(57)【要約】【課題】耐摩擦性に優れた小型の水力発電装置を提供する。【解決手段】水力発電装置は、外周にらせん翼３０が設けられた中空軸３２と、発電機４０と、変速機５０とを備える。中空軸３２は、らせん翼３０に向かう水流によって回転するように、固定軸２０により回転可能に支持される。発電機４０は、中空軸３２の内部に設けられる。変速機５０は、中空軸３２の内部において、中空軸３２の端部と発電機４０との間に設けられ、中空軸３２からの駆動力を発電機４０のロータ４２に伝達する。変速機５０の表面には、摩擦係数を低下させる被膜処理が施されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周にらせん翼が設けられ、前記らせん翼に向かう水流によって回転する中空軸と、
前記中空軸の内部に設けられた発電機と、
前記中空軸の内部において、前記中空軸の端部と前記発電機との間に設けられ、前記中空軸からの駆動力を前記発電機に伝達する伝達部材とを備え、
前記伝達部材の表面には、摩擦係数を低下させる被膜処理が施されている、水力発電装置。
【請求項２】
前記伝達部材は、変速機である、請求項１に記載の水力発電装置。
【請求項３】
前記変速機は、歯車を含む、請求項１または２に記載の水力発電装置。
【請求項４】
前記歯車は、遊星歯車を含む、請求項３に記載の水力発電装置。
【請求項５】
前記被膜処理は、少なくとも前記遊星歯車のプラネットギヤの表面に施されている、請求項４に記載の水力発電装置。
【請求項６】
前記被膜処理は、ダイヤモンドライクカーボンコーティング処理を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項７】
前記被膜処理は、フッ素樹脂コーティング処理を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項８】
前記被膜処理は、シリコーン樹脂コーティング処理を含む、請求項１〜５のいずれか１項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、水力発電装置に関し、特に、らせん翼が設けられた水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的には、大規模なダムを建設して数ＭＷ〜数千ＭＷの大電力を発生させる水力発電が知られている。このような大規模な水力発電以外にも、比較的小落差あるいは小水量の水流を利用して１００ｋＷ以下の発電を行なう小水力発電がある。小水力発電用の水車には、大型の水力発電と同様のペルトン水車、フランシス水車またはカプラン水車を小型化した水車が用いられる。その他、中規模以下の水力発電に適したクロスフロー水車またはバルブ水車などが用いられる。これらの水車を用いた水力発電では、閉鎖された水路を設けて水流を水車に導く必要がある。
【０００３】
一方、発電規模はさらに小さくなるが、農業用水路のような開水路に設置するタイプの水車として上掛け水車、下掛け水車、らせん水車などがある。特に下掛け水車とらせん水車を用いれば、１ｍ前後、あるいは１ｍ以下の低落差で発電が可能となる。
【０００４】
特開２００９−２２１８８２号公報（特許文献１）、特開２００７−１５４８６２号公報（特許文献２）、特開昭６３−５７８７４号公報（特許文献３）、大正１４年実用新案出願公告第９３５６号公報（特許文献４）は、らせん水車に関する技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２２１８８２号公報
【特許文献２】特開２００７−１５４８６２号公報
【特許文献３】特開昭６３−５７８７４号公報
【特許文献４】大正１４年実用新案出願公告第９３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、特開２００９−２２１８８２号公報の図１に示されるように、らせん水車を用いた水力発電装置は、発電機と、らせん水車からの駆動力を発電機に伝達するためのシャフトおよび増速機とを備える。したがって、水力発電装置を設置する際には、らせん水車を設置する場所に加えて、発電機、シャフトおよび増速機を設置する場所を確保する必要がある。特に通常の発電機や増速機は、水没を想定した設計とはなっていないため水面より上方に設置する必要があり、水車本体とこれらの機器とを連結するシャフトは十分に長くなければならない。しかしながら、らせん水車を用いた水力発電装置は、農業用水路のような狭い空間に設置することが想定されているため、水力発電装置を小さく構成することが望ましい。
【０００７】
そこで、発明者らは、水力発電装置を小さく構成するために、らせん翼を保持する中空軸の内部に発電機と増速機とを内蔵させる方式を採用した。しかしながら、水力発電装置の長期運転による潤滑剤の枯渇や中空軸内部に水が浸入することによって増速機の潤滑性能が低下する可能性がある。そのため、増速機の潤滑性能が低下したとしても、摩擦による増速機の損傷を軽減できるように構成する必要がある。
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、耐摩擦性に優れた小型の水力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ある実施例において、水力発電装置は、外周にらせん翼が設けられ、らせん翼に向かう水流によって回転する中空軸と、中空軸の内部に設けられた発電機と、中空軸の内部において、中空軸の端部と発電機との間に設けられ、中空軸からの駆動力を発電機に伝達する伝達部材とを備える。伝達部材の表面には、摩擦係数を低下させる被膜処理が施されている。
【００１０】
この構成によると、発電機と伝達部材とが中空軸内に収められている。そのため、水力発電装置の大きさを、中空軸の大きさと同等にできる。その結果、水力発電装置を小型化できる。また、伝達部材の表面には、摩擦係数を低下させる被膜処理が施されている。したがって、水力発電装置の長期運転による潤滑油の枯渇や中空軸内部への水の浸入の影響により伝達部材の潤滑性が低下したとしても、伝達部材の表面に形成された膜により、伝達部材が直接接触することを防ぐことができ、摩擦による伝達部材の損傷を軽減させることができる。また、これによりメンテナンス周期を長くすることもできる。
【００１１】
さらに別の実施例において、伝達部材は、変速機である。
この構成によると、変速機により、中空軸の回転速度を所望の速度に変えて、発電機に伝達できる。
【００１２】
さらに別の実施例において、変速機は、歯車を含む。
この構成によると、歯車を用いることにより、一方の軸から他方の軸へ滑りなく動力を伝達することができる。
【００１３】
さらに別の実施例において、歯車は、遊星歯車を含む。
この構成によると、遊星歯車を用いることにより、変速機の軸心と、中空軸の軸心とを同じにできる。そのため、水力発電装置を小型化できる。
【００１４】
さらに別の実施例において、被膜処理は、少なくとも遊星歯車のプラネットギヤの表面に施されている。
【００１５】
この構成によると、少なくともプラネットギヤの表面に、摩擦係数を低下させる被膜処理を施しておけば、サンギヤとリングギヤに被膜処理を施していなくても、直接金属同士が接触することはない。したがって、必要な箇所に効果的に被膜処理を施すことで工数の低減およびコストの低減を図ることができる。
【００１６】
さらに別の実施例において、被膜処理は、ダイヤモンドライクカーボンコーティング処理を含む。
【００１７】
この構成によると、低摩擦性に優れているダイヤモンドライクカーボン（Diamond-like Carbon：ＤＬＣ）膜を介した接触となるため、伝達部材の損傷をより軽減することができる。
【００１８】
さらに別の実施例において、被膜処理は、フッ素樹脂コーティング処理を含む。
この構成によると、低摩擦性に優れているフッ素樹脂膜を介した接触となるため、伝達部材の損傷をより軽減することができる。
【００１９】
さらに別の実施例において、被膜処理は、シリコーン樹脂コーティング処理を含む。
この構成によると、低摩擦性に優れているシリコーン樹脂膜を介した接触となるため、伝達部材の損傷をより軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】水力発電装置の概略構成図である。
【図２】らせん水車の断面図を示す図である。
【図３】変速機のスケルトン図である。
【図４】遊星歯車の表面状態の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２２】
図１は、水力発電装置の概略構成図である。
図１を参照して、水力発電装置１０は、らせん水車１２と、らせん水車を囲うフレーム１４とを備える。らせん水車１２は、フレーム１４内で回転する。らせん水車１２の回転によって得られた電力は、導線１６を介して例えばインバータ１８に伝えられる。インバータ１８は、電流を整流し、照明等の電気機器に電力を供給する。
【００２３】
らせん水車１２は、１０〜２０度程度の適度な傾斜を有する開放水路に設置される。らせん水車１２は、軸心程度まで水没するように設置される。水面が中空軸の上端より高い位置にある場合、水が軸を乗り越えるために抵抗となる一方、水面が軸心よりも著しく低いと、らせん水車１２が受ける有効な水量が減少するため十分な発電量が得られないためである。傾斜がほとんどない水路にらせん水車１２を設置する場合は、軸をフレームの底面に対して１０〜２０度程度傾斜させてもよい。
【００２４】
図２は、らせん水車の断面図を示す図である。
図２を参照して、らせん水車１２についてさらに説明する。らせん水車１２は、固定軸２０と、らせん翼３０と、中空軸３２と、発電機４０と、変速機５０とを備える。
【００２５】
固定軸２０は、回転不能にフレーム１４に固定され、中空軸３２を軸方向に貫通する。らせん翼３０は、中空軸３２の外周面に設けられる。中空軸３２は、円筒状の外径を有する。中空軸３２は、らせん翼３０に向かう水流によって回転するように、固定軸２０により回転可能に支持される。固定軸２０と中空軸３２との間には、中空軸３２の上流側端部および下流側端部のそれぞれにおいて、軸受３４，３６が設けられる。軸受３４，３６は、一例として、片側接触シール付軸受である。シールが外側になるように、軸受３４，３６が設けられる。なお、軸受の種類は片側接触シール付軸受に限定されない。シールを軸受の両側に設けてもよい。その他の種類の軸受を設けてもよい。
【００２６】
中空軸３２の上流側端部の開口は、蓋部材３７により封止される。同様に、中空軸３２の下流側端部の開口は、蓋部材３８により封止される。
【００２７】
発電機４０は、中空軸３２の内部に設けられる。発電機４０は、固定軸２０に回転可能に支持され、かつ変速機５０の出力側に連結されたロータ４２と、固定軸２０に固定されたステータ４４とを含む。発電機４０は、アウターロータ型の発電機である。発電機４０は、ロータ４２が回転することにより発電する。発電機４０により発生された電力は、導線１６を介してインバータ１８に供給される。
【００２８】
変速機５０は、中空軸３２の内部において、中空軸３２の上流側端部と発電機４０との間に設けられ、中空軸３２からの駆動力を発電機４０のロータ４２に伝達する。変速機５０の入力側は、中空軸３２に連結される。本実施の形態において、変速機５０の変速比は１よりも小さい。すなわち、変速機５０は、中空軸３２の回転速度を増速して発電機４０に伝達する。変速比は１以上であってもよい。また、変速比は変更可能であってもよい。変速比を変更可能にすれば、たとえば水量の変化に起因してらせん水車１２の回転速度が変化しても、最も効率のよい速度で発電機４０を駆動することができる。なお、本実施の形態においては、変速機５０が、中空軸３２の上流側端部と発電機４０との間に設けられている例について説明するが、これに限られない。すなわち、変速機５０は、中空軸３２の下流側端部と発電機４０との間に設けられていてもよい。
【００２９】
らせん水車１２が設置された水路に水を導入すると、らせん翼３０に衝突した水は重力（位置エネルギー）と初速度（運動エネルギー）との作用によってらせん翼３０に回転モーメントを与える。これにより、中空軸３２が回転するとともに、発電機４０のロータ４２が駆動される。その結果、発電機４０のロータ４２と固定軸２０に固定されたステータ４４との間の相対回転運動により電力が発生する。
【００３０】
本実施の形態に係る水力発電装置１０においては、発電機４０と変速機５０とが中空軸３２の内部に収められているため、水力発電装置１０の大きさを、中空軸の大きさと同等にできる。特に、水力発電装置１０の長さを、中空軸の長さと同等にできる。その結果、水力発電装置１０を小型化できる。
【００３１】
また、中空軸３２を支持する軸と、発電機４０を支持する軸とに共通の固定軸２０が用いられるため、水力発電装置１０の構成を簡素化できる。
【００３２】
図３は、変速機のスケルトン図である。
図３を参照して、変速機５０についてさらに説明する。変速機５０は、一方の軸から他方の軸へ滑りなく動力を伝達できる歯車で構成されており、第１遊星歯車５１と、第２遊星歯車５２とを含む。第１遊星歯車５１のサンギヤ５１Ｓならびに第２遊星歯車５２のサンギヤ５２Ｓは、固定軸２０に回転不能に固定される。第１遊星歯車５１のキャリア５１Ｃは、中空軸３２に連結される。第１遊星歯車５１のプラネットギヤ５１Ｐは、サンギヤ５１Ｓと第１遊星歯車５１のリングギヤ５１Ｒとの間に設けられ、第２遊星歯車５２のプラネットギヤ５２Ｐは、サンギヤ５２Ｓと第２遊星歯車５２のリングギヤ５２Ｒとの間に設けられる。プラネットギヤ５１Ｐ、プラネットギヤ５２Ｐは、それぞれキャリア５１Ｃ、キャリア５２Ｃに連結される。リングギヤ５１Ｒは、第２遊星歯車５２のキャリア５２Ｃに連結される。リングギヤ５２Ｒは、発電機４０のロータ４２に連結される。
【００３３】
複数の遊星歯車を設けることにより、中空軸３２の回転速度を大きく増速または減速させることができる。なお、第２遊星歯車５２を設けずに、第１遊星歯車５１のみを設け、第１遊星歯車５１のリングギヤ５１Ｒを発電機４０のロータ４２に連結するようにしてもよい。また、３つ以上の遊星歯車を図３に示す構成と同様の態様で連結するようにしてもよい。
【００３４】
遊星歯車を用いて変速機５０を構成することにより、変速機５０の軸心と中空軸３２の軸心とを同じにできる。そのため、らせん水車１２の外径を大きくしなくても、中空軸３２の内部に変速機５０を収めることができる。したがって、水力発電装置１０を小型化できる。
【００３５】
変速機５０に含まれる第１遊星歯車５１および第２遊星歯車５２には、潤滑に用いられるグリスなどの潤滑剤が塗布される。また、上述したように、第１遊星歯車５１および第２遊星歯車５２は傾斜した軸に取り付けられる。そのため、グリスが傾斜面に沿って、下流側に飛散しやすくなり、水力発電装置１０を長期運転する場合は、潤滑剤が枯渇してしまう。また、らせん水車１２は、軸心程度まで水没するように設置されていることから、水が中空軸の内部に浸入する可能性もある。これらのことから、水力発電装置１０の使用中に、遊星歯車の潤滑性能は徐々に低下してしまい、摩擦によって遊星歯車が損傷してしまう恐れがある。したがって、上記のような状況により遊星歯車の潤滑性能が低下したとしても、遊星歯車の損傷を軽減することが必要となる。
【００３６】
本実施の形態においては、上記の損傷を軽減するために、遊星歯車の表面に摩擦係数を低下させる被膜処理を施している。
【００３７】
図４は、遊星歯車５１（５２）の表面状態の一例を示す概略図である。
図４を参照して、遊星歯車５１（５２）の表面に形成された膜３１により、金属同士が直接接触することを防ぐことができるため、摩擦による遊星歯車の損傷を軽減することができる。なお、当該被膜処理は、遊星歯車のサンギヤ、プラネットギヤ、リングギヤの全ての表面に施してもよいが、少なくともプラネットギヤの表面に施しておけばよい。これは、サンギヤとリングギヤとが当該被膜処理が施されていない場合であっても、金属同士が直接接触することはないためである。プラネットギヤのみに被膜処理を施す場合には、すべてのギヤに被膜処理を施す場合と比較して、工数の低減およびコストの低減を図ることができる。
【００３８】
被膜処理としては、潤滑性、低摩擦性に優れるＤＬＣコーティング処理が好適である。油膜が破断して、歯車の歯面が油膜で分離されなくなった場合でも、歯面は、低摩擦性に優れるＤＬＣ膜を介した接触となるため、歯面の損傷の軽減効果をより高めることができる。また、被膜処理は、摩擦係数の小さいＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）などのフッ素樹脂コーティングや、シリコーン樹脂コーティングであってもよい。
【００３９】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４０】
１０  水力発電装置、１２  らせん水車、１４  フレーム、１６  導線、１８  インバータ、２０  固定軸、３０  らせん翼、３１  膜、３２  中空軸、３４，３６  軸受、３７，３８  蓋部材、４０  発電機、４２  ロータ、４４  ステータ、５０  変速機、５１，５２  遊星歯車、５１Ｃ，５２Ｃ  キャリア、５１Ｓ，５２Ｓ  サンギヤ、５１Ｐ，５２Ｐ  プラネットギヤ、５１Ｒ，５２Ｒ  リングギヤ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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