JP4717966B1

JP4717966B1 - 風車

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Publication number: JP4717966B1
Application number: JP2011028054A
Authority: JP
Inventors: 勝之田中
Original assignee: 勝之田中
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2031-02-14
Also published as: JP2012167580A

Abstract

【課題】空気の流れに対して羽根が水平方向に回転する方式の風車であって、羽根が風による空気の流れを確実にかつ効率良く受け止めて、空気の流れのエネルギーが効率良く羽根の回転エネルギーに変換され、狭いスペースにも設置することが可能な風車を提供する。
【解決手段】円環状のラック１１と接するように、風車本体２の側面の周方向に間隔を置いて複数のピニオン１２が取り付けられている。ピニオン１２と一体となるように、第一の回転部材である三日月形状の原動車１３が設けられ、原動車１３と接するように、第二の回転部材である従動車１４が取り付けられている。原動車１３の連続回転運動は従動車１４の断続回転運動に変換され、羽根４は回転軸１８を回転中心として風車本体２に対する角度を断続的に変化させながら、風車本体２の周方向に回転する。
【選択図】図２

Description

本発明は、風による空気の流れを効率良く受け止めて、風力を羽根の回転力に効果的に変換することを可能にした、設計上の自由度が高く狭い場所にも装着できる風車に関する。

石油資源の近未来での枯渇や、二酸化炭素低減等の要請から、風力発電装置の検討が進んでいる。風力発電装置は、風車の羽根の回転力から電力を得るものであり、羽根が風による空気の流れを効率良く受け止めて、空気の流れのエネルギーが効率良く羽根の回転エネルギーに変換されることが必要である。

空気の流れに対して水平方向に回転する方式の風車では、羽根の回転方向が空気の流れと同じ方向（以下、「順方向」という）に位置する羽根でできる限り風を受けとめるとともに、羽根の回転方向が空気の流れと反対の方向（以下、「逆方向」という）では、羽根が風から受ける抵抗をできる限り小さくすることが必要である。

特許文献１には、出力軸に一体として軸受けを固定し、出力軸と直交する羽根軸を設けて、この羽根軸は軸受けの中で自由に回転する状態にし、羽根軸は出力軸を中心にして両側に伸び、受風の役をする２枚以上の受風羽根を、出力軸を中心にして、或るねじれ角を持たせて固定し、羽根軸を回転軸として受風羽根を或る角度内で回転するようにした風車が記載されている。

この風車によると、風の流れの力を受ける側では、受風羽根がほぼ流れと直交状態に近づいて、抗力としてのエネルギー獲得に有利な形状になり、出力軸を中心にして回転するにつれて、羽根軸が回転して受風羽根の角度が水平方向に変わる。その一方、風の流れに対向する側では、風の流れと平行に近い抵抗の少ない水平の状態に近づくようにすることが記載されている。

また特許文献２には、潮流の方向に合わせて羽根の角度を変える構造を有する潮流発電装置が記載されている。また、特許文献３には、カムを用いて羽根の角度を変える発電装置が記載されている。

特開２００７−１２０４５１号公報実開平１−７６５６９号公報特開平１０−２６６９３９号公報

特許文献１に記載の風車では、羽根軸が回転して受風羽根の角度が変わると記載されているが、羽根軸は軸受けの中で自由に回転する状態となっており、この羽根軸を回転軸として受風羽根は或る角度内で回転することとなる。しかし、この構成によると、受風羽根の回転は、軸受けの中で自由に回転する羽根軸を回転軸とすることによって実現されることになり、受風羽根の回転は安定性に欠けると考えられる。そのため、特許文献１に記載の構成によって、現実にどの程度の効果が得られるかは不明である。

また、特許文献２の構成は、広いスペースが保証されている海中で使用される潮流発電用としては有効であると考えられるが、この構造を風車に適用すると、羽根の角度を変化させる手段を狭いスペースで実現することができない。

また、特許文献３に記載の構成では、回転羽根が１８０度回転する毎に羽根軸が９０度毎に回転すると記載されているが、羽根の角度を瞬時に変えることは不可能であり、羽根が立った状態と寝た状態との中間状態が存在することは明らかである。さらに、発電機は基盤内に設置されているため、基盤を配置できるだけのスペースのゆとりが必要であり、狭いスペースに設置することは困難である。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、空気の流れに対して水平方向に回転する方式の風車であって、羽根が風による空気の流れを確実にかつ効率良く受け止めて、空気の流れのエネルギーが効率良く羽根の回転エネルギーに変換され、狭いスペースにも設置することが可能な風車を提供することを目的とする。

本発明の風車は、上記の課題を解決するために、風車本体と、前記風車本体に取り付けられる蓋部と、前記蓋部に設けられた円環状のラックと、前記ラックに接するように前記風車本体の側面の周方向に間隔を置いて複数設けられたピニオンと、前記ピニオンと一体として設けられた第一の回転部材と、前記第一の回転部材の連続回転運動が断続回転運動に変換されて断続回転運動する第二の回転部材と、前記第二の回転部材の断続回転運動が回転軸によって伝達される羽根とを備え、前記第一の回転部材には、前記第二の回転部材の外周面と接する接触面とピンとが設けられ、前記第二の回転部材には、前記ピンが入り込むためのスロットが周方向に複数設けられており、前記羽根が風を受けて、前記ラックに沿って前記ピニオンが回転すると、前記第一の回転部材のピンが前記第二の回転部材のスロットに出入りして前記第二の回転部材を断続的に回転させて、前記第一の回転部材の連続回転運動が前記第二の回転部材の断続回転運動に変換されて伝達され、前記羽根は前記回転軸を回転中心として前記風車本体に対する角度を断続的に変化させながら、前記風車本体の周方向に回転し、前記羽根の回転方向と風向とが一致する位置では、前記羽根の風受け面が空気の流れに対して垂直になるように前記羽根を立たせ、前記羽根の回転方向と風向とが逆向きとなる位置では、前記羽根の風受け面が空気の流れに沿うように前記羽根を寝かせることを特徴とする。

風車の羽根は、風車本体に対する角度を断続的に変化させながら、風車本体の周方向に回転するため、空気の流れに対して順方向に位置する羽根については、羽根の風受け面が空気の流れに対して垂直になるように羽根を立てて、空気の流れを受けやすくするとともに、空気の流れに対して逆方向に位置する羽根については、羽根の風受け面が空気の流れに沿うように羽根を寝かせて、羽根が空気から受ける抵抗をできる限り小さくすることができる。また、順方向と逆方向との間では、空気の流れの方向と大きさ成分との関係で、段階的に風車本体に対する羽根の角度を変化させることができる。

また、風車の羽根は風車本体に対して断続的に角度を変化させるため、羽根の回転方向と空気の流れの方向とが完全に一致する位置を中心として、所定の角度の範囲内で、羽根の風受け面が空気の流れに対して垂直になるように羽根を立てておくことが可能となる。この範囲内では、空気の流れによるエネルギーを享受しやすいため、羽根を垂直に立てることにより、回転力を効果的に得ることができる。

その一方、羽根の回転方向と空気の流れの方向とが完全に反対となる位置を中心として、所定の角度の範囲内で、羽根を寝かせておくことが可能となる。この範囲内では、空気の流れによる抵抗が大きいため、羽根を寝かせることにより、受ける抵抗を効果的に低減することができる。

また、風車の羽根を風車本体に対して断続的に角度を変化させることは、ラック・ピニオンと、第一の回転部材と、第二の回転部材と、回転軸とによって実現されるため、ピニオンの回転が確実に羽根に伝達される。そのため、特許文献１に記載のもののような不安定さはなく、羽根が空気の流れを受ける動作、あるいは羽根が空気の抵抗を回避する動作を安定して確実に行うことができる。

また、風車の羽根を風車本体に対して断続的に角度を変化させる際の、角度変化の速度や、角度変化量は、第一の回転部材のピンの位置や、第二の回転部材のスロットの数を変えることによって変更することができ、自由度が高い。そのため、状況に応じて対応することが可能である。

本発明の風車は、風車本体と、前記風車本体に取り付けられる蓋部と、前記蓋部に設けられた円環状のラックと、前記ラックに接するように前記風車本体の側面の周方向に間隔を置いて複数設けられたピニオンと、前記ピニオンと一体として設けられた第三の回転部材と、前記第三の回転部材に接して連続回転運動する第四の回転部材と、前記第四の回転部材の連続回転運動が回転軸によって伝達される羽根とを備え、
前記羽根が風を受けて、前記ラックに沿って前記ピニオンが回転すると、前記第三の回転部材の連続回転運動が前記第四の回転部材に伝達され、前記羽根は前記回転軸を回転中心として前記風車本体に対する角度を連続的に変化させながら、前記風車本体の周方向に回転し、前記羽根の回転方向と風向とが一致する位置では、前記羽根の風受け面が空気の流れに対して垂直になるように前記羽根を立たせ、前記羽根の回転方向と風向とが逆向きとなる位置では、前記羽根の風受け面が空気の流れに沿うように前記羽根を寝かせることを特徴とする。

風車の羽根は、回転軸を回転中心として風車本体に対する角度を連続的に変化させながら、風車本体の周方向に回転するため、空気の流れに対して順方向に位置する羽根については、羽根の風受け面が空気の流れに対して垂直になるように羽根を立てて、空気の流れを受けやすくするとともに、空気の流れに対して逆方向に位置する羽根については、羽根の風受け面が空気の流れに沿うように羽根を寝かせて、羽根が空気から受ける抵抗をできる限り小さくすることができる。また、順方向と逆方向との間では、空気の流れの方向と大きさ成分との関係で、連続的に風車本体に対する羽根の角度を変化させることができる。

また、風車の羽根を風車本体に対して連続的に角度を変化させることは、ラック・ピニオンと、第三の回転部材と、第四の回転部材と、回転軸とによって実現されるため、ピニオンの回転が確実に羽根に伝達される。そのため、特許文献１に記載のもののような不安定さはなく、羽根が空気の流れを受ける動作、あるいは羽根が空気の抵抗を回避する動作を安定して確実に行うことができる。

本発明においては、前記風車本体は、前記ピニオンと、前記第二の回転部材または前記第四の回転部材とを設置するに足りる上下方向の厚みを有し、前記風車本体に前記蓋部が取り付けられた状態で、前記風車本体の内部に発電部が収納され、前記発電部に接続された導線から電気が取出される構造とすることができる。

風車本体に対する羽根の角度を変化させながら、羽根が風車本体の周方向に回転するためには、風車本体の側面にピニオンと、第二の回転部材または第四の回転部材が設けられていることが必要であるが、これらは小型の部材として形成可能であり、そのため、風車本体の上下方向の厚みを極めて小さくすることができる。また、この風車本体の内部に発電部が収納される構造として、この発電部から電気を取り出すことができるため、風車全体を薄型の発電装置として形成することが可能である。そのため、狭いスペースにも設置することが可能であり、どこにでも容易に持ち運ぶことができ、簡便な方法で電気を使用することができる。

本発明の風車においては、前記羽根に断続回転運動または連続回転運動を伝達する前記回転軸は、第一の歯車に取り付けられ、前記第一の歯車に接して第二の歯車が設けられており、前記ピニオンが回転すると、前記第二の歯車を介して前記第一の歯車に回転力が伝達され、前記第一の歯車の回転により前記羽根の角度が変化する構成とすることが好ましい。

羽根の回転半径が大きい場合や、羽根が受ける風が強い場合には、風車の羽根の回転トルクが大きくなり、風車本体は、羽根の回転や振動等の影響を受けやすくなる。また、羽根に空気中の飛来物などがぶつかるような場合にも、その衝撃による影響は無視できない。
このような場合に、羽根の回転軸が直接風車本体に取り付けられていると、ピニオンや、第一の回転部材、第二の回転部材、第三の回転部材、第四の回転部材が羽根の振動等の影響を受けて、適正な動作をしない可能性がある。そのため、第一の歯車と第二の歯車を介して、羽根の角度が変化する構成とすることにより、羽根の振動等の影響は、第一の歯車と第二の歯車とに吸収されることになり、ピニオンや、第一の回転部材、第二の回転部材、第三の回転部材、第四の回転部材の適正な動作を確保することができる。

特に、第一の回転部材と第二の回転部材とによって連続回転運動を断続回転運動に変換するジェネバ機能は、第一の回転部材のピンが第二の回転部材のスロットに入り込んで第二の回転部材を断続的に回転させる構造であるため、その動作には精密性が要求される。そのため、第一の歯車と第二の歯車を介する構成により、羽根の振動等の影響を排除することによる効果は大きい。

本発明においては、前記風車本体に対して前記蓋部を介して風向検知部が設けられ、前記風向検知部は、前記羽根の回転方向に平行に前記蓋部に固定された水平部と、前記水平部に対して前記風車本体の側面方向に沿って垂下する第一の垂下部と第二の垂下部とによって形成され、前記水平部は、前記風車本体と前記羽根とを覆うに足りる広さを有し、前記第一の垂下部は、風受け面を立てた羽根が、羽根の回転方向と風向とが同じ方向に位置するときの風下寄りに、前記風受け面を立てた羽根に対して垂直方向に形成され、前記第二の垂下部は、風受け面を寝かせた羽根が、羽根の回転方向と風向とが反対方向に位置するときの風下寄りに、前記風受け面を寝かせた羽根に対して垂直方向に形成されている構成とすることができる。

このような風向検知部を設けることにより、第一の垂下部と第二の垂下部とが風を受けたときに、垂下部が設けられていない空隙部との間で、風圧のアンバランスが生じる。その結果、風向検知部は回転力を生じ、風受け面を立てた羽根が、羽根の回転方向と風向とが同じ方向に位置し、かつ、風受け面を寝かせた羽根が、羽根の回転方向と風向とが反対方向に位置する状態を選択して、風車の羽根が最適な位置となるように風車の方向を決定することができる。

本発明は、水平方向に回転する方式の風車として、羽根が風による空気の流れを確実にかつ効率良く受け止めて、空気の流れのエネルギーが効率良く羽根の回転エネルギーに変換され、狭いスペースにも設置することが可能である。

本発明の第一実施形態に係る風車の外観斜視図である。風車本体に羽根が取り付けられ、ラックが配置された状態の詳細を示す図である。原動車と従動車とからなるジェネバ機構に羽根が取り付けられている状態を示す斜視図である。ピンがスロットに入り込んでいない状態を示す図である。ピンがスロットに入り込んだ状態を示す図である。ピンがスロットから出た状態を示す図である。風向と羽根の回転方向との関係を示す図である。蓋部の構造を示す図である。風車本体に羽根を取り付けた状態の構造を示す図である。羽根が取り付けられた風車本体に蓋部を取り付けた状態を示す図である。ラックとピニオンとが接している状態の平面図である。羽根が風を受けて回転する際の回転部分の平面図である。本発明の第二実施形態に係る風車の風車本体に羽根が取り付けられ、ラックが配置された状態の詳細を示す図である。風向検知部を設けた例を示す図である。ガード部を設けた例を示す図である。ガード部を設けた変形例を示す図である。

以下に、本発明をその実施形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の第一実施形態に係る風車の外観斜視図を示す。
図１に示すように、風車１は、空気の流れに対して羽根が水平方向に回転する方式の風車であって、円筒形状の風車本体２の上部に蓋部３が取り付けられ、風車本体２の側面の周方向に沿って放射状に、複数の羽根４が等間隔で取り付けられて構成されている。羽根４の風車本体２に対する角度は、それぞれの羽根４で異なっており、図１に示すものでは、羽根４は４枚設けられ、隣り合う羽根４同士では４５°異なっている。風車本体２に蓋部３を取り付けた状態では、風車本体２の内部に、風力から得られる羽根４の回転力を電気に変換する発電部が収納されており、この発電部に接続された導線５から電気が取出される。
なお、図に示す風車本体２に取り付けられる羽根４の数や、羽根４の傾き角度は一例であって、状況に応じて適宜選択できる。

図２に、風車本体に羽根が取り付けられ、ラックが配置された状態の詳細を示す。
図２に示すように、風車本体２の中心寄り上部は開放されており、図８に示す蓋部３に設けられた円環状のラック１１が、環状部１０の下側に形成されて、風車本体２の外周寄り上端に配置されている。ラック１１と接するように、風車本体２の側面の周方向に間隔を置いて複数のピニオン１２が取り付けられている。

ピニオン１２は小口径の円形歯車であり、ラック１１はピニオン１２の歯が噛み合うように歯切りをしたものである。通常のラック・ピニオンでは平板状の棒に歯切りをしたものが用いられているが、ここでは、ラック１１は円環状に形成されており、ピニオン１２は、固定されたラック１１に沿って回転することによって、ラック１１が設けられた方向に沿って移動する。

ピニオン１２と一体となるように、第一の回転部材である三日月形状の原動車１３が設けられ、原動車１３と接するように、第二の回転部材である従動車１４が取り付けられている。原動車１３と従動車１４とからなる機構は、ジェネバ機構と言われるもので、原動車１３の連続回転運動を従動車１４の断続回転運動に変換する機能を有している。原動車１３と従動車１４の動作については後に詳述する。

従動車１４の中心に設けられた回転軸１５には第二の歯車１６が取り付けられ、第二の歯車１６に接するように第一の歯車１７が取り付けられている。第一の歯車１７の中心に設けられた回転軸１８の先端には、羽根４（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が取り付けられている。

風の方向に対して順方向に位置する羽根４ａが風を受けて、ラック１１に沿ってピニオン１２が回転すると、これに伴って原動車１３も回転する。ピニオン１２が回転しているときは、原動車１３は常に回転しているが、原動車１３に接している従動車１４は、回転と停止を周期的に繰り返す。すなわち、ジェネバ機構を構成する原動車１３と従動車１４とによって、原動車１３の連続回転運動は、従動車１４の断続回転運動に変換される。

従動車１４の断続回転運動は、回転軸１５を介して第二の歯車１６に伝達される。第二の歯車１６は第一の歯車１７に接しているため、第二の歯車１６が回転しているときは第一の歯車１７も回転し、第二の歯車１６が停止しているときは第一の歯車１７も停止する。回転と停止は周期的に繰り返されるため、第二の歯車１６の断続回転運動は第一の歯車１７に伝達され、羽根４は回転軸１８を回転中心として断続的に回転する。その結果、羽根４は回転軸１８を回転中心として風車本体２に対する角度を断続的に変化させながら、風車本体２の周方向に回転する。
第一の歯車１７と第二の歯車１６とを設けることにより、羽根４の振動等が直接、ジェネバ機構を構成する原動車１３と従動車１４の動作に影響を与えることを防止できる。
なお、第一の歯車１７と第二の歯車１６とにベルトを巻くことにより、第一の歯車１７と第二の歯車１６の動作を安定化させることができる。

図３から図６に基づいて、羽根４が風車本体２に対する角度を断続的に変化させる動作を説明する。なお、図３から図６においては、図２に示す第二の歯車１６と第一の歯車１７は省略し、羽根４は回転軸１５に直接取り付けられている状態を示している。

図３は、原動車１３と従動車１４とからなるジェネバ機構に羽根４が取り付けられている状態を示す斜視図である。
原動車１３にはピン２０が設けられており、従動車１４にはこのピンが入り込むためのスロット２１が周方向に複数設けられている。スロット２１は、従動車１４の外周側から中心側に向かって形成された切込みからなるものである。原動車１３には、従動車１４の外周面２２と接する接触面として機能する外周面２３が設けられており、従動車１４の外周面２２は、原動車１３の外周面２３になめらかに接する形状の曲面となるように形成されている。

図４は、ピン２０がスロット２１に入り込んでいない状態を示している。
ピニオン１２は矢印方向に回転し、これに伴って原動車１３も回転しているが、原動車１３の外周面２３は従動車１４の外周面２２に沿ってスライドして従動車１４を支持する。その結果、従動車１４は停止し、羽根４の角度は変化しない。

図５は、ピン２０がスロット２１に入り込んだ状態を示している。
ピン２０がスロット２１に入り込み、原動車１３の外周面２３と従動車１４の外周面２２との接触が解除されると、ピン２０の動きに伴って従動車１４が回転する。すなわち、原動車１３のピン２０が従動車１４の一つのスロット２１に入りこむと、ピン２０は原動車１３の回転動作と同期して従動車１４を回転させ、所定の時間が経過するとそのスロット２１から出る。その動作の間、羽根４の角度が変わる。

図６は、ピン２０がスロット２１から出た状態を示している。
原動車１３のピン２０が従動車１４のスロット２１から出ている間は、原動車１３の外周面２３は従動車１４の外周面２２に沿ってスライドして従動車１４を支持し、従動車１４が回転しないようにしている。従って、この間は羽根４の角度は変化しない。

原動車１３と従動車１４の上記の動作が繰り返されることにより、原動車１３の連続回転運動は、従動車１４の断続回転運動に変換される。この動作により、羽根４は、風車本体２の周方向に回転しながら、羽根４の風車本体２に対する角度が固定される状態と、変化する状態とが周期的に現れる。その結果、風車本体２に対する羽根４の角度は断続的に変化する。

図７に、風向と羽根の回転方向との関係を示す。
矢印で示す方向に風が吹き、羽根４がその風を受けて風車本体２の周方向に回転している。
羽根４ａは、空気の流れに対して順方向に位置しており、この位置においては羽根４ａの風受け面が空気の流れに対して垂直になるように、羽根４ａを立てて、空気の流れを受けやすくしている。その一方、羽根４ｂは、空気の流れに対して逆方向に位置しており、この位置では羽根４ｂの風受け面が空気の流れに沿うように羽根を寝かせて、羽根４ｂが空気から受ける抵抗をできる限り小さくしている。また、順方向と逆方向との間では、羽根４ｃ、４ｄのように、空気の流れの方向と大きさ成分との関係で、風車本体２に対する羽根４の角度を変化させることができる。
以上の動作は、本発明の第一実施形態と、後述する第二実施形態のいずれの場合も実現することができ、これによって、風からの回転力を効果的に得ることができる。

さらに、本発明の第一実施形態では、ジェネバ機構を用いることによって、風車１の羽根４は風車本体２に対して断続的に角度を変化させることができる。そのため、羽根４の回転方向と空気の流れの方向とが完全に一致する位置を中心として、図に示す角度Ａの範囲内で、羽根４ａの風受け面が空気の流れに対して垂直になるように羽根を立てておくことが可能となる。この範囲内では、空気の流れによるエネルギーを享受しやすいため、羽根４ａを垂直に立てることにより、回転力を効果的に得ることができる。

また、羽根４の回転方向と空気の流れの方向とが完全に逆となる位置を中心として、図に示す角度Ｂの範囲内で、羽根４ｂの風受け面が空気の流れに沿うように羽根を寝かせておくことが可能となる。この範囲内では、空気の流れによる抵抗が最も大きいため、羽根４ｂを寝かせることにより、風による抵抗を効果的に低減することができる。

本発明の風車では、ジェネバ機構を用いているため、風車の羽根４を風車本体２に対して断続的に角度を変化させる際の、羽根４の角度変化の速度は、図３から図６に示したピン２０を、第一の回転部材である原動車１３の中心からどの位置に設けるかによって容易に変えることができる。また、羽根４の角度変化量は、第二の回転部材である従動車１４のスロット２１の数を変えることによって容易に変更することができる。そのため、設計上の自由度が高く、様々な状況に応じて多様に対応することが可能である。

例えば、図３から図６に示したものよりもスロット２１の数を減らすことによって、ピン２０のスロット２１への１回の出入りによる、羽根４の角度の変化量は大きくなる。従って、図７における羽根４ｃの位置に近づくまで、羽根４ａのように羽根を立てておき、ここで羽根を９０度傾けて羽根を寝かせた状態にし、風車本体２の周方向に１８０度回転した位置である、羽根４ｄの位置に近づいてからさらに羽根を９０度傾けて、羽根を立てた状態にすることもできる。

図８に、蓋部３の構造を示し、図９に、風車本体２に羽根４を取り付けた状態の構造を示す。図１０に、羽根４が取り付けられた風車本体２に蓋部３を取り付けた状態を示す。図１１は、ラック１１とピニオン１２とが接している状態の平面図である。図１２は、羽根が風を受けて回転する際の回転部分の平面図である。

本発明の風車１を発電装置として機能させるためには、風車本体２に対する羽根４の角度を変化させながら、羽根４が風車本体２の周方向に回転する動作が確保されることが必要であり、そのためには、図２に示すように、風車本体２の側面にピニオン１２と、第一の回転部材である原動車１３と、第二の回転部材である従動車１４とが取り付けられていることが必要となる。

第一の回転部材である原動車１３は、ピニオン１２よりも小径であって、ピニオン１２と一体として形成されていることから、本発明の風車１では、風車本体２は、ピニオン１２と、第二の回転部材である従動車１４とを設置するに足りる上下方向の厚みを有していればよい。ピニオン１２と従動車１４とは小型の部材として形成することが可能であり、そのため、風車本体２の上下方向の厚みを極めて小さくすることができる。なお、ここで上下方向の厚みとは、風車本体２を図１に示す状態、すなわち使用状態で配置したときに、上側から下側までの高さを意味する。

また、風車本体２に蓋部３が取り付けられた状態では、風車本体２の内部に、風力から得られる羽根４の回転力を電気に変換する発電部６が収納される構造となり、この発電部６に、図１に示した導線５が接続されており、導線５から電気が取出される構造となっている。従って、風車１全体を薄型の発電装置として形成することが可能であり、狭いスペースにも設置することが可能である。また、全体として小型に形成することができるため、どこにでも容易に持ち運ぶことができ、簡便な方法で電気を使用することができる。

図１０に示すように、ピニオン１２、原動車１３、従動車１４はギアボックス３０内に収納され、ピニオン１２の回転をなめらかにするために、ベアリング３１が設けられている。また、従動車１４の回転をなめらかにするために、ベアリング３２が設けられている。

ギアボックス３０の底部に接触して、ギアボックス３０の底部の下方にスプリング３３が設けられている。スプリング３３が設けられていることにより、風車本体２に対して与えられる振動等をスプリング３３が吸収する。そのため、蓋部３に形成されているラック１１と、風車本体２の側面に設けられたピニオン１２との接触が適正に保たれる。
羽根が風を受けると、羽根の回転力によって、図１２に示す回転部分が一体として回転する。この回転部分は、ギアボックス３０内に、ピニオン１２、原動車１３、従動車１４が収納されて固定され、回転軸１５と第二の歯車１６とが取り付けられてなるものである。これにより、図１１に示すように、ピニオン１２は、固定されたラック１１上を移動し、上述した羽根の角度変化が実現される。なお、図１２においては、第一の歯車１７は省略している。

図１３に、本発明の第二実施形態に係る風車の風車本体に羽根が取り付けられ、ラックが配置された状態の詳細を示す。
図１３に示すように、風車本体２の中心寄り上部は開放されており、図８に示す蓋部３に設けられた円環状のラック１１が、環状部１０の下側に形成されて、風車本体２の外周寄り上端に配置されている。ラック１１と接するように、風車本体２の側面の周方向に間隔を置いて複数のピニオン１２が取り付けられている。

ピニオン１２は小口径の円形歯車であり、ラック１１はピニオン１２の歯が噛み合うように歯切りをしたものである。通常のラック・ピニオンでは平板状の棒に歯切りをしたものが用いられているが、この第二実施形態においても、ラック１１は円環状に形成されており、ピニオン１２は、固定されたラック１１に沿って回転することによって、ラック１１が設けられた方向に沿って移動する。

ピニオン１２と一体となるように、第三の回転部材である第三の歯車４０が設けられ、第三の歯車４０と接するように、第四の回転部材である第四の歯車４１が取り付けられている。第三の歯車４０の連続回転運動は、第四の歯車４１に伝達される。

第四の歯車４１の中心に設けられた回転軸１５には第二の歯車１６が取り付けられ、第二の歯車１６に接するように第一の歯車１７が取り付けられている。第一の歯車１７の中心に設けられた回転軸１８の先端には、羽根４（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が取り付けられている。

風の方向に対して順方向に位置する羽根４ａが風を受けて、ラック１１に沿ってピニオン１２が回転すると、これに伴って第三の歯車４０も回転する。第三の歯車４０の連続回転運動は、第四の歯車４１に伝達されて、第四の歯車４１は連続回転運動する。

第四の歯車４１の連続回転運動は、回転軸１５を介して第二の歯車１６に伝達される。第二の歯車１６は第一の歯車１７に接しているため、第二の歯車１６の連続回転運動は第一の歯車１７に伝達され、羽根４は回転軸１８を回転中心として連続的に回転する。その結果、羽根４は回転軸１８を回転中心として風車本体２に対する角度を連続的に変化させながら、風車本体２の周方向に回転する。
第一の歯車１７と第二の歯車１６とを設けることにより、羽根４の振動等が直接、第三の歯車４０と第四の歯車４１の動作に影響を与えることを防止できる。
なお、第一の歯車１７と第二の歯車１６とにベルトを巻くことにより、第一の歯車１７と第二の歯車１６の動作を安定化させることができる。さらに、第三の歯車４０と第四の歯車４１とにベルトを巻くことにより、第三の歯車４０と第四の歯車４１の動作を安定化させることができる。

以上説明した第二実施形態においても、風車１を発電装置として機能させるためには、風車本体２に対する羽根４の角度を変化させながら、羽根４が風車本体２の周方向に回転する動作が確保されることが必要であり、そのためには、風車本体２の側面にピニオン１２と、第三の回転部材である第三の歯車４０と、第四の回転部材である第四の歯車４１とが取り付けられていることが必要となる。

第三の回転部材である第三の歯車４０は、ピニオン１２よりも小径であって、ピニオン１２と一体として形成されていることから、本発明の風車では、風車本体２は、ピニオン１２と、第四の回転部材である第四の歯車４１とを設置するに足りる上下方向の厚みを有していればよい。ピニオン１２と第四の歯車４１とは小型の部材として形成することが可能であり、そのため、風車本体２の上下方向の厚みを極めて小さくすることができる。なお、ここでも上下方向の厚みとは、風車本体２を図１に示す状態、すなわち使用状態で配置したときに、上側から下側までの高さを意味する。

また、第一の実施形態の場合と同様に、風車本体２に蓋部３が取り付けられた状態では、風車本体２の内部に、風力から得られる羽根４の回転力を電気に変換する発電部６が収納される構造となり、発電部６に導線５を接続して導線５から電気が取出される構造とすることができる。

従って、第一の実施形態の場合と同様に、風車１全体を薄型の発電装置として形成することが可能であり、狭いスペースにも設置することが可能である。また、全体として小型に形成することができるため、どこにでも容易に持ち運ぶことができ、簡便な方法で電気を使用することができる。
なお、第二実施形態においても、図８から図１２に示した構造における原動車１３と従動車１４を、第三の歯車４０と第四の歯車４１に置き換えることによって、図８から図１２に示したものと同様の構造とすることができる。

本発明の風車は、自動車の屋根上や底面のスペースに取り付けて、自動車の走行中に風を受けて発電する場合には、自動車の走行方向によって必然的に風を受ける方向が決定されるため、風の方向に合わせて風車の羽根の設定を決めることが可能である。
しかし、本発明の風車を静止した状態で使用する場合には、風向を検知する手段が必要となる。

図１４に、風向検知部を設けた例を示す。
風車本体２に対して蓋部３を介して風向検知部５０が設けられており、風向検知部５０は、水平部５１と、この水平部５１に対して風車本体２の側面方向に沿って垂下するように取り付けられた２つの垂下部５２ａ、５２ｂとによって形成されている。図１４においては、水平部５１を四角形に形成した例を示している。
水平部５１は、風車本体２と羽根４とを覆うに足りる広さ、すなわち面積を有している。水平部５１は、羽根４の回転方向に平行に、蓋部３の上面に配置されて、ボルト５３によって蓋部３と一体となるように固定されている。蓋部３と水平部５１とが固定された部分であって、水平部５１の設置対象物との接触面にはベアリング５４が取り付けられている。

一方の垂下部５２ａは、風受け面を立たせた羽根４ａが風の方向に対して順方向、すなわち、羽根の回転方向が風向と同じ方向に位置するときに、羽根４ａの位置から、羽根４ａが風を受ける際の風下側に向かって形成されている。つまり、垂下部５２ａは、風受け面を立たせた羽根４ａの側の風下寄りに、風受け面を立てた羽根４ａに対して垂直方向に形成され、風上側には垂下部５２ａは形成されておらず、空隙部５５ａが存在する。
また、他方の垂下部５２ｂは、風受け面を寝かせた羽根４ｂが風の方向に対して逆方向、すなわち、羽根の回転方向が風向と反対の方向に位置するときに、羽根４ｂの位置から、羽根４ｂが風を受ける際の風下側に向かって形成されている。つまり、垂下部５２ｂは、風受け面を寝かせた羽根４ｂの側の風下寄りに、風受け面を寝かせた羽根４ｂに対して垂直方向に形成され、風上側には垂下部５２ｂは形成されておらず、空隙部５５ｂが存在する。

２つの垂下部５２ａ、５２ｂと、空隙部５５ａ、５５ｂを上記のように形成することにより、垂下部５２ａ、５２ｂが風を受けたときに、空隙部５５ａ、５５ｂとの間で、風圧のアンバランスが生じて、風向検知部５０は回転力を生じる。

例えば、垂下部５２ａと空隙部５５ａとが風上側に位置しているときは、垂下部５２ａは風を受けるが、空隙部５５ａを風は通り抜けてしまうため、風向検知部５０は、図１４に示す状態となるように回転する。また、垂下部５２ｂと空隙部５５ｂとが風上側に位置しているときは、垂下部５２ｂは風を受けるが、空隙部５５ｂを風は通り抜けてしまうため、風向検知部５０は、図１４に示す状態となるように回転する。蓋部３は風向検知部５０と一体となるように固定されているため、風向検知部５０の回転に伴って蓋部３と風車本体２も回転する。

その結果、図１４に示すように、風受け面を立たせた羽根４ａが順方向、すなわち、羽根の回転方向が風向と同じ方向に位置し、風受け面を寝かせた羽根４ｂが逆方向、すなわち、羽根の回転方向が風向と反対の方向に位置するように、風車の位置を安定的に選択する。この状態では、矢印で示す風向に対して、風上側と風下側は開口しているため、風車に対する風の通りが良くなる。また、水平部５１の上面にベアリング５４が取り付けられていることにより、風向検知部５０を介して風車本体２を設置対象物に取り付けたときに、風向に従って滑らかに風向検知部５０と風車全体が回転するようになる。
なお、ボルト５３は、風受け面を立たせた羽根４ａに近い側で、風向に沿って風上側と風下側に２つ配置されており、これによって、風を最もよく受けて風の抵抗が最も大きくなる羽根４ａに近い側での固定が強固になる。

図１５に、ガード部を設けた例を示す。
風車本体２に対して蓋部３を介してガード部６０が設けられており、ガード部６０は、水平部６１と、この水平部６１に対して風車本体２の側面方向に沿って垂下するように取り付けられた２つの垂下部６２ａ、６２ｂとによって形成されている。図１５においては、水平部６１を四角形に形成した例を示している。
水平部６１は、風車本体２と羽根４とを覆うに足りる広さ、すなわち面積を有している。水平部６１は、羽根４の回転方向に平行に、蓋部３の上面に配置されて、ボルト５３によって蓋部３と一体となるように固定されている。
一方の垂下部６２ａは、風受け面を立たせた羽根４ａの側に、風受け面を立たせた羽根４ａに対して垂直方向に、空隙を設けずに一連として形成されている。また、他方の垂下部６２ｂは、風受け面を寝かせた羽根４ｂの側に、風受け面を寝かせた羽根４ｂに対して垂直方向に、空隙を設けずに一連として形成されている。

自動車の屋根上や底面のスペースに取り付けて、自動車の走行中に風を受けて発電する場合には、自動車の走行方向によって必然的に風を受ける方向が決定されるため、上記のガード部６０を設けることにより、矢印で示す風向に対して、風上側と風下側は開口していることから、風車に対する風の通りが良くなる。また、その側面側では余計な風の流れを防止することができる。また、風車に対して側面側から障害物が衝突することを防止でき、風車の保護機能を持つことができる。

図１６に、ガード部を設けた変形例を示す。
図１６に示すものは、図１５に示すものに対して、風上側の中央部に仕切板７０ａが設けられ、風下側の中央部に仕切板７０ｂが設けられたものである。仕切板７０ａの両側には空隙部７１ａが存在し、仕切板７０ｂの両側には空隙部７１ｂが存在している。

矢印で示す風向に対して順方向と逆方向との中間に位置する羽根４ｃと羽根４ｄに対しては、風による回転力が生じないが、仕切板７０ａが羽根４ｄの風上側に配置されていることにより、風が仕切板７０ａを回り込むように空隙部７１ａから吹き込むことによる空気の流れの乱れや負圧が羽根４ｄ付近に生じる。これによって、羽根４ｄに対して回転力が補助的に付加される。同様に、仕切板７０ｂが羽根４ｃの風下側に配置されていることにより、風が仕切板７０ｂを回り込むように空隙部７１ｂから吹き出すことによる空気の流れの乱れや負圧が羽根４ｃ付近に生じる。これによって、羽根４ｃに対して回転力が補助的に付加される。
なお、仕切板７０ａ、７０ｂは、図１４に示す構造のものに対しても取り付けることが可能である。

上述したように、本発明の風車は、自動車の屋根上や底面のスペースに取り付けて、自動車の走行中に風を受けて発電する場合は勿論、静止した状態でも風向を捉えて発電することができ、利用可能な範囲が極めて広い。また、水平部５１や水平部６１に太陽光パネルを取り付けると、太陽光発電による電力も利用することができ、昼夜や晴天雨天を問わず発電することが可能である。

本発明は、水平方向に羽根が回転する方式の風車として、羽根が風による空気の流れを確実にかつ効率良く受け止めて、空気の流れのエネルギーが効率良く羽根の回転エネルギーに変換され、狭いスペースにも設置することが可能な風車として、風力発電装置として利用できる。その一例として、電気自動車の屋根や底面に取り付けて補助的に発電する装置として利用することができる。また、風向検知部を設けることにより、静止した状態でも発電することができ、広範囲に亘って利用可能である。

１風車
２風車本体
３蓋部
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ羽根
５導線
６発電部
１０環状部
１１ラック
１２ピニオン
１３原動車
１４従動車
１５回転軸
１６第二の歯車
１７第一の歯車
１８回転軸
２０ピン
２１スロット
２２外周面
２３外周面
３０ギアボックス
３１ベアリング
３２ベアリング
３３スプリング
４０第三の歯車
４１第四の歯車
５０風向検知部
５１水平部
５２ａ、５２ｂ垂下部
５３ボルト
５４ベアリング
５５ａ、５５ｂ空隙部
６０ガード部
６１水平部
６２ａ、６２ｂ垂下部
７０ａ７０ｂ仕切板
７１ａ７１ｂ空隙部

Claims

風車本体と、前記風車本体に取り付けられる蓋部と、前記蓋部に設けられた円環状のラックと、前記ラックに接するように前記風車本体の側面の周方向に間隔を置いて複数設けられたピニオンと、前記ピニオンと一体として設けられた第一の回転部材と、前記第一の回転部材の連続回転運動が断続回転運動に変換されて断続回転運動する第二の回転部材と、前記第二の回転部材の断続回転運動が回転軸によって伝達される羽根とを備え、前記第一の回転部材には、前記第二の回転部材の外周面と接する接触面とピンとが設けられ、前記第二の回転部材には、前記ピンが入り込むためのスロットが周方向に複数設けられており、
前記羽根が風を受けて、前記ラックに沿って前記ピニオンが回転すると、前記第一の回転部材のピンが前記第二の回転部材のスロットに出入りして前記第二の回転部材を断続的に回転させて、前記第一の回転部材の連続回転運動が前記第二の回転部材の断続回転運動に変換されて伝達され、前記羽根は前記回転軸を回転中心として前記風車本体に対する角度を断続的に変化させながら、前記風車本体の周方向に回転し、前記羽根の回転方向と風向とが一致する位置では、前記羽根の風受け面が空気の流れに対して垂直になるように前記羽根を立たせ、前記羽根の回転方向と風向とが逆向きとなる位置では、前記羽根の風受け面が空気の流れに沿うように前記羽根を寝かせることを特徴とする風車。
風車本体と、前記風車本体に取り付けられる蓋部と、前記蓋部に設けられた円環状のラックと、前記ラックに接するように前記風車本体の側面の周方向に間隔を置いて複数設けられたピニオンと、前記ピニオンと一体として設けられた第三の回転部材と、前記第三の回転部材に接して連続回転運動する第四の回転部材と、前記第四の回転部材の連続回転運動が回転軸によって伝達される羽根とを備え、
前記羽根が風を受けて、前記ラックに沿って前記ピニオンが回転すると、前記第三の回転部材の連続回転運動が前記第四の回転部材に伝達され、前記羽根は前記回転軸を回転中心として前記風車本体に対する角度を連続的に変化させながら、前記風車本体の周方向に回転し、前記羽根の回転方向と風向とが一致する位置では、前記羽根の風受け面が空気の流れに対して垂直になるように前記羽根を立たせ、前記羽根の回転方向と風向とが逆向きとなる位置では、前記羽根の風受け面が空気の流れに沿うように前記羽根を寝かせることを特徴とする風車。
前記風車本体は、前記ピニオンと、前記第二の回転部材または前記第四の回転部材とを設置するに足りる上下方向の厚みを有し、前記風車本体に前記蓋部が取り付けられた状態で、前記風車本体の内部に発電部が収納され、前記発電部に接続された導線から電気が取出されることを特徴とする請求項１または２記載の風車。
前記羽根に断続回転運動または連続回転運動を伝達する前記回転軸は、第一の歯車に取り付けられ、前記第一の歯車に接して第二の歯車が設けられており、前記ピニオンが回転すると、前記第二の歯車を介して前記第一の歯車に回転力が伝達され、前記第一の歯車の回転により前記羽根の角度が変化することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の風車。
前記風車本体に対して前記蓋部を介して風向検知部が設けられ、前記風向検知部は、前記羽根の回転方向に平行に前記蓋部に固定された水平部と、前記水平部に対して前記風車本体の側面方向に沿って垂下する第一の垂下部と第二の垂下部とによって形成され、
前記水平部は、前記風車本体と前記羽根とを覆うに足りる広さを有し、前記第一の垂下部は、風受け面を立てた羽根が、羽根の回転方向と風向とが同じ方向に位置するときの風下寄りに、前記風受け面を立てた羽根に対して垂直方向に形成され、前記第二の垂下部は、風受け面を寝かせた羽根が、羽根の回転方向と風向とが反対方向に位置するときの風下寄りに、前記風受け面を寝かせた羽根に対して垂直方向に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の風車。