特許 6916361 風車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6916361

(24)【登録日】2021年7月19日

(45)【発行日】2021年8月11日

(54)【発明の名称】風車

(51)【国際特許分類】

   F03D 7/06 20060101AFI20210729BHJP

【ＦＩ】

   F03D7/06 C

【請求項の数】3

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2020-172566(P2020-172566)

(22)【出願日】2020年10月13日

【審査請求日】2020年10月13日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】509282778

【氏名又は名称】松田 純三

(74)【代理人】

【識別番号】110001151

【氏名又は名称】あいわ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】松田 純三

【審査官】 所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１９−０２７４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０３３５２７８８（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｄ ７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた中空の外基体と、前記軸の周りに回転可能であって前記外基体内に配置された中空の内基体と、該外基体の周囲に均等に配置された少なくとも３枚のブレードと、各ブレードを前記外基体に対して機械的に結合する結合手段とを含む風車であって、
各ブレードは、前記軸から離れた側の面である外側ブレード面と前記軸に近い側の面である内側ブレード面とを有し、
前記外側ブレード面は、前記軸に垂直な断面内において前記軸から離れる側に膨らんだ湾曲形状を有し、
前記内側ブレード面は、前記外基体が少なくとも各ブレードに対応する部分において提供する外周面に対向して延在し、前記軸の側方から到来し、前記外側ブレード面に沿って通過する気流と前記内側ブレード面と前記外基体の外周面との間を通過する気流とが生じることによって前記ブレードには、前記ブレードを前記軸から離隔させようとする揚力が発生するようになっており、
前記結合手段は、各ブレードと前記外基体とを接続する接続手段と、駆動手段と、を備え、
前記接続手段は、前記揚力に伴って前記接続手段に惹起される張力の作用線が前記軸を通らないように、前記接続手段は、一端が前記ブレードに固定され、他端が前記外基体に２箇所で摺動可能支持される長尺状部材を有し、
風車にかかる風力乃至風速に応じて、前記内基体を前記外基体に対して相対的に回転させるために、前記軸に近い側の面である内側ブレード面と前記外基体の前記外周面とで形成される領域内に、前記軸に平行なウィンドキャッチャを少なくとも３枚備え、
前記駆動手段は、鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた前記外基体に同軸に、かつ、相対回転自在に支持される内基体を備え、
前記長尺状部材は、前記内基体の外周面とギア接続され、
前記内基体は、前記軸と巻き戻しスプリングで接続されており、
前記ウィンドキャッチャは、前記ウィンドキャッチャの上部と下部が連結部材により前記内基体の上部と下部とに連結されており、
前記ウィンドキャッチャは、風車にかかる風力乃至風速に応じて、前記内基体を前記外基体に対して前記軸を中心として相対的に回転させ、
前記内基体の前記外基体に対する相対的な回転量を制限する内部ドラムストッパーを備えている、
風車。

【請求項2】

鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた中空の外基体と、前記軸の周りに回転可能であって前記外基体内に配置された中空の内基体と、該外基体の周囲に均等に配置された少なくとも３枚のブレードと、各ブレードを前記外基体に対して機械的に結合する結合手段とを含む風車であって、
各ブレードは、前記軸から離れた側の面である外側ブレード面と前記軸に近い側の面である内側ブレード面とを有し、
前記外側ブレード面は、前記軸に垂直な断面内において前記軸から離れる側に膨らんだ湾曲形状を有し、
前記内側ブレード面は、前記外基体が少なくとも各ブレードに対応する部分において提供する外周面に対向して延在し、前記軸の側方から到来し、前記外側ブレード面に沿って通過する気流と前記内側ブレード面と前記外基体の外周面との間を通過する気流とが生じることによって前記ブレードには、前記ブレードを前記軸から離隔させようとする揚力が発生するようになっており、
前記結合手段は、各ブレードと前記外基体とを接続する接続手段と、駆動手段と、を備え、
前記接続手段は、前記揚力に伴って前記接続手段に惹起される張力の作用線が前記軸を通らないように、前記ブレードと前記外基体とを接続しており、一端が前記ブレードに固定され、他端が前記外基体に２箇所で摺動可能支持される長尺状部材を有し、
前記駆動手段は、鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた前記外基体に同軸に、かつ、相対回転自在に支持される内基体を備え、前記内基体は、モータがギア構造によって連結されており、風速が予め設定された限度を超えたときに、前記モータの駆動力によって前記内基体を回転させ、前記内基体とギア構造により接続された前記長尺状部材は、前記外基体内に引き込まれるように移動し、風速が予め設定された値を下回ると、前記モータを逆回転させ、前記長尺状部材が前記外基体から外側方向に移動する、
風車。

【請求項3】

前記各ブレードは、翼状の形状を有し、後方からの風を受けられるように、回転方向の後方側に開口を設け、各ブレード内に風を受ける空洞を設けている、請求項１または２に記載の風車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、風力発電用として好適な風車に関し、更に詳しく言えば、ヨットの走行方式の１つであるウインドアビーム方式の原理で揚力を発生させ、それを張力を介してトルクに変換できるようにした風車に関する。

【背景技術】

【0002】

風を受けるブレード（板状乃至葉状部材）に作用する力、特に揚力を、ブレードの支持に用いられる接続手段（接続部材）に生じる張力を介して風車回転のためのトルクに変換して有効利用する風車がある（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４４５６６６０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

風力発電は、昼夜、天候に関わらず、風があれば発電できるが、ビル風、ベランダ風など市街地では風向速が大きく変動するため、風向き反転対応が不要で、微風から台風などまでの風速に耐える風車が求められている。
特許文献１に開示の風車では、揚力調節の機能がなく風速によっては風車の構造的な耐久強度を超過する可能性がある。
そこで本発明の目的は、前記揚力が前記風車の構造的な耐久強度を超過しないように抑制することができる、新方式の風車を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係る風車は、鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた基体と、該基体の周囲に配置された少なくとも３枚のブレードと、各ブレードを前記基体に対して機械的に結合する結合手段とを含んでいる。各ブレードは、前記軸から離れた側の面である外側ブレード面と前記軸に近い側の面である内側ブレード面とを有する。

【0006】

そして、前記外側ブレード面は、前記軸に垂直な断面内において前記軸から離れる側に膨らんだ湾曲形状を有する一方、前記内側ブレード面は、前記基体が少なくとも各ブレードに対応する部分において提供する外周面に対向して延在している。これにより、前記軸の側方から到来し、前記外側ブレード面に沿って通過する気流と前記内側ブレード面と前記外側基体面との間を通過する気流とが生じることによって前記ブレードには、前記ブレードを前記軸から離隔させようとする揚力が発生し得る。

【0007】

また、前記結合手段は、各ブレードと前記基体とを接続する接続手段を備えており、前記接続手段は、前記揚力に伴って前記接続手段に惹起される張力の作用線が前記軸を通らないように、前記ブレードと前記基体とを接続している。これにより、風車を回転させるトルクが生じる。また更に、前記軸に垂直な断面内において楔形状の少なくとも１つの分流器が付設され、前記分流器が、前記軸の側方から到来する風を受けて前記軸の両側に逸れるように指向する２つの流れが生成される。

【0008】

ここで、前記基体は、前記軸を中心軸の持つドラム形状とすることができる。また、前記基体は、前記軸を中心軸の持つ多角柱形状を有していても良い。前記接続手段は、弾性的に伸縮可能な部材を含み、各ブレードは前記張力に応じて前記軸からの距離を変え得るようになっていることが好ましい。

【0009】

本発明の一実施形態は、
鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた中空の外基体と、前記軸の周りに回転可能であって前記外基体内に配置された中空の内基体と、該外基体の周囲に均等に配置された少なくとも３枚のブレードと、各ブレードを前記外基体に対して機械的に結合する結合手段とを含む風車であって、
各ブレードは、前記軸から離れた側の面である外側ブレード面と前記軸に近い側の面である内側ブレード面とを有し、
前記外側ブレード面は、前記軸に垂直な断面内において前記軸から離れる側に膨らんだ湾曲形状を有し、
前記内側ブレード面は、前記外基体が少なくとも各ブレードに対応する部分において提供する外周面に対向して延在し、前記軸の側方から到来し、前記外側ブレード面に沿って通過する気流と前記内側ブレード面と前記外基体の外周面との間を通過する気流とが生じることによって前記ブレードには、前記ブレードを前記軸から離隔させようとする揚力が発生するようになっており、
前記結合手段は、各ブレードと前記外基体とを接続する接続手段と、駆動手段と、を備え、
前記接続手段は、前記揚力に伴って前記接続手段に惹起される張力の作用線が前記軸を通らないように、前記接続手段は、一端が前記ブレードに固定され、他端が前記外基体に２箇所で摺動可能支持される長尺状部材を有し、
風車にかかる風力乃至風速に応じて、前記内基体を前記外基体に対して相対的に回転させるために、前記軸に近い側の面である内側ブレード面と前記外基体の前記外周面とで形成される領域内に、前記軸に平行なウィンドキャッチャを少なくとも３枚備え、
前記駆動手段は、鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた前記外基体に同軸に、かつ、相対回転自在に支持される内基体を備え、
前記長尺状部材は、前記内基体の外周面とギア接続され、
前記内基体は、前記軸と巻き戻しスプリングで接続されており、
前記ウィンドキャッチャは、前記ウィンドキャッチャの上部と下部が連結部材により前記内基体の上部と下部とに連結されており、
前記ウィンドキャッチャは、風車にかかる風力乃至風速に応じて、前記内基体を前記外基体に対して前記軸を中心として相対的に回転させ、
前記内基体の前記外基体に対する相対的な回転量を制限する内部ドラムストッパーを備えている。
前記各ブレードは、翼状の形状を有し、後方からの風を受けられるように、回転方向の後方側に開口を設け、各ブレード内部に風を受ける空洞を設けてもよい。

【0010】

本発明の他の実施形態は、
鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた中空の外基体と、前記軸の周りに回転可能であって前記外基体内に配置された中空の内基体と、該外基体の周囲に均等に配置された少なくとも３枚のブレードと、各ブレードを前記外基体に対して機械的に結合する結合手段とを含む風車であって、
各ブレードは、前記軸から離れた側の面である外側ブレード面と前記軸に近い側の面である内側ブレード面とを有し、
前記外側ブレード面は、前記軸に垂直な断面内において前記軸から離れる側に膨らんだ湾曲形状を有し、
前記内側ブレード面は、前記外基体が少なくとも各ブレードに対応する部分において提供する外周面に対向して延在し、前記軸の側方から到来し、前記外側ブレード面に沿って通過する気流と前記内側ブレード面と前記外基体の外周面との間を通過する気流とが生じることによって前記ブレードには、前記ブレードを前記軸から離隔させようとする揚力が発生するようになっており、
前記結合手段は、各ブレードと前記外基体とを接続する接続手段と、駆動手段と、を備え、
前記接続手段は、前記揚力に伴って前記接続手段に惹起される張力の作用線が前記軸を通らないように、前記ブレードと前記外基体とを接続しており、一端が前記ブレードに固定され、他端が前記外基体に２箇所で摺動可能支持される長尺状部材を有し、
前記駆動手段は、鉛直方向に延在する軸の周りで回転可能に設けられた前記外基体に同軸に、かつ、相対回転自在に支持される内基体を備え、前記内基体は、モータがギア構造によって連結されており、風速が予め設定された限度を超えたときに、前記モータの駆動力によって前記内基体を回転させ、前記内基体とギア構造により接続された前記長尺状部材は、前記外基体内に引き込まれるように移動し、風速が予め設定された値を下回ると、前記モータを逆回転させ、前記長尺状部材が前記外基体から外側方向に移動する。
前記各ブレードは、翼状の形状を有し、後方からの風を受けられるように、回転方向の後方側に開口を設け、各ブレード内部に風を受ける空洞を設けてもよい。

【発明の効果】

【0011】

回転軸周りに配置され、風を受けるブレードに生じる力（特に揚力）を、張力を介して風車回転用のトルク生成に有効利用できる。従って、トルク生成の効率を高める事が容易である。また、従来の揚力型風車等と比べて、ブレードに生じる揚力自体に大きな回転方向成分を生じさせなくとも、風車回転用のトルクが得られるので、ブレードの断面形状や配置方向等の選択自由度が高くなる。更に、鉛直方向に延在する回転軸周りで回転可能な基体（以下、「回転基体」）の寸法、特に奥行き寸法（鉛直方向に沿った寸法）の選択を通して、ブレードの面積を大きくすることが容易で、大きな揚力を得て、そこから大きなトルクを生成することも容易である。
そして、前記駆動手段は、各ブレードの前記軸からの距離を変えることが容易である。これによって、前記揚力が前記風車の構造的な耐久強度を超過しないように抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の１つの実施形態に係る風車について説明するための正面図である。

【図2】図１に示した風車の上面図である。

【図3】図１、図２に示した風車について、接続手段に含まれる伸縮部と規制筒の例を示した図である。

【図4】図１、図２に示した風車について、接続手段に含まれる伸縮部と規制筒の別の例を示した図である。

【図5】本発明に係る風車で用い得るブレードの断面構造（翼素の形状）について、第１例（ａ）、第２例（ｂ）及び第３例（ｃ）を示したものである。

【図6】本発明に係る風車におけるトルク生成について説明する図である。

【図7】各ブレードの軸からの距離を変化させる第１の駆動手段を示す図である。

【図8】各ブレードの軸からの距離を変化させる第２の駆動手段を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。先ず、図１〜図３を参照すると、本発明の１つの実施形態に係る風車の概略構造が、正面図、上面図及び部分拡大図で示されている。なお、図１及び図２中に記された座標系（右手系の直交Ｘ座標）は、方向を示すための便宜的なもので、Ｚ方向が回転軸〇４の延在方向（図１において＋Ｚが上方向、−Ｚが下方向）を指し、Ｘ方向は図１において左右方向（＋Ｘが水平右方向、−Ｘが水平左方向）を指している。Ｙ方向は、Ｘ方向とＺ方向のいずれにも垂直な方向で、図１においては紙面に垂直で向こう向きが＋Ｙ、こちらきが−Ｙとなる。また、図２においては水平右方向が＋Ｙ方向、水平左方向が−Ｙ方向となる。

【0014】

特に図１の正面図と図２の上面図を合わせて参照すると判るように、風車は設置面（水平な地面）ＧＲ上の適所に築かれた設置ベース１０上に設置されている。設置ベース１０上には、＋Ｚ方向（鉛直上方向）に向けて延在する回転軸〇４が設けられ、同回転軸〇４上には外基体１１が軸支されている。なお、軸支のための機構については、周知の軸受機構を用いることができるので、詳細は省略する。

【0015】

外基体１１は、ここでは回転軸〇４と一致する中心軸と円筒状の外周面１３と内周面を持つドラム形状の中空部材で構成されている。図１，図２では外基体１１の外周面１３のみが示されているが、外基体１１は、外周面１３と図示しない内周面とを有する所定の厚みを持つ円筒状の物体である。外基体１１の外周面１３の“外側”には、回転軸〇４周りに略等角度間隔で配列するように少なくとも３枚（ここでは３枚を例示）のブレード２１〜２３が取り付けられている。なお、本明細書においては、特に断らない限り、“外側”とは、“基体の回転軸から離れる側（基体の回転軸から遠い側）”を意味し、“内側”とは、“外基体の回転軸に向かう側（基体の回転軸に近い側）”を意味するものとする。

【0016】

各ブレード２１〜２３は湾曲板状部材からなり、外基体１１の外周面１３の一部を外側から覆うように配置されている。本実施形態の場合、各ブレード２１〜２３の形状と寸法は実質的に同一である。即ち、図１の描示から容易に理解されるように、各ブレード２１〜２３は、Ｚ方向に沿ってドラム形状の基体１１の全長をカバーし、更に各側端面１２、１４から若干張り出す態様（各側端面１２、１４から張り出す縁部を持つ態様）で設けられている。一方、ブレード２１〜２３一枚当たりの回転軸〇４周りのカバー角度範囲は６０度程度とされている。

【0017】

但し、これはあくまで例示であって、各ブレード２１〜２３について、外基体１１の外周面１３との間の風の通路の確保が阻害されない限り、特に絶対的な制限はなく、例えばブレード２１〜２３一枚当たりの回転軸〇４周りのカバー角度範囲を３０度〜９０度の間で適宜選択することができる。一般には、回転軸〇４周りに配置するブレードの枚数が多い程、１枚当たりのカバー角度範囲は小さくされることが好ましい。例えば、１枚当たりのカバー角度範囲を２０度として、１２枚の同形同寸のブレードを回転軸〇４周りで３０度毎に配置しても良い。なお、各ブレード２１〜２３は、回転方向の後方側に開口を設け、各ブレード内部に風を受ける空洞を設け、お椀型の風車のブレードとしてもよい。

【0018】

また、Ｚ方向に沿ってのカバー範囲についても、必ずしも基体（ここではドラム形状の外基体１１）の全長をカバーする必要はない。例えば、外基体１１のＺ方向の全長を略二分し、２枚にブレードで略半分ずつをカバーしても良い。更に、各ブレードのサイズを大小混ざったものとすることもできる。

【0019】

次に、各ブレード２１〜２３の支持の仕方について、主として図２、図３を参照して説明する。各ブレード２１〜２３は、外基体１１に対して機械的に結合されることによって支持される。そのための手段（結合手段）は、各ブレード２１〜２３と外基体１１とを接続する接続手段を備えている。本実施形態では、図２に示すように、ブレード２１〜２３の各々について、接続手段は３つの部分で構成されている。各３つの部分の内、ブレード２１〜２３側と外基体１１側の部分には、夫々ブレード側接続部材（第１アーム状接続要素）Ａ１〜Ａ３と基体側接続部材（第３アーム状接続要素）Ｃ１〜Ｃ３が用いられている。

【0020】

そして、両者をブリッジする部分に中間接続部Ｂ１〜Ｂ３が設けられている。各接続部材セットＡ１、Ｃ１〜Ａ３、Ｃ３について、中間接続部Ｂ１〜Ｂ３は、図３に示すように、伸縮ばね（伸縮弾性部材）ＳＰ１〜ＳＰ３を挿通させた規制筒（外基体１１の上側の側端面１２（底面側では側端面１４）に固定）で構成されている。各伸縮ばねＳＰ１〜ＳＰ３の両端は夫々対応する接続部材セットＡ１、Ｃ１〜Ａ３、Ｃ３間を伸縮可能に繋いでいる。なお、外観上、中間接続部は規制筒に対応するので、説明の便宜上、符号Ｂ１〜Ｂ３を、規制筒を指す符号としても使用する。

【0021】

各ブレード２１〜２３について、これら３つの部分からなるセットは、外基体１１の頂部側と底部側に設けられるが、各側における配置と構造の態様は同等なので、詳細説明は主として頂部側を例にとって行う。図２に描かれているように、外基体１１の頂部側において、各ブレード側接続部材Ａ１〜Ａ３のブレード側の端部は、対応するブレード２１〜２３の側端の固定個所（以下、便宜上、「第１の固定個所」という）４１ａ〜４３ａで当該各ブレード２１〜２３に固定されている。なお、図１では、接続部材の描示は殆ど省略されており、基体頂部側及び底部側でそれぞれ第１の固定個所に対応する個所（３個所ずつ）の内の各２個所のみ符号４１ａ、４２ａ、４１ｂ、４２ｂで示した。

【0022】

一方、各基体側接続部材Ｃ１〜Ｃ３の基体側の端部は、外基体１１の頂部側の側端面１２の固定個所（以下、便宜上、「第２の固定個所」という）５１〜５３で側端面１２に固定されている。なお、外基体１１の底部側の側端面１４においても各接続部材の基体側端部が第２の固定個所に対応する個所で固定されている（図示は省略）。このように、各ブレード２１〜２３について、接続部材が伸縮可能な部分を有しているので、後述するように、風の作用によりブレード２１〜２３に揚力が発生すると、揚力の強さに応じてブレード２１〜２３は外基体１１の外周面１３から離れるように移動する。規制筒Ｂ１〜Ｂ３は、ブレード２１〜２３が風を受けて大きく揺動することを防止する（伸縮ばねＳＰ１〜ＳＰ３が大きく屈曲することを防止）。

【0023】

なお、ブレード２１〜２３乃至それを外基体１１に接続する接続手段の揺動をより効果的に防止する観点から、規制筒をブレード２１〜２３側に接近させて設置することも考えられる。図４はその例を示す。図４に示した例においては、各ブレード２１〜２３について、１本のアーム状部材Ａ１’（Ａ２’、Ａ３’）と１個の伸縮ばね（伸縮弾性部材）ＳＰ１’（ＳＰ２’、ＳＰ３’）とを接続した接続部材が採用されている。接続部材の両端の接続については、図３に示した例と同様なので説明は省略する。

【0024】

また、無揚力あるいは弱い揚力しか発生していない場合や、揚力ではなくブレード２１〜２３を外基体１１の外周面１３側に押し付ける力が作用する場合には、ブレード２１〜２３は外基体１１の外周面１３に接近する（接触しても良いが、密着することは好ましくない）。

【0025】

さて、各ブレード２１〜２３は上述した如く外基体１１の外周面１３の外側で支持されているので、上方（＋Ｚ方向）から見ていずれかのブレード２１〜２３に沿うような風が吹くと、風はそのブレード２１〜２３と外基体１１の外周面１３の間にも入り込み、ブレード２１〜２３になんらかの力が作用する。本実施形態では、そのような風の成分が生じ易くするために、回転軸〇４の側方からの風（図２では＋Ｙ方向の風を例示）を受けた時に、回転軸〇４及びその周辺（近傍）に向かって進もうとする空気の流れを回転軸〇４の両側に逸らすように指向させるよう、流れを分岐させる楔形状の分流器３１〜３３が、外基体１１の周囲の「適所」に配置されている（図１、図２参照）。

【0026】

各分流器３１〜３３は、全体としては鉛直方向に沿って延在する柱状の部材で構成され、各分流器３１〜３３は、回転軸〇４に垂直な断面内で楔形状を有し、楔形状の先細り側が半径方向（回転軸〇４から離れる方向）を向くように配置されている（図２参照）。なお、上記の「適所」とは、外基体１１の回転時のブレード２１〜２３の軌道より外側で、ブレード２１〜２３の回転移動に支障の無い位置のことであるが、外基体１１の外周面１３から余り離れると、ブレード２１〜２３と基体１１の外周面１３の間に入り込む風を生成する能力が落ちるので、結局、分流器３１〜３３の設置位置は、風車の回転の邪魔にならない条件でなるべく外基体１１の外周面１３に近い位置とするのが好ましい。

【0027】

分流器３１〜３３の設置数についても設計的に定めれば良く、３つはあくまで例示である。今、図１、図２に示した例で、図２中で左方から（−Ｙ方向から）風が吹いている状態を考えてみると、分流器３１が機能を発揮し、ブレード２１の一端（風上側の一端）へ向かう流れと、ブレード２２の一端（風上側の一端）付近へ向かう流れの生成が促進される。

【0028】

そして、風は更にブレード２１、２２の各一端付近から、各ブレード２１、２２の外側と内側を流れることになる。ここで、各ブレード２１、２２の内側面は外基体１１の外周面１３の一部（各ブレード２１、２２に対応する部分）に対向しているので、各ブレード２１、２２と外周面１３（各ブレード２１、２２に対応する部分）との間には、風の通路となり得る。但し、前述した伸縮ばねによって通路の形成が妨げられないように配慮する。そのために、伸縮ばねは、中立状態（無風状態）で各ブレード２１〜２３が外周面１３から多少浮き上がって（離れて）配置されるように設けられることが好ましい。

【0029】

さて、本発明では、上記したように、ブレードのいずれか（少なくとも１枚）について、一方側（風上側）から他方側（風下側）へ、ブレードの両側を風が吹き抜ける際に発生し得る揚力を、風車回転の主たる原動力とする。その意味で、本発明に係る風車は基本的には「揚力型風車」の一種であるということができる。但し、外基体１１の丁度風下側に位置するブレード（図２の例ではブレード２３）についても、僅かであるが風車回転に一部寄与し得る。なぜならば、外基体１１の丁度風下側に位置するブレード２３には、その両端から外周面１３との間に風が入り込もうとする結果、ブレード２３を外周面１３から離そうとする力が生じるからである。この力は、空気力学的な意味での「揚力」には当たらないが、「ブレードを外周面１３から離そうとする力」という点では、ブレード２１、２２に発生し得る揚力と共通している。

【0030】

ここで、ブレードがブレード２１、２２のような位置にある時に揚力を発生するに適したブレードの断面形状の条件を考える。ここで言う、断面形状は、鉛直方向（回転軸の延在方向）に垂直な断面内における形状のことで、このような断面内で取り出したブレード断面片を「翼素」と呼ぶことがある。以下の説明では、この語を適宜使用する。さて、揚力発生のための翼素形状の条件である。

【0031】

ブレード２１，２２として「翼状」のブレードを採用することもできる。図５（ａ）〜図５（ｃ）はその例を示している。これら各図において、ＰＳ１〜ＰＳ３は、回転軸周りで回転する基体の外側表面（図２の例では外周面１３）で、図５（ｃ）では平坦面となっており、このようなケースは例えば「多角形状の基体」の採用時に該当する。また、直線Ｎは、基体の回転軸と翼素代表点（翼素の面積重心）を通る直線である。

【0032】

図５（ａ）は、直線Ｎに関して対称であるが、外側面、内側面の外側への膨らみの曲率が、外側面の方が大きいことが特徴となっている。このブレードＢＬ１の翼素形状の下で、外側面に沿って流れる空気の流速は、内側面と外側表面ＰＳ１との間の通路を流れる空気の流速より大きくなる。図５（ｂ）のブレードＢＬ２は典型的な翼素形状を有し、直線Ｎに関して非対称であり、外側面、内側面の外側への膨らみの曲率が、外側面の方が大きくなっている。このような翼素形状においても、外側面に沿って流れる空気の流速は、内側面と外側表面ＰＳ２との間の通路を流れる空気の流速より大きくなる。

【0033】

図５（ｃ）は、図５（ａ）、（ｂ）とは異なり、外側面が外側に凸に湾曲する一方で内側面は内側に凸に湾曲した翼素形状を有するブレードＢＬ３を用いている。なお、図中の破線ＬＬは翼素の先端（風上側端）ＬＡと末端（風下側端）ＬＢとを結んだ直線で、翼素形状は、破線ＬＬの上側（外側）の面積が破線ＬＬの下側（内側）の面積を上回るように設計されている。また、回転基体としては平坦な外側表面ＰＳ３を提供するものを採用して通路形成に利用している。この場合も、外側面に沿って流れる空気の流速が、内側面と外側表面ＰＳ３との間の通路を流れる空気の流速より大きくなる点に変わりはなく、従って、揚力の発生に支障はない。
なお、前記各ブレードは、翼状の形状を有し、後方からの風を受けられるように、回転方向の後方側に開口を設け、各ブレード内部に風を受ける空洞を設けてもよい。

【0034】

ここで、図６を参照して、上述した諸例においてブレードに揚力が発生した時に、これが風車回転のトルクに変換される理由を説明する。ここでは、説明を簡単にするために、図６に示したように、接続手段のブレードＢＬ側の固定個所Ｆ１（第１の固定個所）と基体側の固定個所Ｆ２（第２の固定個所；図２における固定個所５１〜５３に対応）とを結ぶ直線が、第１の固定個所Ｆ１と回転軸Ｏとを結ぶ直線に対してなす角度をΦ１とする。更に、三角形Ｆ１ＯＦ２を考え、残りの内角を図示の如くθ１、θ２とする。ｄは、ＯＦ２間の距離である。ここで、図２の例に例示したように、第２の固定個所Ｆ２は、回転軸Ｏの側方にずれた位置にある。

【0035】

今、ブレードＢＬに揚力Ｆが発生すると、その主成分の向きは概略、回転軸Ｏを中心として半径方向となる。また、揚力Ｆ（合力）の作用点は一般に、第１の固定個所Ｆ１に近いと仮定し、ここではＦ１が揚力Ｆ（合力）の作用点になる例で考える。すると、揚力ＦはＯＦ２×ＣＯＳΦ１に比例した左周りのモーメントを生じ得ることになる。つまり、ブレードＢＬを接続手段を介して基体に固定するにあたり、基体側の固定個所（第２の固定個所）Ｆ２を、ブレードＢＬに生じた揚力に由来して接続手段に作用する張力の作用線が回転軸Ｏを通らないように偏心設定することで、同張力をトルク生成源として利用できるようにする。

【0036】

このようなトルク生成により、風車は図６あるいは図２において、左周りで回転することになる。なお、第２の固定個所Ｆ２は、第２の固定個所Ｆ２と回転軸Ｏを結ぶ直線が半径方向となす角度θ２やＯＦ２間の距離ｄは設計的に選択すれば良い。但し、張力Ｓの作用線が回転軸Ｏを通ることがあってはならないので、そのために、角度θ２を０度あるいは１８０度から十分外れた値とすることが好ましい。また、ＯＦ２間の距離ｄは余り小さくしないことが好ましい。

【0037】

図２に示されるように、ブレード２１〜２３が風を受けて大きく振動するのを防止する機構として、規制筒Ｂ１〜Ｂ３が設けられている。規制筒Ｂ１〜Ｂ３内にはそれぞれ、伸縮ばねＳＰ１〜ＳＰ３が備わっている。

【0038】

図２に示されるように、揚力の強さに応じてブレード２１〜２３は基体１１の外周面１３から離れるように移動する。風力乃至風速によっては、風車の許容風力乃至許容風速を超過することがありうる。そこで、許容風力乃至許容風速を超過した場合、ブレード２１〜２３を、回転軸〇４方向に移動させ、風車の回転モーメントを小さくする手段を備える風車としもよい。

【0039】

図７は、各ブレードの軸からの距離を変化させる第１の駆動手段を示す図である。この実施形態では、回転軸〇４を中心軸として、本体ドラムである外基本１１と、その内側に、外基体１１の内周面より径の小さい外周面を有する内基体６１を備えている。

【0040】

外基体１１は、ここでは回転軸〇４と一致する中心軸と円筒状の外周面１３と内周面を持つドラム形状の中空部材で構成されている。図７では外基体１１の外周面１３のみが示されているが、外基体１１は、外周面１３と図示しない内周面とを有する所定の厚みを持つ円筒状の物体である。

【0041】

外基体１１の外周面１３の“外側”には、回転軸〇４周りに略等角度間隔で配列するように少なくとも３枚（ここでは３枚を例示）のブレード２１〜２３が取り付けられている。“外側”とは、“基体の回転軸から離れる側（基体の回転軸から遠い側）”を意味し、“内側”とは、“基体の回転軸に向かう側（基体の回転軸に近い側）”を意味するものとする。

【0042】

また、内基体６１は、ここでは回転軸〇４と一致する中心軸と円筒状の外周面６３と内周面を持つドラム形状の中空部材で構成されている。図７では内基体６１の外周面６３のみが示されているが、内基体６１は、外周面１３と図示しない内周面とを有する所定の厚みを持つ円筒状の物体である。

【0043】

回転軸〇４と内基体６１の内周面とは巻き戻しスプリング６４で連結されている。このため、外基体１１と内基体６１とは巻き戻しスプリング６４により規制された状態で相対回転が可能である。

【0044】

ウィンドキャッチャ６５は、外基体１１の内周面と内基体６１の外周面の間に設けられている。ウィンドキャッチャ６５の上部と下部は、連結部材６６ａ，６６ｂにより、内基体６１の上部と下部とで連結されている。ウィンドキャッチャ６５は、風車にかかる風力乃至風速に応じて、内基体６１を外基体１１に対して相対的に回転させる。

【0045】

ブレード２１の内側ブレード面の上部と下部にアームＤ，Ｄが固定されている。そして、ブレード２１と外基体１１とは、ブレード２１の上部と下部とで、棒状の部材からなるアームＤ，Ｄにより摺動自在に接続されている。上部と下部のアームＤ，Ｄはそれぞれ、外基体１１の所定箇所に設けられた２つの穴部１３ａ，１３ｂを摺動自在に貫通することにより、外基体１１により穴部１３ａ，１３ｂの２カ所で摺動自在に支持されている。

【0046】

ブレード２１に固定されているアームＤと内基体６１とは、アームＤに設けられたラックと内基体６１の外周面６３に設けられた歯車とによるギア構造により、連結されている。この構造によって、内基体６１の回転運動が、アームＤの並進運動に変換される。

【0047】

ウィンドキャッチャ６５が風力を受けて、ウィンドキャッチャ６５は、このウィンドキャッチャ６５に連結部材６６ａ，６６ｂを介して連結された内基体６１を、外基体１１の回転方向に対して相対的に反対方向に回転させる。そうすると、内基体６１とギア構造により接続されたアームＤは、外基体１１の内に引き込まれるように移動する。これにより、ブレード２１と回転軸〇４との距離が小さくなる。

【0048】

内基体６１の外基体１１に対する相対的な回転は、内部ドラムストッパー６７ａ，６７ｂによって回転の限度が設定されている。内部ドラムストッパー６７ａは、外基体１１の内周面に設けられている。一方、内部ドラムストッパー６７ｂは、内基体６１の外周面６３に設けられている。内基体６１が外基体１１に対して相対的に後方に回転すると、内部ドラムストッパー６７ａと内部ドラムストッパー６７ｂが接触し、内基体６１の相対的な後方回転は停止する。

【0049】

ウィンドキャッチャ６５が受ける風力が弱くなると、巻き戻しスプリング６４により、上記と反対方向に内基体６１が相対的に回転する。これにより、アームＤ，Ｄが外基体１１に対して外側方向に移動する。これによって、アームＤ，Ｄに固定されたブレード２１は回転軸〇４からの距離が大きくなる。

【0050】

図８は、各ブレードの軸からの距離を変化させる第２の駆動手段を示す図である。第２の駆動手段は、ブレード２１を外基体１１の外周面１３に対して離隔あるいは接近させるために小型モータ７０を用いる実施形態である。

【0051】

この実施形態では、回転軸〇４を中心軸として、本体ドラムである外基体１１と、外基体１１内に配置されている内基体６１を備えている。なお、図８にはブレード２１のみが示されているが、実際には複数枚のブレードが上述の実施形態と同様に、外基体１１の外周面１３の周囲に均等に配置されている。なお、各ブレード２１〜２３は、回転方向の後方側に開口を設け、各ブレード内部に風を受ける空洞を設け、お椀型の風車のブレードとしてもよい。

【0052】

ブレード２１の内側ブレード面の上下２カ所に棒状の部材からなるアームＤが固定されている。そして、それぞれのアームＤは、円筒状の外基体１１の側面に設けられた２つの穴部１３ａ，１３ｂを摺動自在に貫通する。このことにより、アームＤはそれぞれ外基体１１により穴部１３ａ，１３ｂの２カ所で摺動支持されている。ブレード２１の内側ブレード面に固定されているアームＤと内基体６１とは、アームＤに設けられたラックと内基体６１の外周面６３に設けられた歯車とによるギア構造により、連結されている。

【0053】

小型モータ７０は、ギア機構によって小型モータ７０の回転力が内基体６１に伝達可能なように連結されている。図示しない風速計により測定された情報に基づいて小型モータは図示しない制御装置により駆動制御されている。風速が予め設定された限度を超えたときに、小型モータ７０の駆動力によって内基体６１を回転させる。そうすると、内基体６１とギア構造により接続されたアームＤは、外基体１１内に引き込まれるように移動する。これにより、ブレード２１と回転軸〇４との距離が小さくなる。

【0054】

風速が予め設定された値を下回ると、小型モータ７０を上記と逆回転させ、上記と反対方向に外周面６３が回転する。これにより、アームＤが外基体１１から外側方向に移動する。アームＤに固定されたブレード２１は回転軸〇４からの距離が大きくなる。

【符号の説明】

【0055】

２１〜２３、ＢＬ、ＢＬ１〜ＢＬ３ ブレード
１０ 設置ベース
１１ 外基体（回転ドラム）
１２ 側端面（頂部側）
１３ 外周面
１３ａ，１３ｂ 穴部
１４ 側端面（底部側）
３１〜３３ スプリッタ（分流器）
４１〜４３ 接続手段の端部（ブレード側）
５１〜５３ 接続手段の端部（基体側）
６１ 内基体
６３ 外周面
６４ 巻き戻しスプリング
６５ ウィンドキャッチャ
６６ａ，６６ｂ 連結部材
６７ａ，６７ｂ 内部ドラムストッパー
７０ 小型モータ

Ａ１〜Ａ３ ブレード側接続部材（第１接続要素）
Ａ１’〜Ａ３’ アーム状接続部材
Ｂ１〜Ｂ３ 中間接続部（規制筒）
ＢＬ４ 内側ブレード
ＢＬ５ 外側ブレード（補助ブレード；整流用）

Ｃ１〜Ｃ３ 基体側接続部材（第３接続要素）

Ｄ アーム
Ｅ アーム

ＧＲ 設置面（地面）
Ｎ 基体の回転軸と翼素代表点を通る直線
〇４ 回転軸
ＰＳ、ＰＳ１〜ＰＳ３ 基体の外側表面
ＳＰ１〜ＳＰ３、ＳＰ１’〜ＳＰ３’ 伸縮ばね（伸縮弾性部材）

【要約】

【課題】回転基体の周囲に配置したブレードに生じた揚力を、張力を介してトルクに変換でき、かつ、前記揚力が前記風車の構造的な耐久強度を超過しないように抑制することができる風車。
【解決手段】
ブレード２１に固定されているアームＤと、内基体６１とは、ギア構造により、連結されている。ウィンドキャッチャ６５が風力を受けて、内基体６１を回転させる。そうすると、内基体６１とギア構造により接続されたアームＤは、外基体１１内に引き込まれるように移動する。これにより、ブレード２１と回転軸〇４との距離が小さくなる。ウィンドキャッチャ６５が受ける風力が弱くなると、巻き戻しスプリング６４により、上記と反対方向に内基体６１が回転する。これにより、アームＤが外基体１１から外側方向に移動する。アームＤに固定されたブレード２１は回転軸〇４からの距離が大きくなる。
【選択図】図７

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】