JP5917816B2 - 水車装置 - Google Patents

Description

本発明は、水車装置に係り、特に水深と水流の向きの変化にも関わりなく、水中で使用しうるようにした水車装置に関する。

従来の水車には、羽根車の下部を流水に浸けた形式、羽根車の上に流水を投下して回転させる形式、縦軸の羽根車の横に落下水を投下する形式があり、また横軸水車を水中に没設するものもあり、これらは特許文献１及び２に記載されている。

特開平１０−２７４１４６号公報 特開２００５−３５１１２５号公報

前記従来の水車装置は、陸地における流水を利用するものであり、水深により水圧や水流の向きが変化する海流を利用するには構造的に難点がある。
また特許文献１及び２に記載のものは、抗力羽根の水車装置を水没させるもので、横軸に上下の抗力羽根を設け、上下の羽根に一定方向に流れる水流をあてるもので、回転効率が上りにくいという難点がある。
本発明は、水深や流水の方向にかかわらず、効率良く回転し得るようにした水車装置を提供することを目的としている。

本発明の具体的な内容は次の通りである。

（１） 外枠内の内桟の中心に軸受が支持されている軸支持体を複数、複数の支柱をもって多層状に枠組みした、水中部と水上部とを有する水車櫓を水底の基台に設置し、水上部は水車櫓のデッキから高波の当たらない上方へ高く設けた台床上に発電機を配設するとともに、これを囲むように蓋体を設け、前記軸支持体の各軸受に垂直に支持した水車主軸の下端を、前記基台に設けた軸受に支持させ、かつ、水車主軸の上端を、発電機の回転軸に断接可能に連結し、水中部における水車主軸には、着脱可能の複数の水平の支持腕を介して、垂直の揚力型ブレードを多層状に配設した水車装置。

（２） 前記水車櫓の支柱はコンクリート製とし、下部から上部へかけて次第に幅の狭くなる扁平体とし、かつ、２本１組で扁平面を対面させて、下部が配置される面積よりも、面積が小となる軸支持体を、上端部で支持するように内方へ傾斜させて水車櫓を形成してある前記（1）に記載の水車装置。

（３） 前記揚力型ブレードの、最大翼厚部から後縁へかけての内外面に、前部は深く、後部は浅くなった細かい魚鱗状の凹凸部を多数連続形成してある前記（1）または（2）に記載の水車装置。

（４） 前記軸支持体の中央部における軸受主部に、水車軸を支持する、セラミックの軸受環を嵌装し、軸受環の、内周面に複数の縦溝を形成し、軸受主部に形成した油壺と、前記軸受環の縦溝とを油道をもって連通してある前記（1）〜（3）のいずれかに記載の水車装置。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載の発明においては、水車櫓の水中部を水中に沈めて設置することにより、水中の揚力型ブレードは水流の変化に関わりなく回転して、水上部の台床上における発電機を駆動するので、水流が激しく変化する水中においても、効率良く発電する事ができる。
また台床が水面から高波が当たらない上方へ高く離れているので、波浪にも発電機が濡れることはなく、台床上で発電機周りのメンテナンス作業が容易である。
更に揚力型ブレードを多層状に配設することにより、潮の干満のある海中等において、水位と水流が変化しても、停止することがなく、効率良く発電することができる。

前記（2）に記載の発明においては、水車櫓の支柱をコンクリート製とし、下部から上部へかけて次第に幅の狭くなる扁平体とし、かつ、２本１組で扁平面を対面させて、下部が配置される面積よりも、面積が小となる軸支持体を上端部で支持するように、内方へ傾斜する水車櫓が形成されているので、水深があって強い水流の変化のある処においても、剛性の高い水車装置を設置することができる。

前記（3）に記載の発明においては、揚力型ブレードの最大翼厚部から後縁へかけての側面に、前縁から後縁方向を向く細かな魚鱗状の凹凸部を多数連続形成してあるため、細かな凹部に細かな乱流が生じ、そのため流水の摩擦抵抗は小さく、また後縁方向から水流を受ける時は、凹部が水流を受止めて、回転力は高められる。

前記（4）に記載の発明においては、水車主軸を支持する軸支持体における軸受主部に内嵌したセラミック環の内側面に縦溝が形成されているので、回転時の摩擦抵抗が小さく、また塩水にも腐蝕しない。軸主部に形成した油壷と前記軸受環の縦溝とは、油道をもって連通しているので、縦溝に溜まる潤滑油により円滑な回転が維持される。

本発明に係る水車装置の実施例１を示す正面図である。 図１に示す水車装置の平面図である。 図１における軸支持体の斜視図である。 図３における軸受部の拡大平面図である。 図１における水車主軸と軸受部分の拡大縦断正面図である。 図１における軸支持体と支柱部分の拡大縦断正面図である。 図１における発電機部分の縦断正面図である。 図１における揚力型ブレードを示す正面図である。 図８における平面図である。 本発明における揚力型ブレードの更に別の例を示す側面図である。 図10におけるXI−XI線断面図である。 本発明における揚力型ブレードの別の例を示す背面図である。 図12のブレードの横断平面図である。 本発明に係る水車装置の実施例２の正面図である。 図14に示す水車装置の平面図である。

以下本発明を、図面を参照して説明する。

図１に示すように水車装置１は、海や河川等の底に設置した基台２上に、ほぼ垂直の複数（図では４本）の支柱３を、上下の軸支持体４の間に配して櫓状に枠組みし、下部を水中部５Ａ、上部を水上部５Ｂとした水車櫓５を備えている。

上下の軸支持体４間における支柱３は短尺で、その上下端部に固着されているフランジ３Ａを介して、軸支持体４に固定されているが、長尺の支柱を使用するときは、軸支持体４の外側部を支柱で支持する。

水車１は、水中部５Ａが水中に没するようにして、水底に設置されている基台２に固定されており、基台２は、あらかじめ水底に埋設した長尺のアンカ２Ａ上に、安定よく支持されている。

上下の軸支持体４の中央部における軸受６に、垂直に支持された水車主軸９に、水平に支持された複数の支持腕10に、それぞれ垂直の揚力型ブレード11が装着されている。

水流により水車１の揚力型ブレード11が回転すると、一定の時間内において、流速により移動する水の質量が、揚力型ブレード11に影響する。水車装置１の回転速度が高まると、同時に揚力型ブレード11全体に、水の質量の運動力がかかることになる。

従って、揚力型ブレード11の受流面積が広ければ、水車装置１全体にかかる水力も大となり、水流の向きが変化することにより、水車装置１全体にかかる水力によって、水車装置１が揺動し、材質疲労を招き、ひいては破壊に至ることもある。特に、水深がある処では、上層よりも下層の水圧が高いので、水車１の上下で歪みが生じる。

そのため、水流による水車装置１全体の揺動を、出来る限り小とすることが必要である。図１、図２においては、水車櫓５の外側の４隅に、それぞれ下端が外向き傾斜する補強柱３Ｅを設けてある。
４本の補強柱３Ｅの下端の間隔は、前記水中部５Ａの高さとほぼ同じ寸法とされ、水車櫓５の下部における横揺れに対する強度を高めてある。

これにより、支柱３をフランジ３Ａを介して軸支持体４に固定して、水車櫓５を高寸に形成しても、強い水流によって水車装置１が妄りに揺動する事はなく、また水車主軸９の歪みも生じにくい。なお、水車櫓５や補強柱３Ｅには、図示を省略した筋交いが任意に設けられる。

また、図１における正面又は側面から水流を受けた場合に、補強柱３Ｅが水流の妨げになることはなく、また斜め方向から来る水流は、補強柱３Ｅが傾斜しているので、すり抜けて揚力型ブレード11に当ることになる。

水車櫓５の水中部５Ａの高さは、これを設置する場所における水深に合わせるもので、潮の干満のある海においては、満潮時における水深に合わせる。図１に示すように、水車櫓の上のデッキ１６の上方における、水上部５Ｂの上端の、高波にも濡れることのない位置に台床７を設けてある。図中の符号１７は、デッキ１６から台床７にかけて架設された階段である。

水車櫓５及び台床７は、金属の表面に、ＦＲＰなどの防錆皮膜を施したものからなっている。防錆皮膜には、牡蠣等の貝類の付着を防止する忌避剤を含ませてあるのがよい。水中部５Ａの周囲には、図示しない防塵網が張設されている。
防塵網は、例えば額縁状の枠に網を張り、スライド式に上方へ引上可能として、付着した塵埃の除去が容易となるようにされる。

台床７の上部には発電機８が配設されている。発電機８は図７に略示するように、発電部８Ａの上側に、回転軸８Ｂにより回転する回転部８Ｃを配置してなり、回転軸８Ｂの下部は、水車櫓５における、横枠体４の軸受６に支持されている水車主軸９の上部に、図示しないクラッチを介して連結されている。図７中の符号８Ｄは発電コイル、８Ｅは発電コイル８Ｄに対応する磁石である。

図１に示す水中部５Ａにおいて、上下複数の軸支持体４における軸受６に支持されている１本の水車主軸９に、支持腕保持体９Ｂを介して水平に固定された複数の放射状の支持腕10の先端に、それぞれ垂直の揚力型ブレード11を装着し、これを上下に複数段状に配置してある。

上下の各揚力型ブレード11は、位相を異にし、全体として360度の均分位置に配置されている。すなわち、揚力型ブレード11が例えば３段であれば、上下におけるブレード11の位相を60度毎に変えてある。

揚力型ブレード11は、ポリプロピレン樹脂など、弾力性及び耐薬品性に優れた樹脂の成形体からなっている。揚力型ブレード11の最大翼厚部11Ｅ（図９）の翼厚は、弦長の15％〜25％程度としてある。揚力型ブレード11の表面には、貝や海藻の付着を防止する忌避剤を含む被膜（例えばフッ化物樹脂）を設けてある。

前記台床７の上面には、発電機８を囲むように蓋体12を設けてある。図１における符号13は蓄電池、14は船舶に対する警報灯、15は避雷針である。
前記蓋体12は、水車装置１が小型の場合には筐体とし、大型の場合には、人の入れる小屋状にする。蓋体12の上面には、図示しない太陽光発電パネルを張設してある。

図３は、軸支持体４の斜視図である。軸支持体４は、平面視で方形の外枠４Ａの内側に、平面＋字状に中桟４Ｂを固定し、中桟４Ｂの交差部に軸受６を設け、かつ４隅に、上下方向の嵌合孔４Ｃを設け、その周囲に複数のボルト孔４Ｄを設けたものである。

図４は、図３における軸受６部分を示す拡大平面図である。主部６Ｃの中央に嵌着した軸受環６Ａとして、セラミックを使用している。セラミックの軸受環６Ａの内周面には、複数の縦溝６Ｂを形成してあり、水車主軸９の回転時における摺接面積が小さく、摩擦抵抗が軽減されるようにしてある。縦溝６Ｂ内にはグリースなどの潤滑油が充填される。

図５は、軸受６と水車主軸９の心軸９Ｅとの関係を示す縦断正面図である。軸受６におけるセラミックの軸受環６Ａの内周面に設けた、多数の縦溝６Ｂから、軸受主部６Ｃの油壺６Ｅにかけて、油道６Ｄを形成してあり、縦溝６Ｂ部分に潤滑油が供給されている。

図５において、セラミックの軸受環６Ａには、セラミックの心軸９Ｅを、その上下端を突出させて嵌装し、心軸９Ｅの上下端部に、それぞれ上下の水車主軸９の端部を外嵌し固定してある。図５において、軸受６の上下に突出する水車主軸９、９は、水圧の高い下部においては、上部よりも大径としてあり、高い水圧に耐えられるようにしてある。また屈曲しにくい中空の管体を使用している。

セラミックの心軸９Ｅの外周面には、図示しない螺旋状の溝を形成して、回転時の摺接面積を減少させるようにしてある。
水車主軸９の外面には、防錆用の合成樹脂被覆層９Ａを被着してある。被覆層９Ａには、貝の付着を防止する忌避剤（フッ化物、硫化物等）を含ませてある。

このため、水車櫓５の水中部５Ａが水面下に没していても、水車主軸９は、軸受６部分においては、セラミックの心軸９Ｅがセラミックの軸受環６Ａに支持されているので、摩耗しにくく、塩水等による腐蝕も生じにくい。またセラミックの軸受環６Ａの内周面には、縦溝６Ｂを設けてあるため、摺接面積は小さく、回転抵抗も小さい。

図６は、水車櫓５における支柱３と、軸支持体４の外枠４Ａとの連結状態を示す、要部の一部縦断正面図である。外枠４Ａに設けた嵌合孔４Ｃに、連結ピン３Ｂを上下端部を突出させて嵌合し、この連結ピン３Ｂの上下端部に、上下から支柱３の端面に設けた整合孔３Ｆを嵌合し、上下の支柱３のフランジ３Ａ部分のボルト孔３Ｃと、外枠４Ａのボルト孔４Ｄとに、ボルト３Ｄを貫挿して締結してある。

図７は、発電機８の部分の縦断正面図である。台床７は、ＦＲＰ製とするのがよい。発電機８における発電部８Ａの中央部を貫通させた回転軸８Ｂの下端部を、水車主軸９に連結してあり、発電部８Ａの上部において、回転軸８Ｂに回転部８Ｃを固定してある。符号８Ｄは発電コイルであり、８Ｅは磁石である。発電機８には、図示を省略した水中ケーブル等を連結して、発電した電気を回収するようにしてある。

図８に示すように、水車主軸９には、揚力型ブレード11用の支持腕保持体９Ｂを固定してある。支持腕保持体９Ｂは円盤状として、上下に貫通するボルト孔９Ｃが複数設けられている。支持腕保持体９Ｂの上面に、水平の支持腕10の基端部をボルト９Ｄで固定してある。従って、水中においてボルト９Ｄを緩めて、支持腕10を支持腕保持体９Ｂから外すことにより、容易にブレード11の交換をすることができる。

揚力型ブレード11の翼長が短かい時には、支持腕10は１本でもよいが、長い時には、破損を防ぐために支持腕10を上下複数とする。製造時に揚力型ブレード11に支持腕10を固定するには、例えばブレード11に内外に貫通する取付孔（図示せず）を形成し、この取付孔に支持腕10の先端部を嵌合させて接着する。

支持腕10は、縦断面が上下対称のほぼ翼型をなし、板厚の厚い側を回転時の前方向に向け、その先端部に垂直の揚力型ブレード11を装着してある。揚力型ブレード11は、図９に示すように、水車主軸９と対向するその内側面11Ｃの前縁の近くに、最大翼厚部11Ｅを有し、それから後縁11Ｂへかけて、翼弦長方向に湾曲している。

従って、揚力型ブレード11は、回転方向の前縁11Ａから後縁11Ｂへ至る外側面11Ｄよりも、内側面11Ｃの距離が長くなっている。
そのため、図９におけるＡ矢示の水流は、前縁11Ａから、外側面11Ｄと内側面11Ｃ側に分岐して、後縁11Ｂ方向へ流れた後、合流する。

この場合、図９で示す距離の長い内側面11Ｃに沿って流動するｂ矢示水流は、外側面に沿って流動するａ矢示流よりも高速となり、流体の圧力が低下するため、常圧のＢ矢示流が内側面11Ｃに集合して当り、揚力型ブレード11は回転方向へ押される。

揚力型ブレード11は、支持腕10を介して水車主軸９に固定されているため、後縁11Ｂ側から流体を受けると、揚力型ブレード11は回転方向の前方へ押されて回転する。揚力型ブレード11の回転に伴い、その前縁11Ａに当る水流は、コアンダ効果により内側面11Ｃ側に負圧を生じさせる。

水車主軸９を中心として回転する支持腕10の回転速度は、図９における点ｐ部分よりも、外側方の点ｑ部分の方が大である。そのため、点Ｐ付近を後方向へ流れるｐ矢示水流よりも、点Ｑ付近を後方向へ流れるｑ矢示水流の速度の方が速くなり、流体圧の差によってＣ矢示流が生じ、このＣ矢示流は、ｂ矢示流と合流して揚力型ブレード11を回転させる。

図９において、Ｄ矢示流やＥ矢示流が揚力型ブレード11に当ると、同ブレード11は、この水流に押されて、回転方向の前方へ回転する。
揚力型ブレード11は、軽量である場合には、回転速度が上りにくいので、合成樹脂材を使用するときには、前縁11Ａ内部に重錘を入れておくことが好ましい。

図１に示す水車装置１の水中部５Ａを、水流のある海中または河川、或いは用水路の水面Ｗ下に沈めて設置すると、揚力型ブレード11は、水流によって回転する。水の質量は、空気のそれよりも遙かに大であるので、水流を揚力型ブレード11に受けて回転する水車主軸９のトルクは大きく、これによって駆動される発電機８の発電力は大きい。

水深が浅い場所では、水中部５Ａにおける揚力型ブレード11は、段状に装着しなくてもよく、また水深が深い場所では、水深に合わせて、揚力型ブレード11の段数を増加させるのがよい。

この揚力型ブレード11は、何れの方向から水流を受けても、同じ方向へ回転するので、海中においては、上潮時にも引潮時にも、同じ方向へ回転して、ロスを生じることはない。

図１０は、揚力型ブレード11の別の例の一部を示す内側面図、図１１は、図１０におけるXI−XI線断面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。

この揚力型ブレード11においては、最大翼厚部11Ｅの部位から後縁11Ｂへかけて、表面に、多数の細かな凹凸部11Ｆを形成してある。図においては、前部が深く、後部は次第に浅い鱗状としてあるが、形状は任意である。

図１１に示すように前縁11Ａから後縁11Ｂへ水流が移動する過程において、凹凸部11Ｆでは、流体の粘性により凹の深い部分に入る水の乱流が生じ、前縁11Ａ方向からの流動水は、その「乱流」の表面を滑るので、水の抵抗は小さくなる。
また後縁11Ｂの方向から流水が来る場合、この凹凸部11Ｆの深い部分は鈎の作用をし、揚力型ブレード11を押して回転効率を高める。

図１２は、揚力型ブレード11の別の例を示す背面図、図１３は、その平面図である。前例と同じ部位には、同じ符号を付して説明を省略する。
図１３において、揚力型ブレード11の前縁11Ａは、後縁11Ｂの回転軌跡Ｔの半径よりも、回転半径を短かく設定してある。

そのため、揚力型ブレード11の上下翼端部に、翼長のほぼ15％〜20％相当の位置を基点とし、水車主軸９方向に傾斜する傾斜部11Ｇは、その先端部が支持腕10の長手方向に対して、５度〜10度後縁11ＢのＸ矢示方向へ向き、この傾斜部11Ｇの内面に沿う水流は、Ｇ矢示方向へ通過し、その反動として、揚力型ブレード11の回転効率は高められる。

図１３において、Ａ矢示流が前縁11Ａに当ると、揚力型ブレード11の内外面に沿って分岐し、前縁11Ａの部分で、流体は圧縮を受けて水圧が高まる。
従って、最大翼厚部11Ｅを通過すると、常圧の後縁11Ｂ方向へ速度を高め、かつ水圧が低下して通過し、後縁11Ｂで合流して水圧を高め、その反動として揚力型ブレード11を前縁11Ａ方向へ押出す。

また、最大翼厚部11Ｅから後縁11Ｂへかけて負圧になると、周囲から常圧流が押し寄せて、揚力型ブレード11は前縁11Ａ方向へ押出される。傾斜部11Ｇにおいても同様の作用が生じる。傾斜部11Ｇの先端部11ｇは、最大翼厚部11Ｅよりも回転半径が短かいため、半径の差によって、最大翼厚部11Ｅよりも、傾斜部11Ｇの先端部11ｇの回転速度は低い。

そのため、最大翼厚部11Ｅから後縁11Ｂへかけて通過する水流の速度よりも、傾斜部11Ｇに沿って、後縁11Ｂ方向へ通過する水流の速度は低く、水圧は高くなる。従って、傾斜部11Ｇに沿う水流は、水圧の低い内側面11Ｃの方へ移動し、この傾斜部11Ｇに他域から水流が入り込む。

回転に伴い、支持腕10においては、水車主軸９寄りの位置よりも、遠心側にある揚力型ブレード11寄りの位置の方が回転速度が早く、これに沿う相対流の水圧は、揚力型ブレード11寄りの位置の方が低下するため、支持腕10に沿う相対流は遠心方向へ移動する。同様に、揚力型ブレード11の回転により、最大翼厚部11Ｅから後縁11Ｂへかけて生じる負圧により、内部の水流は遠心方向へ吸引される。

その結果、揚力型ブレード11の回転軌跡Ｔよりも内側の水流は、時計回り方向に渦を巻いて遠心方向へ移動して、揚力型ブレード11の内側面に当り、上下方向へ移動し、傾斜部11Ｇで抑止され、傾斜部11Ｇの内側面に沿って、上下の斜め内側Ｇ矢示方向へ抜け、その反動で、揚力型ブレード11の回転効率は高まる。

図１４は、水車装置の実施例２を示す正面図である。前例と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。実施例２においては、支柱３を鉄筋コンクリート柱としてある。これによって、水深があり、水流の変化が強い場所においても、剛性の高い水車装置１を設置することができる。

図１５において支柱３は、根本において２叉としてあるが、太い電柱状の支柱３を２本並立してもよい。この場合、軸支持体４の外枠４Ａを、鉄筋コンクリート等として、支柱３に固定することにより、剛性を高めることができる。

水車櫓の水中部を高寸とすることにより、水深の深い場所に設置し、かつ揚力型ブレードを複数段状に装着することができるので、潮の干満のある水域においても、水流を効率良く利用する水力発電機として広く利用できる。

１．水車装置
２．基台
３．支柱
３Ａ．フランジ
３Ｂ．連結ピン
３Ｃ．ボルト孔
３Ｄ．ボルト
３Ｅ．補強柱
３Ｆ．整合孔
４．軸支持体
４Ａ．外枠
４Ｂ．内桟
４Ｃ．嵌合孔
４Ｄ．ボルト孔
５．水車櫓
５Ａ．水中部
５Ｂ．水上部
６．軸受
６Ａ．セラミックの軸受環
６Ｂ．縦溝
６Ｃ．軸受主部
６Ｄ．油道
６Ｅ．油壺
７．台床
７Ａ．手摺
８．発電機
８Ａ．発電部
８Ｂ．回転軸
８Ｃ．回転部
８Ｄ．発電コイル
８Ｅ．磁石
９．水車主軸
９Ａ．被覆層
９Ｂ．支持腕保持体
９Ｃ．ボルト孔
９Ｄ．ボルト
９Ｅ．心軸
１０．支持腕
１１．揚力型ブレード
１１Ａ．前縁
１１Ｂ．後縁
１１Ｃ．内側面
１１Ｄ．外側面
１１Ｅ．最大翼厚部
１１Ｆ．凹部
１１Ｇ．傾斜部
１１ｇ．先端
１２．蓋体
１３．蓄電池
１４．警報灯
１５．避雷針
１６．デッキ
１７．階段

Claims (4)

1. 外枠内の内桟の中心に軸受が支持されている軸支持体を複数、複数の支柱をもって多層状に枠組みした、水中部と水上部とを有する水車櫓を、水底の基台に設置し、水上部には水車櫓のデッキから高波の当たらない上方へ高く設けた台床上に発電機を配設するとともに、これを囲むように蓋体を設け、前記軸支持体の各軸受に垂直に支持した水車主軸の下端を、前記基台に設けた軸受に支持させ、かつ、水車主軸の上端を、発電機の回転軸に断接可能に連結し、水中部における水車主軸には、着脱可能の複数の水平の支持腕を介して、垂直の揚力型ブレードを多層状に配設したことを特徴とする水車装置。
2. 前記水車櫓の支柱をコンクリート製とし、下部から上部へかけて次第に幅の狭くなる扁平体とし、かつ、２本１組で扁平面を対面させて、下部が配置される面積よりも、面積が小となる軸支持体を上端部で支持するように内方へ傾斜させて水車櫓を形成してあることを特徴とする請求項１に記載の水車装置。
3. 前記揚力型ブレードの、最大翼厚部から後縁へかけての内外面に、前部は深く、後部は浅くなった細かい魚鱗状の凹凸部を多数連続形成してあることを特徴とする請求項１または２に記載の水車装置。
4. 前記軸支持体の中央部における軸受主部に、水車軸を支持する、セラミックの軸受環を嵌装し、かつ軸受環の、内周面に複数の縦溝を形成し、軸受主部に形成した油壺と、前記軸受環の縦溝とを、油道をもって連通してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水車装置。

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