JP2022105833A - 垂直軸型風車 - Google Patents

Abstract

【課題】風受部が破損しにくく、またコストも抑えることができる風車及び受風羽根を提供する。【解決手段】垂直軸型風車１は、垂直方向の軸を中心に回転する複数の受風ブレード２が周方向に配置されている垂直軸型風車であって、各受風ブレード２の端部を固定するリング６を有している。リング６の横断面は、内周側が複数の受風ブレード２の長さ方向の仮想延長線上、若しくは仮想延長線上よりも内側に向かって傾いている。【選択図】図１

Description

本発明は、垂直軸型風車に関する。

従来から様々なタイプの風車が実用化されている。風車は、横方向に回転軸を設けてこの回転軸を中心に放射状に羽根を取り付けて回転させる横軸型と、縦方向に回転軸を設け、この回転軸に対して略平行、つまり垂直方向に羽根を取り付けて回転させる縦軸型に大別される。

特許文献１には、縦主軸の周囲に所定の間隔をおいて縦長の羽根が配設される縦軸風車において、羽根の上下端部に縦主軸方向へ傾斜する傾斜部を形成し、羽根の弦長を、羽根の回転半径の４０％～５５％相当範囲の寸法に設定することが記載されている。

特許文献２には、回転体の周部に垂直に装着した風車の受風羽根が記載されている。受風羽根は取付支持体と受風部とで構成され、受風部は、正面において左側面は縦中央部から上下方向へ次第に薄く設定され、その状態で上下端縁部が左側方へ、それぞれ傾斜して傾斜部が形成されている。受風部は平面において、傾斜部ともども左側前縁部が膨出形成されて、後部へかけて次第に薄く設定され、回転時に、受風部左側（内側）面前縁部域に負圧が生じて、回転推力が前方内向きにかかる。

特許文献１記載の風車では、羽根の上下方向中央部の１か所に支持アームを設けて固定しようとすると、この支持アーム取付位置から遠ざかるにしたがって遠心力が大きくなり、外側への力が増大して破損し易くなる。そのため、特許文献１記載の風車では、回転軸と接続する支持アームを２か所に設ける構成となっており、これによりコスト高になるという問題があった。

特許文献２記載の風車では、受風部中央部の垂直部分では、支持アーム取付位置から遠ざかるにしたがって遠心力が大きくなり破損のおそれがあり、それを避けるため上下端縁部は肉薄に形成しなければならない。しかし、上下端縁部肉薄となることで破損し易くなる。

上記の課題を解決するために、本発明の出願人は特許文献３記載の発明を特許出願した。特許文献３記載の発明は、回転軸と支持アームを介して垂直方向に取り付けられた受風羽根とを有する風車であって、受風羽根の風受部が側面から見て円弧状になっていることを特徴とする。

特開２００６－１１８３８４号公報 特開２００４－２０４８０１号公報 特開２０１９－０７３９９３号公報

しかし、特許文献３記載の風車では、受風羽根の上端部や下端部が自由端になっていて、受風羽根に沿って流れる気流が受風羽根の上下端部において乱流が発生し、風車が回転する力が低減される。また、風車の回転で生じる遠心力に対する受風羽根の持久力に不安があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、受風羽根の端部における乱流を軽減するとともに、受風羽根の持久力を高めることができる垂直軸型風車を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る垂直軸型風車は、
垂直方向の軸を中心に回転する複数の受風ブレードが周方向に配置されている垂直軸型風車であって、
前記各受風ブレードは、長さ方向の両端部が前記軸に近づくように長さ方向に弧を描いていて、
前記各受風ブレードを長さ方向の両端部においてそれぞれ連結するリングを有し、
前記各リングは、前記軸方向に沿う断面が、前記受風ブレードの端部の描く弧に沿って弧を描くとともに、内面側が前記複数のブレードの長さ方向の仮想延長線上、若しくは仮想延長線上よりも内側に向かって傾いていることを主要な特徴とする。

本発明によれば、受風羽根の端部における乱流を軽減するとともに、受風羽根の持久力を高めることができる。

本発明に係る垂直軸型風車の実施形態を示す分解斜視図である。 前記実施形態中の受風ブレードを示す側面図である。 図２における線Ａ－Ａに沿う前記受風ブレードの断面図である。 前記受風ブレードの回転時の状態を示す平面模式図である。 前記受風ブレードが受ける風の流れを示す参考図である。 前記受風ブレードの仮想延長線とリングの内周側の角度関係を示す図である。

本発明に係る垂直軸型風車の実施形態について以下図面を参照して説明する。
図１において、垂直軸型風車１は、垂直方向の軸を中心に回転する３個の受風ブレード２を有する。各受風ブレード２は長さ方向の中央がセンターアーム３を介してアーム取付部４に連結されている。アーム取付部４は前記軸を中心に回転できるように、発電機５に直接取り付けられている。なお、アーム取付部４は、適宜の軸受を介して支持されてもよい。各受風ブレード２の長さ方向両端部すなわち上下両端部は、それぞれリング６で連結されている。

前記軸は適宜のベースから垂直に立ち上がっていて、前記軸の上端部にアーム取付部４が取り付けられている。各受風ブレード２が風を受けることによって生じる回転力は、センターアーム３を介してアーム取付部４に伝達される。アーム取付部４は円盤状に形成されており、その中心部に前記軸があり、アーム取付部４の外周部にセンターアーム３が取り付けられている。

受風ブレード２は、受風ブレード２の長さ方向中心位置の内面側に、アーム取付部４の方に向かう凸部２３ａを有している。凸部２３ａにはセンターアーム３の凸部３１の先端部が重ねられ、溶接、接着、ねじ固定、ビス止めなど適宜の結合手段によって凸部２３ａと前記凸部３１の先端部が結合され、各受風ブレード２がアーム取付部４に結合されている。なお、凸部２３ａと前記凸部３１の先端部が結合される方法は溶接、接着、ねじ固定、ビス止めなどに限られず、種々の方法により結合することができる。

センターアーム３は、図１に示すように、横断面が紡錘形状に形成されており、その一端側、具体的には受風によるセンターアーム３回転方向前端側の肉厚が厚く、後端側は肉薄に形成されている。
センターアーム３の内端側は、発電機５の回転子５１に結合されていている。
センターアーム３は、横断面が紡錘形状に形成されているが、膨らみが大きい方が垂直軸型風車１の鉛直方向上側、膨らみが小さく平面に近い方が垂直軸型風車１の鉛直方向下側となるように形成されている。
なお、センターアーム３の横断面は、鉛直方向上側が鉛直方向下側よりも膨らんでいればよい。

発電機５はアーム取付部４に取り付けられ、発電機５の回転中心軸は、図１に示すように、垂直軸型風車１の中心軸上にある。回転子５１の内側に固定子５２を有し、固定子５２は固定の支持軸に結合される。発電機５は、図１に示すようにケース５３を備えている。

このように、本実施形態では、前記軸は固定軸であって、この固定軸に発電機５の固定子５２が結合され、回転子５１が軸受を介することなくアーム取付部４に直接回転可能に取り付けられている。前記軸は回転軸であってもよく、この場合は発電機５の回転子５１とアーム取付部４が回転軸に結合される。発電機５は、垂直軸型風車１の中心軸上であって、垂直軸型風車１の上下方向の略中央に取り付けられる。なお、回転子５１をアーム取付部４に直接取り付けることなく、適宜の軸受を介して回転可能に支持してもよい。また、発電機５は、垂直軸型風車１の中心軸上であればどの位置にあってもよい。

前記リング６は、図１に示すように、３個の受風ブレード２の長さ方向上側端部と下側端部においてそれぞれ３個の受風ブレード２を連結している。図６に示すように、前記軸方向に沿う断面すなわち縦方向の断面が、受風ブレード２の端部の描く弧に沿って弧を描くとともに、内面側が前記複数のブレードの長さ方向の仮想延長線上よりも内側に向かって傾いている。なお、前記リング６は、内面側が前記複数のブレードの長さ方向の仮想延長線上に向かっていてもよい。

受風ブレード２は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の中空体で、図２に示すように風受部２１と、この風受部２１とは反対面である裏面側に設けられた取付支持部２３を有している。風受部２１は、図２に示すように側面から見たときに、上下の両端部に向って前記軸に近づくように長さ方向に弧を描き、全体として緩やかな円弧状に形成されている。そのため、３個の受風ブレード２が風を受けて一体になって回転すると、緩やかな曲面を有する紡錘形の回転軌跡を描く。

風受部２１は、図２に示すようにその肉厚が中央部から先端部近傍にかけて徐々に薄くなっている。風受部２１の幅は、図２に示すように、中央部から両先端部近傍までが徐々に狭まっている。なお、風受部２１は、その肉厚が中央部から先端部近傍までが全体的に均一となっていてもよい。また、風受部２１の幅は、中央部から両先端部近傍までが全体的に略同じ幅となっていてもよい。

風受部２１は、図３及び図４に示すように、横断面が紡錘形状に形成されており、その一端側、具体的には受風による受風ブレード２の回転方向前端側の肉厚が厚く、後端側は肉薄に形成されている。そして、図４において一点鎖線で示す受風ブレード２の回転円周に対して、風受部２１の肉厚の先端部が内側すなわち回転中心側に近づき、肉薄の後端部が外側すなわち回転中心から遠ざかる向きに傾斜させてセンターアーム３に取り付けられている。なお、受風ブレード２のこのような構成は任意であって、回転方向の先端部と後端部が受風ブレード２の回転円周上に位置していてもよい。また、受風ブレード２は回転円周に対して、風受部２１の肉厚の先端部が内側すなわち回転中心側に近づき、肉薄の後端部が外側すなわち回転中心から遠ざかるようにプラスマイナス４度以内で傾斜させてセンターアーム３に取り付けられていてもよい。

本実施形態では、図４に示すように、受風ブレード２の回転円周に対する受風ブレード２の内側の面と外側の面が曲面を描き、内側の面が凹面、外側の面が凸面になっている。そして、凹面が凸面に比べて緩やかな曲面になっていて、飛行機の主翼の断面に似た断面形状になっている。

風受部２１の両先端部２２は、図１に示すようにリング６と結合できるように形成されている。具体的には、図１に示す上部のリング６の場合、リング６の鉛直方向下側に風受部２１の先端部２２を結合させる。図１に示す下部のリング６場合、リング６の鉛直方向上側に風受部２１の先端部２２を結合させる。
図１に示す垂直軸型風車１の場合には、リング６に対して受風ブレード２が３つ結合させるように示されているが、リング６に対する受風ブレード２の数は３個より多くても３個より少なくてもよい。
風受部２１と両先端部２２の結合構造は、風受部２１と両先端部２２を結合可能であれば任意の構造を使用することができる。

図６に示すように、風受部２１の両先端部２２から延びる仮想延長線上よりもリング６の内側が水平方向に傾いている。この構成により、風受部２１の先端での乱流の発生を抑制することができる。
なお、この両先端部２２の形状は、リング６と結合することができる形状であればよい。また、風受部２１の両先端部２２から延びる仮想延長線上にリング６の内側が形成されていてもよい。

また、風受部２１の裏面側には、図１に示すように取付支持部２３が設けられている。この取付支持部２３は風受部２１の裏面中央部から突出する凸部２３ａが形成されている。一方で、センターアーム３の先端凸部３１は、凸部２３ａの上部に重ね合わさる形で結合されている。

凸部２３ａとセンターアーム３の先端凸部３１との結合構造は、溶接、接着、ねじ固定などから任意の構造を選択してよい。一例として、図３に示すように、センターアーム３に風受部２１を取り付けるためのビス穴２３ｃが凸部２３ａに複数個所に（図示では４個）形成されていてもよい。このビス穴２３ｃにビスを通して、センターアーム３に固定することで、風受部２１をセンターアーム３に取り付けられるようになっていてもよい。

上述の実施形態の垂直軸型風車１の作用および効果を以下に説明する。図４に示すように、受風ブレード２に対して風が当たることにより、肉厚に膨らんだ先端部から肉薄の後端部に向けて気流が発生する。これにより、受風ブレード２の表面が直線的な内側と、内側より表面が膨らんだ外側の気流の速さの違いにより、受風ブレード２に図示のような揚力が発生する。
この揚力が、受風ブレード２をその先端部側へ向けて回転する回転力として作用し、垂直軸型風車１全体が回転する。

受風ブレード２が正面から風を受ける状態に位置する場合、飛行機の羽根と同じように、羽根の外側の気流が早くなり、負圧が発生するため受風ブレード２の外側に揚力が発生し、回転力となる。
この垂直軸型風車１の回転が回転軸を通じて、発電機５などを駆動することができる。

複数の受風ブレード２がリング６によって結合されているため、遠心力による垂直軸型風車１の破損を防止することができる。さらに、リング６の横断面は図６に示すように、内周側が複数の受風ブレード２の長さ方向の仮想延長線上、若しくは仮想延長線上よりも内側に向かって傾いているため、飛行機の翼に採用されているウイングレットのような効果を奏し、受風ブレード２の先端で発生する乱流を低減することができる。

このように、本実施形態によれば、複数の受風ブレード２の先端同士をリング６により結合することで、遠心力等により垂直軸型風車１が破損しにくい構造となっており、コストも抑えることができる。さらに、リング６の断面は、受風ブレード２の長さ方向の仮想延長線よりも内側に向かって傾いているため、受風ブレード２の先端部による乱流が抑制され、垂直軸型風車１が回転効率の低減を防ぐことができる。

また、センターアーム３の断面が、センターアーム３の回転方向前方が膨らんでいる形状を有することで鉛直方向上側に向かって揚力が発生するため、垂直軸型風車１にかかる重力等による負荷を低減することができる。これにより、垂直軸型風車１の故障率を低減することができる。

また、羽根全体が円弧状に形成されているため、その応力がどこか一カ所に集中することがなく、破損しにくい構造となっている。

また、受風ブレード２全体を長さ方向において円弧状とし、長さ方向の中心から長さ方向両端に向かうに従い回転中心に近づけたことで、長さ方向両端部の遠心力を小さくすることができ、その点でも破損がしにくく、コストも抑えることができる。

上述の各実施形態では、受風ブレード２は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）の中空体により構成したが、アルミなどの金属、木材または樹脂であってもよい。また受風ブレード２は中実であってもよい。

本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した各請求項に係る発明の技術的範囲を逸脱しない範囲で適宜設計変更をすることができる。

１ 垂直軸型風車
２ 受風ブレード
３ センターアーム
４ アーム取付部
５ 発電機
６ リング
２１ 風受部
２２ 両先端部
２３ 取付支持部
２３ａ 凸部
２３ｃ ビス穴
３１ 凸部
５１ 回転子
５２ 固定子
５３ ケース

Claims (8)

1. 垂直方向の軸を中心に回転する複数の受風ブレードが周方向に配置されている垂直軸型風車であって、
   前記各受風ブレードは、長さ方向の両端部が前記軸に近づくように長さ方向に弧を描いていて、
   前記各受風ブレードを長さ方向の両端部においてそれぞれ連結するリングを有し、
   前記各リングは、前記軸方向に沿う断面が、前記受風ブレードの端部の描く弧に沿って弧を描くとともに、内面側が前記複数のブレードの長さ方向の仮想延長線上、若しくは仮想延長線上よりも内側に向かって傾いている垂直軸型風車。
2. 前記リングは、前記複数の受風ブレードを長さ方向上側端部と下側端部において連結するリングである、
   請求項１記載の垂直軸型風車。
3. 前記受風ブレードは、風受部を有し、
   前記風受部は、横断面が紡錘形状に形成され、前記受風ブレード回転方向前端側の肉厚が厚く、後端側は肉薄に形成されている、
   請求項１または２に記載の垂直軸型風車。
4. 前記風受部の肉厚は、前記受風ブレードの長さ方向中央部から先端部にかけて徐々に薄くなっており、
   前記風受部の幅は、前記受風ブレードの長さ方向中央部から先端部かけて徐々に狭まっている、
   請求項３記載の垂直軸型風車。
5. 前記複数の受風ブレードの長さ方向中心部を互いに結合するセンターアームを有し、前記センターアームは横断面が回転方向前端側に向かって膨らんでいる、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の垂直軸型風車。
6. 前記センターアームは、前記センターアームの横断面の膨らみを有する方を鉛直方向上側となるように形成されている、
   請求項５記載の垂直軸型風車。
7. 各前記センターアームの内端側は、発電機の回転子に結合されている、
   請求項５又は６記載の垂直軸型風車。
8. 前記発電機は、前記回転子の内側に固定子を有し、前記固定子は固定の支持軸に結合されている、
   請求項７記載の垂直軸型風車。
   

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