(57)【要約】【課題】構造が簡単かつ低コストで十分なカットアウト風速を得ることができる垂直軸風車およびその安全装置を提案する。【解決手段】回転軸（１）に対し、円周方向の少なくとも１箇所に切り欠きを設けてストッパ当接部（１Ａ）を形成し、端面をそのストッパ当接部（１Ａ）と係合する形状に形成したストッパ部材（１１）を設け、そのストッパ部材（１１）を半径方向に押圧し回転軸のストッパ当接部（１Ａ）に係合させて回転軸（１）を固定するストッパ機構（Ｓ）を備える。【選択図】  図４
2004225568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸円周方向の少なくとも１箇所のストッパ当接部を形成し、該ストッパ当接部に係合する端面形状を有するストッパ部材を設けたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項２】
前記ストッパ部材を作動させるアクチュエータを設け、そのアクチュエータへ制御信号を送信する制御装置を設けて、該制御装置は、風車の停止時には前記ストッパ部材を前記回転軸のストッパ当接部と係合する方向へ移動し、風車の回転時には前記ストッパ部材を回転軸との干渉を避けて離隔する方向に移動するように構成されている請求項１の垂直軸風車。
【請求項３】
前記回転軸のストッパ当接部の回転位置を検知する計測手段を設け、前記制御装置は、前記計測手段の計測信号を受けて回転軸駆動手段を作動し、前記のストッパ当接部位置と前記ストッパ部材の位置とを整合させる制御を行う様に構成されている請求項２の垂直軸風車。
【請求項４】
回転軸円周方向の少なくとも１箇所に形成されたストッパ当接部と、該ストッパ当接部に係合する端面形状を有するストッパ部材、とを有することを特徴とする垂直軸風車の安全装置。
【請求項５】
前記ストッパ部材を回転軸ケーシング内に配設し、そのケーシングには、前記ストッパ部材の半径方向位置を調節するための開口部と、その開口部を覆う脱着自在の蓋部材、とを設けている請求項４の垂直軸風車の安全装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば小型風力発電等に用いられる垂直軸風車およびその安全装置に関する。より詳細には、風車の停止時に空転するのを防止するために回転軸をロックすることのできる垂直軸風車およびその安全装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電用の風車には、一般に水平方向の回転軸で回転翼を支持するものが用いられているが、このような水平軸風車は、風向きによって影響を受け、その一方で風向きは、季節・気象条件や立地条件で変化し、これに一々適切に対応することは容易でないという問題点を有している。
これに対し、垂直方向の回転軸を持った垂直軸風車は、風向きによる影響を受けないという利点を有している。
【０００３】
以下、この垂直軸風車の主要構成の一例について、図面を参照して説明する（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。
図１には、垂直軸風車による発電装置の側面図が示されている。図において、ベース４上には回転軸ケーシング３が立設されており、その回転軸ケーシング３の符号Ａ（上部）およびＣ（下部）で示す内部には、ベアリング６、７（図２および図３参照）が設けられ、回転軸１が回転自在に垂直方向に支持されている。そして、その回転軸１の上部には回転翼２が設けられている（図５参照）。
また、上記Ａ部およびＣ部の中間のＢ部には、発電機８が設けられている（図３参照）。なお、この発電機８はモータとして回転軸１を駆動する駆動手段としても利用される。
【０００４】
そして、図４に示すように、回転軸１の下端部には、ブレーキ装置９が設けられている。このブレーキ装置９は、ディスクブレーキで、運転時は開放されており、定期点検の際、あるいは強風のときなどに回転軸１を制動するものである。
【０００５】
このブレーキ装置９は、その設置スペースやコスト上などから、大容量のものは採用されていない。また、制動トルクを増大するには、通常、ディスク径を大きくするかディスクを複数枚にする、あるいは倍力機構など複雑な装置とする必要があり、斯かる垂直軸風車に対しては採用が難しい。そのため、従来の垂直軸風車には、風車をロックできる、いわゆるカットアウト風速が、暴風時などの強風に対して十分ではないという問題点を有していた。
【０００６】
なお、水平軸風車では、強風時には、フェザリング（翼の迎角を水平にして回転力が発生しないようにする）と機械式ブレーキとを併用、あるいは風車全体を下向きにして風向きと回転軸とを直角とし回転力が発生しないようにしている。
【０００７】
【非特許文献１】
「風車工学入門」  森北出版株式会社  牛山    泉著
【非特許文献２】
「小型風車ハンドブック」  パワー社  牛山    泉著
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に対処するものであり、構造が簡単かつ低コストで十分なカットアウト風速でロックできる垂直軸風車およびその安全装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の垂直軸風車は、回転軸（１）円周方向の少なくとも１箇所にストッパ当接部（１Ａ：切り欠き部Ｋ）を形成し、該ストッパ当接部（１Ａ：切り欠き部Ｋ）に係合する単面形状を有するストッパ部材（１１）を設けたことを特徴としている（請求項１）。
【００１０】
上記の構成により、回転軸のストッパ当接部（１Ａ：切り欠き部Ｋ）にストッパ部材（１１）を半径方向から押圧し、回転軸のストッパ当接部（１Ａ：切り欠き部Ｋ）にその端面を係合させることで、回転軸（１）を固定し、風車の回転を容易にロックすることができる。
【００１１】
ここで、回転軸のストッパ当接部（１Ａ：切り欠き部Ｋ）の形状は、溝形状などとすることも可能であり、またキーなどの係合手段を用いることも可能である。但し、平面形状の切り欠き部（Ｋ）をストッパ当接部として採用すれば、応力集中が少なく、加工が容易で、かつ多少の位置のずれがあっても係合できて自動調整機能があるので好ましい。
なお、ストッパ部材（１１）は、回転軸の切り欠き部（Ｋ：ストッパ当接部１Ａ）に作用する力がバランスするように（換言すれば、かかる作用力が偏心しないように）、回転軸円周方向に複数個を等間隔に配置して、回転軸（１）に曲げ力・スラストが掛からないようにするのが好ましい。
もちろん、ストッパ部材（１１）より切り欠き数を多く設けてもよい。
【００１２】
また、本発明によれば、前記ストッパ部材（１１）を作動させるアクチュエータ（２１）を設け、そのアクチュエータ（２１）へ制御信号を送信する制御装置（２０）を設けて、該制御装置（２０）は、風車の停止時には前記ストッパ部材（１１）を前記回転軸の切り欠き部（Ｋ：ストッパ当接部１Ａ）と係合する方向へ移動し、風車の回転時には前記ストッパ部材（１１）を回転軸（１）との干渉を避けて離隔する方向に移動するように構成されている（請求項２）。
【００１３】
そして、本発明の実施に際し、前記回転軸（１）の切り欠き部（Ｋ：ストッパ当接部１Ａ）の回転位置を検知する計測手段（１５）を設け、前記制御装置（２０）は、前記計測手段（１５）の計測信号を受けて回転軸駆動手段（８）を作動し、前記切り欠き部（Ｋ：ストッパ当接部１Ａ）の位置と前記ストッパ部材（１１）の位置とを整合させる制御を行う様に構成されているのが好ましい（請求項３）。
【００１４】
このように、ストッパ部材（１１）をアクチュエータ（２１）で駆動し、制御装置（２０）を設け、回転軸のストッパ当接部（１Ａ：切り欠き部Ｋ）の回転位置を計測して回転軸駆動手段（８）によってストッパ部材（１１）の位置とストッパ当接部（１Ａ：切り欠き部Ｋ）の位置とを整合させるようにすれば、ストッパ部材（１１）の位置とストッパ当接部（１Ａ：切り欠き部Ｋ）とが確実に係合するので、回転軸（１）の回転防止が確実に行われる。そして、回転軸（１）の回転が確実に防止されることにより、安全手段に無駄な出力を行う必要が無くなり、省力化が図れる。そのため、特に多数の風車の運転を管理する場合に有効である。
なお、風力発電装置の場合には、上記回転駆動手段（８）として、発電機をモータとして利用するのが好ましい。
【００１５】
本発明による垂直軸風車の安全装置（Ｓ）は、回転軸（１）円周方向の少なくとも１箇所に形成されたストッパ当接部（１Ａ：切り欠き部Ｋ）と、該ストッパ当接部（１Ａ：切り欠き部Ｋ）に係合する端面形状を有するストッパ部材（１１）、とを有することを特徴としている（請求項４）。
【００１６】
また、本発明の安全装置（Ｓ）の実施に際しては、前記ストッパ部材（１１）を回転軸ケーシング（３）内に配設し、そのケーシング（３）には、前記ストッパ部材（１１）の半径方向位置を調節するための開口部（３Ｍ）と、その開口部（３Ｍ）を覆う脱着自在の蓋部材（１２）、とを設けているのが好ましい（請求項５）。
【００１７】
斯かる安全装置（Ｓ）を垂直軸風車に付加すれば、前記ストッパ部材（１１）を回転軸（１）の前記ストッパ当接部（１Ａ：切り欠き部Ｋ）に押圧することにより、回転軸（１）の回転を確実に固定（ロック）することが出来る。このことに起因して、従来の回転軸のブレーキ装置の制動容量の不足を補い、十分なカットアウト回転数を確保することができる。
【００１８】
なお、本発明は、垂直軸風車に対する適用に限らず、風向計（風見鶏）、風速計など同種の回転機構を有する装置に対しても適用することが可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
なお、前記従来の技術で説明した構成部品と同様な部品には、同じ符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２０】
図４に示す第１実施形態において、回転軸１の下端部のブレーキ装置９が設けられている上部には、複数の切り欠き部Ｋが削成され、係る切り欠き部Ｋによりストッパ当接部１Ａが形成されている（図６または図７参照）。そして、回転軸ケーシング３にはそのストッパ当接部１Ａの対向位置に開口部３Ｍが設けられており、その開口部３Ｍからストッパ部材１１が挿入され、その先端面Ｔが切り欠き部Ｋに係合するように、半径方向内方に向けて押圧するようにして安全装置Ｓが構成されている。
【００２１】
図４に示す例では、ストッパ部材１１の先端面Ｔの対向端には、蓋部材１２が固着されており、軸１の回転をロックする場合には、その蓋部材１２を開口部３Ｍの周縁部にねじ締結することで、ストッパ当接部１Ａを押圧するようになっている。そして、ストッパ部材１１の移動量、押圧力は、蓋部材１２を締結している取り付けボルトにより調節する。
なお、通常の運転時には、ストッパ部材１１を取り外し、開口部３Ｍをストッパ部材１１が固着されていない蓋部材（図示なし）で覆っている。あるいは、スペーサ（またはガスケット：図示なし）を介して前記蓋部材１２を取り付け、ストッパ部材１１の先端とストッパ当接部１Ａとが干渉しないようにしてもよい。
【００２２】
ストッパ当接部１Ａは、図６および図７に示すように、円周方向に複数の平面形状の切り欠き部Ｋが設けられており、図６の例では、切り欠き部Ｋが４面に対し、ストッパ部材１１を２個所対向位置に設け、図７の例は、それぞれ３個所の切り欠き部Ｋとストッパ部材１１とが設けられている。
なお、切り欠き部Ｋは、ストッパ部材１１の押圧力、あるいは回転翼２から受ける軸１の回転力に対する反力に対し、その応力が十分に許容範囲内となるような面積としている。
【００２３】
また、図８は、第２実施形態の構成を示す図である。ストッパ部材１１の先端面Ｔの対向端にはアクチュエータ２１が係合されており、また、回転軸１の下端には、カップリングを介して回転位置の計測手段としてのエンコーダ１５が設けられている。そして、制御装置２０が設けられてエンコーダ１５からの信号を受け、アクチュエータ２１および回転軸駆動手段８に制御信号を出力するようになっている。なお、この例では、回転軸駆動手段８は、発電機をモータとして利用している。
【００２４】
この制御装置２０は、エンコーダ１５から回転軸１の回転位置の情報を受け、ストッパ部材１１の位置が切り欠き部Ｋの位置と一致しているか判断して要すればモータ８を駆動してこれを一致させ、アクチュエータ２１を作動してストッパ部材１１をストッパ当接部１Ａに係合させる制御機能を有している。
【００２５】
以下、図９のフロー図を参照し、この安全装置の制御装置２０による制御の態様を説明する。
まず、ブレーキ装置９が作動しているかチェックし（ステップＳ１）、作動していれば、回転軸１が停止しているかチェックする（ステップＳ２）。停止していなければ、ストッパＯＦＦ状態（ストッパ部材１１が軸１から離隔した状態）を保持し、停止していれば、エンコーダ１５で回転軸１の回転位置を計測する（ステップＳ３）。
【００２６】
次に、計測結果から切り欠き部Ｋとストッパ部材１１との回転位置が整合しているかチェックし（ステップＳ４）、ＯＫであれば、アクチュエータ２１を作動してストッパ部材１１をストッパ当接部１Ａに係合させる（ステップＳ５）。
また、整合状態がＮＧであれば、ブレーキ装置９をＯＦＦとし（ステップＳ７）、モータ８を作動させて所定角度回転し（ステップＳ８）、ブレーキ装置９を作動して（ステップＳ９）、ステップＳ２に戻り、再度、計測を行う。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の作用効果を以下に列挙する。
（ａ）  簡単かつ低コストの安全装置で、垂直軸風車の回転をロックすることができる。
（ｂ）  回転部分へ付加される質量がなく、慣性モーメントの小さいことが必須条件である風車に対し、好適である。
（ｃ）  特に、動力源がなくてもよく、僻地に設置するのに適している。
（ｄ）  また、ストッパ部材を作動するアクチュエータと回転位置計測手段とを設けて制御すれば、省力化が図れ、多数の風車の運転を管理するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による垂直軸風車の一実施形態の全体を示す側面図。
【図２】図１のＡ部の詳細を示す側断面図。
【図３】図１のＢ部の詳細を示す側断面図。
【図４】図１のＣ部の詳細を示す側断面図。
【図５】図１のＤ矢視部の詳細を示す平面図。
【図６】ストッパ当接部の切り欠きおよびストッパ部材の配設の例を示す図。
【図７】図６とは別の配設例を示す図。
【図８】本発明の別の実施形態を示す図。
【図９】図６の実施形態の制御作用を示すフロー図。
【符号の説明】
１・・・回転軸
１Ａ・・・回転軸のストッパ当接部
２・・・回転翼
３・・・回転軸ケーシング
３Ｍ・・・開口部
４・・・ベース
６、７・・・ベアリング
８・・・発電機（駆動手段）
９・・・ブレーキ装置
１１・・・ストッパ部材
１２・・・蓋部材
１５・・・エンコーダ
２０・・・制御装置
２１・・・アクチュエータ
Ｋ・・・切り欠き部
Ｓ・・・安全装置
【図１】
2004225568.tif 000003
【図２】
2004225568.tif 000004
【図３】
2004225568.tif 000005
【図４】
2004225568.tif 000006
【図５】
2004225568.tif 000007
【図６】
2004225568.tif 000008
【図７】
2004225568.tif 000009
【図８】
2004225568.tif 000010
【図９】
2004225568.tif 000011