水車モジュール及び発電用水中水車装置

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【考案の名称】水車モジュール及び発電用水中水車装置【実用新案権者】【識別番号】507403285 【氏名又は名称】渡邉伍八【住所又は居所】東京都西多摩郡瑞穂町むさし野１－３－１８－１０１【代理人】【弁理士】【識別番号】100103757 【氏名又は名称】秋田修【考案者】【氏名】渡邉伍八【住所又は居所】東京都西多摩郡瑞穂町むさし野１－３－１８－１０１【要約】【課題】海底や河川底の地形や用途に応じて、必要な数だけ複数段連結して使用することができる水車モジュールを提供するとともに、電力需要や設置場所の条件に適合する電力設備を短期間に低コストで実現することができる発電用水中水車装置を提供する。【解決手段】水流を受けて向きが変わる可動羽根を有する可動羽根水車を備えた水車モジュール４を海中や河川の水中に所望の台数だけ上下に連結して設置し、これらの水車モジュール４の可動羽根水車の回転を、出力軸６、出力歯車７、ピニオン９を介して台枠３上の発電機８に伝達することにより発電を行う。【実用新案登録請求の範囲】【請求項１】水車軸と、前記水車軸に軸方向に離間して固定された一対の羽根保持板と、これらの羽根保持板間に、水車軸中心に対して回転対称となる位置で、それぞれ水車軸に平行な軸線回りに基端側が回動自在に枢支された複数枚の可動羽根と、それぞれの可動羽根の自由端側が水車軸の略中心に向いた位置から水車軸の回転方向前方への回動を規制するストッパ部材とを備えた可動羽根水車と、前記可動羽根水車の水車軸を垂直軸線回りに回転自在に支持するとともに、それぞれの可動羽根に対して周囲全方位から水流を通過可能で且つ、垂直方向に複数連結可能に構成された水車枠とを備え、前記水車軸の上下端部は、水車枠の上面及び下面にそれぞれ突出して軸継手を装着可能に構成されていることを特徴とする水車モジュール。【請求項２】台枠に垂直軸線回りに回転自在に軸受支持された出力軸と、前記台枠に設けられ、前記出力軸に固定した出力歯車の周囲に配置され、それぞれ前記出力歯車と噛合するピニオンを有する複数の発電機と、前記台枠下方に１段ないし複数段連結されて水面下に配置される水車モジュールとを備え、前記水車モジュールは、水車軸と、前記水車軸に軸方向に離間して固定された一対の羽根保持板と、これらの羽根保持板間に、水車軸中心に対して回転対称となる位置で、それぞれ水車軸に平行な軸線回りに基端側が回動自在に枢支された複数枚の可動羽根と、それぞれの可動羽根の自由端側が水車軸の略中心に向いた位置から水車軸の回転方向前方への回動を規制するストッパ部材とを備えた可動羽根水車と、前記可動羽根水車の水車軸を垂直軸線回りに回転自在に支持するとともに、それぞれの可動羽根に対して周囲全方位から水流を通過可能で且つ、垂直方向に複数連結可能に構成された水車枠からなり、前記水車軸の上下端部は、水車枠の上面及び下面にそれぞれ突出して、前記出力軸と水車モジュールの水車軸間、ならびに、上下に連結された水車モジュールの水車軸間が可撓軸継手で相互に連結されていることを特徴とする発電用水中水車装置。【考案の詳細な説明】【技術分野】本考案は、海流や河川流を利用して回転動力を得るための水車モジュール関し、また、前記水車モジュールを用いて構成される発電用水中水車装置に関する。【背景技術】近年、石油や石炭等の燃料資源を用いた火力発電においては、燃料資源に限りがあることと、ＣＯ２等の温室効果ガスの排出による地球温暖化への影響が問題となっている。一方、原子力発電ではＣＯ２等の発生の問題は生じないが、高レベル放射性廃棄物の処理の問題があるとともに、安全性に対する国民の理解を得ることが困難な問題がある。そこで、近年では、エネルギ資源として枯渇する心配がなく、また、ＣＯ２等の温室効果ガスが発生する問題もない太陽光や風力のような自然エネルギを利用した、太陽光発電や風力発電が着目されており、徐々に実用化されつつある。【考案の開示】【考案が解決しようとする課題】しかしながら、太陽光発電はその時々の日照状態によって発電量が大きく変動し、また夜間は発電できないため、定常的に安定した電力供給を行う目的には不向きであるとともに、大電力を得るためには広大な受光面積を必要とする問題がある。また、風力発電は太陽光発電のように夜間に発電できなくなることはないものの、年間を通じて定常的に一定の強さの風が吹いている場所でしか利用できず、また、気象状態が変化しやすい場所では、天候によって出力電圧が大きく変動するため、非常に限られた地域でしか利用できない問題がある。一方、例えば、特許文献１においては、転動体竪軸に固着して水中に配置した竪型曲面板翼を海流等で回転させて、浮体構造台船に搭載した発電機で発電を行うようにした「自動全方位型の自然流水発電水車」が提案されている。【特許文献１】特開平８－１０９８６５号公報前記特許文献１に記載されている発明は、海流や河川流の流れ方向に関係なく発電が可能であり、また、太陽光発電や風力発電と比較して、時間帯や天候による影響を受けにくい利点がある。ところが、特許文献１に記載されているものは、竪型曲面板翼の高さを増せば発電能力を高めることができるが、海底や川底が浅いところでは使用できなくなる問題があり、また、１つの浮体構造台船に搭載された発電機の発電能力を超える電力需要に対応するためには、浮体構造台船を複数用意する必要がある。そこで、本考案は、前述したような従来技術における問題点を解決し、海底や河川底の地形や用途に応じて、必要な数だけ複数段連結して使用することができる水車モジュールを提供するとともに、電力需要や設置場所の条件に適合する電力設備を短期間に低コストで実現することができる発電用水中水車装置を提供することを目的とする。【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため、本考案の水車モジュールは、水車軸と、前記水車軸に軸方向に離間して固定された一対の羽根保持板と、これらの羽根保持板間に、水車軸中心に対して回転対称となる位置で、それぞれ水車軸に平行な軸線回りに基端側が回動自在に枢支された複数枚の可動羽根と、それぞれの可動羽根の自由端側が水車軸の略中心に向いた位置から水車軸の回転方向前方への回動を規制するストッパ部材とを備えた可動羽根水車と、前記可動羽根水車の水車軸を垂直軸線回りに回転自在に支持するとともに、それぞれの可動羽根に対して周囲全方位から水流を通過可能で且つ、垂直方向に複数連結可能に構成された水車枠とを備え、前記水車軸の上下端部は、水車枠の上面及び下面にそれぞれ突出して軸継手を装着可能に構成されていることを特徴としている。また、本考案の発電用水中水車装置は、台枠に垂直軸線回りに回転自在に軸受支持された出力軸と、前記台枠に設けられ、前記出力軸に固定した出力歯車の周囲に配置され、それぞれ前記出力歯車と噛合するピニオンを有する複数の発電機と、前記台枠下方に１段ないし複数段連結されて水面下に配置される前述した水車モジュールとを備え、前記出力軸と水車モジュールの水車軸間、ならびに、上下に連結された水車モジュールの水車軸間が可撓軸継手で相互に連結されていることを特徴としている。【考案の効果】請求項１に記載された考案に係る水車モジュールによれば、海中もしくは河川の水中に設置することにより、可動羽根水車が水流の向きに拘わらず、効率的に海流や河川流の自然エネルギを回転エネルギに変換して利用することができる。また、海底や河川底の地形や用途に応じて、必要な数だけ複数段連結して使用することができる。また、請求項２に記載された考案に係る発電用水中水車装置によれば、台枠を海上や河川の上に設置して安定した電力供給を行うことができる。また、台枠の下方に連結する水車モジュールの数を増減するだけで、設置場所の海底や河川底の地形や電力需要に柔軟に対応することができるため、様々な設置場所の条件に最適な発電設備を低コストで且つ短期間に実現することができる。【考案を実施するための最良の形態】図１は、本考案の発電用水中水車装置の１実施形態を示す、海上に構築した発電設備の概略部分側面図、図２はその概略部分平面図である。図１に示すように、本考案の発電用水中水車装置１は、フロート２によって海面に浮かべられている台枠３下方の海中に、後述する複数台の水車モジュール４を連結ピース５を介して複数連結して構成されている。図２に示すように、フロート２と台枠３は縦横に複数列設けられており、海上で定常的に海流が得られる場所に設置されている。それぞれのフロート２は舟形に形成されていて、その長手方向の前後両端部にはそれぞれ杭孔Ｈが形成されている。これらの杭孔Ｈには、図示していないが、海底に打設されている杭の頭部が差し込まれていて、海上の定位置からフロート２が漂流してしまうことを防止している。また、図１に示すように、本考案の発電用水中水車装置１は、最上部の水車モジュール４に連結されて回転駆動される垂直な出力軸６を台枠３の内部に備えており、前記出力軸６の上端部には大径の出力歯車７が固定されている。図３に示すように、本実施形態のものにおいては、複数の発電機８が出力歯車７の円周方向に等間隔で４カ所、定位置に配置されていて、それぞれの発電機８の入力軸に固定されているピニオン９がこの出力歯車７と噛み合っている。従って、海中に設置された各水車モジュール４を通過する海流によって出力軸６が回転駆動され、これとともに出力歯車７が回転されると、その回転が出力歯車７と各ピニオン９との歯数比に応じて増速されて発電機８の入力軸に伝達され、それぞれの発電機８で一斉に発電が行われる。なお、出力歯車７とピニオン９を噛み合わせて駆動される発電機８の数は、本実施形態のものにおいては４台としてるが、発電機８の抵抗トルク等によって最適な数を選択することができる。次に、発電用水中水車装置１に使用されている水車モジュール４の構造を詳細に説明する。図４及び図５に示すように、水車モジュール４は、平面視正方形状の上板１０ならびに下板１１、及び、これらの上板１０と下板１１間を連結している４本の連結柱１２からなる水車枠１３と、前記水車枠１３内に支持されて回転する可動羽根水車１４から構成されている。可動羽根水車１４は、水車枠１３の上板１０と下板１１にそれぞれ海水中で使用可能な軸受１５、１６で回転自在に支持された水車軸１７を有している。水車軸１７の上下の端部は、上板１０と下板１１を貫通していて、これらの端部にはそれぞれ連結フランジ１８、１９が固定されている。また、可動羽根水車１４は、水車枠１３の内側に、水車軸１７の軸方向に離間して固定された上下一対の羽根保持板２０、２１を有している。これらの羽根保持板２０、２１は、同径の円板状に形成されていて、それぞれの外周縁近傍の上下に対向する円周方向に等間隔な６カ所が、連結バー２２で連結されて一体化されている。上下の羽根保持板２０、２１の各連結バー２２に近接した位置には、それぞれ、軸受孔２３が形成されていて、ここに、矩形状の可動羽根２４の基端側の上端面と下端面から突出する枢軸２５が回動自在に差し込まれている。図５に示すように、本実施形態においては、可動羽根２４は６枚設けられていて、それぞれの可動羽根２４の枢軸２５は可動羽根２４を上下に貫通し、図示していない係止手段によって可動羽根２４から上方あるいは下方に脱落しないように係止されている。これらの可動羽根２４の上端面及び下端面と、対向する羽根保持板２０、２１の間は、それぞれ、枢軸２５に装着されたスペーサ２６によって隙間Ｓが保たれていて、上下の羽根保持板２０、２１の間で、それぞれの可動羽根２４が円滑に回動できるようになっている。また、可動羽根水車１４の水車軸１７には、それぞれの可動羽根２４の自由端側に当接してこれらの可動羽根２４の自由端側が水車軸１７の略中心に向いた位置から、可動羽根水車１４の回転方向前方へ枢軸２５回りに回動変位することを規制するための、６つの規制面２７Ａを有する筒状のストッパ部材２７が水車軸１７に外嵌されて固定されている。次に、前述したように構成されている水車モジュール４の動作を図面に基づいて詳細に説明する。図５において、海流は同図上方から下方に向かって流れており、水車モジュール４の水車枠１３内に連結柱１２の間から流入する。そうすると、可動羽根水車１４は、水車軸１７の右側に位置する３枚の可動羽根２４が海流によって、それぞれの自由端側がストッパ部材２７の規制面２７Ａに当接し、その結果、これら３枚の可動羽根２４に作用する海流の動圧で、可動羽根水車１４は水車軸１７を中心として同図時計回りに回転する。一方、水車軸１７の左側に位置する３枚の可動羽根２４は、海流を受けてそれぞれ枢軸２５周りに自由端側が海流の下流側に向くように回動するので、これらの可動羽根２４には、可動羽根水車１４の回転を妨げる水車軸１７を中心とした反時計回りのモーメントはほとんど作用しない。また、図６は、図５の位置から可動羽根水車１４が水車軸１７を中心に時計回りに３０°回転したときの各可動羽根２４の向きを示しており、この回転位置においては、海流が有効に作用している可動羽根２４は、水車軸１７の右側に位置する２枚であって、他の可動羽根２４は、海流を受け流すように下流側に向いている。前述したように、海流によって可動羽根水車が回転駆動されるそれぞれの水車モジュール４は、図１に示すように、台枠３の下方に連結ピース５で水車枠１３どうしが縦に連結されている。また、それぞれの水車枠１３の上下に出ている連結フランジ１８、１９間には、ゴム等の弾性変形容易な素材からなる中継部材２８が介在されていて、これらの対向する連結フランジ１８、１９、ならびに中継部材２８によって可撓軸継手２９が構成され、各水車モジュール４の水車軸１７（図１には図示せず）どうし、及び、最上部の水車モジュール４の水車軸１７（図１には図示せず）と台枠３側の出力軸６間が連結されている。また、本実施形態の発電用水中水車装置１においては、可撓軸継手２９どうしで連結されている、上下に隣接する水車モジュール４の水車軸１７（図１には図示せず）どうしは、羽根２４の回転位置の変化によって出力軸６に生じるトルク変動が少なくなるように、可動羽根２４の相互の回転角度の位相を異ならせてある。また、可撓軸継手２９によって、互いに連結される上下の水車軸間ならびに水車軸と出力軸６間の取付誤差が吸収されるため、連結されている全ての水車モジュール４の水車軸ならびに出力軸６に生じる回転抵抗は低減される。なお、本実施形態においては、可撓軸継手２９に連結フランジ１８、１９間に弾性変形可能な中継部材２８を介在させたものを用いているが、可撓軸継手の構造はこれに限定するものではない。発電用水中水車装置１を構成する水車モジュール４は、必要な発電量に応じた所望の数を海中に連結して設置することが可能である。さらに、発電用水中水車装置１は、図２に示すように、フロート２で海上に支持した複数の台枠３下方に複数配列して用いることにより、小型の発電機８によって大容量の電力供給が可能となる。なお、図１及び図２に示す実施形態においては、台枠３はフロート２で海上に浮かせているが、フロート２で支持せずに、海底や河川底に支柱を立設して支柱で台枠３を支持するようにしてもよい。また、前述した実施形態においては、水車モジュール４の可動羽根水車１４は、可動羽根２４の枚数を６枚としているが、とくに６枚に限定するものではない。また、ストッパ部材２７は、水車軸１７と一体の部品として製作してもよい。さらに、ストッパ部材２７は、可動羽根２４の自由端側を当接させてその回動範囲を規制できる機能を有していれば良いので、例えば、本実施形態におけるストッパ部材２７の規制面２７Ａの位置で可動羽根２４の自由端側と当接するように、水車軸１７の周囲にこれと平行するように羽根保持板２０、２１間に可動羽根２４に対応する数の丸棒を渡して、これらをストッパ部材としてもよい。【産業上の利用可能性】本考案の水車モジュール及び発電用水中水車装置は、海中の設置して、海流のもつ自然エネルギーにより無公害で電力供給を行う発電設備を構築する際に、極めて効果的に利用することができる。また、海中のみならず、水量が豊かで比較的流速の変動が少ない大きな河川の水中に設置して利用することも可能であり、必要に応じて水車モジュールの数を増減することによって、電力需要や海底あるいは河川底の地形に応じて、様々な規模での利用が可能である。【図面の簡単な説明】【図１】本考案の発電用水中水車装置の１実施形態を示す、海上に構築した発電設備の概略部分側面図である。【図２】本考案の発電用水中水車装置の１実施形態を示す、海上に構築した発電設備の概略部分平面図である。【図３】本考案の発電用水中水車装置の１実施形態における発電機の駆動機構を示す平面図である。【図４】図１に示す発電用水中水車装置の部分を構成する水車モジュールの構造を示す縦断面図である。【図５】図４のＡ－Ａ線位置における水車モジュールの横断面図である。【図６】図５に示す水車モジュール中の可動羽根水車を水車軸を中心として時計回りに３０°回転させた状態を示す図である。【符号の説明】１発電用水中水車装置２フロート３台枠４水車モジュール５連結ピース６出力軸７出力歯車８発電機９ピニオン１０上板１１下板１２連結柱１３水車枠１４可動羽根水車１５、１６軸受１７水車軸１８、１９連結フランジ２０、２１羽根保持板２２連結バー２３軸受孔２４可動羽根２５枢軸２６スペーサ２７ストッパ部材２７Ａ規制面２８中継部材２９可撓軸継手
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
目的　水車モジュール及び発電用水中水車装置地球温暖化防止並び二酸化炭素削減の一環として、自然エネルギーを利用、水の流れを着目した特に海流については途絶えることはない。　本機を大にすれば相当の動力が得られ発電に継ぐ事で大電力が得られる。効果　この発電システムを拡大する事により国内電力不足を大幅に改善できる。　機械の構造は甚だシンプルで製造が容易である。特点　動力を得るため燃料を使わない。　動力を得るため廃棄物を出さない。　この動力は、半永久的に稼働する。　動力を取る源の羽根は流れがあれば自動的に作動し、芯軸の回転は一定である。例　　津軽海峡　　海流　３．５Ｋｍ／ｈ　　　　　　　流圧　１，５００ｔ／ｓと聞いている。本機を連結することで相当な発電機地も想定できる。
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