(57)【要約】【課題】水車が効率よく水流圧を受け、流体力学的損失が少なく、少ない水流量でも回転し、十分な回転トルクが得られる動力発生装置を提供する。【解決手段】回転軸５に固定された保持部６より放射状に複数の羽根固定軸７が組み付けられており、当該羽根固定軸の先端に羽根８が組み付けられた水車９を、水流面に対し傾斜させて設置することで、水流圧を受けた羽根８が上流から下流へ押し流され、下流に達した羽根８は水面上に移動し、水流圧を受けることなく上流方面に回転移動する。【選択図】図１
2016014370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
架設フレームに回転可能に取り付けられた回転軸と、該回転軸から放射状に組み付けられた複数の羽根固定軸と、該羽根固定軸に取り付けられた羽根を備え、該羽根に外力を与えることで前記回転軸を回転させて動力を発生させる水流圧力による傾斜型回転動力発生装置であって、前記回転軸が、水流面に対して傾斜され、複数の前記羽根のうちの最下部側に位置する一部に水流が当てられて水車として作動するように設置されていることを特徴とする動力発生装置。
【請求項２】
前記架設フレームとそれを支える支柱フレームを上部で揺動可能に接合し、使用時は下部を開くことによって前記回転軸を任意の角度に傾斜して設置され、前記水車の高さを調節するスライドフレームと伸縮棒を有することを特徴とする請求項１記載の動力発生装置。
【請求項３】
川底から水面方向に垂直に固定された単数又は複数の固定支柱の上部から、水面方向に傾斜させた前記架設フレームが固定されていることを特徴とする請求項１記載の動力発生装置。
【請求項４】
前記水車の前記羽根形状は、前記羽根固定軸の水平方向を０度として前記回転方向の上方を９０度とすると、該羽根の上部と下部の辺が０度より大きく４５度より小さい範囲に傾斜して組み付けられており、該水車を傾斜させ設置した際、該羽根の上部と下部の辺が水面と川底にそれぞれ平行となるように組み付けられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項５】
双胴船型に両側のフロートを連結するフレームが、前記架設フレームとして設けられ、該両側のフロートの間を流れる水流の流れ方向に、複数の前記水車が並べられて配され、流れの前後の水車同士の回転方向が反対となるように該前後の水車の回転軸が交互に反対に傾斜されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の動力発生装置の回転軸が発電機に接続されていることを特徴とする水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
水流圧力による羽根の回転で動力を発生させる装置は、回転軸が水流面に対して平行型、回転軸が水流面に対し垂直型に大別される。本発明は、羽根と回転軸を水流面に対して傾斜させ回転させる水流圧力による傾斜型回転動力発生装置（以下、「動力発生装置」という）及びこれを用いた水力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、温室効果ガスの排出削減を図るため再生可能な自然エネルギーを活用するニーズが高まっており、クリーンなエネルギーの供給源として様々な水力発電装置が開発されている。
【０００３】
しかし多くのものは水の落差を必要とするため、導水の設備にコストが掛かり、設置場所も制約される。また、工事全体に占める設備費の割合が高くなり、発電コストも高くなる。また、流水中に設置される水没型プロペラ発電装置（特許文献１参照）が提案されているが、水深の浅い河川等では適切に利用することができない。
さらに、大規模な水力発電設備の場合、自然破壊や生態系への影響の問題が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１８３４５号公報（第１頁）
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】有限会社シンク・フジイ「開放周流形水車（木製水車）による発電」ホームページより。
【非特許文献２】シンフォニアテクノロジー株式会社（旧神鋼電機）ホームページより。「リッター水力発電装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現状の水力発電装置の問題点は、水流圧により羽根を回転させて動力を発生させるとき、水圧を受け回転力を発生させる面と同時にそれに伴う抵抗によるエネルギーロスが大きい。
【０００７】
装置を河川等に設置する場合ダム等の工事が必要であり、時間とコストが掛かる。
【０００８】
水流の落差を必要とする場合、設置場所が制約される。また自然の河川にそのまま設置するには水深の浅いところには対応できない。
【０００９】
機構部を水中に設置する場合、水の抵抗、保守管理、耐久性等に問題が多くコストも掛かる。
【００１０】
大型で大規模な設置と工事を行う場合、生態系を脅かす恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係る動力発生装置は、以下の構成を備える。
【００１２】
架設フレームに回転可能に取り付けられた回転軸と、該回転軸から放射状に組み付けられた複数の羽根固定軸と、該羽根固定軸に取り付けられた羽根を備え、該羽根に外力を与えることで前記回転軸を回転させて動力を発生させる動力発生装置であって、前記回転軸が、水流面に対して傾斜され、複数の前記羽根のうちの最下部側に位置する一部に水流が当てられて水車として作動するように設置されていることを特徴とする。前記水車が、水流面に対し水中と水上に傾斜させた状態で設置し、河川等の水中に入れることにより、水流圧を受けた複数の羽根が、上流から下流に押し流され回転軸を回転させる。下流に達した羽根は、回転軸が傾斜していることにより水面上に移動し、水圧を受けることなく上流方向に回転移動することにより効率よく回転軸が回転することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、前記架設フレームとそれを支える支柱フレームを上部で揺動可能に接合し、下部を開くことによって前記回転軸を任意の角度に傾斜して設置できることを特徴とすることができる。自然の河川に適切な角度に架設フレームを傾斜させて設置し、スライドフレームと伸縮棒で高さ調節をするだけで回転動力を得ることができるため、ダムや堰等の工事を必要とせず設置コストを抑えられる。
【００１４】
本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、大型の設置であっても、川底から水面方向に垂直に固定された単数又は複数の固定支柱の上部から、水面方向に傾斜させた架設フレームが固定された支持装置を用いることにより、シンプルで最小限の工事で設置でき、生態系を脅かす可能性は低い。
【００１５】
本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、水車の羽根の形状は、羽根固定軸の水平方向を０度とし回転軸の上方を９０度とすると、羽根の上部と下部の辺が０度より大きく４５度より小さい範囲に傾斜して組み付けられており、水車を傾斜させて設置したとき、羽根の上部と下部の辺は水面と川底に対しそれぞれほぼ平行状態になり、最小限の面積で羽根が水流圧を効率よく受けるようにすることができる。これにより水深の浅い河川への設置も可能になる。また、特別に水流の落差を必要とせず、自然の河川の流れを利用するため設置場所の確保が容易である。
【００１６】
さらに、本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、双胴船型に両側のフロートを連結するフレームが、前記架設フレームとして設けられ、該両側のフロートの間を流れる水流の流れ方向に、複数の前記水車が並べられて配され、流れの前後の水車同士の回転方向が反対となるように該前後の水車の回転軸が交互に反対に傾斜されていることを特徴とすることができる。これによれば、水量が変化し易い河川などの水面の高さ（水深）が変化した場合でも、喫水線の高さは同じであり、水車の羽根が水中に入る深さの程度が変化しないため、安定的な回転動力を得ることができる。
また、以上の動力発生装置について、水中にあるのはフレームの脚部と羽根のみで、機構部はすべて水上にあるため、水流の妨げによるエネルギーロスもなく劣化も少なく耐久性に優れ、メンテナンスも容易におこなえる。
【００１７】
また、水力発電装置においては、上述したいずれかの動力発生装置の回転軸が、発電機の回転子に接続されていることを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
水面を基準に羽根を傾斜させ水中で上流から下流に至り水流圧をうけ回転力となる。下流に達した羽根は水面を基準に羽根の縦幅程度の移動で水上を上流に戻るため、水圧を受けることなくエネルギーロスが非常に小さい。
【００１９】
小型の可搬型は折り畳むことができるので、移動、保管に大変便利である。またシンプルな構造のため、軽量でコストも安くできる。
【００２０】
可搬型は自然の小川の流れで、工事を行わず、架設パネルと支柱を広げて水流に置くだけで稼働することができた。傾斜角度２５度で水深２５ｃｍでも問題なく回転した（羽根の広さ２７ｃｍ×１７ｃｍ）。水中にあるのはフレームの脚と羽根の部分だけで、羽根は水の流れに従って回転しているので草等を流してもゴミを掃く状態で草が絡むことはなかった。
【００２１】
水中にあるのは羽根とフレームの脚の部分だけで機構部は全て水上にあり、水による劣化がなく、耐久性、管理上も有利である。
【００２２】
回転軸が傾斜し、回転をしているので、羽根の位置が上下左右に移動し、後の羽根が先行の羽根の水流圧を妨げにくい。
【００２３】
稼働中、環境汚染をしない再生エネルギー装置であっても、ダム建設等により自然破壊がおこる。本発明の水力発電装置は自然の状態で設置できるため、自然破壊の可能性の恐れがない。
【００２４】
本発明の水力発電装置は水没させる部位が羽根とフレームの脚のみで、稼働する羽根に於いても自然の流れに従って動いているので生態系への悪影響がない。
【００２５】
太陽光発電装置等の老朽化により、処分される廃棄物の有害物質は今後膨大な量になる。本発明の水力発電装置はシンプルな構造であり、素材に有害物質を含まないため、部品処分等による環境汚染は非常に小さい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】傾斜型回転動力発生装置の側面図である。
【図２】傾斜型回転動力発生装置の正面図である。
【図３】動力発生装置の平面図である。
【図４】架設フレームと支柱の開閉動作を示す側面図である。
【図５】水車の正面図である。
【図６】浅く川幅の狭い場所への簡易設置例の側面図である。
【図７】深く川幅の広い場所への簡易設置例の側面図である。
【図８】深く川幅の狭い場所への簡易設置例の側面図である。
【図９】固定式大型水力発電装置の設置例の正面図である。
【図１０】固定式大型水力発電装置の設置例の平面図である。
【図１１】固定式大型水力発電装置の設置例の側面図である。
【図１２】大型水力発電装置の水車の収納及び回転ストッパー使用時の側面図である。
【図１３】回転ストッパーの斜視図である。
【図１４】双胴船型のフロートに複数の動力発生装置を配置した形態例を示す側面図である。
【図１５】図１４の形態例の平面図である。
【図１６】図１４の形態例の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明に係る、水流圧力による傾斜型回転動力発生装置の実施形態について詳細に説明する。以下では動力発生装置の一例として水力発電装置を例示して説明する。また、可搬型の小型のもの、固定型の大型のものを例に説明する。
【００２８】
図１に示すように、傾斜型水力発電装置は、水車９の回転軸５が発電機１３の回転子（図示せず）に接続されている。或いは、回転軸５は発電機１３の回転子軸若しくはこれにカップリング等で接続されていてもよい。
【００２９】
水車９の構成について説明する。図２及び３に示すように発電機１３から延設された回転軸５が、スライドフレーム４に回転可能に軸支されている。この回転軸５に固定された保持部６より放射状に複数の羽根固定軸７が組み付けられており、当該羽根固定軸７の先端に水流の圧力を受けて回転軸５と一体となって回転する羽根８が組み付けられている。
【００３０】
図２のように、傾斜型水力発電装置１は、回転軸５が水流面に対し傾斜して設置される。傾斜角度は、回転軸５が水面に垂直状態を０度とすると、１０度から９０度まで機能するが、２５度程度が望ましい。羽根固定軸７を長くして、羽根の縦幅を小さくすれば、１０度程度の傾斜でも機能するが、水流圧が少なくなり回転力が劣る。水面を基準に、羽根の上下移動が羽根の縦幅程度になる２５度程度に設置するのが、最も小さなモーメントで効率がよいと思われる。
【００３１】
図４で示すように、架設フレーム２と支柱フレーム３は任意の角度に開閉でき、開閉角度は角度固定バー１０により固定できる。また水車９の高さは水車９を備えたスライドフレーム４と伸縮棒１１により調整することができる。スライドフレーム４はスライドフレーム固定ツマミ４ａによって、伸縮棒１１は伸縮棒固定ツマミ１１ａによって、それぞれ任意の位置で固定できる。
【００３２】
図５に示すように水車９の羽根８の形状は先端部を上方に傾斜して形成される。羽根８は羽根固定軸７の水平方向を０度としたとき、２５度程度傾斜して組み付けられていることが望ましい。水車９を傾斜させて設置したとき、羽根８の上部と下部は水面と川底に対しそれぞれほぼ平行状態になり、浅い河川であっても最小限の面積で羽根８が水流圧を効率よく受け、上下の移動も少なくなる。また、羽根８は平面でもよいが、断面が湾曲した形状でもよい。
【００３３】
図６乃至図８は河川での可搬型の傾斜型水力発電機の設置例の側面図である。多様な設置条件であっても、水車９の設置角度、高さを任意で調節できるため設置場所を制約されない。たとえば図７で示すように、水深が深く川幅の広い河川の場合、岸側に支柱フレーム３を固定用杭１６で設置してもよい。
【００３４】
図９乃至図１１は大型で固定式の傾斜型水力発電装置の設置例である。上述した傾斜型水力発電装置は小型で可搬用に適した構造であったが、河川幅が広く、水深が２ｍを超えるような設置条件であれば水車９の直径が１０ｍを超える大型であってもよい。以下は大型水力発電装置に関する説明である。
【００３５】
大型となれば常設となり、シンプルで強力な支柱が必要となる。仮に水深１ｍ以上の河川に直径５ｍの水車９を設置する場合、河川の中央あたりに、水流方向に対し単数又は複数の、たとえば２本の固定支柱３ａが直列になるように、川底から水面方向に垂直に、直径５ｍの水車が回転可能な間隔で埋設されベース（基礎）１７で固定される。前記固定支柱３ａの上部から水面方向に、たとえば２５度に傾斜させた固定架設フレーム２ａを接合し、さらに補強アーム１５で固定された支持装置を設置する。
上記構成によれば、大型であっても最小限の工事で設置強度を維持することができる。また、水流に与える影響は支柱の径のみで極めて小さい。
【００３６】
設置位置は、河川の中央部でも岸側でもよいが、一般的に河川の中央部は水流が安定しているので、羽根８が水中に入る位置が河川の中央部になるように設置するのが好ましい。
【００３７】
図１２に示すように、水面と羽根８との距離はスライドフレーム４を上下にスライドさせることにより調節できる。スライド動作はモーター等によりワイヤーやギア等を用いて、自動或いは遠隔操作によっておこなうことができる。
【００３８】
回転を止めるにはスライドフレーム４により水車９を水上にあげればよい。しかし水上に上げた水車は水圧による回転力はなくなるが、風圧により完全な停止ができない可能性がある。制御装置等（図示せず）を付けてもよいが、水車９を引き上げた上部に図１３に示すような回転ストッパー１４を取り付けてもよい。
【００３９】
さらに大きな電力を得るには、水流方向に直列に複数の、たとえば１１本の固定支柱３ａを連結設置させ、同様に１０台の固定架設フレーム２ａを取り付ければよい。固定支柱３ａを連結することにより部材が減り設置コストが削減できる。このとき、架設フレーム２ａを、水流方向に直列に複数設置された固定支柱３ａのラインを中心に、左右対称に交互に設置してもよい。
【００４０】
本発明の大型の傾斜型水力発電装置であれば、ダム等の建設の必要がないので環境破壊がなく、また設置コストを抑えることができる。
【００４１】
自然の河川の流れに従って羽根の部分だけが水中を移動するので、生態系への影響も非常に少ない。
【００４２】
次に、本発明に係る他の形態例について、図１４〜１６に基づいて説明する。なお、以上に説明した構成と同等の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４３】
本形態例の動力発生装置では、双胴船型に両側のフロート２０、２０を連結するフレームが、架設フレーム２として設けられ、その両側のフロート２０、２０の間を流れる水流の流れ方向に、複数の水車９が並べられて配され、流れの前後の水車９同士の回転方向が反対となるように前後の水車９の回転軸５が交互に反対に傾斜されている。なお、フロート２０内部は空洞になっており、一対のフロート２０が平行に配されていることで、底の無い船（双胴船）の形態に構成されている。
【００４４】
架設フレーム２は、門型或いはアーチ状に形成されて各端が各フロート２０に固定されていることで水車を支持できる合理的な形態になっている。水車９の回転軸５は、前述した傾斜角度のように、喫水線３０を基準として例えば２５度程度に傾斜させた状態に設置されるとよい。
【００４５】
また、発電機１３が、架設フレーム２上に配設され、回転軸５が連結された形態になっている。そして、各発電機１３は、電線（図示せず）で接続され、基地に配置したコントローラ（図示せず）に送電されるように構成できる。
【００４６】
また、各フロート２０の外側面で長手方向の中央部には、一対のフロート２０、２０による浮上状態を安定させるように安定翼２２が設けられている。さらに、一対のフロート２０、２０の前部には両者を接続するようにバンパー２１が、喫水線３０とほぼ同じ高さで水面に沿う高さとなるように配設されている。このバンパー２１によれば、ゴミが、一対のフロート２０、２０の間に進入することを阻止できる。
【００４７】
この動力発生装置は、船舶を係留する要領で、河川等の水流のある場所に設置することができる浮上式の水流発電機として用いられる。なお、水車９の回転を止めるときは、水車９を水面上に引き上げればよく、基地に配置したコントローラで操作できるように、前述した実施例（図１２参照）のような構成を備えればよい。また、河川等の水流の水位が下がった場合や、水流が想定以上に速い場合などにも、水車９を引き上げることで、水車９の羽根８が河川等の底に接触しないように調整することや、水流が水車９の羽根８に当たって作用する押圧力を緩和するように調整できる。
【００４８】
なお、各フロート２０には、その下面に、水車９の羽根８の最下部より下方に延びる脚２３を設けてもよい（図１６参照）。河川等の水流の水位が下がった場合、その脚２３が河川等の底に接地し、水車９の羽根８が河川等の底に接触して破損することを防止できる。この脚２３の形態は、柱状でも良いし、フロート２０の長手方向（水流方向）に沿って配された板状でもよい。
【００４９】
これによれば、水量が変化し易い河川などの水面の高さ（水深）が変化した場合でも、フロート２０が水面に浮いた状態であればそのフロート２０の喫水線３０は変化せず、水車９の羽根８が水中に入る深さの程度が変化しないため、安定的な回転動力を得ることができる。また、複数の水車９を設置した形態となっているため、高い出力の動力を発生させることができる。さらに、複数の水車９が、その回転が左右交互になるように配置されているため、安定的な回転動力を得ることができる。従って、これを発電装置として用いれば、安定的でより高出力の電力を発生させることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１    傾斜型水力発電装置
２    架設フレーム
２ａ    固定架設フレーム
３    支柱フレーム
３ａ    固定支柱
４    スライドフレーム
４ａ    スライドフレーム固定ツマミ
５    回転軸
６    保持部
７    羽根固定軸
８    羽根
９    水車
１０    角度固定バー
１１    伸縮棒
１１ａ    伸縮棒固定ツマミ
１２    ベアリング
１３    発電機
１４    回転ストッパー
１５    補強アーム
１６    固定用杭
１７    ベース（基礎）
１８    支持装置
２０    フロート
２１    バンパー
２２    安定翼
２３    脚
３０    喫水線
【図１４】
2016014370.tif 000003
【図１５】
2016014370.tif 000004
【図１６】
2016014370.tif 000005
【図１】
2016014370.tif 000006
【図２】
2016014370.tif 000007
【図３】
2016014370.tif 000008
【図４】
2016014370.tif 000009
【図５】
2016014370.tif 000010
【図６】
2016014370.tif 000011
【図７】
2016014370.tif 000012
【図８】
2016014370.tif 000013
【図９】
2016014370.tif 000014
【図１０】
2016014370.tif 000015
【図１１】
2016014370.tif 000016
【図１２】
2016014370.tif 000017
【図１３】
2016014370.tif 000018