JPH093865A - 袋体バルブ式密閉型調圧水槽 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 調圧水槽の小型化、設計標準化によるコスト
低減、調圧水槽の設置位置の自由度の拡大、調圧水槽設
定位置による導水路ルートの制限の解除、水資源の合理
的活用を計画できる水路布設方法の開発等を達成できる
調圧水槽を提供する。 【構成】 袋体バルブ１に、たわみ性ホース１７を取り
付け、支柱１６に設けた袋体バルブ案内棒１５に取り付
ける。また、制水口１２の上部に、制水口止水弁座１１
を設置する。圧力容器５の内部に、空気圧入排出管７、
空気室圧力計８と空気コンプレッサー９及びガラス板
（管）水面計６−１を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水力発電・農業用パイ
プライン等での水撃圧力の吸収，発散。また、水車・ポ
ンプ等の負荷変化によって生ずる、流量調整ベーン開閉
時間の変更を可能とする調圧水槽に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の水力発電に用いられる調圧水槽
は、（図１１，図１２，図１３）に示すように、一般型
調圧水槽（図１１）、開放型空気制動（図１２）、密閉
型圧縮空気（図１３）の３種類に大別できる。以下個々
の特徴について述べるとともに、従来の水路布設方法に
ついても説明する。 （イ） 一般型調圧水槽（図１１）は、単動サージタン
ク，制水口サージタンク，差動サージタンク，水室サー
ジタンク等の種類があるが、どれもサージタンク天端は
開放されている。また、調圧水槽は導水路の下流末端
に設置することが多い。したがって、導水路の延長が
長い場合、および貯水池利用水深が大きい場合には、
全負荷遮断時、負荷急増時の最高上昇水位、最低水位が
大きくなって調圧水槽高さ、断面積が増加する。さら
に、調圧水槽の天端が開放されているために導水路縦断
方向の設置位置の自由度が小さい。そのうえに、急斜面
の地形に設けることとなって水槽の地震時安定確保対
策、施工の困難等によって工事費が増大する。 （ロ） 開放型空気制動（図１２）は、サージタンクの
天端を鉄筋コンクリートで被い、この天井の一部に小孔
を開け、この小孔をサージタンク内の空気が流出、流入
する時の抵抗によってサージタンク高さを抑制する。し
たがって、前記の一般型に比較して調圧水槽高さを減少
できるが、設置位置の自由度は一般型と同様である。 （ハ） 密閉型圧縮空気（図１３）は、日本では採用さ
れていないが、ノルウェー，アメリカで用いられてい
る。設置位置の自由度は大きく導水路のルートには関
係しない。（図１４）を参照して密閉型圧縮空気サージ
タンクの概要を述べる。定常負荷時から全負荷遮断をす
ると導水圧力管路内の流水は、圧力容器内に流入し容器
内の水位は上昇する。よって、空気室内の空気は圧縮さ
れる。また、水車から発生する水撃圧力は水圧鉄管から
制水口を通って、空気室で発散、反射する。定常負荷時
より負荷を急増すると最初に圧力容器内に存在する水で
水車の流量補給をして発電出力を増加する。そのとき、
圧力容器内の空気室圧力は定常負荷時の圧力より下が
る。したがって、貯水池から圧力容器の間に圧力差（落
差）が生じ、導水圧力管路の流速（流量）は増大する。
この現象は、水理学の非定常流れであって導水圧力管路
の流量と水車が要求する流量とが一致したときに、圧力
容器内の水位降下が停止する（最低下降水位）。ゆえ
に、導水圧力管路長が長いほど、及び圧力容器内の圧力
低下が小さい場合ほど下降水位が大きくなる。よって、
調圧水槽の高さが増大する。制水口は、開放されている
ために下降水位の制御は制水口断面積の縮小による、制
水口通過流量減少によってなされているが、制水口断面
積を過度に縮小すると水撃圧力の吸収，発散が確実とな
らない場合が生ずる。圧力容器内の万一の空気漏れに備
えて空気量供給のエアコンプレッサーを備える必要があ
るが、この供給空気量のコントロールは、水位計測の結
果からの空気量と圧力の積とが一定（Ｐ・Ｖ＝一定）と
なるように自動制御されている。 （ニ） 従来の水路式中小水力発電（図１５参照）で
は、取水堰１から発電所の直上部に設置する上部水槽５
（サージタンク）に至る間に、１／１０００程度の勾配
をもって無圧導水路４を開渠、あるいはトンネル等の工
法によって布設する。さらに、上部水槽５の越流水を放
流する余水路７を設け、上部水槽５から直下の水車まで
の間に水圧鉄管６を設けて、流水を導く方法で水路を布
設していた。したがって、上部水槽５の水位と放水面１
２との水位の間で所要の落差を得ていた。この場合、沈
砂池３の水位と上部水槽５との間に、発電に寄与しない
無効落差１４を生じて有効落差１３を減少させて、発電
出力と発生電力量を減少させてきた。また、農業用水等
のように、季節的に生ずる用水を無圧導水路４より補給
し、使用しない場合には発電流量補給に用いて発電量増
加をするという積極的な計画発想も少なかった。（図１
７参照〜水資源の合理的利用）

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
を（図１１，図１２，図１３，図１５）を参照し箇条書
に説明する。 （イ） 一般型（図１１）、開放型空気制動調圧水槽
（図１２）の場合には、調圧水槽設置位置（▲ロ▼，▲
ハ▼）によって、導水路のルートが限定される。導水
路のルートと調圧水槽位置（▲ロ▼，▲ハ▼）との関
連が、建設工事費に大きく影響する。したがって、両方
の調和を考慮した設計はは高度の技術と労力を要し設計
標準化も難しい。さらに、水圧鉄管は調圧水槽の構造
上によって斜面上に設けることになる。斜面上に水圧鉄
管を施工することは、高度の土木施工技術を必要と
し、かつ、施工仮設備，人力施工等によって工事費が大
きくなる傾向がある。そのうえに、水圧鉄管を延長して
落差を確保することは、発電負荷の追従性、水撃圧力
（水撃圧力の計算には水圧鉄管長の影響が大である）の
問題によって限界がある。そのために、放水路を設け
て落差を増加するが、場合によっては放水路調圧水槽を
必要とするし、発電施設全体の構造が複雑となり、施
工、設計の標準化はさらに難しくなる。 （ロ） 密閉型圧縮空気調圧水槽（図１３）の場合に
は、調圧水槽設置位置▲ニ▼と導水路との関連は考慮
する必要はないので、調圧水槽▲ニ▼と導水路の設計
は単独ですることができる。しかし、制水口が常に開放
されているために、最低下降水位の設定には制水口断面
積、流量係数の決定（水理実験を必要とする場合もあ
る）、発電運転状態（回転体の慣性方程式等）を考慮し
た、一次元化された運転方程式を、数値計算、図式計算
によって近似解析するが、この解析結果の判断には高度
の工学的判断が必要であって、設計の標準化は難しいと
考えられる。さらに、制水口断面積を縮小しても最低下
降水位の低減には限度があって、調圧水槽の小型化によ
りコスト低下にも限界がある。 （ハ） 水路の布設方法（図１５参照）については、導
水路から農業用水等を補給し、用水が不必要のときは発
電出力増加のために、その用水を用いる。さらに、農業
用水路をパイプライン化できるように導水路を計画し、
かつ、水の合理的使用ができる発電施設計画を可能にす
る（図１７参照）。そのうえに、既設発電所の再開発の
自由度（簡易）を拡げ、既設発電所の設備改良、増設に
よって発電出力増加（発生電力量増大）が容易に達成で
き、再開発コストが低減できる方法を開発する。 （ニ） 上記のように、一般型、開放型、密閉型調圧水
槽によるものでは、小型化、設計施工標準化によるコス
ト削減には、不十分な点が多くある。 本発明が解決しようとする課題は、調圧水槽と導水路と
の関連をなくし、調圧水槽は自由に位置の設定ができる
ようにする（図１７参照）。また、最低下降水位を自由
に決めることができて、設計に高度の技術、判断を必要
としないようにし、小型化、標準化、維持管理が容易
で、かつ、発電所建屋の一部をかねて、発電施設の総合
的なコスト低減を可能にする調圧水槽を提供することに
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る調圧水槽
は、以上のような課題を解決したもので、次のようなも
のである。その構成を（図１，図２，図３，図４，図１
０，図１５，図１６，図１７）を例にあげて説明する。 （イ） （図１，図２）の例では、圧力容器５の内部に
袋体バルブ１を設け、袋体バルブ１から圧力容器５の外
部につながる、袋体バルブ１のガス圧入排出装置を袋体
バルブ１から圧力容器５に接続した浮力開閉袋体バルブ
式密閉型調圧水槽。ガス圧入排出装置は、たわみ性ホー
ス１７、機械式（図７参照）、又は機械式とたわみ性ホ
ースを組合せて用いる方法もある。たわみ性ホースは、
合成樹脂・ゴム等の弾性体で製作し、できるかぎりしな
やかに曲がるような構造とする（例：自動車のブレーキ
ホース，建設機械の油圧ホース等）。袋体バルブは、ゴ
ム，合成樹脂、または合成樹脂，鋼繊維とゴム等で袋状
に作る（例；熱気球，自動車タイヤのゴムチューブ
等）。その袋状の中に圧縮ガスを圧入すれば、袋体バル
ブ１ができる。 （ロ） 袋体バルブ１は、支柱１６に設けた袋体バルブ
案内棒１５に取り付ける（図１０参照）。その案内棒の
機能は、袋体バルブ１と制水口止水弁座１１との接触面
を定位置に保つ役割をする。袋体バルブストッパー２
は、圧力容器内５の水位３が上昇するとき、袋体バルブ
１の離脱防止をする。圧力容器５の製作材料は、鋼材，
ＦＲＰ，鉄筋コンクリートを単独または組合せて築造す
る。 （ハ） 圧力容器内の水位３の計測は、ガラス板（管）
水面計６−１で測るが、水位の計測方法には、超音波水
位計（図３参照）、差圧式水位計（図５）、機械式水位
計（図７，図９）等とがあるので、それらの方法を用い
てもよい。 （ニ） 空気圧入排出管７、空気室圧力計８、空気コン
プレッサー９は、空気室４の空気圧力を調整、または圧
入，排出するために装着する。空気室圧力計はブルドン
管等を用いて、水位計測装置と組合せて、空気室４の空
気体積（Ｖ）と空気圧力（Ｐ）との管理（Ｐ・Ｖ^ｘ＝一
定）をする。 （ホ） 制水口止水弁座１１は、圧力容器内の水位３が
設定下降水位１４の位置にきたとき、袋体バルブ１と密
着し、制水口１２からの漏水を防止するために設置す
る。製作材料は弾性体とし、袋体バルブ１との接触部分
との滑りを考慮する。

【０００５】（ヘ） （図３，図４）の例で、上記に記
述のないものについて述べる。圧力容器５の内部に袋体
バルブ１を設け、空気室４の圧縮空気を袋体バルブ１に
送気できる、空気連絡通路を袋体バルブ１から空気室４
に接続した浮力開閉袋体バルブ式密閉型調圧水槽。袋体
バルブ１とたわみ性ホース１７は、連絡パイプ１６に接
続し、空気室４と空気連絡通路を構成する。その機能
は、圧力容器５の水位が上昇すると空気室４の空気圧力
は上昇し、空気連絡通路を通って袋体バルブ１に流入
し、空気室圧力と同じ圧力になる。したがって、袋体バ
ルブ１は膨張，縮小をしない。 （ト） 袋体バルブ１は、圧力容器５の天井から制水口
１２側方上面に達する、袋体バルブ案内棒１５に取り付
ける。その役割は前記と同様である。また、袋体バルブ
ストッパー２が設けてないのは、たわみ性ホース１７と
袋体バルブ１の接続する位置を工夫することによって、
圧力容器天井が袋体バルブストッパーの役目をする。 （チ） 圧力容器５の水位３の計測は、超音波水位計６
で測るが、前記と同様に、差圧式水位計（図５）、機械
式水位計（図７，図９）等とがあるので、それらを用い
ることもできる。超音波水位計６は、圧力容器５内に送
受波器２を設置し、ケーブル６ａで変換器に送信し、変
換器からアナログ、又はデジタル出力をするが、空気室
圧力計８、水車流量調整装置（電動サーボ等）と変換器
出力とを電気制御すれば、調圧水槽の水位調整発電運転
が可能となる。 （リ） 圧力容器５内の水位３と空気室４の圧力管理に
ついては、熱力学法則（Ｐ・Ｖ^ｘ＝一定）を用いる。空
気室圧力は、空気圧入排出管７と空気コンプレッサー９
との間に、空気室圧力計８を取り付けて計測する。そし
て、水位計と組合せて、熱力学法則（断熱変化，等温変
化，Ｐ・Ｖ^ｘ＝一定）を活用して浮力開閉袋体バルブ式
密閉型調圧水槽の動作管理をする。

【０００６】（ヌ） 水路の布設方法（図１５，図１
６，図１７参照）は、中小水力発電施設の取水堰１に設
けた取水口から、この取水口の低位にある前記の請求項
１、又は請求項２に記載の調圧水槽を用いた調圧水槽一
体型発電所１０までを、圧力管で直結した導水圧力管路
８による水路の布設方法。（図１５参照）して、無圧導
水路４を導水圧力管路８にする。導水圧力管路８の築造
材料は、ＦＲＰ複合管，ダクタイル鋳鉄管，鉄筋コンク
リート等で作る。上部水槽５（サージタンク）は、袋体
バルブ式密閉型調圧水槽に変更する。その設置位置は導
水圧力管路８の末端に設ける。さらに、余水路７は、水
路布設上より不必要であるから省略する。発電所は、調
圧水槽一体型発電所１０（図１６）とする。その構成
は、袋体バルブ式密閉型調圧水槽９の側方から、発電所
建屋１８を連続して構築する（注：発電建屋内部に袋体
バルブ式調圧水槽を設けるの意味）。発電所建屋断面
は、卵形、又は折線近似曲線とする。その建屋内部に、
調圧水槽水位調整運転装置，水圧鉄管，水車，発電機等
を設置し、水位調整発電運転を実施する。

【０００７】

【作用】次に本発明の作用を述べる。（図１，図２参
照） （イ） 圧力容器５の内部に浮力を活用した袋体バルブ
１を設け、水位３の上昇時（水車流量減少〜流量調整弁
開塞）には、袋体バルブ１が上に移動し、水撃圧力を空
気室４で吸収、発散する。 （ロ） 水位下降時（水車流量増大〜制水口流量増加）
には、設計で考えた設定下降水位１４の位置に、袋体バ
ルブ１が移動すると、制水口止水弁座１１と袋体バルブ
１が密着し、調圧水槽から水車への流量補給はなくな
り、水位下降は停止する。

【０００８】（ハ） 発電出力増大時（水車流量増加）
には、設定下降水位１４に袋体バルブ１が近づくと、制
水口１２との間の断面積が減少し、水車流量は減る。さ
らに、袋体バルブ１が制水口止水弁座１１に着座する
と、流量補給は限りなくゼロに近い値となる。袋体バル
ブ１と止水弁座との間には、製作上微小な隙間が存在す
るが、袋体バルブ１が超弾性体であることによって変形
し、止水弁座と密着することで実用上無視できる止水性
能を発揮する。 （ニ） 定常発電出力から出力減少時（水車流量減少）
の間では、定常発電出力時において、袋体バルブ１は浮
力の作用によって、制水口弁座１１と十分の距離を保っ
ている。したがって、導水圧力管路１３から圧力容器５
内への水流入と水撃圧力伝播は阻害されない。発電出力
減少（水車流量減少）とともに、水撃圧力が水車より発
生する。その水撃圧力は、水圧鉄管１０を通過し制水口
１２を通り、圧力容器５の空気室４で発散・反射する。
また、導水圧力管路１３内の水流のもつ運動エネルギー
は、制水口１２より圧力容器５に流入し、圧力容器内の
空気室４の空気体積（Ｖ）を変化させ、空気圧縮エネル
ギー（圧力エネルギー）に変換される。よって、空気室
４の圧力は上昇するが、その圧力上昇は、水撃圧力に比
較すれば非常に小さな値となる（注：空気室体積Ｖに依
存する）。また、密閉型調圧水槽の設置自由度の大きさ
により、水車付近に水槽を設ける場合には、水圧鉄管長
が短くなって水撃圧力は無視できる非常に小さな値とな
る（注：水撃圧力計算の急閉塞時間条件が非常に小さい
ことによる）。ゆえに、水車の設計を容易にすると考え
られる。 （ホ） 発電出力急増中の急遮断の場合には、袋体バル
ブ１は、制水口止水弁座１１に着座していることもある
が、この状態は、通常の発電運転では発生しないと考え
られる。なお、袋体バルブ１が着座していても、袋体バ
ルブ１の構造上より水撃圧力は、袋体バルブ１を通り空
気室４で発散するか、袋体で吸収できる。その理由は、
袋体バルブ１には、圧縮ガス（例；空気）が密閉もしく
は充満していることによって、圧力容器内の空気室４と
同じ機能をすることによる。 以上のごとく、下降水位制御と制水口１２からの水車流
量補給を、実用上完全に断ち、さらに、袋体バルブ１で
も水撃圧力を吸収・発散できる構造としたことを特徴と
する。

【０００９】（ヘ） 水路の布設方法（図１５，図１
６，図１７）については、余水路７、斜面上の上部水槽
５（ヘッドタンク）を省略し、調圧水槽一体型発電所１
０とする。その結果、密閉型調圧水槽は斜面上密閉型サ
ージタンクより断面積、容量が大きくなるが（Ｔｈｏｍ
ａの安定条件〜安定断面積によって）、袋体バルブ１の
下降水位制御効果で、サージタンクの高さを縮小するこ
とができる。したがって、発電所建屋１８と袋体バルブ
密閉型調圧水槽を一体化し、もしくは発電所建屋１８内
に設置することができる。導水圧力管路８から農業用水
を補給すれば、袋体バルブ式密閉型調圧水槽９内の空気
室４の圧力が低下する。よって、空気圧力計８、水位
計、水車流量調整弁を連動制御すると、用水補給に応じ
た水位調整発電運転ができる。 （ト） 無圧導水路４（図１５）で水路を構成する場合
には、その勾配に相当する無効落差１４が流量の大小に
関係なく生ずるが、導水圧力管路８で水路を構成する場
合には生ずることなく有効落差１３を得る。また、水路
を圧力管路で構成することにより、一定の管内通水断面
積を有する圧力管路は、発電使用水量の変化に比例し
て、管内の通水量が変化する。その通水量の変化を管内
流速に変換することによって、河川流量の増減に伴う発
電取水量変化に対応できる。したがって、河川流水のポ
テンシャルエネルギーの有効活用ができる。

【００１０】

【実施例】本発明の実施方法と、その構成について
（図）を例にあげて説明する。実施例１ （図１，図２）に基づいて実施例１を説明する。（図
１）は、本発明の浮力開閉袋体バルブ式密閉型調圧水槽
の縦断面図、（図２）は（図１）のＡ−Ａ線矢視による
横断面図である。 （イ） 袋体バルブ１は、袋体バルブ案内棒１５に滑ら
かに滑動できるように取り付ける。そして、袋体バルブ
１に、たわみ性ホース１７を接続し圧力容器５の外部に
導く。その先端に弁を取り付け、袋体バルブ１に圧縮ガ
スを密閉できるようにする。そして、空気室４の圧力に
抵抗できるように、任意に袋体バルブ１の圧力を調整す
る。袋体バルブ案内棒１５は、支柱１６に取りはずしで
きるように設ける。さらに、支柱１６の端部に浮体バル
ブストッパー２を取り付ける。その役割は袋体バルブ１
の離脱防止である。 （ロ） 圧力容器５は、空気漏れのないように鉄筋コン
クリート，ＦＲＰ，鋼材等を用いて単独、又は組み合わ
せて製作する。その圧力容器に、ガラス板（管）水面計
６−１を圧力容器５の外部に設ける。この場合の水位計
測は、目視による場合が多い。圧力容器５内の空気室４
に、空気を入れたり排出したりするのは、空気圧入排出
管７、空気コンプレッサー９と排出弁でする。なお、空
気コンプレッサーは可搬式も可能である。 （ハ） 空気室圧力計８（ブルドン管等）とガラス板
（管）水面計６−１の役割は、袋体バルブ式密閉型調圧
水槽の作動管理に用いる。管理の方法は、熱力学法則
（Ｐ・Ｖ^ｘ＝一定）を用いて、定常発電出力時での空気
室体積（Ｖ）と圧力（Ｐ）とを測って、空気室体積
（Ｖ）の設定値の確認をする。なお、機械式水位計（図
８）、超音波式水位計（図３）と空気室圧力計８とを用
いて、空気室体積（Ｖ）、圧力（Ｐ）を電気信号による
自動制御も可能である。 （ニ） 制水口止水弁座１１は、制水口１２の上部に設
ける。止水を確実にするように、ゴム，ＦＲＰ，合成樹
脂，金属等の弾性体で製作する。

【００１１】実施例２ （図３，図４）に基づいて実施例２を説明する。なお、
実施例１の構成にないものについて述べる。 （イ） 袋体バルブ１は、圧力容器５の天井より制水口
１２側面上部に達する、袋体バルブ案内棒１５に取り付
ける。そして、袋体バルブ１に、たわみ性ホース１７を
接続し、その端は、連絡パイプ１６に取り付ける。連絡
パイプ１６は圧力容器５に固定し、空気室４と袋体バル
ブ１との内部に空気が自由に出入できるようにする。し
たがって、袋体バルブ１の空気圧入排出は、空気室４の
空気圧入排出と同時にすることができる。 （ロ） 水位の計測は、超音波水位計６でする。空気室
４に送受波器２を設け、圧力容器５を貫通するケーブル
６ａを超音波水位計内部の変換器に接続する。

【００１２】実施例３ （図５，図６）に基づいて実施例３を説明するが、前記
の構成にないものについて説明する。 （イ） 袋体バルブ１は、袋代バルブ案内棒１５に取り
付け、袋体バルブ１に、たわみ性ホース１７を接続し、
その端は、空気室４の圧力容器５の天井に固定する。そ
のようにすれば、空気室４と袋体バルブ１は連続し、圧
縮空気は自由に出入する。 （ロ） 水位の計測は、差圧式水位計６・２で測る。空
気室４と圧力容器５の底部とをパイプ等で接続し、その
間に、差圧変換器１６、ドレン１８を設置する。差圧水
位計６・２は、密閉タンク内の液位を、タンク上部の空
間圧力とタンク底部の圧力との差により測定するもので
ある。してがって、熱力学法則（Ｐ・Ｖ^ｘ＝一定）を用
いると空気室圧力計８を省略することが可能である。

【００１３】実施例４ （図７，図８）に基づいて実施例４を説明する。 （イ） 袋体バルブ１は、浮体取付アーム１９に取り付
ける。そして、浮体取付アームは中空状（パイプ状）に
作り、袋体バルブ１に空気が自由に出入できるようにす
る。浮体取付アーム１９は、止水回転軸１８に固定す
る。止水回転軸１８は、回転軸の内部に空気通路を設
け、さらに、水位検出アーム６を回転させる、かさ歯車
２２を取り付ける。なお、止水回転軸１８内部の空気通
路は、連絡パイプ１６に回転できるように接続し、空気
圧入排出管７を通って、空気室４につながる。その機能
は空気室４と袋体バルブ１を連続し、圧縮空気を自由に
出入させることである。また、止水回転軸１８と浮体取
付アーム１９、連絡パイプ１６との接続部には、漏れ止
めシール２１を設けて、圧力容器５内の漏水を止める。 （ロ） 案内柱２０は、浮体取付アーム１９の側方移動
を拘束し、浮体バルブ１と制水口止水弁座１１との位置
関係を保つために設置する。なお、浮体取付アーム１９
は、滑らかに移動できるように案内柱２０に取り付け
る。 （ハ） 水位の計測は、止水回転軸１８に取り付けた、
かさ歯車２２と２軸交差歯車の回転軸１７とで水位検出
アーム６を回転させ、水位表示板１５で水位を読み取
る。この方法は、機械式水位計測装置と考えることがで
きる。

【００１４】実施例５ （図１５，図１６，図１７）に基づいて、実施例５によ
って水路の布設方法を述べる。 （イ） （図１５）を参照して、導水圧力管路式調圧水
一体型発電所の構成と布設方法を、従来方式のものと比
較しながら説明する。河川上流に設置した取水堰１で、
できる調整池２から流水を沈砂池３（不用の場合もあ
る）に導き、沈砂池３から導水圧力管路８で、途中の必
要な農業用水等を補給し（図１７参照）、発電所と一体
化した袋体バルブ式調圧水槽９に導く。流水は、発電所
建屋１８内の水圧鉄管を通り、水車を駆動する。さら
に、ドラフトチューブによって元の河川に放流する。こ
の間、点線で示す従来方法による、無圧導水路４，上部
水槽５（ヘッドタンク），余水路７を省略する。なお、
無圧導水路４を圧力トンネルに改造し、上部水槽５（ヘ
ッドタンク）上部の開放部分を鉄筋コンクリート等で密
閉する。そして、水圧鉄管６を延長して、その末端に調
圧水槽一体型発電所１０を設ければ、容易に既設発電所
の拡大再開発ができる。 （ロ） 調圧水槽一体型発電所（図１６）は、袋体バル
ブ式密閉型調圧水槽９の圧力容器構造部と発電所建屋１
８側壁構造部とを共通構造部材として用いる。さらに、
発電所基礎も共通に使用する。そのようにすれば、個々
に調圧水槽、発電所建屋を建設する場合と比較して、資
材を節約することができる。また、発電所建屋１８の断
面は、なるべくだ円、卵形型を採用すると構造設計上有
利（経済的）である。

【００１５】

【発明の効果】本発明に係る調圧水槽を使用する場合の
効果を（図１５，図１６，図１７）を例にとって説明す
る。 （まえがき）日本での水力発電開発において、大規模水
力発電の開発は、ほぼ終了した。エネルギーの安定供
給、火力発電による環境破壊等の理由によって、中小水
力発電の開発が認識されているが、開発コスト高のため
に開発が遅れている。また、コスト低減のために、多く
の技術開発が促進され実証されている。しかし、水力発
電においては、複雑な水利権、水資源の非合理的な使用
状況、河川環境維持流量の増大等により、発電に使用で
きる流量は、制限される傾向にある。したがって、発電
原価の低減が困難となっている。発電原価の低減には、
水の合理的使用、配分による発電流量の増加、落差の増
大、また、発電専用の設備に他の利水施設を組み込むこ
とのできる、総合的計画手法が必要である。

【００１６】本発明の効果を箇条書に述べる。 （イ） 袋体バルブ式密閉型調圧水槽９の設置自由度の
大きさによって、導水圧力管路８のルートは自由に設定
できる。また、（図１７）の例に示すように、農業用パ
イプラインを兼用することができる。したがって、水の
合理的使用を可能にする。 （ロ） （図１７）の例で、発電用導水圧力管路より、
水田，畑等に用水を給水すると、圧力容器内の空気圧力
は低下する。よって、空気室圧力計、水位計と水車流量
調整弁を連動させると、導水圧力管路末端の流量変化に
追従する発電水調運転が可能である。 （ハ） 袋体バルブ１の作用によって、圧力容器５内の
最大下降水位の設定は自由にできる。したがって、調圧
水槽の小型化、設計標準化は可能である。そのうえに、
最大定常負荷時（水車流量最大〜図１４参照）の水位
を、袋体バルブ１が制水口止水弁座に着座している状態
で定めると（設定下降水位〜図１）、密閉型調圧水槽の
高さを、ほぼ半減することが可能である（下降水位は無
視できる）。なお、水撃圧力は袋体バルブ１によって、
吸収・発散できる。

【００１７】（ニ） 流れ込み式水力発電においては、
洪水時、異常渇水時には取水停止する。したがって、通
常の密閉型調圧水槽では、制水口１２にバルブがないた
めに、圧力容器内の空気が流出し、維持管理が繁雑であ
る。本発明の調圧水槽では、袋体バルブ１の作用によっ
て空気の流出はない。よって、維持管理は容易となる。 （ホ） 既設の水力発電所を拡大再開発するときは、無
圧導水路（トンネル等）を圧力導水路に変更し、上部水
槽（ヘッドタンク）を本発明の袋体バルブ式密閉型調圧
水槽に改造すれば、無圧導水路の空断面を活用した発電
流量増加（流積断面増加）による、発電力（発電力量）
の増加ができる。よって、流水ポテンシャルエネルギー
の有効活用ができる。 （ヘ） 貯水式（ダム式）発電においては、有効利用水
深を大きくすると、本発明以外の調圧水槽は、大型化
し、工事費が上昇するが、本発明の調圧水槽は、袋体バ
ルブ１の作用によって、発電負荷追従性を考慮した小型
化が可能である。

【００１８】従来の水路の布設方法（図１５参照）での
既設水力発電再開発は、無圧導水路４の断面を拡大し、
発電流量を増加し、並びに、水圧鉄管６を延長し、落差
を大きくして発生電力量を増大する方法もある。しか
し、水圧鉄管の延長には限界がある。その理由は、水車
の無拘束速度時の流量特性に依存する。フランシス水車
の場合には、事故停止時に発電機負荷が急遮断される
と、即座に水車の回転数が上昇し始めるが、それに伴う
水車通過流量は、比速度２５０（Ｎｓ≦２５０）以下で
は、水車自身が水量を減少し水撃圧力を発生する。この
現象は、水車流量調整ベーンを絞らなくても発生し、水
車流量調整ベーン閉塞時間とは無関係である。また、ベ
ルトン，ターゴインパルス等の衝動水車は、デフレクタ
によって、ランナーの回転とは無関係に、水圧鉄管内の
流量減少を任意時間に長くできるので、水撃圧力を軽減
できる（注：水撃圧力は水圧鉄管長の影響が大きい）
が、比速度（Ｎｓ）が小さく発電機が大型化し、さら
に、ランナーと放水面間の位置エネルギーが回収できな
い。特許公報（Ｂ２）平４−６８１０に記載の導水圧力
管路による布設方法では、ターゴインパルス、又はＮｓ
＝２５０以上のフランシス水車を用いて、圧力管路を延
長する方法もあるが、ターゴインパルス等では発電機の
大型化、フランシス水車では、キャビテーション、負荷
追従性、発電水調運転の問題があって、圧力管路を長く
することは難しいようである。 （ト） 本発明の調圧水槽一体化発電所では、水圧鉄管
長は短く、水撃圧力は無視できる。さらに、圧力容器内
の空気室４の高さを増して、空気室４の容量を十分に確
保すれば、導水圧力管路内の水流エネルギーを空気圧縮
エネルギー（圧力エネルギー）に変換した場合の空気室
４の最大圧力を下げることができる。このことは、導水
圧力管路長に対して任意の管路内最大圧力を設定するこ
とができることになる。したがって、ＦＲＰ管等の２次
製品を用いることができて、標準化設計、施工を容易に
する。 （チ） 調圧水槽一体型発電所１０（図１６）による導
水圧力管路工法では、調圧水槽と発電所建屋１８が同じ
発電所基礎１７の上にある。さらに、構造部材を共有し
ていることによって、材料の節約ができる。また、調圧
水槽を斜面上に設ける必要はないので、常時，地震時の
安定解析、安定対策（斜面上では斜面のすべり崩壊対策
を必要とする場合が多い）、施工、発電水調運転、維持
管理が容易となり、工事費が低減できる。そのうえ、発
電所を地下に設ける場合には、発電所建屋を円形，卵形
等の断面で築造することによって、構造安定上有利とな
る。 （リ） 導水圧力管路８は、自由にルート設定できるこ
とを前記に述べたのであるが、導水路縦断方向の調圧水
槽設置位置について説明する。通常の密閉型調圧水槽
は、放水面１２に接続して設けるほど、Ｔｈｏｍａの安
定条件より、調圧水槽安定必要断面積、容量は大きくな
る。しかし、袋体バルブ式密閉型調圧水槽９において
は、前記に説明したように、場合によっては、容量を半
減できる。さらに、空気室圧力を水車のガバナー（調速
機）回路に取り込んでＴｈｏｍａの安定必要断面積を縮
小すれば、一層の小型化と軽量化ができる。その結果、
発電所基礎は荷重の負担が少なくなり、また、調圧水槽
と発電所建屋を一体化したために構造断面の強度は、断
面形状の相乗効果によって非常に有利となる。ゆえに、
建設工事費を下げることが可能となる。 本発明の導水圧力管路式調圧水槽一体型発電所の水路布
設方法は、パイプライン化水力発電とも考えることがで
きる。前記の効果によって、標準化、小型化、低建設
費、高発電出力、大発電力量、低発電原価という経済開
発が可能となり、我国のエネルギーセキュリティーとし
ての石油代替エネルギー開発、未開発発電水力の賦存す
る農山村の地域開発振興に大きく貢献することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１を示す縦断面図である。

【図２】実施例１（図１）のＡ−Ａ線矢視による横断面
図であって、袋体バルブ１、たわみ性ホース１７等の配
置例を示す図である。

【図３】実施例２を示す縦断面図である。

【図４】実施例２（図３）のＡ−Ａ線矢視による横断面
図である。

【図５】実施例３を示す縦断面図である。

【図６】実施例３（図５）のＡ−Ａ線矢視による横断面
図である。

【図７】実施例４を示す縦断面図である。

【図８】実施例４（図７）のＡ−Ａ線矢視による横断面
図である。

【図１０】浮力可動式袋体バルブの概念図（斜視図）で
ある。

【図１１】従来技術における一般型調圧水槽の配置を示
す縦断面図である。

【図１２】従来技術における開放型空気制動調圧水槽の
配置の一例を示す縦断面図である。

【図１３】ノルウェー，アメリカで採用されている密閉
型圧縮空気調圧水槽の縦断面図である。

【図１４】密閉型圧縮空気調圧水槽の作動原理の概念図
である。

【図１５】実施例５を示す縦断面図である。流れ込み中
小水力発電施設の概念図であって、実線で示す本発明に
係る設備の構成と、点線で示す従来方式による設備の構
成を対比して示したものである。

【図１６】本発明に係る実施例１５の調圧水槽一体型発
電所の斜視図（透視図）である。

【図１７】本発明に係る調圧水槽を用いた、水資源の合
理的な使用をする発電計画概念図（斜視図）である。

【符号の説明】

（図１，図２）の符号 １ 袋体バルブ ２ 浮体バルブストッパー ３
水位 ４ 空気室 ５ 圧力容器 ６
−１ ガラス板水面計 ７ 空気圧入排出管 ８ 空気室圧力計 ９
空気コンプレッサー １０ 水圧鉄管 １１ 制水口止水弁座 １２
制水口 １３ 導水圧力管路 １４ 設定下降水位 １５
袋体バルブ案内棒 １６ 支柱 １７ たわみ性ホース （図３，図４）の符号で上記に説明のないもの。 ２ 送受波器 ６ 超音波水位計 ６ａ
ケーブル （図５，図６）の符号 ２ 袋体バルブストッパー ６−２ 差圧式水位計
１６ 差圧変換器 １８ ドレン （図７，図８）の符号 ６ 水位検出アーム １６ 連絡パイプ １７
２軸交差歯車の回転軸 １８ 止水回転軸 １９ 浮体取付アーム ２０
案内柱 ２１ 漏れ止めシール ２２ かさ歯車 （図１５，図１６）の符号 １ 取水堰 ２ 調整池 ３ 沈
砂池 ４ 無圧導水路 ５ 上部水槽，サージタンク
６ 水圧鉄管 ７ 余水路 ８ 導水圧力管路 ９ 袋体バルブ
式密閉型調圧水槽 １０ 調圧水槽一体型発電所 １１ 水車 １２
放水面 １３ 有効落差 １４ 無効落差 １５
河川 １６ 発電機 １７ 発電所基礎 １８
発電所建屋

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力容器（５）の内部に袋体バルブ
   （１）を設け、袋体バルブ（１）から圧力容器（５）の
   外部につながる、袋体バルブ（１）のガス圧入排出装置
   を袋体バルブ（１）から圧力容器（５）に接続した浮力
   開閉袋体バルブ式密閉型調圧水槽。（図１，図２参照）
2. 【請求項２】 圧力容器（５）の内部に袋体バルブ
   （１）を設け、空気室（４）の圧縮空気を袋体バルブ
   （１）に送気できる、空気連絡通路を袋体バルブ（１）
   から空気室（４）に接続した浮力開閉袋体バルブ式密閉
   型調圧水槽。（図３，図４参照）
3. 【請求項３】 中小水力発電施設の取水堰（１）に設け
   た取水口から、この取水口の低位にある前記の請求項
   １、又は請求項２に記載の調圧水槽を用いた調圧水槽一
   体型発電所（１０）までを圧力管で直結した導水圧力管
   路（８）による水路の布設方法。（図１５，図１６，図
   １７参照）