(57)【要約】【課題】ボールねじを利用した水力発電装置の発電効率を向上する。【解決手段】回転エネルギー取出し構造を、ボールねじ１と、ピストン部材３Ａ，３Ｂと、シリンダ４と、シリンダヘッド５Ａ，５Ｂで構成する。シリンダ４の下部に液体排出口４１ａ〜４１ｄを設け、シリンダヘッド５Ａ，５Ｂに液体注入口５２Ａ，５２Ｂを設け、これらをそれぞれ開閉弁４５で開閉する。ピストン部材３Ａ，３Ｂの円筒部３１Ａ，３１Ｂは、シリンダヘッド５Ａ，５Ｂの円穴５１を摺動自在に往復運動する。ピストン３２Ａ，３２Ｂの軸方向右側に、シリンダ４、円筒部３１Ａ、フランジ部（ピストン）３２Ａ、およびシリンダヘッド５Ａで、右側空間９Ａが形成される。ピストン３２Ａ，３２Ｂの軸方向左側に、シリンダ４、円筒部３１Ｂ、フランジ部（ピストン）３２Ｂ、およびシリンダヘッド５Ｂで、左側空間９Ｂが形成される。両空間９Ａ，９Ｂを液体で満たして使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ軸と、ナットと、複数のボールとを有し、前記ねじ軸の軸方向が水平に配置され、前記ボールが、前記ねじ軸および前記ナットの両螺旋溝で形成される転動路に転動自在に配置されているボールねじと、
前記ナットに外嵌固定された円筒部材と、
前記円筒部材の軸方向中央部の外周に形成されたピストンと、
前記ピストンを内壁に密着させながら往復運動させるシリンダと、
前記シリンダの軸方向両端に固定された左右一対のシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドにそれぞれ形成された左右の液体注入口と、
前記シリンダの下方外周面に形成された複数の液体排出口と、
前記液体注入口および前記液体排出口にそれぞれ設けられた開閉弁と、
を有し、
前記シリンダへッドは、前記円筒部材を通して摺動自在に往復運動させる開口をそれぞれ有し、
前記シリンダ、前記円筒部材、前記ピストン、および前記シリンダヘッドにより、前記ピストンの軸方向両側に左右の空間が形成され、
前記液体排出口は前記左右の各空間に一個以上形成され、
前記各空間が液体で満たされて使用される回転エネルギー取出し構造。
【請求項２】
円筒部と、前記円筒部の軸方向一端に形成されたフランジ部と、からなるピストン部材を二個有し、
一方の前記ピストン部材の円筒部内に、前記ナットの円筒部が嵌入され、
前記二個のピストン部材のフランジ部が前記ナットのフランジ部を介して固定され、
前記ピストンは、前記二個のピストン部材のフランジ部からなり、
前記円筒部材は、前記二個のピストン部材の円筒部からなる請求項１記載の回転エネルギー取出し構造。
【請求項３】
請求項１または２記載の回転エネルギー取出し構造と、
前記回転エネルギー取出し構造を構成する前記ねじ軸の軸方向一端に、前記ねじ軸と一体に回転可能に接続された発電機と、を有する水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ボールねじを利用した回転エネルギー取出し構造および水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電は、再生可能エネルギーの供給源として歴史の長い発電方法である。水力発電で大きな発電量を安定的に得るためには、取水用のダムや、大きな落差で水を落下させるための設備や、発電用の水車などを大規模にする必要がある。
一方、近年では、風力発電、太陽光発電、海流発電などの、水力発電以外の発電が実用化され始めている。これらの発電方式では、水力発電よりも小規模な設備で発電でき、小型発電機の設置数を増やすことで、大量発電にも対応できる。例えば、メガフロート等を利用したメガソーラーなども期待されている。
【０００３】
また、我が国は水資源が豊富である一方、山間部や海洋部など、大規模な水力発電設備が設置できない場所が多い。よって、水力発電の設備を小型化して、豊富な水資源を活用することが期待されている。
特許文献１には、給水および排水が可能な水槽と、水槽内の水面に浮上し、水槽内への給水および排水に伴う水面の上下動に従動して上下動するフロートと、フロートの上下動の際にフロートを回転させる直線−回転変換機構と、フロートに生じたトルクを外部に取り出すトルク取出し機構と、外部に取り出したトルクにより駆動されて発電する発電機と、を有する水力発電装置が記載されている。
【０００４】
特許文献１には、直線−回転変換機構としてボールねじが使用された水力発電装置の例が記載されている。
この水力発電装置において、ボールねじは、ねじ軸が鉛直方向に沿って配置され、ナットにフロートが固定されている。この水力発電装置では、水槽下部に設けた給水口から水槽に供給された水を、フロート外周のフィンに当てることで水流を生じさせ、その水流でフロートを回転させながら上昇させている。この回転エネルギーで発電機を駆動させることにより、発電を行っている。
【０００５】
また、水槽下部に設けた排水口から排水を行って水位を低下させると、フロートが下降し出し、ナットが軸方向下方に押され、フロートが上昇時とは逆の方向に回転しながら下降する。これにより、フロートの下降時においても、上昇時と同様に発電機が駆動されて発電すると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−７６３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の水力発電装置では、フロートを回転上昇させることはできるが、フロートの下降時にフロートを回転させることは困難である。その理由は、フロートの上昇時には、水流による回転エネルギーと浮力エネルギーとの和が、ボールねじの摩擦エネルギーよりも大きいのに対して、フロートの下降時には、フロートの自重による下降方向のエネルギーがボールねじの摩擦エネルギーよりも小さいためである。
【０００８】
すなわち、特許文献１に記載された水力発電装置には、フロートの下降時に回転エネルギーを取り出すことが困難であるため、発電効率が低いという問題点がある。
この発明の課題は、特許文献１に記載された水力発電装置とは異なる方法で回転エネルギーを取り出す回転エネルギー取出し構造を提供することにより、ボールねじを利用した水力発電装置の発電効率を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明の一態様は、下記の構成要素(1) 〜(4) を有し、下記の(5) 〜(8) を満たす回転エネルギー取出し構造を提供する。
(1) ねじ軸と、ナットと、複数のボールとを有し、前記ねじ軸の軸方向が水平に配置され、前記ボールが、前記ねじ軸および前記ナットの両螺旋溝で形成される転動路に転動自在に配置されているボールねじ。
(2) 前記ナットに外嵌固定された円筒部材と、前記円筒部材の軸方向中央部の外周に形成されたピストン。
【００１０】
(3) 前記ピストンを内壁に密着させながら往復運動させるシリンダと、前記シリンダの軸方向両端に固定された左右一対のシリンダヘッド。
(4) 前記シリンダヘッドにそれぞれ形成された液体注入口と、前記シリンダの下方外周面に形成された複数の液体排出口と、前記液体注入口および前記液体排出口にそれぞれ設けられた開閉弁。
【００１１】
(5) 前記シリンダへッドは、前記円筒部材を通して摺動自在に往復運動させる開口をそれぞれ有する。
(6) 前記シリンダ、前記円筒部材、前記ピストン、および前記シリンダヘッドにより、前記ピストンの軸方向両側に左右の空間が形成されている。
(7) 前記液体排出口は前記左右の各空間に一個以上形成されている。
【００１２】
(8) 前記各空間が液体で満たされて使用される。
この態様の回転エネルギー取出し構造を使用する際には、各開閉弁を作動させて、左右の空間の一方で、液体排出口を塞ぎ、液体注入口から液体を注入するとともに、左右の空間の他方で、液体注入口を塞ぎ、液体排出口を開く。これにより、一方の空間では内部の液体量が増加し、他方の空間では内部の液体量が減少するため、一方の空間内の液体の圧力でピストンが押されて、各空間の体積が変化する。
【００１３】
これに伴い、ピストンとともに円筒部材が軸方向で他方の空間側に移動し、円筒部材とともにナットが他方の空間側に直線運動し、ボールねじの作用によりボールの転動を介してねじ軸が回転する。このようにして、液体の圧力とボールねじの作用により回転エネルギーを取り出すことができる。
この態様の回転エネルギー取出し構造によれば、ナットの直線運動の向きに関わらず同じ速度でねじ軸を回転させることができるため、ボールねじの往復運動で効率良く回転エネルギーを取り出すことができる。
この態様の回転エネルギー取出し構造は、下記の(9) 〜(12)をさらに満たすと、これらを満たさない場合と比較して、組み立て作業が容易になる。
【００１４】
(9) 円筒部と、前記円筒部の軸方向一端に形成されたフランジ部と、からなるピストン部材を二個有する。
(10)一方の前記ピストン部材の円筒部内に、前記ナットの円筒部が嵌入されている。
(11)前記二個のピストン部材のフランジ部が前記ナットのフランジ部を介して固定されている。
【００１５】
(12)前記ピストンは、前記二個のピストン部材のフランジ部からなり、前記円筒部材は、前記二個のピストン部材の円筒部からなる。
この発明の別の態様は、前記態様の回転エネルギー取出し構造と、この回転エネルギー取出し構造を構成する前記ねじ軸の軸方向一端に、前記ねじ軸と一体に回転可能に接続された発電機と、を有する水力発電装置を提供する。
この態様の水力発電装置によれば、前記態様の回転エネルギー取出し構造で取り出されたねじ軸の回転力が、発電機の回転軸に伝達されて発電機が回転する。また、回転エネルギー取出し構造により、ボールねじの往復運動で効率良く回転エネルギーを取り出すことができるため、発電効率を高くすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の回転エネルギー取出し構造を水力発電装置に適用することで、特許文献１に記載された水力発電装置よりも発電効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態の水力発電装置の構成を説明する断面図（図２のＡ−Ａ断面図に相当）である。
【図２】実施形態の水力発電装置の側面図である。
【図３】実施形態の水力発電装置の動作を説明する断面図である。
【図４】実施形態の水力発電装置の動作を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明はこの実施形態に限定されない。
この実施形態の水力発電装置の構成を図１および２を用いて説明する。
図１に示すように、この実施形態の水力発電装置は、ボールねじ１と、発電機２と、ピストン部材３Ａ，３Ｂと、シリンダ４と、シリンダヘッド５Ａ，５Ｂを有する。
【００１９】
ボールねじ１は、ねじ軸１１と、ナット１２と、複数のボール（省略）とを有する。ねじ軸１１の長手方向の一部は、螺旋溝１１１ａが形成されたねじ部１１１であり、それ以外の部分には螺旋溝が形成されていない。ねじ部１１１の長さは、ピストン部材３Ａの円筒部３１Ａより長い。ねじ部１１１の軸方向両端に、ねじ部１１１と同じ外径を有する大径部１１２，１１３が連続している。
【００２０】
一方の大径部１１２は、ねじ軸１１の軸方向一端側（図１の左側、発電機２側）に所定長さだけ（ピストン部材３Ｂの円筒部３１Ｂより長く）延びている。大径部１１２の先端に中径部１１４が連続し、中径部１１４の先端に小径部１１５が連続している。
ねじ軸１１は、軸方向を水平にして配置されている。ねじ軸１１の軸方向一端である小径部１１５が、カップリング６で発電機２の回転軸２１と同軸に接続されている。中径部１１４は、転がり軸受７を介してハウジング８に回転自在に取り付けられている。これにより、発電機２はねじ軸１１と一体に同軸で回転可能になっている。
【００２１】
ねじ軸１１の軸方向他端側の大径部１１３の先端は、大径部１１２と同様に小径化されて、図示されないハウジングに転がり軸受を介して回転自在に取り付けられている。
ナット１２は、円筒部１２１とフランジ部１２２からなり、円筒部１２１の内周面に螺旋溝１２１ａが形成されている。ねじ軸１１の螺旋溝１１１ａとナット１２の螺旋溝１２１ａで形成される転動路１３に、ボール（省略）が転動自在に配置されている。
【００２２】
ピストン部材３Ａ，３Ｂは、所定の長さ（軸方向寸法）を有する円筒部３１Ａ，３１Ｂと、円筒部３１Ａ，３１Ｂの軸方向一端に形成されたフランジ部３２Ａ，３２Ｂとからなる。フランジ部３２Ａ，３２Ｂの外径は、ナット１２のフランジ部１２２の外径より大きい。円筒部３１Ａ，３１Ｂの外径は、フランジ部３２Ａ，３２Ｂとの境界部３３が他の部分より大きい。円筒部３１Ａ，３１Ｂの長さは、ナット１２の円筒部１２１の長さより長く、ねじ軸１１のねじ部１１１の長さより短い。
【００２３】
一方のピストン部材３Ａの円筒部３１Ａ内に、フランジ部３２Ａ側からナット２の円筒部１２１が嵌入され、ナット２のフランジ部１２２がピストン部材３Ａのフランジ部３２Ａに接触している。他方のピストン部材３Ｂは、円筒部３１Ｂを左側（ねじ軸１１の軸方向一端側）に向けて配置され、フランジ部３２Ｂがナット２のフランジ部１２２に接触している。
【００２４】
つまり、ナット１２のフランジ部１２２が両ピストン部材３Ａ，３Ｂのフランジ部３２Ａ，３２Ｂで挟持されている。この状態で、フランジ部１２２およびフランジ部３２Ａ，３２Ｂがボルトで固定されている。
これにより、円筒部３１Ａ，３１Ｂがナット１２のフランジ部１２１を介して一体化されている。そして、一体化された円筒部３１Ａ，３１Ｂ内をねじ軸１１が（円筒部３１Ａではナット１２を介して）貫通している。また、一体化された円筒部３１Ａ，３１Ｂからなる円筒部材の軸方向中央部の外周に、フランジ部３２Ａ，３２Ｂからなるピストンが形成されている。
【００２５】
シリンダ４の内周面は、ピストンを構成するフランジ部３２Ａ，３２Ｂが、密着状態で往復運動可能な寸法に形成されている。シリンダ４の下方外周面には、軸方向に等間隔で四個の液体排出口４１ａ〜４１ｄが形成されている。液体排出口４１ａ〜４１ｄはそれぞれ開閉弁４５により開閉可能となっている。
シリンダヘッド５Ａ，５Ｂは、中心部に円穴（開口）５１を有する円板状部材であり、一方の円板面から突出する六個の液体注入口５２Ａ，５２Ｂを有する。六個の液体注入口５２Ａ，５２Ｂは、図２に示すように、円板の円周方向に等間隔で配置されている。液体注入口５２Ａ，５２Ｂはそれぞれ開閉弁４５により開閉可能となっている。
【００２６】
シリンダヘッド５Ａ，５Ｂの円穴５１の直径は、両ピストン部材３Ａ，３Ｂの境界部３３の外径より小さく、境界部３３以外の円筒部３１Ａ，３１Ｂの外径より大きい。すなわち、境界部３３が、ピストン部材３Ａ，３Ｂのシリンダヘッド５Ａ，５Ｂからの抜け止め機能を有する。また、円穴５１には、円筒部３１Ａ，３１Ｂとの隙間を塞ぎつつ、円筒部３１Ａ，３１Ｂを円穴５１内で摺動自在に往復可能にするシール部材（例えば、Ｏリング）が固定されている。
【００２７】
シリンダヘッド５Ａ，５Ｂの周縁部に、円周方向に等間隔で六個のボルト挿通穴が形成されている。また、これらのボルト挿通穴に対応する雌ねじ穴が、シリンダ４の軸方向両端面に形成されている。
この実施形態の水力発電装置を組み立てる際には、ボールねじ１が組み込まれた両ピストン部材３Ａ，３Ｂをシリンダ４内に配置し、図２に示すように、シリンダ４の軸方向両端にシリンダヘッド５Ａ，５Ｂを六個のボルト５４を用いて固定する。その際に、ピストン部材３Ａ，３Ｂの円筒部３１Ａ，３１Ｂを、それぞれシリンダヘッド５Ａ，５Ｂの円穴５１から外部に出す。これにより、ボールねじ１を用いた回転エネルギー取出し構造が組み立てられる。
【００２８】
この回転エネルギー取出し構造では、ピストン３２Ａ，３２Ｂの軸方向右側に、シリンダ４、円筒部３１Ａ、フランジ部（ピストン）３２Ａ、およびシリンダヘッド５Ａにより、右側空間９Ａが形成される。ピストン３２Ａ，３２Ｂの軸方向左側に、シリンダ４、円筒部３１Ｂ、フランジ部（ピストン）３２Ｂ、およびシリンダヘッド５Ｂにより、左側空間９Ｂが形成される。右側空間９Ａおよび左側空間９Ｂは、それぞれ水（液体）で満たされている。
【００２９】
図１の状態で、一個の液体排出口４１ａが左側空間９Ｂに存在し、三個の液体排出口４１ｂ〜４１ｄが右側空間９Ａに存在する。
この実施形態の水力発電装置の動作を図３および４を用いて説明する。
図３（ａ）は、全ての液体注入口５２Ａ，５２Ｂおよび液体排出口４１ａ〜４１ｄを閉じた状態（図１の状態）から、右側空間９Ａ側の液体排出口４１ｂ〜４１ｄを開いて右側空間９Ａ内の水を排出しながら、左側の液体注入口５２Ｂを開いて左側空間９Ｂに水を注入し始めた状態を示す。この状態で、ピストン３１Ａ，３１Ｂは左側から注入された水の圧力より右側に押される。
【００３０】
その後、図３（ｂ）に示すように、ナット１２のフランジが液体排出口４１ｂを通過すると同時に液体排出口４１ｂを閉じ、次に、図３（ｃ）に示すように、ナット１２のフランジが液体排出口４１ｃを通過すると同時に液体排出口４１ｃを閉じることで、左側空間９Ｂ内の水量が増加していく。また、図３（ｂ）の状態では液体排出口４１ｃ，４１ｄから右側空間９Ａ内の水が排出され、図３（ｃ）の状態では、液体排出口４１ｄから右側空間９Ａ内の水が排出されるため、右側空間９Ａ内の水量は減少していく。
【００３１】
このように、図３（ａ）の状態から図３（ｃ）の状態となるまで、液体排出口４１ｂ〜４１ｄを順次閉じていくことで、ピストン３１Ａ，３１Ｂが、左側空間９Ｂ内の水の圧力で順次右側に押されて、左側空間９Ｂの体積が大きくなっていき、右側空間９Ａの体積が小さくなっていく。
これに伴って、ピストン３１Ａ，３１Ｂに固定された円筒部３１Ａ，３１Ｂが軸方向で右側に移動することにより、円筒部３１Ａに固定されたナット１２が右側に直線運動し、ボールねじの作用によりボールの転動を介してねじ軸１１が回転する。そして、ねじ軸１１の回転力が発電機２の回転軸２１に伝達される。これにより、発電機２が回転することで発電が行われる。
【００３２】
次に、図３（ｃ）の状態から、左側の液体注入口５２Ｂを閉じて、右側の液体注入口５２Ａを開き、液体排出口４１ａ〜４１ｃを開き、液体排出口４１ｄを閉じて、図４（ａ）に示す状態にすると、左側空間９Ｂ内の水が排出されながら、右側空間９Ａ内に水が注入され始める。
その後、図４（ｂ）に示すように、ナット１２のフランジが液体排出口４１ｃを通過すると同時に液体排出口４１ｃを閉じ、次に、図４（ｃ）に示すように、ナット１２のフランジが液体排出口４１ｂを通過すると同時に液体排出口４１ｂを閉じることで、右側空間９Ａ内の水量が増加していく。また、図４（ｂ）の状態では液体排出口４１ａ，４１ｂから左側空間９Ｂ内の水が排出され、図４（ｃ）の状態では、液体排出口４１ａから左側空間９Ｂ内の水が排出されるため、左側空間９Ｂ内の水量は減少していく。
【００３３】
このように、図４（ａ）の状態から図４（ｃ）の状態となるまで、液体排出口４１ｃ，４１ｂ，４１ａを順次閉じていくことで、ピストン３１Ａ，３１Ｂが、右側空間９Ａ内の水の圧力で順次左側に押されて、右側空間９Ａの体積が大きくなっていき、左側空間９Ｂの体積が小さくなっていく。
これに伴って、ピストン３１Ａ，３１Ｂに固定された円筒部３１Ａ，３１Ｂが軸方向で左側に移動することにより、円筒部３１Ａに固定されたナット１２が左側に直線運動し、ボールねじの作用によりボールの転動を介してねじ軸１１が、図３の場合とは逆向きに回転する。そして、ねじ軸１１の回転力が発電機２の回転軸２１に伝達される。これにより、発電機２が回転することで発電が行われる。
【００３４】
次に、図４（ｃ）の状態から、右側の液体注入口５２Ａを閉じて、左側の液体注入口５２Ｂを開き、液体排出口４１ｂ〜４１ｄを開き、液体排出口４１ａを閉じると、図３（ａ）に示す状態になる。よって、図３（ａ）〜（ｃ）の状態の後に図４（ａ）〜（ｃ）の状態となり図３（ａ）の状態に戻って、これらの状態を繰り返すように、全ての開閉弁４５を制御すれば、ナット１２が往復直線運動を繰り返すため、発電機２による発電が継続して行われる。
【００３５】
上述のように、この実施形態では、二個のピストン部材３Ａ，３Ｂをナット１２のフランジ部１２２とともに一体化して、ピストン部材３Ａ，３Ｂのフランジ部３２Ａ，３２Ｂをピストンとし、ナット１２の円筒部１２１をピストン部材３Ａに嵌入している。そして、二個のピストン部材３Ａ，３Ｂの円筒部３１Ａ，３１Ｂが、シリンダヘッド５Ａ，５Ｂの円穴５１を通って摺動自在に往復する円筒部材を構成している。
【００３６】
よって、この実施形態では、左右一対のシリンダヘッド５Ａ，５Ｂの各円穴５１を摺動自在に通る円筒部材に、フランジ部１２２付きのナット１２を容易に組み込むことができる。すなわち、この実施形態の回転エネルギー取出し構造は、組み立てがし易いという利点も有する。ただし、ナットに外嵌固定された一個の円筒部材の軸方向両端部が、シリンダヘッド５Ａ，５Ｂの各円穴５１を通って摺動自在に往復し、この円筒部材の軸方向中央部の外周にピストンが形成されている構成も、この発明に含まれる。
【００３７】
また、この実施形態では、各シリンダヘッド５Ａ，５Ｂに、円周方向に等間隔で六個の液体注入口５２Ａ，５２Ｂが配置されているが、複数個の液体注入口５２Ａ，５２Ｂが円周方向に沿わずに配置されていてもよいし、液体注入口５２Ａ，５２Ｂが一個ずつ配置されていてもよい。また、この実施形態では、シリンダ４の下部に四個の液体排出口４１ａ〜４１ｄが形成されているが、液体排出口は、左右各空間９Ａ，９Ｂに少なくとも一個配置されればよいため、シリンダ４の下部に少なくとも二個形成されていればよい。
【符号の説明】
【００３８】
１  ボールねじ
１１  ねじ軸
１１１  ねじ軸のねじ部
１１１ａ  ねじ軸の螺旋溝
１１２  ねじ軸の大径部
１１３  ねじ軸の大径部
１１４  ねじ軸の中径部
１１５  ねじ軸の小径部
１２  ナット
１２１  ナットの円筒部
１２１ａ  ナットの螺旋溝
１２２  ナットのフランジ部
１３  ボールの転動路
２  発電機
２１  発電機の回転軸
３Ａ，３Ｂ  ピストン部材
３１Ａ，３１Ｂ  ピストン部材の円筒部（円筒部材）
３２Ａ，３２Ｂ  ピストン部材のフランジ部（ピストン）
３３  円筒部のフランジ部との境界部
４  シリンダ
４１ａ〜４１ｄ  液体排出口
４５  開閉弁
５Ａ，５Ｂ  シリンダヘッド
５１  シリンダヘッドの円穴（開口）
５２Ａ，５２Ｂ  液体注入口
５４  ボルト
６  カップリング
７  転がり軸受
８  ハウジング
９Ａ  右側空間
９Ｂ  左側空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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