(57)【要約】【課題】揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に利用することができる垂直軸水車を提供する。【解決手段】実施の形態による垂直軸水車１は、垂直回転軸２と、垂直回転軸２にアーム３を介して連結され、複数の翼４と、を備えている。翼４は、圧力面１０と、負圧面１１と、圧力面１０から負圧面１１に延びる翼空洞１５と、を有している。翼空洞１５は、圧力面１０の側に設けられた圧力面側開口１６と、負圧面１１の側に設けられた負圧面側開口１７と、圧力面側開口１６と負圧面側開口１７との間に設けられた翼空洞曲がり部１８と、を含んでいる。圧力面側開口１６の少なくとも一部と負圧面側開口１７の少なくとも一部は、翼４の最大厚み部１４より回転方向とは反対側に位置している。翼空洞曲がり部１８は、回転方向の側に凸となるように形成されている。【選択図】図３
2016200099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流水の流れ方向に垂直な方向に延びる垂直回転軸と、
前記垂直回転軸に半径方向に延びるアームを介して連結され、周方向に互いに異なる位置に配置された複数の翼と、を備え、
前記翼は、圧力面と、負圧面と、前記圧力面から前記負圧面に延びる翼空洞と、を有し、
前記翼空洞は、前記圧力面の側に設けられた圧力面側開口と、前記負圧面の側に設けられた負圧面側開口と、前記圧力面側開口と前記負圧面側開口との間に設けられた翼空洞曲がり部と、を含み、
前記圧力面側開口の少なくとも一部と前記負圧面側開口の少なくとも一部は、前記翼の最大厚み部より回転方向とは反対側に位置し、
前記翼空洞曲がり部は、前記回転方向の側に凸となるように形成されていることを特徴とする垂直軸水車。
【請求項２】
前記圧力面側開口および前記負圧面側開口をそれぞれ閉塞する翼弾性膜を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の垂直軸水車。
【請求項３】
前記翼空洞の前記圧力面側開口および前記負圧面側開口をそれぞれ開閉可能な翼蓋を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の垂直軸水車。
【請求項４】
流水の流れ方向に垂直な方向に延びる垂直回転軸と、
前記垂直回転軸に半径方向に延びるアームを介して連結され、周方向に互いに異なる位置に配置された複数の翼と、を備え、
前記アームは、横断面で翼型として形成され、
前記アームのうち回転方向とは反対側の端部に、切欠部が設けられ、
前記切欠部は、前記アームのキャンバーラインに直交する方向に平坦状に形成されている、または前記回転方向の側に凹むように形成されていることを特徴とする垂直軸水車。
【請求項５】
流水の流れ方向に垂直な方向に延びる垂直回転軸と、
前記垂直回転軸に半径方向に延びるアームを介して連結され、周方向に互いに異なる位置に配置された複数の翼と、を備え、
前記アームは、横断面で翼型として形成され、
前記アームは、第１アーム面と、前記第１アーム面とは反対側に設けられた第２アーム面と、前記第１アーム面から前記第２アーム面に延びるアーム空洞と、を有し、
前記アーム空洞は、前記第１アーム面の側に設けられた第１アーム面側開口と、前記第２アーム面の側に設けられた第２アーム面側開口と、前記第１アーム面側開口と前記第２アーム面側開口との間に設けられたアーム空洞曲がり部と、を有し、
前記アーム空洞の前記第１アーム面側開口の少なくとも一部と前記第２アーム面側開口の少なくとも一部は、前記アームの最大厚み部より回転方向とは反対側に位置し、
前記アーム空洞曲がり部は、前記回転方向の側に凸となるように形成されていることを特徴とする垂直軸水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、垂直軸水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止の観点から、再生可能エネルギの積極的利用が叫ばれて久しい。数ある再生可能エネルギの中でも水力は古くから積極的に開発、利用が進んでいる。しかし、その主流はダムを利用した大規模集中型発電であるため、新規開発に適した建設地は少なく、環境負荷への懸念から新規建造は困難な状況である。このような事情から、これまでの大規模集中型発電から、未開発の地点が豊富な中小規模分散型発電への転換が望まれている。中小規模分散型発電の一つとして、ダムのような大規模な施設を利用しない、超低落差水力の利用が挙げられる。
【０００３】
超低落差での発電が可能な水車として、ダリウス型水車やサボニウス型水車等の垂直軸水車が挙げられる。このような垂直軸水車は、回転数では水平軸揚力型水車には劣るが、大きな回転トルクを発生させることができる。このため、起動時の流速を非常に低く設定することができ、広い流速域での発電が可能となる。また、垂直軸水車は、大きな回転トルクが発生可能であることから、増速機を用いて水車の回転数を増速させることに適している。この場合、水車に連結される発電機の発電効率を向上させることができ、また発電機の小型化にも貢献できる。さらに、構造上、発電機や増速機を水没させないことも可能となるため、メンテナンス性に優れる。
【０００４】
このような利点を有する垂直軸水車には、上述したようにダリウス型水車やサボニウ型ス水車等いくつかの種類がある。とりわけ、サボニウス型水車では、主に翼に発生する揚力から回転力を得るようになっており、回転数を高速に設定することができ、発電用として用いられることが多い。
【０００５】
また、垂直軸水車は、その回転軸線が流れに垂直になるように流水に浸漬されるため、流れ方向の制約を受けない。このため、垂直軸水車の設置は比較的容易であるという利点がある。この利点を生かすために、流れ方向が変化する潮流中に垂直軸水車を設置し、潮流発電に用いる場合がある。この場合、ヨー方向の制御をすることなく発電を行うことも可能である。
【０００６】
このように、垂直軸水車は流れ方向の制約を受けずに、翼が流れの持つ運動エネルギを回転エネルギに変換して回転する。より具体的には、翼の回転軌跡のうちの一部の領域で、揚力型として機能し、流れから揚力を受けて回転力が得られる。しかしながら、他の一部の領域では、翼が流れから受ける抗力によって回転力が低減される傾向にある。
【０００７】
ところで、揚力型だけではなく抗力型として、すなわち翼が流れから受ける抗力によって回転力を得て作動できる垂直軸揚力型風車が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−２４５５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した垂直軸揚力型風車では、風速が比較的小さい場合に、ブレードを抗力を効果的に受けることができるような配置角度にして、抗力型として作動させている。一方、風速が比較的高い場合には、ブレードの配置角度を変えて、揚力を効果的に受けることができるようにし、揚力型として作動させている。このため、抗力型として作動する際には、翼が受ける揚力が低下するおそれがある。
【００１０】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に利用することができる垂直軸水車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】
【００１１】
実施の形態による垂直軸水車は、流水の流れ方向に垂直な方向に延びる垂直回転軸と、垂直回転軸に半径方向に延びるアームを介して連結され、周方向に互いに異なる位置に配置された複数の翼と、を備えている。翼は、圧力面と、負圧面と、圧力面から負圧面に延びる翼空洞と、を有している。翼空洞は、圧力面の側に設けられた圧力面側開口と、負圧面の側に設けられた負圧面側開口と、圧力面側開口と負圧面側開口との間に設けられた翼空洞曲がり部と、を含んでいる。圧力面側開口の少なくとも一部と負圧面側開口の少なくとも一部は、翼の最大厚み部より回転方向とは反対側に位置している。翼空洞曲がり部は、回転方向の側に凸となるように形成されている。
【００１２】
また、実施の形態による垂直軸水車は、流水の流れ方向に垂直な方向に延びる垂直回転軸と、垂直回転軸に半径方向に延びるアームを介して連結され、周方向に互いに異なる位置に配置された複数の翼と、を備えている。アームは、横断面で翼型として形成されている。アームのうち回転方向とは反対側の端部に、切欠部が設けられている。切欠部は、アームのキャンバーラインに直交する方向に平坦状に形成されている、または回転方向の側に凹むように形成されている。
【００１３】
さらに、実施の形態による垂直軸水車は、流水の流れ方向に垂直な方向に延びる垂直回転軸と、垂直回転軸に半径方向に延びるアームを介して連結され、周方向に互いに異なる位置に配置された複数の翼と、を備えている。アームは、横断面で翼型として形成されている。アームは、第１アーム面と、第１アーム面とは反対側に設けられた第２アーム面と、第１アーム面から第２アーム面に延びるアーム空洞と、を有している。アーム空洞は、第１アーム面の側に設けられた第１アーム面側開口と、第２アーム面の側に設けられた第２アーム面側開口と、第１アーム面側開口と第２アーム面側開口との間に設けられたアーム空洞曲がり部と、を有している。アーム空洞の第１アーム面側開口の少なくとも一部と第２アーム面側開口の少なくとも一部は、アームの最大厚み部より回転方向とは反対側に位置している。アーム空洞曲がり部は、回転方向の側に凸となるように形成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第１の実施の形態における垂直軸水車の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１の平面図である。
【図３】図３は、図１の翼の平面断面を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図２のＲ１領域における速度三角形の一例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図２のＲ２領域における速度三角形の一例を示す図である。
【図５】図５は、第２の実施の形態において、翼の水平断面を示す図である。
【図６】図６は、図５の翼の作用を説明するための図である。
【図７】図７は、第３の実施の形態において、翼の水平断面を示す図である。
【図８】図８は、第４の実施の形態において、アームの横断面であって、図２のＡ−Ａ線に相当する断面を示す図である。
【図９】図９は、図８の変形例を示す図である。
【図１０】図１０は、第５の実施の形態において、アームの横断面を示す図である。
【図１１】図１１は、第６の実施の形態において、アームの横断面を示す図である。
【図１２】図１２は、第７の実施の形態において、アームの横断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１乃至図４を用いて、本発明の第１の実施の形態における垂直軸水車について説明する。
【００１８】
なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「垂直」、「水平」、「面一」等の用語等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めるものとしている。
【００１９】
図１および図２に示すように、垂直軸水車１は、その回転軸線Ｘが流水の流れの方向に垂直な方向に沿うように流水（例えば、河川や水路などの流水、海水など）に浸漬され、流水の流れを受けて、流れの持つ運動エネルギを回転エネルギに変換する。本実施の形態による垂直軸水車１（例えば、ダリウス水車）は、流れ方向に垂直な方向に延びる垂直回転軸２と、垂直回転軸２に半径方向に延びるアーム３を介して連結され、周方向に互いに異なる位置に配置された複数の翼４と、を備えている。
【００２０】
各翼４は、図１に示すように、回転軸線Ｘの方向に互いに異なる位置に配置された３つのアーム３によって垂直回転軸２に連結されている。各アーム３の横断面（アーム３の長手方向に直交する断面）は、特に限られるものではないが、流れの抵抗を低減可能な形状、例えば翼型や円、楕円などの形状で形成されていることが好適である。なお、アーム３の個数は、流れを受けた場合であっても翼４を強固に支持することができれば任意である。
【００２１】
各翼４は、流れを受けて、流れの持つ運動エネルギを回転エネルギに変換する。この回転エネルギによって、翼４、アーム３および垂直回転軸２が一体的に、回転軸線Ｘを中心に回転する。なお、図１に示す形態においては、垂直回転軸２に５つの翼４が連結されている例が示されており、図２に示す形態においては、垂直回転軸２に３つの翼４が連結されている例が示されているが、流水の流れを受けて翼４が好適に回転することができれば、翼４の個数は任意である。
【００２２】
垂直回転軸２には、発電機５が連結されている。発電機５は、垂直回転軸２の回転力が伝達されて、発電を行うようになっている。また、発電機５は、例えば、垂直回転軸２の上方に配置されることが好適である。この場合、発電機５を水没させないように設置することができ、メンテナンス上有利となる。なお、図示しないが、発電機５は、垂直回転軸２の下方に配置して水没させることもできる。また、垂直回転軸２と発電機５との間には、増速機（図示せず）が介在されていてもよい。この場合、発電機５の回転軸（図示せず）の回転数を増大させて発電効率を向上させることができ、発電機５の小型化にも貢献できる。
【００２３】
次に、翼４について図３を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図３に示すように、翼４は、翼型として形成されており、圧力面１０と、負圧面１１と、を有している。このうち、圧力面１０は、翼４に流入した流れの圧力を受ける面であり、後述する揚力型として効果的に機能する場合において圧力面１０の側の流れの圧力は比較的高くなっている。一方、負圧面１１は、圧力面１０とは反対側に位置する面であり、揚力型として効果的に機能する場合において負圧面１１の側の流れの圧力は比較的低くなっている。翼４の先端１２（図３における左端）は、回転方向（推進方向）の側に位置しており、翼４の後端１３（図３における右端）は、回転方向とは反対側に位置している。これら翼４の先端１２と後端１３との間に、翼４の最大厚み部１４が形成されている。ここでいう翼４の厚みとは、翼４のキャンバーラインＣ１に直交する方向における圧力面１０と負圧面１１との間の距離を意味する。また、翼４のキャンバーラインＣ１とは、圧力面１０と負圧面１１の両方に内接する内接円の中心を結んでなる線を意味する。なお、図３に示すｈは、翼４の翼弦線である。
【００２５】
本実施の形態においては、翼４に翼空洞１５が設けられている。この翼空洞１５は、圧力面１０から負圧面１１に延び、翼４を貫通している。翼空洞１５は、圧力面１０の側に設けられた圧力面側開口１６と、負圧面１１の側に設けられた負圧面側開口１７と、圧力面側開口１６と負圧面側開口１７との間に設けられた翼空洞曲がり部１８と、を含んでいる。圧力面側開口１６の少なくとも一部と、負圧面側開口１７の少なくとも一部は、翼４の最大厚み部１４より回転方向とは反対側（後端１３の側）に位置している。図３に示す形態では、圧力面側開口１６の全体と、負圧面側開口１７の全体とが、翼４の最大厚み部１４より後端１３の側に位置している。これにより、後述する抗力型として機能する際に、翼空洞１５内に流れをスムースに引き込むことが可能となり、揚力型として機能する際に、流れの損失が生じることを抑制できる。
【００２６】
翼空洞曲がり部１８は、回転軸線Ｘに沿った方向から見たときに（図３に示す状態で）、翼４の先端１２の側（回転方向の側）に凸となるように形成されている。図３に示す形態では、翼空洞曲がり部１８は、翼４のキャンバーラインＣ１上で屈折しており、Ｖ字状に形成されている。なお、翼空洞曲がり部１８の形状はＶ字状であることに限られることはなく、翼空洞曲がり部１８が翼４の先端１２の側に凸となっていれば任意であり、例えば湾曲状に形成されていてもよい。
【００２７】
翼空洞１５は、圧力面１０または負圧面１１に向う方向（図３の上方または下方）から見たときに、円や楕円、矩形など任意の形状とすることができるが、例えばスリットのような細長状に形成されていることが好適である。この場合、翼空洞１５内に流れをスムースに引き込むことが可能となる。また、翼空洞１５は、翼４の強度を確保するために、回転軸線Ｘに沿う方向において、複数に分断されていること、言い換えると当該方向において互いに離間した複数の翼空洞１５が翼４に設けられていることが好適である。
【００２８】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００２９】
垂直軸水車１が流水に浸漬されると、翼４が流れを受けて、流れの持つ運動エネルギが回転エネルギに変換される。このことにより、翼４、アーム３および垂直回転軸２が一体的に回転する。垂直回転軸２の回転力は発電機５に伝達され、発電機５が発電を行う。
【００３０】
本実施の形態においては、翼４が回転している間、翼４は、翼４の回転軌跡のうちの一部の領域で、流れから揚力を受けて回転力を得て、揚力型として機能する。一方、翼４は、他の一部の領域で、流れから抗力を受けて回転力を得て、抗力型として機能する。
【００３１】
より具体的には、翼４が主に流れの上流側に向って推進する揚力領域Ｒ１（図２における左半分の領域）で、翼４は流れから揚力を受けて回転力を得て、揚力型として機能する。この揚力領域Ｒ１のある地点において、翼４に作用する速度三角形を図４Ａに示す。ここで、ｕは翼４の回転速度、ｖは翼４に流入する流れの絶対速度、ｗは、回転速度ｕと絶対速度ｖとを合成した相対速度であって、翼４に流入する流れの相対速度を示している。なお、αは、相対速度ｗと翼４の翼弦線ｈとのなす角度である。図４Ａに示す状態では、流れは、相対速度ｗを示す矢印のようにして翼４の先端１２に流入する。このことにより、翼４の圧力面１０と負圧面１１との間で圧力差が生じ、翼４に揚力が発生する。この発生した揚力が、翼４の回転力に変換される。
【００３２】
一方、翼４が主に流れの下流側に向って推進する抗力領域Ｒ２（図２における右半分の領域）で、翼４は流れから抗力を受けて回転力を得て、抗力型として機能する。この抗力領域Ｒ２のある地点において、翼４に作用する速度三角形を図４Ｂに示す。図４Ｂに示す状態では、流れは、相対速度ｗを示す矢印のようにして翼４の後端１３に流入する。このことにより、翼４には揚力が発生しない。しかしながら、翼４の圧力面１０または負圧面１１が、流れから抗力を受ける。このため、この抗力から回転力が得られる。
【００３３】
特に、本実施の形態においては、図３に示すように、翼４に翼空洞１５が設けられている。このことにより、翼４が抗力領域Ｒ２において流れから受ける抗力は増大する。
【００３４】
すなわち、翼４の圧力面１０が流れから抗力を受けている場合には、図３に示す実線の矢印で示されているように、圧力面１０に向う流れの一部が翼空洞１５の圧力面側開口１６から翼空洞１５内に流入する。流入した流れは、翼空洞曲がり部１８で向きを変えて、負圧面側開口１７を通って翼空洞１５から流出する。翼空洞曲がり部１８において流れが向きを変える際に、翼４は、流れから反力としての抗力を受ける。これにより、翼４が流れから受ける抗力が増大する。
【００３５】
一方、翼４の負圧面１１が流れから抗力を受けている場合には、図３に示す破線の矢印で示されているように、負圧面１１に向う流れの一部が翼空洞１５の負圧面側開口１７から翼空洞１５内に流入する。流入した流れは、翼空洞曲がり部１８において向きを変えて、圧力面側開口１６を通って翼空洞１５から流出する。そして、翼４の圧力面１０が流れから抗力を受ける場合と同様に、翼空洞曲がり部１８において流れが向きを変える際に、翼４は、流れから反力としての抗力を受ける。これにより、翼４が流れから受ける抗力が増大する。
【００３６】
このようにして、翼４は、抗力領域Ｒ２に位置している場合であっても、流れから受ける抗力が増大し、抗力型として効果的に機能することができる。このため、翼４は、回転軌跡のほとんどの位置において、流れから揚力または抗力を受けて回転力を得ることができ、垂直軸水車１として得られる回転力が増大する。
【００３７】
このように本実施の形態によれば、翼４の圧力面１０から負圧面１１に延びる翼空洞１５が翼空洞曲がり部１８を有し、この翼空洞曲がり部１８が、回転方向の側に凸となるように形成されている。このことにより、図２に示す抗力領域Ｒ２では、翼空洞１５に流れを引き込み、引き込まれた流れから翼４が抗力を受けることができる。このため、翼４が流れから受ける抗力を増大させることができ、抗力から得られる回転力を増大させることができる。一方、翼４の圧力面１０および負圧面１１は、揚力を得やすい形状に形成することができる。このため、揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に利用することができる。この結果、流れの持つ運動エネルギを回転エネルギに変換する効率を向上させることができる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
次に、図５および図６を用いて、本発明の第２の実施の形態における垂直軸水車について説明する。
【００３９】
図５および図６に示す第２の実施の形態においては、翼空洞の圧力面側開口および負圧面側開口が翼弾性膜によってそれぞれ閉塞されている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５および図６において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４０】
図５に示すように、本実施の形態においては、翼空洞１５の圧力面側開口１６および負圧面側開口１７は、翼弾性膜２０によってそれぞれ閉塞されている。翼弾性膜２０は、例えばゴムによって形成することができるが、これに限られることはない。また、翼弾性膜２０は、接着剤によって翼４に接合することが好適である。
【００４１】
翼弾性膜２０の外面は、外力が作用しない場合には、翼４の圧力面１０または負圧面１１と面一となっていることが好適である。このことにより、図２に示す揚力領域Ｒ１では、翼４の圧力面１０および負圧面１１に沿って流れる流れに損失が生じることを抑制でき、得られる揚力が低減することを抑制できる。図５に示す形態では、翼４の圧力面１０および負圧面１１に、翼弾性膜２０が埋め込まれるように接合されている。
【００４２】
なお、本実施の形態においては、翼空洞１５が翼弾性膜２０によって閉塞されているため、図示しない連通孔を介して、翼４の周囲（例えば翼４の上方または下方）の流水と連通していることが好適である。この場合、翼空洞１５内の圧力を、翼４の周囲の流水の圧力と均等化させることができ、一方の翼弾性膜２０が凹むように弾性変形した場合であっても、他方の翼弾性膜２０が翼４から突出するように弾性変形することを防止でき、当該翼弾性膜２０の周囲の流れに損失が生じることを防止できる。
【００４３】
翼４は、回転している間、図２に示すような抗力領域Ｒ２で流れから抗力を受けて回転力を得て、抗力型として機能する。
【００４４】
この際、翼４の圧力面１０が流れから抗力を受けている場合には、図６の実線で示すように、流れによって、圧力面１０の側の翼弾性膜２０が翼空洞１５内に凹むように弾性変形する。このことにより、この翼弾性膜２０が、流れから反力としての抗力を受け、翼４が流れから受ける抗力が増大する。
【００４５】
一方、翼４の負圧面１１が流れから抗力を受けている場合には、図６の破線で示すように、流れによって、負圧面１１の側の翼弾性膜２０が翼空洞１５内に凹むように弾性変形する。このことにより、この翼弾性膜２０が、流れから反力としての抗力を受け、翼４が流れから受ける抗力が増大する。
【００４６】
なお、図２に示すような揚力領域Ｒ１では、翼４は、流れから揚力を受けて回転力を得て、揚力型として機能する。この際、圧力面側開口１６および負圧面側開口１７にそれぞれ設けられた翼弾性膜２０が受ける流れの圧力は比較的小さいため、これらの翼弾性膜２０が、翼空洞１５内に凹むように弾性変形することが防止さる。このことにより、翼弾性膜２０の周囲の流れに損失が生じることが防止される。
【００４７】
このように本実施の形態によれば、翼空洞１５の圧力面側開口１６および負圧面側開口１７が、翼弾性膜２０によってそれぞれ閉塞されている。このことにより、図２に示す抗力領域Ｒ２では、流れによって、翼弾性膜２０が翼空洞１５内に凹むように弾性変形し、流れから抗力を受けることができる。このため、翼４が流れから受ける抗力を増大させることができ、抗力から得られる回転力を増大させることができる。一方、図２に示す揚力領域Ｒ１では、翼弾性膜２０によって流れが翼空洞１５内に引き込まれることを防止できる。このことにより、翼４が流れから受ける揚力を増大させることができ、揚力から得られる回転力を増大させることができる。このため、揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に利用することができる。
【００４８】
（第３の実施の形態）
次に、図７を用いて、本発明の第３の実施の形態における垂直軸水車について説明する。
【００４９】
図７に示す第３の実施の形態においては、翼空洞の圧力面側開口および負圧面側開口が翼蓋によってそれぞれ開閉可能になっている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図７において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５０】
図７に示すように、本実施の形態においては、翼空洞１５の圧力面側開口１６および負圧面側開口１７が、翼蓋３０によって開閉可能になっている。
【００５１】
より具体的には、圧力面側開口１６および負圧面側開口１７に翼蓋３０がそれぞれ設けられている。この翼蓋３０の外面は、対応する開口１６、１７を閉じている際には翼４の圧力面１０または負圧面１１と面一となっていることが好適である。このことにより、図２に示す揚力領域Ｒ１では、翼４の圧力面１０および負圧面１１に沿って流れる流れに損失が生じることを抑制でき、得られる揚力が低減することを抑制できる。図７に示す形態では、圧力面側開口１６および負圧面側開口１７を、翼蓋３０が閉塞するように取り付けられている。
【００５２】
翼蓋３０は、翼４に回動可能に取り付けられている。そして、翼蓋３０は、ねじりバネ（図示せず）によって回動方向に付勢されている。このねじりバネのバネ力によって、翼蓋３０は、対応する開口１６、１７を閉じる位置に位置付けられている。
【００５３】
図２に示すような抗力領域Ｒ２では、翼４は、流れから抗力を受けて回転力を得て、抗力型として機能する。
【００５４】
この際、翼４の圧力面１０が流れから抗力を受けている場合には、流れによって、圧力面１０の側の翼蓋３０が、対応するねじりバネのバネ力に抗して翼空洞１５の内側に回動する。これにより、翼空洞１５の圧力面側開口１６が開放され、圧力面１０に向う流れの一部が圧力面側開口１６から翼空洞１５内に流入する。そして、負圧面１１の側の翼蓋３０が、対応するねじりバネのバネ力に抗して翼空洞１５の外側に回動する。これにより、翼空洞１５の負圧面側開口１７が開放され、圧力面側開口１６から翼空洞１５内に流入した流れが、翼空洞曲がり部１８を通って負圧面側開口１７から流出する。翼空洞曲がり部１８において流れが向きを変える際に、翼４は、流れから反力としての抗力を受ける。
【００５５】
一方、翼４の負圧面１１が流れから抗力を受けている場合には、流れによって、負圧面１１の側の翼蓋３０が、対応するねじりバネのバネ力に抗して翼空洞１５の内側に回動する。これにより、翼空洞１５の負圧面側開口１７が開放され、負圧面１１に向う流れの一部が負圧面側開口１７から翼空洞１５内に流入する。そして、圧力面１０の側の翼蓋３０が、対応するねじりバネのバネ力に抗して翼空洞１５の外側に回動する。これにより、翼空洞１５の圧力面側開口１６が開放され、負圧面側開口１７から翼空洞１５内に流入した流れが、翼空洞曲がり部１８を通って圧力面側開口１６から流出する。翼空洞曲がり部１８において流れが向きを変える際に、翼４は、流れから反力としての抗力を受ける。
【００５６】
なお、図２に示すような揚力領域Ｒ１では、翼４は、流れから揚力を受けて回転力を得て、揚力型として機能する。この際、圧力面側開口１６および負圧面側開口１７にそれぞれ設けられた翼蓋３０の外面が受ける流れの圧力は比較的小さいため、これらの翼蓋３０は、ねじりバネによって対応する開口１６、１７を閉じる位置に位置付けられる。このことにより、圧力面側開口１６および負圧面側開口１７はそれぞれ閉塞され、翼空洞１５内に流れが引き込まれることが防止される。
【００５７】
このように本実施の形態によれば、翼空洞１５の圧力面側開口１６および負圧面側開口１７が、翼蓋３０によってそれぞれ開閉可能になっている。このことにより、図２に示す抗力領域Ｒ２では、流れによって圧力面側開口１６および負圧面側開口１７が開き、翼空洞１５内に流れを引き込み、引き込まれた流れから翼４が抗力を受けることができる。このため、翼４が流れから受ける抗力を増大させることができ、抗力から得られる回転力を増大させることができる。一方、図２に示す揚力領域Ｒ１では、圧力面側開口１６および負圧面側開口１７が閉じ、流れが翼空洞１５内に引き込まれることを防止できる。このことにより、翼４が流れから受ける揚力を増大させることができ、揚力から得られる回転力を増大させることができる。このため、揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に利用することができる。
【００５８】
（第４の実施の形態）
次に、図８および図９を用いて、本発明の第４の実施の形態における垂直軸水車について説明する。
【００５９】
図８および図９に示す第４の実施の形態においては、アームのうち回転方向とは反対側の端部に切欠部が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図８および図９において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６０】
図８に示すように、本実施の形態においては、アーム３は、横断面で翼型として形成されている。アーム３が翼型として形成されている範囲は、アーム３の全範囲であることに限られることはなく、例えば、アーム３のうち、垂直回転軸２の側の部分と対応する翼４の側の部分とを除いた範囲で、翼型として形成されていてもよい。
【００６１】
アーム３のうち回転方向（推進方向）とは反対側の端部に、切欠部４０が設けられている。切欠部４０は、図８に示すように、アーム３のキャンバーラインＣ２に直交する方向に平坦状に形成されている。しかしながら、このことに限られることはなく、切欠部４０は、図９に示すように、回転方向の側に、湾曲状または円弧状に凹むように形成されていてもよい。
【００６２】
翼４とアーム３は、回転している間、図２に示すような抗力領域Ｒ２で流れから抗力を受けて回転力を得て、抗力型として機能する。
【００６３】
すなわち、アーム３に設けられた切欠部４０に流れが当たると流れは向きを変える。このことにより、この切欠部４０が流れを受けて、その反力として抗力を受ける。このようにして、翼４が受ける抗力だけではなくアーム３が受ける抗力によって、翼４の回転力が増大する。
【００６４】
なお、図２に示す揚力領域Ｒ１では、アーム３は、翼型として形成されているため、流れから揚力を受ける。このことにより、翼４が受ける揚力だけではなくアーム３が受ける揚力によって、翼４の回転力が増大する。
【００６５】
このように本実施の形態によれば、翼型に形成されたアーム３のうち回転方向とは反対側の端部に、切欠部４０が設けられている。このことにより、図２に示す抗力領域Ｒ２では、流れによって、アーム３が抗力を受けることができる。このため、翼４が受ける抗力とアーム３が受ける抗力とによって、抗力から得られる回転力を増大させることができる。一方、翼４の圧力面１０および負圧面１１は、揚力を得やすい形状に形成することができる。このため、揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に利用することができる。
【００６６】
なお、上述した本実施の形態においては、翼４には翼空洞１５が設けられていなくてもよい。この場合においても、アーム３の後端５３に設けられた切欠部４０によってアーム３が流れから抗力を受けることができ、翼４が受ける抗力とアーム３が受ける抗力とによって、抗力から得られる回転力を増大させることができる。一方、翼４には翼空洞１５が設けられないため、揚力型としての機能を増大させることができる。このため、揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に利用することができる。
【００６７】
（第５の実施の形態）
次に、図１０を用いて、本発明の第５の実施の形態における垂直軸水車について説明する。
【００６８】
図１０に示す第５の実施の形態においては、アームに、アーム空洞曲がり部を含むアーム空洞が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１０において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６９】
図１０に示すように、本実施の形態においては、アーム３は、横断面で翼型として形成されている。なお、アーム３が翼型として形成されている範囲は、アーム３の全体であることに限られることはなく、例えば、アーム３のうち、垂直回転軸２の側の部分と対応する翼４の側の部分とを除いた範囲で、翼型として形成されていてもよい。
【００７０】
そして、アーム３は、第１アーム面５０と、第１アーム面５０とは反対側に設けられた第２アーム面５１と、を有している。アーム３の先端５２（図１０における左端）は、回転方向（推進方向）の側に位置しており、翼４の後端１３（図２における右端）は、回転方向とは反対側に位置している。これらアーム３の先端５２と後端５３との間に、アーム３の最大厚み部５４が形成されている。ここでいうアーム３の厚みとは、アーム３のキャンバーラインＣ２に直交する方向における第１アーム面５０と第２アーム面５１との間の距離を意味する。また、アーム３のキャンバーラインＣ２とは、第１アーム面５０と第２アーム面５１の両方に内接する内接円の中心を結んでなる線を意味する。
【００７１】
図１０に示すように、アーム３に、アーム空洞５５が設けられている。このアーム空洞５５は、第１アーム面５０から第２アーム面５１に延び、アーム３を貫通している。アーム空洞５５は、第１アーム面５０の側に設けられた第１アーム面側開口５６と、第２アーム面５１の側に設けられた第２アーム面側開口５７と、第１アーム面側開口５６と第２アーム面側開口５７との間に設けられたアーム空洞曲がり部５８と、を含んでいる。第１アーム面側開口５６の少なくとも一部と、第２アーム面側開口５７の少なくとも一部は、アーム３の最大厚み部５４より回転方向とは反対側（後端５３の側）に位置している。図１０に示す形態では、第１アーム面側開口５６の全体と、第２アーム面側開口５７の全体とが、アーム３の最大厚み部５４より後端５３の側に位置している。これにより、抗力型として機能する際に、アーム空洞５５内に流れをスムースに引き込むことが可能となる。揚力型として機能する際に、流れの損失が生じることを抑制できる。
【００７２】
アーム空洞曲がり部５８は、アーム３の長手方向から見たときに（図１０に示す状態で）、アーム３の先端５２の側（回転方向の側）に凸となるように形成されている。図１０に示す形態では、アーム空洞曲がり部５８は、アーム３のキャンバーラインＣ２上で屈折しており、Ｖ字状に形成されている。なお、アーム空洞曲がり部５８の形状はＶ字状であることに限られることはなく、アーム空洞曲がり部５８がアーム３の先端５２の側に凸となっていれば任意であり、例えば湾曲状に形成されていてもよい。
【００７３】
アーム空洞５５は、第１アーム面５０または第２アーム面５１に向う方向（図１０の上方または下方）から見たときに、円や楕円、矩形など任意の形状とすることができるが、例えばスリットのような細長状に形成されていることが好適である。この場合、アーム空洞５５内に流れをスムースに引き込むことが可能となる。また、アーム空洞５５は、アーム３の強度を確保するために、アーム３の長手方向において、複数に分断されていること、言い換えると当該方向において互いに離間した複数のアーム空洞５５がアーム３に設けられていることが好適である。
【００７４】
翼４とアーム３は、図２に示すような抗力領域Ｒ２で流れから抗力を受けて回転力を得て、抗力型として機能する。
【００７５】
すなわち、抗力領域Ｒ２では、流れの一部がアーム空洞５５の第１アーム面側開口５６（または第２アーム面側開口５７）からアーム空洞５５内に流入する。流入した流れは、アーム空洞曲がり部５８で向きを変えて、第２アーム面側開口５７（または第１アーム面側開口５６）を通ってアーム空洞５５から流出する。アーム空洞曲がり部５８において流れが向きを変える際に、アーム３は、流れから反力としての抗力を受ける。このようにして、翼４が受ける抗力だけではなくアーム３が受ける抗力によって、翼４の回転力が増大する。
【００７６】
なお、図２に示す揚力領域Ｒ１では、アーム３は、翼型として形成されているため、流れから揚力を受ける。このことにより、翼４が受ける揚力だけではなくアーム３が受ける揚力によって、翼４の回転力が増大する。
【００７７】
このように本実施の形態によれば、翼型に形成されたアーム３に、アーム空洞曲がり部５８を含むアーム空洞５５が設けられ、アーム空洞曲がり部５８が、回転方向の側に凸となるように形成されている。このことにより、図２に示す抗力領域Ｒ２では、流れによって、アーム３が抗力を受けることができる。このため、翼４が受ける抗力とアーム３が受ける抗力とによって、抗力から得られる回転力を増大させることができる。一方、翼４の圧力面１０および負圧面１１は、揚力を得やすい形状に形成することができる。このため、揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に利用することができる。
【００７８】
なお、上述した本実施の形態においては、翼４には翼空洞１５が設けられていなくてもよい。この場合においても、アーム３に設けられたアーム空洞曲がり部５８によってアーム３が流れから抗力を受けることができ、翼４が受ける抗力とアーム３が受ける抗力とによって、抗力から得られる回転力を増大させることができる。一方、翼４には翼空洞１５が設けられないため、揚力型としての機能を増大させることができる。このため、揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に利用することができる。
【００７９】
（第６の実施の形態）
次に、図１１を用いて、本発明の第６の実施の形態における垂直軸水車について説明する。
【００８０】
図１１に示す第６の実施の形態においては、アーム空洞の第１アーム面側開口および第２アーム面側開口がアーム弾性膜によってそれぞれ閉塞されている点が主に異なり、他の構成は、図１０に示す第５の実施の形態と略同一である。なお、図１１において、図１０に示す第５の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８１】
図１１に示すように、本実施の形態においては、アーム空洞５５の第１アーム面側開口５６および第２アーム面側開口５７は、アーム弾性膜６０によってそれぞれ閉塞されている。アーム弾性膜６０は、例えばゴムによって形成することができるが、これに限られることはない。また、アーム弾性膜６０は、接着剤によってアーム３に接合することが好適である。
【００８２】
アーム弾性膜６０の外面は、外力が作用しない場合には、アーム３の第１アーム面５０または第２アーム面５１と面一となっていることが好適である。このことにより、図２に示す揚力領域Ｒ１では、アーム３の第１アーム面５０および第２アーム面５１に沿って流れる流れに損失が生じることを抑制でき、得られる揚力が低減することを抑制できる。図１１に示す形態では、アーム３の第１アーム面５０および第２アーム面５１に、アーム弾性膜６０が埋め込まれるように接合されている。
【００８３】
なお、本実施の形態においては、アーム空洞５５は、アーム弾性膜６０によって閉塞されているため、図示しない連通孔を介して、アーム３の周囲の流水と連通していることが好適である。この場合、アーム空洞５５内の圧力を、アーム３の周囲の流水の圧力と均等化させることができ、一方のアーム弾性膜６０が凹むように弾性変形した場合であっても、他方のアーム弾性膜６０が翼４から突出するように弾性変形することを防止でき、当該アーム弾性膜６０の周囲の流れに損失が生じることを防止できる。
【００８４】
翼４とアーム３は、図２に示すような抗力領域Ｒ２で、流れから抗力を受けて回転力を得て、抗力型として機能する。
【００８５】
この際、図６に示す翼弾性膜２０と同様にして、流れによって、第１アーム圧力面１０（または第２アーム圧力面１０）の側のアーム弾性膜６０がアーム空洞５５内に凹むように弾性変形する。このことにより、このアーム弾性膜６０が、流れから反力としての抗力を受ける。このようにして、翼４が受ける抗力だけではなくアーム３が受ける抗力によって、翼４の回転力が増大する。
【００８６】
なお、図２に示すような揚力領域Ｒ１では、アーム３は、翼型として形成されているため、流れから揚力を受ける。この際、第１アーム面側開口５６および第２アーム面側開口５７にそれぞれ設けられたアーム弾性膜６０が受ける流れの圧力は比較的小さいため、これらのアーム弾性膜６０が、アーム空洞５５内に凹むように弾性変形することが防止される。このことにより、翼４が受ける揚力だけではなくアーム３が受ける揚力によって、翼４の回転力がより一層増大する。
【００８７】
このように本実施の形態によれば、アーム空洞５５の第１アーム面側開口５６および第２アーム面側開口５７が、アーム弾性膜６０によってそれぞれ閉塞されている。このことにより、図２に示す抗力領域Ｒ２では、流れによって、アーム弾性膜６０がアーム空洞５５内に凹むように弾性変形し、流れから抗力を受けることができる。このため、翼４が受ける抗力とアーム３が受ける抗力とによって、抗力から得られる回転力を増大させることができる。一方、図２に示す揚力領域Ｒ１では、アーム弾性膜６０によって流れがアーム空洞５５内に引き込まれることを防止できる。このことにより、アーム３が流れから受ける揚力を増大させることができ、揚力から得られる回転力を増大させることができる。このため、揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に利用することができる。
【００８８】
（第７の実施の形態）
次に、図１２を用いて、本発明の第７の実施の形態における垂直軸水車について説明する。
【００８９】
図１２に示す第７の実施の形態においては、アーム空洞の第１アーム面側開口および第２アーム面側開口がアーム蓋によってそれぞれ開閉可能になっている点が主に異なり、他の構成は、図１０に示す第５の実施の形態と略同一である。なお、図１２において、図１０に示す第５の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９０】
図１２に示すように、本実施の形態においては、アーム空洞５５の第１アーム面側開口５６および第２アーム面側開口５７が、アーム蓋７０によって開閉可能になっている。
【００９１】
より具体的には、第１アーム面側開口５６および第２アーム面側開口５７にアーム蓋７０がそれぞれ設けられている。このアーム蓋７０の外面は、第１アーム面５０または第２アーム面５１と面一となっていることが好適である。このことにより、図２に示す揚力領域Ｒ１では、アーム３の第１アーム面５０および第２アーム面５１に沿って流れる流れに損失が生じることを抑制でき、得られる揚力が低減することを抑制できる。図１２に示す形態では、第１アーム面側開口５６および第２アーム面側開口５７を、アーム蓋７０が閉塞するように取り付けられている。
【００９２】
アーム蓋７０は、アーム３に回動可能に取り付けられている。そして、アーム蓋７０は、ねじりバネ（図示せず）によって回動方向に付勢されている。このねじりバネのバネ力によって、アーム蓋７０は、対応する開口５６、５７を閉じる位置に位置付けられている。
【００９３】
図２に示すような抗力領域Ｒ２では、翼４とアーム３が、流れから抗力を受けて回転力を得て、抗力型として機能する。
【００９４】
この際、流れによって、第１アーム面５０（または第２アーム面５１）の側のアーム蓋７０が、対応するねじりバネのバネ力に抗してアーム空洞５５の内側に回動する。これにより、アーム空洞５５の第１アーム面側開口５６が開放され、第１アーム面５０に向う流れの一部が第１アーム面側開口５６からアーム空洞５５内に流入する。そして、第２アーム面５１の側のアーム蓋７０が、対応するねじりバネのバネ力に抗してアーム空洞５５の外側に回動する。これにより、アーム空洞５５の第２アーム面側開口５７が開放され、第１アーム面側開口５６からアーム空洞５５内に流入した流れが、アーム空洞曲がり部５８を通って第２アーム面側開口５７から流出する。アーム空洞曲がり部５８において流れが向きを変える際に、アーム３は、流れから反力としての抗力を受ける。
【００９５】
なお、図２に示すような揚力領域Ｒ１では、アーム３は、翼型として形成されているため、流れから揚力を受ける。この際、第１アーム面側開口５６および第２アーム面側開口５７にそれぞれ設けられたアーム蓋７０の外面が受ける流れの圧力は比較的小さいため、これらのアーム蓋７０は、ねじりバネによって対応する開口５６、５７を閉じる位置に位置付けられる。このことにより、第１アーム面側開口５６および第２アーム面側開口５７はそれぞれ閉塞され、アーム空洞５５内に流れが引き込まれることが防止される。
【００９６】
このように本実施の形態によれば、アーム空洞５５の第１アーム面側開口５６および第２アーム面側開口５７が、アーム蓋７０によってそれぞれ開閉可能になっている。このことにより、図２に示す抗力領域Ｒ２では、流れによって第１アーム面側開口５６および第２アーム面側開口５７が開き、アーム空洞５５内に流れを引き込み、引き込まれた流れからアーム３が抗力を受けることができる。このため、翼４が受ける抗力とアーム３が受ける抗力とによって、抗力から得られる回転力を増大させることができる。一方、図２に示す揚力領域Ｒ１では、第１アーム面側開口５６および第２アーム面側開口５７が閉じ、流れがアーム空洞５５内に引き込まれることを防止できる。このことにより、アーム３が流れから受ける揚力を増大させることができ、揚力から得られる回転力を増大させることができる。このため、揚力型としての機能が失われることを抑制しつつ、抗力を効果的に利用することができる。
【００９７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００９８】
また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。例えば、なお、上述した第４の実施の形態〜第７の実施の形態は、第２の実施の形態または第３の実施の形態と適宜組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１：垂直軸水車、２：垂直回転軸、３：アーム、４：翼、１０：圧力面、１１：負圧面、１４：最大厚み部、１５：翼空洞、１６：圧力面側開口、１７：負圧面側開口、１８：翼空洞曲がり部、２０：翼弾性膜、３０：翼蓋、４０：切欠部、５０：第１アーム面、５１：第２アーム面、５４：最大厚み部、５５：アーム空洞、５６：第１アーム面側開口、５７：第２アーム面側開口、５８：アーム空洞曲がり部、６０：アーム弾性膜、７０：アーム蓋、Ｃ２：キャンバーライン
【図１】
2016200099.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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