JP6309098B2 - 水車裝置及びその制御機構 - Google Patents

Description

関連出願と優先権主張の相互参照
本出願は、２０１３年８月２日に出願されたＰＣＴ／ＣＮ２０１３／０８０７２３号の国際出願に基づく利益を主張し、その内容は参考として本明細書に取り入れるものとする。

本発明は、水車に関し、特に、水車の操作を制御する制御機構に関する。

従来の水車装置は、水の流量が多すぎる又は水の流速が高すぎる時、水の流れは、水門を開く程度によって制御されるが、その欠点は、水門の開口幅を変更すると、水の流速や流量も同時に変更し、水車装置の下流の水の流れにも影響を与える。また、水の流速及び流量が同時に減少している場合、水路における沈泥の原因となっている。従って、水門を制御することは、あまり良い方法ではない。また、従来技術のブレード制御は、電気的方法によって制御され、その利点は、ブレードを正確にオンやオフすることができ、ブレードの開口幅を制御することができる。しかし、その欠点は、電源障害が発生した場合、電気的に制御されたブレードが動作できない。水車装置は、水路内に設置され、関連施設も水路の近くに位置しているので、湿気が非常に豊富であり、電気機器を侵食しやすいことは、当業者に知られている。その結果、電気機器は故障しやすく、メンテナンスコストが増加する。また、水車装置は、通常、遠隔地に設置され、交通状況が悪く、メンテナンスの輸送コストが更に増加する。従って、水車装置の分野において、電力なしで動作できるブレード制御システムが望ましい。

出願人は、従来技術での欠点に鑑み、上記の欠点を改善するために、水車装置及びその制御機構を発明した。

本発明は、水車装置への電力依存度を低減することを目的とする。本発明は、機械構造との接触及び押しにより、水車ブレードが自由に揺動するように水車ブレードの制御機構が当接状態を解除し、或いは、水車ブレードの揺動を拘束するように当接状態を復元する。

上述の構想を実現するために、水車装置を開示する。前記水車装置は、第一軸を有する水車シャフトと、前記水車シャフトの径方向に分布している複数のブレードフレームと、前記複数のブレードフレームのそれぞれに取り付けた複数の水車ブレードと、対応するブレードフレームに取り付け、第一軸に平行な第二軸を有し、前記複数の水車ブレードのいずれかが前記対応するブレードフレームに対して枢設されることを可能にする旋回軸と、を含む。

上述の構想を実現するために、水車装置に用いる制御機構を更に開示する。前記水車装置は、水車シャフトと、前記水車シャフトの径方向に分布している複数のブレードフレームと、前記複数のブレードフレームのそれぞれに取り付けた複数の水車ブレードと、対応するブレードフレームに取り付け、前記複数の水車ブレードのいずれかが前記対応するブレードフレームに対して枢設されることを可能にする旋回軸と、を含む。前記制御機構は、前記旋回軸に枢設された前記水車ブレードに設けられるストッパーと、制御要素と、を含み、前記制御要素は、第一状態で前記水車ブレードの旋回を拘束するようにストッパーに当接し、第二状態で前記水車ブレードを前記対応するブレードフレームに対して旋回させるようにストッパーとの当接を解除する。

上述の構想を実現するために、水車装置に用いる制御機構を更に開示する。前記水車装置は、水車シャフトを含み、前記水車シャフトの周方向に沿う特定位置に複数のブレードフレームを前記水車シャフトの軸方向に隣接して設置し、前記ブレードフレームのそれぞれにブレードが設置され、前記ブレードは、ピン接続側及び前記ピン接続側に相対する当接側を有し、前記ピン接続側は、関連するブレードフレームの第一位置に枢設され、前記制御機構は、前記関連するブレードフレームの前記当接側に隣接する第二位置に配置され、前記制御機構は、当接位置及び解放位置を更に有する当接部を更に含み、前記当接位置にあると、前記当接部は当接側に当接し、前記解放位置にあると、前記当接部は当接側に当接しない。

上述の構想を実現するために、水車装置に用いる制御機構を更に開示する。前記水車装置は、水車シャフトを含み、前記水車シャフトは、両端が水路の岸に配置され、前記水車シャフトの周方向に複数のブレードフレームが配置され、前記ブレードフレームのそれぞれにブレードが設置され、前記ブレードの一方の側は、ピン接続端であり、前記ピン接続端に相対する側は、自由端であり、前記ブレードのピン接続端は、前記ブレードフレームに枢設され、前記制御機構は、可動部を含み、前記可動部は、前記自由端に近いブレードフレームに移動自在に配置され、ストッパー位置と解放位置との間に移動でき、前記可動部は前記ストッパー位置にあると、前記ブレードを前記ブレードフレームに対して旋回させないように前記可動部が前記自由端に当接し、前記可動部は前記解放位置にあると、前記ブレードを前記ブレードフレームに対して旋回させるように前記自由端が前記可動部に影響されない。

本発明の実施形態に係る単一のブレードを一例として示す模式図である。 本発明の実施形態に係るブレード及びストッパー機構を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るブレード及びストッパー機構の上面図である。 図３のＡ−Ａ断面を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るブレード及びストッパー機構の上面図である。 図５のＢ−Ｂ断面を示す模式図である。 ストッパー機構がストッパー状態から開放状態に変化することを示す模式図である。 ストッパー機構が開放状態からストッパー状態に変化することを示す模式図である。 本発明に係る水車装置の全体を示す模式図である。 本発明に係るストッパーが解除された後に、ブレードが水流にある状態を示す模式図である。 本発明に係る複数のブレードの水車装置を示す全体図である。 本発明に係る複数のブレードの水車装置のストッパー機構を示す上面図である。 図１２のＣ−Ｃ断面を示す模式図である。

以下に本発明“水車裝置及びその制御機構”を実施例に基づいて詳述するが、あくまでも例示であって、本発明の範囲はこれらの実施形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載されており、さらに特許請求の範囲の記載と均等な意味及び範囲内での全ての変更を含んでいる。

図１は、本発明の実施形態に係る単一のブレードを一例として示す模式図である。制御システムと水車との関係をより明確に示すために、単一のブレード２を有するブレードフレーム１２を示すが、これらに限定されない。ブレードフレーム１２は、水車シャフト１０に固定されている。水車シャフト１０は、水車の主軸である。水車は、実際に、複数のブレードフレーム１２が水車シャフト１０を円の中心として水車シャフト１０の周方向に沿って配置される。ブレードフレーム１２は、径方向アーム１２ａとクロスバー１２ｂに分ける。ピン接続部２０’は、クロスバー１２ｂに枢設される。ブレード２は、ピン接続部２０’を介してブレードフレーム１２に回動可能に配置される。ストッパー２２は、ブレード２において、ピン接続部２０’の反対側にある。ストッパー機構３は、ストッパー２２に隣接するブレードフレーム１２に設けられ、ブレード２が保持又は固定されるかどうかを制御するための制御機構として使用される。ストッパー２２及びピン接続部２０’とブレード２との配列又は配置を容易にするために、通常、連結アーム２１の両端を利用し、一方の端をピン接続部２０’とし、他方の端をストッパー２２とし、ブレード２を連結アーム２１に固定する。また、ピン接続部２０’は、ブレードの軸方向２０ａが形成され、水車シャフト１０に対して平行に配置されている。ストッパー機構３は、ストッパー２２が通過するための切り欠き３０を有する。図１において、ストッパー機構３がストッパー２２をブロックさせるように、切り欠き３０及びストッパー２２がずれている。したがって、ブレード２が上方に回転することを防止する。ストッパー機構３の位置を変更することは、ブレード２が自由に回転または停止するかを決定できる。ストッパー機構３は、ブレード制御機構である。ブレード２は、回転可能なブレードであり、固定ブレードではない。ストッパー機構３は、切り欠き３０がストッパー２２に位置合わせされるように移動すると、ストッパー２２は、ブロックせずに切り欠き３０を通過する（即ちブレード２が回転できる）。ストッパー機構３の両端にはそれぞれの押圧部３１がある。一端の押圧部３１を押すと、ストッパー機構３を他端に移動させる。図１から見れば、左端の押圧部３１を押すと、切り欠き３０がストッパー２２に位置合わせされる。図１に示すように、切り欠き３０及びストッパー２２がずれている状態は、右端の押圧部３１を押した結果である。ブレードフレーム１２におけるブレード２、ピン接続部２０’、ブレード制御機構３及びブレードフレーム１２は、タービンブレード組を構成し、このタービンブレード組は、水車シャフト１０を円の中心として円形に配列され、水車シャフト１０に配置される（図９参照）。

図２は、本発明の実施形態に係るブレード及びストッパー機構を示す模式図である、ブレード２の裏面（即ち水の流れ方向とは反対面）を開示している。ブレード２は、ブレードフレーム１２に配置される。ブレードフレーム１２は、径方向アーム１２ａとクロスバー１２ｂに分ける。径方向アーム１２ａは、水車シャフト１０から径方向に延びている（図１参照）。クロスバー１２ｂは、二つの径方向アーム１２ａに接続されている。ブレード２は、ピン接続部２０’を介して、クロスバー１２ｂに接続されている。ピン接続部２０’には、ブレードの旋回軸２０がある。ブレード２の配置を容易にするために、ブレード２が連結アーム２１を介してクロスバー１２ｂに回動可能に接続されている。ブレードの旋回軸２０の軸方向（図１の軸方向２０ａ参照）は、水車シャフト１０（図１も参照）に平行している。連結アーム２１の他端は、ブレード２の縁から突出し、ストッパー２２としてストッパー機構３と共にブロック効果を生成する。従って、連結アーム２１にあるストッパー２２は、連結アーム２１の自由端であり、連結アーム２１の他端はブレード２のピン接続端である。一般的に言えば、ブレード２は、連結アーム２１と共にブレードアセンブリを形成するので、ストッパー２２はブレード２の自由端であり、ピン接続端２０’は、ブレード２のピン接続端である。ストッパー機構３は、ストッパー２２に対応する切り欠き３０を有している。図２における切り欠き３０の位置に関しては、ストッパー２２に対応しており、即ち、ストッパー２２は、ストッパー機構３によってブロックされることなく、切り欠き３０を通過する。従って、水の流れが下方から来ている場合、ストッパー２２は、ストッパー機構３によってブロックされることなく、切り欠き３０を通過するため、ブレード２が上方に回転する。ストッパー機構３は、摺動部３０ａ及び固定部３０ｂを更に含む。固定部３０ｂは、ブレードフレーム１２の径方向アーム１２ａに固定される（図４と６参照）。摺動部３０ａは、固定部３０ｂに摺動する。固定部３０ｂは、ストッパー機構３の構造強度を強化することができる。切り欠き３０は、摺動部３０ａに設けられる。又、摺動部３０ａの両端のそれぞれには、トリガー部（図示せず）による押しを受けて、摺動部３０ａを摺動するための押圧部３１が設けられる。本発明の摺動部３０ａと固定部３０ｂとの間には、簡単な概略図で示される。当業者であれば、スライダ機構に基づく、本発明の摺動部３０ａと固定部３０ｂとの間の詳細な構成を考案できる。

図３と図５は、本発明の実施形態に係るブレード及びストッパー機構の上面図である。図３におけるストッパー機構３の摺動部３０ａは、開放位置にあり、図５におけるストッパー機構３の摺動部３０ａは、ストッパー位置にある。摺動部３０ａの両端には、それぞれ押圧部３１が設けられる。図３と図５において、ブレードフレーム１２（図１と２参照）は、径方向アーム１２ａとクロスバー１２ｂに分けることができる。径方向アーム１２ａは、水車シャフト１０から径方向に延びている。クロスバー１２ｂは、二つの径方向アーム１２ａに接続されている。ブレード２は、ピン接続部２０’を介して、クロスバー１２ｂに接続されている。ピン接続部２０’には、ブレードの旋回軸２０がある（図２参照）。これにより、水車シャフト１０に平行しているブレードの軸方向２０ａを形成する。

図３と図５において、ブレード２の裏面（即ち水の流れ方向とは反対側）を開示している。これらの二つの図から見れば、ブレード２は、紙面から離れる方向に移動する。ブレード２の水に向かう面は、水の流れによって駆動される。図３において、摺動部３０ａは、開放位置にあり、摺動部３０ａの切り欠き３０は、ストッパー２２に位置合わせされる。ストッパー２２は、連結アーム２１の一端から伸びている。ブレード２は、水の流れによって駆動されるとき、ストッパー２２は、摺動部３０ａによってブロックされることなく、切り欠き３０を通過することができる。図４は、図３のＡ−Ａ断面を示す模式図である。ストッパー機構３の固定部３０ｂは、ブレードフレーム１２（図１と２参照）の径方向アーム１２ａに設けられる。摺動部３０ａは、固定部３０ｂの上に位置し、両端のそれぞれには押圧部３１が設けられる。左端の押圧部３１を押すと、摺動部３０ａは右に摺動する。固定部３０ｂは、ストッパー２２を収容するための収容部３２を更に有している。図４から明らかなように、切り欠き３０は、ストッパー２２に位置合わせされているため、水の流れが下から上にブレード２（図３参照）を押すと、ストッパー２２は、切り欠き３０を通過する。図５において、摺動部３０ａはストッパー位置にあると、摺動部３０ａの切り欠き３０はストッパー２２からずれる（即ちストッパー２２に位置合わせされていない）。ブレード２は、水の流れによって駆動されるとき、ストッパー２２は、摺動部３０によってブロックされ、切り欠き３０を通過することができない。即ち、ストッパー２２は、摺動部３０ａに当接した場合、水の流れがブレード２を押し、ストッパー２２が摺動部３０ａに向けて付勢し、固定部３０ｂによってブレードフレーム１２を間接的に押して、水車を回転させる。図６は、図５のＢ−Ｂ断面を示す模式図である。図６において、ストッパー機構３の固定部３０ｂは、ブレードフレーム１２の径方向アーム１２ａに設けられる。摺動部３０ａは、固定部３０ｂの上に位置しており、両端のそれぞれには押圧部３１が設けられる。右端の押圧部３１を押すと、摺動部３０ａは左に摺動する。固定部３０ｂは、ストッパー２２を収容するための収容部３２を更に有している。図６から明らかなように、切り欠き３０は、ストッパー２２に位置合わせされていない（即ち両者がずれている）ため、水の流れが下から上にブレード２（図５参照）を押すと、ストッパー２２は、摺動部３０ａによってブロックされ、切り欠き３０を通過することができない。

図７は、ストッパー機構がストッパー状態から開放状態に変化することを示す模式図である。図７は、図４のＡ−Ａ方向に応じた断面図及び図６のＢ−Ｂ方向に応じて断面図である。ストッパー機構３の固定部３０ｂは、ブレードフレーム１２（図１と図２参照）の径方向アーム１２ａに固定される。まず、図７の下方を参照し、ストッパー機構３はストッパー状態（すなわち当接、保持又は固定された状態）にあり、ストッパー２２は、固定部３０ｂの収容部３２にあり、摺動部３０ａは、ストッパー状態（すなわち当接、保持又は固定された状態）にある。即ち、切り欠き３０は、ストッパー２２に位置合わせされていない（両者がずれている）。故に、水の流れが下から上にブレード２（図３参照）を押すと、ストッパー２２は、摺動部３０ａに当接し、即ちストッパー２２は、摺動部３０ａよってブロックされ、切り欠き３０を通過することができない。本発明は、水路の左右両側（川の左右岸、図９参照）にストッパー解除装置５１及びストッパー作動装置５２をそれぞれ配置する。例えば図７において、完成したストッパー解除動作は、下方から上方に示されている。図７の下から、ストッパー解除装置５１は、トリガ位置にあり、ストッパー作動装置５２は、初期位置（待機位置）にある。水車は、水の流れによって持続的に駆動され、ストッパー機構３の上昇を引き起こす場合、第一押圧部である左側の押圧部３１は、ストッパー解除装置５１と接触する。ストッパー機構３は上方に移動するが、ストッパー解除装置５１は下向きの力を提供する。図７の上方に示すように、押圧部３１は、ストッパー解除装置５１に向かう傾斜面を有するため、ストッパー機構３の摺動部３０ａを右に押す水平方向の力を生成させる。押圧部３１の傾斜面は、好ましくはわずかに凸の円弧状である。左側の押圧部３１は、ストッパー解除装置５１に向かい、右側の押圧部３１は、ストッパー作動装置５２に向かう。図７の下方から上方に見れば、左側の押圧部３１はストッパー解除装置５１と接触し、摺動部３０ａを右に押して開放位置（解放位置）に摺動させる。これにより、切り欠き３０は、ストッパー２２に位置合わせされ、ストッパー機構３は開放状態（解放状態）にある。ブレードフレーム１２は、再び水の流れに接触するまで回転し続けると、切り欠き３０は、ストッパー２２に位置合わせされるため、摺動部３０ａは、ブレード２の揺動を停止することはできない。従って、ブレード２は、水の流れによって押され、旋回軸２０を回転中心として傾斜する（図１０参照）。また、ストッパー作動装置５２は初期位置にあるため、ストッパー機構３の右側の押圧部３１に接触しなく、干渉現象を発生させることはない。なお、ストッパー解除装置５１を押圧部３１に円滑に接触するために、ストッパー解除装置５１は、ローラーとして設計する。ローラーは、押圧部３１と接触するとき、過度の摩擦なしに、押圧部３１に円滑に転がる。

図８は、ストッパー機構が開放状態からストッパー状態に変化することを示す模式図である。図８は、図４のＡ−Ａ方向に応じた断面図及び図６のＢ−Ｂ方向に応じて断面図である。ストッパー機構３の固定部３０ｂは、ブレードフレーム１２（図１と図２参照）の径方向アーム１２ａに固定される。まず、図８の下方を参照し、ストッパー機構３は開放状態にあり、ストッパー２２は、固定部３０ｂの収容部３２にあり、摺動部３０ａは、開放位置にある。即ち、切り欠き３０は、ストッパー２２に位置合わせされている。故に、水の流れが下から上にブレード２（図３参照）を押すと、ストッパー２２は、摺動部３０ａに当接しなくて傾斜する。本発明は、水路の左右両側（川の左右岸、図９における水路４と岸辺４１参照）にストッパー解除装置５１及びストッパー作動装置５２をそれぞれ配置する。例えば図８において、完成したストッパー作動の動作は、下方から上方に示されている。図８の下方から、ストッパー解除装置５１は、初期位置（待機位置）にあり、ストッパー作動装置５２は、トリガ位置にある。水車は、水の流れによって持続的に駆動され、図８におけるストッパー機構３の上昇を引き起こす場合、第二押圧部である右側の押圧部３１は、ストッパー作動装置５２と接触する。ストッパー機構３は上方に移動するが、ストッパー作動装置５２と接触するときは、下向きの力を提供する。図８の上方に示すように、押圧部３１は、ストッパー作動装置５２に向かう傾斜面を有するため、ストッパー機構３の摺動部３０ａを左に押す水平方向の力を生成させる。図８の下方から上方に見れば、右側の押圧部３１はストッパー作動装置５２と接触し、摺動部３０ａを左に押してストッパー位置（当接、保持又は固定された位置）に摺動させる。これにより、切り欠き３０は、ストッパー２２に位置合わせされていない（両者がずれている）。従って、ブレードフレーム１２は、再び水の流れに接触するまで回転し続けると、切り欠き３０は、ストッパー２２に位置合わせされていないため、摺動部３０ａは、ブレード２の揺動をブロックする。従って、ブレード２は、水の流れによって押され、摺動部３０ａがストッパー２２をブロックすることで、ブレード２は旋回軸２０（図２参照）に従って回転することはない。また、ストッパー解除装置５１は初期位置（待機位置）にあるため、ストッパー機構３の左側の押圧部３１に接触しなく、干渉現象を発生させることはない。図７と図８から見れば、ストッパー解除装置５１及びストッパー作動装置５２はトリガ効果を有するため、トリガ機構に属することが理解される。ストッパー作動装置５２のトリガ効果は、左側の押圧部３１を平行移動するようにトリガする。ストッパー解除装置５１のトリガ効果は、右側の押圧部３１を平行移動するようにトリガする。なお、ストッパー作動装置５２を押圧部３１に円滑に接触するために、ストッパー作動装置５２は、ローラーとして設計する。ローラーは、押圧部３１と接触するとき、過度の摩擦なしに、押圧部３１に円滑に転がる。

図９は、本発明に係る水車装置の全体を示す模式図である。水車１（水タービンとも呼ばれる）は、全体として機能し、複数のブレードフレーム１２を有し、それぞれのブレードフレーム１２は、水車シャフト１０を軸の中心として周りに配置される。水車１は、水車シャフト１０を介して水路４（即ち水路４の岸辺４１）に配置される。水の流れＷＦは、おおよそ図面の左上から右下に流れる。水車１の左から見れば、水車１が反時計回りに回転するため、約３時の位置は、ブレード２が水から離れた位置（水路４の下流側）であり、９時の位置は、ブレード２が水に入る位置（水路４の上流側）である。ストッパー解除装置５１及びストッパー作動装置５２は、ブレード２が水から離れた位置に近い岸辺４１に配置され、また、水に入った位置に配置されてもよい。本発明は、説明を容易にするために、ストッパー解除装置５１及びストッパー作動装置５２が水から離れた位置に配置される状態だけを説明する。当業者は、本発明で開示することに基づいて、これらの二つの装置を水に入った位置に配置してもよいことを理解できる。図９に示すように、ストッパー解除装置５１及びストッパー作動装置５２の上に近い箇所とそれらの下に近い箇所のそれぞれには、ブレード２とストッパー機構３がある。図３〜８に参照して本発明に係る水車装置の制御システムがどのように機能するかを理解できる。図９におけるストッパー機構３及びブレード２は、単純な図面として示され、詳細な構造について、図１〜３と図５を参照する。

図９に示すように、水の上にあり、ストッパー解除装置５１及びストッパー作動装置５２の下のブレード２は、トリガの前の位置Ｐ１にあり、その上のブレード２は、トリガの後の位置Ｐ２にある。図７と図８から明らかなように、トリガの前の位置Ｐ１は、これらの図面の下部であり、トリガの後の位置Ｐ２は、これらの図面の上部である。図７と図８及びそれらの関連説明から、図９と図７と共に参照すれば、トリガの前の位置Ｐ１にあるストッパー機構３は、ストッパー位置にある（即ち図７の下部）。水車１が反時計回りに回転し続けると、図７に示すように、ストッパー機構３は、上から下に移動する。ストッパー機構３の左側の押圧部３１がストッパー解除装置５１によってトリガされると、ストッパー機構３の摺動部３０ａは、図７の上部に示すように、右に摺動する。このとき、ストッパー機構３の位置は、図９に示すようなトリガの後の位置Ｐ２である。図９と図８と共に参照すれば、トリガの前の位置Ｐ１にあるストッパー機構３は、開放位置にある（即ち図８の下部）。水車１が反時計回りに回転し続けると、図８に示すように、ストッパー機構３は、下から上に移動する。ストッパー機構３の右側の押圧部３１がストッパー作動装置５２によってトリガされると、ストッパー機構３の摺動部３０ａは、図８の上部に示すように、左に摺動する。このとき、ストッパー機構３の位置は、図９に示すようなトリガの後の位置Ｐ２である。残りの説明については、図７と図８及びそれらの関連説明を参照し、繰り返し説明する必要がない。

図１０は、本発明に係るストッパーが解除された後に、ブレードが水流にある状態を示す模式図である。図面を簡単にするために、水車における一つのブレードフレーム１２だけが示されている。ブレードフレーム１２は、水車シャフト１０から延びており、３枚のブレード２は、水車シャフト１０の半径方向に配置され、ブレード２のそれぞれは、ピン接続部２０’の旋回軸２０を介してブレードフレーム１２に回動可能に接続されており、水車シャフト１０の周りに回転する。水車は、図１０に示すような反時計回りに回転すると、水の流れＷＦが水路４において左から右に流れる。図１０の最も下にあるブレード２のストッパー機構３は、既にストッパー状態を解除した。即ち、ストッパー機構３の切り欠き３０は、ストッパー２２に位置合わせされているため、ストッパー２２をブロックすることができない。ブレード２は、水の流れＷＦの押す力を受け、ブレードの旋回軸２０を軸の中心として揺動する。即ち、ストッパー状態を解除した下方のブレード２が受けた水の流れＷＦの押す力は、相対的に小さい。この押す力の一部は、ブレード２に作用する上向きの力に変換される。即ち、水の流れＷＦの押す力は、ブレード２自体を回転させる動力に変換される。このように、ブレードフレーム１２は、残りの二つのブレード２で水の流れＷＦを受けるので、水車１（図９参照）を回転させる力を低減する。図１０における上方と中間のブレード２のそれぞれのストッパー機構３は、ストッパー位置にあり、即ちストッパー機構３の切り欠き３０及びストッパー２２がずれている（図５と図６参照）ため、ストッパー機構３は、ストッパー２２に当接し、即ちストッパー機構３はストッパー２２をブロックする。従って、ブレード２は、水の流れＷＦの押す力によって、旋回軸２０を軸の中心として回転することができない。図１０における上方と中間のブレード２は、既にストッパー状態を作動したため、ブレード２が受けた水の流れＷＦの押す力は自体を回転させる動力に分散されず、相対的に大きい。つまり、ブレード２は、水の流れＷＦの押す力によって回転させることができない。ブレードフレーム１２は、残りの上方と中間のブレード２で水の流れＷＦを受けるので、水車１（図９参照）を回転させる力を低減する。

図１及び図１０と共に参照し、本発明の特徴の一つは、水車シャフト１０とブレードの旋回軸２０は互いに平行している。このため、ブレード２の揺動方向と水車の回転方向に対する接線方向とは同一である。すなわち、水車シャフト１０の回転面とブレード２の回転平面は平行であり、且つ互いに重なり合っている。換言すれば、ブレード２が固定されていない場合、ブレード２が傾斜するように、水の流れでブレード２に影響を与える。水の流れＷＦは、ブレード２の傾斜によって、ブレード２に作用する力に分力を発生する。水車シャフト１０とブレードの旋回軸２０は互いに平行しているため、固定されていないブレード２によって生成された分力は、水車シャフト１０の回転面だけに作用する。つまり、この分力は、ブレードフレーム１２を介して伝導することにより、水車シャフト１０を自身の軸方向に従って回転させるだけ、他の軸方向に従って回転させることができない。他の軸方向の力が水車シャフト１０に作用すれば、水車シャフト１０は、不均一な力を負担させるため、寿命が短くなる。水車シャフト１０とブレードの旋回軸２０は互いに平行していることは、ブレード２の分力による他の軸方向の力が水車シャフト１０に作用することを回避できる。従って、本発明の設計は、水車シャフト１０の寿命を損なうことがない。

図１１は、本発明に係る複数のブレードの水車装置を示す全体図である。図１１に示すように、複数のブレードフレーム１２は、水車シャフト１０の周りに配置される。各ブレードフレーム１２は、３枚のブレード２を有している。二つのブレードフレーム１２は、水車シャフト１０に同じ方向に並べて構成されている。同じ方向にある二つのフレーム１２は、合計で６枚のブレード２を有している。図面を簡単にするために、二つの岸辺４１、水車シャフト１０、水路４、各ブレードフレーム１２及び各ブレード２だけが描かれている。各ブレード２とブレード制御機構３（ストッパー機構）の詳細について、図２〜図６及び関連説明を参照する。ブレード制御機構３とストッパー解除装置５１の作動について、図７〜図９及び関連説明を参照する。図９において、ブレードフレーム１２は、水車シャフト１０の径方向に沿って、一つだけのブレード２を示す。図１１において、一つのブレードフレーム１２は、水車シャフト１０の径方向に沿って、３枚のブレード２を示すため、三つのストッパー解除装置５１（図９参照）及び三つのストッパー作動装置５２（図９参照）が使用され、それらの配列方向は、３枚のブレード２の位置と一致し、三つのストッパー解除装置５１及び三つのストッパー作動装置５２は、水車シャフト１０の径方向に配置される。

図１２は、本発明に係る複数のブレードの水車装置のストッパー機構を示す上面図であり、つまり、図１１の局所的な構造を示す上面図である。図１２は、左右に隣接して配置される二つのブレード２だけが描かれている。即ち、水車シャフト１０の方向に平行に構成される。図１２において、二つのブレード２は左右に隣接して配置され、つまり、図５に示すようなブレード２が左右に並んで配置される。したがって、二つのブレード２は、同じ横方向におけるブロック及び解放を連動している。図１２におけるストッパー機構３の摺動部３０ａＬ、３０ａＲと３０ｃ、図５と同じに、ストッパー位置にある。図１２と図５と異なる点は、図１２の摺動部は、左側のブレード２と連結する左摺動部３０ａＬ、右側のブレード２と連結する右摺動部３０ａＲ、それらの摺動部（３０ａＬ、３０ａＲ）との間にある伝導部（３０ｃ）という三つの部分に分ける。伝導部３０ｃは、ストッパー解除装置５１（図７参照）又はストッパー作動装置５２（図９参照）による衝撃力を一方の摺動部から他方の摺動部に渡すために使用される。左摺動部３０ａＬは、左側のブレード２のストッパー２２に当接し、右摺動部３０ａＲは、右側のブレード２のストッパー２２に当接する。それ以外の構造は、図５とほぼ同じである。例えば、左摺動部３０ａＬの左端は、ストッパー解除装置５１（図７参照）による衝撃力を受ける押圧部３１を有し、右摺動部３０ａＲの右端は、ストッパー作動装置５２（図８参照）による衝撃力を受ける押圧部３１を有する。ブレードフレーム１２は、は、径方向アーム１２ａとクロスバー１２ｂに分けることができる。径方向アーム１２ａは、水車シャフト１０から径方向に延びている。クロスバー１２ｂは、三つの径方向アーム１２ａに接続されている。ブレード２は、ピン接続部２０’を介して、クロスバー１２ｂに接続されている。ピン接続部２０’には、ブレードの旋回軸２０がある（図２参照）。これにより、水車シャフト１０（図１１参照）に平行しているブレードの軸方向２０ａを形成する。図１２における水車装置は、連結アーム２１を更に有する。ブレード２は、連結アーム２１に配置される。連結アーム２１の一端は、ピン接続端であり、連結アーム２１の他端は、ストッパー端である。ピン接続端２０’は、旋回軸２０（図２参照）を介してブレードフレーム１２に回動可能に接続されている。ストッパー端は、ブレード２の縁から突出しているストッパー２２を形成する。ストッパー２２は、ストッパー機構３の切り欠き３０がずれているため、ストッパー２２とストッパー機構３は互いに当接してブロック効果を生成する。

図１３は、図１２のＣ−Ｃ断面を示す模式図である。図１３は、図１１の局所的な構造を示す断面図であり、左右に隣接するブレード２（図１２参照）に関連付けられたストッパー機構３だけが描かれている。図１３における摺動部は、図１２とほぼ同じに、左側のブレード２と連結する左摺動部３０ａＬ、右側のブレード２と連結する右摺動部３０ａＲ、それらの摺動部（３０ａＬ、３０ａＲ）との間にある伝導部（３０ｃ）という三つの部分に分ける。伝導部３０ｃは、ストッパー解除装置５１（図７参照）又はストッパー作動装置５２（図９参照）による衝撃力を一方の摺動部から他方の摺動部に渡すために使用される。全ての摺動部（３０ａＬ、３０ａＲ）と伝導部３０ｃは、固定部３０ｂの上に摺動する。固定部３０ｂは、三つの径方向アーム１２ａに固定され、各摺動部と伝導部の摺動を案内するだけでなく、三つの径方向アーム１２ａとの間の距離も維持している。左摺動部３０ａＬは、左側のブレード２のストッパー２２に当接し、右摺動部３０ａＲは、右側のブレード２のストッパー２２に当接する。各ストッパー２２と切り欠き３０は、ずれている。押圧部３１の機能について、図４、図６、図７及び図８を参照し、繰り返し説明する必要がない。図１２と図１３における摺動部（３０ａＬ、３０ａＲ）、伝導部（３０ｃ）と固定部３０ｂは、単純な図面として示されている。機械工学分野の当業者であれば、スライダ機構に基づく、本発明の摺動部（３０ａＬ、３０ａＲ）、伝導部（３０ｃ）と固定部３０ｂとの間の詳細な構成を考案できる。

したがって、３枚のブレードを並べて構成されている場合、各ブレードが一つの摺動部を備えているため、二つの隣接する摺動部との間に伝導部があることを、図１２〜１３から推定することができる。並んでいる三つのブレードを有する実施形態に関して、同じ横の列におけるストッパー機構は、二つの伝導部を有している。したがって、Ｎ枚のブレードを並べて構成されている場合は、対応するストッパー機構は、Ｎ−１の伝導部がある。また、並んでいる三つのブレードを備える実施形態では、中間位置にあるブレードの摺動部の両端には、押圧部を必要としないが、この位置における摺動部の両端には、それぞれ伝導部が当接する。つまり、左伝導部は、左摺動部に接し、右伝導部は、右摺動部に接する。例えば、左摺動部の押圧部がトリガされたときに、その横方向の移動力が左伝導部を介して中央の摺動部に渡し、更に中央の摺動部から右伝導部を介して右摺動部に渡す。同様に、並んで構成された複数のブレードを備えた実施形態では、最も左と最も右の摺動部は、押圧部を配置する必要があり、残りの摺動部は押圧部を配置する必要としない。

以上により、本発明の”水車裝置及びその制御機構”は、ブレードを自身の回転可能な状態と非回転可能な状態との間に変更し、さらに、自身の回転可能な軸は、水車の回転軸に平行している。ブレード自体は回転し傾斜するとき、水車に水の流れの影響を減少させるだけでなく、水の流れによってブレードに生成された分力は、水車の回転軸が傾くことはない。本発明は、発電及び工場の両方で使用することができる。本発明により、水の流れが急激に増加する場合、ブレードをブロックするストッパーを解放し、水の流れによる衝撃力の一部を分散させ、ブレードを傾斜させる押圧力に変換し、他の水の流れがブレードを通過するため、水車に対する衝撃力を減少させ、水車にダメージを与える可能性も大幅に低減する。本発明は、大きすぎる回転力によって発電機又は工場にダメージを与える可能性を低減し、水車全体の信頼性が向上し、メンテナンス間隔を長くすることで、メンテナンスコストも低減することができる。また、本発明は、水路のゲートで水の流速及び流量を制御せず、下流における水の需要に影響せず、沈泥を増加させなく、ゲートオフによる水面の上昇を引き起こさない。従って、本発明は、水車技術に偉大な貢献を持っている。

水車装置は、第一軸を有する水車シャフトと、前記水車シャフトの径方向に分布している複数のブレードフレームと、前記複数のブレードフレームのそれぞれに取り付けた複数の水車ブレードと、対応するブレードフレームに取り付け、第一軸に平行な第二軸を有し、前記複数の水車ブレードのいずれかが前記対応するブレードフレームに対して枢設されることを可能にする旋回軸と、を含む。

実施例１に記載の水車装置において、前記水車装置は、対応するブレードフレームに枢設された前記旋回軸と反対側端に配置されるブレード制御機構を更に含み、前記水車ブレードが前記ブレード制御機構に隣接する箇所には、ストッパーがあり、前記ストッパーは、前記水車ブレードの縁から突出し、前記ブレード制御機構は、切り欠きを更に有し、前記ブレード制御機構は、前記切り欠きを前記ストッパーに位置合わせされるように移動すると、前記ストッパーは、ブロックせずに前記ブレード制御機構を自由に通過する。

実施例２に記載の水車装置において、前記水車装置は、前記ブレード制御機構に隣接するストッパー解除機構を更に含み、前記ストッパー解除機構は、前記ブレード制御機構を前記水車ブレードに当接させないように、前記ブレード制御機構を接触させて押す。

実施例２に記載の水車装置において、前記水車装置は、前記ブレード制御機構に隣接するストッパー作動機構を更に含み、前記ストッパー作動機構は、前記ブレード制御機構を前記水車ブレードに当接させるように、前記ブレード制御機構を接触させて押す。

実施例３又は４に記載の水車装置において、前記水車シャフトは、水路に配置されており、前記ストッパー解除機構と前記ストッパー作動機構は、前記水路の側に配置されている。

水車装置に用いる制御機構において、水車装置は、水車シャフトと、前記水車シャフトの径方向に分布している複数のブレードフレームと、前記複数のブレードフレームのそれぞれに取り付けた複数の水車ブレードと、対応するブレードフレームに取り付け、前記複数の水車ブレードのいずれかが前記対応するブレードフレームに対して枢設されることを可能にする旋回軸と、を含み、前記制御機構は、前記旋回軸に枢設された前記水車ブレードに設けられるストッパーと、制御要素と、を含み、前記制御要素は、第一状態で前記水車ブレードの旋回を拘束するようにストッパーに当接し、第二状態で前記水車ブレードを前記対応するブレードフレームに対して旋回させるようにストッパーとの当接を解除する。

実施例６に記載の制御機構において、前記ストッパーは、前記水車ブレードの自由端である。

実施例６に記載の制御機構において、前記制御要素の一方の端に配置される第一押圧部であって、前記第一押圧部を押すと、前記制御要素を第一状態から第二状態に変更し、前記制御要素と前記ストッパーとの当接を解除する前記第一押圧部と、前記制御要素の他方の端に配置され、前記第一押圧部に対向する第二押圧部であって、前記第二押圧部を押すと、前記制御要素を第二状態から第一状態に変更し、前記制御要素と前記ストッパーとの当接を復元して前記水車ブレードの旋回を拘束する前記第二押圧部と、を更に含む。

実施例８に記載の制御機構において、前記第一押圧部及び前記第二押圧部は、傾斜形状を有している。

実施例８に記載の制御機構において、前記水車シャフトは、水路に配置されており、前記制御機構は、前記水路に配置され、前記第一押圧部に隣接し、前記第一押圧部を接触させて押すためのストッパー解除機構と、前記水路に配置され、前記第二押圧部に隣接し、前記第二押圧部を接触させて押すためのストッパー作動機構と、を更に含む。

実施例９に記載の制御機構において、前記ストッパー解除機構及び前記ストッパー作動機構は、ローラーである。

水車装置に用いる制御機構であって、前記水車装置は、水車シャフトを含み、前記水車シャフトの周方向に沿う特定位置に複数のブレードフレームを前記水車シャフトの軸方向に隣接して設置し、前記ブレードフレームのそれぞれにブレードが設置され、前記ブレードは、ピン接続側及び前記ピン接続側に相対する当接側を有し、前記ピン接続側は、関連するブレードフレームの第一位置に枢設され、前記制御機構は、前記関連するブレードフレームの前記当接側に隣接する第二位置に配置され、前記制御機構は、当接位置及び解放位置を更に有する当接部を更に含み、前記当接位置にあると、前記当接部は当接側に当接し、前記解放位置にあると、前記当接部は当接側に当接しない。

実施例１２に記載の制御機構において、前記ブレードに制御機構が配置される。

実施例１２に記載の制御機構において、伝導部を更に含み、前記伝導部は、第一ブレードの当接部の動きを他のブレードの当接部に伝導するために、軸方向に隣接する二つのブレードの当接部との間に位置する。

実施例１２に記載の制御機構において、前記ブレードの当接側は凸形状に成し、前記当接部には、切り欠きが設けられ、前記当接部は前記解放位置にあると、前記当接部にブロックされることなく、前記当接側が前記切り欠きを通過するように、前記切り欠きは前記凸形状の当接側に位置合わせされる。

実施例１２に記載の制御機構において、初期位置とトリガ位置を有するトリガ機構を更に含み、前記トリガ機構は、前記二つの位置の間に移動し、前記トリガ機構は前記初期位置にあると、前記当接部と接触しなく、前記トリガ機構は前記トリガ位置にあると、前記当接部を前記当接位置から前記解放位置に移動する又は前記解放位置から前記当接位置に移動するように前記当接部と接触する。

実施例１６に記載の制御機構において、前記トリガ機構は、第一トリガ機構であって、前記当接部の一端と接触して押し、前記第一トリガ機構が前記トリガ位置に移動するとき、前記当接部を前記当接位置から前記解放位置に移動するように前記当接部と接触する前記第一トリガ機構と、第二トリガ機構であって、前記当接部の他端と接触して押し、前記第二トリガ機構が前記トリガ位置に移動するとき、前記当接部を前記解放位置から前記当接位置に移動するように前記当接部と接触する前記第一トリガ機構と、を更に含む。

実施例１２に記載の制御機構において、前記当接部は、前記当接部の一端に設けられ、前記トリガ機構が前記トリガ位置にあるときに、前記トリガ機構と接触する第一押圧部と、前記当接部の他端に設けられ、前記トリガ機構が前記トリガ位置にあるときに、前記トリガ機構と接触する第二押圧部と、を更に含む。

水車装置に用いる制御機構であって、前記水車装置は、水車シャフトを含み、前記水車シャフトは、両端が水路の岸に配置され、前記水車シャフトの周方向に複数のブレードフレームが配置され、前記ブレードフレームのそれぞれにブレードが設置され、前記ブレードの一方の側は、ピン接続端であり、前記ピン接続端に相対する側は、自由端であり、前記ブレードのピン接続端は、前記ブレードフレームに枢設され、前記制御機構は、可動部を含み、前記可動部は、前記自由端に近いブレードフレームに移動自在に配置され、ストッパー位置と解放位置との間に移動でき、前記可動部は前記ストッパー位置にあると、前記ブレードを前記ブレードフレームに対して旋回させないように前記可動部が前記自由端に当接し、前記可動部は前記解放位置にあると、前記ブレードを前記ブレードフレームに対して旋回させるように前記自由端が前記可動部に影響されない。

実施例１９に記載の制御機構において、岸辺に配置され、待機位置とトリガ位置との間に移動する押し部を更に含み、前記押し部が前記トリガ位置にあると、前記押し部は、前記可動部を前記ストッパー位置から前記解放位置に押す又は前記解放位置から前記ストッパー位置に押すように前記可動部と接触する。

以上の説明によると、当業者であれば本発明の技術思想を逸脱しない範囲で、多様な変更及び修正が可能であることが分かる。従って、本発明の技術的な範囲は、明細書の詳細な説明に記載された内容に限らず、特許請求の範囲によって定めなければならない。

１ 水車
２ 水車ブレード
３ ストッパー機構
４ 水路
１０ 水車シャフト
１２ ブレードフレーム
１２ａ 径方向アーム
１２ｂ クロスバー
２０ 旋回軸
２０’ ピン接続部
２０ａ 軸方向
２１ 連結アーム
２２ ストッパー
３０ 切り欠き
３０ａ、３０ａＬ、３０ａＲ、３０ｃ 摺動部
３０ｂ 固定部
３１ 押圧部
３２ 収容部
４１ 岸辺
５１ ストッパー解除装置
５２ ストッパー作動装置
Ｐ１ トリガの前の位置
Ｐ２ トリガの後の位置
ＷＦ 水の流れ

Claims (8)

1. 水車シャフトと、
   前記水車シャフトの径方向に分布している複数のブレードフレームと、
   前記複数のブレードフレームのそれぞれに取り付けた複数の水車ブレードと、
   対応するブレードフレームに取り付け、前記水車シャフトに平行に配置され、前記複数の水車ブレードのいずれかが前記対応するブレードフレームに対して枢設されることを可能にする旋回軸と、
   対応するブレードフレームに、前記旋回軸と反対側端に配置されるブレード制御機構と、を含み、
   前記水車ブレードが前記ブレード制御機構に隣接する箇所には、ストッパーがあり、前記ストッパーは、前記水車ブレードの縁から突出し、
   前記ブレード制御機構は、切り欠きを更に有し、
   前記ブレード制御機構は、前記切り欠きが前記ストッパーに位置合わせされるように移動すると、前記ストッパーは、ブロックせずに前記ブレード制御機構を自由に通過することを特徴とする水車装置。
2. 前記水車装置は、前記ブレード制御機構に隣接するストッパー解除機構を更に含み、
   前記ストッパー解除機構は、前記ブレード制御機構を前記水車ブレードに当接させないように、前記ブレード制御機構を接触させて押し、
   前記水車装置は、前記ブレード制御機構に隣接するストッパー作動機構を更に含み、
   前記ストッパー作動機構は、前記ブレード制御機構を前記水車ブレードに当接させるように、前記ブレード制御機構を接触させて押すことを特徴とする請求項１に記載の水車装置。
3. 前記水車シャフトは、水路に配置されており、前記ストッパー解除機構と前記ストッパー作動機構は、前記水路の側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の水車装置。
4. 水車シャフトと、前記水車シャフトの径方向に分布している複数のブレードフレームと、前記複数のブレードフレームのそれぞれに取り付けた複数の水車ブレードと、対応するブレードフレームに取り付け、前記複数の水車ブレードのいずれかが前記対応するブレードフレームに対して枢設されることを可能にする旋回軸と、を含む、水車装置に用いる制御機構であって、
   前記旋回軸に枢設された前記水車ブレードに設けられ、前記水車ブレードの縁から突出するストッパーと、
   前記対応するブレードフレームに、前記旋回軸と反対側端に配置される制御要素と、を含み、
   前記制御要素は、第一状態で前記水車ブレードの旋回を拘束するようにストッパーに当接し、第二状態で前記水車ブレードを前記対応するブレードフレームに対して旋回させるようにストッパーとの当接を解除し、
   前記制御要素は、切り欠きを更に有し、
   前記制御要素は、前記第二状態で前記切り欠きが前記ストッパーに位置合わせされるように移動し、前記ストッパーは、ブロックせずに前記ブレード制御機構を自由に通過することを特徴とする制御機構。
5. 前記ストッパーは、前記水車ブレードの自由端であることを特徴とする請求項４に記載の制御機構。
6. 前記制御要素の一方の端に配置される第一押圧部であって、前記第一押圧部を押すと、前記制御要素を第一状態から第二状態に変更し、前記制御要素と前記ストッパーとの当接を解除する前記第一押圧部と、
   前記制御要素の他方の端に配置され、前記第一押圧部に対向する第二押圧部であって、前記第二押圧部を押すと、前記制御要素を第二状態から第一状態に変更し、前記制御要素と前記ストッパーとの当接を復元して前記水車ブレードの旋回を拘束する前記第二押圧部と、を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の制御機構。
7. 前記第一押圧部及び前記第二押圧部は、傾斜形状を有していることを特徴とする請求項６に記載の制御機構。
8. 前記水車シャフトは、水路に配置されており、
   前記制御機構は、
   前記水路に配置され、前記第一押圧部に隣接し、前記第一押圧部を接触させて押すためのストッパー解除機構と、
   前記水路に配置され、前記第二押圧部に隣接し、前記第二押圧部を接触させて押すためのストッパー作動機構と、を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の制御機構。