(57)【要約】      （修正有）【課題】高い強度を保ちつつ、従来よりも部品点数を削減して更なる軽量化及び低コストを実現可能な直線翼を提供する。【解決手段】垂直軸形風車に適用され、風によって回転可能な直線翼１を、垂直軸のラジアル方向に対面する翼内周縁部４２及び翼外周縁部４１と回転方向に対面する翼前縁部４３及び翼後縁部４４とを一体に有し且つ翼外周縁部４１に開口部を形成した翼外郭部本体４と、開口部を閉止する位置に溶接で固定され且つ翼外郭部本体４と共に翼断面形状が翼型となる翼外郭部２を構成する蓋部５と、翼外郭部２の内部空間に配置され且つ翼外郭部２のうち第１外郭面２１に接触した状態で溶接によって固定可能な複数の頂点部３１及び第２外郭面２２に接触した状態で溶接によって固定可能な複数の頂点部３２を有する翼断面形状がジグザグ状の芯材３とによって構成した。【選択図】図３
2013087632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直姿勢で配置され回転可能な垂直軸を備えた垂直軸形風車に適用され、風によって前記垂直軸の回転方向に回転可能な直線翼であって、
前記垂直軸のラジアル方向に対面する翼内周縁部及び翼外周縁部と前記回転方向に対面する翼前縁部及び翼後縁部とを一体に有し、且つ前記翼内周縁部又は前記翼外周縁部の一方に開口部を形成した一定の翼断面形状を有する翼外郭部本体と、
前記開口部を閉止する位置に溶接によって固定され且つ前記翼外郭部本体と共に翼断面形状が翼型となる翼外郭部を構成する蓋部と、
中空筒状である前記翼外郭部の内部空間に前記開口部を通じて配置され且つ前記翼外郭部のうち前記垂直軸のラジアル方向に対面する一方の面に接触した状態で溶接によって固定した１つ以上の第１頂点部及び他方の面に接触した状態で溶接によって固定した２つ以上の第２頂点部を有する翼断面形状がジグザグ状の芯材とから構成していることを特徴とする直線翼。
【請求項２】
前記芯材の翼断面形状がＷ字形状である請求項１に記載の直線翼。
【請求項３】
垂直姿勢で配置され回転可能な垂直軸と、前記垂直軸の周囲に垂直軸の回転方向に沿って複数配置した請求項１又は２に記載の直線翼とを備えていることを特徴とする垂直軸形風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸形風車に適用される直線翼、及び垂直軸形風車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、回転可能な垂直軸の周囲に複数の直線翼（羽根や風車ブレードとも称される）を配置した垂直軸型風車が知られている。この種の直線翼には、発電効率の向上を図るため、軽量であることや、強風や高速回転にも耐え得る強度を有することが要求されている。
【０００３】
本出願人は、このような要求に応えるべく、縦長の姿勢で垂直軸のラジアル方向に並べて配置される複数の骨材と、骨材に挿し通した状態で高さ方向に所定ピッチで固定される多数の翼状板と、翼状板の周囲に張られる外形付与板（外皮）とからなる骨組み構造の直線翼を案出し、既に特許出願している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３０３７５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、軽量化及び強度の向上を図った特許文献１記載の直線翼であっても、複数の骨材を垂直軸のラジアル方向に複数配置したり、多数の翼状板を垂直方向に所定ピッチで配置する必要があるため、部品点数が多く、各部品をそれぞれ溶接やリベットによって他の部品に固定する処理も多くなり、このような点で更なる改善の余地があると考えられる。
【０００６】
本発明は、このような点に着目してなされたものであって、主たる目的は、高い強度を保ちつつ、従来よりも部品点数を削減して更なる軽量化及び低コストを実現可能な直線翼、及びこのような直線翼を備え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】
【０００７】
すなわち本発明は、垂直姿勢で配置され回転可能な垂直軸を備えた垂直軸形風車に適用され、風によって垂直軸の回転方向に回転可能な直線翼に関するものである。
【０００８】
そして、本発明の直線翼は、垂直軸のラジアル方向に対面する翼内周縁部及び翼外周縁部と回転方向に対面する翼前縁部及び翼後縁部とを一体に有し、且つ翼内周縁部又は翼外周縁部の一方に開口部を形成した一定の翼断面形状を有する翼外郭部本体と、開口部を閉止する位置に溶接によって固定され且つ翼外郭部本体と共に翼断面形状が翼型となる翼外郭部を構成する蓋部と、中空筒状である翼外郭部の内部空間に開口部を通じて配置され且つ翼外郭部のうち垂直軸のラジアル方向に対面する一方の面に接触した状態で溶接によって固定した１つ以上の第１頂点部及び他方の面に接触した状態で溶接によって固定した２つ以上の第２頂点部を有する翼断面形状がジグザグ状の芯材とから構成していることを特徴としている。
【０００９】
ここで「翼外郭部のうち垂直軸のラジアル方向に対面する一方の面」は、翼外郭部本体の翼内周縁部又は翼外周縁部の何れか一方によって形成される面であり、「翼外郭部のうち垂直軸のラジアル方向に対面する他方の面」は、翼外郭部本体の翼内周縁部又は翼外周縁部の他方によって形成される面である。そして、本発明の直線翼は、翼外郭部本体の翼内周縁部又は翼外周縁部の何れか一方には長手方向全域に亘って開口部を形成し、この開口部を閉止する位置に固定配置される蓋部と翼外郭部本体とによって翼断面形状が翼型となる翼外郭部を構成している。したがって、蓋部は、翼外郭部のうち垂直軸のラジアル方向に対面する何れか一方の面の一部を形成するものである。
【００１０】
このような直線翼であれば、翼断面形状が翼型をなす中空状の翼外郭部の内部空間に開口部から芯材を収容し、ジグザグ状をなす芯材の第１頂点部及び第２頂点部を翼外郭部のうち垂直軸のラジアル方向に対向する面にそれぞれ接触させた状態で溶接によって固定しているため、この芯材により翼外郭部の翼断面形状を所望の翼型に維持することができ、風や高速回転にも耐える強度を得ることができる。なお、翼断面形状が翼型である翼外郭部のうち垂直翼の回転方向に対向する面は曲げ剛性が高いため、芯材の頂点部を接触させて溶接で固定する対象を、垂直軸のラジアル方向に対向する面に限定することができる。
【００１１】
さらに、本実施形態に係る直線翼は、翼外郭部を翼外郭部本体及び蓋部の２つの部材のみで構成し、この翼外郭部内に芯材を収容して固定したものであるため、芯材と合わせてわずか３つの部材のみで構成することができ、従来の直線翼と比較して部品点数の削減及び更なる軽量化を実現することができる。また、翼外郭部の一部を蓋部で構成しているため、蓋部を翼外郭部本体に固定する前の時点で翼外郭部本体の開口部から芯材を翼外郭部本体内に簡単且つスムーズに収容することができる。
【００１２】
本発明において、芯材自体の剛性も高めつつ、芯材と翼外郭部との溶接箇所を効率良く増やすためには、翼断面形状がＷ字形状の芯材を適用することが好ましい。
【００１３】
また、本発明の垂直軸形風車は、垂直姿勢で配置され回転可能な垂直軸と、垂直軸の周囲に垂直軸の回転方向に沿って複数配置した上述の直線翼とを備えていることを特徴としている。直線翼の枚数は２枚以上であれば特に限定されることはない。
【００１４】
このような垂直軸形風車であれば、直接翼の軽量化によって発電効率の更なる向上を実現することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、翼外郭部本体と蓋部とによって翼断面形状が翼型の翼外郭部を構成し、翼断面形状がジグザグ形状の芯材の各頂点部を翼外郭部の内向き面に接触させた状態で溶接することによって、翼外郭部の内部空間に芯材を収容した極めてシンプルな構造の直線翼を得ることができ、例えば多数の翼状板を高さ方向に所定ピッチで配置した直線翼と比較して、３パーツという少ない部品点数でありながら、有効な強度を保持し、更なる軽量化を実現できる直線翼、及びこのような直線翼を備えた垂直軸形風車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る直線翼を備えた垂直軸形風車の全体概略図。
【図２】同実施形態に係る直線翼の全体概略図。
【図３】同実施形態に係る直線翼の翼断面図
【図４】図３に示す直線翼の分解図。
【図５】同実施形態に係る直線翼の溶接工程を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１８】
本実施形態に係る直線翼１は、図１に示すように、直線翼垂直軸形風車Ｘ（「直線翼ダリウス形風車」とも称され、以下では単に「垂直軸形風車Ｘ」と称する場合がある）の一部を構成するものである。垂直軸形風車Ｘは、垂直姿勢で回転可能に配置した垂直軸Ａと、垂直軸Ａの周方向に複数枚取り付けた直線翼１とを備えたものである。直線翼１は、平面視において垂直軸Ａを中心として対称に配置される。図１では２枚の直線翼１を備えた垂直軸形風車Ｘを示しているが、３枚以上の直線翼１を垂直軸Ａの周囲に等ピッチで配置してもよい。
【００１９】
垂直軸Ａの上端部には、直線翼１を支持する支持部材Ｂを保持可能な保持部Ｃを設けている。本実施形態の垂直軸形風車Ｘは、直線翼１の上端部側及び下端部側をそれぞれ支持部材Ｂで支持するように構成している。垂直軸Ａは、下端部側領域を一点鎖線で示す垂直軸保持部Ｄ内に収容した状態で軸受Ｅを介して回転自在に支持されている。本実施形態では、基礎に設置した台座上に垂直軸保持部Ｄを固定している。また、垂直軸Ａの下端部には、適宜の変速機構Ｆを介して発電機Ｇを連結することにより、垂直軸形風車Ｘは風力発電機として機能する。
【００２０】
直線翼１は、図２に示すように、外形が一般的な垂直軸形風車に用いられる直線翼形状である翼外郭部２と、翼外郭部２の内部空間２Ｓに収容可能な芯材３とを備えたものである。この直線翼１は、縦長の姿勢で配置されるものであり、何れの箇所における翼断面形状（水平方向の断面形状）が全て同一形状となる長尺物である。
【００２１】
翼外郭部２は、垂直軸Ａのラジアル方向において凸状の流線形となる第１外郭面２１（本発明の「翼外郭部のうち垂直軸のラジアル方向に対面する一方の面」に相当）と、垂直軸Ａのラジアル方向Ｒにおいて第１外郭面２１に対向する面を形成し且つ垂直軸Ａのラジアル方向において凸状の流線形となる第２外郭面２２（本発明の「翼外郭部のうち垂直軸のラジアル方向に対面する他方の面」に相当）と、風を受けて回転する直線翼１の回転方向Ｔ先端側の領域である翼前縁領域２３と、垂直軸Ａの回転方向Ｔ後端側の領域である翼後縁領域２４とを有するものである。なお、直線翼１の回転方向は垂直軸Ａの回転方向と同一方向である。また、第２外郭面２２は、フラット状の面であってもよいが、本実施形態では第２外郭面２２として、第１外郭面２１よりも緩い凸状の湾曲面（第１外郭面２１よりも直線に近い湾曲面）を採用している。また、翼前縁領域２３は、第１外郭面２１及び第２外郭面２２の先端端部同士を接続する滑らかな曲面であり、翼後縁領域２４は、第１外郭面２１と第２外郭面２２の後端部同士を接続してほぼ鋭角をなしている。なお、本発明の「翼外郭部のうち垂直軸のラジアル方向に対面する一方の面」に相当する面である第１外郭面を、垂直軸Ａのラジアル方向において凹状の流線形となる面に設定したり、本発明の「翼外郭部のうち垂直軸のラジアル方向に対面する他方の面」に相当する面である第２外郭面を、垂直軸Ａのラジアル方向において凹状の流線形となる面に設定することもできる。
【００２２】
そして、本実施形態では、図３に示すように、第２外郭面２２、翼前縁領域２３及び翼後縁領域２４を、単一の翼外郭部本体４によって構成するとともに、第１外郭面２１を翼外郭部本体４と翼外郭部本体４に形成した開口部４Ｋを閉止する蓋部５とによって構成している。すなわち、本実施形態の翼外郭部本体４は、第１外郭面２１の一部を形成する翼外周縁部４１と、第２外郭面２２を形成する翼内周縁部４２と、翼前縁領域２３を形成する翼前縁部４３と、翼後縁領域２４を形成する翼後縁部４４とを一体に有する薄板状の金属箔（例えばステンレス箔）からなるものである。翼外周縁部４１には長手方向全域に亘って開口部４Ｋを形成し、この開口部４Ｋを蓋部５で蓋封した状態で、蓋部５が翼外周縁部４１とともに翼外郭部２の第１外郭面２１を構成する。蓋部５は、翼外郭部本体４と同様に薄板状の金属箔（例えばステンレス箔）からなり、板厚も翼外郭部本体４の板厚とほぼ同じである。本実施形態では、蓋部５のうち翼外周縁部４１に形成した開口部４Ｋの開口幅方向に沿った寸法（蓋部５の幅寸法）を、開口部４Ｋの開口幅寸法よりも大きく設定し、開口部４Ｋの開口縁４Ｋａにおいて蓋部５の内向き面が翼外周縁部４１の外向き面に対面し得るように構成している。本実施形態における「内向き面」とは翼外郭部２の内部空間２Ｓ側を向く面であり、「外向き面」は「反内向き面」、つまり翼外郭部２の内部空間２Ｓ側を向く面とは反対側の面を意味する。
【００２３】
翼外郭部本体４は、例えば一枚の金属箔を上述の各面を形成するように適宜箇所を折り曲げたり、湾曲させて形成したものである。また、蓋部５は、例えば一枚の金属箔を適宜の形状に湾曲させて形成したものである。
【００２４】
芯材３は、翼外郭部２と同じ高さ寸法を有し、翼断面形状をＷ字形状に設定したものである。Ｗ字形状の芯材３には５つの頂点部３１があり、翼外郭部２内に収容した状態で３つの頂点部３１が第１外郭面２１に接触するとともに、２つの頂点部３２が第２外郭面２２に接触している。以下の説明では、芯材３の頂点部３１のうち第１外郭面２１に接触する頂点部３１を「第１外郭面側頂点部３１」（本発明の「第１頂点部」に相当）とし、第２外郭面２２に接触する頂点部３２を「第２外郭面側頂点部３２」（本発明の「第２頂点部」に相当）とする。また、第１外郭面側頂点部３１のうち、翼外郭部本体４の翼外周縁部４１に形成した開口部４Ｋの開口縁４Ｋａ近傍に配置される第１外郭面側頂点部３１を、開口部４Ｋの開口縁４Ｋａに添接し且つ翼外周縁部４１の外向き面にも添接するＬ字状に形成し、蓋部５で開口部４Ｋを閉じた状態において第１外郭面側頂点部３１が翼外周縁部４１の外向き面と蓋部５の内向き面との間に挟まれるように設定している。したがって、開口部４Ｋの開口縁４Ｋａ近傍では、翼外郭部２の内部空間２Ｓ側から順に翼外周縁部４１、芯材３の第１外郭面側頂点部３１、蓋部５が重なっている。芯材３は、例えば一枚の金属箔（例えばステンレス箔）を適宜の形状に折り曲げ加工して形成したものである。
【００２５】
次に、このような直線翼１の製作手順を説明する。
【００２６】
先ず、翼外郭部本体４の翼外周縁部４１に形成した開口部４Ｋから芯材３を翼外郭部２の内部空間２Ｓに挿入して（芯材挿入工程）、翼外郭部２の第２外郭面２２の内向き面に芯材３の第２外郭面側頂点部３２を接触させた状態で溶接処理によって固定する（第１次溶接工程）。ここで、翼外郭部２の第２外郭面２２の内向き面は、翼外郭部本体４の翼内周縁部４２の内向き面である。第１次溶接工程の終了時点では、開放されている翼外周縁部４１の開口部４Ｋから芯材３の第１外郭面側頂点部３１にアクセスすることが可能である。
【００２７】
次いで、翼外周縁部４１の開口部４Ｋを閉じる位置に蓋部５を配置して第１外郭面２１を形成すると、この第１外郭面２１の内向き面に芯材３の第１外郭面側頂点部３１が接触した状態となり、この状態で接触箇所を溶接処理によって固定する（第２次溶接工程）。ここで、翼外郭部２の第２外郭面２２の内向き面は、翼外郭部本体４の翼内周縁部４２の内向き面と、蓋部５の内向き面である。本実施形態では、上述したように、蓋部５で翼外周縁部４１の開口部４Ｋを閉じた状態において、開口部４Ｋの開口縁４Ｋａ近傍では、翼外周縁部４１の外向き面と蓋部５の内向き面との間に第１外郭面側頂点部３１が挟まれている。したがって、翼外郭部２の内部空間２Ｓ側から順に翼外周縁部４１、芯材３の第１外郭面側頂点部３１、蓋部５が重なった箇所に溶接処理を施すことにより、これら各部を一体的に固定することができる。この場合、蓋部５は第１外郭面２１の一部を形成するものであることから、蓋部５の内向き面に第１外郭面側頂点部３１を接触させて溶接している構成は、第１外郭面２１の内向き面に頂点部３１を接触させて溶接している構成であるといえる。また、芯材３における３つの第１外郭面側頂点部３１のうち中央の第１外郭面側頂点部３１は、蓋部５の内向き面に接触した状態で溶接処理により固定されるものである。
【００２８】
また、本実施形態では、第１次溶接工程及び第２次溶接工程でＹＡＧレーザ溶接処理を行っている。ＹＡＧレーザ溶接処理を適用することによって、溶接箇所に歪みが生じる事態を防止・抑制することができ、高精度の仕上がり面（溶接面）を形成することができる。具体的には、図５に示すように、第１次溶接工程及び第２次溶接工程では、芯材３の各頂点部３１（第１外郭面側頂点部３１、第２外郭面側頂点部３２）を翼外郭部２の第１外郭面２１又は第２外郭面２２に対して翼外郭部２の内部空間２Ｓ側から押し当てる位置に溶接用ジグＪを配置した状態で、ノズルＮからレーザ光を溶接箇所に集光して金属箔を溶融して一体化させる溶接処理を行っている。ここで、第１次溶接工程では、溶接用ジグＪを翼外周縁部４１の開口部４Ｋから翼外郭部２の内部空間２Ｓに挿入することが可能である。一方、第２次溶接工程は、翼外周縁部４１の開口部４Ｋを蓋部５で蓋封した状態で行う工程であるため、溶接用ジグＪを開口部４Ｋから翼外郭部２の内部空間２Ｓに挿入することは不可能である。したがって、第２次溶接工程では、翼外郭部２のうち開放されている長手方向の端部から溶接用ジグＪを翼外郭部２の内部空間２Ｓに挿入すればよい。なお、溶接用ジグＪを翼外郭部２の内部空間２Ｓから取り出すタイミングは、各溶接箇所の溶接処理が終了する度であってもよいし、全ての溶接箇所の溶接処理が終了してからであってもよい。なお、図３乃至図５では、説明の便宜上、翼外郭部本体４、芯材３及び蓋部５の板厚を誇張して示しており、第１外郭面２１のうち開口縁４Ｋａ近傍領域に段差が生じているが、実際の第１外郭面２１は全体的に滑らかな流線形の面に仕上げられる。
【００２９】
以上の手順を経ることによって、翼外郭部本体４、蓋部５及び芯材３を分離不能に固定し、翼外郭部２の内部空間２Ｓに芯材３を収容した直線翼１を製作することができる。
【００３０】
このような構成を有する直線翼１は、翼断面形状が翼型である中空状の翼外郭部２の内部空間２Ｓに芯材３を収容し、芯材３の頂点部３１，３２を翼外郭部２の第１外郭面２１の内向き面や第２外郭面２２の内向き面に接触させているため、この芯材３によって翼外郭部２の翼断面形状を所望の翼型に維持することができ、風や高速回転にも耐える強度を有する。しかも、本実施形態に係る直線翼１は、翼外郭部２を翼外郭部本体４と蓋部５の２パーツで構成し、この翼外郭部２内に芯材３を収容して固定したものであるため、わずか３パーツのみで構成することができ、従来の直線翼と比較して部品点数の削減及び更なる軽量化を実現することができる。また、本実施形態の垂直翼１であれば、部品点数の削減によって製造コスト（製作コスト）の低減化をも図ることができる。
【００３１】
特に、本実施形態に係る直線翼１は、翼断面形状がＷ字状の芯材３を適用しているため、計５つの頂点部３１，３２を第１外郭面２１の内向き面及び第２外郭面２２の内向き面に対してそれぞれ複数箇所で接触させることができ、簡素な形状でありながら直線翼１の強度向上を有効に図ることができる。
【００３２】
そして、このような直線翼１を備えた垂直軸形風車Ｘ（垂直軸形風力発電装置）であれば、必要な強度を確保しつつ軽量化も実現した垂直翼による発電が可能になり、発電効率を向上させることができる。
【００３３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、翼外郭部本体のうち開口部を形成する箇所が、翼外周縁部ではなく翼内周縁部であってもよい。また、第１外郭面が垂直軸のラジアル方向において相対的に内側の面となり、第２外郭面が相対的に外側の面となるように直線翼を配置することも可能である。この場合、翼外郭部本体の翼外周縁部は翼外郭部の第２外郭面を形成するものになり、翼外郭部本体の翼内周縁部は翼外郭部の第１外郭面を形成するものになる。なお、芯材の第１頂点部が接触する対象は、翼外郭部の第１外郭面又は第２外郭面の何れであってもよい。具体的には、上述した実施形態における第１外郭面側頂点部３１を第２外郭面２２に接触させ、第２外郭面側頂点部３２を第１外郭面２１に接触させることも可能である。この場合には、第２外郭面に接触する頂点部の数が、第１外郭面に接触する頂点部の数よりも多くなる。
【００３４】
また、芯材の板厚を、翼外郭部を構成する翼外郭部本体及び蓋部の板厚よりも相対的に大きく設定すれば、直線翼の更なる強度向上を期待できる。また、翼外郭部を構成する翼外郭部本体及び蓋部の板厚を翼外郭部に要求される強度を満たす範囲内で可能な限り薄く設定すれば、直線翼全体の軽量化をより一層図ることができる。
【００３５】
芯材として、翼断面形状が、Ｖ字形状又はＮ字形状のものや、或いはＶ字形状、Ｎ字形状、Ｗ字形状を適宜組み合わせた形状のものを適用することもできる。芯材の翼断面形状を適宜変更したり、選択することによって、垂直軸のラジアル方向に対面する一方の面（第１外郭面）や、垂直軸のラジアル方向に対面する他方の面にそれぞれ接触させる頂点部の数を変更したり、調整することができる。
【００３６】
また、ＹＡＧレーザ溶接処理以外の溶接処理によって翼外郭部と芯材との接触箇所を固定しても構わない。
【００３７】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１…直線翼
２…翼外郭部
２１…垂直軸のラジアル方向に対面する一方の面（第１外郭面）
２２…垂直軸のラジアル方向に対面する他方の面（第２外郭面）
２Ｓ…内部空間
３…芯材
３１…第１頂点部（第１外郭面側頂点部）
３２…第２頂点部（第２外郭面側頂点部）
４…翼外郭部本体
４１…翼外周縁部
４２…翼内周縁部
４３…翼前縁部
４４…翼後縁部
４Ｋ…開口部
５…蓋部
Ａ…垂直軸
Ｘ…垂直軸形風車
【図１】
2013087632.tif 000003
【図２】
2013087632.tif 000004
【図３】
2013087632.tif 000005
【図４】
2013087632.tif 000006
【図５】
2013087632.tif 000007