JP5003977B2 - 風受羽根の方向制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、公転軸と、該公転軸の周りに上下１対として複数対固定された軸支杆と、上下１対の軸支杆に風受羽根軸を介して回転自在に支持された複数枚の風受羽根と、を有する風車における、風受羽根の方向制御装置に関する。

この種の風車は、風受羽根で風を受け、風力を公転軸の回転に変換し、公転軸の回転を発電機などの軸に伝えて発電するために用いられる。このため、風車タワーに回転自在に立設された公転軸があり、風受羽根で風を効率よく受けてこれを回転させることが重要である。
しかしながら、従来例の風車は、いずれも自転しつつ公転する複数枚の風受羽根が公転軸に歯車などで機械的に連結され、大型化するという欠点があった（特許文献１）。そこで、風受羽根で風を効率よく受けることができ、かつシンプルな構造とし、信頼性の高い風車が提案されている（特許文献２）。
特開平１１―１１７８５０号公報 特開２００１−１０７８３８号公報

しかしながら、特許文献２に記載の風車では、公転軸に連結した発電機で発電した電気を一旦蓄電池に蓄電し、この蓄電池の電気などを風受羽根の方向制御装置を動かすモータの駆動源としていた。
このため、特許文献２に記載の風車は、風受羽根の方向制御装置を動かすモータの駆動源として電気を多く消費し、省電力化を図るうえで問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、シンプルな構造で信頼性が高い風車において、風受羽根の方向制御を行うことによって風受羽根で風を効率よく受けることができ、かつ省電力化も図ることができる風受羽根の方向制御装置を提供することを目的とする。 また更に本発明は、逆転と停止も容易に行える風受羽根の方向制御装置を提供する。

本発明者は、風受羽根の方向制御装置について鋭意検討した結果、特許文献２に記載の風車の基本構造を生かし、公転軸の周りに公転する風車の駆動力を利用して、カムの周縁にばねで接触されるカムローラをカム周縁に対し前進・後退移動させ、特殊液圧モータで風受羽根の方向制御を行うようにすれば、上記課題を解決できることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち本発明は、以下のとおりである。
１．風車タワーに回転自在に立設されている公転軸と、該公転軸の周りに上下１対として複数対固定された軸支杆と、上下１対の軸支杆に風受羽根軸を介して回転自在に支持された風受羽根を複数枚有し、複数枚の風受羽根が公転軸周りに公転する風車において、所定の凹凸曲面で形成された周縁を有するカムと、該カムの中心部を貫通して回転軸が該カムと固定されかつ中空の公転軸上部に回転自在に支持された風向計と、各風受羽根の上の軸支杆に搭載され、前記カムの周縁にばねで接触されるカムローラをシリンダロッド先端に取り付けた液体シリンダと、各風受羽根の上、下どちらか一方の軸支杆に搭載され、前記シリンダロッドの移動に伴い、該液体シリンダから出入りする液体の量によって所定の角度だけモータ軸が回転する特殊液圧モータと、を具備し、該特殊液圧モータのモータ軸が一方の軸支杆側の風受羽根軸とされ、もしくは一方の軸支杆側の風受羽根軸と直結され、該特殊液圧モータに液体を出入りさせる液体シリンダとの間に液回路を設け、該液回路を、連通配管と、該連通配管の途中に設けた電磁開閉弁とで構成したことを特徴とする風受羽根の方向制御装置。
２．前記液回路に加え、液体シリンダ側および特殊液圧モータ側の両方にバイパス配管を配設し、該バイパス配管の途中に電磁開閉弁を設けたことを特徴とする上記１．に記載の風受羽根の方向制御装置。

本発明によれば、公転軸の周りに公転する風車の駆動力を利用して、カムの周縁にばねで接触されるカムローラをカム周縁に対し前進・後退移動させ、液体シリンダを駆動するようにし、液圧特殊モータで風受羽根の方向制御を行うようにしたから、風受羽根で風を効率よく受けることができ、かつ省電力化も図ることができる。また更に本発明によれば、逆転と停止も容易に行える風受羽根の方向制御装置を実現できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した風車１の構造を示す斜視図、図２(ａ)は本発明にかかる風受羽根の方向制御装置の構成を示す斜視図、図２(ｂ)は液体シリンダのロッド先端部を示す平面図である。また、図３(ａ)は図２に示した風受羽根の方向制御装置の一部断面を含む正面図、図３（ｂ）は(ａ)のＸ−Ｘ断面図である。

本発明を適用した風車１は、図１に示したように、風車タワー９に回転自在に立設されている公転軸２と、公転軸２上部に回転自在に支持された風向計11と、上下１対の軸支杆3a、3bに風受羽根軸4a、4bを介して回転自在に支持された３枚の風受羽根５と、を有する。
図１中8a、8bは公転軸２を支持する軸受である。この公転軸２には平歯車2aが固定され、平歯車2bを介して公転軸２の回転を出力軸2cに伝えることができる。そして、風受羽根５で風を受け、公転軸２の回転を出力軸2cに伝えて発電機などで発電する、あるいは揚水ポンプ等を回す。このような構成は、特許文献２の風車と同じである。

ここで、風向計11の回転軸11aは、図２（ａ）、図３（ａ）に示したように、カム10に設けた貫通孔を通してカム10と固定され、軸受11bで支持されている。
本発明の実施の形態にかかる風受羽根の方向制御装置は、所定の凹凸曲面で形成された周縁を有するカム10と、回転軸11aがカム10と固定されかつ中空の公転軸２上部に回転自在に支持された風向計11と、各風受羽根５を回転自在に支持する上の軸支杆3aに搭載された液体シリンダ７と、各風受羽根５を回転自在に支持する下の軸支杆3bの下面側に取り付けられ、該液体シリンダ７から出入りする液体の量によって所定の角度だけモータ軸が回転する特殊液圧モータ６と、を具備する。

この特殊液圧モータ６のモータ軸は、図２（ａ）に示したように、下の軸支杆3b側の風受羽根軸4bとされている。特殊液圧モータ６の詳細な構造は後述する。ただし、本発明では、特殊液圧モータ６のモータ軸と、下の軸支杆3b側の風受羽根軸4bとを、図７に示すように、カップリング6dで直結してもよい。また、上の軸支杆3aに搭載した液体シリンダ７は、図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）に示したように、カム10の周縁にばね7cで接触されるカムローラ7aをシリンダロッド7b先端に取り付けたものである。

なお、液体シリンダ７は、カム10の周縁とカムローラ7aが接触するように上の軸支杆3aに搭載される。このため、特殊液圧モータ６は、各風受羽根５を回転自在に支持する下の軸支杆3bの下面側に取り付けることが、各風受羽根５の上下の質量バランスを図るうえで好適である。
この上の軸支杆3aに搭載した液体シリンダ７は、風車１の定常運転時、図３（ｂ）のように、各風受羽根５を回転自在に支持する軸支杆3a、3bと一緒に公転軸２の回りに公転するので、その際、カム10の周縁にばねで接触されるカムローラを先端に取り付けたシリンダロッドがカム10の周縁に対して先進・後退移動し、液体シリンダから所定量の液体が出入りする。この所定量の液体を液体シリンダ７から特殊液圧モータ６へ出入りさせる液回路を設け、一枚の風受羽根５の方向を決める一組の方向制御手段を構成したことが特徴である。

以下、特殊液圧モータ６、および液体シリンダ７の所定量の液体を液体シリンダ７から特殊液圧モータ６へ出入りさせる液回路について詳細に説明する。
（特殊液圧モータ６の構造：図２(ａ)参照）
歯車6aがモータケース6bの中央にあり、歯車6aの周方向位置において所定の角度にわたり、モータケース6bの内面と接触する歯が切られていない部分6cが設けてある。また、歯車6aの中心に固定した軸がモータ軸であり、図２(ａ)の場合、風受羽根軸4bとされている。

歯が切られていない部分6cの角度θは、風受羽根５の傾き角度αの制御範囲よりも大きく設定する。たとえば、図４の実施例の場合のように、風受羽根５の傾き角度αを、−１２°（風下の地点Ｇ）から＋１２°（風上の地点Ｃ）まで変化させるには、歯が切られていない部分6cの角度θ＞２４°＝＋１２−（−１２）＝風受羽根５の傾き角度αの制御範囲とする。このようにすれば、風受羽根５の傾き角度αを、反時計周りに＋１２°（風上の地点Ｃ）から−１２°（風下の地点Ｇ）まで変化させることができる。なお、図４中、風向Ｗに対し、風下の地点Ｇにおける傾き角度α＝−１２°が、風受羽根軸4bを反時計周りに最も回転させた場合であり、風上の地点Ｃにおける傾き角度α＝＋１２°が、風受羽根軸4bを時計周りに最も回転させた場合である。

つまり、風受羽根軸4bを時計周りに所定の角度だけ回転させる工程と、風受羽根軸4bを反時計周りに所定の角度だけ回転させる工程とがある。
特殊液圧モータ６の作用を、図２(ａ)、（ｂ）を参照しつつ歯が切られていない部分6cの周方向一端をＰ、周方向他端をＱとして説明する。特殊液圧モータ６の接続口12aと連通される歯間の部屋を6e、接続口12ｂと連通される歯間の部屋を6fとする。

この特殊液圧モータ６で風受羽根軸4bを時計周りに回転させる工程では、歯間の部屋6eに液体シリンダ７から所定量の液体を入れ、一方歯間の部屋6fから同じ量の液体を出して液体シリンダ７へ戻す。そして、特殊液圧モータ６で風受羽根軸4bを時計周りに所定の角度まで回転させた後、反時計周りに回転させて元の位置に戻すには、歯間の部屋6fに液体シリンダ７から所定量の液体を入れ、一方歯間の部屋6eから同じ量の液体を出して液体シリンダ７へ戻してやる。

このようにするには、図２(ａ)、（ｂ）において、カム10の周縁にばね7cで接触されるカムローラ7aを先端に取り付けたシリンダロッド7bを、前進・後退移動させ、液体シリンダ７から所定量の液体が出入りし、特殊液圧モータ６で風受羽根５の方向制御を行うようにすればよい。すなわち、シリンダロッド7bの前進工程では、カムローラ7aが所定の凹凸曲面で形成された周縁を有するカム10と接触しつつカム10の凹部からカム10の凸部にまで至る。シリンダロッド7bの後退工程では、カムローラ7aが所定の凹凸曲面で形成された周縁を有するカム10と接触しつつカム10の凸部からカム10の凹部にまで至る。
（液体シリンダ７の構成とそのばね7cの役目：図２（ｂ）参照）
液体シリンダ７のシリンダロッド7b先端に取り付けたばね7cは、前記したシリンダロッド7bの後退工程で、カムローラ7aをカム10の周縁に接触させるために設けられている。

すなわち、カムローラ7aがカム10の周縁と接触して力を受けるのは、カムローラ7aがカム10と接触しつつカム10の凹部からカム10の凸部にまで至る、シリンダロッド7bの前進工程であり、カムローラ7aが、カム10の凸部からカム10の凹部にまで至る、シリンダロッド7bの後退工程では、このばね7cがないと、カムローラ7aを前進させてカム10の周縁の凹部と接触させる力は、液体シリンダ７から発生しない。そこで、このばね7cのばね力によって、シリンダロッド7bを液体シリンダ７内から引き出し、カムローラ7aを周縁の凹部と接触させる必要がある。なお、ばね7cとしては、コイル状のばねを用いるのが好適である。

本発明にかかる風受羽根の方向制御装置は、このようなばね7cをシリンダロッド7b先端に有する液体シリンダ７の駆動源として、公転する風車１の駆動力を利用しているから、風受羽根で風を効率よく受けることができ、かつ省電力化も図ることができる。
（一組の方向制御手段の、液体シリンダ７と特殊液圧モータ６の関係）
液体シリンダ７からは、カム最大半径L1と最小半径L2の差（L1−L2）に見合う量の液体が出入りする。そして、液体シリンダ７から出入りする液体の量によって特殊液圧モータ６で回転する風受羽根軸4bの所定の角度が決まるから、風受羽根５の傾き角度αの制御範囲に応じて、カム形状、液体シリンダ７の断面積、特殊液圧モータ６の歯が切られていない部分6cの角度θなどを適切に設定する。特殊液圧モータとしては、特殊油圧モータを用いるのが、選定が容易であるから好ましい。

なお、特殊液圧モータ６は、風受羽根５の上下の質量バランスを他の部材で取るようにすれば、下の軸支杆3bに代わり、上の軸支杆3aの上面に液体シリンダ７と干渉しないように搭載してもよい。また、本発明では、特殊液圧モータ６のモータ軸と、下の軸支杆3b側の風受羽根軸4bとを、図７に示すように、カップリング6dで直結してもよい。
（一組の方向制御手段の配管系統）
一枚の風受羽根５の方向を決める、特殊液圧モータ６と液体シリンダ７間の配管系統は、図２（ａ）に示したとおりである。

特殊液圧モータ６の接続口12a、12ｂと、液体シリンダ７の接続口13a、13bとをそれぞれ連通配管14a、14bで接続し、それぞれの配管途中に電磁開閉弁15を設けて風受羽根５の傾き角度を制御する配管系統を構成した。それに加えて、暴風時あるいは強風時に対応するため、風受羽根５の傾き角度を制御する連通配管系統に加え、特殊液圧モータ側および液体シリンダ側にバイパス配管17を配設し、その配管17の途中に電磁開閉弁16を設けた。

風車の定常運転時には、連通配管14a、14bの途中に設けた電磁開閉弁15を開、バイパス配管17の電磁開閉弁16を閉とし、風受羽根５の傾き角度を制御する。
暴風時には、連通配管14a、14bの途中に設けた電磁開閉弁15を閉、バイパス配管17の電磁開閉弁16を開とし風車の運転を停止する。強風時には風受羽根５の傾き角度を制御する風車の定常運転と、それを中断する運転を繰り返す。各電磁開閉弁を動作させる電気は風車１の出力軸2cに接続した発電機などから適宜供給すればよい。

以上説明した風受羽根の方向制御装置によれば、実施例１、２、３で述べるように、風受羽根５で風を効率よく受けることができるように、風受羽根５の方向制御を適切に行うことができる。
なお、実施例１は風車の定常運転時、実施例２は暴風時、実施例３は強風時における風受羽根の制御結果である。好適例として、３枚の風受羽根５を公転中心の周りに120゜間隔に３対設けた場合の実施例である。

図４には風車の定常運転時における、風受羽根の方向を示した。
図では１枚の風受羽根５が公転中心周りを公転する際の位置と、風受羽根５の方向との関係を例示した。説明を容易にするため、風受羽根５の公転軌道上の各位置に名前付けを行う。風向Ｗに対し、公転軌道上の風上Ｃ位置から時計回り方向に直角な位置をＡ地点（基準位置）とし、Ａ地点から反時計周りに45゜毎に、Ｂ地点、Ｃ地点（90°）・・・Ｇ地点（270°）とした。この実施例では、風上位置のＣ地点（90°）での風受羽根５の傾き角度α＝＋１２°、風下位置Ｇ地点（270°）での風受羽根５の傾き角度α＝−１２°とするため、歯が切られていない部分6cの角度θ＞２４°とした特殊油圧モータ６、この特殊油圧モータ６に所定量の油圧を送る液体シリンダ７を用いると共に、所定の凹凸形状の周縁を形成したカム10と用い、図２（ａ）に示した方向制御手段を構成した。

この結果、図４に示したように、風受羽根５の傾き角度を適切に制御することができ、風受羽根５で風を効率よく受けることができかつ省電力化も図ることができた。

暴風時には、風受羽根５の公転速度が危険値を超えてしまうことが起こる。そこで、連通配管14a、14bの途中に設けた電磁開閉弁15を閉、バイパス配管17の電磁開閉弁16を開とする（図２（ａ）参照）。このようにすれば、液体シリンダ７から吐出する液体は、特殊液圧モータ６へ送られず、バイパス配管17を通り、液体シリンダ７へ戻される。特殊液圧モータ６でも同様である。この結果、風受羽根５は風の力で自転して風の方向と平行となり、風受羽根５で風を効率よく受けることができず、風受羽根５は公転しない、図５に示した風車１の停止状態となる。

このようなバイパス回路を用いれば、実施例３のように風受羽根５の傾き角度を制御する風車１の定常運転と、それを中断する運転を繰り返すことで強風時でも風車１を運転することが可能となる。

強風時には、風受羽根５の傾き角度を制御する風車１の定常運転と、バイパス回路を用い、それを中断する運転を繰り返す。風車１の定常運転中、風受羽根５の公転速度がある値を超えそうになった場合、バイパス回路を用い、風受羽根５の傾き角度を制御することを中断する。すると、風車１の公転速度が低下する。公転速度が低下し、公転軸２の周りを慣性で公転している風受羽根５の方向を図６に示した。風受羽根５は、周速度と風向Ｗの合力方向に平行に傾いている。

次いで、風車１の公転速度がある値を下回りそうになったとき、風車１の定常運転を行う。このようなことを繰り返す運転を行うことで風車１の出力を最大にできる。
そのため、カム10の下面にＡ地点位置設定器18を取り付け、その取り付け位置に対応させて、風受羽根位置検出器19を各風受羽根５の上の軸支杆3aに取り付け、Ａ地点位置設定器18と風受羽根位置検出器19で、各風受羽根５がＡ地点位置に入って来たことを検出するのが好適である（図３（ａ）参照）。このようにすれば、各風受羽根５がＡ地点位置に入って来たことを検出した時点で、電磁開閉弁の開閉を容易に行うことができる。

本発明を適用した風車の全体構造を示す斜視図である。 (ａ)は本発明にかかる風受羽根の方向制御装置の構成を示す斜視図、（ｂ）は液体シリンダのロッド先端部を示す平面図である。 (ａ)は図２に示した風受羽根の方向制御装置の一部断面を含む正面図、（ｂ）は(ａ)のＸ−Ｘ断面図である。 風車の定常運転時の風受羽根の方向を示す平面図である。 暴風時の風受羽根の方向を示す平面図である。 強風時の風受羽根の方向を示す平面図である。 本発明に用いる特殊液圧モータの構成を示す斜視図である。

符号の説明

Ｗ 風向
θ 歯が切られていない部分の角度
α 風受羽根の傾き角度
１ 風車
２ 公転軸
2a 平歯車
2b 平歯車
2c 出力軸
3a 上軸支杆
3b 下軸支杆
4a、4b 風受羽根軸
５ 風受羽根
６ 特殊液圧モータ
6a 歯車
6b モータケース
6c 歯が切られていない部分
6d カップリング
７ 液体シリンダ
7a カムローラ
7b シリンダロッド
7c コイル状のばね
8a、8b 軸受
９ 風車タワー
10 カム
11 風向計
11a 風向計11の回転軸
11b 軸受
12a、12ｂ、13a、13b 接続口
14a、14b 連通配管
15、16 電磁開閉弁
17 バイパス配管
18 Ａ地点位置設定器
19 風受羽根位置検出器

Claims (2)

1. 風車タワーに回転自在に立設されている公転軸と、該公転軸の周りに上下１対として複数対固定された軸支杆と、上下１対の軸支杆に風受羽根軸を介して回転自在に支持された風受羽根を複数枚有し、複数枚の風受羽根が公転軸周りに公転する風車において、
   所定の凹凸曲面で形成された周縁を有するカムと、該カムの中心部を貫通して回転軸が該カムと固定されかつ中空の公転軸上部に回転自在に支持された風向計と、各風受羽根の上の軸支杆に搭載され、前記カムの周縁にばねで接触されるカムローラをシリンダロッド先端に取り付けた液体シリンダと、各風受羽根の上、下どちらか一方の軸支杆に搭載され、前記シリンダロッドの移動に伴い、該液体シリンダから出入りする液体の量によって所定の角度だけモータ軸が回転する特殊液圧モータと、を具備し、該特殊液圧モータのモータ軸が一方の軸支杆側の風受羽根軸とされ、もしくは一方の軸支杆側の風受羽根軸と直結され、該特殊液圧モータに液体を出入りさせる液体シリンダとの間に液回路を設け、該液回路を、連通配管と、該連通配管の途中に設けた電磁開閉弁とで構成したことを特徴とする風受羽根の方向制御装置。
2. 前記液回路に加え、液体シリンダ側および特殊液圧モータ側の両方にバイパス配管を配設し、該バイパス配管の途中に電磁開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の風受羽根の方向制御装置。

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