JP2019027427A - フィードバック型風車 - Google Patents

Abstract

【課題】揚力型の水平軸型風車に比べ、抗力型の垂直軸型風車は効率が低いという課題を、揚力型の垂直羽根と抗力型の水平回転翼を一体化し、正帰還の手段によって相互に回転を助長して出力効率の増加を図る事が可能となる。【解決の手段】本発明は、近寄り風速により回転する垂直羽根と外側羽根車を合体し、前記外側羽根車の回転を増速部で増速する、前記増速した出力を、フライホイル盤に載設した偏向インペラーに正帰還し、前記偏向インペラー回転遠心力の手段によって回転運動を流体運動に変換して出力軸に軸着した外側羽根車へ正帰還する。前記正帰還作用を繰り返し外側羽根車と偏向インペラーが互いに回転を助長し、出力効率の増加を図るものである。【選択図】図１

Description

本発明は、抗力型の翼を偏向インペラーの回転遠心力で駆動し、正帰還の手段によって周速比を大きくする事が可能となり、出力効率の増加を図るものである。

特許文献１に開示されている円垂状に形成したボスは、段落（００１８）の６行目に、「ブースト羽根２と一体化した円垂状ボス１の頂点方向に掻き揚げられ、射流を防ぎ逆流領域近傍の湾曲型羽根４の背面２４に流体力をブーストし、逆流領域近傍の湾曲型羽根車６を駆動する。」と、記載されている。
従って本願との違いは、フライホイル盤上に固設した切頭円垂状のボスに、掬い箆状に斜斜した翼を複数個等間隔で周設し、前記偏向インペラー４の回転遠心力を、流体遠心運動に変換し、前記流体運動に変換した水平螺旋流を、垂直上昇気流に増速偏向して外側羽根車を回転運動に変換駆動する正帰還素子として作用し、偏向インペラーの回転速度に「しきい値」を設定し、正帰還を可能にする上で主要な部材である。

更に、偏向インペラーの回転をフライホイル効果で常時風車が回転し、近寄り風が、強弱を頻繁に繰り返す作用による風車の回転ムラを、平滑化して、従来のものとは異質のもので従来の機構では、本願の目的は実現できないという課題ある。

特許文献１に開示されている外側風車と、内側風車を介設する変速動力伝動装置は、段落（００３５）４行目の、「変速動力伝動装置７の太陽歯車Ａ８１と遊星歯車Ｂ８２を介在して内側羽根車３ｂの回転出力軸１５ｂに軸着し。」との記載がある。

しかし、従来の遊星歯車機構にはガバナー機能が無く、偏向インペラーの回転速度を比例的に制御することができず正帰還が実現できないという課題ある。

特許文献２に示す請求項２の発明は、前記風受け羽根が、断面翼状に形成された羽根支持体を介して、回転主体の遠心部に、接線に対して０度〜９０度の範囲で固定されているので、回転主体の回転時に、羽根支持体の上域が負圧となり、気流が風受羽根の後内面に当たって、回転方向へ移動させる効ある、と記載されている。しかし羽根支持体（６）は、上昇気流を回転運動に変換して正帰還ループを構成する機能がなく従来の機構では、本願の目的は実現できないという課題ある。

特開２０１５−００７４１４号公報 特開２００３−３４３４１４号公報

垂直軸型風車の多くは、サボニウス型などのように回転翼が抗力型で、周速比が１以上になっても風車の回転は一定値を限界にそれ以上回転が増さず、また、水平軸型風車は回転翼が、楊力型がほとんどで、周速比が１以上の場合は風車の回転は増すが、周速比１以下では風車を回転させる風力特性が悪くなる。従って近寄り風が強弱を頻繁に繰り返す風車翼を揚力型の垂直羽根と抗力型の水平回転翼を取り入れた外側羽根車と、偏向インペラーの回転を相互に助長し合う機構が必用という課題がある。

本発明は、近寄り風速４６の作用によって、垂直羽根３と合体した外側羽根車１９の回転を駆動し、前記外側羽根車１９の回転を、結合台１８を介在して回転増速部１３で増速して出力軸１を回転駆動する。前記増速回転した出力軸１に固着した、フライホイル盤７に切頭円垂状のボス５を載設し、前記ボスに偏向羽根２０を周設して偏向インペラー４を構設し、前記偏向インペラー４の回転遠心力によって、回転トルクを垂直上昇気流４０に変換し、前記垂直上昇気流４０を上側水平回転翼の背面４１に噴射して流体運動を回転運動に変換し、上側水平回転翼２と一体化した外側羽根車１９の回転を駆動する。前記作動を、繰り返し正帰還ループを構成する事で垂直羽根３の回転と、偏向インペラー４の回転遠心力の回転を、相乗作用によって互いに回転を助長して周速比を大きくし、従来の垂直軸型風車と水平軸型風車の短所を改善する。

正帰還ループは、刻々変化する近寄り風速４６から得られるエネルギーと、帰還されるエネルギーを増速機構２８が増速する、その増速利得と、発電電動機３５の消費電力や各種変換ロス・摩擦ロス等の受動部分による損失との相関関係を、前記利得が受動部分の損失よりも、大きくする事が正帰還の効率には重要な要素になる。しかし大きくする事は、変化する近寄り風速４６の不安定要素や永久機関のように発振状態になる不安定要素がある。従って帰還率は、偏向インペラー４の回転速度に比例して増減する事から偏向インペラー４の回転速度に「しきい値」を設定し、自動的に「しきい値」内で回転する機構を設けて安定化を図る。

前記、偏向インペラー４の回転速度が「しきい値」内で回転する機構として、増速利得と、受動部分の損失と、双方に係わる偏向インペラー４の回転速度を回転増速部１３で制御する。前記制御手段は、回転増速部１３に「しきい値」として、帰還率を発振直前の上限値と，刻々変化する近寄り風速４６の無風状態の手前の回転速度を設定し、前記回転増速部１３が有する帰還制御機構１４に備えた帰還制御アーム１０と、その帰還制御アーム１０の先端近傍に設けたアイドラー９と、前記帰還制御アーム１０と合体した制御プーリー１２と、電動機３３の回転出力軸に固着した電動プーリー３４を、ベルト（３）を架け渡しして、出力軸１に軸着した帰還制御アーム１０を回転駆動するガバナー手段で、偏向インペラー４の回転速度を比例的に自動制御することで、「しきい値」内で羽根車群を回転駆動し、安定した状態に維持する。

乱流境界路２２の画成は、外側羽根車１９と偏向インペラー４を、増速機２８を介在して構設し、偏向インペラー４の回転速度が、外側羽根車１９の回転速度よりも高速で同一方向に連係して回転する。前記回転する偏向インペラー４の外周縁２６と、回転する外側羽根車１９に設けた垂直羽根３の内周縁２７を、一定間隔あけた区画と、その区画の上部と下部空間を区画して、前記上部空間を排出口３６とし、下部空間を吸い込み口３９とした、乱流境界路２２を画成する。

本発明は、上記構成により、次のような効果を発揮する。
フライホイルの上盤に固設した、偏向インペラーの回転遠心力を活用して正帰還し、偏向インペラーの回転と垂直羽根の回転を、相乗作用によって互いに回転を助長して周速比を大きくする事が可能となり、垂直軸型風車の低効率という課題の解決を図る効果を発揮する。

風車の課題である、近寄り風が、強弱を頻繁に繰り返す作用による風車の回転ムラを、フライホイルの盤上に固設した偏向インペラーと、制御機構１４のガバナー手段によって風車の回転ムラを平滑化し、更に乱流境界路内の気圧を下げて少ない駆動エネルギーで常時風車が回転し、複雑な機械機構を設ける事なく廉価で汎用性がある効果を発揮する。

また、近寄り風が、予め所定の値に設定した風速以上の台風時には、偏向インペラーを逆回転させ、乱流境界路の環流を圧縮流とし、下側水平回転翼の背面に噴射して、前記下側水平回転翼を境に排出気流と吸い込み口から流入する気流の双方が対峙し、下側水平回転翼をブレーキ素子として作動し、外側羽根車の過剰回転を防ぐ効果を発揮する。

外側羽根車の要部と、偏向インペラーの要部を、側面からと、上方向から見て関連する要部と、位置を線で結んだ説明図。 上方向から見た増速機構と、帰還制御機構の側面図と、平面図の要部間を、線で結んだ説明図 フライホイル盤上に固設した切頭円垂状のボスに、偏向羽根を斜設した斜視図と、上側水平回転翼と、下側水平回転翼に気流を噴射して駆動する斜視図。

以降の実施形態の説明等について、風速がパルス状の瞬間風速の場合、回転機構のフライホイルや負荷慣性によるスタビライダー効果で回転体の回転が平滑される事から、本願ではこれとは別に、刻々変化する一定時間連続した風速を近寄り風速と称します。また、本発明の主体は、流体系の正帰還ループの活用にあるので、各種センサー及び、電気・電子関系並びに制御のプログラム等の説明及び図面は省略する。

〈第１の実施形態〉
正帰還素子として作用する偏向インペラー４は、出力軸１に固着した切頭円垂状のボス５に、掬い箆状に斜斜した翼を複数個等間隔で周設し、前記偏向インペラー４の回転トルクを、流体運動に変換し、前記流体運動に変換した水平螺旋流３８を、垂直上昇気流４０に偏向して外側羽根車１９を回転運動に駆動する。

外側羽根車１９の構成は、垂直羽根３の上端を保持する役割と、流体力を回転運動に変換する役割と、外側羽根車１９に正帰還する役割を持つ「上側水平回転翼２」と、垂直羽根３の下端を保持する役割と、乱流境界路の吸い込み口３９から氣流を乱流境界路２２内に取り込む役割と、トルクブレーキの役割を持つ「下側水平回転翼６」を、偏向インペラー４を挟んで 上・下二段に分けて出力軸１に軸着し、その上側水平回転翼２と、下側水平回転翼６の上・下先端に、近寄り風速４６で回転する垂直羽根３を装着して、外側羽根車１９を構設する。

前記、上側水平回転翼２及び下側水平回転翼６は、翼の中央に、回転自在に軸通するベアリング４２を有するハブ４８を備え、そのハブ４８を中心として複数葉の翼を（本願の場合は説明の都合上、４葉の翼にした）、放射状に上下二段に分け、出力軸１に軸着したハブと、垂直羽根３間に周設する。前記上側水平回転翼２は、内面に対して外面が大きく湾曲した非対称の抗力型翼で形成し、また下側水平回転翼６及び垂直羽根３は、内面に対して外面が大きく湾曲した非対称の揚力型翼で、例えば、ＮＡＣＡ４４１２型状に形成した翼で、以後の記載は、ハブ４８に周着した回転翼の葉数は省略し、単に上側水平回転翼２・下側水平回転翼６、及び垂直羽根３と略称する。

〈第２の実施形態〉
正帰還ループの構成は、近寄り風速４６で回転する垂直羽根３と、前記垂直羽根３と一体化した外側羽根車１９が回転し、前記外側羽根車１９と一体化した下側水平回転翼６の中央に備えたハブ４８の結合部４４を結合台１８に載設して結合台１８が回転する。前記結合台１８と合体した主プーリー１７が、アイドラー９を介在して出力軸１に固着した従動プーリー１６を回転駆動する。前記回転する出力軸１に固着した偏向インペラー４の回転を、増速機構２８が増速し、前記増速した偏向インペラー４の回転トルクを流体運動に変換し、その変換した流体運動の螺旋流３８を、切頭円垂状に形成したボス５の頂上４３方向へ掻き揚げ垂直上昇流４０に偏向し、出力軸１に軸着した上側水回転翼の背面４１に噴射して回転トルクに変換し、上側水回転翼を回転駆動すると共に、上側水回転翼と一体化した外側羽根車１９も回転して帰還ループを構成する。

前記作動を繰り返して偏向インペラー４の回転と、外側羽根車１９の増速回転を、互いに助長すると共に、更に前記外側羽根車１９と一体化した下側水平回転翼６と、垂直羽根３の、背圧を軽減して羽根車群２１の回転効率を高め、垂直軸型風車の低効率という課題の解決を図る。

正帰還は、刻々変化する近寄り風速４６から得られるエネルギーと、帰還されるエネルギーを増速機構２８が増速し、前記増速した増速利得と、発電電動機３５の消費電力や各種変換ロス・摩擦等の受動部分による損失と、前記利得が受動部分の損失よりも大きくする事が正帰還の効率には重要な要素になる。しかし大きくすると、変化する近寄り風速４６の不安定要素や永久機関のように発振状態になる不安定要素がある、従って帰還率は、偏向インペラー４の回転速度に比例して増減する事から、偏向インペラー４の回転速度を、自動的に安定圏内で制御する機構を設けて安定化を図る必要がある。

〈第３の実施形態〉
前記の安定化を図る手段は、増速利得と、受動部分の損失と、双方に係わる偏向インペラー４の回転速度を回転増速部１３が制御する、前記回転増速部１３に「しきい値」を設け、前記「しきい値」として、帰還率を発振直前の上限値と，刻々変化する近寄り風速４６の無風状態手前の回転速度を設定し、前記「しきい値」の範囲内で帰還制御機構１４が有するガバナー部が偏向インペラー４の回転速度を比例的に自動制御することで、無風状態から一定の強風状態まで平滑して安定した状態に維持する。

「しきい値」の設定は、回転増速部１３を制御する制御装置２９内に具備したマイコンのソフトに記録し、出力軸１に固着した、ロタリエンコーダと風速センサー等の情報を基に制御装置２９から送出される電力によって発電電動機３５と電動機３３を回転駆動し、前記「しきい値」以上の風速時には、余分の発電電力を電源部に蓄積し、無風時には前記蓄積した電力を活用して電動機３３の回転を駆動し、常時羽根車群の回転を維持する。

増速機構２８の構成は、外側羽根車１９を載設した結合台１８と、その結合台１８と合体した主プーリー１７が出力軸１に軸着し、この「主プーリー１７」と、前記帰還制御アーム１０の先端近傍に埋設したアイドラー軸１１に軸着した「アイドラー９」を、ベルト（１）で架け渡しして駆動し、そのアイドラー９を介在して、出力軸１に固着した「従動プーリー１６」を、「ベルト（２）を架け渡し」して伝達駆動する。前記主プーリー１７の回転速度よりも従動プーリー１６の回転速度が高速で回転するように、「主プーリー１７と、従動プーリー１６の」歯数を選定して増速率を決める。また前記アイドラー９は、増速率をより大きくするために段付きアイドラー９を採用する。

増速機構２８の動作は、外側羽根車１９の回転速度が、回転増速部１３の「しきい値」を超える場合は、時計回りに回転する外側羽根車１９を載設した結合台１８と、前記結合台１８と合体した主プーリー１７が、ベルト（１）を架け渡して回転するアイドラー９を、「しきい値」を超える値で時計回りに増速回転を推進し、その増速回転したアイドラー９と、出力軸１に固着した従動プーリー１６を、ベルト（２）を架け渡して回転トルクを有しながら「しきい値」を超える値で時計回りに推進しようとして働く、しかし、従動プーリー１６は、出力軸に固着していることから、その出力軸１には発電電動機３５が連接されていて、その発電電動機３５は設定した「しきい値」内で回転している。その回転中の発電電動機３５の負荷によって、従動プーリー１６の回転が定められた回転数に抑制され、その設定値を超えた回転分を、帰還制御アーム１０の先端に埋設したアイドラー軸１１が反時計回りに自転力を生じて回転トルクを有しながら遊星しようとして働く、その回転を、制御装置２９と電動機３３の回転制御手段によって予め設定した「しきい値」まで自転力と対抗しながら回転制御する。前記回転が設定値に達した後は、予め定めた一定の範囲内で正転逆転を繰り返し、ガバナー機構として操作を行う。

前記帰還制御機構１４の構成は、帰還制御アーム１０を出力軸１に軸着し、前記帰還制御アームの先端近傍に埋設したアイドラー軸１１にアイドラー９を軸着し、前記帰還制御アームと合体した制御プーリー１２と、電動機３３と、その電動機３３の回転軸に固設した電動プーリー３４と、ベルト（３）と、前記電動機３３の回転を制御する制御装置２９と、架台３１で構成する。

前記帰還制御機構１４の動作は、制御装置２９から送られる制御電力に応じて電動機３３が駆動し、その電動機３３の回転出力軸に固着した「電動プーリー３４」と、「制御プーリー１２」を「ベルト（３）を架け渡し」して出力軸１に軸着した帰還制御アーム１０を駆動する。この時、主プーリー１７と従動プーリー１６の歯数差と、出力軸１の回転数を合成された数値による帰還制御アーム１０に自転力が生じるが、従動プーリー１６は、回転中の出力軸１に固設しており、その出力軸１に連接した慣性の大きい発電電動機３５の負荷によって従動プーリー１６の回転が「しきい値内」の回転数に抑制されている。
例えば、刻々変化する近寄り風速４６の変化に対応して外側羽根車１９を載設した結合台１８の回転速度も変化する、前記結合台１８の回転速度と、出力軸１が「しきい値」内で回転する速度との差を、帰還制御アーム１０が出力軸１中心に自転して整合する。前記整合手段は、自転力を生じた帰還制御アーム１０の回転を、電動機３３の回転が優先して強制的に抑制しながら、「しきい値」まで回転制御してガバナー操作をする事で無風状態から強風状態まで平滑に回転出力得られる。

〈第４の実施形態〉
前記乱流境界路２２の画成は、外側羽根車１９と偏向インペラー４を、増速機２８を介在して構設し、偏向インペラー４の回転速度が、外側羽根車１９の回転速度よりも高速で同一方向に連係して回転する。その偏向インペラー４の外周縁２６と、外側羽根車１９に設けた垂直羽根３の内周縁２７を、一定間隔あけた区画と、その区画の上部と下部を空間にして、前記上部空間を排出口３６とし、下部空間を吸い込み口３９とした、乱流境界路２２を画成する。

前記乱流境界路２２の画成手段は、羽根車群２１の回転手段によって、高速回転する偏向羽根２０の外周縁２６近傍と、低速回転する垂直羽根３の内周縁２７近傍を環流する流水速度はそれぞれが異なる。従って高速回転する偏向羽根２０の外周縁２６を環流する螺旋流３８や垂直上昇流４０と、垂直羽根３の内周縁２７を環流する翼後渦流や乱流の低速流は、偏向羽根２０と垂直羽根３のそれぞれ羽根縁の異なった周速に応じて異なった流速や形態の環流が生じ、気流には粘性があることから、異なった流速や形態の環流は、容易に混合して合成されることなく、両環流間には乱流を挟んで隔たりが出来き、中空円柱状の層になり、この層の内周壁と外周壁の間を、乱流境界路２２として画成する。

前述の機構に於いて、羽根車群２１に流入する氣流が希薄で、外側羽根車１９の回転起動が困難なときは、電動機３３を反時計回りに回転駆動し、電動機３３の回転出力軸に固設した電動プーリー３４と、制御プーリー１２を、ベルト（３）を架け渡して帰還制御アーム１０が遊星回動する、その反時計回りに遊星回動する帰還制御アーム１０のアイドラー軸１１に、軸着したアイドラー９は、時計回りに回転し、その回転するアイドラー９を、主プーリー１７と、ベルト（１）を架け渡して主プーリー１７と合体した「結合台１８」を時計回りに回転駆動する。この場合、従動プーリー１６と、主プーリー１７の歯数によって定まる比率分の軽減したトルクで「結合台１８」の回転負荷を制御装置２９が計算し、前記制御装置２９からの制御電力で電動機３３を制御駆動し、結合台１８に載設した外側羽根車１９の回転をアシストする。また出力軸１に固設している従動プーリー１６の回転は、前記出力軸１に連接した発電電動機３５にブレーキ又は負荷を重くして、外側羽根車１９が回転した時点で前記ブレーキ又は負荷を解く。

外側羽根車１９が、台風等の強い風力で過剰回転する場合は、別に設けたセンサーの情報に基づき帰還制御機構１４の手段によって、自動的に負帰還運転に切り替え、設定値を遥かに超える値で回転する場合は、外側羽根車１９を載設して一体化した結合台１８が時計回りに回転を推進する、前記結合台１８と合体した主プーリー１７と、アイドラー軸１１に軸着したアイドラー９を、ベルト（１）で架け渡ししてアイドラー９を、設定値を遥かに超える値で時計回りに増速回転を推進し、その増速回転したアイドラー９と、出力軸１に固設した、従動プーリー１６を、ベルト（２）を架け渡して回転トルクを有しながら設定値を超える値で時計回りに推進しようとして働く、しかし、従動プーリー１６は、出力軸１に固設していて、その出力軸１は発電電動機３５が連接して既に定速回転をしている。従って従動プーリー１６の回転も定速回転され帰還制御アーム１０に埋設したアイドラー軸１１は、前記主プーリー１７と従動プーリー１６の歯数差と、垂直軸１の回転数を合成された数値による自転力が生じ、出力軸１を中心に帰還制御アーム１０は、過剰回転分を制動しながら遊星回転する。その結果、結合台１８の回転は制動しながら従動プーリー１６には伝達されず、外側羽根車１９の過剰回転を抑制して外側羽根車１９の破損を防護する。

１ 出力軸
２，上側水平回転翼
３，垂直羽根
４．偏向インペラー
５ 切頭円垂状のボス
６ 下側水平回転翼
７、フライホイル盤
８ 排出流
９ アイドラー
１０ 帰還制御アーム
１１ アイドラー軸
１２ 制御プーリー
１３ 回転増速部
１４ 帰還制御機構
１５ 翼を斜設
１６ 従動プーリー
１７，主プーリー
１８，結合台
１９，外側羽根車
２０，偏向羽根
２１．羽根車群
２２．乱流境界路
２３．ベルト（１）
２４．ベルト（２）
２５，ベルト（３）
２６，偏向インペラーの外周縁
２７，垂直羽根内周縁
２８，増速機構
２９，制御装置
３０．主軸受け
３１ 架台
３２ 下側水平回転翼の背面
３３．電動機
３４ 電動プーリー
３５ 発電電動機
３６ 排出口
３７ 下側水平回転翼の表面
３８ 螺旋流
３９．吸い込み口
４０ 垂直上昇気流
４１ 上側水平回転翼の背面
４２ ベアリング
４３ 頂上方向
４４ 結合部
４５ 翼後渦流
４６ 近寄り風速
４７ 双方が対峙
４８ ハブ

Claims (4)

1. 出力軸に固設したフライホイル盤に、切頭円垂状のボスを載設し、前記ボスに偏向翼を周設して偏向インペラーとする。また外側羽根車として、上側水平回転翼と下側の水平回転翼を、前記偏向インペラーと、乱流境界路を跨で、上・下二段分けて出力軸に軸着し、更に上側水平回転翼の先端と、下側の水平回転翼の先端に、垂直羽根を周設して外側羽根車を構設する。前記偏向インペラーと外側羽根車を、回転増速部で回転結合する増速機構と、帰還制御機構と、乱流境界路と、前記出力軸に連接した発電電動機を、それぞれを具備した事を特徴とするフィードバック型風車。
2. 請求項１記載の出力軸に固設した切頭円垂状のボスの底辺にフライホイル盤を固設し、前記ボスに、偏向翼を斜め掬い箆状に、複数枚周設して偏向インペラーを構設し、前記偏向インペラーの回転遠心力を、流体遠心運動に変換しながら垂直流に偏向して上昇し、前記上昇流を、出力軸に軸着した上側水平回転翼の背面に噴射して回転トルクに変換し、前記動作を繰り返して正帰還ループを構成した請求項１項の記載のフィードバック型風車。
3. 請求項２記載の出力軸に回転増速部を軸着し、前記回転増速部を介在して設けた、偏向インペラーの回転速度に「しきい値」を設定して、帰還制御機構が有する帰還制御アームの手段によって、前記偏向インペラーの回転速度を「しきい値」の範囲内に比例的に制御し、正帰還ループを構成する機構を特徴とした請求項１〜２項記載のフィードバック型風車
4. 請求項３記載の出力軸に固着した偏向インペラーの外周縁と、前記出力軸に軸着した外側羽根車の外周縁に周着した垂直羽根の内周縁を、一定間隔をあけた同心円状の区画と、前記区画の上部空間を排出口とし、下部空間を吸い込み口として乱流境界路を画成した事を特徴とする請求項１〜３項記載のフィードバック型風車。

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