(57)【要約】【課題】抗力型風車と揚力型風車とを組み合わせて使用する風力発電装置を好適に実施化することができる一方向クラッチユニットを提供する。【解決手段】一方向クラッチユニット４０は、垂直な軸心を有し、かつ揚力型風車１２の受風部２５が一体回転可能に設けられる第１回転軸２３と、この第１回転軸２３と同心状で当該第１回転軸に径方向に対向し、かつ抗力型風車１３の受風部３２が一体回転可能に設けられる第２回転軸３１との間に設けられ、第２回転軸３１の回転速度が第１回転軸２３の回転速度を上回る状態で両回転軸を一体回転可能に接続し、かつ第１回転軸２３の回転速度が第２回転軸３１の回転速度を上回る状態で両回転軸の接続を遮断する一方向クラッチ４１と、一方向クラッチ４１と軸方向に並べて設けられ、第１回転軸２３及び第２回転軸３１を相対回転自在に連結する転がり軸受４２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
揚力型風車と抗力型風車とを備えた垂直軸型の風力発電装置に用いられる一方向クラッチユニットであって、
垂直な軸心を有し、かつ前記揚力型風車の受風部が一体回転可能に設けられる第１回転軸と、この第１回転軸と同心状で当該第１回転軸に径方向に対向し、かつ前記抗力型風車の受風部が一体回転可能に設けられる第２回転軸との間に設けられ、前記第２回転軸の回転速度が前記第１回転軸の回転速度を上回る状態で両回転軸を一体回転可能に接続し、かつ前記第１回転軸の回転速度が前記第２回転軸の回転速度を上回る状態で両回転軸の接続を遮断する一方向クラッチと、
前記一方向クラッチに対して軸方向に並べて設けられ、前記第１回転軸及び前記第２回転軸を相対回転自在に連結する転がり軸受と、を備えていることを特徴とする一方向クラッチユニット。
【請求項２】
前記転がり軸受は、前記一方向クラッチの軸方向両側に設けられる、請求項１記載の一方向クラッチユニット。
【請求項３】
前記転がり軸受は、アキシアル荷重を支持可能な玉軸受である、請求項１又は２記載の一方向クラッチユニット。
【請求項４】
揚力型風車と抗力型風車とを備えている垂直軸型の風力発電装置であって、
垂直な軸心を有し、かつ前記揚力型風車の受風部が一体回転可能に設けられる第１回転軸と、
この第１回転軸と同心状で当該第１回転軸に径方向に対向し、かつ前記抗力型風車の受風部が一体回転可能に設けられる第２回転軸と、
前記第１回転軸と前記第２回転軸との間に設けられた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の一方向クラッチユニットと、を備えていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
前記抗力型風車が、前記揚力型風車の受風部の上下方向の範囲内に配置されている、請求項４に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記抗力型風車が、前記揚力型風車に対して軸方向にずれた位置に配置されている、請求項４に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方向クラッチユニット、及びこれを備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、風力発電装置に用いられる風車は、水平な軸心回りに回転する水平軸型風車と、垂直な軸心回りに回転する垂直軸型風車とに大別される。このうち、垂直軸型風車には、サボニウス型やパドル型等のように抗力によって風車を回転させる抗力型と、ジャイロミル型やダリウス型等のように揚力によって風車を回転させる揚力型とがある。
抗力型の風車は、小さな風力で大きな回転トルクを得ることができるため起動性が良好となる反面、周速比が小さいために発電効率が悪くなるという欠点がある。これに対して、揚力型の風車は、大きな周速比を得ることができるので発電効率を高めることが可能となるが、小さな風力で得られる回転トルクが小さく、自己起動が困難である。
そこで、抗力型風車と揚力型風車とを組み合わせることによって、両者の欠点を補い合うことが可能な風力発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の風力発電装置は、揚力型であるダリウス型風車の下部に、フリーホイールで連結され、回転軸を共有した抗力型のパドル型風車を設置している。そして、パドル型風車により起動することでダリウス型風車に運動エネルギーを与え、ダリウス型風車の周速比がパドル型風車の周速比よりも高くなると、フリーホイール機構により連結を解除し、ダリウス型風車のみの運動エネルギーで回転軸を回転させるものとなっている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１には、ダリウス型風車とパドル型風車とフリーホイールとの具体的な関係や、フリーホイールの構造等については全く示されておらず、風力発電装置の実施化には不十分である。
本発明は、抗力型風車と揚力型風車とを組み合わせて使用する風力発電装置を好適に実施することができる一方向クラッチユニット及び風力発電装置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】
【０００６】
本発明の一方向クラッチユニットは、揚力型風車と抗力型風車とを備えた垂直軸型の風力発電装置に用いられる一方向クラッチユニットであって、垂直な軸心を有し、かつ前記揚力型風車の受風部が一体回転可能に設けられる第１回転軸と、この第１回転軸と同心状で当該第１回転軸に径方向に対向し、かつ前記抗力型風車の受風部が一体回転可能に設けられる第２回転軸との間に設けられ、前記第２回転軸の回転速度が前記第１回転軸の回転速度を上回る状態で両回転軸を一体回転可能に接続し、かつ前記第１回転軸の回転速度が前記第２回転軸の回転速度を上回る状態で両回転軸の接続を遮断する一方向クラッチと、前記一方向クラッチに対して軸方向に並べて設けられ、前記第１回転軸及び前記第２回転軸を相対回転自在に連結する転がり軸受と、を備えていることを特徴とする。
【０００７】
以上の本発明によれば、揚力型風車及び抗力型風車が停止している状態で、小さな風力が作用した場合には、より起動性のよい抗力型風車の第２回転軸が、第１回転軸よりも高速で回転し、一方向クラッチが第１回転軸と第２回転軸とを一体回転可能に接続する。そのため、抗力型風車で得られた大きな回転トルクによって揚力型風車をも起動させることができる。また、風力が大きくなることによって揚力型風車の周速比が高まると、第１回転軸の回転速度が第２回転軸の回転側を上回り、一方向クラッチは第１回転軸と第２回転軸との接続を遮断する。したがって、第２回転軸の回転速度の影響を受けることなく第１回転軸を高速で回転させることができ、発電効率を高めることができる。
また、転がり軸受が一方向クラッチに対して並べて設けられているので、一方向クラッチの断接状態に関わらず、第１回転軸及び第２回転軸を安定して相対回転させることができる。
【０００８】
前記転がり軸受は、前記一方向クラッチの軸方向両側に設けられることが好ましい。
この構成により、第１回転軸及び第２回転軸をより安定して相対回転させることが可能となる。
【０００９】
また、前記転がり軸受は、アキシアル荷重を支持可能な玉軸受であることが好ましい。
この構成により、転がり軸受によって、垂直に配置された第１回転軸又は第２回転軸から付与される垂直荷重を転がり軸受によって支持することができる。
【００１０】
また、本発明の風力発電装置は、揚力型風車と抗力型風車とを備えている垂直軸型の風力発電装置であって、垂直な軸心を有し、かつ前記揚力型風車の受風部が一体回転可能に設けられる第１回転軸と、この第１回転軸と同心状で当該第１回転軸に径方向に対向し、かつ前記抗力型風車の受風部が一体回転可能に設けられる第２回転軸と、前記第１回転軸と前記第２回転軸との間に設けられた、上記の一方向クラッチユニットと、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
前記抗力型風車は、前記揚力型風車の受風部の上下方向の範囲内に配置されていてもよい。
このような構成によって、両風車の上下方向の配置スペースを小さくすることができ、風力発電装置の小型化が可能となる。
【００１２】
また、前記抗力型風車は、前記揚力型風車に対して軸方向にずれた位置に配置されていてもよい。
このような構成によって、一方の風車が他方の風車に対する風の流れを阻害してしまうことがない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、抗力型風車と揚力型風車とを組み合わせて使用する風力発電装置を好適に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の概略側面図である。
【図２】図１に示される風力発電装置の要部の縦断面図である。
【図３】図１に示される風力発電装置の要部の横断面図である。
【図４】風力発電装置に設けられた一方向クラッチユニットの縦断面図である。
【図５】風力発電装置に設けられた一方向クラッチユニットの横断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置の概略側面図である。
【図７】図６に示される風力発電装置の要部の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の概略側面図である。
風力発電装置１０は、発電装置本体１１と、風車１２，１３とを備えている。発電装置本体１１は、ケーシング１４と、このケーシング１４に配置された増速機１５、発電機１６、及び主軸２０とを備えている。増速機１５は、主軸２０の回転を増速して出力するものである。発電機１６は、増速機１５によって増速された回転動力によって発電する。
【００１６】
本実施形態の風力発電装置１０は、揚力型風車１２と、抗力型風車１３との２種類の風車を備えている。揚力型風車１２としては、ジャイロミル型風車やダリウス型風車等を採用することができ、抗力型風車１３としては、サボニウス型風車、パドル型風車、クロスフロー型風車等を採用することができる。本実施形態では、揚力型風車１２としてジャイロミル型風車を採用し、抗力型風車１３として板状ブレードを使用したパドル型風車を採用した例を示すが、これに限定されるものではない。
【００１７】
図２は、図１に示される風力発電装置１０の要部の縦断面図、図３は、図１に示される風力発電装置１０の要部の横断面図である。図１〜図３に示されるように、ケーシング１４の上部には、上下方向の軸心を有する保持筒１７が立設されている。この保持筒１７の内部には、主軸２０が挿通され、転がり軸受２１等を介して回転自在に支持されている。主軸２０の下端部は増速機１５に接続され、主軸２０の回転が増速機１５に入力される。主軸２０の上端部は、保持筒１７から上方に突出している。
【００１８】
主軸２０の上端部には連結プレート２２が固定され、この連結プレート２２に筒形状の第１回転軸２３の上端が連結されている。連結プレート２２は、第１回転軸２３の上端開口を実質的に塞いでいる。第１回転軸２３は、主軸２０と同心状に配置され、主軸２０と一体に回転する。保持筒１７の外周面と第１回転軸２３の下端内周面との間には転がり軸受６２が設けられている。第１回転軸２３の上端と下端には、径方向に延びる複数の腕部２４が回転方向に間隔をあけて設けられ、各腕部２４の先端にブレード（受風部）２５が取り付けられている。この第１回転軸２３、腕部２４、及びブレード２５によって揚力型風車１２が構成されている。
【００１９】
第１回転軸２３の上下方向中途部における径方向外側には、筒形状の第２回転軸３１が同心状に設けられている。この第２回転軸３１の外周面には、複数のブレード（受風部）３２が取り付けられている。この第２回転軸３１及びブレード３２によって抗力型風車１３が構成されている。また、第１回転軸２３の外周面と第２回転軸３１の内周面との間には、一方向クラッチユニット４０が設けられている。
【００２０】
図３に示されるように、揚力型風車１２と抗力型風車１３とは、風力（風向きを矢印ａで示す）を受けることによって矢印Ｘ方向に回転する。
一般に、抗力型風車１３は、小さな風力でも大きな回転トルクを得ることができ、起動性が良好となるが、揚力型風車１２は、風力が小さいと十分な回転トルクを得ることができず、起動性が悪くなる。したがって、両風車１２，１３が停止している状態から小さな風力が作用すると、抗力型風車１３の第２回転軸３１は好適に回転するが、揚力型風車１２の第１回転軸は回転しないか又は第２回転軸３１よりも低速で回転することになる。
【００２１】
一方、抗力型風車１３は、大きな風力が作用しても周速比を大きくすることができないが、揚力型風車１２は、大きな風力が作用することによって高い周速比を得ることができる。したがって、風力が大きいときには、揚力型風車１２の第１回転軸２３は高速で回転するが、抗力型風車１３の第２回転軸３１は、第１回転軸２３よりも低速で回転することになる。
【００２２】
本実施形態の一方向クラッチユニット４０は、上記のように風力が小さい場合など、第２回転軸３１の回転速度が第１回転軸２３の回転速度を上回る場合には、第１回転軸２３と第２回転軸３１とを一体回転可能に接続するように構成されている。したがって、抗力型風車１３によって得られた回転トルクで第１回転軸２３をも回転させ、揚力型風車１２の起動性を確保することができる。
そして、一方向クラッチユニット４０は、風力が大きい場合など、第１回転軸２３の回転速度が第２回転軸３１の回転速度を上回る場合には、第１回転軸２３と第２回転軸３１との接続を遮断するように構成されている。したがって、抗力型風車１３が抵抗となることなく揚力型風車１２を大きい周速比で高速回転させることができ、発電効率を高めることができる。
以上より、本実施形態の風力発電装置１０は、起動性と発電効率との双方を両立することが可能となっている。
【００２３】
以上のような一方向クラッチユニット４０の構成をより詳細に説明する。
図４は、風力発電装置１０に設けられた一方向クラッチユニット４０の縦断面図、図５は、風力発電装置１０に設けられた一方向クラッチユニット４０の横断面図である。
本実施形態の一方向クラッチユニット４０は、一方向クラッチ４１と転がり軸受４２とで構成されている。このうち一方向クラッチ４１は、内輪４４及び外輪４５と、この内輪４４の外周面（カム面４４ａ）と外輪４５の内周面４５ａとの間に配置された複数のころ（係合子）４６とを備えている。
【００２４】
内輪４４は、第１回転軸２３の外周面に嵌合されることによって固定されており、第１回転軸２３と一体に回転するようになっている。外輪４５は、第２回転軸３１の軸方向の中間部の領域によって構成されている。本実施形態では、第２回転軸３１の軸方向中間部が軸方向両端部に比べて若干小径に形成され、この小径に形成された部分が外輪４５を構成している。ころ４６は、円柱形状に形成され、周方向に間隔をあけて複数個設けられている。
【００２５】
一方向クラッチ４１は、各ころ４６を円周方向に沿って所定間隔毎に保持する環状の保持器４７と、各ころ４６を一方向に弾性的に付勢する複数の弾性部材（付勢部材）４８とをさらに備えている。保持器４７は、軸方向に対向する一対の円環部４７ａと、一対の円環部４７ａの間に架設され、周方向に複数設けられた柱部４７ｂとを有している。両円環部４７ａと周方向に隣接する柱部４７ｂとに囲まれた空間によってポケット４７ｃが構成されており、各ポケット４７ｃにころ４６が個別に収容されている。
【００２６】
柱部４７ｂは、周方向の一端面からポケット４７ｃ内に突出する突起部４７ｄを有し、この突起部４７ｄに弾性部材４８が遊嵌されることによって位置決めされている。弾性部材４８は、軸方向に細長く形成された圧縮コイルバネからなっているが、板バネ等の他の形式のバネであってもよい。
【００２７】
図５に示されるように、内輪４４の外周面にはころ４６と同数の平坦なカム面４４ａが形成されており、外輪４５の内周面４５ａは円筒面に形成されている。内輪４４のカム面４４ａと外輪４５の内周面４５ａとの間には、くさび状空間Ｓが周方向に複数形成されている。ころ４６は各くさび状空間Ｓに個別に配置されている。また、ころ４６は、弾性部材４８によってくさび状空間Ｓが狭くなる方向に付勢されている。ころ４６の外周面は、内輪４４のカム面４４ａ及び外輪４５の内周面４５ａに接触する接触面となっており、この接触面は幅方向（軸方向）に真っ直ぐに形成されている。
【００２８】
以上のように構成された一方向クラッチ４１では、第２回転軸３１が増速回転することによって、第２回転軸３１の回転速度が第１回転軸２３の回転速度を上回る場合には、外輪４５が内輪４４に対して一方向（図５の時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合、弾性部材４８の付勢力により、ころ４６はくさび状空間Ｓが狭くなる方向（図５の時計回り方向）へ僅かに移動して、ころ４６の外周面が内輪４４のカム面４４ａ及び外輪４５の内周面４５ａに圧接し、ころ４６が内外輪４４，４５の間に噛み合った状態となる。これにより、内外輪４４，４５は一体回転可能に接続される。
【００２９】
また、第２回転軸３１が増速回転後に一定速回転となり、第２回転軸３１の回転速度が、第１回転軸２３の回転速度と同一になった場合には、ころ４６が内外輪４４，４５の間に噛み合った状態で保持される。このため、一方向クラッチ４１は、内外輪４４，４５の前記一方向への一体回転を維持し、第２回転軸３１と第１回転軸２３とは一体回転し続ける。
【００３０】
一方、第１回転軸２３が増速し、第１回転軸２３の回転速度が第２回転軸３１を上回る場合には、外輪４５が内輪４４に対して他方向（図５の反時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合には、弾性部材４８の付勢力に抗して、ころ４６がくさび状空間Ｓが広くなる方向へ僅かに移動することにより、ころ４６と内外輪４４，４５との噛み合いが解除される。このように、ころ４６の噛み合いが解除されることで、内輪４４と外輪４５との接続が遮断される。
【００３１】
図４に示されるように転がり軸受４２は、一方向クラッチ４１の軸方向両側、すなわち上側と下側とに隣接して設けられている。転がり軸受４２は、軌道輪としての内輪５１及び外輪５２と、内輪５１と外輪５２との間に転動可能に配置された複数の玉（転動体）５３と、複数の玉５３の周方向の間隔を保持する保持器５４とを備えた深溝玉軸受からなる。
内輪５１は、外周に形成された内輪軌道面５１ａを有している。また、外輪５２は、内周に形成された外輪軌道面５２ａを有している。そして、玉５３は、内輪軌道面５１ａ及び外輪軌道面５２ａ上を転動する。
【００３２】
内輪５１は、その軸方向の一端面が一方向クラッチ４１の内輪４４の軸方向端面に当接している。また、外輪５２の軸方向の一端面は、第２回転軸３１の内周面に形成された段部３１ａに当接し、軸方向の他端面は第２回転軸３１の内周面に取り付けられた止め輪５６によって位置規制されている。外輪５２の一方向クラッチ４１とは反対側の端部には、内輪５１の外周面に摺接するシール部材５７が設けられている。なお、外輪５２は、一方向クラッチ４１の外輪４５と同様に、第２回転軸３１の一部によって構成されていてもよい。この場合、第２回転軸３１の軸方向両端部の内周面に外輪軌道面５２ａを形成すればよい。
【００３３】
以上のように一方向クラッチユニット４０は、一方向クラッチ４１の軸方向両側に並べて設けられた転がり軸受４２を備えているので、一方向クラッチ４１においてころ４６と内外輪４４，４５との噛み合いが解除されることにより、くさび状空間Ｓでころ４６と内外輪４４，４５との間に隙間が発生したときに、転がり軸受４２によって内輪４４及び外輪４５が互いに径方向に相対移動するのを防止することができる。したがって、風力発電装置１０の運転中に、第２回転軸３１が径方向にがたつくのを防止し、第１回転軸２３と第２回転軸３１とを安定して相対回転させることができる。
【００３４】
また、転がり軸受４２は、深溝玉軸受とされているのでラジアル荷重だけでなくアキシアル荷重をも支持可能である。そのため、第２回転軸３１の垂直方向の荷重を転がり軸受４２によって支持することができる。
【００３５】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置１０の概略側面図、図７は、図６に示される風力発電装置１０の要部の縦断面図である。
本実施形態の風力発電装置１０では、上側の腕部２４の一端が保持筒１７から突出する主軸２０の上部に接続されている。また、下側の腕部２４の一端は、保持筒１７の外周面に転がり軸受６３を介して回転自在に取り付けられた支持リング６１に接続されている。したがって、本実施形態では、主軸２０自体が揚力型風車１２の第１回転軸２３を構成している。
【００３６】
また、主軸２０の上端部には、一方向クラッチユニット４０を介して第２回転軸３１が設けられている。この第２回転軸３１は、上端部が覆板３１ｂによって塞がれており、全体として有底円筒状に形成されている。
本実施形態では、抗力型風車１３が揚力型風車１２に対して軸方向に外れた位置に配置されている。そのため、上下方向の高さが第１実施形態に比べて高くなるものの、一方の風車が他方の風車に対する風の流れを阻害してしまうことはない。また、本実施形態では、主軸２０自体を第１回転軸２３とすることができ、第１実施形態のように比較的大径で円筒形状の第１回転軸２３を設ける必要が無いので、風力発電装置１０の軽量化を図ることができる。
【００３７】
本発明は、上記の実施形態に限定されることなく適宜変更して実施可能である。
例えば、一方向クラッチユニット４０の転がり軸受４２は、一方向クラッチ４１の軸方向一方側のみに隣接して設けられていてもよい。また、転がり軸受４２は、一方向クラッチ４１との間に他の部材（例えば、スペーサ等）が介在した状態で並設されていてもよい。また、転がり軸受４２は、ラジアル荷重だけでなくアキシアル荷重を支持可能な他形式のもの、例えばアンギュラ玉軸受や円すいころ軸受等によって構成されていてもよい。
【００３８】
一方向クラッチ４１の内輪４４は、第１回転軸２３の一部によって構成することもできる。ただし、この場合、第１回転軸２３の外周面にカム面４４ａを形成する加工を行う必要があり、第１回転軸２３の構造が複雑となり、製造も困難となるため、第１回転軸２３とは別体の内輪４４を設けることがより好ましい。また、一方向クラッチ４１の外輪４５は、第２回転軸３１とは別体のものを設けてもよい。一方向クラッチ４１の係合子は、円筒ころ４６に限らず所謂スプラグであってもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０：風力発電装置、１２：揚力型風車、１３：抗力型風車、２３：第１回転軸、２５：ブレード（受風部）、３１：第２回転軸、３２：ブレード（受風部）、４０：一方向クラッチユニット、４１：一方向クラッチ、４２：転がり軸受
【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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