JP4355813B2 - 風車に対するエアーブレーキ構造 - Google Patents

Description

本発明は、強風時に風車が異常に高速回転するのを、遠心力を利用して自動的に抑制するエアーブレーキ構造に関する。

これまで、風車に適用されてきたエアーブレーキとしては、水平軸風車の可変ピッチ制御あるいは、翼端失速制御等がある。しかし、ダリウス型風車やジャイロミル型風車に代表される垂直型風車においては、その構造上から、前述の可変ピッチ制御、あるいは、翼端失速制御は適用できない。従来の垂直型風車の制動技術は、風速が増大すると、ディスクブレーキのみで、強制的に軸の回転を停止させる方法が主であった。しかし、この手法では、過回転になったとき、ブレーキパッド摩擦損失の結果、ブレーキが破損し遠心力の作用で風車が破壊されるという事故が頻繁に生じている。したがって、今後、ますます需要が高まる垂直型風車において、必要不可欠となる制動技術であるエアーブレーキおよびエアーブレーキシステムの開発が急務である。

ところで、特開２００５−１８８４５４では、自然風を捉えて回転する風車と、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄える蓄電池とを備えた風力発電装置において、風車の回転軸と同軸に併設した遠心羽根車と、前記遠心羽根車が自然風を捉えないケーシングを有したファンを形成して構成されたものが提案されている。前記風車の回転力に基づき前記ファンで生成された負荷によって、自然風の増加に伴う前記風車の過回転を防止することができる。これに対し、特開２００５−２８２５４０では、抗力型垂直軸風車部分が揚力型垂直軸風車と一体回転するように備えられることで、揚力型垂直軸風車が風速を越えた回転数で回転すると、抗力型垂直軸風車部分が揚力型垂直軸風車の回転数の上昇を抑えるブレーキとして働くような構造が提案されている。
特開２００５−１８８４５４ 特開２００５−２８２５４０

しかしながら、特許文献１のように風車の回転軸と同軸に併設した遠心羽根車には、風車の回転数と関係無しに常にファンで負荷が生成されるため、風車の通常回転時にも制動作用が働くという問題が避けられない。特許文献２の構成も、揚力型垂直軸風車が風速を越えない回転数で回転する場合にも、抗力型垂直軸風車部分が揚力型垂直軸風車に対して回転数の上昇を抑えるブレーキとして作用するので、揚力型垂直軸風車の通常回転時にもブレーキが働くことになり、依然として問題がある。
本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、揚力型垂直軸風車の通常回転時に作用する制動力は小さく、揚力型垂直軸風車の異常高速回転時にのみ大きな制動力が作用する構造を実現することにあり、本発明の基本原理は、回転の遠心力に対する抵抗力を積極的に利用するものである。

本発明の技術的課題は次のような手段によって解決される。請求項１は、風車の回転力で駆動される制動軸に、遠心力で外方に進出する伸縮構造の空気制動用の回転翼を設けてなり、
前記の伸縮する回転翼は、風車が平常回転の際はバネ力又は重りの重力で縮小状態となり、風車の回転数が増すとその際の遠心力によって、バネ力や重りの重力に抗して外方向に進出し伸長する構造であり、
前記回転翼の伸縮構造は、大径の円筒の中に小径の円筒を同心状に挿入してなり、前記大径の円筒又は小径の円筒が制動軸の半径方向に移動して伸縮可能で、外方向に伸長した際の制動軸寄りの根元側円筒が、制動軸に取付けた支持体に、バネ力や重りの重力に抗して、回転翼の遠心力で外方向に進出可能に保持されていることを特徴とする風車のエアーブレーキ構造である。
このように、風車の回転力で駆動される制動軸に、遠心力で外方に進出する伸縮構造の空気制動用の回転翼を設けてあるので、強風で風車の回転速度が上がると、遠心力が増大して回転翼が進出して回転翼半径が増大する。その結果、半径の増大した回転翼の回転によって大きな空気抵抗を受けるので、強制的な外力を加えなくても、風車の回転数増大に対するエアーブレーキ作用が実現できる。
また、前記の伸縮する回転翼は、風車が平常回転の際はバネ力又は重りの重力で縮小状態となり、高速回転になって風車の回転数が増すとその際の遠心力によって、バネ力や重りの重力に抗して外方向に進出し伸長する構造であるから、風車が通常回転の場合は回転翼による空気制動力は小さく、風車の回転に支障を来さない。これに対し、強風で風車の回転が高速になった場合のみ、回転翼が外方向に進出して空気制動力が増大するので、強風対策として最適である。
前記回転翼の伸縮構造は、大径の円筒の中に小径の円筒を同心状に挿入してなり、前記大径の円筒又は小径の円筒が制動軸の半径方向に移動して伸縮可能で、外方向に伸長した際の制動軸寄りの根元側円筒が、制動軸に取付けた支持体に対し、図５（１）のようにバネ力で制動軸２側に引き寄せられているのに対し、制動軸２が高速回転すると図５（３）のように、バネ力に抗して、回転翼の遠心力で外方向に進出した状態に保持される。

請求項２は、前記の伸縮構造の回転翼が、金網製その他の容器状の室内に収納されていることを特徴とする請求項１に記載の風車のエアーブレーキ構造である。制動用の回転翼が風車と共に大気中に露出していると、回転翼も強風の影響を受ける恐れがあるが、請求項２のように、前記の伸縮構造の回転翼が、金網製の容器状の室内に収納されていると、強風の影響を受けにくく、しかも金網で囲われているので、万一破損しても、外部に飛散するのを防止できる。大気と遮断された完全な容器状の室内に収納されていると、金網製より安全性が向上する。

請求項３は、前記の伸縮する回転翼の翼面は、前記円筒の縮小状態では、回転方向と平行方向であるのに対し、伸長状態では回転方向と直角方向となるように９０度回転する構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風車のエアーブレーキ構造である。
このように、伸縮する回転翼の翼面は、回転速度が正常で前記円筒の縮小状態では、空気抵抗は最小となり、平常時の風車の回転に支障を来さない。これに対し、遠心力で外方に伸長した状態では、回転方向と直角方向となるように９０度回転されるので、空気抵抗は最大となり、大きな空気制動作用が得られる。

請求項４は、前記の根元側の円筒が制動軸の半径方向に移動する際に、前記支持体又は根元側の円筒に設けた螺旋状のカム手段の作用によって、前記の根元側の円筒が風車回転方向と平行方向又は直角方向に９０度角度変換される構造となっていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の風車のエアーブレーキ構造である。
このように、制動軸に取付けた支持体に保持された根元側の回転翼が遠心力で進出し又はバネ力や重りの重力で縮小方向に移動する際に、前記支持体又は根元側の円筒に設けた螺旋状のカム手段の作用によって、前記の根元側の回転翼が回転方向と平行方向又は直角方向に９０度角度変換される構造になっているので、風車の高速回転時には自動的に回転翼の翼面を回転方向と直角方向に向けることができ、風車の平常回転時には回転翼の翼面を回転方向と平行方向に自動的に向けることができる。したがって、制御が簡便になる。

請求項５は、角度変換用の駆動手段によって、前記の根元側の円筒が、風車回転方向と平行方向又は直角方向に９０度角度変換される構造となっていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかの項に記載の風車のエアーブレーキ構造である。
このように、リンク機構や歯車機構などのような、角度変換用の駆動手段を特別に装備しておいて、前記の根元側の円筒が、回転方向と平行方向又は直角方向に９０度角度変換される構造にしてあると、強風時には回転翼の翼面を回転方向と直角方向に向け、風車の平常回転時には回転翼の翼面を回転方向と平行方向に向けることで、風車の平常回転に支障を及ぼさないように制御できる。風速や風車の回転数を検出することで、角度変換用の駆動手段の制御は容易にできる。

請求項６は、前記の伸縮する円筒が断面楕円状の回転翼であり、径が最小の楕円状回転翼又は最大の楕円状回転翼が、制動軸に取付けた支持体に支持されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかの項に記載の風車のエアーブレーキ構造である。
このように、前記の伸縮する円筒が断面楕円状の回転翼であり、径が最大の楕円状回転翼が、制動軸に取付けた支持体７に支持されている構成の具体例は、図２〜図４に図示されているとおりである。また、径が最小の楕円状回転翼が、制動軸に取付けた支持体７に支持されている構成の具体例は、図１１に図示されているとおりである。

請求項７は、前記の伸縮構造を構成する径の異なる各円筒の側面に板状の回転翼を取付け固定してあるか、又は伸縮する各楕円状回転翼中に各真円筒が配設されており、しかも伸長時の最外端の回転翼の翼面積が最大若しくは最小であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の風車のエアーブレーキ構造である。
このように、前記の伸縮構造を構成する径の異なる各円筒の側面に板状の回転翼を取付け固定した構成の実施形態が図６である。
伸縮する各楕円状回転翼中に、前記の伸縮構造を構成する径の異なる各真円筒が配設されている構成の実施形態が図５である。
そして、伸長時の最外端の回転翼の翼面積が最大の構成の実施形態が図11であり、伸長時の最外端の回転翼の翼面積が最小の構成の実施形態が図２〜図６である。

請求項８は、風車の回転力で駆動される制動軸に、その高速回転時に空気制動用の回転翼を外方に進出させる伸縮構造が、大径の円筒の中に小径の円筒を同心状に挿入してなり、前記大径の円筒又は小径の円筒が制動軸の半径方向に移動して伸縮する構造であり、
外方向に伸長した際の制動軸寄りの根元側円筒が、制動軸に取付けた支持体に、送りネジ機構によって外方向に進出可能に保持されており、
前記の送りネジ機構は、外方向に伸長した際の最外端の円筒に設けたメネジ体に、モータ駆動されるオネジ棒を貫通させて、回転翼を伸縮させる構造であって、
前記の各円筒に板状若しくは楕円状の回転翼を取付け支持してあるか、又は各円筒が楕円状回転翼であることを特徴とする風車のエアーブレーキ構造である。
すなわち、請求項８記載の発明は、請求項１〜７に記載のように伸縮構造の回転翼を遠心力で外方に進出させる構造ではなく、図８のようにモータ駆動されるオネジ棒で回転翼を伸縮させる構造である。
回転翼の伸縮構造や、この伸縮構造部の根元側の円筒を、制動軸に取付けた支持体に対し径方向に移動可能に支持してある点は、請求項１〜７の記載と同じである。

請求項１のように、風車の回転力で駆動される制動軸に、遠心力で外方に進出する伸縮構造の空気制動用の回転翼を設けてあるので、強風で風車の回転速度が上がると、遠心力が増大して回転翼が進出して回転翼半径が増大し大きな空気抵抗を受けるので、風車の回転数増大に対するエアーブレーキ作用が実現できる。
また、前記の伸縮する回転翼は、風車が平常回転の際はバネ力又は重りの重力で縮小状態となり、高速回転になって風車の回転数が増すとその際の遠心力によって外方向に進出し伸長する構造であるから、強風で風車の回転が高速になった場合のみ空気制動力が増大するので、強風対策として最適である。
前記回転翼の伸縮構造は、大小の円筒を同心状に挿入してなり、外方向に伸長した際の制動軸寄りの根元側円筒が、制動軸に取付けた支持体に対し、図５（１）のようにバネ力で制動軸２側に引き寄せられているのに対し、制動軸２が高速回転すると図５（３）のように、バネ力に抗して、回転翼の遠心力で外方向に進出した状態に保持される。

制動用の回転翼が風車と共に大気中に露出していると、回転翼も強風の影響を受ける恐れがあるが、請求項２のように、前記の伸縮構造の回転翼が、金網製の容器状の室内に収納されていると、強風の影響を受けにくく、しかも金網で囲われているので、万一破損しても、外部に飛散するのを防止できる。大気と遮断された完全な容器状の室内に収納されていると、金網製より安全性が向上する。

請求項３のように、伸縮する回転翼の翼面は、回転速度が正常で前記円筒の縮小状態では、空気抵抗は最小となり、平常時の風車の回転に支障を来さない。これに対し、遠心力で外方に伸長した状態では、回転方向と直角方向となるように９０度回転されるので、空気抵抗は最大となり、大きな空気制動作用が得られる。

請求項４のように、前記支持体又は根元側の円筒に設けた螺旋状のカム手段によって９０度角度変換されるので、風車の高速回転時には自動的に回転翼の翼面を回転方向と直角方向に向けることができ、風車の平常回転時には回転翼の翼面を回転方向と平行方向に自動的に向けることができる。

請求項５のように、リンク機構や歯車機構などのような角度変換用の駆動手段によって、強風時には回転翼の翼面を回転方向と直角方向に向け、風車の平常回転時には回転翼の翼面を回転方向と平行方向に向けることで、風車の平常回転に支障を及ぼさないように制御できる。風速や風車の回転数を検出することで、角度変換用の駆動手段の制御は容易にできる。

請求項６のように、前記の伸縮する円筒が断面楕円状の回転翼であり、径が最大の楕円状回転翼が、制動軸に取付けた支持体７に支持されている構成の具体例は、図２〜図４に図示されているとおりである。また、径が最小の楕円状回転翼が、制動軸に取付けた支持体７に支持されている構成の具体例は、図１１に図示されているとおりである。

請求項７のように、前記の伸縮構造を構成する径の異なる各円筒の側面に板状の回転翼を取付け固定した構成の実施形態が図６である。
伸縮する各楕円状回転翼中に、前記の伸縮構造を構成する径の異なる各真円筒が配設されている構成の実施形態が図５である。
そして、伸長時の最外端の回転翼の翼面積が最大の構成の実施形態が図11であり、伸長時の最外端の回転翼の翼面積が最小の構成の実施形態が図２〜図６である。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７に記載のように伸縮構造の回転翼を遠心力で外方に進出させる構造ではなく、図８のようにモータ駆動されるオネジ棒で回転翼を伸縮させる構造である。
回転翼の伸縮構造や、この伸縮構造部の根元側の円筒を、制動軸に取付けた支持体に対し径方向に移動可能に支持してある点は、請求項１〜７の記載と同じである。

次に本発明による風車のエアーブレーキ構造が実際上どのように具体化されるか実施形態を説明する。図１、図２は、ダリウス型風車に本発明を実施した実施形態の側面図で、図１は平常回転時、図２は高速回転時である。Ｆはダリウス翼で、その回転軸１は、その下側の制動軸２と連結されているので、風車翼Ｆが回転すると、制動軸２も同時に同じ速度で回転される。制動軸２には、遠心力で外方に進出する伸縮構造の回転翼３を取付けてある。

風車翼Ｆの平常回転時には、図１のように、各回転翼３は縮小状態にあるが、高速回転になると、図２のように、遠心力で外方に進出して伸長した状態となり、半径方向に拡大する。しかも、平常時には図１のように、各回転翼３は回転方向と平行方向となり、その結果、偏平状となるので、風車翼Ｆの回転に対する制動作用は小さい。これに対し、防風等で高速回転になると、図２のように、各回転翼３の翼面角度が９０度変わって、回転方向と直角になる。その結果、各回転翼３は立った状態となり、風車の回転に対する制動作用が最大となる。

回転翼３は、単一でも可能ではあるが、図示のように、円周方向に２以上設け、しかも複数段にするのが効果的である。回転翼３が強風を受けないように、容器状又は室状のケーシングＣ内に収納されている。その結果、回転翼３に強風が当たることはなく、また回転翼３が破損したりしても、外部に影響を及ぼす危険がない。制動軸２の下端に連結された発電機軸４で発電機５を回転し、発電する。発電機軸４には、例えば油圧ブレーキや電磁ブレーキ６を設けてあり、発電を停止する場合や台風時などに強制的に回転を停止させる。図３は、ジャイロミル型風車ｆに実施した例で、ケーシングＣは網製の円筒状になっている。

図４は、回転翼３の伸縮構造を例示する実施形態で、（１）は遠心力で伸長した状態、（２）はバネ力で縮小した状態、（３）は縮小時に９０度角度変換した状態である。制動軸２の側面に固設されたカム筒７を囲むように根元側の第１回転翼３１を設けると共に、外側の引っ張りバネＳ１で制動軸２側に引っ張っている。前記の第１回転翼３１の中に、小径の第２回転翼３２を挿入し、第２回転翼３２の中に、さらに小径の第３回転翼３３を挿入してある。それぞれの回転翼３１、３２、３３は断面形状が楕円形状である。根元側の第１回転翼３１に内蔵した引っ張りバネＳ２で小径の第２回転翼３２を引き込んでおり、この第２回転翼３２に内蔵した引っ張りバネＳ３で最小径の第３回転翼３３を引き込んでいる。したがって、（２）図のように、制動軸２の平常回転時には、大中小の各回転翼３１、３２、３３は縮小状態にある。すなわち、第１回転翼３１は制動軸２に引き寄せられており、第２回転翼３２は第１回転翼３１中に深く入り込んでおり、第３回転翼３３は第２回転翼３２中に深く入り込んでいる。

いま強風で風車が高速回転した結果、制動軸２も高速回転し、その際の遠心力が増大すると、（１）図のように、各回転翼３１、３２、３３は、引っ張りバネＳ１、Ｓ２、Ｓ３の引っ張り力に抗して外方に引き出されて、伸長する。なお、各回転翼３１、３２、３３は、進出限界位置に設けたストッパーの作用で、それ以上突出できないように設定されていることは言うまでもない。

（１）図のように各回転翼３１、３２、３３が遠心力で伸長した状態では、楕円状の回転翼３１、３２、３３は鉛直に立った状態となり、受ける空気抵抗が最大となる。これに対し、制動軸２の回転が遅いために各回転翼３１、３２、３３が引っ張りバネＳ１、Ｓ２、Ｓ３で引き込まれて縮小した状態では、（３）のように、楕円状の回転翼３１、３２、３３は水平に寝て偏平状態となるので、受ける空気抵抗が最小となる。

図５は９０度角度変換部を示す図で、各回転翼３１、３２、３３と各引っ張りバネＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、断面図で表してある。制動軸２の側面に固設されたカム筒７の外周には、１／４周分だけ、螺旋状のカム溝７１を形成してある。カム筒７の背面の対称位置にも、手前の螺旋溝７１と交差する方向の螺旋溝７２を形成してある。一方、第１回転翼３１中に固定された円筒３５の内面には、前記の前後の螺旋溝７１、７２に嵌入する突起ないしピン３６、３７を有している。

図５（１）のように、制動軸２が平常回転のため、各回転翼３１、３２、３３が各引っ張りバネＳ１、Ｓ２、Ｓ３で制動軸２側に引き寄せられている状態では、回転翼側円筒３５のピン３６、３７は、螺旋溝７１、７２の制動軸２寄りに位置し、回転翼の楕円形状は（２）のように水平に寝た状態である。いま、強風で制動軸２が高速回転する際の遠心力によって、各回転翼３１、３２、３３が各引っ張りバネＳ１、Ｓ２、Ｓ３に抗して、外方に突出し、伸長する際に、回転翼側円筒３５も引っ張りバネＳ１に抗して伸長方向に移動するため、ピン３６、３７は、螺旋溝７１、７２中を矢印ａ１方向に移動し、９０度位置のストッパーに当たって停止する。このとき、スライドピン３６、３７は制動軸２から最も離れた位置に移動し、回転翼の楕円形状は（３）図の矢印ａ２方向に回転して（４）図のように鉛直に立った状態となり、受ける空気抵抗は最大となる。螺旋溝７１、７２は、回転翼円筒３５を内外に貫通するスリット状に形成してもよい。また逆に、カム筒７側に外向きの突起やピン３６、３７を設け、回転翼円筒３５に螺旋状の溝やスリットを形成しても、９０度の角度変換が可能である。

図６は、回転翼の楕円形状に代えて板状を用いた実施形態で、（１）は縮小時の側面図、（２）は縮小時の平面図である。伸縮構造は、楕円に代えて大小の円筒で構成する。したがって、図５の回転円筒３５の中に小形の第２の円筒３８を挿入し、その中に第３のさらに小径の円筒３９を挿入してある。そして、第１の円筒３５、第２の円筒３８、第３の円筒３９のそれぞれの先端側面に長方形の板Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を取付け固定してある。なお、図４、図５の引っ張りバネＳ１、Ｓ２、Ｓ３は省略してある。

制動軸２が平常回転の状態から、強風による高速回転に移行すると、遠心力によって各円筒３５、３８、３９が前記引っ張りバネＳ１、Ｓ２、Ｓ３に抗して外方に突出し伸長すると共に、図５の角度変換機構によって、根元の円筒３５の向きが９０度回転されて、（３）図の状態となる。その結果、各長方形板Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が鉛直に立った状態となり、空気抵抗が最大となる。制動軸２の回転速度が平常に戻って遠心力が減少すると、各円筒３５、３８、３９は前記引っ張りバネＳ１、Ｓ２、Ｓ３によって制動軸２側に引き込まれるため、各長方形板Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３も引き寄せられて重なり、しかも図５のカム手段によって水平状態に復帰し、（１）図（２）図の状態となる。なお、（３）図のように、先端の小径円筒３９の中心に取付けた引っ張りバネＳ３を中間の円筒３８の基端中心に取付け、この中間円筒３８の基端中心に取付けた引っ張りバネＳ２を制動軸２寄りの大径円筒３５の中心に取付け連結することができる。引っ張りバネ両端の取付け部は、回転自在にしておけば、回転翼の９０度角度変換に支障はない。

以上は、楕円回転翼３１、３２、３３や円筒３５、３８、３９が遠心力と引っ張りバネＳ１、Ｓ２、Ｓ３による引っ張り力によって伸縮する際に、回転翼の翼面の向きが自動的に９０度角度変換される構造であるのに対し、図７は、図５のカム手段に代えて、角度変換専用の駆動手段を設けた実施形態である。第１回転翼３１中に固定された円筒３５をリンク機構で９０度角度変換する構造になっており、このリンク機構は、円筒状の制動軸２の中空部中に収納されている。風車軸と一体の円筒状制動軸２は、静止タワー８の上端に軸受け９を介して搭載支持されており、リンク駆動用の電動パワーシリンダー又は油圧シリンダー１０は、静止タワー８に支持され、その出力軸１１と進退ロッド１２との間は回転継手１３で連結されている。

回転翼円筒３５に固定された揺動レバー１４の先端と進退ロッド１２の先端を中間レバー１５で連結してあるため、進退ロッド１２が上方に進出して、中間レバー１５で揺動レバー１４先端を押し上げた状態では、回転翼３１、３２、３３の翼面が鉛直に立って空気抵抗が最大の状態になっているものとすると、進退ロッド１２が後退して、鎖線のように中間レバー１５で揺動レバー１４先端を引き下げた状態では、回転翼３１、３２、３３の翼面は９０度倒されて鎖線のように水平状態となり、空気抵抗は最小となる。なお、リンク機構に代えて、傘歯歯車機構によって９０度角度変換することも可能である。

次に他の各種実施形態を詳述する。各回転翼３１、３２、３３の伸縮は、引っ張りバネ力と遠心力による進出力との相対値で自動的に制御されるのに対し、図８は送りネジ機構によって伸縮駆動される。図４の最先端の小径回転翼３３と図６の最先端の小径円筒３９の内面にナット状のメネジ体１６を固設してあり、このメネジ体１６中をオネジ棒１７が貫通している。オネジ棒１７を駆動するモータＭを図７の円筒状制動軸２の中空部中に収納して、モータＭでオネジ棒１７を正転・逆転させることで、ナット状メネジ体１６と一体の最先端の回転翼３３や小径円筒３９を進出させたり後退させることで、回転翼３１、３２、３３や板状回転翼Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の伸長と縮小が可能である。翼面の９０度角度変換は、図７のリンク機構などで行なう。

以上の実施形態は、制動軸２の高速回転時に回転翼が伸長すると共に翼面が立つように角度変換されるが、クラッチ手段を介在させて回転翼と制動軸とを断続可能にすれば、回転翼の角度を常時立て、かつ常時伸長状態にすることも可能である。図９はクラッチ介在型の実施形態を示す斜視図で、根元側の回転翼３１中に固定された円筒３５と制動軸２との間に電磁クラッチ１８を介在させてある。そのため、通常運転時には、制動軸２から回転翼３１が分離されるように、クラッチ１８が開放状態となり、強風などで制動軸２が異常に高速回転する場合にクラッチ１８が作動して、制動軸２と回転翼３１が連結されて、回転翼による制動力が作用する。

このように、空気制動を要する強風時のみクラッチ１８で制動軸２と回転翼３１が連結されるので、回転翼を伸縮構造にしたり、角度変換することなく、常時伸長状態にし、かつ常時最大抵抗となるように翼面を鉛直に立てておくことも可能である。その結果、伸縮しない、固定形状の翼を常時鉛直に立てた状態にすることも可能であり、出力が比較的大きな垂直軸風車に適している。ただし、風速や制動軸２の回転速度（回転数）などを常時検出し、検出信号でクラッチ手段の作動を制御する必要がある。

図１０は、前記の各回転翼３１、３２、３３や各円筒３５、３８、３９を制動軸２側に引き寄せるための引っ張りバネＳ１、Ｓ２、Ｓ３の作用をすべてまとめて、制動軸２に設けた単一の圧縮バネや重りで代用する実施形態であり、最先端の小径回転翼３３や小径円筒３９に連結したロープやワイヤー１９を、制動軸２に支持した滑車２０を介して下端の重り受け２１に連結してある。重り受け２１は、例えば十字状のバーが制動軸２の上下方向４本のスリット２４を水平に貫通した構造で、その上にリング状の重りＷを載置してある。

したがって、通常は、制動軸２が挿通されたリング状の重りＷの重力によって、すべてのワイヤー１９…が下向きに引っ張られることで、すべての最先端の小径回転翼３３や小径円筒３９が制動軸２寄りに引き寄せられて縮小状態になるが、強風などで制動軸２が高速回転した際の各回転翼の遠心力総和が重りＷの重力を越えると、各回転翼３１、３２、３３や各円筒３５、３８、３９が外方に進出して伸長状態となり、同時に図５のカム機構によって、翼面角度が鉛直方向に変換される。なお、（２）図のように、制動軸２の外に巻いた強力な圧縮バネ２２で前記の重り受け２１を押し下げる構造も可能である。２３は、制動軸２に固定したバネ受けである。

図１１は、図４の第１回転翼３１、第２回転翼３２及び第３回転翼３３のサイズを逆にした実施形態で、（１）は伸長状態、（２）は縮小状態である。図４では、制動軸２寄りの第１回転翼３１の翼面積が最大で、先端の第３回転翼３３の翼面積が最小、間の第２回転翼３２の翼面積が中間のサイズとなっているのに対し、図１１では全く逆に、制動軸２寄りの第１回転翼３１の翼面積を最小、先端の第３回転翼３３の翼面積を最大、間の第２回転翼の翼面積を中間のサイズにしてある。したがって、低風速の縮小時には（２）のように、制動軸２寄りの第１回転翼３１の外に第２回転翼３２が被さり、この第２回転翼３２の外に先端の第３回転翼３３が被さることになる。図６の板状回転翼の場合にも、全く同様に、先端の第３回転板Ｐ３を最大翼面積にすることができる。

以上の各実施形態において、第１回転翼３１を９０度回転させ、第２回転翼３２と第３回転翼３３を伸縮構造とする場合は、第１回転翼３１と第２回転翼３２間、第２回転翼３２と第３回転翼３３間の片方に直線方向のガイド溝又はガイドスリットを形成し、これに嵌入する突起又はピンを他方に設けることによって、円滑な伸縮動作が可能となる。図１２、図１３は、ダリウス翼Ｆの内部に伸縮式の制動翼３を内蔵した実施形態である。図１２は通常回転時で回転翼は縮小しており、図１３は高速回転時で、回転翼が伸長している。図１〜図３のように、回転翼３をケーシングＣ内に収納する必要性の無い、安全性の高い場合は、このようにダリウス翼の内側に制動用の回転翼を設置することも可能である。この場合は、風車回転軸１が制動軸２を兼ねている。

以上のように、本発明によると、風車の回転軸で駆動される制動軸に、遠心力で外方に進出する伸縮構造の回転翼を設け、かつ翼面角度を９０度変換する手段を設けてあるため、揚力型垂直軸風車の通常運転時に作用する制動力は小さく、暴風などによる高速回転時のみ大きな空気抵抗を受けて強大な制動力を発生可能で、風車の暴走を効果的に防止できる。したがって、風力に応じて自動的に制動力が制御されることになり、特に小型の風車に適している。

ダリウス型風車に本発明を実施した際の平常回転時を示す側面図である。 図１のダリウス型風車の高速回転時を示す側面図である。 ジャイロミル型風車に実施した例を示す側面図である。 楕円回転翼の伸縮構造を示す斜視図で、（１）は伸長した状態、（２）は縮小した状態、（３）は縮小時に９０度角度変換した状態である。 回転翼の９０度角度変換機構の実施形態で、（１）（２）は平常回転時、（３）（４）は高速回転時、（１）（３）は要部の縦断面図、（２）（４）は回転翼正面図である。 回転翼の楕円形状に代えて板状を用いた実施形態で、（１）（２）は縮小時、（３）は伸長時、（１）（３）は側面図、（２）は平面図である。 カム機構に代えて駆動手段で角度変換する例を示す斜視図である。 送りネジ機構で回転翼を伸縮駆動する例を示す断面図である。 クラッチ介在型の実施形態を示す斜視図である。 （１）は重りで回転翼を縮小させる実施形態の正面図、（２）は単一バネで回転翼を縮小させる実施形態の縦断面図である。 回転翼サイズの他の実施形態を示す模式縦側面図で、（１）は伸長時、（２）は縮小時である。 ダリウス型の風車翼内に伸縮回転翼を内蔵した実施形態（通常回転時）の側面図である。 図12のダリウス型風車の高速回転時の状態を示す側面図である。

Ｆ ダリウス翼
１ 回転軸
２ 制動軸
３ 伸縮構造の回転翼
４ 発電機軸
５ 発電機
６ 油圧ブレーキや電磁ブレーキ
ｆ ジャイロミル型翼
７ カム筒
７１・７２ 螺旋状のカム溝
３１ 第１回転翼
３２ 第２回転翼
３３ 第３回転翼
Ｓ１〜Ｓ３ 引っ張りバネ
３６・３７ 突起ないしピン
３５ 回転翼側円筒
３８ 第２円筒
３９ 第３円筒
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 長方形板
１０ リンク駆動用のシリンダー
１４ 揺動レバー
１５ 中間レバー
１６ メネジ体
１７ オネジ棒
１８ クラッチ
１９ ロープやワイヤー
２０ 滑車
２１ 重り受け
２２ 強力な圧縮バネ
２３ バネ受け

Claims (8)

1. 風車の回転力で駆動される制動軸に、遠心力で外方に進出する伸縮構造の空気制動用の回転翼を設けてなり、
   前記の伸縮する回転翼は、風車が平常回転の際はバネ力又は重りの重力で縮小状態となり、風車の回転数が増すとその際の遠心力によって、バネ力や重りの重力に抗して外方向に進出し伸長する構造であり、
   前記回転翼の伸縮構造は、大径の円筒の中に小径の円筒を同心状に挿入してなり、前記大径の円筒又は小径の円筒が制動軸の半径方向に移動して伸縮可能で、外方向に伸長した際の制動軸寄りの根元側円筒が、制動軸に取付けた支持体に、バネ力や重りの重力に抗して、回転翼の遠心力で外方向に進出可能に保持されていることを特徴とする風車のエアーブレーキ構造。
2. 前記の伸縮構造の回転翼が、金網製その他の容器状の室内に収納されていることを特徴とする請求項１に記載の風車のエアーブレーキ構造。
3. 前記の伸縮する回転翼の翼面は、前記円筒の縮小状態では、回転方向と平行方向であるのに対し、伸長状態では回転方向と直角方向となるように９０度回転する構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風車のエアーブレーキ構造。
4. 前記の根元側の円筒が制動軸の半径方向に移動する際に、前記支持体又は根元側の円筒に設けた螺旋状のカム手段の作用によって、前記の根元側の円筒が風車回転方向と平行方向又は直角方向に９０度角度変換される構造となっていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の風車のエアーブレーキ構造。
5. 角度変換用の駆動手段によって、前記の根元側の円筒が、風車回転方向と平行方向又は直角方向に９０度角度変換される構造となっていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかの項に記載の風車のエアーブレーキ構造。
6. 前記の伸縮する円筒が断面楕円状の回転翼であり、径が最小の楕円状回転翼又は最大の楕円状回転翼が、制動軸に取付けた支持体に支持されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかの項に記載の風車のエアーブレーキ構造。
7. 前記の伸縮構造を構成する径の異なる各円筒の側面に板状の回転翼を取付け固定してあるか、又は伸縮する各楕円状回転翼中に各真円筒が配設されており、しかも伸長時の最外端の回転翼の翼面積が最大若しくは最小であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の風車のエアーブレーキ構造。
8. 風車の回転力で駆動される制動軸に、その高速回転時に空気制動用の回転翼を外方に進出させる伸縮構造が、大径の円筒の中に小径の円筒を同心状に挿入してなり、前記大径の円筒又は小径の円筒が制動軸の半径方向に移動して伸縮する構造であり、
   外方向に伸長した際の制動軸寄りの根元側円筒が、制動軸に取付けた支持体に、送りネジ機構によって外方向に進出可能に保持されており、
   前記の送りネジ機構は、外方向に伸長した際の最外端の円筒に設けたメネジ体に、モータ駆動されるオネジ棒を貫通させて、回転翼を伸縮させる構造であって、
   前記の各円筒に板状若しくは楕円状の回転翼を取付け支持してあるか、又は各円筒が楕円状回転翼であることを特徴とする風車のエアーブレーキ構造。

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