JP2004068764A

JP2004068764A - 水力エネルギ回収ユニット

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Publication number: JP2004068764A
Application number: JP2002231871A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takachi; 高地　健; Hideji Okai; 大貝　秀司
Original assignee: LWJ KK
Current assignee: LWJ KK
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】水力エネルギをより効率よく回収すること、水力エネルギ回収ユニットのメンテナンス作業の容易化
【解決手段】本発明の水力エネルギ回収ユニット１０は、水車１１と、流水を増速させて水車１１に導入する増速流路１２と、流水を増速させて水車１１の下流側に導入する掃流水導入路１３をユニット化したものである。この水力エネルギ回収ユニット１０は、掃流水導入路１３を流れる流水により、水車１１の下流側の水を押し流すことができるので、増速流路１２でよりスムーズに流水を増速させることができ、水車１１でより効率よく水力エネルギを回収することができる。また、水車１１の上流側と下流側に水の流れを遮断する水門３２、３３を設け、水門３２、３３を閉鎖状態にして増速流路３１の水の流れを止めてメンテナンス作業を行うとよい。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流水から水力エネルギを回収する水力エネルギ回収装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流水から水力エネルギを回収する水力エネルギ回収装置（水力原動機）は、例えば、水力発電所に用いられている水車が知られている。水力発電所では、ダムなどで水の流れを堰止めて高い位置エネルギを持つ水又は底部の高い圧力の掛かった水から水力エネルギを回収している。
【０００３】
ところで、ダムなどで水の流れを堰き止める場合は、その建設費用・維持費用が嵩み、莫大な費用が必要である。しかも河川を遮断してしまうので、魚や小動物の往来を妨げて生態系を乱したり、ダムの上流側一帯を水没させたり、下流側の河川を枯渇させたりするなど、自然環境を変化させるおそれがある。
【０００４】
また、近年では、水力エネルギの回収効率の良い高性能な水車を開発し、河川流からエネルギを回収することも検討されているが、河川流は単位流量（単位時間あたりに一定の単位面積を通過する流量）の水力エネルギが小さいので、大きな出力を得ることができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、単位流量あたりの水力エネルギが、流速の増速に伴い、流速の３乗に比例して大きくなるという点を考慮し、河川流や流水の持つ水力エネルギをより効率良く抽出・回収するためには、水力エネルギ回収装置に導入する流水の速度を増加させることが重要であると考えている。そこで、水力エネルギを回収する水力エネルギ回収装置と、水力エネルギ回収装置の上流側で水の流れを増速させ、増速させた水を水力エネルギ回収装置に導入する増速流路とを、ユニット化した水力エネルギ回収ユニットを提案することを考えている。
【０００６】
この水力エネルギ回収ユニットは、理論上は、河川流から効率良く水力エネルギを回収することができると考えられる。しかし、実際に実験を行うと、水力エネルギ回収装置の下流側で水が滞留し、これが抵抗になって水力エネルギ回収装置の上流側で水の流れがあまり増速しないことがわかった。このため、水力エネルギ回収装置で回収される水力エネルギもあまり大きくならなかった。
【０００７】
また、水力エネルギ回収ユニットは、河川の流水中に設置するため、水力エネルギ回収装置のメンテナンス作業を行う場合には、河川の流水の中から水力エネルギ回収ユニットを回収する必要がある。しかし、水の抵抗が大きいので、河川の流水中に一度設置した水力エネルギ回収ユニットを回収するのは困難であり、河川の一部を堰止めることが必要になるなど、メンテナンス作業がかなり大掛かりな作業になるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、水力エネルギ回収装置の上流側の水の流れをより確実に増速させることができ、またメンテナンス作業がより容易に行える水力エネルギ回収ユニットを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の水力エネルギ回収ユニットは、流水の水力エネルギを回収する水力エネルギ回収装置と、流水を増速させて前記水力エネルギ回収装置に導入する増速流路と、流水を増速させて前記水力エネルギ回収装置の下流側に導入する掃流水導入路とを備え、流水中に設置し、流水の水力エネルギを回収するものである。この水力エネルギ回収ユニットは、流水を増速させて水力エネルギ回収装置の下流側に導入する掃流水導入路を備えており、掃流水導入路によって導入された水の流れにより、水力エネルギ回収装置の下流側で滞留する水を押し流すことができるので、増速流路の水力エネルギ回収装置の上流側で水の流れ増速させることができ、より効率良く水力エネルギを回収することができる。
【００１０】
請求項２に記載の水力エネルギ回収ユニットは、前記水力エネルギ回収装置の上流側と下流側に、水の流れを遮断する水門部を設けたことを特徴としている。この水力エネルギ回収ユニットは、前記水力エネルギ回収装置の上流側と下流側に、水の流れを遮断する水門部を設けたので、水力エネルギ回収装置の上流側と下流側の水の流れを遮断でき、水力エネルギ回収装置のメンテナンス作業が簡単に行える。
【００１１】
請求項３に記載の水力エネルギ回収ユニットは、前記水力エネルギ回収装置の上流側と下流側の水の流れを遮断する水門部により囲んだ水力エネルギ回収装置の周囲の水を排出する排水手段を備えていることを特徴としている。この水力エネルギ回収ユニットは、水力エネルギ回収装置の周囲の水を排出する排水手段を備えているので、水門部により上流側と下流側の水の流れを遮断し、さらに水力エネルギ回収装置の周りの水を抜くことができ、これにより、水力エネルギ回収装置のメンテナンス作業が容易になる。また、水力エネルギ回収装置の周りの水を抜くことにより、水力エネルギ回収装置の回収が容易になり、水力エネルギ回収装置が故障したときや修理する場合に、水力エネルギ回収装置を回収して修理することができる。
【００１２】
請求項４に記載の水力エネルギ回収ユニットは、前記水力エネルギ回収ユニット内の流路に水が流入するのを遮断する水門部を設けたことを特徴としている。この水力エネルギ回収ユニットは、流路に水が流入するのを遮断する水門部を設けたので、水力エネルギ回収ユニット内の流路に流入する水を遮断でき、水力エネルギ回収装置のメンテナンス作業が簡単に行える。
【００１３】
請求項５に記載の水力エネルギ回収ユニットは、前記水力エネルギ回収ユニット内の流路から水を排出する排水手段を備えていることを特徴としている。この水力エネルギ回収ユニットは、水力エネルギ回収ユニット内の流路に流入する水を遮断でき、かつ、流路から水を排出する排水手段により、水力エネルギ回収ユニット内の流路から水を抜くことができるので、例えば、河川に設置した水力エネルギ回収ユニットを回収することが容易になり、水力エネルギ回収ユニットを回収してメンテナンスすることが簡単に行える。また、台風などで河川が増水することが予測できる場合には、予め、水力エネルギ回収ユニットを河川から引き上げて置くことが簡単に行える。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る水力エネルギ回収ユニットの実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、同じ作用を奏する部材・部位には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
本発明の第１実施形態の水力エネルギ回収ユニット１０は、図１に示すように、水力エネルギ回収装置としての水車１１と、流水を増速させて水車１１に導入する増速流路１２と、流水を増速させて水車１１の下流側に導入する掃流水導入路１３をユニット化したものである。なお、図中の矢印は水の流れを示している。
【００１６】
水車１１は、回転軸１４を垂直に設置した縦軸水車であり、水力を受けて回転し、受水面で受けた水力エネルギの一部を回転軸１４の回転トルクに変換して出力するものである。
【００１７】
増速流路１２は、流水を増速させる第１狭窄部１５と、水の流れの方向を整える整流部１６とを備えた流路構造を備えており、整流部１６の下流側に水車１１を設置する水車設置部（図示省略）を備えている。
【００１８】
増速流路１２の上流取水口１７は、水車１１の受水面積より広くなっており、より多くの水を水車１１に導入することができるようになっている。第１狭窄部１５は、上流側から下流側に向けて間隔が徐々に狭くなるように逆ハの字形に流路の両側壁１８、１９を設置しており、上流側から下流側に向けて徐々に流路の幅が狭くなっている。整流部１６は、第１狭窄部１５の下流側に設けてあり、流路の両側壁２０、２１を平行に設置している。整流部１６は、第１狭窄部１４から整流部１６に流入した水の流れ方向が略両側壁２０、２１と平行になるのに十分な長さを備えている。
【００１９】
水車１１は整流部１６の下流側に設けた水車設置部（図示省略）に設置してあり、水車１１の下流側近傍に後述する掃流水導入路１３の噴出口２２を設けている。
【００２０】
掃流水導入路１３は、流水増速流路１２の両側にそれぞれ設けてある。掃流水導入路１３は、増速流路１２の上流取水口１７の両側に開口した上流取水口２３と、流水を増速させる第２狭窄部２４と、水車１１の下流側近傍の流路の両側壁に設けた噴出口２２を備えている。掃流水導入路１３の上流取水口２３は、噴出口２２よりも広く開口している。第２狭窄部２４では、掃流水導入路１３の側壁２５が上流側から下流側に向けて増速流路１２の外壁２６に徐々に近づいており、噴出口２２に向けて流路の幅が徐々に狭くなっている。これにより、掃流水導入路１３は、上流取水口２３に流入した水を第２狭窄部２４で増速させて噴出口２２から噴出するようになっている。
【００２１】
この水力エネルギ回収ユニット１０は、増速流路１２の上流取水口１７、および、掃流水導入路１３の上流取水口２３を上流側に向け、下流排水口２７を下流側に向けて、例えばアンカなどの固定手段（図示省略）により、河川の水流に流されないように設置する。
【００２２】
水力エネルギ回収ユニット１０の増速流路１２は、上流取水口１７から河川流の一部を取り込む。増速流路１２の上流取水口１７に流入した水は、第１狭窄部１５で流路の幅が狭くなるにつれて徐々に増速する。これにより、単位流量あたりの水力エネルギが増大する。整流部１６では流路の幅が一定であるので、第１狭窄部１５から整流部１６に流入した水は徐々に流れ方向が両側壁２０、２１と平行になる。すなわち、整流部１６では、水車１１の受水面に作用する水力のベクトルが下流側に向けて一定方向に揃い、水の流れ方向を一定方向にして水車１１の受水面に流水を作用させることができる。これにより、水力エネルギ回収ユニット１０は水車１１でより大きな水力エネルギを回収することができる。
【００２３】
なお、水車１１で水力エネルギが回収された流水は、水力エネルギが減少するので、水車１１の下流側で流速が遅くなる。
【００２４】
掃流水導入路１３は、上流取水口２３から河川流の一部を取り込む。掃流水導入路１３の上流取水口２３に流入した水は、第２狭窄部２４で流路断面が狭くなるにつれて徐々に流速が増速する。これにより、単位流量あたりの水力エネルギが増大する。第２狭窄部２４で増速した流水は、噴出口２２から水車１１の下流側近傍の流路に噴出する。噴出口２２から水車１１の下流側近傍の流路に噴出する水は単位流量当たりの水力エネルギが大きいので、水車１１の下流側の水を下流に押し流すことができる。これにより、水車１１の下流側の水の流れがスムーズになり、水車１１に導入される増速流路１２の水の流れも良くなる。
【００２５】
この水力エネルギ回収ユニット１０は、掃流水導入路１３を流れる流水により、水車１１の下流側の水を押し流すことができるので、増速流路１２でよりスムーズに流水を増速させることができ、水車１１でより効率よく水力エネルギを回収することができる。
【００２６】
次に、本発明の第２実施形態に係る水力エネルギ回収ユニット３０を説明する。
【００２７】
この水力エネルギ回収ユニット３０は、図２に示すように、増速流路３１において、水車１１の上流側と下流側に水の流れを遮断する水門３２、３３を設けたものである。なお、図２は水門３２、３３を閉鎖した状態を図示している。水門３２、３３を開放状態にすれば、第１実施形態に係る水力エネルギ回収ユニット１０と同様に、河川流が増速流路３１に流入して水車１１が駆動する。
【００２８】
この水力エネルギ回収ユニット３０は、水車１１をメンテナンスする時には、水門３２、３３を閉鎖状態にして増速流路３１の水の流れを止めて、メンテナンス作業を行うことができる。具体的には、メンテナンス作業では、水門３２、３３を閉鎖状態にして増速流路３１の水の流れを止め、ポンプなどの排水手段（図示省略）で水車１１の周りの水を抜く。これにより、水力エネルギ回収ユニット３０を河川から回収せずに、水車１１のメンテナンスを行うことができる。
【００２９】
この変形例としては、図３に示すように、第１実施形態の水力エネルギ回収ユニット１０’に、増速流路１２の上流側取水口１７、掃流水導入路１３の上流側取水口１７および下流排水口２７に水門３４、３５、３６を設けてもよい。
【００３０】
この場合、水力エネルギ回収ユニット１０’内の流路（増速流路１２および掃流水導入路１３）の水の流れを止め、ポンプなどの排水手段で水力エネルギ回収ユニット１０’の流路から水を抜くことができる。具体的には、メンテナンス作業では、水門３４、３５、３６を閉鎖状態にして水力エネルギ回収ユニット１０’内の流路１２、１３の水の流れを止め、ポンプなどの排水手段で水力エネルギ回収ユニット１０’内の水を抜く。これにより、水力エネルギ回収ユニット１０’全体のメンテナンス（例えば、水車１１のメンテナンスや流路１２、１３に付着した藻やゴミを取り除く作業など）を行うことができる。また、水門３４、３５、３６を閉鎖状態にして水力エネルギ回収ユニット１０’内の水を抜くと、水力エネルギ回収ユニット１０’に浮力が生じ、水力エネルギ回収ユニット１０’を河川から回収することが容易になる。これにより、水力エネルギ回収ユニット１０’を河川から回収して、メンテナンス作業をすることもできる。
【００３１】
この水力エネルギ回収ユニット１０’によれば、水力エネルギ回収ユニット１０’全体のメンテナンスを定期的に行うことができるので、水力エネルギ回収ユニット１０’の性能を長期間確保でき、長寿命化を図ることができる。また、台風などの接近により、河川が増水するような場合には、予め水力エネルギ回収ユニット１０’を河川から回収することができるので、台風による被害を回避することができる。
【００３２】
以上、本発明の水力エネルギ回収ユニットを説明したが、本発明の水力エネルギ回収ユニットは上記に限定されるものではない。
【００３３】
例えば、上述した、増速流路１２の第１狭窄部１５および掃流水導入路１３の第２狭窄部は、ともに流水を増速させるものであるが、第１狭窄部１５および第２狭窄部２４の設計は河川流の水理条件を考慮して行うと良い。第１狭窄部１５および第２狭窄部２４で増速率を向上させるためには、第１狭窄部１５および第２狭窄部２４の入口部分に対して出口部分をより狭くしたり、第１狭窄部１５および第２狭窄部２４の長さをより長くしたりするとよい。
【００３４】
また、水車は、回転軸を垂直に設置した縦軸水車を例示したが、水力を受けて回転し、受水面で受けた水力エネルギの一部を回転トルクに変換して出力するものであれば、種々の水車を適用することができる。なお、本発明の水力エネルギ回収ユニットに採用する水力エネルギ回収装置としては、本発明者らが特願２００１−１８２２８８号において提案する水車が適している。
【００３５】
以下に、本発明者らが提案する水車を説明する。
【００３６】
この本発明者らの提案する水車５０は、図４及び図５に示すように、出力軸５１と、出力軸５１の半径方向に延在した延在部としての２枚の円盤５２、５３と、円盤５２、５３に円周方向等間隔に配設した複数（例えば、９枚）の羽部材５５と、羽部材５５の受圧面が円周接線方向に沿って配設される（受圧面の法線が軸心を向く）ように羽部材５５を弾性支持する弾性支持機構５７とを備えている。
【００３７】
出力軸５１は水の流れ方向に対して直交するように配設される。
【００３８】
出力軸５１に装着される２枚の円盤５２、５３は、図４及び図５に示すように、羽部材５５を取り付けるために、出力軸５１から半径方向に延在した部材であって、円盤５２、５３の中心に軸装着穴６１、６２を設けて出力軸５１に装着している。２枚の円盤５２、５３の外径側には、円周方向等間隔に複数の羽部材５５を装着するための羽装着穴６３、６４を羽部材５５の数と同じ数形成している。また、一方の円盤５２には、羽装着穴６３のそれぞれ半径方向内径側の位置に、ばね係合ピン６５を取り付けている。ばね係合ピン６５は後述する弾性支持機構５７の構成部材たるばね８１を係合させるものであり、ばね８１を係合させるばね係合部６５ａを備えている。なお、２枚の円盤５２、５３は、後述するように羽部材５５を取り付けたアッセンブリ状態で出力軸５１に装着する。
【００３９】
羽部材５５は、図６（ａ）（ｂ）に示すように、厚さが一定の矩形の平板状の部材であり、矩形の作用面の図心Ｘを通る軸方向の軸線Ｌ１から幅方向に所定距離ずれた軸方向の軸線Ｌ２に沿って上下両側に、羽部材５５を円盤５２、５３に装着する回動軸７１、７２を取り付けている。一方の回動軸７１は、図４に示すように、円盤５２を貫通して延在するようになっており、円盤５２を貫通した部分に、後述する弾性支持機構５７のばね装着部材７３を取り付けることができるようになっている。ばね装着部材７３は、羽部材５５から内径側に向けて、羽部材５５の面に対して直交させて固定的に取り付けている。ばね装着部材７３には、後述する弾性支持機構５７のばね８１を係合させるばね係合部７３ａを設けている。２枚の円盤５２、５３に対する羽部材５５の取り付けは以下のように行う。
【００４０】
まず、一方の円盤５３を水平に配設し、円盤５３の各羽装着穴６４に羽部材５５の回動軸７２を装着し、円盤５３に羽部材５５を回動自在に立設する。このとき、羽部材５５の回動軸７２の摺動性を高めるため、円盤５３の羽装着穴６４に摺動性を高める鍔付きブッシュ７６を装着し、鍔つきブッシュ７６の内周面に羽部材５５の回動軸７２を装着するとよい。
【００４１】
次に、この状態で各羽部材５５の上側にある回動軸７１に他方の円盤５２の各はね装着穴６３を装着し、円盤５２を水平に装着する。このとき、羽部材５５の回動軸７１の摺動性を高めるため、円盤５２の羽装着穴６３に摺動性を高める鍔付きブッシュ７７を装着し、鍔付きブッシュ７７の内周面に羽部材５５の回動軸７１を装着する。
【００４２】
上記のように羽部材５５を組み付けたアッセンブリ状態の円盤５２、５３を出力軸５１に装着し、固定部材７８、７９、８０で出力軸５１に円盤５２、５３を固定する。
【００４３】
次に、弾性支持機構５７を説明する。弾性支持機構５７は、図４及び図５に示すように、円盤５２の内径側に取り付けたばね係合ピン６５と、羽部材５５に取り付けたばね装着部材７３と、両者の間に取り付けたばね８１とからなる。弾性支持機構５７を取り付けるときは、まず羽部材５５を回動軸７１、７２を設けた回動中心をなす軸線Ｌ２で分けた場合に、面積が大きい側の面と面積が小さい側の面の向きが円周方向に一様になるように、各羽部材５５の向きを揃える。この状態で、羽部材５５の回動軸７１の円盤５２から外方に延在した部分に、羽部材５５の面に対して直角で、かつ、内径側に向けて、ばね装着部材７３を取り付ける。そして、円盤５２の内径側に取り付けたばね係合ピン６５のばね係合部６５ａと、羽部材５５に取り付けたばね装着部材７３のばね係合部７３ａとの間に、ばね８１を伸長させた状態で取り付ける。
【００４４】
羽部材５５は、弾性支持機構５７のばね８１の弾性力により、出力軸５１を配設した軸線Ｌ３を中心とし、この軸線Ｌ３から羽部材５５の回動軸７１までの半径方向距離を半径とする円Ｃ１を考えた場合に、かかる円Ｃ１の円周接線方向に沿って羽部材５５の作用面が延在するように弾性的に支持された状態になっている。
【００４５】
さらに、各羽部材５５の回動中心をなす軸線Ｌ２で羽部材５５を円周方向に分けた場合に、各羽部材５５の面積の大きい側と面積が小さい側との向きを揃えている。これは、各羽部材５５に作用する水力の作用点となる作用面の図心Ｘが存在する面積の大きい側の面の向きを、円周方向において揃えるためである。なお、このように羽部材５５の向きを揃えることにより、円周方向において羽部材５５の作用点が配設された側が、常にこの水車５０の回転方向の後ろ側になる。
【００４６】
以下、この水車５０の作用を説明する。
【００４７】
水の流れがない状態では、図７に示すように、弾性支持機構５７の作用により、羽部材５５の作用面は円Ｃ１の円周接線に沿って延在している。水の流れが作用する状態では、図８に示すように、羽部材５５には、主に羽部材５５が水の流れを変化させることによる反力（Ｆ１〜Ｆ６）が作用して、回動軸７１、７２が設けてある軸線Ｌ２を回動中心として各羽部材５５が回動する。羽部材５５の傾きは、この水の作用によって羽部材５５の回動中心（Ｌ２）に生じるモーメントと、羽部材５５が内径側又は外径側に傾くことにより伸ばされるばね８１の弾性反力によって羽部材５５の回動中心（Ｌ２）に生じるモーメントとが釣り合う傾きに定まる。そして、水力は、羽部材５５の作用面の図心Ｘ（Ｌ１）を水力の作用点として、羽部材５５の作用面に対して直角方向に作用する。
【００４８】
以下、便宜上、羽部材５５の公転軌道における水の流れに対する最上流の位置を０°とし、出力軸５１に対して反時計回り方向を正の方向として羽部材５５の回転角を規定して説明する。
【００４９】
羽部材５５が水の流れの最上流（０°）の位置から９０°の位置までの間にあるときは、図８において５５ａで示すように、羽部材５５ａの外径側の作用面に水力Ｆ２が作用し、羽部材５５ａが円Ｃ１の円周接線よりも内径側に傾く。羽部材５５ａに作用する水力Ｆ２は、同図に矢印で示すように、羽部材５５ａの作用面の図心Ｘ（Ｌ１）を作用点とし、内径側に向けて羽部材５５ａの作用面に対して直角に作用する。この水力Ｆ２は、羽部材５５ａ及び円盤５２、５３を介して、出力軸５１に反時計回り方向の回転トルクを作用させる。また、羽部材５５ａが円周接線よりも内径側に傾くことにより、円Ｃ１の円周接線方向に延在している場合に比べて、水の流れに対する羽部材５５ａの外径側の面が増大する。このため、羽部材５５ａが円周接線方向に延在している場合に比べて、羽部材５５ａにより大きな水力Ｆ２が作用し、出力軸５１により大きな回転トルクが生じると考えられる。
【００５０】
なお、羽部材５５ａが最上流（０°）の位置から９０°の位置に移動するにつれて、水の流れに対する羽部材５５ａの外径側の作用面の面積が減少し、その分、羽部材５５ａに作用する水力Ｆ２が減少する。このため、羽部材５５ａは次第に円Ｃ１の円周接線方向に近づいていく。そして、羽部材が９０°の位置に移動すると、図８において５５ｂで示すように、羽部材５５ｂは略円Ｃ１の円周接線方向に延在するようになり、水の流れ方向に略平行になる。このとき、羽部材５５ｂの内径側及び外径側のいずれの作用面にもほとんど水力が作用しない。
【００５１】
次に、羽部材５５が９０°の位置から最下流（１８０°）の位置までの間にあるときは、図８において５５ｃで示すように、羽部材５５ｃの内径側の作用面に水力Ｆ３が作用し、羽部材５５ｃは円Ｃ１の円周接線方向よりも外径側に傾く。羽部材５５ｃに作用する水力Ｆ３は、同図に矢印で示すように、羽部材５５ｃの作用面の図心Ｘ（Ｌ１）を作用点とし、外径側に向けて羽部材５５ｃの作用面に対して直角に作用する。この水力Ｆ３は、羽部材５５ｃ及び円盤５２、５３を介して、出力軸５１に反時計回り方向の回転トルクを作用させる。また、羽部材５５ｃが円周接線よりも外径側に傾くことにより、円Ｃ１の円周接線方向に延在している場合に比べて、水の流れに対する羽部材５５ｃの内径側の作用面の面積が増大する。このため、羽部材５５ｃが円Ｃ１の円周接線方向に延在している場合に比べて、羽部材５５ｃにより大きな水力Ｆ３が作用し、出力軸５１により大きな回転トルクが生じると考えられる。
【００５２】
次に、羽部材５５が流れの最下流（１８０°）の位置から２７０°の位置までの間にあるときは、図８に５５ｄで示すように、羽部材５５ｄの内径側の作用面に水力Ｆ５が作用し、羽部材５５ｄは円Ｃ１の円周接線よりも外径側に傾く。羽部材５５ｄに作用する水力Ｆ５は、同図に矢印で示すように、羽部材５５ｄの作用面の図心Ｘ（Ｌ１）を作用点とし、内径側に向けて羽部材５５ｄの作用面に対して直角に作用する。この水力Ｆ５は、羽部材５５ｄ及び円盤５２、５３を介して、出力軸５１に反時計回り方向の回転トルクを作用させる。ただし、羽部材５５ｄが円Ｃ１の円周接線よりも外径側に傾くことにより、円Ｃ１の円周接線方向に延在している場合に比べて、水の流れに対する羽部材５５ｄの内径側の作用面の面積が減少する。このため、羽部材５５ｄが円Ｃ１の円周接線方向に延在している場合に比べて、羽部材５５ｄに作用する水力Ｆ５が小さくなり、出力軸５１に作用する回転トルクも小さいと考えられる。
【００５３】
なお、羽部材５５ｄが最下流（１８０°）の位置から２７０°の位置に移動するにつれて、水の流れに対する羽部材５５ｄの内径側の作用面の面積が減少し、その分、羽部材５５ｄに作用する水力Ｆ５が減少する。このため、羽部材５５ｄは次第に円Ｃ１の円周接線方向に近づいていく。そして、羽部材５５ｄが２７０°の位置に移動すると、図８において５５ｅで示すように、羽部材５５ｅの傾きは略円Ｃ１の円周接線方向に延在するようになり、水の流れ方向に略平行になる。このとき、羽部材５５ｅの内径側及び外径側のいずれの作用面にもほとんど水力が作用しない。
【００５４】
次に、羽部材５５が２７０°の位置から最上流（３６０°）の位置までの間にあるときは、図８において５５ｆで示すように、羽部材５５ｆの外径側の作用面に水力Ｆ６が作用し、羽部材５５ｆは円Ｃ１の円周接線よりも内径側に傾く。羽部材５５ｆに作用する水力Ｆ６は、同図に矢印で示すように、羽部材５５ｆの図心（Ｌ１）を作用点とし、内径側に向けて羽部材５５ｆの作用面に対して直角に作用する。この水力Ｆ６は、羽部材５５ｆ及び円盤５２、５３を介して出力軸５１に反時計回り方向の回転トルクを作用させる。ただし、羽部材５５ｆが円Ｃ１の円周接線よりも内径側に傾くことにより、円Ｃ１の円周接線方向に延在している場合に比べて、水の流れに対する羽部材５５ｆの外径側の作用面の面積が減少する。このため、羽部材５５ｆが円Ｃ１の円周接線方向に延在している場合に比べて、羽部材５５ｆに作用する水力Ｆ６が小さくなり、出力軸５１に作用する回転トルクも小さいと考えられる。
【００５５】
また、水の流れ方向に沿って回転する０°から１８０°の間と、水の流れ方向に逆らって回転する１８０°から３６０°（０°から−１８０°）の間の羽部材５５の角度と水力との関係を比較してみると、０°から９０°では羽部材５５ａが内径側に傾き、水の流れに対する羽部材５５ａの外径側の作用面の面積が増えてより大きな回転トルクが得られるようになっている。これに対して、０°から−９０°では羽部材５５ｆが内径側に傾き、水の流れに対する羽部材５５ｆの外径側の作用面の面積が減少して羽部材５５ｆが水から受ける抵抗が小さくなるようになっている。また、９０°から１８０°では羽部材５５ｃが外径側に傾き、水の流れに対する羽部材５５ｃの内径側の作用面の面積が増えてより大きな回転トルクが得られるようになっている。これに対して、−９０°から−１８０°では羽部材５５ｄが外径側に傾き、水の流れに対する内径側の作用面の面積が減少して羽部材５５ｄが水から受ける抵抗が小さくなるようになっている。これにより、この水車５０は、水の流れ方向に沿って回転する０°から１８０°の間では、より流水のエネルギが受けられるようになっており、反対に水の流れ方向に逆らって回転する−０°から−１８０°の間では、水の抵抗が少なくなるようになっている。また、この水車５０は、羽部材５５で囲まれた円筒領域から外側に流れ出る水流によっても、回転方向のトルクを得ることができ、そのときの回転方向は、円周方向において羽部材５５の回動軸よりも水力の作用点がある側が回転方向の後ろ側になる。このため、この水車５０は、全体として非常に効率よく水力を受けて回転するようになっており、図１に示すように、流水中に完全に沈めた状態で配設することもできる。以上、本発明者らが特願２００１−１８２２８８号において提案する水車５０を説明したが、本発明に係る水力エネルギ回収ユニットの水車は上記のものに限定されない。
【００５６】
以上、本発明に係る水力エネルギ回収ユニットの実施の形態を説明したが、本発明に係る水力エネルギ回収ユニットは上記の実施の形態に限定されるものではない。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１に記載の水力エネルギ回収ユニットは、流水を増速させて水力エネルギ回収装置の下流側に導入する掃流水導入路を備えており、掃流水導入路によって導入された水の流れにより、水力エネルギ回収装置の下流側で滞留する水を押し流すことができるので、増速流路の水力エネルギ回収装置の上流側で水の流れ増速させることができ、より効率良く水力エネルギを回収することができる。この水力エネルギ回収ユニットは、河川を堰き止めることなく河川の流水中に設置することができ、ダムなどに比べ極めて低コストで、かつ、環境に優しい水力エネルギの利用が可能になる。
【００５８】
請求項２に記載の水力エネルギ回収ユニットは、水力エネルギ回収装置の上流側と下流側に、水の流れを遮断する水門部を設けたので、水力エネルギ回収装置の上流側と下流側の水の流れを遮断でき、水力エネルギ回収装置のメンテナンス作業が簡単に行える。
【００５９】
請求項３に記載の水力エネルギ回収ユニットは、水力エネルギ回収装置の周囲の水を排出する排水手段を備えているので、水門部により上流側と下流側の水の流れを遮断し、さらに水力エネルギ回収装置の周りの水を抜くことができる。これにより、水力エネルギ回収装置のメンテナンス作業が容易になる。また、水力エネルギ回収装置の周りの水を抜くことにより、水力エネルギ回収装置の回収が容易になり、水力エネルギ回収装置が故障したときや、修理する場合に、水力エネルギ回収装置を回収して修理することができる。
【００６０】
請求項４に記載の水力エネルギ回収ユニットは、流路に水が流入するのを遮断する水門部を設けたので、水力エネルギ回収ユニット内の流路に流入する水を遮断でき、水力エネルギ回収装置のメンテナンス作業が簡単に行える。
【００６１】
請求項５に記載の水力エネルギ回収ユニットは、水力エネルギ回収ユニット内の流路から水を排出する排水手段を備えているので、水力エネルギ回収ユニット内の流路に流入する水を遮断でき、かつ、流路から水を排出する排水手段により、水力エネルギ回収ユニット内の流路から水を抜くことができる。これにより、例えば、河川に設置した水力エネルギ回収ユニットを回収することが容易になり、水力エネルギ回収ユニットを回収してメンテナンスすることが簡単に行える。また、台風などで河川が増水することが予測できる場合には、予め、水力エネルギ回収ユニットを河川から引き上げて置くことが簡単に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水力エネルギ回収ユニットを示す平面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る水力エネルギ回収ユニットを示す平面図である。
【図３】本発明の第２実施形態の変形例に係る水力エネルギ回収ユニットを示す平面図である。
【図４】本発明の水力エネルギ回収ユニットに採用するのに好適な水車を示す縦断側面図である。
【図５】図４に示す水車の平面図である。
【図６】（ａ）は羽部材の正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図７】図４に示す水車の概略図である。
【図８】図４に示す水車の流水中に設置した状態を示す概略図である。
【符号の説明】
１０　第１実施形態の水力エネルギ回収ユニット
１１　水車
１２　増速流路
１３　掃流水導入路
１４　回転軸
１５　第１狭窄部
１６　整流部
１７　上流取水口
２２　噴出口
２３　上流取水口
２４　第２狭窄部
２７　下流排水口
３０　水力エネルギ回収ユニット
３１　増速流路
３２、３３、３４、３５、３６　水門

Claims

流水の水力エネルギを回収する水力エネルギ回収装置と、
流水を増速させて前記水力エネルギ回収装置に導入する増速流路と、
流水を増速させて前記水力エネルギ回収装置の下流側に導入する掃流水導入路とを備え、
流水中に設置し、流水の水力エネルギを回収する水力エネルギ回収ユニット。
前記水力エネルギ回収装置の上流側と下流側に、水の流れを遮断する水門部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水力エネルギ回収ユニット。
前記水力エネルギ回収装置の上流側と下流側の水の流れを遮断する水門部により囲んだ水力エネルギ回収装置の周囲の水を排出する排水手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の水力エネルギ回収ユニット。
前記水力エネルギ回収ユニット内の流路に水が流入するのを遮断する水門部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水力エネルギ回収ユニット。
前記水力エネルギ回収ユニット内の流路から水を排出する排水手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の水力エネルギ回収ユニット。