(57)【要約】【課題】回転性能が高く、ローコストのロータ。【解決手段】半径方向に条溝あるブレードを複合形成して得たスパラルウイング技術の提供。【選択図】図２３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向に条溝又は条陵を設けられたブレードａの複数を相互に分離又は連結又は連続して設けられ、円周方向に繰返えし段差状として複合形成されたスパイラルウイングｂが中心軸にそい配設されて得られるロータＡ。
【請求項２】
トリミングされた平板シートに山折れ、谷折れ両相当部ないしはいずれか片方の相当部を略併行状として設けられたブランクｃが折曲形成されてなることを特徴とした請求項１記載のブレードａに関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】低、中風速下において高性能かつ低価格なるロータ。
【背景の技術】
【０００２】本発明と比較される従来例として、図３１に示される低・中風速用のロータとして多翼式、サポニューム式、クロスフロー式などが知られているが、残念ながらいずれもパワー係数（揚力・プラス抗力・マイナス抗力の関数値）と風速比（ロータ円周速度／風速の対比）が低いために実用的な小型発電システムの主要部として適さない。よりくわしくは、それらのロータ形態上、比較的大きなプラス抗力が得られるものの、揚力のくみあげが不可能であるとともにマイナス抗力が小さくないと云う重大な欠点を余儀なくされている。あわせて、中、高風速下では大きなプラスとマイナスの両抗力が同時に仂くためロータが破損しやすく、さらに低い発電効率の割にはロータなどの製作費がかさむことを示摘されている。
【発明の開示】
【０００３】平板シートからトリミングされ山折れ、谷折れ両相当部１、２を略併行状として設けられたブランクｃが折曲形成されてなる複数ブレードａを相互に連結又は連続して設けられ円周方向に繰り返えし段差状として複合形成されたスパイラルウィングｂが中心軸ｄにそい配設されて得られるロータＡを提供する。
【発明の課題】
【０００４】低、中風速下でも、ロータＡにもたらすプラス抗力を増強させるとともに、マイナス抗力を極力抑え、さらに小さくない揚力を新らたに発生させることが第一課題であり、中、強風速下においても充分に耐えうる剛性強度のロータ構造を提供することが第二課題であり、ロータＡの製作費を充分に圧縮することが第三課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】半径方向に条溝又は条陵つきの複数ブレードａをして、円周方向に繰返し段差状として複合形成して設けられた両持型のスパイラルウイングｂが中心軸ｄにそい配設されて得られたロータＡを提供し、さらにそのロータＡが円筒状の風洞内に設けられることである。
またそのスパイラルウイングｂが、平坦状ブランクｃの単純折曲により迅速かつ容易に加工されるとともに各方向の外力剛性を保證される実質的軸対称の連続立体構造（位相幾何学にうらずけられた折り紙構造）により形成されることである。
【発明の効果】
【０００６】本発明の個有な形態構成によりより大きなパワー係数と風速比を可能とした本ロータＡが採用された新発電システムは、低、中風速にかぎられず高風速によってもすぐれた発電効果を発揮し得た。さらに量産に適したロータＡの加工方法により発電効果、耐久性／製作コストとした対比の著しい向上を実現し得た。なお図３１の斜線囲み部分に本ロータ形のパワー特性に相当する範囲を示した。
【発明を実施するための最適な形態】
【０００７】本発明と本発明にかかわる諸技術の実施例などを簡略に説明する
図１、２と図３、４は本発明の２種ロータＡの模式立面、平面。
図５〜１６は本発明に関わる各種ブレードａの短手方向の断面斜視図。
図１７〜２０は本発明に関わる各種ブレードａを複数複合形成した短手方向の断面斜視図。
図２１、２２と図２３、２４は本発明に関わる２種ブランクｃの部分平面図とそれらによる２種ロータＡの部分斜視図。
図２５、２６と図２７、２８は本発明の２種ロータＡとそれらを組込んで得られ２種発電システムの斜視図、２方向断面模式図。
以下に本請求範囲及び本明細書で用いられる主要９用語をあらかじめ説明する。
【０００８】＜ブレードａ＞  参照  図５〜１６、図１７〜２０、図２１〜２４
本発明のブレードａとはロータＡの半径又は直径方向に設けられる略短冊状の単位部材であり、中心軸ｄをまたぐものと中心軸どまりの２種がある。
ブレードａの詳細形態としては、その短辺方向断面形が薄シート状と肉厚板状のものがあり、前者は直行状、折曲状、湾曲状などやそれらの適ギ組合せたもの、後者の代表的なものとしてプロペラ断面状とされることにより、長辺方向に各種条溝ないしは各種条陵が設けられることを特徴としている。またブレードａの構成形としては単独のものと複数ブレードが組合されてなるものがある。なお、ブレードａの平面中央又は端部に、中心軸用の開孔や各種固定仕口、付属部品があらかじめ設けられてもよい。
【０００９】＜スパイラルウイングｂ＞  参照  図１〜４、図１７〜２０、図２３〜２４
本発明に関わるスパイラルウイングｂとは、複数ブレードａが複合形成されて中心軸ｄにそい配設されてなる、ロータＡを構成する中間部材である。その複合形成方法として相互に分離配置される並列型と連結される合成型とあらかじめ連続して設けられる一体型との３種があり、よりくわしくは並列型とは各ブレートａが単位部材として切り離され、合成型とは単位部材としての複数ブレードａが何らかの手段で相互に固着され、そして一体型とは同一シート資材を同時加工により複数ブレードが単品として得られるものである。
スパイラルウイングｂの全体形態は両翼型と片翼型とがあり、詳細形態の最大の特徴は中心軸ｄを支柱としてスパイラル状に配設された各ブレードａにより形成される旋回状傾斜面にある。その傾斜面の表裏両面又はいずれか片面が旋回方向に繰り返えし段差状つまり回りすべり台状でなく回り階段状として設けられることである。
このスパイラルウイングｂの製法として大きく２種あり、平板シートを折曲加工により立体形成して得るものと平板シートを介すことなく直接立体形成するものである。前者はトリミングされた平板シートに山折れ、谷折れ両罫線が略併行状として設けられたブランクｃをして折曲形成して複数ブレードの連続一体化されたスパイラルウイングｂを得る方法である。後者はスパイラルウイングｂの中間又は最終形態のネガ成形型を用いて樹脂、ＦＲＰなどの資材による射出成形、バキューム成形、プレス成形、ＲＴＭ成形などの方法でスパイラルウイングｂ得られるものであり、最終製品脱型のためにオス・メス両成形型の一次方向移動を可能とする様にスパイラルウイングの形態設計がなされるとよい。
なお上記２種方法にかぎられないが、本スパイラルウイングｂの材料としては樹脂、ＦＲＰの他に金属、紙、織物、不織布などやそれらの適ギ組合せたものも本発明に関わり有効である。
【００１０】＜ブランクｃ＞  参照  図２２、２４
本発明に関わるブランクｃとは、原則的に平坦シートを裁断機によりトリミングすることによりその輪郭が形成されるとともに山折れ、谷折れ両相当部１、２又はいずれ片方相当部が略併行状として設けられ、また中心軸ｄ組込み用の開口部３や各種仕口用ビス穴が中央部に、風切音抑止用の小型連通部と円弧状切り落しを端部に設けられるとよい。上記山折れ、谷折れ相当部１、２とは一般的に裁断時の線状押し込み、同ハーフカット、同ミシンカットなどの手段による罫線を指し示すが、この他に罫線を設けずブレードａ又はスパイラルウイングｂの折曲形成用システム内において昇温用ワイヤなどによる上記相当部１、２の加工形成も可能である。ブランクｃの材料としては紙、樹脂シート、金属シート各種ＦＲＰシートやそれらの適ギ組合せによるものも、本発明に関り有効である。
【００１１】＜本発明のロータＡとその全体形態２種の実施例＞
図１、２において本発明のロータＡ立面の、図３、４には各Ｓ１−Ｓ１、Ｓ２−Ｓ２方向の平面図の実施例２種が模式風に示されている。片翼型スパイラルウイングｂが中心軸ｄにより、両翼型スパイラルウイングｂが中心軸ｄにより支えられているが、その詳細構成までは示されていない。
【００１２】＜本発明のロータＡに関わるブレードａとその各種断面の実施例＞
図５〜１５に示されるブレードａの巾方向断面にはシート材を加工形成したものが、図１６には厚板材を加工形成したものが示される。図５〜１０、１３には折曲形成、図１１、１２、１４、１５には湾曲形成したものであり、この他に上記各断面を適ギ組合せたものや、これとは別に寸法、プロポーシヨンなどの詳細形態を自在に選択しうるものがあり、いずれも本発明に関わり有効なブレードａの形態単位である。
図１７〜２０には各種ブレードａを複合形成したものが示されており、図１７、１８は各ブレードａを連続とされた一体型であり、図１９は各ブレードａを何らかの手段で連結させた合成型でありなお乱流空気の発生抑止材をかねたブレード自体の補強材５が点線表示されており、図２０は各ブレードａを相互に分離した並列型である。
【００１３】＜本発明のロータＡを形成するためのブランクｃの２種実施例＞
図２１、２２には単一型ブレードａとそれを形成するためのブランクｃが示されており、図２３、２４には一体型の複数ブレードａからなるスパイラルウイングｂとそれを形成するためのブランクｃが示されている。前者の図２２のブランクｃでは、短冊状にトリミングされ、２本の谷折れ罫線２が併行して設けられるとともに、両端部を円弧状とされ、中心軸用の開孔３が設けられる。なお図２１の単一ブレードａには隣接して設けられるべき第二の単一ブレードが点線表示される。
後者の図２４のブランクｃでは、帯状シートにトリミングされ山折れ罫線１と谷折れ罫線２が交互に略併行状に設けられるとともに中心軸ｄ用の開孔３が設けられており、なお空気抵抗の発生抑止材をかねる、最上部ブレード自体の補強材ｅがプロペラ形状の点線として表示される。
【００１４】＜本発明のロータＡを用いられた水平軸式発電システムの実施例＞
図２５、２６、２７に示される風力発電システムは、水平軸としたロータＡを採用することを特徴としており、斜視図２７において実線表示されるロータＡが点線表示される集風用風洞Ｂ２、主風洞Ｂ１、排風用風洞Ｂ３内に設置され、同じく点線表示される発電機、変速機などを納めるナセルＣに連結されて設けられている。図２５は、図２７のＳ３−Ｓ３断面図であり、その太矢印としてロータＡが設置された主風洞Ｂ１内で大旋回と小旋回を同時にしつつ流下する２筋の風朿イが模式風に示されている。
図２７のＳ４−Ｓ４断面である図には、中心軸ｄの周囲を大旋回と小旋回をしつつ流下する二筋の風朿イが模式風に示される。
図示されないが中風速前後をその運転適正範囲とする本ロータＡとその発電システムにおいて高風速時対応として、通常時に中心軸ｄと軸方向に固定されるスパイラルウイングｂが、瞬時に開放され、軸方向に一挙延伸しその破損回避を達成するための、特殊ジヨイントを中心軸周辺に採用するとよい。
なお図２５、２６、２７はロータＡ、各風洞Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、ナセルＣなど各部材、部品相互の組立仕様がすべて省略されているが、本風力発電システムにおく本発明のロータＡの効果を説明すべく、その主要な構成のみを重点表示した。以下に発電システム内における本ロータの特徴的な機能作用を開示すると、まづ集風用風洞Ｂ２に流れこんだ１筋の風朿は、主風洞Ｂ１においてスパイラルウィングｂとの仂きで２本の捻れ半円筒状の流路内で
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その主風洞Ｂ１内でスパイラルウィングｂに作用する風朿イの外力は、第一にその表面への風速力であり、第二はその表面と裏面の風速差による揚力であり、裏面への逆風速力が第三である。よりくわしくは、図１７、１８に示される通り、同図の上方又は左上方から風朿イ１が、そのウイングｂの表面を吹き下り、ウイングｂの裏面にそい風朿イ２が左上方から吹き下りる。
ウイングｂの表面には整流が、裏面には乱流が発生しやすいため表面から裏面に対して揚力が仂く。結果として表面に鉛直の風速力と、ウイングｂの傾斜直交方向の下方に揚力がともにプラス成分として作用し、ウイングｂの傾斜方向に逆風速力がマイナス成分として仂きウイングｂは水平左方向に充分な推力をうることが出来た。
さらに主風洞Ｂ１内を２筋の風朿がともに大・小旋回流として流下するために、風洞Ｂ１へ流入時の自然風速を維持又は増大させられることからウイングｂに作用する風速力の向上に効果的となり、また大小両旋回流によりロータＡのＷＡＫＥ発生を抑制して、更らなる望ましい性能が得られた。
【００１５】＜本発明のロータＡを用いられた垂直軸式発電システムの実施例＞
図２８、２９、３０に示される風力発電システムは垂直軸式としたロータＡを採用することを特徴としており、斜視図２９では、実線で示されたロータＡが、点線表示される集風用風洞Ｂ２、開閉自在・主風洞Ｂ１′、排風用風洞Ｂ３内に設置され、さらに点線表示のナセルＣに連結する。
図３０は斜視図２９のＳ５−Ｓ５断面図であり、太矢印はロータＡが設置された主風洞Ｂ１′内を旋回する２筋の風朿イが、そしてやや細矢印は風向き選択可能とする主風洞Ｂ１′のたて長開口部から水平流入する風朿口が模式風に示されている。同じく模式風な図２８は斜視図２９のＳ６−Ｓ６断面図であり、当初に水平流入はじめた風朿口が主風洞Ｂ１′の仂きでウイングｂにプラス風速力のみを選択的に作用させることが出来て、ロータＡが始動可能となる。ロータＡの回転速度がレベルに達すると主風洞Ｂ１′内を上昇する旋回風朿イが発生し、結果として本発電システムは下方から上方に安定的な風朿イを得てロータＡを強力回転させることが可能として得られた。また強風下では、開閉自在な風洞Ｂ１′のヒンジを作動させシステム破損を回避することが出来た。また開閉式とせず、固定式案内羽根とした主風洞も有効である。
図２８、２９、３０は、システムの主要な構成とその作用を重点開示するために、ロータＡ、風洞Ｂ、ナセルＣなどの組立て用部材、部品が省略されている。前記図２５、２６、２７の実施例において主風洞Ｂ１内を旋回する風朿イとその作用・効果が開示されたので本実施例ではふれない。
【００１６】＜本発明のロータＡを用いた発電システムの他の実施例について＞
いずれも図示されないが、まづ本発明のロータＡを何ら風洞を設けず、ナセルＣと直結して設けた発電システムがあり、次に図２７又は図２９に示した様なシステムを用いて逆向き２組ロータＡを組合せた二重反転方式の発電システム（軸心を一致させたものと軸心を並行させたもの）があり、さらに図２７の様なシステムを用いて、逆方向風朿イでも機能する固定型システムがあり、いずれも本発明にかかわり有効である。
【００１７】＜本発明のロータＡにおいてスパイラルウイングｂと中心軸の各種ジヨイント部品、部材について＞
スパイラルウイングｂと中心軸ｄの設置固定方法として、ナットや穴あきクサビなどがスペーサを兼ねて有効である。その中心軸ｄとしては全長にねじ切り加工したもの、両端部のみにねじ切としたものがある。クサビとしては中心軸ｄ周辺のみに設けられるものとスパイラルウイングｂの両端部まで延長したものがある。いずれも本発明に関り有効である。
【産業上の利用可能性】
【００１８】本発明のロータＡを採用した風力発電システムとしては小規模のものにかぎらず中、大規模のものにも有効であり、又水平、垂直軸式のものが戸建住宅、集合住宅のベランダ、屋上に、中高層
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槁梁に、地下鉄、地下道の排気孔に、送電タワー、電柱に、原野、河川敷、丘陵、斜面に、山間部谷合、里山、農道、休耕田に、海岸、海上にさらに船舶に設置可能である。
また水力発電システムとして急流小河川、農地水路、中流、河口河川の水中に設置可能である。その他本ロータＡを用いた高速、高圧な産業用流体、粉粒体ポンプなどして利用可能であり、低騒音の空気ファンとしても有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のロータＡの立面図
【図２】本発明のロータＡの平面図
【図３】本発明のロータＡの立面図
【図４】本発明のロータＡの平面図
【図５】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図６】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図７】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図８】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図９】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図１０】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図１１】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図１２】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図１３】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図１４】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図１５】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図１６】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図１７】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図１８】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図１９】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図２０】本発明に関るブレードａの断面斜視図
【図２１】本発明のロータＡの斜視図
【図２２】本発明に関るブランクｃの平面図
【図２３】本発明のロータＡの斜視図
【図２４】本発明に関るブランクｃの平面図
【図２５】本発明に関る発電システムの平面模式図
【図２６】本発明に関る発電システムの断面模式図
【図２７】本発明に関る発電システムの斜視模式図
【図２８】本発明に関る発電システムの断面模式図
【図２９】本発明に関る発電システムの斜視模式図
【図３０】本発明に関る発電システムの平面模式図
【図３１】従来例と本発明システムのパワー特性図
【符号の説明】
【００２０】ａ    本発明に関るブレード
ｂ    本発明に関るスパイラルウイング
ｃ    本発明に関るブランク
ｄ    本発明に関る中心軸
ｅ    本発明に関る上下端ブレードの補強材
ｆ    本発明に関るブレード端部の補強材
Ａ    本発明のロータ
Ｂ１  本発明に関る主風洞
Ｂ１′本発明に関る開閉自在の主風洞
Ｂ２  本発明に関る集風用風洞
Ｂ３  本発明に関る排風用風洞
Ｃ    本発明に関るナセル
１．  本発明に関る山折れ相当部
２．  本発明に関る谷折れ相当部
３．  本発明に関るブレード中央の開孔
イ．  本発明に関る風朿（旋回流）
イ１．本発明に関るスパイラルウイング表面の風朿
イ２  本発明に関るスパイラルウイング裏面の風朿
ロ    本発明に関る水平風朿
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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