JP5425854B2 - 自然エネルギー利用型の発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風や流水という自然エネルギーを利用して発電を行なう発電装置に関する。

自然エネルギーを利用して発電を行なう伝統的な発電装置としては、風車や水車を利用したものがよく知られている。風車は、風の流れを利用して羽根車を回転させ、その回転を発電機のロータに伝達して発電をする。水車は、水の流れを利用して羽根車を回転させ、その回転を発電機のロータに伝達して発電をする。利用する自然エネルギーが風なのか流水なのかの相違はあるが、いずれも、流体の流れを利用して発電する点では共通性を有している。

その一方で、風車や水車を利用した発電装置は、人智が及ばず制御が利かない「自然」というものにエネルギー源を頼るため、常に充分なエネルギーをもって羽根車を回転させられるとは限らない。そこで、従来、羽根車の回転速度が低くても充分な発電量を得られるように工夫した自然エネルギー利用型の発電装置が提案されている（特許文献１、特許文献２等）。これらの各文献に記載の発明は、いずれも、差動歯車列を利用して、ステータとロータとの間の相対的な回転速度差を増大させるように工夫している。以下、各文献中における機械要素の名称及びこれに付された符号をそのまま引用し、それぞれについて簡単に説明する。

特許文献１が開示する発電装置は、風を受けて回転するプロペラ型の翼車（２）を用い、この翼車（２）の回転軸（３）に連結されたインナーロータ（７）とこれを包囲するアウターロータ（５）とを互いに逆回転させて発電する。アウターロータ（５）は、その内周に内歯ギア（９）を有し、リングギアとして機能する。翼車（２）の回転軸（３）には太陽ギア（１０）を固定する。この太陽ギア（１０）と内歯ギア（９）との間には、遊星ギア保持体（１２）に回転自在に保持された三つの遊星ギア（１１）を介在させて噛み合わせる。

したがって、翼車（２）が風を受けて回転すると、インナーロータ（７）が回転すると共に、翼車（２）の回転軸（３）に固定された太陽ギア（１０）の回転が三つの遊星ギア（１１）を介して内歯ギア（９）に伝達され、アウターロータ（５）も回転する。この際、インナーロータ（７）とアウターロータ（５）とは互いに逆方向に回転するため、両者の相対回転速度差が増大する。その結果、翼車（２）の回転数が低くても、充分な発電量が得られるわけである。

特許文献２が開示する発電装置は、風を受けて同軸上で互いに逆回転する二組の羽根車（３、４）の回転を増速してロータ（３８）に伝達し、発電する。ロータ（３８）を増速するために用いているのは、遊星歯車装置（１３）である。遊星歯車装置（１３）は、ロータ（３８）に連結した太陽歯車（２３）を、一方の羽根車（３）の第１回転軸（６）に固定した取付部材（２８）に回転自在に取り付けた複数個の遊星歯車（２１）と、もう一方の羽根車（４）の第２回転軸（７）に固定したリング歯車（２２）とによって駆動する。

したがって、二組の羽根車（３、４）が風を受けて互いに逆方向に回転すると、第２回転軸（７）に固定されたリング歯車（２２）の回転が遊星歯車（２１）を介して太陽歯車（２３）に伝達され、ロータ（３８）が回転する。この際、第１回転軸（６）に固定された取付部材（２８）がリング歯車（２２）と逆方向に回転するので、遊星歯車（２１）の回転が増速されて太陽歯車（２３）、つまりはロータ（３８）に伝達される。その結果、二組の羽根車（３、４）の回転数が低くても、充分な発電量が得られるわけである。

特開２００５−２８７２１５号公報 特公平３―１００３７号公報 特開２０１０−２１６３６７号公報

特許文献１に記載された発明では、羽根車の羽根としてプロペラ型の翼車（２）の使用が求められる。特許文献２に記載された発明では、羽根車として用いている二組の羽根車（３、４）を逆回転させる必要から、それぞれの羽根（８、１０）には相応の特殊な形状が求められる。このように、いずれの文献（特許文献１、特許文献２）に記載された発明も、羽根車に対する要求水準が高く、その設計が煩雑で製造もた易くない。

これに対して、特許文献３には、四枚の平板形状の羽根板（２０ａ〜２０ｄ）を十字形に配した羽根車（風力発電用風車（１））を設け、羽根車全体の回転に連動して、四枚の羽根板（２０ａ〜２０ｄ）が４５度ずつずれた角度を維持しながら回転する風力発電用風車が開示されている。羽根車と四枚の羽根板（２０ａ〜２０ｄ）とを連動させているのは、チェーン（２８ａ〜２８ｄ）を利用した遊星歯車機構である。

この出願の発明者は、特許文献１や特許文献２に記載されているような、羽根車の回転速度が低くても充分な発電量を得ることができる自然エネルギー利用型の発電装置の実現に向けて研究開発を進めている。その枠組みの中で、羽根車の設計や製造の容易化を図るという観点から、特許文献３に記載されているような平板形状の羽根を備えた羽根車の適用が望ましいと考えている。しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されている発電装置に、特許文献３に記載されているような平板形状の羽根を単純に適用することはできない。何らかの工夫が必要である。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、例えば平板形状というような単純な形状の羽根を用いながら、羽根車の回転速度に相応する以上の発電量を得ることができる自然エネルギー利用型の発電装置を得ることを目的とする。

本発明の自然エネルギー利用型の発電装置は、共通回転軸を中心に回転自在な第１の回転体に、平たい形状の一対の外回転羽根を、前記共通回転軸を挟んで対面する位置に位置させて、当該共通回転軸と平行な軸周りに回転自在に取り付けた外羽根車と、前記共通回転軸を中心に回転自在な第２の回転体に、平たい形状の一対の内回転羽根を、前記外回転羽根よりも前記共通回転軸に寄った位置であって当該共通回転軸を挟んで対面する位置に位置させて、当該共通回転軸と平行な軸周りに回転自在に取り付けた内羽根車と、前記第１の回転体と前記第２の回転体とにそれぞれ固定されたロータ及び回転するステータとからなる発電機と、連動機構とを備え、前記連動機構は、前記共通回転軸と同軸上に配置されて回転が固定された太陽歯車と、前記一対の外回転羽根のなす角度が直角となるように前記外羽根車に回転自在に取り付けられて前記太陽歯車に１／２の減速比で噛み合う一対の外遊星歯車と、前記一対の内回転羽根のなす角度が直角となり前記外回転羽根とはＸ度ずれるように前記内羽根車に回転自在に取り付けられて前記太陽歯車に１／２の減速比で噛み合う一対の内遊星歯車とを有し、前記Ｘ度を、同一方向から流体の流れを受けた場合に前記外羽根車と前記内羽根車とを互いに反対方向に回転させる角度に設定した、ことによって上記課題を解決する。

本発明によれば、羽根車（外羽根車、内羽根車）の回転に応じて回転する一対の羽根（外回転羽根、内回転羽根）における流体の流れを受ける面積にアンバランスを生じさせて羽根（外回転羽根、内回転羽根）を回転させるようにし、この際、一対の外回転羽根と一対の内回転羽根との間にＸ度のずれ角を設定することで、同一方向から流体の流れを受けた場合に外羽根車と内羽根車とを互いに反対方向に回転させてロータとステータとの回転速度差を増大させることができ、したがって、羽根（外回転羽根、内回転羽根）それ自体に、流体の流れを受けて回転する形状上の特別な工夫を凝らす必要性をもたせることなく、平たい形状という単純な形状の羽根（外回転羽根、内回転羽根）を用いながら、羽根車（外羽根車、内羽根車）の回転速度に相応する以上の発電量を得ることができる。

実施の一形態を示す発電装置の縦断正面図。 連動機構を示す斜視図。 （ａ）は外羽根車における連動機構、（ｂ）は内羽根車における連動機構をそれぞれ示す平面図。 流体の流れの方向（流れ方向）に対する外羽根車の回転位置と、この回転位置によって変動する一対の外回転羽根の向きとを示す図で、（ａ）は流れ方向に対して一対の外回転羽根の回転中心を結ぶ直線が直交する状態、（ｂ）は（ａ）の状態から外羽根車が時計方向に４５度回転した状態、（ｃ）は（ｂ）の状態から外羽根車が更に時計方向に４５度回転した状態、（ｄ）は（ｃ）の状態から外羽根車が更に時計方向に４５度回転した状態をそれぞれ示す平面図。 流体の流れの方向（流れ方向）に対する内羽根車の回転位置と、この回転位置によって変動する一対の内回転羽根の向きとを示す図で、（ａ）は流れ方向に対して一対の内回転羽根の回転中心を結ぶ直線が直交する状態、（ｂ）は（ａ）の状態から内羽根車が反時計方向に４５度回転した状態、（ｃ）は（ｂ）の状態から内羽根車が更に反時計方向に４５度回転した状態、（ｄ）は（ｃ）の状態から内羽根車が更に反時計方向に４５度回転した状態をそれぞれ示す平面図。 別の実施の一形態を示す発電装置の縦断正面図。

自然エネルギー利用型の発電装置について、二つの実施の形態を紹介する。第１の実施の形態は、水の流れを利用して発電するのに特に適した一例であり、第２の実施の形態は、風の流れを利用して発電するのに特に適した一例である。つまり、第１の実施の形態は水力発電、第２の実施の形態は風力発電ということになる。以下、順に説明する。

≪第１の実施の形態≫
図１ないし図５に基づいて、第１の実施の形態を説明する。

図１に示すように、発電装置１は、下基部１１Ｌと上基部１１Ｕとの間に、共通回転軸ＡＸを中心に回転自在に取り付けられている。ここでいう共通回転軸ＡＸは、あくまでも概念的なものであり、具体的な機械要素を指し示すものではない。発電装置１は、一対の外回転羽根２１を第１の回転体２２に取り付けた外羽根車２３と、一対の内回転羽根３１を第２の回転体３２に取り付けた内羽根車３３とを備え、外羽根車２３と内羽根車３３とを連動機構５１で連結している。発電装置１は、また、回転するステータＳを第１の回転体２２に固定し、ロータＲを第２の回転体３２に固定し、発電機４１を構成している。以下、各部をもう少し詳しく述べる。

外羽根車２３について説明する。外羽根車２３の第１の回転体２２は、第１の下フレーム２２Ｌと第１の上フレーム２２Ｕとを連結体（図示せず）で連結して一体的に形成したものである。第１の下フレーム２２Ｌは、下基部１１Ｌに固定された太陽歯車２４（後述）の支軸に軸受Ｂを介して回転自在に保持されている。第１の上フレーム２２Ｕは、上基部１１Ｕに軸受Ｂを介して回転自在に保持されている。一対の外回転羽根２１は、平たい形状、より詳しくは、表裏面が共に平坦な平板形状に形成された部分を主体に形成されており、その上下端を丸棒形状に形成している。外回転羽根２１の丸棒形状に形成された上下端は、外回転羽根２１の回転軸をなし、第１の下フレーム２２Ｌと第１の上フレーム２２Ｕとに軸受（図示せず）を介して回転自在に取り付けられている。

内羽根車３３について説明する。内羽根車３３の第２の回転体３２は、第２の下フレーム３２Ｌと第２の上フレーム３２Ｕとを一体に形成したものである。第２の下フレーム３２Ｌは、下基部１１Ｌに固定された太陽歯車２４（後述）の上面に軸受Ｂを介して回転自在に保持されている。第２の上フレーム３２Ｕは、第１の上フレーム２２Ｕに軸受Ｂを介して回転自在に保持されている。一対の内回転羽根３１は、平たい形状、より詳しくは、表裏面が共に平坦な平板形状に形成された部分を主体に形成されており、その上下端を丸棒形状に形成している。内回転羽根３１の丸棒形状に形成された上下端は、内回転羽根３１の回転軸をなし、第２の下フレーム３２Ｌと第２の上フレーム３２Ｕとに軸受（図示せず）を介して回転自在に取り付けられている。

外羽根車２３における各部と内羽根車３３における各部との配置関係を説明する。外羽根車２３と内羽根車３３とは、共に、下基部１１Ｌに固定された太陽歯車２４（後述）の中心軸と一致する共通回転軸ＡＸを回転中心としている。このような共通回転軸ＡＸに対して、外羽根車２３が備える一対の外回転羽根２１の回転中心と、内羽根車３３が備える内回転羽根３１の回転中心とは、共に平行状態を維持する。したがって、一対の外回転羽根２１と一対の内回転羽根３１とは、共通回転軸ＡＸと平行な軸周りに回転することになる。これらの外回転羽根２１及び内回転羽根３１は、図１にも示されているように、それぞれの対が共通回転軸ＡＸを挟んで対面する位置に位置付けられ、内回転羽根３１の方が外回転羽根２１よりも共通回転軸ＡＸに寄った位置に配置されている。このような配置位置からして、第１の回転体２２が回転した場合に一対の外回転羽根２１が描く移動軌跡円の内側に、第２の回転体３２が回転した場合に一対の内回転羽根３１が描く移動軌跡円が位置付けられることになる。

発電機４１について説明する。外羽根車２３が備える第１の回転体２２は、その上部に発電機４１を収納するための空間を形成し、この空間内に発電機４１のロータＲとステータＳとを収めている。ステータＳは、第１の回転体２２が形成する空間内の内壁に固定され、ロータＲは、第２の回転体３２が共通回転軸ＡＸ上に有する部分に固定されている。したがって、第１の回転体２２が回転することによってステータＳが共通回転軸ＡＸを中心に回転し、第２の回転体３２が回転することによってロータＲが共通回転軸ＡＸを中心に回転する。

図２は、連動機構５１を示す斜視図である。連動機構５１は、遊星歯車機構によって形成されている。この遊星歯車機構は、太陽歯車２４の回転を固定し、この太陽歯車２４に、外羽根車２３の側の外遊星歯車２５及び２６と、内羽根車３３の側の内遊星歯車３５及び３６とを噛み合わせている。

外遊星歯車２５は、第１の下フレーム２２Ｌの上面側に軸受（図示せず）を介して回転自在に取り付けられ、外遊星歯車２６は、同様に第１の下フレーム２２Ｌに軸受（図示せず）を介して回転自在に取り付けられた外回転羽根２１の丸棒形状をした部分に固定されている。したがって、外遊星歯車２５及び２６は、外遊星歯車２５をアイドルギアとする遊星歯車列をなしている。

内遊星歯車３５は、第２の下フレーム３２Ｌの下面側に軸受（図示せず）を介して回転自在に取り付けられ、内遊星歯車３６は、同様に第２の下フレーム３２Ｌに軸受（図示せず）を介して回転自在に取り付けられた内回転羽根３１の丸棒形状をした部分に固定されている。したがって、内遊星歯車３５及び３６は、内遊星歯車３５をアイドルギアとする遊星歯車列をなしている。

図３（ａ）は、外羽根車２３における連動機構５１を示す平面図である。図３（ａ）からは、次のことが分かる。

（１）同一直線上の配列
一対の外遊星歯車２５及び２６と太陽歯車２４とは、それぞれの回転中心が一直線上に並べられている。したがって、一対の外回転羽根２１のそれぞれの回転中心と共通回転軸ＡＸとは、同一直線上に配列されていることになる。この配列関係は、先に説明した、外回転羽根２１のそれぞれの対が共通回転軸ＡＸを挟んで対面する位置に位置付けられているという位置関係を、より一層技術的に限定することになる。

（２）軸間距離
一対の外遊星歯車２６のそれぞれの回転中心から太陽歯車２４の軸心までの間の距離は、それぞれ等しくなっている。したがって、一対の外回転羽根２１のそれぞれの回転中心から共通回転軸ＡＸの軸心までの距離も、それぞれ等しく設定されている。

（３）羽根の角度関係
一方の外回転羽根２１ともう一方の外回転羽根２１とのなす角度は、直角となるように設定されている。外羽根車２３の第１の回転体２２（図１参照）が回転することに伴い一対の外回転羽根２１が回転するわけであるが、第１の回転体２２の回転位置がどこにあろうと、一対の外回転羽根２１がなす直角という角度関係は変わることがない。一対の外遊星歯車２５及び２６は、それぞれ同一のギア比となっているからである。

（４）各歯車のギア比
一対の外遊星歯車２５及び２６は、太陽歯車２４に１／２の減速比で噛み合っている。したがって、外羽根車２３の第１の回転体２２（図１参照）が１８０度回転すると、一対の外回転羽根２１はそれぞれ９０度回転することになる。

図３（ｂ）は、内羽根車３３における連動機構５１を示す平面図である。図３（ｂ）からは、次のことが分かる。

（１）同一直線上の配列
一対の内遊星歯車３５及び３６と太陽歯車２４とは、それぞれの回転中心が一直線上に並べられている。したがって、一対の内回転羽根３１のそれぞれの回転中心と共通回転軸ＡＸとは、同一直線上に配列されていることになる。この配列関係は、先に説明した、内回転羽根３１のそれぞれの対が共通回転軸ＡＸを挟んで対面する位置に位置付けられているという位置関係を、より一層技術的に限定することになる。

（２）軸間距離
一対の内遊星歯車３６のそれぞれの回転中心から太陽歯車２４の軸心までの間の距離は、それぞれ等しくなっている。したがって、一対の内回転羽根３１のそれぞれの回転中心から共通回転軸ＡＸの軸心までの距離は、それぞれ等しく設定されている。

（３）羽根の角度関係
一方の内回転羽根３１ともう一方の内回転羽根３１とのなす角度は、直角となるように設定されている。内羽根車３３の第２の回転体３２（図１参照）が回転することに伴い一対の内回転羽根３１が回転するわけであるが、第２の回転体３２の回転位置がどこにあろうと、一対の内回転羽根３１がなす直角という角度関係は変わることがない。一対の内遊星歯車３５及び３６は、それぞれ同一のギア比となっているからである。

以上は、一対の内回転羽根３１同士の角度関係である。これに対して、一対の内回転羽根３１は、一対の外回転羽根２１に対して、Ｘ度、本実施の形態では９０度ずれた角度関係をなしている。例えば、図３中、右側に位置する外回転羽根２１は水平方向を向いているのに対して（図３（ａ）参照）、同じく右側に位置する内回転羽根３１は垂直方向を向いている（図３（ｂ）参照）。反対に、図３中、左側に位置する外回転羽根２１は垂直方向を向いているのに対して（図３（ａ）参照）、同じく左側に位置する内回転羽根３１は水平方向を向いている（図３（ｂ）参照）。

ここで、外回転羽根２１と内回転羽根３１との間のＸ度（本実施の形態では９０度）というずれ角について理解を深める。本実施の形態の外羽根車２３及び内羽根車３３は、それらの回転に応じて回転する一対の羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）において、水の流れを受ける面積にアンバランスを生ずるが故に、回転することができる。例えば、図３の紙面上、上方から水が流れて来ると仮定すると、外羽根車２３では、右側の外回転羽根２１の方が左側の外回転羽根２１よりも水の流れを受ける面積が大きい。このため、外羽根車２３は、時計方向に回転することになる。これに対して、内回転羽根３１では、左側の内回転羽根３１の方が右側の内回転羽根３１よりも水の流れを受ける面積が大きい。このため、内羽根車３３は、反時計方向に回転することになる。こうして、外羽根車２３と内羽根車３３とを互いに反対方向に回転させる原理が、外回転羽根２１と内回転羽根３１との間のＸ度のずれ角である。では、Ｘ度がどの程度の範囲であれば、外羽根車２３と内羽根車３３とを互いに反対方向に回転させることができるのか。本実施の形態の各部の配列状態からすると、その許容範囲は、理論上、４５度より大きく１８０度より小さな角度であると云える。もっとも、４５度より大きく１８０度より小さな角度がＸ度であるというのは、あくまでも各部の配列状態に依存するので、絶対的な角度範囲とは云いがたい。重要なことは、外回転羽根２１と内回転羽根３１との間に適当なＸ度のずれ角を設定すれば、外羽根車２３と内羽根車３３とを互いに反対方向に回転させることができるということである。

（４）各歯車のギア比
一対の内遊星歯車３５及び３６は、太陽歯車２４に１／２の減速比で噛み合っている。したがって、内羽根車３３の第２の回転体３２（図１参照）が１８０度回転すると、一対の内回転羽根３１はそれぞれ９０度回転することになる。

このような構成において、本実施の形態の発電装置１は、流れの方向が予め決められている流体、例えば水路に設置されて使用される。水の流れの中に置かれた発電装置１は、水の流れをエネルギー源として外羽根車２３と内羽根車３３とを互いに逆方向に回転させ、これに応じてロータＲとステータＳとを互いに逆方向に回転させ、その回転速度差によって充分な発電量を生じさせる。この時の外羽根車２３と内羽根車３３との動作状態を、図４及び図５に基づいて説明する。

図４は、水の流れの方向（以下、「流れ方向」と呼ぶ）に対する外羽根車２３の回転位置と、この回転位置によって変動する一対の外回転羽根２１の向きとを示す平面図である。まず、図４（ａ）は、白抜き矢印ＦＬで示す流れ方向に対して、一対の外回転羽根２１の回転中心を結ぶ直線が直交する状態を示している。この状態は、図１に示す状態と同一である。説明の便宜上、一対の外回転羽根２１の回転中心を結ぶ直線（図４中、一転鎖線で示す）に対して、外羽根車２３の回転角度をθＲとし、一対の外回転羽根２１の回転角度をθＯＷとする。図４（ａ）に示す状態では、
外羽根車２３の回転角度 θＲ ＝ ０°
右側の外回転羽根２１の回転角度θＯＷ＝ ０°
左側の外回転羽根２１の回転角度θＯＷ＝ ９０°
となっている。ここで、無用の混乱を避けるために、図４（ｂ）〜（ｃ）においても、図４（ａ）に示す状態で右側に位置していた外回転羽根２１を「右側の外回転羽根２１」、左側に位置していた外回転羽根２１を「左側の外回転羽根２１」と呼ぶ。

図４（ａ）に示す状態で、図４の紙面上方から水が流れてくると（流れ方向を白抜き矢印ＦＬで示す）、左右の外回転羽根２１において水の流れを受ける面積（以下、「水受け面積」と呼ぶ）にアンバランスを生じているので、水受け面積がより広い右側の外回転羽根２１が水の流れに押され、外羽根車２３が時計方向に回転する。

図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態から、外羽根車２３が時計方向に４５度回転した状態を示している。この時、
外羽根車２３の回転角度 θＲ ＝ ４５°
右側の外回転羽根２１の回転角度θＯＷ＝ ２２．５°
左側の外回転羽根２１の回転角度θＯＷ＝１１２．５°
となる。この状態でも、水受け面積がより広い右側の外回転羽根２１が水の流れに押され、外羽根車２３が時計方向に回転を続ける。

図４（ｃ）は、図４（ｂ）の状態から、外羽根車２３が時計方向に更に４５度回転した状態を示している。この時、
外羽根車２３の回転角度 θＲ ＝ ９０°
右側の外回転羽根２１の回転角度θＯＷ＝ ９０°
左側の外回転羽根２１の回転角度θＯＷ＝１３５°
となる。この状態では、左右の外回転羽根２１における水受け面積が均衡するが、左右の外回転羽根２１が共に、水の流れの反作用で時計方向に回転する力を受けるため、外羽根車２３は時計方向に回転を続ける。

図４（ｄ）は、図４（ｃ）の状態から、外羽根車２３が時計方向に更に４５度回転した状態を示している。この時、
外羽根車２３の回転角度 θＲ ＝１３５°
右側の外回転羽根２１の回転角度θＯＷ＝ ６７．５°
左側の外回転羽根２１の回転角度θＯＷ＝１５７．５°
となる。この状態では、図４（ａ）で左側であった外回転羽根２１の方が右側であった外回転羽根２１よりも水受け面積が広くなるため、外羽根車２３が更に時計方向に回転を続ける。

その後、外羽根車２３が時計方向に更に４５度回転すると、
外羽根車２３の回転角度 θＲ ＝１８０°
右側の外回転羽根２１の回転角度θＯＷ＝ ９０°
左側の外回転羽根２１の回転角度θＯＷ＝１８０°
となる。つまり、右側の外回転羽根２１と左側の外回転羽根２１とは、左右が入れ替わって図４（ａ）の状態に戻る。こうして、外羽根車２３が１８０度回転すると、一対の外回転羽根２１はそれぞれ９０度回転することになる。

図５は、水の流れの方向（以下、「流れ方向」と呼ぶ）に対する内羽根車３３の回転位置と、この回転位置によって変動する一対の内回転羽根３１の向きとを示す平面図である。まず、図５（ａ）は、白抜き矢印ＦＬで示す流れ方向に対して、一対の内回転羽根３１の回転中心を結ぶ直線が直交する状態を示している。この状態は、図１に示す状態と同一である。説明の便宜上、一対の内回転羽根３１の回転中心を結ぶ直線（図５中、一点鎖線で示す）に対して、内羽根車３３の回転角度をθＲとし、一対の内回転羽根３１の回転角度をθＩＷとする。図５（ａ）に示す状態では、
内羽根車３３の回転角度 θＲ ＝ ０°
右側の内回転羽根３１の回転角度θＩＷ＝ ９０°
左側の内回転羽根３１の回転角度θＩＷ＝ ０°
となっている。ここで、無用の混乱を避けるために、図５（ｂ）〜（ｃ）においても、図５（ａ）に示す状態で右側に位置していた内回転羽根３１を「右側の内回転羽根３１」、左側に位置していた内回転羽根３１を「左側の内回転羽根３１」と呼ぶ。

図５（ａ）に示す状態で、図５の紙面上方から水が流れてくると（流れ方向を白抜き矢印ＦＬで示す）、左右の内回転羽根３１において水の流れを受ける面積（以下、「水受け面積」と呼ぶ）にアンバランスを生じているので、水受け面積がより広い左側の内回転羽根３１が水の流れに押され、内羽根車３３が反時計方向に回転する。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の状態から、内羽根車３３が反時計方向に４５度回転した状態を示している。この時、
内羽根車３３の回転角度 θＲ ＝ ４５°
右側の内回転羽根３１の回転角度θＩＷ＝１１２．５°
左側の内回転羽根３１の回転角度θＩＷ＝ ２２．５°
となる。この状態でも、水受け面積がより広い左側の内回転羽根３１が水の流れに押され、内羽根車３３が反時計方向に回転を続ける。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）の状態から、内羽根車３３が反時計方向に更に４５度回転した状態を示している。この時、
内羽根車３３の回転角度 θＲ ＝ ９０°
右側の内回転羽根３１の回転角度θＩＷ＝１３５°
左側の内回転羽根３１の回転角度θＩＷ＝ ９０°
となる。この状態では、左右の内回転羽根３１における水受け面積が均衡するが、左右の内回転羽根３１が共に、水の流れの反作用で反時計方向に回転する力を受けるため、内羽根車３３は反時計方向に回転を続ける。

図５（ｄ）は、図５（ｃ）の状態から、内羽根車３３が反時計方向に更に４５度回転した状態を示している。この時、
内羽根車３３の回転角度 θＲ ＝１３５°
右側の内回転羽根３１の回転角度θＩＷ＝１５７．５°
左側の内回転羽根３１の回転角度θＩＷ＝ ６７．５°
となる。この状態では、図５（ａ）で右側であった内回転羽根３１の方が左側であった内回転羽根３１よりも水受け面積が広くなるため、内羽根車３３が更に反時計方向に回転を続ける。

その後、内羽根車３３が反時計方向に更に４５度回転すると、
内羽根車３３の回転角度 θＲ ＝１８０°
右側の内回転羽根３１の回転角度θＩＷ＝１８０°
左側の内回転羽根３１の回転角度θＩＷ＝ ９０°
となる。つまり、右側の内回転羽根３１と左側の内回転羽根３１とは、左右が入れ替わって図５（ａ）の状態に戻る。こうして、内羽根車３３が１８０度回転すると、一対の内回転羽根３１はそれぞれ９０度回転することになる。

以上説明したように、流れの方向が予め決められている水の流れの中に発電装置１が置かれると、水の流れをエネルギー源として、外羽根車２３と内羽根車３３とは互いに逆方向に回転する。これは、一対の外回転羽根２１と一対の内回転羽根３１とが、９０度ずれた角度関係をなしているからである。その結果、外羽根車２３の第１の回転体２２に固定されたステータＳと、内羽根車３３の第２の回転体３２に固定されたロータＲとが互いに逆方向に回転し、ステータＳとロータＲとの間の相対的な回転速度差が増大する。これにより、ステータＳを固定してロータＲのみを回転させた場合と比較するならば、発電機４１が発電する発電量を格段に増やすことが可能となる。

しかも、本実施の形態の発電装置１では、羽根車（外羽根車２３、内羽根車３３）の回転に応じて回転する一対の羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）における水受け面積にアンバランスを生じさせて羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）を回転させるようにしている。このような構造上、羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）それ自体に、水の流れを受けて回転する形状上の特別な工夫を凝らす必要性をなくすことができる。その結果、本実施の形態のように、平たい形状、より詳しくは、表裏面が共に平坦な平板形状という単純な形状の羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）を用いながら、羽根車（外羽根車２３、内羽根車３３）の回転速度に相応する以上の発電量を発生させることができる。ということはつまり、羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）の設計や製造の容易化を図ることができるわけである。

その他、本実施の形態の発電装置１は、外羽根車２３と内羽根車３３とを効率よく回転させることができる。これを実現しているのは、外羽根車２３と内羽根車３３との回転バランスを上手くとっている構造である。では、どうやって回転バランスを上手くとっているかというと、上記の
（１）同一直線上の配列
（２）軸間距離
を採用していることによる。（１）は、一対の羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）の回転中心と共通回転軸ＡＸとを同一直線上に配列するという構造である。図３を参照されたい。（２）は、一対の羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）のそれぞれの回転中心から共通回転軸ＡＸの軸心までの距離をそれぞれ等しく設定するという構造である。これまた図３を参照されたい。これらの（１）及び（２）の構造を採用することで、外羽根車２３と内羽根車３３とは、それらの回転に伴い羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）が回転するにもかかわらず、極力重心移動が少ない高い回転バランスを保って回転することができる。その結果、本実施の形態の発電装置１は、水の流れという自然エネルギーを極力損失少なく発電機４１で電気エネルギーに変換することができる。

更に、本実施の形態の発電装置１は、遊星歯車（外遊星歯車２５及び２６、内遊星歯車３５及び３６）を、二枚の歯車を含む遊星歯車列によって構成している。これにより、発電機４１の上記
（４）各歯車のギア比
を、容易に実現することができる。つまり、遊星歯車（外遊星歯車２５及び２６、内遊星歯車３５及び３６）は、太陽歯車２４に１／２の減速比で噛み合わせる必要があるわけであるが、遊星歯車列を用いることによって、このような減速比を容易に実現できるわけである。しかも、本実施の形態の発電装置１にとって、上記減速比が必須であるところ、遊星歯車列を用いれば、そのような減速比をより小型の歯車列によって実現でき、装置全体の小型化にも寄与することになる。

≪第２の実施の形態≫
図６に基づいて、第２の実施の形態を説明する。第１の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。

第１の実施の形態の発電装置１は、流れの方向が予め決められている水の流れの中に設置されて使用されるのに特に適している。この意味で、前述したとおり、水の流れを利用して発電するのに特に適した一例であると云える。これに対して、本実施の形態の発電装置１は、前述したとおり、風の流れを利用して発電するのに特に適した一例である。風の流れは、人為的に揃えない限り、方向性が定まらない。本実施の形態の発電装置１は、このように吹く方向が定まっていない風の流れを上手く利用できるように、特に設計されたものである。以下、詳細を説明する。

図６に示すように、本実施の形態の発電装置１は、第１の実施の形態の発電装置１を転地反転させたものとなっている。これにより、第１の実施の形態の発電装置１では上基部１１Ｕに連結されて保持されていた第１の回転体２２の第１の上フレーム２２Ｕは、下基部１１Ｌの側に連結されて保持されることになる。また、第１の実施の形態の発電装置１では下基部１１Ｌに固定されていた太陽歯車２４の支軸は、回転フリーな状態となっている。こうして回転フリーとなった太陽歯車２４の支軸には、風見鶏６１が固定されている。風見鶏６１は、その先端の鋭利な部分（図６中の左側）を風上に向け、尻尾の部分（図６中の右側）を風下に向ける。

このような構成において、本実施の形態の発電装置１は、風が吹く方向に合わせて風見鶏６１が回転し、その回転位置を定める。ということは、風見鶏６１と一体的である太陽歯車２４も風見鶏６１と共に回転してその回転位置を定める。この位置で、発電装置１は、第１の実施の形態と同じ動作をし、発電機４１にて発電を行なう。発電の仕組みや作用効果については、第１の実施の形態の発電装置１と同一なので、繰り返しの説明を避ける。

≪変形例≫
上記二つの実施の形態の発電装置１については、各種の変形や変更が許容される。そこで、ここでは、許容される変形や変更の幾つかを例示する。

まず、外回転羽根２１及び内回転羽根３１の形状として、平たい形状、より詳しくは、表裏面が共に平坦な平板形状であることを例示した。この形状は、羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）の設計や製造を容易にする上で、重要な役割を担っている。その反面、発電装置１は、そのような平たい形状の羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）の使用を強要するわけではなく、実施に際しては、羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）により複雑な形状をもたせるようにしても差し支えない。

次いで、発電装置１の羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）にとって重要なことは、一対の羽根（外回転羽根２１、内回転羽根３１）のそれぞれの対が共通回転軸ＡＸを挟んで対面する位置に位置付けられているということである。上記した
（１）同一直線上の配列
（２）軸間距離
で説明した構成は、必須の構成というわけではない。したがって、実施に際しては、これらの（１）及び（２）で説明した構成を採用しなくてもよい。

更に、上記二つの実施の形態では、連動機構５１の遊星歯車として、二つの歯車からなる遊星歯車列（外遊星歯車２５及び２６、内遊星歯車３５及び３６）採用した。これに対して、遊星歯車列に用いる遊星歯車の数は二つに限らず、三つ以上でもよい。また、遊星歯車列を用いず、単一の遊星歯車のみを用いるようにしてもよい。

２１ 外回転羽根
２２ 第１の回転体
２３ 外羽根車
２４ 太陽歯車
２５ 外遊星歯車
２６ 外遊星歯車
３１ 内回転羽根
３２ 第２の回転体
３３ 内羽根車
３５ 内遊星歯車
３６ 内遊星歯車
４１ 発電機
Ｒ ロータ
Ｓ ステータ

Claims (9)

1. 共通回転軸を中心に回転自在な第１の回転体に、平たい形状の一対の外回転羽根を、前記共通回転軸を挟んで対面する位置に位置させて、当該共通回転軸と平行な軸周りに回転自在に取り付けた外羽根車と、
   前記共通回転軸を中心に回転自在な第２の回転体に、平たい形状の一対の内回転羽根を、前記外回転羽根よりも前記共通回転軸に寄った位置であって当該共通回転軸を挟んで対面する位置に位置させて、当該共通回転軸と平行な軸周りに回転自在に取り付けた内羽根車と、
   前記第１の回転体と前記第２の回転体とにそれぞれ固定されたロータ及び回転するステータからなる発電機と、
   前記共通回転軸と同軸上に配置されて回転が固定された太陽歯車と、前記一対の外回転羽根のなす角度が直角となるように前記外羽根車に回転自在に取り付けられて前記太陽歯車に１／２の減速比で噛み合う一対の外遊星歯車と、前記一対の内回転羽根のなす角度が直角となり前記外回転羽根とはＸ度ずれるように前記内羽根車に回転自在に取り付けられて前記太陽歯車に１／２の減速比で噛み合う一対の内遊星歯車とを有し、前記Ｘ度を、同一方向から流体の流れを受けた場合に前記外羽根車と前記内羽根車とを互いに反対方向に回転させる角度に設定した連動機構と、
   を備えることを特徴とする自然エネルギー利用型の発電装置。
2. 前記外回転羽根及び前記内回転羽根は、表裏面が共に平坦な平板形状に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の自然エネルギー利用型の発電装置。
3. 前記一対の外回転羽根のそれぞれの回転中心と前記共通回転軸の軸心とは、同一直線上に配列されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の自然エネルギー利用型の発電装置。
4. 前記一対の外回転羽根のそれぞれの回転中心から前記共通回転軸の軸心までの距離は、それぞれ等しく設定されている、ことを特徴とする請求項３に記載の自然エネルギー利用型の発電装置。
5. 前記一対の内回転羽根のそれぞれの回転中心と前記共通回転軸の軸心とは、同一直線上に配列されている、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一に記載の自然エネルギー利用型の発電装置。
6. 前記一対の内回転羽根のそれぞれの回転中心から前記共通回転軸の軸心までの距離は、それぞれ等しく設定されている、ことを特徴とする請求項５に記載の自然エネルギー利用型の発電装置。
7. 前記一対の外遊星歯車のそれぞれは、少なくとも二枚の歯車を含む遊星歯車列によって形成されている、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一に記載の自然エネルギー利用型の発電装置。
8. 前記一対の内遊星歯車のそれぞれは、少なくとも二枚の歯車を含む遊星歯車列によって形成されている、ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一に記載の自然エネルギー利用型の発電装置。
9. 前記太陽歯車を回転自在としてその回転軸に当該回転軸を回転中心とする風見鶏を固定し、風向きに応じて回転位置を定める前記風見鶏によって前記太陽歯車の回転を固定するようにした、ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一に記載の自然エネルギー利用型の発電装置。

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