(57)【要約】      （修正有）【課題】水路に配設して、水深が浅くてもダクト内に入る水流を、堰止材によって盛り上げて、堰止材の後部に下降する後斜面に配設した水車に供給し、効率の良い発電をするようにした水力発電装置を提供する。【解決手段】水路に沈設される、平面視で前部よりも後部の幅を小としたダクト２の、トンネル部２Ｅに底板を兼ねた堰止材１１を配設し、堰止材１１の縦断側面形は、前端からやや後部へかけて、急勾配の昇り弧曲面からなる前斜面１１Ａが、少なくともブレード１０の回転半径より高く盛上がり、その最高部から後端部へかけて次第に降下する弧曲面からなる後斜面１１Ｃとし、トンネル部２Ｅは、導水口２Ｇよりも排水口２Ｆの口径を小とし、後斜面１１Ｃに、水車ユニットにおけるプロペラロータ９を流水と対面するように配設し、堰止材１１の最高部１１Ｂを乗越えて、トンネル部２Ｅ内を流下する水流によって、プロペラロータ９を回転させるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水路に沈設される、平面視で前部よりも後部の幅を小としたダクトの、トンネル部に底板を兼ねた堰止材を配設し、堰止材の縦断側面形は、前端からやや後部へかけて、急勾配の昇り弧曲面からなる前斜面が、少なくともブレードの回転半径より高く盛上がり、その最高部から後端部へかけて次第に降下する弧曲面からなる後斜面とし、トンネル部は、導水口よりも排水口の口径を小とし、後斜面に、水車ユニットにおけるプロペラロータを流水と対面するように配設し、堰止材の最高部を乗越えて、トンネル部内を流下する水流によって、プロペラロータを回転させるようにしたことを特徴とする水力発電装置。 
【請求項２】
前記トンネル部は、その排水口が導水口の高さよりも堰止材の最高部の高さ分だけ下ってい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】
前記プロペラロータを備えた水車筐体を、トンネル部における後斜面と平行に配設す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】
前記プロペラロータは、ロータ軸をトンネル部の後斜面と平行とし、ロータ軸に固定したハブの周面に固定されたブレードの先端は、トンネル部の前方向きに傾斜する前向傾斜部とされてい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】
前記ダクトの外側前部に、ヒンジを介して水路壁との間の間隙を塞ぐためのシール材を配設した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】
前記ダクトの堰止材における前下部に、重錘部を形成した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、水路に配設して、水深が浅くてもダクト内に入る水流を、堰止材によって盛り上げて、堰止材の後部に下り傾斜する後斜面に水車を配設し、高速化する水流と段差による水圧により、効率の良い発電をするようにした水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロペラロータを備えた水車を配設した水路の水位が減少した場合には、プロペラロータの上面が水面から露出するため、ロータに水力を十分に受けることができなくなり、回転トルクがあがらず、発電効率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−９６２６４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におけるロータは、上部で軸支されたアームの下部に、抗力型ブレードのロータが配設されており、水面の上下移動に従ってロータを上下動させるものであるが、水路において、水深が浅くなると、プロペラロータにおいては、ブレード全体が水流を受けることができず、ブレードの下部だけに水流を受けても、回転トルクがあがらず、発電効率は極端に低下する。
これを解決する好ましい技術も見られないのは、プロペラロータを水車に使用した例が乏しいためである。
本発明は、プロペラロータを備えたダクトの内側前部に、水流を堰止める堰止材を設け、堰止材の上面を通過する水流を、後部が降下するトンネル内に導入して、高速でかつ水圧の高くなった水流を、ダクト後部におけるプロペラロータに当てて、効率の良い発電をさせるようにした水力発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するために、次のような技術的手段を講じた。  
【０００６】
（１）  水路に沈設される、平面視で前部よりも後部の幅を小としたダクトの、トンネル部に底板を兼ねた堰止材を配設し、堰止材の縦断側面形は、前端からやや後部へかけて、急勾配の昇り弧曲面からなる前斜面が、少なくともブレードの回転半径より高く盛上がり、その最高部から後端部へかけて次第に降下する弧曲面からなる後斜面とし、トンネル部は、導水口よりも排水口の口径を小とし、後斜面後部に、水車ユニットにおけるプロペラロータを流水と対面するように配設し、堰止材の最高部を乗越えてトンネル部内を流下する水流によって、プロペラロータを回転させるようにした水力発電装置。 
【０００７】
（２）  前記トンネル部は、その排水口が導水口の高さよりも堰止材の最高部の高さ分だけ下っている前記（1）に記載の水力発電装置。
【０００８】
（３）  前記プロペラロータを備えた水車筐体を、トンネル部における後斜面と平行に配設する前記（1）または（2）に記載の水力発電装置。
【０００９】
（４）  前記プロペラロータは、ロータ軸をトンネル部の後斜面と平行とし、ロータ軸に固定したハブの周面に固定されたブレードの先端は、トンネル部の前方向きに傾斜する前向傾斜部とされている前記（1）〜（3）のいずれかに記載の水力発電装置。
【００１０】
（５）  前記ダクトの外側前部に、ヒンジを介して水路壁面との間の間隙を塞ぐためのシール材を配設した前記（1）〜（4）のいずれかに記載の水力発電装置。
【００１１】
（６）  前記ダクトの堰止材における前下部に、重錘部を形成した前記（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）に記載の発明においては、ダクトのトンネル部の底に、底板を兼ねた堰止材を配設し、堰止材の縦断側面形は、前端からやや後部へかけて、急勾配の昇り弧曲面からなる前斜面が、少なくともブレードの回転半径より高く盛上がり、その最高部から後端部へかけて次第に降下する弧曲面からなる後斜面とし、トンネル部は、導水口よりも排水口を小としてあるので、水路における水深が浅くても、堰止材の前斜面によって堰止められる流水は、これを乗り越えてトンネル部内に流入する。
トンネル部内は前部が大で後部が小なので、ここに入った水流は、排水口を塞ぐように満ちるため、水路の水深が浅く、水量が少なくてもプロペラロータ全面に水流が当り、容易に回転させることができる。
またトンネル部は、後下がりに傾斜しているために、トンネル部に入った水流は、その重量が後部のプロペラロータにかかり、回転トルクを高める。
トンネル部内の後斜面後部に、水車ユニットにおける水車筐体のプロペラロータを、流水と対面するように配設したので、トンネル部を高速で通過する水流をプロペラロータの正面に直交状に受けて回転効率が高まる。
堰止材の最高部を乗越えてトンネル部内を降下する水流は、コアンダ効果によって高速流となるので、これを受けるプロペラロータの回転効率が高まる。
【００１４】
前記（2）に記載の発明においてトンネル部は、その排水口が導水口の高さよりも堰止材の最高部の高さ分だけ下がっているので、ここを通過する流水は、排水口との間に水位差が生じることとなり、プロペラロータに対して流水の重量により水圧をもかけて、回転トルクを高めることができる。
【００１５】
前記（3）に記載の発明において水車筐体は、トンネル部における後斜面と平行に配設するので、トンネル部を通過する水流は、水車筐体におけるプロペラロータに直交状に当り、水力を均等に当てることができる。
【００１６】
前記（4）に記載の発明においてプロペラロータは、ロータ軸をトンネル部の後斜面と平行とし、ロータ軸に固定したハブの周面に固定されたブレードの先端は、トンネル部の前方向きに傾斜する前向き傾斜部とされているので、トンネル部を通過してブレードに当たり、遠心方向へ移動する水流は、ブレードの前向き傾斜部の前面に当り、これを回転方向へ回動させて回転効率を高める。
【００１７】
前記（5）に記載の発明においては、前記ダクトの外側前部に、ヒンジを介して水路壁との間の間隙を塞ぐためのシール材を配設したので、水路壁とダクトとの間に間隙が生じる場合でも、シール材をヒンジを介して開閉することによって、その間隙を容易に閉塞して、ダクト内に充分量の水流を導入することができる。
【００１８】
前記（6）に記載の発明においては、前記ダクトの堰止材における前下部に、重錘部を形成したので、重錘部に石材などの重量物を詰装することにより、ダクトを水路に固定させることができる。       
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の水力発電装置の実施例１を示す平面図である。
【図２】図１の水力発電装置の中央縦断側面図図である。
【図３】図１の水力発電装置の正面図である。
【図４】図１の水力発電装置の後面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態例を、図面を参照して説明する。図１、図２において、本発明の水力発電装置１のダクト２は、水路Ｒ底に接して配設される。
平面視では、上流側を向く正面側前部の幅は水路Ｒ幅に合わせた幅とし、後部は前部の幅より狭くして、かつプロペラロータ９の直径よりもやや大としてある。ダクト２の材質は金属、ＦＲＰなどが用いられる。
【００２１】
ダクト２の上面における前部は、前端から中央後部へかけて湾入する切欠部２Ｂが形成され、その後端はトンネル部２Ｅでの最高部２Ｃとされている。
またダクト２の前部外側面に、水路Ｒの壁面とダクト２の側面との間の間隙を塞ぐためのシール材２Ｄ、２Ｄが固定されている。シール材２Ｄは、例えば幅の広い樹脂板をヒンジにより固定すれば、間隙の大小に対応させることができる。
【００２２】
ダクト２の後部には、プロペラロータ９を備えた水車筐体７と、これをダクト２の上板２Ａに支持される吊管６と、吊管６の上に連係する発電機５とからなる水車ユニット３が配設され、水路Ｒの両岸の間に架設された支持材４に、発電機５が配置固定されている。
【００２３】
発電機５から垂設された吊管６における、トンネル部２Ｅ内の下部に、水車筐体７が固定され、水車筐体７内に支持され、後方外部に突出されているロータ軸８の先端に、プロペラロータ９が装着されている。
ロータ軸８の正面側の先端と吊管６内の伝動軸６Ａの下端とは、図示しない傘歯車により伝動可能に連係されている。
【００２４】
水車筐体７は、堰止材１１の後斜面１１Ｃと平行となるように設定されている。プロペラロータ９は、ハブ９Ａの周面に複数の揚力型のブレード１０が、その先端を放射方向へ向けて固定されている。各ブレード１０の先端部は、トンネル部２Ｅの正面側前方に向けて傾斜する、前向傾斜部１０Ａとされている。
【００２５】
これにより、トンネル部２Ｅ内を通過する流水は、ブレード１０の前面に直交するように当り、ブレード１０の前面において遠心方向へ移動する水流は前向傾斜部１０Ａに当り、これを回転方向へ回転させるように作用するので、回転効率が高まる。なおプロペラロータ９は、水車筐体７の前部に配設してもかまわない。
【００２６】
図２においてダクト２の縦断側面は、底板を兼ねた堰止材１１が、前端からやや後部へかけて、急坂状に後高の昇り弧曲面を有する前斜面１１Ａとされ、上板２Ａの最高部２Ｃの直下に当たる部分を最高部１１Ｂとして、後端縁へかけて緩やかな後下がりの弧曲面を有する後斜面１１Ｃとされている。排水口２Ｆにおけるトンネル部２Ｅの上板２Ａの後端縁は、やや上向きとしてあり、トンネル部２Ｅ内を加圧されて通過する流水が、後方へ抜けやすくなっている。
【００２７】
前記堰止材１１における最高部１１Ｂの高さは、例えばブレード１０の回転半径よりも大としてある。また、トンネル部２Ｅ内における堰止材１１の上面から、その上部にある上板２Ａまでの高さは、最高部２Ｃから後部の排水口２Ｆへかけて、次第に低くなるように形成されている。
【００２８】
これによって、トンネル部２Ｅ内に入った水流は、堰止材１１の最高部１１Ｂを通過すると同時に、コアンダ効果により高速流となり、かつ後斜面１１Ｃを重量により水圧をかけながら排水口２Ｆ外へ通過し、プロペラロータ９を効率良く回転させる。
【００２９】
図３における正面視において、ダクト２の高さが、横幅の長さより高く設定されている。これは堰止材１１の高さを、ブレード１０の回転半径よりも高くしてあるためであるが、水路Ｒの幅や深さにより適宜変化させる。
【００３０】
図４における後面視において、排水口２Ｆの大きさは、トンネル部２Ｅの導水口と比較して小とされ、かつプロペラロータ９の直径よりもやや大としてある。
これによって、水路Ｒの前方からトンネル部２Ｅに入った水流は、口径が次第に小となり、かつ水位が低くなる排水口２Ｆへかけて、重量による水圧を加えて通過するので、プロペラロータ９の回転トルクを高めることになる。
【００３１】
水力発電装置１は、水路Ｒ内に沈設させて、繋留索１２で繋留させるとか、任意の固定手段により、固定する。
或いは、図２における堰止材１１の前下部に重錘部１１Ｄを形成して、石材などの重量物を内蔵させることにより、流動を抑止することができる。
【００３２】
図２において、水路Ｒの水深が、例えば堰止材１１の高さの半分程度に減少した場合には、プロペラロータ９の半分程度しか水没しなくなる。
しかし、本願の水力発電装置１においては、ダクト２内の堰止材１１によって水路Ｒの流水が堰止められるので、ダクト２内に入った流水は、堰止材１１の昇り弧曲面からなる前斜面１１Ａから、最高部１１Ｂを越えてトンネル部２Ｅ内に入り、コアンダ効果により高速となって後斜面１１Ｃを流下する。
【００３３】
この場合、最高部１１Ｂよりも排水口２Ｆの位置が低いことと、排水口２Ｆの口径が導水口２Ｇのそれよりも小なので、水位差による重力と水圧がかかり、プロペラロータ９は効率の良い回転をし、発電効率を高める。     
【００３４】
トンネル部２Ｅは、前部の幅が広く、かつ高さも高い。これに対してトンネル部２Ｅ後部の排水口２Ｆは、高さも前部よりも低く、幅も狭くなっているので、水路Ｒに６ける水深が浅くなっても、トンネル部２Ｅの後部ではプロペラロータ９全体を水没させ、かつ下り勾配となっているので、重量による水圧がプロペラロータ９にかかることとなり、回転効率と回転トルクが高まる。  
【００３５】
水路Ｒが増水すると、上板２Ａの部分を乗り越えて流水は流下されることとなる。水量が多い時は、ダクト２内の前斜面１１Ａに当る水流は、加圧されて前斜面１１Ａを昇り、最高部１１Ｂを通過するとともに、コアンダ効果により高速流となって、後斜面１１Ｃを排水口２Ｆ外へと通過する過程で、プロペラロータ９を効率良く回転させて発電させる。
【００３６】
前記堰止材１１は、水路Ｒの水流を堰止めることと、トンネル部２Ｅ内の前部と後部との水位差をつける作用を有している。
トンネル部２Ｅは、後部を前部よりも口径を小として、かつ後下がりに傾斜させたことにより、排水口２Ｆへの水圧を高め、水路Ｒにおける少ない水流を、効率良くプロペラロータ９に供給することができる。  
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の水力発電装置は、ダクトの底板を堰止材として、水路の水流を前斜面で堰止めて、最高部からトンネル内を高速で排水口へ通過させ、後部でロータを回転させるので、水路における水量が少ない時でも、効率の良い発電をさせることのできる水力発電に利用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１．水力発電装置
２．ダクト
２Ａ．上板
２Ｂ．切欠部
２Ｃ．最高部
２Ｄ．シール材
２Ｅ．トンネル部
２Ｆ．排水口
２Ｇ．導水口
３．水車ユニット
４．支持材
５．発電機
６．吊管
６Ａ．伝動軸
７．水車筐体
８．ロータ軸
９．プロペラロータ
９Ａ．ハブ
１０．ブレード
１０Ａ．前向傾斜部
１１．堰止材
１１Ａ．前斜面
１１Ｂ．最高部
１１Ｃ．後斜部
１１Ｄ．重錘部
１２．繋留索
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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