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発明の名称 風車
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−2728(P2007−2728A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−183149(P2005−183149)
出願日 平成17年6月23日(2005.6.23)
代理人 【識別番号】100097445
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄
発明者 長田 篤
要約 課題
主にパドル型風車において、受風部の最適化を行い、風力を効率的に回転エネルギに変えることのできる風車を提供する。

解決手段
パドル型風車において、受風部101を、受風部外径端1と受風部内径端2の中点3と回転軸4とを結ぶ直線を基準として、受風部外径端1は回転方向に、受風部内径端2は回転方向と逆方向に位置させ、隣接受風部6の影響を考慮した場合に同風速時の発生トルクを大きくすることができ、効率向上が可能となる。
特許請求の範囲
【請求項1】
パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を基準として、前記受風部外径端が回転方向に、前記受風部内径端が回転方向と逆方向に位置することを特徴とした風車。
【請求項2】
受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線が、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線と15°から35°の取付け角度であることを特徴とした請求項1に記載の風車。
【請求項3】
パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離位置の距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の55%以上65%以下であることを特徴とした風車。
【請求項4】
パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の55%以上65%以下であることことを特徴とした請求項1または2に記載の風車。
【請求項5】
パドル型風車の受風部水平断面が楕円弧であることを特徴とした請求項3または4に記載の風車。
【請求項6】
軸方向における全ての受風部水平断面形状が同一であることを特徴とした請求項1から5いずれかに記載の風車。
【請求項7】
受風部上部が回転方向と逆方向にずれるように、回転軸を基準に受風部全体が捻られたことを特徴とした請求6に記載の風車。
【請求項8】
受風部全体が、回転回転軸を基準に一定の割合で捻られたことを特徴とした請求項7に記載の風車。
【請求項9】
受風部内に、回転軸方向に仕切る回転軸垂直面とほぼ平行な仕切り板を設けたことを特徴とした請求項1から8いずれかに記載の風車。
【請求項10】
仕切り板の接続箇所と同一箇所に接続部を持った受風部を支持する支持部を備えたことを特徴とした請求項9に記載の風車。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、風力発電や風速計などに用いられるパドル型の風車に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、この種の風車は、回転軸が垂直であり、自然風の風向に影響を受けない、また抗力型の風車として高風速時においても回転数が比較的低く安全であり、さらには構造が簡単であるということから、小型の発電機や風速計などと接続され、小型の風車として利用されていた(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
以下、その風車について図6の側面図と図7の水平断面図を参照しながら説明する。
【0004】
図6の側面図、図7の水平断面図のように、カップ状の受風部101を支持部102で支持し、位相をずらして複数等間隔に配置される。前記受風部101は風を受ける向きによって受風面103と背面104とで抗力が異なり、その力の差により回転力を発生する仕組みとなっている。
【特許文献1】実開平7−30377号公報(第1図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
このような従来の風車では、構造の単純さという特徴のために多く使われているが、受風部の最適化例は少なく、効率は重視されていなかった。
【0006】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、構造の単純さという特徴は残したまま、受風部の最適化を行い、風力を効率的に回転エネルギに変えることのできる風車を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の風車は、パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を基準として、前記受風部外径端が回転方向に、前記受風部内径端が回転方向と逆方向に位置することを特徴としたものである。
【0008】
この手段により、隣接受風部を考慮した場合に、受風面において風を捉える効率が良くなり、同風速時の発生トルクを大きくすることができ、風車の効率向上が可能となる。
【0009】
また他の手段は、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線が、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線と15°から35°の取付け角度をなしていることを特徴としたものである。
【0010】
この手段により、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線が、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線と25°としたときの、隣接受風部を考慮した場合に最もトルクを大きく取れる角度を中心とした付近の取付け角度にすることにより、最良の発生トルクを得ることができ、効率向上が可能となる。
【0011】
また他の手段は、パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離位置の距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の55%以上65%以下であることを特徴としたものである。
【0012】
この手段により、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離位置の距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の60%としたときの、最もトルクを大きく取れる比を中心とした付近の比にすることにより、受風面から風を受けた場合の抗力が大きく、背面から風を受けた場合の抗力が小さくなり、これら抗力の差を大きくすることができるので、同風速時の発生トルクを大きくすることができ、風車の効率向上が可能となる。
【0013】
また他の手段は、パドル型風車の受風部水平断面が楕円弧であることを特徴としたものである。
【0014】
この手段により、大きい発生トルクを得ながら、構造の単純さという特徴を保つことができ、高効率かつ、製作しやすい風車の提供が可能となる。
【0015】
また他の手段は、回転軸方向における全ての受風部水平断面形状が同一であることを特徴としたものである。
【0016】
この手段により、風車設置面積は変化させないまま、受風面積を大きくすることができ、風車の持つ出力を向上させることが可能となる。
【0017】
また他の手段は、受風部上部が回転方向と逆方向にずれるように、回転軸を基準に受風部全体が捻られたことを特徴としたものである。
【0018】
この手段により、静止時に、風上に対して、受風面側が前傾となり上向きの力を発生し、背面側が後傾となり下向きの力を発生するが、上向きの力を発生する受風面の抗力が大きいことより、全体として風車に浮力がかかり、回転摩擦が小さくなり、風車が起動しやすくなり、低風速から起動させることが可能となる。
【0019】
また他の手段は、受風部全体が、回転軸を基準に一定の割合で捻られたことを特徴としたものである。
【0020】
この手段により、受風部枚数が少ない場合には位相により発生トルクに差ができるが、捻り、受風部を周方向に広範囲にちらすことにより、位相によらずに安定したトルクを発生することが可能となる。
【0021】
また他の手段は、受風部内に、受風部軸方向に仕切る回転軸垂直面とほぼ平行な仕切り板を設けたことを特徴としたものである。
【0022】
この手段により、特にねじった場合に上方もしくは下方に流れの偏りができ、発生トルクが回転軸方向にばらつく場合があるが、受風部内に仕切りを設けることにより、トルクのばらつきを抑えることが可能となる。
【0023】
また他の手段は、仕切り板の接続箇所と同一箇所に接続部を持った受風部を支持する支持部を備えたことを特徴としたものである。
【0024】
この手段により、支持部は受風部表面の一部だけを支えるのではなく、受風部内の広い範囲で受風部に接する仕切りも支えることとなり、風車支持の剛性を大きくすることが可能となる。
【発明の効果】
【0025】
本発明によれば、受風部の最適化を行い、風力を効率的に回転エネルギに変えることのできる風車を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
本発明の請求項1記載の発明は、パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を基準として、前記受風部外径端が回転方向に、前記受風部内径端が回転方向と逆方向に位置することを特徴としたものである。特に受風部枚数が多い場合に、風上側の投影で受風部内径側が上流側の隣接受風部により隠されるが、回転軸方向に対して、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を外側に凹部が向くようにずらすことにより、受風面において風を捉える効率が良くなり、同風速時の発生トルクを大きくすることができ、風車の効率向上が可能となる。
【0027】
また、請求項2記載の発明は、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線が、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線と15°から35°の取付け角度をなしていることを特徴としたものであり、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線が、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線と25°としたときの、最もトルクを大きく取れる角度を中心とした付近の取付け角度にすることにより、最良の発生トルクを得ることができ、効率向上が可能となる。
【0028】
また、請求項3記載の発明は、パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離位置の距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の55%倍よりも大きく65%よりも小さいことを特徴としたものである。受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離位置の距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の60%としたときの、最もトルクを大きく取れる比を中心とした付近の比にすることにより、受風面から風を受けた場合の抗力が大きく、背面から風を受けた場合の抗力が小さくなり、これら抗力の差を大きくすることができるので、同風速時の発生トルクを大きくすることができ、風車の効率向上が可能となる。
【0029】
また、請求項4記載の発明は、パドル型風車の受風部水平断面において、受風部外径端と受風部内径端とを結ぶ直線からの最大距離が、受風部外径端と受風部内径端との距離の55%よりも大きく65%よりも小さいかつ、前記受風部外径端と前記受風部内径端の中点と回転軸とを結ぶ直線を外側に凹部が向くようにずらすことを特徴としたものであり、受風部の取付けをずらし隣接する受風部の影響を吸収し、かつ受風部単枚でも効率的な断面形状にすることで、より多くの発生トルクを得ることができる。
【0030】
また、請求項5記載の発明は、パドル型風車の受風部水平断面が楕円弧であることを特徴としたものであり、大きい発生トルクを得ながら、構造と設計の単純さという特徴を保つことができ、高効率かつ、製作しやすい風車を提供できる。
【0031】
また、請求項6記載の発明は、回転軸方向における全ての受風部水平断面形状が同一であることを特徴としたものであり、水平断面形状を保ったまま回転軸方向に引き伸ばすことにより、風車設置面積は変化させないまま、受風面積がおおきくなり、風車の持つ出力を簡単に向上させることができる。
【0032】
また、請求項7記載の発明は、受風部上部が回転方向と逆方向にずれるように、回転軸を基準に受風部全体が捻られたことを特徴としたものであり、静止時に、風上に対して、受風面側が前傾となり上向きの力を発生し、背面側が後傾となり下向きの力を発生するが、上向きの力を発生する受風面の抗力が大きいことより、全体として風車に浮力がかかり、回転摩擦が小さくなることから、風車を低風速から起動させることができる。
【0033】
また、請求項8記載の発明は、受風部全体が、回転軸を基準に一定の割合で捻られたことを特徴としたものであり、受風部枚数が少ない場合には位相により発生トルクに差ができるが、捻り、受風部を周方向に広範囲にちらすことにより、位相によらずに安定したトルクを発生することができる。
【0034】
また、請求項9記載の発明は、受風部内に、回転軸方向に仕切る回転軸垂直面とほぼ平行な仕切り板を設けたことを特徴としたものであり、特にねじった場合に上方もしくは下方に流れの偏りができ、発生トルクが回転軸方向にばらつく場合があるが、受風部内に仕切りを設けることにより、トルクのばらつきを抑えることができる。
【0035】
また、請求項10記載の発明は、仕切り板の接続箇所と同一箇所に接続部を持った受風部を支持する支持部を備えたことを特徴としたものであり、支持部は受風部表面の一部だけを支えるのではなく、受風部内の広い範囲で受風部に接する仕切りも支えることとなり、風車支持の剛性を大きくすることができる。
【0036】
(実施の形態1)
従来例と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【0037】
図1は実施の形態1の平面断面図であって、受風面103と背面104を備えた受風部101が支持部102に固定され、支持部102は回転軸4に取付けられたパドル型風車である。ここで、受風部101は、受風部外径端1と受風部内径端2の中点3と回転軸4とを結ぶ直線を基準として、受風部外径端1は回転方向に、受風部内径端2は回転方向と逆方向に位置している。なお、受風部外径端1と受風部内径端2とを結ぶ直線が、中点3と回転軸4とを結ぶ直線と25°の取付け角度5をなして、受風部101は固定されている。
【0038】
上記構成において、受風部101と支持部102の取付け方法として、受風部外径端1と受風部内径端2とを結ぶ直線が回転軸4を通るように位置する方法が考えられるが、特に風車が3枚以上の受風部を有する場合には、風上側からの投影において上流側の隣接受風部6の影に受風部101の一部が隠れるため、風を効率的に受けることができなくなる。しかし、受風部外径端1と受風部内径端2の中点3と回転軸4とを結ぶ直線を基準として、受風部外径端1は回転方向に、受風部内径端2は回転方向と逆方向に位置することによって、受風部外径端1と受風部内径端2を結ぶ直線が風方向と垂直となり風圧を最も受ける位相をずらし隣接受風部6の影を避けることにより、結果として風車全体で風を捉える効率が良くなり、同風速時の発生トルクを大きくすることができ、効率向上が可能となる。
【0039】
なお、実施の形態1では、風車平面断面図の一部として受風部101を2枚しか示していないが、風車全体では2枚以上の受風部が周方向に等間隔に配置される。また、受風部外径端1と受風部内径端2とを結ぶ直線が、中点3と回転軸4とを結ぶ直線と25°の取付け角度をなしているが、中点3と回転軸4とを結ぶ直線を基準として、受風部外径端1は回転方向に、受風部内径端2は回転方向と逆方向に位置するだけでも発生トルク増加の効果は得られる。このとき図2は取付け角度と発生トルクの関係図であり、取付け角度25°付近に極大値をもち、15°から35°付近の取付け角度において、特に大きな効果が得られる。
【0040】
(実施の形態2)
従来例、または実施の形態1と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【0041】
図3は実施の形態2の平面断面図であって、受風面103と背面104を備えた受風部101が支持部102に固定され、支持部102は回転軸4に取付けられたパドル型風車である。ここで、受風部101は、受風部外径端1と受風部内径端2とを結ぶ直線からの最大距離位置7の距離8が、受風部外径端1と受風部内径端2との距離9の60%である楕円弧で構成されたものである。
【0042】
上記構成において、受風面103側から風を受けた抗力と、180度位相のずれた場合の背面104から風を受けた抗力との差が大きくなり、特に距離8が、距離9の約60%としたときに極大となり、風車全体として同風速時の発生トルクを大きくすることができ、効率向上が可能となる。
【0043】
なお、実施の形態2では、風車平面断面図の一部として受風部を1枚しか示していないが、風車全体では2枚以上の受風部が周方向に等間隔に配置される。また、距離8は距離9の発生トルクが極大となる60%としているが、55%以上65%以下の範囲でも発生トルク増加の効果は得られ、受風部101を楕円弧としているが、受風部外径端1と最大距離位置7、受風部内径端2と最大距離位置7を結ぶ直線で構成された形状などの、受風面103が風に対して凹形状になっている形状で構成された受風部101でも、距離8と距離9の比を55%より大きく65%よりも小さい範囲にすることにより発生トルクの増大効果が得られる。さらに、実施の形態1の取付け角度と併用することにより、発生トルクをさらに大きくすることができ、効率向上が可能となる。
【0044】
(実施の形態3)
従来例、または実施の形態1、2と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【0045】
図4は実施の形態3の斜視図であって、受風面103と背面104を備え、水平断面形状が回転軸4に垂直な任意の断面で同一形状であり、下端位置を基準に同一形状を保ったまま受風部高さの中央あたりまで垂直にのび、上部では、位相をずらすように構成された受風部101が支持部102に固定され、支持部102は回転軸4に取付けられたパドル型風車である。
【0046】
上記構成において、水平断面形状を同一とすることにより、風車設置面積は変化させないまま、最適な断面形状で受風面積を大きくし、風車の持つ出力を簡単に向上させることができる。また、受風部上部が回転方向と逆方向にずれるように受風部101を捻ることにより、静止時には、受風面103側が風上に対して前傾となり上向きの力を発生し、背面104側が後傾となり下向きの力を発生し、全体として抗力が大きい受風面103の上向きの力が浮力となり、回転摩擦が小さくなることから、風車を低風速から起動させることが可能となる。このとき、捻りの程度は、受風部の傾きにより風を受けて発生する効力が風車を上方に持ち上げ、かつ、回転力としても風を確実に受けられるような、受風部の一部が地面に対して45°以上90°未満の角度であることが望ましい。
【0047】
なお、実施の形態3では、上部のみを捻っているが、上部が回転方向と逆方向にずれていれば、下方のみ、もしくは、全体的に回転方向に捻られているが、途中で曲率が変わったりしてもよい。また、取付け、水平断面形状は任意であるが、実施の形態1の取付け角度、実施の形態2の断面形状で構成することにより、より高性能な風車の設計が可能となる。
【0048】
(実施の形態4)
従来例、または実施の形態1〜3と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【0049】
図5は実施の形態4の斜視図であって、受風面103と背面104と、受風部101内を仕切る回転軸4垂直面とほぼ平行な仕切り板10を備え、水平断面形状が回転軸4に垂直な任意の断面で同一形状であり、下端位置を基準に同一形状を保ったまま、回転方向と逆方向に一定の角度で位相をずらすように捻られた受風部101が仕切り板10と同じ接続部11において支持部102に固定され、支持部102は回転軸4に取付けられたパドル型風車である。
【0050】
上記構成において、回転軸4を基準に、軸方向位置と捻り角度の割合が一定であるような、一定の割合で捻り、受風部101を周方向の広範囲にちらすことにより、位相によらない安定したトルクを発生することができる。また、受風部101内に、回転軸方向に仕切る回転軸垂直面とほぼ平行な仕切り板10を設けることにより、ねじった場合の上方もしくは下方の流れの偏りを区分けすることで抑え、支持部102を仕切り板10と同一箇所で受風部101との接続部11を持せることにより、受風部101表面の一部だけを支えるのではなく、受風部101内の広い範囲で受風部に接する仕切りも支えることとなり、風車支持の剛性を大きくすることができる。このとき、一定の割合の捻りとは、受風部の傾きにより風を受けて発生する効力が風車を上方に持ち上げ、かつ、回転力としても風を確実に受けられるような、受風部の上端から下端までの全ての箇所が地面に対して45°以上90°未満の一定角度であることが望ましい。
【0051】
なお、実施の形態4では仕切り板10と支持部102とを同一箇所で接続しているが、同一箇所で接続しなくても、仕切り板のみの構成でも流れの偏り抑制の効果を得ることができ、また、取付け、水平断面形状は任意としているが、実施の形態1の取付け角度、実施の形態2の断名形状で構成することにより、より高性能な風車の設計が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【0052】
本発明にかかる風車は、受風部の最適化により風力を効率的に回転エネルギに変え、高風車効率、低風速機動性の特徴を有し、特にパドル型風車として有用である。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】本発明の実施の形態1の平面断面図
【図2】取付け角度と発生トルクの関係図
【図3】本発明の実施の形態2の平面断面図
【図4】本発明の実施の形態3の斜視図
【図5】本発明の実施の形態4の斜視図
【図6】従来の風車を示す側面図
【図7】同上平面断面図
【符号の説明】
【0054】
1 受風部外径端
2 受風部内径端
3 受風部外径端と内径端の中点
4 回転軸
5 取付け角度
6 隣接受風部
7 最大距離位置
8 最大距離位置の距離
9 受風部外径端と内径端の距離
10 仕切り板
11 接続部
101 受風部
102 支持部
103 受風面
104 背面




 

 


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