(57)【要約】【課題】高い防水性を有するとともに、回転効率の低下が抑制されているらせん水車、および発電効率の低下が抑制されている水力発電装置を提供する。【解決手段】外周にらせん翼３０が設けられ、内部に中空部分が形成されており、らせん翼３０に向かう水流によって回転する中空軸体３１と、らせん翼３０を囲うように設けられている枠部材５０と、中空軸体３１の中心軸Ｃと重なるように延在しており、枠部材５０に回転不能に固定されている固定軸２０と、中心軸Ｃと重なるように延在しており、枠部材５０に回転可能に支持されている回転軸２１とを備える。上記中空軸体３１は、固定軸２０に回転可能に支持されているとともに、回転軸２１と固定されている。【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、内部に中空部分が形成されており、前記らせん翼に向かう水流によって回転する中空軸体と、
前記らせん翼を囲うように設けられている枠部材と、
前記中空軸体の中心軸と重なるように延在しており、前記枠部材に回転不能に固定されている固定軸と、
前記中心軸と重なるように延在しており、前記枠部材に回転可能に支持されている回転軸とを備え、
前記中空軸体は、前記固定軸に回転可能に支持されているとともに、前記回転軸と固定されている、らせん水車。
【請求項２】
前記中空軸体は、前記中心軸の軸方向において上流側に位置する上流側端部と、前記軸方向において下流側に位置する下流側端部とを含み、
前記中空軸体は、前記上流側端部および前記下流側端部のいずれか一方において前記回転軸と固定されており、
前記中空軸体は、前記上流側端部および前記下流側端部のいずれか他方において前記固定軸により回転可能に支持されている、請求項１に記載のらせん水車。
【請求項３】
前記中空軸体は、前記上流側端部において前記回転軸と固定されている、請求項２に記載のらせん水車。
【請求項４】
前記中空軸体の前記上流側端部または前記下流側端部において、前記軸方向から見たときに前記回転軸と重なる領域には前記中空部分と外部とを接続する貫通孔が設けられており、
前記回転軸において、前記軸方向から見たときに前記貫通孔と重なる領域には底部を有する凹部が形成されており、
前記中空軸体と前記回転軸とは、前記貫通孔から前記凹部に達する固定部材により固定されている、請求項２または請求項３に記載のらせん水車。
【請求項５】
前記らせん翼の外周に固定され、前記中空軸体を囲うように円筒状に設けられている樋をさらに備え、
前記枠部材は、前記樋よりも下流に配置され、排水口が設けられた下流側部材を含み、
前記軸方向から前記下流側部材を平面視したときに、前記下流側部材の前記排水口は、前記らせん水車の使用状態における鉛直方向の下方に位置する前記下流側部材の端部が凹んで形成された開口領域を含む、請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載のらせん水車。
【請求項６】
前記らせん翼の外周側に固定され、前記中空軸体を囲うように円筒状に設けられている樋をさらに備え、
前記枠部材は、前記樋よりも上流に配置され、前記中空軸体の前記中心軸よりも前記らせん水車の使用状態における鉛直方向の下方の部位に取水口が設けられる上流側部材を含み、
前記軸方向において、前記上流側部材と前記樋とは間隔を隔てて設けられている、請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載のらせん水車。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のらせん水車と、
前記中空軸体の内部に設けられた発電機と、
前記中空軸体の内部において、前記中空軸体と前記発電機との間に設けられ、前記中空軸体からの駆動力を前記発電機に伝達する伝達部材とを備え、
前記発電機は、前記伝達部材に連結されたロータと、前記固定軸に固定されたステータとを含む、水力発電装置。
【請求項８】
前記ロータは前記ステータを囲うように設けられている、請求項７に記載の水力発電装置。
【請求項９】
前記固定軸と前記ステータとは同軸に設けられている、請求項７または請求項８に記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、らせん水車および水力発電装置に関し、特に水路の水流を利用した水力発電装置に用いられるらせん水車および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）、および特開２０１３−１７４２０７号公報（特許文献５）は、らせん水車に関する技術を開示する。
【０００５】
特開２０１３−１７４２０７号公報には、アウターロータ型の発電機として構成されている水力発電装置が開示されている。このような水力発電装置では、中空軸体の内部にその回転中心となる固定軸が設けられている。また、水力発電装置の小型化の観点から、らせん水車の中空軸体の内部に発電機が設置されているのが好ましい。発電機への水の浸入を防ぐため、中空軸体と固定軸との間には防水性に優れたオイルシールが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【特許文献５】特開２０１３−１７４２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
中空軸体により高い防水性を付与するためには、オイルシールの緊迫力を増したり、オイルシールを２重にするなどの方法が考えられる。しかしながら、いずれの方法でも、オイルシールを介した中空軸体と固定軸との間の摩擦トルクの増大を招くため、中空軸体の回転動作が妨げられ回転効率が低下する。その結果、このようならせん水車を備える水力発電装置の発電効率は低下するという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、高い防水性を有するとともに、回転効率の低下が抑制されているらせん水車、および発電効率の低下が抑制されている水力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】
【０００９】
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、内部に中空部分が形成されており、らせん翼に向かう水流によって回転する中空軸体と、らせん翼を囲うように設けられている枠部材と、中空軸体の中心軸と重なるように延在しており、枠部材に回転不能に固定されている固定軸と、中心軸と重なるように延在しており、枠部材に回転可能に支持されている回転軸とを備え、中空軸体は、固定軸に回転可能に支持されているとともに、回転軸と固定されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高い防水性を有するとともに、回転効率の低下が抑制されているらせん水車、および発電効率の低下が抑制されている水力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係るらせん水車を説明するための断面図である。
【図２】図１中の領域ＩＩの部分拡大図である。
【図３】図２中の矢印ＩＩＩから見た図である。
【図４】図１中の領域ＩＶの部分拡大図である。
【図５】図４中の矢印Ｖから見た図である。
【図６】実施の形態１に係る導水板を説明するための図である。
【図７】実施の形態１に係る水力発電装置を説明するための断面図である。
【図８】実施の形態２に係るらせん水車を説明するための断面図である。
【図９】図８中の矢印ＩＸから見た図である。
【図１０】実施の形態３に係るらせん水車を説明するための断面図である。
【図１１】図１０中の領域ＸＩの部分拡大図である。
【図１２】実施の形態３に係る水力発電装置を説明するための断面図である。
【図１３】実施の形態３に係るらせん水車の変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１３】
はじめに、本発明の実施の形態の概要を列挙する。
（１）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、内部に中空部分が形成されており、らせん翼に向かう水流によって回転する中空軸体と、らせん翼を囲うように設けられている枠部材と、中空軸体の中心軸と重なるように延在しており、枠部材に回転不能に固定されている固定軸と、中心軸と重なるように延在しており、枠部材に回転可能に支持されている回転軸とを備え、中空軸体は、固定軸に回転可能に支持されているとともに、回転軸と固定されている。
【００１４】
このようにすれば、中空軸体は固定軸および回転軸をその回転中心として枠部材に対して回転可能に設けられているため、中空軸体と固定軸との接続部を１箇所とすることができる。これにより、中空軸体と固定軸とが上流側および下流側の２箇所で摺動可能に接続されていた従来のらせん水車と比べて、中空軸体の中空部分の内部と外部との間に配置される軸受やオイルシールなどの摺動部材の点数を減らすことができるため、オイルシールなどを介した中空軸体と固定軸との間の摩擦トルクの増大を招くことなく、中空軸体の中空部分に対する防水性を高めることができる。つまり、上記のような構成を備えるらせん水車は、高い防水性を有するとともに、回転効率の低下が抑制されている。
【００１５】
（２）別の実施例において、中空軸体は、中心軸の軸方向において上流側に位置する上流側端部と、軸方向において下流側に位置する下流側端部とを含み、中空軸体は、上流側端部および下流側端部のいずれか一方において回転軸と固定されており、中空軸体は、上流側端部および下流側端部のいずれか他方において固定軸により回転可能に支持されている。
【００１６】
このようにすれば、らせん水車が配置される水路の水流に沿うように中空軸体の中心軸（回転軸）が配置されるため、高い防水性を有するとともに、効率的良く回転動作することができるらせん水車を得ることができる。
【００１７】
（３）別の実施例において、中空軸体は、上流側端部において回転軸と固定されている。
【００１８】
このようにすれば、らせん水車が水路に設置されたときに水流の衝突を受ける上流側端部と回転軸とは軸受やオイルシールなどの摺動部材を介さずに接続し固定されているため、中空軸体の防水性をさらに高めることができる。
【００１９】
（４）別の実施例において、中空軸体の上流側端部または下流側端部において、軸方向から見たときに回転軸と重なる領域には中空部分と外部とを接続する貫通孔が設けられており、回転軸において、軸方向から見たときに貫通孔と重なる領域には底部を有する凹部が形成されており、中空軸体と回転軸とは、貫通孔から凹部に達する固定部材により固定されている。
【００２０】
このような構成によれば、中空軸体と回転軸とを固定する固定部材は、中空軸体の中空部分の内部に達することなく、中空部分の外部のみにおいて中空軸体と回転軸とを固定可能に設けられている。そのため、固定部材を介して中空軸体の中空部分の内部に水が浸入することを防止することができる。
【００２１】
（５）別の実施例において、らせん翼の外周に固定され、中空軸体を囲うように円筒状に設けられている樋をさらに備え、枠部材は、樋よりも下流に配置され、排水口が設けられた下流側部材を含み、軸方向から下流側部材を平面視したときに、下流側部材の排水口は、らせん水車の使用状態における鉛直方向の下方に位置する下流側部材の端部が凹んで形成された開口領域を含む。
【００２２】
このようにすれば、下流側部材の開口領域は下流側部材の端部に開放された状態となっているので、らせん水車がたとえば開放水路に設置されてらせん水車の樋内に水とともに砂利等が取り込まれた場合であっても、下流側に達した当該砂利等が下流側部材と樋との間に堆積することを防止することができる。その結果、下流側部材と樋との間に堆積した砂利等が樋に噛み込むことを防止することができ、長期的に安定した回転動作が可能ならせん水車を得ることができる。
【００２３】
（６）別の実施例において、らせん翼の外周側に固定され、中空軸体を囲うように円筒状に設けられている樋をさらに備え、枠部材は、樋よりも上流に配置され、中空軸体の中心軸よりもらせん水車の使用状態における鉛直方向の下方の部位に取水口が設けられる上流側部材を含み、軸方向において、上流側部材と樋とは間隔を隔てて設けられている。
【００２４】
このようにすれば、らせん水車がたとえば開放水路に設置され、らせん水車内に水とともに砂利等が取り込まれた場合であっても、上流側部材と樋との間に砂利等の異物が堆積し、砂利等が樋に噛み込むことを防止することができる。その結果、長期的に安定した回転動作が可能ならせん水車を得ることができる。
【００２５】
（７）別の実施例において、水力発電装置は、らせん水車と、中空軸体の内部に設けられた発電機と、中空軸体の内部において、中空軸体と発電機との間に設けられ、中空軸体からの駆動力を発電機に伝達する伝達部材とを備え、発電機は、伝達部材に連結されたロータと、固定軸に固定されたステータとを含む。
【００２６】
このような構成を備える水力発電装置は、回転効率の低下が抑制されているらせん水車を備えるため、発電効率の低下が抑制されている。
【００２７】
（８）別の実施例において、ロータはステータを囲うように設けられている。つまり、水力発電装置はアウターロータ型の発電装置である。このようにすれば、発電機は、ロータがアウター側に配置されて中空軸体と連結されており、ステータがインナー側に配置されて固定軸に固定されている。そのため、水力発電装置において、発電機を簡単な構造で支持することができる。
【００２８】
（９）別の実施例において、固定軸とステータとは同軸に設けられている。このようにすれば、中空軸体に発電機を内蔵する場合、発電機の外形寸法を最大化することができる。この結果、発電機の発電量を大きくすることができるとともに、発電効率も高めることができる。
【００２９】
次に、本発明の実施の形態の詳細について説明する。
図１〜図５を参照して、実施の形態１に係るらせん水車１０について説明する。実施の形態１に係るらせん水車１０は、固定軸２０と、回転軸２１と、らせん翼３０と、中空軸体３１と、樋３２と、枠部材５０（図７参照）とを備える。
【００３０】
中空軸体３１は、円筒状に設けられており、軸方向Ａとそれに垂直な径方向Ｂとを有している。中空軸体３１は、その内部の中空部分に固定軸２０が延在するように配置されている。中空軸体３１の外周面には、らせん翼３０が設けられている。中空軸体３１は、軸方向Ａにおいて上流側に位置する上流側端部３３と、軸方向Ａにおいて下流側に位置する下流側端部３４とを含んでいる。
【００３１】
らせん翼３０は、中空軸体３１の外周囲において、中空軸体３１の中心軸Ｃを中心として螺旋状に形成されている。らせん翼３０は、中空軸体３１の径方向Ｂにおける最外周が樋３２に接続されている。
【００３２】
樋３２は、らせん翼３０および中空軸体３１を周方向において囲うように円筒状に設けられている。樋３２は、たとえばらせん翼３０と一体として構成されている。中空軸体３１およびらせん翼３０と樋３２とで囲われた領域は、らせん水車１０に取り込まれた水の流通路を構成する。樋３２は、軸方向Ａにおいて、たとえば中空軸体３１の上流側端部３３と重なる領域から下流側端部３４と重なる領域まで延びるように形成されている。
【００３３】
固定軸２０は、中空軸体３１の中心軸Ｃ（回転軸）と重なるように、中空軸体３１の外部から内部に延在している。固定軸２０は、中空軸体３１の外部に位置している部分が枠部材５０に回転不能に固定されている。また、固定軸２０は、中空軸体３１の内部に位置する部分が発電機４０と接続されている。すなわち、らせん水車１０において、固定軸２０は中空軸体３１を貫通していない。
【００３４】
回転軸２１は、中空軸体３１の中心軸Ｃと重なるように、少なくとも中空軸体３１の外部に延在している。回転軸２１は、中空軸体３１に固定されている。回転軸２１は、中空軸体３１の外部に位置する部分が枠部材５０に回転可能に支持されている。好ましくは、回転軸２１は、上流側部材５１に回転可能に支持されている。回転軸２１は、たとえば上流側部材５１に設けられているベアリングユニット８０を介して回転可能に支持されている。つまり、固定軸２０および回転軸２１は、中空軸体３１の中心軸Ｃと重なるように設けられており、互いに同軸となるように設けられている。
【００３５】
中空軸体３１は、固定軸２０により回転可能に支持されているとともに、回転軸２１と固定されている。このとき、中空軸体３１は、上流側端部３３および下流側端部３４のいずれか一方において回転軸２１と固定され、上流側端部３３および下流側端部３４のいずれか他方において固定軸２０により回転可能に支持されていればよい。言い換えると、中空軸体３１は、中空軸体３１の軸方向Ａにおける一方端部においてのみ固定軸２０により回転可能に支持されており、いわゆる片持ち状態で支持されているのが好ましい。より好ましくは、中空軸体３１は、上流側端部３３において回転軸２１と固定されており、下流側端部３４において固定軸２０により回転可能に支持されている。
【００３６】
中空軸体３１と固定軸２０との間は蓋６２、軸受６４、およびオイルシール６６を介して接続されている。中空軸体３１は、たとえば下流側端部３４において、発電機４０を中空軸体３１の中空部分に出し入れ可能とするように下流側開口部を有している。蓋６２は、当該下流側開口部を覆うように配置されている。蓋６２は、たとえばねじ７２などにより中空軸体３１の下流側端部３４とＯリング６８を挟んで固定されている。蓋６２には、中空軸体３１の軸方向Ａに沿って延びるように貫通孔が形成されている。当該貫通孔は固定軸２０が貫通可能に設けられている。軸受６４は、蓋６２の貫通孔内に通されて蓋６２を貫通している固定軸２０と蓋６２との間を接続している。
【００３７】
軸受６４は、任意の軸受を採用し得るが、たとえば転がり軸受である。軸受６４は、たとえば片側接触シール付軸受であり、中空軸体３１から見て軸受６４の外側にオイルシール６６が形成されていてもよい。つまり、軸受６４よりも下流側にオイルシール６６が設けられていてもよい。
【００３８】
蓋６２を構成する材料は、水による腐食に耐性を有し、かつ固定軸２０に対して中空軸体３１を回転可能に支持するために必要とされる強度を有する材料であるのが好ましく、たとえばステンレス鋼である。軸受６４を構成する材料は、中空軸体３１においてオイルシール６６より内側に水が浸入した場合を想定して、水による腐食に耐性を有し、かつ固定軸２０に対して中空軸体３１を回転可能に支持するために必要とされる強度を有する材料であるのが好ましく、たとえばステンレス鋼である。
【００３９】
図２および図３に示すように、中空軸体３１と回転軸２１とは、直接接続されて互いに固定されている。中空軸体３１は、たとえば上流側端部３３において上流側開口部を有している。回転軸２１は、当該上流側開口部を覆うように配置されている。また、回転軸２１は、固定軸２０と重なるように設けられている。回転軸２１は、たとえばねじ７１などにより中空軸体３１の上流側端部３３とＯリング６７を挟んで固定されている。
【００４０】
具体的には、中空軸体３１の上流側端部３３または下流側端部３４において、軸方向Ａから見たときに回転軸２１と重なる領域には中空部分と外部とを接続する貫通孔が設けられている。一方、回転軸２１において軸方向Ａから見たときに貫通孔と重なる領域には、底部を有する凹部、言い換えると袋穴が形成されている。ねじ７１は、貫通孔を通って凹部に達し、中空軸体３１と回転軸２１とを接続し固定している。
【００４１】
このとき、回転軸２１は、中空軸体３１の中空部分の内部において中空軸体３１と接続され固定されているのが好ましい。言い換えると、回転軸２１に設けられている凹部は、下流側に底部を有し、上流側において中空軸体３１の貫通孔に面するように設けられているのが好ましい。なお、回転軸２１は、中空軸体３１の中空部分の外部において中空軸体３１と接続され固定されていてもよい。言い換えると、回転軸２１に設けられている凹部は、上流側に底部を有し、下流側において中空軸体３１の貫通孔に面するように設けられていてもよい。この場合、上流側端部３３は中実であることが好ましい。
【００４２】
枠部材５０は、上流側部材５１と、下流側部材５３と、上流側部材５１と下流側部材５３とを接続し固定する接続部材５６とを含む。枠部材５０は、固定軸２０、回転軸２１、らせん翼３０、中空軸体３１、樋３２、および発電機４０を囲うように設けられている。
【００４３】
枠部材５０は、たとえば４つの接続部材５６を含んでいる。４つの接続部材５６は、たとえば固定軸２０、回転軸２１、らせん翼３０、中空軸体３１、樋３２、および発電機４０を囲う四隅に軸方向Ａに沿って延びるように配置されている。つまり、２つの接続部材５６は鉛直方向の上方に、他の２つの接続部材５６は中心軸Ｃから見て鉛直方向の下方に配置されている。
【００４４】
各接続部材５６において上流側に位置する端部は、上流側部材５１と接続し固定されている。また、接続部材５６において下流側に位置する端部は、下流側部材５３と接続し固定されている。
【００４５】
図４に示すように、下流側部材５３は、固定軸２０を回転不能に固定している。一方、上流側部材５１は、回転軸２１を回転可能に支持している。つまり、固定軸２０、ステータ４２、枠部材５０、上流側部材５１および下流側部材５３は、互いの相対的位置が固定されており、これらに対して回転軸２１、らせん翼３０、中空軸体３１、樋３２、およびロータ４１が相対的に移動可能（固定軸２０を回転軸として回転可能）に設けられている。
【００４６】
上流側部材５１は、たとえば中空軸体３１の軸方向Ａから上流側部材５１を平面視したときに、図３に示すように、鉛直方向に沿って延びるとともに中空軸体３１を挟むように設けられている２つの側方部５１Ａ，５１Ｂと、鉛直方向の上方に位置して２つの側方部５１Ａ，５１Ｂを接続する上方部５１Ｃと、上方部５１Ｃと上流側部材５１の鉛直方向の下方に位置する端部５１Ｅとの間において２つの側方部５１Ａ，５１Ｂを接続しており、回転軸２１を回転可能に支持している支持部５１Ｄと、２つの側方部５１Ａ，５１Ｂの間において上方部５１Ｃと支持部５１Ｄとを接続している中間部５１Ｆとを含む。支持部５１Ｄにはベアリングユニット８０が設けられており、支持部５１Ｄはベアリングユニット８０を介して回転軸２１を回転可能に支持している。側方部５１Ａ，５１Ｂおよび中間部５１Ｆは、たとえば互いに平行に設けられている。また、上方部５１Ｃおよび支持部５１Ｄは、たとえば互いに平行に設けられている。
【００４７】
上流側部材５１には、水路かららせん水車１０内に水を取り込むための取水口５２が設けられている。取水口５２は、上流側部材５１を平面視したときに任意の形状とすることができる。取水口５２は、たとえばらせん水車１０を水路に設置した際に固定軸２０と接続される部分（たとえば上流側部材５１の中央部）よりも鉛直方向の下方に位置する領域に広く開口している。取水口５２の下方側に位置する端面５８には、中空軸体３１の軸方向Ａにおいて内側に突出する突出部５９が設けられていてもよい。
【００４８】
図６を参照して、導水板５７はたとえば取水口５２の開口領域を構成する端面５８と、端面５８から軸方向Ａにおいて下流側に向かって突出するように設けられている突出部５９とを有している。これにより、導水板５７は上流側部材５１に対して上流側から取り付けられたときに、２つの側方部５１Ａ，５１Ｂ、突出部５９および支持部５１Ｄに囲まれる領域を取水口５２として構成することができる。突出部５９は、らせん水車１０の樋３２に対して、らせん水車１０の使用状態における鉛直方向の上方に位置するように設けられている。このようにすれば、らせん水車１０内に効率良く水を導入することができる。この場合、導水板５７の突出部５９は、上記軸方向Ａにおいて樋３２と重なるように設けられていてもよい。つまり、突出部５９は、径方向Ｂにおける中空軸体３１の中心軸Ｃからの距離が樋３２よりも短くなるように設けられており、かつ突出部５９が樋３２と重なるように設けられていてもよい。
【００４９】
取水口５２は、たとえば、らせん水車１０を中空軸体３１の軸方向から平面視したときに固定軸２０よりも下方に位置するらせん翼３０と重なる領域にのみ形成されていてもよい。この場合の取水口５２の平面形状は、Ｕ字状になる。取水口５２は、支持部５１Ｄよりも下方において２つの側方部５１Ａ，５１Ｂ、支持部５１Ｄに囲まれている領域に形成されている。
【００５０】
図５に示すように、下流側部材５３は、たとえば中空軸体３１の軸方向から下流側部材５３を平面視したときに、鉛直方向に沿って延びるとともに中空軸体３１を挟むように設けられている２つの側方部５３Ａ，５３Ｂと、鉛直方向の上方に位置して２つの側方部５３Ａ，５３Ｂを接続する上方部５３Ｃと、上方部５３Ｃと下流側部材５３の端部５３Ｅとの間において２つの側方部５３Ａ，５３Ｂを接続しており、固定軸２０を固定している固定部５３Ｄと、２つの側方部５３Ａ，５３Ｂの間において上方部５３Ｃと固定部５３Ｄとを接続している中間部５３Ｆと、鉛直方向の下方に位置して２つの側方部５３Ａ，５３Ｂを接続する下方部５３Ｇとを含む。
【００５１】
この場合、下方部５３Ｇは、下流側部材５３の鉛直方向の下方に位置する端部５３Ｅを構成している。下流側部材５３の端部５３Ｅは、たとえば側方部５３Ａ，５３Ｂの鉛直方向の下方の端部を含む。また、下流側部材５３の端部５３Ｅは、たとえばらせん水車１０の使用状態において水路の底部と接する部分であり、らせん水車１０において最も深い位置（鉛直方向の下方）に配置される部分である。つまり、下方部５３Ｇ上に設けられている下流側部材５３の端部５３Ｅは、らせん水車１０の底部を構成している。
【００５２】
側方部５３Ａ，５３Ｂおよび中間部５３Ｆは、たとえば互いに平行に設けられている。また、上方部５３Ｃ、固定部５３Ｄおよび下方部５３Ｇは、たとえば互いに平行に設けられている。
【００５３】
下流側部材５３は、らせん水車１０から水路に水を排出するための排水口５４を構成している。排水口５４は、固定部５３Ｄよりも上記上方において２つの側方部５３Ａ，５３Ｂ、上方部５３Ｃ、固定部５３Ｄ、中間部５３Ｆに囲まれている領域と、固定部５３Ｄよりも下方において２つの側方部５３Ａ，５３Ｂ、固定部５３Ｄ、下方部５３Ｇに囲まれている領域である。
【００５４】
図１および図７を参照して、実施の形態１に係る水力発電装置１について説明する。水力発電装置１は、上記らせん水車１０と、発電機４０と、伝達部材７０とを備える。
【００５５】
発電機４０は、上述のように、中空軸体３１の内部に配置されている。発電機４０は、ロータ４１とステータ４２とを含む。ロータ４１は、固定軸２０に回転可能に支持されている。ステータ４２は、固定軸２０に固定されている。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４１がステータ４２に対して回転することにより発電する。
【００５６】
伝達部材７０は、中空軸体３１の内部の中空部分において、中空軸体３１と発電機４０との間に設けられ、中空軸体３１からの駆動力を発電機４０に伝達可能に設けられている。つまり、伝達部材７０は内部に中空部分を有しており、固定軸２０が当該中空部分を通って伝達部材７０を貫通している。
【００５７】
水力発電装置１は、インバータ１２をさらに備えてもよい。らせん水車１０とインバータ１２とは、たとえば導線１１を介して電気的に接続されている。らせん水車１０の回転によって得られた電力は、導線１１を介してインバータ１２に供給される。インバータ１２は、電流を整流し、照明等の電気機器に電力を供給する。
【００５８】
水力発電装置１は、たとえば２０〜３０度程度の適度な傾斜を有する開放水路に設置される。このとき、らせん水車１０は、中空軸体３１の中心軸Ｃまで水没するように設置されるのが好ましい。水面が中空軸体３１の上端より高い位置にある場合、水面が中空軸体３１を乗り越えるために中空軸体３１の回転動作の抵抗となる一方、水面が中心軸Ｃよりも著しく低いと、らせん水車１０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。
【００５９】
次に、実施の形態１に係るらせん水車１０および水力発電装置１の作用効果について説明する。
【００６０】
実施の形態１に係るらせん水車１０は、外周にらせん翼３０が設けられ、内部に中空部分が形成されており、らせん翼３０に向かう水流によって回転する中空軸体３１と、らせん翼３０を囲うように設けられている枠部材５０と、中空軸体３１の中心軸Ｃと重なるように延在しており、枠部材５０に回転不能に固定されている固定軸２０と、中心軸Ｃと重なるように延在しており、枠部材５０に回転可能に支持されている回転軸２１とを備える。上記中空軸体３１は、固定軸２０に回転可能に支持されているとともに、回転軸２１と固定されている。
【００６１】
このようにすれば、中空軸体３１は固定軸２０および回転軸２１をその回転中心として枠部材５０に対して回転可能に設けられているため、中空軸体３１と固定軸２０との接続部を１箇所とすることができる。そのため、中空軸体３１と固定軸２０とが上流側および下流側の２箇所で摺動可能に接続されていた従来のらせん水車と比べて、中空軸体の中空部分の内部と外部との間に配置される軸受やオイルシールなどの摺動部材の点数を減らすことができるため、オイルシールなどを介した中空軸体と固定軸との間の摩擦トルクの増大を招くことなく、中空軸体３１の中空部分に対する防水性を高めることができる。そのため、このようならせん水車１０を備える水力発電装置１は、発電機４０への水の浸入による故障や、摩擦トルク増大による回転効率の低下が抑制されており、発電効率の低下が抑制されている。
【００６２】
中空軸体３１は、中心軸Ｃの軸方向Ａにおいて上流側に位置する上流側端部３３と、軸方向Ａにおいて下流側に位置する下流側端部３４とを含み、中空軸体３１は、上流側端部３３および下流側端部３４のいずれか一方において回転軸２１と固定されており、中空軸体３１は、上流側端部３３および下流側端部３４のいずれか他方において固定軸２０により回転可能に支持されているのが好ましい。
【００６３】
このようにすれば、らせん水車１０が配置される水路の水流に沿って中空軸体３１の中心軸Ｃ（回転軸）を配置することができ、高い防水性を有するとともに、効率的良く回転動作することができるらせん水車１０を得ることができる。
【００６４】
また、中空軸体３１は、上流側端部３３において回転軸２１と固定されているのが好ましい。このようにすれば、らせん水車１０が水路に設置されたときに水流の衝突を受ける上流側端部３３と回転軸２１とは軸受やオイルシールなどの摺動部材を介さずに接続し固定されているため、中空軸体３１の防水性をさらに高めることができる。
【００６５】
また、中空軸体３１の上流側端部３３または下流側端部３４において、軸方向Ａから見たときに回転軸２１と重なる領域には中空部分と外部とを接続する貫通孔が設けられており、回転軸２１において、軸方向Ａから見たときに貫通孔と重なる領域には底部を有する凹部が形成されており、中空軸体３１と回転軸２１とは、貫通孔から凹部に達する固定部材７１により固定されているのが好ましい。
【００６６】
このようにすれば、固定部材７３は中空軸体３１の中空部分の外部において中空軸体３１と回転軸２１とを固定可能に設けられているため、固定部材７３を介して中空軸体３１の中空部分の内部に水が浸入することを防止することができる。
【００６７】
また、実施の形態１に係るらせん水車１０において、中空軸体３１の上流側端部３３には上流側開口部が設けられているが、これに限られるものではない。中空軸体３１は、たとえば上流側端部３３に上流側開口部が形成されておらず、上流側端部３３が閉端として設けられていてもよい。この場合には、回転軸２１において上流側端部３３と接続される部分に貫通孔が形成されており、中空軸体３１の上流側端部３３において下流側に底部を有し、上流側において回転軸２１に設けられている貫通孔に面している凹部が形成されていればよい。また、中空軸体３１では、上流側端部３３が回転軸２１と一体として設けられていてもよい。
【００６８】
また、実施の形態１に係るらせん水車１０はらせん翼３０に固定された樋３２を備えているが、これに限られるものではない。樋３２は枠部材５０に回転不能に固定され、樋３２の内部でらせん翼３０が回転可能に設けられていてもよい。また、らせん水車１０は、樋３２を備えていなくてもよい。このようにしても、中空軸体３１は固定軸２０および回転軸２１をその回転中心として枠部材５０に対して回転可能に設けられているため、中空軸体３１と固定軸２０との接続部を１箇所とすることができる。そのため、このようならせん水車１０は、中空軸体３１と固定軸２０とが上流側および下流側の２箇所で摺動可能に接続されていた従来のらせん水車と比べて、中空軸体の中空部分の内部と外部との間に配置される軸受やオイルシールなどの摺動部材の点数を減らすことができるため、オイルシールなどを介した中空軸体と固定軸との間の摩擦トルクの増大を招くことなく、中空軸体３１の中空部分に対する防水性を高めることができる。また、このようならせん水車１０を備える水力発電装置１は、発電機４０への水の浸入による故障や、摩擦トルク増大による回転効率の低下が抑制されており、発電効率の低下が抑制されている。
【００６９】
なお、実施の形態１に係るらせん水車１０は、変速機をさらに備えていてもよい。変速機は、たとえば中空軸体３１の内部において、中空軸体３１の下流側端部と発電機４０との間に設けられ、中空軸体３１からの駆動力を発電機４０のロータ４１に伝達する。変速機の入力側は、中空軸体３１に連結される。変速機の変速比は１よりも小さい。すなわち、変速機は、中空軸体３１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１０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。
【００７０】
（実施の形態２）
次に、図８および図９を参照して、実施の形態２に係るらせん水車１０について説明する。実施の形態２に係るらせん水車１０は、基本的には実施の形態１に係るらせん水車１０と同様の構成を備えるが、枠部材５０は樋３２よりも下流に配置された下流側部材５３を含み、軸方向Ａから下流側部材５３を平面視したときに、下流側部材５３の排水口５４，５５は、らせん水車１０の使用状態における鉛直方向の下方に位置する下流側部材５３の端部５３Ｅが凹んで形成された（端部５３Ｅ側に開口した）開口領域５５を含む点で異なる。
【００７１】
開口領域５５は、たとえば側方部５３Ａと側方部５３Ｂとの間において上方部５３Ｃ側に向かって凹んで形成されている。つまり、下流側部材５３は、側方部５３Ａ，５３Ｂの鉛直方向の下方の端部においてらせん水車１０における最も深い位置（鉛直方向の下方）に配置される部分を構成するが、側方部５３Ａと側方部５３Ｂとの間においてはらせん水車１０における最も深い位置に配置される部分を構成していない。言い換えると、側方部５３Ａと側方部５３Ｂとの間においては、下流側部材５３において最も下方に配置されている部材（たとえば固定部５３Ｄ）よりも下方に開口領域５５が形成されている。
【００７２】
好ましくは、中空軸体３１の軸方向Ａから下流側部材５３を平面視したときに、側方部５３Ａと側方部５３Ｂの間においてらせん水車１０の樋３２と重なる領域には構造物が形成されていない。この場合、下流側部材５３における側方部５３Ａ，５３Ｂ、上方部５３Ｃ、固定部５３Ｄ、中間部５３Ｆに囲まれている領域、および固定部５３Ｄよりも下方に位置し側方部５３Ａ，５３Ｂ間に挟まれている領域が排水口５４，５５となり、らせん水車１０から排出される水の流通経路となる。
【００７３】
上流側部材５１は、下流側部材５３と同等の構成を備えていてもよい。この場合、上流側部材５１は、２つの側方部５１Ａ，５１Ｂおよび支持部５１Ｄに囲まれる領域に、らせん水車１０を中空軸体３１の軸方向Ａから平面視したときにらせん翼３０と重なる領域にのみ取水口５２を設けるように導水板５７が取り付けられた構成を備えているのが好ましい。
【００７４】
実施の形態２に係る水力発電装置１は、実施の形態１に係る水力発電装置１と基本的には同様の構成を備えるが、実施の形態２に係るらせん水車１０を備えている点でのみ異なる。
【００７５】
次に、実施の形態２に係るらせん水車１０および水力発電装置１の作用効果について説明する。実施の形態２に係るらせん水車１０は、らせん翼３０の外周に固定され、中空軸体３１を囲うように円筒状に設けられている樋３２を備え、枠部材５０は、樋３２よりも下流に配置され、排水口５４が設けられた下流側部材５３を含み、軸方向Ａから下流側部材を平面視したときに、下流側部材５３の排水口５４は、らせん水車１０の使用状態における鉛直方向の下方に位置する下流側部材５３の端部が凹んで形成された開口領域５５を含む。
【００７６】
このようにすれば、取水口５２から水とともに砂利等がらせん水車１０の樋３２内に取り込まれた場合であっても、下流側に達した当該砂利等が下流側部材５３と樋３２との間に堆積し、堆積した砂利等が樋３２に噛み込むことを防止することができる。
【００７７】
従来のらせん水車では、下流側部材の底部には２つの側方部を接続し、上方部と平行に設けられた下方部が設けられている。つまり、らせん水車において最も深い位置（鉛直方向の下方）に配置される部分には構造物が設けられており、らせん水車の排水路は当該構造物よりも上方に形成されることになる。このような構成では、当該構造物の上流側に位置するらせん水車の内部には砂利等が堆積するため、一定以上堆積した砂利等が堆積し樋に噛み込むことがあった。その結果、らせん翼、中空軸体、および樋の回転動作が阻害され、引いては当該回転動作が停止する場合があった。そのため、従来のらせん水車を備える水力発電装置は、砂利等の堆積状況を定期的に確認して除去作業を行う必要があったため、安定した発電が困難であり、長期的な発電効率は低くかった。
【００７８】
これに対し、実施の形態２に係るらせん水車１０では、下流側部材５３よりも下方に設けられている開口領域５５を排水口として利用するため、下流側部材５３と樋３２との間に砂利等が堆積することを防止することができるため、下流側部材５３と樋３２との間に堆積した砂利等が樋に噛み込むことを防止することができ、長期的に安定した回転動作が可能である。また、このようならせん水車１０では、砂利等の堆積状況を定期的に確認して除去作業を行う必要がない。その結果、このようならせん水車１０は、水力発電装置１に備えられることで、その安定した発電に寄与し、かつ長期的な発電効率の低下を抑制することができる。
【００７９】
また、下流側部材５３は、中空軸体３１の軸方向Ａから下流側部材５３を平面視したときに、鉛直方向に沿って中空軸体３１を挟むように設けられている２つの側方部５３Ａ，５３Ｂと、鉛直方向の上方に位置して２つの側方部５３Ａ，５３Ｂを接続する上方部５３Ｃと、上方部５３Ｃと下流側部材５３の端部５３Ｅとの間において２つの側方部５３Ａ，５３Ｂを接続しており、固定軸２０を固定している固定部５３Ｄと、２つの側方部５３Ａ，５３Ｂの間において上方部５３Ｃと固定部５３Ｄとを接続している中間部５３Ｆとを含む。開口領域５５は、固定部５３Ｄよりも下方において２つの側方部５３Ａ，５３Ｂに囲まれた領域である。
【００８０】
このようにすれば、排水口５４，５５を広く設けることができるため、取水口５２かららせん水車１０内に取り込まれた水をより効率的にらせん水車１０から排水することができる。また、中空軸体３１の軸方向Ａから下流側部材５３を平面視したときに、側方部５３Ａと側方部５３Ｂの間において樋３２と重なる領域には構造物が形成されていないため、下流側部材５３上に砂利等が堆積して樋３２に噛み込むことをより効果的に防止することができる。その結果、らせん翼３０周りに水が滞留することによるらせん翼３０および中空軸体３１の回転抵抗の増加を抑制でき、水力発電装置１の発電効率を向上できる。
【００８１】
（実施の形態３）
次に、図１０および図１１を参照して、実施の形態３に係るらせん水車１０について説明する。実施の形態３に係るらせん水車１０は、基本的には実施の形態１に係るらせん水車１０と同様の構成を備えるが、らせん翼３０の外周側に固定され、中空軸体３１を囲うように円筒状に設けられている樋３２を備え、枠部材５０は、樋３２よりも上流に配置され、中空軸体３１の中心軸よりもらせん水車１０の使用状態における鉛直方向の下方の部位に取水口５２が設けられる上流側部材５１を含み、軸方向Ａにおいて、上流側部材５１と樋３２とは間隔を隔てて設けられている点で異なる。
【００８２】
図１１に示すように、中空軸体３１の軸方向Ａにおいて、上流側部材５１と樋３２とは間隔Ｄ１を隔てて設けられている。上流側部材５１には、取水口５２を構成する中空軸体３１の軸方向Ａに沿って延びる端面５８が形成されている。上流側部材５１において端面５８の軸方向Ａにおける下流側の端部５２Ａと、樋３２の軸方向Ａにおける上流側の端部３２Ａとが、軸方向Ａにおいて間隔Ｄ１を隔てるように設けられている。
【００８３】
このとき、上流側部材５１の端部５２Ａと樋３２の端部３２Ａとは、上流側部材５１を中空軸体３１の軸方向Ａから平面視したときに、重なるように設けられている。言い換えると、上流側部材５１の端部５２Ａと樋３２の端部３２Ａとは、中空軸体３１の中心軸Ｃからの径方向Ｂにおける距離が等しくなるように設けられている。
【００８４】
図１２を参照して、このようならせん水車１０を備える水力発電装置１は、たとえば中空軸体３１の軸方向Ａが鉛直方向と角度θを成すように水路に設置される。図１１を参照して、このとき、当該設置状態（らせん水車１０の使用状態）において、中空軸体３１の軸方向における端部５２Ａと端部３２Ａの鉛直方向に垂直な方向（図１２に示す使用状態での水平方向）における間隔Ｄ２は、間隔Ｄ１よりも短くなる。
【００８５】
端部５２Ａと端部３２Ａとの間隔Ｄ１は、らせん水車１０の内部に流入され得る砂利等の外径（数ｍｍ以下）よりも大きい限りにおいて任意の大きさとすることができる。好ましくは間隔Ｄ１は１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下となるように設けられている。
【００８６】
次に、実施の形態３に係るらせん水車１０の作用効果について説明する。
実施の形態３に係るらせん水車１０は、らせん翼３０の外周側に固定され、中空軸体３１を囲うように円筒状に設けられている樋３２を備え、枠部材５０は、樋３２よりも上流に配置され、中空軸体３１の中心軸よりもらせん水車１０の使用状態における鉛直方向の下方の部位に取水口５２が設けられる上流側部材５１を含み、軸方向Ａにおいて、上流側部材５１と樋３２とは間隔を隔てて設けられている。
【００８７】
取水口５２かららせん水車１０の内部に取り込んだ水を樋３２の内部に効率的に導くために上流側部材５１に下流側に突出した突出部５９（図１参照）が設けられており、かつ突出部５９と樋３２とが軸方向Ａにおいて重なるように設けられている場合には、突出部５９と樋３２との間に入り込んだ砂利等が樋３２に噛み込むことが考えられる。
【００８８】
これに対し、実施の形態３に係るらせん水車１０では、上流側部材５１と樋３２との間に砂利等が入り込むことを防止することができるため、長期的に安定した回転動作が可能である。また、砂利等の堆積状況を定期的に確認して除去作業を行う必要がない。そのため、らせん水車１０は、水力発電装置１として構成された場合には、安定した発電に寄与するとともに長期的な発電効率の低下を抑制することができる。
【００８９】
さらに、枠部材５０において、上流側部材５１と下流側部材５３とを接続する接続部材５６が軸方向Ａに垂直な面において樋３２を囲う四隅に配置されていれば、上流側部材５１と樋３２との隙間から排出された砂利等が接続部材５６上に堆積することを抑制することができる。そのため、砂利等が樋３２に噛み込むことをより効果的に防止することができ、長期的に安定した回転動作が可能ならせん水車１０を得ることができる。
【００９０】
さらに、端部５２Ａと端部３２Ａとの間隔Ｄ１は、１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下となるように設けられていれば、らせん水車１０の内部に流入され得る砂利等の外径（数ｍｍ以下）よりも当該間隔Ｄ１は十分に大きいため、上流側部材５１と樋３２との間で砂利等が噛み込むことを効果的に防止することができる。一方、取水口５２かららせん水車１０内に取り込まれた水が当該隙間から排水される量を抑えることができるため、高効率の回転動作が可能ならせん水車を得ることができる。また、このようならせん水車１０を備える水力発電装置１は、水量不足による発電効率の低下を抑制することができる。
【００９１】
また、図１３を参照して、実施の形態３に係るらせん水車１０において、取水口５２の中空軸体３１の軸方向Ａから上流側部材５１を平面視したときに、らせん水車１０の使用状態における鉛直方向の下方に位置する上流側部材５１の端部５２Ａは、樋３２より中空軸体３１の中心軸Ｃに近い位置に配置されていてもよい。つまり、中心軸Ｃから上流側部材５１の端部５２Ａまでの距離Ｒ１は、中心軸Ｃから樋３２の端部３２Ａまでの距離Ｒ２よりも短くてもよい。
【００９２】
このようにすれば、中空軸体３１の軸方向Ａにおける端部５２Ａと端部３２Ａとの間隔Ｄ１としたときに、らせん水車１０の使用状態における鉛直方向に垂直な方向（水平方向）での端部５２Ａと端部３２Ａとの間隔Ｄ３をより短くすることができる。このため、取水口５２かららせん水車１０内に取り込まれた水は、たとえば樋３２の内部に向かって放物線を描くような経路で流通するが、このとき端部５２Ａと端部３２Ａとの隙間を通ってらせん水車１０の外部へ排水される水量を、軸方向Ａから平面視したときに端部５２Ａと端部３２Ａとが重なるように設けられている場合と比べてより少量に抑制することができる。
【００９３】
実施の形態３に係る水力発電装置１は、実施の形態１に係る水力発電装置１と基本的には同様の構成を備えるが、実施の形態３に係るらせん水車１０を備える点で異なる。このようにしても、実施の形態３に係るらせん水車１０が上述のように設けられているため、これを備える水力発電装置１は長期的に発電効率の低下が抑制されている。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、発電機が中空軸体内に設けられている水力発電装置に特に有利に適用される。
【符号の説明】
【００９５】
１  水力発電装置、１０  らせん水車、２０  固定軸、２１  回転軸、３０  らせん翼、３１  中空軸体、３２  樋、３２Ａ，５１Ｅ，５２Ａ，５３Ｅ  端部、３３  上流側端部、３４  下流側端部、４０  発電機、４１  ロータ、４２  ステータ、５０  枠部材、５３Ｄ  固定部、５１  上流側部材、５１Ａ，５１Ｂ，５３Ａ，５３Ｂ  側方部、５１Ｃ，５３Ｃ  上方部、５１Ｄ  支持部、５１Ｆ，５３Ｆ  中間部、５２  取水口、５３  下流側部材、５３Ｇ  下方部、５４  排水口、５５  排水口（開口領域）、５６  接続部材、５７  導水板、５８  端面、５９  突出部、６２  蓋、６４  軸受、６６  オイルシール、６７，６８  Ｏリング、７２，７３  ねじ（固定部材）、８０  ベアリングユニット。
【図１】
2016050554.tif 000003
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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