(57)【要約】【課題】風を受けることによって得られる揚力を有効に利用して、風力を効率的に発電に利用することが可能な揚力型風車を提供する。【解決手段】羽根４を備えた機構部１０は、羽根４が風を受けることによって得られる揚力によって移動し、これにより環状のチェーン３が回転して、揚力獲得区間５と羽根角度変更区間６とを交互に通過して循環的に移動する。羽根角度変更区間６では、羽根４が風から揚力を得られるように、風に対する羽根４の角度を変化させる羽根角度変更手段を有しており、羽根角度変更手段の機能によって、揚力獲得区間５において、良好に揚力を得る状態を実現できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けることによって揚力が得られるように羽根の角度が設定されており、羽根が取り付けられた羽根ギヤと、羽根ギヤと噛み合う小ギヤと、小ギヤと同軸の大ギヤとを備えた機構部と、風から羽根が得る揚力によって動く機構部を循環的に移動させるために回転する環状のチェーンとを有する揚力型風車であって、
機構部は、羽根が風から揚力を得る揚力獲得区間と、羽根の角度を変更する羽根角度変更区間とを交互に通過して循環的に移動し、
羽根角度変更区間において、羽根が風から揚力を得られるように、風に対する羽根の角度を変化させる羽根角度変更手段を有し、
羽根角度変更手段は、羽根角度変更区間に設置されたラックに対して大ギヤが回転し、大ギヤの回転に伴って小ギヤが回転して、小ギヤと噛み合う羽根ギヤの回転によって羽根の角度が変更されることを特徴とする揚力型風車。
【請求項２】
前記大ギヤは極性の異なる磁極が交互に配列されて形成され、前記ラックは、極性の異なる磁極が交互に配列されて形成されたラック本体部と、追加的に形成された磁極からなるラック追加部とによって構成され、前記ラックは、電磁石を構成して生成される磁極の数を変えることによって長さが調整され、前記大ギヤと前記ラックとの作用によって、羽根に当たる風の角度の変化に合わせて羽根の迎え角を調整可能としたことを特徴とする請求項１記載の揚力型風車。
【請求項３】
風の強さが設定基準値を超えたときは、前記大ギヤと前記ラックとの作用によって、風に対する羽根の角度が風から揚力を得られない角度に変更されることを特徴とする請求項２記載の揚力型風車。
【請求項４】
前記揚力獲得区間を通過する風を収束して風力を強める風レンズが設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の揚力型風車。
【請求項５】
前記揚力獲得区間を通過する風を制御するスリットが設けられており、スリットは間隔を置いて配置された複数の板によって形成され、各板の間を風が通る開状態と、各板が風の通路を塞ぐ閉状態とについて、開閉自在な構造となっていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の揚力型風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風を受けることによって得られる揚力を有効に利用した揚力型風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電に利用される風車の形態には様々なものがあり、特許文献１には、無端チェーン部材を用いて風を受ける翼部材を周回動作させる風車装置が記載されている。また、特許文献２には、本発明者によってなされた風車に関する発明が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１９３８２号公報
【特許文献２】特許第４７１７９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２に記載されたものは、空気の流れに対して水平方向に回転する方式の風車について、羽根の回転方向が空気の流れと同じ方向（順方向）に位置する羽根でできる限り風を受けとめるとともに、羽根の回転方向が空気の流れと反対の方向（逆方向）では、羽根が風から受ける抵抗をできる限り小さくすることを目的としてなされたものである。
従って、この点において優れた性能を有するが、風から揚力を得ることについては考慮していないため、この点においてまだ改良の余地がある。
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、風を受けることによって得られる揚力を有効に利用して、風力を効率的に発電に利用することが可能な揚力型風車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】
以上の課題を解決するために、本発明の揚力型風車は、風を受けることによって揚力が得られるように羽根の角度が設定されており、羽根が取り付けられた羽根ギヤと、羽根ギヤと噛み合う小ギヤと、小ギヤと同軸の大ギヤとを備えた機構部と、風から羽根が得る揚力によって動く機構部を循環的に移動させるために回転する環状のチェーンとを有する揚力型風車であって、機構部は、羽根が風から揚力を得る揚力獲得区間と、羽根の角度を変更する羽根角度変更区間とを交互に通過して循環的に移動し、羽根角度変更区間において、羽根が風から揚力を得られるように、風に対する羽根の角度を変化させる羽根角度変更手段を有し、羽根角度変更手段は、羽根角度変更区間に設置されたラックに対して大ギヤが回転し、大ギヤの回転に伴って小ギヤが回転して、小ギヤと噛み合う羽根ギヤの回転によって羽根の角度が変更されることを特徴とする。
【０００７】
羽根を備えた機構部は、風を受けることによって揚力が得られるように羽根の角度が設定されて、揚力獲得区間と羽根角度変更区間とを交互に通過して循環的に移動する。羽根角度変更区間では、羽根が風から揚力を得られるように、風に対する羽根の角度を変化させる羽根角度変更手段を有しており、この羽根角度変更手段の機能によって、揚力獲得区間において、良好に揚力を得る状態を実現できる。
【０００８】
本発明の揚力型風車においては、前記大ギヤは極性の異なる磁極が交互に配列されて形成され、前記ラックは、極性の異なる磁極が交互に配列されて形成されたラック本体部と、追加的に形成された磁極からなるラック追加部とによって構成され、前記ラックは、電磁石を構成して生成される磁極の数を変えることによって長さが調整され、前記大ギヤと前記ラックとの作用によって、羽根に当たる風の角度の変化に合わせて羽根の迎え角を調整可能とした構成とすることができる。
【０００９】
風速の変化による機構部の移動速度の変化によって、羽根に当たる風の角度は変わるため、この変化に対応して羽根の迎え角を変えることが、揚力を効果的に得るためには必要である。この適正な迎え角を実現できるように、ラックを追加的に磁極の形成によって構成して、大ギヤの回転角度を変えることによって、羽根の迎え角の調整を行う。磁極の生成消滅は、電磁石を構成するための電源のオンオフによって瞬時に実行することができるため、羽根の迎え角の調整を、時間を置かずに実行することができる。
【００１０】
本発明の揚力型風車においては、風の強さが設定基準値を超えたときは、前記大ギヤと前記ラックとの作用によって、風に対する羽根の角度が風から揚力を得られない角度に変更される構成とすることができる。
【００１１】
台風接近時のような暴風が吹くときには、風が強すぎて羽根を備えた機構部が動きすぎると、装置が破損する恐れが生じる。そのため、風の強さが設定基準値を超えた強風下では、風に対する羽根の角度が風から揚力を得られない角度に変更される構成として、機構部を減速させることができる。これによって、羽根を備えた機構部が過剰に動くことを防止することができ、装置の破損を防止できる。さらに、羽根角度変更区間において、羽根の前面に開閉自在な衝立を置き、強風下ではこの衝立を閉じることによって、羽根角度変更区間において羽根が抗力を受けることを防止して、機構部を停止させることも可能である。
【００１２】
本発明の揚力型風車においては、前記揚力獲得区間を通過する風を収束して風力を強める風レンズが設けられている構成とすることができる。
【００１３】
風レンズにより、揚力獲得区間を通過する風を収束し、圧縮加速した風を作ることができ、これにより良好に揚力を得ることができる。
【００１４】
本発明の揚力型風車においては、前記揚力獲得区間を通過する風を制御するスリットが設けられており、スリットは間隔を置いて配置された複数の板によって形成され、各板の間を風が通る開状態と、各板が風の通路を塞ぐ閉状態とについて、開閉自在な構造とすることができる。
【００１５】
スリットが開状態のときは、乱れた空気の流れを整えて、揚力獲得区間において、風を水平に戻す効果がある。また、スリットが閉状態のときは、風が吹いていても発電量を抑えることができ、発電が不要なときに無駄な発電がなされることを防止できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、風を受けることによって得られる揚力を有効に利用して、風力を効率的に発電に利用することが可能な揚力型風車を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る揚力型風車の概観を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る揚力型風車の基本構造と基本動作を示す図である。
【図３】スリットが閉状態であることを示す図である。
【図４】機構部を構成する部材を固定する固定部の構造を示す図である。
【図５】羽根ギヤと小ギヤとの噛み合いによって、羽根の角度が変化する様子を正面から示す図である。
【図６】羽根角度変更手段に磁石を利用した実施形態を示す図である。
【図７】羽根角度変更手段に磁石を利用した第一変形例を示す図である。
【図８】羽根角度変更手段に磁石を利用した第一変形例の動作の詳細を示す図である。
【図９】羽根角度変更手段に磁石を利用した第二変形例を示す図である。
【図１０】羽根角度変更手段に磁石を利用した第二変形例の動作の詳細を示す図である。
【図１１】暴風下での破損対策の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の揚力型風車を、その実施形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る揚力型風車の概観を示す。
揚力型風車１は、歯車２に接触して回転する環状のチェーン３と、チェーン３の動きに伴って周回する羽根４とを備えている。羽根４は、風を受けることによって得られる揚力によって移動し、これにより環状のチェーン３が回転する。羽根４は、風を受けることによって揚力が得られるように角度が設定されており、以下に説明する機構の動作によって、羽根４の角度が変えられる。
【００１９】
図１においては、風は斜め手前側から斜め奥側に向かって吹いており、チェーン３によって移動する羽根４は、風を正面から受けて揚力を獲得する第一の揚力獲得区間５ａと、第一の揚力獲得区間５ａの奥側に位置して、第一の揚力獲得区間５ａに平行である第二の揚力獲得区間５ｂと、第一の揚力獲得区間５ａと第二の揚力獲得区間５ｂとを接続する羽根角度変更区間６とを交互に通過して循環的に移動する。
【００２０】
第一の揚力獲得区間５ａの前面側には、風上側に向かって空間が幅広になるように立てられた２つの側板７が取り付けられている。この側板７によって、第一の揚力獲得区間５ａと第二の揚力獲得区間５ｂとを通過する風が収束されることにより、風力を強める風レンズとして機能する。
【００２１】
第二の揚力獲得区間５ｂの前面には、第二の揚力獲得区間５ｂを通過する風を制御するスリット８が設けられている。スリット８は間隔を置いて配置された複数の板９によって形成され、各板９の間を風が通る開状態と、各板９が風の通路を塞ぐ閉状態とについて、開閉自在な構造となっている。図１においては、側面を解放しているが、側面を閉じれば空気の流れの向きを安定化することができる。
【００２２】
図２に、本発明の実施形態に係る揚力型風車の基本構造と基本動作を示す。
揚力型風車１は、風から羽根４が得る揚力によって動く機構部１０が、チェーン３によって循環的に移動する構成となっている。機構部１０は、風を正面から受ける第一の揚力獲得区間５ａにおいて、上向きに揚力が得られるように、羽根４の角度が設定されている。
【００２３】
機構部１０は、羽根４が取り付けられた羽根ギヤ１１と、羽根ギヤ１１と噛み合う小ギヤ１２と、小ギヤ１２と同軸の大ギヤ１３とを備えている。第一の揚力獲得区間５ａにおいては、羽根４が良好に揚力を受けられる角度となることを維持するために、羽根ギヤ１１に回り止め１４が接触して、羽根ギヤ１１が回転することを防止する。
【００２４】
第一の揚力獲得区間５ａを上向きに移動した機構部１０は、歯車２ａによって進行方向を変え、第一の羽根角度変更区間６ａでは、羽根４の得る力が揚力から抗力に変わるため、速度を落とす。この抗力は、過回転状態になったときには、風車の加速を抑えることにより、破損防止に役立つ。また、羽根４の動きが何らかの理由で停止したときに、羽根４が受ける抗力によって再始動のきっかけを得ることができる。
【００２５】
第一の羽根角度変更区間６ａにおいては、チェーン３と平行にラック１５が設置されている。回り止め１４は、回り止め本体１６と棒体１７とを備えており、棒体１７の先端は、チェーン３に対してラック１５と反対側に配置されている障害物１８に接触して、障害物１８が回り止め１４を外す。すなわち、回り止め本体１６が羽根ギヤ１１から離れた状態となり、回り止め本体１６による羽根ギヤ１１の固定が解除される。これにより、大ギヤ１３がラック１５と噛み合って回転し、大ギヤ１３の回転に伴って小ギヤ１２が回転して、小ギヤ１２と噛み合う羽根ギヤ１１の回転によって羽根４の角度が変更される。このように、回り止め１４の棒体１７の先端が障害物１８に接触して傾き、回り止め１４が羽根ギヤ１１から離れることが、羽根ギヤ１１の固定解除手段として機能する。
【００２６】
ラック１５は、羽根４が所望の角度に変更されるに足りるだけの長さを有しており、障害物１８の長さと位置は、ラック１５による羽根４の角度変更機能が満たされるように設定される。回り止め１４が羽根ギヤ１１を固定する際に接触する先端部が丸くなっているのは、羽根ギヤ１１の回り始めと固定解除のタイミングにずれが生じたときには、跳ね上がる構造にして、羽根ギヤ１１の回転を優先させるためである。
【００２７】
歯車２ｂによって進行方向を変えられた機構部１０は、第二の揚力獲得区間５ｂに入る。第二の揚力獲得区間５ｂにおける羽根４の角度と、第一の揚力獲得区間５ａにおける羽根４の角度とは、逆向きで同じ大きさの迎え角となっている。これにより、羽根４は、良好に揚力を受けられる角度となって、機構部１０は第二の揚力獲得区間５ｂを下向きに進行する。この際にも、羽根ギヤ１１に回り止め１４が接触して、羽根ギヤ１１が回転することを防止する。
【００２８】
歯車２ｃによって進行方向を変えられた機構部１０は、第二の羽根角度変更区間６ｂに入る。第二の羽根角度変更区間６ｂにおいては、チェーン３と平行にラック１５が設置されている。回り止め１４の棒体１７の先端は、チェーン３に対してラック１５と同じ側に配置されている障害物１８に接触して、回り止め本体１６が羽根ギヤ１１から離れた状態となり、羽根ギヤ１１の固定が解除される。これにより、大ギヤ１３がラック１５と噛み合って回転し、大ギヤ１３の回転に伴って小ギヤ１２が回転して、小ギヤ１２と噛み合う羽根ギヤ１１の回転によって羽根４の角度が変更される。その後、歯車２ｄによって進行方向を変えられた機構部１０は、第一の揚力獲得区間５ａに入って、以上の過程が繰り返される。
【００２９】
第二の揚力獲得区間５ｂの前面には、第二の揚力獲得区間５ｂを通過する風を制御するスリット８が設けられている。スリット８は間隔を置いて配置された複数の板９によって形成されている。図２では、各板９の間を風が通る開状態を示している。第一の揚力獲得区間５ａにおいて羽根４で乱された気流は水平ではないため、乱れた空気の流れを整えて、第二の揚力獲得区間５ｂにおいて、風を水平に戻す効果がある。また、第二の羽根角度変更区間６ｂにおいては、羽根４の動きの方向が風の向きと反対になるため、風を受ける側の前面に衝立２０が設けられている。また、羽根４の上部側にも衝立２１が設けられている。
【００３０】
スリット８は、図３に示すように、各板９が風の通路を塞ぐ閉状態とすることができ、開閉自在な構造とすることができる。スリット８を閉状態にすると、風が吹いていても発電量を抑えることができ、発電が不要なときに無駄な発電がなされることを防止できる。
【００３１】
機構部１０を構成する羽根４、羽根ギヤ１１、小ギヤ１２、大ギヤ１３、回り止め１４はいずれも、平板状の固定部１９に取付けられて固定されている。固定部１９は、図４に示すように、チェーン３に固定されており、チェーン３の移動に伴って周回する。図５は、羽根ギヤ１１と小ギヤ１２との噛み合いによって、羽根４の角度が変化する様子を正面から示している。
【００３２】
上述したように、羽根４を備えた機構部１０は、風を受けることによって揚力が得られるように羽根４の角度が設定されて、揚力獲得区間５と羽根角度変更区間６とを交互に通過して循環的に移動する。羽根角度変更区間６では、羽根４が風から揚力を得られるように、風に対する羽根４の角度を変化させる羽根角度変更手段を有しており、羽根角度変更手段の機能によって、揚力獲得区間５において、良好に揚力を得る状態を実現できる。
【００３３】
図６から図１０に基づいて、羽根角度変更手段に磁石を利用した実施形態について説明する、
図６に、羽根角度変更手段に磁石を利用した実施形態の基本例を示す。
図６において、大ギヤ１３は極性の異なる磁極が交互に配列されて形成され、ラック１５は、極性の異なる磁極が交互に配列されて形成されたラック本体部２２で構成されている。大ギヤ１３を構成する磁極とラック本体部２２を構成する磁極とが異なる磁極同士で接近するようにすると、互いの引き付けと反発による、大ギヤ１３とラック本体部２２との作用により、大ギヤ１３が回転し、これに伴う小ギヤ１２の回転によって羽根ギヤ１１が回転して羽根４の角度が変更される。大ギヤ１３を構成する磁極は永久磁石を用いることができ、ラック１５を構成する磁極は永久磁石または電磁石を用いることができる。
【００３４】
図６では、第一の揚力獲得区間５ａにおいて羽根４の角度が３０°であり、第一の羽根角度変更区間６ａにおいて羽根４の角度が大ギヤ１３とラック本体部２２とによって、３０°から−３０°へ変更される。図６では、変更の途中の０°のときを示している。第二の揚力獲得区間５ｂにおいて羽根４の角度が−３０°となり、第二の羽根角度変更区間６ｂにおいて羽根４の角度が−３０°から３０°へ変更されて、第一の揚力獲得区間５ａにおいて羽根４の角度が３０°となる場合を示している。図６に示す場合には、第一の羽根角度変更区間６ａにおけるラック１５の磁極の数と、第二の羽根角度変更区間６ｂにおけるラック１５の磁極の数とが同じであるため、第一の揚力獲得区間５ａと第二の揚力獲得区間５ｂにおける羽根４の角度の大きさは同じとなる。
【００３５】
第一の羽根角度変更区間６ａと第二の羽根角度変更区間６ｂにおいて、大ギヤ１３がラック１５によって回転する際には、回り止め１４の棒体１７が有する磁性と同じ極性を持つ磁極によって形成された障害物１８からの反発力によって、棒体１７が傾くことによって、回り止め本体１６は羽根ギヤ１１から離れ、羽根ギヤ１１は小ギヤ１２の回転力を受け取ることができる状態となっている。このように、回り止め１４の棒体１７の先端が障害物１８からの反発力によって傾き、回り止め１４が羽根ギヤ１１から離れることが、羽根ギヤ１１の固定解除手段として機能する。
【００３６】
また、図６の中央部に、羽根ギヤ１１の構造の詳細の一例を示しており、羽根ギヤ１１は、羽根４を挟んで一方の側に小ギヤ１２と噛み合う歯を有するとともに、他方の側には、回り止め１４の中心部が接触する凹部が１５°刻みで形成されている。羽根ギヤ１１の構造は、この他にも、小ギヤ１２と噛み合う歯が全周３６０°に亘って形成されたギヤと、回り止め１４の中心部が接触する凹部が全周３６０°に亘って形成されたギヤという、形状の異なる２枚のギヤを同軸でつないで形成することもできる。なお、図６から図１０においては、大ギヤ１３とラック１５との作用によって羽根４の角度が変更される際に、１つの磁極によって、羽根４の角度が１５°変更されるケースを例として説明しているが、これは一例であって、磁極と羽根４の変更角度との関係は、適宜設計することができる。
【００３７】
図７に、羽根角度変更手段に磁石を利用した第一変形例を示す。
図７においては、第二の羽根角度変更区間６ｂにおいて、ラック本体部２２の磁極の他に、電磁石を構成して生成される磁極で形成されたラック追加部２３が設けられている。ラック追加部２３は、大ギヤ１３に対してラック本体部２２とは反対側に設けられている。
【００３８】
図７では、第二の揚力獲得区間５ｂにおいて羽根４の角度が−３０°であり、第二の羽根角度変更区間６ｂにおいて、大ギヤ１３がラック追加部２３およびラック本体部２２と作用することにより、迎え角の大きさの調整がなされて＋４５°となる。第一の羽根角度変更区間６ａでは、ラック追加部２３の磁極は形成されておらず、大ギヤ１３はラック本体部２２とのみ作用するため、羽根４の迎え角の大きさは変わらず、−４５°となる。次のサイクルに入るときは、ラック追加部２３の磁極の数や配置の位置を適宜変更して、羽根４の傾斜角度の大きさを所望の角度に調整することができる。
【００３９】
図８に、図７に示した羽根角度変更手段に磁石を利用した第一変形例の動作の詳細を示す。
図８（ａ）から（ｅ）は、羽根４を備えた機構部１０が、第二の羽根角度変更区間６ｂを通過するときの動作の詳細を示している。図８（ａ）は、第二の揚力獲得区間５ｂのときの羽根４の傾斜角度−３０°で、第二の羽根角度変更区間６ｂに侵入した状態であり、図８（ｂ）では、ラック追加部２３の磁極による作用で大ギヤ１３が回転し、羽根４の傾斜角度が−４５°になるように回転している。このときは、回り止め１４の棒体１７が有する磁性と同じ極性を持つ磁極が形成された障害物追加部２４からの反発力によって、棒体１７が傾くことによって、回り止め本体１６は羽根ギヤ１１から離れ、羽根ギヤ１１は小ギヤ１２の回転力を受け取ることができる状態になっている。このように、回り止め１４の棒体１７が有する磁性と同じ極性を持つ磁極によって形成された障害物追加部２４からの反発力によって、棒体１７が傾き、回り止め１４が羽根ギヤ１１から離れることが、羽根ギヤ１１の固定解除手段として機能する。
【００４０】
図８（ｃ）は、羽根４の傾斜角度が−４５°の状態でラック追加部２３から離れた状態であり、図８（ｄ）は、角度変更の途中を示しており、ラック本体部２２の作用によって大ギヤ１３が回転し、羽根４の傾斜角度が０°となっている状態を示している。このときは、回り止め１４の棒体１７が有する磁性と同じ極性を持つ磁極が形成された障害物本体部２５からの反発力によって、棒体１７が傾くことによって、回り止め本体１６は羽根ギヤ１１から離れ、羽根ギヤ１１は小ギヤ１２の回転力を受け取ることができる状態になっている。障害物本体部２５の磁極の数を、ラック本体部２２の磁極の数と合わせることによって、ラック本体部２２の作用によって大ギヤ１３が回転するに必要な時間帯について、羽根ギヤ１１は小ギヤ１２の回転力を受け取ることができる状態とすることができる。図８（ｅ）は、第二の羽根角度変更区間６ｂでの角度の変更が終了して、羽根４の傾斜角度が＋４５°の状態でラック本体部２２から離れた状態である。
【００４１】
図８（ｆ）から（ｇ）は、羽根４を備えた機構部１０が、第一の羽根角度変更区間６ａを通過するときの動作の詳細を示している。図８（ｆ）は、ラック本体部２２の作用によって大ギヤ１３が回転し、羽根４の傾斜角度が０°となっている状態を示している。このときは、回り止め１４の棒体１７が有する磁性と同じ極性を持つ磁極が形成された障害物本体部２５からの反発力によって、棒体１７が傾くことによって、回り止め本体１６は羽根ギヤ１１から離れ、羽根ギヤ１１は小ギヤ１２の回転力を受け取ることができる状態になっている。図８（ｇ）は、第一の羽根角度変更区間６ａでの角度の変更が終了して、羽根４の傾斜角度が−４５°の状態でラック本体部２２から離れた状態である。
【００４２】
図９に、羽根角度変更手段に磁石を利用した第二変形例を示す。
図９においては、第二の羽根角度変更区間６ｂにおいて、ラック本体部２２の磁極の他に、電磁石を構成して生成される磁極で形成されたラック追加部２３が設けられている。ラック追加部２３は、大ギヤ１３に対してラック本体部２２と同じ側に設けられており、図７に示したものとは、ラック追加部２３の配置位置が異なっている。
【００４３】
図９では、第二の揚力獲得区間５ｂにおいて羽根４の角度が−３０°であり、第二の羽根角度変更区間６ｂにおいて、大ギヤ１３がラック追加部２３およびラック本体部２２と作用することにより、迎え角の大きさの調整がなされて＋１５°となる。第一の羽根角度変更区間６ａでは、ラック追加部２３の磁極は形成されておらず、大ギヤ１３はラック本体部２２とのみ作用するため、羽根４の迎え角の大きさは変わらず、−１５°となる。次のサイクルに入るときは、ラック追加部２３の磁極の数や配置の位置を適宜変更して、羽根４の傾斜角度の大きさを所望の角度に調整することができる。
【００４４】
図１０に、図９に示した羽根角度変更手段に磁石を利用した第二変形例の動作の詳細を示す。
図１０（ａ）から（ｅ）は、羽根４を備えた機構部１０が、第二の羽根角度変更区間６ｂを通過するときの動作の詳細を示している。図１０（ａ）は、第二の揚力獲得区間５ｂのときの羽根４の傾斜角度−３０°で第二の羽根角度変更区間６ｂに侵入した状態であり、図１０（ｂ）では、ラック追加部２３の磁極による作用で大ギヤ１３が回転し、羽根４の傾斜角度が−１５°になる途中を示している。このときは、回り止め１４の棒体１７が有する磁性と同じ極性を持つ磁極が形成された障害物追加部２４からの反発力によって、棒体１７が傾くことによって、回り止め本体１６は羽根ギヤ１１から離れ、羽根ギヤ１１は小ギヤ１２の回転力を受け取ることができる状態になっている。図８に示したものとは、ラック追加部２３の設置位置が大ギヤ１３に対して反対側となっているため、大ギヤ１３の回転方向が逆になり、羽根４の傾き方向が逆になる。
【００４５】
図１０（ｃ）は、羽根４の傾斜角度が−１５°の状態でラック追加部２３から離れた状態であり、図１０（ｄ）は、角度変更の途中を示しており、ラック本体部２２の作用によって大ギヤ１３が回転し、羽根４の傾斜角度が０°となっている状態を示している。このときは、回り止め１４の棒体１７が有する磁性と同じ極性を持つ磁極が形成された障害物本体部２５からの反発力によって、棒体１７が傾くことによって、回り止め本体１６は羽根ギヤ１１から離れ、羽根ギヤ１１は小ギヤ１２の回転力を受け取ることができる状態になっている。障害物本体部２５の磁極の数を、ラック本体部２２の磁極の数と合わせることによって、ラック本体部２２の作用によって大ギヤ１３が回転するに必要な時間帯について、羽根ギヤ１１を小ギヤ１２の回転力を受け取ることができる状態とすることができる。図１０（ｅ）は、第二の羽根角度変更区間６ｂでの角度の変更が終了して、羽根４の傾斜角度が＋１５°の状態でラック本体部２２から離れた状態である。
【００４６】
図１０（ｆ）から（ｇ）は、羽根４を備えた機構部１０が、第一の羽根角度変更区間６ａを通過するときの動作の詳細を示している。図１０（ｆ）は、ラック本体部２２の作用によって大ギヤ１３が回転し、羽根４の傾斜角度が０°となっている状態を示している。このときは、回り止め１４の棒体１７が有する磁性と同じ極性を持つ磁極が形成された障害物本体部２５からの反発力によって、棒体１７が傾くことによって、回り止め本体１６は羽根ギヤ１１から離れ、羽根ギヤ１１は小ギヤ１２の回転力を受け取ることができる状態になっている。図１０（ｇ）は、第一の羽根角度変更区間６ａでの角度の変更が終了して、羽根４の傾斜角度が−１５°の状態でラック本体部２２から離れた状態である。
【００４７】
図７から図１０に基づいて説明した例は、ラック１５を、極性の異なる磁極が交互に配列されて形成されたラック本体部２２と、電磁石を構成して生成される磁極の数を変えることにより長さが調整されるラック追加部２３とによって構成して、大ギヤ１３とラック１５との作用によって、自然の風と、羽根４の移動に対して相対的に発生する風が合成された風に対する羽根4の迎え角を調整可能とするものである。ラック本体部２２の磁極の数は、ラック追加部２３の磁極の数を考慮して、電磁石を構成して調整することができる。
【００４８】
羽根４に当たる風の角度が一定であれば、羽根４の迎え角を変える必要はないが、現実には、風速の変化によって機構部１０の移動速度が変わり、羽根４の移動に伴って発生する相対的な風との合成の風の角度も変わるものであり、この風の角度の変化に対応して羽根４の迎え角を変えることができれば、揚力を効果的に得ることができる。例えば、羽根４に当たる風の風速を常時観測しておき、この観測結果に基づいて、揚力を好適に得ることができる羽根４の迎え角を算出し、この迎え角を実現できるように、ラック追加部２３の磁極の数と設置位置を設定する。風の風速が頻繁に変わる場合には、一定時間に亘る風速の平均値を算出し、その平均値に基づいてラック追加部２３の構成を決定することもできる。ラック１５の磁極の生成消滅は、電磁石を構成するための電源のオンオフによって瞬時に実行することができるため、羽根４の迎え角の調整を、時間を置かずに実行することができる。
【００４９】
以上説明したように、本発明では、ラック追加部２３の磁極の数と設置位置を選ぶことによって、大ギヤ１３の回転角と回転方向とを決めることができ、これにより羽根４の傾きを調整できる。また、ラック１５の磁極の数を設定して、所望の迎え角とすることができる。そのため、揚力を良好に得ることができる。
【００５０】
図１１に、暴風下での破損対策の例を示す。
台風接近時のような暴風が吹くときには、風が強すぎて羽根４を備えた機構部１０が激しく動くと、装置が破損する恐れが生じる。そのため、風の強さが設定基準値を超えた強風下では、風に対する羽根４の角度を風から揚力を得られない角度に変更して、機構部１０が減速するようにしている。
【００５１】
図１１においては、第二の揚力獲得区間５ｂでは、羽根４の角度が−１５°で進行しているが、計測された風の強さが設定基準値を超えたときには、第二の羽根角度変更区間６ｂにおいて、大ギヤ１３とラック追加部２３との作用によって、羽根４の角度が０°となる。ラック本体部２２には磁極が形成されていないため、大ギヤ１３はラック本体部２２とは作用せず、羽根４の角度が０°のままで、第一の揚力獲得区間５ａに侵入する。
【００５２】
第一の揚力獲得区間５ａでは、羽根４の角度が０°となって、風に対する羽根４の角度が風から揚力を得られない角度に設定されているため、機構部１０が上方に進む力を得ることができない。そのため、機構部１０は減速する。この場合には、風の強さが設定基準値を下回るまで、機構部１０は遅い速度で弱い回転を続ける。
【００５３】
このように、大ギヤ１３とラック１５との作用によって、風に対する羽根４の角度が風から揚力を得られない角度に変更されて、機構部１０が減速するようになっている構成とすることにより、羽根４を備えた機構部１０が過剰に動くことを防止することができ、装置の破損を防止できる。さらに、羽根４が減速した後に通過する第一の羽根角度変更区間６ａにおいて、羽根４の前面に開閉自在な衝立を置き、強風下ではこの衝立を閉じることによって、第一の羽根角度変更区間６ａにおいて羽根４が抗力を受けることを防止して、機構部を停止させることも可能である。この場合には、風の強さが設定基準値を下回るまで、この状態で機構部１０は待機する。
【００５４】
以上説明したように、本発明では、羽根４に当たる風の角度が変化した場合には、電磁石による磁極の形成によるラック１５の長さの調整を行うことによって、揚力を得るための羽根４の角度の最適化を行うことができるとともに、同じく電磁石による磁極の形成によって、揚力が得られないようにして破損を防ぐこともできる点で、大きな優位性がある。
【００５５】
上述した揚力型風車１の動作により得られた回転力は、例えば、歯車２ｄまたは歯車２ｃの回転軸から取り出すことができる。何らかの理由で、迎え角が０°となって停止した後に再始動させる場合には、発電機をモーターとして使用して、逆に駆動をかけることによって、風の発生を待たずにチェーン３を回転させ、これに伴って機構部１０を移動させることができる。機構部１０が動けば、大ギヤ１３がラック１５と作用して、自然の風（水平の風）から揚力を得る角度に羽根４の角度を変えることが可能である。この状態で待機し、風が吹いて揚力を得られる状態に至ることができれば、自動的に揚力型風車１を再始動させることができる。再始動した後は、発電機は本来の発電の機能に戻る。
【００５６】
このような再始動手段を持てば、羽根角度変更区間６において抗力を得る必要がなくなるため、羽根角度変更区間６では羽根４を含む機構部１０を筐体で覆って、風から隔離することにより、完全な揚力型風車にすることが可能である。抗力は低速では有用であるが、一定領域以上においてはブレーキをかける要素となるため、抗力をなくすことによって、風車の発電能力を高めることができる。
【００５７】
また、揚力も抗力もなくし、かつスリット８を閉めれば、風車を完全に停止させることも可能である。この状態にできることは、メンテナンス作業をする際に有用である。
【００５８】
直線翼式風車の一つであるジャイロミル風車では、揚力を得るために垂直軸の周囲を固定式の直線翼が３枚ほど回っているが、固定翼であるため、的確な迎え角になるのは、１周３６０度中でわずか２０度程度であり、率にすると５％程度に過ぎない。これに対し、本発明では、風の向きに適合する迎え角の範囲を任意に拡大できる点で大きな優位性がある。
【００５９】
本発明は、プロペラ型の風車に比べて、無理のない形状のため、メンテナンスが容易であり、寿命が長くコストを下げることができる。また、接地面が広く安定が良いため、座屈、倒壊の危険が小さく、設置にあたって地盤の強度を要求しないため、設置場所の自由度が高い。また、鳥からの視認性が良いため、バードストライクが起こりにくい。
【００６０】
その他、本発明で使用される羽根は、円運動を行わないため、ブレードの迎え角に無駄がなく、放射状翼ではないため、先端周速が遅く、風切騒音が少ない点においても優位性がある。また、羽根の角度を変化させる手段として、磁石を用いて非接触で動力を伝達することにより、寿命が長く、メンテナンスが容易となる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、風を受けることによって得られる揚力を有効に利用して、風力を効率的に発電に利用することが可能な揚力型風車として利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１  揚力型風車
２  ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ  歯車
３  チェーン
４  羽根
５  揚力獲得区間
５ａ  第一の揚力獲得区間
５ｂ  第二の揚力獲得区間
６  羽根角度変更区間
６ａ  第一の羽根角度変更区間
６ｂ  第二の羽根角度変更区間
７  側板
８  スリット
９  板
１０  機構部
１１  羽根ギヤ
１２  小ギヤ
１３  大ギヤ
１４  回り止め
１５  ラック
１６  回り止め本体
１７  棒体
１８  障害物
１９  固定部
２０、２１  衝立
２２  ラック本体部
２３  ラック追加部
２４  障害物追加部
２５  障害物本体部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年9月5日(2017.9.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けることによって揚力が得られるように羽根の角度が設定されており、羽根が取り付けられた羽根ギヤと、羽根ギヤと噛み合う小ギヤと、小ギヤと同軸の大ギヤとを備えた機構部と、風から羽根が得る揚力によって動く機構部を循環的に移動させるために回転する環状のチェーンとを有する揚力型風車であって、
機構部は、羽根が風から揚力を得る揚力獲得区間と、羽根の角度を変更する羽根角度変更区間とを交互に通過して循環的に移動し、
羽根角度変更区間において、羽根が風から揚力を得られるように、風に対する羽根の角度を変化させる羽根角度変更手段を有し、
羽根角度変更手段は、羽根角度変更区間に設置されたラックに対して大ギヤが回転し、大ギヤの回転に伴って小ギヤが回転して、小ギヤと噛み合う羽根ギヤの回転によって羽根の角度が変更されるものであり、
前記大ギヤは極性の異なる磁極が交互に配列されて形成され、前記ラックは、極性の異なる磁極が交互に配列されて形成されたラック本体部と、追加的に形成された磁極からなるラック追加部とによって構成され、前記ラックは、電磁石を構成して生成される磁極の数を変えることによって長さが調整され、前記大ギヤと前記ラックとの作用によって、羽根に当たる風の角度の変化に合わせて羽根の迎え角を調整可能としたことを特徴とする揚力型風車。
【請求項２】
風の強さが設定基準値を超えたときは、前記大ギヤと前記ラックとの作用によって、風に対する羽根の角度が風から揚力を得られない角度に変更されることを特徴とする請求項１記載の揚力型風車。
【請求項３】
前記揚力獲得区間を通過する風を収束して風力を強める風レンズが設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の揚力型風車。
【請求項４】
前記揚力獲得区間を通過する風を制御するスリットが設けられており、スリットは間隔を置いて配置された複数の板によって形成され、各板の間を風が通る開状態と、各板が風の通路を塞ぐ閉状態とについて、開閉自在な構造となっていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の揚力型風車。