(57)【要約】【課題】水平軸形と同等の制作費で変換効率及び耐久性に優れた垂直軸形風車を提供する。【解決手段】地面に垂直に立てられた公転軸２と、公転軸２を中心として旋回可能な複数のアーム４と、公転軸２と平行な支持軸６の回りに回転可能に各アーム４に取り付けられた羽根５と、追い風位置にあるときに羽根５を風に抵抗するように支持するリミッター７とを備えるものにおいて、羽根５が、水平方向に貫通した筒状をなし、必要に応じて尾翼８を有していることを特徴とし、発電機、コンプレッサー、揚水ポンプなどの動力源となりうる。【選択図】図３
2007146720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
公転軸と、公転軸を中心として旋回可能なアームと、公転軸と平行な支持軸の回りに回転可能にアームに取り付けられた羽根と、追い風位置にあるときに羽根を風に抵抗するように支持するリミッターとを備えるものにおいて、
羽根が、水平方向に貫通した筒状をなしていることを特徴とする垂直軸形風車。
【請求項２】
前記筒状が円筒状である請求項１に記載の風車。
【請求項３】
前記羽根が、同一の支持軸上に複数段積まれている請求項１に記載の風車。
【請求項４】
前記リミッターが、羽根もしくは羽根と共回りする支持軸に固定されて径方向の一方に突出した爪と、一端が支持軸よりも径方向内側でアームに固定されて他端が爪に係り合うストッパーと、ストッパーを介して爪に周方向に弾性復元力を付与する弾性体とからなり、この弾性復元力に勝る風圧が羽根に加わったときにストッパーと爪の係り合いが解けて羽根を解放する請求項１に記載の風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、垂直軸形風車、すなわち駆動軸（公転軸）が地面に対して垂直に立てられる風車に属する。
【背景技術】
【０００２】
風車は、形態上、駆動軸の方向により水平軸形と垂直軸形に大別される。水平軸形は、回転翼の回転面が風向きに垂直であるから、風向きの変わりやすい我が国の山間部に設置する場合は風向きに応じて風車を方向変換させる機構を具備する必要がある。従って、非効率的であり、故障しやすい。これに対して、垂直軸形は、始動が困難である始動時を除いて、水平面内のいずれの方向の風でも等しく作動する上に、出力を地表設備に取り込みやすい。そして、水平軸形に比べて原理的に劣る変換効率もジャイロミル形やダリウス形といった羽根の形状に工夫を施すことで向上させることができる。
【特許文献１】特開平６−１５９２２３
【特許文献２】特開２００５−７６６２４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、依然として垂直軸形は水平軸形に比べて変換効率に劣る上、羽根形状を複雑にするほど制作費が高くなる一方、羽根の強度が低下して故障しやすくなる。
それ故、この発明の課題は、水平軸形と同等の制作費で変換効率及び耐久性に優れた垂直軸形風車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
その課題を解決するために、この発明の垂直軸形風車は、
公転軸と、公転軸を中心として旋回可能なアームと、公転軸と平行な支持軸の回りに回転可能にアームに取り付けられた羽根と、追い風位置にあるときに羽根を風に抵抗するように支持するリミッターとを備えるものにおいて、
羽根が、水平方向に貫通した筒状をなしていることを特徴とする。この明細書において筒状とは、円筒に限らず、楕円筒、四角筒、多角筒及びこれらを縦割りして上下もしくは旋回方向前後に対向配置させた形状を含む。
【０００５】
この発明の風車によれば、羽根が水平方向に貫通した筒状をなしているので、図１に平面図として示すように羽根の外周面Ｏと内周面Ｉとで風を受けることができ、羽根の対角線が風向きと直交するときに受風面積が最大となる。従って、アームが１旋回するうち追い風に対して鋭角の位置ｐにあるときと鈍角の位置ｑにあるときの２度受風面積が最大となり、その前後の範囲を旋回中も筒の半周面積よりも大きい面積で風を受ける。一方、向かい風のときは羽根の貫通方向と風向きが一致するように羽根が方向転換する。従って、風に抵抗することなく旋回する。その結果、風力を優れた効率で回転力に変換する。また、羽根が筒状をなすことから、破損しにくい。尚、リミッターは、羽根やアームと一体であってもよいし、別体であってもよい。
【０００６】
前記筒状が円筒状であるときは、異物の衝突などの衝撃が局部的に加わっても衝撃力が周方向に分散されるので、一層破損しにくくて好ましい。
前記羽根が、各アームに複数個、例えば同一の支持軸上に複数段積まれていてもよく、こうすることでより大きな駆動力を得ることができる。
前記リミッターとしては、羽根もしくは羽根と共回りする支持軸に固定されて径方向の一方に突出した爪と、一端が支持軸よりも径方向内側でアームに固定されて他端が爪に係り合うストッパーと、ストッパーを介して爪に周方向に弾性復元力を付与する弾性体とからなるものが挙げられる。これにより、通常の風速の場合は、追い風位置にあるときストッパーが爪と係り合って羽根の方向転換を阻止し、風力を受ける。そして、強風によりこの弾性復元力に勝る風圧が羽根に加わったときにストッパーと爪の係り合いが解けて羽根を解放するので、抵抗が低下しアームや公転軸の破損を防ぐことができる。
【発明の効果】
【０００７】
変換効率及び耐久性に優れた垂直軸形風車であることから、我が国の山間部のように風向の変わりやすい地域で長期間使用することができ、環境を汚染することなくエネルギー源を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
−実施形態１−
この発明の実施形態を図面とともに説明する。図２は実施形態１の垂直軸形風車（以下、単に「風車」という。）を示す平面図、図３は同じく正面図である。
風車１は、地表に固定された公転軸２と、公転軸２に図略の軸受けを介して回転可能に取り付けられたボス３と、ボス３より放射状に延びる６本のアーム４と、羽根５とを備える。アーム４は、矢印のように紙面上方から風を受けたとき、反時計回りに旋回するものとする。また、アーム４及び羽根５の位相は、公転軸２を中心として風上方向を０ラジアン（０°）、風下方向をπラジアン（１８０°）とする。以下の実施形態も同様である。
【０００９】
羽根５は、水平に寝かされた円筒状をなし、貫通方向の中央で公転軸２と平行な支持軸６によって支持されている。支持軸６はアーム４の先端付近に回転可能に取り付けられている。羽根５は、旋回方向前方の半周面におけるアーム４と同じ高さ位置に公転軸２側端部より貫通方向に切り込まれたスリット５ａを有し、公転軸２側端部の上に尾翼８を有する。スリット５ａの公転軸２方向の幅はアーム４の幅よりも大きい。また、アーム４の旋回方向後面には、羽根５の公転軸２側端部と対応する位置にリミッター７が突出するように固定されている。
【００１０】
この風車によれば、羽根５が追い風位置（図２における左半分の位置）にあるとき、風に対向する外周面全体及び内周面の一部、即ち平面視で羽根５の貫通方向長さよりも長い対角幅の面積で風を受ける。また、尾翼８も一方の主面で風を受ける。従って、羽根５が時計方向に回転しようとし、これをリミッター７が阻止する。その結果、追い風位置にある６つの羽根５が受けた風力は、公転軸２を反時計方向に回転させる力に変換される。
【００１１】
一方、羽根５の位相がπラジアンを過ぎると、尾翼８が反対側の主面で風を受ける。従って、羽根５が反時計方向に反転する。この間、羽根５に対するアーム４の相対軌道上にスリット５ａが存在するので、一定の回転角範囲までは羽根５はアーム４と干渉することなく回転し、スリット５ａの底５ｂとアーム４が当たった時点で回転が止まる。底５ｂがもう一つのリミッターとして機能するのである。その結果、羽根５の貫通方向と風向きとが一致し、風は羽根５を通り抜ける。よって、向かい風位置にある羽根５が風に対して抵抗とならず、風力を効率よく回転力に変換することができる。
【００１２】
変換された回転力は、ボス３の下部にボス３と同心円をなすように固定された大きい平歯車９ａ、これと噛み合う小さい平歯車９ｂ、平歯車９ｂと同軸で地表近くに設けられた大きい傘歯車９ｃ、及びこれと噛み合う小さい傘歯車９ｄによって水平軸に伝達される。
【００１３】
−実施形態２−
図４は実施形態２に係る垂直軸形風車を示す正面図である。この実施形態では各アーム４に対して羽根５、５’、５”が上下方向に３つ積み重ねられており、上羽根５’の上面と下羽根５”の下面にそれぞれ尾翼８、８’が取り付けられている。その他の構成は、実施形態１と同様である。風車１１全体の質量が大きくなるが、大きい回転力が得られる。
【００１４】
−実施形態３−
図５は実施形態３に係る垂直軸形風車を示す正面図、図６（ａ）は図５のＡ部拡大図、図６（ｂ）はそれに対応する部分の平面図である。この実施形態では実施形態１におけるスリット５ａに代えて、旋回方向前方と後方にスリット１５ａ、１５ｂが羽根１５の貫通方向一端から他端に至るまで切り込まれている。そして、図６（ｂ）に示すように支持軸１６に径方向の一方に突出した爪１７が固定されている。
【００１５】
また、アーム１４の旋回方向前面にアーム１４よりも細い板状のストッパー２７の一端がボルト７ａ及びナット７ｂにて固定されている。ストッパー２７の自由端はやや上方に突きだしており、その突き出し部分が爪１７と係り合っている。そして、自由端よりやや固定端側の位置に孔が開けられていて、そこにボルト７ｃが通されている。ボルト７ｃはアーム１４を貫通しており、これによりストッパー２７の自由端の鉛直方向の動きが規制されている。ボルト７ｃには圧縮コイルバネ３７が嵌合されている。バネ３７は、ボルト７ｃの先端に固定されたナット７ｄを基点としてストッパー２７の自由端を弾性復元力によりアーム１４に押しつけている。
【００１６】
これにより、通常の風速の場合は、追い風位置にあるときストッパー２７が爪１７と係り合って羽根１５の方向転換を阻止し、風力を受ける。そして、台風時などの強風によりバネ３７の弾性復元力に勝る風圧が羽根１５に加わったとき、図６（ｂ）に仮想線で示すように爪１７がその弾性復元力に抗してストッパー２７の自由端を旋回方向前方に押しやる。そして、ストッパー２７と爪１７の係り合いが解けて羽根１５の回転を自由にする。その結果、抵抗が低下しアーム１４や公転軸２の破損を防ぐことができる。
【００１７】
−実施形態４−
図７は実施形態４に係る垂直軸形風車を示す正面図である。この実施形態の風車３１では各アームに対して羽根が２つ積み重ねられている。そして、実施形態３と同様に爪及びストッパーが設けられている。従って、実施形態３よりも大きな回転力を得ることができるとともに、実施形態２よりも安全である。
−実施形態５−
以上の実施形態では、いずれも羽根の自転時期を制御するために尾翼を設けていたが、尾翼に代えて、支持軸に対する羽根の貫通方向の位置を公転軸寄りにずらすようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
発電機、コンプレッサー、揚水ポンプなどの動力源となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の作用を示すための羽根の平面図である。
【図２】実施形態１に係る垂直軸形風車を示す平面図である。
【図３】同じく正面図である。
【図４】実施形態２に係る垂直軸形風車を示す正面図である。
【図５】実施形態３に係る垂直軸形風車を示す平面図である。
【図６】（ａ）は図５のＡ部拡大図、（ｂ）はＡ部に対応する部分の拡大平面図である。
【図７】実施形態４に係る垂直軸形風車を示す正面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１，１１，２１，３１  垂直軸形風車
２  公転軸
３  ボス
４  アーム
５  羽根
６  支持軸
７  リミッター
８  尾翼
【図１】
2007146720.tif 000003
【図２】
2007146720.tif 000004
【図３】
2007146720.tif 000005
【図４】
2007146720.tif 000006
【図５】
2007146720.tif 000007
【図６】
2007146720.tif 000008
【図７】
2007146720.tif 000009