JP2015028298A - 流体力利用構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】風向・流向に応じた調整をなんら必要としないままに、簡易な構造で広い設計範囲の風速・流速に対応でき、かつ水上の風車や水車にあっては、設置現場への搬入、設置から撤去までの作業においても、クレーン船を必要としない揚力型ブレードを用いた流体力利用構造を提供する。
【解決手段】垂直軸風車１００は、垂直方向に沿って延在し垂直軸周りに回転可能な上支柱４０と、風力を受けるブレード６０と、を備える。ブレード６０の上端は、第１ヒンジＨ１を介して、上支柱４０に対し上下に回転可能に支持され、ブレード６０の下端は、第２ヒンジＨ２を介して、上支柱４０に対し上下に回転可能に支持される。第１ヒンジＨ１及び第２ヒンジＨ２との相対的な位置を変更することにより、ブレード６０の両端の途中が上支柱４０に対し接近又は離間し、ブレード６０の形が変形して、ブレード６０の回転半径ｒが調節される。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直軸風車や垂直軸水車等に使用できる流体力利用構造物に関する。

風力発電システムとして、陸上では水平軸風車が普及している。風車の先進国においては、既に陸上では安定した風力エネルギーがあってかつ風車の設置に適した土地は足りなくなりつつあり、安定した風力が得られてかつ広大な面積がある洋上での設置が不可欠となっているが、今のところ水深１０ｍ程度までのごく浅い海岸線近くの海域に、陸上同様に海底に固定設置される方法でしか実施されていない。

今後洋上設置の更なる拡大が期待されているため浮体に設置する実用的な方法の開発が求められている。

風車は、風力エネルギーを回転力に転換する際に、強い風力を受け、それが風車を横倒しにさせるモーメントを生むが、陸上で発達した水平軸風車は、空中の高い位置に支持した水平軸一点で風力を受けるため、鉛直の支柱の根元では巨大な転倒モーメントが発生している。水平軸風車では、風車支柱の上端近辺を中心に回転する風車が取り付けられており、かつその風車は、常時風車を風に正対させるよう向きを変え続ける必要があるため、前述の巨大なモーメントを支えるために、支柱を支えるガイワイヤーを張ることができない。従って水平軸風車の支柱はできる限り強固に地面に固定する必要があり、風車の向きを変えるために支柱ごと回すことは困難であり、仮にターンテーブルを地上レベルに設けても、ターンテーブルの直径を極端に大きくしない限り、支柱の転倒モーメントを支えることはできない。このため、通常、水平軸風車のターンテーブルは支柱上端のナセルの直下に設けられている。一方、水平軸風力発電に必要な機能として、水平軸のベアリング支持システム、増速ギア、発電機、ブレーキ、ブレードピッチコントロール装置等、風車軸回転の周囲に設ける必要がある機器があるが、その回転トルクの変動とターンテーブル回転の干渉を避けるため、それらの機器はターンテーブルより風車側に設けるのが都合がよく、これら全ての主要機器のみならず潤滑油システム、制御盤等に至る周辺機器まで、空中のナセルに設けられている。その結果、水平軸風車の重心は非常に高い位置になる。また、水平軸風車を浮体に強固に取り付けた場合、支柱上端では浮体を中心とする揺れが増幅されるために、過大な横Ｇが発生するため、ナセルに設置する機器にはそれに耐えうる強度や潤滑システム等が必要となるという欠点がある。

図１７は、比較例１として、水平軸風車を浮体に載せた場合の傾斜と復元力の関係を模式的に示した図である。
一般に浮体が復元力を持つためには重心を浮体近辺にあるメタセンター（浮力線と浮体中心線の交点）より低い位置に持つ必要があるが、前述のような構成の水平軸風車２００では、重量機器が全て空中高い位置にあるために重心Ｇがとても高く、復元力を持てない。すなわち、陸上型の水平軸風車２００を浮体２０１に固定し設置しようとすると、図１７に示すように、重心Ｇが高いために、少しでも浮体２０１が傾斜すると、その重力Ｆ１は浮体２０１に働く浮力Ｆ２よりも外側で働くため、より傾斜させようとする力が働く。加えて、図１７に示すように、高い位置で受ける風力Ｆ３による巨大かつ変動する転倒モーメントを受ける。
つまり、浮体２０１として必要な復元力を持たない上に、風力Ｆ３による巨大かつ変動する転倒モーメントを受けるため、浮体構造物として成立しないという問題がある。

また、このような水平軸風車２００の場合、主要機器が全て高所に設置されているため、現実的には少しでも波や風力により揺れているときにはメンテナンスのためにナセルまで登ることができないためタイムリーな点検やメンテナンスはできないという欠点がある。

更に、一般に、水平軸風車２００の設置工事やメンテナンスでは高所クレーンが多用されるが、設置時や運転期間中に高所クレーンを使用するのは洋上では陸上と比べかなり困難で、高いコストを伴うという欠点があり、またひとたび故障するとクレーン船の動員と現場での係留やバラスティング等の準備作業、クレーン作業の安全のための制限波高等、居住区の容量による作業人員制限等の条件により、復旧までに格段に多くの日数を費やすという欠点がある。

このような問題を解決するためには、主要機器をすべて浮体上の低い位置に設け、重心Ｇとともにメンテナンスの作業場所を極力下げることが必要である。
水平軸風車２００の場合、先に陸上風車の例で見たように、風車支柱２０２を浮体２０１に強固に固定する、という必要性を排除できない限り、ターンテーブルを風車支柱２０２の上端に設置する必要があり、必然的にすべての上流機器をその上のナセル２０３に載せることになってしまい、重心Ｇや作業場所を下げるのは困難である。

図１８は、比較例２として、垂直軸風車を浮体に載せた場合の傾斜と復元力の関係を模式的に示した図である。
比較例１の水平軸風車２００に対して、図１８に示すような垂直軸風車３００であれば、すべての重量機器を空中高くではなく陸上において通常基礎上に設けるのと同様に浮体３０１上に設けることができ、重心Ｇや作業場所をかなり低くすることができるため、一定の傾斜の範囲では、重心に働く重力Ｆ１が浮体に働く浮力Ｆ２より内側にあり、傾斜を和らげようとする復元力が働く。

従って、浮体式の風車としては、復元力の問題や設置工事の容易さ、メンテナンスの安全等の点から、垂直軸風車３００に利点が多い。また、垂直軸風車３００には、どの風向からの風に対してもなんら設定を変える必要がないという利点もあり、水平軸風車２００のように風車を風向に向ける必要がない。

このような垂直軸風車３００の中で、水平軸風車２００と同等の効率が得られるのは、ダリウス型に代表される、揚力型のブレードを使うタイプの風車であるが、その欠点として、ブレードが垂直軸の風上側を通過する際には垂直軸から見える内側が翼上面として機能する反面、垂直軸の風下側を通過する際には垂直軸から見えない外側が翼上面として機能するために、翼ピッチは中立に取り付けられる結果、ピッチの調整がないために自己起動力に乏しいこと、風速の変化に対応してピッチコントロールされず、最適な風速範囲が狭いことがあげられる。

従来、このようなダリウス型の欠点を補う方法として、ヘリコプターのローターのように、ブレードが垂直軸の周囲の軌道を一周して垂直軸の風上側、風下側を通過する間に、周期的にブレードのピッチを変え続ける機構が研究されている。例えば、マクダネルダグラス社が１９７０年代に開発したジャイロミルと呼ばれる４節リンク機構方式などが挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながら、このようなリンク機構では構造が複雑になり、かつそれを風力を受けながら高速で回転するブレードの取り付け部に設けるために信頼性を上げるのは難しく、普及するには至っていない。

また、起動特性を改善するなど、低速側の性能向上は期待できるが、高速側においては、結局のところリンク機構がなかった場合と同じようにピッチをゼロにするだけであり、高速側の性能向上や過剰風速への適応が望めるものではない。

更に、風向を検知してリンク機構にフィードバックするシステムが必要になり、風向に対してなんら調整を必要としないという垂直軸風車３００の折角の利点が失われてしまうことになる。

「科学研究費補助金研究成果報告書」，［online］，BLY，平２３年１１月７日検索，インターネット〈ＵＲＬ：http://kaken.nii.ac.jp/pdf/2009/seika/jsps-1/13301/18560158seika.pdf〉

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、風向・流向に応じた調整をなんら必要としないままに、簡易な構造で広い設計範囲の風速・流速に対応できる揚力型ブレードを用いた流体力利用構造を提供することを課題とする。
また、水上の風車や水車にあっては、設置現場への搬入、設置から撤去までの作業においても、クレーン船を必要としない流体力利用構造を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、垂直方向に沿って延在し、垂直軸周りに回転可能な回転軸と、流体力を受けるブレードと、を備える流体力利用構造物であって、前記ブレードの一端は、第１ヒンジを介して、前記回転軸に対し上下に回転可能に支持され、前記ブレードの他端は、第２ヒンジを介して、前記回転軸に対し上下に回転可能に支持され、前記第１ヒンジと前記第２ヒンジとの相対的な位置を変更することにより、前記ブレードの両端の途中が前記回転軸に対し接近又は離間し、前記ブレードの形が変形して、前記ブレードの回転半径が調節されることを特徴とする。

本発明によれば、ブレードの一端は、第１ヒンジを介して、回転軸に対し上下に回転可能に支持され、ブレードの他端は、第２ヒンジを介して、回転軸に対し上下に回転可能に支持され、第１ヒンジと第２ヒンジとの相対的な位置を変更することにより、ブレードの両端の途中が回転軸に対し接近又は離間し、ブレードの形が変形して、ブレードの回転半径が調節できるため、ブレードの掃過面積、有効回転半径、上反角、及び下反角等を調節できる。これにより、風向・流向に応じた調整をなんら必要としないままに、簡易な構造で広い設計範囲の風速・流速に対応する揚力型ブレードを用いた流体力利用構造物を実現できる。

また、本発明によれば、水上の風車や水車に本発明を適用した場合には、ブレードの回転半径を小さくすることにより、ブレードの設置現場への搬入、設置から撤去までの作業においても、クレーン船を必要としない。これにより、コストの低減を図りつつ、管理作業が容易になる。

また、前記回転軸に対し前記ブレードを吊り上げ及び吊り降ろし可能な吊り部材と、前記回転軸に取り付けられ、前記吊り部材を案内する案内部材と、を更に備えた構成とするのが好ましい。

かかる構成によれば、吊り部材によって、回転軸に対しブレードを吊り上げ及び吊り降ろし可能であるため、ブレードを吊り降ろし、例えば、目線の高さに横たえながらブレードの取り付け、取り外し、点検、修理、再組み立て等の作業を行うことができる。これにより、高所クレーン、ダイバー、及び水中ロボット等が不要となるため、コストの低減を図りつつ、管理作業が容易になる。

また、前記第１ヒンジは、回転軸の一端側に開口する凹部と、前記ブレードに設けられ、前記凹部に係合可能な突部と、を有するように構成するのが好ましい。

かかる構成によれば、第１ヒンジは、回転軸の一端側に開口する凹部と、ブレードに設けられ凹部に係合可能な突部とを有するため、凹部に対する突部の係合状態を許容又は解除することで、回転軸に対しブレードの一端を簡易に着脱させることができる。

また、前記凹部から前記突部を抜脱可能な位置と、前記凹部及び前記突部の係合状態を保持可能な位置と、に前記案内部材を移動する移動手段と、を更に備えた構成とするのが好ましい。

かかる構成によれば、第１ヒンジは、回転軸の一端側に開口する凹部と、ブレードに設けられ凹部に係合可能な突部とを有すると共に、移動手段によって、吊り部材を案内する案内部材を、凹部から突部を抜脱可能な位置と、凹部及び突部の係合状態を保持可能な位置と、に移動できることにより、ブレードを吊り上げたときには、凹部及び突部の係合状態を保持可能な位置に、案内部材を移動させ、凹部からの突部の脱落を防止できる。
一方、ブレードを吊り降ろすときには、凹部から突部を抜脱可能な位置に、案内部材を移動させ、吊り部材を案内部材側に引き寄せることで、凹部から突部を抜脱でき、ひいては、ブレードを吊り降ろすことができる。なお、ブレードを吊り上げるときには、凹部から突部を抜脱可能な位置に、案内部材を移動させ、吊り部材をブレード側に繰り出すことで、凹部に突部を係合でき、ひいては、ブレードを吊り上げることができる。

また、前記回転軸は、上下に伸縮可能に構成され、前記第１ヒンジ及び前記第２ヒンジのいずれか一方は、前記回転軸の伸縮に応じて上下に移動するように構成するのが好ましい。
或いは、前記回転軸に設けられ、前記回転軸に沿って上下に移動する移動部材を更に備え、前記第１ヒンジ及び前記第２ヒンジのいずれか一方は、前記移動部材に取り付けられ、前記移動部材の移動に応じて上下に移動するように構成するのが好ましい。

かかる構成によれば、第１ヒンジ及び第２ヒンジの間隔調整を簡易に行うことができる。

また、前記回転軸の伸縮は、前記回転軸がシリンダ若しくはシリンダロッドとなる油圧若しくは水圧アクチュエータ機構、又はボールねじによってなされるように構成するのが好ましい。
或いは、前記移動部材の移動は、前記回転軸がシリンダ若しくはシリンダロッドとなる油圧若しくは水圧アクチュエータ機構、又はボールねじによってなされるように構成するのが好ましい。

かかる構成によれば、第１ヒンジ及び第２ヒンジの間隔調整を簡易に行うことができる。

また、前記ブレードは、垂直方向に分割された複数の分割ブレードを有し、前記分割ブレード同士は、中間ヒンジを介して互いに連結されると共に、前記中間ヒンジを基点として上下に屈曲可能に構成されているようにするのが好ましい。

かかる構成によれば、ブレードは垂直方向に分割された複数の分割ブレードを有し、分割ブレード同士は、中間ヒンジを介して互いに連結されると共に、中間ヒンジを基点として上下に屈曲可能に構成されていることにより、ブレードに過大な負担をかけることなく掃過面積、有効回転半径、上反角や下反角等を調節できる。

また、前記分割ブレードと前記中間ヒンジとの間に設けられ、前記分割ブレードを所定の屈曲角度に復帰させる復帰部材を更に備えた構成とするのが好ましい。

かかる構成によれば、分割ブレードと中間ヒンジとの間に設けられ、分割ブレードを所定の屈曲角度に復帰させる復帰部材を備えることにより、例えば、ブレードを折り畳んだ状態から展開するときには、回転半径が広がる方向に分割ブレードが必ず屈曲することができる。また、後記するようにブレードを複数に分割し、複数の中間ヒンジを設ける場合には、不静定構造になるが、かかる構成によれば、復帰部材によって、分割ブレードを所定の屈曲角度に復帰させる力が発生するため、不静定構造を解消できる。更に、復帰部材としてゴムの弾性支持体を使用した場合、ゴムの柔軟性によってブレードの形が変形する際の振動を減衰させることができる。

また、前記分割ブレードは、一端が、前記第１ヒンジを介して、前記回転軸に対し上下に回転可能に支持される第１分割ブレードと、一端が、前記第２ヒンジを介して、前記回転軸に対し上下に回転可能に支持される第２分割ブレードと、前記第１分割ブレード及び前記第２分割ブレードの間に設けられ、前記第１分割ブレードの他端に前記１中間ヒンジを介して連結され、前記第２分割ブレードの他端に前記２中間ヒンジを介して連結される第３分割ブレードと、を有し、前記第２ヒンジに対し前記第１ヒンジの位置を変更するときには、前記回転軸に対し第１中間ヒンジを支持し、かつ前記第２分割ブレードと平行に設けられる支持部材を備えると共に、前記回転軸及び前記第３分割ブレードは、互いに平行に構成される一方、前記第１ヒンジに対し前記第２ヒンジの位置を変更するときには、前記回転軸に対し第２中間ヒンジを支持し、かつ前記第１分割ブレードと平行に設けられる支持部材を備えると共に、前記回転軸及び前記第３分割ブレードは、互いに平行に構成されるようにするのが好ましい。

ブレードを３分割し、第１分割ブレード及び第３分割ブレードを第１中間ヒンジによって連結し、第２分割ブレード及び第３分割ブレードを第２中間ヒンジによって連結する場合には、第１分割ブレード、第２分割ブレード、第３分割ブレード、及び回転軸の４辺に対し４つのヒンジを設けるため、不静定構造になる。つまり、仮に、第２ヒンジに対し第１ヒンジの位置を変更すると、第１中間ヒンジが第２中間ヒンジよりも外側に位置したり、第２中間ヒンジよりも内側に位置したりすることになる。そこで、回転軸に対し第１中間ヒンジを支持し、かつ第２分割ブレードと平行に設けられる支持部材を備えると共に、回転軸及び第３分割ブレードは、互いに平行に構成されることにより、第１中間ヒンジの位置が内外に変動するのを抑制でき、第１ヒンジの位置を変更するだけでブレードの掃過面積、有効回転半径、上反角、及び下反角等の調節を行うことできる。つまり、第１分割ブレード、第２分割ブレード、第３分割ブレード、及び回転軸の４辺に対し４つのヒンジを設けることにより発生する不静定構造を解消できる。
ちなみに、第１ヒンジに対し第２ヒンジの位置を変更するときには、回転軸に対し第２中間ヒンジを支持し、かつ第１分割ブレードと平行に設けられる支持部材を備えると共に、回転軸及び第３分割ブレードは、互いに平行に構成されることにより、第２中間ヒンジの位置が内外に変動するのを抑制できる。

また、前記第１ヒンジ及び前記第２ヒンジが互いに離間するにつれて、前記ブレードが前記回転軸に接近し、前記ブレードは、前記回転軸の近傍であって、前記回転軸に対し略平行な状態に折り畳み可能に構成されるようにするのが好ましい。

かかる構成によれば、第１ヒンジ及び第２ヒンジが互いに離間するにつれて、ブレードが回転軸に接近し、当該ブレードは、回転軸の近傍であって、回転軸に対し略平行な状態に折り畳み可能に構成されることにより、過大な風速・流速に対し好適に対応することができる。また、水上の風車や水車に本発明を適用した場合には、設置現場への運搬作業、設置作業、撤去作業等の際には、折り畳んでおくことができるため、陸上であらかじめブレードを組み上げておくことが容易に可能になり、現地でのクレーン船作業が不要となるため、コストの低減を図りつつ、管理作業が容易になる。

また、前記回転軸に設けられ、前記ブレードが折り畳まれる際に前記ブレードを吸着固定する磁石を更に備えた構成とするのが好ましい。

かかる構成によれば、ブレードを吸着固定する磁石を、回転軸に設けることにより、ブレードを折り畳む際に、ブレードを吸着固定できるため、ブレードを安定して固定支持できる。また、ブレードの振動による破損等を防止することができる。更に、磁石として電磁石を使用すれば、ブレードを再展開する際には遠隔操作によって電磁力を切ることができるため、ブレードに過大な負担をかけることを回避できる。

本発明によれば、風向・流向に応じた調整をなんら必要としないままに、簡易な構造で広い設計範囲の風速・流速に対応できる揚力型ブレードを用いた流体力利用構造を提供することができる。
また、水上の風車や水車にあっては、設置現場への搬入、設置から撤去までの作業においても、クレーン船を必要としない流体力利用構造を提供することができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る垂直軸風車の展開状態を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図であり、（ｃ）は、水車の断面図である。 本発明の実施形態に係る垂直軸風車の折り畳み状態を示す側面図である。 アッセンブリと浮体の連結部を拡大して示した断面図であり、（ａ）は正立時、（ｂ）は傾斜時、の状態をそれぞれ示している。 スプラインナットを一部破断して示す側面図である。 （ａ）は、上支柱に対するブレードの係合状態を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図である。 上支柱からブレードを抜脱する際の手順を示す側面図である。 （ａ）は、上支柱からブレードを抜脱する際の手順を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図である。 （ａ）は、上支柱からブレードを抜脱する際の手順を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図である。 （ａ）は、上支柱からブレードを抜脱する際の手順を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図である。 ブレードを吊り降ろす際の手順を示す側面図である。 ブレードを吊り降ろす際の手順を示す側面図である。 ブレードを吊り降ろす際の手順を示す側面図である。 変形例に係る垂直軸風車の展開状態を示す側面図である。 （ａ）は、変形例に係る垂直軸風車の折り畳み状態を示す側面図であり、（ｂ）は、変形例に係る垂直軸風車を図１３の状態から更に展開した状態を示す側面図である。 他の変形例に係る垂直軸風車を示す部分拡大側面図であり、（ａ）は、垂直軸風車の展開状態を示す部分拡大側面図であり、（ｂ）は、垂直軸風車の折り畳み状態を示す部分拡大側面図であり、（ｃ）は、垂直軸風車を（ａ）の状態から更に展開した状態を示す部分拡大側面図である。 他の変形例に係る垂直軸風車を示す部分拡大側面図であり、（ａ）は、垂直軸風車の中立状態を示す部分拡大側面図であり、（ｂ）は、垂直軸風車の折り畳み状態を示す部分拡大側面図であり、（ｃ）は、垂直軸風車を（ａ）の状態から更に展開した状態を示す部分拡大側面図である。 比較例１として、水平軸風車を浮体に載せた場合の傾斜と復元力の関係を模式的に示した図である。 比較例２として、垂直軸風車を浮体に載せた場合の傾斜と復元力の関係を模式的に示した図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、本実施形態では、本発明の流体力利用構造物を洋上用の垂直軸風車に適用する場合について説明するが、流体力利用構造物の使用目的を限定するものではない。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る垂直軸風車１００の展開状態を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図であり、（ｃ）は、水車の断面図である。図２は、本発明の実施形態に係る垂直軸風車１００の折り畳み状態を示す側面図である。図３は、アッセンブリ１０と浮体２０の連結部を拡大して示した断面図であり、（ａ）は正立時、（ｂ）は傾斜時、の状態をそれぞれ示している。図４は、スプラインナット４２を一部破断して示す側面図である。図５（ａ）は、上支柱４０に対するブレード６０の係合状態を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図である。
図１（ａ）に示すように、垂直軸風車１００は、揚力型の垂直軸風車の一種であるダリウス型風車であって、風からエネルギーを取り出すアッセンブリ１０と、アッセンブリ１０を揺動可能に支持する浮体２０と、を備える。
なお、アッセンブリ１０を浮体２０に揺動可能に支持する支持構造としては、ピンジョイント、ユニバーサルジョイント、球面支持、弾性体支持等が考えられる。以下では、弾性体支持構造を採用した場合を例にとって説明する。

アッセンブリ１０は、支柱３０と、ブレード６０と、揚降手段７０と（図６、図７（ａ）参照）、サボニウス型水車８０と、を備える。

＜支柱＞
支柱３０は、上支柱４０と、下支柱５０と、その中間に設けられた球形部３１（図３参照）と、を有する。

＜上支柱＞
回転軸たる上支柱４０は、図１（ａ）及び図２に示すように、浮体２０に対し垂直軸周りに回転可能に連結され、ブレード６０を支持する円筒状の部材である。
上支柱４０の外周面には、上ブラケット４１と、スプラインナット４２と、下ブラケット４３と、が設けられる。

上ブラケット４１は、上支柱４０の上端側外周に設けられ、後記する上ブレード６１を上支柱４０に連結する部材である。上ブラケット４１は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、３つの連結部４１ａ，４１ａと、３つの取付部４１ｂ，４１ｂと、を有する。

連結部４１ａは、上支柱４０の外周面に溶接等で固定された板状部分である。連結部４１ａは、上支柱４０の周方向に等角度離間して設けられる。連結部４１ａは、上支柱４０の外周面から径方向外側に突出するように設けられる。

取付部４１ｂは、上ブレード６１が取り付けられる部分である。取付部４１ｂは、上下端が開口し、隣り合う連結部４１ａ，４１ａの外端から径方向外側に突出して略平行に延在する一対の板状部分から成る。取付部４１ｂは、連結部４１ａ寄りの幅広部４１ｂ１と、幅広部４１ｂ１よりも幅狭の幅狭部４１ｂ２と、幅広部４１ｂ１及び幅狭部４１ｂ２を繋ぐ段差部４１ｂ３と、を有する。幅狭部４１ｂ２には、略Ｊ字状の一対の凹部４１ｂ４，４１ｂ４が形成される。凹部４１ｂ４は、上側に開口し、下側から上側に向かうにつれて上支柱４０側に傾斜する形状を呈する。なお、凹部４１ｂ４の形状は、例えば、Ｕ字状等に適宜変更してよい。

移動部材たるスプラインナット４２は、図４に示すように、上支柱４０に沿って上下方向に移動可能に構成された部材である。スプラインナット４２の内周面及び上支柱４０の外周面の間には、空隙４４が形成される。本実施形態では、作動油や水等を空隙４４に導入又は空隙４４から排出し、油圧や水圧を適宜調節することにより、スプラインナット４２の上下移動が制御可能に構成される。

下ブラケット４３は、スプラインナット４２を介して上支柱４０の下端側外周に設けられ、下ブレード６２を上支柱４０に連結する部材である。下ブラケット４３は、スプラインナット４２の上下移動に応じて上下方向に移動可能に構成される。下ブラケット４３は、上ブラケット４１と略上下対称形状を呈し、水平方向に貫通する孔部４３ａを有する。

＜下支柱＞
図１（ｃ）に戻り、下支柱５０は、サボニウス型水車８０を支持する部材である。図３（ａ），（ｂ）に示すように、下支柱５０は、浮体２０の略中央に設けられた開口部２０ａに、浮体２０を貫通するように設置される。

＜球形部＞
球形部３１は、ドーナツ状の下弾性ゴム支承３３に載せられ加硫接着されるとともに、上にも同様にドーナツ形状の上弾性ゴム支承３４が載せられ加硫接着される。更に両方の弾性ゴム支承３３，３４の外側端部は、支持架台２４の球形内面２４ａに加硫接着される。球形内面２４ａは、球形部３１と共通の中心をもつ同心球状に形成される。

両方の弾性ゴム支承３３，３４は、例えば、ビルの面震支承などに用いられる部材であり、ゴム板と金属板とを球形部３１の径方向に積層して構成される。両方の弾性ゴム支承３３，３４は、剪断力に対しては柔軟に変形するが、圧縮に対しては高剛性であるという特性があるため、球形部３１は、上下動、左右動等についてはドーナツ状ゴムの圧縮特性により強固に拘束されるが、球形部３１と球形内面２４ａの中心を回転中心とする回転に関してはドーナツ状ゴムの剪断変形特性により柔軟に支持される。このため、図３（ｂ）に示すように、アッセンブリ１０を浮体２０に対して揺動可能に支持することができる。

支持架台２４は、アッセンブリ１０が設計揺動範囲を超えて揺動しようとしたときに柔軟に受け止めるため、コイルばね２１を介して浮体２０に連結される。なお、コイルばね２１は必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

ここで、図３（ａ），（ｂ）を参照して、上支柱４０、下支柱５０、及び球形部３１の構造について詳細に説明する。
上支柱４０は、その下端部において連結部材３２の上部とテーパーシャンクで一体に結合されている。連結部材３２の下端側は、下支柱５０の上端部に挿入されて回転可能に連結されている。また、連結部材３２の上端側は、上に向かうほど径が小さくなるテーパ形状に形成されており、上支柱４０の下端部に形成された逆テーパ形状の孔部４０ａに挿入されている。連結部材３２の上端部３２ａにはねじ溝が形成されており、ナットＮを締め付けることで連結部材３２を介して下支柱５０が上支柱４０に引き付けられるようになっていて、一体に結合されている。連結部材３２と下支柱５０との間の適所にはベアリングＢが設置されており、互いに相対回転可能になっている。また、下支柱５０の上端部のさらに外側には、球形部３１が外嵌されている。球形部３１と下支柱５０の間にはベアリングＢが設けられており、互いに相対回転可能になっている。球形部３１は、弾性ゴム支承３３，３４を介して支持架台２４に揺動可能に支持されている。これにより、上支柱４０と下支柱５０と球形部３１とが、軸方向に剛な状態で強固に連結されたまま、互いに相対回転可能になるとともに、図３（ｂ）に示すように、浮体２０に対して揺動可能になっている。

下支柱５０の上端部には、上部が開口する円筒形状の円筒部３５が形成されている。そして、この円筒部３５と連結部材３２の間（すなわち上支柱４０と下支柱５０の間）には、ギアシステム３７と発電装置３８とが設置されている。

ギアシステム３７は、例えば遊星ギアシステムで構成されており、上支柱４０と下支柱５０とを同軸逆回転させる機能を有している。ギアシステム３７は、連結部材３２の周囲に刻設されたサンギア３７ａと、円筒部３５に後記するラチェット機構３７ｄを介して連結されたリングギア３７ｃと、サンギア３７ａとリングギア３７ｃの間に配置された複数のプラネタリギア３７ｂと、で構成されている。プラネタリギア３７ｂは、図示しないキャリアによって球形部３１に対して移動不能に接続されている。これにより、例えば、潮流によってサボニウス型水車８０及び下支柱５０が上方からみて時計回りに回転を開始すると、ギアシステム３７によって、上支柱４０及びブレード６０が上方から見て反時計回りに回転を開始する（起動する）ことになる。これにより、ブレード６０の起動性を向上させることができる。

また、ギアシステム３７は、下支柱５０の回転を増速して上支柱４０に伝達する増速装置としての機能も有している。例えば、遊星ギアシステムのギア比を調節することにより、サボニウス型水車８０（すなわちリングギア３７ｃ）が１回転したときに、上支柱４０及びブレード６０（すなわちサンギア３７ａ）が複数回（例えば８回）回転するように設定することができる。これにより、風車の設計回転速度と水車の設計回転速度を、風速と流速に合わせて、それぞれ適切に設定することができる。

ラチェット機構３７ｄは、所定条件の下で上支柱４０の回転を下支柱５０に伝達しない機能を有している。具体的には、サボニウス型水車８０が停止状態から回転を開始すると、サボニウス型水車８０の回転は、ラチェット機構３７ｄを介してリングギア３７ｃに伝達され、リングギア３７ｃの回転に伴ってサンギア３７ａに連結された上支柱４０及びブレード６０がサボニウス型水車８０と逆方向に８倍の速さで回転を開始する。そして、上支柱４０及びブレード６０が、風力によってサボニウス型水車８０の８倍以上の速度（すなわちサボニウス型水車８０の増速後の回転速度以上）で回転するようになると、ラチェット機構３７ｄに対してリングギア３７ｃが空回りする。これにより、上支柱４０及びブレード６０の回転がサボニウス型水車８０に伝達されなくなる。よって、サボニウス型水車８０が、上支柱４０及びブレード６０の負荷（ブレーキ）になることがない。

円筒部３５の内部であってギアシステム３７の下方には、ローター３８ａとステーター３８ｂとを有する発電装置３８が設置されている。ローター３８ａは、連結部材３２に固定されており、ステーター３８ｂは、円筒部３５に固定されている。これにより、発電装置３８は、ローター３８ａとステーター３８ｂとが逆回転するので、両者の差速によって効率よく発電することができる。
このとき、ローター３８ａとステーター３８ｂとの間で反トルクが作用するが、ローター３８ａ及びステーター３８ｂは、逆回転する上支柱４０及び下支柱５０にそれぞれ固定されているので、反トルクが打ち消される。そのため、浮体２０の回転を防止するための係留設備の簡略化、小型化を図ることができる。

なお、本実施形態では、円筒部３５と球形部３１との間にもラチェット３６が設置されている。これにより、例えば潮流が止んでしまっている場合でも、下支柱５０が上支柱４０と共回りすることなく、発電することができる。

＜ブレード＞
図１（ａ），（ｂ）に戻り、ブレード６０は、空中に配置されて風を受ける揚力型ブレードであって、上支柱４０の周方向に等角度離間して３枚配設される。
ブレード６０は、上端部６１ａが上ブラケット４１に上下方向に回転可能に支持された上ブレード６１と、下端部６２ａが下ブラケット４３に上下方向に回転可能に支持された下ブレード６２と、上ブレード６１及び下ブレード６２の間に設けられた中間ヒンジ６３と、を有する。この場合、ブレード６０は、下ブラケット４３を上下に移動させることにより、中間ヒンジ６３を中心軸として屈曲され、その回転半径ｒを変更可能に構成される。

＜上ブレード＞
上ブレード６１は、上ブラケット４１を介して、上支柱４０に対し上下方向に回転可能に連結される部分である。図５（ａ），（ｂ）に示すように、上ブレード６１の上端部６１ａには、上ブラケット４１の凹部４１ｂ４に係合可能な水平ピン６１ｂが他の部位よりも水平方向に延出して設けられる。水平ピン６１ｂの幅寸法は、幅広部４１ｂ１の幅寸法よりも小さく形成される一方、幅狭部４１ｂ２の幅寸法よりも大きく形成される。上ブレード６１は、水平ピン６１ｂを中心軸として上下方向に回転する。水平ピン６１ｂ及び凹部４１ｂ４が第１ヒンジＨ１を構成する。

＜下ブレード＞
下ブレード６２は、図４に示すように、下ブラケット４３を介して、上支柱４０に対し上下方向に回転可能に連結される部分である。下ブレード６２は、上ブレード６１と上下対称形状を呈し、その下端部６２ａには、下ブラケット４３の孔部４３ａに係合可能な水平ピン６２ｂが他の部位よりも水平方向に延出して設けられる。下ブレード６２は、水平ピン６２ｂを中心軸として上下方向に回転する。水平ピン６２ｂ及び孔部４３ａが第２ヒンジＨ２を構成する。なお、本実施形態の上ブレード６１及び下ブレード６２は、同一の長さに形成されるが、異なる長さで形成されてもよい。この場合、中間ヒンジ６３は、ブレード６０の長さ方向の中間部分から上側又は下側に偏心した位置に配置される。

＜揚降手段＞
揚降手段７０は、図６及び図７に示すように、上支柱４０に対しブレード６０を揚げ降ろしするための手段であって、保持部材７１と、３つのプーリ７２，７２と、３本のハリヤード７３，７３と、を有する。

保持部材７１は、上支柱４０の内側にあって、上支柱４０の上端から出没自在に収容された円筒状の部材である。保持部材７１は、図示しない油圧アクチュエータ機構によって、上支柱４０に対し上下方向に移動可能に構成される。保持部材７１の上端には、保持部材７１の内外を連通する切欠部７１ａが切り欠いて形成される。保持部材７１及び油圧アクチュエータ機構は、特許請求の範囲でいう「移動手段」に相当する。

案内部材たるプーリ７２は、ハリヤード７３を案内するローラ状部材である。プーリ７２は、保持部材７１の切欠部７１ａ内に収容され、水平軸周りに回転可能に設けられる。

吊り部材たるハリヤード７３は、一端が上ブレード６１の水平ピン６１ｂに取り付けられ、他端が浮体２０のデッキに設置された図示しない巻取装置に巻き取り及び巻き出し可能に取り付けられた線状部材である。ハリヤード７３は、プーリ７２によって下向きに曲げられ、保持部材７１内及び上支柱４０内に挿入される。図５に示すように、上支柱４０に対しブレード６０を吊り上げた状態において、ハリヤード７３には、水平ピン６１ｂを下向きに（凹部４１ｂ４の内面に接触する側に）引っ張る張力が付与される。これにより、凹部４１ｂ４からの水平ピン６１ｂの脱落を防止できる。

＜サボニウス型水車＞
図１（ａ）に戻り、サボニウス型水車８０は、アッセンブリ１０の重心を水面下に配置するためのバラストとしての機能を兼ねるものであり、その上端部を下支柱５０に支持される。サボニウス型水車８０は、図１（ｃ）に示すように、円筒体を軸方向に反割りした形状のブレード８１，８１を備える。２つのブレード８１，８１は、分割面に沿って互いにずらした形状に結合されている。サボニウス型水車８０は、ブレード８１，８１に囲まれた空間８１ａを潮流が通過することによって回転する。サボニウス型水車８０は、このようなブレード８１，８１を上下に２段重ねて、互いに９０度ずつ位相をずらして配置した構造となっている。

サボニウス型水車８０は、支柱３０の揺動中心からサボニウス型水車８０の重心までの距離とサボニウス型水車８０の水中質量との積が、支柱３０の揺動中心から上支柱４０及びブレード６０の重心までの距離と上支柱４０及びブレード６０の空中質量との積よりも大きくなるように、例えば配置、寸法、質量などが設定されている。これにより、サボニウス型水車８０がバラストとしても機能し、アッセンブリ１０の重心が水面下に配置され、復元力を得ることができる。

＜浮体＞
浮体２０は、海面に浮遊する部材である。浮体２０の開口部２０ａは、図３（ａ），（ｂ）に示すように、下方に向かうほど内径が大きくなるテーパ形状に形成される。開口部２０ａの上部には、支柱３０を支持するための支持架台２４が架設される。なお、浮体２０は、係留索２２（図１（ａ）参照）によって図示しないアンカーに連結される。また、浮体２０は、係留索２２を固定するためのチェーンストッパ２３を有する。

本発明の実施形態に係る垂直軸風車１００は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、図１、図２、及び図４を参照して、垂直軸風車１００のブレード６０の動作について説明する。

はじめに、作動油や水等を空隙４４に導入し、スプラインナット４２を上支柱４０に沿って上側に移動させると、下ブラケット４３が上側に移動する（図４参照）。

このとき、下ブレード６２は、水平ピン６２ｂを中心軸として下側に回転する。また、この下ブレード６２の回転に伴って、中間ヒンジ６３が上支柱４０から離間すると共に、上ブレード６１は、水平ピン６１ｂを中心軸として上側に回転する（図１、図２参照）。

そして、ブレード６０は、中間ヒンジ６３が外側に張り出し、水平方向に広がった横長形状になり、上ブレード６１の下反角及び下ブレード６２の上反角が小さくなる。

一方、作動油や水等を空隙４４から排出し、スプラインナット４２を上支柱４０に沿って下側に移動させると、下ブラケット４３が下側に移動する（図４参照）。

このとき、下ブレード６２は、水平ピン６２ｂを中心軸として上側に回転する。また、この下ブレード６２の回転に伴って、中間ヒンジ６３が上支柱４０に接近すると共に、上ブレード６１は、水平ピン６１ｂを中心軸として下側に回転する（図１、図２参照）。

そして、ブレード６０は、上下方向に広がった縦長形状になり、上ブレード６１の下反角及び下ブレード６２の上反角が大きくなる。

更に、下ブラケット４３が浮体２０近傍まで移動すると、ブレード６０は直線状にかつ上支柱４０と略平行に延在する状態になり、折り畳まれることとなる（図２参照）。

すなわち、上ブラケット４１に対し下ブラケット４３を接近させていくと、上ブレード６１の下反角及び下ブレード６２の上反角が段々大きくなる一方、上ブラケット４１に対し下ブラケット４３を離間させていくと、上ブレード６１の下反角及び下ブレード６２の上反角が段々小さくなる。
つまり、上ブラケット４１に対する下ブラケット４３の位置を変化させることにより、ブレード６０の形状を自在に変化させることができる。

この場合、風速が遅いときには、ブレード６０を縦長形状にし、上ブレード６１の下反角及び下ブレード６２の上反角を小さくすることにより、それぞれに発生する揚力を効率良く回転力として利用できると共に、回転半径ｒが小さくなるため、風速の割に回転数を増加させることができる。

一方、風速が速いときには、ブレード６０を横長形状にし、上ブレード６１の下反角及び下ブレード６２の上反角を大きくすることにより、横からの風速をブレード６０に迎角を与える成分として利用できる割合を下げ、理想的な迎角を得るために必要な前進速度、即ち周速度を落とすと共に、平均回転半径ｒが大きくなるため、その周速度に対して必要な回転数を更に減少させ、従って風速の割に回転数を減少させることができる。

更に、風速が速いとき（例えば、台風等のとき）には、ブレード６０を折り畳むことにより、３枚のブレード６０，６０が互いの後流に入り始めるため、揚力及び発生トルクが低下して、自然に停止することとなる。
なお、ブレード６０の形状がどのような風に最適であるかどうかは、発電装置３８のトルク特性も関係するため、ブレード６０の形状は、発電装置３８の仕様と合わせて適宜設定する。

次に、図２を参照して、アンカーハンドリングタグ９０を用いて、垂直軸風車１００を洋上に設置する場合について説明する。

アンカーハンドリングタグ９０は、岸壁で組み立てられた垂直軸風車１００を曳航し、係留索２２を浮体２０に引き込む役割を果たす。アンカーハンドリングタグ９０は、船尾に設置されたＡフレーム９１と、Ａフレーム９１の上端に配設されたプーリ９２と、一端が船体に繋げられ、他端がプーリ９２を介して係留索２２に繋げられるメインウィンチワイヤ９３と、を備える。

この場合、はじめに、アンカーハンドリングタグ９０は、その船尾を浮体２０に向けて舫い、浮体２０のチェーンストッパ２３の上方にＡフレーム９１を張り出す。

続いて、プーリ９２及びチェーンストッパ２３を通して、メインウィンチワイヤ９３を海側へ繰り出す。
そして、予めブイによって海面に浮かんでいる係留索２２の上端に、メインウィンチワイヤ９３を繋げる。

このとき、本実施形態では、ブレード６０が折り畳まれた状態になっているため、Ａフレーム９１とブレード６０との干渉を回避しつつ、アンカーハンドリングタグ９０が垂直軸風車１００に接近できることから、係留索２２の上端にメインウィンチワイヤ９３を繋げる作業を容易に行うことができる。

続いて、メインウィンチワイヤ９３によって係留索２２を海上側（チェーンストッパ２３）に徐々に引き込み、所望の初期張力が係留索２２に与えられる位置で、チェーンストッパ２３を作動させて係留索２２を固定する。

なお、この作業は、Ａフレーム９１を搭載しないアンカーハンドリングタグ９０でも可能であるが、船尾よりも外側に張り出すことができるＡフレーム９１を搭載していれば作業効率を向上させることができる。

次に、図６乃至図１２を参照して、垂直軸風車１００のブレード６０の揚げ降ろし作業について説明する。最初に降ろし作業について説明する。

はじめに、図６に示すように、油圧アクチュエータ機構によって保持部材７１を上側へ移動させ、上支柱４０の上端部から外部へ露出させる。
このとき、プーリ７２、凹部４１ｂ４の開口面、及び水平ピン６１ｂが直線上になる位置まで保持部材７１を移動させる。

続いて、図７（ａ）に示すように、ハリヤード７３を巻き取ると、上ブレード６１が保持部材７１側に引き寄せられ、凹部４１ｂ４から水平ピン６１ｂが抜脱する。
このとき、図７（ｂ）に示すように、水平ピン６１ｂが幅広部４１ｂ１の上方に位置するまで上ブレード６１を引き寄せる。

続いて、図８に示すように、油圧アクチュエータ機構によって保持部材７１を下側へ移動させると、水平ピン６１ｂの幅寸法が幅広部４１ｂ１の幅寸法よりも小さいため、水平ピン６１ｂが幅広部４１ｂ１を通過し、凹部４１ｂ４よりも下側に位置する。
そして、図９に示すように、ハリヤード７３を繰り出すと、ブレード６０が上支柱４０に対し吊り降ろされることとなる。

続いて、図１０及び図１１に示すように、ハリヤード７３を繰り出していくと、ブレード６０は、中間ヒンジ６３を基点にして屈曲すると共に、水平ピン６２ｂを基点にして下側に回転する。
このとき、中間ヒンジ６３は、円弧状の軌跡を描きつつ移動する（図１１の二点差線参照）。そして、下ブレード６２及び中間ヒンジ６３は、橋梁構造物Ｄ上に目線の高さで載置される。

続いて、図１２に示すように、ハリヤード７３を更に繰り出していくと、上ブレード６１は、中間ヒンジ６３を基点にして下側に回転する。
このとき、上ブレード６１の水平ピン６１ｂは、円弧状の軌跡を描きつつ移動する（図１２中の二点鎖線参照）。そして、上ブレード６１は、橋梁構造物Ｄ上に目線の高さで載置される。その結果、上ブレード６１、中間ヒンジ６３、及び下ブレード６２は、直線上に配置される。
以上の工程を経て、ブレード６０の降ろし作業が完了する。

一方、ブレード６０を揚げる場合は、図１２の状態からハリヤード７３を巻き取ると、上ブレード６１の上端部６１ａから持ち上がり始め、上ブレード６１は、中間ヒンジ６３を基点にして上側に回転する。このとき、上ブレード６１の水平ピン６１ｂは、円弧状の軌跡を描きつつ移動する（図１２中の二点鎖線参照）。

続いて、上ブレード６１及びハリヤード７３が直線上になる位置を越えると、中間ヒンジ６３が持ち上がり始めると共に、下ブレード６２が水平ピン６２ｂを基点にして上側に回転する。
このとき、中間ヒンジ６３は、円弧状の軌跡を描きつつ移動する（図１１の二点差線参照）。

そして、ハリヤード７３を更に巻き取ると、上ブレード６１、中間ヒンジ６３、及び下ブレード６２は、直線状にかつ上支柱４０と略平行に延在する状態になる（図１０参照）。
その後、図５乃至図９と逆の手順で、水平ピン６１ｂを凹部４１ｂ４に係合させる。
以上の工程を経て、ブレード６０の揚げ作業が完了する。

以上説明した本実施形態によれば、スプラインナット４２を上下に移動させ、上ブラケット４１及び下ブラケット４３の間隔を調節することにより、ブレード６０の中間ヒンジ６３が上支柱４０に対し接近又は離間し、ブレード６０の形が変形して、ブレード６０の回転半径ｒが調節できるため、ブレード６０の掃過面積、有効回転半径、上反角、及び下反角等を調節できる。これにより、風向に応じた調整をなんら必要としないままに、簡易な構造で広い設計範囲の風速に対応する揚力型ブレード６０を用いた流体力利用構造物を実現できる。
特に、本実施形態では、ブレード６０は、上ブレード６１及び下ブレード６２の二部材で構成され、上ブレード６１及び下ブレード６２の間に中間ヒンジ６３を設け、中間ヒンジ６３を基点として上下に屈曲可能に構成されるため、ブレード６０に過大な負担をかけることなく掃過面積、有効回転半径、上反角や下反角等を調節できる。
更に、ブレード６０を、上支柱４０の近傍であって上支柱４０に対し略平行な状態に折り畳むことにより、過大な風速に対し好適に対応することができる。

また、本実施形態によれば、スプラインナット４２の移動に応じて下ブラケット４３が移動するため、上ブラケット４１及び下ブラケット４３の間隔調整を簡易に行うことができる。

また、本実施形態によれば、スプラインナット４２を下側に移動させ、上ブラケット４１及び下ブラケット４３の間隔（第１ヒンジＨ１及び第２ヒンジＨ２の間隔）を広げることにより、ブレード６０を、上支柱４０の近傍であって上支柱４０に対し略平行な状態に折り畳むことができる。これにより、陸上であらかじめブレード６０を組み上げてからの搬入が容易になるため、水上の設置現場への運搬作業、設置作業、撤去作業等において、現地でのクレーン船作業が不要となることから、コストの低減を図りつつ、管理作業が容易になる。

また、本実施形態によれば、ハリヤード７３を操作することによって、上支柱４０に対しブレード６０を吊り上げ及び吊り降ろし可能であるため、ブレード６０を吊り降ろして、例えば、目線の高さに横たえながらブレード６０の取り付け、取り外し、点検、修理、再組み立て等の作業を行うことができる。これにより、高所クレーン、ダイバー、及び水中ロボット等が不要となるため、コストの低減を図りつつ、管理作業が容易になる。

また、本実施形態によれば、上支柱４０に対しブレード６０を吊り上げたときには、凹部４１ｂ４及び水平ピン６１ｂの係合状態を保持可能な位置に、プーリ７２を移動させ、かつハリヤード７３を巻き取って当該ハリヤード７３に水平ピン６１ｂを下向きに引っ張る張力を付与することにより、凹部４１ｂ４からの水平ピン６１ｂの脱落を防止できる。
一方、上支柱４０に対しブレード６０を吊り降ろすときには、凹部４１ｂ４から水平ピン６１ｂを抜脱可能な位置に、プーリ７２を移動させ、かつハリヤード７３を巻き取ることにより、凹部４１ｂ４から水平ピン６１ｂを抜脱でき、ひいては、ブレード６０を吊り降ろすことができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本実施形態では、本発明の流体力利用構造物を洋上用の垂直軸風車に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、陸上・洋上を問わず、風力発電、風力揚水、水力発電、水力揚水、風力推進船等の垂直軸風車・水車やそれらを利用するすべてのシステムに利用できる。
この場合、例えば、本発明の流体力利用構造物を水車に適用するときには、第１ヒンジＨ１によってブレード６０の下端部を上下方向に回転可能に支持し、第２ヒンジＨ２によってブレード６０の上端部を上下方向に回転可能に支持する構成とする。つまり、第１ヒンジＨ１及び第２ヒンジＨ２の上下位置は、適宜変更してよい。

また、本実施形態では、ブレード６０は、中間ヒンジ６３を有し、当該中間ヒンジ６３を中心軸として屈曲され、その回転半径ｒを変更可能に構成されたが、中間ヒンジ６３を省略し、ブレード６０が可撓性を有する構成とし、ブレード６０全体が撓むようにして、その回転半径ｒを変更可能に構成してもよい。

また、上支柱４０の適所に、磁石たる永久磁石又は電磁石を設置してもよい。この場合、鋼製の中間ヒンジ６３を使用する。このようにすると、ブレード６０を折り畳む際に、中間ヒンジ６３を介して、ブレード６０を吸着固定できるため、ブレード６０を安定して固定支持できる。また、ブレード６０の振動による破損等を防止することができる。更に、電磁石の場合、ブレード６０を再展開する際には遠隔操作によって電磁力を切ることができるため、ブレード６０に過大な負担をかけることを回避できる。
なお、中間ヒンジ６３を省略し、ブレード６０が可撓性を有する構成とする場合、鋼製のブレード６０を使用してブレード６０を吸着固定したり、例えばアルミ製や樹脂製のブレード６０の表面にスチールプレートを設置（貼着）してブレード６０を吸着固定したりしてもよい。

また、本実施形態では、取付部４１ｂが幅広部４１ｂ１を有し、ブレード６０の揚げ降ろし時において、水平ピン６１ｂが幅広部４１ｂ１を通過する構成としたが、図７（ａ）に示す状態から保持部材７１を更に上側に移動させ、上ブレード６１（水平ピン６１ｂ）が取付部４１ｂの外側を通過する構成としてもよい。この場合、取付部４１ｂの幅広部４１ｂ１を省略してもよい。

また、本実施形態では、幅狭部４１ｂ２側の端部において、取付部４１ｂを構成する一対の板状部分を接続しない構成としたが、幅狭部４１ｂ２側の端部において、取付部４１ｂを構成する一対の板状部分を接続する構成としてもよい。これにより、上ブラケット４１の撓みによって凹部４１ｂ４において幅が広がることを防止できる。

また、本実施形態では、スプラインナット４２の移動に応じて下ブラケット４３が移動したが、スプラインナット４２の移動に応じて上ブラケット４１が移動する構成にしてもよい。

また、本実施形態では、スプラインナット４２は、油圧又は水圧アクチュエータ機構によって上下に移動する構成としたが、ボールねじによって上下に移動する構成としてもよい。

また、本実施形態では、ブレード６０に生じた揚力を回転力として上支柱４０に伝達するために、上支柱４０に対して上下に移動可能だが回転することはできないように保持することが好ましく、スプラインナット４２を使用したが、ブレード６０に生じた揚力を上支柱４０に伝える機能は上ブラケット４１のみに担わせることとし、スプラインナット４２を使用しなくてもよい。すなわち、上支柱４０に対し回転不能に保持するスプライン機構を省略してもよい。

また、本実施形態では、図８及び図９に示すように、複数のブレード６０を同時に吊り降ろしたが、ハリヤード７３を１本ずつ操作し、ブレード６０を１枚ずつ吊り降ろしてもよい。

また、本実施形態では、図１１及び図１２に示すように、浮体２０に連結された橋梁構造物Ｄにブレード６０を載置したが、例えば、浮体２０に係留された作業船や台船等にブレード６０を載置してもよい。

また、ブレード６０の分割枚数及び中間ヒンジ６３の数は適宜変更してよい。例えば、図１３及び図１４に示すように、上支柱４０及びブレード６０の構造を変更してもよい。
なお、図１３は、変形例に係る垂直軸風車１１０の展開状態を示す側面図である。図１４（ａ）は、変形例に係る垂直軸風車１１０の折り畳み状態を示す側面図であり、図１４（ｂ）は、変形例に係る垂直軸風車１１０を図１３の状態から更に展開した状態を示す側面図である。

上支柱４０は、図１３に示すように、上支柱４０の一部を利用するシリンダ４５と、シリンダ４５に対し上下方向に伸縮可能なシリンダロッド４６と、を有する。

シリンダ４５の下端側外周には、下ブラケット４３が設けられ、上端側外周には、中ブラケット４７が設けられる。中ブラケット４７は、下ブラケット４３と同一形状を呈し、水平方向に貫通する孔部４７ａを有する。シリンダロッド４６の上端側外周には、上ブラケット４１が設けられる。上ブラケット４１は、シリンダロッド４６の上下移動（伸縮）に応じて上下に移動可能に構成される。

ブレード６０は、上ブレード６１及び下ブレード６２の間に、中ブレード６４を有する点で前記実施形態と相違する。中ブレード６４は、中間ヒンジ６３ａ，６３ｂを介して、上ブレード６１及び下ブレード６２に夫々連結される。
この場合、ブレード６０は、シリンダロッド４６を伸縮させ上ブラケット４１を上下に移動させることにより、中間ヒンジ６３ａ，６３ｂを中心軸として上ブレード６１及び下ブレード６２が屈曲され、その回転半径ｒを変更可能に構成される。

中ブラケット４７及び中間ヒンジ６３ａの間には、ロッド６５が設けられる。ロッド６５は、上支柱４０に対し中間ヒンジ６３ｂを支持し、下ブレード６２と平行に設けられる。ロッド６５の下端部６５ａには、中ブラケット４７の孔部４７ａに係合可能な水平ピン６５ｂが他の部位よりも水平方向に延出して設けられる。ロッド６５は、水平ピン６５ｂを中心軸として上下方向に回転する。水平ピン６５ｂ及び孔部４７ａが第３ヒンジＨ３を構成する。上ブレード６１、下ブレード６２、及びロッド６５は、同一の長さに形成される。なお、ロッド６５に替えて、例えば、ワイヤ等を使用してもよいし、下ブレード６２と同様のブレードを使用してもよい。

この場合、図１４（ａ）に示すように、シリンダロッド４６が最も伸長している状態では、ブレード６０は直線状にかつ上支柱４０と略平行に延在する状態になり、折り畳まれることとなる。

この状態から、図１３及び図１４（ｂ）に示すように、シリンダロッド４６を収縮させていくと、中ブレード６４が上支柱４０と平行な状態を保持したまま外側に張り出す。また、下ブレード６２及びロッド６５も互いに平行な状態を保持したまま下側に回転する。
つまり、中ブレード６４、上支柱４０、下ブレード６２、及びロッド６５が、平行四辺形を保持したまま、ブレード６０の形状が変化することとなる。

そして、図１４（ｂ）に示すように、シリンダロッド４６が最も収縮した状態では、上ブレード６１、下ブレード６２、及びロッド６５が略水平となる一方、中ブレード６４が鉛直となって回転半径ｒが最大となる。ちなみに、この状態では、風力中心を下げて転倒モーメントを抑えるとともに、ブレード６０を風速が低い水面近くまで降ろすことができる。

ここで、ブレード６０を３分割し、上ブレード６１及び中ブレード６４を中間ヒンジ６３ａによって連結し、下ブレード６２及び中ブレード６４を中間ヒンジ６３ｂによって連結する場合には、上ブレード６１、下ブレード６２、中ブレード６４、及び上支柱４０の４辺に対し４つのヒンジＨ１，Ｈ２，６３ａ，６３ｂを設けるため、不静定構造になる。

つまり、仮に、下ブラケット４３（第２ヒンジＨ２）に対し上ブラケット４１（第１ヒンジＨ１）の位置を変更すると、中間ヒンジ６３ａは、中間ヒンジ６３ｂよりも外側に位置したり、中間ヒンジ６３ｂよりも内側に位置したりすることになる。

そこで、本変形例のように上支柱４０に対し中間ヒンジ６３ａを支持し、かつ下ブレード６２と平行に設けられるロッド６５を備えると共に、上支柱４０及び中ブレード６４が互いに平行に構成されることにより、中間ヒンジ６３ａの位置が内外に変動するのを抑制でき、上ブラケット４１の位置を変更するだけでブレード６０の掃過面積、有効回転半径、上反角、及び下反角等の調節を行うことできる。
つまり、上ブレード６１、下ブレード６２、中ブレード６４、及び上支柱４０の４辺に対し４つのヒンジＨ１，Ｈ２，６３ａ，６３ｂを設けることにより発生する不静定構造を解消できる。

ちなみに、図１５（ａ）−（ｃ）に示すように、上ブレード６１及び下ブレード６２をリンク機構６６で連結し、リンク機構６６によって上ブレード６１及び下ブレード６２が常に略同じ角度で屈曲するように構成してもよい。このようにすると、前記したようにブレード６０を複数に分割し、複数の中間ヒンジ６３ａ，６３ｂを設けた場合であっても、不静定構造を解消でき、ひいてはロッド６５を省略できる。

この場合、中ブレード６４は、中空形状を呈し、その内部には、リンク機構６６が配設される。リンク機構６６は、例えば、プッシュプルロッドで構成され、その上下端部は、上ブレード６１及び下ブレード６２のピボットＰ１，Ｐ２に回転可能に夫々取り付けられる。

また、図１６（ａ）−（ｃ）に示すように、所定の屈曲角度を上ブレード６１の中立状態（原位置）とし、それ以外の角度に屈曲すると、上ブレード６１が中立状態に戻るように構成してもよい。
なお、図１６は、他の変形例に係る垂直軸風車１１０を示す部分拡大側面図であり、（ａ）は、垂直軸風車１１０の中立状態を示す部分拡大側面図であり、（ｂ）は、垂直軸風車１１０の折り畳み状態を示す部分拡大側面図であり、（ｃ）は、垂直軸風車１１０を（ａ）の状態から更に展開した状態を示す部分拡大側面図である。

図１６（ａ）に示すように、上ブレード６１及び中間ヒンジ６３ａの間と、中ブレード６４及び中間ヒンジ６３ａの間には、それぞれ弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄが設けられる。復帰部材たる弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄは、前記した弾性ゴム支承３３，３４と同様の部材であり、ゴム板と金属板とを中間ヒンジ６３ａの径方向に積層して構成される。弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄは、剪断力に対しては柔軟に変形するが、圧縮に対しては高剛性であるという特性がある。

上ブレード６１は、上下動、左右動等については弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄの圧縮特性により強固に拘束されるが、中間ヒンジ６３ａの中心を回転中心とする回転に関しては弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄの剪断変形特性により柔軟に支持される。
また、上ブレード６１は、弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄが伸縮していない状態で、図１６（ａ）に示す所定の屈曲角度となるように設定される。

この場合、図１６（ａ），（ｂ）に示すように、ブレード６０を折り畳んだ状態から展開するときには、弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄによって回転半径ｒ（図１３参照）が広がる方向に上ブレード６１が必ず屈曲することになる。つまり、弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄの復帰力（弾性力）が、回転半径ｒが広がる方向に上ブレード６１が屈曲するようにアシストするため、ブレード６０を折り畳み状態から展開状態へ確実に導くことができる。

一方、図１６（ａ），（ｃ）に示すように、ブレード６０を更に展開した状態から図１６（ａ）に示す状態に戻すときには、弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄによって回転半径ｒが狭まる方向に上ブレード６１が屈曲しやすくなる。つまり、弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄの復帰力が、回転半径ｒが狭まる方向に上ブレード６１が屈曲するようにアシストするため、上ブレード６１が原位置へスムーズに戻りやすくなる。

本変形例の構造は、下ブレード６２及び中間ヒンジ６３ｂの間と、中ブレード６４及び中間ヒンジ６３ｂの間にも適用される（図１３参照）。また、図示は省略するが、上ブレード６１及び下ブレード６２の間に引張力が加わった場合であっても、中間ヒンジ６３ａ，６３ｂがのびないように、上ブレード６１及び下ブレード６２のヒンジ軸位置は固定される。

なお、本変形例の構造は、前記した実施形態の上ブレード６１及び中間ヒンジ６３の間と、下ブレード６２及び中間ヒンジ６３の間に適用してもよい（図１参照）。また、弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄに替えてコイルばね等を使用してもよい。

以上説明した本変形例によれば、ブレード６０を折り畳んだ状態から展開するときには、回転半径ｒが広がる方向に上ブレード６１及び下ブレード６２が必ず屈曲することができる。
また、前記したようにブレード６０を複数に分割し、複数の中間ヒンジ６３ａ，６３ｂを設ける場合には、不静定構造になるが、本変形例によれば、弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄによって、上ブレード６１及び下ブレード６２を所定の屈曲角度に復帰させる力が発生するため、不静定構造を解消できる。
特に、弾性ゴム支承６７ａ−６７ｄを使用した場合、ゴムの柔軟性によってブレード６０の形が変形する際の振動を減衰させることができる。

１００，１１０ 垂直軸風車（流体力利用構造物）
１０ アッセンブリ
３０ 支柱
４０ 上支柱（回転軸）
４１ 上ブラケット
４１ａ 連結部
４１ｂ 取付部
４１ｂ４ 凹部
４２ スプラインナット（移動部材）
４３ 下ブラケット
４３ａ 孔部
４４ 空隙
４５ シリンダ
４６ シリンダロッド
４７ 中ブラケット
４７ａ 孔部
６０ ブレード
６１ 上ブレード（第１分割ブレード）
６１ａ 上端部
６１ｂ 水平ピン（突部）
６２ 下ブレード（第２分割ブレード）
６２ａ 下端部
６２ｂ 水平ピン
６３ 中間ヒンジ
６３ａ 中間ヒンジ
６３ｂ 中間ヒンジ
６４ 中ブレード（第３分割ブレード）
６５ ロッド（支持部材）
６５ａ 下端部
６５ｂ 水平ピン
６７ａ−６７ｄ 弾性ゴム支承（復帰部材）
７０ 揚降手段
７１ 保持部材（移動手段）
７２ プーリ（案内部材）
７３ ハリヤード（吊り部材）
Ｈ１ 第１ヒンジ
Ｈ２ 第２ヒンジ
Ｈ３ 第３ヒンジ
ｒ 回転半径

Claims (13)

1. 垂直方向に沿って延在し、垂直軸周りに回転可能な回転軸と、
   流体力を受けるブレードと、
   を備える流体力利用構造物であって、
   前記ブレードの一端は、第１ヒンジを介して、前記回転軸に対し上下に回転可能に支持され、
   前記ブレードの他端は、第２ヒンジを介して、前記回転軸に対し上下に回転可能に支持され、
   前記第１ヒンジと前記第２ヒンジとの相対的な位置を変更することにより、前記ブレードの両端の途中が前記回転軸に対し接近又は離間し、前記ブレードの形が変形して、前記ブレードの回転半径が調節されることを特徴とする流体力利用構造物。
2. 前記回転軸に対し前記ブレードを吊り上げ及び吊り降ろし可能な吊り部材と、
   前記回転軸に取り付けられ、前記吊り部材を案内する案内部材と、を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の流体力利用構造物。
3. 前記第１ヒンジは、回転軸の一端側に開口する凹部と、前記ブレードに設けられ、前記凹部に係合可能な突部と、を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体力利用構造物。
4. 前記凹部から前記突部を抜脱可能な位置と、前記凹部及び前記突部の係合状態を保持可能な位置と、に前記案内部材を移動する移動手段と、を更に備えたことを特徴とする請求項３に記載の流体力利用構造物。
5. 前記回転軸は、上下に伸縮可能に構成され、
   前記第１ヒンジ及び前記第２ヒンジのいずれか一方は、前記回転軸の伸縮に応じて上下に移動することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の流体力利用構造物。
6. 前記回転軸に設けられ、前記回転軸に沿って上下に移動する移動部材を更に備え、
   前記第１ヒンジ及び前記第２ヒンジのいずれか一方は、前記移動部材に取り付けられ、前記移動部材の移動に応じて上下に移動することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の流体力利用構造物。
7. 前記回転軸の伸縮は、前記回転軸がシリンダ若しくはシリンダロッドとなる油圧若しくは水圧アクチュエータ機構、又はボールねじによってなされることを特徴とする請求項５に記載の流体力利用構造物。
8. 前記移動部材の移動は、前記回転軸がシリンダ若しくはシリンダロッドとなる油圧若しくは水圧アクチュエータ機構、又はボールねじによってなされることを特徴とする請求項６に記載の流体力利用構造物。
9. 前記ブレードは、垂直方向に分割された複数の分割ブレードを有し、
   前記分割ブレード同士は、中間ヒンジを介して互いに連結されると共に、前記中間ヒンジを基点として上下に屈曲可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の流体力利用構造物。
10. 前記分割ブレードと前記中間ヒンジとの間に設けられ、前記分割ブレードを所定の屈曲角度に復帰させる復帰部材を更に備えたことを特徴とする請求項９に記載の流体力利用構造物。
11. 前記分割ブレードは、
    一端が、前記第１ヒンジを介して、前記回転軸に対し上下に回転可能に支持される第１分割ブレードと、
    一端が、前記第２ヒンジを介して、前記回転軸に対し上下に回転可能に支持される第２分割ブレードと、
    前記第１分割ブレード及び前記第２分割ブレードの間に設けられ、前記第１分割ブレードの他端に前記１中間ヒンジを介して連結され、前記第２分割ブレードの他端に前記２中間ヒンジを介して連結される第３分割ブレードと、を有し、
    前記第２ヒンジに対し前記第１ヒンジの位置を変更するときには、前記回転軸に対し第１中間ヒンジを支持し、かつ前記第２分割ブレードと平行に設けられる支持部材を備えると共に、前記回転軸及び前記第３分割ブレードは、互いに平行に構成される一方、
    前記第１ヒンジに対し前記第２ヒンジの位置を変更するときには、前記回転軸に対し第２中間ヒンジを支持し、かつ前記第１分割ブレードと平行に設けられる支持部材を備えると共に、前記回転軸及び前記第３分割ブレードは、互いに平行に構成されることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の流体力利用構造物。
12. 前記第１ヒンジ及び前記第２ヒンジが互いに離間するにつれて、前記ブレードが前記回転軸に接近し、
    前記ブレードは、前記回転軸の近傍であって、前記回転軸に対し略平行な状態に折り畳み可能に構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の流体力利用構造物。
13. 前記回転軸に設けられ、前記ブレードが折り畳まれる際に前記ブレードを吸着固定する磁石を更に備えたことを特徴とする請求項１２に記載の流体力利用構造物。

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