JP2002202042A

JP2002202042A - 水力装置

Info

Publication number: JP2002202042A
Application number: JP2000401111A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Nishimura; 薫西村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、簡単な機構で上流側と下流側とで、
常時複数枚の翼が回転力を発生させ、安価で変換効率の
高い水力装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明では、水が流れてくると、翼４に
は、抗力および揚力が発生し、翼４が、抗力および揚力
中心より前で支持されているために翼４には回転力が発
生し、各翼は、ばね７による復元力と平衡する角度（仰
角）αまで翼の後縁が下流になる方向に回転する。これ
により翼の位相約０度（位置）近傍では主として揚力
により、位相90度（〜位置）近傍では主として抗力
により、位相約180度（〜）近傍では主として揚力
により回転力を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、簡単な構造で、容
易に設置可能な水力を利用した水力装置に関するもので
ある。本発明の水力装置は各種の水力発電装置、ポンプ
などの機械装置に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】従来、水力発電などに利用されてきた水
車は、フランシス形水車を主体にペルトン形水車、プロ
ペラ形水車など多くの形式がある。ここで、フランシス
形水車は、反動水車の一種で、４０〜７００ｍぐらいの
広範囲の落差で使用される。この水車は、ランナの周囲
から流れ込む水をランナ内で軸方向に向きを変えて下方
に設けられた吸い出し管から放水するものである。ま
た、ぺルトン形水車は、ノズルから流出する高速ジェッ
トをランナ周辺のバケットに作用させる構造の衝動水車
で、２００〜１８００ｍの高落差用として用いられる。
さらに、プロペラ形水車は、約８０ｍ以下の低落差に使
用される高比速度形の反動水車で、流水はプロペラ形の
ランナを軸方向に通過する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の水車は比較的高い高低差（圧力差）を必要とするもの
が多く、また水中に設置する形式が多かった。これらの
形式の主なる欠点は、１）水車を水中に設置する必要があるために出力軸部な
どに水密機構が必要で、価格の上昇を招くと共に摩擦な
どにより変換効率を低下させる一因となっている。２）水車に圧力差を作るための導水路などの工事費用が
非常に高額になり、且つ工事期間も長くなる。３）出力軸を一定速度で回転させるためには、流量を調
節したり、流速に応じて水車の翼ピッチを変える変更機
構を水中に配置する必要があり、機構が複雑且つ高価で
ある。４）導水設備が必要なため小形の水車でも可搬形にする
事が困難である。５）翼の形状が複雑で、加工費用が高価である。６）翼に当たる水の流速が大きく、この衝撃による腐食
を防止するために高価な材料を必要とする。７）ダムや導水路を建設することにより環境を破壊した
り魚類の遡上を妨げるなどの弊害が発生する、などの欠陥を有していた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために、円形の本体の中央部を回転自在に水面
上に支持し、該本体の同心外周部に回転可能な複数の翼
を配置するとともに、該翼により発生した回転力で該本
体を回転駆動し、動力を取り出す水力装置において、翼
の回転中に前記個々の翼の流水に対する仰角を変更する
仰角変更機構を設けたことを特徴とする水力装置であ
る。

【０００５】ここで、翼の仰角を変更する機構として、
例えば個々の翼を翼の揚力中心および抗力中心より離れ
た点で回転自由に支持するとともに、翼の公転円の接線
方向に翼弦を保持する弾性体を設け、該弾性体の力と流
水による揚力および抗力により翼軸に発生する回転力と
が平衡する角度まで翼を回転させることにより流速に対
応した仰角を発生させる機構より構成できる。ここで、
弾性体は、例えば、ばねを挙げることができるが、これ
に限定されず、ゴムなどの弾力とダンピング機能を有す
るものならば何でもよい。

【０００６】また、仰角変更機構は、上記に限定され
ず、例えば中央部の出力軸中心より偏心した位置に偏心
軸を設け、この偏心軸中心と翼の支持軸より離れた点と
を翼の公転円の半径とほぼ同一のリンクなどで連結し
て、すべての翼の仰角の変化を相互に関係付けたもので
もよい。

【０００７】このような仰角変更機構を利用することに
より、回転中に翼を軸の上流側と下流側とで回転方向に
対する翼の傾き方向（仰角）を逆にすることが可能にな
り、常時複数枚の翼が揚力による回転力（偶力）を発生
するこができ、他の位置での抗力に重畳して変換効率の
向上を可能にする。さらに前記の偏心軸の偏心方向と水
の流入方向とのなす角を流速に応じて制御することによ
り出力を制御できるし、上記の偏心軸の偏心方向の角を
回転速度または出力により制御することもできる。本発
明の水力装置は、発電機を駆動した場合には水力発電装
置として、またポンプなどを直接駆動して揚水装置など
に利用できる。

【０００８】本発明の原理を図１に示す。図１は弾性体
にばねを利用した場合の原理図である。図１に於いて
は、翼が５枚（〜の位置）の場合の例を示し、
（ａ）は、水流の無い状態を、（ｂ）は、水が図の上方
から流れている場合の各位置における翼の仰角の変化を
例として示している。図１において、点Ｏは、後述する
本体の中心およびそれに支持されている出力軸を示し、
複数の各翼４は、翼軸５により公転円ニ上に回転自由に
本体に支持され、また、各翼の翼軸５は、翼に発生する
抗力および揚力の作用中心（翼の中心）より前に取り付
けられている。さらに翼の前縁位置にばね掛けピン６が
設けられており、該ピン６は、本体の上面上、翼軸５の
取付位置における公転円ニの接線上に設けられたばね固
定ピン８との間に設けられたばね７により公転円ニの接
線方向に引っ張られ、流れの無い時には、図１（ａ）に
示すごとくすべての翼は、回転方向を前縁にして公転円
ニの接線方向を向いている。なお、〜の各位置の翼
には図示番号を付していないが、の位置の翼と同じ構
成である。

【０００９】したがって、水が図１（ｂ）の上方より流
れてくると、翼４には、抗力および揚力が発生し、翼４
が、抗力および揚力中心より前で支持されているために
翼４には回転力が発生し、図１（ｂ）に示す如く各翼
は、ばね７による復元力と平衡する角度（仰角）αまで
翼の後縁が下流になる方向に回転する。これにより翼の
位相約０度（位置）近傍では主として揚力により、位
相90度（〜位置）近傍では主として抗力により、位
相約180度（〜）近傍では主として揚力により回転
力を発生する。なお、位相約270度（〜近傍）で
は、抗力により回転方向と逆のトルクが発生するが仰角
が小さいので他の位相で発生する回転力に比して小さ
く、全回転力はこれらすべての位相に於ける発生回転力
の総和となる。また、この場合、各翼の仰角は、流速が
大きいほど翼に働く抗力および揚力が大きくなる結果仰
角が小さくなり、したがって円板に発生する回転力も大
きくなるが、仰角が小さいために回転速度は流速の増加
に比してさほど大きくならない特徴を有する。

【００１０】なお、本発明は、上記に限定されず、すべ
ての翼と本体中心より偏心した偏心軸とをリンクで連結
してすべての翼の仰角の変化を相互に関係付けてもよい
し、さらに流水の方向を検出するセンサー（基準翼）を
設け、上記の偏心軸の本体中心に対する偏心方向と流水
の流入方向とのなす角を予め設定しても良いし、また、
出力軸の回転速度（出力電圧）または出力（電力）に応
じて偏心方向と流入方向とのなす角をサーボ制御をして
もよい。

【００１１】さらに、円形の本体の中央部の出力軸中心
より延長した支持体の先端に板状体を取り付けて流水の
方向を検知し、この方向と偏心中心とのなす角を流速に
対応して予め仰角を固定してもよい。また、円形の本体
の中央部の出力軸中心より離れた偏心点の偏心方向と流
水方向とのなす角を制御することにより、回転速度もし
くは出力を制御する機構を有してもよい。さらに、本発
明の水力装置は、翼の上下両端もしくは一端に翼断面よ
り大きな平板を取り付けた翼を有するのが好ましい。

【００１２】さらに本発明の装置は、装置自身に浮力を
有し、導水路なども不要なため設置に際しては、単に流
水の抵抗を支えるのみで良く、安価で簡単に設置できる
特徴を有する。例えば、水力装置の設置は、水力装置を
一個あるいは複数個支持棒で岸より離れた点に支持し、
抗力をワイヤーで負担して支持しても水力装置複数個を
一つの枠に取り付けて筏状に固定して支持してもよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図２は、本発明に係る水力装置の概略図
で、（ａ）は側面（上部のみＡ−Ｏ−Ｂ断面図）、
（ｂ）は上面外形図である。図中１は動力を取り出すた
めの出力軸、１９は発電機部、２は上部円板、３は例え
ば発泡樹脂などで作られた浮体であり、発電機部１９は
後述する係留金具１０などで回転方向に拘束され、且つ
重力は出力軸１により支持されている。浮体３には複数
の翼４が取り付けられており、翼４に発生した回転力
は、浮体３を回転させ出力軸１を通じて発電機部１９に
入力され、図示していない増速機を通じて発電機を駆動
する。なおこの出力軸１は、前述した原理図（図１）の
点Ｏに相当する。また、図２上、図１で説明した部材と
同じものには同じ番号が付してあり、６はばね掛けピ
ン、８はばね固定ピンを示す。ばね掛けピン６はクラン
ク９で固定されており、ばね掛けピン６、ばね固定ピン
８などは上部カバー１１で覆われている。

【００１４】図３は、翼部の一例を示す構造図で、
（ａ）は側面図、（ｂ）は上面外形図、（ｃ）はＡ−Ａ
矢視図である。図３中図１および図２と同じものには同
じ番号が付してある。図中５は翼軸であり、一端に翼４
を備え、他端を上部軸受け１４で、中央部を下部軸受け
１３で上部円板２および浮体３に回転自由に支持されて
おり、さらに上端にはばね掛けピン６を有するクランク
９が固定されている。また、翼軸５は、上部円板２およ
び浮体３の間では外筒１２内に収容されている。翼４
は、図３（ｃ）に示すように翼軸５および副桁１７とそ
の外側を覆っている外皮１８より構成され、翼軸５は、
翼の揚力および抗力の中心より前縁側に位置している。
さらに翼の両端には翼断面より大きな翼端板１６が取り
付けられている。上記の構成の翼部は、上部円板２に取
り付けられたばね固定ピン８と上記ばね掛けピン６との
間にべアリング２７で取り付けられた引っ張りばね７に
より、図２（ｂ）に示すごとく翼の公転円ニの接線方向
イの方向に引っ張られている。なお、ばね固定ピン８
は、上部円板２の翼の公転円の接線方向イに取り付けら
れたピン取り付け具２０の溝内に予め予想される流速に
適した位置に固定されており、翼４の中心線（翼弦）
は、流速の無い場合には、翼の公転円の接線方向イの方
向に保持されている。したがって、流速の有る場合に
は、翼４の公転中の各位置に於ける流水による揚力およ
び抗力の和によりばね７の保持力と平衡する角度まで翼
４が上流側（図１の位置近傍）では翼の前縁が公転円
の外側（図２、図３のハ側）に、下流側（図１の１８０
度位置近傍）では内側（図２、図３のロ側）に回転され
仰角（流入方向と翼の前縁とのなす角α）を形成する結
果、浮体３を図２（ｂ）の反時計方向に駆動する。この
回転力は、出力軸１に伝えられ、その上部に連結された
発電機部１９に伝えられ図示していない増速機で増速さ
れて発電機を駆動する。

【００１５】なお、この出力軸１の駆動は、翼の位置に
よりまた流速および負荷により複雑に変化するが、その
変化の一例を図４に示す。図４は、翼を図１の位置に
固定した場合の流入速度と仰角（図１のα）および駆動
力となる円周方向の速度及び駆動力との関係を一例とし
て図示した図で、（チ）は、本発明の装置での翼の仰角
の変化を、（リ）は、本発明の或る適当な弾性力のある
ばねを使用した場合、（ヌ）は、比較のために仰角を２
０度に固定した場合の円周方向の速度の変化を流速０．
２ｍ／ｓの時を１０％と示し、（ル）は、本発明の場
合、（ヲ）は、同じく比較のために仰角を２０度に固定
した場合の円周方向の駆動力を流速２．８ｍ／ｓを１０
０％として示した図である。図の（リ）曲線で明らかな
如く、本発明の円周方向の速度は、流入速度が小さい範
囲では、固定仰角の場合（ヌ）より大きく、流入速度が
或る値より大きい場合は、小さく且つほとんど変化しな
い。実際の回転速度は、他の翼の発生回転力および負荷
トルクの大小などにより変化するが、上述のことは、負
荷のインバータに必要な最高入力電圧以上の回転速度で
駆動せずに、むしろ駆動トルクを大きく（負荷電流を大
きく）できる効果がある。

【００１６】また、図５は、翼端板の効果の説明図で、
図５（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す。図５
（ａ）のごとく翼端板１６が無いと、図５（ａ）のホに
図示する如く翼端を上流側より下流側へ回る水流の渦が
発生し、翼の変換効率を減少させることがある。これを
防止するために端面に翼断面より大きな翼端板１６を取
り付けてある。

【００１７】さらに本発明は、浮体３で装置全体を支持
するので、装置を常時水面上の一定の高さに保持するこ
とができるので、支持は流水の抵抗を支えるだけでよ
く、設置の簡略化が可能になり、また、浮体３自身が回
転することにより、流水中のごみなどの引っかかりを防
ぐことが出来る特長を有する。

【００１８】図６（ａ）は、仰角発生機構の変形例の原
理図で、装置が大形の場合に前述の図１の構造では、翼
の位相約90度前後（位置ととの間）に於いて仰角が
反転する際の衝撃が大きくなることがあり、これを防止
するため出力軸１に出力軸１の中心Ｏより距離ｒ偏心し
て中心Ｏの周りを自由に回転出来るような偏心中心Ｏ’
を設け、このＯ’点とすべての翼軸５より後縁側へＲ離
れた（ｒ＞Ｒ）点ヘとをほぼ公転円の半径と同じ長さの
リンク５０で結合することにより、すべての翼の仰角が
関係付けられて翼が位置ととの間を移動する時に発
生する急激な仰角の反転を緩和できる。また図６（ｂ）
は、翼の前縁側（ばね掛けピン６側）を前述と同様のリ
ンク機構５０で連結したもので、前述と同様の効果が得
られる。なお、図６（ａ）（ｂ）中、図１と同じもの、
同じ位置には同じ番号が付してあり、θは流れの方向と
偏心方向のなす角である。

【００１９】さらに流速がほぼ一定の場合には、流れの
方向と偏心方向のなす角θを固定するか、図７に示す如
く流れの方向を検出する基準翼２２を設け、これのアー
ム２１と偏心中心Ｏ’の偏心方向とのなす角θを最適な
値に調整し固定することにより、その流速および流入方
向に適した最的の変換効率を得ることが可能になる。こ
こで、θとしては、例えば１８０°〜２６０°が好まし
い。なお、図７中の記号および数字は、すべて図１と同
一カ所には同一のものが付してある。

【００２０】さらに図７の偏心角βまたはθを出力電圧
もしくは出力電流に応じて制御することにより、図８に
示すごとく流速の広い範囲で仰角を制御し回転速度を任
意に制御できる。とくに大形機などにおいて誘導発電機
などを一定速度で駆動することが可能となる結果インバ
ータなどが不要になり出力波形の高調波を大幅に改善で
きる。

【００２１】図９は図８の詳細図で、リンク機構を使用
しサーボ制御する場合の側面図（ａ）および上面断面
（Ａ−Ａ矢視）（ｂ）を示す。図において、サーボモー
タ２３によりピニオン３２を通じてカムギヤー３１を駆
動し、偏心カム２９を制御することにより偏心リング３
７の偏心角位相を変え、カムベアリング３０を介し制御
リンク５０を通じて翼４の仰角を制御することができ
る。なお、この場合浮体３および翼４などの構造は、前
述の図２と同様である。また、サーボ制御された仰角を
形成する結果、浮体３は図９（ｂ）に示すごとく反時計
方向に駆動される。この回転力は、出力軸１に伝えら
れ、その上部に連結された発電機部に伝えられる。発電
機部はベース３３に増速機３６が載置されており、増速
機３６の出力軸には発電機３５が連結している。したが
って、出力軸１の回転力は増速機３６で増速されて、発
電機３５を駆動する。なお、図９中、２４は発電機部カ
バー２５に固定された波除けカバー、３４は中間板、３
９はカム駆動リンク３８の固定ピンを示す。

【００２２】図１０は、本水力装置の設置例で、（ａ）
は上面図、（ｂ）は側面図である。水力装置５２は、流
水中に設置した杭などに係留する他、図のごとく川岸な
どより支柱４１で岸との間隔を維持し、流水による抗力
を岸に打ち込んだ杭４３などの固定点とワイヤーなどの
係留索４２で支持するもので、キャンピング用、災害用
などの臨時電源、山小屋など商用電源の無い場所など簡
易設置用または小容量の電源の設置に利用できる。な
お、１０は係留金具である。

【００２３】図１１は、本装置を隙間ワを確保しつつ回
転自由に取付枠４６で舟艇形をした舟形浮体４５に取り
付け、係留索４２で係留した設置例で、比較的流速が大
きく、前述の図１０の設置方法では波浪を被りやすい場
所など荒水面、急流などに適している。なお、この場合
１個の舟形浮体４５に複数個の本装置を取り付けても良
いし、複数の舟艇体を係留索で直列に係留しても良い。

【００２４】図１２は、複数個（３個）の水力装置の設
置例で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。水力
装置５２を係留枠４４に係留金具１０で本装置の回転方
向を規制しつつ取り付け、個々の出力をベルト４９など
で１台の発電機部１９に集めた形式のものを、係留索４
２で係留した設置例である。図中４８は出力軸の回転を
取り出す駆動プーリであり、駆動プーリ４８に伝達した
動力はベルト４９により受動プーリ４７に伝えられ、受
動プーリと連結した発電機部１９内の増速機を駆動させ
る。本例は、うねりの大きい水面または幅の大きい流水
面など、例えば、浮標、海峡、水力発電所または原子力
発電所などの放水路、波動発電用など流路幅の広い場所
または水深の変化大きい場所および波動のある場所など
に適しており、また全設置容量を大きくできる。なお、
この場合係留枠４４の形状は、図示の形状に限定され
ず、本装置の位置を確保できる形状であればよく、ま
た、個々の装置に発電機部を取付けてもよく、その台数
にも制限はない。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な機構で上流側と
下流側とで、常時複数枚の翼が回転力を発生することが
可能になり、安価で変換効率の高い水力装置を実現する
ことができる。さらに、上記の変換効率を出力に応じて
制御する事が可能になり、かつ水力装置自身が浮力を有
しているので容易に複数台並列に設置することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】回転中の位相と仰角を示す原理図

【図２】本発明に係る水力装置の側面および上面外形図

【図３】翼の構造例図

【図４】流入速度と仰角および駆動方向の速度および駆
動力との関係を示す図

【図５】翼端板の効果を示す図

【図６】仰角発生機構の変形例原理図

【図７】センサー翼付き仰角制御機構の原理図

【図８】仰角のサーボ制御機構の原理図

【図９】仰角のサーボ制御機構例の側面および上面外形
図

【図１０】本発明の水力装置の単体設置例図

【図１１】本発明の水力装置の舟形設置例図

【図１２】本発明の複数台設置例図

【符号の説明】

１出力軸２上部円板３浮体４翼５
翼軸６ばね掛けピン７ばね８ばね固定ピン
９クランク１０係留金具１１上部カバー１２外筒１３下部軸受け１４上部軸受け１６翼端板１７副桁１８外皮１９発電機部２０ピ
ン取り付け具２１アーム２２基準翼２３サーボモータ２４波除けカバー２５発電機部カバー２７ベ
アリング２９偏心カム３０カムベアリング３１カム
ギヤー３２ピニオン３３ベース３４中間板３
５発電機３６増速機３７カムリング３８カム駆動リ
ンク３９固定ピン４１支柱４２係留索４３杭
４４係留枠４５舟形浮体４６取付枠４７受動プーリ
４８駆動プーリ４９ベルト５０リンク５２
水力装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円形の本体の中央部を回転自在に水面上に
支持し、該本体の同心外周部に回転可能な複数の翼を配
置するとともに、該翼により発生した回転力で該本体を
回転駆動し、動力を取り出す水力装置において、翼の回
転中に前記個々の翼の流水に対する仰角を変更する仰角
変更機構を設けたことを特徴とする水力装置。
【請求項２】仰角変更機構が、個々の翼を翼の揚力中心
および抗力中心より離れた点で回転自由に支持するとと
もに、該翼の公転面の接線方向に翼弦を保持する弾性体
を設け、該弾性体の力と流水による揚力および抗力によ
り翼軸に発生する回転力とが平衡する角度まで翼を回転
させることにより流速に対応した仰角を発生させる機構
である請求項１記載の水力装置。
【請求項３】仰角変更機構が、中央部の出力軸中心より
偏心した位置に偏心軸を設け、この偏心軸中心と翼の支
持軸より離れた点とを翼の公転円の半径とほぼ同一のリ
ンクで連結してなる請求項１記載の水力装置
【請求項４】請求項１から３記載のいずれかの水力装
置を浮体あるいは舟艇状の浮体に回転自在に取付け、常
時水面上で支持する請求項１乃至３記載の水力装置
【請求項５】円形の本体の中央部の出力中心より延長し
た支持体の先端に板状体を取り付けて流水の方向を検知
し、この方向と偏心中心とのなす角を流速に対応して予
め固定してなる請求項１乃至４記載の水力装置。
【請求項６】円形の本体の中央部の出力軸中心より離れ
た偏心点の偏心方向と流水方向とのなす角を制御するこ
とにより、回転速度もしくは出力を制御する機構を有す
る請求項１乃至５記載の水力装置。
【請求項７】翼の上下両端もしくは一端に翼断面より
大きな平板を取り付けた翼を有する請求項１乃至６記載
の水力装置。
【請求項８】請求項１乃至７記載の水力装置を1個ある
いは複数個を支持棒で岸より離れた点に支持し、抗力を
ワイヤーで負担して支持してなる水力装置。
【請求項９】請求項１乃至７記載の水力装置複数個を一
つの枠に取り付けて筏状に固定支持してなる水力装置。