特許 7492677 水車発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-22

(45)【発行日】2024-05-30

(54)【発明の名称】水車発電機

(51)【国際特許分類】

   F03B 11/06 20060101AFI20240523BHJP

   F03B 3/12 20060101ALI20240523BHJP

【ＦＩ】

F03B11/06

F03B3/12

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020130200

(22)【出願日】2020-07-31

(65)【公開番号】P2022026636

(43)【公開日】2022-02-10

【審査請求日】2023-02-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100098626

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 壽

(72)【発明者】

【氏名】上原 賢一

(72)【発明者】

【氏名】徳脇 泰輔

(72)【発明者】

【氏名】田中 陽大

(72)【発明者】

【氏名】黒田 昇

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－２２１１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６１－０２９０７２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００６－１８９０１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１３６９５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００５２３２５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０８－１４５０５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０５９０２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｂ １／００－１１／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ランナと、該ランナより水流の上流に設けた旋回流発生機能部と、前記ランナより水流の下流に設けた下流管部とを有し、
前記ランナは、中心軸が本体部に固定された軸受で支持され、
該軸受は相対移動対象物との対向面が非金属であり、前記水流の経路中に配置され、前記対向面が水流に対して開放した構造であり、
前記下流管部は、前記ランナのプロペラの傾きと同方向であって中心軸に対し３０°～６０°の角度で傾くリブを備えることを特徴とする水車発電機。

【請求項2】

請求項１に記載の水車発電機において、
前記ランナは外周部に磁石またはコイルを有するロータを備え、
前記ロータの外周部にコイルを有するステータを有することを特徴とする水車発電機。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の水車発電機において、
前記軸受は、転がり軸受であり、前記対向面である軌道が非金属であることを特徴とする水車発電機。

【請求項4】

請求項１乃至３の何れか一に記載の水車発電機において、
非金属はセラミック材であることを特徴とする水車発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水車発電機に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、ランナと、ランナより水流の上流に設けた旋回流発生機能部とを有る水車発電機が知られている。
例えば特許文献１には、係る水車発電機であって、本体部によるランナの支持を、ランナの外周部に設けたランナショルダー部を本体部に設けた水循環軸受で支持することによって行うものが記載されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

ところが、水循環軸受への水供給を、水流の水を水管に形成した吸水口と、この吸水口に接続された給水配管を介して行っており、機構が複雑になっている。

【課題を解決するための手段】

【0004】

上述した課題を解決するために、本発明は、ランナと、該ランナより水流の上流に設けた旋回流発生機能部と、前記ランナより水流の下流に設けた下流管部とを有し、前記ランナは、中心軸が本体部に固定された軸受で支持され、該軸受は相対移動対象物との対向面が非金属であり、前記水流の経路中に配置され、前記対向面が水流に対して開放した構造であり、前記下流管部は、前記ランナのプロペラの傾きと同方向であって中心軸に対し３０°～６０°の角度で傾くリブを備えるものである。

【発明の効果】

【0005】

本発明によれば機構を簡素化できる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態に係る水車発電機１００の縦断面図。

【図2】上流管部、ランナ、及び下流管部の縦断面図。

【図3】図２の例における下流管部、ランナ及び上流管部のそれぞれの斜視図。

【図4】図２の例の下流管部、ランナ及び上流管部の斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本発明をインライン方式のマイクロ水力発電機としての水車発電機に適用した実施形態について説明する。マイクロ水力発電機は用水路や小さな河川での発電が可能となる。インライン方式は発電効果の高く一般河川や上水道施設での利用も期待されている。マイクロ水力発電は例えば１００ＫＷ以下といった程度の発電である。

【0008】

図１は実施形態に係る水車発電機１００の縦断面図である。図が軸心Ｘで線対称に現れるので、軸心Ｘの片側部分のみ図示している。水車発電機１００は、水車と発電機の一体型である。配管等のクローズされた水流に固定される。上流フランジ取り合い部１、下流フランジ取り合い部２それぞれを配管に固定する。図中右側のＡが水流上流側、図中左側のＢが水流下流側とする。つまり、水流に固定された状態で、図中右側から左側に水流が形成されるものとする。

【0009】

水車発電機１００はケーシング１０内に上流管部２０、ランナ管部３０、下流管部４０が配置されている。これらの管部のうち主にランナ管部３０の外周に対向するようケーシング１０の内周部に発電機を構成するコイル５０ａを備えたステータ５０が配置されている。上流管部２０の中心部にはボス部２１があり、上流管部２０の内壁とボス部２１の外周を接続するようにガイドベーン２２が形成されている。ガイドベーン２２により旋回流発生部が構成されている。下流管部４０の中心部にもボス部４１があり、下流管部４０の内壁とボス部４１の外周とを接続するリブ４２が形成されている。ランナ管部３０はランナ３１を備えている。ランナ３１はハブ部３７の中心に軸３２が固設され、軸３２の両端には転がり軸受６０が設けられている。ランナ３１におけるプロペラ３３の外周を連結する外周管部３４に発電機の構成要素であるロータ３５が固設されている。ロータ３５には永久磁石３５ａが取り付けられている。ランナ３１とロータ３５の固定は図示の例ではシャフト３６による連結を用いて行われている。

【0010】

図２は上流管部２０、ランナ３１、及び下流管部４０の縦断面図である。ボス部２１，４１の具体的な形状は図１のものとは多少異なっている。上流の転がり軸受６０の上流側にはボス部２１の軸受け穴壁との間にスペーサ６４も設けている。下流側の転がり軸受と軸３２の鍔部３２ａとの間には円筒状のスペーサ６５も設けてある。ランナ３１のハブ部３７と上流管部２０のボス部２１との間には転がり軸受６０の配置空間に連通する隙間Ｇ１，Ｇ２が形成され、転がり軸受６０の箇所まで水が浸入する。下流管部４０のボス部４１との間にも同様に転がり軸受６０の配置空間に連通する隙間Ｇ３が形成され、転がり軸受６０の箇所まで水が浸入する。つまり、転がり軸受６０が水流の経路中に配置され、軌道面が水流に対して開放した構造になっている。

【0011】

図２のボス部２１，４１などの具体的な形状は発電効率を考慮した次の形状にしている。つまり、上流管部２０のボス部２１は上流部から外径が徐々に増加（流路断面は徐々に減少）し、中央部で一定範囲外径平行部（流路断面一定）なる。この中央部には、外形がほぼ平行なランナ管部３０のハブ部３７と、下流管部４０のボス部４１の外形平行部も含む。下流管部４０のボス部４１の外形平行部から下流部にかけ外径が徐々に減少する（流路断面積は徐々に増加する）。下流管部４０のリブ４２は、ランナ管部３０のプロペラ３３の傾きと同方向の傾きを設ける。傾きを持たせることで、ランナ管部３０の後方に発生する旋回流に対して、抵抗を低減し発電効率の低下を防止することができる。リブ４２の傾きについては中心軸に対し３０°～６０°の設定することが好ましい。

【0012】

図３は図２の例における下流管部４０、ランナ３１及び上流管部２０のそれぞれの斜視図である。図３（ｃ）が下流管部４０の下流側を示す斜視図、図３（ｂ）はランナ３１の上流側を示す斜視図、図３（ｃ）が上流管部２０の下流側を示す斜視図である。図３（ｂ）のランナ３１外周に形成されている溝がロータ連結用のシャフト３６が入り込む溝３６ａである。

【0013】

図４は図２の例の下流管部４０、ランナ３１及び上流管部２０の斜視図である。図４（ａ）は上流側から見た斜視図、図４（ｂ）は下流側から見た斜視図である。

【0014】

図１に戻り、ケースの上流フランジ取り合い部１より流入した水流は、ガイドベーン２２からなる旋回流発生部で回転運動を伴う流れとなる。旋回流発生部で生じた旋回流れで固形分は遠心力を受け外周方向へ移動する。旋回流発生部を通過した流れはランナ３１のプロペラ３３に衝突し、ランナ３１は回転方向に力を受ける。ランナ３１は固定されているロータ３５や軸３２と同期される。

【0015】

軸３２は、両端それぞれが転がり軸受６０，６０の内輪５１に装着されている。上流側の転がり軸受６０の外輪５２は、上流管部２０のボス部２１に装着される。このボス部２１が上流軸受け保持部として機能する。下流側の転がり軸受６０の外輪５２は、下流管部４０のボス部４１に装着される。このボス部４１が下流側軸受け保持部材として機能する。このように軸両端が軸受されることで、ランナ３１に加わった回転力により、外輪５２を固定された転がり軸受６０を起点に回転することが可能となる。

【0016】

転がり軸受６０の転がり軸受の方式については、ボールベアリングやコロベアリングを使用することが好ましい。また片側、もしくは両側をアンギュラベアリングとし、スラスト方向の加重を受けることが可能となる。ベアリングの数量については、荷重や回転数によるベアリング寿命を考慮し、多段に装着することも可能である。

【0017】

転がり軸受６０は非金属性の軌道を用いることで、水潤滑においてもクリープやピーキングを起こすことなく、滑らかな回転で稼働することが可能となる。ボールやコロの材質については金属製でも問題ない。なお、速度差が生じる相対移動対象物との対向面が非金属であれば、滑り軸受や水循環軸受でもよい（滑り軸受における摺動面や水潤滑軸受における軸受面が対向面に相当する）。軌道面を含む上記対向面が非金属の軸受を用いることで、潤滑油が無くても水流を利用した水潤滑が可能となる。潤滑油の使用が必要なく稼働が可能となることで、潤滑油を有する軸受け部と、水流を隔離していた接触シールが不要となり、さらに回転抵抗は小さくなることから、水車の発電効率は向上する。このうち転がり軸受でれば、軸受けは固形物噛みしやすくなるが、上流の旋回流発生機能により固形物は壁面に集まることで、軸の中心部に軸受けを設けることにより、固形異物含有の水流でも安定稼働できる。

【0018】

以上、本実施形態では、ランナ３１と、ランナ３１より水流の上流に設けたガイドベーン２２からなる旋回流発生機能部とを有し、ランナ３１は、中心軸である軸３２が本体部であるボス部２１，４１に固定された軸受６０に支持され、軸受６０は、相対移動対象物であるボールあるいはコロとの対向面である軌道面が非金属であり、水流の経路中に配置され軌道面が水流に対して開放した構造である。このように、ランナ３１が軌道面が水流に対して開放構造の軸受で中心軸を支持するので、特許文献１とは異なり、給水配管が不要で機構の簡素化ができる。しかも、軌道面が非金属であるので、接触シールも不要である。

【0019】

図示の例の発電機は、ランナ３１の外周部に構成したが、これに代えて各ボス部内にロータ、ステータなどを設置し、電力を取り出すことは可能となる。但し、この場合には、発電部が小型となるため、小型のマイクロ水力発電機では大きな発電量は望めない。よって、図示の例のように、ロータ３５に永久磁石３５ａ又はコイルを設置し、かつケーシング１０に鉄心５０ｂやコイル５０ａを設け方が好ましい。これにより、比較的径が大きい回転による相対運動を発生することで、より大きな発電を発生させることが可能となる。何れの場合にも、鉄心５０ｂは、軽量化のため、コアレス方式のステータ５０を採用することも可能である。

【0020】

転がり軸受６０のべアリング軌道については、樹脂製を採用することで低抵抗化が可能となる。摩耗による寿命低下は発生するが、低回転、低荷重の条件で稼働できれば、より高効率で発電が可能となる。樹脂材質については特定するものはない。ＰＯＭ、ＰＥＥＫ、ＰＥＴ、シリコン、テフロン（登録商標）等を使用することは可能となる。さらに転がり軸受６０はセラミック軌道、およびセラミックボールを使用することで、コストアップにはなるが、高寿命、高耐候性で安定した水車の稼働を可能とする。樹脂材質については特定するものはない。Ｚｉ系焼結材、Ｔｉ系焼結材、Ｓｉ系焼結材等を使用することは可能となる。

【0021】

［比較例１］
系路中に水車が装着可能な、貯水槽を持つポンプ循環水路にて、水車の性能確認を実施した。流量はインバーターにて２０Ｌ／ｓに固定し、水車の回転数は１０００ｒ／ｍとなるよう、電子負荷装置にて負荷を与え、回転を均一にした。その時の水車前後の差圧は０．０４ＭＰａ状態で１０００万回転稼働させた。水車は流路中心にコイルを設け、軸受けは金属ベアリングを設け、接触式のリップシールで潤滑グリスの流失を防止した結果、発電電力は２２４Ｗ。発電効率は２８％となった。実験後軸受けを解体し、ボールベアリングのスラスト隙間を測定した結果、０．０５０ｍｍの増加が確認された。また循環水槽の上澄みを捕集し乾燥した後、ＦＴ－ＩＲにてグリス成分の測定を行ったところ、特定ピークに微量スペクトルが検出された。

【0022】

［実施例１］
軸受けは硬質ゴム軌道のボールベアリングを設け、潤滑グリス及びシールを設けない構造以外は、比較例１と同様の設備、及び条件にて稼働した。結果、発電電力は２６４Ｗ。発電効率は３３％となった。実験後軸受けを解体し、ベアリングのスラスト隙間を測定した結果、０．３５０ｍｍの増加が確認されたが、油分は検出されなかった。

【0023】

［比較例２］
ローター外周部にボールベアリング軸受け、並びに永久磁石を持ち、ステーター部に発電コイルを持つ水力発電機を、比較例１に記載の循環ラインに設置し、性能評価を行った。発電電力は２６４Ｗ。発電効率は３３％となった。実験後軸受けを解体し、ベアリングのスラスト隙間を測定した結果、０．１５０ｍｍの増加が確認されたが、油分は検出されなかった。

【0024】

［実施例２］
ローター中心の軸の上下流に硬質ゴム軌道のボールベアリングを持ち、ローター外周部永久磁石、ステーター部に発電コイルを持つ水力発電機を、比較例１に記載の循環ラインに設置し、性能評価を行った。発電電力は３０４Ｗ。発電効率は３８％となった。実験後軸受けを解体し、ベアリングのスラスト隙間を測定した結果、０．３５０ｍｍの増加が確認されたが、油分は検出されなかった。

【0025】

［実施例３］
ローター中心の軸の上下流にＰＯＭ軌道ベアリングを持ち、ローター外周部永久磁石、ステーター部に発電コイルを持つ水力発電機を、比較例１に記載の循環ラインに設置し、性能評価を行った。発電電力は４０８Ｗ。発電効率は５１％となった。実験後軸受けを解体し、ベアリングのスラスト隙間を測定した結果、０．２００ｍｍの増加が確認されたが、油分は検出されなかった。

【0026】

［実施例４］
ローター中心の軸の上下流にＳｉ３Ｎ４軌道及び転動体のボールベアリングを持ち、ローター外周部永久磁石、ステーター部に発電コイルを持つ水力発電機を、比較例１に記載の循環ラインに設置し、性能評価を行った。発電電力は４１６Ｗ。発電効率は５２％となった。実験後軸受けを解体し、ベアリングのスラスト隙間を測定した結果、０．０３０ｍｍの増加が確認されたが、油分は検出されなかった。

【符号の説明】

【0027】

１ ：上流フランジ取り合い部
２ ：下流フランジ取り合い部
１０ ：ケーシング
２０ ：上流管部
２１ ：ボス部
２２ ：ガイドベーン
３０ ：ランナ管部
３１ ：ランナ
３２ ：軸
３２ａ ：鍔部
３３ ：プロペラ
３４ ：外周管部
３５ ：ロータ
３５ａ ：永久磁石
３６ ：シャフト
３６ａ ：溝
３７ ：ハブ部
４０ ：下流管部
４１ ：ボス部
４２ ：リブ
５０ ：ステータ
５０ａ ：コイル
５０ｂ ：鉄心
５１ ：内輪
５２ ：外輪
６０ ：転がり軸受
６４ ：スペーサ
６５ ：スペーサ
１００ ：水車発電機
Ｇ１ ：隙間
Ｇ２ ：隙間
Ｇ３ ：隙間
Ｘ ：軸心

【先行技術文献】

【特許文献】

【0028】

【文献】特開２０１２－１３６９５２号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】