(57)【要約】【課題】長期的に安定した回転動作が可能ならせん水車および長期的に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と、らせん翼３０および樋３２を囲うように設けられている枠部材５０と、中空軸体の軸方向Ａに沿って延在しており、枠部材５０に固定されている固定軸２０とを備える。枠部材５０は、樋３２よりも下流に配置され、排水口５４，５５が設けられた下流側部材５３を含む。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、下流側部材５３の排水口５４，５５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５３の端部５３Ｅが凹んで形成された開口領域５５を含む。【選択図】図１
2016050553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
らせん水車であって、
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と、
前記らせん翼および前記樋を囲うように設けられている枠部材と、
前記中空軸体の軸方向に沿って延在しており、前記枠部材に固定されている固定軸とを備え、
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、らせん水車。
【請求項２】
前記下流側部材は、前記軸方向から前記下流側部材を平面視したときに、前記中空軸体を挟むように前記鉛直方向に沿って設けられている２つの側方部と、前記鉛直方向の上方に位置して前記２つの側方部を接続する上方部と、前記上方部と前記下流側部材の端部との間において前記２つの側方部を接続しており、前記固定軸を固定している固定部と、前記２つの側方部の間において前記上方部と前記固定部とを接続している中間部とを含み、
前記開口領域は、前記固定部よりも前記下方において前記２つの側方部に囲まれた領域である、請求項１に記載のらせん水車。
【請求項３】
前記枠部材は、前記樋よりも上流において前記下流側部材と前記樋を挟んで対向するように配置され、前記中空軸体の中心軸よりも前記下方の部位に取水口が設けられる上流側部材をさらに含み、
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１または請求項２に記載のらせん水車。
【請求項４】
請求項１〜請求項３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５】
らせん水車であって、
外周にらせん翼が設けられ、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と、
前記らせん翼および前記樋を囲うように設けられている枠部材とを備え、
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、
前記中空軸体の軸方向において、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、らせん水車。
【請求項６】
前記軸方向における前記上流側部材と前記樋との間隔は、１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、請求項５に記載のらせん水車。
【請求項７】
前記取水口の前記軸方向から前記上流側部材を平面視したときに、前記下方に位置する前記上流側部材の端部は、前記樋より前記中空軸体の前記中心軸に近い位置に配置されている、請求項５または請求項６に記載のらせん水車。
【請求項８】
請求項５〜請求項７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、前記中空軸体の上流側端部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、
前記軸方向に沿って延在しており、前記枠部材に固定されている固定軸とを備え、
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。
【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）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】
しかしながら、上記のようならせん水車が農業用水路や河川などの開水路に設置される場合には、らせん水車には水とともに砂利などが流れ込む。そのため、従来の水力発電装置では、らせん水車の回転スクリュウ（らせん翼）と取水胴との間に砂利が侵入して、その回転動作が妨げられて停止することもある。そのため、このような水力発電装置は安定した発電が困難であり、長期的な発電効率は低くなる。
【０００７】
一方、このような問題発生を抑制するためには、水力発電装置の点検作業の頻度を高めるとともに、水力発電装置の内部に進入した砂利を除去する必要がある。しかし、らせん水車の回転動作が停止してから砂利を除去するメンテナンス作業が完了するまでの間は発電することができないため、このような水力発電装置は安定した発電が困難であり、長期的な発電効率は低くなる。
【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、長期的に安定した回転動作が可能ならせん水車および長期的に発電効率の低下が抑制されているらせん水車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】
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と、らせん翼および樋を囲うように設けられている枠部材と、中空軸体の軸方向Ａに沿って延在しており、枠部材に固定されている固定軸とを備える。上記枠部材は、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、中空軸体の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。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、長期的に安定した回転動作が可能ならせん水車および長期的に発電効率の低下が抑制されているらせん水車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中の線分ＩＩから見た図である。
【図３】図１中の線分ＩＩＩから見た図である。
【図４】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５】実施の形態１に係る水力発電装置を説明するための図である。
【図６】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７】図６中の線分ＶＩＩから見た図である。
【図８】図６中の線分ＶＩＩＩから見た図である。
【図９】図６中の領域ＩＸの部分拡大図である。
【図１０】実施の形態２に係る水力発電装置を説明するための図である。
【図１１】実施の形態２に係るらせん水車の変形例を説明するための図である。
【図１２】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１３】図１２中の線分ＸＩＩＩから見た図である。
【図１４】図１２中の線分ＸＩＶから見た図である。
【図１５】実施の形態４に係るらせん水車を説明するための断面図である。
【図１６】図１５中の領域ＸＶＩの部分拡大図である。
【図１７】図１５中の線分ＸＶＩＩから見た図である。
【図１８】図１５中の領域ＸＶＩＩＩの部分拡大図である。
【図１９】図１８中の線分ＸＩＸから見た図である。
【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。
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と、らせん翼および樋を囲うように設けられている枠部材と、中空軸体の軸方向Ａに沿って延在しており、枠部材に固定されている固定軸とを備える。上記枠部材は、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、中空軸体の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。
【００１４】
これにより、下流側部材の開口領域は、下流側部材の端部に解放された状態となっているので、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。
【００１５】
別の実施例において、下流側部材は、軸方向から下流側部材を平面視したときに、中空軸体を挟むように鉛直方向に沿って設けられている２つの側方部と、鉛直方向の上方に位置して２つの側方部を接続する上方部と、上方部と下流側部材の端部との間において２つの側方部を接続しており、固定軸を固定している固定部と、２つの側方部の間において上方部と固定部とを接続している中間部とを含み、開口領域は、固定部よりも下方において２つの側方部に囲まれた領域である。
【００１６】
このようにすれば、下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。
【００１７】
さらに別の実施例において、枠部材は、樋よりも上流において下流側部材と樋を挟んで対向するように配置され、中空軸体の中心軸よりも下方の部位に取水口が設けられる上流側部材をさらに含み、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。
【００１８】
このようにすれば、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。
【００１９】
さらに別の実施例において、水力発電装置は、上記のようならせん水車と、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。
【００２０】
このような水力発電装置は、長期的に安定した回転動作が可能ならせん水車を備えるため、長期的に発電効率の低下が抑制されている。
【００２１】
さらに別の実施例において、らせん水車は、外周にらせん翼が設けられ、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と、らせん翼および樋を囲うように設けられている枠部材とを備え、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、中空軸体の軸方向Ａ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。
【００２２】
これにより、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、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。
【００２３】
さらに別の実施例において、らせん水車は、軸方向Ａにおける上流側部材と樋との間隔は、１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。このようにすれば、らせん水車の内部に流入され得る砂利等の外径（数ｍｍ以下）よりも当該間隔は十分に大きいため、上流側部材と樋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。さらに、取水口かららせん水車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、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。
【００２４】
さらに別の実施例において、らせん水車は、取水口の軸方向Ａから上流側部材を平面視したときに、下方に位置する上流側部材の端部は、樋より中空軸体の中心軸に近い位置に配置されている。
【００２５】
このようにすれば、取水口かららせん水車内に取り込まれた水は、たとえば樋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、このとき端部と端部との隙間を通ってらせん水車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と端部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。
【００２６】
さらに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、中空軸体の上流側端部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、軸方向Ａに沿って延在しており、枠部材に固定されている固定軸とを備え、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。
【００２７】
このような水力発電装置は、長期的に安定した回転動作が可能ならせん水車を備えるため、長期的に発電効率の低下が抑制されている。
【００２８】
次に、本発明の実施の形態の詳細について説明する。
（実施の形態１）
図１〜図３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。らせん水車１０は、らせん翼３０と、中空軸体３１と、樋３２と、枠部材５０と固定軸２０とを備える。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。中空軸体３１、らせん翼３０、および樋３２を構成する材料は、単位体積当たりの質量が小さく、かつ水による腐食に耐性を有する任意の材料であるのが好ましく、たとえばアルミ合金である。
【００３２】
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。中空軸体３１と固定軸２０とは、上流側端部３３および下流側端部３４において、たとえば蓋６１，６２、軸受６３，６４、およびオイルシール６５，６６を介してそれぞれ接続されている。中空軸体３１は、たとえば上流側端部３３において、中空軸体３１の内部と外部とを接続する上流側開口部を有している。固定軸２０は、当該上流開口部内に通されている。蓋６１は、当該上流側開口部を覆うように配置されている。また、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、中空軸体３１の内部と外部とを接続する下流側開口部を有している。固定軸２０は、当該下流開口部内に通されている。蓋６２は、当該下流側開口部を覆うように配置されている。
【００３３】
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６１，６２には、それぞれ中空軸体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を貫通可能に設けられている。
【００３４】
軸受６３は、蓋６１の貫通孔内に通されて蓋６１を貫通している固定軸２０と蓋６１との間を、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との間をそれぞれ接続している。軸受６３，６４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６３，６４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６３，６４の外側にオイルシール６５，６６が形成されていてもよい。つまり、軸受６３よりも上流側にオイルシール６５が、軸受６４よりも下流側にオイルシール６６がそれぞれ設けられていてもよい。蓋６１，６２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６３，６４を構成する材料は、中空軸体３１においてオイルシール６５，６６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。
【００３５】
固定軸２０は、枠部材５０に回転不能に固定されている。固定軸２０は、中空軸体３１の軸方向Ａに沿って延びるように形成されており、中空軸体３１の中空部分を貫通するように配置されている。このとき、固定軸２０は、中空軸体３１の中心軸Ｃと重なるように延在しているのが好ましい。言い換えると、固定軸２０は、中空軸体３１の回転軸と重なるように延在しているのが好ましい。さらに、固定軸２０は、中空軸体３１の内部の中空部分において発電機４０と接続されている。固定軸２０を構成する材料は、中空軸体３１を回転可能に支持可能とする強度を有し、かつ水による腐食に耐性を有する任意の材料であればよいが、たとえばステンレス鋼である。
【００３６】
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、らせん翼３０、中空軸体３１、樋３２、および発電機４０などを囲うように設けられている。
【００３７】
上流側部材５１および下流側部材５３は、固定軸２０を回転不能に固定している。つまり、固定軸２０、ステータ４２、枠部材５０（上流側部材５１、下流側部材５３、および接続部材５６）は、互いの相対的位置が固定されている。らせん翼３０、中空軸体３１、樋３２、およびロータ４１は、固定軸２０、ステータ４２、枠部材５０に対して相対的に移動可能（中空軸体３１の中心軸Ｃを回転軸として回転可能）に設けられている。
【００３８】
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。
【００３９】
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５４，５５を構成している。下流側部材５３の排水口５４，５５は、中空軸体３１の軸方向Ａから下流側部材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下流側部材５３の端部５３Ｅが凹んで形成された開口領域５５を含んでいる。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である。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。
【００４０】
下流側部材５３は、たとえば中空軸体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。
【００４１】
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および固定部５３Ｄは、たとえば互いに平行に設けられている。このとき、排水口５５は、固定部５３Ｄよりも上記下方において２つの側方部５３Ａ，５３Ｂ、固定部５３Ｄに囲まれている領域である。また、排水口５４は、排水口５５以外の排水口であって、たとえば固定部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である。
【００４２】
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、開口領域５５は、側方部５３Ａと側方部５３Ｂとの間において、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）よりも下方に形成されている。
【００４３】
開口領域５５は、側方部５３Ａと側方部５３Ｂとの間の全域に渡って設けられていなくてもよい。開口領域５５は、らせん水車１０の使用状態において水路の底部から樋３２までの距離がその他の領域よりも比較的短くなる領域、たとえば中空軸体３１の鉛直方向下方に位置する領域にのみ設けられていてもよい。
【００４４】
開口領域５５は、軸方向Ａから下流側部材５３を平面視したときに、任意の形状を有していればよく、方形や半円形などであってもよい。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，５３Ｂ、固定部５３Ｄに囲まれている領域において樋３２と重なる領域に開口領域５５が形成されている。
【００４５】
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５２Ａ，５２Ｂ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。
【００４６】
上流側部材５１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が設けられている限りにおいて任意の構成とすることができるが、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。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。また、上流側部材５１は、側方部５１Ａ，５１Ｂとともに鉛直方向の下方の端部５１Ｅを構成する下方部５７をさらに含んでいてもよい。
【００４７】
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。
【００４８】
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、たとえば中空軸体３１の軸方向Ａに垂直な平面において、固定軸２０、らせん翼３０、中空軸体３１、樋３２、および発電機４０の四隅を囲うように配置されている。つまり、２つの接続部材５６は固定軸２０よりも鉛直方向の上方であって、樋３２との距離が十分に離れている領域において軸方向Ａに延びるように設けられている。他の２つの接続部材５６は固定軸２０よりも鉛直方向の下方であって、樋３２との距離が十分に離れている領域において軸方向Ａに延びるように設けられている。接続部材５６の軸方向Ａに垂直な断面形状は、任意の形状とすればよいが、たとえばＬ字形状である。
【００４９】
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。
【００５０】
次に、図１および図５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６０とを備える。
【００５１】
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。
【００５２】
伝達部材６０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６０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６０を貫通している。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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と、らせん翼３０および樋３２を囲うように設けられている枠部材５０と、中空軸体の軸方向Ａに沿って延在しており、枠部材５０に固定されている固定軸２０とを備える。枠部材５０は、樋３２よりも下流に配置され、排水口５４，５５が設けられた下流側部材５３を含む。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、下流側部材５３の排水口５４，５５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５３の端部５３Ｅが凹んで形成された開口領域５５を含む。
【００５７】
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。
【００５８】
上述のように、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。
【００５９】
これに対し、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。その結果、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。そのため、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。
【００６０】
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。
【００６１】
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、砂利等とらせん翼３０との摩擦による回転速度の低下、さらには回転の停止を抑制でき、水力発電装置１の発電効率を向上できる。
【００６２】
また、実施の形態１に係る水力発電装置１は、らせん水車１０と、中空軸体３１の内部に設けられた発電機４０と、中空軸体３１の内部において、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に伝達する伝達部材とを備え、発電機４０は、伝達部材に連結されたロータ４１と、固定軸２０に固定されたステータ４２とを含んでいる。
【００６３】
このようにすれば、水力発電装置１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、中空軸体３１が回転するとともに、発電機４０のロータ４１が駆動される。その結果、発電機４０のロータ４１と固定軸２０に固定されたステータ４２との間の相対回転運動により電力を生じさせることができる。このとき、らせん水車１０は砂利等が樋３２に噛み込むことを防止可能に設けられているため、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ため、安定して発電することができ、長期的な発電効率の低下を抑制することができる。
【００６４】
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。
【００６５】
本実施の形態に係る水力発電装置１においては、発電機４０が中空軸体３１の内部に収められているため、水力発電装置１の大きさを、中空軸体３１の大きさと同等にできる。特に、水力発電装置１の長さを、中空軸体３１の長さと同等にできる。その結果、水力発電装置１を小型化できる。
【００６６】
また、中空軸体３１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１の構成を簡素化できる。
【００６７】
（実施の形態２）
次に、図６〜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、固定軸２０と、らせん翼３０と、中空軸体３１と、樋３２と、枠部材５０とを備える。
【００６８】
実施の形態２に係るらせん水車１０は、固定軸２０、らせん翼３０、および中空軸体３１に関して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、樋３２および枠部材５０に関して実施の形態１に係るらせん水車１０と異なる構成を備える。
【００６９】
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に沿って延びる面が形成されている。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。
【００７０】
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。
【００７１】
下流側部材５３に設けられている排水口は、排水口の面積が取水口の面積以上である限りにおいて、任意の構成を有していればよい。具体的には、図８を参照して、下流側部材５３の鉛直方向の下方の端部５３Ｅよりも上方に位置する開口領域５４により、排水口５４のみが形成されていてもよい。このようにしても、らせん水車１０内に水が滞留することを防止することができるとともに、上述のように上流側部材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、従来のらせん水車と比べて長期的に安定した回転動作が可能である。
【００７２】
図１０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が鉛直方向と成す角度θを成すように水路に設置される。図９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Ａにおける端部５２Ａと端部３２Ａの鉛直方向に垂直な方向（水平方向）における間隔Ｄ２は、間隔Ｄ１よりも短くなる。
【００７３】
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。
【００７４】
次に、実施の形態２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２に係るらせん水車１０は、外周にらせん翼３０が設けられ、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と、らせん翼３０および樋３２を囲うように設けられている枠部材５０とを備え、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Ｃ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５２が設けられる上流側部材５１を含み、中空軸体３１の軸方向Ａにおいて、上流側部材５１と樋３２とは間隔を隔てて設けられている。
【００７５】
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。
【００７６】
これに対し、実施の形態２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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
また、図１１を参照して、実施の形態２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。
【００８０】
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Ｄ２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。
【００８１】
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を備える点で異なる。このようにしても、実施の形態２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。
【００８２】
（実施の形態３）
次に、図１２〜図１４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、樋３２と上流側部材５１との構成が実施の形態２に係るらせん水車１０と同様の構成を備えている点で異なる。つまり、実施の形態３に係るらせん水車１０は、図１４を参照して、下流側部材５３の排水口５４，５５が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５３の端部５３Ｅが凹んで形成された開口領域５５を含むことにより下流側部材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。同時に、図１２および図１３を参照して、中空軸体３１の軸方向Ａにおいて、上流側部材５１と樋３２とは間隔を隔てて設けられていることにより上流側部材５１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。その結果、上流側および下流側の双方において砂利等が樋３２に噛み込むことをより効果的に防止することができるため、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。このようならせん水車１０を備える水力発電装置１は安定して発電することができる。
【００８３】
（実施の形態４）
次に、図１５〜図１９を参照して、実施の形態４に係るらせん水車１０について説明する。実施の形態４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、固定軸２０が中空軸体３１の中空部分を貫通しておらず、回転軸２１をさらに備えている点で異なる。具体的には、図１５を参照して、実施の形態４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とを備える。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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、実施の形態４に係るらせん水車１０において、固定軸２０は中空軸体３１を貫通していない。
【００８８】
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。
【００８９】
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るのが好ましい。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。
【００９０】
中空軸体３１と固定軸２０とは、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を貫通可能に設けられている。軸受６４は、蓋６２と固定軸２０との間を接続している。
【００９１】
軸受６４は、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が形成されている。つまり、オイルシール６６は、軸受６４よりも下流側に設けられている。
【００９２】
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。
【００９３】
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７３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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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は鉛直方向の下方に配置されている。
【００９７】
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。
【００９８】
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を回転対称軸として回転可能）に設けられている。
【００９９】
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、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。
【０１００】
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部には、中空軸体３１の軸方向Ａにおいて内側に突出する導水板が設けられていてもよい。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Ａ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。
【０１０１】
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５４，５５を構成している。下流側部材５３の排水口５４，５５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、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開口領域５５を含んでいる。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の底部を構成している。
【０１０２】
下流側部材５３は、たとえば中空軸体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。
【０１０３】
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および固定部５３Ｄは、たとえば互いに平行に設けられている。このとき、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であり、排水口５５は、固定部５３Ｄよりも上記下方において２つの側方部５３Ａ，５３Ｂ、固定部５３Ｄに囲まれている領域である。
【０１０４】
つまり、下流側部材５３は、らせん水車１０の使用状態における底部を構成する側方部５３Ａ，５３Ｂを含んでいるが、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，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。
【０１０５】
そのため、下流側部材５３における側方部、上方部、固定部、中間部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５２Ａ，５２Ｂ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。
【０１０６】
次に、実施の形態４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４に係るらせん水車１０は、実施の形態１に係るらせん水車１０と同様に、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と、らせん翼３０および樋３２を囲うように設けられている枠部材５０と、中空軸体の軸方向Ａに沿って延在しており、枠部材５０に固定されている固定軸２０とを備える。枠部材５０は、樋３２よりも下流に配置され、排水口５４，５５が設けられた下流側部材５３を含む。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、下流側部材５３の排水口５４，５５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５３の端部５３Ｅが凹んで形成された開口領域５５を含む。
【０１０７】
そのため、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を排水口５４，５５かららせん水車１０の外部へ排出することができる。その結果、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。
【０１０８】
さらに、実施の形態４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。
【０１０９】
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への水の侵入による故障や、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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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うように中空軸体３１の中心軸Ｃ（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１０を得ることができる。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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７３により固定されているのが好ましい。
【０１１４】
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。
【０１１５】
また、実施の形態４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。
【０１１６】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、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のすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明は、開放水路に設置されるらせん水車および水力発電装置に特に有利に適用される。
【符号の説明】
【０１１８】
１  水力発電装置、１０  らせん水車、１１  インバータ、１２  導線、２０  固定軸、２１  回転軸、３０  らせん翼、３１  中空軸体、３２  樋、３２Ａ，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、５０Ｄ，５１Ｄ，５２Ｆ，５３Ｄ，５３Ｆ  固定部、５１  上流側部材、５１Ａ，５１Ｂ，５３Ａ，５３Ｂ  側方部、５２  取水口、５３  下流側部材、５３Ｃ  上方部、５３Ｆ  中間部、５４，５５  排水口、５６  接続部材、５７  導水板、５８  突出部、６０  伝達部材、６１，６２  蓋、６３，６４  軸受、６５，６６  オイルシール、６７，６８  Ｏリング、７１，７２，７３  ねじ、８０  ベアリングユニット。
【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】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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