WO2011161718A1 - 翼及びこれを用いた羽根車 - Google Patents

Abstract

　本発明における翼は、所定の翼長を有する主翼と、この主翼から離間して当該主翼と一体的に連結された補助翼と、を備える。そして、上記主翼は、当該主翼の翼弦上に位置し当該主翼の翼長方向に沿って延びる翼軸を中心に所定の部材に回転可能なよう軸支されており、上記補助翼は、上記主翼の前縁側または後縁側に位置して設けられている。例えば、上記補助翼は、当該補助翼の翼弦が上記主翼の翼弦方向の延長上に沿って位置して設けられている。

Description

翼及びこれを用いた羽根車

　本発明は、翼及びこれを用いた羽根車にかかり、特に、主翼の他に補助翼を有する翼及びこれを用いた羽根車に関する。

　風力や水力によって回転する羽根車は、例えば、風力を電気に変換する風力発電機に用いられる。そして、風力発電機に用いられる羽根車の一例として、地面に垂直に立設された支柱と、この支柱の上端部分に設けられた地面（水平方向）に対して平行な回転軸である平行回転軸と、この回転軸から軸方向に延びるブレードと、を備えた、プロペラ型の羽根車がある。また、別の例として、特許文献１，２に示すような、地面に対して垂直な回転軸である垂直回転軸と、この回転軸の周囲に設けられ当該回転軸と平行に翼長を有する回転翼と、を備えたジャイロミル型の羽根車がある。

　そして、上記ジャイロミル型の羽根車は、回転翼に所定の方向から風が当たると、風の下流方向には抗力が発生し、垂直方向には揚力が発生する。このとき、抗力と揚力の関係やそれぞれの大きさは、回転翼の形状、当該回転翼に当たる風の仰角などによって決定される。そして、揚力と抗力とは、それぞれ回転軸を回転させることができ、発電機としても利用することが可能であるが、揚力を利用する方が発電効率の面で有利である。

　ところが、上述したジャイロミル型の羽根車の場合には、回転軸の回転速度や風速の変化によって、回転翼に当たる相対的な風の方向が動的に変化しうる。これに伴い、最大揚力を発生するために理想的な仰角も時々刻々と変化しうる。このため、ジャイロミル型の羽根車において、回転翼の位置、速度、風向きの変化に、回転翼の仰角を適切に対応させる必要がある。

　ここで、特許文献１，２に、ジャイロミル型の羽根車において、回転翼の角度を可変とした構成のものが開示されている。具体的に、特許文献１では、回転翼が回転可能に軸支されており、特に、強風時に回転翼が風向きに対して平行となるよう構成されている。また、特許文献２では、上記同様に、回転翼がアーム部材にて回転可能に軸支されていると共に、さらに、回転翼の向きを変えるためのガバナアームが連結されている。そして、このガバナアームを作動円盤に連結し、当該作動円盤の回転を羽根車の回転速度（遠心力）に応じて制御する構成を採っている。これにより、風速や風向きに対して適宜回転翼の角度が変更される。

特開２００２－３３９８５４号公報 特開２０００－２３４５８２号公報

　しかしながら、上述した特許文献に開示の技術は、特定の回転位置において、回転翼の角度を可変とし、また、強風時における回転翼の角度を固定する、という構成を採っているため、各回転位置により回転翼を適切な角度に可変することができない。従って、羽根車における風力・水力といった流体の流れの力と回転力との変換効率のさらなる向上を図ることができない、という問題があった。

　また、翼をジャイロミル型の羽根車に装備した場合に限らず、あらゆる場面で利用される翼においても、流れに対して適切な角度に設定することができず、流体の流れに応じて効率よく揚力を発生させることができない、という問題が生じる。

　このため、本発明の目的は、上述した課題である、ジャイロミル型の羽根車やあらゆる装置に装備される翼において、当該翼に対する相対的な風向きの変化に適切に対応して、仰角を適切に設定する、ことにある。

　上記目的を達成するため、本発明の一形態である翼は、
　所定の翼長を有する主翼と、この主翼から離間して当該主翼と一体的に連結された補助翼と、を備え、
　上記主翼は、当該主翼の翼弦上に位置し当該主翼の翼長方向に沿って延びる翼軸を中心に所定の部材に回転可能なよう軸支されており、
　上記補助翼は、上記主翼の前縁側または後縁側に位置して設けられている、
という構成をとる。

　また、上記翼では、上記補助翼は、当該補助翼の翼弦が上記主翼の翼弦方向の延長上に沿って位置して設けられている。そして、特に、上記補助翼は、上記主翼の後縁側に設けられていると望ましい。また、上記補助翼の翼弦は、上記主翼の翼弦よりも短く形成されている、という構成をとる。

　また、上記翼では、当該翼が、上記翼軸を中心として予め設定された角度以上回転することを規制する回転規制手段を備えた、という構成をとる。

　また、本発明の一形態である羽根車は、
　回転軸と、この回転軸に連結され当該回転軸を中心とする円周上に当該回転軸の軸方向と平行に翼長が位置して配置された上述した翼と、を備えている。
　そして、上記翼は、上記回転軸に連結され当該回転軸を中心とする円周上に設けられた上記翼軸を中心に回転可能なよう軸支されている、
という構成をとる。

　さらに、上記羽根車では、上記回転軸の回転力を電力に変換する発電手段、あるいは、回転軸を回転駆動する駆動手段、を備えたという構成をとる。

　上記構成の翼によると、まず、主翼の前縁側から流体が流入するとき、何らかの手段で主翼に仰角を与えると、当該主翼に揚力が生じる。このとき、主翼の前縁側あるいは後縁側に配置された補助翼にも流体が流入することにより、当該補助翼にも揚力が生じる。すると、補助翼の揚力にて翼自体が回転し、主翼が流体に対して適切な仰角となる。従って、流体に対して効率よく揚力を発生させることができる。

　そして、かかる構成の翼を複数用いて羽根車を構成することで、回転位置に応じて流体が流入する方向が変化するが、補助翼に生じた揚力によって翼自体が回転し、主翼が流体の流入方向に対応して適切な仰角となる。従って、流体に対して効率よく揚力を発生させることができ、発電機やシュナイダープロペラとしての利用も可能である。

　本発明は、以上のように構成されることにより、流体に対する主翼の仰角が適切となるよう当該主翼の向きが自動的に設定されるため、効率よく揚力を発生させることができる。

実施形態１における翼の構成を示す図である。 図１に開示した翼の動作を説明する図である。 図１に開示した翼の応用例の構成を示す図である。 図３に開示した翼の動作を説明する図である。 実施形態２における翼の構成を示す図である。 図５に開示した翼の動作を説明する図である。 ジャイロミル型の羽根車の構成の概略を示す図である。 羽根車の周囲における風速、回転速度、相対速度の様子を示す図である。 羽根車の周囲に流体が流れているときにおける回転翼の向きの一例を示す図である。 実施形態３における羽根車の構成の概略を示す図である。 実施形態３における羽根車を構成する回転翼の構成を示す図である。 実施形態３における羽根車の動作を示す図である。 実施形態３における羽根車の動作を示す図である。 実施形態４における羽根車を構成する回転翼の構成を示す図である。 実施形態４における羽根車の動作を示す図である。 実施形態４における羽根車の動作を示す図である。 実施形態４における羽根車の動作を示す図である。

　＜実施形態１＞
　本発明の第１の実施形態を、図１乃至図４を参照して説明する。図１は、本実施形態における翼の構成を示す図であり、図２は、その動作を示す図である。図３は、翼の応用例における構成を示す図であり、図４は、その動作を示す図である。

　［構成］
　図１（Ａ）は、本実施形態における翼１を上方から見た図であり、図１（Ｂ）は、翼１を側方から見た図である。この図に示すように、翼１は、所定の翼長（図１（Ｂ）における縦方向の長さ）を有する翼型の主翼１１と、この主翼１１から離間して当該主翼１１と一体的に連結部材１２を介して連結された翼型の補助翼１３と、を備えている。

　具体的に、上記主翼１１には、当該主翼１１の前縁付近の翼弦上に位置し、翼長方向に沿って軸方向が延びる翼軸１４が設けられている。そして、翼軸１４は、他の部材に回転自在なよう軸支されており、これにより、主翼１１は翼軸１４を中心に回転可能となっている。

　また、主翼１１の後縁側には、当該主翼１１よりも翼弦が短い補助翼１３が配置されている。この補助翼１３は、主翼１１の翼弦方向の延長上に沿って配置されている。つまり、主翼１１と補助翼１３とは、それぞれの所定の間隔をあけて、それぞれの翼弦方向が同一直線状に位置するよう、連結部材１２を介して一体的に連結して構成されている。

　［動作］
　次に、上述した翼１に対して、前縁側から風などの流体が流入したときの動作を、図２を参照して説明する。まず、図２（Ａ）に示すように、翼１を構成する主翼１１の前縁側（補助翼１３が連結されている側とは反対側）から流体Ｖが流入したとする。かかる状態で、図２（Ｂ）に示すように、主翼１１に符号Ｆａに示す上方への揚力が生じるよう何らかの手段で主翼１１に傾きを加えると、当該主翼１１の後縁側では、矢印で図示するように流体Ｖが補助翼１３の下面側に流入する。すると、当該補助翼１３には、符号Ｆｂに示す下方への揚力が生じる。これにより、翼１つまり主翼１１は、翼軸１４を中心として反時計回りに回転し、主翼１１の流体Ｖの流入方向に対して主翼１１が傾斜し、揚力Ｆａが増大する。

　その後、図２（Ｃ），図２（Ｄ）に示すように、補助翼１３に生じた揚力Ｆｂによって徐々に主翼１１の傾斜角度が大きくなり、当該主翼１１の揚力Ｆａが最大となる適切な仰角となる。

　ここで上記では、補助翼１３の翼弦が主翼１１の翼弦方向の延長上に位置して配置されていると説明したが、必ずしも補助翼１３の配置はかかる配置であることに限定されない。例えば、補助翼１３は、主翼１１の翼弦方向の延長上に位置しているものの、補助翼１３の翼弦が、主翼１１の翼弦に対して傾いて配置されていてもよい。また、補助翼１３は、主翼１１の後縁側に位置しているものの、主翼１１の翼弦方向の延長線上から離間して設けられていてもよい。つまり、補助翼１３は、主翼１１の翼弦方向の延長線上に位置しておらず当該主翼１１の後縁側に離間しており、当該主翼１１の翼弦方向に対して傾いて、あるいは、主翼１１の翼弦方向と平行に、配置されていてもよい。かかる構成であっても、主翼１１に流入した流体Ｖの後方流が補助翼１３に流入し、当該補助翼１３に揚力が生じることで、主翼１１が適切な仰角となるよう回転させることができる。

　［応用例］
　次に、上述した翼１の応用例を、図３乃至図４を参照して説明する。ここでは、上述した構成の翼１を、船２を漕ぐときの櫓やオールとして使用することを説明する。図２（Ａ）は、翼１を装備した船（船本体を除く）を上方から見た図であり、図２（Ｂ）は、船を側方から見た図である。

　図２に示す船２には、上面に船を漕ぐ所定の長さのレバー２１が、そのほぼ中心を支点２２とし、当該支点２２を中心に回転自在に船２に軸支されて設けられている。そして、レバー２１の一端側に設けられた回転部２３に、上述した翼１の翼軸１４が回転自在に軸支されている。また、レバー２１の他端側には、当該レバー２１を揺動する力を付勢するために人が把持する把持部２４が設けられている。なお、上記翼１は、水の中に位置する。

　そして、図４（Ａ）に示すように、レバー２１の把持部２４を、支点２２を中心として反時計回りに回転させると、一端側である回転部２３が支点２２を中心として反時計回りに揺動する（図４の円弧状矢印を参照）。すると、翼１は、揺動方向の接線に沿って、つまり、図４（Ａ）の矢印Ｄに示すように上方から下方に向かって、図４（Ａ）の点線に示すようにかかる方向Ｄに翼弦が沿った向きで、主翼１１の前縁側から移動する。これにより、主翼１１の前縁側から相対的に流体Ｖが流入することとなる。

　このとき、図４（Ａ）の実線に示すように、何らかの方法により翼１に傾きを加えると、主翼１１には流体Ｖの流入方向に対して垂直方向（図４（Ａ）の右方向）に符号Ｆａの揚力が生じる。一方で、主翼１１の後縁側では、矢印で図示するように流体Ｖが補助翼１３に流入するため、当該補助翼１３には、上記主翼１１に生じた揚力Ｆａとはほぼ反対方向（図４（Ａ）の左方向）の符号Ｆｂに示す揚力が生じる。これにより、翼１つまり主翼１１は、翼軸１４を中心として反時計回りに回転し、流体Ｖの流入方向に対して主翼１１が傾斜し、揚力Ｆａが増大する。

　その後、上述した補助翼１３に生じた揚力Ｆｂにより、図４（Ｂ）に示すように、流体Ｖに対する主翼１１の傾斜角度が大きくなり、流れに対して主翼１１の揚力Ｆａが最大となる適切な仰角となる。これにより、船２を主翼１１に発生した揚力Ｆａの方向に効率よく進めることができる。なお、レバー２１を反対方向に揺動させたときには、翼１の向きが反対となるだけで、上述同様に船２を進めることができる。

　＜実施形態２＞
　本発明の第２の実施形態を、図５乃至図６を参照して説明する。図５は、本実施形態における翼の構成を示す図であり、図６は、その動作を示す図である。

　［構成］
　図５（Ａ）は、本実施形態における翼１を上方から見た図であり、図５（Ｂ）は、翼１を側方から見た図である。この図に示すように、翼１は、所定の翼長（図５（Ｂ）における縦方向の長さ）を有する翼型の主翼１１と、この主翼１１から離間して当該主翼１１と一体的に連結部材１２を介して連結された翼型の補助翼１３と、を備えている。

　具体的に、上記主翼１１には、上述した実施形態１のものと同様に、当該主翼１１の前縁付近の翼弦上に位置し、翼長方向に沿って軸方向が延びる翼軸１４が設けられている。そして、翼軸１４は、他の部材に回転自在なよう軸支されており、これにより、主翼１１は翼軸１４を中心に回転可能となっている。

　また、本実施形態では、上述した実施形態１のものとは異なり、主翼１１の前縁側に、当該主翼１１よりも翼弦が短い補助翼１３が配置されている。この補助翼１３は、主翼１１の翼弦方向の延長上に沿って配置されている。つまり、主翼１１と補助翼１３とは、それぞれの所定の間隔をあけて、それぞれの翼弦方向が同一直線状に位置するよう一体的に連結して構成されている。

　［動作］
　次に、上述した翼１に対して、前縁側から風などの流体が流入したときの動作を、図６を参照して説明する。まず、図６（Ａ）に示すように、翼１を構成する主翼１１の前縁側、つまり、補助翼１３側から流体Ｖが流入したとする。かかる状態で、図６（Ｂ）に示すように、補助翼１３及び主翼１１にそれぞれ符号Ｆｂ、符号Ｆａに示す上方への揚力が生じるよう何らかの手段で主翼１１に傾きを加えると、補助翼１３に生じた揚力Ｆｂにより、翼１つまり主翼１１は、翼軸１４を中心として反時計回りに回転し、主翼１１の流体Ｖの流入方向に対して主翼１１が傾斜し、揚力Ｆａが増大する。

　その後、図６（Ｃ），図６（Ｄ）に示すように、徐々に翼１自体の傾斜角度が大きくなり、流れに対して主翼１１の揚力Ｆａが最大となる適切な仰角となる。

　ここで上記では、補助翼１３の翼弦が主翼１１の翼弦方向の延長上に位置して配置されていると説明したが、必ずしも補助翼１３は上述した配置であることに限定されない。例えば、補助翼１３は、主翼１１の翼弦方向の延長線上に位置しているものの、補助翼１３の翼弦が、主翼１１の翼弦に対して傾いて配置されていてもよい。また、補助翼１３は、主翼１１の前縁側に位置しているものの、主翼１１の翼弦方向の延長線上から離間して設けられていてもよい。つまり、補助翼１３は、主翼１１の翼弦方向の延長線上に位置しておらず当該主翼１１の前縁側に離間しており、当該主翼１１の翼弦方向に対して傾いて、あるいは、主翼１１の翼弦方向と平行に、配置されていてもよい。かかる構成であっても、補助翼１３に流入した流体Ｖによって当該補助翼１３に揚力が生じることで、主翼１１が適切な仰角となるよう回転させることができる。

　＜実施形態３＞
　本発明の第３の実施形態を、図７乃至図１２を参照して説明する。図７は、ジャイロミル型の羽根車の構成の概略を示す図である。図８乃至図９は、風速、回転速度、相対速度の様子及び回転翼の向きを示す図である。図１０乃至図１２は、羽根車の構成及び動作を説明するための図である。

　本実施形態における羽根車は、図７の簡略図に示すように、地面に対して垂直つまり鉛直方向に延びる円柱状の回転軸３と、この回転軸３の周囲に設けられ当該回転軸３の軸方向と平行に翼長を有する複数の回転翼Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと、を備えたジャイロミル型の羽根車である。そして、回転翼Ａ等は、所定の方向から風が当たると、風の下流方向には抗力が発生し、風の垂直方向には揚力が発生することで、回転軸３を中心とした円周上で回転する。また、図示しないが、本実施形態における羽根車は、回転軸３に当該回転軸３の回転力を電力に変換する発電装置（発電手段）を備えており、風力発電機として利用されるものである。

　なお、図７に示す例では、回転軸３と回転翼Ａ等とを連結するアーム等の構成を図示していないが、実際には、後述するように、回転翼Ａ等は回転軸３に連結された円板などの支持部材によって連結されている。また、本実施形態における羽根車には、回転翼Ａ等がほぼ等間隔に４枚設けられているが、回転翼Ａ等の間隔や枚数はこれに限定されない。

　ここで、ジャイロミル型の羽根車の基本的な動作を図８乃至図９を参照して説明する。まず、図８に示すように、羽根車に対して実線矢印方向に所定の風速（Ｖａ）の風が吹いていると、この風の速度（Ｖａ）と、羽根車の回転軸３を中心とした回転速度（Ｖｂ）とによって、回転翼Ａに対する相対的な風の向き及び速度（Ｖ）が、図８に示すように時々刻々と変化する。このとき、回転翼Ａが、回転軸３を中心とした円周上に回転自在に軸支されているとすると、当該回転翼Ａは、前縁が相対的な風が吹いてくる方向（Ｖ）を向き、つまり、回転翼Ａの翼弦と相対的な風の吹いてくる方向（Ｖ）とがほぼ一致するように回転するため、図９に示すように、回転翼Ａの向きが位置によって変化する。なお、図８の例は、回転速度（Ｖｂ）／風速（Ｖａ）＝１．０の場合を示している。

　一方で、図９の風の風上側と風下側の各位置における回転翼Ａに着目すると、点線の回転翼Ａ’に示すように、相対的な風の向き（Ｖ）に対して、所定の角度を有するよう回転した向きとなる方が、羽根車がより高速に回転するよう揚力Ｆが生じて理想的である。このように回転翼Ａが各位置において理想的な仰角となるよう、本実施形態における羽根車は、以下の構成を取っている。なお、本実施形態では、羽根車を発電装置として利用する場合の構成及び動作を説明する。

　［構成］
　図１０及び図１１に、本実施形態における羽根車の構成の概略を示す。図１０（Ａ）は、羽根車を上方から見た概略図であり、図１０（Ｂ）は、側方から見た概略図である。なお、図１０（Ａ）は、図１０（Ｂ）に示す羽根車の上方に位置する後述する支持部材４１等を取り除いたときの構成を示す図である。また、図１１は、回転翼ユニット１７の詳細な構成を示す図である。

　本実施形態における羽根車は、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、回転軸３と、この回転軸３に連結され当該回転軸３を中心とする円周３０上に当該回転軸３の軸方向と平行に翼長が位置して配置された回転翼１１等を有する複数の回転翼ユニット１０と、を備えている。以下、羽根車の構成について詳述する。

　まず、上記回転軸３は、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、水平方向に対して垂直な方向に沿って軸方向が位置するよう備えられている。そして、この回転軸３には、下端付近に当該回転軸３の回転力を電力に変換する発電機５（発電手段）を備えている。これにより、本実施形態における羽根車を発電装置として利用することが可能である。

　そして、上記回転軸３の上下端付近には、相互に所定の間隔をあけて水平面を形成する一対の円形の支持部材４１，４２が固定されている。これら支持部材４１，４２の外周付近、つまり、回転軸３の周囲に、当該回転軸３の軸方向と平行に延び、支持部材４１，４２を連結する翼軸１４が設けられている。

　そして、本実施形態における回転翼ユニット１０に装備される回転翼１１等は、上記実施形態２で説明した翼１とほぼ同一構成のものである。従って、回転翼ユニット１０は、まず、上記回転軸３に連結され当該回転軸３の円周３０上に設けられた翼軸１４を中心に、回転可能なよう軸支された回転翼１１を有している。

　また、回転翼ユニット１０は、上記回転翼１１から離間して当該回転翼１１の前縁側に補助翼１３を備えている。補助翼１３は、上述した実施形態２のものと同様に、回転翼１１の翼弦方向の延長上に、当該翼弦方向に沿って翼弦が位置して設けられている。

　また、上記翼軸１４の上下端付近には、相互に所定の間隔をあけて水平方向にほぼ直線状に延びる一対の連結部材１２が、翼軸１４に対して回転自在に軸支されて設けられている。そして、一対の連結部材１２の間には、当該連結部材１２に沿って翼弦が位置するよう、上述した回転翼１１と、この回転翼１１から所定の距離を開けて当該回転翼１１の前縁側に位置する補助翼１３と、が固定装備されている。これにより、同一直線状に位置する回転翼１１と補助翼１３とは、相互の位置関係を維持したまま、翼軸１４を中心に回転可能となっている。なお、補助翼１３は、上記回転翼１１よりも形状が小さく形成されており、具体的には、補助翼１３の翼弦は、回転翼１１の翼弦よりも短く形成されている。

　また、図１１に示すように、上記支持部材４１，４２に設けられた翼軸１４の周囲には、回転翼１１を挟むよう相互に所定の角度Ｃを成す一対のストッパー１５（回転規制手段）が設けられている。このストッパー１５は、例えば、図１１に示すように、回転翼１１が回転軸３の円周３０上の接線方向に沿って翼弦が位置するような状態から、当該接線に対して翼軸１４を中心として左右にそれぞれ所定の角度まで回転すると当接するよう配置されている。これにより、回転翼１１の翼軸１４を中心とした回転は、予め設定された角度以上回転することが規制されている。

　そして、上述した回転翼１１及び補助翼１３を備えた回転翼ユニット１０（翼）は、図示しないが、回転軸３の回転円周３０上、つまり、支持部材４１，４２の外周付近に、等間隔に複数備えられている。

　［動作］
　次に、上記構成の羽根車の動作を、図１２乃至図１３を参照して説明する。まず、初期状態では、図１２に示すうように風Ｖａが吹くと、上流側（図１２で上側）に位置する回転翼１１には、風Ｖａの抗力によって、翼軸１４にて軸支された前縁側とは反対側の後縁側が下流側に押され、図１２に示すように回転する。つまり、回転翼１１及び補助翼１３は、回転軸１１を中心とした回転円周３０の接線に対して、垂直方向に翼弦が向くよう回転する。なお、羽根車の下流側に位置する回転翼１１も同様である。

　すると、回転翼１１は、図１２に示すように、ストッパー１５によって回転が係止され、回転翼１１と補助翼１３の前縁側が、風が吹いてくる方向に向くこととなり、当該回転翼１１と補助翼１３の前縁に、風Ｖａが入射するようになる。これにより、回転翼１１には、図１２の符号Ｆ１に示すように揚力が生じ、羽根車は、回転軸１１を中心として矢印Ｒ１方向に回転することとなる。このとき、特に、回転翼１１の前縁側に対して入射する相対的な風の向きは、符号Ｖ１のよう傾いた状態となる。すると、風は回転翼１１の前縁に対向して入射することとなり、当該回転翼１１に対して適切な仰角となって、回転翼１１に効率よく揚力が生じることとなる。従って、小さな流速でも、回転軸３を中心とした回転が開始される。

　そして、上記の場合には、補助翼１３に対しても適切な仰角となり、当該補助翼１３に効率よく揚力が生じることとなるため、補助翼１３には符号Ｒ２に示す回転力が生じる。すると、風Ｖａにより回転翼１１にかかる抗力と、補助翼１３に発生する回転力Ｒ２とが釣り合うことで、回転始動時には、例えば、図１２に示すように、回転軸３を中心とした回転円周３０の接線に対する垂直方向と、翼弦方向との角度が小さくなるよう、回転翼１１の角度が適切な仰角となるよう維持される。

　なお、下流側でも、上述同様に作動する。つまり、風Ｖａが吹くと、回転翼１１には、風Ｖａの抗力によって、翼軸１４にて軸支された前縁側とは反対側の後縁側が下流側に押され、図１２に示すように回転する。すると、回転翼１１は、ストッパー１５によって回転が係止され、回転翼１１と補助翼１３の前縁側が、風が吹いてくる方向に向くこととなり、当該回転翼１１と補助翼１３の前縁に、風が入射するようになる。これにより、回転翼１１には、図１２の符号Ｆ１に示すように揚力が生じ、羽根車は、回転軸３を中心として矢印Ｒ１方向に回転することとなる。このとき、特に、回転翼１１の前縁側に対して入射する相対的な風の向きは、符号Ｖ２のよう傾いた状態となる。すると、風は回転翼１１の前縁に対向して入射することとなり、当該回転翼１１に対して適切な仰角となり、回転翼１１に効率よく揚力が生じることとなる。従って、小さな流速でも、回転軸３を中心とした回転が開始される。

　続いて、図１３を参照して、羽根車の回転速度が増加したときの様子を説明する。上述した図１２に示すように、補助翼１３に適切な仰角で風が入射すると、補助翼１３にさらに大きな回転力Ｒ２が生じ、図１３に示すように、回転翼１１は翼軸１４を中心に、その翼弦方向と回転円周の接線方向との角度が小さくなるよう回転する。

　そして、図１３の場合には、回転軸３を中心とした羽根車の回転速度は、上述した図１２の場合よりも速くなっているため、当該羽根車に対する相対的な風の向きは、図１３の符号Ｖ１に示すように、回転軸１１の回転円周の接線方向に対する垂直方向から、接線方向側にさらに傾いた状態となる。すると、回転翼１１と補助翼１３の前縁側が、風が吹いてくる方向に向くこととなり、回転翼１１と補助翼１３の前縁に風が入射するようになる。このとき、特に、風により回転翼１１にかかる抗力と、補助翼１３に発生する回転力Ｒ２とが釣り合うことで、図１３に示すように、相対的な風の向きＶ１に対して、回転翼１１及び補助翼１３の角度が適切な仰角となるよう維持される。従って、回転翼１１は風に対して適切な仰角となり、回転翼１１に効率よく揚力が生じることとなる。なお、下流側でも、図１３において左右が逆となるが、同様である。

　以上により、上述した構成の羽根車を用いることで、流体の力と回転力との変換効率の向上を図ることができ、高効率な発電装置を実現することができる。

　＜実施形態４＞
　次に、本発明の第４の実施形態を、図１４乃至図１７を参照して説明する。図１４は、羽根車の構成の概略を示す図である。図１５乃至図１７は、羽根車の動作の様子を示す図である。

　なお、本実施形態は、上述した実施形態１にて開示した翼１を回転翼として装備した羽根車の具体的な一例を示すものである。特に、本実施形態では、羽根車を推進装置として利用する場合の構成を示している。そして、この推進装置を、例えば、船に搭載し、羽根車部分を水中に配置することで、シュナイダープロペラといった縦軸型の推進装置として利用することが可能である。

　［構成］
　本実施形態における羽根車は、図１４（Ａ），（Ｂ）に示すように、回転軸３と、この回転軸３に連結され当該回転軸３を中心とする円周３０上に当該回転軸３の軸方向と平行に翼長が位置する回転翼１１（主翼）を有する回転翼ユニット１０と、上記回転軸３を回転駆動する駆動装置７１と、を備えている。

　そして、本実施形態における回転翼ユニット１０に装備される回転翼１１等は、上記実施形態１で説明した翼１とほぼ同一構成のものである。従って、回転翼ユニット１０は、まず、上記回転軸３に連結され当該回転軸３の円周３０上に設けられた翼軸１４を中心に回転可能なよう軸支された主翼である回転翼１１を有している。

　また、回転翼ユニット１０は、上記回転翼１１から離間して当該回転翼１１の後縁側に補助翼１３を備えている。補助翼１３は、上述した実施形態１のものと同様に、回転翼１１の翼弦方向の延長上に、当該翼弦方向に沿って翼弦が位置して設けられている。

　また、上記回転翼１１に連結して当該回転翼１１の翼弦方向に対してほぼ垂直方向に延び、上記回転翼１１の翼弦が上記回転軸３の円周３０の接線とほぼ平行な状態のときに当該回転軸３に向かって延びる内側連結部材６２（第一の連結部材）を備えている。また、同様に、回転軸３とは反対側に向かって延びる外側連結部材６３（第二の連結部材）も備えている。なお、内側連結部材６２と外側連結部材６３とは、ほぼ同一直線状に位置する。さらに、上記内側連結部材６２の先端部には、所定の質量を有する重り部材６４が設けられている。

　また、上記内側連結部材６２や外側連結部材６３に対して、その長手方向に沿って押圧して、回転翼１１に回転力を付勢するよう可動するカム（回転力付勢手段、回転翼回転駆動手段）を備えている。具体的には、まず、外側連結部材６３を可動する第二のカム６５は、回転翼１１が回転軸３を中心とした円周３０の接線と平行な状態であるときに、当該円周３０から外側に延びる外側連結部材６３の先端部に接触せずに近接した状態である。そして、この第二のカム６５は、外側連結部材６３の長手方向に沿って可動可能であり、当該外側連結部材６３を押圧したり、離間したりするよう可動する（図１６，１７参照）。特に、外側連結部材６３を押圧すると、回転翼ユニット１０を翼軸１４を中心に回転させることができる。

　また、内側連結部材６２を可動する第一のカムとして、上記回転翼１１の翼弦が上記回転軸３の円周３０の接線とほぼ平行な状態のときに、上記連結部材６２の先端部に対して外周がわずかに離間し、上記回転軸３箇所に中心が位置する円形部材６１と、この円形部材６１を当該円形部材６１の半径方向に可動する円形部材可動装置７２と、を備えている。そして、この第一のカム６１は、第二のカム６５と連動して半径方向に可動することで、内側連結部材６２や外側連結部材６３を押圧したり、さらに離間したりするよう可動する（図１６，１７参照）。特に、内側連結部材６２を押圧することで、回転翼ユニット１０を翼軸１４を中心に回転させることができる。

　そして、回転軸３を駆動装置７１にて回転駆動することで、本実施形態における羽根車を推進装置として利用するよう構成している。以下、各構成についてさらに詳述する。

　まず、図１４（Ｂ）に示すように、上記回転軸３の上下端付近には、相互に所定の間隔をあけて水平面を形成する円形の支持部材４１，４２が固定されている。また、回転軸３の上端側に位置する支持部材４１のさらに上方には、当該支持部材４１よりも径の小さく、所定の厚みを有する円形の円形部材６１が備えられている。

　そして、この円形部材６１のさらに上方には、上記回転軸３に連結し、当該回転軸３を回転駆動する駆動装置７１（駆動手段）と、上記円形部材６１や第二のカム６５を半径方向に駆動する円形部材可動装置７２（円形部材可動手段）とを備えている。なお、円形部材可動装置７２は、例えば、円形部材６１に当接して当該円形部材６１を押圧したり引っ張る力を付勢する構成を備えており、図１６の矢印Ｙ１に示す方向やその反対方向、さらには、円形部材６１における任意の半径方向に、当該円形部材６１を可動するよう構成されている。また、円形部材可動装置７２は、上記第二のカム６５にも連結しており、上記円形部材６１の可動と連動して、当該円形部材６１と同一方向に第二のカム６５を可動するよう構成されている。なお、円形部材６１を第二のカム６５と連動させて回転可動させることによって、例えば、図１６の左右方向に、羽根車の進行方向を方向転換させることが可能となる。

　また、上記翼軸１４の上下端付近には、相互に所定の間隔をあけて水平面を形成する一対の円形の第二支持板１８が固定されている。そして、一対の第二支持板１８は、翼軸１４に対して回転自在に軸支されて設けられている。また、第二支持板１８の間には、当該第二支持板１８に対して垂直方向つまり回転軸３に沿って翼長が位置する回転翼１１と、この回転翼１１から所定の距離を開けて当該回転翼１１の後縁側に位置する補助翼１３と、が固定されている。これにより、第二支持板１８、回転翼１１、補助翼１３は一体的に構成され、回転翼ユニット１０を構成している。従って、回転翼１１と補助翼１３とは、相互の位置関係を維持したまま、翼軸１４を中心に回転可能となっている。

　ここで、回転翼ユニット１０は、上記翼軸１４（ユニット軸）を中心に回転するが、この翼軸１４は回転翼１１の前縁付近に位置している。従って、回転翼１１は、前縁付近を中心に回転することとなる。また、回転翼１１と補助翼１３とは、各翼弦がほぼ同一直線上に位置するよう配置されている。なお、補助翼１３は、上記回転翼１１よりも形状が小さく形成されており、具体的には、補助翼１３の翼弦は、回転翼１１の翼弦よりも短く形成されている。

　そして、本実施形態では、さらに、上述したように、上記回転翼１１の翼弦が上記回転軸３の円周３０の接線とほぼ平行な状態のときに、回転翼１１の前縁付近に連結され、所定の剛性を有する棒状の内側連結部材６２及び外側連結部材６３が、当該回転翼１１の翼弦に垂直方向に延びて設けられている。

　具体的には、内側連結部材６２は、回転軸３の回転円周の内側、つまり、回転軸３に向かって延びており、その長さは、上述した円形部材６１の中心が回転軸３とほぼ同一箇所に位置している場合に、当該円形部材６１の外周面（外側面）に連結部材６２の先端が接触せず、所定の距離があく程度の長さである。一方で、上記円形部材６１が半径方向に可動することで、当該円形部材６１が内側連結部材６３の端部に位置する重り部材６４に接触して押圧し、これにより、回転翼１１が回転することとなる。

　また、外側連結部材６３は、回転軸３の回転円周の外側、つまり、回転軸３側とは反対側に向かって延びている。そして、この外側連結部材６３の端部には、上述した第二のカム６５が接触せずに近接して装備されている。

　ここで、上述した第二支持板１８、回転翼１１、補助翼１３、に加えて、上記連結部材６２，６３を含む回転翼ユニット１０は、回転軸３の回転円周上に等間隔に複数備えられている。なお、羽根車の構成は、必ずしも上述した構成に限定されない。

　また、本実施形態においては、上記構成の羽根車を船に搭載して推進装置として使用するが、この場合に、例えば、図１４（Ｂ）に示すように、回転翼１１及び補助翼１３部分を水中に位置するよう配置し、連結部材６２、円形部材６１さらには駆動装置７１や円形部材可動装置７２を船上に配置する。

　［動作］
　次に、上記構成の羽根車の動作を、図１５乃至図１７を参照して説明する。はじめに、駆動装置７１にて図１５の矢印Ｒ１に示す方向に回転軸３を回転させると、その回転周囲に複数設けられた回転翼ユニット１０が回転軸３周りに回転する。このとき、各回転翼ユニット１０に装備された外側連結部材６３は、それぞれ第二のカム６５に接触しておらず、当該回転翼ユニット１０は回転翼軸１４を中心に回転することが規制されていない。

　その後、円形部材駆動装置７２にて円形部材６１を、図１６の矢印Ｙ１に示すように、その中心が回転軸１１からずれるよう可動する。また、これに連動して同時に、第二のカム６５を、同じ方向つまり矢印Ｙ１に示す方向に可動する。すると、上流側（図１６で上側）に位置する回転翼ユニット１０の外側連結部材６３は、第二のカム６５にて回転軸３方向に押圧される。このとき、回転翼ユニット１０は、矢印Ｒ２に示すよう方向に回転する。同時に、下流側（図１６で下側）に位置する回転翼ユニット１０の内側連結部材６２は、円形部材６１にて回転軸３から離間するよう押圧される。このとき、回転翼ユニット１０は、矢印Ｒ２に示す方向に回転する。

　すると、各回転翼１１の向きは、図１６に示すようになり、回転軸３を中心とした回転にて相対的に回転翼１１の前縁から流体が入射する。これにより、当該回転翼１１に揚力Ｆ１が生じ、羽根車に所定の方向の推進力が生じる。ここでは、図１６の矢印Ｂに示すよう方向に推進力が発生する。

　また、回転翼１１には、羽根車が矢印Ｂ方向に進むことによって流体の抗力が生じ、翼軸１４にて軸支された前縁側とは反対側の後縁側が下流側に押され、図１６のように回転する。つまり、回転翼１１は、回転軸３を中心とした回転円周３０の接線方向に対する垂直方向と翼弦方向との角度が、０から大きくなる方向に回転する。なお、羽根車の下流側に位置する回転翼１１も同様である。

　同時に、回転翼１１の前縁から流入した液体は当該回転翼１１を通過し、符号Ｖ３に示すよう、当該回転翼１１の後縁側に位置する補助翼１３の前縁側に入射する。すると、この補助翼１３には、符号Ｆ３に示す方向の揚力が生じる。そして、この揚力Ｆ３にて回転翼１１つまり回転翼ユニット１０に符号Ｒ２に示す方向の回転力が生じる。さらに、内側連結部材６２の先端部に設けた重り部材６４には、遠心力が生じているため、これによっても回転力ユニット１０を回転させる符号Ｒ２方向の回転力が生じる。

　このように、推進移動開始時には、例えば、図１６に示すように、回転翼１１が、当該回転翼１１の翼弦方向が回転軸３を中心とした回転円周３０の接線方向よりも進行方向に向くよう傾いた状態となる。

　そして、このとき、羽根車は矢印Ｂ方向に移動しているため、回転翼１１の前縁側に対して入射する相対的な流体の向きは符号Ｖ１のようになる。すると、流体は回転翼１１の前縁に対向して入射して適切な仰角となり、当該回転翼１１に効率よく揚力が生じることとなる。

　また、下流側の回転翼ユニット１０では、円形部材６１が回転翼ユニットの連結部材６２を押すため、当該回転翼ユニットは符号Ｒ２方向に回転可能な状態となる。そして、上述した上流側の回転翼ユニットとは回転方向が逆方向となり、上述と同一方向の揚力Ｆ１が回転翼１１に生じる。また、同様に補助翼１３にも揚力Ｆ３が発生するため、回転翼１１に回転力Ｒ２が生じる。そして、下流側の回転翼１１に対する相対的な流体の向きは符号Ｖ２のようになるため、下流側の回転翼１１においても、流体が回転翼１１の前縁に対向して入射して適切な仰角となり、当該回転翼１１に効率よく揚力が生じることとなる。さらに、上述同様に、内側連結部材６２の先端部に設けた重り部材６４には、遠心力が生じているため、これによっても回転力ユニット１０を回転させる符号Ｒ２方向の回転力が生じる。

　その後、羽根車の推進速度が増加した場合には、補助翼１３に対して大きな揚力Ｆ３が生じ、また、重り部材に大きな回転力が生じる。すると、回転翼１１にはより大きな回転力Ｒ２が生じ、当該回転翼１１は、図１７に示すように、回転軸３を中心とした回転円周３０の接線方向と翼弦方向との角度がさらに大きくなるよう回転する。なお、羽根車の下流側に位置する回転翼１１も同様である。

　このとき、羽根車の推進移動速度は速くなっているため、当該羽根車に対する相対的な流体の向きは、さらに、回転軸３の回転円周３０の接線方向から、当該接線方向に対する垂直方向にさらに傾いた状態となる。すると、回転翼１１の前縁側が、流体の流れの向きに対向して向くこととなり、当該回転翼１１の前縁に、流体が入射するようになる。従って、回転翼１１は流体に対して適切な仰角となり、当該回転翼１１に効率よく揚力が生じることとなる。なお、下流側でも同様である。

　以上により、上述した構成の羽根車を用いることで、流体の力と回転力との変換効率の向上を図ることができ、高効率な推進装置を実現することができる。

　以上、上記各実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範囲内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

　本発明における翼や羽根車は、船の櫓、風力発電機や推進装置といった用途に利用することができ、産業上の利用可能性を有する。

１　　　翼
１０　　回転翼ユニット
１１　　主翼
１２　　連結部材
１３　　補助翼
１４　　翼軸
１５　　ストッパー
２　　　船
２１　　レバー
２２　　支点
２３　　回転部
２４　　把持部
３　　　回転軸
３０　　回転円周
 

Claims (9)

1. 　所定の翼長を有する主翼と、この主翼から離間して当該主翼と一体的に連結された補助翼と、を備え、
   　前記主翼は、当該主翼の翼弦上に位置し当該主翼の翼長方向に沿って延びる翼軸を中心に所定の部材に回転可能なよう軸支されており、
   　前記補助翼は、前記主翼の前縁側または後縁側に位置して設けられている、
   ことを特徴とする翼。
2. 　請求項１に記載の翼であって、
   　前記補助翼は、当該補助翼の翼弦が前記主翼の翼弦方向の延長上に沿って位置して設けられている、
   ことを特徴とする翼。
3. 　請求項１又は２に記載の翼であって、
   　前記補助翼は、前記主翼の後縁側に設けられている、
   ことを特徴とする翼。
4. 　請求項１乃至３のいずれかに記載の翼であって、
   　前記主翼の翼軸は、当該主翼の前縁側に位置している、
   ことを特徴とする翼。
5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載の翼であって、
   　前記補助翼の翼弦は、前記主翼の翼弦よりも短く形成されている、
   ことを特徴とする翼。
6. 　請求項１乃至５のいずれかに記載の翼であって、
   　前記翼が、前記翼軸を中心として予め設定された角度以上回転することを規制する回転規制手段を備えた、
   ことを特徴とする翼。
7. 　回転軸と、この回転軸に連結され当該回転軸を中心とする円周上に当該回転軸の軸方向と平行に翼長が位置して配置された請求項１乃至６のいずれかに記載の前記翼と、を備え、
   　前記翼は、前記回転軸に連結され当該回転軸を中心とする円周上に設けられた前記翼軸を中心に回転可能なよう軸支されている、
   羽根車。
8. 　請求項７に記載の羽根車であって、
   　前記回転軸の回転力を電力に変換する発電手段を備えた、
   羽根車。
9. 　請求項７に記載の羽根車であって、
   　前記回転軸を回転駆動する駆動手段を備えた、
   羽根車。
    

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