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技術 個々の羽根が回転する風車又は水車

出願人 大森弘一郎
発明者 大森弘一郎
出願日 2004年9月10日 (15年11ヶ月経過) 出願番号 2004-263221
公開日 2006年3月23日 (14年4ヶ月経過) 公開番号 2006-077684
状態 未査定
技術分野 水力タービン 風車
主要キーワード 歯車組み 狭い水路 固定紐 反転空間 取り付けピン 羽根軸 エネルギー獲得 抵抗ロス
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2006年3月23日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題

エネルギー獲得の効率のよい風車又は水車を簡便に得ることを行う。

解決手段

平方向に回転する風車又は水車において、その個々の羽根を回転可能として歯車を一体に固定し、出力軸の回りの通常は固定している歯車と中間歯車を介してこの羽根の歯車の回転を連結し、歯車同士の噛み合わせ接触を2カ所として抵抗ロスを減らし、歯車の歯数を、出力軸の回転が1回転するのに対して、羽根が1/2回転する如く設定し、全ての羽根が定位置で同じ方向となる如くし、風又は水の流れに直交する位置の羽根を風又は水の流れと直交させ、その出力軸の180度反対側の羽根が風又は水の流れに平行する如くする。また強風に対してはこの角度をずらして回転を下げる。

概要

背景

発電を目的とする風車において、現在最も使用されているのは、飛行機と同じプロペラ方式であり、そのほかサボニュウス式と称する、水平方向に回転する受風側と抵抗側を持ったもの、また羽根の形状がの断面形状であり風が通過することで吸引力を発生させてこれを回転力にするダリュース式或いはジャイロミル式などがある。

水力の場合の主力はタービンであるが、これもスクリュー延長にある。また水中で水の抵抗を受けて流れの方向に回転し、抵抗の少ない空中で水の流れの逆方向に回転するのが水車の主流としてある。

これらは何れも優れた特徴を持つ。すなわちプロペラ方式は飛行機で培われた技術による風速に合わせた羽根の角度の変換技術。タービンはエンジンの製造技術が生かされ。サボニウス式やダリウス式やジャイロミル式においては、出力の回転軸以外に可動部が不要であること、などがそれである。

しかし欠点もあった。プロペラ式においては設置面積が大きい必要があることであり、広さ当たりのエネルギー変換量が小さいことである。プロペラの回転は一つの面であるが、風向に合わせて方向を回転させねばならないため、地上の占有面積最低でもプロペラの長さを直径とする円になるのである。またそれが上方に回転するため結果的に空中の占有面積は大きくなる、

上下方向に羽根を伸ばして水平方向に回転するダリウス式やジャイロミル式においては、プロペラ方式の地上占有面積よりも小さい占有面積でエネルギー獲得ができるが、回転中に抵抗部が生じ、渦巻き状のサボニウス式においても、受風側と、抵抗側が発生し、その差が変換されるエネルギーとなる。このように風車においてもエネルギー獲得に更なる改善が求められていた。

水流において、水車方式では、上部の反転空間が必要であり、上下の狭い水路では使用不能であり、またタービン方式は優れているが大きい水流を必要とし、また高価であった。

これらの問題に着眼し、各種の発明がなされている、その主なものを以下の通りであるが、理由不明で何れも実用化されていない。恐らく何らかの欠点が隠されていたものと考えられる。
特開平11−22626号公報
特開2000−54947号公報
特開2000−337244号公報
特開2001−65446号公報
特開2001−227451号公報
特開2002−339854号公報
特開2003−278637号公報
特開2003−343415号公報
特開2004−27845号公報

本発明は、これらの問題を克服して実用化したものであり、流れの受け側を風又は水流と直交した方向或いはエネルギー獲得に有利な方向にし、流れとの抵抗側を風又は水の流れと平行に近づけて抵抗を少なくすることで全体のエネルギー獲得効率を高くし、なお羽根の回転の伝達機構を単純な歯車機構にして抵抗ロスを少なくし、さらに風速を有効に回転に変えるために、回転軸に接近させて羽根を配置したものである。

概要

エネルギー獲得の効率のよい風車又は水車を簡便に得ることを行う。 水平方向に回転する風車又は水車において、その個々の羽根を回転可能として歯車を一体に固定し、出力軸の回りの通常は固定している歯車と中間歯車を介してこの羽根の歯車の回転を連結し、歯車同士の噛み合わせ接触を2カ所として抵抗ロスを減らし、歯車の歯数を、出力軸の回転が1回転するのに対して、羽根が1/2回転する如く設定し、全ての羽根が定位置で同じ方向となる如くし、風又は水の流れに直交する位置の羽根を風又は水の流れと直交させ、その出力軸の180度反対側の羽根が風又は水の流れに平行する如くする。また強風に対してはこの角度をずらして回転を下げる。

目的

一方、この歯数の選択は、風車又は水車が1回転するのに対して、羽根が1/2回転することを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

平方向に回転する風車又は水車において、その複数枚羽根を個別に回転可能としてこの軸と一体になった歯車を持ち、風車又は水車の出力軸の回りに歯車を置き、通常はこれを固定し、1枚の歯車を介して、これと羽根の軸と一体になった歯車を噛み合わせ、その出力軸の回りの歯車と、羽根の軸と一体の歯車と、中間歯車歯数により、出力軸の回転が1回転に対して羽根の回転が1/2回転するごとき歯車組み合わせとしたことを特徴とする風車又は水車。

請求項2

風車又は水車の複数枚の羽根の全てが、同一の位置にくると同一の方向に向くようにし、その羽根の方向を、一つの位置の羽根が風又は水の流れに直交し、その出力軸を中心にした反対の位置の羽根が、風又は水の流れに平行する如く90度移動回転する如くしたことを特徴とする請求項1の風車又は水車。

請求項3

風車又は水車の羽根の方向を、一つの位置の羽根が風又は水の流れに直交し、その出力軸を中心にした反対の位置の羽根が、風又は水の流れに平行する如く90度移動回転する如くし、なお風又は水の流速に伴って風又は水の流れとの方向関係を変えることを特徴とする請求項1の風車又は水車。

請求項4

出力軸の回りの歯車を、風又は水の流れの方向と速度の変化に伴って回転させて歯の位置を変えることで、風又は水の流速が遅いときは常に一つの位置の羽根が風又は水の流れに直交し、その回転方向に180度反対の位置の羽根が風又は水の流れに平行する如くしたことを特徴とする請求項1の風車又は水車。

請求項5

出力軸の回りの歯車を、風又は水の流れの方向と速度の変化に伴って回転させて歯の位置を変えることで、風又は水の流速が遅いときは常に一つの位置の羽根が風又は水の流れに直交し、その回転方向に180度の反対の位置の羽根が風又は水の流れに平行する如くし、流れの速度が大きいときはさらに羽根の方向を変えることを特徴とする請求項1の風車又は水車。

請求項6

本体の方向を周囲物と固定して、風又は水の流れと直交する位置の羽根の一方が流れに直交し180度反対の側の羽根が流れに平行するごとくしたことを特徴とする請求項2の風車又は水車。

技術分野

0001

本発明は、複数枚羽根を持ち、主に水平方向に回転する風車又は水車に関するものであって、その個々の羽根を水平方向に回転させることで、風又は水の流れの方向と回転方向が一致する側では羽根が風を受ける方向になり、回転方向が風向と逆になる側では、風の抵抗が小さくする方向になり、なおその動きがスムースで確実な回転となり、また構造が単純である技術に関するものである。

背景技術

0002

発電を目的とする風車において、現在最も使用されているのは、飛行機と同じプロペラ方式であり、そのほかサボニュウス式と称する、水平方向に回転する受風側と抵抗側を持ったもの、また羽根の形状がの断面形状であり風が通過することで吸引力を発生させてこれを回転力にするダリュース式或いはジャイロミル式などがある。

0003

水力の場合の主力はタービンであるが、これもスクリュー延長にある。また水中で水の抵抗を受けて流れの方向に回転し、抵抗の少ない空中で水の流れの逆方向に回転するのが水車の主流としてある。

0004

これらは何れも優れた特徴を持つ。すなわちプロペラ方式は飛行機で培われた技術による風速に合わせた羽根の角度の変換技術。タービンはエンジンの製造技術が生かされ。サボニウス式やダリウス式やジャイロミル式においては、出力の回転軸以外に可動部が不要であること、などがそれである。

0005

しかし欠点もあった。プロペラ式においては設置面積が大きい必要があることであり、広さ当たりのエネルギー変換量が小さいことである。プロペラの回転は一つの面であるが、風向に合わせて方向を回転させねばならないため、地上の占有面積最低でもプロペラの長さを直径とする円になるのである。またそれが上方に回転するため結果的に空中の占有面積は大きくなる、

0006

上下方向に羽根を伸ばして水平方向に回転するダリウス式やジャイロミル式においては、プロペラ方式の地上占有面積よりも小さい占有面積でエネルギー獲得ができるが、回転中に抵抗部が生じ、渦巻き状のサボニウス式においても、受風側と、抵抗側が発生し、その差が変換されるエネルギーとなる。このように風車においてもエネルギー獲得に更なる改善が求められていた。

0007

水流において、水車方式では、上部の反転空間が必要であり、上下の狭い水路では使用不能であり、またタービン方式は優れているが大きい水流を必要とし、また高価であった。

0008

これらの問題に着眼し、各種の発明がなされている、その主なものを以下の通りであるが、理由不明で何れも実用化されていない。恐らく何らかの欠点が隠されていたものと考えられる。
特開平11−22626号公報
特開2000−54947号公報
特開2000−337244号公報
特開2001−65446号公報
特開2001−227451号公報
特開2002−339854号公報
特開2003−278637号公報
特開2003−343415号公報
特開2004−27845号公報

0009

本発明は、これらの問題を克服して実用化したものであり、流れの受け側を風又は水流と直交した方向或いはエネルギー獲得に有利な方向にし、流れとの抵抗側を風又は水の流れと平行に近づけて抵抗を少なくすることで全体のエネルギー獲得効率を高くし、なお羽根の回転の伝達機構を単純な歯車機構にして抵抗ロスを少なくし、さらに風速を有効に回転に変えるために、回転軸に接近させて羽根を配置したものである。

発明が解決しようとする課題

0010

今日二酸化炭素公害地球規模で問題となっている。その中での最大の問題はエネルギー獲得を化石燃料又は原子力に頼る量が大きいことで、地球環境へのその弊害の大きさから、太陽光発電小水力発電、風力発電脚光を浴び、その普及に力が注がれだしている。

0011

風又は水の流れからエネルギー獲得をしようとする方法、特に回転エネルギーとして取る方法はいろいろ有り、既に一部は実用化されている。最も普及しているのは縦方向に回転するプロペラ方式であり、横方向に回転するダリウス式やサボニウス式が普及され、その外実用化にいたっていない各種の方法がある。

0012

これらは何れも優れたものであるが。設置面積当たりエネルギー獲得の効率、価格当たりのエネルギー獲得効率においてさらに優れたものを求められていた。
エネルギー獲得効率は、風又は水の流れを受ける面積と抵抗になる面積の差をいかに小さくするかの問題であり、これを回転方向のエネルギーに効率よく変換する機構が鍵をもっている。

0013

この鍵は、いかに羽根を大きくして、なお風又は水の流れに逆抗するときの抵抗を小さくするかであり、さらにまた得られたエネルギーを伝達する抵抗をいかに小さくする簡便な機構とするかにあった。

0014

それに着眼した発明が過去にあるが、その一つの羽根を回転させて空気抵抗を減らそうというものは、その回転にタイミングベルトを使用しているため、エネルギーロスが大きいためか、実現にいたっていない。また羽根の回転に歯車クランクを使う発明もこれと似た目的を持っているが、その機構の複雑さゆえか、これも実用化していない。

課題を解決するための手段

0015

本発明は、これらの問題解決の手段として、風車又は水車を水平方向の回転として縦方向に伸び出力軸の近くよりエネルギー獲得をする方式とし、水平方向に回転する羽根を持ち、さらにその羽根を個々に回転させることとし、この羽根に歯車を固定し、出力軸の回りには通常は回転せずに固定している歯車を置き、この歯車の歯数の比を回転羽根の歯車を2、通常は固定している回転しない歯車を1として、その中間に任意の歯数の歯車を一カ所のみに置いて、本体の1回転に対して羽根が1/2回転する抵抗の少ない簡便な機構として問題を解決した。

0016

一方、この歯数の選択は、風車又は水車が1回転するのに対して、羽根が1/2回転することを目的とするもので、中間歯車を2枚として2段に一体化させて、回転羽根の歯車の歯数を小さくしてもよいものである。

0017

以上により、3枚以上の複数の羽根は出力軸の回転に伴って、図の下からの風により図3図4において時計回りに回転する。図4は出力軸の回転に伴って、1枚の羽根がどのような方向に変化するかを示したものであり、大きく実線の矢印で示した風又は水の流れの方向に対して、このように羽根が回転しながら風車又は水車を回転させ、この力を回転方向のエネルギーに転換してエネルギー獲得を行うのである。

0018

この図4の如く、この風車又は水車の羽根は機構全体の連続の回転により、裏表を交互に風又は水の流れに当てることになり、このことにより風又は水の流れを受ける、図4の左側を中心とするAからBの間は、エネルギーを受けて時計回りの回転方向にエネルギーを転換し、CからDの間は風又は水の流れの抵抗を受けず、BからC、及びDからAの間でわずかに抵抗を受ける。この抵抗は風又は水の流れの早さにより変わり、流れが遅いときは抵抗部分は狭くなり、早いと広くなる。B及びAの位置にが有るのはこのためである。
このエネルギー転換を行う部分の角度AからBが大きいことにより、エネルギー獲得の効率を大きくできるものである。

0019

また強い風又は水の流れの場合は風又は水の流れの方向に対して図3及び図4のごとき関係位置より回転させることでエネルギー獲得を減らすことができる。このために、風車又は水車の本体を回転させてもよく、また通常は固定していて回転しない固定歯車(e)を回転させてもよい。

0020

この通常は固定していて回転しない固定歯車(e)は風車又は水車の方向を風に最も好ましい角度に変える場合に使うのに有効で、風向計データーから回転させてもよく、風向計と直接つないでもよいものである。

発明の効果

0021

本発明による、回転羽根を持った風車又は水車は、羽根が表と裏となりながら、出力軸の1/2の回転をすることで、回転する本体の全周の中でのエネルギー獲得の角度が大きく、また抵抗を受ける角度が小さい。このことにより風又は水の流れに対するエネルギー獲得の効率が高く、地球環境に貢献するエネルギー取得の貢献に適する。

発明を実施するための最良の形態

0022

4枚の羽根を持ち、歯車比を通常は固定している回転しない歯車を30、回転羽根の歯車を60、中間歯車を30として製作した。このものは風速3m/秒の微風より回転を開始し、風速30m/秒においても順調な高速回転を行った。

0023

図1図2及び図3は本発明の小型の実施例を示したものである。風車の直径を160mm、羽根の寸法を90mm×60mmとして製作したものは10mm/秒の風速で回転を開始したが、風車の直径を260mm羽根の寸法を90mm×110mmとして製作したものは3mm/秒の風速で回転を開始した。大型の風車を作るにいたっていないが、この事実より、大型の風車の場合の性能が急激に大きくなることが予測される。

0024

後者の出力は、軸に小型発電機をつけて発光させて測った、その結果5m/秒において発光ダイオードが明るく点灯し、それ以上の測定は現機器では行えなかった。

0025

後者の風車を流水にいれて水車として使用した所、そのエネルギー獲得量は大きく測定不能であった。

0026

後者を水車が水平になり、羽根の方向が水の流れ方向と一致するようにに固定して、巾の広い川に浮かべて固定紐で水の流れに逆らうように自由に流した所、よい回転の状況を示した。

0027

比較のため、ほぼ同寸法の他の方式で10mm/秒の風速で発電を行ったがこの試作品からは、電気を取り出すことが出来なかった、このことよりも、本発明の実効は十分予測通りであり、大型機での実施での有効性確信を持った。

0028

図面により本実施例の説明を行う。本実施例は風を対象に製作したものだが、流水でのテストにも十分耐えて効果を発揮したものである。図1は風又は水の流れが左手前からの場合の斜視図である、太い矢印方向から送られている状態に羽根の方向が描かれている。図2はこれの側面図であり、図3は歯車と羽根の関係を表した俯瞰図である。記号は全ての図に共通しているので、図1図2、一部図3を使って解説する。

0029

羽根(a)は羽根の軸(b)に一体化されていて、この軸に歯車(h)がピン(p)で取り付けられている。歯車(h)は自由回転の中間歯車(g)により固定歯車(e)と噛み合っている。この羽根(a)は、上下の羽根取り付け台(c)に回転自在に取り付けられている。羽根取り付け台(c)は出力軸(d)にピン(p)で取り付けられ、これにより、羽根(a)により生まれた回転の力がピン(p)を介して出力歯車(l)から発電機の入力歯車(n)を通して発電機(m)に伝えられる。風又は水の流れの方向により羽根(a)の回転位置を変えるために、ステッピングモーター(j)の出力歯車(i)と固定歯車(e)と一体の歯車(f)により固定歯車(e)を微量回転させる方法も取れる。本体は台(o)から支柱(k)により支えられている。

0030

出力軸の1/2の速度で回転する羽根を持つ風車又は水車は、そのエネルギー獲得の効率がよく、また必要とする設置面積も大きい必要がない、故に風車の場合は簡便に各地、建物の上などに設置でき、小発電に有効である、特に太陽光発電が出来ない夜間や曇天の中で有効である。
また水車に使用の場合、狭い流路の中に置くことで使用出来、また河川の流れに筏で浮かべることで使用出来、簡便に電気のエネルギー獲得を行うことが出来る。

図面の簡単な説明

0031

斜視図
側面図
俯瞰図
羽根の方向変化を示した図

符号の説明

0032

a羽根
b 羽根の軸
c 羽根取り付け台
d出力軸
e固定歯車
f 固定歯車への入力歯車
g中間歯車
羽根軸の歯車
iステッピングモーターに出力歯車
j ステッピングモーター
k支柱
l 出力歯車
m発電機
n 入力歯車
o 台
p 取り付けピン

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