(57)【要約】【課題】  流路部の断面積を変化させて水の流量を調整可能とする部品の支持構造を適切なものとして、耐久性を高めてメンテナンスの頻度を少なくし、コストを抑えて発電を行える、水力発電装置を提供する。【解決手段】  羽根車１０の流路部流入口寄り側に流量調整部２０を配設し、流量調整部２０を羽根車周りに傾動させて、羽根車１０に到達する水の流量を調整可能とする中、流量調整部２０をケーシングから羽根車軸周囲に突出させた上下の突出部５６、５７に取り付けて、羽根車周りに傾動させるようにすることで、流量調整部２０がケーシングの一部として静止状態の突出部５６、５７に対して動く状態となり、突出部と流量調整部相互間の相対的な動きを極めて少なくすることができ、両者間の軸受など摺接部での摩耗を生じにくくして耐久性を高められ、流量調整部２０の支持に係る各部の保守コストを小さく抑えられる。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングを貫通して設けられた流路部を通る水の流れの力で羽根車を回転させ、羽根車から発電機に駆動力を伝えて発電を行う水力発電装置において、
前記ケーシングが、内側の流路部を取り囲む略箱状体として形成され、
前記羽根車が、ケーシング内側の流路部に回転中心軸を水の流れ方向と略直角となる上下方向に向けて配設され、
前記発電機が、ケーシングにおける流路部の外側となる部位に羽根車で駆動可能として配設され、
前記羽根車の回転中心位置で羽根車と一体に取付けられ、ケーシングにおける前記流路部を挟む上下両側の所定箇所でそれぞれ回転可能に支持される羽根車軸と、
前記羽根車の回転作動する範囲の最外周部をなす仮想略円筒面に沿う湾曲面を有する略板状体で形成され、前記仮想略円筒面外側近傍に羽根車と同じ回転中心軸を中心として所定角度範囲傾動可能に配設される流量調整部とを備え、
前記ケーシングの流路部上側部分のうち、羽根車軸に近い一部が、羽根車軸周囲を取り囲む略円筒状の上側突出部として、下方へ所定長さ突出形成され、
前記ケーシングの流路部下側部分のうち、羽根車軸に近い一部が、羽根車軸周囲を取り囲む略円筒状の下側突出部として、上方へ所定長さ突出形成され、
前記流量調整部が、上下端部から羽根車の回転中心側に向けてそれぞれ突出形成される支持部を有し、上側の支持部がケーシングの前記上側突出部に回動可能に支持されると共に、下側の支持部がケーシングの前記下側突出部に回動可能に支持されて、傾動可能な状態とされてなることを
特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載の水力発電装置において、
前記ケーシングにおける流路部より上側で且つ前記上側突出部の上方となる所定位置に設けられて羽根車軸上部を支持する上側軸受を備え、
前記上側突出部と羽根車軸の間に、水の上方への移動を抑える止水部を設けることを
特徴とする水力発電装置。
【請求項３】
前記請求項２に記載の水力発電装置において、
前記止水部の少なくとも一部として、羽根車軸から径方向に鍔状に突出する形状の鍔状部が設けられると共に、当該鍔状部の直下に前記上側突出部の内周面内径を鍔状部の外径より小さくした小径部が設けられ、
前記上側突出部における前記小径部の外側部分が、上側突出部全体で最も外径を小さく形成されて、前記流量調整部の支持部を支持する部位とされることを
特徴とする水力発電装置。
【請求項４】
前記請求項１ないし３のいずれかに記載の水力発電装置において、
前記羽根車が、回転中心軸方向に平行な略板状の羽根体を軸周りに多数配設されるクロスフロー型の羽根車とされ、多数の羽根体の端部をそれぞれ一体に取り付けられると共に羽根体に囲まれる中間の空間部分を塞ぐ円板状の二つの支持板を、上下に所定間隔で配設されてなり、
前記ケーシングの上側突出部下端部が羽根車の上側の支持板近傍に達する、及び／又は、下側突出部上端部が羽根車の下側の支持板近傍に達する、ことを
特徴とする水力発電装置。
【請求項５】
前記請求項１ないし４のいずれかに記載の水力発電装置において、
前記ケーシングにおける流路部より下側で且つ前記下側突出部の下方となる所定位置に設けられて羽根車軸下部を支持する下側軸受を備え、
前記羽根車軸における下側軸受の直上部位に、羽根車軸から径方向に鍔状に突出する形状の鍔状部が設けられることを
特徴とする水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の力で回転する羽根車を用いた水力発電装置に関し、特に、羽根車が配置される流路部を通過する水の流量を調整する機構を有する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電は、これまで、ダムによる貯水等で得られる大量の水の落差を利用して発電を行う大規模のものが主流であった。しかしながら、従来、水力発電の適用対象外とされてきた、流れる水量の少ない小規模の河川や水路においても、近年、再生可能エネルギーへの注目の高まりを受け、こうした小規模の河川や水路に対応した、小型の水車を用いた水力発電装置が設置、活用されるようになっている。
【０００３】
こうした小型の水力発電装置としては、水車、すなわち羽根車の中心に位置する羽根車軸を垂直に支持し、流れる水の中に羽根車を位置させる一方、発電機や、羽根車軸から発電機まで駆動力を伝達する機構は、保守性等を考慮して水上に配設する、立軸形の構造を採用したものが増えている。このような水力発電装置の例として、特開２００７−１７７７９７号公報に開示されるものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１７７７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の水力発電装置は前記特許文献に例示される構成を有しており、特に、実際に使用される場合の羽根車としては、多数の薄板状の羽根を回転中心から所定距離離れた位置に回転軸と平行として配置した、クロスフロー型の羽根車を採用することが多かった。このような小型の水力発電装置の使用に際しては、これを設置される水路が降水量の季節変化などに起因する水量の自然変動を生じるものである場合、発電出力に対するこうした水量の自然変動の影響を緩和するため、水路における水力発電装置の周囲を堰き止め、水路の水が原則として水力発電装置の内部水路を一旦通過するようにして、水力発電装置の前後に水位差を生じさせ、羽根車に達する水量を安定化すると共に、水力発電装置で水の落差分のエネルギーも用いるようにするのが一般的である。
【０００６】
また、水力発電装置を設置した水路における水の流量が減少した際に、水力発電装置の内部流路を通って水が過剰に流れ、水路における装置前後に十分な水位差を生じさせられなくなって、水の落差で羽根車を回転させる力が弱まることのないよう、装置内を流れる水の流量を調整して装置前面側（流入側）の水位を過剰に下げないようにし、羽根車の回転のための水の落差を維持する流量調整機構も用いられていた。
【０００７】
クロスフロー型の羽根車を用いた発電装置の場合、流量を調整するための機構としては、取り扱い性や調整のしやすさから、円筒を縦に切断したような湾曲したゲート板を羽根車の外周に沿って動かし、羽根車への水の流入可能な範囲を横方向に調整するものが採用されることが多い。
【０００８】
こうしたゲート板は、羽根車と中心を一致させて傾動させるのが都合がよいことから、これを実現する構造としては、羽根車の中心に位置する羽根車軸をゲート板の支持軸として流用し、羽根車上下に突出する羽根車軸上にゲート板の支持部分を設けるようにすることが容易に発想できる。実際に、このゲート板を羽根車軸で傾動可能に支持する構造が最も簡略な支持構造として採用されていた。
【０００９】
しかしながら、羽根車軸は羽根車の一部として、流路部に水が流れる間中、回転するものであるため、流量調整の際のみ動かして、残りはほとんど静止状態にある流量調整用のゲート板を、例えば軸受等を介して羽根車軸で支持する場合、羽根車軸に対するゲート板側の相対的な回転がほぼ常時生じるものとなり、軸受等で互いに摺接する部品が摩耗しやすいなど、使用条件が厳しく、ゲート板自体の動きは少ないものの、その支持部分のメンテナンスの頻度が高くなり、使用に支障が生じない状態を維持するための保守コストが大きいものになるという課題を有していた。
【００１０】
一方、羽根車軸とゲート板の支持部との間に、耐久性のある軸受を採用するとメンテナンスの頻度は抑えられるものの、このような軸受は高価であり、また、摺動部分を有する以上、耐久性には限度があり、一定期間ごとの交換はやはり避けられないことから、コスト面でのメリットを得にくく、こうした耐久性のある部品を用いた機構の採用も現実的ではないという課題を有していた。
【００１１】
本発明は前記課題を解消するためになされたもので、流路部の断面積を変化させて水の流量を調整可能とする部品の支持構造を適切なものとして、耐久性を高めてメンテナンスの頻度を少なくし、コストを抑えて発電を行える、水力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る水力発電装置は、ケーシングを貫通して設けられた流路部を通る水の流れの力で羽根車を回転させ、羽根車から発電機に駆動力を伝えて発電を行う水力発電装置において、前記ケーシングが、内側の流路部を取り囲む略箱状体として形成され、前記羽根車が、ケーシング内側の流路部に回転中心軸を水の流れ方向と略直角となる上下方向に向けて配設され、前記発電機が、ケーシングにおける流路部の外側となる部位に羽根車で駆動可能として配設され、前記羽根車の回転中心位置で羽根車と一体に取付けられ、ケーシングにおける前記流路部を挟む上下両側の所定箇所でそれぞれ回転可能に支持される羽根車軸と、前記羽根車の回転作動する範囲の最外周部をなす仮想略円筒面に沿う湾曲面を有する略板状体で形成され、前記仮想略円筒面外側近傍に羽根車と同じ回転中心軸を中心として所定角度範囲傾動可能に配設される流量調整部とを備え、前記ケーシングの流路部上側部分のうち、羽根車軸に近い一部が、羽根車軸周囲を取り囲む略円筒状の上側突出部として、下方へ所定長さ突出形成され、前記ケーシングの流路部下側部分のうち、羽根車軸に近い一部が、羽根車軸周囲を取り囲む略円筒状の下側突出部として、上方へ所定長さ突出形成され、前記流量調整部が、上下端部から羽根車の回転中心側に向けてそれぞれ突出形成される支持部を有し、上側の支持部がケーシングの前記上側突出部に回動可能に支持されると共に、下側の支持部がケーシングの前記下側突出部に回動可能に支持されて、傾動可能な状態とされてなるものである。
【００１３】
このように本発明によれば、羽根車の外側に位置して傾動可能とされる流量調整部を配設し、水路の水位変化等に対して、流量調整部を羽根車周りに傾動させて、羽根車に到達する水の流量を調整可能とする中、流量調整部をケーシングから羽根車軸周囲に突出させた上下の突出部に取り付けて、羽根車と同じ中心軸周りに傾動させるようにすることにより、流量調整部がケーシングの一部として静止状態の突出部に対して動く状態となって、突出部と流量調整部支持部相互間の相対的な動きを極めて少なくすることができ、両者間の軸受など摺接部での摩耗を生じにくくして耐久性を高められ、流量調整部の支持に係る各部のメンテナンスの頻度を少なくして、保守コストを小さく抑えられる。
【００１４】
また、本発明に係る水力発電装置は必要に応じて、前記ケーシングにおける流路部より上側で且つ前記上側突出部の上方となる所定位置に設けられて羽根車軸上部を支持する上側軸受を備え、前記上側突出部と羽根車軸の間に、水の上方への移動を抑える止水部を設けるものである。
【００１５】
このように本発明によれば、上側軸受がケーシングの流路部外側となる箇所に配設されると共に、羽根車の上側で羽根車軸とその周囲の上側突出部との間に止水部を設けて、流路部を流れる水が羽根車軸と上側突出部との間を通って上方の上側軸受に向かうのを途中で阻止することにより、上側軸受に水を到達させず、水の浸入を考慮せずに上側軸受を選定でき、必ずしも耐水性を有する軸受を用いる必要はなく、装置のコストを抑えることができる。
【００１６】
また、本発明に係る水力発電装置は必要に応じて、前記止水部の少なくとも一部として、羽根車軸から径方向に鍔状に突出する形状の鍔状部が設けられると共に、当該鍔状部の直下に前記上側突出部の内周面内径を鍔状部の外径より小さくした小径部が設けられ、前記上側突出部における前記小径部の外側部分が、上側突出部全体で最も外径を小さく形成されて、前記流量調整部の支持部を支持する部位とされるものである。
【００１７】
このように本発明によれば、上側軸受の下方に位置する上側突出部と羽根車軸との間の止水部として、羽根車軸から外側に突出する鍔状部を設けると共に、その下側に鍔状部外周位置より羽根車軸寄りに上側突出部内周面が位置する小径部を設け、さらにこの小径部の外側を上側突出部で最も小さい外径部分として流量調整部支持部の支持位置とすることにより、羽根車軸側と上側突出部側との接触を要しない簡略な構造ながら両者間の隙間形状を適切に与えて確実に水を上側軸受側に進行させない状態を得られることとなり、羽根車軸の回転に及ぼす影響もなく、上側軸受を水から適切に保護できる状態を得られる。また、上側突出部の羽根車軸に寄せて外径を小さくした小径部をそのまま流量調整部の支持部を支持する部位として用いることで、流量調整部の支持部と上側突出部との間の軸受など、摺接する部品を可能な限り小さくして、コストを抑えることができる。
【００１８】
また、本発明に係る水力発電装置は必要に応じて、前記羽根車が、回転中心軸方向に平行な略板状の羽根体を軸周りに多数配設されるクロスフロー型の羽根車とされ、多数の羽根体の端部をそれぞれ一体に取り付けられると共に羽根体に囲まれる中間の空間部分を塞ぐ円板状の二つの支持板を、上下に所定間隔で配設されてなり、前記ケーシングの上側突出部下端部が羽根車の上側の支持板近傍に達する、及び／又は、下側突出部上端部が羽根車の下側の支持板近傍に達するものである。
【００１９】
このように本発明によれば、クロスフロー型の羽根車における羽根体の両端部を固定支持する上下の支持板を設け、この羽根車の支持板近傍にケーシングの突出部の端部を位置させて、突出部と羽根車間の隙間を小さくすることにより、突出部の内側に、流路部を流れる水や水中に含まれる異物が進入するのを抑制でき、羽根車軸の回転への悪影響をより小さくすることができる。
【００２０】
また、本発明に係る水力発電装置は必要に応じて、前記ケーシングにおける流路部より下側で且つ前記下側突出部の下方となる所定位置に設けられて羽根車軸下部を支持する下側軸受を備え、前記羽根車軸における下側軸受の直上部位に、羽根車軸から径方向に鍔状に突出する形状の鍔状部が設けられるものである。
【００２１】
このように本発明によれば、下側軸受近傍の羽根車軸の外周位置から径方向に突出する鍔状部を設け、鍔状部が下側軸受上端に沿うようにして、鍔状部と下側軸受との間に横方向の狭い隙間を生じさせることにより、下側突出部上部から下側軸受に通じる隙間を複雑な形状にでき、流路部を流れる水中に含まれる異物が下側突出部と羽根車軸との間を通って下側軸受に進入しようとするのを抑制でき、異物の下側軸受への悪影響を防いで、羽根車軸の回転をスムーズ且つ安定したものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る水力発電装置の斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る水力発電装置の正面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る水力発電装置の背面図である。
【図４】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における流量調整部全開状態での水通過状態説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における要部の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における羽根車及び流量調整部の概略斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における上側軸受及び上側突出部の概略断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における下側軸受及び下側突出部の概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における流量調整部の全開位置配置状態説明図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における流量調整部の閉じ側限界位置配置状態説明図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る水力発電装置における流量調整状態の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施形態に係る水力発電装置を前記図１ないし図１２に基づいて説明する。本実施形態においては、河川や用水路等の小規模水路内に、装置周囲を堰き止めつつ設置される小型の水力発電装置の例について説明する。
【００２４】
前記各図において本実施形態に係る水力発電装置１は、内側の流路部５１を取り囲む略箱状体として形成されるケーシング５０と、ケーシング５０内側の流路部５１に回転可能として配設されるクロスフロー型の羽根車１０と、ケーシング５０における流路部５１の外側となる部位に羽根車１０で駆動可能として配設される発電機４０と、羽根車１０の回転中心位置に羽根車１０と一体に取付けられる羽根車軸１５と、湾曲面を有する略板状体で形成され、羽根車１０の外側近傍に羽根車１０の中心軸を中心として傾動可能に配設される流量調整部２０とを備える構成であり、ケーシング５０の流路部５１を通る水の流れの力で羽根車１０を回転させ、羽根車１０から発電機４０に駆動力を伝えて発電を行うものである。
【００２５】
この水力発電装置１は、発電機４０を上部、羽根車１０を下部にそれぞれ配置して、羽根車１０の回転中心軸が垂直向きとなっている立軸形であり、水の流れ方向に対し直交する横方向に羽根車１０を二つ並べた構造を有する。また、ケーシング５０の上部に、各羽根車１０でそれぞれ駆動される発電機４０が横に二つ並べて設けられる。
【００２６】
そして、この水力発電装置１は、用水路等の小さな水路９０内における流れのある水中にケーシング５０が一部没した状態で設置され、ケーシング５０を前後に貫通する流路部５１に水流を導くことで、二つ並んだ羽根車１０が水流を受けてそれぞれ回転し、各羽根車１０から伝達される駆動力で各発電機４０を作動させ、発電を行う仕組みである。水は、ケーシング５０の流路部５１における前面側の開口（流入口５１ａ）から流入して、二つの羽根車１０をそれぞれ回転させた後、ケーシング５０の後面側の開口（流出口５１ｂ）から出ていくこととなる。
【００２７】
このケーシング５０の流路部５１上側部分のうち、羽根車軸１５に近い一部が、下方へ所定長さ突出する形状で、且つ羽根車軸周囲を取り囲む略円筒形状の上側突出部５６とされる。また、ケーシング５０の流路部５１下側部分のうち、羽根車軸１５に近い一部が、上方へ所定長さ突出する形状で、且つ、羽根車軸周囲を取り囲む略円筒形状の下側突出部５７とされる。
【００２８】
この他、ケーシング５０の流路部５１における流入口近傍には、開口端からケーシング内側へ向かって徐々に流路を狭めて水の流速を増大させつつ、水を流路部５１中央に案内する縮小流路を生じさせる、上側案内板５２、下側案内板５３、及び左右の横案内板５４がそれぞれ流路部５１の上下左右の所定範囲に設けられる。これら各案内板が、横に並んだ二つの羽根車１０に対し、水の流れ方向のより上流側に位置する配置となって、一種のガイドベーンの役割を果している。
【００２９】
前記羽根車１０は、細長い羽根体１１をその長手方向が回転中心軸方向と平行になるようにして軸周りに多数配設されるクロスフロー型とされ、回転軸方向における上下両端部には、各羽根体１１端部を一体に取り付けられてこれらを支持する円板状の支持板１３、１４を配設される構成である。そして、この羽根車１０の回転中心となる位置を貫通するようにして、羽根車軸１５が支持板１３、１４に一体に固定して配設される。支持板１３、１４は単純な板状となっており、各羽根体１１に囲まれる中央の空間部分及び各羽根体１１間の隙間部分を、羽根車１０の上側や下側の空間から隔離している。
【００３０】
この羽根車１０は、羽根車１０の回転中心位置で羽根車１０と一体化している羽根車軸１５を、ケーシング５０に設けた上側軸受３１及び下側軸受３２で回転可能に支持することで、ケーシング５０内側の流路部５１に回転中心軸を水の流れ方向と直角となる向きとして回転可能に配置される。
【００３１】
羽根車１０の回転は、流路部５１の外側のケーシング５０内で、羽根車１０と一体の羽根車軸１５から、直接、あるいはベルト等の伝動手段を介して、発電機４０に伝達される。なお、羽根車１０から発電機４０への駆動力の伝達に際しては、羽根車軸１５の回転を増速した状態で発電機４０側に伝える増速機構を介在させる構成とすることもできる。
【００３２】
この羽根車１０の上下には、ケーシング５０の上側突出部５６と下側突出部５７が位置しており、上側突出部５６下端が羽根車１０の上側の支持板１３近傍に所定間隔をなして存在し、また、下側突出部５７上端が、羽根車１０の下側の支持板１４近傍に所定間隔をなして存在する状態となっている（図８、図９参照）。
【００３３】
羽根車軸１５と上側突出部５６の間には、水の上方への移動を抑える止水部として、羽根車軸１５から径方向に鍔状に突出する形状の鍔状部１６が、羽根車軸１５に一体に取り付けられて設けられると共に、この鍔状部１６のすぐ下側における上側突出部５６と羽根車軸１５との隙間部分を鍔状部１６の外周縁より内方に位置させるようにしている。詳細には、上側突出部５６のうち、鍔状部１６のすぐ下側に位置する部分を、鍔状部１６の外径より内周面の内径を小さくした小径部５６ａとすると共に、この上側突出部５６の小径部５６ａと羽根車軸１５とが所定間隔をなすようにそれぞれを配置する構成である（図８参照）。
【００３４】
また、上側突出部５６の小径部５６ａは、その外側部分が上側突出部５６の他部分よりも小さく形成されており、この小径部５６ａの外側に流量調整部２０の支持部２１を配設して、上側突出部５６で支持部２１を回動可能に支持する仕組みである。
【００３５】
前記上側軸受３１は、玉軸受等の公知の軸受であり、流路部５１の上側で上側突出部５６の上方となるケーシング５０の上部所定位置に設けられ、羽根車軸１５の上端部寄りの所定箇所を回動可能に支持するものである。
【００３６】
この上側軸受３１は、ケーシング５０における流路部５１の外に配設されると共に、軸受下側の上側突出部５６と羽根車軸１５との間に、止水部としての鍔状部１６や、上側突出部５６と羽根車軸１５との間の狭く曲がった隙間部分を設けて、水が上側軸受３１に極めて到達しにくくなっていることから、水の浸入を考慮した耐水性のある軸受とする必要はなく、汎用的な軸受を用いることができ、軸受のコストを抑えられる。
【００３７】
前記下側軸受３２は、流路部５１の下側で下側突出部５７の下方となるケーシング５０の下部所定位置に設けられ、羽根車軸１５の下端部を回動可能に支持するものである。この下側軸受３２は、ほぼ常時水と接触する状況に対応するものとして、ケーシング５０側に固定される軸受ハウジング３２ａと、羽根車軸１５下端部表面部分に一体に取り付けられて、軸受ハウジング３２ａの内面と摺接するブシュ３２ｂとを備える構成である。
また、下側軸受３２の直上部分には、羽根車軸側から外方に鍔状に突出する鍔状部３２ｃが、ブシュ３２ｂ上部に一体化されて羽根車軸と一体に回動する状態で設けられる。
【００３８】
前記流量調整部２０は、羽根車１０の回転作動する範囲の最外周部をなす仮想略円筒面に沿う湾曲面を有する略板状体で形成され、前記仮想略円筒面外側近傍に羽根車１０と同じ回転中心軸を中心として所定角度範囲傾動可能に配設される構成である。
【００３９】
この流量調整部２０は、流路部５１前方部分に対し、横案内板５４と共に、羽根車１０外周を一部覆って、流路部５１の水の羽根車１０内への流れ込みが適切な範囲で行われるようにする。そして、流量調整部２０は、その傾動により、横案内板５４に覆われる流路部５１の外方寄り位置から、羽根車１０の流路部５１中央に位置する部位までの範囲で移動し、流路部５１における最小断面積部分の開口幅を定義している、流量調整部２０の流路部中央寄りとなる側端位置を変えて（図１２参照）、流路部５１を通過する水の流量を調整できる仕組みである。
【００４０】
また、流量調整部２０は、羽根車１０の外側におけるこの流量調整部２０位置で、流路部５１の水の羽根車１０内への流れ込みを規制することで、流路部５１における水の流れを維持しつつ、羽根車１０の回転の可否を制御できることとなる。
【００４１】
この流量調整部２０は、その上下端部から羽根車軸１５側にそれぞれ突出形成される略板状の支持部２１、２２を有する。上側の支持部２１は、ケーシング５０の流路部５１上側の上側突出部５６における小径部５６ａに、羽根車１０の回転中心と回動の中心位置を一致させる位置関係として回動可能に支持される。また、下側の支持部２２は、ケーシング５０の流路部５１下側の下側突出部５７に、羽根車１０の回転中心と回動の中心位置を一致させる位置関係として回動可能に支持される。
【００４２】
流量調整部２０の上側の支持部２１と上側突出部５６との間、また、流量調整部２０の下側の支持部２２と下側突出部５７との間には、流量調整部２０の傾動時における各支持部と突出部間の摩擦を軽減する公知のブシュ、滑り軸受等の摩擦抑制部材が設けられる。
【００４３】
流量調整部２０における上側の支持部２１を支持する部分として、上側突出部５６のうち外径を小さく形成した小径部５６ａを用いることから、支持部２１と上側突出部５６との間における軸受等の摺接が生じる部品を、可能な限り小さいものとすることができ、摺接部分を小さくして信頼性の向上が図れると共に、部品のコストを低く抑えることができる。
【００４４】
なお、上側の支持部２１には、流量調整部２０の傾動中心を中心とする所定角度範囲の円弧状の規制孔２１ａが設けられる。一方、ケーシング５０の流路部５１上側部分には、この支持部２１の規制孔２１ａを通るように下方へ所定長さ突出する形状として形成される傾動規制部材５８が固定配設される。規制孔２１ａと傾動規制部材５８との位置関係は、例えば流量調整部２０が、流路部内方への傾動限界位置まで達した場合に、規制孔２１ａの一の端部に傾動規制部材５８ａが接触して、流量調整部２０がさらに内方へ傾動できないよう傾動規制部材５８の拘束を受ける状態となり、また、流量調整部２０が、流路部外方への傾動限界位置まで達した場合に、規制孔２１ａの他の端部に傾動規制部材５８が接触して、流量調整部２０がさらに外方へ傾動できないよう傾動規制部材５８の拘束を受ける状態となるものとされる（図１０、図１１参照）。
【００４５】
こうして、傾動規制部材５８が規制孔２１ａ内に常に位置して、傾動規制部材５８をこの規制孔２１ａの外まで移行させようとする動きを拘束することで、流量調整部２０の傾動は所定の角度範囲内に確実に規制される。このように、流量調整部２０ごとに、ケーシング５０側から突出する一つの傾動規制部材５８を設けると共に、これを通す規制孔２１ａを支持部２１に設けるのみで、各流量調整部２０の傾動範囲を確実に限定でき、必要最小限の部品による簡略な構成でコストを抑えつつ流量調整部２０を無理なく安全に作動させられる。
【００４６】
この他、流量調整部２０には、上端部の最外周部分に形成された多数の歯からなる歯部２４を有しており、この歯部２４に駆動用の歯車２５を噛み合わせて、この歯車２５を上方の手動駆動用のハンドル２６又は電動機等の駆動部５５で回転させ、流量調整部２０を駆動して所定角度位置に傾動させる仕組みである。このように流量調整部２０の上端部外周側に歯部２４を設けて、上方のケーシング５０上側部分からこの歯部２４に駆動力を与えるようにして、羽根車１０に対する流量調整部２０の位置を調整することで、駆動力を効率よく強力に流量調整部に伝達して流量調整部２０を傾動させられ、流路部５１を流れる水の勢いが強く流量調整部２０に加わる抵抗力が大きい場合でも、確実に流量調整部２０の調整が行える。
【００４７】
また、左右二つの羽根車１０にそれぞれ対応する左右二つの流量調整部２０がケーシング５０内に配設された状態で、二つの流量調整部２０の歯部２４を直接噛み合わせるか、これら二つの歯部２４に噛み合う所定の連動用歯車を配設するようにしてもよく、左右二つの流量調整部２０が直接又は連動用歯車を介して連動して傾動することで、流量調整部２０を対称に移動させて流量調整部２０間の開口幅を偏り無く調整できると共に、一方の流量調整部２０に駆動力を与えて傾動させると、他方の流量調整部も追随して傾動させられ、二つの流量調整部２０を傾動させるのに、駆動力の付与を一方の流量調整部２０のみに対し行えば済むこととなる。
【００４８】
水力発電装置を設ける水路９０は、水の流量が季節変化で少なくなる場合でも発電が行えるように、水力発電装置１の周囲を堰き止め板９１で堰き止めて水の流れを制限し、水路における水力発電装置の前面位置と後面位置に所定の水位差が生じるようにしている。ただし、水路９０における水の流量が少ない場合、水力発電装置１の流路部５１を通過させる単位時間あたりの水量を制限しないと、水の流れ過ぎで装置前面位置の水位が過度に下がり、羽根車１０に至る水の落差を十分に与えられなくなって、水路内の水自体が適度な流速をもって流れるものでないと、羽根車１０を回転させるのに必要な水のエネルギーが得られないおそれがある。
【００４９】
こうした発電装置上流側の水路９０内における水の状況に対応して、流量調整部２０の位置を傾動により変化させ、流量調整部２０が流路部５１を閉じる範囲を調整して、水の流路部５１を通過する流量を変えられるようにしている。例えば、水路９０における水の流量が少ない場合、流量調整部２０を流路部中央、すなわち内方に傾動させ、流量調整部２０により流路部５１を閉じる範囲を大きくして、流量調整部２０のある流路部５１における最小断面積部分の開口幅を狭くすることで、流路部５１を通過する単位時間あたりの流量を制限して、水路９０の発電装置前面位置での水位を過度に下げないようにすることができる。
【００５０】
ただし、流量調整部２０は、流路部５１に対し羽根車１０外周を覆う範囲を調整して、水の羽根車１０内への進入度合いを変えられるものでもあることから、流量調整部２０を内方に傾動させて、流量調整部２０により羽根車１０外周を覆う範囲を所定割合以上大きくして、水の羽根車１０内への進入を過剰に抑えた状態とした場合、羽根車１０の羽根体１１間を通って羽根体１１に囲まれた内側の空間に達し、さらに羽根体１１間を抜けて羽根車１０外に達する、クロスフロー型羽根車特有の水の流れが有効に生じなくなり、羽根車１０が有効に作動せず発電機４０を駆動できない状態に至る。このため、通常はこれより外側の範囲で流量調整部２０の調整を行う。
【００５１】
流量調整部２０の傾動は、流路部外側となるケーシング５０上部に設けたハンドル２６、又は電動機等の駆動部５５と、流量調整部２０上端の歯部２４とを、歯車２５を介して連動させ、例えば外部から駆動部５５を作動させてこの駆動部５５で流量調整部２０に回転力を伝達することで実現させるようにしている。なお、駆動部５５等の駆動源から流量調整部２０の歯部２４への駆動力の伝達は、単一の歯車２５に限らず、複数の歯車からなる歯車列を用いるようにしてもよく、この場合使用状況や駆動源の種類に応じて適宜減速比又は増速比を設定することができる。
【００５２】
こうした流量調整部２０の調整に係る傾動に際しては、水路９０内の水位などの状況に応じて作業者が外部から駆動部５５を作動させる操作を行って、流量調整部２０を傾動させる仕組みとする他、水位検出用のセンサ等を別途設置して装置前面位置での水位を検出し、この検出される水位がほぼ一定となるように流量調整部２０を駆動部５５で傾動させる、詳細には、水位が上がった際には流量調整部２０を外方に傾動させ、また、水位が下がった際には流量調整部２０を内方に傾動させ、流量を調整する、といった調整制御を、水位が変化しなくなるまで自動的に行う仕組みを採用することもできる。
【００５３】
こうして水位がほぼ一定となるように流量調整部２０を自動制御で細かく調整すると、季節変化より短い時間間隔で生じる水の流量の変化に対しても適切に対応して羽根車１０の回転を安定化させることができ、発電出力の変動を抑えられる。
【００５４】
なお、水路９０を流れる水の流量に季節変化は生じるものの、短期の変動はほとんど無く、流量調整部２０の調整を頻繁に行わずに済み、水の流量の季節変化への対応として年に数回程度の調整で十分である場合には、流量調整部２０の傾動調整に係る機構を作業者の直接の操作により調整可能なもの、例えば、流量調整部２０と連動する歯車２５をケーシング５０上のハンドル２６操作で回転させて、流量調整部２０を傾動させる機構としてもよく、手動操作を前提とした簡略な機構の採用で、装置のコストダウンが図れることとなる。
【００５５】
次に、前記構成に基づく水力発電装置における発電時の羽根車及び流量調整部の状態について説明する。前提として、水路９０における水力発電装置１の前面側周囲は堰き止め板９１で堰き止められて、水路９０の装置前面位置での水位が装置後面位置での水位より高い状態が生じるようにされており、また、水路９０における装置前面位置の水位は、水力発電装置の流入口５１ａより上側に位置すると共に、装置後面位置の水位は、流出口５１ｂ上縁より下側に位置するものとする。
【００５６】
水力発電装置の通常の使用状態では、水路９０を流れる水が、流入口５１ａ側からケーシング５０の流路部５１に流入し、各案内板間を通過して羽根車１０に達して、この水の、水路９０の装置前後における水位の差に基づく流れの作用で羽根車１０が回転し、羽根車軸１５等を介して駆動力が発電機４０に伝えられて発電機４０が作動し、発電が行われる。
【００５７】
こうして発電が行われる中、水路９０における水量が十分で、水が羽根車１０を回転させながら流れる点以外で何の制限も受けることなくそのまま流路部５１を通過しても、水路９０の装置前面位置での水位変化がほとんど生じない場合は、流量調整部２０を必要に応じ傾動させ、流路部５１におけるより外方に位置させるようにする。これにより、流路部５１に流入した水は、羽根車１０の流量調整部２０で覆われず開放されている前面部分に到達、進入でき、羽根車１０に力を与えてこれをスムーズに回転させることができる。
【００５８】
一方、水路９０を流れる水の流量が少なく、水がそのまま流路部５１を通過すると、装置前面位置での水位が下がり、水の落差も小さくなるような場合には、流路調整部２０を流路部５１の内方に傾動させて、流路調整部２０をより流路部中央に近付ける（図１２参照）。これにより、流路部５１における二つの流路調整部２０の間の最小開口断面積部分は、流路調整部２０の傾動前より小さくなって、これを通過できる水の流量が減ることとなる。
【００５９】
こうして、水の下流側への移動を抑えることで、装置前面位置の水位が過剰に低下するのを阻止できる。そして、水位の低下を抑えるようにして水の落差を確保することで、流路部５１に流入して羽根車１０の流路調整部２０に覆われていない部分に到達した水は、水のエネルギーで確実に羽根車１０を回転させられ、無理なく発電を行える。
【００６０】
このような流路調整部２０の流路部５１外方又は内方への位置調整において、流量調整部２０はこれを支持するケーシング５０の上側突出部５６及び下側突出部５７に対し動くこととなる。
流量調整部２０を支持する上下の突出部５６、５７のうち、上側突出部５６の下端部と羽根車１０の支持板１３が接近し、且つ上側突出部５６の小径部５６ａ内周面と羽根車軸１５も接近しており、この上側突出部５６の小径部５６ａ内周面と羽根車軸１５が接近する箇所のすぐ上側では、鍔状部１６が小径部５６ａ内周面を超える外径として配置されており、上側突出部５６と羽根車１０の支持板１３や羽根車軸１５との間に生じている隙間は極めて小さく、且つ複数箇所で曲がりのある隙間形状となっていることから、水や極小の異物がこうした移動に係る抵抗の大きい隙間を通過して上側軸受３１側に向かうような事態は極めて起こりにくく、上側軸受３１の、流路部５１を通る水との接触を防止できる。
【００６１】
加えて、下側突出部５７の上端部と羽根車１０の下側の支持板１４を接近させ、且つ下側突出部５７と羽根車軸１５との間隔を小さくし、また、下側軸受３２近傍の羽根車軸１５の外周位置から径方向に突出する鍔状部３２ｃを、軸受上端に沿うようにして設けて、下側突出部５７と支持板１４や羽根車軸１５との間に生じる隙間は小さく、さらに鍔状部３２ｃと下側軸受３２との間の隙間も小さいことから、流路部を流れる水中に含まれる異物が下側突出部５７の内側を通って下側軸受３２の摺動部分に進入するのを阻止することができ、異物の軸受への悪影響を防いで、羽根車軸１５及びこれと一体の羽根車１０の回転をスムーズ且つ安定したものとすることができる。
【００６２】
このように、本実施形態に係る水力発電装置においては、羽根車１０の流路部流入口寄り側に位置して傾動可能とされる湾曲板状の流量調整部２０を配設し、水路の水位変化等に対して、流量調整部２０を羽根車１０周りに傾動させて、羽根車１０に到達する水の流量を調整可能とする中、流量調整部２０をケーシング５０から羽根車軸１５周囲に突出させた上下の突出部５６、５７に取り付けて、羽根車１０と同じ中心軸周りに傾動させるようにすることから、流量調整部２０がケーシング５０の一部として静止状態の突出部５６、５７に対して動く状態となって、突出部５６、５７と流量調整部２０の支持部２１、２２相互間の相対的な動きを極めて少なくすることができ、両者間の軸受など摺接部での摩耗を生じにくくして耐久性を高められ、流量調整部２０の支持に係る各部のメンテナンスの頻度を少なくして、保守コストを小さく抑えられる。
【００６３】
なお、前記実施形態に係る水力発電装置においては、上側突出部５６と羽根車軸１５との間の止水部として、鍔状部１６を設けると共に、この鍔状部１６位置から下側の、上側突出部５６の小径部５６ａと羽根車軸１５との間の狭い隙間を生じさせるようにする構成としているが、この他、上側突出部５６と羽根車軸１５との間に、上側突出部内周面に水密維持状態で固定されると共に、羽根車軸外周面に羽根車軸の回転を許容する状態で接しつつ水密維持状態を確保する公知のシール部材を一又は複数設ける構成とすることもでき、より一層上側軸受の側に水を進みにくくして、上側軸受の水浸入による悪影響を阻止できることとなる。
【００６４】
また、前記実施形態に係る水力発電装置においては、ケーシング５０内側の流路部５１に羽根車１０を配置し、羽根車１０の上方となるケーシング５０上に発電機４０を露出状態で配設する構成としているが、これに限らず、発電機を流路部の外側に位置するケーシングの内部スペースに内蔵する構成とすることもでき、河川や用水路をはじめとする発電装置の設置箇所の状況や発電機の形状等に応じて、装置のレイアウトを適宜選択できる。
【符号の説明】
【００６５】
１          水力発電装置
１０        羽根車
１１        羽根体
１３、１４  支持板
１５        羽根車軸
１６        鍔状部
２０        流量調整部
２１、２２  支持部
２１ａ      規制孔
２４        歯部
２５        歯車
２６        ハンドル
３１        上側軸受
３２        下側軸受
３２ａ      軸受ハウジング
３２ｂ      ブシュ
３２ｃ      鍔状部
４０        発電機
５０        ケーシング
５１        流路部
５１ａ      流入口
５１ｂ      流出口
５２        上側案内板
５３        下側案内板
５４        横案内板
５５        駆動部
５６        上側突出部
５６ａ      小径部
５７        下側突出部
５８        傾動規制部材
９０        水路
９１        堰き止め板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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