(57)【要約】【課題】回転基体の周囲に配置したブレードに生じた揚力を、張力を介してトルクに変換できるようにした風車。【解決手段】鉛直回転軸Ｏ4を持つ基体１１の側方から風が吹くと、楔形状の分流器３１で分流され、ブレード２１の一端へ向かう流れと、ブレード２２の一端へ向かう流れの生成が促進される。各ブレード２１、２２の外側と内側を空気流が通ることで、ブレード２１、２２に揚力が発生する。各ブレード２１〜２３は接続部材（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１等）を介して基体１１の側端面上の個所５１〜５３に固定されている。各ブレード２１、２２に生じた揚力はかなりの割合で接続手段に作用する張力に変換される。固定個所５１〜５３は張力の作用線が回転軸Ｏ4を通らないように設定されているので、張力からトルクが生成される。接続部材は伸縮部材を含んでいる。風下側に位置するブレード２３に生じる抗力もトルク生成に寄与し得る。【選択図】図７
2011080442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた基体と、該基体の周囲に配置された少なくとも３枚のブレードと、各ブレードを前記基体に対して機械的に結合する結合手段とを含む風車であって、
各ブレードは、前記軸から離れた側の面である外側ブレード面と前記軸に近い側の面である内側ブレード面とを有し、
前記外側ブレード面は、前記軸に垂直な断面内において前記軸から離れる側に膨らんだ湾曲形状を有し、
前記内側ブレード面は、前記基体が少なくとも各ブレードに対応する部分において提供する外側基体面に対向して延在し、前記軸の側方から到来し、前記外側ブレード面に沿って通過する気流と前記内側ブレード面と前記外側基体面との間を通過する気流とが生じることによって前記ブレードには、前記ブレードを前記軸から離隔させようとする揚力が発生するようになっており、
前記結合手段は、各ブレードと前記基体とを接続する接続手段を備え、
前記接続手段は、前記揚力に伴って前記接続手段に惹起される張力の作用線が前記軸を通らないように、前記ブレードと前記基体とを接続していることを特徴とする前記風車。
【請求項２】
前記基体は、前記軸を中心軸に持つドラム形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載された風車。
【請求項３】
前記基体は、前記軸を中心軸に持つ多角柱形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載された風車。
【請求項４】
前記接続手段は、弾性的に伸縮可能な部材を含み、各ブレードは前記張力に応じて前記軸からの距離を変え得るようになっていることを特徴とする、請求項１〜請求項３の内のいずれか１項に記載された風車。
【請求項５】
前記複数のブレードの内の少なくとも１つのブレードには、ブレードよりも前記軸から離れた側に配置された整流用の補助ブレードが設けられていることを特徴とする、請求項１〜請求項４の内のいずれか１項に記載された風車。
【請求項６】
前記軸に垂直な断面内において楔形状の少なくとも１つの分流器が付設されており、
前記分流器は、前記軸の側方から到来する風を受けて、前記軸の両側に逸れるように指向する２つの流れを生成させるものである、請求項１〜請求項５の内のいずれか１項に記載された風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電用として好適な風車に関し、更に詳しく言えば、ヨットの走行方式の１つであるウインドアビーム方式の原理で揚力を発生させ、それを張力を介してトルクに変換できるようにした風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、従来より用いられている風車は、「抗力型風車」と、「揚力型風車」に大別することができる。前者は、風を受ける板状部材が風によって押される力を利用する型の風車である。一方、後者は、「風が自身の表裏両面側を風が吹き抜けることで自身を持ち上げようとする力（揚力）を発生させ得る板状部材」を用いて生じさせた力を利用する型の風車である。本明細書ではこのような揚力生成能力を持った板状部材のことを「ブレード」と呼ぶことにする。
【０００３】
抗力型風車の典型例としては“パドル形風車”が古くから知られている。図１はその概略構造を説明する図である。同図はパドル形風車を上方から見た図で、垂直方向（鉛直方向）に延在する回転軸Ｏ1の周りに略等角度間隔で数枚（ここでは８枚を例示）のブレード１が放射状に配置され、各ブレード１の基端（根元）が回転軸Ｏ1に取り付けられる。そして、風車の略半分に風を受入れるための風取り入れ部２が設けられる。風取り入れ部２は、回転軸Ｏ1とその周りに放射状に配置されたブレード１を壁Ｗで両側から囲み、図示したような折り返し部３を設けることによって形成される。
【０００４】
このような構造を持つパドル形風車は、図１中に矢印で示したように風取り入れ部２から風を取り込むことで回転する。即ち、風取り入れ部２から取り込まれた風は、その回転位置が図中上半部に位置するブレード１に当たり、それらを図中左方へ押す力を及ぼす。各ブレード１の基端（根元）は回転軸Ｏ1に固定されているので、当然、この“押す力”は、回転軸Ｏ1周りでブレード１を図中左周りで回転させるトルクに転化される。
【０００５】
このように、風がブレードを押す力を直接的にトルク発生に転化して利用する風車は、抗力型の風車と呼ばれている。この抗力型の風車における風力乃至風の運動エネルギの取り出し方は、ヨットセーリングにおける“ランニング方式”に似ている。即ち、ランニング方式でセーリングを行う場合には、図４に簡略化して示したように、ヨットＹＴのセール（帆）ＳＬが風をほぼ真後ろ方向から受けるようにして、風がセール（帆）ＳＬを押す力をヨットＹＴの推進力に用いている。ランニング方式では、ヨットＹＴの進行方向は、風向（風がセール（帆）ＳＬを押す力の向き）とほぼ一致することになる。
【０００６】
ランニング方式の１つの特徴は、風速以上の速度でヨットＹＴを走らせることはできないということである（但し、海流等の要因は除いて考える）。これに対応乃至類似した特徴が、抗力型の風車にもある。即ち、上記したパドル形風車の例からも判るように、抗力型の風車は、風力をトルクに転化し易いという利点を有する一方で、風の速度より速くブレードを動かすことができないという制約を持っている。そのため、必然的に回転数の少ない風車となる。
【０００７】
これに対して、抗力型とは異なる風力乃至運動エネルギの取り出し方を採用した揚力型風車が知られている。揚力型風車における風力乃至運動エネルギの取り出し方は、ヨットセーリングにおける“ウインドアビーム方式”に似ている。ウインドアビーム方式でセーリングを行う場合には、図５に簡略化して示したように、ヨットＹＴのセール（帆）ＳＬが風を側方から受けるようにして、風がセール（帆）ＳＬの両側を通過する際の風速の差異に由来する圧力差（揚力）をヨットＹＴの推進力に用いる。ウインドアビーム方式では、ヨットＹＴの進行方向は、風向と大きな角度（直角あるいはそれに近い角度）で交差する方向とすることができる。
【０００８】
ウインドアビーム方式には、風速以上の速度でヨットＹＴを走らせることはできないという原理的制約はなく、効率的な航行方法として広く利用され、実際に風速以上での帆走が行われている。揚力型風車においては、「風を受ける板状乃至葉状部材」（ブレード）の両側（両面側）を風が通過することで生じる揚力を利用する。揚力型風車の典型例として、プロペラ形風車とダリウス形風車がある。
【０００９】
図２（ａ）、（ｂ）はプロペラ形風車の概略構造を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。同図において、符号４は直立した支柱で、水平方向に延在する回転軸Ｏ2が支柱４の最上部に設けられる。そして、回転軸Ｏ2の周りに略等角度間隔で数枚（ここでは３枚を例示）のプロペラ型のブレード５が放射状に配置され、各ブレード５の基端（根元）が回転軸Ｏ2に取り付けられる。
【００１０】
良く知られているように、このような構造を持つプロペラ形風車は、図２中に矢印で示した方向からの風を受けることで回転する。回転に必要なトルクの源となる力は、各ブレード５が風を受けることで発生する揚力の周方向成分（回転軸Ｏ2周りでの各ブレード５の回転方向の成分）である。
【００１１】
ここで、各ブレード５で発生する揚力のすべてが周方向成分という訳ではない故、各ブレード５には張力（あるいは押圧力）が生じることになる。しかし、ブレード５に張力（あるいは押圧力）が生じても、各ブレード５の基端（根元）は回転軸Ｏ2に固定されているので、風車を回転させるトルクには転化されない。このことを別の言い方で表現すれば、「ブレード５で発生した揚力によってブレード５に張力（あるいは押圧力）が生じても、その張力（あるいは押圧力）の作用線が回転軸Ｏ2を通る（即ち、回転軸Ｏ2から実質的に外れていない）ので、その張力（あるいは押圧力）は風車の回転駆動に寄与するトルクには転化されない」ということになる。
【００１２】
これと同様のことが、ダリウス形風車の場合にも言える。図３は、ダリウス形風車の概略構造を示す図で、同図において、符号６は風車の設置ベースで、設置ベース６上に垂直方向（鉛直方向）に延在する回転軸Ｏ3が設けられる。そして、回転軸Ｏ3の周りに略等角度間隔で数枚（ここでは３枚を例示）の断面翼形で湾曲したブレード７が放射状に配置される。図示されているように、各ブレード７は、その上端部と下端部が回転軸Ｏ3の最上部近傍と最下部近傍とに各々取り付けられ、両端部間で外側（回転軸Ｏ3から離れる方向）に弓状に膨らんだ形態で張り渡されている。
【００１３】
周知の通り、このような構造を持つダリウス形風車は、図３中に矢印で示したように側方からの風（風向きは任意）を受けることで回転する。回転に必要なトルクの源となる力は、各ブレード７が風を受けることで発生する揚力の周方向成分（各湾曲ブレード７の回転方向の成分）である。当然のことながら、この場合も各ブレード７で発生する揚力の一部しか周方向成分ではなく、従って、各湾曲ブレード７には張力（あるいは押圧力）も生じる。しかし、この張力（あるいは押圧力）は風車を回転させるトルクには転化されない。
【００１４】
何故ならば、各ブレード７の両端は回転軸Ｏ3に、回転軸Ｏ3から外れることなく固定されており、同固定個所にかかる力は回転軸Ｏ3周りのモーメントとなり得ないからである。つまり、図３に示したダリウス形風車についても、「ブレード７で発生した揚力によって湾曲ブレード７に張力（あるいは押圧力）が生じても、その張力（あるいは押圧力）の作用線が回転軸Ｏ3を通る（即ち、回転軸Ｏ3から実質的に外れていない）ので、その張力（あるいは押圧力）は風車の回転駆動に寄与するトルクには転化されない」ということになる。
【００１５】
なお、上述したパドル形風車、プロペラ形風車、ダリウス形風車等、従来より知られている各種風車についての詳細は、例えば下記非特許文献１に開示されている。また、多数の特許文献において、それら風車の改良技術が開示されており、例えば下記特許文献１には、改良型のダリウス形風車が開示されている。しかし、いずれの従来技術においても、風を受けるブレード（板状乃至葉状部材）に作用する力（揚力あるいは抗力）を、ブレードに接続された部材に作用する張力を介して風車回転のためのトルクに変換するという手法は採用されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００５−９０３３２号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】松宮▲ひかる▼著，「ここまできた風力発電」改訂版，株式会社工業調査会，第３刷，２００１年６月１０日，ｐ．４７−６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
そこで、本発明の目的は、風を受けるブレード（板状乃至葉状部材）に作用する力、特に揚力を、ブレードの支持に用いられる接続手段（接続部材）に生じる張力を介して風車回転のためのトルクに変換して有効利用することができる、新方式の風車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る風車は、鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた基体と、該基体の周囲に配置された少なくとも３枚のブレードと、各ブレードを前記基体に対して機械的に結合する結合手段とを含んでいる。各ブレードは、前記軸から離れた側の面である外側ブレード面と前記軸に近い側の面である内側ブレード面とを有する。
【００２０】
そして、前記外側ブレード面は、前記軸に垂直な断面内において前記軸から離れる側に膨らんだ湾曲形状を有する一方、前記内側ブレード面は、前記基体が少なくとも各ブレードに対応する部分において提供する外側基体面に対向して延在している。これにより、前記軸の側方から到来し、前記外側ブレード面に沿って通過する気流と前記内側ブレード面と前記外側基体面との間を通過する気流とが生じることによって前記ブレードには、前記ブレードを前記軸から離隔させようとする揚力が発生し得る。
【００２１】
また、前記結合手段は、各ブレードと前記基体とを接続する接続手段を備えており、前記接続手段は、前記揚力に伴って前記接続手段に惹起される張力の作用線が前記軸を通らないように、前記ブレードと前記基体とを接続している。これにより、風車を回転させるトルクが生じる。
【００２２】
ここで、前記基体は、前記軸を中心軸の持つドラム形状とすることができる。また、前記基体は、前記軸を中心軸の持つ多角柱形状を有していても良い。前記接続手段は、弾性的に伸縮可能な部材を含み、各ブレードは前記張力に応じて前記軸からの距離を変え得るようになっていることが好ましい。
【００２３】
また、前記複数のブレードの内の少なくとも１つのブレードには、ブレードよりも前記軸から離れた側に配置された整流用の補助ブレードが設けられていても良い。更に、前記軸に垂直な断面内において楔形状の少なくとも１つの分流器を付設し、前記分流器が、前記軸の側方から到来する風を受けて前記軸の両側に逸れるように指向する２つの流れを生成することが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
回転軸周りに配置され、風を受けるブレードに生じる力（特に揚力）を、張力を介して風車回転用のトルク生成に有効利用できる。従って、トルク生成の効率を高める事が容易である。また、従来の揚力型風車等と比べて、ブレードに生じる揚力自体に大きな回転方向成分を生じさせなくとも、風車回転用のトルクが得られるので、ブレードの断面形状や配置方向等の選択自由度が高くなる。更に、鉛直方向に延在する回転軸周りで回転可能な基体（以下、「回転基体」）の寸法、特に奥行き寸法（鉛直方向に沿った寸法）の選択を通して、ブレードの面積を大きくすることが容易で、大きな揚力を得て、そこから大きなトルクを生成することも容易である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】パドル形風車の概略構造を説明する図である。
【図２】プロペラ形風車の概略構造を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】ダリウス形風車の概略構造を説明する図である。
【図４】ヨットにおけるランニング方式によるセーリングと抗力型風車との対応について説明するための図である。
【図５】ヨットにおけるウインドアビーム方式のセーリングと揚力型風車との対応について説明するための図である。
【図６】本発明の１つの実施形態に係る風車について説明するための正面図である。
【図７】図６に示した風車の上面図である。
【図８】図６、図７に示した風車について、接続手段に含まれる伸縮部と規制筒の例を示した図である。
【図９】図６、図７に示した風車について、接続手段に含まれる伸縮部と規制筒の別の例を示した図である。
【図１０】本発明に係る風車で用い得るブレードの断面構造（翼素の形状）について、第１例（ａ）、第２例（ｂ）及び第３例（ｃ）を示したものである。
【図１１】本発明に係る風車で採用可能な複葉式のブレードの一例を断面図で示したものである。
【図１２】本発明に係る風車で採用し得る多角形型の回転基体について、第１例（ａ）及び第２例（ｂ）を示したものである。
【図１３】本発明に係る風車におけるトルク生成について説明する図である。
【図１４】第２の固定個所Ｆ２の設定範囲の例を示す図である。
【図１５】ブレード側における接続手段固定の変形例を示す図である。
【図１６】基体側における接続手段固定の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。先ず、図６〜図８を参照すると、本発明の１つの実施形態に係る風車の概略構造が、正面図、上面図及び部分拡大図で示されている。なお、図６及び図７中に記された座標系（右手系の直交Ｘ座標）は、方向を示すための便宜的なもので、Ｚ方向が回転軸Ｏ4の延在方向（図６において＋Ｚが上方向、−Ｚが下方向）を指し、Ｘ方向は図６において左右方向（＋Ｘが水平右方向、−Ｘが水平左方向）を指している。Ｙ方向は、Ｘ方向とＺ方向のいずれにも垂直な方向で、図６においては紙面に垂直で向こう向きが＋Ｙ、こちらきが−Ｙとなる。また、図７においては水平右方向が＋Ｙ方向、水平左方向が−Ｙ方向となる。
【００２７】
特に図６の正面図と図７の上面図を合わせて参照すると判るように、風車は設置面（水平な地面）ＧＲ上の適所に築かれた設置ベース１０上に設置されている。設置ベース１０上には、＋Ｚ方向（鉛直上方向）に向けて延在する回転軸Ｏ4が設けられ、同回転軸Ｏ4上には基体１１が軸支されている。なお、軸支のための機構については、周知の軸受機構を用いることができるので、詳細は省略する。
【００２８】
基体１１は、ここでは回転軸Ｏ4と一致する中心軸と円筒状の外周面１３を持つドラム形状の中空部材で構成されている。基体１１の外周面１３の“外側”には、回転軸Ｏ4周りに略等角度間隔で配列するように少なくとも３枚（ここでは３枚を例示）のブレード２１〜２３が取り付けられている。なお、本明細書においては、特に断らない限り、“外側”とは、“基体の回転軸から離れる側（基体の回転軸から遠い側）”を意味し、“内側”とは、“基体の回転軸に向かう側（基体の回転軸に近い側）”を意味するものとする。
【００２９】
各ブレード２１〜２３は湾曲板状部材からなり、基体１１の外周面１３の一部を外側から覆うように配置されている。本実施形態の場合、各ブレード２１〜２３の形状と寸法は実質的に同一である。即ち、図６の描示から容易に理解されるように、各ブレード２１〜２３は、Ｚ方向に沿ってドラム形状の基体１１の全長をカバーし、更に各側端面１２、１４から若干張り出す態様（各側端面１２、１４から張り出す縁部を持つ態様）で設けられている。一方、ブレード２１〜２３一枚当たりの回転軸Ｏ4周りのカバー角度範囲は６０度程度とされている。
【００３０】
但し、これはあくまで例示であって、各ブレード２１〜２３について、基体１１の外周面１３との間の風の通路の確保が阻害されない限り、特に絶対的な制限はなく、例えばブレード２１〜２３一枚当たりの回転軸Ｏ4周りのカバー角度範囲を３０度〜９０度の間で適宜選択することができる。一般には、回転軸Ｏ4周りに配置するブレードの枚数が多い程、１枚当たりのカバー角度範囲は小さくされることが好ましい。例えば、１枚当たりのカバー角度範囲を２０度として、１２枚の同形同寸のブレードを回転軸Ｏ4周りで３０度毎に配置しても良い。
【００３１】
また、Ｚ方向に沿ってのカバー範囲についても、必ずしも基体（ここではドラム形状の基体１１）の全長をカバーする必要はない。例えば、基体１１のＺ方向の全長を略二分し、２枚にブレードで略半分ずつをカバーしても良い。更に、各ブレードのサイズを大小混ざったものとすることもできる。
【００３２】
次に、各ブレード２１〜２３の支持の仕方について、主として図７、図８を参照して説明する。各ブレード２１〜２３は、基体１１に対して機械的に結合されることによって支持される。そのための手段（結合手段）は、各ブレード２１〜２３と基体１１とを接続する接続手段を備えている。本実施形態では、図７に示すように、ブレード２１〜２３の各々について、接続手段は３つの部分で構成されている。各３つの部分の内、ブレード２１〜２３側と基体１１側の部分には、夫々ブレード側接続部材（第１アーム状接続要素）Ａ１〜Ａ３と基体側接続部材（第３アーム状接続要素）Ｃ１〜Ｃ３が用いられている。
【００３３】
そして、両者をブリッジする部分に中間接続部Ｂ１〜Ｂ３が設けられている。各接続部材セットＡ１、Ｃ１〜Ａ３、Ｃ３について、中間接続部Ｂ１〜Ｂ３は、図８に示すように、伸縮ばね（伸縮弾性部材）ＳＰ１〜ＳＰ３を挿通させた規制筒（基体１１の上側の側端面１２（底面側では側端面１４）に固定）で構成されている。各伸縮ばねＳＰ１〜ＳＰ３の両端は夫々対応する接続部材セットＡ１、Ｃ１〜Ａ３、Ｃ３間を伸縮可能に繋いでいる。なお、外観上、中間接続部は規制筒に対応するので、説の便宜上、符号Ｂ１〜Ｂ３を規制筒を指す符号としても使用する。
【００３４】
各ブレード２１〜２３について、これら３つの部分からなるセットは、基体１１の頂部側と底部側に設けられるが、各側における配置と構造の態様は同等なので、詳細説明は主として頂部側を例にとって行う。図７に描かれているように、基体１１の頂部側において、各ブレード側接続部材Ａ１〜Ａ３のブレード側の端部は、対応するブレード２１〜２３の側端の固定個所（以下、便宜上、「第１の固定個所」という）４１ａ〜４３ａで当該各ブレード２１〜２３に固定されている。なお、図６では、接続部材の描示は殆ど省略されており、基体頂部側及び底部側でそれぞれ第１の固定個所に対応する個所（３個所ずつ）の内の各２個所のみ符号４１ａ、４２ａ、４１ｂ、４２ｂで示した。
【００３５】
一方、各基体側接続部材Ｃ１〜Ｃ３の基体側の端部は、基体の頂部側の側端面１２の固定個所（以下、便宜上、「第２の固定個所」という）５１〜５３で側端面１２に固定されている。なお、基体の底部側の側端面１４においても各接続部材の基体側端部が第２の固定個所に対応する個所で固定されている（図示は省略）。このように、各ブレード２１〜２３について、接続部材が伸縮可能な部分を有しているので、後述するように、風の作用によりブレード２１〜２３に揚力が発生すると、揚力の強さに応じてブレード２１〜２３は基体１１の外周面１３から離れるように移動する。規制筒Ｂ１〜Ｂ３は、ブレード２１〜２３が風を受けて大きく揺動することを防止する（伸縮ばねＳＰ１〜ＳＰ３が大きく屈曲することを防止）。
【００３６】
なお、ブレード２１〜２３乃至それを基体に接続する接続手段の揺動をより効果的に防止する観点から、規制筒をブレード２１〜２３側に接近させて設置することも考えられる。図９はその例を示す。図９に示した例においては、各ブレード２１〜２３について、１本のアーム状部材Ａ１’（Ａ２’、Ａ３’）と１個の伸縮ばね（伸縮弾性部材）ＳＰ１’（ＳＰ２’、ＳＰ３’）とを接続した接続部材が採用されている。接続部材の両端の接続については、図８に示した例と同様なので説明は省略する。
【００３７】
また、無揚力あるいは弱い揚力しか発生していない場合や、揚力ではなくブレード２１〜２３を基体１１の外周面１３側に押し付ける力が作用する場合には、ブレード２１〜２３は基体１１の外周面１３に接近する（接触しても良いが、密着することは好ましくない）。
【００３８】
さて、各ブレード２１〜２３は上述した如く基体１１の外周面１３の外側で支持されているので、上方（＋Ｚ方向）から見ていずれかのブレード２１〜２３に沿うような風が吹くと、風はそのブレード２１〜２３と基体１１の外周面１３の間にも入り込み、ブレード２１〜２３になんらかの力が作用する。本実施形態では、そのような風の成分が生じ易くするために、回転軸Ｏ4の側方からの風（図７では＋Ｙ方向の風を例示）を受けた時に、回転軸Ｏ4及びその周辺（近傍）に向かって進もうとする空気の流れを回転軸Ｏ4の両側に逸らすように指向させるよう、流れを分岐させる楔形状の分流器３１〜３３が、基体１１の周囲の「適所」に配置されている（図６、図７参照）。
【００３９】
各分流器３１〜３３は、全体としては鉛直方向に沿って延在する柱状の部材で構成され、各分流器３１〜３３は、回転軸Ｏ4に垂直な断面内で楔形状を有し、楔形状の先細り側が半径方向（回転軸Ｏ4から離れる方向）を向くように配置されている（図７参照）。なお、上記の「適所」とは、基体１１の回転時のブレード２１〜２３の軌道より外側で、ブレード２１〜２３の回転移動に支障の無い位置のことであるが、基体１１の外周面１３から余り離れると、ブレード２１〜２３と基体１１の外周面１３の間に入り込む風を生成する能力が落ちるので、結局、分流器３１〜３３の設置位置は、風車の回転の邪魔にならない条件でなるべく基体１１の外周面１３に近い位置とするのが好ましい。
【００４０】
分流器３１〜３３の設置数についても設計的に定めれば良く、３つはあくまで例示である。また、分流器の設置を省略することも可能である。なお、後述するように、回転軸を水平方向に配置する場合には（図１２参照）、主として風を受ける側に１つ設置すれば十分と考えられる。
今、図６、図７に示した例で、図７中で左方から（−Ｙ方向から）風が吹いている状態を考えてみると、分流器３１が機能を発揮し、ブレード２１の一端（風上側の一端）へ向かう流れと、ブレード２２の一端（風上側の一端）付近へ向かう流れの生成が促進される。
【００４１】
そして、風は更にブレード２１、２２の各一端付近から、各ブレード２１、２２の外側と内側を流れることになる。ここで、各ブレード２１、２２の内側面は基体１１の外周面１３の一部（各ブレード２１、２２に対応する部分）に対向しているので、各ブレード２１、２２と外周面１３（各ブレード２１、２２に対応する部分）との間には、風の通路となり得る。但し、前述した伸縮ばねによって通路の形成が妨げられないように配慮する。そのために、伸縮ばねは、中立状態（無風状態）で各ブレード２１〜２３が外周面１３から多少浮き上がって（離れて）配置されるように設けられることが好ましい。
【００４２】
さて、本発明では、上記したように、ブレードのいずれか（少なくとも１枚）について、一方側（風上側）から他方側（風下側）へ、ブレードの両側を風が吹き抜ける際に発生し得る揚力を、風車回転の主たる原動力とする。その意味で、本発明に係る風車は基本的には「揚力型風車」の一種であるということができる。但し、基体１１の丁度風下側に位置するブレード（図７の例ではブレード２３）についても、僅かであるが風車回転に一部寄与し得る。なぜならば、基体１１の丁度風下側に位置するブレード２３には、その両端から外周面１３との間に風が入り込もうとする結果、ブレード２３を外周面１３から話そうとする力が生じるからである。この力は、空気力学的な意味での「揚力」には当たらないが、「ブレードを外周面１３から離そうとする力」という点では、ブレード２１、２２に発生し得る揚力と共通している。
【００４３】
ここで、ブレードがブレード２１、２２のような位置にある時に揚力を発生するに適したブレードの断面形状の条件を考えて見る。ここで言う、断面形状は、鉛直方向（回転軸の延在方向）に垂直な断面内における形状のことで、このような断面内で取り出したブレード断面片を「翼素」と呼ぶことがある。以下の説明では、この語を適宜使用する。さて、揚力発生のための翼素形状の条件であるが、図５を参照して説明したヨットにおけるウインドアビーム方式の例から考えて、ブレードが、図７に簡略描示したように、薄い等厚板状部材であっても、全体として外側に湾曲した翼素形状を持っていれば揚力は発生するものと考えられる。
【００４４】
但し、いわゆる「翼状」のブレードを採用することもできる。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）はその例を示している。これら各図において、ＰＳ１〜ＰＳ３は、回転軸周りで回転する基体の外側表面（図７の例では外周面１３）で、図１０（ｃ）では平坦面となっており、このようなケースは例えば後述する「多角形状の基体」の採用時に該当する。また、直線Ｎは、基体の回転軸と翼素代表点（翼素の面積重心）を通る直線である。
【００４５】
図１０（ａ）は、直線Ｎに関して対称であるが、外側面、内側面の外側への膨らみの曲率が、外側面の方が大きいことが特徴となっている。このブレードＢＬ１の翼素形状の下で、外側面に沿って流れる空気の流速は、内側面と外側表面ＰＳ１との間の通路を流れる空気の流速より大きくなる。図１０（ｂ）のブレードＢＬ２は典型的な翼素形状を有し、直線Ｎに関して非対称であり、外側面、内側面の外側への膨らみの曲率が、外側面の方が大きくなっている。このような翼素形状においても、外側面に沿って流れる空気の流速は、内側面と外側表面ＰＳ２との間の通路を流れる空気の流速より大きくなる。
【００４６】
図１０（ｃ）は、図１０（ａ）、（ｂ）とは異なり、外側面が外側に凸に湾曲する一方で内側面は内側に凸に湾曲した翼素形状を有するブレードＢＬ３を用いている。なお、図中の破線ＬＬは翼素の先端（風上側端）ＬＡと末端（風下側端）ＬＢとを結んだ直線で、翼素形状は、破線ＬＬの上側（外側）の面積が破線ＬＬの下側（内側）の面積を上回るように設計されている。また、回転基体としては平坦な外側表面ＰＳ３を提供するものを採用して通路形成に利用している。この場合も、外側面に沿って流れる空気の流速が、内側面と外側表面ＰＳ３との間の通路を流れる空気の流速より大きくなる点に変わりはなく、従って、揚力の発生に支障はない。
【００４７】
更に、図１１に示すように、複葉式のブレードＢＬ４/ＢＬ５を採用することも可能である。図１１において、外側ブレードＢＬ５は、支持ロッドＲＤ１、ＲＤ２によって内側ブレードＢＬ４に対して固定されている。この場合も、内側ブレードＢＬ４と基体の外側表面ＰＳの間に風の通路が形成されるので、それにより揚力が発生する一方、外側ブレードＢＬ５は主として整流器として機能する。ブレードＢＬ５を整流器として良好に機能させるために、その配置位置は、図示されているように、内側ブレードＢＬ４より風上側に張り出した位置とされる。また、風の流れに沿ったサイズについても、図示された如く、内側ブレードＢＬ４より小サイズ（例えば１／５〜４／５程度）とされることが好ましい。このような整流用の補助ブレード（外側ブレードＢＬ５）を設けることで、内側ブレードＢＬ４の両側で層流がより円滑に発生し易くなり、安定した揚力発生につながる。
【００４８】
図１０（ｃ）の例に関連して言及したように、回転軸の周りで回転する基体の形状は円筒ドラム形状とは限らず、ブレードと対向して外側面領域を提供し、それによって風の通路が形成され得るのであれば、他の形状も採用できる。図１２（ａ）、（ｂ）はその例を示している。図１２（ａ）の例では、正四角柱形状の基体１００が回転軸Ｏ5上に軸支され、各辺に対応した位置に４枚のブレードＢＬ６が配置されている。ブレードＢＬ６としては、外側面が外側に凸に湾曲する一方で内側面は平坦（湾曲しない）な翼素形状を有するブレードを用いている。なお、この場合も、外側面に沿って流れる空気の流速が、ブレード内側面と基体の外側表面との間の通路を流れる空気の流速より大きくなる点に変わりはなく、従って、揚力の発生に支障はない。
【００４９】
図１２（ｂ）の例では、正六角柱形状の基体２００が回転軸Ｏ6上に軸支され、各辺に対応した位置に６枚のブレードＢＬ７が配置されている。なお、これら例における各ブレードの支持方法、翼素形状、分流器の使用等については、既述した実施形態及び諸例と同様なので、詳細説明は省略する。
【００５０】
ここで、図１３を参照して、上述した諸例においてブレードに揚力が発生した時にこれが、風車回転のトルクに変換される理由を説明する。ここでは、説明を簡単にするために、図１３に示したように、接続手段のブレードＢＬ側の固定個所Ｆ１（第１の固定個所）と基体側の固定個所Ｆ２（第２の固定個所；図７における固定個所５１〜５３に対応）とを結ぶ直線が、第１の固定個所Ｆ１と回転軸Ｏとを結ぶ直線に対してなす角度をΦ1とする。更に、三角形Ｆ１ＯＦ２を考え、残りの内角を図示の如くθ1、θ2とする。ｄは、ＯＦ２間の距離である。ここで、図７の例に例示したように、第２の固定個所Ｆ２は、回転軸Ｏの側方にずれた位置にある。
【００５１】
今、ブレードＢＬに揚力Ｆが発生すると、その主成分の向きは概略、回転軸Ｏを中心として半径方向となる。また、揚力Ｆ（合力）の作用点は一般に、第１の固定個所Ｆ１に近いと仮定し、ここではＦ１が揚力Ｆ（合力）の作用点になる例で考える。すると、揚力ＦはＯＦ２×ＣＯＳΦ1に比例した左周りのモーメントを生じ得ることになる。つまり、ブレードＢＬを接続手段を介して基体に固定するにあたり、基体側の固定個所（第２の固定個所）Ｆ２を、ブレードＢＬに生じた揚力に由来して接続手段に作用する張力の作用線が回転軸Ｏを通らないように偏心設定することで、同張力をトルク生成源として利用できるようにする。
【００５２】
このようなトルク生成により、風車は図１３あるいは図７において、左周りで回転することになる。なお、第２の固定個所Ｆ２は、第２の固定個所Ｆ２と回転軸Ｏを結ぶ直線が半径方向となす角度θ2やＯＦ２間の距離ｄは設計的に選択すれば良い。但し、張力Ｓの作用線が回転軸Ｏを通ることがあってはならないので、そのために、角度θ2を０度あるいは１８０度から十分外れた値とすることが好ましい。また、ＯＦ２間の距離ｄは余り小さくしないことが好ましい。
【００５３】
図１４は、このような観点を取り入れて、第２の固定個所Ｆ２として実際的であると考えられる範囲を示したものである。この範囲は図１４中で「砂地模様とした領域を除く部分」として描示されており、下記のルールで定めれている。
（１）図１４において、回転軸Ｏを中心とした半径ｄ1の円内は除外する。
（２）図１４において、回転軸Ｏと翼素の面積重心ＢＬＲを結んだ直線に対して両側の角度Φ2以内の範囲は除外する。
半径ｄ1の好ましい値（範囲）は、例えば０．２ｄ2≦ｄ1≦０．３ｄ2である。ここで、ｄ2は回転基体ＲＴの回転軸Ｏから表面までの最大距離とする。例えば、回転基体ＲＴが円筒ドラム形状であれば半径となる。また、正四角柱形状であれば断面形状（正方形）の対角線長の２分の１となる。
また、Φ2の好ましい値（範囲）は、例えば１０度≦Φ2≦２０度である。
【００５４】
以上の説明では、第１の固定個所と第２の固定個所を点として扱ってきたが、機械的強度の観点から、第１の固定個所、第２の固定個所のいずれについても、２点以上での固定あるいは広がりのある固定が採用され得る。図１５は、ブレード側における接続手段固定の変形例を示し、図１６は、基体側における接続手段固定の変形例を示す図である。
【００５５】
図１５の例では、接続手段（アームＡＭ）の先端部ＡＭ１を二股（ＡＭ２、ＡＭ３）に分け、２個所Ｔ１、Ｔ２でブレードＢＬを支持している。このようなケースにおいては、張力Ｓの作用線Ｍ１と、Ｔ１Ｔ２を結ぶ直線が交わる位置Ｑを「ブレード側の固定個所（第１の固定個所）；図１３におけるＦ１に対応」とみなすことができる。
【００５６】
また、図１６に示した例では、接続手段（アームＡＭ）の他端を二股（ＡＭ４、ＡＭ５）に分け、２個所ＡＳ１、ＡＳ２でネジ止めしている。このようなケースにおいては、張力Ｓの作用線Ｍ１と、ＡＳ１ＡＳ２を結ぶ直線が交わる位置ＡＳ０を「基体側の固定個所（第２の固定個所）；図１３におけるＦ２に対応」とみなすことができる。なお、ここに挙げた例だけでなく一般には、接続手段（アームＡＭ）のブレード側、基体側の固定の態様について種々のケースが考えられるが、それらのケースにおいても、「張力Ｓの作用線Ｍ１上にあって、各固定部を代表する点」を図１５、図１６に示した例と同様のやり方で、第１の固定個所Ｆ１や第２の固定個所Ｆ２として定めることは可能である。
【００５７】
例えば、固定個所が無視できない広がりがある場合、張力Ｓの作用線Ｍ１でその広がりを２分し、各部分の面積重心を図１５、図１６の例におけるＴ１、Ｔ２あるいはＡＳ１、ＡＳ２と同等の点とみなし、張力Ｓの作用線Ｍ１と、それら２点を結ぶ直線とが交わる位置をＦ１あるいはＦ２とみなせば良い。
【符号の説明】
【００５８】
１、５、７、２１〜２３、ＢＬ、ＢＬ１〜ＢＬ３、ＢＬ６、ＢＬ７  ブレード
２  風取り入れ部
３  折り返し部
４  支柱
６、１０  設置ベース
１１  基体（回転ドラム）
１２  側端面（頂部側）
１３  円筒面（基体の外周面）
１４  側端面（底部側）
３１〜３３  スプリッタ（分流器）
４１〜４３  接続手段の端部（ブレード側）
５１〜５３  接続手段の端部（基体側）
１００、２００  多角形型基体
Ａ１〜Ａ３  ブレード側接続部材（第１接続要素）
Ａ１’〜Ａ３’  アーム状接続部材
ＡＭ  アーム
ＡＭ１  アームの先端部
ＡＭ２、ＡＭ３、ＡＭ４、ＡＭ５  二股部
ＡＳ０  基体側の固定部を代表する点（第２の固定個所を代表）
ＡＳ１、ＡＳ２  ネジ止め部
Ｂ１〜Ｂ３  中間接続部（規制筒）
ＢＬ４  内側ブレード
ＢＬ５  外側ブレード（補助ブレード；整流用）
ＢＬＲ  翼素の面積重心
Ｃ１〜Ｃ３  基体側接続部材（第３接続要素）
ＧＲ  設置面（地面）
Ｎ  基体の回転軸と翼素代表点を通る直線
Ｏ1、 Ｏ2、 Ｏ3、 Ｏ4、 Ｏ5、 Ｏ6  回転軸
ＰＳ、ＰＳ１〜ＰＳ３  基体の外側表面
Ｑ  ブレード側の固定部を代表する点（第１の固定個所を代表）
ＲＤ１、ＲＤ２  支持ロッド
ＹＴ  ヨット
ＳＬ  セール(帆)
ＳＰ１〜ＳＰ３、ＳＰ１’〜ＳＰ３’  伸縮ばね（伸縮弾性部材）
Ｗ  壁
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年12月17日(2009.12.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、前記結合手段は、各ブレードと前記基体とを接続する接続手段を備えており、前記接続手段は、前記揚力に伴って前記接続手段に惹起される張力の作用線が前記軸を通らないように、前記ブレードと前記基体とを接続している。これにより、風車を回転させるトルクが生じる。また更に、前記軸に垂直な断面内において楔形状の少なくとも１つの分流器が付設され、前記分流器が、前記軸の側方から到来する風を受けて前記軸の両側に逸れるように指向する２つの流れが生成される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
また、前記複数のブレードの内の少なくとも１つのブレードには、ブレードよりも前記軸から離れた側に配置された整流用の補助ブレードが設けられていても良い。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
分流器３１〜３３の設置数についても設計的に定めれば良く、３つはあくまで例示である。今、図６、図７に示した例で、図７中で左方から（−Ｙ方向から）風が吹いている状態を考えてみると、分流器３１が機能を発揮し、ブレード２１の一端（風上側の一端）へ向かう流れと、ブレード２２の一端（風上側の一端）付近へ向かう流れの生成が促進される。
【手続補正４】
【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】
鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた基体と、該基体の周囲に配置された少なくとも３枚のブレードと、各ブレードを前記基体に対して機械的に結合する結合手段とを含む風車であって、
各ブレードは、前記軸から離れた側の面である外側ブレード面と前記軸に近い側の面である内側ブレード面とを有し、
前記外側ブレード面は、前記軸に垂直な断面内において前記軸から離れる側に膨らんだ湾曲形状を有し、
前記内側ブレード面は、前記基体が少なくとも各ブレードに対応する部分において提供する外側基体面に対向して延在し、前記軸の側方から到来し、前記外側ブレード面に沿って通過する気流と前記内側ブレード面と前記外側基体面との間を通過する気流とが生じることによって前記ブレードには、前記ブレードを前記軸から離隔させようとする揚力が発生するようになっており、
前記結合手段は、各ブレードと前記基体とを接続する接続手段を備え、
前記接続手段は、前記揚力に伴って前記接続手段に惹起される張力の作用線が前記軸を通らないように、前記ブレードと前記基体とを接続しており、
更に、
前記軸に垂直な断面内において楔形状の少なくとも１つの分流器が付設されており、
前記分流器は、前記軸の側方から到来する風を受けて、前記軸の両側に逸れるように指向する２つの流れを生成させるものであることを特徴とする前記風車。
【請求項２】
前記基体は、前記軸を中心軸に持つドラム形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載された風車。
【請求項３】
前記基体は、前記軸を中心軸に持つ多角柱形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載された風車。
【請求項４】
前記接続手段は、弾性的に伸縮可能な部材を含み、各ブレードは前記張力に応じて前記軸からの距離を変え得るようになっていることを特徴とする、請求項１〜請求項３の内のいずれか１項に記載された風車。
【請求項５】
前記複数のブレードの内の少なくとも１つのブレードには、ブレードよりも前記軸から離れた側に配置された整流用の補助ブレードが設けられていることを特徴とする、請求項１〜請求項４の内のいずれか１項に記載された風車。