JP2006125378A - 垂直軸型翼列翼車装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 従来の垂直軸型風車は、風の風力を利用して、回転エネルギーを取り出してはいるが何分にも構造に不具合が見られる。
【構成】 回転軸１を中心として直交するよう上下に翼回転軸支持体２を間隔を有して平行に設け、両翼回転軸支持体２の間隔間の周縁辺部に回転軸１と平行な翼回転軸３と翼衝止棒体４を立設し、翼回転軸３を芯として自在に回動、少なくとも一部が回動して翼回転軸３か翼衝止棒体４に衝止し、高さが翼回転軸３に近い長方形状の翼５を設け、その翼５を有する複数の翼回転軸３の左右両端に翼衝止棒体４とを直線に設けた翼列６で基本単位を構成し、この基本単位と隣の基本単位とは等間隔で関係する角度を有して複数組を配設して成ることを特徴とする垂直軸型翼列翼車装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風力エネルギーの流体エネルギーを利用した装置に用いられる垂直軸型翼列翼車装置であって、特に低風速タイプとして知られているサボニウス型の一種である複数の翼を有したクロスフロー形風車に似た外見の翼車である垂直軸型翼列翼車装置に関するものである。

翼車である風車には、「翼・羽・ブレード・プロペラ」等と呼び名は異なっても、風力エネルギーを受ける主要部分と、そのエネルギーを伝達するための回転軸とがある。
更に、その回転軸が、風向きに対して平行なプロペラ型で代表される水平軸型と垂直方向に直立した垂直軸型とに分けられる。

前者は翼に生ずる揚力の回転方向成分によって回転する風車で揚力型と呼ばれるが、低風速域では起動が非常に困難という欠点がある。
その点、垂直軸型は抗力形と呼ばれ、翼に風が当ると抗力によって回転方向成分の力、起動するトルクが発生する上、風の方向に関係なく回転する利点がある。すなわち、低速風域用として大変有利な風車であるといえる。

したがって、従来の垂直軸型翼車を、その装置としての活用先をみると、主として風力発電用として開発されていることが分かる。また、事実、風力利用の方がより早く開発を求められていると言えよう。
それ故、本発明における諸説明は、主として風力利用の風車用として説明を進めることにする。すなわち、当分の間は垂直軸型翼列翼車を垂直型風車と称して説明する。
なお、垂直軸型風車の風を受ける部分の呼称に、翼・羽・ブレード等が用いられているが、本文においては従来技術の説明を含めて全てを「翼」として表現することにする。

垂直軸型風車には、バトル型、サボニウス型、ジャイロミル型、ダリウス型等がある。
従来、これらの風車には夫々について数多くの種類が提案されているが、いずれのものもその翼は、回転軸に固定されていたり、翼を可動又は回動する構造であり、本発明に近いものを幾つかの従来例を紹介する。

従来例の、垂直軸型風車であり、回転羽根を多段式のカーテン状受風羽体で構成し、回転を発生する側では揚力翼形成し、風を逃がす側ではカーテン状受風羽根体の裾が翻って風が回転羽根面を素通りして逆回転力が発生しない構造としてある。「垂直軸型風車」（例えば、特許文献１参照。）。

また、回転軸に放射状の一体型の格子状枠に兆番付き分割風受け板を設けた構造であり、風を受ける時は分割受け風板が全体を覆う様寄りかかり、風に逆らって回転する時は分割風受け板が風見鳥の如く風に庫いて風の抵抗を少なくして風力を有効に利用するとした。「風力発電用風車」（例えば、特許文献２参照。）

また更に、複数枚の板状の羽根を有する水平回転形の風車で、羽根の開口部シャッタを備えた構造で、風下方向に回転する時は開口部を閉じ、風上に回転する時は開口部を開くことを特徴とする「風力発電装置」（例えば、特許文献３参照。）。

特開平１０−３３９２５８ 特許公開２０００−３２０４４５ 特開平９−６０５７３

しかしながら、特許文献１の垂直軸型風車においては、カーテン状の受風羽根と回転羽根に構造上の難点があり、カーテン状の受風羽根と回転羽根が風下へ位置したときに羽根の裏側が希薄な空気層ができても、満足するものとは思われない。

また、特許文献２の風力発電用風車で、回転軸に格子状で分割した風受け板を設けた構造であり、風受け板が風の抗力のみの利用である為に、風が外側に逃げて十分な回転が得られるとおもわれない。

なお、特許文献３の風力発電装置においても、前記の文献と同様である。

本発明の目的は比較的簡単な構造で安価に提供でき、風車はどの方向の微風でも強風でも回転し有効な回転エネルギーが得られる垂直軸型翼列翼車装置を提供するものである。

本発明の垂直軸型翼列翼車装置の基本的な構成を、分かり易いように一実施例である図１に基ずいて説明する。なお、図１と図６と図７と図１０と図１１を除く他の平面図には、本発明の構成を理解しやすいように、中心線や同心円を細い点線で描いてある。
垂直軸型翼列翼車装置において、垂直な回転軸１を中心として、その回転軸１に直交するように上方と下方に翼回転軸支持体２を互いに間隔を有して平行に設ける。
さらに、翼回転軸支持体２を、回転軸１から放射状に延びたアームとしてもよいが、円盤状として取り入れた流体が上下方向には流出しないようにする方がベターである。

この上下の翼回転軸支持体２の間で、かつ、その周禄辺部に、回転軸１と平行な翼回転軸３と翼衝止棒体４を立設する。なお、この翼回転軸３を芯として自在に回動し、少なくとも一部分が回動して翼衝止棒体４に衝止する翼５と、燐設する翼回転軸３に衝止する翼５で、しかも高さを翼回転軸３の長さに近いものとする長方形の翼５を設けたものとする。
そして、これら翼５を等間隔で、しかも複数を直線に並べた翼列６として、翼列６の左右両端に翼衝止棒体４とで翼車１組の基本単位を構成するものとした。この基本単位と隣に設置する基本単位との間は、全て等間隔となるように複数組を夫々配設して全体を構成することを特徴とする垂直軸型翼列翼車装置としたのである。

上記の翼５の形状は、全体として長方形状だから、その短辺を上下側とする。また、短辺の断面形状は、図６のように飛行機の主翼の断面に似た流線型とするものと、図７のように鳥の風切羽根に似た構造のものとした。
なお回動する翼５の翼回転軸３が翼５の短辺にて一端または適宜ずれた位置にあって基本単位を構成するようにした垂直軸型翼列翼車装置とする。

また、翼回転軸３に翼衝止棒体４の回動衝止成分を付加することで、翼衝止棒体４を立設する必要を無くしても、その効果を発揮することができる。
その回動衝止成分を付加する位置は、翼回転軸３と翼回転軸支持体２の両方に、翼５の回動する角度に見合う位置とする。
なお、常識的な衝止体としては、例えばショックアブソバー等を設ければよい。

そして、前記の翼列６の配列は翼回転軸３と衝止棒体４が等間隔であり、その間隔は翼５の短辺よりやや短い間隔とする。
なお、翼列６の列は翼回転軸３と衝止棒体４とが直線になるよう設ける。
しかも翼列６は列の左右両端に衝止棒体４を配設し、その、内側に複数の翼回転軸３に接合する翼５を配設する。

これら上述の各例で翼列６の配設する位置は、本発明に重要な意味を持つものである。すなわち、回転軸１が回転した際に、翼列６の翼５が最も効率がよく風のエネルギーを受け止められるように、流体エネルギーの到来方向に向けて翼５の短辺が直交するような位置であること。同時に、流体エネルギーの損失が最小となるように流体の流れる向きに翼５の短辺が平行状態となる位置とする。この両者を満足する位置に設けなければ成らないのである。

そして、図２に示すように、翼列６を回転軸１から外周に向けて放射状に設けてあるが、本発明では、図３に示すように、翼列６の一端を周禄辺部に設け、そして他端を周禄辺部より内側である回転軸１側に角度を有して設けたことである。
なお、翼列６の角度とは、翼列６の巾にもよるが、風の成分を十分利用できる角度とする。

しかしながら、前記のことだけでは本発明の効果を満足に引き出すことはできないのである。その理由は図３と図４にて説明する。
なお、両図とも翼列６の基本単位を４組のもので示したし、流体としては風にて説明する。
両図の下方にある矢印は風向きを表している。そしていずれの図においても、回転軸１の回転方向は時計と反対方向すなわち左回りになるものとした。

なお、図２の鎖線で示した、左上方の翼５は反転した状態である。このように、反転しても夫々の翼５が風の成分を効率よく利用するものである。
なお、図２において、上方の翼５が翼回転軸３を芯に反転した状態で示してあるが、実際には、この位置で反転するのではなく、翼列６の配設角度にもよるが上方よりかなり左に位置して反転する。

図３において、回転軸１の右方の翼５と上方の翼５が風向きに交叉するようになって風を受け止め、左方の翼５と下方の翼５は風向きに平行となるから風の抵抗が最小となり、最も効率がよいように考えられるが実際には多少の相違がある。

すなはち、図４において、細線で風の流れと風の等圧線を示したし、これで分かるように空気の高圧部分と空気の希薄部分が見えてくるのである。
すなはち、翼車内に入った空気は必ず出ようとする、それゆへ、下方の矢印より翼車内に入った空気は右方と上方の翼５で圧縮空気の成分ができて翼５に抗力が生れる。また、翼車内から放出された空気は圧縮から開放され右方と上方の翼５の裏側には希薄な空気の成分ができて翼５に揚力が生れることになる。この、両者の抗力と揚力とにより翼車は回転軸１を芯に回転力が発生するのである。

次に、図５に示した翼列６を６列にしたものは、前述の４列のものより風の流れが複雑になるが、これは、右方の翼５に当った風は右上方の翼５に当り、更に回転軸１より右側の翼５に当った風の成分が上方の翼５に当る角度で配設することにより、翼車の回転が強力になる。なお、左方と下方の翼５は風の流れと平行になるので、翼車の回転に支障は生じない。

これで、本発明の垂直軸型翼列翼車装置は上述したように風力エネルギーを動力源とする翼車として、また、水力エネルギーを動力源とする水車として活用させるなど、流体のあるところに適用できるももである。更に、それらのエネルギーを動力源として直接利用する機構等へ連結するものと、発電機等に連結して電力をとりだし、利用することができる。

このような本発明の垂直軸型翼列翼車装置によると次のような効果が得られる。
翼回転軸３を芯にして自由に回動し、かつ、一端が翼回転軸３と翼衝止棒体４に衝止する翼５であり、その翼回転軸３と翼衝止棒体４を直線に配設した翼列６であるとして翼車１組の基本単位を構成したから、翼列６の位置を最適な所に選定することにより、回転軸１に対する翼列６の配置に伴う風流の軌跡を考慮し、翼５が流体エネルギーを受けて最も効率よくエネルギー交換ができ得て、回転軸１がスムーズに回転するようになったのである。

翼列６において翼衝止棒体４を複数の翼回転軸３の左右両側に設けたものは、翼５の翼回転軸３に対する回動範囲が制限されることにより、遠心力等による振り回しを抑える。

翼５を大きな１枚の翼とするよりも、大きな翼を分割した構造の翼５とすることで翼衝止棒体４に翼５の一部分が当る衝撃音を小さくすることができる。
さらに、強風に対しても安定した構造となる。

上述のことから、風水力両用ではあるが、比較的簡単な構造にて安価に製造でき、翼５が流体の到来側より流体の流出側に回転する際は多くの流体エネルギー圧を受け得て、翼５が流体の流出側より流体の到来側に回転するときは、翼５に受ける流体エネルギー圧抵抗を極力少なくすることができるから、流体として風ならどの方向からの微風でも回転し始め、低風域でも有効な回転をすることができるようになり得たのである。

本発明を風力利用に最適なものとして考慮すれば、水平回転方式の翼車装置で、中心に回転動力を取り出すための回転軸１があり、この回転軸１に直交するよう上部と下部に設ける翼回転軸支持体２は単純に円盤とする。この円盤である翼回転軸支持体２の外周近傍で回転軸１と平行に、細長い複数の翼回転軸３と、それに近接して同様に細長い丸棒の翼衝止棒体４を設け、この翼回転軸３を芯に容易に回動し、かつ、一端が翼衝止棒体４と翼回転軸３に衝止する長方形の翼５を有し、複数の翼回転軸３と、その左右両端に翼衝止棒体４を直線に配設して翼列６とした１組の翼車を基本単位とする。

この翼車の基本単位を、円盤である翼回転軸支持体２の外周辺に沿った近傍に等間隔に配置する構造とするのであるが、配置する翼車の基本単位の数は図１乃至図４のように最低でも４組は必要であり、期待する出力は５組か、図５に示す６組がよいと思われる。

ここで翼５の形状について考察すると、長さ方向では長方形とするが、その短辺での断面形状は、流体の中で用いるから好ましくは図６に示すような飛行機の翼のように流線型とし、翼回転軸３は翼５の中に隠される方が好ましいといえる。
図６では、翼５中の翼回転軸３のある位置が翼頭７側に近い位置であり、その間隔は実験の結果、翼頭７端と翼尾８端を１０等分した場合の翼頭より３の位置が最良と思われる。
図７における翼回転軸３が翼頭に位置しているのは、この形状が鳥の風切り羽の構造と同様な形状であり、できればこのような翼５が理想であるからである。

次に、本発明の作動について図４を用いて説明する。先す風の吹き始めにおいて、風向き（下方の矢印）に対して下方と左方の翼５は、翼回転軸３と翼衝止棒体４に触れない位置にあるから風向きに平行のまま翼尾８は風下に向いている。右方と上方の翼５は風圧で押されて翼５の一部が翼回転軸３と翼衝止棒体４に衝止されて図示のように翼尾８が方向を変えて、右方の翼５は風を受けとめる姿勢となり風力を蓄える。

この風力エネルギーは、図５において、回転トルクを発生しようと翼５が翼衝止棒体４と翼回転軸３を介して翼回転軸支持体２と共に回転軸１を反時計乃向へ回し、回転軸１から回転エネルギーとして動力を取り出せるのである。更に、右方の翼５に当った風の流れは、上方の翼５に当たる角度になり、ここでも回転トルクを発生させて、風は右上方向へ抜け去るのである。
実際には上記した間に、翼車は風力で回転しているから風流は上方よりやや左方にずれることになる。

回転軸１の回転速度が高まってくると、遠心力の発生によって、全ての翼５が翼回転軸３を芯として回転し、その翼尾８を外周方へ飛び出させようとする。
しかし、遠心力は風力より生ずる翼５の回動によって発生するものであるから、風力が無ければ遠心力は生じない。したがって、通常の場合、この遠心力は風力エネルギーには及ばないから、風の強い風上、すなはち、左方と下方の位置に回って来た時の翼５の向きは、遠心力より風力の方が勝って、常に始動時と同じ向きのまま、すなわち、風向きに平行のまま翼尾８は風下に向いていることになる。

風下に位置した左上方の翼５は、風の真下（図３左上方）を過ぎた辺りから、翼列６の角度が風の流る角度と平行状態となり、さらに、風の真下よりさらに過ぎると、翼５は遠心力と風の流れも加担するから、急に翼尾８は翼回転軸３と翼衝止棒体から離れて１８０度反転する。図２の左上の鎖線で示めした位置で反転が起きていることを示している。
その後動作は、前述のように左方と下方の翼５の姿勢となって、風の流れに平行になり風圧抵抗が極力小さくなって回転エネルギーの損失を少なくして、この装置は支障無く回転できるのである。

ところで、翼車の基本単位は、図５のように６組とするが最良だと前述した。すなわち、翼列６自体の大きさは相対的に４組のものより小さくなるが、下方からの風向に対して図５に示したような姿勢に夫々の翼５とその翼尾８の向きがなるように、すなわち、翼列６は回転軸１に近い方が右隣の翼列６に対して斜めに指すように配設する。このことにより、翼車の中心より右側の風は、右方の翼列６に当って、さらに、その風が右上方の翼列６に当り翼車の上方すなわち、風下方向に流れ去るのである。なお、翼車の中心より左側の風は左上方の翼列６に当り、翼車の上方すなわち、風下方向に流れ去るのである。

上述のように図５の翼車内に入った空気は、右方の翼列６と右上方の翼列６と左上方の翼列６によって収束され圧縮気流となる。

そして次に、翼車内から出た空気は、開放され拡散するので、右方と右上方と左上方の翼列６を通過した風の拡散気流は、翼列６の裏側に空気の希薄なところが出来て、この希薄なところに翼列６が引き込まれる状態となるのである。

このこよにより、翼車の翼列６に風が当る側には抗力が生み出され、風の当らない翼列６の裏側には揚力が生れるのである。

さすれば、基本単位が４組のものよりも翼列６が多い故に、風の流れもスムーズとなり、全体として回転バランスも良くなって効率が向上する。

したがって、本発明の装置における翼車の基本単位の組数は６組前後が好ましい。敢えて限定するならば、４組〜８組で構成することが良いと思われる。
それ以下では、回転力が不足して出力が少な過ぎるし、それ以上では、翼列６を小さく構成したとしても、翼列６がお互い干渉しあって、風の通りを妨げ、風の流れを乱れさせて、効率を減少させてしまうことになる。

以下、本発明の実施例について図１〜図１１を参照しながら説明する。ここで、各実施例中、同一機能を有する構成要素は同一符号を付して説明を省略若しくは簡略する。
先ず、図１は本発明の翼車の基本単位を４組とした代表的な垂直軸型翼列翼車装置で、自然界の風力を利用するものとした。大きさは目的とする出力によって定めれば良いので、寸法記載は全て省略したが、図から各部分の大きさを相対的に十分判断できると信ずる。

上下の、翼回転軸支持体２は円盤とし、翼５は長方形とするが、材質は使用環境にしたがって選択すればよく、耐久性ではチタン製で、軽量ではアルミ製、コストは鉄製や木製、海に近いところでは耐食性に優れるプラスチック等通常用いられるものでよい。また、翼衝止棒体４と翼回転軸３は綿長い鋼棒となるだろうが、適合する炭素繊維や合成樹脂製でも構わない。回転軸３は翼５が極力回転しやすいようにさえすれば、その両端は上下の翼回転３へ固着させても回転自在に軸着させてもどちらでも構わない。

図１では、翼回転軸３の上下で翼回転軸支持体２と回転自在に軸着させ、ほぼ全長は翼５の一面に接着なり溶着させたものとして示している。
なお、翼衝止棒体４は複数の翼回転軸３が直線に並んだ両端で左右に各１本設けてある。
なお、翼列６は、複数の翼回転軸３を直線に並べ、その両端に翼衝止棒体４を各１本ずつ設けた形状をいう。

実施例２として、図３と図５にて説明すると、翼５が図６のような断面としたものであって、翼回転軸３が翼５の中に入っているために、翼５の流線型がそのまま外周に表れるから風流を乱すことが小さくなり好ましい実施例である。

実施例３、水車として用いる場合は、図２に示すように、翼列を十字配列としてもよい。
なお、本発明の垂直軸型翼列翼車を、水車として利用すり時は垂直に設置するよりも、水平に設置する方が一般的である。

実施例４として、図８と図９にて説明すると、各翼５が回転軸１の円周上に位置している。これは、強風時の対策として示している。
このような位置に、翼５を固定する方法として、翼回転軸支持体２の任意の位置で、翼５又は、翼回転軸３を固定するためのストッパーを設ける。
そのストッパーを自動的に可動と制止する方法として、その駆動装置は、遠心力、または、電磁式・モーター・アクチュエーター等とマイコンを併用利用するか、それとも手動で行ってもよい。

実施例５として、図１０と図１１にて説明すると、大きな風力を得ようとすると、翼車１組のものを大型にすることも出来るが、翼車を数段重ねることでも大きな風力をうることができる。
その形状として、自然界の樹木のように鉛直形状や円錐形状に翼車を重ねてもよい。

上述の諸実施例において、流体が上下方向に逃げても構わないなら、図示省略したが、翼回転軸支持体２を円盤代えて、回転軸１部から周囲へ放射状に延びたアームとし、そのアームの先端辺りに翼車の基本単位を設けたものとしてもよいだろう。
また、翼５を翼回転軸３に固着したものは、上下の翼回転軸支持体２間の取り付け手段として、翼回転軸３自体の、心棒を回転自在に貫通するパイプとして、パイプを翼５に固着させ、その心棒の両端を上下の翼回転軸支持体２に固定するなど、種々な慣用手段を用いればよいのであり、それら均等手段によって本発明が限定されるものではない。

本発明の、垂直軸型翼列翼車装置で、流体エネルギーを回転運動エネルギーとして取り出すことで、回転運動を活用するあらゆる装置に利用できるものである。

この発明の実施例を示す斜視図である。（実施例１） この発明の動作の良否を説明するための説明用の平面図である。 この発明の配設と動作の実施例を示す配設と動作の説明用の平面図である。 この発明の空気の流れと、空気の気密と希薄部分を表わした平面図である。 この発明の翼列が６組で構成した平面図である。 この発明の翼回転軸が翼の翼頭より３の位置にある断面図である。 この発明の翼回転軸が翼の翼頭に位置した断面図である。 この発明の４組の翼を固定した状態を示す平面図である。 この発明の６組の翼を固定した状態を示す平面図である。 この発明の翼車を鉛直状に重ねた外観図である。 この発明の翼車を円錐状に重ねた外観図である。

Claims (8)

1. 垂直軸型翼列翼車装置において、回転軸（１）を中心として、該回転軸（１）に直交するよう上方と下方に翼回転軸支持体（２）を互いに間隔を有して平行に設け、上記両翼回転軸支持体（２）間隔の周縁辺部には、上記回転軸（１）に平行な翼回転軸（３）と翼衝止棒体（４）とを立設し、該翼回転軸（３）を芯として自在に回動し、かつ、少なくとも一部分が回動して上記翼衝止棒体（４）と翼回転軸（３）に衝止し、しかも高さを上記翼回転軸（３）の長さに近いものとする長方形状の翼（５）を設けた前記の翼（５）・翼衝止棒体（４）・翼回転軸（３）とを直線に配設した翼列（６）にて翼車一組の基本単位を構成し、この１組の基本単位と隣の基本単位との間が全て等間隔となるように複数組を夫々配設して成ることを特徴とする垂直軸型翼列翼車装置。
2. 回動する翼（５）の翼回転軸（３）が長方形状の翼（５）の短辺にて一端から適宜ずれた位置にあって基本単位を構成する請求項１記載の垂直軸型翼列翼車装置。
3. 回動する翼（５）の翼回転軸（３）が長方形状の翼（５）の短辺にて一端部にあって基本単位を構成する請求項１記載の垂直軸型翼列翼車装置。
4. 複数の翼（５）と複数の翼回転軸（３）の両端に各一本の翼衝止棒体（４）を直線に並べた翼列（６）で基本単位を構成する請求項１記載の垂直軸型翼列翼車装置。
5. 該翼列（６）は、一端を周縁辺部に設け、他端を周縁禄部より内側である回転軸（１）寄りに角度を有して配設する請求項１記載の垂直軸型翼列翼車装置。
6. 翼回転軸支持体（２）を円盤状とした請求項１記載の垂直軸型翼列翼車装置。
7. 風力エネルギーを原動力とし、風車として活用する請求項１記載の垂直軸型翼列翼車装置。
8. 水力エネルギーを原動力とし、水車として活用する請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の垂直軸型翼列翼車装置。

Images