(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦主軸の周部に縦長揚力羽根が配設された風車であって、該縦長揚力羽根は、上下端部が縦主軸方向へ傾斜された傾斜部を具備し、該縦長揚力羽根の周部に立設された複数の支柱に、軸支持体の複数が、上下多段状に配設されて支持枠体として一体に構成され、前記各軸支持体の中央部に、それぞれ軸受が配設されて、上下の各軸受を貫通して一本の縦主軸が支持され、該縦主軸には、上下で一組の軸受間毎に、それぞれ縦長揚力羽根が前記縦主軸と共回転可能に垂直に配設されていること、を特徴とする多段羽根縦軸風車。
【請求項２】
前記一本の縦主軸には、上下一組の軸受間毎に、縦長揚力羽根を取付けるための回転体が固定され、該回転体は、縦主軸に固定される軸部と、軸部に固定される支持アームとで構成され、該支持アームの先端部に縦長揚力羽根が垂直に固定されたこと、を特徴とする請求項１のいずれかに記載された、多段羽根縦軸風車。
【請求項３】
前記縦主軸の周部に配設された複数の支柱は、上部に屋根が配設され、該屋根に太陽光発電パネルが配設されていること、を特徴とする請求項１．２のいずれかに記載された、多段羽根縦軸風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多段羽根縦軸風車に係り、特に１本の縦主軸に、羽根を多段に配設した多段羽根縦軸風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電機の風車は、横軸プロペラ式が使用され、風力回収率が３５％程度と云われる縦軸風車は、実用性がないものとして使用されていないのが現状である。 
最近、小型の縦軸風車が研究されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
縦軸風車は、例えば主軸の左右に羽根があるため、左方の羽根に風を受けて回転するとき、逆に右方の羽根は風の抵抗を受けるという難点がある。その結果、羽根の弦長（前後幅）を狭くして、背丈を高くすることが好ましいが、羽根の背丈を高くすると剛性を求められ、剛性を高くすると、重量が重くなり回転効率が悪化するという欠点が生じる。更に製造コストが高くなり、またメンテナンス作業性が悪くなる。
この発明は、羽根をより軽量化し、羽根の受風面積を広くすることの出来る、多段羽根縦軸風車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】
【０００４】
この発明は、前記課題を解決し目的を達成するために、羽根の背丈を低く、小型軽量化し、これを縦軸に多段に配設した。発明の具体的な内容は次の通りである。
【０００５】
(1)    縦主軸の周部に縦長揚力羽根が配設された風車であって、該縦長揚力羽根は、上下端部が縦主軸方向へ傾斜された傾斜部を具備し、該縦長揚力羽根の周部に立設された複数の支柱に、軸支持体の複数が、上下多段状に配設されて支持枠体として一体に構成され、前記各軸支持体の中央部に、それぞれ軸受が配設されて、上下の各軸受を貫通して一本の縦主軸が支持され、該縦主軸には、上下で一組の軸受間毎に、それぞれ縦長揚力羽根が前記縦主軸と共回転可能に垂直に配設されている、多段羽根縦軸風車。  
【０００６】
(2)    前記一本の縦主軸には、上下一組の軸受間毎に、縦長揚力羽根を取付けるための回転体が固定され、該回転体は、縦主軸に固定される軸部と、軸部に固定される支持アームとで構成され、該支持アームの先端部に縦長揚力羽根が垂直に固定された、前記(1)に記載された、多段羽根縦軸風車。
【０００７】
(3)   前記縦主軸の周部に配設された複数の支柱は、上部に屋根が配設され、該屋根に太陽光発電パネルが配設されている、前記(1)(2)のいずれかに記載された、多段羽根縦軸風車。
【発明の効果】
【０００８】
（１）  請求項１に記載された発明の多段羽根縦軸風車は、上下先端部に傾斜部を具備した縦長揚力羽根が配設されているので、羽根に当たる風流を効率的に利用することができる。複数の支柱の中央部に縦主軸が上下複数の軸支持体における軸受により支持され、該縦主軸に対して羽根は、上下多段に配設されているので、総体で受風面積を広くすることができる。上下軸受の間の各段における縦長揚力羽根は、背丈の低い羽根を使用することが出来るので、羽根並びに支持アームの剛性維持、軽量化に適し、回転効率を向上させることができる。
また支柱を３０ｍ〜５０ｍ等と高くすることによって、高空の高速風を利用することができる。羽根の小型軽量化に伴い、製造コスト負担が軽減され、小型軽量なので作業性に優れて、メンテナンスが容易となる。
【０００９】
（２）  請求項２に記載された発明の多段羽根縦軸風車は、回転体が縦主軸に固定される軸部と、軸部に固定される支持アームとで構成されているので、縦軸に縦長羽根の取付作業性に優れている。
【００１０】
（3）  請求項３に記載された発明の多段羽根縦軸風車は、支柱上の屋根に太陽光発電パネルが配設されるので、太陽光による発電も可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
羽根の背丈を低くさせて小型軽量化し、縦主軸に羽根を多段に配設する。
【実施例１】
【００１２】
本願発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る多段羽根縦軸風車の要部正面図、図２は図１における多段羽根縦軸風車の要部平面図である。
図において、多段羽根縦軸風車(1)は、ケース体(1a)に、縦主軸(2)が垂直に、かつ回転自在に支持されている。
ケース体(1a)の中には、例えば図示しない発電機（ダイナモ）が、縦主軸(2)の回転力で発電することが出来るように配設されている。
【００１３】
また縦主軸(2)から所定の半径位置に、複数の支柱(3)が定間隔で立設され、縦主軸(2)の上部、並びに中間の軸受(4)が、軸支持体(5)で支持されている。
図中の符号(6)は基盤であり、(7)は屋根である。該屋根(7)の上には、図示しない太陽光発電パネルを配設する事が出来る。
【００１４】
縦主軸(2)には、上下に複数（図では２）の回転体(8)が配設されている。回転体(8)は、縦主軸(2)に固定される軸部(8a)に、支持アーム(8b)が固定されている。上下の支持アーム(8b)の先端部は、上下でそれぞれ反対方向を向くように設定されている。
【００１５】
各支持アーム(8b)の先端部には、縦長の揚力羽根(9)が、左側面を縦主軸(2)方向へ向けて、縦中間部を固定されている。羽根(9)の横断平面は、略魚形で、左側前縁部に大きな膨出部が形成されて、羽根(9)の上下部には、左側（縦主軸）方向へ傾斜した傾斜部(9a)が形成されている。
【００１６】
回転体(8)の支持アーム(8b)と羽根(9)の左側面との間には、羽根(9)の揺動を防止する為の羽根支持体(10)が、傾斜状に配設されている。この羽根支持体(10)は、ネジ止式にできるが、羽根(9)と支持アーム(8b)との結合部を、ＦＲＰ成形で一体にすることができる。
【００１７】
図１において、上段と下段では風の向きや風速が違う。このことから、上段と下段の羽根(9)に当る風力が当然に異なってくる。図１．２において、南風（Ａ矢示の風）によって、下段のＡ羽根(9)が回転すると、縦主軸(2)が回転する。
【００１８】
縦主軸(2)の回転力によって回転する、上段のＢ羽根(9)は、風の抵抗を受けるが、羽根(9)の左側面前縁部が膨出しているために、その部分を通過する風速が早くなり、負圧が生じることから揚力（回転推力）が生じて、自走回転をする。
【００１９】
そして上段のＢ羽根(9)が図１の左方に移動して、風による回転をするとき、下段のＡ羽根(9)は縦主軸(2)の右方へ回っても、風力で回転してきた力で回転し、かつ揚力（回転推力）による自走回転をする。
【００２０】
このように、図１．２における同一水準段においては、羽根(9)は１枚なので、縦主軸(2)を挟んだ反対側に、風の抵抗を受ける羽根がないため、１枚の羽根(9)は風に押されて回転し、揚力による自走回転をプラスする。異なった他段の羽根(9)が、定期的に同じ作用を繰り返すので、効率のよい風力回収をすることができる。
【００２１】
この同一水準段において、縦主軸(2)を挟んだ羽根(9)の反対側軸部(3a)には、バランス体、アンバランス体あるいは別の羽根を配設する事ができる。
また上下の軸受(4)の間に、回転体(8)を複数配設すると、支柱(3)の高さを有効に利用することが出来る。
【実施例２】
【００２２】
図３は、第２実施例を示す、多段羽根縦軸風車の要部正面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。
この第２実施例は、羽根(9)を３段に配設したものである。平面における羽根(9)の位置は、図４に示すように、回転トラック上で均等分割（１２０度毎）した位置に配設される。
【００２３】
この第２実施例の多段羽根縦軸風車(1)においては、各段においては１枚羽根の特徴を有し、平面においては、３枚羽根のバランスを有している。
例えば、羽根(9)の背丈を６メートルにしようとすると、強度を強化して重量が重くなる。従って支持アーム(8b)の強度も強化しなければならない。更に縦主軸(2)の強度も強化する必要が出てくる。
【００２４】
しかし、羽根(9)を３段に配設したことによって、羽根(9)の受風面積が同じならば、６ｍの羽根の３分の１の２メートルの背丈でよい（弦長が同じ時）ことになるので、剛性もそれに適合するものでよく、支持アーム(8b)も当然に軽量化することができる。更に縦主軸(2)も、上下の複数の軸受(4)で支持されるので、細い縦主軸(2)で十分になる。
【実施例３】
【００２５】
図５は、第３実施例を示す、多段羽根縦軸風車の要部正面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。
この第３実施例は、４段羽根に構成されている。上下における羽根(9)の平面位相は、９０度ごとに違差されている。
【００２６】
気圧は地上から高くなる毎に変化する。従って、風圧、風速も地上からの高位差によって変化する。一般には上空の方が風速は早い。このことから、地上２ｍの位置の羽根と８ｍの位置の羽根とでは受ける風速に差が生じる。
【００２７】
従って、下段と最上段の羽根の受ける風速の差が大きい場合は、初期においては、上段の風速による回転主導が行われる。この場合下段の羽根の抵抗が負担になる時は、縦主軸(2)に捩じれが生じる虞がある。
【００２８】
その場合には、下段から上段にかけて配設される羽根(9)の面積を、順次一定比率で狭くする事ができる。又は回転体(8)の支持アーム(8b)の長さを、上部では下より短くすることにより調節することができる。羽根支持体(10)は図示のように水平にすることができる。
【実施例４】
【００２９】
図６は、第４実施例を示す、多段羽根縦軸風車の要部正面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。
この第４実施例では、支柱(3)を高くして、羽根(9)を支柱(3)の高い位置にのみ配設したものである。この第４実施例において、例えば支柱(3)の高さが１０ｍとすると、縦主軸(2)も１０ｍとして、地上にケース体(1a)を配設して発電器を中に配設すると、メンテナンスが容易となる。
【００３０】
しかし、縦主軸(2)が長くなると、重量負荷、捩じれ等の問題が生じる虞があるので、図示するように、例えば中間に変速器(1b)を配して、縦主軸(2)を上下に複数とすることができる。これによって、羽根(9)支持部分の縦主軸(2)の直径を、太くすることが抑制される。  この構成においては、支柱(3)を３０ｍ、５０ｍ等にするような、大がかりな風力発電に利用することができる。  
【００３１】
また羽根(9)について、支柱(3)の高位置において、上段と下段においては異なった風速を受けるので、受風面積を下段より上段の羽根を小さくする以外の手段としては、回転体(8)の支持アーム(8b)の長さを下段のよりも上段の方を短くするすることにより、縦主軸(2)に対するトルクを調整することができる。この支持アーム(8b)は長いほど梃子の原理で軸トルクを大きくすることができる。
【実施例５】
【００３２】
図７は、第４実施例を示す多段羽根縦軸風車の、支柱と軸受のユニット(11)を示す要部正面図、図８はその平面図である。
このユニット(11)は、支柱(3)を一定の長さとし、この支柱(3)複数と軸支持体(5)と軸受(4)とをセットとしているものである。支柱(3)は図示するように、上端部に嵌合突体(3a)を形成し、下端部に、嵌合突体(3a)が嵌合される嵌合凹部(3b)が形成されている。
【００３３】
軸支持体(5)は、図８に示すように、基端部には、軸受(4)に固定する基端固定部(5a)が形成されて、軸受(4)にボルト止めされる。軸支持体(5)の先端部には、先固定部(5b)が形成され、図７に示すように、上下の支柱(3)の嵌合突体(3a)と嵌合凹部(3b)との、嵌合による連結部を覆うように固定される。
これによって、この軸支持体(5)の先固定部(5b)は、軸支持体(5)を支柱(3)に固定すると共に、上下支柱(3)の連結部の固定補強に利用される。
【００３４】
このユニット(11)において、支柱(3)の背丈によって、上下の軸受(4)の間に回転体(8)を１っ配設するか、複数配設するか選択される。また支柱(3)が長い場合、その縦中間に軸受(4)と軸支持体(5)とを介在させることができる。
上記のように構成された、この支柱と軸受のユニット(11)は、例えば５段重ねをし、更に支柱(3)の最上部にも継足していくことが出来る。
【００３５】
なおこの発明は、前記実施例に限定されるものではなく、目的に沿って適宜設計変更をすることが出来る。前記縦主軸(2)もユニット(11)において、短尺のものを組合わせて、短尺の縦主軸を上下連結させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
この発明の多段羽根縦軸風車は、縦長の羽根を多段に配設することが出来るので、小型羽根で効率良く風力回収をすることができ、高層の風力も利用することができ、風力発電に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明第１実施例を示す多段羽根縦軸風車の要部正面図である。
【図２】図１における要部平面図である。
【図３】本発明第２実施例を示す多段羽根縦軸風車の要部正面図である。
【図４】図３における要部平面図である。
【図５】本発明第３実施例を示す多段羽根縦軸風車の要部正面図である。
【図６】本発明第４実施例を示す多段羽根縦軸風車の要部正面図である。
【図７】本発明第５実施例を示す多段羽根縦軸風車の要部正面図である。
【図８】図７における平面図である。
【符号の説明】
【００３８】
(1)多段羽根縦軸風車
(1a)ケース体
(1b)変速機
(2)縦主軸
(3)支柱
(3a)嵌合突部
(3b)嵌合凹部
(4)軸受
(5)軸支持体
(5a)基端固定部
(5b)先固定部
(6)基盤
(7)屋根
(8)回転体
(8a)軸部
(8b)支持アーム
(9)縦長揚力羽根
(9a)傾斜部
(10)羽根支持体
(11)ユニット
【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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