(57)【要約】【課題】上部に液体を貯留するタンクを必要としない簡単な構成で、液体を強力に汲み上げる循環ポンプを用いて、効率よく発電することができる循環式の小型水力発電装置を提供する。【解決手段】液体を循環させて発電を行う小型水力発電装置において、液体を貯留する貯留タンク５と、貯留タンク５内の液体を吸入して吐出する循環ポンプ２と、循環ポンプ２から吐出された液体を上方へ導き、該液体を下方へ導くように湾曲する管２０と、貯留タンク５の上部に設けられ、管２０から落下する液体の流れで回転し、貯留タンク５内に液体を流す水車３と、水車３の回転に連動して発電を行う発電機４から構成される。貯留タンク５と、循環ポンプ２と、管２０と、水車３と、発電機４を１つの架台１０に収納してもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を循環させて発電を行う小型水力発電装置において、
液体を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンク内の液体を吸入して吐出する循環ポンプと、
前記循環ポンプから吐出された液体を上方へ導き、該液体を下方へ導くように湾曲する管と、
前記貯留タンクの上部に設けられ、前記管から落下する液体の流れで回転し、前記貯留タンク内に液体を流す水車と、
前記水車の回転に連動して発電を行う発電機と、
から構成されることを特徴とする小型水力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の小型水力発電装置であって、前記貯留タンクと、前記循環ポンプと、前記管と、前記水車と、前記発電機と、を収納する架台を備えることを特徴とする小型水力発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の小型水力発電装置であって、さらに、前記循環ポンプを起動させる電動機を備えることを特徴とする小型水力発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の小型水力発電装置であって、前記循環ポンプは、液体と空気を吸入して吐出することを特徴とする小型水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環ポンプを用いた循環式の小型水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、震災等による急な停電に対応するため、電力会社からの供給によらず各家庭や会社で発電する装置、いわゆる自家発電装置の需要が高まっている。自家発電装置の候補の１つに水力発電装置がある。一般に、水力発電は高所から低所へ水を落下させることで水車を回して、発電機に回転動力を与えて発電するものである。大容量の電力を得る水力発電として、ダムや貯水池、発電所のような大規模な設備が知られている。一方、自家発電装置で必要な電力には、上記のような大規模な設備は必要なく、小型の水力発電装置で充分であり、その需要が高まっている。特に、小型で場所をとらず、容易に設置できるような水力発電装置が望まれている。
【０００３】
小型の水力発電装置として、例えば特許文献１が開示されている。特許文献１の水力発電装置は、上部水収納部と下部水収納部を備え、下部水収納部から上部水収納部へ揚水をする揚水部を有し、上部水収納部から水車部に落水させて、水車に連結して発電する発電部を備えている。それにより、落差がないような場所でも発電でき、また、大水量がなくても発電ができるとされている。
【０００４】
別の小型の水力発電装置として、特許文献２が開示されている。特許文献２の発電装置は、液体溜まりから液体を汲み上げる装置と、汲み上げた液体を貯留するタンクと、このタンクから落下する液体により回転する羽根車と、この羽根車に連結されて発電する発電機を備えている。それにより、少ない電力量で多量の液体を汲み上げて効率よく発電できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−９２９３４号公報
【特許文献２】特開２００７−２５５２７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、２の発電装置は、いずれも小型で液体を循環させて発電する発電装置であるが、下部と上部に液体を貯留するタンク（水収納部）を備えているため、部品点数が多く、複雑な構成である。そのため、製作に費用がかかり、修理や清掃などのメンテナンスにも手間がかかる。よって、より簡単な構成で効率よく発電できる小型の発電装置が望まれる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、上部に液体を貯留するタンクを必要としない簡単な構成で、液体を強力に汲み上げる循環ポンプを用いて、効率よく発電することができる循環式の小型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】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、液体を循環させて発電を行う小型水力発電装置において、液体を貯留する貯留タンクと、前記貯留タンク内の液体を吸入して吐出する循環ポンプと、前記循環ポンプから吐出された液体を上方へ導き、該液体を下方へ導くように湾曲する管と、前記貯留タンクの上部に設けられ、前記管から落下する液体の流れで回転し、前記貯留タンク内に液体を流す水車と、前記水車の回転に連動して発電を行う発電機と、から構成されることを特徴とする小型水力発電装置である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の小型水力発電装置であって、前記貯留タンクと、前記循環ポンプと、前記管と、前記水車と、前記発電機と、を収納する架台を備えることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の小型水力発電装置であって、さらに、前記循環ポンプを起動させる電動機を備えることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は請求項１〜３のいずれかに記載の小型水力発電装置であって、前記循環ポンプは、液体と空気を吸入して吐出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の循環式の小型水力発電装置によると、上部に液体を貯留するタンクを必要としない簡単な構成で、液体を強力に汲み上げる循環ポンプを用いて効率よく発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る小型水力発電装置の正面図である。
【図２】図１に示す小型水力発電装置の平面図である。
【図３】図１に示す小型水力発電装置の側面図である。
【図４】図１に示す小型水力発電装置の水車と発電機の連動を示す説明図である。
【図５】図１に示す小型水力発電装置の循環ポンプの正面断面図である。
【図６】図１に示す小型水力発電装置の循環ポンプの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態（以下実施例と記す）を、図面に基づいて説明する。なお、
以下の図において、共通する部分には同一の符号を付しており、同一符号の部分に対して
重複した説明を省略する。なお、以下の実施例では小型水力発電装置に使用する液体として水を例に挙げて説明するが、本発明は水に限定されず、他の液体を使用することもできる。
【００１２】
［小型水力発電装置の全体構成］
本発明の小型水力発電装置の構成について、図１〜４を参照して説明する。図１は、本実施例に係る小型水力発電装置１の正面図である。図２は、図１の小型水力発電装置１の平面図、図３はその側面図、図４は水車と発電機の連動を示す説明図である。
【００１３】
小型水力発電装置１は、水を貯留する貯留タンク４と、貯留タンク５内の液体を吸入して吐出する循環ポンプ２と、この循環ポンプ２から吐出された液体を上方へ導き、下方へ導くように湾曲した管２０と、貯留タンク５の上部に設けられ、管２０から落下する水の流れで回転し、貯留タンク５内に液体を流出する水車３と、水車３の回転に連動して発電を行う発電機４から構成される。
【００１４】
本発明では、水車３を貯留タンク５の上部に設置し、発電機４と連動するように設置する。例えば、水車３と発電機４を台の上に載せて、貯留タンク５と循環ポンプ２を台の下に置き、循環ポンプ２と水車３を管２０で接続して小型水力発電装置１を構成することができる。本実施例では、図１に示すように、貯留タンク５と、循環ポンプ２と、管２０と、水車３と、発電機４を２段式の１つ架台１０に収納する。架台１０にこれらの機材を収納することは、本発明の必須要件ではないが、架台１０に収納することで、コンパクトに設置でき、持ち運びの際にも便利である。
【００１５】
図１に示すように、架台１０は２段式であり、１段目に貯留タンク５と循環ポンプ２、２段目に水車３と発電機４を設置している。水車３は循環ポンプ２と管２０で接続され、管２０から落下する水の流れで回転する。また、水車３はその下の貯留タンク５と筒体３０で接続されており、水車３を通った水は貯留タンク５内に流される。
【００１６】
架台１０は、例えば、軽量かつ強度のある金属製（ステンレス、アルミニウムなど）の角パイプ材１４と板材（プレート）を使用する。図１〜３に示すように、角パイプ材１４を使用して２段のボックス状フレームを組み立て、貯留タンク５と循環ポンプ２を設置する場所に板材１２、２段目の水車３と発電機４を設置する場所に板材１３を配設して架台１０を構成する。架台１０の寸法は、例えば底面を１９６０×１１００ｍｍ、高さを１８００ｍｍとすることができる。架台１０の寸法は、これに限定されないが、運搬しやすい寸法とすることが好ましい。また、図１、３に示すように架台１０の下部にアジャスターボルト（アジャスターパッド）１５を取り付けてもよい。アジャスターボルト１５を取り付けることで上下、水平の調節が行え、小型水力発電装置１や床面への衝撃吸収の効果がある。
【００１７】
図１に示すように、底面の略半分（左側）に貯留タンク５を設置し、略半分（右側）に循環ポンプ２を設置する。貯留タンク５は、耐食性に優れたステンレス材などを使用することができる。貯留タンク５の寸法は、１段目の略半分に収まるように、例えば底面を９８０×９８０ｍｍ、高さを７７３ｍｍとすることができる。それにより、水は、最大で７４２３８９立方ｃｍ（約７４２リットル）貯めることができる。また、貯留タンク５には、循環ポンプ２に水を流すための孔が側面に穿設せれ、この孔に管（パイプ）が嵌められ、循環ポンプ２に接続される。さらに、水車３からの水を受ける孔が上面に穿設され、この孔に管（筒体３０）が嵌められ、水車３と接続される。
【００１８】
循環ポンプ２の詳細は後述するが、図２の平面図に示すように、２段目の水車３と発電機４が設置されている位置と対角線上に位置するように１段目に設置される。このような配置とすることで、架台１０の一方に機材が偏ることなく、バランスよく機材を設置できる。以上のように貯留タンク５、循環ポンプ２、水車３と発電機４を架台１０に設置した後、架台１０の上面、正面、背面、左右側面にカバー（図示せず）を取り付けてもよい。カバーは例えば、冷間圧延鋼板と防音材を重ねたカバーを使用することができる。また、水車３と発電機４を設置した場所のカバーには、その駆動状態を確認するために無色透明のアクリル板を使用することができる。架台１０にカバーを取り付けることで、汚れを防止し、耐久性を高める効果や防音効果などがある。
【００１９】
循環ポンプ２から吐出された水は管２０を介して水車３に落下する。図１、３に示すように、管２０は水を上方へ導く揚水管と、下方へ導くように湾曲した湾曲管を継手（へルール）で接続して構成される。本実施例では、管２０の半径は７６ｍｍ、揚水管の長さは８１６ｍｍ、湾曲管は半径３００ｍｍの半円の長さである。管２０は、循環ポンプ２の吐出口と、水車３の入口管においても、同様に継手で接続される。管２０の材質は、貯留タンク５と同様に、耐食性に優れたステンレス材を使用することができる。
【００２０】
水車３は、いかなるものでもよいが、本実施例では、既存のクロスフロー水車を使用する。水車３は、板材１３のベース上に設置され、入口管、羽根、プレート、回転軸、軸受、出口管（筒体３０）、水車カバー（ケース）等の主要部品で構成される。また、これらの主要部材には、耐食性に優れたステンレス材やアルミニウム材が使用されている。水車３は、管２０から落下する水の流れで高速に回転し、その回転の駆動力を、回転軸を介して発電機４に伝える。具体的には、水車３の回転軸に取り付けたプーリー（車輪のような回転体）にベルトをかけ、発電機４のプーリーに同じベルト３１をかけて繋ぎ、水車３の回転の駆動力を発電機４に伝えて連動する（図２、図４）。なお、図１においては、図面の複雑化を避けるためベルト３１の図示を省略している。
【００２１】
図４は、水車３と発電機４のプーリーにベルト３１をかけて繋いだ説明図である。水車３と発電機４の歯数をそれぞれ９０と３０にして、回転比率を３：１とすることができる。回転比率は、これに限定されない。発電機４は、水車３と同様に板材１３のベース上に設置され、水車３の駆動力を受けて高速で回転し、所定の電力を発生する。このようにして、発電機４から電線（図示せず）を介して、他の装置に電力を供給することができる。なお、本実施例では、水車３と発電機４を別の装置として説明したが、水車３と発電機４が一体化した装置を使用してもよい。
【００２２】
［循環ポンプの構成］
次に循環ポンプ２について図５と図６を参照して説明する。図５は循環ポンプの正面断面図であり、図６は側面図である。循環ポンプ２は、貯留タンク５から水を吸い込み、吸い込んだ吸入口２１の軸と垂直な方向の管２２に水を吐出するタイプのポンプ（遠心ポンプ）であれば、いかなるものでもよい。遠心ポンプは、吸入した水をケーシング内の羽根車に流して回転させ、その遠心力で水を押し上げて吐出するポンプである。本実施例では、高圧力が得られるよう工夫された加圧遠心ポンプ（例えば特願２０１６−２５６１６３の加圧ポンプ）を使用する。
【００２３】
図５と図６に示すように、循環ポンプ２は、板材１２のベース２９上に設置され、吸入口２１、吐出口２２、羽根車（インペラ―）２４、回転軸（シャフト）２５、軸受け部２３、ケーシング２６等の主要部品で構成され、複数のボルト２７とシール材により取り付けられている。また、これらの主要部材には、耐食性に優れたステンレス材やアルミニウム材が使用されている。貯留タンク５のパイプと循環ポンプ２の吸入口２１を接続するため、吸入口２１にはフランジ２８が設けられている。なお、図６において、図面の複雑化を避けるため羽根車２４の羽根の図示を省略しているが、羽根車２４は羽根板の側面に複数の羽根を放射状に突設して形成される。
【００２４】
吸入口２１からケーシング２６内に流れた水はで羽根車２４を高速回転して、水に作用する遠心力により、吐出口２２から水を押し上げて吐出する。吸入口２１付近に空気を吸入する吸入口を設けて、水と空気を一緒に吸入する構成としてもよい。本実施例では、空気を吸入する吸入口（図示せず）を設けて、水と空気を吸入して高圧の水と空気を吐出する。
【００２５】
循環ポンプ２の起動時は、羽根車２４は停止しているため、その起動にモーター（電動機）６を使用する（図１参照）。モーター６は、架台１０の外部から接続して構成してもよいが、本実施例では、架台１０内の循環ポンプ２の横に設置する。モーター６と一体化した循環ポンプ２を使用してもよい。循環ポンプ２の回転軸２５をモーター６に接続して、循環ポンプ２を起動させ、羽根車２４が一定の速度で回転した後は、モーター６の電源を切る。羽根車２４が一度、回転した後は、貯留タンク５からの水が常に流れ込むことにより、連続的に安定して回転する。このようにして、循環ポンプ２を安定して駆動させることができる。また、循環ポンプ２を停止させたい場合には、ストッパー（図示せず）を操作して、羽根車２４の回転を停止させることができる。
【００２６】
以上、説明してきた様に、本発明の小型水力発電装置は、水を強力に汲み上げる循環ポンプを用いているため、上部に液体を貯留するタンクを必要とせず、従来に比べて簡単な構成とすることができる。それにより、製造費用を抑えることができ、清掃やメンテナンスの際にも手間を省くことができる。また、本発明の小型水力発電装置は、少ない電力（起動電力）で、多量の水を吐出できる循環ポンプを使用しているため、効率よく発電させることができる。
【００２７】
さらに、本発明の小型水力発電装置は、１つの架台にコンパクトに収納でき、運搬しやすく、電力が必要な場所で発電させることができるため、自家発電装置として利用することができる。カバーを取り付けた小型水力発電装置は、防音性、耐食性に優れているため、屋外に設置することも可能である。また、小型水力発電装置を複数個、設置することでより多くの電力を得ることができ、商業施設においても使用することができる。
【００２８】
なお、上述した実施例の小型水力発電装置は一例であり、その構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１      小型水力発電装置
２      循環ポンプ
３      水車
４      発電機
５      貯留タンク
６      電動機（モーター）
１０    架台
１２    板材
１３    板材
１４    角パイプ材
１５    アジャスターボルト
２０    管
３０    筒体
３１    ベルト
２１    吸入口
２２    管
２３    軸受け部
２４    羽根車（インペラ―）
２５    回転軸（シャフト）
２６    ケーシング
２７    ボルト
２８    フランジ
２９    ベース
【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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