JP5725575B2

JP5725575B2 - ブースター機能つき羽根車

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Inventors: 石津　雅勇; 雅勇石津
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Description

本願発明は、クロスフロー型羽根車に内側羽根車を併設し、内側羽根車がクロスフロー型羽根車の回転速度よりも早い回転速度で回転し、逆流領域にある鉛直軸式クロスフロー型羽根車の湾曲型羽根に流体力をブーストし、逆流領域にある湾曲型羽根からも回転エネルギの抽出を可能にした機構を提供する。

渓流や農業用水路等の開水路において、低落差・低水位の流水エネルギーを効果的に利用する手段として、水車構造が簡易で設置や維持管理が容易なクロスフロー型水車発電機の採用が行はれている。
しかしながら、クロスフロー型水車の場合、水車羽根への逆流領域で大きな逆流抵抗を受けるため振動の発生や回転が困難となり、クロスフロー型水車に不可欠な逆流領域カバーや水車に流入する流量と水車の回転速度の同期調整機構等、精密導流装置が必要であり、これらの課題を解決することが求められていた。

例えば、非特許文献1に示すように水車全体を水没させる場合、羽根車への逆流領域での大きな逆流抵抗を受けるため、逆流領域での羽根が受ける逆流を、搖動羽が流れに対し平行に搖動し自動的に逆流を逃がし、振角に応じて復元力が生じるように、羽根軸と水車フランジとの間に引っ張りバネを取り付けた、非特許文献1の1章4頁の図―1及び写真―１のような搖動羽車を開発した従来の技術がある。
（非特許文献1）（1章３頁）

また、非特許文献1に示されている水車は、クロスフロー水車に不可欠な導流管やガイドベーン及び流出部に落差工を設けないで、水車の導水口に堰や水寄せ板を設けて圧力水頭を上げ、水車内を貫流する水位の落差を活用して水車内の流水を加速させ出力効率の増加を図っている技術がある。
（非特許文献1）（3章２７頁）

また、特許文献１に示す技術は、効率よく流体を回転翼に送り込むためには、一対の回転翼間に至る仕切りと案内部１４を設けて水寄せし、導水効果を計っているものや前記非特許文献1の3章２７頁で記載のように、水車の導水口に堰や水寄せ板を設けて圧力水頭を上げる事で出力効率の増加を図っている技術がある。

特開２０１１−１１７３１４号公報（第７ページ）

国土技術政策総合研究所資料第３２８号流水エネルギー活用に関する調査報告書（第１章３頁、第３章２７頁）小原歯車工業株式会社ＫＨＫＳＴＯＣＫＧＥＡＲＳ３００６ vol.8 （平成６年８月２０日改訂８版Ｐ２９４〜２９５）

解決しようとする問題点は、前述の非特許文献1、（１章参照２７頁）の機構によれば、逆流領域での羽根車が受ける逆流抵抗を搖動羽が流れに対し平行に搖動し、逆流を逃がし自動的に張りバネによって復元する機構を用い、ガイドベーンや同期機構等の省略を図っている、然し乍ら、搖動水車に流入する流水が、渦や、不連続な脈流が流入する場合及び、搖動水車の出力負荷が短周期で急激に変動した場合、羽根の仰角が流体力や翼後渦に応じて変動し、羽軸と水車フランジ部との間に設けた張りバネの強度が非自動の場合、前記羽根の仰角変動や過渡現象に対応できず、羽根の仰角が不連続に脈動し、この不連続に脈動した流体力が増幅され羽根車の回転が不規則な回転斑を生じ振動破損を引き起こすことがある、この現象に対応するには、引っ張りバネの強度や水車の公転位置と搖動羽に対する流体力を、自動制御する必要があり実用化には課題がある。

また、国総研資料1の3章２７ページに示されている水車は、縮流導水装置として、水車の導水口に堰や水寄せ板を設けて水位を上げ、鉛直軸型クロスフロー水車内を貫流する水位の落差を活用して水車内の流水を加速させ、出力効率の増加を図っている。
しかしながら、水車の導水口に水寄せ板や堰を設けて水位を上げて水車入り口と排水口の水位の落差を活用し、水車内の流水を加速させて出力効率の増加を図ることは、鉛直軸型クロスフロー水車の場合、水車内を貫流した多量の流水が、排水口近傍の水車羽根に再度流体力を作用させて効率を上げるのが特質で、国総研資料1の3章記載の水車は、水車羽根が水車の軸方向に平行して延在して設けているため、排水口近傍の水車羽根に作用する流水は、水車羽根に沿って勾配をつけ斜めに降下排水し、水車入り口と排水口の水位の落差を大きくすればする程、水車羽根に作用する流体力が減少し、回転方向に十分作用せず、特に水車羽の回転数が低下するに従い、自由水面流からの流れが羽根車を貫流す際に水位が急激に低下し、水車羽根に作用する流体力が弱くなる。
したがって、落差による出力効率の増加を図る効果と、クロスフロー水車の特質と相反する矛盾が生じるという課題がある。
（非特許文献1）（3章参照２７〜２８頁）

また、特許文献１に開示されている発明は、効率よく流体を回転翼に送り込むためには、一対の回転翼間に至る仕切りと案内部１４を設けて水寄せし導水効果を計っているが、ケーシング１２の流体案内部１４の流体の流れ込む側の相反する側の溜り部分Ｚに水が存在すると回転翼の回転に抗力負荷がかかるという、問題を提起されその解決を図っているが不合理のために課題がのこる。

上記課題を解決するため請求項１に記載した本願発明を、図１と２を示して詳述する。
回転出力軸１５に嵌設した円錐状のボス１に、ブースト羽根２を複数個周設し、前記「円錐状のボスと一体的に固設した内側羽根車３」に、「複数個の湾曲型羽根４を周設した外側羽根車６」を、変速動力伝動装置７を介在して、前記外側羽根車６が有する軸受部５を、内側羽根車３に突設した回転出力軸１５に軸着し、羽根車群１０を構設する。
また、内側羽根車３の外周縁８と外側羽根車６に周設した湾曲型羽根４の内周縁１７を一定間隔をあけ、その区画を貫流路９として画成する。

請求項２記載の本願発明を、図２〜４と７を示して詳述する。
前記羽根車群１０を活用した、可搬式鉛直軸型クロスフロー水力発電装置７４（以下発電装置７４と略称する場合がある。）を、流が生じている水中に水没させて用い、前記発電装置７４が有するケーシング６１の羽根車部１９に設けた流入口２０から流入する順流水２１が、前記羽根車部１９に内設した羽根車群１０の内側羽根車３と外側羽根車６を回転駆動し、前記内側羽根車３と外側羽根車６は、前記変速動力伝動装置７の手段によって相間関係で互に連係して回転作動し、内側羽根車３は外側羽根車６の回転速度より高速で同一方向に回転し、前記内側羽根車３に突設した回転出力軸１５を、前記羽根車部１９の蓋板３３に設けた主軸受け部２８で回転自在に貫通軸支し、前記貫通した回転出力軸１５を、架構部６３が有する電動発電機７１に伝動し駆動する。

前記羽根車群１０の作動によって羽根車群１０内を貫流する流水の変化を図３を示して詳述する。
前記羽根車部１９に内設した羽根車群１０は、ブースト羽根２を有する内側羽根車３と、湾曲型羽根４を有する外側羽根車６と、変速動力伝動装置７で構成し、羽根車部１９の流水入り口２０から流入した順流水２１が、前記湾曲型羽根４とブースト羽根２に、流体力を作用し、羽根の抵抗を受けて流速を減衰しながら溢水分流１２し、貫流路９を翼後渦１３や乱流を含んだ貫流水１１として貫流し、前記貫流水１１は、前記貫流路９を貫流する過程で内側羽根車３に固設したブースト羽根２と円錐状のボス１の回転手段によって、翼後渦１３や乱流を含んだ貫流水１１をボスの頂点方向２３に掻き揚げ合成整流しながら排出開口部１４近傍の射流を防ぎ、且つ排出開口部１４近傍に設けている軸方向に平行して延在した湾曲型羽根４の背面２４上部に再度流体力を作用させ、湾曲型羽根４の羽と羽の間を強制的に射出して排水４９し、前記湾曲型羽根４の回転数が低下した場合においても、羽根車群内を貫流する貫流水１１は、排出開口部１４近傍で射流することなく、排水開口部１４から強制的に排水４９して羽根車部１９内の流速を加速し、出力効率の増加を図ることが出来る、したがって非特許文献1、の落差効果とクロスフロー水車の特質と相反する矛盾を解消する最も主要な特徴とする。

前記強制排水について図３を示して詳述する。
外側羽根車６に固設した湾曲型羽根４（以下、単に湾曲型羽根４と略称する場合がある。）の周速は、羽根車部１９の流水入り口２０から流入する順流水２１の流速に順応して回転し、前記順流水２１の流速が速い場合は湾曲型羽根４の回転速度が高速状態になり、前記湾曲型羽根４に流体力が作用した順流水２１は羽根の抵抗を受け、流速を減衰しながら射流して湾曲型羽根４の背面２４に沿って排水する。
また前記順流水２１の流速が遅い場合は湾曲型羽根４の回転速度が低速状態になり、回転数が低下するに従い順流水２１の羽根に作用する流体力が低下し、羽根車群１０内部の中央部を貫流しながら、急激に水面勾配を下げ、順流水２１に対する羽根の抵抗を減衰しながら排出開口部１４近傍の湾曲型羽根４の背面２４に沿って排水４９する、したがって、湾曲型羽根４の回転速度が高速又は低速、いずれの場合においても、排水近傍の軸方向に平行して延在した湾曲型羽根４には十分に流体力が作用せずクロスフロー水車の特質が生かせない。

そこで、湾曲型羽根４の回転速度が低速または高速に拘らず、排出開口部１４から貫流水１１を強制的に排水する手段として、内側羽根車３に固着したボスの形状を頂点方向に傾斜縮小２３し、内側羽根車３の回転速度が外側羽根車６の回転速度より高速で同一方向に回転する変速動力伝動装置７の手段を駆使し、前記貫流水１１を、ボス１の頂点方向に掻き揚げ、遠心力を伴って流水を加速し、かつ排出開口部１４近傍の射流を防ぎ、排出開口部１４近傍の、前記順流水２１の流速に順応して回転する湾曲型羽根４の周速をはるかに越える流速で「軸方向に平行して延在した湾曲型羽根４」の羽と羽との間を、湾曲型羽根４の上部方向に射出排水し、湾曲型羽根４の回転トルクに寄与しない排水で「湾曲型羽根４から受ける余分な乱流水抵抗」の影響を軽減し、湾曲型羽根４の回転が高速又は低速に拘わらず、効率良く強制的に排水するため、落差に頼らず羽根車群１０内の流水を加速させ、出力効率の増加を図ることが出来、非特許文献1、の落差効果とクロスフロー水車の特質と相反する矛盾を解消する最も主要な特徴とする。

前記、内側羽根車３の回転が湾曲型羽根４の周速をはるかに越える値で回転する設定手段は、図２と７に示すように、変速動力伝動装置７の遊星歯車Ｂ８２と太陽歯車Ａ８１の歯数及びリング歯車Ｃ８３の歯数を選択して、内側羽根車３の回転速度が外側羽根車６の回転速度より高速回転するように設定し、併せて、内側羽根車３の回転出力軸１５を介して駆動する永久磁石式電動発電機（以下発電機７１と称する場合がある）の出力電力を時分割し、デューティ比の設定を、１／２０程度にした電力を、発電機７１内に電動機用として併巻した駆動コイルに帰還し、発電機７１と電動機を時分割して回転出力軸１５を駆動し、内側羽根車３の回転をアシストして、順流水２１の流速に順応して回転する湾曲型羽根４の周速を見かけ上停止に近い状態に調整して実現する。
また本発明の主体は羽根車の流体系の活用にあるので、電気関係の説明は省略する。

前記請求項３記載の内郭部（以下ブースト内郭部２５と称する場合がある）について図１〜５を示して詳述する。
逆流領域側の羽根車部１９の外周縁に、平板体を、流水入り口２０に設けた位置決め支柱５５から周方向に排気筒３８に至る間に周設し、前記ブースター内郭部２５の内周壁面３０と、内側羽根車３に固設した円錐状ボス１の頂点方向に傾斜した円錐面２３との区画断面が、台形類似状４２に形成された区画を、排水堰７５から半時計方向に位置決め支柱５５に至る区画間をブースター流路３６として画成する。

、
前記貫流路９を流通する順流水２１が排出開口部１４近傍にある動作中の湾曲型羽根の背面２４に再度流体力を作用し、前記湾曲型羽根４の抵抗を受けて減衰して排水する排水と、ブースト羽根２の回転手段によって強制的に排水する排水が共に、排出開口部１４から排水４９し、前記排水４９から漏洩した溢水分流水４３や、貫流水１１の一部が漏洩した回生流４４が、ブースト羽根２の回転手段によって加速しながら排水堰７５を流越し、ブースト流４５としてブースター流路３６を循環する、その循環する過程でブースト流４５は、ブースト羽根２と一体化した円錐状のボス１の頂点方向に掻き揚げられ、射流を防ぎ逆流領域近傍の湾曲型羽根４の背面２４に流体力をブーストし、逆流領域近傍の湾曲型羽根車６を駆動する。

また、前記ブースト流４５が、ブースター流路３６を循環する過程で羽根車部１９の外周から外に飛び出し流出するのを、羽根車部１９の外周に設けたブースター内郭部２５の手段によって阻止し、且つ効果的に凝集し、前記凝集したブースト流４５が湾曲型羽根４の背面２４に流体力をブーストすることによって、湾曲型羽根４の表面１８よりも背面２４の方が空気抵抗が大きくなり、背面２４が押される方向に回転力が回転出力軸１５に生じ、逆流領域での羽根車群１０が受ける逆流抵抗を克複し、逆流領域側の湾曲型羽根４からも回転トルクの抽出３１が可能となり搖動水車が課題とした、引っ張りバネの強度や水車の公転位置と搖動羽に対する流体力を自動制御する必要無く、搖動水車の欠陥を超えた最も主要な特徴とする。

また、請求項2記載の羽根車群１０をケーシングの羽根車部１９に内設し、流が生じている水中に水没させて用いるケーシング６１は、図４に示すように、導水部２７と羽根車部１９とブースター内郭部２５で構成し、前記ケーシングを構成するいずれの部位も図５と６に示すように、底板３７と蓋板３３を備え、前記導水部２７の傾斜側板５１とブースター内郭部２５の手段によって、羽根車部１９の内部と側溝６０の内壁面Ｌ５２間のたまり部分５７を周流する流水を遮断し、特許文献１が課題にした、案内部の流体の流れ込む側の相反する側の壁面の溜まり水の影響を効果的に解消したことを特徴とする。

また、従来の技術として非特許文献1の3章27頁に記載した、水車の導水口に堰や水寄せ板を設けて圧力水頭を上げる技術や、特許文献１に示す効率よく流体を回転翼に送り込むためには、一対の回転翼間に至る仕切りと案内部１４を設けて水寄や水頭を上げるといういずれの技術も、流入水の流量や流速の急激な変化に対応するためクロスフロー型羽車には導流同期機能等が不可欠で、前記機構のみでは導流装置としての効果は期待できず、本願発明による、前記発電装置７４を構成する「羽根車群１０を内設するケーシング６１の導水部２７に設けた傾斜側板５１」を、前記傾斜側板５１の端末５６と、流水入口２０の位置決め支柱５５と、ブースター内郭部２５の始点４０が、前記位置決め支柱５５に定着する条件を満たす事によって、流入水の流量や流速の急激な変化が有る場合においても同期機構等は不要になり、クロスフロー型羽車には不可欠なガイドベーンも省略できる機能を備えた発電装置７４を主要な特徴とする。

上記の構成により次のような効果を有する装置を提供できる。
搖動羽車のように、逆流領域で羽根が受ける逆流を、搖動羽が流れに平行にして自動的に逆転流を逃がし順流領域で羽根を復元する方式や水車の導水口に堰や水寄せ板を設けて水位を上げ、排水口との落差を用いて水車内の流水を加速させ、出力率の増加を図るという従来の技術が有るが、このような問題のある機構を使用しなくても、外側羽根車と内側羽根車を変速動力伝動装置を介在して併設し、内側羽根車の回転速度が外側羽根車の回転速度より高速で同一方向に回転する機構を駆使し、ブースター内郭部と内側羽根車に固着した円錐形状のボスを活用したことで、逆流領域での羽根車が受ける逆流抵抗を克複し羽根車内の流水を加速させ射流を防ぎ、クロスフロー型羽根車の特質を生かし、且つクロスフロー型羽根車には不可欠なガイドベーンや同期機構等の導流装置の省略を図ることが出来るという利点がある。

１、内側羽根車３と、外側羽根車６と、円錐状のボス１、及び貫流路９の部位に対応する断面図と平面図を線で結んだ説明図であって、想像部分の軸受け部５の部分は細部のため、カクレ線を省略して可視部分に置き換え、また、歯車部７の詳細は図２に記載した、説明図。２、内側羽根車の外周縁８と、ブースト羽根の外周縁８と、貫流路の内周円８は、共通の指示点に付き、詳述する上ですべて符号を８と称する。３、湾曲型羽根４の内周縁１７と、貫流路９の外周円１７は、共通の指示点に付き、詳述する上ですべて符号を１７と称する。４、図１と３と８に記載した平面図において、外側羽根車６の外周円外部に記載した矢印２２と３１は、順流領域２２近傍の湾曲型羽根４と、逆流領域３１近傍の湾曲型羽根４と、双方の湾曲型羽根４から回転トルクが抽出できる事を示す説明用平面図。５、台形区画４２は、排水堰７５から矢印４２方向の位置決め支柱５５に至る区間を、貫流路９と台形区画４２と一定区間重畳したブースター流路３６を画成した、平面図、また図２に、台形区画４２をハッチングで表記した図を併記した。１、変速動力伝動装置７の要部と、羽根車群１０の部位に対応する断面図と平面図を線で結んだ説明図。２、貫流路９は、湾曲型羽根縁の回転軌跡を１７とし、ブースト羽根縁の回転軌跡を８とした断面図。３、図１にはボス１にハッチングを表記しているが、図２には、ボス１の頂点方向に傾斜した面２３の視認が容易にするため、ボス１にハッチングの表記を省略した。１．図３の主体は「ブースター内郭部２５」の形成手段と、貫流路９を貫流する流水の変化に対応する羽根車群１０の動作説明にあるので、図４記載の羽根車部１９と羽根車部の流入口２０の図面は、図３においては省略し、符号のみ記載するに留めた説明用平面図。２、図１の５に併記したブースター流路３６の説明用平面図。落し蓋式Ｕ字側溝６０を活用したケーシング６１の導水部２７と、羽根車部１９と、ブースター内郭部２５と、溜まり部分５７と、位置決め支柱５５及び排気筒３８の、要部の関係を示す平面図。ケーシング部６１と、羽根車部１９と、駆動伝動部５９と、ケーシング６１の底板３７と、排気筒３８と、ブースター内郭部２５の内側３０の、位置関連を説明用する概念斜視図。実施例１と２に係る架構６３と導水部２７蓋３３と底板３７の斜視図。実施１と２に係る、発電装置７４を側溝６０の懸架台７３に脱着自在に載着する概念斜視図。１、発明を実施するための形態４に係る風力羽根車群４６の断面図に対応する平面図を線で結んだ説明図。２、天盤７７と回転盤７９の各々の内周円１７と外周円６ｂは同等の対面仕様で、天盤７７の外周縁６ｂと、湾曲型羽根４の外周縁６ｂと、外側羽根車６の外周縁６ｂは共通の指示点に付き、詳述する符号を６ｂと称する。１、発明を実施するための形態４に係る風力羽根車群４６の内側羽根車３と、外側羽根車６と、「天盤７７と軸受け部８４と軸受け部８４を固設した輻７８」を、構設する図である。２、外側羽根車６を上方から見たＡ面と下から見たＢ面を二段に重複して記載した概念斜視図。３、アシスト羽根車に関する概念斜視図。

〈第１の実施形態〉
以下本願発明について図１を示して詳述する。
ブースター機能つき羽根車を構成する羽根車群１０は、内側羽根車３と外側羽根車６と、変速動力伝動装置７で構成し、前記内側羽根車３は、その内側羽根車の中心位置に固着した円錐状のボス１に回転出力軸１５を突設し、前記円錐状ボス１に、羽根２として内側羽根車の外周縁８と、回転出力軸に固設した円錐状ボス１間に、回転出力軸を中心として周方向に一定間隔をあけて放射状に複数個を円錐状ボスの頂点方向の傾斜面２３に沿って拡大した板体状の羽根２（以下ブースト羽根２と称する場合がある）を周設し、更に変速動力伝動装置７が有する太陽歯車Ａ8１を回転出力軸１５に嵌着し、前記太陽歯車Ａ8１を嵌着した回転出力軸１５と、円錐状ボス１と、ブースト羽根２を、一体的に固設して内側羽根車３を構成する。
また、前記内側羽根車３に併設する外側羽根車６は、その外側羽根車の中心位置に軸受部５を挿嵌し、前記外側羽根車の外周縁６から貫流路９の外周軌跡１７間に、複数個の平板体を弓状に湾曲形成した湾曲型羽根４を、外側羽根車６の回転方向５８に湾曲型羽根の湾曲表面１８を向けて外側羽根車６に配置し、回転出力軸１５を中心として周方向に一定間隔をあけて、軸方向に平行して延在するよう外側羽根車６に周設して外側羽根車６を構設し、前記軸受部５と遊星歯車Ｂ８２の軸３５を埋設した外側羽根車６を、変速動力伝動装置７の遊星歯車Ｂ８２と太陽歯車Ａ8１を介在して、前記内側羽根車３に突設した回転出力軸１５に、前記外側羽根車６の軸受部５を回転自在に軸着し、内側羽根車３と外側羽根車６の羽根面側が対面して構設し羽根車群１０を構成する。

〈第２の実施形態〉
第２の実施形態は、請求項２記載の羽根車群１０を構設する手段として用いる変速力伝動装置７について図２を示して詳述する。
前記外側羽根車６のキャリア側面２９に遊星歯車Ｂ８２の歯車軸３５を埋設し、その遊星歯車軸３５に遊星歯車Ｂ８２を回転自在に軸着し、その遊星歯車Ｂ８２と内側羽根車３の回転出力軸１５に嵌着した太陽歯車Ａ８１を噛合Ａ３２し、併せて遊星歯車Ｂ８２と、ケーシングの蓋板３３に固設したリング歯車Ｃ８３と噛合Ｂ３４するとともに、前記外側羽根車６に挿嵌した軸受け部５を、内側羽根車３の回転出力軸１５に回転自在に軸着し、前記外側羽根車が有する湾曲型羽根の内周縁１７と、内側羽根車の外周縁８を一定間隔をあけて、内側羽根車３のブースト羽根側と外側羽根車６の湾曲型羽根側が対面して構設し、前記内側羽根車と外側羽根車は、相間関係で互に連係して作動し、内側羽根車３の回転速度が外側羽根車６の回転速度より高速で同一方向に回転する羽根車群１０を構設する。

前記、内側羽根車３の回転速度が外側羽根車６の回転速度より高速で同一方向転する機構について、非特許文献２記載の遊星歯車装置と図２を示して詳述する。
そこで、本願発明の変速動力伝動装置７と非特許文献２記載の遊星歯車装置と同一構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。
遊星歯車装置の遊星歯車Ｂ８２の歯数を１６に設定し、且つ太陽歯車Ａ８１の歯数も１６に、更にリング歯車Ｃ８３の歯数を４８に設定した遊星歯車装置において、リング歯車Ｃ８３を固定し、太陽歯車Ａ８１を出力とするプラネタリ型のキャリア入力方式を援用した場合を例にして、変速動力伝動装置に置き換えした外側羽根車６をキャリアとして配役し、前記外側羽根車６のキャリア面側２９に遊星歯車Ｂ８２の軸３５を埋設し、その遊星歯車軸に遊星歯車Ｂ８２を回転自在に遊嵌し、この遊星歯車Ｂ８２と内側羽根車３の回転出力軸１５に、嵌着した太陽歯車Ａ８１と、噛合Ａ３２し、併せて遊星歯車Ｂ８２はリング歯車Ｃ８３とも噛合Ｂ３４する。
この場合、リング歯車Ｃ８３を固定するという条件下においては、遊星歯車Ｂ８２がリング歯車Ｃ８３と噛合Ｂ３４しながら、太陽歯車Ａ８１の外周を遊星し回転する、その遊星回転する遊星歯車Ｂ８２を軸着した外側羽根車６と内側羽根車３は相間関係で互いに連係して同一方向に回転する。
したがって、外側羽根車６が流水力の作用で回転し、その回転を遊星歯車装置のそれぞれ歯車の歯数によって定まる減速伝達比で内側羽根車３を連動回転するから前記選択した歯車Ｂ８２の歯数を１６及び歯車Ａ８１の歯数を１６に、更にリング歯車Ｃ８３の歯数を４８に設定した場合、非特許文献２によると計算の結果は、外側羽根車の回転速度は内羽根車の回転速度の１／４になり、したがって内羽根車の回転速度は外羽根車の回転速度はより４倍高速回転する。
前記計算の根拠は非特許文献２を参考にした。
また、遊星歯車装置のリング歯車Ｃ８３を固定した太陽歯車Ａ８１を出力とするプラネタリ型のキャリア入力方式の減速伝達比の計算方法は、非特許文献２に委ねる。

。
〈第３の実施形態〉
第３の実施の形態を、請求項１記載の貫流路９と請求項３記載のブースター流路３６の画成について図１〜３を示して詳述する。
外側根車６が有する湾曲型羽根の内周縁１７と、内側羽根車が有するブースト羽根２の外周縁８を、一定間隔あけて貫流路９として貫流水１１の流路を画成し、更に平板体を内郭部（以下ブースト内郭部２５と称する場合がある。）として、流水入り口２０に設けた位置決め支柱５５を始点として排気筒３８間に、時計回りに外側羽根車６の外周縁１６の回転軌跡に沿って円弧を描きながら前記ブースター内郭部２５の内周壁３０と外側羽根車６の外周縁１６が摺接しない間隔３９をあけて羽根車部１９の外周縁に周設し、前記ブースター内郭部２５の内壁面３０と、記前内側羽根車３に固着したボス１の頂点方向に傾斜した円錐面２３との間が台形状類似の断面４２に区画された流路を、ブースター流路３６として、前記貫流路９と一定区分を重畳して画成する。

前記羽根車群１０内に画成した貫流路９は、羽根車部１９の流水入り口２０から流入した順流水２１が、羽根車群内を貫流１１し、変速動力伝動装置７の変速手段によって回転する「湾曲型羽根４の内周縁１７」を貫流する低速流と、「ブースト羽根２の外周縁８」を貫流する高速流と、それぞれ一定間間隔（符号１７と８間）をあけた各羽根縁間の周速に応じて同一方向に流水し、速度の異なる流水は容易に混合して合成されることなく「両流水間に隔たり」が出来て、貫流路９と、前記貫流路９と重畳したブースター流路３６を画成する。

また、前記貫流路９を流通する貫流水１１が、排出開口部１４近傍にある動作中の湾曲型羽根４の背面２４に再度流体力を作用し、羽根の抵抗を受けて減衰した貫流水１１が、ブースト羽根２の回転手段によって強制的に排出開口部１４から排水４９し、その排水から漏洩した溢水分流水４３や貫流水１１の残留した回生流４４が、ブースト羽根２の回転手段によって加速しながら排水堰７５を流越し、ブースト流４５としてブースター流路３６を循環し、前記ブースト流４５がブースター流路３６を環流する過程で、円錐状ボス１の頂点方向に掻き揚げ凝集し、前記凝集したブースト流４５を湾曲型羽根４の背面２４にブーストするとともに、更に循環流２６として羽根車部１９の流水入口２０方面へ還流して貫流水１１を有効に活用し、逆流領域側の湾曲型羽根４からも回転トルクの抽出３１が可能となり、逆流領域でのクロスフロー水車には不可欠なガイドベーンや同期機構等、導流装置の省略することが出来る。

また図４に示すように、前記ケーシング６１が有する羽根車部１９の外周縁に周設したブースター内郭部２５と、前記ケーシング６１が有する導水部２７に設けた傾斜板５１の手段によって、羽根車部１９の内部と、側溝の内壁面Ｌ５２のたまり部分５７間を遮蔽し、導水部２７の拡大開口部分５０から流入した貫流水１１と、前記ケーシング６１の外部を浮遊する流水を遮断し、前記羽根車部１９に内設した羽根車群１０には何等溜まり水の影響を与えず、特許文献１記載の課題である、案内部の流体の流れ込む側の相反する側の壁面の溜まり水の影響を解消する。

また、流が生じている水中に全没させて用いるケーシング６１は、前記ケーシング６１の羽根車部１９に内設した羽根車群１０の回転に伴い羽根車部１９内の流水に、渦流や溶存気体の遊離による気泡が生じ、羽根車部１９内でキャビテーション現象や圧力損出が生じ、それを防ぐために排気筒４８を排出開口部１４近傍に設け、羽根車部１９内の圧力損失を軽減する。

〈第４の実施形態〉
第４の実施形態の、請求項４記載のブースター機能つき羽根車について図８と９を示し詳述するが、主体は羽根車の流体系の活用にあるので、電気関係の図及び説明は省略する。
図8は、第４の実施形態に係る風力羽根車群４６を主体にした断面図と、その断面図に対する平面図を、線で結んだ説明図である。
また、図8は、風力羽根車群４６を主体にした図で、アシスト羽根車８９について図９に記載する。
図９は、外側羽車６ｂをＡ面記載は上からの斜視図で、Ｂ面記載は下からの斜視図。また、図1〜図7に示したブースター機能つき羽根車に設けられていた構成要素と、第４の実施形態に係る構成要素が同じものについては、同一の符号を付与しその説明を省略する。

本願発明のブースター機能つき羽根車を大気中に備えた、前記ブースター機能つき羽根車を構成する風力羽根車群４６の内側羽根車３ｂと、外側羽根車６ｂを、風力羽根車群４６内を流通する風力で回転駆動し回転出力軸１５から回転力を抽出する。
また、外側羽根車６ｂに設けた湾曲型羽根４は、逆流領域においても、ブースト羽根４７の回転手段によって湾曲型羽根４の表面１８よりも背面２４の方が空気抵抗が大きいために、背面２４が押される方向に回転力が回転出力軸１５に生じ、順流領域２２及び逆流領域３１の何れの領域においても、風力羽根車群４６が有する回転出力軸１５で回転力を抽出することが可能になる。

前記風力羽根車群４６は、内側羽根車３ｂと、外側羽根車６ｂと、変速動力伝動装置７と、回転出力軸１５と、風車筺体７６で構成し、内側羽根車３ｂは、回転出力軸１５に円筒状のボス４１を嵌着し、前記ボス４１に内羽根をブースト羽根４７として平板体を、前記内側羽根車の外周縁８と、湾曲型羽根の内周縁１７とを一定間隔をあけて放射状に複数個を、前記円筒状のボス４１に周設し、前記ブースト羽根４７と、ボス４１と、回転出力軸１５が、一体的に固設して内側羽根車３ｂを構設する。
また外側羽根車６ｂは、リングドーナッ状の回転盤７９の外周縁６ｂから、前記回転盤７９の内周縁１７間に、外羽根を湾曲型羽根４として、平板体を弓状に湾曲形成した複数個の湾曲型羽根４を、回転盤７９の回転方向５８に湾曲型羽根４の湾曲表面１８を向けて放射状に一定間隔をあけて回転盤７９上面に周設し、「前記回転盤７９と、軸受部５と遊星歯車の軸３５を埋設した輻８０」を、一体的に固設して外側羽根車６ｂを構設する。

また、前記風力羽根車群４６の構設については、内側羽根車３ｂに固着した円筒状のボス４１に突設した回転出力軸１５を、主軸受け部２８方向に回転出力軸１５ｂと、反対方向の軸受け部８４側に回転出力軸１５ａの二方向に突設し、前記回転出力軸１５ｂに、前記外側羽根車６ｂが有する輻８０の軸受部５を、変速動力伝動装置７の太陽歯車Ａ8１と遊星歯車Ｂ８２を介在して内側羽根車３ｂの回転出力軸１５ｂに軸着し、更に前記回転出力軸１５の端末１５ａに、リングドーナッ状の天盤７７と一体化した輻７８の軸受け部８４を貫通軸着し、前記天盤７７は、回転盤７９に周設した湾曲型羽根4の上端を固着して補強する。
また、前記輻7８の軸受け部８４を貫通した回転出力軸１５aに、「微風下において、外側羽根車６ｂの初期起動性を高める上で有効な」アシスト羽根車８９に固着した一方向クラッチ８６を軸着し、前記アシスト羽根車８９は、一方向クラッチ８６と、輻８７と、風杯型の羽根８８を一体的に固設してアシスト羽根車８９を構成し、前記アシスト羽根車８９に固設した風杯型の羽根８８は、公知の事実である風杯型の羽根車方式を活用したもので、風を受けて回転する方向は羽根の凸面の一方向に回転する。
従って、順流領域２２及び逆流領域３１の何れからの風力も、アシスト羽根車８９の手段によって風力羽根車群４６が有する回転出力軸１５で回転力を抽出することが可能になる。

また、内側羽根車３ｂと外側羽根車６ｂは相間関係で互に連係して作動し、内側羽根車３ｂが有するブースト羽根４７の回転速度が、外側羽根車６ｂが有する湾曲型羽根４の回転速度より高速で同一方向に回転する羽根車群４６を構設する。

風力羽根車群４６を援用してブースター機能つき風力発電装置を構築する場合、前記風力羽根車群４６が有する回転出力軸１５bを、変速動力伝動装置７の内歯車８３を抱持した風車筺体７６に埋設した主軸受け２８で貫通軸支し、前記貫通した回転出力軸１５ｂを、別に備えた発電機７１の回転軸に接続し、風力羽根車群４６を載設した、風車筺体７６の接続部材８５を、別に設けた方位制御機構を備えたタワーに装設しブースター機能つき風力発電装置が実現する。

前記ブースター機能つき風力発電装置が、微風下において、外側羽根車６ｂの初期起動性を高める手段として、相間関係で互に連係して作動する内側羽根車３ｂと外側羽根車６ｂを結合する変速動力伝動装置７の遊星歯車Ｂ８２と太陽歯車Ａ８１の歯数及び、リング歯車Ｃ８３の歯数を選択して設定し、外側羽根車６ｂを駆動する内側羽根車３ｂの慣性モーメントを軽減し、内側羽根車３ｂに設けた回転出力軸１５ｂを介して駆動する発電機７１を電動機として前記発電機７１内に併巻してある電動機の駆動コイルに微少の電力をパルス的に、別に備えた電源装置を用いて供給し、発電機７１のコギングトルクを打ち消す磁気トルクを発生させ、外側羽根車６ｂの回転をアシストして起動性を高めることが出来る。

また本実施の形態によっても、前記第１〜２実施の形態と同様の効果が得られ、さらに、羽根車群の構成次第で水車発電や風車発電に援用できるという効果がある。

実施例１について詳述する図は次の通り。
図４１、導水路６２から排出開口部１４へ向かって流れる水路に係る部材の配置平面図。
２、ケーシング６１と一体化した導水部２７と、羽根車部１９と、ブースター内郭部２５の位置関係の平面図
３、導水部２７の構設手段を説明する平面図。
４、導水部２７の傾斜板端末５６と、ブースター内郭部２５の始点４０を、位置決め支柱５５に定着する条件の説明する平面図。
図５、１、ケーシング底板３７と、位置決め支柱５５と、羽根車部１９の流水入り口２０の、配置関係及び、図４を補完するための斜視図である。
２、羽根車群１０が有する回転出力軸１５の回転エネルギを、電動発電機７１の回転軸７０に伝動するプロセスを説明する概念斜視図である。
図６、ケーシング６１を内設する架構部６３と、貫通軸受け６５を固着した中間梁６４と、発電機取り付け台６９の、位置関係を示す斜視図である。
図７、発電装置７４を側溝６０の懸架台７３に脱着自在に載着する概念斜視図。実施例１は、流が生じている水中に水没して用いる可搬式鉛直軸式クロスフロー型水力発電装置（以下発電装置７４と略称する場合がある。）は、日本工業規格に基づく落し蓋式Ｕ字側溝６０（以下、側溝６０と略称する場合がある。）の導水路６２から排出開口部１４へ向かって流れる水路を形成したケーシング６１を有し、前記ケーシング６１は、導水部２７と羽根車部１９とブースター内郭部２５とで構成し、前記ケーシング６１を構成するいずれの部位も底板３７とケーシング蓋３３を備え、前記導水部２７は、導水部の拡大開口部分５０を、側溝６０の導水路６２方向に配置し、前記導水部の大開口部分５０と導水部の傾斜側板５１が接する位置に設けた嵌合金具で、前記ケーシング底板３７に立設した位置決め支柱Ｌ５３に嵌着し、前記位置決め支柱Ｌ５３と側溝６０の内壁面Ｌ５２の接続は実状に応じ密着する。更に、傾斜側板５１の端末側５６に接合金具を設け、前記接合金具をケーシングの中央狭窄部５４の流水入り口２０のケーシング底板３７に立設した位置決め支柱５５に定着し、前記導水部の傾斜側板５１は、導水部の傾斜板端末５６と内郭部（以下ブースト内郭部２５と称する場合がある）の始点４０と羽根車部１９の流水入り口２０位置決め支柱５５に定着することを条件に、導水部の拡大開口部５０の形状や傾斜側板５１の敷設を任意に可変し、河川の実情に適した施工が容易となる前記ケーシングの導水部２７を構設する。

前記ケーシングの羽根車部１９は、ケーシング６１の中央狭窄部５４に羽根車部１９の流水入り口２０を設け、ブースト内郭部２５として、平板体を前記流水入り口２０のケーシング底板３７に立設した位置決め支柱５５を始点として排気筒３８間に、図３に示すように、時計回りに外側羽根車の外周縁１６の回転軌跡に沿って円弧を描きながら前記ブースター内郭部２５の内周壁３０と外側羽根車の外周縁１６が摺接しない間隔３９をあけて羽根車部１９の外周縁に周設し、前記羽根車部１９に内設した羽根車群１０が有する回転出力軸１５を、羽根車部１９の蓋板３３に設けた主軸受け２８で貫通軸支する。

前記駆動伝動部５９は、前記羽根車群１０が有する回転出力軸１５を、架構部６３の中間梁６４に設けた貫通軸受け６５で貫通軸支し、更に前記貫通した出力軸を、クラッチ６６を備えた回転伝動部材６７に軸着し、前記回転伝動部材６７の回転を、伝動部材６８を介在して、前記架構部６３が有する発電機取り付け台６９に具設した発電機７１の回転軸７０に回転を伝動し、前記ケーシング部６１と、前記駆動伝動部５９と前記発電機７１を一体的に架構部６３に構設し、架構部６３の懸架梁７２を、前記側溝６０の懸架台７３に脱着自在に載設して水力発電装置７４とする。

実施例２を図５〜７を示して詳述する。前記側溝６０を活用した開放型水路の冶水計画は、50年に一度又は、100年に一度等の計画水量に対応できる河道断面を考慮に側溝は敷設されている。通常は側溝内の７０パーセント程度の空間は未使用で、側溝６０の空間部を有効に活用して、前記水力発電装置７４を側溝の懸架台７３に脱着自在に載着し、且つ側溝に落とし蓋をして一般通路として利用を可能にし、降雨・雪解けなどによって河川の水量が平常よりも増加する時は、逃がし水４８としてケ−シング蓋板３３の上面を迂回水路とし排水し、羽根車群１０には何等影響を与えず、雪塊等浮遊物の処理が可能にする。
また、前記導水部２７の傾斜側板端末５６と、羽根車部１９の流水入口２０の位置決め支柱５５と、ブースター内郭部２５の始点４０が、前記位置決め支柱５５に定着する条件を守れば、雪塊等浮遊物の処理機構を実情に沿った構成で、導水部の拡大開口部分５０に付設する事が可能になる。
また、50年に一度、100年に一度等の一時的な洪水時には、簡単に側溝６０から発電装置７４を抜脱し、側溝６０の機能を害すること無く維持管理が容易で汎用性に富んだ発電装置７４を提供する。

実施例１〜２に記載した発明の主体は、羽根車の流体系の活用にあるので、電気関係の説明は省略する。

１円錐形状のボス
２ブースト羽根
３内側羽根車
４湾曲型羽根
５軸受け部
６外側羽根車
７変速動力伝動装置
８ブースト羽根縁と内羽根車の外周縁
９貫流路
１０羽根車群
１１貫流水
１２溢水分流
１３翼後渦
１４排出開口部
１５回転出力軸
１６外側羽根車の外周縁
１７貫流路画と湾曲型羽根縁の内周
１８湾曲型羽根の表面
１９羽根車部
２０羽根車部の流入口
２１順流水
２２順流領域の回転トルク抽出を表す
２３頂点方向に傾斜した面
２４湾曲型羽根の背面
２５ブースター内殻部
２６循環流
２７導水部
２８主軸受け部
２９羽根車のキャリア側
３０ブースター内殻内壁
３１逆流領域の回転トルク抽出を表す
３２噛合Ａ
３３羽根車部の蓋板
３４噛合Ｂ
３５遊星歯車軸
３６ブースター流路
３７ケーシングの底板
３８排気筒
３９摺接しない間隔
４０ブースター内殻武始点
４１円筒形状のボス
４２台形類似区画断面
４３排水から漏洩した溢水分流水
４４回生流
４５ブースト流
４６風力羽根車群
４７ブースト羽根Ｂ
４８逃し水
４９排水
５０拡大開口部分
５１傾斜板
５２Ｕ字側溝の内壁面Ｌ
５３位置決め支柱Ｌ
５４中央狭窄部
５５位置決め支柱
５６傾斜側板端末
５７溜まり部分
５８回転方向
５９駆動伝動部
６０落とし蓋式Ｕ字側溝
６１ケーシング
６２導水路
６３架構部
６４中間梁
６５貫通軸受け
６６クラッチ
６７回転伝動部材
６８伝動部材
６９発電機取り付け台
７０発電機回転軸
７１電動発電機
７２懸架梁
７３懸架台
７４水力発電装置
７５ブースター流路の堰
７６風車の筺体
７７天盤
７８天盤の輻
７９回転盤
８０回転盤の輻
８１歯車Ａ
８２歯車Ｂ
８３内歯車Ｃ
８４輻の軸受け
８５取り付けフランジ
８６一方向クラッチ
８７風杯羽根の輻
８８風杯羽根
８９アシスト羽根車

Claims

請求項１に記載の発明は、回転出力軸に固設した円錐状のボスに羽根を複数個周設し、前記円錐状のボスと一体的に固設した内側羽根車に、複数個の羽根と軸受部を一体的に固設した外側羽根車を、変速動力伝動装置を介在して構成し、前記内側羽根車の外周縁と外側羽根車に周設した羽根の内周縁を一定間隔をあけ、その区画を貫流路として画成し、前記内側羽根車と外側羽根車の羽根の延設面を対面して、前記外側羽根車に固設した軸受部を、内側羽根車に突設した回転出力軸に軸着して構設した羽根車群を具備するブースター機能つき羽根車。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のブースター機能つき羽根車において、前記羽根車群をケーシングの羽根車部に内設し、前記羽根車部の流入口から流入する流体エネルギで、前記、内側羽根車と外側羽根車を回転駆動し、前記内側羽根車と外側羽根車は、前記変速動力伝動装置の手段によって相間関係で互に連係して作動し、内側羽根車は外側羽根車の回転速度より高速で同一方向に回転し、前記内側羽根車に突設した回転出力軸を、前記羽根車部の蓋板に設けた主軸受けで回転自在に貫通軸支し、前記回転出力軸と、ケーシングと前記ケーシングの羽根車部に内設した前記羽根車群と、それぞれ一体的に固設している機構を更に具備したブースター機能つき羽根車。
請求項３記載の発明は、請求項２に記載のブースター機能つき羽根車において、前記羽根車部の逆流領域側の外周縁に、流体入り口と排出開口部に設けた排気筒間に内郭を設け、前記内郭の内周壁面と、前記内側羽根車に固設したボスの頂点方向に傾斜した円錐面との区画を流路とし、前記区画した流路の排出開口部の排気筒に排水堰を設けた一切の機構を、更に具備したブースター機能つき羽根車。
請求項４記載の発明は、ブースター機能つき羽根車において風力エネルギの作用によって回転する羽根車の回転出力軸に、円筒状のボスを嵌着し前記ボスに内側羽根を複数個周設し、前記回転出力軸に、外側羽根を複数個周設した回転盤と一体化した輻を、変速動力伝動装置を介在して前記回転出力軸上に構設し、前記円筒状のボスに周設した内側羽根の回転速度が、回転盤に周設した外側羽根の回転速度より高速で同一方向に回転し、前記内側羽根を周設した円筒状のボスに突設した回転出力軸を、筺体に埋設した主軸受けで回転自在に貫通軸支して風力羽根車群を構設し、前記風力羽根車群と前記回転出力軸と筺体と取り付け部材と、それぞれ一体的に固設している機構を具備したブースター機能つき羽根車。