(57)【要約】【課題】工場や住宅地で、屋内使用の電力を、自然エネルギーから得ようと、太陽電池の普及と風力発電の利活用が期待されている。風力発電機においては、軽量で、耐食性があり、長期間使用できる騒音のない風車が求められていた。【解決手段】マグネシウム、亜鉛、銅等を含有するアルミニウム合金を材料として、小型から中型までの風力発電機に利用できるループ状の成型翼を、逆Ｕ字型に取り付けて、軽量で、耐食性があり風に対する耐力と動的バランスと発電効率に優れた翼構造が実現できた。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金又は鉄を材料とし、翼の大きさにより１枚成型翼から７枚までのつなぎ成型翼構造を特徴とするループ状翼を複数個有する流体機械
【請求項２】
ループ状翼の風力発電機において、アルミニウム合金を材料とし、翼の大きさにより１枚成型翼から７枚までのつなぎ成型翼構造を特徴とするループ状翼を複数個有する風車
【請求項３】
翼の支持部から遠いループ状翼の湾曲部は平坦でなく、連続した曲面を形成し、ハブへの取り付けは、同一平面にない逆Ｕ字型の請求項２の風力発電機の翼構造
【請求項４】
成型翼断面のアスペクト比が、１５から４０である請求項２または請求項３の風力発電機の翼構造
【請求項５】
合金呼称として、２０００系、５０００系、７０００系のアルミニウム合金のいずれかを使用したループ状翼構造の請求項４の風力発電機の翼構造
【請求項６】
ローター直径が４メートル以上の中型の場合に、ループ状翼は成型したアルミ合金とし、ハブを鉄とした請求項５の風力発電機の翼構造
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、風や水流のエネルギーを回転エネルギーに変換し、風力発
電や水力発電を効率的に行う翼の新規な構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム、風力、翼をキーワードとして、公報テキスト検索を行うと１４件が検索できた。下記の[０００５]に示す特許文献１、５及び１３は垂直翼の風車である。特許文献２はダリウス型の風車を用いた発電機である。特許文献４は、ハニカムコア材によるサポニウス型の風車である。特許文献６、９、１１及び１４は、３枚から５枚のプロペラ翼の風車の特許である。これらは本考案のループ構造とは異なる構造の特許である。
【０００３】
特許文献３は、硬磁性材料の特許である。特許文献７、８及び１０は、翼の特殊な形状の特許である。特許文献１２は、強風時の風車の保護装置に関するものである。これらの特許は、本考案とは直接関係がない特許である。
【０００４】
アルミニウム、風力、翼をキーワードとした検索では、検索できなかったが、ループ翼を利用した風力タービンが使用されているものとして、特許文献１５がある。特許には、第１、第２、第３の翼素からなり、明細書の記載から第１と第２の翼素を平坦に延びる翼素３により連結されているとある。また、特許３９８７９６０を詳細に読むと、翼の断面は明細書の図２３で示されているように流線型である。しかし、本先行特許では、翼の材質については、全く触れられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特許文献１  特開２００８−２０２５０８
特許文献２  特開２００７−３１５３７５
特許文献３  特開２００６−２８６１６２
特許文献４  特開２００６−１７００６３
特許文献５  特開２００５−３０７８５０
特許文献６  特開２００５−１８８４５４
特許文献７  特開２００５−１７１９１６
特許文献８  特開２００５−０３０３７５
特許文献９  特開２００４−１３７９１０
特許文献１０特開２００３−３３６５７２
特許文献１１再表２００６／１０６７３４
特許文献１２特許４０８５９７７
特許文献１３特許３９９６９４５
特許文献１４特許３８７５６１８
特許文献１５特許３９８７９６０
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
本考案者らは、まず１ループ翼の製作のし易さと曲面加工性、２屋外
における耐食性、３翼の軽量化を課題として材料について検討する。ついで、４ループ翼の中型化への課題、５つなぎ加工性による課題の解決、さらに、６台風等の強風下での耐変形性と耐力、７流体の力を翼の回転力へ変換する効率性、８運転中の動的バランスを課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
炭素繊維補強のプラスチック、スチール、チタン、アルミニウム合金について、成形性、耐食性、比重、引張強さ、耐力、均一性を重要視して採用する材料の比較検討をした。炭素繊維強化プラスチックは、比重は低くて軽いが成形加工性に劣る。また、修正する際の加工性にも劣る。材料として考えられるスチールの比重は７．９、チタンも４．５であり、翼を軽量化しにくい。両者に比べて、アルミニウム合金の比重は２．７で、プラスチックについで軽い。引張強さや耐力もマグネシウム、亜鉛、銅等を含有するアルミニウム合金では、純アルミニウムと比較して５倍から１０倍高く、一般構造材、機械部品、船舶、航空部品で実績があることを認めて採用した。
【０００８】
小型の風力発電には、成形性の良いアルミニウムとマグネシウムのＡ５０５２が最適である。中型の風力発電には、Ａ２０１７、Ａ７０７５等の銅や亜鉛のアルミニウム合金が適している。アルミニウム合金では、自然に酸化皮膜が表面に形成され、自己防護するので鉄のように錆びの発生がない。耐食性に優れた翼となる。
【０００９】
強風下での耐変形性と流体の力を翼の回転力に効率よく変換させるためには、ループの形状をリング状にするのではなく、逆Ｕ字型にしてハブに固定させる位置を風の方向に対して前後させて、支える構造にするのが好ましい。しかも、ループを楕円として計算する長径と短径の比を１．２以上とすると、翼の耐力の向上と回転効率の向上につながることを認めて採用した。さらに、アルミニウム合金の翼の断面で見たアスペクト比が、１５から４０であれば、耐力があって風の力を翼の回転力に変換する効率も高いことを認めた。ローター直径が４メートル以上の中型の場合には、ハブ材料を鉄にして耐力のさらなる向上を図る。
【考案の効果】
【００１０】
アルミニウム合金を採用することにより軽量で引張強さが高く、耐食性に優れ、曲面加工性のよい風力発電用風車の翼が得られた。中型の風車の場合には、つなぎ加工によって、ローター直径数メートルの翼を製造できる。中型の時には、３枚成型翼、より大きい中型の時には、５枚ないし７枚の成型翼として対応できる利便性がある。ローター直径数メートル以上の場合、ハブ材料を防錆処理を施した鉄製にして、耐力向上と安定性を図る。アルミニウム合金の特性として、酸化皮膜の表面形成があり、軽量で耐食性を維持したまま長期間の運転が可能になった。逆Ｕ字型の翼の取付け部の配置により強風に対して支え効果が現れ、耐変形性に優れた翼となるとともに、また、アスペクト比の限定により風力の回転力への効率的変換を可能にした。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１１】
本考案を実施する最良の形態について図によって説明する。図１は、
小型の風車の事例である。ローター直径１．５ｍ以下の風車においては、合金呼称の
ＪＩＳ記号Ａ５０５２のマグネシウム含有のアルミニウム合金の１枚翼加工法で、翼
を成型加工して、アスペクト比３０の翼として使用する。引張強さは１８０Ｎ／ｍｍ２以上、耐力８０Ｎ／ｍｍ２以上を標準とする。比重は２．６８程度のものが良い。マグネシウムを使用したアルミニウム合金は、板としての加工性に優れており１枚翼加工し易い材料である。１が前ハブ、２はつなぎのない１枚成型翼であり、３が後ハブを示しており、３枚構成の風車の模式図である。このような構造により動的バランスがよく、軽量で効率のよい風車となった。
【００１２】
図２は、５ｋＷ発電用の中型風車の３枚翼の模式図である。引張強さ４００Ｎ／ｍｍ２以上の銅とアルミニウムの合金である合金呼称Ａ２０１７を材料として、３枚成型翼として回転体４に取付けている。ハブへの取付け位置は、同一面内からずらして、風力に対して支えになるように、設定している。５、６及び７の三つのつなぎ成型翼構造にした。５、６および７の翼構成材１、２及び３は、いずれもアルミニウム合金である。ローター直径５ｍであり、つなぎ成型して中型用として、鉄材料のハブにつなぎ成型した。年間発電量として約３０００ｋＷｈの能力を発揮する。  
【００１３】
図３は図１のＡＢ破線の断面模式図である。風を含むように少し湾曲
した構造である。翼の幅と厚みの比をアスペクト比とすると、１５から４０、好ましくは２０から３５が、翼の耐力と回転効率から最良である。                    
【実施例１】
【００１４】
ローター直径１．２ｍの３枚羽根の風力発電機において、５ｍ／秒
の風速で、定額出力４００Ｗの翼を製作した。材料は、成形性と耐食性に優れているＡ５０５２を使用した。１枚成型翼とし冷間加工と安定化加工をして、引張強さ２４０Ｎ／ｍｍ２、ビッカース硬さ８２の翼を製作した。比重は２．６８であった。この翼を使用した風車の始動風速は、２ｍ／秒であり、静かな風車として使用できた。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
地球環境の保護の観点から自然エネルギーの利活用が、ますます重要となってきた。太陽光発電とともに風力発電が重視されている。海岸や山頂に設置している大型の風力発電のほかに、公共施設や住宅で使用できる小型から中型の風力発電機が、普及しようとしている。騒音の少ない翼構造の開発が課題であり、垂直軸型、プロペラ型、サポニウス型で、それぞれ研究が進んでいる。本考案の翼構造は、アルミニウム合金を使用したループ型であり、軽量で耐食性に優れ、工場や住宅地での発電に適しており、風力発電機メーカーの利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本考案のアルミニウム合金による３枚翼の風車の構造を示す模式図
【図２】本考案のつなぎ成型翼構造のアルミニウム合金による３枚翼の模式図
【図３】本考案のアルミニウム合金の翼の断面模式図
【符号の説明】
【００１７】
１アルミニウム合金翼を取付けている前ハブ
２つなぎ成型のない３枚翼の１枚
３アルミニウム合金翼を取付けている後ハブ
４ハブを取付けて射る回転体
５３枚つなぎ成型した翼の翼構成材１
６３枚つなぎ成型した翼の翼構成材２
７３枚つなぎ成型した翼の翼構成材３
８図１のＡＢ破線で切断して観察した翼の断面模式図  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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