特許 5937348 水力発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5937348

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月22日

(54)【発明の名称】水力発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03B 9/00 20060101AFI20160609BHJP

【ＦＩ】

   F03B9/00

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2011-277787(P2011-277787)

(22)【出願日】2011年12月20日

(65)【公開番号】特開2013-130062(P2013-130062A)

(43)【公開日】2013年7月4日

【審査請求日】2014年12月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】507415842

【氏名又は名称】西村 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100108958

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 英一

(72)【発明者】

【氏名】西村 誠

(72)【発明者】

【氏名】西村 清

【審査官】 松浦 久夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０８３３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４１５１７１９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０１５６７９７１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特許第３８９１４４５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００５−２１４１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４４４０４２７（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｂ ９／００

Ｆ０３Ｂ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の回転軸を介して上下方向に巡回可能なループ状に張設されたコンベヤと、
該コンベヤの周方向に沿って所定ピッチで配設されており、それぞれが開口部を上方へ向けてバランスするように、前記回転軸に平行な支軸を介して該コンベヤに対し相対回転自在に支持された複数のバケットと、
前記コンベヤの上部に到来した前記バケットの前記開口部に水を供給する水供給部と、
前記コンベヤの下部に到来した前記バケットを、前記支軸を介して回動させることにより、前記開口部から水を取り出す水取出部と、
いずれかの前記回転軸に連結された発電機とを備え、
前記コンベヤは、その巡回経路における上部に２以上の前記バケットが水平に並ぶことが可能な上部水平経路を含み、
前記水供給部は、前記上部水平経路にある前記バケットに対して水を供給するように構成され、
前記バケットは、前記支軸を軸心とするとともに前記ピッチ以下の直径からなる円柱形に収容可能に形成され、かつ、前記バケットは、前記円柱形をその軸心上で２分割した半円柱形に形成され、
前記開口部は、該半円柱形における２分割面の略全体が開口してなるように形成されており、
前記上部水平経路の下方には、該上部水平経路における前記バケット同士の隙間から落下する水を前記下降するバケットに流し込むようにガイドするガイド部が設けられた
水力発電装置。

【請求項2】

前記上部水平経路における前記バケットに対し、前記支軸を中心とする回動を防止するように構成された回動防止部を備えた請求項１記載の水力発電装置。

【請求項3】

前記水供給部は、前記上部水平経路にある前記バケットに先行して下降する前記バケットに対しても水を供給するように構成された請求項１又は２記載の水力発電装置。

【請求項4】

前記水取出部は、前記バケットが、水の取り出し時の前記回動した姿勢から、前記開口部を上方へ向けてバランスした姿勢に復帰するときの振れ動きを防止する振れ防止部を備えた請求項１〜３のいずれか一項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、高所にある水の位置エネルギーを利用して発電する水力発電装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来のこの種の水力発電装置としては、特許文献１に記載された落下水流利用の発電装置を例示する。この発電装置は、図１１に示すように、上端に落下水流を導入する導入口１１２が開口し、下端に落下水流を排出する排出口１１４が開口した、落下水流を通過させる上下方向に起立する筒枠１１０と、該筒枠１１０内側の上下方向に回転軸１２４，１２６を介して巡回可能にループ状に張設されたコンベヤ１２０と、該コンベヤ１２０の巡回部外側の長手方向に沿って所定のピッチで並べて付設された落下水流を流入させる複数のバケット１３０であって、そのバケット１３０の底部からバケット１３０の開口部１３２に向かう方向がコンベヤ１２０の巡回部１２２を巡回させる方向とは逆方向を向く複数のバケット１３０と、コンベヤ１２０の巡回部１２２の巡回に伴って回転するコンベヤ１２０を支持する回転軸１２４に連結された発電機１４０とが備えられている。そして、コンベヤ１２０の一方の側の巡回部１２２外側に並ぶ開口部１３２が上方を向く複数のバケット１３０が、導入口１１２から筒枠１１０内側に流入した落下水流が通過する通路に沿って配置されている。

【0003】

この特許文献１の水力発電装置と同様な基本構成を備えたものとしては、特許文献２に記載された発電装置もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３８９１４４５号公報

【特許文献2】特開２００５−２１４１５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところが、従来の発電装置は、バケット１３０の底部からバケット１３０の開口部１３２に向かう方向が、コンベヤ１２０の巡回部１２２を巡回させる方向とは逆方向を向くように固定されているので、次の課題がある。

【0006】

（１）バケット１３０に対し水を供給可能なときが、バケット１３０が下降し始めることにより開口部１３２が上向きになった状態のときに限られ、そうなったときに短時間に水を供給できるように、水を勢いよくバケット１３０に注ぎ込む必要がある。このため、水がバケット１３０に勢いよく当たって飛散し易く、バケット１３０に効果的に水に貯留させ難い。

【0007】

（２）下降経路においてバケット１３０から水が溢れないようにするために、該下降経路を垂直にする必要があり、設置可能な場所が限定される。例えば傾斜地（特に、下降経路の傾斜角度が経路全体で一定していないとき）に沿って設置することができない。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を解決するために、第１の発明の水力発電装置は、
複数の回転軸を介して上下方向に巡回可能なループ状に張設されたコンベヤと、
該コンベヤの周方向に沿って所定ピッチで配設されており、それぞれが開口部を上方へ向けてバランスするように、前記回転軸に平行な支軸を介して該コンベヤに対し相対回転自在に支持された複数のバケットと、
前記コンベヤの上部に到来した前記バケットの前記開口部に水を供給する水供給部と、
前記コンベヤの下部に到来した前記バケットを、前記支軸を介して回動させることにより、前記開口部から水を取り出す水取出部と、
いずれかの前記回転軸に連結された発電機とを備えている。

【0009】

ここで、特に限定されないが、前記開口部が上方を向いて安定的にバランスするように、前記バケットの反開口部側に錘を設けることを例示する。

【0010】

この構成によれば、前記バケットは、前記開口部を上方へ向けてバランスするように構成されているので、次の作用効果が得られる。
（１）前記水取出部により回動させられているときを除けば、前記バケットにいつでも水を注ぎ込むことができるので、従来よりも該バケットに時間をかけて水を注ぎ込むことができ、該バケット内に効果的に水を貯留させることができる。
（２）前記コンベヤの下降経路が垂直である必要がなく、傾斜していても構わないので、設置場所の選択の自由度が大きい。

【0011】

第２の発明の水力発電装置としては、前記第１の発明において、
前記バケットは、前記支軸を軸心とするとともに前記ピッチ以下の直径からなる円柱形に収容可能に形成された
態様を例示する。

【0012】

この構成によれば、隣接する前記バケットが、巡回経路における直線状の経路で並んだ状態で、互いに干渉し合うことなく、前記支軸を中心に回転可能に構成することができる。

【0013】

第３の発明の水力発電装置としては、前記第２の発明において、
前記バケットは、前記円柱形をその軸心上で２分割した半円柱形に形成され、
前記開口部は、該半円柱形における２分割面の略全体が開口してなるように形成された
態様を例示する。

【0014】

この構成によれば、前記開口部を大きく形成することができ、前記バケットに対し水を出し入れし易くすることができる。

【0015】

第４の発明の水力発電装置としては、前記第３の発明において、
前記コンベヤは、その巡回経路における上部に２以上の前記バケットが水平に並ぶことが可能な上部水平経路を含み、
前記水供給部は、前記上部水平経路にある前記バケットに対して水を供給するように構成された
態様を例示する。

【0016】

この構成によれば、前記上部水平経路を設けることにより、それぞれの前記バケットに対して水を供給可能な状態を、従来よりも延長することができる。

【0017】

第５の発明の水力発電装置としては、前記第４の発明において、
前記上部水平経路における前記バケットに対し、前記支軸を中心とする回動を防止するように構成された回動防止部を備えた態様を例示する。

【0018】

この構成によれば、前記水供給部から供給される水が、前記上部水平経路における前記バケットに注ぎ込まれたときに、該バケットが回動して水が溢れることを防止することができる。

【0019】

第６の発明の水力発電装置としては、前記第４又は５の発明において、
前記水供給部は、前記上部水平経路にある前記バケットに先行して下降する前記バケットに対しても水を供給するように構成された
態様を例示する。

【0020】

この構成によれば、前記先行して下降するバケットに追加的に水を供給することができる。

【0021】

第７の発明の水力発電装置としては、前記第４〜６のいずれかの発明において、
前記上部水平経路の下方に設けられ、該上部水平経路における前記バケット同士の隙間から落下する水を前記下降するバケットに流し込むようにガイドするガイド部を備えた
態様を例示する。

【0022】

この構成によれば、前記上部水平経路における前記バケット同士の隙間から落下する水を有効利用することができる。

【0023】

第８の発明の水力発電装置としては、前記第１〜７のいずれかの発明において、
前記水取出部は、前記バケットが、水の取り出し時の前記回動した姿勢から、前記開口部を上方へ向けてバランスした姿勢に復帰するときの振れ動きを防止する振れ防止部を備えた
態様を例示する。

【0024】

この構成によれば、前記振れ動きによる前記コンベヤにおけるエネルギーの損失を抑制することができる。

【発明の効果】

【0025】

本発明に係る水力発電装置によれば、バケット内に効果的に水を貯留させることができるとともに、設置場所の選択の自由度が大きいという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明を具体化した第一実施形態に係る水力発電装置の全体構成を示す側面図である。

【図2】同水力発電装置の全体構成を示す正面図である。

【図3】同水力発電装置のバケットの斜視図である。

【図4】同水力発電装置の上部の拡大側面図である。

【図5】同水力発電装置の下部の拡大側面図である。

【図6】図５のＶＩ矢視図であり、同図に実線で表されたバケットの状態を示す図である。

【図7】図５のＶＩＩ矢視図であり、同図に二点鎖線で表されたバケットの状態を示す図である。

【図8】同水力発電装置の下部におけるバケットの移動軌跡を説明する図である。

【図9】本発明を具体化した第二実施形態に係る水力発電装置の全体構成を示す側面図である。

【図10】同水力発電装置のバケットの斜視図である。

【図11】従来の水力発電装置の全体構成を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図１〜図８は本発明を具体化した第一実施形態の水力発電装置１を示しており、図１における左側が正面となっている。この水力発電装置１は、図１及び図２に示すように、上下方向に延びる筒状の筒枠２を備えており、該筒枠２には、４本の回転軸３，４，５，６を介して上下方向に巡回可能なループ状に張設されたコンベヤ７と、該コンベヤ７の周方向に沿って所定ピッチＰで配設されており、それぞれが開口部９ａを上方へ向けてバランスするように、回転軸３，４，５，６に平行な支軸８を介して該コンベヤ７に対し相対回転自在に支持された複数のバケット９と、コンベヤ７の上端部に到来したバケット９の開口部９ａに水Ｗを供給する水供給部１０と、コンベヤ７の下端部に到来したバケット９をその支軸８を介して回動させることにより、開口部９ａから水Ｗを取り出す水取出部１１と、回転軸４に連結された発電機１２とが装備されている。

【0028】

筒枠２は、上端部に水供給部１０が配設され、下端部に水取出部１１が配設されており、内側にコンベヤ７及び複数のバケット９が収容されている。

【0029】

コンベヤ７は、筒枠２の上部に軸受２０を介して回転自在に配設された前後一対の上部回転軸３，４と、筒枠２の下部に軸受２０を介して回転自在に配設された前後一対の下部回転軸５，６と、該各回転軸の左右にそれぞれ固定されたスプロケット２１と、左右それぞれのスプロケット２１に巻回された無端体としての左右一対のチェーン２２とにより構成されている。このように、本例のコンベヤ７の巡回経路２３は上下に長い矩形状に形成されており、上下においてそれぞれ水平に延びる上部水平経路２３ａ及び下部水平経路２３ｂと、前後においてそれぞれ垂直に延びる上昇経路２３ｃ及び下降経路２３ｄとを含んでいる。上部水平経路２３ａ及び下部水平経路２３ｂは、それぞれ最大３つのバケット９が水平に並ぶことが可能になっている。本例では、回転軸５，６は、筒枠２の左右の側壁にそれぞれ設けられた上下に延びる長穴２ａを経由して軸受２０に支持されており、該軸受２０が下方に付勢されることにより、チェーン２２の張りを維持するように構成されている。軸受２０の付勢手段としては、公知の手段を適宜採用することができ、例えば、錘３４により付勢する手段が挙げられる。

【0030】

上部水平経路２３ａの上方には、該経路におけるバケット９に対し、支軸８を中心とする回動を防止するように構成された回動防止部３２が設けられている。本例の回動防止部３２は、前後方向に水平に延びる左右一対の棒状に形成されており、上部水平経路２３ａにおけるバケット９の左右両端の上方にそれぞれ所定の隙間をおいて筒枠２に架設されている。回動防止部３２は、筒枠２に対する取付位置を上下方向に調節可能に構成されており、前記所定の隙間を適宜調節可能になっている。前記所定の隙間としては、特に限定されないが約２０ｍｍに設定することを例示する。

【0031】

上部水平経路２３ａの下方には、板状のガイド部２４が設けられている。このガイド部２４は、水平に対して下降経路２３ｄ側が下がるように傾斜させて取り付けられており、バケット９から溢れたり、該上部水平経路２３ａにおけるバケット９同士の隙間から落下したりする水Ｗを、これらのバケット９に先行して下降するバケット９に流し込むようにガイドするとともに、上昇経路２３ｃのバケットに降り注ぐことを防止する。水平に対するガイド部２４の傾斜角度としては、特に限定されないが、５〜１５°の範囲内に設定することを例示する。

【0032】

バケット９は、図３に示すように、支軸８を軸心とするとともにピッチＰを直径とする中空円柱形をその軸心上で２分割した中空半円柱形に形成されており、バケット９の開口部９ａは、前記中空半円柱形における２分割面の略全体が開口してなるように形成されている。バケット９の左右両側面の支軸８は、それぞれコンベヤ７における左右一対のチェーン２２に軸受（図示略）を介して回転自在に支持されるようになっている。バケット９は、内側が支軸を中心とする断面円弧状に形成されているので、該内側に岩、石、砂、泥などの固形物が入った場合でも、水Ｗの取り出し時に支軸８を中心に横転させると、水Ｗとともに該固形物をスムーズに排出させることができる。バケット９の左右両側面の下端部には、それぞれ左右方向にローラ軸２５が突設されており、該ローラ軸２５には、回転自在にローラ２６が支持されている。特に限定されないが、バケット９が支軸８を中心に開口部９ａを上方へ向けて安定的にバランスするように、バケット９の内底（バケットの反開口部側）には錘を設けることが好ましい。

【0033】

水供給部１０は、図１、図２及び図４に示すように、上端における入口側開口１０ａに対して下端における出口側開口１０ｂが相対的に小さくなった漏斗状に形成されており、筒枠２内側に水Ｗをスムーズに流入させるようになっている。本例では、平面視で前後方向に延びる矩形状に形成されている。本例の出口側開口１０ｂの左右方向の幅は、バケット９の左右方向の幅よりも狭く形成されており、バケット９の左右方向の幅の１／２以下となっている。本例の出口側開口１０ｂの前後方向の幅は、バケット９の前後方向の幅よりも広く、バケット９の前後方向の幅の約２．５倍に形成されている。正面視において、水供給部１０は、バケット９の左右方向の中央に水Ｗを注ぐように構成されている。また、側面視において、水供給部１０は、上部水平経路２３ａにあるバケット９と、それらのバケット９に先行して下降するバケット９に対して水Ｗを供給するように構成されている。また、水供給部１０の側面の上部には、余分な水Ｗを外部に排出させ、水供給部１０から水Ｗが溢れることを防止するオーバーフローパイプ１０ｃが設けられている。なお、本例では、水供給部１０に外部から注がれる水Ｗは、予めストレーナ３１により固形物が取り除かれたものとなっている。

【0034】

水取出部１１は、図５〜図７に示すように、左右一対の横転当たり部２８と、左右一対の振れ防止部３３とを備えており、これらは筒枠２に支持されている。

【0035】

横転当たり部２８は、図５及び図６に示すように、コンベヤ７の下方から、コンベヤ７の巡回方向へ傾斜させて上方へ突設された棒状に形成されており、この上方への突出長さや傾斜角度が調節可能に筒枠２に取り付けられている。図８に示すように、左右の横転当たり部２８には、コンベヤ７の下部水平経路２３ｂの中央に到来したバケット９の左右のローラ２６が乗り上げ、コンベヤ７の巡回に従ってローラ２６が横転当たり部２８の先端側に向かって転動することにより、該ローラ２６を介してバケット９の底部が押し上げられ、バケット９が横転し、開口部９ａからバケット９内の水Ｗが放出されるようになっている。その後、バケット９の左右のローラ２６がそれぞれ左右の横転当たり部２８の先端から外れ、バケット９が開口部９ａを上方へ向けてバランスした状態に復帰するようになっている。

【0036】

振れ防止部３３は、横転当たり部２８の前方におけるコンベヤ７の下方から、上方へ突設された棒状に形成されており、この上方への突出長さが調節可能に筒枠２に取り付けられている。図５及び図７に示すように、左右の振れ防止部３３は、バケット９が、水の取り出し時の前記回動した姿勢から、開口部９ａを上方へ向けてバランスした姿勢に復帰するときに、バケット９の左右のローラ２６に当接することにより、該バランスした姿勢で停止させ、バケット９の振れ動きを防止するようになっている。振れ防止部３３におけるローラ２６が当接する部位３３ａには、緩衝手段としての樹脂片が取り付けられており、当接時の衝撃を緩衝し騒音を低減するようになっている。

【0037】

発電機１２は、本例では上部回転軸４に連結されている。発電機１２と上部回転軸４とは、チェーン２９、スプロケット３０及び増速機（図示略）を介して、発電機１２の駆動軸１２ａに連結されている。これにより、コンベヤ７の巡回に伴って回転する上部回転軸４の回転力を受けて、発電機１２が高速回転し、発電するようになっている。

【0038】

以上のように構成された本例の水力発電装置１によれば、バケット９は、開口部９ａを上方へ向けてバランスするように構成されているので、次の作用効果が得られる。
（１）水取出部１１により回動させられているときを除けば、バケット９にいつでも水Ｗを注ぎ込むことができるので、従来よりもバケット９に時間をかけて水Ｗを注ぎ込むことができ、該バケット９内に効果的に水Ｗを貯留させることができる。
（２）コンベヤ７の下降経路２３ｄが垂直である必要がなく、傾斜していても構わないので、設置場所の選択の自由度が大きい。

【0039】

また、バケット９は、支軸８を軸心とするとともにピッチＰを直径とする円柱形に収容可能に形成されているので、隣接するバケット９が、巡回経路２３における直線状の経路で並んだ状態で、互いに干渉し合うことなく、支軸８を中心に回転可能に構成することができる。

【0040】

また、バケット９は、前記円柱形をその軸心上で２分割した半円柱形に形成され、開口部９ａは、該半円柱形における２分割面の略全体が開口してなるように形成されているので、開口部９ａを大きく形成することができ、バケット９に対し水Ｗを出し入れし易くすることができる。

【0041】

また、コンベヤ７は、その巡回経路における上部に２以上のバケット９が水平に並ぶことが可能な上部水平経路２３ａを含み、水供給部１０は、上部水平経路２３ａにあるバケット９に対して水Ｗを供給するように構成されている。この構成によれば、上部水平経路２３ａを設けることにより、それぞれのバケット９に対して水Ｗを供給可能な状態を、従来よりも延長することができる。

【0042】

また、上部水平経路２３ａにおけるバケット９に対し、支軸８を中心とする回動を防止するように構成された回動防止部を備えているので、水供給部１０から供給される水Ｗが、上部水平経路２３ａにおけるバケット９に注ぎ込まれたときに、該バケット９が回動して水Ｗが溢れることを防止することができる。

【0043】

また、水供給部１０は、上部水平経路２３ａにあるバケット９に先行して下降するバケット９に対しても水Ｗを供給するように構成されており、前記先行して下降するバケット９に追加的に水Ｗを供給することができる。

【0044】

また、上部水平経路２３ａの下方に設けられ、該上部水平経路２３ａにおけるバケット９同士の隙間から落下する水Ｗを前記先行して下降するバケット９に流し込むようにガイドするガイド部を備えているので、水を有効利用することができる。

【0045】

また、水取出部１１は、バケット９が、水の取り出し時の前記回動した姿勢から、開口部９ａを上方へ向けてバランスした姿勢に復帰するときの振れ動きを防止する振れ防止部を備えているので、該振れ動きによるコンベヤ７におけるエネルギーの損失を抑制することができる。

【0046】

次に、図９〜図１０は本発明を具体化した第二実施形態を示している。この水力発電装置１は、以下に示す点において、主に第一実施形態と相違している。従って、同実施形態と共通する部分については、同一符号を付することにより重複説明を省く。

【0047】

本例のバケット９は、図１０に示すように、ピッチＰよりも小さい直径からなる中空円柱形をその軸心上で２分割した中空半円柱形における２分割面の開口縁部を上方に延長してなる形状に形成されている。このため、図９に示すように、上部水平経路２３ａに並ぶ２以上のバケット９同士の間に隙間ができるが、該隙間から落下した水Ｗは、ガイド部２４により、これらのバケット９に先行して下降するバケット９に流し込まれる。

【0048】

本例の水力発電装置１によっても、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0049】

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）バケット９の形状を適宜変更すること。
（２）コンベヤ７の巡回経路を適宜変更すること。例えば、下降経路２３ｄを傾斜させることを例示する。
（３）コンベヤ７の回転軸の数を増減すること。

【符号の説明】

【0050】

１ 水力発電装置
２ 筒枠
３ 上部回転軸
４ 上部回転軸
５ 下部回転軸
６ 下部回転軸
７ コンベヤ
８ 支軸
９ バケット
９ａ 開口部
１０ 水供給部
１０ａ 入口側開口
１０ｂ 出口側開口
１０ｃ オーバーフローパイプ
１１ 水取出部
１２ 発電機
１２ａ 駆動軸
２０ 軸受
２１ スプロケット
２２ チェーン
２３ 巡回経路
２３ａ 上部水平経路
２３ｂ 下部水平経路
２３ｃ 上昇経路
２３ｄ 下降経路
２４ ガイド部
２５ ローラ軸
２６ ローラ
２８ 横転当たり部
２９ チェーン
３０ スプロケット
３１ ストレーナ
３２ 回動防止部
３３ 振れ防止部
３４ 錘
Ｐ 所定ピッチ
Ｗ 水

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】