(57)【要約】【課題】風向きの変動に対する発電効率の安定性が向上された、ロータ、風力発電機、及び、風力発電機兼送風機を提供する。【解決手段】本発明のロータ１は、主軸１０３に支持されたハブ１０と、ハブに連結された複数のブレード２０と、を備えた、ロータであって、ロータが風力発電機用のロータとして動作する間、ロータの正面に当たる順風によって回転するときの回転方向とロータの背面に当たる逆風によって回転するときの回転方向とが同一となるように、各ブレードのピッチ角が変化する。【選択図】図５
2018053824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸に支持されたハブと、
該ハブに連結された複数のブレードと、
を備えた、ロータであって、
前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間、前記ロータの正面に当たる順風によって回転するときの回転方向と前記ロータの背面に当たる逆風によって回転するときの回転方向とが同一となるように、前記各ブレードのピッチ角が変化する、ロータ。
【請求項２】
前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間において、
前記ロータが前記順風によって回転するときは、前記各ブレードの翼弦線が、ブレードのほぼ全長にわたって、前記ブレードの前縁が前記ブレードの後縁よりも前記ロータの正面側に位置するように傾斜し、
前記ロータが前記逆風によって回転するときは、前記各ブレードの翼弦線が、ブレードのほぼ全長にわたって、前記ブレードの前縁が前記ブレードの後縁よりも前記ロータの背面側に位置するように傾斜する、請求項１に記載のロータ。
【請求項３】
前記各ブレードは、前記ハブに対してそれぞれ所定のブレード軸線の周りで回転可能に連結されており、
前記ブレードが前記所定のブレード軸線の周りで回転することによって、前記ブレードのピッチ角が変化する、請求項１又は２に記載のロータ。
【請求項４】
前記各ブレードのブレード軸は軸受を介して前記ハブのブレード保持部に対して回転自在に連結されており、
前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間、前記各ブレードのピッチ角は、前記ロータに当たる風のみに応じて受動的に変化する、請求項３に記載のロータ。
【請求項５】
前記ロータは、外部からの入力に応じて、風力発電機用のロータとしての動作と、送風機用のロータとしての動作とを、切り替えることが可能であり、
前記各ブレードの前記ブレード軸には、前記ロータの回転数が所定の回転数以上になったときに遠心力の作用により作動して、前記ブレードのピッチ角が所定のピッチ角となった状態で前記ブレード軸の回転を阻止する、遠心ロック機構が設けられており、
前記ロータが送風機用のロータとして動作する間、前記遠心ロック機構の作用によって、前記各ブレードのピッチ角が前記所定のピッチ角に固定される、請求項４に記載のロータ。
【請求項６】
前記各ブレードを駆動することにより前記各ブレードのピッチ角を制御するブレード駆動部と、
前記ロータに当たる風の向きを検知する風向検知部と、
をさらに備え、
前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間、前記ブレード駆動部は、前記風向検知部からの出力に応じて、前記各ブレードのピッチ角を制御する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項７】
前記ロータは、外部からの入力に応じて、風力発電機用のロータとしての動作と、送風機用のロータとしての動作とを、切り替えることが可能であり、
前記ロータが送風機用のロータとして動作する間、前記各ブレードのピッチ角は、所定のピッチ角に固定される、請求項１〜４及び６のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項８】
前記ロータが送風機用のロータとして動作する間での前記ブレードの翼根での翼弦線と前記ロータの回転中心軸線に対して垂直な仮想平面との間の鋭角側のなす角度は、前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間での前記ブレードの翼根での翼弦線と前記ロータの回転中心軸線に対して垂直な前記仮想平面との間の鋭角側のなす角度よりも、大きい、請求項５又は７に記載のロータ。
【請求項９】
請求項１〜４及び６のいずれか一項に記載のロータと、
前記主軸と、
前記主軸に連結されたモータと、
前記モータに接続された制御部と、
を備え、
前記モータと前記制御部とは、前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間、発電を行う、風力発電機。
【請求項１０】
請求項５、７又は８に記載のロータと、
前記主軸と、
前記主軸に連結されたモータと、
前記モータに接続された制御部と、
を備え、
前記モータと前記制御部とは、前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間、発電を行い、また、前記ロータが送風機用のロータとして動作する間、送風を行う、風力発電機兼送風機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも風力発電機に利用可能なロータ、風力発電機、及び、風力発電機兼送風機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の風力発電機用のロータとしては、ロータの正面に当たる風（以下、「順風」ともいう。）によって回転することにより、風力発電機による発電を可能にする、ナセルが風下側にあるアップウィンド型のロータや、ロータの背面に当たる風（以下、「逆風」ともいう。）によって回転することにより、風力発電機による発電を可能にする、ナセルが風上側にあるダウンウィンド型のロータがある。また、逆風に対してロータが反転するように、各ブレードのピッチ角を制御するものがある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２００４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
風力発電機の設置場所によっては、ロータに当たる風が順風と逆風とで頻繁に反転するような場合があるが、そのような設置場所でも、安定的に良好な発電効率が得られることが好ましい。
また、特許文献１のロータでは、発電効率を十分に向上できない。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためにされたものであり、風向きの変動に対する発電効率の安定性が向上された、ロータ、風力発電機、及び、風力発電機兼送風機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】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の要旨構成は、次の通りである。
【０００７】
本発明のロータは、
主軸に支持されたハブと、
該ハブに連結された複数のブレードと、
を備えた、ロータであって、
前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間、前記ロータの正面に当たる順風によって回転するときの回転方向と前記ロータの背面に当たる逆風によって回転するときの回転方向とが同一となるように、前記各ブレードのピッチ角が変化する。
本発明のロータによれば、風向きの変動に対する発電効率の安定性を向上できる。
【０００８】
本発明のロータでは、
前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間において、
前記ロータが前記順風によって回転するときは、前記各ブレードの翼弦線が、ブレードのほぼ全長にわたって、前記ブレードの前縁が前記ブレードの後縁よりも前記ロータの正面側に位置するように傾斜し、
前記ロータが前記逆風によって回転するときは、前記各ブレードの翼弦線が、ブレードのほぼ全長にわたって、前記ブレードの前縁が前記ブレードの後縁よりも前記ロータの背面側に位置するように傾斜すると、好適である。
この構成によれば、風向きの変動に対する発電効率の安定性をさらに向上できる。
【０００９】
本発明のロータでは、
前記各ブレードは、前記ハブに対してそれぞれ所定のブレード軸線の周りで回転可能に連結されており、
前記ブレードが前記所定のブレード軸線の周りで回転することによって、前記ブレードのピッチ角が変化すると、好適である。
この構成によれば、構造をシンプルにでき、耐久性を向上できる。
【００１０】
本発明のロータでは、
前記各ブレードのブレード軸は軸受を介して前記ハブのブレード保持部に対して回転自在に連結されており、
前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間、前記各ブレードのピッチ角は、前記ロータに当たる風のみに応じて受動的に変化すると、好適である。
この構成によれば、さらに構造をシンプルにでき、耐久性を向上できる。
【００１１】
本発明のロータでは、
前記ロータは、外部からの入力に応じて、風力発電機用のロータとしての動作と、送風機用のロータとしての動作とを、切り替えることが可能であり、
前記各ブレードの前記ブレード軸には、前記ロータの回転数が所定の回転数以上になったときに遠心力の作用により作動して、前記ブレードのピッチ角が所定のピッチ角となった状態で前記ブレード軸の回転を阻止する、遠心ロック機構が設けられており、
前記ロータが送風機用のロータとして動作する間、前記遠心ロック機構の作用によって、前記各ブレードのピッチ角が前記所定のピッチ角に固定されると、好適である。
この構成によれば、構造をシンプルにしつつ、ロータを風力発電機用と送風機用とで兼用できる。
【００１２】
本発明のロータでは、
前記各ブレードを駆動することにより前記各ブレードのピッチ角を制御するブレード駆動部と、
前記ロータに当たる風の向きを検知する風向検知部と、
をさらに備え、
前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間、前記ブレード駆動部は、前記風向検知部からの出力に応じて、前記各ブレードのピッチ角を制御してもよい。
この構成によっても、風向きの変動に対する発電効率の安定性をさらに向上できる。
【００１３】
本発明のロータでは、
前記ロータは、外部からの入力に応じて、風力発電機用のロータとしての動作と、送風機用のロータとしての動作とを、切り替えることが可能であり、
前記ロータが送風機用のロータとして動作する間、前記各ブレードのピッチ角は、所定のピッチ角に固定されるようにしてもよい。
この構成によれば、ロータを風力発電機用と送風機用とで兼用できる。
【００１４】
本発明のロータでは、
前記ロータが送風機用のロータとして動作する間での前記ブレードの翼根での翼弦線と前記ロータの回転中心軸線に対して垂直な仮想平面との間の鋭角側のなす角度は、前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間での前記ブレードの翼根での翼弦線と前記ロータの回転中心軸線に対して垂直な前記仮想平面との間の鋭角側のなす角度よりも、大きいと、好適である。
この構成によれば、送風時での送風量を向上できる。
【００１５】
本発明の風力発電機は、
上記のロータと、
前記主軸と、
前記主軸に連結されたモータと、
前記モータに接続された制御部と、
を備え、
前記モータと前記制御部とは、前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間、発電を行う。
本発明の風力発電機によれば、風向きの変動に対する発電効率の安定性を向上できる。
【００１６】
本発明の風力発電機兼送風機は、
上記のロータと、
前記主軸と、
前記主軸に連結されたモータと、
前記モータに接続された制御部と、
を備え、
前記モータと前記制御部とは、前記ロータが風力発電機用のロータとして動作する間、発電を行い、また、前記ロータが送風機用のロータとして動作する間、送風を行う。
本発明の風力発電機兼送風機によれば、風向きの変動に対する発電効率の安定性を向上できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、風向きの変動に対する発電効率の安定性が向上された、ロータ、風力発電機、及び、風力発電機兼送風機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態のロータが搭載された、本発明の第１実施形態の風力発電機兼送風機を示す概略図である。
【図２】図１の風力発電機兼送風機の使用例を説明するための図である。
【図３】本発明の第１実施形態のロータを示す斜視図である。
【図４】図３のロータの要部を示す、図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図５】図３のロータの動作を説明するための図である。
【図６】図３のロータの変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に例示説明する。
本発明のロータは、風力発電機（風車等）又は風力発電機兼送風機に組み込まれた状態で、風力発電機用のロータとして使用することができるものである。本発明の風力発電機と本発明の風力発電機兼送風機は、それぞれ本発明のロータを備えるものである。
【００２０】
本発明のロータ及び風力発電機兼送風機の第１実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。また、本発明の風力発電機の第１実施形態については、図示しないが、併せて以下に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るロータが搭載された、本発明の第１実施形態に係る風力発電機兼送風機を示している。図１に示す風力発電機兼送風機１００は、風力発電機の機能と送風機の機能との両方を持つものである。具体的には、風力発電機兼送風機１００は、円筒状のケーシング１０１と、ケーシング１０１を所望の設置場所に取り付けるための取付具１０２と、ケーシング１０１内に収容された本実施形態のロータ１とを、備えている。さらに、風力発電機兼送風機１００は、主軸１０３と、モータ１０５と、風力発電機用の発電/送風制御部１０４（制御部）と、電源１０６と、蓄電池１１０とを、備えている。本例では、主軸１０３及びモータ１０５がケーシング１０１内に収容され、発電/送風制御部１０４、電源１０６及び蓄電池１１０がケーシング１０１外に配置される。発電/送風制御部１０４は、インバータ１０７、電源回生コンバータ１０８、充放電コンバータ１０９を含んで構成される。モータ１０５は、図示しない固定部材によって、ケーシング１０１内での位置が固定されている。図１では、便宜上、主軸１０３、モータ１０５、発電/送風制御部１０４、電源１０６、インバータ１０７、電源回生コンバータ１０８、充放電コンバータ１０９、及び蓄電池１１０を、概略的なブロック図で示している。
【００２１】
ロータ１は、主軸１０３に支持されたハブ１０と、ハブ１０に放射状に連結された複数のブレード２０とを、備えている。主軸１０３は、ハブ１０に連結されており、ハブ１０の背面から後方（図１の奥側）へ延在している。主軸１０３の中心軸線は、ロータ１の回転中心軸線Ｏとなる。図１の例では、ロータ１の主軸１０３が、ケーシング１０１の中心軸線上を延びている。
【００２２】
主軸１０３は、モータ１０５の回転軸と接続されている。モータ１０５は、発電/送風制御部１０４に接続されている。
発電／送風制御部１０４は、本例では、インバータ１０７、電源回生コンバータ１０８、及び充放電コンバータ１０９を含んで構成されている。電源回生コンバータ１０８は電源１０６に接続されている。充放電コンバータ１０９は蓄電池１１０に接続されている。
発電/送風制御部１０４は、ロータ１が風力発電機用のロータとして動作する間、主軸１０３の回転によって回転されるモータ１０５の回転を利用して、発電を行うように構成されている。ロータ１、主軸１０３、モータ１０５、及び発電/送風制御部１０４は、風力発電機を構成する。これにより、風力発電機兼送風機１００が風力発電機として動作する間、ロータ１に当たる風によってロータ１が回転されることにより、モータ１０５及び発電/送風制御部１０４により発電し、蓄電又は電源回生が行われるようにされている。
また、発電/送風制御部１０４は、ロータ１が送風機用のロータとして動作する間、電源１０６又は蓄電地１１０を用いて、モータ１０５を駆動制御するように構成されている。ロータ１、主軸１０３、モータ１０５、及び発電/送風制御部１０４は、送風機を構成する。これにより、風力発電機兼送風機１００が送風機として動作する間、モータ１０５及び発電/送風制御部１０４によってロータ１が回転されて送風を行うようにされている。
このように、図１の例では、ロータ１、主軸１０３、モータ１０５、発電/送風制御部１０４、電源１０６、及び蓄電池１１０は、風力発電機用と送風機用とで兼用される。
風力発電機兼送風機１００による風力発電機としての動作と送風機としての動作との切り替えは、例えば、発電/送風制御部１０４が、外部から入力される切り替え指令に応じて行ってもよいし、あるいは、所定の切り替え条件を満たしたと判断したときに自動で行ってもよい。
【００２３】
本実施形態のロータ１は、風力発電機用のロータとして動作する間、ロータ１の正面に当たる風（順風）によって回転してモータ１０５と発電/送風制御部１０４により発電することができるとともに、ロータ１の背面に当たる風（逆風）によっても回転してモータ１０５と発電/送風制御部１０４により発電することができるものである。すなわち、本実施形態のロータ１は、順風及び逆風の両方に対応している。
【００２４】
図１の風力発電機兼送風機１００において、ケーシング１０１は、その両側の開放端にベルマウスを有してもよい。これにより、ケーシング１０１の両側から風をスムーズにケーシング１０１内に取り込むことが可能となる。ベルマウスは、正面視において、円形又は四角形等、任意の形状でよい。
また、ケーシング１０１は、その両側の開放端に、異物がケーシング１０１内に入るのを防止するための網を有してもよい。
【００２５】
図２は、図１の風力発電機兼送風機１００の使用例を示している。図２の例では、風力発電機兼送風機１００は、地下鉄のトンネルから地上へと延びる換気塔内に設置されている。図２の例では、ロータ１の直径は、例えば６００〜９００ｍｍである。図に示すように、電車が換気塔を通過するまでの間は、黒い塗りつぶしの矢印で示すように、電車の進行方向前側で、空気が、電車によって押されて換気塔内を通って地上へと排出される。電車が換気塔を通過した後は、白抜き矢印で示すように、電車の進行方向後側で、地上からの空気が、換気塔内を通りトンネル内へと吸引される。このように、換気塔内では、電車の走行によって発生する列車風の風向きが、電車が通過する度に頻繁に（例えば１〜２分毎に）反転する。
【００２６】
図２の例において、通常時では、風力発電機兼送風機１００は、風力発電機として動作する。この間、ロータ１は、電車が行き来する度に反転する順風及び逆風によってそれぞれ回転され、ロータ１の回転によって、モータ１０５と発電/送風制御部１０４による発電が行われる。一方、トンネル内の火災等により換気が必要な非常時には、風力発電機兼送風機１００は、送風機として動作する。この間、ロータ１は、モータ１０５と発電/送風制御部１０４によって高速回転され、送風を行うことにより、トンネル内の換気を行う。
なお、図２の例では、ロータ１の回転数は、風力発電機としての動作中は、例えば２００〜８００ｒｐｍ付近で風速等に応じて変動し、送風機としての動作中は、風力発電機としての動作時よりも大幅に高く、例えば１５００ｒｐｍ程度で一定にされる。
【００２７】
図２の例では、風力発電機兼送風機１００が、風力発電機の機能と送風機の機能との両方を持つので、例えば、非常時に送風機として動作してトンネル内の換気を可能にするとともに、非常時以外の期間は風力発電機として動作して列車風を発電に有効活用できる。
また、本実施形態のロータ１は、風力発電機用のロータとして動作する間、順風及び逆風のいずれによっても回転してモータ１０５と発電/送風制御部１０４により発電できるので、従来のような一方向の風のみに対応したアップウィンド型又はダウンウィンド型のロータに比べて、頻繁に風向きが反転する列車風を有効利用して安定的に発電できる。
なお、後述するように、本実施形態のロータ１は、風力発電機用のロータとして動作する間、順風によって回転するときの回転方向と逆風によって回転するときの回転方向とが同一となるように構成されている。これにより、順風と逆風とが切り換わる際に、回転が徐々に低下し、やがて停止してから反転し始めることが無いので、その分、回転数のロスを抑制でき、ひいては、発電効率の安定性を向上できる。
なお、この風力発電機兼送風機１００は、例えば、自動車用のトンネルから地上へ延びるダクト内に設置された状態でも、図２の例と同様に好適に使用できる。
なお、本実施形態の風力発電機兼送風機１００は、本実施形態のロータ１と、主軸１０３と、モータ１０５と、発電/送風制御部１０４とを備える限り、図１の例とは異なる構成からなるものでもよい。
【００２８】
なお、本発明のロータは、送風機に組み込まれることは必須ではなく、少なくとも風力発電機に組み込まれていればよい。その場合、モータ（電動機）１０５は、ジェネレータ（発電機）に置き換わるようにしてもよい。
本実施形態のロータ１が搭載された本実施形態の風力発電機は、例えば、風向きが頻繁に変動するビルの屋上や立体駐車場の塔内等に設置された状態で、好適に使用できる。
【００２９】
つぎに、図３〜図４を参照して、本実施形態のロータ１の構成をさらに詳しく説明する。本実施形態のロータ１は、上述の風力発電機兼送風機１００に組み込まれており、風力発電機用のロータとしての動作と、送風機用のロータとしての動作とを、切り替えることが可能である。また、本実施形態のロータ１は、風力発電機用のロータとして動作する間、順風によって回転するときの回転方向と逆風によって回転するときの回転方向とが同一となるように、各ブレード２０のピッチ角が変化するものである。
【００３０】
図３は、本実施形態のロータ１を示す斜視図である。図４は、ロータ１のブレード２０近傍部分を示す、図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。本実施形態のロータ１は、各ブレード２０が、ハブ１０に対してそれぞれ所定のブレード軸線ＢＡの周りで回転可能に連結されている。ブレード２０がブレード軸線ＢＡの周りで回転することによって、ブレード２０のピッチ角が変化する。図４の断面図は、ブレード軸線ＢＡに沿っている。図４の左側がロータ１の正面側、図４の右側がロータ１の背面側である。
なお、図３の例において、各ブレード２０のブレード軸線ＢＡは、ロータの回転中心軸線Ｏの方向から観たときに、ロータの回転中心軸線Ｏを中心としてほぼ放射状に配置されているが、厳密にはそれぞれがロータの径方向に対して若干傾斜しており、ひいては、ロータ１の回転中心軸線Oを通る方向に延びていない。ただし、ブレード軸線ＢＡは、ロータ１の回転中心軸線Oを通る方向に延びてもよい。
【００３１】
図４の断面図に示すように、ブレード２０は、ブレード２０の翼根２４（ブレード２０におけるハブ１０側の端部。）からハブ１０内へ延びるブレード軸２３と、一体に構成されている。ブレード軸線ＢＡは、ブレード軸２３の中心軸線と一致する。ブレード軸２３は、ブレード２０を形成する材料（例えばアルミニウム）と同じ材料で形成された本体部２３ｃと、本体部２３ｃにインサート成形により埋め込まれたボルト２３ａとを含んでいる。ブレード軸２３の先端部では、ボルト２３ａのねじ部が本体部２３ｃから露出している。ブレード軸２３は、ハブ１０に設けられたカップ状のブレード軸保持部１１内へ挿入されている。ブレード軸保持部１１の開放端１１ｃはロータ外周側（図４の上側）を向いており、ハブ１０の外周面に開口を区画している。ブレード軸保持部１１の開放端１１ｃとは反対側の底壁１１ｂは、ロータ内周側（図４の下側）を向いている。ブレード軸２３の先端部は、ブレード軸保持部１１の底壁１１ｂの貫通孔１１ａ内を貫通しており、ブレード軸保持部１１の底壁１１ｂよりロータ内周側（図４の下側）から、軸受３７を介してナット３８でブレード軸保持部１１の底壁１１ｂに固定されている。これにより、ロータ１の回転中にブレード軸２３が遠心力によってブレード軸保持部１１から抜け出るのが防止されている。軸受３７としては、例えばスラスト玉軸受が好適である。
【００３２】
ブレード軸２３におけるブレード２０側の端部は、軸受３０を介してブレード軸保持部１１に対して回転自在に連結されている。図の例では、ブレード軸２３の外周面とブレード軸保持部１１の内周面との間に、ブレード軸線ＢＡの方向に重ねられた２つの軸受３０が介在している。この軸受３０としては、例えばシール付きの玉軸受又はすべり軸受が好適である。軸受３０をシール付きとすることにより、軸受３０の防じん性を高めることができる。また、これらの軸受３０は、それよりロータ内周側でブレード軸２３に螺着された軸受ナット３１によって、ロータ内周側へ位置ずれしないようにされている。さらに、これらの軸受３０は、それよりロータ外周側で、ハブ１０の外周面にボルト３３により固定された軸受カバー３２によって、ロータ外周側へ位置ずれしないようにされている。
このような構成によって、各ブレード２０のブレード軸２３は軸受３０を介してハブ１０のブレード保持部１１に対して回転自在に連結されており、ロータ１が風力発電機用のロータとして動作する間、各ブレード２０のピッチ角は、ロータ１に当たる風のみに応じて受動的に変化するようにされている。
【００３３】
各ブレード２０のブレード軸２３には、遠心ロック機構４０が設けられている。遠心ロック機構４０は、ロータ１の回転数が所定の回転数ＰＲＳ以上になったときの遠心力の作用により作動して、ブレード２０のピッチ角が所定のピッチ角ＰＰＡとなった状態でブレード軸２３の回転を阻止する。
なお、「所定の回転数ＰＲＳ」は、ロータ１が送風機用のロータとして動作する際のロータ１の回転数と同じ又はそれより低い値に予め設定される。これにより、ロータ１が送風機用のロータとして動作する間は、遠心ロック機構４０が作動した状態となり、各ブレード２０のピッチ角が所定のピッチ角ＰＰＡに固定される。これにより、安定的な送風が可能となる。
また、「所定のピッチ角ＰＰＡ」は、ロータ１が送風機用のロータとして動作する際に好適な送風量が得られるような値に予め設定される。
【００３４】
遠心ロック機構４０は、図４に示すように、錘３５と、ガイドピン３６と、付勢部材３４と、ブレード軸２３の係合部２３ｂとを、有している。図４において、遠心ロック機構４０が作動していない状態での錘３５及び付勢部材３４を実線で示し、遠心ロック機構４０が作動している状態での錘３５及び付勢部材３４を二点鎖線で示している。
錘３５は、環状に構成されており、ブレード軸保持部１１内において、軸受ナット３１よりもロータ内周側（図４の下側）に配置されている。錘３５の中心の貫通孔３５ａには、ブレード軸２３が挿通されている。また、錘３５には、ブレード軸２３が挿通された貫通孔３５ａとは別に、ブレード軸線ＢＡ方向に延在する貫通孔３５ｂが形成されており、この貫通孔３５ｂ内には、ガイドピン３６が挿通されている。ガイドピン３６の一端は、ブレード軸保持部１１の底壁１１ｂに固定されている。錘３５と軸受ナット３１との間には、錘３５に対してロータ内周側に向けた付勢力を与える付勢部材３４が設けられている。付勢部材３４は、例えばコイルばねからなる。ブレード軸２３及び錘３５は、互いに係合可能な形状に構成された、係合部２３ｂ及び被係合部３５ｃを、それぞれ有している。ブレード軸２３の係合部２３ｂと錘３５の被係合部３５ｃとが互いに係合するとき、ブレード２０のピッチ角は、例えば後述するストッパー５２（図５）の作用によって、所定のピッチ角ＰＰＡとなる。
【００３５】
ロータ１が送風機用のロータとしての動作を開始すると、ロータ１がモータ１０５によって回転されることによって、ロータ１の回転数が一気に上昇する。ロータ１の回転数が所定の回転数ＰＲＳ以上になったとき、図４の二点鎖線で示すように、錘３５は、ロータ１の回転数の上昇とともに増大した遠心力の作用によって、付勢部材３４の付勢力に対抗しながら、かつ、ガイドピン３６によって案内されながら、ロータ外周側（図４の上側）へと移動する。ブレード軸２３の係合部２３ｂと錘３５の被係合部３５ｃとが互いに係合すると、錘３５のロータ外周側への移動が止まる。このとき、ブレード２０のピッチ角は所定のピッチ角ＰＰＡであり、ブレード軸２３の回転は錘３５によって阻止される。
【００３６】
次に、図５を参照して、本実施形態のロータ１の動作を説明する。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、ロータ１が風力発電機用のロータとして動作する間において、それぞれ順風及び逆風により回転するときの様子を示す側面図であり、図５（ｃ）は、ロータ１が送風機用のロータとして動作する間において、モータ１０５の駆動によって回転するときの様子を示す側面図である。図５（ａ）〜図５（ｃ）のそれぞれにおいて、図の左側がロータ１の正面側、図の右側がロータ１の背面側である。本実施形態では、各ブレード２０のピッチ角θが、図５（ａ）〜図５（ｃ）の各状態でそれぞれ異なる。
【００３７】
なお、本明細書において、「ピッチ角θ」とは、ブレード２０上のあるロータ半径方向位置における、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な仮想平面Ｐと、ブレード２０の翼弦線ＣＨＬ（ブレード２０の前縁２１と後縁２２とを結ぶ直線）との間の、絶対値が小さいほうの角度であり、ピッチ角の方向も考慮して、＋（正）または−（負）の値をとるものとする。図５（ａ）〜図５（ｃ）では、便宜上、ブレード２０の翼根での翼弦線ＣＨＬ及びピッチ角θを示している。ブレード２０の翼弦線ＣＨＬが、ブレード２０の前縁２１がブレードの後縁２２よりもロータ１の正面側に位置するように傾斜しているときは、ピッチ角θは＋（正）の値であるものとし、ブレード２０の翼弦線ＣＨＬが、ブレード２０の前縁２１がブレード２０の後縁２２よりもロータ１の背面側に位置するように傾斜しているときは、ピッチ角θは−（負）の値であるものとする。本明細書では、特に断りがない場合、「ブレードのピッチ角θ」とは、ブレードの翼根でのピッチ角を指すものとする。
また、ブレード２０の「前縁２１」は、ブレード２０の翼型（ブレード２０の厚さ方向の断面）におけるロータ１の回転方向ＲＤの前側の端であり、「後縁２２」は、ブレード２０の翼型におけるロータ１の回転方向ＲＤの後側の端である。
【００３８】
図５の例では、ハブ１０の外周面に、各ブレード２０に対して、ブレード２０のピッチ角θの可変範囲を、それぞれ−（負）側及び＋（正）側で規制するための、ストッパー５１、５２が設けられている。図５の例において、ストッパー５１、５２は、ブレード２０と係合可能な突起として構成されている。ストッパー５１、５２を設けることによって、例えば強風時等で、ブレード２０がブレード軸線ＢＡの周りで過剰に回転するのを防止できる。
ただし、ストッパー５１、５２は、ブレード２０のピッチ角θの可変範囲を、それぞれ−（負）側及び＋（正）側で規制し得るものである限り、任意の構成からなるものでもよい。例えば、ブレード２０のピッチ角θの可変範囲を、それぞれ−（負）側及び＋（正）側で規制し得るストッパーが、ハブ１０のブレード軸保持部１１内に配置されて、ブレード軸２３と係合可能に構成されてもよい。その場合、図５の例のようなハブ１０の外周面上のストッパー５１、５２は必須ではない。
【００３９】
本実施形態では、ロータ１が風力発電機用のロータとして動作する間、各ブレード２０のブレード軸２３は軸受３０を介してハブ１０のブレード保持部１１に対して回転自在に連結されているとともに、遠心ロック機構４０が作動していないので、各ブレード２０のピッチ角θは、ロータ１に当たる風のみに応じて受動的に変化する。この間、各ブレード２０のピッチ角θは、風の速さや向きによって変動し得る。
図５（ａ）に示すように、ロータ１が風力発電機用のロータとして動作する間において、ロータ１が順風によって回転するときは、各ブレード２０の翼弦線ＣＨＬが、ブレード２０のほぼ全長（図の例では全長）にわたって、ブレード２０の前縁２１がブレード２０の後縁２２よりもロータ１の正面側に位置するように傾斜する。言い換えれば、このとき、各ブレード２０のピッチ角θが、ブレード２０のほぼ全長（図の例では全長）にわたって、＋（正）の値をとる。このときのロータ１の回転方向ＲＤは、ロータ１の背面側から正面側を観た時の時計回りである。
一方、図５（ｂ）に示すように、ロータ１が風力発電機用のロータとして動作する間において、ロータ１が逆風によって回転するときは、各ブレード２０の翼弦線ＣＨＬが、ブレード２０のほぼ全長（図の例では全長）にわたって、ブレード２０の前縁２１がブレード２０の後縁２２よりもロータ１の背面側に位置するように傾斜する。言い換えれば、このとき、各ブレード２０のピッチ角θが、ブレード２０のほぼ全長（図の例では全長）にわたって、−（負）の値をとる。このときのロータ１の回転方向ＲＤは、図５（ａ）の順風時と同じ、ロータ１の背面側から正面側を観た時の時計回りである。なお、図５（ｂ）の例では、ストッパー５１の作用によって、ブレード２０のピッチ角θの−（負）側の可変範囲が規制される。
このように順風時と逆風時とでブレード２０のピッチ角θが変化することにより、順風時と逆風時とでのロータ１の回転方向ＲＤを同一とすることができる。これにより、順風と逆風とが切り換わる際に、回転が徐々に低下し、やがて停止してから反転し始めることが無いので、その分、回転数のロスを抑制できる。ひいては、風向きの変動に対する発電効率の安定性を向上できる。
本明細書において、「ブレード２０のほぼ全長」とは、ブレード２０の全長の７０〜１００％を指すが、好ましくは８０〜１００％、より好ましくは９０〜１００％である。
【００４０】
一方、本実施形態では、ロータ１が送風機用のロータとして動作する間、ロータ１はモータ１０５と発電／送風制御部１０４によって高速回転され、各ブレード２０のブレード軸２３の遠心ロック機構４０が作動した状態となり、各ブレード２０のピッチ角θが所定のピッチ角ＰＰＡにて固定される。
図５（ｃ）に示す例では、ロータ１が送風機用のロータとして動作する間において、ロータ１の回転方向ＲＤは、風力発電機用のロータとしての動作時と同じ、ロータ１の背面側から正面側を観た時の時計回りとしている。そして、各ブレード２０の翼弦線ＣＨＬが、ブレード２０のほぼ全長（図の例では全長）にわたって、ブレード２０の前縁２１がブレード２０の後縁２２よりもロータ１の正面側に位置するように傾斜する。言い換えれば、このとき、各ブレード２０のピッチ角θが、ブレード２０のほぼ全長（図の例では全長）にわたって、＋（正）の値をとる。各ブレード２０の翼根でのピッチ角θは、所定のピッチ角ＰＰＡ（本例では＋の値）である。また、ブレード２０の翼厚中心線ＣＡＬが、ロータ１の正面側が凸となるように湾曲している。これにより、風が、ロータ１の正面側から背面側へ向けてロータ１の回転中心軸線Ｏ方向に送られる。
なお、図５（ｃ）の例では、ブレード２０のピッチ角θの+（正）側の可変範囲を規制するストッパー５２の作用によって、遠心ロック機構４０の始動時点又はその直前に、各ブレード２０のピッチ角θが所定のピッチ角ＰＰＡに位置付けされる。
【００４１】
図５に示すように、ロータ１が送風機用のロータとして動作する間における、ブレード２０の翼根での翼弦線ＣＨＬとロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な仮想平面Ｐとの間の鋭角側のなす角度（ピッチ角θ（＝ＰＰＡ）の絶対値。）は、ロータ１が風力発電機用のロータとして動作する間（順風時及び逆風時）でのブレード２０の翼根での翼弦線ＣＨＬとロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な仮想平面Ｐとの間の鋭角側のなす角度（ピッチ角θの絶対値。）よりも、大きいと、好適である。これにより、送風時での送風量を向上できる。
【００４２】
なお、ロータ１が風力発電機用のロータとして動作する間において、図５（ａ）のようにロータ１が順風によって回転するときは、各ブレード２０の翼根でのピッチ角θが、３０°〜４５°の範囲内に収まるようにされると、発電効率の観点から好適である。
ロータ１が風力発電機用のロータとして動作する間において、図５（ｂ）のようにロータ１が逆風によって回転するときは、各ブレード２０の翼根でのピッチ角θが、−２５°〜−１０°の範囲内に収まるようにされると、発電効率の観点から好適である。
ロータ１が送風機用のロータとして動作する間においては、図５（ｃ）のように各ブレード２０の翼根でのピッチ角θ（＝ＰＰＡ）が、４５°〜６０°の範囲内に設定されると、送風量の観点から好適である。
【００４３】
なお、本実施形態のロータ１は、様々な変形例が可能である。
例えば、ロータ１は、送風機に組み込まれて送風機用のロータとして動作可能にされなくてもよい。その場合、ロータ１は、遠心ロック機構４０を備える必要はない。
【００４４】
また、図４の断面図を参照して説明した構成の例では、ロータ１は、風力発電機用のロータとして動作する間、各ブレード２０のピッチ角が、ロータ１に当たる風のみに応じて受動的に変化するように構成され、また、送風機用のロータとして動作する間は、遠心ロック機構４０の作用によって、各ブレード２０のピッチ角が所定のピッチ角に固定されるように構成されている。これにより、ロータ１の構造をシンプルにでき、耐久性を向上できる。
ただし、ロータ１は、風力発電機用のロータとして動作する間、順風によって回転するときの回転方向と逆風によって回転するときの回転方向とが同一となるように、各ブレード２０のピッチ角を能動的に制御してもよい。この構成によっても、風向きの変動に対する発電効率の安定性を向上できる。その場合、ロータ１は、ストッパー５１、５２を備える必要はない。
この場合、図６に示すように、ロータ１は、各ブレード２０を駆動することにより各ブレード２０のピッチ角を制御するブレード駆動部６０と、ロータ１に当たる風の向きを検知する風向検知部６１と、をさらに備えるとよい。ブレード駆動部６０は、例えば、ＣＰＵと、このＣＰＵの指令に従って各ブレード２０を電動式又はエア駆動式により駆動する駆動機構とを含んで構成されており、各ブレード２０をブレード軸線ＢＡの周りで回転させることにより、ブレード２０のピッチ角を変化させる。そして、ロータ１が風力発電機用のロータとして動作する間、ブレード駆動部６０は、風向検知部６１からの出力に応じて、ロータ１に順風又は逆風のいずれが当たっているかを判別し、順風が当たっていると判別したときは図５（ａ）の動作となるように、逆風が当たっていると判別したときは図５（ｂ）の動作となるように、それぞれ各ブレード２０のピッチ角を制御するとよい。このとき、ブレード駆動部６０は、順風時と逆風時とでのピッチ角を、それぞれ所定のピッチ角で固定としてもよいし、あるいは、風速等に応じてそれぞれ所定のピッチ角の範囲内で変動させるようにしてもよい。
さらに、このロータ１を送風機用のロータとしても動作可能とする場合は、ロータ１が送風機用のロータとして動作する間、ブレード駆動部６０による制御によって、各ブレード２０のピッチ角を、所定のピッチ角ＰＰＡに固定すればよい。その場合、ロータ１は、遠心ロック機構４０を備える必要はない。
【００４５】
なお、図５の例において、ブレード２０のほぼ全長にわたって、ブレード２０の翼厚中心線ＣＡＬが、ロータ１の正面側が凸となるように湾曲している。これにより、逆風時での発電効率を向上できるとともに、送風時での送風効率を向上できる。ただし、ブレード２０の翼厚中心線ＣＡＬの形状は任意のものでよく、例えば、直線状でもよい。
【００４６】
図５（ｃ）の例に限らず、ロータ１が送風機用のロータとして動作する間において、ロータ１の回転方向ＲＤをロータ１の背面側から正面側を観た時の時計回りとする場合、各ブレード２０の翼弦線ＣＨＬが、ブレード２０のほぼ全長にわたって、ブレード２０の前縁２１がブレード２０の後縁２２よりもロータ１の背面側に位置するように傾斜するようにしてもよい。この場合、各ブレード２０の翼厚中心線ＣＡＬは、直線状であるか、あるいは、ロータ１の背面側が凸となるように湾曲していると、よい。このとき、各ブレード２０のピッチ角θが、ブレード２０のほぼ全長にわたって、−（負）の値をとる。各ブレード２０の翼根でのピッチ角θは、所定のピッチ角ＰＰＡ（−の値）である。これにより、風が、ロータ１の背面側から正面側へ向けてロータ１の回転中心軸線Ｏ方向に送られる。
【００４７】
なお、本実施形態のロータ１は、様々な変形例が可能である。
例えば、ロータ１は、送風機に組み込まれて送風機用のロータとして動作可能にされなくてもよく、少なくとも風力発電機に組み込まれて風力発電機用のロータとして動作可能にされていればよい。
【００４８】
なお、本発明のロータでは、ブレードの形状は任意のものでよい。
例えば、ブレードのピッチ角は、図５の例のようにブレードの翼根から翼端に向かうにつれて徐々に変化してもよいし、あるいは、ブレードの全長にわたって一定でもよい。
また、ブレードの翼型における翼厚の最大値が、図５の例のようにブレードの全長にわたって一定でもよいし、あるいは、ブレードの翼根から翼端に向かうにつれて徐々に減少してもよい。
また、ブレードをロータの回転中心軸線に対して垂直な方向に展開したとき（すなわち、ブレードのピッチ角をブレードの全長にわたって０°にしたとき）に、ブレードを正面視したときのブレードの２次元形状は、図５の例のように略四角形状に限られず、任意の形状でよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のロータは、風車等の風力発電機に用いることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  ロータ
１０  ハブ
１１  ブレード軸保持部
１１ａ  貫通孔
１１ｂ  底壁
１１ｃ  開口端
２０  ブレード
２１  前縁
２２  後縁
２３  ブレード軸
２３ａ  ボルト
２３ｂ  係合部
２３ｃ  本体部
２４  翼根
３０  軸受
３１  軸受ナット
３２  軸受カバー
３３  ボルト
３４  付勢部材
３５  錘
３５ａ、３５ｂ  貫通孔
３５ｃ  被係合部
３６  ガイドピン
３７  軸受
３８  ナット
４０  遠心ロック機構
５１、５２  ストッパー
６０  ブレード駆動部
６１  風向検知部
１００  風力発電機兼送風機
１０１  ケーシング
１０２  取付具
１０３  主軸
１０４  発電/送風制御部（制御部）
１０５  モータ
１０６  電源
１０７  インバータ
１０８  電源回生コンバータ
１０９  充放電コンバータ
１１０  蓄電池
ＢＡ  ブレード軸線
ＣＡＬ  翼厚中心線
ＣＨＬ  翼弦線
Ｏ  ロータの回転中心軸線
Ｐ  ロータの回転中心軸線に対して垂直な仮想平面
ＲＤ  回転方向
θ  ピッチ角
【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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