(57)【要約】【課題】  強度、剛性が高く、かつ軽量化が図れるようにした、破損しにくい風車の揚力型ブレードを提供する。【解決手段】 揚力型ブレード１は、不規則に蛇行するとともに、互いに隣接する多数の線状樹脂材同士が絡み合って結合され、無数の不定形空隙が形成された乱線樹脂結合ブロック状のコア材と、前記コア材の全表面を覆う表皮材とを備えるものとする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不規則に蛇行するとともに、互いに隣接する多数の線状樹脂材同士が絡み合って結合され、無数の不定形空隙が形成された乱線樹脂結合ブロック状のコア材と、前記コア材の全表面を覆う表皮材とを備えることを特徴とする風車の揚力型ブレード。
【請求項２】
前記線状樹脂材を、太さが１〜５ｍｍの熱可塑性樹脂材よりなるものとしたことを特徴とする請求項１に記載の風車の揚力型ブレード。
【請求項３】
前記表皮材を、厚さが３ｍｍ以下(０ｍｍを含まない)の熱可塑性樹脂材または熱硬化性樹脂材により形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の風車の揚力型ブレード。
【請求項４】
前記表皮材を、厚さが３ｍｍ以下(０ｍｍを含まない)の繊維強化合成樹脂材により形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の風車の揚力型ブレード。
【請求項５】
前記コア材の空隙に、低比重発泡樹脂材を充填したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風車の揚力型ブレード。
【請求項６】
前記コア材の中心部に、長手方向を向く中空孔を形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の風車の揚力型ブレード。
【請求項７】
前記中空孔に、低比重発泡樹脂材を充填したことを特徴とする請求項６に記載の風車の揚力型ブレード。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の揚力型ブレードの製造方法であって、
多数の線状樹脂材同士を不規則に絡み合わせて結合し、多数の不定形空隙が形成された乱線樹脂結合ブロック状のコア材を形成する工程と、
前記コア材の全表面を表皮材により被覆する工程とを備えることを特徴とする揚力型ブレードの製造方法。
【請求項９】
前記線状樹脂材を、太さが１〜５ｍｍの熱可塑性樹脂材とすることを特徴とする請求項８に記載の揚力型ブレードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、 風車の揚力型ブレードに係り、特に、軽量で、かつ強度、剛性の高い揚力型ブレード及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
風車の揚力型ブレードには、弱風時における風車の起動性や、低風速下での風車の回転効率及び発電効率を高めるために、軽量化が求められるだけでなく、強風対策として、高い強度、剛性が求められる。しかしそれらは、条件的に相反するのが一般的であり、軽量化しようとすると、強度や剛性が低下し、強度や剛性を高めようとすると、軽量化に反することとなる。
この問題に対処しうる揚力型ブレードとしては、例えば特許文献１〜３に記載されているように、種々の技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３１４４３１号公報
【特許文献２】特開２００６−２７４９９０号公報
【特許文献１】特開２０１３−１５１９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているブレード(風車翼)は、中空をなすブレードの外皮を、繊維質補強材に樹脂を含浸させた表皮層と、ハニカム構造の編織物に樹脂を含浸させたコア層との２層構造として、ブレードの軽量化と強度を両立させるようにしたものである。しかし、このような構造のブレードは、回転半径の小さな小型の風車に使用する場合には、強度上問題となることはないが、例えば回転半径の大きな大型の縦軸風車に用いる場合には、ブレードの上下寸法並びに受風面積が大となるため、強風時の風圧や高速回転時の遠心力等により、ブレードが折れ曲がったり、破損したりするなど、強度上の問題が生じるおそれがある。
【０００５】
特許文献２に記載されているブレード(風車翼)は、ブレードのコア材を低密度発泡体により形成し、この発泡体を、繊維強化合成樹脂よりなる表皮材で覆うことにより、ブレードの軽量化と強度を両立させるようにしたものである。しかし、ブレードの軽量化は図れるものの、コア材は低密度発泡体であるため、回転半径の大きな大型の風車に用いるべくブレードの寸法を大とした場合には、強度や剛性上に難点を生じ、上記と同様の問題を起こすおそれがある。
【０００６】
特許文献３に記載されているブレード(風車翼)は、ブレードの背側と腹側に炭素繊維強化プラスチックよりなる板状の主強化材を対向状に配設し、両主強化材の対向面同士を桁材により連結するとともに、主強化材全体を、ガラス繊維強化プラスチックよりなる外皮材により被覆してある。このような構成のブレードでは、その強度、剛性は高められるものの、軽量化に反することになるので、回転半径の大きな大型の風車に用いるべく、ブレードの大きさを大とした場合には、弱風時における風車の起動性や、低風速下での風車の回転効率及び発電効率が悪くなる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、強度と剛性が高く、かつ軽量化が図れるようにした、破損しにくい風車の揚力型ブレード及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の風車の揚力型ブレードによると、上記課題は、次のようにして解決される。
（１）不規則に蛇行するとともに、互いに隣接する多数の線状樹脂材同士が絡み合って結合され、無数の不定形空隙が形成された乱線樹脂結合ブロック状のコア材と、前記コア材の全表面を覆う表皮材とを備えるものとする。
【０００９】
このような構成によると、 コア材は、不規則に蛇行する多数の線状樹脂材同士を絡み合わせて互いに結合され、多数の不定形空隙を有する乱線樹脂結合ブロック状をなしているので、嵩密度の小さい軽いものとなり、揚力型ブレードを軽量化することができる。
また、乱線樹脂結合ブロック状をなすコア材は、強度と剛性が高く、かつ破壊しにくい靭性をも有するので、長寸で受風面積の大きな大型の揚力型ブレードにおいても、強風時の風圧等により破損するおそれは小さい。
【００１０】
（２）上記(１)項において、前記線状樹脂材を、太さが１〜５ｍｍの熱可塑性樹脂材よりなるものとする。
【００１１】
このような構成によると、太さが１〜５ｍｍの熱可塑性樹脂材により、コア材を比較的容易に形成することができるとともに、コア材の質量増加を抑えることができる。
【００１２】
（３）上記(１)または(２)項において、前記表皮材を、厚さが３ｍｍ以下(０ｍｍを含まない)の熱可塑性樹脂材または熱硬化性樹脂材により形成する。
【００１３】
このような構成によると、軽いコア材が、厚さが３ｍｍ以下の薄い熱可塑性樹脂材または熱硬化性樹脂材よりなる表皮材により被覆されるので、揚力型ブレードの質量が大きく増加することはない。
【００１４】
（４）上記(１)または(２)項において、前記表皮材を、厚さが３ｍｍ以下(０ｍｍを含まない)の繊維強化合成樹脂材により形成する。
【００１５】
このような構成によると、繊維強化合成樹脂材により表皮材が強化されるので、前項に記載の効果に加えて、揚力型ブレードの強度、剛性が増す。 
【００１６】
（５）上記(１)〜(４)項のいずれかにおいて、前記コア材の空隙に、低比重発泡樹脂材を充填する。
【００１７】
このような構成によると、コア材自体の強度に、発泡樹脂材の強度が加わるので、ブレードの強度、剛性が増大する。また、空隙に充填した低比重発砲樹脂材は軽いので、揚力型ブレードの質量が大きく増加することはない。
【００１８】
（６）上記(１)〜(５)項のいずれかにおいて、前記コア材の中心部に、長手方向を向く中空孔を形成する。
【００１９】
このような構成によると、コア材が軽くなるので、揚力型ブレードのさらなる軽量化を図ることができる。
【００２０】
（７） 上記(６)項において、前記中空孔に、低比重発泡樹脂材を充填する。
【００２１】
このような構成によると、中空孔を形成したコア材自体の強度に、中空孔に充填した発泡樹脂材の強度が加わるので、揚力型ブレードの強度、剛性が増大する。また、中空孔に充填した低比重発砲樹脂材は軽いので、揚力型ブレードの質量が大きく増加することはない。
【００２２】
また、本発明の揚力型ブレードの製造方法によると、上記課題は、次のようにして解決される。
（８） 上記(１)から(７)項のいずれかに記載の揚力型ブレードの製造方法であって、多数の線状樹脂材同士を不規則に絡み合わせて結合し、多数の不定形空隙が形成された乱線樹脂結合ブロック状のコア材を形成する工程と、前記コア材の全表面を表皮材により被覆する工程とを備える。
【００２３】
この方法によると、嵩密度が小さく、かつ強度及び剛性の高い軽いコア材を容易に形成することができるとともに、形成後のコア材を表皮材により被覆するのみであるので、軽量で強度及び剛性の高い揚力型ブレードを製造することができる。
【００２４】
（９） 上記(８)項において、前記線状樹脂材を、太さが１〜５ｍｍの熱可塑性樹脂材とする
【００２５】
この方法によると、加熱して軟化させた、太さが１〜５ｍｍの熱可塑性樹脂材よりなる原料を、例えば押出成形機等の多数の射出ノズルより下方に押し出し、押し出した多数の線状樹脂材を不規則に蛇行させながらランダムに絡み合わせて溶着させることができるので、乱線樹脂結合ブロック状のコア材を容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の風車の揚力型ブレードによると、コア材は、不規則に蛇行する多数の線状樹脂材同士を絡み合わせて互いに結合され、多数の不定形空隙を有する乱線樹脂結合ブロック状をなしているので、嵩密度の小さい軽いものとなり、揚力型ブレードを軽量化することができる。
また、乱線樹脂結合ブロック状をなすコア材は、強度と剛性が高く、かつ破壊しにくい靭性をも有するので、長寸で受風面積の大きな大型の揚力型ブレードにおいても、強風時の風圧等により破損するおそれは小さい。
本発明の揚力型ブレードの製造方法によると、嵩密度が小さく、かつ強度及び剛性の高い軽いコア材を容易に形成することができるとともに、形成後のコア材を表皮材により被覆するのみであるので、軽量で強度及び剛性の高い揚力型ブレードを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る揚力型ブレードの実施例１の一部切欠正面図である。
【図２】同じく左側面図である。
【図３】図１のIII−IIIにおける横断平面図である。
【図４】揚力型ブレードの主体部の拡大横断平面図である。
【図５】揚力型ブレードの主体部のコア材を一部破断して示す斜視図である。
【図６】コア材を形成する場合の一例の概略説明図である。
【図７】本発明に係る揚力型ブレードの実施例２の拡大横断平面図である。
【図８】本発明に係る揚力型ブレードの実施例３の拡大横断平面図である。
【図９】本発明に係る揚力型ブレードの実施例４の拡大横断平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１〜図５は、例えば回転半径が２ｍを超える大型の縦軸風車に用いられる実施例１の揚力型ブレード(以下、ブレードと略称する)１を示すもので、ブレード１は、ロータ２の縦主軸３に、上下複数の水平をなす支持アーム４、４を介して、例えば左右１対取り付けられる。
【００３０】
ブレード１は、垂直方向を向く主部１Ａの上下両端部に、内方、すなわち縦主軸３方向に向かって円弧状に傾斜する内向き傾斜部１Ｂ、１Ｂが一体的に形成された外形をなしている。ブレード１の弦長は、ロータ２の回転半径の２０〜５０％の長さとされ、受風面積は大きく設定されている。
【００３１】
また、ブレード１における上下両端部を除く主部１Ａの横断面形状は、図３に拡大して示すように、回転方向である前側(図３の左側)の翼厚が厚く、後方に向かうに従って漸次薄くなる標準の揚力型ブレードに近いものとされている。
【００３２】
ブレード１が回転すると、ブレード１における内外の回転半径の差によって、内側面に比して外側面の周速度が大となり、外側面に沿って後方へ通過する気流の方が、内側面のそれよりも高速となる。
【００３３】
そのため、ブレード１の後縁部において、外側面を通過する気流の圧力が、内側面を通過する気流よりも小さい負圧となり、ブレード１の後縁部の外側面が、後方から前縁部方向に押されることにより、ブレード１に回転方向の揚力(推力)が作用し、ロータ２は回転する。
【００３４】
また、ブレード１の上下の端部に内向き傾斜部１Ｂ、１Ｂを形成してあるため、ブレード１の回転に伴い、主部１Ａの内外の側面に沿って上下方向へ流れようとする気流は、上下の内向き傾斜部１Ｂ、１Ｂの内面及び外面に沿って、斜め後方に向かって通過し、コアンダ効果により推力が増大するようになるため、低風速下においても、ロータ２は高い回転効率をもって回転する。
【００３５】
次に、ブレード１の構造を詳細に説明する。
図４の拡大断面図に示すように、ブレード１は、その完成形状とほぼ同形のコア材５と、その全表面を被覆する表皮材６とからなっている。コア材５は、多数の線状樹脂材７同士を不規則かつループ状等に蛇行させ、かつ互いに隣接する線状樹脂材７同士が複雑に絡み合いながら固着することにより、嵩密度の小さな乱線樹脂結合ブロック状に形成されている。内部を含むコア材５全体には、多数の不規則かつ不定形の空隙８が形成されている。
【００３６】
線状樹脂材７としては、コア材５の大きさに応じて、例えば太さ(直径)が１〜５ｍｍのポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂等の低比重熱可塑性樹脂、好ましくは、比重が１以下(例えば０．９〜０．９６)のポリエチレン系樹脂やポリプロピレン系樹脂単体、またはそれらの混合物が用いられる。この場合、コア材５の大きさに応じて線状樹脂材７の本数を変更し、コア材５の嵩密度を小さくしたり、大きくしたりすることができる。また、コア材５全体を一定の太さの線状樹脂材７により形成してもよいし、コア材５の内側に例えば太い線状樹脂材７を密度を粗くして配置し、その外側に、細い線状樹脂材７を密度を細かくして配置したり、それとは逆に配置したりしてもよい。なお、線状樹脂材７の断面形状は、円形の外に、楕円や多角形等の非円形としてもよい。このようにすると、互いに隣接する線状樹脂材７同士が接触して接合し易くなる。
【００３７】
ブレード１は、コア材５を形成する工程と、その全表面を表皮材６により被覆する工程によって製造される。
図６を参照して、コア材５を形成する方法の一例を説明する。
図６に略示する押出成形機９内において、ポリエチレン系樹脂やポリプロピレン系樹脂等の熱可塑性樹脂を、融点またはそれに近い温度まで加熱して軟化させ、押出成形機９に設けた多数の射出ノズル(１個のノズルのみを例示する)１０から一定の押出し速度で押し出し、下部が可動底板１１となっているコア材５成形用の図示しない型枠内に自然降下させる。
【００３８】
自然降下させた高温の多数の線状樹脂材７が、型枠の可動底板１１の上面に当接すると、下方から上方に向かって不規則に蛇行するループ状樹脂線７Ａが順次連続して形成され、かつ互いに隣接する多数のループ状樹脂線７Ａ同士が複雑に絡み合うように接触して溶着される。この状態で、可動底板１１を一定の速度で少しずつ下降させると、多数のループ状樹脂線７Ａ同士が結合した状態で下方から順に冷却されて固化しながら、型枠内を下方に連続して移動する。
【００３９】
これにより、図５に示すように、ブレード１とほぼ同形の多数の空隙８を有する乱線樹脂結合ブロック状のコア材５が、上下方向に連続して形成される。なお、結合された線状樹脂材７の硬化時間を短縮するために、型枠を冷却したり、水を噴射して冷却したりしてもよい。
【００４０】
このように、多数のループ状樹脂線７Ａ同士が複雑に絡み合い、立体網目状に結合されたコア材５には、不定形をなす無数の空隙８が形成されているので、嵩密度が小さくて軽いだけでなく、従来の発泡樹脂材よりなるコア材に比して強度(特に引張強度)が高く、かつ曲げやねじりに対しても高い剛性を有する。
【００４１】
また、コア材５は、多数の線状樹脂材７のループ状樹脂線７Ａ同士が複雑に絡み合いながら互いに結合され、無数の空隙８を有しているので、ブレード１全体が若干弾性変形しうる柔構造となっている。従って、強い風圧を受けた際にブレード１が厚さ方向に若干撓むことができるとともに、互いに結合された多数の線状樹脂材７によって曲げ荷重が多方向に分散されるので、弾性変形しても破壊しにくい靭性を有するようになり、上下寸法が大で受風面積の大きな大型のブレード１であっても破損しにくくなる。また、多数の線状樹脂材７同士が絡み合って結合されているので、万一破損した際でも、破片が周囲に飛散するおそれはない。
なお、多数の線状樹脂材７は、多数の射出ノズル１０より、一定の押出速度及び均一の太さで定量ずつ押し出されるので、成形後においてコア材５の長手方向の質量にばらつきが生じるおそれは極めて小さい。
【００４２】
固化されたコア材５を型枠より脱型した後、その全表面が表皮材６により被覆される。コア材５の表面を被覆する表皮材６には、ブレード１の大きさに対応して、例えば厚さが０.３〜３ｍｍの肉厚の薄い熱可塑性樹脂材または熱硬化性樹脂材が用いられ、この樹脂材を例えば金型内においてコア材５の全表面に溶着して固化するか、または接着剤等により固着することにより、コア材５の全表面が表皮材６により被覆されている。コア材５と表皮材６とに接着性の問題がある場合には、コア材５を合成繊維等よりなる基布により被覆し、この基布に熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を含浸させて固化させてもよい。なお、ブレード１の強度を高めるために、表皮材６を、ガラス繊維や炭素繊維を混入した繊維強化合成樹脂材(ＦＲＰ)により形成してもよい。
【実施例２】
【００４３】
図７は、本発明の実施例２に係るブレード１２の拡大断面図を示すもので、実施例１と同様のコア材５における無数の空隙８に、発泡樹脂材１３を充填することにより、多数の線状樹脂材７を発泡樹脂材１３により覆ってある。発泡樹脂材１３としては、ブレード１２の軽量化に配慮して、例えば比重が０.０１〜０.０３の発泡スチロールや発泡ポリプロピレン等の低比重発泡樹脂材が用いられる。
【００４４】
発泡樹脂材１３の充填方法としては、例えばポリスチレンやポリプロピレン等の原料及び発泡剤を投入した押出成形機から、コア材５を収容した金型内に、溶融した原料を発泡させながら押し出すことにより、空隙８に発泡樹脂材１３を注入することができる。
【００４５】
このように、コア材５の無数の空隙８に発泡樹脂材１３を充填し、多数の線状樹脂材７を発泡樹脂材１３により覆うと、コア材５自体の強度に、発泡樹脂材１３の強度が加わるとともに、多数の線状樹脂材７が発泡樹脂材１３の補強芯材としても機能するので、実施例１のブレード１に比して、ブレード１２の強度、剛性が高まる。また、低比重発砲樹脂材１３を充填してもコア材５の嵩密度は小さいので、ブレード２の質量が大きく増加することはない。
なお、コア材５を一層軽量化するために、線状樹脂材７の本数を減らして、ループ状樹脂線７Ａ同士の結合密度を粗くし、大きくなった空隙８に発泡樹脂材１３を充填するようにしてもよい。
【実施例３】
【００４６】
図８は、本発明の実施例３に係るブレード１４の拡大断面図を示すもので、上記実施例１と同様のコア材５の中心部に、コア材５の強度、剛性を低下させない程度の大きさの長手方向の複数の中空孔１５を、両端を開口させて、かつ互いに隣接する中空孔１５間に線状樹脂材７が残存するようにして形成したものである。このような中空孔１５は、図６に示す押出成形機の多数のノズル１０を、図８の断面形状に合わせて配置することにより形成することができる。また、コア材５を形成した後、機械加工等によっても形成することができる。
【００４７】
なお、中空孔１５の形状、大きさ及び個数は、実施例のものに限定されるものではなく、コア材５の大きさに応じて適宜変更することができる。例えば中空孔１５を実施例のように複数設けないで、ブレード１４の弦方向に連続する１個のものとしてもよい。
このように、コア材５の中心部に長手方向を向く中空孔１５を形成すると、コア材５の強度をあまり低下させることなく、ブレード１４をさらに軽量化させることができる。
【実施例４】
【００４８】
図９は、本発明の実施例４に係るブレード１６の拡大断面図を示すもので、上記実施例３と同形をなすコア材５における複数の中空孔１５に、例えば比重が０.０１〜０.０３のポリスチレンやポリプロピレン等の低比重発泡樹脂材１７を充填したものである。
このように、コア材５の中空孔１５に発泡樹脂材１７を充填すると、発泡樹脂材１７の強度が加わるので、実施例３のブレード１４に比して、ブレード１６の強度、剛性が高まる。また、低比重発砲樹脂材１７は軽いので、ブレード１６の質量が大きく増加することはない。
【００４９】
以上説明したように、実施例に記載のブレード１、１２、１４、１６のコア材５は、いずれも、多数の線状樹脂材７同士が複雑に絡み合って互いに結合され、無数の不定形空隙８を有する乱線樹脂結合ブロック状をなしているので、ブレード１、１２、１４、１６の軽量化が図れるとともに、強度、剛性を高めることができる。
また、上下寸法が大で受風面積の大きな大型のブレード１、１２、１４、１６においても、弱風時の風車の起動性や、低風速下での風車の回転効率及び発電効率に影響を及ぼすほど質量が大となることはなく、かつ強風時の風圧や高速回転時の遠心力等によって、ブレードが破損するおそれは小さい。
【００５０】
また、コア材５は、多数のループ状樹脂線７Ａ同士が複雑に絡み合って立体網目状に形成され、かつ不定形をなす無数の空隙８が形成されているので、ブレード１、１２、１４、１６は、全体が若干弾性変形可能な柔構造となり、弾性変形しても破壊しにくい靭性を備えている。そのため、強風時に強い風圧を受けても、ブレードが破損するおそれは極めて小さい。
【００５１】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、例えば次のような種々の変形や変更を施すことが可能である。
上記実施形態では、コア材５の全表面を、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂よりなる表皮材６により被覆するようにしたが、表皮材６を、例えば帆布や耐候性のゴム系シート材等よりなるものとして、それらをコア材５に張設したり、合成繊維等よりなる布やネットに樹脂を含浸させた表皮材により、コア材５を被覆したりしてもよい。
【００５２】
また、乱線樹脂結合ブロック状のコア材５は、加熱して軟化させた熱可塑性樹脂を、押出成形機９に設けた多数の射出ノズルから型枠内に自然降下させる以外に、次のような方法によっても形成することができる。例えば、多数の線状樹脂材同士を不規則に絡み合わせたものを金型内に挿入し、金型を加熱するか、金型内に加熱流体を供給するなどして、不規則に絡み合わせ線状樹脂材同士を軟化させて結合する。
【００５３】
上記実施形態のブレード１、１２、１４、１６は、いずれも、縦軸風車のロータ２に用いられるものとしたが、水平軸風車に用いられる揚力型ブレードにも、本発明を適用しうることは勿論である。
【符号の説明】
【００５４】
１  揚力型ブレード
１Ａ  主部
１Ｂ  内向き傾斜部
２  ロータ
３  縦主軸
４  支持アーム
５  コア材
６  表皮材
７  線状樹脂材
７Ａ  ループ状樹脂線
８  空隙
９  押出成形機
１０  射出ノズル
１１  可動底板
１２  揚力型ブレード
１３  発泡樹脂材
１４  揚力型ブレード
１５  中空孔
１６  揚力型ブレード
１７  発泡樹脂材
【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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