JP2011094574A - 垂直軸風車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、保守、管理が容易な垂直軸風車装置を提供することである。
【解決手段】鉛直方向に延在し回転可能な垂直回転軸と、前記垂直回転軸の回転軸線に直交する方向に延びる支持部材と、前記支持部材が延びる方向に延びる軸線回りで枢動可能に装着され、仰角を有する可動羽根部と、を備え、前記可動羽根部は、仮想水平面に対し、０度より大きく９０度より小さい角度範囲で枢動可能であることを特徴とする垂直軸風車装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体が羽根部材を押す力を利用して回転軸を回転させる垂直軸風車装置に関する。

従来より、鉛直に延びる回転軸の半径方向に延びるアーム部材にブレードを設け、ブレードが受ける空気抵抗により回転軸を回転させる垂直軸風車装置が利用されている。例えば、特許文献１は、地面に垂直に延びる回転軸と、回転軸の半径方向に延びるアームと、アームに装着されるブレードと、を備える垂直軸風車装置を開示する。このブレードは、回転軸に平行に延在するピボットの回りで回転可能にアームに装着されている。

ブレードは、風下に向かうときは、流体が衝突できる第１の位置にあり、風上に向かうときは、流体の流れに平行になる第２の位置との間で揺動する。ブレードが第１の位置にあるときの空気抵抗によりブレードが押され、回転軸が回転し、その回転力により発電機で発電する。

特開２００７−８５３５８号公報

従来の垂直軸風車装置は、その構造が複雑であるため、その製造費用が嵩む傾向にある。また、構造が複雑であるため、保守、管理に手間がかかり、広く一般家庭で垂直軸風車装置を利用することが困難である。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、保守、管理が容易な垂直軸風車装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の垂直軸風車装置は、鉛直方向に延在し回転可能な垂直回転軸と、前記垂直回転軸の回転軸線に直交する方向に延びる支持部材と、前記支持部材が延びる方向に延びる軸線回りで枢動可能に装着され、仰角を有する可動羽根部と、を備え、
前記可動羽根部は、仮想水平面に対し、０度より大きく９０度より小さい角度範囲で枢動可能である。

また、本発明の垂直軸風車装置の別の態様によれば、前記支持部材に固定され、俯角を有する固定羽根部を備え、前記可動羽根部と、前記固定羽根部とは、鋭角の角度で対面している。

さらに、本発明の垂直軸風車装置の一の態様によれば、前記可動羽根部は、その回動を補助するための枢動補助部材を有する。

本発明の垂直軸風車装置の別の態様によれば、前記支持部材は、前記垂直回転軸の長手方向に離間して装着される複数のアーム部材を有し、前記複数のアーム部材には前記可動羽根部が装着されている。

また、本発明の垂直軸風車装置の一の態様によれば、前記垂直回転軸の回転速度を制御するためのガバナーを備え、前記ガバナーは、前記垂直回転軸に固定される回転部材と、前記回転部材から前記垂直回転軸の回転軸線に直交する方向に延びる支持部材と、前記支持部材に沿って摺動可能な摺動部材と、前記摺動部材と前記回転部材とを連結する弾性部材と、前記摺動部材を係止する係止部材と、を有し、前記垂直回転軸の前記回転速度が所定値を越えると、前記摺動部材に作用する遠心力が前記弾性部材の弾性力より大きくなり、前記摺動部材が前記係止部材に係合する。

本発明にかかる垂直軸風車装置は、垂直回転軸の回転軸線に対して直交する方向に延在する支持部材と同方向に延びる軸線回りで枢動可能に装着され、仰角を有する可動羽根部を設けるという簡易な構成である。この構成により、風下に向かうときは可動羽根部が流体の抗力を受け、風上に向かうときは、可動羽根部がその自重により閉じ、抗力を受けないため垂直回転軸が効率的に回転できる。よって、製造コストを抑えつつつ、保守管理を容易にできる垂直軸風車装置を実現できる。

（ａ）は、第１の実施形態に係る垂直軸風車装置の平面図であり、（ｂ）は、第１の実施形態に係る垂直軸風車装置の正面図である。 図１（ａ）の矢印ＩＩ方向から見た回転組立体の拡大正面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１の異なる回転組立体の拡大正面図である。 第２の実施形態に係る垂直軸風車装置の一部を断面で示す、図５の線ＩＶ−ＩＶに沿った一部正面断面図である。 図４の線Ｖ−Ｖ方向に沿った断面図である。

以下に、本発明にかかる垂直軸風車装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

〔第１の実施形態〕
図１（ａ）は、第１の実施形態に係る垂直軸風車装置１の平面図であり、図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る垂直軸風車装置１の正面図であり、図２は、図１（ａ）の矢印ＩＩ方向から見た回転組立体２ｂの拡大正面図であり、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１の異なる回転組立体２ａ、２ｂ、２ｃの拡大正面図である。なお、図１（ｂ）は、図面の明瞭化のため回転組立体２ｃ、２ｇのみを示している。

垂直軸風車装置１は、主として、鉛直方向に延在し回転可能な垂直回転軸３と、垂直回転軸３の回転軸線Ｚに対して直交する方向に延びる支持部材、すなわちアーム部材５と、アーム部材５が延びる方向に延びる軸線回りで枢動可能に装着され、仰角を有する可動羽根部７と、を備える。また、可動羽根部７は、仮想水平面Ｘに対し、０度より大きく９０度より小さい角度範囲で枢動可能である。以下に垂直軸風車装置１の各構成要素について説明する。
なお、本明細書において垂直回転軸５を回転させるための構成要素を、回転組立体２ａ〜２ｈと称する。回転組立体２ａ〜２ｈは、アーム部材５と、可動羽根部７と、後述する固定羽根部９及び錘部材１５と、を備える。また、各回転組立体２ａ〜２ｈは、同形状で同寸法である。

円柱状の垂直回転軸３は、基台８１が水平面に載置された状態において、鉛直方向に延びるように基台８１内に配置されている不図示の軸受部材により回転可能に支持されている。また、垂直回転軸３の下端部は、歯車等により構成される増速機１１を介して発電機１３に連結されている。従って、垂直回転軸３の回転力は、回転数を高める増速器１１を介して発電機１３に伝達され発電がなされる。

垂直回転軸３の上端部には、その半径方向（回転軸線Ｚに直交する方向）に延在する複数のアーム部材５が、周方向に等間隔に装着されている。各アーム部材５は、円柱形状であり、可動羽根部７と、固定羽根部９とが装着されている。

可動羽根部７は、アーム部材５に対して、蝶番等の公知の手段により、枢動可能に装着されている。可動羽根部７は、図１（ａ）に示すように平面視において矩形状であり、図２に示されるように、正面視において、流線形状であり、凸状に湾曲する上湾曲面７ａと凹状に湾曲する下湾曲面７ｂとを有する。上湾曲面７ａと下湾曲面７ｂとを連結する部分が、それぞれ前縁部７ｃと後縁部７ｄである。前縁部７ｃは、自由端であり、後縁部７ｄ側には、可動羽根部７が揺動する支点７ｆが配置されている。支点７ｆの回りに可動羽根部７が枢動する。従って、支点７ｆの長手方向に延びる中心線は、可動羽根部７の枢動軸線と一致し、仮想水平面Ｘ上に延在する。

また、本実施形態では、後縁部７ｄには、枢動補助部材である錘部材１５が固定されている。錘部材１５が装着された状態の可動羽根部７の重心が、支点７ｆよりわずかに可動羽根部７の前縁部７ｃ側に位置するように、錘部材１５の重さが設定されている。このように設定することで、比較的少ない流体流れに対しても可動羽根部７を図２中の時計回りに回動させることができ、可動羽根部７は流体による抗力（流体が押す力）を効率的に受けることができる。また、可動羽根部７に風が当たっていない初期状態では、その自重により初期状態に戻すことができる。

さらに、可動羽根部７には、風を受けない初期状態では、仰角θ１が０度より大きい角度になるように不図示のストッパ等の規制手段がアーム部材５又は可動羽根部７に設けられている。また、可動羽根部７の仰角θ１の最大値は、９０度より小さくなるように不図示のストッパ等の規制手段がアーム部材５又は可動羽根部７に設けられている。すなわち、可動羽根部７の仮想水平面Ｘに対する仰角θ１は、０度より大きく９０度より小さい範囲内となる。

また、可動羽根部７の仰角θ１は、５度〜８５度の角度範囲にすると、好ましい。仰角θ１が５度より小さいと、流体による抗力が可動羽根部７に効率良く作用しない場合があり、仰角θ１が８５度より大きいと、流体による抗力が可動羽根部７に作用しない状態となったときに、自重による初期状態への復帰動作が遅いことがあるためである。

固定羽根部９は、仮想の水平面Ｘに対して俯角θ２を有するようにアーム部材５に固定されている。固定羽根部９は、平面視で矩形状であり、ほぼ平坦な板状部材から構成されている。この固定羽根部９は、流体を可動羽根部７に導くための部材であり、本発明を目的を達成するための必須の構成要素ではない。固定羽根部９は、固定羽根部９に衝突する流体の流れ方向を、可動羽根部７の方向へ方向付ける機能を有する。したがって、可動羽根部７と、固定羽根部９とは、鋭角の角度で対面する構成である。鋭角である限りは、固定羽根部９に衝突した流体を可動羽根部７に導くことができる。

なお、仮想水平面Ｘに対する俯角θ２は、０度より大きく１５度より小さい角度とする。俯角θ２が１５度以上になると、固定羽根部９が風上に向かい進むときに、流体による固定羽根部９に生じる抗力が相対的に大きくなり、回転効率が急激に悪くなるからである。
また、本実施形態では、可動羽根部７の幅寸法（図１（ｂ）の左右方向長さ）と、固定羽部９の幅寸法（図１（ｂ）の左右方向長さ）は、ほぼ等しく、固定羽根部９に衝突する流体を可動羽根部７の幅方向全域に渡り誘導する構成としている。本発明は、本構成の幅寸法に限定されず、適宜変更できる。

次に、図１（ａ）における下から上方向（矢印Ｗ）への流体を受けた場合の垂直軸風車装置１の動作について図１、図３を用いて説明する。図１（ａ）の矢印Ｗ方向へ流れる流体による抗力が所定値以上になると、垂直回転軸３は、図１（ａ）において反時計回りに回転する。ここで、アーム部材５が風向き（矢印Ｗ）と平行になった状態の回転組立体２ａは、図３（ａ）に示すように、流体による抗力が可動羽根部７に生じない位置にある。図３（ｂ）に示すように、回転組立体２ｂの可動羽根部７は、徐々に風を受け始め、固定羽根部９に対して可動羽根部７が開き始める。そして、図３（ｃ）に示すように、風向き（矢印Ｗ）に対してアーム部材５が直交する位置にある回転組立体２ｃの可動羽根部７は、固定羽根部９に対して最も開く位置となる。

回転組立体２ｄの可動羽根部７は、回転組立体２ｂのそれと同じ状態であり、回転組立体２ｅの可動羽根部７は、図３（ａ）に示す初期状態となる。風上に向かう方向に進む回転組立体２ｅ、２ｆ、２ｇの可動羽根部７は、図３（ａ）に示す初期状態に維持される。従って、可動羽根部７及び固定羽根部９の回転方向に対する抗力を最小限に抑えることができる。このように、回転組立体２ａ〜２ｆの可動羽根部７が、流体の流れの向きに応じて自動的に揺動する構成であるので、垂直回転軸３が効率良く回転することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る垂直軸風車装置１０１は、垂直回転軸１０３に設ける支持部材が、垂直回転軸１０３の長手方向に離間する複数の第１及び第２のアーム部材１０５、１５５を有する構成である。以下に図４、図５を用いて第２の実施形態に係る垂直軸風車装置１０１について説明する。図４は、第２の実施形態に係る垂直軸風車装置１０１の一部を断面で示す、図５の線ＩＶ−ＩＶに沿った一部正面断面図であり、図５は、図４の線Ｖ−Ｖに沿った断面図である。

本実施形態の第１及び第２の回転組立体１０２、１５２は、平面視において同一位相（図４の上下方向に関し、互いアーム部材１０５、１５５が整合する位置）となるように垂直回転軸１０３に装着されている。従って、第２の実施形態に係る垂直軸風車装置１０１の平面図は、図１と同様に示される。また、第１の回転組立体１０２のアーム部材１０５と、第２の回転組立体１５２のアーム部材１５５とは、第２の回転組立体１５２の可動羽根部１５７が揺動しても、第１の回転組立体１０２の固定羽根部１０９に接触しないような寸法で離間している。

なお、垂直軸風車装置１０１の第１及び第２の回転組立体１０２、１５２は、第１の実施形態に係る垂直軸風車装置１の回転組立体２と同じ構成であるので詳細は割愛する。また、垂直回転軸１０３の下端部は、第１の実施形態と同様に、増速機１１１を介して発電機１１３に連結されている。このように、回転組立体１０２、１５２を複数設けることにより、発電量を増加できる。

さらに、本実施形態では、垂直回転軸１０３の回転速度を制御するためのガバナー１８２が設けられている。ガバナー１８２は、基台１８１内に配置され、垂直回転軸１０３の外周面に固定されているリング状の固定部材１８３と、固定部材１８３から、その半径方向（回転軸線Ｚに直交する方向）外方に延びる円柱形状の支持部材１９５ａ、１９５ｂと、支持部材１９５ａ、１９５ｂの外周面を、その長手方向に摺動可能な摺動部材１９３ａ、１９３ｂと、垂直回転軸１０３と同心で、垂直回転軸１０３に対して相対回転可能な環状の回転部材１８７と、回転部材１８７の外周面に当接するブレーキ部材１８９ａ、１８９ｂを回転部材１８７に対して付勢するブレーキレバー１９１ａ、１９１ｂとを有する。

さらに、固定部材１８３と、摺動部材１９３ａ、１９３ｂとは、それぞれ、コイルばね等である第１の弾性部材１８５ａ、１８５ｂで連結されている。摺動部材１９３ａの初期状態（弾性部材１８５ａ、１８５ｂが収縮した状態）では、回転部材１８７から離間するように位置付けられている。また、弾性部材１８５ａ、１８５ｂの弾性力より大きい遠心力が摺動部材１９３ａ、１９３ｂに加わり、弾性部材１８５ａ、１８５ｂが伸びると、摺動部材１９３ａ、１９３ｂは、回転部材１８７側に移動する。
なお、回転部材１８７は、転がり軸受等の軸受部材２０３を介して軸受支持部材１９７に支持されている。軸受支持部材１９７は、基台１８１に固定されている。

また、回転部材１８７の内周面には、その周方向に等間隔で円柱状の複数の係止部材２０３が設けられている。従って、垂直回転軸１０３が回転し、弾性部材１８５ａ、１８５ｂの弾性力より摺動部材１９３ａ、１９３ｂに生じる遠心力が大きくなると、摺動部材１９３ａ、１９３ｂが回転部材１８７側に移動し、係止部材２０３に係合する。そして、摺動部材１９３ａ、１９３ｂは、係合部材２０３と一体的に回転する。なお、第１の弾性部材１８５ａ、１８５ｂの弾性力は、垂直回転軸１０３が所定の回転速度を越えた場合に、摺動部材１９３ａ、１９３ｂが係合部材２０３に係合する位置に移動できるように適宜設定される。また、回転部材１７３と係合部材２０３とは一体に形成することも可能である。

図５に示すように、板状のブレーキレバー１９１ａ、１９１ｂは、その一端部を支点２０１ａ、２０１ｂとして枢動可能に固定され、その他端部には、コイルばね等である第２の弾性部材１９９ａ、１９９ｂの一端部が連結されている。第２の弾性部材１９９ａ、１９９ｂの他端部は、基台１８１に固定されている。また、ブレーキレバー１９１ａ、１９１ｂは、回転部材１８７の外周側で垂直回転軸１０３に関して線対称に対向配置され、回転部材１８７に接触可能なブレーキ部材１８９ａ、１８９ｂを備える。ブレーキ部材１８９ａ、１８９ｂには、耐摩耗性の高い樹脂等を用いる。

第２の弾性部材１９９ａ、１９９ｂは、ブレーキ部材１８９ａ、１８９ｂの回転部材１８７に対する押圧力を調整するための押圧力調整手段である。第２の弾性部材１９９ａ、１９９ｂは、ブレーキ部材１８９ａ、１８９ｂが回転部材１８７に所定の押圧力で付勢するように、選択される。すなわち、第２の弾性部材１９９ａ、１９９ｂは、回転部材１８７が所定の回転速度以上にならない（又は回転部材１８７を止める）ような押圧力を生じるように選択される。

垂直回転軸１８３と一体に回転部材１８３が回転すると、回転部材１８３の回転速度が所定値以下の場合には、摺動部材１９３ａ、１９３ｂは移動することなく支持部材１９５ａ、１９５ｂと一体的に回転する。このとき、ガバナー１８２は、機能しない。しかし、回転部材１８３の回転速度が所定値を越えると、摺動部材１９３ａ、１９３ｂに加わる遠心力が、第１の弾性部材１９５ａ、１９５ｂの収縮力より大きくなり、摺動部材１９３ａ、１９３ｂが回転部材１８３方向に移動する。そして、摺動部材１９３ａ、１９３ｂが、係止部材２０３に係合する。

係止部材２０３が固定されている回転部材１８３の半径方向に、ブレーキ部材１８９ａ、１８９ｂが押圧力を付与し、回転部材１８７の回転が妨げられる。結果として、垂直回転軸１０３の回転運動が制限される。従って、本実施形態では、ガバナー１８２を設けることにより、垂直軸回転装置１０１に過負荷が掛かり故障することを防止できる。

なお、第２の実施形態のガバナー１８２を第１の実施形態に係る垂直軸回転装置１に適用できることは言うまでもない。また、係止部材２０３の形状や、位置、数等は、適宜変更できる。

第１及び第２の実施形態では、垂直回転軸の周方向等間隔に８個のアーム部材を備える構成としたが、その数や位置は適宜変更できる。また、第１及び第２の実施形態において、可動羽根部は正面視において流線形状であり、固定羽根部は、正面視で矩形状であるが、本発明はこの構成に限定されず、可動羽根部及び固定羽根の形状は適宜変更できる。

１、１０１ 垂直軸風車装置
２ａ〜２ｈ、１０２、１５２ 回転組立体
５、１０５ アーム部材
７、１０７ 可動羽根部
９、１０９ 固定羽根部
１１、１１１ 増速器
１３、１１３ 発電機
１５、１１５ 錘部材
８１、１８１ 基台
１８２ ガバナー
１８３ 回転部材
１８５ａ、１８５ｂ 第２の弾性部材
１９３ａ、１９３ｂ 摺動部材
１９５ａ、１９５ｂ 支持部材
２０３ 係止部材

Claims (5)

1. 鉛直方向に延在し回転可能な垂直回転軸と、
   前記垂直回転軸の回転軸線に直交する方向に延びる支持部材と、
   前記支持部材が延びる方向に延びる軸線回りで枢動可能に装着され、仰角を有する可動羽根部と、を備え、
   前記可動羽根部は、仮想水平面に対し、０度より大きく９０度より小さい角度範囲で枢動可能であることを特徴とする垂直軸風車装置。
2. 前記支持部材に固定され、俯角を有する固定羽根部を備え、前記可動羽根部と、前記固定羽根部とは、鋭角の角度で対面していることを特徴とする請求項１に記載の垂直軸風車装置。
3. 前記可動羽根部は、その回動を補助するための枢動補助部材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直軸風車装置。
4. 前記支持部材は、前記垂直回転軸の長手方向に離間して装着される複数のアーム部材を有し、前記複数のアーム部材には前記可動羽根部が装着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の垂直軸風車装置。
5. 前記垂直回転軸の回転速度を制御するためのガバナーを備え、前記ガバナーは、前記垂直回転軸に固定される回転部材と、前記回転部材から前記垂直回転軸の回転軸線に直交する方向に延びる支持部材と、前記支持部材に沿って摺動可能な摺動部材と、前記摺動部材と前記回転部材とを連結する弾性部材と、前記摺動部材を係止する係止部材と、を有し、前記垂直回転軸の前記回転速度が所定値を越えると、前記摺動部材に作用する遠心力が前記弾性部材の弾性力より大きくなり、前記摺動部材が前記係止部材に係合することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の垂直軸風車装置。
   

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