(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の主流に対して略直交するように配置される回転軸と、前記主流により揚力が発生する断面形状を有する翼と、を備え、前記翼に発生する揚力及び抗力の作用で前記回転軸を回転させる風水車であって、
前記翼が、複数の節を有するリンク機構を介して前記回転軸に結合され、前記リンク機構の前記翼の固定位置が、前記回転軸の一回転に伴って８の字状の軌道曲線を画くことを特徴とする風水車。
【請求項２】
請求項１に記載の風水車であって、前記リンク機構が、
前記回転軸に固定され、該回転軸を中心に回転可能な第１のリンクと、
前記第１のリンクに対して一端が第１のピンにより回転可能に結合された第２のリンクと、
前記第２のリンクと同じ長さを有し、その一端が、前記第２のリンクの他端に、該第２のリンクと一定の角度を保つように結合された第３のリンクと、
前記第２のリンク及び第３のリンクの結合箇所に一端が第２のピンにより回転可能に結合され、他端が固定位置に回転可能に支持された第４のリンクと、
を有し、前記翼が、前記第３のリンクの他端に固定されることを特徴とする風水車。
【請求項３】
請求項２に記載の風水車であって、前記リンク機構の前記第１のリンクが、前記回転軸を中心に回転可能な円板で構成され、前記第２のリンク及び第３のリンクが、二等辺三角形状の板体で構成され、前記板体の二等辺で挟まれた頂角位置に設けられた前記第２のピンで前記第４のリンクの一端が回転可能に結合され、前記板体の二つの等角の内、一方の等角の位置に前記翼が固定され、他方の等角の位置に設けられた前記第１のピンで前記円板が回転可能に結合されることを特徴とする風水車。
【請求項４】
流体の主流に対して略直交するように配置される回転軸と、前記主流により揚力が発生する断面形状を有する翼と、を備え、前記翼が、複数の節を持つリンク機構を介して前記回転軸に結合され、前記翼を固定した前記リンク機構の固定位置が、前記回転軸の一回転に伴って８の字状の軌道曲線を画く風水車の設計方法であって、
前記軌道曲線の各点の接線方向と、前記点に対応する位置の前記翼に発生する揚力及び抗力の合力方向との余弦を計算し、前記余弦の値が１に近付くように前記リンク機構を設定することを特徴とする風水車の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車または水車と、その設計方法に関し、リンク機構を組み込むことで風水車の低速運動を可能にしたものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、風力エネルギを発電などに利用するため、下記特許文献１に記載されているように、各種形状の風車が開発されている。風車は、回転軸の方向で分類すると、水平軸（主にプロペラ）型と垂直軸型の二つに大別される。また、風車のトルク発生形態からみると、風車の翼に生じる抗力を利用するものと、揚力を利用する形式とに分類できる。
風力発電には、揚力を利用する水平軸型のプロペラ型風車が主に利用されている。風車から得られるエネルギは「トルク×回転角速度」で表されるが、プロペラ型風車では、トルクはあまり増加させずに、回転角速度の増加によりエネルギの増加を図っており、そのため、高い周速比λで運転が行われている。
なお、周速比λは、次式で表される。
λ＝Ω・ｒ／Ｖ      
（ただし、Ω：回転角速度（rad/s）、ｒ：ロータ半径（m）、Ｖ：風速（m/s））
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４７５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、周速比λが高い風車は、翼の先端が高速で回転するため、安全性を重視した場合に、街中への設置が難しい。また、風車の回転に伴って発生する風切り音や低周波騒音は、多くの人々に不快感を与えるため、風車の設置場所が制限される。
【０００５】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、翼が低速で運動し、街中に安心して設置することができる風車または水車（風水車）を提供し、また、その風水車の設計方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、流体の主流に対して略直交するように配置される回転軸と、この主流により揚力が発生する断面形状を有する翼と、を備え、翼に発生する揚力及び抗力の作用で回転軸を回転させる風水車であって、翼が、複数の節を有するリンク機構を介して回転軸に結合され、リンク機構の翼の固定位置が、回転軸の一回転に伴って８の字状の軌道曲線を画くことを特徴とする。
この風水車では、翼が主流風速の約１０分の１の速度で低速運動することが可能である。この風水車のエネルギは、回転軸の回転数には依らず、トルクを増やす（即ち、翼面積を増やす）ことで増大化できる。
【０００７】
また、本発明の風水車では、前記リンク機構が、回転軸に固定され、回転軸を中心に回転可能な第１のリンクと、第１のリンクに対して一端が第１のピンにより回転可能に結合された第２のリンクと、第２のリンクと同じ長さを有し、その一端が、第２のリンクの他端に、その第２のリンクと一定の角度を保つように結合された第３のリンクと、第２のリンク及び第３のリンクの結合箇所に一端が第２のピンにより回転可能に結合され、他端が固定位置に回転可能に支持された第４のリンクと、を有し、翼が、第３のリンクの他端に固定される。
翼は、２次元面内で運動し、翼が固定された第３のリンクの他端は、８の字状の軌道曲線を画く。
【０００８】
また、本発明の風水車では、前記リンク機構の第１のリンクを、回転軸を中心に回転可能な円板で構成し、第２のリンク及び第３のリンクを、二等辺三角形状の板体で構成し、板体の二等辺で挟まれた頂角位置に設けた第２のピンで第４のリンクの一端を回転可能に結合し、板体の二つの等角の内、一方の等角の位置に翼を固定し、他方の等角の位置に設けた第１のピンで円板を回転可能に結合することができる。
このリンク機構は、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ−ｄｙａｄ機構と呼ばれている。
【０００９】
また、本発明は、流体の主流に対して略直交するように配置される回転軸と、この主流により揚力が発生する断面形状を有する翼と、を備え、翼が、複数の節を持つリンク機構を介して回転軸に結合され、翼を固定したリンク機構の固定位置が、回転軸の一回転に伴って８の字状の軌道曲線を画く風水車の設計方法であって、軌道曲線の各点の接線方向と、前記点に対応する位置の翼に発生する揚力及び抗力の合力方向との余弦を計算し、余弦の値が１に近付くようにリンク機構を設定することを特徴とする。
この余弦の値が１に近いほど、翼に作用する合力を、翼の運動軌道に沿わせて有効に利用できることとなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、翼が低速で運動する、安全性が高い風水車を得ることができる。この風水車は、翼面積を増やすことで発生エネルギを増加させることができる。風水車が高速回転しないため、遠心力から発生する材料破壊の懸念が解消される。また、回転数が極めて低いため、風車騒音（羽根の風切り音や低周波騒音など）が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る風車を示す図
【図２】図１の風車の動作を説明する図
【図３】図１の風車における各部の距離・角度を示す図
【図４】図１の風車の設計方法を説明する図
【図５】図１の風車の特性（余弦値）を示す図
【図６】図１の風車の特性（ベクトルｐ・ｑの内積）を示す図
【図７】比較例の風車の構成を示す図
【図８】図７の風車の時間に対するトルクを示す図
【図９】実施例の風車の諸元を示す図
【図１０】実施例の風車の始動からの回転数の推移を示す図
【図１１】実施例の風車の各種風速での回転数（ａ）と翼の移動速度（ｂ）を示す図
【図１２】実施例の風車の移動速度比を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る風車は、図１に示すように、回転軸１０と、回転軸１０に直交する風２０の流れ（主流）により揚力が発生する断面形状を備えた翼１３と、回転軸１０に固定されたフライホイール（円板）１１と、フライホイール１１にピン１５で回動可能に枢支された三角板１２と、三角板１２にピン１６で枢支された揺動リンク１４と、回転軸１０を軸支するとともに揺動リンク１４の一端をピン１７で枢支する固定リンク１８とを備えている。
【００１３】
三角板１２は、二等辺三角形の形状を有し、二等辺の挟角位置で揺動リンク１４の他端をピン１６で枢支し、二つの等角の内、一方の等角位置でピン１５によりフライホイール１１と回動可能に結合し、他方の等角位置で固定具１９により翼１３を固定している。
このフライホイール１１、三角板１２、揺動リンク１４及び固定リンク１８から成るリンク機構は、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ−ｄｙａｄ機構と呼ばれている。このリンク機構で回転軸１０に結合された翼１３は、２次元面内（紙面内）での運動を行う。
【００１４】
図２は、回転軸１０が一回転する間の４箇所の位置でのフライホイール１１、三角板１２、揺動リンク１４及び翼１３の状態を示している。図２（ａ）の位置からフライホイール１１が回転すると図２（ｂ）の状態に変わり、さらにフライホイール１１が回転すると図２（ｃ）の状態に移り、さらに回転すると図２（ｄ）の状態になる。こうしてフライホイール１１が一回転するごとに、図２（ａ）→図２（ｂ）→図２（ｃ）→図２（ｄ）の遷移を繰り返す。
図中に示す８の字状の線５０は、三角板１２に固定された翼１３の固定位置（１９）の軌跡を示している。このように、翼１３の固定位置（１９）は、回転軸１０の一回転に伴って８の字状の軌道曲線５０を画く。
【００１５】
また、図中では、風の主流２０により翼１３に発生する揚力を矢印Ｌで、抗力を矢印Ｄで、また、揚力と抗力との合力を矢印Ｑで示している。図２（ｂ）及び（ｄ）では、抗力が０のため、揚力Ｌと合力Ｑとが一致している。
即ち、図２（ａ）では、翼１３に正の揚力Ｌと抗力Ｄとが発生しているが、図２（ａ）から図２（ｂ）に移る間に、翼１３に発生する揚力Ｌ及び抗力Ｄが徐々に減少し、図２（ｂ）の状態で抗力Ｄが０に、揚力Ｌが負の揚力に切り替わる。図２（ｂ）から図２（ｃ）に移る間に、翼１３に発生する負の揚力Ｌが徐々に増大し、抗力Ｄも僅かに発生する。図２（ｃ）から図２（ｄ）に移る間に、翼１３に発生する負の揚力Ｌ及び抗力Ｄが徐々に減少し、図２（ｄ）の状態で抗力Ｄが０に、揚力Ｌが正の揚力に切り替わる。図２（ｄ）から図２（ａ）に移る間に、翼１３に発生する正の揚力Ｌ及び抗力Ｄが徐々に増大する。
翼１３に発生する揚力Ｄ及び抗力Ｄは、翼１３の迎え角によって決まる。
【００１６】
図３に示すように、このリンク機構は、回転軸０からピン１５の位置Ａまでを長さＬ1の第１リンク（Ｏ−Ａ）、位置Ａからピン１６の位置Ｂまでを長さＬ4の第２リンク（Ａ−Ｂ）、位置Ｂから翼１３の固定点１９の位置Ｋまでを長さＬ4の第３リンク（Ｂ−Ｋ）、位置Ｂからピン１７の位置Ｃまでを長さＬ2の第４リンク（Ｂ−Ｃ）、回転軸０から位置Ｃまでを長さＬ3の固定リンク（Ｏ−Ｃ）と見ることができ、翼１３の取り付け角度（直線（Ａ−Ｋ）との角度）をα0、第２リンク（Ａ−Ｂ）と第３リンク（Ｂ−Ｋ）との成す角度をΨとすると、翼１３の迎え角αは、次の（数１）によって求めることができる。
【数１】
0005496788.tif 000002
ここで、θ1は、第１リンク（Ｏ−Ａ）と固定リンク（Ｏ−Ｃ）との角度、θWは、（Ｏ−Ｃ）方向に対する主流の角度である。
【００１７】
このリンク機構のＬ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4、α0、θW及びΨの値は、次のように設定する。
Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4、α0、θW及びΨの値としてある値を設定し、図４に示すように、そのときに翼１３の固定位置Ｋが画く８の字状の軌道曲線を求める。
次に、軌道曲線上の点を選択し、その点における軌道曲線の接線ベクトルｐを求める。
次に、その点に対応する位置での翼１３の迎え角αを（数１）から求め、求めた迎え角αの翼１３に加わる揚力Ｌ及び抗力Ｄを公知の計算式を使って計算し、合力Ｑのベクトルｑを得る。
次に、ベクトルｐとベクトルｑとの内積を計算し、次式（数２）により、ベクトルｐとベクトルｑとが成す角の余弦γを求める。
【数２】
0005496788.tif 000003
この余弦γの値を軌道曲線上の複数の点において求め、各点での余弦γの値が１に近い値を取るようにＬ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4、α0、θW及びΨの値を設定する。
【００１８】
このように「軌道曲線の接線方向」と「翼に発生する静的な合力の向き」との余弦を１に近付けることにより、翼力を翼の軌道運動に沿わせ、それにより、翼力の有効利用を図ることができる。
こうした設計方法を用いてＬ1：Ｌ2：Ｌ3：Ｌ4＝１：２：３：２、α0＝８０°、θW＝９０°、Ψ＝７０°に設定した風車の解析結果を図５、図６に示している。図５では、横軸に第１リンク（Ｏ−Ａ）と固定リンク（Ｏ−Ｃ）との角度θ1を取り、縦軸にｃｏｓγの値を示している。また、図６では、横軸に角度θ1を取り、縦軸にｐ・ｑの内積を示している。
【００１９】
図５、図６から明らかなように、第１リンク（Ｏ−Ａ）が回転軸Ｏの周りを一周する角度範囲の大部分において、「軌道曲線の接線方向」と「翼に発生する静的な合力の向き」とは順方向を維持している。図５の図中に示す丸１は図２（ａ）の位置を表し、丸２は図２（ｂ）の位置、丸３は図２（ｃ）の位置、丸４は図２（ｄ）の位置、をそれぞれ表しているが、「軌道曲線の接線方向」と「翼に発生する静的な合力の向き」との関係が逆方向になるのは、揚力が正から負に切り替わる図２（ｂ）の状態、及び、揚力が負から正に切り替わる図２（ｄ）の状態だけである。１サイクルでの余弦値の平均値は０．６９０である。
【００２０】
「軌道曲線の接線方向」と「翼に発生する静的な合力の向き」とが順方向を維持している状態では、回転方向に力が沿い、正のトルクが発生している。一方、それらの関係が逆方向になるときは、負のトルクが発生している。
この風車では、正のトルクの発生範囲が広く、負のトルクの発生範囲は極めて狭い。このように、広い正トルクの発生範囲が得られるのは、翼の固定位置の軌道曲線が８の字を画いているためである。
【００２１】
ちなみに、本発明者は、本発明に至る前段階で、図７に示す風車を製作した。この風車は、リンク機構として、フライホイール６１と、フライホイール６１に結合された回転軸６２と、回転軸６２の中間点の動きを上下方向に拘束するスライダ機構６３とを有しており、回転軸６２の先端に翼６４が固定されている。この風車は、翼６４の固定位置が楕円に近似した軌道曲線を画く。図８には、この風車の回転開始からのトルク変化を示しているが、負トルクは、正トルクと同程度発生しており、効率的な回転が得られない。
これに対し、翼の固定位置の軌道曲線が８の字を画く風車は、正トルクの発生期間が長いため、効率的に回転する。これは風洞実験によっても確かめられている。
【００２２】
風洞実験に用いるため、風車の実施例として、Ｌ1：Ｌ2：Ｌ3：Ｌ4＝１：２：３：２、α0＝８０°、θW＝９０°、Ψ＝７０°に設定した風車を図９に示す諸元で製作し、この風車を出口寸法４００ｍｍ×５００ｍｍの風洞内に置いて測定した。この風車は、風速４ｍ／ｓの風で回転した。このときの回転数の時間推移を図１０に示している。回転数は、均一ではなく、５０ｒｐｍから１４０ｒｐｍの間を変動している。
【００２３】
また、図１１（ａ）は、風速を４ｍ／ｓ、５ｍ／ｓ、６ｍ／ｓに変えたときの風車回転数の時間推移を示している。
また、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の測定結果を基に算出した翼の移動速度を示している。
図１１（ｂ）から、移動速度比（＝（翼の平均移動速度）／（主流風速））を求めた結果を図１２に示している。
この結果から、翼は、主流風速に対して約１０分の１程度の速度で低速運動を行っていることが分かる。
【００２４】
このように、この風車は、翼が低速で運動するため、安全性が高い。また、回転数が極めて低いため、従来、風車騒音として問題視されている羽根の風切り音や低周波騒音が全く発生しない。遠心力から発生する材料破壊の懸念も無い。そのため、この風車は、安心して街中に設置することができる。モニュメントとしての利用も可能である。
この風車の発生エネルギは、翼面積を広げ、トルクを増やすことで増大化させることができる。
この風車の回転数は、均一ではないが、風車エネルギを利用する装置の側で対応が可能である。
なお、ここで示したリンク機構や、その寸法・形状は、一例であって、本発明はそれに限定されるものではない。
また、ここでは、専ら風車について説明したが、本発明は、水車にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の風水車は、街中や人の集まる場所などに広く設置して、風力や水力からエネルギを引き出す装置として、あるいは、興味を引く翼の動きを示す装置として利用することが可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１０    回転軸
１１    フライホイール（円板）
１２    三角板
１３    翼
１４    揺動リンク
１５    ピン
１６    ピン
１７    ピン
１８    固定リンク
２０    風の主流
５０    ８の字状軌道曲線
６１    フライホイール
６２    回転軸
６３    スライダ機構
６４    翼
Ｌ      揚力
Ｄ      抗力
Ｑ      合力
【図１】
0005496788.tif 000004
【図２】
0005496788.tif 000005
【図３】
0005496788.tif 000006
【図４】
0005496788.tif 000007
【図５】
0005496788.tif 000008
【図６】
0005496788.tif 000009
【図７】
0005496788.tif 000010
【図８】
0005496788.tif 000011
【図９】
0005496788.tif 000012
【図１０】
0005496788.tif 000013
【図１１】
0005496788.tif 000014
【図１２】
0005496788.tif 000015