(57)【要約】      （修正有）【課題】総合的なエネルギ効率の高いマグナス型風車を提供する。【解決手段】回転トルクを伝達する回転軸５と、該回転軸に対し所要数配設された回転円柱７と、各該回転円柱７をこれら回転円柱７Ａ〜７Ｅの軸周りに回転駆動させる駆動装置とを備え、前記回転円柱に向けて流れる空気の流れと各前記回転円柱の回転により生じるマグナス揚力により前記回転軸を回転させるマグナス型風車１であって、前記回転円柱には、該回転円柱の外周表面に該回転円柱の軸方向に延びるストレートフィン８ａ、８ｂが設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転トルクを伝達する回転軸と、該回転軸に対し所要数配設された回転円柱と、各該回転円柱をこれら回転円柱の軸周りに回転駆動させる駆動装置とを備え、前記回転円柱に向けて流れる空気の流れと各前記回転円柱の回転により生じるマグナス揚力により前記回転軸を回転させるマグナス型風車であって、
前記回転円柱には、該回転円柱の外周表面に該回転円柱の軸方向に延びるフィンが設けられていることを特徴とするマグナス型風車。
【請求項２】
前記フィンは、周方向に等間隔に複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマグナス型風車。
【請求項３】
前記フィンには、前記回転円柱の回転方向における前端側に後端側よりも高い稜線部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマグナス型風車。
【請求項４】
前記フィンは、前記前端側が前記後端側よりも高い段形状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のマグナス型風車。
【請求項５】
前記フィンには、前記前端側と前記後端側の間に凹部が形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のマグナス型風車。
【請求項６】
前記フィンは、直線状に形成されたストレートフィンであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマグナス型風車。
【請求項７】
前記回転円柱と少なくとも他の一つの回転円柱は、これらの回転円柱に設けられるフィンが前記回転円柱の回転方向において異なる角度で前記回転軸に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のマグナス型風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により回転軸を回転させるマグナス型風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
効率型風車として、サボニウス風車が実用化されているが、サボニウス風車の翼は風速以上に回転することができず、大電化には不向きであり、一方、比較的大型化に向く実用的風車としてプロペラ型風車があるが、風車効率を比較的低風速域で高めることができないという問題がある。
【０００３】
これら方式の他には、水平回転軸に対して放射状に所要数配設した回転円柱にマグナス揚力を発生させ、水平回転軸を回転させるマグナス型風車も知られている（例えば、特許文献１参照）。また、回転円柱の外周表面にスパイラル状のフィンを設け、回転円柱の外周表面に回転円柱の軸方向に平行な空気の流れ成分を生じせしめ、マグナス揚力を高めることが行われている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４３６６３８６号公報
【特許文献２】特許３９６２７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、２に示すようなマグナス型風車は、回転円柱を回転させることでマグナス揚力を発生させ、回転軸を回転させているため、回転力を上げるためには、回転円柱の回転速度を上げてマグナス揚力を強める必要がある。しかし、回転円柱を高速で回転させるためには、多くのエネルギが消費されるために、総合的なエネルギ効率が悪くなる。
【０００６】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、総合的なエネルギ効率の高いマグナス型風車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に、本発明のマグナス型風車は、
回転トルクを伝達する回転軸と、該回転軸に対し所要数配設された回転円柱と、各該回転円柱をこれら回転円柱の軸周りに回転駆動させる駆動装置とを備え、前記回転円柱に向けて流れる空気の流れと各前記回転円柱の回転により生じるマグナス揚力により前記回転軸を回転させるマグナス型風車であって、
前記回転円柱には、該回転円柱の外周表面に該回転円柱の軸方向に延びるフィンが設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、フィンは回転円柱の軸方向に延びるため、回転する回転円柱に向う空気の流れにより、フィンよりも該空気の流れの下流側かつ回転円柱の回転方向側において渦、いわゆる前縁渦を生じせしめ、当該回転円柱の回転により増速される側の流れが更に増速されることとなり、強いマグナス揚力を得ることができる。
【０００８】
前記フィンは、周方向に等間隔に複数設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、回転円柱が一回転する毎に複数の前縁渦による増速作用が発揮される。
【０００９】
前記フィンには、前記回転円柱の回転方向における前端側に後端側よりも高い稜線部が形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、前縁渦を回転円柱の外周表面近傍に発生・滞留させることができ、前縁渦による流れの増速作用を高めることができる。
【００１０】
前記フィンは、前記前端側が前記後端側よりも高い段形状に形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、前縁渦を回転円柱の外周表面近傍に発生・滞留させることができ、前縁渦による流れの増速作用を高めることができる。
【００１１】
前記フィンには、前記前端側と前記後端側の間に凹部が形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、前縁渦を回転円柱の外周表面近傍に発生・滞留させることができ、前縁渦による流れの増速作用を高めることができる。
【００１２】
前記フィンは、直線状に形成されたストレートフィンであることを特徴としている。
この特徴によれば、簡単な形状のフィンにより、マグナス揚力を高めることができる。
【００１３】
前記回転円柱と少なくとも他の一つの回転円柱は、これらの回転円柱に設けられるフィンが前記回転円柱の回転方向において異なる角度で前記回転軸に取り付けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、複数の回転円柱において前縁渦が異なるタイミングで発生するため、風車の回転が円滑となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】マグナス揚力の説明図である。
【図２】実施例１におけるマグナス型風力発電装置を示す正面図である。
【図３】図２のマグナス型風力発電装置の一部を切り欠いて示す側面図である。
【図４】実施例１における回転円柱を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図５】実施例１における回転円柱の回転角度と前縁渦との関係を説明する図である。
【図６】図４の回転円柱を用いて前縁渦の生成を説明する概略図であり、上段は流れを撮像した図、下段はシミュレーション図である。
【図７】実施例１における揚力係数の測定結果を示す図である。
【図８】実施例２における回転円柱の横断面図である。
【図９】実施例２における揚力係数の測定結果を示す図、（ａ）は実施例１のフィン形状の測定結果を示す図、（ｂ）は実施例２のフィン形状の測定結果を示す図である。
【図１０】実施例３における回転円柱の横断面図である。
【図１１】実施例４における回転円柱を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図１２】実施例５における回転軸への回転円柱の取り付け状態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係るマグナス型風車を実施するための形態を発電装置に用いた実施例に基づいて以下に説明する。
【実施例１】
【００１６】
実施例１に係るマグナス型風力発電装置につき、図１から図７を参照して説明する。
一般的なマグナス揚力の発生メカニズムについて説明すると、図１の円筒形状を成す回転円柱Ｃの断面図に示すように、回転する回転円柱Ｃに向かう空気の流れである主流Ｕ０は、回転円柱Ｃの上下に分かれる。回転円柱Ｃの右回り（ω方向）の回転により、回転円柱Ｃの上方側を流れる空気は、回転円柱Ｃの図１における下方側を流れる空気よりも速く流れるので、回転円柱Ｃの上方側が下方側よりも相対的に負圧となる圧力差が生じ（いわゆるマグナス効果が生じ）るようになり、回転円柱Ｃには主流Ｕ０と直交をなす方向にマグナス揚力Ｙ０が発生するようになっている。
【００１７】
図２及び図３に示されるように、マグナス型風力発電装置１は、地面に立設された支台２の上部に、水平方向に旋回自在に軸支される発電機構部３を有しており、この発電機構部３は、内部に配置された鉛直モータ４を駆動させることで水平方向に旋回できるようになっている。
【００１８】
発電機構部３の正面側には、回転の軸心が水平方向を向く回転軸としての回転体５が配置されており、この回転体５は図２を参照すると正面視で右回りに回転するように軸支されている。回転体５の正面側には、フロントフェアリング６が取り付けられており、回転体５の外周には、５本の略円筒形状の回転円柱７が周方向に等間隔で放射状に配置されている。各々の回転円柱７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ（以下、単に回転円柱７とも称す。）は、これら回転円柱７の軸周りの予め決められた回転方向（右回り）に回転自在に軸支されている。
【００１９】
回転円柱７の外周表面７’には、回転円柱７の回転体５側の基端部からエンドキャップ９の先端部まで全長に渡って延びる、直線状に形成された突条のフィン８ａ，８ｂ（以下、ストレートフィンともいう。）が形成されており、これらのフィン８ａ，８ｂは、回転円柱７の外周表面７’から突出するように断面略矩形の突状に形成されている。また、これらのフィン８ａ，８ｂは、各回転円柱７の外周表面７’に回転円柱７の回転軸を中心として点対象となる位置に２条設けられている。なお、回転円柱７の外周表面７’にはディンプルを設けてもよい。
【００２０】
また、回転円柱７の直径は、その基端部から先端部にかけて同径に形成されており、更に、回転円柱７の先端面には、回転円柱７の直径よりも大きな直径を有する円盤状のエンドキャップ９が取り付けられている。
【００２１】
フィン８ａ，８ｂは、ポリカーボネート等の比較的硬質な合成樹脂の材質で形成されている。なお、フィン８ａ，８ｂは、耐候性及び耐久性を有する軽量合金等の材質で形成してもよい。
【００２２】
図３に示されるように、発電機構部３の内部には、長手方向が水平方向を向く回転軸としてのアウターシャフト１０が配置されており、アウターシャフト１０は発電機構部３内部に配置されたベアリング１１を介して回動自在に支持されている。このアウターシャフト１０の軸内は貫通されており、アウターシャフト１０の軸内には、インナーシャフト１２が挿設されている。
【００２３】
インナーシャフト１２はアウターシャフト１０内部に配置されたベアリング１３を介して回動自在に軸支されている。アウターシャフト１０及びインナーシャフト１２は互いに独立して回動することができる。
【００２４】
アウターシャフト１０の後端には、ギア１４が固着されており、このギア１４は、発電機構部３内の発電機１５に接続されているギア１６と噛合されている。アウターシャフト１０の前端側は、発電機構部３の外方に突出されており、このアウターシャフト１０の前端に回転体５が固着されている。
【００２５】
インナーシャフト１２の後端は、アウターシャフト１０から突出された位置においてギア１７が固着されており、このギア１７は、発電機構部３内の駆動モータ１８と連動されているギア１９と噛合される。また、インナーシャフト１２の前端は、アウターシャフト１０から突出されており、このインナーシャフト１２の前端には、大径のベベルギア２０が固着されている。
【００２６】
駆動モータ１８とギア１９との間には、駆動モータ１８の回転力を一方向に伝達するワンウェークラッチ２２が配置されており、ギア１９の回転によって駆動モータ１８に逆方向の回転力が加わっても、ワンウェークラッチ２２によって駆動モータ１８の逆回転を防止できるようになっている。更に、発電機構部３内部には、駆動モータ１８の起動用の電力を蓄えるバッテリー２３が配置されている。なお、鉛直モータ４や駆動モータ１８は、マグナス型風力発電装置１の周囲環境の風向や風速を観測する風向計（図示略）や風速計（図示略）に接続された制御回路２４によって制御されるようになっている。
【００２７】
図２に示されるように、インナーシャフト１２に固着された大径のベベルギア２０は、アウターシャフト１０に固着された正面側の回転体５内部の中心に配置されるとともに、このベベルギア２０は前方側に向かって窄まるように配置されている。更に、この大径のベベルギア２０には、５つの小径のベベルギア２１が噛合されており、５つの小径のベベルギア２１は、回転体５の外周に配置された５本の回転円柱７の基端部に連結されている。
【００２８】
発電機構部３内部の駆動モータ１８を駆動させるとインナーシャフト１２を介して駆動モータ１８の動力が大径のベベルギア２０に伝達され、このベベルギア２０に噛合される５つの小径のベベルギア２１が回転され、各々のベベルギア２１に連結された５本の回転円柱７が、該回転円柱７の軸回りに回転されるようになっている。
【００２９】
マグナス型風力発電装置１を用いて発電する際には、先ず風向計（図示略）によって風向きを検出し、制御回路２４が鉛直モータ４を駆動させて、回転体５の正面側から自然風（主流Ｕ０）が当たるように、風向きに合わせて発電機構部３を旋回させる。すると図３に示されるように、マグナス型風力発電装置１の正面側から自然風が当たるようになる。
【００３０】
そして、発電機構部３内部のバッテリー２３に蓄えられている起動用の電力を駆動モータ１８に供給し、駆動モータ１８を駆動させる。インナーシャフト１２及びベベルギア２０、２１を介して駆動モータ１８の動力が伝達され、各々の回転円柱７が回転しはじめる。各々の回転円柱７の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力Ｙ０によって、回転円柱７及び回転体５は、アウターシャフト１０を軸心として回転されるようになる。
【００３１】
次いで、回転円柱７のフィン８ａ、８ｂによる作用を図４に示される回転円柱７０をモデルとして用いて、回転円柱７０の角速度ω（ｒａｄ／ｓ）を変化させて周速比θが０〜１．０における揚力係数ＣＬの検証を行った。ここで、周速比θは、主流Ｕ０の風速（ｍ／ｓ）に対する、回転円柱７０の外周表面７０’の回転速度であり、θ＝（ｄ／２）・ω／Ｕ０で表される。検証に用いた回転円柱７０の代表寸法は次のとおりであり、主流Ｕ０の風速は４（ｍ／ｓ）とした。
ｄ      ：円柱直径（０．０７ｍ）、
Ｌ      ：円柱長さ（０．１５ｍ）、
Ｈ      ：フィン高さ（０．０１８ｍ）、
Ｗ      ：フィン幅（０．０１ｍ）
【００３２】
回転円柱７０のフィン８０ａは、略断面矩形に形成されており、回転円柱７０の回転方向前方に位置し平面により形成された前端面８１ａ、同後方に位置し前端面８１ａに平行な平面により形成された後端面８２ａ、径方向外側に位置し前端面８１ａ、後端面８２ａに直交する平面により形成された上端面８３ａにより、主に外形が画成されている。なお、径方向内側は回転円柱７０の外周表面７０’に沿った曲面に形成されていて、前端面８１ａ、後端面８２ａの高さは略等しく、前端面８１ａと上端面８３ａ、後端面８２ａと上端面８３ａとの境界には、それぞれ稜線８４ａ，８５ａ（稜線部）が形成されている。なお、フィン８０ｂについては、フィン８０ａと構成、これによる作用が同様であるためその説明は省略する（以降の説明についても同様である）。また、稜線部は厳密な線に限られずやや幅のある線状であってもよい。
【００３３】
図４（ｂ）及び図５に示されるように、回転円柱７０に向かう主流Ｕ０は、回転円柱７０の上下に分かれ、回転円柱７０が右回りに回転することから、上方に分かれた上方流Ｕ０’の回転円柱７０近傍の速度は、下方に分かれた下方流及び主流Ｕ０よりも増速される。図５において、フィン８０ａが主流Ｕ０の上流側を基準とする回転角度を０度（図５（ａ））として説明する。フィン８０ａを設けることにより、図５（ｂ）に示されるフィン８０ａが４５度まで回転する過程で前端面８１ａの前方に前縁渦Ｂ（詳細は後述する）が生成され、その後、図５（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）になるにつて、前縁渦Ｂが弱くなり消滅することが判明した。
【００３４】
図７を参照して、検証結果を説明する。図７において、菱形は図４に示される直線状のストレートフィンの場合の実験結果を示している。三角はフィンを設けない場合（フィン無しともいう。）の実験結果、四角はスパイラルフィンの実験結果を示している。参考のため、ポテンシャル理論より導かれたフィン無しの回転円柱周りの理想流体（ＣＬ=2πθ）の演算結果を丸で示している。揚力係数ＣＬはθ=１近傍において、スパイラルフィン、ストレートフィン、フィンなしの順に大きくなった。この中でストレートフィンにおいて周速比θが０〜０．４までの領域Ａにおいて揚力係数ＣＬが理想流体を超えるという特筆すべき結果が得られた。
【００３５】
今後、マグナス型風車の大型化が進むと、回転円柱７を長くすることが望まれる。回転円柱７の回転軸から遠い先端部付近の流れは、主流Ｕ０に風車の旋回により相対的に生じる旋回流Ｖ０を合成した合成流Ｓ０となる（図１１を参照。）（すなわち、水平型風車の場合、主流Ｕ０に旋回流Ｖ０を合成した合成流Ｓ０が回転円柱７に向かう流れである）。このため回転円柱７の先端部付近は、回転円柱７の長さがが長くなる程、旋回流Ｖ０の成分が大きくなり、合成流Ｓ０の風速が速くなるため周速比θの値は小さくなる。このようなことから、周速比θが小さくなる領域において揚力係数ＣＬを高めることは有意義である。他方、マグナス型風車の大きさが同じ場合にあっては、周速比θが小さな領域Ａで揚力係数ＣＬが高いため、回転円柱７の回転数が低くても高い揚力が得られることとなり、回転円柱７自体を駆動する動力を低減することが可能となる。
【００３６】
次いで、ストレートフィンを用いた場合に、図７に示される領域Ａにおいて、高い揚力係数ＣＬが得られた事項について考察する。図６に示されるように、ストレートフィン８０ａがそれぞれ４５度の位置にあるときにおける、上段は空気に煙を混ぜて回転円柱７０の周りの流れを撮像した図であり、下段は上段の可視化画像に粒子画像流速計測法を適用し前縁渦の構造を示した図である。
【００３７】
その結果から、フィン８０ａが主流Ｕ０に対して４５度の位置にあるときに、フィン８０ａを乗り越えた主流Ｕ０乃至上方流Ｕ０’がフィン８０ａの前方において渦いわゆる前縁渦Ｂが生成されていることが観察された。前縁渦Ｂの発生メカニズムは明らかではないものの、稜線８４ａ、８５ａであるエッジにより主流Ｕ０乃至上方流Ｕ０’が上方に向けて掻き上げられることにより、特に前方の稜線８４ａにより主流Ｕ０乃至上方流Ｕ０’が上方に向けて掻き上げられることが寄与していると考えられる。回転円柱７０の揚力側（図６における上方側）で前縁渦Ｂは生成された後に回転円柱７０の外周表面７０’に再付着する現象が観察され、特に周速比θが小さい時にこの現象が顕著に観察された。前縁渦Ｂがフィン８０ａの前方において滞留することにより、揚力の増大に寄与している推測される。
【００３８】
詳細には、図６（ａ）の上段の図に示されるようにθ＝０．２のときに、前縁渦Ｂは、ストレートフィン８０ａに対し回転円柱７０の回転方向前方で前端面８１ａの極近傍（前端面８１ａから前縁渦Ｂの中心までの距離がフィン幅Ｗよりも短く、かつ前縁渦Ｂの一部が前端面８１ａに接触している。）かつ外周表面７０’の極近傍（外周表面７０’から前縁渦Ｂの中心までの径方向距離がストレートフィン８０ａの高さの半分以下、かつ前縁渦Ｂの一部が外周表面７０’に接触している。）に形成されていることが分かる。このように、前縁渦Ｂが前端面８１ａの極近傍かつ外周表面７０’の極近傍の領域に形成されるため、回転円柱７０の回転とともに長い時間に亘り前縁渦Ｂを外周表面７０’近くに滞留させることができる。この前縁渦Ｂにより、回転円柱７０の回転により増速される側（図６における上側）の流れが更に増速されることとなり、強いマグナス揚力Ｙ０（図６における回転円柱７０を上方に移動させる力）を得ることができると考えられる。このようなことから、ストレートフィン８ａ、８ｂを用いた回転円柱７０の揚力係数ＣＬは、理想流体（２πθ）の場合に比べ１．８倍であり、理想流体における値を遥かに超える結果となったと推測される。また、粒子画像流速計測法によっても、図６（ａ）の下段の図に示されるように、θ＝０．２のときに、前縁渦Ｂは、外周表面７０’の極近傍乃至近傍に形成されていることが確認された。
【００３９】
図６（ｂ）の上段の図に示されるようにθ＝０．４のときに、前縁渦Ｂは、ストレートフィン８０ａに対し回転円柱７０の回転方向前方で前端面８１ａの近傍（前端面８１ａから前縁渦Ｂの中心までの距離がフィン幅Ｗよりも短い乃至同等。）かつ外周表面７０’の極近傍（外周表面７０’から前縁渦Ｂの中心までの径方向距離がストレートフィン８０ａの高さの半分程度、かつ前縁渦Ｂの一部が外周表面７０’に接触している。）に形成されていることが分かる。このため、前縁渦Ｂを回転円柱７０の外周表面７０’近傍に滞留させることができる。ただし、前縁渦Ｂの輪郭がθ＝０．２に比べ不明りょうであり、渦自体が弱く、前縁渦Ｂの作用が小さくなっていると考えられる。また、前縁渦Ｂの形成される位置が、θ＝０．２に比べ前端面８１ａから離れた位置となるため、θ＝０．２に比べ前縁渦Ｂを滞留させにくくなっていると考えられる。このようなことから、ストレートフィン８ａ、８ｂを用いた回転円柱７０の揚力係数ＣＬは、θ＝０．２に比べ、理想流体の場合を僅かに超える結果となったと推測される。また、粒子画像流速計測法によっても、図６（ａ）の下段の図に示されるように、θ＝０．４のときに、前縁渦Ｂは、外周表面７０’のやや近傍（外周表面７０’から前縁渦Ｂの中心までの径方向距離がストレートフィン８０ａの高さと同程度）に形成されていることが確認された。なお、下段の図中右側に、渦のようなものが観察されるが、その位置は、回転円柱７０よりも主流Ｕ０の下流の側であるため、主流Ｕ０の増速には寄与しないと考えられる。
【００４０】
図６（ｃ）の上段の図に示されるようにθ＝０．６のときに、前縁渦Ｂは、ストレートフィン８０ａに対し回転円柱７０の回転方向前方で前端面８１ａの極近傍（前端面８１ａから前縁渦Ｂの中心までの距離がフィン幅Ｗよりも短く、かつ前縁渦Ｂの一部が前端面８１ａに接触している。）かつ外周表面７０’のやや近傍（外周表面７０’から前縁渦Ｂの中心までの径方向距離がストレートフィン８０ａの高さの３／４程度）に形成されていることが分かる。また、前縁渦Ｂの輪郭がθ＝０．２及び０．４に比べ不明りょうであり、渦自体が弱く、前縁渦Ｂの作用が小さくなっていると考えられる。図６（ｃ）の下段の図において、前縁渦Ｂは、ストレートフィン８０ａに対し回転円柱７０の回転方向前方かつ外周表面７０’のやや近傍（外周表面７０’からの径方向距離がストレートフィン８０ａの高さと同程度乃至その稜線８４ａから径方向外側にやや離れた位置）に形成されていることが分かる。このようなことから、ストレートフィン８０ａ、８０ｂを用いた回転円柱７０の揚力係数ＣＬは、理想流体の場合を下回っていると推測される。
【実施例２】
【００４１】
次に、実施例２に係るマグナス型風力発電装置につき、図８及び図９を参照して説明する。なお、前記実施例と同一構成で重複する構成を省略する。図８に示されるように、実施例２はストレートフィン８０ａ、８０ｂが断面階段状に形成（断形状）される点が実施例１とは異なっている。具体的には、ストレートフィン８０ａは、その断面が回転円柱７０の回転方向後方側が切り欠かれた階段状に形成されている。各寸法は次のとおりである。
Ｈ      ：フィン高さ（０．０１８ｍ）、
Ｈ１    ：切り欠き深さ（０．００５ｍ）
Ｗ      ：フィン幅（０．０１ｍ）
Ｗ１    ：前方フィン幅（０．００５ｍ）
【００４２】
回転円柱７０のフィン８０ａは、後端面８２ａの上方に切欠８６ａを有する略断面階段状（段状）に形成されている。実施例２における断面階段状のフィン８０ａは、切欠８６ａを有し、稜線８４ａ、８５ａ、８７ａが形成されている。このように、回転円柱７０の回転方向における前端面８１ａ側に後端面８２ａ側よりも高い稜線８４ａ、８７ａを有する形状とすることにより、揚力係数ＣＬに更に優れるものが得られたので以下説明する。
【００４３】
図９において、横軸は回転円柱７０の中心軸周りの角度（ψ）である。縦軸は、回転円柱に対し上下方向（揚力方向が上方向）に作用する力や揚力係数ＣＬに対応する電圧値である。各周速比θにおけるグラフの上側半分の曲線と横軸（Ｖ＝０）に囲まれる面積と、下側半分の曲線と横軸に囲まれる面積との差が揚力係数に対応する値となる。
【００４４】
図９（ｂ）の実施例２の断面階段状のストレートフィンは、図９（ａ）の実施例１の断面矩形のストレートフィンを基準に比較すると、θ＝０．２においては揚力はやや劣る、θ＝０．４においてはほぼ同等、θ＝０．６においては顕著に向上、θ＝０．８においては向上、θ＝１．０、θ＝１．２においてはやや向上することが観察された。
【００４５】
このように、断面階段状のストレートフィンは、揚力係数が周速比θ＝０．６において顕著に向上することから、周速比θ＝０〜１．２の領域、特にθ＝０〜０．６の領域で、揚力効率に優れることが分かる。このように、揚力効率が高い周速比θの領域が広いため、回転円柱７Ａ，７Ｂ７Ｃ，７Ｄ，７Ｅが回転軸に放射状に配置されるマグナス型風車（いわゆる水平軸風車）であって、回転円柱７の基端部側と先端部側とで前述した合成流Ｓ０の風速が異なっていても、エネルギ効率の良い風車を得ることができる。さらに、周速比θ＝０．４に加え、θ＝０．６のときにも前縁渦が、回転円柱７０の外周表面７０’に再付着し、揚力を向上させていると推測される。
【００４６】
このように、前縁渦Ｂが周速比θの高い領域でも回転円柱７０の外周表面７０’の極近傍乃至近傍に生成されていると推測されるが、これは回転円柱７０の回転方向における前端面８１ａ側に後端面８２ａ側よりも高い位置の稜線８４ａ、８７ａにより、主流Ｕ０や上方流Ｕ０’が稜線８４ａ、８７ａにより良好に掻き上げられるとともに、最後方の前端面８１ａの高さが高く生成された前縁渦Ｂを逃がさずに滞留させる作用があるためと考えられる。
【００４７】
次に、実施例３に係るマグナス型風力発電装置につき、図１０を参照して説明する。なお、前記実施例と同一構成で重複する構成を省略する。図１０に示されるように、実施例３はストレートフィン８０ａ、８０ｂの径方向外側に内側に窪む凹部８８ａが形成されている。この径方向外側の形状が実施例１とは異なっている。この形状であっても、実施例２と略同様の傾向が観察された。
【００４８】
次に、実施例４に係るマグナス型風力発電装置につき、図１１を参照して説明する。なお、前記実施例と同一構成で重複する構成を省略する。図１１に示されるように、実施例４は、図１１に示される回転円柱７０の外周表面７０’にストレートフィン９０ａ、９０ｂを傾斜して配置したものである。ストレートフィン９０ａ、９０ｂの傾斜方向は、回転円柱７０の基端部側から見て先端部側に行くにつれ、回転円柱７０の回転方向側にずれる方向である。基端部側と先端部側のずれ角φは、水平軸風車を実際に使用する場合、主に受ける所定の旋回流による風速Ｖ０に合わせ、合成流Ｓ０が、基端部側から先端部側にかけて、ストレートフィン９０ａ、９０ｂに対し略直交するようになるずれ角φとするとよい。
【００４９】
ここで、水平軸風車にあっては、回転円柱７０の先端部側程、旋回流の影響が強くなり、ストレートフィン９０ａ、９０ｂに作用する主流Ｕ０と旋回流Ｖ０との合成流Ｓ０の向きがずれ、前縁渦Ｂの発生するタイミングが遅くなる。上述のごとく、ストレートフィン９０ａ、９０ｂを傾斜させたので、ストレートフィン９０ａ、９０ｂの延在方向にほぼ同時期に前縁渦Ｂ（図１１には図示しない。）を生じせしめることができ、そのため、前縁渦Ｂが線状に形成され、回転円柱７０の外周表面７０’近傍に前縁渦Ｂを滞留させやすくなると考えられる。なお、極端に言えばストレートフィンが実施例１の傾斜しないものの場合（φ＝０の場合）、前縁渦Ｂが回転円柱７０の外周表面７０’に点状に形成され、時間とともにその前縁渦Ｂは回転円柱７０の基端部側から先端部側に移行しやすく、前縁渦Ｂを相対的に滞留させにくいと考えられる。
【００５０】
次に、実施例５に係るマグナス型風力発電装置につき、図１２を参照して説明する。なお、前記実施例と同一構成で重複する構成を省略する。図１２に示されるように、図２に示される各回転円柱７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅを先端面側（回転円柱の回転軸方向側）から見た図である。なお、ストレートフィン８０ａ、８０ｂの形状は実施例１で説明した断面矩形状のものを例に説明している。
【００５１】
各回転円柱７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅは、ストレートフィン８０ａ、８０ｂが異なる角度で回転体５に取り付けられている。具体的には、回転円柱７Ａのストレートフィン８０ａを基準として、回転円柱７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅのストレートフィン８０ａは、それぞれ２１６度、１４４度、７２度、２８８度ずれて回転体５に取り付けられている。
【００５２】
このようにすることで、前縁渦Ｂが各回転円柱７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅに生じるタイミングがずれるため、回転体５の回転に脈動が生じることを抑制できる。なお、全ての回転円柱７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅの取り付け角度が異なる例について説明したが、少なくとも１つの回転円柱７の取り付け角度が他の回転円柱７の取り付け角度と異なっていればよい。例えば、回転円柱７が複数の場合には、ストレートフィン８ａ、８ｂの取り付け角度について、回転円柱７を２乃至３の組に分けて各組内では同じ角度、異なる組とは異なる角度としてもよい。
【００５３】
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
【００５４】
上述の実施例では、マグナス型発電装置について説明したが、マグナス型風車を用いるものであれば発電装置に限られない。また、本発明を適用するマグナス型風車の形式は、水平型風車が好ましいが、それ以外の形式例えば垂直型風車であってもよい。
【００５５】
また、回転円柱に設けられるフィンが２本の例について説明したが、フィンの本数は１本でも３本でもそれ以上であってもよい。複数のフィンを設ける場合には、回転円柱の周方向に等配とすることが好ましい。
【００５６】
また、フィンが直線状に延びる例について説明したが、直線状とは厳密な直線である必要はなく、また、フィンは回転円柱の軸方向に延在していればよく、その形状は回転円柱の軸方向にＳ字形、弓形をなしていてもよい。
【００５７】
また、フィンは回転円柱の基端部から先端部まで全長に渡って設けられる例について説明したが、周速比θの小さくなる領域、例えば水平軸型風車にあっては回転円柱の先端部側のみに設けてられていてもよい。
【００５８】
また、上述においては、フィンが回転円柱の軸方向に延びるストレートないしストレート状のものについて説明したが、フィンが回転円柱に軸方向に渡り幾重にも巻かれるスパイラル状のマグナス風車に、実施例２、３に示すフィンの断面形状を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明のマグナス型風車によれば、大型風力発電用の風車から家庭用の小型風力発電用の風車に及んで活用できるようになり、風力発電業界に多大に貢献するようになる。更に、本発明のマグナス揚力発生メカニズムを、ロータ船、ロータビークル等に利用すれば、乗物における動力効率も向上すると考えられる。
【符号の説明】
【００６０】
１                                マグナス型風車（マグナス型発電装置）
３                                発電機構部（駆動装置）
５                                回転体（回転軸）
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ  回転円柱
７０                              回転円柱
７’，７０’                        外周表面
８，８ａ，８ｂ                    フィン（ストレートフィン）
８０ａ，８０ｂ                    フィン（ストレートフィン）
８１ａ                            前端面
８２ａ                            後端面
８４ａ                            稜線（稜線部）
８７ａ                            稜線（稜線部）
８８ａ                            凹部
９０ａ，９０ｂ                    フィン
１０                              アウターシャフト（回転軸）
Ｂ                                渦（前縁渦）
Ｕ０                              主流
Ｖ０                              合成流
Ｓ０                              合成流
Ｙ０                              マグナス揚力
【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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