JP6178550B2 - 発電用羽根車及びこれを備えた風車 - Google Patents

Description

本発明は、発電用羽根車及びこれを備えた風車に関する。

従来、発電機に用いられる羽根車として、例えばプロペラ型風車の羽根車が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載のプロペラ型風車の羽根車は、回転軸と、この回転軸の周囲に固定された複数のブレードとを備えている。

プロペラのブレードは、回転軸に対して略直交するよう、回転軸の径方向に長く形成されている。各ブレードは、回転軸の径方向内側の端部が回転軸の周囲に固定されている。各ブレードは、径方向の外側の端部が自由端となっている。このブレードは、流体に対して迎角を得るため、固定端から自由端にかけて、螺旋状に捩じられた形状をしている。

特開２００６−２５７８８６号公報

しかしながら、この特許文献１記載のプロペラ型風車は、ブレードを製造するに当たり、迎角を得るための捩じりを形成する必要がある。このプロペラ型風車のブレードの捩じりは、形状が複雑であるだけでなく、最適な揚力を得るため迎角を精度よく形成する必要がある。このため、プロペラ型風車は製造が難しいという問題を有する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ブレードの形状を簡略化しながら、それでいて回転効率を高めることができる発電用羽根車及びこれを備えた風車を提供することにある。

本発明は、回転軸と、この回転軸の周囲に設けられた複数のブレードとを備え、回転軸方向に流れる流体を前記複数のブレードで受けることで回転軸廻りに回転し、これにより発電機において発電させる発電用羽根車であって、前記各ブレードは、前記回転軸に固定された固定端部と、この固定端部から流体の流れ方向の下流側に向けて設けられると共に下流側に行くほど前記回転軸の径方向外側に位置する本体部と、この本体部の下流側の端部に設けられて前記回転軸の径方向外側に向けて延設された延設部とを備え、前記固定端部は、前記回転軸の軸方向の端面に沿うように屈曲する固定片を有し、前記各ブレードは、前記本体部の前記固定端部側の端部と前記延設部の先端との位置関係として、流体の流れ方向の下流側に向かう長さに対する径方向外側に向かう長さの比が１〜１．４となるように形成されており、前記固定片が捩じれることで、前記延設部のうち、幅方向の第一端縁側の最も下流側の箇所と、この第一端縁とは反対側の第二端縁側の最も下流側の箇所とが、回転軸方向にずれて位置しており、これにより迎角を形成することを特徴とする。

また本発明の発電用羽根車は、前記迎角により構成された第１の迎角部と、前記ブレードが前記固定端部から前記延設部にかけて同じ迎角となりこれにより形成された第２の迎角部とを備えていることが好ましい。

また本発明の発電用羽根車は、前記各ブレードが、全体に亘って同じ厚みに形成されたものであることが好ましい。

また本発明の発電用羽根車は、前記延設部の先端には折り返し部をさらに備えており、前記折り返し部は、第２端から第１端に向かう方向に向けて折り返されていることが好ましい。

また本発明の発電用羽根車は、前記ブレードが、前記回転軸方向に離間して、それぞれの箇所に複数設けられており、前記流体の流れ方向の下流側に設けられた前記各ブレードが、前記軸方向に見て、前記流体の流れ方向の上流側に設けられた隣接する前記ブレードの間に位置するよう配置されていることが好ましい。

また本発明の発電用羽根車は、前記ブレードが径方向外側に向かうほど幅広となるよう形成されたものであることが好ましい。

また本発明の風車は、上記発電用羽根車が回転軸を介して支柱部に設けられたことを特徴とする。

また本発明の風車は、流体の流れ方向の両端が開口すると共に前記ブレードの外側を覆う筒状フードをさらに備えていることが好ましい。

また本発明の風車は、前記発電用羽根車が、前記支柱部よりも流体の流れ方向の下流側に設けられていることが好ましい。

本発明の発電用羽根車及びこれを備えた風車によれば、ブレードの形状を簡略化しながら、それでいて回転効率を高めることができることができる。

実施形態１の風車の斜視図である。 実施形態１の風車であり（ａ）は側面図（ｂ）は平面図（ｃ）は正面図である。 実施形態１の発電用羽根車のブレードを説明するための正面から見た断面図であり（ａ）は第２の迎角部が設けられたブレードであり（ｂ）は第２の迎角部が設けられていないブレードである。 実施形態１の風車の要部側面図である。 実施形態２の風車の側面図である。 実施形態３の風車の斜視図である。 実施形態３の風車の一部破断した側面図である。 実施例の風車を説明するための図である。 実施例の実験装置を説明するための図であり（ａ）は全体の概略図であり（ｂ）は整流器の出口の開口の図である。 （ａ）は実施例１のブレードであり（ｂ）は実施例２のブレードであり（ｃ）は実施例３のブレードである。 （ａ）は実施例４のブレードであり（ｂ）は実施例５のブレードである。 （ａ）は比較例１のブレードであり（ｂ）は比較例２のブレードである。 （ａ）はブレードが１８０°毎に配置された図であり（ｂ）はブレードが１２０°毎に配置された図であり（ｃ）はブレードが９０°毎に配置された図である。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ１８０°毎に配置された場合における風速と回転数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ１２０°毎に配置された場合における風速と回転数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ９０°毎に配置された場合における風速と回転数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ１８０°毎に配置された場合における風速と回転数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ１２０°毎に配置された場合における風速と回転数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ９０°毎に配置された場合における風速と回転数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ１８０°毎に配置された場合における風速と電力との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ１２０°毎に配置された場合における風速と電力との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ９０°毎に配置された場合における風速と電力との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ１８０°毎に配置された場合における風速と電力との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ１２０°毎に配置された場合における風速と電力との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ９０°毎に配置された場合における風速と電力との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ１８０°毎に配置された場合における先端速度率とパワー係数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ１２０°毎に配置された場合における先端速度率とパワー係数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ９０°毎に配置された場合における先端速度率とパワー係数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ１８０°毎に配置された場合における先端速度率とパワー係数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ１２０°毎に配置された場合における先端速度率とパワー係数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ９０°毎に配置された場合における先端速度率とパワー係数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ１８０°毎に配置された場合における先端速度率とトルク係数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ１２０°毎に配置された場合における先端速度率とトルク係数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部にのみ取り付けられ且つ９０°毎に配置された場合における先端速度率とトルク係数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ１８０°毎に配置された場合における先端速度率とトルク係数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ１２０°毎に配置された場合における先端速度率とトルク係数との関係を示すグラフである。 ブレードが第１の取付部及び第２の取付部に取り付けられ且つ９０°毎に配置された場合における先端速度率とトルク係数との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について添付図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
実施形態１の発電用羽根車１は、図１に示されるように、風車に用いられる。風車は、回転軸２を中心に有する発電用羽根車１と、この発電用羽根車１を軸支するナセル４と、ナセル４が上端に設けられた支柱部５とを備えている。風車のナセル４の内部には、発電機６が収容されている。発電機６は、発電用羽根車１の回転軸２に連結されている。風車は、発電用羽根車１が回転することで、発電機６において発電することができるよう構成されている。本実施形態の風車は、いわゆる水平軸風車である。また本実施形態の風車は、小型の風車であり、家庭用として使用されるものである。

以下、流体流れ方向の上流側を単に「上流側」と記載し、流体流れ方向の下流側を単に「下流側」と記載する。

発電用羽根車１は、回転軸２と、複数のブレード３とを備えている。発電用羽根車１は、回転軸方向に流れる空気をブレード３により受けることで、回転軸２を中心として回転する。言い換えると、発電用羽根車１は、回転軸方向に流れる流体を複数のブレード３で受けることで回転軸２廻りに回転する。

回転軸２は、図２に示されるように、その長手方向が水平方向と略平行になるように配置される。言い換えると回転軸２は、流体の流れ方向に沿って（あるいは、略平行となるように）配置される。回転軸２は、第１端２１と第２端２２とを有している。回転軸２の第２端２２は、第１端２１の反対側に位置する。第１端２１から第２端２２に向かう方向は、第１の方向２３と定義される。また第１の方向２３とは反対側に向かう方向は、第２の方向２４と定義される。

回転軸２は、ブレード３を取り付けるために設けられたハブ２５を備えている。ハブ２５は、回転軸２の端部に固定されている。ハブ２５は、円筒形状をしている。ハブ２５は、回転軸２の第１端２１側の端面に、ブレード取付部２６が設けられている。ブレード取付部２６は、回転軸方向に見て３等配されている。ブレード取付部２６は、ハブ２５の前記端面から第２の方向２４に向けて突出した雄ねじ部２６１と、雄ねじ部２６１に螺合されるナット２６２とにより構成されている。

なお、本実施形態のハブ２５は円筒形状をしているが、角柱であってもよい。またブレード３の取付枚数は、１２０°毎に配置されているが、１８０°毎や９０°毎に配置されていてもよい（例えば図１１参照）。

ブレード３は、一方向に長く形成された長尺の板材により構成されている。ブレード３は、全体に亘って略同じ厚みに形成されている。ブレード３は、固定端部３１と、本体部３２と、延設部３３とを備えている。ブレード３は、固定端部３１と本体部３２と延設部３３とが長手方向に連続して一体成形されている。本実施形態のブレード３は、固定端部３１から延設部３３にかけて、長手方向に直角な断面が、一様な形状となっている。言い換えるとブレード３は捩じられた形状にはなっていない。本実施形態のブレード３は、帯状の平板を、捩じるのではなく曲げ加工することで形成されている。

固定端部３１は、回転軸２のハブ２５に取り付けられ、これにより回転軸２に固定される。固定端部３１は、固定片３１１を備えている。固定片３１１は、ハブ２５における回転軸２の第１端２１側の端面に沿うよう屈曲している。固定片３１１は、ブレード３を貫通する貫通孔３１２を備えている。貫通孔３１２には、回転軸２のハブ２５のブレード取付部２６の雄ねじ部２６１が挿入される。そして固定端部３１の貫通孔３１２に雄ねじ部２６１に通された状態で、雄ねじ部２６１にナット２６２が螺合される。これにより固定端部３１は回転軸２に固定される。

本体部３２は、固定端部３１から下流側に向けて連設される。本体部３２は、下流側に行くほど、回転軸２の径方向外側に位置するよう傾斜している。言い換えると本体部３２は、固定端部３１から第１の方向２３に沿って設けられると共に第１の方向２３に行くほど回転軸２の径方向外側に位置するよう形成される。具体的に本実施形態の本体部３２の勾配は、固定端部３１から第１の方向２３に向けて約６０ｍｍ進むと、径方向外側に約６０ｍｍ拡がるよう傾斜している。

本体部３２は、流体を受ける側の面が凹となり、且つその反対側の面が凸となるよう緩やかに湾曲している。なお、本体部３２は、緩やかに湾曲せずに直線状に形成されたものであってもよい。

本体部３２は、長手方向の全長に亘って同一の迎角を形成する。これにより本体部３２は、第２の迎角部３６を形成する（図３（ａ）参照）。本体部３２は、断面の傾きが、固定端部３１から延設部３３にかけて同じ勾配αを有している。この勾配αは、回転方向に対する角度である。

なお、この第２の迎角部３６は、図３（ｂ）に示すように、設けられていなくてもよい。言い換えると、ブレード３の翼弦線は、回転方向に対する相対的な流体の流れに対して、角度を有していなくてもよい。

延設部３３は、本体部３２の第１の方向２３の先端部に設けられている。延設部３３は、本体部３２の第１の方向２３の端部が径方向外側に向けて曲げられることで形成されている。延設部３３は本体部３２に滑らかに連続している。

延設部３３は、図２に示されるように、幅方向３７に長さを有する。また延設部３３は、回転軸２の径方向３８に沿って長さを有する。延設部３３における回転軸２の径方向３８外側に向かう方向は、延設部３３の長さ方向と定義される。延設部３３の長さ方向は、本体部３２の長手方向と交差する。延設部３３の幅方向３７は、図２（ｂ）に示されるように、この幅方向に直角で且つ径方向に沿った方向から見て、回転軸方向と交差する。詳しく説明すると、延設部３３の幅方向３７は、この幅方向３７に直角で且つ径方向に沿った方向から見て、回転軸方向と非直角となるよう交差している。延設部３３は、幅方向の一方側の端縁を第一端縁３３１と定義され、他方側の端縁を第二端縁３３２と定義される。また、第二端縁３３２側から第一端縁３３１側に向かう方向が第１の周方向３９と定義される。

延設部３３は、第１箇所３３３と第２箇所３３４とを有している。第１箇所３３３は、第一端縁３３１の第１の方向２３の先端に位置する。第２箇所３３４は、第二端縁３３２の第１の方向２３の先端に位置する。第１箇所３３３と第２箇所３３４とは、回転軸方向においてずれている。詳しく説明すると、第１箇所３３３から第２箇所３３４に近付くほど第１の方向２３に向かう方向に位置している。言い換えると、第１の箇所３３３は、第２の箇所３３４よりも回転軸２の第１端２１側に位置している。これにより、延設部３３は、第１の迎角部３５を形成する。

本実施形態のブレード３は、延設部３３の先端に設けられた折り返し部３４をさらに有している。折り返し部３４は、延設部３３の端部が、第２の方向２４に向けて折り返されて形成されている。言い換えると、折り返し部３４は上流側に向けて折り返されている。また折り返し部３４の先端は、ブレード３における自由端となっている。

本実施形態の発電用羽根車１は、次のようにして、ブレード３の第１の迎角部３５が形成される。作業者は、回転軸２のハブ２５にブレード３を取り付ける。ブレード３は、回転軸２に沿って（径方向から見て平行に）取り付けられる。このときブレード３の第１箇所３３３と第２箇所３３４とは、第１の方向２３における同じ位置に配置されている。

次いで作業者は、ブレード３の固定端部３１を中心として、本体部３２及び延設部３３側を第１の方向２３に直角な方向（詳しくは、第１の周方向３９側）に移動させる（図４参照）。作業者は、全てのブレード３について、同じように、ブレード３の固定端部３１を中心として、本体部３２及び延設部３３側を第１の方向２３に直角な方向に移動させる。すると、第１箇所３３３と第２箇所３３４とは、第１の方向２３においてずれた位置に配置される。これにより第１の迎角部３５が形成される。

このとき作業者は、ブレード３の固定端部３１において、ブレード３を雄ねじ部２６１廻りに回転させて、第２の迎角部３６を形成する。

回転軸方向に空気が流れると、発電用羽根車１の本体部３２は、空気から抗力を受ける。さらにその後、本体部３２の上流側の面を通過した空気は、延設部３３の第１の迎角部３５に沿って流れ、延設部３３に抗力を生じさせる。第１の迎角部３５及び第２の迎角部３６に生じた各抗力は、発電用羽根車１の第１の周方向３９への回転力に変換される。これにより、発電用羽根車１は回転する。

このような構成の発電用羽根車１は、図２に示されるように、回転軸２が発電機６に連結されている。発電機６は、ロータ６１と、ステータ６２とを備えている。ステータ６２は、ロータ６１を囲むよう径方向外側に配置されている。ステータ６２には、コイル（図示せず）が巻回されている。これによりステータ６２は、一定の向きの磁界を生じさせる。このコイルは、外部に電機的に接続されている。ロータ６１は、発電用羽根車１の回転軸２に連結されている。ロータ６１は、永久磁石を備える。言い換えるとロータ６１は、Ｎ極とＳ極とを有する。ロータ６１の永久磁石は、ステータ６２が作る磁界内に配置される。

発電用羽根車１が回転すると、これに追従してロータ６１が回転する。ロータ６１が回転すると、ステータ６２との間で電磁誘導が生ずる。この電磁誘導により、ステータ６２に巻回されたコイルに誘導電流が生ずる。コイルに生じた電流は、外部に出力される。

この発電機６は、支柱部５の上端に設けられたナセル４内に配置される。ナセル４は、円筒状をしている。ナセル４の長手方向は、回転軸方向に略平行な方向に配置される。ナセル４は、内部に発電機６を収容するための収容空間が形成されている。

支柱部５は、上下方向に長く形成されている。支柱部５は、載置台５１に取り付けられている。支柱部５の下端部は、載置台５１に固定されている。支柱部５の上端部は、ナセル４に固定されている。なお、ナセル４は、支柱部５に対してヨー軸廻りに回転自在に取り付けられていてもよい。

本実施形態の発電用羽根車１は、延設部３３が設けられている。この延設部３３には、第１箇所３３３と第２箇所３３４とが回転軸方向においてずれることで第１の迎角部３５が形成されている。このため、作業者は、ブレード３を製造するに当たり、捩じることなく単に板材を曲げるだけで形成することができる。すなわち、従来のプロペラ型のブレード３のように、迎角を得るために複雑な形状を精度よく形成する必要がない。

また第１の迎角部３５は、固定端部３１で角度を付けることで形成されたものであるため、迎角の調整を簡単に行なうことができる。

またブレード３は、固定端部３１から延設部３３にかけて同じ迎角となっているため、ブレード３の形状を簡略化した形状とすることができる。

またブレード３は、全体に亘って略同じ厚みに形成されている。従来のプロペラの断面形状のように流線形の断面のものは、複雑な加工が必要であった。言い換えると、加工性を考慮した材料の使用が必要であった。しかし本実施形態のブレード３は、全体に亘って同じ厚みに形成されているため、材料の制約を受けにくい。これにより設計上の自由度が向上する。

また本実施形態の発電用羽根車１は折り返し部３４を有している。このためブレード３は、より効果的に流体を受けることができる。

また本実施形態の発電用羽根車１は、支柱部５に設けられて風車を形成する。本実施形態の発電用羽根車１は、ブレード３が第１の方向２３に向かって設けられている。しかも本実施形態の発電用羽根車１は、風力を効率良く回転力に変換することができる。このため本実施形態の風車は、ブレード３が風を受けた場合の支柱部５に掛かる応力を低減させることができる。例えば、本実施形態の風車を大型の風車に適用した場合、風力が強くても、支柱部５に大きな力が掛かりにくくできる。

（実施形態２）
次に、実施形態２について図５に基づいて説明する。なお、本実施形態は、実施形態１と大部分において同じであるため、同じ部分においては同符号を付して説明を省略し、主に異なる部分について説明する。

実施形態２の風車は、図５に示されるように、ブレード３が、回転軸２の軸方向（回転軸方向）に離間して、それぞれの箇所に複数設けられている。下流側に設けられた各ブレード３が、回転軸方向に見て、上流側に設けられた隣接するブレード３の間に位置するよう配置されている。各ブレード３の形状は、実施形態１と同じである。また支柱部５や発電機６の形状は実施形態１と同じである。

回転軸２は、第１の取付部２７と、第２の取付部２８とを備えている。第１の取付部２７は、ハブ２５における第１端２１側の端面に設けられている。第２の取付部２８は、ハブ２５における第２端２２の端面に設けられている。第１の取付部２７と第２の取付部２８は、第１の方向２３において離間している。

第１の取付部２７には第１のブレードユニット７１が取り付けられている。第１のブレードユニット７１は、複数のブレード３により構成されている。第２の取付部２８には、第２のブレードユニット７２が取り付けられている。第２のブレードユニット７２は、複数のブレード３により構成されている。第２のブレードユニット７２のブレード３は、第１のブレードユニット７１の間に位置する。言い換えると、下流側に設けられた各ブレード３が、回転軸方向に見て、上流側に設けられた隣接するブレード３の間に位置するよう配置されている。

以上説明したように、発電用羽根車１は、発電機６に発電させるためのものである。発電用羽根車１は、回転軸２と、複数のブレード３とを有する。複数のブレード３は、回転軸２の周囲に設けられている。回転軸２は、第１端２１と第２端２２とを有している。第２端２２は、第１端２１の反対側に位置している。第２端２２から前記第１端２１に向かう方向が第１の方向２３として定義される。複数のブレード３は、回転軸方向において流れる流体を受けるように構成されている。複数のブレード３が回転軸方向において流れる流体を受けたとき、複数のブレード３は回転軸２のまわりで回転する。

各ブレード３は、固定端部３１と、本体部３２と、延設部３３とを備える。固定端部３１は、回転軸２に固定されている。本体部３２は、固定端部３１から第１の方向２３に沿って設けられている。本体部３２は、第１の方向２３に行くほど前記回転軸２の径方向外側に位置する。延設部３３は、本体部３２の下流側の端部に設けられている。延設部３３は回転軸２の径方向外側に向けて延設されている。より詳しくは、本体部３２は、固定端部３１とは反対側に位置する第２の端部を有する。延設部３３は、第２の端部から、回転軸２の径方向の外側に向けて延出している。

延設部３３は、幅方向を有する。延設部３３の幅方向は、第１の方向２３に交差する。延設部３３の幅方向は、回転軸２の径方向と交差する。そして、延設部３３の幅方向の一端は、第一端縁３３１として定義され、延設部３３の幅方向の他端は第二端縁３３２として定義される。

延設部３３は、第１箇所３３３と第２箇所３３４とを有している。第１箇所３３３は、第一端縁３３１の第１の方向２３の先端に位置する。第２箇所３３４は、第二端縁３３２の第１の方向２３の先端に位置する。第１箇所３３３と第２箇所３３４とが回転軸方向においてずれることで第１の迎角部３５を形成する。

またブレード３は、固定端部３１から延設部３３にかけて同じ迎角となっている。これによりブレード３は第２の迎角部３６を有する。

またブレード３は、前記延設部３３の先端に設けられ流体の流れ方向の上流側に向けて折り返された折り返し部３４をさらに備えている。言い換えると、ブレード３は、延設部３３の先端に折り返し部３４をさらに備えている。折り返し部３４は、第２端２２から第１端２１に向かう方向に向けて折り返されている。

またブレード３は、回転軸２の軸方向に離間して、それぞれの箇所に複数設けられている。流体の流れ方向の下流側に設けられた前記各ブレード３は、軸方向に見て、前記流体の流れ方向の上流側に設けられた隣接する前記ブレード３の間に位置するよう配置されている。言い換えると、発電用羽根車１は、複数のブレードユニット７を有している。複数のブレードユニット７は、第１のブレードユニット７１７と第２のブレードユニット７２７とを有する。各ブレードユニット７は、複数のブレード３を有している。各ブレードユニット７の複数のブレード３は、回転軸２に交差する面に沿って配置されている。複数のブレードユニット７は、回転軸２の軸方向において離間して配置されている。第１のブレードユニット７１７のブレード３は、前記第２のブレードユニット７２７の間に位置する。

（実施形態３）
次に、実施形態３について図６，７に基づいて説明する。なお、本実施形態は、実施形態１と大部分において同じであるため、同じ部分においては同符号を付して説明を省略し、主に異なる部分について説明する。

実施形態３の風車は、いわゆるダウンウインド型の風車である。風車は、発電用羽根車１と、ナセル４と、支柱部５とを備えている。ナセル４の内部には発電機６が収納配置されている。発電機６は、発電用羽根車１の回転軸２に連結されている。風車は、発電用羽根車１が回転することで、発電機６において発電することができるよう構成されている。本実施形態の風車も、実施形態１の風車と同様、いわゆる水平軸風車である。

発電用羽根車１は、回転軸２と、ハブ２５と、ブレード３とを備えている。ハブ２５は、回転軸２の下流側の端部に固定されている。ハブ２５の下流側の端面には、ブレード取付部２６が設けられている。回転軸２は、ナセル４に回転自在に軸支されている。これにより、発電用羽根車１は、ナセル４の流体流れ方向の下流側の端部に回転自在に設けられている。なお、発電用羽根車１のブレード３の構造は、実施形態１のブレード３と同じ構造である。

ナセル４は、流体流れ方向に沿って長さを有している。ナセル４は、流体の流れ方向の上流側の端部に向かうほど小径となるよう先細り形状となっている。

支柱部５は、ナセル４を支持する。支柱部５は、ナセル４の下流側の端部を支持する。支柱部５は、発電用羽根車１よりも上流側に配置されている。言い換えると、発電用羽根車１は、支柱部５よりも流体の流れ方向の下流側に配置されている。

また本実施形態の風車は、筒状フード９を備えている。筒状フード９は、流入開口９１と、流出開口９２とを有している。流入開口９１と流出開口９２とは連通している。すなわち、筒状フード９は、流体の流れ方向の両端が開口している。筒状フード９は、円筒形状をしている。筒状フード９の内側面は、ブレード３の最も外側に位置する箇所よりも外側（回転軸２の径方向の外側）に位置している。言い換えると、ブレード３と筒状フード９との間には、僅かな間隙が形成されている。

筒状フード９は、取付固定部９３を有している。取付固定部９３は、支柱部５に固定されている。取付固定部９３は、筒状フード９を内外に貫通した貫通孔により構成されている。取付固定部９３は、筒状フード９の内部に発電用羽根車１を回転自在に収容した状態で、当該筒状フード９を支柱部５に固定する。筒状フード９の中心は、回転軸２の中心と略同心上に位置している。

発電用羽根車１のブレード３の後端（流れ方向の下流側の端部）は、筒状フード９の流出開口９２よりも前方（流れ方向の上流側）に位置している。

空気が上流側から下流側に向かって流れると、その空気が、流入開口９１から筒状フード９内に流れ込み、筒状フード９内では軸方向に流通する。すると、筒状フード９内を流通した空気は、ブレード３に対して常に前方から衝突する。これにより、発電用羽根車１は、ブレード３により一定方向から流体を受けるため、安定して回転する。

なお、筒状フード９が設けられていない場合、発電用羽根車１に対して、あらゆる方向に空気が流通する。この場合、回転が安定しない場合がある。

以上説明したように、本実施形態の風車は、筒状フード９をさらに備えている。筒状フード９は、流体の流れ方向の両端が開口している。筒状フード９は、ブレード３の外側を覆っている。このように、筒状フード９は、内部に流れ込む流体を整流して、ブレード３に一方向から流体を当てることができる。このため本実施形態の風車によれば、発電用羽根車１を安定して回転させることができる。

ところで、実施形態１，２の風車は、発電用羽根車１が支柱部５の流れ方向の上流側に位置するいわゆるアップウインド型の風車であった。この実施形態１，２の風車は、ブレード３が流体の流れ方向の下流側に向かって設けられているため、アップウインド型にしてしまうと、ブレード３の固定端部３１と支柱部５との距離が長くなってしまう。このため、実施形態１，２の構造では、回転中に回転軸２がぶれてしまう可能性がある。

これに対し本実施形態の風車は、発電用羽根車１が、支柱部５よりも流体の流れ方向の下流側に設けられているため、ブレード３の固定端部３１と支柱部５との距離を短くできる。このため本実施形態の風車によれば、発電用羽根車１の回転を安定させることができる。

なお、実施形態２のブレード３は、第１の方向２３に２列となるよう配置されていたが、ブレード３は、３列以上となるよう配置されていてもよい。

また、実施形態１〜３の発電用羽根車１は風車に用いられていたが、本発明の発電用羽根車は、流体として液体を使用するものであってもよい。例えば、発電用羽根車１は、水車に使用されてもよい。

また、実施形態１〜３の風車は、家庭用に用いられる小型の風車であったが、本発明の風車は、大型の風車に適用することもできる。

また、実施形態１〜３の発電用羽根車１は、ブレード３が、帯状の板材を曲げ加工することで形成されたものであった。しかし本発明のブレードとしては、以下の実施例で使用するようなブレードの形状（例えば、図１０，１１参照）であってもよい。つまり、ブレードは、径方向外側に向かうほど幅広となるよう形成されていてもよい。

また実施形態１〜３の発電用羽根車は、ブレード３の径方向外側の端部が折り返し部３４となっていた。しかし、本発明の発電用羽根車において、ブレードの径方向外側の端部は、延設部であってもよい。言い換えるとブレードには、折り返し部が形成されていなくてもよい。

（実施例）
本実施形態の発電用羽根車１において、従来のプロペラ型風車に対する効果を確認するため、次のような実験を行った。

実験には図９に示すような風洞を用いた。風洞は、ブロワー８０と、整流器８１と、風車とを備えている。整流器８１は、ブロワー８０の下流側に配置された。風車は、整流器８１の下流側に配置された。整流器８１の出口の開口は、ブレードの外径よりも大きくなるよう形成された。整流器８１の出口の開口は、図９（ｂ）に示されるように、内側面の対向間の長さが１４ｃｍ×１４ｃｍであった。風車には、電力計とトルク計とが接続された。これにより、風力に対する電力値とトルク値とを計測した。

風車は、図８に示すような風車を使用した。この風車のブレード以外の構造は、実施形態１，２の構造と同じである。この風車の回転軸２のハブ２５に取り付けられたブレードの形状を、実施例ごとに変えた。なお、図８の風車に使用されたブレードは、実施例１のブレードである。

ブレードの大きさは、受風面積に基づいて決定した。受風面積は、風向きに対して直角な面へのブレードの投影面積とした。実施例１，２及び比較例１に使用したブレードは、各受風面積が略同じとなるように形成された。実施例３〜５及び比較例２に使用したブレードは、各受風面積が、略同じとなるように形成された。さらに実施例１，２及び比較例１に使用したブレードは、実施例３〜５及び比較例２に使用したブレードよりも受風面積が小さくなるように形成された。ブレードは、厚み１ｍｍの形状記憶樹脂シート（青芳製作所（株）製）を使用した。

実施例１には、矩形状のブレードが使用された。実施例１に使用されたブレードは、図１０（ａ）に示されるように、幅２０ｍｍ，回転軸方向の長さが６０ｍｍ，回転軸２の径方向の長さが７０ｍｍであった。実施例１に使用されたブレードには、折り返し部３４が設けられていなかった。

実施例２には、矩形状のブレードが使用された。実施例２に使用されたブレードは、図１０（ｂ）に示すように、幅２０ｍｍ，回転軸方向の長さが６０ｍｍ，回転軸２の径方向の長さが７０ｍｍであった。実施例２に使用されたブレードには、折り返し部３４が設けられていた。この折り返し部３４における回転軸２の径方向の長さは１０ｍｍであった。折り返し部３４の回転軸方向の長さは１４ｍｍであった。

実施例３には、末広がり状のブレードが使用された。言い換えると、実施例３のブレードは、先端に行くほど、幅広となるよう形成されていた。実施例３に使用されたブレードは、図１０（ｃ）に示されるように、固定端部３１の幅２０ｍｍ，延設部３３の幅５０ｍｍ，回転軸方向の長さが５０ｍｍ，回転軸２の径方向の長さが７０ｍｍであった。実施例３に使用されたブレードには、折り返し部３４が設けられていなかった。

実施例４には、末窄まり状のブレードが使用された。言い換えると、実施例４のブレードは、先端に行くほど、幅狭となるよう形成されていた。実施例４に使用したブレードは、図１１（ａ）に示すように、固定端部３１の幅５０ｍｍ，延設部３３の幅２０ｍｍ，回転軸方向の長さが５０ｍｍ，回転軸２の径方向の長さが７０ｍｍであった。実施例４に使用されたブレードには、折り返し部３４が設けられていなかった。

実施例５には、矩形状のブレードが使用された。実施例５に使用したブレードは、図１１（ｂ）に示すように、幅３２ｍｍ，回転軸方向の長さが６０ｍｍ，回転軸２の径方向の長さが７０ｍｍであった。実施例５に使用されたブレードには、折り返し部３４が設けられていなかった。

比較例１，２には、プロペラ型のブレードが使用された。比較例１に使用されたブレードは、図１２（ａ）に示すように、幅２０ｍｍ，回転軸２の径方向の長さが７０ｍｍであった。比較例２に使用されたブレードは、図１２（ｂ）に示すように、幅３２ｍｍ，回転軸２の径方向の長さが７０ｍｍであった。

実施例１〜５及び比較例１，２について、図１３（ａ）に示すように１８０°毎に取り付けられた場合（２枚のブレード）、図１３（ｂ）に示すように１２０°毎に取り付けられた場合（３枚のブレード）、図１３（ｃ）に示すように９０°毎に取り付けられた場合（４枚のブレード）で実験を行った。このとき、各枚数のブレードについて、実施形態１のように第１の取付部２７だけに取り付けた場合と、実施形態２のように第１の取付部２７及び第２の取付部２８の両方に取り付けた場合とで、それぞれ実験を行った。

実験に使用する風速は、２．８［m/s］，３．３［m/s］，３．８［m/s］，４．３［m/s］，４．８［m/s］であった。

この場合の実験結果を図１４〜３７に示す。

（風速と回転数との関係）
図１４〜１９には、風速と回転数との関係を示す。図１４〜１６には、ブレードを第１の取付部２７にのみ取り付けた場合を示す。図１４には、２枚のブレードを使用した場合（１８０°毎にブレードが配置されている）の実験結果を示す。図１５には、３枚のブレードを使用した場合（１２０°毎にブレードが配置されている）の実験結果を示す。図１６には、４枚のブレードを使用した場合（９０°毎にブレードが配置されている）の実験結果を示す。

図１７〜１９には、ブレードを第１の取付部２７と第２の取付部２８とに取り付けた場合を示す。図１７には、２枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図１８には、３枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図１９には、４枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。

図１４〜１９からも分かるように、実施例１〜５のブレードを使用した場合は、比較例１，２のブレードを使用した場合よりも回転数が大きくなることが分かった。特に、実施例３のブレードを第１の取付部２７と第２の取付部２８とに取り付けた場合に、大きな回転数が得られることが分かった。

（風速と電力との関係）
図２０〜２５には、風速と発電した電力との関係を示す。図２０〜２２には、ブレードを第１の取付部２７にのみ取り付けた場合を示す。図２０には、２枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図２１には、３枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図２２には、４枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。

図２３〜２５には、ブレードを第１の取付部２７と第２の取付部２８とに取り付けた場合を示す。図２３には、２枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図２４には、３枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図２５には、４枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。

図２０〜２５からも分かるように、実施例１〜５のブレードを使用した場合は、比較例１，２のブレードを使用した場合よりも大きな電力が発電されることが分かった。特に、実施例３のブレードを使用した場合に、大きな電力が得られることが分かった。

（先端速度率とパワー係数との関係）
図２６〜３１には、先端速度率とパワー係数との関係を示す。図２６〜２８には、ブレードを第１の取付部２７にのみ取り付けた場合を示す。図２６には、２枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図２７には、３枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図２８には、４枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。

図２９〜３１には、ブレードを第１の取付部２７と第２の取付部２８とに取り付けた場合を示す。図２９には、２枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図３０には、３枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図３１には、４枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。

図２６〜３１からも分かるように、実施例１〜５のブレードを使用した場合は、比較例１，２のブレードを使用した場合よりもパワー係数が大きくなることが分かった。これにより、実施例１〜５のブレードを使用した場合には、比較例１，２のブレードを使用した場合よりもエネルギーが大きく得られることが分かった。

（先端速度率とトルク係数との関係）
図３２〜３７には、先端速度率とトルク係数との関係を示す。図３２〜３４には、ブレードを第１の取付部２７にのみ取り付けた場合を示す。図３２には、２枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図３３には、３枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図３４には、４枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。

図３５〜３７には、ブレードを第１の取付部２７と第２の取付部２８とに取り付けた場合を示す。図３５には、２枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図３６には、３枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。図３７には、４枚のブレードを使用した場合の実験結果を示す。

図３２〜３７からも分かるように、実施例１〜５のブレードを使用した場合は、比較例１，２のブレードを使用した場合よりも、同じ先端速度率においてより小さいトルク係数となることが分かった。すなわち、実施例１〜５のブレードを使用した場合は、比較例１，２のブレードを使用した場合よりも、トルクが小さくても回転数が大きく得られるため、弱い風力に対しても効率よく回転数が得られることが分かった。これにより、実施例１〜５の風車は、微風に対しても効果的に回転することができることが分かった。

１ 発電用羽根車
２ 回転軸
２１ 第１端
２２ 第２端
２３ 第１の方向
２４ 第２の方向
２５ ハブ
２６ ブレード取付部
２６１ 雄ねじ部
２６２ ナット
２７ 第１の取付部
２８ 第２の取付部
３ ブレード
３１ 固定端部
３１１ 固定片
３１２ 貫通孔
３２ 本体部
３３ 延設部
３３１ 第一端縁
３３２ 第二端縁
３３３ 第１箇所
３３４ 第２箇所
３４ 折り返し部
３５ 第１の迎角部
３６ 第２の迎角部
３７ 幅方向
３８ 径方向外側
４ ナセル
５ 支柱部
５１ 載置台
６ 発電機
６１ ロータ
６２ ステータ
７ ブレードユニット
７１ 第１のブレードユニット
７２ 第２のブレードユニット

Claims (9)

1. 回転軸と、
   この回転軸の周囲に設けられた複数のブレードとを備え、
   回転軸方向に流れる流体を前記複数のブレードで受けることで回転軸廻りに回転し、これにより発電機において発電させる発電用羽根車であって、
   前記各ブレードは、
   前記回転軸に固定された固定端部と、
   この固定端部から流体の流れ方向の下流側に向けて設けられると共に下流側に行くほど前記回転軸の径方向外側に位置する本体部と、
   この本体部の下流側の端部に設けられて前記回転軸の径方向外側に向けて延設された延設部と
   を備え、
   前記固定端部は、前記回転軸の軸方向の端面に沿うように屈曲する固定片を有し、
   前記各ブレードは、
   前記本体部の前記固定端部側の端部と前記延設部の先端との位置関係として、流体の流れ方向の下流側に向かう長さに対する径方向外側に向かう長さの比が１〜１．４となるように形成されており、
   前記固定片が捩じれることで、前記延設部のうち、幅方向の第一端縁側の最も下流側の箇所と、この第一端縁とは反対側の第二端縁側の最も下流側の箇所とが、回転軸方向にずれて位置しており、これにより迎角を形成する
   ことを特徴とする発電用羽根車。
2. 前記迎角により構成された第１の迎角部と、
   前記ブレードが前記固定端部から前記延設部にかけて同じ迎角となりこれにより形成された第２の迎角部と
   を備えている
   ことを特徴とする請求項１記載の発電用羽根車。
3. 前記各ブレードは、全体に亘って略同じ厚みに形成されたものである
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電用羽根車。
4. 前記ブレードは、前記延設部の先端に設けられ流体の流れ方向の上流側に向けて折り返された折り返し部をさらに備えている
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発電用羽根車。
5. 前記ブレードは、前記回転軸方向に離間して、それぞれの箇所に複数設けられており、
   前記流体の流れ方向の下流側に設けられた前記各ブレードが、前記軸方向に見て、前記流体の流れ方向の上流側に設けられた隣接する前記ブレードの間に位置するよう配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発電用羽根車。
6. 前記ブレードは、径方向外側に向かうほど幅広となるよう形成されたものである
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の発電用羽根車。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発電用羽根車が、前記回転軸を介して支柱部に設けられている
   ことを特徴とする風車。
8. 流体の流れ方向の両端が開口すると共に前記ブレードの外側を覆う筒状フードをさらに備えている
   ことを特徴とする請求項７記載の風車。
9. 前記発電用羽根車が、前記支柱部よりも流体の流れ方向の下流側に設けられている
   ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の風車。

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