JP2008169734A - 水動力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水面落差が比較的小さな水路においても、比較的大きな出力を安定して供給可能であって、水撃波に起因する動作不良が発生し難い水動力装置を提供する。
【解決手段】水動力装置１０は、水路１１内の水流Ｒの水位の上下変動に応じて昇降するフロート１４と、フロート１４の昇降に連動して水路１１内で起伏するように配置された左右２本のアーム部材１５と、フロート１４の昇降に連動して上縁部１２ａが昇降する状態で水路１１内に配置された可撓性を有する遮水調整シート１２と、遮水調整シート１２の下縁部１２ｂをアーム部材１５上の一定位置に保持する保持手段であるワイヤ１６と、フロート１４の昇降に連動して昇降可能に配置され越流堤体２１を越流する水流Ｒ１で回転する水車１３と、を備えている。水路１１の底盤１１ｂ上面に複数の下部整流板３１が配置され、フロート１４の下面には複数の上部整流板３２が配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は農業用水路、排水路などの水路の流水を利用して動力を取り出すことのできる水動力装置に関する。

日本全国に配備されている農業用水路は、その幹線水路の総延長だけでも約４５０００ｋｍの長さに達し、地球を一周する以上の長さがあるといわれている。従来、日本各地では、農業用水路や排水路などの各種水路内の流水から動力を取り出す手段として水車が利用されてきた。しかしながら、従来の水車は水路勾配により流下する水勢を水車の回転力に活用する方式であり、水路内流速をそのまま受動して水車を回転させていたので、流水量が減少すると、性能が低下することがあった。そこで、近年は、水路内の流水量の増減に対応できるものが提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。

特許文献１記載の水動力装置（水力利用装置）は、水路の上流側の貯留水量が所定値以下になると流水路を堰き止め、前記流水量が所定値に達すると流水路を開く堰き止め手段と、流水エネルギを動力に変換するために堰き止め手段の下流側に設けられた動力変換手段（水車）とを備えている。そして、貯留水量が一定以上に増加すると下流に放水して、水路上流側の貯留水によって発生する水面落差を一定に保持することにより、流下量を調整している。従って、流水量の少ない水路であっても、流入水を効率的に使用することができる。

一方、特許文献２記載の水動力装置（除塵装置）は、水路内の流水の水位変化に対応して昇降する水車を備えているため、水位が変化しても水車は常に適切な位置に保たれ、安定した回転を得ることができる。

特開平１１−２５６５５５号公報 特開２００１−２１４４２３号公報

特許文献１，２に記載されている水車は、水路内の流水の水面落差をそのまま利用して回転する方式であるため、水面落差が大きい水路に設置した場合は大きな出力を得ることができるが、水面落差が小さい水路においては必要な出力が得られないことがある。従って、平野部に構築される農業用水路のように水面落差が比較的小さな水路に前記水車を設置した場合、動力源として利用できないことがある。また、特許文献１，２記載の水車は、水路内の流水が増水したときに水没して回転数が低下したり、回転不能となったりするなどの動作不良が生じる可能性がある。さらに、水路内に乱流が発生すると、水撃波によって水車の回転不調などの動作不良が発生することもある。

本発明が解決しようとする課題は、水面落差が比較的小さな水路においても、その水路内で利用可能な水面落差の範囲内で比較的大きな出力を安定して供給可能であり、水撃波に起因する動作不良が発生し難い水動力装置を提供することにある。

本発明の水動力装置は、水路内の水位の上下変動に応じて昇降するフロートと、前記フロートの昇降に連動して前記水路内で起伏するアーム部材と、前記フロートの昇降に連動して上縁部が昇降する状態で前記水路内に配置された可撓性を有する遮水調整シートと、前記遮水調整シートの下縁部を前記アーム部材上の一定位置に保持する保持手段と、前記フロートの昇降に連動して昇降可能に配置され前記遮水調整シートを越流する水流で回転する水車と、を備え、
前記水車より下流側の前記水路の底面、前記フロートの下面の少なくとも一方に、整流部材を配置したことを特徴とする。

このような構成とすれば、上縁部がフロートの昇降に連動して昇降するとともに下縁部がアーム部材上の一定位置に保持された状態で水路内に配置された遮水調整シートによって流水が堰き止められるため、水路内に水面落差が形成され、この水面落差によって遮水調整シートを越流する水流が発生する。従って、この越流水で回転する水車により動力を取り出すことができる。水路内を流れる流水を遮水調整シートで堰き止めることによって形成される水面落差を利用して水車を回転させるので、水面落差が比較的小さな水路においても比較的大きな出力を供給することができる。

また、水路内の水位の上下変動に応じて昇降するフロートにより、水車および遮水調整シートの上縁部が自動的に昇降するため、水路内の水位が上下変動しても、略一定の水面落差が形成され、水車は略一定の状態で回転する。従って、水路内の流水量が増減しても安定した出力を得ることができる。

さらに、前記水車より下流側の前記水路の底面、前記フロートの下面の少なくとも一方に、整流部材を配置しているため、水路内の水流方向、流量の変化に伴って乱流が発生するのを回避することができる。従って、乱流に起因する水撃波によって装置が揺れたり、振動したりせず、動作不良が発生し難いものとなる。

ここで、前記整流部材を、前記フロートの下面と、前記フロートの下面と対向する前記水路の底面とに配置することが望ましい。このような構成とすれば、乱流の発生しやすい場所に整流部材が位置することとなるため、優れた乱流抑制作用を得ることができる。

一方、前記整流部材として、前記水路の水流方向と平行に整流板を配置することが望ましい。このような構成とすれば、比較的簡素な部材でありながら、安定した乱流抑制作用を得ることができる。

この場合、前記整流板を互いに平行をなす状態で複数配置することが望ましい。このような構成とすれば、優れた乱流抑制作用を維持しながら、流下物が引っ掛かったり、土砂の堆積を誘発したりするのを防ぐことができる。

本発明により、水面落差が比較的小さな水路においても、比較的大きな出力を安定して供給可能であって、水撃波に起因する動作不良が発生し難い水動力装置を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態である水動力装置の概略構造を示す一部切欠斜視図、図２は図１に示す水動力装置の垂直断面図、図３は図１に示す水動力装置の平面図、図４は図２の一部拡大図、図５は図１における矢線Ａで示す部分の拡大図である。

図１〜図５に示すように、水動力装置１０は、対向配置された左右一対の側壁１１ａ，１１ａおよび底盤１１ｂで形成された水路１１内を矢線Ｓ方向に流れる水流Ｒの一部を遮水調整シート１２で堰き止め、この遮水調整シート１２の上縁部１２ａ上方に配置された越流堤体２１を越流する水流Ｒ１によって水車１３を回転させて動力を取り出す装置である。

水動力装置１０は、水路１１内の水流Ｒの水位の上下変動に応じて昇降するフロート１４と、フロート１４の昇降に連動して水路１１内で起伏するように配置された左右２本のアーム部材１５と、フロート１４の昇降に連動して上縁部１２ａが昇降する状態で水路１１内に配置された可撓性を有するシート状の遮水調整シート１２と、遮水調整シート１２の下縁部１２ｂをアーム部材１５上の一定位置に保持する保持手段であるワイヤ１６と、フロート１４の昇降に連動して昇降可能に配置され越流堤体２１を越流する水流Ｒ１で回転する水車１３と、を備えている。

左右一対の側壁１１ａ，１１ａの上方にはそれぞれ取付部材１７が立設され、フロート１４を昇降可能に吊下保持する左右２本の傾動アーム１８の上端部がそれぞれ取付部材１７に回動可能に軸支され、水車１３を昇降可能に吊下保持する左右２本の傾動アーム１９の上端部が取付部材１７上に設けられた回転軸２９に回動可能に軸支されている。また、水車１３の両端部はそれぞれ左右２本の傾動アーム１９に回動自在に軸支され、傾動アーム１９の下端部と傾動アーム１８の下端部とはそれぞれ左右のサイドアーム２０によって連結されている。従って、左右の側壁１１ａ，１１ａ部分においては、傾動アーム１８，１９およびサイドアーム２０によってそれぞれ四節リンク機構が形成されている。

また、左右二つのサイドアーム２０の間において水車１３直下より水路１１上流寄りの部分には、越流堤体２１が水路１１を横断する方向に配置され、越流堤体２１の下方に、遮水調整シート１２の上縁部１２ａが係止されている。越流堤体２１における水車１３との対向面には、水車１３の外周に近似した曲率の凹曲面２１ａが設けられている。

２本のアーム部材１５の上流側端部はそれぞれ、水路１１の底盤１１ｂ上の側壁１１ａ寄りの位置に回動自在に軸支され、アーム部材１５の下流側端部とサイドアーム２０とは昇降アーム２２によって連結されている。遮水調整シート１２の上縁部１２ａは断面Ｌ字状の係止部材２３によって越流堤体２１の下方に係止され、遮水調整シート１２の下縁部１２ｂは断面Ｌ字状の係止部材２４を介してアーム部材１５上に係止されている。

図４，図５に示すように、アーム部材１５の支軸１５ａから離れた位置に係止部材２４を係止することにより、遮水調整シート１２の下縁部１２ｂを支軸１５ａから離れた位置に配置しているため、水路１１の底盤１１ｂと遮水調整シート１２の下縁部１２ｂとの間には、フロート１４の昇降に連動して開閉する開口部２８が形成される。本実施形態では、係止部材２４をアーム部材１５上の一定位置に保持するため、後述する自動開放装置２５の巻取部材２５ａおよび滑車２６，２７を介して水路１１上流側に向かって張設されたワイヤ１６の先端部が係止部材２４のフック２４ａに接続されている。また、図２に示すように、水車１３より下流側の水路１１の底面（底盤１１ｂの上面）には下部整流板３１が配置され、フロート１４の下面には上部整流板３２が配置されている。

一方、図１，図２，図４に示すように、傾動アーム１９の上端部を軸支する回転軸２９の延長上には水車１３の回転力を動力として取り出すためのスプロケット３０が設けられている。本実施形態では、水車１３の回転力はチェーン（図示せず）によってスプロケット３０に伝達されるため、このスプロケット３０の回転力を動力源として利用することができる。

次に、図６〜図８に基づいて、水動力装置１０の稼働状況について説明する。図６は水動力装置１０の高水位状態における稼働状況を示す垂直断面図、図７は水動力装置１０の低水位状態における稼働状況を示す垂直断面図である。

図６に示すように、水路１１内の水流Ｒが高水位状態にあるとき、フロート１４の浮力により上縁部１２ａおよび下縁部１２ｂがそれぞれ一定位置に固定された遮水調整シート１２によって水流Ｒが堰き止められるため、水路１１内に水面落差ｈ１が形成され、この水面落差ｈ１によって遮水調整シート１２上方にある越流堤体２１を越流する水流Ｒ１が発生する。この水流Ｒ１は水車１３の外周と越流堤体２１の凹曲面２１ａとの間を流下し、水車１３を回転させる。

図６に示す状態において、昇降アーム２２によってアーム部材１５は傾斜状態に保たれているため、アーム部材１５上に保持された遮水調整シート１２の下縁部１２ｂと水路１１の底盤１１ｂとの間の開口部２８は開状態にある。このため、水流Ｒの一部はこの開口部２８を通過して流下することとなり、水車１３の上流側の水位が必要以上に高まるのを防止することができる。また、この状態で水流Ｒの水位変化によりフロート１４が昇降すると、アーム部材１５が起伏して傾斜角度が変化することにより開口部２８の面積が増減して、開口部２８の通水量が増減するため、高水位状態における水位変動に対応することができる。

一方、図７に示すように、水路１１内の水流Ｒが低水位状態になると、フロート１４および水車１３が下降するが、この状態においても遮水調整シート１２によって水流Ｒが堰き止められるため、水路１１内に水面落差ｈ２が形成され、この水面落差ｈ２によって越流堤体２１を越流する水流Ｒ１によって水車１３が回転する。図７に示す程度までフロート１４が下降すると、サイドアーム２０とアーム部材１５とを連結する昇降アーム２２の働きによりアーム部材１５が水平状態に近づき、遮水調整シート１２の下縁部１２ｂが水路１１の底盤１１ｂに接近する。これにより、開口部２８が狭まり、通水量が減少するため、遮水調整シート１２の上流側の水位を高く維持することができる。また、この状態で水流Ｒの水位変化によりフロート１４が昇降すると、アーム部材１５が起伏して傾斜角度が変化することにより開口部２８の面積が増減して、開口部２８の通水量が増減するため、低水位状態における水位変動にも対応することができる。

なお、図５に示すように係止部材２４の両端部には、アーム部材１５を嵌入させるための切欠部２４ｂを設けることにより、アーム部材１５の下面と係止部材２４の下縁部とは略同一面をなすように配置されている。このため、水位が大幅に下がってアーム部材１５が水平状態になると、係止部材２４の下縁部が水路１１の底盤１１ｂに当接して開口部２８が完全に閉止され、通水不能となる。

このように、水路１１内を流れる水流Ｒ１を遮水調整シート１２で堰き止めることによって形成される水面落差ｈ１，ｈ２を利用して水車１３を回転させるので、緩勾配で水面落差が小さな水路１１においても大きな出力を供給することができる。また、水路１１内の水流Ｒの水位の上下変動に応じて昇降するフロート１４により、水車１３および遮水調整シート１２の上縁部１２ａが自動的に昇降するため、水路１１内の水位が上下変動しても、略一定の水面落差ｈ１，ｈ２が形成され、水車１３は略一定の状態で回転する。従って、水路１１内の流水量が増減しても安定した出力を得ることができる。

前述したように、遮水調整シート１２の下縁部１２ｂは、フロート１４の昇降に連動して起伏するアーム部材１５上の一定位置に保持されているため、水路１１内の水位の上下変動に応じて遮水調整シート１２の下縁部１２ｂも昇降する。このため、水路１１の底盤１１ｂと遮水調整シート１２の下縁部１２ｂとの間に形成される開口部２８は水路１１内の水位の上下変動に応じて開閉し、当該開口部２８の通水量は自動的に増減する。従って、増水時は開口部２８が拡がって通水量が増大することにより、遮水調整シート１２の上流側の水位の異常上昇が抑制されるため、水車１３の水没に起因する動作不良を回避することができる。

一方、図２に示すように、アーム部材１５には昇降アーム２２との連結位置を変更するための複数の連結孔１５ｂが開設され、昇降アーム２２にはフロート１４との連結位置を変更するための複数の連結孔２２ａが形成されている。従って、これらの連結孔１５ｂ，２２ａを選択することにより、開口部２８の面積あるいは開閉動作に伴う開口面積の変化率を変更することができる。このため、水動力装置１０を水路１１に設置する際に、設置現場の流水量に応じた設定をすることができる。

また、水動力装置１０においては、遮水調整シート１２の下縁部１２ｂをアーム部材１５上の一定位置に保持する手段として、遮水調整シート１２の下縁部１２ｂに取り付けられた係止部材２４に係止され、水路１１の上流側に張設されたワイヤ１６を設けている。このため、水路１１内の水流Ｒを妨げることなく、比較的簡素な機構でありながら、安定した保持機能を得ることができる。また、ワイヤ１６を巻き取ったり、繰り出したりするだけで、アーム部材１５に対する遮水調整シート１２の下縁部１２ｂの保持位置を容易に変更することができる。なお、ワイヤ１６の代わりに、チェーン、ロープ、紐、針金などを使用することもできる。

さらに、水路１１内の水流Ｒの水位が設定値を超えると、遮水調整シート１２の遮水機能を喪失させる水路開放機構として、自動開放装置２５を設けている。集中豪雨などにより水路１１内の流水量が異常に増大すると、側壁１１ａに設けられた取水口２５ｂ内の水位センサ（図示せず）がそれを検知してワイヤ１６の保持機能を解除するので、自動開放装置２５からワイヤ１６が繰り出され、遮水調整シート１２の下縁部１２ｂがアーム部材１５から離脱して遮水機能を喪失する。これによって、水路１１は広く開放されるため、水路１１からの溢水を回避することができる。

本実施形態では自動開放装置２５を設けているため、比較的簡素な機構でありながら、確実に遮水調整シート１２の遮水機能を喪失させ、水路１１を開放することができる。また、水路１１内の流水量が平常に戻ったときは、自動開放装置２５によってワイヤ１６を巻き取って係止部材２４をアーム部材１５上の元の位置に戻せば良いので、遮水調整シート１２の復帰作業も容易である。

次に、図６，図８に基づいて、水動力装置１０を構成する下部整流板３１および上部整流板３２について説明する。図８は図６のＸ−Ｘ線における一部省略断面図である。

図６，図８に示すように、水車１３より下流側の水路１１の底面（底盤１１ｂの上面）に複数の下部整流板３１が配置され、フロート１４の下面に複数の上部整流板３２が配置されている。下部整流板３１および上部整流板３２はそれぞれ水路１１の水流方向と平行をなし、且つ互いに平行をなす状態で配置されている。

下部整流板３１および上部整流板３２を配置したことにより、水路１１内の水流方向、流量の変化に伴って乱流が発生するのを回避することができるため、乱流に起因する水撃波によってフロート１４あるいは水動力装置１０全体が揺れたり、振動したりしない。このため、水車１３の回転不調などの動作不良も発生し難い。

上部整流板３２はフロート１４の下面に配置され、下部整流板３１は、水路１１の底盤１１ｂにおいてフロート１４の下面と対向する上面部分に配置されている。従って、下部整流板３１および上部整流板３２は乱流の発生しやすい場所に位置することとなり、優れた乱流抑制作用を得ることができる。

また、下部整流板３１および上部整流板３２はいずれも水路１１の水流方向と平行に配置されているため、比較的簡素な部材でありながら、安定した乱流抑制作用を得ることができる。さらに、複数の下部整流板３１および上部整流板３２は互いに平行をなす状態で配置されているため、優れた乱流抑制作用を維持しながら、流下物が引っ掛かったり、土砂の堆積を誘発したりするのを防ぐことができる。

本発明の水動力装置は、水力発電機、水路内の除塵装置あるいは揚水ポンプなどの動力源として広く利用することができる。

本発明の実施の形態である水動力装置の概略構造を示す一部切欠斜視図である。 図１に示す水動力装置の垂直断面図である。 図１に示す水動力装置の平面図である。 図２の一部拡大図である。 図１における矢線Ａで示す部分の拡大図である。 図１に示す水動力装置の高水位状態における稼働状況を示す垂直断面図である。 図１に示す水動力装置の低水位状態における稼働状況を示す垂直断面図である。 図６のＸ−Ｘ線における一部省略断面図である。

符号の説明

１０ 水動力装置
１１ 水路
１１ａ 側壁
１１ｂ 底盤
１２ 遮水調整シート
１２ａ 上縁部
１２ｂ 下縁部
１３ 水車
１４ フロート
１５ アーム部材
１５ａ 支軸
１５ｂ，２２ａ 連結孔
１６ ワイヤ
１７ 取付部材
１８，１９ 傾動アーム
２０ サイドアーム
２１ 越流堤体
２１ａ 凹曲面
２２ 昇降アーム
２３，２４ 係止部材
２４ａ フック
２４ｂ 切欠部
２５ 自動開放装置
２５ａ 巻取部材
２５ｂ 取水口
２６，２７ 滑車
２８ 開口部
２９ 回転軸
３０ スプロケット
３１ 下部整流板
３２ 上部整流板
Ａ，Ｓ 矢線
ｈ１，ｈ２ 水面落差
Ｒ，Ｒ１ 水流

Claims (4)

1. 水路内の水位の上下変動に応じて昇降するフロートと、前記フロートの昇降に連動して前記水路内で起伏するアーム部材と、前記フロートの昇降に連動して上縁部が昇降する状態で前記水路内に配置された可撓性を有する遮水調整シートと、前記遮水調整シートの下縁部を前記アーム部材上の一定位置に保持する保持手段と、前記フロートの昇降に連動して昇降可能に配置され前記遮水調整シートを越流する水流で回転する水車と、を備え、
   前記水車より下流側の前記水路の底面、前記フロートの下面の少なくとも一方に、整流部材を配置したことを特徴とする水動力装置。
2. 前記整流部材を、前記フロートの下面と、前記フロートの下面と対向する前記水路の底面とに配置したことを特徴とする請求項１記載の水動力装置。
3. 前記整流部材として、前記水路の水流方向と平行に整流板を配置したことを特徴とする請求項１または２記載の水動力装置。
4. 前記整流板を互いに平行をなす状態で複数配置したことを特徴とする請求項３記載の水動力装置。

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