(57)【要約】【課題】垂直軸形風水車の回転効率を改善する技術を提供する。【解決手段】流体としての風の中に設置される翼部２と、翼部２が垂直公転軸線C１まわりで公転できるように翼部２を支持する翼部支持部材３と、を備える発電用垂直軸形風車１は、例えば図１２や図１３に示すように以下のように構成されている。即ち、発電用垂直軸形風車１は、翼部２が風下側から風上側へ向かって移動する際に翼部２が風を受け止める翼部２の面積が、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際に翼部２が風を受け止める翼部２の面積よりも実質的に小さくなるように、翼部２が風を受け止める翼部２の面積を増減させる面積増減手段を更に備えた。【選択図】図１４
2011252455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中に設置される翼部と、
前記翼部が垂直公転軸線まわりで公転できるように前記翼部を支持する翼部支持部材と、
を備える垂直軸形風水車であって、
前記翼部が前記流体の下流側から上流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体を受け止める前記翼部の面積が、
前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体を受け止める前記翼部の面積よりも実質的に小さくなるように、
前記翼部が前記流体を受け止める前記翼部の面積を増減させる面積増減手段を更に備えた、
垂直軸形風水車。
【請求項２】
請求項１に記載の垂直軸形風水車であって、
前記面積増減手段は、
前記翼部に前記流体が流通可能な流通孔を形成し、
前記翼部が前記流体の下流側から上流側へ向かって移動する際には前記流通孔を開口し、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際には前記流通孔を閉塞する、開閉塞手段を設けることによって構成されている、
垂直軸形風水車。
【請求項３】
請求項２に記載の垂直軸形風水車であって、
前記開閉塞手段は、
前記流通孔を開閉塞可能な面積を有し、前記翼部の公転方向後面に一端が支持される板体によって構成されている、
垂直軸形風水車。
【請求項４】
請求項３に記載の垂直軸形風水車であって、
前記流通孔を閉塞した状態の前記板体の他端近傍には、
前記翼部の前記公転方向後面に沿って流れる前記流体によって前記板体がめくれ上がるのを抑制する障壁が形成されている、
垂直軸形風水車。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の垂直軸形風水車であって、
前記翼部の公転方向前面には前記翼部の公転方向に向かって凸の凸曲面が形成される、
垂直軸形風水車。
【請求項６】
請求項５に記載の垂直軸形風水車であって、
前記板体は、前記一端が、前記流通孔を閉塞した状態の前記板体の他端を挟んで、前記翼部の翼弦中心と反対側となるように配置される、
垂直軸形風水車。
【請求項７】
請求項２〜６の何れかに記載の垂直軸形風水車であって、
前記翼部は、前記翼部の翼弦中心から外れた位置で、前記翼部支持部材に対して平面視で自転可能に支持されており、
前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際には前記翼部が前記流体に対してなびくことを禁止し、前記翼部が前記流体の下流側から上流側へ向かって移動する際には前記翼部が前記流体に対してなびくことを許容する、自転制御手段を更に備える、
垂直軸形風水車。
【請求項８】
請求項７に記載の垂直軸形風水車であって、
前記自転制御手段は、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に、前記翼部の平面視翼弦の延長線上近傍に前記垂直公転軸線が実質的に来るように、前記翼部の自転を制御する、
垂直軸形風水車。
【請求項９】
請求項１に記載の垂直軸形風水車であって、
前記面積増減手段は、
前記翼部を、前記翼部の翼弦中心から外れた位置で、前記翼部支持部材に対して平面視で自転可能に支持し、
前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際には前記翼部が前記流体に対してなびくことを禁止し、前記翼部が前記流体の下流側から上流側へ向かって移動する際には前記翼部が前記流体に対してなびくことを許容する、自転制御手段を設ける、ことで構成されている、
垂直軸形風水車。
【請求項１０】
請求項９に記載の垂直軸形風水車であって、
前記自転制御手段は、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に、前記翼部の平面視翼弦の延長線上近傍に前記垂直公転軸線が実質的に来るように、前記翼部の自転を制御する、
垂直軸形風水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸型風水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の技術として、特許文献１は、微風下から強風下に亘る広範囲の条件下で優れた空力特性を示す垂直軸形風車を開示している。この垂直軸形風車では、翼の腹面に枢軸止めされて揺動可能なフラッパーが設けられている。このフラッパーは、微風時においては板バネの作用で翼外側に開いた状態であって翼形状をいわゆる抗力型に保ち、強風時においては発生した遠心力によって翼本体に密着して翼形状をいわゆる揚力型へと変化させる。この構成により、特許文献１の垂直軸形風車においては、微風時では翼形状を抗力型に保ち、風速が増加すると翼形状が揚力型に可変できる翼構造が実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７０７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、垂直軸形風水車の一般的な性質として、垂直軸形風水車を構成する翼部が風や水流を受けて上流側から下流側へと移動する際に受ける力はそのまま垂直軸形風水車の回転に寄与するが、翼部が下流側から上流側へと移動する際に受ける力は垂直軸形風水車の回転を妨げる働きをする。
【０００５】
本願発明の主たる課題は、垂直軸形風水車の回転効率を改善する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、本願の発明者は、鋭意研究の末、鳥類が翼を上下方向に往復動させるフラッピングや前後方向に往復動させるリードラグ、翼の向きを大きく変化させるフェザリングといった鳥類特有の飛行メカニズムに着目し、以下の発明を完成させた。
【０００７】
本願発明の観点によれば、流体中に設置される翼部と、前記翼部が垂直公転軸線まわりで公転できるように前記翼部を支持する翼部支持部材と、を備える垂直軸形風水車は、前記翼部が前記流体の下流側から上流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体を受け止める前記翼部の面積が、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体を受け止める前記翼部の面積よりも実質的に小さくなるように、前記翼部が前記流体を受け止める前記翼部の面積を増減させる面積増減手段を更に備えた。◆以上の構成によれば、前記翼部が前記流体の下流側から上流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体から受ける力が、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体から受ける力よりも小さくなるので、前記翼部が前記垂直公転軸線まわりで効率的に公転できるようになる。
【０００８】
好ましくは、前記面積増減手段は、前記翼部に前記流体が流通可能な流通孔を形成し、前記翼部が前記流体の下流側から上流側へ向かって移動する際には前記流通孔を開口し、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際には前記流通孔を閉塞する、開閉塞手段を設けることによって構成されている。◆以上の構成によれば、前記面積増減手段が簡素なメカニズムで実現される。
【０００９】
好ましくは、前記開閉塞手段は、前記流通孔を開閉塞可能な面積を有し、前記翼部の公転方向後面に一端が支持される板体によって構成されている。◆以上の構成によれば、前記開閉塞手段が簡素な構成で実現される。
【００１０】
好ましくは、前記流通孔を閉塞した状態の前記板体の他端近傍には、前記翼部の前記公転方向後面に沿って流れる前記流体によって前記板体がめくれ上がるのを抑制する障壁が形成されている。◆以上の構成によれば、前記翼部の前記公転方向後面に沿って流れる前記流体によって前記板体がめくれ上がるのを抑制することができる。従って、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に前記流通孔を一層確実に閉塞することができ、もって、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に前記翼部は前記公転方向後面に前記流体を確実に受け止め、前記翼部が前記公転方向後面側から確実に前記流体の圧力を受けることができるようになる。
【００１１】
好ましくは、前記翼部の公転方向前面には前記翼部の公転方向に向かって凸の凸曲面が形成される。◆以上の構成によれば、前記翼部が揚力を生ずる位置にあるときは、前記凸曲面に生じる負圧が前記翼部を公転方向に引き寄せることになるので、前記翼部が前記垂直公転軸線まわりで一層効率的に公転できるようになる。
【００１２】
好ましくは、前記板体は、前記一端が、前記流通孔を閉塞した状態の前記板体の他端を挟んで、前記翼部の翼弦中心と反対側となるように配置される。◆つまり、前記板体の前記一端と前記翼部の翼弦中心は、前記流通孔を閉塞した状態の前記板体の前記他端を挟む位置関係である。以上の構成によれば、前記板体が前記翼部の翼弦中心よりも前記流体の上流側に位置した段階において、前記一端は前記他端よりも前記流体の上流側に来ることになる。前記一端が前記他端よりも前記流体の上流側に来ると、前記一端が前記他端よりも前記流体の下流側に来た場合と比較して、前記板体は前記流通孔を閉塞し易い。一方で、一般に、前記凸曲面のうち負圧が特に発生する領域は、前記凸曲面のうち前記流体の上流側に集中する。従って、以上の構成によれば、前記凸曲面のうち負圧が特に発生する領域に存在する前記流通孔を一層確実に閉塞できるようになるので、前記凸曲面に発生する負圧を効果的に確保でき、もって、前記翼部が前記垂直公転軸線まわりで一層効率的に公転できるようになる。
【００１３】
好ましくは、前記翼部は、前記翼部の翼弦中心から外れた位置で、前記翼部支持部材に対して平面視で自転可能に支持されており、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際には前記翼部が前記流体に対してなびくことを禁止し、前記翼部が前記流体の下流側から上流側へ向かって移動する際には前記翼部が前記流体に対してなびくことを許容する、自転制御手段を更に備える。◆以上の構成によれば、前記翼部が前記流体の下流側から上流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体から受ける力が、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体から受ける力よりも一層小さくなるので、前記翼部が前記垂直公転軸線まわりで一層効率的に公転できるようになる。
【００１４】
好ましくは、前記自転制御手段は、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に、前記翼部の平面視翼弦の延長線上に前記垂直公転軸線が実質的に来るように、前記翼部の自転を制御する。◆以上の構成によれば、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体から受ける力を大きく確保することができる。
【００１５】
好ましくは、前記面積増減手段は、前記翼部を、前記翼部の翼弦中心から外れた位置で、前記翼部支持部材に対して平面視で自転可能に支持し、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際には前記翼部が前記流体に対してなびくことを禁止し、前記翼部が前記流体の下流側から上流側へ向かって移動する際には前記翼部が前記流体に対してなびくことを許容する、自転制御手段を設ける、ことで構成されている。◆以上の構成によれば、前記面積増減手段が簡素なメカニズムで実現される。
【００１６】
好ましくは、前記自転制御手段は、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に、前記翼部の平面視翼弦の延長線上に前記垂直公転軸線が実質的に来るように、前記翼部の自転を制御する。◆以上の構成によれば、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体から受ける力を大きく確保することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本願発明によれば、前記翼部が前記流体の下流側から上流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体から受ける力が、前記翼部が前記流体の上流側から下流側へ向かって移動する際に前記翼部が前記流体から受ける力よりも小さくなるので、前記翼部が前記垂直公転軸線まわりで効率的に公転できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１（ａ）は本願発明の第１実施形態に係る発電用垂直軸形風車の翼部の斜視図であり、図１（ｂ）は発電用垂直軸形風車の翼部支持部材の斜視図である。
【図２】図２は、発電用垂直軸形風車を組み立てた状態の斜視図である。
【図３】図３は、図２の３−３線矢視断面図である。
【図４】図４は、図２の４−４線矢視断面図である。ただし、図２の３−３線矢視と４−４線矢視は若干上下にずれている。
【図５】図５は、図３に類似する図であって、翼部が９０度自転した状態を示す図である。
【図６】図６は、翼部の断面図であって、翼部が翼上面から風を受けた場合を示す図である。
【図７】図７は、翼部の断面図であって、翼部が翼下面から風を受けた場合を示す図である。
【図８】図８は、翼部の断面図であって、翼部が翼下面から斜めに風を受けた場合を示す図である。
【図９】図９は、翼部の断面図であって、翼部が翼下面から斜めに風を受けた場合を示す図である。
【図１０】図１０は、翼部の断面図であって、翼部の翼上面に発生する負圧の圧力分布（揚力分布）を示す図である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は、図３に類似する図であって、翼部が風になびく様子を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）〜図１２（ｈ）は、小羽根部による面積増減メカニズムの作動説明図である。
【図１３】図１３（ａ）〜図１３（ｈ）は、自転制御機構による面積増減メカニズムの作動説明図である。
【図１４】図１４（ａ）〜図１４（ｈ）は、小羽根部と自転制御機構による面積増減メカニズムの作動説明図である。
【図１５】図１５（ａ）〜図１５（ｈ）は、図１２（ａ）〜図１２（ｈ）に類似する図であって、本願発明の第２実施形態に係る翼部の作動説明図である。
【図１６】図１６（ａ）〜図１６（ｈ）は、図１３（ａ）〜図１３（ｈ）に類似する図であって、本願発明の第３実施形態に係る翼部の作動説明図である。
【図１７】図１７（ａ）〜図１７（ｃ）は、本願発明の第４実施形態に係る翼部の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１実施形態）
以下、図面を参照しつつ、本願発明の第１実施形態を説明する。
【００２０】
図１（ａ）及び図１（ｂ）、図２に示すように、本実施形態に係る発電用垂直軸形風車１（垂直軸形風水車）は、流体としての風の中に設置される３つの翼部２と、各翼部２が垂直公転軸線C１まわりで公転できるように翼部２を支持する翼部支持部材３と、を備えて構成されている。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように各翼部支持部材３は、図示しない発電機の入力軸４に連結された筒部５に接続し、入力軸４の長手方向に対して直交する方向へ延びる上支柱６及び下支柱７によって構成されている。上支柱６と下支柱７は、相互に平行に、且つ、入力軸４の長手方向において若干離れた位置で延びている。上支柱６と下支柱７は、翼部２を支持するための翼支持軸部８によって先端近傍で連結されている。また、図１（ｂ）に示すように、上支柱６の先端部６ａには、下支柱７に向かって翼支持軸部８の長手方向と平行に突出する第１上自転規制部６ｂが形成されている。同様に、下支柱７の先端部７ａには、上支柱６に向かって翼支持軸部８の長手方向と平行に突出する第１下自転規制部７ｂが形成されている。また、図１（ｂ）において符号Rは、発電用垂直軸形風車１の回転方向R（翼部２の公転方向R）を示している。上支柱６の回転方向Rの後面である上回転方向後面６ｃには、第１上自転規制部６ｂよりも若干筒部５側で翼支持軸部８の長手方向と平行に延び、下支柱７に向かって若干突出する第２上自転規制部６ｄが形成されている。同様に、下支柱７の回転方向Rの後面である下回転方向後面７ｃには、第１下自転規制部７ｂよりも若干筒部５側で翼支持軸部８の長手方向と平行に延び、上支柱６に向かって若干突出する第２下自転規制部７ｄが形成されている。
【００２２】
図１（ａ）に示すように各翼部２は、平面視で翼型を構成しており、一対の端板９と、一対の端板９間に設けられる翼型枠１０と、を主たる構成として備えている。各端板９には翼部２を翼部支持部材３に支持させるための軸受１１が形成されており、図２に示すように各軸受１１を翼支持軸部８と結合させることで、翼部２は翼支持軸部８（図１の翼部自転軸C2）まわりで自転できるようになっている。この軸受１１は、図３に示すように、翼部２の翼弦W中心から外れた位置に形成されている。
【００２３】
図３には、翼部２を翼部支持部材３に結合させた状態を示している。図３に示すように本実施形態において翼部２は平面断面視で翼弦W中心に対して線対称に構成されている。そして、翼型枠１０は、湾曲した板体によって形成されており、もって、翼部２は断面略中空の翼型となっている。
【００２４】
翼型枠１０は、翼下面１２を構成する一対の下面部１３と、前縁又は後縁を構成する一対の縁部１４と、翼上面１５を構成する上面部１６と、によって構成されている。即ち、翼型枠１０は、下面部１３と縁部１４、翼上面１５、縁部１４、下面部１３から成る連続体として構成されている。本実施形態において翼部２の公転方向R前面に形成され、翼部２の公転方向に向かって凸の凸曲面は翼上面１５に相当している。また、翼部２の公転方向後面に形成される平坦面は、下面部１３の翼下面１２に相当している。一対の下面部１３の間には流体受け入れ孔２ａが形成されている。換言すれば、一対の下面部１３は、流体受け入れ孔２ａを挟んで配置されている。
【００２５】
そして、翼上面１５には、風が流通可能な４つの流通孔１７が形成されている。４つの流通孔１７は、図３に示すように翼弦W方向に所定間隔で形成されており、また、図１（ａ）に示す翼部自転軸C2に対して平行に、且つ、一対の端板９に至るように縦長に形成されている。更に、翼部２の上面部１６の公転方向R後面である後面１６ａには、流通孔１７を開閉塞可能に十分な面積を有すると共に、一端１８ａが後面１６ａに支持される板体としての小羽根部１８（開閉塞手段）が設けられている。小羽根部１８の一端１８ａは、翼部２の翼弦W中心と小羽根部１８の他端１８ｂを挟んで反対側となるように配置されている。つまり、小羽根部１８の一端１８ａと翼部２の翼弦W中心は、小羽根部１８の他端１８ｂを挟む位置関係にある。各小羽根部１８は、無風状態で流通孔１７を閉じた状態となるように一端１８ａが後面１６ａに取り付けられている。図３において紙面上側の２つの小羽根部１８（回転プレート）は、撓みにくい板材によって形成されており、一端１８ａに設けたねじりコイルバネによって流通孔１７を閉じている状態をイメージしたものである。他方、図３において紙面下側の２つの小羽根部１８（フレキシブルプレート）は、撓みやすい板材によって形成されており、一端１８ａが後面１６ａに固定されている状態をイメージしたものである。
【００２６】
また、図３に示すように流通孔１７を閉塞した状態の各小羽根部１８の他端１８ｂ近傍には、小骨部１９（障壁、リブ）が形成されている。各小骨部１９は、上面部１６の後面１６ａから突出して形成されている。
【００２７】
また、図４に示すように、翼部自転軸C2の軸方向における一部には、流通孔１７に嵌り込むことで小羽根部１８が流通孔１７を通って翼上面１５側にめくれてしまうことを防止する防撓板２０が設けられている。
【００２８】
（作動）
次に、発電用垂直軸形風車１の作動を説明する。以下、説明の便宜上、発電用垂直軸形風車１の細かい作動を先ず説明し、その後、発電用垂直軸形風車１の全体の作動を説明する。
【００２９】
（翼部２の翼部自転軸C2まわりの自転とその制御）
図３と図５を比較して判る通り、本実施形態において翼部２は、翼部支持部材３に支持された状態で翼部自転軸C2まわりで自転できるようになっている。
【００３０】
図３には、翼部２の翼弦Wが回転方向Rと直交し、上面部１６が回転方向Rに向かって凸となっている翼部２の状態が示されている。このとき、翼部２の一対の下面部１３のうち軸受１１に近い側の下面部１３が翼部支持部材３の下支柱７の第１下自転規制部７ｂに接触しており、もって、図３の状態よりも更に紙面時計回りに翼部２が自転するのが禁止されるようになっている。
【００３１】
一方、図５には、図３の状態から翼部２が反時計回りに略９０度自転し、翼部２の翼弦W方向が下支柱７の長手方向と直交している状態を示している。このとき、翼部２の端板９が翼部支持部材３の下支柱７の第２下自転規制部７ｄに接触しており、もって、図５の状態よりも更に紙面反時計回りに翼部２が自転するのが禁止されるようになっている。
【００３２】
このように翼部２は、図３の状態と図５の状態との間で自在に自転できるようになっている。
【００３３】
（翼部２の小羽根部１８の開閉動作）
図３及び図６、図７を比較して判る通り、本実施形態において翼部２の上面部１６に形成された流通孔１７は、開口し、閉塞できるようになっている。
【００３４】
図３には、小羽根部１８が流通孔１７を閉塞した状態を示している。このとき、小羽根部１８は、前述したねじりコイルバネや自身の剛性によって上面部１６の後面１６ａに押し付けられている。
【００３５】
図６には、翼部２が上面部１６の翼上面１５側から風を受けたことにより小羽根部１８が変位し、流通孔１７が開口した状態を示している。このとき、翼部２が風を受け止める翼部２の面積は、流通孔１７が開口した分、図３の状態と比較して凡そ半分程度に小さくなっている。
【００３６】
図７には、翼部２が下面部１３の翼下面１２側から風を受けており、小羽根部１８が流通孔１７を閉塞した状態を示している。このとき、小羽根部１８は風を受けることで流通孔１７を閉塞する向きに押さえつけられることになる。なお、翼部２には流体受け入れ孔２ａが形成されているので、翼部２は風を積極的に内部に取り入れる構成となっている。
【００３７】
（翼部２の小羽根部１８の意図しないめくれ防止）
図８や図９に示すように翼部２が下面部１３の翼下面１２側から、翼部２に正対せず若干斜めの方向から風を受けると、図８や図９において細線矢印で示すように、上面部１６の後面１６ａに沿った空気の流れｒが少なからず生成されようとする。この流れｒは、小羽根部１８の他端１８ｂと上面部１６の後面１６ａの間の隙間に入り込んで、小羽根部１８を捲り上げ、流通孔１７を開口させる恐れがある。しかし、図８及び図９に示すように、本実施形態において小羽根部１８の他端１８ｂ近傍には小骨部１９が形成されており、上記の流れｒは小骨部１９によって遮られる。従って、例え流れｒが生成されたとしても、流れｒは小羽根部１８の他端１８ｂを捲り上げる前に消失し、もって、翼部２が下面部１３の翼下面１２側から風を受けた際に、小羽根部１８が意に反してめくれ上がってしまうという問題が解消されている。
【００３８】
（翼部２の揚力作用）
図３に示すように翼部２は、翼上面１５が凸曲面を成しており、翼下面１２が平坦面を成している。従って、図１０に示すように、上面部１６の翼上面１５には、二点鎖線でイメージした負圧が発生する。また、前述したように、各小羽根部１８の一端１８ａは、翼部２の翼弦W中心と小羽根部１８の他端１８ｂを挟んで反対側となるように配置されている。この構成によれば、小羽根部１８が翼部２の翼弦W中心よりも風上に位置した段階において、一端１８ａは他端１８ｂよりも風上に来ることになる。一端１８ａが他端１８ｂよりも風上に来ると、一端１８ａが他端１８ｂよりも風下に来た場合と比較して、小羽根部１８は流通孔１７を閉塞し易い。一方で、一般に、図１０に示すように、凸曲面である翼上面１５のうち負圧が特に発生する領域は、凸曲面のうち風上側に集中する。従って、以上の構成によれば、凸曲面である翼上面１５のうち負圧が特に発生する領域に存在する流通孔１７を一層確実に閉塞できるようになるので、翼上面１５に発生する負圧を効果的に確保できる。
【００３９】
（翼部２の翼部自転軸C2まわりの自転）
図１１（ａ）〜図１１（ｄ）には、翼部支持部材３を強制的に静止した状態で、翼部２が図３に示す状態で上面部１６側から風を受けたときの様子を示す。即ち、図１１（ａ）に示すように翼部２の翼弦Wが翼部支持部材３の下支柱７の長手方向に平行となっている状態で、翼部２が上面部１６側（翼厚方向）から風を受けると、図１１（ｂ）に示すように直ちに小羽根部１８が変位して流通孔１７が閉鎖状態から開口状態へと切り替わる。これと同時に、翼部２は、上面部１６に風を受け、それによる合力の作用線と翼部自転軸C2とのズレによる偶力により翼部２は翼部自転軸C2まわりで反時計回りに自転し始める。翼部２が上面部１６側から更に強い風を受けると、図１１（ｃ）の状態を経て、図１１（ｄ）に示すように、翼部２が風になびいて、翼部２の翼弦W方向が風向きに一致する。図１１（ｄ）に示す状態では、小羽根部１８は元の流通孔１７を閉塞した状態へと変位する。
【００４０】
（発電用垂直軸形風車１の１回転の動作１）
次に、発電用垂直軸形風車１が１回転する間の小羽根部１８の動作について説明する。説明の便宜上、図１２（ａ）〜図１２（ｈ）において翼部２は翼部支持部材３に対して自転しないものとし、翼部２の翼弦W方向は、例えば図３に示すように翼部支持部材３の下支柱７の長手方向に常に一致するものとする。図１２（ａ）〜図１２（ｈ）において、破線矢印は揚力を意味し、実線矢印は抗力を意味する。また、白抜き矢印は風をイメージしている。発電用垂直軸形風車１の回転方向Rは図示する通りである。
【００４１】
図１２（ａ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は小羽根部１８によって閉塞されており、翼部２の翼弦方向は風向きに一致している。従って、翼部２には回転方向Rの揚力が発生し、この揚力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００４２】
図１２（ｂ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は小羽根部１８によって閉塞されており、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略４５度となっており、翼部２は翼下面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った強力な抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００４３】
図１２（ｃ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は小羽根部１８によって閉塞されており、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略９０度となっており、翼部２は翼下面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った極めて強力な抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００４４】
図１２（ｄ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は小羽根部１８によって閉塞されており、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略４５度となっており、翼部２は翼下面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った強力な抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００４５】
図１２（ｅ）の状態では、翼部２の風上側の各流通孔１７は小羽根部１８によって閉塞されており、翼部２の風下側の各流通孔１７は開口しており、翼部２の翼弦方向は風向きに一致している。従って、翼部２には回転方向Rの揚力が発生し、この揚力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００４６】
図１２（ｆ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は開口しており、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略４５度となっており、翼部２は翼上面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った僅かな抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転を僅かながら阻害する。
【００４７】
図１２（ｇ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は開口しており、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略９０度となっており、翼部２は翼上面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った僅かな抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転を僅かながら阻害する。
【００４８】
図１２（ｈ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は開口しており、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略４５度となっており、翼部２は翼上面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った僅かな抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転を僅かながら阻害する。
【００４９】
特筆すべきは、図１２（ｆ）〜図１２（ａ）の状態において、各流通孔１７は開口状態となっており、風は翼部２によって殆ど受け止められず、流通孔１７を通って翼部２の背後へとそのまま流れ出て行くことである。
【００５０】
（発電用垂直軸形風車１の１回転の動作２）
次に、発電用垂直軸形風車１が１回転する間の翼部２の翼部自転軸C2まわりの自転動作について説明する。説明の便宜上、図１３（ａ）〜図１３（ｈ）において翼部２の流通孔１７は常に閉塞状態であるものとする。図１３（ａ）〜図１３（ｈ）において、破線矢印は揚力を意味し、実線矢印は抗力を意味する。また、白抜き矢印は風をイメージしている。発電用垂直軸形風車１の回転方向Rは図示する通りである。
【００５１】
図１３（ａ）の状態では、翼部２の翼弦方向は風向きに一致している。従って、翼部２には回転方向Rの揚力が発生し、この揚力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００５２】
図１３（ｂ）の状態では、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略４５度となっており、翼部２は翼下面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った強力な抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００５３】
図１３（ｃ）の状態では、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略９０度となっており、翼部２は翼下面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った極めて強力な抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００５４】
図１３（ｄ）の状態では、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略４５度となっており、翼部２は翼下面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った強力な抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００５５】
図１３（ｂ）〜図１３（ｄ）の状態では、抗力の合力の作用線と第１下自転規制部７ｂが翼部２の翼部自転軸C2を挟む位置関係にあるので、翼部２の下面部は常に第２下自転規制部７ｄと接触した状態を維持し、例えば図３に示すように翼部２の翼弦Wは下支柱７の長手方向に一致している。
【００５６】
翼部２が図１３（ｄ）の位置から図１３（ｅ）の位置へと近づくにつれ、翼部２が翼下面側から受ける力は次第に弱まり、逆に、発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に伴って発生する空力学的な抵抗により、翼部２は翼部自転軸C2まわりで反時計回りに自転し、翼部２の端板が第２下自転規制部７ｄに接触する。この結果、図１３（ｅ）に示す位置では、翼部２の翼上面は風上に対面することになる。
【００５７】
図１３（ｅ）の状態では、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略９０度となっており、翼部２は翼上面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った僅かな抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与せず、この回転を阻害することもない。
【００５８】
図１３（ｆ）の状態では、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略４５度となっており、翼部２は翼上面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った僅かな抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転を僅かながら阻害する。
【００５９】
図１３（ｇ）の状態では、翼部２の翼弦方向は風向きに一致している。従って、翼部２には揚力が発生し、この揚力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に僅かながら寄与する。このとき、翼部２の翼弦方向が風向きに一致しているので、翼部２には風による抗力が殆ど発生していない。
【００６０】
図１３（ｈ）の状態では、翼部２の翼弦方向は風向きに一致している。従って、翼部２には、風向きと直交する方向の揚力が発生し、この揚力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与する。このとき、翼部２の翼弦方向が風向きに一致しているので、翼部２には風による抗力が殆ど発生していない。
【００６１】
図１３（ｇ）〜図１３（ａ）の区間においては、翼部２の風向きに対してなびく作用によって、翼部２の翼弦方向と風向きは常に一致するようになっている。
【００６２】
特筆すべきは、図１３（ｇ）〜図１３（ａ）の状態において、翼部２の翼弦方向は風向きに一致しており、翼部２には風による抗力が殆ど発生していないことである。
【００６３】
（発電用垂直軸形風車１の１回転の動作３）
図１４（ａ）〜図１４（ｈ）には、図１２（ａ）〜図１２（ｈ）で示した小羽根部１８の動作と、図１３（ａ）〜図１３（ｈ）で示した翼部２の翼部自転軸C2まわりでの自転動作と、を同時に実現した本実施形態の発電用垂直軸形風車１の１回転における動作を示している。図１４（ａ）〜図１４（ｈ）において、破線矢印は揚力を意味し、実線矢印は抗力を意味する。また、白抜き矢印は風をイメージしている。発電用垂直軸形風車１の回転方向Rは図示する通りである。
【００６４】
図１４（ａ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は小羽根部１８によって閉塞されており、翼部２の翼弦方向は風向きに一致している。従って、翼部２には回転方向Rの揚力が発生し、この揚力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００６５】
図１４（ｂ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は小羽根部１８によって閉塞されており、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略４５度となっており、翼部２は翼下面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った強力な抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００６６】
図１４（ｃ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は小羽根部１８によって閉塞されており、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略９０度となっており、翼部２は翼下面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った極めて強力な抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００６７】
図１４（ｄ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は小羽根部１８によって閉塞されており、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略４５度となっており、翼部２は翼下面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った強力な抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与している。
【００６８】
図１４（ｅ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は開口しており、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略９０度となっており、翼部２は翼上面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った僅かな抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与せず、この回転を阻害することもない。
【００６９】
図１４（ｆ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は開口しており、翼部２の翼弦方向は風向きに対して略４５度となっており、翼部２は翼上面側から風を受けている。従って、翼部２には風向きに沿った僅かな抗力が発生し、この抗力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転を僅かながら阻害する。
【００７０】
図１４（ｇ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は小羽根部１８によって閉塞されており、翼部２の翼弦方向は風向きに一致している。従って、翼部２には揚力が発生し、この揚力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に僅かながら寄与する。このとき、翼部２の翼弦方向が風向きに一致しているので、翼部２には風による抗力が殆ど発生していない。
【００７１】
図１４（ｈ）の状態では、翼部２の各流通孔１７は小羽根部１８によって閉塞されており、翼部２の翼弦方向は風向きに一致している。従って、翼部２には、風向きと直交する方向の揚力が発生し、この揚力は発電用垂直軸形風車１の回転方向Rへの回転に寄与する。このとき、翼部２の翼弦方向が風向きに一致しているので、翼部２には風による抗力が殆ど発生していない。
【００７２】
（まとめ）
（１）以上説明したように本実施形態において、流体としての風の中に設置される翼部２と、翼部２が垂直公転軸線C１まわりで公転できるように翼部２を支持する翼部支持部材３と、を備える発電用垂直軸形風車１は、例えば図１２や図１３に示すように以下のように構成されている。即ち、発電用垂直軸形風車１は、翼部２が風下側から風上側へ向かって移動する際に翼部２が風を受け止める翼部２の面積が、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際に翼部２が風を受け止める翼部２の面積よりも実質的に小さくなるように、翼部２が風を受け止める翼部２の面積を増減させる面積増減手段を更に備えた。◆以上の構成によれば、翼部２が風下側から風上側へ向かって移動する際に翼部２が風から受ける力が、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際に翼部２が風から受ける力よりも小さくなるので、翼部２が垂直公転軸線C１まわりで効率的に公転できるようになる。
【００７３】
なお、垂直軸形風水車を駆動する流体としては、例示の風（空気流）に代えて、河川流や潮流・海流などの水流であってもよい。また、垂直軸形風水車の回転を発電に利用することに代えて、回転する垂直軸形風水車に直接仕事をさせてもよい。
【００７４】
（２）上記の面積増減手段は、例えば図１２に示すように、翼部２に風が流通可能な流通孔１７を形成し、翼部２が風下側から風上側へ向かって移動する際には流通孔１７を開口し、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際には流通孔１７を閉塞する、開閉塞手段を設けることによって構成されている。◆以上の構成によれば、面積増減手段が簡素なメカニズムで実現される。
【００７５】
（３）上記の開閉塞手段は、例えば図６や図７に示すように、流通孔１７を閉塞可能な面積を有し、翼部２の公転方向Rの後面１６ａに一端が支持される小羽根部１８によって構成されている。◆以上の構成によれば、開閉塞手段が簡素な構成で実現される。
【００７６】
（４）また、流通孔１７を閉塞した状態の小羽根部１８の他端１８ｂ近傍には、例えば図８や図９に示すように、翼部２の公転方向Rの後面１６ａに沿って流れる風によって小羽根部１８がめくれ上がるのを抑制する小骨部１９が形成されている。◆以上の構成によれば、翼部２の公転方向Rの後面１６ａに沿って流れる風によって小羽根部１８がめくれ上がるのを抑制することができる。従って、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際に流通孔１７を一層確実に閉塞することができ、もって、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際に翼部２は翼部２の回転方向Rの後面１６ａに風を確実に受け止め、翼部２が公転方向Rの後面１６ａ側から確実に風の圧力を受けることができるようになる。
【００７７】
（５）また、例えば図１０に示すように、翼部２の公転方向Rの前面（翼上面１５）には翼部２の公転方向Rに向かって凸の凸曲面が形成される。◆以上の構成によれば、翼部２が揚力を生ずる位置にあるときは、凸曲面に生じる負圧が翼部２を公転方向Rに引き寄せることになるので、翼部２が垂直公転軸線C１まわりで一層効率的に公転できるようになる。
【００７８】
なお、下面部１３の翼下面１２は、上面部１６の翼上面１５（凸面部）が揚力を発生できる程度であれば、平坦面であってもよいし凹曲面であってもよい。
【００７９】
（６）また、例えば図１０に示すように、小羽根部１８は、一端１８ａが、小羽根部１８の他端１８ｂを挟んで、翼部２の翼弦W中心と反対側となるように配置される。◆つまり、小羽根部１８の一端１８ａと翼部２の翼弦W中心は、流通孔１７を閉塞した状態の小羽根部１８の他端１８ｂを挟む位置関係である。以上の構成によれば、小羽根部１８が翼部２の翼弦W中心よりも風上側に位置した段階において、一端１８ａは他端１８ｂよりも風上側に来ることになる。一端１８ａが他端１８ｂよりも風上側に来ると、一端１８ａが他端１８ｂよりも風下側に来た場合と比較して、小羽根部１８は流通孔１７を閉塞し易い。一方で、一般に、凸曲面のうち負圧が特に発生する領域は、凸曲面のうち風上側に集中する。従って、以上の構成によれば、凸曲面のうち負圧が特に発生する領域に存在する流通孔１７を一層確実に閉塞できるようになるので、凸曲面に発生する負圧を効果的に確保でき、もって、翼部２が垂直公転軸線C１まわりで一層効率的に公転できるようになる。
【００８０】
（７）また、翼部２は、例えば図１３に示すように、翼部２の翼弦W中心から外れた位置で、翼部支持部材３に対して平面視で自転可能に支持されており、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際には翼部２が風に対してなびくことを禁止し、翼部２が風下側から風上側へ向かって移動する際には翼部２が風に対してなびくことを許容する、自転制御手段を更に備える。◆以上の構成によれば、翼部２が風下側から風上側へ向かって移動する際に翼部２が風から受ける力が、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際に翼部２が風から受ける力よりも一層小さくなるので、翼部２が垂直公転軸線C１まわりで一層効率的に公転できるようになる。
【００８１】
なお、上記実施形態において自転制御手段は、例えば図１３に示すように、第１下自転規制部７ｂと第２下自転規制部７ｄによって実現されている。
【００８２】
（８）また、上記の自転制御手段は、例えば図３や図１３に示すように、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際に、翼部２の平面視翼弦Wの延長線上近傍に垂直公転軸線C１が実質的に来るように、翼部２の自転を制御する。◆以上の構成によれば、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際に翼部２が風から受ける力を大きく確保することができる。
【００８３】
（９）上記の面積増減手段は、例えば図３や図１３に示すように、翼部２を、翼部２の翼弦W中心から外れた位置で、翼部支持部材３に対して平面視で自転可能に支持し、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際には翼部２が風に対してなびくことを禁止し、翼部２が風下側から風上側へ向かって移動する際には翼部２が風に対してなびくことを許容する自転制御手段を設けることで構成してもよい。◆以上の構成によれば、面積増減手段が簡素なメカニズムで実現される。
【００８４】
（１０）また、上記の自転制御手段は、例えば図３や図１３に示すように、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際に、翼部２の平面視翼弦Wの延長線上近傍に垂直公転軸線C１が実質的に来るように、翼部２の自転を制御する。◆以上の構成によれば、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際に翼部２が風から受ける力を大きく確保することができる。
【００８５】
（第２実施形態）
次に、図１５（ａ）〜図１５（ｈ）を参照しつつ、本願発明の第２実施形態を説明する。ここでは、本実施形態が上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する説明は適宜省略する。また、上記第１実施形態の各構成要素に対応する構成要素には原則として同一の符号を付すこととする。
【００８６】
本実施形態において翼部２は翼部支持部材３に対して自転不能に固定されており、従って、図１５（ａ）〜図１５（ｈ）に示すように、発電用垂直軸形風車１の１回転中、翼部２の翼弦方向は、風向きに対して連続的に向きを変える。しかし、この場合でも、図１２（ａ）〜図１２（ｈ）を参照して説明したように、翼部２が風下側から風上側へ向かって移動する際に翼部２が風から受ける力が、翼部２が風上側から風下側へ向かって移動する際に翼部２が風から受ける力よりも小さくなるので、翼部２が垂直公転軸線C１まわりに効率的に公転できるようになる。
【００８７】
（第３実施形態）
次に、図１６（ａ）〜図１６（ｈ）を参照しつつ、本願発明の第３実施形態を説明する。ここでは、本実施形態が上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する説明は適宜省略する。また、上記第１実施形態の各構成要素に対応する構成要素には原則として同一の符号を付すこととする。
【００８８】
本実施形態において翼部２には流通孔１７が形成されておらず、小羽根部１８も設けられていない。しかし、この場合でも、図１３（ａ）〜図１３（ｈ）を参照して説明したように、翼部２が風下側から風上側へ向かって移動する際に翼部２が風から受ける力が、翼部２が風の風上側から風下側へ向かって移動する際に翼部２が風から受ける力よりも小さくなるので、翼部２が垂直公転軸線C１まわりに効率的に公転できるようになる。
【００８９】
（第４実施形態）
次に、図１７（ａ）〜図１７（ｃ）を参照しつつ、本願発明の第４実施形態を説明する。ここでは、本実施形態が上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する説明は適宜省略する。また、上記第１実施形態の各構成要素に対応する構成要素には原則として同一の符号を付すこととする。
【００９０】
本実施形態において翼型枠１０は、動物の毛皮２１によって形成されている。この毛皮２１には、例えば図１７（ａ）に示すように複数の流通孔１７が形成されている。毛皮２１の表面には、多数の毛２２が斜めに生えている。この構成で、図１７（ｂ）に示すように、毛皮２１が裏面側から風を受けると、多数の毛２２が流通孔１７から離れる方向へ反り、風は複数の流通孔１７を突き抜ける。他方、図１７（ｃ）に示すように、毛皮２１が表面側から風を受けると、多数の毛２２が流通孔１７を閉塞するように倒れ、風は複数の流通孔１７を突き抜けることがなく、毛皮２１は強力な抗力が発生する。
【００９１】
このように、翼型枠１０は、一方向側からの風の通過は許容し、反対側からの風の通過は禁止する構成であれば、例示した構成以外の他の構成を採用することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１  発電用垂直軸形風車（垂直軸形風水車）
２  翼部
３  翼部支持部材
４  入力軸
５  筒部
６  上支柱
６ｂ  第１上自転規制部
６ｄ  第２上自転規制部
７  下支柱
７ｂ  第１下自転規制部
７ｄ  第２下自転規制部
８  翼支持軸部
９  端板
１０  翼型枠
１１  軸受
１２  翼下面
１３  下面部
１４  縁部
１５  翼上面
１６  上面部
１７  流通孔
１８  小羽根部（板体）
１９  小骨部（障壁）
２０  防撓板
２１  毛皮
２２  毛
R  回転方向、公転方向
W  翼弦
ｒ  流れ
【図１】
2011252455.tif 000003
【図２】
2011252455.tif 000004
【図３】
2011252455.tif 000005
【図４】
2011252455.tif 000006
【図５】
2011252455.tif 000007
【図６】
2011252455.tif 000008
【図７】
2011252455.tif 000009
【図８】
2011252455.tif 000010
【図９】
2011252455.tif 000011
【図１０】
2011252455.tif 000012
【図１１】
2011252455.tif 000013
【図１２】
2011252455.tif 000014
【図１３】
2011252455.tif 000015
【図１４】
2011252455.tif 000016
【図１５】
2011252455.tif 000017
【図１６】
2011252455.tif 000018
【図１７】
2011252455.tif 000019