(57)【要約】【課題】  この発明は、弱風でも回転始動性、回転効率、軸トルクの優れたプロペラと、そのプロペラを装備した横軸風車を提供することを目的としている。【解決手段】  プロペラ風車において、プロペラ先端部を側面で先端方へ次第に薄くして、先端部を前向きに傾斜させて傾斜部が形成され、該プロペラの先端最大弦長が、プロペラ回転半径の２６％〜４０％の範囲に設定され、プロペラ受風部先端最大弦長部は、プロペラ軸に対して６度〜１５度の陰迎角になるよう、基部から次第に捩じれて設定されている、三次元プロペラ。  【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロペラ風車において、プロペラ先端部を側面で先端方へ次第に薄くして、先端部を前向きに傾斜させて傾斜部が形成され、
該プロペラの先端最大弦長が、プロペラ回転半径の２６％〜４０％の範囲に設定され、
プロペラ受風部先端最大弦長部は、プロペラ軸に対して６度〜１５度の陰迎角になるよう、基部から次第に捩じれて設定されていること、を特徴とする三次元プロペラ。
【請求項２】
プロペラ風車において、プロペラ先端部を側面で先端方へ次第に薄くして、先端部を前向きに傾斜させて傾斜部が形成され、
該プロペラの先端最大弦長が、プロペラ回転半径の２６％〜４０％の範囲に設定され、
プロペラ基部前面はプロペラ軸に対して略９０度、先端最大弦長部はプロペラ軸に対して６度〜１５度の陰迎角になるよう、次第に捩じれて設定され、
プロペラの横断面は、左背部が板厚の厚い弧状に設定され前面は左右へ略直線的に設定され、基部に固定部が形成され、固定部の垂直面に対してプロペラの縦中心部が、先端部を４度〜６度の範囲に後方へ傾斜されていること、を特徴とする三次元プロペラ。
【請求項３】
前記プロペラの横断面は、左背部が板厚の厚い弧状に設定され、前面は左右へ略直線的に設定されていること、を特徴とする請求項１．２の何れかに記載された三次元プロペラ。
【請求項４】
前記プロペラにおける基部の正面における左右幅は、先端最大弦長の２６％〜４０％相当範囲の幅に設定されていること、を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載された三次元プロペラ。    
【請求項５】
前記プロペラは、正面において縦中心線を中心として、右部を３０％、左部を７０％の割合に設定されていること、を特徴とする請求項１〜４の何れかに記載された三次元プロペラ。
【請求項６】
前記プロペラの傾斜部の高さは、プロペラの長さの１０％〜２０％の範囲を傾斜されていること、を特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載された三次元プロペラ。
【請求項７】
前記プロペラの傾斜部の傾斜角度は、プロペラの縦中心線に対して２５度〜４５度の範囲に傾斜されていること、を特徴とする請求項1〜６の何れかに記載された三次元プロペラ。       
【請求項８】
支柱上に旋回自在に筐体が配設され、筐体内に横設されたプロペラ軸の後部にプロペラが配設される風車において、ブロペラは、プロペラ先端部を側面で先端方へ次第に薄くして、先端部を前向きに傾斜させて傾斜部が形成され、
該プロペラの先端最大弦長が、プロペラ回転半径の２６％〜４０％の範囲に設定され、
プロペラ受風部先端最大弦長部は、プロペラ軸に対して６度〜１５度の陰迎角になるよう、基部から次第に捩じれて設定されていること、を特徴とする横軸風車。
【請求項９】
前記横軸風車において、プロペラは、基部に固定部が形成され、固定部の垂直面に対して、プロペラの縦中心部が、先端部を４度〜６度の範囲に後方へ傾斜されていること、を特徴とする請求項８に記載された横軸風車。
【請求項１０】
前記横軸風車は、筐体の左右側部に、支持翼を介して集風板が配設されていることを特徴とする、請求項８．９のいずれかに記載された横軸風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、三次元プロペラ並びに横軸風車に係り、特に低風速時における回転始動性と、回転トルクの優れた三次元プロペラと、これを使用した横軸風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プロペラ風力発電機の風車効率は、プロペラの受風面積掛ける風速の３乗に比例するとされている。従ってプロペラの受風面積を大きくするために、プロペラの長さを長くしている。また回転時の抵抗を小さくするために、プロペラの先端弦長は細くし、基部を幅広く設定している。
これは、風向きに対して、基部は迎角を持たせ、先端部はプロペラ軸に対して、略直角に設定しているためである。プロペラ先端部に迎角を持たせると、回転方向に対する厚みが増加して回転時の抵抗になる。基部に迎角を持たせてもプロペラ軸に近いので、回転時の抵抗になりにくいというもの。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、この従来形状のプロペラは、回転性は優れているが、回転遠心部での力が弱いために軸トルクが小さく、弱風では負荷をかけると回転し難い。従って、風速７ｍ／ｓ以上の風が吹かなければ発電しないという風力発電機が多い。
日本で７ｍ／ｓ以上の風が吹くことは年に数回で、特定の海岸部以外では、実用性に乏しいのが実情。
風力発電機は、４ｍ／ｓ以上の風が年間２０００時間以上吹かなければ、営業採算に合わないとされている。この条件に合う地理的条件のある場所は、国内では極限られた地区となる。従って、風速４ｍ／ｓ以下の風で、効率良く回転する風車が渇望されている。
発明者は、プロペラの先端部を前方に傾斜させて、傾斜部を形成したプロペラが、弱風時においても風を逃がさずに、回転効率を著しく増大させる自然法則を確認した。
この先端傾斜プロペラにおける最良の形状について、気流学上の研究を重ね、部位形状の変化における、風車効率の変化を確認するため、５００枚以上のプロペラの試作をし、実験を重ねた結果、基本的な数値と自然法則を確認することが出来た。
この発明は、弱風でも回転始動性、回転効率、軸トルクの優れた三次元プロペラと、そのプロペラを装備した横軸風車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】
【０００４】
この発明は、先端部に前向き傾斜の傾斜部を有するプロペラの先端弦長を、プロペラ回転半径の２６％〜４０％の範囲、好ましくは３０％〜３６％の範囲とした。
またプロペラ基部前面は、プロペラ軸に対して略９０度、先端最大弦長部はプロペラ軸に対して６度〜１５度の陰迎角とした。
発明の具体的な内容は次の通りである。
【０００５】
(1)   プロペラ風車において、プロペラ先端部を側面で先端方へ次第に薄くして、先端部を前向きに傾斜させて傾斜部が形成され、
該プロペラの先端最大弦長が、プロペラ回転半径の２６％〜４０％の範囲に設定され、
プロペラ受風部先端最大弦長部は、プロペラ軸に対して６度〜１５度の陰迎角になるよう、基部から次第に捩じれて設定されている、三次元プロペラ。
【０００６】
(２)  プロペラ風車において、プロペラ先端部を側面で先端方へ次第に薄くして、先端部を前向きに傾斜させて傾斜部が形成され、
該プロペラの先端最大弦長が、プロペラ回転半径の２６％〜４０％の範囲に設定され、
プロペラ基部前面はプロペラ軸に対して略９０度、先端最大弦長部はプロペラ軸に対して６度〜１５度の陰迎角になるよう次第に捩じれて設定され、
プロペラの横断面は、左背部が板厚の厚い弧状に設定され前面は左右へ略直線的に設定され、基部に固定部が形成され、固定部の垂直面に対してプロペラの縦中心部が、先端部を４度〜６度の範囲に、後方へ傾斜されている三次元プロペラ。
【０００７】
(3)  前記プロペラの横断面は、左背部が板厚の厚い弧状に設定され、前面は左右へ略直線的に設定されている、前記(1)(2)のいずれかに記載された三次元プロペラ。
【０００８】
(4)  前記プロペラにおける基部の左右幅は、先端最大弦長の２６％〜４０％相当範囲の幅に設定されている、前記(1)〜(3)の何れかに記載された三次元プロペラ。  
【０００９】
(5)  前記プロペラは正面において、縦中心線を中心として、右部を３０％、左部を７０％の割合に設定されている、前記(1)〜(4)の何れかに記載された三次元プロペラ。
【００１０】
(6)  前記プロペラの傾斜部の高さは、プロペラの長さの１０％〜２０％の範囲を傾斜されている、前記(1)〜(5)のいずれかに記載された三次元プロペラ。
【００１１】
(7)  前記プロペラの傾斜部の傾斜角度は、プロペラの縦中心線に対して２５度〜４５度に傾斜されている、前記(1)〜(6)の何れかに記載された三次元プロペラ。
【００１２】
(8)  支柱上に旋回自在に筐体が配設され、筐体内に横設されたプロペラ軸の後部に、プロペラが配設される風車において、ブロペラは、
プロペラ先端部を側面で先端方へ次第に薄くして、先端部を前向きに傾斜させて傾斜部が形成され、
該プロペラの先端最大弦長が、プロペラ回転半径の２６％〜４０％の範囲に設定され、
プロペラ受風部先端最大弦長部は、プロペラ軸に対して６度〜１５度の陰迎角になるよう、基部から次第に捩じれて設定されている、横軸風車。
【００１３】
(9)  前記横軸風車において、プロペラは、基部に固定部が形成され、固定部の垂直面に対して、プロペラの縦中心部が、先端部を４度〜６度の範囲に後方へ傾斜されている、前記(8)に記載された横軸風車。
【００１４】
(10)  前記横軸風車は、筐体の左右側部に、支持翼を介して集風板が配設されている、前記(9)(10)のいずれかに記載された横軸風車。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると次のような効果がある。
【００１６】
(1)  請求項１に記載された発明のプロペラは、先端部に傾斜部があるため、部分的に風を加速し集風効果がある。先端部の弦長が、プロペラの回転半径の２６％〜４０％に幅広く設定されているので、回転遠心部で多くの風を受けることが出来て、軸トルクを大きくすることができる。受風部はプロペラ軸に対して９度〜１５度の陰迎角に設定されているので、正面に受ける風は、受風面を加速されて回転後方へ通過するため、受風量が増加し、回転効率が増加する。また先端弦長が大きいため、回転時にプロペラの捩じれが生じにくく後流で渦が生じないため、回転時の騒音が生じにくい。
【００１７】
(2)  請求項２に記載された発明のプロペラは、プロペラの先端部が、後方寄りに傾斜しているため、受風部前面に受ける風は、基部から先端方向へ加速されて通過する。この結果、受風部前面には定時間内において他域よりも多くの風が当り、先端方へ通過するので、回転遠心部に対する受風力が増加し、軸トルクを増大せる。同時に傾斜部の集風力、受風部における陰迎角の集風力との相乗効果が、回転効率を高める。
【００１８】
(３)   請求項３に記載された発明のプロペラは、横断面が、背面右方に膨出部があるため、回転時に風切り性に優れ、背面域に負圧を生じさせることから、回転前部にある気流が加速されて回転後方へ通過する。
【００１９】
(4)  前記プロペラにおける基部の左右幅は、先端最大弦長の２６％〜４０％相当範囲の幅に設定されているので、軸回りの風抜け性に優れ、先端部の弦長を大きくすることができる。
【００２０】
(5)  請求項５に記載された発明のプロペラは、前面における中心線を中心にして左右が非対称形に設定され、回転前部が幅狭に設定されているので、板厚の厚い部分が回転前部にあり、その結果、陰迎角として回転後部を薄くし、先端の方の弦長を大きくすることができる。
【００２１】
(6)  請求項６に記載された発明のプロペラは、傾斜部の長さをプロペラの回転半径の１０％〜２０％にしたので、傾斜部の受風面積が垂直面よりも１．４倍も広くすることができる。その結果、この傾斜面を滑って通過する風の加速度を大きくし、それに伴う集風力を大きくすることができる。
【００２２】
(7)  請求項７に記載された発明のプロペラは、傾斜部の傾斜角度が小さいと、集風性が弱く、また４５度を超えると、傾斜面が狭くなるため受風面積が小さくなる。傾斜角度は３０度〜４５度が適している。
【００２３】
(8)   請求項８に記載された発明の横軸風車は、筐体の後部にプロペラが配設されているため、風向きが変化しても、敏感に風向きに対応することができる。プロペラは先端部に傾斜部が形成されているため、部分的に風を加速し集風効果がある。
先端部の弦長が、プロペラの回転半径の２６％〜４０％に幅広く設定されているので、回転遠心部で多くの風を受けることが出来て、軸トルクを大きくすることができる。
受風部はプロペラ軸に対して６度〜１５度の陰迎角に設定されているので、正面に受ける風は、受風部前面を加速されて回転後方へ通過するため、定時間内における受風量が増加し、回転効率が増加する。
【００２４】
(９)  請求項９に記載された発明の横軸風車は、プロペラが先端部を後方へ傾斜されているので、受風部前面に受ける風は、基部から先端方向へ加速されて通過する。
この結果、受風部前面には、定時間内において他域よりも多くの風が当り、先端方へ通過するので、回転遠心部に対する受風力が増加し、軸トルクを増大させる。同時に傾斜部の集風力、受風部における陰迎角の集風力との相乗効果が、回転効率を高める。
【００２５】
(10)  請求項１０に記載された発明の横軸風車は、筐体の左右側部に、支持翼を介して集風板が配設されているので、プロペラの直径より広い範囲の風を集めて、加速してプロペラに当てることが可能なので、回転効率を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
プロペラの先端部を傾斜させて傾斜部を形成する。先端弦長を大きくする。
【実施例１】
【００２７】
本願発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る三次元プロペラ（以下単にプロペラという）の正面図、図２はその右面図、図３は左側面図、図４は平面図である。
【００２８】
プロペラ(1)は、プロペラ軸(2)のボス(3)に、固定部(1a)がボルトなどで固定される。プロペラ(1)は、固定部(1a)の先部に受風部(1b)が設定される。
受風部(1b)は正面において、縦中心線（Ｃ）を中心として、右部を３０％、左部を７０％の割合の比率に配分される。これによって、回転前部の板厚を同じくすることができる。また受風部(1b)前面に陰迎角（風向きに対する傾斜で、回転方向に対して先部が風向き方向に傾斜している）をつけて捩ることができる。
【００２９】
受風部(1b)の先端部は、全体の１０％〜２０％の高さ部分が、傾斜部(1c)として設定される。傾斜部(1c)は、図２に示すように、側面で、先端方へ次第に薄く設定されて、前方へ傾斜されている。  
【００３０】
傾斜部(1c)の基端線（ｄ）は、プロペラ軸(2)を中心に回転するときの回転弧に合わせて設定されている。この位置におけるプロペラ(1)の先端最大弦長は、プロペラ(1)の回転半径の２６％〜４０％の範囲、好ましくは３０％〜３６％の範囲に設定される。
【００３１】
また傾斜部(1c)を除く受風部(1b)先端部の板厚は、弦長の１２％から２０％の範囲、また基部の最大板厚は弦長と同じか、３分の２までの厚さとすることができる。
すなわち、基部の前後幅が厚くても、回転速度が先端部よりも遅いので、抵抗がかかりにくい。基部の板厚を厚くすると、前面の迎角がゼロ度であっても、先端にかけての陰迎角は大きくなる。
【００３２】
このプロペラ(1)は、正面図に明らかなように、先端部の弦長が広く、基部は狭く設定されている。基部の幅は最大弦長の２６％〜４０％の範囲が好ましい。基部における幅は、図１における固定部(1a)の基端位置をさし、固定部(1a)側面を平行に切り上げることによって、受風部(1b)の基端部は湾曲面となる。プロペラ(1)の基部が幅狭なので、回転時における軸回りの風抜け性に優れている。
【００３３】
図２において、固定部(1a)はプロペラ軸(2)に直角に固定される。固定部(1a)の背面に平行垂直な縦中心線（Ｃ）に対して、プロペラ(1)の側縦心線（Ｅ）は、４度〜６度の範囲で、先端部を後方へ傾斜されている。この傾斜面によって、受風部(1b)前面に当る風は、プロペラ(1)の先端方へ加速されて通過する。
【００３４】
図２において、傾斜部(1c)は、その中心部が前記側縦心線（Ｅ）に対して２５度〜４５度の範囲で前向きに傾斜されている。この傾斜によって、傾斜部(1c)の受風面積は、垂直面よりも１．４倍に増加する。また２５度以下の傾斜度では、この面を滑る加速度が小さい。また４５度を超えると、直行に近ずくのでやはり加速度が小さくなる。
【００３５】
図３において、受風部(1b)の先端部では、図４に示すように、固定部(1a)の背面に平行な基準線（Ｆ）に対して、前面を６度〜１５度の陰迎角（Ｇ）に設定されている。すなわち、プロペラ(1)は図４において右側に回転するので、回転に伴う風圧は陰迎角（Ｇ）に直接当ることはなく、回転するプロペラ(1)にあたる風は、この陰迎角（Ｇ）に直接には当たらないが、回り込んで陰迎角（Ｇ）に沿って後方へ流れる。
【００３６】
図５は、横軸風車の側面図、図６は平面図である。横軸風車(4)は、支柱(5)の上に筐体(6)が旋回自在に配設されている。筐体(6)の中には図示省略したプロペラ軸が回転自在に横設されている。図中の符号(6a)は後蓋である。
【００３７】
プロペラ軸の前部には、図示しない発電器が連結され、プロペラ軸(２)の後部には、図２に示す状態でボス(3)が固定され、該ボス(3)に、プロペラ(1)の固定部(1a)がボルトで固定される。図５においてプロペラ(1)は２枚であるが、３枚にすることができる。筐体(6)内には風力発電機に必要不可欠な公知な機器、装置類が配設される。
【００３８】
上記のように構成されたプロペラ(1)と風車(4)は、次のような作用効果を有している。図５において、Ａ矢示風が吹くと、筐体(6)の表面を滑る風は、太い前部で圧縮され、速度を加速して細い後方へ通過する。支柱(5)よりも後方にプロペラ(1)があるので、風向きの変化にも、敏感にプロペラ(1)を風下に位置させる。
【００３９】
また、プロペラ(1)の正面に風を受けると、図７において、受風面(1b)は、先端部が後方に傾斜しているので、基端部から図の点Ｐ方向へ風が移動する。これは、風が抵抗の弱い方へ移動するためである。
【００４０】
図７において、傾斜部(1c)に当るＡ矢示風は、点Ｏ−Ｐへ至る風の時間と、Ｑ−Ｐを滑る風の時間とが同じため、点Ｏ−Ｐへ至る風の速度よりも、Ｑ−Ｐを滑る風の速度の方が早くなる。速度が早くなると空気密度が薄くなり、周囲よりも負圧になる。負圧になると、周囲の常圧風が急速に流れ込む。
【００４１】
このことから、傾斜部(1c)の傾斜面は、同一時間内に部分的に大量の風を呼び込む作用が生じる。すなわち、プロペラ(1)の受風面(1b)に同じ条件で当る風が、プロペラ(1)の三次元形状によって、部分的に風を集合させ、図７における点Ｐ分部に強い風力が作用するために、プロペラの(1)の回転効率が大きくなる。
【００４２】
また図８に示すように、点Ｒ−Ｓに至る風の時間と、Ｔ−Ｓを滑る風の時間が同じいので、点Ｒ−Ｓに至る風の速度よりも、Ｔ−Ｓを滑る風の速度が速くなる。その結果、プロペラ(1)の受風部(1b)に当る風は、周囲を抜ける風の速度よりも受風部(1b)に当って横滑りをする風の速度が早いため、この受風部(1b)前面に風を多く呼び込むことになる。
【００４３】
その結果、Ａ矢示風の速度が４ｍ／ｓより遅いものであっても、プロペラ(1)に当ると加速された風となり、特に傾斜部(1c)は弦長がプロペラ(1)の回転半径の２６％〜４０％と幅広いものに形成されているため、定時間内における風量が多く当り、梃子の原理で大きな軸トルクを生み出すことになる。  
【００４４】
このように、このプロペラ(1)は、先端部に傾斜部(1c)が形成されたために、部分的に風を多量に集合させる効果がある。
次に、先端弦長を、回転半径の２６％〜４０％の範囲と幅広くしたことにより、他部位より風の集合する部位の面積が広くなり、しかもプロペラ(1)の回転遠心部にあたるため、梃子の原理を有効に利用することができて、弱風でも軸トルクが大きくなる効果がある。
【００４５】
また、プロペラ(1)の基部に対して、受風部(1b)前面は先端部へかけて陰迎角（Ｇ）をつけたことによって、受風部(1b)に当る風を加速させて、回転後方へ通過させることによって、集風効果が得られた。
【００４６】
更に、プロペラ(1)を基部から先端部へかけて、後方へ傾斜させた事によって、受風部(1b)に当る風を、先端方へ加速して集めることが出来て、プロペラ(1)の遠心部での回転力を高めることができた。
【００４７】
このように、従来のプロペラは、風を受けて、その受けた風力で回転する、という単純なものであったが、このプロペラ(1)は、三次元形状によって、当った風がプロペラ前面で加速され、特定の部位に移動され、風を集合させることが出来るものである。
【００４８】
また、プロペラ(1)は、２枚構成風車と３枚構成風車の何れでもかまわないが、３枚構成よりも２枚構成の風車の方が、総体的に風車効率を高くすることができる。これは３枚構成の場合、受風量は多くなるが、回転時における風圧抵抗が３分の１多くかかり回転速度が２枚構成よりも低下するためといえる。
【実施例２】
【００４９】
第９図は、横軸風車の第２実施例を示す正面図、図１０はその平面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。
【００５０】
この実施例は、筐体(6)の左右側に支持翼(7)を介して、集風板(8)が配設されたものである。支持翼(7)は、板体が左右それぞれ上下に突設されている。支持翼(7)の形状は、風抵抗が小さく剛性に優れた、任意の形状にすることができる。
【００５１】
集風板(8)は、高さがプロペラ(1)の回転半径より高く、中央線（Ｌ）に対して前開きに設定され、後部はプロペラ(1)の側部を覆う位置に設定されている。中央線（Ｌ）に対する集風板(8)の傾斜角度は、２０度〜４５度の範囲に設定される。また正面で弧状に形成されている。
【００５２】
正面から風が吹く時、左右の集風板(8)の内側面に当る風は、後方のプロペラ(1)へ誘導される。集風板(8)が前横開きに傾斜されているので、多くの風が集められ、集風板(8)の内側面に沿って通過する風は、加速されてプロペラ(1)に当る。
【００５３】
集風板(8)が、例えばトンネル状に形成されている場合、トンネル内に入る風は流体の粘性により、抵抗を受けて通過し難いが、この集風板(8)は左右だけであるので、気圧変化も上下方向の開放間隙で解消され、抵抗を受けずに加速されて後方へ通過する。  
【００５４】
この発明は、前記実施例に限定されるものではなく、目的に沿って任意に設計変更をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
このプロペラは、弱い風速でも集風性、回転性に優れているので、風力発電機用に適している。  
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係るプロペラの正面図である。
【図２】本発明に係るプロペラの右側面図である。
【図３】本発明に係るプロペラの左側面図である。
【図４】本発明に係るプロペラの平面図である。
【図５】本発明に係る横軸風車の右側面図である。
【図６】本発明に係る横軸風車の平面図である。
【図７】風流を示すプロペラの右側面図である
【図８】風流を示すプロペラの平面図である。
【図９】横軸風車の第２実施例を示す正面図である。
【図１０】図９の平面図である。
【符号の説明】
【００５７】
(1)プロペラ
(1a)固定部
(1b)受風部
(1c)傾斜部
(2)プロペラ軸
(3)ボス
(4)横軸風車
(5)支柱
(6)筐体
(6a)後蓋
(7)支持翼
(8)集風板
（ｃ）縦中心線
（Ｅ）側縦心線
（Ｆ）基準線
（Ｇ）陰迎角
（Ｌ）中央線
【図１】
2006257886.tif 000003
【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】
2006257886.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006257886.tif 000011
【図１０】
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