JP4814186B2

JP4814186B2 - 抗力型風車

Info

Publication number: JP4814186B2
Application number: JP2007235361A
Authority: JP
Inventors: 光雄畠山
Original assignee: 光雄畠山
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: JP2009068366A

Description

本発明は、抗力型風車に関し、詳しくは半円筒型のブレードを出力軸の周りに放射状に配置したサボニウス型風車に案内ブレードを増設した構造を有する抗力型風車に関する。

地球温暖化や、将来予想される化石燃料の枯渇等の見地から、風力エネルギーの利用が注目されている。一般に、風力エネルギーを利用する場合は風車が用いられる。従来、低速の風でも動作する風車として、フィンランド人のS.J.Savoniusにより、１９２０年代に提案されたサボニウス型風車が使用されることがあった。しかし、サボニウス型風車は、起動トルクが大きいものの効率が１５％程度と低いという欠点がある。そこで、従来からサボニウス型風車の効率を向上するための提案が種々なされている。その一つとして、特許文献１の「抗力形風車」がある。この風車は、図５に示すように、半円筒形のブレード２１の円弧の中心点側前方に案内ブレード２２を設けたものである。

また、図６に示すものは、図５におけるブレードを大型にして、配置数を２個とし、それらの内側端部を互いに重複するように配置して、図５と同様に、ブレード２３の円弧の中心点側前方に案内ブレード２４を設けたものである。また、図７に示すものは、ブレードの個数を２個として、ブレード２５の断面形状を四分円弧にし、その内側端部を延長して出力軸２６の先まで配設し、ブレード２５の中間部の前方に案内ブレード２７を配設したものである。また、他の技術として、特許文献２の「垂直型風車」がある。この風車は、図８に示すように、２個の半円筒形のブレード３１，３２を出力軸３３に対向して配置するとともに、それらの２個のブレード３１，３２の中間に２個のブレード３４，３５を配置するとともに、それら断面形状を四分円弧にし、その内側端部を延長して出力軸３３の先まで配設したものである。
特開２００５−２９１１０９号公報特開２００７−１１３５１２号公報

上述した風車は、それぞれサボニウス型風車の効率を向上することができたが、いまだ完全なものではなく、まだ、効率を向上する余地があった。そこで、本発明は、半円筒型のブレードを出力軸の周りに放射状に配置したサボニウス型風車の効率をさらに向上させる抗力型風車を提案することを目的とした。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、略半円筒形をした複数のブレードを出力軸の周りに等間隔で配置するとともに、前記半円筒形ブレードの凹面側前方に案内ブレードを増設した抗力型風車において、前記案内ブレードは平板であるとともに、前記案内ブレードの外側端の位置が前記半円筒形のブレードの外端位置を通り前記出力軸を中心とする円周上であって、前記案内ブレードの内側端の位置が前記半円筒形ブレードの内端位置と前記案内ブレードの外側端の位置を結ぶ線分上であり、かつ前記案内ブレードの内側端と前記半円筒形ブレードの内端位置との間に隙間を形成したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の抗力型風車において、前記案内ブレードの外側端の位置は、前記半円筒形のブレードの外端位置を通り前記出力軸を中心とする円周上であって、相前後する前記半円筒形ブレードの外端位置の中間であることを特徴とした。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の抗力型風車において、前記隙間は、前記半円筒形ブレードの内端位置と前記案内ブレードの外側端の位置とを結ぶ線分の略１０％であることを特徴とした。

請求項の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の抗力型風車において、前記半円筒形ブレードおよび前記案内ブレードの個数をそれぞれ４個としたことを特徴とする。

以上述べたように本発明によれば、案内ブレードが平板であるとともに、案内ブレードの外側端の位置が半円筒形のブレードの外端位置を通り出力軸を中心とする円周上であって、案内ブレードの内側端の位置が半円筒形ブレードの内端位置と案内ブレードの外側端の位置を結ぶ線分上であり、かつ案内ブレードの内側端と半円筒形ブレードの内端位置との間に隙間を形成したことにより、半円筒形ブレードに発生する抗力が極限まで高められて効率が向上する。

以下、図に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は本発明に係る抗力型風車の実施形態を示す正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。図１および図２において、１は風車本体であり、その出力軸２が基台３に回転可能に支持されている。基台３には発電機等の動力を回収する手段が内蔵されている。風車本体１は、出力軸２の上下部にそれぞれ一体的に円板４，５が固定され、その間に、略半円筒形をした４個の半円筒形ブレード６〜９がそれぞれ９０度間隔で配設されている。

次に、図２において、半円筒形ブレード６〜９の外端と内端は、９０度間隔で出力軸２から放射される４本の放射線Ａ〜Ｄ上に位置するとともに、半円筒形ブレード６〜９の外端は、円板４，５の外周上に位置している。半円筒形ブレード６〜９の凹面側の前方には、それぞれ案内ブレード１１〜１４が配設されている。案内ブレード１１〜１４は平板からなり、その外側端は、それぞれ放射線Ａ〜Ｄのそれぞれの中間に、９０度間隔で出力軸２から放射される４本の放射線Ｅ〜Ｈ上であって、円板４，５の外周上に位置している。案内ブレード１１〜１４の内側端は、それぞれ半円筒形ブレード６〜９の内端と案内ブレード１１〜１４の外側端を結ぶ線分上であって、その線分の内側端からその線分長の略１０％離間した位置である。

つまり、案内ブレード１１〜１４の内側端と半円筒形ブレード６〜９の内端との間には、それぞれ案内ブレード１１〜１４の全長の略９分の１の長さの隙間１５〜１８が形成されている。なお、案内ブレード１１〜１４の外側端は、円板４，５の外周上から外側へ突出すると、回転する風車本体１の外周から外側へ突出することになり、好ましくない。また、案内ブレード１１〜１４の外側端は、円板４，５の外周上から内側へ後退すると、案内ブレード１１〜１４としての風を受ける有効面積が減少することから好ましくない。

すなわち、案内ブレード１１〜１４の外側端は、円板４，５の外周上に位置することが最も好ましい。しかしながら、案内ブレード１１〜１４の外側端は、図２における案内ブレード１１〜１４の幅方向全長の１０％程度を半径とする円を範囲内とする移動では、風車本体１としての性能にあまり影響を与えることがない。同様に、案内ブレード１１〜１４の内側端の位置も、図２における案内ブレード１１〜１４の全長の１０％程度を半径とする円を範囲内とする移動では、風車本体１としての性能にあまり影響を与えることがない。このように、案内ブレード１１〜１４の円板４，５上の位置は、図２に示された位置に限定されるものではなく、若干の位置の移動は可能である。

また、出力軸２の両端に配設されている円板４，５は、風車本体１の外径に対して軸方向の長さが十分に長い、つまり、半円筒形ブレード６〜９および案内ブレード１１〜１４の軸方向の長さが十分に長い場合は、特に円板である必要でなく、各ブレードの軸方向端部を支持するスパイダ状の形状であってもよい。また、出力軸２の配置方向は垂直に限定されるものではなく、水平であっても動作可能である。さらに、半円筒形ブレードおよび案内ブレードの個数は、４個に限定されるものではなく、２個、３個あるいは５個以上とすることも可能である。

図３は、上述した風車本体１の１組の半円筒形ブレード６および案内ブレード１１に着目して、その回転動作を順に図示した説明図である。風方向は、図中に矢印で示したように、左から右方向に吹いているものとする。（１）から（４）では、風は半円筒形ブレード６の凹面部に当たり、図示しない出力軸２に時計方向のトルクを発生する。さらに、（３）から（６）では、風は案内ブレード１１の背面に当たり、出力軸２に時計方向のトルクを発生する。（５）および（６）では、半円筒形ブレード６での発生トルクは次第に減少するが案内ブレード１１による時計方向の発生トルクは最大となる。

図４は、上述した本発明の風車本体１と、図５に示した従来風車とを比較して示したものである。図（ａ）は本発明の風車本体１を示し、図（ｂ）は従来風車を示し、それぞれ回転位相が互いに４５度異なる場合を示している。いずれの場合も、風方向は左から右方向である。図（ａ）の本発明の風車本体１は、案内ブレードの内側端が半円筒形ブレードの内端に近接する位置にあるため、図面上、出力軸よりも上側に、案内ブレードおよび半円筒形ブレードがある場合、案内ブレードの半円筒形ブレード側の面が風上に向いているときは、半円筒形ブレードの凹面側へ効果的に風を案内している。

さらに、案内ブレードの半円筒形ブレード側とは反対側の面が風上に向いているときは、案内ブレード自体が風圧を受けて、時計方向の回転トルクを発生する。図面上、出力軸よりも下側に、案内ブレードおよび半円筒形ブレードがある場合、案内ブレードは回転方向の後方側へ傾斜しているため、風圧によって発生する反時計方向の回転トルクは、上述した時計方向の回転トルクよりも十分に小さいものである。すなわち、案内ブレードを増設した効果が顕著に現れることになる。

これに対して、図（ｂ）の場合は、案内ブレードを設けたことで、半円筒形ブレードへ風を案内する効果はあるものと思われるが、案内ブレードの方向が風車の周方向と略平行であるため、図面上、出力軸よりも上側に案内ブレードがある場合に案内ブレードに発生する時計方向の回転トルクと、出力軸よりも下側に案内ブレードがある場合に案内ブレードに発生する反時計方向の回転トルクとの大きさが略同じとなる。その結果、それら案内ブレードにより発生する回転トルクは互いに打ち消しあうことになり、結局、本発明の風車に比較して案内ブレードを設けた効果が小さいものである。つまり、本発明の風車の方が、図５に示した従来風車よりも効率が増大することになる。

次に、案内ブレード１１〜１４の内側端と半円筒形ブレード６〜９の内端との間に形成された隙間１５〜１８の作用・効果について説明する。本発明では、案内ブレード１１〜１４を、その内側端と半円筒形ブレード６〜９の内端とを略連続したように配設したことで、案内ブレード１１〜１４と半円筒形ブレード６〜９が風上に向いている角度では、その半円筒形ブレード６〜９に広い範囲から風の流れを捉えることができる。しかしここで、案内ブレード１１〜１４の内側端と半円筒形ブレード６〜９の内端とを完全に連続させてしまうと、案内ブレード１１〜１４が捉えた風を半円筒形ブレード６〜９に押し込んで強い抗力を生むことができるものの、そのままでは、案内ブレード１１〜１４により導かれ半円筒形ブレード６〜９に押し込まれた風が、そのまま半円筒形ブレード６〜９内に溜まって、淀みができてしまい、次の風の流れに支障をきたすことになる。そこで、本発明では、その問題を解消するために、案内ブレード１１〜１４の内側端と半円筒形ブレード６〜９の内端との間に隙間１５〜１８を形成したことで、その隙間１５〜１８から風の一部を排出することにより、半円筒形ブレード６〜９内の淀みを解消して風が連続して導入されるようにして、抗力のさらなる増大を図ったものである。

なお、上述した実施形態における半円筒形ブレード６〜９の断面形状は、厳密な半円形に限定されるものではなく、楕円を二分割した形状、放物線、正弦曲線、直線を連結した多角形等の半円形に近似する任意の形状とすることが可能である。

本発明は、サボニウス型風車に案内ブレードを増設した構造であるが、サボニウス型風車における半円筒形ブレードの配置個数を増すとともに、半円筒形ブレードの曲率を減少させることでクロスフロー型風車に近づいていくが、そのクロスフロー型風車にも、本発明と同様な案内ブレードを増設することでも、効率を向上させることが可能である。

本発明に係る抗力型風車の実施形態を示す正面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図１の抗力型風車の１組の半円筒形ブレードおよび案内ブレードの回転動作を順に図示した説明図である。本発明の抗力型風車と図５に示した従来風車とを比較して示した説明図である。従来例を示す横断面図である。従来例を示す横断面図である。従来例を示す横断面図である。従来例を示す横断面図である。

符号の説明

１風車本体
２出力軸
３基台
４円板
５円板
６〜９
半円筒形ブレード
１１〜１４案内ブレード
１５〜１８隙間
Ａ〜Ｈ放射線

Claims

略半円筒形をした複数のブレードを出力軸の周りに等間隔で配置するとともに、前記半円筒形ブレードの凹面側前方に案内ブレードを増設した抗力型風車において、
前記案内ブレードは平板であるとともに、前記案内ブレードの外側端の位置が前記半円筒形のブレードの外端位置を通り前記出力軸を中心とする円周上であって、相前後する前記半円筒形ブレードの外端位置の中間であり、前記案内ブレードの内側端の位置が前記半円筒形ブレードの内端位置と前記案内ブレードの外側端の位置を結ぶ線分上であり、かつ前記案内ブレードの内側端と前記半円筒形ブレードの内端位置との間に隙間を形成したことを特徴とする抗力型風車。
請求項１に記載の抗力型風車において、
前記隙間は、前記半円筒形ブレードの内端位置と前記案内ブレードの外側端の位置とを結ぶ線分の略１０％であることを特徴とした抗力型風車。
請求項１または２に記載の抗力型風車において、
前記半円筒形ブレードおよび前記案内ブレードの個数をそれぞれ４個としたことを特徴とする抗力型風車。