JP5426790B1 - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】落下する水の位置エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換して発電効率が高まり、しかも、設置スペースも小さく抑えることができると共に、構成も簡易化することが可能となり、コストを低減することができる水力発電装置を提供する。
【解決手段】円筒空間内の中心線に沿って配された回転軸２０に上下複数段に駆動水車２１を取り付け、円筒空間内を落下する水流により各駆動水車２１を回転させる。駆動水車２１は、円筒空間の内周面１２に沿って回転方向と同方向の斜め上方に延びる複数の水流翼２４を備える。各駆動水車２１の上下間に、上側の駆動水車２１の水流翼２４に衝突し該駆動水車２１を回転させた後、該回転方向と逆方向の斜め下方に落下する水流を、下側の駆動水車２１の水流翼２４における表側の傾斜面に対向する一定角度で衝突する直線状の水流に転換する整流手段３０を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒空間内を落下する水流により駆動水車を回転させ、該駆動水車と共に回転する回転軸に連動する発電機から電力を得る水力発電装置に関する。

従来より、設置場所の条件や用途、規模等に応じて、様々なタイプの水力発電装置が提案されている。このような水力発電装置は、何れも高所から低所へ落下する水の位置エネルギーを利用して水車を回転させ、この回転力を発電機の駆動源として発電を行うものである。特に最近では、自然エネルギーを利用したクリーンな発電装置として以前に増して注目度も高まっている。

この種の水力発電装置としては、具体的には例えば、斜地を流れる水路や川を利用した流水路の途中に水車を設けて、この水車の中央より下方の一部に水流が当たるように設定して、水車の回転力を発電機に伝達していた。このように、水車の回転力である機械エネルギーを、発電機によって電気エネルギーへと変換するタイプのものが広く知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１５０８９号公報

しかしながら、前述した特許文献１に記載されたような水力発電装置では、水車の全周方向における一部にしか水流が衝突しないため、水流から得られるエネルギーの割合が低く、発電効率も低いという問題点があった。特に、水路の水位が低いと水車に加わる力が非常に小さくなり、必要な発電量を得られない虞もあった。

また、前述したように、傾斜した水路にて水平な回転軸周りに回転する水車を利用した水力発電装置では、装置を設置するために比較的広いスペースが必要であり、スペースが限定される場所には設置することが難しいという問題があった。さらに、大容量の電力を得るためには、装置全体の規模が大型となり構造も複雑化し、コストが嵩むと共に、より広い設置スペースが必要となり、設置する場所が極めて限定されるという問題があった。

本発明は、前述したような従来の技術が有する問題点に着目してなされたものであり、落下する水の位置エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換して発電効率が高まり、しかも、設置スペースも小さく抑えることができると共に、構成も簡易化することが可能となり、コストを低減することができる水力発電装置を提供することを目的としている。

前述した目的を達成するための本発明の要旨とするところは、以下の各項の発明に存する。
［１］上方より水を受け入れ下方へ落下させる円筒空間内にて、該円筒空間内の縦方向に延びる中心線に沿って配された回転軸（２０）に取り付けた駆動水車（２１）を備え、前記円筒空間内を落下する水流により前記駆動水車（２１）を回転させ、該駆動水車（２１）と共に回転する回転軸（２０）に連動する発電機（４２）から電力を得る水力発電装置（１０）において、
前記駆動水車（２１）は、前記回転軸（２０）より延びるアーム（２２）の先端側で、該回転軸（２０）を中心とした円周方向に間隔をあけて並び、かつ該回転軸（２０）より離れた前記円筒空間の内周面（１２）に沿って回転方向と同方向の斜め上方に延びる複数の水流翼（２４）を備えて成り、
前記駆動水車（２１）の複数を、前記円筒空間内にて前記回転軸（２０）上に直列に並べて上下複数段に配置し、
前記円筒空間内にて前記各駆動水車（２１）の最上段より上方に、外部より流入する水を前記円筒空間のうち前記回転軸（２０）より離れた前記内周面（１２）に沿った領域で全周方向に亘り落下させる導入部（１３）を設け、
前記各駆動水車（２１）の上下間における前記円筒空間の内周面（１２）に沿って、上側の駆動水車（２１）の水流翼（２４）に衝突し該駆動水車（２１）を回転させた後に落下する水流を、下側の駆動水車（２１）の水流翼（２４）における表側の傾斜面に対向する一定角度で衝突する直線状の水流に転換する整流手段（３０）を設けたことを特徴とする水力発電装置（１０）。

［２］前記導入部（１３）と最上段の駆動水車（２１）との間にも、前記円筒空間の内周面（１２）に沿って前記整流手段（３０）を設けたことを特徴とする前述の［１］に記載の水力発電装置（１０）。

［３］前記整流手段（３０）は、前記円筒空間の内周面（１２）より突出する状態に固定され、該内周面（１２）に沿って上下方向に直線状あるいは途中屈曲した形状に延びる細幅状の部材からなり、
前記駆動水車（２１）の水流翼（２４）の数と同じ数が円周方向に等間隔に並ぶように配置されたことを特徴とする前述の［１］または［２］に記載の水力発電装置（１０）。

［４］前記駆動水車（２１）は、前記アーム（２２）の先端側に支持されたリング状の内ホイール（２３）と、該内ホイール（２３）の外側に離隔して配され前記円筒空間の内周面（１２）に沿う外ホイール（２５）と、前記各水流翼（２４）とを備え、
前記各水流翼（２４）を前記内ホイール（２３）と前記外ホイール（２５）との間に固定してなることを特徴とする前述の［１］，［２］または［３］に記載の水力発電装置（１０）。

［５］前記導入部（１３）は、前記円筒空間内の中心線に沿って流入した水を受け入れた後、全周方向に溢れ出させるオーバーフロー部（１３１）と、該オーバーフロー部（１３１）を頂部として溢れ出した水を全周方向に亘り斜め下方へ流下させ、前記円筒空間の内周面（１２）に沿って落下させる円錐台状のスロープ部（１３５）と、を備えてなることを特徴とする前述の［１］，［２］，［３］または［４］に記載の水力発電装置（１０）。

次に、前述した解決手段に基づく作用を説明する。
前記［１］に記載の水力発電装置（１０）によれば、円筒空間内には、その上方にある導入部（１３）より外部から水が流入する。導入部（１３）に流入した水は、円筒空間のうち回転軸（２０）より離れた内周面（１２）に沿った領域で全周方向に亘り落下する。この水流が最上段の駆動水車（２１）にある各水流翼（２４）の表側の傾斜面に一定角度で衝突すると、駆動水車（２１）に対して回転力を与えることができ、該駆動水車（２１）は水流翼（２４）が斜め上方に延びる方向と同方向に回転する。

最上段の駆動水車（２１）に衝突した後の水流は、水流翼（２４）の回転方向と逆方向に向かう流れとなるため、通常だと２段目以降の駆動水車（２１）の各水流翼（２４）に対して、再び前記一定角度で衝突させることはできない。しかし、各駆動水車（２１）の上下間における円筒空間の内周面（１２）に、整流手段（３０）を設けたことにより、上側の駆動水車（２１）の水流翼（２４）に衝突し該駆動水車（２１）を回転させた後の水流は、整流手段（３０）により下側の駆動水車（２１）の水流翼（２４）における表側の傾斜面に一定角度で衝突する直線状の水流（以下「直線層流」とする）に転換される。

これにより、最上段の駆動水車（２１）だけでなく、２段目さらに３段目以降の駆動水車（２１）の各水流翼（２４）に対しても、上からの水流を常に一定角度で衝突させることが可能となり、複数段の駆動水車（２１）毎に効率良く回転力を与えることができる。よって、通常であれば、１段の駆動水車（２１）だけしか回転力を付与できないが、駆動水車（２１）を直列に上下複数段に配置し、各駆動水車（２１）間に整流手段（３０）を設けたことにより、２段目さらに３段目以降の駆動水車（２１）に対しても、繰り返し一定量の水を複数回利用することができる。

また、前記［２］に記載したように、前記整流手段（３０）は、前記導入部（１３）と最上段の駆動水車（２１）との間にも、前記円筒空間の内周面（１２）に沿って設けると良い。これにより、前記導入部（１３）を経て最初に駆動水車（２１）に衝突する水に対しても、導入部（１３）自体の作用や通常の引力だけに頼ることなく、整流手段（３０）の効果を及ぼすことができ、確実に直線層流に転換することができる。

前記整流手段（３０）としては、板状、樋状、あるいは管状等と、その形態は特に限定されるものではない。すなわち、整流手段（３０）は、上方から落下する水の流れる方向を水流翼（２４）に対して回転効率が良く、しかも、衝突後に落下する方向への力も過度に減殺されない方向へと転換でき、さらに、直線状な流れの直線層流に転換することができるものであれば、その具体的な構成を特に問うものではない。

ただし、具体的には例えば前記［３］に記載したように構成すると良い。すなわち、前記整流手段（３０）は、前記円筒空間の内周面（１２）より突出する状態に固定され、該内周面（１２）に沿って上下方向に直線状あるいは途中屈曲した形状に延びる細幅状の部材から構成する。このような整流手段（３０）を、前記駆動水車（２１）の水流翼（２４）の数と同じ数だけ円周方向に等間隔に並ぶように配置する。このような簡易な構成により、前述した水流の方向転換と直線状な整流とを容易に実現することができる。

また、前記［４］に記載したように、前記駆動水車（２１）は、アーム（２２）の先端側に支持されたリング状の内ホイール（２３）と、該内ホイール（２３）の外側に離隔して配され前記円筒空間の内周面（１２）に沿う外ホイール（２５）と、前記各水流翼（２４）とを備え、各水流翼（２４）を内ホイール（２３）と外ホイール（２５）との間に固定して構成すると良い。このような駆動水車（２１）によれば、効率良く水流を受け止めて回転させることができる。

さらに、前記［５］に記載したように、前記導入部（１３）は、円筒空間内の中心線に沿って流入した水を受け入れた後、全周方向に溢れ出させるオーバーフロー部（１３１）と、該オーバーフロー部（１３１）を頂部として溢れ出した水を全周方向に亘り斜め下方へ流下させ、円筒空間の内周面（１２）に沿って落下させる円錐台状のスロープ部（１３５）と、を備えるように構成すると良い。このような導入部（１３）により、円筒空間内に勢いよく水を流入させても、内周面（１２）の一部に偏ることなく満遍なく水を内周面（１２）に沿って落下させることができる。

本発明に係る水力発電装置によれば、円筒空間内に導入されて落下する水の位置エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換して発電効率が高まり、しかも、設置スペースも小さく抑えることもできると共に、構成も簡易化することが可能となり、コストを低減することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る水力発電装置の内部構造を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の内部構造を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の整流手段の他の構成例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の整流手段の他の構成例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の整流手段の他の構成例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の整流手段の他の構成例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の駆動水車を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の駆動水車の他の構成例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の駆動水車の他の構成例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の駆動水車の他の構成例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水力発電装置の整流手段の作用を示す説明図である。

以下、図面に基づき、本発明を代表する実施の形態を説明する。
図１〜図１３は、本発明の実施の形態を示している。
図１に示すように、水力発電装置１０の主要部を成す円筒槽１１は、縦型の円筒形状に構成されている。この円筒槽１１の内部である円筒空間内には、縦方向に延びる中心線に沿って回転軸２０が配されており、回転軸２０には上下に並ぶ複数の駆動水車２１，２１…が取り付けられている。

円筒槽１１の最上部、すなわち円筒空間内にて各駆動水車２１の最上段より上方には、外部より流入する水を前記円筒空間のうち前記回転軸２０より離れた内周面１２に沿って全周方向に亘り落下させる導入部１３が設けられている。一方、円筒槽１１の最下部、すなわち円筒空間内にて各駆動水車２１の最下段より下方には、円筒空間内を落下した水流を外部に流す排出部１４が設けられている。また、排出部１４の下方は、水流が浸入しない収容部１５となっており、回転軸２０の下端側に連結される増速機４０が配設されている。この増速機４０の出力軸は、例えば無段変速機４１を介して、円筒空間外に設置された発電機４２に連結されている。

導入部１３は、円筒空間内の中心線に沿って流入した水を受け入れた後、全周方向に溢れ出させるオーバーフロー部１３１と、該オーバーフロー部１３１を頂部として溢れ出した水を全周方向に亘り斜め下方へ流下させ、前記円筒空間の内周面１２に沿って落下させる円錐台形のスロープ部１３５と、を備えてなる。詳しく言えば、オーバーフロー部１３１は、円錐台形カバー状の外枠１３２の頂部に水流入口１３３を貫通させ、該水流入口１３３の下端を、スロープ部１３５の頂部にてフランジに囲まれた受け部１３６内を臨むように配設してなる。

スロープ部１３５は、前記受け部１３６より外周側に向けて下方へ傾斜した円錐台形に形成され、その外周縁は、前記内周面１２より離隔した位置に配されている。また、スロープ部１３５の上方に位置する外枠１３２の裏側には、前記受け部１３６の外周上端側を囲むように離隔して覆うフランジ状の囲み部１３７が下向きに突設されている。このような構造の導入部１３によれば、詳しくは後述するが、外部より勢い良く流入した水であっても、円筒空間の内周面１２に沿って全周方向に亘り落下させることができる。もちろん、導入部１３の具体的な構成は、このような図１に示したものに限られることはない。

一方、排出部１４は、円錐台形カバー状の底枠１４１の外周縁を前記円筒空間の内周面１２に接続し、該外周縁の一端に、前記円筒空間内に連通した水流出口１４２を設けて成る。底枠１４１の頂部の下側には、回転軸２０の下端側の軸受け１６が取り付けられており、この軸受け１６は、底枠１４１を下方より支えると共に軸受け１６を４方向より支持するフレーム１７を介して前記内周面１２にも接続されている。また、前記導入部１３の下方にも、回転軸２０の上端側の軸受け１８が設けられており、この軸受け１８は、その外周を４方向より支持するフレーム１９を介して前記内周面１２に接続されている。

円筒槽１１の円筒空間内の中心線に沿って、回転軸２０は縦方向（鉛直方向）に延びる状態に配設されている。この回転軸２０は、前述した上下の軸受け１６，１８によって回転可能に軸支されている。回転軸２０の途中には、駆動水車２１が上下に並んで複数段に取り付けられている。回転軸２０の下端部は、前記軸受け１６より下方へさらに延出し、前記増速機４０に対して動力伝達可能に連結されている。なお、増速機４０は、回転軸２０の回転数を増加させて、発電機４２へ伝えることができるものであり、その構成の詳細は一般的であるので省略する。

図１、図２に示すように、前記駆動水車２１は、回転軸２０に連結されて４方向に延びるアーム２２の先端に支持されたリング状のホイール２３と、このホイール２３の外周面に沿って等間隔に取り付けられた複数の水流翼２４，２４…から成る。各水流翼２４は、前記回転軸２０より延びるアーム２２の先端側で、該回転軸２０を中心とした円周方向に間隔をあけて並び、かつ該回転軸２０より離れた円筒空間の内周面１２に沿うように配されている。

各水流翼２４は、矩形の平板形状であり、その平坦な表面側に上方からの水流が衝突して回転するように、該表面側が回転方向と同方向となる斜め上方に所定角度で傾斜するように設定されている。なお、駆動水車２１の具体的な構成は図示したものに限定されるわけではなく、他の構成例については後述する。

水流翼２４の両側端縁のうち前記内周面１２に対向する外側端縁は、前記内周面１２との間に各水流翼２４の回転を許容する程度の隙間を空けて配されている。各水流翼２４の具体的な長さや横幅等の寸法、それに円周方向に並ぶ数は、それぞれ適宜定め得る設計事項である。また、本実施の形態では、駆動水車２１を上下５段に等間隔で並ぶように配設されており、各駆動水車２１は全て同じ形状に構成されている。

各駆動水車２１は上下５段に限られるものではなく、円筒槽１１の高さや寸法に応じて、上下２段〜４段、もしくは上下６段以上に配設しても良い。また、各段毎の駆動水車２１の形状も必ずしも同じとする必要はなく、多少異なる構成としても良い。駆動水車２１が何れの段数や形状であっても、上下の駆動水車２１の間には、次述する整流手段３０を配設するためのクリアランスが設けられている。

本実施の形態では、上下の駆動水車２１の間のほか、前記導入部１３と最上段の駆動水車２１との間にも、前記円筒空間の内周面１２に沿って整流手段３０が設けられている。整流手段３０は、上側から落下してきた水流を、下側の駆動水車２１の水流翼２４における表側の傾斜面に対向する一定角度で衝突する直線状の水流に転換するものである。整流手段３０は、具体的には例えば、上下方向に直線状に延びる細幅な板状部材からなり、その一側端縁を屈曲させたフランジ（図示せず）を前記内周面１２に取り付けて、他側端縁が内周面１２より回転軸２０側に突出する状態に固定される。

図１、図２に示した整流手段３０は、鉛直方向に真っ直ぐ延びる細幅板状に形成され、その下端が下側の駆動水車２１の水流翼２４の表側の傾斜面に対して上方より鋭角に交わる一定角度で対向するように配されている。導入部１３の下側にある整流手段３０と、各回転軸２０間にある整流手段３０とでは、基本的な構成は共通するが上下方向の長さが異なる。すなわち、前者は後者よりも長く形成されている。

導入部１３の下側にある整流手段３０は、前記スロープ部１３５から落下してきた水流を主に直線状の水流に転換するものである。また、各回転軸２０間にある整流手段３０は、特に、上側の駆動水車２１の水流翼２４の表側の傾斜面に衝突し該駆動水車２１を回転させた後に落下する水流を、下側の駆動水車２１の水流翼２４における表側の傾斜面に上方より鋭角に交わる一定角度で衝突する直線状の水流に転換するものである。

ここで、水流翼２４の表側の傾斜面に衝突し、該駆動水車２１を回転させた後の水流は、水流翼２４の傾斜面に衝突した瞬間には、駆動水車２１の回転方向と逆方向の斜め下方に向かおうとするが、駆動水車２１の回転速度によっては、水流翼２４より鉛直な真下、あるいは回転方向に向かうように見えることもあり得る。

前記整流手段３０の具体的な形状や配置は図示したものに限定されるわけではない。例えば、前記整流手段３０では、その一側端縁にだけ取り付け用のフランジを設けているが（図示せず）、図５に示す整流手段３０Ａのように、他側端縁にもフランジを設けても良い。かかる他側端縁のフランジは、整流手段３０Ａに沿って落下する水が他側端縁より途中で側方に抜け出ることを防いで、下端より落下するまで水を保持する役目を果たすものである。

すなわち、他側端縁のフランジは、上側から回転方向と逆方向の斜め下方に落下する水流を受け止める方向に突設されている。図６〜図８に示す整流手段３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄについても同様である。また、図４に示すように、整流手段３０は、その側面が半径方向に沿うように、前記内周面１２より略直角に回転軸２０側に向けて突設されている。

ただし、整流手段３０は、前記内周面１２より必ずしも略直角に突設する必要はなく、例えば、他端側のフランジが突出する方向の同じ方向に直角未満の鋭角に傾けた状態で突設しても良い。この場合、整流手段３０の一側端縁が鋭角に内周面１２と交わる隅に沿って水流が遠心力によりまとまりやすくなり、直線層流をより密に収束させることができる。図６〜図８に示す整流手段３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄについても同様である。

また、図１、図２に示した整流手段３０は、鉛直方向に真っ直ぐ延びる状態で前記内周面１２に固定されているが、図６に示す例のように、整流手段３０Ｂを、鉛直方向に対して鋭角に交差するよう斜めに延びる状態に固定しても良い。この場合、整流手段３０Ｂの下端は、下側の駆動水車２１の水流翼２４における表側の傾斜面に対して、前記整流手段３０の下端が鋭角に交わる一定角度よりも、直角未満のやや広い角度で交わるように対向することになる。さらに、図７に示す整流手段３０Ｃや、図８に示す整流手段３０Ｄのように、それぞれ途中（例えば下端側）から回転軸２０の回転方向に向けて屈曲するように形成しても良い。

このように整流手段３０には様々なバリエーションが考えられるが、何れの場合も、前記駆動水車２１の水流翼２４の数と同じ数だけ円周方向に等間隔に並ぶように配置すると良い。もちろん、整流手段３０と駆動水車２１の水流翼２４の数は同じである必要はなく、例えば、整流手段３０の数は水流翼２４よりも多くして、これらの数を所定の比率に収まる範囲に設定すると良い。このように、図示した例では、整流手段３０と水流翼２４とは同じ数であるが、これらの数も適宜定め得る設計事項である。

また、各整流手段３０の鉛直方向における長さは、上下の駆動水車２１に干渉しないように設定されている。なお、図６〜図８に示すように、各整流手段３０の全部または一部が、鉛直方向に対して鋭角に交差するよう斜めに延びる場合には、斜めに延びる部位は内周面１２に沿わせるように多少捻るように湾曲させることになる。

前記回転軸２０の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機４２は、前述したように増速機４０や無段変速機４１を介して回転軸２０に連結されている。この発電機４２は、発電コイルを永久磁石の中で機械的に回転させ、この時に生じる電磁誘導で電気を発生させるものであり、その構成の詳細は一般的であるので省略する。また、発電機４２は、その構成の全部または一部を、円筒槽１１の最下方にある収容部１５に収めるように設置しても良い。なお、発電機４２には、発電した電気エネルギーを蓄電できるよう、例えば蓄電池（図示せず）を併設してもよい。

次に、駆動水車２１の別の構成例について説明する。
図９は、前記駆動水車２１を示す斜視図であり、図１０は、前記駆動水車２１の変形例である駆動水車２１Ａを示す斜視図である。駆動水車２１Ａは、水流翼２４の両側端縁をそれぞれ同じ向きに折曲してフランジを設けたものである。このフランジは、水を受ける上方に向かって折曲されており、水流翼２４上に落下した水が両側端縁より抜け落ちることを防ぐ役目を果たすものである。

図１１に示す駆動水車２１Ｂは、前記駆動水車２１における各水流翼２４の外側端縁に沿って、内側の内ホイール２３よりも幅広なリング状の外ホイール２５を固定して成るものである。このような外ホイール２５によって、上方から落下する水を効率良く確実に受け止めて回転することができる。また、図１２に示す駆動水車２１Ｃのように、内ホイール２３と外ホイール２５の高さ幅を同一に揃えても良い。

次に、本実施の形態に係る水力発電装置１０の作用について説明する。
水力発電装置１０で利用する水は、自然の川や滝等から導くようにしても良いが、予め確保した一定量の水を循環させて使用しても良い。何れにせよ外部からの水は、円筒槽１１の最上方にある導入部１３から円筒空間内に流入させる。導入部１３にある水流入口１３３より水は流入するが、この時に例えばノズルより噴射させて旋回流を生じさせても良い。この水流入口１３３からの水流は、図１において、受け部１３６内に受け入れられた後、水流入口１３３の下端側外周と受け部１３６の上端側内周との間をオーバーフローする。

導入部１３内でオーバーフローした水流は、さらに受け部１３６の上端側外周と囲み部１３７の下端側内周との間を下るように流れる。このような過程で水流は、平面視で３６０度の全周方向に均等に分配され、かつ水平に広がることなく斜め下方へ向かいスロープ部１３５の外周面に沿って流下する。これにより、導入部１３に外部より流入した水は、円筒槽１１の円筒空間の上端より、回転軸２０より離れた内周面１２に沿った領域で全周方向に亘り落下させることができる。なお、一定量の水を循環させて使用する場合、送水量を調整可能な電動ポンプを駆動して水流入口１３３に水を送ることになるが、この時の電力は本水力発電装置１０により発電した電力の一部をそのまま利用すると良い。

前記導入部１３を経た水流は、円筒槽１１の内周面１２に沿って落下するが、導入部１３の下側にある整流手段３０によって、直線状の水流である直線層流に転換される。このように、導入部１３を経て最初に駆動水車２１に衝突する水も、導入部１３自体の作用や通常の引力だけに頼ることなく、確実に直線層流に転換される。この直線層流が、最上段の駆動水車２１にある各水流翼２４の表側の傾斜面に対して上方より鋭角に交わる一定角度で衝突する。これにより、駆動水車２１に対して回転力を与えることができ、該駆動水車２１は水流翼２４が斜め上方に延びる方向と同方向に回転する。すなわち、図１において回転軸２０は、上方から見て時計回りの方向に回転することになる。

最上段の駆動水車２１に衝突した後の水流は、水流翼２４の回転方向と逆方向に向かう流れとなるため、通常だと２段目以降の駆動水車２１の各水流翼２４に対して、再び前記一定角度で衝突させることはできない。しかし、各駆動水車２１の上下間における円筒空間の内周面１２に、整流手段３０を設けたことにより、図１３に示すように、上側の駆動水車２１の水流翼２４に衝突し該駆動水車２１を回転させた後の水流は、該回転方向と逆方向の斜め下方に落下しようとするところを、整流手段３０により下側の駆動水車２１の水流翼２４における表側の傾斜面に対向する一定角度で衝突する直線層流に転換される。

このように、最上段の駆動水車２１だけでなく、２段目さらに３段目以降の駆動水車２１の各水流翼２４に対しても、上からの水流を常に一定角度で衝突させることが可能となり、複数段の駆動水車２１毎に効率良く回転力を与えることができる。ここで一定角度とは、水流翼２４を効率良く回転させることができ、かつ、水流翼２４との衝突後に落下する方向への力も過度に減殺されない直線状の方向である。例えば、水流翼２４の傾斜面が水平方向に対して６０度の場合には、この傾斜面に対して４５度に交わる角度が適している。

もちろん、水流翼２４の傾斜角や、この傾斜角に対する直線層流が交わる角度は、適宜定め得る設計事項であり、発明者らの各種実験により、水流翼２４の傾斜面は例えば４５〜６０度の範囲が最適であり、水流翼２４の傾斜角に直線層流が交わる角度は例えば３０〜６０度の範囲が最適であることが検証されている。ここで、直線層流が水流翼２４の傾斜角に交わる角度が仮に直角となる場合には、水流翼２４に対しては大きな力を付与できるが、その後下方に向かう水流の勢いは減殺されてしまうため、複数段ある回転軸２０の回転駆動には適さない。

特に、前記整流手段３０は、駆動水車２１の水流翼２４の数と同じ数だけ円周方向に等間隔に並ぶように配置されている。従って、各水流翼２４に衝突した直後の乱流は、各整流手段３０間を落下する過程で整流されて、各水流翼２４の全てに対して上方より下方に向かう直線水流として分配され、かつ直線的な水流が回転効率の良い前記一定角度で各水流翼２４に衝突することになる。このような簡易な構成の整流手段３０により、前述した水流の方向転換と直線状な整流とを容易に実現することができる。

これにより、通常の一段だけの水車であれば、例えば１０００ｔの水量の水を落下させた場合、１段の駆動水車２１だけにしか回転力を付与できないが、駆動水車２１を直列に上下複数段に配置し、各駆動水車２１間に整流手段３０を設けたことにより、２段目さらに３段目以降の駆動水車２１に対しても、繰り返し１０００ｔの水量を複数回利用できる。すなわち、一定の水量で例えば１ｋｗｈの電力が発生するとしたら、駆動水車２１を複数段（Ｘ段）としたことにより、１ｋｗｈ×Ｘ段の電力を発電できることになる。このように駆動水車２１が１段だけの場合に比べ、複数段の駆動水車２１の数分だけ、回転軸２０の回転力を増大させることができ、より大きな発電量を得ることができる。

複数段の駆動水車２１の回転により回転軸２０が回転し、円筒槽１１の収容部１５にある増速機４０により回転数が増加される。さらに、無段変速機４１により、発電機４２に適した回転数に変換されて発電機４２を駆動させる。これにより、回転軸２０の回転エネルギーが電気エネルギーに変換されるが、発電された電力は、蓄電池等に蓄電したり、前述した電動ポンプの電源として使用しても良い。なお、円筒槽１１の最下段まで落下した水は、排出部１４の水流出口１４２から外部に排出される。この排出された水は、電動ポンプを駆動して再び導入部１３の水流入口１３３に送り循環させても良い。

このように、本水力発電装置１０は、比較的簡易な構成であり、安価に製造することができる。また、主要部である円筒槽１１は上下方向に延びる縦型であるため、円筒槽１１の底面積に相当するスペースがあれば設置することが可能であり、ビルの屋上や屋外等と様々な場所に設置することができる。また、円筒槽１１の大きさに関しても、高さ数メートル程度の小規模なものから大規模なものまで適用することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。例えば、前記実施の形態では、全ての段の駆動水車２１を同一の構成としたが、必要に応じて異なるように構成しても良い。また、水流翼２４の形状や枚数、角度等も適宜変更可能である。また、導入部１３の構成も、図示したものに限定されることはなく、外部より流入する水を円筒空間の内周面１２に沿って全周方向に亘り落下させることができるものであれば良い。ここで全周方向とは、３６０度隙間なく連なる意味ではなく、全周に亘り所定間隔を空けて並ぶように落下させるものも含む。

また、整流手段３０の形状や枚数、角度等も適宜変更可能である。例えば、整流手段３０の下端側をノズル状に窄めることにより、落下する水の流速が加速されるように構成しても良い。また、整流手段３０は、平板状ないし樋状の構成に限られることなく、パイプ材等を用いて管状断面に構成しても良い。また、前記排出部１４にある水流出口１４２は、底枠１４１の外周縁の側方に向けてではなく、前記収容部１５を通るように下方に向けて設けても良い。この場合、収容部１５の適所より外部に突出させることになる。

さらに、回転軸２０から発電機４２への動力伝達機構は、前記増速機４０等の歯車同士が係合するものに限らず、例えば回転軸２０の下端側に固定されたプーリと、発電機４２の入力軸に取り付けられたプーリと、両プーリ間に架け渡されたベルト等によって適宜構成しても良い。

本発明の水力発電装置においては、自然の川や滝等から水を導くように設置するほか、都心部のマンション、公営住宅等のような集合建築物やビルの間の空き地やデッドスペース等においても、予め確保した一定量の水を循環させて使用する等、様々なスペースを活用して幅広く利用することができる。もちろん、山間部や離島等の交通の不便な地でも、高効率の電力を得ることができる。

このような水力発電装置は、従来のクリーンエネルギーである太陽光発電や風力発電のように天候の影響を受けることはなく、安定した発電を実現することができ、その産業上の利用価値は極めて高い。

１０…水力発電装置
１１…円筒槽
１２…内周面
１３…導入部
１４…排出部
１５…収容部
１６…軸受け
１８…軸受け
２０…回転軸
２１…駆動水車
２２…アーム
２３…ホイール
２４…水流翼
２５…外ホイール
３０…整流手段
４０…増速機
４１…無段変速機
４２…発電機
１３１…オーバーフロー部
１３３…水流入口
１３５…スロープ部
１３６…受け部
１４１…底枠
１４２…水流出口

Claims (5)

1. 上方より水を受け入れ下方へ落下させる円筒空間内にて、該円筒空間内の縦方向に延びる中心線に沿って配された回転軸に取り付けた駆動水車を備え、前記円筒空間内を落下する水流により前記駆動水車を回転させ、該駆動水車と共に回転する回転軸に連動する発電機から電力を得る水力発電装置において、
   前記駆動水車は、前記回転軸より延びるアームの先端側で、該回転軸を中心とした円周方向に間隔をあけて並び、かつ該回転軸より離れた前記円筒空間の内周面に沿って回転方向と同方向の斜め上方に延びる複数の水流翼を備えて成り、
   前記駆動水車の複数を、前記円筒空間内にて前記回転軸上に直列に並べて上下複数段に配置し、
   前記円筒空間内にて前記各駆動水車の最上段より上方に、外部より流入する水を前記円筒空間のうち前記回転軸より離れた前記内周面に沿った領域で全周方向に亘り落下させる導入部を設け、
   前記各駆動水車の上下間における前記円筒空間の内周面に沿って、上側の駆動水車の水流翼に衝突し該駆動水車を回転させた後に落下する水流を、下側の駆動水車の水流翼における表側の傾斜面に対向する一定角度で衝突する直線状の水流に転換する整流手段を設けたことを特徴とする水力発電装置。
2. 前記導入部と最上段の駆動水車との間にも、前記円筒空間の内周面に沿って前記整流手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記整流手段は、前記円筒空間の内周面より突出する状態に固定され、該内周面に沿って上下方向に直線状あるいは途中屈曲した形状に延びる細幅状の部材からなり、
   前記駆動水車の水流翼の数と同じ数が円周方向に等間隔に並ぶように配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電装置。
4. 前記駆動水車は、前記アームの先端側に支持されたリング状の内ホイールと、該内ホイールの外側に離隔して配され前記円筒空間の内周面に沿う外ホイールと、前記各水流翼とを備え、
   前記各水流翼を前記内ホイールと前記外ホイールとの間に固定してなることを特徴とする請求項１，２または３に記載の水力発電装置。
5. 前記導入部は、前記円筒空間内の中心線に沿って流入した水を受け入れた後、全周方向に溢れ出させるオーバーフロー部と、該オーバーフロー部を頂部として溢れ出した水を全周方向に亘り斜め下方へ流下させ、前記円筒空間の内周面に沿って落下させる円錐台状のスロープ部と、を備えてなることを特徴とする請求項１，２，３または４に記載の水力発電装置。

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