(57)【要約】【課題】  本発明は、横軸風車並びにプロペラに係り、特に弱風環境でプロペラ回転始動性と高速回転性が優れ、風車効率の高い横軸風車並びにプロペラに関する。【解決手段】  支柱２上に旋回自在に支持された筐体３内に横設された、プロペラ軸４に、プロペラ６が配設された風車であって、筐体３の左右両側部に支持翼７を介して、長手向きのガイド板８が、垂直に配設された横軸風車１。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支柱上に旋回自在に支持された筐体内に横設されたプロペラ軸に、プロペラが配設された風車であって、筐体の左右両側部に突設された支持翼を介して、前後向きのガイド板が、垂直に配設されたことを特徴とする横軸風車。
【請求項２】
前記ガイド板は、正面視で上下端部が先端方へ次第に薄くされ、外方向もしくは内方向きのいずれかへ傾斜されて傾斜部が形成されていること、を特徴とする請求項１に記載された横軸風車。
【請求項３】
前記ガイド板は、主部横断面が、左右非対称形で、前部が厚く、後部は次第に薄く設定され、前後心線に対して内側面前縁部に大きな膨出部が形成されていること、を特徴とする請求項１．２のいずれかに記載された横軸風車。
【請求項４】
前記ガイド板は、前後心線が前部よりも後部が、軸心線に対して平面視で７度〜１７度の外開きに配設されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載された横軸風車。  
【請求項５】
支柱上に旋回自在に支持された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た風車であって、筐体の左右両側部に突設された支持翼を介して、前後向きのガイド板が、垂直に配設され、ガイド板は、上下端部が外方へ傾斜されて傾斜部が形成されていること、を特徴とする横軸風車。
【請求項６】
支柱上に旋回自在に支持された筐体内に横設された、プロペラ軸の前部に、プロペラが配設された風車であって、筐体の左右両側部に突設された支持翼を介して、前後向きのガイド板が、垂直に配設され、ガイド板は、上下端部が内方へ傾斜されて傾斜部が形成されていること、を特徴とする横軸風車。
【請求項７】
前記プロペラは、受風部先端部に基部から先端にかけて次第に薄く設定され、前向きに３０度〜４５度に傾斜された傾斜部が形成されていること、を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載された横軸風車。
【請求項８】
プロペラの正面において、縦心線の左右を７対３の割合として、プロペラの先端部の弦長を基部より広く設定するとともに、先端面を縦心線を頂点として左右に湾曲面とし、該プロペラ先端部を前方へ３０度〜４５度の範囲で傾斜させて傾斜部が形成されたことを特徴とするプロペラ。    
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、横軸風車に係り、特に弱風環境でプロペラの回転始動性と高速回転性が優れ、風車効率の高い横軸風車並びにプロペラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プロペラ風車は、風力発電機などに利用されている。風力発電機は大型化しているが、高速風が間断無く吹かなければ発電採算が良くない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
プロペラ風力発電機は、風速４ｍ／ｓ以上の風が年間２０００時間以上吹かなければ営業採算が合わないとされている。従って、風速４ｍ／ｓ以下の風でも回転し、しかも軸トルクを大きくすることが出来る風車が要望されている。またプロペラが高速回転すると、回転方向に旋回して向きを変えようとする力が作用する。
この発明は、低風速でも風車効率が高く、高速回転時にもプロペラが旋回して向きを変えない横軸風車を、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】
この発明の横軸風車は、筐体の両側部にガイド板を垂直に配設した。このガイド板によって集められた風は、高速で通過しプロペラを高速回転させる。またガイド板に沿って通過する風によって、筐体が風向方向に維持されるので、プロペラの回転に伴う旋回作用が抑止される。発明の具体的な内容は次の通りである。
【０００５】
(1)  支柱上に旋回自在に支持された筐体内に横設されたプロペラ軸に、プロペラが配設された風車であって、筐体の左右両側部に突設された支持翼を介して、前後向のガイド板が、垂直に配設された横軸風車。      
【０００６】
(2)  前記ガイド板は、正面視で上下端部が先端方へ次第に薄くされ、外方向もしくは内方向きのいずれかへ傾斜されて傾斜部が形成されている、前記(1)に記載された横軸風車。
【０００７】
(3)  前記ガイド板は、主部横断面が、左右非対称形で、前部が厚く、後部は次第に薄く設定され、前後心線に対して内側面前縁部に大きな膨出部が形成されている、前記(1)(2)のいずれかに記載された横軸風車。
【０００８】
(4)  前記ガイド板は、前後心線が前部よりも後部が、軸心線に対して平面視で７度〜１７度の外開きに配設されている、前記(1)〜(3)のいずれかに記載された横軸風車。  
【０００９】
(5)  支柱上に旋回自在に支持された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た風車であって、筐体の左右両側部に突設された支持翼を介して、前後向きのガイド板が、垂直に配設され、ガイド板は、上下端部が外方へ傾斜されて傾斜部が形成されている、横軸風車。
【００１０】
(6)  支柱上に旋回自在に支持された筐体内に横設されたプロペラ軸の前部に、プロペラが配設された風車であって、筐体の左右両側部に突設された支持翼を介して、前後向きのガイド板が、垂直に配設され、ガイド板は、上下端部が内方へ傾斜されて傾斜部が形成されている、横軸風車。
【００１１】
(7)  前記プロペラは、受風部先端部に基部から先端にかけて次第に薄く設定され、前向きに３０度〜４５度に傾斜された傾斜部が形成されている、前記(1)〜(6)のいずれかに記載された横軸風車。
【００１２】
(8)  プロペラの正面において、縦心線の左右を７対３の割合として、プロペラの先端部の弦長を基部より広く設定するとともに、先端面を縦心線を頂点として左右に湾曲面とし、該プロペラ先端部を前方へ３０度〜４５度の範囲で傾斜させて傾斜部が形成されたプロペラ。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、次のような効果がある。
【００１４】
(1)  請求項１に記載された発明の横軸風車は、風車の筐体の左右側に支持翼を介してガイド板が垂直に配設されているので、筐体と支持翼に沿って通過する風は、他域よりも加速されて通過し、プロペラの回転効率を高める。
ガイド板は筐体の後部にあるので、風を横から受けると筐体前部を風向方向に向ける。プロペラは、回転すると回転方向へ旋回しようとする力が作用するが、筐体の左右にあるガイド板でガイドされる風の通過速度が他域より早くなるので、風方向に維持される。
【００１５】
(2)  請求項２に記載された発明の横軸風車は、左右のガイド板が正面視で上下端部が外方へ傾斜されて傾斜部が形成されているので、風向きが変ると、早く風をつかみ、斜面を加速させて主部へすべらせるので、微風でも敏感に多くの風を集めて筐体の向きを変えさせることができる。
【００１６】
(3)  請求項３に記載された発明の横軸風車は、ガイド板の横断面が、左右非対称で、前部が厚く後部は次第に薄く形成されているので、この側面に沿って通過する風は、他域よりも加速されて通過して、プロペラに大きな回転力を与えるとともに、通過する高速風の方向性が強いために、プロペラの回転に伴い旋回作用が生じても、筐体を風向き方向へ安定して維持させる。    
【００１７】
(4)  請求項４に記載された発明の横軸風車は、左右のガイド板が後部を外向きに傾斜させて配設されているため、左右ガイド板の間を後方へ抜ける風は、抵抗をうけつつ開放された後方へ一気に抜けるため、加速されて抜けて、プロペラの回転効率を高めることができる。
【００１８】
(5)  請求項５に記載された発明の横軸風車は、プロペラが後部にあるために、支持翼に沿って通過する風は、加速され、更にガイド板の内側面に沿って加速されて後方のプロペラに当たるので、プロペラの回転効率を高くすることができる。またガイド板の上下端部が外方へ傾斜されているので、風向きの変化にも敏感に修正することができる。
【００１９】
(6)  請求項６に記載された発明の横軸風車は、プロペラが前部にあるため、プロペラにより生じた乱気流は、支持翼の上下に沿って加速されて後方へ抜けることができる。
ガイド板の上下端部が内方に傾斜されているので、支持翼の上下に沿って通過する風は傾斜部で囲まれて、通過速度を落とさずに通過する。
【００２０】
(7)  請求項７に記載された発明の横軸風車は、プロペラの先端部に前方へ傾斜した傾斜部が形成されているので、集風力に優れて回転効率が高まる。
【００２１】
(8)  請求項８に記載された発明のプロペラは、先端部が前方に傾斜されて傾斜部が形成されているので、集風性に優れ、揚力を高めることができる。傾斜部の傾斜前面に当る風は、受風部の主部へ高速で滑り、左側面に風を多く呼び込んで気流密度を高めて、プロペラの回転効率をたかめる。縦心線の左右を７対３の割合としてあるので、芯部が前にあり、この部分に膨出部があり、プロペラの回転時に風が後方へ加速されて通過し揚力がたかまる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
風車の筐体の左右側面に、支持翼を介して１対のガイド板が配設される。該ガイド板は、支持翼の上下に沿って加速される風を、後方へ導く。その結果、後方へ加速されて抜ける風は、方向性があるため、プロペラの回転に伴って生じる旋回作用が抑止され、また後方へ加速されて抜ける風は、プロペラの回転効率を高める。
【実施例１】
【００２３】
本発明の実施例を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る実施例１の横軸風車の正面図、図２は平面図、図３は側面図である。
【００２４】
横軸風車(1)は、支柱(2)の上に旋回自在に筐体(3)が配設されている。筐体(3)は図示するように、左右対称で前部が太く、後部へ次第に細く形成されている。前部寄りの筐体(3)下部は、下方へ突出して支柱(2)に旋回自在に支持されている。図中の符号(3a)は後蓋である。支柱(2)は可及的に筐体(3)の前位置が好ましい。  
【００２５】
該筐体(3)の中には、図２に示すように、プロペラ軸(4)が回転自在に、長手に沿って横設されている。該プロペラ軸(4)の後部には、ボス(5)を介してプロペラ(6)が配設されている。プロペラ軸(4)の先方部には、図示しない変速機、発電器などが配設されると風力発電機となる。筐体(3)の内部には、風速計、回転速度計、自動制御器その他風力発電機に必要不可欠な公知の装置機器類が配設される。
【００２６】
プロペラ(6)は、図１に示すように、受風部(6b)の正面は、基部よりも先端縁部の方が、幅広く設定されている。最大幅は、プロペラ(6)の回転半径の２０％〜４５％まで、広くすることができる。またプロペラ(6)の先端部は、図２，図３に示すように、側面で先端方向へ次第に薄く設定され、前方へ傾斜されて傾斜部(6a)が形成されている。該傾斜部(6a)の自由端方への長さは、回転半径の１０％以内が好ましい。
【００２７】
該傾斜部(6a)の傾斜度は、プロペラ(6)の長手方向に対して３０度〜４５度で、４０度〜４５度が好ましい。またプロペラ(6)の受風部(6b)前面は、図５に示す軸心線（Ｌ）に対して９０度〜１００度に設定される。これは抗力型の向きであるが、回転時に抵抗が小さく揚力が大きく得られる。
【００２８】
従来のプロペラと、この傾斜部(6a)が形成されたプロペラとを、同じ条件で回転実験させると、風速４ｍ／ｓで、従来型は回転しないが、このプロペラは風が当ると直ちに高速回転した。また同じ条件で発電させると、従来型が２１０ｗ／ｔなのに、本プロペラでは４５０ｗ／ｔが記録された。
【００２９】
なおプロペラ(6)は、受風部(6b)の中ほどから基端部へかけて左側面を軸心線（Ｌ）に対して傾斜させて、斜側面(6c)を形成することができる。斜側面(6c)の傾斜度は、図５において軸心線（Ｌ）に対して１００度〜１５０度である。
【００３０】
横軸風車(1)は、図１．２に示すように、筐体(3)正面の左右側部に、略水平に支持翼(7)が配設されている。該支持翼(7)の縦断面は、上下対称形が好ましい。支持翼(7)の縦断面は、略翼形で後部は薄く形成される。支持翼(7)の平面形は、強度の関係で、基部が幅広に形成され、左右突出長さは、プロペラ(6)の回転半径より長く設定されている。
【００３１】
支持翼(７)の各先端部に、ガイド板(8)が左右対称に配設されている。ガイド板(8)は、図１に示すように、正面視で、主部(8a)を垂直として中心部が支持翼(7)に固定されている。主部(8a)の横断面は、図２に示すように左右非対称形で、左右ガイド板(8)のそれぞれ内側面は、外側面よりも膨出度が大きい。
【００３２】
ガイド板(8)の側面は、図３に示すように、前とがりの略５角形で、後部は垂直に設定される。主部(8a)の上下端部は、図１に示すように、正面視で先端にかけて次第に薄くされて、外向きに傾斜されて傾斜部(8b)が形成されている。該傾斜度は垂直に対して２５度〜４５度である。
【００３３】
ガイド板(8)は、平面視では図２に示すように、前後線（Ｓ）は軸心線（Ｌ）に対して、後方が離れる方向へ傾斜させる。その前後線（Ｓ）の傾斜角度は、軸心線（Ｌ）に対して７度から１７度に配設される。またガイド板(8)の後部は、図２に示すように、プロペラ(6)の側方を覆う位置まで延設されている。ガイド板(8)の高さは、プロペラの回転直径より短くて良いが、半径を超える長さが好ましい。支持翼(7)とガイド板(8)とはＦＲＰで一体成形をすると、剛性と精度を高く維持することができる。
【００３４】
以上のように構成されたこの発明の横軸風車(1)は、風が吹くと、ガイド板(8)に風を受けて、筐体(3)前部を風上に向ける。筐体(3)に当って表面に沿って後方へ抜ける風は、筐体(3)の太い前部で圧縮されて細い後方へ抜けるので、他域よりも高速度で通過する。前部が厚く後部が薄い支持翼(8)の、上下面に沿って後方へ通過する風は、他域よりも高速で通過する。
【００３５】
左右ガイド板(8)の間を通過する風は、ガイド板(8)の内側面が膨出しているので、この膨出面を通過する風は加速されて通過する。またガイド板(8)の前後心線（Ｓ）後部が外向きに傾斜しているので、ガイド板(8)に前から当たる風は、膨出部で抵抗を受けつつ気流密度をたかめ、開放された後方へ加速されて一気に抜ける。これによってプロペラ(6)は、他域よりも高速で通過する風を受けることになり、回転効率が高まる。
【００３６】
ガイド板(8)を仮に円筒形にすると、円筒形のガイド板の中を風が通過し難い。これは、流体の粘性その他の抵抗によるもので、この発明においては、筐体(3)の左右両側だけにガイド板(8)があり、風は上下に抜けることが出来るため、部分的に気圧が低くなっても、高速で後方へ通過することができる。
【００３７】
気圧は高い方から低い方へと流れ、速度が早まると負圧になる。従って、ガイド板(8)で風を捕捉しようとすると抵抗がかかり風圧があがるので風速は低下する。一般的には風圧をあげてプロペラに当てようとするが、風圧を下げることによって風速をたかめ、風流量をあげる方が回転効率を高めることができる。
【００３８】
また、ガイド板(8)の内側面に沿って通過する気流は、加速されているので、方向性をもっており、筐体(3)は風向き方向へ維持され、プロペラ(6)の回転に伴ってプロペラ(6)が、回転方向へ旋回しようとする力が吸収されて、筐体(3)が風向きに安定して保持される。
【００３９】
風向きが変化した時、ガイド板(8)は、上下端部に傾斜部(8b)があるために敏感に風を受けて変向をさせる。すなわち、傾斜部(8b)に風があたると、傾斜面(8b)を滑る風が、ガイド板(8)の中心部方向へ加速されて移動するため、多くの風を呼びこんで、微風でも容易に筐体(3)を風上に向ける。
【００４０】
図４において、プロペラ(6)の受風部(6b)正面方向から吹くＡ矢示風は、傾斜部(6a)前面に当ると、傾斜部(6a)の前傾斜面を高速で受風部(6b)へと滑る。これは抵抗の小さな方へ気流が流れるためである。図４における点Ｏ−Ｐ間の距離よりも、点Ｑ−Ｐ間の距離が長いために、点Ｏ−Ｐ間を通過する風の風速よりも、点Ｑ−Ｐ間を滑る風の速度の方が早くなる。
【００４１】
風速が早くなると空気密度が薄くなり、周囲より負圧になる。負圧になると、周囲から常圧の風が傾斜部(6a)前面に部分的に多く集中する。すなわちこの傾斜部(6a)は、他域よりも部分的に、風を多く集合させる作用を有している。
【００４２】
傾斜部(6a)前面に集まる風は、抵抗の少ない受風部主部(6b)に進み、左側面から背面へ抜ける。すなわち傾斜部(6a)は定時間内に他域より多く風があたるため、空気密度が高まり、空気密度の常態の受風部(6b)へと流れて、受風部(6b)左側背後へと抜ける。
【００４３】
このように、プロペラ(6)の傾斜部(6a)は、集風性に優れて、受風と同時にプロペラ(6)前面における気圧、気流を瞬時に変化させる作用があり、プロペラ(6)の受風部(6b)前面左側において、後方に風が高速で抜ける特徴がある。
【００４４】
その結果、プロペラ(6)受風部(6b)前面の左側を、後方へ抜ける風の量が、プロペラ前面の右側を抜ける風よりも、定時間内で多くなるため、プロペラ(6)は、空気密度の小さな右方の回転方へ引かれて、回転揚力が高まる。斜側面(6c)を通過する風は、プロペラ(6)を回転方向へ押すという効果を生む。
【００４５】
また、図５に示すプロペラ(6)は、横断面が左右非対称で、そのまま先端方へ薄くして傾斜させた傾斜部(6a)は、回転時において、内面よりも外面を通過する風の速度が早くなり、傾斜部(6a)の外面域が負圧になり、負圧方向に回転揚力が生じる。
【００４６】
回転するプロペラ(6)は、回転に伴いプロペラ(6)主部の前後を通過する風は、図５において、膨出の大きい背面を通過する風の速度の方が早くなるので、背面右部方向に向く揚力（回転推力）が生じる。
【実施例２】
【００４７】
図６は、実施例２を示す横軸風車の正面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。
この実施例２は、図示するように、支持翼(7)を左右それぞれ上下２枚として、筐体(3)の軸心線から略放射方向へ突設させて、筐体(3)の左右でそれぞれ上下の支持翼(７)を介して、ガイド板(8)が固定されたものである。この実施例２では、ガイド板(8)の高さが高い物について、安定して支持させることができる。  
【００４８】
図７は、実施例３を示す横軸風車の正面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。この実施例３は、ガイド板(8)の傾斜部(8b)を内側に傾斜させたものである。この態様では、支持翼(7)の上下面に沿って通過する加速された気流を、内向きの傾斜部(8b)が上下方向に逃がさない。
【００４９】
プロペラ(6)が回転すると、プロペラ(6)の前面域で気流が停滞して、後方に抜けにくくなる。するとプロペラの回転効率が低下するので、プロペラ(6)の側部から早く後方へ風を通過させることが欠かせない。
【００５０】
その点、本発明においては、筐体(3)の前にプロペラ(6)を配設した場合でも、プロペラ(6)によって生じる渦流を、支持翼(7)によって加速させて、ガイド板(8)の内向きの傾斜部(8b)で囲うように通過させるので、加速された風が散逸しないで後方へ高速で通過するため、風抜けがよくなり、プロペラの回転効率が高まる。
【００５１】
プロペラ(6)は図７に示すように、縦心線（Ｔ）の左右を７対３に設定されている。先端面は、縦心線（Ｔ）の部分が頂点となって湾曲面に形成されている。これは、右方回りで回転するとき、傾斜部(6a)の外面の膨出がこの部分で強いため、回転時に回転後方への通過風流が加速されて回転効率がよい。
【００５２】
なお、この発明は前記実施例に限定されるものではなく、目的に沿って適宜設計変更をすることができる。例えば筐体(3)の上部に長手に沿う舵板を配設することができる。また各実施例の一部をそれぞれ組合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
低風速で回転始動性にすぐれ、高い風車効率が得られるので、小型風力発電機として利用するとき、低風速の環境で、風車効率の良い風力発電をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る実施例１を示す横軸風車の正面図である。
【図２】本発明に係る実施例１を示す横軸風車の平面図である。
【図３】本発明に係る実賜例１を示す横軸風車の側面図である。
【図４】本発明に係る実施例１を示す横軸風車のプロペラ左側面図である。
【図５】図４における横軸風車のプロペラの平面図である。
【図６】本発明に係る実施例２を示す横軸風車の正面図である。
【図７】本発明に係る実施例３を示す横軸風車の正面図である。
【符号の説明】
【００５５】
(1)横軸風車
(2)支柱
(3)框体
(3a)後蓋
(4)プロペラ軸
(5)ボス
(6)プロペラ
(6a)傾斜部
(6b)受風部
(6c)斜側面
(7)支持翼
(8)ガイド板
(8a)主部
(8b)傾斜部
(8c)斜側面
（Ｌ）軸心線
（Ｓ）前後心線
（Ｔ）縦心線
【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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