特許 7526930 小型水力発電用水車装置

(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】

(24)【登録日】2024-07-25

(45)【発行日】2024-08-02

(54)【発明の名称】小型水力発電用水車装置

(51)【国際特許分類】

   F03B 3/04 20060101AFI20240726BHJP

【ＦＩ】

F03B3/04

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021144309

(22)【出願日】2021-08-02

(65)【公開番号】P2023021882

(43)【公開日】2023-02-14

【審査請求日】2022-12-12

(73)【特許権者】

【識別番号】507092344

【氏名又は名称】大原 幸雄

(72)【発明者】

【氏名】大原 幸雄

【審査官】山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１８１７７１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１８３８２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－１１２２７７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭６０－０６７７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－０９００７７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２６０５９６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０４１１７６７６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｂ ３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒状に形成され一端側に形成された流入口を開口面が下側を向くように傾斜させて形成した第１の圧力管と、この第１の圧力管の内部に回転自在に配設された円筒型水車を備え、前記第１の圧力管の前記流入口を流水に水没させるとともに他端側を前記流水から離脱させ、前記流入口の前記開口面が下側に向かうように傾斜させて、前記第１の圧力管の内部を真空状態とした水車装置であって、
前記流入口を形成した上流側の前記第１の圧力管の内部には前記円筒型水車が配設され、前記第１の圧力管の他端に前記第１の圧力管の内径よりも大きい内径の第２の圧力管の一端側を密封状態で連結させ、前記第２の圧力管の内部を真空状態に保持し、他端側を前記流水から離脱させたことを特徴とする小型水力発電用水車装置。

【請求項2】

前記第２の圧力管の内径よりも大きい内径の第３の圧力管の一端側を前記第２の圧力管の他端に密封状態で連結させた請求項１に記載の小型水力発電用水車装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高低差の小さな用水路等に設置して発電機を駆動するための小型水力発電用水車装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来は、用水路などの流れている水の中に入れた水車や、パイプを設置して落差を利用してパイプの下流部で発電していた。水量の不安定や少落差では発電するための水力が不十分なことから、十分な発電ができない。これは、用水路などの落差が小さいために、水車を駆動するための水圧や水量が小さいことに起因している。このような、落差が小さい場合にも発電効率を高めるために、サイフォンの原理を応用した水力発電装置がある。

【0003】

サイフォン式水力発電装置としては、例えば、実開昭５９－１８４３８２号公報に示すように、水源の水を発電装置の水車にサイフォン管をもって導水するとともに、サイフォン管の最高部上面に、空気瑠を連設することにより、水流に混入してサイフォン管に流入した空気を集めるようにし、その水位を検知して、自動的に真空ポンプにより排気することが示されている。このように、従来一般のサイフォン式水力発電装置は、サイフォン管の最高部に溜まる空気を真空ポンプ等によって排気し、サイフォン管内部に空気を排除することにより、サイフォン現象を機能させていた。

【0004】

特許文献１に示されているサイフォン式水力発電装置は、サイフォン現象を機能させるために、サイフォン管の最高部の空気を排気し、サイフォン管内部を水で充満させるために、真空ポンプ等の排気装置を設置する必要があり、装置が複雑になり、しかも高額になる問題があった。また、サイフォン管に導水された水流により回転する水車は、一般的には、プロペラ型や螺旋方が多用されているが、構成が複雑なうえに、所定の内径の小さなサイフォン管には不向きであり、所定の効率が得られない問題がある。さらに、用水路などに設置した場合、浮遊ごみや小石がサイフォン管内に流入することが多々あり、これらによって水車を停止或いは制動させて、発電できなくなることもあった。

【0005】

そこで、出願人は、特開２０１９－１８３８２５号公報（特許文献１）に示すように、サイフォンを作用させることができ、高効率で水車を回転駆動することができる小型水力発電用水車を提案した。この小型水力発電用水車は、円筒状に形成された圧力管と、この圧力管の内部に回転自在に配設され、内方に向けて突出した複数の羽根を形成するとともに、一端側にシャフトが取り付けられた円筒型水車を備え、前記圧力管の流入口から流水を流入させて前記円筒型水車を回転駆動するようにしている。そして、前記圧力管の一端側に形成された流入口は、開口面が下側に向かうように傾斜させて形成し、前記円筒型水車を配設した前記圧力管の他端側を流入口よりも下げて配置するように構成している。

【0006】

この小型水力発電用水車によれば、円筒状に形成された圧力管の一端側に形成された流入口を、開口面が下側に向かうように傾斜させて形成しているので、圧力管内は空気が排除されることからサイフォン現象が生じる。この結果、圧力管内が真空状態になるので、用水路の流速よりも早くなり、圧力管の内部に回転自在に配設された円筒型水車をより高速で回転駆動することができるといった効果を奏する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１９－１８３８２５号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１に開示した小型水力発電用水車は、上述したように、サイフォン現象を生じさせて、圧力管内の流速を早くすることができることから、圧力管内の水車を高速回転させるので、発電装置としての効率を高めることができる。ところが、発電装置の効率をさらに高めるためには、水車をさらに高速回転する必要がある。このため、圧力管内の流量を増加させると共に、流速を増加することが求められるが、特許文献１に開示した小型水力発電用水車においては、圧力管内の容積が一定のため、流速を増加させることができない問題があった。

【0009】

そこで、本発明の課題は、簡易な構成により、圧力管内の流速を増加させて、水車を高速回転させることができる小型水力発電用水車装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するため、本発明による小型水力発電用水車装置は、円筒状に形成され一端側に形成された流入口を開口面が下側を向くように傾斜させて形成した第１の圧力管と、この第１の圧力管の内部に回転自在に配設された円筒型水車を備え、前記第１の圧力管の前記流入口を流水に水没させるとともに他端側を前記流水から離脱させ、前記流入口の前記開口面が下側に向かうように傾斜させて、前記第１の圧力管の内部を真空状態とした水車装置であって、前記流入口を形成した上流側の前記第１の圧力管の内部には前記円筒型水車が配設され、前記第１の圧力管の他端に前記第１の圧力管の内径よりも大きい内径の第２の圧力管の一端側を密封状態で連結させ、前記第２の圧力管の内部を真空状態に保持し、他端側を前記流水から離脱させたことを要旨としている。

【0011】

また、前記第２の圧力管の内径よりも大きい内径の第３の圧力管の一端側を前記第２の圧力管の他端に密封状態で連結させている。

【発明の効果】

【0013】

本発明の小型水力発電用水車装置によれば、円筒状に形成された圧力管の一端側に形成された流入口を、開口面が下側に向かうように傾斜させて形成することにより、圧力管内は空気を排除してサイフォン現象を発生させ、この結果、圧力管内を真空状態にすることにより流速を早くして、圧力管に配設された円筒型水車をより高速で回転駆動することができる作用をそのまま継承することができる。さらに、上記した第１の圧力管の他端に、この内径よりも大きい内径とした第２の圧力管の一端側を密封状態で連結させることにより、真空状態となっている第２の圧力管の容積が増大するので、この第２の圧力管内を充満させようと第１の圧力管から水量を引き込むことから、第１の圧力管の流速を増加させることができる。この結果、第１の圧力管内に配設された水車の回転速度が増加し、高速回転させた水車によって、連結した発電機を高速回転させるので、さらに効率良く発電することが可能となる。さらに、第１の圧力管の一端側を流水に水没され、第２の圧力管又は第３の圧力管の他端側を流水から離脱させることにより、真空状態となって内部に充満されている第２の圧力管又は第３の圧力管の内部の水流が、他端側から一機に開放されるので、第１の圧力管から第２の圧力管又は第３の圧力管内の水流が停滞することなく高速で流通させることが可能となる。

【0014】

また、第２の圧力管の内径よりも大きい内径の第３の圧力管の一端側を、第２の圧力管の他端に密封状態で連結させることにより、第３の圧力管による容積を増大させることができる。この結果、真空状態となっている第３の圧力管の増加した容積分の水量を第１の圧力管から引き込もうとして、第１の圧力管の流速をさらに加速させることから、第１の圧力管内に配設された水車をさらに高速回転させることができ、発電効率をさらに高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の小型水力発電用水車装置の実施例を示す側面図である。

【図2】図１に示す小型水力発電用水車装置の要部を示す断面図である。

【図3】圧力管によるサイフォン現象を示す説明図である。

【図4】円筒型水車を示す正面図である。

【図5】本発明の小型水力発電用水車装置の他の実施例を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明による小型水力発電用水車装置は、複数の羽根を形成した円筒型水車を内部に回転自在に配設した円筒状の第１の圧力管を備え、前記第１の圧力管の一端側に形成された流入口を、開口面が下側に向かうように傾斜させて形成した水車装置であって、前記第１の圧力管の内径よりも大きい内径の第２の圧力管に一端側を前記第１の圧力管の他端に連結させている。

【実施例】

【0018】

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例について説明する。図１、図２は、本発明による小形水力発電用水車装置の実施例を示している。第１の圧力管１は、塩化ビニール製の長さが概ね１ｍ～４ｍのパイプ等のプラスチックによって円筒状に形成され、図示右方の一端側には、流入口１ａが形成されている。この流入口１ａは、図示のように、開口面の切り口が下側に向かうように傾斜させて形成され、楕円形の流入口１ａの開口面積Ｍは、第１の圧力管１の内径よりも大きくなっている。また、傾斜角は、第１の圧力管１の上面に対して、概ね３０度から６０度としているが、後述する円筒型水車２に取り付けられるシャフト３が導出されるような角度に設定することが望ましい。一方、第１の圧力管１の他端側は、直角に形成されている。なお、第１の圧力管１の流入口１ａと他端側との高低差を大きくする場合には、第１の圧力管１の他端側に追加の第１の圧力管１を連結することが好ましい。

【0019】

この第１の圧力管１の内部には、円筒型水車２が回転自在に配設されている。円筒型水車２は、塩化ビニール製の長さが概ね１ｍ～６ｍのパイプ等のプラスチックによって円筒状に形成されている。さらに、円筒型水車２の外形は、第１の圧力管１の内径よりも小さく、第１の圧力管１内で自由に回転できるように設定されている。

【0020】

円筒型水車２の内面には、図４に示すように、複数の羽根２ａが内方に向けて突出するように形成されている。これらの羽根２ａは、円筒型水車２の周面に対して紬方向と円周方向に各々１本の切り込みを入れ、その対角線の直線を円筒型水車２の内方向けて折曲することにより三角形状に形成され、三角形状の先端側が内方に向けて突出される。この羽根２ａは、必要に応じて任意の数に設定され、また、形成する円周方向の位置は、回転バランスを考慮して２～４個の羽根２ａを等間隔に配置することが望ましい。なお、複数の羽根２ａは、軸方向に螺旋条にずらしながら配置することにより一層効率が高まる。

【0021】

この円筒型水車２の第１の圧力管１の流入口１ａ側には、図１に示す発電機４に連結されるシャフト３が取り付けられている。そして、円筒型水車２の回転によってシャフト３を介して発電機４を回転駆動することにより発電が行われる。なお、上述したように、第１の圧力管１を長尺にした場合には、円筒型水車２も第１の圧力管１の長さに合わせて複数連結することが望ましい。

【0022】

一方、第１の圧力管１の流入口１ａには取水桝５が設置され、この取水桝５を介して流入口１ａに水が流入される。取水桝５は、例えば、用水路のような川６の上流側を頂部とした略五角形の箱形に形成され、上流側の頂部には、離間させて壁５ａ、５ｂが二重に形成されている。そして、上流側の壁５ａの上端は、川６の流水面６ａよりも高くし、下流側の壁５ｂは流水面６ａよりも低く形成され、上流側と下流側の壁５ａ、５ｂとの間の底部は開口され、さらに、両側も壁を設けることがなく開放されている。この取水桝５は、プラスチック、金属板、木製のいずれかでも良い。

【0023】

また、小型水力発電用水車の流入口１ａは、図１に示すように、用水路に浸漬させた取水桝５に連結されている。また、第１の圧力管１の他端側は、川６の流水面６ａよりも上方の位置になり、流水から離脱している。このため、第１の圧力管１の流入口１ａよりも図示左方の下流側に、堰７を設置し、第１の圧力管１の他端側との間に落差を形成することが望ましい。なお、地形として、落差を有する川６に設置する場合は、堰７は不要である。
このように、第１の圧力管１の一端側を流水に水没させ、後述する第２の圧力管８又は第３の圧力管９の他端側を流水から離脱させることにより、真空状態となって内部に充満されている第１の圧力管１乃至第３の圧力管９の内部の水流が、他端側から一機に開放されるので、第１の圧力管１乃至第３の圧力管９内の水流が停滞することなく高速で流通させることが可能となる。

【0024】

用水路のような川６から流れる水は、まず取水桝５に流入して、第１の圧力管１の流入口１ａに流入する。このとき、図３に示すように、第１の圧力管１の流入口１ａは川６に浸漬しているので、水面６ａには大気圧により押圧される一方、水には反力としての浮力が生ずる。第１の圧力管１の流入口１ａは、図示のように、開口面の切り口が下側に向かうように傾斜させた開口面積Ｍを有していることから、流入口１ａの垂直方向の開口７には、浮力が生じた水が、矢示のように、流入口１ａの内面上部に上昇する。この現象は、従来一般に知られたサイフォン式水力発電装置におけるサイフォン管の最高部の空気瑠を排気することと同じであり、流入口１ａを傾斜させているので、サイフォン現象により、開口面積Ｍの開口の上部には空気が排除された真空状態になる。このとき、流入口１ａの開口以外の場所では、点線で示す矢示のように、第１の圧力管１の周面により水の上昇は阻止される。この結果、第１の圧力管１の流入口１ａには、真空状態となっていることから、川６の水が勢いを増して流入する。

【0025】

第１の圧力管１に勢いを増して流入した水は、円筒型水車２に流入する。水は、円筒型水車２の内部に流入することにより、内方に向けて突出するように形成された複数の羽根２ａを押圧することによって回転する。複数の羽根２ａは、軸方向に対して傾斜した三角形状に形成されているので、この羽根２ａによって回転駆動力が得られる。一方、水は第１の圧力管１の内面と円筒型水車２の内面にも流入する。このとき、円筒型水車２の回転によって周囲に浮力が生じ、一種の動圧軸受と同等の機能が生じることから、接触負荷が大幅に軽減される。このように、円筒型水車２の回転によって、シャフト３を介して発電機４が回転駆動される。

【0026】

一方、第１の圧力管１の他端には、図１及び図２に示すように、第２の圧力管８が連結されている。この第２の圧力管８の内径Ｄ２は、第１の圧力管１の内径Ｄ１よりも１．２～２倍程度大きくなっている。第１の圧力管１と第２の圧力管８の連結部分は、水や空気が漏れないように密封状態としている。また、第２の圧力管８の長さは、第１の圧力管１と同じか、もしくは長く形成することが好ましい。

【0027】

第２の圧力管８は、密封状態で連結されていることから、前述した第１の圧力管１と同様に、内部が真空状態に保たれている。そして、内径Ｄ２が大きいことから、第２の圧力管８の内部容積が大幅に増大している。このため、第２の圧力管８は、第１の圧力管１の内部を流入してきた水を充満させようと作用し、大量に引き込まれる。この結果、第１の圧力管１の内部を流入する水の水量が増加するとともに流速が増加する。このように加速された水により、円筒型水車２の回転速度が加速される。発電機４は、回転速度に比例して発電量及び発電効率が高まることから、第２の圧力管８を連結することにより、高効率の水力発電装置とすることができる。

【0028】

図５は、小型水力発電用水車装置の他の実施例を示している。この実施例においては、前述した第２の圧力管８の他端に、さらに第３の圧力管９を連結している。この第３の圧力管９の内径Ｄ３は、第２の圧力管８の内径Ｄ２よりもさらに１．２～２倍程度大きくなっている。第２の圧力管８と第３の圧力管９の連結部分は、水や空気が漏れないように密封状態としている。従って、第３の圧力管９の内部は、第１の圧力管１及び第２の圧力管８と同様に真空状態に保たれている。このように、第３の圧力管９を連結することによって、第２の圧力管８の内部容積に加え、第３の圧力管９の内部容積が増加することから、第３の圧力管９に水を充満させようと作用し、さらに大量の水が引き込まれる。この結果、第１の圧力管１の内部を流入する水の水量がさらに増加するとともに流速が増加する。このように加速された水により、円筒型水車２の回転速度がさらに加速される。

【0029】

第３の圧力管９には、さらに第４の圧力管１０を連続して連結しても良い。この第４の圧力管１０に内径Ｄ４は、第３の圧力管９の内径Ｄ３よりもさらに１．２～２倍程度大きくなっている。第３の圧力管９と第４の圧力管１０の連結部分は、水や空気が漏れないように密封状態としている。従って、第４の圧力管１０の内部も、第１の圧力管１乃至第３の圧力管９と同様に真空状態に保たれている。

【0030】

しかし、第１の圧力管１に第２の圧力管８乃至第３の圧力管９を連続して連結すると、この小型水力発電用水車装置を川６に設置して直後には、第３の圧力管９の内部が真空状態になり難く、上部に空気が滞留することがある。このため、第４の圧力管１０の最上部に滞留した空気を抜くための空気抜き１１を設けることが望ましい。空気抜き１１は、小型水力発電用水車装置を川６に設置するときに開放して空気を放出し、内部に水が充満して空気抜き１１から水が漏出した後に封止することにより、内部の空気を排除することができる。

【0031】

以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であることは言うまでもない。例えば、上述した実施例において、圧力管の流入口の傾斜角度は、図示の角度よりも鋭角または鈍角にしても良く、また、開口面は直線ではなく、湾曲させても良い。さらに、第３の圧力管の他端にさらに他の圧力管を連結しても良い。

【符号の説明】

【0032】

１ 第１の圧力管
１ａ 流入口
２ 円筒型水車
２ａ 羽根
３ シャフト
４ 発電機
５ 取水桝
５ａ 壁
５ｂ 壁
６ 川
６ａ 流水面
７ 第２の圧力管
８ 第３の圧力管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】