JP2005009473A - Drive power unit utilizing wind, rotating member, and blade member suitable for the unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、風から動力を得て稼働する、風を利用した動力装置と、その動力装置に供する羽根部材に関する。 The present invention relates to a power device using wind that operates by obtaining power from wind, and a blade member used for the power device.
風を利用した動力装置は、例えば、発電機を備え、電力を発生するものや、ポンプを備え、水を汲み上げるもの等がある。 Examples of the power device that uses wind include a generator that generates electric power, a pump that includes a pump, and pumps water.
このような動力装置には、様々な構造のものがあるが、その中でも、例えば、垂直に配置された回転自在な回転軸(以下、垂直回転軸という)と、垂直回転軸に直交して取り付けられた水平紬と、水平軸に取り付けられた羽根部材(翼)とを備え、羽根部材で風を受けることによって、水平軸を介して垂直回転軸を回転させるものがある。例えば、特許文献1〜3には、このような動力装置が開示されている。 There are various types of such power units, and among them, for example, a vertically arranged rotating shaft (hereinafter, referred to as a vertical rotating shaft) and a perpendicular rotating shaft are attached. There are some which have a horizontal rod and a blade member (wing) attached to the horizontal shaft, and rotate the vertical rotation shaft through the horizontal shaft by receiving wind at the blade member. For example, Patent Documents 1 to 3 disclose such a power unit.
風を利用した動力装置は、例えば、風力2といわれる風速3.4M/S以下のわずかな風でも、円滑に回転することが好ましい。そのためには、風のエネルギーをいかに効率よく、すなわち、風のエネルギーをできるだけ損失させずに、垂直回転軸の回転動力に転化させるかが最大の課題となる。
For example, it is preferable that the power device using the wind smoothly rotates even with a slight wind having a wind speed of 3.4 M / S or less, referred to as the
しかしながら、従来の技術には、構造が複雑で重量が重くなりがちであり、かつ、風のエネルギーを損失させる要因が少なからずある。そのため、従来の技術は、わずかな風では、垂直回転軸を円滑に回転させることが難しかった。 However, the conventional technology has a complicated structure and tends to be heavy, and there are many factors that cause the loss of wind energy. Therefore, it has been difficult for the conventional technology to smoothly rotate the vertical rotation shaft with a slight amount of wind.
例えば、特許文献1には、垂直回転軸(特許文献1においては車軸)と、水平軸(羽根取付用軸)と、羽根部材(羽根)と、羽根部材の回転を抑制する部材(抑止杆)とを備えた動力装置が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a vertical rotation shaft (axle in Patent Document 1), a horizontal shaft (blade mounting shaft), a blade member (blade), and a member that suppresses rotation of the blade member (inhibition rod). Is disclosed.
このような特許文献1に記載の動力装置は、以下のような要因が、風のエネルギーを多大に損失させている。 In the power device described in Patent Document 1, the following factors cause a great loss of wind energy.
すなわち、各羽根部材の板面の向きが風の力を流す方向(すなわち、水平方向であり、以下、風を流す方向という)から風の力を受ける方向(すなわち、垂直方向であり、以下、風を受ける方向という)に変わる場合に、各羽根部材が他の羽根部材とは無関係に独立して動作するため、各羽根部材が急激に動いて、抑止杆と衝突する。このときに、振動が発生する。振動は、各羽根部材やその他の部材の動作に影響を与え、これらの円滑な動作を阻害する。そのため、多大な風のエネルギーを損失させることになる。 That is, the direction of the plate surface of each blade member is the direction of receiving wind force from the direction of flowing wind force (that is, the horizontal direction, hereinafter referred to as the direction of flowing wind) (that is, the vertical direction, and hereinafter When the direction is changed to a direction of receiving wind), each blade member operates independently of the other blade members, so that each blade member moves suddenly and collides with the restraint rod. At this time, vibration is generated. The vibration affects the operation of each blade member and other members, and hinders their smooth operation. Therefore, a great deal of wind energy is lost.
また、各羽根部材の板面の向きが風を受ける方向(すなわち、垂直方向)から風を流す方向(すなわち、水平方向)に変わる場合に、各羽根部材が風の流れに従うだけであるため、各羽根部材は緩慢に動作する。また、各羽根部材は重力によって下向きに引かれるため、風の力が弱いと、各羽根部材は水平に上がりきらない。これらの場合に、羽根部材は、ブレーキとして作用する。 In addition, when the direction of the plate surface of each blade member changes from the direction of receiving wind (that is, the vertical direction) to the direction of flowing wind (that is, the horizontal direction), each blade member only follows the flow of the wind, Each blade member operates slowly. Moreover, since each blade member is pulled downward by gravity, if the wind force is weak, each blade member cannot be raised horizontally. In these cases, the blade member acts as a brake.
また、特許文献1に記載の装置は、同一水平面上に配置する羽根部材の枚数を規定しておらず、同一水平面上に多数(4枚)の羽根部材を配置する構成も開示している。しかしながら、このような構成では、いずれかの羽根部材が別の羽根部材の風下になるときがあるため、風下になった羽根部材は風の力を受けなくなる。この場合にも、風下の羽根部材は、ブレーキとして作用する。 Moreover, the apparatus of patent document 1 does not prescribe | regulate the number of the blade members arrange | positioned on the same horizontal surface, The structure which arrange | positions many (4 sheets) blade members on the same horizontal surface is also disclosed. However, in such a configuration, since any of the blade members may be leeward of another blade member, the wing member that has become leeward does not receive wind force. Also in this case, the leeward blade member acts as a brake.
また、垂直回転軸が水平軸をいわば片持ち状に支持しているため、垂直回転軸の、水平軸を支持する機構の強度を強くする必要がある。この機構の強度を強くするには、機構を肉厚にしたり、付加的な構成を設ける必要がある。そのため、機構の重量が増大することになり、羽根部材の円滑な回転を阻害する。 Further, since the vertical rotation shaft supports the horizontal axis in a cantilever manner, it is necessary to increase the strength of the mechanism that supports the horizontal axis of the vertical rotation shaft. In order to increase the strength of this mechanism, it is necessary to increase the thickness of the mechanism or provide an additional configuration. Therefore, the weight of the mechanism increases, and the smooth rotation of the blade member is hindered.
特許文献2には、垂直回転軸(特許文献2においては鉛直主軸)と、水平軸(横杆)と、羽根部材(回動羽根)と、垂直回転軸の回転に応じて羽根部材を所定の角度に回転させる機械的な機構(角度変換部)と、その機械的な機構を作動させる部材(矢羽根)とを備えた動力装置が開示されている。また、特許文献3には、特許文献2と同様に、垂直回転軸(特許文献3おいては回転軸)と、水平軸(芯棒)と、羽根部材(受風翼)と、垂直回転軸の回転に応じて羽根部材を所定の角度に回転させる機械的な機構(翼作動棒、テコ、鎖、テコ固定枠、回転盤)と、その機械的な機構を作動させる部材(方向梶)とを備えた動力装置が開示されている。
In
このような特許文献2または3に記載の動力装置は、以下のような要因が、風のエネルギーを多大に損失させている。
In such a power device described in
すなわち、特許文献2または3に記載の装置は、好適に風を受ける方向が限定されており、最良の効率を得るためには、複雑な機構、すなわち、装置の機械的な機構の向きが風と平行になるように、機械的な機構を作動させる部材(特許文献2おける矢羽根、特許文献3おける方向梶や、機械的な機構を回転可能に支持する機構)を必要とする。そのため、装置は、風向きが変わると、羽根部材やその他の部材が円滑に動作しなくなり、効率が一時的に低下するとともに、最良の効率を得られるようになるまでに時間がかかってしまう。また、羽根部材以外に風の抵抗を受ける部材が多数、存在する。さらに、構造が複雑であるため、機構の重量が増大することになる。
In other words, the device described in
また、特許文献2または3に記載の装置は、同一水平面上に配置する羽根部材の枚数を規定しておらず、同一水平面上に多数(4枚)の羽根部材を配置する構成も開示している。しかしながら、このような構成では、いずれかの羽根部材が別の羽根部材の風下になるときがあるため、風下になった羽根部材は風の力を受けなくなる。この場合にも、風下の羽根部材は、ブレーキとして作用する。
In addition, the device described in
これらの要因が、羽根部材の円滑な回転を阻害する。そのため、多大な風のエネルギーを損失させることになる。 These factors hinder smooth rotation of the blade member. Therefore, a great deal of wind energy is lost.
したがって、特許文献1〜3に記載の装置は、風のエネルギーを損失させる要因があるため、わずかな風では、垂直回転軸が回転しなかったり、回転したとしても、ぎこちなく回転したりしていた。すなわち、特許文献1〜3に記載の装置は、わずかな風では、垂直回転軸を円滑に回転させることが困難であるという問題があった。 Therefore, the devices described in Patent Documents 1 to 3 have a factor of losing wind energy, so even with a slight amount of wind, the vertical rotation shaft does not rotate or rotates awkwardly even if it rotates. . That is, the devices described in Patent Documents 1 to 3 have a problem that it is difficult to smoothly rotate the vertical rotation shaft with a slight wind.
なお、特許文献1に記載の装置は、羽根部材と抑止杆との衝突によって、「バタン、バタン」といった騒音が発生するという副次的な問題もある。また、特許文献2または3に記載の装置は、このような問題以外にも、部品点数が多く、構造が複雑なため、製造コストが高騰するとともに、設置がしにくく、故障が発生しやすいという問題もある。
In addition, the apparatus described in Patent Document 1 also has a secondary problem that noise such as “bang” is generated due to the collision between the blade member and the restraining rod. In addition to such problems, the device described in
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、軽量化を可能にするとともに、わずかな風でも垂直回転軸を回転させることができる、風を利用した動力装置、及びこの動力装置に供する好適な羽根部材を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances. A power device using wind that can reduce the weight and can rotate the vertical rotation shaft even with a small amount of wind, and a suitable power supply for the power device. It is an object to provide a simple blade member.
前記課題を解決するには、風を利用した動力装置の構成を工夫すること、及び、その動力装置に供する羽根部材の構成を工夫することが好ましい。 In order to solve the above-mentioned problems, it is preferable to devise the configuration of the power device using wind and to devise the configuration of the blade member used for the power device.
そこで、本発明に係る風を利用した動力装置は、垂直に配置された回転自在な垂直回転軸と、垂直回転軸と直交しかつ垂直回転軸を貫通する、回転自在な水平回転軸と、垂直回転軸を中心にして水平回転軸の両側に取り付けられた板状の第1及び第2の羽根部材と、垂直回転軸の回転に応じて稼働する動力機構とを備え、第1及び第2の羽根部材は、それぞれの板面の向きが、水平回転軸の軸周方向に互いに90度の角度だけずれて固定され、かつ、それぞれが、水平回転軸を中心にして、垂直方向と水平方向との間で、互いに連動して、揺動することを特徴とする。 Accordingly, a power device using wind according to the present invention includes a vertically arranged rotatable vertical rotating shaft, a rotatable horizontal rotating shaft orthogonal to the vertical rotating shaft and passing through the vertical rotating shaft, and a vertical A plate-like first and second blade member attached to both sides of the horizontal rotation shaft around the rotation shaft, and a power mechanism that operates according to the rotation of the vertical rotation shaft. The blade members are fixed so that the orientations of the respective plate surfaces are shifted from each other by an angle of 90 degrees in the axial direction of the horizontal rotation shaft, and the vertical direction and the horizontal direction are respectively centered on the horizontal rotation shaft. The rocking mechanism is characterized by swinging in conjunction with each other.
このような動力装置の第1及び第2の羽根部材は、以下のように動作する。すなわち、まず、無負荷、無風時において、第1及び第2の羽根部材は、板面の向きが水平面から下向きに45度の角度で停止している。第1及び第2の羽根部材は、この状態で風を受けると、いずれか一方が風によって発生するトルク(以下、風の力という)を受けるように作用する。このとき、一方の羽根部材の板面の向きは風を受ける方向(すなわち、風の抵抗が最大限となる垂直方向)となり、他方の羽根部材の板面の向きは風を流す方向(すなわち、風の抵抗が最小限となる水平方向)となる。一方の羽根部材は、風の力を受けて水平回転軸を所定の方向に押し、水平回転軸は垂直回転軸を回転させる。この後、一方の羽根部材の板面の向きは風を受ける方向(すなわち、垂直方向)から風を流す方向(すなわち、水平方向)に徐々に変化し、これに連動して他方の羽根部材の板面の向きは風を流す方向(すなわち、水平方向)から風を受ける方向(すなわち、垂直方向)に変化する。そして、他方の羽根部材が風の力を受けるようになると、今度は他方の羽根部材が一方の羽根部材を水平方向に押し上げるとともに、風の力を受けて水平回転軸を所定の方向に押し、垂直回転軸を回転させる。この後、他方の羽根部材の板面の向きは風を受ける方向(すなわち、垂直方向)から風を流す方向(すなわち、水平方向)に後々に変化し、これに連動して一方の羽根部材の板面の向きは風を流す方向(すなわち、水平方向)から風を受ける方向(すなわち、垂直方向)に変化する。そして、一方の羽根部材が風の力を受けるようになると、今度は一方の羽根部材が他方の羽根部材を水平方向に押し上げるとともに、風の力を受けて水平回転軸を所定の方向に押し、垂直回転軸を回転させる。この後、第1及び第2の羽根部材は、同様の動作を交互に繰り返し行って、垂直回転軸を回転させる。このような第1及び第2の羽根部材は、互いに連動して動作する(すなわち、互いが、互いの羽根部材に働く風の力を利用して動作する)。そのため、その動作は、エネルギーの損失が少なく、非常に円滑である。このような第1及び第2の羽根部材の動作は、垂直回転軸を貫通する水平回転軸によって実現される。 The first and second blade members of such a power unit operate as follows. That is, first, when there is no load and no wind, the first and second blade members are stopped at an angle of 45 degrees with the plate surface facing downward from the horizontal plane. When the first and second blade members receive wind in this state, one of them acts so as to receive torque generated by the wind (hereinafter referred to as wind force). At this time, the direction of the plate surface of one blade member is a direction to receive wind (that is, the vertical direction in which the wind resistance is maximized), and the direction of the plate surface of the other blade member is a direction of flowing wind (that is, Horizontal direction that minimizes wind resistance). One blade member receives the force of the wind and pushes the horizontal rotation shaft in a predetermined direction, and the horizontal rotation shaft rotates the vertical rotation shaft. Thereafter, the direction of the plate surface of one blade member gradually changes from the direction of receiving wind (ie, the vertical direction) to the direction of flowing wind (ie, the horizontal direction). The direction of the plate surface changes from the direction in which the wind flows (that is, the horizontal direction) to the direction that receives the wind (that is, the vertical direction). When the other blade member receives wind force, the other blade member pushes up one blade member in the horizontal direction, and receives the wind force to push the horizontal rotation shaft in a predetermined direction. Rotate the vertical rotation axis. Thereafter, the direction of the plate surface of the other blade member is changed later from the direction of receiving the wind (ie, the vertical direction) to the direction of flowing the wind (ie, the horizontal direction). The direction of the plate surface changes from the direction in which the wind flows (that is, the horizontal direction) to the direction that receives the wind (that is, the vertical direction). When one blade member receives wind force, this time, one blade member pushes up the other blade member in the horizontal direction, receives the wind force and pushes the horizontal rotation shaft in a predetermined direction, Rotate the vertical rotation axis. Thereafter, the first and second blade members repeat the same operation alternately to rotate the vertical rotation shaft. Such first and second blade members operate in conjunction with each other (that is, each other operates by utilizing the force of wind acting on each other blade member). Therefore, the operation is very smooth with little energy loss. Such operations of the first and second blade members are realized by a horizontal rotation shaft that penetrates the vertical rotation shaft.
本発明に係る風を利用した動力装置は、第1及び第2の羽根部材が水平回転軸によって互いに連動して動作する。そのため、各羽根部材は、板面の向きが風を流す方向から風を受ける方向に変わる場合には、別の羽根部材を水平方向に押し上げるように働くので、その動作が規制され、急激に動作することがない。また、逆に、各羽根部材は、板面の向きが風を受ける方向から風を流す方向に変わる場合には、別の羽根部材によって水平方向に押し上げられるので、素早い動作で水平方向に達することができる。また、各羽根部材は、板面の向きが風を流す方向にある場合でも、別の羽根部材によって水平方向に維持されているので、ばたつくことがない。このように、第1及び第2の羽根部材は、それぞれが互いの動きを補完するように動作するので、非常に円滑に動作する。したがって、本発明に係る風を利用した動力装置は、風のエネルギーを非常に効率よく、すなわち、風のエネルギーをほとんど損失することなく、垂直回転軸の回転動力に転化することができる。そのため、わずかな風でも、垂直回転軸を回転させることができる。また、振動と騒音の発生を抑えることもできる。 In the power device using wind according to the present invention, the first and second blade members operate in conjunction with each other by the horizontal rotation shaft. Therefore, each blade member works to push up another blade member in the horizontal direction when the direction of the plate surface changes from the direction of flowing wind to the direction of receiving wind, so that its operation is restricted and operates rapidly. There is nothing to do. Conversely, when the direction of the plate surface changes from the direction of receiving wind to the direction of flowing wind, each blade member is pushed up in the horizontal direction by another blade member, so that it reaches the horizontal direction with quick operation. Can do. Further, even if each blade member is in the direction in which the wind flows, the blade members are maintained in the horizontal direction by another blade member, and therefore do not flutter. In this way, the first and second blade members operate so as to complement each other's movement, and thus operate very smoothly. Therefore, the power device using the wind according to the present invention can convert the wind energy to the rotational power of the vertical rotating shaft very efficiently, that is, with almost no loss of the wind energy. Therefore, the vertical rotation axis can be rotated even with a slight wind. In addition, generation of vibration and noise can be suppressed.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、水平回転軸を垂直回転軸に貫通させるとともに、水平回転軸の両側に位相を90度変えて第1及び第2の羽根部材を固定しただけであるので、羽根部材を支持した状態で動作させるための複雑な機構や水平回転軸を回転させるための複雑な機構を必要としない。したがって、最小限の部品点数で構成することができる。そのため、構造を簡略化させることができるとともに、軽量化させることができる。さらに、製造コストを低減させることができるとともに、設置を容易にし、故障を発生しにくくすることができる。 In the power device using wind according to the present invention, the horizontal rotating shaft is passed through the vertical rotating shaft, and the first and second blade members are fixed by changing the phase by 90 degrees on both sides of the horizontal rotating shaft. Therefore, a complicated mechanism for operating the blade member in a supported state and a complicated mechanism for rotating the horizontal rotation shaft are not required. Therefore, it can be configured with a minimum number of parts. Therefore, the structure can be simplified and the weight can be reduced. Further, the manufacturing cost can be reduced, the installation can be facilitated, and the failure can be hardly generated.
本発明に係る風を利用した動力装置は、第1及び第2の羽根部材が以下のように構成されていることが好ましい。すなわち、第1及び第2の羽根部材は、第1及び第2の羽根部材のそれぞれの、水平回転軸によって2つに区分される部分のそれぞれを第1区分部材及び第2区分部材とするときに、第1区分部材と第2区分部材とで、風から受ける力の大きさが異なるように形成されているとともに、第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントに対して、回転モーメントの小さい方に荷重を付加するウェイトバランスの調整が施されて形成されていることが好ましい。理想的には、第1及び第2の羽根部材は、ウェイトバランスの調整によって、第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの差が最大でも第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの大きい方の0.2倍未満になるように、形成されていることが好ましい。このような第1及び第2の羽根部材は、回転モーメントが0に近似するように、ウェイトバランスが調整されているので、エネルギーの損失が少なく、わずかな風でも非常に円滑に回転する。 In the power device using wind according to the present invention, the first and second blade members are preferably configured as follows. In other words, when the first and second blade members are the first and second blade members, the first and second blade members are divided into two portions by the horizontal rotation shaft. In addition, the first section member and the second section member are formed so that the magnitude of the force received from the wind is different, and the first section member and the second section member rotate with respect to the rotational moment generated by the gravity of the first and second section members. It is preferable that the weight balance is adjusted so that a load is applied to a smaller moment. Ideally, the first and second blade members can be adjusted by the gravity of the first and second segment members even when the difference in rotational moment generated by the gravity of the first and second segment members is maximum by adjusting the weight balance. It is preferably formed so as to be less than 0.2 times the larger rotational moment. Since the weight balance of the first and second blade members is adjusted so that the rotational moment is close to 0, energy loss is small and the blades rotate very smoothly even with a small amount of wind.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、複数段に重ねて配置されており、各段を構成する水平回転軸のそれぞれは、垂直回転軸の軸上の異なる位置でかつ垂直回転軸の軸周方向に所定の角度間隔だけずらされて配置されていることが好ましい。特に、所定の角度間隔は、180度を段数で除した値またはその倍数であることが好ましい。第1及び第2の羽根部材が、垂直回転軸方向から見た場合に、所定の角度毎に1枚存在するように、垂直回転軸の上下方向に複数段に配置されている。このとき、第1及び第2の羽根部材は、垂直回転軸に対して隙間を有して複数(具体的には3段〜20段又はそれ以上の、多段式に)設けられている。しかも、第1及び第2の羽根部材は、上側から見た場合に垂直回転軸を中心にして放射状に均等に配置される。このような第1及び第2の羽根部材は、各羽根部材のいずれかが風の力を必ず受けるようになるとともに、同一水平面上にブレーキとなる他の羽根部材がないので、円滑な動作を可能とする。そのため、動力装置は、垂直回転軸に対して回転トルクのバラツキのない動力を得るとともに、高い効率を実現することができる。第1及び第2の羽根部材は、各段を構成する前記水平回転軸のそれぞれは、蝶旋状に配置されていることが理想的である。これによって、各羽根部材のいずれかが風の力を必ず受けるようになるとともに、同一水平面上にブレーキとなる他の羽根部材がない。また、風を受ける段が下から上にまたは上から下に変位していくので、垂直回転軸にかかる力を分散させることができ、振動を低減することができる。このため、第1及び第2の羽根部材は、さらに円滑な動作を可能とする。これによって、動力装置は、垂直回転軸に対して回転トルクのバラツキのない動力を得るとともに、高い効率を実現することができる。 Further, the power device using wind according to the present invention is arranged in a plurality of stages, and each of the horizontal rotation shafts constituting each stage is at a different position on the axis of the vertical rotation shaft and the vertical rotation shaft. It is preferable that they are arranged so as to be shifted by a predetermined angular interval in the axial circumferential direction. In particular, the predetermined angular interval is preferably a value obtained by dividing 180 degrees by the number of steps or a multiple thereof. When viewed from the vertical rotation axis direction, the first and second blade members are arranged in a plurality of stages in the vertical direction of the vertical rotation axis so that one sheet exists for each predetermined angle. At this time, the first and second blade members are provided in a plural number (specifically, in a multistage manner having 3 to 20 stages or more) with a gap with respect to the vertical rotation axis. Moreover, the first and second blade members are evenly arranged radially about the vertical rotation axis when viewed from above. Such first and second blade members are subjected to a smooth operation because any one of the blade members always receives wind force and there is no other blade member serving as a brake on the same horizontal plane. Make it possible. Therefore, the power device can obtain power with no variation in rotational torque with respect to the vertical rotation shaft, and can realize high efficiency. Ideally, in the first and second blade members, each of the horizontal rotation shafts constituting each stage is arranged in a butterfly shape. As a result, any one of the blade members always receives a wind force, and there is no other blade member serving as a brake on the same horizontal plane. Further, since the step receiving the wind is displaced from the bottom to the top or from the top to the bottom, the force applied to the vertical rotation axis can be dispersed, and the vibration can be reduced. For this reason, the 1st and 2nd blade member enables further smooth operation. As a result, the power device can obtain power without variation in rotational torque with respect to the vertical rotation shaft, and can realize high efficiency.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、水平回転軸の回転を90度に規制する規制機構を備え、規制機構は、垂直回転軸を中心にして水平回転軸の両側にそれぞれ設けられた第1及び第2の当て部材と、第1及び第2の当て部材のそれぞれと当接可能な、垂直回転軸にそれぞれ設けられている第1及び第2の受け部材とからなることが好ましい。これによって、動力装置は、確実に、水平回転軸の回転角度を確保できる。 The power device using wind according to the present invention includes a restriction mechanism that restricts the rotation of the horizontal rotation shaft to 90 degrees, and the restriction mechanisms are provided on both sides of the horizontal rotation shaft around the vertical rotation shaft. The first and second contact members, and the first and second receiving members respectively provided on the vertical rotation shaft, which can be brought into contact with each of the first and second contact members, are preferable. . As a result, the power plant can reliably ensure the rotation angle of the horizontal rotation shaft.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、第1及び第2の羽根部材に、ショックアブソーバが設けられていることが好ましい。これによって、動力装置は、第1及び第2の羽根部材や、水平回転軸、垂直回転軸にかかる衝撃を緩和するとともに、これらの部材の摩耗を防止し、装置全体の長寿命化を図ることができる。 In the power device using wind according to the present invention, the first and second blade members are preferably provided with shock absorbers. As a result, the power unit reduces the impact on the first and second blade members, the horizontal rotation shaft, and the vertical rotation shaft, and prevents wear of these members, thereby extending the life of the entire device. Can do.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、垂直回転軸に突出して設けられていて、第1及び第2の羽根部材と当接して第1及び第2の羽根部材の回転を停止するストッパー部材を備えていることが好ましい。これによって、動力装置は、両側の羽根部材を適正角度で止めることができる。また、各羽根部材を止めるので、水平回転軸を止めるよりも小さな力で済む。 The power device using wind according to the present invention is provided so as to protrude from the vertical rotation shaft and comes into contact with the first and second blade members to stop the rotation of the first and second blade members. It is preferable to provide a stopper member. Thereby, the power unit can stop the blade members on both sides at an appropriate angle. Moreover, since each blade member is stopped, a smaller force is required than when the horizontal rotation shaft is stopped.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、垂直回転軸に、水平回転軸との摩擦抵抗を軽減する軸受部が設けられていることが好ましい。これにより、水平回転軸は、軸受部によって少ない摩擦抵抗で回転することができ、この状態で垂直回転軸を回転させることができる。 Further, in the power device using wind according to the present invention, it is preferable that the vertical rotating shaft is provided with a bearing portion that reduces frictional resistance with the horizontal rotating shaft. Thereby, the horizontal rotating shaft can be rotated with a small frictional resistance by the bearing portion, and the vertical rotating shaft can be rotated in this state.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、垂直回転軸の回転方向を設定する回転設定機構を備えていることが好ましい。特に、回転設定機構は、水平回転軸に設けられた突起部と、第1及び第2の羽根部材に設けられていて、突起部と係合して垂直回転軸の回転方向を決定する係合部とからなることが好ましい。係合部は、例えば、第1及び第2の羽根部材の、水平回転軸の周辺に設けられた穴に挿入される、ピンとする。なお、穴は突起部の左右に設けられており、ピンは垂直回転軸の回転方向に応じて左右の穴のいずれかに挿入される。これにより、動力装置は、垂直回転軸の回転方向を任意に設定することができる。 Moreover, it is preferable that the power apparatus using the wind which concerns on this invention is equipped with the rotation setting mechanism which sets the rotation direction of a vertical rotating shaft. In particular, the rotation setting mechanism is provided on the protrusion provided on the horizontal rotation shaft and the first and second blade members, and engages with the protrusion to determine the rotation direction of the vertical rotation shaft. It is preferable that it consists of a part. The engaging portion is, for example, a pin inserted into a hole provided in the periphery of the horizontal rotation shaft of the first and second blade members. The holes are provided on the left and right sides of the protrusion, and the pins are inserted into either of the left and right holes depending on the rotation direction of the vertical rotation shaft. Thereby, the power plant can arbitrarily set the rotation direction of the vertical rotation shaft.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、水平回転軸に設けられていて、第1及び第2の羽根部材の板面の向きを設定する油圧バンパーを備えていることが好ましい。これにより、動力装置は、第1及び第2の羽根部材を任意の板面の向きで固定することができるとともに、第1及び第2の羽根部材にかかる衝撃を緩和させることができる。 Moreover, it is preferable that the power apparatus using the wind which concerns on this invention is provided in the horizontal rotating shaft, and is equipped with the hydraulic bumper which sets the direction of the plate | board surface of a 1st and 2nd blade | wing member. As a result, the power unit can fix the first and second blade members in the direction of an arbitrary plate surface, and can reduce the impact applied to the first and second blade members.
また、本発明に係る動力装置に供する板状の羽根部材は、水平回転軸によって2つに区分される部分のそれぞれを第1区分部材及び第2区分部材とするときに、第1区分部材と第2区分部材とで、風から受ける力の大きさが異なるように形成されているとともに、第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントに対して、回転モーメントの小さい方に荷重を付加するウェイトバランスの調整が施されて形成されていることが好ましい。理想的には、羽根部材は、ウェイトバランスの調整によって、第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの差が最大でも第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの大きい方の0.2倍未満になるように、形成されていることが好ましい。このような羽根部材は、回転モーメントが0に近似するように、ウェイトバランスが調整されているので、エネルギーの損失が少なく、非常に円滑に動作する。 Further, the plate-like blade member provided for the power unit according to the present invention has a first section member and a second section member when each of the two sections divided by the horizontal rotation shaft is a first section member and a second section member. The second section member is formed so that the magnitude of the force received from the wind is different, and the load is applied to the smaller rotation moment with respect to the rotation moment generated by the gravity of the first and second section members. It is preferable that the weight balance to be added is adjusted. Ideally, the blade member has a large rotational moment generated by the gravity of the first and second segment members even when the difference between the rotational moments generated by the gravity of the first and second segment members is maximum by adjusting the weight balance. It is preferable that it is formed to be less than 0.2 times the direction. Since the weight balance is adjusted so that the rotational moment approximates zero, such a blade member operates very smoothly with little loss of energy.
ここで、回転モーメントの差は、第1区分部材と第2区分部材とで単位面積当たりの重量を変えることによって、設定されていることが好ましく、第1及び第2区分部材の単位面積当たりの重量が、以下の手法のいずれかによって変えられていることが好ましい。すなわち、第1及び第2区分部材の単位面積当たりの重量が、第1または第2区分部材のいずれかに、荷重物が配置されることによって、変えられている。または、第1及び第2区分部材の単位面積当たりの重量が、第1区分部材と第2区分部材とで比重の異なる素材を用いることによって、変えられている。または、第1及び第2区分部材の単位面積当たりの重量が、第1区分部材と第2区分部材とで異なる厚さに形成されることによって、変えられている。このような羽根部材は、いずれも、無負荷、無風時に、第1及び第2の羽根部材を所定の状態(すなわち、板面の向きが水平面から下向きに45度の角度)で安定して停止させることができるとともに、回転の開始時及び回転時における動作を円滑にさせることができる。 Here, the difference in rotational moment is preferably set by changing the weight per unit area between the first section member and the second section member, and the difference per unit area of the first and second section members. The weight is preferably changed by any of the following methods. That is, the weight per unit area of the first and second segment members is changed by placing a load on either the first or second segment member. Or the weight per unit area of the 1st and 2nd division member is changed by using the raw material from which specific gravity differs with a 1st division member and a 2nd division member. Or the weight per unit area of the 1st and 2nd division member is changed by forming in the thickness from which a 1st division member and a 2nd division member differ. All of these blade members stably stop the first and second blade members in a predetermined state (that is, the angle of the plate surface is 45 degrees downward from the horizontal plane) when there is no load and no wind. In addition, the operation at the start and at the time of rotation can be made smooth.
さらには、羽根部材は、第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの差を低減させるに際して増加する慣性モーメントを低減させるために、回転モーメントの差を低減させるに際して付加する荷重の位置を、水平回転軸から荷重をかける側の部材の巾の0.1倍以内とすることが理想的である。 Furthermore, the vane member has a position of a load applied when reducing the difference in rotational moment in order to reduce the moment of inertia that increases when reducing the difference in rotational moment generated by the gravity of the first and second section members. Is ideally within 0.1 times the width of the member to which the load is applied from the horizontal rotation axis.
また、羽根部材は、水平回転軸と直交する方向に延在する補助翼を有することが好ましい。補助翼は、第1及び第2の羽根部材の外端からすり抜けようとする風を押さえ付けるように作用する。これにより、動力装置は、第1及び第2の羽根部材にかかる風の力を数パーセント〜数十パーセント程度向上させることができ、風のエネルギーを動力に転化する効率を向上させることができる。 Moreover, it is preferable that a blade | wing member has an auxiliary wing extended in the direction orthogonal to a horizontal rotating shaft. The auxiliary wings act so as to suppress wind that tends to slip through the outer ends of the first and second blade members. Thus, the power device can improve the wind force applied to the first and second blade members by several percent to several tens percent, and can improve the efficiency of converting wind energy into motive power.
また、羽根部材は、板面に溝が設けられていることが好ましい。溝は、風を封じ込めるように作用する。これにより、動力装置は、第1及び第2の羽根部材にかかる風の力を数パーセント〜数十パーセント程度向上させることができ、風のエネルギーを動力に転化する効率を向上させることができる。 The blade member is preferably provided with a groove on the plate surface. The groove acts to contain the wind. Thus, the power device can improve the wind force applied to the first and second blade members by several percent to several tens percent, and can improve the efficiency of converting wind energy into motive power.
本発明に係る風を利用した動力装置は、垂直回転軸を貫通する回転自在な水平回転軸によって、第1及び第2の羽根部材とが、水平回転軸を中心にして、垂直方向と水平方向との間で、互いに連動して、揺動する。 In the power device using wind according to the present invention, the first and second blade members are arranged in a vertical direction and a horizontal direction around the horizontal rotation axis by a rotatable horizontal rotation shaft penetrating the vertical rotation shaft. Oscillates in conjunction with each other.
このような動力装置は、各羽根部材が互いの動きを補完するように動作するので、非常に円滑に動作する。また、ブレーキとして作用する羽根部材やその他の部材が存在しない。したがって、本発明に係る風を利用した動力装置は、風のエネルギーを非常に効率よく、すなわち、風のエネルギーをほとんど損失することなく、垂直回転軸の回転動力に転化することができる。そのため、わずかな風でも、垂直回転軸を回転させることができる。また、振動と騒音の発生を抑えることもできる。また、最小限の部品点数で構成することができる。そのため、構造を簡略化させることができるとともに、軽量化させることができる。さらに、製造コストを低減させることができるとともに、設置を容易にし、故障を発生しにくくすることができる。 Such a power unit operates very smoothly because each blade member operates so as to complement each other's movement. Further, there are no blade members or other members that act as brakes. Therefore, the power device using the wind according to the present invention can convert the wind energy to the rotational power of the vertical rotating shaft very efficiently, that is, with almost no loss of the wind energy. Therefore, the vertical rotation axis can be rotated even with a slight wind. In addition, generation of vibration and noise can be suppressed. Further, it can be configured with a minimum number of parts. Therefore, the structure can be simplified and the weight can be reduced. Further, the manufacturing cost can be reduced, the installation can be facilitated, and the failure can be hardly generated.
本発明に係る風を利用した動力装置は、第1及び第2の羽根部材が、第1区分部材と第2区分部材とで、風から受ける力の大きさが異なるように形成されているとともに、第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントに対して、回転モーメントの小さい方に荷重を付加するウェイトバランスの調整が施されて形成されていることが好ましい。理想的には、第1及び第2の羽根部材は、ウェイトバランスの調整によって、第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの差が最大でも第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの大きい方の0.2倍未満になるように、形成されていることが好ましい。このような第1及び第2の羽根部材は、回転モーメントが0に近似するように、ウェイトバランスが調整されているので、エネルギーの損失が少なく、わずかな風でも非常に円滑に回転する。 In the power device using wind according to the present invention, the first and second blade members are formed such that the magnitude of the force received from the wind is different between the first and second section members. It is preferable that the weight balance is adjusted so that a load is applied to the smaller rotational moment with respect to the rotational moment generated by the gravity of the first and second section members. Ideally, the first and second blade members can be adjusted by the gravity of the first and second segment members even when the difference in rotational moment generated by the gravity of the first and second segment members is maximum by adjusting the weight balance. It is preferably formed so as to be less than 0.2 times the larger rotational moment. Since the weight balance of the first and second blade members is adjusted so that the rotational moment is close to 0, energy loss is small and the blades rotate very smoothly even with a small amount of wind.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、複数段に重ねて配置されており、各段を構成する水平回転軸のそれぞれは、垂直回転軸の軸上の異なる位置でかつ垂直回転軸の軸周方向に所定の角度間隔だけずらされて配置されていることが好ましい。これにより、第1及び第2の羽根部材は、各羽根部材のいずれかが風の力を必ず受けるようになるとともに、同一水平面上にブレーキとなる他の羽根部材がないので、円滑な動作を可能とする。そのため、動力装置は、垂直回転軸に対して回転トルクのバラツキのない動力を得るとともに、高い効率を実現することができる。また、第1及び第2の羽根部材は、各段を構成する前記水平回転軸のそれぞれは、螺旋状に配置されていることが理想的である。これにより、第1及び第2の羽根部材は、設置時に各部材のバランスを取り易くなるとともに、角度の調節をし易くなる。 Further, the power device using wind according to the present invention is arranged in a plurality of stages, and each of the horizontal rotation shafts constituting each stage is at a different position on the axis of the vertical rotation shaft and the vertical rotation shaft. It is preferable that they are arranged so as to be shifted by a predetermined angular interval in the axial circumferential direction. As a result, the first and second blade members always receive the force of the wind, and there is no other blade member serving as a brake on the same horizontal plane, so that the smooth operation is achieved. Make it possible. Therefore, the power device can obtain power with no variation in rotational torque with respect to the vertical rotation shaft, and can realize high efficiency. Further, in the first and second blade members, it is ideal that each of the horizontal rotation shafts constituting each stage is arranged in a spiral shape. Thereby, the first and second blade members can easily balance each member at the time of installation and can easily adjust the angle.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、水平回転軸の回転を90度に規制する規制機構を備えていることが好ましい。これによって、動力装置は、確実に、水平回転軸の回転角度を確保できる。 Moreover, it is preferable that the power apparatus using the wind which concerns on this invention is equipped with the control mechanism which controls rotation of a horizontal rotating shaft to 90 degree | times. As a result, the power plant can reliably ensure the rotation angle of the horizontal rotation shaft.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、第1及び第2の羽根部材に、ショックアブソーバが設けられていることが好ましい。これによって、動力装置は、第1及び第2の羽根部材や、水平回転軸、垂直回転軸にかかる衝撃を緩和するとともに、これらの部材の磨耗を防止し、装置全体の長寿命化を図ることができる。 In the power device using wind according to the present invention, the first and second blade members are preferably provided with shock absorbers. As a result, the power unit reduces the impact on the first and second blade members, the horizontal rotation shaft, and the vertical rotation shaft, and prevents wear of these members, thereby extending the life of the entire device. Can do.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、垂直回転軸に突出して設けられていて、第1及び第2の羽根部材と当接して第1及び第2の羽根部材の回転を停止するストッパー部材を備えていることが好ましい。これによって、動力装置は、両側の羽根部材を適正角度で止めることができる。また、各羽根部材を止めるので、水平回転軸を止めるよりも小さな力で済む。 The power device using wind according to the present invention is provided so as to protrude from the vertical rotation shaft and comes into contact with the first and second blade members to stop the rotation of the first and second blade members. It is preferable to provide a stopper member. Thereby, the power unit can stop the blade members on both sides at an appropriate angle. Moreover, since each blade member is stopped, a smaller force is required than when the horizontal rotation shaft is stopped.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、垂直回転軸に、水平回転軸との摩擦抵抗を軽減する軸受部が設けられていることが好ましい。これにより、水平回転軸は、軸受部によって少ない摩擦抵抗で回転することができ、この状態で垂直回転軸を回転させることができる。 Further, in the power device using wind according to the present invention, it is preferable that the vertical rotating shaft is provided with a bearing portion that reduces frictional resistance with the horizontal rotating shaft. Thereby, the horizontal rotating shaft can be rotated with a small frictional resistance by the bearing portion, and the vertical rotating shaft can be rotated in this state.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、垂直回転軸の回転方向を設定する回転設定機構を備えていることが好ましい。これにより、動力装置は、垂直回転軸の回転方向を任意に設定することができる。 Moreover, it is preferable that the power apparatus using the wind which concerns on this invention is equipped with the rotation setting mechanism which sets the rotation direction of a vertical rotating shaft. Thereby, the power plant can arbitrarily set the rotation direction of the vertical rotation shaft.
また、本発明に係る風を利用した動力装置は、水平回転軸に設けられていて、第1及び第2の羽根部材の板面の向きを設定する油圧バンパーを備えていることが好ましい。これにより、動力装置は、第1及び第2の羽根部材を任意の板面の向きで固定することができるとともに、第1及び第2の羽根部材にかかる衝撃を緩和させることができる。 Moreover, it is preferable that the power apparatus using the wind which concerns on this invention is provided in the horizontal rotating shaft, and is equipped with the hydraulic bumper which sets the direction of the plate | board surface of a 1st and 2nd blade | wing member. As a result, the power unit can fix the first and second blade members in the direction of an arbitrary plate surface, and can reduce the impact applied to the first and second blade members.
また、本発明に係る動力装置に供する板状の羽根部材は、第1区分部材と第2区分部材とで、風から受ける力の大きさが異なるように形成されているとともに、第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントに対して、回転モーメントの小さい方に荷重を付加するウェイトバランスの調整が施されて形成されていることが好ましい。理想的には、第1及び第2の羽根部材は、ウェイトバランスの調整によって、第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの差が最大でも第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの大きい方の0.2倍未満になるように、形成されていることが好ましい。このような羽根部材は、回転モーメントが0に近似するように、ウェイトバランスが調整されているので、エネルギーの損失が少なく、わずかな風でも非常に円滑に回転する。 In addition, the plate-like blade member provided for the power device according to the present invention is formed so that the magnitude of the force received from the wind is different between the first partition member and the second partition member. It is preferable that the weight balance is adjusted so that a load is applied to the smaller rotational moment with respect to the rotational moment generated by the gravity of the two-section member. Ideally, the first and second blade members can be adjusted by the gravity of the first and second segment members even when the difference in rotational moment generated by the gravity of the first and second segment members is maximum by adjusting the weight balance. It is preferably formed so as to be less than 0.2 times the larger rotational moment. Such a blade member has a weight balance adjusted so that the rotational moment approximates zero, so that there is little energy loss, and the blade member rotates very smoothly even with a small amount of wind.
また、羽根部材の回転モーメントの差は、第1区分部材と第2区分部材とで単位面積当たりの重量を変えることによって、設定されていることが好ましく、第1及び第2区分部材の単位面積当たりの重量が、以下の手法のいずれかによって変えられていることが好ましい。すなわち、第1及び第2区分部材の単位面積当たりの重量が、第1または第2区分部材のいずれかに、荷重物が配置されることによって、変えられている。または、第1及び第2区分部材の単位面積当たりの重量が、第1区分部材と第2区分部材とで比重の異なる素材を用いることによって、変えられている。または、第1及び第2区分部材の単位面積当たりの重量が、第1区分部材と第2区分部材とで異なる厚さに形成されることによって、変えられている。このような羽根部材は、いずれも、無負荷、無風時に、第1及び第2の羽根部材を所定の状態(すなわち、板面の向きが水平面から下向きに45度の角度)で安定して停止させることができるとともに、回転の開始時及び回転時における動作を円滑にさせることができる。 The difference in rotational moment between the blade members is preferably set by changing the weight per unit area between the first segment member and the second segment member, and the unit areas of the first and second segment members. It is preferable that the hit weight is changed by any of the following methods. That is, the weight per unit area of the first and second segment members is changed by placing a load on either the first or second segment member. Or the weight per unit area of the 1st and 2nd division member is changed by using the raw material from which specific gravity differs with a 1st division member and a 2nd division member. Or the weight per unit area of the 1st and 2nd division member is changed by forming in the thickness from which a 1st division member and a 2nd division member differ. All of these blade members stably stop the first and second blade members in a predetermined state (that is, the angle of the plate surface is 45 degrees downward from the horizontal plane) when there is no load and no wind. In addition, the operation at the start and at the time of rotation can be made smooth.
また、羽根部材は、第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの差を低減させるに際して増加する慣性モーメントを低減させるために、回転モーメントの差を低減させるに際して付加する荷重の位置を、水平回転軸から荷重をかける側の部材の巾の0.1倍以内とすることが理想的である。これにより、羽根部材は、わずかな風でも、非常に円滑に回転することができる。 In addition, the blade member has a position of a load to be applied when reducing the difference in rotational moment in order to reduce the moment of inertia that is increased when reducing the difference in rotational moment generated by the gravity of the first and second section members. Ideally, the width is within 0.1 times the width of the member to which the load is applied from the horizontal rotation axis. Thereby, the blade member can rotate very smoothly even with a slight wind.
また、羽根部材は、水平回転軸と直交する方向に延在する補助翼を有することが好ましい。補助翼は、第1及び第2の羽根部材の外端からすり抜けようとする風を押さえ付けるように作用する。これにより、動力装置は、第1及び第2の羽根部材にかかる風の力を数パーセント〜数十パーセント程度向上させることができ、風のエネルギーを動力に転化する効率を向上させることができる。 Moreover, it is preferable that a blade | wing member has an auxiliary wing extended in the direction orthogonal to a horizontal rotating shaft. The auxiliary wings act so as to suppress wind that tends to slip through the outer ends of the first and second blade members. Thus, the power device can improve the wind force applied to the first and second blade members by several percent to several tens percent, and can improve the efficiency of converting wind energy into motive power.
また、羽根部材は、板面に溝が設けられていることが好ましい。溝は、風を封じ込めるように作用する。これにより、動力装置は、第1及び第2の羽根部材にかかる風の力を数パーセント〜数十パーセント程度向上させることができ、風のエネルギーを動力に転化する効率を向上させることができる。 The blade member is preferably provided with a groove on the plate surface. The groove acts to contain the wind. Thus, the power device can improve the wind force applied to the first and second blade members by several percent to several tens percent, and can improve the efficiency of converting wind energy into motive power.
以下に、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、各図は、本発明を理解できる程度に概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する要素や同様な要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Each figure is only shown schematically to the extent that the present invention can be understood. Therefore, the present invention is not limited to the illustrated example. Moreover, in each figure, about the common element and the same element, the same code | symbol is attached | subjected and those overlapping description is abbreviate | omitted.
<実施の形態>
(風を利用した動力装置全体の構成)
図1は本発明の実施の形態に係る風を利用した動力装置の正面図、図2は同装置の一部省略上面図である。
<Embodiment>
(Configuration of the entire power unit using wind)
FIG. 1 is a front view of a power device using wind according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially omitted top view of the device.
図1に示すように、本発明の実施の形態に係る風を利用した動力装置10は、垂直に配置された回転自在な垂直回転軸12と、垂直回転軸12に上下方向に隙間を有して配置され、垂直回転軸12と直角に交叉しかつ垂直回転軸12を貫通する水平回転軸16〜18と、垂直回転軸12を中心にして水平回転軸16〜18の両側に取り付けられた板状の第1及び第2の羽根部材19〜24と、垂直回転軸12の回転に応じて稼働する動力機構としての発電機29とを備えている。
As shown in FIG. 1, a
第1及び第2の羽根部材19〜24は、それぞれの板面の向きが、水平回転軸16〜18の軸周方向に互いに90度の角度だけずれて固定されている。第1及び第2の羽根部材19〜24は、無負荷、無風時において、板面の向きが水平面から下向きに45度の角度で停止しているが、風を受けると、それぞれが、水平回転軸16〜18を中心にして、垂直方向と水平方向との間で、互いに連動して、揺動する。
The first and
なお、図1に示す例では、垂直回転軸12は、下端側が基台11に取り付けられているが、垂直回転軸12を取り付ける位置はこれに限らない。例えば、上端側または上端と下端の両側が、基台11に取り付けられるようにしてもよい。
In the example shown in FIG. 1, the
また、図1に示す例では、垂直回転軸12と水平回転軸16〜18との間に、軸受部13〜15が設けられている。これにより、垂直回転軸12と水平回転軸16〜18と間の摩擦抵抗を軽減している。
Moreover, in the example shown in FIG. 1, the bearing parts 13-15 are provided between the vertical
また、図1に示す例では、3組の第1及び第2の羽根部材が3段に重ねて配置されているが、第1及び第2の羽根部材の組数は、これに限らず、1組の場合もあれば、3を含む複数組の場合もある。ただし、第1及び第2の羽根部材は、以下に説明するように、組数が1組よりは複数組の方が効率がよい。 In the example shown in FIG. 1, three sets of the first and second blade members are arranged in three stages, but the number of sets of the first and second blade members is not limited to this, There may be one set or a plurality of sets including three. However, as will be described below, the first and second blade members are more efficient when the number of sets is more than one set.
すなわち、第1及び第2の羽根部材は、例えば、図2に示すように、組数が複数組である場合に、上から見て、各組の位相を所定の角度ずつ変えて均等配置される。なお、図2は、図1に示す動力装置10が、反時計回りに240度回転した状態を示している。ここで、所定の角度は、180度を第1及び第2の羽根部材の組数(すなわち、段数)で除した角度(または、第1及び第2の羽根部材が二重以上に重なって配置されている場合は、その倍数(2倍、3倍、…))となる。例えば、第1及び第2の羽根部材の組数が3組(すなわち、段数が3段)で、かつ、第1及び第2の羽根部材が重なって配置されていない(すなわち、一重に配置されている)場合に、所定の角度は、図2に示すように、60度となる。
That is, for example, as shown in FIG. 2, when the number of sets is a plurality of sets, the first and second blade members are evenly arranged by changing the phase of each set by a predetermined angle when viewed from above. The FIG. 2 shows a state where the
このような第1及び第2の羽根部材19〜24は、例えば、図3に示す出力特性を得ることができる。なお、図3は、第1及び第2の羽根部材19〜24のいずれか一方の出力特性を示しており、他方の出力特性は図3に示す出力特性の位相を180度ずらしたものとなる。ここでは、図面が不明瞭になるため、他方の出力特性については割愛する。図3(a)は、1枚の羽根部材による出力特性を示しており、垂直回転軸12の回転角度が90度のときに、垂直な状態になり、垂直回転軸12の回転角度が270度のときに、水平な状態になる羽根部材の特性を示している。また、図3(b)は、複数枚(ここでは、第1及び第2の羽根部材19〜24のいずれか一方の3枚)の羽根部材による出力特性を示している。
Such 1st and 2nd blade | wing members 19-24 can obtain the output characteristic shown in FIG. 3, for example. FIG. 3 shows the output characteristics of any one of the first and
図3(a)に示すように、羽根部材は、板面の向きが垂直な状態において、最大の応力を出力することができ、垂直な状態から水平な状態になるにしたがって、減衰された応力を出力する。そして、板面の向きが水平な状態において、風の抵抗を受けて、負の応力を出力するようになり、ブレーキとして作用する。そのため、動力装置10は、羽根部材が1枚の場合では、図3(a)に示すように、出力特性にばらつきが生じる。すなわち、垂直回転軸12の回転角度が90度、450度、…、の場合にしか、最大の応力を出力できない。これに対して、動力装置10は、羽根部材が複数枚の場合では、各羽根部材のいずれかが風の力を受けるので、風の力をより均等に受けることになる。そのため、動力装置10は、図3(b)に示すように、フラットな出力特性、すなわち、垂直回転軸12の回転角度がどのような値でも、最大の応力またはそれに近い値の応力を出力する特性を得ることができ、垂直回転軸12を円滑に回転させることができる。
As shown in FIG. 3A, the blade member can output the maximum stress in a state where the orientation of the plate surface is vertical, and the stress attenuated as it goes from the vertical state to the horizontal state. Is output. And in the state where the direction of a board surface is horizontal, it receives wind resistance, and comes to output a negative stress, and acts as a brake. Therefore, when the
したがって、羽根部材は、1枚よりは複数枚の方が効率がよく、同様に、第1及び第2の羽根部材は、組数が1組よりは複数組の方が効率がよい。 Therefore, a plurality of blade members are more efficient than one, and similarly, a plurality of pairs of first and second blade members are more efficient than one set.
ところで、羽根部材は、以下の点で、2枚を一組にして、垂直回転軸12を中心にして180度対称に配置することが好ましい。
By the way, it is preferable to arrange | position a blade | wing member symmetrically 180 degree | times centering | focusing on the vertical
例えば、羽根部材が1枚だけの場合、垂直回転軸12は羽根部材をいわば片持ち状に支持することになる。これに対し、羽根部材が2枚一組になっている場合、垂直回転軸12は羽根部材を両持ち状に支持することになる。垂直回転軸12が片持ち状に支持する場合と両持ち状に支持する場合とでは、垂直回転軸12を中心とした回転モーメントが異なり、片持ち状よりは両持ち状の方が小さくなる。そのため、羽根部材は、この点で、2枚を一組にして、垂直回転軸12を中心にして180度対称に配置することが好ましい。
For example, when there is only one blade member, the vertical
また、第1の羽根部材19、21、23と第2の羽根部材20、22、24は、垂直回転軸12を中心にして180度対称の位置に配置されていると、同一水平面上に、それぞれ1枚ずつしか存在しないことになる。そのため、第1及び第2の羽根部材19〜24は、他の羽根部材の風下になることがなく、ブレーキとして作用することがない。したがって、動力装置10は、第1及び第2の羽根部材19〜24を円滑に動作させることができ、その結果、垂直回転軸12の回転効率を向上させることができる。そのため、羽根部材は、この点でも、2枚を一組にして、垂直回転軸12を中心にして180度対称に配置することが好ましい。
Further, when the
なお、図1に示す例では、第1及び第2の羽根部材19〜24は、螺旋状に配置されているが、垂直回転軸12の回転効率は、第1及び第2の羽根部材19〜24が所定の角度で均等配置されていれば、螺旋状であってもなくても同様である。ただし、第1及び第2の羽根部材19〜24は、一段ずつ下から順に設置していくので、設置時における各部材のバランスの取り易さや、角度の調節のし易さを考慮すると、蝶旋状に配置するのが好ましい。
In the example shown in FIG. 1, the first and
以下、動力装置10の構成について詳しく説明する。
Hereinafter, the configuration of the
前記基台11は、図示しない基礎にアンカー固定するフレーム部材25を有し、このフレーム部材25にラジアル及びスラスト荷重を受け持つ軸受26、27が固定され、この軸受26、27に垂直回転軸12が垂直方向を向いて取り付けられている。また、前記基台11は、フレーム部材25に固定された、動力機構としての発電機29が内蔵されている。
The
垂直回転軸12は、一部にプーリ28が設けられており、そのプーリ28は、発電機29の入力軸に設けられているプーリ30と、ベルト31によって連結されている。これにより発電機29の入力軸は、垂直回転軸12の回転が伝達されて回転し、電力を発生する。
A part of the vertical
垂直回転軸12には、各第1及び第2の羽根部材19〜24の高さhより大きな隙間をあけて、軸受部13〜15が設けられている。軸受部13(14、15も同様)には、図4又は図5に示すように、両側にボス部32、33が設けられ、また内部に垂直回転軸12を貫通する挿通孔34が設けられている。挿通孔34には、両側が拡径されており、軸受の一例であるブッシュ35、36が設けられている。なお、図4は図1におけるP部拡大正面図、図5は図1におけるP部拡大側面図である。この挿通孔34には、水平回転軸16(17、18も同様)が貫通される。水平回転軸16(17、18も同様)は、中央の挿通孔34を貫通する主軸部37と、その両側に設けられた突出軸部38、39とを有し、これらは連結金具40、41によって固定されている。水平回転軸16は、軸受部13によって少ない摩擦抵抗で回転する。
The vertical
この実施の形態においては、軸受部13(14、15も同様)には、両端にスラスト荷重を受ける平ブッシュ42、43が設けられている。一方、水平回転軸16(17、18も同様)の主軸部37には、この平ブッシュ42、43に当接して、リング金物44、45が固着されている。そして、リング金物44、45は、主軸部37の横移動を防止すると共に、主軸部37に発生するスラスト荷重を受けるようになっている。
In this embodiment, the bearing portion 13 (same for 14 and 15) is provided with flat bushes 42 and 43 for receiving a thrust load at both ends. On the other hand, ring metal objects 44 and 45 are fixed to the
水平回転軸16(17、18も同様)の主軸部37と突出軸部38(または39)とを固定する連結金具40(または41)には、両側から直径の異なる雌ねじが設けられている。この雌ねじには、主軸部37の一端(または他端)に形成された雄ねじと、突出軸部38(または39)の内側端部に設けられた雄ねじが強固に螺入している。
The connecting fitting 40 (or 41) for fixing the
水平回転軸16の突出軸部39、38には、それぞれ第1及び第2の羽根部材19、20が、水平回転軸16を中心にして、互いに90度の角度だけずれて固定されている。なお、この第1及び第2の羽根部材19、20は、プラスチック、木又は金属製の板からなっている。
The first and
また、水平回転軸16は、水平回転軸16の回転角度を、実質90度の範囲で規制する機構(図4及び図5参照)が設けられている。すなわち、水平回転軸16は、軸受部13を中央にして両側に、第1及び第2の当て金物(当て部材の一例)46、47が設けられ、更に、軸受部13の両側に、この第1及び第2の当て金物46、47にそれぞれ当接可能な第1及び第2の受け金物(受け部材の一例)48、49が設けられている。これにより、水平回転軸16は、実質的に90度の範囲しか回転しないようになっている。
In addition, the
具体的には、図4及び図5に示すように、水平回転軸16は、水平回転軸16上にある一方の連結金具40に、第1の当て金物46が設けられ、他方の連結金物41に、第2の当て金物47が設けられている。この第1及び第2の当て金物46、47は、実質L字状の板材50、51とその端部に設けられている当てボルト52、53と、当てボルト52、53に螺合している緩み止めナットとを有している。
Specifically, as shown in FIGS. 4 and 5, in the horizontal
また、一方、軸受部13の両側に設けられている第1及び第2の受け金物48、49は、矩形の板材54、55とこれに螺合する受けボルト56、57とを有し、受けボルト56、57には緩み止めナットが螺合している。
On the other hand, the first and second receiving
この実施の形態では、第1及び第2の当て金物46、47及び第1及び第2の受け金物48、49は、それぞれ当てボルト52、53及び受けボルト56、57を備え、第1及び第2の羽根部材19、20の板面の向きの停止角度を細かく調整できるようにしているが、必ずしも細かく調整できるようにする必要はなく、それぞれを固定な状態にしておいてもよい(この場合は、第1及び第2の当て金物46、47及び第1及び第2の受け金物48、49は、軸受部13内に配置するのが好ましい)。
In this embodiment, the first and
なお、他の水平回転軸17、18の軸受部14、15にも、水平回転軸16と同様に、水平回転軸17、18の回転角度を、実質90度の範囲で規制する機構が設けられている。
The bearing
なお、図2に示す例では、3組の第1及び第2の羽根部材が3段に重ねて配置されているので、必然的に3本の水平回転軸が示されているが、水平回転軸の本数は、これに限らず、1本の場合もあれば、3を含む複数本の場合もある。水平回転軸は、本数が複数本である場合に、各羽根部材の干渉を防止するため、上下方向に隙間を設けて配置するのが好ましい。 In the example shown in FIG. 2, three sets of the first and second blade members are arranged in three stages so that three horizontal rotation shafts are inevitably shown. The number of axes is not limited to this, and there may be one or a plurality of axes including three. When there are a plurality of horizontal rotation shafts, it is preferable to provide a gap in the vertical direction in order to prevent interference between the blade members.
以上のように構成された風を利用した動力装置10の第1及び第2の羽根部材19〜24は、以下のように動作する。
The 1st and 2nd blade | wing members 19-24 of the
すなわち、無負荷、無風時において、第1及び第2の羽根部材19〜24は、板面の向きが水平面から下向きに45度の角度で停止している。第1及び第2の羽根部材19〜24は、この状態で風を受けると、いずれか一方が風の力を受けるように作用する。例えば、第1及び第2の羽根部材19〜24が、図2に示すような羽根位置になっているものとする。このとき、第1の羽根部材19、21、23の板面の向きは風Wを受ける方向(すなわち、風Wの抵抗が最大限となる垂直方向)となり、第2の羽根部材20、22、24の板面の向きは風Wを流す方向(すなわち、風Wの抵抗が最小限となる水平方向)となる。そして、第1の羽根部材19、21、23は、風Wの力を受けて水平回転軸16〜18を所定の方向(ここでは、反時計回りの方向)に押し、水平回転軸16〜18は垂直回転軸12を回転させる。
That is, when there is no load and no wind, the first and
この後、第1の羽根部材23が風下位置Rに到達して風Wの流れる向きと平行になると、第1の羽根部材23の板面の向きは風Wを受ける方向(すなわち、垂直方向)から風Wを流す方向(すなわち、水平方向)に徐々に変化し、これに連動して第2の羽根部材24の板面の向きは風Wを流す方向(すなわち、水平方向)から風Wを受ける方向(すなわち、垂直方向)に変化する。そして、第2の羽根部材24が風Wの力を受けるようになると、今度は第2の羽根部材24が第1の羽根部材23を水平方向に押し上げるとともに、風Wの力を受けて水平回転軸18を所定の方向に押し、垂直回転軸12を回転させる。なお、このとき、羽根部材19、21も、風Wの力を受けて水平回転軸16、17を所定の方向に押し、垂直回転軸12を回転させる。この後、次の第1の羽根部材21が風下位置Rに到達して風Wの流れる向きと平行になると、次の第1の羽根部材21、第2の羽根部材22、水平回転軸17、垂直回転軸12は、同様に動作する。また、さらに、この後、次の第1の羽根部材19が風下位置Rに到達して風Wの流れる向きと平行になると、次の第1の羽根部材19、第2の羽根部材20、水平回転軸16、垂直回転軸12も、同様に動作する。
Thereafter, when the
この後、第1及び第2の羽根部材19〜24は、図2に示す状態から半回転した状態となる。このとき、第2の羽根部材20、22、24の板面の向きは風Wを受ける方向(すなわち、垂直方向)となり、第1の羽根部材19、21、23の板面の向きは風Wを流す方向(すなわち、水平方向)となる。そして、第2の羽根部材20、22、24は、風Wの力を受けて水平回転軸16〜18を所定の方向に押し、水平回転軸16〜18は垂直回転軸12を回転させる。
Thereafter, the first and
この後、第2の羽根部材24が風下位置Rに到達して風Wの流れる向きと平行になると、第2の羽根部材24の板面の向きは風Wを受ける方向(すなわち、垂直方向)から風Wを流す方向(すなわち、水平方向)に徐々に変化し、これに連動して第1の羽根部材23の板面の向きは風Wを流す方向(すなわち、水平方向)から風Wを受ける方向(すなわち、垂直方向)に変化する。そして、第1の羽根部材23が風Wの力を受けるようになると、今度は第1の羽根部材23が第2の羽根部材24を水平方向に押し上げるとともに、風Wの力を受けて水平回転軸18を所定の方向に押し、垂直回転軸12を回転させる。なお、このとき、第2の羽根部材20、22も、風Wの力を受けて水平回転軸16、17を所定の方向に押し、垂直回転軸12を回転させる。この後、次の第2の羽根部材22が風下位置Rに到達して風Wの流れる向きと平行になると、次の第2の羽根部材22、第1の羽根部材21、水平回転軸17、垂直回転軸12は、同様に動作する。また、さらに、この後、次の第2の羽根部材20が風下位置Rに到達して風Wの流れる向きと平行になると、次の第2の羽根部材20、第1の羽根部材19、水平回転軸16、垂直回転軸12も、同様に動作する。
Thereafter, when the
この後、第1及び第2の羽根部材19〜24は、同様の動作を交互に繰り返し行って、垂直回転軸12を回転させる。このような第1及び第2の羽根部材19〜24の動作は、垂直回転軸12を貫通する水平回転軸16〜18によって実現される。そして、第1の羽根部材19、21、23と第2の羽根部材20、22、24が互いに連動して行う(すなわち、互いの動きを利用して行う)ので、非常に円滑であり、かつエネルギーの損失が少ない。
Thereafter, the first and
この実施の形態に係る風を利用した動力装置10は、実験において、垂直回転軸12の回転速度が10〜120rpm、水平回転軸16〜18の揺動周期が10〜120回/分であったが、本発明はこれに限定されるものではない。
In the experiment, in the
ところで、前述の角度規制機構(図4及び図5参照)は、動力装置10が動作するのにともない、以下のように動作する。
By the way, the aforementioned angle restricting mechanism (see FIGS. 4 and 5) operates as follows as the
図4及び図5において、第1の羽根部材19の板面の向きは垂直方向になっており、また第2の羽根部材20の板面の向きは水平方向となっている。このとき、第2の当て金物47は、第2の受け金物49に当接し、第1及び第2の羽根部材19、20の板面の向きを規制している。
4 and 5, the direction of the plate surface of the
第1の羽根部材19は、このような状態で風の力を受けて水平回転軸16を所定の回転方向(ここでは、反時計回りの方向)に押す。第1の羽根部材19は、水平回転軸16が図2に示す風下位置Rを超えると、裏側から風Wが当たるようになる。これにより、第1の羽根部材19は、図4に示す矢印Q方向に回転を開始する。この回転は、水平回転軸16を通じて第2の羽根部材20に伝わる。これによって、風上にある第2の羽根部材20の板面の向きが、水平方向から垂直方向に推移する。そして、第2の羽根部材20が風Wの力を受けるようになる。これによって、今度は第2の羽根部材20が第1の羽根部材19を水平方向に押し上げるように作用する。このとき、第1の当て金物46が、第1の受け金物48に当接し、第1及び第2の羽根部材19、20の板面の向きを規制する。このような動作は、下部の水平回転軸17、18に設けられている第1の羽根部材21、23及び第2の羽根部材22、24についても同様に行われる。
In this state, the
(羽根部材の構成)
図6に、羽根部材19の構成を示す。なお、他の羽根部材20〜24についても同様の構成となっている。
(Configuration of the blade member)
FIG. 6 shows the configuration of the
図6に示す例では、羽根部材19は、単一の物質で、かつ、各部分で厚さが均一な長方形に形成されており、端部ではなく、中間部で、水平回転軸16に固定されている。しかも、羽根部材19は、偏心して水平回転軸16に固定されているとともに、動作が安定するように、例えば荷重物103が配置されている。
In the example shown in FIG. 6, the
なお、図6に示す例では、羽根部材19は、偏心して水平回転軸16に固定されているが、これは、羽根部材19の、水平回転軸16を中心にして2つに区分される部分(一方を第1区分部材といい、他方を第2区分部材という)で、風から受ける力の大きさが異なるようにするためである。風から受ける力は、羽根部材19が、単一の物質で、かつ、各部分で厚さが均一な長方形である場合には、第1区分部材と第2区分部材とで同一になる。そのため、羽根部材19は、偏心して水平回転軸16に固定されることになる。しかしながら、風から受ける力は、羽根部材19が、第1区分部材と第2区分部材とで異なる物質で形成されていたり、各部分で厚さが異なったり、特殊な形状である場合には、第1区分部材と第2区分部材とで異なる。そのため、このような場合は、羽根部材19は、偏心しないで水平回転軸16に固定されることもありうる。
In the example shown in FIG. 6, the
図6に示す例では、羽根部材19は、偏心して水平回転軸16に固定されている。そのため、羽根部材19は、面積の大きな側の部分(以下、大面積な部分)101と面積の小さな側の部分(以下、小面積な部分という)102とが形成されている。なお、以下、大面積な部分を長尺部分という場合がある。また、小面積な部分を短尺部分という場合もある。
In the example shown in FIG. 6, the
大面積な部分101の重心には、水平回転軸16を中心にして重力によって発生する回転モーメントM1がかかる。また、小面積な部分102の重心には、水平回転軸16を中心にして、回転モーメントM1とは逆方向に、重力によって発生する回転モーメントM2がかかる。回転モーメントM2は、回転モーメントM1よりも小さいので、小面積な部分102には、大面積な部分101の動作を安定させるための荷重がかけられることになる。
A rotational moment M 1 generated by gravity about the
そこで、図6に示す例では、小面積な部分102に、荷重物103を配置している。図6に示す例では、荷重物103は羽根部材19〜24を構成する物質よりも比重の重い物質であり、その荷重物103が小面積な部分102の内部に埋設されている。この荷重物103は、羽根部材19の内部に埋設されるのではなく、羽根部材19の外部に取り付けられるようにしてもよい。この場合、荷重物103は、羽根部材19を構成する物質よりも比重の重い物質である必要はなく、比重の同じ物質または軽い物質であってもよい。また、荷重物103は、図6に示す形状に限定されず、任意の形状にすることもできる。そのため、例えば、荷重物103を、小面積な部分102と、同一物質、同一形状で形成し、それを小面積な部分102の上に取り付けるようにしてもよい。
Therefore, in the example illustrated in FIG. 6, the
このようにして、図6に示す例では、回転モーメントに対するウェイトバランスの調整がされているが、ウェイトバランスの調整には、様々な点を考慮する必要がある。そこで、以下に、ウェイトバランスの調整について説明する。 As described above, in the example shown in FIG. 6, the weight balance is adjusted with respect to the rotational moment. However, various points need to be taken into account when adjusting the weight balance. Therefore, the adjustment of the weight balance will be described below.
(ウェイトバランスの調整)
まず、ウェイトバランスの調整について、その概要を述べる。
(Weight balance adjustment)
First, the outline of the adjustment of the weight balance will be described.
第1及び第2の羽根部材19〜24は、風のエネルギーを利用して板面の向きを変更する。この際に、第1及び第2の羽根部材19〜24が、大量の風のエネルギーを消費すると、風のエネルギーを回転動力に転化する効率が低下する。そこで、第1及び第2の羽根部材19〜24は、板面の向きを変更する際に、できるだけ風のエネルギーを消費しないようにすることが好ましい。すなわち、第1及び第2の羽根部材19〜24が板面の向きを変更する際に消費する風のエネルギーを最小にすることが好ましい。
The first and
第1及び第2の羽根部材19〜24が板面の向きを変更する際に消費する風のエネルギーに関係する量は、水平回転軸16〜18周りの重力によって発生する回転モーメントと、第1及び第2の羽根部材19〜24の慣性モーメントである。
The amount related to the energy of the wind consumed when the first and
ここで、水平回転軸16〜18周りの重力によって発生する回転モーメントは、できるだけ小さく(好ましくは、0または0に近似した値に)なることが好ましい。そこで、回転モーメントができるだけ小さくなるように、例えば、荷重物103を小面積な部分102に配置する。これによって、第1及び第2の羽根部材19〜24は、ウェイトバランスが調整される。その際に、以下の理由により、荷重物103を、水平回転軸16〜18にできるだけ近い場所に配置するのが好ましい。
Here, the rotational moment generated by gravity around the horizontal rotation axes 16 to 18 is preferably as small as possible (preferably, 0 or a value approximated to 0). Therefore, for example, the
すなわち、例えば、第1及び第2の羽根部材19〜24が、水平回転軸16〜18の端部に配置されているものとする。この場合に、第1及び第2の羽根部材19〜24の回転モーメントは大きくなり、風のエネルギーの多くが第1及び第2の羽根部材19〜24を回転させることに消費される。そのため、垂直回転軸12の回転効率が低下する。
That is, for example, the 1st and 2nd blade members 19-24 shall be arrange | positioned at the edge part of the horizontal rotating shafts 16-18. In this case, the rotational moment of the first and
そこで、第1及び第2の羽根部材19〜24の回転モーメントができるだけ小さくなるようにするために、水平回転軸16〜18を第1及び第2の羽根部材19〜24の中央に配置するとよい。
Therefore, in order to reduce the rotational moment of the first and
しかしながら、この場合、第1及び第2の羽根部材19〜24の、水平回転軸16〜18によって2つに区分される部分、すなわち、第1区分部材と第2区分部材にかかる重力による回転モーメントは、同一になる。そのため、第1及び第2の羽根部材19〜24は、無負荷、無風時に、板面の向きが水平面から下向きに45度の角度で停止せず、回転の始動時に、動作が安定しなくなる。また、第1区分部材と第2区分部材は、面積が同一になるため、第1区分部材と第2区分部材とにかかる風の力が同一となる。そのため、第1及び第2の羽根部材19〜24は、水平回転軸16〜18を中心とする回転の方向が定まらず、安定した回転ができない。その結果、垂直回転軸12の回転効率は低下する。
However, in this case, the rotational moment due to gravity on the first and
そこで、第1区分部材と第2区分部材とで面積を異ならせ、第1区分部材と第2区分部材とにかかる風の力を異ならせる。これによって、第1及び第2の羽根部材19〜24は、水平回転軸16〜18を中心として所定の方向に回転するようになる。
Therefore, the first partition member and the second partition member have different areas, and the wind force applied to the first partition member and the second partition member is made different. Accordingly, the first and
しかしながら、このとき、第1区分部材の重量と第2区分部材の重量、及び、第1区分部材の水平回転軸16〜18から重心までの距離と第2区分部材の水平回転軸16〜18から重心までの距離が、異なることになる。そのため、第1及び第2の羽根部材19〜24は、第1区分部材と第2区分部材とで、異なった回転モーメントが生じる。
However, at this time, the weight of the first section member and the weight of the second section member, the distance from the
そこで、第1区分部材の回転モーメントと第2区分部材の回転モーメントとを同一にするために、回転モーメントが小さい方に荷重をかけて、第1及び第2の羽根部材19〜24のウェイトバランスを調整する。例えば、回転モーメントが小さい方の一部または全部に、荷重物103を配置する。これによって、第1及び第2の羽根部材19〜24の回転モーメントをできるだけ小さくする。このようにして、回転モーメントに対するウェイトバランスの調整がされた第1及び第2の羽根部材19〜24は、水平回転軸16〜18を中心にして円滑に回転するようになる。
Therefore, in order to make the rotation moment of the first section member and the rotation moment of the second section member the same, a load is applied to the one having the smaller rotation moment, and the weight balance of the first and
ところで、このような回転モーメントに対するウェイトバランスの調整によって、第1区分部材または第2区分部材のいずれかが重くなる。そのため、第1及び第2の羽根部材19〜24は、慣性モーメントが増加する。慣性モーメントは、回転モーメントが重心の回転中心からの距離に比例するのに対して、重心の回転中心からの距離の2乗に比例する。そこで、増加する慣性モーメントをできるだけ小さくするためには、荷重をかける位置と水平回転軸16〜18との距離をできるだけ小さく(好ましくは、0よりも大きな0に近似した値に)する。これによって、第1及び第2の羽根部材19〜24は、慣性モーメントに対するウェイトバランスが調整される。
By the way, by adjusting the weight balance with respect to such a rotational moment, either the first section member or the second section member becomes heavy. Therefore, the first and
このようにして、回転モーメントに対するウェイトバランスと慣性モーメントに対するウェイトバランスとが調整された第1及び第2の羽根部材19〜24は、水平回転軸16〜18を中心として所定の方向に回転するとともに、風のエネルギーをほとんど消費することなく、水平回転軸16〜18周りを一層円滑に回転する。その結果、垂直回転軸12の回転効率が向上する。
In this way, the first and
(ウェイトバランスの調整に関する諸式)
次に、ウェイトバランスの調整について、数式を用いて詳述する。
(Formulas related to weight balance adjustment)
Next, adjustment of the weight balance will be described in detail using mathematical expressions.
動力装置10は、垂直回転軸12が片持ち状に羽根部材を支持する場合と両持ち状に羽根部材を支持する場合とで、垂直回転軸12を中心とした回転モーメントIが異なる。すなわち、図7(a)に示すように、水平回転軸16〜18のそれぞれの基部(端部)を支点にする場合と、図7(b)に示すように、水平回転軸16〜18のそれぞれの中間部を支点にする場合とで、回転モーメントIを算術する算術式が異なる。前者の場合は、回転モーメントIを算術する算術式は以下の式(1)となり、後者の場合は、回転モーメントIを算術する算術式は以下の式(2)となる。なお、図7は、水平回転軸の支点の位置を示す図である。図7では、水平回転軸16〜18の全長をLとし、水平回転軸16〜18(第1及び第2の羽根部材19〜24を含む)全体の重量をωとしている。
In the
I=1/2×L×ω ‥・(1)
I=(1/4×L×ω)一(1/4×L×ω)=0 ‥・(2)
式(1)と式(2)の比較から明らかなように、回転モーメントIは、水平回転軸16〜18の基部(端部)を支点にする場合よりも、水平回転軸16〜18の中間部を支点にする場合の方が小さくすることができる。特に、回転モーメントIは、図8(b)に示すように、水平回転軸16〜18の中央を支点にする場合に、最小になる。また、この場合、水平回転軸16〜18は、図8(b)に示すように、垂直回転軸12を中心として円滑に回転する。そのため、動力装置10の構成としては、図8に示す構成が好ましい。なお、図8は、水平回転軸の支点の位置を示す図であり、図8(a)は、水平回転軸16〜18の支点の位置を示しており、図8(b)は、水平回転軸16〜18の動作を示している。
I = 1/2 × L × ω (1)
I = (1/4 × L × ω) one (1/4 × L × ω) = 0 (2)
As is clear from the comparison between the formula (1) and the formula (2), the rotational moment I is intermediate between the
水平回転軸16〜18の中央を支点にする動力装置10の第1及び第2の羽根部材19〜24は、図9または図10に示すように動作する。すなわち、時計回り方向に回転するのであれば、図9に示すように動作し、また、反時計回り方向に回転するのであれば、図10に示すように動作する。なお、図9は、羽根部材の動作を示す図であり、図9(a)は、上から見た場合の、一組の第1及び第2の羽根部材19〜24の構成を示しており、図9(b)は、図9(a)の矢印View方向から見た場合の、一組の第1及び第2の羽根部材19〜24の構成を示しており、図9(c)は、図9(a)と図9(b)に示す一組の第1及び第2の羽根部材19〜24が、風Wを受けることによって45度回転した状態を示している。また、図10は、図9と同様に、羽根部材の動作を示す図であり、図10(a)は、上から見た場合の、一組の第1及び第2の羽根部材19〜24の構成を示しており、図10(b)は、図10(a)の矢印View方向から見た場合の、一組の第1及び第2の羽根部材19〜24の構成を示しており、図10(c)は、図10(a)と図10(b)に示す一組の第1及び第2の羽根部材19〜24が、風Wを受けることによって45度回転した状態を示している。
The first and
第1及び第2の羽根部材19〜24が板面の向きを変更する際に消費される風のエネルギーを最小にするには、第1及び第2の羽根部材19〜24にかかる重力による回転モーメント(以下、単に回転モーメントという)Mと第1及び第2の羽根部材19〜24の慣性モーメント(以下、単に慣性モーメントという)Nを最小にすればよい。
In order to minimize the energy of the wind consumed when the first and
上述のように、風のエネルギーを最小にするには、まず、第1及び第2の羽根部材19〜24の重力によって発生する回転モーメントMをできるだけ小さくする。以下に、回転モーメントMについて詳述する。
As described above, in order to minimize the wind energy, first, the rotational moment M generated by the gravity of the first and
(回転モーメント)
第1及び第2の羽根部材19〜24は、第1区分部材と第2区分部材とで風から受ける力が異なるように形成する必要がある。なぜなら、第1区分部材と第2区分部材とで風から同じ力を受けると、第1及び第2の羽根部材19〜24は、回転する方向が定まらず、時計回り方向の動作と反時計回り方向の動作を交互に繰り返すことになり、水平回転軸16〜18を十分に回転させることができないからである。例えば、第1及び第2の羽根部材19〜24が第1区分部材と第2区分部材とで風から同じ力を受けるように形成されている場合は、そのような動力装置10を風力発電等に使用しても、充分に発竜することができない。また、仮に、そのような動力装置10を多段式に構成しても、水平回転軸16〜18が回転しないか、または、例え回転しても各水平回転軸16〜18が正逆入り混じった方向に回転することになり、回転動力を相殺するように作用する。そのため、風のエネルギーを垂直回転軸12の回転動力に転化する効率を著しく低下さる。したがって、第1及び第2の羽根部材19〜24は、第1区分部材と第2区分部材とで風から受ける力が異なるように形成する必要がある。
(Rotational moment)
The first and
そこで、第1及び第2の羽根部材19〜24の支点の位置は、図11または図12に示すように、中央ではなく、中央から外れた位置とする。なお、図11は、支点の位置を示す図であり、図11(a)は、停止状態における第1及び第2の羽根部材19〜24の構成を示しており、図11(b)は、図11(a)の状態から45度回転した状態における第1及び第2の羽根部材19〜24の構成を示している。また、図12は、図11と同様に、支点の位置を示す図であり、図12(a)は、停止状態における第1及び第2の羽根部材19〜24の構成を示しており、図12(b)は、図12(a)の状態から45度回転した状態における第1及び第2の羽根部材19〜24の構成を示している。なお、図11及び図12は、図9に示す例のように、垂直回転軸12が時計回りに回転する例を示している。
Therefore, the position of the fulcrum of the first and
図11に示す例では、第1及び第2の羽根部材19〜24を、偏心して(すなわち、中央ではなく、中央から外れた位置で)水平回転軸16〜18に取り付けている。このような第1及び第2の羽根部材19〜24は、長尺部分が短尺部分よりも重くなるため、無負荷、無風時において、長尺部分が下に位置し、短尺部分が上に位置するとともに、板面の向きが水平面から下向きに45度の角度で停止する。
In the example illustrated in FIG. 11, the first and
また、図12に示す例では、第1及び第2の羽根部材19〜24を、偏心して水平回転軸16〜18に取り付けるとともに、短尺部分側に荷重物103を配置している。第1及び第2の羽根部材19〜24は、荷重物103によって、短尺部分が長尺部分よりも重くなるため、無負荷、無風時において、短尺部分が下に位置し、長尺部分が上に位置するとともに、板面の向きが水平面から下向きに45度の角度で停止する。
In the example shown in FIG. 12, the first and
ところで、偏心して水平回転軸16〜18に取り付けられた第1及び第2の羽根部材19〜24は、図13に示すように、重力が作用する。なお、図13は、重力の作用を示す図であり、図13(a)は、図11(a)に示す状態における重力の作用を示しており、図13(b)は、図11(b)に示す状態における重力の作用を示している。また、図12は、図11に示す構成を例にして重力の作用を示しているが、図12に示す構成においても同様である。 By the way, as shown in FIG. 13, gravity acts on the 1st and 2nd blade | wing members 19-24 eccentrically attached to the horizontal rotating shafts 16-18. FIG. 13 is a diagram showing the action of gravity, FIG. 13 (a) shows the action of gravity in the state shown in FIG. 11 (a), and FIG. 13 (b) is the same as FIG. The action of gravity in the state shown in FIG. 12 shows the action of gravity by taking the configuration shown in FIG. 11 as an example, but the same applies to the configuration shown in FIG.
図13(a)に示す状態において、第1及び第2の羽根部材19〜24には、以下の式(3)に示す回転モーメントMがかかっている。また、図13(b)に示す状態において、第1及び第2の羽根部材19〜24には、以下の式(4)に示す回転モーメントMがかかっている。なお、ここでは、第1及び第2の羽根部材19〜24の長尺部分の長さをl1とし、第1及び第2の羽根部材19〜24の短尺部分の長さをl2とし、第1の羽根部材19,21,23の長尺部分の重量をωAlとし、第1の羽根部材19,21,23の短尺部分の重量をωA2とし、第2の羽根部材20,22,24の長尺部分の重量をωBlとし、第2の羽根部材20,22,24の短尺部分の重量をωB2とする。
In the state shown to Fig.13 (a), the rotational moment M shown to the following formula | equation (3) is applied to the 1st and 2nd blade | wing members 19-24. Moreover, in the state shown in FIG.13 (b), the rotation moment M shown to the following formula | equation (4) is applied to the 1st and 2nd blade | wing members 19-24. Here, the length of the elongated portion of the first and
M=(1/2×l1×ωAl× SIN45°+1/2×l2×ωB2
×SIN45°)−(1/2×l2×ωA2×SIN45°
+1/2×l1×ωBl× SIN45°) …(3)
M=(1/2×l1×ωAl)−(1/2×l2×ωA2) …(4)
ここで、第1及び第2の羽根部材19〜24は、図13(b)から明らかなように、長尺部分のモーメントと短尺部分のモーメントとで差があるため、回転モーメントMを最小にできない。
M = (1/2 × l 1 × ω Al × SIN 45 ° + 1/2 × l 2 × ω B2
× SIN45 °)-(1/2 × l 2 × ω A2 × SIN45 °
+ 1/2 × l 1 × ω Bl × SIN45 °) (3)
M = (1/2 × l 1 × ω Al ) − (1/2 × l 2 × ω A2 ) (4)
Here, as is apparent from FIG. 13B, the first and
そこで、本発明では、長尺部分のモーメントと短尺部分のモーメントが同一になるように、短尺部分、すなわち、第1及び第2の羽根部材19〜24の回転モーメントが小さい方に荷重をかける。このようにして、式(4)によって算出される回転モーメントMが0になるように、第1及び第2の羽根部材19〜24のウェイトバランスを調整する。
Therefore, in the present invention, a load is applied to the short portion, that is, the one where the rotational moments of the first and
なお、ウェイトバランスを調整する簡単な手法は、第1区分部材と第2区分部材とで、一方の単位面積あたりの重量が他方よりも重なるようにすることである。その一例を、図14に示す。なお、図14は、ウェイトバランスを調整する手法を示す図である。図14(a)は、第1及び第2の羽根部材19〜24の短尺部分の外端側(すなわち、水平回転軸16〜18から離れた側)に荷重物103を配置することを示している。また、図14(b)は、第1及び第2の羽根部材19〜24の短尺部分の内端側(すなわち、水平回転軸16〜18に近い側)に荷重物103を配置することを示している。また、図14(c)は、第1及び第2の羽根部材19〜24の短尺部分Klに長尺部分K2よりも比重の重い素材を用いることを示している。なお、ウェイトバランスを調整する手法としては、短尺部分Klを長尺部分K2よりも厚く構成したり、または、短尺部分Klに羽根部材を貼り付けて多層に構成するようにしてもよい。
A simple method for adjusting the weight balance is to make the weight per unit area of the first segment member and the second segment member overlap more than the other. An example is shown in FIG. FIG. 14 is a diagram illustrating a method for adjusting the weight balance. FIG. 14A shows that the
このようにして、回転モーメントに対するウェイトバランスの調整がされた第1及び第2の羽根部材19〜24は、水平回転軸16〜18を中心にして円滑に回転するようになる。
In this way, the first and
しかしながら、このような回転モーメントに対するウェイトバランスの調整によって、第1及び第2の羽根部材19〜24は、第1区分部材または第2区分部材のいずれか(ここでは、短尺部分)が重くなる、慣性モーメントが増加する。
However, by adjusting the weight balance with respect to such a rotational moment, the first and
上述のように、風のエネルギーを最小にするには、慣性モーメントNもできるだけ小さくすることが好ましい。そこで、慣性モーメントに対するウェイトバランスについても調整する。以下に、慣性モーメントNについて詳述する。 As described above, in order to minimize the wind energy, it is preferable to reduce the moment of inertia N as much as possible. Therefore, the weight balance with respect to the moment of inertia is also adjusted. Hereinafter, the moment of inertia N will be described in detail.
(慣性モーメント)
図15に示す状態における第1及び第2の羽根部材19〜24の回転モーメントMは、以下の式(5)となる。
(Moment of inertia)
The rotational moment M of the first and
M=(1/2×l1×ωAl)−((1/2×l2×ωA2)
+(1/2×lx×ωx))=0 …(5)
M = (1/2 × l 1 × ω Al ) − ((1/2 × l 2 × ω A2 )
+ (1/2 × l x × ω x )) = 0 (5)
図15に示す状態における第1及び第2の羽根部材19〜24の慣性モーメントNは、長尺部分の重量と水平回転軸16〜18から長尺部分の重心までの距離の2乗との積、短尺部分の重量と水平回転軸16〜18から短尺部分の重心までの距離の2乗との積、及び、回転モーメントに対するウェイトバランスの調整によって増加した荷重物103の重量と水平回転軸16〜18から荷重物103の重心までの距離の2乗との積の和であるので、以下の式(6)となる。なお、図15は、羽根部材にかかる慣性モーメントを示す図である。ここで、長尺部分の重量をωAlとし、短尺部分の重量をωA2とし、荷重物103の重量をωxする。
The inertia moment N of the first and
また、長尺部分の長さをl1とし、短尺部分の長さをl2とし、水平回転軸16〜18から荷重物103が配置された位置までの距離をlxとする。
Further, the length of the long portion is l 1 , the length of the short portion is l 2, and the distance from the
N=(ωAl×(1/2×l1)2)+(ωA2×(1/2×l2)2)
+(ωx×(1/2×lx)2) …(6)
式(5)より、ωxは以下の式(7)として定義される。
N = (ω Al × (1/2 × l 1 ) 2 ) + (ω A2 × (1/2 × l 2 ) 2 )
+ (Ω x × (1/2 × l x ) 2 ) (6)
From equation (5), ω x is defined as equation (7) below.
ωx=((l1×ωAl)−(l2×ωA2))/(lx) …(7)
式(7)を式(6)に代入することにより、慣性モーメントNは以下の式(8)として定義される。
ω x = ((l 1 × ω Al ) − (l 2 × ω A2 )) / (l x ) (7)
By substituting equation (7) into equation (6), the moment of inertia N is defined as the following equation (8).
N=(ωAl×(1/2×l1)2)+(ωA2×(1/2×l2)2)
+(((l1×ωAl)−(l2×ωA2))×(1/2)2×lx)
…(8)
ここで、(ωA1(1/2×l1)2)+(ωA2×(1/2×l2)2)を係数bとし、((l1×ωAl)−(l2×ωA2))×(1/2)2を係数aとすると、式(8)の慣性モーメントNは、式(9)として定義される。
N = (ω Al × (1/2 × l 1 ) 2 ) + (ω A2 × (1/2 × l 2 ) 2 )
+ (((L 1 × ω Al ) − (l 2 × ω A2 )) × (1/2) 2 × l x )
(8)
Here, (ω A1 (1/2 × l 1 ) 2 ) + (ω A2 × (1/2 × l 2 ) 2 ) is a coefficient b, and ((l 1 × ω Al ) − (l 2 × ω A2 )) × (1/2) When 2 is a coefficient a, the moment of inertia N of the equation (8) is defined as the equation (9).
N=a×l+b …(9)
ここで、式(7)及び式(9)の関係をグラフで示すと、図16のようになる。なお、図16は、荷重物の配置位置と慣性モーメントの関係を示す図である。図16中、曲線は、式(7)によって算出された、距離lxと荷重物103の重量ωxとの関係を示しており、直線は、式(9)によって算出された、距離lxと慣性モーメントNとの関係を示している。
N = a × l + b (9)
Here, the relationship between Expression (7) and Expression (9) is shown as a graph in FIG. In addition, FIG. 16 is a figure which shows the relationship between the arrangement position of a load, and a moment of inertia. In FIG. 16, the curve indicates the relationship between the distance l x calculated by the equation (7) and the weight ω x of the
図16における領域Zに示されるように、荷重物103の重量ωxは、距離lxが小さくなるにしたがって、大きくなるものの、慣性モーメントNは、距離lxが小さくなるにしたがって、最小値bに近似する。したがって、回転モーメントに対するウェイトバランスと慣性モーメントに対するウェイトバランスとの両方を考慮してウェイトバランスを調整する場合は、距離lxができるだけ小さくなるように荷重物103を配置することが好ましい。例えば、図17(a)に示す配置関係よりも、図17(b)に示す配置関係の方が好ましい。なお、図17は、ウェイトバランスを調整する手法を示す図であり、図17(a)は、短尺部分の外端側(すなわち、水平回転軸16〜18から離れた側)に荷重物103を配置した状態を示しており、図17(b)は、短尺部分の内端側(すなわち、水平回転軸16〜18に近い側)に荷重物103を配置した状態を示している。また、図17(a)では、荷重物103の重量をω3とし、水平回転紬16〜18から荷重物103が配置された位置までの距離をl3とする。また、図17(bでは、荷重物103の重量をω4とし、水平回転軸16〜18から荷重物103が配置された位置までの距離をl4とする。このとき、重量ω3と重量ω4とは、ω3≪ω4の関係となる。また、距離l3と距離l4とは、l3>l4の関係となる。
As shown in the area Z in FIG. 16, the weight omega x of the load was 103, according to the distance l x is small, although larger, according to the moment of inertia N, the distance l x is small, the minimum value b To approximate. Therefore, when adjusting the weight balance in consideration of both the weight balance with respect to the rotational moment and the weight balance with respect to the moment of inertia, it is preferable to dispose the
以上の通り、第1及び第2の羽根部材19〜24が板面の向きを変更する際に消費される風のエネルギーを最小にするには、回転モーメントMをできるだけ小さくすることが好ましい。回転モーメントMを小さくするには、式(4)によって算出される回転モーメントMができるだけ小さく(すなわち、0または0に近似した値に)なるように、第1及び第2の羽根部材19〜24のウェイトバランスを調整するとよい。具体的には、第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントMの差が最大でも第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントMの大きい方の0.2倍未満になるように形成されると、第1及び第2の羽根部材19〜24は、風のエネルギーの損失が少なく、わずかな風で非常に円滑に回転するのでよい。
As described above, in order to minimize the energy of the wind consumed when the first and
さらには、第1及び第2の羽根部材19〜24が板面の向きを変更する際に消費される風のエネルギーを最小にするには、慣性モーメントNをできるだけ小さくすることが好ましい。慣性モーメントNを小さくするには、式(7)によって算出された、水平回転軸16〜18から荷重物103が配置された位置までの距離lxができるだけ小さくなるように(すなわち、0に近似した値に)なるように、第1及び第2の羽根部材19〜24のウェイトバランスを調整するとよい。理想的には、荷重をかける位置を、水平回転軸16〜18から荷重をかける側の部材(すなわち、短尺部分)の巾の0.1倍以内とすると、第1及び第2の羽根部材19〜24は、風のエネルギーの損失が少なく、わずかな風で非常に円滑に回転するのでよい。
Furthermore, in order to minimize the energy of the wind consumed when the first and
このようにして、回転モーメントに対するウェイトバランスと慣性モーメントに対するウェイトバランスとが調整された第1及び第2の羽根部材19〜24は、水平回転軸16〜18を中心として所定の方向に回転するとともに、風のエネルギーをほとんど消費することなく、わずかな風で水平回転軸16〜18周りをさらに一層円滑に回転する。その結果、垂直回転軸12の回転効率が著しく向上する。
In this way, the first and
なお、実験において用いた第1及び第2の羽根部材19〜24の構成を図18に示す。図18(a)は第1区分部材と第2区分部材の長さの関係を示しており、図18(b)は羽根部材の長さと巾の関係を示している。なお、図18では、水平回転軸16〜18が第1及び第2の羽根部材19〜24の中に存在するかの如く、水平回転軸16〜18を点線で示しているが、この点線は、水平回転軸16〜18を中心とした第1区分部材と第2区分部材とを説明するための仮想的な線である。実際には、水平回転軸16〜18は、第1及び第2の羽根部材19〜24の端部に取り付けられているので、第1及び第2の羽根部材19〜24の中には存在しない。
In addition, the structure of the 1st and 2nd blade | wing members 19-24 used in experiment is shown in FIG. FIG. 18A shows the relationship between the lengths of the first partition member and the second partition member, and FIG. 18B shows the relationship between the length and width of the blade member. In FIG. 18, the
図18(a)に示す例では、大面積な部分101の突出長Aは、小面積な部分102の突出長(=他側羽根長)Bより大きくなるように、すなわち、A≫Bとなるように、形成されている。
In the example shown in FIG. 18A, the protruding length A of the
なお、各羽根部材19〜24は、大面積な部分101と小面積な部分102とで、風の力を受ける力が異なる。突出長A、Bは、実際の実験の結果ではB/A=10〜1.5程度が好ましかった。
The
また、各羽根部材19〜24は、長さと巾によって効率が変わる。各羽根部材19〜24は、実際の実験の結果では、図18(b)に示す長さCが数十センチ〜数百センチで、長さCと巾Dの比が5:1〜2:1程度が好ましかった。
Further, the efficiency of each
このような第1及び第2の羽根部材19〜24は、無負荷、無風時において、板面の向きが水平面から下向きに45度の角度で停止することが好ましい。そこで、回転モーメントMは、長尺部分と短尺部分とで、若干の差をつけることが好ましい。すなわち、第1及び第2の羽根部材19〜24の水平回転軸16〜18周りの回転モーメントMlと回転モーメントM2の大きさは、Ml>M2となるようにするのが好ましい。
It is preferable that the first and
また、大きい方の回転モーメントMlに対する回転モーメントMlと回転モーメントM2の大きさの差(すなわち、Ml−M2)は、実際の実験では、以下の表1〜表3に示す通りとなった。なお、表1〜表3に示す実験は、巾が320mmで、重量が1700gの羽根部材を用いて、短尺部分と長尺部分とで突出長を3通りに変更して行ったものである。実験1では、長尺部分の突出長を240mm、短尺部分の突出長を80mmとし、実験2では、長尺部分の突出長を200mm、短尺部分の突出長を120mmとし、実験3では、長尺部分の突出長を170mm、短尺部分の突出長を150mmとした。3つの実験では、水平回転軸16〜18から荷重物103が配置された位置までの距離をlxとし、荷重物103の重量をωxとし、大きい方の回転モーメントMlに対する回転モーメントMlと回転モーメントM2の大きさの差(すなわち、Ml−M2)をRatioとした。3つの実験では、いずれも、Ratioが0.2倍未満のときに、良好な結果を得ることができた。
Further, the difference in magnitude between the rotational moment M 1 and the rotational moment M 2 with respect to the larger rotational moment M 1 (that is, M 1 −M 2 ) is as shown in Tables 1 to 3 below in actual experiments. It became. The experiments shown in Tables 1 to 3 were carried out using a blade member having a width of 320 mm and a weight of 1700 g, and changing the protruding length in three ways between the short part and the long part. In Experiment 1, the protrusion length of the long portion is 240 mm, the protrusion length of the short portion is 80 mm, in
このような第1及び第2の羽根部材19〜24は、大面積な部分101が小面積な部分102よりも重くなるので、大面積な部分101が小面積な部分102よりも下になるように動作する。そのため、第1及び第2の羽根部材19〜24の動作を安定させることができる。
In such first and
このような第1及び第2の羽根部材19〜24のウェイトバランスの調整は、例えば、風の力が小さい場合でも、素早く、水平回転軸16〜18を中心とした第1及び第2の羽根部材19〜24を回転させることができる。そのため、例えば、風力2といわれる風速3.4m/S以下のわずかな風を受ける場合に、特に有効となる。
For example, the adjustment of the weight balance of the first and
<変形例等>
本発明は、前記実施の形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形及び応用が考えられる。以下に、いくつかの変形例を説明する。
<Modifications>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications can be considered without departing from the gist of the present invention. Hereinafter, some modified examples will be described.
(第1の変形例)
図19は風を利用した動力装置の第1の変形例を示す図である。前記実施の形態に係る風を利用した動力装置10は、水平回転軸16〜18に第1及び第2の羽根部材19〜24の回転を所定の角度で止める回転規制機構を設けていた。これに対し、第1の変形例に係る風を利用した動力装置59は、垂直方向を向いた各羽根部材19〜24の背部を支持する角度規制機構となるストッパー部材を垂直回転軸12に設けている。
(First modification)
FIG. 19 is a diagram showing a first modification of the power plant using wind. The
具体的には、動力装置59は、各水平回転軸16〜18の直下で、各羽根部材19〜24の高さh以内の位置に、ストッパー部材の一例であるストッパー棒60〜65の基部を、垂直回転軸12に固定している。ストッパー棒60〜65は、各羽根部材19〜24の中間部又は先部を受けるので、各羽根部材19〜24を両端支持又はこれに近い形で支持することになる。これにより、第1の変形例は、各羽根部材19〜24の部材強度を下げることができる。すなわち、各羽根部材19〜24を軽量化することができる。
Specifically, the
(第2の変形例)
図20は風を利用した動力装置の第2の変形例を示す図で、図20(a)は第1及び第2の羽根部材19〜24の斜め方向からの外観を示しており、図20(b)は第1及び第2の羽根部材19〜24の側面方向からの外観を示している。第2の変形例は、第1及び第2の羽根部材19〜24の外端に水平回転軸16〜18と直角に交叉する補助翼111を設けている。補助翼111は、数センチ〜数十センチ程度の大きさである。補助翼111は、第1及び第2の羽根部材19〜24の外端からすり抜けようとする風Wを押さえ付けるように作用する。これにより、第2の変形例は、第1及び第2の羽根部材19〜24にかかる風Wの力を数パーセント〜数十パーセント程度向上させることができ、風Wのエネルギーを動力に転化する効率を向上させることができる。なお、以下、第1及び第2の羽根部材19〜24の、水平回転軸16〜18と平行な部分を補助翼111と区別して称する場合に、主翼112という。
(Second modification)
FIG. 20 is a view showing a second modification of the power device using wind, and FIG. 20 (a) shows the external appearance of the first and
(第3の変形例)
図21は風を利用した動力装置の第3の変形例を示す図で、図21(a)は第1及び第2の羽根部材19〜24の斜め方向からの外観を示しており、図21(b)は第1及び第2の羽根部材19〜24の側面方向からの外観を示している。第3の変形例は、第1及び第2の羽根部材19〜24の主翼112に水平回転軸16〜18と平行に数ミリ〜数十ミリ程度の溝113を設けている。溝113は、風Wを封じ込めるように作用する。第1及び第2の羽根部材19〜24にかかる風Wの力を数パーセント〜数十パーセント程度向上させることができ、風Wのエネルギーを動力に転化する効率を向上させることができる。なお、図21は、水平回転軸16〜18が、第1及び第2の羽根部材19〜24の中を通るように構成した例を示している。
(Third Modification)
FIG. 21 is a diagram showing a third modification of the power unit using wind, and FIG. 21 (a) shows the external appearance of the first and
(第4の変形例)
図22及び図23は風を利用した動力装置の第4の変形例を示す図で、図22(a)及び図23(a)は第1及び第2の羽根部材19〜24の斜め方向からの外観を示しており、図22(b)及び図23(b)は第1及び第2の羽根部材19〜24の上面方向からの外観を示している。第4の変形例は、垂直回転軸12の回転方向を任意に設定できる回転設定機構を設けたものである。
(Fourth modification)
FIGS. 22 and 23 are views showing a fourth modification of the power unit using wind, and FIGS. 22 (a) and 23 (a) are oblique views of the first and second blade members 19-24. FIG. 22B and FIG. 23B show the appearance of the first and
回転設定機構の具体的な構成を図24に示す。図24は、図22及び図23におけるS部を拡大した図で、図24(a)は水平回転軸16〜18周りの構成を示しており、図24(b)は係合部(ピン)122の構成を示しており、図24(c)は水平回転軸16〜18の穴123にピン122を固定した状態を示している。
A specific configuration of the rotation setting mechanism is shown in FIG. 24 is an enlarged view of the S portion in FIGS. 22 and 23, FIG. 24 (a) shows a configuration around the
図24に示すように、回転設定機構は、水平回転軸16〜18に設けられた突起部121と、突起部121と係合するピン122と、第1及び第2の羽根部材19〜24の、水平回転軸16〜18の周辺に設けられた穴123とからなっている。穴123は突起部121の左右に設けられており、ピン122は垂直回転軸12の回転方向に応じて左右の穴123のいずれかに挿入される。例えば、ピン122が右側の穴123に挿入されると、ピン122は図22に示す状態で第1及び第2の羽根部材19〜24を支持する。そのため、垂直回転軸12は、反時計回りに回転することになる。また、ピン122が左側の穴123に挿入されると、ピン122は図23に示す状態で第1及び第2の羽根部材19〜24を支持する。そのため、垂直回転軸12は、時計回りに回転することになる。このように第4の変形例は、垂直回転軸12の回転方向を任意に設定することができる。
As shown in FIG. 24, the rotation setting mechanism includes a
なお、回転設定機構は、図22〜図24に示す構成に限らない。例えば、垂直回転軸12の、基台11に近い位置に、突起部121と同様の突起部を設けるとともに、プーリ28に穴123と同様の複数の穴を設け、穴にピン122と同様のピンを挿入するようにしてもよい。
The rotation setting mechanism is not limited to the configuration shown in FIGS. For example, a protrusion similar to the
(第5の変形例)
図25は風を利用した動力装置の第5の変形例を示す図で、図25(a)は水平回転軸16〜18周りの構成を示しており、図25(b)は第1及び第2の羽根部材19〜24の固定状態を示している。第5の変形例は、水平回転軸16〜18と第1及び第2の羽根部材19〜24との接続を回動自在にし、その代わりに、水平回転軸16〜18に突起部121を設けるとともに、第1及び第2の羽根部材19〜24にショックアブソーバ(油圧バンパー)124を設け、突起部121と油圧バンパー124とを係合させている。
(Fifth modification)
FIG. 25 is a view showing a fifth modification of the power unit using wind, FIG. 25 (a) shows the configuration around the
第1及び第2の羽根部材19〜24は、突起部121と油圧バンパー124とが係合することによって、水平回転軸16〜18に固定される。例えば、第1及び第2の羽根部材19〜24は、J方向に回転するものとする。このとき、突起部121が油圧バンパー124に当接する。突起部121と接触する位置は、油圧バンパー124の突出量を調整することによって設定することができる。なお、突起部121と接触する位置は、水平方向に押し上げられた第1の羽根部材19、21、23又は第2の羽根部材20、22、24にかかる重力F2を考慮して設定するのが好ましい。例えば、図25(b)に示す例では、水平方向に押し上げられた第1の羽根部材19、21、23又は第2の羽根部材20、22、24が重力F2によって角度θ分沈み込むものとしている。そこで、油圧バンパー124を第1の羽根部材19、21、23又は第2の羽根部材20、22、24の板面の向きが角度θとなる量だけ突出させて、水平方向に押し上げられた第1の羽根部材19、21、23又は第2の羽根部材20、22、24が角度θだけ沈み込もうとする衝撃を緩和させている。
The first and
このように、第5の変形例は、第1及び第2の羽根部材19〜24を任意の板面の向きで固定することができ、また、第1及び第2の羽根部材19〜24や、水平回転軸16〜18、垂直回転軸12にかかる衝撃を緩和するとともに、これらの部材の磨耗を防止し、装置全体の長寿命化を図ることができる。
Thus, in the fifth modification, the first and
なお、ショックアブソーバは、第1及び第2の当て金物46、47及び第1及び第2の受け金物48、49のいずれか一方に設けてもよい。この場合、特に、第1及び第2の当て金物46、47及び第1及び第2の受け金物48、49の摩耗を防止することができる。
The shock absorber may be provided on any one of the first and
(第6の変形例)
第1及び第2の羽根部材19〜24は、例えば図26に示すように、それぞれ、任意の大きさで、かつ任意の形状にすることができる。このとき、第1及び第2の羽根部材19〜24の風から受ける力は、面積が同じであっても、異なる場合がある。
(Sixth Modification)
As shown in FIG. 26, for example, the first and
例えば、図26に示す構成において、内端側(すなわち、垂直回転軸12に近い側)部分Aが受ける風の力Fは、以下の式(10)となり、外端側(すなわち、垂直回転軸12から離れた側)部分Bが受ける風の力Fは、以下の式(11)となる。なお、ここでは、風速をVとし、第1及び第2の羽根部材19〜24の内端側部分Aの周速をvAとし、第1及び第2の羽根部材19〜24の外端側部分Bの周速をvBとし、第1及び第2の羽根部材19〜24の内端側部分Aの面積をSlとし、第1及び第2の羽根部材19〜24の外端側部分Bの面積をS2とし、第1及び第2の羽根部材19〜24の長さをrとする。また、比例関係を示す符号を∞とする。
For example, in the configuration shown in FIG. 26, the wind force F received by the inner end side (that is, the side close to the vertical rotation shaft 12) A is expressed by the following formula (10), and the outer end side (that is, the vertical rotation shaft) The force F of the wind received by the portion B (side away from 12) is expressed by the following equation (11). Here, the wind speed is V, the peripheral speed of the inner end side portion A of the first and
F∞(V−vA)×SI ...(10)
F∞(V−vB)×S2 ...(11)
このとき、風速Vと周速vの関係は、v=V×rとなる。
F∞ (V−V A ) × S I. . . (10)
F∞ (V−V B ) × S 2 . . . (11)
At this time, the relationship between the wind speed V and the circumferential speed v is v = V × r.
そのため、これらの式の関係から、仮に、内端側部分Aの面積S1と外端側部分Bの面積S2が同じ大きさである場合に、第1及び第2の羽根部材19〜24は、風から外端側部分Bよりも内端側部分Aの方に大きな力を受けることになる。したがって、第1及び第2の羽根部材19〜24は、その形状を任意のものにすることによって、内端側部分Aの面積S1と外端側部分Bの面積S2が同じであっても、風から受ける力を異ならせることができる。
Therefore, from the relationship of these equations, if, when the area S 1 and the area S 2 of the outer end portion B of the inner end portion A is the same size, the first and
<付記>
また、本発明は、上記した以外にも、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、前記実施の形態においては、各羽根部材は矩形であったが、半円、三角形、その他の形であっても本発明の権利範囲に含まれる。
<Appendix>
In addition to the above, the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above-described embodiment, each blade member is rectangular, but a semicircle, a triangle, and other shapes are also included in the scope of the present invention.
また、前記実施の形態では、回転動力は電力として利用したが、ポンプや水車等であってもよい。 Moreover, in the said embodiment, although rotational power was utilized as electric power, a pump, a watermill, etc. may be sufficient.
更に、前記実施の形態において、水平回転軸16〜18の回転部分には、ブッシュを用いたが、更に好ましくはベアリングを用いるのがよい。 Furthermore, in the said embodiment, although the bush was used for the rotation part of the horizontal rotating shafts 16-18, it is more preferable to use a bearing.
10、59:風を利用した動力装置
11:基台
12:垂直回転軸
13、14、15:軸受部
16、17、18:水平回転軸
19、21、23:第1の羽根部材
20、22、24:第2の羽根部材
25:フレーム部材
26、27:軸受
28、30:プーリ
29:発電機
31:ベルト
32、33:ボス部
34:挿通孔
35、36:ブッシュ
37:主軸部
38、39:突出軸部
40、41:連結金具
42、43:平ブッシュ
44、45:リング金物
46:第1の当て金物
47:第2の当て金物
48:第1の受け金物
49:第2の受け金物
50、51、54、55:板材
52、53:当てボルト
56、57:受けボルト
60〜65:ストッパー棒
10, 59: Power device using wind 11: Base 12:
Claims (22)
前記垂直回転軸と直交しかつ前記垂直回転軸を貫通する、回転自在な水平回転軸と、
前記垂直回転軸を中心にして前記水平回転軸の両側に取り付けられた板状の第1及び第2の羽根部材と、
前記垂直回転軸の回転に応じて稼働する動力機構とを備え、
前記第1及び第2の羽根部材は、それぞれの板面の向きが、前記水平回転軸の軸周方向に互いに90度の角度だけずれて固定され、かつ、それぞれが、前記水平回転軸を中心にして、垂直方向と水平方向との間で、互いに連動して、揺動することを特徴とする風を利用した動力装置。 A vertically-rotating vertical rotation axis arranged vertically;
A rotatable horizontal rotation axis orthogonal to the vertical rotation axis and passing through the vertical rotation axis;
Plate-like first and second blade members attached to both sides of the horizontal rotation shaft around the vertical rotation shaft;
A power mechanism that operates according to the rotation of the vertical rotation shaft,
The first and second blade members are fixed such that the orientations of the respective plate surfaces are shifted from each other by an angle of 90 degrees in the axial circumferential direction of the horizontal rotation shaft, and each is centered on the horizontal rotation shaft. Thus, a power device using wind is characterized in that it swings in conjunction with each other between a vertical direction and a horizontal direction.
前記第1及び第2の羽根部材は、前記第1及び第2の羽根部材のそれぞれの、前記水平回転軸によって2つに区分される部分のそれぞれを第1区分部材及び第2区分部材とするときに、前記第1区分部材と前記第2区分部材とで、風から受ける力の大きさが異なるように形成されているとともに、前記第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントに対して、回転モーメントの小さい方に荷重を付加するウェイトバランスの調整が施されて形成されていることを特徴とする風を利用した動力装置。 In the power unit using the wind according to claim 1,
In the first and second blade members, each of the first and second blade members divided into two parts by the horizontal rotation shaft is defined as a first partition member and a second partition member. Sometimes, the first section member and the second section member are formed so that the magnitude of the force received from the wind is different, and the rotational moment generated by the gravity of the first and second section members is reduced. On the other hand, a power device using wind, which is formed by adjusting a weight balance for applying a load to a smaller rotational moment.
前記第1及び第2の羽根部材は、前記ウェイトバランスの調整によって、前記第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの差が最大でも前記第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの大きい方の0.2倍未満になるように、形成されていることを特徴とする風を利用した動力装置。 In the power unit using the wind according to claim 2,
The first and second blade members are generated by the gravity of the first and second section members even when the difference in rotational moment generated by the gravity of the first and second section members is the maximum by adjusting the weight balance. A power device using wind, which is formed so as to be less than 0.2 times the larger rotational moment.
複数段に重ねて配置されており、
各段を構成する前記水平回転軸のそれぞれは、前記垂直回転軸の軸上の異なる位置でかつ前記垂直回転軸の軸周方向に所定の角度間隔だけずらされて配置されていることを特徴とする風を利用した動力装置。 In the power unit using the wind according to any one of claims 1 to 3,
It is arranged in multiple stages,
Each of the horizontal rotation shafts constituting each stage is arranged at a different position on the axis of the vertical rotation shaft and shifted by a predetermined angular interval in the circumferential direction of the vertical rotation shaft. A power unit that uses wind.
前記所定の角度間隔は、180度を段数で除した値またはその倍数であることを特徴とする風を利用した動力装置。 In the power unit using the wind according to claim 4,
The power device using wind, wherein the predetermined angular interval is a value obtained by dividing 180 degrees by the number of stages or a multiple thereof.
各段を構成する前記水平回転軸のそれぞれは、蝶旋状に配置されていることを特徴とする風を利用した動力装置。 In the power unit using the wind according to claim 5,
Each of the said horizontal rotating shaft which comprises each stage is arrange | positioned in the shape of a butterfly, The power device using the wind characterized by the above-mentioned.
前記水平回転軸の回転を90度に規制する規制機構をさらに備えており、
前記規制機構は、前記垂直回転軸を中心にして前記水平回転軸の両側にそれぞれ設けられた第1及び第2の当て部材と、前記第1及び第2の当て部材のそれぞれと当接可能な、前記垂直回転軸にそれぞれ設けられている第1及び第2の受け部材とからなることを特徴とする風を利用した動力装置。 In the power unit using the wind according to any one of claims 1 to 6,
A regulation mechanism for regulating the rotation of the horizontal rotation shaft to 90 degrees;
The restricting mechanism is capable of contacting the first and second contact members respectively provided on both sides of the horizontal rotation shaft with the vertical rotation shaft as a center, and the first and second contact members. A power device using wind, comprising first and second receiving members respectively provided on the vertical rotating shaft.
前記第1及び第2の羽根部材に、ショックアブソーバが設けられていることを特徴とする風を利用した動力装置。 In the power unit using the wind according to claim 1,
A power device using wind, wherein the first and second blade members are provided with shock absorbers.
前記垂直回転軸に突出して設けられていて、前記第1及び第2の羽根部材と当接して前記第1及び第2の羽根部材の回転を停止するストッパー部材を備えていることを特徴とする風を利用した動力装置。 In the power unit using the wind according to any one of claims 1 to 8,
A stopper member is provided so as to protrude from the vertical rotation shaft and stops the rotation of the first and second blade members in contact with the first and second blade members. Power device using wind.
前記垂直回転軸に、前記水平回転軸との摩擦抵抗を軽減する軸受部が設けられていることを特徴とする風を利用した動力装置。 In the power unit using the wind according to any one of claims 1 to 9,
A power device using wind, wherein the vertical rotating shaft is provided with a bearing portion that reduces frictional resistance with the horizontal rotating shaft.
前記垂直回転軸の回転方向を設定する回転設定機構を備えていることを特徴とする風を利用した動力装置。 In the power unit using the wind according to any one of claims 1 to 10,
A power device using wind, comprising a rotation setting mechanism for setting a rotation direction of the vertical rotation shaft.
前記回転設定機構は、
前記水平回転軸に設けられた突起部と、
前記第1及び第2の羽根部材に設けられていて、前記突起部と係合して前記垂直回転軸の回転方向を決定する係合部とからなることを特徴とする風を利用した動力装置。 The power unit using wind according to claim 11,
The rotation setting mechanism is
A protrusion provided on the horizontal rotation shaft;
A power device using wind, comprising: an engaging portion that is provided on the first and second blade members, and that engages with the protrusion to determine the rotation direction of the vertical rotation shaft. .
前記水平回転軸に設けられていて、前記第1及び第2の羽根部材の板面の向きを設定する油圧バンパーを備えていることを特徴とする風を利用した動力装置。 In the power unit using the wind according to any one of claims 1 to 12,
A power device using wind, comprising a hydraulic bumper provided on the horizontal rotation shaft and configured to set the orientation of the plate surfaces of the first and second blade members.
前記水平回転軸によって2つに区分される部分のそれぞれを第1区分部材及び第2区分部材とするときに、前記第1区分部材と前記第2区分部材とで、風から受ける力の大きさが異なるように形成されているとともに、前記第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントに対して、回転モーメントの小さい方に荷重を付加するウェイトバランスの調整が施されて形成されていることを特徴とする羽根部材。 A plate-like blade member for use in a power device using wind according to claim 1,
The magnitude of the force received from the wind by the first and second section members when the two sections divided by the horizontal rotation shaft are the first and second section members, respectively. Are formed different from each other, and the weight balance is adjusted by adding a load to the smaller rotational moment with respect to the rotational moment generated by the gravity of the first and second section members. A wing member characterized by comprising:
前記ウェイトバランスの調整によって、前記第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの差が最大でも前記第1及び第2区分部材の重力によって発生する回転モーメントの大きい方の0.2倍未満になるように、形成されていることを特徴とする羽根部材。 The blade member according to claim 14,
By adjusting the weight balance, the difference between the rotational moments generated by the gravity of the first and second segment members is at most 0.2 times the larger of the rotational moments generated by the gravity of the first and second segment members. It is formed so that it may become less, The blade member characterized by the above-mentioned.
前記回転モーメントの差は、前記第1区分部材と前記第2区分部材とで単位面積当たりの重量を変えることによって、設定されていることを特徴とする羽根部
材。 The blade member according to claim 15,
The difference in rotational moment is set by changing the weight per unit area between the first section member and the second section member.
前記第1及び第2区分部材の単位面積当たりの重量が、前記第1または第2区分部材のいずれかに、荷重物が配置されることによって、変えられていることを特徴とする羽根部材。 The blade member according to claim 16,
The blade member, wherein the weight per unit area of the first and second section members is changed by placing a load on either the first or second section member.
前記第1及び第2区分部材の単位面積当たりの重量が、前記第1区分部材と前記第2区分部材とで比重の異なる素材を用いることによって、変えられていることを特徴とする羽根部材。 The blade member according to claim 16,
The blade member according to claim 1, wherein weights per unit area of the first and second partition members are changed by using materials having different specific gravity between the first partition member and the second partition member.
前記第1及び第2区分部材の単位面積当たりの重量が、前記第1区分部材と前記第2区分部材とで異なる厚さに形成されることによって、変えられていることを特徴とする羽根部材。 The blade member according to claim 16,
The blade member characterized in that the weight per unit area of the first and second partition members is changed by forming the first partition member and the second partition member to have different thicknesses. .
前記ウェイトバランスの調整に際して増加する慣性モーメントを低減させるために、前記ウェイトバランスの調整に際して付加する荷重の位置を、前記水平回転軸から荷重をかける側の部材の巾の0.1倍以内とすることを特徴とする羽根部材。 The blade member according to claim 14,
In order to reduce the moment of inertia that increases during the adjustment of the weight balance, the position of the load applied during the adjustment of the weight balance is set to be within 0.1 times the width of the member to which the load is applied from the horizontal rotating shaft. A blade member characterized by that.
前記水平回転軸と直交する方向に延在する補助翼を有することを特徴とする羽根部材。 The blade member according to any one of claims 14 to 20, wherein
A blade member having an auxiliary wing extending in a direction orthogonal to the horizontal rotation axis.
板面に溝が設けられていることを特徴とする羽根部材。 In the blade member according to any one of claims 14 to 21,
A blade member characterized in that a groove is provided on a plate surface.
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