JPS6035553B2 - 水力発電用水圧機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は水力発電用水圧機関に関する。

自然の落差と水を利用した水力発電においては、従来、
上部水源他より下部に向って設けた水圧管内の圧水のも
つ位置のェネルギの全部又は１部を速度のェネルギに変
えて、衝動又は反動を利用した各種の水車又は水タービ
ンを発電の原動力としているが、これら水車系の水力機
械を使用する場合は、運転の状態において常に上池と下
池をつなぐ水圧管は貫通されて解放状態にあり、その水
のもつェネルギの動力変換にロスが多く、例えば、第１
図の従来例において、１は上部水源他、２は水圧管、イ
は入口弁、口は水車ケーシング、ハは吸出管、二は下池
、５１は水車及び発電機軸、５４は発電機を示し、口の
水車ケーシング内には入った圧水は、内部に設けた案内
羽根によりその１部又は全部を速度のヱネルギに変えて
、水車のランナ又はバケットに与えた反動力や衝撃力で
水車を回転し発電をするが、この場合次の点があげられ
る。

風 水車の羽根と羽根又はケーシングとの間に空間があ
り、回転中の水車にブレーキをかけたとすれば、上池と
下池間をつなぐ水圧管は貫通されて解放状態となる。

佃 平常運転中にしても、水車と発電機は１体となって
回転するが、水車の回転数と消費水量は負荷の状態によ
り変化し１体ではない。

に）水車通過後の水の速度を零とすることは運転中は不
可能であり、通過後もロスとなる速度のェネルギと水量
を放出している。

（Ｄ’以上の点から必然的に発電機の低負荷、車の高速
回転、水量の多消費とならざるををえない。

この発明の目的は、このような従来方法の欠点を解消し
て、水圧管内の圧水のもつ位置のェネルギを殆ど漏れな
く、水量的には１００％を往復機関のシリンダ内に吸収
し、その圧力でピストンを圧動させ、その動力を回転力
に変えて発電機に伝え発電するところの、ピストンの運
動と消費水量と発電機軸の回転の三者が１体となって機
能し、落差の限界はで発電機の高負荷に耐える、ェネル
ギの媒体として水量的に全くロスのない高効率の水力発
電用水圧機関を提供するものである。

次にこの発明の構成、作用効果を図面に従い説明すれば
第２図、第３図は、本発明の水圧機関を水力発電に用い
た場合の配置説明図で１部側面図、要部平面図で示し、
第１図の水車を本発明の水圧機関に置き代えたものであ
る。

Ａ構成 自然の落差と水を水圧管２で利用する水力発電装置にお
いて、動力部となるシリンダ２２にはピストン２７、ピ
ストンロッド２８を内設し、ピストンロッドはガイド３
８に収められたるクロスヘッド３７、ピン３９、連結樟
４０及びピン４１、クランク４２を経てクランクシャフ
ト４３に薮続し。

上記シリンダと並列に設けた切襖弁函ｇの中心部に弁
筒１１を内設し、弁筒半経方向前側と反対方向後側に相
対する４組の室口７，７′，８，８′，９，９′１０，
１０′を室口の中は等しく室口中の適宜倍の等間隔で設
けて弁筒を構成し、上記弁筒に設けた前側４個の室口７
，８，９，１０を左右に分けて２個づつの室口を包む形
態で給水室ａと排水室ｆの２室を設け、後側４個の室口
７′，８′，９′，１０′を１個づつ包む形態で給排水
系のｂ，ｃ，ｄ，ｅの４室を設けて切換弁函ｇを構成し
、上記弁筒に挿入したる弁棒１５には３個の円筒形の弁
１２，１２′，１２″を上記弁筒に設けたる４組の室口
の室口間の間隔と同じ間隔で設け、上記円筒型の弁１個
の長さは上記室口間の間隔に室口中２個分を加えた長さ
として切換弁を構成し、上記弁筒に水密状に挿入された
切換弁は弁棒１５の１端をクロスヘッド４８１こ螺接し
連結樺４６クランクピン４５クランク４４を経てクラン
クシャフト４３に接続する。

上記弁筒に設けた４組の室口の各室口間の間隔と、上
記弁棒に設けた円筒形の弁３個の各弁間の間隔と、上記
切換弁の接続するクランクのクランク距離は皆均等の長
さとし、クランク距離は弁筒に設けた各室口中の適宜情
とすると、前記切換弁函の前側２室ａ，ｆの給水室ａは
水圧官２を経て上部水源１に排水室ｆは排水管５排水弁
６から大気に解放され、前記シリンダ２２の左右室の導
口２３，２４と前記切換弁函ｇに設けた後側４室ｃ，ｃ
，ｄ，ｅの左右中側２室ｃ，ｄと左右外側２室ｂ，ｃを
配管にてそれぞれ連通し、前記切換弁の接続するクラン
ク４４はピストンの接続するクランク４２よりも９０度
先行して同一のクランクシャフト４３に設けた複式水圧
機関を構成し、以上を１組１基として同一のクランクシ
ャフト４３に少なくとも２組以上の複数基を並列に設け
各組のクランクの角度を蓮勤すべ〈割出して設ける。

上記水圧機関のクランクシャフト４３に接続してはずみ
車５０変速歯車５０，５２又はプーリー５０′，５２′
、Ｖベルト不、シヤフト５１、フレーキクラッチ及び変
速機５３等の変速伝導装置と発電機５４を設ける。更に
、本発明の安全装置がシリンダ２２の左右室の導口２９
，３０より配管３１，３２にて運通する左右１対の安全
弁３３，３４からなり、上記安全弁は上下蓋６６，６４
を設けた弁筒６５の内部下方で下蓋６４との間に空間を
残して弁筒６６に環状弁坐５５を内設し、環状弁坐の上
面に底のある筒型弁５８を水密状に挿入し、筒型弁の上
面で弁筒内部に適量の容積をもつ客気室５９を設け、上
記環状弁坐の外縁弁筒壁に複数の室口５６を設けて弁筒
５の外側に環設せる環状室５７に蓮通し、環状室には池
室に通じる２次側導口を設け、弁筒６５の下蓋６４には
シリンダの１室に通じる１次側配管３１を設け、前記シ
リンダの左右室に通じる１対の左右安全弁３３，３４の
１次側配管３１，３２と２次側左右環状室５７，５７′
の導口とを１次２次左右交互に配管３５，３６にて運通
し、左右１対の安全弁の上蓋６６，６６′の導口と空気
圧源６３を接続する１本の配管６０に水圧計６１を接続
し調節弁６２を設けた安全弁を、シリンダの左右室に蓮
設する。

本発明の切換弁で弁榛に設けた円筒型の弁３個の各弁間
の間隔は給排水の水路となる環状周溝１３，１４を構成
する。

本発明で、並列に設けた複数基の水圧機関の各ピストン
が接続するクランク相互の角度は、常にいずれかのピス
トンが作動中にある如く設けて、２蓮で９０度、３運で
は１２０度、４運では９０度、５蓮では７２度とする、
２蓮より３運の方がバランス上好都合である。

切換弁の調節は第８図で示す如く、切換弁側クランクが
ピストン側クランクより９０度先行した場合に限り、先
に説明した如く切換弁を弁棒１５のクロスヘッド接続ネ
ジ込み部で調節してピストンの位置が両端部で共に切換
弁を中央位置に調整できるが、９０度以外の先行ではピ
ストンが両端部位直で共に切換弁を中央位置に調整でき
ない。

本発明の切襖弁は、駆動流体が水であるため圧縮、膨張
がきかないので、ピストンの全行程に亘り切換弁で給排
水室口を全開状態にすべく、環状周溝１３，１４の中を
室口中の適宜倍として環状周溝中と同じ長さのクランク
に接続しており、実施例の図面では環状周藩中は室口中
の３倍としている。切挨弁はクランク機構により強力確
実に駆動される。本発明の切襖弁の駆動装置を蒸気機関
の如く、偏心輪に頼るとすれば偏心距離はクランク並と
なり、クランクシャフトを中心にして偏心帯外端のえが
く円は全体に比べ途方もなく大きなものとなり、機能的
にも力学的にも実用化は至難である。

安全装置が公知の複式蒸気機関ではシリンダの前後作動
室のシリングカバーに、バネで調整された安全弁を設け
、過剰圧となる蒸気とドレンを１方的に大気に放出して
いるが、本発明は、水を駆動流体とした切換弁が故障の
場合の安全装置であって、複数基のうち１組の切換弁が
閉弁して給排水が止つても、前後作動室の既存の水を１
方の作動室から反対の作動室へ相環流して、シリングカ
バーの破損を防止する。水力発電用の水圧機関として公
知例もなく、近似技術で不可能な点も本発明により解決
された。

次に本発明の作用効果を詳述すれば、Ｂ 作用効果 駆動流体となる、自然の落差と水を利用した上部水源１
の水は水圧管２にて下部に導かれ、圧水のもつ位置のェ
ネルギは入口弁イを経て機関の数に分岐された水圧管の
末端より、並列に設けた複数の複式水圧機関の各切換弁
の給水口３に導かれる。

ェネルギの変換については、４ボード２位置切換弁の給
水口３より室ａには入った圧水は、第４図の矢印で示す
如く、給水系の室ａ，ｃを開通してピストンを右に押圧
し、背圧水は排水系の室ｅ，ｆを経て排水口４より排水
管５、排水弁６から、位置のェネルギを動力に変換して
低圧水となり外部に放出される。

ピストン２７と切換弁１２のクランク機構及び、並列に
設けた複数の機関全部のクランク機構は、同一のクラン
クシャフト４３に接続されて一体となり総合的に連動し
て、各シリンダ内圧水のもつ位置のェネルギを動力とし
て合成し、１本のクランクシャフト４３に伝える。次に
４分の１回転して、第５図の状態となり、ピストンが右
死点で行程の切換をする瞬間の状態を示したもので、閉
弁時間は奏である、この瞬間は並列に設けた他の水圧機
関の圧力とはずみ車の慣性で合成された、クランクシャ
フト４３の回転力がピストン及び切換弁に作用する。

次に４分の１回転して第６図の状態となり、ピストンは
先の死点で切襖弁の給排水の切襖を終って矢印で示す如
く、給水系の室ａ，ｂを経た圧水はピストンを左に押圧
し、背圧水は排水系の室ｄ，ｆを経て排水口４より排水
管５、排水弁６から位置のェネルギを失って低圧水とな
り外部に放出される。次に４分の１回転して、第３図の
状態となり、ピストンは左死点で行程の切襖をする瞬間
の状態を示したもので、このときの閉弁時間は零であり
、クランクシャフトの回転力が作用して、切襖の瞬間を
終り、４分の１回転して、第４図の状態にもどり、入口
弁イと排水弁６が開弁する限り以上の運動をくり返し、
圧水のもつ位置のェネルギを動力としてクランクシャフ
トに合成し、回転力として発電機に伝えることができる
。

尚、ピストンの背圧を少なくするため、排水系の室口中
はその儀にして面積のみ広くし管路を広くすることは当
然である。運転方法については、入口弁イと排水弁６を
操作して運転するもので、いずれで操作してもよいが、
排水弁６は機関の点検や、閉弁状態にして各部の水圧測
定に使用される。

安全装置につき、駆動流体が非圧縮性の水であるため、
気体のように圧縮、膨張の容積中がなく、この発明は複
数の水圧機関の出力と回転を円滑にするためのはずみ車
の慣性力が、同一のクランクシャフトを介して一体とな
り総合的に連動するため、若し事故や故障で１箇の切換
弁が閉弁状態となって場合、それに対応するシリンダ内
ピストンの前後室の一方は、クランクシャフトの回転力
で真空状態になろうとし、一方は過圧状態になろうとす
るのを防ぐもので、第７図により説明すれば、１組の切
換弁が故障してピストン２７の右室は真空状態になろう
とし、左室は過圧状態になって過剰水は導口２９より、
空圧にて押圧力を調整された筒型弁５８を押上げて、矢
印で示す如く導口３０よりピストンの右室には入り、左
右室を均圧してシリンダカバーの破損を防止できる。

亦、空気室５９，５９′の圧力の調整は空気圧源６３よ
り、バルブ６２を操作して圧力計６１を見乍ら配管６０
で空気を送り込み、シリンダ内水圧よりも任意に高く押
圧力の調節ができる。特にその調節は自然の落差と水を
利用する場合、設置場所により地形や状況は個々に異な
り、特に、渓谷を利用する場合に水源を上流に移動して
水圧を上げたり、雨期には放流して減圧したりするとき
に自由迅速にバルブ６２を操作して、筒型弁５８，５８
′の押圧力を調整することができる。発電部分につき、
クランクシャフト４３の回転力を、５０，５２の歯車又
は第２図で５０′，５２′のプーリー、ホのＶベルト、
その他、公知の変速伝導方式で発電機の軸５１に伝えて
発電することができる。

第８図は、ピストン側と切換弁側のクランクのアームの
長さが同じ場合の、双方の連結樟が行う運動の関係を示
す説明図で、イ、口、ハ、二、ホ、へ、トは、ピストン
及び切襖弁の連結樟１端の水平運動位置を示し、イ、ト
は左右死点で二を中心に６等分したもので、リはピスト
ン及び切換弁双方のクランクピンが運動する円周を示し
、イ′、口′、ハ′、二′、ホ′、へ′、ト′は連結樟
の１端をイ、口、ハ、二、木、へ、トに中心をおき、他
端で円をえがいたときの円周の一部を示したもので、ク
ランクピンの円運動りと上下で交ったところが、イ、口
、ハ、二、ホ、へ、トに対応する連結樟の１端で即ちク
ランクピンの位置となる。

ヌ、ルはクランクシャフト中心の水平線で、ラ、ワは垂
直線を示し、チ、チ′はピストンが左死点で連結樟がイ
、イ′にあるときの、切襖弁側クランクが９０度先行し
た連結樟の位置で、チ′がヲ、つの垂直線上にあるとき
、チは行程の中心二ではなく、二とホの中間にあり、そ
の偏差は、チを中心にヂで円をえがき、水平線ヌ、ルと
の交点を力、ヨの垂線で示したもので、ラ、ワと力、ヨ
でその偏差がわかる。亦、その偏差は連結樟の長サと行
程の長サにより決定される、ピストンがソで示す行程の
とき切換弁は夕、しの運動をし、ピストンがナで示す行
程のとき切換弁はツ，ネの運動をする。以上の如く作用
効果する、この発明の水圧機関を使用して水力発電を実
施すれば、水車による発電に比べ次のような効果をあげ
て所期の目的を達成することができる。

風 水圧管内の流水は、複数の複式水圧機関のピストン
で閉鎖状となり、上池と下池間の水路も閉鎖状となり、
水頭にしてピストンに及ぼす発電機起動の抵抗を落差に
近い水頭にまで高負荷にすることができる。曲 運転中
の、ピストンの運動と、消費水量と、発電機シャフト回
転の三要素は一体となり、ェネルギの媒体としての水量
でロスのない発電に対する動力変換ができる。

にー 発電機からの高負荷において、水圧機関の排水口
から出た水は、管路に抵抗を与えないかぎり、高圧水の
もつ位置のェネルギを動力に交換して低圧水となって大
気に放出される。

皿 以上の点から必然的に（力×距離＝仕事量）より、
単位時間で同量の仕事をするのに発電機からの高負荷に
耐えピストンは低速運動となり、強い力で短い距離の仕
事をして消費水量は小となり、発電機を低負荷にして弱
い力で長い距離の仕事をすれば消費水量は大となりヱネ
ルギの媒体としての水量の損失となる。

‘Ｅ｝ 各種ェネルギで各種物体を動かす場合に考えら
れることは、物体は静止しているが与える力の上昇する
部分と、物体が移動を始め状態変化を起す部分の二つに
分けて考えられる。

この二点につき考えた場合、在来の水車に直結された発
電機の軸を廻す力において、水ェネルギの羽根に与える
力の上昇する部分と、羽根車が状態変化を起して廻転を
する部分の両者共にェネルギの媒体としての水量を消費
する。

本発明の水圧機関のピストンに接続された発電機の軸を
廻す力において、水ェネルギのピストンに与える力の上
昇する部分には水量は消費されない、ピストンが状態変
化を起して往復動をする部分のみにェネルギの媒体とし
ての水量を消費する。

佃 本発明の水力発電用水圧機関は、自然の落差と水を
水圧管で利用してはじめて効果を発揮できるが、在来の
ラジアル形やアキシャル形プランジャモータ又は揺動機
関等の液圧機関の運転に見られるように、内燃機関や電
動モータ等の原動機を使用して各種ポンプで加圧された
駆動流体では効果がない、何故なうば流体を加圧するた
めに油や電気のェネルギを別に消費するが、本発明の水
力発電用水圧機関は別のェネルギを必要としない。

以上の如く、この発明の水圧機関を水力発電に使用すれ
ば、従来の水車又は水夕−ピンによる水力発電に比べて
水ェネルギの動力変換にロスがなく、少量の水で大きな
出力を電力を生み出す効果があり水資源の節約となる。

図面の簡単な説明第１図は、従来の水力発電の１例で全
体説明図、第２図は、第３図の本発明の水圧機関を水力
発電に使用した場合の配置説明図で１都側面図菱部平面
図、第３図から第６図は、本発明の水圧機関の機能を示
す、説明図、第７図は、安全装置の機能を示す、説明図
、第８図は、ピストンと切換弁の各連結樟の運動関係を
示す、説明図。

第「図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 自然の落差と水を水圧管で利用する水力発電装置に
   おいて、図面に示す如く、シリンダにはピストンとピス
   トンロツドを内設し、ピストンロツドはクロスヘツドと
   連結桿及びクランクを経てクランクシヤフトに接続する
   、上記シリンダと並列に設けた切換弁函の中心部に弁筒
   を内設し、弁筒の半径方向前側と反対方向後側に相対す
   る４組の室口を室口巾の適宜倍の等間隔で設けて弁筒を
   構成し、上記弁筒に設けた前側４個の室口を左右に分け
   て２個づつ包む形態で給水室と排水室の２室を設け、後
   側４個の室口を１個づつ包む形態で給排水系の４室を設
   けて切換弁函を構成し、上記弁筒に挿入したる弁棒には
   円筒型の弁３個を上記弁筒に設けた４組の室口の室口間
   の間隔と同じ間隔で設け、円筒型の弁１個の長さは上記
   室口間の間隔に室口巾２個分を加えた長さとして切換弁
   を構成し、上記弁筒に水密状に挿入された切換弁は弁棒
   の１端をクロスヘツドに螺接し連結桿とクランクを経て
   クランクシヤフトに接続し、上記弁筒に設けた４組の室
   口の各室口間の間隔と、上記弁棒に設けた円筒型の弁３
   個の各弁間の間隔と、上記切換弁の接続するクランクの
   クランク距離は皆均等の長さとし、前記切換弁函の前側
   ２室の給水室は水圧管を経て上部水源に排水室は排水管
   に連通し、前記シリンダの左右室の導口と前記切換弁函
   に設けた後側４室の左右中側２室と左右外側２室を配管
   にてそれぞれ連通し、前記切換弁の接続するクランクは
   ピストンの接続するクランクよりも９０度先行して同一
   のクランクシヤフトに設け、以上１組１基として同一の
   クランクシヤフトに少なくとも２組以上上の複数基を並
   列に設け、各組のクランクの角度を連動すべく割出して
   設けた水圧機関と、上記水圧機関のクランクシヤフトに
   接続して変速装置と発電機を設けた水力発電用水圧機関
   。 ２ 安全装置がシリンダの左右室の導口より配管にて連
   通する左右１対の安全弁からなり、上記安全弁は上下蓋
   を有する弁筒の内部下方で下蓋との間に空間を残して環
   状弁坐を内設し、環状弁坐の上面の底のある筒型弁を水
   密状に挿入し、筒型弁の上面で弁筒内部に適量の容積を
   もつ空気室を設け、上記環状弁坐の外縁弁筒壁に複数の
   室口を設けて弁筒外側に環設せる環状室に連通し、環状
   室には他室に通じる２次側導口を設け、弁筒の下蓋には
   シリンダの１室に通じる１次側の配管を設け、前記シリ
   ンダの左右室に通じる１対の左右安全弁の１次側配管と
   ２次側環状室の導口とを左右交互に配管にて連通し、左
   右１対の安全弁の上蓋の導口と空気圧源を接続する１本
   の配管に水圧計を接続し調節弁を設けた安全弁を、シリ
   ンダの左右室に設けてなる特許請求の範囲第１項記載の
   水力発電用水圧機関。