JP2014181657A

JP2014181657A - 垂直軸風車

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Publication number: JP2014181657A
Application number: JP2013057986A
Authority: JP
Inventors: Junji Shimada; 純二嶋田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-09-29
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: JP5469267B1

Abstract

【課題】強風時の高速回転を容易且つ確実に防止することができ、耐久性を向上させた垂直軸風車を提供する。
【解決手段】ブレード３０に対して受風板４０を開閉する開閉手段５０を備え、開閉手段５０は、回転軸１の径方向に沿って移動可能に支持された錘部材５２と、錘部材５２を回転軸１に向けて付勢する付勢部材５３と、錘部材５２と受風板４０とを連結するリンク機構５５とを備えており、リンク機構５５は、回転軸１を回転させることにより、錘部材５２が遠心力によって付勢部材５３の付勢力に抗して回転軸１の径方向外方に移動し、受風板４０を回動する垂直軸風車１。
【選択図】図２

Description

本発明は、垂直軸風車に関する。

風のエネルギーを動力に変換する風車は、水平軸方式の風車と垂直軸方式の風車に分類される。水平軸方式の代表的なものはプロペラ型風車であり、垂直軸方式ではサボニウス型、ダリウス型などがある。水平軸方式の風車は常に風方向に向けなければならないが、回転軸が垂直に延びる垂直軸風車は、風向きに関係なく使用できるという利点がある。垂直軸風車としては、抗力型風車（サボニウス型など）や揚力型風車（ダリウス型）が存在する。

揚力型の垂直軸風車は、抗力型に比べてエネルギー変換効率の面で有利とされているが、強風時に高速回転して損傷するおそれがあることから、従来よりこの対策が検討されている（例えば、特許文献１〜４）。特許文献１に開示された構成は、高速回転時に風車効率を減少させる機構がブレードに組み込まれている。また、特許文献２から４に開示された構成は、いずれも高速回転時に構成部材に作用する遠心力を利用して制動を行うものである。

特開２００３−２１４３２３号公報特開２００６−４６３０６号公報特開２００６−１５２９９５号公報特開２００８−１９６４６４号公報

ところが、上記特許文献１に開示された構成は、風車効率を減少させる機構を駆動制御するためのアクチュエータやコントローラなどが必要になり、構成が煩雑なものとなっていた。一方、特許文献２から４に開示された構成は、コントローラ等を必要としないものの、制動動作の安定性や耐久性の面で問題を有していた。

そこで、本発明は、強風時の高速回転を容易且つ確実に防止することができ、耐久性を向上させた垂直軸風車の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、垂直に延びる回転軸と、前記回転軸に一端側が固定された支持アームと、前記支持アームの他端側に取り付けられた翼形のブレードと、前記ブレードに回動自在に支持された受風板と、前記ブレードに対して前記受風板を開閉する開閉手段とを備え、前記開閉手段は、前記回転軸の径方向に沿って移動可能に支持された錘部材と、前記錘部材を前記回転軸に向けて付勢する付勢部材と、前記錘部材と前記受風板とを連結するリンク機構とを備えており、前記リンク機構は、前記回転軸を回転させることにより、前記錘部材が遠心力によって前記付勢部材の付勢力に抗して前記回転軸の径方向外方に移動し、前記受風板を回動する垂直軸風車により達成される。

この垂直軸風車において、前記リンク機構は、前記回転軸の回転中に前記受風板が前記ブレードに対して閉じた状態になり、前記回転軸の回転速度が増加すると前記受風板が開くように構成されていることが好ましい。

また、前記リンク機構は、前記回転軸の停止時に前記受風板が前記ブレードに対して開いており、前記回転軸が回転すると回転速度の増加に伴い前記受風板が閉じた状態になり、前記回転軸の回転速度が更に増加すると前記受風板が再び開くように構成されていることがより好ましい。

前記リンク機構は、一端側がそれぞれ前記錘部材および前記受風板に連結され関節部において屈伸可能な第１のリンクアームおよび第２のリンクアームと、回動可能に支持され前記第１のリンクアームおよび第２のリンクアームの他端側が回動可能に連結される開閉カムとを備えることが可能であり、前記錘部材の移動により前記第１のリンクアームを介して前記開閉カムが回動し、前記開閉カムの回動により前記第２のリンクアームを介して前記受風板が開閉するように構成することができる。

本発明によれば、強風時の高速回転を容易且つ確実に防止することができ、耐久性を向上させた垂直軸風車を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る垂直軸風車の側面図である。図１に示す垂直軸風車の概略平面図である。図１に示す垂直軸風車の作動を説明するための要部平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る垂直軸風車の側面図である。図１に示すように、垂直軸風車１は、垂直に延びる回転軸１０と、回転軸１０に一端側が固定された支持アーム２０と、支持アーム２０の他端側に取り付けられた翼形のブレード３０と、ブレード３０に回動自在に支持された受風板４０と、ブレード３０に対して受風板４０を開閉する開閉機構５０とを備えている。回転軸１０は、下端側が発電機６０に連結されて回転可能に支持されている。

支持アーム２０は、水平に配置されており、一端側が回転軸１０の外周面に固定され、他端側がブレード３０に固定されている。本実施形態においては支持アーム２０を上下２段に設けているが、ブレード３０が回転軸１０と共に回転可能となるように確実に支持可能であれば、支持アーム２０の個数や配置は特に限定されるものではない。

ブレード３０は、従来のジャイロミル型風車の回転翼と同様の翼形状を有しており、揚力によって回転力が生じるように形成されている。本実施形態においては、２つのブレード３０を、内面側が互いに対向するように回転軸１０を挟んでそれぞれ配置しているが、単一あるいは３つ以上のブレード３０を備える構成であってもよい。

受風板４０は、薄板状に形成されており、ブレード３０の内面側に設けられている。本実施形態の受風板４０は、上下の分割板４１，４２に分割されており、上下の分割板４１，４２の間に支持アーム２０が挿通されている。各分割板４１，４２は、回動軸４１ａ，４２ａによりブレード３０に回動自在に支持されており、分割板４１，４２の端部は、補強ロッド４３により連結されている。受風板４０は、ブレード３０に連結される支持アーム２０との干渉を回避可能であれば、一枚の板材により形成することもできる。受風板４０の形状は、本実施形態では平板状としているが、ブレード３０の内面側が湾曲面であるような場合には、これに沿う湾曲形状であってもよい。

開閉機構５０は、上側の支持アーム２０の上面に支持されており、ケーシング５１の内部に収容されている。開閉機構５０は、ケーシング５１を備えずに支持アーム２０に直接支持してもよい。また、受風板４０に連結されていれば必ずしも支持アーム２０で支持する必要はなく、例えば、回転軸１０またはブレード３０から片持ち状に突出する受部（図示せず）を設けて、当該受部に開閉機構５０を支持するように構成してもよい。

図２は、図１に示す垂直軸風車１の平面図であり、構成の理解を容易にするため、開閉機構５０のケーシング５１について、底板以外を切り欠いて示している。開閉機構５０は、ケーシング５１の底板から起立する起立片５１ａと、ケーシング５１の底板に支持アーム２０に沿って水平に設けられたガイドレール５１ｂとを備えている。ガイドレール５１ｂは、回転軸１０の径方向に延びており、錘部材５２がガイドレール５１ｂに沿って移動可能に支持されている。起立片５１ａと錘部材５２との間には、コイルばね等からなる付勢部材５３が介在されており、錘部材５２は付勢部材５３によって回転軸１０に向けて付勢されている。錘部材５２は、リンク機構５５によって受風板４０に連結されている。

リンク機構５５は、一端側が起立片５１ａを貫通して錘部材５２に連結された第１のリンクアーム５６と、一端側が受風板４０に連結された第２のリンクアーム５７と、第１のリンクアーム５６および第２のリンクアーム５７の他端側が連結される開閉カム５８とを備えている。開閉カム５８は、略三角形状に形成され、３つの頂部の１つにおいて枢支ピン５１ｃによりケーシング５１の底板に回動可能に支持されており、他の２つの頂部おいて第１のリンクアーム５６および第２のリンクアーム５７が回動可能に連結されている。第１のリンクアーム５６および第２のリンクアーム５７は、それぞれ関節部５６ａ，５７ａを有しており、屈伸可能に構成されている。

次に、上記の構成を備える垂直軸風車１の作動を説明する。回転軸１０の回転が停止した状態においては、図２に示すように、錘部材５２は付勢部材５３によって回転軸１０側に押圧されている。これに伴い、リンク機構５５も回転軸１０側に引っ張られた状態になり、受風板４０はブレード３０に対して開いた状態になる。この結果、受風板４０が風を受けて矢示Ａ方向への回転を開始する。このように、受風板４０が開くことにより大きな起動トルクを得ることができ、回転軸１０の回転をスムーズに開始することができる。弱風時（例えば、風速が約５ｍ／ｓ以下）においては、受風板４０が開いた状態が維持され、抗力型の風車として機能する。受風板４０の開放側は、図２に示すように、回転方向（Ａ方向）の後方側であることが好ましい。

回転軸１０の回転により開閉機構５０等も一体的に回転し、錘部材５２には遠心力が作用する。この遠心力が大きくなると、錘部材５２は、図３（ａ）に示すように、付勢部材５３の付勢力に抗して回転軸１０の径方向外方（矢示Ｂ１方向）へと移動する。これにより、リンク機構５５の第１のリンクアーム５６が、開閉カム５８を矢示Ｂ２方向へと回動して、第２のリンクアーム５７が受風板４０を矢示Ｂ３方向に押圧し、受風板４０が閉じた状態になる。この結果、ブレード３０に発生する揚力によって回転軸１０が回転すると共に、回転中に受風板４０が抵抗になるのを防止することができるので、効率良く発電を行うことができる。中風時（例えば、風速が約５〜１２ｍ／ｓ）においては、受風板４０が閉じた状態が維持され、揚力型の風車として機能する。

回転軸１０の回転が高速になると、錘部材５２に作用する遠心力が更に大きくなり、錘部材５２は、図３（ｂ）に示すように、回転軸１０の径方向外方（矢示Ｃ１方向）へと更に移動する。これにより、第１のリンクアーム５６が、開閉カム５８を矢示Ｃ２方向へと更に回動し、これに伴い第２のリンクアーム５７が引っ張られて受風板４０を矢示Ｃ３方向に回動する。この結果、受風板４０は再び開いた状態になるので、受風板４０が回転時の抵抗になり、回転軸１０の回転速度を低下させることができる。このように、強風時（例えば、風速が約１２ｍ／ｓ以上）などで回転軸１０の回転速度が過大になった場合には、回転速度を適正な速度まで低下させることができるので、耐久性を良好に維持しつつ、効率の良い発電を維持することができる。発電効率を高めるため、回転軸１０の所望の回転速度で受風板４０が閉じるように、錘部材５２の質量や付勢部材５３のばね定数などを適宜調整することが好ましい。

１垂直軸風車
１０回転軸
２０支持アーム
３０ブレード
４０受風板
５０開閉機構
５２錘部材
５３付勢部材
５５リンク機構
５６第１のリンクアーム
５７第２のリンクアーム
５８開閉カム

本発明の前記目的は、垂直に延びる回転軸と、前記回転軸に一端側が固定された支持アームと、前記支持アームの他端側に取り付けられた翼形のブレードと、前記ブレードに回動自在に支持された受風板と、前記ブレードに対して前記受風板を開閉する開閉手段とを備え、前記開閉手段は、前記回転軸の径方向に沿って移動可能に支持された錘部材と、前記錘部材を前記回転軸に向けて付勢する付勢部材と、前記錘部材と前記受風板とを連結するリンク機構とを備えており、前記リンク機構は、前記回転軸を回転させることにより、前記錘部材が遠心力によって前記付勢部材の付勢力に抗して前記回転軸の径方向外方に移動し、前記受風板を回動するように構成され、前記リンク機構は、前記回転軸の停止時に前記受風板が前記ブレードに対して開いており、前記回転軸が回転すると回転速度の増加に伴い前記受風板が閉じた状態になり、前記回転軸の回転速度が更に増加すると前記受風板が再び開くように構成され、前記リンク機構は、一端側がそれぞれ前記錘部材および前記受風板に連結され関節部において屈伸可能な第１のリンクアームおよび第２のリンクアームと、回動可能に支持され前記第１のリンクアームおよび第２のリンクアームの他端側が回動可能に連結される開閉カムとを備え、前記錘部材の移動により前記第１のリンクアームを介して前記開閉カムが回動し、前記開閉カムの回動により前記第２のリンクアームを介して前記受風板が開閉する垂直軸風車により達成される。

この垂直軸風車において、前記開閉手段は、前記支持アームに支持されており、ケーシングの内部に収容されているように構成されていることが好ましい。

また、前記開閉手段は、前記ケーシングの底板から起立する起立片と、前記ケーシングの底板に前記支持アームに沿って水平に設けられたガイドレールとを備え、前記ガイドレールは、前記回転軸の径方向に延びており、前記錘部材が前記ガイドレールに沿って移動可能に支持されるように構成されていることがより好ましい。

前記付勢部材は、コイルばねからなり、前記起立片と前記錘部材との間に介在されるように構成することができる。

Claims

垂直に延びる回転軸と、
前記回転軸に一端側が固定された支持アームと、
前記支持アームの他端側に取り付けられた翼形のブレードと、
前記ブレードに回動自在に支持された受風板と、
前記ブレードに対して前記受風板を開閉する開閉手段とを備え、
前記開閉手段は、前記回転軸の径方向に沿って移動可能に支持された錘部材と、前記錘部材を前記回転軸に向けて付勢する付勢部材と、前記錘部材と前記受風板とを連結するリンク機構とを備えており、
前記リンク機構は、前記回転軸を回転させることにより、前記錘部材が遠心力によって前記付勢部材の付勢力に抗して前記回転軸の径方向外方に移動し、前記受風板を回動する垂直軸風車。
前記リンク機構は、前記回転軸の回転中に前記受風板が前記ブレードに対して閉じた状態になり、前記回転軸の回転速度が増加すると前記受風板が開くように構成された請求項１に記載の垂直軸風車。
前記リンク機構は、前記回転軸の停止時に前記受風板が前記ブレードに対して開いており、前記回転軸が回転すると回転速度の増加に伴い前記受風板が閉じた状態になり、前記回転軸の回転速度が更に増加すると前記受風板が再び開くように構成された請求項１に記載の垂直軸風車。
前記リンク機構は、一端側がそれぞれ前記錘部材および前記受風板に連結され関節部において屈伸可能な第１のリンクアームおよび第２のリンクアームと、回動可能に支持され前記第１のリンクアームおよび第２のリンクアームの他端側が回動可能に連結される開閉カムとを備え、
前記錘部材の移動により前記第１のリンクアームを介して前記開閉カムが回動し、前記開閉カムの回動により前記第２のリンクアームを介して前記受風板が開閉する請求項１から３のいずれかに記載の垂直軸風車。