(57)【要約】【課題】風力を効率よく回転エネルギーに変換し得るかご型風車を提供すること。【解決手段】動力発生手段１２に連結している回転軸９に固定された内部風車５と、その内部風車５の周囲に前記回転軸９に対して回転自在に設けた外部風車６とを備えている。この内部風車５および外部風車６はそれぞれ、上部円板５Ａ，６Ａと下部円板５Ｂ，６Ｂとを有し、これらの間に複数のほぼ半円筒状の回転翼７，８が取り付け配置されている。【選択図】  図１
2004190612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に固定され、受風面が前記回転軸に沿って形成された複数枚の内側回転翼からなる内部風車と、この内部風車の外周囲において、前記回転軸に対して回転自在に設けられ、受風面が前記回転軸に沿って形成された複数枚の外側回転翼からなる外部風車とを備えたことを特徴とするかご型風車。
【請求項２】
前記内部風車は、前記回転軸に互いに離間して固定された第１および第２の支持体を有し、前記複数枚の内側回転翼は、前記第１および第２の支持体間に支持されており、また、前記外部風車は、前記回転軸に互いに離間して配置されるとともに、前記回転軸に対して回転自在に設けられた第３および第４の支持体を有し、前記複数枚の外側回転翼は、前記第３および第４の支持体間に支持されていることを特徴とする請求項１記載のかご型風車。
【請求項３】
前記第３および第４の支持体は、前記第１および第２の支持体をそれらの内側に含むような位置において、前記回転軸に回転自在に支持されていることを特徴とする請求項１記載のかご型風車。
【請求項４】
前記内側回転翼および前記外側回転翼は、ほぼ半円筒型の回転翼であることを特徴とする請求項３記載のかご型風車。
【請求項５】
前記外側回転翼の、前記回転軸に対して垂直な平面により切断された断面の両端を結ぶ直線が、前記回転軸に対して垂直な断面内において前記回転軸から放射状に伸びる直線との間になす角度をα度とし、また、前記内側回転翼の、前記回転軸に対して垂直な平面により切断された断面における両端を結ぶ直線が、前記回転軸に対して垂直な断面内において前記回転軸から放射状に伸びる直線との間になす角度をβ度としたとき、角度αは０°≦α≦４５°の角度範囲であり、また、角度βは０°≦β≦４５°の角度範囲であることを特徴とする請求項４記載のかご型風車。
【請求項６】
前記角度αおよび角度βは互いにほぼ等しいことを特徴とする請求項５記載のかご型風車。
【請求項７】
前記外部風車を構成する第３および第４の支持体は、前記回転軸にベアリングを介して結合されていることを特徴とする請求項６記載のかご型風車。
【請求項８】
前記回転軸には発電装置が連結されていることを特徴とする請求項７記載のかご型風車。
【請求項９】
前記外側風車の回転翼は、前記角度αが調整可能に、前記第３および第４の支持体間に支持されていることを特徴とする請求項４記載のかご型風車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車に関し、特にかご型風車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自然力である風力を回転力に変換する風車は人類の歴史において古くから種々の動力源として利用されてきた。しかし近年の急速な科学技術の進歩に伴なう高度な生活環境を維持させるために、化石燃料資源の大量消費が加速され、その結果、将来的に見て、有限である化石燃料資源の枯渇が懸念されている。また、化石燃料資源の大量消費に起因する地球環境の問題、すなわち、地球温暖化現象や大気汚染等による環境破壊も深刻な問題となっている。
【０００３】
このような諸問題を解決する手段として、化石燃料資源をエネルギー源に用いることなく、自然の力を利用して他の動力エネルギーに変換させる動力発生方式、例えば、電力を発生させる発電方式が実現されている。その発電方式には太陽光や風力を利用したものが昨今急速に開発され、特に、太陽光を利用した発電方式は、既に、住宅や電子機器等の広い分野で実施されている。
【０００４】
しかしながら、風力を利用した発電方式の実施状況は、未だ、不充分であるが、昨今になって、その開発技術の進展も著しく活発になってきている。その理由として、風力を利用した発電方式は、太陽光の弱い地域においても利用可能であり、また、太陽光を利用した発電方式に較べて、大量の電力を提供できること等が挙げられる。
【０００５】
一般に、風力を利用した動力発生方式は、風力による回転体の回転エネルギーを動力エネルギーに変換させる技術であるが、そのためには、風力を無駄なく回転エネルギーに変換させることが望ましい。このような要求に対して従来図４に示されるような風車が知られている。すなわち、回転軸１に取り付けた回転翼２が風を受けて回転軸１を回転させ、その回転エネルギーを回転軸１に連結した動力発生源、例えば、発電機３で電力エネルギーに変換させているもので、前記回転軸１の回転力を弱める方向の風が前記回転翼２に当らないように遮蔽物４を前記回転翼２の外周囲に取り付けたものである。このような風車については、例えば、下記特許文献１乃至特許文献３等に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１３７２５８（出願人：古屋清大）
【０００７】
【特許文献２】
特開平１０−２７４１４８（出願人：アンドリュー  ジョセフ  シエンブリ）
【０００８】
【特許文献３】
特開平１１−６２８１３（出願人：ゼファー株式会社）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術では、前記遮蔽物４が固定した状態で取り付けられているので、風向きによっては、遮蔽効果が一定ではなく、回転軸１に回転ムラが生じてしまい、安定な回転が得られないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、風の方向に関係なく、風力を回転エネルギーに効率よく変換させることが出来るかご型風車を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のかご型風車は、回転軸に固定され、受風面が前記回転軸に沿って形成された複数枚の内側回転翼からなる内部風車と、この内部風車の外周囲において、前記回転軸に対して回転自在に設けられ、受風面が前記回転軸に沿って形成された複数枚の外側回転翼からなる外部風車とを備えたことを特徴とするものである。
また、本発明のかご型風車においては、前記内部風車は、前記回転軸に互いに離間して固定された第１および第２の支持体を有し、前記複数枚の内側回転翼は、前記第１および第２の支持体間に支持されており、また、前記外部風車は、前記回転軸に互いに離間して配置されるとともに、前記回転軸に対して回転自在に設けられた第３および第４の支持体を有し、前記複数枚の外側回転翼は、前記第３および第４の支持体間に支持されていることを特徴とするものである。
【００１２】
さらに、本発明のかご型風車においては、前記第３および第４の支持体は、前記第１および第２の支持体をそれらの内側に含むような位置において、前記回転軸に回転自在に支持されていることを特徴とするものである。
【００１３】
さらに、本発明のかご型風車においては、前記内側回転翼および前記外側回転翼は、ほぼ半円筒型の回転翼であることを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、本発明のかご型風車においては、前記外側回転翼の、前記回転軸に対して垂直な平面により切断された断面の両端を結ぶ直線が、前記回転軸に対して垂直な断面内において前記回転軸から放射状に伸びる直線との間になす角度をα度とし、また、前記内側回転翼の、前記回転軸に対して垂直な平面により切断された断面における両端を結ぶ直線が、前記回転軸に対して垂直な断面内において前記回転軸から放射状に伸びる直線との間になす角度をβ度としたとき、角度αは０°≦α≦４５°の角度範囲であり、また、角度βは０°≦β≦４５°の角度範囲であることを特徴とするものである。
【００１５】
さらに、本発明のかご型風車においては、前記内側回転翼を最も効率よく回転させようとする場合には、前記角度αおよび角度βは互いにほぼ等しいことを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、本発明のかご型風車においては、前記外部風車を構成する第３および第４の支持体は、前記回転軸にベアリングを介して結合されていることを特徴とするものである。
【００１７】
さらに、本発明のかご型風車においては、前記回転軸には発電装置が連結されていることを特徴とするものである。
【００１８】
さらに、本発明のかご型風車においては、前記外部風車の回転翼は、前記角度αが調整可能に、前記第３および第４の支持体間に支持されていることを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１乃至図３により説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施形態である風車の外観を示す斜視図、図２は図１に示す風車の縦断面図である。
【００２１】
内部風車５は、第１の支持体である上部円板５Ａおよび第２の支持体である下部円板５Ｂを備え、それぞれ固定部材１５Ａおよび１５Ｂによって、回転軸９に固定されている。これらの上部円板５Ａおよび下部円板５Ｂ間には、複数枚のほぼ半円筒型の回転翼が回転軸９の周囲に放射状に配置されるように支持されている。
【００２２】
一方、外部風車６は、第３の支持体である上部円板６Ａおよび第４の支持体である下部円板６Ｂを備え、それぞれベアリング１６Ａおよび１６Ｂによって、回転軸９の周りに回転自在に支持されている。これらの上部円板５Ａおよび下部円板５Ｂ間には、複数枚のほぼ半円筒型の回転翼が内部風車５の周囲に放射状に配置されるように支持されている。
【００２３】
風車の回転力を利用するための装置の一例である発電機１２は、図３に示すように、支持筐体１４でおおわれている。発電機１２の回転軸と一体化される回転軸９はベアリング１３によって支持筐体１４に回転自在に支持されている。
【００２４】
図３は、図１に示す内部風車５および外部風車６における回転翼の形状およびそのブレード配置状態を示す平面図である。
【００２５】
同図に示すように、内部風車５の回転翼７および外部風車６の回転翼８はそれぞれ８枚ずつ設けられている。そしてこれらの回転翼を水平面、すなわち、回転軸９に垂直な面で切断した断面はそれぞれ円弧状であり、その両端を結ぶ直線Ｌ１、Ｌ２は上部円板５Ａ乃至６Ａの中心を通る直径、すなわち、回転軸９に垂直な面内において、回転軸９から放射状に延びた直線Ｌ３に対して、所定の角度で配置されている。すなわち、各回転翼７および８は、それぞれの水平断面両端を結ぶ直線Ｌ１、Ｌ２が上部円板５Ａおよび６Ａの中心から半径方向に延びる直線Ｌ３上に乗っているのではなく、所定の角度だけ傾けた位置にそれぞれが取り付け配置されている。ここで、これら所定の角度を、外部風車６の回転翼８の場合をα°、また、内部風車５の回転翼７の場合をβ°とする。
【００２６】
本発明者は、このように構成された本発明のかご型風車の効果を確認するために上記の実施形態にしたがって模型を製作して、次に述べるような動作実験を行った。先ず、外部風車と内部風車の形状を次の数値条件、すなわち、
外部風車の寸法は、
外径＝１５０ｍｍ
内径＝８６ｍｍ
回転翼の長さ＝９５ｍｍ
内部風車の寸法は
外径＝８０ｍｍ
内径＝５０ｍｍ
回転翼の長さ＝７０ｍｍ
とし、回転翼の取り付け配置角度αおよびβは、同じ角度で２５゜とした。
【００２７】
そして風車の回転数を発電機１２の出力を測定することにより、観測した。まず、本発明のかご型風車における外部風車６の効果を確認するために、外部風車６を回転させた場合と、回転させない場合、すなわち、外部風車６を固定した場合とについて、同じ風力により内部風車５を回転させ、それぞれの場合における発電機１２の出力を測定した。その結果、外部風車６を回転させた場合の発電機１２の平均出力電圧が約３．０ボルト（Ｖ）に対して、外部風車６が固定されている場合の平均出力電圧は約２〜２．５ボルト（Ｖ）であってその電圧は、風向きによって変動した。この実験結果から内部風車５とともに回転軸の周りに回転する外部風車６が、内部風車５の回転数をより増大することが確認された。そしてさらに、外部風車６を回転させた場合の発電機１２の出力電圧は風向きの変化に対して常に安定していることが確認された。
【００２８】
このように、外部風車６を回転させた場合に回転効率がよいのは次の理由と推測される。すなわち、かご型風車を通過する風の流れを観察すると、外部風車６の一方から入って内部風車５を回転させ、内部風車５の反対側から外部へ流出することになる。そしてこのとき、外部風車６の回転翼８が仮に存在しないと仮定した場合最も抵抗が少なくスムーズな風の流れを形成することができる。そこで、外部風車６を回転することにより、見かけ上、外部風車６の回転翼８が存在しない状態に近い状態を作り出すことになる。また、外部風車６を回転させることにより、その回転翼８が内部風車５に導入された空気を引き込み、内部風車５の外部へ吐き出させるように作用していることも推測される。この結果、内部風車５を通過する風の流れに対する抵抗が弱められ、あるいはその流れを促進することにより、効率よく風力を利用できる。また、このような外部風車６の機能は、どの方角からの風に対しても同一条件で機能するため、風の方向が変動しても常に安定した回転状態を実現することができる。
【００２９】
いずれにしても、外部風車６を回転させることが、回転数の増加および風向きの変動に対して安定な回転数を得るためには重要な役割を果たしていることは明らかである。
【００３０】
また、本発明者は、外部風車６の回転翼８および内部風車５の回転翼７の取り付け角度αおよびβをそれぞれ、
０°≦α≦４５°，      ０°≦β≦４５°
の角度範囲内で変化させた結果、α≒βの場合、内部風車５の回転効率が最も高かった。
【００３１】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、外部風車６の回転翼８の取り付け角度αを、風の強さに応じて可変する構造とすることにより、内部風車５を許容範囲以上の強風から保護し、あるいは、内部風車５の回転力を制御することができる。この結果、動力発生装置としての信頼性を向上させることができる。
【００３２】
また、内部風車５の回転とは独立に回転する外部風車６の回転を他の発電機に伝達して発電に利用することも可能である。
【００３３】
さらに、上記の実施形態においては、内部風車５の回転翼７および外部風車６の回転翼８の枚数をそれぞれ８枚としたが、これに限定されず、それぞれ適宜の枚数にすることも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
上記した本発明によれば、外部風車を回転させることによって、内部風車の回転効率を向上することができる。また、風の向きに左右されることなく、常に安定な内部風車の回転を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態によるかご型風車の外観を示す斜視図である。
【図２】図１のかご型風車の断面図である。
【図３】図１のかご型風車における回転翼の配置状態を示す平面図である。
【図４】従来のかご型風車の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
５  内部風車
５Ａ  上部円板
５Ｂ  下部円板
６  外部風車
６Ａ  上部円板
６Ｂ  下部円板
７，８  回転翼
９  回転軸
１３，１６Ａ，１６Ｂ  ベアリング
１４  支持筐体
１５Ａ，１５Ｂ  固定部材
【図１】
2004190612.tif 000003
【図２】
2004190612.tif 000004
【図３】
2004190612.tif 000005
【図４】
2004190612.tif 000006