平成20年度 2008 №53
宮崎県工業技術センター・宮崎県食品開発センター研究報告
平

栄蔵＊１・田中

康雄＊２・永吉
克己＊３・宮城弘守＊４・日吉健二＊５・秋吉

康弘＊５

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当県は温暖かつ多雨で小規模河川や農業用水路, 淡水魚等養殖場が多い. しかしながら, 多くの箇所の流水は利用されていない. そこで, 県内企業, 宮崎大学および工業技術センターで産学官グループを構成
して, 未利用の小規模流水エネルギーを回収し, 農業施設用の揚水ポンプや養殖場のエアレーション用空気ポンプ等の動力源として利用する研究開発を行い, 開水路用の縦型で簡素化構造かつ小型軽量で低価格の機器を開発した.
キーワード：小規模, 低落差, 水力エネルギー回収, 小型軽量, 低価格

ギー回収に関する基礎実験装置の概要を示す.

本研究開発では, 水面が開放された幅0
5程

基礎実験用の水力エネルギー回収装置を設計・度の小規模で, 落差も１以内の開水路に適用す

試作して, 宮崎大学農学部水理実験室へ設置した.

る機器を想定した. この開水路に設置と撤去が容この水力エネルギー回収装置は縦型の軸流プロペ

易な構造の小型軽量の縦型水車を設置して流水エラ方式であり, 回収した水力エネルギーによりそネルギーを回収する. 回収したエネルギーを用いの上部に設置した空気ポンプを駆動する. 流水はて揚水ポンプ, エアレーション用空気ポンプ等の堰流量計から開水路を流下して, 縦型水車に供給動力源として用いることを目標とした.

される. 空気ポンプ (ドライポンプ) で発生した

県内企業, 宮崎大学, 工業技術センターで構成

空気は空気圧力計, 空気弁, 空気流量計を経由しした産学官のグループを結成して, これらの開発て大気へ放出した. 空気弁で空気圧を調整した.

課題を財団法人宮崎県産業支援財団の研究開発事

本実験における機器の設定は, ①落差は1
2
で, ②縦型軸流プロペラの羽根角度は15, 30,

業へ申請し, 採択された.
平成18年度は水力エネルギー回収用の基礎実験
装置の試作と実験を, 平成19年度は実用化を目指

45, 60の４種類を用いた.
図２〜４に設計・試作した機器等を示す.

した水力エネルギー回収装置の実験を実施した.
なお, これらと同時に実施した小規模水力エネル
ギーの利活用地点等の技術調査は割愛する.

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図１に低落差の水の流れを利用した水力エネル
＊1
＊3
＊5

機械電子部
南九州向洋電機
宮崎大学農学部

＊2
＊4

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۴Βᕧᗡ
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田中製作所
宮崎大学工学部

 基礎実験装置の概要
33

小規模低落差水力エネルギーの回収装置に関する研究

図６は送風機出口空気口を大気開放した場合の最大風量の実験データである. 本図より最大風量を与える回転羽根の角度は45付近にあると考えられる.
図７は回転羽根の角度を45にした場合の空気
圧力と風量の性能曲線を示す. この図より, 水深１程度に散気管を沈めた場合の送風量は40リットル分と読みとれる.
以上の実験結果より, 水力エネルギー回収装


基礎実験装置の写真 
宮崎大学農学部水理学実験室

置の性能改善案としては, ①縦型水車内への気泡流入防止, ②軸流プロペラの直前に水流方向を変える案内羽根の設置等が考えられる.
AP15–60



回転羽根
迎角度15, 30, 45, 60ᦨ㜞࿶ജ(PMa) ( ᳓ᷓm)

0.05
(5m)

‫غ‬㧦ታ᷹࠺࡯࠲

0.04
(4m)
0.03
(3m)
0.02
(2m)

ታ㛎ߩ᧦ઙ
࿁ォ⠀ᩮߩ⋥ᓘ㧦 20cm
᳓ߩ⪭Ꮕ㧦 1.2m
࿁ォ⠀ᩮߩⷺᐲ㧦 15㨪60q

0.01
(1m)

(0m) 0
15



60

30
45
࿁ォ⠀ᩮߩⷺᐲ ( ᐲ)

回転羽根角度と最大圧力

AQ15–60

80




空気流量計と圧力計



図５〜７は回転羽根の迎角度を変えた場合の最ᦨᄢ㘑㊂‫ޓ‬L/minٌ㧦ታ᷹࠺࡯࠲
60ታ㛎ߩ᧦ઙ࿁ォ⠀ᩮߩ⋥ᓘ㧦 20cm
᳓ߩ⪭Ꮕ㧦 1.2m
࿁ォ⠀ᩮߩⷺᐲ㧦 15㨪60q

40

大圧力と空気量の実験例である. 養魚場などのエ
アレーションとして活用する際, 養魚場の深さに20対応して送風する必要がある.
図５より, 最大空気圧, つまり最大水深を与える回転角度は30〜45付近に存在することがわか

0
15

30

45

࿁ォ⠀ᩮߩⷺᐲ ( ᐲ)る. この時の最大水深は約４であり, 実用上の問題はない.
34



回転羽根角度と最大風量60小規模低落差水力エネルギーの回収装置に関する研究

PQ45K

ㅍ㘑㊂‫ޓ‬L/min

80

ታ㛎ߩ᧦ઙ
࿁ォ⠀ᩮߩ⋥ᓘ㧦 20cm
᳓ߩ⪭Ꮕ㧦1.2m
࿁ォ⠀ᩮߩⷺᐲ㧦 45q60

٤㧦ታ᷹࠺࡯࠲

40

20



0
0
(0m)

0.01
(1m)

0.02
(2m)

0.04
(4m)

0.03
(3m)

ⓨ᳇ߩ࿶ജMPa‫(ޓ‬᳓ᷓm)





軸流プロペラ
左
と案内羽根



①気泡発生防止フィルターを設置することにより,水車上部に流入する水の勢いを抑え, 空気の混回転羽根角度45の場合の性能入が減少し, 水車の動力が増加した.
②案内羽根角度60, プロペラ羽根角度45のとき  

最も水車性能が良く, 水車効率は26
8％となり,



性能は約2
2倍向上した.



③圧縮空気の発生量は約21倍増加した.

図８に実験用水力エネルギー回収装置を示す①上流から流入する水の勢いを抑え水中の  

気泡を取り除くための気泡発生防止フィルターを設置した②軸流プロペラの上部20に案内羽

根を設置した. ③プロペラ軸にトルクメータを設

実用化実験その１より, 小規模低落差水力エネ

置し, 水車動力を測定した. 水車は内径200,ルギー回収効率を改善するには, ①軸流プロペラ

落差は136である. 圧縮空気製造機としてはドへ強い渦巻き水流を与えること, ②その水流に気ライポンプを使用した.

泡を含まないように工夫することがポイントとな

軸流プロペラの迎角度を30
, 45
, 60
の3段階,

ることがわかった. 本章では､ これらに加えて装案内羽根の角度を30, 45, 60および案内羽根

置全体の簡素化, 小型軽量化を目標とした試作実なしの状態の４段階とし, 合計12試験区を設けた.

験を行った.

図９に軸流プロペラと案内羽根の写真を示す.

図10に設計試作した実験装置の全体を示す. この装置を綾町の ｢鮎の山水養殖場｣ へ設置して,ɑɱȬɥɻɟ

実用化へ向けたデータ収集実験を行った. 本実験᳧ᕧࡿ‫╹מ‬装置は流水に強い渦巻きを付与する渦巻きケーシ
ング, 内径15  の下降流管と下降流管の底部に᳧ᕧᘓ⦖╹ᕧᗡ᫘᧯⬸ ᓹ
ɝȫɳɇʀ
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設置した軸流プロペラ (角度30, 45, 60) より構成されている.

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流水は本図の左側から装置へ流入する. 流入した水は渦巻きケーシングにより強い渦巻きを発生して, 下降流管へ流れ込む. このエネルギーを下
降流管底部に設置した軸流プロペラで回収し, フ用水力エネルギー回収実験装置

レキシブル動力伝導ユニットを介してオイルレス
35

小規模低落差水力エネルギーの回収装置に関する研究

エアーポンプを駆動する. オイルレスエアーポン
プで発生した圧縮空気は空気流量計, 空気圧力計を通過して ｢チョウザメ水槽 (水深約70)｣ に設置したエアーストーンへ供給して微細気泡を発生させた.

 渦巻きケーシングのみの場合の説明図
上面より

 渦巻きケーシング型実験装置の全体




図11は渦巻きケーシングのみの場合の水力エネ
ルギー回収実験の様子である (図12および13を参照). 渦巻きケーシングに流れ込んだ流水は渦巻
きケーシング内壁に沿って流れながら渦巻きを発生する. この渦巻きの回転力を下降流管の底部に設置した軸流プロペラに付与して水力エネルギーの効率を改善することを目的として実験を行ったが, 渦巻きケーシングで発生した強い渦のために,
下降流管入口付近から ｢竜巻状の空洞の渦巻｣ が発生し, 水面まで達した. これにより, 下降流管

 渦巻きケーシングのみの場合の説明図
側面より

内へ多量の気泡の混入があり, 軸流プロペラへの
流水エネルギーが減少した. この時の実験データ
は軸流プロペラの回転数が135, オイルレス
エアーポンプの回転数は530
で, 圧縮空気発
生量は25リットル
分であった.

図14は渦巻きケーシングに ｢水没していない逆さまキャップ｣ を設置した場合の実験である.
図11の場合と同様に渦巻きケーシングで強い渦巻きを発生させて, その下部に取り付けた回転軸
流プロペラへ付与することを目標としたが, 下降
流管入口付近で発生した ｢竜巻状の空洞渦｣ が｢水没していない逆さまキャップ｣ に沿って水面へ達し, 下降流管へ気泡を供給していた. すなわ
ち, 水没していない逆さまキャップでは下降流管入口に発生する ｢竜巻状の渦巻き｣ を防止できず,
多量の気泡が吸い込まれた. この実験の結果, 回転軸流プロペラの回転数は146
, オイルレス
エアーポンプの回転数は564
で, 圧縮空気発

 渦巻きケーシングのみの場合の実験36

生量は28
3リットル
分であった.

小規模低落差水力エネルギーの回収装置に関する研究

 渦巻きケーシングに ｢水没していない逆さまキャップ｣ を設置した場合の実験

 渦巻きケーシングと ｢水没した逆さまキャップ｣ を組み合わせた場合の実験

 渦巻きケーシングに ｢水没していない逆さまキャップ｣ を設置した場合の説明図

 渦巻きケーシングと ｢水没した逆さまキャップ｣ を組み合わせた場合の説明図

図16は渦巻きケーシングと ｢水没した逆さまキャッ倍の圧縮空気発生量を得た.

プ｣ を組み合わせた場合の実験である. 気泡吸い込み防止用の ｢逆さまキャップ｣ を水没して設置

することで気泡の吸い込みが防止できることを偶

幅が05程度, 落差が１未満の開水路に設置

然に発見した. すなわち, 下降流管入口で発生すして未利用の水力エネルギーを回収する装置開発

る ｢竜巻状の空洞渦｣ は水没した逆さまキャップを目標に産学官共同研究開発を実施した.

に沿って上昇するが, 逆さまキャップの上まで上

本装置は渦巻きケーシンング付き縦型軸流プロ

昇すると, そこには渦巻き水流がないため, ｢竜ペラ方式であり, 小型軽量・低価格という特徴を巻状の空洞渦｣ を維持できなくなったと考えられ有している. なお, 本装置には気泡吸い込み防止る. このことから, ｢竜巻状の空洞渦｣ が消滅しの機能を付設した.

て気泡吸い込みが激減したものと考えられる. この実験の結果, 軸流プロペラの回転数が270
,

本研究を遂行するにあたり, 財団法人宮崎県産

オイルレスエアーポンプの回転数は1050
で,業支援財団の平成18年度
事業, 平成19年度の圧縮空気発生量は60
0リットル
分となり, 図13

事業の研究資金を活用した. ここに謝意をの場合の60252
4倍, 図14の場合の60
28
32
1

表します.
37