(57)【要約】【課題】流体エネルギーを有効利用し、流体の流れの向きにかかわらず、回転を安定させ、高い出力効率を得ることができる流体エネルギー変換装置を提供する。【解決手段】ロータに固定した複数の翼板を備える流体エネルギー変換装置において、翼板は翼板本体と、翼板本体に配した複数の可動板とを備えるよう構成し、流体の流れの向き、流体の流れの強さによって可動板が姿勢変化するようにした。翼板本体は、湾曲形成する場合がある。【選択図】図1
2010261352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータに固定した複数の翼板を備える流体エネルギー変換装置において、前記翼板は、翼板本体と、該翼板本体に形成された開口部と、該開口部を開放あるいは閉塞可能な複数の可動板とを有し、当該可動板は、該開口部に対し、その一部を点で支持された支持部を有し、柔軟な姿勢変化を可能にしたことを特徴とする流体エネルギー変換装置の翼板構造。
【請求項２】
前記翼板は、湾曲形成することを特徴とする請求項１記載の流体エネルギー変換装置の翼板構造。
【請求項３】
前記翼板は、周囲に錘を配設したことを特徴とする請求項１、請求項２記載の流体エネルギー変換装置の翼板構造。
【請求項４】
前記翼板は、可動板の支持部に弾性部材を介在させたことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の流体エネルギー変換装置の翼板構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体エネルギー変換装置の翼板構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、流体エネルギー変換装置には、タービン・風車・水車等がある。そのなかでも特に風車については研究が盛んに行われており、効率向上に向けた取り組みがなされている。ロータ（回転軸）を大型翼板で駆動する風車装置には、ロータを垂直方向に配する垂直軸型風車装置と、水平方向に配する水平軸型風車装置とがある。
【０００３】
水平軸型風車装置の場合、
（１）風力を取り入れる回転翼が垂直であるため、大きな回転出力を得るためには翼板の長さを大きくしなければならず、大型であり、重量が肥大化する。
（２）風力を取り入れる回転翼が垂直であるため、高さが必要になり、設置場所が制限され、設置費用がかかる。
（３）回転軸が水平のため、高所設置になる。
以上のような問題が発生する。
【０００４】
垂直軸型風車装置の場合、水平軸型風車装置に較べて、翼板重量の問題を比較的容易に解消でき、かなり大型の翼板を持った設備も可能である。また、高所設置の必要もない。よって、設置に費用がかからず、設置による周りへの影響も少ないので、環境問題や設備費等に関して有利であると言われる。
しかし、風向き、風の強さが頻繁に変化する場合に回転が不安定になり、高い回転出力を得られないといった点、また、過剰な風速から翼板をいかに保護するかという問題があった。
【０００５】
従来、このような風向きの変化による効率の低下に対応する提案としては、特開２０００−２０５１０５号公報記載の発明が公知である。これは、ロータに固定した翼板の外周部に角度調節可能な複数の遮蔽板を設け、センサーによって感知された強風時に、遮蔽板の向きを整列させることによって翼板への負荷を低減させ、風向き変化による回転出力の低下を防止する技術である。また強風時には、翼板を遮蔽し装置全体を保護できる。これにより、風向きや風の強さが頻繁に変わるような気象条件の場合でも適切に対応できる。
【０００６】
また、垂直軸型風車に於いて、組み込まれた翼は水平に回転しており、風を受けてエネルギーを得る一方、受け側から移動して向かい風になったときに、それが抵抗となって効率が大幅に悪化する。
【０００７】
従来、このような戻り運動時の風の抵抗を少なくする翼板の提案としては、特開２００２−３２７６７７号公報記載の発明が、本発明の出願人より既になされている。
これは、翼板本体に、上端部を回動可能に軸着した複数の可動板を配設することにより、一方向から風を受けると可動板が閉じた状態となり、翼板本体が一枚パネルで成形した翼板と同じ機能を維持しうるようになっている。一方、ロータの回転を弱める方向から風を受けるときは、可動板が開き、風を逃がしてロータにかかる風圧抵抗を最小限に減ずる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２０５１０５号公報
【特許文献２】特開２００２−３２７６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述の特許文献１に記載されたようなロータに固定した翼板の外周部に角度調節可能な複数の遮蔽板を設けた装置の場合、確かに風向き、風の強さが頻繁に変化する場合に効率が低下するという問題を解消する点で価値がある。しかし、従来の各種問題を解消する技術としては、翼板の外周部に遮蔽板を設置するためのスペースを確保しなければならないという問題、風力センサーに連動してモータ駆動する遮蔽板を設置するための設備コストがかかる問題、構造が複雑になるという問題がある。
また、特許文献２の翼板本体に複数の回動可能な可動板を組み込む装置の場合、可動板の動きは制御されておらず容易に開閉し、日本の風のように不安定な風ではかえって効率を悪くしてしまうことになる。さらに、複数の可動板を各々軸で固定しているので、翼板全体では重量が肥大化し、それに伴う応答性の鈍化につながる。さらに、翼板を湾曲形成した場合には、可動板が軸で固定されているためその開閉方向が軸と垂直方向に限られ、開閉する際に翼板が湾曲しているため可動板の開閉方向が平行ではなく、可動板が互いにぶつかってしまうことも考えられる。
【００１０】
そこで、本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、垂直軸型風車において風向きや風の強さが変わっても、安定した回転出力を確保する翼板を提供することを目的とする。
ロータを駆動する翼板は、翼板本体と翼板本体に点で支持した可動板を複数配設して構成する。可動板は一方向から風を受けると閉じた状態となり、翼板本体が一枚パネルで成形した翼板と同じ機能をもつ。一方、風向きが変わってロータの回転を弱める（減ずる）方向から風が吹いたときは、可動板が開き、風を逃がしてロータにかかる制動力を最小限に減ずる。
また、上述の課題は、風車装置を例示して説明しているが、水力や波力等他の流体エネルギーに関しても同様であり、本発明は流体エネルギー変換装置に関する課題に対する解決手段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】
（請求項１記載の発明）
上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明の流体エネルギー変換装置の翼板は、ロータに固定した複数の翼板を備える流体エネルギー変換装置において、前記翼板は、翼板本体と、該翼板本体に形成された開口部と、該開口部を開放あるいは閉塞可能な複数の可動板とを有し、当該可動板は、該開口部に対し、その一部を点で支持された支持部を有し、柔軟な姿勢変化を可能にしたことを特徴とする。
【００１２】
（請求項２記載の発明）
請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載の発明において、前記翼板は、湾曲形成することを特徴とする。
【００１３】
（請求項３記載の発明）
請求項３に記載の発明は、上記請求項１、請求項２に記載の発明において、前記翼板は、周囲に錘を配設したことを特徴とする。
【００１４】
（請求項４記載の発明）
請求項４に記載の発明は、上記請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記翼板は、可動板の支持部に弾性部材を介在させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
（請求項１記載の発明による効果）
請求項１記載の発明によれば、ロータを駆動する翼板本体に、複数の可動板を配設し、可動板を点で支持することにより、流体の流れの向きや強さに応じた柔軟な姿勢変化が可能になり、流体の流れの向きに左右されず、安定した回転出力を得ることが可能になる。
また、簡易構造のため、大型化、小型化に対応でき、基礎抗を地中深く埋め込む等の大規模な基礎工事を必要としないのでコスト削減、工期短縮につながる。移動や設置が容易で設置場所の制限もすくなく、一般産業、家庭用自家発電装置やその他多用途に採用できる。
【００１６】
（請求項２記載の発明による効果）
請求項２記載の発明によれば、翼板の全体の形状を湾曲（例えばプロペラ状の捻り）形成することにより、流体を的確にとらえることが可能となり、平板形状よりも効率よく回転出力を得ることが可能になる。
【００１７】
（請求項３記載の発明による効果）
請求項３記載の発明によれば、翼板の周囲に錘を配することで回転が惰性で安定化し、より効率よく回転出力を得ることが可能になる。
【００１８】
（請求項４記載の発明による効果）
請求項４記載の発明によれば、可動板の支持部に弾性部材を介在させることにより、可動板の制動性が増し、ストロークが安定するので、流体による可動板の非効率的な動きを抑制することができ、効率よく回転出力を得ることが可能になる。  
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る翼板を例示する図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る風車装置の作用を例示する概略斜視図である。
【図３】本発明に係る可動板を例示する図である。
【図４】本発明に係る可動板と開口部の関係を例示する図である。
【図５】本発明に係る可動板の支持構造を例示する図である。
【図６】（ａ）は本発明に係る可動板の他の支持構造を例示する図である。（ｂ）は本発明に係る図６（ａ）の可動板の風受時における作用を例示する図である。
【図７】本発明に係る他の翼板形状を例示する図である。
【図８】本発明に係る他の翼板形状を例示する図である。
【図９】（ａ）は本発明に係る可動板の他の支持構造を例示する図であり、可動板の風受時における作用を例示する図である。（ｂ）は（ａ）におけるＤの拡大図である。
【図１０】本発明に係るロータの支持構造を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係わる垂直軸型風車装置の第一の実施形態を示す図であり、同装置は翼板１１、翼板本体１２、可動板１３等を主な構成要素としている。この実施形態では、翼板１１は平板状のものとして例示する。また翼板本体１２は、図２に示すように、垂直ロータ２１を回転させるため、ロータ２１の側面に沿って上下方向に固定してあり、平面視１２０°間隔で計３枚の翼板本体１２がロータ２１に取り付けられている。また可動板１３は、図３に示すように、平板状の可動板本体３１と、この可動板本体３１の上部中央に配した支持部３２とを備えるように構成されている。
【００２２】
図４は、翼板本体１１に開設した開口部４１と、可動板１３との関係を示すものである。符号３２は本体との支持部であり、矩形の可動板１３の上辺中央部に略球面状に形成され、図５に示されるように、支持部３２は開口部４１に設けられた嵌合部１４に嵌まりこんだ状態で取り付けられている。支持部３２は可動板本体３１と一体成形したものでもよいし、適宜手段によって可動板本体３１に固定した別部材を用いてもよい。図５は図４のＶ−Ｖにおける切断面の側面図である。図５に示すように、開口部４１の適宜箇所、例えば下端に可動板１３の動きを止めるストッパ５１を設け、可動板１３の下端部１３Ａがストッパ５１に当接することによって可動板１３が、順風時（矢印Ａ）の場合には開口部４１を閉塞し、逆風時（矢印Ｂ）の場合は開口部４１を開放し、風の抵抗を減ずるように機能させるようになっている。
【００２３】
この結果、本発明によれば、可動板は一方向Ａから風を受けると閉じた状態となり、翼板本体１１が一枚パネルで成形した翼板と同じ機能を持ち、翼板全面で風を受けることができるようになり、ロータ２１を効率よく回転駆動する。一方、風向きが変わってロータの回転を弱める（減ずる）方向Ｂから風が吹いたときは、可動板１３が開き、風を逃がしてロータにかかる制動力を最小限に減ずるようになっている。また、可動板１３は支持部３２によって開口部４１に対し、点で支持されているので、風向きに対する追従性が向上しており、風の抵抗に対し、ロータ２１の回転にともなって可動板１３の開口部４１に対する角度、向きが状況に応じて変化するので、抵抗を効果的に減少させることができる。
【００２４】
また、開口部４１と可動板１３との関係は、図６（ａ）に示すような構造であってもよい。
つまり、可動板１３と翼板本体１２との支持部を可動板１３の上下中央の２箇所とするものである。符号６１は可動板上部の支持部、符号６２は可動板下部の支持部である。この場合、可動板１３の動きは図６（ｂ）に示すようにＣ−Ｃを軸として水平方向に開閉する。
このような構造によれば、２点で支持しているので、１点で支持する場合よりも支持部にかかる負荷が軽減され、耐久性が高まる。また、可動板のストロークが短いので追従性がよくなり、逆風時は効果的に風を逃がすことができるうえ、閉まるときも迅速にしまるので、風を効率よく利用することができる。
【００２５】
なお、開口部４１と可動板１３との関係は、開口部４１の側面に可動板１３を軸着する構造でもよいし、開口部４１の下端に軸着する構造でもよい。その場合、必要以上の開動を抑えるために、規制手段であるバネなどの弾性部材を配設して抑制することが考えられる。
【００２６】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施形態を示すものであり、前記第１の実施形態における翼板１１に対して、湾曲（プロペラ類のような捻り）を加えた状態を例示するものである。すなわち、翼板１１は垂直ロータ２１を回転させるため、ロータ２１に沿って上下方向に固定されている。
このような第２の実施形態によっても、前記第１の実施形態と同様の効果を達成できるほか、次のような効果を付加することができる。すなわち、翼板を湾曲させることにより、風力を高効率で受けて、ロータ２１を効率よく推進させることができ、高い回転出力を得ることができる。
【００２７】
（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施形態を示すものであり、前記第２の実施形態における翼板１１に対して、翼板の周囲に錘９１を配設したものである。
すなわち、翼板１１は湾曲を加えた状態であり、翼板１１は垂直ロータ２１を回転させるため、ロータ２１沿って上下方向に固定されている。翼板１１の周囲には錘９１が配設してある。
このような第３の実施形態によっても、前記第１及び第２の実施形態と同様の効果を達成できるほか、次のような効果を付加することができる。すなわち、翼板の周囲に錘を配設することにより、回転を慣性で安定化させることができ、高い回転出力を得ることができる。
【００２８】
（第４の実施の形態）
図９（ａ）は、本発明の第４の実施形態を示すものであり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＤにおける核大図である。
すなわち、矩形の可動板１３の上辺中央部に略球面状に形成された支持部３２は開口部４１に設けられた嵌合部１４に嵌まりこんだ状態で取り付けられている。支持部３２には可動板１３を閉塞する方向に付勢された弾性部材として、バネ１１１が設置してある。
このような第４の実施形態によっても、前記第１、第２の実施形態と同様の効果を達成できるほか、次のような効果を付加することができる。すなわち、可動板１３の支持部３２にバネ１１１を介在させることにより、可動板１３の制動性が増し、ストローク（開き量）が安定するので、風による可動板１３の非効率的な動きを抑制することができ、効率よく回転出力を得ることが可能になる。
【００２９】
なお、図６（ａ）で示したように、支持部を２箇所とした構造にも、弾性部材を介在させることが可能である。また、弾性部材としては、板バネの他、コイルバネ、ダンパーなどが利用可能である。
【００３０】
図１０は、本発明に係る大型の翼板１１によって回転する垂直ロータ２１を、外側から安定支持する構造を例示するものである。１０１、１０２はそれぞれ垂直ロータ２１を上下で回転可能に支持する軸受部、１０３は、上の軸受部１０１を支持することによって垂直ロータ２１の回転ブレを防止するハウジングである。従来、基礎抗を地中深く埋め込む必要があったが、ハウジング１０３で全体を支えることにより倒壊が防止できるため、基礎抗の設置の必要がなくなり、コストの削減、工期の短縮という効果が期待できる。
【００３１】
翼板を成形する材質には、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ
Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ
Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を利用することができる。ＦＲＰは繊維強化プラスチックで、耐候性、耐熱性、耐薬品性、断熱性に優れているおり、さまざまな形状の製作に対応でき、軽量かつ強度的に大変優れているという特性がある。またＦＲＰのなかでもＧＦＲＰ（ＧｌａｓｓＦｉｂｅｒ
Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ
Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を用いてもよい。ＧＦＲＰは安価なガラス繊維を強化材料に用いており，ＧＦＲＰ自体も安価であり、いろいろな形状になじみやすいので、形状の自由度が高い、硬化時間が比較的短いため、短期で製作できる等の利点がある。このような材質を利用することにより、図７に示すような湾曲形状とし、開口部４１を多数設けた構造をもつ大型軽量の翼板が、低コストで容易に成形可能である。
【００３２】
以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００３３】
１１
翼板
１２  
翼板本体
１３
可動板
１３Ａ
可動板下端部
１４
嵌合部
２１
垂直ロータ
３１
可動板本体
３２
支持部
４１
開口部
５１
ストッパー
６１、６２
支持部
９１
錘
１０１、１０２
軸受部
１０３
ハウジング
１１１
バネ（弾性部材）
【図１】
2010261352.tif 000003
【図２】
2010261352.tif 000004
【図３】
2010261352.tif 000005
【図４】
2010261352.tif 000006
【図５】
2010261352.tif 000007
【図６】
2010261352.tif 000008
【図７】
2010261352.tif 000009
【図８】
2010261352.tif 000010
【図９】
2010261352.tif 000011
【図１０】
2010261352.tif 000012