JP5926690B2 - 風車等の並進翼駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、風車などの流体との間で動力の授受を行う装置において、翼幅方向が重力方向に平行な多数枚の翼を駆動索により水平牽引する機構による翼の偏揺れを矯正することで、牽引抵抗の増大を防止しスムーズな翼の水平方向並進を得る装置に関するものである。

風車は大型化の流れにあり設備効率は高まっているが風の利用率を高めてはいない。これに対し、利用率向上の点で注目されるのは、タンデム風車（二重反転風車）である。タンデム式にはシングル風車に対し風車効率が３０％ほど向上すると報じられている。さらに、並進二重反転式風車は、米国のシュナイダーが昭和５０年日本に特許出願をしており、多数翼を並進させるものであるが、シュナイダー特許に基づく実用化は行われなかった。シュナイダー特許の基本構造について図１を参考にして説明する。翼１は多数並列に配置され紙面に平行な方向に並進するが、その併進に際しては、Ｘ軸回りの横揺れ（ローリング）、Ｙ軸回りの迎角、Ｚ軸回りの偏揺れ（ヨーイング）が適切に制御されていないと風車の翼としての機能が効率良く得られなく、シュナイダー特許は翼を並進させる基本構造ではあったが、翼のＸ，Ｙ，Ｚ軸回りの動きを制御しつつスムーズな翼並進を得る機構に工夫が必要であった。

図２を参考に説明する。その後、各翼軸２の両端を牽引チェーン５に結合して支持させて、スプロケットを回る牽引チェーンを駆動して翼を並進させる。あるいは逆に、風力や水力により翼に発生する並進方向の力により牽引チェーンを介してスプロケットを回転させる方法が考案された。牽引チェーンで翼の上下両端を牽引するスプロケットを使用した方式においては翼１の並進時のＺ軸回りの偏揺れはチェーンとスプロケットの噛み合いでそのつど補正されるが、並進中の全翼の偏揺れを同時に矯正することにより大きな力が牽引索に負荷される。さらに、単位重量あたりの許容牽引力がワイヤー製の牽引索と比較して少ないチェーンではチェーン重量が増大し回転部分の重量が著しく増大する。
特に、スプロケット間の距離が長いシステムにおいてはチェーン重量増加により発電効率を著しく低下させるとともに大きな騒音の発生源になるという欠点がある。
また、迎角制御は、迎角制御車輪４を翼軸２の先端に取り付け、図３に示される迎角制御ガイド７を図中矢印方向に移動させることにより翼を回転させる。この構成においては、翼が反対側に位置したり、風向に応じて仰角が反転するような場合にガイドの最大移動位置からの移動操作に対して翼軸の回転方向が必ずしも定まらずに不安定な動作となり、しかも、翼軸の３６０度の回転を可能とするために図３に示すように翼軸端上方に翼の併進方向に直角にガイドレールの移動空間を確保しなければならない。

スプロケットと牽引索にチェーンを使用したときの騒音や重量増加を改善する目的で牽引索にワイヤー、乃至ベルトとプーリーを使用して翼の上下両端で牽引することが提案されている。しかし、翼上下の寸法誤差を無くし、翼に負荷される力の上下差を避けることは技術上、又使用条件を鑑みると非常に困難である。それ故に、翼の両端牽引のみでは翼への偏荷重による翼のＺ軸回りの偏揺れ（ヨーイング）は不可避であり翼の並進とともに偏揺れは増大し、それに伴い翼の並進抵抗が増大し翼の並進続行が困難となる問題がある。騒音が少なく高効率の翼の水平並進機構にはスプロケットとチェーンに替わる牽引システムが求められている。

特開２００３−２６９３１８ 特開２００６−２４９９９９ 特開平１０−６１５９８

牛山泉,風力エネルギーの基礎 オーム社 ２００８年

解決しようとする課題は、効率を低下させずワイヤーとプーリーで翼を牽引する際に翼の偏揺れ（ヨーイング）増加による翼並進抵抗が増加すること、さらに、翼に対する風圧による荷重が過大となった場合などに対処するため、迎角を自由にした後の再迎角制御が困難であることを解決する。

本発明は、二本の翼の回転軸とその両端を支持する二本の結合棒で矩形体を構成し、該矩形体に垂直な軸を有する少なくとも２個の偏揺制御車輪を設けてガイド内に走行させることによって、翼に生じる小さな偏揺れ（ヨーイング）が増幅する前に微小な力で補正する。
翼横揺れに対しては、二組の走行ガイド車輪をそれぞれ併進方向に沿って配置されたガイド内を走行させることによって小さな横揺れが増幅する前に微小な力で補正する。
また、翼軸に歯車を設けると共に上記矩形体に固定された軸に歯車ないし円盤状ホイールを取り付けてタイミングベルトでこれらを結合し、上記矩形体の歯車ないしホイールに仰角制御用車輪を取付け、該車輪を翼の併進方向に沿って配置されると共に併進方向に垂直な方向に移動可能なガイド内を走行させることにより、或いは、翼軸を直接回転駆動して、翼の仰角を制御する。

チェーンの使用無しで一本の牽引索で多数枚の翼を水平にスムーズに並進させる方式での風力発電が可能になるとともに、翼の並進速度を風速の半分ないしそれ以下で効率よい発電が行えることにより、翼の高速運動に伴う騒音発生の問題が解決できる。さらに、風力発電装置の落雷可能箇所に避雷針を設置することが容易であり落雷被害が容易に避けられる。多数翼を並進させる事で防風効果が顕著になり、冬の避雷針被害の多い強風下での新規な防風壁として利用できる。
翼の迎角を翼と結合棒で構成する矩形面に対して制御が可能な事により、矩形に取り付けた装置により個々の翼迎角制御が可能になる。例えば、翼からアームを出し、アーム先端に迎角制御用車輪ガイド車輪を取付け、その車輪が走行するガイドと矩形面間の距離を制御して翼の迎角を制御する事が可能となる。この構成によって、ガイド車輪の往復移動距離に応じた翼軸の３６０度の回転制御が可能となり、翼軸先端上方にこれらの仰角制御用のガイドレールや車輪の動作空間を確保する必要もなく、図５〜７に示すようにこれらの機構を横揺れ制御或いは偏揺れ制御用のガイドレール等の配置に対して自由に設置することが可能となって、牽引装置を支持する構造体の簡易化が図れる。同時に、強風時に翼の迎角を自由にし、翼に生じる負荷を最小にすることが可能になるとともに、翼進行方向変換部で迎角を自由にすることにより、方向変換部での翼抵抗の最小化が可能である。
さらに、翼軸と矩形面に対して固定された軸の各々にスプロケットを取付け、チェーンでスプロケットを結合し、矩形面に対して固定された軸に取り付けられたスプロケットを回転させることにより、翼軸を回転させる方式での翼迎角制御が可能になる。

座標軸方向と翼の横揺れ、偏揺れ、迎角を説明した図である。 従来のチェーン牽引による翼牽引と迎角制御方法である。 従来の迎角制御方法である。 本発明による二本の翼が構成する矩形体を牽引するとともにその面を基準とし翼の迎角を制御する装置を説明した図である。 本発明による翼の迎角を制御する装置をＸ軸方向から見た図である。 本発明による翼の迎角を制御する装置を説明した図である。 本発明による翼の迎角を制御する装置をＸ軸方向から見た図である。 本発明による翼の迎角を制御する装置を説明した図である。

図４、図５、図６、図７、図８を参照して説明する。本発明の翼の並進時の揺れ防止装置は、二本の翼１０に固定された翼軸２０の両軸端と二本の結合棒３０が４個の結合ブロック４０で結合され、矩形体を構成する。翼１０に固定された翼軸２０は軸回りに回転可能にする。矩形面内に回転軸（進行方向Ｘ軸に垂直なＹ軸）を有する４個の走行ガイド車輪５０（矩形の上辺に２個、下辺に二個）を上下に取り付けられた二本の走行ガイド１２０（図５、６）内を走行させることによりに横揺れを防止するとともに矩形の進行方向をガイドする。
さらに、二本の翼と二本の結合棒で構成された矩形面に対し垂直な回転軸を有する４個の偏揺れ制御車輪６０（矩形の上辺に２個、下辺に二個）を上下に取付け、偏揺れ制御ガイド１３０（図５、Ｘ軸方向から見た図）内を走行させることによりに偏揺れを防止するとともに翼重量を偏揺れ制御ガイド１３０へ伝達する。８個の車輪で矩形の横揺れと偏揺れを制御することにより翼の横揺れと偏揺れを制御し、翼の並進をスムーズに継続させることが可能となる。また、偏揺れの防止には上部２個の偏揺れ制御車輪６０のみ、下部２個の偏揺れ制御車輪６０のみでも可能であり、小型の翼に関しては４個の偏揺れ制御車輪６０を必要としない。

二本の翼軸２０と二本の結合棒３０とで構成される矩形体が偏揺れ、横揺れ無しに進行可能であることにより、二本のチェーンで牽引する必要が無くなり、一本の牽引索での牽引が可能になる。牽引索１００はチェーン、ワイヤー、ベルト等で可能である。牽引位置は、図４で示された翼の下側である必要はなく、翼の上外側端、翼の中央でも可能であり、また、牽引は矩形を牽引可能であれば、牽引索と矩形の結合位置は自由に選択出来る。

二本の翼軸２０と二本の結合棒３０とで構成される矩形体が偏揺れ、横揺れ無しに進行可能であることにより、翼迎角を矩形が構成する面に対して制御することが可能となる。図５と図６を参照して説明する。
翼軸２０に歯車Ａ１６０を取付け、矩形体に取付けられた迎角制御支持台１５０に取付けられた歯車Ｂ１７０をタイミングベルト１８０で結合する。タイミングベルト１８０に迎角制御棒８０を結合する。迎角制御棒８０は迎角制御支持台に固定された二個の軸受１９０で支持され、図５中左右に摺動可能にする。迎角制御棒８０の先端に迎角制御車輪７０を取付ける。迎角制御車輪７０を迎角制御ガイド１４０内で走行させる。迎角制御ガイド１４０は、二枚の独立したガイドで構成される。迎角制御ガイド１４０を移動させると、迎角制御車輪移動→迎角制御棒移動→タイミングベルト移動→歯車A１６０回転→翼軸回転の順で迎角が制御できる。迎角制御ガイド１４０の二枚のガイドを独立に図５中の矢印の方向へガイドすることでガイド幅を広げ翼軸の回転を自由に出来、翼迎角が自由になる。迎角制御車輪位置と迎角は３６０度にわたって一対一対応であるから、翼の迎角の再制御はガイド幅を狭め所定の位置で迎角制御車輪をガイドすることで可能になる。

また、翼軸と矩形面に対して固定された軸の各々に歯車を取付け、タイミングベルトで歯車を結合し、矩形面に対して固定された軸に取り付けられた歯車を回転させることにより、翼軸を回転させる方式での翼迎角制御も可能である。
図７と図８を参照して説明する。
翼軸２０に歯車C２１０を取付け、矩形体に取り付けられた迎角制御歯車支持板２４０に取り付けられた歯車D２２０をタイミングベルト２３０で結合する。歯車D２２０に迎角制御棒２６０を固定し、迎角制御車輪軸２５０を介して迎角制御車輪７０を取付ける。迎角制御車輪７０は迎角制御ガイド１４０内を走行し、迎角制御ガイド１４０を移動させると、迎角制御車輪７０の移動→迎角制御棒２６０の回転による移動→歯車D２２０の回転→タイミングベルト２３０の移動→歯車C２１０の回転→翼軸２０の回転の順で迎角が制御できる。歯車D２２０の歯数が歯車C２１０の歯数の２倍以上であれば、歯車C２１０の３６０°回転に対して歯車D２２０回転角度は１８０°以下の範囲で迎角制御車輪７０の移動位置と翼回転角度は一対一で対応して動作する。大きいほうの歯車の回転角度が１８０°以内であれば、その歯車とタイミングベルトの最低一か所は終始接触を維持するので、両者間の接触に歯車の噛合いは必要でないから、歯車に換えて円盤状のホイールとし、その区間はワイヤーないしベルトで代用してホイールとワイヤーないしベルトを強固に結合すればよい。

迎角制御車輪７０を使用せずに矩形体に取り付けられたモーターと翼軸回転機構とにより、翼軸を矩形面に関して回転させる事により個々の翼の迎角を独立に制御することも可能である。

以上の翼の矩形体は夫々独立に説明したが、これ等の矩形体を１単位として夫々翼の並進方向に連結することにより、併進する翼全体の構造をより強固で、かつより円滑に併進動作させることができる。すなわち、前記矩形体の連結棒と翼の軸両端との連結構造を隣接する矩形体同士で翼の軸を共有して連結することにより、並進する各矩形体が相互に回転可能に連結され、全体がエンドレス構造となる。
また、これらの矩形体を一単位として、上下に組み合わせることにより、翼のスパンを実質上延長することが可能であり、翼上半分と翼下半分の相対回転を可能にしておけば、矩形体の構造が維持される翼軸と結合棒の構成であれば、翼上半分と翼下半分の迎え角を独立に制御することも可能である。

プーリー直径４０ｃｍ、翼幅１５ｃｍ、翼長６０ｃｍの翼型NACA００１５に準ずる翼１０枚で、５個の矩形体を構成させ、一本の直径２ｍｍのワイヤーで牽引する多数翼の水平並進による風力発電装置を製作した。横揺れ制御車輪は4個の結合ブロックに取り付けた。偏揺れ制御車輪は各矩形体に対して上部に２個とした。直径２ｍｍの牽引ワイヤーと翼軸は翼の上部で結合させた。迎角制御機構は各々の翼の下部に取り付けた。送風機で風を送ったところ、偏揺れによる走行停止は起こらずスムーズに翼は走行した。迎角制御ガイドを移動させることにより翼迎角の制御も問題なく行えた。また、迎角制御ガイドの二枚の板間隔を広げることで翼迎角の自由回転が得られた。翼迎角の自由回転後に迎角制御ガイドの二枚の板間を迎角制御車輪まで狭め、迎角制御ガイドを移動させることで迎い角の再制御も可能になった。

本発明のプーリーを外部動力で駆動すれば送風機としての利用が可能である。翼を水力ないし風力で駆動すれば水車ないし風車としての利用が可能である。風力として利用した際に翼の並進速さは風の速度と同等ないしそれ以下で十分な並進荷重を得られるので、回転翼風車と異なり翼の高速回転に伴う騒音が発生しない。横長の矩形受風面を持つ風車として利用する事が可能であり、人家回りの防風壁、海岸での暴雨風壁、橋梁や道横の防風壁などに使用可能である。さらに、人家近くでの設置や平坦なビル屋上で風車として設置が可能である。さらに、構造上避雷針の設置が容易であり雷被害の多い地域での風車利用が可能である等々回転翼風車の設置が困難な場所での風力発電の可能性を創出する。

１ 翼
２ 翼軸
３ 走行ガイド車輪
４ 迎角制御車輪
５ 牽引チェーン
６ 走行ガイド
７ 迎角制御ガイド
１０ 翼
２０ 翼軸
３０ 結合棒
４０ 結合ブロック
５０ 走行ガイド車輪
６０ 偏揺れ制御車輪
７０ 迎角制御車輪
８０ 迎角制御棒
９０ 迎角制御ギヤーボックス
１００ 牽引ワイヤー
１１０ 翼軸／ワイヤー結合部品
１２０ 走行ガイド
１３０ 偏揺れ制御ガイド
１４０ 迎角制御ガイド
１５０ 迎い角制御支持台
１６０ 歯車A
１７０ 歯車B
１８０ タイミングベルト
１９０ 軸受け
２００ 制御棒／ベルト結合部品
２１０ 歯車C
２２０ 歯車D
２３０ タイミングベルト
２４０ 迎角制御歯車支持板
２５０ 迎角制御車輪軸
２６０ 迎角制御棒
２７０ 迎角制御車輪回転範囲
２００ 迎角制御車輪ガイド移動範囲
(迎角制御車輪平行移動範囲)

Claims (8)

1. 複数の翼を並列に配置してこれ等と連結するワイヤとプーリーからなるエンドレス回動機構によりこれらの翼を並進移動することによって、流体との間で動力の授受変換を行う風車等の装置において、
   二本の翼の夫々の軸の両端を夫々結合棒で連結して矩形体を構成させ、
   該矩形体の翼の併進方向に沿って前後に位置して各翼の軸方向及び翼の並進方向に垂直な回転軸を有する一対の車輪を設け、
   翼の並進方向に沿ってガイドレールを配置して該車輪をガイドレールに沿って走行させることにより、翼の並進時の偏揺れ（ヨーイング）の防止する、
   ことを特徴とする、並進翼駆動装置。
2. 前記矩形体の翼の併進方向に沿って前後に位置して各翼の軸方向に回転軸を有する一対の車輪を設け、
   翼の並進方向に沿ってガイドレールを配置して該車輪をガイドレールに沿って走行させることにより、翼の並進時の横揺れ（ローリング）運動の防止する
   ことを特徴とする請求項１記載の翼の並進時の揺れ防止装置。
3. 前記矩形体に翼の並進方向に垂直な方向に移動可能な迎角制御棒を設け、その一端に翼の軸を介してその迎角を変更する迎角制御ギヤーボックスを結合すると共に該迎角制御棒の他端に迎角制御車輪を設けて、
   翼の並進方向に沿って配置した該迎角制御ガイドを走行可能とし、該迎角制御ガイドを並進方向に垂直に移動操作することにより、翼の迎角を変更可能としたことを特徴とする請求項１又は２記載の並進翼駆動装置。
4. 前記迎角制御ギヤーボックスは、翼軸に固定された歯車、前記矩形体に固定された軸に設けられた歯車ないし円盤、それらを結合するタイミングベルトで構成され、該迎角制御棒は歯車ないし円盤ないしタイミングベルトに固定されたことを特徴とする請求項３記載の並進翼駆動装置。
5. 上記迎角制御ガイドを迎角制御車輪に対して進行方向に垂直な方向にガイド幅を可変とすることにより翼の自由回転可能としたことを特徴とする請求項３、又は４記載の並進翼駆動装置。
6. 前記矩形体に取り付けられたモーターと翼軸回転機構とにより、翼軸を矩形面に関して回転させる事により個々の翼の迎角を独立に制御することにより、翼の迎角を変更可能としたことを特徴とする請求項１又は２記載の並進翼駆動装置。
7. 前記矩形体の連結棒と翼の軸両端との連結構造を隣接する矩形体同士で翼の軸を共有して連結することにより、並進する各矩形体が相互に回転可能に連結されたことを特徴とする請求項１〜６にいずれかに記載の並進翼駆動装置。
8. 前記プーリー間を回動するワイヤが前記矩形体を介して連結されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の並進翼駆動装置。
   

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