JP4736563B2

JP4736563B2 - 風車

Info

Publication number: JP4736563B2
Application number: JP2005183149A
Authority: JP
Inventors: 篤長田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: JP2007002728A

Description

本発明は、風力発電や風速計などに用いられるパドル型の風車に関する。

従来、この種の風車は、回転軸が垂直であり、自然風の風向に影響を受けない、また抗力型の風車として高風速時においても回転数が比較的低く安全であり、さらには構造が簡単であるということから、小型の発電機や風速計などと接続され、小型の風車として利用されていた（例えば、特許文献１参照）。

以下、その風車について図６の側面図と図７の水平断面図を参照しながら説明する。

図６の側面図、図７の水平断面図のように、カップ状の受風部１０１を支持部１０２で支持し、位相をずらして複数等間隔に配置される。前記受風部１０１は風を受ける向きによって受風面１０３と背面１０４とで抗力が異なり、その力の差により回転力を発生する仕組みとなっている。
実開平７−３０３７７号公報（第１図）

このような従来の風車では、構造の単純さという特徴のために多く使われているが、受風部の最適化例は少なく、効率は重視されていなかった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、構造の単純さという特徴は残したまま、受風部の最適化を行い、風力を効率的に回転エネルギに変えることのできる風車を提供することを目的としている。

本発明の風車は、パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を基準として、前記受風部外径端が回転方向に、前記受風部内径端が回転方向と逆方向に位置し、回転軸方向における全ての受風部水平断面形状が同一であり、受風部上部が回転方向と逆方向にずれるように、回転軸を基準に受風部全体が捻られたことを特徴としたものである。

この手段により、隣接受風部を考慮した場合に、受風面において風を捉える効率が良くなり、同風速時の発生トルクを大きくすることができ、風車の効率向上が可能となる。また、この手段により、風車設置面積は変化させないまま、受風面積を大きくすることができ、風車の持つ出力を向上させることが可能となる。また、この手段により、静止時に、風上に対して、受風面側が前傾となり上向きの力を発生し、背面側が後傾となり下向きの力を発生するが、上向きの力を発生する受風面の抗力が大きいことより、全体として風車に浮力がかかり、回転摩擦が小さくなり、風車が起動しやすくなり、低風速から起動させることが可能となる。

また他の手段は、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線が、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線と１５°から３５°の取付け角度をなしていることを特徴としたものである。

この手段により、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線が、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線と２５°としたときの、隣接受風部を考慮した場合に最もトルクを大きく取れる角度を中心とした付近の取付け角度にすることにより、最良の発生トルクを得ることができ、効率向上が可能となる。

また他の手段は、パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を基準として、前記受風部外径端が回転方向に、前記受風部内径端が回転方向と逆方向に位置し、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離位置の距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の５５％以上６５％以下であり、回転軸方向における全ての受風部水平断面形状が同一であり、受風部上部が回転方向と逆方向にずれるように、回転軸を基準に受風部全体が捻られたことを特徴としたものである。

この手段により、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離位置の距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の６０％としたときの、最もトルクを大きく取れる比を中心とした付近の比にすることにより、受風面から風を受けた場合の抗力が大きく、背面から風を受けた場合の抗力が小さくなり、これら抗力の差を大きくすることができるので、同風速時の発生トルクを大きくすることができ、風車の効率向上が可能となる。また、この手段により、風車設置面積は変化させないまま、受風面積を大きくすることができ、風車の持つ出力を向上させることが可能となる。また、この手段により、静止時に、風上に対して、受風面側が前傾となり上向きの力を発生し、背面側が後傾となり下向きの力を発生するが、上向きの力を発生する受風面の抗力が大きいことより、全体として風車に浮力がかかり、回転摩擦が小さくなり、風車が起動しやすくなり、低風速から起動させることが可能となる。

また他の手段は、パドル型風車の受風部水平断面が楕円弧であることを特徴としたものである。

この手段により、大きい発生トルクを得ながら、構造の単純さという特徴を保つことができ、高効率かつ、製作しやすい風車の提供が可能となる。

また他の手段は、受風部全体が、回転軸を基準に一定の割合で捻られたことを特徴としたものである。

この手段により、受風部枚数が少ない場合には位相により発生トルクに差ができるが、捻り、受風部を周方向に広範囲にちらすことにより、位相によらずに安定したトルクを発生することが可能となる。

また他の手段は、受風部の回転軸方向の両端面とその間に、前記受風部内の上方もしくは下方の流れの偏りを区分けすることで抑えるように、受風部軸方向に仕切る回転軸垂直面とほぼ平行な仕切り板を設けたことを特徴としたものである。

この手段により、特にねじった場合に上方もしくは下方に流れの偏りができ、発生トルクが回転軸方向にばらつく場合があるが、受風部内に仕切りを設けることにより、トルクのばらつきを抑えることが可能となる。

また他の手段は、仕切り板の接続箇所と同一箇所に接続部を持った受風部を支持する支持部を備えたことを特徴としたものである。

この手段により、支持部は受風部表面の一部だけを支えるのではなく、受風部内の広い範囲で受風部に接する仕切りも支えることとなり、風車支持の剛性を大きくすることが可能となる。

本発明によれば、受風部の最適化を行い、風力を効率的に回転エネルギに変えることのできる風車を提供できる。

本発明の請求項１記載の発明は、パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を基準として、前記受風部外径端が回転方向に、前記受風部内径端が回転方向と逆方向に位置し、回転軸方向における全ての受風部水平断面形状が同一であり、受風部上部が回転方向と逆方向にずれるように、回転軸を基準に受風部全体が捻られたことを特徴としたものである。特に受風部枚数が多い場合に、風上側の投影で受風部内径側が上流側の隣接受風部により隠されるが、回転軸方向に対して、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を外側に凹部が向くようにずらすことにより、受風面において風を捉える効率が良くなり、同風速時の発生トルクを大きくすることができ、風車の効率向上が可能となる。また、水平断面形状を保ったまま回転軸方向に引き伸ばすことにより、風車設置面積は変化させないまま、受風面積がおおきくなり、風車の持つ出力を簡単に向上させることができる。また、静止時に、風上に対して、受風面側が前傾となり上向きの力を発生し、背面側が後傾となり下向きの力を発生するが、上向きの力を発生する受風面の抗力が大きいことより、全体として風車に浮力がかかり、回転摩擦が小さくなることから、風車を低風速から起動させることができる。

また、請求項２記載の発明は、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線が、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線と１５°から３５°の取付け角度をなしていることを特徴としたものであり、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線が、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線と２５°としたときの、最もトルクを大きく取れる角度を中心とした付近の取付け角度にすることにより、最良の発生トルクを得ることができ、効率向上が可能となる。

また、請求項３記載の発明は、パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を基準として、前記受風部外径端が回転方向に、前記受風部内径端が回転方向と逆方向に位置し、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離位置の距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の５５％倍よりも大きく６５％よりも小さく、回転軸方向における全ての受風部水平断面形状が同一であり、受風部上部が回転方向と逆方向にずれるように、回転軸を基準に受風部全体が捻られたことを特徴としたものである。受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離位置の距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の６０％としたときの、最もトルクを大きく取れる比を中心とした付近の比にすることにより、受風面から風を受けた場合の抗力が大きく、背面から風を受けた場合の抗力が小さくなり、これら抗力の差を大きくすることができるので、同風速時の発生トルクを大きくすることができ、風車の効率向上が可能となる。また、水平断面形状を保ったまま回転軸方向に引き伸ばすことにより、風車設置面積は変化させないまま、受風面積がおおきくなり、風車の持つ出力を簡単に向上させることができる。また、静止時に、風上に対して、受風面側が前傾となり上向きの力を発生し、背面側が後傾となり下向きの力を発生するが、上向きの力を発生する受風面の抗力が大きいことより、全体として風車に浮力がかかり、回転摩擦が小さくなることから、風車を低風速から起動させることができる。

また、請求項４記載の発明は、パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の５５％よりも大きく６５％よりも小さいかつ、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を外側に凹部が向くようにずらすことを特徴としたものであり、受風部の取付けをずらし隣接する受風部の影響を吸収し、かつ受風部単枚でも効率的な断面形状にすることで、より多くの発生トルクを得ることができる。

また、請求項５記載の発明は、パドル型風車の受風部水平断面が楕円弧であることを特徴としたものであり、大きい発生トルクを得ながら、構造と設計の単純さという特徴を保つことができ、高効率かつ、製作しやすい風車を提供できる。

また、請求項６記載の発明は、受風部全体が、回転軸を基準に一定の割合で捻られたことを特徴としたものであり、受風部枚数が少ない場合には位相により発生トルクに差ができるが、捻り、受風部を周方向に広範囲にちらすことにより、位相によらずに安定したトルクを発生することができる。

また、請求項７記載の発明は、受風部の回転軸方向の両端面とその間に、前記受風部内の上方もしくは下方の流れの偏りを区分けすることで抑えるように、回転軸方向に仕切る回転軸垂直面とほぼ平行な仕切り板を設けたことを特徴としたものであり、特にねじった場合に上方もしくは下方に流れの偏りができ、発生トルクが回転軸方向にばらつく場合があるが、受風部内に仕切りを設けることにより、トルクのばらつきを抑えることができる。

また、請求項１０記載の発明は、仕切り板の接続箇所と同一箇所に接続部を持った受風部を支持する支持部を備えたことを特徴としたものであり、支持部は受風部表面の一部だけを支えるのではなく、受風部内の広い範囲で受風部に接する仕切りも支えることとなり、風車支持の剛性を大きくすることができる。

（参考の形態１）
従来例と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。

図１は参考の形態１の平面断面図であって、受風面１０３と背面１０４を備えた受風部１０１が支持部１０２に固定され、支持部１０２は回転軸４に取付けられたパドル型風車である。ここで、受風部１０１は、受風部外径端１と受風部内径端２の中点３と回転軸４とを結ぶ直線を基準として、受風部外径端１は回転方向に、受風部内径端２は回転方向と逆方向に位置している。なお、受風部外径端１と受風部内径端２とを結ぶ直線が、中点３と回転軸４とを結ぶ直線と２５°の取付け角度５をなして、受風部１０１は固定されている。

上記構成において、受風部１０１と支持部１０２の取付け方法として、受風部外径端１と受風部内径端２とを結ぶ直線が回転軸４を通るように位置する方法が考えられるが、特に風車が３枚以上の受風部を有する場合には、風上側からの投影において上流側の隣接受風部６の影に受風部１０１の一部が隠れるため、風を効率的に受けることができなくなる。しかし、受風部外径端１と受風部内径端２の中点３と回転軸４とを結ぶ直線を基準として、受風部外径端１は回転方向に、受風部内径端２は回転方向と逆方向に位置することによって、受風部外径端１と受風部内径端２を結ぶ直線が風方向と垂直となり風圧を最も受ける位相をずらし隣接受風部６の影を避けることにより、結果として風車全体で風を捉える効率が良くなり、同風速時の発生トルクを大きくすることができ、効率向上が可能となる。

なお、参考の形態１では、風車平面断面図の一部として受風部１０１を２枚しか示していないが、風車全体では２枚以上の受風部が周方向に等間隔に配置される。また、受風部外径端１と受風部内径端２とを結ぶ直線が、中点３と回転軸４とを結ぶ直線と２５°の取付け角度をなしているが、中点３と回転軸４とを結ぶ直線を基準として、受風部外径端１は回転方向に、受風部内径端２は回転方向と逆方向に位置するだけでも発生トルク増加の効果は得られる。このとき図２は取付け角度と発生トルクの関係図であり、取付け角度２５°付近に極大値をもち、１５°から３５°付近の取付け角度において、特に大きな効果が得られる。

（参考の形態２）
従来例、または参考の形態１と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。

図３は参考の形態２の平面断面図であって、受風面１０３と背面１０４を備えた受風部１０１が支持部１０２に固定され、支持部１０２は回転軸４に取付けられたパドル型風車である。ここで、受風部１０１は、受風部外径端１と受風部内径端２とを結ぶ直線からの最大距離位置７の距離８が、受風部外径端１と受風部内径端２との距離９の６０％である楕円弧で構成されたものである。

上記構成において、受風面１０３側から風を受けた抗力と、１８０度位相のずれた場合の背面１０４から風を受けた抗力との差が大きくなり、特に距離８が、距離９の約６０％としたときに極大となり、風車全体として同風速時の発生トルクを大きくすることができ、効率向上が可能となる。

なお、参考の形態２では、風車平面断面図の一部として受風部を１枚しか示していないが、風車全体では２枚以上の受風部が周方向に等間隔に配置される。また、距離８は距離９の発生トルクが極大となる６０％としているが、５５％以上６５％以下の範囲でも発生トルク増加の効果は得られ、受風部１０１を楕円弧としているが、受風部外径端１と最大距離位置７、受風部内径端２と最大距離位置７を結ぶ直線で構成された形状などの、受風面１０３が風に対して凹形状になっている形状で構成された受風部１０１でも、距離８と距離９の比を５５％より大きく６５％よりも小さい範囲にすることにより発生トルクの増大効果が得られる。さらに、実施の形態１の取付け角度と併用することにより、発生トルクをさらに大きくすることができ、効率向上が可能となる。

（実施の形態１）
従来例、または参考の形態１、２と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。

図４は実施の形態１の斜視図であって、受風面１０３と背面１０４を備え、水平断面形状が回転軸４に垂直な任意の断面で同一形状であり、下端位置を基準に同一形状を保ったまま受風部高さの中央あたりまで垂直にのび、上部では、位相をずらすように構成された受風部１０１が支持部１０２に固定され、支持部１０２は回転軸４に取付けられたパドル型風車である。

上記構成において、水平断面形状を同一とすることにより、風車設置面積は変化させないまま、最適な断面形状で受風面積を大きくし、風車の持つ出力を簡単に向上させることができる。また、受風部上部が回転方向と逆方向にずれるように受風部１０１を捻ることにより、静止時には、受風面１０３側が風上に対して前傾となり上向きの力を発生し、背面１０４側が後傾となり下向きの力を発生し、全体として抗力が大きい受風面１０３の上向きの力が浮力となり、回転摩擦が小さくなることから、風車を低風速から起動させることが可能となる。このとき、捻りの程度は、受風部の傾きにより風を受けて発生する効力が風車を上方に持ち上げ、かつ、回転力としても風を確実に受けられるような、受風部の一部が地面に対して４５°以上９０°未満の角度であることが望ましい。

なお、実施の形態１では、上部のみを捻っているが、上部が回転方向と逆方向にずれていれば、下方のみ、もしくは、全体的に回転方向に捻られているが、途中で曲率が変わったりしてもよい。また、取付け、水平断面形状は任意であるが、実施の形態１の取付け角度、実施の形態２の断面形状で構成することにより、より高性能な風車の設計が可能となる。

（実施の形態２）
従来例、または参考の形態１、２、実施の形態１と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。

図５は実施の形態２の斜視図であって、受風面１０３と背面１０４と、受風部１０１内を仕切る回転軸４垂直面とほぼ平行な仕切り板１０を備え、水平断面形状が回転軸４に垂直な任意の断面で同一形状であり、下端位置を基準に同一形状を保ったまま、回転方向と逆方向に一定の角度で位相をずらすように捻られた受風部１０１が仕切り板１０と同じ接続部１１において支持部１０２に固定され、支持部１０２は回転軸４に取付けられたパドル型風車である。

上記構成において、回転軸４を基準に、軸方向位置と捻り角度の割合が一定であるような、一定の割合で捻り、受風部１０１を周方向の広範囲にちらすことにより、位相によらない安定したトルクを発生することができる。また、受風部１０１内に、回転軸方向に仕切る回転軸垂直面とほぼ平行な仕切り板１０を設けることにより、ねじった場合の上方もしくは下方の流れの偏りを区分けすることで抑え、支持部１０２を仕切り板１０と同一箇所で受風部１０１との接続部１１を持せることにより、受風部１０１表面の一部だけを支えるのではなく、受風部１０１内の広い範囲で受風部に接する仕切りも支えることとなり、風車支持の剛性を大きくすることができる。このとき、一定の割合の捻りとは、受風部の傾きにより風を受けて発生する効力が風車を上方に持ち上げ、かつ、回転力としても風を確実に受けられるような、受風部の上端から下端までの全ての箇所が地面に対して４５°以上９０°未満の一定角度であることが望ましい。

なお、実施の形態２では仕切り板１０と支持部１０２とを同一箇所で接続しているが、同一箇所で接続しなくても、仕切り板のみの構成でも流れの偏り抑制の効果を得ることができ、また、取付け、水平断面形状は任意としているが、実施の形態１の取付け角度、実施の形態２の断名形状で構成することにより、より高性能な風車の設計が可能となる。

本発明にかかる風車は、受風部の最適化により風力を効率的に回転エネルギに変え、高風車効率、低風速機動性の特徴を有し、特にパドル型風車として有用である。

本発明の参考の形態１の平面断面図取付け角度と発生トルクの関係図本発明の参考の形態２の平面断面図本発明の実施の形態１の斜視図本発明の実施の形態２の斜視図従来の風車を示す側面図同上平面断面図

符号の説明

１受風部外径端
２受風部内径端
３受風部外径端と内径端の中点
４回転軸
５取付け角度
６隣接受風部
７最大距離位置
８最大距離位置の距離
９受風部外径端と内径端の距離
１０仕切り板
１１接続部
１０１受風部
１０２支持部
１０３受風面
１０４背面

Claims

パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を基準として、前記受風部外径端が回転方向に、前記受風部内径端が回転方向と逆方向に位置し、回転軸方向における全ての受風部水平断面形状が同一であり、受風部上部が回転方向と逆方向にずれるように、回転軸を基準に受風部全体が捻られたことを特徴とした風車。
受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線が、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線と１５°から３５°の取付け角度であることを特徴とした請求項１に記載の風車。
パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を基準として、前記受風部外径端が回転方向に、前記受風部内径端が回転方向と逆方向に位置し、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離位置の距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の５５％以上６５％以下であり、回転軸方向における全ての受風部水平断面形状が同一であり、受風部上部が回転方向と逆方向にずれるように、回転軸を基準に受風部全体が捻られたことを特徴とした風車。
パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の５５％以上６５％以下であることを特徴とした請求項１または２に記載の風車。
パドル型風車の受風部水平断面が楕円弧であることを特徴とした請求項３または４に記載の風車。
受風部全体が、回転軸を基準に一定の割合で捻られたことを特徴とした請求項１から５いずれかに記載の風車。
受風部の回転軸方向の両端面とその間に、前記受風部内の上方もしくは下方の流れの偏りを区分けすることで抑えるように、回転軸方向に仕切る回転軸垂直面とほぼ平行な仕切り板を設けたことを特徴とした請求項１から６いずれかに記載の風車。
仕切り板の接続箇所と同一箇所に接続部を持った受風部を支持する支持部を備えたことを特徴とした請求項７記載の風車。