長翼スクリュー水車
【課題】 構造が簡単で出力トルクが大きく、しかも流速が小さい水流から効率良く発電できる新規な長翼スクリュー水車を提供する。
【解決手段】 水車軸１に垂設した一定長さの母線２を、一定方向に回動させると共に、その回動角に比例する長さ分水車軸１の長さ方向に移動させることによって得られる線織面３の複数を有し、これら複数の線織面３、３を相互の間に所定の角度間隔を保って水車軸１の回りに配設し、水車軸１に沿って線織面３に作用する水流、或いは水圧により水車軸を回す。
【解決手段】 水車軸１に垂設した一定長さの母線２を、一定方向に回動させると共に、その回動角に比例する長さ分水車軸１の長さ方向に移動させることによって得られる線織面３の複数を有し、これら複数の線織面３、３を相互の間に所定の角度間隔を保って水車軸１の回りに配設し、水車軸１に沿って線織面３に作用する水流、或いは水圧により水車軸を回す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発電用水車又はポンプとして用いられる長翼スクリュー車（以下単に水車という）に係り、特に、構造が簡単で出力トルクが大きく、しかも流速が小さい水流からでも効率良く発電が可能な新規な水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
水車には、噴流による衝動水車であるペルトン水車、水の圧力を利用する代表的な反動水車であるフランシス水車、或いはプロペラ様の羽根車であるカプラン水車等種々のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０６−１３７２５３
【特許文献２】特開２００１−１８６６６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来の水車は、特許文献１或いは２に記載されているように、概して大型で構造も複雑であり、しかも流量、流速が大きい水流でないと発電効率が悪い。
【０００５】
また、水流と水車の接触時間が短く、水流の運動エネルギー或いは位置のエネルギーを十分に抽出しないで勢いを残した水流を捨ててしまう、等未だ改良の余地がある。
【０００６】
そこで、この発明は、構造が簡単で出力トルクが大きく、しかも流速が小さい水流からでも効率良く発電できる新規な水車を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、水車軸に垂設した一定長さの母線を、一定方向に回動させると共に、その回動角に比例する長さ分水車軸の長さ方向に移動させることによって得られる線織面の複数を有し、これら複数の線織面を相互の間に所定の角度間隔を保って水車軸の回りに配設したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記のように構成された請求項１に記載の水車は、水車軸に沿って線織面に衝突する水流、或いは水車軸に沿って線織面に圧力を及ぼす水圧が水車軸に回転トルクを生ぜしめるので、先ず、流速が小さい水流でも回る水車としての機能を有する。
【０００９】
また、水車を回そうとする水流、或いは水圧は広い線織面全面に作用するので、例えばプロペラ水車等と比較して水車軸に発生する回転トルクは格段に大きい。
【００１０】
更にまた、回転時線織面が水を攪拌することがないので、水車として、或いはポンプとしての効率が良い、等種々の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の水車の構造を説明するための線図的斜視図。
【図２】この発明の一実施例による水車の側面図。
【図３】その平面図。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線による線図的拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
水車軸に垂設した一定長さの母線を、一定方向に回動させると共に、その回動角に比例する長さ分水車軸の長さ方向に移動させることによって得られる線織面の複数を有し、これら複数の線織面を相互の間に所定の角度間隔を保って水車軸の回りに配設することにより、水車軸に沿って線織面に作用する水流、或いは水圧に敏感に反応して効率良く発電し、或いはポンプとして作用する水車を構成することができた。
【実施例１】
【００１３】
以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１において符号１は水車軸の一部を、符号２は母線を夫々示し、この母線２は、水車軸１に垂設された線分である。
【００１４】
より正確に言えば、上記母線２は水車軸１の回動軸線（水車軸の中心線）に垂直になるように水車軸１の外表面に垂設された線分である。
【００１５】
また、上記母線２の長さ、すなわち、水車軸の中心線から母線２の自由端までの距離をＲとする（図１参照）。
【００１６】
一方、上記線織面３を、半径Ｒの母線２を一定方向（図１において上から見て反時計方向）に回動させると共に、その回動角に比例する長さ分水車軸の長さ方向（図１で下方）に移動させることによって得られる曲面と定義する。
【００１７】
図１に示す線織面３は、母線２が上から見て反時計方向にπ／２回動すると下方にｌ移動する母線２の軌跡である。
【００１８】
そして、この発明による水車は、複数（図２に示す実施例では４枚）の線織面３、３を相互の間に所定の角度間隔（図示の実施例ではπ／２の等角度間隔）を保って水車軸の周りに配設することにより構成されている。
【００１９】
ここで、「水車軸の周りに配設する」とは、上記線織面３、３を水車軸１に一体的に結合することを意味する。
【００２０】
なお、上記母線２、或いは線織面３は幾何学上の概念であって、母線２は長さだけあって断面積が零であり、線織面３は面積があって厚さが零であるから、かかる母線及び線織面によって実体としての水車が構成できるわけがない。
【００２１】
そこで、ここでは上記母線に断面積があり、また、線織面に厚さがあるものも母線、或いは線織面に含めるものとする。
【００２２】
上記のように構成された本発明による水車の側面図は図２のように示され、図２において左側手前の線織面３が図１に示した線織面３である。
【００２３】
また、上記水車を図２の上方からみた平面図は図３に示すように円形になり、その平面図における４つの角度位置、すなわち、時計盤面に換算して１２時、３時、６時及び９時の４つの角度位置にある線分は、夫々一の線織面の上端の母線と、これに隣接する他の線織面の下端の母線が重なって１本の線分に見える。
【００２４】
上記したように構成された水車の１枚の線織面３の上面の任意の点Ｐに圧力Ｑが作用したとすると（図３及び図４参照）、図４に示すように、その圧力Ｑの水平方向の分力ＱＨと、上記点Ｐの水車軸の中心線からの距離ｒとの積ＱＰ・ｒが点Ｐに生じるトルクである。
【００２５】
そして、これらのトルクを全線織面３、３の上面の各点について積分したものが水車軸１に生じるトルクである。
【００２６】
図２及び図３に示す水車では、このトルクは上から見て時計方向に作用し、水車は同方向に回動する。
【００２７】
ちなみに、圧力Ｑが図４において線織面３の下面に印加されたとすると、その水平分力ＱＨは図４の反対方向になるから、水車の回転方向は反時計方向になる。
【００２８】
また、図４から明らかなように、水車のトルクに寄与する水平分力ＱＨは線織面の上下方向の長さが長くなる程、すなわち、水車羽根である線織面３が長翼である程大きくなり、かつ、水流との接触時間が長くなるから、出力の上昇が期待できる。
【００２９】
一方、水車の出力トルクが大きくても、水車羽根が水或いは水流を攪拌する場合には、その攪拌は出力トルクを減少させる方向に作用するから、その分出力が減少する。
【００３０】
そこで、図３における線織面上の点Ｐの位置が水車軸１の回動によってどのように変化するかを調べる。
【００３１】
図３において点Ｐは母線上の点であるから、その極座標による平面上の座標位置は、点Ｐを担う母線２の基準角度位置からの角度変位をθ（ラジアン）とすると、ｒ・θであり、基準高さ位置からの高さは、ｒ・Ｋ・θ＋ｈである。
但し、Ｋは線織面３の勾配に関する常数、ｈは基準位置に関する常数である。
【００３２】
すなわち、点Ｐの位置座標は｛ｒ・θ，ｒ・Ｋ・θ＋ｈ｝・・・（１）のように表すことができる。
【００３３】
そこで、水車軸１がδラジアン回動したとすると、その偏移後の座標位置は｛ｒ・（θ＋δ），ｒ・Ｋ・（θ＋δ）＋ｈ｝・・・（２）となる。
【００３４】
上記（１）式と（２）式とを比較すると、位置座標を示す関数の変数が変わるだけで関数は変わらない。これは、水車軸１の回動による点Ｐの偏移後の位置が同じ線織面上にあることを意味する。
【００３５】
すなわち、任意の線織面は、水車軸１の回動によって、線織面に沿って螺旋状に変位する。したがって、線織面が水流を攪拌することが無く、水車の回動による水流からの抵抗トルクは水流が線織面に沿って流れることによる粘性抵抗のみになる。
【００３６】
このようにらせん状の線織面が水車軸の回動によって水流を攪拌しないことは、螺旋状のボルトの雄ねじが同じ螺旋のナットの雌ねじと円滑に螺合することから容易に推定できる。
【００３７】
上記のように構成されたこの発明による水車は、上記水車軸１を水流に沿うように配設して両端を軸受に支承させれば（図示せず）、水車は勢い良く、かつ高トルク高速で回転する。
【００３８】
そこで、この水車軸の回転を例えば傘歯車及び鉛直軸を介して水面上に取り出し、この鉛直軸に発電機を連結すれば（図示せず）、簡単な構造で、低速の水流から大きい電気出力を得ることができる。
【００３９】
なお、以上の説明ではこの発明による水車を発電用に水車として説明したが、これは水車軸をモータに接続してなるポンプとしても用いることができることは言うまでもない。
【００４０】
また、図示の実施例では線織面間の角度間隔を等間隔としたが、等間隔でないと発明が成立しないということは無く、不等角度間隔でも良い。
【符号の説明】
【００４１】
１ 水車軸
２ 母線
３ 線織面
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発電用水車又はポンプとして用いられる長翼スクリュー車（以下単に水車という）に係り、特に、構造が簡単で出力トルクが大きく、しかも流速が小さい水流からでも効率良く発電が可能な新規な水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
水車には、噴流による衝動水車であるペルトン水車、水の圧力を利用する代表的な反動水車であるフランシス水車、或いはプロペラ様の羽根車であるカプラン水車等種々のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０６−１３７２５３
【特許文献２】特開２００１−１８６６６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来の水車は、特許文献１或いは２に記載されているように、概して大型で構造も複雑であり、しかも流量、流速が大きい水流でないと発電効率が悪い。
【０００５】
また、水流と水車の接触時間が短く、水流の運動エネルギー或いは位置のエネルギーを十分に抽出しないで勢いを残した水流を捨ててしまう、等未だ改良の余地がある。
【０００６】
そこで、この発明は、構造が簡単で出力トルクが大きく、しかも流速が小さい水流からでも効率良く発電できる新規な水車を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、水車軸に垂設した一定長さの母線を、一定方向に回動させると共に、その回動角に比例する長さ分水車軸の長さ方向に移動させることによって得られる線織面の複数を有し、これら複数の線織面を相互の間に所定の角度間隔を保って水車軸の回りに配設したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記のように構成された請求項１に記載の水車は、水車軸に沿って線織面に衝突する水流、或いは水車軸に沿って線織面に圧力を及ぼす水圧が水車軸に回転トルクを生ぜしめるので、先ず、流速が小さい水流でも回る水車としての機能を有する。
【０００９】
また、水車を回そうとする水流、或いは水圧は広い線織面全面に作用するので、例えばプロペラ水車等と比較して水車軸に発生する回転トルクは格段に大きい。
【００１０】
更にまた、回転時線織面が水を攪拌することがないので、水車として、或いはポンプとしての効率が良い、等種々の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の水車の構造を説明するための線図的斜視図。
【図２】この発明の一実施例による水車の側面図。
【図３】その平面図。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線による線図的拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
水車軸に垂設した一定長さの母線を、一定方向に回動させると共に、その回動角に比例する長さ分水車軸の長さ方向に移動させることによって得られる線織面の複数を有し、これら複数の線織面を相互の間に所定の角度間隔を保って水車軸の回りに配設することにより、水車軸に沿って線織面に作用する水流、或いは水圧に敏感に反応して効率良く発電し、或いはポンプとして作用する水車を構成することができた。
【実施例１】
【００１３】
以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１において符号１は水車軸の一部を、符号２は母線を夫々示し、この母線２は、水車軸１に垂設された線分である。
【００１４】
より正確に言えば、上記母線２は水車軸１の回動軸線（水車軸の中心線）に垂直になるように水車軸１の外表面に垂設された線分である。
【００１５】
また、上記母線２の長さ、すなわち、水車軸の中心線から母線２の自由端までの距離をＲとする（図１参照）。
【００１６】
一方、上記線織面３を、半径Ｒの母線２を一定方向（図１において上から見て反時計方向）に回動させると共に、その回動角に比例する長さ分水車軸の長さ方向（図１で下方）に移動させることによって得られる曲面と定義する。
【００１７】
図１に示す線織面３は、母線２が上から見て反時計方向にπ／２回動すると下方にｌ移動する母線２の軌跡である。
【００１８】
そして、この発明による水車は、複数（図２に示す実施例では４枚）の線織面３、３を相互の間に所定の角度間隔（図示の実施例ではπ／２の等角度間隔）を保って水車軸の周りに配設することにより構成されている。
【００１９】
ここで、「水車軸の周りに配設する」とは、上記線織面３、３を水車軸１に一体的に結合することを意味する。
【００２０】
なお、上記母線２、或いは線織面３は幾何学上の概念であって、母線２は長さだけあって断面積が零であり、線織面３は面積があって厚さが零であるから、かかる母線及び線織面によって実体としての水車が構成できるわけがない。
【００２１】
そこで、ここでは上記母線に断面積があり、また、線織面に厚さがあるものも母線、或いは線織面に含めるものとする。
【００２２】
上記のように構成された本発明による水車の側面図は図２のように示され、図２において左側手前の線織面３が図１に示した線織面３である。
【００２３】
また、上記水車を図２の上方からみた平面図は図３に示すように円形になり、その平面図における４つの角度位置、すなわち、時計盤面に換算して１２時、３時、６時及び９時の４つの角度位置にある線分は、夫々一の線織面の上端の母線と、これに隣接する他の線織面の下端の母線が重なって１本の線分に見える。
【００２４】
上記したように構成された水車の１枚の線織面３の上面の任意の点Ｐに圧力Ｑが作用したとすると（図３及び図４参照）、図４に示すように、その圧力Ｑの水平方向の分力ＱＨと、上記点Ｐの水車軸の中心線からの距離ｒとの積ＱＰ・ｒが点Ｐに生じるトルクである。
【００２５】
そして、これらのトルクを全線織面３、３の上面の各点について積分したものが水車軸１に生じるトルクである。
【００２６】
図２及び図３に示す水車では、このトルクは上から見て時計方向に作用し、水車は同方向に回動する。
【００２７】
ちなみに、圧力Ｑが図４において線織面３の下面に印加されたとすると、その水平分力ＱＨは図４の反対方向になるから、水車の回転方向は反時計方向になる。
【００２８】
また、図４から明らかなように、水車のトルクに寄与する水平分力ＱＨは線織面の上下方向の長さが長くなる程、すなわち、水車羽根である線織面３が長翼である程大きくなり、かつ、水流との接触時間が長くなるから、出力の上昇が期待できる。
【００２９】
一方、水車の出力トルクが大きくても、水車羽根が水或いは水流を攪拌する場合には、その攪拌は出力トルクを減少させる方向に作用するから、その分出力が減少する。
【００３０】
そこで、図３における線織面上の点Ｐの位置が水車軸１の回動によってどのように変化するかを調べる。
【００３１】
図３において点Ｐは母線上の点であるから、その極座標による平面上の座標位置は、点Ｐを担う母線２の基準角度位置からの角度変位をθ（ラジアン）とすると、ｒ・θであり、基準高さ位置からの高さは、ｒ・Ｋ・θ＋ｈである。
但し、Ｋは線織面３の勾配に関する常数、ｈは基準位置に関する常数である。
【００３２】
すなわち、点Ｐの位置座標は｛ｒ・θ，ｒ・Ｋ・θ＋ｈ｝・・・（１）のように表すことができる。
【００３３】
そこで、水車軸１がδラジアン回動したとすると、その偏移後の座標位置は｛ｒ・（θ＋δ），ｒ・Ｋ・（θ＋δ）＋ｈ｝・・・（２）となる。
【００３４】
上記（１）式と（２）式とを比較すると、位置座標を示す関数の変数が変わるだけで関数は変わらない。これは、水車軸１の回動による点Ｐの偏移後の位置が同じ線織面上にあることを意味する。
【００３５】
すなわち、任意の線織面は、水車軸１の回動によって、線織面に沿って螺旋状に変位する。したがって、線織面が水流を攪拌することが無く、水車の回動による水流からの抵抗トルクは水流が線織面に沿って流れることによる粘性抵抗のみになる。
【００３６】
このようにらせん状の線織面が水車軸の回動によって水流を攪拌しないことは、螺旋状のボルトの雄ねじが同じ螺旋のナットの雌ねじと円滑に螺合することから容易に推定できる。
【００３７】
上記のように構成されたこの発明による水車は、上記水車軸１を水流に沿うように配設して両端を軸受に支承させれば（図示せず）、水車は勢い良く、かつ高トルク高速で回転する。
【００３８】
そこで、この水車軸の回転を例えば傘歯車及び鉛直軸を介して水面上に取り出し、この鉛直軸に発電機を連結すれば（図示せず）、簡単な構造で、低速の水流から大きい電気出力を得ることができる。
【００３９】
なお、以上の説明ではこの発明による水車を発電用に水車として説明したが、これは水車軸をモータに接続してなるポンプとしても用いることができることは言うまでもない。
【００４０】
また、図示の実施例では線織面間の角度間隔を等間隔としたが、等間隔でないと発明が成立しないということは無く、不等角度間隔でも良い。
【符号の説明】
【００４１】
１ 水車軸
２ 母線
３ 線織面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水車軸に垂設した一定長さの母線を、一定方向に回動させると共に、その回動角に比例する長さ分水車軸の長さ方向に移動させることによって得られる線織面の複数を有し、これら複数の線織面を相互の間に所定の角度間隔を保って水車軸の回りに配設したことを特徴とする長翼スクリュー水車。
【請求項１】
水車軸に垂設した一定長さの母線を、一定方向に回動させると共に、その回動角に比例する長さ分水車軸の長さ方向に移動させることによって得られる線織面の複数を有し、これら複数の線織面を相互の間に所定の角度間隔を保って水車軸の回りに配設したことを特徴とする長翼スクリュー水車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−２４２１５（Ｐ２０１３−２４２１５Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６２４８７（Ｐ２０１１−１６２４８７）
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（５１０２０４２１９）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（５１０２０４２１９）
【Ｆターム（参考）】
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