(57)【要約】【課題】動力の発生効率を高めることができる水力装置を提供する。【解決手段】水力装置Ｂは、中空の円筒形状を有する取水胴部２１と、棒形状を有し、軸心Ｃ周りに回転可能に設けられた回転軸３２と、を備えている。回転軸３２の周囲には、主軸部３２と一体的に回転可能に設けられた羽根３３が設けられている。羽根３３は、取水胴部２１の内部に、取水胴部２１に外囲されるように配置されている。取水胴部２１は、回転軸３２とは個別に、軸心Ｃ周りに回転可能に支持されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の円筒形状を有する取水胴部と、
棒形状を有し、軸心周りに回転可能に設けられた回転軸と、
前記回転軸の周囲に、当該回転軸と一体回転可能に設けられた羽根と、を備え、
前記羽根は、前記取水胴部に外囲され、
前記取水胴部は、前記回転軸とは個別に、前記軸心周りに回転可能に支持されている水力装置。
【請求項２】
前記取水胴部は、外周面から径方向に突出する被支持フランジを備え、
前記被支持フランジを下方から支持するフランジ支持部を備え、
前記フランジ支持部は、前記軸心方向に垂直な回転軸心の周りに回転可能に設けられた回転部材を備え、
前記回転部材は、その周面が前記被支持フランジに当接するよう設けられている請求項１記載の水力装置。
【請求項３】
前記取水胴部は、その底面に水を排水する排水口を備え、
前記排水口からの排水量を調整する排水量調整部を備えている請求項１または２記載の水力装置。
【請求項４】
前記排水量調整部は円錐形状または円錐台形状の笠部を備え、
前記笠部は、大径側が下方となり、前記排水口に対して上下移動可能に設けられている請求項３記載の水力装置。
【請求項５】
外部からの回転力を受ける受動軸を備え、当該受動軸に対する回転力により発電する発電機と、
請求項１から４のいずれか一項に記載の水力装置と、を備え、
前記回転軸の回転力が前記受動軸に伝達されるよう構成されている水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力装置、特に、少ない水量で動力を取り出すことができる水力装置、および、そのような水力装置を用いた水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇，地球温暖化防止等、様々な理由により再生可能エネルギーへの関心が高まっている。再生可能エネルギーに関する技術の一つとして、水力発電がある。従来の水力発電は、ダムを利用した大規模なものであったが、近年は少ない水量でも発電が可能な小型の水力発電が注目されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、少ない水量でも発電が可能な水力発電装置が開示されている。この水力発電装置は、内側を水が上方から下方に向かって通過する取水胴と、前記取水胴の下方に同軸に設けられた水絞り部と、前記水絞り部の下方に設けられた回転スクリュウと、前記回転スクリュウに固定されたシャフトに連結された発電機とが設けられた発電装置本体と、を備えている。
【０００４】
このような水力発電装置では、取水胴の内部を落下した水が回転スクリュウの羽に当たり、回転スクリュウが回転する。この回転がシャフトを介して発電機に伝達され、発電機は発電をすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１９０１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のような水力発電装置では、回転スクリュウが円筒部により覆われているため、回転スクリュウが回転する際に、円筒部との間で水流の抵抗が生じる。その抵抗は、回転スクリュウの回転効率を低下させるため、発電効率が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、動力の発生効率を高めることができる水力装置、および、そのような水力装置を用いた発電効率を高めることができる水力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る水力装置の好適な実施形態の一つでは、中空の円筒形状を有する取水胴部と、棒形状を有し、軸心周りに回転可能に設けられた回転軸と、前記回転軸の周囲に、当該回転軸と一体回転可能に設けられた羽根と、を備え、前記羽根は、前記取水胴部に外囲され、前記取水胴部は、前記回転軸とは個別に、前記軸心周りに回転可能に支持されている。
【０００９】
本発明に係る水力装置の好適な実施形態の一つでは、前記取水胴部は、外周面から径方向に突出する被支持フランジを備え、前記被支持フランジを下方から支持するフランジ支持部を備え、前記フランジ支持部は、前記軸心方向に垂直な回転軸心の周りに回転可能に設けられた回転部材を備え、前記回転部材は、その周面が前記被支持フランジに当接するよう設けられている。
【００１０】
本発明に係る水力装置の好適な実施形態の一つでは、前記取水胴部は、その底面に水を排水する排水口を備え、前記排水口からの排水量を調整する排水量調整部を備えている。
【００１１】
本発明に係る水力装置の好適な実施形態の一つでは、前記排水量調整部は円錐形状または円錐台形状の笠部を備え、前記笠部は、大径側が下方となり、前記排水口に対して上下移動可能に設けられている。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る水力発電装置の好適な実施形態の一つでは、回転軸を備え、当該回転軸に対する回転力により発電する発電機と、上述のいずれかの水力装置と、を備え、前記主軸部の回転力が前記回転軸に伝達されるよう構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】水力発電装置の外観斜視図である。
【図２】水力発電装置の断面図である。
【図３】貯水タンクの内部の斜視図である。
【図４】中間フランジ支持部の斜視図である。
【図５】下部フランジ支持部の斜視図である。
【図６】上部フランジ支持部の断面図である。
【図７】排水量調整部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に図面を用いて、本発明の実施形態を説明する。図１は本実施形態における水力発電装置の外観斜視図である。本実施形態における水力発電装置は、発電装置Ａと水力装置Ｂとから構成されている。なお、本発明における水力装置Ｂは、水流から動力（回転力）を取り出すよう作用する。
【００１５】
〔発電機〕
発電装置Ａは、発電機ａ１と、受動軸ａ２と、を備え、受動軸ａ２が回転することにより発電するように構成されている。本実施形態における受動軸ａ２は、回転軸心が鉛直方向に沿うように、発電機ａ１の下端から下方に伸びるように設けられている。また、受動軸ａ２の下端部には、水力装置Ｂから動力を受ける受動プーリーａ３が受動軸ａ２と一体回転可能に取り付けられている。
【００１６】
〔水力装置〕
図１と、本実施形態における水力装置Ｂの断面図である図２と、を参照しつつ、本実施形態における水力装置Ｂを説明する。本実施形態における水力装置Ｂは、貯水タンク１と、動力発生部２と、主軸部３と、を備えている。貯水タンク１は、動力発生部２の上方に配置されており、略円筒形状を有したタンク本体１０と、底板１１と、天板１２と、を備えている。なお、図２では、タンク本体１０を省略している。また、動力発生部２は図示しない円筒形状のカバー部材で外囲されている。主軸部３は、棒状部材であり、その上端が貯水タンク１の天板１２から突出し、その下端が動力発生部２の下端から突出するように配置されている。
【００１７】
本実施形態では、主軸部３は、回転軸３２と、固定軸３３と、から構成されており、上方側が回転軸３２、下方側が固定軸３３となっている。固定軸３３はベアリングｂ３を介して回転軸３２と接続されており、固定軸３３の下端は土台Ｇに固定されている。回転軸３２は、貯水タンク１内では、円筒状のカバー部材１３により外囲されており、水から保護されている。回転軸３２の上端付近はベアリングｂ１を介して天板１２に、回転可能に取り付けられている。一方、回転軸３２の中間部分は、主軸固定部材３４（後述）およびベアリングｂ２を介して貯水タンク１の底板１１に、回転可能に取り付けられている。これらの構成により、回転軸３２は軸心Ｃ周りに回転が可能となっている。
【００１８】
主軸部３の上端にはプーリー３１が回転軸３２と一体回転可能に設けられている。プーリー３１は、受動プーリーａ３と同一の高さ位置に配置されている。プーリー３１と受動プーリーａ３とにわたって、図示しない伝動ベルトが巻き掛けられている。そのため、回転軸３２が回転すると、その回転がプーリー３１，伝動ベルト，受動プーリーａ３を介して発電装置Ａの受動軸ａ２に伝達される。これにより、回転軸３２の回転によって発電装置Ａは発電を行うことができる。
【００１９】
本実施形態における水力装置Ｂは、給水管４と排水管５とを備えている。給水管４は、水を外部から貯水タンク１の内部に導入するためのものである。給水管４は、水力装置Ｂの外部から動力発生部２の側方を通って下方から上方に向けて貯水タンク１にわたって設けられている。なお、貯水タンク１の底板１１には、給水管４を挿通する導入口が形成されている。一方、排水管５は、貯水タンク１内に導入された必要以上の水を外部に排出するためのものである。排水管５は、貯水タンク１から動力発生部２の側方を通って水力装置Ｂの外部にわたって設けられている。そのため、貯水タンクの底板１１には、排水管５を挿通する導出口が形成されている。また、貯水タンク１の底板１１には、内部の水を動力発生部２側に落下させるための円形の落水口１１ａが形成されている。なお、給水管４および排水管５は動力発生部２のカバー部材（図示せず）によって外囲されている。
【００２０】
図３に示すように、本実施形態では、落水口１１ａの上方に中空円筒状の主軸固定部材３４が取り付けられている。主軸固定部材３４の内径は、落水口１１ａの径と略同一に構成されており、平面視における主軸固定部材３４の中心と落水口１１ａの中心とは一致するように配置されている。主軸固定部材３４は底面を有さず、上面および側面には複数の開口３４ａが形成されている。そのため、貯水タンク１内の水はそれらの開口３４ａから落水口１１ａを通って動力発生部２に流れることができる。なお、本実施形態のように、主軸固定部材３４を中空円筒状に形成し、上面および側面に開口３４ａを設けることにより、総開口面積を増大させ、通過する水の量を増大させることができる。
【００２１】
動力発生部２は、取水胴部２１，円筒部２２，羽根２３を備えている。取水胴部２１は、略円筒状で上面および底面を有さない中空形状である。すなわち、取水胴部２１は上方と下方とに開口が形成されている筒状に構成されている。取水胴部２１の内径は落水口１１ａの径よりも若干小さく構成されており、上方の開口（流入口２１ｄ）が落水口１１ａと連通している。そのため、貯水タンク１内の水は、落水口１１ａを介して取水胴部２１の内部に流入することができる。また、取水胴部２１の内部に流入した水は、下方の開口（排水口２１ｅ）から流出する。
【００２２】
円筒部２２は、中空の円筒部材と、その円筒部材の上部に設けられた円錐部材とから構成されている。円筒部２２は取水胴部２１の内部に設けられ、回転軸３２に固定されている。なお、カバー部材１３，落水口１１ａ，取水胴部２１，円筒部２２は同心となるよう配置されており、主軸部３はそれらの中心を通るよう配置されている。すなわち、軸心Ｃは、これらの中心を通っている。
【００２３】
円筒部２２の円筒部材の外周面には、複数の羽根２３が固定されている。この羽根２３は、取水胴部２１内を流れる水により、軸心Ｃ周りの回転力を生じるように構成されている。そのため、取水胴部２１内に水が流れると、羽根２３が回転し、その回転力が円筒部２２，回転軸３２，プーリー３１および受動プーリーａ３を介して、受動軸ａ２に伝達される。
【００２４】
取水胴部２１の外周面には、径方向外側に突出する、上部フランジ２１ａ，中間フランジ２１ｂ（本発明の被支持フランジの例），下部フランジ２１ｃが形成されている。中間フランジ２１ｂと下部フランジ２１ｃとは平板リング状に形成されている。一方、上部フランジ２１ａは、中間フランジ２１ｂや下部フランジ２１ｃよりも厚みのあるリング状に構成されており、上面よりも下面の方が小径となるよう外周面が傾斜している（図６参照）。
【００２５】
図４に示すように、中間フランジ２１ｂは、中間フランジ支持部７（本発明におけるフランジ支持部の例）によって下方から支持されている。中間フランジ支持部７は、支持板７１と、支持板７１上に固定された支持部材７２と、支持部材７２に回転可能に支持された回転部材７３と、を備えている。回転部材７３は、その回転軸心の方向が軸心Ｃの方向と直交するよう設けられており、その周面が中間フランジ２１ｂの下面に当接している。本実施形態では、３つの回転部材７３が設けられており、いずれの回転部材７３も軸心Ｃから同距離に位置し、それぞれの回転部材７３間は等間隔となっている。なお、支持板７１は動力発生部２のカバー部材（図示せず）に取り付けられており、これにより、中間フランジ支持部７が支持されている。これにより、中間フランジ支持部７は中間フランジ２１ｂを水平面で支持することができる。また、中間フランジ２１ｂは回転部材７３によって支持されているため、取水胴部２１は軸心Ｃ周りに回転することができる。なお、回転部材７３として、滑らかに回転するベアリングやローラ等を用いることができる。また、回転部材７３の数は、３つ以上であれば適宜変更可能である。
【００２６】
一方、下部フランジ２１ｃは、図５に示すように、下部フランジ支持部８によって、外周面を支持されている。下部フランジ支持部８は、２枚の板状の支持板８１と、２枚の支持板８１の間に所定の間隔を形成するためのスペーサ８２と、２枚の支持板８１の間に回転可能に設けられた回転部材８３と、を備えている。支持板８１は動力発生部２のカバー部材（図示せず）に取り付けられており、これにより、下部フランジ支持部８が支持されている。なお、図５では、分かりやすくするために、上側の支持板８１を省略している。回転部材８３の回転軸心の方向は軸心Ｃと同方向であり、その周面が下部フランジ２１ｃの外周面に当接するよう設けられている。スペーサ８２によって形成される間隔は、回転部材８３の厚みよりも若干大きくなっている。これにより、回転部材８３は支持板８１と当接することなく回転することができる。本実施形態では、３つの回転部材８３が設けられており、いずれの回転部材８３も軸心Ｃから同距離に位置し、それぞれの回転部材８３間は等間隔となっている。そのため、取水胴部２１が軸心Ｃ周りに回転する際に、その回転を阻害することなく、回転軸がぶれるのを抑制することができる。なお、回転部材８３として、滑らかに回転するベアリングやローラ等を用いることができる。また、回転部材８３の数は、３つ以上であれば適宜変更可能である。
【００２７】
図６に示すように、上部フランジ２１ａの上面の径は、落水口１１ａの径と略同一であり、上部フランジ２１ａの上面の高さは底板１１の底面の高さと略同一となっている。また、底板１１の底面には、略リング状の上部フランジ受け部６が、上部フランジ２１ａを下方から受けるように設けられている。上部フランジ受け部６の内周面形状は、上部フランジ２１ａの外周面形状に適合するよう構成されている。具体的には、内周面の径が、中間位置よりも上端側の方が大きくなるように、内周面に傾斜面が形成されている。このように構成することにより、上部フランジ受け部６は、上部フランジ２１ａの抜け止として機能するだけでなく、取水胴部２１が軸心Ｃ周りに回転する際に、回転軸がぶれるのを抑制することができる。
【００２８】
ただし、上部フランジ２１ａと上部フランジ受け部６とは、接するのではなく、取水胴部２１の中間フランジ２１ｂが中間フランジ支持部７によって支持された状態で、上部フランジ２１ａの外周面と上部フランジ受け部６の内周面との間に若干の隙間が形成されるように構成されている。このように構成することにより、上部フランジ２１ａと上部フランジ受け部６との間に形成された若干の隙間に入り込んだ水がベアリングのように機能するため、上部フランジ受け部６は取水胴部２１の回転を阻害することがない。また、この水が上部フランジ２１ａや上部フランジ受け部６を冷却するため、これらの膨張や摩耗を防止することができる。
【００２９】
このように構成することにより、回転軸３２と、取水胴部２１と、はいずれも軸心Ｃ周りに回転可能となるが、回転軸３２と取水胴部２１は直接的に回転力が伝達されない。すなわち、回転軸３２と、取水胴部２１とは、個別に軸心Ｃ周りに回転することができる。
【００３０】
図２に示すように、動力発生部２の下方には排水量調整部９が備えられている。本実施形態の排水量調整部９は、笠部９１から構成されている。笠部９１は、円錐形状または円錐台形状を有し、大径側が下方となるように固定軸３３に取り付けられている。この笠部９１は、上下方向に移動させることができる。図７に点線で示すように、笠部９１を上方に移動させた場合には、その上端が排水口２１ｅから取水胴部２１の内部に進入できるように構成されている。このように構成することにより、排水口２１ｅと笠部９１との間の隙間を調整することができ、取水胴部２１から流出する水の量を調整することができる。なお、笠部９１を上端位置に移動させた際に、排水口２１ｅを完全に閉塞できるように構成しても構わない。このように、排水量調整部９を設けることにより、水量が少ない場合には、笠部９１を上方に移動させ、取水胴部２１から排水される水量を少なくし、常に所定量以上の水が取水胴部２１内を流れるようにすることができる。これにより、用水路や小川等の少ない水量の水路であっても水力装置Ｂを使用することができる。
【００３１】
以下に、本実施形態における水力発電装置の発電方法を説明する。先ず、水力発電装置を水路に設置する。本実施形態の水力発電装置は、貯水タンク１を備えているため、落差のない水路にも設置することができる。また、上述したように、排水量調整部９を備えているため、用水路や小川等の流量の少ない水路であっても、貯水タンク１に水が貯まる程度に排水量を調整することにより、排水量を一定に保つことができ、発電量を安定させることができる。ただし、本実施形態では、水力発電装置は少なくとも水力発電装置の高さ程度の高低差のある水路の下流側（水路の低くなった部分）に設置している。なお、以下の説明では、水路の高低差のある部分の上流側を高所部分、下流側を低所部分と称する。水力発電装置を設置する際には、水路に土台Ｇを形成し、その土台に対して主軸部３の固定軸３３等を固定する。また、水路から給水管４に水を供給するためのパイプ等を敷設する。さらに、水路の高所部分から低所部分にわたって、水を流すためのパイプを敷設し、このパイプを給水管４に接続する。このように、給水経路を構成することにより、ゴミや砂等が水力装置２に流入するのを防止することができる。
【００３２】
このように水力発電装置を設置することにより、水路を流れる水は、高所部分から低所部分に流れ落ち、さらに給水管４を通って、上方の貯水タンクへと流入する。給水タンク１内に流入した水は、落水口１１ａを介して取水胴部２１内に流れ込む。このときの水の流れによって、羽根２３は軸心Ｃ周りの回転力を生じ、羽根２３は円筒部２２とともに回転する。この回転は、回転軸３２，プーリー３１，受動プーリーａ３を介して受動軸ａ２に伝達され、発電機本体１は発電をすることができる。
【００３３】
羽根２３が軸心Ｃ周りに回転する際には、当然ながら取水胴部２１内の水からの抵抗を受ける。一方、水にも回転力が作用する。このとき、水と取水胴部２１の内面との間にも抵抗が生じる。この抵抗は、羽根２３と円筒部２２とが回転することを妨げる方向に作用するため、発電効率を低下させる原因となる。
【００３４】
しかしながら、本発明に係る水力装置Ｂでは、上述したように、取水胴部２１が軸心Ｃ周りに回転可能となっている。そのため、水と取水胴部２１の内面との間に生じた抵抗によって、取水胴部２１が軸心Ｃ周りに回転する。これにより、羽根２３の回転に対する抵抗が小さくなり、羽根２３は滑らかに回転することができる。そのため、発電効率の低下を小さくすることができる。
【００３５】
〔別実施形態〕
（１）上述の実施形態では、水力装置Ｂに貯水タンク１を設けたが、落差のある水路等に設置する場合には、貯水タンク１を必ずしも設けなくともよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、少量の水量でも使用が可能な水力装置、および、これを用いた水力発電装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
ａ１：発電機
ａ２：受動軸
Ｂ：水力装置
Ｃ：軸心
Ｇ：土台
２１：取水胴部
２１ｂ：中間フランジ（被支持フランジ）
２１ｅ：排水口
２３：羽根
３２：回転軸
６：上部フランジ受け部
７：中間フランジ支持部（フランジ支持部）
７３：回転部材
９：排水量調整部
９１：笠部
【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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