(57)【要約】【課題】従来技術の低水頭を利用し直接水車を回転する発電装置は、高所貯水機能を持たない方式であり従って高圧又は特別高圧発電に適さないため、利用されていないのが現状であります。大電力発電には高所貯水機能及び大出力用第１水車が必要となりますが現在本発明による方式は使用されておらないのが現状であります。【解決手段】本発明は潮流、河川における未利用低水頭を利用し高所へ貯水を可能となし得る事で高落差を利用する高速回転の水車発電が可能となり、以て特別高圧発電を可能とし且未利用水頭の豊富に存在する箇所における大量貯水をなし得る条件を備えれば特別高圧大電力発電を可能となし得る２１世紀に先駆ける潜在価値を有するものであります。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ運転中回転盤へ設置する方向舵の角度を±０の位置とし、駆動用モータ軸と方向舵軸は減速ギヤで連結され逆転防止し得る構成であるため、流水方向の変化に対応し第１水車を流水方向とほぼ平行に保ち流水のエネルギーを有効に活用し得る方式で有ります。
【請求項２】
上限回転数、下限回転数、上限未満回転数を検出し以て制御装置により方向舵作動装置を介して第１水車の回転数を制御し得る方式で有ります。
【請求項３】
低水頭のエネルギーを利用し、第１水車により、高所への貯水をなし得る方式のため特別高圧大電力発電を可能となし得る方式で有ります。
【請求項４】
第１水車の出力に対し必要な貯水高さに応じて、ピストンのストローク長さ、断面積、昇降時間、貯水量の夫々の概算値の算出をなし得るため水のエネルギー（ｋｗ）に対し貯水エネルギー（ｋｗ）の概算効率を算出可能とする方法で有ります。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は潮流又は河川の低水頭のエネルギーを利用し水車を回転し、伝達機構を介してポンプを作動し逆止弁を介して連結する揚水管により貯水タンクへ貯水し、水力発電用として利用し得る外、製塩、消防、養魚場、灌漑、消雪、遊園池、プール等の利用に供されるものであります。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
潮位差発電は外国ではフランスで潮の干満を利用し満潮時に貯水し水門を閉じ、干潮時に貯水面と海水面との落差を利用する水力発電は存在しますが、本発明による間断無く発生する潮流、河川の低水頭（凡そ１０ｍ未満）を利用し水車を回転しポンプにより高所へ貯水する方式とは全く異り，揚水装置を用いず干満潮の１〜２サイクルの水頭の利用に止まるため干満潮の潮位差の少ない日本では使用されていないのが現状であります。
【０００４】
現在の大容量揚水装置の汎用品としては、電動式揚水ポンプを用いて高所へ貯水する方式であり、貯水により位置水頭を利用し発電する場合、揚水ポンプの消費電力が貯水による発生電力を超えるため、実質的にはマイナス電力を発生する方式であります。
【０００５】
本発明の図１に対し従耒の技術で水車を利用する発電装置に対して低水頭を利用し水車を回転する方式では有りますが、水車軸に発電機を直結する発電方法であり、揚水、貯水機能を持たない発電方式であります。従って構造上水車回転数が低いため低電圧小容量の装置での利用に止まり、高圧又は特別高圧大電力発電用としては利用されていないのが現状であります（特許文献１参照）
【０００６】
【特許文献１】
公開特許公報（Ａ）昭５９−４１６７８号（１頁及び４頁）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明による潮流、河川等の大量の未利用低水頭を利用し水車を回転し、伝達機構を介してシリンダと一対とするピストンを用いたポンプにより、逆止弁を介してシリンダと同一断面積で連結する揚水管を通じて高所へ大量の貯水を可能とする貯水装置は、他に見聞しておりません。
【０００９】
従来技術の文献では低水頭を利用し直接水車を回転する発電装置は、高所揚水機能を持たない方式のため高圧又は特別高圧発電に適さないため、利用されていないのが現状であります。
【００１０】
【発明が解決するための手段】
【００１１】
潮流、河川の未利用低水頭を利用して、本発明の内容を用いた貯水発電装置を利用されれば、高所への貯水を可能となし得る事で高落差を利用する高速回転の水車発電が可能となり、以て特別高圧発電が可能となり且未利用水頭の豊富に存在する箇所においては大量貯水を行い得る条件を総合すれば特別高圧大電力発電を可能となし得るもので有ります。文献によれば日本近海の黒潮の流れは最大２〜２．５ｍｓ−１にも達すると言われております。
【数１】
直径１００ｍを超える流水の速度Ｖ：２ｍｓ−１，直径ｄ：５０ｍ（断面積Ｓ：１９６３ｍ２），長さＬ：１５０ｍ，の流水のエネルギーは次公式によります。
流水のエネルギーＷ＝ｇＱρＨで表され、Ｈ＝ｖ２（２ｇ）−１に変換できます。
流水のエネルギー（Ｗ）＝［ｇ｛Ｓ（ｍ２）Ｌ（ｍ）ρ（１０３Ｋｇｍ−３）ｓ−１｝（Ｖｍｓ−１）２（２ｇ）−１］
Ｗ＝［９．８ｍｓ−２｛（１９６３ｍ２×１５０ｍ）１０３ｋｇｍ−３ｓ−１｝（２ｍｓ−１）２（２×９．８ｍｓ−２）−１］
∴流水のエネルギー＝５８８，９００ｋＷ
但し、流速の断面積Ｓ＝πｄ２４−１，Ｓ＝π（５０ｍ）２４−１  ∴Ｓ＝１９６３ｍ２，    但し、ｇ；重力加速度９．８ｍｓ−２，Ｖ：流水の速度２ｍｓ−１，Ｓ：流水の断面積ｍ２，Ｌ：流水の長さｍ，ρ：水の密度１０３  Ｋｇｍ−３
この流水のエネルギーを水車に利用し本発明の原理を利用すれば水のエネルギーに対し概算値５０％の貯水量が得られるものと考えられます。
【００１２】
既設水力発電所下流において低圧力水頭の堰堤を築き、汎用水車及び本発明の原理を利用すれば、従来の汎用電動式ポンプによるマイナス発電方式によらない、水車出力をポンプにより既設の貯水槽へ貯水し得る事で、既設発電機容量に余裕があれば純粋なプラス発電出力の増加が可能となります。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１〜図４を用いて本発明の実施の形態を説明致します。
註「別に設置する」とは図１〜図４に記載された以外の汎用品を表し、機器類の操作は遠隔自動制御をなし得るものとして本明細書に記載しております。
【００１４】用語の説明
揚                水：揚水管内満水以下の水位の状態
貯                水：揚水管内満水を超え貯水タンク内の水位の状態
貯水タンク水位検出器：貯水タンク内の水位を計測し必要水位を検出する装置
上    限    水    位：予め設定する貯水タンク内の満水未満の高水位
下    限    水    位：予め設定する貯水タンク内の低水位
水  位    調  整  器：貯水タンク内の水位を標準値（下限以上上限以下の水位）に保つ構成とし且揚水管、水圧管内を断水し得る構成
スリップリング      ：分電盤制御装置より回転盤に設置する送受信装置との送受信々号及び電源供給するための回転摺動接触する数対の導電体による回線接続装置
回      転        盤：第１水車、伝達装置、ポンプ、送受信装置、方向舵作動装置、方向舵等を設置し左右回転自在とする円形盤
方      向        舵：制御装置を用いて回転盤の方向を変化し第１水車に対して流速を変化し速度制御をなし得るため揚水・貯水量の増減及びポンプの運転、停止をなし得る装置
スクリュー連結開放装置：第１軸第１ギヤと第２軸第２ギヤとを連結又は開放しポンプを運転又は停止し得る装置
第３ギヤ回転数検出器：第３ギヤの回転数を計測し上下限回転数、上限未満回転数、を検出する装置
上  限    回  転  数：過速によりラックが落下し得ない第３ギヤの最低回転数
上限未満      回転数：ラックがスムーズに昇降し得る第３ギヤの最高回転数
定  格  回  転  数  ：貯水タンクの上限水位以下、下限水位以上における第１水車の回転数（概ね１／２第１水車無負荷回転数）
下  限    回  転  数：ラックがスムーズに昇降し得る第３ギヤの最低回転数
第１水車回転数検出器：第１水車の回転数を計測し上限下限回転数を検出しポンプの起動、停止の際利用されます
制    御    装    置：第１水車制御用電源供給、第１水車制御用信号送信及び監視用信号受信の機能を有する構成
送  受  信    装  置：方向舵制御用電源受電、方向舵制御用信号受信及び監視用信号送信の機能を有する構成
【００１５】
図１の据付台（１８）は水平に設置し裏面は必要数の脚（２１）脚固定支柱（４３）支柱固定材（４４）で構成し脚の下端は基礎（４８）に固定します。据付台上には揚水管（８）水圧管（７）発電室（１７）を設置し発電室内には第２水車（１２）発電機（１３）分電盤（１５）及び別に設置する制御装置、グリスポンプ等をセットします。
【００１６】
回転盤（４１）上の上流側へ設置する第１水車（３５）の第１軸（３４）には、上流側よりスクリュー及び第１ギヤ（３３）を取付け軸は第１水車軸受（３６）へ固定します。第１ギヤと噛み合う第２軸（３１）へ取付ける上流側の第２ギヤ（３２）は変速用又は単に伝達用に介在し、下流側の第３ギヤ（３０）（ピニオン）と共に軸受により第１軸延長線の下流側へ直線的に固定し、各軸受にはグリスポンプにより給油をし得る構成とします。第２軸（３１）下流側の回転盤裏面に方向舵（３９）を設置します。別に設置するスクリュー連結開放装置の構成は第１軸下流端直近下流側へ水平形動力式ジャッキを支柱へ固定し上流側へ動力により押圧する時ギヤの噛み合わせが外れポンプは停止し、下流側へ引けば第１水車へ加わる水圧により自然にギヤは噛み合いポンプは始動し得る構成とします。第１軸には別に設置する回転計により第１水車の回転数を計測し制御装置へ送信し得る構成とします。
【００１７】
第３ギヤ（３０）の周囲は有歯帯と無歯帯とで形成し、第１水車（３５）作動時有歯帯とラック（２６）が対向し噛み合う時ラックは上昇し、無歯帯とラックが対向する時ラックはスムーズに落下し得る構成とし、上限回転数以上となる時ラックは上昇限で下降し得ずし第３ギヤはラック下端でスムーズに空転し得る構成とします。この時上限回転数を検出し自動制御により方向舵の角度を変化し第１水車を減速する事により上限未満回転数となりラックは自然落下し更に減速し下限回転数を検出し再び自動制御により方向舵の角度を変え第１水車の回転を加速し上限未満回転数となり繰り返しながら揚水管を満水とする構成とします。第３ギヤと対向するラックはラックケースで包囲し、ラックケースの上面は開口し、下面のラックケース据付板は回転盤上へ固定し、ラックケース据付板上には緩衝材を介在するラック受板を固定します。ラック上端の中心へ取付けた連結環と連結するピストンロッドは上方に位置する逆止弁付ピストン（２４）へ連結し、下端が水面下へ開口するシリンダ（２５）内へ下方よりピストンを装填し左右回転及び昇降自在に摺動する構成とします。シリンダ内ピストン作動時最上限の直上で且外部水面下へ位置し逆流防止の逆止弁を設置します。
【００１８】
シリンダ（２５）と同軸に据付台（１８）上へ垂直に設置する水圧管底面にはフランジと同一断面積の密閉する揚水管据付板（１９）を介在しフランジで固定します。水圧管（７）の上端は貯水タンク（５）底面中心へ開口し固定されます。シリンダの上端フランジは揚水管据付板（１９）裏面中心に密着し、シリンダの下端はラック作動時の最上限においてラックと接触しない直上に位置し下方に向け開口し、シリンダ（２５）の外周下方はシリンダ固定材（４０）を以て据付台（１８）裏面へ固定します。揚水管下端フランジは水圧管内底面中心の揚水管据付板（１９）上にパッキンを介在し下方の同一断面積とするシリンダのフランジと共にボルトで固定し中心はシリンダー内と同一断面積で開口します。揚水管の上方は揚水管固定材（９）で水圧管（７）へ固定し上方端は貯水タンク底面へ水圧管と同軸に貫通開口され相互間に循環水が流通可能とし且貯水タンク底面は揚水管（８）と水圧管（７）との間隙は密閉されます。貯水タンク内には別に設置する水位検出器により常時水位を計測し上下限水位を検出し得る構成といたします。
【００１９】
貯水タンク（５）底面より上方へ突出する揚水管（８）上端付近へ上方に設置する緩衝用カバー（３）を支柱で固定し、貯水タンクの頂上中心に吸気口（２）を穿ち防塵ネット（１）で塞ぎ固定します。水圧管（７）外周下方にはフランジ付取水管を結合し管内へ開口し、他端は発電室（１７）内の第２水車（１２）ケーシング内へ水車入口弁（１０）を介して開口し、取水管中間下方には弁付取水排水管（１１）のフランジで結合開口し他端は下方水中へ開口されます。第２水車ケーシング出口は水車吐出管（１６）と結合開口し他端は下方水中へ開口されます。
【００２０】
発電室（１７）内の分電盤（１５）には別に設置する制御装置の入力側は遠隔操作室及び分電盤の電源へ接続され出力側はシリンダ（２５）の上方水面上に位置するスリップリング収容凾（２３）内のシリンダ外周は電気的に絶縁し、この外周へ必要数のスリップリング（２２）を夫々隔離し固定する入力端子へ接続し、各スリップリング表面を摺動するカーボンブラシは負荷電流に耐え得る導電性としホルダーへ装填しスプリングを以て後方よりブラシの圧迫を可変し得る構成とします。ホルダーは絶縁しブラシホルダー支柱（５０）上方へ固定します。支柱（５０）下方は回転盤（４１）へ固定しブラシはスリップリング表面へ密着しスムーズに回転又は逆転し得る構成とされます。ブラシの出力端子へ接続する配線の他端は回転盤（４１）へ設置する防水を施す送受信装置（３７）入力端子へ接続され、送受信装置出力端子へ接続する配線の他端は方向舵作動装置（３８）の防水用回転方向自在とするモータ入力端子へ接続されモータ軸と方向舵軸は減速ギヤで連結する構成とされます。
【００２１】
回転盤（４１）裏面へ回転軸上方端を回転盤上方のシリンダーと同軸位置へフランジで固定し、回転軸上方にはスラストベヤリング（４２）ロータを固定し、下方外周には２分割とするガイドベヤリング（４６）を回転軸に密着し固定し、回転軸の外側は２分割とする固定軸（４５）で包囲密閉し得る形成とし内側にガイドベヤリングの外側を固定し、推力を受けるスラストベヤリング外側は固定軸（４５）で支えます。固定軸（４５）の上方は回転盤裏面より僅か下方に位置し回転軸間との浸水防止を施す摺動部と密着固定し、固定軸（４５）の底面は板で密閉しフランジで基礎（４８）に固定する構成とします。夫々のベヤリングの上端及び下端は漏油阻止を施し別に設置する固定軸の夫々の給油口へパイプを接続し別に設置するグリスポンプにより給油し回転軸は回転盤と共に水平に左右回転自在とし得る構成とします。
【００２２】
（実施例１）
図１〜図４に示す内容の具体的説明を致します。
註「別に設置する」とは図１〜図４に記載された以外の汎用品を表し、機器類の操作は遠隔自動制御をなし得るものとして本明細書に記載しております。
【００２３】
図１に示す諸設備は簡易化されておりますが、遠隔自動制御し得るものと致します。発電室（１７）は風雨や地震に耐え得る構造とし室内には取水管、水車入口弁（１０）水車吐出管（１６）第２水車（１２）発電機（１３）分電盤（１５）別に設置する制御装置、グリスポンプ、計器類を設置いたします。大電力発電装置の場合送電線の系統並列を必要とする場合には、汎用自動遠隔制御水力発電所に準ずる各種の制御装置、計測装置が必要となります。海上において発生する電力を陸地へ送電する場合には水中用高圧又は特別高圧ケーブルを水底に敷設し目的地へ送電する構成とされます。据付台（１８）上には発電室（１７）揚水管（８）水圧管（７）等が設置され、貯水重量を含めた諸設備の合計重量及び地震に充分耐え得る強度の材質を有する据付台が必要となります。据付台（１８）の裏面には耐震を考慮した必要数の脚（２１）を脚固定支柱（４３）支柱固定材（４４）により組立て脚の下端は基礎（４８）に固定し、脚（２１）に対して回転盤（４１）及び方向舵（３９）が３６０度の回転範囲において接触する事のない外周のスペースが必要となります。方向舵の断面積は広大な程回転トルクは増しますが方向舵に加わる水圧と回転盤の慣性モーメントとの関連で決定されます。
【００２４】
第１水車のスクリュー断面積に対し４倍を超える広い断面積の流水箇所に設置すれば、スクリューの上流側に加わる流速に比較しスクリューの傾斜角にもよりますが下流側の減速が少ないため、一般に水力発電に使用する汎用プロペラ水車と異り水車をケーシングレスとして設置し得る一大特徴が有ります。上流側より見た水車軸線から９０度の角度を基線とし、水車軸を起点に下流側へ傾斜角度を夫々約２５度とする１巻スクリューに対し２倍の長さの２巻スクリューの水車出力を比較しますと、上記の広い断面積を有する流水箇所に設置する実験では２巻では１巻水車の凡そ１．９倍の出力を得ております。スクリューの傾斜角度を鋭角にする程スクリュー後方の流速が衰え出力の減少する事は実験でも得ております。スクリューの見掛上断面積の約２倍のケーシング内に傾斜角２５度２巻スクリューを装填する場合ケーシングレスと比較し５０％程度に出力の減少が見られます。実験のスクリューはオリジナルのものであり且流速も一定不変の箇所ではない事から参考程度に止め更に正確な資料を基に実施される必要があります。
【００２５】
断面積の狭いケーシングを使用する場合で損失水頭を低減するためには１枚羽根を数枚組合わせた汎用プロペラ水車等を利用する事が妥当と考えられます。
【００２６】
第１水車（３５）の第１軸（３４）にはスクリューを上流側へ第１ギヤ（３３）を下流側へ位置し固定し回転盤（４１）上で方向舵（３９）の最上流側へ軸受（３６）で固定しますが、ポンプの運転、停止は第１ギヤと第２ギヤとの噛合せ及び開放により行う構成とするため、下流側第１軸端下流側の回転盤上へ別に設置し固定する支柱へスクリュー連結開放装置とする水平形ジャッキを設置し第１軸の下流側端へ連接し動力を用いてジャッキを下流側へ引く時第１軸はスクリューに受ける水圧により下流側へ移動し第１ギヤと第２ギヤは噛み合わされ第３ギヤが回転し、スクリュー連結開放装置により第１軸を上流側へ押圧すればギヤは開放され停止する構成とされます。尚第１軸の移動を制限しギヤを噛み合せた時定位置とすると同時に軸受よりはみ出す事のない鍔を軸受内側両端付近へ夫々取付けます。第２軸（３１）には上流側より第２ギア（３２）第３ギヤ（３０）を夫々固定し第１ギヤと第２ギヤ（３２）が噛み合う位置において第１軸延長線の下流側へ直線的に軸受を以て回転盤上へ固定します。各ギヤは強度を考えた上で慣性モーメントの少ない重量とし流水の妨害も軽減し得る形成とし、第１水車の回転を妨げない配慮が必要で有ります。大規模の水車では特に軸と軸受間の摩擦損失の軽減のため給油装置を設ける事が望まれます。
【００２７】
第３ギヤ（３０）の周囲の一部を無歯帯とし作動時ラック（２６）と有歯帯が対向する時ラックは上昇し揚水を行い、無歯帯とラック（２６）が対向する時ギヤの噛み合わせが外れピストン（２４）は自重により落下する構成とします。
第３ギヤの回転数を計測し上限下限回転数及び上限未満回転数を検出する構成とします。無歯帯の長さ及び落下時間を短縮する程揚水効率は改善されます。落下時間を短縮するには使用材料の高密度のものが必要となります。反面ピストン系水中重量が増加すれば貯水量が減少し貯水効率低下の原因とります。ピストンのストロークを短縮する程ラックの落下時間は短縮できますがピストンの断面積を広くする必要が生じます。但し、ピストン系：ラック・ピストン・ピストンロッドの夫々を総称します。
【００２８】
方向舵の機能
【００２９】
本貯水式発電装置は回転盤へ方向舵を設置し、運転中は方向舵の角度を±０の位置とし減速ギヤの使用により逆回転し難い構成とするため、減速比の少ない場合はウォームギヤを使用すれば効果的となり、流水方向の変化に対応し第１水車を流水方向とほぼ平行に保ち得るため流水のエネルギーを有効に活用し得る構成であります。
【００３０】
ポンプの起動及び停止は第１ギヤと第２ギヤの噛み合せ又は開放により行い得る構成であり、従って流速の速い箇所においてポンプを停止時より運転する場合ギヤの噛み合わせをスムーズに行うため方向舵によりスクリューの回転を減速し得る構成であります。
【００３１】
流速が定格速度を超えた時スクリューが定格回転数を超え上限回転数となった場合ラックは上昇し落下不能となるため、この時制御により方向舵の角度を変え上限未満回転数以下に減速すればラックは自然落下しポンプは運転を再開する構成であります。
【００３２】
スクリューの回転を方向舵により制御し得るため揚水量を加減し、貯水量の加減も水位調整器のバックアップとなし得る構成であります。
【００３３】
流水にごみが混在する箇所においては、第１水車（３５）の上流側回転盤（４１）の周囲に沿って流水に耐え得る適宜なサイズの別に設置する防塵ネットを固定し、検出器を介してごみの排除を行います。検出方法はネットの上流側と下流側との水位差、圧力差、流速差又は監視カメラ等を利用します。除塵方法は方向舵（３９）を制御し角度を±０位置より交互に９０°以上回転盤（４１）を回転しネットに付着したごみを流水を利用し排除する構成とされます。
【００３４】
流水方向及び流速が年間を通じてほぼ一定とする箇所においては方向舵（３９）を設置する必要性は無くなりますが過大流速が発生する場合を考慮すれば第３ギヤが上限回転数に過速しないための減速機能をもつ構成が必要となります。従って回転盤、回転軸、固定軸、給油装置、方向舵、制御装置、送受信装置、モータ、スリップリング、スリップリング収容凾等の設備は総て不要となり回転盤に代えて固定盤を設置されますが、設備が簡易化されるため極めて経済的な方式となります。（図４参照）
【００３５】
揚水管内断水状態時にポンプの起動及び停止方法
【００３６】
ポンプの起動方法
流速のほぼ一定とする箇所でポンプ停止中は第１水車は無負荷運転で回転数が高いため、先ず遠隔手動制御に切替えポンプ起動スイッチをオンにすれば第１水車上限回転数を検出し方向舵を±０の位置より角度を変化し第１水車の回転数を減速し第１水車下限回転数付近において、回転盤上のスクリュー下流側へ別に設置するスクリュー連結開放装置により下流側へ引く事により、スクリュー軸は水圧により下流側へ移動し自然に第１ギヤと第２ギヤは噛み合い、以てポンプは運転を開始されます。以降遠隔自動制御に切替えれば方向舵を自動制御し下限回転数を検出し回転速度を上昇した後上限未満回転数を検出し回転は減速され以降揚水管内が満水となるまでは下限回転数以上、上限未満回転数以下の定格回転数付近に自動制御される構成とします。揚水管満水後は貯水タンクの下限水位を超えた時自動制御により別に設置する水位調整機と連動し貯水を行いタンクの上限水位に達する時水位調整機により排水を行い、下限水位を検出する時水位調整機により排水弁を緩やかに閉じる構成とし、尚下限水位の検出が継続する時は第２水車の入口弁を緩やかに閉じる構成とします。貯水開始後は下限水位検出により自動的に方向舵の角度を±０の位置とし、方向舵は減速ギヤ又はウォームギヤにより自動ロックされる構成とします。以降方向舵による貯水タンクの水位調整はバックアップとして作動する構成と致します。
【００３７】
ポンプを停止する方法
停止方法は遠隔自動制御より手動制御に切替え、ポンプ停止スイッチをオンにすれば、方向舵の角度を制御し第１水車の回転数を減速し下限回転数とする構成とし、下限回転数検出により回転盤上のスクリュー軸の下流側へ別に設置するスクリュー連結開放装置により上流側へ押圧する事により、スクリュー軸は上流側へ移動し第１ギヤと第２ギヤは噛み合せが外れスクリューは単独回転となり、ポンプは運転を停止します。ポンプ停止スイッチをオフとし遠隔自動制御に切替えれば方向舵は第３ギヤの回転数を検出し回転を加速し方向舵の角度±０で停止する構成とするためアンサーバック信号を送受信装置より送信し別に設置する制御装置により受信され遠隔監視室へ表示されます。以て方向舵は減速ギヤにより自然ロックされる構成とします。方向舵の角度を±０度の位置に固定すれば、第１水車は無負荷運転のまま流水も自然の流れに近付き自然環境維持及び方向舵の劣化防止にも役立つものと考えます。
【００３８】
ラック（２６）はラックケースで包囲され回転盤（４１）と共にスムーズに回転するためには回転盤の水平及びシリンダ（２５）の垂直を正確に設定する事により、ピストン（２４）の上下左右の摺動による摩擦抵抗を極力少くし且ピストンの漏水防止に配慮する事が重要となります。同時にローラー溝内の両側面と溝内に装填するローラーの両側面とのギャップを極力狭くし特にラック落下中接触する各部摩擦抵抗を最小限に止める配慮が必要となります。ピストンの左右回転摺動による摩擦抵抗がラックを介して各ローラーに加わるためローラー軸も堅固な形成とし大出力用では給油装置も考慮する必要があります。ラックは図２の正面図、図３の平面図より正面左右両端の上方より下方及び裏面においても正面と対称箇所にはラック（２６）が垂直且スムーズに昇降し得るローラー溝を設け外周のラックケースにローラー軸受を固定し、溝幅より僅かに幅の狭いローラーがこの溝内のラック正面及び裏面を軽く摺動する構成とします。ラックを包囲するラックケースは上端面は開口し第３ギヤ（３０）と対向するラック（２６）部分を除き覆い、ラックケース据付板（２９）上にはラック受板を設置しラック落下時点の上下振動を急速に静止し且衝撃音を吸収するためラック受板の裏面には緩衝材を介在し、第３ギヤとの噛み合せをスムーズに行うためラック下端の長さを調整すると共に第１水車の過速時にラックが上昇限で落下不能となる時スムーズに第３ギヤがラック下端で空転し得る構成としますが長時間継続する場合はギヤが磨耗するためラックが事前に設定する最上限に達し且ラックと対向する無歯帯の直前に位置する第３ギヤの最後列の歯がラックと噛み合った後外れる直前においてロッド連結環下方の別に設置するロッド円周へ溝を設けこの溝へ電磁プランジャ等を利用するストッパを噛み合わす事によりラック下端と第３ギヤとの摩擦を和らげ得るものとなります。ラックケースはシリンダーと同軸位置としピストン（２４）の左右回転昇降自在となし得る構成とし回転盤（４１）上へ固定し、ラックケース内の沈殿物は自然流出可能とする形成とされます。上段ローラー下段ローラーの取付位置はラック作動時最上限へ到達した際ラックの下端がローラーより外れる事のない正面、裏面の左右両端各１か所及び第３ギヤ（３０）上端付近のラック正面、裏面の両端各１か所の少くても合計８か所へ設置しラックがスムーズに昇降し得る構成とします。
【００３９】
据付台（１８）上へ設置する揚水管（８）の外側に水圧管（７）を同軸に設置する理由は、揚水管のみの単管とする場合はピストン（２４）上昇時のストロークが長く作動時間が短い程高水圧が揚水管内へ加わり圧力水頭が変動するため第２水車の回転及び発電出力に変動を来す恐れがあるため未然防止を計るものであります。二重管を避け単管とするためには、
ピストンのストロークを短くすると共にピストン上昇時間を長くする構成に変更すれば貯水時の水圧変動を減少できるため二重管とする重要性は薄くなります。発電以外に利用するもので若干の水圧変動による障害を及ぼさない用途の場合は単管とされます。二重管とする場合は水圧管断面積を広くする程第２水車の負荷急変時の水圧変動を減少し得る反面、資材の使用量が増加するので第２水車の使用水量との兼合いが必要となります。上下面を同一断面積とする揚水管と異なり水圧管の水平断面積は必ずしも上端面と底面とを等しくする必要は無く、地震、風圧加重を考慮すれば上方断面積を狭くする事が得策と考えます。水圧管内断面積は上端で揚水管の２倍以上下端で３倍以上あれば良いと考えます。揚水管及び水圧管に使用する材質は膨脹係数の等しいものが好ましく、異なる場合には特に揚水管底面において弾力性のパッキンを介在する事により貯水タンク底面に加わる温度変化に伴う夫々の管の伸縮性アンバランスを緩和し、貯水タンク（５）の破損を未然に防止する配慮が必要となります。揚水管は下方より上方まで適宜な間隔で外周より内面へ貫通する小孔を穿ち、揚水管が揚水開始前の断水状態より満水となる期間において水圧管内も満水付近とする形成とし、貯水タンク内下限水位を超えた時直ちに第２水車の起動をし得る構成とします。又弁付取水排水管（１１）又は水位調整器により水圧管（７）内より排水する場合においても小時間差で揚水管（８）内も排水し得る条件を備える構成とされます。
【００４０】
貯水タンク（５）内に開口し突出する揚水管上端上方の緩衝用カバーは支柱で揚水管上端付近へ固定し貯水時に噴出する揚水を下方へスムーズに方向転換し貯水タンクの水位変動を緩和する構成とします。貯水タンクの頂上には吸気口（２）を穿ちこの上に防塵用ネットを固定します。このため貯水タンク内は外気と同一気圧となり、揚水管（８）水圧管（７）貯水タンク（５）を気圧差による破損から回避され得る構成とします。貯水タンクの容量は用途、利用方法に基づき決定されますが、小容量に止め得るならば経済的に非常に有利になります。別に設置する自動開閉し得る弁付水位調整機と弁を全開とする弁付取水排水管を連結し貯水タンクの上下限水位を検出し以て自動制御により上限水位検出により第２水車入口弁（１０）開放又は排水をし得る構成とし、下限水位検出により排水を停止し、検出が継続すれば水車入口弁（１０）を閉止し得る構成とし、バックアップとして方向舵を自動制御する事で貯水タンクの水位を標準値とし得る方式とする事により貯水タンクは小容量となし得るため建設コストは飛躍的な節減となります。又環境により地震や台風の強い箇所その他の理由で現地では高所貯水が困難な場合で且付近へ陸地を有する場合は、貯水タンク、発電室を陸地へ設置すると共に揚水管を陸地へ延長する方式も考えられます。
【００４１】
海上へ設置する場合で貯水タンクの設置が困難な場合、図１の貯水タンクに代えて据付台（１８））付近へ別に設置する圧縮空気タンクを設置し、この下方へ揚水管（８）に代えて貯水タンクを設置し、ポンプにより下方より貯水タンクを満水とする事で貯水タンク内空気を圧縮し上方の圧縮空気タンクへ逆止弁を介して貯蔵した後、満水とした貯水タンク内底面より別に設置する弁付排水管により海中へ排水すると同時に貯水タンク上方外周より内部へ開口する弁付吸気管により外気を吸入した後、再び揚水を開始し満水とする作動を繰り返し、設定する貯水高さに従って高圧空気を貯蔵し以てタービンを作動し発電する傍ら、貯水タンク満水付近の高水圧時において別に設置する圧縮空気タンク底面内へ開口する給水管の他端は給水ポンプ出口に接続され入口管は貯水タンク上方の外周より内部へ開口する構成とし貯水タンク内満水付近の水圧に対し圧縮空気タンク内空気圧は圧力差が低いためポンプの出口弁を開き数気圧のポンプで給水ができ得る構成とします。海水を給水した後弁を閉じ、タービンにより発生する蒸気を消費する事により圧縮空気タンク内底面へ製造される塩を圧縮空気を利用し別に設置する吐出管の弁を開き圧縮空気タンク外のネット付収容器へ放出し得る構成とする製塩方法も考えられます。
【００４２】
除湿剤により防錆措置を施すスリップリング収容凾（２３）内の水面上のシリンダ（２５）外側へ絶縁物を介して必要数の導電性のスリップリング（２２）を夫々隔離固定し、この周囲にはブラシホルダに装填された導電性カーボンブラシをホルダー後方よりスプリングの圧迫によりスリップリング面へ圧着し摺動可能とし作動時の電流に耐え得る構成とし、ブラシホルダは絶縁物を介在しブラシホルダ支柱（５０）へ固定し支柱（５０）下端は回転盤（４１）へ固定されます。ブラシはスリップリング面と摺動し回転盤（４１）と共に回転及び逆転自在とする構成とします。スリップリングの入力端子には発電室分電盤より配線によりモータ電源及び別に設置する制御装置の入出力信号線が夫々接続され、ブラシホルダ支柱（５０）が回転する際スリップリングの入力配線が摺動を妨げないため，スリップリングに小孔を穿ち絶縁する配線をここへ貫通し各スリップリングの端子へ固定します。摺動するブラシの出力端子へ接続される配線の他端はブラシホルダ支柱（５０）へ沿って回転盤（４１）裏面へ設置する防水形とする送受信装置（３７）入力端子へ接続され、送受信装置（３７）出力端子へ接続される配線の他端は防水形とする方向舵作動装置のモータ電源入力端子へ接続され、送受信装置の信号受信によりオンオフ接点を介して、防水形とするモータへ電圧を加え方向舵の左右角度を変化し得る構成とし同時に角度の数値を別に設置する分電盤の制御装置を介して遠隔監視室へ送信し得る構成とします。駆動用モータ軸と方向舵（３９）軸との結合にウォームギヤを使用すれば特にブレーキを使用すること無く逆回転防止機能が可能となります。送受信装置（３７）及び方向舵（３９）を回転盤（４１）裏面へ設置する理由は第１水車（３５）に加わる流水を妨げないためであり、回転盤上面へ設置することも可能であります。尚図１では方向舵の制御用電源線をシリンダよりブラシホルダ支柱へ沿って下方へ配線する形成としていますが回転盤固定軸下端の基礎付近より別に回転軸中心へ穿つ孔へケーブル配線する事も不可能ではありませんが回転部と固定部との摺動部の浸水防止及び点検方法の対策が必要となります。
【００４３】
前記段落［００１１］［数１］より直径１００ｍ以上の円形潮流の中心の、流速２ｍｓ−１，直径ｄ：５０ｍ，長さ１５０ｍの場合の
水のもつエネルギー（Ｗ）＝｛ｇ（２ｍｓ−１）２（２ｇ）−１｝×｛（１．９６３ｍ２×１５０ｍ×１０３  ｋｇｍ−３）ｓ−１｝
∴水のもつエネルギー＝５８８，９００（ＫＷ）となります。
【００４４】
【数２】上記と同一条件の流水中へ、同一断面積Ｓ＝１，９６３ｍ２，同一長さＬ＝１５０ｍの２巻スクリュー形水車を設置する時の概算値は次式によります。
水車出力（ＫＷ）＝水のもつエネルギー（ＫＷ）ｃｏｓθη１
水車出力＝５８８，９００（ＫＷ）Ｃｏｓ２５°×０．９
∴水車出力＝４８０，３５２（ＫＷ）
但し、θ：２５°とする時，    η１：水車の効率０．９（１巻に比較し２巻の出力減衰を考慮）
θを鋭角とすればトルクは増す一方スクリューの下流側において流水が減速するためθを過度に鋭角としても水車出力は低下するため、スクリューの長さの長いもの程傾斜角の設定に留意が必要となります。又スクリュー周囲の流水断面積の大小にもより出力は影響されます。軸受損失を考慮し特に大出力用水車の場合軸受に自動給油可能な構成とされる事が最も貯水効率の高い設備形成となるものと考えます。
【００４５】
【数３】２ｍｓ−１の流速におけるギヤレシオの概算値は次によります。２巻スクリューの傾斜角２５°の模型水車の無負荷実験では０．５ｍｓ−１の流速において約２回転／秒（２Ｒｓ−１）を得ております。
水車の回転数（Ｒｓ−１）は流速に比例する事から、２ｍｓ−１の流速においては（２／０．５）ｍｓ−１×２Ｒｓ−１＝８Ｒｓ−１，全負荷時の回転数は無負荷時の回転数の１／２で高効率とする事から
全負荷時の定格回転数を１／２とすれば８Ｒｓ−１×１／２＝４Ｒｓ−１
ラックの落下時間を２秒に設定し上昇時間を６秒にすれば、全負荷時の第３ギヤの作動は約８秒間に１回転となり無歯帯の長さは１周の１／４となり、ラックの作動効率η２は３／４＝０．７５となります。第３ギヤの回転数を０．１２５Ｒｓ−１に設定するための減速ギヤレシオ＝４Ｒｓ−１／０．１２５Ｒｓ−１＝３２従って１：３２のギヤレシオとすれば全負荷時に定格回転数付近となります。
【００４６】
【数４】ラック出力（ＫＷ）＝水車出力（ＫＷ）η２
＝４８０，３５２（ＫＷ）×０．７５
ラック出力＝３６０，２６４（ＫＷ）
但し、η２：ラックの効率３／４（０．７５）
【００４７】
ピストン系の重量を水に換算した体積を含む仮定貯水量はラック出力より算出されます。
【数５】ラック出力３６０，２６４（ＫＷ）＝ｇ（ｍｓ−２）Ｈ（ｍ）Ｑ（ｍ３ｓ−１）
仮定貯水量（Ｑｍ３ｓ−１）＝［３６０，２６４（ＫＷ）｛９．８（ｍｓ−２）１００（ｍ）｝−１］
∴仮定貯水量Ｑ＝３６７．６ｍ３ｓ−１，                  段落［００４５］
より、第３ギヤの定格回転数は０．１２５Ｒｓ−１＝１Ｒ（８ｓ）−１に設定されるため、１ストロークの仮定貯水量Ｑ＝８（３６７．６ｍ３ｓ−１）
１ストロークの仮定貯水量Ｑ＝２．９４１ｍ３（８ｓ）−１
（註）貯水高さ：１００ｍ（実質的な高さは外部水面より貯水タンクの上限水位までの高さとします。従って揚水管の高さと多少異なります）
但しｇ：重力の加速度９．８ｍｓ−２，ρ０：水の密度（１０３ｋｇｍ−３），第３ギアの定格回転数：０．１２５Ｒｓ−１＝１Ｒ（８ｓ）−１
【００４８】
【数６】ピストン系の平均密度の計算方法は次によります。
ピストン系重量（ｋｇ）＝［（ラック＋ロッド＋ピストン）｛夫々の体積Ｖ（ｍ３）×夫々の密度ρ（１０３ｋｇｍ−３）｝］仮に次の数値を代入すれば
ピストン系重量（ｋｇ）＝［｛ラックＶ（６０ｍ３）ρ（５×１０３ｋｇｍ−３））｝＋｛ロッドＶ（２．５ｍ３）ρ（７×１０３ｋｇｍ−３）｝＋｛（ピストンＶ（７６ｍ３）ρ（６×１０３ｋｇｍ−３）｝］
∴ピストン系重量＝７７３．５×１０３（ｋｇ）
ピストン系体積Ｖ＝（６０＋２．５＋７６）ｍ３＝１３８．５ｍ３
ピストン系の平均密度ρａ＝（ピストン系重量ｋｇ）（ピストン系体積ｍ３）−１
ピストン系の平均密度ρａ＝（７７３．５×１０３ｋｇ）（１３８．５ｍ３）−１
∴ピストン系平均密度ρａ＝５．５８×１０３ｋｇｍ−３
【数７】次にピストンのストローク長さを算出します。
ストローク長さを求めるため段落［００４５］記載により流速２ｍｓ−１で第１水車の全負荷時における定格回転数の時第３ギアが無歯帯の通過時間を２秒に設定しているためピストンの落下時間（ｓ）も２秒以内とする必要が有ります。図１よりピストン系は水中で落下する構成であり、従ってストローク長さ（ｈ）は次公式により算出されます。
2004286001.tif 000003
（２ρａ）−１，
ｈ＝（２ｓ）２｛（５．５８−１）１０３ｋｇｍ−３｝９．８ｍｓ−２｛（２×５．５８）１０３ｋｇｍ−３｝−１，
∴ストローク長さ＝１６．１ｍ
実験によれば第３ギヤが１個の場合無歯帯を通過する際第１水車は無負荷となり回転速度が若干上昇するため、確実に作動するためにはラックの無歯帯を長めに設定するか又はストロークを短めに設定する必要があります。ここではストローク長さ（ｈ）＝１２ｍとします。但し、ρａ：ピストン系平均密度（１０３ｋｇｍ−３），ρ０：水の密度（１０３ｋｇｍ−３），ｇ：重力加速度（９．８ｍｓ−２）
【００４９】
【数８】｛１ストローク（８ｓ）−１当りの実貯水量Ｑ（ｍ３）｝
＝（１ストロークの仮定貯水量）−（ピストン系の水中重量に等しい水の体積）
Ｑ＝［｛１ストロークの仮定貯水量ｍ３（８Ｓ）−１｝−｛ピストン系体積Ｖｍ３（８Ｓ）−１（ρａ−ρ０）１０３ｋｇｍ−３｝｛（ρ０）１０３ｋｇｍ−３｝−１］
Ｑ＝｛２．９４１ｍ３（８ｓ）−１｝−｛１３８．５ｍ３（８ｓ）−１（５．５８−１）  １０３ｋｇｍ−３（１０３ｋｇｍ−３）−１｝
∴１ストローク当りの実貯水量Ｑ＝２．３０７（ｍ３）（８ｓ）−１
【数９】１秒当りの実貯水量Ｑ＝２，３０７（ｍ３）（８ｓ）−１
∴１秒当りの実貯水量Ｑ＝２８８．４ｍ３ｓ−１
【数１０】ポンプの効率η３＝実貯水量ｍ３（ｓ）−１／ピストン系の水中重量を換算した水の体積を含む貯水量ｍ３（ｓ）−１
ポンプの効率η３＝２８８．４（ｍ３）（ｓ）−１／３６７．６（ｍ３）（ｓ）＝−１
ポンプの効率η３＝０．７８５
【００５０】
【数１１】ポンプの出力（ＫＷ）＝ラック出力×η３
ポンプの出力（ＫＷ）＝３６０，２６４（ＫＷ）×０．７８５，
ポンプの出力＝２８２，８０７（ＫＷ）
従って総合出力η０＝ポンプの出力／水のエネルギー
η０＝２８２，８０７（ＫＷ）／５８８，９００（ＫＷ）
∴総合出力η０＝０．４８となります。
尚この数値は仮定の数値を使用し算出方法を例として記載したものであり、各部の摩擦抵抗の大小及びスクリューの傾斜角と第１水車の周囲の流水の断面積の大小が相互に影響されるため大出力の水車の実施に当っては流水速度の一定とする箇所において事前に詳細な測定資料を作成する必要が有ります。
【００５１】
【数１２】シリンダの断面積を算出します。
シリンダの断面積（Ｓ）ｍ２＝｛定格出力の１ストローク当たりの実貯水量（ｍ３）（８ｓ）−１｝｛１ストロークの長さ（ｍ）｝−１
シリンダの断面積（Ｓ）＝２，３０７ｍ３（８ｓ）−１（１２ｍ）−１
∴シリンダの断面積（Ｓ）＝１９２．２５ｍ２（８ｓ）−１，
2004286001.tif 000004
∴内径ｄ＝１５．６４５ｍ，但し１ストロークの長さ１２ｍは前記［数７］で設定する数値といたします。
【００５２】
ピストンのストロークを長くする程落下所要時間も長くなり、ラックの無歯帯との対向時間がロスの原因となります。このロスを防ぐ方法として、図４参照により第２軸へ２個の第３ギヤを並べ１８０°異なる角度の歯並びに軸へ固定しラックも２連式とし２本のシリンダの上方端は同一断面積とする１本のシリンダに変換し逆止弁を設置し、このシリンダ上方は揚水管内で漏水防止を施し左右摺動回転し得る形成とすれば、２本のラックは間断なく交互に有歯帯と噛み合い第１水車の回転もムラ無く安定し昇降する構成となりポンプの効率もアップし得る事となります。
【００５３】
【発明の効果】
【００５４】
本発明に対し、従耒の技術では電動式ポンプを使用し高所へ貯水し、利用する特別高圧大電力発電方式が使用されておりますが、この方式は直接流水を利用し水車を回転する揚水方式と全く異り、電動式ポンプを使用するためポンプの消費電力に対し貯水される発生電力が少いため実質的にはマイナスの貯水発電方式であります。
【００５５】
本発明に対し、従耒の技術では流水より直接水車を利用する発電装置は考案されていますが、水車回転数が低いため低電圧小電力発電に止まり、高所貯水による特別高圧大電力発電方式には利用されていないのが現状であります。以上の結果より本発明を提供することにより潮流、河川の至る所に存在する未利用低水頭の有効活用が可能となり、特に流速の遅い河川で堰堤を築きうる箇所においては低水頭を比較的高水頭に変換できるため、汎用水車を利用し得る事で本発明の原理を利用すれば高所へプラスの揚水エネルギーとして貯水し得る事で広範な使途に利用される事ができます。以て「地球環境汚染の進行を遅らせ」「化石燃料消費の節減」に役立ち「絶え間なく永遠に存在する安価な自然の恵みを享受する事」が可能となります。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の斜視図
【図２】図１のラック及びラックケースの拡大正面図
【図３】図１のラック及びラックケースの拡大平面図
【図４】本発明の２連式ピストンの斜視図
【符号の説明】
１．防塵ネット                      ６．揚水管上端
２．吸気口                          ７．水圧管
３．緩衝用カバー                    ８．揚水管
４．カバー支柱                      ９．揚水管固定材
５．貯水タンク                    １０．水車入口弁
１１．弁付取水排水管                ３２．第２ギヤ
１２．第２水車                      ３３．第１ギヤ
１３．発電機                        ３４．第１軸
１４．発電機軸受                    ３５．第１水車
１５．分電盤                        ３６．第１水車軸受
１６．水車吐出管                    ３７．送受信装置
１７．発電室                        ３８．方向舵作動装置
１８．据付台                        ３９．方向舵
１９．揚水管据付板                  ４０．シリンダ固定材
２０．据付台固定材                  ４１．回転盤
２１．脚                            ４２．スラストベヤリング
２２．スリップリング                ４３．脚固定支柱
２３．スリップリング収容凾          ４４．支柱固定材
２４．逆止弁付ピストン              ４５．固定軸
２５．シリンダ                      ４６．ガイドベヤリング
２６．ラック                        ４７．固定軸台
２７．上部ローラ                    ４８．基礎
２８．下部ローラ                    ４９．逆止弁
２９．ラックケース据付板            ５０．ブラシホルダ支柱
３０．第３ギヤ                      ５１．ロッド連結環
３１．第２軸
【図１】
2004286001.tif 000005
【図２】
2004286001.tif 000006
【図３】
2004286001.tif 000007
【図４】
2004286001.tif 000008