(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼の下面であって、翼後縁を基点とし翼前縁に向けて形成した空間からなる凹部と、
当該凹部と翼の上面とが相互に連通する開口部と、
を備えており、
前記開口部の、翼幅方向への寸法の総和を翼幅に対し６０％以下とし、
且つ前記開口部の、翼弦方向への寸法を翼弦長に対し１％としたことを特徴とするジャイロミル型風車用の翼。
【請求項２】
請求項１に記載したジャイロミル型風車用の翼において、
翼の下面に形成した凹部の翼端部分からの気流の流出を防ぐべく、前記当該凹部の翼端部分を塞ぐ翼端板を設けたことを特徴とするジャイロミル型風車用の翼。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載したジャイロミル型風車用の翼において、
翼の下面に形成した凹部を翼幅方向に区画するための仕切板を、当該凹部内に立設したことを特徴とするジャイロミル型風車用の翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジャイロミル型風車用の翼及び此に用いた風車に関し、特に、低い風速で自己起動し、高い回転トルクを生み出すジャイロミル型風車用の翼及び此に用いた風車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
先進諸国のエネルギー源が石炭から石油へと転換されて以降、石油利権を巡って大小様々な争いが繰り返されてきたことは、これまでの歴史が物語っている。化石燃料枯渇への不安が高まる昨今、石油エネルギーへの依存度を減らし、此に代替する（此を補う）エネルギー源へとシフトする必要性が益々高まっている。
【０００３】
石油エネルギーを代替し（補い）得るものとして、最近、特に「風力」の利用が見直されている。何故なら「風」は、太陽エネルギーにより地球上の空気が熱せられることによって無尽蔵に生み出されるものであり、特定人に利用が独占されることもなく、誰もが永続的に利用し得るものだからである。
【０００４】
上記「風」をエネルギーへと変換する「風車」に関しては、有史以来、様々な方式・形態のものが提案されてきたが、大別すると、「水平軸風車」と「垂直軸風車」とに区分することができる。
【０００５】
まず「水平軸風車」（特に、「プロペラ型風車」）は、風を回転エネルギー（電気エネルギー）に変換する効率が高いという利点を有している。しかし乍ら当該方式の風車は、大径の回転翼を高速で回転させる構造上、当該風車の周囲に広い空間を確保する必要があり、また、回転翼を回転させるためにはその正面から風を受ける必要があり、更に、自己起動させるためには高い風速が必要であると共に、回転時には非常に大きな風切り音を伴うことから、その設置場所は、常時ある程度の風量を確保でき風向きも安定している海岸付近や、山々の稜線付近に限定され、風量・風向きが安定しない住宅地等に設置するのは大きな障壁を伴うものであった。
【０００６】
一方「垂直軸風車」は、風を回転エネルギー（電気エネルギー）に変換する効率は上記水平軸風車ほどではないにしても、風向きに制限されることなく全方位からの風を回転エネルギーへと変換することができ、また、自己起動に際しては上記水平軸風車ほど高い風速を要しないため、風量・風向きが安定しない住宅地等でも設置可能である。
【０００７】
この点、特に「ジャイロミル型風車」は、複数の翼（ブレード）どうしを略平行状態に対向させて配置するため回転翼の直径が小径となり、狭いスペースでも設置することができる。また、比較的低い風速でも自己起動すると共に、作動時の騒音は極めて小さいという利点がある。このように当該「ジャイロミル型風車」は、住宅地等へ設置して発電に用いるのに特に好都合である。
【０００８】
この「ジャイロミル型風車」に関しては、特許文献１或いは特許文献２に記載の発明が従来より提案されている。これらの特許文献に各々記載された発明は、揚力を発生させる各ブレードの後縁に窪みを形成し、其処へ風を受けることによりサボニウス型風車の如く抗力を利用して、低い風速での自己起動を実現するものであり、非常に優れた発明といえる。
【０００９】
しかし乍ら、上記特許文献１に記載のブレードは、一枚の金属板を端面視「略つ字形状」に屈曲させると共に、その両端は開放された状態であるため、当該ブレード後縁側から風を受けた場合には、該ブレード両端の開放部から風を逃がしてしまい、充分な抗力を得られない虞がある。この点特許文献２に記載の発明においては、ブレード後縁の窪みの両サイドが翼端板により遮蔽されているため、上記文献１のような「開放部からの逃げ」という問題はないものの、当該窪みが高い風速の風を受けた場合、該窪み内が高圧となり、風が当該窪み内に入り込まず翼の下面上を流れてしまうため、一定値以上の抗力が得られない虞がある。
【特許文献１】特開２００５−３０７８５０号公報
【特許文献２】特開２００６−４６３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記諸問題に鑑みなされたものであり、その解決しようとする課題は、低い風速域でも自己起動することができ、あらゆる風速域で高い回転トルクを発生させるジャイロミル型風車用の翼及び此に用いた風車をシンプルな構成で提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決すべく本発明が採った手段は以下の通りである。
【００１２】
まず請求項１に係る発明のジャイロミル型風車用の翼１０は、当該翼１０の下面であって、翼後縁を基点とし翼前縁に向けて形成した空間からなる凹部１１と、当該凹部１１と翼１０の上面とが相互に連通する開口部１２と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
さらに請求項１に係る発明は、ジャイロミル型風車用の翼１０において、翼１０の下面に形成した凹部１１と翼１０の上面とが相互に連通する開口部１２の、翼幅方向への寸法の総和は、翼幅に対し６０％以下とし、当該開口部１２の、翼弦方向への寸法は、翼弦長に対し１％としたことを特徴とするものである。
【００１４】
また請求項２に係る発明は、請求項１に記載したジャイロミル型風車用の翼１０において、翼１０の下面に形成した凹部１１の翼端部分からの気流の流出を防ぐべく、前記当該凹部１１の翼端部分を塞ぐ翼端板１３を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
さらに請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載したジャイロミル型風車用の翼１０において、翼１０の下面に形成した凹部１１を翼幅方向に区画するための仕切板１４を、当該凹部１１内に立設したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
上記解決手段を採用したことにより得られる効果は以下の通りである。
【００１７】
まず請求項１に係る発明のジャイロミル型風車用の翼１０は、当該翼１０の下面であって、翼後縁を基点とし翼前縁に向けて形成した空間からなる「凹部１１」を有するため、当該凹部１１が翼後縁方向からの風を受けた場合には抗力を得ることとなる。そして、当該凹部１１と翼１０の上面とは「開口部１２」を介して相互に連通しているため、該凹部１１が高圧になり得る程度の高い風速の風を受けた際は、風の一部が前記開口部１２を通過して翼１０の上面へと抜けていくため、当該凹部１１内が高圧になることに起因して翼下面上を流れてしまうという現象（以下、「凹部１１上の上滑り」という）を解消でき、更なる抗力を得ることができる。そのため、本請求項に係る発明の翼１０を用いてジャイロミル型風車１００を構成し、翼後縁方向からの風を受けた場合には、低い風速域でも自己起動することができ、あらゆる風速域で当該風車１００の回転トルクの向上を図ることが可能となるのである。
【００１８】
また、当該翼１０が翼前縁方向からの風を受けた場合には、該翼１０の下面側を流れる風の一部が、前記開口部１２を通過して翼１０の上面へと抜けて当該上面側を流れる風と交わる（合流する）ので、該上面の流れ（気流）の剥離が防止されて、当該翼１０の揚力が増すこととなる。そのため、本請求項に係る発明の翼１０を用いてジャイロミル型風車１００を構成し、翼前縁方向からの風を受けた場合には、揚力が増して当該風車１００の回転トルクを向上させることとなるのである。
【００１９】
さらに請求項１に係る発明は、翼１０の下面に形成した凹部１１と翼１０の上面とが相互に連通する開口部１２の、翼幅方向への寸法の総和を、翼幅に対して６０％以下とし、当該開口部１２の、翼弦方向への寸法は、翼弦長に対し１％としたため、当該開口部１２から過大に風が抜けてしまうことに起因する回転トルクの減少を防止して、確実に、当該風車１００の回転トルクの向上を図ることが可能となるのである。
【００２０】
また請求項２に係る発明は、翼１０の下面に形成した凹部１１の翼端に翼端板１３を備えているため、当該凹部１１が翼後縁方向から受けた風を、翼端から逃がしてしまうことを防止できるので、確実に抗力を得ることができ、発生するトルクのバラツキを抑えることとなる。
【００２１】
さらに請求項３に係る発明は、翼１０の下面に形成した凹部１１を翼幅方向に区画するための仕切板１４を当該凹部１１内に立設しているため、当該凹部１１が翼後縁方向から受けた風を、該凹部１１の小さな区画ごとに受け止めることができるので、確実に抗力を得ることができるのである。また、当該仕切板１４が凹部１１内の風（気流）を整流するため、発生するトルクのバラツキを抑えることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、好適な実施形態（以下、「実施例１」とする）を示す図１乃至図７を用いて、本発明の技術思想を説明する。
【００２３】
まず図１及び図２は、実施例１に係る翼１０を用いて構成したジャイロミル型風車１００を示すものである。この風車１００は、３枚の翼１０（ブレード）を各々２本のアーム２０を介して出力軸３０に接続してなるものである。尚、上記図面に示す本実施例に係る翼１０はデータ収集を目的とした実験用（ミニ翼）であるため、実用化する際には更に翼幅が延ばされることとなる。
【００２４】
本発明において翼１０は、下面に凹部１１を有するものである。この凹部１１は、翼後縁を基点とし翼前縁に向け切り欠いて形成した空間からなるものである。この凹部１１の形状・大きさ如何により、当該翼１０の性能が変わることとなる。本実施例では、低い風速でも大きな揚力が得られる翼型「NACA6521」を採用し、翼弦長３０ｃｍ・翼幅４０ｃｍの寸法でＦＲＰ成形すると共に、図４に示すように当該翼１０の翼弦長の１５％を後縁から切り欠くことによって当該凹部１１を構成している。
【００２５】
図５に示すように、上記凹部１１における翼前縁側には開口部１２が穿設され、該凹部１１と翼１０の上面とが相互に連通している。この開口部１２は、上記凹部１１内に入り込んだ風の一部が翼１０の上面側へと抜けるものである。即ち、図６（ａ）に示すように、上記凹部１１が翼後縁方向からの風を受けて、当該凹部１１内が高圧になる程度の高い風速の風を受けた際は、風の一部が前記開口部１２を通過して翼１０の上面へと抜けることにより、当該凹部１１内が高圧になることに起因する「凹部１１上の上滑り」を解消して、更なる抗力を得ることが可能となる。また、図６（ｂ）に示すように、当該翼１０が翼前縁方向からの風を受けた場合には、該翼１０の下面側を流れる風の一部が、前記開口部１２を通過して翼１０の上面へと抜けて当該上面側を流れる風と交わる（合流する）ので、該上面の流れ（気流）の剥離が防止されて、当該翼１０の揚力が増すこととなるのである。本発明において当該開口部１２は、「穴状」、「スリット状」、「開口窓状」等々、その形態は特段限定されるものではないが、図表１（図８）が示す実験結果によれば以下の数値が導き出される。まず、翼弦方向の大きさを翼弦長の１％（３ｍｍ）で一定とした場合には、翼幅（４０ｃｍ）の６０％以下に相当する寸法（２４０ｍｍ以下）とし、好適には、翼幅（４０ｃｍ）の１０％に相当する寸法（４０ｍｍ）のスリットを採用するとよい。参考例として、翼幅方向の大きさを７０％（４０ｍｍ×７個）で一定とした場合には、翼弦長（３０ｃｍ）の１．５％以下に相当する幅寸法（４．５ｍｍ以下）とし、好適には、翼弦長（３０ｃｍ）の１％に相当する幅寸法（３ｍｍ）のスリットを採用するとよい。
【００２６】
また上記凹部１１は、図３に示すように、当該凹部１１の翼端に配置した翼端板１３に加え、内部を区画する仕切板１４を立設してもよい。翼端板１３を翼端に配置した場合には、当該凹部１１が翼後縁方向から受けた風を、翼端から逃がしてしまうことを防止できるため、確実に抗力を得ることができ、発生するトルクのバラツキを抑えることができるのである。一方、仕切板１４を当該凹部１１内に立設した場合には、当該凹部１１が翼後縁方向から受けた風を、該凹部１１の小さな区画ごとに受け止めることができるため、確実に抗力を得ることができるのである。また、当該仕切板１４が凹部１１内の風を整流するため、発生するトルクのバラツキを抑えることとなるのである。
【００２７】
続いて、上記実施例に係る翼１０の性能につき、計測データを用いて説明する。
以下の図表２（図９）乃至図表５（図１３）に示すデータは、本実施例に係る翼１０単体の性能を計測したものである。尚、それぞれの図表中「迎角α」(deg)とあるのは、図７に示すそれぞれの方位から風を当てたことを意味するものである。
【００２８】
図表２乃至図表５は、４種類のサンプルにつき計測して性能を比較したものである。４種類のサンプルとは、（１）翼型「NACA6521」をなす翼１０ａ、（２）翼１０ａに凹部１１を付加した翼１０ｂ、（３）翼１０ｂの翼端に翼端板１３を付加した翼１０ｃ、（４）翼１０ｃに開口部１２を付加した翼１０ｄである。尚、当該風車の回転トルク（ＣＴ：無次元量）は、揚力係数（Ｃｌ）、抗力（Ｃｄ）及び迎角（α）により次式で表すことができる。
ＣＴ＝Ｃｌ（α）sinα−Ｃｄ（α）cos(α)
この式から、風車の回転トルクを大きくするにあたり、先ず、「揚力係数」（Ｃｌ）については、迎角０°(deg)〜１８０°(deg)の範囲では大きく、迎角１８０°(deg)〜３６０°(deg)の範囲では小さくする方が良い。一方、「抗力係数」（Ｃｄ）については、迎角９０°(deg)〜２７０°(deg)の範囲では大きく、迎角０°(deg)〜９０°(deg)及び迎角２７０°(deg)〜３６０°(deg)の範囲では小さくする方が良い。
【００２９】
まず図表２は、上記サンプル（１）乃至（４）に対し、迎角０°(deg)〜３６０°(deg)の方向から同一風速の風を当てたことによって得られた揚力係数の数値を比較したものである。この図表２が示すように、迎角３０°(deg)〜９０°(deg)付近において、凹部１１を備えたサンプル（２），（３），（４）の揚力の向上が見られる。これは、風を受けた凹部１１内が高圧となり揚力が大きくなったためである。
【００３０】
更に、上記図表２が示すように、開口部１２を備えたサンプル（４）は、迎角１８０°(deg)〜２３０°(deg)付近では、翼の上面から下面へと開口部１２から空気が流れて当該下面の圧力が高くなり揚力が小さくなっている。更に、当該図表２における迎角１００°(deg)〜１９０°(deg)の範囲を拡大した図表３（図１０）が示すように、迎角１６０°(deg)〜１８０°(deg)付近において、飛躍的な揚力の向上が認められる。この迎角範囲においては、開口部１２を介して下面から上面へと気流が抜けて当該上面の気圧が高くなり揚力の低下が抑えられるためである。
【００３１】
また図表４（図１１）は、上記サンプル（１）乃至（４）の抗力係数の数値を比較したものである。この図表４が示すように、凹部１１が風を受けることにより、迎角９０°(deg)〜１５０°(deg)の範囲で抗力が大きくなっている。更に、当該図表４における迎角１６０°(deg)〜１８０°(deg)の範囲を拡大した図表５が示すように、迎角１６０°(deg)〜１７５°(deg)の範囲では、サンプル（２）及びサンプル（３）はサンプル（１）の数値を下回るまで低下してしまうが、本発明に係るサンプル（４）によれば、その数値の低下を改善して、高い抗力を得ることができるのである。
【００３２】
続いて図表６（図１３）は、上記サンプル（１）乃至（４）に係る翼１０ａ〜翼１０ｄを２本のアーム２０を介して出力軸３０に接続して構成した１枚翼風車１００に対し、迎角０°(deg)〜３６０°(deg)の方向から同一風速の風を当てたことによって得られた、回転トルクの数値（計算値）を比較したものである。この図表６が示すように、迎角のほぼ全域にわたり、開口部１２を備えたサンプル（４）の回転トルクが、サンプル（２）及びサンプル（３）のピーク値をトレースしている。これは、凹部１１に風が入り込むことに起因する、迎角３０°(deg)〜９０°(deg)の範囲での揚力向上（図表２参照）、及び、迎角１１５°(deg)〜１５０°(deg)の範囲での抗力向上（図表４参照）に加え、迎角２３０°(deg)〜２７０°(deg)の範囲では、開口部１２を備えたことにより高い回転トルクを得ることができる（図表６参照）ためである。
【００３３】
更に、上記サンプル（１）乃至（４）に係る翼１０ａ〜翼１０ｄを２本のアーム２０を介して出力軸３０に接続して構成した直径８０ｃｍの３枚翼風車１００に対し、風速８ｍ毎秒の風を当てたことによって得られた回転数（ｒｐｍ）を２０回計測して得られた平均値を示すと、サンプル（１）は２１８．７ｒｐｍ、サンプル（２）は２１２．２ｒｐｍ、サンプル（３）は２１８．３ｒｐｍ、そしてサンプル（４）は２１９．６ｒｐｍであった。即ち、サンプル（４）の風車の回転数は、従来の風車に比して約１％向上することとなる。回転数が向上するということは、当該風車を発電機に接続した場合に得られる電力量の向上も見込まれる。長期的に運用した場合には大きな差が生まれるのは自明である。また、上記実施例に係る翼１０ｄはデータ収集を目的とした実験用（ミニ翼）であるが、実用化する際には、その翼幅は４倍から５倍程度にまで延ばされることとなる。即ち、上記実施例は「ミニ翼」であるが故に、「開口部１２を設けたことによる効果」が、翼１０（ブレード）と出力軸３０とを結ぶ２本のアーム２０が受ける空気抵抗によって減殺されてしまう。しかし乍ら、実用モデルの如き大きな翼幅を備えた場合には「開口部１２を設けたことによる効果」も大きくなり、アーム２０が受ける空気抵抗が相対的に小さいものとなるのである。そのような条件の下、上記サンプル（１）乃至（４）に係る翼１０ａ〜翼１０ｄの翼幅を各々大きく構成して回転数を計測した場合には、本発明に係るサンプル（４）の優位性は更に明らかとなる。
【産業上の利用分野】
【００３４】
上記実施例では、低い風速でも大きな揚力が得られる「NACA6521」を採用しているが、本発明の技術思想は特段この翼型に限定されるものではない。即ち、本発明の上記作用が、翼に作用する圧力分布に起因することに鑑みれば、「NACA2412」や「NACA23012」等々をはじめとするあらゆる翼型に適用しても、上記と同様な効果が得られると予想される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例１に係る翼１０（ミニ翼）を用いて構成したジャイロミル型風車１００を斜め上方から示した図である。
【図２】図１に示すジャイロミル型風車１００の平面図である。
【図３】他の実施例に係る翼１０を斜め上方から示した図である。
【図４】実施例１に係る翼１０の翼断面を模式的に示した図であって、凹部１１の位置を示すものである。
【図５】実施例１に係る翼１０の翼断面を模式的に示した図であって、開口部１２の位置を示すものである。
【図６】（ａ）図４に模式的に示した翼１０が、その翼後縁方向から受けた風の流れを表した図である。（ｂ）図４に模式的に示した翼１０が、その翼前縁方向から受けた風の流れを表した図である。
【図７】翼１０単体の性能を計測する際、何れの方位から風を当てるかを示すものである。
【図８】開口部１２の好適な寸法比率の計測データを示す図表１である。
【図９】サンプル（１）乃至（４）に対し、迎角０°(deg)〜３６０°(deg)の方向から同一風速の風を当てたことによって得られた揚力係数の数値を比較した図表２である。
【図１０】図表２における迎角１００°(deg)〜１９０°(deg)の範囲を拡大して示した図表３である。
【図１１】サンプル（１）乃至（４）に対し、迎角９０°(deg)〜１８０°(deg)の方向から同一風速の風を当てたことによって得られた抗力の数値を比較した図表４である。
【図１２】図表４における迎角１６０°（deg）〜１８０°（deg）の範囲を拡大して示した図表５である。
【図１３】サンプル（１）乃至（４）の、迎角（α）毎に計測した揚力係数（Ｃｌ）、抗力（Ｃｄ）を用い、次式で回転トルク（ＣＴ：無次元量）を求め比較した図表６である。  ＣＴ＝Ｃｌ（α）sinα−Ｃｄ（α）cos(α)
【符号の説明】
【００３６】
１０      翼
１１      凹部
１２      開口部
１３      翼端板
１４      仕切板
２０      アーム
３０      出力軸
１００    ジャイロミル型風車
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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