JP2013170512A - 水車装置及び水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水車の小規模化と発電効率を向上の双方を満足できる水車装置及び水力発電装置の提供。
【解決手段】 上下略一列に配置した交互に回転方向が異なる複数の水車５と、各水車５の上位から下位に至る円弧状の外周を受圧領域４として連結してなる蛇行水路１７と、複数の水車５の回転軸５ａから回転力を取り出し出力する動力伝達手段７を備える水車装置及び水力発電装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水車装置及び水力発電装置の構造に関し、特に、水車の小規模化を達成できる技術に関する。

既存の水車として、専ら水の位置エネルギーを利用する重力型水車（上掛式水車）、専ら水の速度を利用する衝動型水車（ペルトン水車）、及び水の圧力と速度の両方を利用する反動型水車（フランシス水車）などが紹介されているが、本願は、上掛式水車の新しい構造を提供するものである。

従来の上掛式水車は、開放型で設置が可能であり低落差でも利用できる他、景観形成にも有効であるとの利点がある反面、大構造物であるが故に、その構造を維持するための強度と、それが存在するための広いスペースが必要であるなどの問題があった。
加えて、水車自身の質量が大きいために、軸受などによる機械損失が大きく、当該質量と機械損失の大きさとが相俟って、実質的な発電効率と、水車に導入した水の有効利用の点で劣るという問題が指摘されていた。

そこで、発電機に用いる回転力を得るについて、水車に導入した水の有効利用を図るべく、水の落下地点から水車の下端部までの間に水車の外周に沿った案内溝を設けることによって、水の落下地点から水車の下端部までの間の羽根に確実に水を保持させる構造が与えられた水車装置が案出され、例えば下記特許文献に紹介されている。

特開２００３−２１４３１１号公報

しかしながら、当該手段では、水車に導入した水の有効利用には寄与するものの、上掛式水車の利点である景観形成への有効さが失われ、水車自身が大規模である点も解消されない。これでは機械損失を大幅に軽減することは叶わず、強度や所要スペースの面での課題を解決することも叶わなかった。
逆に、案内溝の存在によって全体の構造規模がこれまでに増して大規模となり、所要スペースを確保することが課題ともなる。

本発明は上記実情に鑑みて成されたものであって、水車の小規模化と回転数又はトルクの効率の良い取り出し、及び発電効率を向上のいずれも満足できる水車装置及び水力発電装置の提供を目的とする。

上記課題を解決する為になされた本発明による水車装置は、上下一列又は複数列に配置した複数の水車と、各水車の上位から下位に至る略円弧状の外周を受圧領域として連結してなる一連の蛇行水路と、複数の水車の回転軸から回転力を取り出し出力する動力伝達手段を備えることを特徴とする。

上記基本的態様を踏まえて、上下一列又は複数列に配置した交互に回転方向が異なる複数の水車と、各水車の上位から下位に至る略円弧状の外周を左右交互に受圧領域として連結してなる一連の蛇行水路を備えることを特徴とする水車装置として構成することも可能であり、水車から所望の回転数又はトルクを取り出すべくその回転数を調整する増速手段を備えた構成を採ることができる。また、複数の水車の回転軸から一括して単一の回転数を取り出すべく、前記動力伝達手段に水車装置の態様に応じた同期手段を設けても良い。
これらの水車装置を用いて、更に、前記水車の回転軸から取り出した回転力を電力に変換する発電機を備える水力発電装置として構成することも可能である。

本発明によれば、従来の上掛式水車より、水車の径を小さくできるため、全体としてコンパクトな構造となり、設置場所を採らないという利点がある。また、水車一つあたりの水の保持量が少なくなるので、軸受の摩擦による消耗を軽減できるという利点や、落差が大きい段部等において、水が落下する際に生じる騒音を軽減できるという利点がある。

導水路の底から取水する構造を採ることによって、枯葉や枝などの水に浮く物体が取水口に留まることなく通過し、豪雨などで増水したとしても影響を受けにくい構造と言える他、水車の径、幅、若しくは個数を、立地その他の条件に応じて設計変更できるので、条件に応じて最も効率の高い構成を選択できるという利点がある。これは、本発明による水車装置を発電に用いる場合においても、自然・景観確保の観点から極めて有利な利点である。

本発明による水車装置及び水力発電装置の一例を示す水車部の側面図である。 本発明による水車装置及び水力発電装置の一例を示す水車部の正面図である。 本発明による水車装置及び水力発電装置の動力伝達手段の一例を示す側面図である。 （Ａ）：本発明による上掛式水車装置の一例を示す側方から観た概略図、（Ｂ）：本発明による水車装置（又は水力発電装置）における受圧領域の一例を示す側方から観た概略図、（Ｃ）：従来の上掛式水車装置の一例を示す側方から観た概略図、（Ｄ）：従来の上掛式水車装置における受圧領域の一例を示す側方から観た概略図である。 本発明による水車装置の一例（軸方向取水一列型）を示す水車部の（Ａ）：側面図及び（Ｂ）：正面図、並びに他の水車装置の例（軸方向取水並列型）を示す水車部の（Ｃ）：側面図及び（Ｄ）：正面図である。 本発明による水車装置の一例（傾斜型）を示す水車部の（Ａ）：側面図及び（Ｂ）：正面図、並びに他の水車装置の一例（堰堤内設置型）を示す水車部の（Ｃ）：側面図である。 本発明による水車装置及び水力発電装置の実施態様例を示す説明図である。 ｈ／２ｒに対する水車効率の段数による相異を示したグラフである。

以下、本発明による水車装置及び水力発電装置の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１に示す例は、本発明による水車装置及び水力発電装置を河川の堰堤１に設置する垂直配置の実施の形態を示したものである。

当該例は、流水を水車装置へ導くための導水路２を、堰堤１の上縁において低位となる様に設定された溢流堤１ａに連続して設定し、当該導水路２の底の一部に取水口３を設け、当該取水口３から水車装置の受圧領域４に水を取り入れるタイプのものである。

当該例における水車装置は、水車５を支持した水車室６と、当該水車室６における各水車５の回転軸５ａから回転力を取り出す動力伝達手段７を収めた動伝室８とからなり、更に、回転軸５ａから取り出した回転力の回転数又はトルクを所望の回転数又はトルクに調整する増速手段９と、その回転力を電気エネルギーに変換させる発電機１０を収めた発電室１１を付設して水力発電装置を構成する。当該例における発電室１１は、水車室６の上位であって、且つ導水路２の上位に設置し、動伝室８は、水車室６と発電室１１の側方を連通する形で設ける。

当該例における動力伝達手段７は、各水車５の回転軸５ａにスプロケット１２を固定すると共に、前記増速手段９の受動軸１３にスプロケット１２を固定し、全てのスプロケット１２に、一条の無端チェーン又は無端（Ｖ）ベルトを掛け、又は歯車連結を施したもの（以下、無端ベルト等１４と記す）である。
当該例における水車装置は、上下略一列に配置した複数の水車５の回転方向が一段毎に反転する構成（図４（Ａ））であることから、無端ベルト等１４を掛ける側を一段毎に左右へ変更することになり（図３参照）、複数の水車５の全ての回転方向が同じである場合には、無端ベルト等１４を掛ける側が一定に定まることとなる。

前記動力伝達手段７は、複数の水車５の回転軸５ａの回転を一条の無端ベルト等１４で取り出すべく同期させる同期手段１５を備える（図２及び図３参照）。

当該例における前記同期手段１５は、一括して回転力を取り出す対象となる全ての水車５の回転軸５ａに固定したスプロケット１２と、それらを結び付ける無端ベルト等１４で構成され、一括して回転力を取り出す対象となる全ての水車５について、各水車５の径と、その回転軸５ａに固定されたスプロケット１２の径の比を一定としたものである。
これは、無端ベルト等１４の走行速度は、水車室６内の水路（後記蛇行水路１７）を流通する水流の速度（水車の回転速度（数１参照））に比例することによる。
尚、図３の例にあっては、全ての水車５の径が等しいので、全ての水車５の回転軸５ａに固定したスプロケット１２の径が等しい。

当該例における水車室６は、直方体状の箱に、三つの水車５を各水車５の回転軸５ａを平行に配置する状態で上下三段に収納し、前記取水口３の下方に導水路２を下支えする形で設置したものである（図１参照）。

各水車５は、上下略一列に配置され、交互に回転方向が異なる様に向きが設定されている。
各水車５における回転方向の上位から下位に至る半円弧状の外周は、各水車５の全幅に亘って左右交互に水車５と等間隔を保って覆う略半筒状のガイド１６に覆われ、各水車５の表面と各ガイド１６との間隙に受圧領域４を形成する。各水車５の側方に形成された受圧領域４は、各ガイド１６の切れ目１６ａを介して相互に連通し、各水車５における回転方向の上位から下位に至る受圧領域４を連結した一連の蛇行水路１７を構成する（図４（Ｂ）参照）。

従って、取水口３の位置、形状、及び範囲、各水車５の間隔、受圧領域４の半径方向の深さｈ、並びに受圧領域４を構成する各ガイド１６の切れ目１６ａの位置及び範囲は、例えば、半円弧等の受圧領域４が連続する様な（図５（Ｂ）参照）、流れの方向転換によって水勢を損なわない滑らかな蛇行水路１７が形成される様に設定する。
蛇行水路１７の幅は、目的に応じた仕様（例えば、水力発電装置の仕様等）とし、導水路２の全幅に亘るものでも良いし、その一部の幅であっても良いが、水車５の幅との関係では、水車５の全幅に亘るものであることが合理的である。

各水車５における反回転方向の下部は、最下段を除き、前記水車室６の内部において蛇行水路１７から離脱した水を下位の受圧領域４に戻す水受け１６ｂを、各水車５が担当する段におけるガイド１６の切れ目へ向けた傾斜を与えて設定する。

上記の如く水車装置を具備した水力発電装置を構成し、仮に、半径：ｒの単一水車（落差：２ｒ，半径方向の深さ：ｈ）による場合と、半径：ｒ_ｋ＝ｒ／ｋのｋ連水車（落差：２ｒ，半径方向の深さ：ｈ）とで、水の受入体積、単位時間当たりの回転数を比較し理論値を算出した。結果は以下の通り、単一水車より少ない体積の水受入量で、単一水車のｋ倍の回転数を取り出すことができる。

尚、蛇行水路１７を通過する水の流速は以下の通りである。

単一水車の場合の水の受入体積は、以下の通りとなる。

一方、ｋ連水車の場合の水の受入体積は、以下の通りとなる。

単一水車の場合の回転数は、以下の通りとなる。

一方、ｋ連水車の場合の回転数は、以下の通りとなる。
尚、水車においては、ガイドと水車で構成される受圧領域の断面積（入口面積）が流量の影響因子となることから、下記数式においては、比較する単一水車とｋ連水車とでは、水車に入る水の断面積（ｈ×水車幅）を同じとし、水車の構造のみの影響を評価するものとした。

次に、水車のトルク及び効率にあっては、水車における回転方向の上位から下位に亘って満タンであるとの仮定の下、半径：ｒの単一水車（半径方向の深さ：ｈ）による場合と、半径：ｒ_ｋ＝ｒ／ｋのｋ連水車（半径方向の深さ：ｈ）とで比較し理論値を算出した。
尚、当該算出についても、比較する単一水車とｋ連水車とでは、水車に入る水の断面積（ｈ×水車幅）を同じとし、水車の構造のみの影響を評価するものとした。
結果は、以下の通りとなる。

単一水車の場合のトルクは、以下の通りとなる。

一方、ｋ連水車の場合のトルクは、以下の通りとなる。

両者のトルク比は、

となる。

半径：ｒの単一水車（半径方向の深さ：ｈ）による場合と、半径：ｒ_ｋ＝ｒ／ｋのｋ連水車（半径方向の深さ：ｈ）とで比較し水車装置の出力の理論値を算出した。結果は、以下の通りとなる。

単一水車の場合、出力は、

であり、水車効率は、

となる。

一方、ｋ連水車の場合、出力は、

となり、水車効率は、

となる（図８参照）。

尚、上記計算式によれば、単一水車の水車効率ηがｋ連水車の水車効率η_ｋよりも高くなるが、これらの計算式には、水車５の重さによる軸受等での損失を含んでいない。よって、実際には、ｋ連水車を実現することにより個々の水車５が軽量化され、水車５の回転速度が速くなり、軸受や増速器等による機械損失が小さくなることから、水車効率の向上が見込まれる。
また、メンテナンス面にあっても、その軽量化故に、水車５が破損しても、水車５を取り換えればよいという構造上の優位性がある。

上記例は、本発明による水車装置の基本的な構成を示したものであるが、下記の通り構成を適宜変更することも可能である。
例えば、水車装置の取水方法（水車５への注水方法）は、上記例の通り、水が流れる位置に、水車室６の上部の水車５が回転する方向の側に取水口３を設置する以外にも、水車５の側方から水が流れ込むように、取水口３を水車室６の側方に設けることができる（図５参照）。当該例も導水路２の表面部を流れる物体による悪影響を回避すべく導水路２の底部から取水するものである。
これによれば、導水路２の底部の水が直接水車５の羽根の上へ流れ込むことにより、上部からの水の位置エネルギーを無駄にする空白な期間は減少するが、取水口３が狭く制限され、大量の水を水車５へ注水すべき用途には適さない。よって、取水口を水車室６の側面に設ける構成は、狭い水路の採用等、導水路２が狭い場合に設置すべき場合に採用すれば良い。

例えば、水車装置は、基本的には上記例の通り複数の水車５を一列に垂直方向（重力方向）へ配置する（垂直配置）以外にも、複数の水車５を一列に傾斜して配置（傾斜配置）する（図６（Ａ）（Ｂ）参照）ことや、複数の水車５を複数列に並列配置又は千鳥配置する（図５（Ｃ）（Ｄ）参照）ことができる。これらの構成を採る場合にあっても、水車５を経る毎に水の流れが滞ることの無いように配慮して蛇行水路１７及び受圧領域４を決定することを要する。

その際、各列を構成する複数の水車（連水車）各々が受け入れる水は、必ずしも相互に隔離されねばならないことはなく、例えば、一の取水口から複数の連水車に水を分けることも可能であることと同様に、水車５の配置、ガイド１６の形状、又は切れ目１６ａの数や位置を変更するなど工夫することによって、各列を流れる水が相互に移動又は集散を行い、蛇行水路１７が支流や合流点を備える形態を採るとこもできる。

前記垂直配置の実施の形態にあっては、流水の有効利用の観点から、略円弧状の外周を左右交互に受圧領域として連結してなる一連の蛇行水路１７を構成することが望ましい（図１、図５（Ｂ）、及び図６（Ｃ）参照）。
一方、前記傾斜配置にあっては必ずしもそうではなく、その傾斜角度に応じて、各水車５の取水口（又は切れ目）を、各水車５における上位の回転方向側に設定し、各水車５の排水位置を次の水車５の回転方向側に設定すれば、各水車５の回転方向が左右相互に反転しない構成とすることもできる。

前記並列配置では、前記垂直配置又は傾斜配置の蛇行水路１７を並走させることが望ましいが（図４（Ａ）（Ｂ）参照）、前記千鳥配置にあっては、その様に並走させる手法以外にも、前記垂直配置及び傾斜配置を含めて複数列を構成する水車５に対し上位から下位へ順に千鳥状に水を流し、一本の蛇行水路１７を構成する様に各水車５の受圧領域を連結することもできる（図５（Ｃ）（Ｄ）参照）。
当該千鳥配置にあっては、前後水車５，５各々の排水位置での側面と取水位置での側面を連通させる必要があり、連通させる際における前後水車５，５の回転位相の選択により、前後水車５，５の回転が一致させることも出来るし、反転させることもできる。

この様に、前後水車５，５の側面を連通させる場合には、段差に収まっている水車５の密度が高まり、前後水車５，５間各々において位置エネルギーを垂直配置以上に有効に利用することができるが、大流量には適さず、小流量高落差の条件において有効である。尚、図５（Ｃ，Ｄ）に示す千鳥配置の例においては、各水車５の回転方向は同じ方向となる。

例えば、水車装置の排水位置は、最も位置エネルギーを有効利用できる位置であって、最下段の水車５の最下部が望ましい。下流水面に近接することが、堰堤１等の段差を有効利用できる点で望ましい。最下段の水車５が下流の水面下となっても稼働するが、水車５の流動抵抗が生じるため回転力の取り出し効率は低下すると考えられる。

水車５の形状は、基本的には、水車５の側面及び水車羽根とガイド１６との間で水を保持できる構造であることが求められる。上記水車５の効率の計算式に照らせば、水車５の半径方向の深さｈは、できるだけ浅い方が効率が良い。
水の圧力を受ける羽根の枚数は、多いほど水を保持する空間が多くなり、充填放出により水車５に発生するトルクの増減を軽減できるが、羽根の枚数を多くしすぎると、水を保持できる総空間が小さくなるので、発生トルクの値が小さくなる。
水車５の羽根の傾斜は、水が受圧領域４へ流入する際に、その水が羽根で跳ね返り受圧領域４から飛び出さない傾斜、即ち、導水路２の水の進路に対して仰角が９０度未満であることが望ましい。

例えば、水車装置を構成する複数の水車５の径は異なってもよく、基本的には水車室６の内部を流れる水の速度に依存する。無端ベルト等１４の走行速度が、水車室６内の蛇行水路１７を流通する水流の速度に比例することに鑑み、各水車５の径の相異や、各水車５における受圧領域４での水の流速の相異に対しては、各々スプロケットの径の相異で対応する。ただし、径の異なる水車５を複数用いる場合には、水車装置のサイズは、最大径の水車５のサイズに依存するので、水車装置全体の小型化の点では、同じ径の水車５を揃えることが望ましいと言える。

例えば、水車装置の設置態様は、堰堤１の段差に倣って設置する態様以外に、発電機１０や増速手段９等も含めて堰堤１の内部に設置することもできる。これによって、更に、景観への厚い配慮が可能となる。

１ 堰堤，１ａ 溢流堤，
２ 導水路，３．取水口，４ 受圧領域，
５ 水車， ５ａ 回転軸，６ 水車室，
７ 動力伝達手段，８ 動伝室，９ 増速手段，１０ 発電機，１１ 発電室，
１２ スプロケット，１３ 受動軸，１４ 無端ベルト等，１５ 同期手段，
１６ ガイド，１６ａ 切れ目，１６ｂ 水受け，
１７ 蛇行水路，

Claims (4)

1. 上下一列又は複数列に配置した複数の水車と、
   各水車の上位から下位に至る略円弧状の外周を受圧領域として連結してなる蛇行水路と、
   複数の水車の回転軸から回転力を取り出し出力する動力伝達手段を備えることを特徴とする水車装置。
2. 各水車の上位から下位に至る略円弧状の外周を受圧領域として連結してなる一連の蛇行水路を備えることを特徴とする前記請求項１に記載の水車装置。
3. 上下一列又は複数列に配置した交互に回転方向が異なる複数の水車と、
   各水車の上位から下位に至る略円弧状の外周を左右交互に受圧領域として連結してなる蛇行水路を備えることを特徴とする前記請求項１又は請求項２のいずれかに記載の水車装置。
4. 前記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の水車装置と、前記水車の回転軸から取り出した回転力を電力に変換する発電機を備える水力発電装置。
   

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