特許 7529272 マグナス式推力発生装置、前記マグナス式推力発生装置を用いた風力回転装置、水力回転装置、潮力回転装置、ならびに前記マグナス式推力発生装置を用いた風力発電機、水力発電機、潮力発電機

(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】

(24)【登録日】2024-07-29

(45)【発行日】2024-08-06

(54)【発明の名称】マグナス式推力発生装置、前記マグナス式推力発生装置を用いた風力回転装置、水力回転装置、潮力回転装置、ならびに前記マグナス式推力発生装置を用いた風力発電機、水力発電機、潮力発電機

(51)【国際特許分類】

   F03D 3/06 20060101AFI20240730BHJP

   F03G 7/00 20060101ALI20240730BHJP

【ＦＩ】

F03D3/06 H

F03G7/00 B

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021036095

(22)【出願日】2021-03-08

(65)【公開番号】P2022136468

(43)【公開日】2022-09-21

【審査請求日】2023-12-08

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】515043772

【氏名又は名称】株式会社チャレナジー

(74)【代理人】

【識別番号】100139103

【弁理士】

【氏名又は名称】小山 卓志

(74)【代理人】

【識別番号】100214260

【弁理士】

【氏名又は名称】相羽 昌孝

(74)【代理人】

【識別番号】100139114

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 貞嗣

(72)【発明者】

【氏名】清水 敦史

(72)【発明者】

【氏名】須澤 真一

【審査官】所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／００２７５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１３－５４３４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０１６１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２５６６０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｄ ３／０６

Ｆ０３Ｇ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持筐体と、
前記支持筐体に対して第１の回転軸を中心として回転可能な回転部と、
前記第１の回転軸を中心として公転可能であって、前記第１の回転軸に対して平行な第２の回転軸を中心として自転可能な複数の円筒翼と、
前記回転部に固定されることで前記第１の回転軸を中心として回転可能であって、前記第１の回転軸を中心とする円周上に前記円筒翼を支持する支持部と、
を備え、
前記円筒翼は、
筒状の円筒翼本体と、
前記円筒翼本体の上端に設置される上端固定部と、
前記円筒翼本体の下端に設置される下端固定部と、
前記上端固定部と前記下端固定部を連結する連結部と、
を有し、
前記連結部は、
前記円筒翼本体の内側で前記上端固定部と前記下端固定部を連結する連結部材と、
前記上端固定部に取り付けられ、前記連結部材に固着される上方保持部材と、
前記下端固定部に取り付けられ、前記連結部材に固着される下方保持部材と、
前記連結部材、前記上方保持部材、前記下方保持部材の周囲の少なくとも１つを囲む保護部材と、
を有する、
マグナス式推力発生装置。

【請求項2】

前記連結部は、前記円筒翼本体の中心軸上に設置される連結部材を有する、
請求項１に記載のマグナス式推力発生装置。

【請求項3】

前記下端固定部は、
前記円筒翼本体の下端の内周に取り付けられる下端部材を有し、
前記連結部は、
前記下端部材に対して前記連結部材を保持する下方保持部材と、
前記下端部材に対して前記下方保持部材を位置決めする下方位置調節部材と、
を有する、
請求項１又は請求項２に記載のマグナス式推力発生装置。

【請求項4】

前記連結部材の周囲の少なくとも一部を囲む保護部材を有する、
請求項３に記載のマグナス式推力発生装置。

【請求項5】

前記下端固定部は、前記連結部材に対して張力をかけるための付勢部を有する、
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のマグナス式推力発生装置。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載のマグナス式推力発生装置を用いた風力回転装置、水力回転装置または潮力回転装置。

【請求項7】

請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載のマグナス式推力発生装置を用いた風力発電機、水力発電機または潮力発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体中で回転する略円筒形状の円筒翼が発生するマグナス力を用いたマグナス式推力発生装置、前記マグナス式推力発生装置を用いた風力回転装置、水力回転装置、潮力回転装置、ならびに前記マグナス式推力発生装置を用いた風力発電機、水力発電機、潮力発電機などの流体機械に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、流体中で回転する円筒翼が発生するマグナス力を利用する装置が知られている。例えば、特許文献１には、発電機軸を中心として回転するとともに円筒翼を軸支する支持部材と、支持部材上に垂設され、各個に独立して回転する複数の円筒翼とを備え、支持部材上に垂設される円筒翼が発電機軸を中心とする円周軌道上に配設される、マグナス式推力発生装置（縦軸式マグナス型風力発電装置）が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－１２１５１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、円筒翼が破損した場合に円筒翼の飛散を防止することが可能なマグナス式推力発生装置、前記マグナス式推力発生装置を用いた風力回転装置、水力回転装置、潮力回転装置、ならびに前記マグナス式推力発生装置を用いた風力発電機、水力発電機、潮力発電機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、上記のような問題を解決するものであって、本発明の一実施形態に係るマグナス式推力発生装置は、
支持筐体と、
前記支持筐体に対して第１の回転軸を中心として回転可能な回転部と、
前記第１の回転軸を中心として公転可能であって、前記第１の回転軸に対して平行な第２の回転軸を中心として自転可能な複数の円筒翼と、
前記回転部に固定されることで前記第１の回転軸を中心として回転可能であって、前記第１の回転軸を中心とする円周上に前記円筒翼を支持する支持部と、
を備え、
前記円筒翼は、
筒状の円筒翼本体と、
前記円筒翼本体の上端に設置される上端固定部と、
前記円筒翼本体の下端に設置される下端固定部と、
前記上端固定部と前記下端固定部を連結する連結部と、
を有し、
前記連結部は、
前記円筒翼本体の内側で前記上端固定部と前記下端固定部を連結する連結部材と、
前記上端固定部に取り付けられ、前記連結部材に固着される上方保持部材と、
前記下端固定部に取り付けられ、前記連結部材に固着される下方保持部材と、
前記連結部材、前記上方保持部材、前記下方保持部材の周囲の少なくとも１つを囲む保護部材と、
を有する。

【0006】

また、本発明の一実施形態に係る風力回転装置、水力回転装置または潮力回転装置は、前記マグナス式推力発生装置を用いたものである。

【0007】

また、本発明の一実施形態に係る風力発電機、水力発電機または潮力発電機は、前記マグナス式推力発生装置を用いたものである。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一実施形態に係るマグナス式推力発生装置によれば、円筒翼の上端と下端を円筒翼本体の内側で連結する連結部材を有する。そのため、円筒翼が破損した場合であっても、円筒翼は連結部材によって上端又は下端に引っ掛かり、飛散することが防止される。これにより、円筒翼の破損時の周囲への影響を最小限に抑えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す斜視図である。

【図2】本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す正面図である。

【図3】本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す分解正面図である。

【図4】本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の円筒翼４の一例を示す平面図である。

【図5】本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示すＶ－Ｖ線断面図である。

【図6】本発明の実施形態に係る円筒翼４の一例を示す断面図である。

【図7】本発明の第１実施形態に係る円筒翼４の上端の一例を示す断面図である。

【図8】本発明の第１実施形態に係る円筒翼４の下端の一例を示す断面図である。

【図9】本発明の第２実施形態に係る円筒翼４の下端の一例を示す断面図である。

【図10】図９に対して連結部材４３１の張力を変更した状態の本発明の第２実施形態に係る円筒翼４の下端の一例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に本発明の具体的な実施形態を示す。実施形態はあくまで一例であり、この例に限定されるものではない。なお、以下の実施形態では、マグナス式推力発生装置の適用例の１つとして、マグナス式推力発生装置を用いた垂直軸型マグナス式風力発電機１について説明する。

【0011】

図１は、本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す正面図である。図３は、本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す分解正面図である。図４は、本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示す平面図である。図５は、本発明の実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１の一例を示すＶ－Ｖ線断面図である。

【0012】

垂直軸型マグナス式風力発電機１は、設置面Ｓに対して設置される支持筐体２と、支持筐体２の内部に配置される発電機２１及び増速機２２と、増速機２２を介して発電機２１に連結されるとともに、設置面Ｓに対して垂直な第１の回転軸Ｏ１を中心として回転可能な回転部３と、第１の回転軸Ｏ１を中心として公転可能であって、第１の回転軸Ｏ１に対して平行な第２の回転軸Ｏ２を中心として自転可能な複数の円筒翼４と、複数の円筒翼４とともに各組を構成し、各組の円筒翼４の軸方向に沿って長手方向５Ｌが配置される複数の整流板５及び複数の遮蔽板７と、回転部３に固定されることで第１の回転軸Ｏ１を中心として回転可能であって、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の各組毎に、第１の回転軸Ｏ１を中心とする円周Ｃ１上に円筒翼４を支持するとともに、円筒翼４が公転するときの進行方向とは反対側に整流板５及び遮蔽板７を支持する支持部６とを備える。

【0013】

なお、本実施形態の説明において、「平行」とは、完全に平行な場合だけでなく、垂直軸型マグナス式風力発電機１の機能が損なわれない程度のずれを許容した略平行な場合も含む。同様に、「垂直」とは、完全に垂直な場合でだけでなく、垂直軸型マグナス式風力発電機１の機能が損なわれない程度のずれを許容した略垂直な場合も含む。また、本実施形態に係る垂直軸型マグナス式風力発電機１は、図１に示すように、２つの円筒翼４と、２つの整流板５とを備え、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の組数は、２組であるものとして説明する。

【0014】

支持筐体２は、第１の回転軸Ｏ１と同軸状に配置される円筒状の筐体である。支持筐体２の上部には、その上部から回転部３の上部３０を突設させるとともに、第１の回転軸Ｏ１が設置面Ｓに対して垂直となるように、回転部３を軸支する軸受ユニット２０を備える。なお、支持筐体２は、トラス状の筐体としてもよい。

【0015】

回転部３は、軸受ユニット２０に軸支される回転シャフト等で構成されており、軸受ユニット２０の上面に対して突設された上部３０の周壁部分に支持部６が固定される。

【0016】

発電機２１は、増速機２２を介して回転部３に連結されており、回転部３が回転する際の回転エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電するように構成されている。なお、発電機２１は、増速機２２を介さずに直接回転部３に連結してもよい。

【0017】

垂直軸型マグナス式風力発電機１の定格出力として、例えば、１０ｋｗ程度を想定する場合には、円筒翼４の外寸は、長さ１０ｍ程度、直径１ｍ程度であり、整流板５の外寸は、長さ１０ｍ程度、幅１．６ｍ程度、厚さ０．５～３ｍｍ程度である。

【0018】

複数の円筒翼４は、支持部６により円周Ｃ１上に支持されることで、図５に示すように、第１の回転軸Ｏ１及び第２の回転軸Ｏ２に垂直な平面上において、複数の第２の回転軸Ｏ２は、円周Ｃ１上で所定の間隔（円筒翼支持間隔）を空けるようにして円周Ｃ１上に配置される。本実施形態では、２つの円筒翼４に対する２つの第２の回転軸Ｏ２は、第１の回転軸Ｏ１を挟んで対向するようにして円周Ｃ１上に配置される。

【0019】

円筒翼４は、円筒状に形成された円筒状の円筒翼本体４０を備え、円筒翼本体４０は、第２の回転軸Ｏ２と平行な円筒翼４の軸方向に対する両端部として、鉛直方向の上側に配置される上端部（一端部）４０ａと、鉛直方向の下側に配置される下端部（他端部）４０ｂとを備える。また、円筒翼４は、上端部４０ａ及び下端部４０ｂにそれぞれ配置されて、円筒翼４の直径よりも大きな円板状の翼端板４１と、第２の回転軸Ｏ２を中心として円筒翼４を時計回りＲ２に回転（自転）させる円筒翼モータ（回転駆動部）４２と、円筒翼本体４０に連結されて、上端部４０ａ及び下端部４０ｂにおいて第２の回転軸Ｏ２と同軸上にそれぞれ配置される上部回転伝達軸部（一端側回転伝達軸部）４２ａ及び下部回転伝達軸部（他端側回転伝達軸部）４２ｂとを備える。

【0020】

整流板５は、平板状に形成されており、整流板５の長手方向５Ｌに対する両端部として、上端部（一端部）５０ａと、下端部（他端部）５０ｂとを備え、整流板５の幅方向５Ｗに対する両縁部として、円筒翼４側に配置されて円筒翼４に近い前端縁部５０ｃと、前端縁部５０ｃとは反対側に配置されて円筒翼４から遠い後端縁部５０ｄとを備える。また、整流板５は、整流板５の板厚方向に対して垂直な表面として、第１の回転軸Ｏ１側に配置される内側表面５０ｅと、内側表面５０ｅとは反対側の外側表面５０ｆとを備える。

【0021】

整流板５は、整流板５の後端縁部５０ｄに、整流板５の上端部５０ａ及び下端部５０ｂに近づくにつれて整流板５の幅が狭くなるテーパ部５３を備える。テーパ部５３は、直線形状でもよいし、例えば、放物線を描くような曲線形状でもよいし、直線形状と曲線形状とを組み合わせたものでもよい。なお、本実施形態では、整流板５は、整流板５の両端部５０ａ、５０ｂに、同一の直線形状のテーパ部５３をそれぞれ備えるが、整流板５は、整流板５の両端部５０ａ、５０ｂに、異なる形状のテーパ部５３をそれぞれ備えていてもよいし、上端部５０ａ及び下端部５０ｂのいずれか一方にだけテーパ部５３を備えていてもよい。

【0022】

遮蔽板７は、整流板５と同様に平板状に形成されており、遮蔽板７の長手方向は、整流板５の長手方向５Ｌと平行に配置される。遮蔽板７は、遮蔽板７の幅方向に対する両縁部として、整流板５側に配置される基端縁部７０ａと、基端縁部７０ａとは反対側の先端縁部７０ｂとを備える。

【0023】

整流板５及び遮蔽板７は、支持部６により支持されることで、図５に示すように、第１の回転軸Ｏ１及び第２の回転軸Ｏ２に垂直な平面上において、円筒翼４の進行方向とは反対側に配置される。整流板５は、円筒翼４の進行方向とは反対側に伸びるように、前端縁部５０ｃ及び後端縁部５０ｄが配置される。遮蔽板７は、整流板５の前端縁部５０ｃ側に配置されて、整流板５に対して第１の回転軸Ｏ１側（内側表面５０ｅ側）に立設するように支持される。このとき、円筒翼４と整流板５の前端縁部５０ｃとの間には隙間が形成されるとともに、円筒翼４と遮蔽板７の先端縁部７０ｂとの間には隙間が形成される。なお、整流板５及び遮蔽板７の具体的構成は後述する。

【0024】

支持部６は、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の各組毎に、第１の回転軸Ｏ１を中心とする円周Ｃ１上に円筒翼４を配置するように、軸方向に対する円筒翼４の両端部４０ａ、４０ｂを軸支するとともに、円筒翼４が第１の回転軸Ｏ１を中心として時計回りＲ１に公転するときの進行方向とは反対側に整流板５及び遮蔽板７を配置するように、整流板５及び遮蔽板７を支持する。

【0025】

支持部６が、円周Ｃ１上に円筒翼４を支持する態様としては、支持部６が、図５に示すように、円筒翼４の中心である第２の回転軸Ｏ２と円周Ｃ１とが重なった状態で円筒翼４を支持する場合だけでなく、第２の回転軸Ｏ２と円周Ｃ１との間には、垂直軸型マグナス式風力発電機１の機能が損なわれない程度のずれが許容されるものであり、支持部６が、例えば、円筒翼４の円形状の断面と円周Ｃ１とが重なった状態で円筒翼４を支持する場合も含む。なお、支持部６の具体的構成は後述する。

【0026】

垂直軸型マグナス式風力発電機１は、円筒翼モータ４２により第２の回転軸Ｏ２を中心として円筒翼４を時計回りＲ２に回転（自転）させた状態において、所定の方向から風（空気流）を受けると、円筒翼４にマグナス力が発生する。そして、円筒翼４に発生したマグナス力は、第１の回転軸Ｏ１を中心として円筒翼４を時計回りＲ１に公転させる方向に作用する。

【0027】

このとき、整流板５は、風向に対して円筒翼４が存在する位置に応じて、マグナス力の大きさを制御する。具体的には、円筒翼４が、風上側に存在する場合には、整流板５は、風向と円筒翼４の自転方向とが逆方向になる領域（流れ減速側）に存在する。そのため、整流板５は、流れ減速側における風の流れを阻害することになるが、円筒翼４に発生するマグナス力を大きく低下させることにはならないため、マグナス力は、円筒翼４を公転させる回転力として作用する。

【0028】

一方、円筒翼４が、風下側に存在する場合には、整流板５は、風向と円筒翼４の自転方向とが一致する領域（流れ加速側）に存在する。そのため、整流板５は、流れ加速側における風の流れを阻害することにより、円筒翼４に発生するマグナス力を低下させるため、マグナス力が、円筒翼４を公転させる回転力を打ち消すように作用することを抑制する。

【0029】

以上のように、円筒翼４が、整流板５により円筒翼４に発生するマグナス力が制御された状態で時計回りＲ１に公転することにより、回転部３を時計回りに回転させて、回転部３に連結された発電機２１で発電する。

【0030】

支持部６は、整流板５に対して第１の回転軸Ｏ１側に配置されて、長手方向５Ｌに対する整流板５の両端部５０ａ、５０ｂ間に亘って整流板５の長手方向５Ｌに沿うように整流板５及び遮蔽板７を支持する整流板支持部６１と、整流板支持部６１の上端部（一端部）６１０ａと回転部３とを連結する第１の連結アーム部６２と、整流板支持部６１の下端部（他端部）６１０ｂと回転部３とを連結する第２の連結アーム部６３と、円筒翼４の上端部４０ａ側を軸支するとともに、第１の連結アーム部６２に連結される第１の円筒翼支持部（一端側支持部）６４と、円筒翼４の下端部４０ｂ側を軸支するとともに、第２の連結アーム部６３に連結される第２の円筒翼支持部（他端側支持部）６５とを、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の各組毎（本実施形態では２組）に備える。

【0031】

整流板支持部６１は、両端部５０ａ、５０ｂ間に亘って整流板５の長手方向５Ｌに沿うように配置されて、整流板５を支持する整流板支持アーム部６１０と、整流板５の長手方向５Ｌに対して所定の間隔（補強間隔）で配置されるとともに、整流板５の幅方向５Ｗに対する整流板５の両縁部５０ｃ、５０ｄ間に亘って長手方向５Ｌに対して所定の角度（本実施形態では直角）を有するように配置されて、整流板５及び遮蔽板７を支持する複数の整流板補強部材６１１とを備える。

【0032】

第１の円筒翼支持部６４は、円筒翼４の上端部４０ａ側において円筒翼４の軸心を揺動可能な状態で軸支する揺動軸支構造部６４０と、第１の連結アーム部６２の先端部６２０ｂと揺動軸支構造部６４０とを連結する第１の円筒翼支持アーム部６４１と、第１の連結アーム部６２の屈曲部６２０ｃと揺動軸支構造部６４０とを連結する第２の円筒翼支持アーム部６４２とを備える。揺動軸支構造部６４０は、その内部に、円筒翼４の上端部４０ａに設けられた回転軸を軸支する第１の軸受（不図示）等を備える。

【0033】

第２の円筒翼支持部６５は、円筒翼４の下端部４０ｂ側において円筒翼４の軸心を固定した状態で軸支するとともに、円筒翼モータ４２を支持する固定軸支構造部６５０と、第２の連結アーム部６３の先端部６３０ｂと固定軸支構造部６５０とを連結する第１の円筒翼支持アーム部６５１と、第２の連結アーム部６３の屈曲部６３０ｃと固定軸支構造部６５０とを連結する第２の円筒翼支持アーム部６５２とを備える。固定軸支構造部６５０は、その内部に、円筒翼４の下端部４０ｂに設けられた回転軸を軸支する第２の軸受（不図示）等を備えるとともに、円筒翼モータ４２の回転駆動力が、その円筒翼４の回転軸に伝達されるように、円筒翼モータ４２を支持する。

【0034】

また、支持部６は、整流板５の長手方向５Ｌに対する整流板支持アーム部６１０の中間部６１０ｃと、第１の連結アーム部６２の回転部３側の固定端部６２０ａ及び第２の連結アーム部６３の回転部３側の固定端部６３０ａが隣接する隣接部６６１とを連結する第３の連結アーム部６６を、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の各組毎（本実施形態では２組）にさらに備える。

【0035】

支持部６が備える各アーム部（整流板支持アーム部６１０、第１の連結アーム部６２、第２の連結アーム部６３、第１の円筒翼支持アーム部６４１、６５１、第２の円筒翼支持アーム部６４２、６５２、及び、第３の連結アーム部６６）は、例えば、スチール、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、チタニウム、チタニウム合金等の金属材料や、炭素繊維強化樹脂、ガラス繊維強化樹脂等の樹脂材料を用いて、円形、楕円形、多角形等の任意の断面形状を有する管状部材、Ｌ型、Ｈ型、Ｉ型等の任意の断面形状を有する板状部材、又は、ワイヤー部材として形成されている。なお、支持部６が備える各アーム部は、各アーム部が配置される場所や各部が支持する荷重に応じて、各部の外形形状、断面形状、断面積、及び、材料等を変更するようにしてもよい。

【0036】

また、支持部６が備える各アーム部は、複数のアーム部が一体的に形成された複数の複合アーム部材により構成されており、各複合アーム部材間は、任意の接合方法（溶接、接着、ねじ固定、圧入、リベット、ピン結合、継手等）による接合部を介して接合される。

【0037】

本実施形態では、例えば、第１の連結アーム部６２、第２の連結アーム部６３、第１の円筒翼支持アーム部６４１、６５１及び第２の円筒翼支持アーム部６４２、６５２が一体的に形成されることで、第１の複合アーム部材６０Ａを構成する。また、整流板支持アーム部６１０及び第３の連結アーム部６６が一体的に形成されることで、第２の複合アーム部材６０Ｂを構成する。そして、第１の複合アーム部材６０Ａは、接合部６００Ａ、６００Ｂを介して回転部３に接合される。第２の複合アーム部材６０Ｂは、接合部６０１Ａ～６０１Ｃを介して第１の複合アーム部材６０Ａに接合される。

【0038】

図６は、本発明の実施形態に係る円筒翼４の一例を示す断面図である。

【0039】

円筒翼４は、円筒状の円筒翼本体４０と、円筒翼４の上端部４０ａ及び下端部４０ｂにそれぞれ配置されて、円筒翼４の直径よりも大きな円板状の翼端板４１と、を備える。上端固定部４５及び下端固定部４６は、連結部４３で連結される。また、円筒翼本体４０は、補強部４４で補強される。

【0040】

連結部４３は、引っ張り強度が大きく、復元力に優れた材料の連結部材４３１を少なくとも含む。例えば、連結部材４３１の材料は、炭素鋼、高強度鋼、ステンレス等の金属材料、又は、炭素繊維強化樹脂、ガラス繊維強化樹脂、アラミド繊維等の樹脂材料等が使われる。特に、炭素繊維強化プラスチックは、軽量で好ましい。連結部材４３１は、円形、楕円形、多角形等の任意の断面形状を有する線状の部材であって、高強度の一本のワイヤでもよく、複数本の小径のワイヤを螺旋巻きにより合わせ、太い径のケーブル状に形成したものでよい。

【0041】

連結部材４３１は、円筒翼４の第２の回転軸Ｏ２上に設置されると好ましい。なお、連結部材４３１を厳密に第２の回転軸Ｏ２に重ねて設置することは困難なので、少しの誤差、例えば、連結部材４３１の直径程度の誤差であれば、第２の回転軸Ｏ２上に設置されているとみなしてよい。

【0042】

補強部４４は、例えば、スチール、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、チタニウム、チタニウム合金等の金属材料や、炭素繊維強化樹脂、ガラス繊維強化樹脂等の樹脂材料が使用される。補強部４４の断面は、Ｌ型、Ｈ型、Ｉ型、Ｔ型、Ｚ型等の任意の形状が好ましい。

【0043】

補強部４４は、円筒翼本体４０に少なくとも１つ設置され、少なくとも１つは第２の回転軸Ｏ２方向で円筒翼本体４０の中央に設置されることが好ましい。なお、補強部４４を厳密に円筒翼本体４０の中央に設置することは困難なので、例えば、円筒翼４０の第２の回転軸Ｏ２方向の長さに対して１０％程度の誤差であれば、第２の回転軸Ｏ２方向で円筒翼本体４０の中央に設置されているとみなしてよい。

【0044】

本実施形態の補強部４４は、円筒翼本体４０の第２の回転軸Ｏ２方向で等間隔に３つ設置されているが、補強部４４は３つに限らず、少なくとも１つ設置すればよい。なお、補強部４４の少なくとも１つは第２の回転軸Ｏ２方向で円筒翼本体４０の中央に設置されることが好ましい。円筒翼本体４０は第２の回転軸Ｏ２方向の中央付近が最も径方向に座屈しやすいため、補強部４４を円筒翼本体４０の中央に設置することにより、円筒翼本体４０の強度を高めることができる。さらに、補強部４４を円筒翼本体４０の中央に設置することにより、円筒翼４の共振周波数を大きくすることができるので、破損の原因となる異常振動が起こりにくくなる。したがって、補強部４４の数は、奇数が好ましい。なお、補強部４４を複数設置する場合、設置場所によって異なる形状にしてもよい。

【0045】

補強部４４を設置することによって、円筒翼本体４０の厚さを大きくすることなく、強度を高めることができる。また、複数の補強部４４を設置することによって、円筒翼本体４０の強度をより高めることができる。さらに、複数の補強部４４を等間隔に設置することによって、円筒翼本体４０の強度をより高めることができる。補強部４４の設置により、円筒翼本体４０の厚さが小さくても強度を高めることができる。したがって、円筒翼本体４０の厚さを大きくして強度を高める場合よりも、円筒翼本体４０の重量や慣性モーメントの増加を最小限にとどめながら強度を高めることができ、円筒翼４を円滑に回転させることができる。また、円筒翼４の共振周波数が大きくなることで、破損の原因となる異常振動が起こりにくくなる。補強部４４を複数設置する場合には、奇数個でも偶数個でもよい。

【0046】

図７は、本発明の第１実施形態に係る円筒翼４の上端の一例を示す断面図である。

【0047】

連結部４３は、上端固定部４５に取り付けられる。第１実施形態の連結部４３は、連結部材４３１と、連結部材４３１と一体化された上方保持部４３２と、を有する。上方保持部４３２は、連結部材４３１に固着される上方保持部材４３２ａと、上端固定部４５に対して上方保持部材４３２ａを位置決めする上方位置調節部材４３２ｂと、を有する。

【0048】

第１実施形態の上端固定部４５は、少なくとも上端部材４５１を有する。上端部材４５１は、円形状の上端基部４５１ａと、上端基部４５１ａよりも長径で環状の上端環状部４５１ｂと、上端基部４５１ａと上端環状部４５１ｂを接続する上端接続部４５１ｃと、を含む。

【0049】

上端基部４５１ａは、中心に上方が開放された上端凹状部４５１ａ１が形成され、上端凹状部４５１ａ１の底の中心に上端孔４５１ａ２が形成される。上端基部４５１ａは、翼上端板４１ａとボルト、溶接、又は、接着剤もしくはそれらの組み合わせ等によって結合される。上端凹状部４５１ａ１の底の上端孔４５１ａ２には、連結部材４３１を保持する上方保持部材４３２ａが貫通する。

【0050】

第１実施形態の上端環状部４５１ｂは、円筒翼本体４０の内周に取り付けられる。第１実施形態では、上端環状部４５１ｂに対して円筒翼本体４０を挟んで上端外周保持部材４５２を取り付け、上端環状部４５１ｂ、円筒翼本体４０、及び、上端外周保持部材４５２をボルト又はピン等によって固着している。なお、上端環状部４５１ｂを円筒翼本体４０に取り付ける構造は、第１実施形態の構造に限らず、接着や溶接等の他の構造もしくはそれらの組み合わせでもよい。

【0051】

第１実施形態の上端接続部４５１ｃは、上端基部４５１ａと上端環状部４５１ｂの間に、放射状に等角度で複数本取り付けられる。上端接続部４５１ｃは、翼上端板４１ａとボルト、溶接、又は、接着剤もしくはそれらの組み合わせ等によって結合される。このように、放射状に等角度で複数本取り付けることで、軽量且つ高強度の上端部材４５１を構成することができる。なお、上端接続部４５１ｃは、第１実施形態の構造に限らず、円形板状で上端基部４５１ａの外周と上端環状部４５１ｂの内周の全面を覆うように形成してもよい。

【0052】

第１実施形態の上方保持部材４３２ａは、金属製で外周の少なくとも一部がネジ状に形成される。第１実施形態の上方位置調節部材４３２ｂは、上方保持部材４３２ａのネジ状部分に螺合されるナットである。上方位置調節部材４３２ｂは、上端凹状部４５１ａ１内に配置され、連結部材４３１の張力によって、上端凹状部４５１ａ１に接触する。したがって、上方位置調節部材４３２ｂを回転させると、上方保持部材４３２ａが上方又は下方に移動し、連結部材４３１の張力を調節することができる。

【0053】

なお、第１実施形態の上方保持部材４３２ａと上方位置調節部材４３２ｂは、ネジとナットで構成したが、他の構造でもよい。また、下端で連結部材４３１の張力を調節することができるのであれば、上方保持部材４３２ａと上方位置調節部材４３２ｂを設けず、上方保持部材４３２ａの上端凹状部４５１ａ１内に配置される部分の直径を大きくしてもよいし、上端部材４５１に上方保持部材４３２ａを固着してもよい。

【0054】

図８は、本発明の第１実施形態に係る円筒翼４の下端の一例を示す断面図である。

【0055】

連結部４３は、下端固定部４６に取り付けられる。第１実施形態の連結部４３は、連結部材４３１と、連結部材４３１と一体化された下方保持部４３３と、を有する。下方保持部４３３は、連結部材４３１に固着される下方保持部材４３３ａと、下端固定部４６に対して下方保持部材４３３ａを位置決めする下方位置調節部材４３３ｂと、下方位置調節部材４３３ｂのゆるみを防止する回り止め部材４３３ｄと、を有する。

【0056】

第１実施形態の下端固定部４６は、少なくとも下端部材４６１を有する。下端部材４６１は、円形状の下端基部４６１ａと、下端基部４６１ａよりも長径で環状の下端環状部４６１ｂと、下端基部４６１ａと下端環状部４６１ｂを接続する下端接続部４６１ｃと、を含む。

【0057】

下端基部４６１ａは、中心に下方が開放された下端凹状部４６１ａ１が形成され、下端凹状部４６１ａ１の底の中心に下端孔４６１ａ２が形成される。下端基部４６１ａは、翼下端板４１ｂとボルト、溶接、又は、接着剤もしくはそれらの組み合わせ等によって結合される。下端凹状部４６１ａ１の底の下端孔４６１ａ２には、連結部材４３１を保持する下方保持部材４３３ａが貫通する。

【0058】

第１実施形態の下端環状部４６１ｂは、円筒翼本体４０の内周に取り付けられる。第１実施形態では、下端環状部４６１ｂに対して円筒翼本体４０を挟んで下端外周保持部材４６２を取り付け、下端環状部４６１ｂ、円筒翼本体４０、及び、下端外周保持部材４６２をボルト又はピン等によって固着している。なお、下端環状部４６１ｂを円筒翼本体４０に取り付ける構造は、第１実施形態の構造に限らず、接着や溶接等の他の構造もしくはそれらの組み合わせでもよい。

【0059】

第１実施形態の下端接続部４６１ｃは、下端基部４６１ａと下端環状部４６１ｂの間に、放射状に等角度で複数本取り付けられる。下端接続部４６１ｃは、翼下端板４１ｂとボルト、溶接、又は、接着剤もしくはそれらの組み合わせ等によって結合される。このように、放射状に等角度で複数本取り付けることで、軽量且つ高強度の下端部材４６１を構成することができる。なお、下端接続部４６１ｃは、第１実施形態の構造に限らず、円形板状で下端基部４６１ａの外周と下端環状部４６１ｂの内周の全面を覆うように形成してもよい。

【0060】

第１実施形態の下方保持部材４３３ａは、金属製で外周の少なくとも一部がネジ状に形成される。第１実施形態の下方位置調節部材４３３ｂは、下方保持部材４３３ａのネジ状部分に螺合されるナットである。下方位置調節部材４３３ｂは、下端凹状部４６１ａ１内にスペーサ４３３ｃを介して配置される。したがって、下方位置調節部材４３３ｂを回転させると、下方保持部材４３３ａが上方又は下方に移動し、連結部材４３１の張力を調節することができる。

【0061】

第１実施形態の回り止め部材４３３ｄは、下方保持部材４３３ａのネジ状部分に螺合されるナットである。回り止め部材４３３ｄは、下端部材４６１の上方で連結部材４３１の回転および下方位置調節部材４３３ｂの緩みを抑制するために設けられる。

【0062】

なお、第１実施形態の下方保持部材４３３ａ、下方位置調節部材４３３ｂ、及び、回り止め部材４３３ｄは、ネジとナットで構成したが、他の構造でもよい。

【0063】

第１実施形態の保護部材４３４は、第２の回転軸Ｏ２に直交する断面でＣ状に形成され、連結部材４３１、上方保持部材４３２ａ、下方保持部材４３３ａの周囲の少なくとも一部を囲む。保護部材４３４は、ゴム、シリコン、スポンジ等でクッション性を有すると好ましい。なお、第１実施形態の保護部材４は、組み付けを容易にするために第２の回転軸Ｏ２に直交する断面でＣ状に形成したが、連結部材４３１の全てを覆うように、第２の回転軸Ｏ２に直交する断面でＯ状に形成してもよい。

【0064】

例えば、何らかの原因により円筒翼本体４０が破断した場合、保護部材４３４を設置することで、円筒翼本体４０が連結部材４３１、上方保持部材４３２ａ、下方保持部材４３３ａに衝突した際の衝撃荷重を低減することができる。したがって、連結部材４３１、上方保持部材４３２ａ、下方保持部材４３３ａが衝撃荷重によって傷つけられ、又は、切断されることを防止し、円筒翼本体４０が飛散することを防止することができる。

【0065】

図９は、本発明の第２実施形態に係る円筒翼４の下端の一例を示す断面図である。図１０は、図９に対して連結部材４３１の張力を変更した状態の本発明の第２実施形態に係る円筒翼４の下端の一例を示す断面図である。

【0066】

第２実施形態の連結部４３は、連結部材４３１に対して張力をかけるための付勢部４３５を有する。付勢部４３５は、付勢部材４３５ａと、下方保持部材４３３ａが貫通するとともに付勢部材４３５ａの下端を支持する付勢支持部材４３５ｂと、を有する。第２実施形態の下端固定部４６のその他の構造は、第１実施形態と同じなので、説明は省略する。

【0067】

付勢部材４３５ａは、上端が下端基部４６１ａに形成された下端凹状部４６１ａ１に接触し、下端が付勢支持部材４３５ｂに形成されたフランジ部４３５ｂ１に接触する。なお、第２実施形態の付勢部材４３５ａはコイルバネによって構成されるが、これに限らず、例えば、皿ばね、ゴム等の他の付勢がかかる部材で構成されてもよい。

【0068】

付勢支持部材４３５ｂは、下方位置調節部材４３３ｂの上方及び回り止め部材４３３ｄの下方で、下方保持部材４３３ａの外周に設置される。付勢支持部材４３５ｂ下方には、外周側に突出するフランジ部４３５ｂ１ａが形成される。付勢部材４３５ａは、フランジ部４３５ｂ１ａの上面に設置される。したがって、下方位置調節部材４３３ｂを締めこむと、連結部材４３１は、付勢部材４３５ａによって付勢支持部材４３５ｂを介して下方に付勢され、下方位置調節部材４３３ｂの締め込み量に応じた張力がかかることとなる。

【0069】

付勢支持部材４３５ｂは、下端基部４６１ａに形成された下端孔４６１ａ２を貫通させてもよい。下方位置調節部材４３３ｂを締めこむと、付勢支持部材４３５ｂの上端部が下端部材４６の凹状部４６１ａ１よりも上方に突き出るように設定しておけば、付勢支持部材４３５ｂの上端部の突き出し量を測定することで、連結部材４３１にかかっている張力を推定することができる。さらに、付勢支持部材４３５ｂの上方に認識部４３５ｂ２が形成されてもよい。認識部４３５ｂ２は、下方位置調節部材４３３ｂによって連結部材４３１に予め定めた張力が加えられると、下端部材４６の凹状部４６１ａ１よりも上方に位置するように設定される。したがって、連結部材４３１に適切な張力がかかっていることを確認することができる。

【0070】

なお、第２実施形態の認識部４３５ｂ２ｂは、くぼみを形成して目視によって位置を認識できるように構成したが、これに限らず、レーザマーキングや塗装等により構成してもよいし、認識部４３５ｂ２ｂを反射シール等で構成し、レーザ等の光センサーを用いて位置を認識してもよい。

【0071】

また、回り止め部材４３３ｄのかわりに、下方位置調節部材４３３ｂを、２つのナットで構成してもよい。上方のナットは位置調節の機能を有し、下方のナットは上方のナットの緩みを防止し、位置を固定する機能を有する。

【0072】

（他の実施形態）
上記のように、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

【0073】

例えば、上記実施形態では、円筒翼４が、第１の回転軸Ｏ１を中心として時計回りＲ１に公転するものとして説明したが、反時計回りに公転するようにしてもよい。その場合には、円筒翼４が自転する方向を時計回りＲ２から反時計回りに変更するとともに、それに合わせて整流板５の配置を変更すればよい。

【0074】

また、上記実施形態では、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の組数は、２組であるものとして説明したが、円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７の組数は適宜変更してもよく、垂直軸型マグナス式風力発電機１は、３組以上の円筒翼４、整流板５及び遮蔽板７を備えるようにしてもよい。

【0075】

また、上記実施形態では、第１の回転軸Ｏ１及び第２の回転軸Ｏ２を、設置面Ｓに対して垂直に配置した、すなわち、鉛直方向に対して平行に配置したものとして説明したが、鉛直方向に対して斜めに配置してもよいし、鉛直方向に対して直角に、すなわち、水平方向に配置してもよい。

【0076】

また、上記実施形態では、マグナス式推力発生装置の適用例の１つとして、マグナス式推力発生装置を用いた垂直軸型マグナス式風力発電機１について説明したが、回転部３を発電機２１に連結することに代えて、回転部３をポンプ等の回転機械に連結することにより、マグナス式推力発生装置を用いた風力回転装置としてもよい。

【0077】

また、上記実施形態では、マグナス式推力発生装置の適用例の１つとして、マグナス式推力発生装置を用いた垂直軸型マグナス式風力発電機１について説明したが、エネルギー源として、風（空気流）を用いることに代えて、水流、波、潮流等を用いることにより、マグナス式推力発生装置を用いた水力発電機又は潮力発電機としてもよいし、さらに回転部３を発電機２１に連結することに代えて、回転部３をポンプ等の回転機械に連結することにより、マグナス式推力発生装置を用いた水力回転装置又は潮力回転装置としてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0078】

本発明のマグナス式推力発生装置は、回転翼が、筒状の回転翼本体と、回転翼本体の上端に設置される上端固定部と、回転翼本体の下端に設置される下端固定部と、上端固定部と下端固定部を連結する連結部と、を有することによって、円筒翼が破損した場合に円筒翼の飛散を防止するとともに、円筒翼に発生するマグナス力によって効率的に回転力を得ることを可能とし、風力回転装置、水力回転装置及び潮力回転装置並びに風力発電機、水力発電機及び潮力発電機としても利用できる。

【符号の説明】

【0079】

１…垂直軸型マグナス式風力発電機（マグナス式推力発生装置）、
２…支持筐体、２０…軸受ユニット、２１…発電機、２２…増速機、３…回転部、
４…円筒翼、４０…円筒翼本体、
４０ａ…上端部（一端部）、４０ｂ…下端部（他端部）、
４１…翼端部、４１ａ…翼上端板、４１ｂ…翼下端板、
４２…円筒翼モータ、
４２ａ…上部回転伝達軸部（一端側支持部）、４２ｂ…下部回転伝達軸部（他端側支持部）、
４３…連結部、４３１…連結部材、
４３２…上方保持部、４３２ａ…上方保持部材、４３２ｂ…上方位置調節部材、
４３３…下方保持部、４３３ａ…下方保持部材、４３３ｂ…下方位置調節部材、４３３ｃ…スペーサ、４３３ｄ…回り止め部材、
４３４…保護部材、
４３５…付勢部、４３５ａ…付勢部材、４３５ｂ…付勢支持部材、
４５…上端固定部、４５１…上端部材、
４６…下端固定部、４６１…下端部材、
５…整流板、６…支持部、７…遮蔽板、
Ｏ１…第１の回転軸、Ｏ２…第２の回転軸、Ｓ…設置面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】