(57)【要約】  発電用のギヤポンプは、第１ロータ及び第２ロータを含む。第１ロータは、放射状に間隔を置いた複数の第１歯を含み、この放射状に間隔を置いた複数の第１歯は、第１ロータの周りに時計回りに螺旋状に巻装され、第１位置において、放射状に間隔を置いた複数の第１歯が第２位置での放射状に間隔を置いた複数の第１歯の螺旋角度と異なる螺旋角度を有する。第２ロータは、放射状に間隔を置いた複数の第２歯を含み、この放射状に間隔を置いた複数の第２歯は、第２ロータの周りに反時計回りに螺旋状に巻装され、第１位置において、放射状に間隔を置いた複数の第２歯が第２位置での放射状に間隔を置いた複数の第２歯の螺旋角度と異なる螺旋角度を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力発電用ギヤポンプユニットであって、
流体入口部及び出口部を含むケースと、
前記ケース内にある第１ロータと、を備え、
前記第１ロータは、後方部と、軸と、該軸に沿って配置された第１位置と、該第１位置と前記後方部との間の位置で、前記軸に沿って配置された第２位置と、前記第１ロータの周りに時計回りに螺旋状に巻装された放射状に間隔を置いた複数の第１歯と、備え、
前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯は、前記第１位置で、前記第２位置での前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯の螺旋角度と異なる螺旋角度を有し、
更に、前記ケース内にある第２ロータと、を備え、
前記第２ロータは、後方部と、軸と、該軸に沿って配置された第１位置と、該第１位置と前記後方部との間の位置で、前記軸に沿って配置された第２位置と、前記第２ロータの周りに反時計回りに螺旋状に巻装された放射状に間隔を置いた複数の第２歯と、備え、
前記第１歯に噛合う、前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯は、前記第１位置で、前記第２位置での前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯の螺旋角度と異なる螺旋角度を有し、
更に、前記第１ロータ及び前記第２ロータに動作可能に連結されたシャフトと、
前記シャフトに動作可能に連結された発電機と、
前記ギヤポンプに動作可能に接続され、かつ、前記第１ロータを第１方向に選択的に回転させるように、及び、前記第２ロータを第２方向に選択的に回転させるように構成された制御モジュールと、を備え、
前記制御モジュールは、前記第１ロータの回転方向を選択的に逆回転させるように、及び、前記第２ロータの回転方向を選択的に逆回転させるように構成されていることを特徴とするギヤポンプユニット。
【請求項２】
前記第１位置において、前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯は、前記第２位置での前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯の螺旋角度より小さい螺旋角度を有することを特徴とする請求項１に記載のギヤポンプユニット。
【請求項３】
前記第１位置において、前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯は、前記第２位置での前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯の螺旋角度より小さい螺旋角度を有することを特徴とする請求項２に記載のギヤポンプユニット。
【請求項４】
更に、前記ギヤポンプは、前記シャフトの第２端部に結合されるプーリハブと、
前記プーリハブと前記発電機との間に結合されたプーリと、を含むことを特徴とする請求項３に記載のギヤポンプユニット。
【請求項５】
更に、各隙間は、前記複数の第１歯のそれぞれの間に、及び、前記複数の第２歯のそれぞれの間に、形成され、
流体がギヤポンプに供給されるとき、及び、第１ロータ及び第２ロータが回転するとき、流体は、前記隙間のそれぞれで変位することを特徴とする請求項３に記載のギヤポンプユニット。
【請求項６】
前記制御モジュールが、前記第１ロータを第１方向に選択的に回転させ、かつ、前記第２ロータを第２方向に選択的に回転させるとき、及び、入口流体が入口部に供給されるとき、流体は、前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯間のそれぞれの隙間及び前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯間のそれぞれの隙間に、前記入口部から前記出口部に流れ、
前記制御モジュールが前記第１ロータの回転方向を選択的に逆回転させる及び前記第２ロータの回転方向を選択的に逆回転させるとき、放水路の流体は、前記出口部に供給され、前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯間のそれぞれの隙間及び前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯間のそれぞれの隙間に、前記出口部から前記入口部に流れることを特徴とする請求項３に記載のギヤポンプユニット。
【請求項７】
流体は、空気、水、又は、空気と水との混合物であり、
流体は、キャビテーションを生じさせないで前記ギヤポンプに流れることを特徴とする請求項３又は６に記載のギヤポンプユニット。
【請求項８】
更に、前記入口部に流体連結された導水路を含んでいること特徴とする請求項３に記載のギヤポンプユニット。
【請求項９】
前記導水路は、リザーバ内にある第１肢部と、ダムの上にある第２肢部と、前記ギヤポンプに接続された第３肢部と、を含むことを特徴とする請求項８に記載のギヤポンプユニット。
【請求項１０】
前記ダムは、プラットフォームを含み、
前記ギヤポンプは、前記プラットフォーム上に取付けられ、水中に沈められていないことを特徴とする請求項９に記載のギヤポンプユニット。
【請求項１１】
更に、前記制御モジュールに接続する演算装置を含み、
前記演算装置は、ネットワークセンサ、プロセッサ、メモリ及び記憶されたアルゴリズムを含み、前記ギヤポンプをタービンモード、吸引モード又はポンプモードのうちの１つで作動させる前記制御モジュールにコマンドを出力するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のギヤポンプユニット。
【請求項１２】
前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯は、２−５の範囲の歯を含み、
前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯は、２−５の範囲の歯を含むことを特徴とする請求項３に記載のギヤポンプユニット。
【請求項１３】
前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯のそれぞれの歯、及び、前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯のそれぞれの歯は、２５〜５０インチの直径を有することを特徴とする請求項１２に記載のギヤポンプユニット。
【請求項１４】
前記ギヤポンプは、アキシャルインレット、ラジアルアウトレット型のスーパーチャージャであることを特徴とする請求項３に記載のギヤポンプユニット。
【請求項１５】
前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯のそれぞれ、及び、前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯のそれぞれは、中空であることを特徴とする請求項３に記載のギヤポンプユニット。
【請求項１６】
前記複数の第１歯の螺旋角度及び前記複数の第２歯の螺旋角度は、段階的に変化することを特徴とする請求項３に記載のギヤポンプユニット。
【請求項１７】
前記複数の第１歯の螺旋角度及び前記複数の第２歯の螺旋角度は、滑らかに変化することを特徴とする請求項３に記載のギヤポンプユニット。
【請求項１８】
水力発電ギヤポンプユニットの動作方法であって、
流体をギヤポンプケースの入口部に供給するステップと、
前記ケース内の第１ロータが回転することによって、前記流体が前記ケースのチャンバを介して流れるステップと、を備え、
前記第１ロータは、後方部と、軸と、該軸に沿って配置された第１位置と、該第１位置と前記後方部との間の位置で、前記軸に沿って配置された第２位置と、前記第１ロータの周りに時計回りに螺旋状に巻装された放射状に間隔を置いた複数の第１歯と、を含み、前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯が前記第１位置で、前記第２位置での前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯の螺旋角度と異なる螺旋角度を有し、
更に、前記ケース内の第２ロータが同時に回転することによって、流体が前記ケースの前記チャンバを介して流れるステップと、を備え
前記第２ロータは、後方部と、軸と、該軸に沿って配置された第１位置と、該第１位置と前記後方部との間の位置で、前記軸に沿って配置された第２位置と、前記第２ロータの周りに反時計回りに螺旋状に巻装された放射状に間隔を置いた複数の第２歯と、を含み、前記第１歯に噛合う、前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯は、前記第２ロータの前記第１位置で、前記第２位置での前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯の螺旋角度と異なる螺旋角度を有し、
更に、前記流体を前記ギヤポンプケースの出口部を介して排出するステップと、
前記第１ロータの回転エネルギー及び前記第２ロータの回転エネルギーを合わせることによって、発電機に電気を発生させるステップと、
前記流体を前記出口部から前記入口部に戻すために、前記第１ロータ及び前記第２ロータを逆回転させるステップと、を含むことを特徴とする水力発電ギヤポンプユニットの動作方法。
【請求項１９】
前記第１位置において、前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯は、前記第２位置での前記放射状に間隔を置いた複数の第１歯の螺旋角度より小さい螺旋角度を有することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２ロータの前記第１位置において、前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯は、前記第２位置での前記放射状に間隔を置いた複数の第２歯の螺旋角度より小さい螺旋角度を有することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
更に、前記流体を前記入口部に供給するステップは、前記流体を導水路の第１肢部に供給することを含み、
水力発電ギヤポンプユニットの動作方法は、流体を前記導水路の前記第１肢部に吸い上げるために、前記ギヤポンプを作動させるステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
更に、前記第１ロータ及び前記第２ロータを逆回転させるステップは、前記流体を前記ギヤポンプに吸い上げるために前記ギヤポンプを作動させるステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記複数の第１歯の螺旋角度及び前記複数の第２歯の螺旋角度は、段階的に変化されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記複数の第１歯の螺旋角度及び前記複数の第２歯の螺旋角度は、滑らかに変化されることを特徴とする請求項２０に記載のギヤポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に、水力発電用ギヤポンプユニットに関する。双方向ギヤポンプユニットは、ロータ軸に沿った螺旋角度が異なる螺旋歯を利用して、一方向に回転したとき、発電し、反対方向に回転したとき、流体を汲み上げる。
【背景技術】
【０００２】
水を用いて、タービンを回して、発電機の金属シャフトを回転させる単純な構想を利用することによって、水力発電機は、エネルギーを利用して、電気を発生させる。タービンは、水力発電機の重要な構成要素である。タービンは、流体の流れを利用して、電気エネルギーを発生させる装置である。部品の１つは、ランナであり、これは、落ちる水のエネルギーを機械的なエネルギーに変換するタービンの回転部である。
【０００３】
水力タービンは、主に、衝動及び反動の２つのタイプがある。衝動タービンは、水の速度を利用して、ランナを移動させ、その後、大気圧で水を排出する。タービンの下側に吸込みがなく、水がランナに衝突した後、タービンハウジングの下部から流れる。一般的に、衝動タービンは、高ヘッド用途に適している。
【０００４】
反動タービンは、圧力と流れる水との複合作用から電力を発生させる。ランナは、ブレードを越えて流れる水の中に直接配置される。一般的に、反動タービンは、衝動タービンと比較してヘッドの低い場所に用いられる。反動タービンは、ケース内に収容されて、水圧を完全に封じ込めなければならず、すなわち、流れる水の中に完全に沈めなければならない。
【０００５】
現在の水力発電機は、低圧（３０ｍ未満）、及び、中圧（３０〜３００ｍ）のヘッドの用途におけるプロペラ及びインペラのような遠心装置を用いている。ヘッドは、タービンの吸水口と水車との間の高低差によって生じる圧力である。多くのプロペラ及びインペラタイプのタービンは、効率的に作動するために高圧ヘッドを必要としているが、多くの地理的な位置では、高圧ヘッドを作るために充分な高度の変化がない。
【０００６】
ヘッドを作るために、水を集めるか、引込むことができる。そのため、一部のシステムは、水がタービンを通過することができるように、ポンプを用いて、水を流す。これは、タービンに向うパイプ及び分水機構のセットと、ポンプ用の他のそのような設備のセットと、を有することによって、複雑さを増す。
【０００７】
ルーツ型過給器は、ポンプ及び発電機の両方として動作するように用いることができる。しかし、ポンプとして動作する能力を維持しながら、発電機としての過給器の効率を高めることは、困難である。
【発明の概要】
【０００８】
本開示は、大量の水を双方向に流す能力がある改良されたギヤポンプ及びタービンユニットを提案する。このユニットは、衝動及び反動タービンの両方の特性を利用することによって、高及び低ヘッドの用途で効率的に作動させることができる。この装置は、完全に又は部分的に水中に沈めても動作可能であり、全く水中に沈められていないときに作動する吸引効果を用いることができる。この装置は、あらゆる方向に設置することができ、発電のために正確な配置の問題を減らす。より効率的に発電させるために、ギヤ歯の螺旋角度は、ロータの軸に沿って変化させる。
【０００９】
一実施形態において、水力発電用のギヤポンプユニットは、ギヤポンプを含む。このギヤポンプは、ケースを含むことができ、このケースは、入口部及び出口部を含む。ギヤポンプは、ケース内に第１ロータを含む。第１ロータは、後方部と、軸と、この軸に沿って配置された第１位置と、第１位置と後方位置との間に位置で、軸に沿って配置された第２位置と、第１ロータの周りに時計回りに螺旋状に巻装された放射状に間隔を置いた複数の第１歯と、を含み、放射状に間隔を置いた複数の第１歯は、第１位置で、第２位置での放射状に間隔を置いた複数の第１歯の螺旋角度と異なる螺旋角度を有する。ギヤポンプは、ケース内に第２ロータを含む。第２ロータは、後方部と、軸と、この軸に沿って配置された第１位置と、第１位置と後方部との間の位置で、軸に沿って配置された第２位置と、第２ロータの周りに反時計回りに螺旋状に巻装された放射状に間隔を置いた複数の第２歯と、含み、放射状に間隔を置いた複数の第２歯は、第１位置で、第２位置での放射状に間隔を置いた複数の第２歯の螺旋角度と異なる螺旋角度を有し、複数の第１歯は、複数の第２歯に噛合う。ギヤポンプは、第１ロータ及び第２ロータに動作可能に連結されるシャフトを含み。ギヤポンプユニットは、シャフトに動作可能に連結された発電機を含む。ギヤポンプユニットは、ギヤポンプに作動可能に接続され、かつ、第１ロータを第１方向に選択的に回転させるように、及び、第２ロータを第２方向に選択的に回転させるように構成された制御モジュールを含み、この制御モジュールは、第１ロータの回転方向を選択的に逆回転させるように、及び、第２ロータの回転方向を選択的に逆回転させるように構成される。
【００１０】
他の実施形態において、水力発電ギヤポンプユニットの動作方法は、流体をギヤポンプケースの入口部に供給するステップと、ケース内の第１ロータが回転することによって、流体がケースのチャンバを介して流れるステップと、含む。第１ロータは、後方部と、軸と、軸に沿って配置された第１位置と、第１位置と後方部との間の位置で、軸に沿って配置された第２位置と、第１ロータの周りに時計回りに螺旋状に巻装された放射状に間隔を置いた複数の第１歯と、を含み、放射状に間隔を置いた複数の第１歯は、第１位置で、第２位置での放射状に間隔を置いた複数の第１歯の螺旋角度と異なる螺旋角度を有する。この方法は、ケース内の第２ロータが同時に回転することによって、流体がケースのチャンバを介して流れるステップを含む。第２ロータは、後方部と、軸と、軸に沿って配置された第１位置と、第１位置と後方部との間の位置で、軸に沿って配置された第２位置と、第２ロータの周りに反時計回りに螺旋状に巻装された放射状に間隔を置いた複数の第２歯と、を含み、放射状に間隔を置いた複数の第２歯は、第１位置で、第２位置での放射状に間隔を置いた複数の第２歯の螺旋角度と異なる螺旋角度を有し、複数の第１歯は、複数の第２歯に噛合う。この方法は、流体をギヤポンプケースの出口部を介して流出するステップと、第１ロータの回転エネルギー及び第２ロータの回転エネルギーを合わせることによって、発電機に電気を発生させるステップと、流体を出口部から入口部に戻すために、第１ロータ及び第２ロータを逆回転させるステップと、を含む。
【００１１】
上述の一般的な説明と、以下に述べる詳細な説明との両方は、例示的で、かつ、説明のみであり、特許請求の範囲を限定するものではないことが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
非限定的及び非網羅的な実施形態は、必ずしもスケール通りに描かれていないが、以下の図を参照して説明され、他に特定されない限り、様々な図の至るところの同様の参照符号は、同様の部品を指している。
【００１３】
【図１】ツインボルテックスシリーズ  ＴＶＳタイプのスーパーチャージャのギヤポンプユニットの概略図である。
【図２】ロータアセンブリの概略図である。
【図３Ａ】高ヘッドの水力発電システムの概略図である。
【図３Ｂ】他の高ヘッドの水力発電システムの概略図である。
【図４】低ヘッド用途の概略図である。
【図５Ａ】ロータ軸に沿った流体速度分布を示した図である。
【図５Ｂ】ロータ軸に沿った流体に対するロータ歯の一定の相対速度分布を示した図である。
【図５Ｃ】ロータ軸に沿ったロータ歯の可変相対速度分布を示した図である。
【図５Ｄ】その上に重ねられたシステム位置を有するロータ軸Ａ２と、螺旋角度α，βの例示位置を示した図である。
【図６】制御モジュールを備えたギヤポンプの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の例示的な実施形態を詳細に参照して、本実施形態の例示は、添付された図面に示されている。可能な限り、同一の参照符号は、図面全体を通して同じ又は同様の部分を示すように用いられる。本明細書において、上流及び下流は、流れる流体の環境における部品間の関係を説明する相対的な用語である。水が自然の力で流れるとき、第１上流位置から第２下流位置に移動する。機械的手段が介在するとき、流れ方向は、変更することができるので、上流及び下流の用語は、水が重力によって自然に（下流に）流れる位置に対して、自然な出発点（上流）を説明するために役立つ。
【００１５】
図１は、モータ及び発電機に連結するための、イートンコーポレーションによって製造されたツインボルテックスシリーズ  ＴＶＳタイプ(a TWIN VORTICES SERIES TVS type)のスーパーチャージャの一実施形態を示している。改良されたものとして、ツインボルテックスシリーズ  ＴＶＳタイプのスーパーチャージャは、ギヤポンプ１３１として用いることができる。これは、内部シャフト１１に結合されたプーリハブ１５と、内部シャフト１１をロータ１３３，１３４に動作可能に連結する伝達ギヤと、を有するアキシャルインレット、ラジアルアウトレットタイプである。ロータ１３３，１３４は、ベアリングプレート１３８とベアリング壁１３６との間にロータを取付けることによって、ギヤポンプケース１３１Ｂの内部で回転する。ベアリング壁は、入口部１３２上部にロータシャフトを受取るためのロータ取付部を含む。ベアリングプレートは、ロータシャフトを受取るためのロータ取付部を含み、ギヤボックス１３７に結合される。ギヤボックス１３７は、ロータからシャフトに、逆もまた同様に回転を伝達させる伝達ギヤを収容する。流体は、入口部１３２から入り、出口部１３５から出る。従来のツインボルテックスシリーズ  ＴＶＳタイプのスーパーチャージャの詳細は、米国特許７，４８８，１６４号から見ることができ、参照することにより、その全体が本明細書に含まれる。また、図示されていないが、軸方向の入口部をケース１３１Ｂの径方向側に移動させることにより、ラジアルインレット、ラジアルアウトレットタイプのスーパーチャージャをギヤポンプ１３１として用いることができる。図１において、プーリは、プーリハブ１５から発電機に、又は、モータからプーリハブ１５に回転エネルギーを伝達させるために用いられる。プーリハブは、ロータ１３３，１３４に動作可能に連結されたシャフト１１に動作可能に連結されている。また、シャフト１１は、発電機又はモータに直接的に、又は、ギヤ若しくは同様の伝達機構を介して間接的に連結させることが可能である。
【００１６】
スーパーチャージャをポンプ又はタービンモードのギヤポンプとして用いるために、従来技術のツインボルテックスシリーズ  ＴＶＳタイプのスーパーチャージは、最大効率を発揮するために、改良しなければならない。従来技術の設計は、燃焼のために空気を圧縮するように最適化されていたが、水力発電の用途では、入口部１３２、出口部１３５及びロータ１３３，１３４が水の非圧縮性に対応しなければならない。従来技術の圧縮対策とは異なる変更は、ロータ１３３，１３４の螺旋角度と、入口部１３２及び出口部１３５のタイミングを調整することが含まれる。螺旋角度は、ねじれ角度に依存するので、ねじれ角度も調整することができる。ロータは、大量の水がユニットを通過することできるように、小さい直径ピッチを有することができる。そして、入口部１３２及び出口部１３５のポートサイズは、調整して、大きくすることができる。
【００１７】
螺旋角度は、滑らかに又は段階的に、ロータの長さ方向に沿って変化することができ、歯の先端で緩やかな又は急激な変化につながる。主に歯の間隔は、歯の数の関数であるが、ねじれ角度及び螺旋角度は、ギヤポンプの、高又は低ヘッド；ポンプ、吸引又はタービンモード等の主要機能に依存している。米国特許第７，４８８，１６４号に、より詳細に記載されているが、ねじれ角度は、歯の先端の入口領域２２から後部２３までの回転角度である。ねじれ角度は、どのくらい歯をロータシャフト周りに設けるかを決定する。螺旋角度は、歯がロータシャフトの中心軸に対してなす角度である。螺旋角度は、歯元から歯先まで変化することができる。すなわち、螺旋角度は、直径方向から延びるロータシャフトから先端まで、歯の半径方向で変わる。したがって、螺旋角度は、中心軸に対して歯の傾きに影響を及ぼすことができる。螺旋角度が軸Ａ２，Ａ１に沿って変化するので、ロータの横断面形状は、入口領域２２から後部２３まで変化する。螺旋角度の増大は、歯がロータシャフト周りに巻装されているので、それぞれの歯形の角度を調整する。
【００１８】
ポンプモードのとき、歯のねじれ角度は、取り扱われる水の速度を考慮して設計される。タービン又はポンプモード中の入口部又は出口部での圧力のトレードオフのために、螺旋角度は、ポンプ又はタービンモードの使用頻度を考慮して特定の水力発電システムのために調整することができる。ギヤポンプ１３１の設計は、従来のタービンよりも流量の変化に順応することができるので、予め最適化された構成を備えた特定の装置にもかかわらず、ギヤポンプ１３１の動作範囲は、従来のタービンよりも広い。
【００１９】
図２は、ギヤポンプが発電モードで作動しているときの、ロータアセンブリ３９を介した流体のフローパターンを示している。流体は、入口領域２２に流れ方向Ｆ１で流入し、ロータ４７，４９のロータ軸Ａ１，Ａ２に沿って流れ、その後、流れ方向Ｆ２で半径方向出口を通って流れる。流れ方向Ｆ２は、流れ方向Ｆ１に対して垂直である。
【００２０】
したがって、ポンプとして作動しているとき、流体が逆流し、したがって、流体は、半径方向出口を通って、流れ方向Ｆ２の反対方向に流れ、そして、軸Ａ２，Ａ１に対して平行に、流れ方向Ｆ１の反対方向に流れ、その後、入口領域２２から排水される。
【００２１】
流体が入口領域２２から出口（図１では参照符号１３５として示す）に流れる過程において、流入する流体は、線速度Ｖ１を有し、この線速度Ｖ１は、ロータ４７，４９を通って流れるにつれて減少する。ロータは、歯の先端で互いに噛合い、歯の先端は、噛合うロータの歯の間のポケットに噛合うように入り込むときに、線速度Ｖ３を有する。例えば、歯の先端３５は、線速度、すなわち、歯３３と歯３２との間に噛合う速度を有する。この線速度は、噛合い点に合流する流体に対して生じ、歯の線速度Ｖ３は、流入する流体の線速度Ｖ１を効果的に用いるために、調整することができる。線速度Ｖ２は、ロータの歯の径方向の線速度であり、回転速度にリードを乗じることによって計算する。
【００２２】
螺旋角度が大きくなると、噛合う歯の線速度Ｖ３は、減少する。螺旋角度をロータの長さに沿って調整することにより、入口領域２２から出口２３まで、ロータの歯形は、入口流体の線速度Ｖ１の減少により緊密に対応することができる。これは、スーパーチャージャが水力速度を回転エネルギーに変換する能力を向上させ、これにより、流れる流体を介して電気を発生させる。また、スーパーチャージャは、もはや空気等の圧縮性流体の送風に限定されず、歯形の変更は、非圧縮性の流水に適応する。
【００２３】
図５Ｄを参照して、軸Ａ２は、ロータシステム内の位置の例として示されている。左側では、ベアリングプレートは、ロータの後方位置２３．０に隣接し、右側では、入口領域位置２２．０は、ベアリング壁１３６に隣接する。他の位置２２．７５，２２．５０，２２．２５は、後方位置２３．０と入口領域位置２２．０との間に、軸Ａ２に沿って配置される。また、螺旋角度α，βの頂角の例が示されている。
【００２４】
図５Ａを参照して、流体は、ダクト位置１３２．０から入口領域位置２２．０まで線速度Ｖ１で流れる。歯のリードが一定であるとき（例えば、螺旋角度が一定）、流体速度は、ロータの長さに沿った歯に対して減少する。先端が一定の螺旋角度を有しているので、線速度Ｖ３は、図１を参照するように、流体が流れ方向Ｆ１に沿って減速しているにもかかわらず、一定のままであり、歯の線速度Ｖ３と比較して、流体は、入口領域２２．０から後方位置２３．０まで減速する。先端は、一定なので、Ｖ３に対する進み速度分布は、流体の流れに対して一定である。歯は、流体が減速するにもかかわらず、一定の線速度Ｖ３で噛合う。
【００２５】
しかしながら、理想的には、ロータの先端は、流体の線速度Ｖ１に対して、比較的一定の線速度Ｖ３を維持するであろう。図５Ｃは、変化する螺旋角度を有するロータの一例を示し、螺旋角度は、入口領域位置２２．０から後方位置２３．０まで大きくなる。歯の先端の速度は、入口領域位置２２．０から後方位置２３．０まで、順次減速し、２つの線速度間の相対的差異がロータの長さに沿って縮まる。この設計は、水力発電の電力をより効率的に取り込むことができる。
【００２６】
発電機として動作するとき、入口領域２２に流入する流体の線速度は、後方２３に近い位置での流体の速度と異なる。流体は、入口領域２２での最大速度から後方２２での最小速度まで減少する（ベアリングプレートに衝突するときに、最小速度がゼロとなる）。速度分布は、線形にならない。流体の線速度分布の一例は、図５Ａで見ることができる。図５Ａは、流体の速度が、入口領域２２のダクトで最大であることを示している。
【００２７】
ロータ４７は、放射状に間隔をあけた４つの歯３１，３２，３３，３４を有する。しかしながら、本発明は、４つの歯を有することに限定されない。当業者は、ロータがより多い又は少ない、例えば、２〜５つの歯を備えるように設計できることを理解するであろう。また、歯は、中空、非中空、又は、部分的に中空であってもよい。また、歯は、鉄、プラスチック、複合材料、又は、他の材料を含む多くの材料から作ることができる。
【００２８】
ロータの軸に沿った同じ螺旋角度を備えた複数のロータ歯を有するギヤポンプは、最も効率的な方法で電力を発生させない。流体の速度が、ロータの軸に沿った位置でロータの相対速度に一致しないので、エネルギー損失が生じる。
【００２９】
軸Ａ１，Ａ２に沿った同じ螺旋角度を有したギヤポンプのロータ歯の相対速度は、図５Ｂに示されている。入口領域２２（位置８）での相対速度は、後方２３（位置０）のロータ歯の相対速度と同じであり、後方２３と入口領域２２との間の全ての位置で同じである。この構成では、螺旋角度αは、螺旋角度βと同じである。ロータの軸に沿った任意のポイントの螺旋角度は、歯（例えば、歯３４の螺旋）とロータの軸（例えば、Ａ２）との間の角度である。したがって、図２において、螺旋角度αは、歯３４と軸Ａ２との間の角度である。相対速度、すなわち、歯の先端に対する流体の速度は、螺旋角度がロータの軸に沿った各位置で同じであるので、同じである。ロータ歯は、ロータの軸に沿った各位置で、流体に対して同じ速度で動く。
【００３０】
図５Ｂに示された相対速度分布を有する装置は、ロータ歯の相対速度分布が一定であるのに対して、流体の速度が非線形的な方法で連続的に減少しているので、ロータに沿った一の位置で流体の速度に適合する。ロータ歯が流体の速度とは異なる速度で移動するとき、エネルギー損失が発生する。
【００３１】
相対速度分布は、ロータの軸に沿ったロータ歯の螺旋角度の変化によって、変化することができる。より小さい螺旋角度は、より高い線速度Ｖ３をもたらす。より大きい螺旋角度は、より低い線速度Ｖ３をもたらす。図５Ｃの相対速度分布を有したギヤポンプは、図２及び図５に示すように、角度α，βの軸方向位置で、螺旋角度βより小さい螺旋角度αを有する。
【００３２】
図５Ｃは、螺旋角度がポンプの入口での最小角度からポンプの後方での最大角度まで増加する一実施形態の相対速度分布を示している。流体の速度がロータ４７，４９に沿って減少するにつれて、流体の圧力が変化する。ロータの長さに沿って個々の歯（例えば、３１，３２，３３又は３４）の螺旋角度を調整することによって、容積式ポンプは、電気に変換するために、流体のエネルギーをよりよく利用することができる。図５Ｃに示されているように、入口領域位置２２．０で、歯の進み速度Ｖ２は、大きく、水の速度は、大きい。これは、歯の回転が発電機に伝達されるので、水力を利用するために、歯を速く回転させる。螺旋角度は、水がベアリングプレート位置２３．０に向かって流れるほど、大きくなり、これは、減速する水に、より厳密に一致させるように、進む速度を減速させる。この例では、進む速度Ｖ２が水のゼロ速度に達していないが、歯の進みは、水の速度に、より一致し、一定の螺旋角度の設計よりもシステム性能を改善させる。螺旋角度をロータの長さに沿って変化させることを実施することによって、進み速度分布は、水の速度分布に近づき、システムが改善される。
【００３３】
図５Ａは、ギヤポンプを通過する流体速度分布の一例のみを示している。流体速度分布は、流体の種類（例えば、水、空気、オイル）、流体の密度、流体の粘度、装置に流入するときの流体の圧力、装置から流出するときの流体の圧力、及び、流体の温度を含むあらゆる要因により、変化する可能性がある。
【００３４】
他の実施形態において、ギヤ歯の螺旋角度は、装置を通過する流体の速度分布に近似する方法で、変化させることができる。例えば、流体速度は、図５Ａに示されたものと比べて、異なる変化量、又は、異なる分布で、減少することできる。他の実施形態において、流体速度は、より急速に減少することができる。螺旋角度の変化量は、段階的、又は、平滑化させることでき、この変化量は、ロータの長さに沿って異なる変化量で、増加又は減少することができる。変化量の勾配は、特定の用途に対して変化させることができ、図５Ｃの一例に限定されない。
【００３５】
また、ギヤポンプの設計は、ギヤポンプが発電のためにどのくらいの頻度で使用されるのか、ギヤポンプが、例えば、リザーバに流体を汲み上げるためにどのくらいの頻度で使用されるかについて、考慮してもよい。電力を発生させるために、最も効率的な速度分布は、流体を汲み上げるための最も効率的な速度分布に必ずしも等しくない。
【００３６】
図３Ａは、水力発電システム１０の概略図が示されている。この実施形態において、システム１０は、ウォータリザーバ１１０を形成するダム１００を備えた高ヘッドシステムである。システム１０は、導水路１２０と、ギヤポンプユニット１３０と、を含む。導水路１２０は、ギヤポンプユニット１３０の上流からギヤポンプ１３０に延びる管状構造である。導水路１２０は、水の導管である。導水路１２０は、３つの主要な部分に分けることができる。導水路１２０の第１肢部１２０Ａは、リザーバ１１０に配置される。リザーバ１１０は、ダム１００の上流部に位置される。導水路１２０の上部又は第２肢部１２０Ｂは、ダムの上部に位置されている。導水路１２０の第３肢部１２０Ｃは、リザーバ１０の下流側に位置されている。第３肢部１２０Ｃは、水を供給するためのギヤポンプユニット１３０の入口ポート（例えば、図１の入口部１３２）に延びている。ギヤポンプユニット１３０は、導水路１２０に連結されて、ポンプモード時、水を上流に汲み上げて、水をリザーバに戻す。更に、ギヤポンプユニット１３０は、タービンモードで作動して、導水路１２０を通って、リザーバ１１０から河川１６０に流れる水を用いて、水力電気を発生させることができる。吸引モードは、タービンモードを開始するために実施される。ギヤポンプ１３０は、図に示すように、水中に沈められる、又は、流体から出すことができる。図３Ｂに示すように、プラットフォーム１７０は、ギヤポンプユニット１３０を支持し、放水路、すなわち、第４肢部１２０Ｄがギヤポンプユニット１３０から河川内に延びている。また、第４肢部１２０Ｄは、図３Ａの水中に沈められた実施形態に含めることができる。更なる代替方法として、導水路１２０は、ダム１００内に部分的に、又は、完全に埋設させることができる。
【００３７】
ギヤポンプユニット１３０は、空気、水、又は、空気と水との混合物を汲み上げるためにサイズ変更することができる。ギヤポンプユニット１３０は、ルーツ型スーパチャージャをモデルにした容積型ポンプである。自動車用スーパーチャージャと比較して、入口及び出口ポートは、流体を最小限の圧縮又は圧縮しないで供給するために調整される。また、ロータ角度は、水の速度に対応するために調整され、利用可能なヘッドに基づいている。水と空気との混合物を処理することができない従来のタービンとは異なり、ギヤポンプ１３０は、タービン又はポンプモードで作動すために純粋な水流を必要としない。
【００３８】
ギヤポンプユニット１３０は、双方向であり、すなわち、リザーバ１１０から水を受取り、河川１６０に流出することをできる。また、ギヤポンプユニット１３０は、河川１６０から吸い上げて、流体を汲み上げて、リザーバに戻すことができる。ギヤポンプユニット１３０は、発電するためにタービンモードで動作することができる。
【００３９】
正方向のポンプモードで動作するとき、ギヤポンプユニット１３０は、水を導水路１２０の肢部１２０Ａを介してリザーバ１１０から吸い上げて、同じ導水路の肢部１２０Ｃに供給する。より具体的には、ギヤポンプユニット１３０が作動すると、それは、水を肢部１２０Ａの上方へ吸い上げることができる。水は、第２肢部１２０Ｂを介して流れ、第２肢部１２０Ｂは、ダム１００に埋設することができ、又は、図に示すように、ダム１００の頂上部に取付ける又は事後設置することができる。ギヤポンプユニット１３０による吸引は、第３肢部１２０Ｃを介して水を汲み上げる。充分な流体が第３肢部１２０Ｃに汲み上げられると、ギヤポンプユニット１３０は、吸い上げられた水を導水路１２０内で止めることができる。第１肢部１２０Ａが水中に沈んだままである限り、吸引効果は、水をリザーバから導水路１２０を介してギヤポンプユニット１３０に供給する。したがって、ギヤポンプユニット１３０は、正方向のポンピングモードからタービンモードに切換えて、吸引効果を達成させる。もし必要になった場合、ギヤポンプユニット１３０は、リザーバ１１０の下方で汲み上げる等の目的のために、吸引効果を達成した後も、ポンプモードで動作することができる。タービン、正方向のポンプ及び逆方向のポンプを用いる代わりに、ギヤポンプユニット１３０は、３つの機能を１つのユニットに統合させる。支出を大幅に簡素化させる。
【００４０】
制御モジュール１５０を用いることにより、ギヤポンプユニット１３０は、正方向、逆方向又はタービンモードで作動させるための電子コマンドを受信することができる。制御モジュール１５０にセンサを含めることは、フィードバック制御を可能とする。
【００４１】
図３Ａの導水路１２０の配置は、ダムの周囲、及び、野外に設けるように示されているが、それ自体に限定されるものではない。また、導水路１２０は、水面下に設置することができ、完全に沈んでいてもよい。したがって、ギヤポンプユニット１３０及び導水路１２０は、既設ダム１００に設置することができ若しくは事後設置することができ、又は、河川に直接設置することができる。それは、元の設備に取って代わり、又は、その性能を補う。
【００４２】
ギヤポンプユニット１３０は、図３Ａに記載された水力発電システム１０の構成要素として構成することができる。更に、ギヤポンプユニット１３０は、モジュール設備であることによって、既存の水力発電プラントを補うことができる。既存の水力発電プラントを補うことについて、ギヤポンプユニット１３０は、既存システムの性能を向上させるために、既存のタービンと取り換えることができる。あるいは、ギヤポンプユニット１３０は、既存の基幹設備に設置することによって、既存のタービン及びポンプと同時に用いることができる。
【００４３】
図３Ｂは、モジュール設計の他の利点を示しており、修理及びメンテナンスが容易である。プラットフォーム１７０は、河川１６０の水面かその近くに設置される。ギヤポンプユニット１３０及び制御モジュール１５０は、プラットフォーム１７０上に配置される。ギヤポンプユニット１３０は、使用しやすく、制御モジュール１５０は、容易に最新のものにされる。演算装置１３９は、制御モジュール１５０との通信が可能である。演算装置１３９は、センサのネットワーク、プロセッサ、メモリ及び記憶されたアルゴリズムを含む。演算装置１３９は、ギヤポンプユニット１３０をタービンモード、吸引モード又はポンプモードのうちの１つで作動させるために、コマンドを制御モジュール１５０に送るように構成される。外部からダム１００に取付けられているので、導水管１２０又はギヤポンプユニット１３０を点検するために、ダム１００内に入る必要がない。中空回転体を備えたギヤポンプの軽量化は、モジュール設計をさらに容易にする。演算装置１３９は、制御モジュール１５０に接続するトランシーバー機能ともに、離れて取付けることができる。
【００４４】
図４は、本発明の他の実施形態を示している。ギヤポンプ２３１は、電気を発生させるために、小さな流れに設置される。ギヤポンプ２３１は、低ヘッドの水力発電機とすることができる。ギヤポンプ２３１は、入口部２３２を介して水源２００から水を受取ることができる。水源２００は、運河、又は、流れの速い河川若しくは水路とすることができる。ギヤポンプユニット２３０は、ギヤポンプ２３１及び発電機２３８を含む。ギヤポンプ２３１と発電機２３８とは、プーリ機構２３６を介して、又は、シャフト、ギヤ若しくはその他の機械連結具によって、互いに連結することができる。ギヤポンプユニット２３０は、低ヘッド用途における流体速度差に対応するために、入口部２３２につながる導水路２２０Ａの水中配置、出口部２３５に放水導水路２２０Ｄの組込み等の更なる改良を備えて、図２を用いて説明したギヤポンプユニット１３０と同様に構成することができる。また、ギヤポンプ２３１は、トレイのような構造等の導水路とは異なる他の流体分岐機構を含むことができる。
【００４５】
ギヤポンプ２３１は、流水源の水位より下に完全に沈んでもよく、部分的に沈めてもよい。流体の流れがタービンを回転させるために充分でない場合、電力は、ポンプモードで動作することによって、水源へ汲み上げて、リザーバ構造を満たすために用いることができる。したがって、低ヘッド用途では、複合の発電機／モータを実装することが特に有利である。しかしながら、リザーバが必要とされず、流体の流れが充分であるとき、ギヤポンプ２３１は、費用の掛かる構造的基礎を用いらず、費用効果が高く、移動可能である。
【００４６】
図６は、制御モジュール１５０を備えたギヤポンプ１３１の概略を示している。制御モジュール１５０を用いることによって、ギヤポンプ１３１は、正方向、逆方向又はタービンモードで作動させるための電子コマンドを受信することができる。制御モジュール１５０にセンサを含めることで、フィードバック制御が可能となる。配線、センサ、送信、受信、演算、コンピュータ可読記憶装置、プログラミング及びアクチュエータ装置等の様々な制御電子装置は、制御モジュール１５０に実装されるように考案される。プログラミングは、ピークが過ぎたとき、ポンプ機能を実行し、ピーク時に、タービンモードを実行するように、ギヤポンプ１３１を制御する動作モードを実行する。
【００４７】
演算装置１３９は、制御モジュール１５０がギヤポンプ１３０をタービンモード、吸引モード又はポンプモードのうちの１つで作動させるコマンドによってギヤポンプ１３１を制御する。演算装置１３９の実行は、水力発電システムごとに異なる。例えば、演算装置１３９は、正確な時間に基づいて、動作される。言い換えれば、ピーク時間とピークが過ぎた時間とを設定することにより、ギヤポンプユニットは、指定された時間中に、一定の動作を正確に行うことができる。
【００４８】
また、演算装置１３９は、受信されたフィードバックに基づいて、モードを変更するように動作することができる。したがって、演算装置１３９は、追加のセンサアレイ等の追加の電子機器のネットワークを含む。センサは、グリッド１３７Ａ及びバッテリ１３７Ｂの電気センサ、リザーバ１１０の水位センサ、導水路１２０の速度センサ、ギヤポンプ１２１のＲＰＭ（毎分回転数）速度センサ、発電機１３８の速度センサ及び河川１６０の水位センサ等を含む。このようなセンサは、プロセッサ、メモリ及びアルゴリズムを有する演算装置１３９に電子通信することができる。演算装置１３９は、ギヤポンプ１３１をパッシブ（タービン）モード、正方向（吸引）モード及び逆方向（ポンプ）モードで作動させる制御コマンドを発信することができる。また、演算装置１３９は、信号をモータ１３８Ｂに送信することができ、正方向（吸引）モードか逆方向（ポンプ）モードでギヤポンプに動力を供給するように指示する。
【００４９】
演算装置１３９は、ギヤポンプ１３１と共に、又は、適切な通信装置を備えたギヤポンプから離れて、適切な位置に配置される。バッテリの低電力等のフィードバックに基づいて、ギヤポンプ１３１は、導水路１２０に充填するために、吸引モードで作動して、その後、タービンモードに切換えて、バッテリを充電する。また、リザーバ１１０の水位センサが低水位を検知した場合、ギヤポンプ１３１は、水を河川１６０からリザーバ１１０に流すために、ポンプモードで作動する。
【００５０】
上述の明細書において、様々な好ましい実施形態は、添付図面を参照して説明されている。しかしながら、様々な他の改良及び変更を行うことができ、更なる実施形態が、以下の特許請求の範囲に記載された本発明のより広い範囲から逸脱することなく、実施することができることが明らかである。本明細書及び図面は、限定的な意味でなくて、例示的な意味で考慮されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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