JP2009174480A - 下掛け水車用の羽根車及び下掛け水車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 流量の少ない水流の水力エネルギーを有効活用することができるとともに、水流の淀みの発生を低減することができるようにする。
【解決手段】 本発明の下掛け水車用の羽根車２は、水路の横断方向かつ水平方向に延びる軸周りに回転自在に支持される回転体１１と、互いに間隔をおいて回転体１１の軸方向の両側にそれぞれ設けられた一対の羽根群１２とを備えている。各羽根群１２は、互いに間隔をおいて回転体１１の周方向へ列設されるとともに、該回転体１１の略半径方向に突設された複数の羽根１３を備えている。各羽根１３は、回転体１１の略最下位に位置した状態で、水路１０の上流側の面が、回転体１１の軸方向中央側になるほど、下流側に位置するように配設されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、用水路や小規模な河川等の流量の少ない水路で使用される下掛け水車用の羽根車及び下掛け水車装置に関するものである。

一般に、流量の少ないの水路で使用される下掛け水車用の羽根車及び下掛け水車装置は、該流量の少ない水から実用的なエネルギーが得られるように、羽根車の外周に列設された各羽根の幅が水路の幅とほぼ同じに設定される。

流量の少ない水路における発電効率を高めることを目的とした従来の下掛け水車装置として、特許文献１記載の発電用水車を例示する。この水車は、図９に示すように、用水路を流れる水１０１に下方の一部が浸るように立てて配置され、同一の方向に回転可能に配置された１対の水車１１０、１２０と、水車１１０、１２０に連接されて無端軌道をなし、水車１１０、１２０を一体として同一の方向に回転可能にする動力伝達部材１３０と、動力伝達部材１３０に固定され、用水路を流れる水１０１の動力を受けて無端軌道の周りに回転する複数の水流受部１４０と、上方に位置する動力伝達部材１３０及び水流受部１４０を支持する支持部材と、を備えた構成を有する。

特許第３９９３２２０号公報

ところが、従来の下掛け水車は、前記羽根車の羽根が水路の幅とほぼ同じに設定されているので、次の課題がある。
（１）前記羽根により水流が淀み、効率が低下する。特に、水路の経路に沿って複数段の水車を設ける場合、下流側の水車になるほど水流が大幅に低下してしまう。
（２）水流における流木等の浮遊物が前記羽根車により堰き止められ、水流が淀み、効率が低下する。さらに、この堰き止められた浮遊物により前記羽根車の回転が阻害されることによっても、効率が低下する。

また、特許文献１記載の発電用水車は、構成が複雑なためコストが高くなるとともに、構成要素及び可動部分が多いので故障する可能性が高くなるという課題がある。

上記課題を解決するために、本発明の下掛け水車用の羽根車は、
水路の横断方向かつ水平方向に延びる軸周りに回転自在に支持される回転体と、
互いに間隔をおいて前記回転体の軸方向の両側にそれぞれ設けられた一対の羽根群とを備え、
該各羽根群は、互いに間隔をおいて前記回転体の周方向に列設されるとともに該回転体の略半径方向に突設された複数の羽根を備え、
該各羽根は、前記回転体の略最下位に位置した状態で、前記水路の上流側の面が、前記回転体の軸方向中央側になるほど、下流側に位置するように配設されている。

この構成によれば、前記回転体に設けられた一対の羽根群の間に間隔が設けられており、さらに、前記各羽根は、前記回転体の略最下位に位置した状態で、前記水路の上流側の面が、前記回転体の軸方向中央側になるほど、下流側に位置するように配設されているので、前記間隔が設けられている部分の空間に、水路幅略全体の水流が流れ込み、勢いよく下流に流れてゆくため、水流の淀みの発生が少ない。そして、この空間を流れる水流の勢いで前記羽根車は、その回転力が高められ、安定的に力強く回転する。また、この空間を経由させて、流木等の浮遊物を下流に流すことができるので、該浮遊物が前記羽根車に堰き止められ難い。また、本発明の羽根車は構造がシンプルなので、低コストに構成でき、可動部分がないので故障する可能性も低い。

前記下掛け水車用の羽根車においては、
前記回転体は、中空に形成されるとともに、内部に気体が密閉されてなる態様を例示する。

この構成によれば、該羽根車を軽量化できるだけでなく、該羽根車の浮力を向上させることができる。このため、水路の水位に応じて昇降させる場合に、該昇降のための負荷を軽減させることができる。

前記下掛け水車用の羽根車においては、
前記羽根は、前記上流側の面が凹状に形成された態様を例示する。

この構成によれば、前記羽根が受ける水流のエネルギーを向上させることができる。

また、本発明の下掛け水車装置は、
いずれかの前記羽根車と、
該羽根車を水路の横断方向かつ水平方向に回転自在に支持するフレームとを備えている。

この構成によれば、前記羽根車の効果と同様の効果を得ることができる。

前記下掛け水車装置においては、
前記フレームは、水路に設置される固定フレームと、該固定フレームに対して昇降可能に支持されるとともに、前記羽根車を回転自在に支持する昇降フレームとを備え、
前記水路の水位に応じて前記固定フレームに対して前記昇降フレームを昇降駆動する昇降駆動装置を備えた態様を例示する。

この構成によれば、水路の水位に応じて前記羽根車を昇降させることにより、羽根車の回転を安定させることができ、水流のエネルギーを効率的に利用することができる。

本発明に係る下掛け水車用の羽根車及び下掛け水車装置によれば、流量の少ない水流の水力エネルギーを有効活用することができるとともに、水流の淀みの発生を低減することができるという優れた効果を奏する。

図１〜図６は本発明を具体化した一実施形態を示している。本発明の下掛け水車装置１は、図１〜３に示すように、羽根車２と、水路１０に設置された固定フレーム３と、該固定フレーム３に対して昇降可能に支持されるとともに、羽根車２を回転自在に支持する昇降フレーム４と、水路１０を流れる水８の水位に応じて固定フレーム３に対して昇降フレーム４を昇降駆動する昇降駆動装置５と、羽根車２の軸２ａの回転により駆動される直流発電機６と、該直流発電機６が出力する直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換装置７とを備えている。

羽根車２は、図４に示すように、水路１０の横断方向かつ水平方向に延びる軸周りに回転自在に支持される回転体１１と、互いに間隔をおいて回転体１１の軸方向の両側にそれぞれ設けられた一対の羽根群１２とを備えている。羽根群１１同士の間隔としては、特に限定されないが、回転体１１の幅の約１０〜２５％とすることを例示する。

回転体１１は、本例では、中空のドラム型に形成されるとともに、内部に気体が密閉されてなっている。回転体１１の軸心には、シャフト１１ａが取り付けられている。シャフト１１ａの両側には、はずみ車（図示略）が装着されており、羽根車２の回転を安定させるとともに該回転のエネルギーを保存するようになっている。

各羽根群１２は、互いに間隔をおいて回転体１１の周方向へ列設された複数枚（本例では２４枚）の羽根１３を備えている。各羽根は、回転体１１の略半径方向に突設されている。各羽根群１２における羽根１３の枚数としては、特に限定されないが、約２０〜３０枚とすることを例示する。

各羽根１３は、回転体１１の略最下位に位置した状態で、水路１０の上流側の面が、回転体１１の軸方向中央側になるほど、下流側に位置するように配設されている（図６の底面図参照）。この配設の態様としては、特に限定されないが、回転体１１の軸方向に対して約１５〜３０°傾けた態様を例示する。羽根１３の高さ（回転体１１の半径方向の長さ）としては、特に限定されないが、回転体１１の直径の約１５〜２５％とすることを例示する。また、各羽根１３は、前記上流側の面が凹状に形成されている。

本発明の羽根車２の実施例としては、特に限定されないが、幅約２．４ｍの水路１０に設置する場合の態様として次のものを例示する。
（１）回転体１１：幅約２ｍ、直径約２ｍ
（２）羽根群１２同士の間隔：約０．４ｍ
（３）各羽根群１２の羽根１３の枚数：２４枚
（４）羽根１３：回転体１１の軸方向における幅０．８ｍ、回転体１１の半径方向の高さ０．４ｍ、厚さ４ｍｍ

固定フレーム３は、箱枠状に形成されており、水路１０の側壁に設置されている。昇降フレーム４は、箱枠状に形成されており、スライド手段２０を介して固定フレーム３に対し昇降可能に支持されている。本例のスライド手段２０は、固定フレーム３の４本の柱材３ａにそれぞれ設けられたスライドレール２１と、該各スライドレール２１に対峙する昇降フレーム４の各柱材４ａに設けられ、該各スライドレール２１に沿って転動するスライドローラー２２とからなっている。

昇降駆動装置５は、固定フレーム３の上枠３ｂに回転自在に支持された状態で下垂された４本の昇降送りネジ３１と、該昇降送りネジ３１が螺入可能に昇降フレーム４の各柱材４ａに設けられた雌ネジ穴（図示略）とを備えている。各昇降送りネジ３１の上端側には、それぞれスプロケット３３が固定されており、これらのスプロケット３３にチェーン３４が巻き掛けられている。そして、一つの昇降送りネジ３１が伝動機構３５を介して昇降駆動モータ３６により回転駆動されると、他の昇降送りネジ３１も連動するように構成されている。昇降駆動モータ３６は、水路１０を流れる水８の水位を検出する水位センサー３７から出力される水位信号に応じて作動するように構成されている。本例では、水位センサー３７は、上位及び下位の２段階の水位を検出するように構成されており、昇降駆動装置５は、図５（ａ）に示すように水位が上位になっていると昇降フレーム４を所定の上位位置まで上昇させ、図５（ｂ）に示すように水位が下位になっていると昇降フレーム４を所定の下位位置まで下降させるようになっている。

なお、本例では、水路１０における下掛け水車装置１のすぐ上流側には、流量調整ゲート装置（図示略）が設置されており、該装置により下掛け水車装置１へ向かう水量が過多にならないように調節されるようになっているものとする。

以上のように構成された本例の下掛け水車用の羽根車２によれば、回転体１１に設けられた一対の羽根群１２の間に間隔が設けられており、さらに、各羽根１３は、回転体１１の略最下位に位置した状態で、水路１０の上流側の面が、回転体１１の軸方向中央側になるほど、下流側に位置するように配設されているので、図６の底面図に示すように、前記間隔が設けられている部分の空間に、水路幅略全体の水流９が流れ込み、勢いよく下流に流れてゆくため、水流９の淀みの発生が少ない。そして、この空間を流れる水流９の勢いで羽根車２は、その回転力が高められ、安定的に力強く回転する。また、この空間を経由させて、流木等の浮遊物を下流に流すことができるので、該浮遊物が羽根車２に堰き止められ難い。また、本発明の羽根車２は構造がシンプルなので、低コストに構成でき、可動部分がないので故障する可能性も低い。

また、回転体１１は、中空に形成されるとともに、内部に気体が密閉されてなっているので、該羽根車２を軽量化できるだけでなく、該羽根車２の浮力を向上させることができる。このため、水路１０を流れる水８の水位に応じて昇降させる場合に、該昇降のための負荷を軽減させることができる。

また、羽根１３は、前記上流側の面が凹状に形成されているので、羽根１３が受ける水流９のエネルギーを向上させることができる。

また、本発明の下掛け水車装置１は、羽根車２と、該羽根車２を水路１０の横断方向かつ水平方向に回転自在に支持するフレーム（３，４）とを備えているので、羽根車２の効果と同様の効果を得ることができる。

また、下掛け水車装置１においては、前記フレームは、水路１０に設置される固定フレーム３と、該固定フレーム３に対して昇降可能に支持されるとともに、羽根車２を回転自在に支持する昇降フレーム４と、水路１０を流れる水８の水位に応じて固定フレーム３に対して昇降フレーム４を昇降駆動する昇降駆動装置５とを備えているので、該水位に応じて羽根車２を昇降させ、水流９のエネルギーを効率的に利用することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）下掛け水車装置１を水路１０の長さ方向に多段に設置したり（図７参照）、水路の幅方向に多段に設置したりすること。
（２）図８に示すように、羽根車２の１対の羽根群１２における羽根１３が、交互に回転体１１の幅方向の中央まで延設された態様とすること。

本発明を具体化した一実施形態に係る下掛け水車用の羽根車及び下掛け水車装置の側面図である。 同羽根車及び下掛け水車装置の平面図である。 同羽根車及び下掛け水車装置の正面図（水路の上流側から見た図）である。 同羽根車の斜視図である。 同下掛け水車装置の動作を示す側面図であり、（ａ）は水位が高いときの動作を示す図、（ｂ）は水位が低いときの動作を示す図である。 同羽根車の作用を示す底面図である。 同下掛け水車装置の変更例を示す平面図である。 同羽根車の変更例を示す正面図である。 従来の発電用水車を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は用水路を横切る方向の断面図である。

符号の説明

１ 水車装置
２ 羽根車
２ａ 軸
３ 固定フレーム
３ａ 柱材
３ｂ 上枠
４ 昇降フレーム
４ａ 柱材
５ 昇降駆動装置
６ 直流発電機
７ 電力変換装置
８ 水
９ 水流
１０ 水路
１１ 回転体
１１ａ シャフト
１２ 羽根群
１３ 羽根
２０ スライド手段
２１ スライドレール
２２ スライドローラー
３１ ネジ
３３ スプロケット
３４ チェーン
３５ 伝動機構
３６ 昇降駆動モータ
３７ 水位センサー

Claims (5)

1. 水路の横断方向かつ水平方向に延びる軸周りに回転自在に支持される回転体と、
   互いに間隔をおいて前記回転体の軸方向の両側にそれぞれ設けられた一対の羽根群とを備え、
   該各羽根群は、互いに間隔をおいて前記回転体の周方向に列設されるとともに該回転体の略半径方向に突設された複数の羽根を備え、
   該各羽根は、前記回転体の略最下位に位置した状態で、前記水路の上流側の面が、前記回転体の軸方向中央側になるほど、下流側に位置するように配設された下掛け水車用の羽根車。
2. 前記回転体は、中空に形成されるとともに、内部に気体が密閉されてなる請求項１記載の下掛け水車用の羽根車。
3. 前記羽根は、前記上流側の面が凹状に形成された請求項１又は２記載の下掛け水車用の羽根車。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の羽根車と、
   該羽根車を水路の横断方向かつ水平方向に回転自在に支持するフレームとを備えた下掛け水車装置。
5. 前記フレームは、水路に設置される固定フレームと、該固定フレームに対して昇降可能に支持されるとともに、前記羽根車を回転自在に支持する昇降フレームとを備え、
   前記水路の水位に応じて前記固定フレームに対して前記昇降フレームを昇降駆動する昇降駆動装置を備えた請求項４記載の下掛け水車装置。

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