JP5683039B1 - 落水型水車 - Google Patents

Abstract

【課題】 落下する水のエネルギーを動力へ変換する効率を高める。【解決手段】 落水型水車１０１は、周面が互いに対向するように並置される一対の回転体３，５と、これらを回転自在に支持する支持体１と、を有する。回転体３，５は、それぞれ、回転板７，９と羽根１５，１９，１７，２１と軸体２３，２５とを有している。羽根１５，１９，１７，２１は、回転板７，９の両主面から突出するように、回転板７，９の周縁部に沿って設けられている。軸体２３，２５は、回転板７，９の中心を貫通し、回転板７，９に固定されている。軸体２３，２５は、支持体１が有する軸受け２３，２５に軸支されている。対向する回転体３，５の間に水３７を落下させると、回転体３，５が回転する。落下した水３７は、対向する回転体３，５に挟まれ、逃げ道が阻まれるため、回転動力を効率よく生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、落下する水を受けて動力を得る落水型水車に関し、特に小電力発電に適した水車に関する。

従来、水の流れを動力に変換する水車として、例えば特許文献１及び２に記載のものが知られている。これらは川床に沿った川の流れ、すなわち略水平方向の流れを利用して回転動力を得ようとするものである。しかし、本願発明者は、水車を自ら試作し、川の水流を利用して回転動力を得る実験を行った結果、少なくとも大増水時ではない通常時においては、川床に沿った水流には、発電に適するほどの勢いが無いことを見出した。それに対して、川の段差などにおいて川床から落下する水を、当該水車に受ける実験を行ったところ、格段に大きな動力が得られることが判明した。

そこで、本願発明者は、落下する水を受けて動力を得るのに相応しいと見込まれる、周面に羽根の列が形成された形態の水車を試作し、水管にて導いた水を当該水車の周面に向かって落下させ、動力に変換する実験を行った。その結果、羽根に水が一旦溜まると、後続して落下する水は、溜められている水を避けて逃げるように流れるのみで、動力には生かされない、という知見を得た。すなわち、落下する水の勢い（すなわちエネルギー）が、水車の動力に有効には変換されず、エネルギーの損失がなお存することを見出した。

特開2013-19376号公報 特開2009-174480号公報

本願発明者は、各種の水車を自ら試作しては実験を行うという、試行錯誤を繰り返す中で、一対の水車を対向させた二連式の水車を構成し、当該一対の水車の対向する周面に向かって水を落下させると、落下する水が、これら対向する水車により逃げ道を阻まれ、格段に大きな回転動力が得られることを発見した。動力を電力に変換する実験を行ったところ、二連式の水車によって得られる電力は、１個の水車による電力の２倍を超え、約３倍であり、相乗効果を裏付けるものであった。さらに、１個の水車のみを用いる場合には、羽根に受けた水は、適宜に流出して、新たに落下してくる水を受けるようにする方が、動力への変換効率が良好であるのに対し、対向する一対の水車を用いる場合には、むしろ、羽根に受けた水が逃げないようにする方が、より変換効率が高いという知見をも得た。本発明は、かかる本願発明者自身の試行錯誤によって得た知見に基づいてなされたものであり、落下する水のエネルギーを動力へ変換する効率の高い落水型水車を提供することを目的とする。

従来技術における上記課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明のうち第１の態様によるものは、落下する水を受けて動力を得る落水型水車であって、一対の回転体と、支持体と、を備えるものである。前記一対の回転体は、各々の周縁に沿って水を受ける羽根の列が形成されている。前記支持体は、前記一対の回転体を、双方の周面が互いに対向するように、互いに略平行かつ略同一水平面上の回転軸の周りに、かつ、少なくとも対向する周面が下方に向かう回転方向である正転方向に、回転自在に支持する。

この構成によれば、対向する一対の回転体の間に水を落下させると、互いに対向する周面に並ぶ羽根の列が水の勢いを得ることにより、回転体が正転方向に回転する。落下した水は、対向する回転体に挟まれることにより、逃げ道が阻まれるため、落下する水のエネルギーが有効に動力に変換される。

本発明のうち第２の態様によるものは、第１の態様による落水型水車であって、前記各回転体において、径方向外方から見た各羽根の形状が、回転軸方向中央に近づくほど正転方向に向かう形状であるものである。

この構成によれば、落下する水が、回転体の周面上の回転軸方向中央部に集まり易くなり、回転軸方向外方に逃げ難くなるので、落下する水が水車の動力に、さらに有効に生かされる。

本発明のうち第３の態様によるものは、第２の態様による落水型水車であって、前記各回転体において、各羽根の径方向外方表面の形状が、逆転方向端から正転方向端へ向かうのにともなって、前記逆転方向端付近においては緩やかに径方向内方に向かい、次第に径方向外方へ向きを変え、前記正転方向端付近においては略径方向に沿って延びる部分を有するものである。

この構成によれば、落下する水を、回転する羽根に受け止め易いので、落下する水が水車の動力に、さらに有効に生かされる。

本発明のうち第４の態様によるものは、第１から第３の何れかの態様による落水型水車であって、前記各回転体は、中心において前記回転軸の周りに、かつ少なくとも正転方向に、前記支持体により回転自在に支持される回転板状体を有している。また、前記羽根の列は、前記回転板状体の両主面から突出するように、前記回転板状体の周縁領域に設けられている。

この構成によれば、水車が中空部を要しないため、中空部へ水が侵入し回転を阻害する恐れを無くすことができ、かつ軽量かつ簡素に構成可能である。

本発明のうち第５の態様によるものは、第１から第４の何れかの態様による落水型水車であって、前記支持体は、前記一対の回転体の周面同士が最近接する位置の付近から、それより低い所定高さまでの範囲において、前記羽根の列の径方向外方端を覆う第１のカバー体、を有する。

この構成によれば、落下する水を一旦受けた羽根が、一対の回転体の周面同士が最近接する位置の付近から、それより低い所定高さまでの範囲を通過するときに、羽根の径方向外方端が第１のカバー体に覆われるために、羽根から水が逃げ難くなる。このため、逃げずに残った水の重力が、回転動力生成に有効に生かされる。

本発明のうち第６の態様によるものは、第５の態様による落水型水車であって、前記支持体は、前記一対の回転体の周面同士が最近接する位置の付近から、それより低い所定高さまでの範囲において、前記羽根の列の回転軸方向両端を覆う第２のカバー体、をさらに有する。

この構成によれば、落下する水を一旦受けた羽根が、一対の回転体の周面同士が最近接する位置の付近から、それより低い所定高さまでの範囲を通過するときに、羽根の回転軸方向両端が第２のカバー体に覆われるために、羽根から水がさらに逃げ難くなる。このため、逃げずに残った水の重力が回転動力生成に有効に生かされる。

本発明のうち第７の態様によるものは、第１から第６の何れかの態様による落水型水車であって、前記支持体は、前記一対の回転体の周面同士が最近接する位置の付近から、それより高い所定高さまでの範囲において、一方の回転体の前記羽根の列の回転軸方向両端から、他方の回転体の前記羽根の列の回転軸方向両端まで、を覆う第３のカバー体、を有する。

この構成によれば、対向する一対の回転体の間に落下した水は、第３のカバー体により逃げ道が妨げられる。それにより、落下した水が回転動力生成に、より有効に生かされる。

本発明のうち第８の態様によるものは、第１から第７の何れかの態様による落水型水車であって、発電機と、前記一対の回転体の回転動力を前記発電機に伝達する伝達機構と、をさらに備えるものである。

この構成によれば、対向する一対の回転体の間に落下した水により得られる一対の回転体の回転動力が、伝達機構を通じて発電機に伝えられることにより、電力に変換される。すなわち、水力発電装置が実現する。

以上のように本発明によれば、落下する水のエネルギーを動力へ変換する効率の高い落水型水車が実現する。

本発明の一実施の形態による落水型水車の構成を示す斜視図である。 図１に例示する落水型水車の回転体の羽根の形状を示す図であり、（ａ）は回転体の部分斜視図、（ｂ）は回転体の部分断面図である。 図１に例示する落水型水車が有するカバー体の構造を例示する図であり、（ａ）は回転体とカバー体の斜視図、（ｂ）は回転体とカバー体の上面図、（ｃ）は回転体とカバー体の正面図である。

以下に、本発明の実施の形態について説明するが、以下に示す実施の形態は本発明の例示であって、本発明が当該例示に限定されるものではないことは、言うまでもない。

図１は、本発明の一実施の形態による落水型水車の構成を示す斜視図である。この落水型水車１０１は、一対の回転体３，５と、支持体１とを有している。回転体３及び５には、それぞれの周縁に沿って、水を受ける羽根１５，１９及び１７，２１の列が形成されている。一対の回転体３，５は、周面同士が互いに近接して対向するように、支持体１に回転自在に軸支されている。一対の回転体３，５の互いに対向する部位に向かって、上方から水３７を落下させることにより、回転体３，５に回転動力を付与することができる。すなわち、落下する水３７を受けることにより、回転体３は図上右回りに回転し、回転体５は左回りに回転する。これらの回転方向を、便宜上「正転方向」と仮称する。回転体３，５の回転動力は、発電機３３に伝えられることにより、電力に変換される。

次に、落水型水車１０１の構成の細部について説明する。回転体３及び回転体５は、互いに同一に構成される。双方を代表して回転体５について説明する。回転体５は、円形板状の回転板９を有している。回転板９の中心部には、回転板９の主面に直交する軸体１３が固定されている。軸体１３は丸棒状であり、回転板９を貫通し、回転板９の双方の主面の外方に延びている。支持体１は、一対の軸受け２５を有しており（図上左側の軸受け２５は、回転体５の裏に隠れており、図上には現れない）、軸体１３の両端部はこれらの軸受け２５に回転自在に支持されている。軸体１３は、軸受け２５により水平に支持される。それにより、回転体５は、軸体１３の中心軸に相当する水平な回転軸の周りに回転自在となっている。

回転板９の周縁領域には、羽根１７，２１の列が、回転板９の周に沿い、かつ、双方の主面からそれぞれ突出するように設けられている。また、羽根１７，２１の列は、回転板９に対して互いに対称の形状をなすように形成されている。羽根１７，２１は、落下する水３７を受け止め易くするために、回転体５の径方向外方に向かって凹状となるように湾曲している。さらに、羽根１７，２１は、回転体５の径方向外方から見た形状が、回転板９に接近するほど正転方向へ向かうように、回転板９の主面に直交する方向（言い換えると回転軸に沿った方向）から傾斜している。従って、回転板９の同じ部位において両主面から突出するように設けられる羽根１７と羽根２１とは、回転体５の径方向外方から見て略Ｖ字状をなす。それにより、落下する水３７が回転板９の近くに集まり易くなり、羽根１７，２１から回転軸方向外方に逃げ難くなる。

図２は、回転体５の羽根１７の形状を例示する図である。図２（ａ）の斜視図が例示するように、羽根１７が回転板９の主面から突出する角度Ａ１は、一例として６０度である。また、図２（ｂ）に羽根１７の付け根部分の断面形状を例示するように、回転軸に直交する平面上、言い換えると回転板９の主面に平行な平面上の羽根１７の断面形状は、好ましくは、単純な円弧状から離れた異形をなす。この断面形状は、正転方向に向かうのに伴い、まず後方端（すなわち逆転方向端）付近においては緩やかに、回転体５の径方向Ｂ２の内方に向かい、徐々に径方向Ｂ２の外方へ向きを変え、前方端（すなわち正転方向端）付近においては、おおよそ径方向Ｂ２に沿って延びる平板状部分を有している。当該平板状部分が回転体５の周面に沿った接線Ｂ１に対してなす角度Ａ２は、９０度ないし略９０度である。すなわち、図２（ｂ）に例示する羽根１７の断面形状は、あたかも略Ｊ字状をなす。羽根１７の形状に関する以上の記述は、羽根１７とは対称の形状をなす羽根２１についても当てはまる。本願発明者は、様々な形状の羽根１７，２１を試作し実験を行う中で、羽根１７，２１が図２（ｂ）のごとき断面形状を有するときに、落下する水３７が回転する羽根１７，２１に受け止められ易く、回転体５が得る回転動力が大きいことを確認している。

図２（ｂ）には、羽根１７が薄板状である例を示したが、羽根１７が他の形状を採ることも可能である。その場合においても、径方向Ｂ２の外方を向く羽根１７の表面、すなわち水３７を受ける側の表面の形状が、図２（ｂ）の断面形状と同様であれば、回転体５が得る回転動力は同様に大きいものとなる。

図１に戻って、既に述べた通り、回転体３は、回転体５と同一に構成される。回転体３は、回転板７、軸体１１、及び羽根１５，１９の列を有しており、これらはそれぞれ、回転体５が有する回転板９、軸体１３、及び羽根１７，２１と同等に構成されている。軸体１１の両端部は、支持体１が有する一対の軸受け２３（図上左側の軸受け２３は、回転体３の裏に隠れており、図上には現れない）に回転自在に支持されている。それにより、回転体３は、軸体１１の中心軸に相当する水平な回転軸の周りに回転自在となっている。回転体３の回転軸と回転体５の回転軸とは、回転体３及び５の周面同士が向き合うように互いに平行であり、しかも同一高さ、すなわち同一水平面上に位置する。ここで、回転体３及び５の「周面」とは、図１の例では、回転板７、９及び羽根１５，１９，１７，２１の全体の最大径及び回転軸方向最大幅を、それぞれ径及び回転軸方向幅とする仮想的な周面である。

一対の回転体３、５は、それらの軸体１１、１３に取り付けられたプーリ２７、２９と、これらのプーリ２７、２９にたすき掛けされたベルト３１とによって、同一の回転速度をもって正転方向に回転する。発電機３３は、その本体部が支持体１に支持され、回転軸が軸体１３に連結されている。これにより、双方の回転体３，５に付与された回転動力が、単一の発電機３３に伝達される。プーリ２７、２９及びベルト３１は、本発明の伝達機構の一具体例に相当する。一対の回転体３、５の対向し合う部位に水３７を落下させるには、図１に例示するように、水管３５を用いて、河川水等を導くと良い。

図３は、落水型水車１０１の支持体１が有するカバー体の構造を例示する図である。図３（ａ）の斜視図、及び図３（ｂ）の上面図が示すように、支持体１（図示略。図１参照。）は、一対の覆いカバー体４１，４３を有している。図３（ａ）及び図３（ｂ）の例では、カバー体４１，４３は板状体である。カバー体４１，４３は、本発明の第２及び第３のカバー体の双方を具備したカバー体の一具体例に相当する。すなわち、カバー体４１，４３は、一対の回転体３、５の周面同士が最近接する位置を挟んで、それより高い所定高さから、それより低い所定高さまでの範囲において、一方の回転体３の羽根１５，１９の列の回転軸方向両端から、他方の回転体５の羽根１７，２１の列の回転軸方向両端までを、覆うように設置される。図３（ｂ）に例示するように、羽根１５，１９，１７，２１とカバー体４１，４３との間の間隙を最小にするために、羽根１５，１９，１７，２１の回転軸方向両端は、回転軸に直交する平面で切断されたような形状をなすこと、すなわち当該平面に平行であることが望ましい。

図３（ｃ）の正面図は、もう一つのカバー体を例示している。図３（ｃ）の例では、カバー体４５は、上端部が互いに連結された一対の湾曲した板状体である。このカバー体４５は、本発明の第１のカバー体の一具体例に相当する。すなわち、カバー体４５は、一対の回転体３，５の周面同士が最近接する位置の付近から、それより低い所定高さまでの範囲において、羽根１５，１９，１７，２１の列の径方向外方端部を覆うように設置される。好ましくは、カバー体４５とカバー体４１，４３との間からの水漏れを防ぐために、カバー体４５の回転方向両端部は、一対のカバー体４１，４３に隙間無く連結される。カバー体４１，４３，４５は、何らかの固定部材（図示略）あるいは溶接等により、支持体１の本体部に固定される。

カバー体４１，４３のうち、一対の回転体３、５の周面同士が最近接する位置よりも下方の部分と、カバー体４５とは、落下する水を一旦受けた羽根１５，１９，１７，２１が、一対の回転体の周面同士が最近接する位置の付近から、それより低い所定高さまでの範囲を通過するときに、羽根の径方向外方端と回転軸方向両端とを覆う役割を果たす。それにより、羽根１５，１９，１７，２１から水が逃げ難くなる。カバー体４１，４３が無く、カバー体４５のみを設置した場合であっても、羽根１５，１９，１７，２１から水を逃げ難くする上で、相応の効果が得られる。また、カバー体４１，４３のうち、一対の回転体３、５の周面同士が最近接する位置よりも上方の部分は、対向する一対の回転体３，５の間に落下した水の逃げ道を妨げる役割を果たす。このように、カバー体４１，４３，４５は、落下した水を回転動力の生成により有効に生かす機能を果たす。

落水型水車１０１の各部の材料について、一例を挙げると以下の通りである。回転板７，９、羽根１５，１９，１７，２１、及び軸体１１，１３は、例えば鋼製であり、例えば互いに溶接される。支持体１の本体部は、例えば鋼製のパイプにより構成される。回転板７，９、及び羽根１５，１９，１７，２１は、例えば樹脂の一体成形により形成することも可能である。

落水型水車１０１においては、一対の回転体３，５は、正逆いずれの方向にも回転自在となるように、軸受け２３，２５に軸支された。これに対して、一対の回転体３，５は、正転方向にのみ回転自在となるように軸支され、逆転方向には例えばストッパーが機能して回転が阻止されるように支持されてもよい。

落水型水車１０１においては、一対の回転体３，５はそれぞれ回転板７、９を有し、これらの回転板７，９には、その両主面から羽根１５，１９，１７，２１が突出するように設けられた。それにより、空洞部が無く、水の侵入の恐れが無く、しかも構造が簡素な回転体３，５が得られた。しかしながら、本発明はかかる形態に限定されるものではなく、例えば、ドラム状の回転体の周面に沿って、羽根が突設された形態を実施することも可能である。何れの形態であっても、回転体の周縁に沿って羽根の列が形成されている点に変わりはない。

１ 支持体
３，５ 回転体
７，９ 回転板（回転板状体）
１１，１３ 軸体
１５，１７，１９，２１ 羽根
２３，２５ 軸受け
２７，２９ プーリ（伝達機構）
３１ ベルト（伝達機構）
３３ 発電機
３７ 水
４１，４３ カバー体（第２のカバー体、第３のカバー体）
４５ カバー体（第１のカバー体）
Ｂ２ 径方向

Claims (7)

1. 落下する水を受けて動力を得る落水型水車であって、
   各々の周縁に沿って水を受ける羽根の列が形成されている一対の回転体と、
   前記一対の回転体を、双方の周面が互いに対向するように、互いに略平行かつ略同一水平面上の回転軸の周りに、かつ、少なくとも対向する周面が下方に向かう回転方向である正転方向に、回転自在に支持する支持体と、を備え、
   前記支持体は、前記一対の回転体の周面同士が最近接する位置の付近から、それより低い所定高さまでの範囲において、前記羽根の列の径方向外方端を覆う第１のカバー体、を有する落水型水車。
2. 前記支持体は、前記一対の回転体の周面同士が最近接する位置の付近から、それより低い所定高さまでの範囲において、前記羽根の列の回転軸方向両端を覆う第２のカバー体、をさらに有する請求項１に記載の落水型水車。
3. 前記各回転体において、径方向外方から見た各羽根の形状が、回転軸方向中央に近づくほど正転方向に向かう形状である、請求項１又は２に記載の落水型水車。
4. 前記各回転体において、各羽根の径方向外方表面の形状が、逆転方向端から正転方向端へ向かうのにともなって、前記逆転方向端付近においては緩やかに径方向内方に向かい、次第に径方向外方へ向きを変え、前記正転方向端付近においては略径方向に沿って延びる部分を有する、請求項３に記載の落水型水車。
5. 前記各回転体は、中心において前記回転軸の周りに、かつ少なくとも正転方向に、前記支持体により回転自在に支持される回転板状体を有しており、
   前記羽根の列は、前記回転板状体の両主面から突出するように、前記回転板状体の周縁領域に設けられている、請求項１から４のいずれかに記載の落水型水車。
6. 前記支持体は、前記一対の回転体の周面同士が最近接する位置の付近から、それより高い所定高さまでの範囲において、一方の回転体の前記羽根の列の回転軸方向両端から、他方の回転体の前記羽根の列の回転軸方向両端まで、を覆う第３のカバー体、を有する請求項１から５のいずれかに記載の落水型水車。
7. 発電機と、
   前記一対の回転体の回転動力を前記発電機に伝達する伝達機構と、をさらに備える、請求項１から６のいずれかに記載の落水型水車。

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