。
【００７０】
なお、図８及び図９に示す水力発電装置１００の変形例として、図５に示すような取水口（５０）と図６、図７Ａに示すような給水溝（６０，６２）のうち少なくともいずれか一方を具備することにより、ランナケーシング３内の回転ボス４ｂの外周側から固定ボス４ｃの導水管４０への水の流入量をさらに増やすことができる。これにより、水力発電装置１００の冷却性能をさらに向上することができる。
【００７１】
また、図９に示す水力発電装置１００の変形例として、詳細は後述するが、図１３に示す排水口９０が設けられてもよい。これにより、ランナ５に当たる水流を増やしつつ水流の乱れを抑制することができ、図９に示す水力発電装置１００の発電特性を損なうことなく、簡易且つ低コストな冷却機構を実現することができる。  
【００７２】
（実施の形態２）
［水力発電装置の構成例］
図１０は本発明の実施の形態２に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。
【００７３】
図１０に示す水力発電装置１０１は、流線形状のボス（４ａ，４ｂ）が、ランナケーシング３の軸心方向に、上流側配管１にガイドベーン６を介して固定される１ユニットの固定ボス４ａと、ランナ５の円形状の開口部に嵌合される１ユニットの回転ボス４ｂと、に二分割されている。そして、固定ボス４ａには電機子７０が設置されるとともに固定ボス４ａの軸心方向に貫通する導水管４１が設定され、回転ボス４ｂには電機子７０と対向配置されるよう複数の磁極を有した永久磁石界磁８０が設置される。なお、ガイドベーン６内に電力ケーブルを引き込む貫通孔が設けられており、固定ボス４ａに設置された電機子７０に生じた起電力がガイドベーン６内の電力ケーブルを介して水路の外部に取り出される。このように、上流側配管１にはガイドベーン６が通常固設されているため、上流側配管１にガイドベーン６を介して電機子７０が設置された固定ボス４ａを固設した方が、水力発電装置１０１の構成が簡素化される。
【００７４】
以上説明した構造を備えた水力発電装置１０１は、図１に示す水力発電装置１００と同様の効果を奏している。
【００７５】
具体的には、永久磁石界磁８０を設置した回転ボス４ｂをランナ５に嵌合させ、且つ固定ボス４ａに電機子７０を設置した構造であり、ランナ５と発電機部分（回転ボス４ｂ，固定ボス４ａ）とが独立して設計／製作可能である。これにより、水路のサイズに関わらず、水路の流量、流速に応じた適切な発電機部分を設計／製作することができる。
【００７６】
また、水力発電装置１０１の冷却機構として、電機子７０が設置された固定ボス４ａ内に固定ボス４ａの軸心方向に貫通した導水管４１を採用している。これにより、電機子７０が設置された固定ボス４ａの軸心周りに溜まった熱を効率よく冷却することが可能となる。特に、発電容量の増加や発電機の高密度化を図りたい場合には、電流が大きくなり且つ磁界が強くなるので、電機子７０を成す電機子コイル７ａの銅損や電機子鉄心７ｂの鉄損による発熱量が増加する。そこで、固定ボス４ａ内を貫通する導水管４１により固定ボス４ａの軸心周りの発熱を効率よく冷却すれば、発電効率が向上するので、本発明に係る水力発電装置の導入コストのさらなる低減が可能となる。
【００７７】
また、発電時に発熱する電機子７０を設置した固定ボス４ａのみに導水管４１を設置することにより、簡易且つ低コストの冷却機構が実現される。
【００７８】
また、固定ボス４ａと回転ボス４ｂとの間の隙間では各ボスの径方向の水流が生じることにより、水と接触する電機子７０の表面積が広げられるので、冷却性能をさらに向上することができる。
【００７９】
以上により、発電容量の増加や発電機の高密度化に伴う発熱量増大に対して効率よく冷却可能な簡易且つ低コストの冷却機構付き水力発電装置１０１が実現される。
【００８０】
［全てのボスを導水管により貫通させる設置例］
図１１は本発明の実施の形態２における全てのボスを導水管により貫通させる設置例を示す図である。
【００８１】
図１１に示す水力発電装置１０１において、電機子７０が設置された固定ボス４ａに限らず、回転ボス４ｂ内にも回転ボス４ｂの軸心方向に貫通する導水管４２が備えられている。また、固定ボス４ａの導水管４１と回転ボス４ｂの導水管４２とは、ランナケーシング３の軸心方向で同軸となるように配置されている。
【００８２】
以上のように、全てのボス（４ａ，４ｂ）を導水管（４１，４２）により貫通させれば、上流側にある固定ボス４ａ内の導水管４１を通過する水が下流側にある回転ボス４ｂ内の導水管４２にスムーズに案内されるので、固定ボス４ａに設置された電機子７０の周囲を流れる水量が増し、電機子７０を効率よく冷却することができる。
【００８３】
図１２は本発明の実施の形態２における全てのボスを導水管により貫通させるその他の設置例を示す図である。
【００８４】
図１１に示す設置例では、上流側にある固定ボス４ａ内の導水管４１の径と、下流側にある回転ボス４ｂ内の導水管４２の径とは同じ長さであるが、図１２に示す設置例では、上流側にある固定ボス４ａ内の導水管４１の径は、下流側にある回転ボス４ｂ内の導水管４２の径よりも長くしている。これにより、固定ボス４ａの導水管４１の排水口から回転ボス４ｂの導水管４２の流入口へと向かう水流の他に、固定ボス４ａの導水管４１の排水口から回転ボス４ｂの外周のランナ５へと向かう水流が生じる。このため、ランナ５に当たる水流としては、固定ボス４ａの外周を上流から下流に向けて通過する通常の水流の他に、固定ボス４ａと回転ボス４ｂとの間の隙間を通過した水流が増えるので、冷却性能の向上と併せて発電効率の向上が図られる。
【００８５】
図１３は本発明の実施の形態２における排水口の設置例を示す図である。
【００８６】
図１３に示されるように、図１２に示す水力発電装置１０１において、固定ボス４ａの導水管４１から排出された水流を、回転ボス４ｂの外周側のランナ５へと案内する排水口９０が備えられている。排水口９０は、固定ボス４ａの下流側の端面の外周縁部９１を下流側に湾曲させ、且つ回転ボス４ｂの上流側の端面の外周縁部９２を下流側に湾曲させて形成されている。これにより、固定ボス４ａと回転ボス４ｂとの間の隙間を通過した水流は、排水口９０の湾曲の度合に応じて下流側に軌道を曲げて排水口９０から排出される。
【００８７】
なお、固定ボス４ａの導水管４１の径を回転ボス４ｂの導水管４２の径よりも長くすると、ランナ５には固定ボス４ａの外周を上流から下流に向けて通過する通常の水流の他に、固定ボス４ａと回転ボス４ｂとの間の隙間を通過する水流が当たる。このとき、固定ボス４ａの外周を通過した通常の水流と固定ボス４ａと回転ボス４ｂとの間の隙間を通過した水流とが干渉して下流側から上流側へと逆流するような水流の乱れが生じやすくなる。そこで、排水口９０により固定ボス４ａと回転ボス４ｂとの間の隙間を通過した水流が下流側に軌道を曲げて排水口９０から排出され、固定ボス４ａの外周を通過した水流との干渉を抑えて合流されるように配慮したことで、ランナ５に当たる水流の乱れを抑制することができる。この結果、水力発電装置１０１の発電特性を損なうことなく、簡易且つ低コストな冷却機構を実現することができる。  
【００８８】
（実施の形態３）
図１４は本発明の実施の形態３に係る水力発電装置の構成例を示す断面図である。
【００８９】
図１４に示す水力発電装置１０２は、図１に示す水力発電装置１００と同様に、流線形状のボスが、２ユニットのドーム形状の固定ボス（４ａ，４ｃ）と１ユニットの円柱形状の回転ボス４ｂとに三分割されている。ただし、固定ボス（４ａ，４ｃ）の双方に電機子（７０ａ，７０ｂ）が設置され、回転ボス４ｂには、固定ボス４ａの電機子７０ａと対向配置される複数磁極の永久磁石界磁８０ａと、固定ボス４ｃの電機子７０ｂと対向配置される複数磁極の永久磁石界磁８０ｂとが設置されている点が相違している。また、図１４に示す水力発電装置１０２の場合、上流側配管１にガイドベーン６ａを介して固設された固定ボス４ａの電機子７０ａから発電電力が取り出されるとともに、下流側配管２にボス固定部材６ｂを介して固設された固定ボス４ｃの電機子７０ｂから発電電力が取り出される。
【００９０】
また、上流側の固定ボス４ａ及び下流側の固定ボス４ｃの双方に熱源となる電機子（７０ａ，７０ｂ）が設置されているため、図８に示す水力発電装置１００や図１１に示す水力発電装置１０１と同様に、全てのボス（４ａ，４ｂ，４ｃ）内を導水管（４１，４２，４０）により貫通させている。
【００９１】
なお、図２に示したような、円柱形状の回転ボス４ｂの上流側の断面及び下流側の断面にそれぞれ永久磁石界磁（８０ａ，８０ｂ）を設置したものを使用する他に、例えば、複数の電磁鋼板を積層した電磁鋼板積層体の中央部に永久磁石を配置したものを使用してもよい。つまり、回転ボス４ｂの上流側の電機子７０ａ及び下流側の電機子７０ｂそれぞれに対する発電機の永久磁石として、電磁鋼板積層体の中央部の永久磁石を共通して使用してもよい。
【００９２】
図１４に示す水力発電装置１０２のその他の構成は、図１に示す水力発電装置１００と同様であるので、それらの説明を省略する。
【００９３】
以上説明した構造の水力発電装置１０２によれば、上流側配管１及び下流側配管２にそれぞれ固設された固定ボス（４ａ，４ｃ）の双方に電機子（７０ａ，７０ｂ）が設置されるので、発電容量をより大きくすることが可能となる。さらに、固定ボス（４ａ，４ｃ）の導水管（４１，４０）及び回転ボス４ｂの導水管４２が同軸上に配置されているため、上流側の固定ボス４ａ内の導水管４１を通過する水が回転ボス４ｂ及び下流側の固定ボス４ｃ内それぞれの導水管（４２，４０）にスムーズに案内される。このため、上流側の固定ボス４ａに設置された電機子７０ａ及び下流側の固定ボス４ｃに設置された電機子７０ｂの周囲を流れる水量が増し、これらの電機子（７０ａ，７０ｂ）を効率よく冷却することができる。
【００９４】
なお、図１４に示す水力発電装置１０２の変形例として、全てのボス（４ａ，４ｂ，４ｃ）を導水管（４１，４２，４０）により貫通させる他に、回転ボス４ｂに導水管４２を設けずに、上流側の固定ボス４ａ及び下流側の固定ボス４ｃ内を導水管（４１，４０）により貫通させてもよい。
【００９５】
また、図１４に示す水力発電装置１０２の変形例として、図５に示すような取水口（５０）と図６、図７Ａに示すような給水溝（６０，６２）のうち少なくともいずれか一方を具備することにより、ランナケーシング３内の回転ボス４ｂの外周側から固定ボス４ｃの導水管４０への水の流入量をさらに増やすことができる。これにより、水力発電装置１００の冷却性能をさらに向上することができる。
【００９６】
また、図１４に示す水力発電装置１０２の変形例として、図１３に示すような排水口（７０）が設けられてもよい。これにより、ランナ５に当たる水流の乱れを抑制することができ、図１４に示す水力発電装置１０２の発電特性を損なうことなく、簡易且つ低コストな冷却機構を実現することができる。  
【００９７】
（実施の形態４）
図１５は本発明の実施の形態４に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図１６は、図１５に示す水力発電装置の２ユニットの固定ボス及び１ユニットの回転ボス内の構成例を示すブロック図である。
【００９８】
図１５に示す水力発電装置１０３は、図１に示す水力発電装置１００と図１４に示す水力発電装置１０２と同様に、流線形状のボス（４ａ，４ｂ，４ｃ）が、２ユニットの固定ボス（４ａ，４ｃ）と、１ユニットの回転ボス４ｂと、に三分割されている。但し、図１に示す水力発電装置１００及び図１４に示す水力発電装置１０２は発電機の界磁極として永久磁石界磁８０を使用しているのに対し、図１５に示す水力発電装置１０３は発電機の界磁極として電磁石界磁１４を使用している点が相違している。
【００９９】
具体的には、固定ボス４ａには、界磁調整器１０と、界磁調整器１０から出力される交流電力を送電する送電コイル（誘導コイル）１１とが設置される。また、回転ボス４ｂには、送電コイル１１と対向配置される受電コイル（誘導コイル）１２と、受電コイル１２において受電された交流電力を整流する整流器１３と、整流器１３から出力される直流電力により励磁される鉄心に巻かれた電磁石界磁１４と、が設置される。また、固定ボス４ｃには、電磁石界磁１４と対向配置されるように電機子１５が設置される。つまり、送電コイル１１は界磁調整器１０から出力された交流電力により電磁界を発生し、受電コイル１２は送電コイル１１により発生した電磁界を電磁誘導で受電する。これにより、受電コイル１２には誘導起電力が発生する。この誘導起電力は整流器１３により直流電力に整流されて電磁石界磁１４に供給される。電磁石界磁１４は電磁石として機能するとともに、回転ボス４ｂとともにランナケーシング３の軸心周りに回転するので、電機子１５に起電力を生じさせる。
【０１００】
また、固定ボス４ａ，４ｃの双方と回転ボス４ｂとは、それぞれの軸心方向に貫通する導水管（４１，４２，４０）を有している。そして、固定ボス４ａの導水管４１、回転ボス４ｂの導水管４２、及び固定ボス４ｃの導水管４０は、ランナケーシング３の軸心方向で同軸となるように配置されている。
【０１０１】
図１５に示す水力発電装置１０３のその他の構成は、図１に示す水力発電装置１００の構成と同様である。
【０１０２】
以上説明した構造の水力発電装置１０３によれば、永久磁石式ではなく電磁石式の同期発電機の構造となっているため、界磁コイル１４を含む電磁石を実現する構成要素と比べると高価な永久磁石を使用しなくて済む。さらに、界磁調整によって任意の発電容量に対応することが可能となり、個々の発電容量に応じた水力発電装置を設計／製作しなくて済む。また、上流側の固定ボス４ａ、回転ボス４ｂ、及び下流側の固定ボス４ｃには熱源となる各種のコイル（送電コイル１１、受電コイル１２、電磁石界磁１４、電機子１５）が設置されている。このため、各ボス（４ａ，４ｂ，４ｃ）内を貫通する導水管（４１，４２，４０）が同軸上に配置されることにより、各ボス（４ａ，４ｂ，４ｃ）の軸心周りに溜まった熱を効率よく冷却することができる。
【０１０３】
なお、図１５に示す水力発電装置１０３の変形例として、図５に示すような取水口（５０）と図６、図７Ａに示すような給水溝（６０，６２）のうち少なくともいずれか一方を具備することにより、ランナケーシング３内の回転ボス４ｂの外周側から固定ボス４ｃの導水管４０への水の流入量をさらに増やすことができる。これにより、水力発電装置１０３の冷却性能をさらに向上することができる。
【０１０４】
また、図１５に示す水力発電装置１０３の変形例として、図１３に示すような排水口（７０）が設けられてもよい。これにより、ランナ５に当たる水流の乱れを抑制することができ、図１５に示す水力発電装置１０３の発電特性を損なうことなく、簡易且つ低コストな冷却機構を実現することができる。  
【０１０５】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明は、水路に装着されて使用される水力発電装置にとって有益である。
【符号の説明】
【０１０７】
ＷＴ１…上流側水路
ＷＴ２…下流側水路
１…上流側配管
２…下流側配管
３…ランナケーシング
４ａ，４ｃ…固定ボス
４ｂ…回転ボス
５…ランナ
６，６ａ…ガイドベーン
６ｂ…ボス固定部材
７０…電機子
７ａ…電機子コイル
７ｂ…電機子鉄心
８０…永久磁石界磁
８，８ａ，８ｂ…永久磁石
９…積層電磁鋼板
１０…界磁調整器
１００，１０１，１０２，１０３…水力発電装置
１１…送電コイル
１２…受電コイル
１３…整流器
１４…電磁石界磁
１５…電機子
３０ａ，３０ｂ…水潤滑軸受
４０，４１，４２…導水管
５０…取水口
６０，６２…給水溝
９０…排水口
９１，９２…外周縁部
【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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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年1月6日(2015.1.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記上流側配管の内壁に固設されたガイドベーンを有し、
前記ボスは、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、
前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、
前記２ユニットの固定ボスのうち前記下流側配管の内壁に固設された固定ボスには、前記電機子が設置され、
前記２ユニットの固定ボスのうち他方の固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設され、
前記２ユニットの固定ボス及び前記回転ボスの全てに前記導水管を有し、
前記２ユニットの固定ボス双方の導水管と前記回転ボスの導水管とは、前記ランナケーシングの軸心方向で同軸となるように配置される、請求項１に記載の水力発電装置。
【国際調査報告】
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2013153763.tif 000022
2013153763.tif 000023
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