(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側面において、回転方向の前部を縦軸風車の回転体に、遠心部に重錘を有する支持アームを介して固定される受風羽根であって、平面で前部の板厚が厚く後方へ次第に薄く設定され、弾性繊維強化樹脂で成形され、該弾性繊維強化樹脂のマトリックスは、樹脂単体が不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂の中から、常温での引張伸率が、破断時に３５％以上になるよう選定して組合わされ、繊維強化材は、無機繊維と有機繊維の混合体であり、この複合材の引張伸率が、破断時に３０％以上になるよう選定されていること、を特徴とする風車用風受羽根。
【請求項２】
側面において、回転方向の前部を縦軸風車の回転体に固定する受風羽根であって、平面で前部の板厚が厚く後方へ次第に薄く設定され、弾性繊維強化樹脂で成形され、該弾性繊維強化樹脂のマトリックスは、樹脂単体が不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂の中から、常温での引張伸率が、破断時に３５％以上になるよう選定して組合わされ、繊維強化材は、無機繊維と有機繊維の混合体であり、この複合材の引張伸率が、破断時に３０％以上になるよう選定されている風受羽根が、回転主体の外周部に、定間隔で複数が垂直に配設され、該回転主体は垂直主軸上縁部に装着され、かつ遠心部に重錘を有していることを特徴とする風車。
【請求項３】
前記縦軸風車の回転主体は、軸部で垂直に支持された主軸の上縁に、水平回転自在に配設され、軸部から放射方向に配設された複数の支持アームの先端部に、回転慣性を高める重錘が装着され、その上下に円板状の上下被体が被着され、回転主体の周部に沿って風受羽根が複数、定間隔に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の風車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、風車並びに風受羽根に係り、特に垂直主軸に装着された回転主体の、遠心部に配設された風受羽根が、向かい風に対しては、風によって屈曲可能状に構成されていて、風の抵抗が低減され、追い風に対しては、広い面積の受風部分が主軸から最も遠い位置に移動して、受風力を最大にすることができる風車に係り、これら風受羽根の変化が、風速と回転主体の回転速度との間のバランスによって、自然にベストバランスに設定されるように構成された、産業動力用の風車に適した風車、並びに風受羽根に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、風車は、縦軸と横軸とがある。風のエネルギー回収率は、縦軸で約３５％、横軸で約４５％といわれており、必然的に横軸風車が主流になっている。
しかし横軸風車は、風の向きに対向しなければ、回転効率が落ちるという難点がある。また縦軸風車は、主軸の片側の羽根は、向かい風による抵抗を受けるという難点がある。
【０００３】
本願発明者は、梃子の原理と、フライホイルの回転慣性との利用により、風力回収率の高い垂直軸の風車（例えば特願２００１−３９７７５１号、特願２００１−０１３４６７号、特願２００２−０３７３０９号、２００２−５５２６８号、２００２−１０９５６７号等）を開発した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記垂直軸の風車も、回転慣性の高まりに伴って、風受羽根が、向かい風に対して抵抗となって、回転にマイナスとなることもあることから、風受羽根の形状について検討をする必要がある。また、風受羽根は、形状並びに取付位置が固定されているので、特定の位置で特定の向きに設定されている場合、風力の変化、回転速度の変化に適合することができない。
【０００５】
この発明は、向かい風に対しては、風の抵抗が軽減され、追い風に対しては、受風力を最大にすることができるように、風受羽根の位置、形状が自然に変化し、風速と回転主体の回転速度との間のバランスによって、自然にベストバランスに設定されるように構成された、産業動力用の風車に適した風車、並びに風受羽根を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記課題を解決するために、次のような技術的手段を講じた。
すなわち、垂直主軸に、風受羽根を有する回転主体が配設され、回転主体に垂直主軸を覆うカバーを設けることによって、通過する風の一定密度に抵抗を与える。風は同じ密度で流れようとし、抵抗物（カバー）の周囲を加速して通過する。
【０００７】
この抵抗物を避けて周囲へ加速して通過する風を、抵抗物を利用して風受羽根に誘導して、密度の濃い、加速された風を風受羽根に受けて回転効率アップを図る。カバーの外周部に風受羽根を配設することによって、垂直主軸からより遠くに風受羽根を配設しても、強度を維持できる。また垂直主軸からより遠くに風受羽根があることによって、微弱な風力で大きな回転力を得ることが出来る。
【０００８】
また、この発明においては、風受羽根が弾性的に形成されているため、形状を風力により変化させ、あるいは、風力により位置を変化させるように構成した。
回転主体の回転速度が、風速より著しく遅いときは、風受羽根は風によって最大径に広がり、回転主体の速度が加速されて風速に追いついた時は、風受羽根の位置する回転径は、風の抵抗をうけて小さくなり、自然に風速と回転主体の回転速度のバランスのとれる回転径となる。
【０００９】
風速が回転主体の回転速度より低下したときは、風の影響を受けずに風受羽根の回転径は最小になる。また回転主体の回転速度より風速が大きくなると、その差分、風受羽根の回転径が風によって広がり、風速と回転主体の回転速度のバランスが自然に取れて、風受羽根の位置移動と、風受羽根の形状変化が風によって自然にコントロールされ、間断なく変化する風のエネルギーを最大限に効率良く受けることが出来る。
【００１０】
また、強風のときは、停止した状態で風受羽根は風に靡き、受風面積を最小として、破壊を防ぐことができる。
この発明の具体的な内容は次の通りである。
【００１１】
（１）  側面において、回転方向の前部を縦軸風車の回転体に、遠心部に重錘を有する支持アームを介して固定される受風羽根であって、平面で前部の板厚が厚く後方へ次第に薄く設定され、弾性繊維強化樹脂で成形され、該弾性繊維強化樹脂のマトリックスは、樹脂単体が不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂の中から、常温での引張伸率が、破断時に３５％以上になるよう選定して組合わされ、繊維強化材は、無機繊維と有機繊維の混合体であり、この複合材の引張伸率が、破断時に３０％以上になるよう選定されている、風車用風受羽根。
【００１２】
（２） 側面において、回転方向の前部を縦軸風車の回転体に固定する受風羽根であって、平面で前部の板厚が厚く後方へ次第に薄く設定され、弾性繊維強化樹脂で成形され、該弾性繊維強化樹脂のマトリックスは、樹脂単体が不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂の中から、常温での引張伸率が、破断時に３５％以上になるよう選定して組合わされ、繊維強化材は、無機繊維と有機繊維の混合体であり、この複合材の引張伸率が、破断時に３０％以上になるよう選定されている風受羽根が、回転主体の外周部に、定間隔で複数が垂直に配設され、該回転主体は垂直主軸上縁部に装着され、かつ遠心部に重錘を有している風車。
【００１３】
（３）  前記縦軸風車の回転主体は、軸部で垂直に支持された主軸の上縁に、水平回転自在に配設され、軸部から放射方向に配設された複数の支持アームの先端部に、回転慣性を高める重錘が装着され、その上下に円板状の上下被体が被着され、回転主体の周部に沿って風受羽根が複数、定間隔に配設されている前記（２）に記載の風車。
【００１４】
【発明の実施の形態例】
この発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。図１は風車の要部平面図、図２は風車の要部縦断正面図、図３は風受羽根の右側面図である。
風車(1)の垂直主軸(2)に、回転主体(3)が水平に装着されている。該回転主体(3)は、例えば直径４メートルである。図１中符号(8)は軸受部、(9)は回転センサ、(10)は自動制御器、(11)は電磁ブレーキ、(12)は伝動手段である。
【００１５】
前記垂直主軸(2)は、下端部に細径部(2a)が形成されて、該細径部(2a)は下軸受(8a)で支持されている。また垂直主軸(2)の中間部には、横揺れ防止のためのカラー(2b)が装着されて、該カラー(2b)部分は上軸受(8b)で支持されている。
該垂直主軸(2)の直径は、上部は例えば１０センチ、細径部(2a)は２センチに設定されている。すなわち、垂直主軸(2)に配設された回転主体(3)の荷重は、下軸受(8a)で支持されるため、接触摩擦抵抗を小さくすることができる。
【００１６】
前記回転主体(3)の軸部(3a)から放射方向へ、複数の支持アーム(3b)が配設されている。該各支持アーム(3b)の先端部に、環状の重錘(3c)が装着されて、軸部(3a)、支持アーム(3b)、環状の重錘(3c)とでフライホイルが構成されている。
【００１７】
前記重錘(3c)は、回転主体(3)の回転慣性を高めて、風速の強弱に対応して、安定した回転速度を維持させるためのものである。該重錘(3c)の重量は、例えば環状の重錘の直径４ｍ、５０ｋｇ〜２５０ｋｇの範囲で、回転主体(3)の半径、並びに風受羽根(7)の面積、枚数などに適合させて大きさや重量が調整される。
【００１８】
図中符号(4)は上被体、(5)は下被体である。上被体(4)は中央部を膨出させて勾配を高くし、下被体(5)よりも、表面積が広くなるように、直径方向の表面長さが約５％〜６％長くなるように設定されている。
上被体(4)、下被体(5)共にＦＲＰ（繊維強化樹脂）の成形体で、上下別体で成形したものを、図示しないネジ止めなど任意の方法で固定する。
【００１９】
この回転主体(3)が、回転して風が当り、あるいは風を切ると、上被体(4)の上面長さが、下被体(5)長さより風流方向へ長いために、上被体(4)を通過する風流の方が、下被体(5)の下面を通過する風流よりも早くなり、上被体(4)上部が負圧になるので、回転主体(3)の下方(1)の常圧気流が、負圧になる上域に周りから廻り込んで上昇気流が生じる。
【００２０】
この上昇気流によって、回転主体(3)の高速回転時には、図１における左方の風受羽根(7)の内側で、上昇気流が生じるため、回転方向へ押す力が生じ、向かい風の抵抗が軽減される。
【００２１】
前記回転主体(3)の外周端部に、放射方向を向く複数（図では３個）の羽根支持体(6)を介して、複数の風受羽根(7)が配設されている。勿論風受羽根(7)は、回転主体(3)に直接装着することができる。
【００２２】
前記羽根支持体(6)は、縦断面が略、飛行機の翼状に形成されている。従って、この羽根支持体(6)が風を切るときは、羽根支持体(6)の上域は負圧となり、風受羽根(7)の後内側方に上昇気流が生じて、該上昇気流は風受羽根(7)を回転方向へ押す。
【００２３】
前記風受羽根(7)は、図３に右側面を示すように、例えば前後幅２ｍ、高さ２ｍで、弾性合成樹脂を使用したＦＲＰで形成されている。風受羽根(7)の形状は、側面で前部の細い略三角形に後広がりに形成されている。図３においては、側面で上下対称形が示されているが、上下で非対称形でもかまわない。
【００２４】
図３において、風受羽根(7)は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）で形成されている。マトリックスとしては、弾性熱硬化性樹脂、例えば不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂の中から選択される。その樹脂単体は、常温での引張伸率が、破断時に３５％以上である。
【００２５】
前記弾性熱硬化性樹脂の配合率は、常温での引張伸率が、破断時に３５％以上となる範囲で適宜組合わせることができる。
この樹脂の硬化は、硬化促進剤複種類と硬化剤複種類との組合わせで、常温加熱硬化が可能である。
【００２６】
使用される繊維強化材として、無機繊維、例えばガラス繊維、金属繊維からなるマット、一方向材、織物など。有機繊維として、例えばビニロン、ナイロン、ポリエステル、ポリエチレン、など伸びる繊維である。これら複合材の引張伸率は、破断時に３０％以上備えている。
【００２７】
前記無機繊維と有機繊維の割合は、無機繊維３０重量％〜５０重量％、有機繊維は５０重量％〜７０重量％の範囲で選択される。ただし、骨部分、屈曲部など部分的には無機繊維を５０重量％〜７０重量％の割合とすることが出来る。
【００２８】
前記有機繊維は、単体よりは２種以上の混合体の方が、それぞれの持つ欠点をカバーすることが出来る。従ってそれぞれ２５重量％〜５０重量％の範囲で、組合わせることが出来る。この伸びる繊維の選択によって、羽根成形体の弾力性、屈曲性がより向上した。
【００２９】
前記風受羽根(7)は、側面において、基体(7a)の前上下部から、支持骨(7b)がそれぞれ後方上下斜方へ突出され、該上下支持骨(7b)間に、膜状の受風膜板(7c)が形成されて、全体として魚尾鰭状に形成されている。勿論、鮫尾鰭状、泥鰌尾鰭状、扇面状、団扇状でもかまわない。
【００３０】
前記支持骨(7b)は、上下支持骨(7b)の中間に複数本、配設することができる。また風受羽根(7)は、全体として、先端に向かって細く構成している。これによって、先端部がしなやかになり、向かい風による撓みと、追い風に対応する屈曲の切り返しが容易になる。
【００３１】
前記支持骨(7b)は、基端部は上下幅があり、途中から先端部へかけて細く設定されている。従って、風受羽根(7)は、前後の中程から後方は、魚の尾鰭のように柔軟性を有し、風によって屈曲ができるように弾性的に設定されている。
【００３２】
また、支持骨(7b)は弾性と柔軟性があるために、風受羽根(7)に風を横から受けると、上下支持骨(7b)の先端部が内方に撓み、受風膜板(7c)が帆船の帆のように風をはらんで、回転主体(3)に回転力を付与する。
【００３３】
該支持骨(7b)は、例えば鋼材、繊維強化材を使用して、あらかじめ成形したものを使用してもよいし、一体成形で成形してもよい。
この場合、羽根支持体(6)は、風受羽根(7)の芯体(7a)と、一体成形で形成することが出来る。
【００３４】
前記風受羽根(7)の基体(7a)を、前記羽根支持体(6)の先端部に固定する。風受羽根(7)は、図１においては、平面において、回転主体(3)周面の接線に対して、約１５度の傾斜角度で後部が外方へ出て固定されている。
【００３５】
この回転主体(3)に対する風受羽根(7)の取付角度は、回転主体(3)の接線に対して０度〜９０度の範囲で設定することができるが、９０度に近い場合は、向かい風の抵抗、並びに空気との摩擦抵抗が大きくなるので、風受羽根(7)の屈曲性、並びに受風面積等からは１０度〜２０度の範囲が好ましい。
【００３６】
前記のように構成された風車(1)は、垂直主軸(2)なので、全方向の風に対応することができる。
また、向かい風の抵抗を受ける総風受羽根(7)の総面積より、回転力を受ける総風受羽根(7)の総面積の方が広いので、回転方向性が固定される。
【００３７】
図１において、Ａ矢示の風が吹いている時、手前の風受羽根(7)には、全面に風を受け、かつ風受羽根(7)の後部を風が斜めに通過して、これを押すので、回転方向への回転推進力が得られる。
【００３８】
図１における右方の風受羽根(7)に当る風は、風受羽根(7)の外面、次いで内面を押して回転力を与える。
また、回転主体(3)の上下を通過する風は、上下被体(4)(5)の傾斜面を、側方に方向を変えて通過するため、風受羽根(7)の後内側面を押す力となる。
【００３９】
図１における左方の風受羽根(7)に対しては、風速が低いときは、風受羽根(7)の後部が、風で内方へ撓むので、向かい風の抵抗を軽減させることができる。
風速が早くなると、回転主体(3)にフライホイルによる回転慣性が高まり、回転主体(3)の上下を通過する風が、飛行機の翼と同様に下面に当る気流よりも上面に当る気流の方が速度が早くなり、空気密度が薄く負圧になるため、下域の常圧気流が負圧の方へ移動して上昇気流を生じさせて、遠心方へ移動し、風受羽根(7)の後内側面を外側に押すことから、向かい風の抵抗を消化しながら、回転方向へ回転主体(3)を回転させる力が得られる。
【００４０】
図１において、回転主体(3)が３０度右に回転したとき、手前左右に移動した風受羽根(7)は、全面に風を受けて大きな回転力が得られる。また左方から前部に移動した風受羽根(7)は、後端部を撓ませながら右に押される。
【００４１】
前記自動制御器(10)には、あらかじめ必要な制御データを入力させておく。風車(1)を風の通る場所に設定して、回転主体(3)が回転するとき、回転センサ(9)が垂直主軸(2)の回転速度を検知して、検知信号を自動制御器(10)に入力する。
【００４２】
回転主体(3)の回転数が、設定された回転数を越えたことを検知した、回転センサ(9)からの信号が、自動制御器(10)に入力されたときは、自動制御器(10)はブレーキ信号を出力して、電磁ブレーキ(11)を作動させ、数分停止後、これを開放して、これを繰返して、回転数を所定の回転数の範囲内に維持させる。
【００４３】
台風時には、所定回転数を越えると、定時的に回転を停止させる。これによって、回転主体(3)は回転しないので、重錘(3c)による回転慣性が生じず、風受羽根(7)に対する風圧は、風受羽根(7)の受風膜板(7c)の弾性的な靡きによって回避される。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明は、次のような優れた効果を有している。
【００４５】
（１）   請求項１に記載された発明の風車用風受羽根は、前部よりも後部が板厚が薄く、回転時に風によって後部が屈曲可能なので、向かい風における抵抗を軽減させる。常温での引張伸率が、破断時に３０％以上となり、全体として、弾性があり、風に靡いて撓み、また数次にわたる屈曲に対しても折損が生じにくく、耐久性に優れているという効果がある。
【００４６】
（２）請求項２に記載された発明の風車は、回転体の遠心部に重錘を有しているので、これが回転すると、回転慣性が高まり、向かい風の抵抗を消化しながら、回転方向へ回転主体を回転させる。風受羽根は、羽根の材質が特殊なので、全体として、弾性があり、回転時に風によって板厚の薄い後部が強風に靡いて撓み、向かい風の対向を減少させる。常温での引張伸率が、破断時に３０％以上となり、数次にわたる屈曲に対しても折損が生じにくく、耐久性に優れているという効果がある。
【００４７】
（３）  請求項３に記載された発明の風車は、回転主体が、軸部から放射方向に配設された支持アームの先端部に、回転慣性を高める重錘が装着され、その上下に上下被体が被着されているので、回転主体は回転に伴い回転慣性が生じて、風の強弱に対して、安定した回転を維持させることができる効果がある。
また上下被体があるため、回転する上下被体に当って通過する風を、風受羽根に当てて推進力にさせることができる効果がある。また羽根は、回転方向に向く前部の板厚が厚く、後方へ次第に薄く形成されているので、羽根の後部は強い風によって撓み易く、向かい風の抵抗を減少させることができる。
【００４８】
【図面の簡単な説明】
【図１】      風車の要部平面図である。
【図２】      風車の要部縦断正面図である。
【図３】      風受羽根の側面図である。
【符号の説明】
(1)風車
(2)垂直主軸
(2a)細径部
(3)回転主体
(3a)軸部
(3b)支持アーム
(3c)環状の重錘
(4)上被体
(5)下被体
(6)羽根支持体
(7)風受羽根
(7a)芯体
(7b)支持骨
(7c)受風膜板
(8)軸受部
(8a)下軸受
(8b)上軸受
(9)回転センサ
(10)自動制御器
(11)電磁ブレ−キ
(12)伝動手段
【図１】
0004457547.tif 000002
【図２】
0004457547.tif 000003
【図３】
0004457547.tif 000004