JP2012017729A - 風切羽翼で回転抵抗を減じた水風車 - Google Patents
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Abstract
【課題】
縦軸型で抗力型水風車の起動性向上と水風流逆行時の抵抗を減じた回転効率改善と危険回転回避を簡易で速急に行う方法を提供する。
【解決手段】
縦軸型とする中心回転軸と回転対称にある翼は弓状の円弧で両端を支持板に固定された構造とし、その翼は幾つかの羽で構成され、その羽は垂直辺の一辺が羽回転軸に取り付けられ対辺をフリーとする、その回転範囲は、翼線形の円弧中心点側にあり、両側隣接羽回転軸までとする扇形範囲とし、水風車の翼が水風流に逆行する凸時には羽が水風流なびかせとなり開放され、さらに回動して翼が凹時には羽回転軸間を塞いで翼全面で水風圧を受け回動する。危険回避は、全羽を羽回転軸に羽の根元を半回転〜２回転巻き込み両側隣接羽回転軸間より羽の水平辺を短くして羽回転軸を中心に３６０°回転形態とし、水風車の回動力を失わせ全体の抵抗を大きく減じて危険を回避する。
【選択図】 図１
縦軸型で抗力型水風車の起動性向上と水風流逆行時の抵抗を減じた回転効率改善と危険回転回避を簡易で速急に行う方法を提供する。
【解決手段】
縦軸型とする中心回転軸と回転対称にある翼は弓状の円弧で両端を支持板に固定された構造とし、その翼は幾つかの羽で構成され、その羽は垂直辺の一辺が羽回転軸に取り付けられ対辺をフリーとする、その回転範囲は、翼線形の円弧中心点側にあり、両側隣接羽回転軸までとする扇形範囲とし、水風車の翼が水風流に逆行する凸時には羽が水風流なびかせとなり開放され、さらに回動して翼が凹時には羽回転軸間を塞いで翼全面で水風圧を受け回動する。危険回避は、全羽を羽回転軸に羽の根元を半回転〜２回転巻き込み両側隣接羽回転軸間より羽の水平辺を短くして羽回転軸を中心に３６０°回転形態とし、水風車の回動力を失わせ全体の抵抗を大きく減じて危険を回避する。
【選択図】 図１
Description
風力と水力を動力源とする水風車原動機
地球温暖化防止対策が遠い将来のものではなく近々の問題となっており、その原因となる温室効果ガスの発生を抑制するものとして二酸化炭素の発生が少ないグリーン電力導入が促進されています。エネルギーセキュリティーの見地からも他国から原油を輸入して発電するしかない現在の状況を憂い、自給可能なエネルギーの確保を目指し、太陽光や水力そして風力による発電で補う方法が多方面で検討され、提案される中から幾つかは実用化（ソーラーパネル方式太陽光発電・ダムの水力発電・プロペラ形大型風力発電等）されています。
風車は、高速で回転できる翼は、弱い風で起動しにくく、逆に弱い風で起動する翼は高速になりにくいという改善すべき課題を抱えている。
風力利用効率を良くするために、風車の風流逆行時抵抗を減ずる方法として小窓を開ける手法をとっているものもあるが、完全にはオープンになっていない。そのため、抜け出た風は二段目の壁に当たって初めて後方へと流れ出るため、抵抗を減ずる度合いが少なく後方の気流の乱れも多くなってしまう。
風車の風流逆行時抵抗を減ずる手法として羽の面積を、他の動力を用いて増減させる手法をとっているものもあるが、回転毎に「ON」「OFF」のようなリレーで、羽の引き延ばし引き込みなどを行う動力源と機械の動作が必要となる複雑さがあり、それをサイクル毎に行わなければならないので、高回転時には機能し辛い。
上空浮上発電の他の手段は、メリーゴーランドを地上に寝かせた状態で伸びる何本もの軸に海洋レジャーで使用されているカイトを、上空に飛ばした状態で引かせて回転を生み出し発電を行う方法をとっています。この方法は、弱風では行えずある程度の強風であり安定した風を必要としていることと、何本ものカイトの個々の専門的な操縦と大きな敷地を必要とする問題を抱えている。
上空浮上式発電の他の手段は、気球全体の回転により発電する方式であるため気球内部にモーターを含めた機材の内包が必要となり製作に専門的技術を必要とし、メンテナンスも複雑化している。
サボニウス型風車は受風面積が大きいことで高トルクを発生させる特徴があるが、それが逆に弱点となり台風などの強風対策が行い難い特性がある。
風力発電を行う他の手段は、台風などの強風時の対策として風車の鉄塔そのものを、あらかじめ地上に寝かせる大掛かりな方法で行っているものもあり、災害回避の為の運転休止時間も含めて大きなロスが発生している。
抗力形のサボニウス形風車タイプは高トルクを生みだすが、低回転のままであり、強風時の対策が取り難い点を解決する必要性がある。
サボニウス形風車タイプの翼等を縦長に細分した一片を固定し、もう一片を水風流になびかせた状態として、水風流に対して逆行する時の抵抗を減じて高回転を生み出す手段を見出す。
さらに回転し回転力を得るための翼が凹時には、段落番号００１２で開いていた縦長の面を元の位置に戻し、それらが全て塞がれた面で受動し回転する。その力は高トルクを生みだす。
強風時高回転等水風車が危険回転となった場合には、段落番号００１２で行った水風流になびかせる状態を３６０°行えるように、そのなびかせた羽８の短手（横手あるいは水平辺）の長さを、隣接する、なびかせ羽取り付位置（羽回転軸）まで届かない長さとなるまで、短くし、全ての羽を水風流になびかせで３６０°回転可能とすることを、保持する。
本発明の災害や危険回転時の速急な安全性確保手法は、台風災害等接近前後の対策にかかる時間や費用を削減することを可能としています。それは、災害接近前にプロペラ発電鉄塔ごと倒しておく等の他の対策工程に比べて、羽の根元を巻き込むだけとする工程は、大きな発電コスト削減（災害対策前後の運転停止時間の短縮・災害対策機材と人件費の削減等）を行えることは明白であり、その分の利益を生み出せる効果がある。
風力発電には不向きとされていた揚力型（主にプロペラ形）風力発電設置検討地域に、抗力型で縦軸型である本発明の風力発電の導入促進が図られる効果がある。例えば、これまで風力発電設置を検討するも風向の不安定さ（季節風など地域性によるものや、周辺地形によるもの及び家屋やビルに当り変化するもの等）や、高さ制限等があって横軸型で揚力型の風力発電設置が困難で、風車設置不適当とされていた地域においても、設置制限高さが低くて済み、山岳風や四方の風に即応出来る縦軸型で、抗力型でありながら回転数増大タイプである等、採算性等の事業採用条件クリア項目が多くなっているからである。加えて、抗力型の最大の欠点であった台風災害対策の取り辛さが、本発明水風車の羽の仕組みのみで、簡易で瞬時に行えるとしており、大凡の問題が解決されているため設置が促進され、地球環境改善・世界のエネルギーセキュリティー問題の縮小が連動して図れる効果がある。
本発明により、郊外の離れた場所で電線が引けそうにない場所でも、風や水流のある処なら、そのエネルギーを利用して動力源及び発電電力として農業や産業に役立てる事が可能となり、不便性の改善・トータルコスト削減等に寄与できる。
水車用として本発明を利用する場合、回転力を得るために必要な水深とは、羽全体が水に浸かっている状態ではなく羽下端部が水中に浸かっている状態から回転を可能としています。よって、殆どの川及び水路等で使用可能としている他、縦軸型であることから水車上部の広いスペースに発電機を含めた設備設置を可能としており、稼働時のメンテナンスを含めて管理し易い利点があり、多くの場所で活用され、エネルギー問題を多少なり解決する効果がある。
本発明は水風車全体が軽量であるため、水面上においてフロート上に設置して発電を行う場合においても、プロペラ式発電方式など他と比べて少ない浮力でよい分だけフロート設備等全体のコスト削減が図れる効果がある。
本発明抗力型水風車全体の仕組みは、板状の羽・羽回転軸・支持板・中心の回転軸の簡易な構造体となっており、それらの機能を働かせるための仕組みや製作する技術も、他と比べて簡易である。例えば、揚力型風車の代表格であるプロペラ形風車の設置に至るまでの必要技術は、揚力を生み出すための羽の微妙な曲線形状造形や複雑なバランス、高い鉄塔を建造する技術及び大きなブレードの重量物を支えながら回転する横軸のベアリング部品の製造技術や組立技術、さらにメンテナンスを全てその高さにおいて行う熟練技術等の難しい技術を必要としている。
本発明の水風車は、上空、地上、水面上、水面下で利用可能としている汎用性がり、本発明の基本原理を生み出すには、簡易で軽量化が図れて、どこでも入手し易い木材等を含めた部材で製作可能な造りとなっており、途上国を含め全世界的に普及が図れる。
水風車が、水風に逆行する際の抵抗を減じ、反転して翼が凹時に回転力を得る際にはより多くの受け面を形成するサイクルが、１回転毎に繰り返し行える動作を、他の新たな動力を必要とせずに、水風車の回動力となる前に、その力の一部を、力の流れのままに自然に利用する形態とする。
サボニウス形風車の強風時対策として本体の翼を外すとするか、あるいは本体ごと取り外すか、傾倒しておくなどの大掛かりな作業を必要とせず、羽の根元を半回転〜２回転程度巻き込むだけの簡易で瞬時な操作で行うとする。
水車用及び風車用の使用目的変更を行う場合、外殻骨格や部品を何も変更することなく使用可能であるが、効率アップを図る意味で、羽の付け替え位置を円中心側からとする風車用と外周側から順次設置するとした羽取り付位置の変更をするだけでも良いとする、簡素化と単一性。
風車として利用する場合には、無風状態となる待機時間が多い陸上部よりも上空において受風する方がより安定的により長くより強く回転させることが可能であることは周知である。本発明の水風車は、回転抵抗を減じて効率の良い風力発電とする一連の動作を行うに他の新たな動力源を必要としない形態として軽量化を図り、加えて翼となる羽は鳥の風切羽の構造で良いとした、さらなる軽量化を図り、上空においても効率良い発電を可能とする形態にする。
本発明の水風車は、中心回転軸と回転対称にある翼は弓状の円弧で両端を支持板に固定された基本構造としているが、その翼は幾つかの羽で構成され、その羽は垂直辺の一辺が羽回転軸に取り付けられており、その羽の自動開閉にて効率良く、水風車が回動する仕組みとしている。
水風車は、縦軸型で回転軸１を中心に回転対称に弓状の円弧を持つ翼線形４の延長を、３区間以上の好ましくは等間隔区間割とした境目に羽回転軸７を差し込み、両端を支持板３にて固定される構造をなし、羽回転軸７に軽量化した羽８の垂直辺の１辺が取付けられ、対辺をフリーとするその回転範囲は、翼線形４の円弧中心点側にあり、隣接する両側の羽回転軸７までとする扇形範囲とし、回転軸１を境に片側の翼線形４に並ぶ、前記、羽回転軸７と羽８をもって１組の翼としている。
前記段落番号００２８記載の翼が風流に向かう凸時には羽８は開き、回動して風車の翼が凹時においては、翼が凹となる受風前に翼線形４の円弧内部に回り込む風にて羽８が前面から吹く風に対して逆向きに揃う形で羽回転軸間は塞がれ、受動面を形成する。その受動面に風が吹き込むことにより回転力を得て回転軸１を中心に回動する。
前記段落番号００２８記載の翼が水流に向かう凸時には羽８は開き、回動し水車の翼が凹となりかける翼の回動に合わせて羽８が水流の力に沿って羽回転軸間を回転軸１側から円弧形状に沿って徐々に塞ぎ始め、翼全体が水流に真っ直ぐ向かった頃には、翼を円弧形状としていることで翼線形４の半分下流側の羽８が塞がれている速さで、受動面を徐々に形成していく。そのまま回動して完成させた受動面に水流が当ることにより最大の回転力を得て回転軸１を中心に回動する。
前記段落番号００３０記載の翼の円弧形状受動面で回転力を得る回転領域は、直線翼より大きい（１８０°よりやや大きく）、形状特性がある。前記に加えて、羽８の受動面形成時やその開放時の水流と羽８の関係でおりなす衝撃は、翼を円弧形状としていることで、羽一枚ずつ少しずれながら徐々に開・閉される事で衝撃は分散されており、翼の中で行われる全体の流れも円弧とする流線型によりスムーズな流れをみせ、衝撃を和らげつつ、円弧内で長く受動力を保持したスムーズな水車回動となる。それに比べ直線翼は、羽の開閉が一度に行われ、受動力を受けるのは、水流に真っ直ぐとなる位置を過ぎてからとなっており、その位置から斜め後方１３５°当りで直線翼の斜面に沿って一気に力が抜けて行く現象がみられ、よって、回動力を得る回転域は小さく、また、その際の衝撃は大きくなってしまうという、弱点を抱えているが、それを改善した本発明水風車としている。
前記段落番号００２８記載の翼の円弧を形成する翼線形４の形状は、好ましくは、円弧を描くための中心点を、支持板３の円半径Rの線上の1/2を起点として半径Rの距離を垂直に取った点をA点とし、同一半径線上の円中心から外周円側へ半径R×1/2.3を取った位置から半径R×1/3.1の距離を垂直にA点方向に取った点をB点とし、A点からB点を結んだ概ね線上を翼の円弧の中心点として、支持板３の円の中心点から外周円の線上までとした円弧に沿った弓状の翼線形４としている。
前記段落番号００３２記載の翼の選択は、風か水の区別やその強弱に合わせた翼線形４とし、同一形状の翼線形４を持つ２翼以上が回転対称にある水風車としている。
羽８は、全体の軽量化を重視し、羽回転軸間のスパンにおいて折れ抜けない以上の曲げ強度がある事を図った材質で製作された、全体が板状で構成されたものを用いるとしている。
羽８は好ましくは長方形とした長手（垂直辺）方向の長さを羽回転軸７の両端支持板３の間の長さより少し短めにした羽８の長手の１辺を取り付とする。
羽８の短手（横手＝水平辺）方向２７の長さは、段落番号００３２に記載の翼線形４の円弧区間割（＝羽回転軸間２６）の距離より少し長めとし、これにより翼線形円弧中心点側において長手方向フリーの先端が、左右両側の羽回転軸７の間を扇形に回転自由範囲とする、風車稼働時羽回転範囲２１や水車稼働時羽回転範囲２２とする羽８の機能及び形状としている。
本発明水風車稼働時の扇形の風車稼働時羽回転範囲２１や水車稼働時羽回転範囲２２を自由に回転させるとは、羽取り付部近辺の羽８の一部を折れ曲がりが可能な材質とし、そのものの折れ曲がりによるものとするか、あるいは羽回転軸７にパイプを被せて回転させるか、あるいは羽回転軸７と羽取り付部の連結部に蝶つがいか、それに似た器具を取り付けて回転させるか、あるいは羽回転軸７そのものが両端支持板３の部分で回転する具を取り付けて回転させるものとしている。
羽８は、水風車の回動機能アップを図るため、鳥の風切羽の羽肢と小羽肢・鈎状突起の構造を基礎としたグラスファイバーやカーボンファイバー等の軽量で高強度の繊維材とし、樹脂等で一体に形成された全体として板状としたもの、或いはポリプロピレンやフッ素樹脂等でなる板、或いは布等の繊維等でなる板とし、中でも、風車用とする羽８は、羽回転軸７のような回転体に垂直辺の一辺が固定された状態で羽８の面積に当たる風（ビューフォート風力階級１に相当する）にて容易に回転移動するとした軽量化を図ったものとしています。加えて、水風車の翼が凹時の水風力受動時に、段落番号００３６記載の翼線形４上の羽回転軸間２６に横たわった羽８が折れ抜けない以上の曲げ強度がある材質で製作された板状としている。
羽８の形状を、１枚板と形成することで、翼が凸時の羽８の水風流なびかせ時に羽の後方に流れる水や風の細かな乱れが整流されて水風車後方側流速アップとなり、曳いては前面流速を牽引するように流速促進となることで水風車のエネルギー（風速の３乗と言われている）が、効率良く生産されるとしている。
羽８は、使用目的により羽８の一部である羽取り付部近辺は、羽回転軸７へ数回程度巻き付けられる繊維・樹脂・ゴムその他の柔軟材とするものか、あるいは引き寄せる事が可能なもので、引張強度のある材質としたものを用いるとし、羽取り付部近辺以外は板状とする羽８も用いるとしている。前記、引張強度とは、羽８が水風流になびかせの状態で水風流の力を受けた状態や、羽回転軸７を中心に羽８が水風流の力により羽８が開閉するとした羽８の略全面に水風流の力を受けた状態で羽取付け部から引きちぎられることのない強度としている。
前記段落番号００４０で言う羽回転軸７へ数回巻き付ける長さとは、羽８の垂直辺フリーの先端部が両側隣接羽回転軸７に触れることのない短さになるまでの、引き込み長９としている。
必要に応じて、羽８の開放時の傾きを調整するため、傾けたい側を流線形に膨らませ、その揚力の強弱で調整可能とするか、小さめなスポイラーを羽８に取付けるか、そのスポイラーの設置位置の羽８に穴を空けてスポイラー効果を上げ、調整するとしている。
羽８は必要に応じて、板の形成を鳥の風切羽と同様に羽肢と小羽肢・鈎状突起に加え、羽８が接触して音を立ててしまう箇所には綿羽に近いものを張り付けるとした組立構成に類似する材質及び材料組立とし、羽板そのものでの消音効果を持たせるとしている。
必要に応じて、羽板そのもので消音効果を上げるか、羽回転軸７の周面や、その他、羽８が自由開閉する際に当たってしまう箇所に、高発泡ポリエチレンシート等のようなクッション材を用いるか、鳥の綿羽に似た細かく軟らかい毛状のものとする樹脂や繊維等で加工された消音材を貼付ける等の処置を施すとしている。
必要があれば、水風車回転時の回転力向上や発生音の低減目的で、羽回転軸７の断面形状を、板状として水風流になびかせた羽８と一直線になるようにするか、流線型にして羽回転軸７の表面の流れ抵抗を減ずる形状を採用するとしています。また、必要に応じて羽回転軸７や羽８の表面に風の流れに沿った凸ラインをひいて空気の流れを整えるか、そのラインに細く軟らかい突起を並べて（隣接する羽８のラインとは互い違いとした）後方整流と消音特性が備えられるとしています。
本発明は水風車として利用可能としており、水車用及び風車用の使用目的変更を行う場合、外殻骨格や部品を何も変更することなく使用可能である。ですが、水風車回動効率アップを図る意味で、風車用として利用する場合には、段落番号００３２に記したA点よりはB点寄りの近辺に中心点を置く弓状の翼線形４とし、羽８を水風車回転軸１側の羽回転軸７から羽８を設置し、最先端部の軸は羽８の簡易固定用軸１０とすることで、風車の回転効率を上げている。
前記段落番号００４６同様に水風車回動効率アップのため、水車用として利用する場合には、段落番号００３２に記したB点よりはA点寄りの近辺に中心点を置く弓状の翼線形４とし、羽８を、水風車回転軸１から一番遠い羽回転軸７から羽８を取り付け、水風車回転軸１に一番近い羽回転軸７は羽回転止用軸１１とし、水車用とする場合には、風車用で行った、羽の簡易固定は行わないとしている。
前記段落番号００４６の風車用と、段落番号００４７の水車用の羽の取り付位置及び翼線形４の円弧形状の使い分けは、水車用とする場合、風に比べ水の流下抵抗が大きいため翼が川上側へ近づいた頃に、羽８垂直辺フリーの先端部が揃って水風車回転軸１側へなびいて行くことを利用している。
前記段落番号００４６の風車用と、段落番号００４７の水車用の羽の取り付位置及び翼線形４の円弧形状の使い分けは、風車用とする場合、水に比べて流下抵抗が少ないため羽８の先端部が水風車中心より外側へ揃って導かれ、羽８の傾きを揃える運動習性を見せる。これは、遠心力と、翼線形４の円弧形状内部に水風車回転時に取り込まれた渦流２０と、簡易固定（強風時には開放）された最も外周円側の羽８の内側に回り込む風と、翼が凸から凹になる寸前で翼と翼の間に吹き込み円弧内部に回り込んだ風と、同時期に風流に向かい縦に並びかけた羽回転軸７に吹きこむ風が、羽回転軸７と羽８の取付け部回転軸１側内部に回り込む風が回転軸１側となる下にある隣の羽８が引き寄せられる巻込み風と、前記、要因が単独で、あるいは二つ以上で、あるいは相乗作用により、上記、運動習性として見られるものです。加えて風車用は、翼が凸時となった風流逆行時には簡易固定された外寄りの羽８の傾きが回転軸１側へ既に傾斜した状態と成っており、帆船が風流に逆進する時の帆の受風状態となっていることから、風車回動推進力に付加していることを併せ持っています。
前記段落番号００２８に記した水風車の支持板３は、円板状とした上下支持板３と翼線形４の円弧空間に広く囲われた中に力を十分捉える利点を利用する他に、用途に応じて様々な変形が行えるものとしている。例えば、水風車四方及び上下斜め方向から入り込む力を取り込む目的に加え、支持板３そのものが与える水風圧回転抵抗を低減させるため、翼と翼の間は、水風車全体の構造上問題が発生しないまでの余分な部分を削り取るとする、その支持板３は、回転軸１を中心に回転対称となるバランスを考慮したもので、願わくは、削った断面を角のとれた流線形に仕上げるとしている。
前記段落番号００５０後半に記載の余分な部分を削り取った支持板３を曲げ加工し、水風車回転体を水平方向から見た場合の外殻形として、四角形・八角形・台形や円形・楕円形あるいはそれらを合成した形を含めた回転対称となり得るあらゆる形をそれぞれ形成し、それぞれに適合する空間や狭間に設置出来るとしている。
前記段落番号００５１に記した水風車の支持板３は、上下支持板３の間が回転軸１から翼線形４に沿って外周円に至るまで、それぞれ間隔が違う場合もあるが、そのそれぞれの位置の羽回転軸７の上下支持板３内側の長さよりやや短めの長さに合わせた垂直辺を持つ羽８の垂直辺の１辺を取付けとし、尚且つ、羽８の取付け部対辺の垂直辺は、羽回転軸７を中心に３６０°回転した際に上下支持板３に当たらないとした短さとすれば、基本構成は変わらずに行えるとしている。
前記段落番号００５２に記した様々な形状の水風車を、ビルや工場等の通風口、排水管等への設置や、その他、回転動作が行えるあらゆる隙間を利用し、形状に合った水風車を設置することにより、多くの場所での仕事及び発電を行えるとしている。
翼が凸時の水風向抵抗を減じた本発明の水風車を、前段落番号００５３に記載の使用目的等で使用する場合として、特記すべきは、水風向の抵抗を受ける縦の半円断面を占める翼の凸時には羽８が常に開放されており、そこからも後方へ排出可能としているので、パイプやその他水風路の有効断面積が多くなり、パイプ等水風路口が設置された本来の目的や機能を他の水風車よりも阻害しない点においては、優れていることを特徴としている。
本発明水風車が危険回転域に近い場合や、台風接近時の強風や洪水等緊急事態が発生した場合に、段落番号００４０で言う羽８の構造とする羽取付け部近辺を、段落番号００４１で言う巻き込み長９を巻き込み、あるいは引き込みを行うとする。それにより、羽８が左右両側の羽回転軸７に触れることのない長さ状態２８となり、羽回転軸７を中心に３６０°自由に全ての羽が水風流になびかせた状態で水風車の回動力を失わせ、水風車本体の水風流抵抗を大きく減じて設備全体の安全性確保がなされる。前記、運転時から設備全体の安全性確保に至るまでを、羽取り付部近辺の引き込みか、あるいは羽回転軸７への巻き込み回数半回転〜２回転程度で仕上がる、俊敏で簡易な対策が行えるとしている。
前記段落番号００５５記載の羽回転軸７を中心として羽８を３６０度自由回転するとした羽８を、それぞれの翼で羽を３６０°自由回転させる枚数の均等増減により、残りの羽の受動面積をもって水風車回動速さを制御出来るとしている。
前記段落番号００５５記載の水風車危険回避方法の他に、水風車の危険回避と同時に、水風車の収納を行えるものとしている。その方法は、水風車の上下支持板３と羽回転軸７の取付け部分に、回転軸１の中心点と羽回転軸７の中心点を結んだ線と大凡垂直で尚且つ水平となるよう配置した支持板垂直軸に回転機能を持たせる。羽回転軸７の中心と回転軸１の中心を結んだ線を中心として、支持板３に羽回転軸７を中心とした前後とする位置に、翼を収納する際に羽回転軸７が支持板３に当たらないようにする開口部を設けます。その大きさとして、幅は、羽回転軸７の径よりやや広い幅とし、長さは、下部支持板３においては、下部支持板垂直軸から下へ（羽回転軸７の底部を指す）取った長さに少し余裕を持たせた長さで、上部支持板３においては、上部支持板垂直軸から上へ（羽回転軸７の頭頂部を指す）はみ出した高さに少し余裕を持たせた長さとしている。それにより、羽回転軸７の収納は、翼の折れたたみに合わせ上下支持板３に設置した羽回転軸７の支持板垂直軸により回転軸１と略平行に回転軸１に寄って行きながら、支持板３に羽回転軸７の底部と頭頂部が収納されて行くとしている。
前記段落番号００５０後半に記載の余分な部分を削り取った支持板３とし、回転軸１に一番近い羽回転軸７と次の羽回転軸７の区間とした位置で、回転軸１に大凡垂直で、尚且つ前記段落番号００３２記載のＢ点寄りの中心点とする翼線形４とした、円弧が深いものについては、折り畳む翼の先端が、なるべく回転軸１の中心へ収納されるよう角度をもった切れ目を入れ、その切れ目に回転具を取り付ける。その具により、翼毎に上又は下あるいは上下に折れ畳める構造とする。前記、翼を上下に折り畳める際に、前記段落番号００５７で記載した支持板３をくり抜いた開口部でもって支持板垂直軸を中心に、支持板３へ収納されていく羽回転軸７が当らないようにしたそれぞれの翼とし、中心の回転軸１側へ上又は下あるいは上下に水風車を収納可能とする。前記の水風車収納方法により、水風車を広げていた範囲から収納した範囲までの空いた空間を他の作業スペースとして開放可能であり、収納による危険回避を行えるとしている。
前記段落番号００５７及び前記段落番号００５８記載の収納方法は、回転軸１を境に片側の翼線形４に並ぶ羽回転軸７と羽８をもって１組の翼としている形態である事で始めて可能となっており、羽８の方向を揃えて重ねるように収納出来るとしている。
本発明水風車を上空浮上式発電装置として使用する場合は、全体の材質をカーボンファイバー等の軽量で高強度の繊維材とし、樹脂等で一体に形成することにより風車全体の軽量化を行います。風車用を２機並列とした風車回転空間確保及び構造強度アップを図った縦胴縁２９と横残３０と支持柱３１の骨組みを固定又は一体化した構造の上下外面部に、あるいは上部の１箇所に気球を取り付け、凧揚げ同様に上空に浮かべます。前記、浮上のけん引ロープは、気球手前で二本に分けて二等辺三角形とし、底辺に当たる位置に天秤棒４０を這わせ２本のロープを両端で結び、さらにその両端から気球及び前記骨組みの主要個所に数本均等にロープを張るとするが、その調整は、地上から延びるけん引ロープが上空浮上式発電装置の中心となるようにします。前記、天秤棒４０から風車側へ張らせたロープを使用して、２機並列風車中央に風が集中する目的となるよう傾斜を考慮したシート等を張ったスポイラー３９を設置し、風車並列の中央への集風による回転力を増大した状態を保持し、上空のより強くより安定した受風にて発電するとしている。
前記段落番号００６０の上空浮上式発電装置として使用する場合の緊急時危険回避は、段落番号００５５に示す手法は行わず、繋いでいるけん引ロープを引き込み上空から降ろす対策とすることで、段落番号００５５で行う装置を必要とせず、その分の軽量化が図れるとしている。
本発明水風車を水面浮上式で使用する場合は、フロート上に風車用を設置し、発電やポンプアップ等の原動機として使用する事に加えて、そのフロート設置下部において河川流や海流等が発生する箇所においては、水面下に水車用を設置し上下両方の働きによる、より多くの仕事量及び発電量を確保出来るとしている。
前記段落番号００６２記載のフロート上下の水風車設置稼働方式は、水上と水中という大きな違いのある現場条件ではあるが、基本構造の多くが似ており、羽の取付け位置の違いくらいとしているため、単一部品等で行う単一メンテナンスで行える管理のし易さが図れるメリットを有している。
水風車を稼働させる時に動力源として、あるいは発電機として水風車回転軸１に直接連結する以外に、縦軸型で上下支持板３の余裕のある面積を最大限利用して、水風車翼両端支持板３か、あるいはどちらか一方に水風車回転軸１の内径以上の大きさとなる回転伝動滑車３３あるいは回転ドラムを設置し、その回転伝動滑車及び回転ドラム内側あるいは外側に、水風車の回動にともなって回転する回転力を前記滑車の径より小さい駆動用滑車３４あるいはベルト等で力を伝動させて発電機３５や動力源の回転力アップを得るものとし、回転伝動滑車及び回転ドラムの内径が大きくなった分だけ動力回収箇所や発電機等の設置数１個以上を可能としている。
本発明風車は、縦軸で抗力型であるため高トルクを生みだす特性があり、その動力を効率良く取出すため、増速機を水風車と発電機の間に設置し、回転軸を介してそれぞれの機械が連動する効率の良い発電を行えるとしている。
水風車は縦軸型風車の特性を生かし、中心軸となる位置に主柱４３を置き、その主柱径よりやや大きめの回転軸フランジ付パイプ４４を被せ、主柱４３と被せたパイプの空間に水風車の回転を可能とするベアリング３６が設置できる空間を設けた状態とし、その回転軸フランジ付パイプ４４に水風車の支持板３を連結及び一体化させた構造とした１ユニットを、縦の１スパンとし、縦列配置の塔状構造物多段方式で稼働させる水風車原動機としています。塔状構造物の支えは風車の外周円より大きめで、最も外周円側の羽８の３６０°自由回転時に当たらない余裕を取った位置に３本以上の支持柱を設置します。前記縦の１スパンごとに、この支持柱と中央の主柱４３と連結あるいは一体化し、塔状構造物全体の安定を図った搭乗構造物縦列発電多段方式を行えるとしている。
横軸型にみられるプロペラ発電方式ではプロペラが鉄塔より高くなるため、プロペラそのものに落雷してプロペラが破損してしまうか、あるいは、鉄塔頭頂部にあるナセルに落雷し、ナセルが延焼してしまう事故が起きている。本発明水風車は、前記段落番号００６６の塔状構造物内に全て収まる構造であるため、必要に応じて、塔状構造物頭頂部に避雷針を設置し、その避雷針先端から下方片側６０°の円すい形保護角内に塔状構造物が収まる落雷事故防止対策を行えるとしている。
風車用は、縦軸で機能している特徴を生かし、ビル風の集まる建物の隅角部や傾斜部等に、風車単独か、あるいは塔状構造物方式で多段の風力発電機を設置し、発電を行える事に加えて、風車を回した風が風車後方に拡散されることにより、ビル風の抑制が行われ、それゆえビル構造物両横での強風や後方に発生するカルマン渦その他の風害を防止できる作用をもつ。
水風車は、縦軸型であるため、水風車回動機能に必要な全体容積を、そこに使用するブレード程度としており、横軸型風車に比べて空間を有効に利用できる特性があり、車の上下・両サイド及び前後の制約された狭い空間にも設置が可能であり、水車においては、例えば、船舶の両サイドや後方において設置が可能であり、水陸交通機関が前進する際に発生した水風車に侵入してきた力を抗力型の翼で全て捉え無駄を少なく効率よく使用出来る特性を発揮する。
洋上においては、陸上よりも風向が安定した強い風があり大いに利用をすべき形態であるが、風車を設置する基礎となるフロートや船舶は常に前後左右に揺れているため、揚力型と言われる横軸型風車のプロペラ方式や縦軸型のダリウス形やジャイロミル形の風車では、揺れによりブレード表面の空気の流れが乱れてしまい揚力回転に弊害を及ぼし、回転そのものが止まってしまう事もあるが、本発明風車は抗力型であるため多少の回転軸ごとの揺れがあっても、受風面を押す風は翼の円弧内に留まりながら押し続け、風車を回転させながら抜けて行くので、揚力型とする風車よりも揺れによる影響を受けずに稼働する特性がる。
昨今様々な資源の枯渇が問題化しており、エネルギーの主役である石油や石炭も同様な状況下にあり、残り少ない資源を取り合い危機的状況に陥ると多くの専門家が指摘している昨今です。その代替えとして再生可能エネルギー（太陽光エネルギー、風力エネルギー、水力エネルギー、地熱エネルギー、バイオマスエネルギー）の利用を、技術力のある先進国の多くが積極的に実行しており、本発明は、その中の風力と水力を利用してのエネルギー活用を可能としている発明である。
日本の風況は比較的風速が低く、山岳風が多いとされ、縦軸型風力発電機に適しているとされているが、実際には横軸型の揚力で動くプロペラ型の風力発電機が多く採用されている。それは、縦軸型は低回転で発電効率が悪く、台風時の対策が取り難いと言う理由からであったが、本発明は、従来の縦軸型風力発電より、機動性が高く同様多機種に比べ高回転を生み出しており、台風災害対策も簡易で俊敏に行えることを可能としており、元々日本の風況に合うとしていた縦軸型風力発電機として利用されていく可能性がある。
地方銀行を始め、アジア開発銀行等世界的な金融機関が太陽光や風力及び水力発電等のエコ発電への大型融資を始めています。本発明の水風車は、段落番号００７１に記した、風力及び水力を利用しての発電を可能としており、他の方法より高トルクと同種他機種より高回転としている部分は注目され、利用されるところである。
１ 回転軸
２ 円中心
３ 支持板
４ 翼線形
５ A点中心翼線形
６ B点中心翼線形
７ 羽回転軸
８ 羽
９ 羽巻込み長（L3）
１０ 羽簡易固定用軸
１１ 羽回転止用軸
１２ 羽仮止め金具等
１３ 水風車回転方向
１３ａ 風車回転方向
１３ｂ 水車回転方向
１４ 水風流
１５ 風流
１６ 水流
１７ 凸翼全開放
１８ 凹翼全閉鎖
１９ 外周円
２０ 内部渦流
２１ 風車稼働時羽回転範囲
２２ 水車稼働時羽回転範囲
２３ 風車危険回避時羽回転範囲
２４ 水車危険回避時羽回転範囲
２５ 羽巻込み導入筒
２６ 羽回転軸間（Ｌ１）
２７ 稼働時羽短手(横手)長さ（Ｌ２）
２８ 危険回避時羽短手長さ（L２−L３）
２９ 縦胴縁
３０ 横桟
３１ 支持柱
３２ 支持板補強盤
３３ 回転伝動滑車
３４ 駆動用滑車
３５ 発電機
３６ ベアリング
３７ 気球−１
３８ 気球−２
３９ スポイラー
４０ 天秤棒
４１ けん引ロープ
４２ 風力発電(並列)
４３ 主柱
４４ 回転軸フランジ付パイプ
４５ 連結用フランジ
４６ アンカー
４７ 支持板補強フランジ
４８ 上部回転フランジ
４９ 回転上部固定具
５０ 羽回転軸巻込みモーター
５１ 羽回転軸回転連結棒
２ 円中心
３ 支持板
４ 翼線形
５ A点中心翼線形
６ B点中心翼線形
７ 羽回転軸
８ 羽
９ 羽巻込み長（L3）
１０ 羽簡易固定用軸
１１ 羽回転止用軸
１２ 羽仮止め金具等
１３ 水風車回転方向
１３ａ 風車回転方向
１３ｂ 水車回転方向
１４ 水風流
１５ 風流
１６ 水流
１７ 凸翼全開放
１８ 凹翼全閉鎖
１９ 外周円
２０ 内部渦流
２１ 風車稼働時羽回転範囲
２２ 水車稼働時羽回転範囲
２３ 風車危険回避時羽回転範囲
２４ 水車危険回避時羽回転範囲
２５ 羽巻込み導入筒
２６ 羽回転軸間（Ｌ１）
２７ 稼働時羽短手(横手)長さ（Ｌ２）
２８ 危険回避時羽短手長さ（L２−L３）
２９ 縦胴縁
３０ 横桟
３１ 支持柱
３２ 支持板補強盤
３３ 回転伝動滑車
３４ 駆動用滑車
３５ 発電機
３６ ベアリング
３７ 気球−１
３８ 気球−２
３９ スポイラー
４０ 天秤棒
４１ けん引ロープ
４２ 風力発電(並列)
４３ 主柱
４４ 回転軸フランジ付パイプ
４５ 連結用フランジ
４６ アンカー
４７ 支持板補強フランジ
４８ 上部回転フランジ
４９ 回転上部固定具
５０ 羽回転軸巻込みモーター
５１ 羽回転軸回転連結棒
Claims (8)
- 縦軸型の水風車で、回転軸１を中心に回転対称に弓状の円弧翼を持つもので、翼線形４の延長を３区間以上の区間割とした境目に羽回転軸７をもち、その両端を支持板３にて固定される構造をなし、羽回転軸７に垂直辺の一辺を取り付けた羽８は隣接する両側の羽回転軸７までを扇形に自由回転とするもので、回転軸１を境に片側の翼線形４に並ぶ羽回転軸７と羽８を持って１組の翼とし、水風流に向かう翼が凸時には羽８は開き、回転して翼が凹時においては、風車使用時は、翼が凹となる受風前に翼線形４の円弧内部に回り込む風にて羽８が風流に逆向きに揃う形で羽回転軸間は塞がれ、水車使用時は、翼が回転するのに合わせて羽８が水流の力に沿って羽回転軸間を回転軸１側から円弧形状に沿って徐々に塞ぐとした受動面を形成し、受動面に水風流が当ることにより回転力を得て回転軸１を中心に回動するとした、２翼以上が回転対称にあり、羽８の自動開閉にて回転抵抗を減じた回動を行うことを特徴とする水風車原動機。
- 上記、翼線形４は、円弧を描くための中心点を、支持板３の円半径Rの線上の1/2を起点として半径Rの距離を垂直に取った点をA点とし、同一半径線上の円中心から外周円側へ半径R×1/2.3を取った位置から半径R×1/3.1の距離を垂直にA点方向に取った点をB点とし、A点からB点を結んだ概ね線上を翼の円弧の中心点として、支持板３の円の中心点から外周円の線上までとした円弧に沿った弓状の翼線形４とし、風か水の区別や、その強弱に合わせた翼線形４を選択したことを特徴とする、請求項１に記した水風車原動機。
- 上記、羽８は、風車用とする場合には、回転軸１側の羽回転軸７から羽８を取り付けて行き、最後の支持板３の外周円側の羽回転軸７は羽簡易固定用軸１０とし、風車の高速危険回転時以外は手前の羽回転軸７に取り付けた羽８を簡易固定するものとし、水車用とする場合には、羽８を支持板３の外周円側の羽固定軸７から取り付けて行き、水風車回転軸１側の羽回転軸は羽回転止用軸１１として機能させることにより回転軸１を中心に回動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水風車原動機。
- 上記、羽８の羽回転軸７の取付け近辺の一部を、羽回転軸７へ巻き付けるか、あるいは引き寄せる事が可能なもので、引張強度のある材質としたものを用いて、水風車が危険回転域に達した場合に、羽８の水平辺の長さを、隣接する両側羽回転軸７の間の距離より少し短くし、羽回転軸７を中心に羽８を３６０°自由に回転させ、全ての羽８を水風流になびかせた形態で水風車の回動力を失わせ、水風車の抵抗を減じて危険回避を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水風車原動機。
- 上記記載の、それぞれの翼の羽８の羽数を均等に、羽回転軸７を中心に３６０°自由回転とさせ、残りの羽８の受動面をもって水風車回動速さを制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水風車原動機。
- 上記、水風車の支持板３は、請求項１に記載の翼と隣接する翼の間を削り取り、必要によっては、曲げ加工も加えた高さの違う両端支持板３の間隔に合わせた、上記、羽回転軸７と羽８を取り付けたものとする水風車回転体とした、水平方向から見た外殻形が、四角形・八角形・台形や円形・楕円形あるいはそれらを合成した形を含めた回転対称となり得るあらゆる形をそれぞれ形成し、それぞれに適合する空間や狭間に設置し、稼働することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の水風車原動機。
- 上記、羽８の開閉時に発生する音の消音資材や装置を備えた請求項１〜６のいずれかに記載の水風車原動機。
- 上記、水風車を水面浮上式で使用する場合は、フロート上に風車用を設置し、原動機として使用する事に加えて、そのフロート設置下部において水流が発生する箇所においては水面下に水車用を設置し、上下両方の働きによる、より多くの仕事量及び発電量を得ることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の水風車原動機。
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