(57)【要約】【課題】回転運動のエネルギーを十分に取得することができ、耐久性を低くならないようにする。【解決手段】支持部材と、該支持部材に対して支持軸を揺動中心にして揺動自在に配設され、水流方向における前記支持軸より下流側に第１の揺動部２５を、前記支持軸より上流側に第２の揺動部２６を備えた揺動部材と、前記第１の揺動部２５において回転自在に、かつ、水面に対して接離自在に配設され、水エネルギーを取得する回転羽根ユニット２１と、所定の重量を有し、前記第２の揺動部２６の所定の位置に配設されたバランサ２９とを有する。異物が回転羽根ユニット２１に当たると、そのときの抗力が大きくなり、揺動部材が回転させられ、それに伴って、回転羽根ユニット２１が上方に持ち上げられ、水面から離れ、異物から退避させられる。【選択図】図１
2012021493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）支持部材と、
（ｂ）該支持部材に対して支持軸を揺動中心にして揺動自在に配設され、水流方向における前記支持軸より下流側に第１の揺動部を、前記支持軸より上流側に第２の揺動部を備えた揺動部材と、
（ｃ）前記第１の揺動部において回転自在に、かつ、水面に対して接離自在に配設され、水エネルギーを取得する回転羽根ユニットと、
（ｄ）所定の重量を有し、前記第２の揺動部の所定の位置に配設されたバランサとを有することを特徴とする水エネルギー取出装置。
【請求項２】
前記回転羽根ユニットは、ハブ、及び該ハブから径方向外方に向けて延在させて配設された複数の羽根を備える請求項１に記載の水エネルギー取出装置。
【請求項３】
前記各羽根は遠心式の羽根である請求項２に記載の水エネルギー取出装置。
【請求項４】
前記各羽根は軸流式の羽根である請求項２に記載の水エネルギー取出装置。
【請求項５】
前記バランサの重量及び位置は、前記回転羽根ユニット及びバランサによって発生させられるトルク、並びに各羽根が水の流れによる抗力を受けて発生させられるトルクに基づいて設定される請求項１〜４のいずれか１項に記載の水エネルギー取出装置。
【請求項６】
前記水エネルギーを電力に変換して取得する発電機を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の水エネルギー取出装置。
【請求項７】
前記バランサは発電機である請求項６に記載の水エネルギー取出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水エネルギー取出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、河川、用水路等の水路において、水の位置エネルギー、すなわち、水エネルギーを、回転運動のエネルギー、すなわち、回転エネルギーに変換して利用するために、水エネルギー取出装置として、例えば、水車が使用されるようになっている。該水車においては、例えば、複数の羽根を備えた回転羽根ユニットが、回転軸を中心にして回転自在に支持され、水が流れるのに伴って回転させられる（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の水車においては、水と共に流れる異物、例えば、草木、ゴミ等が回転羽根ユニットに当たり、羽根に絡み付くと、回転羽根ユニットを円滑に回転させることができず、回転エネルギーを十分に取得することができなくなってしまう。
【０００５】
また、木材等が回転羽根ユニットに当たり、羽根が破損すると、水車の耐久性が低くなってしまう。
【０００６】
本発明は、前記従来の水車の問題点を解決して、回転エネルギーを十分に取得することができ、耐久性が低くならない水エネルギー取出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのために、本発明の水エネルギー取出装置においては、支持部材と、該支持部材に対して支持軸を揺動中心にして揺動自在に配設され、水流方向における前記支持軸より下流側に第１の揺動部を、前記支持軸より上流側に第２の揺動部を備えた揺動部材と、前記第１の揺動部において回転自在に、かつ、水面に対して接離自在に配設され、水エネルギーを取得する回転羽根ユニットと、所定の重量を有し、前記第２の揺動部の所定の位置に配設されたバランサとを有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水エネルギー取出装置においては、支持部材と、該支持部材に対して支持軸を揺動中心にして揺動自在に配設され、水流方向における前記支持軸より下流側に第１の揺動部を、前記支持軸より上流側に第２の揺動部を備えた揺動部材と、前記第１の揺動部において回転自在に、かつ、水面に対して接離自在に配設され、水エネルギーを取得する回転羽根ユニットと、所定の重量を有し、前記第２の揺動部の所定の位置に配設されたバランサとを有する。
【０００９】
この場合、前記回転羽根ユニットが、第１の揺動部において回転自在に、かつ、水面に対して接離自在に配設されるので、異物が回転羽根ユニットに当たると、そのときの抗力が大きくなり、揺動部材が回転させられ、それに伴って、回転羽根ユニットが上方に持ち上げられ、水面から離れ、異物から退避させられる。
【００１０】
したがって、回転羽根ユニットを常に円滑に回転させることができ、回転エネルギーを十分に取得することができる。
【００１１】
また、羽根が破損するのを防止することができるので、水エネルギー取出装置の耐久性が低くならない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における水車の配設状態を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における水車の動作を示す概念図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるブレードホルダが回転するときのメカニズムを説明するための図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における水車の配設状態を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態における水車の動作を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。この場合、水エネルギー取出装置としての水車について説明する。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施の形態における水車の配設状態を示す図、図２は本発明の第１の実施の形態における水車の動作を示す概念図である。
【００１５】
図において、１１は水車、１２は該水車１１を設置するための設置域としての川岸、１３は各川岸１２間に形成された河川、用水路等の水路である。該水路１３において、水ｗは矢印Ａ方向に流れる。
【００１６】
前記水車１１は、各川岸１２に配設された支持部材としての支持台１５、該各支持台１５の上端において、各支持台１５間に架設された支持軸としての揺動軸１７、該揺動軸１７を揺動中心として揺動自在に配設された揺動部材としての、かつ、羽根保持部としてのブレードホルダ１９、該ブレードホルダ１９の所定の箇所、本実施の形態においては、ブレードホルダ１９の先端に、矢印Ｂ方向に回転自在に、かつ、水面に対して接離自在に配設され、水エネルギーを回転エネルギーに変換して取得する回転羽根ユニット２１、該回転羽根ユニット２１の回転エネルギーを他のエネルギー、本実施の形態においては、電力に変換するための発電ユニット２３等を備える。
【００１７】
前記ブレードホルダ１９は、水ｗの流れる方向（以下「水流方向」という。）における前記揺動軸１７より下流側に配設された第１の揺動部２５、及び揺動軸１７より上流側に配設された第２の揺動部２６を備える。
【００１８】
また、ブレードホルダ１９は、上方が開放され、前壁ｆｗ、後壁ｒｗ、一対の側壁ｓｗ及び底壁ｂｗの各壁体から成る箱体によって形成され、前記第１の揺動部２５側の側壁ｓｗが前方に向けて突出させられ、一対のアーム２７、２８が形成される。そして、該各アーム２７、２８によって前記回転羽根ユニット２１が回転軸２２を回転中心として回転自在に支持される。
【００１９】
第２の揺動部２６の所定の位置、本実施の形態においては、後端に、所定の重量を有するバランサ２９が、後壁ｒｗに当接させて取り付けられる。本実施の形態において、バランサ２９は後壁ｒｗに当接させられるようになっているが、第２の揺動部２６の長さ方向（水流方向）において移動自在に取り付けることができる。
【００２０】
また、回転羽根ユニット２１は、円形の形状を有する一対のサイドプレート３３、３４、該サイドプレート３３、３４を連結し、円柱状の形状を有する円柱部材としてのハブ３６、及び円周方向における複数箇所、本実施の形態においては、１２箇所において、前記ハブ３６から径方向外方に向けて延在させて配設された遠心式の羽根Ｋを備える。該各羽根Ｋは、サイドプレート３３、３４間において水平方向に延在させられ、断面が渦巻形の形状を有し、回転羽根ユニット２１の回転方向における下流側に向けて突出するように湾曲させられ、各羽根Ｋの径方向内方の縁部ｔ１は径方向外方の縁部ｔ２より上流側に配設される。
【００２１】
そして、前記発電ユニット２３は、エネルギー取得装置としての発電機４０、及び前記回転羽根ユニット２１の回転を前記発電機４０に伝達する回転伝達部材としてのベルトユニット４１を備える。該ベルトユニット４１は、前記回転羽根ユニット２１の回転軸２２に取り付けられた第１の回転体としての図示されない駆動プーリ、前記発電機４０の入力軸に取り付けられた第２の回転体としての図示されない従動プーリ、及び前記駆動プーリと従動プーリとの間に張設された連結部材としての、かつ、ベルト部材としての図示されないタイミングベルトを備える。なお、本実施の形態においては、第２の揺動部２６にバランサ２９が配設されるようになっているが、バランサ２９に代えて、第２の揺動部２６の所定の位置に発電機４０を配設し、該発電機４０をバランサとして機能させることができる。
【００２２】
前記構成の水車１１において、水ｗが矢印Ａ方向に流れると、水ｗによって前記ハブ３６より下方の各羽根Ｋｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ）が押され、水ｗの流れによって抗力が発生させられ、回転羽根ユニット２１が矢印Ｂ方向に回転させられ、回転羽根ユニット２１の回転が発電機４０に伝達され、発電機４０が駆動されて電力が取得される。
【００２３】
なお、前記ハブ３６の最も下の部分、すなわち、最下部が水面と所定の距離を保つように、バランサ２９の重量及び位置が設定され、羽根Ｋｉが水ｗに浸漬させられる。
【００２４】
ところで、水路１３を水ｗと共に流れる異物Ｑ、例えば、草木、ゴミ等が回転羽根ユニット２１に当たり、羽根Ｋｉに絡み付くと、回転羽根ユニット２１を円滑に回転させることができず、該回転羽根ユニット２１の回転エネルギーを十分に取得することができなくなってしまう。また、木材等が回転羽根ユニット２１に当たり、羽根Ｋｉが破損すると、水車１１の耐久性が低くなってしまう。
【００２５】
そこで、本実施の形態においては、異物Ｑが回転羽根ユニット２１に当たると、そのときの抗力が大きくなり、ブレードホルダ１９が矢印Ｃ方向に回転させられ、それに伴って、回転羽根ユニット２１が上方に持ち上げられ、水面から離れ、異物Ｑから退避させられるようにしている。
【００２６】
次に、ブレードホルダ１９が水ｗ内において回転させられるときのメカニズムについて説明する。
【００２７】
図３は本発明の第１の実施の形態におけるブレードホルダが回転するときのメカニズムを説明するための図である。
【００２８】
図において、１７は揺動軸、１９はブレードホルダ、２１は回転羽根ユニット、２９はバランサである。
【００２９】
回転羽根ユニット２１の荷重をＷａとし、バランサ２９の荷重（重量に対応する。）をＷｂとし、回転羽根ユニット２１の回転軸２２と揺動軸１７との距離をＬａとし、バランサ２９の中心（重心）と揺動軸１７との距離をＬｂとし、鉛直方向に対するブレードホルダ１９の傾きをθとすると、ブレードホルダ１９を、前記揺動軸１７を中心に図１〜３における反時計回り（矢印Ｄ方向）に回転させようとするトルク（回転羽根ユニット２１を水面に押し付けようとするトルク）ＢＲは、
ＢＲ＝Ｗａ・Ｌａ・ｓｉｎθ−Ｗｂ・Ｌｂ・ｓｉｎθ
になる。
【００３０】
また、水ｗの流れによって発生させられる力、すなわち、抗力をＦｄとし、鉛直方向に対する各羽根Ｋｉの傾きをαｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ）とし、水平方向に対する水ｗの流れの傾きをγとすると、抗力Ｆｄの回転羽根ユニット２１の回転方向における成分を表す分力Ｆｕｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ）は、
Ｆｕｉ＝Ｆｄ・ｓｉｎ（９０〔°〕−（αｉ＋γ））
になる。
【００３１】
なお、前記各羽根Ｋｉの傾きαｉは、各羽根Ｋｉが抗力Ｆｄを受ける中心、すなわち、抗力中心と揺動軸１７とを結ぶ線分をＭとしたときの、鉛直方向に対する線分Ｍの傾きを表す。
【００３２】
そして、各羽根Ｋｉが抗力Ｆｄを受けることによって、ブレードホルダ１９を、前記揺動軸１７を中心に時計回り（矢印Ｃ方向）に回転させようとするトルク（回転羽根ユニット２１を水面から離そうとするトルク）Ｂｄは、前記線分Ｍの長さをＬｃとすると、
Ｂｄ＝Ｌｃ・ΣＦｕｉ
になる。
【００３３】
したがって、トルクＢＲがトルクＢｄよりわずかに大きくなるようにバランサ２９の重量及び位置が設定される。
【００３４】
そして、異物Ｑが回転羽根ユニット２１に当たると、各羽根Ｋｉが受ける抗力が大きくなり、Ｆｄ’（＞Ｆｄ）になる。
【００３５】
その場合、抗力Ｆｄ’の回転羽根ユニット２１の回転方向における成分を表す分力Ｆｕｉ’（ｉ＝１、２、…、ｎ）は、
Ｆｕｉ’＝Ｆｄ’・ｓｉｎ（９０〔°〕−（αｉ＋γ））
になり、ブレードホルダ１９を時計回りに回転させようとするトルクＢｄ’は、
Ｂｄ’＝Ｌｃ・ΣＦｕｉ’
になる。
【００３６】
したがって、ブレードホルダ１９に負の値のトルクＢＴ
ＢＴ＝ＢＲ−Ｂｄ’
が発生し、ブレードホルダ１９は時計回りに回転させられる。
【００３７】
これに伴って、回転羽根ユニット２１が水面から離れるので、異物Ｑは、各羽根Ｋｉに絡み付くことなく、羽根Ｋｉを破損することなく、下流側に流れる。
【００３８】
このとき、回転羽根ユニット２１が水面から離れると、各羽根Ｋｉが受ける抗力Ｆｄが０（零）になり、ブレードホルダ１９を時計回りに回転させようとするトルクＢｄが０になる。その結果、ブレードホルダ１９は図１に示される状態に戻る。
【００３９】
このように、本実施の形態においては、異物Ｑが回転羽根ユニット２１に当たると、そのときの抗力が大きくなり、ブレードホルダ１９が時計回りに回転させられ、それに伴って、回転羽根ユニット２１が上方に持ち上げられ、水面から離れ、異物Ｑから退避させられるようにしている。
【００４０】
したがって、回転羽根ユニット２１を常に円滑に回転させることができ、回転羽根ユニット２１の回転エネルギーを十分に取得することができる。また、羽根Ｋｉが破損するのを防止することができ、水車１１の耐久性が低くならない。
【００４１】
さらに、水流方向における水車１１より上流側に、異物Ｑを塞き止めるための網、柵等を配設する必要がなくなるので、水車１１のコストを低くすることができる。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。
【００４３】
図４は本発明の第２の実施の形態における水車の配設状態を示す図、図５は本発明の第２の実施の形態における水車の動作を示す概念図である。
【００４４】
図において、１１は水車であり、該水車１１は、各川岸１２に配設された支持部材としての支持台１５、該各支持台１５の上端において、各支持台１５間に架設された支持軸としての揺動軸１７、該揺動軸１７を揺動中心として揺動自在に配設された揺動部材としての、かつ、羽根保持部としての主軸５９、該主軸５９の所定の箇所、本実施の形態においては、主軸５９の先端に、矢印Ｅ方向に回転自在に、かつ、水面に対して接離自在に配設され、水エネルギーを回転エネルギーに変換して取得する回転羽根ユニット６１、該回転羽根ユニット６１の回転エネルギーを他のエネルギー、本実施の形態においては、電力に変換するための発電装置として発電機４０等を有する。なお、水路１３には、前記回転羽根ユニット６１に隣接させて、水ｗを回転羽根ユニット６１に向けて案内するためのガイドｇｄが配設される。
【００４５】
前記主軸５９は、水流方向における前記揺動軸１７より下流側に配設された第１の揺動部６５、及び揺動軸１７より上流側に配設された第２の揺動部６６を備え、前記発電機４０は、所定の重量を有し、バランサとして機能する。
【００４６】
本実施の形態においては、前記発電機４０がバランサの機能を有するようになっているが、第２の揺動部６６の所定の箇所に、所定の重量を有するバランサを追加して配設することができる。また、前記発電機４０を、例えば、揺動軸１７の一端に配設し、第２の揺動部６６の所定の箇所にバランサを配設することができる。さらに、バランサを第２の揺動部６６の長さ方向（水流方向）において移動自在に取り付けることができる。
【００４７】
また、回転羽根ユニット６１は、前記主軸５９を貫通して、かつ、主軸５９によって回転自在に支持され、第１の揺動部６５から所定の量だけ前方に向けて突出させられた回転軸６２、該回転軸６２における第１の揺動部６５から突出させられた部分に、軸方向において所定の距離を置いて配設された、翼支持部としての一対のハブ７６、７７、及び該ハブ７６、７７から径方向外方に向けて延在させて配設された複数の、本実施の形態においては、５本の軸流式の羽根Ｎを備える。
【００４８】
該各羽根Ｎは、翼体から成り、ハブ７６、７７の円周方向における複数箇所、本実施の形態においては、６箇所において、互いに等角度で径方向外方に突出させて形成される。また、各羽根Ｎは、ループ状の形状を有し、ハブ７６から径方向外方に、かつ、斜め後方に向けて延びる第１の翼素としての前側翼部ｎｆ、ハブ７７から径方向外方に、かつ、斜め前方に向けて延びる第２の翼素としての後側翼部ｎｒ、及び前記前側翼部ｎｆと後側翼部ｎｒとを最大半径の部分で連結し、ハブ７６、７７から等距離を置いて、平坦に延びる第３の翼素としての中央翼部ｎｃを備える。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、翼支持部として、一対のハブ７６、７７が配設されるようになっているが、一つのハブを配設することができる。
【００５０】
前記構成の水車１１において、水ｗが矢印Ａ方向に流れると、水ｗによって前記ハブ７６、７７より下方の各羽根Ｎｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ）が押され、水ｗの流れによって抗力が発生させられ、回転羽根ユニット６１が矢印Ｅ方向に回転させられ、回転羽根ユニット６１の回転が発電機４０に伝達され、発電機４０が駆動されて電力が取得される。
【００５１】
なお、前記ハブ７６、７７の最下部が水面と所定の距離を保持するように、発電機４０の重量及び位置が設定され、羽根Ｎｉが水ｗに浸漬させられる。
【００５２】
ところで、本実施の形態においては、異物Ｑが回転羽根ユニット６１に当たると、そのときの抗力Ｆｄ’によって主軸５９が矢印Ｃ方向に回転させられ、それに伴って、回転羽根ユニット６１が上方に持ち上げられ、水面から離れ、異物Ｑから退避させられるようになっている。
【００５３】
この場合、第１の実施の形態と同様に、ブレードホルダ１９を図３における反時計回り（矢印Ｄ方向）に回転させようとするトルク（回転羽根ユニット２１を水面に押し付けようとするトルク）ＢＲは、
ＢＲ＝Ｗａ・Ｌａ・ｓｉｎθ−Ｗｂ・Ｌｂ・ｓｉｎθ
になり、各羽根Ｎｉが抗力Ｆｄを受けることによって、主軸５９を、前記揺動軸１７を中心に時計回り（矢印Ｃ方向）に回転させようとするトルク（回転羽根ユニット６１を水面から離そうとするトルク）Ｂｄは、前記線分Ｍの長さをＬｃとすると、
Ｂｄ＝Ｌｃ・ΣＦｕｉ
になり、トルクＢＲがトルクＢｄよりわずかに大きくなるように発電機４０の重量及び位置が設定される。
【００５４】
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【符号の説明】
【００５５】
１５    支持台
１７    揺動軸
１９    ブレードホルダ
２１、６１    回転羽根ユニット
２５、６５    第１の揺動部
２６、６６    第２の揺動部
２９    バランサ
４０    発電機
５９    主軸
【図１】
2012021493.tif 000003
【図２】
2012021493.tif 000004
【図３】
2012021493.tif 000005
【図４】
2012021493.tif 000006
【図５】
2012021493.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月29日(2010.7.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2012021493.tif 000008
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2012021493.tif 000009
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2012021493.tif 000010
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2012021493.tif 000011