(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射状に配置された複数の羽根部材を備える羽根車と、該羽根車を回転可能に支持する回転軸部材と、前記羽根車の羽根部材に向けて流体を流入させる流体流入手段とからなる水車装置において、
前記流体流入手段は、前記羽根車及び前記回転軸部材の中央部を貫通して設けられる中空状の配管部と、該配管部に接続されて配管部内へ前記流体を流入させる流体流入部と、前記羽根車の中心部に位置する前記配管部に形成される開口部と、前記配管部内に設けられ、該配管部内へ流入した前記流体を前記開口部へ案内する流体案内部とからなり、
前記回転軸部材は、前記配管部に回転可能に支持固定される回転軸部材支持部を備え、
前記流体流入部により前記配管部内に流入された流体が、前記流体案内部を介して前記開口部から前記羽根車の羽根部材の中央部端部へ流入され、該流入した流体を羽根部材の内表面で受けて羽根車が回転されること
を特徴とする水車装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水車装置において、羽根部材が、羽根車の半径方向に直線状に延在した羽根部と、羽根車の円周方向に延在した羽根部が連続して形成されることを特徴とする水車装置。
【請求項３】
請求項１に記載の水車装置において、前記羽根部材への流体の流入で回転された羽根車の回転力により駆動する発電機と、前記羽根車の回転力を前記発電機に伝達する駆動力伝達手段とを備えることを特徴とする水車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、再生可能エネルギーの普及と共に高効率での発電が要請されており、例えば、小水力発電についての関心が高まっている。この種の小水力発電では、水車装置を用い、中小河川、用水路の等さまざまな水流を利用して発電が行われる。
【０００３】
また、この種の水車装置を用いる小水力発電は、水源のある場所であれば設置をすることができ、水などの流体が高い位置から地下などの低い位置までの高低差において循環し、その落下時の水流によって水車装置の羽根車を回転させ発電を行うことで、電力としてエネルギーを回収することができる。
【０００４】
このような小水力発電では、水流で水車装置を回転させ、この水車装置で発電機を駆動し、電力を得る。このような水力発電装置は、小さな水流でも効率的に発電を行えることが要望され、さらなる高効率化、小型化が求められる。
【０００５】
この種の水力発電に用いる水車装置としては、例えば、特許文献１には、発電機を水車装置で駆動するものであって、水車装置のケースの内部に複数の羽根部材を有する羽根車を配置し、このケースには側壁部に羽根車の外方から羽根部材に水を供給する給水管を備え、水を排出する排水管を備える水車装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１１８８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の水車装置においては、羽根車の外方から羽根部材に水を供給する方式であるため、給水管から羽根部材へと供給される水は、一部は羽根部材へ行きわたらずに羽根車の外方へと散ってしまい、全量の水が万遍なく羽根部材へと供給されず、それにより発電の効率が低下してしまう問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、中小河川、用水路等の水流の発生場所に設置するのに適し、高効率で発電を行うことができてかつ小型化をすることができる水車装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の水車装置は、放射状に配置された複数の羽根部材を備える羽根車と、該羽根車を回転可能に支持する回転軸部材と、前記羽根車の羽根部材に向けて流体を流入させる流体流入手段とからなる水車装置において、
前記流体流入手段は、前記羽根車及び前記回転軸部材の中央部を貫通して設けられる中空状の配管部と、該配管部に接続されて配管部内へ前記流体を流入させる流体流入部と、前記羽根車の中心部に位置する前記配管部に形成される開口部と、前記配管部内に設けられ、該配管部内へ流入した前記流体を前記開口部へ案内する流体案内部とからなり、
前記回転軸部材は、前記配管部に回転可能に支持固定される回転軸部材支持部を備え、
前記流体流入部により前記配管部内に流入された流体が、前記流体案内部を介して前記開口部から前記羽根車の羽根部材の中央部端部へ流入され、該流入した流体を羽根部材の内表面で受けて羽根車が回転されること
ことを特徴としている。
【００１０】
本発明の水車装置は、また、羽根部材が、羽根車の半径方向に直線状に延在した羽根部と、羽根車の円周方向に延在した羽根部が連続して形成されることを特徴としている。
【００１１】
本発明の水車装置は、また、前記羽根部材への流体の流入で回転された羽根車の回転力により駆動する発電機と、前記羽根車の回転力を前記発電機に伝達する駆動力伝達手段とを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の水車装置は、上述の如く構成したので、中小河川、用水路等の水流の発生場所に設置するのに適し、高効率で発電を行うことができてかつ小型化をすることができる水車装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例の水車装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１の本実施例の水車装置における羽根車の縦断面図を示す図である。
【図３】本発明の実施例の水車装置の構成の変形例の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例の水車装置の構成の別の変形例の配管部の構成を横断面図で示す図である。
【図５】図４の配管部の断面図であり、図５（ａ）は、配管部の一の状態を示しており、図５（ｂ）は配管部の別の状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例（以下、本実施例と称する。）の水車装置について、図面に基づいて説明する。なお、同様の構成については以下同符号を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施例の水車装置の構成を示す概略斜視図である。また、図２は、図１の本実施例の水車装置における羽根車の縦断面図を示す図である。
【００１６】
本実施例の水車装置１００は、放射状に配置された複数の羽根部材１を備える羽根車１０と、この羽根車１０を回転可能に支持する回転軸部材２０と、羽根車１０の羽根部材１に向けて流体Ｑを流入させる流体流入手段３０とからなる。
【００１７】
また、流体流入手段３０は、羽根車１０及び回転軸部材２０の中央部を貫通して設けられる中空状の配管部３２と、この配管部３２に接続されて配管部３２内へ上記流体Ｑを流入させる流体流入部３１と、羽根車１０の中心部に位置する配管部３２に形成される開口部３５と、配管部３２内に設けられ、この配管部３２内へ流入した上記流体Ｑを開口部３５へ案内する流体案内部３３とからなる。
【００１８】
また、本実施例の水車装置１００において、回転軸部材２０には、配管部３２に回転可能に支持固定される回転軸部材支持部２２を備える。
【００１９】
そして、流体流入部３１により配管部３２内に流入された流体Ｑが、流体案内部３３を介して開口部３５から羽根車１０の羽根部材１の中央部端部２から流入され、この流入した流体Ｑを羽根部材１の内表面３で受けて羽根車１０が回転されるようになっている。
【００２０】
本実施例の水車装置１００の構成は、上述のごとく、羽根車１０及び回転軸部材２０の中央部を貫通させた流体流入手段３０における流体流入の機能を備える中空状の配管部３２により、羽根部材１の中央部端部から、つまり羽根車１０の中央部から流体の流入を行っている構造であるので、従来の流体の羽根部材への流入方式とは全く異なるものであり、この構成により、経済的に、高効率で発電を行うことができてかつ小型化をすることができる水車装置を提供することができる。以下、本実施例の水車装置１００の構成について詳述する。
【００２１】
羽根車１０は、複数の同一形状の羽根部材１を図２に示す如く放射状に配置して、その羽根部材１の両側に円形状の側板１２、１４を配置し、これら羽根部材１と側板１２、１４とを側板連結手段５０により連結することで構成されている。ここで羽根部材１は、半円状の円弧状に形成されて流体Ｑを貯留する貯留部４が形成される。この羽根部材１の貯留部４は、本実施例以外の構成には限定されない。例えば、後述する図３に示す構造であってもよい。
【００２２】
羽根車１０は、以上の構成により、流体流入部３１から所定の水圧を持って流体Ｑが中央部端部２へ流入される。この際、流入した流体Ｑが中央部端部２側の羽根部材１の内表面３へと当たり、その後貯留部４に貯留される。ここで、中央部端部２側の羽根部材１の内表面３に当たる流体Ｑの流体力（抗力と称する。）および貯留部４に貯留された流体Ｑの重力により、羽根部材１に回転力Ｒがはたらき、羽根車１０が回転されることとなる。
【００２３】
ここで、羽根部材１の数は本実施例では１６枚設けており、この弧は半円状に形成しているが、これら羽根部材１の枚数及び形状は上記のごとき回転力Ｒが発生しうるものであれば、適宜別のものを選択し得る。
【００２４】
側板連結手段５０は、羽根部材１と側板１２、１４とを貫通して配置する棒状のロッド部材５２と、貫通させたロッド部材５２を側板１２、１４の双方でナットのごとく締め付け部材５４、５６とからなり、この締め付け部材５４、５６の締め付けにより羽根部材１と側板１２、１４とロッド部材５２とを連結する。
【００２５】
この際、側板１２、１４と締め付け部材５６との間にロッド部材５２に貫通させて、後述する回転軸部材２０における円形状の側板２５を設け、締め付け部材５４、５６の締め付けにより、側板１２、１４と側板２５とが連結され、もって羽根車１０と回転軸部材２０が連結されることになる。
【００２６】
ここで、羽根部材１と側板１２、１４は、例えば金属製の板状部材が用いられるが、本発明の効果を奏するものであれば、別の材質のものを用いてもよい。例えば、上述の側板連結手段５０は、羽根車１０の同心円状にかつ対称的に複数個設けることで、羽根車１０の補強を堅固にすることができる。
【００２７】
また、回転軸部材２０は、上述した円形状の側板２５と、円形状の側板２３及び側板２４とが溶接等により固着されて、中空円筒状に形成されたリム部材と、羽根車１０の中央部に設けられた回転軸部材支持部２２とからなる。円形状の側板２３及び側板２４は、例えば、金属製のものが用いられる。これにより、羽根車１０の補強がなされる。ここで、側板２４を羽根車１０の外側へ向けて径小となるように傾斜させる形状とすることにより、羽根車１０の安定した回転に供し、また後述する駆動力伝達手段９４の側板２４への接触による干渉を防ぐことができる。
【００２８】
また、回転軸部材支持部２２は、例えばベアリング２２Ａとベアリングハウジング２２Ｂとからなるベアリング等の軸受け部材が用いられる。これにより、後述する配管部３２を貫通させて、配管部３２に支持させる構成とし、その外周に羽根車１０を接触させて設けることで、羽根車１０を回転可能に支持する。このため、回転軸部材支持部２２は、羽根車１０における回転軸となる。ここで、羽根車１０とに連結されたリム部材についても羽根車１０を接触させて設けられ、羽根車１０と共に回転可能に支持される。
【００２９】
回転軸部材２０は、以上の構成であり、羽根車１０の両側にこの羽根車１０に連結して設けられる。これにより、羽根車１０は、回転軸部材２０に補強されると共に回転軸部材２０の回転軸部材支持部２２を回転軸として回転可能に支持されることになる。
【００３０】
ここで、回転軸部材支持部２２は、配管部３２の外周上を摺動可能に設けられるが、係止部材４２、４４、４６、４８を各回転軸部材支持部２２の両側にそれぞれ設けて配管部３２上に固定することで、摺動された回転軸部材支持部２２が係止部材４２、４４、４６、４８に係止されて回転軸部材支持部２２の摺動が制限される。
【００３１】
これにより、羽根車１０の安定した回転が実現される。ここで、係止部材４２、４４、４６、４８は、円環状に形成して配管部３２上に固定してもよいが、円周方向に断続して設けた突起状に形成して配管部３２上に固定してもよい。また、係止部材４２、４４、４６、４８は、側板１２、１４やリム部材と干渉しないようにして設ける。
【００３２】
流体流入手段３０の配管部３２は、羽根車１０及び回転軸部材２０の中央部を貫通して設けられる。この配管部３２は、中空状の金属製の配管が用いられ、一方側に外部に中小河川、用水路等の水源からの流体を自然流下させる流体流入部３１を設け、この流体流入手部３１により配管部３２の一方側から配管内３２部に流体Ｑを流入させるように構成されている。
【００３３】
また、配管部３２内の他方側には、この配管部３２内の他方側を封止するようにして流体案内部３３が設けられる。この流体案内部３３は、例えば金属製のものが用いられ、配管部３２内に溶接等で固着される。これにより、配管部３２内の一方側から流入した流体Ｑを流体案内部３３側表面（図１で、左側表面）で受け止めると共に、後述する開口部３５へと案内する。ここで、流体案内部３３側表面の形状は、流体の流線形に沿って曲線状に形成することにより、より円滑に流体Ｑの開口部３５への案内をすることができる。
【００３４】
また、開口部３５は、羽根車１０の中心部に位置する配管部３２に形成される。この開口部３５によれば、流体流入手段３１により配管部３２の一方側から配管内３２部に流入された流体Ｑを流体案内部３３を介し、羽根車１０の羽根部材１の中央部端部２へと、流体Ｑが流入されることになる。
【００３５】
ここで、開口部３５には、図示するように、配管部３２の軸方向に平行に所定の間隔で複数個配置する板部材３８を設けてもよい。つまり、開口部３５をスリット状に形成する。この複数個の板部材３８によれば、配管部３２内に流入された流体Ｑが開口部３５から吐出される際に、各板部材３８の間を流れ出ることとなるので、各羽根部材１へと均一に流体Ｑを分配して流入させることができる。
【００３６】
本実施例の水車装置１００は、また、羽根部材１への流体Ｑの流入で回転された羽根車１０の回転力により駆動する発電機９０と、羽根車１０の回転力を発電機９０に伝達する駆動力伝達手段８０とが備えられている。
【００３７】
駆動力伝達手段８０は、スプロケット等のギヤを用いて回転動力を伝達させる第一の駆動力伝達部材９２が、一方側（図で、左側）の回転軸部材２０の外側面に設けられ、ボルト８７およびナット８６、８８等の締結手段によって、一方側の回転軸部材２０と連結される。これにより、羽根車１０の回転に伴って、回転軸部材２０を介し駆動力伝達部材９２が回転されることとなる。
【００３８】
また、第一の駆動力伝達部材９２の外周と接触してこの第一の駆動力伝達部材９２の回転動力を伝達する第二の駆動力伝達部材９４が設けられ、さらに第二の駆動力伝達部材９４は発電機９０に接続される。これにより、第一の駆動力伝達部材の回転動力が第二の駆動力伝達部材９４を介して発電機９０へと伝達され、発電機９０でこの伝達された回転動力により発電がなされる。
【００３９】
次に、上述の構成による本実施例の水車装置１００における水力発電の手順について説明する。
【００４０】
まず、中小河川、用水路の等の水流の発生場所において水車装置１００を設置し、流体流入手段３０の流体流入部３１より、上記水流から自然流下する流体Ｑを配管部３２内へと供給する。
【００４１】
次に、配管部３２内に流入された流体Ｑは、流体案内部３３を介し、羽根車１０の中心部に位置する配管部３２に形成された開口部３５から、羽根車１０の複数の羽根部材１の中央部端部２へと流出される。
【００４２】
次に、羽根部材１の中央部端部２に流出した流体Ｑは、羽根部材１の内表面３に当たり、羽根部材１内に形成される貯留部４に貯留される。ここで、配管部３２内に流入された流体Ｑは、万遍なく羽根部材１へ供給されることになるので、全ての流入流体が上記発電機９０による発電に供されることになる。
【００４３】
ここで、中央部端部２側の羽根部材１の内表面３に当たる流体Ｑの抗力および貯留部４に貯留された流体Ｑの重力により、羽根部材１に回転力Ｒがはたらき、羽根車１０が回転されることとなる。そして、配管部３２内に流体Ｑを流入し続けることにより、羽根車１０の回転力Ｒが発生し続け、これにより羽根車１０が回転し続ける。
【００４４】
羽根車１０の回転により、流体Ｑを貯留した羽根部材１が回転することでやがて回転位置により、羽根部材１の円周側端部５から流体Ｑが外方へ吐出される。
【００４５】
一方で、上記の羽根車１０の回転により、この回転動力が、羽根車１０に連結された駆動力伝達手段９２に伝達され、駆動力伝達手段９４を介して発電機９０へと回転動力が伝えられる。そして、発電機９０により伝達された回転動力に基づいて発電が行われる。
【００４６】
本実施例の水車装置１００は、以上のようにして水力発電が行われるので、配管部３２内に流入された流体Ｑは、その全量が羽根部材１へ供給され、高い効率で水力発電を行うことができる。
【００４７】
また、本実施例の水車装置１００は、上述の構成であるので、流体流入手段３０による水流からの流体Ｑの開口部３５への出力は低出力としても十分な発電量を得ることができるので、穏やかな水流の現場すなわち高低差の小さい現場においても効果的に適用することができる。なお、高低差の大きい水源においては、その水源より自然流下する流体Ｑの水圧はより大きくなるので、これにより容易に高い発電効率を得ることができる。
【００４８】
また、本実施例の水車装置１００は、上述の構成であるので、羽根車１０の径を小さくして高い発電効率を得ることができるので、高効率発電で小型化した水車装置を提供することができる。
【００４９】
また、本実施例の水車装置１００は、流体Ｑは低出力とすることで、河川等に存在する小魚等が水車装置１００内に引き込んだとしても、小魚に被害を与えずに吐出させることができるので、環境の面においても好適である。
【００５０】
また、本実施例の水車装置１００は、上述の通り、各要素を金属性の板などで構成することができ、また、簡便な構造であるために、経済的に製造することができる。
【００５１】
本発明の水車装置は、上述の如く構成したので、中小河川、用水路等の水流の発生場所に設置するのに適し、高効率で発電を行うことができてかつ小型化された水車装置を提供することができる。
【００５２】
また、本発明の水車装置は、図３に示すように構成されてもよい。図３は、本発明の実施例の水車装置の構成の変形例の構成を示す図である。図３に示す羽根部材１は所定の厚みを有するが、説明の便宜上一本の線により示している。この変形例において、羽根部材１は８枚からなり、羽根車１０の半径方向に直線状に延在した羽根部６と、羽根車１０の円周方向に延在した羽根部７とが連続して形成されている。また、図に示すように羽根部６と羽根部７との間に貯留部４が形成される。
【００５３】
この変形例における水車装置は、図２に示す例と同様に、配管部３２に流入された流体Ｑが、開口部３５から羽根車１０の羽根部材１の中央部端部２から羽根部材１へと流入する。この際、流入した流体Ｑは、羽根部６の表面に当たり、貯留部４へ貯留される。
【００５４】
この変形例の構成による水車装置によっても、上述の実施例と同様の効果を奏することができる。更にこの変形例による場合、羽根部６の構成が簡便化されているので、安価に製造できるメリットがある。また、この変形例による場合、貯留部４により多くの流体を貯留することができるメリットがある。
【００５５】
また、本発明の水車装置の配管部は、図４、図５に示すように構成されてもよい。図４は、本発明の実施例の水車装置の構成の別の変形例の配管部の構成を横断面図で示す図であり、また、図５は、図４の配管部の断面図であり、図５（ａ）は、配管部の一の状態を示しており、図５（ｂ）は配管部の別の状態を示している。
【００５６】
この変形例では、配管部３２の内部に内部配管部３９が設けられている。この内部配管部３９は、外径が配管部３２の内径よりも小さくされて、配管部３２内を回転可能とされる。また、この内部配管部３９の流体案内部３３とは反対側の一方側に（図で、右側）、流体案内部３３が設けられている。また、この内部配管部３９には、複数個の板部材３６が溶接等により取り付けられる。
【００５７】
この流体部案内部３３には、クランク方式で回転するような回転駆動機構９９が設けられており、この回転機構９９の回転により、流体案内部３３を介して、配管部３９が回転されるように構成されている。
【００５８】
また、この内部配管部３９は、図５（ａ）に示す状態においては、開口部３５は、配管部３２の開口部３５と内部配管部３９の開口部３７とがほぼ一致するために、開口部３７によって閉じられないので、この状態の際では、流体Ｑの水圧は高くならずに羽根部材１に吐出されることになる。
【００５９】
また、図５（ｂ）は、回転駆動機構９９により内部配管部３９が回転された状態を示している。板部材３６は、配管部３２に対して傾斜して配置される状態が形成される。配管部３２の開口部３５は、開口部３７によって一部が閉じられて狭くされる。この結果、羽根部材１に吐出される流体Ｑは少なくなると共に水圧が高くされる。また、板部材３６が傾斜されることで羽根部材１に吐出される流体Ｑの方向が図に示すように変えられる。このようにして、回転機構９９により板部材３６の傾斜や流体Ｑの水圧を変えることにより、羽根部材１に当たる流体Ｑの水圧や流出方向を調整することができる。また、この回転駆動機構９９によれば、水車装置の設置現場において、作業者等がその現場において水車装置の動作の状況に応じて回転駆動機構９９を用いることにより羽根部材１に吐出される流体Ｑの水圧や流出方向を適宜調整することができるので、現場での使用に好適となる水車装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００６０】
Ｑ…流体、１…羽根部材、２…羽根部材の中央部端部、３…羽根部材の内表面、４…貯留部、１０…羽根車、２０…回転軸部材、３０…流体流入手段、３１…流体流入部、３２…配管部、３３…流体案内部、３５…開口部、１００…水車装置。
【図１】
0006526483.tif 000002
【図２】
0006526483.tif 000003
【図３】
0006526483.tif 000004
【図４】
0006526483.tif 000005
【図５】
0006526483.tif 000006