JP7421221B2 - マグナス式推力発生装置、前記マグナス式推力発生装置を用いた風力回転装置、水力回転装置、潮力回転装置、ならびに前記マグナス式推力発生装置を用いた風力発電機、水力発電機、潮力発電機 - Google Patents

Description

本発明は、流体中で回転する略円筒形状の円筒翼が発生するマグナス力を用いたマグナス式推力発生装置、前記マグナス式推力発生装置を用いた風力回転装置、水力回転装置、潮力回転装置、ならびに前記マグナス式推力発生装置を用いた風力発電機、水力発電機、潮力発電機などの流体機械に関する。

従来から、流体中で回転する円筒翼が発生するマグナス力を利用する装置が知られている。例えば、特許文献１には、発電機軸を中心として回転するとともに円筒翼を軸支する支持部材と、支持部材上に垂設され、各個に独立して回転する複数の円筒翼とを備え、支持部材上に垂設される円筒翼が発電機軸を中心とする円周軌道上に配設される、マグナス式推力発生装置（縦軸式マグナス型風力発電装置）が開示されている。

特開２０１０－１２１５１８号公報

本発明は、装置の耐久性を向上させるとともに、円筒翼に発生するマグナス力によって効率的に回転力を得ることが可能なマグナス式推力発生装置、前記マグナス式推力発生装置を用いた風力回転装置、水力回転装置、潮力回転装置、ならびに前記マグナス式推力発生装置を用いた風力発電機、水力発電機、潮力発電機を提供することを目的とする。

本発明は、上記のような問題を解決するものであって、本発明の一実施形態に係るマグナス式推力発生装置は、
支持筐体と、
前記支持筐体に対して第１の回転軸を中心として回転可能な回転部と、
前記第１の回転軸を中心として公転可能であって、前記第１の回転軸に対して平行な第２の回転軸を中心として自転可能な複数の円筒翼と、
複数の前記円筒翼とともに各組を構成し、前記各組の前記円筒翼の軸方向に沿って長手方向がそれぞれ配置される複数の整流板及び複数の遮蔽板と、
前記回転部に固定されることで前記第１の回転軸を中心として回転可能であって、前記各組毎に、前記第１の回転軸を中心とする円周上に前記円筒翼を支持するとともに、前記円筒翼が公転するときの進行方向とは反対側に前記整流板及び前記遮蔽板を支持する支持部とを備え、
前記遮蔽板は、前記整流板の幅方向に対する両縁部のうち前記円筒翼に近い前端縁部側に配置されて、前記整流板に対して前記第１の回転軸側に立設するように支持される。

また、本発明の一実施形態に係る風力回転装置、水力回転装置または潮力回転装置は、前記マグナス式推力発生装置を用いたものである。

また、本発明の一実施形態に係る風力発電機、水力発電機または潮力発電機は、前記マグナス式推力発生装置を用いたものである。

本発明の一実施形態に係るマグナス式推力発生装置によれば、整流板及び遮蔽板は、円筒翼が公転するときの進行方向とは反対側に支持部により支持されるとともに、遮蔽板は、整流板の幅方向に対する両縁部のうち円筒翼に近い前端縁部側に配置されて、整流板に対して第１の回転軸側に立設するように支持される。そのため、円筒翼と整流板の前端縁部との隙間に対する流体（例えば、風）の流れ込みが遮蔽板により抑制されるので、円筒翼に作用する流体荷重（例えば、風荷重）が低減される。これにより、装置の耐久性を向上させるとともに、円筒翼に発生するマグナス力によって効率的に回転力を得ることができる。

本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す分解正面図である。 本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示すＶ－Ｖ線断面図である。 本発明の実施形態に係る整流板５、遮蔽板７及び整流板支持部６１の一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る整流板５、遮蔽板７及び整流板支持部６１の一例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。 本発明の実施形態に係る整流板５、遮蔽板７及び整流板支持部６１の一例を示し、（ａ）は背面図、（ｂ）は左側面図である。 本発明の実施形態に係る整流板５、遮蔽板７及び整流板支持部６１の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図である。 図７（ｂ）に示すIX部の拡大側面図である。 図８（ａ）に示すX部の拡大背面図である。 本発明の実施形態に係る一組の円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の配置関係を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１のアジマス角θ２が変化したときに円筒翼４に作用する風荷重の比率を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る円筒翼４及び遮蔽板７の間に形成された隙間ｄ２と、円筒翼４に作用する風荷重の比率との関係を示すグラフである。

以下に本発明の具体的な実施形態を示す。実施形態はあくまで一例であり、この例に限定されるものではない。なお、以下の実施形態では、マグナス式推力発生装置の適用例の１つとして、マグナス式推力発生装置を用いた垂直軸型マグナス式風力発電機１について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す正面図である。図３は、本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す分解正面図である。図４は、本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す平面図である。図５は、本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示すＶ－Ｖ線断面図である。

垂直軸型マグナス式風力発電機１は、設置面Ｓに対して設置される支持筐体２と、支持筐体２の内部に配置される発電機２１及び増速機２２と、増速機２２を介して発電機２１に連結されるとともに、設置面Ｓに対して垂直な第１の回転軸Ｏ１を中心として回転可能な回転部３と、第１の回転軸Ｏ１を中心として公転可能であって、第１の回転軸Ｏ１に対して平行な第２の回転軸Ｏ２を中心として自転可能な複数の円筒翼４と、複数の円筒翼４とともに各組を構成し、各組の円筒翼４の軸方向に沿って長手方向５Ｌが配置される複数の整流板５及び複数の遮蔽板７と、回転部３に固定されることで第１の回転軸Ｏ１を中心として回転可能であって、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の各組毎に、第１の回転軸Ｏ１を中心とする円周Ｃ１上に円筒翼４を支持するとともに、円筒翼４が公転するときの進行方向とは反対側に整流板５及び遮蔽板７を支持する支持部６とを備える。

なお、本実施形態の説明において、「平行」とは、完全に平行な場合だけでなく、垂直軸型マグナス式風力発電機１の機能が損なわれない程度のずれを許容した略平行な場合も含む。同様に、「垂直」とは、完全に垂直な場合でだけでなく、垂直軸型マグナス式風力発電機１の機能が損なわれない程度のずれを許容した略垂直な場合も含む。また、本実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１は、図１に示すように、２つの円筒翼４と、２つの整流板５とを備え、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の組数は、２組であるものとして説明する。

支持筐体２は、第１の回転軸Ｏ１と同軸状に配置される円筒状の筐体である。支持筐体２の上部には、その上部から回転部３の上部３０を突設させるとともに、第１の回転軸Ｏ１が設置面Ｓに対して垂直となるように、回転部３を軸支する軸受ユニット２０を備える。なお、支持筐体２は、トラス状の筐体としてもよい。

回転部３は、軸受ユニット２０に軸支される回転シャフト等で構成されており、軸受ユニット２０の上面に対して突設された上部３０の周壁部分に支持部６が固定される。

発電機２１は、増速機２２を介して回転部３に連結されており、回転部３が回転する際の回転エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電するように構成されている。なお、発電機２１は、増速機２２を介さずに直接回転部３に連結してもよい。

垂直軸型マグナス式風力発電機１の定格出力として、例えば、１０ｋｗ程度を想定する場合には、円筒翼４の外寸は、長さ１０ｍ程度、直径１ｍ程度であり、整流板５の外寸は、長さ１０ｍ程度、幅１．５～２ｍ程度、厚さ０．５～３ｍｍ程度である。

複数の円筒翼４は、支持部６により円周Ｃ１上に支持されることで、図５に示すように、第１の回転軸Ｏ１及び第２の回転軸Ｏ２に垂直な平面上において、複数の第２の回転軸Ｏ２は、円周Ｃ１上で所定の間隔（円筒翼支持間隔）を空けるようにして円周Ｃ１上に配置される。本実施形態では、２つの円筒翼４に対する２つの第２の回転軸Ｏ２は、第１の回転軸Ｏ１を挟んで対向するようにして円周Ｃ１上に配置される。

円筒翼４は、円筒状に形成された円筒状の円筒翼本体４０を備え、円筒翼本体４０は、第２の回転軸Ｏ２と平行な円筒翼４の軸方向に対する両端部として、鉛直方向の上側に配置される上端部（一端部）４０ａと、鉛直方向の下側に配置される下端部（他端部）４０ｂとを備える。また、円筒翼４は、上端部４０ａ及び下端部４０ｂにそれぞれ配置されて、円筒翼４の直径よりも大きな円板状の翼端板４１と、第２の回転軸Ｏ２を中心として円筒翼４を時計回りＲ２に回転（自転）させる円筒翼モータ（回転駆動部）４２と、円筒翼本体４０に連結されて、上端部４０ａ及び下端部４０ｂにおいて第２の回転軸Ｏ２と同軸上にそれぞれ配置される上部回転伝達軸部（一端側回転伝達軸部）４５及び下部回転伝達軸部（他端側回転伝達軸部）４６とを備える。

整流板５は、平板状に形成されており、整流板５の長手方向５Ｌに対する両端部として、上端部（一端部）５０ａと、下端部（他端部）５０ｂとを備え、整流板５の幅方向５Ｗに対する両縁部として、円筒翼４側に配置されて円筒翼４に近い前端縁部５０ｃと、前端縁部５０ｃとは反対側に配置されて円筒翼４から遠い後端縁部５０ｄとを備える。また、整流板５は、整流板５の板厚方向に対して垂直な表面として、第１の回転軸Ｏ１側に配置される内側表面５０ｅと、内側表面５０ｅとは反対側の外側表面５０ｆとを備える。

整流板５は、整流板５の後端縁部５０ｄに、整流板５の上端部５０ａ及び下端部５０ｂに近づくにつれて整流板５の幅が狭くなるテーパ部５３を備える。テーパ部５３は、直線形状でもよいし、例えば、放物線を描くような曲線形状でもよいし、直線形状と曲線形状とを組み合わせたものでもよい。なお、本実施形態では、整流板５は、整流板５の両端部５０ａ、５０ｂに、同一の直線形状のテーパ部５３をそれぞれ備えるが、整流板５は、整流板５の両端部５０ａ、５０ｂに、異なる形状のテーパ部５３をそれぞれ備えていてもよいし、上端部５０ａ及び下端部５０ｂのいずれか一方にだけテーパ部５３を備えていてもよい。

遮蔽板７は、整流板５と同様に平板状に形成されており、遮蔽板７の長手方向は、整流板５の長手方向５Ｌと平行に配置される。遮蔽板７は、遮蔽板７の幅方向に対する両縁部として、整流板５側に配置される基端縁部７０ａと、基端縁部７０ａとは反対側の先端縁部７０ｂとを備える。

整流板５及び遮蔽板７は、支持部６により支持されることで、図５に示すように、第１の回転軸Ｏ１及び第２の回転軸Ｏ２に垂直な平面上において、円筒翼４の進行方向とは反対側に配置される。整流板５は、円筒翼４の進行方向とは反対側に伸びるように、前端縁部５０ｃ及び後端縁部５０ｄが配置される。遮蔽板７は、整流板５の前端縁部５０ｃ側に配置されて、整流板５に対して第１の回転軸Ｏ１側（内側表面５０ｅ側）に立設するように支持される。このとき、円筒翼４と整流板５の前端縁部５０ｃとの間には隙間が形成されるとともに、円筒翼４と遮蔽板７の先端縁部７０ｂとの間には隙間が形成される。なお、整流板５及び遮蔽板７の具体的構成は後述する。

支持部６は、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の各組毎に、第１の回転軸Ｏ１を中心とする円周Ｃ１上に円筒翼４を配置するように、軸方向に対する円筒翼４の両端部４０ａ、４０ｂを軸支するとともに、円筒翼４が第１の回転軸Ｏ１を中心として時計回りＲ１に公転するときの進行方向とは反対側に整流板５及び遮蔽板７を配置するように、整流板５及び遮蔽板７を支持する。

支持部６が、円周Ｃ１上に円筒翼４を支持する態様としては、支持部６が、図５に示すように、円筒翼４の中心である第２の回転軸Ｏ２と円周Ｃ１とが重なった状態で円筒翼４を支持する場合だけでなく、第２の回転軸Ｏ２と円周Ｃ１との間には、垂直軸型マグナス式風力発電機１の機能が損なわれない程度のずれが許容されるものであり、支持部６が、例えば、円筒翼４の円形状の断面と円周Ｃ１とが重なった状態で円筒翼４を支持する場合も含む。なお、支持部６の具体的構成は後述する。

垂直軸型マグナス式風力発電機１は、円筒翼モータ４２により第２の回転軸Ｏ２を中心として円筒翼４を時計回りＲ２に回転（自転）させた状態において、所定の方向から風（空気流）を受けると、円筒翼４にマグナス力が発生する。そして、円筒翼４に発生したマグナス力は、第１の回転軸Ｏ１を中心として円筒翼４を時計回りＲ１に公転させる方向に作用する。

このとき、整流板５は、風向に対して円筒翼４が存在する位置に応じて、マグナス力の大きさを制御する。具体的には、円筒翼４が、風上側に存在する場合には、整流板５は、風向と円筒翼４の自転方向とが逆方向になる領域（流れ減速側）に存在する。そのため、整流板５は、流れ減速側における風の流れを阻害することになるが、円筒翼４に発生するマグナス力を大きく低下させることにはならないため、マグナス力は、円筒翼４を公転させる回転力として作用する。

一方、円筒翼４が、風下側に存在する場合には、整流板５は、風向と円筒翼４の自転方向とが一致する領域（流れ加速側）に存在する。そのため、整流板５は、流れ加速側における風の流れを阻害することにより、円筒翼４に発生するマグナス力を低下させるため、マグナス力が、円筒翼４を公転させる回転力を打ち消すように作用することを抑制する。

以上のように、円筒翼４が、整流板５により円筒翼４に発生するマグナス力が制御された状態で時計回りＲ１に公転することにより、回転部３を時計回りに回転させて、回転部３に連結された発電機２１で発電する。

（整流板５、遮蔽板７及び支持部６の具体的構成）
支持部６は、整流板５に対して第１の回転軸Ｏ１側に配置されて、長手方向５Ｌに対する整流板５の両端部５０ａ、５０ｂ間に亘って整流板５の長手方向５Ｌに沿うように整流板５及び遮蔽板７を支持する整流板支持部６１と、整流板支持部６１の上端部（一端部）６１０ａと回転部３とを連結する第１の連結アーム部６２と、整流板支持部６１の下端部（他端部）６１０ｂと回転部３とを連結する第２の連結アーム部６３と、円筒翼４の上端部４０ａ側を軸支するとともに、第１の連結アーム部６２に連結される第１の円筒翼支持部（一端側支持部）６４と、円筒翼４の下端部４０ｂ側を軸支するとともに、第２の連結アーム部６３に連結される第２の円筒翼支持部（他端側支持部）６５とを、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の各組毎（本実施形態では２組）に備える。

整流板支持部６１は、両端部５０ａ、５０ｂ間に亘って整流板５の長手方向５Ｌに沿うように配置されて、整流板５を支持する整流板支持アーム部６１０と、整流板５の長手方向５Ｌに対して所定の間隔（補強間隔）で配置されるとともに、整流板５の幅方向５Ｗに対する整流板５の両縁部５０ｃ、５０ｄ間に亘って長手方向５Ｌに対して所定の角度（本実施形態では直角）を有するように配置されて、整流板５及び遮蔽板７を支持する複数の整流板補強部材６１１とを備える。

第１の円筒翼支持部６４は、円筒翼４の上端部４０ａ側において円筒翼４の軸心を揺動可能な状態で軸支する揺動軸支構造部６４０と、第１の連結アーム部６２の先端部６２０ｂと揺動軸支構造部６４０とを連結する第１の円筒翼支持アーム部６４１と、第１の連結アーム部６２の屈曲部６２０ｃと揺動軸支構造部６４０とを連結する第２の円筒翼支持アーム部６４２とを備える。揺動軸支構造部６４０は、その内部に、円筒翼４の上端部４０ａに設けられた回転軸を軸支する第１の軸受（不図示）等を備える。

第２の円筒翼支持部６５は、円筒翼４の下端部４０ｂ側において円筒翼４の軸心を固定した状態で軸支するとともに、円筒翼モータ４２を支持する固定軸支構造部６５０と、第２の連結アーム部６３の先端部６３０ｂと固定軸支構造部６５０とを連結する第１の円筒翼支持アーム部６５１と、第２の連結アーム部６３の屈曲部６３０ｃと固定軸支構造部６５０とを連結する第２の円筒翼支持アーム部６５２とを備える。固定軸支構造部６５０は、その内部に、円筒翼４の下端部４０ｂに設けられた回転軸を軸支する第２の軸受（不図示）等を備えるとともに、円筒翼モータ４２の回転駆動力が、その円筒翼４の回転軸に伝達されるように、円筒翼モータ４２を支持する。

また、支持部６は、整流板５の長手方向５Ｌに対する整流板支持アーム部６１０の中間部６１０ｃと、第１の連結アーム部６２の回転部３側の固定端部６２０ａ及び第２の連結アーム部６３の回転部３側の固定端部６３０ａが隣接する隣接部６６１とを連結する第３の連結アーム部６６を、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の各組毎（本実施形態では２組）にさらに備える。

支持部６が備える各アーム部（整流板支持アーム部６１０、第１の連結アーム部６２、第２の連結アーム部６３、第１の円筒翼支持アーム部６４１、６５１、第２の円筒翼支持アーム部６４２、６５２、及び、第３の連結アーム部６６）は、例えば、スチール、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金等の金属材料や、炭素繊維強化樹脂、ガラス繊維強化樹脂等の樹脂材料を用いて、円形、楕円形、多角形等の任意の断面形状を有する管状部材、Ｌ型、Ｈ型、Ｉ型等の任意の断面形状を有する板状部材、又は、ワイヤー部材として形成されている。なお、支持部６が備える各アーム部は、各アーム部が配置される場所や各部が支持する荷重に応じて、各部の外形形状、断面形状、断面積、及び、材料等を変更するようにしてもよい。

また、支持部６が備える各アーム部は、複数のアーム部が一体的に形成された複数の複合アーム部材により構成されており、各複合アーム部材間は、任意の接合方法（溶接、接着、ねじ固定、圧入、リベット、ピン結合、継手等）による接合部を介して接合される。

本実施形態では、例えば、第１の連結アーム部６２、第２の連結アーム部６３、第１の円筒翼支持アーム部６４１、６５１及び第２の円筒翼支持アーム部６４２、６５２が一体的に形成されることで、第１の複合アーム部材６０Ａを構成する。また、整流板支持アーム部６１０及び第３の連結アーム部６６が一体的に形成されることで、第２の複合アーム部材６０Ｂを構成する。そして、第１の複合アーム部材６０Ａは、接合部６００Ａ、６００Ｂを介して回転部３に接合される。第２の複合アーム部材６０Ｂは、接合部６０１Ａ～６０１Ｃを介して第１の複合アーム部材６０Ａに接合される。

図６は、本発明の実施形態に係る整流板５、遮蔽板７及び整流板支持部６１の一例を示す斜視図である。図７乃至図９は、本発明の実施形態に係る整流板５、遮蔽板７及び整流板支持部６１の一例を示し、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は右側面図、図８（ａ）は背面図、図８（ｂ）は左側面図、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は底面図である。図１０は、図７（ｂ）に示すIX部の拡大側面図である。図１１は、図８（ａ）に示すX部の拡大背面図である。

整流板５は、図７（ａ）に示すように、整流板５の長手方向５Ｌに対して並べられて配置される複数の板材５１（５１ａ～５１ｄ）により構成される。複数の板材５１は、テーパ部５３に配置される複数の異形状板材５１ａ、５１ｂと、テーパ部５３以外に配置される複数の矩形状板材５１ｃ、５１ｄとからなる。本実施形態では、複数の異形状板材５１ａ、５１ｂは、直線形状のテーパ部５３を形成するため、両端部５０ａ、５０ｂ側に配置される台形状の異形状板材５１ａと、その台形状の異形状板材５１ａに隣接して配置される、五角形状（矩形の１つの角が面取りされた）の異形状板材５１ｂとからなる。また、複数の矩形状板材５１ｃ、５１ｄは、長手方向５Ｌに対する外寸が異なるものであり、大きい方の矩形状板材５１ｃと、小さい方の矩形状板材５１ｄとからなる。なお、テーパ部５３は、直線形状、曲線形状、及び、直線形状と曲線形状との組み合わせのいずれでもよく、テーパ部５３の形状に合わせて異形状板材５１ａ、５１ｂの形状を適宜変更してもよい。

遮蔽板７は、図８（ｂ）に示すように、整流板５と同様に、整流板５（遮蔽板７）の長手方向５Ｌに対して並べられて配置される複数の板材７１により構成される。

整流板５及び遮蔽板７の長手方向５Ｌの長さが、例えば、１０ｍ程度である場合、板材５１、７１の１枚当たりの長さは、例えば、１ｍ～２ｍ程度とすればよい。その場合には、複数の板材５１、７１は、長手方向５Ｌに対して所定の長さ分だけ重畳された重畳部５１０、７１０を形成した状態で隙間なく配置される。

板材５１、７１は、例えば、亜鉛メッキ鋼板、アルミニウム板、ステンレス板等の金属材料、を用いて形成されている。なお、板材５１、７１は、金属材料に代えて、炭素繊維強化樹脂、ガラス繊維強化樹脂等の繊維強化樹脂材料、硬質なポリカーボネイトや塩化ビニル等の硬質樹脂材料、プラスチックフィルム等の薄膜材料、帆布やテント生地等の生地を用いてもよい。

整流板支持部６１は、上述したように、整流板支持アーム部６１０と、複数の整流板補強部材６１１とを備えるとともに、整流板５の長手方向５Ｌに対して整流板補強部材６１１の補強間隔と同じ間隔で配置されて、複数の整流板補強部材６１１の各々が取り付けられる複数の取付ブラケット６１２と、複数の整流板補強部材６１１の前端縁部５０ｃ側に取り付けられる複数のステー部材６１３とをさらに備える。整流板補強部材６１１、取付ブラケット６１２、及び、ステー部材６１３は、整流板支持アーム部６１０や板材５１、７１と同様の金属材料や樹脂材料で形成されている。

整流板支持アーム部６１０は、図１１に示すように、整流板５の幅方向５Ｗに対して整流板５の表面（内側表面５０ｅ又は外側表面５０ｆ）を、領域５２ａ～５２ｃのように３等分したとき、整流板５の幅方向５Ｗに対して中央の領域５２ｂに配置されるのが好ましい。このとき、遮蔽板７は、整流板５の幅方向５Ｗに対して前端縁部５０ｃ側の領域５２ａに配置されるのが好ましい。

整流板補強部材６１１は、整流板５（異形状板材５１ａ、５１ｂ又は矩形状板材５１ｃ、５１ｄ）の幅と同程度の長さを有し、整流板支持アーム部６１０に対して所定の角度（本実施形態では直角）を有するようにして配置される。すなわち、整流板補強部材６１１は、整流板５の幅方向５Ｗに対して平行に配置されて、整流板５の前端縁部５０ｃと後端縁部５０ｄとの間に亘って整流板５の幅方向５Ｗに沿うように整流板５を支持する。また、整流板補強部材６１１は、板材５１と取付ブラケット６１２とを連結し、両者を取り付ける取付部材として機能する。

整流板補強部材６１１は、図１０に示すように、例えば、コ字状の断面形状を有することにより、整流板５の内側表面５０ｅに対して平行に配置される第１の補強板片６１１ａと、第１の補強板片６１１ａに対して垂直に配置される第２の補強板片６１１ｂと、第２の補強板片６１１ｂに対して垂直に配置される第３の補強板片６１１ｃとを備える。なお、整流板補強部材６１１は、その断面形状として、図１０に示すようなコ字状の断面形状に代えて、例えば、Ｌ字状、逆Ｔ字状、略Ｚ字状等の断面形状を有するものでもよいし、角パイプ形状を有するものでもよい。

取付ブラケット６１２は、整流板支持アーム部６１０の径方向両側から径方向外側に向かって延設されるように、上記の任意の接合方法（本実施形態では、溶接）により整流板支持アーム部６１０に取り付けられる。取付ブラケット６１２は、図１０に示すように、例えば、Ｌ字状の断面形状を有することにより、整流板５の内側表面５０ｅに対して平行に配置される第１の取付板片６１２ａと、第１の取付板片６１２ａに対して垂直に配置される第２の取付板片６１２ｂとを備える。

ステー部材６１３は、図６、図９に示すように、前端縁部５０ｃ側に配置されて、整流板補強部材６１１の端部を覆うカバー部６１３ａと、整流板５に対して所定の角度θ１をなすように遮蔽板７を固定する固定部６１３ｂとを有する。所定の角度θ１は、図９の例では、鈍角に設定されているが、直角や鋭角に設定されていてもよい。

ステー部材６１３は、整流板補強部材６１１の端部を覆うようにして、第２の補強板片６１１ｂに取り付けられる。これにより、円筒翼４が、何らかの理由で整流板補強部材６１１の端面に接触した場合でも、円筒翼４の損傷を防止することができる。

整流板５、遮蔽板７及び整流板支持部６１の組立方法の一例としては、まず、整流板支持アーム部６１０に取り付けられた複数の取付ブラケット６１２に対して、複数の整流板補強部材６１１及びステー部材６１３をそれぞれ固定する。このとき、整流板補強部材６１１の第１の補強板片６１１ａを、取付ブラケット６１２の第１の取付板片６１２ａに面接触させて、複数の固定ボルト６１４Ａにより第１の取付板片６１２ａに固定する。また、整流板補強部材６１１の第２の補強板片６１１ｂを、取付ブラケット６１２の第２の取付板片６１２ｂに面接触させて、複数の固定ボルト６１４Ｂにより第２の取付板片６１２ｂに固定する。なお、上記固定ボルト６１４Ａ、６１４Ｂによる固定に加えて又は代えて、接着剤や両面テープにより接着してもよいし、溶接してもよい。

そして、取付ブラケット６１２に固定された整流板補強部材６１１に対して板材５１（５１ａ～５１ｄ）を１枚ずつ固定していくことにより、複数の板材５１を隙間なく並べて固定する。なお、本実施形態では、複数の整流板補強部材６１１は、１枚の板材５１に対して３つ又は４つの整流板補強部材６１１が割り当てられるような補強間隔で配置されている。

具体的には、板材５１の表面を、複数の整流板補強部材６１１における第３の補強板片６１１ｃにそれぞれ面接触させて、複数のリベット６１５により第３の補強板片６１１ｃに固定する。そして、隣接する板材５１の間の重畳部５１０では、図１０に示すように、例えば、下端部５０ｂ側の板材５１の上縁部に、上端部５０ａ側の板材５１の下縁部を重畳させた状態で、複数のリベット６１５により重畳部５１０の高さに配置される整流板補強部材６１１の第３の補強板片６１１ｃに共締めするように固定する。

また、遮蔽板７についても同様に、ステー部材６１３の固定部６１３ｂに対して板材７１を１枚ずつ固定していくことにより、複数の板材７１を隙間なく並べて固定する。なお、本実施形態では、複数のステー部材６１３は、１枚の板材７１に対して３つ又は４つのステー部材６１３が割り当てられるような補強間隔で配置されている。

上記のように、整流板５、遮蔽板７及び整流板支持部６１が組み立てられることで、整流板支持アーム部６１０及び整流板補強部材６１１が、図８（ａ）に示すように、魚骨形状の骨組となって、整流板５及び遮蔽板７を補強した状態で支持する。このとき、整流板支持アーム部６１０は、整流板５の長手方向５Ｌに対する補強部材として機能する。また、整流板補強部材６１１は、整流板５の幅方向５Ｗに対する補強部材として機能するとともに、整流板５及び遮蔽板７を整流板支持アーム部６１０に取り付けるための取付部材としても機能する。

（円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の配置関係）
図１２は、本発明の実施形態に係る一組の円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の配置関係を示す概略図である。図１２には、マグナス式推力発生装置１におけるアジマス角θ２を、風の流入方向を０度として時計回りと定義した場合において、アジマス角θ２が１３５度である状態が図示されている。

整流板５及び遮蔽板７は、図１２に示すように、第１の回転軸Ｏ１及び第２の回転軸Ｏ２に垂直な平面上において、円筒翼４の進行方向とは反対側に配置される。整流板５は、円筒翼４の進行方向とは反対側に細長く伸びるように延設される。遮蔽板７は、整流板５の前端縁部５０ｃ側に配置されて、整流板５に対して第１の回転軸Ｏ１側に立設するように配置される。このとき、円筒翼４と整流板５の前端縁部５０ｃとの間には隙間ｄ１が形成されるとともに、円筒翼４と遮蔽板７の先端縁部７０ｂとの間には隙間ｄ２が形成される。なお、隙間ｄ１及び隙間ｄ２の距離は、円筒翼４に対する整流板５及び遮蔽板７の位置関係や、整流板５及び遮蔽板７の寸法、形状、角度θ１（図９参照）を変更することで調整可能である。

図１３は、本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１のアジマス角θ２が変化したときに円筒翼４に作用する風荷重の比率を示すグラフである。図１３には、遮蔽板７がない場合（黒丸）と、遮蔽板７がある場合（白丸）とについて、円筒翼４に作用する風荷重をシミュレーションにより計算したときの計算結果が図示されている。なお、シミュレーションでは、円筒翼４の直径Ｄは１０００ｍｍ、円筒翼４及び遮蔽板７の間に形成された隙間ｄ２は５０ｍｍであるものとし、遮蔽板なし（アジマス角θ２＝１８０度）を基準（＝１）としたときの円筒翼４に作用する風荷重の比率を計算した。

アジマス角θ２が９０度から１８０度に変化するとき、円筒翼４に作用する風荷重は、徐々に増加し、１７０～１８０度付近でピークが存在する。これは、図１２に示すように、整流板５の前端縁部５０ｃと後端縁部５０ｄとの間で受けた風が、前端縁部５０ｃ側に集中的に流れ込むため、その風による風圧が円筒翼４に作用するからである。遮蔽板７は、そのような風をせき止めるように、整流板５に対して第１の回転軸Ｏ１側に立設するように配置される。そのため、遮蔽板７がある場合（白丸）には、アジマス角θ２が９０度から１８０度に変化するときに円筒翼４に作用する風荷重が、図１３に示すように、遮蔽板７がない場合（黒丸）に比べて低減されることが確認できる。

図１４は、本発明の実施形態に係る円筒翼４及び遮蔽板７の間に形成された隙間ｄ２と、円筒翼４に作用する風荷重の比率との関係を示すグラフである。図１４には、垂直軸型マグナス式風力発電機１のアジマス角θ２が１８０度である状態において、（Ａ）遮蔽板７がない場合、（Ｂ）隙間ｄ２が１００ｍｍとして配置された遮蔽板７がある場合、（Ｃ）隙間ｄ２が５０ｍｍとして配置された遮蔽板７がある場合について、円筒翼４（直径Ｄ＝１０００ｍｍ）に作用する風荷重をシミュレーションにより計算したときの計算結果が図示されている。

円筒翼４に作用する風荷重は、遮蔽板７がない場合に比べて遮蔽板７がある場合の方が低減されることが確認できる。具体的には、遮蔽板７がない場合において円筒翼４に作用する風荷重を基準（＝１）とした場合、隙間ｄ２が１００ｍｍの場合には、１０％程度低減され、隙間ｄ２が５０ｍｍの場合には、２０％程度低減されることが確認できる。したがって、隙間ｄ２が小さくなるほど、円筒翼４に作用する風荷重を低減する効果は大きくなる。その際、隙間ｄ２と、円筒翼４の直径Ｄとの関係としては、隙間ｄ２は、円筒翼４の直径Ｄに対して１５％以下であることが好ましく、さらに１０％以下であることがより好ましい。

以上のように、本実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機（マグナス式推力発生装置）１によれば、整流板５及び遮蔽板７は、円筒翼４が公転するときの進行方向とは反対側に支持部６により支持されるとともに、遮蔽板７は、整流板５の前端縁部５０ｃ側に配置されて、整流板５に対して第１の回転軸Ｏ１側に立設するように支持される。そのため、円筒翼４と整流板５の前端縁部５０ｃとの隙間ｄ１に対する流体（例えば、風）の流れ込みが遮蔽板７により抑制されるので、円筒翼４に作用する流体荷重（例えば、風荷重）が低減される。これにより、装置の耐久性を向上させるとともに、円筒翼４に発生するマグナス力によって効率的に回転力を得ることができる。

（他の実施形態）
上記のように、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、円筒翼４が、第１の回転軸Ｏ１を中心として時計回りＲ１に公転するものとして説明したが、反時計回りに公転するようにしてもよい。その場合には、円筒翼４が自転する方向を時計回りＲ２から反時計回りに変更するとともに、それに合わせて整流板５の配置を変更すればよい。

また、上記実施形態では、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の組数は、２組であるものとして説明したが、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の組数は適宜変更してもよく、垂直軸型マグナス式風力発電機１は、３組以上の円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７を備えるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、第１の回転軸Ｏ１及び第２の回転軸Ｏ２を、設置面Ｓに対して垂直に配置した、すなわち、鉛直方向に対して平行に配置したものとして説明したが、鉛直方向に対して斜めに配置してもよいし、鉛直方向に対して直角に、すなわち、水平方向に配置してもよい。

また、上記実施形態では、マグナス式推力発生装置の適用例の１つとして、マグナス式推力発生装置を用いた垂直軸型マグナス式風力発電機１について説明したが、回転部３を発電機２１に連結することに代えて、回転部３をポンプ等の回転機械に連結することにより、マグナス式推力発生装置を用いた風力回転装置としてもよい。

また、上記実施形態では、マグナス式推力発生装置の適用例の１つとして、マグナス式推力発生装置を用いた垂直軸型マグナス式風力発電機１について説明したが、エネルギー源として、風（空気流）を用いることに代えて、水流、波、潮流等を用いることにより、マグナス式推力発生装置を用いた水力発電機又は潮力発電機としてもよいし、さらに回転部３を発電機２１に連結することに代えて、回転部３をポンプ等の回転機械に連結することにより、マグナス式推力発生装置を用いた水力回転装置又は潮力回転装置としてもよい。

本発明のマグナス式推力発生装置は、遮蔽板が、整流板の幅方向に対する両縁部のうち円筒翼に近い前端縁部側に配置されて、整流板に対して第１の回転軸側に立設するように支持されることによって、装置の耐久性を向上させるとともに、円筒翼に発生するマグナス力によって効率的に回転力を得ることを可能とし、風力回転装置、水力回転装置及び潮力回転装置並びに風力発電機、水力発電機及び潮力発電機としても利用できる。

１…垂直軸型マグナス式風力発電機（マグナス式推力発生装置）、
２…支持筐体、２０…軸受ユニット、２１…発電機、２２…増速機、３…回転部、
４…円筒翼、４０…円筒翼本体、
４０ａ…上端部（一端部）、４０ｂ…下端部（他端部）、４２…円筒翼モータ、
４５…上部回転伝達軸部（一端側支持部）、４６…下部回転伝達軸部（他端側支持部）、
５…整流板、５Ｌ…長手方向、５Ｗ…幅方向、
５０ａ…上端部（一端部）、５０ｂ…下端部（他端部）、
５０ｃ…前端縁部、５０ｄ…後端縁部、５０ｅ…内側表面、５０ｆ…外側表面、
５１…板材、５１ａ、５１ｂ…異形状板材、５１ｃ、５１ｄ…矩形状板材、
５１０…重畳部、５２ａ～５２ｃ…領域、５３…テーパ部、
６…支持部、６１…整流板支持部、６２…第１の連結アーム部、
６３…第２の連結アーム部、６４…第１の円筒翼支持部、６５…第２の円筒翼支持部、
６６…第３の連結アーム部、６１０…整流板支持アーム部、
６１１…整流板補強部材、６１２…取付ブラケット、
６１３…ステー部材、６１３ａ…カバー部、６１３ｂ…固定部、６１６…ステップ部材
６４０…揺動軸支構造部、
６４１…第１の円筒翼支持アーム部、６４２…第２の円筒翼支持アーム部、
６５０…固定軸支構造部、
６５１…第１の円筒翼支持アーム部、６５２…第２の円筒翼支持アーム部、
７…遮蔽板、７０ａ…基端縁部、７０ｂ…先端縁部、７１…板材、７１０…重畳部、
Ｏ１…第１の回転軸、Ｏ２…第２の回転軸、Ｓ…設置面

Claims (7)

1. 支持筐体と、
   前記支持筐体に対して第１の回転軸を中心として回転可能な回転部と、
   前記第１の回転軸を中心として公転可能であって、前記第１の回転軸に対して平行な第２の回転軸を中心として自転可能な複数の円筒翼と、
   複数の前記円筒翼とともに各組を構成し、前記各組の前記円筒翼の軸方向に沿って長手方向がそれぞれ配置される複数の整流板及び複数の遮蔽板と、
   前記回転部に固定されることで前記第１の回転軸を中心として回転可能であって、前記各組毎に、前記第１の回転軸を中心とする円周上に前記円筒翼を支持するとともに、前記円筒翼が公転するときの進行方向とは反対側に前記整流板及び前記遮蔽板を支持する支持部とを備え、
   前記遮蔽板は、
   前記整流板の幅方向に対する両縁部のうち前記円筒翼に近い前端縁部側に配置されて、前記整流板に対して前記第１の回転軸側に立設するように支持される、
   マグナス式推力発生装置。
2. 前記支持部は、
   前記長手方向に対する前記整流板の両端部間に亘って前記長手方向に沿うように前記整流板及び前記遮蔽板を支持する整流板支持部を、前記各組毎に備え、
   前記整流板支持部は、
   前記整流板の前記両端部間に亘って前記長手方向に沿うように配置されて、前記整流板を支持する整流板支持アーム部と、
   前記長手方向に対して所定の間隔で配置されるとともに、前記両縁部間に亘って前記長手方向に対して所定の角度を有するように配置されて、前記整流板及び前記遮蔽板を支持する複数の整流板補強部材とを備える、
   請求項１に記載のマグナス式推力発生装置。
3. 前記幅方向に対して前記整流板の表面の領域を３等分したとき、
   前記整流板支持アーム部は、
   前記幅方向に対して中央の前記領域に配置され、
   前記遮蔽板は、
   前記幅方向に対して前記前端縁部側の前記領域に配置される、
   請求項２に記載のマグナス式推力発生装置。
4. 前記整流板補強部材は、
   前記前端縁部側に配置されて、当該整流板補強部材の端部を覆うカバー部と、前記整流板に対して所定の角度をなすように前記遮蔽板を固定する固定部とを有するステー部材を介して前記遮蔽板を支持する、
   請求項３に記載のマグナス式推力発生装置。
5. 前記整流板及び前記遮蔽板は、
   前記長手方向に対して並べられて配置される複数の板材によりそれぞれ構成される、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のマグナス式推力発生装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載のマグナス式推力発生装置を用いた風力回転装置、水力回転装置または潮力回転装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載のマグナス式推力発生装置を用いた風力発電機、水力発電機または潮力発電機。

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