(57)【要約】【課題】  水量の増減にかかわらず回転可能であり、浮遊ゴミの障害を受けない開水路落差部に設置されるオープンクロスフロー型水車を提供することにある。【解決手段】  開水路１４の落差部に設置される上掛け式水車Ａにおいて、ケーシングを有しない構成とした。【選択図】  図１
2006052691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開水路の落差部に設置される上掛け式水車において、ケーシングを有しないことを特徴
とするオープンクロスフロー型水車。
【請求項２】
前記落差部の有効落差を１０ｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載のオープンク
ロスフロー型水車。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載のオープンクロスフロー型水車を備えたことを特徴とする発
電機。
【請求項４】
請求項３記載の発電機を備えたことを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開水路の落差部に設置される上掛け式のオープンクロスフロー型水車とこれ
を用いた発電機並びにこの発電機からなる発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水車の形式としては衝動水型と反動水型があるが、衝動水型で水が羽根車（ランナー）
を交差し流れるものをクロスフロー型水車と呼んでいる。このクロスフロー型水車は、図
７に示すように、羽根車１と回転軸３及びこれらを取り囲むケーシング２や案内羽根（ガ
イドベーン）５から構成される。
【０００３】
水の位置エネルギーにより回転される前記羽根車１は回転軸３を介してケーシング２内
に支持され、水漏れや水流の飛散を防止するために上部ノズル２ａが前記ケーシング２か
ら延設されている。また、前記羽根車１の上流には水量を調整する案内羽根５が開閉可能
に設けられている。
【０００４】
なお、クロスフロー型水車は我が国で従来から知られている粉挽き等を目的とした上掛
け式水車と似た方式であるが、この上掛け式水車は水流が水車の内部を貫流しないバケッ
ト式の羽根車であり、水流が水車の内部を貫流するクロスフロー型水車とは羽根車の構造
において異なっている。一方、従来から知られている水車には下掛け式のものもあるが、
水位が変化するに応じて位置調整をする必要があり、水位の変動し易い箇所への適用は不
向きであった。
【０００５】
また、従来のクロスフロー型水車では羽根車を取り囲むケーシングが設けられているた
め、流入水の圧力と速度を効率的に利用できる反面、農業用水路等の比較的流路断面の小
さな水路の落差部中部に利用される場合、浮遊ゴミによる閉塞対策が必要となる。このゴ
ミ対策に関わるメンテナンスコストは小さくなく、特に小さな動力を得るための目的で設
置される場合（マイクロ水車）には、メンテナンスコストに見合った効果が得られないこ
とが予想される。
【０００６】
また、マイクロ水車では発電量が小さいため、維持経費のみならず初期投資をできるだ
け抑える必要もある。ケーシングは水流の負荷に耐え得る剛構造となることから、製造コ
ストのみならず重量が重くなって移動することもままならない。さらに、クロスフロー水
車は発電を目的とすることが通常だが、マイクロ発電では必要水量以上の水が流入する場
合、機械的に案内羽根の角度を制御したり、電機式ブレーキを設けて一定の電流・周波数
を保つ必要もでてくる。
【０００７】
さらに、従来発電を目的とした水車では有効落差が１０ｍ以上あり、小規模な開水路に
設置することは考えられていない。ここに、有効落差（Ｈnet）とは式１によって定義さ
れるものである。
Ｈnet ＝〔（開水路の水位）／２〕＋〔（羽根車外径）／２〕＋Ｈ・・・（式１）
ここで、Ｈ：水路下面から羽根車上部までの距離
発電を目的とする場合は、水の位置エネルギーを利用するクロスフロー型水車の特性上
有効落差を大きくしなければならなかった。
【０００８】
次に、ゴミ流入防止策としては、上流側にスクリーンに設けることが考えられるが、ゴ
ミの種類や大きさによっては閉塞の原因となる。そこで、特開昭６３−９７８７６号公報
では、クロスフロー型水車の異物除去対策として、羽根車上流側でかつ導水管の人口弁よ
りも下流側にスクリーンを設け、さらにバイパス管を設けて異物を取り除ける構造として
いる。しかしながら、装置としては複雑となり、異物除去時には開閉弁の開け閉めを操作
しなければならない。
【０００９】
一方、実公平７−２１９０２号公報では、ケーシング側に電磁石を設けて、羽根車の端
板に過電流を発生させて冷却装置を不要としたブレーキ機構を提案している。このように
すれば、一定の電力を安定に確保することができるが、装置として複雑となることが否め
ない。
【００１０】
【特許文献１】特開昭６３ー９７８７６号公報
【特許文献２】特開平５ー１１３１６８号公報
【特許文献３】実公平７ー  ２１９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はゴミの流入防止対策が不要であり、軽量・安価であり、水車設置に伴う配管等
の工事が不要で有効落差が１０ｍ以下と小さく、低コスト・メンテナンスフリーのオープ
ンクロスフロー型水車及びこれを用いた発電機並びに発電システムを提供することを目的
とする。また、気象条件等の不可抗力な条件に左右され易いことも予想されるが、増水時
の流量が多い場合でも、必要量を超えた水量が水車上面を通過して水車に対する過負荷対
策も不要となるようにした。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するため、本願の第一発明は、開水路の落差部に設置される上掛け式
水車において、ケーシングを有しないことを特徴とするオープンクロスフロー型水車であ
る。また、本願の第二発明は、前記落差部の有効落差が１０ｍ以下とした構成としたもの
である。そして、本願の第三発明は、前記第１又は第２発明のオープンクロスフロー型水
車を備えた発電機であり、更に本願の第四発明は、前記第三発明の発電機を備えた発電シ
ステムである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は上記のうよな構成であるから、
（１）ゴミの流入対策が不要となる。
（２）農業用水路等に多い数十センチ程度の極低落差が利用可能となる。
（３）流量の多い場合の過負荷対策が不要となる。
（４）簡易な構造となるとともに、軽量となる。
（５）異常増水時に取り外すこともできる。
といった、製造コストおよびメンテナンスコスト上有利な水車を提供できるだけでなく、
これと発電装置を組み合わせることで、
（６）貫流による高い水車効率を有し、
（７）水位に追従する必要がなく、
（８）可搬型で、着脱容易な、
水力発電機を提供できる。さらに、電力を水路監視装置等に利用することで、自然エネル
ギー回収しつつ、局地的でエネルギー循環型のマイクロ水車発電システムを提供すること
ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を図面に示す実施形態により詳細に説明する。図１は本願の第一発明に係
るオープンクロスフロー型水車の断面説明図を示す。本発明に係るオープンクロスフロー
型水車Ａは、離間（Ｄ）して対峙する一対の円板９，９間に羽根１１ａ，１１ａを所定角
度βで並列して装着した羽根車１１と、該羽根車１１の中心部に軸装した回転軸１０とか
らなり、ケーシングを備えていない構成としたものである。Ｕ字型水路（開水路）１４内
を流下する流水量が少ないときは、図２（ａ）に示すように、水流は羽根車１１の入口と
出口でクロスして作用し羽根車１１を回すことから効率的である。
【００１５】
逆に、開水路１４内を流下する流水量が多い場合には、図２（ｂ）に示すように、水流
は羽根車１１の上面を超えて流れるため水車の過負荷を緩和する。このように、本発明に
係るオープンクロスフロー型水車では流水の下層部を利用するため水位に追従する必要が
なく、貫流効果によって、水車上部上掛け部におけるトルク発生と水車下部の衝動による
トルク発生の２段階でのエネルギー回収が期待される。
【００１６】
一方、流入ゴミは水流と羽根車１１とが同方向に動くため水車面上を通過し、除去網等
の設置が不要となる。なお、一般に上掛け式の水車では有効落差Ｈnetが１ｍ以上あり、
特に発電を目的とする場合には高い動力を得るために有効落差Ｈnetを１０ｍ以上として
いる。本発明のオープンクロスフロー型水車は、本願の第二発明として記載しているよう
に有効落差が１０ｍ以下であり、特に有効落差が数十センチ程度の極低落差での利用も可
能となり、農業用水路のような規模の小さな施設への適用に好都合である。
【実施例１】
【００１７】
本発明に係るオープンクロスフロー型水車Ａの水車効率を検証するため、表１に示す形
状パラメータを有するモデル実験を行った。図３にその実験装置の模式図を示す。なお、
図中１２は直流発電機であり、１３はトルクセンサーである。前記羽根車１１の取り付け
位置は、図１に示すように、水路１４の出口を基準として、下向きにＨ（ｍｍ）、右向き
にＬ（ｍｍ）とし、出口からＢ／２（ｍｍ）上流における水深をｈ１（ｍｍ）とした。水
流を作用させたときのトルクＴ（Ｎｍ）を測定し、水車Ａの効率ηと周速比φの関係を流
量Ｑ（m3／s），Ｈ及びＬを変化させて調べた。なお、水車の効率ηおよび周速比φはそ
れぞれ式２および式３によって計算できる。
η =Ｔω／｛ρg Ｑ（ｈ１＋Ｈ＋Ｄ）｝・・・・・（式２）
φ = (Ｄω／２）／Ｖ                ・・・・・（式３）
ここに、ω：水車角速度（rad/ｓ）
ρ：水の密度（Ｋｇ／ｍ３）
Ｖ：流速（ｍ／ｓ）＝Ｑ／（Ｂ×ｈ１)
【００１８】
【表１】
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【００１９】
水車をオープンクロスフロー型とした場合と、水流が水車内を貫流しない上掛け方式と
した場合との出力特性を比較したものが図４である。水車効率は水流と水量の位置によっ
て影響を受けるが、最高効率を与える周速比は概ね１〜１．４であり、一定した傾向がみ
られる。このことは、流量によって水車の位置を適切に変え得る構造をとれば最も水車効
率を高めることができることを示している。一方、同仕様の従来型の上掛け水車は、オー
プンクロスフロー型とした場合と比較して最高効率が小さく、概ね２／３となっている。
これは、貫流の効果によって高い効率を示したものと考えられる。
【実施例２】
【００２０】
図５に本願の第三発明に係る可般型のオープンクロスフロー型水車を備えた発電機を示
す。本発電機は、落差部がある農業用水路等の上段側水路１４ａと下段側水路１４ｂとの
境界にあって、前記上段側水路１４ａの底壁から突出する突出部１４ｃ上に設置した架台
１５と、該架台１５にフレーム１６を介して装着した水車本体１１Ａと、該水車本体１１
Ａの回転軸１０Ａに連動して取付けられた直流回転発電機１２Ａから構成されており、前
記水車本体１１Ａ及び直流回転発電機１２Ａは駆動機構により、前記架台１５に立設した
ガイド部材１７に沿って上下動可能となるように装着されている。
【００２１】
前記駆動機構は、前記架台１５上に横架した回転駆動軸１８と、該回転駆動軸１８に装
着したスプロケット１９と、該スプロケット１９と近接して上下に設置したカウンターロ
ーラ２０1，２０2と、前記スプロケット１９，カウンターローラ２０1，２０2に巻き回し
たチエーン２１と、前記回転駆動軸１８の一端に装着したハンドル２２から構成されてお
り、前記チエーン２１の上端は前記フレーム１６の上端部１６ａに、チエーン２１の下端
は前記フレーム１６の下端部１６ｂにそれぞれ固定されている。
【００２２】
そこで、前記ハンドル２２を右回転することにより前記回転軸駆動軸１８及びスプロケ
ット１９は右回転し、該スプロケット１９と噛み合う前記チエーン２１は、前記スプロケ
ット１９とは逆方向にそれぞれ回転（左回転）するにカウンターローラ２０1，２０2を介
して上方向に移動する。チエーン２１のこの上動により、チエーン２１の下端において前
記フレーム１６の下端部１６ｂと固定されている前記レーム１６はガイド部材１７に沿っ
て上動し、該ガイド部材１７に装着した前記水車本体１１Ａ，発電機１２Ａも上動する。
また、前記回転軸駆動軸１８及及びスプロケット１９を左回転させることで、前記水車本
体１１Ａ，発電機１２Ａは下動する。
【００２３】
水車本体１１Ａ及び発電機１２Ａが上下動することで、最下位では前記上段側の水路１
４ａと下段側の水路１４ｂとの落差の中間位置まで下段側の水路１４ｂ内を下降せしめ、
逆に取り外す場合には前記レーム１６をガイド部材１７の最上部まで引き上げることがで
きる。その他の付帯工事は必要がない。なお、前記直流発電機１２Ａは防水ケースに収め
られており、水没しても支障がない。
【００２４】
本発電機を設置して、上段側の水路１４ａ上流から浮遊ゴミとなる草を流したが、水量
が殆どない場合でも草は水車本体１１Ａの周面上を通過し、水車の回転に支障はみられな
かった。なお、上段側の水路１４ａ上流から流れてきた石等の重量物は前記上段側水路１
４ａの底壁から突出する突出部１４ｃで塞き止められた。本装置によるシステム効率の参
考値を表２に示す。なお、本仕様のもとで１０ｋｗ以下程度の発電が可能である。
【００２５】
【表２】
2006052691.tif 000004
【実施例３】
【００２６】
図６に本願の第四発明に係るオープンクロスフロー型水車による発電システムの構成を
示す。なお、図中２３は制御部、２４はバッテリーであり、２５は監視装置である。本発
電システムは、例えば農業用水路のゲート開閉を遠隔操作するための監視装置２５を駆動
させるための１００ｗ以下の発電システムである。水車の発電電力を利用して、水路の状
態を通信回線上で監視することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】オープンクロスフロー型水車の断面説明図
【図２】同水車の流量に伴う作用説明図
【図３】同水車の水車効率を検証するための実験装置の模式図
【図４】オープンクロスフロー型と非貫流上掛け方式の出力特性図
【図５】可般型オープンクロスフロー型水車を備えた発電機の装置を示す図
【図６】オープンクロスフロー型水車による発電システムの説明図
【図７】従来のクロスフロー型水車の模式図
【符号の説明】
【００２８】
Ａ  オープンクロスフロー型水車
１０・１０Ａ  回転軸
１１・１１Ａ  羽根車
１１ａ  羽根
１２・１２Ａ  直流発電機
１４  開水路
１４ａ  上段側の水路
１４ｂ  下段側の水路
１５  架台
１６  フレーム
１７  ガイド部材
１８  回転駆動軸
１９  スプロケット
２０  カウンターローラ
２１  チェーン
２２  ハンドル
２３  制御部
２４  バッテリー
２５  監視装置
【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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