JP2014134190A

JP2014134190A - 反転羽根式水車

Info

Publication number: JP2014134190A
Application number: JP2013012613A
Authority: JP
Inventors: Masahito Saito; 雅人斉藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2014-07-24

Abstract

【課題】水車羽根を、水車にヒンジでセットする場合、水車羽根の内側をヒンジでセットすると、水車羽根が、水車の頂点を過ぎてから、水流を有効に受け止め始めるまでに若干のロスを生じる。
また、水車の有効作動半径に比較し、水受羽根の有効幅が小さくなり、水車の効率が悪くなる欠点がある。
【解決手段】水車羽根の外側を、ヒンジでセットすることにより、これらの問題を解決することが出来る。
また、必要に応じ、水車の前、または前後に、水流案内板装置をセットすることにより、水車の効率を高めたり、装置の設置や撤去作業を容易にすることが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、流水発電用水車に関するものであり、水車の水受羽根を水車に取付ける方法に工夫を加える事により、ダムや堰を必要としない、低流速流水用水車の効率を改善したものである。

この技術の先達として、特許文献１にて出願してある笠被り水車がある。
特願２０１２−１３５０６

水受羽根を水車にヒンジを利用して取付ける際、水受羽根の内側をヒンジで取付ける構造では、水車羽根取付け部が水車の頂点を過ぎてから、水車羽根が展開するまでの間、水車羽根は流水のエネルギーを充分動力に変換する事が出来ない。

また、水受羽根の内側をヒンジで取付ける水車では、水車羽根が展開した時の水車の作動半径に比較して、水車羽根の設計可能幅が比較的小さくて、動力転換効率が落ちる恐れがある。特に、流水の幅が狭い場合には、影響が大きい。

この課題を解決するための請求項１の発明は、水車羽根の外側をヒンジで水車に取付ける点にある（図１参照）。図１は図２のＢ−Ｂ’断面で、水車の回転する仕組みを説明するための図である。

図２は、図１のＡ−Ａ’断面である、図中１１は流水面で、この様に水中に垂直に設置することで、発電機９は水の影響を避ける事が可能で、発電装置として極めて有利である。

図１に示す様に、水受羽根は、流水を受ける際は水受羽根ストッパー２及び３によって水車に押し付けられ流水のエネルギーを動力に転換する。ストッパーは水圧の強度に応じて複数個設定することが出来る。

いま、図１において、水流Ｓに対する水車の頂点をＰ１とし、右回り４５度おきに、Ｐ２からＰ８の位置をとり、８枚羽根の水車を例にとり説明するものとすると、水受羽根が水流の底部の位置（図１でＰ５の位置）に来れば、水流によりストッパーを離れ、反転を始め、図１のＰ６の位置の様に反転する。（鎖線は水受羽根内側先端部の軌跡を現している）

図１のＰ７、Ｐ８の位置では水受羽根は水流を受け流し、Ｐ１の位置で水受羽根の内側は再びストッパーに止められる。

水受羽根はＰ１の位置を過ぎると直ちに水流を受け止め、Ｐ１直後からＰ５直前まで水力を動力に変換する働きを行う。これにより、水受羽根の内側をヒンジでとめる水車に比し、Ｐ１からＰ２付近までの水受羽根の空転を避け、水車の効率を上げることが出来る。

この水車は、潮の干満による潮流の様に、水流が逆転した場合でも同方向に回転することが出来る。この場合、水流が逆転した当初に、過流等によって、水受羽根が、過反転し、水受羽根同士の干渉が起こることを防止するため、逆転始動時水受羽根干渉防止支柱１４を設ける。

ここでは、右回転の水車について記述しているが、水受羽根の形状とストッパーの位置を変更することにより、左回転の水車も製造可能である。

かくして、水受羽根は、ポジションＰ１からＰ５付近まで水力を効果的に動力に変換し、Ｐ５を過ぎＰ６，Ｐ７，Ｐ８からＰ１付近までは水力への抵抗を最小限にすることにより低流速流水発電用水車として優れた特性を発揮することが出来る。

図中、１３は水車枠であり、水車は水車枠にセットされており、水車枠は水底や海底に直接設置することも出来るが、また、船舶等の浮遊体に設置することも可能である。

請求項２の発明は、図３に示す様に、請求項１の水車羽根を分割して、夫々を、請求項１に準じて、水車にセットしたもので、機能は請求項１と同等であるが、Ｐ６の位置での反転に際し、ヒンジをセットした支柱軸に与える応力の過大化を防止する効果を発揮し、水車の大型化を可能とするものである。

図４は、水受羽根の外側をヒンジで取付けた水車と、水受羽根の内側をヒンジで取付けた水車の、水受羽根の大小を検証するための図でありＸ−Ｘ’軸の、右側は、水受羽根の内側にヒンジを取付けた水車を表し、左側は、水受羽根の外側にヒンジを取付けた水車を表している。水車羽根の外側をヒンジで取付けることは、内側をヒンジで取り付ける事に比較し、水受羽根の幅を実用上５割程度大きくすることが可能となる為、同じ有効作動直径の水車の場合、水車羽根の外側をヒンジで取付けた水車の方が内側をヒンジで取付けた水車より大きい動力を得ることが出来る。

このことを、水受羽根８枚で構成する実用的水車で検証すれば、いま、図４において、有効作動直径Ｏ−Ｋの水車において、Ｊ−Ｋは水車羽根を内側でセットする水車の水受羽根の最大幅であり、Ｔ−Ｙは、水車羽根を外側でセットする水車の水受羽根の理論上の最大幅となる。
いま、Ｊ−Ｋ＝ｕ，Ｔ−Ｙ＝ｖ，Ｏ−Ｋ＝Ｒ，Ｏ−Ｊ＝Ｌとすれば
ｖ／ｕの比は、

となる。

ここで、理解を容易にするため、水受羽根の内側にヒンジをセットする水車の理論図を、図７に呈示する。

また、請求項３の発明は、請求項１の発明の変形であり、図６に示す様に、固定された水受羽根に、ベントホール１５と、ヒンジでセットされた開閉弁１６を取り付け、水受羽根自体の作動の代わりに、開閉弁が、水流により、Ｐ１からＰ５までは閉じ、Ｐ６からＰ８までは開く事によって、請求項１の、ヒンジで取付けられた水受羽根と同様の働きを行い、水車の回転を可能とするものである。図示した開閉弁に限らず、同様の作用をする開閉弁も含まれる。

また、請求項４の発明は図５に示す様に、水車本体の前後左右に、水流案内板ａ、ｂ、ａ’、ｂ’、ｄ、ｄ’を設けて、水車の効率を向上させる事である。

既に述べた様に、水車のＰ１からＰ５付近までは流水のエネルギーは効的に動力に変換されるが、Ｐ６、Ｐ７、Ｐ８と回転する間は水流を受け流すため、この間の水流エネルギーは無駄となる。請求項４の発明は、この無駄を出来るだけ少なくすることにある。

いま、図５において、ｐ，ｑ，ｒ，ｈ，ｍ，ｎ，ｐ’，ｑ’，ｒ’，ｈ’，ｍ’，ｎ’は夫々、水底、海底または水車枠に設定された支柱を表し、ｐ、ｈ、ｐ’、ｈ’には夫々案内板ａｂａ’ｂ’がヒンジで取り付けれれている。

水流が矢印Ｓの方向に流れている場合、水流案内板ａ，ａ’は夫々、支柱ｑ，ｑ’に押し付けられ、夫々ｐ−ｑ、ｐ’−ｑ’の様に展開し、水流を効果的に水車のＰ１，Ｐ２、Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５側へ流す働きをする。このとき案内板ｂｂ’は水流に従ってｈ−ｎｈ’−ｎ’の形となり水流を妨害しない。

また、水流が逆転し、Ｓ’の方向から流れた場合は、案内板ｂ，ｂ’は水流に押されてｈ−ｍ，ｈ’−ｍ’の形となり、水流を効果的に、Ｐ６，Ｐ７，Ｐ８の方向へ流し、案内板ａ，ａ’は水流によってｐ−ｒ，ｐ’−ｒ’の形となり、水車は順調に回転を継続することが出来る。これにより、水流方向が逆転する潮流を利用して発電する水車としても極めて効率の高い発電を行うことが出来る。

この水流案内板装置は水受羽根を水受羽根の外側でヒンジに設置する水車のみならず水受羽根を内側でヒンジに設置する水車等でも有効である。

また、河川の流水の様に、定常的に休み無く流れる流水では、水流案内板を設置したり、撤去する際に、案内板にかかる水圧により、作業が困難となる、さらに、河川は、しばしば、増水により、この作業を行う必要が発生する、請求項５の発明は。この作業を容易にする為のものである。

請求項５の発明は図８に示すように、水車の上流に、水流案内板用支柱２２を設け水流案内板用ヒンジ２３をセットする、水流案内板２５は支柱２２を中心として回転することが可能となり、水流により、水流案内板ストッパー２４に押し付けられ、水流を効果的に水車に送る働きをする。

増水等により、水流案内板２５を撤去する必要が生じた場合は、水流案内板ストッパー２４を撤去すれば、水流案内板２５の先端は、水流に押されて、水流案内板撤去位置ｆ及びｆ’に移動し、水圧の影響をやわらげ、容易に、水流案内板を撤去することが出来る。

水流案内板２５をセットする際は、夫々の水流案内板のヒンジ２３を支柱２２に合わせ、他端を水流案内板設置位置ｅ及びｅ’の位置に合わせれば、水圧の影響を受けることなく、容易にセットできる、その後、水流案内板２５は水流により、水流案内板ストッパー２４に押し付けられ、先端部は水流案内板正常位置ｃ及びｃ’に止まり、水流を効果的に水車に送ることが出来る様になる。

本発明により、脱原発のための有力な自然エネルギーである潮流、海流およびダムや堰によらない低速流水を利用した発電を効果的に実現することが可能となる。

図１は、水車羽根の外側をヒンジで取付けた事を特徴とする水車の平面図で、図２のＢ−Ｂ’断面を示している。図１に示す様に、すべての水受羽根は水受羽根２の様に水受羽根の外側をヒンジで水車に取付けてあり、水流Ｓにより、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の位置にある水車羽根は、内側を、ストッパー軸に押し付けられ、水車は右回転する事を示している。もし、水流がＳ’の様に逆転しても、水車羽根が鎖線の様に働いて、同じく右回転を行う。また、図２に示す様に、水車軸を、水中に垂直に設置することにより、発電機を空中に設置することが可能で、発電装置として、極めて有利である。

また、図３の様に、水受羽根を複数に分割設置することも可能で、水車を大型化するときに有利である。また、図６に示すように、固定式水受羽根に、ベントホールと開閉弁を設置した方式でも同様な効果を得る事が出来る。

図５は、水車と可逆式水流案内板の設置状況を模式的に示すもので、図２のＢ−Ｂ’断面の位置で、水流案内板の位置まで拡張したものであり、水流案内板と水車の設置された位置関係を示している。

図８は、河川等の様に、定方向に休み無く流れる水流の為の、水流案内装置で、水流の効果を高めると同時に、設置や撤去を容易にする事が出来る。

本発明に係わる水車は、過去の水力発電装置が苦手としてきた、低流速大流量の水流による発電を可能とするもので、効率も高く、ダムや堰に頼ることもなく、潮流や海流による発電も可能とするもので、産業上の利用可能性は極めて大である。

水受羽根の先端をヒンジで水車に設置し、水車の効率を向上した低流速流水水車の機能を説明する為の平面図で、図２のＢ−Ｂ’断面で、水車の、機能中心部を表している。鎖線で表した水受羽根は、流水が逆転した場合の、水受羽根の位置で、水車は同方向に回転する。図１の、Ａ−Ａ’断面を示し、図１に対する正面図で、図中、１１は流水面を表し、発電機９を水上に出して、流水中に直立した形で、設置されている事を表している。水車羽根を複数に分割し、請求項１の発明と同様の作用を持つ水車の説明図である。同じサイズの作動半径を有する水車で、水車羽根の外側にヒンジをセットする水車の水車羽根の最大幅と、内側にヒンジをセットする水車の水車羽根の最大幅の比較図で、計算上、水車羽根の外側にヒンジをセットする方が、内側にセットする水車の水車羽根の幅の約１．６３倍になることを示している。だだし、実際上は、ストッパー支柱等の関係で、１．５倍程度になる。図２のＢ−Ｂ’断面で、装置全体を、流水の上部より俯瞰した図であり、水車と水流案内板との位置関係を表している。図１の水車羽根と同等の働きをさせる為に、固定水車羽根にベントホールと開閉弁を設置した水車の機能を説明する図である。水受羽根の内側にヒンジをセットした水車の理論図であり、水受羽根の外側にヒンジをセットした水車との相違点を理解しやすくするために呈示したものである。河川では、潮流の様な潮止まりがなく、すべての作業を流水中で行う必要があり、特に水流案内板の設置や撤去の際、水圧の影響で作業が困難となる、これを解決する為に、水車上流に水流案内板用支柱２２を設け、水流案内板のヒンジをセットすれば、正常時はストッパー２４の位置に止まり、水流を効果的に水車ｗに送り、ストッパー２４を撤去すれば、案内板先端は、夫々、ｆ及びｆ’の位置に流され、水圧を避けて作業することが出来る。また、水流案内板２５を設置する時は、ヒンジ２３を支柱２２に合わせ、先端をｅ及びｅ’の位置にして設置すれば、水圧の影響を避け、容易に設置できる。その後案内板は水流により、ストッパー２４におしつけられ、水流を効果的に水車に送ることが出来る。

１水車羽根取付け用ヒンジ
２水車羽根
３水車羽根ストッパー支柱１
４水車羽根ストッパー支柱２
５水車軸
６水車本体
７水車下部側板
８水車羽根取付け支柱
９発電機
１０変速機
１１流水面
１２水車下部側板
１３水車枠
１４逆転始動時水受羽根干渉防止支柱
１５ベントホール
１６開閉弁
１７開閉弁用ヒンジ
１８水受羽根内側止め用ヒンジ
１９水受羽根展開機構先端部
２０水受羽根ストッパー支柱
２１水受羽根展開ピン
２２水流案内板用支柱
２３水流案内板用ヒンジ
２４水流案内板ストッパー
２５水流案内板
２６逆転防止ストッパー支柱
ａ水流案内板１
ａ’ 水流案内板２
ｂ水流案内板３
ｂ’ 水流案内板４
ｃ水流案内板正常位置
ｃ’ 水流案内板正常位置
ｄ水流案内固定板１
ｄ’ 水流案内固定板２
ｅ水流案内板設置位置
ｅ’ 水流案内板設置位置
ｆ水流案内板撤去位置
ｆ’ 水流案内板撤去位置
ｐ水流案内板１ヒンジ
ｐ’ 水流案内板２ヒンジ
ｑ水流案内板１ストッパー１
ｑ’ 水流案内板２ストッパー１
ｒ水流案内板１ストッパー２
ｒ’ 水流案内板２ストッパー２
ｈ水流案内板３ヒンジ
ｈ’ 水流案内板４ヒンジ
ｍ水流案内板３ストッパー１
ｍ’ 水流案内板４ストッパー１
ｎ水流案内板３ストッパー２
ｎ’ 水流案内板４ストッパー２
ｗ水車
Ｏ水車中心点
Ｊ水車羽根内側ヒンジの位置
Ｋ水車羽根内側ヒンジ止め水車の水車羽根外側点
Ｆ水車羽根外側ヒンジ止め水車の水車羽根内側点
Ｔ水車羽根外側ヒンジ止め水車のヒンジの位置
Ｙ水車羽根外側ヒンジ止め水車の水車羽根の隣接点
Ｚ水車羽根外側ヒンジ止め水車の水車羽根の最下点
Ｐ１流水に対する水車の頂点
Ｐ２水車のＰ１より時計廻り４５度の点
Ｐ３水車のＰ１より時計廻り９０度の点
Ｐ４水車のＰ１より時計廻り１３５度の点
Ｐ５水車のＰ１より１８０度の点
Ｐ６水車のＰ１より時計廻り２１５度の点
Ｐ７水車のＰ１より時計廻り２７０度の点
Ｐ８水車のＰ１より時計廻り３１５度の点
α 角６７．５度
β 角４５．０度

Claims

水車の水受羽根を水車にセットする際に、水受羽根の外側（水車軸より遠い方）をヒンジで支柱にセットし、水受羽根が支柱を中心に回転できる様にし、水受羽根の内側（水車軸に近い方）は、ストッパー支柱に、水流の圧力で、押し付けられて、水流を受け、水車を回転する様にすると共に、反対側（逆水流になる側）では、水受羽根の内側は、逆水流により自動的にストッパーを離れ、逆水流の影響を受けないようにして、低速流水でも、効率的に、回転力を生じることを可能とした水車。
請求項１の水車羽根を、分割し、水車半径に、複数枚設置することにより、請求項１と同等の効果を発揮することを可能とした水車。
固定式水受羽根に、ベントホールと開閉弁を設置し、水流を受ける側では、水流により、自動的に弁が閉じてベントホールを塞ぎ、逆流側では、逆水流により、自動的に弁が開いて、請求項１及び請求項２と同様の効果を発揮して、高効率な水車として機能するようにした水車。
水車に、効果的に、流水を誘導するための、可逆式水流案内板。
河川流水の様に、休み無く流れる流水の為の、水流案内板の、設置、撤去を容易にする為、案内板の、上流側をヒンジでセットした水流案内板。