(57)【要約】【課題】回転効率が向上するらせん水車を提供する。【解決手段】らせん水車１２は、外周にらせん翼３０が設けられ、水路に設置される水車を備える。らせん翼３０の表面には、摩擦係数を低下させる撥水処理が施されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周にらせん翼が設けられ、水路に設置される水車を備え、
前記らせん翼の表面には、摩擦係数を低下させる撥水処理が施されている、らせん水車。
【請求項２】
前記撥水処理は、前記らせん翼の表面に撥水性を有する膜を形成する被膜処理を含む、請求項１に記載のらせん水車。
【請求項３】
前記被膜処理は、フッ素樹脂コーティング処理を含む、請求項２に記載のらせん水車。
【請求項４】
前記被膜処理は、シリコーン樹脂コーティング処理を含む、請求項２に記載のらせん水車。
【請求項５】
前記被膜処理は、ダイヤモンドライクカーボンコーティング処理を含む、請求項２に記載のらせん水車。
【請求項６】
前記撥水処理は、前記らせん翼の表面に撥水性を発現する微細な凹凸形状を形成させる処理を含む、請求項１に記載のらせん水車。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のらせん水車と、
前記らせん水車に連結される発電機とを備える、水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、らせん水車、およびらせん翼が設けられた水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的には、大規模なダムを建設して数ＭＷ〜数千ＭＷの大電力を発生させる水力発電が知られている。このような大規模な水力発電以外にも、比較的小落差あるいは小水量の水流を利用して１００ｋＷ以下の発電を行なう小水力発電がある。小水力発電用の水車には、大型の水力発電と同様のペルトン水車、フランシス水車またはカプラン水車を小型化した水車が用いられる。その他、中規模以下の水力発電に適したクロスフロー水車またはバルブ水車などが用いられる。これらの水車を用いた水力発電では、閉鎖された水路を設けて水流を水車に導く必要がある。
【０００３】
一方、発電規模はさらに小さくなるが、農業用水路のような開水路に設置するタイプの水車として上掛け水車、下掛け水車、らせん水車などがある。特に下掛け水車とらせん水車を用いれば、１ｍ前後、あるいは１ｍ以下の低落差で発電が可能となる。
【０００４】
特開２００９−２２１８８２号公報（特許文献１）、特開２００７−１５４８６２号公報（特許文献２）、特開昭６３−５７８７４号公報（特許文献３）、大正１４年実用新案出願公告第９３５６号公報（特許文献４）は、らせん水車に関する技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２２１８８２号公報
【特許文献２】特開２００７−１５４８６２号公報
【特許文献３】特開昭６３−５７８７４号公報
【特許文献４】大正１４年実用新案出願公告第９３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
らせん水車では、円筒状の軸の外周に設けられたらせん翼に水が衝突することにより、軸が回転する。たとえば、らせん水車を用いた水力発電では、らせん水車の回転エネルギー（機械エネルギー）を電気エネルギーに変換して発電を行なう。したがって、発電効率を向上させるためには、らせん水車の回転効率を向上させることが必要となる。しかしながら、水はらせん翼の表面を相対的に滑るように流れるため、水とらせん翼との間には摩擦抵抗が生じる。したがって、この摩擦抵抗により水のエネルギーが低減することから、らせん水車の回転エネルギーも低減するため、結果としてらせん水車の回転効率が低下することになる。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、回転効率が向上するらせん水車を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ある実施例において、らせん水車は、外周にらせん翼が設けられ、水路に設置される水車を備え、らせん翼の表面には、摩擦係数を低下させる撥水処理が施されている。
【０００９】
この構成によると、らせん翼の表面には、摩擦係数を低下させる撥水処理が施されている。したがって、らせん翼と水との摩擦抵抗による水のエネルギー損失が低減するため、水車の回転効率を向上させることができる。
【００１０】
さらに別の実施例において、らせん翼の表面に撥水性を有する膜を形成する被膜処理を含む。
【００１１】
この構成によると、らせん翼の表面が撥水性を有する膜で覆われているため、らせん翼と水との摩擦抵抗を低減することができる。
【００１２】
さらに別の実施例において、被膜処理は、フッ素樹脂コーティング処理を含む。
この構成によると、らせん翼の表面が撥水性に優れるフッ素樹脂膜で覆われているため、らせん翼と水との摩擦抵抗をより低減することができる。
【００１３】
さらに別の実施例において、被膜処理は、シリコーン樹脂コーティング処理を含む。
この構成によると、らせん翼の表面が撥水性に優れるシリコーン樹脂膜で覆われているため、らせん翼と水との摩擦抵抗をより低減することができる。
【００１４】
さらに別の実施例において、被膜処理は、ダイヤモンドライクカーボンコーティング処理を含む。
【００１５】
この構成によると、らせん翼の表面が撥水性に優れるダイヤモンドライクカーボン（Diamond-like Carbon：ＤＬＣ）膜で覆われているため、らせん翼と水との摩擦抵抗をより低減することができる。また、ＤＬＣ膜は硬度が高いため、水や、砂等の異物の衝突に対して、優れた耐摩耗性、耐久性を発揮する。
【００１６】
さらに別の実施例において、撥水処理は、らせん翼の表面に撥水性を発現する微細な凹凸形状を形成させる処理を含む。
【００１７】
この構成によると、らせん翼の表面をフラクタル面のような微細な凹凸を多数有する表面形状とすることで、より優れた撥水性を得ることができる。
【００１８】
さらに別の実施例において、水力発電装置は、上記のらせん水車と、当該らせん水車に連結される発電機とを備える。
【００１９】
この構成によると、回転効率の高いらせん水車を適用することにより、水力発電装置の発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】水力発電装置の概略構成図である。
【図２】らせん水車の断面図を示す図である。
【図３】変速機のスケルトン図である。
【図４】らせん翼の表面状態の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２２】
なお、以下では本実施の形態に従うらせん水車が水力発電装置に適用される場合について説明する。
【００２３】
図１は、水力発電装置の概略構成図である。
図１を参照して、水力発電装置１０は、らせん水車１２と、らせん水車を囲うフレーム１４とを備える。らせん水車１２は、フレーム１４内で回転する。らせん水車１２の回転によって得られた電力は、導線１６を介して例えばインバータ１８に伝えられる。インバータ１８は、電流を整流し、照明等の電気機器に電力を供給する。
【００２４】
らせん水車１２は、１０〜２０度程度の適度な傾斜を有する開放水路に設置される。らせん水車１２は、軸心程度まで水没するように設置される。水面が中空軸の上端より高い位置にある場合、水が軸を乗り越えるために抵抗となる一方、水面が軸心よりも著しく低いと、らせん水車１２が受ける有効な水量が減少するため十分な発電量が得られないためである。傾斜がほとんどない水路にらせん水車１２を設置する場合は、軸をフレームの底面に対して１０〜２０度程度傾斜させてもよい。
【００２５】
図２は、らせん水車の断面図を示す図である。
図２を参照して、らせん水車１２についてさらに説明する。らせん水車１２は、固定軸２０と、らせん翼３０と、中空軸３２と、発電機４０と、変速機５０とを備える。
【００２６】
固定軸２０は、回転不能にフレーム１４に固定され、中空軸３２を軸方向に貫通する。らせん翼３０は、中空軸３２の外周面に設けられる。中空軸３２は、円筒状の外径を有する。中空軸３２は、らせん翼３０に向かう水流によって回転するように、固定軸２０により回転可能に支持される。固定軸２０と中空軸３２との間には、中空軸３２の上流側端部および下流側端部のそれぞれにおいて、軸受３４，３６が設けられる。軸受３４，３６は、一例として、片側接触シール付軸受である。シールが外側になるように、軸受３４，３６が設けられる。なお、軸受の種類は片側接触シール付軸受に限定されない。シールを軸受の両側に設けてもよい。その他の種類の軸受を設けてもよい。
【００２７】
中空軸３２の上流側端部の開口部は、蓋部材３７により封止される。同様に、中空軸３２の下流側端部の開口部は、蓋部材３８により封止される。
【００２８】
発電機４０は、中空軸３２の内部に設けられる。発電機４０は、固定軸２０に回転可能に支持され、かつ変速機５０の出力側に連結されたロータ４２と、固定軸２０に固定されたステータ４４とを含む。発電機４０は、アウターロータ型の発電機である。発電機４０は、ロータ４２が回転することにより発電する。発電機４０により発生された電力は、導線１６を介してインバータ１８に供給される。
【００２９】
変速機５０は、中空軸３２の内部において、中空軸３２の上流側端部と発電機４０との間に設けられ、中空軸３２からの駆動力を発電機４０のロータ４２に伝達する。変速機５０の入力側は、中空軸３２に連結される。本実施の形態において、変速機５０の変速比は１よりも小さい。すなわち、変速機５０は、中空軸３２の回転速度を増速して発電機４０に伝達する。変速比は１以上であってもよい。また、変速比は変更可能であってもよい。変速比を変更可能にすれば、たとえば水量の変化に起因してらせん水車１２の回転速度が変化しても、最も効率のよい速度で発電機４０を駆動することができる。なお、本実施の形態においては、変速機５０が、中空軸３２の上流側端部と発電機４０との間に設けられている例について説明するが、これに限られない。すなわち、変速機５０は、中空軸３２の下流側端部と発電機４０との間に設けられていてもよい。
【００３０】
本実施の形態に係る水力発電装置１０においては、発電機４０と変速機５０とが中空軸３２の内部に収められているため、水力発電装置１０の大きさを、中空軸の大きさと同等にできる。特に、水力発電装置１０の長さを、中空軸の長さと同等にできる。その結果、水力発電装置１０を小型化できる。
【００３１】
また、中空軸３２を支持する軸と、発電機４０を支持する軸とに共通の固定軸２０が用いられるため、水力発電装置１０の構成を簡素化できる。
【００３２】
図３は、変速機のスケルトン図である。
図３を参照して、変速機５０についてさらに説明する。変速機５０は、一方の軸から他方の軸へ滑りなく動力を伝達できる歯車で構成されており、第１遊星歯車５１と、第２遊星歯車５２とを含む。第１遊星歯車５１のサンギヤ５１Ｓならびに第２遊星歯車５２のサンギヤ５２Ｓは、固定軸２０に回転不能に固定される。第１遊星歯車５１のキャリア５１Ｃは、中空軸３２に連結される。第１遊星歯車５１のプラネットギヤ５１Ｐは、サンギヤ５１Ｓと第１遊星歯車５１のリングギヤ５１Ｒとの間に設けられ、第２遊星歯車５２のプラネットギヤ５２Ｐは、サンギヤ５２Ｓと第２遊星歯車５２のリングギヤ５２Ｒとの間に設けられる。プラネットギヤ５１Ｐ、プラネットギヤ５２Ｐは、それぞれキャリア５１Ｃ、キャリア５２Ｃに連結される。リングギヤ５１Ｒは、第２遊星歯車５２のキャリア５２Ｃに連結される。リングギヤ５２Ｒは、発電機４０のロータ４２に連結される。
【００３３】
複数の遊星歯車を設けることにより、中空軸３２の回転速度を大きく増速または減速させることができる。なお、第２遊星歯車５２を設けずに、第１遊星歯車５１のみを設け、第１遊星歯車５１のリングギヤ５１Ｒを発電機４０のロータ４２に連結するようにしてもよい。また、３つ以上の遊星歯車を図３に示す構成と同様の態様で連結するようにしてもよい。
【００３４】
遊星歯車を用いて変速機５０を構成することにより、変速機５０の軸心と中空軸３２の軸心とを同じにできる。そのため、らせん水車１２の外径を大きくしなくても、中空軸３２の内部に変速機５０を収めることができる。したがって、水力発電装置１０を小型化できる。
【００３５】
なお、遊星歯車の代わりに、トラクションドライブを用いて変速機５０を構成してもよい。この場合、複数のトラクションドライブを繋いで変速機５０を構成していてもよい。滑らかな回転を特徴とするトラクションドライブを用いることにより、回転振動を低減できる。
【００３６】
また、本実施の形態においては、らせん水車１２の中空軸３２の内部に発電機４０を設けたが、本発明が適用される水力発電装置は、このような構成に限定されない。らせん水車１２の外部に発電機４０を設けるようにしてもよい。
【００３７】
図１に戻って、らせん水車１２が設置された水路に水を導入すると、らせん翼３０に衝突した水は、重力（位置エネルギー）と初速度（運動エネルギー）との作用によってらせん翼３０に回転モーメントを与える。これにより、中空軸３２が回転するとともに、発電機４０のロータ４２が駆動される。その結果、発電機４０のロータ４２と固定軸２０に固定されたステータ４４との間の相対回転運動により電力が発生する。
【００３８】
このとき、らせん翼３０の回転に伴って、水はエネルギーを失いながら下流方向に流れていく。すなわち、水はらせん翼３０の表面を相対的に滑るように流れるため、水とらせん翼３０との間には摩擦抵抗が生じる。当該摩擦抵抗はらせん水車の回転を阻害する要因となるため、当該摩擦抵抗をできるだけ低減する必要がある。
【００３９】
本実施の形態においては、この摩擦抵抗を低減するために、らせん翼３０の表面に摩擦係数を低下させる撥水処理が施されている。
【００４０】
図４は、らせん翼３０の表面状態の一例を示す概略図である。
図４（ａ）を参照して、らせん翼３０の表面は撥水性を有する膜３１で被膜されている。そのため、らせん翼３０と水との摩擦抵抗を低減することが可能となる。らせん翼３０の表面に施される被膜処理としては、撥水性に優れるフッ素樹脂やシリコーン樹脂などの樹脂材料による膜を形成する樹脂コーティング処理を含む。これらの被膜処理は、らせん翼３０に樹脂材料をスプレー塗装、ディッピング、刷毛塗りすることにより行なわれる。たとえば、らせん翼３０を金属等で製作した場合に行なわれる塗装の際に、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）粉末を混合した塗料で、らせん翼３０を塗装して膜３１を形成してもよい。
【００４１】
また、図４（ｂ）を参照して、らせん翼３０の表面に撥水性を発現する微細な凹凸形状を形成させてもよい。具体的には、フラクタル面のような微細な凹凸を多数有する表面形状とすることで、より優れた撥水性を得ることができる。このような微細凹凸形状は、たとえば、らせん翼３０の表面に撥水性を有する膜３１として上述したような樹脂コーティング膜を形成してから、樹脂コーティング膜をプラズマ照射によりエッチングすることで実現することができる。
【００４２】
あるいは、上述したような樹脂材料によるコーティング処理以外にも、らせん翼３０の表面にＤＬＣ膜を形成する被膜処理を施してもよい。ＤＬＣ膜は、撥水性を有するとともに、硬度が高いことから、水や砂等の異物の衝突に対して、優れた耐磨耗性、耐久性を発揮する。したがって、らせん翼３０のメンテナンス周期を長くすることもできる。
【００４３】
上述したような撥水処理により、水とらせん翼３０との摩擦抵抗が低減されるため、水のエネルギー損失が低減される。結果として、らせん水車を効率よく回転させることができ、発電効率が向上する。
【００４４】
上記では、本実施の形態に従うらせん水車が水力発電装置に適用される場合について説明したが、これに限られない。たとえば、らせん水車の回転エネルギー（機械エネルギー）をそのまま機械動力として取り出して利用してもよい。
【００４５】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４６】
１０  水力発電装置、１２  らせん水車、１４  フレーム、１６  導線、１８  インバータ、２０  固定軸、３０  らせん翼、３１  膜、３２  中空軸、３４，３６  軸受、３７，３８  蓋部材、４０  発電機、４２  ロータ、４４  ステータ、５０  変速機、５１，５２  遊星歯車、５１Ｃ，５２Ｃ  キャリア、５１Ｓ，５２Ｓ  サンギヤ、５１Ｐ，５２Ｐ  プラネットギヤ、５１Ｒ，５２Ｒ  リングギヤ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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