(57)【要約】 【課題】  ダリウス型垂直軸風車においては多くの技術が開発されているが、始動性の改善を図る必要がある。また回転に伴う遠心力がブレードに作用し、ブレードやアームの剛性すなわち耐久性に課題が残っている。【解決手段】  湾曲した形状を持つ帯状のブレードの両端を当該ブレード中央から両端に向かって回転方向に任意の角度の捩じりを持たせ、さらに当該ブレードの断面形状において、キャンバーを回転軸側に凸とする事により、揚力を発生させ向心力として遠心力と相殺して耐久性の向上を図ると共に、回転トルクの向上に寄与する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
湾曲した形状を持つ帯状のブレードの上下両端を回転軸近傍に、または回転軸から伸びたアームに固定した垂直軸風車であって、
当該ブレード中央から上下両端に向かって回転方向に任意の角度の捩じりを持たせた構造を特徴とする垂直軸風車。
【請求項２】
請求項１に記載したブレードが回転軸側に凸のキャンバーを持つことを特徴とする請求項１に記載の垂直軸風車。
【請求項３】
請求項２記載のブレードが中央部から上下両端に近づくに従って当該ブレードのキャンバーの最大高さが順次大きくなることを特徴とする請求項２に記載のブレード。
【請求項４】
請求項２および３に記載したブレードがブレードの後端近くで回転軸と固定されたことを特徴とする請求項１に記載の垂直軸風車。
【請求項５】
請求項２および３に記載したブレードの上端または下端を回転方向に任意の角度をもって前進させて回転軸または回転軸から伸びたアームに固定したことを特徴とする請求項１記載の垂直軸風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ダリュウス型垂直軸風車のブレードとアームの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直軸風車は多くの種類がある。その中でブレードに発生する揚力を利用した風車が風力発電に適している。形態はブレードが湾曲しているダリウス型とブレードが直線的で回転軸から伸びるアームに固定されているタイプの二種類がある。これらの風車は風力発電用に多くの改良がなされている。
【０００３】
特に日本では風環境が悪く一定した風を得ることが困難な場合が多い。例えば都市部のビル街や山の峰が入り組んだ地形の場所、また台風の時期などでは風の変動が激しく、時には突風に見舞われ風車が破損することも多い。特許文献１がこの対策例である。
【０００４】
非特許文献１（ｐ１２０  ５．８章  垂直軸に働く遠心力）で述べられているように垂直軸風車では遠心力に起因してブレードとアームに大きな応力が生じ、この応力の処理が大きな課題となっている。特許文献２がこの対策例である。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許３３３０１４１号広報
【０００６】
【特許文献２】特開２００５−２２６６１６号広報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】関和一、牛山泉共著  「垂直軸風車」パワー社出版  ２００８年１月発行
【０００８】
【非特許文献２】牧野光雄著  「航空力学の基礎（第２版）」  産業図書出版    １９８９年発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ダリウス型垂直軸風車において始動性を向上させるため、多くの技術が開発されている。サボニウス風車と組み合わせたり、風の方向によりブレードの取り付け角を変えたりする方法が一般的である。
【特許文献３】米国特許  ３９１８８３９号広報
【特許文献４】米国特許  ４１８０３６７号広報  しかし、これらの方法では装置が複雑になり、耐久性や製造方法に困難がある。したがって実用性に乏しいと言わざるを得ない。
【００１０】
垂直軸風車における第二の課題は遠心力への対処である。回転数が上昇すればするほど大きな遠心力がブレードに掛かり、時にはブレードの損傷また突発的な破損につながる。根本的な解決法が必要である。
【００１１】
垂直軸風車における課題は回転トルクの向上とともに、方向や風力の変動する風や、吹き上げまた吹き降ろしといった上下方向の風の変動には対応が充分でない。垂直軸風車では周囲３６０°からの風に対応できているが、市街地など変動の激しい風環境に対応するにはこれらの問題を解決することが第三の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題の始動性を向上させるため、本発明の請求項１に記載のブレードは湾曲した形状を持つ帯状のブレードでありその上下両端を当該ブレード中央から両端に向かって回転方向に任意の角度の捩じりを持たせている。こうする事により前方から吹く風の抗力は後方から吹く風の抗力より小さくなるので、当該ブレードは前方に回転する力を得る。すなわち風の抗力差で始動性を持つ。
【００１３】
本発明の請求項２に記載のブレードでは、請求項１に記載のブレードの回転軸側に凸のキャンバーを持つ構成となっている。従って当該ブレードが回転すると回転軸側に向いた揚力を発生する。この揚力が向心力となり、回転による遠心力と拮抗したとき一定速度の回転を得る。このとき遠心力は見かけ上相殺されるので、ブレードに応力を生じなくなり、ブレードの損壊を著しく減少する。
【００１４】
本発明の請求項３に記載のブレードでは、請求項２記載のブレードと同じように回転軸側に凸のキャンバーを持っている。しかしブレードが湾曲しているので、ブレードの中央部分では回転スピードが速く揚力は大きい。また回転軸近傍では回転スピードが小さくなり揚力は小さい。この揚力の差異を少なくするために回転軸近傍では当該ブレードのキャンバーの最高高さを大きくしている。
【００１５】
本発明の請求項４に記載のブレードは揚力を生じ、向心力を生じる。この揚力の作用点が回転中心から離れているほど回転トルクが大きくなる。したがって当該ブレードをブレードの後端近くに回転軸が来るよう移動させる事により回転軸から距離を離し、回転トルクの向上を図る。
【００１６】
本発明の請求項５に記載のように、ブレードの上端又は下端を回転方向に一定角前進させて固定することにより、風力の小さな変動を平均化する機能が力学的に生じ、請求項１記載の垂直軸風車の回転がスムーズで滑らかな回転となる。
【００１７】
また、ブレードが湾曲しているので水平方向の風のみでなく、吹き上げまた吹き降ろしといった上下方向の風の変動にも十分な対応性を持つ。この構成により当該風車の出力は平均化され滑らかで安定した出力となる。
【発明の効果】
【００１８】
上述したように本発明においてブレードの捻りにより始動性能が向上する。また、回転軸側に凸のキャンバーを持つため、揚力を生じこれを向心力として遠心力と相殺するので、ブレードに掛かる大きな応力を減じるという効果を発揮する。さらに、ブレードの上端又は下端を回転方向に一定角前進させて固定するので、風力の小さな変動を平均化し滑らかな回転を得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ブレードに捻りを付与した垂直軸風車の概観図
【図２】ブレードを回転軸方向に前進して固定した垂直軸風車の概観図
【図３】ブレードに捻りを付与しアームに固定した垂直軸風車の概観図
【図４】ブレードを回転方向に前進したアームに固定した垂直軸風車の概観図
【図５】キャンバーのないブレードの断面図
【図６】ブレードの捻りを示す図
【図７】図１の断面図
【図８】キャンバーを持つブレードの揚力と遠心力
【図９】図２の断面図
【図１０】図３の断面図
【図１１】図４の断面図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２０】
以上で得た結果を実施した第一例として、図１に二つの湾曲したブレードを持つサボニウス型垂直軸風車を示す。
図１において、二つのブレード６は同一形状で回転軸Ｏｓに対して１８０°対称の位置に配置され、回転支柱１に固定されている。
【００２１】
一般にブレードの数は二つに限っておらず、風の状況、風車の要求される性能や能力によって数を増やす構成が取られる。
【００２２】
また、図５に示すように当該ブレードの断面形状は風の抵抗を減じるために、翼型断面とし、上下対称であり揚力を生じないキャンバーがゼロのものである。ωは回転方向であり、中心線Ｌｓはブレードの前端３と後端４を結んでおり翼弦線といわれている。
【非特許文献２】牧野光雄著  「航空力学の基礎（第２版）」  産業図書出版１９８９年発行
【００２３】
次に図６によりブレード６の捻りを説明する。図６はブレード６を三方向から見た図である。［イ］は正面図、［ロ］は側面図、［ハ］は上面図である。［ハ］の上面図に示す角度ψは零より大きい値をとる。ωは回転方向を示している。
【００２４】
ブレード６の中央部分では捻り角度θは零度に近く、上端１１および下端１２付近では前方に角度θ度捻られている。すなわち中央付近から上下端に向かって前方方向に捻り角度θが漸次増加している。
【００２５】
図７の［イ］、［ロ］、［ハ］はそれぞれ図１におけるＰ１−Ｐ１断面図、Ｐ２−Ｐ２断面図、Ｐ３−Ｐ３断面図を示している。回転支柱１は記載していない。
当該断面図で描いた二つのブレードは回転軸Ｏｓを挟んで１８０度の位置に配置されている。各断面点においてブレードは回転軸中心Ｏｓと直角を成す角からそれぞれ
θ１、θ２、θ３度傾き、  θ１＞θ２＞θ３＞０  の関係を持っている。
【００２６】
上下両端における最大捻り角度θは通常９０°以下が適当である。図６では４０°で描いている。
【００２７】
図６において、上記のこのように構成する事により、ブレードの回転方向に吹く風Ｗ１の抗力の方が当該ブレードの反対方向から吹く風Ｗ２の抗力より大きくなる。したがって当該ブレードは回転方向に吹く風Ｗ１に押されて回転トルクを発生する。抗力差による回転である。従って風速の小さい領域においても高い回転トルクを発生することができ、始動性能の高い風車となる。
【００２８】
上記のブレード６はキャンバーを持っていないので揚力を生じない。キャンバーを持たせ揚力を生じさせ、この揚力を利用する。まず図８によりキャンバーを持つブレードについて説明する。
【００２９】
キャンバーを持つブレード１０の前縁３と後縁４を結んだ線が翼弦線であり、上面９と下面８の中間を結ぶ線がキャンバーラインＣｂであり中心線とも呼ばれる。当該ブレード１０ではキャンバーを内側にすなわち回転軸Ｏｓ側に凸の構成を取る。生じる揚力は翼弦線と風の方向Ｗとの迎い角βによりＰｏを起点として揚力Ｌｆ生じる。一般に揚力Ｌｆと起点Ｐｏはブレードの形および角度βにより決定するが当該説明では図示の通りとする。
【非特許文献２】を参考されたい。
【００３０】
上記の構成を取り、回転軸側に凸のキャンバーラインＣｂを持つことにより生じる揚力Ｌｆは回転トルクを発生すると共に回転するブレードの向心力となって当該ブレード１０に生じる遠心力Ｃｆと逆方向を向いているので、二つの力は相殺することになる。
【００３１】
すなわち、回転力の向上と共に第二の課題であるブレードの損傷また突発的な破損を減少することに大きく寄与する。
【００３２】
図８より、回転軸Ｏｓと揚力Ｌｆの起点Ｐｏとの距離δｒを大きくとれば回転トルクＬｆ・δｒの値は大きくなる。したがってブレード１０の後端近傍が回転軸と交わる程度にブレード１０を回転方向に移動させる。したがって図６ではＯｓをＯｐに移動する構成となる。
【００３３】
さらにブレード１０の上端１１または下端１２を回転方向に前進させて回転軸と結合する構成を取る。前進させる量を角度で表示しφとする。φの値は零より大きく、３６０°をブレードの数で割った値の範囲を取るのが一般的であろう。図２ではφの値を９０°の例を示している。また図２に示した各点の断面図を図９に示す。
【００３４】
図９の［イ］、［ロ］、［ハ］、［二］、［ホ］はそれぞれ図２のＰ１−Ｐ１断面図、Ｐ２−Ｐ２断面図、Ｐ３−Ｐ３断面図、Ｐ４−Ｐ５断面図、Ｐ５−Ｐ５断面図であり、φの値は図記の値を取る。回転支柱１は記載していない。φと共に捻り角θおよびブレード６の最大高さも変化する構成としている。
【００３５】
上記の構成を取る事により、風が０°から９０°の間で揺らいでいても、ブレード６には０°から９０°の間の平均値として作用する。すなわち風の変動を滑らかに受け取り、当該構成のブレード６を持つ風車は滑らかな回転となる。
【実施例２】
【００３６】
第二の実施例として、図３に回転軸から伸びたアームに僅かに湾曲した二つのブレードを持つサボニウス型垂直軸風車を示す。このタイプはブレードが直線であれば、直線ダリウス型とかＨ型と称される。これらは以下とほぼ同等に論じることができる。
【００３７】
二つのブレード７は回転軸Ｏｓに対して１８０°対称の位置に配置されている。図１と同じように捻り角θを持っており、中央の捻り角をθ３、やや離れた位置の捻り角をθ２、アームに取り付ける近傍の捻り角をθ１とすると、図１の場合と同じくθ１＞θ２＞θ３＞０なる関係が成り立っている。しかし、回転軸と取り付け位置までの距離に大きな差はないのでθ１とθ２の値は図１の場合より小さい値となる。図１０に各位置での断面図の例を示す。
【００３８】
図１０の［イ］、［ロ］、［ハ］はそれぞれ図３のＰ１−Ｐ１断面図、Ｐ２−Ｐ２断面図、Ｐ３−Ｐ３断面図である。回転支柱１は記載していない。
【００３９】
図１０において、前記同様に各ブレード７は回転軸方向にδｒの値を大きくするためブレード７の後端近傍で固定しており、回転トルクの増大と遠心力の相殺に寄与している。
【００４０】
図４において、前記同様にブレード７の上端または下端を回転方向に前進させて回転軸と結合する構成を取る。前進させる量φの値は零より大きく、３６０°をブレードの数で割った値の範囲を取るのが一般的である。図１１に断面図を示す。φの最大値が９０°の例を示している。
【００４１】
図１１の［イ］、［ロ］、［ハ］、［二］、［ホ］はそれぞれ図４のＰ１−Ｐ１断面図、Ｐ２−Ｐ２断面図、Ｐ３−Ｐ３断面図、Ｐ４−Ｐ５断面図、Ｐ５−Ｐ５断面図であり、φの値をそれぞれ図記している。回転支柱１は記載していない。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
当該垂直軸風車を風力発電装置に利用すれば始動性が高く耐久性が向上し、効率よく風力を電力に変換できる。したがって、クリーンエネルギーの利用が加速する。特に、小電力発電装置や風向が頻繁に変わる地域での利用に適するので、特に風力環境の悪い都市部等での風力発電の普及が促進される。
【符号の説明】
【００４３】
１     回転支柱
２     アーム
３     ブレードの前端
４     ブレードの後縁
５     最大高さ
６     支柱近傍に固定されるブレード
７     アームに固定されるブレード
８     上面、翼の反回転軸側面
９     下面、翼の回転軸側面
１０   キャンバーを持つブレード
１１   ブレードの上端
１２   ブレードの下端
Ｏｓ   回転軸
Ｏｐ   ブレードの後端近くの回転軸
φ     前進角
ω     回転方向
θ     捻り角
Ｌｆ   揚力
Ｃｆ   遠心力
【図１】
2011179417.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】
2011179417.tif 000008
【図７】
2011179417.tif 000009
【図８】
2011179417.tif 000010
【図９】
2011179417.tif 000011
【図１０】
2011179417.tif 000012
【図１１】
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