JP4546715B2 - 縦軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、縦軸風車に係り、特に、縦主軸を有する回転体に、縦長羽根を配設した風車であって、羽根は、遠置羽根と近置羽根とが、縦主軸から遠近の差をつけて配設されている縦軸風車に関する。

従来、風力発電機の風車は、横軸プロペラ式が使用され、風力回収率が３５％程度と云われる縦軸風車は、実用性がないものとして使用されていないのが現状である。
これに対して、最近様々な縦軸風車が開発されている。縦主軸の風車は、縦長の羽根を同一の回転トラック上に配設している。また羽根の数は３枚〜５枚が一般的である。

縦長の羽根を同一の回転トラック上に配設した場合、風を受けている時、風力に合った回転をするが、回転時に羽根それぞれに空気抵抗を受けるため、風速より早く回転することは困難である。羽根の数を少なくすると、高速回転はするが、受風面積が小さい為に力が弱く、軸トルクが劣るという難点がある。
この発明は、回転トラック上の羽根の数を少なくして、高速回転をさせ、なおかつ受風面積を広くして、軸トルクを高くする事の出来る風車を提供することを目的としている。

この発明は、前記課題を解決し目的を達成するために、回転トラック上の羽根の数を減少させ、異なった回転トラック上に別の羽根を配設して受風面積を広くした。発明の具体的な内容は次の通りである。

（１） 縦主軸を有する回転体に、縦長羽根を配設した風車であって、回転体の周囲に放射方向へ突設された複数の支持腕の各先端部に、それぞれ上下端部に縦主軸方向へ傾斜した傾斜部を設けた、縦方向の長さの異なる縦長の遠置羽根及び近置羽根を、縦主軸から遠近の差をつけて個別に配設してなる縦軸風車。

（２） 前記近置羽根の縦方向の長さは、遠置羽根の縦方向の長さよりも長い前記（１）に記載の縦軸風車。

（３） 前記回転体の軸部外周面には、長短の支持腕を、それぞれ９０度毎の交互の位相で配設し、長い支持腕の先端部には遠置羽根を配設し、短い支持腕の先端部には近置羽根を配設してなる前記（１）又は（２）に記載の縦軸風車。

（４）前記回転体の軸部外周面に、長短の支持腕を、平面視１８０度差の位相で配設し、長い支持腕の先端部には遠置羽根を、短い支持腕の先端部には近置羽根を配設してなる前記（１）又は（２）に記載の縦軸風車。

（５）前記複数の支持腕は、短い支持腕を２本、長い支持腕を１本として平面視三叉状に設定し、短い支持腕の先端部には縦方向に長い羽根を、長い支持腕の先端部には縦方向に短い羽根を配設してなる前記（１）又は（２）に記載の縦軸風車。

本発明によると、次のような優れた効果が奏せられる。

前記（1）に記載の風車は、羽根を回転体に装着するときに、遠置羽根と近置羽根とが、縦主軸から遠近の差をつけて、回転トラックを異別にして配設されているため、風を受けると、遠置羽根が梃子の原理で小さな風力で回転し、軸の反対側で、受風面積の大きな近置羽根も回転するので、大きな軸トルクが得られる。
この場合、回転半径が異なるので、遠置羽根と近置羽根とは同一の回転トラック上を回転しないため、前において回転する羽根の巻起す乱流の影響をうけることが無い。また回転半径が異なるので、遠置羽根の回転速度は近置羽根の回転速度よりも早くなり、大きな揚力が得られる。

前記（2）に記載の風車は、近置羽根の縦長さが、遠置羽根の縦長さより長く設定されているので、遠置羽根の面積より近置羽根の面積が広いため、受風による強い力を得られるが、縦主軸に近いため遠置羽根より回転速度が遅く、その分風の抵抗による失速が遠置羽根より小さくなる。

前記（3）に記載の風車は、回転体における長短の支持腕が、平面クロス状に縦主軸から外方へ突設され、長い支持腕の先端部には遠置羽根が配設され、短い支持腕の先端部には近置羽根が配設されているので、全体として回転時のバランスがとれている。

前記（4）に記載の風車は、回転体における長短の支持腕が、縦主軸の中心を通る１本の放射線上に、それぞれ反対向状に配設され、長い支持腕の先端部には遠置羽根が配設され、短い支持腕の先端部には近置羽根が配設されているので、それぞれの羽根は１枚羽根と同じように回転し、反転時にそれぞれが風向きが変っても、他の羽根が風を受けて回転力が得られる。

前記（5）に記載の風車は、短い支持腕を２本とし、長い支持腕とで３叉状に設定されているので、広い受風面積を保持させることができる。

縦主軸で支持される回転体に、水平方向に長短の支持腕を突設し、長い支持腕に遠置羽根を、短い支持腕に近置羽根を配設する。

本願発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る第１実施例を示す縦軸風車の平面図、図２はその正面図である。図１において、風車(1)は縦主軸(2)の上端部に、水平に回転体(3)が配設されている。

回転体(3)は、平面において略円盤状の軸部(3a)から、前後左右に、支持腕(3b)(3c)が十状に突設されている。前後の支持腕(3b)は、例えば２ｍ、左右の支持腕(3c)は、例えば１ｍに設定されている。

各支持腕(3b)(3c)の先端部には、それぞれ、縦長の羽根(4)が、その左側面を縦主軸(2)に対面させて配設されている。
長い支持腕(3b)には、遠置羽根(4a)が配設され、短い支持腕(3c) には、近置羽根(4b)が配設されている。

図２において、遠置羽根(4a)の高さは、例えば１ｍ、近置羽根(4b)の高さは、例えば２ｍに設定される。各羽根(4)は、上下端部を正面における左側（内側）に３５度〜４５度の範囲で屈曲させて傾斜部(4c)が形成されている。

図２において、符号(5)は基体であり、内部に縦主軸(2)に対する図示しない軸受機構が配設されている。符号(6)は機械部であり、例えば発電機（ダイナモ）が配設され、風車の回転を利用して風力発電機とすることができる。

以上の構成において、図１における羽根(4a)(4b)に、Ａ矢示の風を受けると、風車(1)はＢ矢示方向へ回転する。この場合、縦主軸(2)から遠い遠置羽根(4a)は、羽根の高さが短いが、長い支持腕(3b) により、梃子の原理で、弱い風力によっても回転する。

回転体(3)が回転すると、近置羽根(4b) もＡ矢示の風を受けて回転する。近置羽根(4b)は受風面積が広いので、強い軸トルクを生み出す。
これによって、回転しはじめると、近置羽根(4b) にかかる風抵抗力を、高速で回転する遠置羽根(4a)が抑制してしまう。

すなわち、遠置羽根(4a)は、長い支持腕(3b)に支持されているので、弱い風力によっても高速回転をする。また近置羽根(4b) は、遠置羽根(4a)から１８０度の正反対位置に設定されているので、回転時に生じる乱気流の影響を受けることがなく、軽快に回転する。風抵抗を受け易い近置羽根(4b) は、縦主軸(2)に近いので、遠置羽根(4a)の高速回転で風抵抗力が消化される。

しかし遠置羽根(4a)は、受風面積が狭いので、強い軸トルクを生み出すことは困難である。それに代って、近置羽根(4b) は受風面積の広さにより、風力を十分に得て、力強く回転体を回転させるので、大きな軸トルクを得ることができる。

このように、この風車１は、１っの回転体(3)において、高速回転羽根と、遅速回転羽根とを共存させて、同時に回転させることによって、同一の回転トラック上で常に変向をしている羽根による受風、風抵抗を解消した。これによって、通常の風車に対比して、回転速度を２０％〜３０％向上させる事が可能になった。

図３は、第２実施例を示す縦軸風車の平面図、図４はその正面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。この第２実施例の回転体(2)は、図示するように、平面において軸部(3a)から左右方向へ、長い支持腕(3b)と短い支持腕(3c)とを一直線上に配設されている。長い支持腕(3b)には、遠置羽根(4a)が配設され、短い支持腕(3c) には近置羽根(4b)が配設されている。

この構成によると、Ａ矢示の風により、遠置羽根(4a)は、一枚羽根のように高速回転をして、主軸(2)に近い近置羽根(4b)を回転させる。これによって、受風面積の広い近置羽根(4b)は、風による加速力を得て、強い軸トルクを生み出すことになる。

すなわち、風車(1)は回転初期において、一定の回転速度になるまでの時間がかかるが、このような構成により、遠置羽根(4a)が梃子の原理で弱い風でも回転し易いため、短時間で一定の回転速度に達し、それ以後は近置羽根(4b)の大きな受風面積で受ける風力による、強い軸トルクを得ることができるものである。

図５は、第３実施例を示す縦軸風車の平面図、図６はその正面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。
この第３実施例は、図５に示すように、平面において軸部(3a)から３方向へ、長い支持腕(3b)１本と短い支持腕(3c)２本とが、３叉状に配設されている。

長い支持腕(3b)の先端部には、遠置羽根(4a)が配設され、各短い支持腕(3c) の先端部には、それぞれ近置羽根(4b)が配設された３枚羽根構成である。図５において、２っの近置羽根(4b)の回転トラックは同一でもよいが、縦主軸(2)に対して遠近の差を付ける事ができる。

この第３実施例の風車(1)は、第２実施例における、近置羽根(4b)１枚の受風位置を、回転前後方向に２つ設定することによって、風向きの変り易い地域での、効率的回転を得る事ができる。

ここに示した各実施例において、長い支持腕(3b)と短い支持腕(3c)とがあること、並びに遠置羽根(4a)と近置羽根(4b)とがあることによって、回転時において、バランスが崩れる虞がある。従って、縦主軸(2)から左右前後における重量バランスをとるために、軸部(3a)から支持腕(3b)(3c)にかけて、適切なウエイトを配設する。

この発明は、前記実施例に限定されるものではなく、目的に添って適宜設計変更をすることができる。例えば、遠置羽根(4a)と近置羽根(4b)の前後幅を同一ないし、広狭に変化させる事ができる。当然に厚みも変化させることができる。

この発明の風車は、産業動力用、特に風力発電機用に使用するとき、設置位置を選ばず、微風速でも効率のよい発電をすることができる。

本発明の第１実施例に係る縦軸風車の平面図である。 本発明の第１実施例に係る縦軸風車の正面図である。 本発明の第２実施例に係る縦軸風車の平面図である。 本発明の第２実施例に係る縦軸風車の正面図である。 本発明の第３実施例に係る縦軸風車の平面図である。 本発明の第３実施例に係る縦軸風車の正面図である。

(1)縦軸風車
(2)縦主軸
(3)回転体
(3a)軸部
(3b)長い支持腕
(3c)短い支持腕
(4)羽根
(41)遠置羽根
(42)近置羽根
(4a)傾斜部
(5)基体
(6)機械部

Claims (5)

1. 縦主軸を有する回転体に、縦長羽根を配設した風車であって、回転体の周囲に放射方向へ突設した複数の支持腕の各先端部に、それぞれ上下端部に縦主軸方向へ傾斜する傾斜部を設けた、縦方向の長さの異なる縦長の遠置羽根及び近置羽根を、縦主軸から遠近の差をつけて個別に配設してなることを特徴とする縦軸風車。
2. 前記近置羽根の縦方向の長さは、遠置羽根の縦方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の縦軸風車。
3. 前記回転体の軸部外周面には、長短の支持腕を、それぞれ９０度毎の交互の位相で配設し、長い支持腕の先端部には遠置羽根を配設し、短い支持腕の先端部には近置羽根を配設してなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の縦軸風車。
4. 前記回転体の軸部外周面に、長短の支持腕を、平面視１８０度差の位相で配設し、長い支持腕の先端部には遠置羽根を、短い支持腕の先端部には近置羽根を配設してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の縦軸風車。
5. 前記複数の支持腕は、短い支持腕を２本、長い支持腕を１本として平面視三叉状に設定し、短い支持腕の先端部には縦方向に長い羽根を、長い支持腕の先端部には縦方向に短い羽根を配設してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の縦軸風車。

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