(57)【要約】【課題】  小水力発電で部品点数を極力減らし、構造がシンプルでコンパクトな増速増力装置を内蔵した水車を提供することを課題とする。【解決方法】  水力によって回転する水車本体に内歯車を設置し、回転軸上の固定された外歯車の外周を搖動回転させ、同時に水車内部に位置する偏心した回転ディスクのねじり回転させるこのできる増速増力装置を内蔵した偏心回転型水車の提供によって解決する。【選択図】図３
2019060332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水車の回転を増速増力して出力側回転軸に伝達する増速増力装置を備えた水車で、前記増速増力装置は水力により回転する水車本体入力とベアリングによって回転自在に支持された前記出力側回転軸の同芯上で支持架台に固定された固定外歯車と前記回転軸と一体構造で偏心位置にある回転ディスクと前記水車に設けられた内歯車が前記固定外歯車と噛み合いながら回転すると同時に前記回転ディスクが偏心回転して前記回転軸は入出力とも同一材で、前記入力側水車は前記出力側回転軸の軸心の周りに沿って回転することにより増速増力装置を備えた水車で、前記回転軸上に設けられた前記固定外歯車、前記回転ディスク、前記水車本体を二対有した水車であり前記回転軸上に設けられた前記回転ディスク、前記水車本体の回転位相を１８０度異ならせて回転させ前記水車の両側に発電機を設置し水車の左右で発電可能な偏心回転型水車。
【請求項２】
前記偏心回転型水車を回転軸にさらに複数機を並列に連結一体構造とすることで増力構造にすることができ、増結する機数によって前記回転ディスク、前記水車本体の回転位相を９０度、６０度、４５度それぞれに異ならせることで前記出力回転軸に更に増力を産みだす請求項１の偏心回転型水車を並列に複数機連結したことを特徴とする偏心回転型水車。
【請求項３】
前記偏心回転型水車は小水力発電で使用することを目的とするために固定式で使用されることが多いが、前記偏心回転型水車をケーシングし、前記偏心回転型水車の注水側および排水側に配管接続口を設けることで移動式水車にすることのできる請求項１に記載の偏心回転型水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、水車の回転を増速増力して出力軸である回転軸に伝達する増速増力装置を備えた水車に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、小水力発電および水力発電で使用される水車は、水を効率よく受水する技術や安定させて回転させるための技術向上が、なされてきた。増速増力装置は、全て外部装置に委ねており本来の水車回転を水車自身で増速増力して直接、発電機を力強く回し発電効率を向上させる抜本的な技術は達成されていない。【０００３】  特許文献１では、用水路の越流堰に水車を設置し、その回転は滑車を利用した増速機、チェーンを使って伝えている。特許文献２では、水力によって水車を回し伝導ベルトと滑車の組み合わせを利用し増速をして発電機に伝導ベルトで伝えている。また特許文献３には水車、風車などの回転力は偏心ローターを通じて、固定歯車の周囲を内歯車を回転させることで増速をして発電機に伝えるようにしている。これらの全ては水車や風車などの外部装置として構成されたものが開示されている。【０００４】  しかしながら、以前から採用されている増速機は構造が複雑で部品点数も多くなり、全て増速機は外部装置としての役割になり煩雑となる欠点がある。例えば、特許文献１や特許文献２では水車回転をチェーンやベルトで増速機に伝える構造のために、小水力水車では損失の発生が懸念される。また滑車の大きさを変えることで増速を図っても回転トルクの値が、変化しなかったり逆に小さくなったのでは発電効率は上がらないこともある。特許文献３では水車や風力と発電機の間に増速機として設置して内部のロータリーエンジンの位相歯車を取り入れて増速、増力をしているが、小水力発電水車では水車、増速機、発電機の組み合わせを行うと小水力では回転力も小さく導入部での損失が発生し易く増速機内には回転伝導機を有するため損失も多くなる恐れがある。また、この構造は、これでも複雑な部分もあり単純化を目指せるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２６９３１５号公報
【特許文献２】特開２０１５−０２１３８８号公報
【特許文献３】特開２０１２−１４７６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  本発明は、上述の問題点を踏まえた上でなされた。部品点数を極力減らし構造を簡素化した。外部装置に増速増力を委ねることで生じる回転ムラ、振動、騒音を極力抑えて増速増力装置を内部に備えた上下左右に水車が揺動する偏心回転型水車を提供することを目的としている。【０００７】  本発明は、増速増力装置を水車本体に一体型に内蔵させる構造とする。部品点数を極力少なくして大きな増速増力値を引き出すためにロータリーエンジンに採用されているローターと一対の内歯車、外歯車による位相歯車構造を取り入れた。一対の歯車の回転比によって生じる回転位相差は、ロータリーエンジンでは爆発的なエネルギーを産みだす。内燃機構とは反対に外力である水から水車を通じて力を受け取ることによって位相差歯車と偏心した回転ディスクによって思い通りの増速増力を求めることができる。シンプルな構造の水車によって、増速増力が効率良く求めることが可能であることを示し本発明が完成した。【０００８】  本発明では、水によって回転する内歯車を有する水車と支持架台にベアリングよって回転自在に支持された回転軸と前記回転軸と同芯上に固定された固定外歯車と前記回転軸に偏心して一体構造となる回転ディスクの組み合わせの回転によって増速増力を出力回転軸に提供し、上記の課題解決を行うものとする。【０００９】  本発明における増速増力装置は、複雑な歯車の組み合わせ、伝導ベルト、チェーンなどを水車外部に設けるものではなく、前記水車の内部に内歯車、前記固定外歯車の一対の歯車と、その中に位置する前記回転ディスクのみで構成されている。水車回転力の増力は内部の回転ディスクが担っており、力の伝達には歯車は直接関与しないために前記内歯車、固定外歯車には過大な力が作用せず、噛み合わせ時の刃こぼれ、バックラッシュの問題は、ほとんどない。【００１０】  また増速増力装置は、歯車比を変えることで前記回転軸の回転比を変えることも可能である。これは東洋工業のマツダロータリーエンジン内で採用されているローターと回転シャフトの回転で固定歯車とローター内歯車との関係と同じである。歯車比を１：２にすると回転比は２倍となるが回転の抵抗は小さくなる。歯車比を２：３では３倍の回転を得られる。（２：３は本発明で採用）更に高回転を求めるには、歯車比を３：４では４倍、まあ４：５では５倍の増速が可能であるが、回転抵抗は大きくなる。この増速装置を内蔵することで、より高い回転数を得ることができる。【００１１】  同時に増速装置を内蔵することで前記水車は在来水車のようにシンメトリーで一点を中心に回転するのではなく、前記水車は上下左右と搖動回転をすることで前記回転軸からの水車半径を延ばしながら回転をすることになる。これは、同サイズの在来水車よりも半径が大きな水車が回転していることと同じことになるためにモーメント力が増大して、より高い回転トルクを得ることにつながっている。【００１２】  本発明の増速増力装置は、一軸の回転軸上に備わった前記固定外歯車と前記内歯車を有した水車本体および前記回転ディスクの偏心した回転によって生み出される。前記水車本体の搖動回転は増速増力に貢献するものの前記水車の搖動で回転ムラ、振動、騒音を発生させる懸念���解消させ発電機を安定に回転させるために、更に１機の水車を前記水車と同回転軸上に回転位相を１８０度異ならせて設ける。これにより互いの回転に伴って生じる振動を打ち消すことができ回転ムラの解消につながる。また１機運転の倍の回転トルクを生じさせることができるようになる。【００１３】  前記偏心回転型水車は水車外部に増速増力装置を設けることなく前記水車本体に前記増速増力装置を内蔵することで水車回転軸の両側に発電機を設置することができ、その場合２機一対の前記偏心回転型水車と２機の発電機運転によってバランスの良い安定した回転となり、回転ムラ、振動、騒音の伝達上の軽減が期待できる。【００１４】  前記偏心回転型水車は、一軸上の回転軸上に複数機を設置して回転位相を２機の場合は１８０度、４機設置の場合は９０度、６機設置では６０度、８機設置の場合は４５度と異ならせて前記一軸の回転軸上に一体構造として設置する。この場合は、更に安定した回転となり前記回転ムラ、振動、騒音を大幅に軽減することに貢献が期待できる。【００１５】  本発明の前記増速増力装置は部品の点数は最小の点数で構成されており、全てのものが一軸上の回転軸に設置されているので回転速度や回転力の伝達においての損失は著しく少なくダイレクトに発電機に伝えることが可能になっている。【００１６】  前記偏心回転型水車に内蔵する歯車比を変更したものや設置機数を異なわせることで組み合わせたものをケーシングして水車の注水口と排水側に配管接続口を設置することで移動式の偏心回転型水車としての利用も可能となる。【００１７】  本発明の偏心回転型水車は、増速増力装置を水車本体に内蔵させることで河川、水路などの諸条件によって歯車比、設置機数、固定式または移動式の選択ができるようになり、さまざまな組み合わせが可能となっている。また水車と発電機というシンプルな組み合わせだけで発電が容易になる利点を得ることができ、どのような条件の設定場所においても最大の発電能力を引き出すことが可能になっている。
【発明の効果】
【００１８】  第一発明によって、在来水車と同水量の受水で水車軸の増速増力を得られ、回転ムラ、振動、騒音が軽減したうえで安定した回転のなかで得ることができる。【００１９】  第二発明によって、水量を安定的に見込める地域では複数機を一軸回転軸上での増設と回転位相角度を異ならせることで更なる増力を得ることが可能となり安定回転を得ることで前記水車軸の回転ムラ、振動、騒音の更なる軽減につながっている。【００２０】  第三発明では、第一発明と第二発明での前記偏心回転型水車をケーシングすることで移動式水車とすることができ、より多くの電気エネルギーをさまざまな条件下の水路や工場排水などの管水路で得ることができ、小水力発電効率を大きく向上させることに期待ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】  偏心回転型水車の側面図である。
【図２】  偏心回転型水車の正面図である。
【図３】  図２の部分拡大図である。
【図４】  図２のＸ−Ｘ‘の断面図である。
【図５】  偏心回転型水車の搖動回転イメージの斜視図である。
【図６】  在来水車と偏心回転型水車の半径比である。
【図７】  在来水車と偏心回転型水車の『てこ』模式図である。
【図８】  使用状態図である。
【図９】  偏心回転型水車を並列設置したときの模式図である。
【図１０】  偏心回転型水車の立面図である。
【図１１】  使用状態図面に代える写真（正面）である。
【図１２】  使用状態図面に代える写真（斜視）である。
【図１３】  模型を使い回転数と回転トルクを実験したときの結果である。
【図１４】  偏心回転型水車をケーシングした場合の側面図である。
【図１５】  偏心回転型水車をケーシングした場合の側面図である。
【図１６】  偏心回転型水車と発電機による組み合わせ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】  図１は、本発明の水車側面図である。図１において２は内歯車（水車部９  ５は回転ディスクベアリング  ６は回転ディスク  ４は側板ベアリング  ３は回転軸  ７は側板で構成される。
【００２３】  図３は、図２の部分拡大図であり、図中に示す通り一軸の前記回転軸で構成され側板ベアリング４で７の側板に回転自由に支持されている。固定外歯車１１は、前記水車側板に１２の固定外歯車取り付けビスによって固定され、同軸上に沿って１１の固定外歯車中央に３の前記回転軸が貫通している。
【００２４】  ６の前記回転ディスクは、ベアリング５を介して水車本体内部に位置し、３の前記回転軸に偏心して固定されている。前記回転時３と同軸上の固定歯車１２の周囲を前記２の内歯車を有する９の水車が歯車比差を生じながら上下左右と搖動回転をする。同時に９水車内部の６の前記回転ディスクは、３の前記回転軸に対して偏心位置にあるために、ねじれながら回転を続ける。回転のイメージと搖動は図６の斜視図に示す。
【００２５】  搖動回転をする前記水車９の回転による“ブレ”を減少させるために７の前記側板内に埋め込められた１０の側板埋め込みベアリングが設けられている。
【００２６】  ３の前記回転軸が増速する理由は図４で示す。１１の前記固定外歯車と２の前記内歯車（水車部）の歯車比は前記固定歯車３４歯（１７×２）および前記内歯車５１歯（１７×３）を採用しとおり、２：３の歯車比となっている。前記内歯車は前記固定歯車に対し１周したときに１／３周分、前記外歯車に触れない部分が出てくる。これは、前記固定外歯車１周に対して１／３周分前記内歯車は遅れたことになる。２周目で、さらに１／３遅れて３周目でも１／３周遅れることになる。固定歯車分３周で内歯車は３／３周遅れることになる。つまり内歯車が１周すれば外歯車部分には３周分の出力が生まれることになる。
【００２７】  同時に増力する理由は、図５に示す。最初に力の伝達には、歯車自身の関与はなく偏心した６の前記回転ディスクが、９の水車本体からの力を直接、３の前記回転軸に伝えている。図６で示す通り９の前記水車が上下左右と搖動回転することで水車の半径を大きく伸ばしながら回転していることを意味する。ということは、同サイズの在来水車よりも大きな半径の水車が回転していることと同じになる。
【００２８】  前記搖動回転する水車を“てこの原理”で説明すると図７のような模式図で表すことができる。９の前記水車本体の力点Ｗに水力が変わり、水車の中心を支点Ｆとして回転軸の作用点Ｅに力が加わる。同サイズの在来水車よりも偏心回転型水車は支点Ｆと回転軸の力点Ｅの距離が大きくなる。（搖動回転による）これによって、モーメント力が大きくなることで３の回転軸に大きな力を伝えることができる。これは『滑車と輪軸』の関係と同じである。
【００２９】  図３、図４、図８を用いて増速増力を生じる動作原理を詳しく説明する。図３では、１２の前記固定歯車と偏心した６の前記回転ディスクと３の前記回転軸の位置を示す。水力により回転は、１２の前記固定歯車に対して２の内歯車（水車部）は、噛み合って回転が進む。図８の８−Ａから８―Ｂの状態である。このときに水車本体に内蔵の５の回転ディスクベアリングで浮いた状態にある６の前記回転ディスクは３の前記回転軸に対して偏心しているために水車回転とともに、ねじられるようにして回転が進んで行く。８−Ｃの状態になる。前記の動作を繰り返しながら８−Ｄへと進み、最初の８−Ａに戻っていく。３の回転軸を中心にＡ→Ｄに進むにつれて水車本体の位置は大きく搖動する。一対の外歯車と内歯車の歯車比によって増速を産みだし、回転軸から偏心した回転ディスクによって増力を産みだし、より高い回転数と大きな力を出力の回転軸に伝達する。
【００３０】  上記によって、図６で示す通りに水車本体が上下左右と搖動回転することで増速と増力を出力の回転軸に生じることになる。
【００３１】  図９は、偏心回転型水車を並列した状態をします。一軸上の回転軸に数機の偏心回転型水車を一体構造とすることで、微水力から得られる回転力を外部伝達機などでの損失することなく直接、水車で増速増力して発電機に伝達できるものになっている。
【００３２】  更に図９では、複数機の偏心回転型水車を組み合わせたときを示している。９−Ａは２機を組み合わせた偏心回転型水車のノーマル型である。これは互いの水車である１３と１４は１８０度の回転位相が異なっている。また９−Ｂの４機なると１３と２機目の１４は、９０度の異なりであるが、１３と１６の関係は１８０度の回転位相の異なりである。また１４と１５も回転位相の異なりが１８０度の関係にある。同様にして９−Ｃの６機では隣の機との回転位相は６０度の違いになるが、それぞれ１３と１６、１４と１７、１５と１８がそれぞれ回転位相の異なりが１８０の関係である。９−Ｄの６機では、隣との位相差は４５度であるが、それぞれに１３と１７、１４と１９というように１８０度の回転位相の違いの組み合わせとなっている。各水車は２１の水車最高回転高さから２２の水車最低回転高さの間で搖動回転をする。
【００３３】  上記した内容を確認するために、模型を作製して実験を行った。図１０が制作した模型の立面図になる。また使用状態を示す図面に代える写真として図１１と図１２で示している。一対の歯車は、ジュラルミン削りだして組み合わせ外歯車は３４歯、内歯車は５１歯の２：３の関係にした。この状態では３倍の増速回転が臨める。１８０度回転位相を異ならせた２機編成の偏心回転型水車は、安定して回転し続けることを確認した。また同サイズで作った在来水車と回転軸回転数と回転トルク値の比較実験を行った。
【００３４】  実験の結果を図１３に示す。１３−Ａは回転数の比較である。在来水車の回転数は受水量の増加に対して頭打ち状態になるが、一方の偏心回転型水車は受水量の増加とともにモーターのように回転し在来水車よりも高い回転力を得られることが確認できた。その際、偏心回転型水車の水車本体と回転軸は異なった回転となるために両回転数を求めると受水量が増加するにつれて偏心回転型水車の水車本体の回転数は在来水車の回転数とほぼ同じになり、回転軸の回転数は確実に３倍の回転数になっていることを確認することができた。これにより偏心回転水車は安定して増速回転を得ることができるものになっている。
【００３５】  １３−Ｂでは、回転トルク値の比較を示している。回転数の比較と同様に受水量が多くなるほどに回転トルク値が大きくなっていることが実験の結果から分かる。このようにして偏心回転型水車は安定して増力ができるものになっている。全ての実験の結果、回転数、回転トルクのどちらの値も在来水車よりも偏心回転型水車が高い値を示めすことが確認できた。
【００３６】  図１４、図１５は本発明を密閉型にケーシングしたときの内部断面図を示している。水車の水の導入側と排水川に配管接続口を設ける。図１５中の２８は導入管吹出し口でありオリフィス形状とし、水車に力強く水を噴射することで高い回転力を大きな回転トルクを得ることのできる移動式水車とすることができる。これらは偏心回転型水車を並列した場合も一体型としてケーシングすることで移動式水車にすることができる。
【００３７】  図１６は、偏心回転型水車と発電機を組み合わせたときの概念図である。偏心回転型水車と在来設置済の発電機だけの構成で増速増力を得ることができ、偏心回転型水車の左右に単独に設置した発電機との組み合わせで発電可能であり、更には偏心回転型水車の両側に発電機を設置し２台の発電機を同時に回し発電できるものになっている。
【００３８】  本発明の偏心回転型水車は、緩やかな流れの用水堀や堰を有数する水路のそれほどエネルギーを大きく期待できないところでも、より多くの水からのエネルギーを得ることができ、また高落差のある滝なの大きなエネルギーを得ることができるところでは、更に大きく増速増力することができる。また位相差を設けた水車回転となるために回転が安定して回転ムラ、振動、騒音の軽減に大きく貢献でき、このことは水車の部品の劣化防止にもつながるものになっている。
【００３９】  本発明の編回転型水車の利用できるエリアは広く、安定して小水力発電ができる地域を広げるとともに大型水車の水力発電にも利用が可能であり、密閉型の移動式にすれば地下水蒸気、温泉水が自噴する場所など工場排水やガスの流体においても動作可能である。幾種もの流体エネルギーを余すことなく、偏心回転型水車で回転運動に変えることが可能な極めて優れた増速増力装置を備えた水車である。
【実施形態の効果】
【００４０】  前記した偏心回転型水車に内蔵する固定外歯車と内歯車比を変え、更に回転位相を異ならせた機数の組み合わせを考慮すると幾種ものバリエーションの組み合わせが可能になる。設置場所の条件に合わせて、これらの組み合わせの中から選択できるようになる。ケーシングをして移動式にすると更に設置場所は広がり、並列的な水車の増設だけではなく縦列的な組み合わせにして何段にも組み合わせて行くことで多段式に水車を連結して行くこともできる。小水力発電という微水力を利用した発電では、損失なく増速増力することで小水力発電に貢献できるものになっている。これらのことは水車に力を与える水や水蒸気などの流体変化に対応が可能で高出力の小水力発電システムを構築することができる。
【産業上での利用可能性】
【００４１】  本発明の増速増力装置を備える偏心回転型水車は全ての構造が一軸上の回転軸上に置かれるため、回転の伝達による損失は少なく増速増力を必要とする小水力発電において極めて有用なものである。各自治台が積極的に導入している小水力発電システムにおいて、水利条件が厳しく設置を見合わせていた地域での導入の可能性を広げ、更に導入済みの地域においては、このシステムを導入することでより安定した高出力発電システムの構築を期待することができるものになっている。
【符号の説明】
【００４２】  １．偏心回転型水車                  ２．内歯車（水車部）
３．回転軸                          ４．側板ベアリング
５．回転ディスクベアリング          ６．回転ディスク（回転軸と一体構造）
７．側板                            ８．支持台
９．水車本体                      １０．側板埋め込みベアリング
１１．固定外歯車                    １２．固定外歯車取り付け螺子
１３．１機目                        １４．２機目
１５．３機目                        １６．４機目
１７．５機目                        １８．６機目
１９．７機目                        ２０．８機目
２１．水車最高回転高さ              ２２．水車最低回転高さ
２３．導水管                        ２４．導水管接続用フランジ継手
２５．ケース                        ２６．排水管接続用フランジ継手
２７．排水管                        ２８．導水管吹き出し口
２９．排水口                        ３０．発電機
３１．接続用カップリング
【図１】
2019060332.tif 000003
【図２】
2019060332.tif 000004
【図３】
2019060332.tif 000005
【図４】
2019060332.tif 000006
【図５】
2019060332.tif 000007
【図６】
2019060332.tif 000008
【図７】
2019060332.tif 000009
【図８】
2019060332.tif 000010
【図９】
2019060332.tif 000011
【図１０】
2019060332.tif 000012
【図１１】
2019060332.tif 000013
【図１２】
2019060332.tif 000014
【図１３】
2019060332.tif 000015
【図１４】
2019060332.tif 000016
【図１５】
2019060332.tif 000017
【図１６】
2019060332.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月17日(2018.3.17)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水車本体（９）の回転を増速増力して出力側回転軸（３）に伝達する増速増力装置を備えた偏心回転型水車であって、
前記増速増力装置は、ベアリング（４）によって回転自在に支持された前記出力側回転軸（３）と同芯上で支持架台に固定された固定外歯車（１１）と、前記水車本体（９）にベアリング（５）によって回転自在に支持され前記出力側回転軸（３）と一体構造で偏心位置にある回転ディスク（６）と、前記水車本体（９）に設けられた内歯車（２）と、を有し、
前記増速増力装置は、前記水車本体（９）が前記出力側回転軸（３）の軸心の周りに沿って水力により回転することにより、前記内歯車（２）が前記固定外歯車（１１）と噛み合いながら回転すると同時に前記回転ディスク（６）が偏心回転して、前記出力側回転軸（３）が増速回転するものであり、
前記偏心回転型水車には、一軸上の前記出力側回転軸（３）上に前記増速増力装置及び前記水車本体（９）が一対設けられ、前記一対の増速増力装置の前記回転ディスク（６）及び前記水車本体（９）の回転位相を１８０度異ならせ、
前記偏心回転型水車の両側に発電機（３０）を設置し、前記偏心回転型水車の左右で発電可能な偏心回転型水車。
【請求項２】
前記偏心回転型水車を前記出力側回転軸（３）にさらに複数機を並列に連結一体構造とすることで増力構造にし、増結する機数によって前記回転ディスク（６）及び前記水車本体（９）の回転位相を９０度、６０度又は４５度にそれぞれに異ならせることで前記出力側回転軸（３）に更に増力を産みだす請求項１の偏心回転型水車を並列に複数機連結したことを特徴とする偏心回転型水車。
【請求項３】
前記偏心回転型水車をケーシングし、前記偏心回転型水車の注水側および排水側に配管接続口を設けることで移動式水車にする請求項１に記載の偏心回転型水車。