(57)【要約】【課題】製造が容易な発電用螺旋タービンを提供する。【解決手段】水力発電装置１は、水路部２に設置された導入部４と、タービン部５を有する。導入部４は、タービン部５の入口５３に向けて水を案内し、供給する。導入部４は、タービン部５へ供給される流水の方向を調節する。導入部４は効率向上に貢献する。タービン部５は、複数の螺旋管５１を有する。タービン部５は、螺旋タービンまたはアルキメデスタービンと呼ばれる。受入バケット５２は、導入部４から供給される水を受け、複数の螺旋管５１に供給する。螺旋管５１は、軟質樹脂製のリブ付きパイプを巻き付けることによって提供されている。リブ付きパイプは、長さ方向の断面が長円形になるように変形させられている。これにより、製造が容易で、保守が容易な水力発電装置１が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸（ＡＸ）に沿って延びるコア部材（５５）と、
前記コア部材（５５）に固定され、流体を受け入れる入口開口（５１ａ）を有し、前記回転軸（ＡＸ）の周りにおいて前記回転軸（ＡＸ）に沿って前記入口開口（５１ａ）から螺旋状に延びる螺旋管（５１）とを有することを特徴とする発電用螺旋タービン。
【請求項２】
前記螺旋管（５１）は軟質材料製であることを特徴とする請求項１に記載の発電用螺旋タービン。
【請求項３】
前記螺旋管（５１）は、
前記螺旋管（５１）の長さ方向に直交する断面において曲げ方向に関して所定の強度を有する複数の板状部（８６）と、
複数の前記板状部の間に位置し、前記螺旋管（５１）の長さ方向に沿って延び、前記板状部より前記曲げ方向に関して変形しやすい断面変形部（８５）とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電用螺旋タービン。
【請求項４】
前記板状部（８６）および前記断面変形部（８５）は前記螺旋管（５１）の長さ方向に沿って螺旋状に延びていることを特徴とする請求項３に記載の発電用螺旋タービン。
【請求項５】
前記螺旋管（５１）は、周方向に沿って延びるリブ（８３）を有するリブ付きパイプ（８１）によって形成されており、
前記断面変形部（８５）は前記リブ（８３）に形成された切込（８４）によって形成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の発電用螺旋タービン。
【請求項６】
前記螺旋管（５１）、および前記螺旋管と同じ形状の他の螺旋管（５１）を含む複数の螺旋管（５１）を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の発電用螺旋タービン。
【請求項７】
隣接する複数の前記螺旋管は、前記回転軸（ＡＸ）の軸方向および周方向に関して互いに接触して密に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の発電用螺旋タービン。
【請求項８】
前記螺旋管の長さ方向に直交する断面は、前記回転軸（ＡＸ）の径方向に長軸をもつ長円形であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の発電用螺旋タービン。
【請求項９】
前記入口開口（５１ａ）に流体を導く導入機構（４、５２）を備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の発電用螺旋タービン。
【請求項１０】
前記導入機構は、前記回転軸（ＡＸ）の周りに前記入口開口（５１ａ）を囲むように配置された受入バケット（５２）を備えることを特徴とする請求項９に記載の発電用螺旋タービン。
【請求項１１】
前記導入機構は、前記入口開口（５１ａ）に向けて流体を導く導入部（４）を備えることを特徴とする請求項９に記載の発電用螺旋タービン。
【請求項１２】
前記導入機構は、
前記回転軸（ＡＸ）の周りに前記入口開口（５１ａ）を囲むように配置された受入バケット（５２）と、
前記受入バケットに向けて流体を導く導入部（４）とを備えることを特徴とする請求項９に記載の発電用螺旋タービン。
【請求項１３】
前記導入部（４）は、前記入口開口（５１ａ）が下から上へ移動する領域において前記入口開口（５１ａ）に流体を直接的に当てるように水を偏らせて供給することを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の発電用螺旋タービン。
【請求項１４】
前記入口開口（５１ａ）は前記回転軸（ＡＸ）と直交する面において開口していることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載の発電用螺旋タービン。
【請求項１５】
請求項１から請求項１４のいずれかに記載の発電用螺旋タービン（５）と、
前記発電用螺旋タービンに連結された発電機（６）とを備えることを特徴とする発電装置。
【請求項１６】
軟質材料製の素材管（８１）を準備する第１工程と、
回転軸（ＡＸ）に沿って延びるコア部材（５５）に沿って前記素材管を配置することにより、前記回転軸（ＡＸ）の周りにおいて前記回転軸（ＡＸ）に沿って螺旋状に延びる螺旋管（５１）を形成し、前記コア部材に前記素材管を固定する第２工程とを備える発電用螺旋タービンの製造方法。
【請求項１７】
前記第１工程は、前記素材管（８１）の長さ方向に直交する断面において曲げ方向に関して所定の強度を有する複数の板状部（８６）、および複数の前記板状部の間に位置し、前記素材管（８１）の長さ方向に沿って延び、前記板状部より前記曲げ方向に関して変形しやすい断面変形部（８５）を前記素材管に形成する工程を含むことを特徴とする請求項１６に記載の発電用螺旋タービンの製造方法。
【請求項１８】
前記第１工程は、前記素材管（８１）の長さ方向に沿って螺旋状に延びるように前記板状部（８６）および前記断面変形部（８５）を形成することを特徴とする請求項１７に記載の発電用螺旋タービンの製造方法。
【請求項１９】
前記素材管（８１）は、周方向に沿って延びるリブ（８３）を有するリブ付きパイプであり、
前記第１工程は、前記リブ（８３）に切込（８４）を形成することにより前記断面変形部（８５）を形成することを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の発電用螺旋タービンの製造方法。
【請求項２０】
前記第２工程は、前記素材管を前記断面変形部において変形させる工程を含むことを特徴とする請求項１７から請求項１９のいずれかに記載の発電用螺旋タービンの製造方法。
【請求項２１】
前記第２工程は、前記素材管（８１）の長さ方向に直交する断面を、前記回転軸（ＡＸ）の径方向に長軸をもつ長円形に変形させることを特徴とする請求項２０に記載の発電用螺旋タービンの製造方法。
【請求項２２】
前記第２工程は、複数の前記素材管（８１）を前記コア部材に沿って配置する工程を含むことを特徴とする請求項１６から請求項２１のいずれかに記載の発電用螺旋タービンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電用螺旋タービン、その製造方法、および発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１−３は、いわゆる螺旋タービンとそれを用いた水力発電装置を開示する。螺旋タービンとして、オープン型タービンとクローズ型タービンとが知られている。オープン型タービンは、部分円筒型の傾斜水路に螺旋状の羽根が配置され、螺旋状の羽根が回転する。一方、クローズ型タービンは、円筒の内部に螺旋状の羽根が固定され、円筒と羽根とがともに回転する。クローズ型タービンは、水の飛散が少なく、異物の噛み込みが少ないという利点がある。
【０００３】
螺旋タービンはアルキメデス水車とも呼ばれる。螺旋タービンは、比較的小流量、低落差の水力発電装置に利用されている。また、比較的構造が簡単であるため、農業用水などの小水路に設置される小規模の水力発電装置として適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９４２２８号公報
【特許文献２】特開２０１１−０７４８０８号公報
【特許文献３】特開２０１１−１４９３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
クローズ型タービンを構成する場合、金属製または樹脂製の円筒の内部に、金属または樹脂製の螺旋部材を固定する必要があった。ところが、金属板または樹脂板によって螺旋部材を製造するには、多くの切断作業、接合作業が必要となる。さらに、円筒の内部に螺旋部材を固定する作業においても、多くの接合作業が必要となる。この結果、安価な螺旋タービンを提供することが困難であった。
【０００６】
また、多くの接合部分は、腐食、破断を生じやすいから装置の耐久性を低下させる。低い耐久性は、安定的な電力供給を困難とし、装置の信頼性を低下させる。また、低い耐久性は運用コストを増加させる。
【０００７】
さらに、従来のクローズ型タービンが故障した場合には、再度の接合作業が必要になる場合がある。ところが、接合作業のできる作業者が必要になる。また、螺旋タービンの設置現場によっては、接合作業が困難な場合がある。このため、迅速な修理と、発電の迅速な再開とが困難であった。
【０００８】
また、従来の螺旋タービンでは入口部において水を流し込むだけであったため、入口部における流速を十分に利用できていないという問題点があった。
【０００９】
このような観点から、螺旋タービンおよびそれを用いた発電装置にはさらなる改良が求められている。
【００１０】
発明の目的のひとつは、製造が容易な発電用螺旋タービン、および発電装置を提供することである。
【００１１】
発明の目的の他のひとつは、耐久性に優れた発電用螺旋タービン、および発電装置を提供することである。
【００１２】
発明の目的の他のひとつは、螺旋タービンの設置現場における保守作業が容易な発電用螺旋タービン、その製造方法、および発電装置を提供することである。
【００１３】
発明の目的の他のひとつは、効率が高い発電用螺旋タービン、および発電装置を提供することである。
【００１４】
発明の目的の他のひとつは、発電用螺旋タービンの容易な製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１６】
開示された発電用螺旋タービンの発明は、回転軸（ＡＸ）に沿って延びるコア部材（５５）と、コア部材（５５）に固定され、流体を受け入れる入口開口（５１ａ）を有し、回転軸（ＡＸ）の周りにおいて回転軸（ＡＸ）に沿って入口開口（５１ａ）から螺旋状に延びる螺旋管（５１）とを有することを特徴とする。この構成によると、螺旋管がコア部材に固定される。螺旋タービンとして機能するための螺旋通路が螺旋管によって提供されるから、螺旋通路を容易に製造することができる。
【００１７】
ひとつの実施形態では、螺旋管（５１）は軟質材料製である。この構成によると、螺旋管の加工が容易である。
【００１８】
ひとつの実施形態では、複数の螺旋管（５１）を備えることができる。この構成によると、複数の螺旋管が配置されるから大きい回転トルクが得られる。
【００１９】
ひとつの実施形態では、螺旋管（５１）は、螺旋管（５１）の長さ方向に直交する断面において曲げ方向に関して所定の強度を有する複数の板状部（８６）と、複数の板状部の間に位置し、螺旋管（５１）の長さ方向に沿って延び、板状部より曲げ方向に関して変形しやすい断面変形部（８５）とを有することができる。この構成によると、螺旋管の長さ方向に直交する断面を望ましい形状に調節することができる。
【００２０】
ひとつの実施形態では、板状部（８６）および断面変形部（８５）は螺旋管（５１）の長さ方向に沿って螺旋状に延びている。この構成によると、螺旋管を提供する素材管にねじりを加えることなく断面を望ましい形状に調節することができる。
【００２１】
ひとつの実施形態では、螺旋管（５１）は、周方向に沿って延びるリブ（８３）を有するリブ付きパイプ（８１）によって形成されており、断面変形部（８５）はリブ（８３）に形成された切込（８４）によって形成される。この構成によると、リブ付きパイプを利用して螺旋通路を形成することができる。
【００２２】
発電装置の発明は、上記発電用螺旋タービン（５）と、発電用螺旋タービンに連結された発電機（６）とを備える。
【００２３】
発電用螺旋タービンの製造方法の発明は、軟質材料製の素材管（８１）を準備する第１工程と、回転軸（ＡＸ）に沿って延びるコア部材（５５）に沿って素材管を配置することにより、回転軸（ＡＸ）の周りにおいて回転軸（ＡＸ）に沿って螺旋状に延びる螺旋管（５１）を形成し、コア部材に素材管を固定する第２工程とを備える。この発明によると、発電用螺旋タービンを軟質材料製の素材管によって製造することができる。軟質材料製の素材管は変形が容易であるため、容易に発電用螺旋タービンを製造することができる。
【００２４】
ひとつの実施形態では、第１工程は、素材管（８１）の長さ方向に直交する断面において曲げ方向に関して所定の強度を有する複数の板状部（８６）、および複数の板状部の間に位置し、素材管（８１）の長さ方向に沿って延び、板状部より曲げ方向に関して変形しやすい断面変形部（８５）を素材管に形成する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】発明の第１実施形態に係る水力発電装置を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の水力発電装置を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態の水力発電装置を示す側面図である。
【図４】第１実施形態の水力発電装置を示す平面図である。
【図５】第１実施形態の水力発電装置を示す正面図である。
【図６】第１実施形態の発電機械部を示す斜視図である。
【図７】第１実施形態の発電機械部を示す側面図である。
【図８】第１実施形態のタービン部を示す斜視図である。
【図９】第１実施形態のタービン部を示す正面図である。
【図１０】第１実施形態のタービン部の図９Ｘ−Ｘ線における断面図である。
【図１１】第１実施形態のタービン部の図１０ＸＩ−ＸＩ線における断面図である。
【図１２】第１実施形態の素材管を示す斜視図である。
【図１３】第１実施形態の素材管の表面を示す部分拡大斜視図である。
【図１４】第１実施形態の素材管の端面を示す部分拡大斜視図である。
【図１５】発明の第２実施形態に係るタービン部を示す斜視図である。
【図１６】発明の第３実施形態に係るタービン部を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、図面を参照しながら発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。また、後続の実施形態においては、先行する実施形態で説明した事項に対応する部分に百以上の位だけが異なる参照符号を付することにより対応関係を示し、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００２７】
（第１実施形態）
（構成）
図１から図５において、水力発電装置１は、流体を利用する螺旋タービン型の発電装置を提供する。水力発電装置１は、水路部２に設置されている。水力発電装置１は、フレーム３と、導入部４と、タービン部５とを有する。水力発電装置１は、用水路等の小水量、低落差の水路部２に設置される。水力発電設備１は、小規模発電装置を提供する。
【００２８】
水路部２は上段水路２１と下段水路２２とを形成する。水路部２は上段水路２１と下段水路２２との間に突然の落差を形成する。下段水路２２は、タービン部５から排出された水を受け流し去る排水部を提供する。フレーム３は、水路部２に固定的に設置されている。フレーム３は、水路部２の所定位置にタービン部５を位置付ける。
【００２９】
導入部４は、上段水路２１に固定的に設置されている。導入部４は、フレーム３に固定されてもよい。導入部４は、上段水路２１の水をタービン部５の入口５３に導く。図示の例では、導入部４は、水路部２に流れる全量をタービン部５の入口５３に導く。導入部４は、上段水路２１を横断するように架設された濾過ネット４１を備える。濾過ネット４１は、異物を除去する。図中には濾過ネット４１の一部の網目だけが図示されている。導入部４は、上段水路２１の水流を案内し、水流の方向を偏向する堰板４２を有する。堰板４２は、２枚の板によって提供されている。堰板４２の上流縁は、上流端開口４３を区画する。堰板４２の下流縁は、下流端開口４４を区画する。堰板４２の間隔は、上流端開口４３から下流端開口４４へ向けて徐々に減少する。下流端開口４４は、入口５３に対向して位置付けられている。
【００３０】
タービン部５は、ほぼ円柱状に形成されている。タービン部５は、螺旋タービンを提供する。タービン部５は水車部とも呼ばれる。タービン部５は、先端に入口５３を有し、後端に複数の出口５４を有する。タービン部５は、入口５３から水を受け入れ、出口５４から水を排出する。タービン部５は、回転軸ＡＸを有する。タービン部５は、その全体が回転軸ＡＸの周りにおいて回転可能である。入口５３は落差の上部に位置付けられる。出口５４は落差の下部に位置付けられる。タービン部５はその回転軸ＡＸを傾斜させて水路部２に配置される。フレーム３はタービン部５の回転軸ＡＸの傾斜角度を規定するように構成されている。
【００３１】
タービン部５は、回転軸ＡＸの周りに螺旋状に延びる複数の螺旋管５１を備える。それぞれの螺旋管５１は、回転軸ＡＸのまわりにおいて回転軸ＡＸの長さ方向に沿って螺旋状に延びる螺旋通路を提供する。複数の螺旋管５１は、大きい回転トルクを得るために貢献する。図示の例では、タービン部５は、４つの螺旋管５１を備える。
【００３２】
タービン部５は、水を受け入れる受入バケット５２を備える。受入バケット５２は筒状の部材である。受入バケット５２は螺旋管５１より軸方向に突出して配置されている。受入バケット５２は回転軸ＡＸの周りに入口開口５１ａを囲むように配置されている。受入バケット５２の先端は水の入口５３を提供する。よって、導入部４は受入バケット５２に向けて流体を導く。受入バケット５２の基端には複数の螺旋管５１の複数の入口開口５１ａが位置付けられ、開口している。図示の例では、受入バケット５２の内部に４つの入口開口５１ａが位置付けられている。
【００３３】
図５に図示されるように、下流端開口４４の中央線ＧＣは、タービン部５の入口５３の中央線ＦＣより片方へやや偏って位置付けられている。中央線ＧＣは、中央線ＦＣから図中右方へ偏っている。
【００３４】
タービン部５の入口５３の中には、複数の螺旋管５１が開口している。螺旋管５１の入口開口５１ａは、タービン部５が回転方向ＲＤへ回転するに従って、回転方向ＲＤの進行方向へ推移する。水は、螺旋管５１の入口開口５１ａが入口５３の下側に位置しているときに流入可能である。さらに、螺旋管５１の開口が下から上へ移動する領域においても水は螺旋管５１に流入可能である。特に、入口開口５１ａが下から上へ移動する半円領域に入口開口５１ａが位置するときに螺旋管５１は水を受け入れ易い。言い換えると、複数の螺旋管５１の入口開口５１ａのうち、上記領域に位置するひとつまたは複数の入口開口５１ａが水を受け入れやすい。
【００３５】
導入部４は、入口開口５１ａが下から上へ移動する領域において入口開口５１ａに流体を直接的に当てるように水を偏らせて供給する。よって、導入部４は、水を受け入れやすい螺旋管５１に多くの水を供給する。この結果、導入部４を通過した水は、受入バケット５２に一旦溜まることなく、流速を維持したまま螺旋管５１に流入する。
【００３６】
水が螺旋管５１に流入するとき、水流の衝撃によって螺旋管５１には回転方向ＲＤのトルクが発生する。よって、流速が高い水を螺旋管５１に流入させることで、大きい回転トルクを得ることができる。この構成によると、螺旋管５１に流れ込む水流が有効に回転力に変換される。
【００３７】
タービン部は、複数の螺旋管５１に保持される水によってアルキメデスタービンとして機能する。これに加えて、導入部４は流水の衝撃を回転トルクに変換することを可能とする。このため、タービン部５の効率が高められる。導入部４と受入バケット５２とは、上段水路２１から螺旋管５１の入口開口５１ａへ流体を導く導入機構を提供する。
【００３８】
図６および図７に図示されるように、水力発電装置１は、発電機６と、連結部７とを備える。発電機６と連結部７とは、タービン部５の回転軸ＡＸの上に配置されている。発電機６はフレーム３に固定的に支持されている。発電機６は発電された電力を調整し、送電するための変電回路を含むことができる。連結部７はタービン部５と発電機６とを作動的に連結する。連結部７は、タービン部５によって得られた回転力を発電機６に伝達する。
【００３９】
連結部７は、タービン部５に連結されたシャフト７１を備える。シャフト７１は、タービン部５を貫通して延びている。シャフト７１は、シャフト７１の両端に設けられた２つの軸受によってフレーム３に支持されている。連結部７は、タービン部５において得られた回転を増速する変速機７２を有する。連結部７は、変速機７２の出力軸と発電機６とを連結する継手７３を有する。変速機７２はフレーム３に固定されている。変速機７２はタービン部５と発電機６との間に設けられている。
【００４０】
図８から図１１において、タービン部５は、複数の螺旋管５１、受入バケット５２、およびコア部材５５を有する。コア部材５５は、金属製または樹脂製の筒状部材である。コア部材５５は、螺旋管５１が巻き付けられる巻き芯を提供する。コア部材５５は螺旋管５１を位置決めし、固定的に支持するための支持部材を提供する。
【００４１】
螺旋管５１は、受入バケット５２の基端において開口する入口開口５１ａを有する。複数の螺旋管５１は、受入バケット５２の基端において複数の入口開口５１ａを提供する。入口開口５１ａは、回転軸ＡＸと直交する直交面において開口している。すべての複数の入口開口５１ａが上記直交面において開口している。入口開口５１ａの中には、螺旋状に延びる螺旋管５１の内面が見える。
【００４２】
複数の螺旋管５１は、同じ形状をもつ。複数の螺旋管５１は、コア部材５５の上、すなわち回転軸ＡＸのまわりにおいて、周方向に配列されている。それぞれの螺旋管５１は、回転軸ＡＸの周りにおいて螺旋状に延びている。螺旋管５１は、コア部材５５の上に螺旋状に延びている。図示の例では、螺旋管５１は、入口開口５１ａから時計周り方向へ延びている。螺旋管５１は、少なくとも１回転を上回る角度範囲にわたって延びている。図示の例では、螺旋管５１は、およそ４５０度の角度範囲にわたって延びている。
【００４３】
複数の螺旋管５１は、コア部材５５に固定されている。複数の螺旋管５１は、コア部材５５の上に接着剤によって接着することができる。複数の螺旋管５１は、コア部材５５の上に、ボルトまたはネジによって締結されてもよい。さらに、複数の螺旋管５１は、コア部材５５の上に、Ｕ字状の金具、または締結バンドによって締結されてもよい。
【００４４】
複数の螺旋管５１は、コア部材５５の上に密に配置されている。複数の螺旋管５１は、コア部材５５の上において、周方向および軸方向の両方に関して隣接する２つの螺旋管５１が接触するように配置されている。
【００４５】
図９は、図８に図示された矢印ＸＩに沿って見たタービン部５を示す。入口５３の中に位置する４つの入口開口５１ａは、円形の入口５３を均等に分割するように配置されている。それぞれの入口開口５１ａは、コア部材５５の外側において、ほぼ扇型に開口している。図示の例では、ひとつの入口開口５１ａは、９０度の角度範囲に開口している。入口開口５１ａは、回転軸ＡＸに直交する直交面において開口している。よって、入口開口５１ａは、回転軸ＡＸまわりの周方向に沿って長く開口している。このため、入口開口５１ａは長期間にわたって受入バケット５２内から水を導入できる。入口開口５１ａは、螺旋管５１を回転軸ＡＸに直交する直交面において切断して得られる形状をもつ。
【００４６】
図１０は、図９に図示されたＸ−Ｘ線における断面を示す。図示されるように、複数の螺旋管５１は、タービン部５の軸方向に沿って密に積層されて配置されている。螺旋管５１は、図示されるように、その長さ方向に直交する断面が、回転軸（ＡＸ）の径方向に長軸をもつ長円形である。螺旋管５１は、隣接する他の螺旋管５１との接触部に平面を有する。螺旋管５１は、コア部材５５に面する内側に曲面を有する。螺旋管５１は、タービン部５の径方向外側に面する外側に曲面を有する。タービン部５の径方向外側の表面には、複数の螺旋管５１の曲面によって提供される複数の峰が螺旋状に延びている。また、タービン部５の径方向外側の表面には、隣接する螺旋管５１の間に形成される複数の谷が螺旋状に延びている。
【００４７】
長円形の断面は、螺旋管５１の中に保持できる水量を多くするために有効である。また、別の観点では、長円形の断面は、角部が少ない。このため、異物、藻などの付着、堆積を抑制し、腐食、破損を抑制するために有効である。
【００４８】
受入バケット５２は、複数の螺旋管５１の外側に嵌められている。受入バケット５２は、複数の螺旋管５１の先端部の外側だけを覆っている。受入バケット５２は、複数の螺旋管５１を所定位置に位置決めするために貢献する。受入バケット５２を提供する筒状部材は、複数の螺旋管５１をより長い範囲にわたって覆っても良い。受入バケット５２と螺旋管５１との間、および螺旋管５１とコア部材５５との間には接着剤またはコーキング剤が充填されている。受入バケット５２は、螺旋管５１へ流入する水を一時的に貯めるバッファとして機能する。
【００４９】
図１１は、図１０に図示されたＸＩ−ＸＩ線における断面を示す。回転軸ＡＸに垂直な断面においては、螺旋管５１は、入口開口５１ａと同じ断面形状をもつ。螺旋管５１は、そのほぼ全長にわたってコア部材５５の外表面に接触している。螺旋管５１は、そのほぼ全長にわたって隣接する他の螺旋管５１と密に接触している。このように、隣接する複数の螺旋管５１は、回転軸ＡＸの軸方向および周方向に関して互いに接触して密に配置されている。
【００５０】
図１２は、螺旋管５１を製造するための素材管８１を示す。素材管８１は、長さ方向に関して壁の破断を生じることなく曲げることができる柔軟な管である。素材管８１の壁は、主として軟質材料によって形成されている。素材管８１は、軟質材料製であるともいえる。ここにおける軟質とは、素材管８１を弾性変形および／または塑性変形させながらコア部材５５に巻き付けることができる程度の軟らかさを指す。後述の巻き付け工程においては、人手だけによって、または工具を利用した人手によって、もしくは機械によって素材管８１がコア部材５５に巻き付けられる。よって、軟質材料は、壁の破断を生じることなく素材管８１のコア部材５５への巻き付けを可能とする。望ましい形態では、素材管８１は、人がコア部材５５に巻き付けることができる程度に柔軟である。
【００５１】
軟質材料は、軟質塩化ビニール、シリコーン、ナイロンなどの樹脂、ゴム、または複合材料、もしくはアルミニウム合金または鉄などの金属によって提供することができる。図示の例では、素材管８１は樹脂製である。よって、螺旋管５１も樹脂製である。この実施形態では、素材管８１は透明樹脂製である。透明樹脂の使用は、螺旋管５１の内部の目視を可能とし、容易な保守管理を可能とする。
【００５２】
素材管８１は、円筒状の壁を提供する壁面部８２を有する。壁面部８２は、人が素材管８１をコア部材５５に巻き付けるときに素材管８１の変形を許容する程度の厚さを有する。さらに、素材管８１は、その断面形状を維持するための補強部として設けられた補強リブ８３を有する。補強リブ８３は、壁面部８２より径方向外側に突出している。補強リブ８３は、素材管８１の長さ方向に沿って螺旋状に延びている。補強リブ８３は、壁面部８２と同じ材料によって形成されている。補強リブ８３の径方向の厚さは、壁面部８２より大きい。
【００５３】
素材管８１は、リブ付きホース、補強入りホース、蛇腹ホースなどとも呼ばれる。素材管８１は、市場において入手することができる。補強リブ８３は、壁面部８２の外側に突出して配置された異種材料によって提供されてもよい。例えば、補強リブ８３は、壁面部８２を提供する樹脂材料より硬質の硬質樹脂、または金属材料によって提供することができる。
【００５４】
図１２および図１４に図示されるように、素材管８１は、補強リブ８３に形成された複数の切込８４を有する。切込８４は、補強リブ８３に部分的な低強度部を提供する。切込８４は、切込８４の位置における素材管８１の変形を容易にする。切込８４は、素材管８１の断面形状の変形を容易にする。
【００５５】
複数の切込８４は、素材管８１の軸方向、すなわち長さ方向に沿って螺旋状に並ぶように配列されている。１本の螺旋に沿って並ぶ複数の切込８４は、断面変形部８５を提供する。断面変形部８５は、素材管８１の軸方向に沿って螺旋状に延びるように形成されている。断面変形部８５が提供する螺旋の角度は、螺旋管５１の螺旋角度に基づいて設定される。すなわち、素材管８１をコア部材５５に巻き付けた場合に、断面変形部８５が所定の位置に位置付けられるように、断面変形部８５は素材管８１に形成される。
【００５６】
断面変形部８５は、素材管８１の長さ方向と直交する直交断面において、補強リブ８３よりも変形しやすい部位を提供する。断面変形部８５は、素材管８１の断面形状の変形を許容しやすい折り曲げ線を規定する。断面変形部８５は、素材管８１の断面形状を螺旋管５１の断面形状に変形させるために予定された予定折り曲げ線を規定する。素材管８１には、直交断面において複数の断面変形部８５が形成されている。図示の例では、素材管８１の直交断面に６本の断面変形部８５が形成されている。
【００５７】
断面変形部８５の間には、断面変形部８５よりも変形しにくい板状部８６が形成される。板状部８６は、素材管８１の長さ方向に沿って帯状に延びている。言い換えると、素材管８１、すなわち螺旋管５１は、螺旋管５１の長さ方向に直交する断面において曲げ方向に関して所定の強度を有する複数の板状部８６を有する。板状部８６は、周方向に沿って延びる複数の補強リブ８３を有するから、周方向に関して断面変形部８５より変形しにくい。また、素材管８１、すなわち螺旋管５１は、複数の板状部８６の間に位置し、螺旋管５１の長さ方向に沿って延び、板状部８６より曲げ方向に関して変形しやすい断面変形部８５を有する。この構成により、螺旋管５１の長さ方向に直交する断面を望ましい形状に調節することができる。
【００５８】
板状部８６および断面変形部８５は螺旋管５１の長さ方向に沿って螺旋状に延びている。この構成により、螺旋管５１を提供する素材管８１に加えられるねじりを抑制しながら、螺旋管５１の断面を望ましい形状に調節することができる。螺旋管５１は、周方向に沿って延びるリブ８３を有するリブ付きパイプ８１によって形成されている。断面変形部８５はリブ８３に形成された切込８４によって形成されている。この構成により、入手が容易なリブ付きパイプ８１を利用して螺旋管５１を形成することができる。
【００５９】
図１４は、螺旋管５１の断面形状に変形した素材管８１を示す。ひとつの断面変形部８５は、螺旋管５１の曲面上に位置付けられる。曲面上に位置付けられた断面変形部８５は、補強リブ８３が小さい半径に曲げられることを許容する。曲面においては、断面変形部８５を提供する切込８４は開かれる。ひとつの断面変形部８５は、螺旋管５１の曲面と平面との境界部に位置付けられる。境界部においては、切込８４は閉じられる。
【００６０】
（製造方法）
水力発電装置１のタービン部５の製造方法は、第１工程と、第２工程とを備える。第１工程では、軟質材料製の素材管８１を準備する。第２工程では、回転軸ＡＸに沿って延びるコア部材５５に沿って素材管８１を配置する。これにより、第２工程では、回転軸ＡＸの周りにおいて回転軸ＡＸに沿って螺旋状に延びる螺旋管５１を形成する。さらに、第２工程では、コア部材に素材管８１が固定される。
【００６１】
第１工程は、素材管８１を準備する工程でもある。第１工程では、断面変形部８５を有する素材管８１が製造される。第１工程は、複数の板状部８６、および複数の断面変形部８５を素材管８１に形成する工程を含む。第１工程は、素材管８１の長さ方向に沿って螺旋状に延びるように板状部８６および断面変形部８５を形成する。
【００６２】
図示の例では、素材管８１は、周方向に沿って延びるリブ８３を有するリブ付きパイプである。第１工程は、リブ８３に切込８４を形成することにより断面変形部８５を形成する。螺旋状に並ぶ複数の切込８４を形成することによって、ひとつの断面変形部８５が形成される。複数の螺旋に沿って複数の切込８４が形成される。この結果、複数の断面変形部８５を有する素材管８１が製造される。
【００６３】
第２工程では、複数の素材管８１がコア部材５５に沿って配置される。複数の素材管８１は、コア部材５５の面上に巻き付けられる。素材管８１は、断面変形部８５を所定の位置に位置付けながら、コア部材５５の外側に巻き付けられ、固定される。素材管８１は、接着剤および／または締結部材によってコア部材５５上に固定される。第２工程では、複数の素材管８１がコア部材５５の上に巻き付けられ、固定される。素材管８１に形成された螺旋状の断面変形部８５および板状部８６は、素材管８１のねじり変形を抑制しながら、素材管８１をコア部材５５上に螺旋状に巻き付けることを可能とする。
【００６４】
第２工程は、素材管８１を断面変形部８５において変形させる工程を含む。第２工程は、素材管８１の長さ方向に直交する円形の断面を、回転軸ＡＸの径方向に長軸をもつ長円形に変形させる。素材管８１は、素材管８１の直径を小さくするように変形される。素材管８１は、回転軸ＡＸの軸方向に沿って直交断面の直径を小さくするように変形される。第２工程では、素材管８１の直交断面の形状が変形され、螺旋管５１が提供される。回転軸ＡＸの軸方向における螺旋管５１の幅は、素材管８１の直径より狭い。
【００６５】
製造方法は、入口開口５１ａを形成する工程を含む。形成工程は、巻き付け工程の後に、螺旋状に巻かれた複数の素材管８１を回転軸ＡＸに直交する断面において切断する工程を含むことができる。形成工程は、準備工程において、それぞれの素材管８１の端部を入口開口５１ａを形成するように切断する工程を含むことができる。
【００６６】
巻き付け工程の後に、入口開口５１ａを形成受入バケット５２が装着される。さらに、受入バケット５２と螺旋管５１との間、および螺旋管５１とコア部材５５との間に接着剤またはコーキング剤が充填される。これにより、タービン部５が提供される。
【００６７】
この後、タービン部５はフレーム３に装着され、連結部７および発電機６と連結される。さらに、水力発電装置１の設置工事においては、導入部４が水路部２に設置される。また、フレーム３に架設されたタービン部５が水路部２に設置される。これにより水力発電装置１が完成する。
【００６８】
ひとつまたは複数の螺旋管５１を交換する場合、既存の螺旋管５１が取り除かれる。螺旋管５１は軟質であるため、容易に除去することができる。交換作業では、準備工程において準備された素材管８１が用いられる。素材管８１は市場において入手可能なパイプによって提供されるから、交換用の素材管８１の調達が容易である。さらに、素材管８１は軟質であるため、人がコア部材５５に巻き付けることができる。このような特徴は、水力発電装置１の設置現場における修理を可能とする。
【００６９】
(作動)
水路部２に水か供給されると、導入部４は、水を受入バケット５２の入口５３に流し込む。水は、受入バケット５２から、複数の螺旋管５１に流れ込む。水は、タービン部５の回転方向ＲＤの進行方向前方に偏って供給される。よって、水を受け入れやすい位置に入口開口５１ａが位置する螺旋管５１に多くの水が、速い流速を伴って供給される。流水の速度は、螺旋管５１内の傾斜した壁面によって回転力に変換される。これによりタービン部５の効率向上が可能となる。
【００７０】
螺旋管５１に流れ込んだ水は、重力によって螺旋管５１に回転トルクを与える。図示の例では、螺旋管５１は反時計方向へ回る。螺旋管５１の回転に伴って水は流れ下る。やがて、出口５４に到達した水は、螺旋管５１から水路部２に排出される。複数の螺旋管５１において次々と回転トルクが発生する。この結果、タービン部５は滑らかに回転する。
【００７１】
螺旋管５１は、クローズ型タービンを提供する。タービン部５は、全体が回転する。よって、水漏れ、異物の噛み込みが抑制される。また、螺旋管５１は素材管８１によって提供されるから、少ない部品点数によって構成される。この結果、比較的低価格のタービン部５、および水力発電装置１が提供される。
【００７２】
タービン部５の回転は、コア部材５５およびシャフト７１を回転させる。タービン部５の回転は、変速機７２によって増速され、発電機６に伝達される。発電機６が回転すると、発電機６は発電し、電力を出力する。発電された電力は、所定の電気負荷、または電力系統に供給される。
【００７３】
この実施形態によると、螺旋タービンとして機能するための螺旋管５１が軟質材料によって提供されるから、螺旋管を容易に製造することができる。また、螺旋管５１の交換が容易である。
【００７４】
（第２実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、螺旋管５１は接着剤によってコア部材５５に固定される。接着剤に代えて、または、加えて、図１５のに図示される締結部材２８８を採用してもよい。
【００７５】
締結部材２８８は、金属製または樹脂製の部材である。締結部材２８８は、Ｕ字型部材である。締結部材２８８は、コア部材５５に固定され、コア部材５５から径方向へ延び出す一対の両端腕部を有する。締結部材２８８は、両端腕部に固定され、螺旋管５１の径方向外側に位置付けられるアーチ部を有する。一対の両端腕部は、素材管８１の直径より狭い間隔をもって固定されている。
【００７６】
一対の両端腕部は、素材管８１を変形させて得られる螺旋管５１の幅に相当する間隔をもって固定されている。コア部材５５には、複数の締結部材２８８が固定される。これら複数の締結部材２８８は、コア部材５５上において、螺旋管５１の軸方向および径方向における位置を決める。よって、複数の締結部材２８８は、コア部材５５上において螺旋管５１を位置決めする位置決め部を提供する。締結部材２８８、すなわち位置決め部はコア部材５５上に設けられている。締結部材２８８は、コア部材５５上への素材管８１の巻き付け位置を明示するから、巻き付け作業を支援する。
【００７７】
締結部材２８８は、コア部材５５に固定されることによって、螺旋管５１をコア部材５５に固定的に支持する。また、図示されるように、タービン部５は、単一の螺旋管５１を備える構成を採用してもよい。
【００７８】
（第３実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、回転軸ＡＸに直交する直交面に開口する入口開口５１ａを形成した。これに代えて、図１６に図示される入口開口３５１ａを採用してもよい。入口開口３５１ａは、螺旋管５１の長さ方向に直交する端面において開口している。言い換えると、入口開口３５１ａは、タービン部５の回転方向ＲＤの前方だけに向けて開口している。この形状でも、受入バケット５２が設けられることによって、それぞれの螺旋管５１へ所定量の水を導入することができる。ただし、入口開口３５１ａは、回転軸ＡＸを含む断面において開口しており、回転軸ＡＸの周りにおいて周方向へ開口していない。このため、入口開口３５１ａは、受入バケット５２内の水面より下に位置する期間だけ水を導入する。また、導入部４から受入バケット５２に供給される水は、入口開口３５１ａ内に直接的に流入しにくい。
【００７９】
（他の実施形態）
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、発明の技術的範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。発明は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、それぞれ独立して実施可能である。発明のいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
【００８０】
上記実施形態ではシャフト７１によってタービン部５を回転可能に支持した。これに代えて、タービン部５の外周に環状レールを設け、この環状レールを支持するローラをフレーム３上に設けることにより、タービン部５を回転可能に支持してもよい。
【００８１】
また、上記実施形態では、回転軸ＡＸ上に発電機６を配置した。これに代えて、タービン部５の上に回転軸ＡＸと平行に発電機６を配置し、ギヤまたはベルトなどの伝達機構を介して発電機６を駆動してもよい。
【００８２】
また、上記実施形態では、補強リブ８３をもつリブ付きホースを素材管８１として採用した。これに代えて、金属製または繊維製の螺旋状補強部または同心環状補強部をもつホースを素材管８１として採用してもよい。これらの構成においても、螺旋状補強部または同心環状補強部に切込を設けることによって断面変形部８５を形成することができる。さらに、所定の厚さをもつホースに断面変形部８５に相当する螺旋状の溝を形成して素材管を提供してもよい。かかる構成においても、断面変形部８５において素材管を変形しやすく形成することができる。このため、コア部材５５への素材管の巻き付け作業を容易にできる。しかも、断面変形部８５を設けることによって、所定の断面形状をもつ螺旋管５１を素材管８１から容易に形成することができる。
【００８３】
また、上記実施形態では、複数の素材管８１を順に巻き付けて複数の螺旋管５１を形成した。これに代えて、複数の素材管８１を回転軸ＡＸの周りに平行に配置し、それらを回転軸ＡＸの周りにおいて捩じることによって複数の螺旋管５１を形成してもよい。
【００８４】
また、上記実施形態では、円形断面をもつ素材管８１を採用した。これに代えて、四角形などの多角形または多面形の断面をもつ素材管を採用してもよい。そのような非円形断面をもつ素材管を採用する場合にも、多面形の面と角部とを螺旋状に形成することにより、板状部と断面変形部とを提供することができる。
【００８５】
また、上記実施形態では、コア部材５５を巻き芯として、その外側に螺旋管５１を配置した。これに代えて、円筒状のコア部材５５の内面に沿って螺旋管５１を配置してもよい。
【００８６】
また、上記実施形態では、タービン部５は、４本の螺旋管５１を備える。これに代えて、単一、２本、３本、５本、６本などの螺旋管５１を採用してもよい。
【００８７】
また、上記実施形態では、水を利用した。これに代えて、水以外の流体、例えば、温水、薬品、オイルなどの流体を発電装置１に供給してもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１  水力発電装置、
２  水路部、  ３  フレーム、  ４  導入部、
５  タービン部、  ６  発電機、  ７  連結部、
２１  上段水路、  ２２  下段水路、
４１  濾過ネット、  ４２  堰板、
５１  螺旋管、  ５１ａ、３５１ａ  入口開口、  ５２  受入バケット、
５３  入口、  ５４  出口、  ５５  コア部材、
７１  シャフト、  ７２  変速機、  ７３  継手、
８１  素材管、  ８２  壁面部、  ８３  補強リブ、  ８４  切込、
８５  断面変形部、  ８６  板状部、  ２８８  締結部材。
【図１】
2014163238.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014163238.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014163238.tif 000009
【図８】
2014163238.tif 000010
【図９】
2014163238.tif 000011
【図１０】
2014163238.tif 000012
【図１１】
2014163238.tif 000013
【図１２】
2014163238.tif 000014
【図１３】
2014163238.tif 000015
【図１４】
2014163238.tif 000016
【図１５】
2014163238.tif 000017
【図１６】
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