JP6592262B2 - 圧力水発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力水発電装置に係り、特にロータのブレードの受水面に、噴射口から高圧水を噴射して、ロータを効率良く回転させるようにした圧力水発電装置に関する。

従来の水車は、羽根車に向かって水流を落下させる横軸型や、落差のある水流を、ロータの横側から衝突させる縦軸型が知られ、また特許文献１には、潮流を利用する水車が開示されている。

特開平１０−２７４１４６号公報

前記、特許文献１に記載されている水車は、横軸水車の下部に、干満の潮位差を利用した潮流を当て、水車を回転させるものであるが、ロータの直径が大であるため、回転速度が低い。また縦軸水車では、落差を利用するために、多量の水を必要としている。
本発明は、水量が少なくても、噴水管を利用して、ロータのブレードにおける最大の回転作用を生じる受水面に、高圧の噴射水を噴射して、高速回転させるようにした、圧力水発電装置を提供するものである。

本発明の具体的な内容は、次の通りである。

（１）前後方向を向く水車筐体内に支持され、先端を前方へ突出した主軸の先端にロータを固定し、水車筐体の後部へ突出した主軸の後端に発電機を備え、ロータのハブにおける複数の揚力型ブレードは、翼根部から翼端方向へ次第に弦長を大とし、先端部を小さく、その後面は、前縁よりも後縁を前面方向へ傾斜させて、最大弦長部から先端の受水面を噴射管方向へ傾斜させた傾斜部とし、
水源と導水管を介して連結した環状の配水管を、水車筐体の後部を囲むように配設するとともに、主軸と平行をなし前方向へ突設された複数の各噴射管の前面における噴射孔を、前記ブレードの傾斜部の受水面が回転時に対面出来る位置に配設し、かつ該受水面に対面した時、噴射水がブレードの前縁方向に向かって噴射するように形成し、前記配水管から噴射管に流入する圧力水を、噴射管の噴射口から、前記ブレードの傾斜部の受水面に向けて噴射して、ブレードを回転させるようにしてなる圧力水発電装置。

（２）前記導水管に連結された環状の配水管は、水車筐体の外周にロータの主軸と同心状に配設し、前記環状の配水管の前部における主軸と並行をなす複数の噴射管の噴射口を、回転する時のブレードの傾斜部の受水面に近接させ、かつ該ブレードの受水面における最大弦長部に対面するように突設させ、前記導水管体から流入るする圧力水を、噴射管の噴射口から、前記ブレードの傾斜部の受水面に向けて噴射して、ブレードを回転させるようにしてなる前記（1）に記載の圧力水発電装置。

（３）前記導水管に連結された環状の配水管から、ロータのブレード方向に突出された噴水管の内部に、前後を仕切るように設けたアスピレータと噴射口との間に、水圧を高める水溜部を形成し、アスピレータには中央部に前後に貫通する通水路を貫通形成し、該通水路から噴水管の外に貫通する吸気道を形成して、その吸気道の外部に通気管を連結し、吸気道から通水路を介して水溜部に空気を送風して水溜部の速度を高めるようにようにし、該水溜部において、前記導水管体から流入した圧力水の圧力を高めて、噴射管の噴射口から、前記ブレードの傾斜部の受水面に向けて高速噴射水を噴射して、ブレードを回転させるようにしてなる前記（1）に記載の圧力水発電装置。

（４）前記導水管と環状の配水管の間にバイパスを設け、バイパスに加圧ポンプが配設され、該加圧ポンプの前後のパイパスに逆止弁を設け、バイパスの回路に入れた水を加圧ポンプで加圧して配水管に給水できるようにした前記（1）〜（3）のいずれかに記載の圧力水発電装置。

（５）前記ロータの下面に受水槽を設け、前記噴射管の噴射口からブレードに向けて噴射された水を受けた受水槽に溜まる水を、排水管、加圧ポンプからバイパスを介して配水管へ循環させるようにした前記（4）に記載の圧力水発電装置。

（６）前記水源から、取水管を貯水槽の上部に連結し、かつ貯水槽は、水圧を高めるように、上部よりも下部の面積を小として、貯水槽の下部から延出する導水管を、環状の配水管に連結した前記（1）〜（5）のいずれかに記載の圧力水発電装置。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載の圧力水発電装置は、ロータにおけるブレードの受水面に、配水管の噴射口を対面させて設けてあるため、噴射口から高速で噴射される噴水が、ブレードの受水面に間断なく高速で当り、梃子の原理によって、少ない水流でも効率よくロータを回転させ、安定した発電をさせることができる。

前記（2）に記載の圧力水発電装置は、配水管を、環状として水車筐体の外周に同心状に配設してあるので、回転するブレードの受水面に、噴射口から噴射される高速の噴射水を、継続して当てることができ、ロータを少ない流量で高速回転させ、安定した発電をさせることができる。

前記（3）に記載の圧力水発電装置は、噴水管の内部に、前後を仕切るように設けたアスピレータと噴射口との間に、水圧を高める水溜部が形成されているので、
配水管体からアスピレータの中央部に前後に貫通する通水路を通って水溜部へ入る水は、水溜部内で水圧を高められるので、配水管体から入る水圧よりも水溜部の水圧を高めて、墳水口から高圧水が勢いよく噴出してブレードの受水面に当り、回転速度を高めることが出来る。

前記（4）に記載の発明は、導水管から配水管の間に設けたバイパスに加圧ポンプを設けたので、加圧ポンプで配水管の水に加圧させて噴射水の噴射速度を高めることができる。

前記（5）に記載の発明は、ロータの下面に受水槽を設け、受水槽の水を排水管、加圧ポンプからバイパスを介して配水管へ循環させるようにしたので、流水量が少ない時にも、流水を無駄のないように活用することができる。

前記（6）に記載の発明は、水源から、取水管を貯水槽の上部に連結し、かつ貯水槽は水圧を高めるように、上部よりも下部の面積を小として、貯水槽の下部から延出する導水管を配水管に連結したので、水源の水量が少なくても貯水槽で加圧された流水を配水管に得ることができる。

本発明の圧力水発電装置の実施例１の横断平面図である。 図１における正面図である。 図１における噴水管とブレードの関係を示す縦断平面図である。 本発明の圧力水発電装置の実施例２の要部横断平面図である。 本発明における導水方法を示す正面図である。 本発明の圧力水発電装置の実施例３の要部横断平面図である。 本発明の圧力水発電装置の実施例４の要部横断平面図である。 図７の圧力水発電装置の正面図である。

以下本発明を、図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の実施例１の圧力水発電装置１では、前後方向を向く水車筐体２内に、軸受３を介して水平の主軸４を回転可能に支持し、水車筐体２から前方へ突出する主軸４の先端に、ロータ５を装着してある。
水車筐体２から後方へ突出する主軸４の後端は、発電機７における、図示しない主軸と連結してある。

ロータ５は、主軸４の前端に固定したハブ５Ａの外周に、放射方向を向く複数（３枚〜５枚）の揚力型ブレード６を固定して形成されている。
揚力型ブレード６は正面視において、図２に示すように、翼根部から翼端へかけて、弦長を次第に大とされている。

揚力型ブレード６の最大弦長部６Ａから先端へかけて、次第に円弧状の先尖りとするとともに、最大弦長部６Ａを基点として、その先端部を、噴水管10の方向へ向かって傾斜する傾斜部６Ｂとしてある。

また、図３に示すように、揚力型ブレード６の最大弦長部６Ａの受水面６Ｅは、主軸４の軸心線Ｓに対して、前縁６Ｃよりも後縁６Ｄを、５度〜12度ほど前面方向へ傾斜させてある。

これによって、揚力型ブレード６の受水面６Ｅに高速の噴射水を受けると、揚力型ブレード６は、前縁６Ｃ方向へ回転し、ロータ５が回転すると、発電機７の図示しない主軸が回転して、発電する。

水車筐体２の外周に、環状の配水管８が同心状に配設され、これに導水管９を連結してある。導水管９は、外フランジ９Ａ、９Ａを介して、別の導水管９と連結されており、図５に示す高い位置の小川等の水源水路14から、取水管９Ｂ、９Ｂで取水する。

図５において、取水管９Ｂ、９Ｂは、例えば山岳地などで、谷川や小川等の水路14から取水するために使用して、貯水槽13に集水するようになっている。
貯水槽13は、上部よりも下部の面積を小としたもので、水圧が下部へかかるようになっている。この貯水槽13の下部から導水管９をもって配水管８へ導水するようにしてある。

環状の配水管８の正面には、主軸４と平行をなす複数の噴水管10、10を、それぞれの噴射口10Ａが、揚力型ブレード６の傾斜部６Ｂと対面し、かつ揚力型ブレード６の回転方向へ向かって、突設してある。

揚力型ブレード６における、最大弦長部６Ａの近域が遠心部にあり、そこは梃子の原理が作用する効果的な作用点であり、その部分に高速の強い噴射水を受けると、総量としての水量が少なくても、ロータ５を、効率良く安定した回転をさせることができる。

一般には、揚力型ブレード６の直径以上の径を有する導水管内に、ロータ５を配設し、その導水管一杯の水量をもって、ロータ５を回転させるようになっているが、利用することの出来る水源の水量が少ない場合には、導水管を流れる水量が不十分であったりすると、ロータ５の回転は低速であり、発電をするための十分なトルクを得ることは難しい。

しかし、本発明においては、図１に示すように、導水管９の直径は、ロータ５の直径と対比して遙かに小さいものとしてあり、噴射口10Ａの直径は、更に小さいから、落差に伴って、噴射口10Ａから噴射する噴射水は高速となり、かつ高圧のものとなる。

その噴射口10Ａは、揚力型ブレード６の受水面６Ｅにおける、最大弦長部６Ａに対面しているので、噴射水は、最大弦長部６Ａに適切に当り、揚力型ブレード６を、前縁６Ｃ方向へ向かって効果的に回転させる。

すなわち、水流は、揚力型ブレード６の受水面６Ｅ全域に当っても、翼端方向へ移動するものであり、翼端部位に直接当てる方が、梃子の作用によって、強い回転力が得られる。

噴射口10Ａから噴射される水の量は、導水管９の断面積を噴射口10Ａの断面積で徐して、導水管９における流速を乗じた数値を、噴射口10Ａの数で除した数値に比例する。

例えば、導水管９の直径が20ｃｍで、その断面積を314ｃｍ^２、噴射口10Ａの直径が４ｃｍで、その断面積を12.56ｃｍ^２、導水管９の流速を２m/sとすると、25×２＝50。噴射口５個のうちの１個は10m/sの高速流となる。噴射口10Ａの直径を２倍の８ｃｍとした場合には、流速は５m/sと半減する。

図１において、導水管９の導入口（図１の右端）を高い位置へ向かって傾斜させるか、或いは直立させると、導水管９内の流水は、重力が加えられて、噴射口10Ａに大きな水圧がかかり、より高速流となって噴射される。

従って、利用する流水の量が少なくても、導水管９の先端部に配水管８を連結し、これに、直径の小さな噴射口10Ａを有する噴水管10を設けることによって、導水管９を流れる流水の速度よりも高速、かつ高圧な噴水を、噴射口10Ａから噴射し、これを揚力型ブレード６の、最大弦長部６Ａの部分に当てることにより、少ない流水によって、効率よくロータ５を回転させることができる。

導水管９の直径は、利用することが出来る用水の量によって定め、噴射口10Ａの直径は、利用出来る水量、傾斜、流速、噴射口10Ａの数等から、適宜定める。 噴射口10Ａの形状は円形に限定されず、楕円形、長方形、三角形などの任意の形状とされる。

図示するロータ５は、風車としても回転効率が優れていることが知られているが、噴射水は、風より質量が高く、速度が一定で、間断なく当てることによって、少水量でも、安定した効率の良い発電をさせることができる。

図４は、圧力水発電装置の実施例２の要部を示す横断平面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。この実施例２では、噴水管10内に空気を引込み、気泡混合水を噴射口10Ａから噴射させるようになっている。

図４において、環状の配水管８の前面に突設した噴水管10の中部に、アスピレータ11（aspirator＝吸気器）を内装し、通路11Ａ内に吸気道11Ｂの吸出口11Ｃを設け、これと連通する吸気口11Ｄを、噴水管10の外に表出して、これに導気管12を装着してある。

流水が環状の配水管８から通水路11Ａ内を、高速で通過すると、吸出口11Ｃ付近の空気がこれに引かれて、吸気道11Ｂ内が負圧となり、外から導気管12内に、空気がベンチュリー効果によって引込まれる。通水路11Ａ内に入った空気は、気泡状となって水と混合されて、噴射口10Ａから噴射される。

図４において、アスピレータ11と吸出口11Ｃの間の水溜部10Ｂに、流水が一時的に溜ることになる。一方、環状の配水管８から通水路11Ａ内に押出された流水は、吸出口11Ｃから空気を引込むことによって嵩が増大し、水溜部10Ｂに入り、水溜部10Ｂにおける水嵩を増大させて速度を高める。その結果、噴射口10Ａからは、高速流が噴射されて、ロータ５が効率よく回転される。

図６は圧水力発電装置の実施例３の平面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。
この実施例３においては、導水管９から環状の配水管８へバイパス９Ｃを設け、バイパス９Ｃに加圧ポンプ15を設け、導水管９に近接して逆止弁16を設けている。

また、ブレード５の下部に受水槽17を設け、受水槽17から加圧ポンプ15より導水管９に近接して、バイパス９Ｃを環状の配水管８に接続してあり、バイパス９Ｃに近接して逆止弁16を設けてある。

これは、ブレード６を回転させた水を、受水槽17に受けて再利用するもので、加圧ポンプ15によって吸い上げられ、加圧されて、環状の配水管８に供給される。また、渇水期において、導水管９に流れる水量が少なくなった時に、バイパス９Ｃの回路に水を流して、加圧ポンプ15で加圧して環状の配水管８へ給水するようにする。

ブレード６は、先端の傾斜部６Ｂを備えない物も使用される。配水管8に付設される噴水管10は、１本でもよく、本数には限定されない。１本の場合は、ブレード６の回転方向へ噴射口10Ａを向けて、抗力型のように使用しても、揚力型ブレードは効率良く回転する。

図７は、本発明の圧力水発電装置の実施例４を示す一部横断面を示す平面図で、図８は正面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。この実施例４は、噴水管10を環状に突出させて、その先端に、噴射口10Ａを多数、環状に、かつ点線状に連続して形成したものである。

噴射口10Ａは、一定の間隔置きに点線状に連続しているので、ここから噴射される噴射水は、ほぼ環状に噴射され、ブレード６が回転していても、かつブレード６の弦長が短いものであっても、間断なくブレードの受水面に当たるので、例え水量が少なくても、噴射速度が高速なので、ブレード６を効率良く回転させて、効率良く発電させることができる。

なお、噴射口10Ａの連続は、点線状の噴射口10Ａを接続して環状の切線状とすることもできる。また、点線状の噴射口10Ａは、噴水管10を省いて、配水管８に直接形成することができる。

本発明の圧力水発電装置は、少水量でも、ロータを効率良く回転させることが出来るので、澤、小川等の水量の少ない地域において、効率良く安定した発電をする水力発電機として利用することができる。また高層ビル等の排水を利用することもできる。

１．圧力水発電装置
２．水車筐体
３．軸受
４．主軸
５．ロータ
５Ａ．ハブ
６．揚力型ブレード
６Ａ．最大弦長部
６Ｂ．傾斜部
６Ｃ．前縁
６Ｄ．後縁
６Ｅ．受水面
７．発電機
８．配水管
９、導水管
９Ａ．フランジ
９Ｂ．取水管
９Ｃ．バイパス
10. 噴水管
10Ａ．噴射口
10Ｂ．水溜部
11．アスピレータ
11Ａ．通路
11Ｂ．吸気道
11Ｃ．吸出口
11Ｄ．吸気口
12．通気管
13．貯水槽
14．水路
15．加圧ポンプ
16．逆止弁
17．受水槽
18．排水管
Ｓ．軸線

Claims (6)

1. 前後方向を向く水車筐体内に支持され、先端を前方へ突出した主軸の先端にロータを固定し、水車筐体の後部へ突出した主軸の後端に発電機を備え、ロータのハブにおける複数の揚力型ブレードは、翼根部から翼端方向へ次第に弦長を大とし、先端部を小さく、その後面は、前縁よりも後縁を前面方向へ傾斜させて、最大弦長部から先端の受水面を噴射管方向へ傾斜させた傾斜部とし、
   水源と導水管を介して連結した環状の配水管を、水車筐体の後部を囲むように配設するとともに、主軸と平行をなし前方向へ突設された複数の各噴射管の前面における噴射孔を、前記ブレードの傾斜部の受水面が回転時に対面出来る位置に配設し、かつ該受水面に対面した時、噴射水がブレードの前縁方向に向かって噴射するように形成し、前記配水管から噴射管に流入する圧力水を、噴射管の噴射口から、前記ブレードの傾斜部の受水面に向けて噴射して、ブレードを回転させるようにしてなることを特徴とする圧力水発電装置。
2. 前記導水管に連結された環状の配水管は、水車筐体の外周にロータの主軸と同心状に配設し、前記環状の配水管の前部における主軸と並行をなす複数の噴射管の噴射口を、回転する時のブレードの傾斜部の受水面に近接させ、かつ該ブレードの受水面における最大弦長部に対面するように突設させ、前記導水管体から流入する圧力水を、噴射管の噴射口から、前記ブレードの傾斜部の受水面に向けて噴射して、ブレードを回転させるようにしてなることを特徴とする請求項１に記載の圧力水発電装置。
3. 前記導水管に連結された環状の配水管から、ロータのブレード方向に突出された噴水管の内部に、前後を仕切るように設けたアスピレータと噴射口との間に、水圧を高める水溜部を形成し、アスピレータには中央部に前後に貫通する通水路を貫通形成し、該通水路から噴水管の外に貫通する吸気道を形成して、その吸気道の外部に通気管を連結し、吸気道から通水路を介して水溜部に空気を送風して水溜部の速度を高めるようにし、該水溜部において、前記導水管体から流入した圧力水の圧力を高めて、噴射管の噴射口から、前記ブレードの傾斜部の受水面に向けて高速噴射水を噴射して、ブレードを回転させるようにしてなることを特徴とする請求項１に記載の圧力水発電装置。
4. 前記導水管と環状の配水管の間にバイパスを設け、バイパスに加圧ポンプが配設され、該加圧ポンプの前後のパイパスに逆止弁を設け、バイパスの回路に入れた水を加圧ポンプで加圧して配水管に給水できるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧力水発電装置。
5. 前記ロータの下面に受水槽を設け、前記噴射管の噴射口からブレードに向けて噴射された水を受けた受水槽に溜まる水を、排水管、加圧ポンプからバイパスを介して配水管へ循環させるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の圧力水発電装置。
6. 前記水源から、取水管を貯水槽の上部に連結し、かつ貯水槽は、水圧を高めるように、上部よりも下部の面積を小として、貯水槽の下部から延出する導水管を、環状の配水管に連結したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧力水発電装置。

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