(57)【要約】      （修正有）【課題】風車自体をシンプルな構造として、信頼性の高い風車を実現する。【解決手段】公転軸２と、該公転軸の周りに上下１対として複数対固定された軸支杆３ａ，３ｂと、上下１対の軸支杆に風車ブレード軸を介して回転自在に支持された複数枚の風車ブレード５と、を有する風車における、風車ブレードの制御方法であって、前記風車ブレード軸に設けたブレーキ兼クラッチ６にて、強風乃至暴風時以外の時に、前記公転軸の１回転ごとに前記複数枚の風車ブレードの各々に対し前記ブレーキ兼クラッチの上歯の歯先が下歯の溝内から外れない範囲で、少なくとも２回のブレーキオフを行うことにより前記風車ブレードの角度を調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
公転軸と、該公転軸の周りに上下１対として複数対固定された軸支杆と、上下１対の軸支杆に風車ブレード軸を介して回転自在に支持された複数枚の風車ブレードと、を有する風車における、風車ブレードの制御方法であって、前記風車ブレード軸に設けたブレーキ兼クラッチにて、強風乃至暴風時以外の時に、前記公転軸の１回転ごとに前記複数枚の風車ブレードの各々に対し前記ブレーキ兼クラッチの上歯の歯先が下歯の溝内から外れない範囲で、少なくとも２回のブレーキオフを行うことにより前記風車ブレードの角度を調整することを特徴とする、風車ブレードの制御方法。
【請求項２】
前記軸支杆に設けたエアシリンダにて、強風乃至暴風時に、前記ブレーキ兼クラッチの上歯と下歯の結合を外すことにより、前記風車ブレードの回転を自由にして揚力を無くすることを特徴とする請求項１に記載の風車ブレードの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、公転軸と、該公転軸の周りに上下１対として複数対固定された軸支杆と、上下１対の軸支杆に風車ブレード軸を介して回転自在に支持された複数枚の風車ブレードと、を有する風車における、風車ブレードの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の風車としては例えば特許文献１〜４等に開示された構成のものがすでに知られている。特許文献１には、自転しつつ公転する複数枚の羽根と、この羽根の回転軸に各々設けられた歯車と、風車の主軸に設けられた歯車とからなり、前記歯車が遊星歯車又はチェーンによって連結された構成が示されている。
特許文献２には、公転主軸の周囲に対称に且つ回転自在に配設した一対の風車ブレードと、該風車ブレードの下端中央位置から各々延設された自転軸と、該自転軸に各々設けられた歯車と、前記公転主軸の下部に設けられた歯車と、この歯車に配設された方向舵とからなり、前記の両歯車がタイミングベルトによって連結された構成が示されている。
【０００３】
特許文献３には、太陽軸の周囲に複数本の遊星軸を公転可能に設け、該複数本の遊星軸にそれぞれ羽根を角度を異ならせて取付け、かつ該複数本の遊星軸を一公転につき該公転と同じ向きに半回自転するように該太陽軸に関連づけた連動機構を設け、該遊星軸の公転力を出力として取り出すようにした風車が開示されている。
特許文献４には、回転自在な公転軸と、該公転軸に複数対設けられた軸支杆と、該軸支杆に遊星軸を介して回転自在に各々取り付けられ且つ受風手段を有する遊星軸枠と、前記遊星軸の下端部に各々形成された遊星軸ベベルギアと、各遊星軸ベベルギアに連結手段を介して各々連結され且つ前記公転軸の下端部に形成された風向ベベルギアとからなる風車が開示されており、特に、前記連結手段を両端にベベルギアを有するベベルギアシャフトとすることで、風車の大型化、大出力化を可能とすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭55-131585 号公報
【特許文献２】特開昭57-372号公報
【特許文献３】特開昭57-56674号公報
【特許文献４】特開平11-117850 号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これら従来例の風車は、いずれも自転しつつ公転する複数枚の風車ブレードが公転軸に機械的に連結されている。そのため、風車ブレードの回転は、その機械的な連結の状態に基づいて一義的に規定され、風車ブレードの回転位置設定は極めて制限されたものであった。
近年環境問題が大きくクローズアップされてきており、風車においては振動と雑音の低減が大きな問題となってきている。そのため風車自体をシンプルな構造として歯車等の機構部をできるだけ簡単にすることが望まれる。また、従来の風車は、その風車ブレードを歯車等を介して回転する機構としており、必然的に装置が大型化し、複雑な機構とならざるをえなかった。
【０００６】
本発明は上記の課題を解決し、風車自体をシンプルな構造として、信頼性の高い風車を実現することを目的とする。更に本発明は、風車ブレードを、風を受けるのに最も効率の良い方向に回転させ、風車ブレードの回転を公転軸の回転に関係なく自在に位置決めし、かつ、逆転と停止も自在に行えるようにすることで、効率の高い風車ブレードの制御方法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】
【０００７】
前記課題を解決するための本発明は、以下のとおりである。
（１）公転軸と、該公転軸の周りに上下１対として複数対固定された軸支杆と、上下１対の軸支杆に風車ブレード軸を介して回転自在に支持された複数枚の風車ブレードと、を有する風車における、風車ブレードの制御方法であって、前記風車ブレード軸に設けたブレーキ兼クラッチにて、強風乃至暴風時以外の時に、前記公転軸の１回転ごとに前記複数枚の風車ブレードの各々に対し前記ブレーキ兼クラッチの上歯の歯先が下歯の溝内から外れない範囲で、少なくとも２回のブレーキオフを行うことにより前記風車ブレードの角度を調整することを特徴とする、風車ブレードの制御方法。
（２）前記軸支杆に設けたエアシリンダにて、強風乃至暴風時に、前記ブレーキ兼クラッチの上歯と下歯の結合を外すことにより、前記風車ブレードの回転を自由にして揚力を無くすることを特徴とする（１）に記載の風車ブレードの制御方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、風車自体をシンプルな構造とすることができ、平常時は無論のこと、強風乃至暴風が吹く異常時でも風車を停止させず、風車の負荷である発電機等を高い出力効率で運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態の１例を示す立体図
【図１Ａ】図１のカムの部分を示す詳細図
【図２】公転円周上の各位置における風車ブレードの状態を示す平面図
【図３】公転円周上の各位置における風車ブレードの状態を示す平面図（風車の慣性回転時）
【図４】公転円周上の各位置における風車ブレードの状態を示す平面図（風車ブレードのクラッチオフ後、風車が自然停止した時）
【図５】風車ブレードのクラッチオン状態を示す縦断面図
【図６】風車ブレードのクラッチオフ状態を示す縦断面図
【図７】図６のＡＡ矢視図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
まず本発明の風車について図面を参照しながらその詳細を説明する。
図１において風車１は公転軸２と公転軸２に上下１対として複数対が周設された軸支杆３ａ、３ｂと、この軸支杆３ａ、３ｂに風車ブレード５の自転軸である風車ブレード軸４ａ、４ｂを介して各々角度自在に取り付けられた風車ブレード５で構成されており、さらに軸支杆３ｂの下側にはブレーキ兼クラッチ６が設置されている。またブレーキ兼クラッチ６ｂの出力軸は風車ブレード軸４ｂと連結され、風車ブレード５の角度制御可能な構成となっている。
【００１１】
図２〜図３に示すように、風車ブレード５の形状は、風車ブレード軸４ａ，４ｂに直交する断面内の長手方向範囲の両端部の一方を頭部、他方を尾部とし、頭部を尾部よりも広幅とした形状とされ、前記断面内の長手方向範囲を、頭部側が尾部側よりも短尺となるように按分する按分点が風車ブレード軸４ａ,４ｂの連結点とされる。
公転軸２は適宜の長さを有し、その要所を軸受１３ａ、１３ｂにてタワーに固定され、風車１全体を支えている。又、同じく公転軸２には、平歯車１７が設けられており、これと噛合いする平歯車１８を介して出力軸２０に連結されている。この出力軸２０には図示しない発電機、揚水ポンプ等の出力機器が連結される。
【００１２】
風車１の下部に設けられた風向計８は公転軸２の回転に関係なく自在に回転可能である。図１Ａ及び図５に示すように、この風向計８に固設されたカム９は公転軸２で回転自在に軸支され、カム９の内側に配位された複数のローラ１０は軸支杆３ｂの下側に設けられ、風車１が回転するとカム９に当たってカム９の内側に動く。このローラ１０のカム９内側への動きをロッド１１とレバー１２とで風車ブレード軸４ｂ方向の上向きの動きに変換し、この上向きの動きによって、図６に示すように、ブレーキ兼クラッチ６のピン１３を持ち上げて、風車ブレード５に対するブレーキオフを行う。
【００１３】
図７は図６のＡＡ矢視図であり、ブレーキ兼クラッチ６の下歯６ｂと上歯６ａ（斜線部分）との結合状態を示している。上歯６ａと下歯６ｂは円周方向の３箇所で歯側面同士間に隙間をもたせて結合されている。前記ブレーキオフとは、上歯６ａ端面と下歯６ｂ溝底面とを非接触状態とすることを意味し、逆に、上歯６ａ端面と下歯６ｂ溝底面を接触状態にすることをブレーキオンという。ブレーキ兼クラッチ６は、上歯６ａが常時、バネ１５で下向きに押さえられているので、ピン１３による上歯６ａの持ち上げがない限りにおいてブレーキオンの状態となっている。又、ヒンジ１４はレバー１２を押さえている。
【００１４】
ブレーキオフ中の風車ブレード５は、風に対する抵抗が最小となる角度をとろうとするように回転する。ブレーキオフにおけるピン１３の押し上げ量は、ブレーキ兼クラッチ６の上歯６ａの歯先が下歯６ｂの溝内から外れない範囲とする。これは、平常時の風車ブレード５の仰角を失速角度以下に保つため、及び、ブレーキのオン/オフの時に行き過ぎ（下歯６ｂが上歯６ａで当り止め）等の誤作動を防ぐためである。
【００１５】
ブレーキオフは複数枚の風車ブレードの各々に対して１回の公転毎に少なくとも２回の繰返し頻度で行う。各風車ブレードに対するブレーキオフの繰返し頻度が１回の公転毎に２回未満であると、風車の回転抵抗が逆に大きくなる。又、１回のブレーキオフ時間は、公転周期の１/１００〜１/２００程度の時間とするのが、設計のやり易さの点で好ましい。
【００１６】
強風乃至暴風の吹く時（非常時）には、軸支杆３ｂ上に固設されたエアシリンダ１６でロッド１１を公転軸２側（公転半径方向中心側）に動かす。この動作を、「エアシリンダ１６を押す」と称し、又、これとは逆の動作を「エアシリンダ１６を戻す」と称する。これにより、レバー１２は平常時よりも大きく回転し、ブレーキ兼クラッチ６ａのピン１３をブレーキオフ時よりも高く押し上げ、ブレーキ兼クラッチ６の上歯６ａの歯先が下歯６ｂの溝内から外れた状態、即ち、クラッチオフの状態となる。尚、これとは逆の状態をクラッチオンの状態という。前記ブレーキに係るオン/オフの切替は、クラッチオン状態において行われるものである。一方、クラッチオフ時では、風車ブレード５は回転（自転）が全く自由となり、風に対する抵抗が最小となる角度をとろうとするように回転（自転）する。この回転の方向は、風車１の公転速度ベクトルの反転ベクトル（図２、図３に示すＶ）と風の速度ベクトル（図２、図３に示すＷ）との合成ベクトル（図２、図３のＵ）の方向になる。前記風車の線速度と風の速度ベクトルとは刻刻と変わるが、この変化に順応して風車ブレード５は只回転するのみで揚力は発生しない。図３はこの時の公転円周上の各位置における風車ブレード５の状態を示している。時間が経つと風車１の回転が止まり、図４のように、ブレード５は公転円周上の位置によらず風向方向に揃った状態になる。
【００１７】
次に、風車ブレード５の角度制御を行う方法の詳細について説明する。図１は公転軸２と風車ブレード５の配置例として、公転軸２を中心として１２０度間隔に３対の軸支杆３ａ、３ｂを配して風車ブレード５を設けた例を示している。以下、風車ブレード３枚とした例について説明するが、これに限定するものではなく、風車ブレードの枚数は適宜決定することが可能である。
【００１８】
まず図２に基づき運転時において風車ブレード５が公転円周上の各位置でとるべき方向について説明する。但し、風はW方向に吹いているものとし、その風速は通常のものとする。
ここで説明を容易にするため、公転円周上の風車ブレード５の各位置に名称を付す。風車ブレード５は、風をうけて時計回り又は反時計回りに自転するものとし、その公転円周上の風上位置をＣ地点とする。Ｃ地点から時計回りに９０度の位置をＡ地点とし、Ａ地点から反時計回りに４５度毎に、順次Ｂ地点、Ｃ地点というように風上に対する各地点を定め、Ａ地点から３１５度の位置すなわちＡ地点から時計回りに４５度の位置をH地点とする。尚、この風上を基準とした各地点の名称は以下同一地点を同一名称として説明する。
【００１９】
公転軸２が１回転する間にブレーキを２回解除する例を説明する。Ａ地点からの角度α１でブレーキを解除すると、風車ブレード５は角度α１の地点での風車１の公転速度ベクトルの反転ベクトルＶと風の速度ベクトルＷとの合成ベクトルＵの方向に回転（自転）する。角度β１は風車ブレード５の角度変更時間に対応する回転角度である。同じくE地点からの角度α２でブレーキを解除すると風車ブレード５はα１の地点の回転とは反対方向に自転する。β２は同じく角度変更時間に対応する回転角度である。この自転の回転方向は、Ａ地点から符号順にＥ地点までは右回転（時計回り）方向、それ以外の地点では左回転（反時計回り）方向になる。
【００２０】
一方、強風乃至暴風の吹く非常時に、上述のようにエアシリンダ１６を押すことでクラッチオフとなり（図６）、風車ブレード５は風車１の公転速度ベクトルの反転ベクトルＶと風の速度ベクトルＷとの合成ベクトルＵの方向に回転する（図３）。そして、或る時間経過後に風車ブレード５は風向方向と平行になる（図４）。
又、図５において、風車１の回転数が所定の閾値（強風時の風を受けた時の回転数に設定）以上に上がるとエアシリンダ１６を押す動作が自動で起動するのが好ましい。これによりクラッチオフとなって風車ブレード５は自由に回転するが、揚力を失い、風車１は慣性で回転し、その回転数は下がる。
【００２１】
そして、風車１の慣性回転の回転数が所定の閾値未満に下がるとエアシリンダ１６を戻す動作が自動で起動するのが好ましい。これによりクラッチオン状態が復活し、平常時の運転に戻る。
前記自動で起動するための手段としては、図５に示すように、タワーに固設したＡ地点位置設定器１９で、風車ブレード５の個々に固設した位置検出器２１の通過時点を検出し、その個々の通過時点情報から導出された風車１の回転数が、前記所定の閾値未満となった時の通過時点を検出したタイミングを起動タイミングとして、エアシリンダ１６を押す/戻す動作を起動させる方法が挙げられる。この起動タイミングにおいて、オフからオンへの切替の場合、起動対象の風車ブレード５は図３のA地点を風向方向に常に平行な姿勢で通過中であるから、この姿勢に対応してブレーキ兼クラッチ６ａ、６ｂの上下の歯同士が丁度整合するように上下の歯の位相を予め設定しておくことで、噛合不良のない安定した風車ブレード角度制御ができる。
【００２２】
これにより、強風乃至暴風の時にも風車１を停止することなく風車１の負荷機器である発電機をその最大出力で運転できる。風車１の負荷が発電機以外の機器である場合も同様である。
尚、以上に例示し説明した実施形態では、平常時のブレーキのオン/オフ動作の駆動手段として、風車が受ける風の風力のみで動くカムを使用するが、これに代えて、他の動力で動く例えば電磁ブレーキ、シリンダ等を使用してもよい。
【符号の説明】
【００２３】
１  風車
２  公転軸
３ａ，３ｂ  軸支杆(ａは上,ｂは下)
４ａ，４ｂ  風車ブレード軸(ａは上,ｂは下)
５  風車ブレード
６  ブレーキ兼クラッチ(６ａは上歯,６ｂは下歯)
８  風向計
９  カム
１０  ローラ
１１  ロッド
１２  レバー
１３a,１３ｂ  軸受
１４  ヒンジ
１５  バネ
１６  エアシリンダ
１７，１８  平歯車
１９  Ａ地点位置設定器
２０  出力軸
２１  位置検出器
【図１】
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【図１Ａ】
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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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