(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風向きに対して交差する方向に延びて配置された回転軸と、
該回転軸と間隔をあけて並んで配置されるとともに、風を受けて前記回転軸のまわりを公転する複数の翼と、
前記翼を前記回転軸が延びる方向からみた前記翼の重心まわりに自転可能に支持するとともに、前記複数の翼の公転を回転駆動力として前記回転軸に伝える支持部と、
が設けられ、
前記複数の翼のそれぞれは、
負圧面および正圧面を有して揚力を発生する翼形であり、前記風を受けて前記回転軸を回転させる回転駆動力を発生する受風翼と、
公転する前記翼が前記風上に向かって移動する逆風領域において、前記風を受けて前記受風翼における自転方向の位相を制御することにより前記風向きに対する前記受風翼の姿勢を制御する案内翼と、
を有し、
前記支持部は、
公転する前記翼が前記風下に向かって移動する順風領域において、前記受風翼における後縁側と接触して前記翼の自転を規制する規制部と、
を有し、
前記翼は、
前記順風領域において、前記受風翼の後縁側が前記規制部と接触することにより、前記受風翼における前記正圧面が前記風を受け止めて発生する抗力により前記回転軸に伝える回転駆動力を発生させ、
前記逆風領域において、前記受風翼は前記案内翼によって風向きに対する姿勢が制御され、前記風を受けることにより前記受風翼が発生する揚力により前記回転軸に伝える回転駆動力を発生させることを特徴とする風車。
【請求項２】
前記案内翼は、前記受風翼における後縁から前縁を結ぶ直線を前記前縁側に延長した位置に、前記前縁から所定の間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項１記載の風車。
【請求項３】
前記規制部は前記回転軸と前記翼の自転軸との間であって、前記回転軸と前記翼の自転軸を結んだ線よりも前記翼の公転方向後方に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の風車。
【請求項４】
前記案内翼は、前記逆風領域において、前記受風翼における風向きに対する角度である迎角を大きくする傾きで配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の風車。
【請求項５】
前記規制部は、前記回転軸の回転速度が所定値よりも大きくなった場合、前記翼から離れる方向に移動して前記受風翼との接触を回避し、前記翼を自転可能とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車、特に風向きに対して回転軸が直交方向に延びて配置される垂直軸型の風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、風力エネルギを回転エネルギに変換する装置として風車が知られている。風車は大きく分類して、回転軸が風向きに対して平行に延びて配置される水平軸型風車と、風向きに対して直交方向に延びて配置される垂直軸型風車と、に分けることができる。垂直軸型風車は、さらに、翼に働く抗力を利用して風力エネルギを回転エネルギに変換するものと、翼に働く揚力を利用して風力エネルギを回転エネルギに変換するものに大別することができる。
【０００３】
抗力を利用する垂直軸型風車は、揚力を利用する垂直軸型風車と比較して、風車の回転トルクが大きく、低風速から回転を開始し、かつ低風速でも回転するという利点を有している。
【０００４】
このような抗力を利用した垂直軸型風車では、風車の回転領域のうち、風車の回転方向と風向とが一致する領域（以下、「順風領域」と表記する。）では、風車の翼に働く抗力の向きも風車の回転方向と一致するため、順風領域では抗力は風車を回転させる働きをする。その一方で、風車の回転方向と風向とが反対になる領域（以下、「逆風領域」と表記する。）では、風車の翼に働く抗力の向きと風車の回転方向も反対になるため、逆風領域では抗力は風車の回転を妨げる働きをする。
【０００５】
つまり、抗力を利用する垂直軸型風車は、上述の順風領域での抗力と、逆風領域での抗力と、の差に基づいて回転し、風力エネルギを回転エネルギに変換している。そのため、揚力を利用した垂直軸型風車と比較して、風力エネルギを回転エネルギに変換する効率が低いという問題がある。
【０００６】
そこで、順風領域では、上述のように翼に作用する抗力を利用して風車を回転させるとともに、逆風領域では、翼の向きを変えることにより翼に揚力を発生させ、発生した揚力を風車の回転に利用することにより、風力エネルギを回転エネルギに変換する効率を高める風車が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２７４９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された垂直軸型風車では、逆風領域における翼の向きの制御に、翼の後縁近傍に設けたガイドローラと、逆風領域の少なくとも一部に設置されて、ガイドローラが当接して転動するガイドレールとを利用している。つまり、翼の前縁と中央との間に設けられ翼を回転可能に支持する支点、および、翼の後縁近傍に設けられたガイドローラとガイドレールとの接点の相対位置を調節することにより、風向きに対する翼の角度（迎角）を制御している。
【０００９】
しかしながら、上述のようにガイドローラおよびガイドレールを用いて翼の向きを制御する方法、言い換えると、ガイドローラおよびガイドレールの物理的な接触によって翼の向きを制御する方法では、接触部に働く摩擦により、風力エネルギを回転エネルギに変換する効率が低下するという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、風力エネルギから回転エネルギへの変換効率向上を図ることができる風車を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の風車は、風向きに対して交差する方向、より好ましくは直交する方向に延びて回転可能に配置された回転軸と、回転軸を中心とする円周上に等間隔に並んで配置された矩形状に形成された翼と、風を受けた複数の翼において発生した力を、回転駆動力として回転軸に伝える支持部とを有する、いわゆる垂直軸型風車である。
【００１２】
翼（受風翼および案内翼）は、回転軸を中心とした円周上を、回転軸の回転とともに公転移動が可能に支持され、かつ、翼の重心を通過する回転軸と平行な軸線を中心として自転可能に支持されている。翼の公転方向と風向きが同じ順風領域を、翼が公転移動する際には、受風翼における後縁側が風により規制部に押し付けられ、受風翼の正圧面が風を受け止める。受風翼には風を受け止めたことによる抗力が働き、この抗力によって翼が公転し、回転軸が回転する。また、翼が、順風領域から翼の公転方向と風向きが反対の逆風領域に移動すると、翼は、受風翼における後縁側が規制部から離れる方向に押されて自転する。その後、翼が逆風領域を公転移動する際には、翼は風を受けることにより揚力を発生し、この揚力により翼が公転し、回転軸が回転する。案内翼は、翼が逆風領域を公転移動する際に、風を受けて発生した力を用いて風向きに対する受風翼の姿勢を制御し、揚力の働く方向が翼の公転に寄与する方向としている。
【００１３】
受風翼における後縁から前縁を結ぶ直線である翼弦を前縁側に延ばした位置に案内翼を配置してもよい。このようにすることにより、翼が順風領域を公転移動する際、受風翼および案内翼によって風を受け止めることができる。そのため、例えば受風翼のみで風を受け止める場合と比較して、翼において発生する抗力が大きくなる。
【００１４】
さらに、受風翼と案内翼との間に風が通り抜ける所定の間隔を設けてもよい。このようにすることにより、風上に位置する翼によって風下に位置する翼に対する風が完全に遮られることがなくなる。言い換えると、順風領域における風上に配置された翼における所定の間隔を通り抜けた風は、風下側に位置する翼により受け止められる。つまり、風下側に配置された翼においても、受風翼は風により規制部に押し付けられるため、翼の姿勢が安定する。
【００１５】
その一方で、翼が逆風領域を回転移動している際には、案内翼は受風翼の前縁側に配置されているため、受風翼に邪魔されることなく安定して風を受けることができ、受風翼における風に対する姿勢を安定させることができる。受風翼の風に対する姿勢は、案内翼において風を受けることにより発生する力と案内翼の空力中心から自転軸までの距離の積と、受風翼において風を受けることにより発生する力と受風翼の空力中心から自転軸までの距離の積によって定まる。
【００１６】
規制部を回転軸と翼の自転軸との間にであって、回転軸と翼の自転軸を結んだ線よりも翼の公転方向後方に設けてもよい。このようにすることにより、翼が逆風領域から順風領域に公転移動する際の早い時点で受風翼の後縁側が規制部と接触する。その後、受風翼の正圧面が風を受け止めて抗力を発生させることができる。
【００１７】
受風翼よりも案内翼の迎角を大きくしてもよい。このようにすることにより、翼が順風領域から逆風領域に公転移動した際に、案内翼は受風翼よりも早い時期に風を受けて揚力を発生させることができ、受風翼の姿勢を制御することができる。
【００１８】
規制部は、回転軸の回転速度が所定値よりも大きくなった場合に、遠心力を利用して翼から離れる方向に移動して、受風翼との接触を回避するように構成してもよい。このようにすることで、順風領域においても翼が自転可能となり、受風翼の正圧面が風を受け止めることがなくなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の風車によれば、翼が順風領域を公転移動する際には、翼は規制部に押し付けられ、受風翼には風を受け止めたことによる抗力が働き、翼が逆風領域を公転移動する際には、翼は風を受けて揚力が発生する。エネルギを損失させる摩擦が働く摺動面を設けることなく、これら翼に発生する抗力および揚力によって、回転軸は回転駆動されるため、風力エネルギから回転エネルギへの変換効率向上を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る風車の概略構成を説明する風上側の上方からみた斜視図である。
【図２】図１の風車の概略構成を説明する風下側の下方からみた斜視図である。
【図３】図１の翼部の配置を説明する風車を上方から見た断面視図である。
【図４】図３の翼部の構成を説明する部分拡大断面視図である。
【図５】図４の受風翼、案内翼および枠部の構成を説明する正圧面側から見た部分拡大図である。
【図６】図４の受風翼、案内翼および枠部の構成を説明する負圧面側から見た部分拡大図である。
【図７】図１のフレーム板に設けられた規制部の構成を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
この発明の一実施形態に係る風車について、図１から図７を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る風車１の概略構成を説明する風上側の上方からみた斜視図であり、図２は、風下側の下方からみた斜視図である。
【００２２】
本実施形態の風車１は、風力エネルギを回転エネルギに変換するものであり、変換された回転エネルギは他の機器の動力、例えば発電機を駆動する動力などとして利用されるものである。さらに、本実施形態の風車１は、回転軸１０が風向に対して交差する方向、より好ましくは直交する方向に延びて配置された垂直軸型風車であり、風車１の翼部２０が風を受けた際に発生する抗力および揚力を利用して回転するものである。
【００２３】
風車１には、図１および図２に示すように、風向きに対して交差する方向、より好ましくは直交する方向に延びて配置される回転軸１０と、風を受けて回転軸１０のまわりを公転移動する複数の翼部（翼）２０と、複数の翼部２０を支持するとともに翼部２０の公転方向に働く力を回転駆動力として回転軸１０に伝える一対のフレーム板（支持部）３０と、が主に設けられている。
【００２４】
回転軸１０は円筒状に形成された部材であり、フレーム板３０が取り付けられるものである。回転軸１０の下方端部（図１の下側端部）には、径方向外側に突出する鍔状に形成された動力伝達部１１が設けられ、回転軸１０の内部には、回転軸１０を回転可能に支持する中心軸１２が配置されている。
【００２５】
中心軸１２は円柱状または円筒状の部材であって、台風などの強風下にあっても風車１が倒れないように地面などの土台に固定されたものである。中心軸１２は、地面に対して垂直上方に延びて配置されることにより、風向きに対して交差する方向、より好ましくは直交する方向に延びて配置されている。中心軸１２の外周面と、回転軸１０の内周面との間には、回転軸１０を中心軸１２まわりに回転可能に支持する軸受（図示せず）が設けられている。軸受は、ベアリング軸受や、滑り軸受など、公知の軸受を用いることができ、特に限定するものではない。
【００２６】
図３は、図１の翼部２０の配置を説明する風車１を上方から見た断面視図である。
翼部２０は、風を受けることにより回転軸１０まわりを公転移動する力である抗力および揚力を発生させるものである。翼部２０は、フレーム板３０によって回転軸１０と平行な自転軸まわりに自転可能に支持される一方で、フレーム板３０とともに回転軸１０まわりに公転可能に配置されている。本実施形態では、図３に示すように、風車１に３つの翼部２０，２０，２０が設けられている例に適用して説明する。翼部２０の数を３つとすることで、後述する順風領域において、風下側に位置する翼部２０が受ける風を、風上側に位置する翼部２０が遮ることを抑制することができる。なお、風車１に設けられる翼部２０の数は、３つよりも多くてもよいし、少なくてもよく、特に限定するものではない。
【００２７】
図４は、図１の翼部の構成を説明する部分拡大断面視図である。
翼部２０には、図３および図４に示すように、抗力および揚力を発生させる受風翼２１と、受風翼２１の姿勢を制御する案内翼２２と、受風翼２１および案内翼２２を一体に保持する枠部２３と、が主に設けられている。さらに、受風翼２１と案内翼２２との間には、風が通り抜ける空間２４が設けられている。本実施形態では、受風翼２１および案内翼２２は、正圧面を凹状または負圧面を凸状に湾曲した矩形板から主に構成されている例に適用して説明するが、湾曲した板から構成されるものに限られることなく、ジューコフスキー翼に代表される航空機に用いられるような翼型から構成されるものであってもよい。
【００２８】
受風翼２１は、図１および図２に示すように、回転軸１０に対して平行に延びて配置された矩形状の翼である。さらに、受風翼２１は、図３に示すように、案内翼２２と略同一平面の上であって、案内翼２２の後縁２２Ｔ側に配置された翼である。受風翼２１における凹状に湾曲した面は正圧面２１Ｐであり、その裏側の凸状に湾曲した面は負圧面２１Ｓであり、案内翼２２側の端部は前縁２１Ｌであり、反対側の端部は後縁２１Ｔである。
【００２９】
案内翼２２は、図１および図２に示すように、回転軸１０に対して平行に延びて配置された矩形状の翼である。さらに、案内翼２２は、図３に示すように、受風翼２１と略同一平面の上であって、受風翼２１の前縁２１Ｌ側に配置されたものである。案内翼２２における凹状に湾曲した面は正圧面２２Ｐであり、その裏側の凸状に湾曲した面は負圧面２２Ｓであり、案内翼２２側の端部は前縁２２Ｌであり、反対側の端部は後縁２２Ｔである。
【００３０】
さらに、案内翼２２は、自転軸２５を挟んで受風翼２１と反対側に配置され、翼部２０における自転軸２５まわりのバランスを取る役割を担うものでもある。なお、案内翼２２は、受風翼２１と比較して比重が重い材料から構成することにより、比重が軽い材料から構成されている場合と比較して受風翼２１の翼面積を小さくすることができる。例えば、受風翼２１と比重が等しい材料を用いて案内翼２２を形成すると、案内翼２２の翼面積が大きくなりすぎて、受風翼２１および案内翼２２で発生する揚力の釣り合いが取れない場合に、比重が重い材料から案内翼２２を構成することにより、案内翼２２の翼面積を小さくすることができ、揚力の釣り合いを図ることができる。
【００３１】
さらに、案内翼２２は、受風翼２１における前縁２１Ｌおよび後縁２１Ｔを結んだ直線に対して、前縁２２Ｌおよび後縁２２Ｔを結んだ直線がなす角度αが、所定の角度、例えば概ね５°の角度で交差し、かつ、案内翼２２から受風翼２１に向かって吹く風に対する迎角が大きくなる側に傾斜して配置されている。
【００３２】
空間２４は、図４に示すように、受風翼２１、案内翼２２および枠部２３に囲まれた領域であり、翼部２０において風が通り抜け可能とされた部分である。受風翼２１の前縁２１Ｌおよび後縁２１Ｔを結ぶ直線方向において、受風翼２１の長さと、空間２４および案内翼２２を足した長さとの関係は、概ね７：３であることが望ましい。さらに、空間２４の長さと案内翼の長さとの関係は、概ね１：１から２：１までの範囲内であることが望ましい。
【００３３】
図５は、図４の受風翼２１、案内翼２２および枠部２３の構成を説明する正圧面側から見た部分拡大図であり、図６は、負圧面側から見た部分拡大図である。
枠部２３は、図４から図６に示すように、受風翼２１から案内翼２２にわたって延びる板状の部材であり、受風翼２１および案内翼２２に対して直交して配置された部材である。枠部２３は、風車１に取り付けられた受風翼２１および案内翼２２の上端部および下端部（図１の上側の端部および下側の端部）に取り付けられ、受風翼２１および案内翼２２の間に空間２４を設けつつ、受風翼２１および案内翼２２を支持するものである。
【００３４】
枠部２３には、翼部２０をフレーム板３０に取り付けるとともに、翼部２０を回転軸１０と平行な軸線まわりに自転可能とする自転軸２５が設けられている。自転軸２５は枠部２３におけるフレーム板３０と対向する面からフレーム板３０に向かって突出する円柱状または円筒状に形成されたものである。さらに、自転軸２５は、受風翼２１の前縁２１Ｌおよび後縁２１Ｔを結ぶ直線方向における翼部２０の重心位置、または、翼部２０を回転軸１０の軸線方向から見た重心位置に設けられている。
【００３５】
フレーム板３０は、図１から図３に示すように、回転軸１０に対して直交して取り付けられたものであり、翼部２０を間に挟んで自転可能に支持する一対の板部材である。本実施形態では、フレーム板３０は概ね正三角形に形成され、フレーム板３０の重心（中央）には、回転軸１０が挿通される貫通孔が形成され、フレーム板３０は挿通された回転軸１０と溶接など、公知の方法によって固定されている。フレーム板３０の各頂点には、それぞれ翼部２０の自転軸２５を回転可能に支持する軸受（図示せず。）が配置されている。なお、本実施形態では、フレーム板３０の形状を正三角形としたが、フレーム板３０の形状は、翼部２０が４つの場合には正四角形とするなど、風車１に設けられる翼部２０の数に合わせて適宜選択することができる。
【００３６】
フレーム板３０には、受風翼２１が風を受けて抗力を発生する際に、受風翼２１の自転を規制する規制部３１が設けられている。規制部３１は、図１から図３に示すように、フレーム板３０における、回転軸１０が配置される位置と、翼部２０の自転軸２５を支持する軸受（図示せず。）との間であって、回転軸１０と前述の軸受とを結ぶ直線から、風車１の回転方向（図３の左回転方向）の後ろ側に配置されている。言い換えると、規制部３１は、図３に示すように、翼部２０の受風翼２１と接触した際に、受風翼２１の前縁２１Ｌおよび後縁２１Ｔを結んだ直線と、回転軸１０および前述の軸受の中心同士を結ぶ直線とがなす角βが、所定の角度、例えば概ね１０°以上の角度となり、かつ、受風翼２１の後縁２１Ｔから前縁２１Ｌに向かって、風車の回転方向に傾く位置に配置されている。
【００３７】
図７は、図１のフレーム板３０に設けられた規制部３１の構成を説明する模式図である。
規制部３１は、図７に示すように、翼部２０と接触して翼部２０の自転を規制する回動部３２と、回動部３２をフレーム板３０に取り付けるとともに、回動可能に支持する取付部３３と、から主に構成されている。
【００３８】
回動部３２には、フレーム板３０に設けられた長孔に挿通されて翼部２０の受風翼２１と接触する翼受け部３２Ａと、Ｌ字状に形成されるとともに折れ曲がり部が取付部３３に支持される遠心力感知部３２Ｂと、遠心力による規制部３１の動作を調節する調節錘３２Ｃと、が設けられている。翼受け部３２Ａは、遠心力感知部３２Ｂの一方の端部から連続して延びて形成されていてもよいし、別々に形成した後に取り付けられていてもよい。調節錘３２Ｃは、遠心力感知部３２Ｂの他方の端部に配置されている。
【００３９】
取付部３３は、断面がコの字状に形成された板状部材であり、対向する板部材の間に回動部３２を挟んで保持するものである。取付部３３は、フレーム板３０における翼部２０が配置された面と反対側の面に取り付けられ、かつ、回転軸１０を中心とした径方向と直交し、回動部３２を回転可能に支持する回転ピン３３Ａが設けられている。
【００４０】
図７に示すように、フレーム板３０の下面に取り付けられた規制部３１の場合、重力によって調節錘３２Ｃが下方に移動し、翼受け部３２Ａが上方に向かって突出するように、調節錘３２Ｃの重さが設定されている。その一方で、フレーム板３０の上面に取り付けられた規制部３１の場合、重力によって翼受け部３２Ａが下方に突出し、調節錘３２Ｃが上方に向かって突出するように、調節錘３２Ｃの重さが軽めに設定されている。
【００４１】
次に、本実施形態に係る風車１の動作について説明する。まず、風により風車１が回転する際の動作について説明し、その後、台風などによる強風下における風車１の動作について説明する。
【００４２】
図３に示すように、風車１に対して風が吹くと、風車１の回転方向（翼部２０の公転方向）と、風向きとが同じである順風領域では、翼部２０に発生する抗力によって風車１が回転する。その一方で、翼部２０の公転方向と風向きとが反対である逆風領域では、翼部２０に発生する揚力によって風車１が回転する。
【００４３】
より詳細に説明すると、順風領域においては、翼部２０は受風翼２１が回転軸１０に接近する方向（径方向内側）に自転軸２５まわりに回転しており、受風翼２１の負圧面２１Ｓは、規制部３１の翼受け部３２Ａと接触している。そのため、風は受風翼２１の正圧面２１Ｐ、および、案内翼２２の正圧面２２Ｐと衝突し、翼部２０には翼部２０を風下方向（図３の上方）へ押す抗力が発生する。翼部２０に発生した抗力は、自転軸２５および規制部３１を介してフレーム板３０から回転軸１０に回転駆動力として伝達される。
【００４４】
また、風上側に位置する翼部２０の空間２４を通り抜けた風は、風下側に位置する翼部２０の受風翼２１の正圧面２１Ｐと衝突する。そのため、風上側に位置する翼部２０によって、風が遮られやすい風下側に位置する翼部２０においても、風を受け止めることができる。その結果、風下側に位置する翼部２０でも、受風翼２１を規制部３１に押し付ける力が発生し、翼部２０の姿勢が安定する。
【００４５】
翼部２０が、公転して順風領域から逆風領域にさしかかると、風は後縁２１Ｔ側から、受風翼２１の正圧面２１Ｐに吹き付ける。すると、翼部２０は、受風翼２１の負圧面２１Ｓが規制部３１から離れ、受風翼２１の後縁２１Ｔが回転軸１０から遠ざかる方向（径方向外側）に自転軸２５まわりに自転（回転）する。
【００４６】
逆風領域においては、風の抵抗により、受風翼２１は自転軸２５の風下側に位置し、常に前縁２１Ｌが風上側に、後縁２１Ｔが風下側に配置される姿勢を取る。そのため、風は、前縁２１Ｌから後縁２１Ｔに向かって受風翼２１の周囲に沿って流れる。このとき、正圧面２１Ｐ側と負圧面２１Ｓ側との間の圧力差により、受風翼２１に揚力が発生する。揚力には、翼部２０の公転方向に働く成分も含まれているため、翼部２０に発生した揚力は、自転軸２５および規制部３１を介してフレーム板３０から回転軸１０に回転駆動力として伝達される。
【００４７】
また、受風翼２１の前縁２１Ｌ側に配置された案内翼２２にも、同様にして揚力が働く。案内翼２２に働く揚力は、枠部２３および自転軸２５を介して受風翼２１に働く。受風翼２１は、案内翼２２によって風向きに対する姿勢、例えば、前縁２１Ｌおよび後縁２１Ｔを結んだ直線と風向きとの角度である迎角が制御される。本実施形態では、案内翼２２がない場合と比較して、受風翼２１の迎角が大きくなるように制御され、受風翼２１において発生する揚力が大きくなるように制御されている。
【００４８】
さらに、案内翼２２は、受風翼２１と比較して、迎角を所定の角度α（本実施形態では概ね５°）大きくしているため、風向きに対する翼部２０の姿勢が、受風翼２１において十分に揚力を発生できない（迎角が小さい）姿勢であっても、案内翼２２は揚力を発生することができる。案内翼２２が揚力を発生することにより、受風翼２１における迎角が大きくなり、受風翼２１が大きな揚力を発生させることができる。その一方で、受風翼２１および案内翼２２の迎角が大きくなる方向に翼部２０の姿勢が変化した場合、迎角が大きいため、受風翼２１よりも案内翼２２が先に失速を起こし、案内翼２２において発生する揚力が急激に小さくなる。このとき、受風翼２１では大きな揚力が発生し続けているため、翼部２０には受風翼２１および案内翼２２の迎角を小さくする方向に自転し、受風翼２１における失速の発生が防止される。
【００４９】
翼部２０が、公転して逆風領域から順風領域にさしかかると、風車１の回転に伴って、回転軸１０に接近した受風翼２１が、再び規制部３１と接触する。このとき、受風翼２１の前縁２１Ｌおよび後縁２１Ｔを結んだ直線と、回転軸１０および自転軸２５の中心とを結んだ直線とが所定の角度β（本実施形態では概ね１０°）の角度で交差しているため、受風翼２１が正圧面２１Ｐで風を受け止めるタイミングが早くなる。言い換えると、順風領域だけでなく逆風領域の終わりから、翼部２０は、風車１を回転させる力として抗力を発生させている。
【００５０】
以上、説明したように、翼部２０は、順風領域および逆風領域を交互に公転移動しながら抗力および揚力を発生させ、これらの力により風車１を回転させている。
次に、台風などによる強風下における風車１の動作について説明する。
【００５１】
台風などの強風下では、翼部２０で発生する抗力および揚力が大きくなり、風車１の回転速度が速くなる。すると、風車１を構成する各部材に働く遠心力が大きくなる。規制部３１では、図７に示すように、遠心力により調節錘３２Ｃが径方向外側（図７の右方向）に移動し、遠心力感知部３２Ｂおよび翼受け部３２Ａが回転ピン３３Ａまわりに回転し、図７における点線で示すように移動する。つまり、翼受け部３２Ａは、径方向内側（図７の左方向）に移動し、かつ、フレーム板３０から翼部２０が配置された側（図７の上側）に突出していた翼受け部３２Ａは、翼部２０が配置されていない側（図７の下側）に移動する。その結果、翼受け部３２Ａと受風翼２１とが接触しなくなる。
【００５２】
上述のように、翼受け部３２Ａと受風翼２１とが接触しなくなると、翼部２０は、自転軸２５まわりに自由に回転できるようになって、受風翼２１の正圧面２１Ｐにより風を受け止めることができなくなる。言い換えると、順風領域における翼部２０が風を受け止める面積が小さくなり、順風領域において翼部２０において発生する抗力が小さくなる。その結果、風車１を回転させる力が小さくなり、風車１の回転速度が大きくなりすぎることが防止される。
【００５３】
台風が過ぎ去る等により風の風速が低下すると、風車１の回転速度が下がり、風車１を構成する各部材に働く遠心力が小さくなる。すると、規制部３１では、図７に示すように、重力により調節錘３２Ｃが下方（図７の下方向）に移動し、遠心力感知部３２Ｂおよび翼受け部３２Ａが回転ピン３３Ａまわりに回転し、図７における実線で示すように移動する。つまり、翼受け部３２Ａは、フレーム板３０から翼部２０が配置された側（図７の上側）に突出し、受風翼２１との接触が可能となる。
【００５４】
上述のように、翼受け部３２Ａと受風翼２１との接触が可能となると、翼部２０は、自転軸２５まわりの回転が拘束されるようになって、受風翼２１の正圧面２１Ｐにより風を受け止めることができる。言い換えると、順風領域における翼部２０が風を受け止める面積が大きくなり、順風領域において翼部２０において発生する抗力が大きくなる。その結果、風車１を回転させる力が大きくなる。
【００５５】
上記の構成によれば、翼部２０が順風領域を公転移動する際には、受風翼２１における後縁２１Ｔ側が風により規制部３１に押し付けられ、受風翼２１の正圧面２１Ｐが風を受け止める。受風翼２１には風を受け止めたことによる抗力が働き、この抗力によって翼部２０が公転し、回転軸１０を回転させることができる。また、翼部２０が、順風領域から逆風領域に移動すると、翼部２０は、受風翼２１における後縁２１Ｔ側が、風によって規制部３１から離れる方向に押されて自転する。その後、翼部２０が逆風領域を公転移動する際には、受風翼２１は風を受けることにより揚力を発生し、この揚力により翼部２０が公転し、回転軸１０を回転させることができる。その結果、本実施形態の風車１は、エネルギを損失させる摩擦が働く摺動面を設けることなく、抗力および揚力を利用して回転することができるため、風力エネルギから回転エネルギへの変換効率向上を図ることができる。
【００５６】
受風翼２１における後縁２１Ｔから前縁２１Ｌを結ぶ直線である翼弦を前縁２１Ｌ側に延ばした位置に案内翼２２を配置することにより、翼部２０が順風領域を公転移動する際、受風翼２１および案内翼２２の両者によって風を受け止めることができる。そのため、例えば受風翼２１のみで風を受け止める場合と比較して、翼部２０において発生する抗力が大きくなる。
【００５７】
さらに、受風翼２１と案内翼２２との間に風が通り抜ける空間２４を設けることにより、風上に位置する翼部２０によって風下に位置する翼部２０に対する風が完全に遮られることがなくなる。言い換えると、順風領域における風上に配置された翼部２０における空間２４を通り抜けた風は、風下側に位置する翼部２０により受け止められる。つまり、風下側に配置された翼部２０においても、受風翼２１は風により規制部３１に押し付けられるため、翼部２０の姿勢を安定させることができる。
【００５８】
その一方で、翼部２０が逆風領域を公転移動している際には、案内翼２２は受風翼２１の前縁２１Ｌ側（風上側）に配置されているため、受風翼２１に邪魔されることなく安定して風を受けることができ、受風翼２１における風に対する姿勢を安定させることができる。ここで、受風翼２１の風に対する姿勢は、案内翼２２において風を受けることにより発生する力と案内翼２２の空力中心から自転軸２５までの距離の積と、受風翼２１において風を受けることにより発生する力と受風翼２１の空力中心から自転軸２５までの距離の積によって定まる。
【００５９】
なお、上述の実施形態では、順風領域で翼部２０に発生する力は主に抗力である場合について説明したが、後述する風車１の構成では、順風領域の一部において翼部２０に揚力が発生し、発生した揚力は風車１の回転に寄与する。
【００６０】
つまり、順風領域において受風翼２１の後縁２１Ｔと、回転軸１０との間の間隔を、風が通り抜けるのに十分な間隔とすることで、順風領域の最初と最後の領域で、受風翼２１に沿った風の流れを形成することができ、風車１の回転方向に働く揚力を受風翼２１が発生させることができる。より具体的には、回転軸１０から風上に向かう方向を０°とし、風車１の回転方向に角度が増加する場合において、順風領域の最初である０°から３０°程度の領域では、風は受風翼２１の前縁２１Ｌから後縁２１Ｔに向かって、受風翼２１の周囲を受風翼２１に沿って流れ、受風翼２１には揚力が発生する。また、順風領域の最後である１００°から１７０°程度の領域では、風は受風翼２１の後縁２１Ｔから前縁２１Ｌに向かって、受風翼２１の周囲を受風翼２１に沿って流れ、受風翼２１には揚力が発生する。
【符号の説明】
【００６１】
１…風車、１０…回転軸、２０…翼部（翼）、３０…フレーム板（支持部）、２１…受風翼、２２…案内翼、３１…規制部
【要約】
【課題】風力エネルギから回転エネルギへの変換効率向上を図ることができる風車を提供する。
【解決手段】風向きに対して交差する方向に延びて回転可能に配置された回転軸１０と、回転軸１０を中心とする円周上に等間隔に並んで配置された翼２０と、風を受けた翼２０において発生した力を、回転駆動力として回転軸１０に伝える支持部３０とを有し、翼２０は、回転軸１０の回転とともに公転移動が可能に支持され、かつ、自転可能に支持されている。翼２０が順風領域を公転移動する際には、翼２０は規制部３２Ａに押し付けられ、受風翼２１には風を受け止めたことによる抗力が働く。翼２０が逆風領域を公転移動する際には、翼２０は風を受けて揚力が発生する。これら翼２０に発生する抗力および揚力によって、回転軸２０は回転駆動される。
【選択図】  図３【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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