(57)【要約】      （修正有）【課題】従来技術では、風車ブレードの回転角度を制御するための機構の構成部材が、公転軸と機械的に連結されており、必然的に装置が複雑且つ大型なものとならざるを得ず、然も、公転軸との接触により該公転軸の回転力を弱めることにもなってしまっている。従って、公転軸から切り離しての風車ブレードの回転角度の制御を可能とする技術を提供する。【解決手段】単歯歯車６ａで相隔てた、液体充填用の円弧状の二部屋６Ｒ１、６Ｒ２内の前記流体が前記単歯歯車の回転により相反的に増減する機構を有し、前記単歯歯車の回転軸を風車ブレード軸４ｂと１対１に直結してなる特殊ポンプ６と、前記特殊ポンプの流体の出入口６ｅ、６ｆに電磁開閉弁１３及び電動流量調整弁１４を相並列に配管してなる流体回路とを有する風車ブレード５の回転角度制御装置である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直立位で回転する公転軸と、該公転軸に上下一対として複数対が周設された軸支杆と、該軸支杆の各対に挟持された風車ブレード軸で軸支されて回転する風車ブレードとを有する風車における前記風車ブレードの回転角度を制御するための、風車ブレードの回転角度制御装置であって、
単歯歯車で相隔てた、流体充填用の円弧状の二部屋内の前記流体が前記単歯歯車の回転により相反的に増減する機構を有し、前記単歯歯車の回転軸を風車ブレード軸と１対１に直結してなる特殊ポンプと、
前記特殊ポンプの流体の出入口に電磁開閉弁及び電動流量調整弁を相並列に配管してなる流体回路とを有することを特徴とする風車ブレードの回転角度制御装置。
【請求項２】
前記風車の公転円周上を公転する自転軸である前記風車ブレード軸の周りで正転逆転を繰り返す前記風車ブレードの回転角度を遅れさせ前記風車ブレードに揚力を発生させて前記風車の回転力に変えることを特徴とする請求項１に記載の風車ブレードの回転角度制御装置。
【請求項３】
直立位で回転する公転軸と、該公転軸に上下一対として複数対が周設された軸支杆と、該軸支杆の各対に挟持された風車ブレード軸で軸支されて回転する風車ブレードとを有する風車において、請求項１又は２に記載の風車ブレードの回転角度制御装置を設置したことを特徴とする風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車ブレードの回転角度制御装置及び風車に関し、詳しくは、直立位で回転する公転軸と、該公転軸に上下一対として複数対が周設された軸支杆と、該軸支杆の各対に挟持された風車ブレード軸の各々に軸支されて回転する風車ブレードとを有する風車、即ち一般に垂直軸風車の名で種別される風車における、前記風車ブレードの回転角度（＝公転周速度方向に対するブレード厚み中心線の角度）を制御するための、風車ブレードの回転角度制御装置、及び、該風車ブレードの回転角度制御装置を設置した風車に関する。
【０００２】
従来、垂直軸風車としては例えば特許文献１〜６等に開示された構成のものが知られている。
特許文献１には、自転しつつ公転する複数枚の羽根（＝風車ブレード）と、この羽根の回転軸に各々設けられた歯車と、風車の主軸に設けられた歯車とからなり、前記歯車が遊星歯車又はチェーンによって連結された構成が示されている。
【０００３】
特許文献２には、公転主軸の周囲に対称に且つ回転自在に配設した一対の風車ブレードと、該風車ブレードの下端中央位置から各々延設された自転軸と、該自転軸に各々設けられた歯車と、前記公転主軸の下部に設けられた歯車と、この歯車に配設された方向舵とからなり、前記の両歯車がタイミングベルトによって連結された構成が示されている。
特許文献３には、太陽軸（＝公転軸）の周囲に複数本の遊星軸（＝自転軸）を公転可能に設け、該複数本の遊星軸にそれぞれ羽根（＝風車ブレード）をその角度を異ならせて取付け、かつ該複数本の遊星軸を一公転につき該公転と同じ向きに半回自転するように該太陽軸に関連づけた連動機構を設け、該遊星軸の公転力を出力として取り出すようにした風車が開示されている。
【０００４】
特許文献４には、回転自在な公転軸と、該公転軸に複数対設けられた軸支杆と、該軸支杆に遊星軸を介して回転自在に各々取り付けられ且つ受風手段（＝風車ブレード）を有する遊星軸枠と、前記遊星軸の下端部に各々形成された遊星軸ベベルギアと、各遊星軸ベベルギアに連結手段を介して各々連結され且つ前記公転軸の下端部に形成された風向ベベルギアとからなる風車が開示されており、特に、前記連結手段を両端にベベルギアを有するベベルギアシャフトとすることで、風車の大型化、大出力化を可能とすることが開示されている。
【０００５】
特許文献５には、風車タワーに回転自在に立設されている公転軸と、該公転軸の周りに上下１対として複数対固定された軸支杆と、上下１対の軸支杆に風受羽根軸を介して回転自在に支持された風受羽根（＝風車ブレード）を複数枚有し、複数枚の風受羽根が公転軸周りに公転する風車において、所定の凹凸曲面で形成された周縁を有するカムと、該カムの中心部を貫通して回転軸が該カムと固定されかつ中空の公転軸上部に回転自在に支持された風向計と、各風受羽根の上の軸支杆に搭載され、前記カムの周縁にばねで接触されるカムローラをシリンダロッド先端に取り付けた液体シリンダと、各風受羽根の上、下どちらか一方の軸支杆に搭載され、前記シリンダロッドの移動に伴い、該液体シリンダから出入りする液体の量によって所定の角度だけモータ軸が回転する特殊液圧モータと、を具備し、該特殊液圧モータのモータ軸が一方の軸支杆側の風受羽根軸とされ、もしくは一方の軸支杆側の風受羽根軸と直結され、該特殊液圧モータに液体を出入りさせる液体シリンダとの間に液回路を設け、該液回路を、連通配管と、該連通配管の途中に設けた電磁開閉弁とで構成したことを特徴とする風受羽根の方向制御装置が開示されている。これによれば、公転軸の周りに公転する風車の駆動力を利用して、カムの周縁にばねで接触されるカムローラをカム周縁に対し前進・後退移動させ、液体シリンダを駆動するようにし、液圧特殊モータで風受羽根の方向制御を行うようにしたから、風受羽根で風を効率よく受けることができ、かつ省電力化も図ることができ、また更に、逆転と停止も容易に行えるという効果が期待される。
【０００６】
特許文献６には、公転軸と、該公転軸の周りに上下１対として複数対固定された軸支杆と、上下１対の軸支杆に風車ブレード軸を介して回転自在に支持された複数枚の風車ブレードと、を有する風車における、風車ブレードの制御方法であって、前記風車ブレード軸に設けたブレーキ兼クラッチにて、強風乃至暴風時以外の時に、前記公転軸の１回転ごとに前記複数枚の風車ブレードの各々に対し前記ブレーキ兼クラッチの上歯の歯先が下歯の溝内から外れない範囲で、少なくとも２回のブレーキオフを行うことにより前記風車ブレードの角度を調整することを特徴とする、風車ブレードの制御方法が開示されている。これによれば、風車自体をシンプルな構造とすることができ、平常時は無論のこと、強風乃至暴風が吹く異常時でも風車を停止させず、風車の負荷である発電機等を高い出力効率で運転することができると云う効果が期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５５-１３１５８５号公報
【特許文献２】特開昭５７-３７２号公報
【特許文献３】特開昭５７-５６６７４号公報
【特許文献４】特開平１１-１１７８５０号公報
【特許文献５】特許第５００３９７７号公報
【特許文献６】特開２０１２-１１２３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年環境問題が大きくクローズアップされてきており、風車においては運転時の振動と騒音が大きな問題となってきている。この問題を解決するために、風車自体を、例えば歯車およびシリンダ等の機構部をできるだけ除いた、シンプルな構造とすることが望まれている。
しかしながら、前記従来の風車においては、何れも、公転軸に連結されて、自転しつつ公転する複数枚の風車ブレードの回転角度を制御するための機構の構成部材が、公転軸と機械的に連結されており、そのため、必然的に装置が複雑且つ大型なものとならざるを得ず、然も、公転軸との接触により該公転軸の回転力を弱めることにもなってしまっていると云う課題があった。
【０００９】
本発明は、前記課題を解決し、風車ブレードの回転角度を制御する機構を公転軸から切り離して、風車自体をよりシンプルな構造とし、且つ風向及び風速に応じて各風車ブレードを、風車にとって最も効率（発電効率）のよい方向に向け、逆転と停止も自在に行える、制御性に優れた風車ブレードの回転角度制御装置、及びこれを設置した風車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】
【００１０】
本発明者は、前記課題を解決する手段について鋭意検討した。その結果、１本歯の歯車（＝単歯歯車）で相隔てた、流体充填用の円弧状の二部屋内の前記流体が前記単歯歯車の回転により相反的に増減する機構を有する特殊ポンプを各風車ブレード軸に直結し、且つ流体回路にて前記流体の流れを調整することで、前記課題が解決され得る事を知見し、本発明を成すに至った。
【００１１】
即ち本発明は、以下の通りである。
（１）  直立位で回転する公転軸と、該公転軸に上下一対として複数対が周設された軸支杆と、該軸支杆の各対に挟持された風車ブレード軸で軸支されて回転する風車ブレードとを有する風車における前記風車ブレードの回転角度を制御するための、風車ブレードの回転角度制御装置であって、
単歯歯車で相隔てた、流体充填用の円弧状の二部屋内の前記流体が前記単歯歯車の回転により相反的に増減する機構を有し、前記単歯歯車の回転軸を風車ブレード軸と１対１に直結してなる特殊ポンプと、
前記特殊ポンプの流体の出入口に電磁開閉弁及び電動流量調整弁を相並列に配管してなる流体回路とを有することを特徴とする風車ブレードの回転角度制御装置。
（２）  前記風車の公転円周上を公転する自転軸である前記風車ブレード軸の周りで正転逆転を繰り返す前記風車ブレードの回転角度を遅れさせ前記風車ブレードに揚力を発生させて前記風車の回転力に変えることを特徴とする前記（１）に記載の風車ブレードの回転角度制御装置。
（３）  直立位で回転する公転軸と、該公転軸に上下一対として複数対が周設された軸支杆と、該軸支杆の各対に挟持された風車ブレード軸で軸支されて回転する風車ブレードとを有する風車において、請求項１又は２に記載の風車ブレードの回転角度制御装置を設置したことを特徴とする風車。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、平常運転時には電磁開閉弁を閉とし、電動流量調整弁の開度調節により流体回路の抵抗を強めて風車ブレード軸の回転を遅らせることで揚力の発生を促し、風車の効率を向上させることができる。一方、強風時及び暴風の吹く非常時には電磁開閉弁を開とすることで、特殊ポンプの二部屋の出入口同士が相直通し、流体回路の抵抗が微小となって各風車ブレードは風向と平行な方向に揃い、揚力を失って風車を止める。
【００１３】
前記特殊ポンプ及び前記流体回路は公転軸と切り離されており、構造がシンプルである。
よって、本発明によれば、回転角度制御装置の構造がシンプルで且つ公転軸との干渉も無く、各風車ブレードの回転角度を高精度且つ容易に制御する事ができる。又、風車自体もその構造を簡素化でき、出力効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る風車の構造の概要を示す立体図である。
【図２】本発明に係る風車における、(ａ)公転軸頂部付近の概要を示す一部切欠側面図、及び、（ｂ）軸支杆の概要を示す一部切欠平面図である。
【図３】本発明に係る特殊ポンプ及び流体回路の概要を示す立体図である。
【図４】本発明に係る風車の平常運転時と電磁開閉弁が開の時との公転円周上の各位置での風車ブレードの状態を示す平面図である。
【図５】本発明に係る風車における風車ブレードの公転角度と自転角度の関係を示す曲線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について説明する。尚、図面は、風車１の風車ブレード５が１２０°間隔の３枚である場合を例として示すが、風車ブレード５が４枚以上である場合にも本発明は適用できる。
図１、図２、図３に示す様に、風車１は、直立位で回転する公転軸２と、該公転軸２に上下１対として複数対が周設された軸支杆３ａ、３ｂと、該軸支杆３ａ、３ｂの各対に挟持された風車ブレード軸４ａ、４ｂで軸支されて回転する風車ブレード５とを有する。
【００１６】
公転軸２は適宜の長さを有する中空の軸となっており、その要所が軸受７ａ、７ｂを介して風車タワー８に回転自在に支持されており、風車１全体を支えている。また、公転軸２は、その下部に固設された平歯車２ａを有し、これと噛合いする平歯車２ｂを介して出力軸２ｃに連結されており、この出力軸２ｃには図示しない発電機、揚水ポンプ等の出力機器が連結される。
【００１７】
風車１の頂部の風向計９は公転軸２の回転に関係なく自在に回転可能であり、暴風時に風車ブレード５の回転角度制御の基準にする位置（＝回転角度制御基準位置。後述するＡ地点）を決める為に使用される。尚、９ａは風向計回転軸、９ｂは風向計軸受、１０は前記回転角度制御基準位置を示す目印、１１は目印１０の通過を検出するセンサである。このセンサ１１は公転周速度検出にも利用される。
【００１８】
風車ブレード軸４ａの軸支杆３ａによる被支持部には、風車ブレード５の自転角度を検出する回転センサ１２が配設されている。
更に、図１に示す様に、各軸支杆３ｂの下面には、本発明に係る風車ブレード５の回転角度制御装置（以下、本発明装置と略記する）の構成部材である特殊ポンプ６が固設されている。
【００１９】
特殊ポンプ６は、図３に一例を示す様に、歯を１本のみ有する歯車である単歯歯車６ａで相隔てた、流体充填用の円弧状の二つの部屋６Ｒ１、６Ｒ２内の流体が前記単歯歯車６ａの回転により相反的に増減する機構を有し、単歯歯車６ａの回転軸を風車ブレード軸４ｂと１対１に直結してなる。図３の例では、部屋６Ｒ１、６Ｒ２は１つの筐体６ｂに内蔵し、各部屋の円弧長方向の一端を筐体６ｂ内に設けた凸部６ｃで封鎖し、他端を単歯歯車６ａの歯６ａ１で封鎖した。単歯歯車６ａの回転中、凸部６ｃ先端面は単歯歯車６ａの歯６ａ１部位を除いた残りの外周面上を摺動可能であり、又、歯６ａ１先端面は部屋６Ｒ１、６Ｒ２の外径面上を摺動可能である。
【００２０】
単歯歯車６ａが回転すると歯６ａ１で押された流体は、前記回転が風車ブレード５側から見て反時計回り（＝左回り）であると、部屋６Ｒ１から流出して部屋６Ｒ２へ流入し、逆に時計回り（＝右回り）であると、部屋６Ｒ２から流出して部屋６Ｒ１へ流入する。即ち、部屋６Ｒ１、６Ｒ２内の流体は単歯歯車６ａの回転により相反的に増減する。
本発明では、特殊ポンプ６に加えて更に、特殊ポンプ６の流体の出入口６ｅ、６ｆ（６ｅは部屋６Ｒ１、６ｆは部屋６Ｒ２と通じる）に電磁開閉弁１３及び弁の開度を検出可能な電動流量調整弁１４を相並列に配管（詳しくは、配管１５ａ、１５ｂにて互いに並列に接続）してなる流体回路２０を有する。
【００２１】
前述した構成の本発明装置によれば、風車１の平常運転時（強風時及び暴風の吹く非常時以外の時期における運転時）、流体回路２０の電磁開閉弁１３を閉として、特殊ポンプ６の歯車６ａが右回りすると部屋６Ｒ２から歯６ａ１の押した分量の流体が吐出されるが、電動流量調整弁１４で流路を絞ると、流体の通過に時間がかかり、当然部屋６Ｒ２は加圧、部屋６Ｒ１は減圧となる。よって、風車ブレード５の回転も遅れ、風車ブレード５の受ける風圧が高くなる。この風圧が揚力となり風車１を回転させる。公転軸２が１周する毎に風車ブレード５から見た風向が２回変わり、流体も電動流量調整弁１４に出入りする向きが交互に反転し、これに伴い風車ブレード５の方向が変化する。
【００２２】
一方、強風時及び暴風の吹く非常時には電磁開閉弁１３を開とすれば部屋６Ｒ１と部屋６Ｒ２は相直通し、流体回路２０の抵抗は微小となって、風車ブレード５は受ける風圧が最小となる方向に回転する。故に風車ブレード５は風向と平行な方向に揃うようになり、公転の原動力になる揚力が失われて、風車１は一定時間後に回転を停止する。
尚、本発明装置に用いる流体は、液体であることが好ましい。
【００２３】
次に、本発明装置を用いた風車ブレード５の回転角度制御方法の実施の形態の詳細について、図４を参照して説明する。図４は、前述と同様、風車ブレード５は公転軸２の周りに１２０°間隔で３枚配置した場合の例であるが、これに限らず、２枚以上であれば適宜選定することができる。
まず、運転時に公転円周上の各位置を占めたときの風車ブレード５の方向について説明する。ただし風はＷ方向に吹いているものとし、その風速は通常のものとする。
【００２４】
ここで説明を容易にするため、公転円周上の風車ブレード５の各位置に名前付けを行う。風車ブレード５は、風を受けて上方から見て時計回り又は反時計回りに自転するものとし、その公転円周上の風上位置をＣ地点とする。そして、公転円周上に反時計回りに９０°の位置をＡ地点とし、Ａ地点から時計回りに４５°毎に、順次Ｂ地点、Ｃ地点というように風向に対する各地点を定めＡ地点から３１５°の位置すなわち、Ａ地点から反時計回りに４５°の位置をＨ地点とする。なお、この風上を基準とした各地点の名称は以下同一地点を同一名称として説明する。
【００２５】
電磁開閉弁１３が開のとき（図４では二点鎖線）、Ａ地点での風車ブレード５の方向は風向と平行となる（風圧の受圧面積が最小となる）。次にＢ地点からＨ地点へと回転（公転）するが、風車ブレード５は周速度方向と風向方向Ｗの合成方向に傾き、最終的には常に風の吹く方向と平行となる。
次に平常運転時におけるＡ地点での風車ブレード５は、公転軸心とＡ地点を結ぶ線上では角度が９０°となるが風車ブレード５の中心線を０°に置き換えるものとする。Ｂ地点に来ると電磁開閉弁１３が開のときは風車ブレード５の中心線は周速度と風の速度Ｗの合成方向と平行の角度β１°となる。
【００２６】
平常運転時には（図４では実線）風車ブレード５の回転はβ１°よりも遅れてα１°となる。Ｃ地点では更に遅れてα２°になると同時に風の向きが追い風に変わり風車ブレード５の自転は時計回りに変わる。遅れを戻しながらＤ地点に入り、角度α３°はα１°に近い角度に戻る。Ｅ地点では更に戻り、角度は０°となる、但し公転しているので風車ブレード５の向きは反対となる。そして、回転しながらＦ地点に次いでＧ地点に入る。Ｇ地点で向かい風に変わり、風車ブレード５の自転は反時計回りに変わる。そして、自転しながらＨ地点を経て最初のＡ地点に戻り、風車ブレード５の角度は０°に復帰し、以下、上述の過程の繰り返しとなる。
【００２７】
図５は電動流量調整弁１４の開閉による風車ブレード５の公転角度に対する自転角度の関係を示す曲線図であり、縦軸は公転円周上の各地点の位置に対応する角度である公転角度、横軸は自転角度である。自転角度＝０°に重なるｃ線は電動流量調整弁１４が全閉（電磁開閉弁１３も閉）のときに対応し、風車ブレード５は自転しない。即ち風車ブレード５は拘束され又は固定されたと同じ状態で公転する。
【００２８】
高低差（波形の振幅）の大きいｈ線は電磁開閉弁１３を開にしたときの曲線、ｉ線は電動流量調整弁１４の開度調整をしたときの曲線である。
強風時及び暴風時の風車１の運転方法は、風車１の回転数が一定回転数超に上がる（前記センサ１１で検出）と非常時のように電磁開閉弁１３を開とすれば風車１は停止状態に移行して回転数は下がる、この状態では風車１は慣性で回転し、風車ブレード５は周速度方向と風向方向Ｗの合成方向に平行な方向をとる。
【００２９】
何れか１つの風車ブレード５のＡ地点通過時（前記センサ１１で検出）の風車１の回転数が一定回転数以下に下がる（前記センサ１１で検出）と電磁開閉弁１３を閉にすれば平常運転状態に移行する。残りの風車ブレード５も順次Ａ地点に入り次第、電磁開閉弁１３を閉とすれば平常運転状態に戻る。故に電磁開閉弁１３の開、閉を繰りかえせば、強風時にも風車１を停止することなく発電機の最大出力で運転できる。風車１の負荷が発電機以外の機器である場合も同様である。
【符号の説明】
【００３０】
１  風車
２  公転軸
２ａ、２ｂ  平歯車
２ｃ  出力軸
３ａ、３ｂ  軸支杆
４ａ、４ｂ  風車ブレード軸
５  風車ブレード
６  特殊ポンプ
６ａ  単歯歯車
６ａ１  歯
６ｂ  筐体
６ｃ  凸部
６ｅ、６ｆ  出入口
６Ｒ１、６Ｒ２  部屋
７ａ、７ｂ  軸受
８  風車タワー
９  風向計
９ａ  風向計回転軸
９ｂ  風向計軸受
１０  回転角度制御基準位置を示す目印
１１  目印１０の通過を検出するセンサ
１２  回転センサ
１３  電磁開閉弁
１４  電動流量調整弁
１５ａ、１５ｂ  配管
２０  流体回路
【図１】
2014227920.tif 000003
【図２】
2014227920.tif 000004
【図３】
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【図４】
2014227920.tif 000006
【図５】
2014227920.tif 000007