JP6969723B1 - 水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車は、河川や海水の表面近くの水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車を提供することを目的とする。【解決手段】水車羽根の枚数を１２枚に設定し、喫水線の位置を水車の半径１／３に設定するとともに、前記水車羽根を三角羽根としてその取付け角度は、並設された複数の弧状断面からなる水受け面部を水車の中心線に対して水流の進む方向に２２．５°傾け、前記並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の水流の下流側にはＲ背面部が取り付けられるとともに、該Ｒ背面部の取付け角度を前記並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の先端から５６．５°開いて三角形を形成したことを特徴とする水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車。【選択図】図１

Description

再生可能エネルギーとして水力発電においては、水流、水量、落差の条件により水車の形式や羽根の形状が異なり、大掛かりな設備が必要とされている。
本発明は、そのような水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車に関するものである。

以上のように、再生可能エネルギーとして水力発電があるが、水流、水量、落差の条件により水車の形式や羽根の形状が異なり、大掛かりな設備が必要とされている。また、河川等における小水力発電においても落差を中心とした水車の形式や羽根の形状は各種あるが、河川や海水の表面近くの流速を利用する水車羽根の形状及び羽根の枚数・喫水線の位置等はほとんど検討されていない。

ところで、実用新案登録第３００１０１２号公報（特許文献１）には、先端が細くなってゆくほぼ三角羽根からなる「水圧モーター及び水圧駆動式洗浄機」が提案されている。
しかしながらこの「水圧モーター及び水圧駆動式洗浄機」は家庭の水道水の水圧で駆動力を得る水圧モーターであって、径方向に延びた複数の羽根を有する羽根車と、この羽根車を収容する収容空間を有するケーシングと、この羽根車を回転させるように羽根に向けて圧力水を噴射するノズルとを備え、上記ケーシングに、上記ノズルより噴射され、羽根を回転させた圧力水を上記収容空間とは別の空間に導出する排水流路を設けた水圧モーターである。

実用新案登録第３００１０１２号公報

しかしながら前記水圧モータは、家庭の水道水の水圧で駆動力を得る水圧モーターであって、河川や海水の表面近くの流速を利用する水車羽根の形状及び羽根の枚数・喫水線の位置等を提案するものとはなっていなかった。

本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車は、河川や海水の表面近くの流速を利用する水車羽根の形状及び羽根の枚数・喫水線の位置等を提案するものであり、河川や海水の表面近くの水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車を提供することを目的とする。

すなわち本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車は、水車羽根の枚数を１２枚に設定し、喫水線の位置を水車の半径１／３に設定するとともに、前記水車羽根を三角羽根としてその取付け角度は、並設された複数の弧状断面からなる水受け面部を水車の中心線に対して水流の進む方向に２２．５°傾けることにより、前記複数枚の水車羽根のうちの第１のＡ羽根は、前記第１のＡ羽根の水流の上流側に隣接する第２のＢ羽根の水流妨害を受けずに最下点より手前２２．５°の位置で水流に対し直角になって最大水圧を受け、同時に前記第２のＢ羽根の並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の先端凹部が着水し水圧を受け始めることにより、水流エネルギーを最大限に受け止め効率良く回転トルクに変換できるとともに、前記並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の水流の下流側にはＲ背面部が取り付けられるとともに、該Ｒ背面部の取付け角度を前記並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の先端から５６．５°開いて三角形を作ることにより、最下点を過ぎた前記水車羽根間にある水の排除や水の巻き込みを防ぎ、離水時の水切りを良くすることにより負のエネルギーを軽減することを可能としたことを特徴とするものである。

本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車において、前記水車羽根は、前記並設された複数の弧状断面からなる水受け面部と、前記並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の水流の下流側に取り付けられた前記Ｒ背面部とにより形成された中空部を備え、前記水車羽根の前記第１のＡ羽根が最下点を通る中心線より手前２２．５°の位置で水流に対し直角になって最大水圧を受け、同時に前記第２のＢ羽根の水受け面部の先端凹部が着水し水圧を受け始め、第１のＡ羽根は前記第２のＢ羽根によって遮られた水流以外の水圧を受けながら最下点を通過するが、水流は下向きに流れるので第１のＡ羽根に形成された前記中空部により前記第１のＡ羽根に浮力が生じて前記水車の回転を助けるとともに、前記第２のＢ羽根は水圧を増大しながら水流の最大圧を受ける地点まで加速するようにしたことをも特徴とするものである。

本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車において、前記第１のＡ羽根に水圧がなくなるころ、前記第２のＢ羽根は最下点を通る中心線より手前２２．５°の位置で水流に対し直角になって最大水圧を受け、同時に前記第２のＢ羽根の水流の上流側に隣接する第３のＣ羽根の並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の先端凹部が着水し水圧を受け始めることにより、水流エネルギーを最大限に受け止め効率良く回転トルクに変換できるようにしたことをも特徴とするものである。

また、本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車は、水車ドラムと、該水車ドラムの周面に複数取り付けられた三角羽根と、前記水車ドラムの両側開口部に取り付けられた左右一対の側板と、からなる水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車であって、前記三角羽根は、水流の上流側の並設された複数の弧状断面からなる水受け面部と、前記水受け面部の水流の下流側に取り付けられたＲ背面部からなり、前記水受け面部は、前記水車ドラムの周面に一方の端部が取り付けられた大径の弧状断面からなるパワー凹部と、該パワー凹部の他方の端部に形成された小径の弧状断面からなる先端凹部とを備え、前記Ｒ背面部は、前記水車ドラムの周面に一方の端部が取り付けられるとともに、他方の端部が前記水受け面部の先端に取り付けられていることをも特徴とするものである。

本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車において、前記三角羽根が、前記水車ドラムの周面に所定の間隔で１２枚取り付けられてなることをも特徴とするものである。

本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車において、前記水受け面部を前記水車の中心線に対して水流の進む方向に２２．５°傾けることにより、前記水車ドラムの周面に複数枚取り付けられた前記三角羽根のうちの第１のＡ羽根は、前記第１のＡ羽根の水流の上流側に隣接する第２のＢ羽根の水流妨害を受けずに最下点より手前２２．５°の位置で水流に対して前記第１のＡ羽根の水受け面部が直角になって最大水圧を受け、同時に前記第２のＢ羽根の水受け面部の前記先端凹部が着水し水圧を受け始めることにより、水流エネルギーを最大限に受け止め効率良く回転トルクに変換できるようにしたことをも特徴とするものである。

本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車において、前記Ｒ背面部は、一方の端部が前記水車ドラムの周面に取り付けられるとともに、他方の端部が前記水受け面部の先端に水流の進む方向に５６．５°開いて取り付けられていることにより、最下点を過ぎた前記三角羽根どうしの間にある水の排除や水の巻き込みを防ぎ、離水時の水切りを良くすることにより負のエネルギーを軽減することを可能としたことをも特徴とするものである。

本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車において、前記三角羽根は、前記水受け面部と前記Ｒ背面部とにより形成された中空部を備え、前記第１のＡ羽根は、前記第１のＡ羽根の水流の上流側に隣接する第２のＢ羽根の水流妨害を受けずに最下点より手前２２．５°の位置で水流に対して前記第１のＡ羽根の前記水受け面部が直角になって最大水圧を受け、同時に前記第２のＢ羽根の前記水受け面部の前記先端凹部が着水し水圧を受け始め、前記第１のＡ羽根は前記第２のＢ羽根によって遮られた水流以外の水圧を受けながら最下点を通過するが、水流は下向きに流れるので前記第１のＡ羽根に形成された前記中空部により前記第１のＡ羽根に浮力が生じて前記水車の回転を助けるとともに、前記第２のＢ羽根は水圧を増大しながら水流の最大圧を受ける地点まで加速するようにしたことをも特徴とするものである。

河川や海水の表面近くの流速で効率良く回転トルクに変換する水車羽根の形状は羽根枚数と喫水線の位置はきわめて重要な要素である。水位が水車の中心近くの場合は、水車はほとんど回転しない。水車の外周近くでは回転はするが必要な回転トルクが得られない。そこで水車羽根の枚数を１２枚に設定し、喫水線の位置を水車の半径１／３に設定し、三角羽根の取付け角度は、前記三角羽根を構成する並設された複数の弧状断面からなる水受け面部を水車の中心線に対して水流の進む方向に２２．５°傾けることにより、前記複数枚の三角羽根のうちの第１のＡ羽根は水流の上流側に隣接する第２のＢ羽根の水流妨害を受けずに最下点より手前２２．５°の位置で水流に対し前記第１のＡ羽根の前記水受け面部が直角になって最大水圧を受けることとなる。

同時に前記第２のＢ羽根の前記水受け面部の先端凹部が着水して水圧を受け始める。したがって、水流エネルギーを最大限に受け止めて効率良く回転トルクに変換できる。また、前記水受け面部の水流の下流側に取り付けられたＲ背面部の取付け角度を前記水受け面部の先端から５６．５°開いて三角形を作ることにより、最下点を過ぎた前記三角羽根どうしの間にある水の排除や水の巻き込みを防ぎ、離水時の水きりを良くすることにより負のエネルギーを軽減することができるのであって、水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車を提供することが可能となった。

本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車の実施例を示す概略断面図である。 本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車における、水車羽根の要部斜視図である。 その側板の斜視図である。 水車ドラムと側板を組付けた状態の概略斜視図である。 その概略透視斜視図である。 本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車における、三角羽根の要部拡大断面図である。 本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車を河川等におけるマイクロ水車発電に利用した状態を示す概略縦断面図である。 その概略横断面図である。 本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車をＵ字側溝に適用した状態示す概略断面図である。 その完成予想の状態を示す透視図である。 その水路平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は従来例の水車を示す概略断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は水車における喫水線の位置の検討図である。 （ａ）〜（ｃ）は水車における羽根の好適な枚数を示す検討図である。 （ａ）〜（ｃ）は水車における羽根の枚数に応じた取付角度、排水線の取付を示す検討図である。 本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車の別の実施例を示す概略断面図である。 その三角羽根の要部斜視図である。 その側板の斜視図である。 その水車ドラムと側板を組付けた状態の概略斜視図である。 その概略透視斜視図である。 その三角羽根の要部拡大断面図である。

以下、本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車に係る実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１ないし図５は、水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車の実施例を示すものであり、三角羽根からなる水車羽根１１の枚数を１２枚に設定し、喫水線１２の位置を水車２１の半径１／３に設定している。そして、前記水車羽根１１は、並設された複数の弧状断面からなる水受け面部１３と該水受け面部１３の水流１９の下流側に設けたＲ背面部とからなる三角羽根としてあり、前記水受け面部１３の取付け角度は、水車２１の中心線に対して水流１９の進む方向に２２．５°傾けている。

このようにすることにより、前記複数枚の水車羽根１１のうちの第１のＡ羽根１１Ａは、前記第１のＡ羽根１１Ａの水流１９の上流側に隣接する第２のＢ羽根１１Ｂの水流妨害を受けずに最下点より手前２２．５°の位置で水流１９に対し前記第１のＡ羽根１１Ａの水受け面部１３Ａが直角になって最大水圧を受けるようになっている。
なお、前記水受け面部１３を構成する複数の弧状断面は、図に示すように、大径の弧状断面からなるパワー凹部１３ａと、小径の弧状断面からなる先端凹部１３ｂを並設した構成を好適に用いることができる。

また、前記第１のＡ羽根１１Ａが最下点より手前２２．５°の位置で水流１９に対して前記水受け面部１３Ａが直角になって最大水圧を受けるようになると同時に、前記第２のＢ羽根１１Ｂの水受け面部１３Ｂの先端凹部１３ｂが着水し水圧を受け始めることにより、水流エネルギーを最大限に受け止め効率良く回転トルクに変換できるようにしてある。加えて、前記水受け面部１３Ｂの水流１９の下流側に設けたＲ背面部１４Ｂの取付け角度を前記水受け面部１３Ｂの先端から５６．５°開いて三角形を作ることにより、最下点を過ぎた前記水車羽根１１どうしの間にある水の排除や水の巻き込みを防ぎ、離水時の水切りを良くすることにより負のエネルギーを軽減することを可能としたものである。

なお、本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車２１は、前記第１のＡ羽根１１Ａは最下点を通る中心線より手前２２．５°の位置で水流１９に対し直角になって最大水圧を受け、同時に前記第２のＢ羽根１１Ｂの水受け面１３Ｂの先端凹部１３ｂが着水し水圧を受け始め、前記第１のＡ羽根１１Ａは前記第２のＢ羽根１１Ｂによって遮られた水流以外の水圧を受けながら最下点を通過するが、水流１９は下向きに流れるので前記第１のＡ羽根１１Ａの中空部１５に浮力１５ａが生じて回転を助け、前記第２のＢ羽根１１Ｂは水圧を増大しながら水流の最大圧を受ける地点まで加速するようにしてある。

さらに本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車２１は、前記第１のＡ羽根１１Ａに水圧がなくなるころ、前記第２のＢ羽根１１Ｂは最下点を通る中心線より手前２２．５°の位置で水流に対し直角になって最大水圧を受け、同時に第３のＣ羽根１１Ｃの水受け面部１３Ｃの先端凹部１３ｂが着水し水圧を受け始める。このようにすることにより、水流エネルギーを最大限に受け止め連続的に効率良く回転トルクに変換できるのである。

また、図５に示すように、１２枚の三角羽根からなる水車羽根１１が水車ドラム３１上に所定の間隔を設けた状態で等間隔に配置されている。その上で水車羽根１１を水車ドラム３１に取り付けた状態でその両面に左右一対の側板３５が水車羽根１１の先端までを覆うように取り付けられているのである。
図において３６は水車２１の中心を貫通するように取り付けられた回転軸であり、その回転を発電機に伝達して発電するのである。

図６は三角羽根からなる水車羽根１１の詳細を示す要部拡大図である。図６に示すように、水車ドラム３１の垂線に沿った第１中心線１０１と水車ドラム３１との交点３１ａには水車羽根１１のＲ背面部１４上端が取り付けられ、水車ドラム３１を１２分割して前記中心線１０１と隣接する第２中心線１０２と水車ドラム３１との交点３１ｂには水車羽根１１の水受け面部１３上端が取り付けられている。
その上で、前記中心線１０２と水車ドラム３１との交点３１ｂから垂直に下した線上に水車羽根１１の水受け面部１３を構成するパワー凹部１３ａおよび先端凹部１３ｂが配置されているのである。
このような構成の水車羽根１１において、前記水車ドラム３１の垂線に沿った中心線１０１と水車ドラム３１との交点３１ａに取り付けられた水車羽根１１のＲ背面部１４の上端位置が喫水線１２となるように、水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車２１が河川や水路に配置されるのである。

なお、図６に示すように、前記水車羽根１１の前記水受け面部１３の前記パワー凹部１３ａの弧状断面と、前記水車羽根１１の前記Ｒ背面部１４の弧状断面とは、ともに大径の同じ曲率（Ｒ＝２×Ｌ）の凹部形状に形成されており、前記水受け部１３の前記先端凹部１３ｂの弧状断面は、前記パワー凹部１３ａよりも小径の曲率（Ｒ＝１／６×Ｌ）の凹部形状に形成されている。
このようにすることにより、前記水車羽根１１は最下点の手前２２．５°の位置において水流１９から最大水圧を受けるとともに、前記水車羽根１１の水流１９の上流側に隣接する前記水車羽根１１の水受け面部１３に形成された先端凹部１３ｂが喫水線１２と交差して着水し水圧を受け始めた際、前記先端凹部１３ｂを弧状断面の凹形状とすることにより、初期少量の水流による水圧をも十分に回転トルクに変換できるようにしてあるので、水流エネルギーを最大限に受け止めて連続的に効率良く回転トルクに変換できるのである。

図７および図８に、本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車２１を河川等におけるマイクロ水車発電に利用した状態を示す。
このマイクロ水車発電装置４０は、三角羽根を備えた水車２１の上部に水車カバー４１を取付け、その上部に発電機４２を設置した上、全体カバー４３で水車２１と発電機４２とを一体的に保持させたものである。なお、全体カバー４３の上部には外向きに開口する所定長さの通気口４４が開設されており、その通気口４４には円弧状断面の通気口カバー４５が設置されている。
さらに、マイクロ水車発電装置４０を上面に取り付けるＵ字側溝４６の下流側には、上流側との平衡を図るための台座４６ａが設置されており、水車２１を平衡に設置できるよう配慮されている。

図９は、マイクロ水車発電装置４０を上面に取り付けるＵ字側溝４６の詳細を示すものであり、該Ｕ字側溝４６には３０ｍ当たり、３ｍ間隔で１０台設置することができることを示している。このような間隔においては、エネルギーを使い減速した表面水流１９ａは、下流域３ｍの間に深層水流１９ｂにより復元するのであって、非常に効率よく発電することが可能となった。図１０はその完成予想イメージ図であり、マイクロ水車発電装置４０はＵ字側溝４６上面に所定間隔で取り付けられており、全体カバー４３と、その上部に取り付けた外向きに開口する所定長さの通気口４４上面に取り付けた通気口カバー４５とを示している。

次に図１１は、マイクロ水車発電装置４０を取り付けたＵ字側溝４６が市町村管理の河川４７に取水口４８を介して設置されている状態を示すものであり、前記河川４７と取水口４８との間には除塵装置４９が設置されている。その上で、前記取水口４８には水量調節用ゲート５０が取り付けられていて、Ｕ字側溝４６の水位を調節することができるようになっている。５１は前記Ｕ字側溝４６の末端の復水口である。

図１２ないし図１５は本発明を従来技術との対比において説明するためのものであり、図１２（ａ）〜（ｃ）は従来例の水車を示すものであり、図１３（ａ）〜（ｃ）は水車における喫水線の位置の検討図であり、図１４（ａ）〜（ｃ）は水車における羽根の好適な枚数を示す検討図であり、最後に図１５（ａ）〜（ｃ）は水車における羽根の枚数に応じた取付角度、排水線の取付を示す検討図である。

図１２（ａ）は滝のように流下する水流６１を受けて発電するための水車ドラム６２を示し、水車羽根６３は先端が上向きに屈曲させてあり、流下する水流６１を受けやすくしたものである。
図１２（ｂ）は段差のような落差から流下する水流７１を受けて発電するための水車ドラム７２を示し、水車羽根７３も先端が上向きに屈曲させてあり、流下する水流７１を受けやすくしたものである。
図１２（ｃ）も段差のような落差から流下する水流８１を受けて発電するための水車ドラム８２を示し、水車羽根８３も先端が上向きになるよう曲面的に屈曲させてあり、流下する水流８１を受けやすくしたものである。
以上のように水車において回転トルクは落差や水の重量によって得られ、従来例の水車のように落差の大きい設置環境においては、水車羽根６３，７３，８３の背面水切り抵抗がないため、羽根の形状および羽根の枚数が多く、形状はスプーン状や水の重量を受けやすい形状になっている。
このような従来例の水車を、その形態のまま落差の小さい水路に設置した場合、落差が小さいために回転トルクが得にくいばかりか、水車羽根の背面水切り抵抗も大きくなるため、極めて効率の低いものとなってしまっていた。

以上の欠点を解消するため、喫水線の位置を検討した場合について図１３を用いて説明する。
図１３（ａ）は喫水線Ｋを水車９１のほぼ半分に設定した場合、図１３（ｂ）は喫水線Ｋを水車９１の半径のほぼ半分に設定した場合、図１３（ｃ）は喫水線Ｋを水車９１の半径の１／３に設定した場合を示すものである。図において、９２は背面水切りの抵抗を示し、９３は水の巻き上げを示すものである。
図１３（ａ）の場合にあっては、背面水切りの抵抗９２が大きく、加えて、水の巻き上げ９３も生じてしまう。図１３（ｂ）の場合にあっては、背面水切りの抵抗９２を低減させることができるものの、依然として水の巻き上げ９３が生じてしまっていた。しかし、図１３（ｃ）の、喫水線Ｋを水車９１の半径の１／３に設定した場合にあっては、水の巻き上げ９３の発生を十分に抑制することができ、喫水線Ｋを水車９１の半径の１／３に設定した場合が最適であることが判明した。

次に羽根の枚数について検討した場合について図１４を用いて説明する。
図１４（ａ）は羽根９２の枚数を１６枚とした場合、図１４（ｂ）は羽根９２の枚数を１２枚とした場合、図１４（ｃ）羽根９２の枚数を８枚とした場合を示すものである。
図１４（ａ）の場合にあっては、各羽根９２に衝突する水流の流量は少ないもの、同時に水中に滞在する羽根９２の枚数が多いために、各羽根９２の背面水切りの抵抗の総和は大きくなってしまっていた。また、図１４（ｃ）の場合にあっては、各羽根９２が同時に水中に滞在する枚数が少ないものの、羽根９２一枚に衝突する水流の流量が大きく、各羽根９２の背面水切りの抵抗も大きくなってしまう。しかし、図１４（ｂ）の羽根９２の枚数を１２枚とした場合にあっては、各羽根９２の同時に水中に滞在する枚数を適度に抑えながら、各羽根９２に衝突する水流の流量も抑えることができることから、各羽根９２の背面水切り抵抗も低減することができ、羽根９２の枚数を１２枚とした場合が最適であることが判明した。

最後に羽根の取付け角度・排水面の取付けについて検討した場合について図１５を用いて説明する。
図１５（ａ）は羽根９２の枚数を１６枚とし、羽根前面９２ａが水車の中心線から水流の下流側に傾斜させるとともに、羽根後面９２ｂ上端が水車９１の垂直な中心線９２ｃ上にある場合、図１５（ｂ）は羽根９２の枚数を１２枚とし、羽根前面９２ａが水車の中心線から水流の下流側に傾斜させるとともに、羽根後面９２ｂ上端が水車９１の垂直な中心線９２ｃ上にある場合、図１５（ｃ）は羽根９２の枚数を８枚とし、羽根前面９２ａが水車の中心線から水流の下流側に傾斜させるとともに、羽根後面９２ｂ上端が水車９１の垂直な中心線９２ｃ上にある場合を示すものである。
図１５（ａ）の場合にあっては、各羽根９２に衝突する水流の流量は少ないもの、同時に水中に滞在する羽根９２の枚数が多いために、羽根前面９２ａと羽根後面９２ｂとからなる三角羽根形状を形成するとともに、前記羽根後面９２ａを弧状断面の凹形状に形成して水の巻き込みを防いだ場合であっても、各羽根９２の背面水切りの抵抗の総和は大きくなってしまっていた。また、図１５（ｃ）の場合にあっては、各羽根９２が同時に水中に滞在する枚数が少ないものの、羽根前面９２ａと羽根後面９２ｂとからなる三角羽根形状を形成するとともに、前記羽根後面９２ａを弧状断面の凹形状に形成して水の巻き込みを防いだ場合であっても、羽根９２一枚に衝突する水流の流量が大きく、各羽根９２の背面水切りの抵抗も大きくなってしまう。

しかし、図１５（ｂ）の羽根９２の枚数を１２枚とした場合にあっては、各羽根９２の同時に水中に滞在する枚数を適度に抑えながら、羽根前面９２ａと羽根後面９２ｂとからなる三角羽根形状を形成するとともに、前記羽根後面９２ａを弧状断面の凹形状に形成して水の巻き込みを防ぎつつ、各羽根９２に衝突する水流の流量も抑えることができることから、各羽根９２の背面水切り抵抗も低減することができ、羽根９２の枚数を１２枚とし、羽根前面９２ａが水車の中心線から水流の下流側に傾斜させるとともに、羽根後面９２ｂ上端が水車９１の垂直な中心線９２ｃ上にある場合が最適であることが判明した。
なお、図１５に示すように、羽根９２を前記羽根前面９２ａと前記羽根後面９２ｂとからなる三角羽根形状に形成して中空部を備えることにより、羽根９２が最下点を通過したあとは、前記中空部による浮力が生じて水車の回転を助けることができるのである。

図１６ないし図２１は水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車の別の実施の形態を示すものである。
図において、水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車１２１は、水車ドラム１３１と、該水車ドラム１３１の周面に複数取り付けられた三角羽根１１１と、前記水車ドラム１３１の両側開口部に取り付けられた左右一対の側板１３５とからなるものである。
また、図において、前記三角羽根１１１の枚数を１２枚に設定し、喫水線１２の位置を前記水車１２１の半径１／３に設定している。

前記三角羽根１１１は、水流１９の上流側の並設された複数の弧状断面からなる水受け面部１１３と、前記水受け面部１１３の水流１９の下流側に取り付けられたＲ背面部１１４とから構成されている。
前記水受け面部１１３は、前記水車ドラム１３１の周面に一方の端部が取り付けられた大径の弧状断面からなるパワー凹部１１３ａと、該パワー凹部１１３ａの他方の端部に形成された小径の弧状断面からなる先端凹部１１３ｂとを備え、前記Ｒ背面部１１４は、前記水車ドラム１３１の周面に一方の端部が取り付けられるとともに、他方の端部が前記水受け面部１１３の先端に取り付けられている。

また、図において、前記三角羽根１１１は、前記水車ドラム１３１の周面に所定の間隔で１２枚取り付けられている。
さらに、前記水受け面部１１３を前記水車１２１の中心線２０２に対して水流１９の進む方向に２２．５°傾けることにより、前記水車ドラム１３１の周面に複数枚取り付けられた前記三角羽根１１１のうちの第１のＡ羽根１１１Ａは、前記第１のＡ羽根１１１Ａの水流１９の上流側に隣接する第２のＢ羽根１１１Ｂの水流妨害を受けずに最下点より手前２２．５°の位置で水流１９に対して前記第１のＡ羽根１１１Ａの水受け面部１１３Ａが直角になって最大水圧を受け、同時に前記第２のＢ羽根１１１Ｂの水受け面部１１３Ｂの前記先端凹部１１３ｂが着水し水圧を受け始めることにより、水流エネルギーを最大限に受け止め効率良く回転トルクに変換できるようにしている。

加えて、前記Ｒ背面部１１４は、一方の端部が前記水車ドラム１３１の周面に取り付けられるとともに、他方の端部が前記水受け面部１１３の先端に水流１９の進む方向に５６．５°開いて取り付けられていることにより、最下点を過ぎた前記三角羽根１１１どうしの間にある水の排除や水の巻き込みを防ぎ、離水時の水切りを良くすることにより負のエネルギーを軽減することを可能としている。

さらに、前記三角羽根１１１は、前記水受け面部１１３と前記Ｒ背面部１１４とにより形成された中空部１１５を備え、前記第１のＡ羽根１１１Ａは、前記第１のＡ羽根１１１Ａの水流１９の上流側に隣接する第２のＢ羽根１１１Ｂの水流妨害を受けずに最下点より手前２２．５°の位置で水流１９に対して前記第１のＡ羽根１１１Ａの前記水受け面部１１３Ａが直角になって最大水圧を受け、同時に前記第２のＢ羽根１１１Ｂの前記水受け面部１１３Ｂの前記先端凹部１１３ｂが着水し水圧を受け始め、前記第１のＡ羽根１１１Ａは前記第２のＢ羽根１１１Ｂによって遮られた水流以外の水圧を受けながら最下点を通過するが、水流１９は下向きに流れるので前記第１のＡ羽根１１１Ａに形成された前記中空部１１５により前記第１のＡ羽根１１１Ａに浮力１１５ａが生じて前記水車１２１の回転を助けるとともに、前記第２のＢ羽根１１１Ｂは水圧を増大しながら水流の最大圧を受ける地点まで加速するようにしている。

さらに本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車１２１は、前記第１のＡ羽根１１１Ａに水圧がなくなるころ、前記第２のＢ羽根１１１Ｂは最下点を通る中心線より手前２２．５°の位置で水流に対し直角になって最大水圧を受け、同時に第３のＣ羽根１１１Ｃの水受け面部１１３Ｃの先端凹部１１３ｂが着水し水圧を受け始める。このようにすることにより、水流エネルギーを最大限に受け止め連続的に効率良く回転トルクに変換できるのである。

また、図２０に示すように、１２枚の三角羽根１１１が水車ドラム１３１上に所定の間隔を設けた状態で等間隔に配置されている。その上で三角羽根１１１を水車ドラム１３１に取り付けた状態でその両面に左右一対の側板１３５が三角羽根１１１の先端までを覆うように取り付けられているのである。
図において１３６は水車１２１の中心を貫通するように取り付けられた回転軸であり、その回転を発電機に伝達して発電するのである。

図２１は、前記三角羽根１１１の詳細を示す要部拡大図である。図２１に示すように、水車ドラム１３１の垂線に沿った第１中心線２０１と水車ドラム１３１との交点１３１ａには三角羽根１１１のＲ背面部１１４上端が取り付けられ、水車ドラム１３１を１２分割して前記中心線２０１と隣接する第２中心線２０２と水車ドラム１３１との交点１３１ｂには三角羽根１１１の水受け面部１１３上端が取り付けられている。
その上で、前記中心線２０２と水車ドラム１３１との交点１３１ｂから垂直に下した線上に三角羽根１１１の水受け面部１１３を構成するパワー凹部１１３ａおよび先端凹部１１３ｂが配置されているのである。
このような構成の三角羽根１１１において、前記水車ドラム１３１の垂線に沿った中心線２０１と水車ドラム１３１との交点１３１ａに取り付けられた三角羽根１１１のＲ背面部１１４の上端位置が喫水線１２となるように、水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根１１１を備えた水車１２１が河川や水路に配置されるのである。

なお、図２１に示すように、前記三角羽根１１１の前記水受け面部１１３の前記パワー凹部１１３ａの弧状断面と、前記三角羽根１１１の前記Ｒ背面部１１４の弧状断面とは、ともに大径の同じ曲率（Ｒ＝２×Ｌ）の凹部形状に形成されており、前記水受け部１１３の前記先端凹部１１３ｂの弧状断面は、前記パワー凹部１１３ａよりも小径の曲率（Ｒ＝１／６×Ｌ）の凹部形状に形成されている。
このようにすることにより、前記三角羽根１１１は最下点の手前２２．５°の位置において水流１９から最大水圧を受けるとともに、前記三角羽根１１１の水流１９の上流側に隣接する前記三角羽根１１１の水受け面部１１３に形成された先端凹部１１３ｂが喫水線１２と交差して着水し水圧を受け始めた際、前記先端凹部１１３ｂを弧状断面の凹形状とすることにより、初期少量の水流を十分にキャッチして前記初期少量の水流からも十分な水圧を受けて回転トルクに変換できるようにしてあるので、水流エネルギーを最大限に受け止めて連続的に効率良く回転トルクに変換できるのである。

このように構成された本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根１１１を備えた水車１２１は、上述の図７ないし図１１に示すマイクロ水力発電に利用することができることは言うまでもない。なお、前記水車１２１をマイクロ水力発電に利用した実施の形態の説明は、上述の図７ないし図１１における水車２１をマイクロ水力発電に利用した場合と同様の利用形態となるため、省略する。

以上の説明から理解できるように、本発明の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車は、前記従来例の欠点を解消するため、喫水線の位置や、羽根の枚数、羽根の取付け角度・排水面の取付けについて種々検討した結果として、好適な喫水線の位置や、好適な羽根の枚数、好適な羽根の取付け角度・排水面の取付けについて鋭意研究した結果として得られたものであり、そのような条件が最適であることが判明したのである。
したがって、河川等における小水力発電において、河川や海水の表面近くの流速を利用する水車羽根の形状及び羽根の枚数・喫水線の位置等を適宜選択し、効率的で安全性に優れた水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車が得られるのである。

１１ 水車羽根
１１Ａ 第１のＡ羽根
１１Ｂ 第２のＢ羽根
１１Ｃ 第３のＣ羽根
１２ 喫水線
１３ 水受け面部
１３Ａ 第１のＡ羽根の水受け面部
１３Ｂ 第２のＢ羽根の水受け面部
１３Ｃ 第３のＣ羽根の水受け面部
１３ａ パワー凹部
１３ｂ 先端凹部
１４ Ｒ背面部
１４Ａ 第１のＡ羽根のＲ背面部
１４Ｂ 第２のＢ羽根のＲ背面部
１４Ｃ 第３のＣ羽根のＲ背面部
１５ 中空部
１５ａ 浮力
１９ 水流
１９ａ 表面水流
１９ｂ 深層水流
２１ 水車
３１ 水車ドラム
３１ａ 交点
３１ｂ 交点
３５ 側板
３６ 回転軸
４０ マイクロ水車発電装置
４１ 水車カバー
４２ 発電機
４３ 全体カバー
４４ 通気口
４５ 通気口カバー
４６ Ｕ字側溝
４６ａ 台座
４７ 河川
４８ 取水口
４９ 除塵装置
５０ 水量調節用ゲート
５１ 復水口
６１ 水流
６２ 水車ドラム
６３ 水車羽根
７１ 水流
７２ 水車ドラム
７３ 水車羽根
８１ 水流
８２ 水車ドラム
８３ 水車羽根
９１ 水車
９１ａ 背面水切りの抵抗
９１ｂ 水の巻き上げ
９２ 羽根
９２ａ 羽根前面
９２ｂ 羽根後面
９２ｃ 垂直な中心線
１０１ 第１中心線
１０２ 第２中心線
１１１ 水車羽根
１１１Ａ 第１のＡ羽根
１１１Ｂ 第２のＢ羽根
１１１Ｃ 第３のＣ羽根
１１３ 水受け面部
１１３Ａ 第１のＡ羽根の水受け面部
１１３Ｂ 第２のＢ羽根の水受け面部
１１３Ｃ 第３のＣ羽根の水受け面部
１１３ａ パワー凹部
１１３ｂ 先端凹部
１１４ Ｒ背面部
１１４Ａ 第１のＡ羽根のＲ背面部
１１４Ｂ 第２のＢ羽根のＲ背面部
１１４Ｃ 第３のＣ羽根のＲ背面部
１１５ 中空部
１１５ａ 浮力
１２１ 水車
１３１ 水車ドラム
１３１ａ 交点
１３１ｂ 交点
１３５ 側板
１３６ 回転軸
２０１ 第１中心線
２０２ 第２中心線
Ｋ 喫水線
Ｌ 水車の半径の１／３の長さ

Claims (8)

1. 水車羽根の枚数を１２枚に設定し、
   喫水線の位置を水車の半径１／３に設定するとともに、
   前記水車羽根を三角羽根としてその取付け角度は、並設された複数の弧状断面からなる水受け面部を水車の中心線に対して水流の進む方向に２２．５°傾けることにより、
   前記複数枚の水車羽根のうちの第１のＡ羽根は、前記第１のＡ羽根の水流の上流側に隣接する第２のＢ羽根の水流妨害を受けずに最下点より手前２２．５°の位置で水流に対し直角になって最大水圧を受け、
   同時に前記第２のＢ羽根の並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の先端凹部が着水し水圧を受け始めることにより、水流エネルギーを最大限に受け止め効率良く回転トルクに変換できるとともに、
   前記並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の水流の下流側にはＲ背面部が取り付けられるとともに、該Ｒ背面部の取付け角度を前記並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の先端から５６．５°開いて三角形を作ることにより、
   最下点を過ぎた前記水車羽根間にある水の排除や水の巻き込みを防ぎ、離水時の水切りを良くすることにより負のエネルギーを軽減することを可能としたことを特徴とする水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車。
2. 前記水車羽根は、前記並設された複数の弧状断面からなる水受け面部と、前記並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の水流の下流側に取り付けられた前記Ｒ背面部とにより形成された中空部を備え、
   前記水車羽根の前記第１のＡ羽根が最下点を通る中心線より手前２２．５°の位置で水流に対し直角になって最大水圧を受け、同時に前記第２のＢ羽根の水受け面部の先端凹部が着水し水圧を受け始め、第１のＡ羽根は前記第２のＢ羽根によって遮られた水流以外の水圧を受けながら最下点を通過するが、水流は下向きに流れるので第１のＡ羽根に形成された前記中空部により前記第１のＡ羽根に浮力が生じて前記水車の回転を助けるとともに、前記第２のＢ羽根は水圧を増大しながら水流の最大圧を受ける地点まで加速するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車。
3. 前記第１のＡ羽根に水圧がなくなるころ、前記第２のＢ羽根は最下点を通る中心線より手前２２．５°の位置で水流に対し直角になって最大水圧を受け、同時に前記第２のＢ羽根の水流の上流側に隣接する第３のＣ羽根の並設された複数の弧状断面からなる水受け面部の先端凹部が着水し水圧を受け始めることにより、水流エネルギーを最大限に受け止め効率良く回転トルクに変換できるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車。
4. 水車ドラムと、
   該水車ドラムの周面に複数取り付けられた三角羽根と、
   前記水車ドラムの両側開口部に取り付けられた左右一対の側板と、からなる水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車であって、
   前記三角羽根は、水流の上流側の並設された複数の弧状断面からなる水受け面部と、前記水受け面部の水流の下流側に取り付けられたＲ背面部からなり、
   前記水受け面部は、前記水車ドラムの周面に一方の端部が取り付けられた大径の弧状断面からなるパワー凹部と、該パワー凹部の他方の端部に形成された小径の弧状断面からなる先端凹部とを備え、
   前記Ｒ背面部は、前記水車ドラムの周面に一方の端部が取り付けられるとともに、他方の端部が前記水受け面部の先端に取り付けられていることを特徴とする水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車。
5. 前記三角羽根が、前記水車ドラムの周面に所定の間隔で１２枚取り付けられてなることを特徴とする請求項４に記載の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車。
6. 前記水受け面部を前記水車の中心線に対して水流の進む方向に２２．５°傾けることにより、
   前記水車ドラムの周面に複数枚取り付けられた前記三角羽根のうちの第１のＡ羽根は、前記第１のＡ羽根の水流の上流側に隣接する第２のＢ羽根の水流妨害を受けずに最下点より手前２２．５°の位置で水流に対して前記第１のＡ羽根の水受け面部が直角になって最大水圧を受け、
   同時に前記第２のＢ羽根の水受け面部の前記先端凹部が着水し水圧を受け始めることにより、
   水流エネルギーを最大限に受け止め効率良く回転トルクに変換できるようにしたことを特徴とする請求項４または５に記載の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車。
7. 前記Ｒ背面部は、一方の端部が前記水車ドラムの周面に取り付けられるとともに、他方の端部が前記水受け面部の先端に水流の進む方向に５６．５°開いて取り付けられていることにより、最下点を過ぎた前記三角羽根どうしの間にある水の排除や水の巻き込みを防ぎ、離水時の水切りを良くすることにより負のエネルギーを軽減することを可能としたことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車。
8. 前記三角羽根は、前記水受け面部と前記Ｒ背面部とにより形成された中空部を備え、
   前記第１のＡ羽根は、前記第１のＡ羽根の水流の上流側に隣接する第２のＢ羽根の水流妨害を受けずに最下点より手前２２．５°の位置で水流に対して前記第１のＡ羽根の前記水受け面部が直角になって最大水圧を受け、同時に前記第２のＢ羽根の前記水受け面部の前記先端凹部が着水し水圧を受け始め、前記第１のＡ羽根は前記第２のＢ羽根によって遮られた水流以外の水圧を受けながら最下点を通過するが、水流は下向きに流れるので前記第１のＡ羽根に形成された前記中空部により前記第１のＡ羽根に浮力が生じて前記水車の回転を助けるとともに、前記第２のＢ羽根は水圧を増大しながら水流の最大圧を受ける地点まで加速するようにしたことを特徴とする請求項６に記載の水流エネルギーを効率よく回転トルクに替えられる三角羽根を備えた水車。

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