JP2005127293A

JP2005127293A - 案内羽根付き籠型風車

Info

Publication number: JP2005127293A
Application number: JP2003396363A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Suzuki; 計夫鈴木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】実用的で多目的に適応する籠型風車を提供する。
【解決手段】上下方向の中心軸に所定の間隔を置いて直交し、かつ該中心軸を中心とする複数の円環部の間に案内羽根を設けた案内籠の中に風車をその回転軸を前記中心軸を中心に回転自在に収容した案内羽根を持つ籠型風車において、前記案内羽根の数を７〜２０枚とし、該案内羽根に応じて決めた形状の風杯を５〜１０個とするようにし、風車の回転軌跡を前記案内籠の円環部の内径に近接させて設け且つ推進側の前記案内羽根により導入された風を抵抗側の前記案内羽根により吸引して排出させるようにしている。
【選択図】図２

Description

本発明は案内羽根付き籠型風車について風力を有効に使い且つ排出側の空気流の活用に着目した改良に関するもので、風力発電等に適用して効果のあるものである。

風車には空気流に平行な回転軸を持つプロペラ型の風車と空気流に垂直な回転軸を持つ籠型の風車がある。プロペラ型の風車は、発電にも広く活用されている。一方籠型風車については特許文献１、特許文献２，特許文献３，特許文献４他多くの特許文献がある。また非特許文献１他非特許文献もあるが、商品化されたと言うことは聞かないのが実状である。

特開平０５−２４０１４１特開昭５０−１４４８４２特開昭５５−１４２９７８実開昭６１−３３９８０「サボニウス風車に関する研究（第２報、静止案内羽根を持つ場合）」日本機械学会論文集、５１巻、４７１号、昭和６０年１１月．Ｐ３５１６〜

これらの文献からも判るとおり籠型風車にはプロペラ型風車に比較して多くの利点がある。第１に風の方向に影響されずに常に一定の方向に回転することで、プロペラ型風車における風向制御の必要が無く安定して風エネルギーを吸収できる。第２に構造が簡単、軽量で且つ高い剛性を持つため安価に製造できる。第３に軸受け部が比較的広く大きい基礎となっているため発電機等の動力活用機器との連結が簡単である。等総じて構造、制御、動力系が全て低コストで生産が可能であるという利点を備えている。

このように多くの利点を持つ籠型風車ではあるが、風杯が風を受ける側（推進側）で有効に動力化出来るが風杯の裏側に風を受ける反対側（抵抗側）が該推進側で受けた動力の一部を打ち消すために効率の悪いものになっていた。従って上記文献においては何れも抵抗側の弊害を消し且つ吸入空気を有効に活用すべく。籠型風車は案内羽根を設けた案内籠の中に収容している。

図７は公知の案内羽根付き籠型風車の一例である。の上面断面図である。図において５０は案内羽根付き籠型風車である。５１は案内籠である。該案内籠５１において５２は案内籠の中心軸である。該中心軸５２は案内籠５１の中心で上下方向に設けてある。５３は案内籠５１の端板である。該端板５３は２枚あり、前記案内籠５１の中心軸５２の上下方向に所定の間隔を置いて直角に交わるように設けてある。該上下２枚の端板５３には各々前記中心軸５２を中心とする円環５５が描かれている。５４は案内羽根である。該案内羽根５４は前記上下２枚の端板５３の円環５５の間にあり前記中心軸に直角な水平線に対して所定の角度を成し、その内端を前記円環５５の内径側に、又その外端を前記円環５５の外径上に置くように等間隔に配置され、夫々上下の端板５３に固定されている。５７はベアリングである。該ベアリング５７は夫々上下の端板５３の中心軸５２にその中心を一致させて設けてある。

５８は籠型風車である、５９は籠型風車５８の風杯である。６０は籠型風車５８の回転軸である。前記風杯５９は水平断面が半円弧乃至類似の形をしており、その上下端は、端板で封止している。前記風杯５９を前記回転軸６０に沿い、且つ前記円環５５の内側に近接する円周上に等間隔となるように前記回転軸６０に支持している。

前記籠型風車５８は、その外周が前記案内籠５１の案内板５４の内端に近接してその回転軸６０を前記上下のベアリング５７に回転自在に支持されて収容されている。

次にその作用を説明する。図６において７０の矢印は風向きを示す。案内羽根付き籠型風車５０の案内羽根５４が風向き７０に対して掬い角となっている部分から風は導入され案内羽根５４に沿って案内籠５１の内側に向かう。この風は案内羽根５４が内側に向かうにつれてその断面積が狭くなるために圧縮風となって風速を増しつつ籠型風車５８に向かい風杯５９に運動エネルギーを伝え風車５８を回転させる。かくして風車を回転させた風は風の向き７０に対して掬い角とならない案内羽根５４間を通って案内羽根の外に流出すると考えられている。

而して図１１において図１１ａ及び１１ｂは、案内羽根付き籠型風車について新しい知見を説明する概念図である。図１１ａ及び１１ｂによりその知見について説明する。図１１ａにおいて７２は案内羽根を持たない公知の籠型風車である。
７３は該籠型風車７２の風杯である。７４は籠型風車７２の回転軸である。７０は矢印である該矢印７０は前記風車７２に向かう風の向きをあらはしている。
該籠型風車７２の回転軸７４の左側の風杯は風をその凹部で受けて右回転方向に付勢される。それに対して右側の風杯は、その凸部で風を受けて風上に回転しようとし風により勢力を殺がれる。即ち回転軸７４を境に左側は推進側、右側は抵抗側となる。

図１１ｂおにおいて８０は案内羽根付き籠型風車である。案内羽根付き籠型風車８０において、８１は案内籠である。該案内籠８１は前記籠型風車７２をその回転軸７４を回転自在に支持して収容している。なお前記籠型風車７２については同じ部分に同じ符号を付して説明を省略する。
図１１ｂにおいて案内籠８０により風は回転軸の左側はもとり右側の一部では案内板８１に誘導されて風杯７３に達し、風杯７３を付勢する。その上、右側の案内板８１に誘導されない部分についても案内坂内を負圧にし案内籠内の風を吸引する。この吸引力は風杯７３を正回転させる力を持っている。換言すると全域を推進側とするする事が出来る。

発明者等は、案内羽根付き籠型風車を更に効率が良く且つ使いやすい機器とするために単に案内籠を風の導入及び圧縮風として活用するという視点でなく、より広い視野に立って風の持つエネルギーを有効に活用するという視点で実験及び検討が必要である。

従来案内羽根付き籠型風車について、案内羽根５１の作用は上記の如く風車の風上の風の有効利用に着目した設計が成されてきた。その目的に添うものとして案内羽根５４の長さは籠型風車の直径程度の長さが良いとされ、籠型風車５８の外径は案内籠５１の外径の約１／２から１／３としている。この場合案内羽根５１の入り口の面積に対して出口の面積は約１／２から１／３となる。そこで、案内籠５１の入り口から入った風は圧縮増速されて籠型風車５８の風杯５９を回転させる。

本発明者は風の有効活用の観点から案内羽根の推進側及び抵抗側の活用について全面的な見直しを行い、実験を通して抵抗側の負圧を活用することにより籠型風車の効率を更に向上できる見通しを得た。

即ち従来の案内羽根付き籠型風車では推進側の風を有効に活用することに重点が偏ったため、案内羽根５４は圧縮増速風として風車に供給すると言う発想に至ったが、本発明者は、抵抗側において負圧により案内羽根内の風は吸い出されていることを勘案すると、推進側の案内羽根で圧縮増速された時点で絞り損失を受けており折角多量の風を取り入れても、それにより増速されて風杯を回転させた風は絞り損失を差し引いたエネルギーの利用に止まり且つ抵抗側の出口で十分に吸い出されず、一部は案内羽根の中に残り全体として効率を落としていると推測される。本発明者は以上の新しい知見に基づいて推進側と抵抗側両方の風力エネルギーを有効に活用すべく実験検討の結果以下の問題解決手段に到達した。

本発明の第１の手段は請求項１に該当し、中心軸に所定の間隔を置いて直交する該中心軸を中心とする複数の円環部の間に所定の間隔を置き且つ前記中心軸に平行且つ前記円環部の内径側より外径側に向かって放射状に配置した案内羽根と、前記中心軸を回転軸とし、複数の風杯を備えた籠型風車を前記案内籠の中心軸を中心に回転自在に収容した案内羽根付き籠型風車において、前記円環部の内径部を覆い、前記案内羽根の数を７〜２０枚、風杯の数を５〜１０個とし、且つ籠型風車の外径前記円環部の外径の３／４から１／２とし、更に前記風車の回転軌跡の最外径部を前記案内羽根の円環部の内径に近接させて設けるようにしている。

本発明の第２の手段は請求項２に該当し、本発明の第１の手段に加えて前記中心軸を中心に前記案内羽根を上下に連結し且つ風車の回転軸を相互に連結するようにしている。

本発明の第１の手段によれば、案内羽根の外径に対し籠型風車の回転軌跡の最外径が大きいため推進側の案内羽根に入った風は最低限の絞り損失を受けるだけで、案内羽根に案内されて風杯に到達する。一方籠型風車の外径は拡径されているためにトルクは大きくなっている。又同様に負圧側の出口もの抵抗が少なく且つ圧縮が利いていないだけ風量が少ないので、案内羽根内に滞留する風は少なく良く負圧が保たれるため風抵抗が少ない。よって推進側の風の持つエネルギー及び抵抗側の風の持つエネルギーも有効に活用できる。然も籠型風車の外径が大きいだけ発生トルクが大きいため、総合効率は高くなる。

なお本発明の第１の手段において円環部の内径部分を覆うとしたのは、推進側においては風杯を押す風が上下より逃げることを防止して風杯にエネルギーを無駄なく与えるよう計り、また抵抗側の負圧により案内羽根の外部より空気を吸引され風車の効率を低減することを防止したものである。又案内羽根の数及び風杯の数については後述の実験の結果決めたものである。

本発明の第２の手段によればこのようにして効率が上がった風車を上下に連結して更に大きい出力を得ることが出来る。と言う効果奏する。

本発明の実施の形態として以下の諸元の案内羽根付き風車を試作し実験を行った。図１は本発明になる案内羽根付き籠型風車の正面図である。図２は図１のＡ−Ａ断面図である。

図１及び図２において１は案内羽根付き籠型風車である。２は案内籠である。該案内籠２において３は案内籠の中心軸である。該中心軸３は案内籠の中心で上下方向に設けてある。４は案内籠２の端板である。該端板４は上下２枚あり、前記案内籠２の中心軸３の上下方向に所定の間隔を置いて直角に交わるように設けてある。該上下２枚の端板４の形状は正方形をしており各々前記中心軸３を中心として描かれた円環６の外周に外接する大きさである。５は案内羽根である。該案内羽根５は前記上下２枚の端板４の間にあり前記中心軸３に直角な水平線に対して所定の角度を成し、その内端を前記円環６の内径上に、又その外端を円環６の外径上に置くように等間隔に配置され、夫々上下の端板４に固定されている。８はベアリングである。該ベアリング８は夫々上下の端板４の中心軸３にその中心を一致させて設けた。

９は籠型風車である、１０は籠型風車９の風杯である。１２は籠型風車９の回転軸である。前記風杯１０は水平断面が半円弧をなしその上下端は端板で封止している。１１は支腕である。該支腕１１は前記風杯１０を前記回転軸１２に沿い且つ前記円環６の内径の内側に近接する円周上に等間隔となるように前記回転軸１２に支持している。

前記籠型風車９は、その回転軌跡の外周が前記案内籠２の案内羽根５の内端に近接してその回転軸１２を前記上下のベアリング８に回転自在に支持されて収容されている。
１３はジョイントボルトである。該ジョイントボルトは前記端板４の４隅に設けたジョイントボルト挿通孔を通してナット１４により上下より締め付け固定され、案内羽根付き籠型風車を保護する強度部材を構成している。

本実験用風車の試作については回転力を高めるため次のような考察を行った。
１．籠型風車９の回転部直径を案内籠の円環部６の外径の約半分以上とする。実験には上限に近い値での効果を確認するために極力大きく取る。
２．１により案内羽根５の取り付け部の円環部６の幅が籠型風車９の直径より小さくなるが、案内羽根５の取り付けピッチをその幅程度として空気の流れを良くした。
３．籠型風車の上下端板４の円環部６の内径側に蓋をする効果を確認する。
４．風杯１０の形状は、風を受け易く且つ回転抵抗が少ない水平断面形状を半円形又はそれに類似した形状とし、上下端に蓋をする。

上記考察を基に案内羽根付き籠型風車を試作し、以下の条件で実験を行った。
案内籠の諸元円環部６の外径０．９ｍ
上下端板４の間隔０．５ｍ
案内羽根５の数１６枚
籠型風車外径０．６５ｍ
高さ０．５ｍ
風杯の数６個

実験条件
案内羽根５の取り付け角度（度）０４５６０
円環部６の内径部蓋なし蓋あり
実験には扇風機（ファン径６０ｃｍ）を使用し、風速計は（電流計式風速計）を使用して測定した。なお風速は扇風機の強：３．８ｍ／ｓｅｃ、中：３ｍ／ｓｅｃ、弱：約２．８ｍ／ｓｅｃ。のスイッチを切り替えて実験した。

実験の結果を図５及び図６に示す。図５は本実験により風の流れを測定した結果を表示した図である。図６は各種条件により行った試作風車の回転速度をプロットしたグラフである。
図５において案内羽根の効果は、本来抵抗となる右側が吸引作用によって推進側となる。これは右半分のみに風を送って確認した結果風杯は正回転をすることで確認できた。
更に項目番号２１の実験前の考察に対する実験結果からの判断は、
１．実験に供した試作品は十分実用域にあり籠型風車９の直径を拡大した効果により従来のものより大きい回転力を有すると考えられる。
２．吸引作用は案内羽根の数が少な過ぎても多過ぎても低下することは容易に推測できる。取り付け角度は約４５度で最も回転数が高まる。
３．上下の蓋の効果も図５の結果より明確である。
４．風杯の形状については円弧状が良いと推測できる。

上記の如く案内羽根付き籠型風車において風の持つエネルギーを総合的に活用するには単に推進側のみに着目した改善では限界があり、抵抗側の吸引作用にも着目して項目番号２４の推測の部分について実験的に定量化したい。又より効率の良い風車とするために図９及び図１０に示す風杯の形状についても実験的に効果を確かめる予定である。図９に付いては案内羽根付き籠型風車２０において風杯のみ形状を変更して風杯２２の内側をＬ程高くして、図１０については同じく風杯の形状を内側を直線Ｍにより円弧に外接する形とする等色々試みて風力エネルギーをより確実に確保できる形状を追求したい。又図２において案内籠の円環６を内周部からが外周部に向かって空気の取り入れを良くするために開口した形状を試みたいこれは前記検討の通り絞り効果が問題になるが、実用上影響が少なく且つ効果の上がる点を追求してみたい。、

本発明の第２の実施の態様例とし図７、図８により説明する。図７は図１に示した案内羽根付き小型風車１を２台上下に連結して出力の倍増を計った例である。図８は図７のＢ−Ｂ断面図である。
図７において１は図１で説明した案内羽根付き籠型風車である。図において１３はジョイントボルトである、該ジョイントボルト１３上下の端板の四隅のジョイントボルト挿通孔を挿通してナット１４でその上下から締め上げている。ジョイントボルトは十分な剛性を有しているため非常に剛性が高い保護枠となる。、又同時にジョイントボルトの端板より所定長さだけ突出させて上に同じ案内羽画根付き籠型風車を載置して該ターンバックル１６で上下の風車を固定する。更に風車の回転軸１２を連結ピース１５で固定することにより上下の風車は連結され風による仕事量は倍増する。なお１７は基礎で

Claims

中心軸に所定の間隔を置いて直交する該中心軸を中心とする複数の円環部の間に所定の間隔を置き且つ前記中心軸に平行且つ前記円環部の内径側より外径側に向かって放射状に配置した案内羽根と、前記中心軸を回転軸とし、複数の風杯を備えた籠型風車を前記案内籠の中心軸を中心に回転自在に収容した案内羽根付き籠型風車において、前記円環部の内径部を覆い、前記案内羽根の数を７〜２０枚、風杯の数を５〜１０個とし、且つ籠型風車の外径前記円環部の外径の３／４から１／２とし、更に前記風車の回転軌跡の最外径部を前記案内羽根の円環部の内径に近接させて設けたことを特徴とする案内羽根付き籠型風車。
中心軸が一致するように案内籠を上下に連結し且つ風車の回転軸を相互に回転軸の中心が一致するように連結したことを特徴とする請求項１に記載の案内羽根つき籠型風車。