JP4723295B2

JP4723295B2 - プロペラ風車

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Publication number: JP4723295B2
Application number: JP2005192388A
Authority: JP
Inventors: 政彦鈴木
Original assignee: Bellsion KK
Current assignee: Bellsion KK
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: JP2007009822A

Description

本発明はプロペラ風車に係り、特に風向変化に敏感に反応して、瞬時にプロペラを風に対向するように、変向させるようにしたプロペラ風車に関する。

従来のプロペラ風車は、プロペラの前面が風に対向していなければ、効率の良い回転をすることができない。また常にプロペラ前面が風に対向する姿勢のとき、プロペラに対する抵抗を最小限にすることができ、プロペラの設計においては、プロペラの前面に風を受けることを前提とされている。
しかしプロペラはジャイロ効果を発生し、突発的な変動風が吹いたときには、側面その他前面以外の面に強い変動風が当ることになるが、プロペラ風車の構造上で、即時に風向に対応することができない。そのため、不測のパワーロスやプロペラの破壊が発生する。
その対策として、風向センサや自動制御装置等の使用によって、風向にプロペラの向きを合わせる手段が講じられている。

しかし、一定の時間内の風向の計測と、制御装置の作動には、風向の変化に対する瞬時の対応ができず、その結果、風力の回収効率が向上せず、プロペラには前方からの風力に対応する剛性が具備されているが、横或いは斜め方向からの風向に対して、無理な風力がかかると、プロペラの折損などが生じている。

この発明のプロペラ風車では、筐体の前下部に旋回中心が設定され、筐体の後部にプロペラが配設されている。筐体の後部に方向舵がプロペラの側部を囲むように配設され、方向舵は前部よりも後部が、筐体の縦長心線に対して外側開きに設定されている。発明の具体的な内容は次の通りである。

(1) 支柱上に旋回自在に配設された筐体の後部に、水平に突設されたプロペラ軸の後部に、プロペラが配設された風車であって、筐体は可及的前部に旋回支点が設定され、筐体の前後中心より後部に、支持翼を介して方向舵が配設され、該方向舵は、平面視で後部は筐体より後方へ突出されて、プロペラの側面を囲うように設定され、前部より後部は、筐体の縦長心線に対して外側開きに傾斜されているプロペラ風車。

(2) 前記プロペラは、プロペラ軸に固定されるボスに枢着されて、先端部を後方へ傾倒可能に構成され、プロペラの基端部は、ボスに装設された可傾復元手段に連結され、所定風速を超える風速による風圧が、プロペラの前面にかかったとき、可傾復元手段の加圧力に抗して、プロペラ先端部が後方へ傾倒するように構成された、前記(1)に記載されたプロペラ風車。

(3) 前記方向舵の傾斜角度は、筐体の縦長心線に対して、１０度〜１７の範囲で後部が外方へ開いている、前記(1)または(2)に記載のプロペラ風車。

(4) 前記方向舵は、正面視で円形に形成されている、前記(1)〜(3)のいずれかに記載されたプロペラ風車。

(5) 支柱上に旋回自在に配設された筐体の後部に、水平に突設されたプロペラ軸の後部に、プロペラが配設された風車であって、筐体は可及的前部に旋回支点が設定され、筐体の前後中心より後部に、正面円形の方向舵が、複数の支持翼を介して配設され、該方向舵は、平面視で後部は筐体より後方へ突出されて、プロペラを囲うように設定され、該正面円形の方向舵の左右側面に支持翼を介して副方向舵が配設され、該副方向舵は、平面視で前部より後部が、筐体の縦長心線に対して外方に開いているプロペラ風車。

(6) 前記副方向舵は、上下端部が外方へ湾曲傾斜されている前記（5）に記載のプロペラ風車。

(7) 前記正面円形の方向舵には、上下部に、垂直な副方向舵が配設されている前記(5)または(6)に記載のプロペラ風車。

本発明によると次のような効果が奏せられる。

(1) 請求項１に記載された発明のプロペラ風車は、筐体の後部に方向舵が配設され、旋回支点が筐体の前部にあるので、方向舵に正面からくる風を受けると、プロペラの前面を風に対向させて維持する。
風向きが変って、横から方向舵に風があたると、方向舵が風下に移動して、プロペラの前面を風に対面させる。方向舵の向きが、後部外側開きに設定されているので、微風でも、風向きの変化に敏感に反応する。

(2) 請求項２に記載された発明のプロペラ風車は、プロペラが、前面に所定の風速を超えた風速の風圧を受けると、先端部が後方へ傾倒するので、突風などによる強い風圧がプロペラにかかっても、瞬時に傾倒して風を逃がしてしまい、回転速度が低下し、プロペラの折損が生じにくい。

(3) 請求項３に記載された発明のプロペラ風車は、方向舵の傾斜角度が、筐体の縦長心線に対して、１０度〜１７度の範囲に外側開きに設定されているので、前方から受ける風には、左右の方向舵でバランスを取って、プロペラを風に対面させ、風向が変ると左右の方向舵にかかる風圧のバランスが崩れて、方向舵が風下になるように瞬時に変向する。

(4) 請求項４に記載された発明のプロペラ風車は、方向舵が正面視で円形なので、強度に優れているため、方向舵の側面、或いは上下部に副方向舵が配設されても、剛性に優れている。

(5) 請求項５に記載された発明のプロペラ風車は、正面円形の方向舵の左右に、副方向舵が配設されているので、副方向舵の位置は筐体から、より遠くに設定される。そのことから、微風の風向き変化にも敏感に変向することができる。

(6) 請求項６に記載された発明のプロペラ風車は、正面円形の方向舵の側部に配設された副方向舵の上下端部が、外向きに湾曲傾斜されているので、風が副方向舵の上下方へ逃げにくく、風の把握に優れているので、微風の風向き変化にも敏感に変向することができる。

(7) 請求項７記載された発明のプロペラ風車は、正面円形の方向舵の上下部に、垂直な副方向舵が配設されるので、正面からの風にはプロペラを対向させ、風向きの変化には、敏感に変向させる。

筐体の左右に方向舵が、後部が外側開きになるよう配設されている。

本発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るプロペラ風車の平面図、図２はその正面図、図３は右側面図である。

図においてプロペラ風車(1)は、支柱(2)の上に筐体(3)を旋回自在に配設して構成されている。筐体(3)は、支柱(2)周りの旋回中心が、筐体(3)の先端部から、筐体(3)の長さの２０％〜４０％に当るよう、可及的前位置に支持されている。

筐体(3)の内部には、図示しない発電機が配設され、発電機に連結されたプロペラ軸(3a)が横設され、プロペラ軸(3a)の後部は筐体(3)の後方へ突出している。筐体(3)の内部には、図示しない、蓄電池、各種センサ、自動制御装置など、必要不可欠の装置機器類が内装されている。プロペラ軸(3a)の後端には、図示するように、プロペラ(4)が装着されている。符号(4b)はボスである。このボスの後方から図示しない後蓋が嵌着される。

プロペラ(4)は、図では３枚翼が示されているが、枚数に限定されるものではない。プロペラ(4)は、基部よりも先端部の弦長が大とされている。先端部の弦長は、例えば回転半径の２０％〜４５％の範囲で設定されている。
またプロペラ(4)の先端部には、前方へ３０度〜４５度の範囲で傾斜する傾斜部(4a)が形成されている。しかし本発明は、この形に限定されるものではない。

筐体(3)の正面視における左右両側部には、それぞれ上下１対の支持翼(5)が放射方向へ向けて配設され、左右それぞれにおいて、支持翼(5)の先端部に方向舵(6)が、筐体(3)から等間隔に位置するように配設されている。

支持翼(5)は、平面視で基部より先端部の幅を小とされ、また正面視で、基部より先端部の厚さが薄く設定されている。断面は、前部が厚く、後方へかけて薄く設定されている。下方の支持翼(5)は、下面よりも上面前部において膨出を大きく設定され、上方の支持翼(5)は、上面よりも下面前部において膨出は大きく設定されている。これによって、上下の支持翼(5)の間を通過する風の流れは、上下の支持翼(5)の上下面を通過する風の流速よりも高速となる。

方向舵(6)の、上下部は、求心方向へ湾曲されている。すなわち、プロペラ(4)の先端面の回転トラックから、接触しない程度の所定の距離の円弧に沿うように、湾曲されている。

図１において、Ａ矢示風が吹くとき、プロペラ（4）は回転しない。しかし、Ａ矢示風は方向舵（6）に当り、これを押すので、支柱（2）を旋回支点として筐体（3）は旋回し、プロペラ（4）は自然に風下に位置して回転する。

図１において、Ｂ矢示風が吹くときも、プロペラ（4）は回転しないが、方向舵（6）に風が当るので、支柱（2）を旋回支点として筐体（3）は旋回し、プロペラ（4）は風下に自然に位置して回転する。
このように方向舵(6)は、前後方向を向く作用面（s）が、筐体（3）の前後方向を向く前後軸(L)に対して、１０度〜１７度の範囲で外側へ向いて開いているので、どちらの方向からの風にも敏感に感応する。

図１において、前方からＣ矢示風が吹くとき、Ｃ矢示風は方向舵(6)の左右を通過する。この場合、左右の方向舵(6)の外側を通過する風は、いずれも方向舵(6)の外側後部を押すことになるが、左右がバランスよく釣合うので、プロペラ(4)は風に対面して、効率良く回転する。

また、わずかでも風向が変化した時は、方向舵(6)に対する左右いずれかの風の強さが変化するので、バランスが崩れて、強い風に押されて筐体(3)が旋回し、プロペラ(4)は風方向に対面するように変向させられる。

図１において、左右の方向舵(6)の間を抜ける風は、方向舵(6)に案内されて通過する。この場合、左右の方向舵(6)の対面間の入口幅は狭いが、出口は広くなっているので、後方へ抜ける時に、方向舵(6)の内側後部では気流が拡散され、空気密度は減少する。

方向舵(6)の外側後部では気流が圧縮される。その結果、方向舵(6)の内側を通過する気流は外側よりも速くなる。その速度の速くなった気流は、プロペラ(4)の傾斜部(4a)に強く当り、回転速度を大とする。

また、方向舵(6)の内側後部で気圧が低くなると、上下方向から他位置の気流が、気圧の低い部位に高速で流入し、一定時間内における風の流過量が増大して、プロペラ(4)の回転効率を高める。

筐体(3)の後部にプロペラ(4)が配設されている場合、プロペラ(4)の回転に伴い、筐体(3)の正面において、プロペラ(4)は回転方向で空気抵抗を受けるために、抵抗の少ない方向へ筐体(3)が旋回する。その結果、筐体(3)が反転旋回して風向と逆の方向を向くことがある。

しかし本発明においては、前述のように、左右の方向舵(6)の後部が、外側開きの傾斜とされているために、正面から方向舵(6)に受ける風が、左右から旋回を押さえることとなり、プロペラ(4)の回転に伴う遠心力による、筐体(3)の旋回が生じることはない。

例えば、筐体(3)の後部に縦長の方向舵を配設した場合、真横から吹く風には変向作用があるが、前斜めから風が吹く時は、プロペラの回転作用によって後方へ通過する強い風流により、方向舵がそのままの位置に維持されて、変向されないことがある。その点本願における方向舵(6)は、微風にも敏感に反応して、筐体(3)を旋回させる。

図４は、実施例２を示す風車の正面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。この実施例は、方向舵(6)が裁頭八角錐を２っ割状にしたような形状に形成されている。この実施例２では、図１の方向舵(6)よりも、左右の方向舵(6)の上部対向間隔が狭く設定されている。

従って、図１と図５の比較でもわかるように、方向舵(6)の内側面を通過する風は、左右の方向舵(6)の上下対向間隙から、上下方向へ通過する風量が少なく、後方へ通過する風量が多いので、プロペラ(4)の回転効率に加効する。

図６は、実施例３を示す正面図である。前例と同じ部位には、同じ符号を付して説明を省略する。この実施例３は、左右の方向舵(6)の対向間隔を大とされている。そのため、支柱(2)から方向舵(6)の外側面までの距離が大きく、小さな風力でも方向制御が容易に行われる。その結果、微風時における風向きの変化にも、方向舵(6)は敏感に反応して、効率良く変向させることができる。

図７は、実施例４を示すプロペラ風車の正面図、図８は同じく平面図である。前例と同じ部位には、同じ符号を付して説明を省略する。この実施例４では、方向舵(6)が２重に配設されている。
主たる方向舵(6)は、正面視円形に形成され、主たる方向舵(6)の左右方に、副方向舵(6a)が、支持翼(5)を介して配設されている。

主たる方向舵(6)が円形に形成されているのは、副方向舵(6a)を配設する際の強度維持のためで、仮想線で示すように、垂直の副方向舵(6b)を上下部に配設することができる。副方向舵(6a)(6b)が筐体(3)から遠い位置にあるため、微風でも変向させやすい。

図９は、実施例５を示すプロペラ風車の正面図、図１０は平面図である。前例と同じ部位には、同じ符号を付して説明を省略する。この実施例５では、正面視円形の方向舵(6)の前部の開口が大きく設定されている。また、副方向舵(6a)の、上下端部は外向きに湾曲傾斜されている。

方向舵(6)を正面視円形にし、前部開口の径を中間より大きくしたとき、内腔へ入る風量が増加し、又斜め前からの風も中へ呼び込むことができる。斜めの風を内腔に受けて、風向きに反する方を向くこともあるが、この実施例では、副方向舵(6a)が左右側部に突出しているために、敏感に風向きに対応することができる。

特に副方向舵(6a)は、上下端部が外側方へ傾斜しているので、風を受けた時に、風が副方向舵(6a)の上下方向へ徒過することがなく、把握性に優れて、風向きに敏感に反応し、筐体(3)の向きを変向させる。その結果、副方向舵(6a)を小寸のものとしても、優れた性能を発揮することができる。

図１１は、可傾復元機構を具備する可傾倒プロペラの側面図、図１２は正面図である。この可傾復元機構を具備する可傾倒プロペラ（44）は、一定以上の風速、例えば１２ｍ／ｓの風が吹くと、可傾倒プロペラ（44）の先端部が、風圧に押されて後方に傾倒し、回転速度が低下するように構成されている。

図１１において、ボス（4b）には軸支部（4c）が、可傾倒プロペラ（44）の配設数だけ形成されている。軸支部（4c）に可傾倒プロペラ（44）が、固定軸（4d）をもって、先端部が後方に傾倒可能に枢支されている。
ボス（4b）には、装孔（4e）が形成され、可傾復元機構のコイルスプリングからなる弾発材（4f）を外嵌させたガイド軸（4g）が、前後方向に横架されている。

可傾倒プロペラ（44）の基端部には、２又状の作動杆（4h）が突設され、２又を前記ガイド軸（4g）に跨装させ、かつコイルスプリングからなる弾発材（4f）の基端部背後に位置させて、弾発材（4f）で２又の作動杆（4h）が後方へ押圧されている。

図１１に示す状態で、例えば風速１２ｍ／ｓ以下の風が、可傾倒プロペラ（44）の前面に当っているときには、前記コイルスプリングからなる弾発材（4f）は、耐収縮性を具備し、例えば風速１２ｍ／ｓを超える風が、可傾倒プロペラ（44）の前面に当るときは、風力に対応して弾発材（4f）は、長手方向に収縮することができる。

これによって、例えば風速１２ｍ／ｓを超える風が、プロペラの前面にあたるときは、可傾倒プロペラ（44）の先端部は、風圧に押された範囲で後傾倒する。可傾倒プロペラ（44）の先端部が後傾倒すると、前面に当る風は、可傾倒プロペラ（44）の前面を、先端方向へ滑って通過するために、可傾倒プロペラ（44）を、回転方向へ回転させる力が低下する。

その結果、例えば風速１２ｍ／ｓを超える風が、可傾倒プロペラ(44)の前面にあたっても、可傾倒プロペラ(44)の回転速度はあがらず、発電機に無理な負担がかかることはない。また可傾倒プロペラ(44)自体も傾倒して、風の抵抗を小さくして通過させるので、可傾倒プロペラ(44)の折損などの虞がない。風速が低下すると、弾発材(4f)の弾発力によって、可傾倒プロペラ(44)の傾倒は復元される。

可傾復元機構であるコイルスプリングからなる弾発材(4f)は、一例であり、ヒゲバネ、板バネ、或いは流体圧などが選択される。自動制御装置により、可傾倒プロペラ(44)の傾倒角度を制御することができるが、突風は突然に生じるもので、センサが感知して、自動制御装置により制御するまでには時間的ロスがあるので、可傾倒プロペラ(44)の折損の虞があるが、この機構では、突風においても、弾発材(4f)が即座に対応することができ、姿勢復元も即座にできる。

図１３は、可傾復元機構を具備する可傾倒プロペラの他の実施例を示す側面図である。前例と同じ部位には、同じ符号を付して説明を省略する。この実施例においては、複数の可傾倒プロペラ(44)が、同時に可傾復元機構の作用を受けるように構成されている。

図１３において、ボス(4d)の前部に、管状のガイド(4j)が前方へ向けて突設され、これに、コイルスプリングからなる弾発材(4f)が外嵌されている。弾発材(4f)の後部にスライダ(4K)が配設されている。符号(4n)はストッパである。

上記構成において、可傾倒プロペラ(44)の前面に強い風圧が作用すると、作動杆(4h)の下部が、スライダ(4K)を弾発材(4f)に抗して、前方に押すため、可傾倒プロペラ(44)の先端部は、後方に傾倒することができる。

前記ストッパ(4n)は、位置を前後させることによって、弾発材(4f)の強度を調節することができる。弾発材(4f)は板バネにすることができる。また図においては、弾発材(4f)はボス(4b)の前部に配設されているが、後部に配設して、プロペラの傾倒時に弾発材(4f)を引張するようにすることができる。

なおこの発明は、実施例に限定されるものではなく、目的に沿うよう適宜設計変更をすることができる。図示或いは記載事項を、適宜組合わせることができる。

風向きに敏感に反応して、プロペラを常に風に対向させるので、風向が変りやすいか、或いは風量の多くない地域での風力発電に適している。

本発明に係るプロペラ風車の平面図である。図１における正面図である。図１における要部側面図である。本発明第２実施例を示すプロペラ風車の正面図である。図４における平面図である。本発明第３実施例を示すプロペラ風車の正面図である。本発明第４実施例を示すプロペラ風車の正面図である。図７における平面図である。本発明第５実施例を示すプロペラ風車の正面図である。図９における平面図である。本発明に係る可傾倒プロペラの要部側面図である。図１１における要部正面図である。本発明に係る可傾倒プロペラの要部側面図である。

(1)プロペラ風車
(2)支柱
(3)筐体
(3a)プロペラ軸
(4)プロペラ
(4a)傾斜部
(4b)ボス
(4c)軸支部
(4d)固定軸
(4e)装孔
(4f)弾発材
(4g)ガイド軸
(4h)２又作動杆
(44)可傾倒プロペラ
(5)支持翼
(6)方向舵
(6a)(6b)副方向舵

Claims

支柱上に旋回自在に配設された筐体の後部に、水平に突設されたプロペラ軸の後部に、プロペラが配設された風車であって、筐体は可及的前部に旋回支点が設定され、筐体の前後中心より後部に、支持翼を介して方向舵が配設され、該方向舵は、平面視で後部は筐体より後方へ突出されて、プロペラの側面を囲うように設定され、前部より後部は、筐体の縦長心線に対して外側開きに傾斜されていることを特徴とするプロペラ風車。
前記プロペラは、プロペラ軸に固定されるボスに枢着されて、先端部を後方へ傾倒可能に構成され、プロペラの基端部は、ボスに装設された可傾復元手段に連結され、所定風速を超える風速による風圧が、プロペラの前面にかかったとき、可傾復元手段の加圧力に抗して、プロペラ先端部が後方へ傾倒するように構成された可傾倒プロペラであることを特徴とする請求項１に記載されたプロペラ風車。
前記方向舵の傾斜角度は、筐体の縦長心線に対して、１０度〜１７の範囲で後部が外側方へ開いていること、を特徴とする請求項１または２に記載のプロペラ風車。
前記方向舵は、正面視で円形に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたプロペラ風車。
支柱上に旋回自在に配設された筐体の後部に、水平に突設されたプロペラ軸の後部に、プロペラが配設された風車であって、筐体は可及的前部に旋回支点が設定され、筐体の前後中心より後部に、正面円形の方向舵が、複数の支持翼を介して配設され、該方向舵は、平面視で後部は筐体より後方へ突出されて、プロペラを囲うように設定され、該正面円形の方向舵の左右側面に支持翼を介して副方向舵が配設され、該副方向舵は、平面視で前部より後部が、筐体の縦長心線に対して外方に開いていることを特徴とするプロペラ風車。
前記副方向舵は、上下端部が外方へ湾曲傾斜されていることを特徴とする、請求項５に記載されたプロペラ風車。
前記正面円形の方向舵には、上下部に、垂直な副方向舵が配設されていることを特徴とする、請求項５または６に記載のプロペラ風車。