JP4035537B2 - 垂直軸風車等の垂直軸駆動装置およびこれを用いた発電装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は気流あるいは水流によって回転駆動される垂直軸駆動装置に関する。
背景技術
風力エネルギーは、近年地球環境問題の重要性が増してくるとともに、クリーンエネルギーとして脚光を浴びるようになり、各種の風車の開発、研究が行われている。それらの風車の中で、抗力形垂直軸風車は風向制御が不要で、プロペラ形などの水平軸風車に比べ騒音、景観への影響、日射の間歇的な遮断などの環境への影響が少ないため、一般家庭や、ビルの屋上などに小規模な発電装置として設置するのに適している。しかし、抗力形の垂直軸風車はトルクは大きいが回転数が低くエネルギー変換効率も低いため、サボニウス形を除きあまり実用化されておらず、特に発電用としてはほとんど利用されていない。
抗力形垂直軸風車の上記の利点を生かして、小規模の発電施設等に活用するためには、出力の向上が不可欠であり、抗力形垂直軸風車の中で最も実用化されているサボニウス形風車については、いくつかの改良案が提案されている。
たとえば、特開平１１−６２８１３には、サボニウス形風車の回転翼の外側に固定翼を設置することにより、より多くの風を回転翼に導入するとともに、風による回転翼の抵抗を減らす方式が開示されている。
また、特開２００１−２８９１５０には、サボニウス形風車本体の外方に一または複数の移動回転可能なリフレクターを設置することにより風の流れを調節し、出力の向上と安定化を図る方式が開示されている。
しかしながら、特開平１１−６２８１３に開示されている、サボニウス形の風車の外側に固定翼を接近して配置した方式の場合には、固定翼から流入した気流の一部が回転翼の進行方向側の面に衝突し、回転を妨げる力を発生する。逆に、特開２００１−２８９１５０に記載されているようにリフレクターを回転翼から離して配置した場合には、風車の直径に比べ装置全体の大きさが大幅に大きくなる。
また、サボニウス形風車において、半円筒状の回転翼の重なり部分が小さい場合には、負荷の増加により周速比が小さくなると、回転翼の受風側の面に気流の滞留が生じ、上流側の回転翼に回転を妨げる力を及ぼす。これを避けるため、回転翼の重なり部分を大きくすると風車直径に比べて回転翼が大きくなり、回転翼の重量が増加するなどのマイナス要因が生じる。
このように、回転翼としてサボニウス形を用いた場合には、固定翼で遮風、集風し、整流した気流を効率的に回転力に変換することが出来ず、大幅な出力の増加は困難であるという課題があった。たとえば、特開２００１−２８９１５０に記載されている方法による場合には、サボニウス形風車の上流側に風車直径の1/2幅のリフレクターを2枚設置し、その位置および角度を最適に調節しても、出力の増加は最大で50％程度であり、リフレクターの設置により装置が全体的に大きくなったことを考慮すると、出力の実質的な増加はあまり大きくはない。
また、抗力形垂直軸風車の場合に、回転数制御、および強風時の風車の破損防止を自動的に行う方法として、サボニウス形の風車の外側に設置したリフレクターの位置および角度を電動で制御する方式が上記公報で開示されているが、リフレクターの移動、回転のための電力、モータ、風向検知部、風速検知部および制御装置等が必要となり装置が複雑になるという課題がある。
そこで、本発明はこれらの課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、従来、垂直軸風車の中で最も実用化されているサボニウス形風車に比べて格段に大きな出力を得ることができ(特に高負荷時)、また回転を制御することによって、強風時の風車の破損防止を外部動力なしに自動的に行うことができる垂直軸駆動装置を提供するにある。
なお、風力エネルギー等の自然エネルギーを利用する装置としては風車の他に水流を利用するものとして水車も従来から利用されている。水車の場合も風車と同様に、水流を効率的に利用することが求められるものであり、海流や潮汐を利用する水車としては同様な課題がある。
本明細書においては、気流あるいは水流といった自然エネルギーを利用して垂直軸回転力を得る装置として垂直軸駆動装置という用語を使用している。
発明の開示
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を備える。
すなわち、中心軸の周方向に均等に４個の回転翼が配置され、これらの回転翼が前記中心軸と一体に周回移動可能に設けられた垂直軸駆動装置であって、前記４個の回転翼は、平板形に形成された1枚のブレードを備え、該ブレードの取付角βを３０〜４５度とするとともに、各々の回転翼のブレードを、ブレード面の延長線が隣接する回転翼のブレード面と略直交する配置とし、隣接するブレードの間隔ｄを、シリンダー部内の気流速度U₀、回転翼と回転翼の間の気流速度U₀’、回転翼の速度 Vt 、ブレードの横幅Ｗとしたとき、式d ＝Ｗ(1−Vt/U₀)/(U₀’/U₀)によって求められる間隔以上となるように配置し、前記４個の回転翼が周回移動する回転領域であるシリンダー部の外周囲に、取付角αを４０度とした案内羽根を、周方向に均等間隔に複数枚配置した固定翼部を設けたことを特徴とする。
また、中心軸の周方向に均等に４個の回転翼が配置され、これらの回転翼が前記中心軸と一体に周回移動可能に設けられた垂直軸駆動装置であって、前記４個の回転翼は、パドル形あるいはサボニウス形垂直軸風車で用いられている半円筒状に形成されたブレードよりも曲率を小さく設定した浅皿（小曲率）凹面板形に形成されたブレードを備え、該ブレードの取付角βを３０度とするとともに、各々の回転翼のブレードを、ブレードの前縁間を結ぶ平面の延長線が隣接する回転翼のブレードの前縁間を結ぶ平面と略直交する配置とし、隣接するブレードの間隔ｄを、シリンダー部内の気流速度U₀、回転翼と回転翼の間の気流速度U₀’、回転翼の速度 Vt 、ブレードの横幅Ｗとしたとき、式d ＝Ｗ(1−Vt/U₀)/(U₀’/U₀)によって求められる間隔以上となるように配置し、前記４個の回転翼が周回移動する回転領域であるシリンダー部の外周囲に、取付角αを４０度とした案内羽根を、周方向に均等間隔に複数枚配置した固定翼部を設けたことを特徴とする。
この構成によれば、ブレードに衝突した気流あるいは水流が隣接する回転翼のブレードに再度衝突し、気流あるいは水流の利用効率が最大になる。また、案内羽根により気流または水流を整流して前記回転翼に誘導する固定翼部を設けたことにより、さらに効率的に流体による回転駆動力を得ることができる。
また、前記４個の回転翼は、平板形に形成した前記ブレードの進行方向側または受風側に、これと非平行に一または複数の平板形の副ブレードが配置された非平行複葉板形に設けられていることにより、回転と逆方向の力の発生を防ぎつつ、ブレードの総面積を増大させて流体の運動エネルギーの利用効率を向上させ、さらに大きな出力を得ることができ、高負荷時の出力性能を向上させることができる。
また、前記４個の回転翼は、前記浅皿（小曲率）凹面板形に設けられたブレードの進行方向側または受風側に、これと非平行に一または複数の浅皿（小曲率）凹面板形に形成された副ブレードが配置された非平行複葉凹面板形に設けられていることにより、回転と逆方向の力の発生を防ぎつつ、ブレードの総面積を増大させて流体の運動エネルギーの利用効率を向上させ、さらに大きな出力を得ることが可能となる。
なお、本発明は発電装置以外に、風力船の動力、下水処理場での曝気装置、撹拌装置の動力、ダム湖への揚水の動力等に利用することができる。
本発明の垂直軸駆動装置が備える回転翼、固定翼部および回転制御装置は以下のような構成および作用を有するものである。なお、垂直軸駆動装置は中心軸を鉛直方向に向けて設置する方法が一般的であるが、設置場所等に応じて中心軸を鉛直方向から適宜傾けて設置することも可能である。なお、以下では、風車を主体にして説明するが、水車の場合にもまったく同様の構造が適用できる。
（１） 回転翼の配置について
従来のパドル形等の抗力を利用した垂直軸風車においては、図８Ｂに示すように、ブレードはその面の方向（ブレードの前縁間を結ぶ平面の方向をブレードの面の方向という）が中心軸を中心とする径方向と同一の方向となるように配置されている(放射状配置)。
これに対し、本発明では図３および図８Ａに示すように、各回転翼のブレードの面の方向は中心軸を中心とする径方向に対して斜交（角度β）して配置されており、ブレードの面を延長すると隣接するブレードの前面と交差するように回転翼が配置されている(多点交差形配置)。回転翼の数が２個の場合には、受風面を凹面とし、受風面を接線方向に延長した面が隣接する回転翼と交差する配置とする。特に４個の回転翼を多点交差形に配置した場合には、それぞれのブレード面の延長線が隣接する回転翼のブレード面と直交する配置（図８Ａ）となり、気流の利用効率が最大となる。すなわち、図９Ｄに示すように、４個の回転翼を多点交差形配置とした場合には、ブレードに衝突し、中心軸方向に流れを転じた気流は、回転方向に隣接するブレードに衝突し、風車外に流出するまでブレードと多数回の衝突を繰り返し、そのつど回転翼に回転力を与えるため大きな出力が得られる(多重衝突効果)。これに対して、図９Ａ―Ｃは、ブレードを放射状配置とした例で、この場合は、ブレードに衝突した気流が隣接するブレードに衝突する作用は生じないか、多重衝突の作用は小さく、本発明にくらべて風車の出力は小さくなる。
また、ブレードの横幅（弦長）、ブレード間の間隔を放射状配置と同一条件とした場合、放射状配置に比べ、本発明の場合は回転翼の直径が小さくなり、装置の小型化を図ることができる。図９Ｃが放射状配置、図９Ｄが多点交差形配置である。
また、回転翼の外側に固定翼部を配置し、集風、整流した気流を多点交差形配置回転翼に衝突させることにより、従来、垂直軸風車の中で最も実用化されているサボニウス形風車に比べ，格段に大きな出力を得ることができ、また、風向変動が激しい場合にも安定した出力を得ることができる。
（２） 多点交差形配置の実現方法について
多点交差形配置を実現するには、中心軸を中心とする円周上に等間隔に配置された遊星軸を、中心軸に固定した支持アームにより回転自在に支持し、遊星軸にブレードを固定し、ブレードの面の方向がブレードの中心と中心軸を通る面に対して所定の角度になるように設定すればよい。図８Ａに示すように、ブレードと中心軸を通る面（中心軸を中心とする径方向）に対してブレードの面がなす角度をβとすると、βが０度の場合は従来形の配置(放射状配置)となる。
（３） 固定翼部について
固定翼部は、中心軸のまわりに周回移動可能に設けられた回転翼の移動領域の外周囲に配置された複数枚の案内羽根および案内羽根の上下に設置された傾斜板から構成される。
案内羽根は、回転翼外周の接線に対して一定の角度α（図１２に示すように、４０度前後が効率的である）をなすように配置され、回転翼が風向きと逆方向に回転する領域については風を回転翼から遮蔽し、回転翼の回転方向が風向きと同じ領域に誘導する作用をなす。固定翼部はこのような遮風、集風効果にあわせて気流を整流する効果を有するものであり、固定翼部を設けずに、単に風車を大気中に設置した場合に比べて、より強い整流された気流を回転翼に衝突させることが可能になる。
また、案内羽根の上下に設置した傾斜板は、回転翼よりも上方または下方から固定翼に流入した風をブレードまで誘導するように作用し、回転翼の回転力の向上に寄与する。
なお、固定翼部を設置する方法としては、案内羽根３０を回転開閉可能に支持して角度調節して固定する方式、案内羽根３０を傾斜板３２ａ、３２ｂに嵌め込んで固定する方式、案内羽根３０をねじによって固定する方式等を利用することができる。
（４） 回転翼部の構造について
回転翼部は下記の（Ｉ）、（II）の条件をともに満足する構造を有する。
（Ｉ）固定翼部から流入した気流をすべて回転翼の回転領域（シリンダー部）に導入し、ブレードとの衝突率を高めるため、固定翼部の内端面位置との間隔を可能な限り狭くする高衝突率構造。
（II）ブレードに衝突して方向を転じた気流がブレードの受風面に滞留して風上側の回転翼に回転方向と逆向きの力を及ぼすことを抑えるため、中心軸側で回転翼相互間にある程度間隔を設けるようにする非滞留構造。これらの構成を図９Ｄに概念的に示す。
上記（Ｉ）のように高衝突率構造とした場合に、回転翼の速度が、回転翼が配置されているシリンダー部内での気流速度の１/nとなっている場合には、回転翼の前面で滞留が起きないようにするには、ブレードに衝突した気流の（1−1／n）が回転翼と回転翼の間を通過することが必要である。すなわち、非滞留構造とするためには、隣接する回転翼間の間隔ｄとブレードの横幅（弦長）Ｗが、大略、次の関係を満たすようにすることが必要である。
（１−Ｖ_ｔ／Ｕ₀）ＷＵ₀＝ｄ（Ｕ₀’）
ここで、Ｕ₀：シリンダー部内の気流速度、Ｕ₀’：回転翼と回転翼の間の気流速度、Ｖ_ｔ：回転翼の速度。
したがって、回転翼間の間隔ｄは、次式で求められる値を目安にして設定する。
ｄ＝Ｗ（１−Ｖ_ｔ／Ｕ₀）／（Ｕ₀’／Ｕ₀）
ただし、Ｖ_ｔ／Ｕ₀＝１／ｎおよび、Ｕ₀’／Ｕ₀の値は、設計時の目標値を用いる。
（５） 回転翼の形状について
回転翼は下記のｉ〜ｖのような種々の形状のものを選択することができる。
ｉ： 平板形、ii：非平行複葉板形、iii：浅皿（小曲率）凹面板形、iv：非平行複葉凹面板形、ｖ：浅皿（小曲率）サボニウス形
図１０Ａ−Ｅにこれらの回転翼の形状を示す。図１０Ａは平板形、図１０Ｂは非平行複葉板形、図１０Ｃは浅皿（小曲率）凹面板形、図１０Ｄは非平行複葉凹面板形、図１０Ｅは浅皿（小曲率）サボニウス形の例である。これらの回転翼の構成のうち最も高い出力が得られる回転翼の形状は、非平行複葉凹面板形である。
回転翼の数は、上記ｉ〜ivの場合は４個、ｖの場合は２個または３個とするのが風エネルギーの利用効率の点から適当と考えられる。
なお、非平行複葉板形の回転翼は、図１０Ｆに示すように、ブレードＰ１の進行方向側（又は受風側）に、これと非平行に副ブレードＰ２を一枚以上設置することにより、回転方向と逆向きの力が回転翼に作用することを防ぎつつ受風総面積を大きくし、気流の利用効率および整流機能を向上させる構成としたものである。
進行方向側に配置した副ブレードＰ２は、この副ブレードＰ２の受風面（ブレードＰ１に対向する面）および進行方向側の面（ブレードＰ１に対向する面と反対面）を流れる気流の、ブレードの前端縁と後端縁とにおける通過断面積の比率が等しくなるように、すなわち、図１０Ｆに示す例では、ａ：ｂ＝ａ’：ｂ’となるように、ブレードの配置および向きを設定することによって、回転翼に回転方向と逆方向の力が発生することを防ぐことができる。
また、ブレードＰ１と副ブレードＰ２との前端縁の間隔は、固定翼の案内羽根の間隔と一致させることが効率的である。
回転翼を非平行複葉板形とすることにより、固定翼から流入した気流がブレードに衝突せずにシリンダー部内を通過、流出する割合を低下させることができ、これによって気流の利用効率を向上させることができる。また、複葉板間に気流を通過させるようにすることで下流側の回転翼に気流を整流して誘導することができ、これによって大きい衝突力を発生させ、出力を増大させることができる。非平行複葉板形は、とくに、大型の風車で、回転翼間の距離が大きくなる場合に有効となる。
浅皿（小曲率）凹面板形および浅皿サボニウス形の回転翼は、パドル形風車あるいはサボニウス形風車で用いられている半円筒状の回転翼の曲面の曲率を小さくし、固定翼から流入した気流が半円筒状の回転翼の凸面側に衝突して回転方向と逆方向の力が生ずるのを防ぐように考案された回転翼の形式である（図１０Ｃ，１０Ｅ）。図１０には曲面板の回転翼が例として示されているが、平面板の組み合わせにより凹面を形成したものを用いることも可能である。
（６） ブレードの角度と風車出力の関係について
本発明に係る多重衝突形風車の回転翼の角度βと風車出力との関係を測定した結果を図１１に示す。実験は、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す中心軸のまわりに４個の回転翼を配置した平板形と非平行複葉板形の場合、図１０Ｃで浅皿凹面板形のかわりに半円筒形とした場合、および一般的な２枚羽根のサボニウス形（オーバーラップ比：０．５）について測定した。
図１１は、ブレードの取付角βを変え、風車の回転を妨げる一定の負荷を相対値で１、２、３．５倍に変化させて中心軸に加えた場合についての測定結果を示す。半円筒形、平板形、非平行複葉板形については、いずれも固定翼部（案内羽根３０の長さ＝回転翼直径／３、以下同様）を取り付けた状態での測定結果である。ブレード取付角βとは、中心軸を中心とする径方向とブレードの前縁間を結ぶ面とがなす角度（図３に示す）である。
測定によると、風車出力のブレードの取付角βに対する依存性が最も大きいのは非平行複葉板形で、角度依存性が最も小さいのは 半円筒形であった。これら２種類のブレードの場合にはブレードの取付角βを３０度前後にした場合に最も出力が大きくなり、平板形の場合には３０〜４５度とした場合に最も出力が大きくなった。いずれの場合も、取付角βを出力が大きくなる角度に設定することによって、サボニウス形風車に比べて大幅に大きい出力が得られた。
図１２に、上述した４種の回転翼（平板形、半円筒形、非平行複葉板形、サボニウス形）について、固定翼部の案内羽根３０の取付角αを変えた場合の風車出力の変化を示す。なお、案内羽根の取付角αとは、回転翼外周の接線と案内羽根とのなす角（図３に示す）をいう。
図１２は、風速３．０ｍ／sec、ブレード取付角βを３０度（サボニウス形は０度）とした場合に、サボニウス形風車（固定翼部なし）の出力Ｐｓに対する各風車の出力の比率Ｐ／Ｐｓが、案内羽根の取付角αによってどのように変動するか測定した結果を表したグラフである。
図１２の測定結果は、案内羽根の取付角αが４０度前後の場合に最も大きな風車出力が得られることを示している。
図１３、１４は、回転翼のブレード取付角βを３０度、固定翼の案内羽根取付角αを４０度とした場合の風車出力の測定結果で、図１３は４種の回転翼（平板形、半円筒形、非平行複葉板形、サボニウス形）について、周速比（風車の翼端の速度／風速）λと風車出力の関係を示したものである。
図１４は、サボニウス形風車（固定翼なし）の出力Ｐｓに対する各風車の出力の比率Ｐ／Ｐｓを６種の回転翼（平板形、半円筒形、浅皿凹面板形、非平行複葉板形、非平行複葉凹面板形、サボニウス形）について示したものである。
２回行った測定で、値に多少の違いはあるが、平板形より浅皿凹面板形の方が、また単一板形よりも非平行複葉板形の方が風車出力が大きく、これら６種の回転翼のうちでは、非平行複葉凹面板形の場合に最も大きい風車出力が得られる。
（７） 回転制御装置について
図１１に示すように、風車の出力は回転翼のブレード取付角βに依存して変化する。この関係を利用すると、回転翼の回転速度が一定速度以上となった際に、回転速度に応じて、中心軸を中心とする径方向に対してブレードの面がなす角度を大きくさせ、ブレードに作用する抗力を低減させることによって回転翼の回転速度を抑制させることができる。ブレードの面の角度を調節する方法としては、電動モータ等の制御装置によりブレード面の角度を調節する方法や、回転翼が回転することに伴って発生する遠心力を利用する方法等が利用できる。遠心力を利用する方法は、風車の回転エネルギーをそのまま利用できる点で有効である。
ブレード取付角βは通常は３０〜４５度に設定されるが、回転制御装置は風速が一定以上になった際にはブレード取付角βをこれらの初期設定値よりも大きくするように制御する。図１５は、ブレード取付角βが９０度の場合を示す。回転制御装置を設けた場合は、風速が増大するとともにブレード取付角βが大きくなり、図１５の配置に近づいていく。それに伴いブレードに働く抗力が減少するため、風速が大きくなっても回転数が一定に保たれる。回転制御装置を設けることにより、強風が吹いたような場合に風車が損傷を受けないようにすることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明に係る垂直軸駆動装置を垂直軸風車に適用した実施形態について、添付図面にしたがって詳細に説明する。
図１は、垂直軸風車を用いた発電装置の一実施形態の構成を示す斜視図、図２は側面図である。本実施形態の垂直軸風車は、回転翼が周回移動可能に配置されたシリンダー部Ａと、シリンダー部Ａの外周囲に配置した固定翼部Ｂと、回転翼の回転数を制御する回転制御装置Ｃと、発電装置部Ｄとを主要な構成部分とする。
本実施形態の垂直軸風車では、図１に示すように、シリンダー部Ａ内に４個の回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを配置し、これらの回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを、中心軸１２に固定した支持アーム１４に回転自在に支持している。
支持アーム１４は、中心軸１２を中心として周方向に９０度間隔となる配置で、中心軸１２の軸線方向に対し直交する向きに延設し、４個の回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを中心軸１２の周方向に均等間隔となるように支持している。
図２に、中心軸１２の上下に各々設けた支持アーム１４に回転自在に遊星軸１５を設け、回転翼８ａ、８ｃを幅方向の中央位置で遊星軸１５に支持した構成を示す。各々の回転翼を支持する遊星軸１５は中心軸１２から等距離に設けられている。回転翼８ｂ、８ｄを遊星軸１５に支持する構成についてもまったく同様である。
各々の回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、ブレード１０と、ブレード１０の上下に固定した上下円盤１１ａ、１１ｂとから構成されている。本実施形態ではブレード１０を平板によって形成しているが凹面板によって形成してもよい。また、前述したように、複数枚のブレードを上下円盤１１ａ、１１ｂ間に非平行となる配置で支持して回転翼を構成することも可能である。
回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄのブレード１０は、図３、図８に示すように、その面の方向を中心軸１２を中心とする径方向に対して角度βをなすように配置する。
このように、ブレード１０の面の方向を中心軸１２を中心とする径方向に対して角度βをなすように支持する方法として、本実施形態ではブレード１０を支持する遊星軸１５の上端に遊星軸ベベルギア１６を固定し、この遊星軸ベベルギア１６と、支持アーム１４に回転自在に軸支したベベルギアシャフト１７の一端に取り付けられたベベルギア１８ａと、を歯合させてブレード１０の面の方向を規定している。
ブレード１０は中心軸１２の回りを周回する際に、その面の方向を中心軸１２を中心とする径方向に対して常に所定の角度となるように設定しておく必要がある。本実施形態においては、ベベルギアシャフト１７の他端に取り付けたベベルギア１８ｂを、中心軸１２の上部に外挿したブレード制御軸２０の下端に取り付けたブレード制御ベベルギア２２に歯合させ、常時はブレード制御ベベルギア２２が中心軸１２と一体に回転することによって、ブレード１０の面の方向が常時、角度βを保ちながら周回移動するようにした。
前述したように、ブレード１０の面の方向が中心軸１２を中心とする径方向に対してなす角度βは、最も高い回転効率が得られるように、平板形の場合は３０〜４５度程度とし、平板形以外の場合は３０度前後にする。このように、ブレード１０の面の方向を中心軸を中心とする径方向に対して角度をなすように設定することによって、ブレード１０の面を延長すると隣接する回転翼と交差する多点交差形配置の風車となる。
回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが回転するシリンダー部Ａは、図２に示すように、上板２４、底板２５、基板２６および支柱２７により、シリンダー部Ａの上下面を遮蔽するようにして支持されている。上板２４と基板２６は円板状に形成され、側面部分は全面が開放している。
この上板２４と基板２６とで挟まれたシリンダー部Ａの外周囲には、平板状に形成された案内羽根３０が周方向に所定間隔で配置された固定翼部Ｂが設けられている。３２ａ、３２ｂは上板２４と基板２６の全周にわたって設けた傾斜板である。この傾斜板３２ａ、３２ｂは回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄよりも上方あるいは下方から固定翼に流入した風を回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに導入するように設けたものである。すなわち、本実施形態では、回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの高さに対応した受風面積よりも上下に広い受風面積（導入面積）が得られるようにして、より効率的に風を取り込むことができるようにしたものである。
案内羽根３０は上板２４と基板２６との間を上下に連結するように設け、装置風車に流入する風をシリンダー部Ａ内に取り込む作用をなす。
図３に実施形態での案内羽根３０の配置を示す。本実施形態では、１６枚の案内羽根３０をシリンダー部Ａの周方向に配置している。各々の案内羽根３０は回転翼外周の接線方向（シリンダー部Ａの外周部の接線方向）に対して約４０度の角度をなす配置としている。このように案内羽根３０を傾斜させる配置としているのは、シリンダー部内に配置されている回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに対して、回転翼をより効率的に回転させる方向に気流を集めるように誘導するためである。すなわち、回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを回転させる方向に対しては気流があたるように誘導するとともに、回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの回転を妨げる方向に対しては気流があたらないように遮蔽する作用をなす。
本実施形態では、案内羽根３０を１６枚配置しているが、案内羽根３０の設置枚数はとくに限定されるものではなく、風車が大きくなった場合には増やすなど、風車の大きさ等に応じて最も効率的な枚数とすればよい。
案内羽根３０は集風作用、遮風作用とあわせて気流を整流する作用を有し、固定翼部を設けずに、単に、回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを大気中に設置した場合にくらべて、より強い整流された気流を回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに衝突させることが可能になり、風車の出力を向上させることが可能になる。
また、案内羽根３０の上下に設置した傾斜板３２ａ、３２ｂにより、回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄよりも上方あるいは下方から固定翼に流入した風も、回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄまで誘導され、風車の回転に寄与する。
なお、図２の右半部には、固定翼部の上下の傾斜板３２ａ、３２ｂの中間に所定間隔をあけて整流板３３を設置し、さらに回転翼８ｃに整流板１３を設置した例を示す。図４は、回転翼に整流板１３を設けた状態を斜視図によって示している。整流板１３は上下円盤１１ａ、１１ｂと平行に、ブレード１０を前後に挟む配置で上下円盤１１ａ、１１ｂと同形の円板状に形成されている。固定翼部に設ける整流板３３は内端部の高さ位置が回転翼８ｃに設けられた整流板１３と一致するように設けられ、固定翼部に進入した気流が整流されて回転翼８ｃに導入されるように設けられている。
図２では、説明上、図の右半部に整流板１３、３３を設けた状態を示しているが、整流板を設ける場合は固定翼部の全体にわたって、また回転翼８ａ〜８ｄのすべてに整流板を設けるようにする。
このように、固定翼部に整流板３３を設置することによって、案内羽根３０による整流作用をさらに向上させることができ、回転翼に整流板１３を設けることによって回転翼に対する気流の衝突効率を高めることが可能となる。
前述したように、風車の出力は中心軸１２を中心とする径方向に対する回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの設置角度によって変動する。この関係を利用し、風車の回転に伴って発生する遠心力によって回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの角度を変化させることにより、回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの回転数を一定に制御することができる。
この回転制御装置の構成について、図５を参照して以下に説明する。
図５Ａ―Ｃは、それぞれ回転制御装置の構成を示す平面図、正面図、側面図である。図５Ｂに示すように、各々の回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに設けられたブレード１０は、遊星軸１５に固定した遊星軸ベベルギア１６と、中心軸１２に外挿したブレード制御軸２０の下部に固定したブレード制御ベベルギア２２とが、支持アーム１４に軸支されたベベルギアシャフト１７の両端に設けたベベルギア１８ａ、１８ｂと各々歯合することによって所定角度に設定されている。
図５Ｂにおいて、３４は中心軸１２の上端に中心軸１２に直交する方向に軸対称に固定した錘支持アームである。錘支持アーム３４にはアーム上をスライド自在に遠心力感知用錘３６、３６が設けられている。３７、３８は遠心力感知用錘３６の移動位置を規制するストッパである。
４０はブレード制御軸２０に上下動自在に外挿した重力感知用錘である。４２はガイドローラ４４を介して重力感知用錘４０と遠心力感知用錘３６との間を連結するローラチェーンである。
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、ローラチェーン４２、４２の中途位置にはローラチェーン４２に歯合するギア４６、４６を設け、ギア４６、４６の同一軸上に第１のベベルギア４８、４８を固定する。第１のベベルギア４８、４８はそれぞれ第２のベベルギア５０、５０と歯合するように設け、第２のベベルギア５０、５０の回転軸上に固定したウォームギア５２、５２を、ブレード制御軸２０に固定したセンターギア５４に歯合させる。ウォームギア５２、５２はセンターギア５４を挟んだ対向位置に配置し、ローラチェーン４２、４２が移動した際にギア４６、４６からの回転駆動力が偶力としてセンターギア５４に作用するように設定している。
本実施形態の回転制御装置は、重力感知用錘４０が最下位置にある状態が通常時で、このときに回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄのブレード１０が所定の角度に設定されている。この状態から、遠心力感知用錘３６、３６に作用する遠心力が重力感知用錘４０に作用する重力よりも大きくなると、遠心力感知用錘３６、３６はストッパ３７に当接していた位置から、錘支持アーム３４上で外方に移動開始し、これとともにローラチェーン４２が移動してギア４６を回動させる。ギア４６の回転は、第１のベベルギア４８とこれに歯合する第２のベベルギアとウォームギア５２を介してセンターギア５４に伝達され、センターギア５４を回動させる。回転制御装置の機構は、風力が増して遠心力感知用錘３６に作用する遠心力が大きくなると、回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄのブレード１０の中心軸１２を中心とする径方向に対する角度βをより大きくするように設けられている。
回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄのブレード１０の中心軸１２を中心とする径方向に対する角度βは、通常は３０〜４５度に設定されているが、風速が一定値以上になると、回転制御装置の作用により角度βが大きくなり、それにともなってブレード１０に作用する抗力が減少し、回転数が一定に保たれるようになる。風車に対して、強風が作用するような場合には、このような回転制御装置を設けることによって、回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが過度に高速で回転することを防止し、装置が損壊したりすることを防止し、安定した動作を行わせることができる。
図６、７はブレード１０の中心軸１２を中心とする径方向に対する角度βを制御する回転制御装置の他の実施形態を示す。図６に示す回転制御装置は、ブレード制御ベベルギア２２にギア６０を連結し、上板２４上で移動可能に支持した２本のギア付きの移動バー６２、６２にギア６０を歯合させたものである。６４、６５、６６が移動バー６２の移動方向をガイドするガイド柱、６７がスプリングである。ガイド柱６５、６６は移動バー６２の移動位置を規制するストッパとしても作用している。３６は移動バー６２に固定した遠心力感知用錘であり、常時はスプリング６７の付勢力によってガイド柱６５の側面に当接している。この回転制御装置では、風速が増大して遠心力感知用錘３６に作用する遠心力が大きくなると、スプリング６７の付勢力に抗して移動バー６２、６２が外側に移動し、これにともなって回転翼のブレード１０の向きが変化し、ブレード１０に作用する抗力を減少させることができる。
図７に示す回転制御装置は、回転翼を支持している支持アーム１４と各々の回転翼８ａ〜８ｄの上下円盤１１ａとの間にスプリング６８を配置し、上下円盤１１ａのブレードと９０度の角度をなす外周側の偏芯位置に遠心力感知用錘７０を固定したものである。７２はブレード１０の向きを規制するストッパである。図７Ａは、低風速時におけるブレード１０の配置を示し、図７Ｂは、高風速時のブレード１０の配置を示す。風速が増大すると遠心力感知用錘７０に作用する遠心力によって回転翼のブレード１０の向きが変化するから、スプリング６８の付勢力を適当に設定することにより、風速に応じてブレード１０の向きが変化するように調節することができる。非平行複葉板形の回転翼などの場合は遊星軸に対して回転翼の重心が偏位した位置にあるが、この場合も遠心力感知用錘７０を取り付けて遠心力による回転作用が回転翼に確実に作用するようにするのがよい。
なお、回転制御装置を上記のような機械的構成とせず、風速または風車の回転数をセンサ等により検知し、電動モータ等の駆動機構を利用してブレードの向きを制御するようにすることも可能である。
本実施形態では、図２に示すように装置の下部に発電機８０を配置し、発電機８０の駆動軸に設けたベベルギア８２を中心軸１２の下部に設けたベベルギア８４に歯合し、回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの回転エネルギーによって発電機８０を駆動するように形成した。
なお、中心軸１２と発電機８０とを連携して、回転翼８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの回転エネルギーを発電機８０に伝達する手段としては種々の方法によることができる。
【図面の簡単な説明】
図１ 本発明に係る垂直軸風車の一実施形態の構成を示す斜視図である。
図２ 垂直軸風車の正面図である。
図３ 垂直軸風車のブレードと案内羽根の配置を示す説明図である。
図４ 整流板を取り付けた回転翼の斜視図である。
図５ 回転制御装置の構成を示す平面図（Ａ）、正面図（Ｂ）、側面図（Ｃ）である。
図６ 回転制御装置の他の構成例を示す説明図である。
図７ 回転制御装置のさらに他の構成例を示す説明図である。
図８ ブレードの多点交差形配置（Ａ）、放射状配置（Ｂ）を示す説明図である。
図９ 多点交差形配置での滞留構造（Ａ）、低衝突率構造（Ｂ）、高衝突率・非滞留構造（放射状配置の場合）（Ｃ）、高衝突率・非滞留構造（多点交差形配置の場合）（Ｄ）を示す説明図である。
図１０ 平板板（Ａ）、非平行複葉板形（Ｂ）、浅皿（小曲率）凹面板形（Ｃ）、非平行複葉凹面板形（Ｄ）、浅皿（小曲率）サボニウス形（Ｅ）、非平行複葉板形の回転翼におけるブレードの設置方法（破線は上下円盤）（Ｆ）を示す説明図である。
図１１ 回転翼のブレード取付角βと風車出力の関係を示すグラフである。
図１２ 固定翼の案内羽根取付角αと風車出力の関係を示すグラフである。
図１３ 周速比（風車の翼端の速度／風速）と風車出力の関係を示すグラフである。
図１４ ６種の回転翼について風車出力を測定した結果を示すグラフである。
図１５ ブレード取付角βが９０度の場合の回転翼の配置を示す説明図である。
【符号の説明】
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 回転翼
１０ ブレード
１１ａ、１１ｂ 上下円盤
１２ 中心軸
１３、３３ 整流板
１４ 支持アーム
１５ 遊星軸
１６ 遊星軸ベベルギア
２０ ブレード制御軸
２４ 上板
２６ 基板
３０ 案内羽根
３２ａ、３２ｂ 傾斜板
３３ 整流板
３４ 錘支持アーム
３６、７０ 遠心力感知用錘
４０ 重力感知用錘
８０ 発電機
Ａ シリンダー部
Ｂ 固定翼部
Ｃ 回転制御装置
Ｄ 発電装置部
Ｐ１ ブレード
Ｐ２ 副ブレード
α 案内羽根取付角
β ブレード取付角
ｄ 間隔

Claims (6)

1. 中心軸の周方向に均等に４個の回転翼が配置され、これらの回転翼が前記中心軸と一体に周回移動可能に設けられた垂直軸駆動装置であって、
   前記４個の回転翼は、平板形に形成されたブレードを備え、該ブレードの取付角βを３０〜４５度とするとともに、各々の回転翼のブレードを、ブレード面の延長線が隣接する回転翼のブレード面と略直交する配置とし、隣接するブレードの間隔ｄを、シリンダー部内の気流速度U₀、回転翼と回転翼の間の気流速度U₀’、回転翼の速度 Vt 、ブレードの横幅Ｗとしたとき、式
   d ＝Ｗ(1−Vt/U₀)/(U₀’/U₀)
   によって求められる間隔以上となるように配置し、
   前記４個の回転翼が周回移動する回転領域であるシリンダー部の外周囲に、取付角αを４０度とした案内羽根を、周方向に均等間隔に複数枚配置した固定翼部を設けたことを特徴とする垂直軸駆動装置。
2. 前記４個の回転翼は、平板形に形成した前記ブレードの進行方向側または受風側に、これと非平行に一または複数の平板形の副ブレードが配置された非平行複葉板形に設けられていることを特徴とする請求項１記載の垂直軸駆動装置。
3. 前記副ブレードは、
   副ブレードの前端縁を通過する、該副ブレードの面に垂直な平面によって仕切られる、
   前記副ブレードと前記ブレードとの間における気流または水流の通過断面積と、
   前記副ブレードと、前記副ブレードの前端縁を通過する前記副ブレードの面に垂直な平面が、前記固定翼部に設けられた案内羽根と交差する位置との間における気流または水流の通過断面積との比と、
   副ブレードの後端縁を通過する、該副ブレードの面に垂直な平面によって仕切られる、
   前記副ブレードと前記ブレードとの間における気流または水流の通過断面積と、
   前記副ブレードの前端縁を通過する前記副ブレードの面に垂直な平面が交差する前記案内羽根と同一の案内羽根上における、前記副ブレードと、前記副ブレードの後端縁を通過する前記副ブレードの面に垂直な平面が、前記固定翼部に設けられた案内羽根と交差する位置との間における気流または水流の通過断面積との比が
   等しくなるように、向きが設定されていることを特徴とする請求項２記載の垂直軸駆動装置。
4. 中心軸の周方向に均等に４個の回転翼が配置され、これらの回転翼が前記中心軸と一体に周回移動可能に設けられた垂直軸駆動装置であって、
   前記４個の回転翼は、半円筒状よりも曲率を小さく設定した浅皿（小曲率）凹面板形に形成されたブレードを備え、該ブレードの取付角βを３０度とするとともに、各々の回転翼のブレードを、ブレードの前縁間を結ぶ平面の延長線が隣接する回転翼のブレードの前縁間を結ぶ平面と略直交する配置とし、隣接するブレードの間隔ｄを、シリンダー部内の気流速度U₀、回転翼と回転翼の間の気流速度U₀’、回転翼の速度 Vt 、ブレードの横幅Ｗとしたとき、式
   d ＝Ｗ(1−Vt/U₀)/(U₀’/U₀)
   によって求められる間隔以上となるように配置し、
   前記４個の回転翼が周回移動する回転領域であるシリンダー部の外周囲に、取付角αを４０度とした案内羽根を、周方向に均等間隔に複数枚配置した固定翼部を設けたことを特徴とする垂直軸駆動装置。
5. 前記４個の回転翼は、前記浅皿（小曲率）凹面板形に設けられたブレードの進行方向側または受風側に、これと非平行に一または複数の浅皿（小曲率）凹面板形に形成された副ブレードが配置された非平行複葉凹面板形に設けられていることを特徴とする請求項４記載の垂直軸駆動装置。
6. 前記副ブレードは、
   副ブレードの前端縁を通過する、該副ブレードの前縁間を結ぶ平面に垂直な平面によって仕切られる、
   前記副ブレードと前記ブレードとの間における気流または水流の通過断面積と、
   前記副ブレードと、前記副ブレードの前端縁を通過する前記副ブレードの前縁間を結ぶ平面に垂直な平面が、前記固定翼部に設けられた案内羽根と交差する位置との間における気流または水流の通過断面積との比と、
   副ブレードの後端縁を通過する、該副ブレードの前縁間を結ぶ平面に垂直な平面によって仕切られる、
   前記副ブレードと前記ブレードとの間における気流または水流の通過断面積と、
   前記副ブレードの前端縁を通過する、前記副ブレードの前縁間を結ぶ平面に垂直な平面が交差する前記案内羽根と同一の案内羽根上における、前記副ブレードと、前記副ブレードの後端縁を通過する前記副ブレードの前縁間を結ぶ平面に垂直な平面が、前記固定翼部に設けられた案内羽根と交差する位置との間における気流または水流の通過断面積との比が
   等しくなるように、向きが設定されていることを特徴とする請求項５記載の垂直軸駆動装置。

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