JP2012092754A - 風車動力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造を簡単にして、維持管理コストを最少にする垂直型風車を提供する。
【解決手段】垂直型風車の利点を生かし、構造を簡単にして、維持管理コストを最少にする発明で、風向板によって回転するカム溝と翼回転軸の角度変換部の機構を簡素化すべく、翼回転軸を左右に分割し、その内端を迂回リンクで連結し、前記迂回リンクの中央にカムガイドを設けて、風向板によって回転する球体カムのカム溝に直結させたことを特徴とする風車動力装置を提供しようとするものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、風力を利用して風車を廻し、その回転力で発電機やポンプを駆動する動力を獲得するための風車動力装置に関するものである。

従来の風車動力装置は、垂直型風車装置として下記の特許文献に示す様な発明された事例が見られるが、構造設計に無理が有り、構造が複雑で製造コストが高く、維持管理が困難な欠点が有った。

特開平３−２０２６７９号公報 特開２００５−９４７３号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、垂直型風車装置の利点を生かし、構造を簡単にして、製造コスト、維持管理コストを最少にする発明で、風向板によって回転するカム溝と翼回転軸を回転させる角度変換部の機構を簡素化するため、翼回転軸を左右に分割し、その内端を迂回リンクで連結し、前記迂回リンクの中央にカムガイドを設けて、風向板によって回転する球体カムのカム溝に直結させたことを特徴とする風車動力装置を提供しようとするものである。

（１）左右の翼回転軸を、垂直回転軸の中央を貫通させる構造の廃止。
（２）風向板によって回転するカム溝と翼回転軸を回転させるリンク機構の改善。
（３）翼回転軸の回転と風向板によって回転する円筒カム溝の機構矛盾を解消。
（４）翼回転軸に対する翼の取付位置変位による回転バランスの悪さを改良。

（１）翼回転軸を左右に分割し、垂直回転軸の外周に迂回リンクで連結させ、垂直回転軸への貫通を廃止し強度を確保する。
（２）左右翼回転軸の内端を迂回リンクで連結し、前記迂回リンクの中央にカムガイドを設け、風向板によって回転するカム溝に直結させ、構造の簡素化。
（３）前記カム溝を球体カム面に設け、前記迂回リンクの中央にカムガイドと係合させることにより翼方向の制御機構矛盾を解消。
（４）翼回転軸に対する翼の取付位置は、翼高さの中央とし、回転バランスを計る。

前記解決手段により、従来品に比べ、下記の点が大幅に改善される。
（１）風向板によって風向きを正確に把握し、翼の向きを正しく制御する。
（２）構造を簡素化し、強度を確保して、製造費の低コスト化、維持管理の容易化。
（３）球体カム面にカム溝を設け、迂回リンク中央のカムガイドと係合させることにより翼方向の制御を無理なく行う機構の採用。
（４）翼回転軸に対する翼の取付位置は翼高さの中央とし、翼の両側面を内側に折り曲げて、回転バランスと風力変換効率を高める。

本案第一実施例のＡ−Ａ’断面図 本案第一実施例の上面図 本案第一実施例の角度変換部の説明図 本案第二実施例の二段構成側面図 本案第二実施例のカム溝説明図

以下に図１から図５を参照して本案の構造と作動を説明する。
図１から図３は本案第一実施例を示すもので、１垂直軸は７球体カムの円筒部と同軸で、前記円筒部は１１フレームプレートの１３軸受ベアリングに回転自由に支持され、１垂直軸は下側の１１フレームプレートの１３軸受ベアリングに支持されている。
７球体カムの円筒部の６頂上部には略飛行機の側面に類似の５風向板が取付けられている。７球体カムの外周には８カム溝が設けられ、その外半周を取巻く様に９迂回リンクが有り、１４軸受に支持され左右に分割設置された２ａ、２ｂ翼回転軸の内端と結合され、９迂回リンクの中央外側に１０カムガイド（図２、図３参照）を取付け、８カム溝と係合して４角度変換部を構成し、５風向板の回転に伴い翼面方向を変換位置を設定する機能を有している。
２ａ、２ｂ翼回転軸の外側のいずれか一方は水平に、他方は垂直に３翼を取付けられ、前記９迂回リンクと８カム溝の作動により、１垂直軸が半回転する毎に前記３ａ翼面の角度が９０度回転させる４角度変換部（図３参照）を構成している。
４角度変換部の作動を説明すると、７球体カムは５風向板の動きに連動して回転し、その外周に設けた８カム溝と１０カムガイドが係合していることで８カム溝の上下変動で９迂回リンクが上下に移動して、２ａ、２ｂ翼回転軸が回転し、３ａ翼面方向を変化させるものである。従って、風向が一定の場合は、７球体カムは回転せず、１垂直軸が半回転する毎に前記３ａ翼面の角度が９０度回転を繰り返される。
３翼の形状は縦長の矩形で、３ａ翼面の垂直方向の両側面は３ｂ折り曲げ部が形成され、風力変換効率を上げる工夫がされている。３翼の材質はアルミ合金又は強化プラスチック等の比重が軽く強度の高い材料が望まれる。２ａ、２ｂ翼回転軸への３翼の取付けは、２ａ、２ｂ翼回転軸への直接溶接か、取外し可能なように保持金具によってねじ締め固定にしても良い。
次に、図２と図５を用いて２ａ、２ｂ翼回転軸と９迂回リンクと８カム溝の関係を詳細に説明する。図２の風向きは上から下に流れているとし、１垂直軸中心から下方に向けて５風向板が位置し、その直上Ｘ１を回転基点として左回りにＸ２，Ｘ３，Ｘ４が９０度ピッチで表示され、図５のカム溝説明図では、上段カム溝の上側平行溝の中心がＸ２位置で１０カムガイドの１０ｂカムベアリングが示され、３翼は垂直で風を受けていることを示している。右方向に９０度進行してＸ３を前後して８カム溝は斜めに下降し、この位置で３翼は垂直から水平に切り替り、更に９０度進行してＸ４位置で下側平行溝中心となり、３翼は水平で風をエスケープしている事を示す。下段カム溝は後で説明する２ａ、２ｂ翼回転軸が上下二段構成時のカム溝と翼の動きを説明したもので、第一実施例では存在しない。
１垂直軸の下端は１３軸受ベアリングで軸支され、その下に１５大型歯車を取付け、１６小型歯車と噛合って増速され、その軸に直結された１７発電機を回転させる。勿論この回転負荷はポンプや他の動力源として使用しても良い。
全体構成は４本の１２フレームポールと２枚の１１フレームプレートの組合せで、１垂直軸と７球体カムの軸部を上下の１３軸受ベアリングで保持している。

次に本案第二実施例を図４及び図５を用いて説明する。
作動原理は第一実施例と同様であるが、図５に示す様に２ａ、２ｂ翼回転軸は上下二段に９０度ずれて設置されている。
図４の上段の構造は第一実施例と同じであるが、下段では１４軸受と７球体カムが下側に連設された構造で、下段の２ａ、２ｂ翼回転軸は回転軸を中心に見ているので３翼は１４軸受に隠れて見えないが、点線で示したように翼面が斜めになっていることが分かる。その状態を図５で見ると、風向は同じ時として、上段カム溝では１０ｂカムベアリングが上側平行溝の中に有り３翼は垂直で風を受けているが、一方下段カム溝では１０ｂカムベアリングが上側から下側に向かう右下り斜面の途中中心に有り３翼は斜めに傾斜して、水平に向かい途中を示している。
従って、この第二実施例では２軸で４枚の翼が、９０度ピッチで上下二段に設けられており、風を受ける側に常に２枚の翼が９０度ピッチで回転し、しかも翼が上下の交互に風を受けることになり、風影を作らず、風車の動力変換効率が極めて良いことが分かる。
この原理で考えれば３軸や４軸も考えられ、それぞれの軸が重ならないようにする為には軸の設置ずらし角度は１８０を設置軸個数で割った角度にすることが理想です。例えば第二実施例の場合は１８０÷２＝９０度ずらしとなり、３軸の場合は６０度に成る。
しかし、設備投資金額と効果を考えると二段４枚翼が最適で、それ以上段数を増やすとコストも上がり、代わりに二段で翼面関を大きくした方が効果的ではないかと思われます。

現状では、水平軸にプロペラ翼を装着した大型風車が先行的に採用されている。
その理由は、水平軸ペロペラ風車が発電効率が良く、大型発電に適しているからである。
一方、家庭用では、太陽光発電が主に設置されているが、その理由は、設置場所が狭くプロペラ風車は設置できないからである。
しかし、太陽光発電は昼間のみで、好天気に恵まれる必要条件が有り、曇天時や夜間でも風があれば発電できる風力発電は魅力的である。
従って、今後の発電量増大策は、太陽光発電と風車発電のハイブリット化が有力視されているが、急がねばならないのは家庭で設置できる小型風力発電機である。小型化を進めるには垂直軸の風力発電装置の開発が必要です。本案はその目的を達する為に開発した物で、垂直軸のジャイロミル型風車の回転力に変換する効率を上げる為に、風を受ける側の翼は垂直にし、風に向かう側の翼は水平にして抵抗を減らす事で効率改善を達成しようとするものです。
本案では、それを可能な限り簡単な構造で、製造費を安く、維持管理費の安い安全設計を達成させたものです。

１垂直軸、２ａ翼回転軸左、２ｂ翼回転軸右、３翼、３ａ翼面、３ｂ折り曲げ部、４角度変換部、５風向板、６頂上部、７球体カム、８カム溝、９迂回リンク、
１０カムガイド、１０ａ軸部材、１０ｂカムベアリング、１１フレームプレート、１２フレームポール、１３軸受ベアリング、１４軸受、１５大径歯車、１６小径歯車、１７発電機

以下に図１から図５を参照して本案の構造と作動を説明する。
図１から図３は本案第一実施例を示すもので、１垂直軸は７球体カムの円筒部と同軸で、前記円筒部は１１フレームプレートの１３軸受ベアリングに回転自由に支持され、１垂直軸は下側の１１フレームプレートの１３軸受ベアリングに支持されている。
７球体カムの円筒部の６頂上部には略飛行機の側面に類似の５風向板が取付けられている。７球体カムの外周には８カム溝が設けられ、その外半周を取巻く様に９迂回リンクが有り、１４軸受に支持され左右に分割設置された２ａ、２ｂ翼回転軸の内端と結合され、９迂回リンクの円弧中央部内側に１０カムガイド（図２、図３参照）を取付け、８カム溝と係合して４角度変換部を構成し、５風向板の回転に伴い翼面方向を変換位置を設定する機能を有している。
２ａ、２ｂ翼回転軸の外側のいずれか一方は水平に、他方は垂直に３翼を取付けられ、前記９迂回リンクと８カム溝の作動により、１垂直軸が半回転する毎に前記３ａ翼面の角度が９０度回転させる４角度変換部（図３参照）を構成している。
４角度変換部の作動を説明すると、７球体カムは５風向板の動きに連動して回転し、その外周に設けた８カム溝と１０カムガイドが係合していることで８カム溝の上下変動で９迂回リンクが上下に移動して、２ａ、２ｂ翼回転軸が回転し、３ａ翼面方向を変化させるものである。従って、風向が一定の場合は、７球体カムは回転せず、１垂直軸が半回転する毎に前記３ａ翼面の角度が９０度回転を繰り返される。
３翼の形状は縦長の矩形で、３ａ翼面の垂直方向の両側面は３ｂ折り曲げ部が形成され、風力変換効率を上げる工夫がされている。３翼の材質はアルミ合金又は強化プラスチック等の比重が軽く強度の高い材料が望まれる。２ａ、２ｂ翼回転軸への３翼の取付けは、２ａ、２ｂ翼回転軸への直接溶接か、取外し可能なように保持金具によってねじ締め固定にしても良い。
次に、図２と図５を用いて２ａ、２ｂ翼回転軸と９迂回リンクと８カム溝の関係を詳細に説明する。図２の風向きは上から下に流れているとし、１垂直軸中心から下方に向けて５風向板が位置し、その直上Ｘ１を回転基点として左回りにＸ２，Ｘ３，Ｘ４が９０度ピッチで表示され、図５のカム溝説明図では、上段カム溝の上側平行溝の中心がＸ２位置で１０カムガイドの１０ｂカムベアリングが示され、３翼は垂直で風を受けていることを示している。右方向に９０度進行してＸ３を前後して８カム溝は斜めに下降し、この位置で３翼は垂直から水平に切り替り、更に９０度進行してＸ４位置で下側平行溝中心となり、３翼は水平で風をエスケープしている事を示す。下段カム溝は後で説明する２ａ、２ｂ翼回転軸が上下二段構成時のカム溝と翼の動きを説明したもので、第一実施例では存在しない。
１垂直軸の下端は１３軸受ベアリングで軸支され、その下に１５大型歯車を取付け、１６小型歯車と噛合って増速され、その軸に直結された１７発電機を回転させる。勿論この回転負荷はポンプや他の動力源として使用しても良い。
全体構成は４本の１２フレームポールと２枚の１１フレームプレートの組合せで、１垂直軸と７球体カムの軸部を上下の１３軸受ベアリングで保持している。

次に本案第二実施例を図４及び図５を用いて説明する。
作動原理は第一実施例と同様であるが、図５に示す様に２ａ、２ｂ翼回転軸は上下二段に９０度ずれて設置されている。
図４の上段の構造は第一実施例と同じであるが、下段では１４軸受と７球体カムが下側に連設された構造で、下段の２ａ、２ｂ翼回転軸は回転軸を中心に見ているので３翼は１４軸受に隠れて見えないが、点線で示したように翼面が斜めになっていることが分かる。その状態を図５で見ると、風向は同じ時として、上段カム溝では１０ｂカムベアリングが上側平行溝の中に有り３翼は垂直で風を受けているが、一方下段カム溝では１０ｂカムベアリングが下側から上側に向かう右上り斜面の途中中心に有り３翼は斜めに傾斜して、水平に向かい途中を示している。
従って、この第二実施例では２軸で４枚の翼が、９０度ピッチで上下二段に設けられており、風を受ける側に常に２枚の翼が９０度ピッチで回転し、しかも翼が上下の交互に風を受けることになり、風影を作らず、風車の動力変換効率が極めて良いことが分かる。
この原理で考えれば３軸や４軸も考えられ、それぞれの軸が重ならないようにする為には軸の設置ずらし角度は１８０を設置軸個数で割った角度にすることが理想です。例えば第二実施例の場合は１８０÷２＝９０度ずらしとなり、３軸の場合は６０度に成る。
しかし、設備投資金額と効果を考えると二段４枚翼が最適で、それ以上段数を増やすとコストも上がり、代わりに二段で翼面関を大きくした方が効果的ではないかと思われます。

以下に図１から図５を参照して本案の構造と作動を説明する。
図１から図３は本案第一実施例を示すもので、１垂直軸は７球体カムの円筒部と同軸で、前記円筒部は１１フレームプレートの１３軸受ベアリングに回転自由に支持され、１垂直軸は下側の１１フレームプレートの１３軸受ベアリングに支持されている。
７球体カムの円筒部の６頂上部には略飛行機の側面に類似の５風向板が取付けられている。７球体カムの外周には８カム溝が設けられ、その外半周を取巻く様に９迂回リンクが有り、１４軸受に支持され左右に分割設置された２ａ、２ｂ翼回転軸の内端と結合され、９迂回リンクの円弧中央部内側に１０カムガイド（図２、図３参照）を取付け、８カム溝と係合して４角度変換部を構成し、５風向板の回転に伴い翼面方向を変換位置に設定する機能を有している。
また、１４軸受は１垂直軸に一体的に固定されている。
２ａ、２ｂ翼回転軸の外側のいずれか一方は水平に、他方は垂直に３翼を取付けられ、前記９迂回リンクと８カム溝の作動により、１垂直軸が半回転する毎に前記３ａ翼面の角度が９０度回転させる４角度変換部（図３参照）を構成している。
４角度変換部の作動を説明すると、７球体カムは５風向板の動きに連動して回転し、その外周に設けた８カム溝と１０カムガイドが係合していることで８カム溝の上下変動で９迂回リンクが上下に移動して、２ａ、２ｂ翼回転軸が回転し、３ａ翼面方向を変化させるものである。従って、風向が一定の場合は、７球体カムは回転せず、１垂直軸が半回転する毎に前記３ａ翼面の角度が９０度回転を繰り返される。
３翼の形状は縦長の矩形で、３ａ翼面の垂直方向の両側面は３ｂ折り曲げ部が形成され、風力変換効率を上げる工夫がされている。３翼の材質はアルミ合金又は強化プラスチック等の比重が軽く強度の高い材料が望まれる。２ａ、２ｂ翼回転軸への３翼の取付けは、２ａ、２ｂ翼回転軸への直接溶接か、取外し可能なように保持金具によってねじ締め固定にしても良い。
次に、図２と図５を用いて２ａ、２ｂ翼回転軸と９迂回リンクと８カム溝の関係を詳細に説明する。図２の風向きは上から下に流れているとし、１垂直軸中心から下方に向けて５風向板が位置し、その直上Ｘ１を回転基点として左回りにＸ２，Ｘ３，Ｘ４が９０度ピッチで表示され、図５のカム溝説明図では、上段カム溝の上側平行溝の中心がＸ２位置で１０カムガイドの１０ｂカムベアリングが示され、３翼は垂直で風を受けていることを示している。右方向に９０度進行してＸ３を前後して８カム溝は斜めに下降し、この位置で３翼は垂直から水平に切り替り、更に９０度進行してＸ４位置で下側平行溝中心となり、３翼は水平で風をエスケープしている事を示す。下段カム溝は後で説明する２ａ、２ｂ翼回転軸が上下二段構成時のカム溝と翼の動きを説明したもので、第一実施例では存在しない。
１垂直軸の下端は１３軸受ベアリングで軸支され、その下に１５大型歯車を取付け、１６小型歯車と噛合って増速され、その軸に直結された１７発電機を回転させる。勿論この回転負荷はポンプや他の動力源として使用しても良い。
全体構成は４本の１２フレームポールと２枚の１１フレームプレートの組合せで、１垂直軸と７球体カムの軸部を上下の１３軸受ベアリングで保持している。

次に本案第二実施例を図４及び図５を用いて説明する。
作動原理は第一実施例と同様であるが、図５に示す様に２ａ、２ｂ翼回転軸は上下二段に９０度ずれて設置されている。
図４の上段の構造は第一実施例と同じであるが、下段では１４軸受と７球体カムが下側に連設された構造で、下段の２ａ、２ｂ翼回転軸は回転軸を中心に見ているので３翼は１４軸受に隠れて見えないが、点線で示したように翼面が斜めになっていることが分かる。その状態を図５で見ると、風向は同じ時として、上段カム溝では１０ｂカムベアリングが上側平行溝の中に有り３翼は垂直で風を受けているが、一方下段カム溝では１０ｂカムベアリングが下側から上側に向かう右上り斜面の途中中心に有り３翼は斜めに傾斜して、水平に向かい途中を示している。
従って、この第二実施例では２軸で４枚の翼が、９０度ピッチで上下二段に設けられており、風を受ける側に常に２枚の翼が９０度ピッチで回転し、しかも翼が上下の交互に風を受けることになり、風影を作らず、風車の動力変換効率が極めて良いことが分かる。
この原理で考えれば３軸や４軸も考えられ、それぞれの軸が重ならないようにする為には軸の設置ずらし角度は１８０を設置軸個数で割った角度にすることが理想です。例えば第二実施例の場合は１８０÷２＝９０度ずらしとなり、３軸の場合は６０度に成る。
しかし、設備投資金額と効果を考えると二段４枚翼が最適で、それ以上段数を増やすとコストも上がり、代わりに二段で翼面関を大きくした方が効果的ではないかと思われます。

Claims (4)

1. 垂直軸の左右に水平で回転自由に軸支された翼回転軸を設け、該翼回転軸の左右のいずれか一方は水平に、他方は垂直に翼面を取付け、前記垂直軸が半回転する毎に前記翼面の角度が９０度回転する角度変換部と、該角度変換部を風向板の動きに連動して作動させ、風向と前記垂直軸の回転位置と翼面方向を連動させる風車動力装置において、
   前記風向板を前記垂直軸の頂上部に回転自由に取付け、前記風向板と一体に構成される球体カムの外周にカム溝を形成し、前記垂直軸と直角に回転自由に軸支する軸受に前記翼回転軸を左右に分割設置し、前記翼回転軸の左右内端間に前記球体カムを迂回する迂回リンクを結合し、該迂回リンクの中央外側にカムガイドを取付け、前記カム溝と係合して前記角度変換部を構成し、前記風向板の回転位置方向を基点にして、前記角度変換部によって前記翼回転軸の回転で翼面方向を変換させるようにしたことを特徴とする風車動力装置。
2. 前記請求項１に記載の風車動力装置において、左右に分割設置された前記翼回転軸と前記風向板と前記角度変換部をセットにして、前記垂直軸の上下方向に前記セットを複数段設置し、前記翼回転軸の設置位置ずらし角度間隔は、前記垂直軸を中心に１８０度を設置段数で除した値としたことを特徴とする風車動力装置。
3. 前記請求項１及び２に記載の風車動力装置において、前記カムガイドは、前記迂回リンクの中央外側に、小径ベアリングの中心軸孔に軸部材を介して締結したことを特徴とする風車動力装置。
4. 前記請求項１から３に記載の風車動力装置において、前記翼の形状は、略矩形で水平方向の両端側面を内側へ折り曲げ部を設けると共に、前記翼の高さ幅の略中央を前記翼回転軸と結合したことを特徴とする風車動力装置。