水車

水平な車輪と垂直な車軸。

一般的にタブホイール、ノルマンミル、またはギリシャミルと呼ばれる水平水車^{[ 10 ] [ 11 ]}は、現代のタービンの原始的で非効率的な形態です。しかし、必要な動力を供給できるのであれば、効率は二次的な重要性です。通常、作業フロアの下の製粉所の建物内に設置されます。水車の羽根に水の噴射が向けられ、羽根が回転します。これは通常ギアのないシンプルなシステムで、水車の垂直軸が製粉所の駆動軸になります。

水車^{[ 6 ] [ 12 ]}は、水路の水が車輪の底部にある羽根やブレードに当たることで回転する、垂直に取り付けられた水車です。このタイプの水車は、水平軸の水車の中で最も古いタイプです。水が水路や水車小屋によって制限されないため、自由表面水車とも呼ばれます。

水車は、他のタイプの水車に比べて安価で簡単に建設でき、環境への影響も少ない。川に大きな変化をもたらすものではない。欠点は効率が低いことで、発電量が少なく、流量が十分な場所でしか使用できない。18 世紀にイギリスの土木技師ジョン・スミートンが測定したところによると、一般的な平板下掛け水車は、水車に当たる水の流れのエネルギーの約 20 パーセントを使用する。 [ ^{13 ]より}近代的な水車は効率が高い。

水車は、水位差である落差からほとんど、あるいは全く恩恵を受けない。

浮体式プラットフォームに取り付けられた水車は、しばしば「ヒップホイール」と呼ばれ、水車自体は「シップミル」と呼ばれる。これらは、橋脚による流れの制限によって水流速度が増加する橋のすぐ下流に設置されることもあった。

歴史的には非常に非効率的でしたが、18世紀に大きな進歩がありました。^{[ 14 ]}

下掛け水車は、垂直に設置された水車で、水平軸が、低い堰から流れ落ちる水が水車の底部4分の1に当たることで回転します。エネルギーの大部分は水の動きから得られ、落差によるエネルギーは比較的少ないです。動作原理と設計は、水車とよく似ています。

アンダーショットという用語は、関連するものの異なる意味で使われることがある。

• 水が車輪の下を流れるすべての車輪^{[ 15 ]}
• 水が底部4分の1から流入する車輪。
• 流れの中にパドルを置く車輪。上の流れを参照。^{[ 16 ] [ 12 ]}

これは最も古いタイプの垂直水車です。

「胸当て」という言葉は様々な意味で使われています。著者によっては、水が10時の位置あたりから入ってくる水車に限定してこの用語を使う場合もあれば、9時の位置に限定する場合、あるいは様々な高さで使う場合もあります。^{[ 17 ]}本稿では、水が底部よりかなり上、上部よりかなり下、通常は中央半分の位置から入ってくる水車に対してこの用語を使用します。

それらは以下の特徴を持つ。

• 水が流入する際の乱流を最小限に抑えるように慎重に形状が設計されたバケツ
• 水が入る際に空気が抜けるように側面に穴が開いた通気孔付きのバケツ
• 車輪の表面にぴったりと沿った石積みの「エプロン」は、バケツが下降する際に水がこぼれないようにするのに役立つ。

運動エネルギー（動き）と位置エネルギー（高さと重さ）の両方が利用される。

車輪と石積みの間の隙間が狭いため、胸当て式車輪には、車輪とエプロンの間にゴミが詰まって深刻な損傷を引き起こすのを防ぐために、しっかりとしたゴミ受け（イギリス英語では「スクリーン」）が必要となる。

ブレストショット水車はオーバーショット水車やバックショット水車よりも効率は劣りますが、高流量に対応でき、結果として高出力を得ることができます。北米東海岸のフォールラインに見られるような、安定した大流量に適しています。ブレストショット水車はアメリカ合衆国で最も一般的なタイプであり、産業革命の動力源となったと言われています。^{[ 14 ]}

垂直に取り付けられた水車で、水車の最上部を少し過ぎた位置にあるバケツから水が流入して回転するタイプのものは、オーバーショット式水車と呼ばれる。この用語は、水が水車の後ろ側に流れ込むバックショット式水車にも誤って用いられることがある。

一般的なオーバーショット水車では、水は上部の水車軸の少し先で水車に導かれます。水は水車のその側のバケットに溜まり、反対側の「空」の側よりも重くなります。この重さで水車が回転し、バケットが反転するほど水車が回転すると、水は下流に流れ出します。オーバーショット設計は非常に効率的で、90%の効率を達成でき、^{[ 18 ]}急速な流れを必要としません。

ほぼ全てのエネルギーは、放水路に降ろされた水の重量から得られますが、水車に入る水の運動エネルギーによってわずかに寄与される場合もあります。これらは他のタイプの水車よりも大きな落差に適しているため、丘陵地帯に最適です。しかし、最大の水車であるマン島のラクシー水車でさえ、約30メートル（100フィート）の落差しか利用していません。世界最大の落差を持つ水車であるスイスのビュドロン水力発電所は、約1,869メートル（6,132フィート）の落差を利用しています。    

オーバーショット水車は、他のタイプの水車に比べて大きな水頭を必要とするため、通常は導水路の建設に多額の投資が必要となります。また、水車への最終的な水の流れは、水路や水圧管路を通る場合があり、その距離が長くなることがあります。

バックショット水車（ピッチバックとも呼ばれる）は、オーバーショット水車の一種で、水車の上部直前に水が投入されます。多くの場合、水車の底部が放水路の水の流れと同じ方向に動くため、効率が向上するという利点があります。また、水位が​​水車の底部を水没させるような洪水時にも、オーバーショット水車よりも優れた性能を発揮します。水車ピット内の水位が水車の上部まで十分に上昇するまで回転し続けます。このため、流量が大きく変動する河川に特に適しており、放水路の規模、複雑さ、ひいてはコストを削減できます。

バックショットホイールの回転方向はブレストショットホイールと同じですが、その他の点ではオーバーショットホイールと非常によく似ています。詳細は下記をご覧ください。

水車は紀元前4世紀に古代近東、特に古代エジプトで初めて登場し^{ました。 [ 20 ] [ 21][22 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 21 ]近東の}他の地域では、紀元前4世紀の西アジアで水車が使用されていた可能性を示す考古学的証拠がありますが、^{[ 24 ]}紀元前3世紀以前のメソポタミアでの水車の​​使用に関する文献的証拠は不足しています。 ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}紀元前3世紀までに、近東では水車が石臼の移動や小規模な穀物の粉砕に使用されていました。^{[ 20 ]}テリー・S・レイノルズは、最初の水車はノリアであり、紀元前2世紀までにシリアと小アジアで垂直水車に進化し、そこからギリシャとローマ帝国に広まったと示唆している。^{[ 29 ]}近東では紀元前3世紀から1世紀のヘレニズム時代に水車が使用され、 ^{[ 30 ]}この時期にサーキヤが近東全域に急速に広まった。^{[ 31 ]}  

ジョセフ・ニーダムや他の歴史家によると、桓譚が紀元20年頃（王莽の簒奪の時期）に著した『新論』という文献には、水車が穀物製粉所の粉砕機として使われていたことが示唆されている。^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]}『新論』には、伝説上の神話上の王である伏羲が、乳鉢と乳棒を発明し、それが傾斜式ハンマー、そしてトリップハンマーへと発展したと記されている（トリップハンマーを参照）。著者は神話上の伏羲について述べているが、彼の著作の一節には、水車が紀元1世紀までに中国で広く使われていたことを示唆する記述がある（ウェード式綴り）。  

傅熙は乳鉢と乳棒を発明し、それは非常に有用であったが、後に巧妙に改良され、体重全体を使って傾斜槌（犂）を踏みつけることで効率が10倍になった。その後、ロバ、ラバ、牛、馬などの動物の力が機械によって利用され、水力も粉砕に利用されたため、利益は100倍になった。^{[ 45 ]}

西暦31年 、南陽の長官で技師であった杜石（没年38年）は、水車と機械を複雑に組み合わせ、溶鉱炉のふいごを動かして鋳鉄を製造した。杜石については、『後漢書』に以下のように簡潔に記されている（ウェード式綴り）。

乾武7年（西暦31 年）、杜石は南陽の太守に任命された。彼は寛大な人物で、平和的な政策をとった。悪人を滅ぼし、その地位の尊厳を確立した。計画性に優れ、庶民を愛し、彼らの労働を節約したいと願った。彼は（鉄製の）農具の鋳造のために水力往復機（水拍機）を発明した。製錬や鋳造を行う人々は、すでに炭火を吹き上げるための押しふいごを持っていたが、今度は水流（水）を利用してそれを動かすように指示された。こうして 人々は少ない労力で大きな利益を得た。彼らは「水力ふいご」が便利だと感じ、広く採用した。^{[ 47 ]}

『晋書』によれば、張衡（78-139）は130年頃に「水漏れで回転する」水力式の天球儀を発明した。後世の人々は、これは水車のことだったのではないかと推測した。^{[ 48 ]}

『三国志』によれば、曹魏の機械技師馬軍（200年頃～265年）は、魏の明帝（在位226年～239年）のために、水車を使って大型の機械仕掛けの人形劇場を稼働させた。 ^{[ 49 ]}この装置は大きな木材を彫刻して作られ、車輪の形をしており、地面と平行に動かして水を汲み上げ、様々な人形や杵付きの水車を動かした。^{[ 50 ]}韓基は238年以前のある時期に冶金生産監督官に任命された。彼は「炉のふいごを絶えず流れる水を使うように改良し、以前の3倍の効率を達成した」。^{[ 47 ]} 20年後、杜瑜という人物によって新しい設計が導入された。^{[ 47 ]} 263年以降の記録には、水車を利用した「水車」と呼ばれる装置について言及されている。

川のそばに水漉き器が作られ、その後ろに水車が設置される。水車を通るように横木が取り付けられる。横木の両端は交互に約2尺の長い木片に連結され、水漉き器の後ろ側の木片に直接当たる。水が持ち上げられて水車に当たると、水車が回転し、交互に木片が水漉き器の後ろ側の木片に当たって殻を砕く。人力は不要である。そのため、この装置は水漉き器と呼ばれる。^{[ 44 ]}

元甲年間（424～429年）の初めに、製錬や鋳造作業で使用される水力送風機のために人工湖が作られました。しかし、湖の土塁が漏水し、本来の目的に不十分であることが判明しました。それらは破壊され、人力の「踏み車式送風機」に置き換えられました。^{[ 51 ]}

リオ・ティント鉱山で発見された一連の車輪

リオ・ティント鉱山の排水用水車

テッサロニケのアンティパテルの詩は、水車が女性を製粉や粉砕の過酷な労働から解放したことを称賛した。^{[ 52 ] [ 53 ]}

紀元300年頃、木製の仕切りが安価な陶器の壺に置き換えられ、開いた枠の車輪の外側に結び付けられたときに、ノリアが導入されました。 ^{[ 21 ]}

水車

歯車式水車の最初の明確な記述は、紀元前1世紀後半のローマの建築家ウィトルウィウスによるもので、彼はサキア歯車システムが水車に適用されたことを述べている。^{[ 54 ]}ウィトルウィウスの記述は、水車がどのようにして生まれたか、つまり、歯車と水車という別々のギリシャの発明が、水力を利用するための効果的な機械システムに組み合わされたことを示している点で特に価値がある。^{[ 55 ]}ウィトルウィウスの水車は、下端が水路に浸され、その羽根が流れる水の速度によって駆動されるように記述されている（X、5.2）。^{[ 56 ]}

ほぼ同時期に、オーバーショット水車はテッサロニケのアンティパトロスの詩に初めて登場し、省力化装置として称賛されている（IX、418.4–6）。^{[ 57 ]}このモチーフはルクレティウス（紀元前99～55年頃）にも取り上げられ、彼は水車の回転を天空の星の動きになぞらえている（V 516）。^{[ 58 ]} 3番目の水平軸タイプの胸掛け水車は、2世紀後半のガリア中部の遺跡で考古学的証拠として現れる。^{[ 59 ]}発掘されたローマの水車小屋のほとんどは、これらの水車のいずれかを備えており、構造はより複雑だが、垂直軸水車よりもはるかに効率的であった。^{[ 60 ]}西暦2世紀のバルベガル水車複合施設では、16基の上掛け水車が人工水路から水を供給されており、これは「古代世界における既知の機械動力の最大集中」と呼ばれる原始的な産業穀物工場であった。^{[ 61 ]}

ローマ時代の北アフリカでは、紀元300年頃のいくつかの設備が発見されており、そこでは垂直軸の水車に角度のついた羽根が取り付けられ、水で満たされた円形のシャフトの底に設置されていた。水車用の水路から接線方向に流れ込む水は渦巻く水柱を作り出し、完全に水没した水車を真の水力タービンのように機能させた。これは現在までに知られている最古のものである。^{[ 62 ]}

ナビゲーション

古代の技術者は、製粉や揚水に水車を使用する以外にも、自動人形や航海に水車を応用した。ウィトルウィウス（X 9.5–7）は、船の走行距離計として機能する多段ギア式の水車を記述しており、これはこの種のものとしては最古のものである。推進手段としての水車に関する最初の記述は、4世紀から5世紀の軍事論文『De Rebus Bellicis』（第17章）にあり、匿名のローマ人著者が牛に牽引される水車式軍艦について記述している。^{[ 63 ]}

イスラム教の拡大後、イスラム世界の技術者たちは古代近東の水技術を継続しました。バスラ地方の運河の発掘調査で、7世紀に遡る水車の遺構が発見されたことからも明らかです。シリアのハマでは、オロンテス川沿いに大型の水車がいくつか残っていますが、現在は使用されていません。^{[ 64 ]} 最大の水車の1つは直径約20メートル（66フィート）で、リムは120の区画に分かれていました。現在も稼働しているもう1つの水車は、スペインのムルシアにあるラ・ノラにあり、元の水車は鋼鉄製のものに交換されていますが、それ以外はアル・アンダルス時代のムーア人のシステムはほぼ変わっていません。中世イスラムの区画付き水車の中には、水を30メートル（100フィート）もの高さまで汲み上げることができたものもありました。^{[ 65 ]} 10 世紀のムハンマド・イブン・ザカリヤ・アル・ラージーの『キタブ・アル・ハーウィ』には、イラクのノリアが毎時 153,000 リットル (34,000 imp gal/h)、または毎分 2,550 リットル (560 imp gal/min)もの水を汲み上げることができると記述されている。これは、東アジアの現代のノリアの出力に匹敵し、毎時 288,000 リットル (63,000 imp gal/h)、または毎分 4,800 リットル (1,100 imp gal/min)まで汲み上げることができる。^{[ 66 ]}        

イスラム世界における水車の産業利用は7世紀に遡り、水平車輪式と垂直車輪式の水車はどちらも9世紀までに広く利用されるようになった。イスラム世界では、製粉所、脱穀機、製材所、造船所、スタンプミル、製鉄所、砂糖工場、潮力水車など、さまざまな産業用水車が利用された。11世紀までに、アル・アンダルスや北アフリカから中東や中央アジアに至るまで、イスラム世界のすべての州でこれらの産業用水車が稼働していた。^{[ 67 ]}イスラム教徒の技術者は、クランクシャフトや水力タービン、水車や揚水機の歯車、 ダムを水源として利用し、水車や揚水機に追加の動力を供給した。^{[ 68 ]}縮絨工場や製鉄所は、12世紀にイスラムのスペインからキリスト教徒のスペインに広がった可能性がある。11世紀から13世紀にかけてアル・アンダルスに建設された大規模な工場複合施設でも、工業用水車が利用されていた。 ^{[ 69 ]}

イスラム世界の技術者たちは、水車から最大限の出力を得るためにいくつかの解決策を開発した。1つの解決策は、水車が橋脚に取り付けられ、流量の増加を利用することであった。もう1つの解決策は、船の中央に停泊した船の側面に取り付けられた水車によって駆動される水車の一種であるシップミルであった。この技術は、10世紀のイラクのティグリス川とユーフラテス川沿いで使用され、チーク材と鉄で作られた大きなシップミルは、バグダッドの穀物倉庫のために毎日10トンの穀物から小麦粉を生産することができた。^{[ 70 ]}駆動装置から被駆動機械への動力の伝達を滑らかにするために使用されるフライホイール機構は、アル・アンダルスのイブン・バッサル（1038～1075年頃活躍）によって発明された。彼はサキヤ（チェーンポンプ）とノリアでフライホイールの使用を先駆的に行った。^{[ 71 ]} 13世紀の技術者アル・ジャザリと16世紀のタキ・アル・ディンは、技術論文の中で多くの独創的な揚水装置について記述している。彼らはまた、さまざまな水時計や自動人形など、さまざまな装置の動力源として水車を利用した。

インド亜大陸における水車の初期の歴史は不明瞭である。紀元前4世紀に遡る古代インドの文献には、 cakkavattaka（回転する車輪）という用語が言及されており、注釈ではarahatta-ghati-yanta（車輪付きの壺が付いた機械）と説明されている。このことから、ジョセフ・ニーダムは、この機械はノリアであると示唆した。しかし、テリー・S・レイノルズは、「インドの文献で使用されている用語は曖昧であり、水力装置を明確に示しているわけではない」と主張している。トルキルド・シオーラーは、「これらの記述は、水力式の揚水車ではなく、何らかの踏み板式または手動式の揚水装置を指している可能性が高い」と主張した。^{[ 72 ]}

ギリシャの歴史的伝承によれば、インドは西暦4世紀初頭にローマ帝国から水車を受け継ぎ、メトロドロスという人物が「それまでバラモンたちの間では知られていなかった水車と浴場」を導入したという。^{[ 73 ]}作物の灌漑用水は、取水する川の流れの力で駆動する水車を使って供給された。この種の取水装置は古代インドで使用されており、ペイシーによれば、後のローマ帝国や中国での使用よりも古い。^{[ 74 ]}ただし、水車のより古い文学的、考古学的、絵画的証拠はヘレニズム世界に現れている。^{[ 75 ]}

1150 年頃、天文学者のバースカラ・アチャーリヤは揚水車を観察し、そのような水車がそれを駆動する流れを補充するのに十分な水を汲み上げると想像し、事実上永久機関となることを思い描いた。^{[ 76 ]}インドにおける水利施設の建設と水技術の側面は、アラビア語とペルシア語の文献に記述されている。中世には、インドとペルシアの灌漑技術の普及により、経済成長をもたらし、物質文化の発展にも貢献する高度な灌漑システムが生まれた。^{[ 77 ]}

イスマイル・アル＝ジャザリの『巧妙な機械装置の知識の書』 （1206年）では、サーキヤを説明するのに「シンドの車輪」という用語が使われている。これは、それがインド亜大陸北西部（現在のパキスタン）で生まれた可能性があることを示している。^{[ 31 ]}デリー・スルタン朝（1206年～1526年）の時代には、ギア付きの揚水車がイスラム世界からインドに導入された。^{[ 78 ]}

胸当て式水車の最近の発展形は、自動制御システムを効果的に組み込んだ水車である。アクアリエンヌはその一例である。これは、1～3.5メートル（3～11フィート）の水頭で20立方メートル（710立方フィート）の水流から37kW～200kWの電力を生成する^。[ 105 ]これは、かつての水車 小屋 の跡地^{で発電する}ように設計されている。     

• ${\displaystyle \eta =}$効率
• ${\displaystyle \rho =}$水の密度（1000  kg/ ^m³）
• ${\displaystyle A=}$水路の断面積（ ^m²）
• ${\displaystyle D=}$車輪の直径（メートル）
• ${\displaystyle P=}$電力（W）
• ${\displaystyle d=}$距離（メートル）
• ${\displaystyle g=}$重力の強さ（9.81  m/s² ⁼ 9.81  N/kg）
• ${\displaystyle h=}$頭（男性）
• ${\displaystyle h_{p}=}$水頭圧、水位差（メートル）
• ${\displaystyle h_{v}=}$速度水頭（メートル）
• ${\displaystyle k=}$ 速度補正係数。滑らかなチャネルの場合は0.9。^{[ 108 ]}
• ${\displaystyle v=}$速度（m/s）
• ${\displaystyle {\dot {q}}=}$体積流量（m³ ^/秒）
• ${\displaystyle t=}$時間（秒）

^点線表記

圧力ヘッド${\displaystyle h_{p}}$は、取水路と放水路の水面の高さの差です。${\displaystyle h_{v}}$圧力ヘッドが測定されるのと同じ場所におけるヘッドレース内の水の速度から計算されます。速度（速さ）${\displaystyle v}$プー棒法で測定でき、浮遊物を測定距離にわたって移動させる時間を計測します。水面付近の水は底や側面付近の水よりも速く移動するため、以下の式のように補正係数を適用する必要があります。^{[ 108 ]}

体積流量を測定する方法は数多くあります。最も簡単な方法のうち2つは次のとおりです。

• 断面積と速度から。これらは同じ場所で測定する必要がありますが、それはヘッドレースまたはテールレースのどこでも構いません。ホイールと同じ量の水が流れている必要があります。^{[ 108 ]}
• バケツとストップウォッチ法で体積流量を測定することが実際的な場合もある。^{[ 109 ]}

並行して開発されたのが、水車/部分反動タービンで、これもホイールの中心に堰を組み込んでいるが、ブレードは水の流れに対して角度がつけられている。WICON-Stem Pressure Machine (SPM) はこの流れを利用している。^{[ 114 ]}推定効率は67%。

英国のサウサンプトン大学土木工学・環境学部は、両方のタイプの油圧ホイールマシンを調査し、その油圧効率を推定し、改善案を提案しました。例えば、回転油圧圧力マシンなどです。（推定最大効率85%）。 ^{[ 115 ]}

これらのタイプの水車は、部分負荷時や流量変動時において高い効率を発揮し、1メートル（3フィート3インチ）未満の非常に低い落差でも運転可能です。直接駆動式軸方向磁束永久磁石発電機とパワーエレクトロニクスを組み合わせることで、低落差水力発電の実現可能な代替手段となります。