JP2011064083A

JP2011064083A - 垂直軸風車

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Publication number: JP2011064083A
Application number: JP2009213186A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Ueno; 上野康男
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-09-15
Also published as: JP5704523B2

Abstract

【課題】
近来、垂直軸風車においては回転翼の空力性能の改善によって大幅な性能向上が実現して、実用化に向けて前進しつつある。しかるに回転軸の後流の渦を回転翼が受けて異常な振動や音を発生することがあり、実用上の障害となっていた。また、強風時に停止させる為の強力なブレーキ機構が必要である。更に、出来れば翼面を風に並行にして停止することが望ましい。
【解決手段】
断面が翼断面形状の整風部材を回転軸上に回転自在に支持し、該整風部材と回転翼の翼弦が並行な状態で両者の回転位置を固定する結合機構を設けた垂直軸風車を提供するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置、機械的動力源などに使用される風車に関するものであり、特に回転軸が垂直（鉛直）方向にあり、風の方向に無関係に回転し得る方式の垂直軸風車に関するものである。

近来、上記方式の風車においては回転翼の空力性能の改善によって大幅な性能向上が実現して、実用化に向けて前進しつつある。しかるに回転軸にあたった風の後流に渦が発生することでこの影響を回転翼が受けて異常な振動や音を発生することがあり、実用上の障害となっていた。また、この方式の風車は回転力が強いために強風時に停止させようとするとかなり強力なブレーキ機構が必要である。更に、強風時に停止した状態で回転翼が翼面に直角な方向から風を受けると大きな風力を受ける為、設備全体に加わる応力が大きくなることと、風切り音が発生する可能性が生じる。従って、出来れば翼面に平行な風を受けるように出来ることが望ましい。

本出願人が出願中の下記特許が性能向上に役立っているが更に上記課題の解決方法の実現が待たれている。
特願２００８−１９２９９９

本発明は、上記背景の下に成立するものであり、本発明の第１の手段は、断面が翼断面形状の整風部材を回転軸上に回転自在に支持した垂直軸風車を提供するものである。

本発明の第２の手段は、断面が翼断面形状の整風部材を回転軸上に回転自在に支持し、該整風部材と回転翼の回転位置を固定する結合機構を設けた垂直軸風車を提供するものである。

本発明の第３の手段は、整風部材と回転軸が結合状態となったとき整風部材と複数の回転翼の翼弦が並行な状態となるごとくする構成した上記の垂直軸風車を提供するものである。

本発明は、断面が翼断面形状の整風部材を回転軸上に回転自在に支持した垂直軸風車を提供することによって回転軸によって生じる風の乱れを軽減し、その乱れによって風下側の回転翼の性能が低下し、騒音を発生するのを防止することが出来るものである。

更に、該整風部材のブレーキ効果によって強風時に風車の回転を停止することが出来ると共に、停止状態における風の抵抗を最小限にすることを可能とするものである。

本発明の構造は、断面が翼断面形状の整風部材を回転軸上に回転自在に支持した垂直軸風車であり、整風部材は中空構造又は発砲樹脂製による軽い構造であることが望ましく、回転軸に対してはベアリングなどによってスムーズに回転可能な状態で支持されている。また、上記構造の風車を軸方向に複数セット連結した構造とすることで本発明の効果は更に大きなものとなる。更に後述の機構によって複数セットの回転翼の翼弦と整風部材は風に対して並行となる回転位置で結合することが出来るごとく構成されている。

以下図について本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の一実施例の構造を示す側断面図であり、図２はそのＡ-Ａ矢視断面図、図３はそのＢ-Ｂ矢視断面図である。
図１において、ベース１には地平面に対して垂直な回転軸２が回転自在に支持され、発電機３が固着されており、該回転軸２の下端の増速ギヤー４、５を介して該発電機３と係合している。また、ベース１はポール６に対して必要に応じて上下に移動し得るごとく支持されていることが望ましいが、これは本発明の主旨とは直接関係しないので、詳しい説明は省略する。回転軸２には２個のハブ７、８が固着され２枚の回転翼９及び支持アーム１０が略コの字形に形成された状態で固着されている。また、回転軸２の支持パイプ１１の外径部には上下に摺動自在にフランジ部材１２が設けられ、該フランジ部材１２の上面にはハブ７を貫通する第１のピン１３が接触している。ハブ７、８の間には上下端部にプレート１４、１５を有する整風部材１６が回転軸２に対して回転自在にまた、上下に摺動自在に設けられている。整風部材１６は軽い中空又は内部がポーラスな構造で前縁が円く後縁がとがった航空機の翼の断面と類似の断面形状とされている。プレート１５にはスプリング１７が嵌め込まれローラー１８は該スプリング１７に回転自在に軸支されて、ハブ８の下面に設けられた凹部１９に係合したとき回転翼９の翼弦と整風部材１６が並行になる状態で回転位置関係を固定することが出来る。また、ハブ８に摺動自在に設けられた第２のピン２０はその上端でフックプレート２１に接触しており、該フックプレート２１にはフック部２２が形成され、ハブ８の上面に設けられた凹部２３と係合してハブ８とフックプレート２１の回転位置関係を固定している。更に回転軸２には、ハブ２４、２５が回転自在に設けられ、該ハブ２４、２５には２枚の回転翼２６及び支持アーム２７が略コの字形に形成された状態で固着されている。ハブ２４に上下に摺動自在に設けられた第３のピン２８はその下端部でフックプレート２１に固着され、フックプレート２１とハブ２４の回転位置関係を固定している。この状態で回転翼９と２６とは互いに９０度の位相差で固定されている。ハブ２４とハブ２５の間には上下端部にプレート２９、３０を有する整風部材３１が回転軸２に対して回転自在にまた、上下に摺動自在に設けられている。整風部材３１は軽い中空又は内部がポーラスな構造で前縁が円く後縁がとがった航空機の翼の断面と類似の断面形状とされている。プレート３０にはスプリング３２が嵌め込まれローラー３３は該スプリング３２に回転自在に軸支されており、プレート３０が上方に移動したときハブ２５の下面に設けられた凹部３４に係合して回転翼２６の翼弦と整風部材３１が並行になるように両者の回転位置関係を固定する。

図２及び図３に示す破線は図１における表示位置から９０度回転した状態を示すものであり、風が図面の左側から吹いていると想定したとき、図２は実線位置が停止状態、図３では破線位置が停止状態を示す。なお、回転翼９及び２５には起動特性を改良する為にスラットなどの追加部材が必要となるがこれは本発明の主旨とは直接関係無いので詳細な図面表示は省略する。また、第１のピン１３、第２のピン２０、第３のピン２８は図１においては１本しか表示していないが回転軸２の周りに複数個配置されていることが望ましい。

図１、２、３において本発明の作用について説明する。図１に示す状態ではハブ７、８を介して回転軸２に固着された回転翼９は風の力で回転している。回転翼２６もハブ８の凹部２３とフックプレート２１のフック部２２、フックプレート２１と第３のピン２８及びハブ２４との係合により回転翼９との位相差９０度の回転位置関係を固定した状態で風の力で回転している。図２及び図３は回転翼９と回転翼２６は９０度の位相差を保った状態であることを示している。風が図の左方向から吹いている場合この９０度の位相差はトルクムラの少ない連続回転を可能にするものである。

支持パイプ１１の外径部に上下に摺動自在に設けられたフランジ部材１２を図示しないレバーなどで外部から上方に移動すると、第１のピン１３はハブ７を貫通してプレート１４を下から押して整風部材１６を上方に移動する。これによって上方に移動したプレート１５に設けられたローラー１８は、スプリング１７の作用で一旦ハブ８の下面に接触して回転した後ハブ８の下面の凹部１９と係合するとハブ８と整風部材１６は回転翼９と一体になって回転軸２の周りを回転する。更に第２のピン２０はその上端部でフックプレート２１を押し上げフックプレート２１のフック部２２とハブ８の上面の凹部２３との係合を解くと同時にハブ２４を貫通する第３のピン２８を上方に動かしてこれに接するプレート２９を介して整風部材３１を上方に移動させる。整風部材３１と共に移動したプレート３０に設けられたローラー３３はスプリング３２によって一旦ハブ２５の下面に接触して回転した後ハブ２５の下面に設けた凹部３４と係合し、両者の回転位置関係を固定するので、整風部材３１は回転翼２６と一体となって回転軸２の周りを回転する。しかるに、回転翼９と回転翼２６の回転位相関係は上述のごとく開放されているので、風の方向と回転翼９及び２６の翼弦が夫々風と並行となったときの回転トルクは小さな値となる。一方整風部材１６及び３１は前縁が風上を向いて風になびいた時に最も安定した状態となる。従って回転翼９及び２６と整風部材１６と３１は上記の状態で静止しする。この状態は回転翼９及び２６の翼弦と整風部材１６が全て風と並行な状態となり、風車全体としての風の抵抗が最小の状態となるので強風時の安全性を最大値に高めることが出来る。また、この状態にするために外部から風車の回転にブレーキを掛けることは無いので、制動部の磨耗、発熱の心配は全く無い。フランジ部材１２が下方に移動すれば整風部材１６及び３１は自重で下方に下がり元の状態に復帰する。

図４は本発明の他の実施例の構造を示す側断面図である。左右対称部分は表示を省略している。
図４において、ベース４１には地平面に対して垂直な回転軸４２が回転自在に支持され、発電機４３が固着されており、該回転軸４２の下端の増速ギヤー４４、４５を介して該発電機４４と係合している。また、ベース４１はポール４６に対して必要に応じて上下に移動し得るごとく支持されていることが望ましいがこれは本発明の主旨とは直接関係しないので、詳しい説明は省略する。回転軸４２には２個のハブ４７、４８が固着され２枚の回転翼４９及び支持アーム５０が略コの字形に形成された状態で固着されている。
また、回転軸４２の支持パイプ５１の外径部には上下に摺動自在にフランジ部材５２が設けられ、該フランジ部材５２の上面にはハブ４７を貫通する第１のピン５３が接触している。ハブ４７、４８の間にはハブ５４、５５が回転自在に設けられ、該ハブ５４、５５には２枚の回転翼５６及び支持アーム５７が略コの字形に形成された状態で固着されている。略コの字形に形成された回転翼５６及び支持アーム５７は、回転翼４９及び支持アーム５０で形成されたコの字形より一回り小さく回転軸４２の回りにお互いに干渉せずに回転することが出来る。ハブ４７とハブ５４の間には第１のピン５３の上面に接する状態でフックプレート５８が設けられ、該フックプレート５８の一端に設けられたフック部５９はハブ４７の凹部６０に係合している。更にフックプレート５８に植設されてハブ５４を上下に摺動自在に貫通して設けられた第２のピン６１が設けられている。ハブ５４と５５の間には上下端部にプレート６２と６３を有する整風部材６４が、回転軸４２に対して回転自在に又、上下に摺動自在に設けられている。整風部材６４は軽い中空又は内部がポーラスな構造で前縁が円く後縁がとがった航空機の翼の断面と類似の断面形状とされている。プレート６３にはスプリング６５が嵌め込まれローラー６６は該スプリング６５に回転自在に軸支されて、ハブ５５の下面に設けられた凹部６７に係合して両者の回転位置関係を固定する。また、プレート６３の上面に接する第３のピン６８はハブ５５に上下に摺動自在な状態で貫通しておりプレート６９の下面に接している。プレート６９にはスプリング７０が嵌め込まれローラー７１は該スプリング７０に回転自在に軸支されて、ハブ４８の下面に設けられた凹部７２に係合して両者の回転位置関係を固定する。ハブ４７の凹部６０とフック部５９が係合している場合は回転翼４９と５６は互いに９０度の位相差を持つ状態であるが、ハブ４８の凹部７２とローラー７１が係合した状態では回転翼４９と５６は互いに並行な状態となっている。また、この状態ではプレート６３に設けられたローラー６６がハブ５５の下面に設けられた凹部６７に係合しており、整風部材６４も回転翼４９及び５６と並行な状態となっている。また、第１のピン５３、第２のピン６１、第３のピン６８は図４においては１本しか表示していないが回転軸４２の周りに複数個配置されていることが望ましい。

図４に示す実施例の作用は図１、２、３に示すものとほぼ同じである。図４に示す状態ではハブ４７、４８を介して回転軸４２に固着された回転翼４９は風の力で回転している。回転翼５６もハブ４７の凹部６０とフックプレート５８のフック部５９及び、フックプレート５８に植設されてハブ５４を上下に摺動自在に貫通して設けられた第２のピン６１によって互いに９０度の位相差を持つ状態であり、互いのトルクムラを補完しあう形で回転している。整風部材６４は回転の制限はなく風の方向になびいて静止している。

外部からの操作でフランジ部材５２が上方に移動すると、第１のピン５３がフックプレート５８を押し上げてフック部５９が凹部６０から外れて回転翼４９と５６の角度関係は解かれる。同時に第２のピン６１がプレート６２の下面を押して整風部材６４を押し上げローラー６６がハブ５５の下面の凹部６７と係合すると整風部材６４は回転翼５６とともに回転しようとするがこれには大きな風圧を伴うのでまもなく整風部材６４が風になびいた状態で停止する。それまで慣性で回転していた回転翼４９はローラー７１がハブ４８の凹部７２と係合することで回転翼５６と並行な状態となるので、結果的に回転翼４９と５６の翼弦と整風部材６４は全て並行となって風になびいた状態で停止する。フランジ部材５２が下方に移動すれば整風部材６４の自重で元の状態に復帰する。

上記においては、本発明の作用について述べたが、実質的な効果としては整風部材１６、３０及び６４の整風効果が風車の性能向上に大きく貢献するものである。すなわち、風車の中央の回転軸はこれまで断面が円形のまま風の中に直立しており、その後流はカルマン渦などの大きな乱れを生じたものであり、この乱れた気流領域を通過する時、回転翼には大きな振動を生じ空力性能が低下すると共に騒音の原因となる上、回転翼及び風車全体の耐久性にも悪影響を及ぼす。この問題に関してはダウンウインドウ型の水平軸風車の大きな欠点とされて永年その改善策の研究が続けられているが有効な解決策は生まれていない。重い発電機を回転中心に設置する水平軸型風車では太い支柱が必要となり、実施方法も難しいが可能ならばその効果も大きい。因みに円形断面の抵抗係数Ｌｄは約１.０に対して翼型断面の抵抗係数Ｌｄは０.０１であり、その比は１００分の１である。従って整風部材の効果の大きさが理解できる。

なお、本実施例の説明では回転翼９及び２６は上下２段に配置されているが、図４に示す４９と５６のように同一面内に配置することも出来る一方、３段あるいは４段でも同様の構造で作動させることが出来る。なお、本発明の主旨は上記実施例に示す作動構造に限定するものではなく、実質的な機能、効果に基づくものである。

以上の説明で明らかなごとく、本発明の垂直軸風車は回転軸による後流の乱れを軽減し、性能を向上するとともに振動、騒音を軽減するばかりでなく耐久性を改善し、更に適宜に作動させることが出来る上、空気力が最小な状態で停止する制動機能も有するものであり、その効果は極めて著しい。

本発明の一実施例の構造を示す側断面図である。本発明の一実施例のＡ-Ａ矢視断面図である。本発明の一実施例のＢ-Ｂ矢視断面図である。本発明の他の実施例の構造を示す側断面図である。

１、４１：ベース
２、４２：回転軸
３、４３：発電機
４、５、４４、４５：増速ギヤー
６、４６：ポール
７、８、２４、２５、４７、４８、５４、５５：ハブ
９、２６、４９、５６：回転翼
１０、２７、５０、５７：支持アーム
１１、５１：支持パイプ
１２、５２：フランジ部材
１３、５３：第１のピン
１４、１５、２９、３０、６２、６３、６９：プレート
１６、３１、６４：整風部材
１７、３２、６５、７０：スプリング
１８、３３、６６、７１：ローラー
１９、２３、３４、６０、６７、７２：凹部
２０、６１：第２のピン
２１、５８：フックプレート
２２、５９：フック部
２８、６８：第３のピン

Claims

断面が翼断面形状の整風部材を回転軸上に回転自在に支持したことを特徴とする垂直軸風車。
断面が翼断面形状の整風部材を回転軸上に回転自在に支持し、該整風部材と回転翼の回転位置を固定する結合機構を設けたことを特徴とする垂直軸風車。
整風部材と回転軸が結合状態となったとき整風部材と複数の回転翼の翼弦が並行な状態となるごとくする構成したことを特徴とする請求項２記載の垂直軸風車。