(57)【要約】船上の船舶用発電機（１４）は、ボートの船上に取り付けるのに適する可搬型枠（４４）上にある交流発電機（５２）に結合される従来の４行程水冷船外モータエンジン（５０）を備える。一実施態様では、前記エンジンのクランクシャフト（６０）は垂直に延在し、前記交流発電機の垂直に方向付けられた回転子（７２）に直接結合されるか、または前記エンジンシャフトから側方に離間配置される。もう１つの実施態様では、前記エンジンは、水平に延在するクランクシャフトと共に作動するように改造される。全体のパッケージの物理的な大きさは、プレジャーボート上に実装するのに適する範囲内であり、好都合である。
2004515200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船上の船舶用発電機であって、
垂直に方向付けられた駆動シャフト（６０）を備えた４行程水冷エンジン（５０）と、
垂直に方向付けられた回転子（７２）が、前記エンジン駆動シャフトと共に回転して電気を生成するように結合され、前記エンジンシャフトから側方に離間配置された交流発電機（５２）と、
前記エンジンおよび交流発電機が並列関係で搭載される可搬型の枠と、
を含む発電機。
【請求項２】
前記エンジン（５０）が、４行程ガソリンサイクルで作動するように構成される、請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記エンジン（５０）が、流れる排気ガス中に水流を混合して、排気ガスを冷却してから排出するように構成された排気ガスエルボー（６６）を有する、請求項１または２に記載の発電機。
【請求項４】
前記エンジン（５０）の前記シャフト（６０）が、ベルト付きプーリ（５６、５８）により前記交流発電機（５２）の前記回転子（７２）に結合される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項５】
ボートの船体内部に取り付けられた請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電機であって、前記エンジンの排気ガスシステムが、前記船体の喫水線の上まで延在する排気ガス上昇管（３０）を備える発電機。
【請求項６】
前記排気ガスシステムが、船尾肋板の隔壁にある排出ポート（１８）まで延在する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項７】
前記ボートの甲板下に取り付けられる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項８】
前記交流発電機（５２）が、可変速度の永久磁石交流発電機を備え、前記エンジン（５０）が、荷重に対応して速度を変更するように構成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項９】
前記交流発電機（５２）が前記エンジン（５０）に結合されて同期速度で作動する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項１０】
プラットフォーム（４４）が、前記発電機（１４）を甲板下の構造に固定するための取付位置を画定する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項１１】
前記エンジンおよび交流発電機を囲むエンクロージャ（４２）をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項１２】
前記エンクロージャ（４２）に出力レセプタクル（４８）が装備される、請求項１１に記載の発電機。
【請求項１３】
全体の高さ（Ｈ）が約１５ｉｎ（３８ｃｍ）未満、好ましくは約１２ｉｎ（３０ｃｍ）未満である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項１４】
長さ（Ｌ）が約２５ｉｎ（６３ｃｍ）未満、好ましくは約２０ｉｎ（５０ｃｍ）未満、幅（Ｗ）が約１５ｉｎ（３８ｃｍ）未満、好ましくは約１２ｉｎ（３０ｃｍ）未満の設置面積を占める、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項１５】
前記駆動シャフト（５０）も海水ポンプ（６２）を回転させる、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項１６】
前記海水ポンプ（６２）が、前記交流発電機（５２）を駆動するプーリ（５６）ではなく、むしろ前記エンジン（５０）の対向端部において駆動シャフト（５０）に直接結合される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項１７】
前記エンジン（５２）が、船外に搭載される船舶用モータの垂直シャフト構成に使用するために設計されたエンジンを備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項１８】
船上の船舶用発電機であって、
垂直に方向付けられた駆動シャフト（６０）を有する４行程水冷エンジン（５０）と、
カップ型回転子（７６）が、電気を生成するために前記エンジン駆動シャフトの一方の端部に取り付けられた永久磁石交流発電機（７８）と、
前記エンジンおよび交流発電機が並列関係（図５参照）で取り付けられた可搬型の枠と、
を備える発電機。
【請求項１９】
回転子（７６）が、前記回転子の内周部表面に取り付けられた永久磁石（８０）を備えた、請求項１８に記載の発電機。
【請求項２０】
前記磁石（８０）の重量および位置が、前記エンジン（５０）およびその回転部品の点火の衝撃と半径方向加速とのバランスをとるように選択される、請求項１８または請求項１９に記載の発電機。
【請求項２１】
交流発電機（７８）が、回転子（７６）により生成される移動磁界に対応すると共に、回転する回転子（７６）内に実装される静止巻固定子（８２）を備える、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項２２】
前記エンジン駆動シャフト（６０）の他方の端部に取り付けられる海水ポンプ（６２）をさらに備える、請求項１８〜２１のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項２３】
前記エンジン（５２）が、船外に搭載される船舶用モータの垂直シャフト構成に使用するために設計されたエンジンを備える、請求項１８〜２２のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項２４】
ボートの船上で電力を生成する方法であって、
船外モータエンジン（５０）のクランクシャフト（６０）を発電機（５２）に取り付けるステップと、
エンジンおよび発電機をボートの船体内に搭載するステップと、
エンジンを作動させて電力を生成するステップと、
電力を前記発電機から離れた電気負荷に送り、有用な作業を実施するステップと、
を含む方法。
【請求項２５】
前記エンジン（５０）および発電機（５２）の両方をエンクロージャ（４２）内に囲むステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記エンジン（５０）および発電機（５２）が甲板の下に取り付けられる、請求項２４または請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記エンジン（５０）および発電機（５２）が並列関係で取り付けられる、請求項２４〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記発電機（５２）が、前記エンジンの一方の端部において前記クランクシャフト（６０）に直接取り付けられる、請求項２４〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は発電に関し、特に、燃料を動力とする、船積の船舶用発電機に関する。
【０００２】
背景
多くの発電機が市販されており、発電機によっては、特にボートの船上に搭載して使用するように設計されている。代表的な船舶用エンジン発電機セットは、クランクシャフトが発電機の回転子に結合され、クランクシャフトと回転子とは、作動状態で取り付けられると共線的かつ水平である水冷エンジンを有する。海水を直接排気流中に噴射して、エンジンの排気ガスを冷却する。
【０００３】
多くの比較的小型の船舶の場合、発電は望ましいが、空間が限られている。甲板の下では、例えば、市販の発電機の高さを収容することは特に困難である可能性がある。市場経済学的に、一般に、船舶用発電機メーカーは、さもなければその他の、より高い容量の用途に使用できるエンジンおよび発電機の部品を使用するように限られる。小型で信頼性の高い発電機に対する市場のニーズを充足するため、発電のための新しい方法が必要とされている。
【０００４】
概要
本願の発明者は、エンジンおよび発電機部品の新しい構成が、比較的小型の船舶、および比較的低出力定格を要する船舶の所有者のニーズに応えるのに適する発電システムを製造できることがわかった。
【０００５】
本発明の一態様では、船積の船舶用発電機は、従来の４行程水冷船外モータエンジンを含み、このエンジンは、ボートの船上（例えば、甲板下の水平面上）に搭載するのに適する可搬型の枠上にある交流発電機に結合される。
【０００６】
実施態様によっては、船外モータエンジンは、水平に延在するクランクシャフトを使って、信頼性のある作動を可能にするように改造される。その他のいくつかの実施態様では、船外エンジンのモータシャフトは垂直に延在し、交流発電機の回転子に直接結合される。
【０００７】
本発明のもう１つの態様は、垂直に方向付けられたシャフトが、エンジンシャフトから側方に離間して配置された、垂直に方向付けられた発電機の回転子に結合された燃料エンジンを備え、その結果、エンジンおよび発電機は並列関係で配置されることを特徴としている。この構成により、垂直にシャフトが設けられた船外船舶用モータの市販の水冷エンジンおよびエンジン部品を使用することができ、例えば、全体のパッケージの高さをプレジャーボート上に取り付けるのに適する範囲内に維持することができる。
【０００８】
このエンジンは、好ましくは４行程、ガソリン（オットー）サイクルで作動し、噴き出る排気ガス中に水流を混合して、排気ガスを冷却してから排出するように構成された排気ガスエルボーを有する。４行程エンジンは、水噴射排気ガス流を逆流抑止排気ガス上昇管から押し出すのに必要であるように、排気ガスの背圧が増加した状態で作動可能であるという点で特に好ましい。
【０００９】
エンジンおよび発電機は、交流発電機の電力状態調節回路も支持することができる可搬型の枠に取り付けられことが好ましい。エンジンの出力シャフトは、所望の速度比で静かに伝動するために、ベルト付きプーリにより発電機の回転子シャフトに結合すると良い。
【００１０】
交流発電機または発電機は、先行技術で周知されているいくつかのタイプであってもよいが、用途によっては可変速度の永久磁石交流発電機が好ましい。こうした交流発電機は、一般に、例えば風力タービンから発電する時に使用され、動力状態調節回路構成を装備して、広範囲の入力速度において安定した出力周波数を提供することができる。可変速度作動の利点は、エンジンが、荷重に対応して速度を変化させ、最適な作動効率を維持することができ、また、有利に小型で且つ比較的弱いエンジンの使用を可能にするよう構成し得る点である。
【００１１】
「回転子」とは、電気巻線を電機子として支持するか、または磁石を支持するかに関係なく、交流発電機の回転部分を意味する。
【００１２】
いくつかの実施態様では、永久磁石交流発電機は、エンジンに結合されて、比較的一定の「同期」速度（例えば、１８００ＲＰＭ）で作動し、所望の出力周波数を生成する。こうした構成は、ある範囲の作動荷重および温度における出力電圧のある程度の変動に順応する用途に適している。この構成の１つの利点は、例えば、励振器回路を備えた巻線発電機の固定子の構成よりもはるかに単純な交流発電機構成を使用し、ソリッドステート周波数発生回路の費用を追加する必要がないことである。
【００１３】
本発明のもう１つの態様により、ボートの船上で電力を生成する方法を提供する。この方法は、船外モータエンジンのクランクシャフトを発電機に取り付けるステップと、エンジンと発電機をボートの船上に搭載するステップと、エンジンを作動させて電力を生成するステップと、電力を発電機から電気器具または船上搭載電力供給網などの離れた電気負荷に方向付けて、有用な作業を行うステップとを含む。
【００１４】
本発明は、船舶の所有者、中程度から低度の所要電力を有する船舶を所有し、船外、例えば直接的に塩水に曝されて、盗難に対する安全性が低いと思われる場所に取り付けるのではなく、甲板の下で見えない所に永久的に取り付けることができるシステムを望む所有者が特に必要とする、物理的な大きさおよび電力定格の費用効果の高い発電機を提供することができる。
【００１５】
本発明の１つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載する。本発明のその他の特徴、目的および利点は、この説明および図面、並びに請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１６】
好適な実施態様
様々な図面の類似の参照符号は、類似の要素を示す。
【００１７】
図１を参照すると、ボート１０には、船内ガソリンエンジン１２および発電機１４が装備され、エンジンおよび発電機はどちらも、甲板の下に取り付けられ、図示のようにハッチから手の届くところにある。エンジン１２および発電機１４は、同じ燃料タンク（図示しない）から供給され、個々の船尾肋板の隔壁にある排出ポート１６および１８から排出する。
【００１８】
図２に示すように、発電機１４は、ボート船体の後部甲板２２の下に固定されたプラットフォーム２０上に取り付けられる。プラットフォーム２０は、発電機を甲板下の構造に固定するのに適する取付位置（例えば、図示されていないボルト締めボス、固定機構または振動隔離取付パッド）を有する。冷却水は、入口ホース２６を介して海水コック２４から吸引されて、以下に詳細に説明するように、発電機のエンジンの排出流中に噴射される。冷却された排気ガスは、喫水線３２の上まで上昇する排出管３０を介して船尾肋板２８から排出される。発電機１４は、入力信号を電気信号線３６を介して受信する遠隔制御装置（例えば、図１のスイッチパネル３４）から制御される。発電電力は、出力ケーブル３８を介して船上に搭載された電気負荷（例えば、図示されていない器具、空気調節装置など）に送られる。発電機は、タンク４０の液体燃料（例えば、ガソリンまたはディーゼル燃料）により動力を供給され、代表的な船舶用バッテリ４１は１２ＶＤＣの電力を供給する。
【００１９】
次に図３を参照すると、発電機１４は、小型で容易に取り付けることができる実際上単独型のユニットを形成する。発電機には、図示のように消音エンクロージャ４２が装備されるか、或いは、空気の循環を高めるために側部と上部が開いている剛性の枠４４に取り付けられていてもよい。適切なエンクロージャ４２の詳細は、米国特許第５，９２９，３９４号に記載されており、この特許の内容は、その全体を本願に援用する。好ましくは、ユニット全体の高さ「Ｈ」は約１５ｉｎ、つまり３８ｃｍ未満（より好ましくは、約１２インチ、つまり３０ｃｍ未満）であり、約２５ｉｎ、つまり６３ｃｍ未満（より好ましくは、約２０ｉｎ、つまり５０ｃｍ未満）の長さ「Ｌ」、および約１５ｉｎ、つまり３８ｃｍ未満（より好ましくは、約１２ｉｎ、つまり３０ｃｍ未満）の幅「Ｗ」を有する設置面積を占める。３〜４ｋｗユニットの重量は、わずか約１２０ｌｂである。ルーバ４６は、エンクロージャ４２を貫通して設けると、空気の循環を高めることができ、エンクロージャには、図示のとおり出力レセプタクル４８が任意に装備されてもよい。
【００２０】
図４を参照すると、発電機１４は、可撓性のタイミングまたは同期ベルト５４、並びに個々のプーリ５６および５８を介して交流発電機５２に結合されるエンジン５０を備える。ベルト５４は、例えば車両用エンジンのカム軸駆動用に一般に使用されるタイプのものである。プーリ５６は、エンジン５０の垂直クランクシャフト６０の一方の端部に回転するように取り付けられ、クランクシャフト６０の他方の端部は、正変位ポンプ６２を回転させて、海水を入口ホース２６から吸引して、海水をホース６４からエンジン排気ガスエルボー６６中に送り出し、ここでエンジンの排気ガス流中に噴射して、排気ガスがマフラー６８に入る前に排気ガスを冷却する。
【００２１】
現在好ましく商業的に有利な実施態様では、エンジン５０は、船外船舶用モータにおける垂直シャフト構成に使用するように設計された４行程ガソリンエンジンであり、したがって海洋環境条件に適する。こうしたエンジンには、一般に、排気ガス冷却エルボー６６及び海水ポンプ６２が既に装備されており、したがって、エンジンブロックを発電機の枠に取り付けて、クランクシャフト６０の下端を枠取付け軸受ブロック７０内に支持することにより、発電機１４に使用するように容易に変更される。定格約３〜４ｋｗの発電機１４の場合、２シリンダで１５馬力船外エンジンモータが適している。定格がわずか約１〜２ｋｗの発電機１４の場合、１シリンダで６馬力船外エンジンモータで十分である。排気ガス規制は、２行程船外モータエンジンを４行程のバージョンに置き換えるように奨励しているため、本発明の発電機の使用に適する適切なエンジンのコストおよび可用性は、今後も改善し続けるべきである。
【００２２】
発電機の全体の高さは、シャフトを平行に離して垂直に、エンジン５０と同じ垂直空間を占めるように交流発電機５２を配置することにより低く維持されることが好都合である。交流発電機５２の回転子のシャフト７２は、交流発電機の筺体内にある２個の離間配置された軸受（図示しない）上に、プーリ５８が回転子のシャフトの端部に片持ち梁状に取り付けられる。この例では、交流発電機５２は、可変速度で作動するように設計された永久磁石交流発電機である。可変速度ＰＭ交流発電機も、風力機械、および現在の何種類かの自動車システム、例えばハイブリッド車に使用されると周知されている。
【００２３】
エンジン５０は、エンジンの速度が、同期交流発電機の速度によって所望の出力周波数が生成されるような駆動比に関して選択した速度に、できるだけ近くなるように維持するための速度調整器を備えることができる。例えば、エンジンは、４極交流発電機が１８００ＲＰＭで回転して、６０Ｈｚの出力周波数を生成するように、１５００ＲＰＭ設定点付近で速度調整される。こうした実施態様では、速度および電圧を作動荷重および温度で許容可能な範囲内に維持するために、可変速度構成でエンジンの能力を増加させる必要があるかも知れないが、複雑な電力状態調節回路が不要であると好都合である。
【００２４】
別法によると、発電機の制御装置７４は、可変速度に使用される適切な電力状態調節回路と、交流発電機５２からの広範な未処理出力周波数を受け入れて、所望の出力周波数を生成するための永久磁石モータ励振器とを備えることができる。こうした回路構成のコストは、場合によっては、高荷重に対応して、より高速度で作動するように構成された、より小型の（軽量で、より安価な）エンジンを対応して使用することにより十分に相殺される。
【００２５】
制御装置７４のその他の好ましい特徴および態様は、１９９９年８月４日に出願されて現在係属中である、米国特許出願第０９／３６８，２００号、およびＷＯ ０１／１１７６５として２０００年８月３日に公開された対応ＰＣＴ出願ＵＳ００／２１１４１号に記載されており、引用することにより全体を本明細書に援用する。
【００２６】
図５の実施態様を参照すると、発電機１４’は、垂直にシャフトが取り付けられた４行程船外エンジンモータ５０であって、クランクシャフトの端部にある標準のはずみ車が、パンケーキ状プロファイルの永久磁石交流発電機７８のカップ型回転子７６に置き換えられたエンジンモータ５０を含有する。回転子７６は、モータのクランクシャフトと共に回転し、回転子７６の内側の周方向表面に取り付けられた永久磁石８０の構成を支持する。磁石８０の重量および位置は、モータおよびその回転部品の点火の衝撃と半径方向の加速とのバランスをとるように選択する。回転する回転子７６内には、回転子７６により生成される移動磁界に対応する静止巻固定子８２が実装される。この種の交流発電機は、非常に低プロファイル、つまり軸方向の長さが非常に短く、モータのはずみ車を置き換えると、モータ−交流発電機の組合せは、モータ自体の高さにわずか数インチ加わるだけである。ポンプ６２は、図示のとおり、クランクシャフトの他方の端部上に取り付けられるか、または電気的に動力を供給して、さらに低いパッケージ高さの場合は、離して取り付けることができる。
【００２７】
上記２つの実施態様は、事実上変更されない船外モータエンジンを使用することが可能であるという実際的な利点を共用するため、大量に製造した結果、非常に合理的な価格になる。しかし、図６に示すように、こうしたエンジンを水平結合構成に使用するように変更することも可能である。発電機１４’’の場合、エンジン５０’は、クランクシャフト６０を水平に延在させて、可撓性連結器８２を介して交流発電機５２の回転子シャフトに結合する。エンジン５０’は、シャフト６０を垂直にして作動するように設計されているため、適切な作動および信頼性を確保するために、いくつかの重要な改造が行われる。第１に、エンジン５０’には、潤滑油をエンジン内にサイホン式に吸い上げるための適切な内部オイルピックアップを有する下部オイルサンプ８４が装備される。船外モータエンジンによっては、オイルがシャフトの封止部に溜まるのを防止するか、または内部通路内に収集して、サンプに適宜に戻すために、その他の変更が必要になる場合がある。第２に、気化器８６は、設計に応じて垂直スロートの向きを維持するように配置し直した。場合によっては、これは、こうした目的で設計された注文の吸込みマニホルドの取付けを必然的に伴う。当業者は、その他の必要な変更も、特定の用途のために選択された特定の船外モータエンジンに応じて認識し、理解するであろう。
【００２８】
本発明の多くの実施態様について説明した。それにも関らず、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な変更を加えることができる。例えば、図４の実施態様のプーリおよびベルトは、エンジンおよび交流発電機の上に、海水ポンプを下にして配置することができる。したがって、その他の実施態様は、以下の請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボートの船上に搭載された発電機を示す。
【図２】ボートの船上に搭載された発電機を示す。
【図３】発電機の斜視図である。
【図４】発電機の略断面図であり、垂直に方向付けられたエンジンおよび交流発電機の並列配置を示す。
【図５】第２実施態様の発電機の略断面図であり、エンジンと交流発電機との直列垂直結合を示す。
【図６】第３実施態様の発電機の略断面図であり、エンジンと交流発電機との直列水平結合を示す。
【国際公開パンフレット】
2004515200.tif 000003
2004515200.tif 000004
2004515200.tif 000005
2004515200.tif 000006
2004515200.tif 000007
2004515200.tif 000008
2004515200.tif 000009
2004515200.tif 000010
2004515200.tif 000011
2004515200.tif 000012
2004515200.tif 000013
2004515200.tif 000014
2004515200.tif 000015
2004515200.tif 000016
2004515200.tif 000017
2004515200.tif 000018
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004515200.tif 000019
【国際調査報告】
2004515200.tif 000020