(57)【要約】【課題】地球環境の二酸化炭素の排出量を軽減するために、従来から例えば太陽エネルギー、風力エネルギーあるいは地熱エネルギー等のクリーンエネルギーを有効利用した発電機等が種々研究されている。しかしながら、このようなクリーンエネルギーを利用した発電機等はいずれも設備的に大掛かりになって立地面で種々の制約があり、また、設備コストやメンテナンスコストが高くなる。【解決手段】本発明の水力発電機１０は、水流を駆動力とするロータ１１と、このロータ１１の両側面に固定された歯車１２と、これらの歯車１２を回転自在に支持するロータ軸１３と、このロータ軸１３を昇降自在に支持する支持体１４と、この支持体１４によって支持されたロータ軸１３に正逆回転自在に取り付けられた２本のアーム１５と、このアーム１５の先端に固定された発電機１６と、この発電機１６の回転軸に固定され且つ歯車１２と噛合する小歯車１６Ａとを備えている。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流を駆動力とする羽根車と、この羽根車の少なくとも一方の側面に固定された歯車と、この歯車を回転自在に支持する軸体と、この軸体を昇降自在に支持する支持体と、この支持体によって支持された軸体に正逆回転自在に取り付けられた少なくとも一つのロッドと、このロッドの先端に固定された発電機と、この発電機の回転軸に固定され且つ上記歯車と噛合する小歯車とを備えたことを特徴とする水力発電機。
【請求項２】
上記羽根車は発泡性樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の水力発電機。
【請求項３】
上記羽根車は複数のエレメントからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水力発電機。
【請求項４】
上記羽根車の両側面に上記歯車を設けると共にこれらの歯車に対応して上記発電機を上記羽根車の両側面に設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の水力発電機。
【請求項５】
上記軸体を昇降案内するスリットを上記支持体に設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の水力発電機。
【請求項６】
上記スリットを中心にして上記発電機を左右対称に設けると共にそれぞれのロッドを、伸縮部材を介して連結したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の水力発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電機に関し、更に詳しくは、排水路、農業用水路、公園内の水路等に簡単に設置することができる水力発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来から石油等の化石燃料が大量に使用されている。この結果、二酸化炭素の排出量が著しく増大しているため、大気汚染や地球の温暖化が進み、地球への環境負荷が著しく大きくなって来ている。そこで、例えば、地球温暖化を防止するための京都会議を機に、地球規模での環境問題がクローズアップされている。
【０００３】
そこで、二酸化炭素の排出量を軽減するために、従来から例えば太陽エネルギー、風力エネルギーあるいは地熱エネルギー等のクリーンエネルギーを有効利用した発電機等が種々研究されている。
【０００４】
しかしながら、上述のようなクリーンエネルギーを利用した発電機等はいずれも設備的に大掛かりになって立地面で種々の制約があり、また、設備コストやメンテナンスコストが高くなる。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、排水路、農業用水路、公園内の水路等に低コストで簡単に設置することができると共に環境負荷のない水流をエネルギー源として発電することができるメンテナンスフリーの水力発電機を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の水力発電機は、水流を駆動力とする羽根車と、この羽根車の少なくとも一方の側面に固定された歯車と、この歯車を回転自在に支持する軸体と、この軸体を昇降自在に支持する支持体と、この支持体によって支持された軸体に正逆回転自在に取り付けられた少なくとも一つのロッドと、このロッドの先端に固定された発電機と、この発電機の回転軸に固定され且つ上記歯車と噛合する小歯車とを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の請求項２に記載の水力発電機は、請求項１に記載の発明において、上記羽根車は発泡性樹脂からなることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の請求項３に記載の水力発電機は、請求項１または請求項２に記載の発明において、上記羽根車は複数のエレメントからなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項４に記載の水力発電機は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、上記羽根車の両側面に上記歯車を設けると共にこれらの歯車に対応して上記発電機を上記羽根車の両側面に設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項５に記載の水力発電機は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記軸体を昇降案内するスリットを上記支持体に設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の請求項６に記載の水力発電機は、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の発明において、上記スリットを中心にして上記発電機を左右対称に設けると共にそれぞれのロッドを、伸縮部材を介して連結したことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。尚、各図中、図１は本発明の水力発電機の一実施形態を示す斜視図、図２は図１に示す水力発電機を示す側面図、図３は図１に示す水力発電機のロータを取り出して示す図で、（ａ）はその側面図、（ｂ）はその正面図、（ｃ）はロータに取り付けられたブレードを示す側面図、（ｄ）はロータに取り付けられたブレードを示す正面図、図４は図１に示す水力発電機に用いられたロータの昇降機構を示す側面図、図５は図１に示す水力発電機の発電特性を示すグラフ、図６は本発明の水力発電機の他の実施形態を模式的に示す平面図、図７は図６に示す水力発電機を模式的に示す正面図である。
【００１３】
本実施形態の水力発電機１０は、例えば図１、図２に示すように、排水路、農業用水路、公園内の水路Ｃに簡単且つ低コストで設置し、水路Ｃにおける水流を利用して発電できるように構成されている。つまり、水力発電機１０は後述のように各構成部材を簡単に分解組み立てることができ、しかもコンパクトに構成されているため、山間部等の不便な場所でも搬入し、簡単且つ低コストで設置することができる。
【００１４】
即ち、水力発電機１０は、図１、図２に示すように、水流を駆動力とするロータ１１（以下、「ロータ」と称す。）１１と、このロータ１１の両側面に固定された歯車１２と、これらの部材１１、１２を回転自在に支持する軸体（ロータ軸）１３と、このロータ軸１３を昇降自在に支持する支持体１４と、この支持体１４によって支持されたロータ軸１３に正逆回転自在に取り付けられた２本の伸縮ロッド１５と、これらの伸縮ロッド１５の先端にそれぞれ固定された発電機１６と、これらの発電機１６の回転軸に固定され且つ歯車１２と噛合する小歯車１６Ａ（図４参照）とを備え、支持体１４を介して水路Ｃの両側の水平面に固定されている。尚、支持体１４は図１に示すように門型に形成されて水路Ｃ上を跨いで水路Ｃの両側の水平面に固定されている。そして、ロータ１１、歯車１２等の部品には耐塩性、耐薬品性の防食塗料が塗布されている。
【００１５】
従って、水力発電機１０を水路Ｃに設置すると、図２に示すようにロータ１１の下端部が水路Ｃの水面Ｌの下に侵入して水流によってロータ１１が回転し、ロータ１１、歯車１２及び小歯車１６Ａを介して発電機１６が駆動して水力発電を行う。
【００１６】
而して、ロータ１１は、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、例えば発泡スチロール、ウレタンフォーム等の発泡性樹脂によってリング状に形成されている。ロータ１１の外周には同図の（ａ）に示すように全周に渡って略波形状の突起部１１Ａが等間隔を空けて連続して形成され、各突起部１１Ａの先端には水流を受けるブレード１１Ｂがボルト等の締結部材によってそれぞれ固定されている。このブレード１１Ｂはロータ１１の回転により最下端に達した時には、図２に示すように水面Ｌの下方に侵入して矢印方向の水流を受け、ロータ１１が反時計方向に回転する。このブレード１１Ｂは例えばチタン等の金属によって形成されている。突起部１１Ａは、同図の（ａ）に示すように、緩やかな傾斜面状に湾曲した第１湾曲面と、第１湾曲面から真下に延設された第２湾曲面とから形成されている。そして、第２湾曲面にはブレード１１Ｂが基部で固定され、ブレード１１Ｂの先端部が第２湾曲面から湾曲して突出している。ロータ１１は複数（図３の（ｂ）では３枚）のエレメント１１Ｃを重ねて構成され、エレメントの枚数を水路Ｃの幅あるいは発電能力に合わせて厚さを調節するように構成されている。
【００１７】
また、歯車１２は例えば硬質樹脂またはステンレス等の耐食性金属によって形成されている。この歯車１２は、歯車部と、この歯車部より大径に形成された大径部とが一体的に形成され、大径部の外径がロータ１１のブレード１１Ｂの先端を結ぶ外径と同一径に形成されている。歯車１２は硬質樹脂によって形成することによって軽量化することが好ましい。また、歯車１２は軸孔（図示せず）を中心に扇状の孔１２Ａが放射状に４箇所に形成され、更なる軽量化が図られている。
【００１８】
エレメント１１Ｃには複数の貫通孔１１Ｄがそれぞれ周方向等間隔を空けて設けられ、歯車１２にも貫通孔１１Ｄに対応する複数の貫通孔１２Ａが形成され、必要枚数のエレメント１１Ｃとその両面の歯車１２を重ね、これらの貫通孔に通した長ボルト等の締結具（図示せず）を用いてロータ１１と歯車１２を一体化してある。
【００１９】
支持体１４は、図１、図２及び図４に示すように、略台形状に形成された左右一対の支持板部１４Ａと、これらの支持板部１４Ａを上端で連結する連結部１４Ｂとを有し、正面形状が門型に形成され、左右の支持板部１４Ａ間にロータ１１及び歯車１２が介在している。支持板部１４Ａの幅方向中央には上ロータ軸１３の一端部を挿入するスリット１４Ｃが下方向に形成され、このスリット１２Ｃに従ってロータ１１及び歯車１２が昇降する。
【００２０】
また、図１、図２に示すように、ロータ軸１３の端部には２本の伸縮ロッド１５の一端がそれぞれロータ軸１３を中心に正逆方向に回転自在に連結され、各伸縮ロッド１５は支持板部１４Ａのスリット１４Ｃを中心に左右対称に配置されている。各伸縮ロッド１５はスプリングを内蔵し長手方向に伸縮自在に構成され、歯車１２と小歯車１６Ａ間のアローワンスを調整するようになっている。
【００２１】
また、伸縮ロッド１５の長手方向やや上方にはローラ１５Ａがそれぞれ取り付けられている。これらのローラ１５Ａ間には伸縮部材としてテンションスプリング１７が張設され、このテンションスプリング１７から左右の伸縮ロッド１５に引っ張り力を常時付与し、ロータ１１を水面下に沈める力が作用する。一方、ロータ１１には水面から浮力が作用してロータ１１を常に浮かせる力が作用する。この浮力とテンションスプリング１７の引っ張り力が相殺される位置でロータ１１は昇降することなく一定の高さを維持する。換言すれば、ロータ１１はテンションスプリング１７と浮力が相殺される水面下の一定の位置で停止する。また、テンションスプリング１７に代えてエアシリンダ等を伸縮部材として用い、水深計と連動させることによって水位に合わせてロータ１１を自動的に昇降させることもできる。尚、図２において、１８はロータ１１及び歯車１２を覆うカバーで、カバー１８によってロータ１１等の駆動部を覆っているため、水力発電機１０が駆動中であっても安全である。
【００２２】
従って、水路Ｃの水位が上昇すれば浮力が引っ張り力に打ち勝ってロータ１１はテンションスプリング１７の引っ張り力に抗して上昇し、水位が下降すれば引っ張り力が浮力に打ち勝ってロータ１１は浮力に抗して水面下に押し込まれて一定の深さまで沈む。
【００２３】
歯車１２には発電機１６の小歯車１６Ａが噛合し、ロータ１１が回転すると歯車１２を介して小歯車１６Ａが回転して発電機１６から発電する。歯車１２と小歯車１６Ａのギヤ比を所定の値に設定することによって水流を駆動力とした発電機１６の発電能力を設定することができる。
【００２４】
発電機１６は、扁平型コアレスサンドイッチ構造になっており、ネオジウム磁石が用いられている。また、巻線コイルは平角線が用いられ、三相交流発電機として構成されている。発電機１６は図１に示すように一台の水力発電機１０に対して４基設けられている。場合によっては発電機を更に増やすことができる。勿論、発電機１６の数を減らすこともできる。発電機１６によって得られた電気は図示しない充電器に充填するようにしてある。充電器は電力制御器、分電盤及び電力量計等を介して電力線に接続され、充電器で充電された電気を売電できるようにしてある。
【００２５】
次に、水力発電機１０の動作について説明する。水力発電機１０のロータ１１は図２に示すようにブレード１１Ｂが水面Ｌの下側に侵入するように設定されているため、同図に矢印で示す方向の水流を受けると、ロータ１１が水流を駆動力として反時計方向に回転する。ロータ１１の回転によって歯車１２がロータ１１と一緒に反時計方向に回転すると、小歯車１６Ａが時計方向に回転して発電機１６から所定の電力を発電する。発電した電力は一旦充電器に充電され、充電器から電力制御器、分電盤及び電力量計等を介して電力線に給電する。
【００２６】
この際、降雨等により水位が上昇し、ロータ１１に対する浮力が大きくなると、ロータ１１がロータ軸１３を介して支持板部１４Ａのスリット１４Ｃに従って上昇する。これに伴って２本の伸縮ロッド１５、１５がロータ軸１３を中心に中心角を大きくする方向に回転する。この動作に伴って伸縮ロッド１５、１５間のテンションスプリング１７に対する左右からの引っ張り力が大きくなってロータ１１を水面下に押し込もうとする力が作用する。この力と増大した浮力が平衡点に達した時点でロータ１１の上昇が止まり、この停止位置でロータ１１が回転して発電機１６から発電させる。水位が下降した場合には上述の動作とは逆にロータ１１がスリット１４Ｃに従って下降し、ロータ１１に対する浮力とテンションスプリング１７の引っ張り力が平衡点に達した時点でロータ１１が停止する。
【００２７】
以上説明したように本実施形態によれば、水流を駆動力とするロータ１１と、このロータ１１の両側面に固定された歯車１２と、これらの歯車１２を回転自在に支持するロータ軸１３と、このロータ軸１３を昇降自在に支持する支持体１４と、この支持体１４によって支持されたロータ軸１３に正逆回転自在に取り付けられた２本の伸縮ロッド１５と、この伸縮ロッド１５の先端に固定された発電機１６と、この発電機１６の回転軸に固定され且つ歯車１２と噛合する小歯車１６Ａとを備えているため、水力発電機１０の構造が簡単でコンパクトであり、排水路、農業用水路、公園内の水路Ｃに低コストで設置することができ、しかもメンテナンスを殆ど必要することなく水流を駆動力として発電することができる。また、水路Ｃの水位に合わせてロータ１１が昇降し、常に安定した発電を行なうことができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、ロータ１１は発泡性樹脂によって形成されているため、水力発電機１０を軽量化することができ、設置場所への可搬性を高めることができる。また、ロータ１１は複数のエレメント１１Ｃから構成することにより、水路Ｃの幅や発電能力に応じてエレメント１１Ｃの枚数を適宜変更することができる。またロータ軸１３を昇降案内するスリット１４Ｃを支持体１４の支持板部１４Ａに設けたため、水路Ｃの水位に応じてロータ１１、発電機１６を円滑に昇降させることができる。更に、支持板部１４Ａのスリット１４Ｃを中心にして発電機１６を左右対称に設けると共にそれぞれの伸縮ロッド１５を、テンションスプリング１７を介して連結したため、ロータ１１に対する浮力とテンションスプリング１７の引っ張り力の平衡点でロータ１１を停止させて安定した発電を行うことができる。
【００２９】
また、図６、図７は本発明の他の実施形態の水力発電機を示す図である。本実施形態の水力発電機２０は、図６、図７に示すように、河川の護岸Ｇに設置された支持装置３０によって昇降可能に支持され、河川Ｒの水面Ｌの下に侵入して水流によってロータ１１が回転し、ロータ１１、歯車（図示せず）及び小歯車（図示せず）を介して発電機（図示せず）が駆動して水力発電を行う。この水力発電機２０はテンションスプリングが省略されている以外は実質的に上記実施形態の水力発電機１０に準じて構成されている。つまり、本実施形態の水力発電機２０は上記実施形態とは異なり、一対の伸縮ロッドが一定の中心角を持ってロータ軸に固定されている。
【００３０】
支持装置３０は、図６に示すように、護岸Ｇに立設された支柱３１と、この支柱３１から延設された２本のアーム３２と、これらのアーム３２の先端部に取り付けられた支持板３３と、この支持板３３と２本のアーム３２の接合部に立設された２本のガイドパイプ３４と、これらガイドバイプ３４に昇降自在に挿入され且つ水力発電機２０の支持体（図示せず）に立設された２本のロッド３５と、これらのロッド３５の中間において水力発電機２０の支持体にロープ３６Ａを介して接続された巻上機３６とを備え、巻上機３６を介して水力発電機２０を河川に対して昇降させる。水力発電機２０に接続されたロープ３６Ａは支持板３３の長手方向中央に形成された孔３３Ａを通り、複数のガイドローラ３７を介して巻上機３６に繋がっている。この支持装置３０の支柱３１は、図６に矢印で示すように正逆回転可能に構成され、大雨や台風等の異常増水時には図７に一点差線で示すように巻上機３６によって水力発電機２０を巻き上げた後、水力発電機２０を河川から護岸Ｇ上へ退避させるようにしてある。また、支柱３１を油圧シリンダあるいはエアシリンダ等を用いて昇降可能に構成し、巻上機３６で水力発電機２０を巻き上げた後、更に昇降可能な支柱３１によって水力発電機２０を持ち上げて河川側から護岸側へ退避させるようにしても良い。尚、図示してないが、支持装置３０は水力発電機２０の昇降量を検出するセンサを備え、水力発電機２０水位に応じて昇降量を制御するようになっている。
【００３１】
また、水力発電機２０の昇降手段としては水力発電機２０を昇降させる機構であれば良く、巻上機３６に制限されるものではない。例えば、水力発電機２０の支持体にラックを有するロッドを２本のロッド３５間に設けると共に支持装置３０の支持板３２にモータで駆動するピニオンを設け、ラックアンドピニオン方式によって水力発電機２０を昇降させるようにしても良い。また、この昇降手段として油圧式あるいは空圧式の昇降機構を用いても良い。
【００３２】
従って、巻上機３６を手動または電動によって駆動すると、水力発電機２０はローブ３６Ａを介して昇降し、河川の水面下に侵入し、水流を駆動力として発電する。水力発電機２０が巻上機３６Ｅを介して昇降する時には２本のロッド３５が支持板３３に固定された２本のガイドパイプ３４に従って昇降する。
【００３３】
【実施例】
以下、下記仕様の水力発電機を用いた場合の具体的な実施例について説明する。下記仕様の水力発電機が１ｍ／秒の水流速でロータを回転すると、ロータは１４ｒｐｍの回転速度で回転し、３００Ｗの電力が発電機を介して発電する。３００Ｗの発電能力の水力発電機を使用すると、５．５ｋｇ／日の炭酸ガス排出量を抑制することができる。電力尚、発電機は下記の電気的特性を有し、発電機の回転数と発電量との関係を図５に示した。
〔水力発電機の仕様〕
ロータの直径：１８００ｍｍ
ロータのブレード枚数：８枚
発電機：４基
歯車と小歯車のギヤ比：４０／１
〔水力発電機の電気的特性〕
定格出力：３００Ｗ（ロータ回転数＝１４ｒｐｍの時）
定格出力電圧：ＤＣ４５Ｖ（ロータ回転数＝１４ｒｐｍの時）
定格出力電流：６．７Ａ（ロータ回転数＝１４ｒｐｍの時）
絶縁抵抗：ＤＣ５００Ｖ　５ＭΩ以上
絶縁耐性：ＡＣ１０００Ｖ（１分間）
【００３４】
尚、本発明は上記実施形態に何等制限されるものではなく、必要に応じて各構成要素を適宜設計変更することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の請求項１〜請求項６に記載の発明によれば、排水路、農業用水路、公園内の水路等に低コストで簡単に設置することができると共に環境負荷のない水流をエネルギー源として発電することができるメンテナンスフリーの水力発電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水力発電機の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示す水力発電機を示す側面図である。
【図３】図１に示す水力発電機のロータを取り出して示す図で、（ａ）はその側面図、（ｂ）はその正面図、（ｃ）はロータに取り付けられたブレードを示す側面図、（ｄ）はロータに取り付けられたブレードを示す正面図である。
【図４】図１に示す水力発電機に用いられたロータの昇降機構を示す側面図である。
【図５】図１に示す水力発電機の発電特性を示すグラフである。
【図６】本発明の水力発電機の他の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図７】図６に示す水力発電機を模式的に示す正面図である。
【符号の説明】
１０　　水力発電機
１１　　ロータ（羽根車）
１１Ｃ　エレメント
１２　　歯車
１３　　ロータ軸（軸体）
１４　　支持体
１４Ｃ　スリット
１５　　伸縮ロッド（伸縮部材）
１６　　発電機
１６Ａ　小歯車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004052736.tif 000008
【図７】
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