WO2018235220A1

WO2018235220A1 - 帆装置

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Publication number: WO2018235220A1
Application number: PCT/JP2017/022988
Authority: WO
Inventors: ダニエルロー; 健 ▲斉▼藤; グンドクジャン
Original assignee: 株式会社Ｅｄｏｎａ
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US20220003205A1; EP3643913A1; KR20200047805A; EP3643913B1; EP3643913A4; CN110770435A; KR102142243B1; US11473557B2; JP6312284B1; KR102126226B1; DK3643913T3; CN110770435B; JPWO2018235220A1; KR20200003931A

Abstract

【課題】公転しながら自転するという帆の動きを、比較的単純かつ壊れ難い構造で実現する。【解決手段】帆装置１は、支持体２と、帆部４と、凹部５ａ，５ｂよりなるガイド軌跡と、係合部８ａ，８ｂとを有する。支持体２の一部をなす回転体２ｃは、回転エネルギーが出力または入力される。帆部４は、支持体２に自転自在に取り付けられ、支持体２の軸周りを公転する。帆部４は、流体と接する帆部４の動きに基づいて、流体エネルギーを回転エネルギーに変換し、または、回転エネルギーを流体エネルギーに変換する。ガイド軌跡は、凹部５ａ，５ｂの両者が連続することでエンドレスな軌跡を形成し、帆部４の公転過程における自転角度を規定する。係合部８ａ，８ｂは、帆部４とガイド軌跡とを係合し、帆部４をガイド軌跡に沿って変位させる。

Description

帆装置

　本発明は、帆が公転しながら自転する帆装置に関する。

　一般に、羽根車が流体を受けて回転して原動力を得る原動機として、揚力型原動機と、抗力型原動機とが知られている。揚力型原動機とは、主に揚力（すなわち、翼に作用する力のうち、流体の流れ方向に垂直な成分）を用いて回転力を得る原動機であり、風力発電機（プロペラ風車）などにおいて、国内はもとより国外でも広く使用されている。しかしながら、このタイプは、重厚長大で重心が高いことに加えて、風速よりも高速（最大で約１１倍）で風車（翼）が回転するため壊れ易く、構造の複雑さに起因してメンテナンス性にも難がある。また、風車の高速回転時における振動などに起因した故障を抑制するために、ナセル内にブレーキが装備されており、風車の回転速度が所定の上限を超えないように制限される。この場合、上限となる回転速度が定格出力（限界）となり、それ以上の風力エネルギーは活用できないので、エネルギーの変換効率が優れているとはいえない。さらに、翼による風切り音などの環境上の問題も軽視できない。そこで、これらの諸問題を解決すべく、近年、抗力型原動機が注目されている。抗力型原動機とは、主に抗力（すなわち、帆に作用する力のうち、流体の流れ方向に平行な成分）を用いて回転力を得る原動機である。このタイプでは、揚力型とは異なり、風車（帆）の回転速度が自ずと風速以下に制限される。

　例えば、特許文献１には、図１８に示すような抗力型原動機（エネルギー変換システム）が開示されている。この原動機は、回転軸に取り付けられた十字状のロータ４０と、このロータ４０が備える４つの先端に個別に取り付けられた４つのブレード７０とを有する。これらのブレード７０は、ロータ４０に自転自在に取り付けられ、ロータ４０の軸周りを公転する。それぞれのブレード７０を軸止する回転軸は、ギア機構を介して、ロータ４０内を径方向に延在するプロペラシャフト５８に１対１で連結されており、プロペラシャフト５８より供給された動力によって、これに対応するブレード７０の自転角度が調整される。具体的には、ブレード７０の回転位置が０度のときには最大（１００％）のブレード面積で受風し、ブレード７０の回転位置が１８０度のときには最小（ほぼ０％）のブレード面積で受風する。また、０度から１８０度に至る間は、ブレード面積が最大から最小に向かって徐々に変化すると共に、１８０度から３６０度に至る間は、ブレード面積が最小から最大に向かって徐々に変化する。それぞれのブレード７０について、その公転位置に応じて自転角度を調整することによって、ブレード７０が受ける風力にアンバランスが生じて、ロータ４０が回転する。

　また、特許文献２には、図１９に示すような抗力型原動機（ブリンキング帆風車）が開示されている。この原動機は、回転軸Ａに取り付けられた複数のワイドフレームＢを主体に構成されており、これらのワイドフレームＢは回転軸Ａの周りを一体で回転する。ワイドフレームＢには、水平方向に延在する複数の水平バーが所定の間隔を空けて設けられていると共に、それぞれの水平バーには、バネによって閉方向に常時付勢されたシートＣが開閉自在に取り付けられている。上下のシートＣは互いにオーバーラップしており、風向きＨの順方向には開くことが可能だが、逆方向には開かない。これにより、同図における左側のワイドフレームＢでは、バネの付勢力に抗して開いたシートＣの間を風が通過するのに対し、右側のワイドフレームＢでは、全閉したシートＣが全面で風を受けることになる。その結果、左右のシートＣが受ける風力にアンバランスが生じて、一体化されたワイドフレームＢが回転する。

国際公開第２００７／１１３４０１号米国特許第７７８０４１６号明細書

　しかしながら、上述した従来技術は、公転しながら自転するという帆の動きを実現するために、複雑で壊れ易い構造を採用しており、実用性に難がある。すなわち、特許文献１の抗力型原動機は、ギア機構を用いているため構造が複雑であり、ギア機構によるエネルギー損失（動力伝達効率、発熱、騒音など）が生じるため、エネルギーの変換効率が低下すると共に、各ギアに応力が集中するため壊れ易い。また、特許文献２の抗力型原動機では、バネの弾性力によって帆の受風面積が調整されるため、かなり高い風速でなければ、この機構自体が機能しない。よって、いずれの抗力型原動機も実用性に難がある。

　そこで、本発明の目的は、公転しながら自転するという帆の動きを、比較的単純かつ壊れ難い構造で実現することである。

　かかる課題を解決すべく、本発明は、支持体と、帆部と、ガイド軌跡と、係合部とを有する帆装置を提供する。帆部は、支持体に自転自在に取り付けられ、支持体の軸周りを公転する。ガイド軌跡は、エンドレスな軌跡であって、帆部の公転過程における自転角度を規定する。係合部は、帆部とガイド軌跡とを係合し、帆部をガイド軌跡に沿って変位させる。

　ここで、本発明において、上記ガイド軌跡は、帆部の公転半径をｒ_T、帆部の自転半径をｒ_P、Ｘ軸の正方向を基準とした帆部の公転角度をθとした場合、下式を満たしてもよい。

　また、本発明において、上記ガイド軌跡は、帆部の公転半径をｒ_T、帆部の自転半径をｒ_S、Ｙ軸の負方向を基準とした帆部の公転角度をθとした場合、下式を満たしてもよい。

　本発明において、上記帆部は、間隔を空けて複数設けられていることが好ましい。この場合、上記係合部は、帆部のそれぞれに対応して設けられていることが望ましい。また、第１の発明において、上記係合部は、可動式の継ぎ手を介して、帆部の端部に取り付けられていてもよい。

　本発明において、上記ガイド軌跡は、第１のガイド軌跡と、第２のガイド軌跡とを有すると共に、上記係合部は、第１の係合部と、第２の係合部とを有していてもよい。第１のガイド軌跡は、帆部の一端側に配置されている。第２のガイド軌跡は、帆部の他端側に配置されていると共に、第１のガイド軌跡と対向した状態において、第１のガイド軌跡と同一または相似の軌跡パターンを有する。第１の係合部は、帆部の一端と第１のガイド軌跡とを係合する。第２の係合部は、帆部の他端と第２のガイド軌跡とを係合する。

　本発明において、上記第１の係合部は、帆部の一端の自転軸周りに設けられ、第１のガイド軌跡と係合する複数の係合部を有していてもよく、上記第２の係合部は、帆部の他端の自転軸周りに設けられ、第２のガイド軌跡と係合する複数の係合部を有していてもよい。

　本発明において、支持軸に対して揺動自在な取付板と、第１の帆装置と、第２の帆装置とを有していてもよい。第１の帆装置は、取付板に取り付けられ、支持軸の右側に配置されている。第２の帆装置は、取付板に取り付けられ、支持軸の左側に配置されている。ここで、第１の帆装置および第２の帆装置は、上述した帆装置であって、第１の帆装置のガイド軌跡および第２の帆装置のガイド軌跡は対称である。

　本発明において、流体を集めて帆部に供給する機構をさらに設けてもよい。

　本発明によれば、ガイド軌跡を用いて、帆部の公転過程における自転角度を調整することにより、比較的単純な構造で、帆部の自転角度の調整を行うことができる。また、帆部の自転角度を規定するためのギア機構が不要なので、壊れ難く、耐久性に優れている。

　特に、本発明を、流体と接する帆の動きに基づいて、流体エネルギーを回転エネルギーに変換し、または、回転エネルギーを流体エネルギーに変換するエネルギー変換機構に適用した場合、比較的単純な構造で高いエネルギー変換効率が得られ、実用性に優れたエネルギー変換機構を実現できる。さらに、ガイド軌跡が対称となるように第１および第２の帆装置を配置した場合、これらの帆装置に外力が均等に加わるため、風向きと正対するように帆装置の向きを自動調節できる。さらに、流体を集める機構を付加することで、帆装置に供給される流体量を増やすことにより、エネルギー変換量を増やすこともできる。

第１の実施形態に係る帆装置の外観斜視図帆装置の要部展開図支持体の上面図図３のＡ－Ａ断面図一例としての帆部の正面図別の例としての帆部の正面、側面および底面図係合部近傍の要部断面図ガイド軌跡と係合部との係合状態を示す図帆部が取り付けられた支持体の上面図第１の例に係る帆部の動作説明図第１の例に係るガイド軌跡の説明図第２の例に係る帆部の動作説明図第２の例に係るガイド軌跡の説明図第３の例に係る公転円とガイド軌跡との関係を示す図第２の実施形態に係る帆装置の上面図第３の実施形態に係る帆装置の外観斜視図第４の実施形態に係る帆装置の外観斜視図従来の抗力型原動機の説明図従来の抗力型原動機の説明図

（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係る帆装置の外観斜視図である。この帆装置１は、一対の支持体２と、複数の連結棒３と、複数の帆部４とを主体に構成されている。一対の支持体２は、回転軸Ａ（帆部４の公転軸）の方向に離れて、互いに対向して配置されている。これらの支持体２は、四隅に設けられた複数の連結棒３によって連結され、筐体として一体化されている。複数の帆部４は、一対の支持体２によって挟持されており、回転軸Ａの周りを一体で回転する。

　本実施形態では、流体の流れ（例えば風）を帆部４で受けて帆部４を回転させることで、流体エネルギーを回転エネルギーに変換する機構、例えば抗力型原動機として用いるケースを想定している。流体エネルギーとしては、気体、液体、プラズマなどを含めて、あらゆる流体の流れを用いることができ、風力発電のみならず、水力発電、潮力発電などにも帆装置１は適用可能である。また、変換先のエネルギーは、電気エネルギーのみならず、運動エネルギー、位置エネルギー、熱エネルギーなどを含めて、あらゆるエネルギーとして利用することができる。例えば、発電機の他に、ポンプ（油・水）、コンプレッサー（空気）、アーム（圧縮、圧搾）などの機構が想定される。

　また、本実施形態に係る帆装置１は、帆部４の回転によって流体に流れを生じさせることで、回転エネルギーを流体エネルギーに変換する機構、例えば船舶などの推進力を発生する推進装置として用いることも可能である。なお、帆装置１は、同図に示すように縦置きで用いてもよいし、横置きで用いてもよい。また、複数の帆装置１を並べて、あるいは、積み重ねて用いてもよい。

　ここで、帆部４の枚数は、原理上、少なくとも一つで足りるが、エネルギーの変換効率を高める観点でいえば多い方が好ましい。ただし、詳細については後述するが、それぞれの帆部４は、回転軸Ａの周りを公転しながら、それ自体も自転するため、相互に干渉しない程度の間隔を設ける必要がある。ここで、相互に干渉しないとは、帆部４同士が物理的に接触しないことのみならず、お互いに対しての風の通り道を極端に妨げないという意味も含まれる。

　帆装置１のサイズは、用途や設置場所に応じて適宜設定される。例えば、発電所（発電機群）を構築する場合には、大きな帆装置１を少数設置する方式、および、小さな帆装置１を多数設置する方式のいずれを用いてもよい。また、ビルなどの建物に設置する場合、例えば、ビルの壁に沿って帆装置１を縦横に設定する場合などには、小さな帆装置１を多数設置する方式が有効である。

　図２は、帆装置１の要部展開図である。同図は、図１に示した上下の支持体２のうちの下側のみを示しているが、上側の支持体２の構成も基本的に同様である。この支持体２は、アウタガイドプレート２ａと、インナガイドプレート２ｂと、略円盤状の回転体２ｃと、ベースプレート２ｄとを有し、３つのプレート２ａ，２ｂ，２ｄによって回転体２ｃが挟持された形で組み付けられている。

　矩形状のアウタガイドプレート２ａの四隅には、連結棒３が挿入される丸穴が設けられていると共に、その中央近傍が真円に開口している。また、この開口よりも外側のアウタガイドプレート２ａの表面には、曲線状に延在する凹部５ａが設けられている。インナガイドプレート２ｂは、アウタガイドプレート２ａが備える開口円よりも若干小さな径を有する真円の部材であって、その表面には、曲線状に延在する凹部５ｂが設けられている。また、インナガイドプレート２ｂの中央は円状に開口している。回転体２ｃは、同心円状の内外のリングを径方向に連結した形状を有し、外側のリングの円周上には、帆部４を回転自在に取り付けるための取付孔６が、帆部４の数分だけ、円周上に等間隔で設けられている。矩形状のベースプレート２ｄの四隅には、連結棒３が挿入される丸穴が設けられていると共に、その中央近傍が真円に開口している。

　図３は、部材２ａ～２ｄを組み付けてユニット化した支持体２の上面図であり、図４は、支持体２のＡ－Ａ断面図である。支持体２としてユニット化された状態において、アウタガイドプレート２ａおよびベースプレート２ｄは、４本の連結棒によって固定されている。インナガイドプレート２ｂは、その略中央から下方に向かって突出した円筒部位がベースプレート２ｄの開口に挿入され、これによって、インナガイドプレート２ｂがベースプレート２ｄに係止される。この状態において、インナガイドプレート２ｂの上面は、アウタガイドプレート２ａの上面と面一になっている。

　図３に示したように、これらのガイドプレート２ａ，２ｂにおけるフラットな表面には、ガイド軌跡５と、上下を貫通する円状間隙７とが形成される。ガイド軌跡５は、アウタガイドプレート２ａの凹部５ａと、インナガイドプレート２ｂの凹部５ｂとによって形成され、曲線状かつエンドレスに連続している。このガイド軌跡５は、帆部４の公転過程における自転角度を規定している。一方、円状間隙７は、アウタガイドプレート２ａの開口径とインナガイドプレート２ｂの外径との差に起因して生じるもので、両者の差に相当する幅を有すると共に、表面上を円状に延在している。この円状間隙７は、公転する帆部４との干渉を避ける空間（逃げ部）として機能し、これによって、帆部４が回転軸Ａの周りにおける帆部４の回転（公転）が許容される。

　図４に示したように、回転体２ｃは、インナガイドプレート２ｂの円筒部位が挿入されており、その上下は、ガイドプレート２ａ，２ｂとベースプレート２ｄとによって挟持されている。これにより、回転体２ｃは、上記円筒部位によって位置決めされた状態で、支持体２の内部に回転自在に収容されることになる。

　図５は、帆部４の正面図である。この帆部４は、風を受ける帆４ａを主体に構成されている。帆４ａとしては、典型的には、軽量かつ高剛性な金属や強化繊維プラスチックなどを板状（長方形状）に形成したものを用いるが、より広義には、樹脂系素材、繊維系素材、強化木材、セラミックなどを広く用いてもよい。また、図６に示すように、金属製あるいは強化繊維プラスチック製の枠状または格子状のフレーム４ｃにシート４ｄを張ったものを帆４ａとして用いてもよい。シート４ｄは、布、プレート、フィルム、箔、ラップ、膜などのように軽量であることに加えて、低含水性（雨に濡れても重くならない）、低硬化性（太陽光で硬化しない）、低反射性（太陽光で光らない）、不凍性（冬期の雨で凍らない）を具備する素材を用いることが好ましい。また、シート４ｄとして透明または半透明のものを用いれば、設置場所の風景に帆装置１を溶け込ませることができる。景観の維持が求められている近年、帆４ａの色やデザインは、設置上の重要なファクターである。帆４ａの表面形状は、平面状、曲面状、流線形状、正弦（波）状、矩形（波）状、三角（波）状、または、のこぎり（波）状のいずれでもよい。また、帆４ａの両端中央には、回転軸Ａの方向に突出した自転軸４ｂがそれぞれ設けられている。上側の自転軸４ｂは、上側の支持体２（回転体２ｃ）が備える取付孔６に挿入され、下側の自転軸４ｂは、下側の支持体２（回転体２ｃ）が備える取付孔６に挿入される。これにより、複数の帆部４は、回転体２ｃを介して連結され、回転軸Ａの周りを一体で回転（公転）する。

　帆部４の両端には、回転軸Ａの方向に突出した一対の係合部８ａ，８ｂが左右に設けられている。上側の係合部８ａ，８ｂは、上側の支持体２が備えるガイド軌跡５と帆部４の上端とを係合し、下側の係合部８ａ，８ｂは、下側の支持体２が備えるガイド軌跡５と帆部４の下端とを係合する。これにより、帆部４の上下は、自転軸４ｂによる支持も含めると、それぞれ３点で安定的に支持されることになる。ただし、帆部４が長手方向に比較的短い場合、あるいは、帆４ａの受風面積をさほど確保する必要がない場合などにおいては、例えば、上端を係合部８ａのみ、下端を係合部８ｂのみといった如く、支持点の数を少なくしてもよい。最も極端な例として、帆部４の上端は自転軸４ｂのみで１点支持し、その下端は係合部８ａ，８ｂのどちらかを用いて２点支持するといった形態が考えられる（この場合、上側のガイド軌跡５は不要である）。逆に、帆部４が非常に長い場合や帆４ａの面積が大きい場合などにおいては、帆部４の支持安定性を高めるために、必要に応じて支持点の数やガイド軌跡を増やすことが好ましい。

　本実施形態のように、ガイド軌跡５が凹状の場合には、係合部８ａ，８ｂは基本的に凸形状を有していればよい。逆に、ガイド軌跡５がレールのような凸形状の場合には、係合部８ａ，８ｂは基本的に凹形状を有していればよい。ただし、単純な凹凸による係合では、両者の摩擦（摺動抵抗）によるエネルギー損失（発熱や騒音）が生じ、エネルギーの変換効率が低下することが懸念される。そこで、本実施形態では、ガイド軌跡５と係合部８ａ，８ｂとの間の摩擦を低減するための構造上の措置を講じている。

　図７は、係合部８ａ（または８ｂ）近傍の要部断面図であり、図８は、ガイド軌跡５との係合状態を示す図である。係合部８ａは、転がり軸受によって構成されており、この転がり軸受は、可動式継ぎ手９（例えば、ボールジョイント）を介して帆部４に取り付けられている。このような継ぎ手９を設ける理由は、帆部４が長くなると歪みが生じ易くなり、ガイド軌跡５と係合している係合部８ａなどに過度な負荷が掛るので、かかる歪みを吸収するためである。なお、係合部８ａ，８ｂとしては、帆部４とガイド軌跡５とを係合する機能を担う限り、どのような機構を用いてもよく、固定部材のみならず、可動式のリンク機構などを用いてもよい。図７に示した転がり軸受および可動式継ぎ手は、一つのリンク機構として捉えることもできる。

　図９は、複数の帆部４が取り付けられた支持体２（一端側）の上面図である。矩形状の帆部４の両端に対してガイド軌跡５がそれぞれ設けられた構成では、一対のガイド軌跡５が対向した状態（帆装置１の組立状態）において、同一の軌跡パターン（ライン模様）を有する。なお、帆部４の両端において、自転軸４ｂから係合部８ａ，８ｂまでの距離が同一の場合、両端のガイド軌跡５の大きさは同一となるが、自転軸４ｂから係合部８ａ，８ｂまでの距離は異なっていてもよく、この場合、両端のガイド軌跡５は相似形となる。具体的には、一端側よりも他端側の方が、自転軸４ｂから係合部８ａ，８ｂまでの距離が大きい場合、他端側のガイド軌跡５は大きくなり、逆の場合には、他端側のガイド軌跡５は小さくなる。

　複数の帆部４は、間隔を空けて配置されている。それぞれの帆部４が備える自転軸４ｂは、円状間隙７によって描かれる円周上を移動し、これによって、それぞれの帆部４が回転軸Ａの周りを公転する。上述したように、複数の帆部４は回転体２ｃによって互いに連結されているため、これらの帆部４が公転しても、円周上の間隔は一定に保たれる。また、それぞれの帆部４に対応して設けられた係合部８ａ，８ｂは、ガイド軌跡５によって描かれるエンドレスの曲線上を移動する。ガイド軌跡５は、帆部４の公転過程における自転角度を規定している。したがって、ガイド軌跡５上を係合部８ａ，８ｂが移動することによって、帆部４は公転しながら自転することになる。なお、帆部４の間隔は、等しい間隔である必要は必ずしもないが、回転変動を効率的に始動させ、かつ回転効率の変動幅を抑制し安定させるという観点や、美しいデザインを形成するという観点でいえば、等しい間隔であることが好ましい。ただし、帆部４の動きは、紙芝居のようにも見えるため、デザインによっては逆にわざと異なる間隔でタイミングの変化を演出する場合も考えられる。また、後述するように、帆部４のプレート面やシート面に広告や自然風景などを印刷したり、逆に透明にしたりするバリエーションも考えられる。

　図１０は、第１の例に係る帆部４の動作説明図である。公転角度θ＝０°で受風面積が最小である帆部４は、公転角度θが大きくなるにつれて受風面積を徐々に増大しながら、公転角度θ＝９０°で受風面積が最大となる。その後、公転角度θが大きくなるにつれて受風面積が徐々に減少しながら、公転角度θ＝１８０°で受風面積が最小となる。それ以降、θ＝３６０°（０°）に到達するまでは、受風面積が最小の状態が維持される。これにより、破線で示した公転円上の上半分と下半分とで、受風面積の違いに起因した受風のアンバランスが生じる。これにより、公転円上の上半分のみが風力を受ける形になって、帆部４は反時計回りに回転（公転）する。

　つぎに、図１１を参照しつつ、第１の例のように帆部４を動作させるガイド軌跡５の形状を得るための具体的な数式について説明する。帆部４の動作は、破線で示した公転円Ｔ(真円)、および、実線で示したエンドレスなガイド軌跡Ｇの２つに基づき決定される。

　まず、全ての座標の原点Ｔ₀を（ｘ，ｙ）＝（０，０）と定める。公転円Ｔは真円（True circle）で、回転体２ｃの真円かつ帆部４の自転中心の軌跡を表し、（式－１）で示される。

　ガイド軌跡Ｇは帆部４の支点両端のガイド形状を表し、上半分の領域（ｙ≧０）と、下半分の領域（ｙ＜０）とに分けて記述することができる。最初に、上半分(Upper half)の領域（ｙ≧0，θ=0～180度）について考える。この場合、中心が帆部４の中心点と同一で、かつ、中心から帆部の支点までが半径ｒ_Pである、点線で示した小円Ｓを描く。この領域ではθ_U=θの関係がある。小円Ｓの中心座標Ｓ₀は、常に公転円Ｔ上にあり、小円Ｓの座標は（式－2(a)）および（式－２(b)）で表される。

　したがって、ガイド軌跡Ｇの外側(Outside)の円Ｐ_OSの座標は、（式－3(a)）および（式３－(b)）で表される。

　一方、ガイド軌跡Ｇの内側(Inside)の円Ｐ_ISの座標は、（式－3(c)）および（式－３(d)）で表される。

　したがって、初期条件としてｒ_Tとｒ_Pとを与えれば、上述した一連の式（式－３(a)）～（式－３(d)）によって、上半分（Upper half）の領域（y≧0，θ＝0～180度)のガイド軌跡Ｇを得ることができる。

　つぎに、下半分（Lower half）の領域（y＜0，θ=180～360度)について考える。この場合、まず、中心が帆部４の中心点と同一で、かつ、中心から帆部４の支点までが半径ｒ_pである小円Ｓを描く。なお、θ_L=θ－πの関係がある。小円Ｓの中心座標は、（式－4(a)）および（式－４(b)）で表される。

　したがって、ガイド軌跡Ｇの外側（Outside）の円Ｐ_OSの座標は、（式－5(a)）および（式－５(b)）で表される。

　ガイド軌跡Ｇの内側(Inside)の円Ｐ_ISの座標は、（式－5(c)）および（式－５(d)）で表される。

　したがって、初期条件としてｒ_Tとｒ_Pとを与えれば、上述した一連の式（式－５(a)）～（式－５(d)）によって、下半分（Lower half）の領域（y＜0，θ=180～360度)のガイド軌跡Ｇを得ることができる。

　以上のとおり、初期条件としてｒ_Tとｒ_Pとを与えれば、公転円Ｔは（式－2(a)）～（式－２(b)）および（式－4(a)）～（式－４(b)）(または（式－1）)によって得ることができる。また、ガイド軌跡Ｇは、上半分（Upper half）の領域（y≧0，θ=0～180度)については、（式－3(a)）～（式－３(d)）により、下半分(Lower half)の領域 (y＜0，θ=180～360度)については、（式－5(a)）～（式－５(d)）により得ることができる。

　結論として、第１の例に係る公転円Ｔおよびガイド軌跡Ｇは、帆部４の公転半径をｒ_T、帆部４の自転半径をｒ_P、Ｘ軸の正方向を基準とした帆部４の公転角度をθとした場合、下式で表現される。

　ガイド軌跡５によって規定される帆部４の動きは、上述した第１の例に限定されるものではなく、様々なバリエーションが考えられる。図１２は、第２の例に係る帆部４の動作説明図である。公転角度θ＝０°で受風面積が最小である帆部４は、公転角度θが大きくなるにつれて受風面積を徐々に増大しながら、公転角度θ＝１８０°で受風面積が最大となる。その後、公転角度θが大きくなるにつれて受風面積が徐々に減少しながら、公転角度θ＝３６０°（＝０°）で受風面積が再び最小となる。これにより、破線で示した公転円上の上半分と下半分とで、受風面積の違いに起因した受風のアンバランスが生じる。これにより、帆部４は反時計回りに回転（公転）する。

　つぎに、図１３を参照しつつ、第２の例のように帆部４を動作させるガイド軌跡５の具体的な数式について説明する。帆部４の動作は、破線で示した公転円Ｔ(真円)、および、実線で示したエンドレスなガイド軌跡Ｇの２つに基づき決定される。

　まず、全ての座標の原点Ｔ₀を（ｘ，ｙ）＝（０，０）と定める。公転円Ｔは真円（True circle）で、回転体２ｃの真円かつ帆部４の自転中心の軌跡を表し、（式－６）で示される。

　ガイド軌跡Ｇは帆部４の支点両端のガイドを表し、以下の手順で求めることができる。なお、 θ_Tとθ_Pとの関係は、（式－７）で与えられる。

　また、帆部４の両端であるＰ_OSとＰ_IS、帆部４の中心であるＳ₀、(0, －ｒ_T)の４点は必ず直線で結ぶことができる。

　まず、中心が帆部４の中心点と同一で、かつ、中心から帆部４の支点までが半径ｒ_Sである小円Ｓ (真円)を描く。小円Ｓの中心座標Ｓ₀は常に公転円Ｔ上にあり、（式－６）より、（式－８(a)）および（式－８(b)）で表される。

　ガイド軌跡Ｇの外側（Outside）の円Ｐ_OSの座標は、（式－9(a)）および（式－９(b)）で表される。

　ガイド軌跡Ｇの内側（Inside）の円Ｐ_ISの座標は、（式－9(c)）および（式－９(d)）で表される。

　したがって、初期条件としてｒ_Tとｒ_Sとを与えれば、公転円Ｔは（式－８(a)）および（式－８(b)）(または（式－６）)により、ガイド軌跡Ｇは（式－９(a)）～（式－９(d)）により得ることができる。

　結論として、第２の例に係るガイド軌跡Ｇは、帆部４の公転半径をｒ_T、帆部４の自転半径をｒ_s、Ｙ軸の負方向を基準とした帆部４の公転角度をθとした場合、下式で表現される。

　図１４は、第３の例に係る公転円Ｔとガイド軌跡Ｇとの関係を示す図である。公転円Ｔは、第１および第２の例のようにガイド軌跡Ｇとオーバーラップしている必要はなく、ガイド軌跡Ｇの外側に配置されていてもよい。

　このように、本実施形態によれば、ガイド軌跡５を用いて、帆部４の公転過程における自転角度を規定し、帆部４の自転角度の調整を行う。帆４ａの受風面積は、追い風の際には最大（約１００％）、向かい風の際には最小（約０％）となる。これにより、受風面積の違いに起因した受風のアンバランスが効率良く生じて、帆部４が回転（公転）する。その結果、流体エネルギー（風力）を回転エネルギー（回転力）に有効に変換することができる。また、風速以下の回転速度でも十分に高いトルクを得ることが可能であり、カットイン風速も低く、騒音も極端に小さい。さらに、帆装置１を抗力型原動機として用いる場合、揚力型原動機のようにブレーキを装備する必要がないので、高い風速のときでもエネルギーを放棄することがない。また、ギア機構などの複雑な機構を用いることなく、ガイド軌跡５と係合した係合部８ａ，８ｂによって帆部４の自転角度を規定・調整しているため、機械的エネルギー損失が少ない上に機械的に壊れ難く、動作の安定性や安全性の向上を図ることができる。その結果、比較的単純な構造で高いエネルギー変換効率が得られ、実用性に優れた帆装置１を実現できる。

　また、本実施形態によれば、帆部４を間隔を空けて複数配置すると共に、帆部４のそれぞれに対応して係合部８ａ，８ｂ（複数である必要は必ずしもない。）を設けることで、帆部４が１枚の場合と比較して、エネルギー変換を安定的かつ効率的に行うことができる。

　また、本実施形態によれば、帆部４の両端にガイド軌跡５をそれぞれ配置し、係合部８ａ，８ｂを介して、帆部４を両端で支持することで、帆部４の支持強度が高まり、帆装置１の動作安定性および機械的な強度の向上を図ることができる。

　さらに、本実施形態によれば、帆部４の一端側または両端側において複数の係合部８ａ，８ｂを設けて、帆部４の支持点の数を増やすことで、帆装置１の動作安定性および機械的な強度の更なる向上を図ることができる。

　なお、冒頭でも述べたように、本実施形態に係る帆装置１は、流体エネルギーを回転エネルギーに変換する用途のみならず、回転エネルギーを流体エネルギーに変換する用途でも利用可能であることに留意すべきである。

（第２の実施形態）
　第２の実施形態は、上述した第１の実施形態に係る帆装置１を複数組み合わせた構成に関する。図１５は、本実施形態に係る帆装置（一端側）の上面図である。この帆装置１０は、取付板１１に取り付けられた複数の帆装置１を主体に構成されている。取付板１１の中央は支持軸１２が上下に貫通しており、これによって、取付板１１は支持軸１２に対して揺動自在な状態で支持されている。一方の帆装置１は、支持軸１２の右側に配置されていると共に、他方の帆装置１は、支持軸１２の左側に配置されている。左右の帆装置１におけるガイド軌跡５は、取付板１１を左右に二等分する直線Ｌに対して、線対称な軌跡を有している。

　本実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏する他、ガイド軌跡５が線対称となるように左右の帆装置１を配置することで、風向きと正対するように帆装置１０の向きを自動調節できる。なぜなら、風向きに対して帆装置１０が傾いている場合、左右の帆装置１における受風（外力）にアンバランスが生じるが、このアンバランスを解消するように、取付板１１が支持軸１２の周りを回動するからである。また、特に、同図に示したように、左右の帆装置１が最も近接する部分（直線Ｌの近傍）で帆部４の受風面積が最小になるようにガイド軌跡５を配置すれば、左右の帆装置１をより近づけることができるので、帆装置１０全体としてのコンパクト化を図ることができる。

（第３の実施形態）
　第３の実施形態は、上述した第２の実施形態に係る帆装置１０に集風機構を追加した構成に関する。図１６は、本実施形態に係る帆装置の外観斜視図である。この帆装置２０は、上述した帆装置１０の他に、設置台１３と、集風機構１４とを主体に構成されている。設置台１３は、略円形状を有し、その中心軸には、複数の連結棒１５が回転自在に取り付けられている。帆装置１０の左右には、集風機構１４を構成する一対のフラップ１４ａ，１４ｂが開閉自在に取り付けられている。帆装置１０およびフラップ１４ａ，１４ｂには、車輪１６が取り付けられていると共に、複数の連結棒１５が取り付けられている。フラップ１４ａ，１４ｂに取り付けられる連結棒１５は、フラップ１４ａ，１４ｂの開閉を阻害しないように、伸縮自在になっているが、台風などが来ない通常使用時は、連結棒１５の長さは一定の長さに固定されている。以上のような構成により、帆装置１０には、集風機構１４によって集められた風が供給されると共に、風の向きに応じて、設置台１３上を回転する。

　洋上などでは十分な風力（平均風速が７ｍ／ｓ以上）が得られる反面、住宅地などでは十分な風力が得られないことが予想される（平均風速が２ｍ／ｓ程度）。そこで、本実施形態では、風をかき集める機能として集風機構１４を設ける。すなわち、手を拡げたような状態で帆装置１０の両側に設置された板状のフラップ１４ａ，１４ｂが風をかき集め、風量（流量）を稼ぐことができる。逆に、これらのフラップ１４ａ，１４ｂは、例えば台風の時には折り畳んだり、取り外したりすることで、破損等の被害を避けることが可能となる。それと共に、本実施形態では、帆装置１０が自動的に風向きを向く機能として、連結棒１５および車輪１６よりなる回転機構を設け、自動的に風向きと正対させる。すなわち、設置台１３の中心軸には、連結棒１５が揺動自在および／または回動自在に取り付けられており、３６０度回転可能な車輪１６により、帆装置１０は滑らかに設置台１３上を回動する。これにより、帆装置１０は自動で風向に正対することになる。

　本実施形態によれば、上述した各実施形態と同様の効果を奏する他、特に、集風機構１４によって入力風量を増大させることができる。それに加えて、この帆装置１０、フラップ１４、連結棒１５のセットを上に積み上げれば、入力風量とエネルギー変換量を増大させることができる。なお、最上段の支持体２（上側）にもフラップを装着させることで、更に入力風量を増大させてもよい。また、フラップの構造や形状は、流体を集める機能を有していればどのようなものでもよく、例えば、フラットな板、曲面状の板、フレームとシートの組み合わせにするなど、機能面・デザイン面などを勘案し自由に設定できる。

　なお、上述した各実施形態において、風を集める機構は帆装置１０の壁面（支持体２以外の面）に付加してもよい。この場合、帆装置１０の前面から流入してくる風が後面より流出していく過程で、左面や右面から風が漏れていくことを防ぐことで、エネルギー変換効率を損なわない。この機構はフラップまたはプレートで形成できるほか、シート（必要に応じてフレームで強化）などでも形成できる。また、帆装置１０を設置する壁・床・天井などにも同等の機能を持たせてもよい。また、前面付近近傍には、流入してくる風が帆部４に効率よく当たるよう、風向き変更および風圧縮(高密度化)のための部材を設けてもよい。この部材は、例えば筒状の部材を縦に割り、先頭・先端を尖らせた形状、あるいは、丸みを持たせた形状にしてもよい。この部材により、風と逆方向に動く帆部４に風が当たりづらく、風と順方向に動く帆部により高密度の風が当たるため、エネルギー変換効率をさらに向上させることができる。この部材は本実施形態だけでなく、第１の実施形態などでも形状を工夫するで使用することができる。

（第４の実施形態）
　上述した第１から第３の実施形態は、流体と接する帆の動きに基づいて、流体エネルギーを回転エネルギーに変換し、または、回転エネルギーを流体エネルギーに変換するエネルギー変換機構に主眼を置いたものであるのに対し、第４の実施形態は、例えば広告宣伝用途として、帆部の周面を単純に公転・自転させるものである。図１７は、本実施形態に係る帆装置の外観斜視図である。この帆装置３０は、支持体３１と、１枚の帆部３２と、ガイド軌跡３３と、係合部３４とを主体に構成されている。支持体３１は、略円形状を有し、その略中心には、帆部３２に連結されたクランク３５が回転自在に取り付けられている。このクランク３５によって、帆部３２は、支持体３１上を回転自在であり、かつ、支持体３１の軸周りを公転することになる。また、帆部３２の下方には複数の車輪３６が取り付けられている。さらに、帆部３２は、宣伝広告などが印刷された広告板や、これを表示するフラットパネルディスプレイによって構成されている。一方、ガイド軌跡３３は、エンドレスな軌跡を有し、帆部３２の公転過程における自転角度を規定する。例えば図１７の場合、ガイド軌跡３３は、上述した数式１６において３ｒ_T＝ｒ_sの場合、すなわち、自転半径が公転半径の３倍の場合に得ることができる。係合部３４は、帆部３２とガイド軌跡３３とを係合し、帆部３２をガイド軌跡３３に沿って変位させる。また、車輪３７により、ガイド軌跡３３は自在に回転できるため、支持体３１を除いた帆装置３０全体が最も効率の良い風向へ略正対するよう向きを自動的に調節することができる。

　この帆装置３０は、以下のような特徴を備えている。第１に、帆部３２が１枚を前提条件としており、自転半径あるいは帆部３２のサイズが大きくても、他の部材と干渉することがない。第２に、帆部３２のサイズを大きく取れるため、十分な風力(流体力)を得ることができ、帆部３２が１枚でも、公転・自転のエネルギーを風力（流体力）で賄うとともに、電飾・ライトアップなどのエネルギーを自家発電で賄える。第３に、自転半径あるいは帆部３２のサイズに比較して、公転半径が小さいため、設置の省スペース化を図ることができる。第４に、帆部３２に、例えば画面比率（アスペクト比）が１６：９や４：３のディスプレイを装着すれば、様々な画像・映像コンテンツが活用でき、コンテンツはインターネットなどを介して無尽蔵に供給することができる。第５に、公転速度・自転速度が遅いことが、かえって広告としての機能を果たすには有効であり、３６０度どの方向にもディスプレイを見せることが可能となる。なお、帆部３２の公転・自転は、風力のみで行ってもよいが、モータ等を補助的に併用してもよく、あるいは、モータ等をメインの動力源として使用してもよい。

　本実施形態によれば、公転過程における帆部３２の自転角度をガイド軌跡３３によって規定することで、帆部３２の主面（宣伝広告面）の見せ方を制御できるので、宣伝広告効果の向上を図ることができる。

　なお、本実施形態において、広告宣伝用途以外としては、例えば帆部３２に、鏡などの反射板や複雑な反射をするシート、および、必要に応じてライトなどを装着すれば、農業における動物や鳥への対策用途として、あるいは、遭難や災害など非常時における合図用途としても使用可能である。この場合、ライトは支持体３１側に設置してもよい。

　なお、上述した各実施形態において、帆部４の帆面や支持体２の外面などに太陽光発電セルなどを装着すれば、複数種の再生可能エネルギーを利用できる。

　１，１０，２０，３０　帆装置
　２，３１　支持体
　２ａ　アウタガイドプレート
　２ｂ　インナガイドプレート
　２ｃ　回転体
　２ｄ　ベースプレート
　３　連結棒
　４，３２　帆部
　４ａ　帆
　４ｂ　自転軸
　４ｃ　フレーム
　４ｄ　シート
　５，３３　ガイド軌跡
　５ａ，５ｂ　凹部
　６　取付孔
　７　円状間隙
　８ａ，８ｂ，３４　係合部
　９　可動式継ぎ手
　１１　取付板
　１２　支持軸
　１３　設置台
　１４　集風機構
　１５　連結棒
　１６，３６，３７　車輪
　３５　クランク

Claims

　帆装置において、
　支持体と、
　前記支持体に自転自在に取り付けられ、前記支持体の軸周りを公転する帆部と、
　前記帆部の公転過程における自転角度を規定するエンドレスなガイド軌跡と、
　前記帆部と前記ガイド軌跡とを係合し、前記帆部を前記ガイド軌跡に沿って変位させる係合部と
を有することを特徴とする帆装置。
　前記ガイド軌跡は、前記帆部の公転半径をｒ_T、前記帆部の自転半径をｒ_P、Ｘ軸の正方向を基準とした前記帆部の公転角度をθとした場合、下式を満たすことを特徴とする請求項１に記載された帆装置。
　前記ガイド軌跡は、前記帆部の公転半径をｒ_T、前記帆部の自転半径をｒ_s、Ｙ軸の負方向を基準とした前記帆部の公転角度をθとした場合、下式を満たすことを特徴とする請求項１に記載された帆装置。
　前記帆部は、間隔を空けて複数設けられており、
　前記係合部は、前記帆部のそれぞれに対応して設けられていることを特徴とする請求項１に記載された帆装置。
　前記係合部は、可動式の継ぎ手を介して、前記帆部の端部に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載された帆装置。
　前記ガイド軌跡は、
　前記帆部の一端側に配置された第１のガイド軌跡と、
　前記帆部の他端側に配置されていると共に、前記第１のガイド軌跡と対向した状態において、前記第１のガイド軌跡と同一または相似の軌跡パターンを有する第２のガイド軌跡とを有し、
　前記係合部は、
　前記帆部の一端と前記第１のガイド軌跡とを係合する第１の係合部と、
　前記帆部の他端と前記第２のガイド軌跡とを係合する第２の係合部とを有することを特徴とする請求項１に記載された帆装置。
　前記第１の係合部は、前記帆部の一端の自転軸周りに設けられ、前記第１のガイド軌跡と係合する複数の係合部を有し、
　前記第２の係合部は、前記帆部の他端の自転軸周りに設けられ、前記第２のガイド軌跡と係合する複数の係合部を有することを特徴とする請求項６に記載された帆装置。
　支持軸に対して揺動自在な取付板と、
　前記取付板に取り付けられ、前記支持軸の右側に配置された第１の帆装置と、
　前記取付板に取り付けられ、前記支持軸の左側に配置された第２の帆装置とを有し、
　前記第１の帆装置および前記第２の帆装置は、請求項１から７のいずれかに記載された帆装置であって、かつ、前記第１の帆装置の前記ガイド軌跡および前記第２の帆装置の前記ガイド軌跡は対称であることを特徴とする帆装置。
　流体を集めて前記帆部に供給する機構をさらに有することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載された帆装置。