水力エネルギー回収装置
【課題】構造が簡易で小型軽量化が可能であり、低価格であって搬入・搬出が容易な水力エネルギー回収装置を提供する。
【解決手段】開水路２に設置される水力エネルギー回収装置１であって、少なくとも側壁１４に渦巻き形状が付与された渦巻ケーシング３と、前記渦巻ケーシング３内に設けられ、下方へ向かって突出した下端部２７が、渦巻ケーシング３内の水面Ｓ１よりも下方に位置する空気吸い込み防止部材２６とを有する。当該装置１は、さらに、前記渦巻ケーシング３の底面に連通して設けられて渦巻ケーシング３から流れ込む水流を下方へ流す下降水流管５と、前記下降水流管５内に設けられて水流からエネルギーを回収する回転羽根６とを有する。
【解決手段】開水路２に設置される水力エネルギー回収装置１であって、少なくとも側壁１４に渦巻き形状が付与された渦巻ケーシング３と、前記渦巻ケーシング３内に設けられ、下方へ向かって突出した下端部２７が、渦巻ケーシング３内の水面Ｓ１よりも下方に位置する空気吸い込み防止部材２６とを有する。当該装置１は、さらに、前記渦巻ケーシング３の底面に連通して設けられて渦巻ケーシング３から流れ込む水流を下方へ流す下降水流管５と、前記下降水流管５内に設けられて水流からエネルギーを回収する回転羽根６とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力エネルギー回収装置に関し、特に、農業用水路、養殖場、廃水処理場などのオーバーフロー流水または開水路の流水エネルギーを回収して、回転動力等のエネルギーを得る小規模低落差水力エネルギーの回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、養殖場、農業用水路、廃水処理場等からの流体エネルギーを有効に回転等の動力エネルギーとして回収することを試みた技術が開発されており、例えば特許文献１、特許文献２に記載の水力発電装置が挙げられる。
【０００３】
特許文献１に記載の水力発電装置は、農業用水路等に簡易な堰を作り、取水口に縦型のガイドべーンを設置することで、流れ込む水流を渦巻き水流として反動型水車に流入させるとともに、水車からの排水はＬ字型のドラフトチューブを用いて流出させている。
【０００４】
また、特許文献２に記載の水力発電装置は、水路等に堰板を設置することにより水流を止めて落差を生じさせ、この堰板に形成された取水口から水を流している。この堰板からの流路に水が流れると、縦型のガイドべーンまたは水流方向変換用の固定フィンにより渦巻き水流が形成されて、流路に設置された水車が回転し、発電機が駆動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−０３０１７９号公報
【特許文献２】特開平２００１−１５３０２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献１および特許文献２に記載の水力発電装置は、水車へ渦巻き水流を与える方法として、縦型のガイドべーンまたは固定フィンを用いているが、この方法は、大型の水車等に用いられる方法であり、構造が複雑で大型となり重量も大きくなるため、高価なものとなる。また、取水口に設置され縦型のガイドべーン付近に空気吸い込み渦が発生して、自由水面から気泡を吸い込み、反動型水車へ気泡を同伴した水流（以下、気泡同伴水流と称する。）を供給する可能性がある。気泡同伴水流が供給された水車は、効率が極端に低下することが知られている。
【０００７】
さらに、重量過大な装置は、洪水時、または水路の管理等で、装置の緊急避難的な移動が必要になった際に搬入・搬出が困難となるなど、保守性に課題が残る。
【０００８】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、構造が簡易で小型軽量化が可能であり、低価格であって搬入・搬出が容易な水力エネルギー回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明に係る水力エネルギー回収装置は、開水路に設置される水力エネルギー回収装置であって、少なくとも側壁に渦巻き形状が付与された渦巻ケーシングと、前記渦巻ケーシング内に設けられ、下方へ向かって突出した下端部が、渦巻ケーシング内の水面よりも下方に位置する空気吸い込み防止部材とを有する。当該装置は、さらに、前記渦巻ケーシングの底面に連通して設けられて渦巻ケーシングから流れ込む水流を下方へ流す下降水流管と、前記下降水流管内に設けられて水流からエネルギーを回収する回転羽根とを有する。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように構成した本発明に係る水力エネルギー回収装置は、渦巻ケーシングにより強い渦巻き水流を発生させつつ、空気吸い込み防止部材により空気の吸い込みを抑制できるため、水流方向変換用の固定案内羽根やガイドべーンを用いる必要がなく、構造を簡易にして小型軽量化、低価格化が可能となり、さらに搬入・搬出を容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る水力エネルギー回収装置の概略平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図３】本実施形態に係る水力エネルギー回収装置によりエネルギーを回収する際を示す概略平面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線に沿う概略断面図である。
【図５】空気吸い込み防止部材が設けられないエネルギー回収装置による実験例１を示す概略平面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ線に沿う概略断面図である。
【図７】空気吸い込み防止部材の流路規制部の頂部のみを水面下に沈めたエネルギー回収装置による実験例２を示す概略平面図である。
【図８】図７のＤ−Ｄ線に沿う概略断面図である。
【図９】空気吸い込み防止部材を水面下に沈めたエネルギー回収装置による実験例３を示す概略平面図である。
【図１０】図９のＥ−Ｅ線に沿う概略断面図である。
【図１１】空気吸い込み防止部材の流路規制部の形状の例を示し、（Ａ）は半球形状とした例、（Ｂ）は円錐の先端を半球形状とした例、（Ｃ）は円錐形状とした例、（Ｄ）は側面を双曲線形状とした例を示す。
【図１２】空気吸い込み防止部材の縁部の形状の例を示し、（Ａ）は下降水流管の内径の３倍の直径とした例、（Ｂ）は下降水流管の内径の４倍の直径とした例、（Ｃ）は渦巻ケーシング内の水面の略全面を覆った例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る水力エネルギー回収装置の概略平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【００１４】
本実施形態に係る水力エネルギー回収装置１は、図１，２に示すように、上方に開放された自由水面Ｓ１を有する開水路２に設置されて、水力エネルギーを回収するための装置である。
【００１５】
水力エネルギー回収装置１は、開水路２から流水が導かれる渦巻ケーシング３と、渦巻ケーシング３の底面の中央部近傍に設けられて渦巻ケーシング３から水流が流れ込む下降水流管５と、下降水流管５の内部に設けられて、水流により回転されて水力エネルギーを回収する軸流プロペラ６（回転羽根）とを備えている。
【００１６】
開水路２には、流水を放出できる放水口８が水路側壁９に設けられており、この放水口８に流水を導くための堰１０が取り付けられる。
【００１７】
渦巻ケーシング３は、開水路２の放水口８に取り付けられる取水口１１を有しており、この取水口１１からケーシング内に流水が導かれる。取水口１１には、ゴミ除去用のフィルター１２が設けられる。
【００１８】
渦巻ケーシング３は、取り入れた水流がケーシングの内部で自由水面Ｓ１を形成するように、所定の高さの側壁１４を備えている。渦巻ケーシング３の側壁１４は、取水口１１から導かれた流水が、コリオリ力を受けることで渦巻き状に回転しつつ下降水流管５に導かれる際に、下降水流管５へ流水が円滑に流入するように、渦巻き形状で形成されている。なお、コリオリ力を受けて渦巻き状に回転する水流を、本明細書では渦巻き水流と称することとする。
【００１９】
渦巻ケーシング３の渦巻きの方向は、コリオリ力が作用する方向と一致する。渦巻ケーシング３の側壁１４の、渦巻き方向の最も下流側には、上流側からの水流の流れ込みを防止する隔壁１５が設けられる。なお、隔壁１５は、渦巻ケーシング３の形状によっては、設けられなくてもよい。
【００２０】
渦巻ケーシング３の形状および寸法は、流水量、流水速度、および水深などの、本装置１を設置する場所の諸条件に対応して決定されることが好ましい。すなわち、開水路２から導入した流水を、渦巻ケーシング３を用いて、より高速で強い渦巻き水流Ｘへ変換して、下降水流管５へ供給することを可能とする形状・構造とする。理論的には、下降水流管５の上部へ半径方向から流入する渦巻き水流Ｘの、下降水流管５の上部における周方向の流速分布が均一となるように、下降水流管５の外周部から渦巻ケーシング３の側壁１４までの距離を、渦巻きの下流に向かうにつれて減少させるように設定できるが、実際には、種々の条件が複雑に影響することから、実測等に基づきつつ設定することが好ましい。
【００２１】
なお、本実施形態では、渦巻ケーシング３の渦巻き形状は、側壁１４にのみに形成されて２次元的形状となっているが、渦巻ケーシング３の底面等にも形成を付与して、３次元的な渦巻き形状としてもよい。
【００２２】
渦巻ケーシング３の底面には、渦巻き形状の中央部に、渦巻ケーシング３から水流が流れ込む下降水流管５が連通する。下降水流管５の下端は、開水路２よりも下方に設けられる排水路１８の水面Ｓ２よりも下方まで延在する。下降水流管５は、軸流プロペラ６が設置される位置よりも下方において、流路断面積が下方に向かって徐々に大きくなる拡大管として形成される。なお、下降水流管５の内部の流路断面積は、かならずしも変化しなくてもよい。
【００２３】
軸流プロペラ６は、渦巻き水流Ｘが下降水流管５の内部で極力減衰せずに軸流プロペラ６に作用するように、下降水流管５の内部の極力上方に、回転可能なシャフト１９の一端に固定されて設けられる。シャフト１９は上方から挿入されており、軸流プロペラ６を下降水流管５の上方に設置することで、軸流プロペラ６の設置が容易となっている。シャフト１９の他端は、渦巻ケーシング３の上方に配置されるオイルレスエアポンプ２０に連結されている。このシャフト１９は、渦巻ケーシング３の側壁１４を差し渡すように設けられるケーシング梁２１に固定されたベアリング２２と、下降水流管５の内壁から延びる管内梁２４に固定されたベアリング２３によって回転支持される。シャフト１９は、軸流プロペラ６により回転されることで、渦巻ケーシング３の上方に設置されるオイルレスエアポンプ２０を駆動させる役割を果たす。なお、動作される機械は、オイルレスエアポンプ２０に限定されない。
【００２４】
なお、軸流プロペラ６の下降水流管５の内部での設置位置は、下降水流管５の上下方向中心部よりも上方であることが好ましいが、かならずしも上方である必要はなく、下方に設けられてもよい。すなわち、軸流プロペラ６に渦巻き水流Ｘを作用させることができるのであれば、軸流プロペラ６の下降水流管５内での位置は限定されない。
【００２５】
渦巻ケーシング３の内部には、渦巻ケーシング３内の自由水面Ｓ１からの空気の吸い込みを抑制するために、下端が下方へ向かって突出した空気吸い込み防止部材２６が設けられる。この空気吸い込み防止部材２６は、下方に突出して下端部２７に頂部が形成される形状の流路規制部２８と、流路規制部２８の上端側から側方へ延びる平板形状の縁部２９とを有している。ここで側方とは、上下方向と交差する方向であり、本実施形態の縁部２９は水平方向へ延びているが、かならずしも水平方向と厳密に一致せずともよく、水平方向に対して傾斜してもよい。また、空気吸い込み防止部材２６に縁部２９が形成されず、空気吸い込み防止部材２６が流路規制部２８のみで形成されてもよい。
【００２６】
流路規制部２８は、下降水流管５の直上に位置する。流路規制部２８の内部は中実であっても中空であってもよく、流路規制部２８の中心軸上に、シャフト１９が貫通する貫通穴が設けられる。縁部２９は、下降水流管５の上部の内径の約２倍の直径を有する円板で形成されており、この円板の中心が、下降水流管５の、取水口１１側と反対側（図１，２中の紙面左側）の縁に位置している。すなわち、縁部２９の中心は、渦巻ケーシング３の側壁１４の形状に対応して、流路規制部２８の中心軸と偏芯している。空気吸い込み防止部材２６は、本実施形態ではケーシング梁２１から延びる固定梁３０により、渦巻ケーシング３内に固定されている。なお、空気吸い込み防止部材２６の固定方法は特に限定されず、例えば渦巻ケーシング３の側壁１４に固定されてもよい。
【００２７】
空気吸い込み防止部材２６は、渦巻ケーシング３内の水面Ｓ１よりも下方に配置される。すなわち、空気吸い込み防止部材２６の流路規制部２８および縁部２９の全体が、流水に水没する。また、空気吸い込み防止部材２６は、流路規制部２８の下端部２７（頂部）が、下降水流管５の入口上部の近傍、あるいは下降水流管５の内部に位置する。
【００２８】
次に、本実施形態に係る水力エネルギー回収装置１の作用について説明する。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る水力エネルギー回収装置によりエネルギーを回収する際を示す概略平面図、図４は、図３のＢ−Ｂ線に沿う概略断面図である。
【００３０】
図３，４に示すように、開水路２に流水が流れ込むと、開水路２に設けられた堰１０により流水が放水口８から流出して、渦巻ケーシング３の取水口１１に流れ込む。取水口１１では、フィルター１２によりゴミ等の粒子の粗い物質が除去される。
【００３１】
取水口１１から流れ込んだ流水は、渦巻ケーシング３の渦巻き形状の側壁１４に沿って流れ、コリオリ力を受けて渦巻き水流Ｘとなる。渦巻き水流Ｘは、渦巻ケーシング３から下降水流管５へ流れ込み、下降水流管５内の軸流プロペラ６に作用して回転させる。このとき、軸流プロペラ６が下降水流管５の内部の上方に位置しているため、渦巻き水流Ｘが、下降水流管５内でほとんど減衰されることなく軸流プロペラ６まで到達する。渦巻き水流Ｘにより回転された軸流プロペラ６は、シャフト１９を回転させて、エアポンプ２０を駆動させる。
【００３２】
この後、軸流プロペラ６を通過した水流は、流路断面積が下方へ向かって徐々に大きくなる下降水流管５内を流れることで、流速を減少させつつ整流されて水の速度エネルギーが効率よく回収されて、排水路１８に達する。このとき、下降水流管５の下端が排水路１８の水面Ｓ２よりも下に位置するため、低落差の水位を有効に活用することができる。
【００３３】
渦巻き水流Ｘが渦巻ケーシング３から下降水流管５へ流れ込む際には、空気吸い込み防止部材２６により、渦巻ケーシング３内の自由水面Ｓ１からの空気の吸い込み渦の発生が抑制される。すなわち、空気吸い込み防止部材２６が設けられない場合には、渦巻ケーシング３およびコリオリ力により発生する強い渦巻き水流Ｘによって、自由水面Ｓ１から空気の吸い込み渦が発生しやすくなる。空気の吸い込み渦が発生すると、気泡同伴水流が軸流プロペラ６に作用することとなり、エネルギー回収効率が極端に低下する。さらに、空気吸い込み防止部材２６の流路規制部２８が設けられないことで、渦巻ケーシング３から下降水流管５へ流れ込む流路が縮小されないため、下降水流管５へ流入する強い渦巻き水流Ｘの流線が大きく不規則に乱れて安定せず、空気吸い込み渦の発現や、空気吸い込み渦の伸長、分散化および散逸化が顕著となり、これらを抑制することが困難となる。
【００３４】
これに対し、本実施形態に係る水力エネルギー回収装置１は、下方へ突出する流路規制部２８を備えた空気吸い込み防止部材２６が設けられるため、渦巻ケーシング３から下降水流管５へ流れ込む流路が縮小される。これにより、下降水流管５へ流入する強い渦巻き水流Ｘの流線が安定し、空気吸い込み渦の発現や、当該空気吸い込み渦の伸長、分散化および散逸化を抑制できる。
【００３５】
また、本実施形態に係る装置１は、空気吸い込み防止部材２６の上端が、渦巻ケーシング３の自由水面Ｓ１よりも下に位置するため、自由水面Ｓ１と空気吸い込み防止部材２６の間に、流速の遅い、またはよどみとなる上層領域Ｒが形成される。この上層領域Ｒは、空気吸い込み防止部材２６の下方に形成される強い渦巻き水流Ｘが自由水面Ｓ１へ到達することを抑制するため、空気吸い込み渦Ｙの発現を抑制できる。
【００３６】
また、空気吸い込み防止部材２６に縁部２９が形成されることで、より広い範囲で上述の上層領域Ｒを形成することができ、より効果的に空気吸い込み渦Ｙの発現を抑制できる。
【００３７】
さらに、本実施形態によれば、渦巻ケーシング３により渦巻き水流Ｘを発生させて、渦巻き水流Ｘによって下降水流管５内の軸流プロペラ６を回転させるため、水流方向変換用の固定案内羽根やガイドべーンを用いることなしに、高効率で軸流プロペラ６から水力エネルギーを回収できる。さらに、ガイドべーン等を設ける必要がなく、構造が簡易であるため、小型軽量化が可能であり、低価格で製造できるとともに、搬入・搬出が容易となる。
【００３８】
また、流路規制部２８の下端部２７が、下降水流管５の入口の上方または下降水流管５の内部に位置するため、渦巻ケーシング３から下降水流管５へ流れ込む流路を確実に縮小して渦巻き水流Ｘの流線を安定させることができ、空気吸い込み渦の発現や、当該空気吸い込み渦の伸長、分散化および散逸化をより確実に抑制できる。
【００３９】
また、軸流プロペラ６が、下降水流管５の上下方向中央部よりも上方に設けられるため、渦巻き水流Ｘを下降水流管５内で極力減衰させずに軸流プロペラ６まで到達させることができ、高効率で軸流プロペラ６から水力エネルギーを回収できる。
【００４０】
＜実験例＞
実験により、エネルギー回収装置の効果を検証した。
【００４１】
図５は、空気吸い込み防止部材が設けられないエネルギー回収装置による実験例１を示す概略平面図、図６は、図５のＣ−Ｃ線に沿う概略断面図である。図７は、空気吸い込み防止部材の流路規制部の頂部のみを水面下に沈めたエネルギー回収装置による実験例２を示す概略平面図、図８は、図７のＤ−Ｄ線に沿う概略断面図である。図９は、空気吸い込み防止部材を水面下に沈めたエネルギー回収装置による実験例３を示す概略平面図、図１０は、図９のＥ−Ｅ線に沿う概略断面図である。
【００４２】
実験例１のエネルギー回収装置１Ａは、図５，６に示すように、空気吸い込み防止部材が設けられておらず、本発明に係るエネルギー回収装置と比較するための比較例である。実験例２のエネルギー回収装置１Ｂは、空気吸い込み防止部材２６の流路規制部２８の頂部のみが水面下に沈められた本発明の一例である。実験例３のエネルギー回収装置１Ｃは、空気吸い込み防止部材２６の全体が水面下に沈められた本発明の他の一例である。
【００４３】
なお、実験例１〜３の装置１Ａ〜１Ｃは、いずれも下降水流管５の流路断面積が上下にわたって一定であり、軸流プロペラ６が下降水流管５の上下方向中心部よりも下方に設けられている。また、実験例２，３の装置１Ｂ，１Ｃは、いずれも空気吸い込み防止部材２６に縁部２９が設けられていない。実験例３の装置１Ｃでは、空気吸い込み防止部材２６の上端が水面Ｓ１よりも約５ｃｍ下に位置するように、全体を水没させた。
【００４４】
実験例１〜３のエネルギー回収装置の実験条件を、下表で示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
上記の表のように、開水路２からエネルギー回収装置１Ａ〜１Ｃへ流れ込む平均流量は、２８．１リットル／分であり、開水路２と排水路１８の間の落差は、１．１ｍであった。また、駆動されるオイルレスエアポンプ２０からの低圧の圧縮空気は、開水路２の近くに設置した水槽へエアレーションするために使用した。エアレーションは、水槽に差し込んだチューブにより行い、吹き込み深さ（水槽における空気吹き出し位置の深さ）は７０ｃｍであった。
【００４７】
実験により計測されたエアポンプ２０の回転数および、この回転数における送風量を、下表に示す。
【００４８】
【表２】
【００４９】
上記の表のように、空気吸い込み防止部材が設けられない実験例１の装置１Ａに比べ、空気吸い込み防止部材２６が設けられた実験例２および実験例３の装置１Ｂ，１Ｃの方が、エネルギーの回収効率が高いことが確認された。さらに、実験例２と実験例３を比較すると、流路規制部２８の下端部２７のみが水面下に沈められた実験例２の装置１Ｂよりも、空気吸い込み防止部材２６の全体が水面下に沈められた実験例３の装置１Ｃの方が、エネルギーの回収効率が高いことが確認できた。
【００５０】
詳細には、実験例１の装置１Ａでは、図５，６に示すように、下降水流管５の中心付近へ空気吸い込み渦Ｙが流入して、気泡同伴水流が下降水流管５へ供給されることが、目視により確認された。エアポンプ２０の回転数および送風量が低値である理由としては、下降水流中に気泡が存在することで、気泡の浮力や摩擦等により水力エネルギーが損失して、軸流プロペラ６によるエネルギーの回収が大幅に減少したもの考えられる。
【００５１】
実験例２の装置１Ｂにおいても、図７，８に示すように、下降水流管５の中心付近へ空気吸い込み渦Ｙが流入して、気泡同伴水流が下降水流管５へ供給されることが、目視により確認された。すなわち、流路規制部２８の頂部のみが水面下に沈められたのみでは、空気吸い込み渦Ｙの発生を完全に防止することができず、下降水流中に気泡が存在することで水力エネルギーの回収効率が減少したもの考えられる。しかし、実験例１の装置１Ａよりは、エネルギーの回収効率が向上していることが、エアポンプ２０の回転数および送風量から確認できる。これは、実験例２の装置１Ｂでは、流路規制部２８が設置されていることで渦巻ケーシング３内の流路が縮小されて、実験例１の装置よりも強く整った渦巻き水流Ｘが下降水流管５へ供給されて、軸流プロペラ６によるエネルギーの回収効率が上昇したもの考えられる。
【００５２】
実験例３の装置１Ｃにおいては、図９，１０に示すように、空気吸い込み渦Ｙが発生せず、気泡を含まない水流が下降水流管へ供給されることが、目視により確認された。これは、空気吸い込み防止部材２６が水没して設置されていることで、空気吸い込み防止部材２６の上方に流れの遅い上層領域Ｒが発生して、空気の吸い込みが抑制されたと考えられる。これにより、気泡を含まない渦巻き水流Ｘが下降水流管５へ供給されて、さらに渦巻ケーシング３内の流路が流路規制部２８により縮小されて渦巻き水流Ｘが強くなり、軸流プロペラ６によるエネルギーの回収効率が上昇したもの考えられる。実験例３の装置１Ｃにおけるエアポンプ２０の回転数および送風量の計測結果を実験例１と比較すると、エネルギーの回収効率が約２倍に向上していることが確認できた。
【００５３】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。
【００５４】
例えば、空気吸い込み防止部材２６の流路規制部２８は、下方へ突出した形状であれば他の形状とすることができる。図１１は、空気吸い込み防止部材の流路規制部の形状の例を示し、（Ａ）は半球形状とした例、（Ｂ）は円錐の先端を半球形状とした例、（Ｃ）は円錐形状とした例、（Ｄ）は側面を双曲線形状とした例を示す。図１１（Ａ）のような半球形状の流路規制部２８Ａは、渦巻ケーシング３の水深が比較的深い場合、図１１（Ｂ）のような円錐の先端を半球形状とした流路規制部２８Ｂは、渦巻ケーシング３の水深がやや浅い場合に適する。また、図１１（Ｃ）のような上述の実施形態にも適用される円錐形状の流路規制部２８Ｃは、渦巻ケーシング３の水深が浅い場合、図１１（Ｄ）のような側面を双曲線形状とした流路規制部２８Ｄは、渦巻ケーシング３の水深が極めて浅い場合に適する。すなわち、図１１の（Ａ）から（Ｂ），（Ｃ）を経て（Ｄ）の形状となるにしたがって、流路規制部２８が頂部へ向かって鋭利な形状となり、渦巻ケーシング３から下降水流管５への流路が滑らかに変化することになるため、下降水流管５へ流入する強い渦巻き水流Ｘの流線が安定し、空気吸い込み渦Ｙの発現を抑制する効力が増大する。したがって、図１１（Ｄ）のように流路規制部２８Ｄが頂部へ向かって鋭利な形状となるほど、渦巻ケーシング３の水深が浅く、若しくは渦巻ケーシング３への流入速度が速くまたは乱れて空気吸い込み防止部材２６がなければ空気吸い込み渦Ｙが発生しやすい条件において有効である。なお、図１１（Ｄ）の双曲線形状とは、厳密に双曲線の形状である必要はなく、側面が窪んだ形状であればよい。
【００５５】
また、空気吸い込み防止部材２６の縁部２９は、本実施形態のように必ずしも円形である必要はなく、条件に応じて適宜変更できる。図１２は、空気吸い込み防止部材の縁部の形状の例を示し、（Ａ）は下降水流管の内径の３倍の直径とした例、（Ｂ）は下降水流管の内径の４倍の直径とした例、（Ｃ）は渦巻ケーシング内の水面の略全面を覆った例を示す。なお、図１２中の一点鎖線は、渦巻ケーシング３の内壁を表し、二点鎖線は、縁部の切り取られた部位を表している。図１２（Ａ），（Ｂ）の縁部２９Ａ，２９Ｂは、円形状を、渦巻ケーシング３の側壁１４の形状に対応して切り抜いた形状となっており、縁部２９Ａ，２９Ｂと渦巻ケーシング３の間には、所定の隙間が形成されている。この隙間は、例えば５ｍｍ以下で設定される。また、図１２（Ｃ）においても、縁部２９Ｃと渦巻ケーシング３の間には、例えば５ｍｍ以下の隙間が形成されている。
【００５６】
図１２の（Ａ）から（Ｂ），（Ｃ）と縁部２９Ａ，２９Ｂおよび２９Ｃの面積が広くなるほど、渦巻ケーシング３内の自由水面Ｓ１と空気吸い込み防止部材２６の間の上層領域Ｒが広くなり、空気吸い込み渦Ｙの発現を抑制する効果が増大する。すなわち、縁部２９の面積が広くなるほど、渦巻ケーシング３の水深が浅く、若しくは渦巻ケーシング３への流入水速度が速くまたは乱れて、空気吸い込み防止部材２６がなければ空気吸い込み渦Ｙが発生しやすい条件において有効である。
【００５７】
また、本実施形態に係る水力エネルギー回収装置１は、開水路側に取り付けられているが、装置１および装置１内の水の重量を支えるために、水力エネルギー回収装置１から下方へ延びて排水路側等に固定される支持柱等が設けられてもよい。また、空気吸い込み防止部材２６の流路規制部２８の中心軸が、下降水流管５の中心軸と偏芯して設けられてもよい。また、水力エネルギー回収装置１により駆動される装置は、エアポンプ２０でなくてもよく、例えば揚水ポンプ、空気圧縮機、冷凍圧縮機、発電機等の他の装置であってもよい。また、開水路２の水路側壁９に水力エネルギー回収装置１を取り付けるのではなく、開水路２に設置される堰１０に取り付けることもできる。また、渦巻ケーシング３内に自由水面Ｓ１を形成できるのであれば、渦巻ケーシング３の上面を蓋体で覆ってもよい。
【００５８】
なお、本発明は、開水面Ｓ１において水の自由落下の際に生じる渦巻き水流Ｘを、気泡の吸い込みを抑制しつつ積極的に利用したエネルギー回収装置１であり、自由落下ではなく水を吸い込むことにより吸い込み側で渦が発生するポンプとは、全く異なるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の水力エネルギー回収装置は、農業用水路や養殖場、排水処理施設などの流水のエネルギーを回転動力等として回収し、揚水ポンプ、空気圧縮機、冷凍圧縮機、または発電機等へ供給して、自然エネルギーの利活用に寄与する。
【符号の説明】
【００６０】
１ 水力エネルギー回収装置、
２ 開水路、
３ 渦巻ケーシング、
５ 下降水流管、
６ 軸流プロペラ（回転羽根）、
１１ 取水口、
１４ 側壁、
１８ 排水路、
２６ 空気吸い込み防止部材、
２７ 下端部、
２８ 流路規制部、
２９ 縁部、
Ｒ 上層領域、
Ｓ１ ケーシング内の水面、
Ｓ２ 排水路の水面、
Ｘ 渦巻き水流、
Ｙ 空気吸い込み渦。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力エネルギー回収装置に関し、特に、農業用水路、養殖場、廃水処理場などのオーバーフロー流水または開水路の流水エネルギーを回収して、回転動力等のエネルギーを得る小規模低落差水力エネルギーの回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、養殖場、農業用水路、廃水処理場等からの流体エネルギーを有効に回転等の動力エネルギーとして回収することを試みた技術が開発されており、例えば特許文献１、特許文献２に記載の水力発電装置が挙げられる。
【０００３】
特許文献１に記載の水力発電装置は、農業用水路等に簡易な堰を作り、取水口に縦型のガイドべーンを設置することで、流れ込む水流を渦巻き水流として反動型水車に流入させるとともに、水車からの排水はＬ字型のドラフトチューブを用いて流出させている。
【０００４】
また、特許文献２に記載の水力発電装置は、水路等に堰板を設置することにより水流を止めて落差を生じさせ、この堰板に形成された取水口から水を流している。この堰板からの流路に水が流れると、縦型のガイドべーンまたは水流方向変換用の固定フィンにより渦巻き水流が形成されて、流路に設置された水車が回転し、発電機が駆動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−０３０１７９号公報
【特許文献２】特開平２００１−１５３０２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献１および特許文献２に記載の水力発電装置は、水車へ渦巻き水流を与える方法として、縦型のガイドべーンまたは固定フィンを用いているが、この方法は、大型の水車等に用いられる方法であり、構造が複雑で大型となり重量も大きくなるため、高価なものとなる。また、取水口に設置され縦型のガイドべーン付近に空気吸い込み渦が発生して、自由水面から気泡を吸い込み、反動型水車へ気泡を同伴した水流（以下、気泡同伴水流と称する。）を供給する可能性がある。気泡同伴水流が供給された水車は、効率が極端に低下することが知られている。
【０００７】
さらに、重量過大な装置は、洪水時、または水路の管理等で、装置の緊急避難的な移動が必要になった際に搬入・搬出が困難となるなど、保守性に課題が残る。
【０００８】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、構造が簡易で小型軽量化が可能であり、低価格であって搬入・搬出が容易な水力エネルギー回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明に係る水力エネルギー回収装置は、開水路に設置される水力エネルギー回収装置であって、少なくとも側壁に渦巻き形状が付与された渦巻ケーシングと、前記渦巻ケーシング内に設けられ、下方へ向かって突出した下端部が、渦巻ケーシング内の水面よりも下方に位置する空気吸い込み防止部材とを有する。当該装置は、さらに、前記渦巻ケーシングの底面に連通して設けられて渦巻ケーシングから流れ込む水流を下方へ流す下降水流管と、前記下降水流管内に設けられて水流からエネルギーを回収する回転羽根とを有する。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように構成した本発明に係る水力エネルギー回収装置は、渦巻ケーシングにより強い渦巻き水流を発生させつつ、空気吸い込み防止部材により空気の吸い込みを抑制できるため、水流方向変換用の固定案内羽根やガイドべーンを用いる必要がなく、構造を簡易にして小型軽量化、低価格化が可能となり、さらに搬入・搬出を容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る水力エネルギー回収装置の概略平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図３】本実施形態に係る水力エネルギー回収装置によりエネルギーを回収する際を示す概略平面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線に沿う概略断面図である。
【図５】空気吸い込み防止部材が設けられないエネルギー回収装置による実験例１を示す概略平面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ線に沿う概略断面図である。
【図７】空気吸い込み防止部材の流路規制部の頂部のみを水面下に沈めたエネルギー回収装置による実験例２を示す概略平面図である。
【図８】図７のＤ−Ｄ線に沿う概略断面図である。
【図９】空気吸い込み防止部材を水面下に沈めたエネルギー回収装置による実験例３を示す概略平面図である。
【図１０】図９のＥ−Ｅ線に沿う概略断面図である。
【図１１】空気吸い込み防止部材の流路規制部の形状の例を示し、（Ａ）は半球形状とした例、（Ｂ）は円錐の先端を半球形状とした例、（Ｃ）は円錐形状とした例、（Ｄ）は側面を双曲線形状とした例を示す。
【図１２】空気吸い込み防止部材の縁部の形状の例を示し、（Ａ）は下降水流管の内径の３倍の直径とした例、（Ｂ）は下降水流管の内径の４倍の直径とした例、（Ｃ）は渦巻ケーシング内の水面の略全面を覆った例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る水力エネルギー回収装置の概略平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【００１４】
本実施形態に係る水力エネルギー回収装置１は、図１，２に示すように、上方に開放された自由水面Ｓ１を有する開水路２に設置されて、水力エネルギーを回収するための装置である。
【００１５】
水力エネルギー回収装置１は、開水路２から流水が導かれる渦巻ケーシング３と、渦巻ケーシング３の底面の中央部近傍に設けられて渦巻ケーシング３から水流が流れ込む下降水流管５と、下降水流管５の内部に設けられて、水流により回転されて水力エネルギーを回収する軸流プロペラ６（回転羽根）とを備えている。
【００１６】
開水路２には、流水を放出できる放水口８が水路側壁９に設けられており、この放水口８に流水を導くための堰１０が取り付けられる。
【００１７】
渦巻ケーシング３は、開水路２の放水口８に取り付けられる取水口１１を有しており、この取水口１１からケーシング内に流水が導かれる。取水口１１には、ゴミ除去用のフィルター１２が設けられる。
【００１８】
渦巻ケーシング３は、取り入れた水流がケーシングの内部で自由水面Ｓ１を形成するように、所定の高さの側壁１４を備えている。渦巻ケーシング３の側壁１４は、取水口１１から導かれた流水が、コリオリ力を受けることで渦巻き状に回転しつつ下降水流管５に導かれる際に、下降水流管５へ流水が円滑に流入するように、渦巻き形状で形成されている。なお、コリオリ力を受けて渦巻き状に回転する水流を、本明細書では渦巻き水流と称することとする。
【００１９】
渦巻ケーシング３の渦巻きの方向は、コリオリ力が作用する方向と一致する。渦巻ケーシング３の側壁１４の、渦巻き方向の最も下流側には、上流側からの水流の流れ込みを防止する隔壁１５が設けられる。なお、隔壁１５は、渦巻ケーシング３の形状によっては、設けられなくてもよい。
【００２０】
渦巻ケーシング３の形状および寸法は、流水量、流水速度、および水深などの、本装置１を設置する場所の諸条件に対応して決定されることが好ましい。すなわち、開水路２から導入した流水を、渦巻ケーシング３を用いて、より高速で強い渦巻き水流Ｘへ変換して、下降水流管５へ供給することを可能とする形状・構造とする。理論的には、下降水流管５の上部へ半径方向から流入する渦巻き水流Ｘの、下降水流管５の上部における周方向の流速分布が均一となるように、下降水流管５の外周部から渦巻ケーシング３の側壁１４までの距離を、渦巻きの下流に向かうにつれて減少させるように設定できるが、実際には、種々の条件が複雑に影響することから、実測等に基づきつつ設定することが好ましい。
【００２１】
なお、本実施形態では、渦巻ケーシング３の渦巻き形状は、側壁１４にのみに形成されて２次元的形状となっているが、渦巻ケーシング３の底面等にも形成を付与して、３次元的な渦巻き形状としてもよい。
【００２２】
渦巻ケーシング３の底面には、渦巻き形状の中央部に、渦巻ケーシング３から水流が流れ込む下降水流管５が連通する。下降水流管５の下端は、開水路２よりも下方に設けられる排水路１８の水面Ｓ２よりも下方まで延在する。下降水流管５は、軸流プロペラ６が設置される位置よりも下方において、流路断面積が下方に向かって徐々に大きくなる拡大管として形成される。なお、下降水流管５の内部の流路断面積は、かならずしも変化しなくてもよい。
【００２３】
軸流プロペラ６は、渦巻き水流Ｘが下降水流管５の内部で極力減衰せずに軸流プロペラ６に作用するように、下降水流管５の内部の極力上方に、回転可能なシャフト１９の一端に固定されて設けられる。シャフト１９は上方から挿入されており、軸流プロペラ６を下降水流管５の上方に設置することで、軸流プロペラ６の設置が容易となっている。シャフト１９の他端は、渦巻ケーシング３の上方に配置されるオイルレスエアポンプ２０に連結されている。このシャフト１９は、渦巻ケーシング３の側壁１４を差し渡すように設けられるケーシング梁２１に固定されたベアリング２２と、下降水流管５の内壁から延びる管内梁２４に固定されたベアリング２３によって回転支持される。シャフト１９は、軸流プロペラ６により回転されることで、渦巻ケーシング３の上方に設置されるオイルレスエアポンプ２０を駆動させる役割を果たす。なお、動作される機械は、オイルレスエアポンプ２０に限定されない。
【００２４】
なお、軸流プロペラ６の下降水流管５の内部での設置位置は、下降水流管５の上下方向中心部よりも上方であることが好ましいが、かならずしも上方である必要はなく、下方に設けられてもよい。すなわち、軸流プロペラ６に渦巻き水流Ｘを作用させることができるのであれば、軸流プロペラ６の下降水流管５内での位置は限定されない。
【００２５】
渦巻ケーシング３の内部には、渦巻ケーシング３内の自由水面Ｓ１からの空気の吸い込みを抑制するために、下端が下方へ向かって突出した空気吸い込み防止部材２６が設けられる。この空気吸い込み防止部材２６は、下方に突出して下端部２７に頂部が形成される形状の流路規制部２８と、流路規制部２８の上端側から側方へ延びる平板形状の縁部２９とを有している。ここで側方とは、上下方向と交差する方向であり、本実施形態の縁部２９は水平方向へ延びているが、かならずしも水平方向と厳密に一致せずともよく、水平方向に対して傾斜してもよい。また、空気吸い込み防止部材２６に縁部２９が形成されず、空気吸い込み防止部材２６が流路規制部２８のみで形成されてもよい。
【００２６】
流路規制部２８は、下降水流管５の直上に位置する。流路規制部２８の内部は中実であっても中空であってもよく、流路規制部２８の中心軸上に、シャフト１９が貫通する貫通穴が設けられる。縁部２９は、下降水流管５の上部の内径の約２倍の直径を有する円板で形成されており、この円板の中心が、下降水流管５の、取水口１１側と反対側（図１，２中の紙面左側）の縁に位置している。すなわち、縁部２９の中心は、渦巻ケーシング３の側壁１４の形状に対応して、流路規制部２８の中心軸と偏芯している。空気吸い込み防止部材２６は、本実施形態ではケーシング梁２１から延びる固定梁３０により、渦巻ケーシング３内に固定されている。なお、空気吸い込み防止部材２６の固定方法は特に限定されず、例えば渦巻ケーシング３の側壁１４に固定されてもよい。
【００２７】
空気吸い込み防止部材２６は、渦巻ケーシング３内の水面Ｓ１よりも下方に配置される。すなわち、空気吸い込み防止部材２６の流路規制部２８および縁部２９の全体が、流水に水没する。また、空気吸い込み防止部材２６は、流路規制部２８の下端部２７（頂部）が、下降水流管５の入口上部の近傍、あるいは下降水流管５の内部に位置する。
【００２８】
次に、本実施形態に係る水力エネルギー回収装置１の作用について説明する。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る水力エネルギー回収装置によりエネルギーを回収する際を示す概略平面図、図４は、図３のＢ−Ｂ線に沿う概略断面図である。
【００３０】
図３，４に示すように、開水路２に流水が流れ込むと、開水路２に設けられた堰１０により流水が放水口８から流出して、渦巻ケーシング３の取水口１１に流れ込む。取水口１１では、フィルター１２によりゴミ等の粒子の粗い物質が除去される。
【００３１】
取水口１１から流れ込んだ流水は、渦巻ケーシング３の渦巻き形状の側壁１４に沿って流れ、コリオリ力を受けて渦巻き水流Ｘとなる。渦巻き水流Ｘは、渦巻ケーシング３から下降水流管５へ流れ込み、下降水流管５内の軸流プロペラ６に作用して回転させる。このとき、軸流プロペラ６が下降水流管５の内部の上方に位置しているため、渦巻き水流Ｘが、下降水流管５内でほとんど減衰されることなく軸流プロペラ６まで到達する。渦巻き水流Ｘにより回転された軸流プロペラ６は、シャフト１９を回転させて、エアポンプ２０を駆動させる。
【００３２】
この後、軸流プロペラ６を通過した水流は、流路断面積が下方へ向かって徐々に大きくなる下降水流管５内を流れることで、流速を減少させつつ整流されて水の速度エネルギーが効率よく回収されて、排水路１８に達する。このとき、下降水流管５の下端が排水路１８の水面Ｓ２よりも下に位置するため、低落差の水位を有効に活用することができる。
【００３３】
渦巻き水流Ｘが渦巻ケーシング３から下降水流管５へ流れ込む際には、空気吸い込み防止部材２６により、渦巻ケーシング３内の自由水面Ｓ１からの空気の吸い込み渦の発生が抑制される。すなわち、空気吸い込み防止部材２６が設けられない場合には、渦巻ケーシング３およびコリオリ力により発生する強い渦巻き水流Ｘによって、自由水面Ｓ１から空気の吸い込み渦が発生しやすくなる。空気の吸い込み渦が発生すると、気泡同伴水流が軸流プロペラ６に作用することとなり、エネルギー回収効率が極端に低下する。さらに、空気吸い込み防止部材２６の流路規制部２８が設けられないことで、渦巻ケーシング３から下降水流管５へ流れ込む流路が縮小されないため、下降水流管５へ流入する強い渦巻き水流Ｘの流線が大きく不規則に乱れて安定せず、空気吸い込み渦の発現や、空気吸い込み渦の伸長、分散化および散逸化が顕著となり、これらを抑制することが困難となる。
【００３４】
これに対し、本実施形態に係る水力エネルギー回収装置１は、下方へ突出する流路規制部２８を備えた空気吸い込み防止部材２６が設けられるため、渦巻ケーシング３から下降水流管５へ流れ込む流路が縮小される。これにより、下降水流管５へ流入する強い渦巻き水流Ｘの流線が安定し、空気吸い込み渦の発現や、当該空気吸い込み渦の伸長、分散化および散逸化を抑制できる。
【００３５】
また、本実施形態に係る装置１は、空気吸い込み防止部材２６の上端が、渦巻ケーシング３の自由水面Ｓ１よりも下に位置するため、自由水面Ｓ１と空気吸い込み防止部材２６の間に、流速の遅い、またはよどみとなる上層領域Ｒが形成される。この上層領域Ｒは、空気吸い込み防止部材２６の下方に形成される強い渦巻き水流Ｘが自由水面Ｓ１へ到達することを抑制するため、空気吸い込み渦Ｙの発現を抑制できる。
【００３６】
また、空気吸い込み防止部材２６に縁部２９が形成されることで、より広い範囲で上述の上層領域Ｒを形成することができ、より効果的に空気吸い込み渦Ｙの発現を抑制できる。
【００３７】
さらに、本実施形態によれば、渦巻ケーシング３により渦巻き水流Ｘを発生させて、渦巻き水流Ｘによって下降水流管５内の軸流プロペラ６を回転させるため、水流方向変換用の固定案内羽根やガイドべーンを用いることなしに、高効率で軸流プロペラ６から水力エネルギーを回収できる。さらに、ガイドべーン等を設ける必要がなく、構造が簡易であるため、小型軽量化が可能であり、低価格で製造できるとともに、搬入・搬出が容易となる。
【００３８】
また、流路規制部２８の下端部２７が、下降水流管５の入口の上方または下降水流管５の内部に位置するため、渦巻ケーシング３から下降水流管５へ流れ込む流路を確実に縮小して渦巻き水流Ｘの流線を安定させることができ、空気吸い込み渦の発現や、当該空気吸い込み渦の伸長、分散化および散逸化をより確実に抑制できる。
【００３９】
また、軸流プロペラ６が、下降水流管５の上下方向中央部よりも上方に設けられるため、渦巻き水流Ｘを下降水流管５内で極力減衰させずに軸流プロペラ６まで到達させることができ、高効率で軸流プロペラ６から水力エネルギーを回収できる。
【００４０】
＜実験例＞
実験により、エネルギー回収装置の効果を検証した。
【００４１】
図５は、空気吸い込み防止部材が設けられないエネルギー回収装置による実験例１を示す概略平面図、図６は、図５のＣ−Ｃ線に沿う概略断面図である。図７は、空気吸い込み防止部材の流路規制部の頂部のみを水面下に沈めたエネルギー回収装置による実験例２を示す概略平面図、図８は、図７のＤ−Ｄ線に沿う概略断面図である。図９は、空気吸い込み防止部材を水面下に沈めたエネルギー回収装置による実験例３を示す概略平面図、図１０は、図９のＥ−Ｅ線に沿う概略断面図である。
【００４２】
実験例１のエネルギー回収装置１Ａは、図５，６に示すように、空気吸い込み防止部材が設けられておらず、本発明に係るエネルギー回収装置と比較するための比較例である。実験例２のエネルギー回収装置１Ｂは、空気吸い込み防止部材２６の流路規制部２８の頂部のみが水面下に沈められた本発明の一例である。実験例３のエネルギー回収装置１Ｃは、空気吸い込み防止部材２６の全体が水面下に沈められた本発明の他の一例である。
【００４３】
なお、実験例１〜３の装置１Ａ〜１Ｃは、いずれも下降水流管５の流路断面積が上下にわたって一定であり、軸流プロペラ６が下降水流管５の上下方向中心部よりも下方に設けられている。また、実験例２，３の装置１Ｂ，１Ｃは、いずれも空気吸い込み防止部材２６に縁部２９が設けられていない。実験例３の装置１Ｃでは、空気吸い込み防止部材２６の上端が水面Ｓ１よりも約５ｃｍ下に位置するように、全体を水没させた。
【００４４】
実験例１〜３のエネルギー回収装置の実験条件を、下表で示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
上記の表のように、開水路２からエネルギー回収装置１Ａ〜１Ｃへ流れ込む平均流量は、２８．１リットル／分であり、開水路２と排水路１８の間の落差は、１．１ｍであった。また、駆動されるオイルレスエアポンプ２０からの低圧の圧縮空気は、開水路２の近くに設置した水槽へエアレーションするために使用した。エアレーションは、水槽に差し込んだチューブにより行い、吹き込み深さ（水槽における空気吹き出し位置の深さ）は７０ｃｍであった。
【００４７】
実験により計測されたエアポンプ２０の回転数および、この回転数における送風量を、下表に示す。
【００４８】
【表２】
【００４９】
上記の表のように、空気吸い込み防止部材が設けられない実験例１の装置１Ａに比べ、空気吸い込み防止部材２６が設けられた実験例２および実験例３の装置１Ｂ，１Ｃの方が、エネルギーの回収効率が高いことが確認された。さらに、実験例２と実験例３を比較すると、流路規制部２８の下端部２７のみが水面下に沈められた実験例２の装置１Ｂよりも、空気吸い込み防止部材２６の全体が水面下に沈められた実験例３の装置１Ｃの方が、エネルギーの回収効率が高いことが確認できた。
【００５０】
詳細には、実験例１の装置１Ａでは、図５，６に示すように、下降水流管５の中心付近へ空気吸い込み渦Ｙが流入して、気泡同伴水流が下降水流管５へ供給されることが、目視により確認された。エアポンプ２０の回転数および送風量が低値である理由としては、下降水流中に気泡が存在することで、気泡の浮力や摩擦等により水力エネルギーが損失して、軸流プロペラ６によるエネルギーの回収が大幅に減少したもの考えられる。
【００５１】
実験例２の装置１Ｂにおいても、図７，８に示すように、下降水流管５の中心付近へ空気吸い込み渦Ｙが流入して、気泡同伴水流が下降水流管５へ供給されることが、目視により確認された。すなわち、流路規制部２８の頂部のみが水面下に沈められたのみでは、空気吸い込み渦Ｙの発生を完全に防止することができず、下降水流中に気泡が存在することで水力エネルギーの回収効率が減少したもの考えられる。しかし、実験例１の装置１Ａよりは、エネルギーの回収効率が向上していることが、エアポンプ２０の回転数および送風量から確認できる。これは、実験例２の装置１Ｂでは、流路規制部２８が設置されていることで渦巻ケーシング３内の流路が縮小されて、実験例１の装置よりも強く整った渦巻き水流Ｘが下降水流管５へ供給されて、軸流プロペラ６によるエネルギーの回収効率が上昇したもの考えられる。
【００５２】
実験例３の装置１Ｃにおいては、図９，１０に示すように、空気吸い込み渦Ｙが発生せず、気泡を含まない水流が下降水流管へ供給されることが、目視により確認された。これは、空気吸い込み防止部材２６が水没して設置されていることで、空気吸い込み防止部材２６の上方に流れの遅い上層領域Ｒが発生して、空気の吸い込みが抑制されたと考えられる。これにより、気泡を含まない渦巻き水流Ｘが下降水流管５へ供給されて、さらに渦巻ケーシング３内の流路が流路規制部２８により縮小されて渦巻き水流Ｘが強くなり、軸流プロペラ６によるエネルギーの回収効率が上昇したもの考えられる。実験例３の装置１Ｃにおけるエアポンプ２０の回転数および送風量の計測結果を実験例１と比較すると、エネルギーの回収効率が約２倍に向上していることが確認できた。
【００５３】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。
【００５４】
例えば、空気吸い込み防止部材２６の流路規制部２８は、下方へ突出した形状であれば他の形状とすることができる。図１１は、空気吸い込み防止部材の流路規制部の形状の例を示し、（Ａ）は半球形状とした例、（Ｂ）は円錐の先端を半球形状とした例、（Ｃ）は円錐形状とした例、（Ｄ）は側面を双曲線形状とした例を示す。図１１（Ａ）のような半球形状の流路規制部２８Ａは、渦巻ケーシング３の水深が比較的深い場合、図１１（Ｂ）のような円錐の先端を半球形状とした流路規制部２８Ｂは、渦巻ケーシング３の水深がやや浅い場合に適する。また、図１１（Ｃ）のような上述の実施形態にも適用される円錐形状の流路規制部２８Ｃは、渦巻ケーシング３の水深が浅い場合、図１１（Ｄ）のような側面を双曲線形状とした流路規制部２８Ｄは、渦巻ケーシング３の水深が極めて浅い場合に適する。すなわち、図１１の（Ａ）から（Ｂ），（Ｃ）を経て（Ｄ）の形状となるにしたがって、流路規制部２８が頂部へ向かって鋭利な形状となり、渦巻ケーシング３から下降水流管５への流路が滑らかに変化することになるため、下降水流管５へ流入する強い渦巻き水流Ｘの流線が安定し、空気吸い込み渦Ｙの発現を抑制する効力が増大する。したがって、図１１（Ｄ）のように流路規制部２８Ｄが頂部へ向かって鋭利な形状となるほど、渦巻ケーシング３の水深が浅く、若しくは渦巻ケーシング３への流入速度が速くまたは乱れて空気吸い込み防止部材２６がなければ空気吸い込み渦Ｙが発生しやすい条件において有効である。なお、図１１（Ｄ）の双曲線形状とは、厳密に双曲線の形状である必要はなく、側面が窪んだ形状であればよい。
【００５５】
また、空気吸い込み防止部材２６の縁部２９は、本実施形態のように必ずしも円形である必要はなく、条件に応じて適宜変更できる。図１２は、空気吸い込み防止部材の縁部の形状の例を示し、（Ａ）は下降水流管の内径の３倍の直径とした例、（Ｂ）は下降水流管の内径の４倍の直径とした例、（Ｃ）は渦巻ケーシング内の水面の略全面を覆った例を示す。なお、図１２中の一点鎖線は、渦巻ケーシング３の内壁を表し、二点鎖線は、縁部の切り取られた部位を表している。図１２（Ａ），（Ｂ）の縁部２９Ａ，２９Ｂは、円形状を、渦巻ケーシング３の側壁１４の形状に対応して切り抜いた形状となっており、縁部２９Ａ，２９Ｂと渦巻ケーシング３の間には、所定の隙間が形成されている。この隙間は、例えば５ｍｍ以下で設定される。また、図１２（Ｃ）においても、縁部２９Ｃと渦巻ケーシング３の間には、例えば５ｍｍ以下の隙間が形成されている。
【００５６】
図１２の（Ａ）から（Ｂ），（Ｃ）と縁部２９Ａ，２９Ｂおよび２９Ｃの面積が広くなるほど、渦巻ケーシング３内の自由水面Ｓ１と空気吸い込み防止部材２６の間の上層領域Ｒが広くなり、空気吸い込み渦Ｙの発現を抑制する効果が増大する。すなわち、縁部２９の面積が広くなるほど、渦巻ケーシング３の水深が浅く、若しくは渦巻ケーシング３への流入水速度が速くまたは乱れて、空気吸い込み防止部材２６がなければ空気吸い込み渦Ｙが発生しやすい条件において有効である。
【００５７】
また、本実施形態に係る水力エネルギー回収装置１は、開水路側に取り付けられているが、装置１および装置１内の水の重量を支えるために、水力エネルギー回収装置１から下方へ延びて排水路側等に固定される支持柱等が設けられてもよい。また、空気吸い込み防止部材２６の流路規制部２８の中心軸が、下降水流管５の中心軸と偏芯して設けられてもよい。また、水力エネルギー回収装置１により駆動される装置は、エアポンプ２０でなくてもよく、例えば揚水ポンプ、空気圧縮機、冷凍圧縮機、発電機等の他の装置であってもよい。また、開水路２の水路側壁９に水力エネルギー回収装置１を取り付けるのではなく、開水路２に設置される堰１０に取り付けることもできる。また、渦巻ケーシング３内に自由水面Ｓ１を形成できるのであれば、渦巻ケーシング３の上面を蓋体で覆ってもよい。
【００５８】
なお、本発明は、開水面Ｓ１において水の自由落下の際に生じる渦巻き水流Ｘを、気泡の吸い込みを抑制しつつ積極的に利用したエネルギー回収装置１であり、自由落下ではなく水を吸い込むことにより吸い込み側で渦が発生するポンプとは、全く異なるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の水力エネルギー回収装置は、農業用水路や養殖場、排水処理施設などの流水のエネルギーを回転動力等として回収し、揚水ポンプ、空気圧縮機、冷凍圧縮機、または発電機等へ供給して、自然エネルギーの利活用に寄与する。
【符号の説明】
【００６０】
１ 水力エネルギー回収装置、
２ 開水路、
３ 渦巻ケーシング、
５ 下降水流管、
６ 軸流プロペラ（回転羽根）、
１１ 取水口、
１４ 側壁、
１８ 排水路、
２６ 空気吸い込み防止部材、
２７ 下端部、
２８ 流路規制部、
２９ 縁部、
Ｒ 上層領域、
Ｓ１ ケーシング内の水面、
Ｓ２ 排水路の水面、
Ｘ 渦巻き水流、
Ｙ 空気吸い込み渦。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開水路に設置される水力エネルギー回収装置であって、
少なくとも側壁に渦巻き形状が付与された渦巻ケーシングと、
前記渦巻ケーシング内に設けられ、下方へ向かって突出した下端部が、渦巻ケーシング内の水面よりも下方に位置する空気吸い込み防止部材と、
前記渦巻ケーシングの底面に連通して設けられて渦巻ケーシングから流れ込む水流を下方へ流す下降水流管と、
前記下降水流管内に設けられて水流からエネルギーを回収する回転羽根と、
を有する水力エネルギー回収装置。
【請求項２】
前記空気吸い込み防止部材は、上端が前記渦巻ケーシング内の水面下に位置する請求項１に記載の水力エネルギー回収装置。
【請求項３】
前記空気吸い込み防止部材は、下端部よりも上方に、上下方向と交差する側方へ広がる平板形状の縁部が形成された請求項１または２に記載の水力エネルギー回収装置。
【請求項４】
前記空気吸い込み防止部材の下端部が、前記下降水流管の上方または当該下降水流管の内部に位置する請求項１〜３のいずれか１項に記載の水力エネルギー回収装置。
【請求項５】
前記回転羽根は、前記下降水流管の上下方向中央部よりも上方に位置する請求項１〜４のいずれか１項に記載の水力エネルギー回収装置。
【請求項１】
開水路に設置される水力エネルギー回収装置であって、
少なくとも側壁に渦巻き形状が付与された渦巻ケーシングと、
前記渦巻ケーシング内に設けられ、下方へ向かって突出した下端部が、渦巻ケーシング内の水面よりも下方に位置する空気吸い込み防止部材と、
前記渦巻ケーシングの底面に連通して設けられて渦巻ケーシングから流れ込む水流を下方へ流す下降水流管と、
前記下降水流管内に設けられて水流からエネルギーを回収する回転羽根と、
を有する水力エネルギー回収装置。
【請求項２】
前記空気吸い込み防止部材は、上端が前記渦巻ケーシング内の水面下に位置する請求項１に記載の水力エネルギー回収装置。
【請求項３】
前記空気吸い込み防止部材は、下端部よりも上方に、上下方向と交差する側方へ広がる平板形状の縁部が形成された請求項１または２に記載の水力エネルギー回収装置。
【請求項４】
前記空気吸い込み防止部材の下端部が、前記下降水流管の上方または当該下降水流管の内部に位置する請求項１〜３のいずれか１項に記載の水力エネルギー回収装置。
【請求項５】
前記回転羽根は、前記下降水流管の上下方向中央部よりも上方に位置する請求項１〜４のいずれか１項に記載の水力エネルギー回収装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１７４６７８（Ｐ２０１０−１７４６７８Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６３５７（Ｐ２００９−１６３５７）
【出願日】平成２１年１月２８日（２００９．１．２８）
【出願人】（５０４２２４１５３）国立大学法人 宮崎大学 (239)
【出願人】（３９１０１１７００）宮崎県 (63)
【出願人】（５０９０２７９１７）
【出願人】（５０１３１０３６５）南九州向洋電機株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２８日（２００９．１．２８）
【出願人】（５０４２２４１５３）国立大学法人 宮崎大学 (239)
【出願人】（３９１０１１７００）宮崎県 (63)
【出願人】（５０９０２７９１７）
【出願人】（５０１３１０３６５）南九州向洋電機株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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