(57)【要約】【課題】縦向きに設置して設置面積をコンパクト化しながら、水車全体において流水から効率良く回転力を得られる、傘型螺旋水車を提供する。【解決手段】円錐形の回転胴１１と、該回転胴１１の外周面へ螺旋状に設けられた複数枚の回転羽根１２とを有する。回転羽根１２は、回転胴１１の外周面から水平外方に延在しており、上方から下方にかけて徐々に傾斜角度が緩やかとなっている。回転羽根１２の外縁には、上方へ立設するガイド壁１３も設けることが好ましい。回転胴１１の頂部を上方にして回転軸を縦向きに設置し、上方から落下してくる流水圧を受けて回転する。【選択図】図５
2015086830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転胴と、該回転胴の外周面へ螺旋状に設けられた回転羽根とを有し、
前記回転胴は円錐形であり、
前記回転羽根は、前記回転胴の外周面から径方向外方に向けて設けられ、上方から下方にかけて徐々に螺旋の傾斜角度が緩やかとなっており、
前記回転胴の頂部を上方にして回転軸を縦向きに設置し、上方から落下してくる流水圧を受けて回転する、傘型螺旋水車。
【請求項２】
前記回転羽根の外縁に、上方へ立設するガイド壁が設けられている、請求項１に記載の傘型螺旋水車。
【請求項３】
前記回転羽根が複数枚並設されている、請求項１または請求項２に記載の傘型螺旋水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転胴と、該回転胴の外周面へ螺旋状に設けられた回転羽根とを有し、上方から流れてくる流水圧を受けて回転する螺旋水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の螺旋水車として、例えば下記特許文献１が提案されている。特許文献１の螺旋水車は、中空円筒形の回転胴と、該回転胴の外周面へ螺旋状に設けられた回転羽根とを有する。ここでの回転羽根は、回転胴の外周面から径方向外方に向けて延在しており、上方の始端から下方の終端にかけて全体的に螺旋の傾斜角度は同じである。すなわち、始端から終端にかけて回転羽根は同じ螺旋ピッチで設けられている。一方、回転胴の下端部のみは、その他の部位と比べて小径となっている。そのうえで、斜面とされた水路上へ螺旋水車を斜め横置きに設置し、斜面の上方から流れてくる流水圧を回転羽根が受けることで、螺旋水車が回転する構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１７４１９８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では、螺旋水車の回転力を生み出す水の流れを斜面によって確保し、螺旋水車は基本的に横置きとしているので、十分な水の流れを作るための高低差を設けるには比較的大きな設置面積を必要とする。これでは、狭小な敷地や屋内等に螺旋水車を設けるには不向きである。
【０００５】
この問題を解決するには、単純には水を自由落下させ螺旋水車を縦向きに設置することが考えられる。しかしながら、このような螺旋水車を単に縦向きに設置すると、次のような問題が生じる。先ず、このように衝動式の縦型螺旋水車とした場合、流水が回転羽根を伝うことで水の位置エネルギーが螺旋水車の運動（回転）エネルギーに変換されることになるが、このとき、螺旋水車を回転させるには流水速度がある程度速くなければならない。具体的には、流水速度が回転軸方向の水車螺旋面の移動速度より速ければ水の位置エネルギーが螺旋水車の回転力として作用するが、流水速度が回転軸方向の水車螺旋面の移動速度と同等であれば、水は単に螺旋水車と一体となって流動（落下）していくのみであり、螺旋水車の回転力は生じない。さらに、流水速度が回転軸方向の水車螺旋面の移動速度よりも小さいと、水が上方の螺旋面を回転と反対向きに押すように作用してしまう。ここで、回転軸方向の水車螺旋面の移動速度は、回転羽根が回転軸を一巻きする間の回転軸方向距離と回転速度の積である。
【０００６】
ここで、螺旋水車を縦向きに設置した場合、螺旋水車の上部では流水速度が速いが、水の位置エネルギーが螺旋水車の回転エネルギーとして利用されることで、回転羽根を伝って下方へ流動して行くにしたがって流水速度は徐々に減衰していく特性を有する。したがって、単に螺旋水車を縦向きに設置したところで、流水圧を受けて回転力を生み出しているのは螺旋水車の上部のみであり、中間部や下方部では水が螺旋水車と一体的に流動したり螺旋水車の外方へ飛び出したりするだけで、回転力は生み出されないおそれがある。これでは、回転羽根の始端から終端にかけて全体的に水の位置エネルギーを有効利用できず非効率であるばかりか、螺旋水車をコンパクト化する意味においても無駄が生じてしまう。
【０００７】
そこで、上記課題に鑑みて本発明者らが鋭意検討の結果、螺旋水車を縦向きに設置して設置面積のコンパクト化を図りながら、当該螺旋水車を末広がりなテーパー形状とし、且つ回転羽根の螺旋ピッチを変更することで上記課題を解決できることを知見し、本発明を完成させるに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は上記課題を解決するものであって、縦向きに設置して設置面積をコンパクト化しながら、回転羽根の全体において流水から効率良く回転力を得られる、傘型螺旋水車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】
【０００９】
そのための手段として、本発明の螺旋水車（水車装置のランナ）は、回転胴と、該回転胴の外周面へ螺旋状に設けられた回転羽根とを有し、前記回転胴が円錐形となった傘型を呈する。前記回転羽根は、前記回転胴の外周面から径方向外方に向けて設けられており、上方から下方にかけて徐々に螺旋の傾斜角度が緩やかとなっている。すなわち、上方から下方にかけて回転羽根の螺旋ピッチ（上下に重なる回転羽根間の距離）が徐々に小さくなっている。そして、前記回転胴の頂部を上方にして回転軸を縦向きに設置したうえで水を上方から落下させ、その流水圧を受けて回転する構成となっている。
【００１０】
本発明では、螺旋水車の回転軸を縦向きにして回転羽根が上下に重なるように設置したうえで、水を上方から落下させていることで、螺旋水車ないしこれを使用した水車装置の設置面積を従来よりも大幅に小さくすることができる。
【００１１】
この場合、螺旋水車に衝突して回転羽根を伝い流れる流水速度は、螺旋水車の下方へ行くほど遅くなる特性を有する。このとき、流水速度が遅くなると水の流水断面の増加に伴う乱流が発生し水の粘性摩擦により運動エネルギーの損失が大きくなる。したがって、流水圧を受けて螺旋水車の回転力を得るには、流水速度の低下に伴い流水断面（水が流れる軌跡の直径）を大きくする必要がある。例えば、流水速度が１／４となれば、４倍の流水断面が必要となる。そこで、本発明では回転胴を円錐形としたうえで、その外周面に回転羽根を設けているので、回転羽根も含めた螺旋水車全体の外形が末広がりな傘型となっている。これにより、下方へ行くほど流水断面が大きくなり、回転羽根全体で無駄なく回転力を得ることができる。
【００１２】
また、下方へ行くほど流水速度が遅くなることに伴い、回転軸方向の水車螺旋面の移動速度も下方に行くほど遅くする必要がある。その理由は上述のとおりである。そこで本発明では、回転羽根の傾斜角度を、上方では急角度にし、下方に行くに従い徐々に緩やかな角度として、下方へ行くほど螺旋ピッチが小さくしている。これにより、螺旋水車の上部では回転軸方向の水車螺旋面の移動速度は速いが、下方へ行くほど回転軸方向の水車螺旋面の移動速度が遅くなり、上部から下部にかけて螺旋水車のどの位置でも回転軸方向の水車螺旋面の移動速度より流水速度のほうが速くなり、回転羽根全体において流水圧から無駄なく回転力を得ることができる。
【００１３】
上記構成によって、螺旋水車に衝突した水は、基本的には回転羽根上を円滑に流動していくことになるので、回転胴から径方向外方へ延在する回転羽根のみでも十分な回転力を得ることができる。しかし、回転羽根のみでは水が螺旋水車の外方へ飛散することもある。これでは、エネルギーの損失が生じる。そこで、回転羽根に加えてその外縁から立設するガイド壁も設けておけば、水の飛散量を大幅に減少することができ、エネルギー損失の低減を図ることができる。しかも、ガイド壁も流水圧を受けることで、当該ガイド壁においても回転力を得ることができる。
【００１４】
前記回転羽根を複数枚並行して設けていれば、得られる回転力を向上することができる。また、水が複数枚の羽根に分かれて流入すると１枚あたりの流入量が小さくなるため、流量に対して水車体積を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の傘型螺旋水車によれば、縦向きに設置して設置面積をコンパクト化しながら、回転羽根の全体において流水から効率良く回転力を得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態１の斜視図である。
【図２】実施形態１の平面図である。
【図３】実施形態１の縦断面図である。
【図４】傘型螺旋水車を使用した水力発電装置の断面図である。
【図５】実施形態２の斜視図である。
【図６】実施形態２の平面図である。
【図７】実施形態３の側面図である。
【図８】実施形態４の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（実施形態１）
本実施形態１の螺旋水車１０は、図１〜３に示すように、回転ベースとなる回転胴１１と、回転胴１１の外周面へ螺旋状に設けられた回転羽根１２とを有し、全体としては末広がりな傘型となっている。回転胴１１は円錐形を呈し、上方から衝突する水を各回転羽根１２へ効率よく分水するため、最頂部は尖っている。回転胴１１の下面には、水力発電の発電機等に連結される連結棒等が接続されることになる。
【００１８】
回転羽根１２は、回転胴１１の頂部から下端部にかけて複数枚（本実施形態では６枚）並行して設けられている。回転羽根１２が回転胴１１の頂部から始まっていることで、螺旋水車１０へ水が衝突した直後から回転力を得ることができる。また、回転羽根１２が複数枚並設されていることで、単位水量に対して得られる回転力が大きくなる。なお、回転羽根１２の外方張り出し寸法は、上方の始端から下方の終端にかけてほぼ同じである。
【００１９】
また、回転羽根１２は、回転胴１１の外周面から径方向外方に向けて設けられている。本実施形態１では、図３に示すように、回転羽根１２は回転胴１１の外周面から径方向外方へ向けて水平に延在しており、回転軸に対して直角に設けられている。回転羽根１２が回転軸に対して鋭角（やや上向き）に設けられていると、水が回転羽根１２上を流動していく際に回転軸（内側）に向かって流動することで、運動エネルギーの損失が生じる。一方、回転羽根１２が回転軸に対して鈍角（やや下向き）に設けられていると、水が回転羽根１２上を流動していく際に外向に向かって流動することで、やはり運動エネルギーの損失が生じる。これに対し、回転羽根１２を回転軸に対して直角に設けていれば、上記のような運動エネルギーの損失は生じ難い。回転羽根１２は、回転胴１１の接線方向に対して常に外側へ向けて延びている。
【００２０】
また、回転羽根１２は、螺旋水車１０の上部から下部にかけて徐々に傾斜角度が小さくなっている。すなわち、回転羽根１２は、上方の始端から下方の終端にかけて徐々に螺旋ピッチが小さくなっている。本実施形態１では、図１に示すように、螺旋水車１０の上部Ｐｕでの傾斜角度は急角度（本実施形態では約８０°）となっており、螺旋水車１０の中間部Ｐｍでの傾斜角度は上部Ｐｕより少し緩やか（本実施形態では約６０°）となっており、螺旋水車１０の下部Ｐｒでの傾斜角度は最も緩やか（本実施形態では約４５°）で、３段階で緩やかになっている。本実施形態１では、複数枚の短寸な小片を繋ぎ合わせて回転羽根１２を形成している。
【００２１】
当該螺旋水車１０は回転軸が縦向きとなるように設置され、水は螺旋水車１０の上方から自由落下させればよい。このような構成の螺旋水車１０は、典型的には水力発電装置に適用することができる。そこで、当該螺旋水車１０を使用した水力発電装置の一例を図４に示す。図４に示すように、水力発電装置１００は、縦向きに設置された螺旋水車１０が内部に収容されたケーシング１０１と、ケーシング１０１の上方へ連続する自由落下部１０２と、自由落下部１０２の上方に設けられた水槽１０３とを有する。ケーシング１０１内には、螺旋水車１０が回転自在に設けられており、当該螺旋水車１０の下方に発電機１０５が設けられている。符号１０６は、水力発電に使用した水の排水管である。水槽１０３内には水力発電に使用するための水が貯留されており、自由落下部１０２内を水が自由落下していくことになる。符号１０７は、水槽１０３に水を供給する給水管である。なお、水槽１０３の排水口直下には、ハニカム状の細孔を有する整流器１０８が設けられている。これにより、水が自由落下していく際に外方へ拡散することが防止される。また、水槽１０３の排水口及び整流器１０８の中心と螺旋水車１０の回転軸とは同軸上にあり、自由落下する水は螺旋水車１０の回転胴１１の頂部を中心に衝突するよう設計されている。
【００２２】
この水力発電装置１００によれば、給水管１０７を通して供給された水力発電に使用するための水Ｗは、一旦水槽１０３に貯留されることで、排水口における水圧の変動が調整される。螺旋水車１０へ流入する水の径と流速は、水槽１０３内の貯水量や整流器１０８の細孔径等によって調整することができる。整流器１０８を介して自由落下した水Ｗは、整流されていることで、外方へ拡散することなく１本のきれいな柱状となって落下していき、縦向きに設置した螺旋水車１０の頂部へ衝突する。このとき、自由落下する水Ｗは下方へいくほど（落下距離が大きくなるほど）落下速度が速くなるため、水柱の直径は徐々に小さくなる。そのうえで、水（位置エネルギー）の損失を無くすため、回転羽根１２の始端の外形寸法（外径）は、自由落下する水柱の直径より大きくしておくことが好ましい。
【００２３】
螺旋水車１０に衝突した水Ｗは、衝突直後に頂部において各回転羽根１２へ分水され、図２に示すように、各回転羽根１２が流水圧を受けて螺旋水車１０が水Ｗの流動方向と反対方向に回転する。このとき、各回転羽根１２を回転胴１１の頂部から下端部にかけて設けたうえで、螺旋水車１０を末広がりな傘型となっていること、及び各回転羽根１２の傾斜角度が上方から下方にかけて徐々に緩やかとなることで、エネルギー損失が少なく螺旋水車１０全体で回転力を効率良く得られる。各回転羽根１２を抜け落ちた水Ｗは、排水管１０６から排水されていく。
【００２４】
（実施形態２）
上記実施形態１では、回転胴１１へ外方に延在する回転羽根１２のみを設けたが、図５，６に示す実施形態２のように、回転羽根１２の外縁へ、上方へ立設するガイド壁１３を設けることもできる。これによれば、ガイド壁１３によって回転羽根１２上を流動していく水が外方へ飛散することを防止し、エネルギー損失を低減できる。しかも、流水圧がガイド壁１３にも作用することで、当該ガイド壁１３においても回転力を得ることができ、単位水量当たりの回転力がさらに向上する。そのため、本実施形態２では、回転羽根１２を実施形態１のように回転軸に対して直角に設けるのみならず、回転軸に対して鈍角（やや下向き）に設けることもできる。その他は実施形態１と同様なので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２５】
（実施形態３）
また、上記実施形態１では回転羽根１２を６枚並設したが、回転羽根１２の並設枚数は６枚に限られず、２枚〜８枚程度の範囲で適宜設計できる。または、図７に示す実施形態３の螺旋水車２０のように、回転羽根２２を回転胴２１の外周面へ１枚のみ設けることもできる。また、回転羽根２２の螺旋の傾斜角度も、上記実施形態１のような角度に限定されない。例えば実施形態３では、螺旋水車２０の上部Ｐｕにおける回転羽根２２の傾斜角度は約８５°、中間部Ｐｍでは約４５°、下部Ｐｒでは約３０°としている。その他、実施形態３における基本的構成やこれに基づく作用効果等は実施形態１と同様なので、その説明を省略する。
【００２６】
（実施形態４）
なお、実施形態３の螺旋水車２０にも、図８に示す実施形態４のように、回転羽根２２の外縁へ、上方に立設するガイド壁２３を設けることができる。
【００２７】
（その他の変形例）
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、これらに限られることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、さらに種々の変形が可能である。例えば、回転羽根の傾斜角度（螺旋ピッチ）は、上方の始端から下方の終端にかけて徐々に緩やかとなっていれば、上記実施形態１〜４のように３段階で傾斜角度を変えるほか、２段階で変えてもよいし、４段階以上に細かく分けて変えることもできる。または、傾斜角度の明確な変更点を設けず、一連一体の回転羽根の傾斜角度を流線的に変わっていくよう形成することもできる。
【００２８】
回転胴の内部は、中実でもよいし、中空でも良い。中空円錐形としていれば、内部空間に発電機を収容するなど有効利用することもできる。回転羽根は、必ずしも回転胴の頂部から下端部にかけて全体的に配す必要はなく、頂部及び／又は下端部から所定量隔てた位置から回転羽根を設けることもできる。また、回転胴の頂部はかならずしも尖っている必要はなく、頂部が平坦な円錐台形とすることもできる。
【符号の説明】
【００２９】
１０・２０  螺旋水車
１１・２１  回転胴
１２・２２  回転羽根
１３・２３  ガイド壁
１００  水力発電装置
１０３  水槽
１０８  整流器
Ｗ  水
【図１】
2015086830.tif 000003
【図２】
2015086830.tif 000004
【図３】
2015086830.tif 000005
【図４】
2015086830.tif 000006
【図５】
2015086830.tif 000007
【図６】
2015086830.tif 000008
【図７】
2015086830.tif 000009
【図８】
2015086830.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月3日(2014.10.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転胴と、該回転胴の外周面へ螺旋状に設けられた回転羽根とを有し、
前記回転胴は円錐形であり、
前記回転羽根は、前記回転胴の外周面から径方向外方に向けて設けられ、上方から下方にかけて徐々に螺旋の傾斜角度が緩やかとなっており、
前記回転羽根の外縁に、上方へ立設するガイド壁が設けられており、
前記回転胴の頂部を上方にして回転軸を縦向きに設置し、上方から落下してくる流水圧を受けて回転する、傘型螺旋水車。
【請求項２】
前記回転羽根が複数枚並設されている、請求項１に記載の傘型螺旋水車。