JP5615402B1 - 発電機用水車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上部から受けるようにした河川水等の噴射エネルギー（運動）及びその位置エネルギー（重量）の双方を利用して効率的に回転力を得ること。【解決手段】一対の円形側板１、１及びそれらの軸心に固設した回転軸２からなる水車本体３と、その円形側板１、１の内側外周付近に連設した複数の噴射水受け板４、４…と、水車本体３の円形側板１、１の内側の噴射水受け板４、４…より中心寄りの位置に連設した複数のタンク部５、５…であって、各々三枚一組の噴射水受け板４、４…から流下する水を下部に回転移動するまでの間に一時滞留させるタンク部５、５…と、水車本体３の上方に位置し、そのときに上部に位置する噴射水受け板４、４…に水を噴射する噴射管７ａと、水車本体３の回転軸２から発電機８に回転力を伝達すべく構成した二つの鎖車８ｂ、９ａ及びこれらに掛け渡したチェーン８ｃとで構成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、河川等の流れる水の有するその運動のエネルギー及び位置エネルギーを有効利用して発電機を駆動するために用いる小型の発電機用水車装置に関するものである。

小型の発電機用水車装置には、河川の流れのエネルギーをそのまま利用して水車を回転させるタイプの装置、河川の水を装置の上方に導き落下する水を受け取ってその重量（位置エネルギー）を利用して水車を回転させる装置、または位置エネルギーを噴流に変えてこれによって水車を回転させる装置が知られている。

特許文献１の発明は、一対の水車と、これらに掛け渡した無端の動力伝達部材と、該動力伝達部材に定間隔で結合した複数の水流受け部と、これらを支持する枠体とからなり、前記いずれかの水車の軸に直接又は間接に発電機を接続してこれを駆動する発電用水車である。該一対の水車の下部をこれらに掛け渡した動力伝達部材の下側に位置する部分と共に用水路内に没し、該用水路の流れを前記水流受け部で受けて前記動力伝達部材を一対の水車周りで周回動作させ、これによって得られる水車の回転動作をその軸から出力させ、その出力回転動力により発電機を回転駆動するものである。

この特許文献１の発明は、以上のように、小さな流れを利用して発電機を駆動しようとするものであるが、利用するのは、水の流れのエネルギーのみである。

特許文献２の発明は、円盤状の回転ハブの回転軸に連結した発電機と、該回転ハブの中心から放射状に配置された複数のフード可変水車を備えた水車と、これらを水の流れに浮かせるフロートとからなり、前記フード可変水車は、一対の受水保持板を組み合わせて回転ハブに取り付けられたヒンジを中心に開閉自在に構成され、流水の受水時には拡開して流水を受け止め、回転後半にあっては閉じて回転進行方向から受ける水圧抵抗を削減するように構成した水力発電装置である。

この特許文献２の発明は、自然環境を破壊するようなことなく、単に河川の流れに浮かせて使用することが可能であり、水の流れによって水車が回転させられる際に、回転後半にフード可変水車が閉じるため、水圧抵抗が軽減され能率良く発電できるものとされる。しかしこの特許文献２の発明もまた利用するのは水の流れのエネルギーのみである。

特許第３９９３２２０号公報 特開２０１３−７９５３９号公報

本発明は、地形等を利用して上部から受けるようにした河川水のその噴射エネルギー（運動）及びその位置エネルギー（重量）の双方を利用して効率的に回転力を得、これによって小規模な河川等のエネルギーを利用して能率的な発電を行うことができる発電機用水車装置を提供することを解決の課題とするものである。

本発明の１は、一定間隔で平行に配した一対の円形側板及びそれらの軸心に固設した回転軸からなる水車本体と、
前記水車本体の両円形側板の内側にそれらの周端に沿って全周に渡って連設した複数の噴射水受け板であって、該水車本体の上方から噴射導入される噴射水をその時点で上部に位置するそれに衝突させて該水車本体を対応する方向に回転させるべく配設した複数の噴射水受け板と、
前記水車本体の両円形側板の内側の前記噴射水受け板より中心寄りの位置に全周に渡って連設した複数のタンク部であって、該水車本体の回転方向後方側にはその外周側の噴射水受け板から流下する水を導入する導入部を備え、該水車本体の回転方向前方側には、該水車本体の回転によって下方に移動した際に、導入した水を排出する排出部を備えた複数のタンク部と、
前記水車本体を、その回転軸を介して回転自在に支持する支持枠部と、
前記水車本体の上方で、前記両円形側板の内側に配した噴射水受け板であって、その時点で該水車本体の上部に位置する噴射水受け板に向かって噴射水を供給する噴射水供給手段と、
前記水車本体の回転軸から発電機に回転力を伝達すべく構成した出力部と、
で構成した発電機用水車装置である。

本発明の２は、本発明の１の発電機用水車装置において、
前記支持枠部は、前記水車本体をカバーする包囲部材と、該包囲部材を支持する枠体とで構成し、
前記包囲部材は、前記水車本体の両円形側板側をカバーする両円板部と、該水車本体の周端部側をカバーする環状包囲部であって、上部の周方向一定の角度範囲に噴射管用の挿入口を開口し、かつ下部の一部に排水口を開口した環状包囲部とで構成し、
前記水車本体の回転軸は、その両端を、それぞれ前記包囲部材の両円板部の軸心に開口した軸穴を通じて外方に突出させ、かつ該両円板部の外面側に固設したブラケットでそれぞれ回転自在に支持し、
前記出力部は、前記回転軸の一端に構成し、
前記噴射水供給手段は、前記環状包囲部の噴射管用の挿入口に挿入した噴射水供給用の噴射管であって、噴射水の噴射方向及び噴射位置を調整可能とした噴射管で構成したものである。

本発明の３は、本発明の１又は２の発電機用水車装置において、
前記噴射水受け板の噴射水の受け面に多数の小突起を構成したものである。

本発明の１の発電機用水車装置によれば、河川等に近接して設置し、河川からこの装置の上部の噴射水供給手段に地形等を利用して河川水を導き、この噴射水供給手段から水車本体の上部に河川水を噴射し、この時点で該水車本体の上部に位置して該噴射水供給手段と対面状態となっている噴射水受け板に衝突させ、これによって該水車本体を前記回転軸を中心に回転させることになる。これに伴って噴射水を受けた噴射水受け板は回転進行し、引き続く噴射水受け板が後方から前方に回転移動して、噴射水を受ける位置に移動し、該噴射水供給手段からの噴射水の衝突を受け、該水車本体を引き続いて回転させることになる。噴射水供給手段から噴射水が供給される限り、これは継続することになる。

他方、噴射水受け板に衝突した噴射水は、該噴射水受け板の受け面を流下して、水車本体の回転動作により回転下降動作する側のタンク部の導入部に落下し、その面上を流れて該タンク部に流下し滞留することになる。こうして、噴射水の衝突を受けて移動する噴射水受け板の動作により回転動作する水車本体は、更に以上のようにして前方側で下降動作するタンク部に流れ込んだ水の重量により、その前方側の下降動作が強められることになる。また水車本体の回転動作に伴って下部まで下降したタンク部の滞留水は、反対側に移動して上昇に転じる前にその排出部を通じて排出され、その回転上昇動作に悪影響を与えない。

以上のようにして、本発明の１の発電機用水車装置によれば、噴射水の運動エネルギー及びその位置エネルギーの双方を有効に利用して、効率よく回転出力を得ることができる。回転出力は、前記回転軸に構成した出力部で取り出し、これを発電機に伝達して発電動作に利用することができる。

本発明の２の発電機用水車装置によれば、水車本体が支持枠部の包囲部で包囲されているため、外部からの風圧その他の影響を回避でき、安定した運転が可能になる。また噴射水供給手段の噴射管による噴射水の噴射方向及び噴射位置を調整可能に構成してあるため、これを調整することにより能率の良い運転をすることができる。

本発明の３の発電機用水車装置によれば、噴射水受け板の噴射水の受け面に多数の小突起を構成したため、噴射水を分散させて流下させることができる。

左側面の円形側板を省略した状態の実施例の発電機用水車装置の左側面図（噴射水受け板の小突起は一部のみ表示）。 包囲部材の環状包囲部及び支持枠部の一部を省略した状態の実施例の発電機用水車装置の正面図（噴射水受け板の小突起は省略）。 実施例の発電機用水車装置の左側面図。 実施例の発電機用水車装置の右側面図。 実施例の発電機用水車装置の正面図。

本発明を実施するための形態を実施例に基づき図面を参照しながら詳細に説明する。

この実施例の発電機用水車装置は、図１〜図５に示すように、基本的に、一対の円形側板１、１及びそれらの軸心に固設した回転軸２からなる水車本体３と、該水車本体３の円形側板１、１の内側外周付近に連設した複数の噴射水受け板４、４…と、前記水車本体３の円形側板１、１の内側の前記噴射水受け板４、４…より中心寄りの位置に連設した複数のタンク部５、５…と、前記水車本体３をその回転軸２を介して回転自在に支持する支持枠部６と、前記水車本体３の上方の噴射水供給手段７と、前記水車本体３の回転軸２から発電機８に回転力を伝達すべく構成した出力部９とで構成したものである。

前記水車本体３は、前記し、図１及び図２に示すように、一対の円形側板１、１と回転軸２とからなる構成要素である。同図に示すように、該一対の円形側板１、１は、相互の軸心を一致させて一定間隔で平行に配したものであり、該回転軸２は、これらの円形側板１、１の軸心を貫通させて配し、かつこれらに固定したものである。いずれも防錆処理を施した金属で構成する。

前記噴射水受け板４、４…は、図１及び図２に示すように、複数のそれをほぼ定角度間隔で、前記水車本体３の円形側板１、１の外周付近に沿ってその内側に配した湾曲状の板材である。該噴射水受け板４、４…は、それぞれその湾曲状の凹面を、該水車本体３の回転方向に対して後方を向けた状態で取り付ける。なお、該噴射水受け板４、４…には、その凹面側に多数の小突起が構成してある。該噴射水受け板４、４…の水車本体３への固設は、各々の両端をその円形側板１、１の内面に固定することで行うものである。これらの噴射水受け板４、４…も防錆処理を施した金属板材で構成する。

この実施例では、該噴射水受け板４、４…は、図１に示すように、これらの内周側に配する前記タンク部５、５…の各一個ごとに、三枚ずつを設置した態様とし、それぞれ対応する三枚ずつの噴射水受け板４、４、４が受けた噴射水は、各々それらの内周側の下端部から落下し、対応する内周側のタンク部５に流入するようになっている。

前記タンク部５、５…は、図１に示すように、前記水車本体３の噴射水受け板４、４…より内周側に配置した容器状を基本とする構成要素である。前記したように、外周側に位置する三枚の噴射水受け板４、４、４ごとに一つのタンク部５をそれらの内周側に配置する。この実施例では、上記のように、三枚の噴射水受け板４、４、４ごとに一つのタンク部５を構成することとし、噴射水受け板４、４…の数との関係で、八個のタンク部５、５…を構成することとした。またそれらの八個のタンク部５、５…のタンク部本体５ａ、５ａ…は、その内壁５ａ１を、同図に示すように、一枚の金属板を円筒状に構成し、その両端を、前記水車本体３の円形側板１、１の内面に固設することで一体に構成したものである。

個々のタンク部５は、図１に示すように、タンク部本体５ａを、対応する三枚の噴射水受け板４、４、４より一つ回転前方の三枚の噴射水受け板４、４、４の内方側に配置することとし、その底壁５ａ２は、対応する三枚の噴射水受け板４、４、４より一つ回転前方側の三枚の噴射水受け板４、４、４と更に一つ回転前方側の三枚の噴射水受け板４、４、４との間付近の位置で前記内壁５ａ１にその内端を固設し、その外端から該水車本体３の周方向に沿って外壁５ａ３を後記一定の長さだけ延長し、その先端から外周端まで斜めに延長した金属の板材と、両側の円形側板１、１の内面と、前記内壁５ａ１とで構成するものである。この金属の板材は、該内壁５ａ１に固設した内端から放射外方に延長して前記底壁５ａ２を構成し、その外端から周方向に沿って回転後方に延長して前記外壁５ａ３を構成するものである。この金属の板材も防錆処理を施しておく。

前記底壁５ａ２は、図１に示すように、その放射方向の外端は、前記噴射水受け板４、４…の内端より若干内周側に位置するものとし、前記外壁５ａ３は、同図に示すように、該底壁５ａ２の外端からほぼそのまま周方向に沿って、かつ対応する三枚の噴射水受け板４、４、４のうちの最後方のそれの直後まで、回転後方に延長するものとする。該外壁５ａ３の延長先である後端から放射外方に斜めに屈曲して水車本体３の外周端まで延長し、排出部５ｂを構成する。

前記底壁５ａ２、前記外壁５ａ３及び排出部５ｂを構成する金属の板材の両側端は、水車本体３を構成する円形側板１、１の内面にそれぞれ固設する。

こうして、前記したように、前記タンク部５のタンク部本体５ａは、内壁５ａ１、底壁５ａ２、外壁５ａ３及び水車本体３の両側の円形側板１、１の内面とで囲まれた空間として構成されることとなる。また外壁５ａ３及び排出部５ｂの外面側が、その外周側に位置する対応する前記噴射水受け板４、４、４で受けられ、その内端から流下する噴射水をその回転前方のタンク部本体５ａに導く導入部５ｃとなる。前記排出部５ｂは、水車本体３の回転が進んで、該タンク部５が最下部に至った際に、タンク本体５ａ中に滞留している水を排出するように作用するものである。

前記支持枠部６は、図１〜図５に示すように、前記水車本体３をカバーする包囲部材６ａと、該包囲部材６ａを支持する枠体６ｂとで構成したものである。

前記包囲部材６ａは、図１〜図５に示すように、前記水車本体３の両円形側板１、１側を若干の隙間を空けてカバーする両円板部６ａ１、６ａ１と、該水車本体３の周端部側を若干の隙間を空けてカバーする環状包囲部６ａ２とで構成したものである。なお、該環状包囲部６ａ２の両側端は、前記両円板部６ａ１、６ａ１の周端部に固設してある。

前記包囲部材６ａの環状包囲部６ａ２には、その最上部に後記噴射管７ａの挿入口６ａ２１を開口する。該挿入口６ａ２１は、特に図１に示すように、若干水車本体３の回転後部側に広く構成する。また該環状包囲部６ａ２の最下部には排水口６ａ２２を開口する。この排水口６ａ２２は、特に図１に示すように、最下部で、若干水車本体３の回転後部側寄りに構成する。またこの排水口６ａ２２には、排水を外部に導く排水管１０が接続してある。

また前記包囲部材６ａの両円板部６ａ１、６ａ１には、その軸心に軸穴が開口してあり、これを通じて、前記水車本体３の回転軸２の両端部が外部に突出させてあり、該回転軸２の両端部は、該両円板部６ａ１、６ａ１の外部に各々固設した台座部６ａ１１に立ち上げたブラケット６ａ１２に、それぞれ回転自在に支持されている。ブラケット６ａ１２、６ａ１２には軸受けが組み込んであり、以上の回転軸２の両端部は、それぞれ該軸受けを介して該ブラケット６ａ１２、６ａ１２に回転自在に支持されるようになっている。

また該回転軸２の一方の端部には、図１〜図５に示すように、更に鎖車９ａが固設してあり、これは、前記出力部９を構成する。

前記枠体６ｂは、図１〜図５に示すように、前記包囲部材６ａの環状包囲部６ａ２の両側上下に固定した上横材６ｂｈ、６ｂｈ及び下横材６ｂｌ、６ｂｌと、それらの両端を各々固設した、該包囲部材６ａの周囲に立ち上げた４本の支柱部材６ｂｃ、６ｂｃ…と、該包囲部材６ａの下方に位置し、該４本の支柱部材６ｂｃ、６ｂｃ…を立ち上げたベース板６ｂｂと、該包囲部材６ａの上方で、該支柱部材６ｂｃ、６ｂｃ…相互を連結した４本の連結部材６ｂｘ、６ｂｘ…とで構成したものである。なお、この実施例では、枠体６ｂをこのように構成したが、これに限定されないことは言うまでもない。

前記噴射水供給手段７は、図１〜図５に示すように、前記包囲部材６ａの環状包囲部６ａ２の挿入口６ａ２１に周方向スライド自在に配した摺動蓋体７ｂと、該摺動蓋体７ｂに貫通状態に配した噴射管７ａとで構成したものである。

該摺動蓋体７ｂは、図１に示すように、その前後端部及び左右側部を該環状包囲部６ａ２に開口した挿入口６ａ２１の周囲にスライド自在に外装接合状態となるように、その曲率を該環状包囲部６ａ２のそれに対応させ、そのうち前後端部は、該環状包囲部６ａ２の挿入口６ａ２１の対応する周方向両縁部上に構成したポケット部６ａ２ｐ、６ａ２ｐにスライド進退自在に挿入状態としたものである。

前記噴射管７ａは、図１に示すように、その先端を水車本体３に配した噴射水受け板４、４…のうち、最上部に位置しているそれらの凹面側に噴射水を衝突させるべく傾けて前記挿入口６ａ２１に挿入配置する。またそのような態様で、前記摺動蓋体７ｂに貫通状態とし、かつ該摺動蓋体７ｂにその状態で固定する。従って該摺動蓋体７ｂを前後方向にスライド移動させると、該噴射管７ａの噴射位置及び角度を調整することが可能になる。

前記発電機８は、図１〜図５に示すように、この実施例では、支持枠部６の最上部に配置することとし、その連結部材６ｂｘ、６ｂｘのうち、水車本体３の向きに直行する平行な二本の上に台座板８ａを固設し、その上に配設固定したものである。その回転入力軸に鎖車８ｂを固設し、該鎖車８ｂと前記水車本体３の回転軸２の一端側に固設した鎖車９ａとの間にチェーン８ｃを掛け渡して、水車本体３の回転出力を該発電機８に伝達するようにしたものである。なお、この発電機８には、入力した回転速度をあげるための増速用ギア機構が組み込んである。

前記出力部９は、前記し、図１〜図５に示すように、この実施例では、水車本体３の回転軸２の一端に配した鎖車９ａであり、前記のように、これに他の鎖車８ｂに掛けたチェーン８ｃを掛け渡し、これらを介して水車本体３の出力する回転力を発電機８に伝達するようにするものである。

この実施例の発電機用水車装置によれば、河川等に近接して設置し、河川等からこの装置の噴射水供給手段７の噴射管７ａに河川水を導き、その噴射水を利用して効率的に発電することができる。

運転を開始した後には、まず初めに噴射水供給手段７の噴射管７ａの位置及び角度を調整する。この調整は、前記摺動蓋体７ｂを周方向の前後に動かして行う。該摺動蓋体７ｂを以上のように前後に動かした上で、水車本体３の回転状態を観察し、最も良好に回転動作する位置に摺動蓋体７ｂを固定する。このように摺動蓋体７ｂを動かすことにより、これに貫通状態で固定した噴射管７ａの先端の位置が調整され、かつその角度も調整される。そして水車本体３の回転動作が最も良好に行われる状態を選択することで、噴射管７ａの最適な角度及び位置を選択し、確定することができる。

こうして噴射管７ａの位置及び角度を調整して、この発電機用水車装置の運転を継続すれば、前記のように、効率的に発電動作を行うことができる。

前記噴射管７ａから噴出される噴射水は、その時点で、水車本体３の上部に位置する一枚〜三枚程度の噴射水受け板４、４…の凹面側に衝突し、該噴射水受け板４、４…に噴射方向の力を伝え、これらを介して水車本体３は回転方向の力を受け取って回転動作する。このとき、該噴射水受け板４、４…の凹面に衝突した河川水は、その面を流下し、更にその下方に位置する導入部５ｃ（外壁５ａ３及び排出部５ｂの外面側）に落下し、その上を流れてより下方に位置するタンク部本体５ａ中に流下し滞留する。水車本体３は、タンク部本体５ａに流下滞留した水の重量により更に回転方向のトルクを加重され、一層効率的に回転することになる。

なお、タンク部本体５ａに滞留した水は、水車本体３の回転により、その下方に回転下降すると、上部に位置していたときの上部開口が斜め下向きになり、その排出部５ｂを通じて排出され、更に包囲部材６ａの環状包囲部６ａ２の下部に開口した排水口６ａ２２及び排水管１０を通じて外部に排出される。通常、この水は、適当な配管又は溝等を通じて元の河川に戻す。

こうしてタンク部本体５ａの滞留水は、水車本体３の反対側を回転上昇する際には、排水されて残っていないので、その動作を妨げるようには作用しない。

以上のようにして、水車本体３は回転動作し、噴射管７ａの噴射水を受けた噴射水受け板４、４…は回転移動し、水車本体３の上部から回転進行方向に移動してしまうが、言うまでもなく、引き続いて後続の噴射水受け板４、４…が水車本体３の上部に移動してくることになり、以上に述べたのと全く同様の作用をすることになる。これが繰り返され、効率的に水車本体３は回転動作を継続することになるものである。

このような水車本体３の回転動作は、前記回転軸２に固設した鎖車９ａ、チェーン８ｃ及び発電機８の入力軸に固設した鎖車８ｂを介して該発電機８に伝達され、これを回転駆動する。こうして発電機８によって良好に発電動作が行われることになる。

本発明の発電機用水車装置は、発電機用水車装置の製造の分野又はこれを設置する分野等で有効に利用することができる。

１ 円形側板
２ 回転軸
３ 水車本体
４ 噴射水受け板
５ タンク部
５ａ タンク部本体
５ａ１ 内壁
５ａ２ 底壁
５ａ３ 外壁
５ｂ 排出部
５ｃ 導入部
６ 支持枠部
６ａ 包囲部材
６ａ１ 円板部
６ａ１１ 台座部
６ａ１２ ブラケット
６ａ２ 環状包囲部
６ａ２１ 挿入口
６ａ２２ 排水口
６ａ２ｐ ポケット
６ｂ 枠体
６ｂｂ ベース板
６ｂｃ 支柱部材
６ｂｈ 上横材
６ｂｌ 下横材
６ｂｘ 連結部材
７ 噴射水供給手段
７ａ 噴射管
７ｂ 摺動蓋体
８ 発電機
８ａ 台座板
８ｂ 鎖車
８ｃ チェーン
９ 出力部
９ａ 鎖車
１０ 排水管

Claims (3)

1. 一定間隔で平行に配した一対の円形側板及びそれらの軸心に固設した回転軸からなる水車本体と、
   前記水車本体の両円形側板の内側にそれらの周端に沿って全周に渡って連設した複数の噴射水受け板であって、該水車本体の上方から噴射導入される噴射水をその時点で上部に位置するそれに衝突させて該水車本体を対応する方向に回転させるべく配設した複数の噴射水受け板と、
   前記水車本体の両円形側板の内側の前記噴射水受け板より中心寄りの位置に全周に渡って連設した複数のタンク部であって、該水車本体の回転方向後方側にはその外周側の噴射水受け板から流下する水を導入する導入部を備え、該水車本体の回転方向前方側には、該水車本体の回転によって下方に移動した際に、導入した水を排出する排出部を備えた複数のタンク部と、
   前記水車本体を、その回転軸を介して回転自在に支持する支持枠部と、
   前記水車本体の上方で、前記両円形側板の内側に配した噴射水受け板であって、その時点で該水車本体の上部に位置する噴射水受け板に向かって噴射水を供給する噴射水供給手段と、
   前記水車本体の回転軸から発電機に回転力を伝達すべく構成した出力部と、
   で構成した発電機用水車装置。
2. 前記支持枠部は、前記水車本体をカバーする包囲部材と、該包囲部材を支持する枠体とで構成し、
   前記包囲部材は、前記水車本体の両円形側板側をカバーする両円板部と、該水車本体の周端部側をカバーする環状包囲部であって、上部の周方向一定の角度範囲に噴射管用の挿入口を開口し、かつ下部の一部に排水口を開口した環状包囲部とで構成し、
   前記水車本体の回転軸は、その両端を、それぞれ前記包囲部材の両円板部の軸心に開口した軸穴を通じて外方に突出させ、かつ該両円板部の外面側に固設したブラケットでそれぞれ回転自在に支持し、
   前記出力部は、前記回転軸の一端に構成し、
   前記噴射水供給手段は、前記環状包囲部の噴射管用の挿入口に挿入した噴射水供給用の噴射管であって、噴射水の噴射方向及び噴射位置を調整可能とした噴射管で構成した請求項１の発電機用水車装置。
3. 前記噴射水受け板の噴射水の受け面に多数の小突起を構成した請求項１又は２の発電機用水車装置。

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