特開 2024-151521 風車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024151521

(43)【公開日】2024-10-25

(54)【発明の名称】風車

(51)【国際特許分類】

   F03D 3/06 20060101AFI20241018BHJP

【ＦＩ】

F03D3/06 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023064935

(22)【出願日】2023-04-12

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】100114959

【弁理士】

【氏名又は名称】山▲崎▼ 徹也

(72)【発明者】

【氏名】磯野 宏

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA13

3H178AA40

3H178AA43

3H178BB31

3H178CC05

3H178DD02X

3H178DD70X

(57)【要約】

【課題】風力エネルギーの取得効率に優れた風車を提供する。
【解決手段】シャフト１と、シャフト１と直交して径外方向に延出し、シャフト１の周りに回転自在な少なくとも二つの腕部材３と、揺動可能な状態で腕部材３に支持されシャフト１を中心に公転する羽根部材４と、羽根部材４の揺動に伴って回転する第１部材Ｇ１と、第１部材Ｇ１と相対回転し、シャフト１に設けられた第２部材Ｇ２と、を備え、第１部材Ｇ１と第２部材Ｇ２が連結することで、羽根部材４が風の方向に沿う速度成分を有する順風領域Ａ１と、風の方向に逆らう速度成分を有する逆風領域Ａ２と、を交互に公転し揺動する際に、羽根部材４からの伝達トルクが腕部材３の回転トルクに変換される風車Ｆ。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シャフトと、
前記シャフトと直交して径外方向に延出し、前記シャフトの周りに回転自在な少なくとも二つの腕部材と、
揺動可能な状態で前記腕部材に支持され前記シャフトを中心に公転する羽根部材と、
前記羽根部材の揺動に伴って回転する第１部材と、
前記第１部材と相対回転し、前記シャフトに設けられた第２部材と、を備え、
前記第１部材と前記第２部材が連結することで、前記羽根部材が風の方向に沿う速度成分を有する順風領域と、風の方向に逆らう速度成分を有する逆風領域と、を交互に公転し揺動する際に、前記羽根部材からの伝達トルクが前記腕部材の回転トルクに変換される風車。

【請求項2】

前記腕部材が、前記羽根部材の揺動軸芯に沿うと共に前記シャフトに直交する揺動軸を備え、
前記揺動軸の一端に前記第１部材としての第１ギアが設けられ、前記シャフトに前記第２部材として前記第１ギアと歯合する第２ギアが設けられ、
前記第１ギアと前記揺動軸との間に、前記羽根部材が前記順風領域にて風に押されて揺動する際に前記揺動軸と前記第１ギアとを一体回転させ、前記羽根部材が前記逆風領域にて風に抗って揺動する際に前記揺動軸と前記第１ギアとを相対回転させる一方向クラッチを備えている請求項１に記載の風車。

【請求項3】

前記揺動軸と平行に前記腕部材に支持された第２軸を備え、
前記第２軸には前記第１ギアと歯合する第３ギアが設けられ、前記第３ギアは前記第２軸との間に、前記一方向クラッチの機能方向に対して逆回転で機能する第２の一方向クラッチを備えており、
前記揺動軸と前記第２軸が同方向に連動回転するよう構成されている請求項２に記載の風車。

【請求項4】

前記羽根部材が、前記腕部材に支持される揺動軸を備えると共に、前記揺動軸が前記シャフトと平行に延出し、前記揺動軸の一端に第１リンクが設けられ、前記腕部材に前記第１リンクと連結アームによって駆動される第２リンクが設けられ、前記腕部材に、前記第２リンクを一端に備えると共に、他端に前記第１部材としての第１ギアを備える中間軸が備えられ、
前記シャフトに前記第２部材として前記第１ギアと歯合する第２ギアが設けられ、
前記第１ギアと前記中間軸との間に、前記羽根部材が前記逆風領域にて風に抗って揺動する際に前記中間軸と前記第１ギアとを一体回転させ、前記羽根部材が前記順風領域にて風に押されて揺動する際に前記中間軸と前記第１ギアとを相対回転させる一方向クラッチを備えている請求項１に記載の風車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地表に対して垂直に設けられるシャフトと、シャフトに対して径外方向に延出する腕部材と、腕部材に対して揺動する羽根部材と、を備えた風車に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、このような風車としては例えば特許文献１に示すものがある（〔０００５〕，〔０００６〕図１参照）。

【0003】

この風車では、主軸1に取り付けられて回転する副軸2の両側に、二つの風受け板3,4が互いに角度を変えて取り付けられている。無風状態では二枚の風受け板3,4は重さの釣り合う姿勢で停止している。これに対し、風のある状態では一方の風受け板3は風圧によって下方の回転止め具5に当たるまで押し下げられ、大きな風力を受ける姿勢となる。他方の風受け板4は風の力で後部上方に押し上げられ、風圧が減少する姿勢となる。このような揺動を繰り返しつつ二枚の風受け板3,4は主軸1の周囲を回転する。

【0004】

二つの風受け板3,4の複数組が、主軸1に対して高さおよび角度を変えた状態で取り付けられ、夫々の風受け板3,4が風を受けて主軸1が回転する。風の吹く方向が不安定な場合、主軸1が回転方向を迷うことがあるため主軸1にはワンウェイクラッチ6が装着されている。また、主軸1には発電機7が併設されており、主軸1の回転が歯車を介して発電機7に伝達される。

【0005】

この装置では、風受け板3,4を連続して滑らかに回転させる為に、主軸に高さ位置や角度を変えて複数個の副軸2および風受け板3,4を取り付けてある。これにより、風向に拘わらず効率的な回転が得られ、風受け板3,4は低速回転するため騒音が少なくなるとのことである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１６－８９８１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

この従来技術の装置では、風を受けた風受け板3,4が勢いよく揺動して回転止め具5に速い速度で衝突する。このため、緩衝材が必要となったり、風受け板3,4や回転止め具5の信頼性を確保することが困難であった。

【0008】

また、風受け板3,4が風を受けて揺動する際に、風を強く受ける側の風受け板3,4に着目すると、自身が風下側に揺動移動するため、副軸2に対して回転力を伝達する効率が低減する。つまり、揺動に際して風受け板3,4の重心が風下側に移動するが、この移動によっては回転止め具5に回転トルクが付与されず、風受け板3,4が発生させる抗力の一部が主軸1の回転トルクに伝達される際に無駄になっていた。

【0009】

このように、従来の風車では種々の解決すべき課題を有しており、風力エネルギーの取得効率により優れた風車が求められていた。

【課題を解決するための手段】

【0010】

（特徴構成）
本発明に係る風車の特徴構成は、
シャフトと、
前記シャフトと直交して径外方向に延出し、前記シャフトの周りに回転自在な少なくとも二つの腕部材と、
揺動可能な状態で前記腕部材に支持され前記シャフトを中心に公転する羽根部材と、
前記羽根部材の揺動に伴って回転する第１部材と、
前記第１部材と相対回転し、前記シャフトに設けられた第２部材と、を備え、
前記第１部材と前記第２部材が連結することで、前記羽根部材が、風の方向に沿う速度成分を有する順風領域と、風の方向に逆らう速度成分を有する逆風領域と、を交互に公転し揺動する際に、前記羽根部材からの伝達トルクが前記腕部材の回転トルクに変換されるよう構成されている点にある。

【0011】

（効果）
本構成の風車では、羽根部材が順風領域を回転通過する際に風に押され、揺動することで腕部材に回転力を付与し回転速度を高める。その際に、羽根部材は、自身の表面が風に対してより多くの投影面積を持つように揺動する。

【0012】

本構成の風車では、羽根部材の揺動に伴って第１部材が回転する。第１部材は、シャフトに設けられた第２部材に対して相対回転する状態に当接する。つまり、第１部材は、第２部材に外力を加えながら第２部材の周囲を相対回転し、この回転が腕部材を加速させることとなる。

【0013】

本構成であれば、風圧を受けた羽根部材が腕部材を押す力に加え、羽根部材の揺動が腕部材の回転トルクに変換されつつ作用するから、エネルギーの取得効率が良い風車を得ることができる。

【0014】

また、羽根部材が揺動し、第１部材が第２部材の反力を受けるとき羽根部材が急激に揺動することがない。よって、羽根部材と例えば腕部材との衝突が生じ難く、羽根部材の信頼性が高まり騒音発生も少なくなる。

【0015】

（特徴構成）
本発明に係る風車にあっては、前記腕部材が、前記羽根部材の揺動軸芯に沿うと共に前記シャフトに直交する揺動軸を備え、前記揺動軸の一端に前記第１部材としての第１ギアが設けられ、前記シャフトに前記第２部材として前記第１ギアと歯合する第２ギアが設けられ、前記第１ギアと前記揺動軸との間に、前記羽根部材が前記順風領域にて風に押されて揺動する際に前記揺動軸と前記第１ギアとを一体回転させ、前記羽根部材が前記逆風領域にて風に抗って揺動する際に前記揺動軸と前記第１ギアとを相対回転させる一方向クラッチが備えられていると好都合である。

【0016】

（効果）
本構成は、第１部材を第１ギアで構成し、第２部材を第２ギアで構成してある。さらに、第１ギアと揺動軸との間には一方向クラッチを備えており、羽根部材が順風領域にて風に押されて揺動する際には揺動軸と第１ギアとが一体回転する。その一方、羽根部材が逆風領域にて風に抗って揺動する際には揺動軸は第１ギアに対して相対回転する。

【0017】

従来の風車における羽根部材は、順風領域で自身の姿勢を素早く変化させる。この場合の姿勢変化は、羽根部材が風に押されて比較的自由に揺動するものであり、この間に揺動軸を介して腕部材を加速させる効果は少ない。

【0018】

これに対し、本構成の羽根部材は、第１ギアおよび第２ギアの歯合を利用して、風を受けて揺動する際の姿勢変化を腕部材の回転トルクに変換することができる。

【0019】

特に、本構成では、羽根部材の揺動軸がシャフトに対して直角、即ち、水平方向に延出している。よって、羽根部材が順風領域で風に押されるとき羽根部材が揺動軸を中心に下方に揺動することとすれば、羽根部材の重量を利用して揺動速度を高めることができる。これにより、羽根部材が受ける風圧が早期に増大し、風車の回転速度を更に高めることも容易である。

【0020】

以上の如く、本構成であれば、風のエネルギーを風車の回転エネルギーとして効率良く取得する風車を得ることができる。

【0021】

（特徴構成）
本発明に係る風車は、前記揺動軸と平行に前記腕部材に支持された第２軸を備え、前記第２軸には前記第１ギアと歯合する第３ギアが設けられ、前記第３ギアは前記第２軸との間に、前記一方向クラッチの機能方向に対して逆回転で機能する第２の一方向クラッチを備えており、前記揺動軸と前記第２軸が同方向に連動回転するよう構成されたものであってもよい。

【0022】

（効果）
本構成のごとく二つの一方向クラッチを備えることで、羽根部材が順風領域で風に押されて揺動する状態と、逆風状態で風の抵抗を受けて後退する揺動状態の双方において、第１ギアを同じ方向に回転させることができる。これにより、腕部材の回転を加速する効果が高まり、風のエネルギーを風車の回転エネルギーとしてさらに効率良く取得することができる。

【0023】

（特徴構成）
本発明に係る風車は、前記羽根部材が、前記腕部材に支持される揺動軸を備えると共に、前記揺動軸が前記シャフトと平行に延出し、前記揺動軸の一端に第１リンクが設けられ、前記腕部材に前記第１リンクと連結アームによって駆動される第２リンクが設けられ、前記腕部材に、前記第２リンクを一端に備えると共に、他端に前記第１部材としての第１ギアを備える中間軸が備えられ、
前記シャフトに前記第２部材として前記第１ギアと歯合する第２ギアが設けられ、
前記第１ギアと前記中間軸との間に、前記羽根部材が前記逆風領域にて風に抗って揺動する際に前記中間軸と前記第１ギアとを一体回転させ、前記羽根部材が前記順風領域にて風に押されて揺動する際に前記中間軸と前記第１ギアとを相対回転させる一方向クラッチを備えた構成とすることもできる。

【0024】

（効果）
本構成では、羽根部材の揺動軸をシャフトと平行に構成し、揺動軸に設けた第１リンクから第２リンクまでを連結アームで繋げている。第２リンクは揺動軸およびシャフトと平行となるよう腕部材に軸支された中間軸に取り付けられている。また、この中間軸には、第２ギアに歯合する第１ギアが設けられている。これにより、シャフトから離間している揺動軸の回転動作を第２ギアに伝達する。

【0025】

本構成では、中間軸と第１ギアとの間に一方向クラッチを備えている。これにより、風を受けて揺動する羽根部材の姿勢変化を、第２ギアに対する第１ギアの相対回転に変え、腕部材の回転トルクに変換する。このように本構成であれば、風のエネルギーを風車の回転エネルギーとして効率良く取得することができる。

【0026】

特に、羽根部材の揺動軸をシャフトと平行に構成する場合、羽根部材の揺動に対する羽根部材自身の重量の影響が少ない。よって、順風領域と逆風領域での羽根部材の揺動姿勢の切り替えが素早いものとなり、羽根部材の受圧抵抗の変化幅が増大して風力に対する回転トルクの変換効率が向上する。

【0027】

本構成では、特に、羽根部材が順風領域から逆風領域に移動する際の羽根部材の急激な揺動を利用することができる。この領域では、羽根部材の揺動軸の進行方向が順次風に正対する方向に近付き、揺動軸の移動速度と風速とが合計されて羽根部材の対気速度が急速に増大する。よって、風圧により羽根部材は勢いよく揺動する。このとき、羽根部材には強い揺動トルクが発生し、その結果、腕部材に対しても強い回転トルクが付与される。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】第１実施形態に係る風車の構成を示す側断面図

【図2】第１実施形態に係る風車の構成を示す平面図

【図3】第１実施形態に係る羽根部材の動作態様を示す説明図

【図4】第２実施形態に係る風車の構成を示す側断面図

【図5】第３実施形態に係る風車の構成を示す側断面図

【図6】第３実施形態に係る風車の構成を示す平面図

【図7】第３実施形態に係る羽根部材の動作態様を示す説明図

【図8】第４実施形態に係る風車の構成を示す平面図

【発明を実施するための形態】

【0029】

〔第１実施形態〕
（概要）
本発明の風車Ｆの第１実施形態を図１乃至図３に示す。第１実施形態の風車Ｆは、地表に対して垂直に設けられたシャフト１の周りに回転するものである。ここでは、シャフト１に対して、径外方向に延出する四つの腕部材３を備えている。夫々の腕部材３には水平方向に張り出した揺動軸４１が回転自在に支持され、当該揺動軸４１には板状の羽根部材４が設けられている。尚、羽根部材４は、常に揺動軸４１を備えている必要はない。羽根部材４は揺動軸芯Ｘの周りに回転揺動すればよく、腕部材に設けられた揺動軸に対して、羽根部材４に形成した軸孔が挿通されるような構成であっても良い。

【0030】

羽根部材４に風が当たると、羽根部材４が風の方向に沿う速度成分を持つ順風領域Ａ１では、羽根部材４は腕部材３の一部に当接して所定の姿勢を維持する。一方、羽根部材４が風の方向に対向する速度成分を持つ逆風領域Ａ２では、羽根部材４は風圧に応じて任意の揺動姿勢を取る。

【0031】

本実施形態の揺動軸４１には、羽根部材４の揺動に伴って回転する第１部材Ｇ１が設けられている。一方、シャフト１にはこの第１部材Ｇ１と相対回転する状態に当接する第２部材Ｇ２が設けられている。羽根部材４が揺動することで第１部材Ｇ１が回転し、第２部材Ｇ２から反力を受ける。これにより、腕部材３が第２部材Ｇ２の周りを回転しようとする回転トルクが発生する。これにより、腕部材３の回転が促進され、風車Ｆの回転効率が向上する。以下、本実施形態の風車Ｆにつき詳細に説明する。

【0032】

（腕部材）
図１および図２に示すように、本実施形態ではシャフト１の所定高さの位置に四つの腕部材３が設けられている。夫々の腕部材３は、シャフト１に挿入された回転基部２に対し、径方向に延出する状態に取り付けられている。夫々の腕部材３は羽根部材４の揺動軸４１の両端をベアリングＢ等を用いて軸支している。腕部材３の数は、羽根部材４の揺動角度などに応じて隣接する羽根部材４どうしの干渉を避け得るのであれば任意である。

【0033】

夫々の腕部材３は、羽根部材４が当接する下側ストッパ３１と上側ストッパ３２を備えている。下側ストッパ３１は、羽根部材４が順風領域Ａ１で風に押された際に、羽根部材４が風圧を最も強く受ける状態に規定する。即ち、図１および図２に示すように、羽根部材４が鉛直下方に垂れ下がった姿勢となるように設けられている。この状態では風に対する羽根部材４の投影面積が最大となる。

【0034】

一方、上側ストッパ３２は、羽根部材４が逆風領域Ａ２において風圧を減らすべく水平方向に揺動する際に羽根部材４の揺動角度を規制するものである。本実施形態では羽根部材４が水平姿勢を越えて上方に跳ね上がらない位置に取り付けられている。これは、仮に逆風が強い場合に、風圧を受けた羽根部材４が水平方向を越えて上方にオーバーシュートする場合があるが、その際に羽根部材４の一方面が風圧を受け、却って回転抵抗となるのを防止するためである。

【0035】

特に、下側ストッパ３１の取付位置は、揺動軸４１に対して下方位置に偏位した位置となり風圧抵抗となる。よって、投影面積が最少となるように棒状部材などを用いて形成するとよい。また、図示は省略するが、揺動軸４１の軸支部に回転を規制する突起部等を設けておけば、下側ストッパ３１が回転方向に沿って見たとき回転基部２あるいは腕部材３の投影面積の中に納まることとなり抵抗が減少して好都合である。

【0036】

（羽根部材）
羽根部材４は、風の方向に沿う速度成分を有する順風領域Ａ１と、風の方向に逆らう速度成分を有する逆風領域Ａ２と、を交互に回転通過する。図１および図２に示すように、羽根部材４は、例えば矩形状の板部材で構成する。羽根部材４は順風領域Ａ１と逆風領域Ａ２とで素早い姿勢変化ができるよう軽量に構成することが望ましい。材質そのものを軽量な樹脂材料で構成したり、構成のフレームに布を張ったりする等各種の構成を採り得る。

【0037】

また、揺動変化を素早く行わせるために、揺動軸４１を挟んで上下に突出する面積を適宜調整すると良い。揺動軸４１から下方の領域が過大な場合、下方の重量も大きくなる。よって、順風領域Ａ１で展開し易い一方、逆風領域Ａ２で閉じ難くなり回転抵抗が増大する。また、上方の領域を大きくすると、逆風領域Ａ２では水平姿勢に変化し易いが、順風領域Ａ１で開き難くなり、回転速度が不十分となる。よって、羽根部材４の材質や、軸支部の回転抵抗、腕部材３に求める回転速度等を勘案して羽根部材４の形状を設定すると良い。

【0038】

（第１部材および第２部材および一方向クラッチ）
本実施形態の風車Ｆでは、揺動軸４１の回転運動を腕部材３の回転トルクに変換するべく揺動軸４１の端部に第１部材Ｇ１を設け、これと連携する第２部材Ｇ２をシャフト１に設けてある。図１に示すように、本実施形態では、第１部材Ｇ１を第１ギアＧ１ａで構成し、第２部材Ｇ２を第２ギアＧ２ａで構成する。第１ギアＧ１ａおよび第２ギアＧ２ａとしては例えば傘歯歯車を用いる。

【0039】

第１ギアＧ１ａは、揺動軸４１の端部に一方向クラッチＣを介して取り付けてある。一方向クラッチＣは、羽根部材４が逆風領域Ａ２から順風領域Ａ１に移行するのに際し、下方に展開するべく揺動する際に揺動軸４１の回転を第１ギアＧ１ａに伝達するように機能する。一方、羽根部材４が順風領域Ａ１から逆風領域Ａ２に移行し、羽根部材４が回転方向後方に上昇揺動する際には揺動軸４１の回転は第１ギアＧ１ａに伝達されない。

【0040】

第１ギアＧ１ａと歯合する第２ギアＧ２ａはシャフト１に固設してあり、回転基部２および腕部材３が回転する際に、第１ギアＧ１ａと第２ギアＧ２ａは必ず相対回転する。この時の第１ギアＧ１ａの回転速度に対し、羽根部材４が順風領域Ａ１で開き動作する際の揺動軸４１の回転速度が第１ギアＧ１ａの回転速度を上回るとき、第２ギアＧ２ａが第１ギアＧ１ａとの歯合の反力受部となり、回転基部２および腕部材３がシャフト１の周りの回転トルクを得て加速される。

【0041】

この様子を図３に示す。図３は、風車Ｆを上方から見た平面図である。図中下方から上方に風が吹き、右側を順風領域Ａ１とし、左側を逆風領域Ａ２としてある。羽根部材４が順風領域Ａ１の終端部である位置ａに到達するまで羽根部材４は風に押されて展開状態にある。しかし、この後、羽根部材４が逆風領域Ａ２に進入すると、位置ａ～位置ｃ（図３中の実線矢印の円弧）において羽根部材４は風圧を受けて進行方向後方に跳ね上がるように揺動する。

【0042】

羽根部材４が位置ｃに到達したとき腕部材３即ち揺動軸４１の対気速度が最大となり、羽根部材４は例えば後方水平姿勢となって揺動角が最大となる。ただし、このように羽根部材４が位置ａから位置ｃに至る際の羽根部材４の揺動方向は、一方向クラッチＣがかみ合い機能する方向と逆方向である。よって、この区間では一方向クラッチＣは空転し、腕部材３に回転を加速させる方向のトルクは作用しない。

【0043】

次に、羽根部材４が位置ｃから位置ｆ（図３中の一点鎖線矢印の円弧）に移動する際には揺動軸４１の進行方向が変化するため正対風成分が減少し、羽根部材４の質量も影響して羽根部材４は次第に前方下方に揺動する。位置ｆにおいては完全な下方姿勢つまり展開姿勢となる。特に、位置ｅから位置ｆに於いては羽根部材４が順風領域Ａ１に移行したことで追い風を受け、且つ、羽根部材４の重心が下がろうとすることで素早く展開状態となる。

【0044】

羽根部材４が位置ｃから位置ｄを介して位置ｅに至るまでの間に羽根部材４の下方への揺動速度が次第に高まり、何れかの位置で、第１ギアＧ１ａの回転速度が一方向クラッチＣがかみ合い機能する速度に達する。この位置から第１ギアＧ１ａおよび第２ギアＧ２ａの歯合により腕部材３に回転トルクが伝達される。羽根部材４が位置ｅから位置ｆに移動する間には羽根部材４は追い風および重力の影響を受けて揺動速度が更に高まるから強い回転トルクが腕部材３に伝達される。この時に、腕部材３には強い回転トルクが付与される。このあと、位置ｆから位置ａ（図３中の点線矢印の円弧）に至るまで、羽根部材４は風に押されて展開姿勢を維持する。

【0045】

従来の風車Ｆにおける羽根部材４であっても、順風領域Ａ１で自身の姿勢を変化させる。この場合の姿勢変化は、羽根部材４が風に押されて自由揺動するものであり、この間に揺動軸４１の軸回転を利用して腕部材３を加速させる効果はない。

【0046】

これに対し、本構成の羽根部材４では、風を受けて自身が揺動する際の姿勢変化に基づき、第１ギアＧ１ａおよび第２ギアＧ２ａの歯合を利用して腕部材３の回転トルクを発生させることができる。特に、本構成では、羽根部材４の揺動軸４１がシャフト１に対して直角、即ち水平方向に延出している。特に、羽根部材４が逆風領域Ａ２から順風領域Ａ１に移行する際に羽根部材４が揺動軸４１を中心に下方に揺動する。このとき羽根部材４は自身の重量や順風領域Ａ１での風圧を利用して下方への揺動速度が高まる。よって、一方向クラッチＣが有効に機能し、風車の回転速度を更に高めることができる。

【0047】

以上の如く、本構成の風車Ｆであれば、羽根部材４の支持構成を簡便なものとしながら、羽根部材４が風圧を受けて腕部材３を押す力に加えて、羽根部材４の揺動が腕部材３の回転トルクに変換されつつ作用し、風のエネルギーを風車Ｆの回転エネルギーとして効率良く取得することができる。

【0048】

（出力軸）
図１に示すように、回転基部２の上方には出力軸５１が設けられている。シャフト１の上端にギアケース６が設けられ、この中に出力軸５１が水平方向に延出する状態に設けられている。回転基部２の上方には、シャフト１の周りに回転する第１出力ギア５２が設けられ、この第１出力ギア５２と歯合する第２出力ギア５３がギアケース６に回転支持されている。第１出力ギア５２および第２出力ギア５３は例えば傘歯歯車で構成する。

【0049】

第２出力ギア５３には出力軸５１が挿入されており、図外の増速機および発電機に接続されている。増速機は、出力軸５１の回転速度の変化に対して所定の許容範囲を持つものであっても良いし、出力軸５１の回転速度変化への対応幅が狭いものであっても良い。特に、出力軸５１の回転速度を一定に設定すべき場合には、図示は省略するが、各腕部材３の下側ストッパ３１の位置を可変にして、羽根部材４の最大展開姿勢を変更可能に構成するとよい。

【0050】

〔第２実施形態〕
第２実施形態に係る風車Ｆを図４に示す。本構成では、腕部材３に対する揺動軸４１の軸支部に二つの一方向クラッチＣが設けられている。これにより、羽根部材４が順風領域Ａ１および逆風領域Ａ２の双方で揺動する際に、何れの方向の揺動においても腕部材３に回転トルクを付与することができる。尚、揺動軸４１の端部に設けられた一方向クラッチＣを第１クラッチＣ１と称し、これに近接配置されるもう一方の一方向クラッチＣを第２クラッチＣ２と称する。

【0051】

図４に示すように、第２クラッチＣ２を設けるべく、腕部材３には揺動軸４１と平行に第２軸７が軸支されている。第２軸７には第１ギアＧ１ａと歯合する第３ギアＧ３ａが設けられる。第３ギアＧ３ａと第２軸７との間には第２クラッチＣ２が備えられている。第２クラッチＣ２は第１クラッチＣ１の機能方向に対して逆回転で機能する。

【0052】

揺動軸４１には、第１ギアＧ１ａと隣接して第１スプロケットＳ１が設けられている。第２軸７には第３ギアＧ３ａと隣接する第２スプロケットＳ２が設けられている。第１スプロケットＳ１と第２スプロケットＳ２にはチェーンＳ３が巻き回され、互いに連動回転可能である。

【0053】

これにより、羽根部材４が逆風領域Ａ２を回転転する際には、羽根部材４の後方への揺動に基づいて第１スプロケットＳ１が第２スプロケットＳ２および第２軸７を回転させる。具体的には、図３における位置ａから位置ｃのうち、羽根部材４の後方揺動の速度が所定速度以上となって第２クラッチＣ２が噛み合い機能する領域である。このとき第２クラッチＣ２を介して第３ギアＧ３ａが回転される。第３ギアＧ３ａは第１ギアＧ１ａと歯合しており、羽根部材４が開き揺動する際の第１ギアＧ１ａの回転方向と同じとなる。

【0054】

本構成であれば、羽根部材４が逆風領域Ａ２から順風領域Ａ１に至る際（図３中の位置ｃ～位置ｆ）の展開揺動する状態では、第１実施形態と同様に、第１クラッチＣ１を介して第１ギアＧ１ａが第２ギアＧ２ａを反力受部として腕部材３を加速させる。一方、羽根部材４が逆風領域Ａ２で風に向かって回転する状態（図３中の位置ａ～位置ｃ）では、羽根部材４の後方且つ上方への揺動に基づいて第２クラッチＣ２が機能し、第１ギアＧ１ａを順風領域Ａ１における回転方向と同じ方向に回転させる。これにより、腕部材３の回転を加速するトルクが発生し、風のエネルギーを風車Ｆの回転エネルギーとしてさらに効率良く取得することができる。

【0055】

尚、第１スプロケットＳ１、第２スプロケットＳ２およびチェーンＳ３の構成は任意である。これらに代えて、二つのプーリーとベルトとで構成することもできる。また、第１スプロケットＳ１および第２スプロケットＳ２を夫々平歯車とし、両者の間に中間歯車を介装するものであっても良い。

【0056】

〔第３実施形態〕
第３実施形態に係る風車Ｆを図５乃至図７に示す。特に図７は、風車Ｆを上方から見た平面図である。本実施形態では、羽根部材４の揺動軸４１をシャフト１に対して平行に延出させている。回転基部２から四つの腕部材３が径方向に延出し、腕部材３の外方端部から鉛直下方に揺動軸４１が延出している。

【0057】

（腕部材）
腕部材３は、揺動軸４１を強固に支持するために例えばコの字形状に構成され、鉛直方向に延出する縦部材３ｃの上下端から、上方腕部３ａと下方腕部３ｂが夫々水平方向に延出している。揺動軸４１は上方腕部３ａの外方端部と下方腕部３ｂの外方端部とに亘ってベアリングＢなどで軸支されている。

【0058】

（羽根部材）
羽根部材４は、揺動軸４１に固定されて揺動軸４１と一体回転し、順風領域Ａ１における展開姿勢は、羽根部材４の内周側の縁部が縦部材３ｃに設けた第１ストッパ３３に当接するものとなる。一方、逆風領域Ａ２における羽根部材４の姿勢は、羽根部材４が最大に揺動した状態で自身の平面が腕部材３の延出方向に直交する方向となる（例えば図７中の位置ｄおよび位置ｅ）。そのために上方腕部３ａの外側端部および下方腕部３ｂの外側端部の少なくとも一方に、羽根部材４を直交姿勢で規制する第２ストッパ３４を設けておく。

【0059】

（クラッチ）
揺動軸４１の例えば上端には揺動軸４１と一体回転する第１リンクＲ１が設けられ、回転基部２には第１リンクＲ１と連結アームＲ３を介して接続された第２リンクＲ２が設けられている。第２リンクＲ２は、回転基部２においてシャフト１と平行に設けられた中間軸Ｒ４の端部に固定されている。中間軸Ｒ４の下方の端部には一方向クラッチＣを介して第１部材Ｇ１である第１ギアＧ１ａが設けられている。この第１ギアＧ１ａに歯合するように、第２部材Ｇ２としての第２ギアＧ２ａがシャフト１に固定されている。第１ギアＧ１ａおよび第２ギアＧ２ａは例えば平歯車で構成する。

【0060】

図５および図６に示す一方向クラッチＣは、羽根部材４が逆風領域Ａ２にて外方に開くよう揺動する際に腕部材３に回転トルクを付与するように機能する。つまり、羽根部材４が第２ストッパ３４に向けて広がる際の第１リンクＲ１および第２リンクＲ２の回転動作により、中間軸Ｒ４が回転し一方向クラッチＣを介して第１ギアＧ１ａを回転させる。第１ギアＧ１ａは第２ギアＧ２ａから反力を受け、その結果、腕部材３に回転トルクが付与される。一方、羽根部材４が逆風領域Ａ２から順風領域に亘って移動する際に第１ストッパ３３に向けて揺動する際には中間軸Ｒ４は第１ギアＧ１ａに対して空転する。

【0061】

羽根部材４の動作態様を図７に示す。図７は、風車Ｆを上方から見た平面図である。羽根部材４が順風領域Ａ１の終端部である位置ａに到達するまで羽根部材４は風に押されて第１ストッパ３３に当接した所謂展開状態にある。しかし、この後、羽根部材４が逆風領域Ａ２に進入すると、例えば位置ａ～位置ｄ（図７中の実線矢印の円弧）において羽根部材４は風圧を受け、第２ストッパ３４に当接するように進行方向後方に揺動する。

【0062】

図７では、羽根部材４が位置ｄに到達したときに、羽根部材４が第２ストッパ３４に当接する。位置ａから位置ｄに至る間、揺動軸４１の回転方向は、風に正対する方向に近付く。このため、羽根部材４の対気速度が次第に増大し、風圧の高まりに従って羽根部材４は勢いよく外方に広がろうとする。また、羽根部材４の回転支点が外側の揺動軸４１にあり、外方に広がり始めた羽根部材４の重心は、シャフト１の中心と揺動軸４１とを結ぶ直線から次第にオフセットして遠心力が強く作用するようになる。この結果、羽根部材４の揺動速度は、位置ａから位置ｄに至る領域で極めて速くなる。

【0063】

このときの羽根部材４の揺動によって第１リンクＲ１および第２リンクＲ２を介して中間軸Ｒ４が高速で回転し、一方向クラッチＣがかみ合い機能する結果、回転を加速させる方向のトルクが腕部材３に作用する。

【0064】

尚、羽根部材４が位置ｃから位置ｅに至る間、羽根部材４は揺動軸４１に対して風下側にあって、羽根部材４を風の方向に沿って見たとき、羽根部材４の面のうちシャフト１に向く面が見える状態にある。このとき羽根部材４には、羽根部材４に作用する風によって有利な揚力が発生する。揚力の発生方向は、風の方向に対して常に直角方向である。例えば、位置ｄにおいて羽根部材４に生じる揚力の方向は位置ｅと位置ｍを結ぶ直線と平行となる。この方向は位置ｄにおける回転半径の方向、つまり、シャフト１の中心と揺動軸４１を結ぶ直線に対して、羽根部材４の進行方向前方に傾斜したものとなる。この傾斜成分が羽根部材４を介して腕部材３を加速させる。このような加速に寄与する揚力が、例えば位置ｃから位置ｅの領域において発生する。

【0065】

次に、羽根部材４が位置ｅから位置ｉに移動する際には揺動軸４１の進行方向が変化する。羽根部材４は、風の方向に沿う状態を維持しようとする。ただし、羽根部材４には遠心力が作用しているから、風向に沿った揺動軸４１の風下方向に対してやや外側に偏位する。羽根部材４が位置ｉを越えて位置ｊに至る際には、羽根部材４の開放側縁部が第２ストッパ３４に当接して風を受ける展開姿勢となる。位置ｅから位置ｊにおいては、羽根部材４の揺動によって第１ギアＧ１ａが腕部材３を減速させる方向に回転するため一方向クラッチＣは空転する。このあと、位置ｊから位置ａに至るまで、羽根部材４は風に押されて第１ストッパ３３に当接した展開姿勢を維持する。

【0066】

本構成であっても、羽根部材４の支持構成を簡便なものとしながら、風を受けて揺動する羽根部材４の姿勢変化を腕部材３の回転トルクに変換することができ、風のエネルギーを風車の回転エネルギーとして効率良く取得することができる。

【0067】

特に、羽根部材４の揺動軸４１をシャフト１と平行に構成する場合、羽根部材４の揺動に対する羽根部材４そのものの重量の影響が少ない。よって、順風領域Ａ１と逆風領域Ａ２での羽根部材４の揺動姿勢の切り替えが素早く行え、羽根部材４の受圧抵抗の差が大きくなって風力に対する回転トルクの変換効率が向上する。

【0068】

尚、図示は省略するが、第１リンクＲ１および第２リンクＲ２の代わりに夫々歯車部材を用い、連結アームＲ３の代わりにチェーンを用いるものであっても良い。さらに、歯車部材とチェーンに代えて二つの転がりプーリーとベルトで構成することもできる。

【0069】

〔第４実施形態〕
第４実施形態に係る風車Ｆを図８に示す。本構成では、図４と同様に一方向クラッチを二つ備えている。即ち、中間軸Ｒ４に第１クラッチＣ１を設けると共に、第２クラッチＣ２を備えた第３ギアＧ３ａを設けている。第３ギアＧ３ａには中間ギアＧ４が歯合しており、中間ギアＧ４が第２ギアＧ２ａに歯合している。

【0070】

これにより、羽根部材４が、第２ストッパ３４に向けて広がり揺動する際（図７中位置ａ～位置ｄ）には、第１ギアＧ１ａおよび第２ギアＧ２ａの歯合に基づいて腕部材３が加速される方向の回転トルクを得る。また、羽根部材４が、第１ストッパ３３に向けて展開揺動する際（図７中位置ｅ～位置ｊ）には、第２クラッチＣ２が噛み合い機能を発揮し、第３ギアＧ３ａ・中間ギアＧ４・第２ギアＧ２ａの歯合に基づいて腕部材３が加速される方向の回転トルクを得る。

【0071】

尚、第１ギアＧ１ａは第２ギアＧ２ａの大径部に歯合し、中間ギアＧ４は第２ギアＧ２ａの小径部に歯合しているが、これは、羽根部材４の揺動速度を考慮したものである。つまり、図７において、位置ａ～位置ｄに至る際の羽根部材４の揺動速度は、位置ｅ～位置ｊに至る際の羽根部材４の揺動速度よりも大きい。よって、第１ギアＧ１ａの外径を第３ギアＧ３ａの外径よりも大きくし、夫々、第２ギアＧ２ａの大径部と小径部に歯合させることで、羽根部材４の揺動速度差に拘わらず、腕部材３に作用する回転トルクが安定したものとなる。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明の風車は、地表に対して垂直に設けられるシャフトと、シャフトに対して径外方向に延出する腕部材と、腕部材に対して揺動する羽根部材と、を備えたものに広く用いることができる。

【符号の説明】

【0073】

１ シャフト
３ 腕部材
４ 羽根部材
４１ 揺動軸
Ａ１ 順風領域
Ａ２ 逆風領域
Ｃ 一方向クラッチ
Ｃ２ 第２の一方向クラッチ
Ｆ 風車
Ｇ１ 第１部材
Ｇ１ａ 第１ギア
Ｇ２ 第２部材
Ｇ２ａ 第２ギア
Ｇ３ａ 第３ギア
Ｒ４ 中間軸
Ｘ 揺動軸芯

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】