(57)【要約】      （修正有）【課題】小川等を流れる低落差、低流量あるいは低流速の水流エネルギを最大限活用する、超小型の発電装置を提供する。【解決手段】互いに逆向きに回転する第１種翼車および第２種翼車と、第１および第２種翼車に同軸で、第１種翼車に係合して回転される第１回転軸と、第２種翼車に係合して回転される第２回転軸と、第１回転軸および第２回転軸の一方と一体的に回転する１以上の磁石、及び、他方と一体的に回転する１以上のコイルとを含む発電手段と、流入する水流を第１種及び第２種翼車に向けて加速する第１及び第２のノズルと、発電手段を水密に密閉するケーシングとを有し、第１種翼車および第２種翼車の各翼が、ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、上記水流を受けて軸を回転させたのち、上記ノズルによる水流を受けない部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように水力でまたは機械的に態位を変化させる可動機構を設ける。【選択図】図７
2009019532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流に交わる方向に回転軸を持つクロスフロー型の発電装置であって、
水流を受けて第１の向きに回転する第１種翼車と、
水流を受けて上記第１の向きと逆の第２の向きに回転する第２種翼車と、
上記第１および第２種翼車に同軸で、第１種翼車に係合して回転される第１回転軸と、
上記第２種翼車に係合して回転され、上記第１の回転軸の内側に軸心方向に貫通された第２回転軸と、
これら第１回転軸および第２回転軸の一方と一体的に回転する磁石、及び、他方と一体的に回転するコイルとを含み、円周上の１個の磁石と１個のコイルとからなる極を有する発電手段と、
流入する水流を上記第１種翼車に向けて加速する第１のノズルと、
流入する水流を上記第２種翼車に向けて加速する第２のノズルと、
上記発電手段を水密に密閉するケーシングとを有し、
さらに、第１種翼車および第２種翼車の各翼が、ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、上記水流を受けて軸を回転させたのち、上記ノズルによる水流を受けない部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように水力でまたは機械的に態位を変化させる可動機構を第１種翼車および第２種翼車に設け、
落差が２ｍ以下の水路に設置し、水没させて使用する場合でも水の運動エネルギの５０％以上を翼車の回転エネルギに変換可能なものであることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
発電手段が円周上の１個の磁石と１個のコイルとからなる極を少なくとも２４個有するものであることを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第１種翼車および第２種翼車をそれぞれ構成する各翼が、第１回転軸および第２回転軸のそれぞれに設けられた可動機構に直接固定されて可動としたことを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第１種翼車、第２種翼車を囲繞し、第１および第２のノズルからの水流を受け入れる流入口と、上記第１、第２種翼車を回転させた水流を排出する第１排出口と第２排出口とを持つハウジングを有することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
【請求項５】
請求４に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第１排出口と第２排出口がディフューザ形状であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
前記可動機構に固定された前記各翼が支持部材に支持され、１対の前記支持部材が第１回転軸、第２回転軸のそれぞれの両端部に固定されて同軸に回転するようにしたことを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
前記支持部材がリング状または円板形状であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第１回転軸および第２回転軸に同軸に、第１種翼車および第２種翼車の翼の態位を変化させるカムが前記支持部材内側空間に固装され、
第１種翼車および第２種翼車の各翼が、その翼車半径方向の一部を軸支されて揺動自在であり、翼車半径方向の一端部をカムフォロワとして上記カムに従動することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
【請求項９】
請求項８記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
カムが、第１種翼車、第２種翼車のハウジング側に固定されて設けられていることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか１に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第１種翼車、第２種翼車は、回転軸と同軸に翼端部係止手段が固装され、
上記第１種翼車、第２種翼車の各翼は、翼車半径方向の外端部側を軸支されて揺動自在であり、該係止手段は複数の係止機構からなり、水流による翼の揺動を前記係止機構により係止する構成であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
前記係止機構は係止ピン又は係止溝からなり、各翼が可動に取り付けられる円板形状の支持部材の内周部、回転軸に別途固装した円板部材の周辺部または回転軸の外周表面部に設けられることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
可動機構が翼をピンあるいは溝によって固定し可動とするものであることを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
翼車を構成する翼として断面が平板翼、半円弧翼、曲線翼もしくはＮＡＣＡ翼形のものを用いることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、
第１および第２のノズルに向けて水流を加速する補助ノズルを有することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、相反転クロスフロー型超小形発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力や風力のエネルギを電気エネルギに変換する水力発電や風力発電、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽光発電は、地球資源を消費せず環境汚染を伴わない発電方式であり、地球環境の保全が重要視される昨今、その重要性が再認識されつつある。  
特に、例えば、田畑へ水を供給するための水路、民家近くにある河川、住宅・マンションから共通溝（本管）までに至る配管のように、比較的流れが遅く浅いあるいは狭幅の水路、さらには潮流のある海中などに設置し、水流を利用して比較的小規模の発電が可能な超小型の簡易発電装置の出現が期待され、キャンプ等のレジャー用や、災害時のライフライン確保等の面から注目されつつある。
【０００３】
従来から知られた簡易発電装置は大別して、回転子の回転軸方向に水を流す「軸流型」のものと、回転子（ロータ）の回転軸を流れに交わる方向に設置する「クロスフロー型」とに分けられる。
【０００４】
軸流型の簡易発電装置は例えば特許文献１に開示されている。  
クロスフロー型の簡易発電装置は例えば特許文献２に開示されている。  
これら簡易発電装置による発電は、水流により翼車を回転させ、この翼車を回転子（ロータ）としてこれに固定的に設けた磁石と、固定子（ステータ）に設けたコイルとの相対変位により、コイルに電圧を誘起させることにより行われるが、コイルに誘起される起電力が「コイルを横切る磁束の時間的な変化率」に比例し、この変化率が磁石とコイルとの相対速度に比例する点に鑑み、コイルを固定したステータと回転子とを「互いに逆向き」に回転させて起電力の増大を図る「軸流型の発電機」が非特許文献１に報告されている。
【０００５】
超小型の簡易発電装置の利点として、例えばダムや堰、水路や配管等といった発電に必要な付帯設備を新たに設ける必要がなく、インフラ整備に必要な時間と経費を節約できる点を上げることができる。さらに、河川や水路の底に設置して水没した状態でも発電可能なものが実現できれば、水位や流量の変化に左右されず、自然を保護し景観を損なわないものとして期待されるが、軸流形発電装置を除いては未だ実現されていない。また、現存の軸流形発電装置のエネルギ変換効率は最大２０％以下に留まる。
【０００６】
すなわち、実現が期待されている超小形のマイクロ発電装置は、田畑や市街地などの、低落差・低流量・低流速の水路に設置するだけで発電可能であり、付帯設備を必要とせず、しかも、一家庭を賄える１ｋＷ程度の発電量を確保できるものである。  
このような超小型のマイクロ発電装置の実現を困難にする最大の問題として、流水が低落差・低流量・低流速であるため、要求を満たす発電量の確保に必要な発電機の回転数が得られないことが挙げられる。さらに、超小形であるが故に発電効率が悪い点や、季節により流量と水深が変化すると発電効率も変動しやすい等の問題もある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２４８５３２
【特許文献２】特開２００３−１２０４９９
【非特許文献１】日本機会学会流体工学部門講演会講演概要集６０８頁「相反転方式水力発電機の開発」（２００３．９．１１〜２０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、小川などを流れる低落差、低流量あるいは低流速の水のエネルギを最大限活用して電気エネルギに変換し、１ｋＷ程度の発電量を確保可能な超小型の相反転クロスフロー型小型発電装置の提供にある。  
本発明の課題はまた、水没させた状態で設置しても発電可能な超小型かつ簡便な超小型の相反転クロスフロー型小型発電装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明では以下の相反転クロスフロー型超小型発電装置が提供される。
【００１０】
＜１＞  水流に交わる方向に回転軸を持つクロスフロー型の発電装置であって、水流を受けて第１の向きに回転する第１種翼車と、水流を受けて上記第１の向きと逆の第２の向きに回転する第２種翼車と、上記第１および第２種翼車に同軸で、第１種翼車に係合して回転される第１回転軸と、上記第２種翼車に係合して回転され、上記第１の回転軸の内側に軸心方向に貫通された第２回転軸と、これら第１回転軸および第２回転軸の一方と一体的に回転する磁石、及び、他方と一体的に回転するコイルとを含み、円周上の１個の磁石と１個のコイルとからなる極を有する発電手段と、流入する水流を上記第１種翼車に向けて加速する第１のノズルと、流入する水流を上記第２種翼車に向けて加速する第２のノズルと、上記発電手段を水密に密閉するケーシングとを有し、さらに、第１種翼車および第２種翼車の各翼が、ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、上記水流を受けて軸を回転させたのち、上記ノズルによる水流を受けない部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように水力でまたは機械的に態位を変化させる可動機構を第１種翼車および第２種翼車に設け、落差が２ｍ以下の水路に設置し、水没させて使用する場合でも水の運動エネルギの５０％以上を翼車の回転エネルギに変換可能なものであることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。
【００１１】
＜２＞  ＜１＞に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、発電手段が円周上の１個の磁石と１個のコイルとからなる極を少なくとも２４個有するものであることを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置である。
【００１２】
＜３＞  ＜１＞または＜２＞に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第１種翼車および第２種翼車をそれぞれ構成する各翼が、第１回転軸および第２回転軸のそれぞれに設けられた可動機構に直接固定されて可動としたことを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置である。
【００１３】
＜４＞  ＜１＞乃至＜３＞のいずれか１に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第１種翼車、第２種翼車を囲繞し、第１および第２のノズルからの水流を受け入れる流入口と、上記第１、第２種翼車を回転させた水流を排出する第１排出口と第２排出口とを持つハウジングを有することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。
【００１４】
＜５＞  ＜４＞に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第１排出口と第２排出口がディフューザ形状であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。
【００１５】
＜６＞  ＜１＞乃至＜５＞のいずれか１に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、前記可動機構に固定された前記各翼が支持部材に支持され、１対の前記支持部材が第１回転軸、第２回転軸のそれぞれの両端部に固定されて同軸に回転するようにしたことを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。
【００１６】
＜７＞  ＜６＞に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、前記支持部材がリング状または円板形状であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。
【００１７】
＜８＞  ＜６＞または＜７＞に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第１回転軸および第２回転軸に同軸に、第１種翼車および第２種翼車の翼の態位を変化させるカムが前記支持部材内側空間に固装され、第１種翼車および第２種翼車の各翼が、その翼車半径方向の一部を軸支されて揺動自在であり、翼車半径方向の一端部をカムフォロワとして上記カムに従動することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。
【００１８】
＜９＞  ＜８＞に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、カムが、第１種翼車、第２種翼車のハウジング側に固定されて設けられていることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。
【００１９】
＜１０＞  ＜６＞乃至＜９＞のいずれか１に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第１種翼車、第２種翼車は、回転軸と同軸に翼端部係止手段が固装され、上記第１種翼車、第２種翼車の各翼は、翼車半径方向の外端部側を軸支されて揺動自在であり、該係止手段は複数の係止機構からなり、水流による翼の揺動を前記係止手機構により係止する構成であることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。
【００２０】
＜１１＞  ＜１０＞に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、前記係止機構は係止ピン又は係止溝からなり、各翼が可動に取り付けられる円板形状の支持部材の内周部、回転軸に別途固装した円板部材の周辺部または回転軸の外周表面部に設けられることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。
【００２１】
＜１２＞  ＜１＞乃至＜１１＞のいずれか１に記載記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、可動機構が翼をピンあるいは溝によって固定し可動とするものであることを特徴とする相反転クロスフロー型小型発電装置である。
【００２２】
＜１３＞  ＜１＞乃至＜１２＞のいずれか１に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、翼車を構成する翼として断面が平板翼、半円弧翼、曲線翼もしくはＮＡＣＡ翼形のものを用いることを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。
【００２３】
＜１４＞  ＜１＞乃至＜１３＞のいずれか１に記載の相反転クロスフロー型超小型発電装置において、第１および第２のノズルに向けて水流を加速する補助ノズルを有することを特徴とする相反転クロスフロー型超小型発電装置である。
【００２４】
本発明者は、上記課題を解決するために、数値計算による翼の可動機構の検討と模型機を用いた検証実験を行ない、その結果に基づいて鋭意検討を重ね、本発明の創出に至ったものである。数値計算と検証実験の具体的内容については後述する。
【００２５】
本発明者は、先ず「１ｋＷ程度の発電量を得るに必要な条件」を理論計算により求め、落差：２ｍ（１８ｋＪ）に相当するエネルギを水から得るためには、発電装置の入口の流速として約６ｍ／秒を確保する必要があることを確認した後、数値計算と検証実験を行ない、その結果得られた知見を用い、かつ以下の構想に基づいて検討を重ね、本発明の超小型発電装置を創出するに至った。
【００２６】
「水没型発電装置に関して」
１．水没した状態で発電可能な水没形発電装置を本発明の基本的構成とする。  
２．水のエネルギを回転力に換えるための最適な翼形状と取り付け方とする。  
３．水没した状態で使用するために発電装置は防水処理を必要とする。  
４．水没した場合、翼が抵抗となる領域が存在するため可動翼機構を導入する。  
５．可動翼の固定方法と位置決め精度の良い可動翼機構を提案する。  
【００２７】
「可動翼機構に関して」  
１．翼車およびケーシングの最適設計を行なう。  
２．翼の可動範囲を最大とするメカニズムの提案を行なう。  
３．翼が抵抗を受ける領域で揚力を得る工夫をする。  
【００２８】
「相反型発電装置に関して」
１．発電機のロータとステータの相対速度を上げるために相反型発電機とする。  
２．発電機と、相反する翼車をそれぞれユニット構造にする。  
３．相反転する翼車が２ユニット、相反転発電機１ユニットを基本構成とする。  
４．上記３ユニットが同軸で結合されるものとする。  
５．流れ場の状況に応じてユニットを増減と組み合わせの変換が可能なものとする。
【００２９】
すなわち、本発明の相反転クロスフロー型超小型発電装置は「水流に交わる方向に回転軸を持つクロスフロー型の発電装置」であって、第１種翼車、第２種翼車、第１回転軸、第２回転軸、発電手段、第１および第２のノズル、ケーシングを有するものである。  
「第１種翼車」は、水流を受けて第１の向きに回転する翼車であり、「第２種翼車」は、水流を受けて「第１の向きと逆の第２の向き」に回転する翼車である。  
「第１回転軸」は、第１及び第２種翼車に同軸で第１種翼車に係合して回転される。
「第２回転軸」は、第２種翼車に係合して回転され、第１の回転軸の内側に軸心方向に貫通されて設けられる。
【００３０】
「発電手段」は、第１回転軸および第２回転軸の一方と一体的に回転する磁石、及び、他方と一体的に回転するコイルとから構成される。もちろん、磁石・コイルの相対的な位置関係は、磁石とコイルとの相対変位により、コイルに電圧を誘起させることができるように設定され、発電手段が円周上の１個の磁石と１個のコイルとからなる極を有するものである。
この磁石とコイルとのからなる極の数は「低落差・低流量・低流速の水流で一家庭を賄える１ｋＷ程度の発電量」を確保するためには、少なくとも２４個設けることが特に有効である。
【００３１】
さらに、本発明の相反転クロスフロー型超小形発電装置は、第１種翼車および第２種翼車の各翼が、ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、上記水流を受けて軸を回転させたのち、上記ノズルによる水流を受けない部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように水力でまたは機械的に態位を変化させるために、第１種翼車および第２種翼車に可動機構を設けることが必要である。  
この可動機構としては、ピン等により翼の一部を固定して、翼を可動としたものを挙げることができるが、特にピンで固定した翼を用い流体力を利用した可動機構が、構成上簡易であり好ましい。  
本発明の前記小形発電装置に用いる「翼」の形は、平板翼、ＮＡＣＡ翼形の非対称形、円弧形翼等の公知のものが適用可能である。
【００３２】
また、本発明の相反転クロスフロー型発電装置は、必須の構成要件として「第１のノズル」と「第２のノズル」を有し、「第１のノズル」は、流入する水流を第１種翼車に向けて加速させ、「第２のノズル」は、流入する水流を第２種翼車に向けて加速させ、さらに、発電手段を水密に密閉する「ケーシング」を有する。
【００３３】
本発明の相反転クロスフロー型発電装置は、落差が２ｍ以下の水路に設置し、水没させて使用する場合でも、水の運動エネルギの５０％以上を翼車の回転エネルギに変換可能なものであり、発電量として最大１ｋＷを狙った「超小型」のものである。
一般的に、回転数が低く小型になるほどこのエネルギ変換率は低下するが、本発明の超小型発電装置は変換率が５０％以上であり、特に５０〜７０％以上を確保できるものである。  
また、第１種翼車と第２種翼車の相対回転数が２００ｒｐｍ程度でも、水の運動エネルギの５０％以上を回転エネルギに変換することが可能となる発電装置である。
【００３４】
本発明の超小型発電装置を構成する相反転するユニット構造は、低回転速度では発電機の発電能力が著しく低下するのを防ぐために、発電機の固定子（ステータ）と回転子（ロータ）の相対速度を上げること、すなわち、発電機の回転速度を相対的に速くして発電能力を確保するのに有効である。
【００３５】
このような構成にすることにより、市街地近くの「落差の小さい流れ場」に設置して発電することができる。落差の小さい流れ場では水のもつ運動エネルギが小さいため、超小型発電装置上流にノズルを設け、流れを加速させることによって水の運動エネルギを大きくすることができる。
発電装置を設置する流れ場の流量と流速は、設置する市街地により、また、季節により異なることから、さらに大きな流速を得るためには、発電装置上流に設けたノズルの更に上流に、ブーストノズルを設置することによって、流れをさらに加速させて水の運動エネルギを大きくして発電装置に導くことができる。
一方、発電装置下流をディフューザ形状にすると、水の抜けが良くなって、翼車に当たる水の減速を防ぐ効果を呈するため、水の運動エネルギを有効利用することができる。
【００３６】
また、本発明の相反転クロスフロー型超小形発電装置は、第１種翼車、第２種翼車を囲繞し、第１および第２のノズルからの水流を受け入れる流入口と、上記第１、第２種翼車を回転させた水流を排出する第１排出口と第２排出口とを持つハウジングを有することができ、さらに、第１排出口と第２排出口はそれぞれディフューザ機能を有するディフューザ形状にすると、水の抜けが良くなって翼車に当たる水が減速することを極力防止できて、水の運動エネルギを確保する構造となるので、水を翼車から速やかに排出できるので好ましい。  
上記ハウジングは第１及び第２のノズルおよび第１排出口と第２排出口と一体に作製でき、第１及び第２のノズルはハウジングの一部として構成することができる。
【００３７】
本発明の相反転クロスフロー型超小型発電装置の第１の態様として、可動機構を第１回転軸および第２回転軸のそれぞれに設け、その可動機構に第１種翼車および第２種翼車をそれぞれ構成する各翼を直接固定して可動としたものとすることができる。  
この第１の態様の発電装置に設置する翼として、流入する水量を最大限受け止めそのエネルギを活用するためには、パケット構造であることが好ましい。
【００３８】
また、本発明の該小型発電装置の第２の態様として、第１回転軸と第２回転軸のそれぞれの両端部に１対の円形支持部材（単に、支持部材とも言う）を同軸に固定し、この支持部材に翼車の各翼を可動機構によって取り付けて、回転軸と同軸にこの支持部材を回転するようにして、各翼を可動としたものとすることができる。
【００３９】
この円形支持部材としては、例えば、リング形状のものと円板形状のものを挙げることができる。しかしながら、本発明者の検証によると、リング形状の場合、個々の水車から水が漏れないようにパケット構造にする必要があって、水車の加工が難しくなり重量が重くなる場合もあり、その結果、翼形の設計の自由度が低くなって、翼の可動範囲が制限されることになるため、円板形状の方が有効である。  
円板形状の円形支持部材の場合、水車がパケット構造でないために、水が側板との隙間から漏れる可能性があるが、数値計算によると、損失は５％程度以下と極めて小さいことが確認された。  
円形支持部材が回転軸の端部に固定されることを鑑み、円板形状の支持部材を、以後、単に側板と称する場合がある。
【００４０】
円形支持部材として側板を用いた前記第２の態様の小型発電装置については、翼の設計および製作の自由度が高くなり、設置する流れ場の状況に応じて翼形状や翼枚数を容易に変更することができる利点がある。  
また、各翼の側板上の取り付け位置は、特に限定的でないが、該側板の外周側の方が中心側よりも好ましい。その理由は、可動機構としてピンを用い各翼を支持して可動とした場合、ピンが翼の回転中心となるが、側板の外周側に取り付けた場合、側板の中心側にピンを設ける場合と比較して、翼の可動範囲を大きくでき、残りの半周期における翼の抵抗を軽減することができることが挙げられる。
【００４１】
さらに、側板と可動翼の間に生じる隙間による水漏れの影響が考えられるが、数値解析結果によると、漏れは５％程度以下で影響が少なく、むしろ翼形状の自由度を向上させる効果の方が大きいことが確認された。
【００４２】
また、本発明の該小型発電装置では、第１回転軸、第２回転軸に同軸に、第１種翼車および第２種翼車の翼の態位を変化させるカムを装置空間に固定的に設け、第１種翼車および第２種翼車の各翼を、その翼車半径方向の一部を軸支して揺動自在とし、翼車半径方向の一端部をカムフォロワとしてカムに従動する構成とすることができる。  
即ち、揺動自在な翼をカムにより態位変化させることにより「ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、水流を受けて軸を回転したのち、ノズルによる水流を受ける部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝る」ようにする。カムは「第１種翼車、第２種翼車の軸側」に設けることもできる。  
相反転クロスフロー型発電装置が「第１種翼車、第２種翼車を囲繞し、第１および第２のノズルからの水流を受け入れる流入口と、第１、第２種翼車を回転させた水流を排出する排出口とを持つハウジング」を有する場合には、カムを「ハウジングの内壁に設ける」
構成とすることもできる。  
「ハウジングの内壁に設けられるカム」は、ハウジングの「内壁自体の形状で構成された固定カム」でもよい。
【００４３】
この場合も、ハウジングは第１及び第２のノズルと一体でもよく、第１及び第２のノズルをハウジングの一部として構成することができる。  
第１回転軸および第２回転軸に同軸に、第１種翼車および第２種翼車の翼の態位を変化させるカムを前記支持部材内側空間に固装し、第１種翼車および第２種翼車の各翼が、その翼車半径方向の一部を軸支されて揺動自在であり、翼車半径方向の一端部をカムフォロワとして上記カムに従動させることができる。カムは、第１種翼車、第２種翼車のケーシング側に固定し設けることができる。
【００４４】
このカムは円形支持部材を設けた第２の態様の発電装置に設置可能であり、円板形状（側版）あるいはリング形状の円形支持部材に取り付けた可動翼の回転軸方向の一端部をカムに従動させることができる。
【００４５】
本発明の該小型発電装置においては、第１種翼車、第２種翼車に、回転軸と同軸に翼端部係止手段を固装し、第１種翼車、第２種翼車の各翼を、翼車半径方向の外端部側を軸支されて揺動自在であり、該係止手段は円板形状体に複数の係止機構を設けたものからなり、水流による翼の揺動を前記係止手段の係止機構により係止する構成にすることができる。該翼端部係止手段を構成する円板形状体として、第２の態様の前記発電装置における側板を兼用し、該側板の外周部に翼を取り付けた可動機構を設け、該側板の回転軸側に複数の係止ピンを植設したものとすることができる。  
また、該翼端部係止手段を構成する円板形状体として回転軸を兼用し、回転軸表面に複数の係止ピンを植設するか、あるいは複数の係止溝を形成して該翼端部係止手段とし、第２の態様の前記発電装置に設けることができる。
【００４６】
また、本発明の相反転クロスフロー型超小型発発電装置の翼車を構成する翼として、例えば、平板型、半円弧型、曲線翼および翼形（例えばＮＡＣＡ翼）を用いることができるが、特に半円弧型を用いると、平板型に比して軸トルクが２倍程度高くなって、水の運動エネルギの「翼車回転エネルギへの変換率５０％以上」を達成させるのに有効である。翼形を用いた場合も半円弧翼と同等の軸トルクが得られていることが確認された。
例えば、可動機構としてピン、「翼」としてＮＡＣＡ翼形の非対称形を組み合わせて用いる場合に、翼のピンを設置する位置を、翼の前縁部ではなく下流の最大翼厚さ部にすると、翼が１周回転し最初の半周期に再度さしかかる際に、翼前縁部に当たって翼の腹側に流入した水が、その流体力によって翼を立ち上がらせる効果をもたらす。
【００４７】
本発明の相反転クロスフロー型超小型発電装置は、第１および第２のノズルに向けて水流を加速する「補助ノズル」または「案内翼」を有することができる。  
「補助ノズル」または「案内翼」を用いることにより「より大きな流速をもった水流」を第１種・第２種翼車に供給でき、翼車の回転速度を増大させることができる。この場合にもハウジング排出口のディフューザ形状が有効に作用する。  
【００４８】
第１種翼車は第１回転軸に係合し、水流を受けて第１の向きに回転することにより第１回転軸を回転させる。第２種翼車は第２回転軸に係合し、水流を受けて「第１の向きとは逆の第２の向き」に回転して第２回転軸を回転させる。第１種翼車・第２種翼車は上の如くに定義される翼車であり、その具体的な形態としては、第１種・第２種翼車とも単一の翼車で構成することもできるし、第１種・第２種翼車の一方もしくは双方を２以上の翼車で構成することもできる。
【００４９】
即ち、第１種翼車を例にとると、第１種翼車は「単一の翼車」で構成することもできるが、「第１回転軸に共通に固装され、水流を受けて第１の向きに回転する２以上の同種の翼車」により第１種翼車を構成することもできる。第２種翼車も同様である。最大軸トルクを得るには平板翼の場合６〜１０枚、半円弧翼の場合は枚数が多いほど最適である。
【００５０】
「発電手段」は、上述の如く、１以上の磁石と１以上のコイルとを含み、１以上の磁石は「第１回転軸および第２回転軸の一方」と一体的に回転し、コイルは他方と一体的に回転する。例えば、１以上の磁石が第１回転軸と一体に回転するならば、１以上のコイルは第２回転軸と一体的に回転する。この場合であれば、磁石の回転は前記「第１の向き」に
生じ、コイルの回転は前記「第２の向き」に生じる。  
なお先述したように、この磁石とコイルとからなる極の数は、低落差・低流量・低流速の水流で一家庭をまかなえる１ｋＷ程度の発電量を確保するためには、少なくとも２４個設けることが特に有効である。
【００５１】
磁石・コイルを、第１、第２回転軸の一方・他方と一体的に回転させるには、磁石やコイルを回転軸に直接的に固装してもよいが、例えば「フランジ状の支持手段」を回転軸に固定もしくは回転軸と一体に設け、これら支持手段に磁石やコイルを固定するようにしてもよい。このように、磁石やコイルを「支持手段を介して回転軸に固定」すると、磁石やコイルの回転速度が大きくなる。
【００５２】
即ち、第１回転軸（コイルと一体に回転するものとする。）の角速度を「Ｗ１」、第２回転軸（磁石と一体に回転するものとする。）の角速度を「−Ｗ２」とすれば、第１回転軸から見た第２回転軸の角速度は「Ｗ１＋Ｗ２」であり、支持手段を介して固定的に保持されたコイルの回転半径を「ｒ１」、磁石の回転半径を「ｒ２」とすると、両者の相対速度は「ｒ１・Ｗ１＋ｒ２・Ｗ２」となる。
【００５３】
回転半径：ｒ１、ｒ２が大きくなるほどコイル・磁石間の相対速度は大きくなり、コイルを横切る磁束の時間的変化も大きくなる。従って、磁石やコイルは、発電手段部分のサイズを過大にせず、翼車の回転が重くならない範囲で適宜に大きく設定するのがよい。
【００５４】
第１・第２回転軸と一体に回転させる磁石・コイルの数としては、少なくとも２４個設けることが好ましいことが数値解析の結果確認された。  
換言すれば、発電機のステータとロータが相反転すると相対速度が上がるが、翼車を構成する翼を水力による可動性にすると、回転速度を大きく取ることは困難であるので、発電量を確保するためには、磁石・コイルの数、すなわち発電機の極数は多ければ多いほど好ましく、少なくとも２４極有することが好ましい。
なお、ステータとロータが相反転すると脈動の発生が懸念されるが、極数が多くなればステータとロータがより小型になって脈動の発生が減ずることが確認された。カムを用いた可動機構の場合も、小形化して発電量を確保するためには、磁石・コイルの数、すなわち発電機の極数は多ければ多いほど好ましい。
【００５５】
また、相反転クロスフロー型超小型発電装置が「ハウジング」を有する場合には、ハウジングの排出口は「ディフューザ形状」であることが好ましい。
【００５６】
水流は、第１および第２のノズルにより流速を加速され、翼車を回転させたのち、ハウジングの排出口から排出されるのであるが、翼車を回転させたあとも、水流の流速はハウジング外部の流速よりも大きい値を保っており、このため、排出口に向かう水流の圧力水頭はハウジング外部の圧力水頭より低く、排出口を単なる開口としてハウジングに形成したのでは「翼車を回転させた後の水流」がハウジング外部へ排出されにくい。
【００５７】
従って、排出口を「ディフューザ形状」として、この形状の作用により動圧を漸次弱めて圧力水頭を増大させることにより、翼車を回転させた後の水流をハウジング外部へ確実に排出することができる。
【００５８】
本発明の「相反転クロスフロー型超小型発電装置」は水没した状態でも発電可能な「水没型」であるため、翼車の翼が「固定翼」であると、翼車が駆動用水流の作用を受けた後、再び水流の作用を受ける位置へ戻る部位では、水圧が抵抗力として作用する。従って、駆動用水流の作用を受けない「戻り部位」では、上記抵抗力をなるべく減ずるようにするのがよい。
【００５９】
第１種翼車および第２種翼車の各翼を可動とし、ノズルによる水流を受ける部位では「翼車半径方向に立たせて水流を十分に受ける」ようにし、水流を受けて軸を回転させたのち、ノズルによる水流を受ける部位に近づく部分では「水流に倣う方向に寝る」ように態位を変化させる構成とすることにより、戻り部位での抵抗を有効に減じて回転力を高めることができる。
【００６０】
さらに、本発明の相反転クロスフロー型超小型発電装置における好ましい構成を挙げて説明する。
【００６１】
「翼に関して」
１．翼の形状をサイクロイド曲線にすると、翼の可動範囲を広くすることができる。  
２．翼に厚み分布を持たせると、翼間の圧力分布を改善して大きな軸トルクを得ることができる。  
３．円形支持部材に取り付けた翼の回転軸方向の端部と回転軸とに間隔が形成されるように、翼のサイズを設定すると、翼間に水が流れず淀む領域（死水領域）を最小限にできて、水のエネルギを効率よく活用し軸トルクを向上させることができる（図８）。
【００６２】
「可動機構に関して」
１．翼車上流に導水ノズルまたは案内翼を設けると、１枚の可動翼をスムーズに立ち上げさせることができる（図９）。  
２．翼車のケーシング形状を、入る水量に比べて出る水量の方が少ないように、入口と出口の大きさを調整して、翼車の回転方向と同方向のスワールを誘起する３次元構造にして、軸トルクを向上させる（図１０）。  
３．前記１．２の構成にすると、翼車が回転方向の力を長時間受けることができる。
【００６３】
「軸トルクに関して」
翼が水から力を受けない部位を、揚力を得る翼形状と迎え角をもつように可動機構の可動範囲となる構造とする。
【発明の効果】
【００６４】
以上に説明したように、本発明によれば新規な「相反転クロスフロー型発電装置」を実現することができる。この「相反転クロスフロー型発電装置」はクロスフロー型であるので、翼車の翼形状が軸流型のものに比して単純な形状でよく、例えば、板形状とか断面が半弧型のようなものは製造が容易である。また相反転式であるので、大きな起電力を得ることができる。
また、本発明の超小型発電装置は、水没した状態で発電が可能な「水没型」であり、自然を保護し、景観を損なわない発電装置であるとともに、例えばダムや堰、水路や配管等の「発電装置のための付帯設備」を新たに設ける必要がないため、インフラ整備に必要な時間と経費を節約できる。
さらに、水没型の発電装置の利点として、落差が大きいビルの冷却用配管や、宇宙ステーションの貴重な水を有効利用してバックアップ電源とし、既存の配管内に本発電装置を設置して発電することが可能であり、用途の拡張が期待できる。
【００６５】
水車翼が可動機構を有するために、水と一緒に流入する土砂や汚染物を、自動的に取り除くことが可能で、メインテナンス回数を削減することができる。  
本発明の超小型発電装置は、第１種翼車、第２種翼車および発電機が、それぞれ「防水されたユニット構造」を持つ。第１種翼車、第２種翼車および発電機が各１機で基本構成される。しかし、流速および水路の幅等の条件により、第１種翼車を１機以上連結し、同様に第２種翼車を１機以上連結して発電機との構成で発電することが可能である。また、第１種翼車を１機以上連結し、同様に第２種翼車を１機以上連結して更に１機以上の発電機との構成で発電することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
以下、実施の形態を説明する。  
図１は「相反転クロスフロー型発電装置」の実施の１形態を説明するための図である。
図１（ａ）は相反転クロスフロー型発電装置を水流の流入側から見た概観図である。  
図１（ａ）において、符号３１は発電手段を水密に密閉するケーシング、符号４１は第１のノズル、符号４２は第２のノズル、符号５０はハウジングを示している。  
図１（ｂ）は、図１（ａ）のｂ−ｂ断面図、図１（ｃ）は同じくｃ−ｃ断面図であり、図１（ｄ）は、相反転クロスフロー型発電装置を水流の流出側から見た概観図である。
【００６７】
この実施の形態では、図１（ａ）、（ｄ）の左右方向のサイズが５００ｍｍ、高さ方向のサイズが３００ｍｍ、図１（ｂ）、（ｃ）の左右方向のサイズが７００ｍｍ程度である。  
図１（ａ）に示すように、相反転クロスフロー型発電装置を水流の流入側から見ると、ケーシング３１とハウジング５０とが左右方向に並び、ハウジング５０には第１及び第２のノズル４１、４２が連結され、ケーシング３１は「発電手段」を水密に密閉している。水流は、図１（ａ）の図面に直交する方向において、図面の表側から裏側へ向かうように流れる。
【００６８】
図１（ｂ）において、符号１２は第２種翼車、符号２２は第２回転軸、符号５１はハウジング５０の排出口をそれぞれ示している。図１（ｃ）において、符号１１は第１種翼車、符号２１は第１回転軸をそれぞれ示している。これらの図に示されたように、第１のノズル４１、第２のノズル４２は、ハウジング５０の一部としてハウジング５０と一体に形成されている。
また、図１（ｂ）において、第２種翼車１２を構成する各翼１２１は、第２種翼車１２の基部１２Ａに設けた可動機構（図示していない）に直接固定され、同様に、図１（ｃ）において、第１種翼車１１を構成する各翼１１１は、第１種翼車１１の基部１１Ａに設けた可動機構（図示していない）に直接固定され、各翼が水の運動エネルギを効率的に受けて翼車の回転エネルギを最高にするために、該可動機構によって水流に対する各翼の角度を変化させる必要がある。  
図１（ｂ）および図１（ｃ）に示す翼車に設ける翼の数は６枚であるが、限定的でなく、翼の数は６〜８枚程度が好ましく、また、可動させる翼の前記角度は、４５〜６０°が好ましい。
以上、可動機構を翼車の基部に設け、各翼を該可動機構に取り付ける場合を述べたが、可動機構を回転軸に設け、各翼を該可動機構に取り付けることも可能であり、本発明においては前者も後者の一種と扱うものとする。
【００６９】
図１（ｃ）に示すように、水流ＷＩは図の左方から第１のノズル４１に流入する。第１のノズル４１は流入口から第１種翼車１１側の噴出口４１Ａへ向かって流路断面が狭くなっており、流入した水流ＷＩは、第１のノズル４１内を噴出口４１Ａへ向かって流れつつ「流れの断面積」が小さくなることにより加速される。加速されて流速を増大された水流は、噴出孔４１Ａから第１種翼車１１の翼１１１に向けて噴出し、第１種翼車１１を反時計回りに回転させたのち水流ＷＦとなり、排出口５１から排出されて水流ＷＯとなる。
【００７０】
図１（ｂ）に示すように、水流ＷＩは図の左方から第２のノズル４２に流入する。第２のノズル４２は流入口から第２種翼車１２側の噴出口４２Ａへ向かって流路断面が狭くなっており、流入した水流ＷＩは、第２のノズル４２内を噴出口４２Ａへ向かって流れつつ「流れの断面積」が小さくなることにより加速される。加速されて流速を増大された水流は、噴出孔４２Ａから第２種翼車１２の翼１２１に向けて噴出し、第２種翼車１２を時計回りに回転させたのち水流ＷＦとなり、排出口５１から排出されて水流ＷＯとなる。
【００７１】
図１（ｄ）に示すように、ハウジング５０内において、第１種翼車１１と第２種翼車１２とは、ハウジング５０の隔壁５２により分離され、各翼車を回転させる水流が互いに干渉しないようになっている。ハウジング５０に形成された排出口５１は、第１種翼車１１、第２主翼車１２を回転させた水流に対して共通に開口しており、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように「排出側端部に向かって断面積が漸増するディフューザ形状」となっている。  
また、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように、第１種翼車１１は第１回転軸２１に基部１１Ａを固定されており、第２種翼車１２は第２回転軸２２に基部１２Ａを固定されている。第１回転軸２１は中空シリンダ状であり、第２回転軸２２は第１回転軸１１の内側に、第１回転軸２１を軸心方向（図１（ｂ）、（ｃ）において図面に直交する方向）へ貫通するように設けられている。
【００７２】
これら第１回転軸２１、第２回転軸２２は相互に「軸心の周りに回転自在」に係合されており、第１回転軸２１は第１種翼車１１と一体に第１の向き（図１（ｃ）において反時計回り）に回転し、第２回転軸２２は第２種翼車１２と一体に第２の向き（図１（ｂ）において時計回り）に回転する。以下に説明するように、発電手段が有する１以上の磁石と１以上のコイルは、これら第１回転軸２１および第２回転軸一体的に回転する。
【００７３】
なお、第１種・第２種翼車の翼１１１、１２１は、図示の簡単のために平面状に描いてあるが、実際には、水流を有効に受けることができるように形成されていることは言うまでもない。
【００７４】
図２は、発電装置内部の様子を説明図的に示している。  
図の如く、第１種翼車１１はその基部１１Ａを第１回転軸２１に固装され、第２種翼車１２はその基部１２Ａを第２回転軸２２に固装されている。  
第１回転軸２１は中空であり、第２回転軸２２は第１回転軸２１の内側に軸心方向に貫通している。第１回転軸２１と第２回転軸２２との間は、水密性の軸受け２１０により結合され、第１回転軸２１と第２回転軸２２とが「互いに任意の回転方向へ回転自在」となっている。水密性の軸受け２１０は、例えば「撥水性の潤滑材」等である。
【００７５】
第１回転軸２１の、図で左方の端部には、フランジ状の支持手段３００が一体的に設けられ、その半径方向端部に形成された中空シリンダ状の折り曲げ部の内周面に複数個の磁石３０１が周方向へ等間隔に固装されている。磁石の数は特に限定的でなく、適宜に選択できるが、例えば１０個〜３２個程度であり、前述したように、少なくとも２４個有することが好ましい。
【００７６】
一方、第２回転軸２２の図で左方の端部近傍には、フランジ状の支持手段３０３が、第２回転軸２２と一体に設けられ、その半径方向端部に形成された中空シリンダ状の折り曲げ部は、その外周面部分が支持手段３０３の折り曲げ部の内周面に対向し、この外周面部分に磁石３０１と対応する複数個のコイル３０４が固設されている。コイルの数は特に限定的でなく、適宜に選択できるが、例えば１０個〜３２個程度であり、前述したように、少なくとも２４個有することが好ましい。
【００７７】
コイル３０４は導線３０５により整流子３０６に連結され、この整流子３０６に摺接するブラシ３０７の電圧を、蓄電器３０８と負荷３０９に印加するようになっている。  
フランジ状の支持手段３００、３０３、複数の磁石３０１、複数のコイル３０４、導線３０５、整流子３０６、ブラシ３０７は「発電手段」を構成し、ケーシング３１内に水密に密閉されている。なお、整流子とブラシからなるものに替えて、回転子と固定子を構成要素とするベアリングレスのものを用いることができる。
【００７８】
即ち、図１、図２に実施の形態を示す発電装置は、水流に交わる方向に回転軸を持つ相反転クロスフロー型小型発電装置であって、水流を受けて第１の向き（図１（ｃ）において反時計回り）に回転する第１種翼車１１と、水流を受けて第１の向きと逆の第２の向き（図１（ｂ）において時計回り）に回転する第２種翼車１２と、第１および第２種翼車１１、１２に同軸で、第１種翼車１１に係合して回転される第１回転軸２１と、第２種翼車１２に係合して回転され、第１回転軸２１の内側に軸心方向に貫通された第２回転軸２２と、これら第１回転軸２１および第２回転軸２２の一方と一体的に回転する１以上の磁石３０１、及び、他方と一体的に回転する１以上のコイル３０４とを含む発電手段と、流入する水流ＷＩを第１種翼車１１に向けて加速する第１のノズル４１と、流入する水流ＷＩを第２種翼車１２に向けて加速する第２のノズル４２と、発電手段を水密に密閉するケーシング３１とを有する。
【００７９】
また、第１種翼車１１、第２種翼車１２を囲繞し、第１および第２のノズル４１、４２からの水流を受け入れる流入口４１Ａ、４２Ａと、第１種翼車１１、第２種翼車１２を回転させた水流ＷＥを排出させる排出口５１とを持つハウジング５０を有し、ハウジング５０の排出口５１はディフューザ形状である。
【００８０】
図３は、本発明の相反転クロスフロー型発電装置の実施の１形態を説明するための図で
ある。  
この実施の形態においては、図１、図２に即して上に実施の形態を説明した相反転クロスフロー型発電装置に、第１および第２のノズル４１、４２に向けて水流を加速する補助ノズル４００を有する。  
補助ノズル４００は、水流ＷＩの流入口（図の左端部）から第１、第２のノズル４１、４２の流入口に連結する部分に向かって断面積が漸減しており、流入する水流ＷＩを加速させて第１、第２のノズル４１、４２に流入させる。補助ノズル４００は、相反転クロスフロー型発電装置の本体とは別体であって、例えば、相反転クロスフロー型発電装置本体水流の流速や落差が小さい部分に設置されるような場合に、第１、第２のノズル側に連結するように配設する。
【００８１】
第１、第２のノズル４１、４２の流入した水流は、各ノズル４１、４２により「更に加速され」て第１種・第２種翼車１１、１２に噴射される。これにより、図１、図２の実施の形態の場合よりもさらに「翼車の回転速度を増大させる」ことができる。
【００８２】
図４は、カムを用いた本発明の発電装置の説明図であり、図４（ａ）は内輪カムを、図４（ｂ）は外輪カムを用いる場合を示している。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものに付いては、図１、図２におけると同一の符号を付する。
図４（ａ）の形態は「第２種翼車の部分」を示している。第２回転軸２２に同軸に、第２種翼車の翼１２１の態位を変化させるカム１２２が装置空間に固定的に設けられ、翼１２１は、リング状の支持部材１２０に「翼車半径方向の一部を軸Ｊにより揺動自在に軸支され」ており、翼車半径方向の一端部をカムフォロワとしてカム１２２に従動させる構成となっている。
【００８３】
リング状の支持部材１２０は、図面に直交する方向へ１対設けられ、翼１２１の幅方向（図面に直交する方向）の両端部を軸支して「軸Ｊの周りに揺動自在」としている。支持部材１２０は第２回転軸２２と一体であり、第２回転軸２２を回転させる。
【００８４】
翼１２１は「翼車半径方向の一端部がカムフォロワとしてカム１２２に従動する」ことにより、水流Ｗ１を受ける部分（図４（ａ）の上の部分）では翼車半径方向に立ち、水流Ｗ１を受けて軸を回転させたのち、ノズルによる水流Ｗ１を受ける部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように揺動し、態位を変化させる。この態位変化により、水流Ｗ１を受ける部位では、水流Ｗ１を有効に受けて有効なトルクを発生させて第２回転軸２２を回転させるが、第２種翼車を回転させた水流Ｗ２が翼に作用しなくなると、翼１２１が水流に倣う方向に寝る態位となって抵抗を軽減させる。
【００８５】
図４（ｂ）の実施の形態においては、第２回転軸２２に一体化された１対のリング状の支持部材に翼１２１が、図４（ａ）の場合と同じく、「翼車半径方向の一部を軸Ｊにより揺動自在に軸支され」ている。  
この形態においては、第１種翼車、第２種翼車を囲繞し、第１および第２のノズルからの水流Ｗ１を受け入れる流入口と、第１、第２種翼車を回転させた水流Ｗ２を排出する排出口とを持つハウジングを有し、翼１２１の揺動を制御するカム１２３は、ハウジングの内壁に設けられている。
【００８６】
水流Ｗ１は、翼１２１に流圧を作用させて支持部材１２０もろともに第２回転軸２２を回転させる。このとき、翼１２１が水流Ｗ１を有効に受ける部分では、翼車半径方向に立ち、水流を受けて軸２２を回転させたのち、再度水流Ｗ１を受ける部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように態位を変化させる。カム１２３は、翼１２１の翼車半径方向端部に作用して、上記態位変化を行わせるように翼１２１の揺動を制御する。
第１種翼車の翼の駆動も上記と同様である。  
図４に実施の形態を示した相反転クロスフロー型発電機は、第１種・第２種翼車を、例えば、３００ｒｐｍ〜２４００ｒｐｍ程度で高速回転せる場合に有効である。
【００８７】
図５（ａ）と図５（ｂ）は、それぞれ内輪カムと外輪カムを示す模式図である。符号は、図４におけると同一の符号を付する。
図６は、本発明の相反転クロスフロー型発電装置の実施の１形態を示している。煩雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものに付いては、図１、図２、図４におけると同一の符号を付する。
【００８８】
第２種翼車の回転につき説明すると、第２種翼車は、回転軸と同軸に１対の翼端部係止手段２３を有する。翼端部係止手段２３は、円板形状で第２回転軸２２に固装され、その周辺部に、複数の係止ピン２３０を等間隔に植設されている。
各翼１２１は、翼車半径方向の外端部側を、１対のリング状の支持部材１２０Ａに軸Ｊ１により軸支されて揺動自在であり、水流Ｗ１による翼の揺動を翼端部係止手段２３により係止されるようになっている。
【００８９】
水流Ｗ１は、翼１２１に流圧を作用させて支持部材１２０Ａもろともに第２回転軸２２を回転させる。このとき、翼１２１が水流Ｗ１を有効に受ける部分では、図示のごとく、翼１２１の自由端部側が係止ピン２３０に係止されることにより、翼車半径方向に立つが、水流Ｗ１を受けて軸２２を回転させたのち、ノズルによる水流を受ける部位に近づく部分では翼１２１の係止ピン２３０による係止が解除され、欲１２１は「水流に倣う方向に寝る」ように態位を変化させ、この部位での水の提供を有効に軽減させる。
この型の形態は、第１種・第２種翼車を、例えば、８０ｒｐｍ〜３００ｒｐｍ程度の回転速度で回転せる場合に有効である。
【００９０】
図７は、本発明の第２の態様の発電装置であって、側板を設けた翼車を示す概念図である。なお、混同の恐れが無いと思われるものに付いては、図１〜図６におけると同一の符号を付する。  
該翼車は、これを第２種翼車として説明すると、第２回転軸２２の両端部に１対の円板形状の円形支持部材（側板）５５１（片側の側板は図示されていない。）が同軸に固定され、ＮＡＣＡ翼形の翼１１１はピン５５２を可動機構として２枚の側板５５１の外縁近傍に揺動可能に取り付けられている。  
翼１１１はピン５５２によって可動性であるため、ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、上記水流を受けて回転軸２２を回転させたのち、上記ノズルによる水流を受けない部位に近づく部分では水流に倣う方向に寝るように態位を変化させる。
側板５５１は翼１１１がとらえた水を保持する効果を奏し、翼１１１と側板５５１の間の隙間５５３から漏れる量は５％以下であり、所期の発電装置としては問題ではない。
【００９１】
図８は、本発明の第２の態様の発電装置を構成する翼車の１例を示す模式図である。  
図８も図７と同様に概念図であり、翼１１１がピン５５２を可動機構として側板５５１の外縁近傍に揺動可能に取り付けられた状態を示す。  
この例では、回転軸２２の外周部に翼端部係止手段２３として複数の係止溝２３−１が形成され、ピン５５２を支点として回転する翼の端部を係止する効果を持たせている。  
図示する翼の形状は、翼１１１−１を立ち上げる水の流れ（１）を形成すると共に、翼１１１−２に揚力（２）を生じさせるのに有効である。  
図示していないが、翼端部係止手段として複数の係止ピンを側板５５１上の回転軸２２側内周部取り付けて、前記係止溝２３−１と同じ効果をもたらすことができる。
【００９２】
図９は、本発明の第２の態様の発電装置を構成する翼車における翼と回転軸の取り付け位置の説明図である。  
翼１１１は、ピン５５２を可動機構として、側板５５１の外縁近傍に取り付けられている。円形支持部材に取り付けた翼１１１の一端部Ａと回転軸２２との間には間隔が設けられている。この間隙が殆んど無い場合には、翼間に水が流れず淀む領域（死水領域）が生じて水のエネルギを効率よく活用できない場合があるが、図９の例では上記「間隔」が設けられるため死水領域が形成されることがなく、軸トルクを向上させることができる。
【００９３】
図１０は、本発明の発電装置を構成する翼車の水導入ノズルの変形例を示した模式図である。  
翼１１１は、ピン５５２を可動機構として側板５５１の外縁近傍に揺動可能に取り付けられている。ノズル４２に導水溝４２−１を設けることによって、可動翼１１１−１をスムーズにかつ早く立ち上げさせることができる。
【００９４】
図１１は、本発明の発電装置を構成し、スワールを誘起するケーシング構造を示している。（ａ）は断面図、（ｂ）は模式図である。
翼車のケーシング形状を、入る水量に比べて出る水量の方が少ないように、入口と出口の大きさを調整して、一部の水が出口から出るのでなく翼車の回転方向の流れを形成して、同方向のスワールを誘起する３次元構造にして軸トルクを向上させる。
【００９５】
本発明を創出する過程で行なった数値計算と検証実験について具体的に説明する。
「数値計算による可動翼機構の検討」
数値計算は、市販の汎用流体数値計算用ソフトウェアの「ＳＣＲＹＵ／Ｔｅｔｒａ  ｖｅｒ．６（株式会社  ソフトウェアクレイドル）」を用いて、下記１〜８の考えに基づいて行なった。
１．翼車が１回転する間に翼に働く力を平均する。  
２．使用する翼は、長さ：１３５ｍｍ、幅：１７０ｍｍの平板翼とする。  
３．軸径を９０ｍｍとし、軸に発電機を組込む場合の可能性を考える。  
４．平板翼の縦横比の影響と半円弧翼の相違を比較する。  
５．基本形態のケーシング形状を平行平板とする。  
６．流入条件に合わせ、ハウジング形状を後方ステップ状にする。  
７．翼形状と枚数を変化させて、流れ場の圧力分布と速度分布を求める。  
８．翼が受ける力の平均値を求める。
【００９６】
汎用ソフトウェアの特性を調べるために、直管路における管内流れを数値計算し、速度分布が実験値に近い値となるように計算メッシュ数とタイムステップを決めた。実際の発電装置をシミュレートして流体力から翼車の回転力を得る計算ができないため、翼車の１回転を所定の回転角度毎に分割し、位相を変化させて計算し「回転する翼車１周期分の平均値」を算出した。  
可動翼車の始めの半周期で翼が流体力を得るが、残りの半周期で翼は回転に対する抵抗となり「この半周期」に翼が存在すると翼車が回転しないため、この半周期は「翼が存在しない状態（翼を折畳んだ状態）」として計算した。
【００９７】
図１２は検証実験に用いた模形機に設けた翼車の模式図であり、（ａ）は模式図、（ｂ）は数値解析に用いた計算モデル、（ｃ）は模形機の様子を示す。  
（ａ）に示すように、翼１１１はピン５５２を可動機構として回転軸２２の外周に、揺動可能に取り付けられる。  
翼１１１はパケット構造をでなく、かつ「側板を持たない平板翼」である。  
翼枚数は６枚で、ピン５５２によって可動性であるため、ノズルによる水流を受ける部位では翼車半径方向に立ち、上記水流を受けて回転軸２２を回転させたのち、上記ノズルによる水流を受けない部位に近づく部分では「水流に倣う方向に寝る」ように態位を変化させる。  
図１２（ｂ）に示す数値解析モデルは、パケット構造をもつ３枚の平板翼１１１であって、ノズルによる水流を受ける部位で翼車が半径方向に立っている状態を示す。
【００９８】
図１３は、翼車軸トルクを縦軸、翼枚数を横軸として、数値計算の結果を表した図である。この図から明らかなように、平板翼の場合、枚数が６枚から１５枚の場合に高い軸トルクが得られることが判った。また、同じ翼面積を持つ「横長の平板翼」と「縦長の平板翼」とでは、前者の場合では９枚から１２枚で高い軸トルクが得られるが、後者の場合翼枚数の影響が小さく、１０枚を除き「６枚から１５枚の間で平板翼より高い軸トルクが得られる」ことが判った。  
さらに、断面が半円弧形状を持つ「横長の半円弧翼」の軸トルクは、水の流速が同一の場合、平板翼の約２倍で、翼枚数が多い程「高い軸トルク」を得ることが可能であることが判った。
【００９９】
図１４は、翼形の違いによる数値計算結果を表わすグラフで、横軸が流れ方向距離、縦軸が流路幅、すなわち発電装置のケーシングの幅を示す。  
計算は、流路幅（縦軸の長さをＤとする）を１として無次元化し、計算領域は、翼車上流に１０Ｄ、翼車下流に２０Ｄとした。入口速度は「一様流入条件」とし、流れは左から右へ２ｍ／ｓで流入するものとし、翼車の下方半分は「翼が折畳まれた状態」の可動機構をシミュレートするため「翼を取り付けていない」ものとした。  
図は「翼形が異なる翼車の周りの流れの様子」を明らかにするために、（ａ）横長の平板翼、（ｂ）縦長の平板翼および（ｃ）半円弧翼としているが、何れも投影面積（翼車を正面から見たときの面積）が等しい場合を示している。  
図は、圧力分布と速度ベクトルを表わしている。圧力分布は「濃度の高い領域が高い圧力」を示し、「濃度の低い領域が低い圧力」を示す。この結果から、翼の上流側で高い濃度の領域の割合が多い場合に、高い軸トルクを得られることが期待できる。  
速度ベクトルは翼間内の流れの様子を明らかにし、また、ベクトル図は、翼車に当たる流れの方向を示している。
【０１００】
「模型機を用いた検証実験」
長さ：１３５ｍｍ、幅：７１０ｍｍのアルミニウム製の「パケット構造」の翼６枚を、直径：９０ｍｍの回転軸にピンで揺動可能に設けて可動性とした翼車１ユニットを模型機として準備した。  
図１２は該模型機を表わし、図１２−１は正面図、図１２−２は斜視図であり、６枚のパケット構造（Ｐ）の翼１１１が回転軸に可動機構に固定された状態を示している。  
該模型機を、長野県茅野市街地河川の５箇所に順次設置し、翼車を回転させて「落差がある場合とない場合」の双方について、バネ秤を用いて軸トルクを計測した。
【０１０１】
図１５は、縦軸が翼車軸トルク、横軸が河川の流速であり、実験結果をプロットするとともに、数値計算結果を実線で表したグラフである。  
図１６は、縦軸が発電量、横軸が翼車軸トルクであり、「実験によって得られた軸トルクの値から算出した発電量」をプロットするとともに、数値計算結果を実線で表したグラフである。いずれも、実験結果と数値解析結果が良く一致していることがわかる。
落差のある流れ場に比べて、落差のない流れ場では得られる軸トルクが低いことが明らかであり、特に、落差の低い又はない流れから有効な電力を取り出すことが簡単ではないので、所期の発電量を得るために、発電装置の水の取り入れ口に「流れを加速させるノズル」を設けたり翼形などを工夫したりする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】相反転クロスフロー型発電装置の実施の１形態を説明するための図である。
【図２】図１の実施形態における発電手段の部分を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の１形態を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態の特徴部分を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態の特徴部分を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の態様の発電装置の翼車を示す概念図である。
【図７】本発明の第２の態様の発電装置の翼車の１例を示す模式図である。
【図８】本発明の発電装置の側板を設けた場合の翼車における翼と回転軸の取り付け位置の説明図である。
【図９】本発明の発電装置の翼車の翼と回転軸の取り付け位置を示し、翼の一端部と回転軸との間隔を設け他た場合の模式図である。
【図１０】本発明の発電装置において、導水溝を設ける水導入ノズルの変形例を示した模式図である。
【図１１】本発明の発電装置を構成し、スワールを誘起するケーシング構造を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は模式図である。
【図１２】検証実験に用いた模形機に設けた翼車であって、（ａ）は模式図、（ｂ）は数値解析に用いた計算モデル、（ｃ）は模形機の写真を示す。
【図１３】数値計算結果を表したグラフである。
【図１４】数値計算結果を表したグラフである。
【図１５】検証実験結果と数値計算結果を比較したグラフである。
【図１６】検証実験結果と数値計算結果を比較したグラフである。
【符号の説明】
【０１０３】
１１      第１種翼車
１２      第２種翼車
２１      第１回転軸
２２      第２回転軸
３０      発電手段
４１      第１のノズル
４２      第２のノズル
３１      ケーシング
５５１    円形支持部材（側板）
５５２    ピン（可動機構）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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