(57)【要約】【課題】  低い落差を有効に利用して、ＣＯ2の発生の無いクリーンな低コスト小水力発電設備のサイホン式水車発電装置を提供する。【解決手段】  貯水池（Ａ）に設置したケーシング（１７）を、出口側にサイホン管（１２）を連結した吐出ケーシング（２）と、処理水を流入させる吸込ベル（１４）と、水流を案内させるガイドケーシング（１５）と、中間ケーシング（１６）で構成すると共に、主軸（２４）に嵌着した軸流ランナ（２７）をガイドケーシング（１５）に配設し、主軸（２４）の下端を吸込ベル（１４）に支架させたハブ（１９）に軸支させて、軸流ランナ（２７）を嵌着した主軸（２４）を発電機（８）とともにケーシング（１７）から抜出し可能としもので、真空ポンプ等の補機類が不用となり、維持管理のためのランニングコスト及びイニシャルコストの両面から廉価なマイクロ水力発電の実現が可能となる。【選択図】     図１
2008031855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高所側の水を低所側に導くサイホン管を設けたサイホン管式の水車装置において、前記水車装置はサイホン管（１２）、水車（１）、発電機（８）、サイホンブレーカー（１３）で構成され、前記サイホン管（１２）の吸込側に水車（１）を配設し、前記水車（１）は没水状態で運転するように配置するとともに、前記水車（１）は、発電機（８）、主軸（２４）、軸流ランナ（２７）の主要部を一体でケーシング（１７）から上方に抜き出せる構造としたことを特徴とするサイホン式水車発電装置。
【請求項２】
前記水車（１）は、立軸型の軸流ランナ（２７）を用いることにより、運転起動時にはポンプとして水を吸引し、サイホン形成を行うとともに、サイホン形成後は水位差で発生する落差により、水車（１）として発電運転を行うことを特徴とする請求項１に記載のサイホン式水車発電装置。
【請求項３】
前記水車（１）の軸封装置（３１）において、ラビリンスシール（２６）と吸込側水路とを連通させる注水管（３０）を設け、前記ラビリンスシール（２６）を無注水シールにするとともに、前記水車（１）の発電運転時におけるサイホンを保持することを特徴とする請求項１又は２に記載のサイホン式水車発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高い維持管理性と低コストの実現を図ることが出来る、自己
サイホン形成機能を有する水車発電装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化現象の対策として、二酸化炭素等の温暖化ガスの排出を規制して、地球規模での環境保全が推進されている。温暖化ガスを排出する石油や石炭のような化石燃料と比べ、自然エネルギーを利用した、風力発電や水力発電、太陽光発電等は、温暖化ガスを排出しないため、これらの設備の設置が進められている。特に、水力発電は高効率で、安定した電力が得られることから利用が増している。中でも、設備費用の低コスト化が可能な小水力の水車発電装置が急増している。
【０００３】
そして、前記水車発電装置において、吸込側と吐出側との落差を利用したサイホン管式の水車発電装置は従来から使用されている。例えば、特許文献１に記載のサイホン型水力発電設備は、河川等に設けられた移動堰に、サイホン管、水車発電機、ドラフト管等を固定して設け、上流側の水をサイホン管で水車発電機に導き、水車発電機を回転させて発電している。また、特許文献２の考案では、一端をダムの貯水池の水中に開口させ、他端を貯水池の下方に配設した水車に連結してサイホン管となり得る導水管を形成し、導水管の貯水池側の開口部には、貯水池の水を導水管の頂部を越えて下方の水車に流入させるポンプを有するサイホン水車が記載されている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１の発明では、サイホンを形成するための真空ポンプを配設しており、始動時には前記真空ポンプを駆動させてサイホン管内に水を吸引し、サイホン管の頂部に配設している満水監視装置で、サイホン管内の水位を監視し、サイホン管内に水が充満すれば真空ポンプを停止させて、サイホンの形成が完了する。そしてサイホンの原理によって上流側の水は下流側の水車発電機に流入して、発電するようにしているが、サイホンを形成するための真空ポンプ、満水監視装置、真空破壊弁等の付帯設備が必要であるという課題がある。
【０００５】
また、特許文献２の考案では、始動時のサイホン形成の際には、貯水池側の開口部に配設しているポンプを駆動して貯水池の水を汲み上げてサイホン管内を充満させ、サイホン形成が完了する。そして、貯水池の水はサイホンの原理によって下方の水車へと流入し、水車を回転させて、発電を行うようにしているが、この特許文献２の考案は従来の真空ポンプによるサイホン形成の代わりにポンプでサイホン形成を行うようにしている。そして、サイホン形成が完了すれば、ポンプは水車として機能し、発電を行うようにしている。また、水車発電機を別途サイホンの吐出側にも設けているので、設備費用や現地工事がコストアップとなり、発電を行うために、相当の落差が必要となるという課題や、ポンプの修理・メンテナンスを行う際には、導水管を分解して貯水池側のポンプ設備全体を抜き出す必要がある。このため、ポンプの点検・修理に多大な時間やコストが高くなるという課題もある。
【特許文献１】特開２００３−２３２２７３号公報（段落番号００１１乃至段落番号００１４、図１）
【特許文献２】実開昭６４−１３２７２号公報（実施例、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した従来のサイホン式水車発電装置の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、水車自身でサイホンを形成するため、真空ポンプ等の付帯装置が不用である。また、水車を貯水池側の吸込管内に配設することによって、ポンプと水車を別々に設置する必要が無く、水車の点検・修理が容易なサイホン式水車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】
【０００７】
本願の請求項１に記載の発明は、高所側の水を低所側に導くサイホン管を設けたサイホン管式の水車装置において、前記水車装置はサイホン管、水車、発電機、サイホンブレーカーで構成され、前記サイホン管の吸込側に水車を配設し、前記水車は没水状態で運転するように配置するとともに、前記水車は、発電機、主軸、軸流ランナの主要部を一体でケーシングから上方に抜き出せる構造を特徴としたサイホン式水車発電装置である。
【０００８】
本願の請求項２に記載の発明は、前記の水車は、立軸型の軸流ランナを用いることにより、運転起動時にはポンプとして水を吸引し、サイホン形成を行うとともに、サイホン形成後は水位差で発生する落差により、水車として発電運転を行うことを特徴としたサイホン式水車発電装置である。
【０００９】
本願の請求項３に記載の発明は、前記水車の軸封装置において、ラビリンスシール部と吸込側水路とを連通させる連通手段を設け、前記軸封装置を無注水シールにするとともに、前記水車の発電運転時におけるサイホンを保持することを特徴としたサイホン式水車発電装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るサイホン式水車発電装置は、自己サイホン形成機能を有する水車発電装置とし、発電機・主軸・軸流ランナ等の主要部を一体でケーシングから上方へ容易に抜き出せる構造にしたので、サイホンを形成するための真空ポンプ等の設備が不要となるとともに、水車運転中には負圧になることを利用して、軸封装置に自己注水が行える。そして、低落差でも発電が可能である。また、主要部だけを一体で抜き出せるので、水車発電装置全体を取出すこと無く、容易に点検・修理を行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を図面に基づき詳述すると、図１はサイホン式水車発電装置の設置状態を示す概要図であって、水車１の吐出ケーシング２から突設させた複数のブラケット３・・・が貯水池Ａの水路床面４に吊設した支持架台５に支架してあり、貯水池Ａの放流堰６に沿って水車１を立設してある。支持架台５に支架した吐出ケーシング２の上部に発電機架台７が着脱自在に連結してあり、発電機架台７に発電機８が搭載してある。吐出ケーシング２の上部側壁に吐出管９が突設してあり、吐出管９に連結した吐出しエルボ１０が放流堰６の上方に配設してあり、吐出エルボ１０に接続した吐出管１１が、貯水池放流先Ｂ側の放流堰６に沿って垂下してある。水車１の吸込側を貯水池Ａの放流堰６の中間近傍に開口し、水車１に連結した吐出側の吐出管１１を水車１の吸込側より低い貯水池放流先Ｂの槽底近傍に開口してあり、水車１の吐出ケーシング２の吐出管９に連結した吐出エルボ１０と吐出管１１がサイホン管１２を形成してある。符号１３は吐出管１１に設けたサイホンブレーカーである。
【００１２】
図２は貯水池に設置した軸流型のケーシング１７の縦断面図であって、支持架台５に支架した吐出ケーシング２の下部に、貯水池Ａの処理水を流入させる吸込ベル１４と、流入した水流を案内する円筒状のガイドケーシング１５と、揚水させる円筒状の中間ケーシング１６が下方から上方に順次連結してあり、軸流型のケーシング１７を形成して貯水池Ａに設置してある。ケーシング１７は円筒状で製作が容易であり、鋼板製として重量を軽減してある。吸込ベル１４の下端の吸込口１４ａを拡開してあり、複数の支持板１８・・・が吸込ベル１４に止着してある。支持板１８・・・に支架したコーン状のハブ１９がガイドケーシング１５の内部に突設して、ハブ１９の上端部に設けた開口１９ａにセラミック等の水中軸受２０を嵌着してある。ハブ１９の下端部に細孔１９ｂが設けてあり、ハブ１９内部に水を侵入させて水中軸受２０を潤滑できるようにしてある。ハブ１９の上部側面から突設させた水流の案内用の複数のガイドベーン２１・・・をガイドケーシング１５の内周壁に止着してある。
【００１３】
図３は軸流ランナを嵌着した主軸を水車の発電機に連結して一体とした要部側面図であって、発電機架台７に載置した発電機８の駆動軸２２に軸継手２３を介して主軸２４が連結してある。発電機架台７に軸受箱２５とラビリンスシール２６が配設してあり、主軸２４が軸受箱２５に軸受され、ラビリンスシール２６に嵌挿してある。主軸２４の下端部に軸流ランナ２７を嵌着し、主軸２４の下端に軸スリーブ２８を外挿してナット２９で固定してある。図４は水車の縦断面図であって、発電機８の駆動軸２２に連結した主軸２４が吐出ケーシング２に垂下してあり、主軸２４の下端の軸スリーブ２８を吸込ベル１４に支架させたハブ１９の開口１９ａの水中軸受２０に軸支させて、主軸２４の下端部に嵌着した軸流ランナ２７をガイドケーシング１５の内部に配設させている。本発明の実施例では軸封装置としてラビリンスシールを使用しているが、メカニカルシール等の周知の技術を使用しても良い。
【００１４】
貯水池Ａに設置した水車１のガイドケーシング１５が水没していれば、発電機８を電源コードに接続して発電機８を電動機として作動させれば、ガイドケーシング１５に内設した軸流ランナ２７が回転し、ポンプとして貯水池Ａの水を吸上げることができる。吐出ケーシング２の上端部まで水位が上昇すれば、吸出管１１に流下する排水でサイホン作用が発生し、サイホン作用により吸込ベル１４に吸引された水流により軸流ランナ２７が回転し、主軸２４に連結した発電機８を駆動して発電が開始できる。タービンとして軸流ランナ２７を採用しているので、サイホン形成に真空ポンプ等の補機類が不用となる。貯水池Ａの水位が低下し、水車発電運転を停止させる場合には、サイホンブレーカー１３を開くことにより、大気がサイホン管１２内に流入して、サイホン形成を破壊し、吸込ベル１４からの吸引を停止させる。
【００１５】
図５は主軸の軸封装置の拡大図であって、ラビリンスシール２６に注水管３０が連結してあり、注水管３０の他端は貯水池Ａに接続して軸封装置３１を構成している。発電時に水車１内部のサイホン作用による負圧を利用して、軸封装置３１に吸引作用を発生させて貯水池Ａの水を注水するようにしてある。水車運転時に軸封装置３１の内部を負圧により吸引させて満水することで、サイホンを維持可能な無注水シールが可能となる。
【００１６】
発動機８を載置した発電機架台７を吐出しケーシング２の上部にボルト等で連結してあり、ボルト等を取外せば、図３に示す電動機８に連結した主軸２４を、図２に示す状態の、貯水池Ａに設置した軸流型のケーシング１７から上方に抜き出すことができる。主軸２４に止着した軸流ランナ２７等の主要部が発動機８を載置した発電機架台７とともに地上に抜出せるので、維持管理のための内部点検や清掃が容易となる。さらに、下水処理場の処理水の放流などによる低い落差を有効に利用でき、ＣＯ2の発生の無いクリーンな再生可能エネルギーである水力発電が可能となる。また、本発明の水車１を複数台、貯水池Ａに設置しておくことにより、流量変動時の対応が可能となる。すなわち、流量増加時には全台、発電運転を行い、流量低下時には水量に対応させて、必要台数だけサイホン破壊すれば、水位の異常低下を防止しながら、発電運転を継続することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
この発明に係わるサイホン式水車発電装置は、水車の出口側にサイホン管を配設して軸流ランナを採用したので、負圧により軸封装置を満水させて無注水シールが可能となり、サイホン形成に真空ポンプ等の補機類が不用となる。そして、貯水池に設置した軸流型のケーシングから、主軸に止着した軸流ランナ等の主要部を発動機とともに地上に抜き出せるので、ランニングコスト及びイニシャルコストの両面から廉価なマイクロ水力発電の実現が可能となる。従って、下水処理場の処理水の放流などによる低い落差を有効に利用でき、ＣＯ2の発生の無いクリーンな再生可能エネルギーである水力発電が可能なサイホン式水車発電装置となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明に係わるサイホン式水車発電装置の設置状態を示す概要図である。
【図２】同じく、貯水池に設置した軸流型のケーシングの縦断面図である。
【図３】同じく、軸流ランナを嵌着した主軸を水車の発電機に連結して一体とした要部側面図である。
【図４】同じく、水車の断面図である。
【図５】同じく、主軸の軸封装置の拡大図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  水車
８  発電機
１２  サイホン管
１３  サイホンブレーカー
１７  ケーシング
２４  主軸
２６  ラビリンスシール
２７  軸流ランナ
３０  注水管
３１  軸封装置
【図１】
2008031855.tif 000003
【図２】
2008031855.tif 000004
【図３】
2008031855.tif 000005
【図４】
2008031855.tif 000006
【図５】
2008031855.tif 000007