JP6028244B2 - 水車装置、および水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水車装置、およびこの水車装置を用いて発電を行う水力発電装置に関する。

近年、再生可能エネルギーの普及が要請されており、小水力発電（マイクロ水力発電）についての関心が高まっている。小水力発電では、中小河川、用水路の他、家庭での雨水、水道、トイレの洗浄水等さまざまな水流を利用して発電を行うことができる。

また、小水力発電は、水源のある場所であれば設置が可能であるため、エネルギーの回収にも利用できる。具体的には、工場、高層ビル、病院等には、空調、用水、排水のために配管類が巡らされており、水や冷温水が高い位置から地下などの低い位置までの高低差において循環している。その落下時の水流によって羽根車を回転させ発電を行うことで、電力としてエネルギーを回収することができる。

このような小水力発電では、水流で水車装置を回転させ、この水車装置で発電機を駆動し、電力を得る。このような水力発電装置は、小さな水流でも効率的に発電を行えることが要望され、さらなる高効率化、小型化が求められる。

小水力発電に使用できる水力発電装置として、特許文献１は、上部円板の下側に設けた円筒部と、上記円筒部の下方に延設された円錐状のスカート部を有するケーシングと、上記ケーシング内に回転可能に配置された複数の羽根部が設けられた羽根車とにより構成されるものを開示する。
特開２０１２−３１７６７公報参照

しかしながら、従来の水車装置、および水力発電装置にあっては、必ずしも十分な効率を備えないし、また小型化も十分ではないという問題がある。

本発明は上述した課題にかんがみてなされたものであり、小型で、かつ高効率で発電ができる水車装置、および水力発電装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決する請求項１に記載の発明は、軸部材およびこの軸部材から放射方向に配置した複数のブレードを備える羽根車と、前記軸部材と同軸に形成され、内部に前記羽根車が回転自在に配置され、一端側から前記ブレードに向けて外部からの流体を流入させるとともに、他端側から前記羽根車を回転させた前記流体を外部に流出させるケースと、を備え、前記ブレードは、外縁線を前記一端側から前記他端側にむけて前記軸部材の回転軸からの距離が小さくなる形状とするとともに、前記回転軸に対して第１の角度で傾斜し、かつ前記回転軸からの放射方向に対して第２の角度で傾斜して前記軸部材に取り付けられており、前記ケースは、前記羽根車の周囲に配置される円錐台形の側面をなす側壁部、この側壁部の大径側底部を密閉するとともに前記回転軸を支持する鏡板、前記回転軸に対する垂直面に沿って配置され前記羽根車の回転軌跡の接線に沿って前記流体を前記ブレードに放出する給液管、および前記側壁部の小径部に配置され、前記羽根車の軸方向に沿って前記流体を排出する排液管を備えることを特徴とする水車装置である。

同じく請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水車装置において、前記ブレードは、前記軸部材の軸線に対して４５°の取付角をなし、前記放射方向に対して４５°の取付角をなすことを特徴とする。

同じく請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の水車装置において、前記軸部材が、円錐台形状であり、前記ブレードが４辺形の板状部材であり、その外縁の軌跡が前記ケースの側壁部内面に位置することを特徴とする。

同じく請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水車装置と、この水車装置で駆動する発電機と、を備えることを特徴とする水力発電装置である。

同じく請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の水力発電装置において、前記水車装置と発電機との間に減速機構を備えることを特徴とする。

同じく請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の水力発電装置において、前記鏡板と所定距離だけ離間して平行に配置するとともに前記発電機を取り付けた板状部材を備え、前記鏡板と前記板状部材との間に前記減速機構を配置したことを特徴とする。

同じく請求項７に記載の発明は、請求項５から請求項６までのいずれか一項に記載の水力発電装置において、前記減速機構が、発電機および水車にそれぞれ設けた２つのプーリーと、前記２つのプーリーに掛け渡した歯付ベルトとで構成することを特徴とする。

同じく請求項８に記載の発明は、請求項４から請求項７のいずれか一項に記載の水力発電装置において、前記発電機が直流発電機であることを特徴とする。

本発明によれば、水車装置、および水力発電装置を小規模水流から高い効率で電気エネルギーを得ることができるものとでき、しかも小型化することができる。

実施形態に係る水力発電装置を示す側面説明図である。 同水力発電装置の各装置の配置状態を示す平面説明図である。 同水車装置のケースを示す断面図である。 同水車装置の羽根車の軸部材を示す断面図である。 同水車装置のブレードを示す斜視図である。 同水車装置のブレードを示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

以下本発明を実施するための形態に係る水車装置、および水力発電装置について説明する。図１は実施形態に係る水力発電装置を示す側面説明図、図２は同水力発電装置の各装置の配置状態を示す平面説明図である。

実施形態に係る水力発電装置１００は、流体である水を受けて回転する水車装置２００と、発電機５００とを備える。水車装置２００および発電機５００は、減速機構６００を介して接続される。実施形態に係る水力発電装置１００では、発電機５００は、円形の取付板７１０に固定され、水車装置２００と取付板７１０とは長尺のボルト７２１および鞘管７２２で固定されている。減速機構６００は水車装置２００および取付板７１０の間に配置する。これにより、水車装置２００、発電機５００、減速機構６００を一体に組み合わせて構成する。

なお、この実施形態では流体として水を例として説明するが、流体としては水以外のものであっても良いし、流体は液体に限らず気体とすることができる。

水車装置２００は、ケース３００とこのケース３００内に回転可能に配置した羽根車４００とから構成する。まず、ケース３００について説明する。図３は実施形態に係る水車装置のケースを示す断面図である。ケース３００は、円錐台の側面を構成する側壁部３１０を備える。この側壁部３１０には、大径側の開口３１１と小径側の開口３１２とを備える。また、ケース３００は、側壁部３１０の大径側の開口３１１をふさぐ円板状の鏡板３２０と、側壁部３１０の大径側に配置した給液管である給水管３３０と、側壁部３１０の小径側の開口３１２に延設した排液管である排水管３４０とを備える。排水管３４０は、側壁部３１０と一体に形成する。

鏡板３２０は、その中央に羽根車４００を保持する軸受７５０を取り付ける穴部３５０を備える。また、側壁部３１０と鏡板３２０とは、金属リング７３０で固定する。この金属リング７３０は、前述のボルト７２１および鞘管７２２を用いることにより、側壁部３１０を鏡板３２０に押し付けられる。また、側壁部３１０と鏡板３２０との間には水密用のパッキン部材７４０を配置する。

給水管３３０は、内部で回転する羽根車４００の回転軌跡の接線方向から流水を供給するため、給水管３３０の軸ＯＩは羽根車４００の回転軸Ｏに対してねじれの位置に配置する（図１、図２参照）。なお、実施形態では、ケース３００の各部は、合成樹脂、金属などで作成することができる。

次に羽根車４００について説明する。まず軸部材４１０について説明する。図４は実施形態に係る水車装置の羽根車の軸部材を示す断面図である。軸部材４１０は、円錐台形の基部４１１と、この基部４１１の大径部から広がってのびるスカート部４１２とから構成される。軸部材４１０は、基部４１１およびスカート部４１２が例えば合成樹脂で一体に形成される。そして、ブレード４２０は、基部４１１およびスカート部４１２で一体に形成された軸部材４１０の側面に形成される。さらに、基部４１１の大径側端面には軸４３０が固定される。この軸４３０は、軸受７５０に取り付けられる他、減速機構６００をなす後述する大径のプーリー６１０が取り付けられる。

次に羽根車４００のブレード４２０について説明する。図５は同水車装置のブレードを示す模式図、図６は同水車装置のブレードを示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。ブレード４２０は、図１および図２に示すように、１２枚が軸部材４１０から放射状に配置される。ブレード４２０が回転したとき、各ブレード４２０の外側縁部の軌跡は円錐台４４０（図５、図６参照）の側面をなす、このブレード４２０の軌跡は、水流を効率的にブレードでとらえるため、ケース３００の側壁部３１０の内面と近接させることが望ましい。

次にブレード４２０の形状について説明する。なお、図５および図６では１枚のブレードだけを描いている。また、軸部材４１０はその輪郭だけを描き、さらにブレード４２０の厚さは表していない。ブレード４２０は、軸部材４１０の小径部４２１（中心Ｏ１）から大径部４２２（中心Ｏ２）にかけて配置された図中ａ、ｂ、ｃ、ｄで囲まれたほぼ四辺形状の板部材である。そして、ブレード４２０が回転したときの軌跡が基部４１１と、基部４１１の外側に位置する円錐台４４０との間の領域を占める。また、実施形態に係る羽根車４００は、ブレード４２０を湾曲させて、水流を効果的に補足できるようにしている。なお、このブレード４２０の幅方向の寸法、湾曲の程度は、水量、圧力等の条件により適宜変更できる。

そして、図５に示すように、ブレード４２０は、軸線Ｏ１−Ｏ２に対して傾斜角θとして４５°をなす。すなわち、ブレード４２０の小径部４２１側の起点ａと、大径部４２２側の起点ｂとを結ぶ線ａｂの面ＢＣＤＥ（軸Ｏ１−Ｏ２を含み、半径Ｏ１ａと直角な面）への投影線Ｏ１Ａが軸Ｏ１−Ｏ２との傾斜角θが４５°をなすようにする（図５参照）。

またブレード４２０は、放射方向（図中Ｒ１、Ｒ２）に対して傾斜角φ（線分ａｂ、線分ｃｄがＲ１、Ｒ２となす角）を４５°としている。なお、これらの傾斜角θ、φの値は水量、圧力等の条件により適宜選択することができる。

このような構成を備える水車装置２００にあっては、給水管３３０からの水が側壁部３１０で絞られつつ羽根車４００を通過し、通過する水は効果的にブレード４２０に補足され羽根車４００を高い効率で回転させる。このため、少量で小圧力の水でも効率よく羽根車４００を回転させることができる。

次に発電機５００について説明する。実施形態で使用する発電機５００としては、１２ボルトで駆動する直流モーターを使用している。そして、この発電機５００を適正回転数で回転させるため、水車装置２００と発電機５００の間に減速機構６００を配置している。減速機構６００は、大小２つのプーリー６１０、６２０と、このプーリー６１０、６２０に掛け渡した歯付ベルト６３０とで構成する。なお、減速機構として、歯車装置など他の機構を用いることができる。

大径のプーリー６１０を軸部材４１０の軸４３０に取り付け、小径のプーリー６２０を発電機５００の軸５１０に取り付けた。減速機構６００の減速比は水車装置２００の回転数と発電機５００の仕様によって定める。なお、発電機としては、交流発電機等他の発電機を適宜使用することができる。

＜実施例＞
水力発電装置１００として以下のものを作成して実験をおこなった。ケース３００の側壁部３１０、鏡板３２０、給水管３３０、排水管３４０を厚さ５ｍｍのアクリル樹脂製とした。また、ケース３００の鏡板３２０の直径を約１９０ｍｍ、給水管３３０の内径を３０ｍｍ、排水管３４０の内径を７７ｍｍ、ケース３００の軸方向の寸法を約１２０ｍｍとした。

また、羽根車４００のブレード４２０は、短辺部ａｂ間の幅寸法は約２０ｍｍ、長辺部ｂｄの直線寸法は約１００ｍｍ、厚さ寸法約１０ｍｍに形成されている。

発電機としてブラシ付きＤＣモーター（澤村電気工業製、ＳＳ３２Ｇ：出力１４Ｗ、１２Ｖ、２５００ＲＰＭ）を使用した。また、減速機構６００の減速比を１／５とした。実施例に係る水力発電装置１００を用いて水道で発電を行ったところ良好な結果を得た。

なお、本発明は前述した実施形態、実施例には限定されず、ケース、羽根車の材質、大きさ、形状は適宜変更することができる。また、発電機は上述した直流発電機の他、交流発電機など他の発電機を使用することができる、

以上説明したように、実施形態に係る水力発電装置１００は、小型化でき、かつ小規模の水流により高効率で発電を行うことができる。このため、上水道、下水道、農業用水路、その他の水路に配置して、電気エネルギーを得ることができる。また、水力発電装置１００を複数段にわたり設置することができ、この場合さらに大きな電気エネルギーを得ることができる。

１００：水力発電装置
２００：水車装置
３００：ケース
３１０：側壁部
３１１：開口
３１２：開口
３２０：鏡板
３３０：給水管
３４０：排水管
３５０：穴部
４００：羽根車
４１０：軸部材
４１１：基部
４１２：スカート部
４２０：ブレード
４３０：軸
４４０：円錐台
５００：発電機
５１０：軸
６００：減速機構
６１０、６２０：プーリー
６３０：歯付ベルト
７１０：取付板
７２１：ボルト
７２２：鞘管
７３０：金属リング
７４０：パッキン部材
７５０：軸受

Claims (8)

1. 軸部材およびこの軸部材から放射方向に配置した複数のブレードを備える羽根車と、
   前記軸部材と同軸に形成され、内部に前記羽根車が回転自在に配置され、一端側から前記ブレードに向けて外部からの流体を流入させるとともに、他端側から前記羽根車を回転させた前記流体を外部に流出させるケースと、を備え、
   前記ブレードは、外縁線を前記一端側から前記他端側にむけて前記軸部材の回転軸からの距離が小さくなる形状とするとともに、前記回転軸に対して第１の角度で傾斜し、かつ前記回転軸からの放射方向に対して第２の角度で傾斜して前記軸部材に取り付けられており、
   前記ケースは、前記羽根車の周囲に配置される円錐台形の側面をなす側壁部、この側壁部の大径側底部を密閉するとともに前記回転軸を支持する鏡板、前記回転軸に対する垂直面に沿って配置され前記羽根車の回転軌跡の接線に沿って前記流体を前記ブレードに放出する給液管、および前記側壁部の小径部に配置され、前記羽根車の軸方向に沿って前記流体を排出する排液管を備える、
   ことを特徴とする水車装置。
2. 前記ブレードは、前記軸部材の軸線に対して４５°の取付角をなし、前記放射方向に対して４５°の取付角をなすことを特徴とする請求項１に記載の水車装置。
3. 前記軸部材が、円錐台形状であり、前記ブレードが４辺形の板状部材であり、その外縁の軌跡が前記ケースの側壁部内面に位置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水車装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水車装置と、この水車装置で駆動する発電機と、を備えることを特徴とする水力発電装置。
5. 前記水車装置と発電機との間に減速機構を備えることを特徴とする請求項４に記載の水力発電装置。
6. 前記鏡板と所定距離だけ離間して平行に配置するとともに前記発電機を取り付けた板状部材を備え、前記鏡板と前記板状部材との間に前記減速機構を配置したことを特徴とする請求項５に記載の水力発電装置。
7. 前記減速機構が、発電機および水車にそれぞれ設けた２つのプーリーと、前記２つのプーリーに掛け渡した歯付ベルトとで構成することを特徴とする請求項５から請求項６のいずれか一項に記載の水力発電装置。
8. 前記発電機が直流発電機であることを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか一項に記載の水力発電装置。