特許 6800030 翼及びそれを用いた風車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6800030

(24)【登録日】2020年11月26日

(45)【発行日】2020年12月16日

(54)【発明の名称】翼及びそれを用いた風車

(51)【国際特許分類】

   F03D 1/06 20060101AFI20201207BHJP

   F03D 3/06 20060101ALI20201207BHJP

【ＦＩ】

   F03D1/06 A

   F03D3/06 F

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-11883(P2017-11883)

(22)【出願日】2017年1月26日

(65)【公開番号】特開2018-119483(P2018-119483A)

(43)【公開日】2018年8月2日

【審査請求日】2020年1月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】504150461

【氏名又は名称】国立大学法人鳥取大学

(73)【特許権者】

【識別番号】512167493

【氏名又は名称】パイオニア精工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091465

【弁理士】

【氏名又は名称】石井 久夫

(72)【発明者】

【氏名】原 豊

(72)【発明者】

【氏名】高尾 利幸

【審査官】 田谷 宗隆

(56)【参考文献】

【文献】 欧州特許出願公開第０２８７８８２５（ＥＰ，Ａ２）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０３２２７７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０５２４７２０７（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１６５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２１４９６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｄ １／０６

Ｆ０３Ｄ ３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転基盤（１４）に対して該回転基盤（１４）の回転軸（１５）周りに配置された取付け構造を有する複数の翼から構成される風車における翼であって、
上記翼は円弧凸状長辺（１０）と短辺（１１）が前縁から延びて後縁で交わることによって厚みが連続的に変化する断面流線形状を有し、翼断面の円弧凸状長辺（１０）と短辺（１１）の間の中立線ｄの湾曲の大きさは翼先端から翼基部にかけて連続的に変化しかつ上記翼断面に垂直な翼型基準線（１２）が連続的あるいは断続的に変化するか又は所定の曲率半径を持って曲がった形状をなし、
翼断面形状の中立線ｄの湾曲の符号を翼型基準線（１２）の曲率半径の中心（１８）から離れる向きに翼断面の中立線ｄが凸状となっている場合を正値と定義したとき、翼先端側における翼断面の中立線ｄの湾曲の大きさは０％以上８％以下の正値の範囲内にあり、翼基部側の翼断面の中立線dの湾曲の大きさは０％から−８％の負値の範囲内にあり、
上記翼型基準線（１２）に沿って上記断面形状を有する翼型が配置されており、上記回転軸（１５）に平行な風Ａと回転軸（１５）に垂直な風Ｂのいずれに対しても回転軸（１５）周りに同一方向の回転トルクが発生されるようになしたことを特徴とする翼。

【請求項2】

回転基盤（１４）に対して該回転基盤（１４）の回転軸（１５）周りに配置された取付け構造を有する複数の翼から構成される風車における翼であって、
上記翼は円弧凸状長辺（１０）と短辺（１１）が前縁から延びて後縁で交わることによって厚みが連続的に変化する断面流線形状を有し、翼断面における取付角θの符号を翼断面に垂直な翼型基準線（１２）と直交しかつ回転基盤（１４）の回転軸（１５）と垂直な方向（１６）を基準として翼断面の前縁が頭下げになる方向を正値と定義したとき、翼先端側における翼断面の取付角θは０°から１５°の正値の角度範囲内にあり、翼基部側における翼断面の取付角θは０°から−４５°の負値の角度範囲内にあって、翼断面の取付角θが翼先端から翼基部にかけて連続的に変化しており、翼型基準線（１２）が連続的あるいは断続的に変化をするか又は所定の曲率半径を持って曲がった形状であり、
翼型基準線（１２）に沿って上記断面形状を有する翼型が配置されており、回転軸（１５）に平行な風Ａと回転軸（１５）に垂直な風Ｂのいずれに対しても回転軸（１５）周りに同一方向の回転トルクが発生されるようになしたことを特徴とする翼。

【請求項3】

翼断面における取付角θを翼断面に垂直な翼型基準線（１２）と直交しかつ回転基盤（１４）の回転軸（１５）と垂直な方向（１６）を基準として取付角θの符号を翼断面の前縁が頭下げになる方向を正値と定義したとき、翼先端側における翼断面の取付角θは０°から１５°の正値の角度範囲内にあり、翼基部側における翼断面の取付角θは０°から−４５°の負値の角度範囲内にあって、翼断面の取付角θが翼先端から翼基部にかけて連続的に変化している請求項１記載の翼。

【請求項4】

上記翼型基準線（１２）に沿って並んだ翼型の翼弦長ｃが一定であるか、あるいは連続的または不連続に変化している請求項１ないし３のいずれかに記載の翼。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれかに記載の複数個の翼が回転基盤（１４）の回転軸（１５）のまわりに配置されていることを特徴とする風車。

【請求項6】

翼の先端に、風速増強作用を有するつば状のリング（２０）を備えた請求項５記載の風車。

【請求項7】

回転軸を同一とする抗力型の風車（２７）が組み合わされている請求項５または請求項６に記載の風車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は翼及びそれを用いた風車に関し、特に回転軸に平行な風と垂直な風のどちらでも回転トルクを発生させることのできるようにした翼及び風車に関する。

【背景技術】

【0002】

ビルディング等の高層建造物の屋上には空調用の冷却塔（クーリングタワー）が多数設置されており、空調の排熱と同時に、送風機による強制対流熱交換に伴う流体運動エネルギーも放出されている。かかる流体運動エネルギーは余剰エネルギーであり、これを小形風力発電機によって回収すれば、システム全体としての効率を向上することになり、環境配慮の観点からも有用である。

【0003】

通常、冷却塔は屋外に設置されることが多く、排出される気流は自然風による影響を受けるので、垂直軸型風力発電機を冷却塔の気流吐出口の前に設置し、冷却塔が運転されているときは送風機の風で回転し、冷却塔が停止している場合は自然の風でも回転する風車が提案されている（特許文献１）。

【0004】

また、垂直軸型風車と水平軸型風車を組合わせた風車システムも種々提案されており、冷却塔運転時は鉛直方向下側から上向きに吹く送風機の風で水平軸型風車を回転させ、冷却塔停止時には水平方向の様々な方向から吹く自然風によって、垂直軸風車と水平軸風車を協同して回転させるようにした風車が知られている（特許文献２、特許文献３、特許文献４）。

【0005】

風車を実用化するにあたっては低コスト化が最重点課題の１つであり、特に風車の主要要素である翼（ブレード）の低コスト化は重要である。

【0006】

例えば、厚みが均一な板状材料を曲げてブレードを構成し、翼の自由端が翼の基部に対して、ブレード回転方向にずれるように取付けて迎角を与えることによって、ブレードの形状を簡略化しながら、同時に回転効率を高めるようにした風車が提案されている（特許文献５）。

【0007】

また、厚みが均一なブレードの弾性変形を利用して、高風速状態で翼に作用する遠心力によって翼を起立させ、回転効率を高める技術が提案されている（特許文献６）。ただし、板状に厚みが均一な翼の場合は翼の前縁を過ぎた空気の流れが剥離しやすく、風車の性能向上を重視する場合には翼型は航空機等で使用されるような流線形の形状を持たせて、剥離を抑制することが望ましいと考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００７−１００５８３号公報

【特許文献2】特開２０１３−０４０６１０号公報

【特許文献3】特開２０１４−０８０９８３号公報

【特許文献4】特開２０１５−２１４９８２号公報

【特許文献5】特開２０１３−１８９９７０号公報

【特許文献6】特開２０１４−１４１９０１号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかし、特許文献１記載の風車では鉛直方向下側から上向きに排気流が吐出される冷却塔の吐出口前に、排気流に対して回転軸を垂直にして垂直軸風車を配置することによって冷却塔からの排気流に対して垂直な方向から吹く自然風とのどちらによっても回転し得るようにしているので、垂直軸風車の回転軸に平行な方向から吹いてくる自然風に対しては回転させることができない。

【0010】

また、特許文献２〜４記載の風車では特許文献１記載の風車における自然風に対して方向依存性があるという欠点を、垂直軸型風車と水平軸型風車を組み合わせた構造によって改善しているものの、２種類の風車を組み合わせる必要があるので、構造が複雑となっている。

【0011】

さらに、特許文献５、６記載の風車では厚みが均一な板を曲げて水平軸風車を構成して翼の低コスト化を実現しているものの、厚みが均一であるので、空気の流れが剥離しやすく、高い性能を得られない可能性があるばかりでなく、翼が弾性変形しやすい。

【0012】

本発明はかかる問題点に鑑み、構造簡単でコスト高を招来することなく、回転軸に平行な風と垂直な風のどちらでも回転トルクを発生させることのできるようにした翼及びそれを用いた風車を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

そこで、本発明に係る翼は、回転基盤に対して該回転基盤の回転軸周りに配置された取付け構造、好ましくは円滑な回転を確保できるように回転軸周りに回転対称な取付け構造を有する複数の翼から構成される風車における翼であって、上記翼は円弧凸状長辺と短辺が前縁から延びて後縁で交わることによって厚みが連続的に変化する断面流線形状を有し、翼断面の円弧凸状長辺と短辺の間の中立線の湾曲の大きさは翼先端から翼基部にかけて連続的に変化しかつ上記翼断面に垂直な翼型基準線が連続的あるいは断続的に変化するか又は所定の曲率半径を持って曲がった形状をなし、翼断面形状の中立線の湾曲の符号を翼型基準線の曲率半径の中心から離れる向きに翼断面の中立線ｄが凸状となっている場合を正値と定義したとき、翼先端側における翼断面の中立線ｄの湾曲の大きさは０％以上８％以下の正値の範囲内にあり、翼基部側の翼断面の中立線ｄの湾曲の大きさは０％から−８％の負値の範囲内にあり、上記翼型基準線に沿って上記断面形状を有する翼型が配置されており、上記回転軸に平行な風と回転軸に垂直な風のいずれに対しても回転軸周りに同一方向の回転トルクが発生されるようになしたことを特徴とする。

【0014】

また、本発明に係る翼は、回転基盤に対して該回転基盤の回転軸周りに配置された取付け構造、好ましくは円滑な回転を確保できるように回転軸周りに回転対称な取付け構造を有する複数の翼から構成される風車における翼であって、上記翼は円弧凸状長辺と短辺が前縁から延びて後縁で交わることによって厚みが連続的に変化する断面流線形状を有し、翼断面における取付角の符号を翼断面に垂直な翼型基準線と直交しかつ回転基盤の回転軸と垂直な方向を基準として翼断面の前縁が頭下げになる方向を正値と定義したとき、翼先端側における翼断面の取付角は０°から１５°の正値の角度範囲内にあり、翼基部側における翼断面の取付角は０°から−４５°の負値の角度範囲内にあって、翼先端から翼基部にかけて連続的に翼断面の取付角が変化しており、翼型基準線が連続的あるいは断続的に変化をするか又は所定の曲率半径を持って曲がった形状であり、翼型基準線に沿って上記断面形状を有する翼型が配置されており、回転軸に平行な風と回転軸に垂直な風のいずれに対しても回転軸周りに同一方向の回転トルクが発生されるようになしたことを特徴とする。

【0015】

本発明の特徴の１つは翼をその翼断面に垂直な翼型基準線に沿って任意の曲線状に曲げて構成した点にある。
これにより、翼先端近傍では冷却塔からの排気流に対して水平軸風車として働く一方、翼基部側では自然風に対して垂直軸風車として働き、風車特性が自然風の風向には依存しない構造であるので、あらゆる方向からの自然風に対して回転可能である。
その結果、回転軸に平行な風と垂直な風の両方に対して回転可能な翼から風車を構成することができ、冷却塔の吐出部に、その排気流の主流方向に風車の回転軸を一致させて設置することで、冷却塔からの排気流のみならず、排気流に対して垂直な方向に吹いてくる自然風によっても回転可能となり、この回転トルクを発電に応用すると、高い効率での発電が可能となる。

【0016】

また、本発明の第２の特徴は１つの翼で垂直軸型風車と水平軸型風車の働きを実現できるようにした点にある。
これにより、風車構造は簡単であり、材料も少なくできる。

【0017】

さらに、本発明の第３の特徴は、翼断面は航空機等で使用される流線形状の０％から８％の湾曲をもった断面流線形状とした点にある。
これにより、空気の流れのはく離は厚みが均一な板状の翼断面に比べて発生しにくく、高い風車性能が期待できる。また、翼の厚みを大きくすれば、構造的強度も高めることが可能である。

【0018】

さらに、本発明の第４の特徴は翼断面に垂直な翼型基準線のまわりに翼断面を捻じるような取付角を与えている点にある。
これにより、翼基部から翼先端にかけて適切な迎角に設定すれば、より高い回転エネルギーの変換効率を得ることが可能となる。特に、翼先端側では０°から１５°の頭下げの取付角とし、翼基部側では０°から−４５°の頭上げの取付角とすることにより、回転軸と平行な方向の排気流に対しては翼先端部分が効率の高い水平軸風車として回転する一方、回転軸と垂直な方向の自然風に対しては翼基部部分が抗力型の垂直軸風車として働くことができる。
特許文献５、６記載の風車の翼ではその自由端が翼の根元に対してブレード回転方向にずれるように取付けて迎角を付けている点で、本願発明と相違している。

【0019】

ここで、翼断面に垂直な翼型基準線は風車回転軸とそれと垂直な半径方向を向く直線によって特定される平面内で任意に曲げて構成してもよく、翼先端を翼基部に対して回転方向にずらす必要はないので、設計や製作も容易になる可能性があり、翼の取付け方法においても容易な方法でしっかりと固定することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明に係る翼の好ましい実施形態における基本的な翼形状を説明するための斜視図である。

【図2】上記翼形状を説明するための斜視図である。

【図3】上記翼と回転基盤との関係を示す斜視図である。

【図4】図３の構造を説明するための三面図である。

【図5】一般的な翼型において発生する揚力、抗力および迎角の定義を説明するための図である。

【図6】翼型における空力データの一例を示す図である。

【図7】翼先端側の翼型No.1の翼断面における回転軸に平行な風Ａ、それによる風力ｆ_A 、翼の回転方向Ｄ、翼の相対回転による相対風力ｆ_D、迎角α、取付角θ、揚力ｆ_CLの関係を示す図である。

【図8】翼先端側の翼型No.1の翼断面における回転軸に垂直な風Ｂ、取付角θとそれによる抗力ｆ_CDの関係を示す図である。

【図9】翼基部側の翼型No.7の翼断面における回転軸に垂直な風Ｂ、取付角θとそれによる抗力ｆ_CDの関係を示す図である。

【図10】翼基部側の翼型No.7の異なる形状の翼断面における回転軸に垂直な風Ｂ、取付角θとそれによる抗力ｆ_CDの関係を示す図である。

【図11】図３及び図４に示される翼５枚で構成された風車の好ましい実施形態を示す図である。

【図12】図３及び図４に示される翼５枚で構成された風車の他の実施形態を示す図である。

【図13】図３及び図４に示される翼３枚で構成された風車の冷却塔の排気流吹出し口の鉛直上部に設置した例を示す図である。

【図14】３枚翼で構成された他の風車の冷却塔の排気流吹出し口の鉛直上部に設置した例を示す図である。

【図15】図１１に示した５枚翼の風車の風洞実験により得られた風車特性を示す図である。

【図16】上記５枚翼の風車の風洞実験により得られた風車特性を示す図である。

【図17】上記５枚翼の風車の風洞実験により得られた風車特性を示す図である。

【図18】上記５枚翼の風車の風洞実験により得られた風車特性を示す図である。

【図19】翼枚数を３枚とし、翼型を対称翼のNACAOO18で均一と仮定した風車の概形を示す図である。

【図20】図１９に示された３枚翼の風車の風洞実験により得られた風車特性を示す図である。

【図21】上記３枚翼の風車の風洞実験により得られた風車特性を示す図である。

【図22】上記３枚翼の風車の風洞実験により得られた風車特性を示す図である。

【図23】上記３枚翼の風車の風洞実験により得られた風車特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明を図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。図１ないし図１４（但し、図１０は除く）は本発明に係る風車の好ましい実施形態を示す。まず、図１を用いて翼の構成の仕方の一例を説明する。翼型基準線１２として一つの直線を想定し、この翼型基準線１２に翼断面が垂直になるようにし、かつ円弧凸状長辺１０と短辺１１が前縁から延びて後縁で交わることによって厚みが連続的に変化する断面流線形状の７つの翼型No.1〜No.7が翼型基準線１２に沿って配置されて基礎となる翼形状が構成される。
翼先端となる翼型No.1はその円弧凸状長辺１０と短辺１１の間の中立線ｄが上向きに湾曲し、湾曲比（湾曲量ｆ÷翼弦長ｃ）が６％のNACA6518の翼型とされている。湾曲量ｆは翼断面の中立線ｄの最大湾曲位置ｘ_f における中立線ｄと翼弦線１３（翼弦長ｃ）の距離として定義される。

【0022】

ここで、NACA４桁系列の翼型では４桁の数字のうち、最初の数字は湾曲比％：f/cを示し、２番目の数字は中立線ｄの最大湾曲位置ｘ_f の、翼弦線１３の前縁と後縁の間の翼弦長c に対する比:x_f/cのパーセンテージを１０で除した値を示す。したがって、NACA6518の場合は最大湾曲位置ｘ_f が前縁から翼弦長の５０％の位置となる。第３番目と第４番目からなる２桁の数字は円弧凸状長辺１０と短辺１１間の最大翼厚みｔの翼弦長ｃに対する割合、すなわち厚み比:t/cのパーセンテージを示す。NACA6518の場合は厚み比は１８％である。

【0023】

No.2の位置には翼断面の中立線ｄが上向きに湾曲した湾曲比４％のNACA4518の翼型が配置され、同様に、No.3の位置には翼断面の中立線ｄが上向きに湾曲した湾曲比２％のNACA2518の翼型が配置されている。No.4の位置の翼型は基準となる対称翼型のNACA0018であり、No.5の位置から、No.6，No.7にかけては湾曲方向をNo.1〜No.3とは逆向きにした翼型が配置されている。翼はこれら７つの位置の翼型の輪郭を翼型基準線１２の方向に沿って滑らかに接続して形成されている。

【0024】

図２は図１に示される翼の各断面を、翼型基準線１２を捩じりの中心軸線として取付角θを与えた例である。図２において、翼先端の位置No.1では翼型基準線１２と直交しかつ回転基盤１４の回転軸１５と垂直な方向である直線１６に対して頭下げの方向に２°の取付角θが付与され、位置No.2から翼基部の位置No.7までの各断面において、順番に、θ＝＋２°，＋１°，０，−１５°，−３０°，−３０°の取付角となっている。翼はこれら７つの位置の取付角θが付いた状態の翼型の輪郭を翼型基準線１２の方向に沿って滑らかに接続して形成されている。

【0025】

図３は図２に示される翼が、その翼型基準線１２を曲げた状態で翼基部の位置No.7の翼断面を回転軸１５のまわりに回転しうる回転基盤１４の表面に重畳させ、かつ図２に示される取付角θの基準となった直線１６が回転基盤１４の回転軸１５方向と回転基盤１４の半径方向の両者に垂直となる関係に結合されている。この時、翼先端の翼型No.1の翼断面は他の位置の翼断面に比べて回転軸１５から最も離れた位置になる。

【0026】

図４は図３に示される翼型基準線１２を曲げた状態で回転基盤１４に取付けられた１つの翼の三面図を示す。この例では位置No.1から位置No.7の翼断面が一定の曲率半径で曲げられた翼型基準線１２、すなわち円弧に沿って中心角１５°で等間隔に配置された例を示すが、翼型基準線１２の曲げの曲率半径は一定ではなく、変化させるようにしてもよい。また、翼型形状を特定する翼断面の数は７個である必要はなく、翼断面の数はこれより少なくてもよく、多くてもよい。さらに、翼形状を特定する断面の間隔は等間隔である必要はなく、非等間隔に配置した複数の翼断面で特定してもよい。さらにまた、図１〜４に示した例では翼弦長ｃを一定としているが、翼弦長ｃは変化させてもよい。翼型もNACA４桁系列の翼である必要はなく、その他の翼型でもよい。

【0027】

次に、図３および図４で示される翼が回転軸１５に平行な風Ａと垂直な風Ｂのどちらに対しても回転力を発生する理由を説明する。図５は一般的な翼型において発生する揚力ｆ_CL（揚力係数ＣＬ）と抗力ｆCD（抗力係数ＣＤ）および迎角αの定義を説明するための図である。図５では翼型の前縁と後縁を結ぶ翼弦線１３が相対風１７に対して角度αだけ傾斜した状態を示す。この角度αが迎角であり、翼型には相対風１７に平行な方向に抗力ｆ_CDが作用し、相対風１７に対して垂直な力向に揚力ｆ_CLが作用する。なお、空気力である揚力ｆ_CLや抗力ｆ_CDは迎角αの大きさによって変化し、翼型、周囲流体の粘性や相対風１７の風速の大きさによってそれら空気力の大きさの迎角依存性も変わる。

【0028】

図６はNACA6518の空力データの一例を示している。翼弦長ｃと相対風速Ｖに基づくレイノルズ数Ｒe （=cＶ/ν:νは動粘性係数）が360000の場合のデータであり、翼型NACA6518が湾曲比６％を持ったキャンバー翼（反り翼）であるため、揚力係数ＣＬと抗力係数ＣＤの両者とも、迎角αの縦軸に関して左右非対称な空力特性となっている。

【0029】

図３及び図４に示される翼が回転軸１５に平行な風Ａを受ける場合、主として翼先端に近い部分で通常の水平軸風車と同じ状態になり、回転力が発生する。そこで、翼先端のNo.1の翼断面を例にとって図示したものが図７である。この図では翼の下面側から鉛直上向きに、回転軸に平行な風Ａが吹いている状態を仮定しており、すでに揚力ｆ_CLの作用で翼が左向き（回転方向Ｄ）に移動している状態を仮定している。

【0030】

この翼の移動方向Ｄが左向きになることは、図７において、水平方向に描いた直線を基準として、翼型に頭下げとなるように、反時計方向に取付角θを付けることによって（図では＋２°の取付角を仮定）、回転の始動において、より確かなものとなる。したがって、一定の風速状態で、定常な回転状態になった場合には、鉛直上向きの風Ａと翼の移動Ｄによる相対風（Ｄと逆向き）の合成によって、翼から見た場合の合成相対風力ｆ_G 、
すなわち迎角αが決まり、この合成された相対風に垂直な方向に揚力ｆ_CLが作用する。

【0031】

図７では翼の取付角を＋２°と想定しているので、迎角αは合成相対風の方向と水平方向の間の角度から取付角θを引いた角度となり、迎角は１０°以下の小さな値が期待される。この場合、図６の空力データを参照すれば、迎角αが５°〜１０°の範囲では、抗力係数ＣＤはゼロに近い非常に小さい値である一方、揚力係数ＣＬは１〜１．５程度の大きな値を持っている。したがって、翼型には回転方向（図７では左向き）に大きな力の成分を持つ揚力ｆ_CLが支配的に作用して、水平軸風車として動作する。

【0032】

次に、回転軸に垂直な方向に吹く風Ｂの場合を考える。図８は翼先端であるNo.1の場所での抗力ｆ_CDの状態を図示している。翼は回転軸まわりの３６０°のあらゆる位置に存在しうるが、図８では回転軸に垂直な、ある一定の風向（図８では右側から左側に吹くことを想定）Ｂに対して、抗力ｆ_CDが最大となる場合と最小になる場合の２つのケースを回転基盤の回転軸に垂直な方向から見た図を描いている。

【0033】

翼の取付角θを＋２°と想定しているため、抗力ｆ_CDが最大となる場合の迎角はα＝１７８°であり、この場合の抗力係数はNACA6518を仮定すれば、図６のデータより、ＣＤ＝0.08731 であり、一方、抗力ｆ_CDが最小となる場合の迎角はα＝−２°であり、この場合の抗力係数は、図６のデータより、ＣＤ＝0.01342 である。両者の抗力係数の差から、翼の先端近傍においても、回転軸に垂直な風によって、翼の前縁方向に回転力が発生するが、その値は小さいので（図８の例ではＣＤの最大値と最小値の差は0.07389 ）、回転軸の摩擦抵抗や発電機の負荷等が大きければ、回転はしない可能性が高い。

【0034】

図９は翼基部に近い部分を代表して、翼基部に相当するNo.7の翼断面を図示する。翼は回転軸まわりの３６０°のあらゆる位置に存在しうるが、図９では回転軸に垂直な、ある一定の風向Ｂ（図９では右側から左側に吹くことを想定）に対して、抗力ｆ_CDが最大となる場合と最小になる場合の２つのケースを、回転基盤の回転軸に垂直な方向から見た図を描いている。翼の取付角θを−３０°と想定しているため、抗力ｆ_CDが最大となる場合の迎角はα＝１５０°であり、この場合の抗力係数はNACA6518を仮定すれば、図６のデータより、ＣＤ＝0.67363 であり、一方、抗力ｆ_CDが最小となる場合の迎角はα＝−３０°であり、この場合の抗力係数は、図６のデータより、ＣＤ＝0.54571 である。両者の抗力係数の差が大きいため（図９の例では抗力係数ＣＤの最大値と最小値の差は0.12792 ）、翼基部近傍においては抗力型風車として作用しうることになる。

【0035】

図１０は図９と同様に、回転軸に垂直な風Ｂに対して、翼基部に相当するNo.7の翼断面を図示しているが、図９の場合とは翼の形状が異なり、翼根元の取付角θが＋３０°となった場合を想定している。したがって、図１０のケースでは抗力ｆ_CDが最大となる場合の迎角はα＝３０°であり、この場合の抗力係数はNACA6518を仮定すれば、図６のデータより、ＣＤ＝0.62137 である一方、抗力ｆ_CDが最小となる場合の迎角はα＝−１５０°であり、この場合の抗力係数は図６のデータより、ＣＤ＝0.61749 である。両者の抗力係数の差はＣＤ＝0.00388 であり、小さい値であるが、図１０に示されるように、その回転トルクの発生方向は時計方向となり、翼の後縁方向に向かって移動する回転力が発生し、図８で示した翼先端において発生する回転力とは逆向きとなる。したがって、翼基部の取付角θは０°から−４５°の負値の範囲内であることが望ましい。

【0036】

図１１は図３と図４に示された翼を回転基盤上に５枚配置して構成した風車の例を示す。回転軸に平行な風Ａと回転軸に垂直な風Ｂの両者に対して、風車は鉛直上から見て反時計方向に回転するトルクを発生する。

【0037】

図１２は図１１の風車の５枚の翼の先端部にリング状のつば２０を取付けた例である。これによって、風レンズ風車と同様な、つば２０の後流に負圧が生じる原理によって集風効果が期待できる。

【0038】

図１３は図１１と同様な翼を有する風車において、翼枚数を３枚とし、さらにこの風車を冷却塔２１の排気流吹出し口２２の鉛直上部に設置した例である。風車の最大直径（翼先端部の回転直径）は７５０ｍｍを仮定している。風車の翼は１／４円弧状に曲げられており、その曲率半径は３００ｍｍとしている。翼の基部には直径２００ｍｍの回転基盤１４があり、その下部には風車を支持する部分として、長さが約２００ｍｍの風車胴体部２３が設けられ、風車胴体部２３は支持アーム２５と支柱２６によって冷却塔２１に支持されている。風車胴体部２３のさらに鉛直下側には、発電機を内蔵するノーズコーン部２４があるが、排気流から風車が受ける抵抗を少なくし、排気流に大きな乱れを与えないようにして、流れを上部の風車翼の方に導くために、ノーズコーンの下側は先端を丸めた先細構造になっている。

【0039】

この風車構造により、冷却塔２１から排出される鉛直上向きの、風車回転軸に平行な風Ａの流れによって、風車は主として翼先端近傍の部分で、大きな回転力を発生して、水平軸風車として回転し、図には示さないが、同軸とした動力伝達軸によって、ノーズコーン２４に内蔵された発電機と結合されていて、発電を行う。また、冷却塔２１が止まっていて、鉛直下側からの排気流が存在しない場合でも、回転軸に垂直な任意の方向から自然の風Ｂが吹けば、主として、翼基部近傍の部分において大きな抗力差が発生して、抗力型の風車として回転が可能である。

【0040】

なお、風車を冷却塔２１の上部に設置することで、排気流の吐出における流動抵抗が増えるという影響があるので、回転直径の大きい風車の先端部分は、排気流の吹出し口直径（７００ｍｍを想定）の約１．５倍程度離れた位置に設置することが望ましく、図１３では排気流の吹出し口２２から風車の翼先端までの鉛直距離が約１０００ｍｍとなるように構成されている。

【0041】

図１４は冷却塔が止まっている場合に、回転軸に垂直な自然風が吹いた場合に、風車の回転力を増加させるために、図１３に示される風車胴体部に、抗力型の風車として、クロスフロー風車２７を設置した例である。このクロスフロー風車２７を風車と発電機を結合する動力伝達軸と同軸に結合して、クロスフロー風車２７の回転トルクを発電機の回転駆動力に加えることができる。なお、抗力型の風車はクロスフロー風車以外のタイプ、例えばサボニウス型の風車としてもよい。

【0042】

図１５〜図１８は図１１に示される５枚翼の風車ロータ（最大直径７５０ｍｍを想定）の１／６のモデルを３Ｄプリンターで製作し、風洞実験により、風速５ｍ／ｓの条件の下で、風車特性を計測した結果である。図１５及び図１６は回転軸に平行な方向から風車に風Ａをあてた場合（水平配置）の結果であり、水平軸風車として働いているため、広い回転数範囲あるいは広い先端周速比（翼先端の周速度と風速の比：λ）範囲でプラスのトルクおよび出力が得られている。

【0043】

一方、図１７及び図１８は回転軸に垂直な方向から風車に風Ｂをあてた場合（垂直配置）の結果であり、垂直軸風車として働いているが、回転数において約１０００ｒｐｍ、先端周速比λでは約１．３までの広い範囲でプラスのトルクと出力が発生することが示されている。これは、この風車が、回転軸に平行な風Ａと垂直な風Ｂの両者において、良好に回転しうることを示しており、実際に回転する。

【0044】

図１９は翼枚数を３枚とし、翼型を対称翼のNACAOO18で均一と仮定した風車の概形を示す。翼先端の取付角は水平軸風車として動作した場合に最大出力が予想されるθ＝７°としてある。翼型基準線に沿った取付角は均一に７°に設定してあるため、翼基部の取付角度もθ＝７°であり、回転方向が逆配置で描いてあるが、図１０の場合と同様に、翼基部の翼断面の前縁が回転中心から離れるように、頭上げの取付け状態となっている風車である。

【0045】

図２０〜図２３は図１９に示される３枚翼の風車ロータ（最大直径７５０ｍｍを想定）の１／６のモデルを３Ｄプリンターで製作し、風洞実験により、風速５ｍ／ｓの条件の下で、風車特性を計測した結果である。図２０及び図２１は回転軸に平行な方向から風車に風Ａをあてた場合（水平配置）の結果であり、水平軸風車として働いているため、広い回転数範囲あるいは広い先端周速比（翼先端の周速度と風速の比：λ）範囲でプラスのトルクおよび出力が得られている。

【0046】

一方、図２２及び図２３は回転軸に垂直な方向から風車に風Ｂをあてた場合（垂直配置）の結果であり、垂直軸風車の配置であるが、ほぼすべての回転数状態において、計測されたトルクと出力はマイナスの値であり、これは、風車としては機能しておらず、実験で用いたモータによって駆動されているだけであることを示している。すなわち、翼基部の翼断面の前縁が頭上げの状態、すなわち取付角が正値である場合には、回転軸に平行な風に対しては、風車として回転しても、回転軸と垂直な風に対しては、回転しないことを示している。

【符号の説明】

【0047】

１０ 円弧凸状長辺
１１ 短辺
１２ 翼型基準線
１３ 翼弦線
１４ 回転基盤
１５ 回転軸
２０ つば状リング
２１ 冷却塔
２２ 排気流吹出し口
２７ クロスフロー風車（抗力型風車）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】