(57)【要約】ケーシング（７）を最下方のアーム（５Ｌ）よりも上方まで延在せしめ、ケーシング（７）外部にラジアル軸受（ＢＩ）を固定し、該ラジアル軸受（ＢＩ）によりアーム（５Ｌ）をケーシング（７）に対して回転自在に取付けた垂直軸風車。風を受ける面積を減少させること無く、他の部材と干渉すること無く、オーバーハング領域における不安定な状態を解消することが出来る。
2003074868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けて回転力を得るブレードと；
前記ブレードを支持する、上下方向に配置された複数のアームと；
前記ブレードの回転力を前記アームを介して受ける、垂直方向に配置された回転軸と；
前記回転軸を収納するケーシングであって、前記複数のアームのうち最下方に配置されたアームよりも上方まで延在せしめられたケーシングと；
前記最下方に配置されたアームを前記ケーシングに対して回転自在に取り付ける、前記ケーシングの外部に固定されたラジアル軸受とを備える；
垂直軸風車。
【請求項２】
前記ラジアル軸受の半径方向外方に配置されたカバー部材を備える、請求項１に記載の垂直軸風車。
【請求項３】
前記ラジアル軸受と前記アームとの間に介在するアーム結合用部材であって、半径方向内方が大きく半径方向外方が小さいテーパを有する凹部が形成されたアーム結合用部材を備え；
前記アームの半径方向内方端部は前記凹部と相補的な形状に形成されている；
請求項１又は請求項２に記載の垂直軸風車。
【請求項４】
前記アームは中空に形成されており、前記アームの材料とは異なる比重３．０以下の軽い材料で形成された、前記アームの半径方向内方端部でアーム内に一部が挿入された態様で配置されている補強部材を備える；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の垂直軸風車。
【請求項５】
前記ケーシングの最上端に被せられた蓋状部材を備え；
該蓋状部材を被せた個所はラビリンス構造を構成している；
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の垂直軸風車。
【請求項６】
前記回転軸の回転力で駆動される発電機を備え；
前記回転軸は、前記発電機の回転軸と一体に構成されている；
請求項１乃至請求項５にいずれか１項に記載の垂直軸風車。
【請求項７】
前記ケーシングの外側周囲に取り付けられた太陽電池パネルを備える、請求項６に記載の垂直軸風車。
【請求項８】
前記発電機はモータとしても作動するように構成された、請求項６又は請求項７に記載の垂直軸風車。
【請求項９】
発電機として運転する際は商用電源に電力を供給し、モータとして運転する際は商用電源から電力を供給されるように構成された、請求項８に記載の垂直軸風車。
【請求項１０】
さらに電力を貯蔵するバッテリーを備え；
前記発電機をモータとして運転する際は前記バッテリーから電力を供給され、発電機として運転する際は前記バッテリーに電力を貯蔵し、必要に応じて前記バッテリーから、商用電源に電力を供給し又は構内電力として電力を供給するように構成された、請求項８に記載の垂直軸風車。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、例えばダリウス型風車の様に、回転軸方向が空気流（風）と概略垂直な垂直軸風車に関する。
背景技術
垂直軸風車の回転軸は垂直方向へ延在している。そのような回転軸を支持するべく、垂直軸風車においては、回転軸最下部をスラスト軸受で支持し、それよりも上方はラジアル軸受で支持するように構成されている。
ここで、回転体である回転軸をラジアル軸受により支持するためには、固定部材であるケーシングに固定・設置する必要がある。
従来、ラジアル軸受は、ケーシングでカバーしている領域にのみ設置されていた。そして、ケーシングの内側に設けられたラジアル軸受は、外輪側をケーシングで固定されつつ、その内輪側で回転軸を軸支している。又、ブレードと回転軸とを接続するアームと干渉しない様に、ケーシングはアームより下方の領域をカバーしている。
ここで、ケーシングでカバーされていない領域（ケーシング上方の領域）の所謂「オーバーハング領域」では、回転軸はラジアル軸受により支持されていない。
しかし、ラジアル軸受で支持されていないオーバーハング領域では、垂直方向へ延在する回転軸が不安定となる。そうした場合（回転軸が不安定となった場合）には、回転軸が「ぶれ」たり、歳差運動をして、ブレードやアームが他の部材や機器等と干渉する恐れがある。
これのみならず、最上部のラジアル軸受には集中して荷重がかかることとなり、当該最上部ラジアル軸受が破損する危険性が存在する。
一方、オーバーハング部を短くすると、上述した不安定は改善される。しかし、ブレードの長さも短くなり、風を受けて回転する面積も減少して、風車としての基本的な機能が阻害されてしまう。
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、風を受ける面積を減少させること無く、他の部材と干渉すること無く、オーバーハング領域における不安定な状態を解消することが出来る垂直軸風車の提供を目的としている。
発明の開示
本発明は、例えば図１〜図５に示すように、風を受けて回転力を得るブレード４と；ブレード４を支持する、上下方向に配置された複数のアーム５Ｌ、５Ｍ、５Ｕと；ブレード４の回転力をアーム５Ｍ、５Ｕを介して受ける、垂直方向に配置された回転軸６と；回転軸６を収納するケーシング７であって、複数のアーム５Ｌ、５Ｍ、５Ｕのうち最下方に配置されたアーム５Ｌよりも上方まで延在せしめられたケーシング７と；最下方に配置されたアーム５Ｌをケーシング７に対して回転自在に取り付ける、ケーシング７の外部に固定されたラジアル軸受ＢＩとを備える；垂直軸風車３を提供することを目的とする。
このように構成すると、回転軸を収納するケーシングであって、複数のアームのうち最下方に配置されたアームよりも上方まで延在せしめられたケーシングと、最下方に配置されたアームをケーシングに対して回転自在に取り付ける、ケーシングの外部に固定されたラジアル軸受とを備えるので、風を受けるブレードの面積を減少させること無く、ブレードと回転軸の不安定な状態を解消することができる。
垂直軸風車３は、例えば図５、図６に示すように、ラジアル軸受ＢＩの半径方向外方に配置されたカバー部材９を備えてもよい。
このように構成すると、ラジアル軸受ＢＩの半径方向外方に配置されたカバー部材９を備えるので、ラジアル軸受に発生し得る錆あるいは該軸受への異物の混入等を防止することができる。
記垂直軸風車３は、例えば図７、図８、図９に示されるように、さらにラジアル軸受ＢＩとアーム５Ｍ、５Ｕとの間に介在するアーム結合用部材１０であって、半径方向内方が大きく半径方向外方が小さいテーパを有する凹部１０ｅが形成されたアーム結合用部材１０を備え；アーム５Ｍ、５Ｕの半径方向内方端部は凹部１０ｅと相補的な形状に形成されているものとしてもよい。
また、垂直軸風車３は、例えば図１０に示されるように、アーム５Ｌ、５Ｍ、５Ｕは中空に形成されており、アーム５Ｌ、５Ｍ、５Ｕの材料とは異なる比重３．０以下の軽い材料で形成された、アーム５Ｌ、５Ｍ、５Ｕの半径方向内方端部でアーム５Ｌ、５Ｍ、５Ｕ内に一部が挿入された態様で配置されている補強部材５５Ｍを備えるものとしてもよい。
また、垂直軸風車３は、例えば図１２、図１３に示されるように、ケーシング７の最上端７Ｃに被せられた蓋状部材２０を備え；該蓋状部材を被せた個所はラビリンス構造を構成しているものとしてもよい。
また、以上の垂直軸風車では、例えば図１６、図１９に示すように、回転軸６の回転力で駆動される発電機ＧＭを備え；回転軸６は、発電機ＧＭの回転軸と一体に構成されるものとしてもよい。
さらに例えば図１８に示すように、ケーシング７の外側周囲に取り付けられた太陽電池パネル１１０を備えるものとしてもよい。
また、例えば図１６、図１９に示すように、発電機ＧＭはモータとしても作動するように構成するとよいし、発電機として運転する際は商用電源に電力を供給し、モータとして運転する際は商用電源から電力を供給されるように構成するとよい。
また、例えば図１９に示すように、モータとして運転する際はバッテリーから電力を供給され、発電機として運転する際は前記バッテリーに電力を貯蔵し、必要に応じて前記バッテリーから、商用電源に電力を供給し又は構内電力として電力を供給するように構成してもよい。
この出願は、日本国で２００２年３月１日に出願された特願２００２−０５５３２８号に基づいており、その内容は本出願の内容として、その一部を形成する。
また、本発明は以下の詳細な説明によりさらに完全に理解できるであろう。本発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明により明らかとなろう。しかしながら、詳細な説明及び特定の実例は、本発明の望ましい実施の形態であり、説明の目的のためにのみ記載されているものである。この詳細な説明から、種々の変更、改変が、本発明の精神と範囲内で、当業者にとって明らかであるからである。
出願人は、記載された実施の形態のいずれをも公衆に献上する意図はなく、開示された改変、代替案のうち、特許請求の範囲内に文言上含まれないかもしれないものも、均等論下での発明の一部とする。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１において、アンカー１によって地盤に堅固に固設されたベース２に垂直軸風車であるダリウス型風車３が配置されている。
該ダリウス型風車３では、風を受けて回転力を得る為のブレード４が、複数本のアーム（図示の例では上・中・下段の３段に設けられている：上段アームを符号５Ｕ、中段アームを５Ｍ、下段アームを５Ｌで示す）により、回転軸６及びケーシング７に支持されている。
ここで、従来の垂直軸風車であれば、回転軸はケーシング内部で支持されており、半径方向についてはラジアル軸受により、軸方向については最下方のスラスト軸受にて軸支されている。
そして、従来の軸受においては、アームとケーシングが干渉することを避ける為、ケーシングは最下方のアーム（図１であれば下段アーム５Ｌ）よりも下方の領域を包囲する様に構成されており、最下方のアーム（下段アーム）の上方に位置することはない。
これに対して、図示の実施形態では、内輪固定ラジアル軸受ＢＩ及びその近傍の構造により、ケーシング７が最下方のアーム、即ち下段アーム５Ｌよりも上方の領域まで延在しており、その分だけオーバーハング（ケーシング７で覆われない部分）が少なくなっている。
即ち、以下に述べる内輪固定ラジアル軸受ＢＩ及びその近傍の構造により、下段アーム５Ｌはケーシング７に対して回転自在に支持されているので、下段アーム５Ｌとケーシング７とが干渉することは防止されている。
そして、下段アーム５Ｌとケーシング７との干渉を防止した結果、ケーシング７を下段アーム５Ｌの上方の領域で中段アーム５Ｍ近傍まで延在させることが出来て、最上方のラジアル軸受ＢＲも中段アーム５Ｍ近傍の位置に設けることが出来る。
その結果、最上方のラジアル軸受ＢＲよりも上方に延在する回転軸領域である「オーバーハング」を、下段アーム５Ｌのラジアル軸受ＢＩまでの距離だけ短くして、垂直軸風車３全体の安定性を向上することが出来たのである。
尚、図１において、符号ＢＳは回転軸６の下端部に配置され、下向きの荷重を支えつつ円滑な回転とするスラスト軸受を示す。
以下、図２〜図６をも参照して、内輪固定ラジアル軸受ＢＩ及びその近傍の構造について説明する。
図１及び図２（内輪固定ラジアル軸受ＢＩ近傍の部分拡大図）、特に図２から明らかなように、下段アーム５Ｌが半径方向に延びている部分については、ケーシング７は半径方向内方に窪んだ形状となっており、ケーシング７の当該窪んだ部分７Ａには、全体がリング状且つ窪み状に形成された内輪固定ラジアル軸受設置部材７Ｂが設けられている。
そして、内輪固定ラジアル軸受設置部材７Ｂの外側に内輪固定ラジアル軸受ＢＩが設置されている。ここで内輪固定ラジアル軸受設置部材７Ｂはケーシング７の一部を構成しており、前記内輪固定ラジアル軸受ＢＩはケーシング外部に設けられ、その内輪側がケーシング７の一部である内輪固定ラジアル軸受設置部材７Ｂに固定されている。
更に内輪固定ラジアル軸受設置部材７Ｂを内輪固定ラジアル軸受ＢＩの取付け要領をも含めて詳細に説明する。
前記ケーシング７は、前記下段アーム５Ｌの下方に位置する下方ケーシング７０と下段アーム５Ｌの上方に位置する上方ケーシング７５とによって構成されている。
下方ケーシング７０の上端部には下方接続フランジ７０Ｆが、上方ケーシング７５の下端部には上方接続フランジ７５Ｆが夫々固着されている。
そして、前記内輪固定ラジアル軸受設置部材７Ｂは、下方フランジ７０Ｂと上方フランジ７５Ｂとで構成されている。
下方フランジ７０Ｂは、フランジ部７０Ｂａと、前記回転軸６を挿通させる挿通穴７０Ｂｈが形成された円筒状のボス部７０Ｂｂ、とによって構成されている。又、該ボス部７０Ｂｂには外周側に小径部７０Ｂｓと大径部よりなる段部７０Ｂｄが形成されている。該小径部７０Ｂｓは、前記内輪固定ラジアル軸受ＢＩの内輪の内径に、例えば中間嵌めの嵌合条件で挿通される。
一方、上方フランジ７５Ｂの中央には前記回転軸６を挿通させる挿通穴７５Ｂｈが形成され、下面側には中心に前記下方フランジ７０Ｂのボス部７０Ｂｂの端部（小径部７０Ｂｓ）が嵌合する段付穴部７５Ｂａが設けられている。
又、前記下方フランジ７０Ｂのボス部７０Ｂｂ端面と、前記上方フランジ７５Ｂの貫通孔７５Ｂｈ近傍には、お互いを取り付け合う取付け孔が設けられており、ボルトＢ１によって内輪固定ラジアル軸受設置部材７Ｂとして一体に組み立てられるように構成されている。
上述の内輪固定ラジアル軸受設置部材７Ｂに内輪固定ラジアル軸受ＢＩを固定する（組み立てる）に際して、先ず、後述する方法で下段アーム５Ｌに内輪固定ラジアル軸受ＢＩが組み付けられた状態の内輪固定ラジアル軸受ＢＩの内輪（内径）に、挿通孔７０Ｂｈに回転軸６を挿通し、下方ケーシング７０の下方接続フランジ７０Ｆに仮止めされた下方フランジ７０Ｂのボス部７０Ｂｂの小径部７０Ｂｓを挿通させる。
次に、下方フランジ７０Ｂのボス部７０Ｂｂの小径部７０Ｂｓを、前記上方フランジ７５Ｂの内径側に貫入させる。貫入させた後、前記小径部７０Ｂｓの端面を、前記上方フランジ７５Ｂの段付孔部７５Ｂａの底部に当接させる。
当接させた状態で、前記ボルトＢ１を取り付けることによって、下方フランジ７０Ｂと上方フランジ７５Ｂとが一体の内輪固定ラジアル軸受設置部材７Ｂに組み立てられる。
図３及び図４を参照して、下段アーム連結兼軸受支持部材（以降、連結兼支持部材と略記する）８について説明する。
該連結兼支持部材８は、小径穴８２ａと大径穴８２ｂとで形成された段付き穴８２を有する円筒状の軸受支持用ボス部８０と、該軸受支持用ボス部８０の外周から半径方向外方に延在する下段アーム連結用フランジ８５と、を有している。
前記段付穴８２は、前記内輪固定ラジアル軸受ＢＩが挿入されて、内輪固定ラジアル軸受ＢＩを支持する。
前記下段アーム連結用フランジ部８５は、前記軸受支持用ボス部８０の外周から半径方向に延在し、前記軸受支持用ボス部８０の大径孔８２ｂが開放される側と同じ側に、半径方向内方が大きく、半径方向外方が小さいテーパを有する複数（図示では３箇所）の凹部８７がボス部８０の中心から等ピッチ角度で放射状に形成されている。
そして、該凹部８７と相補的な形状をした後述する下段アーム５Ｌの半径方向最内方端部を前記凹部８７に挿入し、前記下段アーム連結用フランジ部８５とアーム系止部材８９（図２参照）とを締結用ボルトＢ２（図２参照）を用いて下段アーム５Ｌの最内方端部を挟持するように連結する。
又、図４において符号８２ｃで示すリング状のグリース溝は、溝内にグリースを充填しておくことで、段付穴８２に挿入される内輪固定ラジアル軸受の潤滑を維持させる為のものである。
図２〜図４で示すような構成により、回転する下段アーム５Ｌを回転しないケーシング７（７Ｂ）に内輪固定ラジアル軸受ＢＩによって、回転自在に支持することが可能となった。
再び図２において、内輪固定ラジアル軸受ＢＩ近傍の上下位置に垂直方向に延在するカバー部材（遺物混入防止用カバー）９の概要について説明する。
カバー部材９は耐候性が高く、経年劣化が少ない材料が好ましく、図示の実施形態では、金属製である。しかし、硬質ゴム等、樹脂製でも可能である。
カバー部材９を設けるに当たって以下の留意を要する。
下段アーム５Ｌから内輪固定ラジアル軸受ＢＩの外輪まで（下段アーム５Ｌ及び連結兼支持部材８）が回転軸６を中心に回転する。上記カバー部材９はかかる下段アーム５Ｌ及び連結兼支持部材８との接触抵抗が無いのが好ましい。そのため、図示の実施形態ではカバー先端と下段アーム５Ｌ及び連結兼支持部材８との間には、若干の隙間が設けられている（非接触）。
しかし、当該接触抵抗が比較的小さいのであれば、（例えば、ダイヤフラムで構成された）カバー部材９と下段アーム５Ｌ及び連結兼支持部材８とが接触しても良い。
カバー部材９の詳細について、図５及び図６を参照して説明する。尚、図２に示される上下２個のカバー部材９は同一形状である。
カバー部材９は図５に示す様に、複数の取付け孔９ｃを有したリング状のフランジ部９ａと、該フランジ部９ａの１面に立設した薄板の円筒部９ｂとで構成されている。
内輪固定ラジアル軸受ＢＩはケーシング７（７Ｂ）によってカバーされておらず、そのままだと外部環境に晒されるが、上記カバー部材９を設けたため、異物混入によるかじり等の恐れが完全に防止される。
図１において、図２〜図６を参照して説明した構成により、ケーシング７は中段アームＭ近傍の領域まで延在させることが出来る。
中段アーム５Ｍより上方では、アーム（図１の中段アーム５Ｍ、上段アーム５Ｕ）は、回転軸６に後述のカップリングによって結合されている。
図７において、上部カップリング１０と、下部カップリング１２とで構成されるカップリング１４の該上部カップリング１０と、下部カップリング１２とが中段アーム５Ｍの半径方向内方の端部を挟み込んでいる。
上部カップリング１０と、下部カップリング１２とは類似形状であり、したがって、上部カップリング１０についてのみ、図８及び図９を参照して更に詳しく説明する。
図８及び図９に示すように、上部カップリング１０は円盤状フランジ１０ａと、該円盤状フランジ１０ａの１面に立設したボス部１０ｂとで構成され、当該上部カップリング１０の中心には、キー溝１０ｃを有し前記回転軸６と係合する係合穴１０ｄが形成されている。
前記円盤状フランジ１０ａの前記ボス部１０ｂが立設された反対側の面には、円盤状フランジ１０ａの外周から中心部（半径方向内側）に向かって幅が広がるようなテーパ状の複数の溝或いは凹部１０ｅが形成されている。
尚、図８の実施例では凹部は３ヶ所であり、中央において凹部は一つに繋がっているが、各凹部は分離していても良い。そして、前記凹部１０ｅの領域には、図示では二つのピッチサークル円を有する取付け用孔１０ｆが複数（取付け部一箇所について６個）穿設されている。
上部カップリング１０に連結される中段アーム５Ｍは、その端部が、前記凹部１０ｅと同様に取付け端部が半径方向内側に向かって幅が広がるテーパ状に形成されている。
したがって、中段アーム５Ｍのテーパ状の端部を前記上部カップリング１０と下部カップリング１２（テーパ状の凹部は上部カップリング１０の凹部１０ｅと同じ形状）の凹部１０ｅに嵌合させ、中段アーム５Ｍを挟み込み、締結用ボルト・ナットＢ３で締結すれば、上下カップリング１０、１２によって中段アーム５Ｍが連結される。又、カップリング１４（上下カップリング１０、１２の組体）と前記回転軸６とは図示しないキーと前記キー溝１０ｃで固定される。
次に、図１０を参照して、中段アーム５Ｍ（特に半径方向内側端部）の構成及び形状について説明する。中段アーム５Ｍは、アーム本体５０Ｍと、半径方向内方端部に位置し該アーム本体５０Ｍに連なる補強部材５５Ｍとによって構成されている。
図１０に示すように、中段アーム５Ｍの半径方向内方端部近傍において、図８で示した上・下カップリング１０、１２の凹部１０ｅに適合する部分は、前記補強部材５５Ｍ（アルミニウム製）によって構成されている。かかる補強部材５５Ｍは、半径方向外方に延在する部分がアーム本体５０Ｍの半径方向最内方の領域において、アーム本体５０Ｍの内側に挿入されている。
前記回転軸６と、薄肉のアーム本体５０Ｍとを接続するためには、強度が必要であり、靭性に富んだ金属材料で補強することが好ましい。一方、風車効率向上のためには重量軽減が必要であり、従って図示の実施形態では、補強部材５５Ｍの材料として比重の小さなアルミニウムを採用している。
従来、ＦＲＰのみで形成したアームが存在したが、価格的、製作納期的面で問題があり、アルミニウムのみで形成した場合は総重量が嵩んでしまうと言う問題があった。
しかし、図１０に関連して説明した構成を採用すれば、価格面、製作納期面、強度面でも重量面でも問題の無い構造が実現されるのである。
アルミニウム製の補強部材５５Ｍと、アーム本体であるＦＲＰ製薄肉中空形状のアーム本体５０Ｍとの結合は、結合個所に接着剤を塗布することのみで強度的には十分である。但し、図示の実施形態では、安全性を向上させる（アルミニウムとＦＲＰとの分離防止）為、リーマボルトＢ４で接合している。
ここで、前記リーマボルトＢ４が千鳥に配置されるように、補強部材５５Ｍとアーム本体５０Ｍの接続部に取付け孔を設けている。リーマボルトＢ４を１列に配置すると、ＦＲＰ製の薄肉中空形状のアーム本体部５０Ｍはリーマボルト４Ｂの列に沿って破断する恐れがあり、かかる破断を防止するためである。
尚、図１０において、リーマボルトＢ４の配置は図１０の左右方向については非対称となっている。アーム断面形状（レンズ形状で、且つ左右の厚みが非対称となっている）に基づき、左右の被締付厚さを同等にし、一方が薄くなり過ぎ破損することを防止するためである。
図２〜図６で説明した内輪固定ラジアル軸受ＢＩの半径方向外方で下段アーム５Ｌを結合するに際しても、図７〜図１０で説明したのと概略同様の態様にて行われる。
図２〜図６において、下段アーム５Ｌは下段アーム連結兼軸受支持部材８とアーム系止部材８９とで上下方向に挟み込まれているが、図７〜図１０では上・下カップリング１０、１２で挟み込んでいる。
その点では。両者は同様である。例えば、図３で示すように下段アーム連結兼軸受支持部材８にはテーパのついた凹部８７が構成されており、該凹部８７に対応する形状のアームの半径方向最内方部分が嵌合する。
かかる構成は、図８で示した構成と同様である。
図１に戻って、且つ図１１を参照すれば、回転軸６の上端部分（上段アーム５Ｕと回転軸６との結合個所）では、図７で示す構造とは異なり、下方のカップリング１６と上方の平板状部材１８（図１１）とにより上段アーム５Ｕが結合されており、上方にはカップリングは設けていない。
尚、上段アーム５Ｕの半径方向最外方における結合構造、即ち上段アーム５Ｕとブレード４との結合構造は、図７〜図１０を参照して説明した構造とは別態様である。
図示の実施態様において、回転軸６とアーム（５Ｕ、５Ｍ、５Ｌ）とは別部材であるが、アーム（５Ｕ、５Ｍ、５Ｌ）とブレード４とは同一部材（ＦＲＰ）だからである。
ブレード４の形状の一部について説明する。図１に示すブレード４の下端４ｅには、図示しない水抜き用のドレン孔が設けてある。
該ドレン孔は、中空のブレード４の肉部を除いた空洞をそのまま利用することも出来るし、一旦ブレードの下端を塞ぎ、空洞断面よりも小さな孔を設けてもよい。
再び図７において、非回転部材であるケーシング最上端部７Ｃの上方には蓋状部材２０が被せられており、該蓋状部材２０を被せた個所は、ケーシング最上端部７Ｃと蓋状部材２０とによってラビリンス構造を構成している。
蓋状部材２０は前記回転軸６に固定されており、回転部材となっている。
該蓋状部材２０については図１２及び図１３で示されており、ケーシング最上端部７Ｃについては図１４及び図１５で示されている。
上述のラビリンス構造を図７及び図１２〜図１５に沿って説明する。
先ず、図１４及び図１５を参照して、非回転部材であるケーシング最上端部７Ｃについて詳細に説明する。
ケーシング最上端部７Ｃは、外周近傍に複数の取付け孔７Ｃａを有し中央に穴部７Ｃｂを有する円盤状のフランジ部７Ｃｆと、該フランジ部７Ｃｆの上面で前記穴部７Ｃｂの上端から中心に向かって斜め上方に延在し、中央に回転軸挿通用の穴７Ｃｃを有する円錐状屋根部７Ｃｄとで構成されている。
前記円錐状屋根部７Ｃｄの回転軸挿通用穴７Ｃｃには、回転軸挿通用穴７Ｃｃと凡そ等しい内径の内側円筒状隔壁２１が、鉛直方向に突設している。そして、該内側円筒状隔壁２１よりも大きな径で内側円筒状隔壁２１と同心に配置された外側円筒状隔壁２３が、前記円錐屋根部７Ｃｄに固着されている。
次に、図１２及び図１３を参照して、回転部材である前記蓋状部材２０について詳細に説明する。
前記蓋状部材２０は、中心に前記回転軸に嵌合される嵌合穴２０ａを有するボス部２０ｂと、該ボス部２０ｂの下端外周部から斜め下方で且つ外方に延在する円錐状体部２０ｃ、とによって構成されている。
尚、前記ボス部２０ｂには当該蓋状部材２０を回転軸６に係止する為のボルト螺合用雌ねじ２０ｄが半径方向に切ってある。
前記円錐状体部２０ｃの下面には、円錐状体部２０ｃと中心軸を同じくする内側円筒状隔壁２２と、更に中心軸を同じくする外側円筒状隔壁２４が鉛直下方に延在するように固着されている。
ここで、前記ケーシング最上端部７Ｃの内側円筒状隔壁２１、外側円筒状隔壁２３と、前記蓋状部材２０の内側円筒状隔壁２２、外側円筒状隔壁２４のサイズ関係は、ケーシング最上端部７Ｃの内側円筒状隔壁２１と外側円筒状隔壁２３の中央近傍に、前記蓋状部材２０の内側円筒状隔壁２２が位置し、前記蓋状部材２０の内側円筒状隔壁２２と外側円筒状隔壁２４の中央近傍に、前記ケーシング最上端部７Ｃの外側円筒状隔壁２３が位置してラビリンス構造を構成する様になっていることが好ましい。
上述の様に、ケーシング最上端部７Ｃを隔壁（内側円筒状隔壁２１及び外側円筒状隔壁２３）と一体化し、且つ回転体である蓋状部材２０も隔壁（内側円筒状隔壁２２及び外側円筒状隔壁２４）と一体化することによるラビリンス構造を採用している。
このようなラビリンス構造とすることで、ケーシング内で発生する発電時（或いは、モータとして稼動する場合）の発熱や各軸受の転がり摩擦による発熱は排出され易く、且つ雨水の浸入を防止出来る。
図１に戻って、ケーシング７内には、回転軸６の回転を電力に変換する回転力−電力変換手段である発電機ＧＭが設けられている。ここで、前記発電機ＧＭはコイル部分に電流を供給した場合にモータとして作動するように構成されている。
図示の実施形態では、静止転がり抵抗に打ち勝てない程度の風速の際に、発電機（Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）ＧＭのコイルに電流（商用電力）を供給して、モータとして作動させる様に構成されている。
風車３が回転すれば、転がり抵抗に打ち勝つ程度の風速で十分回転する。そして、転がり抵抗に打ち勝つ程度まで回転すれば、モータを停止し、発電機として作動させれば良い。
図１６及び図１７を参照して、発電機−モータの切替え制御装置及びその制御について説明する。
図１６に示す発電機−モータの切替え制御装置は、垂直軸風車３の回転軸６の回転力によって電力を起こす発電機−モータＧＭと、該発電機−モータＧＭと電力ラインＬ１によって接続された電流切替えスイッチ６０と、該電流切替えスイッチ６０と電力ラインＬ２によって接続された整流器８０と、前記電流切替えスイッチ６０と電力ラインＬ３によって接続された商用電源（外部電力）１００とを有し、風力計Ｗからの入力信号を入力信号ラインＬｉにより受信した制御手段９０が、該入力信号に基づき発電機−モータＧＭの機能を発電機機能、又はモータ機能の何れかに切替えるべく、出力信号ラインＬｏを介して前記電流切替えスイッチ６０に出力信号を発信するように構成されている。
次に、図１７を用い、図１６をも参照して発電機−モータの機能切替え制御方法を説明する。
ステップＳ１において、制御手段９０は風力計Ｗからの信号を読込み、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２において、制御手段９０は現在の風速が風車３全体の転がり抵抗に打ち勝つ風速か否かを判断する。打ち勝つ風速であれば（ステップＳ２のＹＥＳ）、ステップＳ３に進み、そうでなければステップＳ１に戻る。
ステップＳ３では、制御手段９０は前記電流切替えスイッチ６０に発電機機能からモータ機能に変えるべく、発電機−モータＧＭに商用電源１００から商用電力を投入する。
次のステップＳ４では、制御手段９０は、発電機−モータＧＭの回転数が所定値以上か否かを判断する。
所定値以上であれば（ステップＳ４のＹＥＳ）、次のステップＳ５に進み、所定値に満たなければ（ステップＳ４のＮＯ）、ステップＳ３に戻る。
ステップＳ５において制御手段９０は、発電機−モータＧＭの機能をモータ機能から発電機機能に切替えるように前記切替えスイッチに制御信号を発信して制御を終了する。
かかる構成とすることにより、静止転がり抵抗に打ち勝てない程度の風速であっても、風車３を回転させて発電することが可能となる。風車の利用できる条件を緩和して、風車３の効率（稼動率）を高めることが出来る。
次に、図１８において（図１においてＢ−Ｂ線矢視の状態を図１８に示す）、図示しない回転軸を包囲するケーシング７の外周面に、太陽電池パネル１１０を取付けている。該太陽電池パネル１１０は可撓性のあるパネルをパネル１枚につき２本のステイ１２０によってケーシング７の外周面全周に亘って取付けている。このように外周面全周に亘って張り巡らすことにより、太陽の位置にかかわらず太陽光発電が可能となる。
図１９を参照して、本発明の別の実施の形態を説明する。本実施の形態で説明するのは、太陽光発電と風力発電の両方の発電機能を備える垂直軸風車の一例である。本実施の形態は、図１６で説明した垂直軸風車に対して、電力を貯蔵するバッテリー９１と、太陽エネルギーを直流電力に変換する太陽電池セル９２と、太陽電池を制御する制御器９３と、変換器Ａ９４、変換器Ｂ９５とが追加されたものである。制御器９３は、特に太陽電池の発電量を制御する。
変換器Ａ、Ｂは、能動スイッチの構成を含む変換器である。ここで言う、能動スイッチとは、サイリスタ、ＧＴＯ、ＭＯＳ  ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の電力用半導体デバイス等を含み、直流から交流へまたは交流から直流への変換機能を有する。
複数の切替機構を有する切替スイッチ６０は、変換器Ａ９４を通してラインＬ１により発電機／モータに接続されている。また、切替スイッチ６０は、Ｌ４を通してバッテリー９１に接続されており、ラインＬ２を通して制御器９３を介して太陽電池セル９２と接続され、ラインＬ３を通して変換器Ｂ９５を介して商用電源１００と接続されている。また図１６で説明したように、風力計Ｗが信号ラインＬｉで制御手段９０と接続されており、制御手段９０は、切替スイッチ６０と出力信号ラインＬｏで接続されている。このような構成において、切替スイッチ６０は、制御手段９０により制御される。
発電機ＧＭのコイルに電力を供給してモータとして作動させることによって、比較的遅い風速でも軸受摩擦等の抵抗に打ち勝って回転することが可能な点は、図１６で説明した実施の形態と同様である。
一方、モータとして運転している際の電源は、商用電源１００から供給し、発電機として運転している際は、商用電源１００に電力を供給することが可能である。また、切替スイッチ６０の操作によりモータ運転時の電源はバッテリー９１から供給し、発電時はそのバッテリー９１に電力を貯蔵し、必要に応じて構内電力（不図示）あるいは商用電源１００へ電力を供給することも可能である。また、切替スイッチ６０の操作により、太陽電池セル９２で発電した電力を制御器９３を通してバッテリー９１に貯蔵することが可能である。
なお、商用電源１００から変換器Ｂ９５まで、変換器Ａ９４から発電機／モータＧＭまでが交流である。変換器Ｂ９５からＳＷ６０を通って、変換器Ａ９４までが、直流になっている。また、ラインＬ２、Ｌ４も直流である。
以上説明したように、本発明の実施の形態の垂直軸風車は、ケーシング（７）を最下方のアーム（５Ｌ）よりも上方まで延在せしめ、ケーシング（７）外部にラジアル軸受（ＢＩ）を固定し、該ラジアル軸受（ＢＩ）によりアーム（５Ｌ）をケーシング（７）に対して回転自在に取付けたことを特徴としている（図１〜図５参照）。
かかる構成を具備する本発明の実施の形態によれば、ラジアル軸受（内輪固定ラジアル軸受ＢＩ）の内輪側を非回転部材であるケーシング（７）部分に設け、外輪側をアーム（５Ｌ）と接続することにより、アーム（５Ｌ）がケーシング（７）に対して回転自在となる。
したがって、ケーシング（７）を最下方のアーム（５Ｌ）よりも上方まで延在しても、最下方のアーム（５Ｌ）と干渉することが無くなる。そして、ケーシング（７）を最下方のアーム（５Ｌ）よりも上方まで延在させた結果、オーバーハング部が短くなり、風車（３）が安定するのである。
本発明の実施の形態において、ケーシング（７）外部に固定したラジアル軸受（内輪固定ラジアル軸受ＢＩ）の半径方向外方に、カバー部材（異物混入防止用カバー９）を配置していることが好ましい（図１、図２、図５、図６参照）。
上述のケーシング（７）外部に固定したラジアル軸受（内輪固定ラジアル軸受ＢＩ）は、外部環境に晒されているため、風雨に直接晒され、錆の発生、油切れによる焼き付き、異物混入によるかじり等の恐れがあり、精度を損なう可能性がある。
これに対して、前記カバー部材（異物混入防止用カバー９）をラジアル軸受（内輪固定ラジアル軸受ＢＩ）の半径方向外方に配置することにより、上述した各種不具合を防止することが出来る。
ここで、前記カバー部材（９）は、耐候性に強く、経年劣化が少ない材料（例えば、金属）で構成されることが好ましい。硬質ゴム等の樹脂材料でも前記カバー部材を構成することが可能である。
又、アーム（５Ｌ）との接触抵抗が無い様に、前記カバー部材（９）とアーム（５Ｌ）との間には若干の隙間が形成されているのが好ましい。但し、当該接触抵抗が比較的小さいのであれば（例えば、ダイヤフラムや樹脂材料等）、カバー部材（９）とアーム（５Ｌ）とが接触しても良い。
又、本発明の実施の形態の垂直風車は、ラジアル軸受（ケーシング７内部に配置されたラジアル軸受ＢＲ及びケーシング７外部に配置された内輪固定ラジアル軸受ＢＩ）の双方と一体化したアーム結合部材（アームを上下から挟みこむカップリング「１０」、「１２」、或いは図１１の平板状部材１８）に、半径方向内方が大きく、半径方向外方が小さいテーパを有する凹部（１０ｅ）が形成され、アーム（５Ｌ）の半径方向内方端部は前記凹部（１０ｅ）と相補的な形状に構成されていることを特徴としている（図１〜図４、図１０参照）。
かかる構成を具備する本発明によれば、アーム結合用部材（アームを上下から挟みこむカップリング「１０」、「１２」、或いは図１１の平板状部材１８）の凹部（１０ｅ）及びアーム（５Ｌ）の半径方向内方端部が、半径方向内方が大きく、半径方向外方が小さいテーパを有する形状となっているので、アーム（５Ｌ）に遠心力が作用しても、当該テーパが遠心力に対する反力を生じる為、アーム（５Ｌ）がアーム結合用部材（１０、１２）から抜け出してしまうことが防止される。
さらに本発明の実施の形態の垂直軸風車は、アーム（５Ｌ）は中空（好ましくは、薄肉で且つ中空な形状）に形成されており、アームの材料（例えば強化樹脂ＦＲＰ）とは異なる比重３．０以下の軽い材料（例えばアルミニウム）から成る補強部材（５５Ｍ）が、アーム（５Ｌ）の半径方向内方（回転軸側）端部でアーム（５Ｌ）に一部が挿入された態様で配置されていることを特徴としている（図１、図１０参照）。
ここで、前記アーム（５Ｌ）は、例えばＦＲＰ性の中空薄肉の翼形状が好ましい。
補強部材（５５Ｍ）を構成する材料としては、比重が小さく、靭性が高い材料であれば、アルミニウムに限定する必要はない。チタン等、アルミニウム以外の金属材料や、その他の強度が高い材料を使用することが可能である。
かかる補強部材（５５Ｍ）をアーム（５Ｌ）の半径方向内方端部に配置するに当たって、アーム（５Ｌ）に補強部材（５５Ｍ）の一部を挿入して一体化するのは、接着剤のみでも強度的には十分である。但し、安全性向上（アーム５Ｌと補強部材５５Ｍとの分離防止）の為、リーマボルト（Ｂ４）で接合することが好ましい。
その際に、リーマボルト（Ｂ４）が１列に配置されていると、アーム（５Ｌ）が薄肉に構成されている場合は破断する恐れがあるので、破断防止の為に、リーマボルト（Ｂ４）は千鳥に配置するのが好ましい。
さらに本発明の実施の形態の垂直軸風車（３）は、ケーシング最上端（７Ｃ）に蓋状部材（２０）が被せられ、該蓋状部材（２０）を被せた個所はラビリンス構造を構成していることを特徴としている（図１、図７、図１２〜図１５参照）。
ケーシング（７）内で発生した熱（発電機、軸受等で発生した熱）を放出する必要がある。又、風車（３）は屋外に設置されるので、直射日光によりケーシング（７）内が昇温され、ケーシング（７）内の熱を放出する必要性が極めて高い。
しかし、ケーシング（７）に熱放出用孔を穿孔するのみでは、当該熱放出用孔を介して雨水がケーシング（７）内に浸入してしまう。即ち従来技術では、雨水の侵入を防止しつつ、ケーシング（７）内で発生した熱を放散することが出来なかった。
これに対して、上述した構成を具備する本発明によれば、ケーシング最上端（７Ｃ）に蓋状部材（２０）を被せた個所に、ラビリンス構造を採用している。かかるラビリンス構造により、ケーシング（７）内の熱は排出され易く、且つ、雨水も浸入し難い構造を提供することが出来る。
ここでラビリンス構造としては、ケーシング最上端（７Ｃ）に鉛直方向上方へ延在する隔壁（２１、２３）を一体的に形成し、双方の隔壁（蓋状部材２０の隔壁２２、２４及びケーシング最上端部７Ｃの隔壁２１、２２）により（当該ラビリンス構造を）構成することが可能である。
本発明の実施の形態において、静止転がり抵抗に打ち勝てない程度の風速の際に、ケーシング（７）内に収容されている発電機（Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ＧＭ）のコイルに電流（例えば商用電力１００）を供給して、モータとして作動させる様に構成されていることが好ましい。
このように構成すれば、転がり抵抗に打ち勝つ程度の比較的遅い風速でも、風車（３）は十分回転し続けることが出来る。
そして、転がり抵抗に打ち勝つ程度まで風車（３）が回転すれば、コイルへの電流供給を停止して、モータとしての作動を終了し、発電機として作動させるのが好ましい。
さらに本発明の実施の形態では、回転軸（６）を包囲するケーシング（７）外周面（好ましくは全周に亘って）に、太陽電池パネル（１１０）を取り付けることが好ましい。その際の太陽電池パネル（１１０）は可撓製のあるものが好ましい。そのようなパネル（１１０）を使用すれば、太陽の位置如何にかかわらず、安定した太陽光発電が期待出来るからである。
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
例えば、図示の実施形態ではダリウス型風車についてのみ説明されているが、サボニウス型風車、その他の垂直軸風車についても、本発明を適用することが可能である。
産業上の利用可能性
以上説明した実施の形態の垂直軸風車によれば、
（ａ）  ラジアル軸受の内輪側を非回転部材であるケーシング部分に設け、外輪側をアームと接続することにより、アームがケーシングに対して回転自在となる。したがって、ケーシングを最下方のアームよりも上方まで延在出来、その結果、オーバーハング部が短くなり、風車が安定する。
（ｂ）  カバー部材をラジアル軸受の半径方向外方に配置することにより、風雨に直接晒されることもなく、さびの発生、油切れによる焼き付き、異物混入によるかじり等の不具合を防止することが出来る。
（ｃ）  アーム結合用部材の凹部、及びアームの半径方向内方端の凸部が、半径方向内方が大きく、半径方向外方が小さいテーパを有する形状となっているので、アームに遠心力が作用しても、凹部、凸部がお互いに噛合った状態で、当該テーパが遠心力に反力を生じる為、アームがアーム結合用部材から抜け出してしまうことが防止出来る。
（ｄ）  アーム本体を例えばＦＲＰ製の中空薄肉の翼形状とし、アームの半径方向内方端部に例えばアルミニウム製の補強部材をアームの半径方向内方端部に配置することにより、安価で製作納期が短く、強度的にも、重量的にも問題の無い構造が実現する。即ち、必要とする強度を有し、軽量且つ発電効率の高い風車が実現する。
（ｅ）  ケーシング最上端に鉛直方向上方へ延在する隔壁を一体的に形成し、該最上端に蓋状部材を被せ、蓋状部材にも鉛直方向下方へ延在する隔壁を一体的に形成し、双方の隔壁を半径方向に互いに食違う様に配置したラビリンス構造を採用しているため、ケーシング内の熱は排出され易く、且つ雨水も浸入し難い構造を提供することが出来る。
（ｆ）  静止転がり抵抗に打ち勝てない程度の風速の際に、ケーシング内に収容されている発電機のコイルに電流（例えば商用電力）を供給して、モータとして作動させる様に構成することによって、転がり抵抗に打ち勝つ程度の比較的遅い風速でも、風車は十分回転し続けることが出来る。
（ｇ）  回転軸を包囲するケーシング外周面（好ましくは全周に亘って）に、太陽電池パネルを取り付けることによって、太陽の位置如何にかかわらず、安定した太陽光発電が期待出来る。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明を適用したダリウス型風車を示す正面断面図である。
図２は、図１の符号Ｆ２で示す部分の拡大図である。
図３は、本発明の実施形態である下段アーム連結兼軸受支持部材の平面図である。
図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。
図５は、本発明の実施形態であるカバー部材の断面図である。
図６は、図５に対応する平面図である。
図７は、図１の符号Ｆ７で示す部分の拡大図である。
図８は、本発明の実施形態である上部カップリングの平面図である。
図９は、図８のＣ−Ｃ断面図である。
図１０は、本発明の実施形態である下段アームの半径方向内方端部の平面図である。
図１１は、図１の符号Ｆ１１で示す部分の拡大図である。
図１２は、本発明の実施形態である蓋状部材の縦断面図である。
図１３は、図１２に対応する平面図である。
図１４は、本発明の実施形態であるケーシング最上端部の縦断面図である。
図１５は、図１４に対応する平面図である。
図１６は、本発明の実施形態である発電機−モータの発電機機能−モータ機能の切替え制御装置の構成ブロック図である。
図１７は、本発明の実施形態である発電機−モータの発電機機能−モータ機能の切替え制御方法を示す制御フローチャートである。
図１８は、図１のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
図１９は、本発明の実施形態である発電機−モータの発電機機能−モータ機能の切替え制御装置の構成ブロック図である。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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