(57)【要約】      （修正有）【課題】低落差でも、高落差で発電する従来のクロスフロー発電システムと同等以上の発電量を確保可能な新規のクロスフロー水車及びこれを備えた発電システムを提供する。【解決手段】回転軸１２の軸方向の中央に設けた円形の仕切板１１により左側回転体１０Ｌと右側側回転体１０Ｒとに区切られた回転体により構成されたクロスフロー水車１は、左右交互に位相差を有する所定数の、好ましくは各々１４枚から１８枚のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の軸方向の中央に設けた円形の仕切板により左側回転体と右側側回転体とに区切られた回転体により構成されたクロスフロー水車であって、
前記左右の回転体は左右交互に位相差を有して所定数のランナーブレードを備えたことを特徴とするクロスフロー水車。
【請求項２】
前記左右のブレードが等間隔であることを特徴とする請求項１に記載のクロスフロー水車。
【請求項３】
前記水車は配管を通じて所定量の水を入力する受水口と前記水車を回転させた後排水するための排水口を有するケーシング内に収納されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のクロスフロー水車。
【請求項４】
前記ケーシングと水車とで、入力された水がサイホン原理で吸引されて出力されるように構成したことを特徴とする請求項３に記載のクロスフロー式水車。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載のクロスフロー水車と前記クロスフロー水車の回転軸に備えられた発電機とから構成された水力発電システム。
【請求項６】
前記発電システムは、建造物上方に貯留した水と配管を介して接続されていることを特徴とする請求項５に記載のクロスフロー式発電システム。
【請求項７】
前記水車の回転軸に電磁ブレーキが設けられ、さらに前記電磁ブレーキにより生じた熱を回収する蓄熱部が備えられていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の水力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロスフロー水車及びクロスフロー水車を備えた水力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然エネルギが注目されており、特に、昼夜、年間を通じて安定した発電が可能であり、設備利用率が５０〜９０％と高く、太陽光発電と比較して５〜８倍の電力量を発電可能であり、出力変動が少なく、系統安定、電力品質に影響を与えない、太陽光発電と比較して設置面積が小さい等の観点から、環境配慮型の発電として小水力発電が注目されている。
【０００３】
小水力発電の規模は。世界的には各国統一されていないが、概ね「１０、０００ｋＷ以下」であるといわれている。さらに別の区分では１０００ｋｗ以下の発電をミニ水力発電とよび１００ｋｗ以下の発電をマイクロ水力発電と呼ぶこともある。
【０００４】
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。クロスフロー水車は、比較的高落差に使用されていたものが低落差用に改良され、大流量にも適用できるようになってから普及した水車である。
【０００５】
クロスフロー水車の主要部は細長い羽根を外周に配列したランナと、１枚または２枚のガイドベーン（流量調整できる機構）から構成されている。ガイドベーンを幅方向に分割したクロスフロー水車では、負荷に応じた操作が可能で、低流量でも効率の低下を小さくすることができる特徴をもっている．流量が多い場合は、ガイドベーンを流入幅の１／３と２／３の長さに合わせた２枚の構成とし、流量の少ないときは１／３のみを使用し、流量が全流量の１／３以上になったときは、２／３の長さのガイドベーンを使用する．さらに流量が増加した場合はこれら２枚のガイドベーンを同時に使用することによって、流量の変化に対して効率低下の少ない運転をすることができる。（特許文献１）
【０００６】
クロスフロー水車の比速度は、ランナ形状を示すアスペクト比（ランナ流路幅Ｂ／ランナ外径Ｄ）と密接な関係がある．アスペクト比の小さいランナの場合は、ランナ流路幅が小さくなってランナ側板と、ランナベーンの溶接が難しくなる．また、摩擦損失や漏水損失などが相対的に増加し、水車効率が低下することなどから、極端にアスペクト比を小さくすることはできない．アスペクト比の値は、ランナ径によっても若干異なるが、一般的には示すように０．２〜０．２５程度が限度とされている。
【０００７】
アスペクト比の大きいランナの場合には、ランナ流路幅が大きくなること、主軸の支点間隔が大きくなって撓みが大きくなる．また、水圧管と水車を接続する入口管が形状的流水方向に長くなるなどの不具合が生じるため、一般にアスペクト比の値は３．５程度が限度とされている。
【０００８】
クロスフロー水車の比速度は、４０から２００［ｍｉｎ−１、ｋＷ、ｍ］の範囲にあるが、この比速度は製作可能なアスペクト比の上限、下限に関係している．比速度が極度に小さくなるとガイドベーンの分割が困難になる。
【０００９】
非特許文献１には羽根枚数および羽根出口角の影響について、実験的に究明している。その結果、回転方向の接線から測った羽根出口角β２は、効率の点から８０〜９０°の羽根車が良く、それより大きくなると効率は低下することを明らかにしている．また、β２が小さくなるにつれ横断流が減少し、軸に衝突する回転数は低くなることを明らかにしている．（福富・他２名、“クロスフロー水車に関する研究（羽根枚数および羽根出口角の影響）”、日本機械学会論文集（Ｂ編）、５２巻４７３号、ｐｐ．４０７−４１２、１９８６．）。
【００１０】
また、非特許文献２では、ノズルすきまがもたらす漏れ流量が水車性能に及ぼす影響を明らかにしている。羽根枚数が少ない場合（２６枚以下）は、すきまの大きさは漏れ流量のみに影響し、羽根車内の流動状態の変化がなく、すきまの増大により効率の低下することを明らかにしている。また、羽根枚数が多い場合（３０枚以上）は、すきまの大きさは漏れ損失だけでなくノズル出口および羽根車内の流動状態に変化を及ぼすことから、最高の水車効率が得られる最適すきまを明らかにしている．また、すきまが極端に狭い場合は、反転流の増加により、効率が低下することも明らかにしている（福富・他１名、“クロスフロー水車性能に及ぼす羽根車とノズルのすきまの影響”、日本機械学会論文集（Ｂ編）、５６巻５２９号、ｐｐ．２６５８−２６６４、１９９０．）。
【００１１】
これらの研究は、２枚のガイドベーン機能を持たせ、ガイドベーンを流入幅の１／３と２／３の長さに合わせた２枚の構成とし、流量の少ないときは１／３のみを使用してなるべく効率の低下を少ない運転をしている。しかし、ランナ流路幅が狭くなることで、ランナベーンの溶接が難しくなることから、製作に限界があった。
【００１２】
近年、維持放流ダムに水車を設置するケースが増えているが、ダムには落差変動があり、低落差になればなるほど低流量となる。従来では、変落差・変流量に対応できる水車としては、一般的にフランシス水車が採用されてきた。しかし、構造が複雑で高価であることから、敬遠されることが多い。これに対し、クロスフロー水車は構造が簡素なことから安価であり、導入コストが少なく点検も容易である。また、国内に残されている適地も多いことから、今後導入件数はますます増えることが予想される。しかし、導入コストが安価なものの変落差特性はフランシス水車と比べ劣るという課題がある。
【００１３】
一方、低落差の流路に設置するタイプの水車としてチロリアン・クロスフローやオープンクロスフロータイプの水車が知られている。例えば、特許文献２には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として、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構成のものを提案している。特許文献２によると、記落差部の有効落差が１０ｍ以下とした構成とすることが可能であると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平５−２６３７４８号公報
【特許文献２】特開２００６−５２６９１号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】福富・他２名、“クロスフロー水車に関する研究（羽根枚数および羽根出口角の影響）”、日本機械学会論文集（Ｂ編）、５２巻４７３号、ｐｐ．４０７−４１２、１９８６．
【非特許文献２】福富・他１名、“クロスフロー水車性能に及ぼす羽根車とノズルのすきまの影響”、日本機械学会論文集（Ｂ編）、５６巻５２９号、ｐｐ．２６５８−２６６４、１９９０．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、従来のクロスフロー水車は、有効落差が１５ｍ以上、一般には３０ｍ以上ないと実質的に効率的な発電は不可能であり、特許文献２に記載のようなオープンクロスフロー水車では高々数Ｗのレベルの発電しかできなかった。
【００１７】
そのため、特許文献２に記載のようなオープンフロー水車と同等の１０ｍ以下の落差でも、１５ｍ以上の落差で発電する従来のクロスフロー発電システムと同等以上の発電量を
確保したいという要望がある。
【００１８】
したがって、本発明の課題は、低落差でも、高落差で発電する従来のクロスフロー発電システムと同等以上の発電量を確保可能な新規のクロスフロー発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者等は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、左右のランナ（ブレード）に位相差を設けて配置することにより、ランナに対する受水量を増加させることができ、低落差であっても十分な受水量により回転してそのため十分な発電量を確保できることを見出し、本発明を創作するに至った。
【００２０】
上記課題は、下記項目により解決される。
（クロスフロー水車）
１  回転軸の軸方向の中央に設けた円形の仕切板により左側回転体と右側側回転体とに区切られた回転体により構成されたクロスフロー水車であって、
前記左右の回転体は左右交互に位相差を有して所定数のランナーブレードを備えたことを特徴とするクロスフロー水車。
【００２１】
２  前記左右のブレードが等間隔であることを特徴とする１に記載のクロスフロー水車。
【００２２】
３  前記水車は配管を通じて所定量の水を入力する受水口と前記水車を回転させた後排水するための排水口を有するケーシング内に収納されていることを特徴とする１または２に記載のクロスフロー水車。
【００２３】
４  前記ケーシングと水車とで、入力された水がサイホン原理で吸引されて出力されるように構成したことを特徴とする３に記載のクロスフロー式水車。
【００２４】
５  ３又は４に記載のクロスフロー水車と前記クロスフロー水車の回転軸に備えられた発電機とから構成された水力発電システム。
【００２５】
６  前記発電システムは、建造物上方に貯留した水と配管を介して接続されていることを特徴とする５に記載のクロスフロー式発電システム。
【００２６】
７  前記水車の回転軸に電磁ブレーキが設けられ、さらに前記電磁ブレーキにより生じた熱を回収する蓄熱部が備えられていることを特徴とする５または６に記載の水力発電システム。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の水車は、ランナーブレードが仕切版を挟んで左→右→左と順に所定間隔、好ましくは等間隔に配置されているのでランナーブレードとランナーブレードの間の空間を広くとることができる。そのため水車の体積に対して入水する水の水量が増加する。これにより、例えば位相差を持たずにブレードを配置した場合に比較して同じ水量でより大きな負荷を回転軸に付与することができる。言い換えると、所定落差分の位置エネルギに相当する水量の水を本発明の水車は受水することが可能となる。これにより、より低い落差でも高出力で発電可能なクロスフロー水車を実現することが可能となる。
【００２８】
また、本発明のクロスフロー水車を備えた水車を発電システムに適用すると同じ落差でかつ同じ水量（同一条件）において、従来の位相差を持たない同数のランナーブレードを有するクロスフロー水車と比較して、より多くの水を受水することが可能となり、そのため同一条件でより多くのエネルギを蓄えることができる。そのため、同一条件でより高出力で発電することが可能となる。
言い換えると、より低落差条件において、従来のクロスフロー水車を備えた発電システムと同様の出力が可能となる。従来ある程度の出力が可能なクロスフロー水車を備えた水力発電システムは、１５ｍ以上、一般には３０ｍ程度の落差がないと不可能であったのに対して、本発明のロスフロー水車を備えた発電システムは、より低落差例えば１０ｍ以下、特に５ｍ程度の落差であっても十分の発電量を見込める。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係るクロスフロー水車を示す斜視図である。
【図２】図１に示すクロスフロー水車の正面図である。
【図３】図１に示すクロスフロー水車に使用するランナーブレード（１枚）の側面図である。
【図４】図１に示すクロスフロー水車をケーシングに組み込んだ様子を示す（発電システムを表す）図面である。
【図５】本発明の発電システムの適用形態の一例を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
まず、図１から図３に基づいて本発明のクロスフロー水車の説明をする。
図１に示す通り、本発明のクロスフロー水車１は、回転軸の軸方向の中央に設けた円形の仕切板１１により左側回転体と右側側回転体１０Ｌ，１０Ｒとに区切られた回転体により構成を有しており、左右の回転体１０Ｌ，１０Ｒは左右交互に位相差を有して所定数のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒを備えている。そして、回転体の回転軸１２は、所望によりギアを介して一般に発電機のモータと接続される。
【００３１】
また、本発明の左側回転体と右側側回転体１０Ｌ，１０Ｒは、各々左右で位相差をもって１０〜２０枚、好ましくは１４枚から１８枚のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒを有している（非特許文献２参照）。
【００３２】
なお、本発明でいう「位相差」とは、水流を受ける左右のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒが左右同時に水流を受けるのではなく左右交互に受水することを意味する。本発明においては、図２に示す通り、仕切版１１を挟んだ左右の回転体１０Ｌと１０Ｒとが各々交互にランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒが所定の位相、すなわちずれを持って配置されている。そして、水流を受け回転体が回転軸１２を中心に回転すると、左右のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒが順番に時間差を持って受水する。
【００３３】
また、図３に示す通り、本発明で使用する左右のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒは、正面側と回転軸側の両端から中央に向かうに従って窪みを有しており、ここの窪みで受水して回転する仕組みとなっている。
【００３４】
本発明はこのように左右のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒに位相差を持たせたので、従来技術に記載のような反転流の影響を受けることなく見かけ上多数のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒを有することとなり、左右の回転体１０Ｌ，１０Ｒ全体で受ける水の量（受水量）が増加する。受水量が増加することは、クロスフロー水車１全体に係る水圧が増加することと同等の意味を有するので、同一条件（落差・水量）において出力が増加することを意味するのと同時に、より低落差においてでも従来の位相差を持たないランナーブレードを有する水車と同等の出力が可能となる。
【００３５】
そのため、低落差であっても十分な水量があれば高負荷で回転軸を回転させることが可能となる。したがって、回転軸に発電機を接続することにより高い出力の水力発電システムを構成することができる。
【００３６】
なお、本発明の好ましい実施形態において、左右のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒは等間隔に配置されていることが好ましい。すなわち、ランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒが左側ランナーブレード１３Ｌ、右側ランナーブレード１３Ｒ、左側ランナーブレード１３Ｌ・・・と順に所定間隔、好ましくは等間隔に配置されているのでランナーブレードとランナーブレードの間の空間を広くとることができる。そのため羽根車の体積に対して入水する水の水量が増加する。そのため、例えば位相差を持たずにブレードを配置した場合に比較して同じ水量でより大きな負荷を回転軸に付与することができる。この羽根車を備えた水車を発電システムに適用すると同じ水量でより多量の発電が見込める。
【００３７】
また、本発明において使用される仕切版１１は、クロスフロー水車１の左右の回転体１０Ｌ，１０Ｒを強化するのと同時に受水した水の流れを規制する作用を有している。すなわち、受水してランナーブレード１３Ｌ又は１３Ｒで受けた水がランナーブレード１３Ｒ，１３Ｌ側へ抜けるのを規制する作用を有している。一般には、この仕切板１１は、中心方向で水が抜けるのを防ぐように左右のンナーブレード１３Ｒ，１３Ｌを完全に遮断することが好ましいが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３８】
また、本発明のクロスフロー水車は、図４に示す通り一般的にケーシング２内に収納されている。
より具体的には、配管を通じて所定量の水を入力する受水口２１とクロスフロー水車１を回転させた後排水するための排水口２２を有するケーシング２内に本発明のクロスフロー水車１は収納されている。
【００３９】
そして、配管を介して所定の落差から落下した水は、本発明のクロスフロー水車１の位相差を持って設けられた左右のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒに順次受水した後、排水口２２から排出される構成を有している。
【００４０】
この際に、従来公知の通り、ケーシング２と本発明のクロスフロー水車１とでサイホン機構を構成して、出力を増加させることが好ましい。
【００４１】
このように構成されそしてケーシング２内に収納された本発明のクロスフロー水車１において、その回転軸１４が発電機と接続されて水力発電システムを構成する。
【００４２】
本発明の水力発電システムは、上記の通り左右のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒに位相差を持たせたので、従来技術に記載のような反転流の影響を受けることなく見かけ上多数のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒを有することとなり、左右の回転体１０Ｌ，１０Ｒ全体で受ける水の量（受水量）が増加するために発電量が増加する。
【００４３】
また、本発明の発電システムは左右のランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒは等間隔に配置されていることが好ましく、ランナーブレード１３Ｌ，１３Ｒが左側ランナーブレード１３Ｌ、右側ランナーブレード１３Ｒ、左側ランナーブレード１３Ｌ・・・と順に所定間隔、好ましくは等間隔に配置されているのでランナーブレードとランナーブレードの間の空間を広くとることができる。そのため羽根車の体積に対して入水する水の水量が増加する。そのため、例えば位相差を持たずにブレードを配置した場合に比較して同じ水量でより大きな負荷を回転軸に付与することができる。この羽根車を備えた水車を発電システムに適用すると同じ水量でより多量の発電が見込める
【００４４】
このように本発明の発電システムは、一定の流量を有している条件で、１０ｍ以下の低落差でも高出力で発電可能である。
【００４５】
この水車は、落差５ｍ・水量０．０５ｍ３／ｓ  ＝５０Ｌ／ｓ  の状況でも駆動可能であることを特徴とし、この条件では凡そ１．４ｋｗの出力可能であると計算している。従来、この領域では有効な水車が存在せず水力発電は適用されていない。特にクロスフロータイプでは落差１５以上での領域でしか存在していない。
また、０．１ｍ３／ｓの水量が確保できる場合、設計上２．８ｋｗの出力が想定されており、小水力発電の分野では従来到達し得ぬ発電量である。
以下、下記の数値を目安とする。
落差  ５ｍ    水量０．１ｍ３／ｓ      想定出力２．８Ｋｗ
落差  ７ｍ    水量０．１ｍ３／ｓ      想定出力４．０Ｋｗ
落差１０ｍ    水量０．１ｍ３／ｓ      想定出力５．８Ｋｗ
落差１５ｍ    水量０．１ｍ３／ｓ      想定出力８．８Ｋｗ
【００４６】
このように構成された本発明の発電システムＳは、例えば建築物の屋上に配置した貯水タンクからの水を落下させて使用することも可能である（図５参照）
【００４７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが本発明はこれらの実施形態に限定されることなく幅広く適用可能である。例えば、排水処理場から排出される水、特にポンプにより組み上げる形式の排水処理場からの排水に本発明の水力発電システムを適用することも本発明の範囲内である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の水車は、ランナーブレードが仕切版を挟んで左→右→左と順に所定間隔、好ましくは等間隔に配置されているのでランナーブレードとランナーブレードの間の空間を広くとることができる。そのため水車の体積に対して入水する水の水量が増加する。これにより、例えば位相差を持たずにブレードを配置した場合に比較して同じ水量でより大きな負荷を回転軸に付与することができる。言い換えると、所定落差分の位置エネルギに相当する水量の水を本発明の水車は受水することが可能となる。これにより、より低い落差でも高出力で発電可能なクロスフロー水車を実現することが可能となる。
【００４９】
また、本発明のクロスフロー水車を備えた水車を発電システムに適用すると同じ落差でかつ同じ水量（同一条件）において、従来の位相差を持たない同数のランナーブレードを有するクロスフロー水車と比較して、より多くの水を受水することが可能となり、そのため同一条件でより多くのエネルギを蓄えることができる。そのため、同一条件でより高出力で発電することが可能となる。
言い換えると、より低落差条件において、従来のクロスフロー水車を備えた発電システムと同様の出力が可能となる。従来ある程度の出力が可能なクロスフロー水車を備えた水力発電システムは、１５ｍ以上、一般には３０ｍ程度の落差がないと不可能であったのに対して、本発明のロスフロー水車を備えた発電システムは、より低落差例えば１０ｍ以下、特に５ｍ程度の落差であっても十分の発電量を見込める。
【符号の説明】
【００５０】
１    クロスフロー水車
１０Ｌ  左側回転体
１０Ｒ  右側回転体
１１    仕切版
１２    回転軸
１３Ｌ，１３Ｒ  ランナーブレード
２  ケーシング
２１  受水口
２２  排水口
Ｓ    発電システム
【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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