JPWO2013136660A1 - 垂直軸風車 - Google Patents

Abstract

低回転域における特性を損なうことなく、高回転域の周速比を向上させることができる揚力型の垂直軸風車を提供する。垂直軸風車１は、外径側に揚力型の外側ブレード２を１２０度間隔で３枚備える。外側ブレード２よりも内径側には円筒付き風車３が備えられている。円筒付き風車３は、円筒体６と、この円筒体６の側面に、１２０度間隔で配置された３枚の内側ブレード４により構成されている。内側ブレード４は、回転方向７ａ側に凸面が、また、回転方向７ａとは逆側に凹面が形成されている。内側ブレード４は、外側ブレード２の前縁へ外風を案内できる回転位置に配置されている。

Description

本発明は、揚力型ブレードを採用した垂直軸風車に関するものである。

垂直軸風車のうち、揚力を利用したものではジャイロミル型やダリウス型が知られている。また、抗力を利用したものではサボニウス型やパドル型などが知られている。

このうち、揚力型の垂直軸風車は、風速を超える高回転動作が可能であり、高効率の発電が可能であるが、低回転域の特性が悪く、自己起動が困難である。

これに比べて、抗力型の垂直軸風車は、高トルクを得ることができるので、起動性に優れている。しかし、揚力型のような高回転動作は困難である。

従来から、揚力型の起動特性を改善するために抗力型の風車を組み合わせた垂直軸風車が考えられている。このような技術については、特許文献１に開示例がある。

図１３は、従来の垂直軸型のハイブリッド風車１００を示している。このハイブリッド風車１００では、揚力型であるダリウス型風車１０４に、抗力型であるサボニウス型風車１０２が組み合わせられている。

外側には、直線翼のダリウス型風車翼１０４ａ、１０４ｂが配置され、内側には、サボニウス型風車翼１０２ａ、１０２ｂが配置されている。これにより、風が弱いときは、半円筒のサボニウス型風車翼１０２ａ、１０２ｂに受ける風により、高トルクを発生させ、起動することができる。

このように、抗力型のサボニウス型風車を組み合わせることにより、揚力型であるダリウス型風車の低周速比域の出力係数の値が改善される。

特開平１１−２９４３１３号公報

しかしながら、上記ハイブリッド風車１００のように、揚力型であるダリウス型風車１０４の低周速比域の出力係数を改善できる構成については、従来から考えられているものの、他のタイプの風車を単に組み合わせるだけでは、高周速比域の出力係数を向上させることは難しい。

例えば、上述のハイブリッド風車の場合は、組み合わせた抗力型の風車が抵抗となり、高回転域では、単独のダリウス型風車の特性よりも劣ってしまうことが分かっている。

このように、短所を改善するために異なるタイプの風車を組み合わせても、互いの長所である優れた特性を低下させてしまう場合が多い。

そこで、本発明では、低周速比域における特性を損なうことなく、高周速比域の出力係数を向上させることができる揚力型の垂直軸風車を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の垂直軸風車は、複数の揚力型の外側ブレードと、外側ブレードより回転方向の内径側に設けられ、外部から作用する外風を案内し、外側ブレードの前縁側から表裏の両側へ導く導風手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の垂直軸風車は、上記構成に加えて、導風手段は、回転方向に凸面、逆回転方向に凹面が形成された複数の内側ブレードからなり、外側ブレードの空力中心に対して回転方向へ３５±３５度の範囲内に、少なくとも１つの内側ブレードの後縁が位置することを特徴とする。

また、本発明の垂直軸風車は、上記構成に加えて、隣り合う内側ブレードの前縁同士は連続した面で繋がっていることを特徴とする。

また、本発明の垂直軸風車は、上記構成に加えて、隣り合う内側ブレードの前縁同士は離間していることを特徴とする。

また、本発明の垂直軸風車は、上記構成に加えて、隣り合う内側ブレードの前縁同士は、回転軸方向の中央側では離間し、回転軸方向の少なくとも一方の端部側では連続した面で繋がっていることを特徴とする。

また、本発明の垂直軸風車は、導風手段は、側面に複数の貫通孔が形成された管状体と、管状体の端部に設けられ、回転方向への回転により管状体内向きに風を流すファンとからなることを特徴とする。

本発明によれば、導風手段が、外部から受けた外風を、内径側から外径側の外側ブレードの前縁へ導く。そして、外側ブレードへ導かれた風は前縁で分離されて、外側ブレードの表裏の両面へ導かれる。これにより、外側ブレードが直接受風する成分に対して、導風手段からの導風が加わり、外側ブレードの迎角が大きくなる。言い換えれば、外側ブレードに生じる揚力の向きが、回転方向側へ傾き、回転力成分が増大する。

また、本発明によれば、導風手段は凹凸面が形成された内側ブレードにより構成されているので、凹面に受けた風により発生した抗力により回転力を得ることができ、この結果、起動性が向上する。また、外側ブレードの空力中心から回転方向側へ３５±３５度の位置に、内側ブレードの後縁が位置するので、回転の際に先行する内側ブレードの凸面により偏向された風が、連続的に外側ブレードの前縁へ導かれる。これにより、何れの回転位置においても回転力に寄与する揚力を外側ブレードに効果的に発生させることが可能となる。

また、本発明によれば、内側ブレードの前縁同士が連続した面で繋がっているので、受けた外風の多くを凹面側に集めることができ、大きなトルクを得ることができる。

また、本発明によれば、内側ブレードの前縁同士が離間しているので、高周速比域においては、遠心効果により内側ブレード間から遠心風が吹き出す。吹き出した遠心風は、約３５度回転後方に配置された外側ブレードに案内される。これにより、外風に遠心風が加わって外側ブレードが受ける風に対する迎角が大きくなり、揚力に基づく回転力の成分が大きくなる。

また、本発明のように、内側ブレードの前縁同士が連続した面で繋がった構造と、離間した構造とを併せ持つよう構成されると、外風の多くを凹面側に集めて大きなトルクを得ることができるとともに、遠心風により外側ブレードの迎角を、回転力成分が増大するように変化させることができる。

また、本発明によれば、貫通孔が形成された管状体の端部に設けられたファンから管状体内向きに風が導入されるので、導入された風は、貫通孔から吹き出す。この貫通孔から吹き出す風は、回転による遠心効果が加わって流速を増し、外側ブレードへ向かって流れる。これにより、集風効果又は遠心効果のみに比べて効率良く外側ブレードへ導風することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る垂直軸風車の全体斜視図である。 図１の垂直軸風車の平面視による断面図である。 第１の実施の形態に係る垂直軸風車の円筒付き風車の受ける風の流れを示した概念図である。 第１の実施の形態に係る垂直軸風車の円筒付き風車について、内側ブレードの凸面に流れる風の作用を示した図である。 図１の垂直軸風車の低周速比域における動作を示した図である。 図１の垂直軸風車の高周速比域における動作を示した図である。 図６の外側ブレードに働く力を示した図である。 図１の垂直軸風車の中周速比域における動作を示した図である。 第１実施の形態に係る異なる組み合わせ位相の垂直軸風車について、周速比に対するパワー係数の関係を示した図である。 第１の実施の形態に係る異なる翼径比の垂直軸風車について、周速比に対するパワー係数の関係を示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係る垂直軸風車の平面視による断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る垂直軸風車の全体斜視図である。 図１２の垂直軸風車の平面視による断面図である。 図１２の垂直軸風車の低周速比域における動作を示した図である。 図１２の垂直軸風車の高周速比域における動作について、４５度の回転位置の変化を（ａ）から（ｃ）に示した図である。 本発明の第４の実施の形態に係る垂直軸風車の全体斜視図である。 本発明の第５の実施の形態に係る垂直軸風車の内側タービン部分を示した斜視図である。 従来のハイブリッド風車を示した斜視図である。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る垂直軸風車を示した全体斜視図である。この垂直軸風車１１は、３枚の揚力型の外側ブレード２により構成されるジャイロミル型風車を備えている。外側ブレード２は、周方向に１２０度の等間隔で配置されており、上下２枚の円板状のエンドプレート８により固定されている。

一方、外側ブレード２の内側には、円筒体６があり、この円筒体６の側面に接するように、３枚の内側ブレード４が周方向に１２０度の角度で等間隔配置され、円筒付き風車３（導風手段）が構成されている。それぞれの内側ブレード４は、凸面４ａを回転方向７ａ側に向け、凹面４ｂを回転方向７ａとは逆側に向けて配置されている。この垂直軸風車１１は、外側ブレード２と内側ブレード４とに自然風などの外風１０を受けて、回転軸７の周りを回転方向７ａの向きに回転する。

次に、外側ブレード２と内側ブレード４との位置関係について図２を用いて説明する。

図２は、図１の垂直軸風車１１を水平に切断し、上方から見た断面図であり、回転方向７ａは反時計方向である。

円筒体６に対する内側ブレード４の取付角４ｅは、円筒体６の側面の接線方向と翼弦４ｄとのなす角で表される。

ここで、外側ブレード２の一つに着目して内側ブレード４との相対関係（組み合わせの位相関係）を見ると、外側ブレード２の空力中心２ｄを基準として、回転方向７ａの向きへ組み合わせ位相１６の位置に、３枚のうちの１枚の内側ブレード４が、その後縁（回転方向７ａに対して逆向きに延びている端縁）を一致させるように配置されている。

このように、外側ブレード２と内側ブレード４とは、回転方向７ａに対して異なる位相となるように配置されている。

具体的には、本実施の形態に示した構成では、組み合わせ位相１６が３０度に設定された例が示されている。

径方向の位置関係については、ジャイロミル型風車（外側ブレード２）の回転半径１４と円筒付き風車３の回転半径１２とを用いて、翼径比＝回転半径１２／回転半径１４により表される。図２の構成例では、翼径比＝０．５４７となっている。

実験では、翼径比が０．５±０．１、取付角４ｅが４０度以下、組み合わせ位相１６は３５±３５度、さらに、外側ブレードの回転半径に対して円筒体６の直径が３０％前後となる組み合わせにおいて、従来の単独のジャイロミル型風車の周速比を大きく上回る良好な特性が得られている。

ここで、垂直軸風車１１の動作を説明する前に、先ず、内側の円筒付き風車３に流れる風の流れについて図３を用いて説明する。

図３には、内側ブレード４の凸面４ａ及び凹面４ｂに対するそれぞれの風の流れの違いを対比させて示している。

先ず、紙面上側の凸面４ａに対しては、曲面に沿って外側へ外風１０が導かれている。

一方、下側の凹面４ｂに対する外風１０の流れについて見ると、直接又は円筒体６の表面に沿って流れて来た外風１０は凹面４ｂに集まり、これにより回転に寄与する抗力Ｆ１が生じる。

ここで更に、紙面上側の外風１０に基づいて内側ブレード４に働く力について、図４を用いて説明する。なお、図４は、円筒体６及び１枚の内側ブレード４にのみ着目しており、他の構成は図示していないが、図１及び図２の構成における何れの内側ブレードに対しても当て嵌るものである。

図４を参照して分かるように、内側ブレード４の先端において流路が狭くなり、速度が上昇することにより、内側ブレード４の表面先端側での圧力が低下する。よって、これにより発生する力Ｆ２が内側ブレード４の先端側に作用するため、凸面４ａ側においても回転力が発生する。

このように、円筒付き風車３には、凸面４ａで受風する側の内側ブレード４に、トルク（Ｆ２×ｌ）が発生する。

次に、図３及び図４の説明を踏まえ、低周速比域の動作について図５を用いて説明する。

図５は、起動時又は低周速比域における垂直軸風車１１内の風の流れを示している。ここでは、３枚の外側ブレード２のうちの１枚（紙面では下方に配置されている１枚）が外風１０（紙面の右側からの風）に対して略平行に配置される回転位置にある垂直軸風車１１を例に挙げて説明する。なお、説明の便宜のため、３枚の外側ブレード２を、それぞれ、外側ブレード２ｔ、２ｕ、２ｖとして表している。

図３を参照して、外側ブレード２ｕよりも紙面上方を流れる外風１０は、特に干渉する構造がないため、そのまま後方へ流れて行く。

また、垂直軸風車１１の中央側へ流れ込む外風１０は、中央に配置された円筒体６及び内側ブレード４により構成された円筒付き風車３に遮られる。

図３に示した回転位置では、１枚の内側ブレード４の凸面４ａに当たった外風１０が、回転方向７ａ側に隣接する内側ブレード４の凹面４ｂへ案内されるとともに、外側ブレード２ｔ（２）との間へも流れるように振り分けられる。このように凹面４ｂに流れた外風１０は、内側ブレード４に対して抗力を生じさせ、円筒付き風車３に回転力を生じさせる。

また、上述の図４の説明のように、凸面４ａ側に振り分けられた外風１０も回転力に寄与する力を発生させる。

以上のように本実施の形態では、外風１０を内側ブレード４に有効に作用させて、起動性及び低周速比域における回転効率の向上が図られている。

続いて、図３及び図４の説明を踏まえ、高周速比域の動作について図６を用いて説明する。

図６は、高周速比域における風の流れが点線の矢印で示されている。ここでは、それぞれ３枚で構成されている外側ブレード２及び内側ブレード４のうち、１枚の外側ブレード２及び、これより回転方向７ａ側に３０度の位置に配置されている内側ブレード４に着目する。なお、高周速比域においては、外風１０等の一様流による影響は小さくなるので、ここでは、便宜的に一様流を無視して説明を行う。

高周速比域では、垂直軸風車１１の内側では、円筒付き風車３の内側ブレード４により集められる集風１０ａが、この内側ブレード４よりも回転方向７ａの逆向きに３０度の位置にある外側ブレード２の前縁側へ導かれ、両面側へ流れる。

図６では、この集風１０ａのうち、内側ブレード４の先端付近の流れが集風Ｖ’で示されている。また、集風Ｖ’の周速方向及び遠心方向の成分は、周速成分Ｖ及び遠心成分Ｖｏｕｔで示されている。

一方、外側ブレード２については、周速方向に受ける風が相対風Ｕで示されている。外側ブレード２には、この相対風Ｕに加えて、内側から導かれる集風Ｖ’が作用することは上述したが、この詳細については、次の図７を用いて説明する。

図７は、外側ブレード２に生じる揚力について示している。図７から分かるように、外側ブレード２に周速方向の相対風Ｕのみが作用する場合、これにより生じる揚力Ｌは翼弦２ｅに対して略垂直の方向に生じる。これは、従来の単独のジャイロミル型風車に生じる揚力に等しい。

しかし、本実施の形態における垂直軸風車１１では、内側から集風Ｖ’が作用する。このうち、揚力に影響を与えるのは遠心成分Ｖｏｕｔである。図７には、実質的に外側ブレード２に作用する総合風Ｕ’が、遠心成分Ｖｏｕｔと相対風Ｕとの合力として示されている。

このように、遠心成分Ｖｏｕｔの影響を受けた結果、総合風Ｕ’は、外側ブレード２の内径側から吹き込み、この結果、回転方向側に傾いた揚力Ｌ’が生じている。言い換えると、内側ブレード４から集められた集風Ｖ’の作用により、回転方向成分の力を含んだ揚力Ｌ’が生じることになる。

なお、図７には、一様流である外風１０の作用が、相対風Ｕ及び総合風Ｕ’のそれぞれの始点側に小円及び速度ベクトルで示されている。このように、高周速比域では、一様流の作用を考慮する場合であっても、小円で示した範囲内で変化する微小な成分が合成されるだけであり、全体に及ぼす影響は少ない。

ここで、図６に戻って、高周速比域においては、一様流による影響は殆ど無視することができ、いずれの回転域においてもそれぞれの外側ブレード２には、回転方向７ａ側に配置されている内側ブレード４から集風Ｖ’が作用している。

以上のように、単体のジャイロミル型風車では、回転力に寄与する揚力は、一様流の方向に対して特定の関係を有する位相に位置するブレードにのみ生じるが、本実施の形態では、内側ブレードの集風作用により、外側ブレードには、何れの位相においても回転力が安定して得られる。

次に、中周速比域における動作について図８を用いて説明する。なお、ここでは、周速比１を超えた辺りの領域を中周速比域と呼ぶことにする。

図８では、中周速比域における垂直軸風車１１に対する風の流れが示されている。ここでも、説明の便宜のために、図５と同様に、３枚の外側ブレード２をそれぞれ外側ブレード２ｔ、２ｕ及び２ｖで表す。

図８から分かるように、中央付近に吹き込んだ外風１０の一部は、やや風下側（回転方向７ａの側）に位置する内側ブレード４の凹面４ｂへ向かって集まる。これにより、円筒付き風車３に抗力が生じ、回転力が生じる。

一般に、抗力型のブレードに対しては、周速比１を超える領域においては、ブレードの動きに対して、外風（一様流）は徐々に追い着かなくなり、抗力の作用が減少する。

これに対して、本実施の形態における円筒付き風車３では、集風１０ａは、風上側に位置する内側ブレード４の凸面４ａ及び円筒体６の側面からなる連続面に沿って集められる。

そして、円筒体６の側面などにより凹面４ｂへ向かう流路が狭められ、流速が上昇し易い構造となっているため、凹面４ｂ付近では一様流よりも速度が上昇している

これにより、周速比が１を超える領域においても、なお、抗力の作用に基づく回転力が得られる。

また、これに加えて、凸面４ａでは、外風１０に対する内側ブレード４の相対速度が上昇し、圧縮及び流速上昇の作用が顕著になる。このため、上に図４を用いて説明したように、回転力に寄与する揚力も発生する。

したがって、外側ブレード２の作用により次第に回転速度を増していった場合、円筒付き風車３単体では到達し得ない回転速度域においても、回転力に寄与する力が発生する。

このように、周速比が１近傍で且つ１を超える領域である中周速比域でも円筒付き風車３に回転力が働くように構成されているので、低周速比域における特性と、高周速比域における特性とがうまくオーバーラップし、中周速比域の回転効率の落ち込みを防ぐことが可能となる。

次に、本実施の形態における垂直軸風車１１の実験データを図９及び図１０に示す。

図９は、周速比λに対するパワー係数Ｃｐの関係について、異なる組み合わせ位相θのデータを比較したグラフである。

この図９から分かるように、周速比が１を超える領域において、何れの組み合わせ位相においても単独のジャイロミル型風車のパワー係数Ｃｐを上回っている。

これは、回転時に円筒付き風車３の円筒体６及び内側ブレード４の凸面４ａに沿って集められる集風１０ａが外側ブレード２の前縁に導かれ、両面に沿って流れることで、迎角を減少させて揚力を大きくする集風効果が働き、中周速比域における回転効率が改善されたことを示している。

図１０では、周速比λに対するパワー係数Ｃｐの関係について、異なる翼径比のデータを比較したグラフである。

この図１０から分かるように、翼径比を変化させることで、パワー係数Ｃｐのピーク位置を変化させることができる。また、高周速比域の特性を見ると、翼径比が小さいほど良い特性が得られている。なお、この３種類の翼径比は、内側ブレード４部分の形状が同じものを用い、その取付角のみを変化させている。

このように、翼径比が小さいほど、高周速比域において、単独のジャイロミル型風車の特性を大きく上回っているのは、取付角の小さい内側ブレード４により導かれた集風１０ａが、外側ブレード２の回転力の増大に有効に作用しているためであると考えられる。

以上説明したように、本実施の形態における垂直軸風車によれば、円筒付き風車をジャイロミル型風車に対して所定の位相差で組み合わせ、内側から外側へ導風作用を生じさせることにより、何れの周速比域においても回転力を得ることができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る垂直軸風車について図を用いて説明する。

図１１は、本実施の形態に係る垂直軸風車２１の平面視による断面図である。ここでは、第１の実施の形態で示した垂直軸風車１１と同じ構成部材については、同一の符号を用いることとする。

本実施の形態における垂直軸風車２１は、外側ブレード２及びこれを固定するエンドプレート８からなるジャイロミル型風車部分については、第１の実施の形態において示した垂直軸風車１１と同様の構成を有しており、内側風車の内側ブレード４についても同様の構成となっている。

しかし、図１の垂直軸風車１１とは異なり、内側ブレード４は円筒体６ではなく、断面略三角形の筒状体で構成されている。この筒状体は隣り合う内側ブレード４同士を滑らかに繋ぐ３面の連続面２０により形成されている。この図１１から分かるように、この連続面２０と隣り合う内側ブレード４により、滑らかなＳ字状の曲面が形成されている。

これにより、中央付近に吹き込んだ外風１０は、この滑らかな連続面２０に沿って内側ブレード４の凹面４ｂ側へスムーズに流れ、外風１０からの力を効率良く抗力に変換することが可能である。

また、連続面２０は、内側ブレード４の凹面４ｂの曲率に合わせて滑らかに連続し、これにより大きな凹部が形成されるので、起動時には第１の実施の形態の垂直軸風車１１よりも大きなトルクを発生させることができ、起動性を更に向上させることができる。

そして、第１の実施の形態と同様に、外側ブレード２への集風作用も生じるので、高周速比域の特性を向上させることもできる。
（第３の実施の形態）
続いて、本発明の第３の実施の形態に係る垂直軸風車について図を用いて説明する。

図１２は、本実施の形態に係る垂直軸風車３１を示した全体斜視図である。なお、ここでも第２の実施の形態と同様に、第１の実施の形態で図１に示した垂直軸風車１１と同一の構成部分については同一の符号を付して説明する。

本実施の形態における垂直軸風車３１では、外径側に３枚の外側ブレード２を備えている点において、第１の実施の形態の垂直軸風車１１と同様である。

しかし、内側には円筒体６を備えていない。また、内側ブレード３４は、３枚ではなく９枚設けられている。そして、上下端部のエンドプレート３８には、中央に導風孔３８ａが形成されている。

このように、本実施の形態における垂直軸風車３１の内側には、内側ブレード３８、導風孔３８ａからなる遠心式タービン３３（導風手段）が形成されている。

次に、外側ブレード２と内側ブレード３４との位置関係について図１３を用いて説明する。

図１３は、図１２の垂直軸風車３１を水平に切断し、上方から見た断面図であり、回転方向７ａは反時計方向である。

本実施の形態の垂直軸風車３１には、第１の実施の形態の垂直軸風車１１とは異なり、９枚の内側ブレード３４を有しているが、垂直軸風車１１と同様に、一つの外側ブレード２に着目すると、この外側ブレード２の空力中心２ｄに対して所定の組み合わせ位相４６の回転位置に後縁を一致させるように内側ブレード３４が配置されている。

具体的には、本実施の形態に示した構成では、図２の垂直軸風車１１の構成と同様に、組み合わせ位相４６が３０度に設定された例が示されている。

これら内側ブレード３４の開度は、平面視において、前縁３４ｄが属する仮想円の接線方向に対する翼弦３４ｆの取付角３４ｅで定義される。

径方向の位置関係については、ジャイロミル型風車（外側ブレード２）の回転半径４４と遠心式タービン３３の回転半径４２とを用いて、翼径比＝回転半径４２／回転半径４４により表される。図１３の構成例では、翼径比＝０．５４７となっている。

この翼径比が０．５±０．１のとき、取付角３４ｅが４０度以下、組み合わせ位相４６は３５±３５度の組み合わせにおいて、良好な特性が得られている。

続いて、風を受けたときの垂直軸風車３１の動作について説明する。

図１４は、起動時又は低周速比域における垂直軸風車内の風の流れを示している。ここでは、３枚の外側ブレード２のうちの１枚（紙面では下方に配置されている１枚）が外風１０（紙面の右側からの風）に対して略平行に配置される回転位置にある垂直軸風車３１を例に挙げて説明する。なお、説明の便宜のため、３枚の外側ブレード２を、それぞれ、外側ブレード２ｔ、２ｕ、２ｖとして表している。

図１４を参照して、外側ブレード２ｕよりも紙面上方を流れる外風１０は、特に干渉する構造がないため、そのまま後方へ流れて行く。

また、垂直軸風車３１の中央側へ流れ込む外風１０は、中央に配置された遠心式タービン３３を構成する内側ブレード３４により遮られる。

図１４に示した回転位置では、回転軸７よりも紙面上側に流れ込んだ外風１０は、内側ブレード３４の凹面３４ｂに集まり（作用部分７１を参照。）、遠心式タービン３３に回転力を生じさせるとともに、凸面３４ａの先端側に生じる負圧により揚力が生じる。

このように、起動時や低周速比域において、揚力型の外側ブレード２から回転力を得難い状況であっても、中央側の遠心式タービン３３に生じる抗力又は揚力により回転力が発生するので、優れた起動性を得ることが可能である。

次に高周速比域における動作について図１５を用いて説明する。

図１５は、高周速比域における垂直軸風車３１内の風の流れであって、（ａ）から（ｂ）には異なる回転位置における状態が示されている。

図１５（ａ）に示す垂直軸風車３１の回転位置は、図９に示した回転位置と同じである。また、図１５（ｂ）では、（ａ）の位置よりも回転方向７ａの向きに４５度回転が進んだ状態が示され、図１５（ｃ）では（ａ）の位置よりも回転方向７ａの向きに９０度回転が進んだ状態が示されている。ここでも、説明の便宜のために、図１４と同様に、３枚の外側ブレード２をそれぞれ外側ブレード２ｔ、２ｕ及び２ｖで表す。

先ず、図１５（ａ）の状態では、回転軸７よりも紙面上側に吹き込んだ外風１０は、一部内側ブレード３４の凹面３４ｂに抗力を生じさせるが、図１４に示したような低周速比域の状態とは異なる。

すなわち、垂直軸風車３１の回転速度が上昇すると、遠心効果により遠心式タービン３３を構成する内側ブレード３４の間から遠心方向に遠心風１３が吹き出てくる。このとき、図１２に示したように、上下のエンドプレート３８に形成された導風孔３８ａを通じて風が供給される。

このように、遠心風１３が回転軸７側から外径方向に向かって内側ブレード３４の間を流れるので、内側ブレード３４の先端側が負圧になって揚力のような力が生じ、回転力が働く（作用部分７３を参照。）。

また、外側ブレード２ｔに対しては、遠心風１３は、外風１０の流れを外径方向に押し出すように偏向作用を及ぼしつつ、前縁に向かって流れる（作用部分７４を参照。）。これにより、第１の実施の形態における集風１０ａと同様の作用を本実施の形態における遠心風１３により生じさせることができるので、外側ブレード２ｔに回転力に寄与する揚力を発生させることが可能である。

さらに、この遠心風１３は全方位へ吹き出すので、風下の外側ブレード２ｖに対しても前縁側から風を送ることができる。これにより、外側ブレード２ｖに揚力を生じさせることができるので、回転力を得ることができる（作用部分７５を参照）。

次に、図１５（ｂ）の状態では、回転軸７に対して紙面上側（作用部分７６を参照。）では、上述の作用部分７３の作用と同様に、外風１０からの作用に基づく抗力を生じるとともに、遠心方向へ吹き出す遠心風１３の作用により揚力を得て、トルクを得ている。

また、風下側（作用部分７７を参照。）では、図１５（ａ）の状態から４５度回転した位置に移動しているが、遠心風１３の吹き出す方向と外側ブレード２との相対位置関係が同様の状態に保たれており、作用部分７４と同様に外側ブレード２ｖは前縁の内側寄りから遠心風１３を受ける。これにより、回転力に寄与する揚力を発生させることができる。

続いて、図１５（ｃ）の状態では、上述の図１５（ａ）の作用部分７３及び図１５（ｂ）の作用部分７６と同様に、作用部分７９においても、外風１０からの抗力と遠心風１３からの揚力とを安定して得ることができる。

また、作用部分８０では、外風１０と遠心風１３とに基づく作用が、第１の実施の形態において示した、外風１０と内側ブレード４からの集風１０ａとに基づく作用に対するのと同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本実施の形態における垂直軸風車３１では、何れの回転位置においても、遠心式タービン３３の内側ブレード３４及び揚力型の外側ブレード２に安定して回転力が働く。

そして、回転数が上昇するほど、遠心風１３の作用は顕著となり、揚力の発生する方向を回転方向７ａ側へ傾けることができる。

このように、本実施の形態における垂直軸風車３１によれば、起動性を含む低周速比域において良好な特性を得るとともに、高周速比域における効率を著しく向上させることが可能となる。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態に係る垂直軸風車について図を用いて説明する。

図１６は、本実施の形態に係る垂直軸風車４１を示した全体斜視図である。ここでも、上記の各実施の形態と同様に、第１の実施の形態の図１の垂直軸風車１１と同様の構成については同一の符号を付して説明する。

図１６を参照して、本実施の形態における垂直軸風車４１は、第１の実施の形態に示した垂直軸風車１１と第３の実施の形態に示した垂直軸風車３１とを、回転軸７の方向に組み合わせた構成となっている。図１６から分かるように、エンドプレート３８側に、遠心式タービン３３を有する垂直軸風車３１が、中央側に、円筒付き風車３を有する垂直軸風車１１が構成されている。

揚力型の外側ブレード２は第１の実施の形態の垂直軸風車１１と同一の構成となっている。

そして、これら外側ブレード２を端部で固定するエンドプレート３８は、第３の実施の形態の垂直軸風車３１と同じであり、中央に導風孔３８ａが形成されている。

これにより、起動時又は低周速比域では、主に中央側の円筒付き風車３部分で大トルクを得ることができ、高周速比域では、中央側の集風効果に加えて、エンドプレート３８側の遠心効果による遠心風の作用により、外側ブレード２へ回転力に寄与する揚力を効果的に発生させることが可能である。

（第５の実施の形態）
続いて、本発明の第５の実施の形態に係る垂直軸風車について図を用いて説明する。

図１７は、本実施の形態に係る垂直軸風車において、外側ブレードやエンドプレートを除いた、内側タービン９０のみを示した斜視図である。

内側タービン９０は下方より上方の断面積が大きくなるように形成された管状体９１と、上方の開口側を塞ぐように配置された軸流ファン９２とから構成されている。また、管状体９１の側壁には、回転軸７の方向に延びる複数のスリット９１ａ（貫通孔）が形成されている。

図１７を参照して分かるように、内側タービン９０（導風手段）では、回転軸７と交差する方向から流れてくる外風１０を受けて、ここでは図示しない外側ブレードの揚力に基いて回転するとき、上部の軸流ファン９２によって外風１０が管状体９１内に取り込まれる。そして、取り込まれた外風１０は、回転軸７周りに回転する管状体９１の側面に形成されたスリット９１ａから遠心風９３として遠心方向へ押し出される。

これにより、内側タービン９０の外径側に配置された外側ブレードの前縁側へ遠心風９３を送ることができる。

すなわち、この遠心風９３は、第１の実施の形態における円筒付き風車３の内側ブレード４に案内された集風１０ａや、第３の実施の形態における遠心式タービン３３の内側ブレード３４の間から吹き出す遠心風１３に相当し、外側ブレード２に対する迎角を変化させることにより回転力に寄与する揚力を増大させるように作用する。

以上述べてきたように、各実施の形態に示した垂直軸風車によれば、低周速比域の特性に影響を与えることなく、高周速比域において、外側ブレードに対する総合風の向きを内側からの集風又は遠心風により変化させることができる。これにより、従来、揚力型のジャイロミル型風車単体では回転力に寄与する揚力が得られなかった回転域において、回転に有効な方向へ揚力が生じるように迎角を変化させることができ、高周速比域の特性を向上させることが可能となる。

特に、従来の起動性向上を狙ったハイブリッド風車とは異なり、第１〜第４の実施の形態において示した垂直軸風車によれば、起動時及び低周速比域において外風から回転力に寄与する抗力及び揚力を得ることができ、起動特性を向上させることができるとともに、高回転時においては、高周速比域の特性の低下を招くことなく、逆に回転効率を改善し、特性を向上させることが可能となる。

また、上記各実施の形態に示した垂直軸風車では、上下２枚のエンドプレート間に外側ブレード、及び内側ブレードを含む構成が設けられているので、全体の剛性が向上する。

尚、上記各実施の形態では、外側ブレードは何れも３枚で構成された例を示したが、２枚又は４枚以上であっても構わない。

また、第１及び第２の実施の形態では、内側ブレードが３枚で構成された例を示したが、少なくとも、外側ブレードの前縁に風を送ることができれば、３枚以外の枚数で構成されていても構わない。

また、上記第１及び第２の実施の形態では、表裏に凸面と凹面とが形成された内側ブレードの構成を例として示したが、少なくとも、外側ブレードの前縁へ集風を案内することができる構成であれば、他の形状であっても構わない。例えば、回転方向に凸面のみが形成され、回転逆方向は平面で形成されていても良い。逆に回転方向は平面で形成され、回転逆方向は凹面で形成されていても良い。さらに、両面とも平面で形成されていても構わない。

また、上記第２の実施の形態では、内側ブレード４同士を、平面視でＳ字カーブを描くように滑らかな連続面で接続した構成を例として示した。しかし、これに限らず、内側ブレード４同士を連続した面で繋ぐ構成であれば、筒状体は多角形状であっても良い。

また、上記第３の実施の形態では、内側ブレード３４を９枚備える構成を例として示した。しかし、これに限らず、９枚以外で構成しても構わない。少なくとも、外側ブレード２に対して、回転方向へ３５±３５度の位置に、後縁が位置するように内側ブレードを配置すれば、効果的に外側ブレードの前縁へ外風を導くことができる。

また、上記第３の実施の形態では、遠心式タービンにおいて、全ての内側ブレードが離間している構成を例として示したが、一部塞がっていても構わない。少なくとも、外側ブレードの前縁に遠心風を導くことができる位置が離間している構成であれば、外側ブレードに生ずる回転力を効果的に増大させることが可能である。

また、上記第５の実施の形態では、管状体９１の側面に、軸方向に延びるスリット９１ａが形成された構成を例として示した。しかし、少なくとも、吹き出す遠心風を、外側ブレードの前縁へ流すことができる位置であれば、例えば円形など、他の形状の貫通孔であっても良い。

本発明の垂直軸風車は、低周速比域の特性を損なうことなく、高周速比域において、逆トルクを生じ、抵抗となる側の流体の流れを利用して高周速比域の回転効率を向上させることができるので、流体のエネルギーを回転力に変換する設備に広く用いることができる。したがって、風力発電はもとより、他の発電施設においてボイラーの排気を受けるタービンとしても有用である。

２ 外側ブレード
２ａ 外側ブレードの前縁
２ｂ 外側ブレードの表
２ｃ 外側ブレードの裏
２ｄ 外側ブレードの空力中心
３ 円筒風車（導風手段）
４、３４ 内側ブレード
４ａ、３４ａ 凸面
４ｂ、３４ｂ 凹面
４ｃ、３４ｃ 内側ブレードの後縁
４ｄ、３４ｄ 内側翼弦
４ｅ、３４ｅ 取付角
６ 円筒体（連続した面）
７ 回転軸
８ エンドプレート
１０ 外風
１０ａ 集風
１１、２１、３１、４１、５１ 垂直軸風車
１２、４２ 回転半径
１３、９３ 遠心風
１４、４４ 回転半径
１６、４６ 組み合わせ位相（回転方向）
２０ 連続面
３３ 遠心式タービン（導風手段）
９０ 内側タービン（導風手段）
９１ 管状体
９１ａ スリット（貫通孔）
９２ 軸流ファン

Claims (6)

1. 複数の揚力型の外側ブレードと、
   前記外側ブレードより回転方向の内径側に設けられ、前記内径側から外径側へ外風を案内し、前記外側ブレードの前縁側から表裏の両側へ導く導風手段とを備えた
   ことを特徴とする垂直軸風車。
2. 前記導風手段は、前記回転方向に凸面、逆回転方向に凹面が形成された複数の内側ブレードからなり、
   前記外側ブレードの空力中心に対して前記回転方向へ３５±３５度の範囲内に、少なくとも１つの前記内側ブレードの後縁が位置する
   ことを特徴とする請求項１に記載の垂直軸風車。
3. 隣り合う前記内側ブレードの前縁同士は連続した面で繋がっている
   ことを特徴とする請求項２に記載の垂直軸風車。
4. 隣り合う前記内側ブレードの前縁同士は離間している
   ことを特徴とする請求項２に記載の垂直軸風車。
5. 隣り合う前記内側ブレードの前縁同士は、回転軸方向の中央側では離間し、前記回転軸方向の少なくとも一方の端部側では連続した面で繋がっている
   ことを特徴とする請求項２に記載の垂直軸風車。
6. 前記導風手段は、
   側面に複数の貫通孔が形成された管状体と、
   前記管状体の端部に設けられ、前記回転方向への回転により前記管状体内向きに風を流すファンとからなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の垂直軸風車。

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