(57)【要約】【課題】  風車において、回転軸に加わる撓み現象を低減させ、スムーズな回転を実現する。【解決手段】  上下を軸受部２，２に回転可能に軸受された鉛直な回転軸３と、回転軸３の周囲に固定配置された翼形断面の複数、例えば３枚の回転羽根８とを備えた風車において、各回転羽根８は、回転軸３に対し、その回転軌跡が円錐の壁面に沿った形状に回転すべく、水平面に対して所定角度α、好ましくは水平面に対して５１〜６０°傾斜して取付けられるものである。【選択図】      図１
2006057492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも下部を軸受部に回転可能に軸受された鉛直な回転軸と、回転軸の周囲に固定配置された翼形断面の１ないし複数の回転羽根とを備えた風車において、前記回転羽根は、回転軸に対しその回転軌跡が円錐の壁面に沿った形状に回転すべく、所定角度傾斜して取付けられるものであることを特徴とする風車。
【請求項２】
前記回転羽根が回転軸回りに等間隔で３〜４枚設けられていることを特徴とする請求項１記載の風車。
【請求項３】
前記回転羽根の傾斜角度が水平面に対し３０〜８０°の傾斜角度に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の風車。
【請求項４】
前記回転羽根が上部側で幅狭で、下部側に向けて幅広となる略台形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の風車。
【請求項５】
前記回転軸を共通として、回転羽根をその周囲に多段に配置したことを特徴とする請求項１，２，３，４のいずれか１つに記載の風車。
【請求項６】
請求項１，２，３，４，５のいずれか１つに記載の風車を備えた風力発電装置であって、前記回転軸が回転伝達機構を介して発電機の入力軸に連結していることを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車及びこの風車を用いた風力発電装置に関し、特にジャイロミル形風車における軸受部の負荷を低減させた構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロミル形風車として、下記特許文献１に示す風車がある。この風車は、鉛直な回転軸の周囲に翼形断面をした複数の回転翼を回転軸と平行に配置したものであり、風向に対して回転翼は常時揚力を生ずる方向におかれ、プロペラ形風車に比べて、風向面に向けた旋回や可変ピッチなどの複雑な機構を組込む必要がなく、翼形による揚力により、風向に関わらず常時一方向二回転するため、風向変化が激しい場所での使用に好適であり、かつ発電装置として利用した場合には、垂直軸形であるため、発電機を地上に設置できるなどの利点もある。
【特許文献１】特開２００３−２０６８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この構造の風車にあっては、羽根面に直接当る風の力により、上部側ほど回転軸を撓ます力が強くなり、例えば回転羽根が２枚の場合には、一回転中に２回回転軸の軸線に直交する風力に応じた衝撃が繰返し加わり、これによって撓み、それが振動となって上下の軸受部に余分な負荷を与える原因となっており、軸受、及び軸端の消耗や、これに伴う消耗部品の交換を頻繁に行わなければならなかった。
【０００４】
本発明は、以上の課題を解決するためのもので、回転軸に加わる撓み現象を低減させ、スムーズな回転を実現できる風車を提供することを目的とするとともに、このような風車を備えた風力発電装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するため、本発明の請求項１記載の風車は、少なくとも下部を軸受部２に回転可能に軸受された鉛直な回転軸３と、回転軸３の周囲に固定配置された翼形断面の１ないし複数の回転羽根８とを備えた風車において、前記回転羽根８は、回転軸３に対しその回転軌跡が円錐の壁面に沿った形状に回転すべく、所定角度傾斜して取付けられるものであることを特徴とする。
【０００６】
本発明の請求項２記載の風車は、請求項１記載の風車において、前記回転羽根３６が回転軸３１回りに等間隔で３〜４枚設けられていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項３記載の風車は、請求項１又は２記載の風車において、前記傾斜角度αが水平面に対し３０〜８０°、好ましくは５１〜６０°の傾斜角度に設定されていることを特徴とする。なお、前記回転羽根が、等間隔に３枚である場合には、前記傾斜角度αを約６０°とし、４枚である場合には５１〜５２°が好ましい。
【０００８】
本発明の請求項４記載の風車は、請求項１又は２又は３記載の風車において、前記回転羽根４６が上部側で幅狭で、下部側に向けて幅広となる台形状に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項５記載の風車は、請求項１，２，３，４のいずれか１つに記載の風車において、前記回転軸２０を共通として、回転羽根８，３６，４６をその周囲に軸線方向に多段に配置したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項６記載の風力発電装置は、請求項１，２，３，４，５のいずれか１つに記載の風車１，３０，４０を備えた風力発電装置であって、前記回転軸３，２０，３１，４１が回転伝達機構を介して発電機の入力軸に連結していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上本発明の請求項１記載の風車によれば、回転羽根を回転軸に対して所定角度傾斜させ、回転軌跡が円錐の壁面に沿うような形状としたので、風を受けると、空気の流れが、回転羽根の傾斜した面に沿って上方に流れ、これによって羽根面の受ける風力による回転軸に対する衝撃力が緩和されることとなる。そしてこのことから、回転軸の振動や軸受部の消耗を低減でき、騒音などの発生を抑制でき、スムーズな回転を実現でき、回転効率が向上することとなる。
【００１２】
請求項２記載の風車によれば、回転翼が３〜４枚で等間隔とされることにより、スムーズな回転を実現することが可能となる。
【００１３】
請求項３記載の風車では、傾斜角が水平面に対し３０〜８０°の範囲であることで、回転軸の上端に対する風による衝撃の緩和が行われ、すなわち、上述したように空気の流れが、回転羽根の傾斜した面に沿って上方に流れ、これによって羽根面の受ける風力による回転軸に対する衝撃力が緩和されることとなるとともに、回転羽根の回転効率が向上し、バランスよく回転が行われることとなる。
【００１４】
請求項４記載の風車では、回転羽根の形状を、上部側で幅狭とし下部側で幅広となる略台形状としたことで、周速変化に応じた面積変化となり、周速の早い上部側で幅狭で、周速の遅い下部側が広くなり、これにより、回転羽根に対して、無理な力が加わることなく、スムーズな回転を実現できる。
【００１５】
請求項５記載の風車では、回転軸の軸線方向に、回転羽根を多段に配置することで、１つの回転軸で、その軸線方向に大きく風を受けることを可能とし、また、設置位置に対して風を受ける高さ位置の許容範囲が大きくなり、これにより、回転効率が向上することとなる。
【００１６】
請求項６記載の風力発電装置では、上記した風車を備えることで、回転がスムーズであり、風力発電装置として好適なものが得られる。特に、回転羽根を回転軸に対して所定角度傾斜させ、回転軌跡が円錐の壁面に沿うような形状としたので、風を受けると、空気の流れが、回転羽根の傾斜した面に沿って上方に流れ、これによって羽根面の受ける風力による回転軸に対する衝撃力が緩和されることとなり、このことから、回転軸の振動や軸受部の消耗を低減でき、騒音などの発生を抑制でき、スムーズな回転を実現でき、回転効率が向上することとなるので、効率よく発電が行えることとなる。また、多段構成の風車を備えた風力発電装置とした場合には、設置位置に対して風を受ける高さ位置の許容範囲が大きくなり、発電効率の良好な発電装置が得られることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下本発明の最良の実施の形態につき添付図面を参照して説明する。
図１，２は本発明を三枚羽根の風車に適用した第１実施形態を示し、図１は風車の平面図を（ａ）、一部断面側面図を（ｂ）に、図２は同風車の軸受部を除く単体を示す斜視図である。
各図において、風車１は、上下を軸受部２に回転可能に軸受された鉛直な回転軸３と、回転軸３の上下に固定されたボス部４，５と、各ボス部４，５の外周に放射状に突設された支持アーム６，７と、各支持アーム６，７の先端に上下を連結された回転羽根８を備えている。本実施の形態では、図１に示すように、支持アーム６，７は、回転軸３を中心に１２０°間隔でそれぞれ３つで構成され、回転羽根８は、これら支持アーム６，７の先端に取り付けられ、３枚で構成されている。
【００１８】
この実施の形態では、回転羽根８は、ガラス繊維やカーボン繊維などで強化された樹脂、所謂ＦＲＰや、中空アルミ合金体などの軽量高強度素材からなり、図示のごとく非対称、または対称の翼形断面をなし、かつ長手方向同一幅となっており、いずれの風向の風を受けてもこの翼形断面に応じた揚力が作用し、図１（ａ）中矢印に示す一方向回転を行うようになっている。
【００１９】
そして、上部側のアーム６の長さは、下部側アーム７の長さより短く、この結果、各回転羽根８は上部側に向けて水平面に対し所定角度αでハの字形に傾斜し、回転時には円錐の壁面に沿うような軌跡で回転を行うようになっている。
【００２０】
また、図１（ｂ）に示すように、上記した風車１の回転軸３の下部は、発電機１０の入力軸と兼用とされ、地上部に設置された発電機１０に、回転羽根８の回転に応じて発電機１０に起電力を生じさせて発電させるための風力発電装置として機能させている。なお、図示しないが、発電機１０としては、例えば、回転軸３の下端に水平な円板が設けられ、円板の下面の周縁部分に等間隔に複数の磁石を配設し、この円板の下方に各磁石に対向する位置とされて複数のコイルを周方向に配設した構成などとされる。このような発電機では、低回転時でも発電が可能であり、損失が少ない。
なお、風車１の回転軸３の下部を、傘歯車などの回転伝達機構を介して地上部に横臥状態に設置された発電機の入力軸に連動連結する構成とし、回転羽根８の回転に応じて発電機に起電力を生じさせて発電させるための風力発電装置としてもよい。このような場合の風力発電装置としての他の必要な機能、例えば減速機構、調速機構、回転軸３に対し入切を行うためのクラッチ機構などが備えられていることは勿論である。
【００２１】
以上の構成において、前記各回転羽根８のハの字形の傾斜角αは、水平面に対し３０〜８０°、好ましくは５１〜６０°の範囲に設定することが望ましい。
この理由は、傾斜角αが３０°を下回った場合には、傾斜面に沿った空気の流れが大である反面、回転動力を発生するために必要な羽根面に当る風量が小さくなり、回転効率が低下するからである。
その逆に傾斜角αが８０°を上回った場合には、羽面面に直接当る風量が大となり、回転軸２の上部側を撓ませる力が大きく働くからである。
そして、このような構成の風車１によれば、設置側である下端側の回転軸３と回転羽根８との間隔を大きくし、上方の障害物などの無い空間部分側を上端側として回転軸３と回転羽根８との間隔を小さくしたので、風を受けた際に、風の抜ける方向が上端側となり、このようなことからも、風車としての回転効率の向上が見られるものである。
なお、上記の実施の形態において、回転羽根８を３枚とする場合には、各回転羽根８を稜線とし、これら稜線と、各回転羽根８の下端同士を結ぶ仮想線がそれぞれ正三角形を形作るような、すなわち正四面体状に構成されることが好ましい。
【００２２】
したがって、以上の角度範囲に設定することによって、回転効率を低下させない範囲で、回転軸３の撓みによる振動を防止して、軸受部２に加わる負荷を低減させ、風車１として理想的な回転状態を得ることができるのである。また、このような風車１を備えた風力発電装置によれば、風向きがどの方向からとなっても、確実に風車１が回転し、また振動などを起こさずにスムーズに回転することから、回転効率が良く、発電機１０の出力を十分に得ることが可能となる。
【００２３】
なお、図２においては前記上下の軸受部２を省略しているが、回転軸３の上下に前記軸受部２及びこれを支持するブラケットを設けるとともに、風車１の周囲を通風性のあるフレームなどで囲うことによって、回転部分に対する干渉を防止できる。
【００２４】
また、以上の実施形態では、風車１の回転により発電機１０を駆動して起電力を生ずるようにしているが、回転動力を直接的な駆動源として対象となる動力機構を駆動してもよいし、小形の風車の場合にはディスプレイモデルの駆動源として用いることもできる。
【００２５】
図３は前記風車を三連とした場合の第２実施形態を示す。
この実施形態では、回転軸２０が長尺であるほかは、前記第１実施形態と同様であるから、同一部分には同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態では、回転軸２０の長手方向の上部、中間部及び下部外周にそれぞれ、３組の風車１が取付けられている。
【００２６】
この構成において、図示のごとく各風車１の回転羽根８の各取付角度をその回転中心から３０°ずつずらすことによって、すなわち、回転軸２０に対し、放射状に突出する支持アーム６，７を、上部、中間部、下部のそれぞれの位置で全て同方向に突出するのではなく、その突出を３０°ずつずらして、それぞれに回転羽根８を設けることにより、風向きに対して、上・中・下の各回転羽根８が同じ向きにならず、スムーズな回転を得ることができる。また、このように上下に三連とした場合には、回転軸２０に加わるたわみが大きくなるため、上部、中間部及び下部にそれぞれ軸受部を配置することにより、回転軸２０に対する支持剛性を高めることができる。
【００２７】
このような、多段構成とすることで、１つの回転軸２０で、その軸線方向に大きく風を受けることを可能とし、また、設置位置に対して風を受ける高さ位置の許容範囲が大きくなり、これにより、回転効率が向上することとなる。そして、このような多段構成の風車を備えた風力発電装置とした場合には、発電効率の良好な発電装置が得られることとなる。
【００２８】
なお、同様にして二連、または４連以上を連結して用いることも可能であることは勿論である。
【００２９】
図４（ａ），（ｂ）は本発明を４枚羽根形の風車に適用した場合の第三実施形態を示すものである。
図において、この風車３０は、上下を軸受部（図示せず）に軸受された鉛直な回転軸３１と、回転軸３１の上下に固定されたボス部３２，３３と、各ボス部３２，３３の外周に９０°間隔で放射状に突設された４つの支持アーム３４，３５と、各支持アーム３４，３５の先端に上下を連結された第１実施形態と同様の翼形断面で上下同一幅の４枚の回転羽根３６とを備えているほかは、第１実施形態と同様であり、かつ回転羽根３６のハの字形傾斜角度範囲も前記と同様に設定されている。
【００３０】
したがって本実施形態では、受圧面積が第１実施形態に比べて一枚分多いため、更に効率的な回転を行うことができる。なお、この４枚羽根形の場合、水平面に対する羽根の傾斜角度αを、５１〜５２°と設定することが好ましい。そして、上記の実施の形態において、回転羽根３６を４枚とする場合には、各回転羽根３６を稜線とし、各回転羽根３６の下端同士を結ぶ仮想線を正方形を形作るような設定として、すなわちピラミッド形状に構成されることが好ましい。
【００３１】
なお、この第三実施形態においても、前記第２実施形態のごとく、回転軸を共通として複数連結することが可能である。
【００３２】
図５（ａ），（ｂ）は、本発明を回転羽根の形状を変化させた場合に適用した第四実施形態を示すものである。
図において、この風車４０は、上下を軸受部（図示せず）に軸受された鉛直な回転軸４１と、回転軸４１の上部に設けた円盤状の第１のボス部４２と、中間部に設けた同じくこれより大形の円盤状の第２のボス部４３と、下部に設けた第３のボス部４４と、第３のボス部４４の外周に１２０°間隔で放射状に突設された３つの支持アーム４５と、及びこれらの周囲にハの字形傾斜角度で固定された回転羽根４６を備えている。
【００３３】
回転羽根４６は翼形断面をなし、かつ上部が狭く、下部側に向けて漸次幅広となる略台形状となっており、その頂部は前記第１のボス部４２の下部周縁に直接固定され、中間部内面は第２のボス部４３の周囲に連結され、下部が前記各支持アーム４５に連結されたものであり、全体として傘をつぼめたような形状に形成されている。
【００３４】
なお、以上の構成以外は、第１実施形態と同様であり、かつ回転羽根４６のハの字形傾斜角度範囲も前記と同様に設定されている。
【００３５】
この構成では、回転翼４６の断面はその傾きによる周速変化に応じた面積変化となっており、周速の早い上部側で幅狭で、周速の遅い下部側が広くなっているため、無理な力が加わることなく、スムーズな回転を実現できる。
【００３６】
本実施形態においても、４枚ないしそれ以上の回転羽根としてもよいし、また第２実施形態のごとく回転軸を共通として複数連結することも可能である。
【００３７】
なお、上述した各実施の形態では、回転軸３（２０，３１，４１）を、上下の軸受部２，２で支持する構成として説明したが、本発明の風車によれば、風を受けても回転軸が振動しにくいことから、回転軸と回転羽根との間隔の大きい側である下部の軸受部２のみで支持する構造としても可能である。
【００３８】
また、上述した実施形態では、回転羽根８（３６，４６）の構成として、ＦＲＰ等を用いて翼形断面とした例を挙げたが、この回転羽根の構成としては、剛性のある棒状枠体に、帆布や合成樹脂繊維素材のシート材を張って構成される回転羽根としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の風車の第１実施形態を示す風車の平面図を（ａ）に、この風車を備えた風力発電装置の概略側面図を（ｂ）に示した説明図である。
【図２】同風車の軸受を除く風車単体を示す斜視図である。
【図３】同風車を三連とした場合の第２実施形態を示す風車単体の斜視図である。
【図４】本発明の風車を４枚羽根とした場合の第２実施形態を示す平面図を（ａ）に、風車単体の斜視図を（ｂ）に示した図である。
【図５】本発明の風車を回転羽根の形状を変化させた場合の第４実施形態を示す風車の平面図を（ａ）に、風車単体の斜視図を（ｂ）に示した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１，３０，４０…風車
２…軸受部
３，２０，３１，４１…回転軸
８，３６，４６…回転羽根
９…回転伝達機構
１０…発電機
１０ａ…入力軸
α…傾斜角度
【図１】
2006057492.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006057492.tif 000006
【図５】
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