(57)【要約】【課題】表面積が大きくなっても重量が過大にならず、小さな風圧でも容易に回転できる軽量で且つ高強度のサボニウス型風車を提供する。【解決手段】断面ほぼ円弧形である一対の翼体Ｗ１，Ｗ２と、係る一対の翼体Ｗ１，Ｗ２の上・下の両端に固定される端部板１１，１２と、係る端部板１１，１２に固定される回転軸７，７と、を含み、上記一対の翼体Ｗ１，Ｗ２は、互いに平行で断面ほぼ円弧形である一対の表面板２０ａ，２０ｂと、これらの間に接合される一定厚さのハニカムコア材（芯材）１７と、を備えたハニカムサンドイッチパネルからなる、サボニウス型風車１。【選択図】  図３
2006170063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼体をハニカムサンドイッチパネルにより形成した、
ことを特徴とするサボニウス型風車。
【請求項２】
断面ほぼ円弧形である複数の翼体と、
上記複数の翼体の一端または両端に固定される端部板と、
上記複数の翼体における一端または両端の端部板に固定される回転軸と、を含み、
上記複数の翼体は、互いに平行で断面ほぼ円弧形である一対の表面板と、これらの間に接合される一定厚さの芯材と、を備えたハニカムサンドイッチパネルからなる、
ことを特徴とするサボニウス型風車。
【請求項３】
前記端部板は、サンドイッチパネルからなる、
ことを特徴とする請求項２に記載のサボニウス型風車。
【請求項４】
前記芯材は、円筒状のアルミニウム合金の薄板からなり直径が縮径可能である多数の単位セルを敷き並べた形態である、
ことを特徴とする請求項２または３に記載のサボニウス型風車。
【請求項５】
前記翼体における前記一対の表面板のうち、風圧を受け入れる凹面板の外側面は、平面方向に沿って多数のディンプルが形成されている、
ことを特徴とする請求項２乃至４の何れか一項に記載のサボニウス型風車。
【請求項６】
前記翼体の表面板に形成されるディンプルは、ロウ付け方法によりハニカムサンドイッチパネルを形成するに際して、加熱により軟化する表面板を弾性部材にて押圧することにより前記各単位セル材の内側に変形することで形成されている、
ことを特徴とする請求項５に記載のサボニウス型風車。
【請求項７】
前記端部板は、一対のほぼ半円形部を点対称に連設した形状である、
ことを特徴とする請求項２乃至６の何れか一項に記載のサボニウス型風車。
【請求項８】
前記複数の翼体と前記端部板とからなる回転体は、円盤状を呈する一対の上・下板、これらの間に配設される複数の棒状の柱、および上・下板の中間で且つ隣接する柱間に連結されるリングからなるケーシングの内側に配置されると共に、上・下板の中心部に設けられる軸受により、上記端部板が回転可能に支持される、
ことを特徴とする請求項２乃至７の何れか一項に記載のサボニウス型風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電などに適用され軽量で高強度のサボニウス型風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
サボニウス型風車は、２枚または３枚以上の断面円弧形を呈する回転翼を回転軸に対して対称に配置し、径方向などからの風圧により回転することで、発電などに活用されている。上記複数枚の回転翼には、一般に、金属板を曲げ加工した形態のものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２５０４４４号公報（第１〜５頁、図１）
【０００４】
また、金属製の厚板を断面円弧形で且つ翼形に切削したり、係る断面形状のキャビティに鋳造して回転翼を形成する方法も検討されている。
しかしながら、金属板を曲げ加工した前記回転翼や、切削あるいは鋳造により成形した上記回転翼は、表面積が大きくなるに連れて重量が過大となるため、小さな風圧では回転しにくくなる、という問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前述した背景技術における問題点を解決し、表面積が大きくなっても重量が過大にならず、小さな風圧でも容易に回転できる軽量で且つ高強度のサボニウス型風車を提供する、ことを課題とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するため、回転翼を一対の表面板とこれら間に接合された芯材とからなるサンドイッチパネルにより形成する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明のサボニウス型風車（請求項１）は、翼体をハニカムサンドイッチパネルにより形成した、ことを特徴とする。
また、本発明のサボニウス型風車（請求項２）は、断面ほぼ円弧形である複数の翼体と、係る複数の翼体の一端または両端に固定される端部板と、複数の翼体における一端または両端の端部板に固定される回転軸と、を含み、上記複数の翼体は、互いに平行で断面ほぼ円弧形である一対の表面板と、これらの間に接合される一定厚さの芯材と、を備えたハニカムサンドイッチパネルからなる、ことを特徴とする。
【０００７】
これらによれば、複数の翼体がハニカムサンドイッチパネルからなるため、これらと端部板を含む回転体を軽量化できる。また、心材の厚さが一定のため、製作も容易となる。このため、翼体の表面積が大きくなっても重量が過大にならず、小さな風圧でも容易に回転できるため、風力発電などを効果的に行えると共に、耐久性にも優れ且つ設置コストの回収も容易とすることができる。例えば、従来の翼体は、半径５００ｍｍ×軸方向の長さ７００ｍｍ位であったが、本発明によれば、半径１０００〜１８００ｍｍ×軸方向の長さ１３００〜２５００ｍｍの翼体とすることも可能である。
【０００８】
尚、前記翼体の断面ほぼ円弧形には、断面ほぼ半円形、断面ほぼ弓形、断面への字形などの形態が含まれる。また、複数の翼体は、一対（２枚）を対点称に配置する形態のほか、３枚以上を同様に配置する形態も含むと共に、これら複数の翼体は、地面に対し軸方向が垂直に配置するほか、地面に対し軸方向が平行に配置する形態も含まれる。更に、前記ハニカムサンドイッチパネルに用いる一対の表面板は、アルミニウム合金板、鋼板、ステンレス鋼板、あるいはチタン合金板が用いられる。上記アルミニウム合金板の場合、比較的高融点の基板の両面または片面に比較的低融点のロウ材層を被覆したクラッド材を用いても良く、同様のクラッド材からなるハニカムコア材とロウ付けして接合しても良い。加えて、前記芯材は、後述する薄板をカールさせるなどした円筒状の単位セル群からなる形態のほか、六角筒体のセル群からなる形態のハニカムコア材としても良い。これらのハニカムコア材と表面板との結合は、ロウ付け方法によるほか、接着剤を用いる接着方法によることも可能である。
【０００９】
また、本発明には、前記端部板は、サンドイッチパネルからなる、サボニウス型風車（請求項３）も含まれる。
これによれば、複数の回転翼と共に端部板も前記同様のサンドイッチパネルから形成されるため、サボニウス型風車の回転体を一層軽量化することができる。
【００１０】
更に、本発明には、前記芯材は、円筒状のアルミニウム合金の薄板からなり直径が縮径可能である多数の単位セルを敷き並べた形態である、サボニウス型風車（請求項４）も含まれる。
これによれば、上記芯材は、内部に円柱形の中空部を有する多数の円筒状を呈する多数の単位セルを平面方向に沿って連続して有すると共に、各単位セルが縮径可能であるため、これを一対の表面板間に接合し且つ断面ほぼ円弧形に曲げ加工した複数の翼体を、軽量且つ高強度とすることができる。
尚、上記単位セルのほか、本発明の芯材には、六角筒を平面方向に沿って連続して有する、例えばアルミニウム箔製または紙製の形態が含まれる。
【００１１】
また、本発明には、前記翼体における前記一対の表面板のうち、風圧を受け入れる凹面板の外側面は、平面方向に沿って多数のディンプルが形成されている、サボニウス型風車（請求項５）も含まれる。
これによれば、前記翼体の表面板のうち、風圧を受ける上記凹面板では、上記ディンプルによって風との接触（摩擦）面積が増えるため、僅かな風圧でも容易に回転翼を回転させることが可能となる。このため、風力発電などを一層効果的に行うことが可能となる。
【００１２】
更に、本発明には、前記翼体の表面板に形成されるディンプルは、ロウ付け方法によりハニカムサンドイッチパネルを形成するに際して、加熱により軟化する表面板を弾性部材にて押圧することにより前記各単位セルの内側に変形することで形成されている、サボニウス型風車（請求項６）も含まれる。
これによれば、一対の表面板と芯材とをロウ付けすると同時に、少なくとも一方の表面体の外側面に前記ディンプルを同時に形成できるため、低コストで風受性に優れた翼体を得ることが可能となる。
また、本発明には、前記端部板は、一対のほぼ半円形部を点対称に連設した形状である、サボニウス型風車（請求項７）も含まれる。
これによれば、端部板を最小限の面積で形成できるため、係る端部板および前記翼体からなる回転体を一層軽量化することが可能となる。
【００１３】
加えて、本発明には、前記複数の翼体と前記端部板とからなる回転体は、円盤状を呈する一対の上・下板、これらの間に配設される複数の棒状の柱、および上・下板の中間で且つ隣接する柱間に連結されるリングからなるケーシングの内側に配置されると共に、上・下板の中心部に設けられる軸受により、上記端部板が回転可能に支持される、サボニウス型風車（請求項８）も含まれる。
これによれば、前記翼体および端部板からなる回転体をケーシングの内側で回転可能に支持するため、当該サボニウス型風車の周囲における安全性を確保することができる。
尚、本発明のサボニウス型風車は、回転軸の出力を発電に用いるほか、エアや液体などの攪拌羽根の動力源や、摩擦源としても活用するなど、適宜な方法にてエネルギを取り出して利用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明のサボニウス型風車１を示す正面図、図２は、図１中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った水平断面図である。
サボニウス型風車１は、図１，図２に示すように、全体がほぼ円筒形のケーシング２と、その内側で回転可能に支持される回転体１０と、を含んでいる。
上記ケーシング２は、図示のように、一対の対向する円盤状の上・下板３，４、係る上・下板３，４間の外周縁に沿って立設する６本の棒状の支柱５、および係る支柱５，５間に水平に固定されたリング６からなり水平方向に通風可能な籠体である。係るケーシング２は、図１に示すように、地表に設置した架台８上に下側の下板４を固定されることで、垂直に立設している。尚、上記架台８の中には、発電機９が内蔵されている。
【００１５】
回転体１０は、図１乃至図４に示すように、ケーシング２の上・下板３，４に軸支された上下一対の回転軸７，７に個別に連結される上・下端部板１１，１２と、これらの間に上下端を固定される一対（複数）の翼体Ｗ１，Ｗ２とからなる。尚、図３は、回転体１０の斜視図、図４は、その分解斜視図である。
図２乃至図４に示すように、上・下端部板１１，１２は、平面視で軸固定部１６を中心に点対称で位置するほぼ半円形の一対の半円形部１４，１４を連設した形状を呈し、各半円形部１４は、直線部１５を有する。係る上・下端部板１１，１２は、後述するように、一対の表面板と、これらの間に接合した一定の厚みのハニカムコア材（芯材）とからなるハニカムサンドイッチパネルにより形成されている。
尚、図３に示すように、上記軸固定部１６には、回転軸７の太径部７ａが挿入され且つ固定されると共に、下側の回転軸７は、前記発電機９に連結されている。
【００１６】
翼体Ｗ１，Ｗ２は、図２乃至図４に示すように、仮想回転軸（回転軸）ｃに対して点対称に配置され且つ断面ほぼ半円形（円弧形）を呈すると共に、上下端で前記上・下端部板１１，１２に固定されている。図２，図４に示すように、翼体Ｗ１，Ｗ２の間には、風が吹き抜ける通路ｓが介在している。
係る翼体Ｗ１，Ｗ２は、図３，４に示すように、一対の表面板２０ａ，２０ｂと、こらの間に接合されたハニカムコア材（芯材）１７とからなるサンドイッチパネルからなる。また、一対の表面板２０ａ，２０ｂのうち、風圧を受ける凹面板２０ａの全面には、平面方向に沿って連続する多数の凹部からなるディンプル２３が形成されている。尚、図３，図４では、一部のディンプル２３を例示して図示する。
【００１７】
翼体Ｗ１，Ｗ２は、次のようにして形成される。
先ず、図５に示すように、厚み１ｍｍのアルミニウム合金のクラッド板からなる一対の平坦な表面板２０ａ，２０ｂ間に、厚みが約０．１ｍｍで円筒形を呈する多数の単位セル１７ａからなり且つ一定厚さのるハニカムコア材１７を、各位セル１７ａの中空部が厚さ方向に沿うように敷き並べると共に、四辺にアルミニウム合金の縁材２４を配置して、平坦なサンドイッチパネルｐ１を形成する。
上記ハニカムコア材１７は、図５中の上方に示すように、アルミニウム合金製薄板材の両面にロウ材をクラッドしたクラッド材、またはロウ材をクラッドしていない薄板材からなる薄板またはアルミ箔を、高さ８ｍｍ×直径３０ｍｍの円柱形にカール（巻き付け）し、その端部同士の重合部ｋにて縮径可能とされた多数の単位セル１７ａからなる。尚、各単位セル１７ａには、内外に連通する少なくとも１つの通し孔１７ｂが開設されている。
【００１８】
次に、図６に示すように、断面ほぼ半円形の成形型２５の表面に、前記サンドイッチパネルｐ１をその表面板２０ａを接触させて載置した後、図示しない複数の抑え治具により上方の表面板２０ｂを成形型２５の中心部に向けて押圧する。
その結果、図６に示すように、前記サンドイッチパネルｐ１は、成形型２５の表面形状に倣って、断面ほぼ半円形（円弧形）のサンドイッチパネルｐ２に成形される。尚、この際、ハニカムコア材１７における各単位セル１７ａは、成形型２５寄りの表面板２０ａに隣接する部分が径方向にそれぞれ縮径される。
以上により、サンドイッチパネルｐ２が組み立てられる。
【００１９】
係る状態で、サンドイッチパネルｐ２を、ロウ付け温度（本例では約６０５℃）に加熱し且つ所定時間保持してロウ付けする。図６中の一点鎖線部分Ｙの拡大断面図である図７で示すように、表面板２０ａ，２０ｂは、例えばＪＩＳ：Ａ３００３（融点約６４７℃）からなる基板２１と、少なくともその内側の表面にクラッドしたＪＩＳ：Ａ４０４５（融点約６００℃）からなるロウ材層２２とからなるクラッド材である。即ち、図７中の一点鎖線部分Ｖの部分図で例示するように、表面板２０ｂの内面側のみにロウ材層２２をクラッドした形態としても良い。
また、各単位セル１７ａも、上記同様の基板１８と、その両面にクラッドした上記同様のロウ材層１９とからなるクラッド材である。
【００２０】
このため、図７の拡大断面図で示すように、表面板２０ａ，２０ｂと、ハニカムコア材１７を形成する単位セル１７ａとは、それぞれのロウ材層２２とロウ材層１９とにより互いにロウ付けされるので、表面板２０ａ，２０ｂ間にハニカムコア材１７を一体にして接合することができる。この結果、断面全体がほぼ半円形（円弧形）をした前記翼体Ｗ１，Ｗ２を得ることができる。
この場合、ハニカムコア材１７として表面にロウ材層１９を有する多数の単位セル１７ａを用いると、係る単位セル１７ａ同士は、各々のロウ材層１９を介して確実にロウ付けされると共に、各単位セル１７ａ自体も確実に円筒状に形成されるため、ハニカムコア材１７の強度も増強される。尚、ロウ材層を表面にクラッドした材料で表面板２０ａ，２０ｂや単位セル１７ａ形成せず、少なくとも一方の表面にペースト状のロウ材層を塗布して、上記と同様に組み立てた後、ロウ付けすることも可能である。
【００２１】
図８は、前記図１中のＡ−Ａ線の矢視に沿ったケーシング２の下部と図２中のＢ−Ｂ線の矢視に沿った回転体１０の概略とを示す垂直断面図である。
上・下端部板１１，１２は、前記図３，４に示したように、平面視で一対の半円形部１４を点対称に連接した形状を呈するが、図８に示すように、これらも一対の表面板２０，２０とこれらの間にハニカムコア材（芯材）１７を形成する単位セル１７ａとをロウ付けしたハニカムサンドイッチパネルからなる。
図８に示すように、翼体Ｗ１（Ｗ２）の上・下端と上・下端部板１１，１２とは、互いに接する前者の表面板２０ａ，２０ｂと後者の表面板２０，２０とを、ＴＩＧ溶接ｗまたはＭＩＧ溶接ｗを施すことにより接合される。この結果、前記図３，図４に示した回転体１０が得られる。
【００２２】
尚、図８中の翼体Ｗ１（Ｗ２）では、凹面板の表面板２０ａの全面にディンプル２３が形成され、凸面板の表面板２０ｂには形成されない。また、上・下端部板１１，１２の中心部に設けられた軸固定部１６には、回転軸７の太径部７ａが挿入され且つ固定されている。これら翼体Ｗ１（Ｗ２）と上・下端部板１１，１２とを形成するハニカムサンドイッチパネルの全厚さは１０ｍｍ、ハニカムコア材１７の高さは８ｍｍ、表面板２０ａ，２０ｂの板厚はそれぞれ１ｍｍである。
図８の下側に位置する下板４で例示するように、ケーシング２の上・下板３，４も、平坦な一対の表面板２０，２０と、これらの間にロウ付けした多数の単位セル１７ａからなるハニカムコア材（芯材）１７と、からなるハニカムサンドイッチパネルにて形成されている。係るケーシング２における上・下板３，４の厚さは３５．０ｍｍ、ハニカムコア材１７の高さは３１．８ｍｍ、表面板２０の板厚は１．６ｍｍである。
【００２３】
図８に示すように、下板４の中心部には、軸受孔２６が貫通して形成され、係る軸受孔２６の中心部には回転体１０の端部板１２から垂下する回転軸７が垂直に貫通すると共に、その下端で前記発電機９に連結されている。軸受孔２６の内側には、概略図で示した軸受部２８が形成され且つ回転軸７に支持される。係る軸受部２８は、軸受孔２６に固定される筒体２７と、回転軸７側に固定される筒体７ｂと、ベアリング部２８ａとにより形成される。
尚、前記上板３の中心部にも軸受孔２６が形成され、その内側に固定された筒体２７と、上側の回転軸７の太径部７ｂと、ベアリング部２８とから形成される上記同様の軸受部２８が介在している。
【００２４】
このため、前記図１，２で示したように、一対の翼体Ｗ１，Ｗ２および上・下端部板１１，１２からなる回転体１０は、ケーシング２の上・下板３，４に、回転軸７および軸受２８を介して回転可能に支持される。これにより、前記図２中の矢印で示すように、翼体Ｗ１，Ｗ２は、凹面板である表面板２０ａに風圧を受けると、水平方向に自在に回転することができると共に、下側の回転軸７を介して前記発電機９を稼働させ、所要の発電を起こすことができる。
【００２５】
図９乃至図１１は、前記ロウ付けに際して、前記翼体Ｗ１，Ｗ２の表面板２０ａにディンプル２３を形成するための工程を示す。
図９に示すように、一対の表面板２０ａ，２０ｂと、これらの間に敷き並べたた多数の単位セル１７ａからなるハニカムコア材１７と、を備える平坦なハニカムサンドイッチパネルｐ１を用意し、その表面板２０ａを上側にして受板３１の上に固定する。係る状態で、表面板２０ａの上に弾性部材３０を載置する。係る弾性部材３０は、所要の厚みを有する耐熱性の弾性材、例えばグラファイト繊維板などからなる。この弾性部材３０の上に上板３２を載せる。
尚、ディンプル２３を形成する原理を説明するため、図９乃至図１１では省略したが、受板３１と上板３２は、前記図６で示した成形型２５のように予定される円弧形状に形成されている。
【００２６】
次に、図１０中の矢印で示すように、上板３２を介して、弾性部材３０をハニカムサンドイッチパネルｐ１に向けて押圧Ｐする。係る状態で、図示しないロウ付け炉に挿入し、ロウ付け温度：６０５℃に昇温してロウ付けを行う。この際、表面板２０ａは、上記ロウ付け温度に加熱されて軟化し、当該表面板２０ａと上板３２との間に弾性部材３０が介在しているため、各単位セル１７ａの中空部内に表面板２０ａの一部が進入する。
このため、前記ロウ付けが完了して冷却されると、図１１に示すように、弾性部材３０の下側面は、表面板２０ａと共に多数の単位セル１７ａごとの中空部（内側）に進入するため、多数の浅い凸面を形成しつつ変形する。その結果、各単位セル１７ａの中空部ごとに表面板２０ａに浅い凹面が多数形成されるので、前記ディンプル２３を形成することができる。このため、翼体Ｗ１，Ｗ２における凹面板となる表面板２０ａは、係るディンプル２３により、吹き付ける風との接触面積を拡大できるため、少ない風量でも前記回転体１０を回転されることが可能となる。
【００２７】
本発明は、以上のような実施の形態に限定されるものではない。
前記翼体の形状は種々研究されているが、本発明のサボニウス型風車は、例えば、図１２，図１３に示すように、円形の上・下端部板４１，４２間において、回転中心ｃ付近が平坦面４４とし且つ外側がカーブした曲面４６とした断面略し字形を呈する一対の翼体Ｗ３，Ｗ４を点対称に配置した回転体４０としても良い。あるいは、個々の翼体が３次元にて曲面を形成するスパイラル形状であるサボニウス型風車とすることもできる。
また、前記翼体は、３枚またはそれ以上を点対称にして配置しても良い。この場合、枚数が増えるに連れて各翼体の半径を大きくし且つ凹面板を浅くする。
更に、前記上・下端部板１１，１２は、翼体Ｗ１，Ｗ２の端面をカバーできる円形板としても良い。
【００２８】
また、翼体Ｗ１，Ｗ２や上・下端部板１１，１２等には、六角柱形の単位セルを多数敷き並べた紙製またはアルミニウム箔製のハニカムコア材を用いても良い。
更に、翼体Ｗ１，Ｗ２等に利用されるハニカムサンドイッチパネルは、前記実施の形態のように、ロウ付けによるもののほか、表面板とハニカムコア材とを接着剤により接合しても良い。
また、翼体Ｗ１，Ｗ２等の一端（下端）にのみ端部板１２等を固定した回転体としても良い。
更に、回転軸は、回転体における上・下端部板の間を貫通する１本の長尺な形態としても良い。
尚、翼体Ｗ１，Ｗ２等の軸方向を水平とすることにより、一対の端部板をこれらの左右に固定する形態も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のサボニウス型風車の一形態を示す正面図。
【図２】図１中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った水平断面図。
【図３】上記サボニウス型風車の回転体を示す斜視図。
【図４】上記回転体を示す分解斜視図。
【図５】翼体を得るための製造工程を示す概略図。
【図６】図５に続く製造工程を示す概略図。
【図７】図６中の一点鎖線部分Ｙの拡大断面図。
【図８】図１中のＡ−Ａ線と図２中のＢ−Ｂ線との矢視に沿った垂直断面図。
【図９】翼体の表面板にディンプルを形成する工程を示す概略図。
【図１０】図９に続く工程を示す概略図。
【図１１】表面板にディンプルが形成された翼体を示す概略図。
【図１２】異なる形態の回転体を示す側面図。
【図１３】図１２中のＺ−Ｚ線の矢視に沿った断面図。
【符号の説明】
【００３０】
１…………………サボニウス型風車
２…………………ケーシング
３…………………上板
４…………………下板
５…………………支柱
６…………………リング
７…………………回転軸
１０，４０………回転体
１１，４１………上端部板
１２，４２………下端部板
１４………………半円形部
１７………………ハニカムコア材（芯材）
１７ａ……………単位セル
２０ａ，２０ｂ…表面板
２３………………ディンプル
３０………………弾性部材
Ｗ１〜Ｗ４………翼体
【図１】
2006170063.tif 000003
【図２】
2006170063.tif 000004
【図３】
2006170063.tif 000005
【図４】
2006170063.tif 000006
【図５】
2006170063.tif 000007
【図６】
2006170063.tif 000008
【図７】
2006170063.tif 000009
【図８】
2006170063.tif 000010
【図９】
2006170063.tif 000011
【図１０】
2006170063.tif 000012
【図１１】
2006170063.tif 000013
【図１２】
2006170063.tif 000014
【図１３】
2006170063.tif 000015