(57)【要約】      （修正有）【課題】サボニウス型風車において、風車の直径や軸方向の長さを変えず、付加装置の設置や湾曲羽根の特別な形状加工などを施さずに、動力変換効率と起動性の向上を提供する。【解決手段】３翼型以上のサボニウス型風車の湾曲羽根１２−１〜１２−３の内端位置の最適化を行う。中心軸２の周りに回転自在に支持された２枚の円盤状の半径Ｒの回転板の間でこの回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された湾曲羽根の、内端位置ｚは、回転板の円周上の外端と中心軸２を結ぶ直線ａ上に中心点がある半径ｒ（ただし、Ｒ＞ｒ＞Ｒ／２）の円弧と、直線ａを基準線とし、中心軸を２直線がなす角度の基点とする（３６０度÷湾曲羽根数−０度＜３０度）の角度αで回転板円周を通る直線ｂとの交点とする。他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し、中心軸を基準点とし（３６０度÷湾曲羽根数）の角度ずつ回転した位置とする。【選択図】図２
2015108364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸（２）周りに回転自在に支持された円盤状の半径Ｒの回転板（１１‐１）（１１‐２）の２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚以上の湾曲羽根たとえば（１２‐１）（１２‐２）（１２‐３）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端の位置は、外端と中心軸を結ぶ直線（ａ）上に中心点がある半径ｒの円弧が、直線（ａ）を基準線とし、中心軸を２直線がなす角度の基点とする（３６０度÷湾曲羽根数＋０度＜３０度）の回転板円周に向かう直線（ｂ）との交点とする。
ただしＲ＞ｒ＞Ｒ／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし（３６０度÷湾曲羽根数）の角度ずつ回転した位置とする。
以上の形状を特長とする  風車本体（１）。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は各種動力装置に利用されるサボニウス型風車の受風エネルギーの動力変換効率と起動性の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】  平均風速が低く風向の変化が著しい地域では、それに即した風車として垂直軸型風車が採用される。とりわけ低風速域での稼働率が高く構造が単純なサボニウス型風車が注目されているが、受風エネルギーに対し、動力変換効率と起動性が悪い欠点がある。従来、風車の受風面積つまり、風車の直径や軸方向の長さが決まっている場合には、効果的対策がなく、風車の更なる起動性と動力変換効率の向上が要求されている。本発明は、上記の事情に鑑みて、動力変換効率と起動性が向上するサボニウス型風車を安価で提供することを目的としている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  従来、風車の受風面積つまり、風車の直径や軸方向の長さが決まっている場合には効果的対策がないという概念がある。
受風エネルギーの動力変換効率と起動性の向上の対策例として、
風車本体外周に集風板を設置する。
参考文献［特許公開２００６−１５２９３８］
湾曲羽根にひねりを加える。
参考文献［特許公開２００８−１９７６２］
などがある。本発明はサボニウス型風車の湾曲羽根の内端位置の最適化で風車の直径や軸方向の長さを変えず、付加装置の設置や湾曲羽根の特別な形状加工などを施さず、動力変換効率と起動性の向上を安価で提供することを可能とするものである。
【課題を解決する為の手段】
【０００４】  中心軸（２）周りに回転自在に支持された円盤状の半径Ｒの回転板（１１‐１）（１１‐２）の２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚以上の湾曲羽根たとえば（１２‐１）（１２‐２）（１２‐３）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端位置は、外端と中心軸を結ぶ直線（ａ）上に中心点がある半径ｒの円弧が、直線（ａ）を基準線とし、中心軸を２直線がなす角度の基点とする（３６０度÷湾曲羽根数＋０度＜３０度）の回転板円周に向かう直線（ｂ）との交点とする。
ただしＲ＞ｒ＞Ｒ／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし（３６０度÷湾曲羽根数）の角度ずつ回転した位置とする。
以上の形状を特長とする  風車本体（１）を提供する。
その理由は以下のとおりである。すなわち、従来のサボニウス型風車３翼型以上の風車は構造上風車内部に入るほど風の導入面積が絞られ、風の乱流が起こる。結果サボニウス型風車の特長である風上から抗力を受ける湾曲羽根と対向する湾曲羽根に充分な風速と風量を到達させることができずに受風エネルギーの動力変換効率が低く起動性も低い。
以上の欠点を補うために、［請求項０００１］の形状とした。
風車は羽根の受風面積の２乗、風速の３乗に比例し出力が増すことから、従来、風車の受風面積つまり、風車の直径や軸方向の長さが決まっている場合には、効率向上の効果的対策がない、という概念を根本から見直した。よって本発明は１枚ずつの湾曲羽根の受風面積は減るものの、風上から見てどの回転角度でも風を積極的に風車本体内に導入することにより、エネルギーの高い風を、風上から抗力を受ける湾曲羽根と対向する湾曲羽根にも大量に導くことにより、総合効力が向上する。
本発明は、以上のような構成よりなる風車本体である。
【特許の実施形態】
【０００５】  図１は従来のサボニウス型風車３翼型と本発明のサボニウス型風車３翼型を例に概観の特長および名称を説明した図である。
（注．以後は従来のサボニウス型風車と区別した比較説明の為に便宜的に本発明の風車をサボニウス改型風車と称する。）
図２はサボニウス型風車３翼型とサボニウス改型風車３翼型を横断面図を上側から見てに湾曲羽根内端位置を説明した図である。
サボニウス型風車３翼型は、中心軸（２’）周りに回転自在に支持された円盤状の半径Ｒ’の回転板（１１‐１’）（１１‐２’）の２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚の湾曲羽根（１２‐１’）（１２‐２’）（１２‐３’）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端位置は、外端と中心軸を通る直線（ａ’）上にある。
ただしＲ’＞ｒ’＞Ｒ’／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし１２０度ずつ回転した位置とする。
以上の形状を特長とする風車本体。
サボニウス改型風車３翼型は、中心軸（２）周りに回転自在に支持された円盤状の半径Ｒの回転板（１１‐１）（１１‐２）の２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚以上の湾曲羽根たとえば（１２‐１）（１２‐２）（１２‐３）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端位置は外端と中心軸を結ぶ直線（ａ）上に中心点がある半径ｒの円弧が、直線（ａ）を基準線とし、中心軸を２直線がなす角度の基点とする（３６０度÷湾曲羽根数＋０度＜３０度）の角度で回転板円周に向かう直線（ｂ）との交点とする。
ただしＲ＞ｒ＞Ｒ／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし（３６０度÷湾曲羽根数）の角度ずつに回転した位置とする。
以上の形状を特長とする  風車本体。
図３はサボニウス型風車３翼型とサボニウス改型風車３翼型の風車本体内部を通過する風の流れを観測したものである。サボニウス改型風車３翼型はサボニウス型風車３翼型と比較し、１枚ずつの湾曲羽根の受風面積は減るものの、正面からの風を積極的に風車本体内に導入することによりエネルギーの高い風を、風上から抗力を受ける湾曲羽根と対向する湾曲羽根にも大量に導き、総合効力と起動性が向上する。
【実施例】
【０００６】  サボニウス改型風車３翼型とサボニウス型風車３翼型の模型を作成し、性能比較試験を行なった。
サボニウス改型風車３翼型
中心軸周りに回転自在に支持された直径１００ｍｍの円盤状の回転板（１１‐１）（１１‐２）２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚の高さ１１０ｍｍ幅７０ｍｍの湾曲羽根（１２‐１）（１２‐２）（１２‐３）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端位置は外端と中心軸を結ぶ直線（ａ）上に中心点がある半径ｒの円弧が、直線（ａ）を基準線とし、中心軸を２直線がなす角度の基点とする（３６０度÷湾曲羽根数＋０度＜３０度）の角度で回転板円周に向かう直線（ｂ）との交点とする。
ただしＲ＞ｒ＞Ｒ／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし（３６０度÷湾曲羽根数）の角度ずつ回転した位置とする形状を特長とする風車本体。
性能比較対象
サボニウス型風車３翼型
直径１００ｍｍの中心軸周りに回転自在に支持された円盤状の回転板（１１‐１’）（１１‐２’）の２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚の高さ１１０ｍｍ幅１００ｍｍの湾曲羽根（１２‐１’）（１２‐２’）（１２‐３’）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端の位置は、外端と中心軸を通る直線（ａ’）上にある。
ただしＲ’＞ｒ’＞Ｒ’／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし１２０度ずつ回転した位置とする。湾曲羽根の円弧の半径ｒ’はサボニウス改型風車ｒと同じ。
測定方法
扇風機を用いた測定。計測位置は扇風機正面中央、羽根中心部より羽根下端の間に統一。風車本体との距離は防護網から１ｃｍ、１１ｃｍに設定。
一定の風速、風量下で各々風車本体回転軸に小型発電モーター軸を接続し、モーターの両リード線間に∞Ω、１００Ω、１０Ωの抵抗を接続し、電圧を測定。
【表１】
2015108364.tif 000003
【表２】
2015108364.tif 000004
上記表１、２から、サボニウス改型風車３翼型は、サボニウス型風車３翼型と比べ多岐の風境下で動力変換効率と起動性の向上を確認。
【発明の効果】
【０００７】  本発明にかかる［請求項１］のとおり設計されたサボニウス改型風車は、風の入り口から出口に至る過程で風車全体で動力変換効率と起動性が向上する構造を有し風向きに影響されず安定した出力を得られる。湾曲羽根内端位置の最適化で風車の直径や軸方向の長さを変えず、付加装置の設置や湾曲羽根の特別な形状加工などを施さず、構造の単純化がはかれ、生産が容易で低コスト化を実現する。プロペラ型風力発電機が稼動する風速と一定の風向が得られる地域は限られている。サボニウス改型風車はプロペラ型発電風車と比較し動力変換効率は劣るものの稼働率は大変高く、プロペラ型発電風車が起動しない風速の比較的低く風向も変化する大半の地域での稼動が可能である。また、サボニウス型風車が起動しない風速での稼動も可能となり、安価で生産が容易な構造から、自然エネルギー創出のため幅広い需要が見込まれる。
【産業上の利用可能性】
【０００８】  本発明のサボニウス改型風車は、特に限定されないが、例えば小型風力発電装置の動力部、揚水装置の動力部と流水型小型水力発電装置の動力部として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】サボニウス型風車と本発明にかかるサボニウス改型風車の概観の特長と名称を示した斜視図である。
【図２】サボニウス型風車と本発明にかかるサボニウス改型風車の湾曲羽根内端位置を示した横断面図である。
【図３】サボニウス型風車と本発明にかかるサボニウス改型風車内部の風の流れを示した図横断面図である。
【符号の説明】
【００１０】  １および１’  風車本体
２および２’  中心軸
１１‐１  〜  １１‐２および１１‐１’  〜１１‐２’  回転板
１２‐１  〜  １２‐３および１２‐１’  〜１２‐３’  湾曲羽根
ａ  外端と中心軸２を結ぶ直線
ａ’  外端と中心軸２’を通る直線
ｂ  中心軸２から回転板円周を通る直線
ｒおよびｒ’  湾曲羽根円弧の半径
【図１】
2015108364.tif 000005
【図２】
2015108364.tif 000006
【図３】
2015108364.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成26年2月22日(2014.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】  中心軸（２）周りに回転自在に支持された円盤状の半径Ｒの回転板（１１‐１）（１１‐２）の２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚以上の湾曲羽根たとえば（１２‐１）（１２‐２）（１２‐３）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端位置は、外端と中心軸を結ぶ直線（ａ）上に中心点がある半径ｒの円弧が、直線（ａ）を基準線とし、中心軸を２直線がなす角度の基点とする（３６０度÷湾曲羽根数−０度＜３０度）の角度（α）で回転板円周を通る直線（ｂ）との交点（ｚ）とする。
ただしＲ＞ｒ＞Ｒ／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし（３６０度÷湾曲羽根数）の角度ずつ回転した位置とする。
以上の形状を特長とする  風車本体（１）を提供する。
その理由は以下のとおりである。すなわち、従来のサボニウス型風車３翼型以上の風車は構造上風車内部に入るほど風の導入面積が絞られ、風の乱流が起こる。結果サボニウス型風車の特長である風上から抗力を受ける湾曲羽根と対向する湾曲羽根に充分な風速と風量を到達させることができずに受風エネルギーの動力変換効率が低く起動性も低い。
以上の欠点を補うために、［請求項０００１］の形状とした。
風車は羽根の受風面積の２乗、風速の３乗に比例し出力が増すことから、従来、風車の受風面積つまり、風車の直径や軸方向の長さが決まっている場合には効率向上の効果的対策がない、という概念を根本から見直した。
よって本発明は１枚ずつの湾曲羽根の受風面積は減るものの、風上から見てどの回転角度でも風を積極的に風車本体内に導入することにより、エネルギーの高い風を、風上から抗力を受ける湾曲羽根と対向する湾曲羽根にも大量に導くことにより、総合効力が向上する。
本発明は、以上のような構成よりなる風車本体である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】  図１は従来のサボニウス型風車３翼型と本発明のサボニウス型風車３翼型を例に概観の特長および名称を説明した図である。
（注．以後は従来のサボニウス型風車と区別した比較説明の為に便宜的に本発明の風車をサボニウス改型風車と称する。）
図２はサボニウス型風車３翼型とサボニウス改型風車３翼型の横断面図を上側から見て湾曲羽根内端位置を説明した図である。
サボニウス型風車３翼型は、中心軸（２’）周りに回転自在に支持された円盤状の半径Ｒ’の回転板（１１‐１’）（１１‐２’）の２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚の湾曲羽根（１２‐１’）（１２‐２’）（１２‐３’）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端位置は、外端と中心軸を通る直線（ａ′）上にある。
ただしＲ’＞ｒ’＞Ｒ′／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし（３６０度÷湾曲羽根数）の角度ずつ回転した位置とする。
以上の形状を特長とする風車本体。
サボニウス改型風車３翼型は、中心軸（２）周りに回転自在に支持された円盤状の半径Ｒの回転板（１１‐１）（１１‐２）の２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚以上の湾曲羽根たとえば（１２‐１）（１２‐２）（１２‐３）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端位置は外端と中心軸を結ぶ直線（ａ）上に中心点がある半径ｒの円弧が、直線（ａ）を基準線とし、中心軸を２直線がなす角度の基点とする（３６０度÷湾曲羽根数−０度＜３０度）の角度（α）で回転板円周を通る直線（ｂ）との交点（ｚ）とする。
ただしＲ＞ｒ＞Ｒ／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし（３６０度÷湾曲羽根数）の角度ずつ回転した位置とする。
以上の形状を特長とする  風車本体。
図３はサボニウス型風車３翼型とサボニウス改型風車３翼型の風車本体内部を通過する風の流れを観測したものである。サボニウス改型風車３翼型はサボニウス型風車３翼型と比較し、１枚ずつの湾曲羽根の受風面積は減るものの、正面からの風を積極的に風車本体内に導入することによりエネルギーの高い風を、風上から抗力を受ける湾曲羽根と対向する湾曲羽根にも大量に導き、総合効力と起動性が向上する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】  サボニウス改型風車３翼型とサボニウス型風車３翼型の模型を作成し性能比較試験を行なった。
サボニウス改型風車３翼型
中心軸周りに回転自在に支持された直径１００ｍｍの円盤状の回転板（１１‐１）（１２‐２）の２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚の高さ１１０ｍｍ幅７０ｍｍの湾曲羽根（１２‐１）（１２‐２）（１２‐３）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端位置は外端と中心軸を結ぶ直線（ａ）上に中心点がある半径ｒの円弧が、直線（ａ）を基準線とし、中心軸を２直線がなす角度の基点とする（３６０度÷湾曲羽根数−０度＜３０度）の角度（α）で回転板円周を通る直線（ｂ）との交点（ｚ）とする。
ただしＲ＞ｒ＞Ｒ／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし（３６０度÷湾曲羽根数）の角度ずつ回転した位置とする形状を特徴とする風車本体。
性能比較対象
サボニウス型風車３翼型
直径１００ｍｍの中心軸周りに回転自在に支持された円盤状の回転板（１１‐１’）（１２‐２’）の２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚の高さ１１０ｍｍ幅１００ｍｍの湾曲羽根（１２‐１’）（１２‐２’）（１２‐３’）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端の位置は、外端と中心軸を通る直線（ａ’）上にある。
ただしＲ’＞ｒ’＞Ｒ′／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし（３６０度÷湾曲羽根数）の角度ずつ回転した位置とする。湾曲羽根の円弧の半径ｒ’はサボニウス改型風車ｒと同じ。
測定方法
扇風機を用いた測定。計測位置は扇風機正面中央、羽根中心部より羽根下端の間に統一。風車本体との距離は防護網から１ｃｍ、１１ｃｍに設定。一定の風速、風量下で各々風車本体回転軸に小型発電モーター軸を接続し、モーターの両リード線間に∞Ω、１００Ω、１０Ωの抵抗を接続し、電圧を測定。
【表１】
2015108364.tif 000008
【表２】
2015108364.tif 000009
上記表１、２から、サボニウス改型風車３翼型は、サボニウス型風車３翼型と比べ多岐の風況下で動力変換効率と起動性の向上を確認。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】１および１’  風車本体
２および２’  中心軸
１１‐１  〜  １１‐２および１１‐１’  〜  １１‐２′  回転板
１２‐１  〜  １２‐３および１２‐１’  〜  １２‐３′  湾曲羽根
ａ  外端と中心軸２を結ぶ直線
ａ′  外端と中心軸２’を通る直線
ｂ  中心軸２から回転板円周を通る直線
ＲおよびＲ′  回転板の半径
ｒおよびｒ’  湾曲羽根円弧の半径
α  直線ａとｂがなす角度
ｚ  湾曲羽根内端位置
【手続補正５】
【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】
中心軸（２）周りに回転自在に支持された円盤状の半径Ｒの回転板（１１‐１）（１１‐２）の２枚との間で、この回転板の周方向に等ピッチで回転板内に立設された３枚以上の湾曲羽根たとえば（１２‐１）（１２‐２）（１２‐３）を有し、湾曲羽根の円弧は回転板の円周上の任意端点を外端、中心軸に近い端点を内端とする。
内端の位置は、外端と中心軸を結ぶ直線（ａ）上に中心点がある半径ｒの円弧が、直線（ａ）を基準線とし、中心軸を２直線がなす角度の基点とする（３６０度÷湾曲羽根数−０度＜３０度）の角度（α）で回転板円周を通る直線（ｂ）との交点（ｚ）とする。
ただしＲ＞ｒ＞Ｒ／２
他の湾曲羽根は、上記湾曲羽根と同形状を成し中心軸を基準点とし（３６０度÷湾曲羽根数）の角度ずつ回転した位置とする。
以上の形状を特長とする風車本体（１）。
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2015108364.tif 000010