(57)【要約】【課題】  流体の抗力を利用して回転力を得る垂直軸型の装置において、回転翼が流体の運動方向と逆方向に向かうときの逆抗力を最小限に抑えること。【解決手段】  回転翼が描く空間を回転軸および流体の運動方向に平行な仮想平面で２分した片方を覆いつつ、流体の抵抗を受けにい、流体の運動方向に追随する外形を備えた立体を、回転翼および回転軸に接触しない方法で、装置に回転自在に取り付ければよい。  そこで前記立体に、回転翼が描く空間を挟み込む位置で２ヶ所の回転支点を設け、一方を装置を設置する基盤に固定した軸に、もう一方を前記固定した軸と同軸位置にありながら回転軸に接触しないように配した構築物に、回転自在に連結することにより、前記課題を解決する。  なお前記「回転翼が描く空間を回転軸に平行な仮想平面で２分」とは、等２分とは限らず、前記立体の形状にもよるが、前記空間を遮蔽する適正な度合いは２分の１以上３分の２以内と考えられる。【選択図】図１
2015161223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
課題を解決するための手段を具体化した１番目の装置として以下提案する。
本装置は、垂直軸型の回転翼が流体からの抗力を受けて回転力を得る装置である。本装置は次の要素から成る。
１  本装置を設置する基盤に固定した固定軸。以下「固定中心軸」という。
２  中空円柱形の回転軸と、複数の回転翼と、回転力を外部装置に伝達する部品から成る回転体。以下「回転体」という。
３  回転体の回転翼が流体の抗力を受けて回転するときに描く空間の一部を、一定の隙間を保って覆いつつ、流体の運動方向の変動に応じ、固定中心軸を支点として自身の向きを変えるように成形した立体。以下「遮蔽回動体」という。
４  本装置を設置する基盤に固定して、遮蔽回動体の一端を回転自在に支持する構築物。以下「支持構築物」という。
本装置は流体中で回転体が回転力を得て、他の装置へ回転力を伝えることができるまでの機構を指し、前記回転力を受け取る他の装置（発電機等）は外部装置と見なして本装置の構成から除く。
本装置を構成する要素の詳細と各要素との連携は以下の通り。
回転体の複数の回転翼は回転軸に、回転軸と垂直に等角度放射状に、流体の抗力を受ける面が回転軸と平行になるように取り付ける。回転軸はどちらか一端が、回転翼を取り付けた位置より延長して長く、その一端近傍に回転力を外部装置に伝達する部品（歯車等）を持つ。回転体は回転軸を固定中心軸に取り付ける。
遮蔽回動体が流体の運動方向の変動に応じ、固定中心軸を支点として自身の向きを変える動きを、以下「回動」という。遮蔽回動体は固定中心軸に取り付けたときに、固定中心軸に垂直な仮想平面で切断したときの、断面の外形線が流線形に似た、内部空洞の立体とする。遮蔽回動体は中心部近くに、回転翼が回転したときに描く空間の２分の１以上が納まるくぼみを持つ。前記くぼみを形成する壁の２ヶ所で、固定中心軸が遮蔽回動体を貫通して回動支点とする。前記２ヶ所のうち、回転体の回転軸を延長した側のヶ所は回転体の回転軸も通る。遮蔽回動体には回転軸はなく、前記２ヶ所のうち、回転体の回転軸が通らない方を固定中心軸に回転自在に軸支し、回転体の回転軸が通る方を、回転軸周囲を取り囲むように配置した支持構築物の先端に、下記の方法で回転自在に連結する。
下記の方法とは、遮蔽回動体と支持構築物の双方の連結部に、回転体の回転軸を取り囲み回転軸と垂直な平面を持ち回転軸方向に噛み合う２段リング状部品を取り付けて連結する。
遮蔽回動体の穴および前記２段リング状部品の内径は、回転体の回転軸の直径よりやや大きくとる。これにより、遮蔽回動体は回転体の回転軸に接触することなく回動することができる。
遮蔽回動体の流線形後端に、固定中心軸から後端までの長さが、先端までの長さの２倍以上となるよう、方向舵を取り付ける。
以上の構成により、回転体は流体中において、回転翼が描く空間の２分の１以上が常に遮蔽回動体に遮蔽されて回転し、回転翼が流体の運動方向と逆の方向に向かうときの逆抗力が抑制され、無駄のない回転力を得る。
【請求項２】
本装置は請求項１の装置を元に、構成要素の一部を改変し、請求項１の回転体に似た回転体を２個取付け、両回転体の回転力を別に設置する回転軸に集めて、流体の運動力から回転力を得る装置である。本装置は次の要素から成る。
１  請求項１と同様な固定中心軸１個。以下「固定中心軸」という。
２  請求項１の回転体に似た回転体２個。以下「回転体」という。
３  請求項１の遮蔽回動体に似た形状ながら、２の回転体を取り付けるくぼみ２ヶ所と、回転体の回転力を４の結合回転軸に伝える機構を納める仕切り空間を有する立体１個。以下「遮蔽回動体」という。
４  ２個の回転体の回転力を集めて外部装置に回転力を受け渡す、請求項１にはない回転軸１個。以下「結合回転軸」という。
５  請求項１と同様の支持構築物１個。以下「支持構築物」という。
本装置は流体中で回転体が回転力を得て、他の装置へ回転力を伝えることができるまでの機構を指し、前記回転力を受け取る他の装置（発電機等）は外部装置と見なして本装置の構成から除く。
２個の回転体はそれぞれ一端に、回転力を結合回転軸に伝達する部品（歯車またはプーリー等）をもつ。これを略して以下「伝達部品」という。回転体は固定中心軸ではなく遮蔽回動体に、先端と後端を含み固定中心軸に平行な仮想平面を対称面として面対称に、回転軸が固定中心軸と平行になるように取り付ける。それに合わせて遮蔽回動体に、回転体の回転翼が描く空間の一部が納まる請求項１と同様なくぼみを２ヶ所設ける。遮蔽回動体は、取り付ける回転体の回転翼が回転したときに描く空間の一部それぞれを一括で覆う形式とする。そのため、両回転体は流体中で互いに逆向きに回転する。遮蔽回動体に、回転体の回転力を結合回転軸に伝える機構を納める仕切り空間を別途設ける。この仕切り空間を以下「結合室」という。
結合回転軸は、中空円柱形の回転軸と、回転体から回転力を受け取る部品（歯車等）と、受けた回転力を外部装置に伝える部品から成り、固定中心軸に軸支する。
２個の回転体のそれぞれ一端に取り付けた伝達部品と、結合回転軸の一端に取り付けた回転力を受け取る部品を、前記結合室内で組み合わせ、回転力の受け渡しをする仕組みとする。このとき２個の回転体は互いに逆向きに回転しているので、一方の回転体の伝達部品と結合回転軸の受け取り部品との間に回転方向が逆向きになる受け取り部品を１個増設し、もう一方の回転体の回転方向と同じにして受け取る。
遮蔽回動体と支持構築物の連結方法は請求項１と同様とする。ただし請求項１における連結方法の記述中にある「回転体の回転軸」は、本請求項では「結合回転体の回転軸」と読み替える。
以上の構成により、２個の回転体は流体中において、回転翼が描く空間の２分の１以上が常に遮蔽されて回転し、回転翼が流体の運動方向と逆方向に向かうときの逆抗力が抑制され、無駄のない回転力を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の運動力から回転力を得る装置のうち、流体からの抗力を受けて回転体を回転させる抗力利用型の装置であって、流体の運動方向に垂直な回転軸を持つ垂直軸型の装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体からの抗力を受けて流体の運動力から回転力を得る垂直軸型装置のうち、回転翼が回転する時に描く空間の片側を遮蔽物で覆って、回転翼が流体の運動方向に逆行するときにはたらく逆抗力を打ち消すことで、正回転力を高める発想から生まれた発明として、流体が空気などの気体の分野では、特許第５０２４９７５号や特開２０１３−４４３２３などの発明がある。しかし遮蔽物の構造や遮蔽物の方向を制御する仕組み、および遮蔽物を取り付ける構造において、本発明と大きな違いがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許公報  特許第５０２４９７５号
【特許文献２】公開特許公報  特許公開２０１３−４４３２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
流体の抗力を利用して回転力を得る垂直軸型の装置において、回転翼が流体の運動方向と逆方向に向かうときの逆抗力を最小限に抑えること。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
回転翼が回転する時に描く空間のうち、回転翼が流体の運動方向と逆方向に向かう位置にある空間を遮蔽すれば、逆抗力が抑制され、流体の運動力を十分引き出すことができる。しかし流体の運動方向が変動する環境においては、前記空間の遮蔽位置を流体の運動方向に合わせて変える必要がある。本発明は前記空間の遮蔽位置を、流体の運動方向の変動に合わせて変える仕組みを導入することにより、前記課題を解決する。
【０００６】
前記仕組みを導入するには、回転翼が描く空間を回転軸および流体の運動方向に平行な仮想平面で２分した片方を覆いつつ、流体の抵抗を受けにい、流体の運動方向に追随する外形を備えた立体を、回転翼および回転軸に接触しない方法で、装置に回転自在に取り付ければよい。
そこで前記立体に、回転翼が描く空間を挟み込む位置で２ヶ所の回転支点を設け、一方を、装置を設置する基盤に固定した軸に、もう一方を、装置を設置する基盤に立脚しつつ回転軸に接触しないように配した構築物に、回転自在に連結することにより、前記課題を解決する。
なお前記「回転翼が描く空間を回転軸に平行な仮想平面で２分」とは、等２分とは限らず、前記立体の形状にもよるが、前記空間を遮蔽する適正な度合いは２分の１以上３分の２以内と考えられる。
【０００７】
課題を解決するための手段を具体化した１番目の装置として以下提案する。
本装置（図１）は、垂直軸型の回転翼が流体からの抗力を受けて回転力を得る装置である。本装置は次の要素から成る。
１  本装置を設置する基盤に固定した固定軸。以下「固定中心軸」という。図２−ａ
２  中空円柱形の回転軸と、複数の回転翼と、回転力を外部装置に伝達する部品から成る回転体。以下「回転体」という。図２−ｂ
３  回転体の回転翼が流体の抗力を受けて回転するときに描く空間の一部を、一定の隙間を保って覆いつつ、流体の運動方向の変動に応じ、固定中心軸を支点として自身の向きを変えるように成形した立体。以下「遮蔽回動体」という。図３−ａ
４  本装置を設置する基盤に固定して、遮蔽回動体の一端を回転自在に支持する構築物。以下「支持構築物」という。図３−ｂ
本装置は流体中で回転体が回転力を得て、他の装置へ回転力を伝えることができるまでの機構を指し、前記回転力を受け取る他の装置（発電機等）は外部装置と見なして本装置の構成から除く。
本装置を構成する要素の詳細と各要素との連携は以下の通り。
回転体の複数の回転翼は回転軸に、回転軸と垂直に等角度放射状に、流体の抗力を受ける面が回転軸と平行になるように取り付ける。回転軸はどちらか一端が、回転翼を取り付けた位置より延長して長く、その一端近傍に回転力を外部装置に伝達する部品（歯車等）を持つ。回転体は回転軸を固定中心軸に取り付ける。
遮蔽回動体が流体の運動方向の変動に応じ、固定中心軸を支点として自身の向きを変える動きを、以下「回動」という。遮蔽回動体は固定中心軸に取り付けたときに、固定中心軸に垂直な仮想平面で切断したときの、断面の外形線が流線形に似た、内部空洞の立体とする。遮蔽回動体は中心部近くに、回転翼が回転したときに描く空間の２分の１以上が納まるくぼみを持つ。前記くぼみを形成する壁の２ヶ所で、固定中心軸が遮蔽回動体を貫通して回動支点とする。前記２ヶ所のうち、回転体の回転軸を延長した側のヶ所は回転体の回転軸も通る。遮蔽回動体には回転軸はなく、前記２ヶ所のうち、回転体の回転軸が通らない方を固定中心軸に回転自在に軸支し、回転体の回転軸が通る方を、回転軸周囲を取り囲むように配置した支持構築物の先端に、下記の方法で回転自在に連結する。
下記の方法とは、遮蔽回動体と支持構築物の双方の連結部に、回転体の回転軸を取り囲み回転軸と垂直な平面を持ち回転軸方向に噛み合う２段リング状部品を取り付けて連結する。図４
遮蔽回動体の穴および前記２段リング状部品の内径は、回転体の回転軸の直径よりやや大きくとる。これにより、遮蔽回動体は回転体の回転軸に接触することなく回動することができる。
遮蔽回動体の流線形後端に、固定中心軸から後端までの長さが、先端までの長さの２倍以上となるよう、方向舵を取り付ける。
以上の構成により、回転体は流体中において、回転翼が描く空間の２分の１以上が常に遮蔽回動体に遮蔽されて回転し、回転翼が流体の運動方向と逆の方向に向かうときの逆抗力が抑制され、無駄のない回転力を得る。
【０００８】
課題を解決するための手段を具体化した２番目の装置として以下提案する。図５
請求項１の装置を元に、構成要素の一部を改変し、請求項１の回転体に似た回転体を２個取付け、両回転体の回転力を別に設置する回転軸に集めて、流体の運動力から回転力を得る装置である。本装置は次の要素から成る。
１  請求項１と同様な固定中心軸１個。以下「固定中心軸」という。
２  請求項１の回転体に似た回転体２個。以下「回転体」という。図６
３  請求項１の遮蔽回動体に似た形状ながら、２の回転体を取り付けるくぼみ２ヶ所と、回転体の回転力を４の結合回転軸に伝える機構を納める仕切り空間を有する立体１個。以下「遮蔽回動体」という。図７
４  ２個の回転体の回転力を集めて外部装置に回転力を受け渡す、請求項１にはない回転軸１個。以下「結合回転軸」という。図６
５  請求項１と同様の支持構築物１個。以下「支持構築物」という。
本装置は流体中で回転体が回転力を得て、他の装置へ回転力を伝えることができるまでの機構を指し、前記回転力を受け取る他の装置（発電機等）は外部装置と見なして本装置の構成から除く。
２個の回転体はそれぞれ一端に、回転力を結合回転軸に伝達する部品（歯車またはプーリー等）をもつ。これを略して以下「伝達部品」という。回転体は固定中心軸ではなく遮蔽回動体に、先端と後端を含み固定中心軸に平行な仮想平面を対称面として面対称に、回転軸が固定中心軸と平行になるように取り付ける。
それに合わせて遮蔽回動体に、回転体の回転翼が描く空間の一部が納まる請求項１と同様なくぼみを２ヶ所設ける。遮蔽回動体は、取り付ける回転体の回転翼が回転したときに描く空間の一部それぞれを一括で覆う形式とする。そのため、両回転体は流体中で互いに逆向きに回転する。遮蔽回動体に、回転体の回転力を結合回転軸に伝える機構を納める仕切り空間を別途設ける。この仕切り空間を以下「結合室」という。図７
結合回転軸は、中空円柱形の回転軸と、回転体から回転力を受け取る部品（歯車等）と、受けた回転力を外部装置に伝える部品から成り、固定中心軸に軸支する。
２個の回転体のそれぞれ一端に取り付けた伝達部品と、結合回転軸の一端に取り付けた回転力を受け取る部品を、前記結合室内で組み合わせ、回転力の受け渡しをする仕組みとする。このとき２個の回転体は互いに逆向きに回転しているので、一方の回転体の伝達部品と結合回転軸の受け取り部品との間に回転方向が逆向きになる受け取り部品を１個増設し、もう一方の回転体の回転方向と同じにして受け取る。図６
遮蔽回動体と支持構築物の連結方法は請求項１と同様とする。ただし請求項１における連結方法の記述中にある「回転体の回転軸」は、本請求項では「結合回転体の回転軸」と読み替える。
以上の構成により、２個の回転体は流体中において、回転翼が描く空間の２分の１以上が常に遮蔽されて回転し、回転翼が流体の運動方向と逆方向に向かうときの逆抗力が抑制され、無駄のない回転力を得る。
【発明の効果】
【０００９】
抗力利用の垂直軸回転翼が流体の水平運動方向と逆方向に向かうときの逆抗力を抑制し、無駄のない回転力を得ることができる。
流体の運動力から回転力を得る装置の分野では、抗力利用型は流体の運動速度が極度に増しても、回転翼の運動速度は流体の運動速度を超えることがないため、流体の予測最高運動速度を照準とした強度設計とすれば、揚力利用型のように回転体の回転速度を制御する仕組みがなくても済むという優位性がある。また垂直軸型は、水平軸型のように回転軸の回転力を取り出す機構を回転軸とともに旋回できる位置に置く必要がなく、装置を設置する基盤上に置くことができるという優位性がある。本発明による装置は前記両方の優位性を併せ持つ。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】１番目の装置の全体斜視図
【図２】（ａ）１番目の装置の固定中心軸、  （ｂ）１番目の装置の回転体
【図３】（ａ）１番目の装置の遮蔽回動体、  （ｂ）１番目の装置の支持構築物
【図４】１番目の装置の遮蔽回動体に２段リング状部品を取り付けた斜視図
【図５】２番目の装置の全体斜視図
【図６】２番目の装置の回転体と結合回転軸の連結を表す斜視図
【図７】２番目の装置の遮蔽回動体の斜視図    （ａ）斜め前方から、  （ｂ）斜め後方から
【図８】1番目の装置において、固定中心軸の上端を固定する枠組みを取り付けた斜視図
【図９】遮蔽回動体と回転翼が描く空間の断面図による遮蔽位置角度の例
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本装置の実施形態は、１番目の装置、２番目の装置ともに、最終的に回転力を取り出す軸端側を下方に向けて本装置を地上に設置するのが標準的だが、本装置は垂直軸型であり、回転体の回転軸が流体の運動方向に対して垂直でさえあれば、どういう向きにも設置できる。
例えば河川を流れる水を流体として利用する場合、前記地上設置と同じ向きでは都合が悪いから、最終的に回転力を取り出す軸端側を上に向けて、上に別途設置基盤を構築または橋などの既存設備を利用して固定する方法が考えられる。この場合反対側の軸端を川底に固定すれば強度が増す。河川を流れる水を流体として利用する場合、水位が変動しても回転体が一部でも水中にあれば回転力を得ることができる。また最終的に回転力を取り出す軸端を上方に延長し、回転力を受け取る外部装置を予測最高水位より高い位置に設置して接続すれば、増水時でも外部装置が水に浸かることはない。
また、運動方向が変動しにくい、例えば大型配管内を流れる液体または気体を流体として利用する場合、装置を水平に設置することもできる。
【００１２】
本装置は構造上、遮蔽回動体が回転体に比し大型にならざるを得ず、外形が概流線形としても流体からかかる力は大きなものがある。本装置は流体から遮蔽回動体にかかる力を、固定中心軸と支持構築物で受け止める構造となっているが、なかでも固定中心軸には大きな強度が求められる。
固定中心軸の強化対策としては、軸自体の強度のほか、固定中心軸の一端を装置を設置する基盤に一部埋め込み、基盤上で別途固定部材で固定するなどの強化策をとる。 さらに強度が必要な場合は、固定中心軸のもう一端を、別に構築する補強枠組みで固定する。図８
【００１３】
遮蔽回動体が、回転体の回転翼が回転するときに描く空間を覆う範囲は、前記空間を、遮蔽回動体の先端と後端を含む固定中心軸に平行な仮想平面で等２分した片方でよいとは言えない。なぜなら回転翼が遮蔽側から非遮蔽側に回転移動した瞬間、流体が遮蔽側空間に流入し、後に続く回転翼を本来の回転方向とは逆方向に押す力が僅かに発生する。したがって、先端側の遮蔽非遮蔽境界は、遮蔽回動体の先端と後端を結ぶ直線上より非遮蔽側にとる必要がある。図８において、標準的な遮蔽回動体と前記空間の断面外形線を使って、標準的な遮蔽位置を示した。
【００１４】
回転体の回転翼一つ一つの形状は、単純な平板ではなく、回転翼が遮蔽回動体に遮蔽されない側で流体の運動方向と垂直な位置に来たときに、中央部が流体の運動方向に湾曲しているか、または平板の回転先端部を流体の運動方向とは逆方向に湾曲させた形状にして、当たった流体が逃げにくい構造とする。
回転体や遮蔽回動体、結合回転軸を、遮蔽回動体や固定中心軸に回転自在に軸支するに当たっては、軸方向へ動かないよう、必要箇所に軸受けを取り付けて固定する。
支持構築物は遮蔽回動体の片方の回動支点を回転自在に支持するものであればその形状は問わないが、回転力を取り出す回転軸端を取り囲む位置にくるので、前記回転軸端に隣接して設置すべき外部装置も合わせて取り囲む閉空間をもつ構造にすれば、外部装置を外界から保護することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
風力発電、水力発電、潮流発電、水蒸気発電などの動力源として、また発電機以外の機械作業機の動力源としての利用が考えられる。
【図１】
2015161223.tif 000003
【図２】
2015161223.tif 000004
【図３】
2015161223.tif 000005
【図４】
2015161223.tif 000006
【図５】
2015161223.tif 000007
【図６】
2015161223.tif 000008
【図７】
2015161223.tif 000009
【図８】
2015161223.tif 000010
【図９】
2015161223.tif 000011