JP7158336B2

JP7158336B2 - 流体機器

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Publication number: JP7158336B2
Application number: JP2019094622A
Authority: JP
Inventors: 実作田
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2039-05-20
Also published as: JP2020190211A

Description

本発明は、流水の流下方向に沿った流路を有するケーシングと、前記ケーシングの内部に配置され前記流路内の流水を下流に向けて圧送可能なポンプ機構と、前記ケーシングの内部に配置され前記流路内の水流によって発電可能な水車機構と、を有する流体機器に関する。

従来、河川等の水流を利用して発電する水車機構が存在する（特許文献１参照）。

また、従来、河川等における大雨等の増水時に下流側への流下を促進するためのポンプ機構が存在する（特許文献２参照）。

ポンプ機構は高水位になった時にしか駆動させることがなく、他の用途も含め有意義な活用が望まれている。その一つに水車としての活用があるが、一般的なポンプ逆転水車では、水車機構として稼働させる際とポンプ機構として稼働させる際とで流水方向が逆となるため、流水方向が一方向である場合には、ポンプ逆転水車を反転させる機構が必要となり、構造が複雑となり、かつ、反転作業が発生し、運用も複雑となる。また、水車機構と、ポンプ機構とを並設することも考えられるが、省スペース化の観点から改善の余地があった。

特開２００３‐１３８３８号公報特開２００２－２３５６７１号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、通常時は水車機構として機能させ、必要時にポンプ機構として機能させることができる流体機器を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するための、本発明の流体機器の特徴構成は、流水の流下方向に沿った流路を有するケーシングと、前記ケーシングの内部に配置され前記流路内の流水を下流に向けて圧送可能なポンプ機構と、前記ケーシングの内部に配置され前記流路内の水流によって発電可能な水車機構と、を有する流体機器であって、前記ポンプ機構は、前記流下方向に沿って配置された駆動軸を有する駆動手段と、前記駆動軸に設けられたポンプ用インペラとを有して構成されており、前記水車機構は、前記流下方向に沿って配置された被駆動軸を有する発電手段と、前記被駆動軸に設けられた水車用ランナとを有して構成されており、前記駆動軸と前記被駆動軸とは同一の軸心上に配置されており、前記ポンプ用インペラが有するインペラ羽根の前記軸心に対する傾斜方向と、前記水車用ランナが有するランナ羽根の前記軸心に対する傾斜方向とは、逆であるように構成されており、さらに、所定の流水強度に応じて、前記ポンプ用インペラ及び前記水車用ランナの回転可能状態又は回転不可能状態を選択的に切替可能な状態切替機構を有する点にある。

状態切替機構は、流水強度に応じて、ポンプ用インペラ及び水車用ランナの回転可能状態又は回転不可能状態を選択的に切り替えることができるので、一台の流体機器をポンプ機構として機能させたり、水車機構として機能させることができる。同じケーシングの内部に配置したポンプ機構と水車機構とを、流水強度に応じて使い分けることができるため、従来のように、別々のポンプ機構と水車機構とを並設する必要がないため、省スペース化が図れるようになった。

なお、流水強度とは、流水の程度に応じて予め定められた値であり、流速、水位等から定められる。

例えば、流水強度が低いときには、流体機器を水車機構として機能させることができる。流体機器が水車機構として機能しているときには、流水によって水車用ランナが回転させられ、これにより発電可能である。このとき、ポンプ用インペラのインペラ羽根は、水車用ランナへと向かう流水を整流する案内羽根として機能させることができる。発電された電力は、別の場所に送電することができる。なお、発電された電力の一部又は全部を、ポンプ機構の駆動のために蓄電してもよい。

また、流水強度が高いときには、流体機器をポンプ機構として機能させることができる。流体機器がポンプ機構として機能しているときは、ポンプ用インペラが回転して流水を下流に圧送する。このとき、水車用ランナのランナ羽根は、ポンプ用インペラが圧送する流水を整流する案内羽根として機能させることができる。

本発明においては、前記状態切替機構は、前記流水強度が所定のポンプ駆動値以上であるときは、前記ポンプ用インペラを回転可能状態とし、前記水車用ランナを回転不可能状態とするように構成されていると好適である。

状態切替機構は、流水強度が高まり所定のポンプ駆動値以上となると、ポンプ用インペラを回転可能状態とし、水車用ランナを回転不可能状態とするため、ポンプ機構を駆動させ、流水を圧送することができる。

なお、駆動手段は、発電手段からの出力電力がなくなったときに駆動する構成であってもよいし、駆動手段自身が電力を出力したときに駆動する構成であってもよい。

また、ポンプ用インペラないし水車用ランナが回転可能状態であるか回転不可能状態であるかを位置や接触の状態から検知するセンサを設け、駆動手段は、少なくともセンサがポンプ用インペラが回転可能状態であることを検知したときに駆動する構成であってもよい。

状態切替機構は、ケーシングの内周面と水車用ランナのランナ羽根との接触によって水車用ランナの回転を不可能にする構成であってもよいし、水車用ランナの被駆動軸と係合して水車用ランナの回転を不可能にする構成であってもよい。

本発明においては、前記状態切替機構は、前記流水強度が所定の水車稼働値以下であるときは、前記ポンプ用インペラを回転不可能状態とし、前記水車用ランナを回転可能状態とするように構成されていると好適である。

状態切替機構は、流水強度が低まり所定の水車稼働値以上となると、ポンプ用インペラを回転不可能状態とし、水車用ランナを回転可能状態とするため、水車機構によって発電をすることができる。

状態切替機構は、ケーシングの内周面とポンプ用インペラのインペラ羽根との接触によってポンプ用インペラの回転を不可能にする構成であってもよいし、ポンプ用インペラの駆動軸と係合してポンプ用インペラの回転を不可能にする構成であってもよい。

本発明においては、前記ポンプ用インペラ及び前記水車用ランナは、前記軸心方向に沿って移動可能に構成され、前記状態切替機構は、前記流水強度が前記ポンプ駆動値以上であるときは、前記ポンプ用インペラ及び前記水車用ランナを前記流下方向の上流側に移動させ、前記流水強度が前記水車稼働値以下であるときは、前記ポンプ用インペラ及び前記水車用ランナを前記流下方向の下流側に移動させるように構成されていると好適である。

ポンプ用インペラ及び水車用ランナを、軸心方向に沿って移動可能に構成することによって、状態切替機構は、ポンプ用インペラ及び水車用ランナの回転可能状態と回転不可能状態とを切り替えることができる。

本発明においては、前記ケーシングは、当該ケーシングの内部において前記軸心方向に沿って移動可能なインナーケーシングを有し、前記状態切替機構は、前記流水強度が前記ポンプ駆動値以上であるときは、前記インナーケーシングを前記流下方向の下流側に移動させ、前記流水強度が前記水車稼働値以下であるときは、前記インナーケーシングを前記流下方向の上流側に移動させるように構成されていると好適である。

ケーシングの内部において軸心方向に沿って移動可能なインナーケーシングを設けることによって、ポンプ用インペラ及び水車用ランナを軸心方向に沿って移動させることなく、状態切替機構は、ポンプ用インペラ及び水車用ランナの回転可能状態と回転不可能状態とを切り替えることができる。

本発明においては、前記状態切替機構は、前記インペラ羽根及び前記ランナ羽根と前記ケーシングの内周面とを接触させることによって、前記インペラ羽根及び前記ランナ羽根を回転不可能状態とし、前記インペラ羽根及び前記ランナ羽根と前記ケーシングの内周面とを接触させないことによって、前記インペラ羽根及び前記ランナ羽根を回転可能状態とするように構成されていると好適である。

状態切替機構は、インペラ羽根及びランナ羽根と、ケーシングの内周面とを接触させる又は接触させいないという簡単な構成でありながら、ポンプ用インペラ及び水車用ランナの回転不可能状態又は回転可能状態の切替えを実現することができる。

本発明においては、前記駆動手段は、前記駆動軸を有する電動機から構成され、前記発電手段は前記被駆動軸を有する、前記電動機とは別の発電機から構成されていると好適である。

上述の構成によると、ポンプ機構は、電動機と、電動機の駆動軸に設けられたポンプ用インペラとから構成し、水車機構は、発電機と、発電機の被駆動軸に設けられた水車用ランナとから構成することができる。つまり、ポンプ機構と水車機構とを別々に設計、製造、取付け及び交換をすることができる。

本発明においては、前記駆動手段及び前記発電手段は、前記駆動軸又は前記被駆動軸として用いられる回転軸を有しかつ前記水車用ランナの下流側に配置された回転機から構成され、前記回転機の回転軸と、前記ポンプ用インペラ又は前記水車用ランナとの動力伝達状態を切り替える動力伝達切替機構を有し、前記動力伝達切替機構は、前記状態切替機構が、前記ポンプ用インペラを回転可能状態とし、かつ、前記水車用ランナを回転不可能状態としているときは、前記回転軸と前記ポンプ用インペラとを動力伝達状態とし、前記回転軸と前記水車用ランナとを非動力伝達状態とし、前記状態切替機構が、前記ポンプ用インペラを回転不可能状態とし、かつ、前記水車用ランナを回転可能状態としているときは、前記回転軸と前記ポンプ用インペラとを非動力伝達状態とし、前記回転軸と前記水車用ランナとを動力伝達状態とするように構成されていると好適である。

上述の構成によると、状態切替機構が、ポンプ用インペラを回転可能状態とし、かつ、水車用ランナを回転不可能状態としているときは、回転軸とポンプ用インペラとを動力伝達状態とし、回転軸と水車用ランナとを非動力伝達状態とし、状態切替機構が、ポンプ用インペラを回転不可能状態とし、かつ、水車用ランナを回転可能状態としているときは、回転軸とポンプ用インペラとを非動力伝達状態とし、回転軸と水車用ランナとを動力伝達状態とするように構成された動力伝達切替機構を備えることによって、ポンプ機構は、回転機と、回転機の回転軸によって駆動させられるポンプ用インペラとから構成し、水車機構は、回転機と、回転機の回転軸を駆動させることができる水車用ランナとから構成することができる。つまり、ポンプ機構の駆動手段と水車機構の発電手段とを一体に設計、製造、取付け及び交換をすることができる。

本発明の第一の実施形態に係る流体機器の説明図である。本発明の第二の実施形態に係る流体機器の説明図である。本発明の第三の実施形態に係る流体機器の説明図である。本発明の第四の実施形態に係る流体機器の説明図である。図１に示す流体機器の要部の説明図である。図２に示す流体機器の要部の説明図である。図１に示す流体機器の要部の説明図である。

以下に本発明に係る流体機器の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において、同様の構成については同一の符号を付して、その説明を簡略化ないし省略することがある。

（第一の実施形態）
図１には、本発明の第一の実施形態に係る流体機器１が示されている。図１における下方が流水の流下方向Ｄの上流側であり、図１における上方が流水の流下方向Ｄの下流側である。流体機器１は、河川の流水中に流下方向Ｄに沿って水平向きに設置される。

流体機器１は、流水の流下方向Ｄに沿った流路１１を有するケーシング１０と、ケーシング１０の内部に配置されたポンプ機構２０及び水車機構３０とを有している。

ケーシング１０は、円筒状部材と中空の円錐台状部材とがフランジによって接続されて構成されている。

ポンプ機構２０は、流下方向Ｄに沿って配置された駆動軸２４を有する駆動手段２５と、駆動軸２４に設けられたポンプ用インペラ２１とを有して構成されている。

駆動手段２５は、電動機２７から構成されている。図１及び図７に示すように、当該電動機２７の電動機ケーシング２６は、ケーシング１０の内周面と、ガイド羽根１２を介して連結されている。本実施形態においては、四枚のガイド羽根１２が駆動軸２４の軸心Ｃの周囲に放射状に均等に備えられている。なお、図７は、図１に示された流体機器１の要部を説明するための、図１におけるＡ－Ａ線矢視、Ｂ－Ｂ線矢視による概略図である。したがって、図７に表された構成の比率は必ずしも図１に示された流体機器１におけるものと一致しない。

ポンプ用インペラ２１は、駆動軸２４に連結されたインペラボス２２と、インペラボス２２の周囲に備えられた複数枚のインペラ羽根２３とを備えた斜流羽根車である。

電動機２７は電動機ケーシング２６の内部において軸心Ｃ方向に移動可能、かつ、軸心Ｃまわりには回動不可能に配置されている。ポンプ機構２０の駆動軸２４は、軸心Ｃに沿って電動機ケーシング２６に対して移動可能、かつ、電動機ケーシング２６の内部に備えられた後述する付勢機構４４によって流下方向Ｄの下流方向に付勢された状態で設けられている。したがって、ポンプ用インペラ２１は、軸心Ｃ方向に沿って移動可能である。

ポンプ機構２０は、駆動手段２５の駆動軸２４が回転することによって、ポンプ用インペラ２１が回転し、流路１１内の流水を下流に向けて圧送可能に構成されている。

水車機構３０は、流下方向Ｄに沿って配置された被駆動軸３４を有する発電手段３５と、被駆動軸３４に設けられた水車用ランナ３１とを有して構成されている。

発電手段３５は、発電機３７から構成されている。図１及び図７に示すように、当該発電機３７の発電機ケーシング３６は、ケーシング１０の内周面と、ガイド羽根１３を介して連結されている。本実施形態においては、四枚のガイド羽根１３が被駆動軸３４の軸心Ｃの周囲に放射状に均等に備えられている。

発電機３７は発電機ケーシング３６の内部において軸心Ｃ方向に移動可能、かつ、軸心Ｃまわりには回動不可能に配置されている。水車機構３０の被駆動軸３４は軸心Ｃに沿って、発電機ケーシング３６に対して移動可能、かつ、発電機ケーシング３６の内部に備えられた付勢機構４８によって流下方向Ｄの下流方向に付勢された状態で設けられている。したがって、水車用ランナ３１は、軸心Ｃ方向に沿って移動可能である。

水車用ランナ３１は、被駆動軸３４に連結されたランナボス３２と、ランナボス３２の周囲に備えられた複数枚のランナ羽根３３とを備えている。

水車機構３０は、流路１１内の水流によって水車用ランナ３１が回転させられることによって、水車用ランナ３１に連結された被駆動軸３４が回転させられ、発電手段３５が発電可能に構成されている。

ポンプ機構２０は、水車機構３０の上流側に配置されている。したがって、ポンプ用インペラ２１は、水車用ランナ３１の上流側に配置されている。その際、駆動軸２４と被駆動軸３４とは同一の軸心Ｃ上に配置されている。

ポンプ用インペラ２１が有するインペラ羽根２３の軸心Ｃに対する傾斜方向と、水車用ランナ３１が有するランナ羽根３３の軸心Ｃに対する傾斜方向とは、逆になるように設定されている。

流体機器１は、ポンプ用インペラ２１及び水車用ランナ３１の回転可能状態又は回転不可能状態を、所定の流水強度に応じて選択的に切替可能な状態切替機構４０を有する。なお、流水強度とは、流水の程度に応じて予め定められた値であり、流速、水位等から定められる。

状態切替機構４０は、パドル４１、パドルロッド４２、支軸４３及び付勢機構４４、並びに、パドル４５、パドルロッド４６、支軸４７及び付勢機構４８を有する。図１及び図７を参照しながら、以下に詳述する。

パドル４１は、ケーシング１０の外周面に沿った円弧状の板状部材から構成されており、ケーシング１０の周囲を流下する流水からの力を受ける。

ガイド羽根１２は中空に構成され、当該中空部に、ケーシング１０の周囲に設けられるパドル４１と、駆動軸２４とを連結するパドルロッド４２が支軸４３によって回動可能に軸支されている。

パドル４１にかかる圧力が大きくなると、パドル４１を流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が大きくなる。支軸４３まわりに回動するパドルロッド４２を介してパドル４１と連結された駆動軸２４には、駆動軸２４を流下方向Ｄの上流方向へ移動させる力が働き、当該力が付勢機構４４による付勢力より大きいときは、駆動軸２４は上流側へ移動させられる（図１における軸心Ｃの左側半分参照）。

パドル４１にかかる圧力が小さくなると、パドル４１を流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が小さくなる。パドルロッド４２を介して駆動軸２４に働く力が付勢機構４４による付勢力よりも小さいと、駆動軸２４は付勢機構４４の付勢力によって下流側へ移動させられる（図１における軸心Ｃの右側半分参照）。

このパドル４１の受圧面積、パドルロッド４２の軸支位置及び付勢機構４４の付勢力等を予め適切に設計することによって、流水強度が所定のポンプ駆動値以上であるときに、駆動軸２４を、ポンプ機構２０の駆動可能位置に位置させることができる。また、流水強度が所定の水車稼働値以下であるときに、駆動軸２４を、ポンプ機構２０の駆動不可能位置に位置させることができる。

駆動軸２４が駆動可能位置にあるときは、ポンプ用インペラ２１は回転可能状態となり、駆動軸２４が駆動不可能位置にあるときは、ポンプ用インペラ２１は回転不可能状態となる。

パドル４５は、ケーシング１０の外周面に沿った円弧状の板状部材から構成されており、ケーシング１０の周囲を流下する流水からの力を受ける。

ガイド羽根１３は中空に構成され、当該中空部に、ケーシング１０の周囲に設けられるパドル４５と、被駆動軸３４とを連結するパドルロッド４６が支軸４７によって回動可能に軸支されている。

パドル４５にかかる圧力が大きくなると、パドル４５を流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が大きくなる。支軸４７まわりに回動するパドルロッド４６を介してパドル４５と連結された被駆動軸３４には、流下方向Ｄの上流方向へ移動させる力が働き、当該力が付勢機構４８による付勢力より大きいときは、被駆動軸３４は上流側へ移動させられる（図１における軸心Ｃの左側半分参照）。

パドル４５にかかる圧力が小さくなると、パドル４５を流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が小さくなる。パドルロッド４６を介して被駆動軸３４に働く力が付勢機構４８による付勢力よりも小さいと、被駆動軸３４は付勢機構４８の付勢力によって下流側へ移動させられる（図１における軸心Ｃの右側半分参照）。

このパドル４５の受圧面積、パドルロッド４６の軸支位置及び付勢機構４８の付勢力等を予め適切に設計することによって、流水強度が所定のポンプ駆動値以上であるときに、被駆動軸３４を、水車機構３０の稼働不可能位置に位置させることができる。また、流水強度が所定の水車稼働値以下であるときに、被駆動軸３４を、水車機構３０の稼働可能位置に位置させることができる。

被駆動軸３４が稼働不可能位置にあるときは、水車用ランナ３１は回転不可能状態となり、被駆動軸３４が稼働可能位置にあるときは、水車用ランナ３１は回転可能状態となる。

ポンプ用インペラ２１及び水車用ランナ３１が流下方向Ｄの上流側の位置にあるときは、インペラ羽根２３はケーシング１０の内周面と接触せず回転可能状態となり、ランナ羽根３３はケーシング１０の内周面と接触し回転不可能状態となる。これにより流体機器１は、ポンプ機構２０を駆動して流水を圧送することができる（図１における軸心Ｃの左側半分参照）。

このとき水車用ランナ３１のランナ羽根３３は、インペラ羽根２３が圧送する流水を整流する案内羽根として機能する。なお、ポンプ用インペラ２１や水車用ランナ３１が、回転可能状態であるか回転不可能状態であるかを位置や接触の状態から検知するセンサを設け、駆動手段２５は、少なくとも前記センサがポンプ用インペラ２１が回転可能状態であることを検知したときに駆動し、少なくとも前記センサがポンプ用インペラ２１が回転可能状態であることを検知しないときは停止するように構成されている。

ポンプ用インペラ２１及び水車用ランナ３１が流下方向Ｄの下流側の位置にあるときは、インペラ羽根２３はケーシング１０の内周面と接触し、回転不可能状態となり、ランナ羽根３３はケーシング１０の内周面と接触せず回転可能状態となる。これにより、流体機器１は、水車機構３０によって発電することができる（図１における軸心Ｃの右側半分参照）。

このとき、ポンプ用インペラ２１のインペラ羽根２３は、水車用ランナ３１へと向かう流水を整流する案内羽根として機能する。なお、発電された電力は、別の場所に送電することができる。なお、発電された電力の一部又は全部を、ポンプ機構２０の駆動のために蓄電してもよい。

以上のように、状態切替機構４０は、流水強度に応じて、ポンプ用インペラ２１及び水車用ランナ３１の回転可能状態又は回転不可能状態を選択的に切り替えることができるので、一台の流体機器１を、平常時には水車機構３０として機能させたり、積極的に送水を促したい非常時にはポンプ機構２０として機能させたりすることができる。

同じケーシング１０の内部に配置したポンプ機構２０と水車機構３０とを、流水強度に応じて使い分けることができるため、従来のように、別々のポンプ機構２０と水車機構３０とを並設する必要がないため、省スペース化が図れるようになった。

なお、本実施形態においては、ポンプ用インペラ２１が斜流羽根車である場合について説明したが、この限りではない。例えば、ポンプ用インペラ２１は軸流羽根車であってもよい。

また、本実施形態においては、ポンプ用インペラ２１や水車用ランナ３１が、回転可能状態であるか回転不可能状態であるかを位置や接触の状態から検知するセンサを設け、駆動手段２５は、少なくとも前記センサがポンプ用インペラ２１が回転可能状態であることを検知したときに駆動し、少なくとも前記センサがポンプ用インペラ２１が回転可能状態であることを検知しないときは停止するように構成されている場合について説明したが、この限りではない。

例えば、駆動手段２５は、発電手段３５からの出力電力がなくなったときに駆動する構成であってもよいし、駆動手段２５自身が電力を出力したときに駆動する構成であってもよい。

また、駆動手段２５の停止に関しては、駆動手段２５の駆動開始から計時をし、所定時間が経過すると駆動手段を停止する構成であってもよい。

本実施形態においては、状態切替機構４０は、ケーシング１０の内周面とポンプ用インペラ２１のインペラ羽根２３との接触によってポンプ用インペラ２１の回転を不可能にする構成である場合について説明したが、この限りではない。例えば電動機ケーシング２６内に、ポンプ用インペラ２１の駆動軸２４と係合する係合部を備えて、ポンプ用インペラ２１の回転を不可能にする構成であってもよい。水車用ランナ３１についても同様である。

図５に示すように、状態切替機構４０に、さらに、例えば電動機ケーシング２６と噛み合うノッチ機構４９を設けることができる。ノッチ機構４９は、駆動軸２４が流下方向Ｄの上流方向の所定位置にあるときに、バネ付勢された係合凸部が、電動機ケーシング２６に設けられた係合凹部に噛み合うように構成されている。

当該ノッチ機構４９は、流体機器１が設けられる河川の水位が、所定のポンプ停止水位になると、当該水位に応じて浮き沈みするフロート５に連結されたロッド６の先端が、係合凸部を係合凹部の内部に押し込み、これによって係合状態が解除され、駆動軸２４は付勢機構４４の付勢力によって流下方向Ｄの下流側に移動可能となるように構成されている。

（第二の実施形態）
図２には、本発明の第二の実施形態に係る流体機器２が示されている。第二の実施形態に係る流体機器２に関し、第一の実施形態に係る流体機器についての説明が援用できる箇所については説明を簡略化ないし省略する。

流体機器２は、流水の流下方向Ｄに沿った流路１１を有するケーシング１０の内部において軸心Ｃ方向に沿って移動可能なインナーケーシング１４を有している。当該流体機器１はポンプ用インペラ２１及び水車用ランナ３１が軸心Ｃ方向に沿って移動しない代わりに、ケーシング１０の内部に設けられたインナーケーシング１４が軸心Ｃ方向に沿って移動する点において、上述の第一の実施形態に係る流体機器１と相違する。これに伴い、以下に説明するように、状態切替機構５０が第一の実施形態における状態切替機構４０と相違する。

本実施形態に係る流体機器２においては、状態切替機構５０は、パドル５１、パドルロッド５２及び付勢機構５３を有する。以下に詳述する。

インナーケーシング１４は、付勢機構５３によって、流下方向Ｄの上流方向に付勢された状態で、ケーシング１０の内部に設けられている。

パドル５１と、インナーケーシング１４とは、ケーシング１０を貫通して配置されるパドルロッド５２を介して連結されている。

パドル５１にかかる圧力が大きくなると、パドル５１を流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が大きくなる。パドル５１とパドルロッド５２に連結されたインナーケーシング１４に、流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が働き、当該力が付勢機構５３による付勢力より大きいときは、インナーケーシング１４は下流側へ移動させられる（図２における軸心Ｃの左側半分参照）。

パドル５１にかかる圧力が小さくなると、パドル５１を流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が小さくなる。パドルロッド５２を介してインナーケーシング１４に働く力が付勢機構５３よる付勢力よりも小さいときは、インナーケーシング１４は付勢機構５３の付勢力によって上流側へ移動させられる（図２における軸心Ｃの左側半分参照）。

このパドル５１の受圧面積、付勢機構５３等を予め適切に設計することによって、流水強度が所定のポンプ駆動値以上であるときに、インナーケーシング１４を、ポンプ機構２０の駆動可能位置であって、水車機構３０の稼働不可能位置に位置させることができる。また、流水強度が所定の水車稼働値以下であるときに、インナーケーシング１４を、ポンプ機構２０の駆動不可能位置であって、水車機構３０の稼働可能位置に位置させることができる。

インナーケーシング１４がポンプ機構２０の駆動可能位置であって、水車機構３０の稼働不可能位置にあるときは、ポンプ用インペラ２１は回転可能状態となり、水車用ランナ３１は稼働不可能状態となり、インナーケーシング１４がポンプ機構２０の駆動不可能位置であって、水車機構３０の稼働可能位置にあるときは、ポンプ用インペラ２１は回転不可能状態となり、水車用ランナ３１は稼働可能状態となる。

インナーケーシング１４が流下方向Ｄの下流側の位置にあるときは、インペラ羽根２３はケーシング１０の内周面と接触せず回転可能状態となり、ランナ羽根３３はケーシング１０の内周面と接触し回転不可能状態となる。これにより流体機器１は、ポンプ機構２０を駆動して流水を圧送することができる（図２における軸心Ｃの左側半分参照）。

このとき水車用ランナ３１のランナ羽根３３は、インペラ羽根２３が圧送する流水を整流する案内羽根として機能する。なお、インナーケーシング１４の位置を検知するセンサを設け、駆動手段２５は、少なくとも前記センサがインナーケーシング１４が、ポンプ用インペラ２１が回転可能状態となる位置にあることを検知したときに駆動し、少なくとも前記センサがインナーケーシング１４が、ポンプ用インペラ２１が回転可能状態となる位置にあることを検知しないときは停止するように構成されている。

インナーケーシング１４が流下方向Ｄの上流側の位置にあるときは、インペラ羽根２３はケーシング１０の内周面と接触し、回転不可能状態となり、ランナ羽根３３はケーシング１０の内周面と接触せず回転可能状態となる。これにより、流体機器１は、水車機構３０によって発電することができる（図２における軸心Ｃの右側半分参照）。

このとき、ポンプ用インペラ２１のインペラ羽根２３は、水車用ランナ３１へと向かう流水を整流する案内羽根として機能する。

以上のように、状態切替機構４０は、流水強度に応じて、ポンプ用インペラ２１及び水車用ランナ３１の回転可能状態又は回転不可能状態を選択的に切り替えることができるので、一台の流体機器１を流水の状況に応じてポンプ機構２０として機能させたり、水車機構３０として機能させることができる。

図６に示すように、状態切替機構５０に、さらに、例えばケーシング１０と噛み合うノッチ機構５９を設けることができる。ノッチ機構５９は、インナーケーシング１４が流下方向Ｄの下流方向の所定位置にあるときに、バネ付勢された係合凸部が、ケーシング１０に設けられた係合凹部に噛み合うように構成されている。

当該ノッチ機構５９は、流体機器１が設けられる河川の水位が、所定のポンプ停止水位になると、当該水位に応じて浮き沈みするフロート５に連結されたロッド６の先端が、係合凸部を係合凹部の内部に押し込み、これによって係合状態が解除され、インナーケーシング１４は付勢機構５３の付勢力によって流下方向Ｄの上流側に移動可能となるように構成されている。

（第三の実施形態）
図３には、本発明の第三の実施形態に係る流体機器３が示されている。第三の実施形態に係る流体機器３に関し、第一又は第二の実施形態に係る各流体機器についての説明が援用できる箇所については説明を簡略化ないし省略する。

流体機器３は、流水の流下方向Ｄに沿った流路１１を有するケーシング１０と、ケーシング１０の内部に配置されたポンプ機構６０及び水車機構７０とを有している。本実施形態に係る流体機器３のポンプ機構６０及び水車機構７０は、共通の回転機１７を有して構成される点において、上述の第一の実施形態に係る流体機器１と相違する。

ポンプ機構６０は、ポンプ用インペラ６１を有して構成されている。ポンプ用インペラ６１は、後述するポンプ軸１５に連結されたインペラボス６２と、インペラボス６２の周囲に備えられた複数枚のインペラ羽根６３を備えている。

水車機構７０は、水車用ランナ７１を有して構成されている。水車用ランナ７１は、インペラボス６２及び後述する回転機ケーシング１９に対して回転可能に軸支されたランナボス７２と、ランナボス７２の周囲に備えられた複数枚のランナ羽根７３とを備えている。

回転機１７は、回転軸１８を有し、水車用ランナ７１の下流側に配置されている。

流体機器３は、回転機１７の回転軸１８と、ポンプ用インペラ６１又は水車用ランナ７１との動力伝達状態を切り替える動力伝達切替機構９０を有している。

動力伝達切替機構９０は、回転機１７の回転軸１８に設けられた第一出力歯車９１及び第一出力歯車９１に噛み合うことができる第二出力歯車９２と、第一入力歯車９３と、第一入力歯車９３に噛み合うことができる第二入力歯車９４と、を有している。

第二出力歯車９２は、ポンプ用インペラ６１のインペラボス６２と共に回転するポンプ軸１５に設けられている。ポンプ軸１５と回転軸１８とは同一の軸心Ｃ上に配置されている。

第一の実施形態における電動機ケーシング２６が備えられていた位置に、当該電動機ケーシング２６と同形状のポンプ軸用ケーシング１６が設けられている。

ポンプ軸１５は軸心Ｃに沿って、ポンプ軸用ケーシング１６に対して移動可能、かつ、ポンプ軸用ケーシング１６の内部に備えられた、後述する付勢機構８４によって流下方向Ｄの下流方向に付勢された状態で設けられている。

第二入力歯車９４は、水車用ランナ７１のランナボス７２に設けられている。ランナボス７２は、ポンプ軸１５と共に回転するインペラボス６２、及び回転機１７の回転機ケーシング１９に回転可能に支持されている。

ポンプ軸１５、ポンプ用インペラ６１及び水車用ランナ７１は、後述する状態切替機構８０によって軸心Ｃ方向に沿って一体的に移動可能に構成されている。

流体機器３は、ポンプ用インペラ６１及び水車用ランナ７１の回転可能状態又は回転不可能状態を、所定の流水強度に応じて選択的に切替可能な状態切替機構８０を有する。

状態切替機構８０は、パドル８１、パドルロッド８２、支軸８３、付勢機構８４及びポンプ軸１５を相対回転可能に保持するスライダー８６を有する。以下に詳述する。

パドル８１は、ケーシング１０の外周面に沿った円弧状の板状部材から構成され、ケーシング１０の周囲を流下する流水からの力を受ける。

ガイド羽根１２は中空に構成され、当該中空部に、ケーシング１０の周囲に設けられるパドル８１とスライダー８６とを連結するパドルロッド８２が支軸８３によって回動可能に軸支されている。

パドル８１にかかる圧力が大きくなると、パドル８１を流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が大きくなる。パドル８１が下流方向へ移動させられると、支軸８３まわりに回動するパドルロッド８２を介してパドル８１と連結されたスライダー８６には、流下方向Ｄの上流方向へ移動させる力が働き、当該力が付勢機構８４による付勢力より大きいときは、スライダー８６及びポンプ軸１５は上流側へ移動させられる（図３における軸心Ｃの左側半分参照）。

パドル８１にかかる圧力が小さくなると、パドル８１を流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が小さくなる。パドルロッド８２を介してスライダー８６に働く力が付勢機構８４による付勢力よりも小さいと、スライダー８６及びポンプ軸１５は付勢機構８４の付勢力によって下流側へ移動させられる（図３における軸心Ｃの左側半分参照）。

このパドル８１の受圧面積、パドルロッド８２の軸支位置及び付勢機構８４の付勢力等を予め適切に設計することによって、流水強度が所定のポンプ駆動値以上であるときに、ポンプ軸１５をポンプ機構６０の駆動可能位置に位置させることができる。

このとき、インペラボス６２及びランナボス７２も上流側へ移動させられる。動力伝達切替機構９０の第一出力歯車９１及び第二出力歯車９２は噛み合うが、第一入力歯車９３及び第二入力歯車９４は噛み合わない。

また、このとき、ポンプ用インペラ６１は回転可能状態となり、水車用ランナ７１は回転不可能状態となる。

したがって、回転機１７の回転軸１８からの動力が、ポンプ用インペラ６１に動力伝達され流水を圧送することができる。このとき、回転機１７は駆動手段として機能する。

ポンプ用インペラ６１や水車用ランナ７１が、回転可能状態であるか回転不可能状態であるかを位置や接触の状態から検知するセンサを設け、回転機１７は、少なくとも前記センサがポンプ用インペラ６１が回転可能状態であることを検知したときに駆動し、少なくとも前記センサがポンプ用インペラ６１が回転可能状態であることを検知しないときは停止するように構成されている。

また、パドル８１の受圧面積、パドルロッド８２の軸支位置及び付勢機構８４の付勢力等を予め適切に設計することによって、流水強度が所定の水車稼動値以下であるときに、ポンプ軸１５を水車機構７０の発電可能位置に位置させることができる。

また、このとき、インペラボス６２及びランナボス７２も下流側へ移動させられる。動力伝達切替機構９０の第一出力歯車９１及び第二出力歯車９２は噛み合わないが、第一入力歯車９３及び第二入力歯車９４は噛み合う。

ポンプ用インペラ６１は回転不可能状態となり、水車用ランナ７１は回転可能状態となる。

したがって、水車用ランナ７１の回転が回転軸１８に動力伝達され、回転機１７は流水によって発電することができる。このとき、回転機１７は発電手段として機能する。

以上のように、状態切替機構４０は、流水強度に応じて、ポンプ用インペラ６１及び水車用ランナ７１の回転可能状態又は回転不可能状態を選択的に切り替えることができるので、一台の流体機器３を流水の状況に応じてポンプ機構６０として機能させたり、水車機構７０として機能させることができる。

（第四の実施形態）
図４には、本発明の第四の実施形態に係る流体機器４が示されている。第四の実施形態に係る流体機器４に関し、第一から第三の実施形態に係る各流体機器についての説明が援用できる箇所については説明を簡略化ないし省略する。

本実施形態に係る流体機器４においては、状態切替機構５０は、パドル５１、パドルロッド５２及び付勢機構５３を有する。

また、本実施形態に係る流体機器４においては、ポンプ機構６０の駆動手段、及び水車機構７０の発電手段とを兼ねる回転機１７を有する。

本実施形態においては、インナーケーシング１４が移動するが、ポンプ用インペラ６１及び水車用ランナ７１は移動しない。

一方、回転機１７の回転軸は、軸心Ｃに沿って、回転機ケーシング１９に対して移動可能に構成されている。

動力伝達切替機構９０は、状態切替機構５０のパドル５１から延長された延長ロッド９５、及び延長ロッド９５に連結され、回転軸１８を相対回転可能に保持するスライダー９６をさらに有している。

パドル５１にかかる圧力が大きくなり、流水強度が所定のポンプ駆動値以上となると、パドル５１を流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が大きくなる。パドルロッド５２を介してパドル５１と連結されたインナーケーシング１４に、流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が働き、当該力が付勢機構５３による付勢力より大きいときは、インナーケーシング１４は下流側へ移動させられる（図４における軸心Ｃの左側半分参照）。

これに伴って、延長ロッド９５も流下方向Ｄの下流方向へ移動し、延長ロッド９５に連結されているスライダー９６は、回転軸１８を流下方向Ｄの下流方向へ移動させる。

このとき、動力伝達切替機構９０の第一出力歯車９１及び第二出力歯車９２は噛み合うが、第一入力歯車９３及び第二入力歯車９４は噛み合わない。

パドル５１にかかる圧力が小さくなり、流水強度が所定の水車稼動値以下となると、パドル５１を流下方向Ｄの下流方向へ移動させる力が小さくなる。パドルロッド５２を介してインナーケーシング１４に働く力が付勢機構５３よる付勢力よりも小さいときは、インナーケーシング１４は付勢機構５３の付勢力によって上流側へ移動させられる（図４における軸心Ｃの右側半分参照）。

これに伴って、延長ロッド９５も流下方向Ｄの上流方向へ移動し、延長ロッド９５に連結されているスライダー９６は、回転軸１８を流下方向Ｄの上流方向へ移動させる。

このとき、動力伝達切替機構９０の第一出力歯車９１及び第二出力歯車９２は噛み合わないが、第一入力歯車９３及び第二入力歯車９４は噛み合う。

また、このとき、ポンプ用インペラ６１は回転不可能状態となり、水車用ランナ７１は回転可能状態となる。

以上のように、状態切替機構５０は、流水強度に応じて、ポンプ用インペラ６１及び水車用ランナ７１の回転可能状態又は回転不可能状態を選択的に切り替えることができるので、一台の流体機器４を流水の状況に応じてポンプ機構６０として機能させたり、水車機構７０として機能させることができる。

上述したいずれの実施形態においても、ポンプ機構２０及び水車機構３０は、ポンプ用インペラ２１が水車用ランナ３１の上流側となるように配置されていたが、ポンプ機構２０及び水車機構３０は、水車用ランナ３１がポンプ用インペラ２１の上流側となるように配置されてもよい。

なお、本発明に係る流体機器は、大河川、用水路、移動式排水機場、洪水多発湿地、ポンプゲート等に設置することができる。

上述した実施形態は、いずれも本発明の一例であり、該記載により本発明が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能である。

１：流体機器
２：流体機器
３：流体機器
４：流体機器
１０：ケーシング
１１：流路
１４：インナーケーシング
１７：回転機
１８：回転軸
２０：ポンプ機構
２１：ポンプ用インペラ
２３：インペラ羽根
２４：駆動軸
２５：駆動手段
２７：電動機
３０：水車機構
３１：水車用ランナ
３３：ランナ羽根
３４：被駆動軸
３５：発電手段
３７：発電機
４０：状態切替機構
５０：状態切替機構
６０：ポンプ機構
６１：ポンプ用インペラ
６３：インペラ羽根
７０：水車機構
７１：水車用ランナ
７３：ランナ羽根
８０：状態切替機構
９０：動力伝達切替機構
Ｃ：軸心
Ｄ：流下方向

Claims

流水の流下方向に沿った流路を有するケーシングと、前記ケーシングの内部に配置され前記流路内の流水を下流に向けて圧送可能なポンプ機構と、前記ケーシングの内部に配置され前記流路内の水流によって発電可能な水車機構と、を有する流体機器であって、
前記ポンプ機構は、前記流下方向に沿って配置された駆動軸を有する駆動手段と、前記駆動軸に設けられたポンプ用インペラとを有して構成されており、
前記水車機構は、前記流下方向に沿って配置された被駆動軸を有する発電手段と、前記被駆動軸に設けられた水車用ランナとを有して構成されており、
前記駆動軸と前記被駆動軸とは同一の軸心上に配置されており、
前記ポンプ用インペラが有するインペラ羽根の前記軸心に対する傾斜方向と、前記水車用ランナが有するランナ羽根の前記軸心に対する傾斜方向とは、逆であるように構成されており、
さらに、所定の流水強度に応じて、前記ポンプ用インペラ及び前記水車用ランナの回転可能状態又は回転不可能状態を選択的に切替可能な状態切替機構を有することを特徴とする流体機器。
前記状態切替機構は、前記流水強度が所定のポンプ駆動値以上であるときは、前記ポンプ用インペラを回転可能状態とし、前記水車用ランナを回転不可能状態とするように構成されている請求項１に記載の流体機器。
前記状態切替機構は、前記流水強度が所定の水車稼働値以下であるときは、前記ポンプ用インペラを回転不可能状態とし、前記水車用ランナを回転可能状態とするように構成されている請求項２に記載の流体機器。
前記ポンプ用インペラ及び前記水車用ランナは、前記軸心方向に沿って移動可能に構成され、
前記状態切替機構は、
前記流水強度が前記ポンプ駆動値以上であるときは、前記ポンプ用インペラ及び前記水車用ランナを前記流下方向の上流側に移動させ、
前記流水強度が前記水車稼働値以下であるときは、前記ポンプ用インペラ及び前記水車用ランナを前記流下方向の下流側に移動させるように構成されている請求項３に記載の流体機器。
前記ケーシングは、当該ケーシングの内部において前記軸心方向に沿って移動可能なインナーケーシングを有し、
前記状態切替機構は、
前記流水強度が前記ポンプ駆動値以上であるときは、前記インナーケーシングを前記流下方向の下流側に移動させ、
前記流水強度が前記水車稼働値以下であるときは、前記インナーケーシングを前記流下方向の上流側に移動させるように構成されている請求項３に記載の流体機器。
前記状態切替機構は、
前記インペラ羽根及び前記ランナ羽根と前記ケーシングの内周面とを接触させることによって、前記インペラ羽根及び前記ランナ羽根を回転不可能状態とし、
前記インペラ羽根及び前記ランナ羽根と前記ケーシングの内周面とを接触させないことによって、前記インペラ羽根及び前記ランナ羽根を回転可能状態とするように構成されている請求項４又は５に記載の流体機器。
前記駆動手段は、前記駆動軸を有する電動機から構成され、前記発電手段は前記被駆動軸を有する、前記電動機とは別の発電機から構成されている請求項１から６のいずれか一項に記載の流体機器。
前記駆動手段及び前記発電手段は、前記駆動軸又は前記被駆動軸として用いられる回転軸を有しかつ前記水車用ランナの下流側に配置された回転機から構成され、
前記回転機の回転軸と、前記ポンプ用インペラ又は前記水車用ランナとの動力伝達状態を切り替える動力伝達切替機構を有し、
前記動力伝達切替機構は、
前記状態切替機構が、前記ポンプ用インペラを回転可能状態とし、かつ、前記水車用ランナを回転不可能状態としているときは、前記回転軸と前記ポンプ用インペラとを動力伝達状態とし、前記回転軸と前記水車用ランナとを非動力伝達状態とし、
前記状態切替機構が、前記ポンプ用インペラを回転不可能状態とし、かつ、前記水車用ランナを回転可能状態としているときは、前記回転軸と前記ポンプ用インペラとを非動力伝達状態とし、前記回転軸と前記水車用ランナとを動力伝達状態とするように構成されている請求項１から６のいずれか一項に記載の流体機器。