(57)【要約】【課題】  本発明は、流量が少なく、かつ流速の遅い小川などの水流を利用し効率のよい発電の可能な水力発電装置を提供することを目的としている。【解決手段】  上下に開口を有する水車環体３内にロータ５を固定した水力発電機２の水車環体３の上開口に、給水筒９を垂直に着脱可能に立設するとともに、給水筒９の上部に受水槽１０を設け、この受水槽１０に導水路１２を連設し、給水筒９内の水の重力が、垂直にロータ５のブレード６に作用するようにしてある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下に開口を有する水車環体内にロータを固定した水力発電機の水車環体の上部開口に、給水筒を垂直に着脱可能に立設するとともに、給水筒の上部に、溢水排出口を備えた受水槽を設け、受水槽には導水路を連設し、給水筒内の水の重力が、垂直にロータのブレードに作用するようにしてあることを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記水力発電機は、給水筒に連結可能な水車環体の内部にロータを固定し、かつ水車環体の外部に配設した発電機とロータ軸を、伝動軸をもって連結してなることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
【請求項３】
前記水力発電機の水車環体の径を、上部開口よりも下部開口の径が大きく形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電装置。
【請求項４】
前記水力発電機の水車環体の下部に、下部口の径が、給水筒の径よりも大径としてある補助環体が連結してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水力発電装置。  
【請求項５】
前記導水路には、開閉可能なバイパス路を形成してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水力発電装置。
【請求項６】
前記導水路を管体とし、その上端部を上流側の貯水槽に連結し、同じく下端部の吐出口は上向きとしてサイホン作用を持たせ、これを給水筒の上面に配設してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電装置に係り、特に落差の小さい場所において、効率良く発電することが出来る水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
落差を利用する水力発電装置では、例えばダムから発電機まで、傾斜したパイプで引水している。このような水力発電装置は、落差と水量が十分に大きい場合には、所期の性能を発揮するが、落差が小さく、水量も少ない小川などでは、効果的に作用することは出来ない
そのため、水源からポンプで水槽に揚水し、水槽から発電機に導水することが一般的におこなわれている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−３５２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の装置においては、発電機が消費するのと同量の水を、常にポンプでタンクに汲み上げなければ、継続して発電を行なうことは出来ない。しかし、このポンプ駆動用の電力は、単なる消費であって無駄なものである。
また、タンクから側方の発電機側に引水しているので、水力は弱いものとなっている。
本発明は、発電機駆動用ロータの揚力型ブレードに、水の重力を垂直に作用させることにより、小水量で効率の良い発電を行い得るようにした水力発電装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明においては、前記課題を解決するために、次のような技術的手段を採用している。      
【０００６】
（１）上下に開口を有する水車環体内にロータを固定した水力発電機の水車環体の上部開口に、給水筒を垂直に着脱可能に立設するとともに、給水筒の上部に、溢水排出口を備えた受水槽を設け、受水槽には導水路を連設し、給水筒内の水の重力が、垂直にロータのブレードに作用するようにしてある水力発電装置。
【０００７】
（２）前記水力発電機は、給水筒に連結可能な水車環体の内部にロータを固定し、かつ水車環体の外部に配設した発電機とロータ軸を、伝動軸をもって連結してなる前記（1）に記載の水力発電装置。
【０００８】
（３）前記水力発電機の水車環体の径を、上部開口よりも下部開口の径が大きく形成されている前記（1）または（2）に記載の水力発電装置。
【０００９】
（４）前記水力発電機の水車環体の下部に、下部口の径が、給水筒の径よりも大径としてある補助環体が連結してある前記（1）〜（3）のいずれかに記載の水力発電装置。
【００１０】
（５）前記導水路には、開閉可能なバイパス路を形成してある前記（1）〜（4）のいずれかに記載の水力発電装置。
【００１１】
（６）前記導水路を管体とし、その上端を上流側の貯水槽に連結し、同じく下端の吐出口は上向きとしてサイホン作用を持たせ、これを給水筒の上部に配設してある前記（1）〜（5）のいずれかに記載の水力発電装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、次のような効果が奏せられる。
【００１３】
前記（1）に記載の発明では、水力発電機の上に設けた給水筒が垂直に設置されているので、この給水筒に水が満水状態で供給されていると、給水筒内の水の流速と重力がロータのブレードに作用し、導水路における水流による回転力よりも大きな回転力が得られる。
すなわち、流水量が少なく、流速が遅い場合には、小型の水車も回転速度が遅く、発電に充分なトルクを得ることができないが、垂直な給水筒の下に発電機を配設することによって、水の重力を、ブレードに垂直方向に作用させることができるものである。
また受水槽は、導水路からの流量を調節して、余分な水を溢水排出口から排出させることができる。
【００１４】
前記（2）に記載の発明においては、給水筒とフランジを介して連結可能な水車環体の内部にロータを配設し、水車環体の外部に発電機を、ロータのロータ軸と伝動軸を介して連結して配設してあるので、水車環体を設置して、その上に給水筒を設置する工程の後に、発電機をロータと連結することができ、作業性に優れ、かつ発電機のメンテナンスが容易である。
【００１５】
前記（3）に記載の水車環体の下部開口の径を、上部開口の径よりも大としてあるので、ロータの軸支持体が大きくても、通水性を阻害することはない。そのため、軸支持体やブレードを給水筒内の水の重量に耐えうるように、頑強にすることができる。
【００１６】
前記（4）に記載の水車環体の下部に補助環体が設けられ、その下部口の径を給水筒の径より大としてあるので、その直上の給水筒内の水は、下部口から高速で下方へ排出されて、ロータの回転効率を高める。
かつ給水筒内における、下部口の直径より外部の周囲の水は、外側方へ水圧をかけながら降下するため、ブレードの傾斜部に作用して回転効率は高められる。
【００１７】
前記（5）に記載の導水路には、開閉可能なバイパス路が形成されているので、バイパス路に水を流すことによって、発電機の調節の時などに、給水筒を空にすることができる。
【００１８】
前記（6）に記載の導水路は、管体として、上端部を上流に配し、下端部を上向きとして、サイホン作用を持たせて給水筒の上に配設しているので、給水筒の高さを低地において高くし、落差と水の重量を活用してロータの回転効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の水力発電装置の一実施形態を示す縦断正面図である。
【図２】図１に示す水力発電装置の平面図である。
【図３】図１におけるロータのブレードを、翼根方向から見た拡大縦断面図である。
【図４】本発明の水力発電装置の他の実施形態を示す一部縦断正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の水力発電装置の実施形態１を示す縦断正面図である。水力発電装置１は、基礎Ｇに設けた排水部ｇに、水力発電機２における水車環体３の上部開口３Ａを上に向け、下部開口３Ｂを基礎Ｇにおける排水部ｇの側縁に、重合させて配設されている。
【００２１】
水車環体３の下部開口３Ｂには、図示するように、上部口４Ａよりも下部口４Ｂを小径とした補助環体４の上部口４Ａが水車環体３の下部開口３Ｂに、フランジ３Ｄ、４Ｃをもって連結されている。水車環体３の下部開口３Ｂの口径は、上部開口３Ａの口径よりも大としてある。
【００２２】
水車環体３の内部には、平面視クロス状の軸支持体７、７Ａによってロータ軸受部５Ｂが支持され、これに垂直に支持されたロータ軸５Ａの上端は、水平のロータ５が支持され、揚力型ブレード６を水平回転させるようになっている。揚力型ブレード６の先端は、上向きに傾斜する傾斜部６Ａとされている。
【００２３】
揚力型ブレード６は、図３に、翼根の方から見た弦長方向の縦断面を示すように、前縁６Ｂ部分が厚く、かつ上面は、前縁６Ｂが高くなっており、その状態で傾斜部６Ａが傾斜している。
【００２４】
従って上方から水流を受けると、揚力型ブレードは、前縁６Ｂ方向へ回転する。
また水流が翼根方向から移動して傾斜部６Ａに当たると、傾斜部６Ａの翼端は、やや回転方向の後方に向いているので、ブレードは回転方向へ押されて、高い回転効率で回転される。
【００２５】
図１に示すように、軸支持体７の一方は中空体７Ａとしてあり、その先端部は、水車環体３の外部に突出し、かつその先端には発電機８が固定されている。軸支持体の中空体７Ａの内部には、ロータ軸５Ａと発電機８とを連係する伝動軸８Ａが内装されている。
【００２６】
水車環体３の上部開口３Ａの上面には、給水筒９が垂直に、フランジ３Ｃ、９Ａを連結することによって立設され、かつ四隅の支持柱１１によって支持されている。給水筒９は長いものを１本でもよいし、短尺のものを複数連結させてもよい。
【００２７】
この給水筒９の高さが高いほど、多量の水の重力がブレード６にかかることになるので、高さは高い方がロータ５の回転トルクは大となる。またブレード６にかかる重力も大となる。重力は垂直に作用するので、この給水筒９を斜めにしては、重力が削減されて意味をなさなくなる。      
【００２８】
ロータ５の直径は、例えば５０ｃｍ、給水筒９の全高は、例えば２ｍとしてある。給水筒９の上面に、受水槽１０がフランジ９Ｂ、１０Ｂの連結により固定されている。受水槽１０の上縁付近には、溢水排出口１０Ａが形成されている。
【００２９】
受水槽１０の上面には、導水路１２の吐出口１２Ａが配設されている。導水路１２は管体でもよく、給水筒９の供給量と同等か、それよりも多い水量を供給するようになっており、余分の水量は、受水槽１０の溢水排出口１０Ａから排出させる。
導水路１２における吐出口１２Ａの近くに、バイパス路１２Ｂを設けてあり、シャッタ１２Ｃの開閉により、流路を変更することができるようになっている。
【００３０】
上記した水力発電装置１は、例えば幅６０ｃｍ、深さ６０ｃｍ位の水深で、かつ浅くて、勾配（落差）の小さい水路の水を利用すると、当然に流速も遅いので、この水路に例えば直径５０ｃｍのロータを備える水力発電機を設置しても、思うような発電をすることが出来ない。  
【００３１】
そこで、取水口に前記導水路１２の上端部分を配置し、その位置から２ｍほど低い地点に、本発明の水力発電装置１を設置すると、ほぼ２ｍの落差を得ることができる。一般的に落差を利用する時には、ロータに直結する水路は傾斜されている。
【００３２】
これは、傾斜する崖などに水路を添わせているためであるが、重力は垂直にしかかからないので、水の重力の全てを利用することができない。特に落差が十分に大きくなければ、満足しうる効果を得ることはできない。
【００３３】
本発明によると、図１に示すように、水は給水筒９により、ロータ５の直上で垂直に水を支持されることになるので、高い給水筒９の中の水の質量は、垂直にブレード６に当って通過することになるため、ロータ軸５Ａを水平にして、流水でロータ５を回転させるよりも、落差が小であっても大きな回転トルクを得ることができる。
【００３４】
給水管９はＦＲＰ製でもよい。水車環体３は大重量の水を支持するために、金属製とするのがよい。水車環体３の下部開口３Ｂを上部開口３Ａよりも大径としてあるのは、中に軸受部５Ｂや軸支持体７があるために、通水性をよくするためである。
【００３５】
水車環体３の下に補助環体４を連結するとき、その下部口４Ｂの口径を、給水筒９の直径より大として、排水路に解放させることができる。補助環体４の下部口４Ｂからは、給水筒９内の水の重力によって高速で排水される。
【００３６】
これに伴なって、給水筒９内の、下部口４Ｂの直上にある水は、直下へ水圧をかけ、高速で下部口４Ｂから下方へ通過して、ロータ５を回転させる。下部口４Ｂの直径よりも外側に位置する給水筒９内の周部の水は滞り、下外方へ水圧をかける。
【００３７】
重力は垂直にかかるので、補助環体４の下部口４Ｂが大径であると、下部口４Ｂの直径よりも垂直方向で外側に位置する給水筒９内の水は、下外方へ高速で通過して、ブレード６の回転効率は高められる。
【００３８】
図４は、本発明の別の実施形態を示す一部縦断正面図である。前例と同じ部材には同じ符号を付して、説明を省略する。
この実施形態は、高い位置にある水源に貯水槽１３を設けるとともに、管状の導水路１２を設け、その下端部の吐水口１２Ａを高い位置であって、貯水槽１３よりは低い位置の受水槽１０の上面に配設してある。この場合、吐水口１２Ａは、サイホン作用を発揮するようになっている。  
【００３９】
これによって、落差の大きな水流を利用することができる。なお、支持柱１１は櫓状に枠組みすることができる。補助環体４の下部口４Ｂには、必要に応じて、開閉弁を設けて、出水量を調節をすることができるようにしてある。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
小流量の水路の水を、垂直な給水筒に通して、垂直にブレードに当てることによって、高い回転効率を得ることができ、小水力発電に広く利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１．水力発電装置
２．水力発電機
３．水車環体
３Ａ．上部開口
３Ｂ．下部開口
３Ｃ、３Ｄ．フランジ
４．補助環体
４Ａ．上部口
４Ｂ．下部口
４Ｃ．フランジ
５．ロータ
５Ａ．ロータ軸
５Ｂ．軸受部
６．揚力型ブレード  
６Ａ．傾斜部
６Ｂ．前縁
７．軸支持体  
７Ａ．軸支持体（中空）
８．発電機
８Ａ．伝動軸
９．給水筒
９Ａ、９Ｂ．フランジ
10．受水槽
10Ａ．溢水排出口
11．支持柱
11Ａ．支柱基礎
12．導水路
12Ａ．吐出口
12Ｂ．バイパス路
12Ｃ．シャッタ
12Ｄ．開閉栓
13．貯水槽
ｇ．排水部
Ｇ．基楚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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